KR101602219B1 - 중열량 합성가스 및 실리카 동시 생산을 위한 바이오매스 유동층 가스화 장치 - Google Patents

중열량 합성가스 및 실리카 동시 생산을 위한 바이오매스 유동층 가스화 장치 Download PDF

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Abstract

왕겨 가스화 공정을 이용한 합성 가스 및 왕겨 가스화/연소 반응을 통한 왕겨 유래 실리카를 생산하기 위한 유동층 장치에 관한 것으로, 주변에 마련되어 상부로 열원을 공급하는 공기산소 공급관을 구비한 도입챔버, 발열을 위한 연소반응을 실행하기 위해 상기 열원을 공급받는 제1 가스화챔버, 흡열을 위한 가스화 반응을 실행하고 상기 제1 가스화챔버를 내포하는 제2 가스화챔버, 상기 제2 가스화챔버와 상기 도입챔버를 구획하는 분산판, 상기 분산판에 장착되어 상기 제2 가스화챔버에 공급된 연료를 유동화시키는 유동화 기체 공급관을 구비하는 이중관 반응챔버, 상기 제1 가스화챔버의 상단에 장착되어 가스화물질을 양측으로 하향배출시키는 챔버캡, 상기 챔버캡의 위치를 이동시키는 캡이동부, 상기 제2 가스화챔버와 공간을 구획하면서 상기 가스화물질 중 고체성분을 제2 가스화챔버로 배출시키도록 중심부분이 제1 가스화챔버 외면과 일정거리 이격된 구획판이 마련된 배출챔버, 상기 제1 가스화챔버와 상기 제2 가스화챔버에서의 연소 및 연료의 순환 상태에 따라 상기 공기 또는 산소의 공급 상태, 챔버캡의 높이 상태, 상기 유동화 기체의 공급 상태를 제어하는 제어장치를 포함하는 구성을 마련하여, 연소과정에서 가스화 물질 중 입자순환 간격을 조절하여 중열량 합성가스를 생산할 수 있다.

Description

중열량 합성가스 및 실리카 동시 생산을 위한 바이오매스 유동층 가스화 장치{Biomass fluidized bed gasifier apparatus for medium calorific value syngas and silicon}
본 발명은 순환 유동층 가스화 반응기를 이용한 중열량 합성가스 및 실리카 동시 생산을 위한 바이오매스 유동층 가스화 장치에 관한 것으로, 특히 왕겨 가스화 공정을 이용한 합성 가스 및 왕겨 가스화/연소 반응을 통한 왕겨 유래 실리카를 생산하기 위한 바이오매스 유동층 가스화 장치에 관한 것이다.
21세기를 들어 에너지 고갈과 지구 온난화로 대표되는 환경문제로 인해 지속가능한 바이오매스 자원으로부터 열, 전력을 비롯하여 연료부터 화학원료까지 다양한 제품들을 생산하는 열화학적 전환공정들이 최근 높은 관심을 받고 있다. 바이오매스 자원에는 여러 종류가 있지만 그중 목질계 바이오매스 및 작물류가 가장 많은 양을 차지하고 있다. 작물류 중 식물자원 부산물이 대략 15.5억 톤으로 파악되고 있으며, 그 중 왕겨는 대략 1억톤 정도가 매년 생산되고 있다.
바이오매스로부터 에너지를 생산하는 기술 중에서 가스화, 열분해 등의 열화학적 전환 기술들은 기존의 연소에 비하여 열효율이 높을 뿐만 아니라 오염물질 저감, 열 외의 다른 에너지 형태를 생산하기 위하여 이용될 수 있다는 장점으로 인해 더욱 높은 관심을 받고 있다. 가스화란 탄화 수소계 물질을 부분 산화시켜 수소, 일산화탄소 및 메탄과 같은 가연성 혼합가스 형태로 전환시키는 공정을 말한다. 정제공정을 통하여 합성가스는 이후 대체 천연가스(SNG), 청정연료(DME), 암모니아 (NH3), 합성 석유, 수소 생산 등에 응용될 수 있다. 왕겨 가스화/연소 공정을 거치고 난 이후에는 왕겨 무게 대비 약 15 ~ 20%의 회재 성분이 남게 되는데 이 회재 성분의 85% 이상은 실리카이다.
최근에는 왕겨를 구성하는 실리카와 나머지 유기물질의 통합적 분리를 동시에 실시함으로써, 왕겨의 구성 성분을 통합적으로 활용함과 동시에 획득되는 실리카의 구조적 개질 및 왕겨섬유의 산업적 활용이 이루어지고 있다.
실리카는 복잡한 구조를 가지며 자연계에 풍부하게 존재하는 물질로서 건축 자재에서 식품, 바이오 산업까지 그 활용처가 무궁무진하다. 실리카를 실리콘으로 환원할 경우에 다양한 구조를 가지고 결정질 실리콘은 건축 소재, 전자 소재, 이차전지 음극재, 바이오 소재, 태양광 소재로 활용되고 있으며, 비결정질 실리콘은 태양전지 등으로 사용되고 있다.
바이오매스 가스화와 관련하여, 가스화기의 개발 방향은 합성 가스의 열량을 중열량 이상으로 높이고, 가스화기 효율을 높이며, 후단 공정을 간단히 하는 방향으로 연구가 진행 중에 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 기술의 일 예가 하기 문헌 1에 개시되어 있다.
하기 특허문헌 1에는 반응가스인 공기 또는 산소 및 수증기의 흐름을 개선하기 위해, 드래프트관, 수증기 주입분산판, 공기 또는 산소 주입분산판 및 생성기체 분리기인 후드를 구비한 내부순환유동층 가스화기에 있어서, 내부순환유동층의 반응기체 흐름 특성을 향상시키기 위한 하단 천공된 드래프트관 및 고체입자의 원활한 움직임을 제공하기 위한 경사진 수증기 주입 분산판을 포함하는 내부순환유동층 가스화기에 대해 개시되어 있다.
기존에 제시되고 있는 고정층 또는 분류층 형태의 플라즈마 가스화기에서는 생성되는 모든 가스가 단일 출구를 통해 혼합배출되고, 이로부터 필요한 가스성분을 고순도로 수취하는 후단공정이 복잡해지는 문제점이 있으며 이를 해결하기 위한 기술의 일 예가 하기 문헌 2에 개시되어 있다.
하기 특허문헌 2에는 플라즈마 발생장치에 의해 수천도에 해당하는 고온의 플라즈마 화염을 즉시 생성시키고, 생성된 플라즈마 화염에 탄화수소계열의 연료를 공급하여 반응기에서 연료가 유동화되면서 가스화가 이루어지도록 하되, 상기 가스화장치의 반응챔버는 플라즈마 화염에 의해 직접 열을 전달받아 가스화가 이루어지는 제1 가스화챔버와 상기 제1 가스화챔버를 통해 간접적으로 열을 전달받아 가스화가 이루어지는 제2 가스화챔버로 분리 구성하여 플라즈마화염에 의한 직접 및 간접 열전달에 의한 가스화가 동시에 이루어지도록 한 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 가스화장치에 대해 개시되어 있다.
또한 하기 특허문헌 3에는 퀴논류 촉매를 첨가하여 왕겨 또는 볏짚의 알칼리 증해 처리 단계, 상기 증해 처리물로부터 증해 잔류물과 증해액을 분리하는 단계, 상기 분리된 증해액으로부터 실리카를 석출하는 단계, 상기 실리카를 정제하는 단계 및 상기 실리카에 금속 분말을 첨가하여 환원 반응시킴으로써 실리콘을 제조하는 단계를 포함하는 왕겨 유래 실리콘의 제조 방법에 대해 개시되어 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0208654호(1999.04.16 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1326670호(2013.11.01 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1157373호(2012.06.11 등록)
그러나, 상술한 바와 같은 특허문헌 1에 개시된 기술에서는 제1 가스화챔버와 제2 가스화챔버의 각각에 공급되는 스팀, 공기 또는 산소가 일정하게 유지되므로, 공급된 연료, 예를 들어 왕겨 또는 볏짚의 건조 상태 등에 대응하여 가스화할 수 없다는 문제가 있었다. 또한 제 1 가스화 챔버와 제 2 가스화 챔버 사이에 물질수지 및 열수지에 맞게 고체 순환 속도를 조절하여야 하는데 이를 유속만으로 제어하기 때문에 한계가 있다는 단점이 있다.
상기 특허 문헌 2에 개시된 기술에서는 챔버캡의 위치가 고정되므로, 공급되는 연료의 양, 연료의 상태, 플라즈마 화염의 상태에 따라 연소된 가스화 물질 중 입자순환 간격을 조절할 수 없다는 문제가 있었다.
또한 상술한 바와 같은 플라즈마 화염을 열원으로 사용하는 경우, 플라즈마의 제어가 어렵고 고가의 비용이 소요된다는 문제도 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 제1 가스화챔버와 제2 가스화챔버 사이 입자순환 간격을 조절하여 제 2 가스화 챔버에서 중열량 합성가스를 생산할 수 있는 바이오매스 유동층 가스화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제1 가스화챔버 및 제2 가스화챔버에 공급된 연료의 상태에 따라 스팀/산소 공급량을 제어하여 각각의 사이클론을 통과하여 최적의 바이오매스 유래 고순도 실리카를 수득할 수 있는 바이오매스 유동층 가스화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제어가 용이하고, 비교적 저렴한 비용으로 중열량 합성 가스 생산 및 바이오매스 유래 고순도 실리카를 수득할 수 있는 유동층 가스화 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치는 중열량 합성가스 및 실리카를 동시에 생산하기 위한 바이오매스 유동층 가스화 장치로서, 주변에 마련되어 상부로 열원을 공급하는 공기산소 공급관을 구비한 도입챔버, 발열을 위한 연소반응을 실행하기 위해 상기 열원을 공급받는 제1 가스화챔버, 흡열을 위한 가스화 반응을 실행하고 상기 제1 가스화챔버를 내포하는 제2 가스화챔버, 상기 제2 가스화챔버와 상기 도입챔버를 구획하는 분산판, 상기 분산판에 장착되어 상기 제2 가스화챔버에 공급된 연료를 유동화시키는 유동화 기체 공급관을 구비하는 이중관 반응챔버, 상기 제1 가스화챔버의 상단에 장착되어 가스화물질을 양측으로 하향배출시키는 챔버캡, 상기 챔버캡의 위치를 이동시키는 캡이동부, 상기 제2 가스화챔버와 공간을 구획하면서 상기 가스화물질 중 고체성분을 제2 가스화챔버로 배출시키도록 중심부분이 제1 가스화챔버 외면과 일정거리 이격된 구획판이 마련된 배출챔버, 상기 제1 가스화챔버와 상기 제2 가스화챔버에서의 연소 및 연료의 순환 상태에 따라 상기 공기 또는 산소의 공급 상태, 챔버캡의 높이 상태, 상기 유동화 기체의 공급 상태를 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치에 있어서, 상기 제어장치는 상기 제1 가스화챔버와 상기 제2 가스화챔버의 각각의 온도를 검출하는 온도검출수단, 상기 제1 가스화챔버와 상기 제2 가스화챔버의 각각의 압력을 검출하는 압력검출수단, 상기 배출챔버에서의 합성가스의 배출 상태를 검출하는 배출상태검출수단을 포함하고, 상기 제1 가스화챔버의 상태에 따라 상기 챔버캡의 높이 상태를 변경하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치에 있어서, 상기 제어장치는 상기 제2 가스화챔버에서의 온도 및 압력에 따라 상기 유동화 기체 공급관에서 공급되는 유동화 기체의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치에 있어서, 상기 제어장치는 상기 제1 가스화챔버에서의 온도에 따라 상기 공기산소 공급관에서 공급되는 공기 또는 산소의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치에 있어서, 상기 제어장치는 상기 배출챔버에서의 합성가스의 배출 상태에 따라 상기 챔버캡의 높이 상태를 조절하도록 상기 캡이동부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치에 있어서, 상기 유동화 기체 공급관은 상기 분산판의 둘레에 따라 일정 간격으로 이중으로 배치되어 상기 제2 가스화챔버에 내장되는 연료를 순환시키는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치에 있어서, 상기 캡이동부는 상기 챔버캡이 장착되는 지지대, 상기 지지대에 마련된 볼트부, 상기 챔버캡의 위치를 고정하는 너트부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치에 있어서, 상기 캡이동부는 상기 챔버캡이 장착되는 지지대, 상기 지지대 상에서 상기 챔버캡을 위치를 이동시키는 와이어를 포함하고, 상기 와이어의 이동은 상기 제어장치에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치에 의하면, 챔버캡의 위치를 조정할 수 있으므로, 연소과정에서 가스화 물질 중 입자순환 간격을 조절할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치에 의하면, 입자순환 간격을 조절할 수 있으므로, 제어가 용이하고 최적의 바이오 매스 유래 고순도 실리콘을 수득할 수 있다는 효과도 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치에 의하면, 유동화 기체 공급관에서 공급되는 유동화 기체의 공급량을 제어하는 것에 의해 연료의 연소상태를 최적화할 수 있다는 효과도 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치에 의하면, 드래프트(Draft)관에서 공기산소 공급관을 사용하여 발열을 위한 연소반응을 실행하고, 애뉼루스(Annulus)관에서 유동화 기체 공급관을 사용하여 흡열을 위한 가스화 반응을 실행하여 바이오매스 유래 고순도 실리콘을 저렴한 비용으로 용이하게 수득할 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치의 외관 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치의 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 유동화 기체 공급관의 장착 배치도,
도 4는 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치의 제어를 위한 블록도.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치의 외관 사시도 이고, 도 2는 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치의 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 유동화 기체 공급관의 장착 배치도이며, 도 4는 본 발명에 따른 바이오매스 유동층 가스화 장치의 제어를 위한 구성도이다.
본 발명에 따른 유동층 반응기를 이용한 바이오매스 유동층 가스화 장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 가스화장치(100)를 구비한다.
즉, 본 발명에 따른 유동층 반응기를 이용한 바이오매스 유동층 가스화 장치는 수직 통체로서 도입챔버(20), 상기 도입챔버(20)에 연속된 이중관 반응챔버(30), 상기 이중관 반응챔버(30) 상에 결합된 배출챔버(40)가 결합되고, 상기 이중관 반응챔버(30)와 상기 배출챔버(40)에 장착되어 상기 입자성분을 분리하여 포집하는 한 쌍의 사이클론(50), 상기 이중관 반응챔버(30)로 소각될 연료를 공급하는 연료 공급 호퍼(60) 및 가스화장치(100)의 각각의 구성 요소의 작동을 제어하는 제어장치(70)를 구비한다.
상기 도입챔버(20)는 공기산소 공급관(26)이 중앙축의 둘레에 다수 개, 도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어 6개가 설치되어 상부로 열원을 공급한다. 즉 본 발명에서는 상술한 바와 같이 플라즈마를 열원으로 사용한 종래의 기술과 달리 상기 공기산소 공급관(26)에서 공급되는 공기 또는 산소를 연소반응을 위한 열원으로 사용한다.
상기 이중관 반응챔버(30)는 드래프트(Draft)관으로서 상기 공기산소 공급관(26)에서 공급되는 열원을 공급받는 제1 가스화챔버(31), 애뉼루스(Annulus)관으로서 상기 제1 가스화챔버(31)를 내포하는 제2 가스화챔버(32), 상기 제2 가스화챔버(32)와 상기 도입챔버(20)를 구획하는 분산판(33), 상기 분산판(33)에 장착되어 상기 제2 가스화챔버(32)에 공급된 연료를 유동화시키는 유동화 기체 공급관(25)을 구비한다.
즉 상기 공기산소 공급관(26)은 드래프트관에서 연소반응을 위해 발열로서 열원을 공급하고, 상기 유동화 기체 공급관(25)은 애뉼루스관에서 흡열을 위한 가스화 반응을 실행하게 한다.
상기 배출챔버(40)는 상기 제1 가스화챔버(31)의 상단에 장착되어 가스화물질을 양측으로 하향배출시키는 챔버캡(41), 상기 챔버캡(41)의 위치를 이동시키는 캡이동부, 상기 제2 가스화챔버(32)와 공간을 구획하면서 상기 가스화물질 중 고체성분을 제2 가스화챔버(32)로 배출시키도록 중심부분이 제1 가스화챔버(31) 외면과 일정거리 이격된 구획판(43)을 구비한다.
상기 캡이동부는 상기 챔버캡(41)이 장착되는 지지대(44), 상기 지지대(44)에 마련된 볼트부, 상기 챔버캡(41)의 위치를 고정하는 너트부를 구비할 수 있다. 이와 같이, 캡이동부를 마련하는 것에 의해 챔버캡(41)의 위치, 즉 지지대(44) 상에서의 위치를 조정할 수 있으므로, 연료의 연소과정에서 가스화 물질 중 입자순환 간격을 조절할 수 있다.
또 상기 캡이동부는 상기 구조에 한정되는 것은 아니고, 상기 챔버캡(41)이 장착되는 지지대(44), 상기 지지대(44) 상에서 상기 챔버캡을 위치를 이동시키는 와이어를 포함하고, 상기 와이어의 이동이 상기 제어장치(70)에 의해 제어되는 구조를 마련할 수 있다. 상술한 바와 같이 캡이동부를 제어하는 것에 의해 연료의 연소 조건에 따라 챔버캡(41)의 위치를 조정하는 것에 의해 중열량 합성가스 및 실리카 동시 생산을 위한 장치의 제어를 용이하게 실현하고, 이에 따라 중열량 합성가스 및 고순도 실리콘을 보다 용이하게 추출할 수 있다.
상기 제어장치(70)는 상기 제1 가스화챔버(31)와 상기 제2 가스화챔버(32)에서의 연소 및 연료의 순환 상태에 따라 상기 공기 또는 산소의 공급 상태, 챔버캡(41)의 높이 상태, 상기 유동화 기체의 공급 상태를 제어한다.
상술한 바와 같이, 상기 도입챔버(20)의 둘레 부분에는 도 3에 도시된 바와 같이, 가스화장치(100)의 가열수단이 장착되어 축방향으로 열원을 발생시켜 상부의 제1 가스화챔버(31)로 공급되도록 한다.
즉 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 도입챔버(20)의 둘레 부분에는 제1 가스화챔버(31)와 연통되도록 수직 배관되는 공기산소 공급관(26)이 마련된다. 이에 따라 상기 공기산소 공급관(26)에 의해 공급된 열원이 화염을 형성할 수 있다.
이러한 열원은 축방향으로 길게 형성되어 일부가 반응챔버(30)의 제1 가스화챔버(31)까지 연장형성되어 공급되는 연료를 연소 혹은 가스화시킨다.
또 상기 공기산소 공급관(26)의 하단은 도입챔버(20) 내에서 연결되도록 하거나, 도입챔버(20)의 하단을 통해 외부로 표출되도록 함으로써 도 2의 하단부에 도시된 바와 같이, 도입 챔버(20) 외부에서 라인 연결이 이루어지도록 하여 라인 연결작업 및 보수관리가 편리하게 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 상기 도입챔버(20)의 가장자리는 반응챔버(30)의 제2 가스화챔버(32)와 분산판(33)으로 구획되고, 상기 분산판(33)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 둘레에 따라 일정 간격으로 이중으로 배치되어 상기 제2 가스화챔버(32)에 내장되는 연료를 순환시키는 유동화 기체 공급관(25)이 마련된다.
즉 본 발명에 따른 유동화 기체 공급관(25)은 연료 공급 호퍼(60)에서 공급되는 연료가 제2 가스화챔버(32)의 외부벽 부분에 주로 퇴적되므로, 이에 대응하여 외부 벽 부분에는 12개의 유동화 기체 공급관(25)이 마련되고, 내부 벽 부분에는 6개의 유동화 기체 공급관(25)을 마련하는 것에 의해 제2 가스화챔버(32)에 내장되는 연료의 상태를 균일하게 유지할 수 있다.
또 상기 각각의 유동화 기체 공급관(25)에서 공급되는 스팀의 양은 상기 제어 장치(70)에 의해 제어될 수 있다. 이에 따라 상기 연료 공급 호퍼(60)에서 공급되는 연료의 공급량에 따라 각각의 유동화 기체 공급관(25)에서 공급되는 스팀의 양을 조정하는 것에 의해 연료의 공급량의 변동에 관계없이 제2 가스화챔버(32)에 내장되는 연료의 상태를 균일하게 유지할 수 있다.
상기 유동화 기체 공급관(25)에서 공급되는 유동화 기체로는 스팀을 예로서 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 공기 또는 산소를 사용할 수 있으며, 공급되는 량은 가스화 챔버에 적층된 연료를 버블 형태로 유동시키거나 최소 유동화 속도 이하의 이동층 조건 정도로 공급하도록 제어되는 것이 바람직하다.
상기 공기산소 공급관(26)에서의 발생가스로는 N2, O2, CO2, Ar가 사용될 수 있고, 이외에 상술한 바와 같이 스팀을 사용할 수 있으며, 공급라인을 통해 공급되어 제1 가스화챔버(31)에서 화염을 형성시키도록 할 수도 있다.
예를 들어, 스팀을 유동화 기체로 사용하게 되면 제1 가스화챔버(31) 또는 제2 가스화챔버(32)에서의 가스화 성분은 H2, CO, CH4, CO2가 다량 발생되며, 공기-산소를 유동화 기체로 사용하게 되면 H2, CO, CH4, CO2 이외에 다량의 N2가 포함되어 있다. 특히 공기-산소의 경우에는 화염의 길이를 증가시키고 온도를 상승시키고 인접한 제2 가스화챔버(32)로 고온을 전달할 수 있어 가스화율을 증가시키는 효과가 있다.
또한, 공기 또는 산소와 스팀을 혼합사용하여 공기-산소에 의한 고온화 효과를 얻으면서 불활성기체인 질소의 함유량을 최소화해 가연성가스의 고순도화 과정인 후단공정에서의 부담을 최소화할 수 있다.
상기 제1 가스화챔버(31)는 도입챔버(20)에 설치된 공기산소 공급관(26)과 연통되어 하부에 화염이 형성되며, 상단은 배출챔버(40)에 위치하여 가스화에 의해 생성된 합성가스가 배출챔버(40)로 배출되도록 한다.
상기 제2 가스화챔버(32)는 제1 가스화챔버(31)를 내포하고, 일 측에는 연통된 연료공급관(63)을 통해 연료를 유입시켜 하단의 분산판(33)에 연료를 적층시키고, 제1 가스화챔버(31)의 고열을 전달받아 건조, 열분해 및 가스화가 이루어지도록 한다. 상기 공급되는 연료로는 탄화수소계, 예를 들어 왕겨 또는 볏짚이 주로 사용될 수 있다.
상기 제1 가스화챔버(31)와 제2 가스화챔버(32)의 하단은 연료공급 연통부에 의해 일정구간 연통되어 제2 가스화챔버(32)에 적층된 연료가 일정량씩 제1가스화 챔버(31)로 유입되어 화염에 의해 가스화가 이루어지도록 한다. 상기 제2 가스화챔버(32)에는 분산판(33)에 마련된 유동화 기체 공급관(25)을 통해 유동화 기체가 공급됨으로 적층된 연료에 버블 형태로 유동이 이루어지거나 최소 유동화 속도 이하의 이동층 조건이 되도록 하여 교반이 이루어지면서 연료공급 연통부가 막히는 것을 방지해 연속적인 연료공급이 이루어지도록 할 수 있다. 또한 상기 분산판(33)은 원뿔형태 등 연료공급연통부를 향하여 하향 경사를 갖는 형태로 형성하여 연료 자중에 의해 제1 가스화챔버(31)로 공급되도록 할 수 있다. 또한, 상기 제1 가스화챔버(31)는 주입 유속이 빠른 고압상태이므로 제2 가스화챔버(32)를 낮은 주입 유속으로 상대적으로 저압으로 형성하면 압력차에 의해 제2 가스화챔버(32)에 적층된 연료가 제1 가스화챔버(31)로 빨려들어가도록 할 수 있다. 상기 연료공급연통부는 환형태로 제2 가스화챔버(32)와 제1 가스화챔버(31)를 연통시킨 형태이거나 부분적인 통공을 통해 연통된 형태 등 다양한 형태로 연통시킬 수 있다.
상기 제2 가스화챔버(32)에는 상부 일측에 제2합성가스배출구(36)가 형성되어 제2 가스화챔버(32)에서 가스화된 합성가스를 배출시키며, 제2 가스화챔버(32)에서 배출된 합성가스는 사이클론(50)을 통해 입자성분을 분리하여 포집하고, 사이클론(50)에 의해 분리된 입자성분은 제2 가스화챔버(32)로 재공급하여 재가스화가 이루어지거나 제2 가스화챔버(32)를 통해 제1 가스화챔버(31)로 공급되어 연소 또는 가스화가 이루어지도록 할 수 있다.
상기 제2 가스화챔버(32)에서는 유동화 기체에 의해 유동화되거나 최소 유동화 속도 이하의 이동층 조건으로 제1 가스화챔버(31)로부터 전달받은 열에 의해 일부 가스화가 이루어지며, 제2 가스화챔버(32) 하단의 연료공급연통부를 통해서 적층된 층물질인 연료가 일정량씩 제1 가스화챔버(31)로 재투입되어 화염에 의한 가스화가 이루어지도록 하는 등 순환구조에 의해 연료의 가스화가 이루어지도록 한다.
상기 배출챔버(40)는 도 2에 도시된 바와 같이, 반응챔버(30) 상부에 형성되고, 배출챔버(40) 내에는 제1 가스화챔버(31)의 상단이 위치하고, 배출챔버(40) 상부 일 측에는 제1 합성가스배출구(42)가 형성되며, 배출챔버(40) 하단에는 원뿔 구획판(43)이 형성되어 제2 가스화챔버(32)와 배출챔버(40)를 구획한다.
상술한 바와 같이, 상기 제1 가스화챔버(31)의 상단에는 챔버캡(41)이 형성되며, 상기 챔버캡(41)은 제1 가스화챔버(31) 내에서 부분가스화되어 축 중심을 통해 상승한 가스화물질을 측면으로 하향 배출시키도록 한다. 배출된 가스화물질 중 입자성분은 자중에 의해 하부로 배출시키고, 가스성분은 배출챔버(40) 상측에 형성된 제1합성가스배출구(42)를 통해 외부로 배출하게 되며, 배출된 합성가스는 사이클론(50)에 의해 입자성분을 분리한 다음 포집된다. 상기 챔버캡(41)은 상술한 바와 같이, 캡이동부에 의해 상기 제1 가스화챔버(31)의 상부와의 높이 조절이 가능하므로, 제1 가스화챔버(31)에서 연소된 입자의 순환 간격을 조절할 수 있다.
상기 원뿔구획판(43)은 상광 하협의 원뿔형태로 챔버캡(41)에서 배출된 입자성분을 중심축으로 포집되도록 한다. 상기 원뿔구획판(43)은 중심축부분에 제1 가스화챔버(31)가 삽통 설치되며, 원뿔구획판(43)의 중앙 단부는 제1 가스화챔버(31) 외벽면과 일정거리 이격되어 있어 이격된 틈을 통해 챔버캡(41)에서 배출된 입자성분이 제2 가스화챔버(32)로 재투입되도록 한다.
한편 본 발명에 따른 제어장치(70)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1가스화챔버(31)와 상기 제2가스화챔버(32)의 각각의 온도를 검출하는 온도검출수단(71), 상기 제1가스화챔버(31)와 상기 제2가스화챔버(32)의 각각의 압력을 검출하는 압력검출수단(72), 상기 배출챔버(40)에서의 합성가스의 배출 상태를 검출하는 배출상태검출수단(73) 및 상기 온도검출수단(71), 압력검출수단(72)과 배출상태검출수단(73)에서 각각 검출된 온도, 압력, 배출 가스의 각각의 조건이 미리 설정된 조건에 대응하는지를 판단하는 판단부(74)를 포함한다.
이를 위해 상기 판단부(74)는 상술한 조건에 대한 데이터를 저장하는 메모리 및 상기 메모리에 저장된 설정값과 상기 각각의 수단에서 검출된 값을 비교하고 이에 따라 각각의 구성 요소를 제어하는 마이크로프로세서를 구비한다. 한편 상기 메모리에 저장된 설정값은 상기 제1가스화챔버(31)와 상기 제2가스화챔버(32)의 크기, 연료 공급 호퍼(60)에서 공급되는 연료의 종류 및 공급량, 유동화 기체 공급관(25)과 공기산소 공급관(26)에서 공급되는 연료량 및 노즐의 크기, 상기 제1 가스화챔버(31)의 상단과 챔버캡(41) 사이의 거리 등에 의해 산출되는 값으로서 특정 값에 한정되는 것은 아니다. 즉 본 발명에서는 상술한 조건에 대응하여 산출된 설정값과 현재 연소반응과 가스화반응이 실행되어 측정된 값을 비교하고, 이 비교값에 따른 상기 판단부(74)에서의 판단에 따라 예를 들어, 상기 지지대(44)에 장착된 챔버캡(41)의 높이 상태를 변경하여 입자순환 간격을 조절한다.
이와 같은 조절은 상기 챔버캡(41)의 위치를 이동시키는 와이어의 길이를 조절하는 것에 의해 실현된다. 즉, 와이어는 배출챔버(40)의 상부에서 이동가능하게 밀봉된 상태에서 모터의 축에 연결되고, 상기 제어장치(70)의 제어하에 상기 모터를 정회전 또는 역회전시키는 것에 의해 상기 와이어에 결합된 챔버캡(41)이 지지대(44)를 따라 상하로 이동하는 것에 의해 상기 제1가스화챔버(31)의 상부와 챔버캡(41) 사이의 간격을 조절할 수 있다.
또한 상기 제어장치(70)는 상기 제2가스화챔버(32)에서의 온도 및 압력에 따라 상기 유동화 기체 공급관(25)에서 공급되는 유동화 기체의 공급량을 제어하거나, 상기 제1가스화챔버(31)에서의 온도에 따라 상기 공기산소 공급관(26)에서 공급되는 공기 또는 산소의 공급량을 제어한다.
한편 상술한 바와 같은 각각의 구성의 온도, 압력, 배출 가스의 검출은 도 2 에 도시된 바와 같이, 각각의 챔버의 외부로 인출된 노즐에 연결하여 실행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 가스화장치(100)는 수 천도의 온도를 갖는 화염을 이용해 반응챔버(30)의 온도를 급속하게 상승시킬 수 있어 예열공정에 의한 예열시간을 단축시켜 가스화장치를 즉시 구동시킬 수 있다.
또한, 공급 연료의 반응성이 낮아 화염의 온도를 증가시켜야 하는 경우를 위해 공기/산소를 포함하여 사용하여 제1 가스화챔버(31)에서 일부 연소가 이루어지도록 하고, 제2 가스화챔버(32)로는 유동화 기체로 스팀을 공급하여 고온에서의 가스화가 이루어지도록 하며, 상기 공기에 의한 불활성가스가 포함된 제1 가스화챔버(31)와 불활성가스가 포함되지 않은 제2 가스화챔버(32)에서 각각 발생된 합성가스는 별도록 배출되도록 하여 각 성분이 혼합되는 것을 방지하였다.
즉, 공기/산소가 투입된 제1 가스화챔버(31)의 합성가스에는 불활성기체와 CO2가 다량 포함되어 있으나, 공기를 투입하지 않고 스팀만 공급한 제2 가스화챔버(32)의 합성가스는 불활성기체의 함량이 미비하며 가연성가스인 H2, CH4, CO의 함량이 높다. 따라서, 이를 분리하여 배출시킴으로써 가연성가스의 고순도화가 이루어지는 후단 공정에서의 부담을 줄일 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 중열량 합성가스 및 실리카 동시 생산을 위한 바이오매스 유동층 가스화 장치를 사용하는 것에 의해 연소된 가스화 물질 중 입자순환 간격을 조절하여 제 2 가스화 챔버에서 중열량 합성가스를 생산할 수 있다.
20 : 도입챔버
30 : 이중관 반응챔버
40 : 배출챔버
50 : 사이클론
60 : 연료 공급 호퍼
70 : 제어장치

Claims (8)

  1. 중열량 합성가스 및 실리카를 동시에 생산하기 위한 바이오매스 유동층 가스화 장치로서,
    주변에 마련되어 상부로 열원을 공급하는 공기산소 공급관을 구비한 도입챔버,
    발열을 위한 연소반응을 실행하기 위해 상기 열원을 공급받는 제1 가스화챔버, 흡열을 위한 가스화 반응을 실행하고 상기 제1 가스화챔버를 내포하는 제2 가스화챔버, 상기 제2 가스화챔버와 상기 도입챔버를 구획하는 분산판, 상기 분산판에 장착되어 상기 제2 가스화챔버에 공급된 연료를 유동화시키는 유동화 기체 공급관을 구비하는 이중관 반응챔버,
    상기 제1 가스화챔버의 상단에 장착되어 가스화물질을 양측으로 하향배출시키는 챔버캡, 상기 챔버캡의 위치를 이동시키는 캡이동부, 상기 제2 가스화챔버와 공간을 구획하면서 상기 가스화물질 중 고체성분을 제2 가스화챔버로 배출시키도록 중심부분이 제1 가스화챔버 외면과 일정거리 이격된 구획판이 마련된 배출챔버,
    상기 제1 가스화챔버와 상기 제2 가스화챔버에서의 연소 및 연료의 순환 상태에 따라 상기 공기 또는 산소의 공급 상태, 챔버캡의 높이 상태, 상기 유동화 기체의 공급 상태를 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 유동층 가스화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 제1 가스화챔버와 상기 제2 가스화챔버의 각각의 온도를 검출하는 온도검출수단, 상기 제1 가스화챔버와 상기 제2 가스화챔버의 각각의 압력을 검출하는 압력검출수단, 상기 배출챔버에서의 합성가스의 배출 상태를 검출하는 배출상태검출수단을 포함하고, 상기 제1 가스화챔버의 상태에 따라 상기 챔버캡의 높이 상태를 변경하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 유동층 가스화 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 제2 가스화챔버에서의 온도 및 압력에 따라 상기 유동화 기체 공급관에서 공급되는 유동화 기체의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 유동층 가스화 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 제1 가스화챔버에서의 온도에 따라 상기 공기산소 공급관에서 공급되는 공기 또는 산소의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 유동층 가스화 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 배출챔버에서의 합성가스의 배출 상태에 따라 상기 챔버캡의 높이 상태를 조절하도록 상기 캡이동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 유동층 가스화 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유동화 기체 공급관은 상기 분산판의 둘레에 따라 일정 간격으로 이중으로 배치되어 상기 제2 가스화챔버에 내장되는 연료를 순환시키는 것을 특징으로 하는 바이오매스 유동층 가스화 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 캡이동부는 상기 챔버캡이 장착되는 지지대, 상기 지지대에 마련된 볼트부, 상기 챔버캡의 위치를 고정하는 너트부를 구비하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 유동층 가스화 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 캡이동부는 상기 챔버캡이 장착되는 지지대, 상기 지지대 상에서 상기 챔버캡을 위치를 이동시키는 와이어를 포함하고, 상기 와이어의 이동은 상기 제어장치에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 유동층 가스화 장치.
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