KR101590120B1 - 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템 - Google Patents

산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템 Download PDF

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장원석
곽승신
강원석
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한국지역난방공사
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Abstract

본 발명은 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 폐기물과 산화제를 가스화 반응기에 투입하여 발생된 합성가스를 정제한 다음, 합성가스의 유량과 가연성분의 조성을 측정하고, 가연성분의 조성과 유량을 통해 발열량을 계산하여 연소 보일러로 투입하고, 연소 보일러에 투입하는 발열량이 부족하면 부족한 발열량만큼 LNG를 연소 보일러에 제공하도록 하는 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템에 관한 것이다.

Description

산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템{GASIFICATION SYSTEM FOR FUEL SUBSTITUTION OF INDUSTRIAL FIRED BOILER}
본 발명은 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 폐기물과 산화제를 가스화 반응기에 투입하여 발생된 합성가스를 정제한 다음, 합성가스의 유량과 가연성분의 조성을 측정하고, 가연성분의 조성과 유량을 통해 발열량을 계산하여 연소 보일러로 투입하고, 연소 보일러에 투입하는 발열량이 부족하면 부족한 발열량만큼 LNG를 연소 보일러에 제공하도록 하는 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템에 관한 것이다.
우리나라의 업무/상업용 건물, 공공기관, 아파트 주택 등에서는 주로 온수를 이용한 난방방식을 이용하는데, 난방에 필요한 온수는 보일러에서 연료와 산화제의 연소반응을 통해 발생하는 연소열을 이용하여 생산한다. 보일러의 연료로 주로 LNG를 이용한다.
이러한 LNG는 전량 수입하고 있으며 국제 유가변동에 따라 가격이 변화한다. LNG의 가격변동 및 국내 에너지 안보에 대응하기 위해 대체원료의 적용이 필요하다. 또한 LNG는 청정한 가스원료이므로, 기존의 LNG 보일러에 대체원료로 이용하기 위해서는 청정한 가스 상태의 원료가 필요하다.
생활폐기물, 사업장폐기물, 유기성폐기물과 같은 각종 폐기물 및 고형연료에 포함된 가연성분의 가스화를 통해 제조된 합성가스를 대체연료로 이용할 수 있다.
일례로, 국내 등록특허공보 10-1218976호(가변형 가스화기가 구비된 발전과 연소보일러 겸용 가스화 장치 및 그 운전방법)이 출원되어 등록되었다.
상기 가변형 가스화기가 구비된 발전과 연소보일러 겸용 가스화 장치 및 그 운전방법은 합성가스로 구동되는 연소보일러 및 발전엔진을 하나의 가스화기에 연계하여 설치하고, 상기 가스화기는 사용분야에 따라 상향류 또는 하향류 방식을 선택적으로 적용하여 사용분야에 적합한 합성가스를 생산할 수 있는 가스화 장치 및 그 운전방법에 관한 것다.
그러나, 이러한 상기 가변형 가스화기가 구비된 발전과 연소보일러 겸용 가스화 장치 및 그 운전방법은 합성가스만을 연소 보일러로 공급하여 열을 생산하도록 하는 구성인 데, 폐기물을 열분해 공정을 이용하여 얻은 합성가스는 발열량이 LNG(liquefied natural gas, 액화천연가스)와 비교하여 30~70% 정도이므로 연소 보일러로 제공하는 경우 열 생산 효율이 매우 낮은 문제점이 있다.
국내 등록특허공보 10-1218976호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폐기물과 산화제를 가스화 반응기에 투입하여 발생된 합성가스를 정제한 다음, 합성가스의 유량과 가연성분의 조성을 측정하고, 가연성분의 조성과 유량을 통해 발열량을 계산하여 연소 보일러로 투입하고, 연소 보일러에 투입하는 발열량이 부족하면 부족한 발열량만큼 LNG를 연소 보일러에 제공하도록 하는 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 연소 보일러의 버너에 합성가스와 LNG 및 산화제를 투입시 지름이 서로 다른 공급관으로 투입하여 일정한 속도를 유지하면서 공급함으로써 안정적으로 연소가 이루어지도록 하는 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또, 본 발명은 가스화 반응기에서 발생하는 합성가스가 폐기물의 특성 및 공급량, 공급방법에 따라 조성 및 유량의 변동이 발생할 수 있으므로 합성가스 버퍼탱크를 통해 연소 보일러로 공급시켜 유량과 압력 변동을 최소화하도록 하는 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
가연성 폐기물을 공급하는 폐기물 공급장치와; 산화제를 공급하는 제 1산화제 공급장치와; 상기 폐기물 공급장치로부터 가연성 폐기물을 공급받고, 상기 제 1산화제 공급장치로부터 산화제를 공급받아 가연성 폐기물 내의 탄소, 수소 성분을 가스화하여 합성가스로 전환하는 가스화 반응기와; 상기 가스화 반응기에서 배출되는 합성가스를 정제하여 배출하는 정제 장치와; 상기 정제 장치에서 정제된 합성가스를 저장하는 합성가스 버퍼탱크와; LNG를 저장하는 LNG 저장탱크와; 상기 LNG 저장탱크의 LNG를 공급하는 LNG 공급장치와; 산화제를 공급하는 제 2산화제 공급장치와; 상기 합성가스 버퍼탱크의 합성가스와 상기 LNG 공급장치의 LNG 및 상기 제 2산화제 공급장치의 산화제를 공급받아 스팀을 생산하는 연소 보일러와; 상기 합성가스 버퍼탱크에서 상기 연소 보일러로 공급되는 합성가스의 유량을 실시간으로 측정하는 유량 측정장치와; 상기 합성가스 버퍼탱크에서 상기 연소 보일러로 공급되는 합성가스의 가연성분의 조성을 실시간으로 측정하는 조성 측정장치; 및 상기 유량 측정장치와 조성 측정장치로부터 측정된 합성가스의 발열량과 상기 연소 보일러의 소비 발열량을 비교하여 발열량 차이에 따라 상기 합성가스 버퍼탱크의 합성가스와, 상기 LNG 공급장치의 LNG 및 상기 제 2산화제 공급장치의 산화제의 공급량을 조절하는 공급량 제어장치로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 연소 보일러는 제일 내측에 위치한 제 1공급관에 상기 LNG 공급장치의 LNG가 공급되고, 상기 제 1공급관 외측에 위치한 제 2공급관에 상기 제 2산화제 공급장치의 산화제가 공급되며, 상기 제 2공급관 외측에 위치한 제 3공급관에 상기 상기 합성가스 버퍼탱크의 합성가스가 공급되고, 상기 제 3공급관 외측에 위치한 제 4공급관에 상기 제 2산화제 공급장치의 산화제가 공급되되, 일정한 속도로 공급되는 4중 공급관이 구비된다.
여기에서 또한, 상기 공급량 제어장치는 합성가스의 발열량이 기준 발열량을 초과하는 경우 합성가스와 산화제를 상기 4중 공급관중 제 1공급관과 제 2공급관에 공급한다.
여기에서 또, 상기 공급량 제어장치는 상기 연소 보일러의 초기 운전시 LNG와 산화제를 상기 4중 공급관중 제 1공급관과 제 2공급관에 공급하여 연소 분위기를 형성한다.
여기에서 또, 상기 공급량 제어장치는 상기 유량 측정장치와 조성 측정장치로부터 측정된 합성가스의 발열량을 상기 연소 보일러의 소비 발열량과 비교하여 합성가스의 발열량이 소비 발열량보다 낮으면, 발열량 차이에 해당하는 만큼 LNG를 상기 연소 보일러로 공급한다.
여기에서 또, 상기 제 1, 2산화제 공급장치는 공기를 공급하는 블로워이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템에 따르면, 폐기물과 산화제를 가스화 반응기에 투입하여 발생된 합성가스를 정제한 다음, 합성가스의 유량과 가연성분의 조성을 측정하고, 가연성분의 조성과 유량을 통해 발열량을 계산하여 연소 보일러로 투입하고, 연소 보일러에 투입하는 발열량이 부족하면 부족한 발열량만큼 LNG를 연소 보일러에 제공하여 연소 보일러의 열 생산 효율을 상대적으로 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 연소 보일러의 버너에 합성가스와 LNG 및 산화제를 투입시 지름이 서로 다른 공급관으로 투입하여 일정한 속도를 유지하면서 공급함으로써 안정적으로 연소가 이루어지기 때문에 안정적으로 시스템을 운영할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 가스화 반응기에서 발생하는 합성가스가 폐기물의 특성 및 공급량, 공급방법에 따라 조성 및 유량의 변동이 발생할 수 있으므로 합성가스 버퍼탱크를 통해 연소 보일러로 공급시켜 유량과 압력 변동을 최소화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 개통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템에 적용된 4중관의 구성을 나타낸 사시도이다.
이하, 본 발명에 따른 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 개통도이고, 도 2는 본 발명에 따른 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템에 적용된 4중관의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템(1)은 폐기물 공급장치(10)와, 제 1산화제 공급장치(20)와, 가스화 반응기(30)와, 정제 장치(40)와, 합성가스 버퍼탱크(T1)와, LNG 저장탱크(T2)와, LNG 공급장치(P1)와, 제 2산화제 공급장치(50)와, 연소 보일러(60)와, 유량 측정장치(70)와, 조성 측정장치(80) 및 공급량 제어장치(90)를 포함한다.
먼저, 폐기물 공급장치(10)는 가연성 폐기물을 공급한다. 이때, 폐기물 공급장치(10)는 고형 연료를 공급할 수도 있다.
그리고, 제 1산화제 공급장치(20)는 산화제인, 산소를 하기에서 설명할 가스화 반응기(30)로 공급한다. 이때, 제 1산화제 공급장치(20)는 고가의 산소를 대신하여 산소가 포함된 공기를 공급하도록 블로워가 적용된다.
또한, 가스화 반응기(30)는 통상의 가스화 장치로서 폐기물 공급장치(10)로부터 가연성 폐기물을 공급받고, 제 1산화제 공급장치(20)로부터 산화제를 공급받아 가연성 폐기물 내의 탄소, 수소 성분을 가스화하여 CO, H2, CO2, CH4가 주성분인 합성가스(synthesis gas, syngas)로 전환한다.
또, 정제 장치(40)는 가스화 반응기(30)에서 배출되는 합성가스에 포함된 분진, 타르, 질소화합물 (NH3, HCN), 염소화합물 (HCl), 황화합물 (COS, H2S)과 같은 오염물질을 제거하여 배출한다.
이어서, 합성가스 버퍼탱크(T1)는 폐기물의 공급 특성에 따라 합성가스의 조성 및 유량의 변동이 발생할 수 있으므로 유량과 압력 변동을 최소화시키도록 정제 장치(40)에서 정제된 합성가스를 임시 저장한다.
계속해서, LNG 저장탱크(T2)는 LNG를 저장한다.
그리고, LNG 공급장치(P1)는 LNG 저장탱크(T2)의 LNG를 공급한다. 이때, LNG 공급장치(P1)는 펌프가 적용되는 것이 바람직하다.
또한, 제 2산화제 공급장치(50)는 산화제인, 산소를 하기에서 설명할 연소 보일러(60)로 공급한다. 이때, 제 2산화제 공급장치(50)는 고가의 산소를 대신하여 산소가 포함된 공기를 공급하도록 블로워가 적용된다.
또, 연소 보일러(60)는 합성가스 버퍼탱크의 합성가스와 LNG 공급장치의 LNG 및 제 2산화제 공급장치(50)의 산화제를 공급받아 스팀을 생산한다. 여기에서, 연소 보일러(60)는 제일 내측에 위치한 제 1공급관(61a)에 LNG 공급장치(P1)의 LNG가 공급되고, 제 1공급관(61a) 외측에 위치한 제 2공급관(61b)에 제 2산화제 공급장치(50)의 산화제가 공급되며, 제 2공급관(61b) 외측에 위치한 제 3공급관(61c)에 합성가스 버퍼탱크(T1)의 합성가스가 공급되고, 제 3공급관(61c) 외측에 위치한 제 4공급관(61d)에 제 2산화제 공급장치(50)의 산화제가 공급되되, 일정한 속도로 공급되는 4중 공급관(61)이 구비된다. 여기에서 또한, 4중 공급관(61)의 후단에는 산화가스, LNG 및 산화제를 일정 속도로 버너(65)로 공급하는 분사 노즐(63)이 구비되는 것이 바람직하다.
이어서, 유량 측정장치(70)는 합성가스 버퍼탱크(T1)에서 연소 보일러(60)로 공급되는 합성가스의 유량을 실시간으로 측정하고, 측정 결과를 하기에서 설명할 공급량 제어장치(90)로 전송한다.
계속해서, 조성 측정장치(80)는 합성가스 버퍼탱크(T1)에서 연소 보일러(60)로 공급되는 합성가스의 가연성분의 조성을 실시간으로 측정하고, 측정 결과를 공급량 제어장치(90)로 전송한다.
한편, 공급량 제어장치(90)는 유량 측정장치(70)와 조성 측정장치(80)로부터 측정된 합성가스의 발열량과 연소 보일러(60)의 소비 발열량을 비교하여 발열량 차이에 따라 합성가스 버퍼탱크(T1)의 합성가스와, LNG 공급장치(P1)의 LNG 및 제 2산화제 공급장치(50)의 산화제의 공급량을 조절, 즉 합성가스의 발열량이 소비 발열량보다 낮으면, 기설정된 발열량 차이에 해당하는 만큼 LNG를 연소 보일러(60)로 공급한다. 여기에서, 공급량 제어장치(90)는 합성가스의 발열량이 기준 발열량을 초과하는 경우 합성가스와 산화제를 4중 공급관(61)중 제 3공급관(61c)과 제 4공급관(61d)에 공급하고, 연소 보일러의 초기 운전시 LNG와 산화제를 4중 공급관(61)중 제 1공급관(61a)과 제 2공급관(61b)에 공급하여 연소 분위기를 형성한다. 여기에서 또한, 공급량 제어장치(90)는 내부에 유로를 변경하고, 유량을 조절하도록 밸브(미도시)와 유로 가변 수단(미도시) 등이 구비되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 가스화 반응기(30)로 폐기물 공급장치(10)에서 가연성 폐기물을 공급되고, 제 1산화제 공급장치(20)에서 산화제가 공급되면, 가스화 반응기(30)에서 가연성 폐기물 내의 탄소, 수소 성분을 가스화하여 CO, H2, CH4가 주성분인 합성가스(synthesis gas, syngas)로 전환되어 정제 장치(40)를 통해 합성가스 버퍼탱크(T1)에 임시 저장된다.
그리고, 합성가스를 이용하여 연소 보일러(60)에서 스팀을 생산하고자 하는 경우 공급량 제어장치(90)는 LNG 공급장치(P1)와 제 2산화제 공급장치(50)의 동작을 제어하여 LNG와 산화제를 4중 공급관(61)중 제 1공급관(61a)과 제 2공급관(61b)에 공급하여 연소 분위기를 형성한다.
그런 다음, 공급량 제어장치(90)는 합성가스와 산화제를 4중 공급관(61)중 제 3공급관(61c)과 제 4공급관(61d)에 공급한다.
이어서, 공급량 제어장치(90)는 유량 측정장치(70)와 조성 측정장치(80)로부터 측정된 합성가스의 발열량과 연소 보일러(60)의 소비 발열량을 비교한다.
그래서, 공급량 제어장치(90)는 합성가스의 발열량이 소비 발열량과 동일하면 LNG와 산화제의 공급을 중단하고, 합성가스와 산화제만을 공급한다.
반대로, 공급량 제어장치(90)는 합성가스의 발열량보다 낮으면, 기설정된 발열량 차이에 해당하는 만큼 LNG와 산화제를 연소 보일러(60)로 더 공급한다.
또한, 공급량 제어장치(90)는 합성가스의 발열량이 기준 발열량을 초과하는 경우 합성가스를 제 1공급관(61a)과 제 3공급관(61c)에 모두 공급하고, 산화제를 제 2공급관(61b)과 제 4공급관(61d)에 공급한다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 폐기물 공급장치 20 : 제 1산화제 공급장치
30 : 가스화 반응기 40 : 정제 장치
50 : 제 2산화제 공급장치 60 : 연소 보일러
70 : 유량 측정장치 80 : 조성 측정장치
90 : 공급량 제어장치 P1 : LNG 공급장치
T1 : 합성가스 버퍼탱크 T2 : LNG 저장탱크

Claims (6)

  1. 가연성 폐기물을 공급하는 폐기물 공급장치와;
    산화제를 공급하는 제 1산화제 공급장치와;
    상기 폐기물 공급장치로부터 가연성 폐기물을 공급받고, 상기 제 1산화제 공급장치로부터 산화제를 공급받아 가연성 폐기물 내의 탄소, 수소 성분을 가스화하여 합성가스로 전환하는 가스화 반응기와;
    상기 가스화 반응기에서 배출되는 합성가스를 정제하여 배출하는 정제 장치와;
    상기 정제 장치에서 정제된 합성가스를 저장하는 합성가스 버퍼탱크와;
    LNG를 저장하는 LNG 저장탱크와;
    상기 LNG 저장탱크의 LNG를 공급하는 LNG 공급장치와;
    산화제를 공급하는 제 2산화제 공급장치와;
    상기 합성가스 버퍼탱크의 합성가스와 상기 LNG 공급장치의 LNG 및 상기 제 2산화제 공급장치의 산화제를 공급받아 스팀을 생산하는 연소 보일러와;
    상기 합성가스 버퍼탱크에서 상기 연소 보일러로 공급되는 합성가스의 유량을 실시간으로 측정하는 유량 측정장치와;
    상기 합성가스 버퍼탱크에서 상기 연소 보일러로 공급되는 합성가스의 가연성분의 조성을 실시간으로 측정하는 조성 측정장치; 및
    상기 유량 측정장치와 조성 측정장치로부터 측정된 합성가스의 발열량과 상기 연소 보일러의 소비 발열량을 비교하여 발열량 차이에 따라 상기 합성가스 버퍼탱크의 합성가스와, 상기 LNG 공급장치의 LNG 및 상기 제 2산화제 공급장치의 산화제의 공급량을 조절하는 공급량 제어장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소 보일러는,
    제일 내측에 위치한 제 1공급관에 상기 LNG 공급장치의 LNG가 공급되고, 상기 제 1공급관 외측에 위치한 제 2공급관에 상기 제 2산화제 공급장치의 산화제가 공급되며, 상기 제 2공급관 외측에 위치한 제 3공급관에 상기 상기 합성가스 버퍼탱크의 합성가스가 공급되고, 상기 제 3공급관 외측에 위치한 제 4공급관에 상기 제 2산화제 공급장치의 산화제가 공급되되, 일정한 속도로 공급되는 4중 공급관이 구비되는 것을 특징으로 하는 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공급량 제어장치는,
    합성가스의 발열량이 기준 발열량을 초과하는 경우 합성가스와 산화제를 상기 4중 공급관중 제 1공급관과 제 2공급관에 공급하는 것을 특징으로 하는 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 공급량 제어장치는,
    상기 연소 보일러의 초기 운전시 LNG와 산화제를 상기 4중 공급관중 제 1공급관과 제 2공급관에 공급하여 연소 분위기를 형성하는 것을 특징으로 하는 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급량 제어장치는,
    상기 유량 측정장치와 조성 측정장치로부터 측정된 합성가스의 발열량을 상기 연소 보일러의 소비 발열량과 비교하여 합성가스의 발열량이 소비 발열량보다 낮으면, 발열량 차이에 해당하는 만큼 LNG를 상기 연소 보일러로 공급하는 것을 특징으로 하는 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2산화제 공급장치는,
    공기를 공급하는 블로워인 것을 특징으로 하는 산업용 연소 보일러의 연료 대체를 위한 가스화 시스템.
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Citations (5)

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