KR101625165B1 - 고온 및 대기압 하에서 바이오매스 가스화 아일랜드 공법 - Google Patents

고온 및 대기압 하에서 바이오매스 가스화 아일랜드 공법 Download PDF

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Abstract

가스화 아일랜드를 사용하여 고온 및 대기압 하에서의 바이오매스를 가스화하는 방법이 개시된다. 이러한 방법은 바이오매스를 사전처리하여 저장하는 단계, 가스화기의 바이오매스를 가스화하는 단계, 원료 합성가스를 냉각시키는 단계, 원료 합성가스로부터 분진을 세정하여 제거하는 단계, 및 맑은 가스를 저장하는 단계를 포함하고; 가스화기의 바이오매스를 가스화하기 위한 열에너지는 외부 열원에 의해 공급되고, 가스화기의 반응 온도는 1300 내지 1750℃로 제어되고, 가스화기의 바이오매스는 원료 합성가스로 변형되고, 슬래그는 가스화기로부터 액체 상태에서 제거되며; 원료 합성가스는 냉각 타워 및 2단계 폐열 보일러에 의해 냉각되고, 폐열 보일러에서 현열이 복구되며; 냉각 후의 원료 합성가스는 세정되어 전기 집진기에 의해 처리되고, 획득된 청정하고 맑은 합성가스는 가스 저장 탱크에 의해 저장되며; 전체 가스화 아일랜드는 0 내지 50KPa의 정압 또는 부압에서 작동된다. 본 발명의 방법은 가스화를 위해 외부 열원을 사용함으로써, 원료 가스의 품질을 향상시킨다.

Description

고온 및 대기압 하에서 바이오매스 가스화 아일랜드 공법{biomass gasification island process under high temperature and atmospheric pressure}
본 발명은 일체화된 가스화 아일랜드를 이용하여 고온 및 대기압 하에서 바이오매스를 가스화시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 바이오매스 사전처리 및 저장 유니트, 바이오매스 가스화 유니트, 원료 합성가스 냉각, 세정, 및 분진 제거 유니트, 및 맑은 가스 저장 유니트를 구비하는 일체화된 가스화 아일랜드를 사용하여 바이오매스를 가스화시키는 방법에 관한 것이다.
에너지 효율 향상과 에너지 보존은 중국의 국가 경제 발전을 위한 장기적 전략 정책일 뿐만 아니라 에너지 보존과 방출 감소를 위한 주요 전략이다.
상대적으로 퇴보된 저-레벨 사용 패턴인 연료 연소와 비교하여, 연료 가스화는 주로 가격이 향상되고 광범위하게 적용된다. 예를 들어, 가스화된 가스는 합성되어 오일을 생산할 수 있고, 액체 연료의 부족을 해결할 수 있고, 환경을 보호할 수 있으므로 엄청나게 중요하다. 한편, 가스화된 가스는 메탄올, 에탄올, 아세트산과 같은 대량 화학물질을 생산하는 원료 물질이기도 하다. 또한, 가스화된 가스는 통합 가스화 복합 사이클 발전(IGCC)에도 사용될 수 있고, 그 발전 효율은 일반적으로 직접 연소에 의한 발전과 비교하여 15% 정도 향상된다. 또한, 가스화된 가스는 수소를 추출하기 위한 생산 비용이 낮기 때문에, 연료 전지를 위한 원료 물질로도 각광을 받고 있는 수소의 중요한 자원이다.
현존하는 가스화 기술들은 고정층 가스화 기술, 유동층 가스화 기술, 및 분출-유동층 가스화 기술을 포함한다. 고정층은 열적 안정성, 기계적 강도, 및 원료 물질의 접착의 높은 조건을 부과한다. 바이오매스 가스화를 위해 통상적인 고정층을 사용하면 원료 가스가 상대적으로 높은 타르 함량을 갖게 되고, 통상적인 고정층은 공학적 적용에 있어서 장기적으로 안정되게 작동될 수 없어서 비경제적이라는 사실이 증명되었다. 비록 유동층 가스화 공법은 연료 적응성이 넓지만, 원료 가스는 CH4, 타르 및 플라이 애쉬의 함량이 높고, 유효 가스(CO + H2)의 변환 효율이 낮으며, 원료 가스의 세정 및 정화 공정이 상대적으로 복잡하다. 분출-유동층 가스화는 효율이 높고 현재 가장 앞선 가스화 기술이다. 그러나, 그것은 연료 적응성이 좁고, 바이오매스 연료의 파쇄 비용이 너무 많기 때문에 구현하기 어려운 실정이다.
가스화 기술의 산업화는 1950년대 외국에서 실현되었다. 20세기 후반에, 오일과 가스 공급의 부족은 새로운 가스화 공정에 대한 급속한 개발과 연구를 촉진하였고, 석탄의 넓은 적용성, 높은 가스화 압력, 높은 가스화 효율, 및 무-오염 특성을 가진 가스화기의 신세대가 열였다. 그들 중에서, 가장 대표적인 것은 네델란드의 Shell 퍼니스, 미국의 Texaco 퍼니스, 및 독일의 Lurgi 퍼니스이다.
에너지원으로서 바이오매스를 사용하는 바이오매스 가스화 기술은 급속히 발전하고 있는 금세기에 개발된 기술이다. 여러 가지 기술들에 대한 수많은 연구들이 이 분야에서 수행되어 왔다. 1980년대 초, 바이오매스 가스화 기술에 대한 연구들이 시작되었고, 단일 고정층 가스화기로부터 유동층, 순환 유동층, 중복 순환 유동층, 및 산화 유동층까지, 낮은 칼로리 값을 가진 가스화 장치들로부터 중간 칼로리 값을 가진 가스화 장치까지, 가정용 가스 스토브부터 산업용 건식, 중앙식 가스 공급, 및 전기 발전 시스템까지 그 성장이 엄청나게 이루어졌다. 그러나, 전체 레벨은 퇴보하고 있고, 기술은 미성숙해서 많은 기술적 문제점을 가지고 있다. 심지어 많은 실증적 프로젝트들도 예를 들어, 가스화된 가스의 유효 성분의 함량이 낮고, 타르 함량이 높고, 소규모 용량, 불안정한 작동, 작동 비용의 과다와 같이, 많은 기술적 문제점이 있기 때문에, 상업적 작동을 구현하기 매우 어렵다.
예를 들어, 플라즈마 가스화 공정, 열분해 공정, 다단 가스화 공정과 같이, 바이오매스 가스화에 대한 상당한 연구들이 유럽과 미국에서 최근 수행되었다. 이러한 공정들을 사용하여 여러 가지 규모의 파일럿 시험 플랜트들이 건설되었고, 기술적 업적들이 얻어졌지만 아직까지는 상업적으로 작동할 수 있는 수준은 아니다.
전술한 문제점들의 관점에서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은, 가스화 아일랜드를 사용하여 고온 및 대기압 하에서 바이오매스 가스화를 위한 방법을 제공하는 것이다. 바이오매스 가스화 방법은 원료 물질로부터 높은 탄소 변환 효율, 넓은 연료 적응성, 원료 합성 가스에서 매우 낮은 타르 함량, 장치의 입수 가능성 증대, 컴팩트한 구조, 간단한 시스템, 적은 투자, 안정된 작동, 낮은 운전비를 가지며, 대규모 상업적 적용에 적합하다.
상기 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 기술적 방안이 사용된다.
가스화 아일랜드를 사용하여 고온 및 대기압 하에서의 바이오매스 가스화 방법은, 바이오매스를 사전처리하여 저장하는 단계, 가스화기의 바이오매스를 가스화하는 단계, 원료 합성가스를 냉각시키는 단계, 원료 합성가스로부터 분진을 세정하여 제거하는 단계, 및 맑은 가스를 저장하는 단계를 포함한다. 가스화기의 바이오매스를 가스화하기 위한 열에너지는 외부 열원에 의해 공급되고, 가스화기의 반응 온도는 1300 내지 1750℃에서 제어된다. 가스화기의 바이오매스는 원료 합성가스로 변형되고, 슬래그는 가스화기로부터 액체 상태에서 제거된다. 원료 합성가스는 냉각 타워 및 2단계 폐열 보일러에 의해 냉각되며, 폐열 보일러에서 현열이 복구된다. 냉각 후의 원료 합성가스는 세정되어 전기 집진기에 의해 처리되고, 획득된 청정하고 맑은 합성가스는 가스 저장 탱크에 의해 저장된다. 전체 가스화 아일랜드는 0 내지 50KPa의 정압 또는 부압에서 작동된다.
본 발명의 개량예에 따른 바이오매스 가스화 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다.
1) 수집된 바이오매스를 파쇄하고, 바이오매스를 가스화기에 공급하는 한편 외부 열원과 산화제를 가스화기에 제공하고, 가스화기의 작동 온도를 1300 내지 1750℃로 제어하여, 바이오매스를 산화제에 완전히 접촉시킴으로써, 건조, 활성 입자의 석출, 열분해, 및 가스화 반응을 각각 일으켜서, 원료 합성가스와 애쉬를 생성하는 단계;
2) 원료 합성가스를 냉각 타워와 2-단 폐열 보일러에 도입시켜 원료 합성가스의 온도를 85 내지 200℃로 감소시켜 현열을 복구하는 단계; 및
3) 현열 복구과 분진 제거 후 원료 합성가스를 세정하여, 분진 함량과 타르 함량 모두 10mg/Nm3 미만이고 온도가 45℃ 미만인 청정하고 맑은 합성가스를 얻고; 청정하고 맑은 합성가스를 저장용 가스 저장 탱크 또는 사용하기 위해 하류 공정으로 직접 전송하는 단계.
본 발명의 개량예에 있어서, 외부 열원은 플라즈마 토치 발생기, 극초단파 플라즈마 발생기, 또는 레이저 열 발전기에 의해 공급된다.
본 발명의 개량예로서, 바이오매스 연료의 가스화로부터 맑은 합성가스로의 전체 공정에 있어서, 전체 장치는 0 내지 50KPa의 부압 또는 정압에서 작동된다.
특히, 가스화 아일랜드는: 바이오매스 사전처리 및 저장 유니트, 바이오매스 공급 유니트, 외부 열원 유니트, 가스화기 유니트, 원료 합성가스 냉각 유니트, 원료 합성가스 세정 유니트, 맑은 합성가스 저장 유니트, 및 애쉬와 폐수 처리 유니트를 구비한다.
1. 바이오매스 사전처리 및 저장 유니트
원료 물질(예, 바이오매스 및 도시 고형 폐기물)은 연료 획득 위치 또는 플랜트에서 간단하게 사전-처리되고, 여기서 원료 물질은 50 내지 300mm의 직경을 가진 입자들로 파쇄된다. 파쇄 처리된 후 연료는 플랜트에 있는 연료 저장실에 저장된다. 왕겨와 같은 소형 입자들은 그 어떤 처리없이 가스화기의 연료로서 직접 사용될 수 있다.
도시 고형 폐기물과 산업 폐기물의 경우, 먼저 분리 작업이 수행되어, 그 안에 있는 금속과 종이 제품들이 선별되고, 대형 벽돌과 같은 건설 폐기물이 분리된다. 분리 작업 후 폐기물은 50 내지 300mm의 직경을 가진 입자들로 파쇄되어 가스화기의 연료로서 사용되어 바이오매스 연료 저장실에 저장된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법의 주요 장치는 분쇄기이다.
2. 바이오매스 공급 유니트
바이오매스 공급 유니트는 바이오매스 전송 시스템과 가스화기 공급 시스템에 의해 형성된다.
바이오매스는 비산 분진과 분출 연료를 감소시키기 위해 측정 장치가 마련된 벨트 컨베이어 또는 스크래이퍼 컨베이어에 의해 연료 저장실로부터 가스화기의 전방의 호퍼로 전송된다. 전송기의 유리 스틸 커버는 밀봉된다. 벨트 컨베이어가 사용될 때, 전송기의 장착 각도는 15° 내지 18° 범위로 제어되는 것이 바람직하고 최대 각도는 20°이다.
연료는 가스화기 반응기로부터 벗어나는 원료 합성가스의 폭발과 오염을 방지하기 위해 가스화기의 2개의 측면에 배치된 2개의 루트들에 의해 가스화기로 연속적으로 공급된다. 가스화기의 공급은 실링(sealing) 플러그를 구비하는 스크류 피딩 장치, 및 바람직하게, CN202040828U에 개시된 실링 플러그를 구비하는 2-단 스크류 피딩 장치를 사용한다. 그 이외에, 질소 실링 보호 장치 및 물 스프레이 보호 장치가 부가되어 보안성을 보장한다.
질소 가스는 99.9% 이상의 순도, 및 0.3 내지 0.7 메가파스칼의 압력을 가진다.
물 스프레이는 소방용 파이프라인으로부터 접속되는 소방용 물을 사용한다.
3. 외부 열원 유니트
외부 열원은 플라즈마 토치 발생기, 극초단파 플라즈마 발생기, 또는 레이저 열 발생기에 의해 공급된다. 그러한 외부 열원은 가스화를 위한 고품질 열원을 제공한다. 활성 물질은 반응기의 바닥에 배치되어 베드 레이어(bed layer)를 형성한다. 가스화 방법을 강화시키기 위해 플라즈마의 고온 및 고활성 특성이 사용된다. 1300 내지 1750℃의 온도에서 고온 반응 구역이 조성되어, 가스화 방법을 향상시키고 촉진시킨다.
외부 열원은 플라즈마 토치 기술을 사용하고 특히, 플라즈마 토치 본체, 아크 점화기, 토치 매체 공급 시스템, 토치 전원 시스템, 및 토치 제어 프로텍터 시스템을 구비한다. 플라즈마 토치의 화염 출구는 가스화기에 연결되어 열에너지를 가스화기에 공급한다. 토치 전원 시스템은 토치의 양극과 음극에 연결되어 플라즈마 토치에 에너지를 공급한다. 순환수 냉각 파이프는 플라즈마 토치의 전극들의 냉각 파이프들에 연결되어 전극들을 냉각시켜서 전극들의 수명을 2000시간 이상으로 향상시킨다. 토치 매체 공급 파이프는 플라즈마 토치의 매체 입구 파이프에 연결되고, 제4 상태 플라즈마는 토치의 전극들 사이에서 활성화되어 활성화 에너지로서 가스화기로 들어간다. 아크 점화기는 플라즈마 토치를 시동하기 위해 사용된다.
4. 가스화 유니트
가스화기는 대기 고정층 가스화기이고, 그 작동 압력은 0 내지 50KPa이고, 가스화 구역의 온도는 1300 내지 1750℃이다. 가스화 매체는 공기, 산소-풍부 공기, 순수 산소, 수증기, 또는 그들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 외부 열원에 의해 공급되는 열에너지와 고활성의 다량의 플라즈마의 존재 때문에, 가스화 반응은 높은 반응 속도에서 수행되어 탄소 변환이 매우 높은(대략 99.8%) 결과를 초래한다. 가스화기의 바닥의 온도는 1450 내지 1750℃로 제어됨으로써, 액체 상태에서 슬래그 제거를 구현한다. 가스화기로부터 슬래그의 제거는 애쉬 함량에 따라 연속적 슬래그 제거 또는 간헐적 슬래그 제거를 사용한다. 연속적 슬래그 제거는 원료 물질이 애쉬 함량을 많이 가질 때 사용된다. 가스화기의 상부의 온도는 800 내지 1450℃로 제어되고, 그 안에 있는 합성가스의 유동 속도는 0.5 내지 2.0m/s로 제어됨으로써, 가스화기의 원료 합성가스의 체류 시간이 연장되어 원료 합성가스에 있는 큰 분자의 탄화수소의 완전한 분해가 보장된다. 결국, 원료 합성가스는 가스화기의 상부로부터 빠져나오고, 가스화기의 출구에서 원료 합성가스의 유동 속도는 8 내지 20m/s로 제어되고, 원료 합성가스의 분진 함량은 20g/Nm3 미만으로 제어된다.
가스화 유니트는 가스화기 본체와 그 부속품들로 주로 구성된다.
5. 원료 합성가스 냉각 유니트
원료 합성가스는 가스화기로부터 나와서 원료 합성가스 냉각 유니트로 유입되어 폐열을 복구한다.
원료 합성가스 냉각 유니트는 물 냉각 또는 가스 냉각 또는 단열 파이프, 냉각 타워, 및 2-단 폐열 보일러를 구비한다.
원료 합성가스는 가스화기로부터 수냉 파이프를 통해 냉각 타워로 도입되고, 냉각 타워에서 원료 합성가스는 물 분사, 수냉 번들(bundle), 또는 증기 냉각 번들에 의해 850℃ 미만의 온도로 냉각되고, 원료 합성가스에 의해 이동되는 용융 슬래그는 처리되어 분리된다. 냉각 타워에 의해 처리된 후 850℃ 미만의 온도를 가진 원료 합성가스는 폐열을 복구하기 위한 제1 단 폐열 보일러로 전송되고, 원료 합성가스의 온도는 무거운 타르의 응축점까지 감소됨으로써 그 안에 있는 무거운 타르는 응축이 방지되고, 원료 합성가스의 온도는 350 내지 450℃로 감소된다. 제1 단 폐열 보일러의 원료 합성가스의 유동 속도는 7 내지 20m/s로 제어된다. 애쉬 호퍼는 플라이 애쉬를 제거하기 위해 제공된다. 제1 단 폐열 보일러로부터 나오는 원료 합성가스는 폐열을 복구하기 위한 제2 단 폐열 보일러로 전송된다. 원료 합성가스는 냉각이 계속되어 원료 합성가스의 온도는 85 내지 200℃로 감소되고, 무거운 타르는 제2 단 폐열 보일러에서 응축되어 슈트(chute)에 의해 수거된다. 제2 단 폐열 보일러의 원료 합성가스의 유동 속도는 7 내지 20m/s로 제어된다. 플라이 애쉬는 애쉬 호퍼에 의해 배출된다.
원료 합성가스 냉각 유니트는 주로 2-단 폐열 보일러, 냉각 타워, 수냉 번들, 및 순환수 펌프를 구비한다. 제1 단 폐열 보일러는 워터-튜브 타입 폐열 보일러이고, 제2 단 폐열 보일러는 히트-튜브 타입 폐열 보일러이다.
6. 원료 합성가스 세정 유니트
열 복구 후 원료 합성가스는 85 내지 200℃로 감소된 온도와 20g/Nm3 미만의 분진 함량을 가진다. 원료 합성가스는 원료 합성가스의 온도를 추가적으로 감소시키고 분진을 제거하기 위해, 스크러빙-냉각 타워 또는 벤츄리 스크러버의 파이프로 전송된다. 세정 후 원료 합성가스의 온도는 15 내지 55℃로 감소되고 세정수는 순환된다. 순환되는 세정수에 의해 운반되는 오염물질을 제거하기 위해 물 순환 파이프에는 필터가 배치된다. 따라서, 순환수의 수질은 오염이 방지되고, 오염수의 방출을 위한 횟수가 감소된다. 오염물질은 순환수의 수질에 따라 방출되고 깨끗한 순환수가 보충된다. 순환수는 기계적인 드래프트 중공 냉각 타워에 의해 냉각된다. 처리 후 필터 잔유물은 베드 레이어로서 가스화기로 복귀되고 용융 슬래그와 함께 애쉬 저장소로 전송됨으로써 종합적 활용이 구현된다.
스크러빙-냉각 타워 또는 벤츄리 스크러버로부터 나오는 원료 합성가스는 습식 전자 집진기로 투입되고, 여기서 원료 합성가스에 있는 분진과 다른 불순물은 고속 전기장의 작용에 의해 제거된다. 습식 전기 집진기로부터 나오는 맑은 합성가스는 석탄 가스 부스터 팬에 의해 가스 저장 탱크로 전송되거나 공급 가스로서 다음 공정의 장치들로 직접 공급된다.
원료 합성가스 세정 유니트는 주로 스크러빙 타워, 전기 집진기, 냉각 타워, 필터, 부스터 팬, 및 순환수 펌프를 구비한다.
7. 맑은 가스 저장 유니트
냉각과 세정 후의 맑은 가스는 석탄 가스 부스터 팬과 파이프에 의해 습식 타입 가스 저장 탱크 또는 다음 공정으로의 공급을 위한 건식 타입으로 전송된다.
맑은 가스 저장 유니트는 주로 가스 저장 탱크이다.
8. 애쉬 및 폐기물 수처리 유니트
바이오매스 가스화 아일랜드에서 생성된 애쉬와 슬래그 : 가스화 유니트에서 생성된 용융 슬래그와 냉각 및 세정 유니트에서 생성된 애쉬. 가스화기에서 생성된 고온 용융 슬래그는 작은 알갱이로 만들어져서 종합적 사용을 위한 건축 재료로서 사용된다. 냉각 및 세정 유니트로부터 나오는 애쉬는 처리되어 재활용을 위해 가스화기의 베드 레이어로서 사용된다.
가스화기의 슬래그 제거 시스템은 슬래그 제거 슈트, 슬래그 탱크, 및 배기 시스템으로 구성된다.
세정 유니트의 애쉬는 순환 세정수로부터 필터에 의해 여과되어 수거된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법에서 생성된 폐수는 합성가스 세정으로부터 나온 폐수 및 가스 저장 탱크에서 생성된 합성가스의 응축물을 포함한다. 합성가스의 세정으로부터 나오는 폐수는 기본적으로 연료에 의해 도입되어, 원료 합성가스와 함께 세정 유니트로 들어간 후 세정 공정에서 침전된다.
폐수는 폐수 파이프에 의해 폐수 처리 장치로 전송되어 재활용된다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예들에 따른 효과를 정리하면 다음과 같다.
1) 플라즈마 토치는 가스화를 위한 외부 열원을 제공하기 위해 사용된다. 슬래그는 액체 상태로 배출된다. 가스화 반응은 고온, 빠른 가스화 속도, 및 높은 탄소 변환을 가진다. 원료 합성가스의 품질이 높다.
2) 가스화는 대기 고정층에서 수행된다. 가스화 본체는 구조가 간단하고, 투자비가 작고, 작동이 용이하다. 이외에, 공급 시스템, 슬래그 수거 시스템 및 정화 시스템이 간단하다.
3) 원료 물질 적응성이 넓고, 여러 가지 종류의 바이오매스, MSW, 석탄, 및 슬러그가 활용될 수 있다. 따라서, 여러 가지 종류의 원료 물질의 혼합된 가스화가 구현될 수 있다.
4) 공기, 산소-풍부 공기, 순수 산소, 수증기 또는 이들의 혼합물이 산화제로서 사용된다.
5) 2-단 폐열 보일러가 현열을 복구하기 위해 사용되기 때문에 석탄 가스의 총 열효율이 향상된다.
6) 가스화 아일랜드는 장치들에서 짧은 유동과 적은 투자비를 가진다.
7) 가스화 아일랜드는 시동 시간이 짧고 양호한 조절 특성을 가진다.
8) 가스화 아일랜드는 성숙한 시스템, 고도의 현지화, 낮은 시스템 고장율, 높은 범용성을 가진다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 아래에서 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 가스화 아일랜드의 개략적 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 가스화 아일랜드의 가스화기의 개략적 구성도이다.
도 3은 원료 합성가스를 냉각 및 정화시키기 위한 냉각 유니트와 세정 유니트의 개략도이다.
가스화 아일랜드를 사용하여 고온 및 대기압 하에서 바이오매스의 가스화 방법을 첨부된 도면들과 특정의 실시예들을 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고온 및 대기압에서 바이오매스를 가스화시키는 방법은 원료 물질을 처리하기 위한 사전-처리 및 저장 유니트(1), 바이오매스 공급 유니트(2), 외부 열원 유니트(3), 가스화기 유니트(4), 원료 합성가스를 냉각하기 위한 냉각 유니트(5), 원료 합성가스를 세정하기 위한 세정 유니트(6), 맑은 합성가스를 저장하기 위한 저장 유니트(7), 및 애쉬와 폐수를 처리하기 위한 처리 유니트(8)를 구비하는 가스화 아일랜드에서 수행된다. 이러한 장치들은 함께 효율적인 가스화 아일랜드를 형성하고, 바이오디젤을 합성하기 위한 차후 공정 또는 통합 가스화 복합 사이클(IGCC)로 맑은 합성가스를 공급한다.
바이오매스 공급 공정은 중국 특허 출원 번호 201120140199.x에 따른 바이오매스를 공급하기 위한 2단 스크류 피딩 기술을 사용한다.
예(Example) : 가스화 아일랜드는 외부 열원과 2-단 폐열 보일러가 마련된 대기 고정층 가스화기를 사용한다. 특히, 가스화 아일랜드는, 원료 물질을 처리하기 위한 사전-처리 및 저장 유니트, 바이오매스 공급 유니트, 외부 열원 유니트, 가스화기 유니트, 원료 합성가스를 냉각하기 위한 냉각 유니트, 원료 합성가스를 세정하기 위한 세정 유니트, 맑은 합성가스를 저장하기 위한 저장 유니트, 및 애쉬와 폐수를 처리하기 위한 처리 유니트를 구비한다.
바이오매스 가스화 방법은 특히 다음과 같은 단계들에 의해 수행된다.
1) 수집된 바이오매스 연료의 직경이 300mm 미만으로 감소할 때까지 간단히 파쇄한 후, 파쇄된 바이오매스는 벨트 컨베이어에 의해 바이오매스 공급 유니트로 전송된다.
2) 공급 장치에 의해 비활성 물질(예, 처리 후 필터 잔유물)이 가스화기의 바닥에 부가되어 특정 두께를 가진 베드 레이어(bed layer)를 형성한다. 가스화기는 단열 절연 또는 냉각 방식을 사용한다.
3) 외부 열원 유니트(3)가 시동되면, 가스화기의 온도는 1300 내지 1750℃로 제어되고, 가스화기의 출구의 압력은 0 내지 50KPa로 제어된다. 한편, 산화제는 가스화기 속으로 분사된다. 용융 물질은 비활성 베드 레이어와 연료 레이어의 구역들을 형성한다. 고온 연도 가스가 바이오매스 연료를 가스화시켜서, 연도 가스에 있는 유기물이 CO와 H2로 열분해되고, 무기물 애쉬가 용융되어 용융 슬래그를 형성한 후 비활성 베드로부터 가스화기 밖으로 그 바닥을 통해 배출된다.
4) 원료 합성가스는 가스화기의 상부에 배치된 출구 파이프를 통해 상방으로 유동하여, 2-단 폐열 보일러로 들어가기 때문에, 원료 합성가스의 온도는 85 내지 200℃로 감소되고, 현열이 복구된다.
5) 원료 합성가스가 세정 유니트로 들어가면, 그 온도가 15 내지 55℃로 더 감소되고, 분진과 같은 유해 물질이 제거되어 맑은 합성가스를 얻게 되고, 이러한 맑은 합성가스는 석탄 가스 부스터 팬에 의해 저장을 위한 가스 저장 탱크 또는 사용을 위한 하류 공정으로 전송된다.
6) 가스화 방법에서 생성된 애쉬와 폐수는 재활용 또는 포괄적 사용을 위해 처리된다.
외부 열원 유니트는 가연성 물질의 가스화를 위해 열에너지를 제공하는 외부 열원 발생 장치를 사용하는 장치이다. 외부 열원 발생 장치는 플라즈마 토치 발생기 및 극초단파 플라즈마 발생기와 같은 전기 에너지에 의하거나, 레이저 열 발생기와 같은 광원에 의해 열원을 생성하는 장치이다.
산화제는 공기, 산소, 수증기를 포함하는 혼합 가스, 또는 공기와 수증기를 포함하는 혼합 가스, 또는 산소와 수증기를 포함하는 혼합 가스이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가스화 아일랜드의 가스화기 유니트 실링 플러그를 구비하는 스크류 공급 장치(9), 가스화기(10), 과열 스팀 파이프(12), 공기 압축기(13), 토치 파워 서플라이(14), 및 플라즈마 토치(15)를 구비한다. 스크류 공급 장치(9)의 출구는 가스화기(10)의 공급 입구에 연결된다. 공기 압축기(13)의 가스 출구와 과열 스팀 파이프는 가스화기(10)의 하부의 측면에 배치된 가스화 매체 입구에 연결된다. 파쇄된 바이오매스 연료는 스크류 공급 장치(9)를 통해 가스화기(10)로 연속적으로 공급된다. 스크류 공급 장치(9)의 실링 플러그는 고온 합성가스의 역류을 방지하고 가스화기의 특정의 압력 변동에 견딘다. 연료의 양은 스크류 공급 장치(9)의 회전 속도에 의해 조절된다.
가스화기(10)는 꼭대기에 배치된 합성가스 출구(11), 바닥에 배치된 슬래그 출구(16), 및 고정층 아래의 하부의 측면에 배치된 가스화 매체 입구를 구비하는 상부-드래프트 고정층 가스화기이다. 가스화기는 그 외부가 스틸 하우징이고, 그 내부가 단열 절연재로 제조된 단열 구조로서, 불꽃에 면하는 표면은 고 크롬 벽돌로 제조되기 때문에, 가스화기는 고온에 견딜 수 있을 뿐만 아니라 가스화 환경의 부식에도 견딜 수 있다. 가스화기(10)에는 바닥으로부터 꼭대기까지 용융 슬래그 구역, 산화 구역, 환원 구역, 열분해 구역, 및 건조 구역이 각각 마련된다. 온도 범위들은 서로 다른 구역들의 열-화학적 특성들에 따라 상응하게 제어되기 때문에, 가장 좋은 반응 효과에 도달한다. 예를 들어, 온도 범위들은 다음과 같다. 1400 내지 1750℃의 용융 슬러그 구역, 1000 내지 1300℃의 산화 및 환원 구역, 및 900 내지 1200℃의 가스화기의 상부의 간극 구역. 원료 합성가스 출구(11)는 가스화기 밖으로 원료 합성가스가 나오는 출구이다. 가스화기로부터 나온 원료 합성가스는 폐열 보일러에 의해 냉각되고 스크러빙-냉각 타워에 의해 처리되어 분진이 제거되어 적격의 바이오매스 합성가스를 형성한다. 전술한 처리를 거친 바이오매스 합성가스는 중간 칼로리 값에 속하는 대략 12 내지 15MJ/Nm3 범위의 칼로리 값을 가지며, 전력 생산을 위한 가스 터빈에 공급되는 연료로서 사용될 수 있다.
공기 압축기(13)는 공기를 가스화기로 공급하고 공기는 플라즈마 토치(15)에 의해 출력되는 열에너지의 캐리어로서 사용된다. 가스화기로 들어가는 공기는 스팀 파이프(12)로부터 나오는 수증기와 함께 바이오매스 가스화를 위한 가스화 매체로서 사용되고, 산화-환원 반응에 참여하고, 가스화기(10)의 온도를 특정 온도로 조절한다.
토치 파워 서플라이(14)는 플라즈마 토치(15)에 전력을 공급하기 때문에, 플라즈마 토치의 전류와 출력 전압이 제어 및 조절된다.
가스화기의 반응들을 위한 외부 열원으로서, 플라즈마 토치(15) 역시 가스화기에서 고온을 유지함으로써, 액체 상태에서 슬래그의 방출을 위한 환경을 보장한다. 플라즈마 토치(15)의 출구, 공기 압축기(13)의 가스 출구, 및 과열 스팀 파이프 모두는 가스화 매체 입구에 연결된다. 공기 압축기(13)의 출구 파이프는 플라즈마 토치(15)의 출구를 둘러싸고, 스팀 파이프는 공기 압축기(13)의 출구 파이프를 둘러싼다. 공기는 2개의 전극들 사이의 위치로부터 그리고 플라즈마 토치의 외부 링으로부터 선형 유동으로 도입된다. 수증기는 회전 유동으로 최외곽 재킷으로 가스화기 속으로 들어간다. 회전 유동은 가스화기 속으로 들어가서 요란(disturbance)을 증가시킴으로써, 가스화 방법을 향상시킨다. 가스화기 속으로 도입되는 공기의 양은 플라즈마 토치로부터 운송될 열에너지의 양에 의해 결정된다. 작동하는 동안, 가스화기(10)의 로딩 상황과 결합하여, 합성가스의 함량과 칼로리 값은 토치의 파워 및 공기와 스팀의 유동율을 조절함으로써 특정 정도로 조절될 수 있으므로, 가스화 방법을 최적화시킬 수 있다.
냉각 및 세정 공정은 도 3에 도시되어 있다. 고온 바이오매스 고정층에서 생성되는 원료 합성가스는 1000 내지 1200℃의 온도, 20g/Nm3 미만의 분진 함량, 및 3g/Nm3 미만의 타르 함량을 가진다. 석탄 가스와 코크 오븐 가스의 냉각 및 정화 공정을 참조한다. 원료 합성가스의 정화 공정은 다음과 같다. 원료 합성가스를 고온 수냉 연통을 통해 연결하고, 수냉 냉각 타워 속으로 물을 분사하여 슬래그를 부분적으로 응축시키고, 2가지 압력의 워터-튜브 타입 및 히트-튜브 타입 폐열 보일러에서 폐열을 복구하고, 히트-튜브 타입 폐열 보일러에서 무거운 타르를 응축하고, 온도를 감소시키고 분진을 제거하기 위해 가득찬 칼럼에서 합성가스를 세정하고, 습식 전기 집진기에서 분진과 타르 미스트를 추가적으로 제거하고, 석탄 가스 부스터 팬에 의해 합성가스를 추출하고, 저장을 위해 합성가스를 습식 가스 탱크로 전송한다. 공정 파라미터들은 설정되고 제어된다. 따라서, 합성가스는 2단으로 냉각되고, 폐열은 점진적으로 복구되고, 분진 제거와 타르 제거는 점진적으로 구현된다. 냉각과 정화 후의 합성가스는 분진 함량과 타르 함량 모두 10mg/Nm3 미만이고, 그 온도는 45℃ 미만이고, 현열 복구율은 80% 이상이다.
고온 수냉 연통과 수냉 냉각 타워 모두 멤브레인 수냉 파이프 구조를 사용함으로써, 그 중량을 감소시키고 내화재료의 절단의 문제를 방지하고, 작동 신뢰성을 향상시킨다. 고온 수냉 연통, 수냉 냉각 타워, 및 폐열 보일러는 직렬로 연결되어 물 순환 시스템을 형성하기 때문에, 순환수의 물 냉각 문제가 해결되고, 열에너지의 완전한 복구가 구현된다.
수냉 냉각 타워의 고온 합성가스에 물이 분사되어 합성가스의 온도를 800℃로 감소시키고 합성가스의 슬래그를 응축시키고, 슬래그는 타워 바닥으로부터 배출된다. 따라서, 폐열 보일러들의 가열 표면은 슬래그의 오염이 방지되고, 폐열 보일러의 열교환 성능의 안정성이 보장된다.
폐열 보일러는 고온 영역과 저온 영역을 포함한다. 폐열 보일러의 고온 영역의 출구의 합성가스의 온도는 350 내지 450℃로서, 무거운 타르의 응축점보다 더 높기 때문에, 타르의 응축을 방지하게 된다. 고온 영역은 워터-튜브 타입 폐열 보일러를 사용한다. 워터-튜브 타입 폐열 보일러의 설계 압력은 1.6메가파스칼 이상이므로, 증기의 온도 품질을 향상시키고 화학 증기의 상응하는 조건을 만족시킨다. 폐열 보일러의 저온 영역의 출구에서 합성가스의 온도는 200℃ 미만으로 제어되어 이 영역에서 무거운 타르를 응축시켜서 슈트에 의해 무거운 타르를 수거한다. 저온 영역은 히트-튜브 타입 폐열 보일러를 사용하여 열교환 효율을 향상시킨다. 히트-튜브 타입 폐열 보일러의 설계 압력은 0.5메가파스칼이고, 그 안에서 생성되는 저압 수증기는 집진을 위해 습식 집진기로 공급된다.
바이오매스 합성가스는 상대적으로 낮은 분진 함량과 타르 함량을 가진다. 예비적 분진 제거는 사이클론 집진기 또는 벤츄리 집진기보다는 필러 타입 스크러빙-냉각 타워를 사용한다. 분진 제거와 온도 감소의 목적들이 구현될 뿐만 아니라, H2S, NH3, 및 HCN을 포함하는 유해 가스가 세정에 의해 제거된다. 또한, 시스템 저항이 감소되고, 팬의 전기 소비가 절감된다.
습식 전기 집진기는 공정 플로우의 후부에 구성되어 분진 제거와 타르 제거의 목표의 제어를 보장한다.
본 발명의 특정의 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명을 벗어나지 않는 한 당업자에 의해 본 발명의 변화와 개조가 가능하기 때문에, 본 발명의 청구범위의 목적은 본 발명의 진정한 정신과 범위에 속하게 되는 모든 그러한 변화와 개조를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
1...사전-처리 및 저장 유니트 2...바이오매스 공급 유니트
3...외부 열원 유니트 4...가스화기 유니트
5...냉각 유니트 6...세정 유니트
7...저장 유니트 8...처리 유니트
9...스크류 공급 장치 10...가스화기
11...합성가스 출구 12...과열 스팀 파이프
13...공기 압축기 14...토치 파워 서플라이
15...플라즈마 토치 16...슬래그 출구

Claims (9)

  1. 가스화 아일랜드를 사용하여 고온 및 대기압 하에서의 바이오매스를 가스화하는 방법에 있어서,
    바이오매스를 사전처리하여 저장하는 단계, 가스화기의 바이오매스를 가스화하는 단계, 원료 합성가스를 냉각시키는 단계, 원료 합성가스로부터 분진을 세정하여 제거하는 단계, 및 맑은 가스를 저장하는 단계를 포함하고;
    가스화기의 바이오매스를 가스화하기 위한 열에너지는 외부 열원에 의해 공급되고, 가스화기의 반응 온도는 1300 내지 1750℃로 제어되고, 가스화기의 바이오매스는 원료 합성가스로 변형되고, 슬래그는 가스화기로부터 액체 상태에서 제거되며;
    원료 합성가스는 냉각 타워 및 2단계 폐열 보일러에 의해 냉각되고, 폐열 보일러에서 현열이 복구되며;
    냉각 후의 원료 합성가스는 세정되어 전기 집진기에 의해 처리되고, 획득된 청정하고 맑은 합성가스는 가스 저장 탱크에 의해 저장되며;
    전체 가스화 아일랜드는 0 내지 50KPa의 정압 또는 부압에서 작동되며;
    활성 물질은 반응기의 바닥에 배치되어 베드 레이어(bed layer)를 형성하고;
    가스화기는 대기 고정층 가스화기이고, 가스화기의 작동 압력은 2 내지 50KPa이고, 가스화 구역의 온도는 1300 내지 1750℃이고;
    가스화 매체는 공기, 산소-풍부 공기, 순수 산소, 수증기, 또는 그들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되고;
    가스화기의 바닥의 온도는 1450 내지 1750℃로 제어되어, 액체 상태에서 슬래그를 제거하고;
    가스화기로부터 슬래그의 제거는 애쉬 함량에 따라 연속적 슬래그 제거 또는 간헐적 슬래그 제거를 사용하고, 연속적 슬래그 제거는 원료 물질의 애쉬 함량이 높을 때 사용되고, 간헐적 슬래그 제거는 원료 물질의 애쉬 함량이 낮을 때 사용되며;
    가스화기의 상부의 온도는 800 내지 1450℃로 제어되고, 가스화기의 합성가스의 유동 속도는 0.5 내지 2.0m/s로 제어되며;
    가스화기의 상부로부터 빠져나오는 원료 합성가스의 가스화기의 출구에서 유동 속도는 8 내지 20m/s로 제어되고, 원료 합성가스의 분진 함량은 20g/Nm3 미만으로 제어되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 가스화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    1) 수집된 바이오매스를 파쇄하고, 바이오매스를 가스화기에 공급하는 한편 외부 열원과 산화제를 가스화기에 제공하고, 가스화기의 작동 온도를 1300 내지 1750℃로 제어하여, 바이오매스를 산화제에 완전히 접촉시킴으로써, 건조, 활성 입자의 석출, 열분해, 및 가스화 반응을 각각 일으켜서, 원료 합성가스와 애쉬를 생성하는 단계;
    2) 원료 합성가스를 냉각 타워와 2-단 폐열 보일러에 도입시켜 원료 합성가스의 온도를 85 내지 200℃로 감소시켜 현열을 복구하는 단계; 및
    3) 현열 복구과 분진 제거 후 원료 합성가스를 세정하여, 분진 함량과 타르 함량 모두 10mg/Nm3 미만이고 온도가 45℃ 미만인 청정하고 맑은 합성가스를 얻고; 청정하고 맑은 합성가스를 저장용 가스 저장 탱크 또는 사용하기 위해 하류 공정으로 직접 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 가스화 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    단계 1)에서, 외부 열원은 플라즈마 토치 발생기, 극초단파 플라즈마 발생기, 또는 레이저 열 발전기에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 가스화 방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    원료 합성가스는 가스화기로부터 수냉 파이프를 통해 냉각 타워로 도입되고, 냉각 타워에서 원료 합성가스는 물 분사, 수냉 번들(bundle), 또는 증기 냉각 번들에 의해 850℃ 미만의 온도로 냉각되고, 원료 합성가스에 의해 이동되는 용융 슬래그가 처리되어 분리되며;
    냉각 타워에 의해 처리된 후 850℃ 미만의 온도를 가진 원료 합성가스는 폐열을 복구하기 위한 제1 단 폐열 보일러로 전송되고, 원료 합성가스의 온도는 무거운 타르의 응축점까지 감소됨으로써 무거운 타르의 응축이 방지되고, 원료 합성가스의 온도는 350 내지 450℃로 감소되고, 제1 단 폐열 보일러의 원료 합성가스의 유동 속도는 7 내지 20m/s로 제어되며;
    제1 단 폐열 보일러로부터 나오는 원료 합성가스는 폐열을 복구하기 위한 제2 단 폐열 보일러로 전송되고, 원료 합성가스의 냉각이 계속되어 원료 합성가스의 온도는 85 내지 200℃로 감소되고, 제2 단 폐열 보일러의 원료 합성가스의 유동 속도는 7 내지 20m/s로 제어되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 가스화 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    원료 합성가스는 폐열을 복구하기 위해 제1 단 폐열 보일러로 들어가고, 원료 합성가스의 온도는 350 내지 450℃로 감소되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 가스화 방법.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    열 복구 후 20g/Nm3 미만의 분진 함량을 가진 원료 합성가스는 원료 합성가스의 온도를 추가적으로 감소시키고 분진을 제거하기 위해 파이프를 통해 스크러빙-냉각 타워 또는 벤츄리 스크러버로 전송되고; 세정 후 원료 합성가스의 온도는 15 내지 55℃로 감소되고 세정수는 사용을 위해 순환되며;
    순환하는 세정수에 의해 운반되는 오염물질을 제거하기 위해 물 순환 파이프에는 필터가 배치되고, 오염물질은 순환수의 수질에 따라 방출되고 깨끗한 순환수가 보충되며;
    순환수는 기계적인 드래프트 중공 냉각 타워에 의해 냉각되며;
    처리 후 필터 잔유물은 베드 레이어로서 가스화기로 복귀되고 용융 슬래그와 함께 애쉬 저장소로 전송됨으로써 종합적 활용이 구현되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 가스화 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    스크러빙-냉각 타워 또는 벤츄리 스크러버로부터 나오는 원료 합성가스를 습식 전자 집진기로 투입시키고, 원료 합성가스에 있는 분진과 다른 불순물을 고속 전기장의 작용에 의해 제거하고;
    습식 전기 집진기로부터 나오는 맑은 합성가스를 석탄 가스 부스터 팬에 의해 가스 저장 탱크로 전송하거나 공급 가스로서 다음 공정의 장치들로 직접 공급하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 가스화 방법.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    가스화기에서 생성된 고온 용융 슬래그는 작은 알갱이로 만들어져서 종합적 사용을 위한 건축 재료로서 사용되고;
    냉각 및 세정 유니트로부터 나오는 애쉬는 처리되어 재활용을 위해 가스화기의 베드 레이어로서 사용되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 가스화 방법.
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