KR101598982B1 - Hybrid gasification reactor employing high temperature thermal plasma/dual fluidized-bed and syngas production method using it - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 발열량이 높은 합성가스를 효율적으로 생산하기 위한 하이브리드 가스화 반응기 및 이를 이용한 합성가스 생산방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid gasification reactor for efficiently producing a syngas with a high calorific value and a synthesis gas production method using the same.
석유에너지 자원은 수송 및 발전용 연료로서 뿐만 아니라 석유화학산업에서 매우 중요한 자원으로서 자리를 차지하고 있다. 그러나 석유는 유한한 자원이며, 화석연료 중 가장 먼저 고갈될 것으로 예상된다. 이에 지속가능하고 환경 친화적인 에너지원을 개발하기 위한 전세계적 노력은 더욱 가속화 되고 있다.Petroleum energy resources are a very important resource in the petrochemical industry as well as fuel for transportation and power generation. However, petroleum is a finite resource and is expected to be depleted first among fossil fuels. Global efforts to develop sustainable and environmentally friendly energy sources are accelerating.
일례로 기존의 화석연료의 활용 정도를 높이고 지구온난화 저감과 매립지 수명 연장 등을 위해 환경 친화적인 기술이 도입되고 있으며, 그 대표적인 사례로 가스화 기술을 꼽을 수 있다. For example, environment-friendly technologies have been introduced to increase the utilization of existing fossil fuels, reduce global warming, and extend the life of landfills. Gasification technology is a typical example of this.
가스화는 고체 화석연료를 연소한 후 발생되는 열을 이용하여 발전하는 기존의 화력발전소와는 달리, 부분산화를 통하여 생성되는 열로 화력발전방식과 동일하게 스팀을 만들어 발전하는 것은 물론, 가스화에 의해 생성되는 합성가스는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 주요성분으로써 고체연료 대체용이거나 전력생산, 화학원료 및 합성연료 제조용으로 활용이 가능하다.Unlike conventional thermal power plants, which generate heat using the heat generated after burning solid fossil fuels, gasification is heat generated by partial oxidation. The gasification is the same as the thermal power generation method, Syngas is a major component of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), which can be used as a substitute for solid fuels or for power generation, chemical raw materials and synthetic fuel production.
가스화 기술의 원료는 천연가스, 석탄, 바이오매스, 폐기물 등 가연성 탄소자원이 거론되고 있다. 이들을 메탄가스, 메탄올 등 다양한 화학원료로 사용하기 위해서는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 주성분으로 하는 합성가스의 생산이 요구된다. The sources of gasification technology are combustible carbon resources such as natural gas, coal, biomass, and waste. In order to use these as various chemical raw materials such as methane gas and methanol, it is required to produce synthesis gas mainly composed of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO).
또한 합성가스는 연료로 사용하는 경우를 제외하고는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)만이 각종 반응에 참여하며, 따라서 나머지는 정제공정을 거쳐 제거된다.In addition, only carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) participate in various reactions, except for the use of syngas as a fuel, so that the remainder is removed through a purification process.
이에 고체상의 물질을 이용하여 합성가스를 생산하기 위해서는 가스화 기술이 필요하며, 이에 대한 연구는 오래전부터 기술개발이 진행되어 오고 있다. Therefore, gasification technology is required to produce syngas using solid materials, and research on this has been carried out for a long time.
일반적으로 가스화 기술에서는 공기를 가스화제로 사용한다. 가스화 원료는 공급된 공기 중의 산소와 부분 산화를 일으키고, 이때 발생된 열에 의해 가스화 반응이 일어난다. Generally, gasification technology uses air as a gasifier. The gasification raw material causes partial oxidation with oxygen in the supplied air, and the gasification reaction is caused by the heat generated at this time.
이 경우 가스화제인 공기에는 약 79%의 질소가 포함되어 있기 때문에 생산되는 합성가스는 상대적으로 수소와 일산화탄소의 농도가 낮고 발열량도 1000 내지 1500kcal/N㎥ 이하인 저발열량 가스이다. 이에 생산된 합성가스를 처리하는 후단 공정 장치들의 용량이 커지고, 합성가스의 활용도가 떨어지는 단점이 있다.In this case, since the gasifying agent contains about 79% nitrogen, the produced syngas is a low calorific gas having a relatively low concentration of hydrogen and carbon monoxide and a calorific value of 1000 to 1500 kcal / Nm 3 or less. There is a disadvantage in that the capacity of the post-processing apparatuses for processing the synthesized gas thus produced becomes large and the utilization of the syngas is inferior.
따라서 합성가스는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)의 농도가 높은 고품질이 요구되며 이러한 요구조건을 가장 잘 충족시킬 수 있는 기술이 간접가스화 기술이다.Therefore, syngas is required to have a high concentration of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), and indirect gasification technology is the technology that best meets these requirements.
간접가스화 기술은 가스화제로 수증기를 사용하고, 가스화에 필요한 열을 외부에서 공급받음으로서 생산된 합성가스에 질소(N2)가 포함되지 않아 발열량이 높은 중발열량가스(3000 내지 5000 kcal/N㎥)를 생산하는 간접가스화 기술이 크게 대두되고 있다. The indirect gasification technology uses steam as a gasifying agent, and the heat required for gasification is supplied from the outside. As a result, the syngas produced does not contain nitrogen (N 2 ), and the gaseous calorific gas having a high calorific value (3000 to 5000 kcal / Nm 3 ), Which is a major gasification technology.
대표적인 간접가스화 기술에는 이중 유동층 반응기 기술이 있으며 고온 플라즈마 가스화 기술도 간접 가스화 기술의 한 종류로 볼 수 있다. Typical indirect gasification technologies include dual fluidized-bed reactor technology and high-temperature plasma gasification technology can be regarded as a kind of indirect gasification technology.
이중 유동층 반응기 기술은 열전달 매체로서 유동사가 두 유동층 반응기를 사이를 순환해야 하며, 유동사가 열전달 매체로서의 역할을 하기 위해서 연소 영역에서의 연소반응에 의하여 가열되어야 한다. 구체적인 이중 유동층 가스화 반응기의 개념을 도 1에 나타내었다. The dual fluidized bed reactor technology requires the fluidized bed as a heat transfer medium to circulate between two fluidized bed reactors and the fluidized bed must be heated by the combustion reaction in the combustion region in order to act as a heat transfer medium. The concept of a specific double fluidized bed gasification reactor is shown in FIG.
도 1을 참조하면, 이중 유동층 가스화 반응기는 가스화 영역을 포함하는 유동층과 연소 영역을 포함하는 유동층으로 구성된다. Referring to Figure 1, a dual fluidized bed gasification reactor is composed of a fluidized bed comprising a gasification zone and a fluidized bed comprising a combustion zone.
원료와 가스화제는 가스화 영역으로 공급되고 연소공기가 연소 영역으로 주입되고, 상기 가스화 영역에서는 주입된 원료와 가스화제가 가스화 반응을 통해 합성가스가 생산된다. The raw material and the gasifying agent are supplied to the gasification zone, and the combustion air is injected into the combustion zone. In the gasification zone, the gas mixture of the injected raw material and the gasifying agent produces a synthesis gas.
이때, 가스화 반응은 흡열 반응이므로 열을 가해주어야 하는데 필요한 열은 연소 영역에서 진행되는 연소 반응에 의해 발생된 열이 연소 영역의 유동사를 가열하고 가열된 유동사가 가스화 영역으로 이동하여 열을 전달하게 된다. In this case, the gasification reaction is an endothermic reaction, so heat must be applied. The heat generated by the combustion reaction in the combustion region heats the fluid in the combustion region and the heated fluid moves to the gasification region to transfer heat do.
열전달이 끝난 유동사는 다시 연소 영역으로 재순환되는데 이때 가스화 영역의 미반응 촤와 함께 이동한다. The heat transfer fluid is then recycled back to the combustion zone, which moves with the unreacted gas in the gasification zone.
또한 가스화 반응기 후단에서 가스화 반응의 부산물인 타르를 제거장치를 통해 포집한다. 따라서 연소 영역에서 진행되는 연소 반응의 연료는 미반응 촤(char) 및 재순환된 타르이다. 그런데 미반응 촤와 재순환된 타르의 양은 제어하기가 어려우므로 추가 연료를 공급하여야 하는 경우가 빈번하다. At the end of the gasification reactor, tar, which is a byproduct of the gasification reaction, is collected through a removal device. Therefore, the fuel of the combustion reaction proceeding in the combustion region is unreacted char and recycled tar. However, the amount of unreacted 촤 and recycled tar is difficult to control, so it is often necessary to supply additional fuel.
반면, 고온 플라즈마 가스화 반응기는 외부의 전력으로 플라즈마를 생성해 화염을 형성시켜 반응온도를 유지하는 것으로, 이중 유동층 가스화 반응기의 연소 영역을 통한 열 공급 및 온도유지가 필요 없다. On the other hand, the high-temperature plasma gasification reactor maintains the reaction temperature by generating a plasma by external power to form a flame, and it is not necessary to supply heat and maintain the temperature through the combustion region of the double fluidized bed gasification reactor.
또한 플라즈마 중심부의 온도는 수천도로 높은 온도를 단시간에 형성시킬 수 있기 때문에 예열에 필요한 시간이 매우 짧은 장점이 있다.In addition, since the temperature of the central portion of the plasma can be formed at a high temperature of several thousands of degrees in a short time, the time required for preheating is short.
더불어, 매우 높은 온도조건에서 가스화 반응이 진행됨으로 짧은 체류시간 및 높은 연료 전환율을 얻을 수 있다.In addition, since the gasification reaction proceeds under very high temperature conditions, a short residence time and a high fuel conversion rate can be obtained.
하지만 이러한 고온 플라즈마 가스화기의 경우 생산된 합성가스의 고온 열과 미반응 수증기를 효과적으로 활용하지 못하는 단점이 있다. However, such a high-temperature plasma gasifier has a disadvantage in that it can not effectively utilize the high temperature heat and the unreacted water vapor of the produced syngas.
대한민국 특허등록 제10-1400670호는 고온 플라즈마 가스화 반응기 내부에 플라즈마 토치를 추가하여 고온을 유지하여 반응시간을 연장함에 따라 가스화 효율을 높이는 장치를 제시하고 있으나, 전술한 단점을 그대로 갖고 있다. Korean Patent Registration No. 10-1400670 proposes a device for increasing the gasification efficiency by adding a plasma torch to the inside of the high temperature plasma gasification reactor to maintain the high temperature to prolong the reaction time, but it has the above-described disadvantages.
이에 공정상의 효율을 높임과 동시에 발열량이 높은 합성가스를 생산하는 장치를 확보하기 위해 다각적으로 연구한 결과, 본 출원인은 고온 플라즈마 가스화 반응기와 이중 유동층 가스화 반응기가 기술적으로 융합됨으로써 상기 문제점을 해결할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다. As a result of various studies in order to secure a device for producing synthetic gas having a high calorific value while improving the efficiency of the process, Applicants have solved the above problems by technically combining a high temperature plasma gasification reactor and a dual fluidized bed gasification reactor To complete the present invention.
따라서 본 발명의 목적은 고온 플라즈마 가스화 반응기에서 생성된 고온 합성가스 및 수증기를 이중 유동층 가스화 반응기에서 활용하는 하이브리드 가스화 반응 장치를 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a hybrid gasification reaction apparatus utilizing a high-temperature syngas and steam generated in a high-temperature plasma gasification reactor in a dual fluidized bed gasification reactor.
또한, 본 발명의 또다른 목적은 상기 하이브리드 가스화 반응장치를 이용하여 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 주성분으로 하는 합성가스의 생산방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing a synthesis gas containing carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) as main components using the hybrid gasification reactor.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 주성분으로 하는 합성가스 생산을 위한 하이브리드 가스화 반응장치를 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention features a hybrid gasification reaction apparatus for producing a synthesis gas mainly composed of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ).
이때 상기 하이브리드 가스화 반응장치는 제1챔버와 제2챔버로 구비되고, 이들은 연결수단에 의해 연통되는 것을 특징으로 한다.At this time, the hybrid gasification apparatus is provided with a first chamber and a second chamber, which are connected by a connecting means.
상기 제1챔버는 가스화 영역을 포함하는 비말 유동층 반응기, 및 유동사 순환 영역을 포함하는 기포 유동층 반응기로 이루어진 이중 유동층 가스화 반응기인 것을 특징으로 한다.The first chamber is a double fluidized bed gasification reactor comprising a fluidized bed reactor including a gasification region and a fluidized bed fluidized bed reactor including a fluidized bed cyclic region.
이때 상기 비말 유동층 반응기와 기포 유동층 반응기는 유동사 흐름관에 의해 연통되는 것을 특징으로 한다. Wherein the droplet fluidized bed reactor and the bubbling fluidized bed reactor are communicated by a flow tube.
이때 상기 유동사 흐름관으로 인해 유동사가 비말 유동층 반응기와 기포 유동층 반응기 사이를 순환하도록 하는 것을 특징으로 한다. Wherein the fluidized yarn flow tube causes the fluidized yarn to circulate between the droplet fluidized bed reactor and the bubbling fluidized bed reactor.
상기 제2챔버는 고온 플라즈마 가스화 반응이 가능하도록 고온 플라즈마 가스화 반응기인 것을 특징으로 한다.And the second chamber is a high-temperature plasma gasification reactor so that a high-temperature plasma gasification reaction can be performed.
이때 상기 제2챔버는 제1챔버의 기포 유동층 반응기와 연결 수단을 통해 연통되는 것을 특징으로 한다.
Wherein the second chamber communicates with the bubbling fluidized bed reactor of the first chamber through the connecting means.
또한, 본 발명은 상기 하이브리드 가스화 반응장치를 이용하여 이산화탄소(CO)와 수소(H2)를 주성분으로 하는 합성가스 생산방법을 특징으로 한다.
The present invention also features a method for producing a syngas using carbon dioxide (CO) and hydrogen (H 2 ) as a main component using the hybrid gasification reactor.
구체적으로, 원료를 제1챔버의 비말 유동층 반응기와 제2챔버에 각각 주입하는 단계;Specifically, injecting the raw material into the droplet fluidized bed reactor and the second chamber of the first chamber, respectively;
상기 제2챔버에서 플라즈마 발생을 통해 고온 합성가스 및 수증기를 제조하는 단계;Producing high-temperature syngas and steam through plasma generation in the second chamber;
상기 제2챔버에서 생성된 고온 합성가스 및 수증기를 연결 수단을 통해 상기 제1챔버 내 기포 유동층 반응기로 이송하는 단계;Transferring the hot syngas and steam generated in the second chamber to the bubbling fluidized bed reactor in the first chamber through the connecting means;
상기 기포 유동층 반응기와 상기 비말 유동층 반응기 사이에 유동사 흐름관을 통해 유동사가 순환하는 단계; 및 Circulating the fluid yarn through the fluid flow tube between the bubbling fluidized bed reactor and the droplet fluidized bed reactor; And
상기 비말 유동층 반응기 내에 주입된 가스화제와 원료와의 가스화 반응에 의해 합성가스를 제조하는 단계;Producing a synthesis gas by a gasification reaction between the gasifying agent injected into the droplet fluidized bed reactor and the raw material;
를 포함하는 하이브리드 가스화 반응장치를 이용한 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 주성분으로 하는 합성가스 생산방법을 특징으로 한다.(CO) and hydrogen (H 2 ) as a main component.
이때 상기 제2챔버로부터 이송된 고온 합성가스 및 수증기의 열이 유동사로 열전달이 이루어져 고온의 유동사로 전환되고, 상기 유동사 흐름관을 통해 가스화 영역으로 이동하며 상기 비말 유동층 반응기의 가스화 반응에 필요한 열을 공급하는 것을 특징으로 한다.At this time, the heat of the high-temperature syngas and steam transferred from the second chamber is transferred to the fluidized-bed furnace to be converted into the hot fluidized yarn, and is transferred to the gasification region through the fluidized- Is supplied.
본 발명에 따른 하이브리드 가스화 반응기는 이중 유동층 가스화 반응기와 고온 플라즈마 가스화 반응기를 결합하여 이중 유동층 가스화 반응기의 연소 영역에서 미반응 촤와 타르의 양의 제어 어려움 및 추가 연료 공급이 없다. The hybrid gasification reactor according to the present invention has a difficulty in controlling the amount of unreacted 촤 and tar in the combustion region of the dual fluidized bed gasification reactor by combining the dual fluidized bed gasification reactor and the high temperature plasma gasification reactor,
또한, 고온 플라즈마 가스화 반응기에서 생성된 열과 수증기를 효과적으로 이용함으로써 공정 효율성과 중발열량가스 생산량을 높이고 냉가스 효율을 향상시키는 효과가 있다.Also, the heat and steam generated in the high-temperature plasma gasification reactor are effectively used to increase the process efficiency, the gaseous heat production rate and the cooling gas efficiency.
도 1은 본 발명에 따른 이중 유동층 가스화 기술의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 가스화 반응기의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a double fluidized bed gasification technology according to the present invention.
2 is a conceptual diagram of a hybrid gasification reactor according to the present invention.
본 발명은 고온 플라즈마 가스화 반응기에서 발생한 고온 합성가스 및 수증기가 이중 유동층 가스화 반응기의 유동사 순환 영역으로 공급되는 하이브리드 가스화 반응기를 제시한다. The present invention provides a hybrid gasification reactor in which high-temperature syngas and steam generated in a high temperature plasma gasification reactor are supplied to a fluidized bed cycling region of a dual fluidized bed gasification reactor.
특히 본 발명에서는 하이브리드 형태를 통해 이중 유동층 가스화 반응기에서 미반응 촤와 재순환된 타르 양의 제어의 곤란성이 해소되고 및 이에 따른 추가 연료 공급과정의 배제가 가능하다. 또한, 플라즈마 가스화 반응기에서 발생하는 가스의 열과 수증기의 활용성을 높일 수 있는 잇점을 확보한다.Particularly, in the present invention, it is possible to eliminate the difficulty of controlling the amount of unreacted 촤 and the recycled tar in the dual fluidized bed gasification reactor through the hybrid type, and thereby to eliminate the additional fuel supply process. In addition, the advantage of increasing the utilization of the heat of the gas and the steam generated in the plasma gasification reactor is secured.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 2는 본 발명의 일례에 따른 하이브리드 가스화 반응장치(100)의 도면이다. 2 is a diagram of a
도 2를 참조하면, 하이브리드 가스화 반응장치(100)는 제1챔버(200) 및 제2챔버(300)로 구성되며, 이 둘은 연결수단(309)을 통해 연통된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 2, the
상기 제1챔버(200)는 비말 유동층 반응기(203)와 기포 유동층 반응기(207)를 구비한다.The
상기 비말 유동층 반응기(203)는 주입된 원료와 가스화제의 반응을 통해 가스화 반응이 이루어지는 가스화 영역(201)을 포함한다.The droplet
상기 기포 유동층 반응기(207)는 유동사의 순환이 이루어지는 유동사 순환 영역(205)을 포함한다. The bubbling
이때 상기 비말 유동층 반응기(203)과 기포 유동층 반응기(207)는 유동사 흐름관을 통해 연통된다. At this time, the droplet
상기 유동사 흐름관은 가스화 영역과 유동사 순환 영역을 분리하면서 유동사가 선택적으로 순환하도록 한다. 이때 유동사 흐름관은 당업계의 통상적인 형태로 사용될 수 있지만 유속 상승 및 열전달 측면에서 유리한 파이프 형태가 바람직하다.The flow yarn flow tube allows the flow yarn to circulate selectively while separating the gasification zone and the flowable yarn circulation zone. At this time, the flow pipe may be used in a conventional form in the art, but it is preferable that the pipe form is advantageous in view of the flow rate rise and heat transfer.
특히 파이프 형태를 사용할 경우, 흐름 방향으로 단면적을 변경하여 유속을 조절할 수 있는 장점이 있다.Particularly, when a pipe type is used, there is an advantage that the flow rate can be adjusted by changing the sectional area in the flow direction.
또한, 상기 기포 유동층 반응기(207)에서는 비말 유동층 반응기(203)에서 유동사 흐름관을 통하여 유동사와 함께 들어오는 미반응 촤(char) 및 타르의 추가적인 가스화 반응이 진행될 수 있다.Further, in the bubbling
또한, 상기 비말 유동층 반응기(203)는 원료 저장소(미도시), 가스화제 저장소(미도시) 및 생성된 합성가스 저장소(미도시)와 배관 연결되도록 한다. 이러한 저장소들은 각 물질을 용이하게 주입 또는 포집할 수 있는 장치라면 어느 것이든 사용 가능하고 본 발명에서 한정하지 않는다.In addition, the droplet
상기 제1챔버(200)는 가스화 반응을 통해 생성된 타르의 포집 및 재순환을 위한 제1포집장치(미도시)와 배관 연결된다.The
또한 상기 제1챔버(200)는 하단부에 복수개의 관통공이 형성된 분산판(220)을 구비한다. In addition, the
제1챔버로 공급되는 기체(즉, 원료, 가스화제 및 제2챔버로부터 전달되는 고온 합성가스와 수증기)는 그대로 챔버 내부로 주입될 수도 있으나, 분산판(220)을 통과하여 공급할 경우 상기 분산판(220) 내의 관통공을 통과하면서 보다 고르게 제1챔버 내로 공급될 수 있다.The gas supplied to the first chamber (that is, the raw material, the gasifying agent, and the high-temperature synthesis gas and water vapor delivered from the second chamber) may be directly injected into the chamber. However, May be fed into the first chamber more evenly through the through-holes in the second chamber (220).
상기 기포 유동층 반응기(207)는 열전달이 끝난 합성가스 배출 및 미반응 수증기 회수하기 위한 제2포집장치(219)와 배관 연결된다.The bubbling
그리고, 상기 제2포집장치(219)는 회수된 수증기를 상기 비말 유동층 반응기(203)로 반송하기 위해 반송 라인(217)을 통해 배관 연결된다. 상기 수증기는 상기 비말 유동층 반응기(203)로 직접 반송되거나, 이와 연결된 가스화제 저장소로 반송될 수 있다.
The
제2챔버(300)는 고온 플라즈마 가스화 반응기이다.The
상기 제2챔버(300)에서는 고온 플라즈마에 의해 주입된 원료로부터 고온 합성가스 및 수증기가 발생하는 고온 플라즈마 가스화 반응이 이루어지며, 도 2와 같이 고온 플라즈마 가스화 반응 영역(301)을 포함한다.In the
제2챔버(300)는 챔버 내 구획 분리를 위해 수직방향으로 분리판(303)이 설치된다.The
이때 고온 플라즈마 가스화 반응에 의해 생성된 고온 합성가스 및 수증기는 상기 분리판(303)을 따라 하향 배출시켜 상기 기포 유동층 반응기(207)로 전달되도록 한다.At this time, the high-temperature synthesis gas and the steam generated by the high-temperature plasma gasification reaction are discharged downward along the
또한 상기 제2챔버(300)는 챔버 내 고온 플라즈마 발생장치(305)를 구비한다. Also, the
상기 고온 플라즈마 발생장치(305)는 플라즈마 생성부, 전력을 공급하기 위한 전원공급부로 구성되며, 이때 상기 플라즈마 생성부는 플라즈마를 생성시킬 수 있는 장치면 모두 사용가능하다. The high-
바람직하기로 고온 플라즈마 발생장치가 가능하며, 구체적으로 직류 또는 교류 Arc 방전을 발생하는 플라즈마 발생 장치, 고주파(Radio Frequency)자장에 의한 고주파 플라즈마 발생장치, 마이크로웨이브에 의한 플라즈마 발생장치 등이 있다.Preferably, a high-temperature plasma generator can be used. Specifically, a plasma generator for generating DC or AC arc discharge, a high-frequency plasma generator using a radio frequency magnetic field, and a microwave plasma generator are available.
이에 더해서 상기 제2챔버(300)는 원료 저장소(미도시)와 배관 연결되도록 한다. 이러한 저장소는 각 물질을 용이하게 주입 또는 포집할 수 있는 장치라면 어느 것이든 사용 가능하고 본 발명에서 한정하지 않는다.In addition, the
바람직하기로, 상기 플라즈마 발생장치(305)는 수평 방향으로 설치하고, 상기 원료는 수직방향으로 공급하는 것이 효율적이다.
Preferably, the
이와 같이 구성된 하이브리드 가스화 반응장치는 수천도의 온도를 갖는 플라즈마 발생장치를 이용해 고온 합성가스 및 수증기를 효과적으로 생성할 수 있다. 이에 본 발명은 상기 하이브리드 가스화 반응장치를 이용하여 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 주성분으로 하는 합성가스 생산방법을 제시한다.The thus configured hybrid gasification reactor can effectively generate high-temperature synthesis gas and steam using a plasma generator having a temperature of several thousands degrees. Accordingly, the present invention proposes a synthesis gas production method using carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) as a main component using the hybrid gasification reactor.
구체적으로, 원료를 제1챔버의 비말 유동층 반응기 및 제2챔버에 각각 주입하는 단계; Specifically, the step of injecting the raw material into the droplet fluidized bed reactor and the second chamber of the first chamber, respectively;
상기 제2챔버에 플라즈마를 발생시켜 고온 합성가스 및 수증기를 제조하는 단계; Generating a plasma in the second chamber to produce a high-temperature synthesis gas and steam;
상기 제2챔버에서 생성된 고온 합성가스 및 수증기를 연결 수단을 통해 상기 제1챔버 내 기포 유동층 반응기로 이송하는 단계; Transferring the hot syngas and steam generated in the second chamber to the bubbling fluidized bed reactor in the first chamber through the connecting means;
상기 기포 유동층 반응기와 상기 비말 유동층 반응기 사이에 유동사 흐름관을 통해 유동사가 순환하는 단계, 이때 상기 제2챔버로부터 이송된 고온 합성가스 및 수증기의 열이 유동사로 열전달이 이루어져 고온의 유동사로 전환되고, 상기 유동사 흐름관을 통해 가스화 영역으로 이동하며 상기 비말 유동층 반응기의 가스화 반응에 필요한 열을 공급하고; 및Wherein the fluidized bed is circulated through the fluidized-bed flow tube between the bubbling fluidized-bed reactor and the droplet fluidized bed reactor, wherein the heat of the high-temperature syngas and steam transferred from the second chamber is transferred to the fluidized bed, , Flows into the gasification zone through the flow tube and supplies the heat necessary for the gasification reaction of the hydrodynamic fluidized bed reactor; And
상기 비말 유동층 반응기에서는 주입된 원료와 가스화제의 가스화 반응을 수행하여 합성가스를 생산하는 단계로 이루어진다.
In the droplet fluidized bed reactor, a gasification reaction of the injected raw material and the gasifying agent is performed to produce a syngas.
이하 각 단계별로 더욱 상세히 설명한다.Each step will be described in more detail below.
먼저, 원료를 제1챔버 내 비말 유동층 반응기 및 제2챔버에 각각 주입한다.First, the raw material is injected into the droplet fluidized bed reactor and the second chamber in the first chamber, respectively.
이때 원료는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 가스화 반응을 통해 합성가스를 생산할 수 있는 탄소질(carboneceous) 원료 또는 탄화수소 연료면 어느 것이든 가능하다. 바람직하기로, 가연성 폐기물, 유기성 폐기물, 바이오매스, 천연가스, 석탄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.
In this case, the raw material is not particularly limited in the present invention, and it is possible to use either a carbonaceous raw material or a hydrocarbon fuel capable of producing a syngas through a gasification reaction. Preferably, one species is selected from the group consisting of combustible waste, organic waste, biomass, natural gas, coal, and combinations thereof.
다음으로, 상기 제2챔버에서 플라즈마 발생을 통해 고온 합성가스 및 수증기를 제조한다. Next, a high-temperature synthesis gas and steam are produced through plasma generation in the second chamber.
이때 플라즈마 발생장치를 통해 생성된 플라즈마를 이용하여 주입된 원료를 가스화하여 고온의 합성가스 및 수증기를 생성한다. 상기 합성가스는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 주성분으로 구성된다.
At this time, the injected raw material is gasified by using the plasma generated through the plasma generating apparatus to generate high-temperature syngas and steam. The synthesis gas is composed mainly of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ).
다음으로, 상기 제2챔버에서 생성된 고온 합성가스 및 수증기를 연결 수단을 통해 상기 기포 유동층 반응기로 이송한다. 도 2를 참조하면, 상기 고온 합성가스 및 수증기는 점선으로 표시된 화살표를 따라 전달된다. Next, the high-temperature synthesis gas and the water vapor generated in the second chamber are transferred to the bubbling fluidized bed reactor through the connecting means. Referring to FIG. 2, the hot syngas and water vapor are conveyed along arrows indicated by dotted lines.
또한 상기 이송되는 고온 합성가스는 온도가 800 ℃ 이상, 상기 기포 유동층 반응기에서 사용되는 유동사의 융점(melting point) 이하이다. 바람직하기로 800 내지 1200 ℃이고, 950 내지 1150 ℃인 것이 바람직하다. Also, the temperature of the high-temperature synthesis gas to be transferred is 800 ° C or higher and is not higher than the melting point of the fluidized yarn used in the bubbling fluidized bed reactor. Preferably 800 to 1200 ° C, and preferably 950 to 1150 ° C.
다음으로, 상기 기포 유동층 반응기와 상기 비말 유동층 반응기 사이에 유동사 흐름관을 통해 유동사가 순환하도록 한다. 도 2를 참조하면, 상기 유동사의 순환은 굵은 점선으로 표시된 화살표를 따라 순환한다.Next, the fluidized yarn is circulated through the fluidized flow tube between the fluidized bed reactor and the fluidized bed reactor. Referring to FIG. 2, the circulation of the fluid yarn circulates along arrows indicated by thick dotted lines.
상기 제2챔버에서 이송되는 고온 합성가스 및 수증기는 상기 기포 유동층 반응기 내 유동사로 열전달이 이루어지고, 이때 고온의 유동사가 상기 유동사 흐름관을 통해 비말 유동층 반응기의 가스화 영역으로 이동하여, 이 반응기 내 주입되는 원료의 가스화 반응에 필요한 열을 공급한다. The high-temperature synthesis gas and the water vapor transferred in the second chamber are transferred to the fluidized bed in the fluidized-bed reactor, and the high-temperature fluidized bed is moved to the gasified region of the fluidized bed reactor through the fluidized- And supplies the heat necessary for the gasification reaction of the raw material to be injected.
열전달이 끝난 유동사는 상기 유동사 흐름관을 통해 다시 상기 기포 유동층 반응기로 이동한다. The heat transfer fluid sludge moves back to the bubbling fluidized bed reactor through the flow shed flow tube.
이렇게 유동사 흐름관을 통한 열전달은 지속적인 순환 방식으로 이루어진다. Thus, the heat transfer through the flow tube is made in a continuous circulation manner.
또한, 수증기 중 일부는 포집하여 가스화제로서 반송 라인을 거쳐 상기 비말 유동층 반응기에 반송된다. 이러한 회수 및 재공급을 통해 별도로 주입하여야 하는 수증기의 양도 최소화할 수 있다. In addition, some of the water vapor is collected and conveyed to the above-mentioned droplet fluidized bed reactor through the return line as a gasifying agent. The amount of water vapor to be separately injected through the recovery and re-supply can be minimized.
다음으로, 상기 비말 유동층 반응기에서는 주입된 원료와 가스화제의 공급을 통해 가스화 반응을 수행하여 합성가스를 제조한다.Next, in the droplet fluidized bed reactor, a gasification reaction is performed through the feed of the injected raw material and the gasifying agent to produce a syngas.
상기 가스화제는 수증기이다. 이때 가스화제는 원료 내 탄소의 몰수에 대하여 0.3 내지 1.3 배로 공급되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 가스화제가 원료 내 탄소의 몰수에 대하여 0.3 배 미만으로 공급되는 경우에는, 원료가 미반응되어 합성가스 발생량이 저하되며, 에너지 전환효율이 낮아져 경제성에 문제가 있을 수 있다. 또한, 스팀이 1.3 배를 초과하여 공급되는 경우에는, 원료가 완전연소될 확률이 커지게 되어, 이산화탄소 발생량이 증가하므로 합성가스의 발생량이 저하되는 문제가 있을 수 있다. 나아가, 2 배를 초과하여 공급되는 경우에는 미반응된 가스화제의 배출량이 증가하여 경제성에 문제가 될 수 있다.
The gasifying agent is water vapor. At this time, it is preferable that the gasifying agent is supplied at 0.3 to 1.3 times the number of moles of carbon in the raw material. If the gasifying agent is supplied at a ratio of less than 0.3 times the number of moles of carbon in the raw material, the raw material is unreacted, the amount of synthesis gas is reduced, and the energy conversion efficiency is lowered, which may cause a problem in economy. Further, when steam is supplied in excess of 1.3 times, there is a possibility that the raw material is completely burned, and the amount of generated carbon dioxide is increased, so that the amount of synthesis gas is decreased. Further, when the amount is more than 2 times, the amount of unreacted gasifying agent increases, which may cause economic problems.
상기한 단계를 거쳐 제조된 합성 가스는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 주성분으로 하는 합성가스로서, 이를 그대로 사용하거나 별도의 정제장치를 통과시켜 제품화한다.
The synthesis gas produced through the above steps is synthesized gas containing carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) as main components and is used as it is, or passed through a separate purification apparatus to produce a product.
전술한 바의 본 발명에 따른 합성가스 생산방법은 하기와 같은 잇점이 있다. The synthesis gas production method according to the present invention as described above has the following advantages.
첫째로, 종래의 이중 유동층 가스화 반응기의 연소 영역에서 진행되던 연소 반응이 고온 플라즈마 가스화 반응기에서 생성된 고온 합성가스 및 수증기로 대체되어 이중 유동층 가스화 반응기의 미반응 촤와 재순환된 타르의 제어 및 추가 연료 공급으로 인한 공정상의 어려움이 개선되었다. First, the combustion reaction proceeding in the combustion region of the conventional double fluidized bed gasification reactor is replaced by the high-temperature synthesis gas and steam generated in the high-temperature plasma gasification reactor to control the unreacted and recycled tar of the dual fluidized bed gasification reactor, Improvement of process difficulties due to supply has been improved.
둘째로, 고온 플라즈마 가스화 반응기에서 생성된 고온 합성가스 및 수증기를 충분히 활용함으로써 중발열량 이상의 합성가스의 수취율을 높일 수 있다.Secondly, by fully utilizing the high-temperature synthesis gas and the steam generated in the high-temperature plasma gasification reactor, it is possible to increase the acceptance rate of the syngas with a heat generation rate higher than the calorific value.
셋째로, 가스화 반응이 제1챔버 및 제2챔버 모두에서 이루어지므로 높은 연료 전환율로 합성가스를 생산할 수 있다.Thirdly, since the gasification reaction is performed in both the first chamber and the second chamber, synthesis gas can be produced at a high fuel conversion rate.
본 발명에 따른 하이브리드 가스화 장치는 효과적으로 발열량이 높은 합성가스를 제조하여 대체 에너지 및 석유화학제품 생산에 활용에 응용될 수 있다. The hybrid gasification apparatus according to the present invention can be applied to the production of alternative energy and petrochemical products by producing syngas having a high calorific value effectively.
100: 하이브리드 가스화 반응장치
200: 제1챔버 201: 가스화 영역
203: 비말 유동층 반응기 205: 유동사 순환 영역
207: 기포 유동층 반응기 209: 원료공급관
211: 가스화제 공급관 213: 합성가스 배출관
215: 반응 후 합성가스 및 수증기 배출관 217: 반송라인
219: 제2포집장치 220: 분산판
300: 제2챔버 301: 고온 플라즈마 가스화 영역
303: 분리판 305: 플라즈마 발생장치
307: 원료공급관 309: 연결 수단100: Hybrid gasification reactor
200: first chamber 201: gasification zone
203: droplet fluidized bed reactor 205: fluidized bed cyclic zone
207: bubble fluidized bed reactor 209: raw material feed pipe
211: Gasification agent supply pipe 213: Synthetic gas discharge pipe
215: Synthetic gas and steam exhaust pipe after reaction 217: Return line
219: Second collecting device 220: Dispersion plate
300: second chamber 301: high temperature plasma gasification zone
303: separation plate 305: plasma generating device
307: raw material supply pipe 309: connecting means
Claims (12)
가스화 영역을 포함하는 비말 유동층 반응기, 및 유동사 순환 영역을 포함하는 기포 유동층 반응기로 이루어진 이중 유동층 가스화 반응기를 구비한 제1챔버; 및
고온 플라즈마 가스화 반응이 가능하도록 고온 플라즈마 가스화 반응기를 구비한 제2챔버;를 구비하되,
상기 비말 유동층 반응기와 상기 기포 유동층 반응기는 유동사 흐름관으로 연통되어, 이 유동사 흐름관으로 인해 유동사가 상기 비말 유동층 반응기와 상기 기포 유동층 반응기 사이를 순환하도록 하며,
상기 제2챔버는 상기 제1챔버의 기포 유동층 반응기와 연결 수단을 통해 연통되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 가스화 반응장치. A gasification reaction apparatus for producing a synthesis gas mainly composed of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 )
A first chamber having a dual fluidized bed gasification reactor consisting of a droplet fluidized bed reactor comprising a gasification zone and a bubbling fluidized bed reactor comprising a fluidized bed cyclic zone; And
And a second chamber having a high-temperature plasma gasification reactor so that a high-temperature plasma gasification reaction can be performed,
Wherein said fluidized bed reactor and said fluidized bed reactor are in fluid communication with fluidized flow tubes such that fluidized yarn is circulated between said fluidized bed reactor and said fluidized bed reactor,
And the second chamber communicates with the bubbling fluidized bed reactor of the first chamber through the connecting means.
상기 비말 유동층 반응기는 원료 저장소, 가스화제 저장소 및 생성된 합성가스 저장소와 배관 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 가스화 반응장치.The method according to claim 1,
Wherein the droplet fluidized bed reactor is piped to a raw material reservoir, a gasifier reservoir, and a resulting syngas reservoir.
상기 제1챔버와 연결되며, 이 챔버에서 발생한 타르의 포집 및 재순환을 위한 제1포집장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 가스화 반응장치.The method according to claim 1,
And a first collecting device connected to the first chamber for collecting and recirculating tar generated in the chamber.
상기 제1챔버는 하단부에 내부에 복수개의 관통공이 형성된 분산판을 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 가스화 반응장치.The method according to claim 1,
Wherein the first chamber includes a dispersion plate having a plurality of through holes formed therein at a lower end thereof.
상기 기포 유동층 반응기와 연결되며, 이 반응기에서 미반응 수증기를 포집하기 위한 제2포집장치를 구비하고, 이때 상기 제2포집장치는 수증기를 가스화제로서 상기 비말 유동층에 반송하기 위한 반송 라인과 배관 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 가스화 반응장치. The method according to claim 1,
And a second collecting device connected to the bubbling fluidized bed reactor for collecting unreacted water vapor in the reactor, wherein the second collecting device includes a return line for returning water vapor as a gasifying agent to the droplet fluidized bed, Wherein the gasification reaction is carried out in the presence of a gas.
상기 제2챔버는 챔버 내 구획 분리를 위해 수직방향으로 설치된 분리판을 구비하고, 이때 발생한 고온 합성가스 및 수증기는 상기 분리판을 따라 하향 배출시켜 상기 기포 유동층 반응기로 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 가스화 반응장치.The method according to claim 1,
Wherein the second chamber is provided with a separation plate installed in a vertical direction to separate the compartments in the chamber and the generated high temperature synthesis gas and water vapor are discharged downward along the separation plate to be transferred to the bubbling fluidized bed reactor. Gasification reaction apparatus.
상기 제2챔버는 원료 저장소와 배관 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 가스화 반응장치.The method according to claim 1,
And the second chamber is connected to the raw material reservoir by piping.
상기 제2챔버에서 플라즈마 발생을 통해 고온 합성가스 및 수증기를 제조하는 단계;
상기 제2챔버에서 생성된 고온 합성가스 및 수증기를 연결 수단을 통해 상기 제1챔버 내 기포 유동층 반응기로 이송하는 단계;
상기 기포 유동층 반응기와 상기 비말 유동층 반응기 사이에 유동사 흐름관을 통해 유동사가 순환하는 단계; 및
상기 비말 유동층 반응기 내에 주입된 원료와 가스화제의 가스화 반응에 의해 합성가스를 제조하는 단계;
를 포함하는 하이브리드 가스화 반응장치를 이용한 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 주성분으로 하는 합성가스 생산방법.Injecting a raw material into the droplet fluidized bed reactor of the first chamber and the second chamber, respectively;
Producing high-temperature syngas and steam through plasma generation in the second chamber;
Transferring the hot syngas and steam generated in the second chamber to the bubbling fluidized bed reactor in the first chamber through the connecting means;
Circulating the fluid yarn through the fluid flow tube between the bubbling fluidized bed reactor and the droplet fluidized bed reactor; And
Preparing a synthesis gas by a gasification reaction between a feedstock fed into the droplet fluidized bed reactor and a gasifying agent;
(CO) and hydrogen (H 2 ) as a main component.
상기 유동사가 순환하는 단계는 상기 기포 유동층 반응기에서 제2챔버로부터 주입된 고온 합성가스 및 수증기가 열전달을 수행하여 고온의 유동사가 생성되고, 상기 고온의 유동사가 상기 유동사 흐름관을 통해 상기 비말 유동층 반응기로 이동하며, 열전달 후 유동사는 다시 기포 유동층 반응기로 이동하는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산방법. 9. The method of claim 8,
Wherein the step of circulating the fluidized yarn comprises: circulating the fluidized yarn in the bubbling fluidized bed reactor, wherein the high-temperature synthesis gas and the water vapor injected from the second chamber are subjected to heat transfer to generate a high-temperature fluidized yarn; To the reactor, and after the heat transfer the fluid stream is again transferred to the bubbling fluidized bed reactor.
상기 기포 유동층 반응기 내 미반응 수증기를 포집하여 이 수증기를 가스화제로서 반송 라인을 거쳐 상기 비말 유동층 반응기에 반송하는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산방법.9. The method of claim 8,
Collecting unreacted water vapor in the fluidized bed reactor and transporting the water vapor as a gasifying agent to the fluidized bed reactor through a return line.
상기 원료는 가연성 폐기물, 유기성 폐기물, 바이오매스, 천연가스, 석탄 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 사용하는 것을 특징으로 하는 합성가스 생산방법.9. The method of claim 8,
Wherein the raw material is one selected from the group consisting of flammable waste, organic waste, biomass, natural gas, coal, and combinations thereof.
상기 가스화제는 수증기인 것을 특징으로 하는 합성가스 생산방법.9. The method of claim 8,
Wherein the gasifying agent is water vapor.
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