KR101401429B1 - 경사 그레이트 방식의 연료 다변형 가스화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경사 그레이트 방식의 연료 다변형 가스화 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 하부 일측에 경사그레이트가 설치된 가스화기로 여러 종류의 연료를 공급하고, 상기 경사그레이트에서는 산화제를 펄스방식으로 분사하여 연료가 일측으로 하향이동되면서 가스화가 이루어지도록 한 것이다. 특히 가스화장치는 가스화기와 상기 가스화기의 일측에 설치된 입자분리기 및 촉매반응기를 직육면체 내에 사각단면을 갖도록 배치하는 모듈화에 의해 외부판 분리로 내부정비가 가능하고 다수의 모듈을 측면으로 연속 연결할 수 있는 등 유지보수와 증설이 용이한 연료 다변형 가스화장치에 관한 것이다.

Description

경사 그레이트 방식의 연료 다변형 가스화 장치{Fuel Flexible Gasifier with Inclined Grate}

본 발명은 경사 그레이트 방식의 연료 다변형 가스화 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 하부 일측에 경사그레이트가 설치된 가스화기로 여러 종류의 연료를 공급하고, 상기 경사그레이트에서는 산화제를 펄스방식으로 분사하여 연료가 일측으로 하향이동되면서 가스화가 이루어지도록 한 것이다. 특히 가스화장치는 가스화기와 상기 가스화기의 일측에 설치된 입자분리기 및 촉매반응기를 직육면체 내에 사각단면을 갖도록 배치하는 모듈화에 의해 외부판 분리로 내부정비가 가능하고 다수의 모듈을 측면으로 연속 연결할 수 있는 등 유지보수와 증설이 용이한 연료 다변형 가스화장치에 관한 것이다.

석유와 석탄 등 화석연료는 고갈 위험에 따른 급격한 가격 변동, 에너지 이용 시스템의 신뢰성 약화와 점점 더 증가하는 온실가스에 의한 환경 파괴 문제가 사회적으로 크게 대두되고 있다. 이에 자원 고갈의 위험이 없이 지속적으로 이용할 수 있고, 환경에 대한 우려가 거의 없는 에너지의 개발이 요구되고 있으며, 이러한 대체에너지의 한 분야로서 바이오매스가 주목받고 있다.

상기 바이오매스란 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의하여 생성되는 식물체, 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물유기체를 지칭하는 용어이다. 따라서, 바이오매스 자원은 곡물 등의 전분질계자원과 임목 및 볏짚, 왕겨와 같은 농부산물을 포함하는 셀룰로오스계의 자원, 사탕수수, 사탕무우와 같은 당질계의 자원 및 음식폐기물 등의 유기성 폐기물에 이르기까지 포함하는 포괄적인 의미를 갖는다.

상기 바이오매스 중 에너지 밀도가 높지 않은 연료의 경우 수송비 문제가 발생되고, 폐기물 분야에서는 수송 및 처리에서 민원발생소지가 있기 때문에 가급적 발생지에서 처리해야 한다. 즉, 바이오매스를 이용한 발전시스템은 생산에너지와 수송비용간의 효율성을 대비하면 중소규모로 설치하여 가급적 생산지에서 에너지화하는 것이 바람직하다.

이에 더하여 바이오매스는 같은 연료만을 사용하면 수급이 일정치 않아 시설의 가동율에 직접적인 영향을 미치게 되므로, 폐기물, 성형연료, 석탄등과 같이 다양한 가연성물질을 혼합하여 가스화하게 되면 플랜트의 경제성을 향상시킬 수 있다. 즉, 단일장치를 이용하여 여러종류의 연료를 사용하여야만 가스화 장치의 경제성을 향상시킬 수 있다.

하지만 연료는 각각의 특성이 있어 이에 맞는 추가적인 설비를 요구하고 있다. 일예로 플라스틱계열의 폐기물을 가스화하는 과정에서는 열가소성 고분자들의 용융에 의한 연료층 내부에서 통기성 저하와 용융된 성분들이 장치 벽에 고착화되는 문제가 있다. 또한 갈탄이나 바이오매스의 가스화시에는 타르 발생으로 후단공정에서 이를 정제하기 위한 추가적인 설비의 설치와 공간 확보가 이루어져야 한다.

한국특허등록 10-1123388호(2012.02.27.등록; 이하 '등록건'이라 함)는 바이오매스 중 하나인 왕겨를 이용하여 합성가스를 생산하는 장치이다. 등록건은 왕겨를 공급하는 공급기와; 공급받은 왕겨를 하향류에서 열분해 및 연소시켜 합성가스를 생산하는 가스화기와; 합성가스에서 이물질을 분리하는 사이클론을 포함하여 구성된다. 특히 가스화기는 통체로 구성되고 왕겨가 적층되는 다공판인 그레이트가 설치되며, 그레이트에는 스크레퍼가 설치된다.

하지만 상기 등록건은 그레이트가 회전하면서 연소된 왕겨회재를 긁어내어 배출이 이루어지도록 한 것으로 가스화기의 단면이 원형으로 형성되어야 한다. 이는 시설규모를 키우기 위해 동일량의 가스화기를 설치할 경우 사각단면보다 설치면적을 더 소요되는 문제점이 있다. 또한, 가스화기 하나의 용량을 증대시켜 설치할 경우에는 소량만 가동할 때 예열, 또는 구동조건에 있어 효율성이 떨어진다. 아울러 왕겨 이외에 폐기물을 투입할 경우 고열에 의해 가스화층 이외의 장치 예컨대 연료투입구 등에서 합성수지의 용융에 의한 고착화문제를 발생되어 장치구동이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 발생된다.

따라서, 바이오매스를 이용하는 중소규모의 가스화장치에는 연료의 다양화에 따라 열가소성고분자들의 고착화문제를 해소할 수 있고, 설비면적을 최소화하면서 후단공정을 수행하는 공간의 확보할 수 있는 새로운 방식의 설계가 필요하다.

이에 본 발명의 연료 다변형 가스화 장치는,

가스화기 내부에 경사그레이트를 설치하고, 경사그레이트에서 펄스방식으로 산화제를 분사하여 연료를 연소 및 가스화 영역으로 이동시켜 연료공급이 원활하게 이루어지도록 하고, 경사그레이트 하부에 에어챔버를 구비하여 에어챔버로 공기를 흡입해 하향류 순환에 의한 공기통기성을 향상시킬 수 있는 장치의 제공을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 생성된 합성가스의 배출라인에 입자분리기와 촉매반응기를 구비하여 분진 및 타르성분을 제거할 수 있도록 하고, 가스화기와 입자분리기와 촉매반응기의 구조를 컴팩트화하면서 열손실을 최소화 할 수 있도록 설계하여 중소규모 플랜트 또는 간헐적으로 사용하는 시설에서 장치의 유지보수가 용이하게 이루어질 수 있는 장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 연료 다변형 가스화 장치는,

석탄, 바이오매스, RDF, RPF와 같은 다양한 고체연료를 이용하여 가스화하는 가스화기와, 가스화에서 생성된 합성가스의 고체성분을 분리하는 입자분리기와, 합성가스에 포함된 타르성분을 분해하는 촉매반응기를 포함하여 구비된 가스화장치에 있어서, 상기 가스화기에는 내부에 경사그레이트를 설치하여 경사그레이트 상부에 고체연료가 적층되도록 하고, 경사그레이트로부터 상부방향으로 산화제를 분사하여 적층된 고체연료가 경사그레이트의 경사면을 따라 일측으로 이동되도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 가스화기는 상단 또는 상부측면에 합성가스배출구가 형성된 통체인 본체와; 상기 본체의 전방벽에 연통되고, 호퍼에 저장된 고체연료를 스크류피더를 통해 가스화기 내부로 유입시키는 연료공급부와; 상기 본체내측 하부의 전방벽으로부터 후방벽 방향으로 하향경사를 갖도록 배치되어 상부 공간에 가스화반응챔버를 형성하고, 상부면에는 펄스방식으로 산화제를 가스화반응챔버로 분사시키는 산화제분사공이 다수 형성된 경사그레이트와; 상기 경사그레이트의 경사진 하단에 근접하여 설치되는 배출스크류와, 상기 배출스크류를 구동시키는 배출모터와, 상기 배출스크류에 의해 가스화기 외부로 이송된 회재를 배출시키는 회재배출구를 포함하는 회재배출부와; 상기 경사그레이트 하부공간에 형성되어 회재배출부와는 격벽에 의해 구획되고, 산화제공급원에서 공급받은 산화제를 경사그레이트의 산화제분사공을 통해 가스화반응챔버로 공급하거나, 펌핑수단으로 공기를 외부로 배출시켜 경사그레이트의 산화제분사공을 통해 가스화반응챔버의 공기를 흡입하는 에어챔버;를 포함하여 구성된다.

상기 경사그레이트는 다공성 플레이트로 제조하여 산화제가 에어챔버에서 가스화반응챔버로 직접 공급되도록 할 수 있다.

또한, 상기 경사그레이트는 회동축이 형성된 회동패들을 경사방향으로 다수 설치되도록 하고, 상기 회동패들은 회동축을 중공으로 형성하고, 회동축과 연통된 산화제분사공이 상부로 형성되도록 하고, 회동축의 중공은 산화제공급원과 관으로 연결되어 산화제를 공급받도록 하여, 회동축의 중공으로 공급된 산화제가 산화제분사공을 통해 고체연료층 방향으로 분사되되 회동패들의 회동에 따라 분사방향이 조절되도록 할 수 있다.

아울러 상기 가스화장치는 직육면체로 형성하고, 직육면체를 분할하여 전방에서 후방으로 가스화기와, 입자분리기와 촉매반응기를 순차적으로 배치하되, 상기 가스화기와 입자분리기 사이의 중간벽 상부에 합성가스배출구를 형성하고, 상기 입자분리기와 촉매반응기는 하부를 연통시켜 연통된 상부에 촉매층이 형성된 촉매반응기가 위치하도록 하여, 가스화기에서 생성된 합성가스가 상부 합성가스배출구를 통해 입자분리기로 이동되도록 하고, 입자분리기의 하부를 회류하면서 촉매반응기로 유입되어 타르 및 그을음의 분해반응이 이루어지게 할 수 있다.

또한, 상기 직육면체를 하나의 모듈로하여 다수의 모듈을 측면으로 연속하여 연결해 장치규모를 증가시킬 수 있다.

상기 해결수단에 의한 본 발명의 연료 다변형 가스화 장치는,

경사그레이트에서 펄스방식으로 산화제를 분사함에 따라 연료를 연소 및 가스화 영역으로 이동시키면서 연소가 원활하게 이루어지도록 할 수 있고, 강한 분사력에 의해 플라스틱 계열의 용융슬래그가 산화제 분사공을 막는 것을 방지할 수 있다.

또한, 경사그레이트를 다수 분리한 회동패들로 구성하고 순환관을 설치함으로써 적층된 고체연료층에서 하향류 가스화가 이루어지도록 하여 플라스틱 용융에 의한 통기성 저하문제를 해소하였고, 열분해영역에서 발생된 타르 및 그을음이 연소 및 가스화 영역을 통과하게 함으로써 가스화기 내부에 타르가 고착되어 연료공급 및 회재배출에 불균일성이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

아울러 가스화장치의 각부 구조와 배치를 통해 컴팩트하게 설계하면서 공간을 최대로 활용하면서 유지보수 및 스케일업이 용이하게 이루어질 수 있는 장치의 제공이 가능하게 되었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 다변형 가스화장치를 도시한 구성도.
도 2a와 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 가스화장치의 측단면도 및 회재배출부를 나타낸 개략도.
도 2c는 본 발명에 따른 산화제분사공이 형성된 경사그레이트를 도시한 요부단면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스화기 및 경사그레이트를 도시한 개략도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 순환관이 설치된 가스화기를 도시한 개략도.

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.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 다변형 가스화장치를 도시한 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 경사 그레이트 방식의 연료 다변형 가스화장치(10)는 다양한 연료를 공급하여 가스화가 이루어질 수 있도록 가스화장치 내부에 경사그레이트(23)가 설치되고, 경사그레이트에 적층된 고체연료는 경사그레이트의 경사면에 안내 또는 산화제의 분사압력에 의해 연소 및 가스화 영역으로 이동되는 가스화기(20)와, 상기 가스화기와 연결되어 생산된 합성가스의 고체성분을 분리하는 입자분리기(30)와, 상기 고체성분을 분리한 합성가스에 내포된 타르 및 그을음(soot)을 촉매분해하여 제거하는 촉매반응기(40)를 포함하여 구성된다.

상기 다양한 연료로는 석탄, 바이오매스, RDF(Refuse Derived Fuel;가연성폐기물 고형연료), RPF(Refuse Plastic Fuel;폐플라스틱 고형연료), TDF(Tire Derived Fuel;폐타이어 고형연료), WCF(Wood Chip Fuel), SRF(Solid Recovered Fuel;고형재생연료), BIO-SRF(유기성 고형재생연료) 등 가연성 고체연료를 모두 포함한다.

상기 가스화기(20)는 도 2a와 도 2b를 참조한 바와같이 상부에 합성가스배출구(211)가 형성된 통체인 본체(21)와, 상기 본체에 연통된 연료공급부(22)와, 상기 본체 내부에 설치되는 경사그레이트(23)와, 상기 가스화가 완료된 회재를 배출시키는 회재배출부(25)와, 상기 경사그레이트 하부에 위치하는 에어챔버(28)로 구성된다.

상기 본체(21)는 공간을 최대한 활용하면서 증설이 용이하도록 직육면체인 통체로 형성하는 것이 바람직하며, 단일모듈만 사용할 경우에는 원기둥형태로도 사용될 수 있다. 상기 합성가스배출구(211)는 상단 또는 상부 측면에 형성하여 생성된 합성가스를 배출한다.

이러한 본체(21)의 전방벽체에는 연료공급부(22)가 연통되어 고체연료를 본체 내부로 투입한다. 상기 연료공급부(22)는 고체연료를 임시 저장하는 호퍼(221)와, 상기 호퍼 하부에 연통되고 배출측 단부가 본체 내부로 연통된 스크류피더(222)로 구성된다. 상기 연료공급부(22)는 본체의 전면벽체에 다수를 수평배치하여 본체 내부에 설치된 경사그레이트의 상부면에 고체연료가 최대한 균일하게 분포되도록 공급하는 것이 바람직하다.

상기 가스화기(20)의 본체(21) 내부에는 경사그레이트(23)가 설치되어 연료공급부(22)로부터 투입된 고체연료를 일측방향으로 공급되도록 한다.

상기 경사그레이트(23)는 본체의 전방벽으로부터 후방으로 하향경사를 갖도록 설치되어 경사그레이트 상부 공간인 가스화반응챔버(26)에서 가스화가 이루어지도록 한다.

예컨대 고체연료층(50)의 하부에서 연소 및 가스화가 완료된 회재가 배출되면 경사그레이트 상부에 적층된 고체연료가 연소 및 가스화영역으로 하강하여 지속적인 연료공급이 이루어진다.

상기 고체연료의 이동은 고체연료 자중에 의해 이루어질 수 있으나, 고체연료의 적층밀도가 높을 경우 하부가 공동화 현상이 발생되어 고체연료의 이동이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 발생될 수 있다. 따라서, 상기 경사그레이트(23)에서 고체연료층(50) 방향인 가스화반응챔버 방향으로 산화제를 분사해 적층된 고체연료에 충격 또는 진동을 전달하여 고체연료가 경사그레이트의 경사면을 따라 하강되어 연료공급이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.

상기 산화제의 분사방식은 일반적인 고압분사나 분사압력을 변화시키는 펄스분사가 적용될 수 있다. 또한, 상기 산화제분사는 경사그레이트(23)에 다수의 산화제분사공을 형성하여 분사하거나, 경사그레이트를 다공판으로 형성하여 경사그레이트 전체면을 통해 분사가 이루어지도록 하거나, 경사그레이트를 다수의 부재로 분리구성하고 각 부재사이의 틈을 통해 산화제를 공급하는 등 다양한 구조에 의해 이루어질 수 있다.

다음으로 상기 회재배출부(25)는 상기 경사그레이트(23)의 경사진 하단에 근접하여 설치되는 배출스크류(251)와, 상기 배출스크류를 구동시키는 배출모터(252)와, 상기 배출스크류에 의해 가스화기 외부로 이송된 회재를 배출시키는 회재배출구(253)를 포함하여 구성된다.

즉, 도 2a와 도 2b를 참조한 바와같이 경사그레이트(23)의 경사진 하단의 하부에 배출스크류(251)가 가스화기의 양측방향으로 수평설치되어 연소 및 가스화가 완료되어 배출스크류(251)의 상부로 적층된 회재를 배출스크류의 축방향으로 이동시켜 가스화기 외부로 배출시킨다. 이 때 상기 회재배출구(253)는 하부방향으로 형성하고, 회재배출구 하부에 포집조를 추가구성하여 배출되는 회재를 포집할 수 있다.

또한, 상기 배출스크류(251)는 도 2b를 참조한 바와같이 복수로 구성하여 가스화기의 양측으로 회재를 배출시키는 듀얼타입으로 구성할 수 있으며, 도시된 바와같이 분리되지 않고 하나의 배출스크류를 이용하여 일측방향으로만 배출이 이루어지도록 할 수 있다.

이러한 회재배출부(25)는 상부의 가스화반응챔버(26)로부터 직접 회재가 유입되도록 하거나, 도시된 바와같이 스크린(24)에 의해 가스화반응챔버(26)와 회재배출챔버(27)를 구획할 수 있다. 상기 스크린(24)은 경사그레이트(23)의 경사진 하단으로부터 본체 후방벽까지 수평으로 설치하여 가스화반응챔버와 회재배출챔버를 구획하거나, 경사그레이트의 경사면으로부터 본체 후방벽까지 동일선상으로 연장된 가상면에 설치되어 챔버의 구획이 이루어지도록 할 수 있다. 이러한 스크린(24)은 고체연료의 적층을 지지하여 고체연료가 충분히 연소 및 가스화가 이루어지도록 하면서, 일정크기 이하의 회재만 스크린을 통과하여 유입되게 함으로써 회재배출과정에서 부하를 최소화하면서 배출이 이루어지도록 할 수 있다.

상기 에어챔버(28)는 상기 경사그레이트 하부공간에 형성된 공간으로, 회재배출부(25)와는 격벽(281)에 의해 구획된다. 이러한 에어챔버(28)는 경사그레이트에 형성된 산화제분사공을 통해 가스화반응챔버(26)로 산화제를 공급하거나 가스화반응챔버의 공기를 흡입하도록 할 수 있다.

상기 산화제공급을 위한 공간으로 사용될 때에는 일측에 산화제공급수단을 설치 또는 연통되도록 배관하여 산화제를 연속유입하고, 압력펌프의 펌핑압력을 변화시켜 펄스방식으로의 산화제를 분사하여 단순 산화제 분사 뿐만 아니라 분사압력에 의해 고체연료층의 이동 및 플라스틱 용융물에 의해 산화제분사공이 막히는 것을 방지할 수 있다.

또한, 가스화반응챔버의 공기를 흡입하는 공간으로 활용할 경우에는 펌핑수단을 연결하여 에어챔버(28) 공기를 흡입배출시켜 저압으로 형성함으로써 가스화반응챔버(26)의 공기가 에어챔버로 유입되도록 할 수 있으며, 상기 기체 흐름의 량을 조절하여 가스화반응챔버의 가스화가 하향류로 진행되도록 할 수 있다.

아울러 상기 가스화기(20)의 본체(21)에는 가스화반응열이 연료공급부(22)로 전달되는 것을 최소화하기 위해 배플(baffle;212)을 더 설치할 수 있다.

상기 배플(212)은 본체의 상단으로부터 고체연료층(50) 상부면에 근접된 부분까지 돌출되는 것으로, 가스화반응챔버를 연료공급부(22)가 연통된 전방영역과 합성가스배출구(211)가 형성된 후방 영역으로 구획하여 가스화반응으로 생성된 합성가스의 열이 연료공급부에 전달되는 것을 최소화한 것이다. 즉, 연료공급부(22)에 고온의 열이 전달되면 투입되는 고체연료 중 합성수지 성분이 스크류피더(222) 내에서 용융되어 스크류피더의 회전에 저항으로 작용해 연료공급이 원활하게 이루어지지 못하는 문제를 해결하기 위한 것이다.

이와같은 구조를 갖는 가스화장치(10)는 가스화기의 경사그레이트(23)를 다공성 플레이트로 제조하여 산화제가 에어챔버(28)에서 가스화반응챔버(26)로 직접 공급되도록 할 수 있다. 즉, 에어챔버로 공급하는 산화제의 압력을 가스화반응챔버의 압력보다 높은 압력으로 공급하면 경사그레이트의 다공질에 의해 산화제가 에어챔버에서 가스화반응챔버로 분사공급된다. 이때 산화제의 분사 충격 또는 진동은 경사그레이트 상부에 적층된 고체연료에 전달되어 경사그레이트의 경사면을 따라 하부방향으로 이동되어 연소 및 가스화영역으로의 연료공급이 원활하게 이루어지도록 한다. 따라서, 상기 에어챔버에서 직접 가스화반응챔버로 산화제의 공급이 이루어질 경우 상기 에어챔버에는 외부로부터 공기를 직접 유입하거나 산소탱크에서 산소를 공급하는 등 산화제공급원와 펌프를 포함하는 산화제공급수단이 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 공급되는 산화제의 분사량과 압력을 증가시키기 위해 상기 경사그레이트(23)에는 도 2c에 도시된 바와같이 다수의 산화제분사공(231)을 형성할 수 있다. 상기 산화제분사공(231)은 경사그레이트의 상부 측에는 간격을 넓게 형성하고, 하부측으로는 간격을 좁게 형성하여 경사그레이트의 하부측에 위치하는 연소영역과 가스화영역에 더 많은 산화제의 공급이 이루어지도록 할 수 있다.

상기 경사그레이트(23)는 하나의 판형 이외에 도 3a와 도 3b에 도시된 바와같이 다수의 분리된 플레이트를 연결배치하여 형성된 형태일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서의 경사그레이트(23)는 도 3b에 도시된 바와같이 회동축(233)이 형성된 회동패들(paddle;232)을 다수 연결하여 형성될 수 있다. 상기 회동축(233)은 가스화기의 양측방향으로 길게 형성되고 양단부 측에는 기어가 형성되어 모터 동력을 전달받아 회전이 이루어지도록 한다. 또한, 상기 회동패들(232)은 회동축(233)을 중심으로 양측으로 길에 연장되어 상부가 면으로 형성되도록 한 것으로, 연장된 회동패들(232)은 인접한 회전패들과 일정폭 겹치도록 설치된다.

즉, 도 3a와 도 3c를 참조한 바와같이 상기 경사그레이트(23)를 형성하는 회동패들(232)은 상부면이 회재배출챔버(27)방향으로 항상 하향경사를 갖도록 회동이 이루어지도록 한다. 이때 상부에 위치하는 회동패들의 하단부분은 인접한 하부에 위치하는 회동패들의 상단부분과 일정폭 겹치도록 설치하여 회동패들의 회동과정에서 회동패들 사이의 이격틈으로 고체연료 또는 회재가 에어챔버로 유입되는 것을 차단하도록 한다.

상기 경사그레이트(23)는 회동패들(232)의 회동 정도에 의해 상하 회동패들 사이의 이격틈을 조절하여 에어챔버(28)로부터 가스화반응챔버(26)로 공급되는 산화제 량을 조절할 수 있다. 이는 플라스틱 계열의 용융슬래그에 의하여 노즐 구멍이 막혀 산화제의 공급이 원활하게 이루어지지 않는 것을 방지할 수 있다.

아울러 상기 회동패들(232)은 도 3c에 도시된 바와같이 회동축(233)을 중공으로 형성하고, 회동축의 중공과 회동패들 상부의 가스화반응챔버를 연통하는 산화제분사공(231)을 형성하고, 회동축 중공은 산화제공급원과 관으로 연결되어 산화제를 공급받도록 하며, 회동축(233) 중공으로 공급된 산화제는 산화제분사공(231)을 통해 회동패들 상부에 적층된 고체연료층(50) 방향으로 분사되도록 한다. 이러한 구조는 회동패들의 회동 각도에 따라 산화제분사공의 분사방향이 변화된다. 예컨대 도 3c에서와 같이 회동패들(232)의 경사각도를 크게 형성하면 산화제분사공의 분사방향은 도면의 우측인 대각선 방향으로 이루어지고, 회동패들의 경사각도를 줄여 수평에 가깝도록 회동시키면 산화제분사공의 분사방향은 수직에 가깝게 이루어진다. 이러한 분사각도의 변화는 분사에 따른 고체연료의 이동정도를 조절할 수 있고, 산화제분사방향에 따라 도3c의 도면의 좌측에서 우측의 대각선기류 이동에 따른 가스화가 이루지거나, 상향기류 이동에 따른 가스화가 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 상기 회동축(233)은 산화제공급원과 연결되어 산화제를 공급받는데, 상기 산화제공급원의 제어부에서 산화제의 분사압력을 일정하게 하거나, 산화제 분사압력을 강약으로 변화될 수 있는 펄스방식으로 이루어질 수 있다. 상기 펄스방식의 산화제분사는 강력한 분사력에 의해 합성수지의 용융슬래그에 의해 산화제분사공이 막히는 것을 방지하면서 충격파에 의한 고체연료의 이송이 용이하게 이루어지게 할 수 있다.

상기 회동패들(232)로 구성된 경사그레이트(23)를 구비한 가스화기(20)는 에어챔버(28)와 가스반응챔버 상부를 연결하는 순환관(282)이 더 설치될 수 있다.

도 4를 참조한 바와같이 상기 순환관(282)은 일단이 에어챔버(28)와 연통되고, 타단이 가스화기 본체(21)상부인 가스화반응챔버(26)의 상부에 연통되며, 순환관 라인상에 송풍기(283)가 설치되어 에어챔버의 공기를 흡입해 가스화반응챔버 상부로 공급하게 할 수 있다.

상기 순환관(282)은 가스화반응챔버(26)의 가스화 및 연소 반응이 하향류로 이루어지도록 한 것으로, 송풍기를 작동시키면 에어챔버의 공기를 흡입하여 에어챔버가 저압으로 되면서 가스화반응챔버(26)의 공기를 에어챔버(28)로 유입되도록 한다. 이때 고체연료층(50) 상부의 공기는 고체연료층을 통과하여 에어챔버(28)로 유입되므로 고체연료층 내의 연소영역과 가스화영역에서는 하향기류가 발생된다.

상기 하향류는 가스화기에서 타르 및 그을음을 효과적으로 제거할 수 있다. 즉, 하향류에 의해 고체연료층(50)은 산화제 공급으로 연소가 발생되는 연소영역과, 상기 연소영역 하부에서 연소영역의 열을 직접 전달받아 가스화가 이루어지는 가스화영역과, 연소영역 상부에서 연소열만 전달받는 열분해영역 및 건조영역이 형성된다. 열분해영역에서 주로 발생되는 타르성분은 연소영역을 통과하기 때문에 연소영역을 통과하면서 대부분 제거되며, 일부 그을음도 가스화영역을 통과하면서 분해 및 필터링됨으로 배출량을 최소화시킬 수 있다.

이러한 하향류 가스화는 생성된 합성가스의 고온 열이 에어챔버(28)를 통해 가스화반응챔버(26) 상부로 공급된 후 합성가스배출구(211)를 통해 배출되므로, 연소 및 가스화반응에 의해 생성된 합성가스가 직접 가스화반응챔버 상부로 이동되는 량을 축소시킬 수 있어, 배플을 설치하지 않아도 연료공급부(22)에 전달되는 열을 최소화시켜 연료공급부에서의 플라스틱 소재 용융현상을 방지할 수 있다.

한편 본 발명의 가스화장치(10)는 직육면체로 형성하고, 직육면체를 분할하여 전방에서 후방으로 가스화기(20)와, 입자분리기(30)와 촉매반응기(40)를 순차적으로 배치될 수 있다.

도 4를 참조한 바와같이 상기 가스화기(20)와 입자분리기(30) 사이의 전방중간벽(101) 상부에 합성가스배출구(211)가 형성되고, 상기 입자분리기(30)와 촉매반응기(40) 사이의 후방중간벽(104) 하부는 전후공간을 연통시킨 연통부가 형성되어 연통부에 의해 입자분리기의 하부가 확장되도록 하고, 상기 연통부(102)의 상부공간 중 후방중간벽(104)으로 구획된 후방공간에는 촉매층이 형성된 촉매반응기(40)가 위치하도록 한다.

상기 촉매층을 형성하는 촉매로는 타르성분과 그을음을 분해할 수 있는 공지된 다양한 촉매를 충전하여 사용될 수 있으며, 촉매반응기 상부에 타르성분을 분해시킨 합성가스를 배출하는 배출구가 형성된다.

상기 입자분리기(30)는 합성가스가 이동되는 유로의 단면적의 변화에 의한 압력변화로 합성가스에 내포된 고체성분의 분리가 이루어지게 할 수 있다. 예컨대 합성가스배출구(211)로 유입된 합성가스를 하강시키는 하강이송부(103)의 유로단면은 좁게 형성하고, 촉매반응기로 유입되기 위해 입자분리기 하부의 촉매반응기 하부와 연통된 연통부(102)는 상대적으로 유로 단면적을 확장시키게 하였다. 이는 입자분리기(30)로 유입된 합성가스가 촉매반응기로 투입되기 위해 회류하는 과정에서 유로단면적 확장에 의해 압력이 저하되어 합성가스에 내포된 고체성분이 분리되고, 고체성분이 분리된 합성가스만 촉매반응기(40) 하부로 공급된다.

이와같이 가스화장치의 주요구성인 가스화기(20)와 입자분리기(30)와 촉매반응기(40)가 전후방향으로 배치되는 사각통체로 구성되기 때문에 측면방향으로 확장성이 용이하다.

즉, 도 4의 구성을 하나의 모듈로 하고 각 모듈의 측벽을 제거한 다음 측면으로 연속 연결함으로써 설치면적을 최소화하면서 스케일업이 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 가스화장치가 직육면체로 구성되기 때문에 측면판을 분리하면 가스화기와 입자분리기 촉매반응기가 개방되어 내부 수리가 가능해지는 등 유지관리가 용이하게 이루어질 수 있다.

또한, 상기 전후방으로의 배치형태 이외에 가스화기와 촉매반응기를 전후방으로 접하여 배치하고, 입자분리기를 가스화기와 촉매반응기의 측면에 위치시키는 구조로도 제공될 수 있다. 하지만 이 형태는 확장성이 낮으므로 이보다는 전술된 가스화기와 입자분리기와 촉매반응기가 전후방으로 배치된 형태로 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료다변형 가스화장치의 작동상태를 도 4를 참조하여 간략하게 설명하면,

먼저 연료공급부(22)에 의해 다양한 고체연료를 가스화기(20)의 가스화반응챔버(26)로 투입한다.

가스화반응챔버로 투입된 고체연료는 경사그레이트(23) 상부에 적층되며, 경사그레이트에서는 회동패들(232)에 형성된 산화제분사공(231)을 통해 산화제를 고체연료로 분사공급한다. 또한, 회동패들(232)을 회전시켜 회동패들간 이격틈을 형성하고, 순환관(282)의 송풍기(283)를 작동시켜 적층된 고체연료층(50)에 하향류가 형성되도록 한다.

따라서, 적층된 고체연료층(50)에는 연소영역 하부에 연소열을 직접 공급받아 가스화가 이루어지는 가스화영역이 형성되고, 연소영역 상부에는 연소열을 전달로 열분해가 이루어지는 열분해영역이 형성되고, 상기 열분해영역 상부에 건조영역이 형성되므로, 열분해영역에서 형성된 타르성분은 연소 및 가스화영역을 통과하면서 분해된다.

가스화반응이 완료된 회재는 스크린(24)을 통과하여 회재배출챔버(27)로 유입되며, 배출스크류(251)에 의해 외부로 배출된다.

아울러 가스화반응에 의해 생성된 합성가스는 합성가스배출구(211)를 통해 인접된 입자분리기(30)로 이송되며, 입자분리기 하단까지 하강한 후 회류되면서 고체성분이 분리되고, 고체성분이 분리된 합성가스는 촉매반응기(40)를 통과하면서 잔여 타르성분과 그을음을 분해제거하여 배출됨으로 청정의 합성가스 수취가 가능하다.

10 : 가스화장치
101 : 전방중간벽 102 : 연통부
103 : 하강이송부 104 : 후방중간벽
20 : 가스화기
21 : 본체 22 : 연료공급부
23 : 경사그레이트 24 : 스크린
25 : 회재배출부 26 : 가스화반응챔버
27 : 회재배출챔버 28 : 에어챔버
211 : 합성가스배출구 212 : 배플
221 : 호퍼 222 : 스크류피더
231 : 산화제분사공 232 : 회동패들
233 : 회동축 251 : 배출스크류
252 : 배출모터 253 : 회재배출구
281 : 격벽 282 : 순환관
283 : 송풍기
30 : 입자분리기
40 : 촉매반응기
50 : 고체연료층

Claims (10)

1. 석탄, 바이오매스, RDF, RPF와 같은 다양한 고체연료를 이용하여 가스화하는 가스화기와, 가스화에서 생성된 합성가스의 고체성분을 분리하는 입자분리기와, 합성가스에 포함된 타르성분을 분해하는 촉매반응기를 포함하여 구비된 가스화장치에 있어서,
   상기 가스화기에는 내부에 경사그레이트를 설치하여 경사그레이트 상부에 고체연료가 적층되도록 하고, 경사그레이트로부터 상부방향으로 산화제를 분사하여 적층된 고체연료가 경사그레이트의 경사면을 따라 일측으로 이동되도록 하되;
   상기 가스화기는
   상단 또는 상부측면에 합성가스배출구가 형성된 통체인 본체와;
   상기 본체의 전방벽에 연통되고, 호퍼에 저장된 고체연료를 스크류피터를 통해 가스화기 내부로 유입시키는 연료공급부와;
   상기 본체내측 하부의 전방벽으로부터 후방벽 방향으로 하향경사를 갖도록 배치되어 상부 공간에 가스화반응챔버를 형성하고, 상부면에는 산화제를 가스화반응챔버로 분사시키는 산화제분사공이 다수 형성된 경사그레이트와;
   상기 경사그레이트의 경사진 하단에 근접하여 설치되는 배출스크류와, 상기 배출스크류를 구동시키는 배출모터와, 상기 배출스크류에 의해 가스화기 외부로 이송된 회재를 배출시키는 회재배출구를 포함하는 회재배출부와;
   상기 경사그레이트 하부공간에 형성되어 회재배출부와는 격벽에 의해 구획되고, 산화제공급원에서 공급받은 산화제를 경사그레이트의 산화제분사공을 통해 가스화반응챔버로 공급하거나, 펌핑수단으로 공기를 외부로 배출시켜 경사그레이트의 산화제분사공을 통해 가스화반응챔버의 공기를 흡입하는 에어챔버;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 다변형 가스화 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 가스화기에는
   경사그레이트의 경사진 하단으로부터 본체 후방벽까지 연장되어 가스화반응챔버로부터 회재배출챔버를 구획하고, 일정크기 이하의 회재만 회재배출챔버로 유입되어 회재배출부를 통해 배출시키는 스크린이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 다변형 가스화 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 가스화기에는 본체의 상단으로부터 고체연료층 상부면에 근접된 부분까지 돌출된 배플을 더 설치하여 가스화반응챔버에서 연료공급부가 연통된 전방과 가스화반응에 의해 고온의 합성가스가 생성되는 후방부분을 분리하여 연료공급부에 열전달을 최소화하는 것을 특징으로 하는 연료 다변형 가스화 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 경사그레이트는 다공성 플레이트로 제조하여 산화제가 에어챔버에서 가스화반응챔버로 직접 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 연료 다변형 가스화 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 경사그레이트는 회동축이 형성된 회동패들을 경사방향으로 다수 설치되도록 하고,
   상기 설치된 회동패들은 상부면이 회재배출챔버 방향으로 항상 하향 경사를 갖도록 회동이 이루어지되, 상부에 위치하는 회동패들의 하단부분은 인접한 하부에 위치하는 회동패들의 상단부분과 일정폭 겹치도록 설치하여 회동패들의 회동에 의해 발생되는 회동패들 사이의 이격틈을 통해 고체연료 또는 회재가 에어챔버로 유입되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 연료 다변형 가스화 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 회동패들은 회동축을 중공으로 형성하고, 회동축과 연통된 산화제분사공이 상부로 형성되도록 하고, 회동축의 중공은 산화제공급원과 관으로 연결되어 산화제를 공급받도록 하여, 회동축의 중공으로 공급된 산화제가 산화제분사공을 통해 고체연료층 방향으로 분사되되 회동패들의 회동에 따라 분사방향이 조절되도록 한 것을 특징으로 하는 연료 다변형 가스화 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 에어챔버에는 송풍기가 설치된 순환관의 일단을 연통설치하고, 상기 순환관의 타단은 가스화반응챔버의 상부에 연통설치되도록 하여,
   송풍기의 구동에 의해 회동패들 간의 이격틈으로 상부 가스화반응챔버의 공기가 에어챔버로 유입되도록 하고, 순환관을 통해 가스화반응챔버 상부로 공급하는 공기순환에 의해 고체연료가 하향류 가스화반응이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 연료 다변형 가스화 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 가스화장치는 직육면체로 형성하고, 직육면체를 분할하여 전방에서 후방으로 가스화기와, 입자분리기와 촉매반응기를 순차적으로 배치하되,
   상기 가스화기와 입자분리기 사이의 전방중간벽 상부에 합성가스배출구를 형성하고, 상기 입자분리기와 촉매반응기 사이의 후방중간벽 하부에는 전후공간을 연통시키는 연통부가 형성되도록 하여 입자분리기 하부가 연통부에 의해 확장되도록 하고, 상기 연통부의 상부공간 중 후방중간벽으로 구획된 후방공간에는 촉매층이 형성된 촉매반응기가 위치하도록 하여,
   가스화기에서 생성된 합성가스가 상부 합성가스배출구를 통해 입자분리기로 이동되도록 하고, 입자분리기를 따라 하강한 합성가스는 입자분리기 하부의 연통부에서 회류해 촉매반응기 하부로 유입되어 합성가스가 촉매반응기를 상향 이동하면서 타르 및 그을음의 분해반응이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 연료 다변형 가스화 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 직육면체를 하나의 모듈로하여 다수의 모듈을 측면으로 연속연결하여 장치규모를 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 다변형 가스화 장치.

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