KR101818772B1 - 고정층 반응기용 공급원료를 가압하기 위한 시스템 - Google Patents

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Abstract

하나의 실시양태에 따르면, 시스템(10)은 가압된 공급원료(12)를 제공하기 위하여 공급원료(12)의 압력을 증가시키도록 배열된 포지메트릭 펌프(18)를 포함한다. 상기 시스템(10)은 또한 가압된 공급원료를 가스화하도록 배열된 고정층 기화 장치(52)를 포함하며, 여기서 고정층 기화 장치(52)는 인클로저(80), 가압된 공급원료를 수용하도록 배열된 공급원료 주입구(82), 하나 이상의 가스화제(55)를 수용하도록 배열된 하나 이상의 시약 주입구(84), 합성 가스를 배출하도록 배열된 합성 가스 배출구(86), 재를 배출하도록 배열된 재 배출구(88), 및 가압된 공급원료(12)를 통해 하나 이상의 가스화제를 유동시키면서 가압된 공급원료를 지지하도록 배열된 고정층(90)을 포함한다.

Description

고정층 반응기용 공급원료를 가압하기 위한 시스템{SYSTEM FOR PRESSURIZING FEEDSTOCK FOR FIXED BED REACTOR}
본원은 고정층 반응기로 고체 공급원료(예를 들어, 바이오매스(biomass))를 가압 및 수송하기 위한 시스템에 관한 것이다.
전형적으로, 작은 규모(예를 들어, 10 내지 30 MW) 고정층 반응기(예를 들어, 고정층 기화 장치)는 다양한 고체 공급원료(예를 들어, 바이오매스)로부터 에너지를 발생시킬 수 있다. 고정층 반응기는, 고체 공급원료를, 산화제(공기, 농축 공기(enriched air), 또는 산소), 스팀 또는 이들의 조합과 반응시킴으로써 연소성 가스(예를 들어, 합성 가스(syngas))로 전환시킬 수 있다. 이러한 연소성 가스는 화학물질 제조 또는 발전에 사용하기 위한 연소 엔진과 같은 다양한 적용례에 사용될 수 있다. 선택적으로, 고정층 반응기는 발전에 사용하기 위해 스팀 터빈에 사용하기 위한 스팀을 발생시키기 위해 고체 공급원료를 사용할 수 있다. 그러나, 공급원료로서 바이오매스를 사용하면, 이러한 고정층 반응기의 규모가 한정된다. 추가로, 고정층 반응기는 거의 대기압하에서 작동하는데, 이는 반응기의 생산능을 한정한다.
본 발명의 목적은 바이오매스의 사용으로 인하여 생산능이 한정되는 거의 대기압에서 작동하는 고정층 반응기의 생산능을 개선시키는 것이다.
원래 주장된 발명의 범주에 상응하는 특정 실시양태가 하기에 요약되어 있다. 이러한 실시양태는, 주장된 발명의 범주를 제한하고자 하는 것이 아니라, 오히려 이러한 실시양태는 본 발명의 가능한 형태에 대한 간략한 요약을 제공하고자 한다. 실로, 본 발명은 후술하는 실시양태와 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태를 포함할 수 있다.
제 1 실시양태에 따르면, 시스템은 가압된 공급원료를 제공하기 위하여 공급원료의 압력을 증가시키도록 배열된 포지메트릭 펌프(posimetric pump)를 포함한다. 상기 시스템은 또한 가압된 공급원료를 가스화하도록 배열된 고정층 기화 장치를 포함하며, 여기서 고정층 기화 장치는 인클로저, 가압된 공급원료를 수용하도록 배열된 공급원료 주입구, 하나 이상의 가스화제를 수용하도록 배열된 하나 이상의 시약 주입구, 합성 가스를 배출하도록 배열된 합성 가스 배출구, 재를 배출하도록 배열된 재 배출구, 및 가압된 공급원료를 통해 하나 이상의 가스화제를 유동시키면서 가압된 공급원료를 지지하도록 배열된 고정층을 포함한다.
제 2 실시양태에 따르면, 시스템은 공급원료의 압력을 증가시키도록 배열된 포지메트릭 펌프 및 상기 포지메트릭 펌프로부터 공급원료를 계량공급하도록 배열된 공급기를 포함한다. 상기 시스템은 또한 포지메트릭 펌프에 의해 제공된 상승된 압력에서 공급기로부터의 공급원료와 하나 이상의 시약을 반응시키도록 배열된 고정층 반응기를 포함한다. 상기 고정층 반응기는 공급원료를 통해 하나 이상의 시약의 유동을 허용하면서 공급원료를 지지하도록 배열된 고정층을 포함한다.
제 3 실시양태에 따르면, 시스템은 공급원료의 압력을 증가시키도록 배열된 포지메트릭 펌프, 및 공급원료의 습기 함량을 제어하기 위해서 공급원료를 가열하도록 배열된 가열기를 포함한다. 상기 시스템은 또한 포지메트릭 펌프에 의해 제공된 상승된 압력에서 공급원료와 하나 이상의 시약이 반응하도록 배열된 고정층 반응기를 포함한다. 상기 고정층 반응기는, 공급원료로부터 하나 이상의 시약의 유동을 허용하면서 공급원료를 지지하도록 배열된 고정층을 포함한다.
본 발명에 따른 기술적 효과는, 가압된 공급원료(12)(예를 들어, 바이오매스)를 고정층 반응기로 가압 및 계량공급하는 포지메트릭 펌프를 제공함으로써, 반응기내 압력을 상승시켜, 일반적으로 작은 규모의 고정층 반응기의 생산능을 증가시킨다.
본 발명의 이와 같거나 또다른 특징부, 양태 및 이점은, 첨부된 도면을 참고하여 하기 상세한 설명을 읽으면서 잘 이해될 것이며, 상기 도면에서 유사한 부호는 도면 전반에 걸쳐서 유사한 부품을 나타낸다:
도 1은 고정층 반응기용 연료 공급원료를 가압시키기 위한 시스템의 실시양태의 개략도이다.
도 2는 고정층 반응기용 연료 공급원료를 가압 및 가열하기 위한 시스템의 실시양태의 개략도이다.
도 3은 고정층 반응기용 다중 연료 공급원료를 가압하기 위한 시스템의 실시양태의 개략도이다.
도 4는 고정층 반응기용 다중 연료 공급원료를 가압 및 가열하기 위한 시스템의 실시양태의 개략도이다.
도 5는 고정층 기화 장치용 연료 공급원료를 가압하고 화학물질 및 전력 생산에서 가스화 생성물을 사용하기 위한 시스템의 실시양태의 개략도이다.
도 6은 고정층 기화 장치용 혼합된 연료 공급원료를 가압하고 발전을 위한 연소 엔진에서 가스화 생성물을 사용하기 위한 시스템의 실시양태의 개략도이다.
도 7은 고정층 보일러용 연료 공급원료를 가압하고 발전용 스팀 터빈에서 스팀 생성물을 사용하기 위한 시스템의 실시양태의 개략도이다.
도 8은 병류(co-corrent) 고정층 반응기의 실시양태의 개략적인 단면도이다.
도 9는 역류(counter-current) 고정층 반응기의 실시양태의 개략적인 단면도이다.
부품 설명
10 시스템
12 공급원료
14 고정층 반응기
16 수송기
18 포지메트릭 펌프
20 가열기
22 공급기
24 제어기
26 사용자 입력
28 피드백
30 제 1 공급원료
32 제 1 수송기
34 제 1 포지메트릭 펌프
36 제 1 공급기
38 제 2 공급원료
40 제 2 수송기
42 제 2 포지메트릭 펌프
44 제 2 공급기
46 공급원료 혼합기
48 열 교환기
50 외부 열 공급원
52 고정층 기화 장치
54 가스 처리 시스템
55 시약
56 스팀
58 산화제
60 숯(char)
62 화학물질 생산
64 발전
66 연소 엔진
68 전기 발전기
70 고정층 보일러
72 스팀 보일러
74 배기가스
76 스팀
78 병류 고정층 반응기
80 인클로저
81 상부 돔
82 공급원료 주입구
84 시약 주입구
86 배출구
88 재 배출구
90 고정층
92 스팀 주입구
94 산화제 주입구
96 그라트
98 개구부
100 재
102 그라트
104 개구부
106 합성 가스
108 역류 고정층 반응기
110 계단형 구조물
112 개구부
본 발명의 하나 이상의 구체적인 실시양태는 후술할 것이다. 이러한 실시양태를 정확히 설명하기 위해서, 실제 시행되는 모든 특징부를 본 명세서에서 기술하지는 않을 수 있다. 임의의 이러한 실제 시행의 개발시, 임의의 기술적 또는 디자인 프로젝트에서와 같이, 예를 들어 시행마다 상이할 수 있는 시스템-관련 및 사업-관련 법규의 준수와 같은 개발자의 구체적인 목표를 달성할 수 있도록, 다수의 시행에서 특별한 결정을 내려야만 함을 이해할 것이다. 게다가, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적이지만, 그럼에도 불구하고 본 개시내용의 이점을 갖는 당업계의 숙련자들에게 있어서 고안, 제작 및 제조를 착수하는 것은 일상적인 것임을 이해될 것이다.
본 발명의 다양한 실시양태의 부재를 도입하는 경우, 단수형 및 "상기"로 수식된 제품은, 하나 이상의 부재들이 존재함을 의미하는 것을 의도한 것이다. "포함하는" 및 "갖는"이라는 용어는, 나열된 부재들 이외에 부가적인 부재가 존재할 수 있음을 의미하는 포괄적인 것을 의미하는 것을 의도한 것이다.
본 발명은 반응기의 생산능을 개선하기 위해서 고정층 반응기(예를 들어, 고정층 기화 장치)를 위한 공급원료의 가압화를 위한 시스템에 관한 것이다. 고정층 반응기는, 고체 공급원료, 예를 들어 바이오매스를 연소성 가스(예를 들어, 합성 가스)로 전환시키도록 작동한다. 바이오매스는 나무부스러기, 왕겨, 옥수수대, 생활 폐기물(municipal solid wastes), 산업 폐기물 및 기타 유형의 폐기물을 포함할 수 있다. 고정층 반응기는, 공급원료로서 바이오매스를 이용하는 경우, 반응기 부위로의 바이오매스의 공급에서의 한계 때문에, 소규모(예를 들어, 10 내지 30MW)로 작동한다. 또한, 고정층 반응기는, 거의 대기압 근처에서 작동하는데, 이는 바이오매스로부터 합성 가스를 발생시키는 능력을 한정한다.
본 발명의 실시양태는, 공급원료를 가압하고 고정층 반응기의 생산능을 증가시키기 위해 포지메트릭 펌프를 제공한다. 예를 들어, 포지메트릭 펌프는 고정층 반응기(예를 들어, 고정층 기화 장치)에 제공된 공급원료의 압력을 증가시켜, 반응기 용적에서의 압력 및 상기 용적부로부터의 합성 가스의 생산을 증가시킨다. 일부 실시양태에서, 가압된 공급원료는 포지메트릭 펌프로부터 고정층 반응기로 직접 계량공급될 수 있다. 다른 실시양태에서, 가압된 공급원료는, 포지메트릭 펌프와 고정층 반응기 사이에 제공된 공급기를 통해 고정층 반응기로 계량공급될 수 있다. 고정층 반응기내 성능의 제어는, 고정층 반응기에 제공된 가압된 공급원료의 함량을 제어함으로써 수행될 수도 있다. 특정 실시양태에서, 다중 포지메트릭 펌프는, 고정층 반응기에 다수의 공급원료를 동시에 제공함으로써 사용될 수 있다. 다른 실시양태에서, 단일 포지메트릭 펌프는 다중 공급원료의 혼합물을 제공하기 위해서 사용될 수 있다.
공급원료로서 사용되는 바이오매스는 고정층 반응기의 성능에 추가 변수를 도입한다. 예를 들어, 바이오매스는 습기 함량 측면에서 다양한다. 따라서, 다양한 실시양태가, 바이오매스의 습기 함량를 제어하기 위해서 제공될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시양태는 공급원료의 습기 함량을 제어하기 위해서 가열기 또는 열 교환기를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 기화 장치의 성능을 제어하기 위해서, 다중 공급원료의 운송, 가열기, 또는 열 교환기와 같은 시스템의 다양한 양태를 제어하도록 제어기가 제공될 수 있다.
도 1은 고정층 반응기(14)의 생산을 증가시키기 위하여, 고정층 반응기(14)(예를 들어, 고정층 기화장치)를 위한 연료 공급원료(12)를 가압하기 위한 시스템(10)의 실시양태의 개략도이다. 예시된 시스템(10)은, 공급원료(12), 수송기(16), 포지메트릭 펌프(18), 및 고정층 반응기(14)를 포함한다. 공급원료(12)는 바이오매스를 포함할 수 있다. 바이오매스는 살아있거나 최근까지 살아있던 유기물로부터 유래된 생물학적 물질이다. 예를 들어, 바이오매스 공급원료(12)는 나무부스러기, 왕겨, 옥수수대, 또는 기타 농업 폐기물을 포함할 수 있다. 또한, 바이오매스 공급원료(12)는 생활 폐기물 또는 산업 폐기물로부터의 생분해성 폐기물을 포함할 수 있다.
공급원료(12)는 수송기(16) 상에 배치되어 포지메트릭 펌프(18)로 이동된다. 포지메트릭 펌프(18) 이전에, 공급원료(12)는 예비처리를 위한 공급원료 준비 유닛(feedstock preparation unit)을 통과할 수 있다. 공급원료 준비 유닛은, 예를 들어 공급원료(12)를 쵸핑(chopping), 분쇄(milling), 채썰기(shredding), 미분화(pulverizing), 브리켓화(briquetting) 또는 펠렛화에 의해 공급원료(12)의 크기 또는 형태를 재정립할 수 있다. 포지메트릭 펌프(18)는 수용된 공급원료(12)를 가압하도록 배열된다. 특정 실시양태에서, 포지메트릭 펌프(18)는 또한 공급원료(12)를 계량공급한다. 따라서, "포지메트릭"이란, 펌프(18)에 의해 수송된 물질을 계량공급하고(예를 들어, 그의 양을 측정하고) 분명히 옮겨 놓을 수 있음(예를 들어, 모아서 옮기도록 함)으로서 정의될 수 있다. 공급원료(12)가 대기압 또는 낮은 압력에서 주입구의 개구부를 통해 공급됨에 따라서, 포지메트릭 펌프(18)는 로터 또는 스풀의 회전 방향으로 공급원료(12)에 접선력 또는 추진력을 부여한다. 공급원료(12)의 유동 방향은 주입구로부터 배출구로의 방향이다. 공급원료(12)가 포지메트릭 펌프(18)에서의 곡선형 경로를 통해 회전함에 따라, 공급원료(12)가 곡선형 경로에 걸쳐 연장된 배출구에 인접하게 배치된 접합부에 접한다. 공급원료(12)는 고압에서 배출구의 개구부를 통해 접합부에 의해 우회된다. 곡선형 경로내에서 공급원료(12)는 록-업(locked-up)되어, 록-업 영역을 형성하고, 일정한 속도로, 배출구로 배출물을 유동시킨다. 따라서, 포지메트릭 펌프(18)는, 공급원료(12)를 가압하면서, 저압의 영역으로부터 고압의 영역으로 예정된 용적의 물질을 옮기도록 고안된다. 예를 들어, 포지메트릭 펌프(18)는 바이오매스의 압력을 증가시키도록 배열된다. 추가로, 록-업 영역은 포지메트릭 펌프(18)을 통해 상류 방향의 반응기(14)로부터의 가스 유동을 차단할 수 있다.
가압된 공급원료(12)는 포지메트릭 펌프(18)로부터 고정층 반응기(14)로 직접 이동될 수 있다. 특정 실시양태에서, 전술하는 바와 같이, 가압된 공급원료는, 공급기를 통해 고정층 반응기(14)로 이동될 수 있다. 다른 실시양태에서, 가압된 공급원료(12)는 가스를 통해 고정층 반응기(14)로 공기압으로 수송될 수 있다. 고정층 반응기(14)는, 가압된 공급원료(12)로부터 에너지를 수용 및 유도하는 고정층 연소기, 고정층 기화 장치, 고정층 보일러, 또는 임의의 다른 유형의 고정층 구조물을 포함할 수 있다. 고정층 반응기(14)는, 보다 상세하게 전술한 바와 같이, 가압된 공급원료(14)(예를 들어, 바이오매스)와 하나 이상의 시약(예를 들어, 공기, 산소 또는 스팀)이 반응하도록 배열될 수 있다. 또한, 고정층 반응기(14)는, 하나 이상의 시약의 유동을 허용하면서, 공급원료(14)를 지지하도록 배열된 고정층을 포함한다. 개시된 실시양태에서, 포지메트릭 펌프(18)는, 대기압 또는 거의 대기압 조건하에서 작동하기 보다는, 고정층 반응기(14)의 작동 압력을 상승시키기 위해서 공급원료(12)를 가압하도록 배열된다. 예를 들어, 반응기(14)는 반응기(14)의 생산능의 실질적인 증가(예를 들어, 10배)를 제공하기 위해서 약 15psia(즉, 거의 대기압)보다는 약 150 psia에서 작동될 수 있다. 특정 실시양태에서, 가압된 시스템의 생산능은 비-가압된 공급원료(12) 및 반응기(14)보다 약 2 내지 5배, 2 내지 10배 또는 2 내지 20배까지 증가할 수 있다.
공급원료(12)를 가압하기 위한 시스템(10)의 실시양태는 공급원료(12)의 조건 뿐만 아니라 고정층 반응기(14)의 작동을 제어하기 위한 부가적인 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2는 고정층 반응기(14)을 위한 연료 공급원료(12)를 가압 및 가열하기 위한 시스템(10)의 실시양태의 개략도이다. 예시된 시스템(10)은 공급원료(12), 수송기(16), 포지메트릭 펌프(18), 공급기(22), 가열기(20) 및 고정층 반응기(14)를 포함한다. 시스템(10)은, 공급기(22)가 가압된 공급원료(12)를 고정층 반응기(12)로 이동시키는 것을 제외하면, 전술한 바와 동일하게 작동한다. 고정층 반응기(14)로 가압된 공급원료(12)를 계량공급하는 포지메트릭 펌프(18) 대신에, 공급기(22)는 공급원료(12)(예를 들어, 바이오매스)를 고정층 반응기(14)로 계량공급하도록 배열된다. 공급기(22)는 스크류 공급기, 회전식 공급기, 이들의 조합, 또는 포지메트릭 펌프(18)로부터 고정층 반응기(14)로 공급원료(12)를 계량공급할 수 있는 임의의 다른 유형의 공급기(22)를 함유할 수 있다. 전술한 바와 같은 포지메트릭 펌프(18)와 같이, 공급기(22)는 가압된 공급원료(12)를 고정층 반응기(14)에 제공하여 고정층 반응기(14)가 상승된 압력에서 작동하여 공급원료(12)로부터 에너지 생산을 증기시키도록 한다. 공급기(22)는 공급원료(12)를 공기압으로 수송하기 위해서 가스를 도입할 수도 있다. 스크류 공급기는, 공급원료(12)를 전방으로 이동시키기 위해서 진탕 블레이드를 갖는 회전식 나선형 스크류를 사용하여, 제어된 속도로 공급원료(12)를 정확하게 배출할 수 있다. 스크류 공급기는 용적측정용 또는 중량측정용일 수 있다. 회전식 공급기는 공급원료(12)를 전방으로 이동시키기 위해서 로터(rotor)에 부착된 날개를 갖는 로터 샤프트(rotor shaft)를 포함한다. 회전식 공급기는 용적 분포(volumetric distribution)를 허용하도록 진동화할 수 있다.
공급기(22) 이외에, 시스템은 공급원료(12)의 습기 함량을 제어하기 위해서 가열기(20)을 포함한다. 공급원료(12), 특히 바이오매스의 습기 함량은, 고정층 반응기(14)에서 연료로서 사용될 수 있는 공급원료(12)의 능력에 영향을 미친다. 각각의 유형의 바이오매스는 연료로서 성능을 결정하는 그 자체의 구체적인 특성, 예를 들어 습기 함량을 갖는다. 예를 들어, 바이오매스의 습기 함량이 높을수록, 바이오매스의 발열량은 낮아진다. 예시된 실시양태에서, 가열기(20)는 공급기(22)에 열을 적용하여 가압된 공급원료(12)의 습기 함량을 낮춘다. 특정 실시양태에서, 가열기(20)는 포지메트릭 펌프(18)의 상류에서 공급원료(12)에 열을 적용하여 습기 함량을 낮출 수 있다. 공급원료(12) 또는 가압된 공급원료(12)를 가열한 후 발생하는 수증기는, 공급원료(12)의 가스화 이전에 제거될 수 있다. 가열기(20)는 제어기(24)와 결합된다. 제어기(24)는 공급원료(12)의 습기 함량을 조절하기 위해서 가열기(20)의 열 출력을 조절하도록 배열된다. 제어기(24)는 가열기(20)에 의해 제공된 열 출력 양에 대한 사용자 입력(26)에 응답한다. 제어기(24)는 또한 공급원료(12)의 습기 함량과 관련된 시스템(10)으로부터의 피드백(28)에 응답한다. 예를 들어, 피드백(28)은 시스템(10) 전반, 예를 들어 수송기(16), 포지메트릭 펌프(18), 또는 고정층 반응기(14)에 위치한 변환기로부터 유발될 수 있다. 피드백(28)은 공급원료(12)의 습기 함량과 간접적으로 관련될 수도 있다. 예를 들어, 변환기는 고정층 반응기(14)에 위치하여, 공급원료(12)의 습기 함량의 간접적인 지표일 수 있는 공급원료(12)의 발열량 또는 반응기(14)의 성능에 대한 피드백(28)을 제공한다. 피드백(28)은, 공급원료(12) 또는 고정층 반응기(14)내 습기의 실제 측정치를 포함할 수 있다. 또한, 피드백(28)은 습기와 간접적으로 관련된 다른 인자, 예를 들어 온도, 압력 및 기타 인자를 포함할 수 있다. 공급원료(12)의 가압화와 유사하게, 공급원료(12)의 습기 함량의 제어는 또한 고정층 반응기(14)의 생산능을 증가시킨다.
다중 공급원료(12)는 고정층 반응기(14)의 성능 뿐만 아니라 공급원료(12)로부터 제조된 에너지의 함량을 제어하도록 이동될 수 있다. 도 3은 고정층 반응기(14)를 위한 다중 연료 공급원료(12)를 가압하기 위한 시스템(10)의 실시양태의 개략도이다. 예시된 시스템(10)은 제 1 공급원료(30), 제 1 수송기(32), 제 1 포지메트릭 펌프(34), 제 1 공급기(36) 및 고정층 반응기(14)를 포함한다. 시스템(10)은 또한 제 2 공급원료(38), 제 2 수송기(40), 제 2 포지메트릭 펌프(42), 및 제 2 공급기(44)를 포함한다. 공급원료(12), 수송기(16), 포지메트릭 펌프(18), 및 공급기(22)는 전술한 바와 같다. 제 1 포지메트릭 펌프(34)는 제 1 공급원료(30)의 압력을 증가시키고 제 1 공급기(36)를 통해 고정층 반응기(14)에 제 1 가압된 공급원료(30)를 제공하도록 배열된다. 제 2 포지메트릭 펌프(42)는 제 2 공급원료(38)의 압력을 증가시키고 제 2 공급기(44)를 통해 고정층 반응기(14)로 제 2 가압된 공급원료(38)를 제공하도록 배열된다. 특정 실시양태에서, 포지메트릭 펌프(18)는 가압된 공급원료(12)를 고정층 반응기(14)로 직접 계량공급하고 이동시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 예시된 실시양태가 병렬로 작동하는 포지메트릭 펌프(18)를 예시하지만, 포지메트릭 펌프(18)는 직렬로 작동할 수 있다.
전술한 바와 같이, 각각의 유형의 바이오매스는 그 자체의 특이적 특성을 갖는다. 공급원료(12)를 고정층 반응기(14)에 제공하기 위한 2개의 개별적인 경로를 제공함으로써, 공급원료(12) 뿐만 아니라 고정층 반응기(14)의 성능은 제어될 수 있다. 예를 들어, 제 1 공급원료(30)는 하나의 유형의 바이오매스를 포함할 수 있고, 제 2 공급원료(38)는 또다른 유형의 바이오매스를 포함할 수 있다. 각각의 유형의 바이오매스는 독특한 특성들(예를 들어, 습기 함량 또는 발열량)을 가질 수 있다. 시스템(10)은, 고정층 반응기(14)에 제공된 가압된 공급원료(12)의 전체 특성, 예를 들어 전체 습기 함량 또는 발열량에 영향을 미치도록, 고정층 반응기(14)에 제공된 제 2 가압된 공급원료(38)에 대한 제 1 가압된 공급원료(30)의 비를 제어할 수 있다. 제 1 및 제 2 공급원료(30 및 38)의 특성에 따라, 시스템(10)은 수송기(32 및 40), 포지메트릭 펌프(34 및 42), 및 공급기(36 및 44)를 유사하거나 상이하게 제어할 수 있다. 예를 들어, 제 1 포지메트릭 펌프(34)는 제 1 공급원료(30)의 제 1 압력을 제공하도록 배열되는 반면, 제 2 포지메트릭 펌프(42)는 제 2 공급원료(38)의 제 2 압력을 제공하도록 배열될 수 있다. 제 1 및 제 2 압력은 동일하거나, 서로에 대해 약 5 내지 100% 이상으로 변할 수 있다. 시스템(10)은 또한 각각의 공급원료에서의 변화를 고려하기 위해서 각각의 공급원료(30 및 38)의 펌핑 및 가압화의 독립적인 제어를 가능하게 한다. 추가로, 상이한 유형의 공급원료(12)를 제공하면, 고정층 반응기(14)에 의해 발생되는 임의의 생성물(예를 들어, 합성 가스)이 변한다. 또다시, 포지메트릭 펌프(18)는 공급원료(12)로부터의 에너지 생산을 증가시키기 위해서, 고정층 반응기(14)가 상승된 압력에서 작동하는 것이 가능하도록, 가압된 공급원료(12)를 고정층 반응기(14)에 제공한다.
특정 실시양태에서, 고정층 반응기(14)에 제공된 공급원료(12)의 함량을 제어 및 개질하도록 부가적인 기작이 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 4는 고정층 반응기(14)를 위한 다중 연료 공급원료(12)를 가압 및 가열하기 위한 시스템(10)의 또다른 실시양태의 개략도이다. 시스템(10)은 제 1 및 제 2 공급원료(30 및 38), 제 1 및 제 2 수송기(32 및 40), 공급원료 혼합기(46), 포지메트릭 펌프(18), 공급기(22), 및 고정층 반응기(14)를 포함한다. 제 1 및 제 2 수송기(32 및 40)는 제 1 및 제 2 공급원료(30 및 38)를 공급원료 혼합기(46)에 수송하도록 배열된다. 특정 실시양태에서, 제 1 및 제 2 수송기(32 및 40)는 제 1 및 제 2 공급원료(30 및 38)를 포지메트릭 펌프(18)에 직접 수송하도록 배열된다. 그러나, 예시된 실시양태는, 제 1 및 제 2 공급원료(30 및 38)의 보다 균일한 혼합물을 제공하는 혼합기(46)을 포함한다. 혼합기(46)는 수송기(32 및 40)로부터의 주입구를 갖는 하우징, 및 공급원료(30 및 38)를 서로 진탕, 교반 또는 일반적으로 블렌딩하는 혼합 메카니즘을 포함할 수 있다. 시스템(10)은 공급원료 혼합기(46) 및 후속적으로 포지메트릭 펌프(18)에 공급된 제 2 공급원료(38)에 비해 제 1 공급원료(30)의 비를 변화시키는 제어기(24)를 포함한다. 제어기(24)는 제 1 및 제 2 수송기(32 및 40)에 의한 제 1 및 제 2 공급원료(30 및 38)의 수송 속도를 변화시킴으로써, 상기 비를 변화시킬 수 있다. 상기 비는 제 1 및 제 2 공급원료(30 및 38)의 혼합물의 발열량 및 습기 함량을 결정한다. 특정 실시양태에서, 제 2 공급원료(38)에 대한 제 1 공급원료(30)의 비는 수동적으로 제어 및/또는 변화될 수 있다. 가압하기 위해 공급원료 혼합물을 포지메트릭 펌프(18)로 이동된다. 그다음, 가압된 공급원료 혼합물은 공급기(22)에 제공된다. 공급기(22)는 가압된 공급원료(12)를 고정층 반응기(14)에 공급하여 공급원료(12)로부터의 에너지 생산을 증가시키기 위해 상승된 압력에서 고정층 반응기(14)가 작동되도록 한다.
시스템(10)은 또한 공급원료(12)의 습기 함량을 제어하기 위하여 열 교환기(48)를 포함한다. 열 교환기(48)는 공급원료(12)의 습기 함량를 감소시키기 위해서, 공급원료 혼합기(46), 포지메트릭 펌프(18), 공급기(22) 또는 이들의 임의의 조합으로 열을 이동시킬 수 있다. 공급원료(12) 또는 가압된 공급원료(12)를 가열한 후 발생되는 수증기는, 공급원료(12)의 가스화 이전에 제거될 수 있다. 열은 반응기(14) 및/또는 외부 열 공급원(50)을 통해 열 교환기(48)에 제공된다. 열 교환기(48)는 제어기(24)와 연결되어 있다. 열 공급원(50)은 스팀, 연소 폐기물(예를 들어, 가스 터빈, 보일러 또는 로로부터의 연소 폐기물), 가열된 공정수 또는 폐열을 포함한다. 예를 들어, 폐열은 다양한 플랜트 요소, 예를 들어 가스 처리 유닛, 압축기, 엔진 또는 가스화 복합발전 시스템(integrated gasification combined cycle(IGCC) system)으로부터 수득될 수 있다. 열 교환기(48)는 반응기(14) 및/또는 외부 열 공급원(50)로부터의 열을 직접 공급원료 혼합기(46), 펌프(18) 또는 공급기(22)로 교환하거나, 열 이동 매질을 사용하여 간접적으로 교환할 수 있다. 예를 들어, 열 교환기(48)는 혼합기(46), 펌프(18) 또는 공급기(22)의 하우징으로 열을 이동시키거나, 열 교환기(48)는 내부를 통해 가열된 가스를 유동할 수 있다.
제어기(24)는 공급원료(12)의 습기 함량을 조절하기 위해서 열 교환기(48)의 열 출력을 조정하도록 배열된다. 제어기(24)는 열 교환기(48)에 의해 적용된 열 출력량에 대한 사용자 입력(26)에 대해 응답한다. 예를 들어, 피드백(28)은 시스템(10) 전반, 예를 들어 혼합기(46), 포지메트릭 펌프(18), 공급기(22) 또는 고정층 반응기(14)에 위치한 변환기로부터 유발될 수 있다. 예를 들어, 피드백(28)은 공급원료(12)의 습기 함량의 간접적인 지표일 수 있는 공급원료(12)의 발열량 또는 반응기(14)의 성능과 관련될 수 있다. 또한, 피드백(28)은 습기와 간접적으로 관련된 기타 인자, 예를 들어 온도, 압력 및 기타 인자의 측정을 포함할 수 있다. 피드백(28)은 공급원료(12) 또는 고정층 반응기(14)의 혼합물내 습기의 실제 측정을 포함할 수 있다. 사용자 입력(26) 및 피드백(28)은, 제어기(24)가 공급원료(12)의 혼합물의 발열량 뿐만 아니라 습기 함량을 조절하는 것을 가능하게 한다. 제어기(24)는 시스템의 다양한 위치에서 열 출력을 바꿀 수 있다. 추가로, 제어기(24)는 전술한 바와 같이 제 1 및 제 2 공급원료(38)의 비가 조절되도록 한다. 전술한 바와 같이, 상기 비는 특정 실시양태에서 수동으로 조절될 수 있다. 공급원료(12)의 혼합물의 습기 함량 및 발열량을 조절하면, 고정층 반응기(14)에 의해 발생된 에너지의 함량 및 양을 바뀐다. 전술한 바와 같이, 가압된 공급원료(12)를 제공하면, 고정층 반응기(14)의 작동 압력을 증가시켜, 반응기(14)의 생산을 증가시킨다.
도 5 내지 7은 고정층 반응기(14)에서 제조된 가압된 공급원료(12)의 생성물의 다양한 적용례의 실시양태를 기술한다. 예를 들어, 도 5는 고정층 기화 장치(52)를 위한 연료 공급원료(12)를 가압하고 화학물질 및 전력 생산에서 가스화 생성물을 사용하기 위한 시스템(10)의 실시양태의 개략도이다. 시스템(10)은 공급원료(12)(예를 들어, 바이오매스), 수송기(16), 포지메트릭 펌프(18), 고정층 기화 장치(52) 및 가스 처리 시스템(54)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 포지메트릭 펌프(18)는 공급원료(12)의 압력을 계량 및 증가시켜, 가압된 공급원료(12)를 고정층 기화 장치(12)에 제공하도록 배열된다.
고정층 기화 장치(52)는 가압된 공급원료(12)를 기화하도록 배열된다. 고정층 기화 장치(52)는 공급원료(12)를 합성 가스, 예를 들어 일산화탄소 및 수소의 조합물로 전환시킬 수 있다. 이러한 전환은, 상승된 압력 및 온도하에서 가압된 공급원료(12)를 제어된 양의 하나 이상의 시약(55)(예를 들어, 가스화제(55)), 예를 들어 스팀(56) 및/또는 산화제(58)(공기, 농축 공기, 정제된 산소)에 적용함으로써 달성될 수 있다.
가스화 공정은, 가압된 공급원료(12)가 열분해 공정을 겪게 하여, 가압된 공급원료(12)를 가열함을 포함할 수 있다. 고정층 기화 장치(52) 내부의 온도는 공급원료(12)의 유형에 따라 열분해 공정 동안 변할 수 있다. 열분해 공정 동안의 가압된 공급원료(12)의 가열은 고형물(예를 들어, 숯(60)) 및 잔류 가스(예를 들어, 일산화탄소, 수소 및 질소)를 발생시킬 수 있다. 열분해 공정으로부터의 공급원료(12)로부터 잔류하는 숯(60)은 원 공급원료(12)의 중량의 약 30% 이하일 수 있다. 타르(60)는 사용될 포지메트릭 펌프(18)의 상류에서 공급원료(12)에 첨가될 수 있다.
부분적 산화 공정은 고정층 기화 장치(52)에서 발생할 수 있다. 연소는 산화제(58)(예를 들어, 공기, 농축 공기 또는 산소)가 숯(60) 및 잔류 가스에 도입됨을 포함할 수 있다. 숯(60) 및 잔류 가스는 산화제(58)내 산소와 반응하여 이산화탄소 및 일산화탄소를 형성하고, 이는 가스화 반응을 위한 열을 제공한다. 스팀(56)은 가스화 동안 고정층 기화 장치(52)에 도입될 수 있다. 숯(60)은 이산화탄소 및 스팀(56)과 반응하여 일산화탄소 및 수소를 생성할 수 있다. 본질적으로, 기화 장치는 산화제(58)로부터의 산소 및 스팀을 사용하여 가압된 공급원료의 일부를 "연소"시켜 일산화탄소를 생성하고 에너지를 방출하며, 이는 공급원료(12)를 수소 및 부가적인 이산화탄소로 전환시키는 제 2 반응을 유도한다.
이러한 방식으로, 생성된 가스는, 고정층 기화 장치(52)에 의해 제조된다. 이러한 생성된 가스는 (공급원료(12)의 황, 염소, 불소 및 질소 함량에 기초하여) 동일 비율로 일산화탄소 및 수소 약 50% 뿐만 아니라 CO2, CH4, HCl, HF, COS, NH3, HCN, 및 H2S를 포함할 수 있다. 생성된 가스내의 구성성분의 총 비율 및 유형은 공급원료(12)의 유형에 의해 결정된다. 이 생성된 가스는, 예를 들어 H2S를 함유하기 때문에, "미처리된", "조질의", 또는 "사우어(sour)" 합성 가스로 지칭될 수 있다. 고정층 기화 장치(52)는 또한 습윤 재 물질일 수 있는 폐기물을 발생시킬 수 있다. 이러한 재는 고정층 기화 장치(52)로부터 제거되어 예를 들어 지반(road base) 또는 또다른 건물 재료로서 처리될 수 있다. 일부 실시양태에서, 고정층 기화 장치(52)는 제거될 수 있는 건조 재 물질도 발생시킬 수 있다. 가스 처리 시스템(54)은 원료 합성 가스를 세정하기 위해서 사용될 수 있다. 가스 처리 시스템(54)은 원료 합성 가스를 스크러빙하여 원료 합성 가스로부터 HCl, HF, COS, HCN, 및 H2S를 제거할 수 있고, 예를 들어 황 가공기(processor)에서의 산 가스 제거 공정에 의한 황 가공기내 황 분리를 포함할 수 있다. 추가로, 가스 처리 시스템(54)은 원료 합성 가스로부터 유용한 염을 발생시키는 정수 기법을 사용할 수 있는 수처리 유닛에 의해 원료 합성 가스로부터 염을 분리할 수 있다. 그다음, 가스 처리 시스템(54)으로부터의 가스는, 미량의 다른 화학물질, 예를 들어 NH3(암모니아) 및 CH4(메탄)과 함께, 처리되고/처리되거나, 감미화되고/감미화되거나, 정제된 합성가스를 포함할 수 있다(예를 들어, 황은 합성 가스로부터 제거된다.).
일부 실시양태에서, 가스 처리 시스템(54)은 가스 가공기를 포함하여 처리된 합성 가스, 예를 들어 암모니아 및 메탄으로부터의 잔류 가스 성분 뿐만 아니라 메탄올 또는 임의의 잔류 화학물질을 제거할 수 있다. 그러나, 처리된 합성 가스가, 테일 가스(tail gas)를 함유하는 경우 조차 연료로서 사용될 수 있기 때문에, 처리된 합성 가스로부터의 잔류 가스의 제거는 선택적이다. 이러한 점에서, 처리된 합성 가스는 약 25%의 CO, 약 25%의 H2, 약 40%의 N2, 및 약 10%의 CO2를 함유할 수 있고, 실질적으로 H2S는 제거될 수 있다. 이러한 방식으로, 가스 처리 시스템(54) 및/또는 처리된 합성 가스는 화학물질 제조(62)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 가스 처리 시스템(54) 및/또는 처리된 합성가스는 메탄올, 수소 또는 다른 화학물질을 제조하는데 사용될 수 있다. 처리된 합성 가스는 또한 전력 생산(64)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 합성 가스는 열, 동력 및 전력을 발생시키는데 사용될 수 있다. 특히, 가스 터빈은 합성 가스를 사용하여 전기 발전기를 구동시킬 수 있다.
전술한 실시양태에서, 포지메트릭 펌프(18)는 고정층 기화 장치(52)에 가압된 바이오매스를 제공하여 바이오매스의 압력을 증가시키도록 배열되고, 고정층 기화 장치(52)는 가압된 바이오매스를 가스화하도록 배열될 수 있다. 포지메트릭 펌프(18)는 바이오매스를 가압하고, 후속적으로 고정층 기화 장치(52)의 작동 압력을 증가시켜, 동일한 반응기 체적의 바이오매스로부터 발생되는 합성 가스의 양을 증가시키고, 이로써 고정층 기화 장치(52)의 용량을 증가시킨다. 특정한 실시양태에서, 가압된 바이오매스를 수용하는 고정층 기화 장치(52)의 작동 압력은, 약 30 psia 내지 210 psia일 수 있다. 예를 들어, 가압된 바이오매스를 수용하는 고정층 기화 장치(52)의 작동 압력은 약 30, 40, 50, 70, 90, 110, 130, 150, 170, 190, 또는 210 psia, 또는 이들 사이의 임의의 압력일 수 있다. 따라서, 고정층 기화 장치(52)는 거의 대기압 조건하에서 작동하지 않는다.
도 6은 가스화 생성물의 사용을 위한 추가 실시양태를 예시한다. 도 6은, 전력을 발생시키기 위한 연소 엔진(66)(예를 들어, 가스 터빈 엔진)에서 가스화 생성물을 사용하는 고정층 기화 장치(52)를 위한 혼합된 연료 공급원료(12)를 가압하기 위한 시스템(10)의 실시양태의 개략도이다. 상기 시스템은(10)은 제 1 및 제 2 공급원료(30 및 38), 제 1 및 제 2 수송기(32 및 40), 공급원료 혼합기(46), 포지메트릭 펌프(18), 공급기(22), 고정층 기화 장치(52) 및 가스 처리 시스템(54)을 포함한다. 수송기는 공급원료(12)를 혼합기(46)로 수송한다. 혼합기(46)는 공급원료의 혼합물을 포지메트릭 펌프(18)로 이동시키고, 여기서, 상기 포지메트릭 펌프(18)는 공급원료(12)를 가압한다. 특정 실시양태에서, 포지메트릭 펌프(18)는 혼합물을 공급기(22)로 계량공급하도록 배열될 수 있고, 상기 공급기(22)는 상기 혼합물을 고정층 기화 장치(52)로 이동시킨다. 일부 실시양태에서, 공급기(22)는 가압된 공급원료(12)를 포지메트릭 펌프(18)로부터 고정층 기화 장치(52)로 계량공급하도록 배열될 수 있다. 또다시, 포지메트릭 펌프(18)는, 가압된 공급원료(12)를 제공함으로써 고정층 기화 장치(52)의 압력을 상승시켜, 이로써 고정층 기화 장치(52)의 생산능을 증가시킬 수 있다.
시스템(10)은, 전술한 바와 같이 제 1 공급원료(30) 대 제 2 공급원료(38)의 비를 조절하기 위해서 제어기(24)를 포함한다. 시스템(10)은 또한 고정층 기화 장치(52)의 상류에서 가압된 공급원료(12)의 습기 함량을 제어하기 위해서 가열기(20)를 포함한다. 추가의 예로서, 가열기(20)는 열을 공급기(22)로 이동시켜, 가열기(20)가 고정층 기화 장치(52)의 상류에서 공급원료(12)의 습기 함량을 제어할 수 있다. 예를 들어, 가열기(20)는 열을 혼합기(46)로 이동시킬 수 있다. 가열기(20)는 또한 제어기(24)와 연결된다. 제어기(24)는 공급원료(12)의 습기 함량을 조절하기 위해서 가열기(20)의 열 출력을 조절하도록 배열된다. 제어기(24)는 공급원료 혼합물의 발열량 및 습기 함량을 조절하기 위해서, 전술한 바와 같이, 사용자 입력(28) 및 피드백(28)에 응답한다. 예를 들어, 변환기는 고정층 기화 장치(52), 가스 처리 시스템(54) 및/또는 연소 엔진(66) 내에 위치하여, 전술한 바와 같이 습기 함량과 직접적 또는 간접적으로 관련되는 정보를 제공할 수 있다. 추가로, 변환기는 연료 공급원으로서 공급원료(12)의 성능과 관련된 정보를 제공할 수 있다.
고정층 기화 장치(52)는 전술한 바와 같이, 상승된 압력 및 온도에서 스팀 또는 산화제와 같은 제어된 양의 하나 이상의 가스화 시약에 가압된 공급원료(12)를 적용하여 가압된 공급원료(12)를 가스화하도록 배열된다. 가스화 이후에, 원료 합성 가스는, 가스 처리 시스템(54)으로 처리되어 처리된 합성 가스를 제조한다. 그다음, 처리된 합성 가스는 연소 엔진(66)에 의해 사용되어 전기 발전기(68)를 구동시켜 발전할 수 있다. 예를 들어, 엔진(66) 및 발전기(68)는 발전소, 예를 들어 가스화 복합발전(IGCC) 발전소내에 배치될 수 있다. 특정 실시양태에서, 연소 엔진(66)은 내연소 엔진, 또는 압축 점화 기관, 또는 가스 터빈 엔진을 포함할 수 있다. 따라서, 연소 엔진(66)은 왕복 엔진 또는 회전식 엔진일 수 있다.
가압된 공급원료(12)는 고정층 기화 장치(52) 이외에 다양한 고정층 반응기(14)에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 7은 전력을 발전시키기 위해 스팀 터빈(72)을 구동하는 스팀을 발생시키는, 고정층 보일러(70)을 위한 연료 공급원료(12)를 가압하기 위한 시스템(10)의 실시양태의 개략도이다. 상기 시스템(10)은, 공급원료(12), 수송기(16), 포지메트릭 펌프(18), 공급기(22), 및 고정층 보일러(70)를 포함한다. 공급원료(12), 수송기(16), 포지메트릭 펌프(18), 및 공급기(22)는 전술한 바와 같다. 예시된 실시양태에서, 가압된 공급원료(12)(예를 들어, 바이오매스)는 고정층 보일러(70)로 계량공급된다. 가압된 공급원료(12)는 고정층 보일러(70)의 작동 압력을 상승시킨다. 가압된 공급원료(12)는 연료로서 사용되고 하나 이상의 시약(예를 들어, 공기, 농축 공기 또는 정제된 산소)와 반응한다. 고온 가압된 배기가스(74)는 가압된 공급원료(12)의 연소시 발생된다. 배기물(74)로부터의 열은 스팀(76)을 발생시킨다. 스팀(76)은 전력을 생산하는 전기 발전기(68)에 연결된 스팀 터빈(72)을 구동하기 위해서 사용될 수 있다.
가압된 공급원료(12)와 함께 사용되는 고정층 반응기(14)는 디자인 측면에서 다양할 수 있다. 도 8 및 9는 고정층 반응기(14)의 실시양태를 예시한다. 예를 들어, 도 8은 병류 고정층 반응기(78)의 실시양태의 단면도이다. 일부 실시양태에서, 병류 고정층 반응기(78)는 병류 고정층 기화 장치(78)일 수 있다. 고정층 반응기(78)는 인클로저(80), 공급원료 주입구(82), 시약 주입구(84), 배출구(86), 재 배출구(88) 및 고정층(90)을 포함한다. 인클로저(80)는 상부 돔(81)을 갖는 중공 고리형 형태(예를 들어 원통형 벽)를 가질 수 있다. 공급원료 주입구(82)는 인클로저(80)의 상부 돔(81)에서 또는 이 근처에서 가압된 공급원료(12)를 수용하도록 배열된다. 하나 이상의 시약 주입구(84)는 하나 이상의 시약(55)(예를 들어, 가스화제(55))을 수용하도록 배열된다. 예를 들어, 하나 이상의 시약 주입구(84)는 스팀(56)을 위한 스팀 주입구(92)를 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 시약 주입구(84)는 산화제(58)(예를 들어, 공기, 농축 공기, 또는 산소)를 위한 산화제 주입구(94)를 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 상기 시약 주입구(84)는 인클로저(80)의 상부 돔(81)에 위치한다. 다른 실시양태에서, 시약 주입구(84)는 고정층(90) 위의 인클로저(80)의 측면에 위치될 수 있다.
고정층(90)은, 가압된 공급원료(12)를 통해 아래 방향으로 하나 이상의 시약 또는 가스화제(55)(예를 들어, 스팀(56), 공기 또는 산소)를 유동하는 것을 허용하면서, 가압된 공급원료(12)를 지지하도록 배열된다. 고정층(90)은 개구(98)를 갖는 그라트(96)를 포함할 수 있다. 가압된 공급원료(12)의 가스화는 전술한 바와 같이 수행된다. 가스화 개시 직후에, 스팀(56) 및/또는 산화제(58)가 가압된 공급원료(12)를 통해 유동하여 고정층(90) 상에 잔류한다. 재(100)는 가스화 반응으로부터 발생된다. 재(100)는 그라트(96)의 개구부(98)를 통해 재 배출구(88)에 도달한다. 재 배출구(88)는 재(100)를 배출하도록 배열된다. 재 배출구(86)는 재(100)가 그라트(102)내 개구부(104)를 통해 떨어지도록 하는 개구부(104)를 포함하는 또다른 그라트(96)를 포함할 수 있다. 배출구(86)는 합성 가스 배출구(86)일 수 있다. 합성 가스 배출구(86)는 합성 가스(106)를 배출하도록 배열된다. 가압된 공급원료(12)를 가스화한 후, 합성 가스(106)는 그라트(98)의 개구부를 통해 유동하여 합성 가스 배출구(86)를 통해 배출된다. 따라서, 병류 고정층 기화 장치(78)에서, 가압된 공급원료(12) 및 합성 가스(106)는 일반적으로 동일한 방향(예를 들어, 이 경우에는 아래 방향)으로 유동한다.
다르게는, 도 9는 역류 고정층 반응기(108)의 실시양태의 단면도이다. 일부 실시양태에서, 역류 고정층 반응기(108)는 역류 고정층 기화 장치(108)일 수 있다. 고정층 반응기(108)는 인클로저(80), 공급원료 주입구(82), 시약 주입구(84), 배출구(86), 재 배출구(88) 및 고정층(90)을 포함한다. 인클로저(80)는 상부 돔(81)을 갖는 중공 나선형 형태(예를 들어, 원통형 벽)을 가질 수 있다. 공급원료 주입구(82)는 인클로저(80)의 상부 돔(81)에서 또는 이 근처에서 가압된 공급원료(12)를 수용하도록 배열된다. 하나 이상의 시약 주입구(84)는 하나 이상의 시약(55)(예를 들어, 가스화제(55))를 수용하도록 배열된다. 예를 들어, 하나 이상의 시약 주입구(84)는 스팀(56)을 위한 스팀 주입구(92)를 포함할 수 있다. 또한, 하나 이상의 시약 주입구(84)는 산화제(58)(공기, 농축 공기 또는 산소)를 위한 산화제 주입구(94)를 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 시약 주입구(84)는 인클로저(80)의 바닥에 위치한다.
고정층(90)은, 하나 이상의 시약 또는 가스화제(55)(예를 들어, 스팀(56), 공기, 또는 산소)를 가압된 공급원료(12)를 통해 위방향으로 유동하도록 하면서, 가압된 공급원료(12)를 지지하도록 배열된다. 고정층(90)은 개구부(112)를 갖는 계단형 구조물(110)을 포함할 수 있다. 가압된 공급원료(12)의 가스화는 전술한 바와 같이 수행된다. 가스화 개시 직후, 스팀(56) 또는 산화제(58)는 가압된 공급원료(12)를 통해 윗방향으로 유동하여 고정층(90) 상에 놓인다. 재(100)는 가스화 반응으로부터 발생한다. 재(100)는 계단형 구조물(110) 밑으로 배출구(86)까지 표류한다. 재 배출구(88)는 재(100)를 배출하도록 배열된다. 배출구(86)는 합성 가스(106)를 배출하도록 배열된 합성 가스 배출구(86)이다. 예시된 바와 같이, 합성 가스 배출구(86)는 고정층(90) 위로 인클로저(80)의 측부에 위치한다. 특정 실시양태에서, 합성 가스 배출구(86)는 인클로저(80)의 상부 돔(81)에 또는 이 근처에 위치할 수 있다. 가압된 공급원료(12)의 가스화 이후에, 합성 가스(106)는 일반적으로 위방향으로 유동하여 합성 가스 배출구(86)을 통해 배출된다. 따라서, 역류 고정층 기화 장치(108)에서, 가압된 공급원료(12) 및 합성 가스(106)는 일반적으로 반대 방향으로 유동한다(예를 들어, 공급원료(12)는 아랫방향으로 유동하고, 시약(55) 및 합성 가스(106)는 위방향으로 유동한다.). 고정층 반응기(78 및 108)의 실시양태 둘다에서, 포지메트릭 펌프로부터의 가압된 공급원료(12)는 고정층 반응기(78 및 108)의 압력을 상승시켜, 대기압 부근의 조건에서 작동하기는 경우보다 고정층 반응기(78 및 108)의 생산능을 증가시킨다.
개시된 실시양태의 기술적 효과는, 고정층 반응기(14)로 가압된 공급원료(12)(예를 들어, 바이오매스)를 가압 및 계량공급하는 포지메트릭 펌프(18)를 제공함으로써, 반응기(14)내 압력을 상승시켜, 일반적으로 작은 규모의 고정층 반응기(14)의 생산능을 증가시킨다. 가열기(20) 또는 열 교환기(48)는 연료로서 공급원료(12)의 성능을 개선시키기 위해서 공급원료(12)의 습기 함량을 제어하는 것을 추가로 가능하게 한다. 다중 공급원료(12)는, 제어될 공급원료(14)의 혼합물의 발열량 및 습기 함량을 조절하도록 하는 제어된 방식으로, 다중 수송기(16), 다중 포지메트릭 펌프(18) 및/또는 혼합기(46)와 같은 고정층 반응기(14)로 이동될 수 있다. 추가로, 제어기(24)는 피드백(28)을 수용하고 공급원료(12)의 가열 및/또는 혼합을 제어하기 위해서 사용될 수 있다. 전체적으로, 이러한 특징부는 고정층 반응기(14)의 생산능을 개선시킨다.
이상과 같이 기재된 명세서는 양호한 방식을 비롯한 본 발명을 개시하고 추가로 당업계의 숙련자가 본 발명을 수행하도록 하기 위해서(예를 들어, 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 관련 방법의 수행을 가능하게 하기 위해서) 사용된다. 본 발명의 특허가능한 범주는 특허청구범위에 의해 정의되고, 당업계의 숙련자들이 고려할 수 있는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는, 이들이 특허청구범위의 문헌적 언어와는 상이한 구조 요소를 갖거나, 특허청구범위의 문헌적 언어와는 실질적으로 상이하지 않는 동등한 구조적 요소를 갖는 경우 특허청구범위의 범주에 포함시키고자 한다.

Claims (10)

  1. 가압된 공급원료(12)를 제공하기 위해 공급원료(12)의 압력을 증가시키도록 배열된 포지메트릭(posimetric) 펌프(18)로서, 주입구; 배출구; 상기 주입구와 배출구 사이에 배치된 곡선형 통로; 상기 주입구에 인접하게 배치된, 대기압 또는 저압 상태의 제 1 영역; 및 상기 배출구에 인접하여 배치된, 상기 제 1 영역에 비해 더 높은 압력 상태의 제 2 영역을 포함하고, 이때 상기 공급원료는 상기 곡선형 통로를 따라 상기 제 1 영역으로부터 상기 제 2 영역으로 이동될 때 가압되는, 포지메트릭 펌프(18);
    가압된 공급원료(12)를 가스화하도록 배열된 고정층 기화 장치(fixed bed gasifier)(52)로서, 인클로저(enclosure)(80); 가압된 공급원료(12)를 수용하도록 배열된 공급원료 주입구(82); 하나 이상의 가스화제(55)를 수용하도록 배열된 하나 이상의 시약 주입구(84); 합성 가스(106)를 배출하도록 배열된 합성 가스 배출구(86); 재(100)를 배출하도록 배열된 재 배출구(88); 및 가압된 공급원료(12)를 통한 하나 이상의 가스화제(55)의 유동을 허용하면서 가압된 공급원료(12)를 지지하도록 배열된 고정층(90)을 포함하는 고정층 기화 장치(52);
    상기 공급원료(12)로서의 제 1 공급원료(30) 및 제 2 공급원료(38)를 상기 포지메트릭 펌프(18)에 수송하도록 구성된 제 1 공급원료 수송기(32) 및 제 2 공급원료 수송기(40);
    상기 포지메트릭 펌프(18) 또는 상기 고정층 기화 장치(52)에 배치된 하나 이상의 변환기; 및
    상기 하나 이상의 변환기로부터 수신된 피드백(feedback)에 기초하여 상기 포지메트릭 펌프(18) 내의 혼합 공급원료의 습기 함량 또는 발열량을 조정하기 위해 상기 포지메트릭 펌프(18) 내로의 상기 제 2 공급원료(38)에 대한 상기 제 1 공급 원료(30)의 비율을 변화시키도록 프로그래밍된 제어기(24)로서, 상기 피드백이 혼합 공급원료의 발열량, 온도, 압력, 고정층 기화 장치(52)의 성능 지표, 또는 고정층 기화 장치(52) 내 혼합 공급원료의 습기 함량의 측정치를 포함하는, 제어기(24)
    를 포함하는 시스템(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    포지메트릭 펌프(18)가, 가압된 바이오매스를 제공하기 위하여 바이오매스의 압력을 증가시키도록 배열되고,
    고정층 기화 장치(52)가, 가압된 바이오매스를 가스화하도록 배열된, 시스템(10).
  3. 제 1 항에 있어서,
    포지메트릭 펌프(18)가, 가압된 공급원료(12)를 고정층 기화 장치(52)로 계량공급하도록 배열된, 시스템(10).
  4. 제 1 항에 있어서,
    포지메트릭 펌프(18)로부터의 가압된 공급원료(12)를 고정층 기화 장치(52)로 계량공급하도록 배열된 공급기(22)를 포함하는 시스템(10).
  5. 제 1 항에 있어서,
    고정층 기화 장치(52)의 상류에서 공급원료(12) 또는 가압된 공급원료(12)를 가열하도록 배열된 가열기(20)를 포함하는 시스템(10).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어기(24)가 상기 가열기(20)에 연결되고,
    상기 제어기(24)가, 상기 하나 이상의 변환기로부터 수신된 피드백에 기초하여 공급원료(12) 또는 가압된 공급원료(12)의 습기 함량을 조절하기 위해서, 가열기(20)의 열 출력을 조절하도록 배열된, 시스템(10).
  7. 제 1 항에 있어서,
    포지메트릭 펌프(18)가, 고정층 기화 장치(52)에 제 1 가압된 공급원료(30)를 제공하기 위해서, 제 1 공급원료(30)의 압력을 증가시키도록 배열된 제 1 포지메트릭 펌프(34)이고,
    시스템(10)이, 고정층 기화 장치(52)에 제 2 가압된 공급원료(38)를 제공하기 위해서, 제 2 공급원료(38)의 압력을 증가시키도록 배열된 제 2 포지메트릭 펌프(42)를 포함하는, 시스템(10).
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 시약 주입구(84)가 산화제 주입구(94)를 포함하는, 시스템(10).
  10. 제 9 항에 있어서,
    하나 이상의 시약 주입구(84)가 스팀 주입구(92)를 포함하는, 시스템(10).
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