KR102181822B1 - 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 바이오매스를 포함하여 투입된 가연성 재생 연료가 수용되는 공간을 개폐 가능하게 마련된 투입도어와; 상기 투입도어의 하측에 형성된 공간에서 건조되어 하부로 낙하하면서 건류 열분해가 진행되고, 왕복 작동되는 그레이트로 이루어진 왕복작동그레이트에 의하여 열분해가 촉진되는 입형열분해가스화장치와; 상기 입형열분해가스화장치에 하방으로 연통되어 상기 왕복작동그레이트를 통과하여 낙하는 잔류물을 주기적으로 교반하는 이송램과 다단으로 형성되어 하부에서 공급되는 가열화가 촉진되는 횡형열분해가스장치와; 상기 횡형열분해가스장치에서 발생한 가스를 측방으로 안내하여 가스에 혼입된 타르 및 메탄을 포함하는 고분자 가스를 설정된 시간 동안 형성된 공간 내에서 반응시키고 분해 가능하게 마련된 가스숙성장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에, 본 발명에 따르면, 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지, 지정 및 액상을 포함한 유해 폐에너지 등)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해가스화할 수 있는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.

Description

바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템 {Pyrolysis and Gasification System using combustible renewable fuels including biomass}
본 발명은, 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템에 관한 것으로, 특히, 유기성 재생연료(생활, 산업, 폐합성수지 등을 포함하는 모든 가연성물질로 활용할 수 있는 고체 및/또는 액체 연료)를 열분해하여 가수화하는 열분해가스화시스템에서 열분해가스화방식(열분해가스화로 및 숙성로)에 관한 것이다.
사람들이 생활하는 과정, 산업 생산 활동, 의료산업 등의 모든 분야에서 생산적인 활동을 한 이후에 불필요한 쓰레기 내지 폐기물이 발생하게 된다.
이러한 폐기물을 처리하는 방법에는 땅 속에 묻은 후 땅속에서 쓰레기 등이 분해되면서 서서히 안정화되는 매립, 높은 온도에서 태워 부피를 줄이고 이 과정에서 발생하는 열을 활용할 수 있는 소각, 필요로 하는 쓰레기 등을 분리하여 재사용하거나 재활용, 육지로부터 다소 떨어진 해양에 분뇨 등을 배출 등의 방법이 있다. 이러한 방법 중에서 특히 해양에 분뇨를 배출하는 등의 방법은 국제적으로 금지하고 있는 추세이다.
요즘 폐플라스틱의 미처리 문제로 지구환경 오염이 심각하나, 연소하는 과정에서 발생하는 열 내지 가스 등을 이용한 에너지화는 화석연료를 대체하고 폐기물 매립으로부터 생성되는 메탄가스 발생량을 줄여 메탄가스(바이오가스)의 높은 지구온난화지수(이산화탄소의 21배)로 인한 기후변화에 대응할 수 있는 수단이나 탄산가스나 미세분진 등 2차 지구 오염을 시키는 문제가 있다. 그러므로, 선진국에서는 가연성폐기물의 고형연료화(RDF)와 유기성 폐기물의 바이오가스화 등 폐기물 에너지화로 온실가스를 감축하려는 노력이 활발하다.
이러한 추세에 발맞추어 국내에서도 관련 기술이 제안되고 있으며, 본 발명자도 참고문헌 등을 포함하여 관련 분야에서 다수의 기술을 제안하여 왔고, 현재도 다양한 분야에서 제안을 하고 있다.
폐기물 중 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지 등)로 활용할 수 있는 가연성 재생(고형화 하지 않은 것 및 액상도 포함) 연료를 열분해 내지 소각하는 과정에서 발생하는 열을 활용하여 전력을 생산하는 기술도 제안되었다. 현재 적용되고 있는 대부분의 방법은 열분해 등의 과정에서 발생되는 열을 이용하여 스팀을 생산하고 생산된 스팀을 활용하여 스팀 터빈을 가동시켜 전력을 얻는 것이다.
그러나, 이러한 과정에서 가연성 재생 연료를 소각하는 과정에서 발생하는 다이옥신을 포함하는 여러 가지 유독 가스는 물론 미세 분진이 다량 발생하여 대기오염을 가중시키고 효율이 낮아 생산단위 전력 당 CO2 발생량이 많아 지구 온난화를 가중시키는 문제점을 갖는다.
이에, 연소하는 과정에서 완전 연소를 유도하는 1차로 열분해가스화 하여 가스연소를 통해 발생한 가스를 통해 발생한 열을 회수하여 스팀 발전 등으로 재활용하였으나, 근래에 와서는 그 기술이 진일보하여 열분해가스화 하고 그 가스를 정제하여 가스를 생산하고 이를 재활용하는 것이 효율적이고 친환경적으로 매우 바람직하다.
특히 폐기물 중에서도 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지, 지정 및 액상을 포함한 유해 폐에너지 등)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해가스화하는 것이 바람직하다. 아울러 이를 정제한 합성가스를 이용하여 가스엔진 또는 가스터빈을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 것이 바람직하다. 그러나 기존 재생연료나 석탄, 페트로콕 등을 사용하는 시멘트 킬른 등에 정제하지 않은 높은 열분해 가스 상태로 주입할 경우 생산되는 시멘트에 환경오염을 시키지 않고 저렴한 에너지를 사용 할 수 있는 큰 경제적 장점이 있다.(현제는 환경 호르몬 문제로 제한적으로 사용하고 있음)
[참고문헌]
등록특허공보 제10-0899185호 (2009.05.26. 공고)
공개특허공보 제10-2010-0019316호 (2010.02.18. 공개)
본 발명의 목적은, 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지, 지정폐기물 및 액상 등을 포함하는 재생연료)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해가스화 할 수 있는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 열분해가스화 되어 향후 정제 등의 공정을 거쳐 가스 엔진이나 터빈을 이용할 수 있는 정도의 안정된 품질을 갖는 정제된 합성가스를 생산할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 입형 열분해가스화로와 횡형 열분해가스화로의 장점을 접목할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 고정 탄소가 많고 부정형 크기를 갖는 목재뿐만 아니라 다양한 종류의 연료에 적합하고, 가열공기 사용이 가능하고 비산 분진이 적으며 냉가스 효율을 향상시킬 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 투입된 가연성 재생 연료가 수용되는 공간을 개폐 가능하게 마련된 투입도어와; 상기 투입도어의 하측에 형성된 공간에서 건조되어 하부로 낙하하면서 건류 열분해가 진행되고, 왕복 작동되는 그레이트로 이루어진 왕복작동그레이트 또는 회전하는 회전식 이송분쇄장치에 의하여 열분해가 촉진되는 입형열분해가스화장치와; 상기 입형열분해가스화장치에 하방으로 연통되어 상기 왕복작동그레이트 또는 회전식 이송분쇄장치를 통과하여 낙하는 잔류물을 주기적으로 교반하는 이송램과 다단으로 형성되어 하부에서 공급되는 가열화가 촉진되는 횡형열분해가스장치와; 상기 횡형열분해가스장치에서 발생한 가스를 측방으로 안내하여 가스에 혼입된 타르 및 메탄을 포함하는 고분자 가스를 설정된 시간 동안 형성된 공간 내에서 반응시키고 분해 가능하게 마련된 가스숙성장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열분해가스화 시스템에 의하여 달성된다.
또한, 상기 투입도어는, 상기 연료건조투입부에서 낙하하는 가연성 재생 연료를 수용하는 상부수용공간을 개폐하는 일차투입도어와, 상기 상부수용공간과 연통되어 하측에 배치되어 낙하는 가연성 재생 연료를 수용하는 하부수용공간을 상기 일차투입도어와 교차하면서 개폐하는 이차투입도어를 포함하며, 상기 이차투입도어의 하측에 낙하하는 가연성 재생 연료를 상기 입형열분해가스화장치로 투입하는 압축투입램을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 압축투입장치에서 투입된 가연성 재생 연료가 순차적으로 하측으로 이동하면서 건조, 열분해 및 가스화 가능하게 상기 입형열분해가스화장치에서는 가연성 재생 연료가 건조되는 건조단과; 상기 건조단의 하측에 배치되어 낙하하는 가연성 재생 연료에 가열공기를 공급 가능하게 마련된 회전식가열공기공급부(경우에 따라서 벽면에 고정형 공기공급 노즐을 사용 하거나 병행 사용할 수 있다)에 의하여 건류 열분해가 이루어지는 건류열분해부와; 상기 건류열분해부 하류로 낙하하면서 열분해가스화가 더 발생하고 하측에 왕복 작동 가능하게 마련된 상기 왕복작동그레이트 또는 회전하는 상기 회전식 이송분쇄장치를 구비한 열분해가스화부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 왕복작동그레이트는 일체형으로 구비되어 가연성 재생 연료의 열분해가스화 잔류물을 설정된 크기 이하로 분쇄 가능하게 마련된 것이 바람직하다.
또한, 상기 횡형열분해가스화장치는, 복수 단으로 계단식으로 배치되어 상기 왕복작동그레이트에서 하측으로 낙하한 잔류물을 이동 가능하게 주기적으로 작동하는 상기 이송램과, 상기 이송램의 하측에 가열공기를 공급 가능하게 마련된 다수의 가열공기노즐을 포함하고 상기 잔류물의 열분해, 가스화를 촉진하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 왕복작동그레이트를 통과하지 못하여 낙하한 불연물 및 크랭커와 상기 횡형열분해가스화장치에서 남은 잔재는 잔재압축배출램에 의하여 압축되어 배출되는 것이 바람직하다.
또한, 가연성 재생 연료에 포함된 공기와 상기 입형열분해가스화장치 또는 상기 횡형열분배가스화장치에서 발생한 건조공기가 상기 가스숙성장치로 유입되지 않도록 상기 입형열분해가스화장치의 상측에 마련된 에어퍼지라인에 연통된 에어퍼지팬에 의해 퍼지되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가스숙성장치에서 타르나 매탄 등을 분해 수소와 일산화탄소를 보다 효율적으로 생성하기 위하여 상기 횡형열분해가스화장치의 잔류 탄소 가스화 영역에 공기 대신 과열 증기 또는 과열 증기를 공기와 혼합하여 주입하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 왕복작동그레이트를 통과하지 못하여 낙하한 불연물 및 크랭커와 상기 횡형열분해가스화장치에서 남은 잔재는 플라즈마장치에 의하여 잔류탄소를 완벽하게 가스화하고 불연물은 용융되어 슬래그 형태로 배출되는 것이 바람직하다. 경우 따라서는 플라즈마가스화 용융로를 설치 할 경우에는 왕복작동그레이트를 설치 않고 [도7]과 같이 간단하게 시스템을 형성 할 수도 있다.
또한, 상기 잔재는 열분해 상태의 고온이고 잔류 탄소를 함유하고 있으므로 상기 플라즈마장치에서 발생되는 플라즈마 가스 또는 고온의 공기와 반응하여 고열을 발생시킬 수 있도록 형성하는 것이 바람직하다.
이에, 본 발명에 따르면, 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지, 지정폐기물 및 액상 등을 포함하는 재생연료)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해하고 가스화할 수 있는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 열분해가스화되어 향후 정제 등의 공정을 거쳐 가스 엔진이나 터빈을 이용할 수 있는 정도의 안정된 품질을 갖는 정제된 합성가스를 생산할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 입형 열분해가스화로와 횡형 열분해가스화로의 장점을 접목할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 고정 탄소가 많고 부정형 크기를 갖는 목재뿐만 아니라 다양한 종류의 연료에 적합하고, 가열공기 사용이 가능하고 비산 분진이 적으며 냉가스 효율을 향상시킬 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 가스화 과정에서 수분을 적절하게 조절하여 가스화 효율을 증대시킬 수 있는 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 잔재에서 탄소 성분을 제거하여 슬래그로 처리할 수 있고 전력 소모를 절감할 수 있는 플라즈마를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템의 구성도,
도 2는 도 1의 열분해가스화 시스템의 부분 확대 정면도,
도 3은 도 2의 열분해가스화 시스템의 정면도, 우측면도 및 평면도,
도 4는 이송램 부분을 설명하기 위한 부분 절단한 사시도,
도 5는 압력을 일정하게 유지한 상태에서 열분해가스화 과정에서의 평형상태를 도시한 그래프,
도 6은 열분해가스화 시스템 내에 왕복작동그레이트 또는 회전식 이송분쇄장치를 도시한 평면도 및 측단면도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 플라즈마장치를 포함한 열분해가스화 시스템의 개념도,
도 8은 도 7의 요부를 확대한 단면도,
도 9는 각 장치에서 이루어지는 반응을 설명한 표,
도 10은 열분해가스화 시스템을 포함하는 열분해가스화 발전 시스템의 흐름도이다.
본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에 따라 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템에 대하여 이하에서 도 1 내지 도 10를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1의 열분해가스화 시스템의 부분 확대 정면도이며, 도 3은 도 2의 열분해가스화 시스템의 정면도, 우측면도 및 평면도이고, 도 4는 이송램 부분을 설명하기 위한 부분 절단한 사시도이며, 도 5는 압력을 일정 하게 유지한 상태에서 열분해가스화 과정에서의 평형상태를 도시한 그래프이고, 도 6은 열분해가스화 시스템 내에 왕복작동그레이트 또는 회전식 이송분쇄장치를 도시한 평면도 및 측단면도이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 플라즈마장치를 포함한 열분해가스화 시스템의 개념도이고, 도 8은 도 7의 요부를 확대한 단면도이며, 도 9는 각 장치에서 이루어지는 반응을 설명한 표이고, 도 10은 열분해가스화 시스템을 포함하는 열분해가스화 발전 시스템의 흐름도이다.
본 발명의 일실시예에 따라 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템(100, 이하에서 '열분해가스화 시스템'이라 함)은 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 건조하는 건조저장사이로(2103)를 포함하는 연료건조투입부(2101)에서 투입된 가연성 재생 연료가 수용되는 공간(111a, 115a)을 개폐 가능하게 마련된 투입도어(111, 115)와; 상기 투입도어(111, 115)의 하측에 형성된 공간에서 건조되어 하부로 낙하하면서 건류 열분해가 진행되고, 왕복 작동되는 그레이트로 이루어진 왕복작동그레이트(136)에 의하여 열분해가 촉진되는 입형열분해가스화장치(130)와; 상기 입형열분해가스화장치(130)에 하방으로 연통되어 상기 왕복작동그레이트(136)를 통과하여 낙하는 잔류물을 주기적으로 교반하는 이송램(151, 152, 154)과 다단으로 형성되어 하부에서 공급되는 가열화가 촉진되는 횡형열분해가스장치(150)와; 상기 횡형열분해가스장치(150)에서 발생한 가스를 측방으로 안내하여 가스에 혼입된 타르 및 메탄을 포함하는 고분자 가스를 설정된 시간 동안 형성된 공간 내에서 반응시키고 분해 가능하게 마련된 가스숙성장치(170);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 도 10의 "가" 공정에서 폐고체 유기성분을 갖는 연료는 선별 파쇄 되어 투입 되고 간이 건조저장사이로(2105)를 거쳐 열분해가스화 시스템(100)의 압축투입장치(110)로 유입된다.
상기 투입도어(111, 115)는, 상기 연료건조투입부(2101)에서 낙하하는 가연성 재생 연료를 수용하는 상부수용공간(111a)을 개폐하는 일차투입도어(111)와, 상기 상부수용공간(111a)과 연통되어 하측에 배치되어 낙하는 가연성 재생 연료를 수용하는 하부수용공간(115a)을 상기 일차투입도어(111)와 교차하면서 개폐하는 이차투입도어(115)를 포함한다. 여기서, 투입되는 가연성 재생 연료는 압축되어 연료 자체에 포함된 공기를 최소화할 수 있는 것이 바람직하다. 즉, 이차투입도어(115)가 닫힌 상태에서 일차투입도어(111)가 열리고 일차투입도어(111)가 닫힌 상태에서 이차투입도어(115)가 열린다. 상부수용공간(111a) 및 하부수용공간(115a)에 연료가 있는지는 빔센서 등을 포함하는 공지의 감지수단을 이용하여 투입도어(111, 115)가 자동으로 연동될 수 있도록 제어부(2610)에서 제어할 수 있다.
압축투입장치(110)는, 또한, 상기 이차투입도어(115)의 하측에 낙하하는 가연성 재생 연료를 상기 입형열분해가스화장치(130)로 투입하는 압축투입램(113)을 더 구비하고 있다.
이러한 연료 투입 과정에서 압축되어 유입된 가연성 재생 연료는 회전분쇄기(분배기, 미도시)를 거쳐 분쇄되어 골고루 하부로 공급되는 것이 더욱 바람직하다.
입형열분해가스화장치(130)에는 건조단(131)과, 회전식가열공기공급부(133)를 갖는 건류열분해부(134), 왕복작동그레이트(136), 열분해가스화부(135)가 구비되어 있다.
건조단(131)은 하류에서 가연성 재생 연료가 열분해, 가스화되면서 상승하는 열 내지 기류에 의하여 가연성 재생 연료가 건조되는 영역으로 입형열분해가스화장치(130)의 상측 내지 상류에 위치한다.
건류열분해부(134)는 건조단(131)의 하측 내지 하류에 배치되어 낙하하는 가연성 재생 연료에 가열공기를 공급 가능하게 마련된 회전식가열공기공급부(133)에 의하여 건류 열분해가 이루어지는 영역이다. 회전식가열공기공급부(133)로 공급되는 가열공기의 일부는 상측으로 일부는 하측으로 공급되도록 노즐 또는 홀이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
열분해가스화부(135)는 입형열분해가스화장치(130)의 하측에 위치하여 건류열분해부(134) 하류 내지 하측으로 낙하하면서 열분해가스화가 더 발생하고 하측에 왕복 작동 가능하게 왕복작동그레이트(136)를 구비하고 있다. 왕복작동그레이트(136, 도 6 참조)는 일체형으로 구비되어 설정된 시간에 따라 주기적으로 작동하면서 가연성 재생 연료의 열분해가스화 잔류물을 설정된 크기 이하로 분쇄 가능한 구조를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 필요에 따라 왕복작동그레이트(136)와 동일한 기능을 할 수 있도록 왕복그레이트(136) 대신에 다수의 날개(143)가 교차적으로 배치된 도 6의 회전식 이송분쇄장치(140)가 설치될 수도 있다.
그리고, 가연성 재생 연료에 포함된 공기와 입형열분해가스화장치(130) 및/또는 횡형열분해가스화장치(150)에서 발생한 건조공기가 가스숙성장치(170)로 유입되지 않도록 입형열분해가스화장치(130)의 상측에 링 형상으로 마련된 에어퍼지라인(137a)에 마련된 에어퍼지팬(137)에 의해 외부 또는 미도시된 열회수용 열교환기로 퍼지되는 것이 바람직하다.
횡형열분해가스화장치(150)는, 복수 단으로 계단식으로 배치되어 왕복작동그레이트(136)에서 하측으로 낙하한 잔류물을 이동 가능하게 주기적으로 작동하는 이송램(151, 152, 154)과, 이송램(151, 152, 154)의 하측에 가열공기를 공급 가능하게 마련된 다수의 가열공기노즐(153)을 포함하고, 상기 잔류물의 열분해, 가스화를 촉진할 수 있는 영역이다.
이러한 이송램들(151, 152, 154) 각각은. 도 4에 도시된 바와 같이(설명의 편의상 일차이송램(151) 및 이차이송램(152)만 도시함), 바닥에 해당하는 고정층(일차고정층 - 156a, 이차고정층 - 156b)의 판면에서 사다리꼴로 돌출 형성된 이송가이드(157)의 형상에 맞물리는 형상을 구비한 이송판(151b, 152b)과, 이송판(151b, 152b)을 슬라이딩 이송 가능하게 구동력을 제공하는 램구동부재(151a, 152a)를 갖는 것이 바람직하다.
도 1, 2의 회전식숙성로(175)의 가스가 회전할 수 있는 구조를 따라 선회하면서 일정 시간 동안 체류할 수 있고 체류 시간 동안 가스 속에 함유되어 있는 수분과 분해 결합하는 과정을 통해 타르나 메탄 등이 분해되어 수소와 일산화탄소를 형성할 수 있다. 이러한 과정을 그래프로 도시한 것이 도 5이다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이 압력을 일정하게 유지(예를 들면, 1 atm)하고 온도가 변하는 경우 온도가 높을수록 메탄(CH4)은 낮아지고 일산화탄소(CO) + 수소(H2)가 높아지는 현상이 나타난다. 이러한 현상을 형성하기 위하여서는 가스 중에 설정된 범위 이상의 수분이 있는 것이 바람직하다.
이러한 수분의 설정 범위는 연료에 포함된 고분자의 종류에 따라 상이하므로 재생연료를 샘플링(Sampling)하여 설정되는 것이 바람직하다.
즉, 열분해가스화 과정에서 온도가 높고 수분(H2O)과 산소(O2)가 존재하고 있어야 하나 산소가 가스 속에서 존재하는 경우에는 산화 반응이 일어나 이산화탄소(CO2)가 증가되므로 수분이 일정량 이상 존재하고 있어야 한다. 만약, 가스화 과정에서 수분이 부족한 경우 과열 증기를 투입할 수 있는 데 이러한 과열 증기를 잔재가 존재하고 있는 잔재압축배출램(155)이 위치하는 앞 영역으로 투입하여 고온의 잔재와 접촉하는 것이 바람직하다. 이러한 과열 증기는 과열 증기만으로 또는 공기화 혼합된 형태로 투입될 수 있다.
건조도가 높은 재생연료의 경우 횡형열분해가스화장치(150)의 공간 내의 수분량이 일정 수분량의 범위 이하인 경우 과열 증기가 횡형열분해가스화장치(150)의 공간 내부로 투입되도록 제어할 수 있다. 이의 제어는 출구 가스의 수소농도(연속 측정 또는 연료에 따른 샘플링 하여 측정하여 조절 할 수 있음)와 온도를 감지하여 이에 따라 공급량을 조절 할 수 있다.
이러한 입형열분해가스화장치(130)와 횡형열분해가스화장치(150)는 상ㆍ하향 병류 기류 방식에 의해 열분해가스화가 이루어지는 구조를 가지므로 매우 효과적이고 효능이 뛰어남을 알 수 있다.
그리고 입형 및 횡형열분해가스화장치(130, 150)에서의 상부 온도는 대략 800 ~ 1000도(하부 잔재 가스화부는 1,200∼1,300℃에 이름) 범위인 것이 바람직하다.
이러한 온도 조건과 외부에서 투입되는 연료를 따라 또는 부압 등에 의하여 유입되는 공기와 건조되는 과정에서 발생할 수 있는 건조공기 등이 가연성 재생 연료가 열분해가스화 된 가스와 혼입되지 않도록 퍼지를 하고, 전술한 온도 조건에서 활발하게 열분해가스화가 이루어질 수 있어 생성된 가스에는 H2의 함량이 높아(예를 들면, 15wt% 이상-7∼8%일 경우에도 발전 가능함) 후술하는 열분해가스화 발전 시스템(2000)에 활용될 수 있다.
그리고, 왕복작동그레이트(136)를 통과하지 못하여 낙하한 불연물 및 크랭커와 횡형열분해가스화장치(150)에서 이송램(151, 152, 154)를 거쳐 남은 잔재는 잔재압축배출램(155)에 의하여 압축되어 외부로 배출되는 것이 바람직하다. 여기서, 크랭커는 연료에 포함되어 있는 규소 성분 등이 열에 의하여 녹은 후 냉각 과정에서 뭉쳐져 덩어리를 형성한 것을 통칭한다.
한편, 잔재를 압축하기 전에 매우 높은 온도(약 900도 이상)를 갖는 잔재는 공급되는 과열증기나 가열공기(200∼300℃)에 의하여 냉각(약, 500도 정도)된 후 압축되어 배출되는 것이 바람직하다.
가스숙성장치(170)는 대략적으로 사이클론과 유사한 구조를 가지고 유입구는 횡형열분해가스화장치(150)의 상측 측면과 연통되어 일종의 유입구인 열분해가스유입부(173)와, 원통형의 공간을 가지고 하측은 콘 형상으로 구비된 회전식숙성로(175)와, 회전식숙성로(175)의 상측에 마련되어 가스가 배출되는 영역인 가스배출구(176)와, 콘 형상의 하측에 자중 등에 의하여 모여진 분진 등의 불순물을 포집하여 압축하여 외부로 배출할 수 있는 분진압축배출로(177)로 이루어진 것이 바람직하다.
가스숙성로(170)의 공간을 가스가 선회하면서 일정 시간 체류를 하여 분진은 아래로 낙하되어 제거될 수 있다. 또한, 고온인 상태에서 가스가 일정시간 체류를 하면서 가스 속에 함유된 타르와 메탄은 수분과 분해 결합하는 과정을 거치면서 분해되어 수소와 일상화탄소를 생성할 수 있다. 이러한 과정을 그래프로 도시한 것이 도 5이다.
여기서, 입형 및 횡형열분해가스화장치(130, 150)로 공급되는 가열 공기를 공급하는 가열공기공급부(180)는 공기를 흡입하여 가압하는 가열공기공급팬(183)과 가열공기공급팬(183)에서 가압된 공기를 설정된 온도로 가열시키는 열교환기(185)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
아울러 필요에 따라 초기에 회전식숙성로(175) 내부의 온도를 가열시키는(도 1의 ‘191a’ 참조) 미도시된 버너와, 외부로 배출되는 배출스텍(2105)의 불연소 가스를 연소(도 1의 ‘191b’ 참조)시킬 수 있도록 연료를 공급하는 연료공급라인(191)이 더 구비될 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 열분해가스화 시스템(100)에서 입형 및 횡형열분해가스화장치(130, 150)에서의 성능은 잔류탄소 가스화시 발생되는 열을 최대한으로 이용하고 발생된 가스를 가급적 공기와 접촉하지 않게 하여야 함으로 무엇보다도 연료투입 시의 공기 차단이 매우 중요하다. 따라서, 본 발명에서는 외부 공기를 2단계에 거쳐 완벽히 차단하여, 열분해가스와 공기의 접촉을 완전히 차단하여 합성가스의 순도를 향상시킬 수 있다. 즉, 1단계로는 연료를 압축 투입하여 연료 속에 포함된 공기를 최대한으로 배기하고 동시에 부압으로 운전되는 입형 및 횡형열분해가스장치(130, 150) 내부로 공기가 유입되는 것을 차단한다. 2단계로 투입된 건조단(131) 상부에서 유입된 공기와 일부 연료건조 공기를 퍼지하여 유입된 공기가 열분해가스화 영역의 유입은 물론 발생된 가스와 혼입되는 것을 차단할 수 있다. 이러한 단계를 거치므로 입형 및 횡형열분해가스화장치(130, 150)로 유입되는 가열공기는 하부 노즐을 통하여 강제로 공급되어 잔류 탄소와 접촉을 통해 CO로 분해될 수 있게 된다.
또한 적은 열량으로 열분해가스화가 가능하도록 가장 열량 소모가 큰 수분의 건조를 최대한으로 외부열을 이용 건조하여 5% 이하의 수분을 함유한 범위에서 열분해가스화 존으로 투입되도록 재순환 공기를 이용한다. 이러한 과정은 앞서 설명한 바와 같이 에어퍼지팬(137)에 의해 배출되고 이 공기가 열교환기(미도시)에서 가열된 후 가열공기공급팬(183)에 의해 공급되어 재순환 공기가 될 수 있다. 즉, 이 경우에는 가열공기를 가열하은 열교환기가 불필요하게 될 수도 있다.
예를 들면, 가연성 재생 연료 중에서 목질계의 열분해가스화는 잔류 탄소의 크기에 따라 분해시간이 다르므로 이를 해결 할 수 있도록 왕복작동그레이트(136)를 주기적으로 유동시켜 설정된 크기 이하로 잔류 탄소를 분쇄 내지 분해한 후 하부로 낙하 내지 배출할 수 있다. 이에 하부로 낙하된 고온의 잔류 탄소는 하부에서 공급되는 가열공기에 의하여 CO로 변환되어 외부로 배출될 수 있다.
이러한 열분해가스화 시스템(100)은 다음과 같은 특·장점을 가지게 된다.
사이즈가 다양한 종류의 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료에 적합하며, 예를 들면, 임업·농업 부산물로 발생되는 모든 미활용 바이오매스 연료를 열분해가스화 할 수 있다.
수분이 다량 함유한 생목에서부터 건조된 바이오매스를 투입 하더라도 후술하는 엔진 발전이 가능한 일정 범위를 갖는 열량의 가스를 생산 할 수 있다.
비산되는 분진이나 타르를 최소화하여 열 회수 장치나 스크러버 물 분사 시스템의 부하를 감소시키고 운전을 원활하게 할 수 있다.
후술하는 가스발전부(2310)는 가스 용량에 따라 100∼65%까지 저 부하운전(100% 용량 이상은 출력을 제한함)이 가능하나 본 발명에 따른 열분해가스화 발전 시스템을 제어하는 후술하는 방법을 적용하여 발전기 부하에 따른 열분해가스화의 생산량을 제어하여 100% 가동률 유지하게 하고 불필요한 가스의 생산이나 가스의 부족으로 발전 용량이 적어지거나 과잉 생산 공기를 외부로 배출하지 않도록 제어 시스템을 구축할 수 있어 총 가동 효율을 높이고 잉여 가스의 배출에 의한 환경 악영향을 예방할 수 있다.
고온의 발전기의 폐열을 회수하여 고함수율 바이오매스 건조 열원으로 사용할 수 있다.
이에, 본 발명에 따르면, 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지, 지정폐기물 및 액상 등을 포함하는 재생연료)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해하고 가스화할 수 있는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 열분해되고 가스화되어 향후 정제 등의 공정을 거쳐 가스 엔진이나 터빈을 이용할 수 있는 정도의 안정된 품질을 갖는 정제된 합성가스를 생산할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 입형 열분해가스화로와 횡형 열분해가스화로의 장점을 접목할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 고정 탄소가 많고 부정형 크기를 갖는 목재뿐만 아니라 다양한 종류의 연료에 적합하고, 가열공기 사용이 가능하고 비산 분진이 적으며 냉가스 효율을 향상시킬 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 가스화 과정에서 수분을 적절하게 조절하여 가스화 효율을 증대시킬 수 있는 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열분해가스화 시스템(200)은 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 플라즈마장치(260)를 구비하고 있는 것이 특징이다. 본 실시예에서는 이송램(251, 252, 254, 255, 256)들이 수(실시예에서는 5개 도시)개의 단으로 구비되어 있으며 가열공기노즐(253)도 다수 구비되어 있음은 전술한 바와 같다.
플라즈마장치(260)는, 전극봉(261)과, 전극봉(261)에 대응하여 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마토치(262)와, 플라즈마토치(262)를 고정시키고 플라즈마토치(262)의 경사각, 깊이(전극 간극)를 조절할 수 있는 토치조절부(263)와, 내부 상태를 투시할 수 있는 투명 또는 반투명한 투시창(264)과, 플라즈마에 의하여 발생되는 고온의 발열 영역을 냉각시킬 수 있는 워터자켓(266)과, 잔재가 플라즈마에 의하여 용융되는 영역인 용융로(290)를 포함하고 있다.
열분해가스화의 경우 잔류 카본(고정탄소로서 비휘발성물질)을 완벽하게 분해(가스화)하는 것이 아주 중요하다. 이를 위해 고온의 플라즈마가스로 공급되는 과열증기 또는 공기는 플라즈마에 의해 3000∼5000°C까지 가열되어 공급 이 플라즈마가스는 재생연료의 미분해 고정탄소를 급격히 분해시키며 불연물은 고열에 의해 용융 슬래그화 된다. 이 방법은 미분해 물질(잔류 카본-고정 탄소)의 크기가 일정하지 않더라도 고온의 플라즈마 가스에 의해 잔류 카본과 접촉시키면 완벽하게 분해가 가능하고 분해된 후 미분해무기물은 용융 슬래그화 되어 외부로 배출되므로 가스화 효율이 100% (99.9999%)에 이르기 때문에 고효율 가스화를 구현할 수 있다. 동시에 잔재를 용융 슬래그화 하여 잔재 속의 유해물질을 무해화시킬 수 있어 배출되는 잔재를 재활용 할 수 있다는 장점을 갖는다.
일반적으로 잔재를 용융시키기 위하여 플라즈마를 발생시키기 위해서는 매우 많은 전력이 소모된다.
그러나, 본 발명에서는 이러한 문제점을 보완하여 전력 소모가 종래기술에 비하여 1/5 ~ 1/10 정도 밖에 소모되지 않는다. 그 이유는 본 기술은 서 있는 형태의 입형의 로는 폐기물이 직접 낙하되어 재생연료가 직접 플라즈마 용융로에 투입되어 흡열 반응을 하기 때문에 전력 소모가 많은 반면 본 실시예는 도 7과 같이 누워있는 횡형의 로 끝단에 플라즈마장치(260)가 부착되어 있다. 이에, 입형로와 달리 열분해된 상태의 고온(800∼1000℃)의 고정 탄소가 함유된 상태로 용융로에 투입하기 때문에 잔류하고 있는 고정탄소(C)가 플라즈마 가스와 반응 과정에서 고열을 발생(C + O2=CO + 고열)시키기 때문에 플라즈마 용융로의 온도를 유지 시키는데 필요한 플라즈마를 발생시키는 전력을 감소시킬 수 있다. 또한. 사용되는 플라즈마토치(262)가 입형로에는 사용이 불가능한 토치조절부(263)에 결합되어 플라즈마토치(262)의 높이 등을 자동 조절할 수 있는 이송식 플라즈마를 사용하기 때문에 효율을 증대시킬 수 있으므로 전력소모가 감소된다.
이러한 이유로 본 발명에 따른 플라즈마장치(260)에서의 총 전력 소모는 종래기술의 입형로에 부착한 열분해가스화을 위한 플라즈마장치에 비하여 1/5 ~ 1/10 정도이므로 아주 경제적인 가치가 있다.
아울러, 열분해가스화 장치(130, 150)에서 플라즈마를 사용할 경우에는 열분해가스화 장치(130, 150)를 간단하게(도 7과 같이 카본 제거를 위한 그레이트나 연소단을 없애거나 간단히 할 수 있음) 설계 할 수 있다는 장점도 있다.
이러한 구성을 갖는 플라즈마장치(260)를 포함하는 열분해가스화 시스템(200)의 각 영역에서 이루어지는 반응을 도 9에 도시하였다.
이에, 잔재에서 탄소 성분을 제거하여 슬래그로 처리할 수 있고 전력 소모를 절감할 수 있는 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 열분해가스화 시스템(100)에 의하여 생산된 합성 가스를 정제를 포함하는 후처리를 하여 가스발전부(2310)에서 발전 연료로 사용하는 열분해가스화 발전 시스템(2000)에 대하여 도 10을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
열분해가스화 발전 시스템(2000)을 크게 나누면, 도 10에 도시된 바와 같이, "가" 부분은 유기성 폐연료를 포함하는 가연성 재생 연료의 건조 투입하는 건조투입부(110) 영역이며, "나" 부분은 가연성 재생 연료를 열분해가스화하여 합성가스 연료를 생산하는 열분해가스부(120) 영역이고, "다" 부분은 생산된 합성가스를 정제(합성가스에 포함된 분진 등 이물질을 제거 과정으로 건식 또는 습식 장치를 사용)하는 가스정제부(미도시) 영역이며, "라＂ 부분은 정제된 합성가스를 이용하여 가스엔진 또는 가스터빈으로 발전하는 가스발전부(2310) 영역이다. 여기서, 가스정제부는 냉각수단인 재순환된 가스와 혼합되는 혼합챔버(2110)와 냉각열교환기(2150) 및 냉각스크러버(2160)와 냉각폐열보일러(2130)를 포함하고, 이물질을 제거하는 집진수단인 사이클론 또는 사이클론 전기집진기를 포함하는 집진기(2120), 백필터(2140)를 포함하는 것이 바람직하고 필요에 따라 사이클론과 습식전기집진기를 사용할 수 있다.
이러한 "가" 부분에서 "라" 부분으로 진행하는 과정에서 다른 부분도 포함되지만 "나" 부분에서 생성된 열분해 합성가스를 정제하고 안정적으로 "라" 부분으로 공급할 수 있다. 즉, 가스엔진이나 가스터빈에 소요되는 청정가스의 품질은 매우 까다로운 조건을 필요로 하며, 이러한 까다로운 조건에 부합한 청정가스를 생산하는 데 종래기술에서는 매우 많은 문제점을 가지고 있었고 이러한 종래의 문제점을 해결할 수 있다.
예를 들면, 가스엔진에 소요되는 청정가스가 구비해야 할 요건은, 첫째, 청정가스의 발열량은 일정발열량 이상이고, 둘째, 청정가스의 성분이 설정치 이상이며 변동 폭이 ±2%/30초(30초 동안 변동 폭이 2% 이하) 이내이며, 셋째, 청정가스에 타르가 존재하지 않아야 하고, 넷째, 청정가스에 존재하는 수분이 25℃ 포화 수분 이하이어야 한다. 이러한 최적의 요건을 구현할 수 있는 후술하는 열분해가스화 발전 시스템(2000)을 본 발명자는 관련 분야의 다양한 경험, 연구 및 기존 특허 기술들을 활용하여 도출하게 되었다.
열분해가스화 발전 시스템(2000)에서는 순전히 일반 공기가 이용되므로 합성가스의 발열량은 LNG나 LPG 등과 달리 아주 낮고(1,000 ~ 2,000Kcal/Nm3) 투입되는 폐연료 조건에 따라 생산되는 합성가스의 량과 질이 아주 달라지는 것이 특징이다. 이러한 변동 가능성이 많은 조건을 극복하고 가스발전에서 요구하는 조건을 만족하기 위하여 본 발명은 후술하는 바와 같이 종래기술과 다르게 구사된다.
먼저, "가" 공정에서 폐고체 유기성분을 갖는 연료는 선별 파쇄 되어 투입 되고 간이 건조저장사이로(2105)를 거쳐 압축투입장치(110)를 통해 입형 및 횡영열분해가스화장치(130, 150)로 유입된다.
입형열분해가스화장치(130)에 대한 내용은 구체적으로 전술하였으므로 설명을 생략한다.
하부로 낙하된 연료는 휘발 물질의 열분해가 대부분이 이루어진 상태이므로 다음 단계인 가스화가 진행될 수 있다. 가스화를 위하여 가열공기공급팬(183)에 의하여 공급되는 공기는 이송램(151, 152, 154) 하부의 가열공기노즐(153)을 통해 가열된 상태로 주입되어 낙하된 연료의 가스화를 촉진시키며 어느 정도 가스화가 진행되면서 다단으로 이루어진 각 이송램(151, 152ㅡ 154)에 의해 다음 단계로 교반 이송된다.
이때 이송램이 연료를 이송시키면 교반에 의해 폭발적으로 가스화가 이루어진다. 이러한 연료의 가스화를 조절하기 위해 이송램으로 연료의 이송 속도 및 이송량을 조절하고 용량에 따라 한 단에 한 개 이상의 다수의 램을 다단으로 설치할 수 있다. 또한 가스화단 역시 용량에 따라 한 단 이상 다단의 예를 들면 10여 개 이상의 다단으로 설치될 수 있지만 본 발명의 일실시예에서는 3개의 이송램(151, 152, 154)이 구비되어 있다.
이러한 과정을 거쳐 가스화가 이루어진 연료는 회분만 남게 되며 최종적으로 회분 속 잔류탄소를 가스화한 후 회분만을 외부로 배출시킨다. 이때 잔류 탄소를 완벽하게 가스화하기 위해 플라즈마 등을 이용한 용융풀 속을 거쳐 잔류 탄소를 완전하게 가스화 시키고 남은 슬래그만을 외부로 배출 할 수도 있다(이러한 과정은 전술한 내용 및 도 7 내지 도 9 참조).
이러한 과정을 거치는 본 공정에서 압축연료가 투입되는 과정에서 외부 공기 유입을 차단하기 위해 연료를 압축하여 연료 중의 공기를 퍼지 하여 외부 공기의 유입을 차단하는 것이 바람직하다.
투입되는 연료를 열분해로 내의 열분해가스화 부분으로 투입하기 전 최대한으로 가열 공기와 에어퍼지팬(137)을 이용 건조한다.
투입된 연료의 열분해가스화가 순간적으로 대량 발생(이송램 등의 작동 시 대량 발생)하지 않도록 복수의 이송램을 2개 이상(10여개 이상도 가능) 장착하고 각각의 작동 시간과 속도를 조절하게 한다.
그리고, 일반적인 소각로의 경우에 연소나 열분해를 하고 남은 회분은 수봉장치(물로 밀봉하는 장치)를 통해 배출되는 과정에서 다량의 증기가 발생 유입되므로, 본 발명에서는 이를 방지하기 위하여 기계적으로 회분이 압축되어 배출되므로, 회분 배출시에 외부공기가 연소, 열분해 과정으로 유입되지 않도록 차단될 수 있다.
발생된 열분해가스는 800 ~ 1000°C 정도의 온도를 가지며, 하류로 흐르면서 가스숙성장치(170)에서 분진 및 타르는 원심 분리되어 낙하되어 회분이 배출되는 측으로 이동하고, 잔존하는 타르 및 고분자 화합물은 분해된 후 가스와 함께 정제하는 영역인 “다” 부분으로 유입된다. 여기서, 분해되지 않고 존재하는 타르가 이후 냉각폐열보일러(2130)에 부착되는 경우 냉각폐열보일러(2130) 내부에 부착된 타르 등을 제거하기 위하여 쇼트 블라스트로 냉각폐열보일러(2130) 내부를 클리닝하는 것이 바람직하다.
정제 영역에 속하는 “다” 부분에 유입된 가스에 유리 카본 성분이 생성되는 것을 방지를 위해 급격한 냉각이 요구되며, 이를 위해 정제장치 냉각 후 백필터(2140) 후단의 냉각열교환기(2150) 출구의 냉각된 가스(60℃ 내외)를 혼합챔버(2110)로 혼합챔버순환블로워(2510)를 이용하여 순환시켜 열분해가스와 혼합시켜 800 ~ 1000℃ 가스를 500°C로 급냉시킬 수 있다.
급랭을 거친 가스는 사이클론식 전기집진기(2120, 필요에 따라 사이클론만 설치 할 수 있음)를 통해 분진을 제거한 후 집진기(2120 하류에 배치된 냉각폐열보일러(2130) 형식의 포함하는 냉각장치 내지 냉각수단을 통해 냉각된다. 여기서, 냉각폐열보일러(2130)는 미세한 정도라도 유입될 수 있는 타르나 분진에 막힘이 없도록 입형 연관식으로 구비될 수 있으며, 쇼트 블라스트(shot blast) 방식을 이용한 클리닝 시스템을 적용할 수 있고, 수관식으로 적용도 가능하다. 이러한 쇼트 블라스트에 활용되는 가스는 폐열보일러순환블로워(2520)에 의해 순환될 수 있다. 이러한 순환 라인은 제습기(2230)를 거쳐 가스발전부(2310)의 상류에서 분기된 라인이며 상측에 표시하지 않은 라인은 집진기(2120) 퍼지용으로 활용되는 배관 라인으로 퍼지라인블로워(2530)에 의하여 가스가 순환될 수 있다.
가스에 혼입된 분진의 제거를 위해 가스는 냉각폐열보일러(2130)의 하류에 배치된 백필터(2140)로 유입된다. 백필터(2140)는 습식 전기집진기로 설치 또는 대체될 수도 있다.
백필터(2140)에서 분진이 제거된 가스는 냉각열교환기(2150, 예를 들면, 에코노마이저 타입)를 통해 60℃ 정도로 냉각된 후 일부 가스는 혼합챔버순환블로워(2510)에 의해 혼합챔버(2110)로 순환되고, 나머지 가스는 냉각스크러버(scrubber)를 통해 불순물이 제거되면서 냉각된다.
여기서, 본 발명에서는 하류의 냉각폐열보일러(2130) 등으로 많은 량의 분진 유입되는 것을 예방할 수 있도록 집진기(2120)가 적용되고, 집진기(2120)를 통과한 미세한 분진을 제거하기 위하여 백필터(2140)가 배치되며, 수 분사에 의해 폐기물 중 산성가스 등 유해가스 제거용으로 사용하며 바이오매스 연료의 경우에는 필요치 않을 수도 있으나 최종 냉각 및 유해가스 제거용으로 사용되는 냉각스크러버(2160)가 각각 활용되는 것이 바람직하다.
아울러 필요에 따라 백필터(2140)와 냉각스크러버(2160) 대신에 습식 전기집진기를 사용할 수 있다.
이러한 과정을 거쳐 정제된 합성가스는, 로터리블로워(2210)를 통해 가압 이송 되어 혼합버퍼탱크(2220)에 저장 된다. 혼합버퍼탱크(2220) 내에서 정제된 합성가스는 시간의 차이(예를 들면, 20초 이상)를 두고 혼합되도록 설정된 혼합장치(미도시)에 의해 혼합되어 저장된다.
혼합버퍼탱크(2220)에 저장된 정제된 합성가스는 제습기(2230)를 통해 제습되고 최종적으로 압력자동조절밸브(2240)를 통해 설정된 적정 압력과 적정량으로 가스발전부(2310, 예를 들면, 가스엔진, 가스터빈)로 유입된다. 유입되는 정제된 합성가스에 의해 가스발전부(2310)에서 발전이 이루어질 수 있다.
그리고, 추가적으로 혼합버퍼탱크(2220)의 하류에서 분기되어 가스압축기(2410)로 압축(예를 들면, 6~8 bar)된 가스는 압축가스저장탱크(2420)에 저장된다. 이렇게 저장된 고압으로 압축되어 정제된 합성가스는 전술한 백필터(2140)의 펄스용으로 활용될 수 있다. 여기서, 연료가 입형열분해가스화장치(130)로 투입되는 과정에서 외부 공기를 차단하는 등의 퍼지용 가스는 엔진 출구의 배기가스를 흡입 압축(미도시)하여 사용하는 것도 바람직하다.
이러한 과정에서 집진기(2120)는 퍼지용 유체, 백필터(2140)는 펄스용 유체, 냉각폐열보일러(2130)의 쇼트 블라스트용 유체, 급냉 시 냉각용 유체가 각각 필요하다. 예를 들면, 일반 소각로의 경우에 이러한 퍼지용, 펄스용 또는 냉각용 등에 사용되는 유체는 공기를 압축한 압축공기가 사용된다. 반면에, 열분해가스화 공정에서 퍼지용, 펄스용 또는 냉각용 등에 적용되는 유체는 폭발 등의 위험을 예방할 수 있도록 불활성가스인 질소를 사용한다. 열분해가스화 공정의 경우 질소를 사용하면 질소의 가격이 본 발명에 따른 정제된 합성가스 또는 이를 압축한 가스에 비하여 훨씬 비싸 경제성에서 차이를 많이 가질 수 있다. 또 다른 측면에서 펄스용, 퍼지용 또는 냉각용으로 질소가 사용되면 정제된 합성가스 내부에 질소의 함량이 증가하여 정제된 합성가스의 발열량이 저하된다는 문제점이 있다. 아울러 펄스용에는 비교적 고압의 정제된 합성가스가 사용되고, 혼합용 또는 퍼지용 등에는 저압의 정제된 합성가스가 활용되는 것이 바람직하다.
즉, 가스발전부(2310)를 작동시킬 수 있는 정제된 합성가스에는 산소가 0wt%이고, 발열량을 발생시킬 수 있는 CH4, H2, CO 등을 포함하고 있으므로 이러한 정제된 합성가스가 퍼지용, 펄스용 및 냉각용으로 혼입이 되더라도 동일한 가스로 폭발을 예방할 수 있고 생산된 합성가스의 질을 변화시키지 않아 효율적이다. 또한, 시스템 정지 시와 같은 경우의 안전 퍼지용으로 이용되는 가스발전부의 배기가스는 산소가 5wt% 이하이고 나머지는 질소와 이산화탄소로서 불활성가스적 성질을 가지므로 이러한 가스는 합성가스와 혼합하여도 폭발할 수 있는 범위를 벗어나므로 폭발을 예방할 수 있어 시스템을 운영하는 과정에 사용하면 안전성이 확보되고 경제적이다.
본 발명에 따르면 정제된 합성가스를 재순환시켜 활용을 하면 가스발열량을 변동시키거나 전체 공정에 영향을 미치지 않을 뿐만 아니라 가스질을 균질화(순환, 혼합으로)시켜 발전기의 작동을 안정화 시킬 수 있으며 질소를 사용하는 종래 기술에 비하여 품질이 향상되어 효율이 높고 경제성을 증대시킬 수 있다.
한편, 가스발전부(2310)에 나오는 배가스를 미도시된 열회수장치에 의하여 냉각되고 냉각된 배가스를 압축기를 통해 압축시켜 압축된 공기를 저장탱크(미도시)에 저장시켜 저장된 압축 배가스를 열분해가스화 발전 시스템(2000)이 정지되는 경우 공정 라인의 퍼지(purge)용으로도 활용할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 제어부(2610)는 통상의 제어부(2610)와 마찬가지로 본 열분해가스화 발전 시스템(2000)을 제어, 통제할 수 있는 중앙제어반뿐만 아니라 각 구성 또는 이들을 연결하는 배관 등에 설치된 유량계, 온도계, 압력계 등의 센서류에서 감지한 결과에 기초하여 다른 구성들을 제어 통제하는 등의 다양한 공지된 제어 수단을 포함한다. 또는 제어부(2610)는 중앙제어반뿐만 아니라 각 구성에 인접된 로컬제어반도 포함할 수 있다.
이에, 본 발명에 따르면, 유기성 폐연료(생활, 산업, 폐합성수지 등을 포함하는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해하여 발생한 가스에 혼입된 불순물을 제거한 후의 정제된 합성가스를 이용할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 가스 엔진이나 터빈을 안정적으로 작동 할 수 있는 정도의 안정된 품질을 갖는 정제된 합성가스를 생산할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 불순물이 혼입된 가스를 정제하는 과정에서 폭발의 위험 등으로 인해 질소 가스를 사용하고 있으나 본 발명에서는 정제된 합성가스를 재활용하여 폭발 위험성을 예방함과 동시에 질소 가스에 비하여 저렴한 정제된 합성가스를 사용하므로 경제성을 증대시킬 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 정제된 합성가스를 쇼트 블라스트의 이송유체를 포함하는 다양한 분야에 활용할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해가스화 시스템을 제공할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예를 도시하여 설명하였지만, 본 발명의 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
100 : 열분해가스화 시스템 110 : 압축투입장치
111 : 일차투입도어 111a : 상부수용공간
113 : 압축투입램 115 : 이차투입도어
115a : 이차도어공간
130 : 입형열분해가스화장치 131 : 건조단
133 : 회전식가열공기공급부 134 : 건류열분해부
135 : 열분해가스화부 136 : 왕복작동그레이트
137 : 에어퍼지팬 137a : 에어퍼지라인
140 : 회전식 이송분쇄장치 143 : 날개
150 : 횡형열분해가스화장치 151 : 일차이송램
151a, 152a : 램구동부재 151b, 452b : 이송판
152 : 이차이송램 153 : 가열공기노즐
154 : 삼차이송램 155 : 잔재압축배출램
156a, 156b : 일차, 이차고정층 157 : 이송가이드
170 : 가스숙성장치 173 : 열분해가스유입부
175 : 회전식숙성로 176 : 가스배출구
177 : 분진압축배출로 180 : 가열공기공급부
183 : 가열공기공급팬 185 : 열교환기
191 : 연료공급라인
260 : 플라즈마장치 261 : 전극봉
262 : 플아즈마토치 263 : 토치조절부
264 : 투시창 266 : 워터자켓
290 : 용융로
2000 : 열분해가스화 발전 시스템 2101 : 연료건조투입부
2103 : 연료건조사이로 2105 : 배출스텍
2110 : 혼합챔버 2120 : 전기집진기
2130 : 냉각폐열보일러 2140 : 백필터
2150 : 냉각열교환기 2160 : 냉각스크러버
2210 : 로터리불로워 2220 : 혼합버퍼탱크
2230 : 제습기 2240 : 압력자동조절밸브
2310 : 가스발전부 2410 : 가스압축기
2420 : 압축가스저장탱크 2510 : 혼합챔버순환블로워
2520 : 폐열보일러순환블로워 2530 : 퍼지라인블로워
2610 : 제어부

Claims (10)

  1. 투입된 가연성 재생 연료가 수용되는 공간을 개폐 가능하게 마련된 투입도어와;
    상기 투입도어의 하측에 형성된 공간에서 건조되어 하부로 낙하하면서 건류 열분해가 진행되고, 왕복 작동되는 그레이트로 이루어진 왕복작동그레이트 또는 회전하는 다수의 날개를 가진 회전식 이송분쇄장치에 의하여 열분해가 촉진되는 입형열분해가스화장치와;
    상기 입형열분해가스화장치에 하방으로 연통되어 상기 왕복작동그레이트를 통과하여 낙하는 잔류물을 주기적으로 교반하는 이송램과 다단으로 형성되어 하부에서 공급되는 가열화가 촉진되는 횡형열분해가스장치와;
    상기 횡형열분해가스장치에서 발생한 가스를 측방으로 안내하여 가스에 혼입된 타르 및 메탄을 포함하는 고분자 가스를 설정된 시간 동안 형성된 공간 내에서 반응시키고 분해 가능하게 마련된 가스숙성장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열분해가스화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투입도어는, 상기 투입도어로 낙하하는 가연성 재생 연료를 수용하는 상부수용공간을 개폐하는 일차투입도어와, 상기 상부수용공간과 연통되어 하측에 배치되어 낙하는 가연성 재생 연료를 수용하는 하부수용공간을 상기 일차투입도어와 교차하면서 개폐하는 이차투입도어를 포함하며,
    상기 이차투입도어의 하측에 낙하하는 가연성 재생 연료를 상기 입형열분해가스화장치로 투입하는 압축투입램을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열분해가스화 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 투입도어로 투입된 가연성 재생 연료가 순차적으로 하측으로 이동하면서 건조, 열분해 및 가스화 가능하게 상기 입형열분해가스화장치에서는
    가연성 재생 연료가 건조되는 건조단과;
    상기 건조단의 하측에 배치되어 낙하하는 가연성 재생 연료에 가열공기를 공급 가능하게 마련된 회전식가열공기공급부에 의하여 건류 열분해가 이루어지는 건류열분해부와;
    상기 건류열분해부 하류로 낙하하면서 열분해가스화가 더 발생하고 하측에 상기 왕복작동그레이트 또는 상기 회전식 이송분쇄장치를 구비한 열분해가스화부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열분해가스화 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 왕복작동그레이트는 일체형으로 구비되어 가연성 재생 연료의 열분해가스화 잔류물을 설정된 크기 이하로 분쇄 가능하게 마련된 것을 특징으로 하는 열분해가스화 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 횡형열분해가스화장치는, 복수 단으로 계단식으로 배치되어 상기 왕복작동그레이트에서 하측으로 낙하한 잔류물을 이동 가능하게 주기적으로 작동하는 상기 이송램과, 상기 이송램의 하측에 가열공기를 공급 가능하게 마련된 다수의 가열공기노즐을 포함하고 상기 잔류물의 열분해, 가스화를 촉진하는 것을 특징으로 하는 열분해가스화 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 왕복작동그레이트를 통과하지 못하여 낙하한 불연물 및 크랭커와 상기 횡형열분해가스화장치에서 남은 잔재는 잔재압축배출램에 의하여 압축되어 배출되는 것을 특징으로 하는 열분해가스화 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    가연성 재생 연료에 포함된 공기와 상기 입형열분해가스화장치 또는 상기 횡형열분배가스화장치에서 발생한 건조공기가 상기 가스숙성장치로 유입되지 않도록 상기 입형열분해가스화장치의 상측에 마련된 에어퍼지라인에 연통된 에어퍼지팬에 의해 퍼지되는 것을 특징으로 하는 열분해가스화 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스숙성장치에서 타르나 메탄 등을 분해하여 수소와 일산화탄소를 효율적으로 생성하기 위하여 상기 횡형열분해가스화장치의 잔류 탄소 가스화 영역에 공기 대신 로 과열 증기 또는 과열 증기를 공기와 혼합하여 주입하는 것을 특징으로 하는 열분해가스화 시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 왕복작동그레이트를 통과하지 못하여 낙하한 불연물 및 크랭커와 상기 횡형열분해가스화장치에서 남은 잔재는 플라즈마장치에 의하여 잔류탄소를 가스화하고 불연물은 용융되어 슬래그 형태로 배출되는 것을 특징으로 하는 열분해가스화 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 잔재는 열분해 상태의 고온이고 잔류 탄소를 함유하고 있으므로 상기 플라즈마장치에서 발생되는 플라즈마 가스 또는 고온의 가스와 반응하여 고열을 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 열분해가스화 시스템.
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