KR101711181B1 - 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템과 방법 - Google Patents

고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템과 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템에 관한 것으로서, 연소 시스템, 가스화 시스템, 합성가스 냉각 정화 시스템 및 합성가스 메탄화 시스템을 포함하고, 연소 시스템은 순환 피드백 시스템을 통하여 가스화 시스템과 연결된다. 연소 시스템은 순환 유동층 연소 방식을 채택하고, 가스화 시스템은 유동층 불완전 가스화 방법을 채택하고, 생성된 반성 코크스는 연소 시스템으로 반송하여 재이용하고, 합성가스 냉각 정화 시스템은 물 순환과 가연성 물질 재활용 방법을 채택하고, 합성가스 메탄화 시스템의 부산물인 CO2와 수증기는 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템에서 재활용이 가능하므로, 시스템 내 에너지 이용효율을 극대화시켰다.

Description

고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템과 방법 {SOLID FUEL STAGED GASIFICATION-COMBUSTION DUAL-BED POLYGENERATION SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 병산 기술 분야에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템과 방법에 관한 것이다.
석탄 자원으로 일부 오일, 가스 자원을 대체하는 것은 중국 경제 건설의 지속 가능한 발전을 위하여 반드시 거쳐야 할 길이다. 중국은 에너지 사용 측면에서 구조적인 특성이 있기 때문에, 경제 발전과 에너지 전략의 안전을 위한 장기적인 전략으로 오일 및 가스의 대체 에너지를 모색하고 있다. 현대 석탄 화학공업 기술 발전은 청정 석탄 이용을 전제로 석탄을 원료로 한 다원화 이용을 목표로 발전하고 있다.
석탄계 병산 기술은 종래의 기술 응용 상황에 따라 두 가지로 나눌 수 있다. 첫 번째 유형은 가스화 기술을 선도 기술로 삼고 제품은 합성가스를 중심으로 하여 일부 중저압 증기를 부산물로 생산할 수 있는데, 상기 시스템은 합성가스를 가스 터빈 발전, 증기 터빈 발전에 사용, 합성가스를 화학공업원료로 전환하여 화학제품을 합성하는데 사용할 수 있으며, 지역 난방 공급 등 기능의 병산 시스템에도 사용할 수 있다. 기술 분류 측면에서는 분류층 석탄 가스화 기술, 고정층 석탄 가스화 기술, 유동층 석탄 가스화 기술 핵심의 석탄계 병산 기술로 나눌 수 있는데, 예를 들어 중국 산둥옌쾅그룹에서 건설한 중국 첫 60MW급 IGCC 발전과 24만 톤 메탄올/연 시범 공정, 즉 화둥이공대학 등에서 개발한 분류층 석탄 가스화 기술 기반이다. 그 외 다른 기술은 연소 발전 기반의 석탄계 병산 기술로서, 복합 열분해로는 발전, 합성가스, 콜타르(coal tar) 등을 주요 제품으로 하는 병산 시스템을 구현하는데, 예를 들어 중국 특허 CN200910153522와 CN201210064139 등이 있으며, 대표적인 기술로는 저장대학 등에서 개발한 석탄계 발전-열분해 병산 기술이 있다. 상기 기술로 중국에 이미 300MW 등급 석탄 순환 유동층 복합 열분해 병산 장치를 건설했으며 시운전에 투입시켰다. 순환 유동층 보일러 기반의 통합 화학공업 반응 시스템으로 구현한 병산 기술은 상대적으로 투자비용이 적고 기술을 신뢰할 수 있으나, 열전기와 화학공업의 두 가지 다른 전문분야에서 각각의 기술 우위를 충분히 발휘시키고 이것을 최적으로 융합 및 통합시켜야만 병산 시스템의 고효율적, 안정적, 경제적 운행을 실현할 수 있다. 현재 이미 가동 중인 순환 유동층-열분해 병산 기술은 열분해 후 타르 분리가 어려워 도관, 밸브 시스템이 막히거나 부식되는 문제 등을 초래할 수 있고, 열분해 시스템이 보일러 시스템에서 제공하는 열에너지에 과도하게 의존하기 때문에 부하가 제한적이라서 시스템의 신뢰성과 안정성이 심각하게 영향을 받는다.
본 발명에서는 대형화 확장을 실행하기 쉽고 안정적 운행이 가능하며 신뢰할 수 있는 병산 시스템과 발전, 난방 및 석탄 화학공업 생산 기능을 겸비한 병산 기술을 제안하고자 한다.
본 발명은 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템에 관한 것으로서, 순환 유동층 연소 보일러, 순환 유동층 가스화 보일러, 합성가스 정화 유닛 및 메탄화 유닛을 포함하는 것을 특징하는데,
상기 순환 유동층 연소 보일러 바닥부에는 연소로 슬래그 포트 및 연소로 유동공기 입구가 설치되어 있고, 유동공기는 상기 연소로 유동공기 입구로 진입한 후 연소로 공기분배 유닛을 거쳐 순환 유동층 연소 보일러와 통하고, 연료 중 일부는 연소로 연료 투입구를 통하여 상기 순환 유동층 연소 보일러 내로 진입하고, 연소로 인해 발생한 연기는 연도(flue duct)를 거쳐 적어도 1단의 연소로 원심분리 유닛으로 진입하고, 분리된 연기는 바로 배출되고, 분리된 재(ash)와 슬래그 입자는 연소로 연료 피드백 레그(leg)를 통하여 상기 순환 유동층 연소 보일러 내로 반송되고, 연소 과정에서 발생한 열량은 연소로 수증기 생산에 사용되고, 상기 연소로 수증기는 외부 공급 및 상기 순환 유동층 가스화 보일러 공급에 사용된다.
상기 순환 유동층 가스화 보일러 바닥부에는 반성 코크스 출구 및 가스화로 유동공기 입구가 설치되어 있고, 가스화에 필요한 가스화제는 상기 가스화로 유동공기 입구로 이송된 후 가스화로 공기분배 유닛을 경유하여 상기 순환 유동층 가스화 보일러와 통하고, 가스화제 중의 수증기는 연소로 수증기 또는 메탄화 유닛에서 생성된 수증기에서 유래하고, 이산화탄소는 메탄화 유닛에서 생성된 이산화탄소에서 유래하고, 연료 중의 다른 일부는 가스화로 연료 투입구를 통하여 상기 순환 유동층 가스화 보일러 내로 진입하고, 가스화로 생성된 반성 코크스는 반성 코크스 출구에서 배출된 후 연소로 연료 투입구로 이송되고, 합성가스는 상기 순환 유동층 가스화 보일러 꼭대기부의 합성가스 출구에서 적어도 1단의 가스화로 원심분리 유닛으로 진입하고, 분리된 합성가스는 합성가스 정화 유닛으로 이송되고, 분리된 재와 슬래그 입자는 가스화로 피드백 레그를 통하여 상기 순환 유동층 가스화 보일러 내 또는 연소로 연료 투입구로 이송된다.
상기 합성가스 정화 유닛은 합성가스에 대하여 1차 먼지 세척을 진행하고, 물을 냉매로 이용하여 열교환 방식으로 합성가스를 냉각시킨 후 메탄화 유닛으로 이송하고, 냉각 과정에서 생성된 적어도 일부 오수에 대하여 유수 분리를 진행하고, 분리하여 얻은 불순물은 연소로 연료 투입구로 이송하거나, 가스화로 연료 투입구로 이송하거나, 부산물에 대하여 추가 가공을 진행한다.
상기 메탄화 유닛은 렉티졸법(rectisol process) 및 메탄화 과정을 이용하여 이송한 합성가스를 합성 천연가스로 제조하고, 렉티졸법에서 생성된 이산화탄소를 가스화로 유동공기 입구로 이송하고, 메탄화 과정에서 부산물로 생성된 수증기는 상기 가스화로 유동공기 입구로 이송하거나, 상기 메탄화 유닛 자체적으로 필요한 수증기로 보충하거나, 외부로 배출시켜 기타 용도로 사용한다.
바람직하게는, 상기 가스화로 원심분리 유닛은 1단 원심분리기 및 2단 원심분리기로 구성된 2단 원심분리 구조를 채택하고, 상기 1단 원심분리기에서 분리된 재와 슬래그 입자는 상기 가스화로 피드백 레그를 통하여 상기 순환 유동층 가스화 보일러 내로 반송하고, 상기 2단 원심분리기에서 분리된 재와 슬래그 입자는 상기 연소로 연료 투입구로 반송한다.
바람직하게는, 상기 순환 유동층 가스화 보일러에 사이드 가스화제 투입구도 설치되어 있고, 상기 사이드 가스화제 투입구는 상기 가스화로 유동공기 입구의 상부에 위치하고, 산소 및 수증기는 상기 사이드 가스화제 투입구로 이송된다.
바람직하게는, 상기 합성가스 정화 유닛은 상기 합성가스 냉각 과정에서 생성된 수증기를 상기 가스화로 유동공기 입구로 유입시킨다.
바람직하게는, 상기 합성가스 정화 유닛은 세척 냉각기, 폐열 보일러, 냉각 유닛, 제1 유수 분리기, 제2 유수 분리기 및 오수 디켄팅 탱크(decanting tank)를 포함하고, 합성가스는 상기 가스화로 원심분리 유닛에서 나온 후 세척 냉각기로 이송되거나, 폐열 보일러로 이송된다.
합성가스가 세척 냉각기로 이송된 경우, 세척 냉각기, 폐열 보일러 및 냉각 유닛은 순서대로 케스케이드 형식으로 연결되고, 상기 세척 냉각기에서 이송된 합성가스에 대하여 1차 세척을 진행하여 먼지를 제거하고 온도를 강하시킨 후 폐열 보일러로 진입시키고, 상기 폐열 보일러는 동시에 탈염수를 투입하고, 상기 탈염수는 상기 폐열 보일러 내에서 합성가스와 열을 교환한 후 세척수 또는 냉각수로서 상기 세척 냉각기 내에 진입하고, 열교환 후의 합성가스는 다시 상기 냉각 유닛으로 재진입하고, 상기 냉각 유닛은 오수 디켄팅 탱크에서 이송된 냉매로서의 상청액을 동시에 수령하고, 합성가스는 상기 냉각 유닛에서 나온 후 상기 메탄화 유닛으로 이송되고, 상기 폐열 보일러 및 냉각 유닛의 열교환 과정에서 생성된 오수는 각각 각자의 관로를 통하여 제1 유수 분리기 및 제2 유수 분리기와 연결되고, 상기 제1 유수 분리기, 제2 유수 분리기 및 오수 디켄팅 탱크는 순서대로 케스케이드 형식으로 연결되고, 일부 오수는 상기 제1 유수 분리기를 거쳐 분리된 후 세척수 또는 냉각수로서 상기 세척 냉각기로 유입되고, 상기 제1 유수 분리기 및 제2 유수 분리기에서 분리하여 얻은 불순물은 연소로 연료 투입구로 이송되거나, 가스화로 연료 투입구로 이송되거나, 부산물에 대하여 추가 가공을 진행하고, 일부 오수는 상기 제1 유수 분리기 및 제2 유수 분리기에서 분리된 후 오수 디켄팅 탱크에 의하여 수집되고, 상기 오수 디켄팅 탱크에서 1차 처리한 상청액은 상기 냉각 유닛으로 이송되고, 획득한 침전물은 구역 외로 이송하여 처리하고, 나머지는 구역 외로 이송하여 오수 처리를 진행한다.
합성가스가 폐열 보일러로 이송된 경우, 폐열 보일러, 세척 냉각기 및 냉각 유닛은 순서대로 케스케이드 형식으로 연결되고, 상기 폐열 보일러는 탈염수 및 상기 가스화로 원심분리 유닛에서 유래한 합성가스를 동시에 투입하고, 상기 탈염수는 폐열 보일러 내에서 합성가스와 열을 교환한 후 수증기를 형성하고, 상기 수증기는 가스화제로서 상기 가스화로 유동공기 입구로 이송되고, 열교환 후의 합성가스는 상기 세척 냉각기 내로 이송하고, 상기 세척 냉각기에서 이송된 합성가스에 대하여 1차 세척을 진행하여 먼지를 제거하고 온도를 강하시킨 후 상기 냉각 유닛으로 진입시키고, 상기 냉각 유닛은 오수 디켄팅 탱크에서 이송된 냉매로서의 상청액을 동시에 수령하고, 합성가스는 상기 냉각 유닛에서 나온 후 상기 메탄화 유닛으로 이송되고, 상기 세척 냉각기 및 냉각 유닛의 열교환 과정에서 생성된 오수는 각각 각자의 관로를 통하여 제1 유수 분리기 및 제2 유수 분리기와 연결되고, 상기 제1 유수 분리기, 상기 제2 유수 분리기 및 오수 디켄팅 탱크는 순서대로 케스케이드 형식으로 연결되고, 일부 오수는 상기 제1 유수 분리기를 거쳐 분리된 후 세척수 또는 냉각수로서 상기 세척 냉각기로 유입되고, 상기 제1 유수 분리기 및 제2 유수 분리기에서 분리하여 얻은 불순물은 연소로 연료 투입구로 이송되거나, 가스화로 연료 투입구로 이송되거나, 부산물에 대하여 추가 가공을 진행하고, 일부 오수는 상기 제1 유수 분리기 및 제2 유수 분리기에서 분리된 후 상기 오수 디켄팅 탱크에 의하여 수집되고, 상기 오수 디켄팅 탱크에서 1차 처리한 상청액은 상기 냉각 유닛으로 이송되고, 획득한 침전물은 구역 외로 이송하여 처리하고, 나머지는 구역 외로 이송하여 오수 처리를 진행한다.
바람직하게는, 합성가스가 상기 세척 냉각기로 이송된 경우 상기 폐열 보일러는 열교환기를 경유하여 상기 제1 유수 분리기와 연결된다.
바람직하게는, 합성가스가 상기 세척 냉각기로 이송된 경우 합성가스의 상기 세척 냉각기를 경유한 후 출구 온도는 150 내지 250℃이고, 상기 폐열 보일러를 경유한 후 출구 온도는 120 내지 180℃이고, 상기 냉각 유닛을 경유한 후의 출구 온도는 25 내지 45℃이다.
바람직하게는, 상기 메탄화 유닛은 순서대로 케스케이드 형식으로 연결된 변환 반응 유닛, 렉티졸 유닛 및 메탄화 유닛을 포함하고, 합성가스는 순서대로 변환 반응 유닛, 렉티졸 유닛 및 메탄화 유닛을 경유한 후 합성 천연가스를 형성하고, 상기 렉티졸 유닛에서 생성된 이산화탄소는 상기 가스화로 유동공기 입구로 이송되고, 상기 메탄화 유닛에서 부산물로 생성된 수증기는 상기 가스화로 유동공기 입구로 이송되거나, 상기 변환 반응 유닛에서 자체적으로 필요한 수증기로 보충되거나, 외부로 배출되어 기타 용도로 사용된다.
또한, 본 발명은 상기 고체 연료 분급 가스화-연료 이중층 병산 시스템의 병산 방법에 관한 것으로서, 아래와 같은 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
단계 1: 연료 하나를 둘로 나누고, 일부는 연소로 연료 투입구로 이송하고, 일부는 가스화로 연료 투입구에 투입하고, 연료는 순환 유동층 연소 보일러 내에서 생성된 슬래그를 연소로 슬래그 포트에서 배출하고, 생성된 연기는 꼭대기부에서 배출하고, 연기 중에 포함된 일부 입자상 물질은 연소로 원심분리 유닛을 통하여 분리한 후 연소로 피드백 레그를 통하여 상기 순환 유동층 연소 보일러로 반송하여 더 연소시키고, 상기 순환 유동층 연소 보일러에서 생성된 수증기는 발전, 난방 및 기타 용도에 사용하고, 상기 순환 유동층 연소 보일러는 공기를 유동공기와 산화제로 사용한다.
단계 2: 상기 순환 유동층 가스화 보일러의 가스화로 생성된 반성 코크스는 반성 코크스 출구에서 배출하고, 상기 순환 유동층 연소 보일러로 이송하여 더 연소하여 이용하고, 합성가스는 꼭대기부에서 배출하고, 합성가스에 포함된 일부 입자상 물질은 가스화로 원심분리 유닛을 통하여 수집하고, 입자상 물질은 가스화로 피드백 레그를 통하여 상기 순환 유동층 가스화 보일러로 반송시켜 더 가스화하여 이용하거나 상기 순환 유동층 연소 보일러로 반송하여 연소하여 이용한다.
단계 3: 합성가스 정화 유닛은 합성가스에 대하여 1차 먼지 세척을 진행하고, 물을 냉매로 이용하여 열교환 방식으로 합성가스를 냉각시킨 후 메탄화 유닛으로 이송하고, 냉각 과정에서 생성된 적어도 일부 오수에 대하여 유수 분리를 진행하고, 분리하여 얻은 불순물은 연소로 연료 투입구로 이송하거나, 가스화로 연료 투입구로 이송하거나, 부산물에 대하여 추가 가공을 진행한다.
단계 4: 메탄화 유닛은 렉티졸법 및 메탄화 과정을 이용하여 이송시킨 합성가스를 합성 천연가스로 제조하고, 상기 렉티졸법에서 생성된 이산화탄소를 가스화로 유동공기 입구로 이송하고, 상기 메탄화 과정에서 부산물로 생성된 수증기는 가스화로 유동공기 입구로 이송하거나, 메탄화 유닛 자체적으로 필요한 수증기로 보충하거나, 외부로 배출시켜 기타 용도로 사용한다.
바람직하게는, 상기 단계 2에 있어서 상기 순환 유동층 가스화 보일러의 조작 압력은 0 내지 8.0MPa이고, 합성가스 출구의 온도는 650 내지 1050℃에 달한다.
본 발명은 운행이 안정적이고 신뢰할 수 있으며, 대형화 확장에 용이하고 에너지 절약이 가능해 친환경적이다. 본 발명은 종래 기술에 비해 아래와 같은 유익한 효과도 가지고 있다.
첫째, 이중 유동층 조합을 채택하여 연소, 가스화의 유기 결합을 구현하고, 석탄 등 고체 연료에 대한 분급 이용을 실현할 수 있으며, 동시에 부산물로 전기, 열, 가스 및 오일 등 다양한 친환경 제품을 생산할 수 있기 때문에 다원화 이용이 가능한 청정 석탄 연소 기술에 속한다.
둘째, 가스화로를 이용하여 환원성 분위기 하에서 연료의 완전 연소 특성을 구현하기 어렵기 때문에 가스화 효율의 속박에서 벗어나기 어려우나, 완전히 가스화되지 않은 잔류 석탄을 유동층 연소로로 보내 다시 연소시켜 시스템 연료를 철저하게 사용할 수 있도록 하고, 탄소 전환률이 본 기술분야의 다른 가스화 기술보다 월등히 높다.
셋째, 가스화를 발전소 보일러, 화학공업 합성과 결합하고, 발전소 보일러의 수증기 생성, 메탄화 과정의 수증기 생성 및 렉티졸법의 CO2 생성 특징을 이용하여, 수증기와 CO2 혼합 산소를 가스화로의 가스화제로 삼아 다시 용해함으로써, 부산물의 이용효율을 크게 개선하였다.
넷째, 유동층 가스화 과정은 열분해 과정에 비해 문제가 늘어나며 타르 생산량이 크게 감소한다. 소량의 합성가스에 포함된 타르는 1차 분리를 거쳐 유동층 혼소 연료로서 다시 연소시킬 수 있으며, 타르 원료로 판매할 수도 있다. 따라서 열분해 과정의 대량 타르가 합성가스 처리 시스템에 주는 무거운 부담을 해결하였으며, 시스템 폐기물(black water)은 내부 순환시키므로 수자원 이용효율이 높다.
본 발명은 석탄이 풍부하고 물이 부족한 서부 지역 발전을 위한 석탄계 열전기 병산에 적합하며 대규모 확대가 가능하고 광범위한 응용 잠재력이 있다.
도 1은 가스화로 측면에 가스화제 투입구를 설치하지 않은 고체 연료 분급 가스화-연료 이중층 병산 시스템 설명도;
도 2는 가스화로 측면에 가스화제 투입구를 설치한 고체 연료 분급 가스화-연료 이중층 병산 시스템 설명도;
도 3은 예열 회수 방식의 고체 연료 분급 가스화-연료 이중층 병산 시스템 설명도.
아래에서는 상기 도면과 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
실시예 1
도 1에서 도시하는 바와 같이, 본 실시예는 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템에 관한 것으로서, 순환 유동층 연소 보일러(1), 순환 유동층 가스화 보일러(2), 합성가스 정화 유닛 및 메탄화 유닛을 포함한다.
연료(본 실시예에서 연료는 석탄, 맥석, 석유 코크스, 바이오매스 등 탄소 고체 연료를 함유한 하나 또는 그 혼합물임)는 주로 두 부분으로 나누어 투입하고, 연소로 연료 투입구(4a)와 가스화로 연료 투입구(4b)에서 각각 순환 유동층 연소 보일러(1)와 순환 유동층 가스화 보일러(2)로 투입한다. 순환 유동층 연소 보일러(1)의 연료 연소에 필요한 산화제는 연소로 유동공기 입구(5)에서 연소로 배치공기 유닛(6a)으로 진입한 후 순환 유동층 연소 보일러(1)로 진입한다. 연료 연소 과정에서 생성된 재와 슬래그는 연소로 슬래그 포트(7)에서 배출되고, 연소에서 생성된 연기는 연도(8)에서 원심분리기(3a)로 진입한 후 그 꼭대기부(9)에서 배출되고, 분리된 재와 슬래그 입자는 연소로 피드백 레그(10a, feedback leg)를 통하여 순환 유동층 연소 보일러(1) 내로 반송되고, 연소 과정에서 생성된 열량은 연소로 수증기(46a) 생성에 이용되고, 연소로 수증기(46a)는 난방(46b), 발전(47)에 사용할 수 있고 관로(46c)를 경유하여 순환 유동층 가스화 보일러(2)로 이송된다.
순환 유동층 가스화 보일러(2)의 가스화에 필요한 가스화제는 관로(46c)를 경유하여 이송된 연소로 수증기(46a)와 메탄화 유닛의 수증기(44)에서 유래하고, 산소는 구역 외부(51)에서 유래하고, 이산화탄소(53)는 메탄화 유닛에서 유래한다. 가스화제는 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b) 및 가스화로 유동공기 유닛(6b)을 거쳐 순환 유동층 가스화 보일러(2)로 진입하고, 가스화에서 생성된 반성 코크스는 반성 코크스 출구(49)에서 배출되고, 합성가스는 합성가스 출구(13)에서 1단 원심분리기(3b)와 2단 원심분리기(3c)를 거쳐 분리된 후 합성가스 냉각 정화 유닛으로 진입하고, 1단 원심분리기(3b)와 2단 원심분리기(3c) 사이에는 합성가스 도류관(14)이 연결되어 있고, 2단 원심분리기(3c)와 합성가스 냉각 정화 유닛 사이에는 합성가스 관로(15)가 연결되어 있다. 1단 원심분리기(3b)에서 분리된 재와 슬래그 입자는 가스화로 피드백 레그(10b)를 통하여 순환 유동층 가스화 보일러(2) 내로 반송되고, 2단 원심분리기(3c)에서 분리된 재와 슬래그 입자는 슬래그 모음 버킷(12)에서 수집한 후 연소로 연료 투입구(4a) 또는 가스화 연료 투입구(4b)로 이송한다.
합성가스 정화 유닛은 세척 냉각기(16), 폐열 보일러(19), 냉각 유닛(22), 제1 유수 분리기(25), 제2 유수 분리기(26) 및 오수 디켄팅 탱크(decanting tank)(36)를 포함한다. 본 실시예에 있어서, 세척 냉각기(16), 폐열 보일러(19) 및 냉각 유닛(22)은 합성가스 관로(18, 21)를 통하여 순서대로 케스케이드 형식으로 연결되고, 냉각 유닛(22)은 합성가스 관로(23)를 통하여 메탄화 유닛과 연결된다.
합성가스는 먼저 세척 냉각기(16)로 진입하고, 1차 세척을 거쳐 먼지를 제거하고 온도를 강하시킨 후 폐열 보일러(19)로 진입하고, 세척 냉각기(16)에서 생성된 폐수(48)는 배출하고, 폐열 보일러(19)에 탈염수를 동시에 투입하고, 탈염수는 합성가스의 일부 예열을 흡수한 후 순환수 관로(17)를 경유하여 세척수 또는 냉각수로서 세척 냉각기(16)까지 이어진다. 합성가스의 일부 예열은 탈염수에 의하여 회수된 후 냉각 유닛(22)으로 진입한다. 냉각 유닛(22)은 1 내지 3단 분급 냉각을 설치할 수 있다. 폐열 보일러(19) 및 냉각 유닛(22)은 열교환 과정에서 생성된 오수를 각각 각자의 응축관(24)을 통하여 제1 유수 분리기(25), 제2 유수 분리기(26)로 이송하고, 폐열 보일러(19)와 제1 유수 분리기(25) 사이의 응축관에 하나의 열교환기(20)도 설치하였다. 제1 유수 분리기(25), 제2 유수 분리기(26) 및 오수 디켄팅 탱크(36)는 순서대로 오수 관로(34, 35)를 케스케이드 형식으로 통과하고, 일부 오수는 제1 유수 분리기(25)를 경유하여 유수 분리를 진행한 후, 순환수 관로(27)를 통하여 세척 냉각기(16)로 이송하고, 제1 유수 분리기(25) 및 제2 유수 분리기(26)에서 타르 등 불순물을 분리한 후 생성된 불순물(28, 29)은 일부 인화성 물질이고, 그 인화성 성분 함량은 5 내지 40%wt에 달하고, 이것은 순환회로(30, 33)를 통하여 시스템 연료 혼합 회로(50)를 경유하여 순환 유동층 연소 보일러(1) 또는 순환 유동층 가스화 보일러(2)로 돌아가 재이용되거나, 부산물로서 추가 가공(31, 32)으로 이송된다. 오수 디켄팅 탱크(36)에 수집된 오수는 1차 처리를 거친 후, 생성된 상청액(38)은 순환 회로(38)를 통해 냉각 유닛(22)으로 돌아가고, 일부는 구역 외부에서 오수 처리(52)를 진행하고, 잔여 침전물(37)은 구역 외부로 이송되어 처리된다. 합성가스는 세척 냉각기(16)를 거친 후 출구 온도가 150 내지 250℃이고, 폐열 보일러(19)를 경유한 후 출구 온도는 120 내지 180℃이고, 냉각 유닛(22)을 경유한 후의 출구 온도는 25 내지 45℃이다.
합성가스는 합성가스 정화 유닛의 온도 강하와 먼지 제거 등 처리를 거친 후 메탄화 유닛으로 진입한다. 본 실시예에 있어서, 메탄화 유닛은 순서대로 케스케이드 형식으로 연결된 변환 반응 유닛(39), 렉티졸 유닛(41) 및 메탄화 부(43)를 포함한다. 변환 반응 유닛(39), 렉티졸 유닛(41) 및 메탄화 부(43) 사이는 각각 합성가스 관로(40, 42)를 통하여 연결된다. 합성가스는 렉티졸 및 메탄화 과정을 거치며 최종적으로 품질 적격의 인조 천연가스(45)를 얻는다. 여기에서 렉티졸 유닛(41)은 렉티졸 과정에서 생성된 이산화탄소(53)를 순환 유동층 가스화 보일러(2)로 이송하여 가스제로 삼을 수 있으며, 제품으로서 추가 가공(54)에 사용할 수도 있다. 메탄화 부(43)는 메탄화 과정에서 부산물로 생성된 수증기(44)를 순환 유동층 가스화 보일러(2)로 이송하여 가스제로 삼거나 기타 용도로 사용할 수 있다.
실시예 2
도 2에서 도시하는 바와 같이, 본 실시예에서 공개한 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템이 실시예 1과 다른 점은 다음과 같다. 즉, 본 실시예는 가스화 부하와 탄종 수요에 의거하여 순환 유동층 가스화 보일러(2) 측면에 사이드 가스화제 투입구(11c, 11d)를 설치하고, 산소 및 수증기를 상기 사이드 가스화제 투입구(11c, 11d)로 이송하여 가스화 강도를 강화시키고, 가스화 과정에서 생성되는 타르 분해를 가속화하여 시스템 가스 생산 효율을 향상시켰다.
기타 구조는 실시예 1과 같다.
실시예 3
도 3에서 도시하는 바와 같이, 본 실시예와 실시예 1의 차이점은 다음과 같다.
첫째, 폐열 보일러(19), 세척 냉각기(16) 및 냉각 유닛(22)은 순서대로 케스케이드 형식으로 연결되고, 폐열 보일러(19)는 탈염수(55) 및 2단 원심분리기(3c)에서 유래한 합성가스를 동시에 주입하고, 탈염수(55)는 폐열 보일러(19) 내에서 합성가스와 열교환 후 수증기를 형성하고, 상기 수증기는 가스화제로서 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)로 이송되고, 열교환 후의 합성가스는 세척 냉각기(16) 내로 이송되고, 세척 냉각기(16)에서 이송된 합성가스에 대하여 1차 세척을 진행하여 먼지를 제거하고 온도를 강하시킨 후 냉각 유닛(22)으로 진입시킨다. 세척 냉각기(16)는 열교환 과정에서 생성된 오수를 응축관(24)을 통하여 제1 유수 분리기(25)와 연결된다. 일부 오수는 제1 유수 분리기(25)를 거쳐 분리된 후 세척수 또는 냉각수로서 순환수 관로(57)를 거쳐 세척 냉각기(16) 내로 유입된다.
둘째, 메탄화 유닛에 있어서, 변환 반응 유닛(39)은 수증기가 필요하고, 메탄화 부(43)에서 메탄화 과정 중 부산물로 생성된 수증기(44)는 관로(58)를 통해 변환 반응 유닛(39)으로 이송된다.
기타 구조는 실시예 1과 동일하다.
또한, 본 발명은 상기 실시예 1 내지 4 중 어느 하나의 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템을 채택한 병산 방법에 관한 것으로서, 아래 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
단계 1: 연료 하나를 둘로 나누고, 일부는 연소로 연료 투입구(4a)로 이송하고, 일부는 가스화로 연료 투입구(4b)에 투입하고, 연료는 순환 유동층 연소 보일러(1) 내에서 생성된 슬래그를 연소로 슬래그 포트(7)에서 배출하고, 생성된 연기는 꼭대기부에서 배출하고, 연기 중에 포함된 일부 입자상 물질은 연소로 원심분리 유닛을 통하여 분리한 후 연소로 피드백 레그(10a)를 통하여 순환 유동층 연소 보일러(1)로 반송하여 더 연소시키고, 순환 유동층 연소 보일러(1)에서 생성된 수증기는 발전, 난방 및 기타 용도에 사용하고, 순환 유동층 연소 보일러(1)는 공기를 유동공기와 산화제로 사용한다.
단계 2: 순환 유동층 가스화 보일러(2)의 가스화로 생성된 반성 코크스는 반성 코크스 출구(49)에서 배출하고, 순환 유동층 연소 보일러(1)로 이송하여 더 연소하여 이용하고, 합성가스는 꼭대기부에서 배출하고, 합성가스에 포함된 일부 입자상 물질은 가스화로 원심분리 유닛을 통하여 수집하고, 입자상 물질은 가스화로 피드백 레그(10b)를 통하여 순환 유동층 가스화 보일러(2)로 반송시켜 더 가스화하여 이용하거나 순환 유동층 연소 보일러(1)로 반송하여 연소하여 이용한다. 순환 유동층 가스화 보일러(2)는 상압 또는 가압 시스템으로 설치할 수 있고, 상기 조작 압력은 0 내지 8.0MPa이고, 합성가스 출구의 온도는 650 내지 1050℃에 달한다.
단계 3: 합성가스 정화 유닛은 합성가스에 대하여 1차 먼지 세척을 진행하고, 물을 냉매로 이용하여 열교환 방식으로 합성가스를 냉각시킨 후 메탄화 유닛으로 이송하고, 냉각 과정에서 생성된 적어도 일부 오수에 대하여 유수 분리를 진행하고, 분리하여 얻은 불순물은 연소로 연료 투입구(4a)로 이송하거나, 가스화로 연료 투입구(4b)로 이송하거나, 부산물에 대하여 추가 가공을 진행한다.
단계 4: 메탄화 유닛은 렉티졸법 및 메탄화 과정을 이용하여 이송시킨 합성가스를 합성 천연가스로 제조하고, 천연가스 중 CH4 함량은 96% 이상에 달하고, 렉티졸법에서 생성된 이산화탄소를 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)로 이송하고, 메탄화 과정에서 부산물로 생성된 수증기(44)는 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)로 이송하거나, 메탄화 유닛 자체적으로 필요한 수증기로 보충하거나, 외부로 배출시켜 기타 용도로 사용한다.

Claims (10)

  1. 순환 유동층 연소 보일러(1), 순환 유동층 가스화 보일러(2), 합성가스 정화 유닛 및 메탄화 유닛을 포함하되,
    상기 순환 유동층 연소 보일러(1) 바닥부에는 연소로 슬래그 포트(7) 및 연소로 유동공기 입구(5)가 설치되어 있고, 유동공기는 상기 연소로 유동공기 입구(5)로 진입한 후 연소로 공기분배 유닛(6a)을 거쳐 순환 유동층 연소 보일러(1)와 통하고, 연료 중 일부는 연소로 연료 투입구(4a)를 통하여 상기 순환 유동층 연소 보일러(1) 내로 진입하고, 연소로 인해 발생한 연기는 연도(flue duct)(8)를 거쳐 적어도 1단의 연소로 원심분리 유닛으로 진입하고, 분리된 연기는 바로 배출되고, 분리된 재(ash)와 슬래그 입자는 연소로 연료 피드백 레그(leg)(10a)를 통하여 상기 순환 유동층 연소 보일러(1) 내로 반송되고, 연소 과정에서 발생한 열량은 연소로 수증기(46a) 생산에 사용되고, 상기 연소로 수증기(46a)는 외부 공급 및 상기 순환 유동층 가스화 보일러(2) 공급에 사용되고;
    상기 순환 유동층 가스화 보일러(2) 바닥부에는 반성 코크스 출구(49) 및 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)가 설치되어 있고, 가스화에 필요한 가스화제는 상기 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)로 이송된 후 가스화로 공기분배 유닛(6b)을 경유하여 상기 순환 유동층 가스화 보일러(2)와 통하고, 가스화제 중의 수증기는 연소로 수증기(46a) 또는 메탄화 유닛에서 생성된 수증기(44)에서 유래하고, 이산화탄소는 메탄화 유닛에서 생성된 이산화탄소(53)에서 유래하고, 연료 중의 다른 일부는 가스화로 연료 투입구(4b)를 통하여 상기 순환 유동층 가스화 보일러(2) 내로 진입하고, 가스화로 생성된 반성 코크스는 반성 코크스 출구(49)에서 배출된 후 연소로 연료 투입구(4a)로 이송되고, 합성가스는 상기 순환 유동층 가스화 보일러(2) 꼭대기부의 합성가스 출구(13)에서 적어도 1단의 가스화로 원심분리 유닛으로 진입하고, 분리된 합성가스는 합성가스 정화 유닛으로 이송되고, 분리된 재와 슬래그 입자는 가스화로 피드백 레그(10b)를 통하여 상기 순환 유동층 가스화 보일러(2) 내 또는 연소로 연료 투입구(4a)로 이송되며;
    상기 합성가스 정화 유닛은 합성가스에 대하여 1차 먼지 세척을 진행하고, 물을 냉매로 이용하여 열교환 방식으로 합성가스를 냉각시킨 후 메탄화 유닛으로 이송하고, 냉각 과정에서 생성된 적어도 일부 오수에 대하여 유수 분리를 진행하고, 분리하여 얻은 불순물은 연소로 연료 투입구(4a)로 이송하거나, 가스화로 연료 투입구(4b)로 이송하거나, 부산물에 대하여 추가 가공을 진행하고;
    상기 메탄화 유닛은 렉티졸법(rectisol process) 및 메탄화 과정을 이용하여 이송한 합성가스를 합성 천연가스로 제조하고, 렉티졸법에서 생성된 이산화탄소를 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)로 이송하고, 메탄화 과정에서 부산물로 생성된 수증기(44)는 상기 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)로 이송하거나, 상기 메탄화 유닛 자체적으로 필요한 수증기로 보충하거나, 외부로 배출시켜 기타 용도로 사용하는 것을 특징으로 하는 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가스화로 원심분리 유닛은 1단 원심분리기(3b) 및 2단 원심분리기(3c)로 구성된 2단 원심분리 구조를 채택하고, 상기 1단 원심분리기(3b)에서 분리된 재와 슬래그 입자는 상기 가스화로 피드백 레그(10b)를 통하여 상기 순환 유동층 가스화 보일러(2) 내로 반송하고, 상기 2단 원심분리기(3c)에서 분리된 재와 슬래그 입자는 상기 연소로 연료 투입구(4a)로 반송하는 것을 특징으로 하는 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 순환 유동층 가스화 보일러(2)에 사이드 가스화제 투입구(11c, 11d)도 설치되어 있고, 상기 사이드 가스화제 투입구(11c, 11d)는 상기 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)의 상부에 위치하고, 산소 및 수증기는 상기 사이드 가스화제 투입구(11c, 11d)로 이송되는 것을 특징으로 하는 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 합성가스 정화 유닛은 상기 합성가스 냉각 과정에서 생성된 수증기를 상기 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)로 유입시키는 것을 특징으로 하는 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 합성가스 정화 유닛은 세척 냉각기(16), 폐열 보일러(19), 냉각 유닛(22), 제1 유수 분리기(25), 제2 유수 분리기(26) 및 오수 디켄팅 탱크(decanting tank)(36)를 포함하고, 합성가스는 상기 가스화로 원심분리 유닛에서 나온 후 세척 냉각기(16)로 이송되거나, 폐열 보일러(19)로 이송되고;
    합성가스가 세척 냉각기(16)로 이송된 경우, 세척 냉각기(16), 폐열 보일러(19) 및 냉각 유닛(22)은 순서대로 케스케이드 형식으로 연결되고, 상기 세척 냉각기(16)에서 이송된 합성가스에 대하여 1차 세척을 진행하여 먼지를 제거하고 온도를 강하시킨 후 폐열 보일러(19)로 진입시키고, 상기 폐열 보일러(19)는 동시에 탈염수(55)를 투입하고, 상기 탈염수(55)는 상기 폐열 보일러(19) 내에서 합성가스와 열을 교환한 후 세척수 또는 냉각수로서 상기 세척 냉각기(16) 내에 진입하고, 열교환 후의 합성가스는 다시 상기 냉각 유닛(22)으로 재진입하고, 상기 냉각 유닛(22)은 오수 디켄팅 탱크(36)에서 이송된 냉매로서의 상청액(38)을 동시에 수령하고, 합성가스는 상기 냉각 유닛(22)에서 나온 후 상기 메탄화 유닛으로 이송되고, 상기 폐열 보일러(19) 및 냉각 유닛(22)의 열교환 과정에서 생성된 오수는 각각 각자의 관로를 통하여 제1 유수 분리기(25) 및 제2 유수 분리기(26)와 연결되고, 상기 제1 유수 분리기(25), 제2 유수 분리기(26) 및 오수 디켄팅 탱크(36)는 순서대로 케스케이드 형식으로 연결되고, 일부 오수는 상기 제1 유수 분리기(25)를 거쳐 분리된 후 세척수 또는 냉각수로서 상기 세척 냉각기(16)로 유입되고, 상기 제1 유수 분리기(25) 및 제2 유수 분리기(26)에서 분리하여 얻은 불순물은 연소로 연료 투입구(4a)로 이송되거나, 가스화로 연료 투입구(4b)로 이송되거나, 부산물에 대하여 추가 가공을 진행하고, 일부 오수는 상기 제1 유수 분리기(25) 및 제2 유수 분리기(26)에서 분리된 후 오수 디켄팅 탱크(36)에 의하여 수집되고, 상기 오수 디켄팅 탱크(36)에서 1차 처리한 상청액(38)은 상기 냉각 유닛(22)으로 이송되고, 획득한 침전물(37)은 구역 외로 이송하여 처리하고, 나머지는 구역 외로 이송하여 오수 처리(52)를 진행하며;
    합성가스가 폐열 보일러(19)로 이송된 경우, 폐열 보일러(19), 세척 냉각기(16) 및 냉각 유닛(22)은 순서대로 케스케이드 형식으로 연결되고, 상기 폐열 보일러(19)는 탈염수(55) 및 상기 가스화로 원심분리 유닛에서 유래한 합성가스를 동시에 투입하고, 상기 탈염수(55)는 폐열 보일러(19) 내에서 합성가스와 열을 교환한 후 수증기를 형성하고, 상기 수증기는 가스화제로서 상기 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)로 이송되고, 열교환 후의 합성가스는 상기 세척 냉각기(16) 내로 이송하고, 상기 세척 냉각기(16)에서 이송된 합성가스에 대하여 1차 세척을 진행하여 먼지를 제거하고 온도를 강하시킨 후 상기 냉각 유닛(22)으로 진입시키고, 상기 냉각 유닛(22)은 오수 디켄팅 탱크(36)에서 이송된 냉매로서의 상청액(38)을 동시에 수령하고, 합성가스는 상기 냉각 유닛(22)에서 나온 후 상기 메탄화 유닛으로 이송되고, 상기 세척 냉각기(16) 및 냉각 유닛(22)의 열교환 과정에서 생성된 오수는 각각 각자의 관로를 통하여 제1 유수 분리기(25) 및 제2 유수 분리기(26)와 연결되고, 상기 제1 유수 분리기(25), 상기 제2 유수 분리기(26) 및 오수 디켄팅 탱크(36)는 순서대로 케스케이드 형식으로 연결되고, 일부 오수는 상기 제1 유수 분리기(25)를 거쳐 분리된 후 세척수 또는 냉각수로서 상기 세척 냉각기(16)로 유입되고, 상기 제1 유수 분리기(25) 및 제2 유수 분리기(26)에서 분리하여 얻은 불순물은 연소로 연료 투입구(4a)로 이송되거나, 가스화로 연료 투입구(4b)로 이송되거나, 부산물에 대하여 추가 가공을 진행하고, 일부 오수는 상기 제1 유수 분리기(25) 및 제2 유수 분리기(26)에서 분리된 후 상기 오수 디켄팅 탱크(36)에 의하여 수집되고, 상기 오수 디켄팅 탱크(36)에서 1차 처리한 상청액(38)은 상기 냉각 유닛(22)으로 이송되고, 획득한 침전물(37)은 구역 외로 이송하여 처리하고, 나머지는 구역 외로 이송하여 오수 처리(52)를 진행하는 것을 특징으로 하는 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    합성가스가 상기 세척 냉각기(16)로 이송된 경우 상기 폐열 보일러(19)는 열교환기(20)를 경유하여 상기 제1 유수 분리기(25)와 연결되는 것을 특징으로 하는 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    합성가스가 상기 세척 냉각기(16)로 이송된 경우 합성가스의 상기 세척 냉각기(16)를 경유한 후 출구 온도는 150 내지 250℃이고, 상기 폐열 보일러(19)를 경유한 후 출구 온도는 120 내지 180℃이고, 상기 냉각 유닛(22)을 경유한 후의 출구 온도는 25 내지 45℃인 것을 특징으로 하는 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 메탄화 유닛은 순서대로 케스케이드 형식으로 연결된 변환 반응 유닛(39), 렉티졸 유닛(41) 및 메탄화 부(43)를 포함하고, 합성가스는 순서대로 변환 반응 유닛(39), 렉티졸 유닛(41) 및 메탄화 부(43)를 경유한 후 합성 천연가스를 형성하고, 상기 렉티졸 유닛(41)에서 생성된 이산화탄소는 상기 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)로 이송되고, 상기 메탄화 부(43)에서 부산물로 생성된 수증기(44)는 상기 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)로 이송되거나, 상기 변환 반응 유닛(39)에서 자체적으로 필요한 수증기로 보충되거나, 외부로 배출되어 기타 용도로 사용되는 것을 특징으로 하는 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템.
  9. 단계 1: 연료 하나를 둘로 나누고, 일부는 연소로 연료 투입구(4a)로 이송하고, 일부는 가스화로 연료 투입구(4b)에 투입하고, 연료는 순환 유동층 연소 보일러(1) 내에서 생성된 슬래그를 연소로 슬래그 포트(7)에서 배출하고, 생성된 연기는 꼭대기부에서 배출하고, 연기 중에 포함된 일부 입자상 물질은 연소로 원심분리 유닛을 통하여 분리한 후 연소로 피드백 레그(10a)를 통하여 상기 순환 유동층 연소 보일러(1)로 반송하여 더 연소시키고, 상기 순환 유동층 연소 보일러(1)에서 생성된 수증기는 발전, 난방 및 기타 용도에 사용하고, 상기 순환 유동층 연소 보일러(1)는 공기를 유동공기와 산화제로 사용하고;
    단계 2: 상기 순환 유동층 가스화 보일러(2)의 가스화로 생성된 반성 코크스는 반성 코크스 출구(49)에서 배출하고, 상기 순환 유동층 연소 보일러(1)로 이송하여 더 연소하여 이용하고, 합성가스는 꼭대기부에서 배출하고, 합성가스에 포함된 일부 입자상 물질은 가스화로 원심분리 유닛을 통하여 수집하고, 입자상 물질은 가스화로 피드백 레그(10b)를 통하여 상기 순환 유동층 가스화 보일러(2)로 반송시켜 더 가스화하여 이용하거나 상기 순환 유동층 연소 보일러(1)로 반송하여 연소하여 이용하며;
    단계 3: 합성가스 정화 유닛은 합성가스에 대하여 1차 먼지 세척을 진행하고, 물을 냉매로 이용하여 열교환 방식으로 합성가스를 냉각시킨 후 메탄화 유닛으로 이송하고, 냉각 과정에서 생성된 적어도 일부 오수에 대하여 유수 분리를 진행하고, 분리하여 얻은 불순물은 연소로 연료 투입구로(4a) 이송하거나, 가스화로 연료 투입구(4b)로 이송하거나, 부산물에 대하여 추가 가공을 진행하고;
    단계 4: 메탄화 유닛은 렉티졸법 및 메탄화 과정을 이용하여 이송시킨 합성가스를 합성 천연가스로 제조하고, 상기 렉티졸법에서 생성된 이산화탄소를 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)로 이송하고, 상기 메탄화 과정에서 부산물로 생성된 수증기(44)는 가스화로 유동공기 입구(11a, 11b)로 이송하거나, 메탄화 유닛 자체적으로 필요한 수증기로 보충하거나, 외부로 배출시켜 기타 용도로 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 제 1항의 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템의 병산 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 단계 2에서 상기 순환 유동층 가스화 보일러(2)의 조작 압력은 0 내지 8.0MPa이고, 합성가스 출구의 온도는 650 내지 1050℃에 달하는 것을 특징으로 하는 고체 연료 분급 가스화-연소 이중층 병산 시스템의 병산 방법.
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