KR102470707B1 - 바이오매스를 가스화하기 위한 공정 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오매스(B)의 가스화 공정(10) 및 그 장치(11)에 관한 것이다. 상기 공정은 적어도 3 개의 공정 단계(12, 12i, 12ⅱ, 13, 14)에서 수행된다. 일 작업 예의 제 1 공정 단계(12)에서, 열분해 가스(PY)를 생성하기 위해 바이오매스(B)를 건조시키고 휘발성 성분을 방출하도록 상기 가열 구역(ZE)에 생물 잔류물(바이오매스)이 공급될 수 있다. 열분해 가스(PY)는 산화 구역(ZO)에 공급되고 그곳에서 아화학양론적으로 산화되어 미가공 가스(R)를 생성한다. 가열 구역(ZE)에서 생성된 코크스형 탄소성 잔류물(RK)은 가스화 구역(ZV)에서 제 2 공정 단계(13)에서 부분적으로 가스화된 미가공 가스(R)와 함께 존재한다. 가열 구역(ZE)은 간접적으로 가열될 수 있다. 가스화 구역(ZV)도 마찬가지로 간접적으로 가열될 수 있다. 가열 구역(ZE) 및 산화 구역(ZO)은 바람직하게는 개별 챔버들(23, 24)에서 서로 분리된 구역들이다. 가스화는 활성탄(AK)과 고온 공정 가스(PH)를 형성한다. 본 발명에 따른 공정(10)은 공급된 바이오매스(무-수 및 무-재)의 킬로그램 당 0.02 킬로그램 내지 0.1 킬로그램 이하의 일정량의 활성탄을 냉각시키도록 구성되고, 상기 공급된 바이오매스로부터 예를 들어, 50 ℃ 이하로 냉각 구역에서 제 3 공정 단계(14)에서 가스화 구역(ZV) 및 고온 생성 가스(PH)에서 활성탄이 형성된다. 활성탄(AK)에 의한 결합 냉각 중에 냉각 구역(ZK) 내의 공정 가스(PH)의 온도가 생성 가스(PH)의 이슬점 온도보다 높은 하부 임계 온도 위에서 잔류하도록 상기 공정이 활성탄(AK) 및 고온 공정 가스(PH)을 결합 냉각시키도록 상기 장치가 구성되는 것이 바람직하다. 활성탄(AK) 및 생성 가스(PH)의 결합된 냉각 동안 일어나는 흡착 공정은 고온 공정 가스(PH)로부터의 냉각 타르가 냉각 구역(T)에서 활성탄(AK)에서 흡착되는 결과를 얻는다. 결과적으로, 제 3 공정 단계(14) 후에 실질적으로 무-타르인 순수 가스(PR, PA)가 얻어진다. 타르 농축 활성탄(AK)은 가열 구역(ZE) 및/또는 가스화 구역(ZV)을 가열하기 위해 적어도 부분적으로 연소될 수 있다.

Description

바이오매스를 가스화하기 위한 공정 및 장치
본 발명은 바이오매스를 가스화하기 위한 공정뿐만 아니라 장치에 관한 것이다. 바이오매스는 예를 들어, 목재 폐기물, 작물 폐기물, 그래스 크립핑(grass clippings), 발효 잔류물, 하수 슬러지 등과 같은 임의의 탄소-함유 생물학적 물질을 의미하는 것으로 이해된다.
실제 적용에서, 바이오매스 및 잔류물의 이동을 피하고 현장에서 폐열을 활용할 수 있도록, 예를 들어, 농장이나 공동 지역에서 시간 당 200kg 미만의 유량을 특징으로 하는 분산된 소형 플랜트가 주로 사용된다. 오늘날까지 이러한 플랜트는 시장에서 받아들여지지 않는다. 이에 대한 하나의 실질적인 이유는 바이오매스의 열분해 및 가스화 중에 형성되는 타르이다. 지금까지, 타르는 값비싼 방식으로 제거되어야 했으며, 일반적으로 이러한 플랜트의 유지 관리에는 많은 비용이 소요된다. 가스화 중에 형성된 가스가 열병합 발전소에서 연속적으로 사용되는 경우, 타르가 생성된 생성 가스로부터 완전히 제거되어야 할 필요조차 있다. 이러한 플랜트의 유지 관리 및 인수는 지금까지 많은 비용이 소요되었다.
병류식 가스화 시스템을 사용하여 바이오매스를 가스화하는 공정 및 장치가 공보 DE 10 2008 043 131 A1에 공지되어 있다. 생성 가스의 타르 적재(tar loading)를 피하기 위해, 후자는 병류식 가스화 시스템의 사용으로 한 단계 공정을 제시하며, 이 경우 연료는 중력의 힘에 대항하여 가스화 챔버로 공급된다. 고정된 유동층이 산화 구역 위의 환원 구역에 형성된다. 이 결과로, 고정층 가스화 장치로부터 알려진 환원 구역의 구역에서 임계 채널 형성이 피해져야 하고, 이러한 방식으로 생성 가스의 타르 적재가 감소되어야 한다. 그러나, 이러한 유동층의 생성은 다르게는 안정한 유동층이 달성될 수 없기 때문에, 특정 생체 잔류물 및 입자 크기에 대한 가스화의 제한을 각각 필요로 한다.
공보 EP 1 436 364 B1은 바이오매스가 측방향으로 공급되는 반응 챔버를 포함하는 장치를 기술한다. 타르를 함유하는 가스는 반응 챔버 내의 밀폐된 커버 상에 응축될 수 있다. 이는 응축된 타르를 반응 챔버로부터 제거하거나 타르가 환원 챔버 내부의 반응 구역으로 되돌아 갈 수 있게 한다. 이 결과로, 총 유효성이 높아질 것이다. 유사한 배열은 또한 공보 EP 2 522 707 A2에 기술되어 있다. 이 경우에, 잔류물을 가능한 완벽하게 광물화하고 "백색 재"을 생성하는 추가 후 처리 장치가 있다.
공보 DE 20 2009 008 671 U1은 바이오매스 가스화를 위한 또 다른 해결방안을 설명한다. 이 공보는 열분해 챔버 및 가스화 장치를 포함하는 병류식 가스화 장치를 제안한다. 타르-함유 열분해 가스는 가스화 장치의 산화 구역에서 1200 ℃로 소각된다. 따라서, 산화 구역에서 극히 높은 온도가 필요하다.
공보 EP 2 636 720 A1은 합성 가스가 증기 개질에 의한 바이오매스로부터 생성되는 공정을 기술한다. 이는 간접 가열을 위해 매우 큰 가열 표면을 필요로 한다. 유동층은 가스화 장치 파이프 또는 가스화 장치 코일에서 이동 패들에 의해 발생되어야 한다. 이어서, 합성 가스는 탄소 필터에서 역류 공정으로 세정되고, 그렇게 할 때 또한 냉각된다.
공보 DE 198 46 805 A1은 바이오매스의 가스화 및 연소를 위한 공정 및 장치를 기술한다. 이 공정에서, 열분해 가스 및 코크스가 형성되고, 여기서 코크스는 가스화 반응기로 운반되고, 이 가스화 반응기에서 코크스가 부분적으로 가스화되고 활성탄이 형성된다. 활성탄은 컨베이어 시스템을 통해 연소실에서 제거되어 연소실 외부의 필터로 운반된다. 공정 중에 형성된 생성 가스는 가스화 반응기 밖으로 활성탄과 분리되어 제거되고 열 교환기에서 냉각된다. 이어서, 냉각된 생성 가스는 활성탄이 적재된 필터를 통해 안내된다. 그렇게 할 때, 모든 유해 물질은 활성탄에 남아 있어야 한다.
이러한 종래 기술을 고려할 때, 가장 다양한 생물 잔류물이 입자 크기와 독립적으로 처리되고 낮은 타르 생성 가스가 경제적인 방식으로 생산되는, 바이오매스를 가스화하기 위한 공정 및 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적으로 고려될 수 있다
이 목적은 특허 청구항 1의 특징을 표시하는 공정뿐만 아니라 특허 청구항 13의 특징을 나타내는 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 공정을 고려하면, 생성 가스는 적어도 3 개의 공정 단계에서, 예를 들어, 특허 청구항 13에 따라 바이오매스를 가스화하기 위한 장치에 공급되는 바이오매스로부터 생산된다. 제 1 공정 단계에서, 공급된 바이오매스로부터 미가공 가스 및 탄소성 잔류물이 생성된다.
그렇게 하기 위해, 바이오매스는 산소 함유 가스, 특히 공기를 공급함으로써 예를 들어, 산화 구역에서 아화학량론적으로 산화된다. 공급되는 산소 함유 가스는이를 위해 예열될 수 있다. 아화학량론적 산화 동안, 미가공 가스 및 코크스 유사 탄소성 잔류물이 얻어진다.
공정의 변형을 참고하면, 제 1 공정 단계 동안 공급된 바이오매스는 가열 구역에서의 제 1 부분 단계에서 가열되고 및/또는 휘발성 성분이 바이오매스로부터 탈출할 수 있는 방식으로 가열되고, 이 경우 열분해 가스 및 탄소성 잔류물이 형성된다. 건조 및 열분해는 공유 가열 구역에서 수행될 수 있다. 대안적으로, 바이오매스의 건조 및 열분해는 서로 분리된 구역에서 수행될 수 있다. 제 2 부분 단계에서, 제 1 공정 단계로부터의 열분해 가스는 산소-함유 가스의 공급으로 인해 산화 구역에서 아화학양론적으로 산화되어, 미가공 가스를 생성한다.
본 발명에 따른 공정 동안, 탄소성 잔류물 및 제 1 공정 단계로부터의 미가공 가스는 제 2 공정 단계에서 활성탄이 형성되는 방식으로 부분적으로 가스화된다. 이렇게 할 때, 바람직하게는 탄소성 잔류물의 최대 75 %까지, 보다 바람직하게는 최대 60 % 내지 65 %가 가스화 구역에서 가스화된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 가스화 구역 내의 온도는 최소 800 ℃ 및 최대 1000 ℃일 수 있다. 고온 생성 가스 및 활성탄이 가스화 구역에서 형성된다.
제 3 공정 단계에서, 고온 생성 가스 및 적어도 일부의 활성탄이 냉각 구역에서 함께 냉각된다. 그렇게 할 때, 흡착 공정이 수행되고, 그 과정에서 고온 생성 가스로부터의 타르가 활성탄에 흡착된다. 결과적으로, 타르는 고온 생성 가스로부터 제거되고, 제 3 공정 단계에 이어서 제공된 생성 가스에서는 타르가 낮거나 실질적으로 타르 성분이 없다. 본 발명에 따른 공정에서, 공급된 바이오매스의 결과인 고온 생성 가스 및 가스화 구역에서 발생된 일정량의 활성탄이 냉각 구역으로 운반되어 냉각 구역에서 함께 냉각되고, 냉각 중에 흡착 공정이 일어나며, 그 과정에서 일정량의 활성탄이 냉각되는 동안 고온 생성 가스로부터 타르로 농축된다.
일정량의 활성탄은 무-수 및 무-재의 기준 조건으로 언급되는, 공급된 바이오매스의 질량 mBwaf의 최소 2 %에서 최대 10 %까지의 질량 mAK2를 가진다. 예를 들어, 무-수 및 무-재의 기준 조건을 참조하여 공급된 바이오매스 1 킬로그램 당, 0.05 킬로그램의 활성탄이 발생 생성 가스로 냉각시키기 위해 냉각 구역으로 운반된다. 예를 들어, 바이오매스의 질량 유동 mBroh가 장치에 공급되면, 바이오매스는 원칙적으로 물과 미네랄 물질을 포함한다. 공급된 바이오매스의 질량 유동 mBroh는 대체로 질량 유동 mBroh보다 작은, 무-수 및 무-재의 기준 조건에서의 바이오매스의 질량 유동 mBWaf에 대응한다. 바이오매스가 일정 질량 유동으로 공급되면, 활성탄의 특정 질량 유동 mAK2가 가스화 구역에서 냉각 구역으로 운반되며, 이 경우 결정된 질량 유동 mAK2는 무-수 및 무-재의 기준 조건에 대해서 바이오매스의 질량 유동 mBwaf의 최소 2 %이고 최대 10%이다:
mAK2 = 0.02 ... 0.1 mBwaf.
일정량의 활성탄만이 생성 가스와 함께 냉각 구역으로 공급되고 거기에서 생성 가스와 함께 냉각되는 것을 달성하기 위해, 바이오매스를 가스화하는 공정은 예를 들어, 일정량의 활성탄만이 가스화 구역에서 생성되는 방식으로 제어 또는 조절될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 잉여 활성탄은 가스화 구역 및/또는 가스화 구역과 냉각 구역 사이에서 분기될 수 있다.
순수 생성 가스에 대한 요구가 변경된 경우, 예를 들어, 공급된 모터의 부하 변화 과정에서 가스화 반응기에서 활성탄의 생성의 증가 또는 감소에 대한 생성 가스의 수요를 적합하게 하기 위해 장치의 입구에서 바이오매스의 공급의 증가 또는 감소와 함께 시간 지연을 고려해야 한다. 따라서, 분기되는 활성탄의 양은 현재 발생하는 활성탄 및 현재 발생하는 고온 생성 가스가 생성된 바이오매스의 양을 고려하여 결정된다.
공정 단계들을 제공하는 이러한 공정 및 적절한 장치의 도움으로, 바이오매스 가스화 동안 저-타르 생성 가스를 경제적으로 간단하게 생산하는 것이 가능하다. 활성탄 및 타르-적재된 생성 가스의 적어도 일부의 결합된 냉각으로 인해, 타르는 챔버의 벽상에 침전되지 않거나 또는 단지 소량만 침전되고, 타르-적재된 고온 생성 가스 및 활성탄의 일부가 함께 냉각된다. 오히려, 일정량의 활성탄은 냉각동안 고온 생성 가스로부터 타르를 흡착한다. 챔버에서 타르를 제거하기 위한 고비용의 세정이 거의 필요하지 않다.
생성 가스가 냉각 구역에서 냉각되는 온도는 예를 들어, 50 ℃ 이하이다. 냉각 구역에서의 흡착 공정을 위한 제 3 공정 단계에서 일정량의 생성 가스 및 활성탄이 생성 가스의 이슬점 온도보다 높은 온도 임계치 아래에서 함께 냉각되지 않으면, 세정은 특히 효율적으로 된다. 이러한 방식으로, 활성탄의 높은 적재 용량이 유용하게 유지된다. 바람직하게는, 보다 낮은 온도 임계치는 생성 가스의 이슬점 온도보다 최소 10K에서 최대 20K이다.
흡착 공정의 결과로서 세정된 생성 가스는 예를 들어, 가스 터빈 또는 다른 가스 엔진과 같은 장치에 연료로서 공급될 수 있다. 바람직하게는, 바이오매스의 질량 유동은 세정된 생성 가스가 공급되는 장치의 성능 요건에 비례하여 적응된다. 특정 활성탄의 질량 유동은 가스화 구역에서 냉각 구역으로 운반되고, 비례적으로 증가되거나 감소된 양의 바이오매스로부터 발생하는 상기 활성탄은 이에 따라 비례적으로 적합하게 되는 것이 바람직하다.
또한, 가스화가 주위 압력에 비례하여 상승된 압력, 예를 들어, 약 5 bar의 범위의 압력에서 수행되면, 유리하다. 발생된 냉각 생성 가스는 가스 터빈 또는 가압 엔진에서 중간 압축없이 사용할 수 있다. 이를 달성하기 위해, 적어도 하나의 반응 챔버가 이에 따라 가압될 수 있다. 예를 들어, 산소 함유 가스(예를 들어, 공기)는 압력 하에 압축기 또는 다른 적절한 압축 유닛을 통해 적어도 하나의 반응 챔버로 도입될 수 있다. 상승된 압력에서 공정을 수행함으로써, 활성탄의 적재 용량을 증가시키는 것이 또한 가능하다.
바람직하게는, 바이오매스의 가스화는 엇갈린 공정(staggered process)으로서 수행된다. 예를 들어, 한편으로, 가열 및 열분해를 위해 가열을 사용하고, 다른 한편으로, 결과적인 열분해 가스 및 탄소성 잔류물의 처리를 개별 챔버에서 산화 및/또는 가스화에 의해 수행될 때 적어도 2 단계 공정이 얻어진다. 예를 들어, 한편으로는 건조 및/또는 열분해를 위한 가열 구역 및 다른 한편으로는 산화 구역을 개별 챔버에 배치하면, 특히 바람직하다. 한편으로는, 열분해 가스의 생성을 위한 바이오매스의 가열 및/또는 바이오매스로부터의 휘발성 성분의 유리(liberation), 및 다른 한편으로는, 아화학량론적 산화가 서로 분리된 구역에서 엇갈린 공정으로 수행되면, 산화 구역에서의 원하는 온도는 대체로 바이오매스의 조각 크기 및 바이오매스의 습도와는 독립적으로 달성되고 조절될 수 있다. 또한 한편으로는 아화학량론적 산화와 다른 한편으로는 탄소성 잔류물의 가스화가 서로 분리된 챔버 내의 개별 구역에서 수행되는 경우. 3-단계 공정이 달성된다.
산화 구역 내의 온도가 탄소성 잔류물의 재의 연화점 또는 재의 융점보다 낮은 경우가 바람직하다. 그렇게 할 때, 산화 구역의 온도가 재의 연화점 또는 재의 융점에 가능한 가깝다면 유리하다. 예를 들어, 아화학량론적 산화는 1000 ℃의 최소 온도에서 수행된다.
일부 예시적인 실시예에서, 생성 가스의 가열 값은 ㎥ 당 1.5 내지 2 kWh이다. 공정의 냉각 가스 효율은 80 % 초과일 수 있다.
이 공정에 의해서, 바이오매스와 같은 모든 형태와 크기의 바이오제닉 잔류물을 가스화할 수 있다. 유동층의 형성은 필요하지 않다. 오염된 폐수가 형성되지 않다. 생성 가스로부터의 타르 제거는 타르 제거에 높은 투자 비용이 요구되지 않고 높은 유지 보수 비용을 필요로 하지 않기 때문에 소규모 플랜트에서도 경제적으로 실현 가능한다.
본 발명에 따른 공정은 자열(tutothermal) 및 등온 가스화의 혼합된 형태로서 작용할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 산화 구역 내의 온도는 공급된 산소-함유 가스의 양, 바람직하게는 온도에 의해 조절된다. 그 결과, 가스 생산은 가스화 구역의 온도에 영향을 주지 않으면서 수요에 맞게 조절할 수 있다. 가스화 구역의 온도는 가열 장치를 이용한 간접 가열에 의해 조절될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 가스화 구역에 대한 열은 산화 구역으로부터 예를 들어, 부분적으로 산화된 탄소성 잔류물 및/또는 열분해 가스에 의해 운반되는 열에 의해 제공된다.
하나의 예시적인 실시예에서, 가스화 구역의 간접 가열은 공급된 바이오매스의 에너지 함량의 10 % 미만을 필요로 한다. 결과적으로, 엄격하게 등온 가스화와 비교하여, 보다 작은 가열 표면이 가스화 구역에 제공될 수 있다.
활성탄 및 고온 생성 가스는 바람직하게는 냉각 구역에서의 간접 냉각에 의해 냉각된다. 순수 가스로 언급될 수 있는 냉각된 생성 가스는 생성 가스의 먼지 오염을 줄이기 위해 필터 및/또는 먼지 침착 유닛의 냉각 구역에 연속적으로 공급될 수 있다. 필터는 냉각 구역의 상류에 잉여 활성탄으로서 분기된 활성탄과 함께 공급될 수 있으며, 따라서 타르-적재된 생성 가스와 함께 냉각되지 않는다. 정밀한 세정을 위해, 자체 공지된 활성탄용 교환 가능한 컨테이너를 갖는 세정 장치를 사용할 수 있다.
공정 동안 형성되는 임의의 활성탄 - 적어도 제 3 공정 단계로부터 흡착된 타르를 갖는 부분 - 이 생성 가스 및 활성탄을 냉각시키기 위해 미리 제 3 공정 단계 동안 사용된 공기와 함께 반응기에서 연소되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 연소의 배기 가스는 가열 구역을 가열하기 위해 사용된다. 결과적으로 전체 효능이 증가한다. 열분해 중에 건조 또는 바이오매스의 휘발성 성분을 유리시키기 위한 열을 발생시키는 반응기의 연료는 별도로 공급할 필요는 없으나 자동으로 축적된다.
가스화 구역은 반응기의 열에 의해 가열될 수 있다. 이는 특히 가스화 구역을 포함하는 반응 챔버의 간접 가열에 의해서 또는 가스화 구역이 제공되는 반응 챔버 섹션에서 수행될 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 냉각 후에 냉각 구역으로부터 제거된 활성탄은 반응기의 연료로서 사용될 수 있다.
반응기에서의 활성탄의 연소 동안, 예를 들어, 활성탄이 냉각 구역으로부터 제거될 때 연마되거나 미세하게 연마된다는 점에서 활성탄을 버너에 공급하기 전에 활성탄의 표면을 확대시키는 것이 유리할 수 있다. 상기 조치들 중 하나 이상으로 인하여, 각각 공정 및 장치의 효율을 추가로 증가시키는 것이 가능하다.
또한, 산소 함유 가스가 산화 구역으로 운반되기 전에 산소 함유 가스를 예열하기 위해 반응기에서의 연소 중에 형성되는 배기 가스를 사용하는 것이 유리하다.
본 발명의 공정의 하나의 예시적인 실시예가 수행될 수 있는 바이오매스를 가스화하기 위한 본 발명에 따른 장치는 바이오매스를 위한 가열 구역이 제공되는 적어도 하나의 제 1 챔버를 포함한다. 바이오매스는 가열 구역에서 건조 및/또는 열분해될 수 있다. 상기 장치는 건조 및 열분해를 위한 분리된 부분 구역을 갖는 가열 구역을 제공할 수 있다. 예를 들어, 부분 구역은 서로 분리된 장치의 제 1 챔버에 배열될 수 있다. 상기 장치는 열분해 가스 및 탄소성 잔류물을 생성하기 위해 가열 구역에 바이오매스를 공급하도록 배치되는 공급 장치를 포함한다. 또한, 장치는 열분해 가스의 산화를 위한 산화 구역 및 탄소성 잔류물을 가스화시키기 위한 가스화 구역을 제공하는 적어도 하나의 제 2 챔버를 포함한다. 상기 장치는 산화 구역 및 가스화 구역이 개별 챔버에 제공되도록 서로 분리된 제 2 챔버를 포함할 수 있다. 산화 구역 및 가스화 구역을 갖는 제 2 챔버 또는 제 2 챔버들은 바람직하게는 가열 구역을 갖는 제 1 챔버로부터 분리되어, 한편으로 가열 구역 및 산화 구역 뿐 아니라, 다른 한편으로 가스화 구역이 서로 분리되어 있다. 상기 장치는 산화 구역에 존재하는 열분해 가스가 아화학양론적으로 산화하여 그 결과로 미가공 가스가 형성되는 양으로 산화 구역에 산소 함유 가스, 예를 들어, 공기를 산화 구역에 공급하도록 배치된 가스 공급 장치를 포함한다. 생성 가스의 생산은 공급된 산소 함유 가스 및 공급된 바이오매스의 양을 통해 수요에 맞출 수 있다. 상기 장치는 가열 구역으로부터 산화 구역 내로 열분해 가스를 운반하고 산화 구역으로부터 가스화 구역 내로 미가공 가스를 운반하도록 배치되고 가열 구역으로부터 가스화 구역 내로 탄소성 잔류물을 운반하도록 배치되는 컨베이어 수단을 포함한다. 컨베이어 수단은, 예를 들어, 적어도 하나의 컨베이어 장치 및/또는 작용하는 하중력에 의해서 작동한다. 또한, 상기 장치는 선택적으로 이를 위해 상기 가스화 구역으로 운반되는 상기 미가공 가스의 가스 성분을 갖는 탄소성 잔류물이 부분적으로 가스화되고, 그 결과 활성탄 및 고온 생성 가스가 형성되는 방식으로 상기 가스화 구역에서 온도를 조절하도록 배치되는 가열 수단을 포함한다. 가열 수단은 예를 들어, 가스화 구역의 간접 가열을 위한 가열 장치일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 산화 구역으로부터의 열 전달이 가능하다. 열분해 가스의 발열 아화학량론적 산화로 인한 및 선택적으로 산화 구역의 탄소성 잔류물로 인한 열은 예를 들어, 열 방사 및/또는 고온 미가공 가스에 의해 또는 가열된 탄소성 잔류물에 의해 산화 구역으로부터 가스화 구역으로 도입될 수 있다.
가스화에 의해 생성된 생성 가스는 여전히 타르로 적재된다. 따라서, 상기 장치는 가스화 구역으로부터의 활성탄의 일정량 - 예를 들어, 특정 질량 유동 및 생성 가스를 장치의 냉각 구역에서 가스화 구역으로 제공하도록 배치된다. 예를 들어, 장치는 일정량의 활성탄 및 고온 생성 가스를 컨베이어 수단에서 가스화 구역으로부터 냉각 구역으로 운반하도록 배치된다. 컨베이어 수단은 예를 들어, 컨베이어 장치를 포함하고 및/또는 작용하는 하중 힘에 의해 작동한다. 일정량의 활성탄은 무-수 및 무-재의 기준 조건에 대해 바이오매스의 공급 질량(mwaf)의 최소 2 %에서 최대 10 %의 질량을 가지며, 활성탄 및 고온 생성 가스가 그로부터 형성된다. 일정량은 무-수 및 무-재의 기준 조건에 대해 바이오매스의 공급 질량(mwaf)의 5 %의 질량을 가지며, 활성탄 및 고온 생성 가스가 그로부터 형성된다.
예를 들어, 바이오매스의 질량 유동 mBroh가 장치에 공급되는 경우, 대체로 장치에 공급되는 바이오매스에는 물과 재(미네랄 물질)가 포함되어 있기 때문에, 이는 무-수 및 무-재의 기준 조건에 대해 대체로 mBroh보다 낮은 바이오매스의 질량 유동 Bwaf에 대응한다. 활성탄의 질량 유동 mAK는 장치 내의 가스화 구역에서의 질량 유동 mBroh로부터 형성된다. 상기 장치는 특정 질량 유동 mAK2의 형태로 일정량의 활성탄을 냉각 구역에 공급하도록 배치된다. 이는 일정량의 활성탄이 무-수 및 무-재의 기준 조건에 대해 바이오매스 질량 유동의 최소 2 %에서 최대 10 %의 질량 유동 mAK2로 공급되는 것을 의미한다. 순수한 생성 가스에 대한 요구가 변경된 경우, 예를 들어, 공급된 가스 엔진의 부하가 변화하는 경우, 장치는 공정의 설명과 함께 기술된 바와 같이, 생성된 활성탄에 공급되는 공급되는 바이오매스의 양 waf에 기초하여 냉각 구역에서 운반될 활성탄의 양을 결정하도록 배치된다.
예를 들어, 장치는, 활성탄의 특정 질량 유동 mAK2 만이 가스화 구역에서 최소 2 % mBwaf에서 최대 10 % mBwaf 범위 내에서 생성되는 방식으로 예를 들어, 상기 장치가 공정 제어 장치에 의해 공정을 제어할 수 있도록 냉각 구역 내로 일정량의, 예를 들어, 특정 질량 유동만을 운반하도록 배치될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 장치는, 예를 들어, 냉각 구역의 상류의 잉여 활성탄을 분기하여, 잉여 활성탄이 냉각 구역 내로 운반되지 않도록 배치되는 분기 장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 장치는 분기된 일정량의 활성탄 및 생성 가스의 결합된 냉각을 위한 냉각 챔버를 포함하는 냉각 장치를 포함한다. 냉각 장치는 냉각 구역에서 냉각되는 동안 흡착 공정이 수행되는 방식으로 냉각 챔버에 의해 함께 제공된 냉각 구역 내의 고온 생성 가스 및 활성탄의 분기된 일정량을 냉각시키도록 배치되고, 상기 활성탄은 냉각하면서 고온 생성 가스로부터 타르로 농축된다.
일정량의 활성탄 및 고온 생성 가스가 냉각 챔버에서 함께 냉각되고, 냉각 중에 활성탄 상의 생성 가스에 함유된 타르의 흡착이 있다면, 타르는 냉각 장치의 냉각 챔버의 벽에 침전되지 않거나 또는 단지 무시할 정도만이 침전된다. 결과적으로, 냉각 챔버는 고가의 방식으로 세정될 필요가 없다. 그렇게 할 때, 인간의 개입 없이도 작동이 가능하다.
하나의 예시적인 실시예에서, 상기 장치는 산화 및 가스화를 위한 공유 반응 챔버를 갖는다. 산화 구역으로부터 가스화 구역으로의 미가공 가스 및 탄소성 잔류물의 수송은 본질적으로 하중 힘에 의해 주로 수직 방향으로 일어난다. 동시에, 가스화 구역으로부터 냉각 구역으로의 활성탄 및 고온 생성 가스의 수송은 적어도 하중 힘에 의해 수행될 수 있다. 산화 구역 및 가스화 구역이 하나의 챔버에 배치되고 다른 챔버의 냉각 구역이 후자 챔버와 분리되는 것이 바람직하다. 챔버들 사이 및/또는 챔버들 내에서 물질들을 운반하기 위해, 예를 들어, 스크루 컨베이어 등과 같은 적절한 컨베이어 수단이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 한편으로는 산화 및 가스화 구역 및 다른 한편으로는 냉각 구역이 서로 분리되어 배치된다. 개별 챔버 내의 구역의 배치로 인해, 장치는 엇갈린 공정을 수행하도록 배치된다.
장치가 주위 압력에 비해 상승된 압력에서 바이오매스의 가스화를 수행할 수 있도록 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 바이오매스를 공급하기 위한 장치의 입구, 세정된 생성 가스를 방출하기 위한 장치의 배기구 및/또는 재를 방출하기 위한 장치의 출구 상에 배치된 로크가 있으며, 상기 로크는 장치가 입구와 출구와 배기구 사이의 주위 압력에 비해 상승된 압력에서 각각 작동될 수 있도록 구성된다.
공정 및 장치의 유리한 실시예는 각각 종속항의 청구범위, 설명 및 도면으로부터 추론될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그들은
도 1은 각각 본 발명의 공정 및 본 발명의 장치의 예시적인 실시예의 블록도.
도 2는 각각 본 발명의 공정 및 본 발명의 장치의 다른 예시적인 실시예의 블록도.
도 3은 건조 및 열분해를 위한 별도의 가열 챔버 및 산화 구역 및 가스화 구역 뿐만 아니라 별도의 냉각 챔버 내의 별도의 냉각 구역에 대한 공유 반응 챔버를 갖는 장치의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예의 개략적인 블록도를 도시한다. 블록도는 바이오매스(B)를 가스화하기 위한 공정(10) 및 장치(11)를 각각 도시한다. 공정은 본질적으로 3 개의 연속적인 공정 단계(12,13,14)를 포함한다. 제 1 공정 단계(12)에서, 바이오매스(B)는 산소 함유 가스와 함께 산화 구역(ZO)으로 공급된다. 예시적인 실시예에서 사용되는 산소 함유 가스는 공기(L)이다. 공급 공기(L)의 양은 발생될 생성 가스의 요구의 함수로서 조절된다. 또한, 공기(L)의 양을 통해 산화 구역(ZO) 내의 온도(T0)를 조절할 수 있다.
이 제 1 공정 단계(12)에서, 바이오매스(B)는 산화 구역(Z0)에서 아화학양론적적으로 산화한다. 그렇게 할 때, 미가공 가스(R) 및 탄소성 잔류물(RK)이 형성된다. 산화 구역 내의 온도(TO)는 탄소성 잔류물(RK)의 재의 연화점이거나 또는 재 융점 미만 또는 재 융점에 가능한 가깝게 조절된다. 이는 탄소성 잔류물의 재가 산화 구역(ZO)에서 용융되거나 연화되는 것을 피하고 산화 구역(ZO)의 구역에서 응집이 발생하는 것을 방지한다. 한편, 산화 구역(Z0)에서의 매우 높은 온도(T0)로 인해, 미가공 가스(R)의 타르 함량의 감소가 이미 달성된다. 미가공 가스(R) 및 탄소성 잔류물(RK)은 차후에 가스화 구역(ZV)의 제 2 공정 단계(13)에서 부분적으로 가스화된다. 가스화 구역(ZV)은 가열 장치(15)의 도움으로 간접적으로 가열될 수 있다. 그렇지 않으면, 가스화 구역(ZV) 내의 온도(TV)는 예를 들어, 산화 구역(ZO)으로부터 열을 전달함으로써, 특히 고온의 탄소성 잔류물(RK) 뿐만 아니라 고온 미가공 가스(R)를 도입함으로써 조절될 수 있다. 적어도 하나의 바람직한 실시예에서, 가열 장치(15)는 적어도 하나의 버너(16)를 포함할 수 있다.
가스화 구역(ZV) 내의 온도(TV)는 산화 구역(ZO)의 온도와 독립적으로 가열 장치(15)를 통해 조절될 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 가스화 구역(ZV) 내의 온도(TV)는 최소 800 ℃ 및 최대 1000 ℃이다. 탄소성 잔류물(RK)은 가스화 구역(ZV)에서 미가공 가스의 가스 성분들로 부분적으로 가스화되고, 예시적인 실시예에서, 탄소성 잔류물(RK)의 약 75 % 이하가 가스화된다. 탄소성 잔류물(RK)을 가스화하기 위해 사용되는 가스 성분은 주로 수증기 및 이산화탄소이다.
이러한 조건 하에서, 여전히 바람직하지 못한 높은 비율의 타르 뿐만 아니라 활성탄(AK)을 여전히 함유하는 고온 생성 가스(PH)가 형성된다. 고온 생성 가스(PH) 및 일정량의 활성탄(MAK2)은 생성 가스(PH) 및 일정량의 활성탄(MAK1)을 함께 냉각하기 위해 차후에 냉각 구역(ZK)으로 운반되어, 결합된 냉각 중에, 타르가 고온 생성 가스(PH)로부터 일정량의 활성탄(MAK2)에 전달된다. 이러한 방식으로, 일정량의 활성탄(MAK2)이 타르를 흡착하기 때문에, 냉각 구역(ZK)을 제공하는 챔버 벽에 타르가 침전되는 것이 방지된다. 한편, 활성탄(AK)은 효율적으로 이용된다.
생성 가스(PH)와 함께 냉각되는 활성탄(MAK2)의 양은 생성 가스(PH)뿐만 아니라 활성탄(AK)을 생성하는 공급된 바이오매스(MB)의 양에 기초하여 결정된다. 공급된 바이오매스(MB)의 양은 일반적으로 물과 재를 포함하며 질량 mBroh를 포함한다. 이는 물이 없고 재(waf)가 없는 기준 조건에서의 질량 mBaf에 해당한다. 냉각 구역으로 공급되는 활성탄(MAK2)의 양은 공급된 바이오매스(B)의 물이 없고 재가 없는 기준 조건에 대하여, 공급된 바이오매스(B)의 질량 mWAF의 최소 2 %에서 최대 10 %까지의 질량 mAK2를 포함한다.
제 3 공정 단계(14) 동안, 고온 생성 가스(PH) 및 일정량의 활성탄(MAK2) 및 가스화장치 내에서 형성되는 재는 냉각 장치(17)의 도움으로 간접적으로 냉각된다. 그렇게 할 때, 흡착 공정이 냉각 구역(ZK)에서 발생하고, 생성 가스(PH)로부터의 타르는 결합된 냉각 중에 일정량의 활성탄(MAK2)과 결합한다. 활성탄(MAK2)의 양은 공용 챔버에서 냉각되는 동안 생성 가스(PH)로부터 타르로 풍부하게 된다.
고온 생성 가스(PH)는 예를 들어, 50 ℃ 미만의 온도로 냉각 구역(ZK) 내에서 냉각될 수 있다. 생성 가스(PH) 및 일정량의 활성탄(MAK2)은 바람직하게는 흡착 공정을 위한 제 3 공정 단계에서 낮은 온도 임계치 이상으로 함께 냉각되고, 상기 온도 임계치는 생성 가스(PH)의 이슬점 온도보다 높다. 이러한 방식으로, 활성탄의 적재 용량으로부터 큰 용도를 도출할 수 있다. 생성 가스(PH)로부터 타르로 활성탄(MAK2)를 풍부하게 함으로써, 냉각된 생성 가스(PA)가 냉각 구역(ZK)의 단부에 형성될 수 있으며, 생성 가스는 또한 순수 가스(PR)로 언급될 수 있다. 순수 가스(PR)는 타르가 완전히 함유되어 있지 않으며 단지 무시할 만큼의 타르 비율만 함유한다. 순수 가스(PR)는 에너지 생성에 사용될 수 있으며, 특히, 타르 제거를 위해 추가적인 비싼 후 처리를 필요로 하지 않는다. 특히, 순수 가스(PR)는 열병합 발전소에서 직접 사용될 수 있다.
결합된 냉각을 위한 일정량의 활성탄(MAK2) 다음으로, 가스화 구역(ZV)로부터 잉여 활성탄(MAK1)이 잠재적으로 남아 있다. 도 1에서 화살표 P로 나타낸 바와 같이, 이는 냉각 구역(ZK)의 상류에서 분기되거나 제거될 수 있다. 질량 유동(mAK1)을 갖는 잉여 부분 량(MAK1)은 결합된 냉각 후에 순수 가스(PR)의 잔류 타르 함량을 감소시키도록 순수 가스(PR)의 추가의 미세한 세정을 위해 세정 컨테이너 장치에 공급될 수 있다. 이러한 가스 세정을 위한 세정 컨테이너 장치는 그 자체로 공지되어 있으므로 그 상세한 설명은 생략될 수 있다.
도 1의 점선으로 도시된 바와 같이, 냉각된 생성 가스(PA) 또는 순수 가스(PR)는 예를 들어, 필터, 정전기 장치, 사이클론 등을 사용하여 적절한 먼지 침전 유닛(18)에서 먼지를 제거할 수 있다.
활성탄(MAK2)의 양은 냉각 구역(ZK)으로부터 제거될 수 있고 분쇄 장치(19)의 사용에 의해 분쇄되거나 미세하게 분쇄될 수 있다. 이하, 석탄 먼지(SK)로 지칭되는 분쇄된 활성탄은 연소용 에너지 운반체로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 탄소 먼지(SK) 또는 그 적어도 일부는 가스화 구역(ZV)의 간접 가열을 위해 가열 장치(15)의 버너로 운반될 수 있다.
또한, 도 1은 가열 장치의 적어도 하나의 버너(16)의 배기 가스(G)를 사용하기 위한 두 가지 옵션을 나타낸다. 배기 가스(G)는 한편으로는 산화 구역(Z0)으로 운반되기 전에 바이오매스(B)를 건조시키기 위한 건조 장치(20)에서 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 배기 가스(G)는 산화 구역(Z0)으로 운반되기 전에 공기(L) 또는 산소 함유 가스를 예열하기 위한 예열 장치(21)에서 사용될 수 있다.
이 공정은 자열(autothermal) 및 등온 가스화의 혼합 형태로 수행될 수 있다. 제 2 공정 단계(13)에서 가스화 구역(ZV)의 선택적 간접 가열의 경우, 일 예에 따라 바이오매스의 에너지 함량의 최대 10 %가 필요하다. 순수 가스(PR)는 1.5와 2 kWh/㎥ 사이의 발열량을 갖는다. 80 % 이상의 냉각 효능을 얻을 수 있다. 제 3 공정 단계(14)에서 생성 가스(PH)와 일정량의 활성탄(MAK2)의 동시 냉각에 의한 흡착으로 인한 생성 가스(Ph)로부터의 타르의 제거는 매우 경제적이며 높은 투자 비용 또는 높은 유지 비용을 필요로 하지 않는다.
도 2는 각각 본 발명의 공정 및 본 발명의 장치의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 이하, 도 1의 실시예와의 차이점을 설명한다. 그 외, 도 1에 따른 예시적인 실시예에 관한 설명이 적용된다.
도 2에서, 예시적인 실시예에서의 제 1 공정 단계(12)는 가열 단계(12i)와 산화 단계(12ⅱ)로 나누어진다. 가열 단계(12i) 동안, 바이오매스(B)는 가열 구역(ZE)에 공급된다. 가열 구역(ZE)에서, 바이오매스(B)는 휘발성 성분이 바이오매스(B)로부터 탈출하도록 건조 및 가열된다. 그렇게 할 때, 휘발성 성분(PY)(열분해 가스) 및 탄소성 잔류물(RK)로 이루어진 가스가 형성된다. 도시된 바와 같이, 가열 구역(ZE)은 가열 장치(15)의 버너(16)의 배기 가스(G)에 의해 가열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적이지만 도시되지 않은, 가열 구역(ZE)은 공정으로부터 순수 가스(PR)가 공급되는 가스 엔진의 배기 가스에 의해 가열될 수 있다. 가열 구역 내의 온도(TE)는, 예를 들면, 약 500 ℃이다. 열분해 가스(PY)는 산화 구역(ZO)으로 운반된다. 또한, 산화 구역(ZO)에는 산화 구역(ZO)에서 열분해 가스(PY)가 아화학양론적으로 산화되는 양의 산소 함유 가스, 예를 들어, 공기(L)가 공급된다. 공기(L)는 버너(16)의 배기 가스의 열이 공급되는 예열 장치(21)에서 예열될 수 있다.
탄소성 잔류물(RK)은 열분해 가스(PY)와 함께 산화 구역(Z0)으로 및/또는 산화 구역(ZO)을 우회하여 가스화 구역(ZV)으로 직접 공급될 수 있다. 탄소성 잔류물(RK)의 일부는 산화 구역(Z0)에서 화학량론적으로 산화될 수 있다.
가열 장치(15)의 버너(16)의 배기 가스는 가스화 구역(ZV)을 가열하기 위해 선택적으로 사용될 수 있다.
한편, 건조 및 열분해를 위한 가열의 공간적 분리로 인하여, 다른 한편에서의 산화로 인하여, 공정은 단계적으로 수행된다. 따라서, 산화 구역(ZO) 내의 원하는 온도(T0)는 대체로 바이오매스(B)의 조각 크기 및 바이오매스의 습도와는 독립적으로 달성되고 조절될 수 있다.
도 3은 바이오매스(B)를 가스화하기 위한 장치(11)의 예시적인 실시예의 측 단면도를 부분 개략적으로 도시한다. 장치(11)는 공유 반응 챔버(23)를 한정하는 본질적으로 수직으로 배치된, 예를 들어, 원통형의 반응 컨테이너(22)를 포함한다. 반응 챔버(23) 또는 반응 컨테이너(22)의 상부 섹션에서, 인접 섹션 내의 산화 구역(ZO) 및 가스화 구역(ZV)이 형성된다. 수직 배열로 인해, 비싼 컨베이어 장치없이, 반응 챔버(23) 내에서 단순화된 이송이 달성될 수 있다. 이에 대한 대안으로서, 적어도 하나의 반응 챔버(23)는 수평 방향으로 또는 수직 및 수평에 대해 배향될 수 있다.
대안적으로, 산화 구역(ZO) 및 가스화 구역(ZV)은 또한 서로 분리된 반응 챔버(도 3에 도시되지 않음)에서 형성될 수 있다. 분리된 반응 챔버는 서로 분리된 반응 챔버에 배열될 수 있다.
탄소성 잔류물(RK) 뿐만 아니라 열분해 가스(PY)는 반응 컨테이너(22)의 수직 상단부에서 반응 챔버(23)로 공급될 수 있다. 탄소성 잔류물(RK) 및 열분해 가스(PY)는 반응 챔버(23)에서 분리된 장치(11)의 가열 챔버(24)에서 발생될 수 있고, 상기 가열 챔버는 건조 및 바이오매스(B)의 열분해를 위해 가열 챔버(24)에 가열 구역(ZE)을 제공한다. 가열 챔버는 열분해 가스(PY) 및 탄소성 잔류물(RK)에 대한 라인(25)을 통해 반응 챔버(23)에 연결된다.
가열 챔버(24)에는 사일로(silo;26) 또는 중간 컨테이너로부터 바이오매스(B)가 공급된다. 이를 위해, 사일로(26) 또는 중간 컨테이너는 가열 챔버(24)의 입구(27)에 연결된다. 건조 및 열분해를 위해 사일로(26)와 가열 챔버(24) 사이에는 제 1 로크(28)가 배치된다. 예를 들어, 제 1 로크(28)의 사용에 의해서, 가열 챔버(24)에 공급되는 바이오매스(B)의 질량 유동(mBroh)을 조절할 수 있다. 수직 또는 수평에 대해 비스듬히 배향된 가열 챔버(24)에는, 가열 챔버(24)의 입구(27)로부터 가열 챔버(24)를 통해 바이오매스(B)를 운반하기 위한 컨베이어 장치(29), 예를 들어, 스크류 컨베이어가 배열된다. 가열 챔버(24)의 출구(30) 상에서, 상기 반응 챔버는 라인(25)을 통해서 반응 챔버(24)에 연결되고, 상기 반응 챔버는 산화 구역(ZO) 및 가스화 구역(ZV)을 제공한다. 가열 챔버(24)와 반응 챔버(23)는 반응 챔버(23)와 가열 챔버(24) 내의 온도가 대체로 서로 독립적으로 조절될 수 있도록 서로 분리된 챔버들이다. 또한, 반응 컨테이너(22)의 상부 섹션에는, 산소 함유 가스 또는 공기(L)를 산화 구역(ZO)에 공급하는 가스 공급 장치(31)가 있다. 예를 들어, 공기는 가스 공급 장치(31)의 라인(32)에 의해 산화 구역(ZO)으로 직접 운반된다. 반응 챔버(23)에는, 산화 구역(Z0)에서 온도(T0)를 검출하기 위한 온도 센서(33)가 제공된다. 온도 조절을 위해, 검출된 온도는 상세히 도시되지 않은 공정 제어 장치로 전달된다. 마찬가지로, 상세히 도시되지 않은 온도 센서들이 가열 구역(ZE)뿐만 아니라 가스화 구역(ZV) 내에 배열될 수 있고, 이들은 가열 구역(ZE) 및 가스화 구역(ZV) 내의 온도를 각각 검출하고 이들을 공정 제어 장치로 전달할 수 있다.
운반 방향에서 보았을 때 - 반응 챔버(23)의 단부(34)에서, 도 3의 화살표로 표시된 분기 장치(35)가 배치될 수 있고, 상기 분기 장치는 - 냉각 구역(ZK)의 상류에서 - 냉각 구역(ZK)에서 활성탄(AK) 및 생성 가스(PH)의 결합된 냉각을 위해 사용되지 않는 잉여 활성탄(AK)을 분기하도록 배치된다. 반응 챔버(23)의 단부(34)에서, 상기 반응 챔버는 냉각 챔버 컨테이너(37) 내에 포함된 냉각 챔버(36)에 연결된다. 냉각 챔버(36)는 냉각 구역(ZK)을 제공한다. 냉각 챔버(36)는 또한 수직 및 수평에 대해 비스듬히 배열된다. 대안적으로, 예를 들어, 수직 또는 수평으로 배향될 수 있다. 냉각 챔버(36)는 냉각 챔버(36)를 통해 반응 챔버(23)에서 생성된 활성탄(AK)의 일정량, 예를 들어 질량 유동을 운반하기 위해 배치되는 컨베이어 장치(38), 예를 들어, 스크류 컨베이어를 포함한다. 또한, 컨베이어 장치(38)는 고온 생성 가스(PH)를 냉각 챔버(36) 또는 냉각 구역(ZK)으로 운반하는데 기여할 수 있다. - 활성탄(AK) 또는 생성 가스(PH)의 컨베이어 방향에서 보았을 때 - 냉각 챔버(36)의 단부(39)에서, 상기 냉각 챔버는 필터(18)뿐만 아니라 순수 가스(PR)를 위한 배기구(41)를 포함하는 침전 챔버(40)에 연결되어 있다. 필터(18)에는, 예를 들어, 냉각 구역(ZK)의 상류에서 분기된 활성탄(AK)이 공급될 수 있다. 배기구(41) 상에 배열된, 세정된 생성 가스(PR)의 가스 배출 온도를 검출하고 이를 공정 제어 장치로 전송하는 온도 센서(42)가 있다. 또한, 침전 챔버(40)는 타르-적재된 활성탄(AK)을 위한 배기구(43)를 하단부에 갖는다. 배기구(43)에서, 침전 챔버(40)는 타르- 적재된 활성탄(AK)의 연소를 위한 반응기(44)에 연결된다. 침전 챔버(40)와 반응기(44) 사이에는, 타르-적재된 활성탄(AK)이 타르-적재된 활성탄의 연소를 위해 반응기(44) 내로 운반되는 제 2 로크(45)가 있다. 또한, 하나의 예시적인 실시예에서, 반응기(44)에는 냉각 구역(ZK)의 상류에서 분기된 잉여 활성탄(AK)이 공급될 수 있으며, 이 경우 적절한 공급 라인은 도 3에 도시되지 않는다. 가열 챔버(24)의 입구(27) 상의 제 1 로크(28)와 같이, 제 2 로크(45)는 가열 챔버(24), 반응 챔버(36)의 반응 챔버(23) 뿐만 아니라 침전 챔버(40) 내의 장치(11)가 주위 압력에 대해 상승된 압력, 예를 들어, 5 Bar에서 작동될 수 있는 방식으로 셋업된다.
타르-적재된 활성탄(AK)의 연소를 위한 반응기(44)는 재에 대한 배기구(46)를 가지며, 이 경우 재는 예를 들어, 턴테이블(47)에 의해 배기구로 이송될 수 있다. 배기구(46)에서, 반응기(44)는 다른 로크(28, 45)와 유사하게 장치(11)가 주위 압력에 대해 상승된 압력에서 작동될 수 있는 방식으로 셋업되는 제 3 로크(48)를 포함한다.
가열 구역(ZE)을 제공하는 가열 챔버(24)는 절연 자켓(49)에 의해 둘러싸여 있다. 가열 공간(51)은 가열 챔버(24)를 위한 컨테이너(50)의 외벽과 절연 자켓(49) 사이에 형성된다. 예시적인 실시예에서, 가열 공간(51)은 반응 공간(51)이 반응기(44)의 배기 가스(G)로 공급될 수 있는 라인(52)을 통해 타르-적재된 활성탄의 연소를 위해 반응기(44)에 연결된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 화살표 52로 표시된 바와 같이, 가열 공간(51)은 전기 발생을 위하여 연료로서 사용되는 정화된 생성 가스(PA, PR)가 공급되는 가스 엔진(도시되지 않음)으로부터의 배기 가스에 의해 가열될 수 있다. 배기 가스(G)는 절연 자켓(49) 내의 출구(53)를 통해 가열 공간(51)으로부터 배출될 수 있다.
반응 챔버는 또한 가스화 구역(ZV)뿐만 아니라 산화 구역(ZO)을 둘러싸는 절연 자켓(54)에 의해 둘러싸여 있다. 절연 자켓(54)과 반응 챔버(23) 사이에는, 또한 반응기(44)의 배기 가스(G)가 공급될 수 있는 산화 구역(ZO)(도시되지 않음) 및/또는 가스화 구역(ZV)의 간접 가열을 위한 가열 공간이 배치될 수 있다.
냉각 챔버 컨테이너(37)는 자켓(56)에 의해 둘러싸여지며, 이 경우 자켓(56)과 냉각 챔버 컨테이너(37) 사이에 냉각 공간(57)이 형성되고, 상기 냉각 공간에는 냉각제(C)가 입구(58)를 통해서 공급될 수 있고, 상기 냉각제는 예시적인 실시예에서는 공기이다. 냉각 공간(57)은 냉각 공간(57)으로부터 공기(C)를 배출하기 위한 배기구(59)를 갖는다. 냉각 챔버(36)를 간접적으로 냉각함으로써 가열된 공기(C)는 배기구(59)와 반응기(44) 사이에 배치된 라인(60)을 통해서 활성탄(AK)의 연소를 위해 반응기(44)로 공급된다.
세정 가스(PR)를 배출하기 위한 배기구(41)는 예를 들어, 순수 가스(PR)로 작동될 가스 엔진(도시하지 않음)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 순수 가스(PR)의 생성을 위해, 장치(11)는 다음과 같이 작동한다:
가스 엔진이 일정한 기계적 동력을 전달할 때의 정지 상태에서, 일반적으로 각각 장치(11) 및 공정(10)에 의해 순수 가스(PR)의 연속적인 생성이 요구된다. 순수 가스(PR)를 생성하기 위해, 대체로, 바이오매스(B)에 대한 사일로(26)로부터 일정한 질량 유동 mBroh의 바이오매스(기준 조건, 미가공 물질)가 바이오매스(B)의 건조 및 열분해를 위해 컨베이어 장치(29)뿐만 아니라 제 1 로크(28)의 도움으로 그리고 중력에 의해서 가열 챔버(24)로 공급된다. 상기 바이오매스 유동 mBroh는 바이오매스 유동 mBwaf(조건, 무-수 및 무-재)에 상응한다. 가열 챔버(24) 및 가열 구역(ZE) 각각에서, 바이오매스(B)는 예를 들어, 약 500℃에서 가스 엔진 및/또는 반응기(44)의 배기 가스(G)에 의해서 가열 구역(ZE)을 간접 가열함으로써 건조 및 가열되고 휘발성 성분이 바이오매스(B)로부터 탈출하는 방식으로 가열된다(열분해). 그렇게 할 때, 탄소성 잔류물(RK)뿐만 아니라 ㎥ 당 수 그램의 타르 함량을 갖는 열분해 가스(PY)가 형성된다.
탄소성 잔류물(RK) 뿐만 아니라 열분해 가스(PY)는 컨베이어 장치(29)의 도움으로 산화 구역(ZO)으로 운반된다. 상기 산화 구역에서, 열분해 가스(PY)는 약 1000 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 산소-함유 가스, 예를 들어, 공기(L)의 도입으로 아화학양론적으로 산화되고, 이 경우에, 미가공 가스(R)가 형성된다. 열분해 가스(PY)의 타르 성분 중 가장 큰 부분은 갈라진다. 산소 함유 가스(L)의 공기는 산화 구역(Z0)에서 온도(T0)의 조절을 위해 제어된다. 예를 들어, 1 ㎥의 공기가 바이오매스(waf)의 1kg 당 필요하다. 예열 때문에, 공기의 양은 감소될 수 있고 순수 가스(PR)의 가열 값은 증가될 수 있다. 산화 구역(ZO) 및 산화 단계(12ⅱ)에서, 각각 미가공 가스(R)에서의 타르의 비율은 500mg/㎥ 미만으로 명백하게 감소된다.
예를 들어, 산소 함유 가스(L)가 반응 챔버(23)의 수직 상단부(61) 상에 공급됨으로써, 미가공 가스(R)가 산화 구역(ZO) 아래에 위치하는 가스화 구역(ZV) 안으로 가스 운송되는 것이 달성되고, 따라서 가스(L)는 반응 챔버(23)에 존재하는 가스를 수직 하방으로 가압한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 생성 가스(PH)에 대한 도시되지 않은 배출 장치는 반응 챔버(23) 내의 가스 이동을 개시 또는 촉진시키기 위해 장치(11)의 반응 챔버(23)의 단부(34)에 연결될 수 있다.
환원 구역이라고도 불릴 수 있는 가스화 구역(ZV)에서, 탄소성 잔류물(RK)의 주요 부분은 내열적으로 가스화되고, 이 경우에 예를 들어, 700 ℃까지 가스 온도가 감소한다. 그렇게 할 때, 탄소성 잔류물(RK)의 비율은 공급된 바이오매스 mBwaf(기준 조건, 무-수 및 무-재)에 대해 열분해 후 원래 20 %에서 예를 들어, 5 %로 감소할 수 있다. 고도의 다공성 구조(활성탄)를 갖는 탄소(AK)가 형성된다.
장치(11)의 공정 제어 장치는 -예를 들어, 온도 및 선택적으로 압력과 같은 공정 파라미터의 제어에 의해, 및/또는 분기 장치 및/또는 냉각 챔버(36)의 컨베이어 장치(38)에 의해서- 활성탄(AK)이 생성된 공급 바이오매스의 킬로그램 당 최소 0.02 킬로그램에서 최대 0.1 킬로그램까지의 범위 영역 밖의 특정 질량의 활성탄(MAK2)(기준 상태, 무-수 및 무-재)을 가스화 구역(ZV)으로부터 냉각 챔버(36)의 냉각 구역(ZK)으로 운반하고 공급된 바이오매스(B)의 가스화 중에 생성된 타르-적재된 생성 가스(PH)와 함께 상기 질량 유동을 주위 온도의 근사 온도로 간접적으로 냉각시키도록 배치된다. 결합된 냉각 중에, 생성 가스(PH)는 흡착 공정으로 인해 타르가 없고 이어서 순수 가스(PR)로서 가스 엔진으로 운반된다.
순수 가스(PR)에 대한 요구가 변경되거나 현재 제공되는 바이오매스(B)의 발열량이 크게 변경되면, 공급된 바이오매스(B)의 질량 유동(mBroh)이 그에 따라 변경된다. 시간 지연으로, 활성탄(mAK)의 변화된 질량 유동이 가스화 구역에서 생성된다. 공정 제어 장치는 공급된 바이오매스 물질의 질량 유동(mBroh)의 변화에 대한 지연으로 발생된 활성탄(AK)의 질량 유동(mAK)의 변화가 발생함을 고려하여 배치된다. 그러므로, 순수 가스(PR)에 대한 변화하는 요구가 있더라도, 가스화 구역(ZV)에 현재 존재하는 활성탄의 질량 유동(mAK)으로부터 냉각 구역(ZK)으로 공급되는 양(MAK2) 또는 질량 유동(mAK2)은 활성탄 질량 유동(mAK)이 가스화 구역(ZV)에서 생성된 바이오매스의 양 또는 공급된 질량 유동(기준 조건 waf에 대한 양 및 질량 유동)을 고려하여 결정된다.
생성 가스(PH)로부터의 타르 성분 및 다른 유해 물질은 활성탄(MAK2)의 결합 냉각 동안 흡착된다. 활성탄(AK)의 적재 용량(흡착 용량)은 너무 높아서-바이오매스(B)(waf) 킬로그램 당 단지 2 중량 %의 적재량으로, 예를 들어, 1 그램의 타르 성분이 생성 가스(PH)에서 제거될 수 있다. 생성 가스(PH) 및 일정량의 활성탄(MAK2)은 결합된 냉각 동안, 바람직하게는 생성 가스(PH)의 이슬점 위의 보다 낮은 온도 임계치 미만으로 냉각되는데, 이는 활성탄(AK)의 적재 용량이 100 %의 생성 가스(PH)의 상대 습도를 향하여 가파르게 감소되기 때문이다. 예시적인 실시예에서, 냉각 구역(ZK)의 간접 냉각은 공기(C)에 의해 달성되며, 이 경우 가열된 냉각 공기(C)는 타르-적재된 활성탄(MAK2)의 연소를 위해 반응기로 운반된다.
하나의 예시적인 실시예에서, 생성 가스(PA, PR)는 유해 물질로 적재된 활성탄(MAK2)로부터 먼지 필터(18)로 냉각 구역(ZK)의 하류에서 분리된다. 유해 물질이 적재된 활성탄(MAK2)은 제 2 로크(45)를 통해 반응기(22)로 운반되고 사용된 냉각 공기(C)로 연소된다. 재는 예를 들어, 턴테이블(47) 및 제 3 로크(48)를 통해 침전된다.
바이오매스(B)가 높은 습도를 나타내면, 타르-적재된 활성탄(MAK2)의 연소를 위해 반응기(44)의 배기 가스뿐만 아니라 가스 엔진의 배기 가스와의 간접 가열에 의해 가열 구역(ZE)을 가열하는 것이 바람직할 수 있다.
가스화 장치(11)의 입구 및 출구에서 적절한 로크(28, 45, 48)를 갖는 고압 가스화는 세정된 생성 가스(PR)가 압축기없이 가압 가스 엔진에 공급될 수 있는 이점을 갖는다. 또한, 이것에 의해, 활성탄(AK)의 적재 용량을 높일 수 있다.
본 발명의 공정(10) 및 미세 세정을 위한 본 발명의 장치(11)를 사용하면, 후속적인 세정(예를 들어, 습식 스크러버, 전기 필터 등에 의한)을 필요로 하지 않고도 엔진-호환 생성 가스(PR)를 생성할 수 있다. 고습도 바이오매스의 경우에도 가스화 장치의 저온 가스 효능은 80 % 초과이다.
본 발명은 바이오매스(B)의 가스화 공정(10) 및 그 공정에 적용되는 장치(11)에 관한 것이다. 이 공정은 적어도 3 개의 공정 단계(12, 12i, 12ⅱ, 13, 14)에서 수행된다. 하나의 예시적인 실시예의 제 1 공정 단계(12)에서, 생물학적 잔류물-(바이오매스)-은 가열 구역(ZE)에 공급되어 바이오매스(B)를 건조시키고 휘발성 성분이 탈출하여 그로부터 열분해 가스(PY)를 발생시킬 수 있다. 열분해 가스(PY)는 산화 구역(ZO)에 공급되고 그곳에서 아화학양론적으로 산화되어 미가공 가스(R)를 생성한다. 가열 구역(ZE)에서 생성된 코크스형 탄소성 잔류물(RK)은 -미가공 가스(R)와 함께- 가스화 구역(ZV)에서 공정 단계(13)에서 부분적으로 가스화된다. 가열 구역(ZE)은 간접적으로 가열될 수 있다. 가스화 구역(ZV)은 마찬가지로 간접적으로 가열될 수 있다. 가열 구역(ZE) 및 산화 구역(ZO)은 바람직하게는 분리된 챔버(23, 24)에서 서로 분리된 구역들이다. 가스화는 활성탄(AK) 및 고온 공정 가스(PH)를 형성한다. 본 발명에 따른 공정(10)은 공급된 바이오매스(무-수 및 무-재, waf) 킬로그램 당 0.02 킬로그램 내지 0.1 킬로그램의 일정량의 활성탄을 냉각시키기 위해 배치되거나 또는 장치(11)는 냉각시키기에 적합하고, 상기 일정량의 활성탄으로부터 활성탄이 가스화 구역(ZV)에서 형성되고 또한 고온 생성 가스(PH)가 냉각 구역에서 제 3 공정 단계(14)에서, 예를 들어, 50 ℃ 이하로 형성된다. 장치가 이러한 방식으로 적용되거나 또는 공정이 활성탄(AK) 및 고온 공정 가스(PH)의 결합된 냉각을 포함하여, 활성탄과의 결합된 냉각 동안 냉각 구역(ZK) 내의 공정 가스(PH)의 온도가 생성 가스(PH)의 이슬점 온도보다 높은 하부 임계 온도 초과로 유지될 때 바람직하다. 활성탄(AK) 및 생성 가스(PH)의 결합된 냉각 중에 일어나는 흡착 공정은 냉각 중에 고온 공정 가스(PH)로부터의 타르가 냉각 구역 내의 활성탄(AK)에 흡수되는 결과를 갖는다. 결과적으로, 제 3 공정 단계(14) 후에, 실질적으로 무-타르인 순수 가스(PR, PA)가 얻어진다. 타르-농후 활성탄(AK)은 가열 구역(ZE) 및/또는 가스화 구역(ZV)을 가열하기 위해 적어도 부분적으로 연소될 수 있다.
Figure 112019047971978-pct00001

Figure 112019047971978-pct00002

Claims (15)

  1. 바이오매스(B)를 가스화하는 공정(10)으로서,
    상기 바이오매스(B)가 가스화를 위한 장치(11)에 공급되고,
    제 1 공정 단계(12, 12i, 12ⅱ)에서, 공급된 상기 바이오매스(B)로부터 미가공 가스(R) 및 탄소성 잔류물(RK)을 생성하고,
    제 2 공정 단계(13)에서, 상기 탄소성 잔류물(RK)은 가스화 구역(ZV)에서 상기 미가공 가스(R)의 가스 성분들로 부분적으로 가스화되고, 그 결과 활성탄(AK) 및 타르를 포함하는 고온 생성 가스(PH)가 형성되고,
    무-수 및 무-재(waft)의 기준 조건에 대해 공급된 상기 바이오매스(B)의 질량 단위 당, 최소 0.02 질량 단위와 최대 0.1 질량 단위 사이의 공급된 상기 바이오매스(B)가 얻어지는 활성탄(AK) 및 타르를 포함하는 상기 고온 생성 가스(PH)가 상기 가스화 구역(ZV)에서 제거되어 냉각 구역(ZK)으로 운반되고, 제 3 공정 단계(14)에서, 상기 냉각 구역(ZK)에서 결합 냉각되어, 흡착 공정이 수행되고,
    상기 냉각 구역(ZK)으로 운반된 활성탄은 냉각되는 동안 상기 고온 생성 가스(PH)로부터의 타르로 농축되는, 바이오매스(B)를 가스화하는 공정.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 구역(ZK)에서 상기 흡착 공정을 위한 상기 제 3 공정 단계(14)에서, 상기 고온 생성 가스(PH) 및 상기 활성탄은 상기 냉각 구역(ZK)에서 생성 가스(PA, PR)의 이슬점 온도보다 높은 하부 임계 온도 아래로 함께 냉각되지 않는, 바이오매스(B)를 가스화하는 공정.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 임계 온도는 상기 생성 가스(PA, PR)의 이슬점 온도보다 최소 10K에서 최대 20K 높은, 바이오매스(B)를 가스화하는 공정.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 공정 단계(12, 12i, 12ⅱ) 동안, 상기 공급된 바이오매스(B)는 가열 구역(ZE)에서 제 1 부분 단계(12i) 동안 건조되고, 상기 바이오매스(B)의 휘발성 성분들이 빠져 나가는 방식으로 가열되고, 이 경우 열분해 가스(PY) 및 상기 탄소성 잔류물(RK)이 형성되고, 적어도 상기 열분해 가스(PY)는 산소-함유 가스(L)의 공급으로 인하여 산화 구역(ZO)에서 제 1 공정 단계(12)의 후속적인 부분 단계(12ⅱ) 중에 아화학양론적으로 산화되고, 이 경우 상기 미가공 가스(R)가 형성되는, 바이오매스(B)를 가스화하는 공정.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가열 구역(ZE)과 상기 산화 구역(ZO)은 서로 분리된 구역들인, 바이오매스(B)를 가스화하는 공정.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 열분해 가스(PY)의 아화학양론적 산화 및 상기 탄소성 잔류물(RK)의 가스화가 서로 분리된 구역들에서 수행되는, 바이오매스(B)를 가스화하는 공정.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 아화학양론적 산화는 최소 1000 ℃ 내지 최대 1200 ℃의 온도(T0)에서 상기 산화 구역(ZO)에서 수행되는, 바이오매스(B)를 가스화하는 공정.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 산화 구역(ZO)에서의 온도(TO)는 상기 공급된 산소-함유 가스(L)의 양에 의해 조절되는, 바이오매스(B)를 가스화하는 공정.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공정은 주위 압력에 비해 상승된 압력에서 수행되는, 바이오매스(B)를 가스화하는 공정.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡착 공정으로 인해 세정된 생성 가스(PA, PR)는 연료로서, 장치에 공급되고, 상기 공급된 바이오매스(MB)의 양 및 상기 가스화 구역(ZV)에서 제거된 상기 활성탄(AK)의 양은 조절가능한, 바이오매스(B)를 가스화하는 공정.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미가공 가스(R) 및 상기 탄소성 잔류물(RK)은 간접 가열에 의해 상기 가스화 구역(ZV)에서 가열되고 및/또는 상기 활성탄(AK) 및 상기 고온 생성 가스(PH)는 간접 냉각에 의해 상기 냉각 구역(ZK)에서 냉각되는, 바이오매스(B)를 가스화하는 공정.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 3 공정 단계(14)로부터 흡착된 타르를 갖는 상기 활성탄(AK)은 상기 고온 생성 가스(PH) 및 상기 활성탄(AK)을 냉각시키기 위해 상기 제 3 공정 단계(14)에서 사용된 공기로 반응기(44)에서 소각되는, 바이오매스(B)를 가스화하는 공정.
  13. 바이오매스(B)를 가스화하기 위한 장치(11)로서,
    가열 구역(ZE)을 갖는 적어도 하나의 챔버(24);
    열분해 가스(PY) 및 탄소성 잔류물(RK)을 생성하기 위해 상기 바이오매스(B)를 상기 가열 구역(ZE)에 공급하도록 배치되는 공급 장치(28, 29),
    상기 열분해 가스(PY)의 산화를 위한 산화 구역(ZO) 및 상기 탄소성 잔류물(RK)을 가스화시키기 위한 가스화 구역(ZV)을 갖는 적어도 하나의 챔버(23),
    상기 가열 구역(ZE)으로부터 상기 산화 구역(ZO) 안으로 상기 열분해 가스(PY)를 운반하고 상기 산화 구역(ZO)으로부터 상기 가스화 구역(ZV) 안으로 미가공 가스(R)를 운반하도록 배치되고, 상기 가열 구역(ZE)으로부터 상기 가스화 구역(ZV) 안으로 상기 탄소성 잔류물(RK)을 운반하도록 배치되는 컨베이어 수단(29),
    상기 산화 구역(ZO)에 존재하는 상기 열분해 가스(PY)가 아화학양론적으로 산화되도록 하는 양의 산소 함유 가스(L)를 상기 산화 구역(ZO)에 공급하도록 배치되어, 그 결과 미가공 가스(R)가 형성되게 하는 가스 공급 장치(31)를 포함하고,
    상기 장치(11)는 상기 가스화 구역을 가열하기 위한 가열 수단으로서, 가스 성분들을 포함하는 상기 탄소성 잔류물(RK)이 부분적으로 가스화되는 방식으로 상기 가스화 구역(ZV)의 온도(TV)를 조절하도록 배치되어, 그 결과, 활성탄(AK) 및 타르를 포함하는 고온 생성 가스(PH)가 형성되게 하는, 상기 가열 수단을 구비하고,
    상기 장치(11)는 상기 가스화 구역(ZV)으로부터의 일정량(MAK2)의 활성탄(AK) 및 타르를 포함하는 상기 고온 생성 가스(PH)를 냉각 구역(ZK) 내에 제공하도록 배치되고,
    상기 일정량(MAK2)의 활성탄은 무-수 및 무-재의 기준 조건에 대해 공급된 바이오매스(B)의 질량의 최소 2 질량% 내지 최대 10 질량%를 가지며, 이로부터 상기 활성탄(AK) 및 타르를 포함하는 상기 고온 생성 가스(PH)가 형성되고,
    상기 장치(11)는 상기 냉각 구역(ZK)에서 상기 일정량(MAK2)의 활성탄 및 타르를 포함하는 상기 고온 생성 가스(PH)를 결합 냉각하도록 배치되어 흡착 공정이 수행되고 그 도중에 상기 일정량(MAK2)의 활성탄이 냉각되는 동안 상기 고온 생성 가스(PH)로부터 타르로 농축되게 하는 냉각 장치(ZK)를 구비하는, 바이오매스(B)를 가스화하기 위한 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 가열 구역(ZE) 및 상기 산화 구역(ZO)이 개별 챔버들(23, 24)에 배열되고, 및/또는 상기 가스화 구역(ZV) 및 상기 냉각 구역(ZK)이 개별 챔버들(23, 36)에 배열되는, 바이오매스(B)를 가스화하기 위한 장치.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 장치(11)는 주위 압력에 비해 상승된 압력에서 상기 가스화를 수행하도록 배치되는, 바이오매스(B)를 가스화하기 위한 장치.
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