KR101997506B1 - 싸이클론 가스화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 싸이클론 가스화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고속의 유량이 순환하는 가스화기 내부로 기점화된 고체연료 또는 기발열된 쇳가루를 고체연료와 함께 유동시키면서 입자간의 물리적 충돌과 부딪힘에 의해 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산이 일어남으로써 별도의 열공급 없이 가스화를 유도하는 싸이클론 가스화기에 관한 기술이다.

Description

싸이클론 가스화기{Cyclone Gasifier}

본 발명은 싸이클론 가스화기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고속의 유량이 순환하는 가스화기 내부로 기점화된 고체연료 또는 기발열된 쇳가루를 고체연료와 함께 유동시키면서 입자간의 물리적 충돌과 부딪힘에 의해 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산이 일어남으로써 별도의 열공급 없이 가스화를 유도하는 싸이클론 가스화기에 관한 기술이다.

지구 온난화와 에너지 문제를 해결하기 위해 석탄 및 바이오매스를 이용한 가스화 기술이 각광 받고 있다. 가스화기술은 고체상태의 탄소성분 원료를 공급하여 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 가스제품으로 전환하는 기술로, 가스화 생성제품은 전력생산에 이용되거나 화공약품 및 액체 수송연료생산에 이용된다.

특히 가스화 기술은 대기오염물의 배출이 적고 최근 사회문제로 대두되고 있는 미세먼지를 해결할 수 있는 차세대 에너지 전환기술로 여겨지고 있지만 1000℃ 이상 고온의 열공급 문제가 필요하고 효율적으로 타르, 회분 및 찌꺼기를 제거하는 기술이 필요하다.

기존의 가스화기를 구체적으로 개시한 종래의 기술을 살펴보면, 대한민국 등록특허공보 제10-1123388호에 개시된 바와 같이, 왕겨에 공급되는 공기량을 조절하여 왕겨가 완전연소되지 않고 일부만 연소시키는 연소과정과, 연소되지 않고 남은 숯으로 합성가스를 제조하는 가스화과정을 통해 미곡처리장에서 대량 배출되는 왕겨를 이용해 타르성분이 적은 가연성 연료인 합성가스를 생산하는 왕겨 가스화장치가 개시되었다.

그러나, 기존의 가스화기는 외부 열원 공급을 통해 가스화를 유도하고 있어 연소영역인 900~1100℃의 온도에서 연소시키기 위해 추가적인 에너지원이 상당한 양 요구되고, 타르제거를 위해 별도의 가공과정이 필요하다는 문제점이 발생하여 이러한 문제를 해결할 수 있는 혁신적인 가스화 기술 개발이 필요하다.

일반적인 가스화 기술은 수소나 일산화탄소 또는 메탄 등의 합성가스를 생산하기 위해 석탄이나 바이오매스 등 주로 탄소 계열 연료를 사용하는데, 시대적인 흐름에서 화석연료인 석탄보다는 탄소중립(carbon neutral)을 만족하는 바이오매스가 신재생에너지로서 가스화 기술에 바람직할 것이다. 바이오매스도 또한 우드펠릿, 벌채목 등의 목질계 바이오매스와 풀, 왕겨 등의 초본계 바이오매스, 가축분뇨, 하수슬러지 등의 유기성폐자원 바이오매스로 나눌 수 있는데, 그 중 초본계 바이오매스는 우리나라에서 연간 생산이 가능하고 근거리에서 조달할 수 있으며 새만금 개발사업과 연계되어 우리나라 에너지 자원으로 활용할 수 있어 가스화 연료로 사용할 수 있다.

또한, 에너지 수요 증가로 인한 에너지 수급 불균형, 장기적인 화석연료 고갈 위험성 등으로 전 세계적인 에너지 확보 경쟁이 심화되고 있고, 특히 최근에는 미세먼지 문제가 발생하고 있어 바이오매스를 활용하여 대규모의 가스화 기술 뿐만 아니라 소규모의 가스화 기술개발이 요구된다.

대한민국 등록특허공보 제10-1123388호(2012.03.23.)

본 발명은 상술한 바와 같은 선행 기술의 문제점을 해결하기 위하여 인출된 것으로, 고속의 유량이 순환하는 가스화기 내부로 기점화된 고체연료 또는 기발열된 쇳가루를 고체연료와 함께 유동시키면서 입자간의 물리적 충돌과 부딪힘에 의해 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산이 일어남으로써 가스화를 유도하는 싸이클론 형태를 통해 열원 공급, 타르, 미세먼지 문제를 해결하고 고체상태의 탄소성분 원료로부터 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 가스제품을 생산할 수 있는 싸이클론 가스화기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 싸이클론 가스화기는 윗면보다 밑면의 직경이 더 긴 회전체 구조로 형성되는 하우징, 상기 하우징의 옆면 일측에 위치하여, 연료입자를 상기 하우징 내부로 공급하는 연료공급부, 상기 연료입자로부터 생성되는 연료가스를 포집하여 배출시키는 연료가스배출부, 및 가스를 상기 하우징 내 부로 주입하여 상기 가스의 고속 회전유동을 발생시키는 가스순환장치를 포함하고, 상기 공급된 연료입자는, 상기 가스의 고속 회전유동 내에서 상기 연료입자 간의 물리적 충돌과 부딪힘으로 인해 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산이 일어남으로써 가스화가 유도되어, 상기 연료가스를 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 싸이클론 가스화기에 있어서, 상기 연료입자는 상기 하우징 내부에서 열원공급부로부터 공급되는 열원입자와 함께 유동하면서 가스화 초기의 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산을 야기하며,

상기 연속적인 열확산이 야기된 이후에는, 상기 열원입자를 상기 하우징 내부로 공급하지 않는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 싸이클론 가스화기에 있어서, 상기 연료입자는, 상기 하우징 내부 바닥면과 벽면에 열선이 구비되어 가스화 초기 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산을 야기하며, 상기 연속적인 열확산이 야기된 이후에는, 상기 열선의 작동을 중단시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 싸이클론 가스화기는, 상기 하우징의 상기 밑면에 구비되어, 상기 하우징을 지지하는 다수 개의 지지부재를 더 포함하고, 상기 다수 개의 지지부재 중 하나는 길이 조절이 가능한 가변지지부재인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 싸이클론 가스화기는, 상기 하우징은, 상기 가스화 과정에서 발생되는 타르, 회분 및 찌꺼기가 배출되기 위하여 상기 하우징의 밑면에 연결되는 배출관을 포함하고, 상기 배출관은 상기 하우징의 밑면 중심을 기준으로 상기 가변지지부재의 반대측에 해당하는 상기 하우징의 밑면에 위치되고, 상기 가변지지부재의 길이가 길어짐에 따라 상기 하우징이 기울어져 상기 타르, 회분 및 찌꺼기가 더욱 효과적으로 배출될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 싸이클론 가스화기는, 기존의 가스화 장치 기술을 보다 향상시킨 기술로 별도의 가열 장치가 필요없이 고속의 유량에 의해 발생된 싸이클론 현상을 이용해서 기점화된 고체연료 또는 기발열된 쇳가루를 고체연료와 함께 유동시키면서 입자간의 물리적 충돌과 부딪힘에 의해 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산이 일어남으로써 가스화를 유도할 수 있어 효율이 높고 석탄이나 바이오매스 등 고체연료 자원을 효율적으로 활용할 수 있는 다양한 장점이 있다.

또한, 싸이클론 가스화기술은 신뢰할 수 있는 기술로 특히 전력생산이 1MW 이하의 소규모 발전소에 적용할 수 있고, 고효율 열병합발전을 통한 분산발전 방식이 덴마크 등 해외 주요 나라에 널리 보급되어 운영되고 있어, 본 연구를 통해 개발된 기술은 우리나라의 에너지 기술 확보에 중요한 역할을 할 것이다.

또한, 본 발명에 따른 싸이클론 가스화기는 바이오매스 연료에 국한되지 않고, 석탄이나 다른 탄소 기반의 다양한 고체연료를 사용할 수 있어 연료 공급을 보다 용이하게 할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 싸이클론 가스화기를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 열원공급부가 구비된 싸이클론 가스화기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 열선이 구비된 싸이클론 가스화기를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 가변지지부재가 구비된 싸이클론 가스화기를 나타낸 도면이다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 싸이클론 가스화기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 윗면보다 밑면의 직경이 더 긴 회전체 구조로 형성되는 하우징(10), 상기 하우징(10)의 옆면 일측에 위치하여, 연료입자(p)를 상기 하우징(10) 내부로 공급하는 연료공급부(20), 상기 연료입자(p)로부터 생성되는 연료가스(g)를 포집하여 배출시키는 연료가스포집부(30), 및 가스를 상기 하우징(10) 내부로 주입하여 상기 가스의 고속 회전유동(r)을 발생시키는 가스순환장치(40)를 포함한다.

상기 하우징(10)은 바람직하게는, 상부가 원뿔대이고 하부가 원기둥인 구조로 형성된다.

상기 연료입자는 수소 및 일산화탄소 등을 생산할 수 있는 고체연료로, 석탄과 바이오매스, 음식물쓰레기, 탄소계열 고체 연료가 될 수 있다.

본 발명에 따른 싸이클론 가스화기는, 단면이 원형으로 되어 상기 가스순환장치(40)에 의해 고속으로 회전하는 기체(r)를 통해 회전력이 발생할 수 있는 구조로 형성된다. 상기 가스순환장치(40)를 통해 상기 하우징(10)의 내부 바닥면에 회전하는 공기의 흐름(고속의 유동, 싸이클론)(r)이 발생하고 내부의 가스는 순환하게 되는 것이다.

상기 가스순환장치(40)는 에어펌프, 유동가스를 한쪽 방향으로 공급할 수 있는 송풍기 등이 사용될 수 있으며, 상기 하우징(10) 내부로 가스를 주입하고, 내부로부터 가스를 배출시킬 수 있는 장치라면 가능하다.

또한, 상기 가스순환장치(40)는 상기 하우징(10) 내부로 가스를 주입할 때 상기 하우징(10)의 내부 바닥면의 중심을 향하는 방향(반경 방향)으로 주입되도록 마련되어, 가스의 고속 회전유동(r)을 효율적으로 형성할 수 있다.

또한, 상기 가스순환장치(40)는 고속 회전유동(r)의 속도를 조절할 수 있어 유량 속도에 따라 입자간 충돌을 조절할 수 있고 생성 가스를 조절할 수 있다.

또한, 상기 가스순환장치(40)는 상기 하우징(10)과 연결되는 측과 반대측에 유동가스밸브(41)가 구비되어, 가스화기 내부로 유동을 발생시킬 수 있는 유동가스(carrier gas)를 공급할 수 있다.

상기 유동가스밸브(41)는 싸이클론 가스화기에서 생성된 가스(수소 및 일산화탄소 등)를 상기 연료가스포집부(30)를 통해 배출할 때 가스화기 내부의 압력 조절을 위해 유동가스를 공급하는 역할을 할 수 있다.

상기 유동가스는 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 생성가스를 생성하기 위해 주로 이산화탄소(

)가 이용되고 그 외 다양한 유동가스가 사용될 수 있다.

한편, 상기 가스의 고속 회전유동(r) 내에 상기 연료입자(p)가 공급되는데, 상기 연료입자(p)는 도 2에 도시된 바와 같이, 고속의 회전유동(r) 내로 열원입자(f)와 함께 유동시킴으로써 입자간의 물리적 충돌과 부딪힘에 의해 초기의 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산이 일어남으로써 가스화를 유도하게 된다.

상기 열원입자(f)는 기점화된 고체연료 또는 기발열된 쇳가루일 수 있으며, 가스화 초기에만 공급하고 이후 연속적인 열확산이 발생하면 상기 열원입자(f)를 공급하지 않아도 된다.

상기 열원입자(f)를 가스화 초기에 별도로 공급하기 위해 상기 하우징(10)의 벽면에는 열원공급부(70)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 싸이클론 가스화기는, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부 바닥면과 벽면에 열선(80)이 마련되어, 상기 가스의 고속 회전유동(r) 내에 공급되는 상기 연료입자(p)를 기준온도, 바람직하게는 500 내지 800℃의 온도까지 가열하여 가스화 초기에 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산을 야기하는 상기 열원입자(f)와 동일한 역할을 할 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 싸이클론 가스화기는 상기 하우징(10)의 내부에 상기 연료입자(p)의 온도센서(미도시)가 구비되어, 상기 온도센서를 통해 가스화 온도를 측정하여, 상기 열원입자(f)의 공급과 상기 열선(80)의 작동을 제어하여 최적의 가스화를 유도할 수 있다.

상기 하우징(10)의 내부로 공급된 상기 연료입자(p)는, 상기 가스의 고속 회전유동(r) 내에서 상기 열원입자(f)와 함께 유동하면서 상기 연료입자(p) 간의 물리적 충돌과 부딪힘으로 인해 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산이 일어남으로써 상기 연료입자(p)의 가스화가 유도되어, 상기 연료가스(g)를 생성하는 것이다.

상기 연료가스(g)는, 상술한 바와 같이 상기 가스화기 내부에서 연료입자(p)로부터 가스화 과정을 통해, 수소 또는 일산화탄소, 메탄 등이 생성되며, 연료가스를 생성하는 데 사용되는 반응은 아래와 같다.

(Bouduard)

또는

(Water gas)

(Methanation)

(Water gas shift)

(Steam reforming)

(Dry reforming)

종래의 가스화기의 경우, 약 900 내지 1100℃의 온도까지 가열되어 점화되었으나, 본 가스화기의 경우 상기 연료입자(p)간의 충돌 또는 부딪힘으로 인해 입자간 열전달을 용이하게 하고 고속의 회전유동 내에서 연속적인 열확산을 유도함으로써 500 내지 800℃에서 연료가스를 포집할 수 있는 것이다.

다음으로, 본 발명에 따른 싸이클론 가스화기는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(10)의 상기 밑면에 구비되어, 상기 하우징(10)을 지지하는 다수 개의 지지부재(50)를 더 포함한다.

상기 다수 개의 지지부재는 길이 조절이 가능한 가변지지부재(51)를 1개 포함한다.

한편, 상술한 가스화 과정에서는 탄소계열 고체연료로부터 상기 연료가스(g)와 같이 타르, 회분 및 찌꺼기가 형성되는데 이를 용이하게 제거하기 위해, 상기 하우징(10)은 상기 밑면에 연결되는 배출관(60)을 더 포함한다.

상기 배출관(60)은 상기 하우징(10)의 밑면 중심을 기준으로 상기 가변지지부재(51)의 반대측에 해당하는 상기 하우징(10)의 밑면에 위치되어, 상기 가변지지부재(51)의 길이가 길어짐에 따라 상기 하우징(10)이 기울어져 중력으로 인해 상기 타르, 회분 및 찌꺼기가 더욱 효과적으로 배출될 수 있다.

상기 다수 개의 지지부재와 상기 가변지지부재는 길이가 길어지더라도 싸이클론 가스화기 전체의 균형을 맞출 수 있도록 무게중심을 고려하여 설계해야 할 것이다.

한편, 상기 배출관(60)으로 상기 타르, 회분 및 찌꺼기를 배출하기 위해 상기 하우징(10)이 기울어질 때 상기 연료입자(p)가 상기 타르, 회분 및 찌꺼기와 같이 배출되서는 안될 것이다. 이를 위해, 싸이클론 가스화기는 제어부와 상기 하우징(10)의 밑면에 타르센서(미도시)가 구비될 수 있다.

구체적으로, 상기 타르센서로부터 타르, 회분 및 찌꺼기가 기준량 이상 존재하는 것이 감지되면, 상기 제어부는 우선적으로 상기 연료공급부(20)를 폐쇄하여 공급되는 상기 연료입자(p)를 차단하고, 상기 하우징(10) 내부에 잔류된 상기 연료입자(p)를 가스화시키기 위해 기준 시간 이후 상기 가스순환장치(30)를 폐쇄하여 상기 가스의 고속 회전유동(r)을 차단한다.

또한, 상기 제어부는, 상기 연료공급부(20)와 상기 가스순환장치(30)가 모두 폐쇄되면, 상기 가변지지부재(51)의 길이를 길게 하여 상기 배출관(60)을 통해 상기 타르, 회분 및 찌꺼기를 효율적으로 배출시킨다.

상술한 구성을 통해, 본 발명의 싸이클론 가스화기는 효율적으로 연료대상물을 가스화시키고, 가스화 과정에서 생성되는 타르, 회분 및 찌꺼기를 효율적으로 제거할 수 있다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 하우징
20 : 연료공급부
30 : 연료가스포집부
40 : 가스순환장치
41 : 유동가스밸브
50 : 지지부재
51 : 가변지지부재
60 : 배출관
70 : 열원공급부
80 : 열선
f : 열원입자
g : 가스의 고속 회전유동
p : 연료입자
r : 연료가스

Claims (5)

1. 윗면보다 밑면의 직경이 더 긴 회전체 구조로 형성되는 하우징;
   상기 하우징의 옆면 일측에 위치하여, 연료입자를 상기 하우징 내부로 공급하는 연료공급부;
   상기 연료입자로부터 생성되는 연료가스를 포집하여 배출시키는 연료가스배출부; 및
   가스를 상기 하우징 내부로 주입하여 상기 가스의 고속 회전유동을 발생시키는 가스순환장치;를 포함하고,
   상기 하우징은,
   상기 하우징을 지지하도록 상기 하우징의 밑면에 다수개가 구비되는 지지부재;
   가스화 과정에서 발생되는 타르, 회분 및 찌꺼기를 배출할 수 있도록 상기 하우징의 밑면에 연결되어 구비되는 배출관;
   상기 배출관으로 배출되는 상기 타르, 회분 및 찌꺼기를 감지하며 상기 하우징의 밑면에 구비되는 타르센서; 및
   상기 타르센서로부터, 타르, 회분 및 찌꺼기가 기준량이상 존재하는 것이 감지되면, 우선적으로 상기 연료공급부를 폐쇄하여 공급되는 상기 연료입자를 차단하고,
   상기 하우징 내부에 잔류된 상기 연료입자를 가스화시키기 위해 기준시간 이후, 상기 가스순환장치를 폐쇄하여 상기 가스의 고속 회전유동을 차단하는 제어부;를 더 포함하며,
   상기 지지부재 중 1종은 길이 조절이 가능한 가변지지부재;로 형성되고,
   상기 제어부는, 상기 연료공급부와 상기 가스순환장치가 모두 폐쇄되면, 상기 가변지지부재의 길이를 길게 하여, 상기 배출관을 통해 상기 타르, 회분 및 찌꺼기가 효율적으로 배출될 수 있도록 하고,
   상기 공급된 연료입자는, 상기 가스의 고속 회전유동 내에서 상기 연료입자 간의 물리적 충돌과 부딪힘으로 인해 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산이 일어남으로써 가스화가 유도되어, 상기 연료가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 싸이클론 가스화기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연료입자는 상기 하우징 내부에서 열원공급부로부터 공급되는 열원입자와 함께 유동하면서 가스화 초기의 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산을 야기하며,
   상기 연속적인 열확산이 야기된 이후에는, 상기 열원입자를 상기 하우징 내부로 공급하지 않는 것을 특징으로 하는 싸이클론 가스화기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 연료입자는, 상기 하우징 내부 바닥면과 벽면에 열선이 구비되어 가스화 초기 열전달을 용이하게 하여 연속적인 열확산을 야기하며,
   상기 연속적인 열확산이 야기된 이후에는, 상기 열선의 작동을 중단시키는 것을 특징으로 하는 싸이클론 가스화기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 하우징은, 상기 가스화 과정에서 발생되는 타르, 회분 및 찌꺼기가 배출되기 위하여 상기 하우징의 밑면에 연결되는 배출관;을 포함하고,
   상기 배출관은 상기 하우징의 밑면 중심을 기준으로 상기 가변지지부재의 반대측에 해당하는 상기 하우징의 밑면에 위치되고,
   상기 가변지지부재의 길이가 길어짐에 따라 상기 하우징이 기울어져 상기 타르, 회분 및 찌꺼기가 더욱 효과적으로 배출될 수 있는 것을 특징으로 하는 싸이클론 가스화기.
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