KR101632147B1

KR101632147B1 - 바이오매스 발전설비

Info

Publication number: KR101632147B1
Application number: KR1020150045977A
Authority: KR
Inventors: 이명교; 김진우
Original assignee: (주)정석이엔씨; 롯데건설 주식회사; 이명교
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2016-06-22

Abstract

본 발명은 바이오매스를 열분해하여 발생한 합성가스를 연소하여 전기를 생산하는 바이오매스 발전설비에 관한 것이다. 본 발명에 의한 바이오매스 발전설비는, 가스화 장치와, 합성가스 열교환기와, 혼합기와, 발전 엔진을 포함한다. 가스화 장치는, 바이오매스의 투입을 위한 투입부와, 바이오매스를 건조하는 건조실과, 열분해하는 열분해실과, 바이오매스를 연소시키는 일차 연소실과, 연소 공정에서 발생하는 CO₂와 H₂O(Vapor)를 바이오매스 숯의 베드(Bed)층을 통과시켜 합성가스(2CO, H₂)를 만드는 환원실과, 바이오매스 숯에 공기를 공급하면서 CO₂, H₂O를 발생시켜 환원실에 공급하는 이차 연소실과, 이차 연소실의 하측에서 바이오매스 숯을 떠받치는 고정 베드와, 일차 연소실에 공기를 공급하는 공기 공급기와, 환원실에서 생성되는 합성가스를 수취하는 가스 수취관과, 이차 연소실에 공기를 공급하는 공기 유입관을 갖는다. 합성가스 열교환기는가스 수취관으로 수취되는 합성가스를 냉각시킨다. 혼합기는 합성가스 열교환기를 통과한 합성가스에 공기를 혼합한다. 발전 엔진은 혼합기에서 공기가 혼합된 합성가스를 공급받아 연소시켜 전력을 생산한다.

Description

바이오매스 발전설비{Power plant for generating electric power by biomass}

본 발명은 바이오매스 발전설비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오매스를 열분해하여 발생한 합성가스를 연소하여 전기를 생산하는 바이오매스 발전설비에 관한 것이다.

근래 들어, 대부분의 에너지원으로 이용되는 화석 연료의 고갈 위험 및 이에 따른 급격한 가격 변동, 온실가스를 포함한 유해한 물질들의 배출로 인한 환경 파괴 등의 문제가 전세계적으로 대두되면서 신재생 에너지에 대한 관심이 증가하고 있다.

신재생 에너지 중에서 바이오매스 연료는 화석연료의 고갈과 환경오염에 대한 우려를 해소할 수 있는 대체에너지의 한 분야로 주목받고 있다. 바이오매스란 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의하여 생성되는 식물체, 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물유기체를 지칭하는 용어이다. 바이오매스 자원은 곡물 등의 전분질계 자원과 임목 및 볏짚, 왕겨와 같은 농부산물을 포함하는 셀룰로스계의 자원, 사탕수수, 사탕무와 같은 당질계의 자원 및 음식폐기물 등의 유기성 폐기물을 포함한다.

지구상에 내리쬐는 태양에너지의 약 0.1%가 바이오매스로 축적되고 있고, 바이오매스는 근본적으로 이산화탄소에 의한 환경 영향이 없는 장점이 있다. 이러한 바이오매스로부터 생산되는 청정연료인 합성가스로부터 열, 전력, 액체 연료, 기초화학 연료 물질들을 생산할 수 있는 후속 공정들이 개발되면서 바이오매스는 석유를 대체할 수 있는 핵심 자원으로서 검토되고 있다.

바이오매스를 기존 에너지 생산시스템에 활용하기 위해서는 먼저 이를 기체 상태의 합성가스로 전환해 줘야 하는데, 대표적인 기술이 바로 바이오매스 가스화 기술이다. 가스화 기술로 전환된 합성가스는 일산화탄소, 수소, 메탄 등으로 구성돼 있어 이를 곧바로 수송용, 발전용, 난방용 에너지로 활용할 수 있다. 또한 촉매합성 또는 생물적인 전환을 통해 합성 천연가스나 FT 디젤, 바이오 수소와 같은 고부가가치 연료도 생산할 수 있다. 바이오매스를 기체 상태의 합성가스로 전환하기 위한 바이오매스 가스화 장치로 상향류식 가스화 장치와 하향류식 가스화 장치가 있다.

상향류식 가스화 장치는 부분연소, 환원, 열분해를 위한 구간 및 건조 구간을 가지며, 산소는 가스화 장치 하부로부터 공급되어 바이오매스와 반응하고 발생 가스는 상부로 이동한다. 상항류식 가스화 장치는 고온의 가스가 바이오매스 연료층을 통과하므로 낮은 온도를 유지하여 높은 효율을 갖지만, 발생 가스에 타르가 많이 포함되고, 대용량 처리가 어려우며, 연속 운전에 부적합한 단점이 있다.

하향류식 가스화 장치는 공기가 적치된 바이오매스 원료의 하측으로 공급되어 가스화 장치 하부로 이동하는 특징을 갖는다. 하향류식 가스화 장치는 상향류식 가스화 장치가 갖는 문제점 중 하나로 발전 엔진에 영향을 미칠 수 있는 발생 가스내 타르를 저감할 수 있는 장점이 있다. 그러나 낮은 효율과 수분이 많은 바이오매스 연료 및 바이오매스가 타고 남은 재의 처리가 어렵고, 점화에 필요한 시간이 길다는 단점이 있다.

현재 종래 바이오매스 가스화 장치의 단점을 보완하려는 다양한 연구 개발이 이루어지고 있고, 이와 함께 바이오매스 가스화 장치를 이용하는 발전설비의 성능을 높이려는 시도가 지속되고 있다.

등록특허공보 제0519386호 (2005. 10. 06.) 등록특허공보 제0742159호 (2007. 07. 25.) 등록특허공보 제1401472호 (2014. 05. 30.)

본 발명은 상술한 것과 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 바이오매스로부터 타르 및 더스트 함유량이 적은 합성가스를 만들고 이를 효과적으로 처리하여 연소시킴으로써 발전 효율을 높일 수 있는 바이오매스 발전설비를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 바이오매스 발전설비는, 가스화 장치와, 합성가스 열교환기와, 혼합기와, 발전 엔진을 포함한다. 상기 가스화 장치는, 바이오매스의 투입을 위한 투입부와, 상기 투입부를 통해 투입되는 바이오매스를 건조하는 건조실과, 상기 건조실로부터 하강하는 바이오매스를 가열하여 열분해하는 열분해실과, 상기 열분해실로부터 하강하는 바이오매스를 공기를 공급하면서 연소시키는 일차 연소실과, 상기 일차 연소실에서 연소되어 하강하는 바이오매스가 숯으로 적층되고 연소 공정에서 발생하는 CO₂와 H₂O(Vapor)를 바이오매스 숯의 베드(Bed)층을 통과시켜 합성가스(2CO, H₂)를 만드는 환원실과, 상기 환원실에서 하강하는 바이오매스 숯에 공기를 공급하면서 CO₂, H₂O를 발생시켜 상기 환원실에 공급하는 이차 연소실과, 상기 이차 연소실의 하측에서 바이오매스 숯을 떠받치고 바이오매스가 연소되고 남은 재를 하측으로 통과시키는 복수의 통공을 갖는 고정 베드와, 상기 일차 연소실에 공기를 공급하는 공기 공급기와, 상기 환원실과 가스 유동이 가능하게 연결되어 상기 환원실에서 생성되는 합성가스를 수취하는 가스 수취관과, 상기 이차 연소실에 공기를 공급하는 공기 유입관을 갖는다. 상기 합성가스 열교환기는 상기 가스 수취관으로 수취되는 합성가스를 냉각시킨다. 상기 혼합기는 상기 합성가스 열교환기를 통과한 합성가스에 공기를 혼합한다. 상기 발전 엔진은 상기 혼합기에서 공기가 혼합된 합성가스를 공급받아 연소시켜 전력을 생산한다.

상기 목적을 달성하기 위한 바이오매스 발전설비는, 상기 합성가스 열교환기를 통과한 합성가스를 코로나 방전 공간을 따라 유동시키면서 합성가스에 함유된 타르를 이온화시켜 집진하는 전기 집진기를 더 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 바이오매스 발전설비는, 상기 합성가스 열교환기와 상기 전기 집진기 사이에 설치되어 상기 합성가스 열교환기에서 냉각된 합성가스를 이차로 냉각시키는 또 다른 합성가스 열교환기를 더 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 바이오매스 발전설비는, 상기 전기 집진기를 통과한 합성가스를 건조하기 위해 상기 혼합기보다 상류에 설치되는 가스 드라이어를 더 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 바이오매스 발전설비는, 상기 발전 엔진에서 발생하는 고온의 연소가스를 이용하여 난방용 열매체를 가열하는 난방기를 더 포함할 수 있다.

상기 합성가스 열교환기는 수냉식 구조를 취하여 이에 공급되는 냉각수를 합성가스와 열교환시켜 합성가스를 냉각시키고 가열된 냉각수는 상기 난방기에 공급할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 바이오매스 발전설비는, 바이오매스를 건조하여 상기 가스화 장치의 투입부로 투입하는 건조기를 더 포함하고, 상기 발전 엔진은 바이오매스를 연소할 때 발생하는 연소가스를 상기 건조기의 열원으로 공급할 수 있다.

상기 합성가스 열교환기는 공냉식 구조를 취하여 이에 공급되는 공기를 합성가스와 열교환시켜 합성가스를 냉각시키고 가열된 공기는 상기 공기 공급기에 공급하며, 상기 공기 공급기는 상기 합성가스 열교환기에서 공급받은 가열 공기를 상기 일차 연소실에 공급할 수 있다.

상기 가스화 장치는, 상기 이차 연소실에서 회전하여 상기 이차 연소실에서 바이오매스 숯과 재를 휘젓는 교반 블레이드와, 상기 교반 블레이드를 회전시키는 모터와, 상기 공기 유입관이 공급하는 공기를 상기 이차 연소실에 분사하기 위해 상기 공기 유입관과 연결되도록 상기 교반 블레이드에 형성되는 복수의 공기 분사구멍을 갖는 연소 교반기를 더 포함할 수 있다.

상기 공기 유입관은 상기 교반 블레이드에 상온의 외부 공기를 공급할 수 있다.

상기 가스화 장치는, 상기 고정 베드의 복수의 통공을 통해 떨어지는 재를 수거하기 위해 상기 고정 베드 하측에 마련되는 재 수거실과, 상기 재 수거실에 공기를 공급하기 위해 상기 재 수거실과 연결되도록 설치되는 공기 주입관을 더 포함하고, 상기 공기 주입관을 통해 상기 재 수거실로 공급되는 공기가 상기 고정 베드의 복수의 통공을 통해 상기 이차 연소실에 공급될 수 있다.

상기 가스화 장치는, 상기 환원실의 둘레를 감싸는 내벽과, 상기 내벽 둘레를 감싸는 외벽과, 상기 환원실에서 만들어지는 합성가스를 상기 환원실에서 배출하기 위해 상기 내벽에 형성되는 복수의 가스 배출구멍과, 상기 복수의 가스 배출구멍에서 배출되는 합성가스를 포집하기 위해 상기 내벽과 상기 외벽 사이에 마련되는 가스 포집실을 더 포함하고, 상기 가스 수취관은 상기 가스 포집실과 연결되도록 상기 외벽에 설치될 수 있다.

본 발명에 의한 바이오매스 발전설비는 합성가스가 생성되는 환원실을 사이에 두고 2개의 연소 구역이 마련된 가스화 장치를 이용하여 타르 및 더스트가 적은 합성가스를 생산하고, 이를 효과적으로 처리하여 연소시킴으로써 발전 효율을 높이고 운전 비용을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 바이오매스 발전설비를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 바이오매스 발전설비의 가스화 장치를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 A-A 선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 도 2의 B-B 선을 따라 취한 단면도이다.
도 5는 도 2의 C-C 선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 도 2의 D-D 선을 따라 취한 단면도이다.
도 7은 도 2에 나타낸 가스화 장치의 연소 교반기에 구비되는 교반 블레이드를 나타낸 것이다.
도 8은 도 1에 나타낸 바이오매스 발전설비의 합성가스 열교환기를 나타낸 것이다.
도 9는 도 1에 나타낸 바이오매스 발전설비의 전기집진기를 나타낸 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 바이오매스 발전설비에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 바이오매스 발전설비를 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 바이오매스 발전설비의 가스화 장치를 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 2에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 바이오매스 발전설비(100)는 바이오매스를 저장하는 바이오매스 저장조(110)와, 바이오매스 저장조(110)에 저장된 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급기(140)와, 바이오매스 공급기(140)에서 공급되는 바이오매스를 건조하는 건조기(150)와, 건조기(150)에서 건조된 바이오매스로부터 합성가스를 만드는 가스화 장치(200)와, 가스화 장치(200)에서 만들어진 합성가스의 온도를 낮추기 위한 복수의 합성가스 열교환기(350)(400)(600)와, 가스화 장치(200)에서 만들어진 합성가스에서 타르를 제거하기 위한 전기 집진기(500)와, 합성가스를 연소시켜 전기를 생산하는 발전 엔진(800)을 포함한다. 이러한 바이오매스 발전설비(100)는 바이오매스로부터 합성가스를 만들고, 합성가스를 연소하여 전력과 난방에 필요한 에너지를 생산한다.

바이오매스 저장조(110)는 바이오매스를 저장한다. 바이오매스 저장조(110)에 저장된 바이오매스는 뉴메틱 이송관(120)을 통해 사이클론(130)으로 유입되었다가 바이오매스 공급기(140)로 떨어진다. 바이오매스 공급기(140)는 바이오매스 저장조(110)에서 이송되는 바이오매스를 건조기(150)에 투입한다. 바이오매스 저장조(110)에서 바이오매스 공급기(140)로 바이오매스를 이송하는 방법은 도시된 것 이외에 다양한 다른 방법이 이용될 수 있다.

건조기(150)는 바이오매스를 건조하여 가스화 장치(200)에 공급한다. 가스화 장치(200)는 적정 수준의 함수율(예컨대 10 ~ 20%)을 갖는 바이오매스가 투입될 때 효과적으로 운전될 수 있다. 따라서 바이오매스 저장조(110)에서 공급되는 바이오매스를 건조기(150)로 건조하여 함수율을 낮춘 후 가스화 장치(200)에 공급함으로써, 가스화 장치(200)의 가스화 공정 중 초기 단계인 건조 공정의 시간을 단축할 수 있고, 가스화 장치(200)의 가스화 효율을 높일 수 있으며, 가스화 장치(200)를 작게 만들 수 있어 투자비를 절감할 수 있다. 또한 가스화 장치(200)에 함수율이 일정 수준으로 낮아진 바이오매스를 공급하면 가스화 장치(200)의 운전 부하 제어가 쉬워져 운전 성능을 높일 수 있다.

건조기(150)는 발전 엔진(800)의 연소 가스를 건조 열원으로 이용한다. 발전 엔진(800)에서 발생하는 고온의 연소 가스(예컨대, 500℃)를 연소가스 열교환기(900)에 공급하여 외부 공기와 열교환시켜 고온의 건조 열풍(예컨대, 300℃)을 만들고, 건조 열풍을 건조기(150)에 유입시킴으로써 바이오매스를 건조할 수 있다. 건조 열풍은 건조기(150)에서 바이오매스와 열교환하여 냉각(예컨대, 120℃)되고 사이클론(160)으로 유입되어 이물질이 제거된 후 대기 중으로 배출된다.

이렇게 발전 엔진(800)의 연소 가스를 건조기(150)의 건조 열원으로 이용하면 건조기(150) 운전에 필요한 에너지를 절감할 수 있다. 또한 버려지는 에너지를 재활용하게 되어 바이오매스 발전설비(100)의 전체적인 운전 효율을 높일 수 있고, 운전 비용을 줄일 수 있다.

건조기는 도시된 구조 이외에 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다. 또한 발전 엔진(800)의 연소가스는 상술한 것과 같이, 외부 공기를 가열함으로써 건조기(150)의 간접적인 건조 열원으로 사용될 수도 있고, 건조기(150)로 바로 공급되어 바이오매스를 건조시키는 직접적인 건조 열원으로 사용될 수도 있다.

가스화 장치(200)는 공기량 조정을 통해 바이오매스를 일부만 연소시키는 산화 과정과 연소되지 않고 남는 숯으로부터 합성가스를 만드는 환원 과정을 통해 바이오매스를 가스화시키는 장치이다.

도 2에 나타낸 것과 같이, 가스화 장치(200)는 내부 공간이 형성된 하우징(210)을 갖는다. 하우징(210)은 외벽(211)과 내벽(212)의 이중 벽 구조로 이루어진다. 하우징(210)의 상측에는 투입부(214)가 구비되고 하우징(210)의 하측에는 재 배출부(216)가 구비된다. 건조기(150)에서 건조된 바이오매스는 투입부(214)를 통해 하우징(210)의 내부 공간으로 투입되어 하측으로 이동하면서 가스화 과정을 거친다. 바이오매스가 가스화되면서 남은 재는 재 배출부(216)를 통과하여 재 배출기(218)에 의해 하우징(210) 외부로 배출된다.

하우징(210)의 내부 공간은 상측부터 건조실(220), 열분해실(228), 일차 연소실(230), 환원실(240), 이차 연소실(250) 및 재 수거실(272)로 구분된다. 투입부(214)로 투입되는 바이오매스는 건조실(220), 열분해실(228), 일차 연소실(230), 환원실(240), 이차 연소실(250)을 차례로 거치면서 재로 변하여 재 수거실(272)에 수거된다.

건조실(220)은 바이오매스의 건조를 위한 것이다. 건조실(220)에서의 건조 공정(Drying)은 바이오매스 가스화 공정의 전처리 공정이다. 건조실(220)에서 바이오매스에 함유된 수분이 증발되고 일부 휘발성 물질도 증발된다. 건조실(220)의 상측에는 확산부재(221)가 설치되어 투입부(214)를 통해 투입되는 바이오매스를 건조실(220) 중앙에 쌓이지 않게 확산시킨다.

도 2 및 도 3에 나타낸 것과 같이, 건조실(220)에는 건조 교반기(222)가 설치된다. 건조 교반기(222)는 교반 블레이드(223)와, 모터(224)와, 동력전달기구(225)를 포함한다. 모터(224)는 하우징(210)의 외측에 설치된다. 모터(224)의 구동력이 동력전달기구(225)를 통해 교반 블레이드(223)에 전달되어 교반 블레이드(223)가 회전하면서 건조실(220)의 바이오매스를 교반하게 된다.

상대적으로 좁은 투입부(214)를 통해 투입되는 바이오매스는 일정한 안식각으로 쌓이게 된다. 하우징(210) 내부에 쌓이는 바이오매스가 안식각을 갖고 수평을 유지하지 못하면 일정한 높이의 산화 및 환원 구간을 가지지 못하고 가스화층이 형성되지 못하게 된다. 이 경우 건조 및 열분해 과정에서 발생되는 합성가스가 환원 구간에서 정해진 유로로 유입되지 못하고 상부의 투입부(214)를 통해 배출되어 에너지의 손실이 발생하게 된다. 건조 교반기(222)는 건조실(220)로 투입되어 쌓이는 바이오매스를 안식각이 생기지 않게 고르게 펼쳐줌으로써 합성가스의 누출 문제를 해결해 준다.

건조실(220)에는 바이오매스를 가열하기 위한 별도의 가열장치가 구비되지 않는다. 건조기(150)에서 건조실(220)로 투입된 바이오매스는 건조기(150)에서 받은 열기를 띄고 있으므로 그 열기로 건조실(220)에서 건조가 이루어질 수 있다. 또한 건조실(220)의 하측의 열분해실(228)로부터 상승하는 열기로 건조실(220)에서 바이오매스를 건조시킬 수 있다.

건조실(220)을 거친 바이오매스는 그 하측의 열분해실(228)로 이동한다. 열분해실(228)에서의 열분해 공정(Pyrolysis)은 바이오매스에서 가스상의 물질을 얻기 위한 공정으로, 고온(예컨대, 240℃)의 열을 바이오매스에 가하면 바이오매스가 열분해되어 가스와 타르로 분리되고 잔재물로 숯이 남게 된다. 열분해 공정은 산소가 필요 없는 공정이며, 가스상의 물질은 주로 C, H, O 계열의 휘발성(Volatile) 물질이다. 열분해실(228)에는 바이오매스를 가열하기 위한 별도의 가열장치가 구비되지 않고, 열분해실(228)에서 바이오매스의 열분해를 위해 필요한 열은 열분해실(228)의 하측의 일차 연소실(230)로부터 상승하는 열기로부터 제공받을 수 있다.

열분해실(228)을 통과한 바이오매스는 그 하측의 일차 연소실(230)로 이동한다. 일차 연소실(230)에서의 연소 공정(Combustion)은 환원(Reduction)을 위한 열을 발생시키는 공정이다. 주로 열분해 공정에서 발생한 타르 가스와 차(char)를 주연료로 하여 연소가 이루어진다. 연소 공정에서 발생하는 CO₂와 H₂O는 다음 공정인 환원 공정에서 아래에 나타낸 반응식과 같이 반응하여 그 발생량이 감소하게 된다.

CO₂ + O₂ --> 2CO

H₂O + C --> H₂ + CO

일차 연소실(230)에서 바이오매스를 일부만 연소시키기 위해 일차 연소실(230)에는 불완전연소 구간이 형성되어야 한다. 일차 연소실(230)에서 불완전연소 구간을 적절하게 형성시키기 위해 일차 연소실(230)에는 2개의 급기 구간이 마련된다. 일차 연소실(230)에는 공기 공급기(232)를 통해 공기가 공급된다. 공기 공급기(232)는 공기 공급관(233)과, 복수의 공기 분사관(236)과, 공기 펌프(238)를 포함한다.

도 2 및 도 4에 나타낸 것과 같이, 공기 공급관(233)은 일차 연소실(230)의 상측으로 공기를 공급하기 위해 열분해실(228)에 설치된다. 공기 공급관(233)에는 하측의 일차 연소실(230)을 향하는 복수의 노즐(234)이 일정한 간격으로 이격되도록 구비된다. 복수의 노즐(234)을 통해 일차 연소실(230)을 향해 하측으로 분사되는 공기는 환원실(240)에서 만들어지는 합성가스공기가 상승하는 것을 막아 줄 수 있다. 공기 공급관(233)에는 공기의 공급을 조절하기 위한 밸브(235)가 설치된다.

그리고 도 2 및 도 5에 나타낸 것과 같이, 복수의 공기 분사관(236)은 하우징(210)의 벽에 외주연을 따라 방사상으로 설치된다. 복수의 공기 분사관(236)은 일차 연소실(230)의 중앙을 향해 하향 경사지게 배치되어 일차 연소실(230)의 중앙 하측으로 공기를 분사한다. 복수의 공기 분사관(236)을 통해 분사되는 공기는 환원실(240)에서 만들어지는 합성가스가 상승하는 것을 막아 줄 수 있다. 공기 분사관들(236)에는 각각 공기의 공급을 조절하기 위한 밸브(237)가 설치된다.

공기 공급기(232)를 통해 일차 연소실(230)로 공급되는 공기는 가스화 장치(200)에서 만들어지는 고온의 합성가스와 열교환하여 고온(예컨대, 250℃)으로 가열된 공기이다. 가스화 장치(200)에서 만들어져 배출되는 합성가스는 온도가 높아(예컨대, 350 ~ 500℃) 가스 중에 함유된 타르를 제거하기 위해서 합성가스 열교환기(350)에 의해 냉각(예컨대, 150℃)된다. 합성가스 열교환기(350)는 고온의 합성가스를 공냉식으로 냉각시키는데, 합성가스를 냉각시키기 위해 합성가스 열교환기(350)에 공급되어 합성가스와 열교환하여 가열된 공기가 공기 펌프(238)에 의해 공기 공급관(233) 및 공기 분사관(236)으로 공급된다.

이렇게 합성가스 열교환기(350)에서 사용되고 배출되는 가열 공기를 일차 연소실(230)에서 바이오매스를 연소시키기 위한 공기로 사용하면 일차 연소실(230)에서의 연소 효율을 높일 수 있다. 즉, 상온의 공기를 일차 연소실(230)에 공급하면 일차 연소실(230)의 바이오매스가 공급 공기에 의해 냉각되어 바이오매스의 연소 효율이 떨어질 수 있는데, 가열 공기를 이용하면 그러한 문제를 줄일 수 있다. 또한 합성가스 열교환기(350)에서 합성가스를 냉각시키고 버려지는 가열 공기를 재활용하게 되어 가스화 장치(200) 운전에 필요한 에너지를 절감할 수 있고, 바이오매스 발전설비(100)의 전체적인 운전 효율을 높일 수 있으며, 운전 비용을 줄일 수 있다.

도면에 나타내지는 않았으나, 일차 연소실(230)에는 바이오매스를 점화시키기 위한 점화장치가 설치될 수 있다. 점화장치가 바이오매스가 투입되기 시작하는 초기에 한번 작동하여 바이오매스를 점화시키면, 이후에는 점화장치가 작동하지 않아도 일차 연소실(230)에서 연소되는 바이오매스의 불꽃에 의해 일차 연소실(230)로 유입되는 바이오매스가 지속적으로 연소할 수 있다.

일차 연소실(230)에서 일차 연소된 바이오매스는 일차 연소실(230) 하측의 환원실(240)로 이동한다. 환원실에서의 환원 공정(Reduction)은 바이오매스의 가스화가 완성되는 공정이다. 연소 공정에서 발생하는 CO₂와 H₂O(Vapor)가 바이오매스 숯의 베드(Bed)층을 통과하면서 가스 중의 산소가 고온의 C와 반응하여 환원됨으로써 2CO와 H₂ + CO로 반응하게 된다. 이때 연소 가스는 다시 합성가스(2CO, H₂)로 전환된다.

일차 연소실(230)을 통과한 바이오매스는 질량이 약 50%이상 감소하므로, 효율적인 환원 구간을 유지하기 위해서 환원실(240)은 일차 연소실(230)에 비해 약 50% 감소된 단면적을 갖는다. 이를 통해 환원실(240)에서 적정한 환원 구간 높이를 확보할 수 있다. 일차 연소실(230)의 바이오매스가 환원실(240)로 원활하게 유입될 수 있도록 일차 연소실(230)을 구획 형성하는 하우징(210)의 내벽(212) 하측에는 축소부(242)가 구비된다. 축소부(242)는 환원실(240) 쪽으로 점진적으로 단면적이 감소하는 형상을 갖는다.

환원실(240)을 둘러싸는 하우징(210)의 내벽(212)에는 환원실(240)에서 생성되는 합성가스를 환원실(240)에서 배출하기 위한 복수의 가스 배출구멍(244)이 마련된다. 그리고 환원실(240) 둘레의 내벽(212)과 외벽(211) 사이에는 내벽(212)의 복수의 가스 배출구멍(244)과 연결되는 가스 포집실(246)이 형성된다. 복수의 가스 배출구멍(244)을 통해 환원실(240)에서 배출되는 합성가스는 가스 포집실(246)에 모여서 하우징(210)의 외벽(211)에 연결되는 가스 수취관(248)을 통해 하우징(210) 외부로 배출된다.

이와 같이, 환원실(240) 둘레의 외벽(211)과 내벽(212) 사이에 가스 포집실(246)을 마련하여 가스 수취관(248)을 가스 포집실(246)에 연결되도록 설치하면 환원실(240)에서 생성되는 합성가스를 더욱 효과적으로 수거할 수 있다. 즉, 가스 수취관을 통해 환원실(240)로부터 직접 합성가스를 수거하려면 가스관의 설치가 어려울뿐만 아니라, 환원실(240) 전체에 대해 합성가스를 균일하고 신속하게 배출하기 어렵다. 따라서 환원실(240)을 둘러싸는 내벽(212) 둘레를 따라 복수의 가스 배출구멍(244)을 고르게 형성하여 이들 가스 배출구멍(244)을 통해 합성가스를 가스 포집실(246)에 포집한 후 가스 포집실(246)로부터 합성가스를 수취하면, 환원실(240) 전체로부터 합성가스를 균일하고 신속하게 배출할 수 있고 합성가스 수거 효율을 높일 수 있다. 상기 가스 수취관(248)에는 흡입펌프 등이 연결될 수 있으며, 이와 같이 흡입 펌프 등이 연결되면 합성가스의 신속한 수거와 더불어 일차 연소실(230)과 이차 연소실(250)로 공급되는 공기의 흐름을 자연스럽게 유도할 수 있다.

환원실(240)을 통과하는 바이오매스의 숯은 이차 연소실(250)로 이동한다. 이차 연소실(250)로 유입된 숯에 공기를 공급해주면서 CO₂, H₂O를 발생시키고, 이를 다시 환원 구간의 숯의 베드 층을 통과시키면 가스 중의 산소가 고온의 C와 반응하여 환원되어 2CO와 H₂ + CO로 반응하게 된다. 이와 같이, 환원실(240)의 상측과 하측에 각각 일차 연소실(230)과 이차 연소실(250)을 마련하면 환원실(240)에서 환원 반응을 촉진할 수 있어 합성가스 발생율을 높일 수 있다.

도면에 나타내지는 않았으나 이차 연소실(250)에는 점화장치가 설치될 수 있다.

도 2 및 도 6을 참조하면, 이차 연소실(250)의 하측에는 고정 베드(252)가 설치된다. 고정 베드(252)는 상측의 이차 연소실(250)과 하측의 재 수거실(272)을 구획한다. 고정 베드(252)에는 복수의 통공(253)이 구비된다. 복수의 통공(253)을 통해 이차 연소실(250)의 재가 재 수거실(272)로 유입되고, 재 수거실(272)의 공기가 이차 연소실(250)로 공급된다.

고정 베드(252)의 상측에는 연소 교반기(255)가 설치된다. 연소 교반기(255)는 교반 블레이드(256)와, 모터(268)와, 동력전달기구(269)를 포함한다. 모터(268)는 하우징(210)의 외측에 설치된다. 모터(268)의 구동력이 동력전달기구(269)를 통해 교반 블레이드(256)에 전달되어 교반 블레이드(256)가 회전하면서 이차 연소실(250)의 숯 또는 재를 교반하게 된다. 교반 블레이드(256)는 이차 연소실(250)에서 숯 또는 재를 교반하면서 공기를 공급하는 역할을 한다. 교반 블레이드(256)가 고정 베드(252) 위에서 회전함으로써 이차 연소실(250)의 재가 고정 베드(252)의 통공들(253)을 통해 원활하게 재 수거실(272)로 떨어질 수 있다.

도 7에 나타낸 것과 같이, 교반 블레이드(256)는 공기를 분사할 수 있는 구조를 갖는다. 도 7에서 (a)는 교반 블레이드(256)의 평면도, (b)는 정면도, (c)는 측단면도이다. 교반 블레이드(256)는 동력전달기구(269)에 결합되어 회전하는 회전부재(257)와, 회전부재(257)를 사이에 두고 서로 반대 방향으로 연장되도록 회전부재(257)에 결합되는 한 쌍의 날개(258)와, 한 쌍의 날개(258)에 각각 결합되는 한 쌍의 스크레이퍼(259)를 포함한다. 회전부재(257)와 날개(258) 및 스크레이퍼(259)에는 각각 공기가 유동할 수 있는 통로(260)(261)(262)가 마련된다. 그리고 날개(258) 및 스크레이퍼(259)에는 공기를 분사하는 공기 분사구멍(263)(264)이 각각 형성된다. 교반 블레이드(256)가 이차 연소실(250)의 숯 속에서 회전할 때 날개(258) 및 스크레이퍼(259)의 공기 분사구멍(263)(264)을 통해 공기가 숯 속으로 분사된다. 이렇게 교반 블레이드(256)로 숯을 휘저으며 숯 속에 공기를 분사함으로써 숯을 더욱 효율적으로 연소시킬 수 있다.

스크레이퍼(259)는 고정 베드(252)와 평행한 바닥부(265)와 바닥부(265)와 예각을 이루도록 연결되는 경사부(266)를 갖는다. 바닥부(265)와 경사부(266)가 연결되는 스크레이퍼(259)의 팁부(267)는 교반 블레이드(256)의 회전 방향을 기준으로 스크레이퍼(259)의 최선단에 위치한다. 즉, 스크레이퍼(259)는 날개(258)에서 외측으로 가면서 점진적으로 높이가 낮아지는 형상을 갖는다. 이러한 형상은 재 속에서 이동 저항을 줄이기 위한 것이다. 스크레이퍼(259)는 교반 블레이드(256)의 회전 방향을 기준으로 날개(258)의 선단에 배치되므로 재 속에서 날개(258)의 이동 저항 역시 스크레이퍼(259)에 의해 감소하게 된다.

교반 블레이드(256)의 회전부재(257)에는 공기 유입관(270)이 연결된다. 공기 유입관(270)을 통해 교반 블레이드(256)에 공기가 공급된다. 공기 유입관(270)과 교반 블레이드(256)는 로터리 조인트 등의 연결 기구에 의해 연결될 수 있다. 공기 유입관(270)으로 공급되는 공기는 상온(예컨대, 20℃)의 실외 공기이다. 상온의 공기를 교반 블레이드(256)에 지속적으로 공급해주면 고온의 열쇼크에 의한 교반 블레이드(256)의 재질 변형을 방지할 수 있다.

이차 연소실(250)에서 바이오매스가 연소된 재는 고정 베드(252)의 통공들(253)을 통해 재 수거실(272)에 수거된다. 재 수거실(272)의 폭은 이차 연소실(250)의 폭보다 크다. 재 수거실(272) 상측의 내벽(212)에는 확장부(274)가 마련된다. 확장부(274)는 이차 연소실(250)에서 재 수거실(272) 쪽으로 폭이 점진적으로 커지는 형상으로 이루어져, 이차 연소실(250)에서 떨어지는 재가 재 수거실(272)로 원활하게 유입될 수 있다.

재 수거실(272)을 둘러싸는 내벽(212)의 확장부(274)에는 복수의 공기 유입구멍(275)이 마련된다. 복수의 공기 유입구멍(275)은 확장부(274)의 외주연을 따라 고르게 분포된다. 내벽(212)의 확장부(274)와 외벽(211) 사이에는 공기 유입실(276)이 마련되고, 이 공기 유입실(276)에 공기 주입관(278)이 연결된다. 공기 유입실(276)은 격벽(280)에 의해 그 상측의 가스 포집실(246)과 분리된다. 공기 주입관(278)을 통해 공기 유입실(276)로 유입된 공기는 복수의 공기 유입구멍(275)을 통해 재 수거실(272)로 공급된다. 그리고 재 수거실(272)로 공급된 공기는 고정 베드(252)의 복수의 통공(253)을 통해 이차 연소실(250)로 유입됨으로써 이차 연소실(250)에서 연소 효율을 높여준다. 공기 주입관(278)으로 공급되는 공기로는 합성가스 열교환기(350)에서 가열된 공기나, 상온의 외부 공기가 될 수 있다.

이와 같이, 재 수거실(272)을 둘러싸는 내벽(212)의 외측에 별도의 공기 유입실(276)을 마련하고, 공기 유입실(276)의 공기를 내벽(212)에 형성된 복수의 공기 유입구멍(275)을 통해 재 수거실(272)로 공급하면 재 수거실(272)에 더욱 원활하게 공기를 공급할 수 있다. 그리고 결과적으로 재 수거실(272)을 통해 이차 연소실(250)에 공기를 원활하게 공급할 수 있다. 따라서 이차 연소실(250)에서 연소 효율을 높일 수 있다.

재 수거실(272)의 하측에는 재를 모으는 호퍼부(282)가 구비된다. 호퍼부(282)는 하측으로 갈수록 그 폭이 점진적으로 축소되는 형상으로 이루어진다. 호퍼부(282)의 하단에는 재 배출부(216)가 구비되고, 재 배출부(216)에 재 배출기(218)가 설치된다. 재 수거실(272)로 떨어지는 재는 호퍼부(282)에서 재 배출부(216)로 모여 재 배출기(218)에 의해 하우징(210) 외부로 배출된다.

상술한 것과 같이, 가스화 장치(200)는 상측의 투입부(214)로 투입된 바이오매스가 건조실(220), 열분해실(228), 일차 연소실(230), 환원실(240) 및 이차 연소실(250)을 차례로 거치면서 가스화된다. 이러한 가스화 장치(200)는 내부에 합성가스가 생성되는 환원실(240)을 사이에 두고 2개의 연소 구역이 마련되고 바이오매스의 건조와 저온 탄화 및 가스의 분해는 환원실(240)의 상부에서 일어나는 것으로, 종래의 상향류식 장치와 하향류식 장치의 장점을 모두 갖는다. 즉, 종래의 가스화 장치에 비해 타르(tar) 및 더스트 발생이 적고 열분해 효율이 높아 가스화 효율이 우수하다.

가스화 장치(200)의 환원실(240)에서 생성되어 가스 포집실(246)에 포집된 합성가스는 가스 수취관(248)을 통해 사이클론(300)을 통과하여 이물질이 걸러진 후, 합성가스 열교환기(350)에 유입되어 타르 제거를 위해 냉각(예컨대, 150℃)된다. 합성가스 열교환기(350)는 공냉식 구조를 갖는 것으로, 송풍기(360)를 통해 상온의 공기가 합성가스 열교환기(350) 내부로 공급된다. 이렇게 공급되는 실외 공기는 합성가스 열교환기(350)를 통과하는 고온의 합성가스와 열교환하여 가열(예컨대, 250℃)된 후 가스화 장치(200)에 공급된다. 그리고 합성가스 열교환기(350)에서 냉각된 합성가스는 또 다른 합성가스 열교환기(400)로 유입되어 이차 냉각된다.

도 1 및 도 8을 참조하면, 두 번째 합성가스 열교환기(400)는 수냉식 간접 열교환 구조를 갖는다. 합성가스 열교환기(400)는 일차로 냉각된 합성가스를 더욱 냉각(예컨대, 95℃)시킨다. 합성가스 열교환기(400)를 통해 합성가스를 더욱 냉각시킴으로써 이후의 타르 제거 공정에서 타르 제거 효율을 더욱 높일 수 있다. 합성가스 열교환기(400)는 케이스(410)와, 복수의 가스 유동관(420)과, 냉각수 분사관(430)을 구비한다. 케이스(410)의 상측에는 가스 유입관(440)과 냉각수 배출관(470)이 구비되고, 케이스(410)의 하측에는 가스 배출관(450)과 냉각수 유입관(460)이 구비된다. 연소가스 열교환기(350)를 통과한 합성가스는 가스 유입관(440)을 통해 케이스(410) 내부로 유입되어 복수의 가스 유동관(420)을 통과하여 가스 배출관(450)으로 빠져나간다.

냉각수는 냉각수 유입관(460)을 통해 케이스(410) 내부로 유입되어 복수의 가스 유동관(420) 주위를 거쳐 냉각수 배출관(470)을 통해 배출된다. 냉각수 분사관(430)은 복수의 가스 유동관(420) 상측에서 케이스(410) 내부로 유입된 합성가스에 냉각수를 분사한다. 냉각수 유입관(460)을 통해 케이스(410) 내부로 유입된 냉각수와 냉각수 분사관(430)에서 분사되는 냉각수에 의해 복수의 가스 유동관(420)을 통과하는 합성가스가 냉각된다. 그리고 가스 유동관들(420)을 통과하면서 냉각된 합성가스는 가스 배출관(450)을 통해 배출된다. 합성가스가 가스 유동관들(420)을 따라 유동할 때 가스 유동관들(420) 속의 응축수는 케이스(410) 하측의 응축수 배출관(480)을 통해 배출된다.

합성가스 열교환기(400)의 케이스(410) 안에 공급된 냉각수는 합성가스와 열교환하여 가열된다. 가열된 냉각수는 냉각수 배출관(470)으로 배출된 후 난방기(850)에 공급됨으로써 난방 등에 활용될 수 있다. 이렇게 합성가스를 냉각시키는 냉각수를 재활용함으로써 바이오매스 발전설비(100)의 전체적인 운전 효율을 향상시킬 수 있고, 활용성을 높일 수 있다. 가열된 냉각수는 난방기(850)에서 열매체로 직접 이용될 수도 있고, 별도의 열매체를 가열하는 열원으로 사용될 수도 있다.

합성가스 열교환기(400)을 통과하면서 이차 냉각된 합성가스는 전기 집진기(500)로 유입된다. 도 1 및 도 9를 참조하면, 전기 집진기(500, ESP, Electrostatic Precipitator)는 습식으로 합성가스 중에 포함된 미세 입자 및 타르을 제거하는 장치이다. 잘 알려진 것과 같이, 전기 집진기는 직류 고전압에 의해 코로나를 발생시킴으로써 가스 중의 입자를 대전시켜 정전기력으로 가스와 미세 입자를 제거한다. 전극에서 코로나 방전을 발생시켜 그 공간에 분진을 함유한 가스를 흐르게 해서 이것을 이온화시킴으로써 음이온화된 분진을 양극에 모아서 포착하여 집진할 수 있다.

전기 집진기(500)는 케이스(510)와, 복수의 가스 유동관(520)과, 코로나 방전기(530)를 포함한다. 케이스(510)의 하측에는 가스 유입관(540)과 타르 배출관(560)이 구비되고, 케이스(510)의 상측에는 가스 배출관(550)이 구비된다. 복수의 가스 유동관(520)에는 각각 코로나 방전기(530)에 연결된 방전 와이어(531)가 내장된다. 방전 와이어(531)는 가스 유동관(520) 내부를 코로나 방전 공간으로 만든다. 가스 유입관(540)으로 유입되는 합성가스는 복수의 가스 유동관(520)을 통과하는데 이때 방전 와이어(531)에서 발생하는 코로나에 의한 이온화 반응에 의해 그 속에 함유된 타르나 미세 입자가 이온화되어 포집된다. 그리고 가스 유동관들(520) 속에서 포집되는 타르나 미세 입자는 하측으로 떨어져 케이스(510) 하측의 타르 배출관(560)을 통해 외부로 배출된다. 가스 유동관들(520)을 통과하면서 타르와 미세 입자가 제거된 합성가스는 가스 배출관(550)을 통해 배출된다.

도 1에 나타낸 것과 같이, 전기 집진기(500)를 통과한 합성가스는 세 번째 합성가스 열교환기(600)로 유입된다. 이러한 합성가스 열교환기(600)로는 전기 집진기(500) 상류의 두 번째 합성가스 열교환기(400)와 같은 수냉식 열교환기가 이용될 수 있다. 합성가스 열교환기(600)는 합성가스를 삼차로 냉각(예컨대, 50℃)시킨다. 합성가스 열교환기(600)를 통해 합성가스의 온도를 더욱 낮춤으로써 안전사고의 위험을 저감하는 등의 효과를 얻을 수 있다.

세 번째 합성가스 열교환기(600)를 통과한 합성가스는 송풍기(610)에 의해 가스 드라이어(650)로 압송된다. 가스 드라이어(650)는 냉각 공정이나 전기 집진 공정에서 합성가스 중에 생성된 수분을 제거한다.

가스 드라이어(650)를 통과한 합성가스는 혼합기(700)로 유입된다. 혼합기(700)는 발전 엔진(800)의 공연비를 맞추기 위해 합성가스에 외부 공기를 혼합한다.

가스 드라이어(650)와 혼합기(700) 사이에는 플레어 스택장치(750)가 설치된다. 플레어 스택장치(750)는 발전 엔진(800)에 이상이 발생하는 비상 상황에서 혼합기(700)로 유동하는 합성가스를 연소시켜서 안전 사고의 위험을 줄여준다.

혼합기(700)에서 외부 공기가 혼합된 합성가스는 발전 엔진(800)으로 공급된다. 발전 엔진(800)은 합성가스를 연소하여 전력을 생산한다. 발전 엔진(800)이 합성가스를 연소할 때 발생하는 고온(예컨대, 500℃)의 연소가스는 난방기(850)나 연소가스 열교환기(900)에 공급된다.

연소가스 열교환기(900)는 난방 등을 위한 열매체와 연소가스를 열교환시킴으로써 난방 열원을 공급한다. 연소가스 열교환기(900)에서 열매체를 가열한 연소가스는 여과장치(미도시)를 거쳐 외기로 배출된다.

연소가스 열교환기(900)는 송풍기(910)를 통해 공급되는 외부 공기를 연소가스와 열교환시켜 가열하여 건조기(150)에 공급한다. 연소가스 열교환기(900)에서 공기를 가열한 연소가스는 여과장치(미도시)를 거쳐 외기로 배출된다.

상술한 것과 같이, 본 실시예에 따른 바이오매스 발전설비는 합성가스가 생성되는 환원실(240)을 사이에 두고 2개의 연소 구역이 마련된 가스화 장치(200)를 이용하여 타르 및 더스트가 적은 합성가스를 생산할 수 있고, 이를 효과적으로 처리하여 발전 엔진(800)에서 연소시킴으로써 전력 생산 효율이 우수하다.

본 발명에 있어서, 가스화 장치(200)의 공기 공급 구조나, 합성가스 수취 구조, 재 배출 구조 등 가스화 장치(200)의 구체적인 구조는 도시된 것으로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.

그리고 생산된 합성가스를 냉각시키기 위한 합성가스 열교환기(350)(400)(600)의 설치 개수는 도시된 것과 같이 세 개로 한정되지 않는다. 사용되는 합성가스 열교환기는 공냉식 열교환기나 수냉식 열교환기 등 다양한 구조의 것이 이용될 수 있다.

한편, 도면에 표시된 미설명 부호 170과 180은 사이클론(130)(160)에 각각 연결된 송풍기이다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

100 : 바이오매스 발전설비 110 : 바이오매스 저장조
130, 160, 300 : 사이클론 140 : 바이오매스 공급기
150 : 건조기
170, 180, 360, 610, 910 : 송풍기 200 : 가스화 장치
210 : 하우징 211 : 외벽
212 : 내벽 214 : 투입부
216 : 재 배출부 220 : 건조실
221 : 확산부 222 : 건조 교반기
228 : 열분해실 230 : 일차 연소실
232 : 공기 공급기 233 : 공기 공급관
234 : 노즐 236 : 공기 분사관
240 : 환원실 242 : 축소부
244 : 가스 배출구멍 246 : 가스 포집실
248 : 가스 수취관 250 : 이차 연소실
252 : 고정 베드 255 : 연소 교반기
270 : 공기 유입관 272 : 재 수거실
274 : 확장부 276 : 공기 유입실
278 : 공기 주입관 282 : 호퍼부
350, 400, 600 : 합성가스 열교환기 500 : 전기 집진기
650 : 가스 드라이어 700 : 혼합기
750 : 플레어 스택장치 800 : 발전 엔진
850 : 난방기 900 : 연소가스 열교환기

Claims

바이오매스의 투입을 위한 투입부와, 상기 투입부를 통해 투입되는 바이오매스를 건조하는 건조실과, 상기 건조실로부터 하강하는 바이오매스를 가열하여 열분해하는 열분해실과, 상기 열분해실로부터 하강하는 바이오매스를 공기를 공급하면서 연소시키는 일차 연소실과, 상기 일차 연소실에서 연소되어 하강하는 바이오매스가 숯으로 적층되고 연소 공정에서 발생하는 CO₂와 H₂O(Vapor)를 바이오매스 숯의 베드(Bed)층을 통과시켜 합성가스(2CO, H₂)를 만드는 환원실과, 상기 환원실에서 하강하는 바이오매스 숯에 공기를 공급하면서 CO₂, H₂O를 발생시켜 상기 환원실에 공급하는 이차 연소실과, 상기 이차 연소실의 하측에서 바이오매스 숯을 떠받치고 바이오매스가 연소되고 남은 재를 하측으로 통과시키는 복수의 통공을 갖는 고정 베드와, 상기 일차 연소실에 공기를 공급하는 공기 공급기와, 상기 환원실과 가스 유동이 가능하게 연결되어 상기 환원실에서 생성되는 합성가스를 수취하는 가스 수취관과, 상기 이차 연소실에 공기를 공급하는 공기 유입관을 갖는 가스화 장치;
상기 가스 수취관으로 수취되는 합성가스를 냉각시키는 합성가스 열교환기;
상기 합성가스 열교환기를 통과한 합성가스에 공기를 혼합하는 혼합기; 및
상기 혼합기에서 공기가 혼합된 합성가스를 공급받아 연소시켜 전력을 생산하는 발전 엔진;을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 발전설비.
제 1 항에 있어서,
상기 합성가스 열교환기를 통과한 합성가스를 코로나 방전 공간을 따라 유동시키면서 합성가스에 함유된 타르를 이온화시켜 집진하는 전기 집진기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 발전설비.
제 2 항에 있어서,
상기 합성가스 열교환기와 상기 전기 집진기 사이에 설치되어 상기 합성가스 열교환기에서 냉각된 합성가스를 이차로 냉각시키는 또 다른 합성가스 열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 발전설비.
제 2 항에 있어서,
상기 전기 집진기를 통과한 합성가스를 건조하기 위해 상기 혼합기보다 상류에 설치되는 가스 드라이어;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 발전설비.
제 1 항에 있어서,
상기 발전 엔진에서 발생하는 고온의 연소가스를 이용하여 난방용 열매체를 가열하는 난방기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 발전설비.
제 5 항에 있어서,
상기 합성가스 열교환기는 수냉식 구조를 취하여 이에 공급되는 냉각수를 합성가스와 열교환시켜 합성가스를 냉각시키고 가열된 냉각수는 상기 난방기에 공급하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 발전설비.
제 1 항에 있어서,
바이오매스를 건조하여 상기 가스화 장치의 투입부로 투입하는 건조기;를 더 포함하고,
상기 발전 엔진은 바이오매스를 연소할 때 발생하는 연소가스를 상기 건조기의 열원으로 공급하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 발전설비.
제 1 항에 있어서,
상기 합성가스 열교환기는 공냉식 구조를 취하여 이에 공급되는 공기를 합성가스와 열교환시켜 합성가스를 냉각시키고 가열된 공기는 상기 공기 공급기에 공급하며, 상기 공기 공급기는 상기 합성가스 열교환기에서 공급받은 가열 공기를 상기 일차 연소실에 공급하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 발전설비.
제 1 항에 있어서,
상기 가스화 장치는, 상기 이차 연소실에서 회전하여 상기 이차 연소실에서 바이오매스 숯과 재를 휘젓는 교반 블레이드와, 상기 교반 블레이드를 회전시키는 모터와, 상기 공기 유입관이 공급하는 공기를 상기 이차 연소실에 분사하기 위해 상기 공기 유입관과 연결되도록 상기 교반 블레이드에 형성되는 복수의 공기 분사구멍을 갖는 연소 교반기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 발전설비.
제 9 항에 있어서,
상기 공기 유입관은 상기 교반 블레이드에 상온의 외부 공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 발전설비.
제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 가스화 장치는, 상기 고정 베드의 복수의 통공을 통해 떨어지는 재를 수거하기 위해 상기 고정 베드 하측에 마련되는 재 수거실과, 상기 재 수거실에 공기를 공급하기 위해 상기 재 수거실과 연결되도록 설치되는 공기 주입관을 더 포함하고,
상기 공기 주입관을 통해 상기 재 수거실로 공급되는 공기가 상기 고정 베드의 복수의 통공을 통해 상기 이차 연소실에 공급되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 발전설비.
제 1 항에 있어서,
상기 가스화 장치는, 상기 환원실의 둘레를 감싸는 내벽과, 상기 내벽 둘레를 감싸는 외벽과, 상기 환원실에서 만들어지는 합성가스를 상기 환원실에서 배출하기 위해 상기 내벽에 형성되는 복수의 가스 배출구멍과, 상기 복수의 가스 배출구멍에서 배출되는 합성가스를 포집하기 위해 상기 내벽과 상기 외벽 사이에 마련되는 가스 포집실을 더 포함하고,
상기 가스 수취관은 상기 가스 포집실과 연결되도록 상기 외벽에 설치되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 발전설비.