KR101559837B1 - 고정층 가스화기 - Google Patents

Abstract

고정층 가스화기가 개시된다. 일실시예에 따른 고정층 가스화기는, 폐기물을 공급하는 폐기물공급부, 불연물을 포함하는 충진물을 공급하는 충진물공급부, 산화제를 공급하는 산화제공급부, 상기 폐기물공급부에서 공급되는 상기 폐기물과 상기 충진물공급부에서 공급되는 상기 불연물을 수용하고 상기 폐기물의 반응에 의해 합성가스가 생성되는 반응로, 상기 반응로의 일측에 배치되며 상기 합성가스가 상기 반응로 외부로 배출되는 가스배출부, 상기 반응로 하부에 배치되고 아래로 갈수록 직경이 작아지는 콘부, 상기 콘부의 하부에 배치되고 상기 콘부와 연통되며 상기 폐기물로부터 생성된 바닥재가 상기 반응로 외부로 배출되는 제 1 바닥재배출부, 상기 콘부의 일측에 배치되고 상기 콘부의 경사면의 상단부에서 상기 콘부와 연통되며 상기 폐기물로부터 생성된 바닥재가 상기 반응로 외부로 배출되는 제 2 바닥재배출부 및 상기 콘부의 상기 경사면을 따라 연장되고 일단이 상기 콘부와 상기 제 2 바닥재배출부가 연통되는 공간에 위치하며 회전에 의해 상기 콘부의 상기 경사면에 인접하게 위치하는 상기 바닥재를 상기 제 2 바닥재배출부로 배출시키는 스크류장치를 포함할 수 있다.

Description

고정층 가스화기{FIXED BED GASIFIER}

이하의 설명은 고정층 가스화기에 관한 것이다.

고정층 가스화기(fixed bed gasifier)는 여러 종류의 가스화기 중에서 최초로 개발된 가스화기로서, 1934년 서독에서 개발된 Lurgi 타입을 비롯한 여러 가지 타입의 모델이 있으며, 이미 많은 나라에서 실용화되어 있다.

고정층 가스화기의 경우, 보통 0.25-1.5인치 크기로 분쇄된 폐기물 및 바이오매스(이하, 폐기물이라고 통칭함)가 가스화기(더 구체적으로는 가스화기의 반응로)의 상부에 장입된 후 중력에 의해 아래로 내려가면서 건조되고 가스화된다. 이러한 과정을 거쳐 생성된 합성가스는 가스화기의 외부로 배출된 후 추가적인 처리를 거쳐 다양한 용도로 활용될 수 있다.

기존의 고정층 가스화기의 단점 중 하나로 편류현상(channeling)이 꼽힐 수 있다. 편류현상은 층 내의 입자가 균질하지 않을 경우 가스의 흐름이 공극이 큰 부분으로 편향되어 부분적으로만 반응이 일어나는 것을 말한다. 편류현상이 발생되면 산화제가 고르게 분포되지 않아 가스화 효율이 저하되고 국부적으로 온도가 상승하여 소결이 생길 수도 있다.

또한, 폐기물의 반응로 내 체류시간이 충분히 확보되지 못하거나 위에서 설명한 편류현상이 발생할 경우, 반응로 하부로 배출되는 바닥재는 강열감량 기준을 만족하지 못할 수 있다. 아울러, 바닥재가 배출될 때 일부 바닥재가 고착되어 바닥재 브릿지가 형성될 수 있으며, 바닥재의 정량 배출 제어가 어렵다는 것도 기존 고정층 가스화기의 단점으로 들 수 있다.

뿐만 아니라, 기존 고정층 가스화기의 경우, 소결이 발생할 수 있다. 즉, 반응로 내부의 부분산화영역은 기설정된 온도(예를 들어, 섭씨 900도) 이하에서 운전될 수 있는데, 부분산화영역에서 국부적인 부분산화가 일어날 경우 온도가 증가하여(예를 들어, 섭씨 1000도) 회재의 소결이 발생될 수 있는 것이다. 소결이 발생되면 바닥재의 배출이 원활하게 이루어지지 않아 운전이 정지될 수 있다.

한편, 기존의 고정층 가스화기의 경우, 내부에서 생성된 합성가스에는 타르가 다량 포함되어 있기 때문에 이러한 타르를 제거하기 위한 별도의 처리장치가 구비되어야 했다. 이로써, 장치 전체의 크기가 불필요하게 커지고, 구조가 복잡해지며, 고정층 가스화기의 제조 비용이 증가한다는 문제가 있었다.

또한, 폐기물의 가스화 과정에서 황화합물, 염화수소, 이산화탄소 등의 오염물질 및 지구온난화가스가 발생되는 문제가 있었다.

뿐만 아니라, 폐기물의 반응로 내부에서의 체류시간이 증가되어야 한다는 요구가 있었는데, 즉 폐기물이 반응로 내부에서 짧게 체류하면 그만큼 가스화될 시간이 부족하므로 일차적으로 가스화 효율이 저하되는 문제점이 있고, 더 나아가 폐기물의 체류시간이 충분히 확보되지 못하면 가스화기 하부로 배출되는 바닥재의 강열감량 기준이 만족되지 못할 수 있다.

등록특허공보 제10-0530563호

여기에서 설명되는 실시예들은, 편류현상을 방지하여 가스화 효율을 증대시키고 반응로 내부의 온도를 기설정된 범위 내에서 유지하며 안정적 운전을 확보할 수 있는 고정층 가스화기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 바닥재의 강열감량을 낮춤에 따라 가스화 효율을 증대시킬 수 있는 고정층 가스화기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 소결의 발생을 방지할 수 있는 고정층 가스화기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 바닥재의 브릿지 형성을 방지하고, 바닥재의 정량 배출 제어를 구현함에 따라 반응로 내의 온도 제어, 폐기물 체류시간 제어 및 안정적 운전을 가능케 하는 고정층 가스화기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 합성가스에 포함된 타르를 저감시킬 수 있고, 이에 따라 가스화 효율 증대 및 안정적 운전이 가능한 고정층 가스화기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 오염물질 및 지구온난화가스의 발생을 저감시킬 수 있는 고정층 가스화기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 별도의 정제설비를 최소화할 수 있고, 초기 투자비 및 운전비를 절감할 수 있으며, 합성가스의 고발열량화 및 발생량의 균일화를 이룰 수 있는 고정층 가스화기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 폐기물의 체류시간을 증가시킬 수 있는 고정층 가스화기를 제공하기 위한 것이다.

일실시예에 따른 고정층 가스화기는, 폐기물을 공급하는 폐기물공급부, 불연물을 포함하는 충진물을 공급하는 충진물공급부, 산화제를 공급하는 산화제공급부, 상기 폐기물공급부에서 공급되는 상기 폐기물과 상기 충진물공급부에서 공급되는 상기 불연물을 수용하고, 상기 폐기물의 반응에 의해 합성가스가 생성되는 반응로 및 상기 반응로의 일측에 배치되며 상기 합성가스가 상기 반응로 외부로 배출되는 가스배출부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 불연물은 세라믹볼, 알루미나볼, 스틸볼 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 불연물은 상기 반응로의 상부로 공급될 수 있다.

또한, 상기 산화제공급부는, 상기 반응로에 연결되어 상기 반응로에 상기 폐기물의 반응을 위한 산화제를 공급하는 적어도 하나의 산화제공급수단 및 상기 적어도 하나의 산화제공급수단과는 별도로 마련되고 상기 반응로의 하부에 연결되어 상기 반응로의 하부에 미연분 폐기물의 산화를 위한 산화제를 공급하는 또 다른 산화제공급수단을 포함할 수 있다.

또한, 상기 또 다른 산화제공급수단은, 상기 반응로의 하부에 연결되는 공급배관과, 상기 공급배관의 상기 반응로 측 일단에 제공되며 분사노즐을 포함하는 분사부를 포함하고, 상기 분사부는 마름모 형태로서, 상부를 기준으로 중앙에서 가장자리로 갈수록 상기 반응로의 상단과 멀어질 수 있다.

또한, 상기 산화제는 공기, 스팀, 산소 및 산소부화가스 중 적어도 하나이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 반응로 하부에 배치되고 아래로 갈수록 직경이 작아지는 콘부, 상기 콘부의 하부에 배치되고 상기 콘부와 연통되며 상기 폐기물로부터 생성된 바닥재가 상기 반응로 외부로 배출되는 제 1 바닥재배출부, 상기 콘부의 일측에 배치되고 상기 콘부의 경사면의 상단부에서 상기 콘부와 연통되며 상기 폐기물로부터 생성된 바닥재가 상기 반응로 외부로 배출되는 제 2 바닥재배출부 및 상기 콘부의 상기 경사면을 따라 연장되고 일단이 상기 콘부와 상기 제 2 바닥재배출부가 연통되는 공간에 위치하며 회전에 의해 상기 콘부의 상기 경사면에 인접하게 위치하는 상기 바닥재를 상기 제 2 바닥재배출부로 배출시키는 스크류장치를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 반응로 내부의 부분산화영역의 온도가 기설정된 수치 이하로 유지되도록 하는 소결방지부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 소결방지부는, 상기 부분산화영역에 연결되어 상기 부분산화영역의 열을 흡수하는 유체를 상기 부분산화영역에 공급 가능한 공급유닛, 상기 부분산화영역과 상기 공급유닛 사이에 제공되고 작동에 따라 상기 유체의 공급을 선택적으로 허용 또는 차단하는 제어밸브 및 상기 부분산화영역의 온도를 감지하고 상기 부분산화영역의 온도가 기설정된 수치를 초과할 때에 상기 제어밸브를 작동시켜 상기 유체의 공급이 허용되도록 하는 제어유닛을 포함할 수 있다.

또한, 상기 유체는 스팀 및 질소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

다른 실시예에 따른 고정층 가스화기는, 폐기물을 공급하는 폐기물공급부, 불연물을 포함하는 제 1 충진물을 공급하는 제 1 충진물공급부, 상기 폐기물공급부에서 공급되는 상기 폐기물과 상기 제 1 충진물공급부에서 공급되는 상기 제 1 충진물이 혼합된 혼합물이 공급되는 혼합물공급부, 타르 개질 촉매, 탈황제, 탈염제, 탈탄소제 중 적어도 하나를 포함하는 제 2 충진물을 공급하는 제 2 충진물공급부, 산화제를 공급하는 산화제공급부, 상기 혼합물을 수용하는 내통과, 상기 제 2 충진물을 수용하는 외통을 포함하며, 상기 혼합물 중 상기 폐기물의 상기 내통에서의 반응에 의해 합성가스가 생성되고, 상기 합성가스가 상기 내통으로부터 상기 외통으로 이동하여 상기 제 2 충진물과 반응하는 반응로 및 상기 외통의 일측에 배치되며 상기 합성가스가 상기 반응로 외부로 배출되는 가스배출부를 포함할 수 있다.

여기에서 설명되는 실시예들에 따르면, 편류현상을 방지하여 가스화 효율을 증대시키고 반응로 내부의 온도를 기설정된 범위 내에서 유지하며 안정적 운전을 확보할 수 있는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다.

또한, 바닥재의 강열감량을 낮춤에 따라 가스화 효율을 증대시킬 수 있는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다.

또한, 소결의 발생을 방지할 수 있는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다.

또한, 바닥재의 브릿지 형성을 방지하고, 바닥재의 정량 배출 제어를 구현함에 따라 반응로 내의 온도 제어, 폐기물 체류시간 제어 및 안정적 운전을 가능케 하는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다.

또한, 합성가스에 포함된 타르를 저감시킬 수 있고, 이에 따라 가스화 효율 증대 및 안정적 운전이 가능한 고정층 가스화기를 제공할 수 있다.

또한, 오염물질 및 지구온난화가스의 발생을 저감시킬 수 있는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다.

또한, 별도의 정제설비를 최소화할 수 있고, 초기 투자비 및 운전비를 절감할 수 있으며, 합성가스의 고발열량화 및 발생량의 균일화를 이룰 수 있는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다.

또한, 폐기물의 체류시간을 증가시킬 수 있는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 고정층 가스화기의 내부 모습을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 다른 실시예에 따른 고정층 가스화기의 내부 모습을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 고정층 가스화기의 내부 모습을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 고정층 가스화기의 내부 모습을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 고정층 가스화기의 내부 모습을 개략적으로 나타낸 도면.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 고정층 가스화기의 내부 모습을 개략적으로 나타낸 도면.

이하에서는 본 기술 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예들에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 아울러, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 기술 사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 일실시예에 따른 고정층 가스화기(100)의 내부 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 고정층 가스화기(100)는 폐기물공급부(110), 충진물공급부(120), 산화제공급부(130), 반응로(140), 가스배출부(150) 및 바닥재배출부(160)를 포함할 수 있다.

폐기물(1)은 폐기물공급부(110)를 통해 반응로(140) 내부로 투입될 수 있다. 도시된 바와 같이, 폐기물공급부(110)는 반응로(140)의 상부에 위치할 수 있고, 따라서 페기물(1)은 위에서 아래 방향으로 반응로(140) 내부로 진입할 수 있다. 또한, 도시된 바와 같이, 폐기물공급부(110)는 깔대기 형태로 제공되어 반응로(140)에 연결될 수 있다. 한편, 여기서 말하는 폐기물(1)은 폐기물 및 바이오매스를 모두 포함하는 개념일 수 있다. 폐기물(1)은 반응로(140) 내부에서 산화제와 반응하여 합성가스가 될 수 있다.

충진물(2)은 충진물공급부(120)를 통해 반응로(140) 내부로 투입될 수 있다. 충진물공급부(120)는 폐기물공급부(110)와는 별도로 마련되어 반응로(140)의 일측에 연결될 수 있다.

여기서, 충진물(2)은 불연물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 충진물(2)은 균일한 입도를 가진 세라믹볼, 알루미나볼, 스틸볼 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기와 같은 불연물은 폐기물(1)과 함께 반응로(140)를 하강하면서 반응로(140) 내부의 베드층을 균질하게 만들 수 있다. 따라서, 비균질했던 베드층에 존재했던 공극을 제거할 수 있고, 궁극적으로 반응로(140) 내부에서의 편류현상이 방지될 수 있다.

그리고, 비성형 고형연료와 같이 비중이 가벼워서 반응로(140) 내부에서 원활하게 하강하지 않는 폐기물의 경우, 상기와 같은 불연물은 비중이 상대적으로 크기 때문에 상기 비성형 고형연료와 같은 비중이 작은 폐기물의 원활한 하강을 도울 수 있다. 따라서 이럴 때에는 불연물을 포함하는 충진물(2)을 반응로(140) 상부로 공급하여 하강하게 하는 것이 요구될 수 있다.

산화제공급부(130)는 반응로(140) 내부에 산화제를 공급할 수 있고, 앞서 언급한 폐기물(1)이 이러한 산화제와 반응함으로써 합성가스가 생성될 수 있다.

한편, 산화제공급부(130)에 의해 공급되는 산화제는 공기, 스팀 및 산소, 산소부화가스 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 일반적으로는 공기가 산화제로서 많이 이용되고 있으나, 특정 목적을 위해서는 공기 외에 스팀 및 산소가 첨가되거나 스팀 및 산소부화가스가 공기를 대체할 수 있다. 예를 들어, 후술하겠지만, 합성가스에 포함된 타르의 개질을 촉진시키기 위해 스팀이 공급될 수 있고, 가연성 가스의 농도를 높이기 위해서 산소나 산소부화가스가 공급될 수도 있다.

반응로(140)는 폐기물(1)과 충진물(2)을 수용할 수 있고, 상기 폐기물(1)이 반응로(140) 내에서 반응함으로써 합성가스가 생성될 수 있다.

도 1에 도시한 고정층 가스화기(100)는 down-draft 타입으로서, 반응로(140)에는 아래에서 위로 순차적으로 회재영역, 환원영역(가스화영역), 부분산화영역, 열분해영역, 건조영역을 포함할 수 있다. 산화제공급부(130)는 부분산화영역에 산화제를 공급할 수 있다. 반응로(140)의 상부로 공급된 폐기물(1)은 하강하면서 산화제와 반응할 수 있다. 이러한 반응에 의해 합성가스가 생성될 수 있고, 상기 합성가스는 가스배출부(150)를 통해 외부로 배출된 후 별도의 처리공정을 거쳐 다양한 용도로 활용될 수 있다.

한편, 반응로(140)의 하부에는 바닥재배출부(160)가 제공될 수 있다. 폐기물(1)이 산화제와 반응하여 합성가스가 생성된 후 남은 바닥재는 바닥재배출부(160)로 유도될 수 있다. 바닥재의 원활한 배출을 위하여 반응로(140)의 하부에는 아래로 갈수록 직경이 작아지는 콘부(145)가 제공될 수 있다. 또한, 콘부(145)를 통과한 바닥재는 스크류장치(161)의 회전작동에 의하여 바닥재배출부(160)로 배출될 수 있다. 본 실시예의 경우, 충진물(2) 역시 상기 바닥재배출부(160)로 배출될 수 있다.

도 2는 다른 실시예에 따른 고정층 가스화기(200)의 내부 모습을 나타낸 도면이다. 이하, 도 1에 도시된 고정층 가스화기(100)와 차이가 나는 부분을 위주로 설명하기로 한다. 본 실시예에 따른 고정층 가스화기(200)는 합성가스에 포함된 타르를 개질할 수 있고, 또한 합성가스에 포함된 오염물질 및 지구온난화가스를 제거할 수 있으며, 미연분 폐기물의 추가적인 산화를 통해 바닥재의 강열감량 기준을 만족시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 반응로(240)는 이중관구조, 즉 내통(241)과 외통(242)을 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 고정층 가스화기(200)의 충진물(2)은 균질한 입자의 타르 개질 촉매를 포함할 수 있다. 타르 개질 촉매는 Ni계, Rh계, Pt계, Ru계, 알칼리금속계, 감람석 및 백운석 중 어느 하나의 군에서 선택될 수 있다. 특히, 타르 개질 촉매가 폐기물 유래 Fe계 촉매인 경우(예를 들어, 염색슬러지 회재, 제강슬래그, 적벽돌 등) 가격이 저렴하고 인체에 무해하며 열적 안정성이 담보될 수 있다는 장점이 있다. 타르 개질 촉매는 반응로(240), 더 구체적으로는 외통(242) 내부에서 촉매층을 형성할 수 있고, 합성가스에 포함된 타르의 적어도 일부가 상기 촉매층을 통과하면서 개질될 수 있다.

또한, 충진물(2)은 상기한 타르 개질 촉매 외에, 탈황제, 탈염제, 탈탄소제 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 이로써, 합성가스에 포함된 염화수소, 황화수소, 이산화탄소와 같은 오염물질 및 지구온난화가스가 제거될 수 있다.

본 실시예의 경우, 반응로(240)가 두 영역(241, 242)으로 구분되었으므로, 두 개의 산화제공급수단(231, 232)을 포함할 수 있다. 제 1 산화제공급수단(231)은 반응로(240)의 내통(241)에 연결되어 상기 내통(241) 내부에 산화제를 공급할 수 있고, 이로써 내통(241) 내에서 폐기물(1)이 상기 산화제와 반응하여 합성가스가 생성될 수 있다. 제 2 산화제공급수단(232)(제 3 산화제공급수단(233)은 후술함)은 반응로(240)의 외통(242)에 연결되어 상기 외통(242) 내부에 산화제를 공급할 수 있고, 이로써 외통(242) 내에서 합성가스가 충진물(2)과 반응하여 합성가스에 포함된 타르가 개질될 수 있고, 합성가스에 포함된 오염물질 및 지구온난화가스가 제거될 수 있다. 또한, 외통(242)에 충진물을 충진하지 않은 경우에는 외통(242)을 통과하는 합성가스의 일부가 산화제와 반응하여 일부가 연소되면서 고온을 발생하여 열에 의해 타르가 개질될 수 있다.

구체적으로, 반응로(240)의 상부로 공급된 폐기물(1)은 내통(241)의 상단개구부를 통해 내통(241)에 진입할 수 있고, 내통(241) 내에서 하강하면서 산화제와 반응할 수 있다. 이러한 반응에 의해 합성가스가 생성될 수 있고, 상기 합성가스는 내통(241)의 하단개구부를 통해 내통(241)으로부터 배출된 후 외통(242)으로 이동할 수 있다. 외통(242)으로 이동한 합성가스는 제 2 산화제공급수단(232)이 공급하는 산화제에 의하여 충진물(2)과 반응할 수 있고, 이 과정에서 합성가스에 포함되어 있던 타르가 개질되거나 오염물질 및 지구온난화가스가 제거될 수 있다. 충진물(2)과의 반응을 마친 합성가스는 외통(242)의 상부 일측에 연결된 가스배출부(250)를 통해 반응로(240) 외부로 배출될 수 있다.

본 실시예에 따른 고정층 가스화기(200)는 위에서 살펴본 것처럼 이중관구조, 즉 내통(241)과 외통(242)을 포함하도록 제공되기 때문에, 폐기물(1)의 반응로(240) 내부에서의 체류시간이 충분히 확보될 수 있다. 따라서 폐기물(1)의 반응시간이 늘어날 수 있고, 이는 가스화 효율의 증대로 이어질 수 있다. 또한, 충진물(2)의 반응시간 역시 늘어날 수 있어 타르 개질 및 오염물질/지구온난화가스의 제거 효율도 증대될 수 있다. 그리고 하나의 반응로(240) 내부에서 타르 개질 및 오염물질/지구온난화가스 제거가 한꺼번에 이루어지기 때문에 추가적인 구성이 별도로 요구되지 않을 수 있다.

외통(242) 내에서 상승하면서 충진물(2)과의 반응을 마친 합성가스는 가스배출부(250)를 통해 반응로(240) 외부로 배출될 수 있다. 합성가스는 배출 후 각종 처리과정을 거쳐 다양한 용도로 활용될 수 있다.

반응로(240)의 일측에는 충진물배출부(270)가 제공될 수 있다. 충진물배출부(270)는 충진물배관(275)을 통해 반응로(240)의 외통(242)과 연결될 수 있다. 합성가스와의 반응을 마친 충진물(2)은 충진물배관(275)을 통해 충진물배출부(270)로 배출될 수 있다. 이 때 스크류장치(271)의 회전작동에 의하여 충진물(2)이 충진물배출부(270)로 배출될 수 있다.

내통(241)과 외통(242) 사이의 공간의 하단부, 대략적으로 내통(241)의 하단개구부와 동일한 고도에 해당하는 지점에는 링 형상의 차단부재(280)가 제공될 수 있다. 차단부재(280)는 외통(242)의 직경과 동일한 외경을 가질 수 있고, 내통(241)의 직경과 동일한 내경을 가질 수 있다. 이로써, 차단부재(280)는 내통(241)의 외주면과 외통(242)의 내주면에 접할 수 있다. 그런데, 차단부재(280)는 합성가스는 통과시킬 수 있고 충진물(2)은 통과시키지 않도록 제공될 수 있다. 다른 관점으로, 합성가스를 차단부재(280)를 통과할 수 있도록 사전에 설정하고, 충진물(2)은 차단부재(280)를 통과하지 못하도록 사전에 설정할 수 있다. 이로써, 내통(241)에서 생성된 합성가스는 외통(242)으로 이동할 수 있고, 충진물(2)은 반응로(240) 하부의 콘부(245)로 진입하지 못할 수 있다.

아울러, 바닥재배출부(260)는 외통(242)과 연결되되 외통(242)의 차단부재(280) 아래의 일지점에 연결될 수 있고, 충진물배출부(270)는 외통(242)과 연결되되 외통(242)의 차단부재(280) 위의 일지점에 연결될 수 있다.

한편, 위에서는 차단부재(280)가 링 형상인 것으로 예시하였으나, 다른 변형예에서는 차단부재는 원판 형상일 수도 있다.

본 실시예에 따른 고정층 가스화기(200)의 경우, 산화제공급부(230)는 제 3 산화제공급수단(233)을 더 포함할 수 있다. 제 3 산화제공급수단(233)은 반응로(240)의 하부(본 실시예에서는 콘부(245))에 연결되어 반응로(240)의 하부에 미연분 폐기물의 산화를 위한 산화제를 공급할 수 있다. 구체적으로, 제 3 산화제공급수단(233)은 반응로(240)의 하부에 연결되는 공급배관(233a), 상기 공급배관(233a)의 반응로(240) 측 일단에 제공되며 분사노즐(233c)을 포함하는 분사부(233b)를 포함할 수 있다. 즉, 산화제는 공급배관(233a)을 통해 공급될 수 있고, 분사부(233b)의 분사노즐(233c)을 통해 반응로(240)의 하부에 분사되어 미연분 폐기물을 산화시킬 수 있다. 따라서 바닥재의 강열감량이 낮아질 수 있고, 이에 따라 가스화 효율이 증대될 수 있다.

본 실시예의 경우, 분사부(233b)는 원통 형태로 구현되었다. 그러나, 분사부(233b)의 형태가 원통으로 한정되는 것은 아니다. 이를 설명하기 위해 도 3을 제시한다.

도 3은 또 다른 실시예에 따른 고정층 가스화기(300)의 내부 모습을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 고정층 가스화기(300)의 제 3 산화제공급부(333)의 분사부(333b)는 원통 형태가 아닐 수 있다. 상기 분사부(333b)는 전체적으로 마름모(다이아몬드) 형태일 수 있다. 다시 말해, 분사부(333b)의 상부를 기준으로, 분사부(333b)는 중앙에서 가장자리로 갈수록 반응로(340)의 상단과 멀어질 수 있는 것이다.

상기와 같은 마름모 형태의 분사부(333b)는 폐기물(1)의 비중이 클 때 유리할 수 있다. 분사부(333b)는 폐기물(1)의 무게를 아래에서 위로 지탱하도록 배치되기 때문에 분사부(333b)의 중앙에서 가장자리로 갈수록 낮아지는 경사면을 형성하면 폐기물(1)의 무게를 안정적으로 지탱할 수 있다.

도 4는 또 다른 실시예에 따른 고정층 가스화기(400)의 내부 모습을 나타낸 도면이다. 도 2 및 도 3의 실시예와의 차이점은 본 실시예의 경우 바닥재배출부가 복수로 마련되고, 경사지게 배치된 스크류장치가 포함된다는 점이다.

앞서 설명하였듯이, 반응로(440)의 하부에는 콘부(445)가 마련되어 바닥재가 효과적으로 배출될 수 있도록 한다. 따라서 대부분의 바닥재는 콘부(445)의 하부에 배치되는 제 1 바닥재배출부(460)로 배출될 수 있다. 그런데, 콘부(445)의 경사면(445a)에는 바닥재가 고착되어 바닥재 브릿지가 형성된다는 문제가 있을 수 있다. 본 실시예의 경우, 이러한 바닥재 브릿지는 스크류장치(465)에 의해 제 2 바닥재배출부(461)로 배출될 수 있다. 제 2 바닥재배출부(461)는 콘부(445)의 일측에 배치되고, 콘부(445)의 경사면(445a)의 상단부에서 콘부(445)와 연통될 수 있다.

구체적으로, 스크류장치(465)는 콘부(445)의 경사면(445a)을 따라 연장될 수 있다. 또한 그 일단은 제 2 바닥재배출부(461)와 콘부(445)가 연통되는 공간에 위치할 수 있다. 이러한 상태에서 스크류장치(465)는 회전할 수 있고, 이에 따라 콘부(445)의 경사면(445a)에 인접하게 위치하던 바닥재가 경사면(445a)을 따라 상승하여 제 2 바닥재배출부(461)로 배출될 수 있다. 한편, 스크류장치(465)는 경사면(445a)을 따라 일정 범위 내에서 이동 가능하도록 제공될 수도 있다.

위와 같은 구성에 의하여, 수분이 많거나 비중이 낮거나 일부 소결된 덩어리라고 하더라도 스크류장치(465)의 강력한 회전에 의해 콘부(445)에 고착되지 않고 모두 정량 배출될 수 있다.

한편, 고정층 가스화기의 경우, 내부의 폐기물 층의 높이를 일정하게 유지하고, 층내의 온도조절 및 폐기물의 체류시간을 제어하기 위해서는 바닥재 브릿지 발생을 억제하고 바닥재의 배출속도를 제어할 수 있어야 한다. 본 실시예의 경우, 앞서 설명한 바와 같이 바닥재 브릿지의 발생을 억제시킬 수 있다. 또한, 배출속도는 층 내의 레벨센서(20)에 의해 감지되는 폐기물 층 높이와 연동하여 원하는 수준으로 유지 또는 변경될 수 있다.

도 5는 또 다른 실시예에 다른 고정층 가스화기(500)의 내부 모습을 나타낸 도면이다. 본 실시예에 따른 고정층 가스화기(500)는 부분산화영역의 온도가 기설정된 수치 이하로 유지되도록 하는 소결방지부(590)를 포함할 수 있다.

앞서 설명하였던 바와 같이, 부분산화영역의 온도가 비정상적으로 상승되면, 소결이 발생되어 바닥재의 배출이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 본 실시예의 경우, 소결방지부(590)가 부분산화영역의 온도를 제어함으로써 소결 발생을 억제할 수 있다.

구체적으로, 소결방지부(590)는 공급유닛(591, 593), 제어밸브(592, 594) 및 제어유닛(미도시)를 포함할 수 있다. 도 5에서는 공급유닛(591, 593)이 제 1 산화제공급부(531)를 통해 반응로(540)의 내통(541)에 연결되는 것으로 도시되었으나, 별도의 공급배관(미도시)을 통해 반응로(540)에 연결될 수도 있다. 그리고, 상부의 공급유닛(593)에는 질소가 저장되어 있을 수 있고, 하부의 공급유닛(591)에는 스팀이 저장되어 있을 수 있다. 즉, 소결방지부(590)는 질소 및 스팀 중 적어도 하나를 반응로(540)에 공급할 수 있다. 이하에서는 하부의 공급유닛(591)과 하부의 제어밸브(592)만을 설명하기로 한다.

공급유닛(591)은 반응로(540) 내부의 부분산화영역에 연결될 수 있고, 부분산화영역의 열을 흡수할 수 있는 유체를 부분산화영역에 공급할 수 있다. 앞서 설명하였듯이, 상기 유체는 질소 및 스팀 중 적어도 하나일 수 있다. 스팀을 예로 들면, 스팀은 반응로(540) 내부로 공급되어 부분산화영역의 열을 흡수한 뒤 반응로(540) 외부로 배출됨으로써 부분산화영역의 온도를 낮출 수 있다.

제어밸브(592)는 공급유닛(591)과 부분산화영역 사이에 배치되어 상기 유체의 부분산화영역으로의 공급을 선택적으로 차단 또는 허용할 수 있다.

제어유닛은 우선 부분산화영역의 온도를 감지할 수 있다. 예를 들어, 정상적인 운전 상태에서의 부분산화영역의 온도가 섭씨 900도 이하로 설정된 경우, 제어유닛은 부분산화영역의 온도가 섭씨 900도를 초과함을 감지할 수 있다. 그리고, 제어유닛은 그러한 경우 제어밸브(592)를 작동시켜 상기 유체가 부분산화영역으로 공급되도록 할 수 있다. 추후 부분산화영역의 온도가 섭씨 900도 이하로 하강하면 제어유닛은 다시 제어밸브(592)를 작동시켜 상기 유체가 더 이상 부분산화영역으로 공급되지 않도록 할 수 있다.

전술하였듯이, 상기 유체는 스팀 및 질소 중 적어도 하나일 수 있다. 스팀이나 질소를 공급하는 이유는, 만약 액체인 물을 공급한다면 열의 흡수 과정을 통해 상기 물은 기화될 수 있고, 기화에 따른 급격한 부피 팽창으로 사고의 위험이 있을 수 있기 때문이다. 또한, 스팀 및 질소는 물에 비해 부분산화영역의 점진적인, 즉 급격하지 않은 온도 하강을 구현할 수 있는 장점도 있다.

도 6은 또 다른 실시예에 따른 고정층 가스화기(600)의 내부 모습을 나타낸 도면이다. 본 실시예의 경우, 편류현상을 방지하면서도 합성가스에 포함된 타르를 개질하거나 합성가스에 포함된 오염물질 및 지구온난화가스를 제거할 수 있다.

본 실시예가 앞서 설명한 실시예들과 다른 점은 충진물공급부가 복수로 마련될 수 있다는 점이다. 즉, 제 1 충진물공급부(620)는 불연물을 포함하는 제 1 충진물(2)을 공급할 수 있고, 제 2 충진물공급부(630)는 타르 개질 촉매, 탈황제, 탈염제, 탈탄소제 중 적어도 하나를 포함하는 제 2 충진물(3)을 공급할 수 있다. 또한, 혼합물공급부(615)가 더 마련될 수 있다. 폐기물(1)과 제 1 충진물(2)은 혼합물공급부(615)에서 혼합될 수 있고, 이러한 혼합물은 한꺼번에 반응로(650)의 내통(651)으로 공급될 수 있다. 제 2 충진물(3)은 반응로(650)의 외통(652)으로 공급될 수 있다.

폐기물(1)과 제 1 충진물(2)의 혼합물은 내통(651)을 하강할 수 있다. 이에 따라 편류현상이 방지되면서 합성가스가 생성될 수 있다. 내통(651)에서 생성된 합성가스는 내통(651)의 하단개구부를 통해 내통(651)으로부터 배출되어 외통(652)으로 이동할 수 있다. 합성가스는 외통(652)에서 상승되면서 제 2 충진물(3)과 반응하여 합성가스가 포함하는 타르가 개질될 수 있고, 합성가스가 포함하는 오염물질 및 지구온난화가스가 제거될 수 있다.

이상에서 설명한 실시예들에 따르면, 편류현상을 방지하여 가스화 효율을 증대시키고 반응로 내부의 온도를 기설정된 범위 내에서 유지하며 안정적 운전을 확보할 수 있는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다. 또한, 바닥재의 강열감량을 낮춤에 따라 가스화 효율을 증대시킬 수 있는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다. 또한, 소결의 발생을 방지할 수 있는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다. 또한, 바닥재의 브릿지 형성을 방지하고, 바닥재의 정량 배출 제어를 구현함에 따라 반응로 내의 온도 제어, 폐기물 체류시간 제어 및 안정적 운전을 가능케 하는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다. 또한, 합성가스에 포함된 타르를 저감시킬 수 있고, 이에 따라 가스화 효율 증대 및 안정적 운전이 가능한 고정층 가스화기를 제공할 수 있다. 또한, 오염물질 및 지구온난화가스의 발생을 저감시킬 수 있는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다. 또한, 별도의 정제설비를 최소화할 수 있고, 초기 투자비 및 운전비를 절감할 수 있으며, 합성가스의 고발열량화 및 발생량의 균일화를 이룰 수 있는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다. 또한, 폐기물의 체류시간을 증가시킬 수 있는 고정층 가스화기를 제공할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예는 본 기술 사상의 일부 예를 설명한 것에 불과하고, 본 기술 사상의 범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이 분야의 통상의 기술자에 의하여 본 기술 사상의 범위 내에서의 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이고, 그와 같은 실시는 모두 본 기술 사상의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

100: 고정층 가스화기 110: 폐기물공급부
120: 충진물공급부 130: 산화제공급부
140: 반응로 150: 가스배출부
160: 바닥재배출부

Claims (11)

1. 폐기물을 공급하는 폐기물공급부;
   불연물을 포함하는 충진물을 공급하는 충진물공급부;
   산화제를 공급하는 산화제공급부;
   상기 폐기물공급부에서 공급되는 상기 폐기물과 상기 충진물공급부에서 공급되는 상기 불연물을 수용하고, 상기 폐기물의 반응에 의해 합성가스가 생성되는 반응로; 및
   상기 반응로의 일측에 배치되며, 상기 합성가스가 상기 반응로 외부로 배출되는 가스배출부;
   를 포함하고,
   상기 불연물은 상기 반응로의 상부로 공급되며, 상기 반응로 내부에서 하강하는 고정층 가스화기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 불연물은 세라믹볼, 알루미나볼, 스틸볼 중 적어도 하나를 포함하는 고정층 가스화기.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 산화제공급부는,
   상기 반응로에 연결되어 상기 반응로에 상기 폐기물의 반응을 위한 산화제를 공급하는 적어도 하나의 산화제공급수단; 및
   상기 적어도 하나의 산화제공급수단과는 별도로 마련되고, 상기 반응로의 하부에 연결되어 상기 반응로의 하부에 미연분 폐기물의 산화를 위한 산화제를 공급하는 또 다른 산화제공급수단;
   을 포함하는 고정층 가스화기.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 또 다른 산화제공급수단은, 상기 반응로의 하부에 연결되는 공급배관과, 상기 공급배관의 상기 반응로 측 일단에 제공되며 분사노즐을 포함하는 분사부를 포함하고,
   상기 분사부는 마름모 형태로서, 상부를 기준으로 중앙에서 가장자리로 갈수록 상기 반응로의 상단과 멀어지는 고정층 가스화기.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 산화제는 공기, 스팀, 산소 및 산소부화가스 중 적어도 하나 이상을 포함하는 고정층 가스화기.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응로 하부에 배치되고, 아래로 갈수록 직경이 작아지는 콘부;
   상기 콘부의 하부에 배치되고, 상기 콘부와 연통되며, 상기 폐기물로부터 생성된 바닥재가 상기 반응로 외부로 배출되는 제 1 바닥재배출부;
   상기 콘부의 일측에 배치되고, 상기 콘부의 경사면의 상단부에서 상기 콘부와 연통되며, 상기 폐기물로부터 생성된 바닥재가 상기 반응로 외부로 배출되는 제 2 바닥재배출부; 및
   상기 콘부의 상기 경사면을 따라 연장되고, 일단이 상기 콘부와 상기 제 2 바닥재배출부가 연통되는 공간에 위치하며, 회전에 의해 상기 콘부의 상기 경사면에 인접하게 위치하는 상기 바닥재를 상기 제 2 바닥재배출부로 배출시키는 스크류장치;
   를 더 포함하는 고정층 가스화기.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응로 내부의 부분산화영역의 온도가 기설정된 수치 이하로 유지되도록 하는 소결방지부를 더 포함하는 고정층 가스화기.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 소결방지부는,
   상기 부분산화영역에 연결되어, 상기 부분산화영역의 열을 흡수하는 유체를 상기 부분산화영역에 공급 가능한 공급유닛;
   상기 부분산화영역과 상기 공급유닛 사이에 제공되고, 작동에 따라 상기 유체의 공급을 선택적으로 허용 또는 차단하는 제어밸브; 및
   상기 부분산화영역의 온도를 감지하고, 상기 부분산화영역의 온도가 기설정된 수치를 초과할 때에 상기 제어밸브를 작동시켜 상기 유체의 공급이 허용되도록 하는 제어유닛;
   을 포함하는 고정층 가스화기.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유체는 스팀 및 질소 중 적어도 하나를 포함하는 고정층 가스화기.
11. 폐기물을 공급하는 폐기물공급부;
    불연물을 포함하는 제 1 충진물을 공급하는 제 1 충진물공급부;
    상기 폐기물공급부에서 공급되는 상기 폐기물과 상기 제 1 충진물공급부에서 공급되는 상기 제 1 충진물이 혼합된 혼합물이 공급되는 혼합물공급부;
    타르 개질 촉매, 탈황제, 탈염제, 탈탄소제 중 적어도 하나를 포함하는 제 2 충진물을 공급하는 제 2 충진물공급부;
    산화제를 공급하는 산화제공급부;
    상기 혼합물을 수용하는 내통과, 상기 제 2 충진물을 수용하는 외통을 포함하며, 상기 혼합물 중 상기 폐기물의 상기 내통에서의 반응에 의해 합성가스가 생성되고, 상기 합성가스가 상기 내통으로부터 상기 외통으로 이동하여 상기 제 2 충진물과 반응하는 반응로; 및
    상기 외통의 일측에 배치되며, 상기 합성가스가 상기 반응로 외부로 배출되는 가스배출부;
    를 포함하고,
    상기 혼합물은 상기 내통의 상부로 공급되며, 상기 내통의 내부에서 하강하는 고정층 가스화기.
    

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