KR101472859B1 - 저온 바이오매스 열분해 및 고온 바이오매스 가스화기 및 방법 - Google Patents

저온 바이오매스 열분해 및 고온 바이오매스 가스화기 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온 바이오매스 열분해와 고온 바이오매스 가스화를 위한 방법 및 시스템이다. 본 발명의 방법은 과열 수증기를 산화제 및 에너지 캐리어로서 사용한다. 첫째, 바이오매스는 500-800℃의 온도의 저온 열분해 퍼니스(furnace)에 노출된다. 이어서, 얻어진 미정제 합성 가스와 코크는 1200-1600℃ 온도의 고온 가스화에 노출되어 타르가 없는 합성 가스를 얻는다. 최종적으로, 생성된 합성 가스는 연속적인 냉각, 분진 제거, 탈산 및 건조 공정을 거친다. 본 발명의 장치는 열분해 퍼니스(5), 가스화 퍼니스(9), 저온 플라즈마 토치 히터(8), 고온 플라즈마 토치 히터(10), 물 저장 탱크(17), 워터 펌프(16), 및 열 교환기(11)를 구비한다.

Description

저온 바이오매스 열분해 및 고온 바이오매스 가스화기 및 방법{Method and apparatus for low-temperature biomass pyrolysis and high-temperature biomass gasification}
본 발명은 가연성 물질을 청정하고 효율이 높은 합성 가스로 변환시키는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게, 저온 열분해와 고온 가스화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 생성하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
가연성 물질의 가스화 기술은 21세기 후반에 놀라운 성과를 낳았으며, 특히 가연성 석탄의 가스화 기술이 매우 성숙되어 있다. 연구원들은 광범위하게 적용할 수 있고, 고효율의 가스화가 가능하고 오염이 없는 석탄 가스화 공정을 성공적으로 개발하였다. 나뭇가지, 짚, 기타 농업 부산물 또는 임목 부산물과 같은 바이오매스의 가스화 기술은 21세기의 포괄적인 에너지 이용을 위한 신기술이다. 종래의 바이오매스 가스화 기술은, 고정 베드(fixed bed) 가스화, 유동화 베드(fluidized bed) 가스화, 2단(two stages) 가스화를 포함하고, 이 모든 것들은 직접 가스화 기술이다. 직접 가스화 기술의 공정은 바이오매스의 일부분에 의해 생성된 열이 가스화를 위한 에너지 소스를 공급하고, 공기, 산화 공기, 또는 산화된 공기와 수증기의 혼합이 가스 반응 동안 산화제로서 기능한다. 그러나, 연구에 따르면, 바이오매스의 직접 가스화 기술들은 다음과 같은 단점들을 가진다.
첫째, 바이오매스 연료의 성분과 발열량이 불안정하고, 바이오매스는 낮은 발화점을 가지고 가연 반응이 빠르므로, 폭발이 용이하다. 몇몇 부위들이 과열되거나 코킹(coked)될 때, 가스화기(gasfier)의 작동 온도의 제어가 매우 어렵다.
둘째, 불활성 가스 N2의 함량이 현저해서 공기가 산화제로 작용하면, 보다 높은 N2 함량, 보다 낮은 유효 가스(CO+H2), 및 보다 낮은 H2/CO 비율의 결과를 초래하고, 그 외에 합성 가스의 발열량이 낮고 불안정해서, 5000KJ/Nm3 이하에서만 유지되어 산업적 이용의 필요성을 거의 충족시킬 수 없다.
셋째, 산화된 공기가 산화제로서 작용할 때, N2의 함량이 상대적으로 낮더라도, 추가적인 공기 분리 장치가 필요하다. 고용량 및 에너지 소비가 높은 공기 분리 장치 때문에, 그러한 공정은 생산비를 증대시킨다.
넷째, 산화된 공기와 수증기가 모두 산화제로서 작용할 때, 합성 가스의 N2 함량이 감소되고, H2 함량이 증가되더라도, 반응 매개체로서 작용하는 수증기는 여전히 많은 양의 열 에너지를 소비할 뿐만 아니라, 공기 분리에 따른 에너지 소비에 의해 공정의 생산비가 증대된다.
다섯째, 바이오매스의 대략 15-20%는 가스화를 위한 에너지 소스를 제공하기 위해 자기-발화가 필요할 뿐만 아니라 동시에 많은 양의 CO2가 연소 과정에서 생산되어, 유효 가스(CO+H2)의 함량이 감소된다. 더군다나, 고온의 합성 가스와 혼합 공기는 많은 양의 실용적 열을 운반함으로써, 열 에너지로부터 화학 에너지로의 변환이 최소화되고, 냉각 가스의 효율 역시 대체적으로 70% 이하로 되고 예외적 상황에서 80%보다 높지 않게 된다.
여섯째, 가스화기의 작동 온도는 대체적으로 800-1200℃에서 제어되고, 그러한 온도에서 바이오매스의 가스화는 제거하기 곤란한 많은 양의 타르를 생성함으로써, 너무 많은 양의 타르가 장치와 파이프 내부에 쌓이게 되어 파이프 막힘과 장치 오염의 원인이 된다.
일곱째, 바이오매스의 가스화 과정에서 생성된 재(ash)는 전체 재의 20-40wt.%인 K와 Na과 같은 알칼리 금속 산화물의 현저한 함량을 포함한다. 그러나, 800℃보다 더 높은 온도에서, 알칼리 금속 산화물이 가스화되어 합성 가스와 혼합될 수 있으므로, 합성 가스의 성분에 영향을 줄 뿐만 아니라, 파이프와 장치에 타르와 함께 달라붙음으로써, 장치와 파이프를 심각하게 부식시키는 결과를 초래한다.
전술한 바와 같은 문제점들의 관점에서, 바이오매스의 직접 가스화 기술은 실제 생산에 적용하기 어렵다. 따라서, 산업적 생산에 적용될 수 있고 상업적 혜택으로 전환될 수 있는 바이오매스 가스화 방법이 필요하다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 저온 열분해 및 고온 가스화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 생성하기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 방법은 제어가 용이하고, 에너지를 절약하며, 비용이 적으며, 생산된 합성 가스는 효율이 높고, 발열량이 높으며, 타르 또는 알칼리 금속 산화물이 없다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 저온 열분해 및 고온 가스화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 생성하기 위한 방법이 제공된다. 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법은, 과열 수증기를 산화제와 에너지 캐리어로서 채택하고, 다른 온도 범위에서 바이오매스 열분해와 가스화를 수행하고, 종국적으로 청정한 합성 가스를 생성한다. 본 발명에 따른 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다.
a) 바이오매스를 그라인딩시키고, 바이오매스를 열분해 퍼니스(furnace) 속으로 공급하고, 제1 플라즈마 토치 히터(저온 플라즈마 토치 히터)를 통해 저온 과열 수증기를 열분해 퍼니스 내부로 분사하여, 열분해 퍼니스를 500-800℃의 작동 온도에서 제어하고, 바이오매스를 제1 온도(저온) 과열 수증기에 접촉시켜, 열분해 반응을 수행하여 미정제 합성 가스와 코크(coke)를 구비하는 재를 발생시킨다. 열분해 퍼니스의 작동 온도는 K와 Na를 함유하는 알칼리 금속 산화물의 승화 온도보다 낮기 때문에, 알칼리 금속 산화물은 코크를 포함하는 재에 존재하고, 미정제 합성 가스는 타르를 포함하지 않거나 소량 포함한다.
b) 코크를 포함하는 재를 일반적으로 150℃ 이하의 온도까지 냉각시키고, 재로부터 코크를 분리한다. 코크는 이어지는 단계에서 합성 가스를 생성하기 위해 사용되고, 알칼리 금속 산화물을 포함하는 재는 재 저장소(ash storehouse)로 전송된다.
c) 미정제 합성 가스와 코크를 가스화기 속으로 이송시키고, 제2 플라즈마 토치 히터(고온 플라즈마 토치 히터)를 통해 가스화기 속으로 제2 온도(고온) 과열 수증기를 분사하여, 가스화기를 1200-1600℃의 작동 온도에서 제어하고, 바이오매스를 고온 과열 수증기와 접촉시켜 가스화 반응을 수행하여 기초 합성 가스를 얻는다. 가스화기의 작동 온도가 타르를 형성하는 온도보다 높기 때문에, 미정제 합성 가스와 코크는 완전히 가스화되고, 얻어진 기초 합성 가스는 타르를 구비하지 않는다.
d) 기초 합성 가스의 냉각, 분진 제거, 탈산(deacidification), 건조(desiccation) 공정을 거쳐 청정 합성 가스를 얻는다. 냉각 공정은 합성 가스의 생산을 위한 전체 공정에 필수 불가결할 뿐만 아니라 종합적 활용을 위한 다량의 현열(sensible heat)을 회복한다. 분진 제거 공정은 미정제 합성 가스로부터 먼지를 분리하여 가스의 먼지 농도를 50 mg/Nm3 이하로 낮춘다. H2S, COS, HCL, NH3 및 HCN과 같은 유해 가스는 탈산 공정에서 제거된다. 건조 공정 후, 기초 합성 가스는 청정 합성 가스로 변환되고, 청정 합성 가스는 산업적 적용을 위해 저장된다.
단계 a)의 그라인딩된 바이오매스는 20mm×20mm 이하의 입자 크기 및 40wt.% 이하의 수분 함량을 가진다. 그러한 입자 크기와 수분 함량의 바이오매스는 고온의 과열된 수증기에 완전히 접촉됨으로써, 건조, 활성 입자의 분리, 열분리, 및 증발 공정이 안정되게 수행되고, 가스화기의 작동 온도가 용이하게 제어되고, 코크는 열분해 퍼니스에 형성되지 않는다.
단계 a)에서, 열분해 퍼니스로부터의 가스 누출에 의해 화재 또는 폭발이 야기되는 경우, 질소 분위기가 열분해 퍼니스의 공급 입구에서 마련된다.
단계 a)에서, 열분해 퍼니스의 바람직한 작동 온도는 500-650℃에서 제어되고, 열분해 퍼니스의 바람직한 작동 압력은 105-109 kPa에서 제어된다. 고온 과열수증기가 열분해 퍼니스 속으로 투입되는 속도는 35-50 m/s이고, 열분해 퍼니스 안에 미정제 합성 가스의 보유(retention) 시간은 15-20초이고, 열분해 퍼니스로부터 미정제 합성 가스의 출력 속도는 15-20 m/s이다. 따라서, 열분해 퍼니스는 정상 압력에서 작동하고, 특별한 압력 장치가 필요하지 않기 때문에 제조 비용을 낮춘다. 열분해 퍼니스에 있는 바이오매스는 빨리 건조되고, 활성 물질로부터 분리되고 미정제 합성 가스와 저온 과열 수증기와 접촉하는 동안 열분해 된다. 또한, 열분해 퍼니스의 작동 온도는 알칼리 금속 산화물의 승화점(대략 800℃)보다 훨씬 낮기 때문에, 알칼리 금속 산화물은 미정제 합성 가스로부터 제거된다. 열분해 퍼니스로부터 나오는 출력 속도가 상대적으로 낮으면 재가 열분해 퍼니스의 출구와 가스 파이프에 쌓이는 것을 방지한다.
c) 단계에서, 가스화기의 바람직한 작동 온도는 1200-1400℃에서 제어되고 가스화기의 바람직한 작동 압력은 105-109 kPa에서 제어된다. 고온 과열 수증기를 가스화기 속으로 입력하는 속도는 35-50m/s이고 가스화기에서 미정제 합성 가스의 보유 시간은 15-20초이고, 가스화기로부터 기초 합성 가스의 출력되는 속도는 15-20m/s이다. 따라서, 가스화기는 정상 압력에서 작동하고 특별 압력 장치가 불필요하기 때문에 제조 비용을 낮춘다. 가스화기 속으로 고온 과열 수증기의 입력 속도를 높이면 미정제 합성 가스와 코크의 접촉과 혼합을 크게 향상시킨다. 가스화기의 작동 온도의 범위가 적절하여 고온 과열 수증기와 접촉하는 동안 미정제 합성 가스와 코크의 전체 가스화를 보장하면, 타르를 구비하지 않는 기초 합성 가스가 얻어짐과 동시에 에너지 소비는 가능한 한 낮아지며, 가스화기의 성능은 크게 향상된다.
d) 단계에서, 기초 합성 가스는 260-320℃의 온도까지 냉각된 후, 세정된다. 가스화기로부터 나오는 기초 합성 가스의 온도가 대략 120-1400℃로 여전히 높으면, 냉각 공정은 이어지는 분진 수거, 탈산, 건조에 도움을 줄 뿐만 아니라 기초 합성 가스에서 현열을 회복하는데 도움을 줌으로써, 배출열(exhaust heat)의 종합적 활용이 가능하다.
전술한 방법에 따른 저온 열분해 및 고온 가스화에 의해 바이오매스를 가스화하기 위한 시스템은, 열분해 퍼니스, 가스화기, 저온 플라즈마 토치 히터, 고온 플라즈마 토치 히터, 물 저장 탱크, 워터 펌프, 및 열 교환기를 구비한다.
물 저장 탱크는 워터 펌프에 의해 열 교환기의 물 입구에 연결되고, 열 교환기의 증기 출구는 저온 플라즈마 토치 히터의 증기 입구와 고온 플라즈마 토치 히터의 증기 입구에 동시에 연결되고, 저온 플라즈마 토치 히터의 증기 출구는 열분해 퍼니스의 증기 노즐에 연결다. 고온 플라즈마 토치 히터의 증기 출구는 가스화기의 증기 노즐 노즐에 연결된다.
열분해 퍼니스의 가스 출구는 가스화기의 가스 입구에 연결되고, 열분해 퍼니스의 재 출구(ash outlet)은 애쉬 쿨러(ash cooler)의 재 입구(ash inlet)에 연결되고, 애쉬 쿨러의 재 출구는 재-코크 분리기의 공급 입구에 연결된다. 가스화기의 가스 출구는 열 교환기의 가스 입구에 연결되고, 열 교환기의 가스 출구는 분진 수거기, 탈산 타워 및 건조기에 순차적으로 연결된다.
플라즈마 토치 히터는 그것이 물 저장 탱크에서 물을 가열하기 위해 사용될 때 초-고온 과열, 열과 매스의 신속한 전달, 고효율, 조절가능한 가열 파워에서 장점이고, 고온 과열 수증기가 유효하게, 연속적으로, 안정되게 생산될 수 있다. 고온 과열 수증기는 산화제뿐만 아니라 에너지 운반체로서 기능하기 때문에, 가스화기는 안정되게 작동하도록 유지된다. 열 교환기는 기초 합성 가스의 현열의 많은 양을 효과적으로 회복한다. 물 저장 탱크에 있는 물은 예열되어 현열 때문에 포화 수증기로 변환되고, 그러면, 포화 수증기는 플라즈마 토치 히터로 전송되어, 플라즈마 토치 히터의 에너지 소비가 감소되고, 열 에너지의 종합적 활용이 가능하다.
질소 보호 장치가 열분해 퍼니스의 공급 입구에 연결된다. 질소 밀봉 레이어는 미정제 합성 가스가 가스화기의 외부로 누설되는 것을 방지하고, 가스화기 외부의 공기를 유지시켜 발화와 폭발을 방지하여 미정제 합성 가스의 성분을 보장한다.
재-코크 분리기의 코크 출구는 코크 전송기를 통해 가스화기의 코크 입구에 연결된다. 예를 들어, 스크류 피더가 채택되어 코크를 가스화기에 직접적으로 전송함으로써, 중간의 수작업 전송이 절약되어, 가스화기의 안정성과 연속성을 향상시킨다.
복수의 증기 노즐들이 열분해 퍼니스에 배치되어 2-4 높이 레벨로 각각 그룹핑되고, 각각의 레벨의 증기 노즐들은 원주 방향을 따라 균등하게 접선방향으로 배치된다. 따라서, 과열 수증기는 다른 레벨로부터 열분해 퍼니스와 가스화기에 분사되고, 균일하고 안정된 온도장(temperature field)이 다른 높이 레벨들에서 유지됨으로써, 고온 과열 수증기와 반응물 사이의 완전한 접촉을 야기한다.
물, 재, 활성 물질, 및 바이오매스의 재 용융점(ash fusion point)의 내재적 특징에 근거하고, 가스화기의 작동 특성과 결합될 때, 본 발명의 방법은, 저온 열분해 및 고온 가스화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 생성하기 위해, 종래의 산화제 공기 또는 산화된 공기를 사용하는 대신에, 고온 과열 수증기를 채택한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 바이오매스를 간접적으로 가스화하기 위해 고온 과열 수증기가 채택된다. 과열 수증기는 산화제일 뿐만 아니라 에너지 운반체이기 때문에, 산화제 공기 또는 산화된 공기가 불필요하여, 에너지 소비가 심한 공기 분리 장치가 불필요하게 되고, 전체 공정에서 에너지 소비가 최소화되고 제조 비용이 최소화된다.
둘째, 열분해와 가스화 공정 동안 바이오매스에 자연-발화(self-ignition)가 없기 때문에, 열분해 퍼니스 또는 가스화기에서 바이오매스 폭발, 국부적 코킹, 각각의 공정 제어의 어려움 등과 같이 종래의 가스화 공정에서 발생되었던 문제점을 효과적으로 해결할 수 있다. 산화제 공기 또는 산화된 공기가 반응에서 더 이상 불필요하기 때문에, 합성 가스는 높은 H2/CO 비율, 85% 이상의 높은 유효 가스(CO+H2) 함량을 가지기 때문에 합성 가스의 발열량이 크게 향상되고, 합성 가스의 사용이 훨씬 광범위해진다.
셋째, 주요 반응 장치들은 열분해 퍼니스와 가스화기이다. 바이오매스는 먼저 저온에서 미정제 합성 가스와 코크로 열분해되고, 두 가지 생산품 모두는 고온에서 가스화된다. 온도 범위가 적절하게 설정되어 있기 때문에, 생산된 미정제 합성 가스는 알칼리 금속 산화물을 함유하지 않으며, 타르와 코크 모두는 기초 합성 가스로 변환됨으로써, 탄소 변환(carbon conversion)이 매우 높고, 획득된 기초 합성 가스는 장치와 파이프들을 부식시키는 불순물이 없으며, 이 후의 세정 공정이 훨씬 간소화된다.
넷째, 플라즈마 토치 히터는 가스화기 외부에서 고온 과열 수증기에 의해 바이오매스의 가스화를 위해 필요한 모든 열 에너지를 생성하고, 바이오매스 연료의 열 에너지는 모두 화학 에너지로 변환되고, 냉각 가스의 효율은 종래의 그것보다 8%더 높은 88% 이상이 된다.
다섯째, 플라즈마 토치 히터는 높은 열 효율 및 조절 가능한 입력 파워를 가지며, 바이오매스 연료의 성분들이 변하면, 플라즈마 토치 히터의 파워가 조절될 수 있으므로, 고온 과열 수증기의 온도 제어가 매우 편리하고, 가스화기를 안정되게 작동시킬 수 있고, 기초 합성 가스의 안정된 출력과 안정된 성분을 보장할 수 있다.
시험에 따르면, 수증기에 의한 바이오매스의 가스화 방법은 다른 종류의 바이오매스 연료에 적용이 가능하고, 특히 일체화된 바이오매스 가스화 사이클 조합 및 바이오매스 액체 연료 산업에 적용이 가능하다.
도 1은 저온 열분해와 고온 가스화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 생성하는 시스템의 다이어그램이다.
저온 열분해와 고온 가스화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 생성하는 방법 및 시스템은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 저온 열분해와 고온 가스화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 생성하는 시스템은, 벨트 컨베이어(1), 호퍼(2), 스크류 피더(3), 바이오매스의 열분해와 가스화를 각각 위한 열분해 퍼니스(5)와 가스화기(9), 열분해 퍼니스(5)와 가스화기(9)에 과열 수증기를 각각 공급하기 위한 제1 플라즈마 토치 히터(저온 플라즈마 토치 히터)(8)와 제2 플라즈마 토치 히터(고온 플라즈마 토치 히터)(10), 저온 플라즈마 토치 히터(8)와 고온 플라즈마 토치 히터(10)에 물을 공급하기 위한 물 저장 탱크(17)와 워터 펌프(16), 열 에너지의 종합적 활용을 위한 열 교환기(11), 분진 수거기(12), 탈산 타워(13), 및 합성 가스의 이후 세정을 위한 건조기(14)를 구비한다.
벨트 컨베이어(1)의 출력단은 호퍼(2)의 입구 위에 배치되고, 호퍼(2)의 출구는 스크류 피더(3)의 공급 입구에 연결되고, 스크류 피더(3)의 공급 출구는 열분해 퍼니스(5)의 공급 입구에 연결된다.
바이오매스 공정의 제1 단계를 위한 핵심 장치로서, 열분해 퍼니스(5)는 공냉 재킷 또는 수냉 재킷을 구비하고, 정상 압력에서 열적으로 절연된 케이싱을 구비한다. 열분해 퍼니스(5)의 공급 입구는 상부 또는 상단에 배치되고, 균등한 바이오매스의 추가와 열분해 퍼니스 내부로 안정된 유동장을 보장하며, 공급 입구의 수는 2-4개이다. 질소 보호 장치(4)는 열분해 퍼니스(5)의 공급 입구에 연결됨으로써, 미정세 합성 가스가 외기와 접촉하는 것을 효과적으로 방지하는 질소 밀봉 레이어를 형성한다. 열분해 퍼니스(5)의 가스 출구는 상부 또는 하부에 배치되고 파이프를 경유하여 가스화기(9)의 가스 입구에 연결됨으로써, 미정제 합성 가스는 가스화기(9)로 전송된다. 열분해 퍼니스(5)는 바닥에 배치된 재 출구를 구비하고, 재 출구의 수는 1-2개이다. 재 출구로부터 배출되는 재는 액체 상태이다. 재 출구는 코크를 포함하는 재를 냉각시키기 위한 애쉬 쿨러(6)의 재 입구에 연결된다. 각각의 쿨러의 재 출구는 재로부터 코크를 분리하기 위한 재-코크 분리기(7)의 공급 입구에 연결된다. 바람직하게, 재-코크 분리기(7)의 코크 출구는 코크 전송기(19)를 경유하여 가스화기(9)의 코크 입구에 연결됨으로써, 수동 전송과 비교하여 에너지를 절감하고 가스화기(9)의 안정되고 연속적인 동작을 보장한다.
바이오매스 공정의 제2 단계를 위한 핵심 장치로서, 가스화기(9) 역시 공냉 재킷 또는 수냉 재킷을 구비하고 정상 압력에서 열적으로 절연된 케이싱을 구비한다. 가스화기(9)의 코크 입구는 상부 또는 상단에 배치된다. 균등한 코크 추가 및 가스화기(9) 내측으로의 안정된 유동장을 보장하기 위해, 코트 입구의 수는 용량에 따라 한 개 또는 두 개이다. 가스화기(9)의 재 출구는 바닥에 배치되고, 그로부터 액체 상태의 재가 배출되며, 재 출구의 수는 용량에 따라 한 개 또는 두 개이다. 가스화기(9)의 가스 출구는 상부 또는 하단에 배치되고 열 교환기(11)의 가스 입구에 연결되고, 열 교환기(11)의 가스 출구는 분진 수거기(12), 탈산 타워(13), 및 건조기(14)에 직렬로 연결되고, 건조기(14)의 출구는 가스 저장 탱크(15)에 연결된다.
열분해 퍼니스(5)와 가스화기(9)에 분사되는 과열 수증기는 물 저장 탱크(17)의 경수(soft water) 또는 탈염수(desalted water)로부터 가열에 의해 전달된다. 물 저장 탱크(17)의 출구는 워터 펌프(16)를 경유하여 열 교환기(11)의 물 입구에 연결된다. 열 교환기(11)는 일반적으로 스크랩 보일러(scrapped boiler)이다. 열 교환기(12)의 증기 출구는 저온 플라즈마 토치 히터(8)의 증기 입구와 고온 플라즈마 토치 히터(10)의 증기 입구에 동시에 연결된다. 저온 플라즈마 토치 히터(8)의 증기 출구는 파이프를 통해 열분해 퍼니스(5)의 증기 노즐에 연결된다. 고온 플라즈마 토치 히터(10)의 증기 출구는 파이프에 의해 가스화기(9)의 증기 노즐에 연결된다. 바람직하게, 열분해 퍼니스(5)와 가스화기(9)에 배치된 증기 노즐들은 2-4개의 높이 레벨들로 각각 그룹핑되고, 각각의 레벨의 증기 노즐들은 원주 방향을 따라 균등하게 법선 방향으로 배치된다. 따라서, 균등하고 안정된 증기장(vapor field)가 유지되어, 과열 수증기와 반응물 사이에 완전한 접촉이 얻어진다.
또한, 시스템은 재 저장소(8)를 구비하고, 재-코크 분리기(7)로부터 나오는 고상 재(solid ash)과 가스화기(9)로부터 나오는 액상 재(liquid ash)는 수동적으로 또는 기계적으로 재 저장소(18)로 전송된다.
저온 열분해와 고온 가스화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 생성하는 방법은 다음과 같다.
A) 그라인딩된 바이오매스는 벨트 컨베이어(1), 호퍼(2), 및 스크류 피더(3)에 의해 열분해 퍼니스(5)로 연속적으로 전달되고, 동시에 질소는 질소 보호 장치(5)로부터 열분해 퍼니스(5)의 공급 입구로 입력된다. 바이오매스가 예를 들어, 나무의 가지와 뿌리와 같은 회색 짚(gray straw)일 때, 바이오매스의 입자 크기는 20mm×20mm 이하로 제어되고, 바이오매스의 수분 함량은 40wt.% 이하로 제어된다. 바이오매스가 예를 들어, 탈곡 곡물의 자루(stalk), 짚(thatch), 옥수수 자루(stalk)와 같은 황색 짚(yellow straw)일 때 바이오매스의 입자 크기는 상대적으로 클 수 있다.
B) 탈염수는 물 저장 탱크(17)로부터 열 교환기(11)의 물 입구로 워터 펌프(16)를 경유하여 출력되고, 탈염수는 열 교환기(11)의 가스 입구로부터 나오는 기초 합성 가스와 열을 교환시키고, 현열은 탈염수에 의해 추출되고, 그 과정에서 0.4-0.6 Mpa의 포화 증기가 생성된다. 포화 증기는 열 교환기(11)의 증기 출구로부터 출력되어 저온 플라즈마 토치 히터(8)와 고온 플라즈마 토치 히터(10)로 들어가서 다른 온도에서 과열 수증기로 변환된다.
C) 저온 플라즈마 토치 히터(8)로부터 생성된 저온 과열 수증기는 500-800℃의 온도에서 증기 노즐들을 통하여 열분해 퍼니스(5) 속으로 입력된다. 열분해 퍼니스(5)의 작동 인자들은 500-650℃의 온도 및 105-109 kPa의 압력이다. 열분해 퍼니스(5) 내부로 저온 과열 수증기가 입력되는 속도는 35-50m/s로 제어됨으로써, 바이오매스는 저온 과열 수증기와 완전히 접촉되어 미정제 합성 가스와 코크를 구비하는 재로 열분해된다. 미정제 합성 가스는 15-20초 동안 열분해 퍼니스(5)에서 유지되고, 열분해 퍼니스(5)로부터 나오는 미정제 합성 가스의 출력 속도는 15-20m/s로 제어된다.
D) 미정제 합성 가스는 500-650℃의 온도에서 열분해 퍼니스(5)로부터 나와서 파이프를 경유하여 가스화기(9)의 가스 입구로 들어가고, 코크를 포함하는 재는 500-650℃의 온도에서 열분해 퍼니스(5)의 재 출구로부터 나와서 애쉬 쿨러 속으로 전송되고, 열 회복 후, 코크를 구비하는 재의 온도는 150℃ 이하로 냉각된다. 코크는 재-코크 분리기(7)에 의해 재로부터 분리된다. 그러면, 코크는 코크 전송기(19)를 경유하여 가스화기(9)의 코크 출구로 전송되고, 재-코크 분리시(7)로부터 나오는 재는 재 저장소(18)로 전송된다.
E) 고온 플라즈마 토치 히터(10)로부터 1200-1600℃의 온도에서 생성된 고온 과열 수증기는 증기 노즐들을 통하여 가스화기(9) 속으로 입력된다. 가스화기(9)의 작동 인자들은 1200-1400℃의 온도와 105-109 kPa의 압력이다. 가스화기(9)로 들어가는 고온 과열 수증기의 입력 속도는 35-50m/s로 제어됨으로써, 미정제 합성 가스는 고온 과열 수증기와 완전히 접촉되어 기초 합성 가스로 가스화된다. 기초 합성 가스는 15-20초 동안 가스화기(9) 안에서 유지되고, 가스화기(9)로부터 나오는 기초 합성 가스의 출력 속도는 15-20m/s로 제어된다.
F) 1200-1400℃의 온도에서 액상 재는 가스화기(9)의 재 출구로부터 출력되어 종합적 활용을 위해 재 저장소(18)로 전송된다. 1200-1400℃의 온도에서 기초 합성 가스는 가스화기(9)로부터 나와서 파이프를 경유하여 열 교환기(11)의 가스 입구로 전송된다. 탈염수에 의해 260-320℃의 온도에서 냉각된 후, 기초 합성 가스는 열 교환기(11)의 가스 출구로부터 나와서 분진 수거기(12)로 들어간다. 기초 합성 가스에 있는 분진은 분진 수거기(12)에 의해 포집되고, 분진 수거기(12)의 출구에서 기초 합성 가스의 농도는 50 mg/Nm3 이하이다.
G) 분진이 제거된 후, 기초 합성 가스는 탈산 타워(13)로 전송되고, 여기서 H2S, COS, HCL, NH3, 및 HCN과 같은 유해 성분들이 제거된다.
H) 탈산 공정 후, 기초 합성 가스는 건조기(15)로 전송되고 여기서, 물이 제거되며, 청정 합성 가스가 얻어진다. 청정 합성 가스는 가스 저장 탱크(15)로 전송되어 이후의 산업적 적용을 위해 저장된다.
많은 회수의 시험들과 데이터를 검출한 후, 청정 합성 가스의 주요 성분들과 그 특징들이 표 1에 나타난다. 표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법에 의해 생성된 청정 합성 가스는 (CO+H2) 총 함량의 90%이고, H2/CO 비율이 1과 같거나 1보다 더 크고, 합성 가스의 발열량은 12.5-13.4 MJ/Nm3이고, 냉각 가스의 효율은 대략 88%이다. 따라서, 합성 가스는 엄청난 상업적 유용성을 낳고 특히, 집적 바이오매스 가스화 사이클 조합 및 바이오매스 액체 연료 산업에 적용할 수 있다.
수 성분 단위 값
1 CO % (vol) 30-40
2 H2 % (vol) 40-50
3 N2+Ar % (vol) <1.0
4 CO2 % (vol) 15-20
5 CH2 % (vol) 5-6
6 CnHm % (vol) < 2
7 합성 가스(LHV)의 발열량 MJ/Nm3 12.5-13.4
8 냉각 가스의 효율 % -88.0
1...벨트 컨베이어 2...호퍼
3...스크류 피더 5...열분해 퍼니스
7...재-코크 분리기 8...저온 플라즈마 토치 히터
9...가스화기 10...고온 플라즈마 토치 히터
11...열 교환기 12...분진 수거기
13...탈산 타워 14...건조기
15...가스 저장 탱크 16...워터 펌프
18...재 저장소 19...코크 전송기

Claims (10)

  1. 서로 다른 온도 범위에서 바이오매스 열분해와 가스화를 수행하여, 청정 합성 가스를 최종적으로 생성하는 열분해와 가스화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 생성하기 위한 방법에 있어서,
    a) 제1 플라즈마 토치 히터를 통해 제1 온도 범위의 과열 수증기를 열분해 퍼니스(pyrolysis furnace) 속으로 분사시키는 동안 바이오매스를 그라인딩해서 열분해 퍼니스 속으로 바이오매스를 공급하고, 상기 열분해 퍼니스를 500-800℃의 작동 온도로 제어하고, 열분해 반응을 위해 상기 바이오매스를 상기 제1 온도 범위의 과열 수증기와 접촉시켜 미정제(crude) 합성 가스와 코크(coke)를 포함하는 재(ash)를 생성하는 단계;
    b) 상기 재를 냉각시켜 상기 재로부터 상기 코크를 분리하는 단계;
    c) 상기 미정제 합성 가스와 상기 코크를 가스화기(gasifier)로 전송하고, 산화제와 에너지 캐리어로서 사용되는 제2 온도 범위의 과열 수증기를 제2 플라즈마 토치 히터를 통해 상기 가스화기 속으로 분사하여 상기 가스화기를 1200-1600℃의 작동 온도에서 제어하고, 가스화 반응을 위해 상기 바이오매스를 상기 제2 온도 범위의 과열 수증기에 접촉시켜 기초(primary) 합성 가스를 생성하는 단계; 및
    d) 상기 기초 합성 가스를 냉각, 분진 제거, 탈산, 및 건조시켜 청정 합성 가스를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 a)에서, 그라인딩된 바이오매스는 20mm×20mm 이하의 입자 크기 및 40wt.% 이하의 수분 함량을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단계 a)에서, 질소 분위기가 상기 열분해 퍼니스의 공급 입구에 마련되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단계 a)의 상기 열분해 퍼니스의 작동 온도는 500-650℃에서 제어되고, 상기 열분해 퍼니스의 작동 압력은 105-109 kPa에서 제어되며;
    상기 열분해 퍼니스 속으로 들어가는 상기 제1 온도 범위의 과열 수증기의 입력 속도는 35-50m/s이고;
    상기 열분해 퍼니스 내부의 상기 미정제 합성 가스의 보유 시간은 15-20초이고, 상기 열분해 퍼니스로부터 나오는 상기 미정제 가스의 출력 속도는 15-20m/s인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단계 c)에 있어서, 상기 가스화기의 작동 온도는 1200-1400℃에서 제어되고, 상기 가스화기의 작동 압력은 105-109 kPa로 제어되며;
    상기 가스화기로 들어가는 상기 제2 온도 범위의 과열 수증기의 입력 속도는 35-50m/s이고;
    상기 가스화기 내부의 상기 미정제 합성 가스의 보유 시간은 15-20초이고, 상기 가스화기로부터 나오는 상기 기초 합성 가스의 출력 속도는 15-20m/s인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단계 d)에서 상기 기초 합성 가스는 260-320℃의 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 열분해와 가스화에 의해 바이오매스로부터 합성가스를 생성하기 위한 장치에 있어서,
    워터 펌프(16)를 경유하여 열 교환기(11)의 물 입구에 연결된 물 저장 탱크(17);
    제1 플라즈마 토치 히터(8)의 증기 입구와 제2 플라즈마 토치 히터(10)의 증기 입구에 각각 연결된 증기 출구를 가진 열 교환기(11);
    열분해 퍼니스(5)의 증기 노즐에 연결된 증기 출구를 가진 제1 플라즈마 토치 히터(8);
    가스화기(9)의 증기 노즐에 연결된 증기 출구를 가진 제2 플라즈마 토치 히터(10);
    가스화기(9)의 가스 입구에 연결된 가스 출구, 및 애쉬 쿨러(ash cooler)(6)의 재 입구에 연결된 재 출구(ash outlet)를 가진 열분해 퍼니스(5);
    열 교환기(11)의 가스 입구에 연결된 가스 출구를 구비하고, 분진 수거기(12), 탈산 타워(13), 및 건조기(14)에 직렬로 연결된 가스화기(9);
    재-코크 분리기(7)의 공급 입구에 연결된 재 출구를 구비하는 애쉬 쿨러(6)를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 열분해 퍼니스(5)의 공급 입구에 연결된 질소 보호 장치(4)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 재-코크 분리기(7)의 코크 출구는 코크 전송기(19)에 의해 상기 가스화기(9)의 코크 입구에 연결된 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 열분해 퍼니스(5)와 상기 가스화기(9)에 배치되고 2-4개의 높이 레벨들로 각각 그룹핑된 복수의 증기 노즐들을 더 구비하고,
    각각의 레벨의 증기 노즐들은 원주 방향을 따라 균등하게 접선 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 장치.
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