KR102402473B1 - 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치 및 가스화 방법 - Google Patents

통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치 및 가스화 방법 Download PDF

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Abstract

통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치 및 가스화 방법이 개시된다. 본 발명의 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치는, 바이오매스를 공급받아 가열하여 반탄화 고체생성물을 생성하는 반탄화 공정부; 상기 반탄화 공정부에서 생성된 반탄화 고체생성물을 공급받아 수소와 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성하는 가스화 반응기; 및 공기로부터 질소를 분리하는 공기분리기:를 포함하고, 상기 공기분리기에서 분리된 질소는 상기 가스화 반응기에서 가열되어 상기 반탄화 공정부의 열원으로 공급되고, 상기 공기분리기에서 질소의 분리로 생성된 고농도 산소는 상기 가스화 반응기에 산화제로 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치 및 가스화 방법{Integrated Torrefaction and Gasification Apparatus For Biomass And Method Thereof}
본 발명은 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치 및 가스화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오매스를 공급받아 가열하여 반탄화 고체생성물을 생성하는 반탄화 공정부와, 상기 반탄화 공정부에서 생성된 반탄화 고체생성물을 공급받아 수소와 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성하는 가스화 반응기, 공기로부터 질소를 분리하는 공기분리기를 구비하여, 공기분리기에서 분리된 질소를 가스화 반응기 폐열로 가열하여 반탄화 공정부의 열원으로 공급하고, 공기분리기에서 질소의 분리로 생성된 고농도 산소는 가스화 반응기에 산화제로 공급하면서, 반탄화 및 가스화가 연속적으로 이루어지는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치 및 가스화 방법에 관한 것이다.
최근 화석 연료 고갈과 원자력 발전의 안전성 문제, 다른 에너지원 이용 시의 고비용 저효율 등의 문제를 해결하기 위한 대체에너지 중 하나로 평가되는 바이오에너지는 용도 및 형태에 따라 바이오가스, 바이오 에탄올, 바이오 디젤, 메탄올, 수소 등을 예로 들수 있고, 난방 연료나 자동차 연료, 발전연료 등으로 다양하게 사용할 수 있다.
바이오매스는 생태계 순환 과정에서 나오는 식물, 미생물 등 바이오에너지의 에너지원으로 사용할 수 있는 유기체를 가리킨다.
대표적인 바이오매스로는 곡물, 폐목재, 식물 줄기, 나무 껍질과 같은 목질계, 해조류, 동물의 분뇨나 음식물 쓰레기, 유기성 폐수 등이 있고, 이를 열분해하거나 발효 과정을 거쳐 바이오에너지를 채취하여 사용하거나 퇴비 및 사료, 각종 플라스틱과 같은 제품으로 전환하여 사용한다.
바이오매스 연료는 대체로 낮은 밀도와 발열량, 높은 함수율, 파쇄 및 분쇄의 어려움, 다양한 종류와 성장환경 등으로 인해 함유 물질과 함량의 불균질성, 수분 재흡수성 등의 특성을 보이며, 안정적인 조성의 합성가스 생산이 어려워 반탄화와 같은 열전처리가 반드시 선행되어야 한다. 종래 바이오매스 가스화의 경우 바이오매스 투입 시 수분증발과 탈휘발 과정에서 수분증발, 가연분 가열, 휘발분 증발, 회분 가열 등에 많은 에너지가 필요하고, 특히 수분증발에 소요되는 에너지가 가장 높아 수분함량이 절대적인 영향을 미치게 되므로 전처리를 통해 수분함량 조절이 선행되어야 한다.
바이오매스의 대표적인 열적 전처리 기술인 반탄화 반응은 환원분위기에서 반응이 진행되기 때문에 대부분 회분식 반응기 형태와 간접가열 방법을 사용하고 있다.
(특허문헌 1) KR 1012511030000 B1
종래 탄화와 가스화 과정이 분리된 바이오에너지 생산 방법의 경우 시스템 구조가 복잡하고 열전처리와 가스화를 분리해 진행하면서 반탄화를 위한 승온과 반탄화 생성물 상온 냉각, 가스화 승온 등을 통해서 많은 에너지를 소비하고 2차 환경오염 방지시설이 중복해서 사용되며 반탄화 반응의 특성상 환원분위기 유지를 위한 회분식 반응으로 다수의 반응기가 필요하여 공정이 복잡하고 운전의 어려움, 유지보수 문제, 설비비 증가, 원료단가 상승 등의 문제점을 가지고 있다.
또한, 탄화물 원료 성질의 변화, 가스화 반응로 온도의 균일화, 여열 이용 규모의 감소, 외부자원 소모 절감, 가스화 효율의 제고 및 탄소 전환율 저하 등의 문제가 바이오매스 가스화의 대규모 산업화 활용에 제한되고 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하여 공정을 단순화하고 연속적으로 진행할 수 있으면서, 운전 및 유지 보수의 편이성을 확보하고 안정적으로 고품질의 바이오가스를 생산할 수 있는 바이오매스 가스화 장치를 제안하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 바이오매스를 공급받아 가열하여 반탄화 고체생성물을 생성하는 반탄화 공정부;
상기 반탄화 공정부에서 생성된 반탄화 고체생성물을 공급받아 수소와 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성하는 가스화 반응기; 및
공기로부터 질소를 분리하는 공기분리기:를 포함하고,
상기 공기분리기에서 분리된 질소는 상기 가스화 반응기에서 가열되어 상기 반탄화 공정부의 열원으로 공급되고, 상기 공기분리기에서 질소의 분리로 생성된 고농도 산소는 상기 가스화 반응기에 산화제로 공급되는 것을 특징으로 하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치가 제공된다.
바람직하게는 상기 가스화 반응기는, 하부의 연소 영역, 중간부의 가스화 영역, 상부의 열분해 영역 및 건조 영역을 포함한 복수의 반응 영역이 형성되는 고정층 가스화 반응기로 마련되고, 상기 공기분리기로부터 고농도 산소가 상기 가스화 반응기의 상부, 중간부 및 하부의 반응 영역에 산화제로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 가스화 반응기 하부에는 상기 반탄화 공정부에서 공급되는 반탄화 고체생성물이 적층되어 부분 연소되는 화격자가 마련되며, 상기 화격자는 콘 형태로 마련되며, 화격자의 하부 중심축에는 회전구조체가 마련되어 회전구조체에 의해 화격자가 회전함으로써 화격자 상부에서 연소가 완료된 회분이 원심력에 의해 외부로 밀려 반응기 하부로 이동될 수 있다.
바람직하게는 상기 화격자의 상부 표면에는 다수의 분사노즐이 구비되며, 상기 분사노즐은, 상기 가스화 반응기의 하부로 산화제를 분사하는 분사관과 고체생성물로 인해 분사관이 막히는 것을 방지하기 위한 상부 캡을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 가스화 반응기의 각 반응 영역의 내부 온도에 대응하여 산소의 실제 소비량을 완전한 산화가 일어나는 데에 필요한 산소의 이론량으로 나눈 산소의 등가비(equivalence ratio)에 따라, 각 반응 영역의 산화제 공급량을 조절하여 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 가스화 반응기의 중간부 및 상부에 내벽에는 산화제를 분사하는 노즐이 마련되며, 상기 노즐은 일정 방향과 각도로 산화제를 상기 가스화 반응기 내부에 분사하여 와류를 형성할 수 있다.
바람직하게는 상기 반탄화 공정부는, 고온의 질소가스를 공급받아 환원분위기와 직접가열로 바이오매스로부터 상기 반탄화 고체생성물과 기체생성물을 생성하는 로타리킬른 형 반응기; 상기 로타리킬른 형 반응기와 가스화 반응기의 연결부에 상기 가스화 반응기로 고체생성물 투입을 위해 마련되는 투입구; 및 상기 투입구에 마련되어 상기 가스화 반응기의 중심으로 고체생성물을 공급하기 위한 가이드:를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 로타리킬른 형 반응기에서 발생하는 기체생성물은 상기 가스화 반응기의 중간부에 공급되는 산화제에 혼합되어 상기 가스화 반응기로 투입될 수 있다.
바람직하게는, 상기 가스화 반응기는 이중자켓 구조로 이루어지며, 상기 공기분리기에서 분리된 질소는 상기 가스화 반응기의 이중자켓 사이를 거치면서 가열되어 상기 반탄화 공정부의 로타리킬른 형 반응기로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 가스화 반응기의 단열재 내측에는 튜브가 마련되고, 상기 튜브에 물을 공급하여 생성된 스팀을 상기 가스화 반응기 상부의 출구 측으로 공급하여 상기 가스화 반응기의 배가스 온도를 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 반탄화 공정부에서 바이오매스를 가열하여 반탄화 고체생성물을 생성하는 단계; 및
상기 반탄화 고체생성물을 가스화 반응기에 공급하여 수소와 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성하는 단계;를 포함하되,
공기분리기에서 공기로부터 질소를 분리하고 상기 가스화 반응기의 폐열로 가열하여 상기 반탄화 공정부의 열원으로 공급하고, 상기 공기분리기에서 질소의 분리로 생성된 고농도 산소는 상기 가스화 반응기에 산화제로 공급하는 것을 특징으로 하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 방법이 제공된다.
바람직하게는 상기 가스화 반응기는, 하부의 연소 영역, 중간부의 가스화 영역, 상부의 열분해 영역 및 건조 영역을 포함한 복수의 반응 영역이 형성되는 고정층 가스화 반응기로 마련되고, 상기 가스화 반응기의 각 반응 영역의 내부 온도에 대응하여 산소의 실제 소비량을 완전한 산화가 일어나는 데에 필요한 산소의 이론량으로 나눈 산소의 등가비(equivalence ratio)에 따라, 각 반응 영역의 산화제 공급량을 조절하여 공급할 수 있다.
바람직하게는 상기 반탄화 공정부는, 고온의 질소가스를 공급받아 환원분위기와 직접가열로 바이오매스로부터 상기 반탄화 고체생성물과 기체생성물을 생성하는 로타리킬른 형 반응기로 마련되며, 상기 로타리킬른 형 반응기에서 발생하는 기체생성물은 상기 가스화 반응기의 중간부에 공급되는 산화제에 혼합되어 상기 가스화 반응기로 투입될 수 있다.
본 발명에서는 통합형 반탄화 가스화 장치는 반탄화 및 가스화 공정이 연속적으로 이루어지는 일체형 장치를 구현함으로서 별도의 반탄화 생성물 투입장치 및 저장조, 반탄화 생성물 냉각장치, 2차 환경오염물질 저감장치 등을 필요로 하지 않아 전체 공정을 단순화하고 장치 구성을 간소화할 수 있으며 운전 및 유지보수가 편리하여, 설치 및 운영비용을 절감할 수 있다.
특히 가스화 반응기에 반탄화 고체생성물을 연속적·직접적으로 공급함으로써 가스화 반응 시 산화제인 산소와의 반응성이 높아 반응기의 고온유지가 가능하고, 고온의 수증기를 이용하여 배가스 온도를 조절하고 타르 발생을 억제할 수 있다. 또한, 촤(char) 가스화와 수성가스 전환반응을 촉진함으로써 합성가스의 일부 개질역할을 통해 최종 생성물인 합성가스 중 유효성분인 수소 농도를 증가시킬 수 있다.
가스화 공정에서의 폐열을 회수하여 외부 열원 공급 없이 반탄화 공정을 운전하여 에너지 효율을 극대화할 수 있고, 반탄화 공정에서 발생하는 기체생성물을 가스화 공정에서 고온으로 열분해 처리함으로써 탄화 공정에서의 대기오염물질 및 2차 환경오염물질 발생을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 바이오매스를 반탄화 및 가스화하여 처리하는 전체 공정도를 개략적으로 도시한다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 실시예 장치에서 반탄화 공정부를 거친 고체생성물 연료가 가스화 반응기로 공급되는 방법을 도시한 것이다.
도 4는 도 2에 도시된 실시예 장치에서 가스화 반응기 하부의 화격자 구성과 가스화 반응기로의 산화제 공급 방법을 도시한 것이다.
도 5는 가스화 반응기 하부의 화격자 구조를 보다 상세하게 도시한다.
도 6은 가스화 반응기의 화격자에서의 회분 배출 원리를 도시한 것이다.
도 7은 도 2에 도시된 실시예 장치에서 반탄화 반응기의 가온 방법을 도시한 것이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 바이오매스를 반탄화 및 가스화하여 처리하는 전체 공정도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치를 개략적으로 도시하였다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따라 바이오매스를 반탄화 및 가스화하여 처리하는 전체 공정도를 살펴보면, 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치(GS)의 반탄화 공정부(200)의 반응기로 공급된 바이오매스는, 반탄화 공정부에서 고온의 질소가스에 의해 반탄화 고체생성물 형태로 연속적으로 가스화 반응기(300)의 연료로 투입된다. 가스화 반응기에서는 산소 및 스팀과 반탄화 공정부로부터 반탄화 고체생성물을 공급받아 합성가스를 생산하고, 합성가스는 가스정제공정(600)을 거쳐 다양한 발전시스템(발전기, 연료전지 등)(700)에 공급되어 전기에너지를 생산할 수 있다.
반탄화 공정부는 로타리킬른 형 반응기로 마련될 수 있다. 공기분리기(400)를 통해 분리된 질소를 가스화 반응기(300)에서 열교환을 통해 400~500℃로 가온하고, 고온의 질소 가스를 직접가열 방식의 반탄화 공정부(200)에 공급함으로써 환원분위기를 유지하고 열효율을 극대화할 수 있다. 반탄화가 완료된 반탄화 고체생성물은 냉각 없이 바로 가스화 반응기(300)에 연속적으로 연료로 투입되며, 반탄화 과정에서 발생하는 기체생성물 역시 가스화 반응기로 투입하여 보조 열원으로 사용되어 가스화 반응을 통해 합성가스를 생산할 수 있다. 가스화 반응기에서는 반탄화 고체생성물의 가스화 반응을 통해 합성가스를 생산하게 되며, 공기분리기(air separator)(400)에서 고순도로 분리된 산소와, 가스화 반응기의 폐열로 물(500)을 가열하여 생성된 스팀을 가스화 반응기(300)에 공급하여 합성가스 중 유효성분인 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 함량을 높일 수 있다.
도 2는 이러한 공정을 구체화한 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3에는 도 2에 도시된 본 실시예 장치에서 반탄화 공정부를 거친 고체생성물 연료가 가스화 반응기로 공급되는 방법을, 도 4에는 가스화 반응기 하부의 화격자 구성과 가스화 반응기로의 산화제 공급 방법을 각각 도시하였고, 도 5는 가스화 반응기 하부의 화격자 구조를 보다 상세하게 도시한 것이다. 도 6에는 가스화 반응기의 화격자에서의 회분 배출 원리를, 도 7에는 반탄화 반응기의 가온 방법을 각각 도시하였다.
도 2에 도시된 본 실시예 장치는 바이오매스로부터 고체 연료 제조 및 가스화가 연속적으로 이루어지는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치이다. 보다 구체적으로는 바이오매스의 열화학적 전처리공정으로 반탄화를 통해 부분적인 탈휘발 및 열적분해 반응을 거쳐 에너지 집적도(바이오매스 단위 중량에 포함된 열량)가 높은 고체생성물 형태의 반탄화물을 제조하고, 이를 가스화 반응기에 직접적·연속적으로 공급하여 가스화하는 장치이다. 이와 같이 바이오매스를 반탄화시키면 처리 전 바이오매스가 지닌 질량의 약 70%, 초기 에너지량의 90%를 보유하는 반탄화물을 제조할 수 있고, 이를 가스화 반응기에 직접 공급함으로써 가스화 반응 시 산화제인 산소와 반응성을 높이고 고온을 유지할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 반탄화 공정부(200)의 반응기는 횡형 타입의 이중구조로 이루어지며, 열매체가 이중구조 하부에서 유입되어 상부로 토출됨으로써 이중구조는 열매체가 이동하는 유로로서 사용된다. 반탄화 공정부의 반응기에서 생성된 반탄화 고체생성물은 가스화 반응기(300) 상부의 투입구를 통해 반응기 내부로 투입되어 반응기 하부 면부터 적층되고, 반응 완료 후 하부의 배출구를 통해 회분형태로 배출된다. 가스화 반응기의 화격자 중심 회전축에는 agitator가 부착되어 있고 회전축의 회전속도 조절이 가능하다. 반탄화 고체생성물이 투입되는 동안 낮은 회전속도로 회전하여 반응기 내부에 고르게 반탄화 고체생성물이 충진되도록 할 수 있다. 또한, 하부에서 공급되는 산화제에 의해 반응기 내 유동교란을 증대시켜 교반성능을 향상시키고 재순환영역 등과 같은 Dead Zone 발생을 억제하여 반탄화 고체생성물이 벽면에 응집 또는 융착되는 것을 방지할 수 있다.
이처럼 본 실시 예의 통합형 반탄화 가스화 장치는 반탄화 및 가스화 공정이 연속적으로 이루어지는 일체형 장치를 구현함으로서 별도의 반탄화 생성물 투입장치 및 저장조, 반탄화 생성물 냉각장치, 2차 환경오염물질 저감장치 등을 필요로 하지 않아 전체 공정을 단순화하고 장치 구성을 간소화할 수 있으며 운전이 편리하다.
장치의 각 구성을 보다 상세히 살펴보면, 먼저 도 3에 도시된 바와 같이 공급부(100)는 바이오매스가 투입되는 호퍼(110), 호퍼로부터 반탄화 공정부로 바이오매스를 이송하는 이송관(120) 및 이송장치(130)를 포함할 수 있다. 이송장치는 예를 들어 스파이럴 피더(spiral feeder)로 구성될 수 있다.
공급부(100)에서 이송된 바이오매스는 반탄화 공정부(200)의 반응기로 공급된다. 본 실시예의 반탄화 공정부의 반응기는 로타리킬른 형 반응기(210)로 마련되며 연속적으로 200 내지 350℃의 반응온도로 바이오매스의 반탄화가 진행된다. 반탄화 공정부에는 별도의 외부 열원을 공급하지 않고, 가스화 반응기(300)의 폐열을 이용하여 가온된 400~500℃ 고온의 질소가스를 열원으로 이용하여 환원분위기 유지와 직접가열방식을 적용함으로써 열효율을 극대화한다.
바이오매스의 대표적인 열적 전처리 기술인 반탄화 반응은 환원분위기에서 반응이 진행되기 때문에 대부분 회분식 반응기 형태와 간접가열 방법을 사용하며, 기존 반탄화 공정은 고온의 반탄화 고체생성물을 상온으로 냉각 시 연소되지 않도록 환원분위기에서 냉각하는 단계가 필수적으로 필요하다.
그러나 본 실시예 장치에서는 반탄화 공정부(200)에서 고온의 반탄화 고체생성물을 생성하여 바로 가스화 반응기(300)에 투입하기 때문에 설비를 단순화할 수 있고 운전이 용이하며, 제작 및 운전비용을 절감하면서 가스화 반응기의 열효율을 높일 수 있다. 또한, 반탄화 과정에서 발생하는 기체생성물은 가스화 반응기 하부로 투입하여 열분해 및 가스화 반응을 거쳐 합성가스로 변환시키므로 대기오염물질 저감 공정이 필요 없게 된다.
본 실시예 장치에는 공기분리기(air separator, 400)가 마련되어 공기를 질소와 산소로 분리하고, 고순도의 질소 및 산소를 장치로 공급한다. 도 2에 도시된 바와 같이 공기분리기(400에서 분리된 질소 가스는 가스화 반응기(300)의 이중자켓 구조를 활용하여 가스화 반응에 의한 폐열로 가열된 후, 반탄화 공정의 환원분위기 유지와 반탄화 공정의 직접·간접 가열원으로 이용하기 위해 반탄화 공정부(200)에 공급된다. 공기분리기(400)에서 질소를 분리하며 분리된 산소는 가스화 반응기(300)의 산화제로 공급함으로써 고품질의 합성가스를 생산할 수 있고, 하나의 공기분리기를 이용하여 공정에 필요한 유틸리티 가스를 모두 공급할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 가스화 반응기(300)는 이중자켓 형태로 이루어질 수 있고, 공기분리기에서 분리된 상온의 고순도 질소 가스는 고온으로 축적된 이중자켓 형태의 가스화 반응기를 거치면서 400~500℃로 가열되어 반탄화 공정부로 공급될 수 있다. 도 2, 3 및 7에 도시된 바와 같이 가스화 반응기를 거쳐 가열된 질소는 반탄화 공정부에 직접 공급되어 반탄화 공정부 로타리 킬른형 반응기의 직접가열에 사용될 수 있고(NL1), 로타리 킬른형 반응기 외부에 이중자켓을 설치하고 반응기 하부의 투입부(240)를 통해 이중자켓에 고온의 질소가스를 투입하여(NL2) 간접가열도 병행할 수 있다. Control valve를 이용하여 반탄화 공정부 반응기로의 질소가스 투입 유량을 조절하여 반탄화 온도를 조절할 수 있다. 이처럼 가스화 반응기의 고온 폐열을 이용하여 외부 열원 공급없이 반탄화를 진행할 수 있어 에너지 효율을 극대화하고 바이오매스로부터 제조된 연료를 균질화함으로써 합성가스 조성을 안정화하며 생산량을 증대할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 반탄화 공정부의 반응기(210)를 거쳐 반탄화가 완료된 고체생성물 연료는 연속적으로 가스화 반응기(300)에 투입되며, 이를 위해 반탄화 공정부의 반응기와 가스화 반응기의 연결부에 고체생성물 투입을 위한 투입구(220)가 마련되고, 반탄화 공정부로부터 가스화 반응기의 중심으로 고체생성물을 공급하기 위한 가이드(230)가 반탄화 공정부 반응기의 출구에 마련된다.
도 2 및 4에 도시된 바와 같이, 반탄화 공정부에서 발생하는 기체는 관로를 통해서 가스화 반응기의 중간부(O22) 가스화제 투입구에서 가스화제와 혼합되어 가스화 반응기(300)에 투입되어 가스화를 위한 추가적인 열원으로 이용된다. 반탄화 공정에서 발생된 기체생성물을 고체생성물과 같이 가스화 반응기로 투입하면 가스화 반응기에 체류하지 못하고 바로 배출될 수 있기 때문에 이를 분리하여 가스화제 투입구에서 가스화제와 혼합하여 가스화 반응기의 중간부(O22)에 투입한다. 이를 통해 반탄화 공정부의 기체생성물을 가스화 반응기의 추가적인 열원으로 이용할 수 있고, 가스화 반응기 내부에 체류하면서 합성가스 제조와 열분해를 통한 오염물질 무해화가 가능하다.
가스화 반응기(300)는 이중자켓 구조의 고정층 가스화 반응기로서(310), 공기분리기(air separator)에서 분리된 off gas인 고농도 산소가 가스화 반응의 산화제로 가스화 반응기의 반응 영역(C, G, P) 별 내부 온도에 대응하여 자동 공급된다. 이와 같이 고농도 산소를 반응 영역 별로 공급함으로써 고품질의 합성가스를 생산하고 운전비용을 절감할 수 있다. 전술한 바와 같이 공기분리기에서 분리된 상온의 고순도 질소는 이중구조 가스화 반응기의 가스화로 단열재 내측에 설치된 튜브에서 열교환을 통해 400℃ 이상으로 승온되어 반탄화 공정부의 열원으로 공급된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 가스화 반응기의 단열재 내측에 설치되는 별개의 튜브를 통해 공급되는 소량의 물(H2O)은 예열을 통해 기화되어 고온의 수증기 형태로 가스화 반응기 출구 측에 공급되어 배가스의 온도를 조절한다. 이때, 고온의 수증기에 의한 가스화 반응은 촤 가스화와 수성가스 전환반응을 촉진함으로써 합성가스의 일부 개질역할을 수행하여 합성가스 중 수소 농도를 증가시키는 역할을 하게 된다.
고정층 가스화 반응기의 경우 상부 반응온도 증가 시 생성물 쪽으로 반응이 일어나기 때문에 타르(Tar) 함량이 급격히 감소되고 수소(H2)는 증가되며, 이에 반해 메탄(CH4)은 감소하게 되므로 상부 반응온도의 변화가 Tar를 저감시키는데 더욱 효과적이다. 이에, 화염 열분해 영역의 타르를 포함한 열분해 가스를 부분가스 연소 영역에서 스팀과 반응을 통해 가스화로 출구 배가스의 온도를 고온상태로 유지함으로써 타르 발생을 억제하여 배관 점착에 따른 막힘 현상 등을 방지할 수 있고, 종래 고정층 가스화 반응기 후단 정제설비의 타르 열분해 및 정제 장치에 의한 복잡한 가스화 시스템을 단순하게 구성할 수 있다.
건조 영역, 열분해 영역(P), 가스화 영역(G) 및 연소 영역(C) 등을 포함한 다양한 반응 영역이 형성되는 고정층 가스화 반응기는 온도가 불균일할 경우 환열 효과가 떨어져 출구의 합성가스 열량 값이 낮아지고 합성가스의 유효성분(CO, H2)의 함량에 영향을 주게 되어 전체적인 가스화 효율이 낮아지게 되고 타르 함량이 높아지는 문제점이 있다. 따라서 합성가스의 수율을 높이기 위해 산소의 실제 소비량을 완전한 산화가 일어나는 데에 필요한 산소의 이론량으로 나눈 등가비(equivalence ratio)에 의해 가스화 반응기로 투입되는 가스화제를 결정하고, 가스화로 반응영역별 내부 온도에 대응하여 산화제 공급량을 자동으로 조절하여 공급할 수 있다.
다음의 표 1에는 상온의 바이오매스가 가스화 반응 시 가열되어 수분증발과 탈휘발 과정을 거치면서 소모하는 열에너지를 나타내었다. 아래 표 1과 같이 수분증발 에너지, 가연분 가열에너지, 휘발분 증발에너지, 회분 가열에너지로 구분되어 계산되는데 수분증발에 소요되는 에너지가 가장 높은 것을 알 수 있으며, 그 다음으로 가연분 가열에너지, 회분가열에너지, 휘발분 증발에너지 순으로 계산된다. 수분 함량이 열분해 에너지에 절대적인 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
Figure 112021103672310-pat00001
다음의 표 2는 건조 영역, 열분해 영역(P), 가스화 영역(G) 및 연소 영역(C)을 포함한 반응 영역이 형성된 고정층 가스화로에서 바이오매스 가스화 반응에 미치는 산화제인 산소의 등가비를 나타낸 것이다. 이를 통해 가스화기 반응역역별 내부 온도에 대응하여 산화제 공급량 조절이 필요함을 알 수 있다.
반응 영역 등가비
건조 0.0~0.0
열분해 0.0~0.1
가스화 0.1~0.4
연소 1.0~1.3
그에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 산화제는 가스화 반응기의 상부(O23), 중간부(O22), 하부(O21)로 각각 공급된다.
중간부(O22)와 상부(O23)에는 가스화기 내벽을 따라서 노즐이 마련되며(OL1, OL2), 노즐을 통해 가스화 반응기 내부로 투입된 산화제가 와류를 형성하여 반응기 체류시간을 증대시키고 반응성을 높이기 위하여 일정한 방향으로 산화제를 투입할 수 있도록 노즐은 일정한 방향과 각도를 가진다. 이때, 중간부 노즐(O22, OL1)에서는 반탄화 공정에서의 기체생성물과 혼합되어 산화제가 투입되는 것을 특징으로 한다.
중간부와 상부로 투입된 산화제에 의해 형성된 와류는 가스화기 외벽의 내화물에 직접적으로 가스 및 분진이 접촉하는 것을 최소화하여 내화물의 내구성을 높여줄 수 있다.
가스화 반응기 하부에는 반탄화 고체생성물이 부분 연소되는 화격자(320)가 마련된다. 화격자 상부에는 가스화 반응기 하부로 산화제를 공급할 수 있는 다수의 분사노즐(322)이 마련된다. 도 5에 도시된 바와 같이 화격자 상부 표면의 분사노즐은 분사관(322a)과 고체생성물로 인해 분사관이 막히는 것을 방지하기 위한 상부 캡(322b)을 포함한다. 이러한 구조를 통해 상부 캡 측면에서 전체적으로 사공간(dead space)없이 고체생성물에 산화제를 공급하고 버블링 현상에 의해 고체생성물이 분사노즐 및 화격자 표면에 고착되지 않도록 한다.
가스화 반응기 하부의 화격자(320)는 도 5 및 6에 도시된 바와 같이 상부에 다수의 분사노즐이 마련된 콘 형태로 마련되며, 콘(321) 하부에는 화격자를 회전시킬 수 있는 회전구조체(agitator, 330)가 마련된다. 화격자는 콘 모양의 화격자가 회전구조체에 의해 회전함으로써 화격자 상부의 연소가 완료된 회분은 원심력에 의해서 자연스럽게 외부로 밀려 하부로 이동한다. 화격자의 회전에 따라 밀리면서 가스화 반응기 하부로 이동된 회분은 일정 시간마다 자동으로 작동되는 스크류피더(미도시)를 통해서 외부로 배출될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예의 장치는 바이오매스로부터 반탄화 및 가스화 공정이 연속적으로 이루어지는 일체형 장치를 구현함으로서 별도의 반탄화 생성물 투입장치 및 저장조, 반탄화 생성물 냉각장치, 2차 환경오염물질 저감장치 등을 필요로 하지 않아 전체 공정을 단순화하고 장치 구성을 간소화할 수 있으며 운전 및 유지보수가 편리하여, 설치 및 운영비용을 절감하면서, 고품질의 합성가스를 생성할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
100: 공급부
200: 반탄화 공정부
300: 가스화 반응기
400: 공기분리기

Claims (13)

  1. 바이오매스를 공급받아 가열하여 반탄화 고체생성물을 생성하는 반탄화 공정부;
    상기 반탄화 공정부에서 생성된 반탄화 고체생성물을 공급받아 수소와 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성하는 가스화 반응기; 및
    공기로부터 질소를 분리하는 공기분리기:를 포함하고,
    상기 공기분리기에서 분리된 질소는 상기 가스화 반응기에서 가열되어 상기 반탄화 공정부의 열원으로 공급되고, 상기 공기분리기에서 질소의 분리로 생성된 고농도 산소는 상기 가스화 반응기에 산화제로 공급되며,
    상기 가스화 반응기 하부에는 상기 반탄화 공정부에서 공급되는 반탄화 고체생성물이 적층되어 부분 연소되는 화격자가 마련되되,
    상기 화격자는 콘 형태로 마련되며, 화격자의 하부 중심축에는 회전구조체가 마련되어 회전구조체에 의해 화격자가 회전함으로써 화격자 상부에서 연소가 완료된 회분이 원심력에 의해 외부로 밀려 반응기 하부로 이동되는 것을 특징으로 하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가스화 반응기는, 하부의 연소 영역, 중간부의 가스화 영역, 상부의 열분해 영역 및 건조 영역을 포함한 복수의 반응 영역이 형성되는 고정층 가스화 반응기로 마련되고,
    상기 공기분리기로부터 고농도 산소가 상기 가스화 반응기의 상부, 중간부 및 하부의 반응 영역에 산화제로 공급되는 것을 특징으로 하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 화격자의 상부 표면에는 다수의 분사노즐이 구비되며,
    상기 분사노즐은, 상기 가스화 반응기의 하부로 산화제를 분사하는 분사관과 고체생성물로 인해 분사관이 막히는 것을 방지하기 위한 상부 캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 가스화 반응기의 각 반응 영역의 내부 온도에 대응하여 산소의 실제 소비량을 완전한 산화가 일어나는 데에 필요한 산소의 이론량으로 나눈 산소의 등가비(equivalence ratio)에 따라, 각 반응 영역의 산화제 공급량을 조절하여 공급하는 것을 특징으로 하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 가스화 반응기의 중간부 및 상부에 내벽에는 산화제를 분사하는 노즐이 마련되며, 상기 노즐은 일정 방향과 각도로 산화제를 상기 가스화 반응기 내부에 분사하여 와류를 형성하는 것을 특징으로 하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치.
  7. 제 2항, 제4 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반탄화 공정부는
    고온의 질소가스를 공급받아 환원분위기와 직접가열로 바이오매스로부터 상기 반탄화 고체생성물과 기체생성물을 생성하는 로타리킬른 형 반응기;
    상기 로타리킬른 형 반응기와 가스화 반응기의 연결부에 상기 가스화 반응기로 고체생성물 투입을 위해 마련되는 투입구; 및
    상기 투입구에 마련되어 상기 가스화 반응기의 중심으로 고체생성물을 공급하기 위한 가이드:를 포함하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 로타리킬른 형 반응기에서 발생하는 기체생성물은 상기 가스화 반응기의 중간부에 공급되는 산화제에 혼합되어 상기 가스화 반응기로 투입되는 것을 특징으로 하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 가스화 반응기는 이중자켓 구조로 이루어지며, 상기 공기분리기에서 분리된 질소는 상기 가스화 반응기의 이중자켓 사이를 거치면서 가열되어 상기 반탄화 공정부의 로타리킬른 형 반응기로 공급되는 것을 특징으로 하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 가스화 반응기의 단열재 내측에는 튜브가 마련되고, 상기 튜브에 물을 공급하여 생성된 스팀을 상기 가스화 반응기 상부의 출구 측으로 공급하여 상기 가스화 반응기의 배가스 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 장치.
  11. 반탄화 공정부에서 바이오매스를 가열하여 반탄화 고체생성물을 생성하는 단계; 및
    상기 반탄화 고체생성물을 가스화 반응기에 공급하여 수소와 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성하는 단계;를 포함하되,
    공기분리기에서 공기로부터 질소를 분리하고 상기 가스화 반응기의 폐열로 가열하여 상기 반탄화 공정부의 열원으로 공급하고, 상기 공기분리기에서 질소의 분리로 생성된 고농도 산소는 상기 가스화 반응기에 산화제로 공급하며,
    상기 가스화 반응기는, 하부의 연소 영역, 중간부의 가스화 영역, 상부의 열분해 영역 및 건조 영역을 포함한 복수의 반응 영역이 형성되는 고정층 가스화 반응기로 마련되고,
    상기 반탄화 공정부는, 고온의 질소가스를 공급받아 환원분위기와 직접가열로 바이오매스로부터 상기 반탄화 고체생성물과 기체생성물을 생성하는 로타리킬른 형 반응기로 마련되며,
    상기 로타리킬른 형 반응기에서 발생하는 기체생성물은 상기 가스화 반응기의 중간부에 공급되는 산화제에 혼합되어 상기 가스화 반응기로 투입되는 것을 특징으로 하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 가스화 반응기의 각 반응 영역의 내부 온도에 대응하여 산소의 실제 소비량을 완전한 산화가 일어나는 데에 필요한 산소의 이론량으로 나눈 산소의 등가비(equivalence ratio)에 따라, 각 반응 영역의 산화제 공급량을 조절하여 공급하는 것을 특징으로 하는 통합형 바이오매스 반탄화 가스화 방법.
  13. 삭제
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