KR101381301B1 - Reactor System for Bio-Oil Supercritical Water Reforming with Vertical Type Reactor and Operation Method of Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나무 등과 같은 고형상의 목질계 바이오매스를 급속 열분해하여 얻는 열분해유인 바이오오일을 초임계수에서 연속 개질하여 가연성 합성가스를 제조하는 수직형 반응기를 갖는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.
본 발명의 반응시스템은 목질계 바이오매스로부터 수취한 바이오오일과 물을 혼합한 반응물질을 투입하는 반응물질투입장치와; 투입되는 반응물질을 예열시키고, 예열된 반응물질을 초임계수조건에서 개질시켜 가연성 합성가스가 포함된 생성물을 생산하는 수직형 반응장치와; 상기 수직형반응장치에서 생산된 생성물을 냉각하고 상분리하여 이물질이 제거된 합성가스를 생산하는 후처리장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a biooil supercritical water reforming reaction system having a vertical reactor for producing flammable syngas by continuously reforming biooil, which is a pyrolysis oil obtained by rapid pyrolysis of a solid wood-based biomass such as wood, in a supercritical water and its operation. It is about a method.
The reaction system of the present invention includes a reactant input device for inputting a reactant mixed with biooil and water received from woody biomass; A vertical reactor for preheating the introduced reactant and reforming the preheated reactant under supercritical water to produce a product containing combustible syngas; And a post-treatment apparatus for cooling the product produced in the vertical reactor and phase-separating to produce a synthesis gas from which foreign substances have been removed.
Description
본 발명은 나무 등과 같은 고형상의 목질계 바이오매스를 급속 열분해하여 얻는 열분해유인 바이오오일을 초임계수에서 연속 개질하여 가연성 합성가스를 제조하는 수직형 반응기를 갖는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템 및 그 운전방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a biooil supercritical water reforming reaction system having a vertical reactor for producing flammable syngas by continuously reforming biooil, which is a pyrolysis oil obtained by rapid pyrolysis of a solid wood-based biomass such as wood, in a supercritical water and its operation. It is about a method.
바이오매스는 신재생자원으로서 화석연료의 대체 에너지원으로 세계적인 주목을 받고 있다. 특히 2세대 바이오매스로 불리는 나무와 같은 목질계 바이오매스는 비식용 자원으로 식량의 연료 이용에서 오는 사회적 갈등에서 자유롭고 세계적 매장량이 풍부하여 인류의 에너지 및 환경 문제를 해결하는 데 크게 기여할 수 있다. Biomass is attracting worldwide attention as an alternative energy source for fossil fuels as a renewable resource. Wood-based biomass, especially wood, such as second-generation biomass, is a non-edible resource that is free from social conflicts stemming from the use of food and can contribute to solving the energy and environmental problems of humankind by abundant global reserves.
종래의 상용화된 목질계 바이오매스의 대표적 에너지 이용기술로는 연소와 가스화 등이 있다. 연소는 과거로부터 잘 알려진 기술로서 충분한 산소나 공기 중에서 고온 산화반응을 통하여 열에너지를 얻는 방법이다. 열에너지는 수증기, 온수로 전환할 수 있고 이는 수증기 터빈을 이용하여 전기 생산에도 이용된다. 일반적으로 바이오매스 가스화 기술은 주로 부분산화 가스화이며, 고온으로 유지되는 가스화 반응기 내부에 원료인 목질계 바이오매스를 투입하여 원료 중 유기성분을 직접 가스화하여 가연성 합성가스를 생산하는 방법이다. 바이오매스의 직접가스화 기술은 반응기 형태, 가스화 반응 진행 방법 등에 따라서 다양한 세부 기술이 개발되어 있으나, 공정의 구성은 석탄의 직접 가스화에 의한 합성가스 생산기술과 매우 유사하다.Typical energy utilization technologies of conventional commercialized woody biomass include combustion and gasification. Combustion is a well-known technique from the past and is a method of obtaining thermal energy through high-temperature oxidation reaction in oxygen or air. Thermal energy can be converted to water vapor and hot water, which is also used for electricity production using steam turbines. Generally, the biomass gasification technology is a partial oxidation gasification, and is a method of producing flammable syngas by directly liquefying organic components in raw materials by injecting woody biomass as raw material into a gasification reactor maintained at a high temperature. Direct gasification technologies of biomass have been developed in various forms according to reactor type, gasification reaction method, etc. However, the composition of the process is very similar to the synthesis gas production technology by direct gasification of coal.
종래의 연소나 가스화 등의 목질계 바이오매스로부터 에너지 생산기술은 적어도 두 가지 문제점을 갖고 있다. 우선, 두 기술은 모두 대규모 시설로 운전되므로 하루에 수백톤 이상의 바이오매스를 안정적으로 공급할 수 있는 자원 부존량이 풍부한 지역이 주변에 존재하여야 한다. 목질계 바이오매스는 에너지 밀도가 낮고 발생지역이 산재하여 높은 운반비용이 소요되기 때문이다. 두 번째 문제는 연소나 가스화 과정에서 발생하는 분진이나 타르를 생성물로부터 분리하는 각종 분리, 정제 장치들이 필요하다는 점이다. 특히 가스화 기술의 경우에는 이들 불순물을 제거하기 위해서 복잡한 형태의 가스화 반응기 (대한민국 특허등록 10-0784851, 대한민국 특허등록 10-069508)나 가스화 반응기 후단에 흔히 타르 제거장치(대한민국 특허등록 10-0819505, 대한민국 특허등록 10-0896933)가 추가적으로 부착된다. 이와 같이 목질계 바이오매스의 직접 가스화 기술은 원료의 준비과정에서부터 제조된 합성가스의 정제과정까지 다양한 단위공정들이 조합되어 구성되기 때문에 경제성을 맞추기 위해서는 일반적으로 시설의 대규모화가 불가피하다. 그러나 국내의 주요 목질계 바이오매스인 산림 바이오매스는 매년 발생하는 양이 일정하지 않아 산재되어 있으며 대부분 소경재로서 단위 부피당 에너지함량도 매우 낮은 실정이다. 이는 높은 원료 운반비용을 초래하여 중앙집중식 대형 가스화 공정의 경제성을 떨어뜨리는 주요 원인이 되고 있다.BACKGROUND ART [0002] Energy production technology from woody biomass such as conventional combustion or gasification has at least two problems. First, since both technologies are operated by large-scale facilities, there must be an area with abundance of resources capable of supplying more than several hundred tons of biomass per day in a stable manner. Woody biomass is low in energy density and scattered in the area of origin, resulting in high transportation costs. The second problem is that various separation and purification devices are needed to separate the dust or tar generated from the combustion or gasification process from the product. Particularly, in the case of gasification technology, a complex type of gasification reactor (Korean Patent Registration No. 10-0784851, Korean Patent Registration No. 10-069508) or a tar removal device (Korea Patent Registration No. 10-0819505, Patent Registration No. 10-0896933) is additionally attached. Since the direct gasification technology of the woody biomass is composed of various unit processes from the preparation of the raw material to the purification process of the synthesized gas produced, it is generally inevitable to enlarge the facility in order to meet the economical efficiency. However, forest biomass, the main woody biomass in Korea, is scattered because the amount is not constant every year, and the energy content per unit volume is very low as most are small-size materials. This leads to high raw material transportation costs, which is a major reason for lowering the economics of the centralized large gasification process.
따라서 이러한 목질계 바이오매스의 낮은 에너지 밀도를 고려하여 최근에 개발되는 기술이 급속 열분해 기술이다. 이 기술은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 그리고 리그린 등과 갖은 고분자로 구성된 목질계 바이오매스에 외부에서 열을 가하여 저분자 물질로 전환하는 기술로서 반응온도가 연소나 가스화에 비하여 낮고 상압에서 운전되는 장점이 있다. 주요 생성물은 액상의 열분해유인 바이오오일이고 부산물로 탄화물(bio-char)와 가연성 합성가스가 생성된다. 급속 열분해 장치는 비교적 간단하여 이동식으로 제작할 수 있다. 바이오오일은 목질계 바이오매스보다 에너지밀도가 4 배 정도 높고 액상이므로 운반 및 저장 비용을 크게 줄일 수 있으므로 바이오매스 원료가 있는 장소에서 이동식 열분해 장치를 이용하여 바이오오일을 생산, 수요처로 운반함으로서 원료비용을 절감할 수 있다(D. Mohan 외, Energy & Fuels 2006, 20, 848-889). 바이오오일은 다양한 목적으로 이용할 수 있는데, 특히 개질을 통하여 합성가스를 생산한 후 이를 가스엔진이나 가스터빈에 적용하여 전기 생산에 이용할 수 있다. 이와 같이 목질계 바이오매스를 일차적으로 급속 열분해하여 바이오오일로 전환하고 이를 이차적으로 개질하여 최종 에너지로 생산하는 바이오매스 간접 가스화하는 공정이 개발되었다(대한민국 특허등록 10-1137897). 그러나 바이오오일을 개질하여 합성가스를 생산하자면 구체적인 반응장치와 이의 운전방법이 필요하다. 바이오오일 개질방법으로 종래의 메탄이나 납사의 수증기 개질을 적용하는 방법을 고려할 수 있다. 수증기 개질법은 비교적 상압에서 수행하는 장점이 있으나, 바이오오일과 같이 다양한 분자량과 물성을 갖는 유기물질이 혼재한 혼합물에 적용할 경우 목적반응 외에 부반응이 진행되어 합성가스의 수율이 떨어지고 타르(tar)와 같은 불순물이 발생하는 단점이 있어 이를 제거하기 위한 후속장치의 도입이 필연적이다.
Therefore, a recently developed technology is a rapid pyrolysis technique in consideration of the low energy density of such woody biomass. This technology is a technology to convert woody biomass composed of polymers such as cellulose, hemicellulose, and re-greens into exothermic materials by externally heating. It has advantages such that reaction temperature is lower than combustion or gasification and it operates at normal pressure. The main product is bio-oil, which is a liquid-phase pyrolysis product. As a by-product, carbide (bio-char) and flammable syngas are produced. The rapid pyrolysis apparatus is relatively simple and can be manufactured as a portable type. Since bio oil has 4 times higher energy density than liquid wood biomass and is liquid, it can greatly reduce transportation and storage costs. Therefore, the cost of raw material is transferred by producing and demanding bio oil using mobile pyrolysis device in the place where biomass raw materials are located. (D. Mohan et al., Energy & Fuels 2006, 20, 848-889). Bio-oil can be used for various purposes. In particular, synthetic gas can be produced by reforming and then applied to a gas engine or gas turbine for use in electricity production. In this way, a ligneous biomass is firstly rapidly pyrolyzed and converted into bio oil, which is secondarily reformed to produce indirect energy for biomass production (Korean Patent Registration No. 10-1137897). However, in order to produce syngas by modifying bio-oil, specific reaction equipment and operating method are needed. A method of applying conventional steam reforming of methane or naphtha by a bio-oil reforming method may be considered. However, when applied to a mixture of organic materials having various molecular weights and physical properties such as bio-oil, the steam reforming process causes a side reaction in addition to the objective reaction, resulting in a decrease in the yield of synthesis gas, There is a disadvantage that the same impurities are generated and it is inevitable to introduce a follow-up device to remove the impurities.
이에 본 발명의 수직형 반응기를 갖는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템 및 그 운전방법은,The biooil supercritical water reforming reaction system having a vertical reactor of the present invention and its operation method are
목질계 바이오매스를 급속 열분해하여 얻은 바이오오일을 초임계수에서 개질하여 타르(tar)나 차르(char) 등의 불순물이 전혀 없는 고품질의 가연성 합성가스를 연속적으로 생산하기 위한 수직형 반응기를 갖는 반응시스템과 이의 최적 운전방법을 제공하는데 있다.
Reaction system having a vertical reactor for continuously producing high quality combustible synthesis gas free of impurities such as tar or char by reforming bio-oil obtained by rapid pyrolysis of wood-based biomass in supercritical water And to provide an optimal operation method thereof.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 수직형 반응기를 갖는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템은,Biooil supercritical water reforming reaction system having a vertical reactor of the present invention for solving the above problems,
목질계 바이오매스로부터 수취한 바이오오일과 물을 혼합한 반응물질을 투입하는 반응물질투입장치와; 투입되는 반응물질을 예열시키고, 예열된 반응물질을 초임계수조건에서 개질시켜 가연성 합성가스가 포함된 생성물을 생산하는 수직형 반응장치와; 상기 수직형반응장치에서 생산된 생성물을 냉각하고 상분리하여 이물질이 제거된 합성가스를 생산하는 후처리장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. A reactant input device for inputting a reactant mixed with biooil and water received from woody biomass; A vertical reactor for preheating the introduced reactant and reforming the preheated reactant under supercritical water to produce a product containing combustible syngas; And a post-treatment apparatus for cooling the product produced in the vertical reactor and phase-separating to produce a synthesis gas from which foreign substances have been removed.
상기 수직형 반응장치는, 수직통체로 중간에는 내주면을 따라 중심축으로 돌출된 단턱인 촉매지지대가 형성되고, 상기 촉매지지대에는 금속망을 안치하여 내부를 상부 반응챔버와 하부 예열챔버로 구획하고, 예열챔버 하부 측면에는 반응물질공급관이 연통되고 반응챔버 상단에는 배출관이 연통되어 생성물을 배출시키는 수직형반응기와; 상기 예열챔버 내부에 배치되어 반응물질을 가열시키는 내부가열기와; 상기 예열챔버 하부 외벽에 코일형태로 설치되어 유입되는 반응물질을 가열시키는 외부가열기와; 상기 예열챔버와 반응챔버에 배치되어 반응물질의 예열온도 및 반응온도를 측정하는 열전대와; 상기 수직형반응기의 하단에 연통설치되어 반응물질이 가열되면서 부반응(coking)으로 생성되어 침강하는 고형물을 저장하는 고형물 저장조와; 상기 반응챔버의 금속망 상부에 충전되는 촉매층과; 상기 촉매층 상부에 설치되어 부유에 의해 촉매의 유출을 방지하는 원판형필터와; 상기 수직형반응기를 가열하기 위해 수직형반응기를 내포하도록 설치되는 가열로;를 포함하여 구성된다.
The vertical reactor, a vertical cylinder is formed in the middle of the catalyst support which is a step protruding toward the central axis along the inner circumferential surface, and the inside of the catalyst support is divided into an upper reaction chamber and a lower preheating chamber by placing a metal mesh, A vertical reactor for communicating with a reactant supply pipe at a lower side of the preheating chamber and a discharge pipe at a top of the reaction chamber for discharging a product; An internal heater disposed in the preheating chamber to heat a reactant; An external heater installed on the outer wall of the preheat chamber in the form of a coil to heat the reactant introduced; A thermocouple disposed in the preheating chamber and the reaction chamber to measure a preheating temperature and a reaction temperature of a reactant; A solids storage tank communicating with the bottom of the vertical reactor and storing a solid which is generated as a side reaction (coking) while the reactant is heated and settles; A catalyst layer filling the upper portion of the metal mesh of the reaction chamber; A disc filter installed on the catalyst layer to prevent the outflow of the catalyst by floating; It is configured to include; a heating furnace which is installed to contain a vertical reactor to heat the vertical reactor.
또한 본 발명의 수직형 반응기를 갖는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템의 운전방법은,In addition, the operating method of the biooil supercritical water reforming reaction system having a vertical reactor of the present invention,
상기 바이오오일과 물을 희석해 제조된 반응물질의 유기물질 농도는 COD 기준으로 약 50,000 - 200,000 mgO2/L인 것을 사용하고, 수직형 반응기의 예열챔버는 500 - 650 ℃ 예열온도, 반응챔버는 650 - 710 ℃ 범위의 반응온도, 25 - 35 MPa 범위의 반응압력, 25 - 50 h-1 LHSV의 유입속도로 반응물질을 공급하여 운전되는 것을 특징으로 한다.
The organic material concentration of the reactant prepared by diluting the biooil and water is about 50,000 to 200,000 mgO 2 / L based on COD, and the preheating chamber of the vertical reactor is 500 to 650 ° C. and the reaction chamber is It is characterized in that it is operated by supplying the reactants at a reaction temperature in the range of 650-710 ℃, reaction pressure in the range of 25-35 MPa, inflow rate of 25-50 h-1 LHSV.
이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 수직형 반응기를 갖는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템 및 그 운전방법은,As described in detail above, a biooil supercritical water reforming reaction system having a vertical reactor of the present invention and a method of operating the same,
바이오오일로부터 타르(tar) 등 불순물이 전혀 없는 청정 가연성 합성가스를 연속 생산할 수 있어 종래의 바이오오일의 수증기 개질에서 생성가스 중의 불순물 제거를 위한 다양한 분리, 정제 공정이 수행되는 것을 생략할 수 있다.Since it is possible to continuously produce a clean flammable synthesis gas free from impurities such as tar from bio oil, various separation and purification processes for removing impurities in the product gas may be omitted in steam reforming of conventional biooil.
또한, 반응기를 도입부분에 예열기능을 갖는 일체형으로 형성해 반응물질이 반응기 하부인 도입부분에서 상부로 흐르면서 급속 예열과 개질 반응이 수행되도록 하여 반응물질의 예열과정에서 고형화(coking) 반응으로 발생하는 차(char)를 중력에 의해 반응기 하단에 포집시키도록 한 것이다. 이러한 차의 분리는 반응기의 촉매를 이용한 반응과정에 차가 유입되는 것을 차단시켜 개질반응에 의한 가스생성이 안정적으로 일어날 수 있게 하는 효과가 있다. 즉, 개질반응시 반응기에 충전된 촉매 표면에 고형물질이 고착되어 촉매활성이 저하되는 현상을 방지할 수 있어 보다 안정적이며 효과적인 촉매 반응을 수행할 수 있는 것이다. In addition, the reactor is formed integrally with a preheating function in the inlet portion, so that the reactant flows from the inlet portion, which is the lower part of the reactor, to the upper part, so that the rapid preheating and reforming reactions are performed. (char) was collected at the bottom of the reactor by gravity. This separation of the car has an effect that the production of gas by the reforming reaction can be stably caused by blocking the inflow of tea in the reaction process using the catalyst of the reactor. That is, it is possible to prevent the phenomenon that the catalytic activity is lowered by the solid material is fixed on the surface of the catalyst filled in the reactor during the reforming reaction can perform a more stable and effective catalytic reaction.
아울러 본 발명의 반응기는 개질반응이 이루어지는 반응관과 반응물질을 예열시키는 예열관을 분리구성하고, 반응관과 예열관을 유니온(union)이나 리듀서(reducer) 등으로 상호 연결하여 연결부분의 내측 돌출부분을 촉매층지지대(support)로 역할을 수행하게 하고, 상기 촉매층지지대 상부에는 촉매 입자보다 좁은 구멍(holes)을 갖는 금속망을 장착함으로서 예열관 상부에 직접 반응관을 연결한 수직형 반응기에서도 촉매충전이 용이하게 이루어져 안정적인 운전이 가능하게 하는 효과가 있다.
In addition, the reactor of the present invention separates the reaction tube in which the reforming reaction takes place and the preheating tube for preheating the reactants, and interconnects the reaction tube and the preheating tube with a union or reducer to protrude the inner side of the connecting portion. Part of the catalyst layer support (support), and the catalyst layer support on the upper part by mounting a metal mesh having holes (holes) narrower than the catalyst particles (catalyst charging in the vertical reactor directly connected to the reaction tube on top of the preheating tube This makes it easy to have the effect of enabling stable operation.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직형반응기를 갖는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템을 을 개략도시한 구성도. 1 is a schematic diagram illustrating a biooil supercritical water reforming reaction system having a vertical reactor according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the appended drawings illustrate only the contents and scope of technology of the present invention, and the technical scope of the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention based on these examples.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직형반응기를 갖는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템을 을 개략도시한 구성도이다. 1 is a schematic view showing a biooil supercritical water reforming reaction system having a vertical reactor according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와같이 본 발명에 따른 반응시스템(10)은 반응물질투입장치(20)와, 수직형반응장치(30)와, 후처리장치(40)로 구성된다.As shown, the
상기 반응물질투입장치(20)는, 목질계 바이오매스로부터 수취한 바이오오일과 물을 혼합한 반응물질을 수직형반응장치(30)로 공급하는 장치이다. 이러한 반응물질투입장치(20)는 실린더형투입기(21)와, 상기 실린더형투입기로 물 및 반응물질을 공급하는 제1물저장조(22) 및 반응물질저장조(23)와, 초기 운전시 실린더형투입기로 반응물질 대신 물을 공급하는 준비수저장조(24)를 포함한다.The
상기 실린더형투입기(21)는 수직으로 입설되는 원통체의 실린더(211)을 구비하고, 상기 실린더의 내부에는 상하 이동하면서 내부공간을 상기 실린더 내부공간을 상부의 반응물질챔버(214)와 하부의 물챔버(213)로 구획하는 피스톤(212)이 설치된다. The
상기 실린더(211)의 후단인 상단에는 반응물질공급관(215)이 배관되어 반응물질챔버 내에 충전된 반응물질을 수직형반응장치(30)로 공급하도록 하고, 실린더형투입기의 후단에 근접한 부분에는 관체 유로를 단속하는 단속밸브(216)가 설치되고, 상기 단속밸브와 실린더형투입기 사이에는 압력계를 설치하여 관체 내부의 압력을 측정할 수 있도록 한다. At the upper end of the
상기 제1물저장조(22)는 하부에 저울(디지털저울)이 설치된 저장조로 물주입관(221)을 통해 실린더 전단인 물챔버(213)로 물을 주입하도록 한다. 상기 물주입관(221)에는 라인상에 고압펌프(222)가 설치되어 저장된 물을 고압으로 공급하도록 하고, 라인상에 단속밸브(223)를 설치하여 내부 유로를 단속하도록 한다. 아울러 상기 물주입관(221)은 라인상에 설치된 단속밸브(223)와 실린더 전단 사이에 회류관(224)이 더 연통설치되어 반응물질챔버(214)로의 반응물질 충전시 물챔버에서 배출되는 물을 제1물저장조(22)로 재저장되도록 할 수 있으며, 또한, 회류관(224)에는 라인상에 단속밸브(225)를 설치하여 물주입관(221)을 통해 물챔버(213)로 물공급시 회류관으로 물이 새는 것을 방지하도록 한다.The first
상기 반응물질저장조(23)는 반응물질을 저장하고 이를 실린더형투입기(21)의 반응물질챔버(214)로 충전시킨다. 상기 반응물질저장조(23)는 반응물질주입관(231)을 통해 실린더형투입기(21)와 연결되며, 상기 반응물질주입관(231)은 반응물질공급관의 단속밸브(216)와 실린더형투입기 후단 사이에 연통되어 상기 반응물질공급관의 단속밸브(216)는 닫은 상태에서 주입하여 반응물질챔버(214)로의 충전이 이루어지도록 한다. 또한, 상기 반응물질주입관(231)의 라인상에는 고압펌프(232)를 설치하여 반응물질저장조의 반응물질을 고압공급하고, 라인상에 단속밸브(233)를 더 설치하여 반응물질챔버의 반응물질을 수직형반응기로 공급시 반응물질주입관을 통해 역류되는 것을 방지하도록 한다. The
그리고 상기 반응물질저장조(23)에는 원액저장조(234)와 제2물저장조(235)로부터 바이오오일 원액과 물을 공급받아 공급에 의한 부족분을 보충할 수 있도록 하여 연속공급이 가능하도록 한다. 즉, 상기 원액과 물을 펌프에 의해 이송하여 각각 투입하거나 혼합한 다음 투입되도록 하며, 상기 반응물질저장조(23)에는 투입된 원액과 물이 잘 교반되도록 통상적인 교반장치가 설치될 수 있다. 또한 상기 원액저장조(234)와 제2물저장조(235)에는 하부에 저울이 설치됨으로 저장량이 줄어들면 별도의 원액이송관 및 물보충관을 통해 필요한 원액 및 물을 공급받도록 할 수 있다.In addition, the
아울러 준비수저장조(24)는 수직형반응장치(30)에 반응물질을 공급하기 이전의 초기 운전시 수직형반응장치 내부를 초임계수 환경의 온도와 압력을 조성하도록 반응물질 대신 임시로 공급하는 물이 저장된다. 상기 준비수저장조(24)는 준비수공급관(241)에 의해 반응물질공급관(215)과 연통되도록 연결된다. 상기 준비수공급관과 반응물질공급관은 도시된 바와같이 티(Tee)를 이용하여 결합하며 준비수공급관 라인에는 준비수를 고압이송시키는 고압펌프(242)와 상기 준비수공급관을 단속하는 단속밸브(243)가 설치되어 필요시 단속밸브를 개방한 후 준비수저장조의 물을 고압공급한다.
In addition, the preliminary
다음으로 상기 수직형반응장치(30)는 투입되는 반응물질을 예열시키고, 예열된 반응물질을 초임계수조건에서 개질시켜 가연성 합성가스가 포함된 생성물을 생산한다.Next, the
상기 수직형 반응장치(30)는 수직통체인 수직형반응기(31)를 구비한다. 상기 수직형반응기는 중간부분의 내주면을 따라 돌출된 단턱인 촉매지지대(313)가 형성되고, 상기 촉매지지대의 상부에는 금속망(314)을 안치한다. 상기 금속망에 의해 상기 수직형반응기의 내부는 상부 반응챔버(312)와 하부 예열챔버(311)로 구획되며, 상기 예열챔버의 하부 측면에는 반응물질공급관(215)이 연통되고 반응챔버 상단에는 배출관(39)이 연통되어 예열챔버로 유입된 반응물질이 반응챔버에서 촉매개질반응하여 배출관을 통해 생성물을 배출시킨다. The
이러한 수직형반응기의 예열챔버(311) 내부에는 내부가열기(32)가 축방향으로 설치되고, 예열챔버의 하부 외벽에는 코일형태의 외부가열기(33)가 설치되어 유입된 반응물질이 상부로 이동하면서 신속하게 예열이 이루어지도록 하며, 상기 예열챔버와 반응챔버에는 열전대(34)가 설치되어 반응물질의 예열온도와 반응온도를 측정하도록 한다. The
또한, 상기 수직형반응기(31)의 하단에는 예열챔버와 연통되어 고형물저장조(35)가 일체로 형성된다. 상기 고형물저장조(35)는 반응물질이 가열되면서 부반응(coking)으로 생성되어 자중에 의해 침강되는 고형물을 저장하는 챔버이다. 상기 고형물저장조는 일측에 별도의 배출관을 장착하여 일정량 쌓이면 배출이 이루어지도록 할 수 있다. In addition, the lower end of the
아울러 상기 수직형반응기(31)의 반응챔버(312)에는 금속망(314) 상부에 촉매를 충전시켜 촉매층(36)을 형성하여 반응물질이 초임계수 조건에서 촉매 개질반응이 이루어지도록 한다. 상기 촉매층 상부에는 수직형반응기를 덮는 원판형필터(37)를 설치해 부유에 의해 촉매가 유출되는 것을 방지하도록 하며, 충전되는 촉매로는 다양한 촉매가 사용될 수 있으나 바람직하게는 Ni-Y/AC 촉매를 충전하여 사용하는 것이다. In addition, the
또한 상기 수직형반응기의 외면에는 가열로(38)가 설치된다. 상기 가열로는 수직형반응기(31)를 내포하여 수직형반응기 내부의 예열챔버와 반응챔버 모두에 열을 가하여 온도를 상승시킨다. In addition, a
상기 수직형반응기(31)는, 예열챔버와 반응챔버를 각 예열관과 반응관으로 분리구성하고, 유니온(union)이나 리듀서(reducer)로 상호 연결하여 일체화하는 형태로도 제공될 수 있다. 여기서 상기 연결부분은 내측 돌출부분을 금속망이 안치되는 촉매층지지대로 사용하여 촉매의 적층이 이루어지도록 할 수 있다.
The
한편, 상기 후처리장치(40)는 수직형반응장치에서 생산되는 생성물을 냉각하고 상분리하여 이물질이 제거된 합성가스를 생산하는 장치이다. On the other hand, the after-
이러한 후처리장치(40)는 수직형반응장치(30)에서 생성된 생성물을 상온으로 냉각하는 열교환기(41)와, 상기 열교환으로 냉각된 생성물로부터 고형물을 필터링하는 원통형필터(42)와, 상기 고형물이 분리된 생성물의 반응압력을 상압으로 감압시키는 후압제어기(43)와, 상기 감압된 생성물을 기상과 액상으로 분리하는 기액분리기(44)가 순차적으로 연통 설치된다.The
또한 상기 기액분리기(44)에는 하부에 순환관(441)이 연통설치되고, 상기 순환관의 유로상에는 단속밸브(442)가 설치되어 기액분리기 내의 분리된 액상유출수 수위를 조절하고 배출되는 과잉 유출수는 제2물저장조(235)로 이송시켜 반응물질 생산에 재사용되도록 할 수 있다.In addition, the gas-
또한, 상기 기액분리기에서 분리된 기상인 가스를 배출하는 배관라인에는 가스유량을 측정하기 위한 가스 유량측정기(45)가 설치될 수 있다. In addition, the
아울러 상기 각 라인에는 압력계를 설치하여 반응압력을 확인할 수 있다. 예컨대 반응물질공급관과 원통형필터 후단에 압력계를 각각 설치하여 개질반응이 이루어지는 수직형반응장치 전후의 반응압력 차이를 확인할 수 있다.
In addition, a pressure gauge may be installed in each line to check the reaction pressure. For example, by installing a pressure gauge at the rear end of the reactant supply pipe and the cylindrical filter, the reaction pressure difference before and after the vertical reactor in which the reforming reaction is performed can be confirmed.
이와같은 본 발명에 따른 수직형 반응기를 갖는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템 및 그 운전방법은,Such a biooil supercritical water reforming reaction system having a vertical reactor according to the present invention and a method of operating the same,
우선 촉매를 충전한 수직형반응기(30)를 비롯한 모든 세부 장치들을 고압 튜브로 연결하여 반응시스템의 유로를 고압으로 형성한 다음 준비수공급관(241)의 단속밸브(243)는 개방하고, 실린더형투입기(21) 후단의 반응물질공급관(215)에 설치된 단속밸브(216)는 폐쇄하여 준비수저장조(24)의 물이 고압펌프(242)에 의해 수직형반응기(31)로 공급되도록 한다. First, all the detailed devices including the
후처리장치(40)의 후압제어기(43)는 상압을 유지하고 밸브를 완전히 열어 수직형반응기(31) 하부로 공급된 물이 수직형반응기 상부를 통해 기액분리기(44)로 유입되도록 하되, 투입된 물이 외부로 유출되지 못하도록 수직형반응기(31) 하단의 고형물저장조(35)와 기액분리기(44)에 설치된 단속밸브(442)를 모두 폐쇄하여 수직형반응기 반응챔버(312)의 압력과 온도를 초임계수 조건으로 상승시키도록 한다. The after
아울러 반응물질저장조(23)에서는 미리 저장한 바이오오일 원액을 원액저장조(234)에서 펌프를 이용하여 반응물질저장조(23)로 유입하고, 희석을 위하여 물을 제2물저장조(235)에서 펌프를 통하여 반응물질저장조로 동시에 유입한다. 유입되는 바이오오일과 물의 양은 각 저장조(234,235)에 설치된 저울를 통하여 측정하여 원하는 유기물질의 농도를 갖는 반응물질이 조제되도록 유입양을 제어한다. 이를 위해서는 당연히 바이오오일의 유기물질 농도를 미리 분석하여 알고 있어야 한다. 바이오오일에는 수백종의 유기화합물이 존재하므로 이들의 양을 정확히 측정하기는 매우 난해하다. 따라서 이의 화학적산소요구량(COD)이나, 총유기탄소량(TOC)이나, 수분함량을 측정하여 총유기물질의 농도를 개략적으로 정하고 실험 후 얻은 유출수 시료도 동일한 분석을 수행하여 유기물질의 가스화 정도를 산출한다. 반응물질저장조(23)에 설치된 교반기를 이용하여 유입된 바이오오일과 물을 잘 혼합하여 균질한 단일상의 반응물질을 조제한다.In addition, the
실린더형투입기(21)의 물챔버(213)에는 제1물저장조(22)의 물을 고압펌프(222)로 공급하여 채우며, 투입한 물의 양은 제1물저장조의 저울을 이용하여 계산하여 물챔버(213)의 부피만큼 투입한다.The
실린더형투입기의 반응물질챔버(214)에는 반응물질저장조(23)의 반응물질을 고압펌프(232)로 공급하되 반응물질공급관(215)은 준비수공급관(241)과 합관되는 티(Tee) 부분을 분리하여 실린더형투입기 후단과 분리된 단부 사이의 단속밸브(216)를 개방해 반응물질이 반응물질챔버(214)를 채우고 분리된 단부로 흘러나오면, 단속밸브(216)를 폐쇄하고 분리된 반응물질공급관(215)을 연결한 후 반응물질 투입을 중지한다.The
회류관(224)의 단속밸브(225)를 닫은 상태에서 제1물저장조(22)의 물을 실린더형투입기의 물챔버(213)로 연속공급해 피스톤(212)을 상승시켜 반응물질챔버의 압력을 반응압력으로 상승시키고, 압력이 상승 완료되면 물주입관의 단속밸브(223)를 닫고 물투입을 중지하여 반응물질을 수직형반응기(31)에 투입할 수 있도록 한다.While the
한편, 준비수저장조(24)의 물은 수직형반응기 하부 예열챔버(311)로 공급되고 수직상승하여 반응챔버를 통해 후처리장치(40)를 통과하도록 하고, 후처리장치 중 기액분리기(44)로 물이 흘러나오면 후압제어기(43)를 이용하여 물공급라인의 고압펌프(242)와 후압제어기(43) 사이의 압력을 반응압력까지 상승시킨다. Meanwhile, the water of the preparation
또한, 예열챔버(311)에 설치된 내부가열기(32)와 외부가열기(33)와 가열로(38)를 가동하여 예열챔버 온도를 500 ℃ 이상으로 유지하고, 반응챔버 온도도 600 ℃ 이상으로 유지되도록 한다. 또한, 준비수저장조(24)의 저장된 물의 량을 저울로 일정 간격으로 측정해 투입되는 물의 유속을 측정하고, 공급될 반응물질의 유속과 같아지도록 설정하여 후압제어기(43)와 준비수공급관(241) 및 물주입관(221)의 사이의 압력이 동일한 반응압력으로 유지되도록 함으로써 개질반응에 필요한 준비가 완료된다. In addition, the
준비가 완료되면 준비수공급관(241)과 반응물질주입관(231) 및 회류관(224)의 단속밸브(243,233,225)를 닫고 물주입관(221)의 단속밸브(223)만 개방한 다음 고압펌프(222)를 이용하여 제1물저장조(22)의 물을 물챔버로 공급하여 피스톤(212)을 밀어 반응물질챔버(214)에 저장된 반응물질이 반응물질공급관(215)을 통해 수직형반응기의 예열챔버(311)로 공급되도록 함으로서 바이오오일의 개질 반응에 의한 합성가스 생산 운전을 수행하게 되는 것이다.When the preparation is complete, close the
본 발명의 바람직한 운전방법으로는 상기 바이오오일과 물을 희석해 제조된 반응물질의 유기물질 농도는 COD 기준으로 약 50,000 - 200,000 mgO2/L인 것을 사용하고, 수직형 반응기의 예열챔버는 500 - 650 ℃ 예열온도, 반응챔버는 650 - 710 ℃ 범위의 반응온도, 25 - 35 MPa 범위의 반응압력, 25 - 50 h-1 LHSV의 유입속도로 반응물질을 공급하여 운전하는 것이다.
In the preferred method of the present invention, the organic material concentration of the reactant prepared by diluting the biooil and water is about 50,000-200,000 mgO 2 / L based on COD, and the preheating chamber of the vertical reactor is 500-. The preheating temperature of 650 ℃, the reaction chamber is operated by supplying the reactants at the reaction temperature in the range of 650-710 ℃, reaction pressure in the range of 25-35 MPa, inflow rate of 25-50 h-1 LHSV.
상기 바이오오일의 초임계수 개질 반응기는 종래의 초임계수 개질 혹은 가스화 장치와 달리 반응챔버와 예열챔버가 수직으로 연결되어 있고 반응물질의 흐름은 중력 방향의 반대 방향인 하부에서 상부로 흐르는 것을 특징으로 한다. 따라서 반응물질의 예열과정에서 부반응(coking)으로 발생하는 고형물(char)를 예열챔버 하단에 설치된 고형물저장조로 중력 침강시켜 반응물질과 분리될 수 있다. Unlike the conventional supercritical water reforming or gasifier, the biooil supercritical water reforming reactor is characterized in that the reaction chamber and the preheating chamber are vertically connected, and the flow of the reactants flows from the bottom to the top in the opposite direction to the gravity direction. . Therefore, the solids generated by coking during the preheating of the reactants may be separated from the reactants by gravity settling in a solids storage tank installed at the bottom of the preheating chamber.
또한, 일반적인 고정층 반응기에서 문제가 되는 촉매층 폐쇄현상이나 촉매 표면 활성 저하를 방지할 수 있으므로 보다 고농도의 유기물을 갖는 반응물질을 조제하여 이용할 수 있다. In addition, since it is possible to prevent the catalyst layer closing phenomenon and the catalyst surface activity decrease which are a problem in a general fixed bed reactor, it is possible to prepare and use a reactant having a higher concentration of organic matter.
실시예에 의하면 화학적산소요구량(COD) 약 200,000 mgO2/L이 되는 반응물질도 본 발명의 수직형 반응기를 이용하여 처리할 수 있다. 개질 반응을 보다 효과적으로 수행하기 위하여 관련 반응에 활성이 있는 촉매를 제조하여 반응기에 충전하여 사용하는 것이 바람직하나, 본 발명에서 사용 촉매를 제한하는 것은 아니다. 따라서, 작업자가 필요에 따라 상기 반응기 촉매층을 선택하는 것에 의해, 상기 개질 반응장치를 조절하는 것이 가능하다.
According to the embodiment, a reactant having a chemical oxygen demand (COD) of about 200,000 mgO 2 / L may also be treated using the vertical reactor of the present invention. In order to perform the reforming reaction more effectively, it is preferable to prepare a catalyst which is active in the relevant reaction and use it in a reactor, but the catalyst used in the present invention is not limited. Therefore, it is possible for the operator to adjust the reforming reactor by selecting the reactor catalyst layer as needed.
이하 본 발명에 따른 수직형 반응기를 갖는 반응시스템 및 그 운전방법으로 물에 희석한 바이오오일을 초임계수 개질하여 가연성 합성가스를 생산하는 실시예를 기술한다.
Hereinafter, an embodiment of producing a combustible synthesis gas by reforming a supercritical water of a biooil diluted in water by a reaction system having a vertical reactor according to the present invention and an operation method thereof.
실시예 1: 촉매 영향Example 1 Catalyst Influence
도 1의 수직형 반응기를 갖는 반응시스템을 이용하여 바이오오일을 초임계수 개질하여 가연성 합성가스를 생산하는 데에 미치는 촉매 영향을 [표 1]에 나타내었다. The catalyst effect on the production of flammable syngas by supercritical water reforming of the biooil using the reaction system having the vertical reactor of FIG. 1 is shown in [Table 1].
본 발명의 실시예에서 LHSV는 상온에서 반응물질 유입속도를 반응기 부피로 나눈 값으로 정의하였으며, 이 값이 높을수록 반응시간이 짧다. 따라서 LHSV에서는 예열챔버에서의 반응물질 체류시간은 고려되지 않았다. In the embodiment of the present invention, LHSV was defined as a value obtained by dividing the reactant inflow rate by the reactor volume at room temperature, and the higher this value, the shorter the reaction time. Therefore, in LHSV, the residence time of the reactants in the preheat chamber was not taken into account.
본 실시예의 주요 운전조건은 표 1 하기에 기술하였으며, 표1을 참조한 바와같이 니켈-이트리움/활성차콜(Ni-Y/AC) 촉매 반응에서 총 가스 생성속도가 높게 나타났고, 생성가스 조성을 분석한 결과 수소와 이산화탄소 함량은 높고 일산화탄소와 저급 탄화수소 함량은 낮게 나타났다. The main operating conditions of this embodiment are described in Table 1 below, and as shown in Table 1, the total gas generation rate was high in the nickel-itrium / active charcoal (Ni-Y / AC) catalyst reaction, and the generated gas composition was analyzed. As a result, the contents of hydrogen and carbon dioxide are high and the contents of carbon monoxide and low hydrocarbon are low.
이러한 결과로부터 Ni-Y/AC 촉매가 수소 생성 반응에 활성을 갖고 있음을 알 수 있다. 활성차콜(AC)도 수소 생성 반응에 다소 활성을 보였으나 총 가스 생성속도에는 큰 영향이 없었다. These results show that the Ni-Y / AC catalyst has activity in the hydrogen production reaction. Activated charcoal (AC) was also somewhat active in the hydrogen production reaction, but did not significantly affect the total gas production rate.
생성가스의 발열량을 측정한 결과 무촉매 > AC > Ni-Y/AC 촉매 순으로 높은 수치를 보였다. 이는 발열량이 높은 일산화탄소나 메탄, 그리고 저급 탄화수소 등이 무촉매나 AC 촉매 조건에서 더 많이 생성되었기 때문이다. 액상 생성물의 화학적산소요구량(COD)를 측정한 결과 Ni-Y/AC 경우에서 COD 제거율이 월등히 높았고 AC는 촉매가 없을 경우와 유사하였다.
As a result of measuring the calorific value of the generated gas, high values were obtained in the order of no catalyst>AC> Ni-Y / AC catalyst. This is because carbon monoxide, methane, and lower hydrocarbons, which have high calorific value, were produced more in the absence of catalyst or AC catalyst. As a result of measuring the chemical oxygen demand (COD) of the liquid product, the COD removal rate was much higher in the Ni-Y / AC case, and the AC was similar to the case without the catalyst.
* 기타 운전조건 ; * Other operating conditions;
- 반응물질의 초기농도 : 화학적산소요구량(COD) 기준 145,840 mgO2/L , -Initial concentration of reactant: 145,840 mgO 2 / L based on chemical oxygen demand (COD),
- 반응물질의 pH : 약 2.5, PH of reactant: about 2.5,
- 예열챔버 온도 : 590-650 ℃, Preheat chamber temperature: 590-650 ℃
- 반응챔버 온도 : 670 ℃, -Reaction chamber temperature: 670 ℃,
- 반응압력 : 28 MPa, -Reaction pressure: 28 MPa,
- 수직형반응기의 반응물질 유입속도 : 25 h-1 LHSV
-Rate of reactant in the vertical reactor: 25 h -1 LHSV
실시예 2: 반응물질 초기농도 영향Example 2 Initial Concentration Effect of Reactants
바이오오일 원액을 희석하여 조제한 반응물질의 유기물 농도에 따른 초임계수 개질 결과를 [표 2]에 나타내었다. The results of the supercritical water reformation according to the organic concentration of the reactants prepared by diluting the biooil stock solution are shown in [Table 2].
반응물질 초기농도가 증가함에 따라 총 가스 생성속도와 생성가스 발열량은 증가하는 경향을 보였다. 생성가스 중 수소함량은 반응물질 초기농도 증가에 따라 감소한 반면, 다른 가스들의 함량은 높아지는 경향을 보였다. 이는 반응물질 농도가 높을수록 수소 생성반응속도가 줄어들기 때문이다. 특히 수소와 메탄의 함량을 비교해 보면, 수소함량 감소가 메탄의 개질반응속도 감소에 기인함을 알 수 있다. As the initial concentration of the reactants increased, the total gas generation rate and the generated gas calorific value increased. The hydrogen content of the product gas decreased with increasing initial concentration of the reactants, while the content of other gases tended to increase. This is because the higher the reactant concentration, the lower the hydrogen production reaction rate. In particular, comparing the content of hydrogen and methane, it can be seen that the decrease in hydrogen content is due to the reduction rate of methane reforming reaction.
그러나 액상의 높은 화학적산소요구량(COD) 제거결과에서 알 수 있듯이, 본 발명 장치를 이용하면 약 200,000 mgO2/L의 고농도 바이오오일을 96% 이상 가스화하여 약 3,800 kcal/Nm3 정도의 높은 발열량을 갖는 깨끗한 가연성 가스를 생산할 수 있다. However, as can be seen from the result of removing the high chemical oxygen demand (COD) of the liquid phase, using the present invention gasification of high concentration biooil of about 200,000 mgO 2 / L of 96% or more gas to generate a high calorific value of about 3,800 kcal / Nm 3 Can produce a clean flammable gas.
이러한 발열량 수치는 종래의 부분산화 가스화 반응기로부터 생산한 가스가 갖는 발열량의 두 배 이상에 해당한다. 반응물질의 pH 수치가 2.5 정도로 상당히 높은 산성을 보였으나, 액상 생성물의 pH는 6-8 수준으로 중성을 보였는데 이는 유기산 등 반응물질에 존재하는 산성물질들이 초임계수 개질 과정에서 대부분 가스화 되었기 때문이다.
This calorific value corresponds to at least twice the calorific value of the gas produced from the conventional partial oxidation gasification reactor. The pH of the reactants was considerably acidic (2.5), but the pH of the liquid product was neutral (6-8), because most of the acidic substances in the reactants such as organic acids were gasified during the supercritical water reforming process. .
* 기타 운전조건 ; * Other operating conditions;
- 반응물질의 pH : 약 2.5, PH of reactant: about 2.5,
- 촉매 : 니켈-이트리움/활성차콜 (Ni-Y/AC), Catalyst: nickel-itrium / active char (Ni-Y / AC),
- 예열챔버 온도 : 590-650 ℃, Preheat chamber temperature: 590-650 ℃
- 반응챔버 온도 : 670 ℃, -Reaction chamber temperature: 670 ℃,
- 반응압력 : 28 MPa, -Reaction pressure: 28 MPa,
- 반응기의 반응물질 유입속도 : 25 h-1 LHSV
-Reactor reactant inflow rate: 25 h -1 LHSV
실시예 3: 반응물질 투입속도 영향Example 3: Effect of Reactant Dosing Rate
반응물질의 반응기 투입유속에 따른 바이오오일의 초임계수 개질 결과를 [표 3]에 나타내었다. The results of supercritical water reforming of biooil according to the reactor feed rate of the reactants are shown in [Table 3].
실시예 1에서 설명하였지만 LHSV는 상온에서 반응물질 유입속도를 반응기 부피로 나눈 값으로 정의하였으며, 이 값이 높을수록 반응시간이 짧다. Although described in Example 1, LHSV is defined as a value obtained by dividing the reactant inflow rate at the reactor temperature by the reactor volume. The higher this value, the shorter the reaction time.
[표 3]에서 LHSV 25 h-1는 180g/h이며 50 h-1는 360g/h에 해당된다. In Table 3, LHSV 25 h −1 corresponds to 180 g / h and 50 h −1 corresponds to 360 g / h.
총 가스 생성속도와 생성가스 발열량은 반응물질 투입유속 증가에 따라 증가하는 경향을 보였으나 생성가스 조성은 크게 변하지 않았음을 알 수 있다. The total gas generation rate and the generated gas calorific value tended to increase with increasing reactant input flow rate, but the product gas composition did not change significantly.
따라서 상기 실험 조건에서 반응물질 투입유속은 초임계수 개질 결과에 큰 영향이 없다고 판단된다. 이는 보다 많은 바이오오일을 본 발명 장치로 처리할 수 있다는 것을 의미하는 고무적인 결과이다.
Therefore, it is determined that the reactant input flow rate does not significantly affect the supercritical water reforming results under the experimental conditions. This is an encouraging result, meaning that more biooil can be treated with the device of the present invention.
* 기타 운전조건 ;* Other operating conditions;
- 반응물질의 초기농도 (COD) : 74,000 mgO2/L, Initial concentration of reactant (COD): 74,000 mgO 2 / L,
- pH : 약 2.5, pH: about 2.5,
- 촉매 : 니켈-이트리움/활성차콜 (Ni-Y/AC), Catalyst: nickel-itrium / active char (Ni-Y / AC),
- 예열챔버 온도 : 590-650 ℃, Preheat chamber temperature: 590-650 ℃
- 반응챔버 온도 : 675 ℃, -Reaction chamber temperature: 675 ℃,
- 반응압력 : 28 MPa
-Reaction pressure: 28 MPa
실시예 4: 반응온도 영향Example 4: Reaction Temperature Influence
바이오오일의 초임계수 개질에 미치는 반응온도의 영향을 [표 4]에 나타내었다. The effect of reaction temperature on the supercritical water reforming of biooil is shown in [Table 4].
촉매층의 반응온도가 상승함에 따라 총 가스 생성속도가 증가하였으나 증가속도는 고온일수록 느려지는 경향을 보였다. 이는 COD 제거율에서 알 수 있듯이 반응온도가 650 ℃ 정도에 이르러 유기물질이 대부분 가스화 되었기 때문이다. As the reaction temperature of the catalyst bed increased, the total gas generation rate increased, but the increase rate tended to decrease as the temperature increased. This is because, as the COD removal rate shows, most of the organic material was gasified when the reaction temperature reached about 650 ℃.
그러나 [표 4]에서 보이듯이 반응물질의 초기농도에 따라 가스화율의 반응온도 의존성이 다소 다른 경향을 보였다. 즉, 반응물질의 초기농도가 높을수록 고온에서 총 가스 생성속도의 온도 의존성이 강하고 초기농도가 낮을수록 약한 특징을 나타내고 있다. However, as shown in [Table 4], the dependence of the reaction temperature on the gasification rate tended to be different depending on the initial concentration of the reactants. In other words, the higher the initial concentration of the reactants, the stronger the temperature dependence of the total gas production rate at high temperatures, and the weaker the initial concentration.
생성가스의 발열량은 반응온도가 높아짐에 따라 증가하다가 680 ℃이상 온도에서 크게 감소하였다. 이는 생성가스 조성에서 보이듯이 고온에서 수소 생성반응이 활성화되어 수소 생성량은 증가하고 메탄, 에탄, 프로판 등 고열량 가스들의 함량은 감소하였기 때문이다. The calorific value of the product gas increased with increasing reaction temperature and then decreased significantly above 680 ℃. This is because, as shown in the product gas composition, the hydrogen production reaction is activated at high temperature, and the hydrogen production amount is increased and the content of high calorific gases such as methane, ethane, and propane is decreased.
최적 반응온도는 생성가스의 이용목적에 따라서 결정될 수 있다. 예를들어, 생성가스를 발전용 연료로 이용하고자 한다면 발열량이 최대치를 보인 650 ℃ 근방 온도가 최적 온도이고, 생성가스를 수소 생산용 원료로 이용하고자 한다면 680 ℃ 이상의 반응챔버온도에서 반응기를 운전하는 것이 바람직하다.
The optimum reaction temperature can be determined according to the purpose of use of the produced gas. For example, if you want to use the generated gas as the fuel for power generation, the temperature near 650 ℃ where the calorific value shows the maximum is the optimal temperature, and if you want to use the generated gas as the raw material for hydrogen production, the reactor is operated It is preferable.
* 기타 운전조건 : * Other operating conditions:
- 반응물질의 pH : 2.5, PH of reactant: 2.5,
- 촉매 : 니켈-이트리움/활성차콜 (Ni-Y/AC), Catalyst: nickel-itrium / active char (Ni-Y / AC),
- 예열챔버 온도 : 509-665 ℃, Preheat chamber temperature: 509-665 ℃,
- 반응압력 : 28 MPa, -Reaction pressure: 28 MPa,
- 수직형반응기의 반응물질 유입속도 : 25 h-1 LHSV
-Rate of reactant in the vertical reactor: 25 h -1 LHSV
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It can be understood that
10 : 반응시스템
20 : 반응물질 투입장치
21 : 실린더형투입기 22 : 제1물저장조
23 : 반응물질저장조 24 : 준비수저장조
211 : 실린더 212 : 피스톤
213 : 물챔버 214 : 반응물질챔버
215 : 반응물질공급관
216,223,225,233,243,442 : 단속밸브
221 : 물주입관 222,232,242 : 고압펌프
224 : 회류관
231 : 반응물질주입관 234 : 원액저장조
235 : 제2물저장조
241 : 준비수공급관
30 : 수직형반응장치
31 : 수직형 반응기 32 : 내부가열기
33 : 외부가열기 34 : 열전대
35 : 고형물저장조 36 : 촉매층
37 : 원판형필터 38 : 가열로
39 : 배출관
311 : 예열챔버 312 : 반응챔버
313 : 촉매지지대 314 : 금속망
40 : 후처리장치
41 : 열교환기 42 : 원통형필터
43 : 후압제어기 44 : 기액분리기
45 : 유량측정기
441 : 순환관 10: reaction system
20: Reactant input device
21: cylinder type feeder 22: the first water storage tank
23: reactant storage tank 24: preparation water storage tank
211
213: water chamber 214: reactant chamber
215: reactant supply pipe
216,223,225,233,243,442: intermittent valve
221: water injection pipe 222,232,242: high pressure pump
224: flow pipe
231: reaction material injection pipe 234: stock solution tank
235: second water storage tank
241: preparation water supply pipe
30: vertical reactor
31: vertical reactor 32: internal heater
33: external heater 34: thermocouple
35: solids storage tank 36: catalyst bed
37 disc shaped
39: discharge pipe
311: preheat chamber 312: reaction chamber
313
40: post-processing device
41: heat exchanger 42: cylindrical filter
43: after pressure controller 44: gas-liquid separator
45: flow meter
441: circulation pipe
Claims (10)
상기 반응물질투입장치(20)는,
피스톤(212)에 의해 내부가 반응물질챔버(214)와 물챔버(213)로 구획되는 실린더형투입기(21)와;
고압펌프(222)에 의해 저장된 물을 실린더형투입기 전단을 통해 물챔버로 고압 이송시키는 하부에 저울이 설치된 제1물저장조(22)와;
저울이 설치된 원액저장조(234) 및 제2물저장조(235)로부터 바이오오일 원액과 물을 공급받아 교반시켜 반응물질을 제조하고, 제조된 반응물질은 고압펌프(232)에 의해 실린더형투입기 후단을 통해 반응물질챔버(214)로 충전되도록 하는 반응물질저장조(23)와;
수직형반응장치에 반응물질을 공급하기 이전의 초기 운전시 수직형반응장치 내부를 초임계수환경으로 조성하도록 반응물질 대신 공급하는 물이 저장되는 준비수저장조(24);로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템.A reactant input device 20 for inputting a reactant mixed with biooil and water received from woody biomass; A vertical reactor 30 for preheating the injected reactant and reforming the preheated reactant under supercritical water to produce a product containing combustible syngas; And a post-treatment device 40 for producing a synthesis gas from which foreign matters are removed by cooling and phase-separating the product produced in the vertical reactor.
The reactant injection device 20,
A cylindrical injector 21 whose interior is partitioned into a reactant chamber 214 and a water chamber 213 by a piston 212;
A first water storage tank 22 having a scale installed at a lower portion of the water stored by the high pressure pump 222 to transfer the high pressure water to the water chamber through the front end of the cylindrical feeder;
The reactants are prepared by agitating and receiving bio-oil stock solution and water from the stock solution storage tank 234 and the second water storage tank 235 in which the scale is installed, and the prepared reactant is connected to the rear end of the cylindrical type feeder by a high pressure pump 232. Reactant storage tank 23 to be filled into the reactant chamber 214 through;
Characterized in that consisting of; a pre-water storage tank 24 is stored to supply the water instead of the reactant to form the inside of the vertical reactor in the supercritical water environment during the initial operation before supplying the reactant to the vertical reactor Biooil supercritical water reforming reaction system.
수직원통체의 실린더(211)와;
상기 실린더 내부공간을 반응물질챔버(214)와 물챔버(213)로 구획하는 피스톤(212)과;
상기 실린더의 후단에 배관되어 반응물질챔버(214) 내에 충전된 반응물질을 수직형반응장치(30)로 공급하는 반응물질공급관(215)과;
상기 실린더의 후단의 반응물질공급관에 연통설치되어 실린더의 반응물질챔버(214)로 반응물질을 주입시키기 위한 반응물질주입관(231)과;
상기 실린더의 전단으로 제1물저장조(22)의 물을 물챔버(213)로 주입하는 물주입관(221)과;
상기 실린더 전단의 물주입관(221)에 연통설치되어 반응물질 충전으로 배출되는 물을 제1물저장조(22)로 재이송시키는 회류관(224)과;
상기 반응물질공급관(215)과, 반응물질주입관(231)과, 물주입관(221)과, 회류관(224)에 각각 설치되는 단속밸브(216,233,223,225);로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템.According to claim 1, wherein the cylindrical input machine 21,
A cylinder 211 of a vertical cylinder;
A piston 212 dividing the cylinder internal space into a reactant chamber 214 and a water chamber 213;
A reactant supply pipe 215 piped to the rear end of the cylinder and supplying the reactant filled in the reactant chamber 214 to the vertical reactor 30;
A reactant injection pipe 231 installed in communication with the reactant supply pipe at the rear end of the cylinder to inject the reactant into the reactant chamber 214 of the cylinder;
A water injection pipe 221 for injecting water from the first water storage tank 22 into the water chamber 213 at the front end of the cylinder;
A circulating pipe 224 communicating with the water injection pipe 221 at the front end of the cylinder and re-transmitting the water discharged by the filling of the reactant to the first water storage tank 22;
Bioreactor supercritical water, characterized in that consisting of the reaction material supply pipe 215, the reaction material injection pipe 231, the water injection pipe 221, the control valve 216, 233, 223, 225, respectively installed in the return pipe 224 Reforming reaction system.
수직통체로 중간에는 내주면을 따라 중심축으로 돌출된 단턱인 촉매지지대(313)가 형성되고, 상기 촉매지지대에는 금속망(314)을 안치하여 내부를 상부 반응챔버(312)와 하부 예열챔버(311)로 구획하고, 예열챔버 하부 측면에는 반응물질공급관(215)이 연통되고 반응챔버 상단에는 배출관(39)이 연통되어 생성물을 배출시키는 수직형반응기(31)와;
상기 예열챔버 내부에 배치되어 반응물질을 가열시키는 내부가열기(32)와;
상기 예열챔버 하부 외벽에 코일형태로 설치되어 유입되는 반응물질을 가열시키는 외부가열기(33)와;
상기 예열챔버와 반응챔버에 배치되어 반응물질의 예열온도 및 반응온도를 측정하는 열전대(34)와;
상기 수직형반응기의 하단에 연통설치되어 반응물질이 가열되면서 부반응(coking)으로 생성되어 침강하는 고형물을 저장하는 고형물저장조(35)와;
상기 반응챔버의 금속망 상부에 충전되는 촉매층(36)과;
상기 촉매층 상부에 설치되어 부유에 의해 촉매의 유출을 방지하는 원판형필터(37)와;
상기 수직형반응기를 가열하기 위해 수직형반응기를 내포하도록 설치되는 가열로(38);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템.The method of claim 1, wherein the vertical reactor 30,
In the middle of the vertical cylinder, a catalyst support 313, which is a step protruding from the central axis along the inner circumferential surface, is formed, and the catalyst support is placed in the upper reaction chamber 312 and the lower preheating chamber 311 by placing a metal mesh 314 therein. And a vertical reactor (31) communicating with the reactant supply pipe (215) at the lower side of the preheating chamber and communicating with a discharge pipe (39) at the top of the reaction chamber;
An internal heater (32) disposed in the preheating chamber to heat the reactants;
An external heater 33 installed in a coil form on an outer wall of the preheating chamber to heat the reactant introduced;
A thermocouple 34 disposed in the preheating chamber and the reaction chamber to measure a preheating temperature and a reaction temperature of a reactant;
A solids storage tank 35 communicating with the bottom of the vertical reactor and storing solids which are generated as a side reaction (coking) and settle as the reactants are heated;
A catalyst layer 36 filling the upper portion of the metal mesh of the reaction chamber;
A disk-shaped filter 37 installed on the catalyst layer to prevent the outflow of the catalyst by floating;
And a heating furnace (38) installed to enclose the vertical reactor to heat the vertical reactor.
예열챔버와 반응챔버를 각 예열관과 반응관으로 분리구성하고, 유니온(union)이나 리듀서(reducer)로 상호 연결하여 일체화하고,
연결부분의 내측 돌출부분을 금속망이 안치되는 촉매층지지대로 사용하도록 한 것을 특징으로 하는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템.The method of claim 4, wherein the vertical reactor 31,
The preheating chamber and the reaction chamber are separated into each preheating tube and the reaction tube, and are integrated by connecting with a union or reducer.
A biooil supercritical water reforming reaction system, characterized in that the inner protruding portion of the connection portion is used as a catalyst layer support on which a metal network is placed.
상기 수직형 반응장치에서 배출되는 생성물을 상온으로 냉각하는 열교환기(41)와;
열교환으로 냉각된 생성물로부터 고형물을 필터링하는 원통형필터(42)와;
상기 고형물이 분리된 생성물의 반응압력을 상압으로 감압시키는 후압제어기(43)와;
상기 감압된 생성물을 기상과 액상으로 분리하는 기액분리기(44)와;
상기 기액분리기하부에 연통되어 액상 유출수 수위를 조절하고 과잉 유출수는 제2물저장조(235)로 이송시키는 단속밸브(442)가 설치된 순환관(441)과;
상기 기상 생성물인 합성가스 생성유량을 측정하는 합성가스 유량 측정기(45);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오오일 초임계수 개질 반응시스템.According to claim 1, The post-processing device 40,
A heat exchanger (41) for cooling the product discharged from the vertical reactor to room temperature;
A cylindrical filter 42 for filtering solids from the product cooled by heat exchange;
A post pressure controller (43) for reducing the reaction pressure of the product from which the solids are separated to atmospheric pressure;
A gas-liquid separator 44 for separating the reduced pressure product into a gas phase and a liquid phase;
A circulation pipe 441 which is connected to the gas-liquid separator and regulates the liquid effluent water level, and controls the excess effluent to the second water storage tank 235, and an intermittent valve 442 is installed;
Biogas supercritical water reforming reaction system, characterized in that it comprises a ;; syngas flow rate measuring device for measuring the synthesis gas production flow rate of the gaseous product (45).
상기 반응시스템의 초기 운전방법은,
반응시스템의 유로를 고압으로 형성한 다음 준비수공급관의 단속밸브는 개방하고, 실린더형투입기 후단의 반응물질공급관에 설치된 단속밸브는 폐쇄하여 준비수저장조의 물이 고압펌프에 의해 수직형반응기로 공급되도록 하고,
후처리장치의 후압제어기는 상압을 유지하고 밸브를 완전히 열어 수직형반응기 하부로 공급된 물이 수직형반응기 상부를 통해 기액분리기로 유입되도록 하되, 투입된 물이 외부로 유출되지 못하도록 수직형반응기 하단의 고형물저장조와 기액분리기에 설치된 단속밸브를 모두 폐쇄하여 수직형반응기 상부의 반응챔버 압력과 온도를 초임계수 조건으로 상승시키도록 하며,
상기 반응물질투입장치의 운전방법은,
실린더형투입기의 물챔버에는 제1물저장조의 물을 고압펌프로 공급하여 채우고,
실린더형투입기의 반응물질챔버에는 반응물질저장조의 반응물질을 고압펌프로 공급하되 반응물질공급관은 준비수공급관과 합관되는 티(Tee) 부분을 분리하여 실린더형투입기 후단과 분리된 단부 사이의 단속밸브를 개방해 반응물질이 반응물질챔버를 채우고 분리된 단부로 흘러나오면, 단속밸브를 폐쇄하고 분리된 반응물질공급관을 연결한 후 반응물질 투입을 중지하고,
회류관의 단속밸브를 닫은 상태에서 제1물저장조의 물을 실린더형투입기의 물챔버로 연속공급해 피스톤을 상승시켜 반응물질챔버의 압력을 반응압력으로 상승시키고, 압력이 상승 완료되면 물주입관의 단속밸브를 닫고 물투입을 중지하여 반응물질을 수직형반응기에 투입할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 초임계수 반응시스템의 운전방법.Cylindrical injector to store reactant in one space divided by piston and to inject water into the other space by injecting water into the other space, and to prepare water for supplying water instead of reactant at initial operation A reactant input device having a reservoir; A vertical reactor for raising the reactant introduced from the lower part while preheating the upper part to produce a syngas product by a catalytic reforming reaction under supercritical water conditions; In the operation method of the supercritical water reforming reaction system comprising a post-treatment device for generating a synthesis gas by removing the foreign matter of the product produced in the vertical reactor,
Initial operation method of the reaction system,
After forming the flow path of the reaction system at high pressure, the intermittent valve of the preparation water supply pipe is opened, and the intermittent valve installed at the reaction material supply pipe at the rear end of the cylinder type feeder is closed and the water of the preparation water storage tank is supplied to the vertical reactor by the high pressure pump. Make sure,
The after pressure controller of the aftertreatment device maintains the atmospheric pressure and opens the valve completely so that the water supplied to the lower part of the vertical reactor is introduced into the gas-liquid separator through the upper part of the vertical reactor, but the injected water is prevented from flowing out to the outside. Close all intermittent valves installed in the solid storage tank and the gas-liquid separator to raise the reaction chamber pressure and temperature in the upper part of the vertical reactor to supercritical water conditions.
Operation method of the reactant injection device,
Fill the water chamber of the cylindrical feeder by supplying the water of the first water storage tank with a high pressure pump,
The reactant chamber of the cylinder type feeder supplies the reactant material of the reactant reservoir with a high-pressure pump, but the reactant supply pipe separates the tee connected to the preparation water supply pipe to control the intermittent valve between the rear end of the cylindrical feeder and the separated end. When the reactant is filled with the reactant chamber and flows to the separated end, close the control valve, connect the separated reactant supply pipe, and stop the input of the reactant.
With the intermittent valve closed, the water in the first water reservoir is continuously supplied to the water chamber of the cylinder type feeder and the piston is raised to raise the pressure of the reactant chamber to the reaction pressure. A method of operating a supercritical water reaction system, characterized in that the closing of the valve and stopping the introduction of water to introduce the reactants into the vertical reactor.
준비수저장조의 물은 수직형반응기 하부 예열챔버로 공급되고 수직상승하여 반응챔버를 통해 후처리장치를 통과하도록 하고, 후처리장치 중 기액분리기로 물이 흘러나오면 후압제어기를 이용하여 물공급라인의 고압펌프와 후압제어기 사이의 압력을 반응압력까지 상승시키고,
예열챔버에 설치된 내부가열기와, 외부가열기와, 가열로를 가동하여 예열챔버 온도를 500 ℃ 이상으로 가열하여 유지하도록 하고,
준비수저장조의 저장된 물의 량을 저울로 일정 간격으로 측정해 투입되는 물의 유속을 측정하고, 공급될 반응물질의 유속과 같아지도록 설정하여 후압제어기와 준비수공급관및 물공급관의 사이의 압력이 동일한 반응압력으로 유지되도록 하고,
준비수공급관과 반응물질주입관 및 회류관의 단속밸브를 닫고 물주입관의 단속밸브만 개방한 다음 고압펌프를 이용하여 제1물저장조의 물을 물챔버로 공급하여 피스톤을 밀어 반응물질챔버에 저장된 반응물질이 반응물질공급관을 통해 수직형반응기의 예열챔버로 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 초임계수 반응시스템의 운전방법.The method of claim 7, wherein the operation of the vertical reactor,
The water from the preparatory water storage tank is supplied to the preheating chamber under the vertical reactor and rises vertically to pass through the aftertreatment device through the reaction chamber.When water flows into the gas-liquid separator of the aftertreatment device, Increase the pressure between the high pressure pump and the after pressure controller to the reaction pressure,
The internal heater, the external heater and the heating furnace installed in the preheating chamber are operated to maintain the preheating chamber temperature above 500 ° C.,
The amount of water stored in the preparatory water storage tank is measured at regular intervals to measure the flow rate of the input water, and set to be equal to the flow rate of the reactant to be supplied so that the pressure between the after pressure controller, the preparative water supply pipe, and the water supply pipe is the same. To maintain pressure,
Close the intermittent valves of the preparation water supply pipe, the reactant injection pipe, and the circulating pipe, open only the intermittent valve of the water injection pipe, supply the water of the first water storage tank to the water chamber using a high pressure pump, and push the piston to push the reaction into the reaction chamber. A method of operating a supercritical water reaction system, characterized in that material is supplied to a preheating chamber of a vertical reactor through a reactant supply pipe.
바이오오일과 물을 희석해 제조된 반응물질의 유기물질 농도는 COD 기준으로 약 50,000 - 200,000 mgO2/L인 것을 사용하고,
수직형 반응기의 예열챔버는 500 - 650 ℃ 예열온도, 반응챔버는 650 - 710 ℃ 범위의 반응온도, 25 - 35 MPa 범위의 반응압력, 25 - 50 h-1 LHSV의 유입속도로 반응물질을 공급하여 운전되는 것을 특징으로 하는 초임계수 개질 반응시스템 운전방법.The method of claim 7, wherein the operating method of the supercritical water reforming reaction system,
The organic matter concentration of the reactants prepared by diluting the biooil and water is about 50,000-200,000 mgO 2 / L based on COD,
The preheating chamber of the vertical reactor supplies the reactants at a preheating temperature of 500-650 ℃, the reaction chamber of 650-710 ℃, the reaction pressure in the range of 25-35 MPa and the inflow rate of 25-50 h-1 LHSV. Method for operating a supercritical water reforming reaction system, characterized in that the operation.
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