KR101387655B1 - 바이오메스 가스화 합성가스 정제장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오메스 가스화 합성가스 정제장치로서, 가스화로에서 발생한 합성가스를 정제하고자, 상기 가스화로의 후단에 연결되어 상기 가스화로에서 생성된 분진의 대부분을 제거하는 1차 싸이클론과, 상기 1차 싸이클론의 후단에 연결되어 상기 합성가스를 냉각하여 목초액을 회수하는 응축기와, 상기 응축기의 후단에 연결되어 상기 합성가스내의 타르, 분진, 산성가스를 1차 제거하는 습식스크러버와, 상기 습식스크러버의 후단에 연결되어 상기 합성가스내의 수분과 타르 액적을 제거하는 2차 싸이클론과, 상기 2차 싸이클론에서 미제거된 타르 및 수분 미스트를 제거하는 흡착탑과, 상기 흡착탑의 후단에 연결되어 흡착제의 분진을 제거하는 3차 싸이클론을 포함함에 따라, 가스엔진의 운전에 큰 영향을 미치는 타르, 분진, 수분을 운전에 적합한 농도 이하로 낮추어 가스엔진의 안정성을 확보하여 고효율 발전이 가능하고, 타르, 분진, 수분에 의한 배관폐쇄, 압력손실 증가로 인한 가스화시스템의 운전정지를 방지하고 안정적인 조업조건을 확보하여 연속적인 조업이 가능한 효과를 가진다.

Description

바이오메스 가스화 합성가스 정제장치{PURIFICATION APPARATUS OF SYNTHESIS GAS FOR BIOMASS GASIFICATION}
본 발명은 바이오매스 가스화로에서 발생한 타르, 분진, 수분, 산성가스를 제거하기 위한 합성가스 정제장치에 관한 기술이다.
일반적으로 바이오매스 합성가스 정제를 위해 주로 사용되는 장치는 응축기, 습식세정탑이 주로 이용되고 있다. 응축기에서는 합성가스를 냉각하여 목초액을 회수하고, 습식세정탑에서는 타르, 분진, 산성가스 등의 불순물을 제거한다.
종래의 정제장치는 합성가스 중의 불순물에 대한 제거효율이 낮아 합성가스 중의 타르, 분진이 가스엔진에 유입되어 고장을 유발한다. 또한 타르 세정액을 포함한 수분이 제거되지 않아 합성가스의 활용에 많은 문제를 유발하게 된다.
발명의 배경이 되는 선행기술로서 특허문헌 1 및 2에는 각각 합성가스의 정제시스템과, 가스의 정제를 위한 방법 및 설치가 개시되어 있다.
그렇지만, 특허문헌 1 및 2 모두 가스화를 통해 얻어진 합성가스를 정제하는 습식정제장치 구성인 점에서 연관성은 있으나, 합성가스 중의 정제대상물질이 산성가스에 대해 한정되어 있고, 정제장치의 구성 및 구조가 상이하다는 차이와, 합성가스 중의 정제대상물질이 암모니아, 황화수소에 대해 한정되어 있고, 정제장치의 구성 및 구조가 상이한 차이가 각각 있다.
또한 특허문헌3에는 산성가스 분리 회수 장치가 개시되어 있으나, 흡수탑 출구의 수분을 제거하는 구성에 연관성이 있는 것임을 제외하고는, 흡수탑 출구에 설치된 수분제거기의 방식 및 구조가 상이한 차이가 있다.
또한 특허문헌4 및 5에는 각각 바이오메스 가스화에 의한 열병합 발전방법과 수직형 연속식 왕겨 탄화 제조장치에서 열분해 가스화를 통한 발전시스템을 이용한 친환경 저탄소 그린 미곡종합처리장이 개시되어 있지만, 합성가스의 공정구성이 유사한 연관성만 있고, 정제공정을 구체화하고, 타르, 분진, 수분을 제거하기 위한 차별화된 정제설비의 구조라는 점과, 정제장치를 구체화하고 차별화된 내부 구조를 제안하는 차이가 있다.
(특허문헌1) 한국등록특허 제10-0786574호(2007.12.21. 공고)
(특허문헌2) 한국공개특허 제10-2009-0021246호(2009.3.2. 공개)
(특허문헌3) 한국공개특허 제10-2012-0002004(2012.1.5 공개)
(특허문헌4) 한국등록특허 제10-0742159호(2010.11.18. 공고)
(특허문헌5) 한국공개특허 제10-2010-0120580호(2010.11.16. 공개)
따라서, 본 발명의 목적은 바이오매스 가스화로에서 발생한 타르, 분진, 수분, 산성가스를 제거하기 위한 합성가스 정제장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 일 관점에 따른 바이오메스 가스화 합성가스 정제장치는 가스화로에서 발생한 합성가스를 정제하는 정제장치로서, 상기 가스화로의 후단에 연결되어 상기 가스화로에서 생성된 분진의 대부분을 제거하는 1차 싸이클론과, 상기 1차 싸이클론의 후단에 연결되어 상기 합성가스를 냉각하여 목초액을 회수하는 응축기와, 상기 응축기의 후단에 연결되어 상기 합성가스내의 타르, 분진, 산성가스를 1차 제거하는 습식스크러버와, 상기 습식스크러버의 후단에 연결되어 상기 합성가스내의 수분과 타르 액적을 제거하는 2차 싸이클론과, 상기 2차 싸이클론에서 미제거된 타르 및 수분 미스트를 제거하는 흡착탑과, 상기 흡착탑의 후단에 연결되어 흡착제의 분진을 제거하는 3차 싸이클론을 포함한다.
습식스크러버는 벤츄리스크러버와 1차 및 2차 스프레이스크러버 한쌍이 순차 결합된 일체형 습식스크러버일 수 있다.
벤츄리스크러버에는 세정용 약품이 분무되도록 부착된 스프레이 노즐을 포함하고, 1차 스프레이스크러버의 입구에는 벤츄리스크러버에서 분무된 세정액과 가스를 분리하기 위해 설치된 접선유입 싸이클론형 기액분리기를 포함할 수 있다.
1차 스프레이스크러버의 칼럼 내부에는 액적이 충돌하여 큰 물방울 입자가 아래 방향으로 떨어지도록 설치된 복수개의 꺽쇠형 배플을 포함하고, 2차 스프레이스크러버의 칼럼 내부에는 물과 타르 미스트가 가스에서 분리되도록 상하에 소정간격 이격되어 설치된 다공판을 포함할 수 있다.
벤츄리스크러버의 슬롯부분과 각각의 다공판에는 부착된 타르입자를 세척할 수 있도록 설치된 약품분사노즐을 포함할 수 있다.
습식스크러버의 수조에 농축된 타르는 타르 분리기에 의해 연속 제거되고, 타르가 분리된 세정액은 순환수로서 수조로 다시 공급될 수 있다.
흡착탑은 습식스크러버에서 생성된 수분 미스트와 미제거된 타르와 분진을 완전히 제거하기 위해 흡착제를 충진하여 사용할 수 있다.
흡착제는 왕겨, 모래, 활성탄, 활성알루미나, 점토류, 금속류 또는 그 조합으로 구성될 수 있다.
흡착탑에는 합성가스 밀폐장치와 스크류배출장치를 더 포함할 수 있다.
스크류배출장치는 흡착탑 하부의 배출부분에 접선방향으로 삽입하여 흡착탑 배출구를 관통할 수 있다.
합성가스 밀폐장치는 상부 및 하부에 각각 설치되며, 합성가스 외부 유출을 차단, 밀폐하기 위한 회전형 밸브 및 슬라이드 나이프 밸브를 포함할 수 있다.
흡착탑은 원기둥 및 사각형태 또는 그 조합으로 제작할 수 있다.
흡착탑에서의 흡착제 투입 및 배출은 스크류배출장치 가동 시, 연동된 흡착제 높이를 감지하는 센서를 이용하여 입력된 높이보다 낮을 때, 상부호퍼로부터 자동 충진되며, 슬라이드 나이프 밸브가 더블밸브로서 부착된 배출구를 통해 록 호퍼(lock hopper) 방식으로 배출될 수 있다.
흡착탑에 사용된 흡착제는 가스화로에 공급되어 가스화 연료로 사용되고, 무기물계 및 금속계의 흡착제는 재생하여 재사용할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 바이오메스 가스화 합성가스 정제방법은 가스화로에서 발생한 합성가스를 정제하는 정제방법으로서, 가스화로의 후단에 연결된 1차 싸이클론을 통해 가스화로에서 생성된 분진의 대부분을 제거하는 공정과, 상기 1차 싸이클론의 후단에 연결된 응축기를 통해 상기 합성가스를 냉각하여 목초액을 회수하는 공정과, 상기 응축기의 후단에 연결된 습식스크러버를 통해 상기 합성가스내의 타르, 분진, 산성가스를 제거하는 공정과, 상기 습식스크러버의 후단에 연결된 2차 싸이클론을 통해 상기 합성가스내의 수분과 타르 액적을 제거하는 공정과, 흡착탑으로 통해 상기 2차 싸이클론에서 미제거된 타르 및 수분 미스트를 제거하는 공정과, 상기 흡착탑의 후단에 연결된 3차 싸이클론을 통해 흡착제의 분진을 제거하는 공정을 포함한다.
본 발명에 의하면, 가스엔진의 운전에 큰 영향을 미치는 타르, 분진을 운전에 적합한 농도 이하로 낮추어 가스엔진의 안정성을 확보하여 고효율 발전이 가능하고, 타르, 분진에 의한 배관폐쇄, 압력손실 증가로 인한 가스화시스템의 운전정지를 방지하고 안정적인 조업조건을 확보하여 연속적인 조업이 가능한 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오메스 가스화 합성가스 정제장치의 구성도이고,
도 2는 벤츄리와 스프레이 일체형 스크러버를 나타내는 개략 구성도이고,
도 3은 접선 유입식 싸이클론형 기액분리기의 평면도이고,
도 4는 1차스크러버 내부 배플의 정면도, 평면도 및 측면도이고,
도 5는 1차스크러버 내부 배플의 또 다른 실시예이고,
6은 스크류 강제배출식 흡착탑의 정면도이고,
7는 도 6의 평면도이고,
도 8은 흡착탑의 또 다른 실시예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운영자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오메스 가스화 합성가스 정제장치의 구성을 나타내고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바이오메스 가스화 합성가스 정제장치는 가스화로(10)에서 발생한 합성가스를 가스엔진(90)에서 사용하기에 적합한 수준으로 정제하는 정제장치로서, 가스화로(10)의 후단에 1차 싸이클론(20)과, 응축기(30)와, 습식스크러버(40)와, 2차 싸이클론(22)과, 흡착탑(70)과, 3차 싸이클론(24)과, 유인송풍기(26)와, 가스엔진(90)에 순차적으로 연결되어 있다.
1차 싸이클론(20)은 가스화로(10)에서 생성된 분진의 대부분을 제거한다.
응축기(30)는 2단 응축기로서, 1차 싸이클론(20)을 통해 분진이 제거된 합성가스를 냉각하여 토양개량, 병충해 방지 등에 사용하는 목초액을 회수한다.
습식스크러버(40)는 목초액이 회수된 합성가스내의 타르, 분진 및 H2S, HCI와 같은 산성가스를 제거한다.
2차 싸이클론(22)에서는 습식스크러버(40)를 통과한 합성가스내의 수분과 타르 액적을 제거한다.
흡착탑(70)은 2차 싸이클론(22)에서 미제거된 타르 및 수분 미스트를 제거하며, 건식 흡착탑을 사용할 수 있다.
마지막으로, 3차 싸이클론(24)은 흡착탑(70)을 통과한 흡착제의 분진을 제거한다.
습식스크러버(40)는 도 2에 도시된 바와 같이 타르, 분진, 산성가스의 제거효율을 높이기 위하여 벤츄리스크러버(42)와 1차 및 2차 스프레이스크러버(50)(60) 한쌍이 순차 결합된 일체형 습식스크러버로 구성되며, 벤츄리스크러버(42)에는 세정용 약품이 분무되도록 부착된 스프레이 노즐(44)을 포함하고, 1차 및 2차 스프레이스크러버(50)(60)의 입구에는 벤츄리스크러버(42)에서 분무된 세정액과 가스를 분리하기 위해 도 3에 도시된 바와 같은 접선유입 싸이클론형 기액분리기(52)가 설치된다.
또한 1차 스프레이스크러버(50)의 칼럼(54) 내부에는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 복수개의 꺽쇠형 배플(56)이 설치되고, 2차 스프레이스크러버(60)의 칼럼(64) 내부에는 한 쌍의 다공판(66)이 상하로 이격되어 설치됨에 따라, 물과 타르가 스크러버의 밖으로 배출되는 것을 억제한다. 1차 스프레이스크러버(50)의 칼럼(54) 내부에 설치하는 배플(56)은 도 5와 같이 주름진 형상의 배플을 채용할 수 도 있다.
기액분리기(52)에 의해 분리된 액적이 1차 스프레이스크러버(50)의 배플(56)에 충돌하여 큰 물방울 입자를 형성하여 아래 방향으로 떨어지게 되며, 합성가스는 2차 스프레이스크러버(60)에 설치된 다공판(66)에 의해 물과 타르 미스트가 합성가스에서 분리된다.
한편, 벤츄리스크러버(42)의 슬롯(43)부분과 2차 스프레이스크러버(60)내의 각각의 다공판(66)에는 부착된 타르입자를 세척할 수 있도록 약품분사노즐(48)(68)이 인접하여 설치될 수 있다.
습식스크러버(40)는 1차 및 2차 스프레이스크러버(50)(60)의 하부에 수조(46)가 설치되며, 이 수조(46)에 농축된 타르는 타르 분리기(도시하지 않음)에 의해 연속 제거할 수 있고, 타르가 분리된 세정액은 순환수로서 수조(46)로 다시 공급될 수 있다.
흡착탑(70)은 건식 흡착탑으로서, 습식스크러버(40)에서 생성된 수분 미스트와 미제거된 타르와 분진을 완전히 제거하기 위해 흡착제를 충진하여 사용할 수 있다. 흡착제는 왕겨, 모래, 활성탄, 활성알루미나, 점토류, 금속류 또는 그 조합으로 구성될 수 있다. 흡착탑의 형상은 원통형 뿐만아니라 압력손실을 줄이기 위하여 도 8에 도시된 바와 같이 사각형 구조의 흡착탑을 사용할 수 있고, 기타 원기둥 또는 그 조합으로 제조할 수 있다.
그런데, 이들 흡착제가 수분과 타르를 흡착하는 경우, 흡착탑(70)의 하부로 배출이 되지 않아 연속적인 조업이 이루어지지 않게 된다. 이에 본 발명에서는 흡착탑(70)에 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 스크류배출장치(80) 및 합성가스 밀폐장치(90)를 더 포함할 수 있다.
이때, 스크류배출장치는 흡착탑(70) 하부의 배출부분(72)에 접선방향으로 삽입하여 흡착탑 배출구(74)를 관통하도록 함으로써 연속적인 배출과 투입이 가능하도록 하여 가스화 시스템의 운전정지를 방지하고, 안정적인 조업조건을 확보하여 연속 조업이 가능하도록 할 수 있다.
또한 흡착탑(70)에 사용된 흡착제는 가스화로(10)에 공급되어 가스화 연료로 사용하고, 무기물계 및 금속계의 흡착제는 재생하여 재사용할 수도 있다.
합성가스 밀폐장치(90)는 도 6에 도시된 바와 같이, 흡착탑(70)의 상부 및 하부에 각각 설치되며, 합성가스 외부 유출을 차단, 밀폐하기 위한 회전형(rotary) 밸브(92) 및 슬라이드 나이프 밸브(94) 또는 게이트 밸브를 포함한다.
흡착탑(70)에서의 흡착제 투입 및 배출은 스크류배출장치(80) 가동 시, 연동된 흡착제 높이를 감지하는 센서(level sensor)(76)를 이용하여 입력된 높이보다 낮을 때, 상부호퍼로부터 자동 충진되며, 슬라이드 나이프 밸브(94)가 더블밸브로서 부착된 배출구(96)를 통해 록 호퍼(lock hopper) 방식으로 배출될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 바이오메스 가스화 합성가스 정제장치에 의하면, 가스엔진의 운전에 큰 영향을 미치는 타르, 분진을 운전에 적합한 농도 이하로 낮추어 가스엔진의 안정성을 확보함에 따라 고효율 발전이 가능하고, 타르, 분진, 수분에 의한 배관폐쇄, 압력손실 증가로 인한 가스화시스템의 운전정지를 방지하고 안정적인 조업조건을 확보함으로써 연속적인 조업이 가능하다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 바이오메스 가스화 합성가스 정제장치 및 방법의 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10 : 가스화로 20, 22, 24 : 싸이클론
30 : 응축기 40 : 습식스크러버
42 : 벤츄리스크러버 43 : 슬롯
44 : 스프레이노즐 46 : 수조
48, 68 : 약품분사노즐 50, 60 : 스프레이스크러버
52 : 기액분리기 54, 64 : 칼럼
56 : 배플 70 : 흡착탑
76 : 센서 80 : 스크류배출장치
90 : 합성가스 밀폐장치 92 : 회전형 밸브
94 : 슬라이드 나이트 밸브

Claims (15)

  1. 가스화로에서 발생한 합성가스를 정제하는 정제장치로서,
    상기 가스화로의 후단에 연결되어 상기 가스화로에서 생성된 분진의 대부분을 제거하는 1차 싸이클론과,
    상기 1차 싸이클론의 후단에 연결되어 상기 합성가스를 냉각하여 목초액을 회수하는 응축기와,
    상기 응축기의 후단에 연결되어 상기 합성가스내의 타르, 분진, 산성가스를 1차 제거하는 습식스크러버와,
    상기 습식스크러버의 후단에 연결되어 상기 합성가스내의 수분과 타르 액적을 제거하는 2차 싸이클론과,
    상기 2차 싸이클론에서 미제거된 타르 및 수분 미스트를 제거하는 흡착탑과,
    상기 흡착탑의 후단에 연결되어 흡착제의 분진을 제거하는 3차 싸이클론을 포함하는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 습식스크러버는 벤츄리스크러버와 1차 및 2차 스프레이스크러버 한쌍이 순차 결합된 일체형 습식스크러버인
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 벤츄리스크러버에는 세정용 약품이 분무되도록 부착된 스프레이 노즐을 포함하고,
    상기 1차 스프레이스크러버의 입구에는 상기 벤츄리스크러버에서 분무된 세정액과 가스를 분리하기 위해 설치된 접선유입 싸이클론형 기액분리기를 포함하는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 1차 스프레이스크러버의 칼럼 내부에는 액적이 충돌하여 큰 물방울 입자가 아래 방향으로 떨어지도록 설치된 복수개의 꺽쇠형 배플을 포함하고,
    상기 2차 스프레이스크러버의 칼럼 내부에는 물과 타르 미스트가 가스에서 분리되도록 상하에 소정간격 이격되어 설치된 다공판을 포함하는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 벤츄리스크러버의 슬롯부분과 상기 각각의 다공판에는 부착된 타르입자를 세척할 수 있도록 설치된 약품분사노즐을 포함하는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 습식스크러버의 수조에 농축된 타르는 타르 분리기에 의해 연속 제거되고, 타르가 분리된 세정액은 순환수로서 상기 수조로 다시 공급되는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착탑은 상기 습식스크러버에서 생성된 수분 미스트와 미제거된 타르와 분진을 완전히 제거하기 위해 흡착제를 충진하여 사용하는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 흡착제는 왕겨, 모래, 활성탄, 활성알루미나, 점토류, 금속류 또는 그 조합으로 구성되는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착탑에는 합성가스 밀폐장치와 스크류배출장치를 더 포함하는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스크류배출장치는 상기 흡착탑 하부의 배출부분에 접선방향으로 삽입하여 상기 흡착탑 배출구를 관통하는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 합성가스 밀폐장치는 상부 및 하부에 각각 설치되며, 합성가스 외부 유출을 차단, 밀폐하기 위한 회전형 밸브 및 슬라이드 나이프 밸브를 포함하는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 흡착탑은 원기둥 및 사각형태 또는 그 조합으로 제작할 수 있는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 흡착탑에서의 흡착제 투입 및 배출은 상기 스크류배출장치 가동 시, 연동된 흡착제 높이를 감지하는 센서를 이용하여 입력된 높이보다 낮을 때, 상부호퍼로부터 자동 충진되며, 상기 슬라이드 나이프 밸브가 더블밸브로서 부착된 배출구를 통해 록 호퍼(lock hopper) 방식으로 배출되는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 흡착탑에 사용된 흡착제는 상기 가스화로에 공급되어 가스화 연료로 사용되고, 무기물계와 금속계 흡착제는 재생하여 재사용하는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제장치.
  15. 가스화로에서 발생한 합성가스를 정제하는 정제방법으로서,
    상기 가스화로의 후단에 연결되어 상기 가스화로에서 생성된 분진의 대부분을 제거하는 1차 싸이클론과,
    상기 1차 싸이클론의 후단에 연결되어 상기 합성가스를 냉각하여 목초액을 회수하는 응축기와,
    상기 응축기의 후단에 연결되어 상기 합성가스내의 타르, 분진, 산성가스를 1차 제거하는 습식스크러버와,
    상기 습식스크러버의 후단에 연결되어 상기 합성가스내의 수분과 타르 액적을 제거하는 2차 싸이클론과,
    상기 2차 싸이클론에서 미제거된 타르 및 수분 미스트를 제거하는 흡착탑과,
    상기 흡착탑의 후단에 연결되어 흡착제의 분진을 제거하는 3차 싸이클론을 포함하는
    바이오메스 가스화 합성가스 정제방법.
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