KR101526959B1

KR101526959B1 - 연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템

Info

Publication number: KR101526959B1
Application number: KR1020140086917A
Authority: KR
Inventors: 이은도; 방병열; 류태우; 양창원; 김종수
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2014-07-10
Publication date: 2015-06-17
Also published as: US10533143B2; WO2016006785A1; US20170175016A1

Abstract

본 발명은 바이오매스/폐기물/석탄 등 다양한 성상을 가지는 저급연료의 효과적 간접 가스화를 통한 고품질 합성가스를 얻기 위한 기술에 대한 연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템에 관한 것으로서, 선별기(500)를 갖는 전처리부와; 상기 전처리부에서 선별된 제1연료가 공급되는 가스화기(300)와; 상기 전처리부에서 선별된 제2연료가 제공되는 연소기(100)와; 상기 가스화기(300)와 상기 연소기(100)를 연결하며 내부에 유동사의 승온 및 이송 기능을 갖는 라이져(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템을 제공하여, 연소기를 별도로 구비하기 때문에 기존 간접가스화 시스템이 연소가스와 합성가스를 분리하는 형태로 가스상의 물질 분리에만 초점을 맞춘 것과 비교하여 대부분의 불순물을 연소기에서 처리하며 연소시 발생하는 열만 가스화에 이용하여 연소기에서 나오는 가스상의 물질 분리 뿐만 아니라, 고체물질까지 분리하는 것으로 불연물에 의한 운전장애를 현저하게 줄여주는 동시에 합성가스 내 불순물을 감소시키는 강점이 있다.

Description

연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템{A fluidized bed system in use with independent combustor}

본 발명은 바이오매스/폐기물/석탄 등 다양한 성상을 가지는 저급연료의 효과적 간접 가스화를 통해 고품질 합성가스를 얻기 위한 기술로 연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템에 관한 것이다.

유동층 간접가스화 시스템은 두 개 이상의 유동층 반응기로 가스화기와 연소기를 구분하여 구성될 수 있다.

종래의 유동층 간접가스화 시스템은 가스화제로 스팀을 산화제로 공기를 사용하고 있다.

이때 가스화제와 산화제는 필요에 따라 변경될 수 있다.

간접 가스화 시스템은 가스화기와 연소기가 구분되어 구성되어 있어, 가스화기에서 생성되는 합성가스에 연소가스가 혼합되지 않는 구조로 이루어져 있어 가스화기에서 생산되는 합성가스에 연소가스로 인한 희석이 없이 높은 발열량을 가지는 합성가스 생산이 가능한 시스템이다.

이러한 간접 가스화 시스템은 흡열반응인 가스화기에 열을 공급하기 위해서 연소기로부터 열을 전달할 수 있는 열전달 매체가 필요하다.

열전달은 히트파이프(heat pipe)나 기타 다양한 열전달 매체가 사용될 수 있는데 유동층 시스템의 경우 연소기와 가스화기 사이에서 이동되는 유동사(Bed material)가 그 역할을 수행한다.

유동사는 연소기와 가스화기를 순환하면서 열전달을 하는 역할을 수행하며 연소기에서 고온으로 승온되어 사이클론을 통해 연소가스와 분리되어 가스화기로 공급되고 흡열반응인 가스화 반응을 거쳐 강온된 유동사는 가스화기에 남아 있는 미반응 탄소(촤)와 함께 다시 연소기로 공급되어 미반응 탄소를 연소시키고 이 때 발생하는 열로 다시 유동사를 승온시키는 형태로 운전된다.

이 때 연소기에는 필요에 따라 보조연료를 투입하여 온도를 조절하게 된다.

일반적으로 바이오매스/폐기물/석탄 등 저급연료는 다양한 성상을 가지며 물리적 특성, 화학적 특성, 불순물 함유량 등이 매우 다르다.

특히 가스화 및 연소시에 가장 큰 영향을 미치는 인자들은 연료의 발열량, 함수율, 연료 내의 불순물 및 불연물로서 회재, 돌, 금속, 유리, 중금속, 황, 염소 등 기타 환경오염 유발물질 등이 포함될 수 있다.

그 중에서도 고상의 불연물 혹은 불순물에 의한 운전은 유동층 반응기에 있어서 가장 큰 운전장애 요인으로 꼽힌다.

여러 저급연료 중, 특히 폐기물의 경우는 전처리 과정에서 불연물을 분리해 내고 선별하는 과정이 필수적이다.

이 때 선별 과정에 따라 불연물의 양에 큰 차이가 있을 수 있으며, 선별공정에 따라 분리가 어려운 다양한 불연물이 존재하며, 불연물이 많은 연료도 가연성 성분이 일정량 이상이면 연료로 활용해야 할 필요가 있다.

유동층 간접가스화 시스템은 가스화기나 연소기의 타입에 따라 이러한 불순물(불연물)에 의한 운전장애 정도는 상이하나 기술개발 대상인 유동층의 경우 특히 고상의 불연물에 의한 운전장애가 가장 큰 부분을 차지한다.

종래의 간접 가스화 시스템의 경우 연료 내의 불순물 및 무기물은 유동사의 융점을 낮게 하여 낮은 온도에서 유동사의 응집현상을 발생시키고, 이 경우 전체 시스템에 운전 장애가 발생되는 치명적인 문제가 존재한다.

또한 유동층 시스템의 경우 유동사에 의한 반응기 내화제 마모가 중요한 문제 중 하나이며 특히 저급연료 내 금속, 돌, 유리 등 불연물의 함량이 많을 경우 반응기 내벽에 심각한 손상을 주어 플랜트 수명을 단축 시킬 수 있다.

한편, 둘 이상의 반응기를 사용하며 두 반응기 사이의 지속적인 열 및 물질전달이 중요한 유동층 간접 가스화 시스템의 경우에는 단일 유동층에 비하여 이러한 운전장애가 일어날 문제 발생 가능성이 더욱 크다.

또한, 가스화기와 연소기가 열, 물질 적으로 강한 연관관계가 있어 두 반응기를 모두 최적화 하여 운전할 수 있는 영역이 상당히 좁은 문제점이 있다.

더욱이 종래의 유동층 간접 가스화 시스템의 경우에는 하나의 반응기에 문제가 생길 경우 서로 강한 상호작용을 하여 전체 시스템이 불안정해 지는 문제가 있다.

한국공개특허 제2012-0124403호

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 저급연료 내의 불연물에 의한 운전 장애를 최소화하기 위한 방법으로 간접 가스화기에서 열공급을 담당하는 연소기를 가스화기 및 유동사 승온부와 별도로 구비하고, 저급연료를 전처리부를 이용하여 불연물이 적게 포함된 연료는 가스화기에 공급하고 불연물이 많이 포함된 연료는 연소기에 공급하여 불연물 혹은 불순물은 제거하고 발생하는 열은 유동사 승온부로 공급하는 것으로서, 이를 통해 불연물 혹은 불순물에 의한 운전 장애를 최소화 하는 동시에 합성가스 내의 가스상 불순물도 감소시키는 연소기 독립형 간접 가스화 시스템을 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 선별기(500)를 갖는 전처리부와; 상기 전처리부에서 선별된 제1연료가 공급되는 가스화기(300)와; 상기 전처리부에서 선별된 제2연료가 제공되는 연소기(100)와; 상기 가스화기(300)와 상기 연소기(100)를 연결하며 내부에 유동사의 승온 및 이송 기능을 갖는 라이져(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템을 포함한다.

또한, 상기 라이져(200)와 상기 연소기(100) 사이에는 분산판(101)이 마련되는 것을 특징으로 하는 연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템을 포함한다.

또한, 상기 가스화기(300)와 상기 연소기(100)를 연결하면서, 상기 가스화기(300)에 적층되는 불연물 및 미반응 촤(char)를 상기 연소기(100)에 이송하는 이송부(310);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템을 포함한다.

또한, 상기 시스템은 상기 연소기(100)와 상기 가스화기(300) 사이에 마련되는 후단설비(320)를 더 포함하되, 상기 가스화기(300)에서 배출되는 합성가스 내 미연분 및 Tar를 상기 후단설비(320)에서 분리하고 다시 상기 연소기(100)로 공급하여 연소하는 것을 특징으로 하는 연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템을 포함한다.

또한, 상기 라이져(200)의 하부와 상기 라이져(200)의 하부 보다 높은 위치에서 상기 가스화기(300)를 연통시키는 제1연통부(410)와; 상기 가스화기(300)의 하부와 상기 가스화기(300)의 하부 보다 높은 위치에서 상기 라이져(200)를 연통시키는 제2연통부(420);를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템을 포함한다.

또한, 상기 제1연통부(410)와 상기 제2연통부(420)는 서로 교차되는 것을 특징으로 하는 연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템을 포함한다.

또한, 상기 이송부(310)는 일측이 상기 가스화기(300)의 하부에 연결되고, 타측은 상기 연소기(100)의 하부와 연결되는 것을 특징으로 하는 연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템을 포함한다.

상기한 바와 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 연소기를 별도로 구비하기 때문에 기존 간접가스화 시스템이 연소가스와 합성가스를 분리하는 형태로 가스상의 물질 분리에만 초점을 맞춘 것과 비교하여 대부분의 불순물을 연소기에서 처리하며 연소시 발생하는 열만 가스화에 이용하여 연소기에서 나오는 가스상의 물질 분리 뿐만 아니라, 고체물질까지 분리하는 것으로 불연물에 의한 운전장애를 현저하게 줄여주는 동시에 합성가스 내 불순물을 감소시키는 강점이 있다.

둘째, 연소기의 운전을 분리하기 때문에 연소기와 가스화기의 상관관계를 약하게 하여 전체 시스템의 제어 기능을 보다 강화하는 장점이 있다.

셋째, 연소기에 문제가 발생하여도 기존 간접가스화 시스템과 같이 전체시스템에 문제가 발생하지 않으며 연소기 부분만 보완하면 되는 이점이 있다.

넷째, 연소기를 유동층이 아닌 화격자 방식이나 스토커 방식 등을 활용하면 유동층 최대 조업온도(섭씨1000도) 보다 더 높은 온도에서 조업이 가능하여 보다 효율적인 운전이 가능해지는 이점이 있다.

다섯째, 연소기의 온도가 열교환부의 유동사 융점보다 높을 경우 기존 보일러에서와 같이 별도의 열교환기를 설치하여 온도를 조절할 수 있는 장점이 있다.

여섯째, 보다 다양한 연료 (예를 들면 파쇄가 어려운 연료)를 사용할 수 있으며 파쇄비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.

일곱째, 바이오매스, 석탄을 혼합하여 합성가스를 만들 때 가스화기에는 주로 바이오매스를 활용하고 연소기에는 주로 석탄을 활용하면 보다 용이하게 합성가스 생산이 가능하며 합성가스의 정제 부하를 크게 줄일 수 있는 강점이 있다.

여덟째, 연소기가 독립적으로 구동되므로 전체시스템의 내구 연한을 늘릴 수 있으며 부분적으로 연소기의 내구성이 증대되는 이점이 있다.

아홉째, 오염원이 많은 연료를 연소기에 주로 사용하고 상대적으로 오염원이 적은 연료를 가스화기에 사용하면 가스화기 후단에서의 정제 부하를 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

열째, 연소기가 별도로 구동되므로, 연소가스를 이용해 유동사를 승온하는 라이져에 기포유동층, 고속유동층 등 다양한 형태의 유동층 시스템을 선택적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

열 한번째, 기존 설치된 보일러에 가스화 및 열교환 모듈만을 추가적으로 구비하여 활용할 수 있기 때문에 사용 목적에 따라 기존 보일러의 연소가스를 전부 활용하거나 일부 활용할 수 있게 됨으로써 낮은 투자비용으로 고품질 합성가스를 생산할 수 있는 방법으로 활용 가능해지는 강점이 있다.

열 두번째, 별도의 추가적인 설비변경 없이 열교환 부를 기존 유동층 간접가스화기와 같이 연소기로 활용할 수 있기 때문에 합성가스 생산이 필요치 않을 경우 가스화기를 구동하지 않고 연소기만 별도로 활용할 수 있어 그 활용 폭을 넓은 이점이 있다.

열 세번째, 대상 연료를 연소 이전에 사전 분리함으로써 양질의 연료는 가스화기에 공급하고, 불순물의 함량이 많은 저급 연료는 전용 연소기에 공급함으로써, 최적화된 운전이 가능해지는 이점이 있다.

열 네번째, 분리되어 운전되는 연소기 발생 열은 가스화기에 전달하되 연소가스는 배출되고 승온된 유동사를 통해 가스화기 운전에 필요한 열을 공급하므로 연소기에 공급된 저급연료에 포함된 불순물 및 불연물이 가스화 공정에 미치는 악영향을 최소화함으로써 운전효율이 극대화되는 강점이 있다.

열 다섯째, 가스화기 연소기의 상관관계를 약하게 함으로써 안정적인 운전영역이 확대되는 동시에 보다 양질의 합성가스를 획득할 수 있게 되는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제2실시 예에 따른 전체 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제3실시 예에 따른 전체 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제4실시 예에 따른 전체 구성도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제5실시 예에 따른 전체 구성도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따른 전체 구성도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 제2실시 예에 따른 전체 구성도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 제3실시 예에 따른 전체 구성도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 제4실시 예에 따른 전체 구성도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 제5실시 예에 따른 전체 구성도이다.

전체적인 구성의 개략적인 설명

먼저 본 발명의 전체적인 구성을 설명한 뒤 상세 구성을 후술하기로 한다.

본 발명의 전처리부는 선별기(500)를 포함한다.

가스화기(300)는 전처리부의 선별기(500)에서 선별된 제1연료가 제공된다.

다시 말해서 가스화기(300)에는 선별기(500)에서 선별 처리되어 폐기물이나 고상의 불연물 및 불연소 물질 등이 포함되지 않은 고급연료인 제1연료가 공급되는 것이다.

연소기(100)는 전처리부에서 선별된 제2연료가 제공된다.

다시 말해서 연소기(100)에는 선별기(500)에서 선별 처리되어 폐기물이나 고상의 불연물 및 가스화에 부적합한 불순물 등이 보다 많이 포함될 수 있는 저급연료인 제2연료가 제공되는 것이다.

연소기(100)에는 챔버(103)가 마련되어 연소에 필요한 에어를 공급한다.

라이져(200)는 가스화기(300)와 연소기(100)를 연결한다.

보다 상세하게는 라이져(200)(Riser로서 이하에서는 라이져(200)라고 함)는 일측이 연소기(100)의 상단에 연결되고 타측은 가스화기(300)에 연결되는 구조이다.

다시 말해서 라이져(200)는 연소기(100)의 상단에 연결되어 내부에서 유동사가 유동되는 부분을 일컫는다.

유동사는 라이져(200)를 거쳐 제1경로(430)를 지나 가스화기(300)에 투입되면서 가스화기(300)에 열 에너지를 인가한 뒤 다시 제2경로(440)를 지나 라이져(200)로 순환된다.

한편, 라이져(200)와 연소기(100) 사이에는 분산판(101)이 마련되는 것이 바람직하다.

분산판(101)은 후술하겠지만, 연소기(100)에서 발생된 열을 상부로 배출하되, 라이져(200)에 포함되어 유동되는 유동사가 중력에 의하여 하강할 때 연소기(100) 내부로 침투되는 것을 방지하는 역할을 한다.

다시 말해서, 분산판(101)은 연소기(100)에서 발생된 열 만을 온전하게 라이져(200)의 유동사에 제공하는 역할을 수행하는 것이라고 할 수 있으며, 그러한 역할을 수행할 수 있는 어떠한 구조라도 상관없다.

또한, 상기 가스화기에서(300)에서 배출되는 합성가스 내 미연분 및 Tar를 후단설비(320)에서 분리하고 다시 연소기(100)로 공급하여 연소하는 공정을 포함으로써 추가 정제 공정 없이 연소기(100)에서 통합하여 미연분 및 tar를 제거 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 제2실시 예로서, 본 발명은 이송부(310)를 더 포함할 수 있다.

이송부(310)는 가스화기(300)와 연소기(100)를 서로 연결한다.

보다 상세하게는, 이송부(310)는 가스화기(300)에 적층되는 불연물 및 미반응 촤(char 이하 촤라고 한다)를 연소기(100)로 이송하는 역할을 한다.

다시 말해서, 이송부(310)는 가스화기(300)에 혹시라도 남아 있을 불연물 및 미반응 촤를 연소기(100)로 보내어 다시 연소되도록 하는 것이다.

한편, 본 발명의 바람직한 제3실시예로서 본 발명은 제1연통부(410) 및 제2연통부(420)를 더 포함하여 구성되는 것 또한 매우 바람직하다 할 것이다.

제1연통부(410)는 라이져(200)의 하부와 라이져(200)의 하부 보다 높은 위치에서 가스화기(300)를 서로 연통시킨다.

제2연통부(420)는 가스화기(300)의 하부와 가스화기(300)의 하부보다 높은 위치에서 라이져(200)를 서로 연통시킨다.

보다 상세하게는, 제1연통부(410)의 일측은 라이져(200)의 하부에 연통되고, 제1연통부(410)의 타측은 가스화기(300)의 상측에 연통되는 것이다.

다시 말해서, 제1연통부(410)의 일측이 라이져(200)의 하부에 연통되는 제1위치(710)는, 제1연통부(410)의 타측이 가스화기(300)의 상측에 연통되는 제2위치(720) 보다 낮게 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 제2연통부(420)의 일측은 가스화기(300)의 하부에 연통되고, 제2연통부(420)의 타측은 라이져(200)의 상측에 연통되는 것이다.

다시 말해서, 제2연통부(420)의 일측이 가스화기(300)의 하부에 연통되는 제3위치(730)는, 제2연통부(420)의 타측이 라이져(200)의 상측에 연통되는 제4위치(740) 보다 낮게 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 제1위치(710)와 제3위치(730)는 같은 높이로 형성될 수 있으며, 제2위치(720)와 제4위치(740)는 동일한 높이로 형성될 수 있는 것이다.

이 때, 제1위치(710)와 제3위치(730)는 제2위치(720) 및 제4위치(740) 보다 낮게 형성되는 것이다.

다시 말해서, 제1연통부(410)와 제2연통부(420)는 서로 X자로 교차되면서 형성되고 있는 것이 바람직할 수 있는 것이다.

기술의 설명

간접 가스화 시스템은 가스화기(300)와 연소기(100)를 구분하여 생성가스 내 연소가스가 혼합되지 않으므로 높은 발열량을 가지는 합성가스 생산이 가능한 시스템이다.

흡열반응인 가스화기(300)에 열을 공급하기 위해서 연소기(100)로부터 열을 전달할 수 있는 열전달 매체(Heat carrier)가 필요하다.

열전달은 heat pipe나 기타 다양한 열전달 매체를 사용할 수 있는데 본 발명과 같은 유동층 시스템의 경우 유동사 (Bed material)가 그 역할을 한다.

그런데 일반적으로 바이오매스/폐기물/석탄 등 저급연료는 다양한 성상을 가지며 물리적 특성, 화학적 특성, 불순물 함유량 등이 매우 다르다.

특히 가스화 및 연소시에 가장 큰 영향을 미치는 인자로는 연료의 발열량, 함수율, 연료내의 불순물 및 불연물 (회재, 돌, 금속, 유리, 중금속, 황, 염소 등 기타 환경오염유발물질) 등이 있다.

바이오매스, 폐기물, 석탄 등을 혼합하여 사용하고자 하는 경우에 이러한 다양한 연료들을 함께 사용할 경우 모두 혼합해 사용하기보다 나누어 사용할 필요성이 높다.

예를 들어 석탄은 회재가 많고 휘발성분이 적으며 황 등 유해 물질이 많이 포함되어 있으나 바이오매스는 회재가 적고 휘발성분이 많고 유해물질이 적다.

따라서 바이오매스, 석탄을 혼합하여 합성가스를 만들 때 가스화기(300)에는 주로 고급연료인 바이오매스를 활용하고 연소기(100)에는 저급연료인 석탄을 주로 활용하면 보다 용이하게 합성가스 생산이 가능하며 합성가스의 정제 부하를 크게 줄일 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 저급연료 내의 불연물에 의한 운전 장애를 최소화하기 위한 방법으로 간접 가스화기(300)에서 열공급을 담당하는 연소기(100)를 가스화기(300) 및 유동사 승온부와 별도로 구비한다.

제1실시 예

본 발명의 선별부는 연료를 고급연료인 제1연료와 저급연료인 제2연료로 구분되도록 선별한다.

이러한 선별과정은 동일한 선별과정을 거쳐서도 구분이 가능하고 또는 서로 다른 선별과정 (예를 들어 보다 많은 선별과정을 추가한 flow에는 고급 연료를 얻을 수 있다.) 을 통해 연료를 구분할 수도 있다.

한편, 석탄 및 바이오매스 등은 그 종류에 의해 별도의 전처리 과정 없이 분류할 수도 있는 것이다.

고급연료인 제1연료는 휘발분이 많아 가스화에 유리한 연료로서 높은 발열량을 갖는다.

이렇게 적은 불연물을 가진 제1연료는 가스화 시스템의 주 연료로 활용되어 가스화기(300)로 제공되는 것이다.

한편, 낮은 발열량, 많은 불연물을 가지는 제2연료는 연소기(100)로 보내져 연소가스 생성에 활용된다.

연소기(100)는 유동층을 포함하여 이동층 (grate firing), 고정층 등 해당 연료에 적합한 연소기(100)를 선택적으로 활용할 수 있다.

연소를 통해 발생된 고온의 연소 가스는 바로 가스화기(300)의 라이져(210)로 공급되어 차가워진 유동사를 데우는 역할을 한다.

유동사를 데운 연소 가스는 라이져(210)의 상단에 연결되는 사이클론에서 유동사와 분리되어 배출된다.

승온된 유동사는 가스화기(300)에 공급되어 가스화 흡열반응에 필요한 열을 공급하고 다시 라이져(210)로 순환되어 하나의 사이클을 이룬다.

라이져(210)는 가스화기(300)에서 유동사를 승온하는 부분이다.

라이져(210)에서는 연소기(100)에서 과잉공기비를 조절하여 연소가스 내에 산화제가 일부 존재하게 하여 가스화기(300)에서 전달되는 미반응 촤를 연소(부분산화)하는 기능을 구현할 수 있다.

연소기(100)는 본 발명의 전체적인 시스템에서 독립적인 운전이 가능할 수 있기 때문에 이러한 연소기(100) 운전의 독립적인 분리운전으로 인하여 전체적인 시스템의 상관관계를 약하게 유지함으로써 전체 시스템의 제어 기능을 보다 강화하는 것이다.

만일 연소기(100)에 문제가 발생되더라도 전체적인 시스템에 문제를 일으키지는 않게 됨으로써 연소기(100) 자체 부분의 문제 해결만 이룩하면 그만인 것이다.

또한, 유동층 시스템의 경우 유동사에 의한 마모가 중요한 문제의 하나이며 특히 금속, 돌, 유리 등 불연물의 함량이 많을 경우 반응기 내벽에 심각한 손상을 주어 플랜트 수명을 단축시킬 수 있으나, 이러한 저급연료 물질들을 독립적으로 연소기(100)에서 주로 처리하면 전체시스템의 내구 연한을 늘릴 수 있으며 부분적으로 연소기(100)의 내구관리에만 신경 쓰면 되는 것이다.

부언하면, 연료안의 황성분, 염소성분 및 기타 오염발생 물질 등이 가스화 과정에서 산성가스, 암모니아, 다이옥신 및 다양한 유해 가스 형태로 배출될 수 있는데 이를 정제하기 위한 별도의 설비가 필요하여 가스화 시스템의 경제성, 안정성을 낮추는 요인의 하나이나, 본 발명의 바람직한 제1실시 예에 따르면 이러한 오염원이 많은 연료를 연소기(100)에 주로 사용하고 상대적으로 오염원이 적은 연료를 가스화기(300)에 사용하면 가스화기(300) 후단에서의 정제 부하를 크게 줄일 수 있게 된다.

한편, 연소기(100)의 온도가 열교환부의 유동사 융점보다 높을 경우 별도의 열교환기를 설치하여 온도를 조절할 수 있는 것 또한 매우 바람직한 일일 것이다.

또한, 상기 가스화기에서(300)에서 배출되는 합성가스 내 미연분 및 타르(Tar)를 후단설비(320)에서 분리하고 다시 연소기(100)로 공급하여 연소하는 공정을 포함으로써 추가 정제 공정없이 연소기(100)에서 통합하여 미연분 및 타르(tar)를 제거 할 수 있다.

제2실시 예

유동사는 라이져(210)와 가스화기(300)를 순환하면서 열전달을 하는 역할을 수행한다.

유동사는 연소기(100)에서 공급되는 연소가스를 통해 라이져(210)에서 고온으로 승온되어 사이클론을 통해 연소가스와 분리되어 가스화기(300)로 공급되고 흡열반응을 거쳐 강온된 유동사는 가스화기(300)에 남아있는 미반응 탄소(char 이하 촤라고 함)와 함께 다시 라이져(210)로 공급되어 연소가스에 포함된 산소를 통해 미반응 탄소를 연소시켜 유동사의 승온에 기여할 수 있으며, 라이져(210)의 미연분은 다시 가스화기(300)로 이송되어 가스화 반응에 참여할 수 있다.

한편, 가스화기(300)에 미연분이나 불연물이 일정량 이상 누적되게 되면 이를 이송부(310)를 통해 연소기(100)로 이송할 수 있으며, 필요에 따라 이송부(310)에서 유동사와 불연물 및 미연분을 분리하여 불연물 및 미연분만 연소기(100)로 이동 시킬 수 있다.

이렇게 함으로써 연소기(100)의 불연물 처리 설비를 활용하여 가스화기(300)에 별도의 설비 없이 불연물을 처리 가능해지는 것이다.

이 때, 연소기(100)는 유동층 라이져(210)에 연소가스를 원활히 공급할 수 있도록 양압 운전이 필요하다.

일반적으로 유동층 운전을 위해서는 최소 0.3기압 이상이 필요하므로 이 이상의 압력을 유지하는 것이 바람직하다 할 것이다.

한편, 이 경우 연소기(100)에는 필요에 따라 보조연료를 투입하여 온도를 조절할 수도 있다.

제3실시 예

본 발명의 바람직한 제3실시예로서 제1연통부(410) 및 제2연통부(420)를 더 포함하여 구성되는 것 또한 매우 바람직하다 할 것이다.

이와 같은 구성을 취함으로써, 연소기(100)로부터 가열되어 승온된 유동사는 라이져(200)의 최상단까지 이를 필요 없이 제4위치(740)까지만 도달하면 되므로 불필요한 에너지의 추가적인 제공이 필요 없게 된다.

제4위치(740)까지 도달된 유동사는 제2연통부(420)의 안내를 받아 좌하 방향으로 하강되어 제3위치(730)로 이동된다.

제3위치(730)에 이동된 유동사는 가스화기(300)에 열을 전달하고 다시 제2위치(720)로 이동된 뒤 제1연통부(410)를 따라 제1위치(710)로 돌아오게 된다.

다시 말해서, 본 발명의 바람직한 제3실시 예에 따르면 유동사의 유동 사이클이 보다 낮은 위치에너지를 가지고 유동될 수 있기 때문에 운영효율이 극대화 될 수 있게 되는 것이다.

제4실시 예 및 제5실시 예

유동층 시스템의 경우 보통 연소기에서 국부적인 고온현상이 발생하여 유동사의 융점을 넘어서는 운전조건이 다수 발생할 수 있다.

일반적으로 모래를 유동화 매체로 활용할 경우 조업온도가 1000도를 넘지 않는다. 특히 일부 저급연료의 경우 연료 내에 포함된 무기물에 의한 영향으로 또한 융점이 크게 낮아질 수 있다.

이 경우 전체 시스템에 치명적인 운전 장애가 발생하지만, 본 발명의 경우 이러한 위험이 없다.

연소기에 문제가 발생하여도 기존 간접가스화 시스템과 같이 전체시스템에 문제가 발생하지 않으며 연소기 부분만 보완하면 되는 것이다.

또한 연소기를 유동층이 아닌 도 4와 같이 스토커 방식이나 도 5처럼 화격자 방식등을 활용하면 유동층 최대 조업온도(1000도) 보다 더 높은 온도에서 조업이 가능하여 보다 효율적인 운전이 가능해진다.

도 4와 같은 스토커 방식의 연소기(110)는 도 1의 연소기(100)와 그 구조가 상이하다.

스토커 방식의 연소기(110) 내부에는 컨베이어 밸트나 다단의 푸셔(pusher) 등 연료 이송 시스템이 마련될 수 있게 된다.

한편, 도 5와 같은 화격자 방식의 연소기(120)는 연소기 내부에서 보조 버너가 마련될 수 있고, 화격자 방식의 연소기(120) 하단부에는 스크류가 마련되어 재 등 연소된 찌꺼기 등을 외부로 밀어낼 수 있는 것이다.

이와 같은 화격자 방식이나 스토커 방식의 연소기에서도 본 발명의 제1실시 예에서와 같은 선별기(500)를 포함하는 전처리부를 갖는 것이 바람직하다.

선별기(500)는 본 발명의 바람직한 제1실시 예에서 설명되었던 바와 같이 고급연료인 제1연료를 가스화기(300)에 제공하고, 저급연료인 제2연료는 스토커방식의 연소기(110)나, 화격자 방식의 연소기(120)로 제공할 수 있는 것이다.

한편, 유동층의 경우 원활한 유동화를 위해 연료 크기가 수 mm에서 수 cm 사이로 제한되어 전처리 과정에서 연료 크기를 규격화 해야 할 필요가 있는데, 연소기(100)를 스토커 방식의 연소기(110)이나 화격자 방식의 연소기(120)를 사용할 경우 그럴 필요가 없어 보다 다양한 연료, 예를 들면 파쇄가 어려운 연료등을 사용할 수 있기 때문에 파쇄비용을 줄일 수도 있게 된다.

본 발명의 바람직한 여러 실시 예들에서 가스화기(300) 부분을 주로 유동층으로 설명했으나 필요에 따라 이동층을 사용할 수 있으며 유동층도 기포유동층, 고속유동층 등 다양한 형태를 사용할 수 있다.

라이져(Riser)로 표한한 열교환 및 부분산화 부분도(원래 riser는 고속 유동층 이라는 의미를 내포함) 기포유동층 형태로 할 수 있으며 상기 구성을 만족할 수 있다면 필요에 따라 다양한 형태의 반응기를 혼합할 수 있음도 일러두는 바이다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시 예들에서의 가스화기(300)는 기존 설치된 보일러에 가스화 및 열교환 모듈만을 추가적으로 구비하여 활용할 수도 있다.

이때 사용자의 목적에 따라 기존 보일러의 연소가스를 전부 활용하거나 일부 활용할 수 있으며 이 경우 낮은 투자비용으로 고품질 합성가스를 생산할 수 있는 방법으로 활용이 가능하다.

또한, 필요 시 별도의 추가적인 설비변경 없이 라이져(210)를 기존 유동층 간접가스화기와 같이 연소기(100)로 활용할 수 있으며, 합성가스 생산이 필요치 않을 경우 가스화기(300)를 구동하지 않고 연소기(100)만 별도로 활용할 수 있어 그 활용 폭을 넓힐 수 있다.

기본적으로 본 시스템은 상기 나타낸 개념도와 같이 가스화기(300), 라이져(210), 연소기(100) 등 3개의 반응기로 구성할 수 있으며 필요에 따라 각각의 반응기 개수는 1개 이상으로 변경될 수 있음을 일러두는 바이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않은 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100, 110, 120 : 연소기
101 : 분산판
103 : 챔버
200, 210 : 라이져(Riser)
300 : 가스화기
310 : 이송부
320 : 후단설비
410 : 제1연통부
420 : 제2연통부
430 : 제1경로
440 : 제2경로
500 : 선별기
600 : 공급부
710 : 제1위치
720 : 제2위치
730 : 제3위치
740 : 제4위치

Claims

선별기(500)를 갖는 전처리부와;
상기 전처리부에서 선별된 제1연료가 공급되는 가스화기(300)와;
상기 전처리부에서 선별된 제2연료가 제공되는 연소기(100)와;
상기 가스화기(300)와 상기 연소기(100)를 연결하며 내부에 유동사의 승온 및 이송 기능을 갖는 라이져(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는,
연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템.
제1항에 있어서,
상기 라이져(200)와 상기 연소기(100) 사이에는 분산판(101)이 마련되는 것을 특징으로 하는,
연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템.
제1항에 있어서,
상기 가스화기(300)와 상기 연소기(100)를 연결하면서,
상기 가스화기(300)에 적층되는 불연물 및 미반응 촤(char)를 상기 연소기(100)에 이송하는 이송부(310);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템.
제1항에 있어서,
상기 라이져(200)의 하부와 상기 라이져(200)의 하부 보다 높은 위치에서 상기 가스화기(300)를 연통시키는 제1연통부(410)와;
상기 가스화기(300)의 하부와 상기 가스화기(300)의 하부 보다 높은 위치에서 상기 라이져(200)를 연통시키는 제2연통부(420);를 포함하는 것을 특징으로 하는,
연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제1연통부(410)와 상기 제2연통부(420)는 서로 교차되는 것을 특징으로 하는,
연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템.
제3항에 있어서,
상기 이송부(310)는,
일측이 상기 가스화기(300)의 하부에 연결되고,
타측은 상기 연소기(100)의 하부와 연결되는 것을 특징으로 하는,
연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템은 상기 연소기(100)와 상기 가스화기(300) 사이에 마련되는 후단설비(320)를 더 포함하되,
상기 가스화기(300)에서 배출되는 합성가스 내 미연분 및 Tar를 상기 후단설비(320)에서 분리하고 다시 상기 연소기(100)로 공급하여 연소하는 것을 특징으로 하는,
연소기 독립형 유동층 간접 가스화 시스템.