KR101993734B1 - 나선형 가스화로를 포함한 이중 유동층 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나선형 날개를 포함한 이중 유동층 반응기에 대한 것으로, 본 발명에 따른 나선형 날개를 포함한 이중 유동층 반응기는 연료 투입부를 통해 내부로 가연성 폐기물, 바이오매스의 연료가 투입되고 내부에서 유동매체가 유동하며 하부 공간에 스팀이 유입되어 기포유동층이 형성되고, 상기 연료가 가스화되어 내부에서 생성가스가 만들어지는 기포유동층 가스화로와, 상기 기포유동층 위쪽의 상기 기포유동층 가스화로 내부에 설치되어 유체가 선회류로 이동하게 하는 나선형 고정 날개 및 상기 기포유동층 가스화로로부터 상기 유동매체 및 상기 생성가스에 포함된 차르(char)를 이송받으며 공기를 공급받아 상기 차르(char)가 연소됨으로써 상기 유동매체의 온도를 상승시키고 고온화된 상기 유동매체를 상기 기포유동층 가스화로로 내보내는 고속유동층 연소로를 포함한다.

Description

나선형 가스화로를 포함한 이중 유동층 반응기 {DUAL FLUIDIZED BED REACTOR INCLUDING HELICAL GASFIER}

본 발명은 나선형 가스화로를 포함한 이중 유동층 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생성가스 중 타르와 유동매체 간 접촉효율을 향상시켜 양질의 생성가스를 생성하고, 열전달이 우수하고 열손실이 최소화된 나선형 가스화로를 포함한 이중 유동층 반응기에 관한 것이다.

온실가스는 지구 표면에 대기의 층을 형성하고 있으며, 태양에서 쏟아지는 방사 에너지의 대부분을 통과시키는 한편, 지표면에서 발생하는 적외선 복사열을 흡수하여 지표의 온도를 상승시키며, 인류의 활동 등에 의해 대기 중의 온실가스가 증가하면 지구에서 열 방출이 적어져 기온이 상승하고 지구 온난화가 진행된다.

온실 가스는 인류의 활동 대부분의 영역에서 발생하고 있으나, 그중 에너지 부문이 가장 큰 비율을 차지하고 있다. 18세기 산업 혁명 이후 화석연료를 대량으로 소비하고 있기 때문에 대기 중 이산화탄소가 급격히 증가하고 있다.

화석연료의 사용으로 온실가스가 축적되어 기후 변화의 위협이 전 지구적인 문제로 확산되면서 온실가스 배출에 대해 규제가 점점 강화되고 있으며, 세계 여러 나라가 화석연료를 대체할 에너지 기술 개발에 많은 자금과 인력을 투자하고 있다. 대체 에너지에는 다양한 종류가 있으며 그 중 바이오매스의 경우, 이산화탄소가 바이오매스를 거쳐 탄소 형태로 전환되기 때문에 이산화탄소 배출량을 줄이는 대안적인 에너지가 될 수 있으며, 화석연료를 대신하여 바이오매스를 대체에너지로 사용함으로써 환경, 경제 및 사회적 측면에서 상생하며 지속 가능한 글로벌 경제구조를 창출할 수 있다.

바이오매스 가스화는 C, H, O로 구성된 고체인 바이오매스를 H2, CO, CH4 등으로 구성된 가스로 생산하는 기술이며, 생산된 가스는 가스엔진, 복합발전 등을 사용하여 전기에너지를 생산하거나 수소가스, 합성천연가스 또는 바이오디젤을 생산하기 위한 원료물질이 된다. 가스화 공정이 연소방식과 다르게 환원성 분위기에서 전체적인 반응이 이루어지므로, 오염물질 배출이 적어 대기오염 등을 예방할 수 있으며, 에너지 효율의 증대에도 기여하므로 차세대 청정이용 기술로 각광을 받고 있다.

가스화는 건조, 탈휘발화, 가스화 과정으로 분류되는데, 120℃까지 가열하면 건조되고, 350℃까지 가열하면, 탈휘발화(devolatilization) 현상이 일어나 휘발분이 날아간다. 350℃ 이상에서는 차르(char)의 가스화 반응이 일어난다.

생성되는 타르(tar)는 열분해과정에서 생성되는 휘발분 중 일부가 분자량이 크고 반응성이 낮은 탄화수소류를 형성한 것으로서, 타르는 낮은 온도에서 쉽게 응축되는 특성 때문에 가스화로 후단의 배관을 막히게 하여 공정의 효율을 떨어뜨리고, 가스엔진이나 가스터빈에 들어가서 파울링(fouling) 및 블로킹(blocking) 현상을 일으켜서 장치가 고장나게 하는 등 전체 공정효율을 떨어뜨리며 운전비용을 증가시키므로, 타르 농도를 최대한 낮게 유지하여야 한다.

타르 제거기술은 대표적으로 두 가지 기술로 나눌 수 있다. 첫 번째 방법은 가스화 과정에서 여러 가지 조건을 조절함으로써 반응기 내부에서 타르를 제거하는 방법이다. 두 번째 방법은 가스화 공정 후에 반응기에서 생성된 가스에 포함된 타르를 제거하는 방법으로 사이클론(cyclone), 필터(filter), 스크러버(scrubber) 등을 사용하여 물리적으로 제거하거나 촉매작용으로 제거하는 방법이다.

그러나 반응기에서 생성된 생성가스에 다량의 타르가 포함된 상태로 생성가스가 배출되는 경우에는 다량의 타르 정제를 위한 별도의 후처리시설을 갖추고 운영해야 하므로 비용이 많이 든다는 문제점이 있고, 종래의 기포 유동층 반응기 내부에서 타르를 제거하는 방법은 합성가스 중 타르와 유동매체가 충분히 접촉되지 못하여 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1066187호

본 발명의 목적은 이중 유동층 가스화로의 가스화 원료로서 가연성 폐기물을 포함한 다양한 원료를 동시에 사용할 수 있는 기포유동층 가스화로를 제공하고, 기포유동층 가스화로 하부의 기포유동층 영역에서 생성된 합성가스를 기포유동층 가스화로 상부에서 유동매체와 충분히 접촉시켜 생성가스 내에 존재하는 타르를 분해하여 타르가 저감된 생성가스를 생산할 수 있는 기포유동층 가스화로를 제공하는 데 있다.

또한, 기포유동층 가스화로와 고속유동층 연소로에서의 열손실을 최소화하여 운영비가 절감되어 공정효율을 향상시킬 수 있는 기포유동층 가스화로와 고속유동층 연소로의 일체형 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명은 연료 투입부를 통해 내부로 가연성 폐기물, 바이오매스 등의 연료가 투입되고 내부에서 유동매체가 유동하며 하부 공간에 스팀이 유입되어 기포유동층이 형성되고, 상기 연료가 가스화되어 내부에서 생성가스가 만들어지는 기포유동층 가스화로와, 상기 기포유동층 위쪽의 상기 기포유동층 가스화로 내부에 설치되어 유체가 선회류로 이동하게 하는 나선형 고정 날개 및 상기 기포유동층 가스화로로부터 상기 유동매체 및 상기 생성가스에 포함된 차르(char)를 이송받으며 공기를 공급받아 상기 차르(char)가 연소됨으로써 상기 유동매체의 온도를 상승시키고 고온화된 상기 유동매체를 상기 기포유동층 가스화로로 내보내는 고속유동층 연소로를 포함한다.

또한, 상기 고속유동층 연소로가 상기 기포유동층 가스화로의 중심부를 상하 방향으로 지나도록 설치되어 상기 기포유동층 가스화로가 상기 고속유동층 연소로를 둘러싸고, 상기 나선형 고정 날개가 상기 고속유동층 연소로의 둘레와 결합하며, 고온의 열이 상기 고속유동층 연소로와 상기 기포유동층 가스화로 사이의 벽체를 통해 전달되도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 나선형 고정 날개에 상하 방향으로 간격을 두고 다수 개의 개구(opening)가 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 한쪽 끝단이 상기 나선형 고정 날개 중 상기 개구의 하단과 접하는 부분과 결합하고 상기 나선형 고정 날개의 하향 경사지는 방향의 반대쪽으로 하향 경사지게 뻗은 경사면을 포함하는 안내판이 더 구비되어, 상기 개구를 통해 빠져 내려온 상기 유동매체가 상기 안내판을 타고 경사지게 내려가도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 안내판은 상기 나선형 고정 날개 중 상기 개구의 하단과 접하는 부분으로부터 상방으로 올라가다가 꺾여서 하방으로 내려가도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기포유동층 가스화로와 통하도록 연결되어 상기 기포유동층 가스화로에서 유출되는 생성가스 중 미세입자를 분리하여 미세입자는 상기 기포유동층 가스화로로 다시 유입시키고 나머지를 배출시키는 생성가스 싸이클론을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고속유동층 연소로의 상부와 상기 기포유동층 가스화로의 상부 사이에 연결되어 상기 유동매체를 배기가스와 분리시켜 상기 배기가스는 배출시키고 상기 유동매체는 상기 기포유동층 가스화로로 보내는 배기가스 싸이클론을 더 포함하는 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 합성가스 중 타르와 유동매체 간 접촉효율을 향상시켜 가스화 효율이 우수하고, 가스화 연료로서 다양한 연료를 사용할 수 있는 나선형 가스화로를 포함한 일체형 가스화 시스템을 제공한다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 연소로를 기포유동층 가스화로가 감싸는 형태로 구성함으로써 열전달을 최대화하고 열손실을 최소화하는 나선형 가스화로를 포함한 이중 유동층 반응기를 제공한다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 나선형 가스화로를 포함한 이중 유동층 반응기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 일체형 나선형 가스화로를 포함한 이중 유동층 반응기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 나선형 가스화로를 나타낸 개략적인 도면이다.
도 4는 도 3에 나타낸 나선형 가스화로의 일부로서 나선형 날개와 개구 및 안내판을 상세하게 나타낸 도면이다.

기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참고하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 매체를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 의한 나선형 가스화로를 포함한 이중 유동층 반응기를 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 나선형 가스화로를 포함한 이중 유동층 반응기는 순차적으로, 연료투입부(160), 기포유동층 가스화로(100), 고속유동층 연소로(200)로 이루어져 있어서 가연성 폐기물, 바이오매스, 석탄 및 슬러지 등의 연료를 가스화 장치에서 사용하고, 상기 기포유동층 가스화로(100)에서 유출되는 생성가스에 포함되어 있는 타르(tar) 및 유동매체 분쇄입자와 같은 미세입자를 분리하여 미세입자를 기포유동층 가스화로(100)로 다시 유입시키고 생성가스의 나머지는 후처리 장치 등으로 배출시키는 생성가스 싸이클론(140)이 상기 기포유동층 가스화로(100)와 생성가스 사이클론 연결관(150)에 의해 통하도록 연결된다. 생성가스 싸이클론(140)에서 배출되는 생성가스는 유동매체의 종류에 따라 다른데, 수소가 40~70% 정도 함유되어 있어서 수소연료로 이용될 수 있다. 유동매체는 올리바인이나 산화칼슘(CaO)을 사용한다.

기포유동층 가스화로(100)로부터 유동매체 및 차르(char)가 고속유동층 연소로(200)로 이송되어 차르(char)의 연소에 의해 유동매체가 고온으로 바뀌고 차르(char)는 연소가 되어 없어지며, 배기가스 싸이클론(210)에서 배기가스와 유동매체가 분리되어 연소 과정에 의해 생성된 배기가스는 배출되고 유동매체는 배기가스 싸이클론 연결관(220)을 통해 기포유동층 가스화로(100)로 다시 유입되어 기포유동층 가스화로(100)의 열원이 된다.

가연성 폐기물, 바이오매스, 석탄 및 슬러지 등의 연료는 기포유동층 가스화로(100), 고속유동층 연소로(200)로 이루어지는 일련의 순차적인 장치로 이루어지는 가스화 시스템에 의하여 가스화된다. 기포유동층 가스화로(100)는 가연성 폐기물, 바이오매스, 석탄 및 슬러지 등과 같은 연료를 열분해, 가스화하는 부분으로서, 기포유동층 가스화로(100) 하부에는 산화제인 스팀이 분사됨으로써 기포유동층(120)이 형성되며, 가연성 폐기물, 바이오매스, 석탄 및 슬러지 등과 같은 물질들이 열분해 및 가스화되어 생성가스로 변하게 된다. 여기서의 가연성 폐기물은 5~8cm로 잘려진 폐목, 플라스틱, 비닐 등이 될 수 있다.

기포유동층 가스화로(100) 내부 중 기포유동층(120)의 위쪽에는 기포유동층 가스화로(100)의 중심부를 따라 수직 방향으로 길게 중심축(130)이 고정 설치되고 중심축(130)의 둘레에는 스크류 날개 형태의 나선형 고정 날개(100)가 결합되어, 기포유동층 가스화로(100) 내부에서 유체가 선회류로 이동하도록 구성된다.

상기 나선형 고정 날개(110)에 의하여 생성가스와 유동매체의 접촉빈도가 증가됨으로써 생성가스에 포함된 타르(tar)와 유동매체 간 접촉 반응이 증가된다. 도 3에 도시된 것과 같이, 나선형 고정 날개(110)에는 개구(115)가 상하 방향으로 간격을 두고 다수 개 형성되어 있어서 개구(115)를 통해 연료 및 유동매체의 일부 또는 전부가 나선형 고정 날개(110) 밑으로 떨어지며, 이로써 위로 상승하는 스팀 및 생성가스와의 효율적인 접촉이 쉽게 이루어진다.

이와 같은 연료 및 유동매체와 스팀 및 생성가스와의 접촉을 극대화하기 위하여, 도 4에 도시된 것과 같이 한쪽 끝단이 나선형 고정 날개(110)중 상기 개구(115)의 하단과 접하는 부분과 결합하고 나선형 고정 날개(110)의 하향 경사지는 방향의 반대쪽으로 하향 경사지게 뻗은 경사면을 포함하는 안내판(116)이 더 구비되어, 개구(115)를 통해 빠져 내려온 유동매체가 안내판(116)을 타고 경사지게 내려가도록 구성된다. 이와 같이 구성됨으로써 유동매체가 지나치게 빨리 개구(115)를 통해 빠져나가지 못하게 되는 한편 생성가스 및 스팀이 안내판(116)을 빙 둘러서 올라가게 되므로 그만큼 접촉시간이 길어지게 된다.

상기 안내판은 나선형 고정 날개(110) 중 개구(115)의 하단과 접하는 부분으로부터 상방으로 올라가다가 꺾여서 하방으로 내려가도록 구성되는데, 이러한 구성은 나선형 고정 날개(110)를 타고 내려오는 유동매체가 더 많이 개구(115)를 통해 빠져나와 안내판(116)을 타고 내려가게 하기 위한 것이다.

한편, 상기 기포유동층 가스화로(100)의 하부로부터 차르(char) 및 유동매체가 고속유동층 연소로(200)로 이송된다. 고속유동층 연소로(200) 하부로부터 차르(char)를 연소시키기 위하여 공기가 유입되며, 고속유동층 연소로(200)는 속도가 아주 빠른 고속유동층(fast bed)으로 운전된다. 고속유동층 연소로(200)로 이송된 유동매체는 기포유동층 가스화로(100)의 하부에서 850℃였던 것이 고속유동층 연소로(200)를 거치면서 950℃로 승온되어 고온의 열원으로서 기포유동층 가스화로(100)로 재투입된다.

고속유동층 연소로(200)를 지난 가스는 고속유동층 연소로(200) 상부에 연결된 배기가스 싸이클론(210)에 의해 유동매체 및 재가 분리된다. 고속유동층 연소로(200)에서 고온으로 변한 유동매체가 배기가스 싸이클론(210)을 지나서 기포유동층 가스화로(100) 상부로 이송되어 기포유동층 가스화로(100)의 가스화 반응을 위한 열원으로 사용되며, 연소 과정에 의해 생성된 배기가스는 배기가스 싸이클론(210)에서 외부로 배출된다.

도 1에 나타낸 제2 실시 예는 기포유동층 가스화로(100)와 고속유동층 연소로(200)가 서로 떨어져 있도록 구성된 것이나, 더욱 바람직한 실시예는 도 2에 나타낸 것과 같이 상기 기포유동층 가스화로(100)가 고속유동층 연소로(200)를 감싸는 형태로 구성된 제2 실시 예이다.

제2 실시 예에서는, 기포유동층 가스화로(100) 내부에 설치된 나선형 고정 날개(110)의 중심축(130) 내부의 공간에 고속유동층 연소로(200)가 위치하며, 고온의 고속유동층 연소로(200) 벽면을 통해 기포유동층 가스화로(100)로 열이 전달됨으로써 열전달을 최대화하고 열손실을 최소화하여 가스화 장치의 운전비를 절감할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 기포유동층 가스화로 110 : 나선형 고정 날개
115 : 개구(opening) 116 : 안내판
120 : 기포유동층 130 : 중심축
140 : 생성가스 사이클론 150 : 생성가스 사이클론 연결관
160 : 연료 투입부 170 : 가스화로 연결관
200 : 고속유동층 연소로 210 : 배기가스 사이클론
220 : 배기가스 사이클론 연결관

Claims (7)

1. 연료 투입부를 통해 내부로 가연성 폐기물, 바이오매스의 연료가 투입되고, 내부에서 유동매체가 유동하며, 하부 공간에 스팀이 유입되어 기포유동층이 형성되며, 상기 연료가 가스화되어 내부에서 생성가스가 만들어지는 기포유동층 가스화로;
   상기 기포유동층 위쪽의 상기 기포유동층 가스화로 내부에 설치되어 생성가스가 선회류로 이동하게 하도록, 가스화로 내부 벽면에 부착 고정된 나선형 고정 날개;
   상기 나선형 고정 날개에 상하 방향으로 간격을 두고 다수 개의 개구(opening)가 형성되고, 한쪽 끝단이 상기 나선형 고정 날개 중 상기 개구의 하단과 접하는 부분과 결합하고 상기 나선형 고정 날개의 하향 경사지는 방향의 반대쪽으로 하향 경사지게 뻗은 경사면을 포함하여, 상기 개구를 통해 빠져 내려온 상기 유동매체가 경사지게 내려가도록 하는 안내판;
   상기 기포유동층 가스화로로부터 상기 유동매체 및 상기 생성가스에 포함된 차르(char)를 이송받으며, 공기를 공급받아 상기 차르(char)가 연소됨으로써 상기 유동매체의 온도를 상승시키고, 고온화된 상기 유동매체를 상기 기포유동층 가스화로로 내보내는 고속유동층 연소로;
   상기 기포유동층 가스화로와 통하도록 연결되어 상기 기포유동층 가스화로에서 유출되는 생성가스 중 미세입자를 분리하여 미세입자는 상기 기포유동층 가스화로로 다시 유입시키고 나머지를 배출시키는 생성가스 싸이클론; 및
   상기 고속유동층 연소로의 상부와 상기 기포유동층 가스화로의 상부 사이에 연결되어 상기 유동매체를 배기가스와 분리시켜 상기 배기가스는 배출시키고 상기 유동매체는 상기 기포유동층 가스화로로 보내는 배기가스 싸이클론;을 포함하고,
   상기 안내판은 상기 나선형 고정 날개 중 상기 개구의 하단과 접하는 부분으로부터 상방으로 올라가다가 꺾여서 하방으로 내려가도록 구성되는 것을 특징으로 하는 나선형 날개를 포함한 이중 유동층 반응기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고속유동층 연소로가 상기 기포유동층 가스화로의 중심부를 상하 방향으로 지나도록 설치되어 상기 기포유동층 가스화로가 상기 고속유동층 연소로를 둘러싸고,
   상기 나선형 고정 날개가 상기 고속유동층 연소로의 둘레와 결합하며,
   고온의 열이 상기 고속유동층 연소로와 상기 기포유동층 가스화로 사이의 벽체를 통해 전달되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 나선형 날개를 포함한 이중 유동층 반응기.
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