KR102476768B1 - 가스화 장치 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는 가스화 장치를 제공하고, 더욱 상세하게는 내부에, 투입구를 통해 유입된 바이오매스를 수용하기 위한 공간이 구비된 하우징과, 상기 하우징 내부에 배치되고, 유입된 상기 바이오매스를 연소하여 열을 발생시키는 연소실과, 상기 연소실과 연결되고, 상기 바이오매스를 연소하기 위한 공기를 상기 연소실 내로 공급하는 공기 공급부와, 상기 연소실 내로 공급되는 공기량을 측정하는 센서와, 상기 센서의 측정 결과에 기초하여, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소실로 공급되는 공기량을 제어하는 제어부를 포함하는, 가스화 장치를 제공한다.

Description

가스화 장치 및 시스템{Gasification apparatus and system}
본 발명은 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스화 장치 및 시스템관한 것이다.
신재생 에너지 중에서 바이오매스 연료는 화석연료의 고갈과 환경오염에 대한 우려를 해소할 수 있는 대체에너지의 한 분야로 주목받고 있다. 바이오매스(biomass)란 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의하여 생성되는 식물체, 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물유기체를 지칭하는 용어이다. 바이오매스 자원은 곡물 등의 전분질계 자원과 임목 및 볏짚, 왕겨와 같은 농부산물을 포함하는 셀룰로스계의 자원, 사탕수수, 사탕무와 같은 당질계의 자원 및 음식폐기물 등의 유기성 폐기물을 포함한다.
바이오매스를 기존 에너지 생산시스템에 활용하기 위해서는 먼저 이를 기체 상태의 합성가스로 전환해 줘야 하는데, 대표적인 기술이 바로 바이오매스 가스화 기술이다. 가스화 기술로 전환된 합성가스는 일산화탄소, 수소, 메탄 등으로 구성돼 있어 이를 곧바로 수송용, 발전용, 난방용 에너지로 활용할 수 있다. 또한 촉매합성 또는 생물적인 전환을 통해 합성 천연가스나 FT 디젤, 바이오 수소와 같은 고부가가치 연료도 생산할 수 있다. 바이오매스를 기체 상태의 합성가스로 전환하기 위한 바이오매스 가스화 장치로 상향류식 바이오매스 가스화 장치와 하향류식 바이오매스 가스화 장치가 있다.
가스화는 바이오매스를 완전 연소시 필요한 이론적 산소(공기)량보다 더 적은 양을 공급하여 부분적인 산화를 시키는 기술로서, 완전 연소시 부산물이 CO2와 H2O임에 반해, 가스화시 부산물은 H2, CO, CH4, CO, N2가 주를 이룬다. 가스화에 의해 생성된 합성가스의 조성은 공기비(equivalence ratio)에 따라 변하며 통상 공기비가 0.25와 0.35사이에서 합성가스의 발열량이 최대가 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 바이오매스를 불완전 연소시켜 가연성 가스를 생산하는 가스화 장치에 있어서, 연소실로 공급되는 공기량을 실시간 측정 및 조절할 수 있는 가스화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 장치는, 내부에, 투입구를 통해 유입된 바이오매스를 수용하기 위한 공간이 구비된 하우징과, 상기 하우징 내부에 배치되고, 유입된 상기 바이오매스를 연소하여 열을 발생시키는 연소실과, 상기 연소실과 연결되고, 상기 바이오매스를 연소하기 위한 공기를 상기 연소실 내로 공급하는 공기 공급부와, 상기 연소실 내로 공급되는 공기량을 측정하는 센서와, 상기 센서의 측 정 결과에 기초하여, 상기 공기 공급부로부터 상기 연소실로 공급되는 공기량을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 연소실 내로 유입되는 바이오매스 양에 기초하여 공기비 기준값을 설정하고, 상기 연소실 내로 공급되는 공기량에 기초하여 공기비를 산출하여 산출된 상기 공기비와 설정된 상기 공기비 기준값을 비교할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 산출된 상기 공기비가 상기 공기비 기준값보다 작으면, 상기 연소실로 공급되는 공기량이 증가하도록 상기 공기공급부를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 산출된 상기 공기비가 상기 공기비 기준값보다 크면, 상기 연소실로 공급되는 공기량이 감소하도록 상기 공기공급부를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 산출된 상기 공기비가 상기 공기비 기준값과 동일하면, 상기 연소실로 공급되는 공기량이 유지되도록 상기 공기공급부를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 공기공급부와 상기 하우징 사이에 배치되고, 상기 바이오매스의 가스화 과정에서 발생된 이물질을 여과하는 필터부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 필터부를 통과하는 기체의 유량에 기초하여, 상기 필터부의 정상 상태 여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 필터부를 통과하는 상기 기체의 유량 기준값을 설정하고, 상기 필터를 통과하는 상기 기체의 유량이 상기 유량 기준치 미만인 경우, 상기 필터가 비정상 상태라고 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 PID 제어기일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 HMI(Human Machine Interface) 방식을 통해 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 가스화 장치 및 이를 포함하는 시스템은, 연소실로 공급되는 공기량을 실시간 측정하고, 측정된 공기량에 기초하여 산출된 공기비에 기초하여 연소실(300)로 공급되는 공기량을 실시간으로 피드백 제어할 수 있다. 또한, 연소실로 공급되는 공기량을 일정하게 유지함으로써 가스화 장치의 안정적인 발열량을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 가스화 장치 및 이를 포함하는 시스템은 필터부를 통과하는 기체의 유량을 검출하여 필터부의 정상 상태 여부를 실시간으로 판단함으로써, 필터부 자체 또는 필터부에 구비된 여과용 매질을 적절한 시기에 교체하여 가스화 장치 및 가스화 시스템의 효율성이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 장치를 간략히 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스화 장치를 간략히 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부에 의해 제어되는 가스화 장치의 일부를 간략히 도시한다.
도 4는 공기비에 따른 합성가스 조성비 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 과정을 도시한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
가스화 장치는 고체 또는 액체 상태의 가스화 대상물을 가스화하기 위한 장치일 수 있다. 이때 가스화 대상물의 종류가 제한되는 것은 아니나, 이하에서는 가스화 장치에 의해 가스화되는 대상물이 바이오매스인 실시예를 중심으로 설명하기로 한다.
한편, 가스화 장치는 산화재와 연료의 이동 방향에 따라 상향식(updraft)와 하향식(downdraft), 배드(bed)의 특징에 따라 유동층(fluidized bed)와 고정층(fixed-bed) 및 분류층(entrained flow)으로 구분될 수 있다. 본 발명에 따른 가스화 장치(10)는 상기한 종류들 중 어느 하나에 제한이 있는 것은 아니나, 설명의 편의를 위해 이하에서는, 하향식 가스화 장치를 중심으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 장치를 간략히 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 장치(10)는 하우징(100)과, 건조실(200)과, 열분해실(Hd)과, 연소실(300)과, 공기공급부(400)와, 환원실(500)과, 재 수거실(ash collector; 600)을 포함할 수 있다. 또한, 가스화 장치(10)는 필터부(F)를 더 포함할 수 있다.
하우징(100)은 내부에, 건조실(200)과, 연소실(300)과, 환원실(500)과, 재 수거실(600)이 배치될 수 있는 공간을 구비할 수 있다. 또한, 하우징(100)은 상측에 투입부(110)가 구비되고, 하측에 재 배출부(ash discharger; 120)가 구비될 수 있다. 바이오매스는 투입부(110)를 통해 하우징(100)의 내부 공간으로 투입되어 하측으로 이동하면서 가스화 과정이 이루어질 수 있다. 바이오매스가 가스화되면서 남은 재는 재 배출부(120)를 통과하여 하우징(100)의 외부로 배출될 수 있다.
하우징(100)의 내부 공간에는 상측부터, 건조실(200), 열분해실(Hd), 연소실(300), 환원실(500) 및 재 수거실(600)이 차례로 배치될 수 있다. 이러한 경우, 투입부(110)로 투입되는 바이오매스는 건조실(200), 열분해실(Hd), 연소실(300), 환원실(500)을 차례로 거치면서 재로 변하게 되고, 이러한 재는 재 수거실(600)에 수거될 수 있다.
건조실(200)은 바이오매스를 건조시킬 수 있다. 이때 건조실(200)에서의 건조 공정(Drying)은 바이오매스 가스화 공정의 전처리 공정이다. 건조실(200)에서 바이오매스에 함유된 수분이 증발되고 일부 휘발성 물질도 증발될 수 있다.
건조실(200)의 상측에는 확산부(210)가 설치될 수 있으며, 이러한 확산부는 상부에서 하부 방향으로 넓이가 점진적으로 증가하는 형상으로 이루어지고 건조실(200) 상측 중앙에 설치됨으로써, 투입부(110)를 통해 투입되는 바이오매스를 건조실(200) 중앙에 쌓이지 않게 확산시킬 수 있다. 또한, 건조실(200)에는 건조 교반기(미도시)가 설치될 수 있으며, 이러한 건조 교반기는 교반기에 구비된 블레이드의 회전 운동을 통해 건조실(200) 내의 바이오매스를 휘젓는다.
한편, 건조실(200)은 바이오매스를 가열하기 위한 별도의 가열장치가 구비하지 않을 수 있으며, 이러한 경우 건조실(200)은 건조실(200)의 하측에 배치된 열분해실(Hd)로부터 상승하는 열기를 이용하여 건조실(200) 내의 바이오매스를 건조시킬 수 있다.
열분해실(Hd)에서는 바이오매스에서 가스상의 물질을 얻기 위한 공정 즉, 열분해 공정(Pyrolysis)이 수행될 수 있다. 건조실(200)을 통과한 바이오매스는 건조실(200)의 하측에 배치된 열분해실(Hd)로 이동한다. 이러한 바이오매스에 고온의 열을 가하면 바이오매스가 열분해되어 가스와 타르로 분리되고 잔재물로 숯이 남게 된다. 이때, 열분해 공정은 산소가 필요 없는 공정이며, 가스상의 물질은 주로 C, H, O 계열의 휘발성(Volatile) 물질일 수 있다.
열분해실(Hd)은 바이오매스를 가열하기 위한 별도의 가열장치를 구비하지 않을 수 있으며, 이러한 경우 열분해실(Hd)에서 바이오매스의 열분해를 위해 필요한 열은 열분해실(Hd)의 하측의 연소실(300)로부터 상승하는 열기로부터 제공받을 수 있다.
연소실(300)에서는 환원(Reduction)을 위한 열을 발생시키는 공정, 즉 연소 공정(Combustion)이 수행될 수 있다. 구체적으로, 열분해실(Hd)을 통과한 바이오매스는 그 하측에 배치된 연소실(300)로 이동하게 되고, 연소실(300)에서는 열분해 공정에서 발생한 타르 가스와 차(char)를 주연료로 하여 연소가 이루어질 수 있다. 이때, 연소에 필요한 공기는 후술할 공기공급부(400)에 의해 연소실(300)로 공급될 수 있다. 연소 공정에서 발생하는 CO2와 H2O는, 다음 공정인 환원 공정에서 제1 반응식(예컨대, CO2 + O2 --> 2CO) 또는 제2 반응식(예컨대, H2O + C --> H2 + CO)과 같이 반응하여 그 발생량이 감소할 수 있다.
연소실(300)에서 바이오매스를 일부만 연소시키기 위해 연소실(300)에는 불완전연소 구간이 형성될 수 있다. 이때, 불완전연소 구간을 적절하게 형성시키기 위해, 연소실(300)에는 2개의 급기(air supply) 구간이 마련될 수 있다.
연소실(300)은 연소실(300) 내로 공급되는 공기의 양을 측정하는 센서(S)를 구비할 수 있다. 이러한 센서(S)에 의해, 공기공급부(400)에 의해 연소실(300) 내로 공급되는 공기의 양을 측정할 수 있다. 이때, 센서(S)는 측정된 결과를 후술한 제어부(30)로 전달할 수 있다.
연소실(300)은 바이오매스를 점화시키기 위한 점화장치(미도시)를 구비할 수 있다. 이러한 점화장치는 바이오매스가 투입되기 시작하는 초기에 한번 작동하여 바이오매스를 점화시킬 수 있고, 이후에는 점화장치가 작동하지 않아도 연소실(300)에서 연소되는 바이오매스의 불꽃에 의해 연소실(300)로 유입되는 바이오매스가 지속적으로 연소할 수 있다.
공기공급부(400)는 가스화 장치(10)로 공기를 공급할 수 있다. 구체적으로, 공기공급부(400)는 연소실(300)에서 바이오매스를 연소하기 위해 필요한 공기를 연소실(300) 내로 공급할 수 있다. 이때, 공기공급부(400)는 하우징(100)의 외부에 배치되어 하우징(100)의 내부 공간[예를 들어, 연소실(300)]과 연통할 수 있다. 공기공급부(400)에 의해 연소실(300)로 공급되는 공기는, 고온으로 가열된 공기일 수 있다. 이에 의해, 상온의 공기가 연소실(300)에 공급되어 연소실(300) 내의 바이오매스가 상온의 공급 공기에 의해 냉각됨으로써 바이오매스의 연소 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예로서, 공기공급부(400)는 공기를 흡입하는 공기 석션 장치(air suction device)일 수 있으며, 이때 공기공급부(400)는 공기를 흡입하여 공기의 유동을 발생시키는 블로워(blower; 410)와, 공기의 이동통로인 공기 배관(420)을 구비할 수 있다. 그리고, 하우징(100)은 그 내부 공간과 연통하는 공기 유입구(130)를 구비할 수 있다. 이러한 경우, 공기공급부(400)에 의해 하우징(100)의 내부 공간으로, 또는 연소실(300) 내로 공기가 공급되는 과정은 아래와 같을 수 있다.
우선, 블로워(410)가 공기를 흡입할 수 있다. 이러한 흡입 작동에 의해, 하우징(100) 외부의 공기가 공기 유입구(130)를 통해 하우징(100)의 내부 공간으로 유입될 수 있다. 이처럼 유입된 공기는 건조실(200), 열분해실(Hd)을 지나 연소실(300) 내로 유입됨으로써, 바이오매스의 연소 공정에 사용될 수 있다.
블로워(410)의 흡입에 의해, 공기뿐만 아니라 바이오매스도 연소실(300)로 이동할 수 있다. 이후 연소 공정에서 발생한 재, 타르 등의 이물질도 블로워(410)의 흡입에 의해 가스화 장치(10)의 하류측으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 재, 타르 등 이물질은 재 배출부(120)를 통해 하우징(100)의 외부로 배출될 수 있다.
환원실(500)에서는 바이오매스의 가스화가 완성되는 공정, 즉 환원 공정(Reduction)이 수행될 수 있다. 구체적으로, 연소실(300)에서 연소된 바이오매스는 연소실(300)의 하측에 배치된 환원실(500)로 이동하게 되고, 환원실(500)에서는 연소 공정에서 발생된 CO2와 H2O(Vapor)가 바이오매스 숯의 베드(Bed)층을 통과하면서 가스 중의 산소가 고온의 C와 반응하여 환원됨으로써 2CO와 H2 + CO로 반응하게 된다. 이때 연소 가스는 다시 합성가스(2CO, H2)로 전환된다.
환원실(500)을 둘러싸는 하우징(100)의 내벽에는 환원실(500)에서 생성되는 합성가스를 환원실(500)에서 배출하기 위한 복수의 가스 배출구(미도시)가 구비될 수 있다. 이러한 복수의 가스 배출구를 통해 환원실(500)에서 배출되는 합성가스가 하우징(100) 외부로 배출될 수 있다.
재 수거실(600)은 연소실(300) 또는 환원실(500)과 연결되어, 연소실(300)에서 발생한, 또는 환원실(500)에서의 바이오매스 재(ash)를 수거할 수 있다. 재 수거실(600)은 하측에, 재를 모으는 호퍼부(610)를 구비할 수 있다. 이때, 호퍼부(610)는 하측으로 갈수록 그 폭이 점진적으로 축소되는 형상으로 이루어질 수 있다. 그리고, 호퍼부(610)의 하단에는 하우징(100)의 재 배출부(120)가 연결되어, 재 수거실(600)에 안착되는 재는 호퍼부(610)에 의해 집진되고, 재 배출부(120)를 통해 하우징(100) 외부로 배출될 수 있다.
필터부(F)는 하우징(100)의 외부로 배출되는 합성가스에 포함된 이물질을 여과할 수 있다. 필터부(F)는 하우징(100) 외부에 배치될 수 있다. 구체적으로, 필터부(F)는 재 수거실(600)과 공기공급부(400) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 필터부(F)의 일 측면은 하우징(100)에 구비된 가스 배출구와 연결되고, 필터부(F)의 타 측면은 공기공급부(400)의 공기 배관(420)과 연결될 수 있다. 이러한 경우, 환원실(500)에서 생성된 합성가스가 가스 배출구를 통해 하우징(100)의 외부로 배출된 후 연결 배관(U)을 통해 필터부(F)로 이동할 수 있다. 이때, 연결 배관(U)은 필터부(F) 및 공기 배관(420)과 연통하며, 이에 따라 블로워(410)의 흡입에 의해 하우징(100) 외부로 배출된 합성가스가 연결 배관(U), 필터부(F)를 지나 공기 배관(420)으로 흡입되어 이동될 수 있다.
필터부(F)는 내부에 합성가스가 통과하기 위한 여과 통로(미도시)를 구비할 수 있다. 이때, 여과 통로에는 합성가스에 포함된 재, 타르 등의 이물질을 여과하기 위한 다공성의 여과용 매질이 배치될 수 있다. 이러한 경우, 합성가스에 포함된 재, 타르 등의 이물질은 여과용 매질을 통과하면서 여과되고, 순수한 합성가스만이 필터부(F)를 통과할 수 있다. 여과용 매질은 교체 가능하며, 여과용 매질은 예를 들어, 숯, 톱밥 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 필터부(F)와 하우징(100) 사이에는 추가 여과부가 배치될 수도 있다. 이러한 경우, 하우징(100) 외부로 배출된 합성가스가 최초로 추가 여과부를 통과하면서 1차로 여과된 후, 필터부(F)로 이동하여 여과됨으로써, 이중 여과될 수 있다. 추가 여과부는 예를 들어, 싸이클론(cyclone)일 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스화 장치를 도시한다.
도 2를 참조하면, 가스화 장치(20)는 하우징(100)과, 건조실(200)과, 연소실(300)과, 환원실(500)과, 추가 연소실(Ac), 공기공급부(400) 및 재 수거실(600)을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 하우징(100)과, 건조실(200)과, 연소실(300)과, 공기공급부(400)와, 환원실(500) 및 재 수거실(600)의 구체적인 특징은 전술한 실시예인 가스화 장치(10)의 경우와 동일 또는 유사하므로, 이에 대해 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
추가 연소실(Ac)은 하우징(100)의 내부 공간에 배치되고, 환원실(500) 하측에 연결될 수 있다. 이러한 경우, 투입부(110)로 투입되는 바이오매스는 건조실(200), 열분해실(Hd), 연소실(300), 환원실(500), 그리고 추가 연소실(Ac)을 차례로 거치면서 재로 변하게 되고, 이러한 재는 재 수거실(600)에 수거될 수 있다.
구체적으로, 환원실(500)을 통과하는 바이오매스의 숯은 추가 연소실(Ac)로 이동하게 되고, 추가 연소실(Ac)로 유입된 숯에 공기가 공급되면, CO2, H2O가 발생하게 된다. 이를 다시 환원 구간의 숯의 베드 층을 통과시키면 가스 중의 산소가 고온의 C와 반응하여 환원되어 2CO와 H2 + CO로 반응하게 된다.
이처럼 환원실(500)의 상측과 하측에 각각 연소실(300)과 추가 연소실(Ac)이 배치되어, 환원실(500)에서 환원 반응을 촉진할 수 있어 합성가스 발생율을 높일 수 있다. 즉, 환원실(500)을 사이에 두고 2개의 연소실이 배치되고, 바이오매스의 건조와 저온 탄화 및 가스의 분해는 환원실(500)의 상부에서 일어나게 되어, 타르(tar) 및 더스트 발생이 적고 열분해 효율이 높아 우수한 가스화 효율을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 시스템을 간략히 도시한다. 도 4는 공기비에 따른 합성가스 조성비 변화를 나타내는 그래프이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 과정을 도시한 흐름도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 가스화 장치(10, 20)는 제어부(30)를 더 포함할 수 있다. 제어부(30)는 공기공급부(400)에 의해 연소실(300)로 공급되는 공기의 양을 제어할 수 있다. 이때, 제어부(30)는 예를 들어, 가스화 장치(10, 20)의 제어용 컴퓨터에 장착되는 회로기판이나, 회로기판에 장착되는 컴퓨터 칩이나, 컴퓨터 칩에 내장되거나 제어용 컴퓨터에 내장되는 소프트웨어 등의 형태로 구현될 수 있다. 일 예로, 제어부(30)는 PID 제어기일 수 있다.
제어부(30)는 센서(S)에서 측정된 연소실(300) 내의 공기량에 기초하여, 연소실(300)로 공급되는 공기량을 조절할 수 있다. 일 실시예로서, 제어부(30)는 연소실(300) 내로 공급된 공기량을 기초로 공기비(equivalence ratio; ER)를 산출할 수 있다. 그리고, 제어부(30)는 산출된 공기비(ER)에 기초하여, 연소실(300)에 공급될 공기량을 조절할 수 있다. 여기서, 공기비(ER)는 연소실(300)로 공급되는 공기량을, 연소실(300)로 유입된 바이오매스가 완전 연소되기 위해 필요한 공기량으로 나눈 값을 의미할 수 있다.
도 4에 예시적으로 도시된 바와 같이, 연소실(300) 내의 공기비(ER)에 따라, 바이오매스를 가스화하여 생성된 가스인, 합성가스의 조성이 변할 수 있다. 구체적으로, 공기비(ER)가 변함에 따라, 합성가스에 포함된 H2, CO, CO2, H20, CH4, N2의 양(즉, 합성가스의 조성비)가 변할 수 있다. 일 예로, 합성가스에 포함된 CO의 양은 공기비(ER)가 0.25 내지 0.35인 범위에서 최대가 된다. 그리고, N2의 경우 공기비(ER)가 증가함에 따라 비례하여 함께 증가하고, H2의 경우 공기비(ER)가 증가함에 따라 반비례하여 감소한다. 다른 예로, CH4의 경우, 공기비(ER)가 0.2가 될 때까지 감소하고, 공기비(ER)가 0.2 이상인 범위에선 증가하게 된다.
제어부(30)가 연소실(300) 내의 공기비(ER)를 조절하는 방법은 아래와 같을 수 있다.
우선, 제어부(30)는 연소실(300) 내에서의 공기비의 기준값(이하, 공기비 기준값)을 설정할 수 있다(S10). 이때, 공기비 기준값은 연소실(300)로 유입되는 바이오매스의 양에 기초하여 설정될 수 있다. 구체적으로, 공기비 기준값은 연소실(300)에 유입되는 바이오매스를 가스화하여 생성된 합성가스의 발열량의 기준값(이하, 발열량 기준값)을 기초로 설정될 수 있다. 발열량 기준값은 예를 들어, 1,100kcal일 수 있으며, 이때 공기비 기준값은 합성가스의 발열량이 1,100kcal ±5%의 범위 내에 존재하도록 설정될 수 있다.
다음, 제어부(30)는 센서(S)에서 측정된 연소실(300)로 공급되는 공기량을 전달받을 수 있다(S20). 그리고, 제어부(30)는 전달받은 공기량 측정값에 기초하여 연소실(300) 내의 공기비(ER)를 산출할 수 있다(S30).
다음, 제어부(30)는 상기한 미리 설정된 공기비 기준값과, 산출된 공기비(ER)를 비교할 수 있다(S30, S40). 그리고, 제어부(30)는 상기한 비교 결과에 기초하여, 연소실(300)로 공급되는 공기량을 조절할 수 있다.
일 실시예로서, 산출된 공기비(ER)가 미리 설정된 값과 동일 또는 근접한 값인 경우, 제어부(30)는 공기공급부(400)에 의해 연소실(300)로 공급되는 공기량을 유지하도록 제어할 수 있다(S41).
제어부(30)는 산출된 공기비(ER)가 미리 설정된 값과 동일 또는 근접한 값이 아닌 경우, 산출된 공기비(ER)가 공기비 기준값을 초과하는 지를 판단할 수 있다(S50). 일 실시예로서, 산출된 공기비(ER)가 미리 설정된 값보다 큰 경우, 제어부(30)는 공기공급부(400)에 의해 연소실(300)로 공급되는 공기량이 감소되도록 제어할 수 있다(S51). 구체적으로, 제어부(30)는 블로워(410)에 구비된 구동모터(미도시)의 회전 속도를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 블로워(410)의 흡입 작용을 감소되어, 결과적으로 연소실(300)로 공급되는 공기량이 감소하게 된다.
다른 실시예로서, 산출된 공기비(ER)가 미리 설정된 공기비 기준값보다 작은 경우, 제어부(30)는 공기공급부(400)에 의해 연소실(300)로 더 많은 공기가 공급되도록 제어할 수 있다(S52). 구체적으로, 제어부(30)는 블로워(410)에 구비된 구동모터(미도시)의 회전 속도를 높일 수 있다. 이에 따라, 블로워(410)의 흡입 작용을 증가되어, 결과적으로 연소실(300)로 공급되는 공기량이 증가하게 된다.
보다 구체적으로, 상술한 경우 제어부(30)는 블로워(410)를 컨트롤하는 인버터(미도시; inverter)를 작동을 조절함으로써, 블로워(410)의 회전 속도를 증가시키거나, 감소시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 방식을 통해, 제어부(30)는 공기공급부(400)를 실시간으로 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(30)는 연소실(300)에 구비된 센서(S)로부터 측정된 공기량을 실시간으로 전달받아 이를 기초로 공기공급부(400)를 제어하고, 이후 제어부(30)는 센서(S)로부터 다시 측정된 연소실(300)로 공급되는 공기량을 피드백(feedback)받을 수 있다.
제어부(30)는 피드백 받은 공기량 측정값에 기초하여, 공기비(ER)를 재산출할 수 있다. 이후, 제어부(30)는 재산출된 공기비(ER)를 미리 설전된 공기비 기준값과 다시 비교하고, 그 결과에 기초하여 공기공급부(400)를 제어할 수 있다. 이처럼, 제어부(30)는 연소실(300) 내의 공기량 및 이에 따른 공기비(ER)를 실시간으로 측정 및 산출하여, 연소실(300)의 공기비(ER)를 일정한 범위 내로 유지시킬 수 있으며, 이때 일정하게 유지되는 공기비(ER)는 0.25 내지 0.35 범위 내의 값일 수 있다. 이에 따라, 가스화에 의해 일정한 조성의 합성가스가 생성될 수 있고, 이에 의해 가스화 장치(10, 20)는 발열량이 균일한 합성가스를 생산할 수 있다.
제어부(30)는 가스화 장치(10)의 작동 상태에 대한 정보를 저장할 수 있다. 일 실시예로서, 제어부(30)는 연소실(300) 내의 공기량 변화, 이에 따른 공기비(ER) 변화 등의 정보를 데이터화하여 저장할 수 있다. 이처럼 저장된 데이터를 기초로, 가스화 장치(10)를 관리하는 관리자는 가스화 시스템(1) 또는 가스화 장치(10, 20)의 오작동 여부를 확인하고, 오작동 발생시 과거 정보로부터 오작동 원인을 보다 신속히 찾을 수 있어 가스화 시스템(1) 또는 가스화 장치(10, 20)의 오작동을 용이하게 해결할 수 있다.
제어부(30)는 필터부(F)의 상태를 모니터링할 수 있다. 일 실시예로서, 제어부(30)는 공기공급부(400)에 의해 연소실(300)로 공급되는 공기의 유량 또는 필터부(F)를 통과하는 기체의 유량에 기초하여, 필터부(F)의 정상 상태 여부를 판단할 수 있다.
구체적으로, 필터부(F) 내부의 여과용 매질에 과도한 양의 타르가 흡착되어 쌓이는 경우, 합성가스가 여과용 매질을 통과하기 어려워져, 필터부(F)를 통과하는 기체의 유량 또는 필터부(F)를 통과하기 전 공기의 유량이 감소할 수 있다. 이때, 필터부(F)를 통과하는 기체는 합성가스와 공기 중 적어도 하나일 수 있다.
제어부(30)는, 상기한 바와 같은 유량 감소 상태가 일정 시간 이상 계속되는 경우, 필터부(F)가 비정상 상태라고 판단할 수 있다. 구체적으로, 제어부(30)는 필터부(F)를 통과하는 기체의 유량 기준값을 설정할 수 있다. 그리고, 필터부(F)에는 필터부(F)를 통과하는 기체의 유량을 측정하기 위한 유량 센서(미도시)가 구비될 수 있다. 이러한 경우, 유량 센서에 의해 측정된 유량값은 제어부(30)로 전달될 수 있다. 이때, 제어부(30)는 측정된 유량값을 설정된 유량 기준값과 비교하여, 필터부(F)의 정상 상태 여부를 판단할 수 있다. 일 실시예로서, 제어부(30)는 측정된 유량값이 유량 기준값 미만인 경우, 필터부(F)가 비정상 상태라고 판단할 수 있으며, 다른 실시예로서, 제어부(30)는 측정된 유량값이 유량 기준값 이상인 경우, 필터부(F)가 정상 상태라고 판단할 수 있다.
제어부(30)는 상기와 같이, 필터부(F)가 비정상 상태라고 판단되면, 알림부(미도시)를 통해 필터부(F)의 비정상 상태를 표시할 수 있다. 이러한 경우, 가스화 시스템(1)의 관리자는 알림부를 통해 필터부(F)의 문제를 확인하고, 필터부(F) 내의 여과용 매질을 교체할 수 있다. 이에 의해, 가스화 시스템(1)의 필터부(F)를 실시간 모니터링 할 수 있고, 이에 따라 필터부(F)에 문제가 발생하는 경우 신속히 교체함으로써, 이물질의 흡착에 의해 공기의 유량 또는 합성가스의 유량이 감소하는 것을 방지할 수 있다. 결과적으로, 바이오매스 가스화 속도가 감소하는 것을 방지할 수 있어, 전체 가스화 시스템(1)의 효율성을 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
가스화 장치(10, 20)의 관리자는 예컨대, 터치스크린 방식과 같은 사람-장치간 인터페이스(HMI; Human Machine Interface) 방식을 통해 제어부(30)를 조작할 수 있다. 이에 의해, 관리자는 가스화 장치(10, 20)의 작업 상태 및 오작동 여부 등을 직관적으로 용이하게 파악할 수 있다. 또한, HMI방식의 제어를 통해 새로운 관리자를 교육하는데 필요한 시간을 감소시킬 수 있다는 이점도 존재한다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 가스화 장치(10, 20) 및 이를 포함하는 시스템(1)은, 연소실(300)로 공급되는 공기량을 실시간 측정하고, 측정된 공기량에 기초하여 산출된 공기비(ER)에 기초하여 연소실(300)로 공급되는 공기량을 실시간으로 피드백 제어할 수 있다. 또한, 연소실(300)로 공급되는 공기량을 일정하게 유지함으로써 가스화 장치의 균일하고, 안정적인 발열량을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 가스화 장치(10, 20) 및 이를 포함하는 시스템(1)은 필터부(F)를 통과하는 기체의 유량을 검출하여 필터부(F)의 정상 상태 여부를 실시간으로 판단함으로써, 필터부(F) 자체 또는 필터부(F)에 구비된 여과용 매질을 적절한 시기에 교체하여 가스화 장치(10, 20) 및 가스화 시스템(1)의 효율성이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 가스화 장치
20: 가스화 장치
30: 제어부
100: 하우징
200: 건조실
Hd: 열 분해실
300: 연소실
400: 공기공급부
500: 환원실
Ac: 추가 연소실
600: 재 수거실
F: 필터부
S: 센서

Claims (10)

  1. 내부에, 투입구를 통해 유입된 바이오매스를 수용하기 위한 공간이 구비된 하우징;
    상기 하우징 내부에 배치되고, 유입된 상기 바이오매스를 연소하여 열을 발생시키는 연소실;
    상기 연소실과 연결되고, 상기 바이오매스를 연소하기 위한 공기를 상기 연소실 내로 공급하는 공기공급부;
    상기 공기공급부와 상기 하우징 사이에 배치되고, 상기 바이오매스의 가스화 과정에서 발생된 이물질을 여과하고, 교체 가능하게 배치되는 다공성의 여과용 매질을 구비한 필터부;
    상기 연소실 내로 공급되는 공기량을 측정하는 센서;
    상기 연소실 하측에 배치되어 상기 연소실에서 연소된 상기 바이오매스를 전달받고, 상기 연소실의 연소 공정으로부터 발생된 CO2와 H2O를 포함하는 연소가스를 환원시켜, CO와 H2를 포함하는 합성가스로 전환하는 환원실;
    상기 환원실 하측에 연결되고, 상기 환원실을 통과하는 상기 바이오매스의 숯을 연소시키는 추가 연소실; 및
    상기 센서의 측정 결과에 기초하여, 상기 공기공급부로부터 상기 연소실로 공급되는 공기량을 제어하는 제어부;를 포함하는, 가스화 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 연소실 내로 유입되는 바이오매스 양에 기초하여 공기비 기준값을 설정하고,
    상기 연소실 내로 공급되는 공기량에 기초하여 공기비를 산출하여 산출된 상기 공기비와 설정된 상기 공기비 기준값을 비교하는, 가스화 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    산출된 상기 공기비가 상기 공기비 기준값보다 작으면, 상기 연소실로 공급되는 공기량이 증가하도록 상기 공기공급부를 제어하는, 가스화 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    산출된 상기 공기비가 상기 공기비 기준값보다 크면, 상기 연소실로 공급되는 공기량이 감소하도록 상기 공기공급부를 제어하는, 가스화 장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    산출된 상기 공기비가 상기 공기비 기준값과 동일하면, 상기 연소실로 공급되는 공기량이 유지되도록 상기 공기공급부를 제어하는, 가스화 장치.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 필터부를 통과하는 기체의 유량에 기초하여, 상기 필터부의 정상 상태 여부를 판단하는, 가스화 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 필터부를 통과하는 상기 기체의 유량 기준값을 설정하고,
    상기 필터를 통과하는 상기 기체의 유량이 상기 유량 기준값 미만인 경우, 상기 필터가 비정상 상태라고 판단하는, 가스화 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 PID 제어기인, 가스화 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 HMI(Human Machine Interface) 방식을 통해 제어되는, 가스화 장치.
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