KR102561052B1 - Hydrothermal Gasify Fluidized Bed Reactor for Hydrogen and Methane Gas Generation - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소와 메탄 생산을 위한 수열가스화 유동층 반응기에 관한 것으로, 특히 유기성 폐기물이나 목질계 바이오매스를 원료로 이용하고, 내부에 수열가스화 영역을 구비하는 유동층 반응기로서, 반응영역과 가스화영역을 구비하며, 상기 반응영역과 가스화영역이 중간 분리판으로 분리된 본체부; 유동화영역으로 외부 공기와 프리히터(Pre-heater)로 가열한 고온의 공기와 질소를 공급하여 유동층의 온도를 상승시켜 수열가스화 분위기를 형성하는 공기공급부; 상기 수열액화와 가스화를 하는 반응영역으로 목질계 바이오매스나 유기성 폐기물을 공급하는 원료공급부; 상기 본체부 내측에 설치된 회전형 분사노즐을 통해 산화제를 공급하는 산화제 공급부; 및 상기 유동층반응기의 내부 반응 온도를 제어하기 위하여 반응기 외부에 구비되는 히터를 포함하는 유동층 반응기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 수열가스화 공정의 효율을 높이고, 산화제의 응축을 방지하고, 산화반응의 크기를 조절하고, 수열가스화 및 촉매화학반응영역의 확대를 이루어내어 수소(H2)와 메탄(CH4) 가스를 생산할 수 있는 유동층 반응기를 제공할 수 있다.
The present invention relates to a hydrothermal gasification fluidized bed reactor for producing hydrogen and methane, in particular, a fluidized bed reactor using organic waste or woody biomass as a raw material and having a hydrothermal gasification zone therein, comprising a reaction zone and a gasification zone. And, the reaction region and the gasification region are separated by an intermediate separator body portion; An air supply unit supplying external air, high-temperature air and nitrogen heated by a pre-heater to the fluidization zone to raise the temperature of the fluidized bed to form a hydrothermal gasification atmosphere; a raw material supply unit supplying wood-based biomass or organic waste to the reaction zone for hydrothermal liquefaction and gasification; An oxidizing agent supply unit for supplying an oxidizing agent through a rotary injection nozzle installed inside the body unit; and a heater provided outside the reactor to control an internal reaction temperature of the fluidized bed reactor.
According to the present invention, the efficiency of the hydrothermal gasification process is increased, the condensation of the oxidizing agent is prevented, the size of the oxidation reaction is controlled, and the hydrothermal gasification and catalytic chemical reaction area is expanded to obtain hydrogen (H 2 ) and methane (CH 4 ) . ) can provide a fluidized bed reactor capable of producing gas.

Description

수소와 메탄 가스 생산을 위한 수열가스화 유동층 반응기 {Hydrothermal Gasify Fluidized Bed Reactor for Hydrogen and Methane Gas Generation}Hydrothermal Gasify Fluidized Bed Reactor for Hydrogen and Methane Gas Generation}

본 발명은 아임계 조건에서 수열가스화 반응이 가능하게 함으로써 유기성 폐기물로부터 수소와 메탄을 생성할 수 있는 촉매를 사용하는 유동층 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a fluidized bed reactor using a catalyst capable of generating hydrogen and methane from organic waste by enabling a hydrothermal gasification reaction under subcritical conditions.

이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명과 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.The information described below merely provides background information related to the present invention and does not constitute prior art.

일상생활에서 발생하는 다양한 종류의 바이오매스나 유기성 폐기물에 대한 친환경적인 처리 및 에너지화에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.Many studies are being conducted on environmentally friendly treatment and energy conversion of various types of biomass or organic wastes generated in daily life.

바이오매스라 함은 목질계의 각종 목재 및 부산물 그리고 폐목재 등을 의미하며 유기성폐기물이라 함은 술찌꺼기, 커피찌꺼기, 비지, 콩, 팥, 고구마, 감자 등 각종 식품가공 폐기물; 버섯배지, 채소, 과일 등 농업 폐기물; 우분, 돈분, 계분, 동물사체 등 축산 폐기물; 어류, 굴, 해초, 미역 등 수산 폐기물; 하폐수슬러지, 음식물쓰레기, 커피찌꺼기, 정원 폐기물 등 생활 폐기물 등 생활 및 농, 수산, 산업에서 매일 발생하는 폐기물을 말한다.Biomass refers to various types of wood, by-products, and waste wood, and organic waste refers to various food processing wastes such as alcohol residue, coffee grounds, bean curd, beans, red beans, sweet potatoes, and potatoes; Agricultural waste such as mushroom broth, vegetables and fruits; Livestock waste such as cow manure, pig manure, chicken manure, and animal carcasses; aquatic wastes such as fish, oysters, seaweed, and seaweed; Wastewater sludge, food waste, coffee grounds, and household waste such as garden waste, etc. It refers to waste generated daily in life, agriculture, fisheries, and industry.

유기성 폐기물을 활용하기 위한 다양한 방법들이 시도되고 있는데 가장 대표적인 것은 에너지화 혹은 연료화를 하는 기술이다. 소각을 통한 에너지 회수, 건조 혹은 습식 수열탄화를 통한 연료화, 저온/고온 열분해, 혐기성 소화조, 그리고 수열가스화 반응을 통한 가스 연료 생산 등이 있다. 열분해는 생성된 가스를 직접 연소하는 방법으로 많이 활용하고 있으며 단점은 여전히 챠콜 같은 잔재물이 남고 수분이 많은 유기성 폐기물은 우선 건조를 해야 기술 적용이 가능하다는 점이다. 혐기성 소화조는 메탄을 생산해서 가스 엔진의 연료로 활용, 전기 생산 등에 활용할 수 있으나 가스 생산 기간이 짧게는 몇 주에서 길게는 한 달 이상 걸리는 문제가 있다. 수열 가스화 반응은 임계 이상의 조건 (374℃ 이상), 즉 초임계수 상태에서 수소를 생산할 수 있는 기술로 향후 상용화를 위해 많은 연구가 필요한 기초 연구 단계이다. 그동안 수열탄화 기술을 이용한 고형 연료화 연구는 많이 진행되고 상용화 단계까지 이르렀으나 수열 액화 혹은 가스화 기술은 지극히 기초적인 실험실 수준이라 하겠다.Various methods for utilizing organic waste have been attempted, and the most representative is a technology for energy conversion or fuel conversion. Energy recovery through incineration, fuel conversion through dry or wet hydrothermal carbonization, low-temperature/high-temperature pyrolysis, anaerobic digestion, and gaseous fuel production through hydrothermal gasification. Pyrolysis is widely used as a method of direct combustion of the generated gas, and the disadvantage is that residues such as charcoal still remain and organic waste with a lot of moisture must first be dried before application of the technology is possible. Anaerobic digesters can produce methane and use it as a fuel for gas engines and for electricity production, but there is a problem in that the gas production period takes from a few weeks to a month or more. Hydrothermal gasification is a technology that can produce hydrogen under supercritical conditions (above 374°C), that is, supercritical water, and is a basic research step that requires a lot of research for commercialization in the future. In the meantime, many studies on solid fuel conversion using hydrothermal carbonization technology have been conducted and have reached the commercialization stage, but hydrothermal liquefaction or gasification technology is at an extremely basic laboratory level.

수소는 생산하는 방식에 따라 천연가스를 개질하는 개질 수소와 정유공장의 부산물로 생성되는 부생수소로 대변되는 그레이 수소, 그레이 수소 생산 중에 나오는 이산화탄소를 포집 및 저장해서 온실 가스를 줄여주는 블루 수소, 재생에너지 전력으로 수전해를 통해 생산하는 그린 수소로 나누어진다. 이중 그린 수소가 가장 친환경적이지만 수전해 기술 자체가 높은 비용을 요구하고 있다. 그레이 수소 중 부생수소 생산 방법은 수소 1톤 생산에 10톤의 이산화탄소를 배출하는 대단히 반환경적인 기술이지만 당장 공급 가능한 수소 생산 방법이다. 현재 수소 생산 방법 중 가장 보편적으로 사용하는 방법은 개질 수소 방식이다. 개질 수소는 대부분 메탄(CH4)의 C1-chemistry부터 개질(리포밍)을 통한 수소생산을 하는데 수증기 촉매 개질, 촉매 및 무촉매 부분산화, 이산화탄소 개질, 열분해 등의 기술이 있으며 이중에 생산량이나 경제성면에서 수증기 촉매 개질이 가장 일반적으로 사용되고 있다.Depending on the production method, gray hydrogen represented by reformed hydrogen that reforms natural gas and by-product hydrogen generated as a by-product of oil refineries, blue hydrogen that reduces greenhouse gases by capturing and storing carbon dioxide generated during gray hydrogen production, and renewable It is divided into green hydrogen produced through water electrolysis as energy power. Of these, green hydrogen is the most environmentally friendly, but water electrolysis technology itself requires high costs. The by-product hydrogen production method among gray hydrogen is a very anti-environmental technology that emits 10 tons of carbon dioxide per ton of hydrogen produced, but it is a hydrogen production method that can be supplied immediately. Among the current hydrogen production methods, the most commonly used method is the reformed hydrogen method. Most reformed hydrogen produces hydrogen through reforming (reforming) from C1-chemistry of methane (CH4). There are technologies such as steam catalytic reforming, catalytic and non-catalytic partial oxidation, carbon dioxide reforming, and pyrolysis. Steam catalytic reforming is the most commonly used.

특허출원 제10-2011-0050251호/ 10-1251025-0000 폐감귤을 이용하여 건조 유동층 방식으로 열분해 가스화한 합성가스 생산장치 및 생성방법Patent Application No. 10-2011-0050251/ 10-1251025-0000 Syngas production device and method for pyrolysis and gasification using dry fluidized bed method using waste tangerines 특허출원 제10-2011-0053056호/ 10-1285879-0000 유동층 급속열분해를 통해 바이오원유를 얻는 장치Patent Application No. 10-2011-0053056/ 10-1285879-0000 Apparatus for obtaining bio-crude oil through fluidized bed rapid pyrolysis 특허출원 제10-2014-7031052호 바이오매스의 가스화 장치Patent application No. 10-2014-7031052 biomass gasification device 특허출원 제10-2013-0066396호 바이오매스 폐기물 개질기용 타르 제거장치 및 제거방법Patent application No. 10-2013-0066396 Tar removal device and method for biomass waste reformer

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 바이오매스와 유기성폐기물에서 가스화를 위해 기존의 열분해 기술이 할 수 없었던 습식 공정으로, 그리고 혐기성 소화조 보다 훨씬 짧은 시간에 그러나 수열가스화처럼 높은 초임계 상태로 올리지 않더라고 1-2시간 안에 메탄과 수소를 생산할 수 있도록 300℃ - 400℃의 아임계 액화 상태에서 고체 촉매를 사용하여 초임계 조건에서만 가능했던 가스화를 달성하고자 한다. The problem to be solved by the present invention is a wet process that conventional pyrolysis technology could not do for gasification of biomass and organic waste, and in a much shorter time than an anaerobic digester, but not raised to a high supercritical state like hydrothermal gasification To produce methane and hydrogen within 1-2 hours, we want to achieve gasification that was only possible under supercritical conditions by using a solid catalyst in a subcritical liquefaction state of 300 ° C - 400 ° C.

기존의 수열탄화에서 사용하던 반응로는 배치 방식으로 반응 온도와 압력을 최대 250℃, 40bar 정도까지 올리고 폐쇄 상태에서 1-4시간 경과 후 반응물을 꺼내서 고형물과 폐수를 분리하는 형태였으나 수소/메탄 가스화 반응로는 최대 400℃, 215bar까지 올릴 수 있어야하며 사용하려는 고체 촉매와 반응물이 충분히 반응할 수 있도록 혼합이 필요하고 생산되는 수소와 메탄은 반응이 종료되기 전이라도 지속적으로 회수가 가능한 연속식의 수열가스화 반응로이어야 한다.The reactor used in conventional hydrothermal carbonization was a batch method in which the reaction temperature and pressure were raised to a maximum of 250℃ and 40 bar, and the reactants were taken out after 1-4 hours in a closed state to separate solids and wastewater, but hydrogen/methane gasification The reactor must be able to raise the temperature up to 400℃ and 215 bar, and mixing is required so that the solid catalyst and reactants to be used can sufficiently react, and the hydrogen and methane produced can be continuously recovered even before the reaction is completed. Continuous hydrothermal It must be a gasification reactor.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명을 통해 달성한 유동층 반응기는,The fluidized bed reactor achieved through the present invention in order to achieve the above object,

목재 등 바이오매스나 유기성 폐기물을 원료로 이용하고, 내부에 수열가스화 영역을 구비하는 유동층 반응기로서,A fluidized bed reactor using biomass or organic waste such as wood as a raw material and having a hydrothermal gasification region therein,

반응영역과 가스화영역을 구비하며, 상기 반응영역과 가스화영역이 중간 분리판으로 분리된 본체부; A main body having a reaction region and a gasification region, the reaction region and the gasification region being separated by an intermediate separator;

유동화영역으로 외부 공기와 프리히터(Pre-heater)로 가열한 고온의 공기와 질소를 공급하여 유동층의 온도를 상승시켜 수열가스화 분위기를 형성하는 공기공급부;An air supply unit supplying external air, high-temperature air and nitrogen heated by a pre-heater to the fluidization zone to raise the temperature of the fluidized bed to form a hydrothermal gasification atmosphere;

상기 열분해를 하는 반응영역으로 바이오매스나 유기성 폐기물을 공급하는 원료 공급부;a raw material supply unit supplying biomass or organic waste to the reaction zone for thermal decomposition;

상기 본체부 내측에 설치된 회전형 분사노즐을 통해 산화제를 공급하는 산화제 공급부; 및An oxidizing agent supply unit for supplying an oxidizing agent through a rotary injection nozzle installed inside the body unit; and

상기 유동층반응기의 내부 반응 온도를 제어하기 위하여 반응기 외부에 구비되는 히터를 포함한다. and a heater provided outside the reactor to control the internal reaction temperature of the fluidized bed reactor.

상기 본체부의 반응영역으로 공급되는 유동화제(질소), 공기 및 산화제(수증기)의 압력 및 유속을 조절하기 위하여 벤트 라인(Vent line)에 조절밸브를 설치한 것을 특징으로 한다.It is characterized in that a control valve is installed in the vent line to control the pressure and flow rate of the fluidizing agent (nitrogen), air, and oxidizing agent (steam) supplied to the reaction area of the main body.

필요에 따라 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 조절 밸브 및 상기 히터의 구동을 제어한다.A control unit is further included as needed, and the control unit controls driving of the control valve and the heater.

상기 반응영역으로 공급되는 고형 원료와 수열액화 과정에서 액화 및 가스화의 성능 향상을 위해 일반적인 층 물질을 대체하여 발열반응을 유도하는 촉매를 층 물질로 이용하여 프리베드에 채우고 운영하는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that the prebed is filled and operated by using a solid raw material supplied to the reaction zone and a catalyst that induces an exothermic reaction by replacing a general layer material to improve the performance of liquefaction and gasification in the hydrothermal liquefaction process.

상기 산화제 공급부의 상기 분사노즐은 연장되어 반응영역의 내측 하부에 회전형 분사방식으로 형성되고 산화제의 응축을 방지하기 위하여 상기 히터가 본체부 외측에 장착되어 있다.The injection nozzle of the oxidizing agent supply unit extends and is formed in a rotary spraying method at the inner lower part of the reaction region, and the heater is mounted outside the main body to prevent condensation of the oxidizing agent.

상기 원료공급부에서 공급되는 원료는, 목질계의 각종 목재 및 부산물 그리고 폐목재 등 바이오매스, 술찌꺼기, 커피찌꺼기, 비지, 콩, 팥, 고구마, 감자 등 각종 식품가공 폐기물; 버섯배지, 채소, 과일 등 농업 폐기물; 우분, 돈분, 계분, 동물사체 등 축산 폐기물; 어류, 굴, 해초, 미역 등 수산 폐기물; 하폐수슬러지, 음식물쓰레기, 정원 폐기물 등 생활 폐기물 중 적어도 하나 이상을 포함한다.The raw materials supplied from the raw material supply unit include various types of wood-based wood and by-products, biomass such as waste wood, alcohol residue, coffee grounds, bean curd, beans, red beans, sweet potatoes, potatoes, and various food processing wastes; Agricultural waste such as mushroom broth, vegetables and fruits; Livestock waste, such as cow manure, pig manure, chicken manure, and animal carcasses; aquatic wastes such as fish, oysters, seaweed, and seaweed; It includes at least one of domestic wastes such as sewage sludge, food waste, and garden waste.

상기 반응영역은 열역학 상평형에서 아임계수(300℃~400℃)를 활용하는 것을 특징으로 한다. 니켈(Ni) 촉매 등을 활용한 가스화 공정은 아래와 같다.The reaction zone is characterized by utilizing subcritical water (300 ° C to 400 ° C) in thermodynamic phase equilibrium. The gasification process using a nickel (Ni) catalyst is as follows.

셀룰로즈 ---(분해)--> 수용성액화물 --(가스화/Ni)--> 가스(H2 + CO2) Cellulose --- (decomposition) --> water soluble liquefied -- (gasification/Ni) --> gas (H 2 + CO 2 )

--(메탄화/Ni)--> 가스(CH4 + CO2)--(methanation/Ni)--> gas (CH 4 + CO 2 )

본 발명의 실시 예에서, 시료공급 장치를 수평으로 유동층 반응기의 하단에 구성하여 수열가스화 공정의 효율을 높이고, 유동화제(질소)와 가스화제(공기)를 가스예열기에서 예열하여 반응기 하부에서 투입하고, 산화제(스팀)의 공급부를 그 사이(프리베드와의 사이)에 위치하게 하여 이를 세라믹보드 Heater로 감싸 산화제(스팀)의 응축을 방지하고, 산화제의 공급방식을 회전형 분사방식으로 변경하여, 공급되는 가스와 혼합이 용이하도록 함으로써 산화반응의 크기를 조절하고, 수열가스화 및 촉매화학반응영역의 확대를 이루어내어 수소(H2)와 메탄(CH4)를 생산할 수 있는, 기존의 반응층 물질(모래, 알루미나)을 고체 촉매로 대체한 유동층 반응기를 제공할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the sample supply device is configured horizontally at the bottom of the fluidized bed reactor to increase the efficiency of the hydrothermal gasification process, and the fluidizing agent (nitrogen) and gasifying agent (air) are preheated in a gas preheater and introduced from the bottom of the reactor , The supplying part of the oxidizing agent (steam) is placed between them (between the pre-beds) and wrapped with a ceramic board heater to prevent condensation of the oxidizing agent (steam), and the supply method of the oxidizing agent is changed to a rotary injection method, Existing reaction layer material capable of producing hydrogen (H 2 ) and methane (CH 4 ) by controlling the size of the oxidation reaction by making it easy to mix with the supplied gas and expanding the area of hydrothermal gasification and catalytic chemical reaction It is possible to provide a fluidized bed reactor in which (sand, alumina) is replaced with a solid catalyst.

또한, 본 발명을 통해 단 몇 시간이면 생산되는 메탄 생산 수열가스화 유동층 반응로는 현재 음식폐기물, 하수슬러지, 축산폐수처리 등을 위해 수주일씩 처리 시간이 필요한 혐기성 소화조를 대체할 수 있다. 또한 메탄과 함께 생산되는 이산화탄소(CO2)를 함께 반응시켜 합성가스화 할 경우 메탄과 일산화탄소를 이용한 Water-Gas Shift 방식의 추가 수소 생산이 가능하게 된다. 이렇게 생산된 수소는 순도가 낮은 상태에서 산업용으로 사용이 가능하며 PSA(Pressure Swing Adsorption) 장치 등을 통해 고순도 수소 생산으로 이어질 수 있다.In addition, the hydrothermal gasification fluidized bed reactor for methane production, which is produced in just a few hours through the present invention, can replace anaerobic digesters that require several weeks of treatment time for current food waste, sewage sludge, and livestock wastewater treatment. In addition, when carbon dioxide (CO 2 ) produced together with methane is reacted to syngas, additional hydrogen production using the Water-Gas Shift method using methane and carbon monoxide is possible. The hydrogen produced in this way can be used for industrial purposes in a low purity state, and can lead to high purity hydrogen production through a PSA (Pressure Swing Adsorption) device.

또한 본 발명을 통해 생산되는 수소는 원료가 되는 바이오매스나 각종 유기성폐기물은 원가가 없거나 처리비용을 오히려 받을 수 있어서 수소 생산비용을 크게 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 현재 1000원/kg 이상하는 천연가스를 개질해서 사용하는 스팀 개질방식은 총 수소 생산비 2000원/kg 이하로 낮추기 어렵지만 본 발명에서 제안하는 유동상반응기를 이용한 유기성폐기물로 부터의 수소생산은 생산 단가를 1000원/kg 이하로 낮출 수 있는 결정적인 계기를 제공할 수 있으리라 기대된다.In addition, the hydrogen produced through the present invention is expected to greatly reduce the cost of hydrogen production because biomass or various organic wastes as raw materials have no cost or can receive treatment costs. Currently, it is difficult to reduce the total hydrogen production cost to less than 2,000 won/kg in the steam reforming method that reforms and uses natural gas of 1,000 won/kg or more. It is expected to provide a decisive opportunity to lower the price to less than 1,000 won/kg.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기의 본체부의 측단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기의 본체부의 평면을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기의 분리판의 단면을 나타낸 도면이다.
1 is a block diagram of a fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention.
2 is a side cross-sectional view of a main body of a fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention.
3 is a plan view of a main body of a fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of a separator of a fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기는,1 to 4, the fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention,

목질계 바이오매스나 유기성 폐기물을 원료로 이용하고 내부에 수열가스화를 하는 반응영역(101)을 구비하는 유동층 반응기로서,A fluidized bed reactor using woody biomass or organic waste as a raw material and having a reaction zone 101 for hydrothermal gasification therein,

반응영역(101)과 가스화영역(102)을 구비하며, 상기 반응영역(101)과 가스화영역(102)이 중간 분리판(103)으로 분리된 본체부(100); a body portion 100 having a reaction region 101 and a gasification region 102, the reaction region 101 and the gasification region 102 separated by an intermediate separator 103;

유동화영역으로서 외부 공기와 프리히터(Pre-heater)로 가열한 고온의 공기와 질소를 공급하여 유동층의 온도를 상승시켜 수열가스화 분위기를 형성하기 위한 공기공급부(130);An air supply unit 130 for forming a hydrothermal gasification atmosphere by supplying external air, high-temperature air and nitrogen heated by a pre-heater as a fluidization region to increase the temperature of the fluidized bed;

상기 수열가스화를 하는 반응영역(101)으로 바이오매스(목질계, 톱밥, 폐목재) 나 각종 유기성폐기물(농축산업 폐기물, 하폐수슬러지, 음식물쓰레기)을 정량 공급하여 수열액화 반응 및 가스화 반응을 수행하기 위한 원료공급부(110);Quantitatively supplying biomass (wood, sawdust, waste wood) or various organic wastes (agricultural and livestock industrial waste, sewage sludge, food waste) to the hydrothermal gasification reaction region 101 to perform hydrothermal liquefaction and gasification reactions A raw material supply unit 110 for;

상기 본체부(100) 내측에 설치된 회전형 분사노즐을 통해 산화제(스팀)를 공급하여 수열액화된 바이오매스/유기성폐기물 가스의 활성반응을 유도하기 위한 산화제 공급부(120);An oxidizing agent supply unit 120 for inducing an activation reaction of hydrothermal liquefied biomass/organic waste gas by supplying an oxidizing agent (steam) through a rotary injection nozzle installed inside the main body unit 100;

상기 본체부(100)의 내부 반응 온도를 제어하기 위하여 반응기 외부에 구비되는 히터(150)를 포함한다.In order to control the internal reaction temperature of the body part 100, a heater 150 provided outside the reactor is included.

상기 본체부(100)의 반응영역(101)으로 공급되는 유동화제(질소), 공기 및 산화제(수증기)의 압력 및 유속을 조절하기 위하여 벤트 라인(Vent line)에 조절밸브를 설치한 것을 특징으로 한다.Characterized in that a control valve is installed in the vent line to control the pressure and flow rate of the fluidizing agent (nitrogen), air and oxidizing agent (steam) supplied to the reaction area 101 of the main body part 100 do.

필요에 따라 제어부(140)를 더 포함하고, 상기 제어부(140)는 상기 조절 밸브(160) 및 상기 히터(150)의 구동을 제어한다.A controller 140 is further included as needed, and the controller 140 controls driving of the control valve 160 and the heater 150 .

상기 반응영역(101)으로 공급되는 고형원료와 수열가스화 과정에서 수열액화 및 가스화의 성능향상을 위해 일반적인 층 물질을 대체하여 발열반응을 유도하는 촉매를 층 물질로 이용하여 프리베드에 채우고 운영하는 것을 특징으로 한다.In order to improve the performance of hydrothermal liquefaction and gasification in the process of hydrothermal liquefaction and gasification in the solid raw material supplied to the reaction zone 101 and hydrothermal gasification, a catalyst inducing an exothermic reaction is used as a layer material to fill the prebed and operate it. to be characterized

상기 산화제 공급부(120)의 상기 분사노즐은 연장되어 반응영역(101)의 내측 하부에 회전형 분사방식으로 형성되고, 산화제의 응축을 방지하기 위하여 상기 히터(150)가 본체부(100) 외측에 장착된다.The injection nozzle of the oxidizing agent supply unit 120 is extended and formed in a rotary injection method at the inner lower part of the reaction region 101, and the heater 150 is installed outside the body part 100 to prevent condensation of the oxidizing agent. is fitted

원료공급부는 스크류 및 피더에 의해 원료를 공급하고, 가연물은 공기공급부(130)에서 투입된 고온의 공기와 만나고, 본체부(100)의 반응영역(101)에서 분사노즐을 통해 투입된 산화제와 화학반응하여 유기성폐기물들이 탄소화합물들과 크래킹 되어 탄화수소로 생성된다.The raw material supply unit supplies raw materials by means of a screw and a feeder, and the combustibles meet the high-temperature air introduced from the air supply unit 130 and chemically react with the oxidizing agent introduced through the injection nozzle in the reaction area 101 of the main body unit 100. Organic waste is cracked with carbon compounds to form hydrocarbons.

여기서, 반응기 본체부(100)의 반응영역(101)에서는 유기성 폐기물이나 목질계 바이오매스 등을 내부의 고온의 스팀으로 수열액화 및 가스화 시키고, 수열가스화 중에 생성된 가스가 반응영역(101)에서 중간 분리판(103)을 통해 가스화영역(102)에서 가스로를 통해 빠져나간다.Here, in the reaction zone 101 of the reactor main body 100, organic waste or wood-based biomass is hydrothermally liquefied and gasified with high-temperature steam inside, and the gas generated during hydrothermal gasification is in the middle of the reaction zone 101. From the gasification zone 102 through the separation plate 103, it exits through a gas passage.

상기 반응영역(101)에서 생성된 가스는 가스화영역(102)으로 이동한 후 가스로를 통해 재순환되서 공기공급부(130)를 통해 다시 반응영역(101)으로 인입되어 효율과 수율을 올릴 수 있다.The gas generated in the reaction region 101 moves to the gasification region 102, is recycled through the gas furnace, and is introduced into the reaction region 101 again through the air supply unit 130 to increase efficiency and yield.

본 발명의 실시 예에서는 본체부(100)의 반응영역(101)에서 수열액화 및 가스화 되어 생성된 수열가스와 짧은 시간에 촉매 화학 반응이 일어날 수 있는데, 온도 및 압력이 하강되지 않는 조건에서 가스화영역(102)과 수열가스화 반응영역(101)을 본체부(100) 내부에 일체로 형성하고, 생성된 수소와 메탄 그리고 이산화탄소 가스의 산화반응의 크기를 조절할 수 있도록 하였다. In the embodiment of the present invention, a catalytic chemical reaction can occur in a short time with the hydrothermal gas generated by hydrothermal liquefaction and gasification in the reaction zone 101 of the main body 100, and the gasification zone under conditions where the temperature and pressure do not drop. 102 and the hydrothermal gasification reaction region 101 are integrally formed inside the main body 100, so that the size of the oxidation reaction of hydrogen, methane and carbon dioxide gas can be controlled.

이를 위해, 반응영역(101) 하단에 열매체인 기존의 층 물질(모래)을 수열가스화 고체촉매로 대체하여 층 물질로 프리베드에 채워 사용함으로써, 수열가스화 반응의 효율을 높일 수 있다. 유동상반응기와 촉매 접촉분해에 유용한 촉매는 (i) 지지체 및 또는 첨가제 및 조촉매를 포함, 및 (ii) 조촉매(첨가제) 상의 적어도 하나의 전이금속 촉매를 포함하고, 전이금속 촉매는 텅스텐, 코발트, 몰리브덴, 니켈, 및 이들의 조합물로 부터 선택된 전이금속 촉매을 포함한다. 상응하는 유동층반응 공정 및 촉매적 반응로 장치가 기술되며, 여기서 촉매는 정제되어 수소와 메탄가스 제조 및 생성을 가능하게 한다. 여기서, 상기 유동층반응기 촉매는 Na,1.35~3.45중량%의 Ni, 1.24~2.73중량%을 포함하는 것을 특징으로 한다.To this end, it is possible to increase the efficiency of the hydrothermal gasification reaction by replacing the conventional layer material (sand), which is a heating medium, with a hydrothermal gasification solid catalyst at the bottom of the reaction region 101 and filling the prebed with the layer material. Catalysts useful in catalytic cracking with a fluidized bed reactor include (i) a support and/or an additive and a cocatalyst, and (ii) at least one transition metal catalyst on the cocatalyst (additive), wherein the transition metal catalyst is tungsten, and a transition metal catalyst selected from cobalt, molybdenum, nickel, and combinations thereof. A corresponding fluidized bed reaction process and catalytic reactor apparatus are described, wherein the catalyst is purified to enable the production and production of hydrogen and methane gas. Here, the fluidized bed reactor catalyst is characterized in that it contains Na, 1.35 to 3.45% by weight of Ni, 1.24 to 2.73% by weight.

또한, 유동화제(질소)와 가스화제(공기)를 가스예열기에서 예열하여 반응영역(101) 하부에서 투입하고, 산화제(스팀)의 공급부를 프리베드와의 사이에 위치하게 하여 이를 세라믹보드 히터(150)로 감싸 산화제(스팀)의 응축을 방지하고, 산화제의 공급방식을 회전형 분사방식으로 변경하여, 가스를 재순환하여 인입하여 혼합이 용이하도록 한다. 이로써 산화반응의 크기를 조절하고, 수열가스화 및 촉매화학 반응영역(101)의 확대를 이루어내어 수소(H2)와 메탄(CH4)을 생산할 수 있다.In addition, the fluidizing agent (nitrogen) and the gasifying agent (air) are preheated in a gas preheater and introduced from the lower part of the reaction region 101, and the supply part of the oxidizing agent (steam) is positioned between the pre-bed and the ceramic board heater ( 150) to prevent condensation of the oxidizing agent (steam), and change the supply method of the oxidizing agent to a rotary injection method so that the gas is recirculated and introduced to facilitate mixing. In this way, the size of the oxidation reaction can be adjusted, and the hydrothermal gasification and catalytic chemical reaction zone 101 can be enlarged to produce hydrogen (H 2 ) and methane (CH 4 ).

도 4를 참조하면, 분리판(103)의 두께는 2 내지 4mm가 좋으며, 구체적으로는 2.5mm 정도이고, 분리판 상부에 형성된 구멍(104)의 직경은 0.5 내지 1mm가 좋으며, 구체적으로는 0.8mm이다. 그리고 구멍(104)은 필요에 따라 입구가 출구보다 크게 하여 가스의 이동이 편리하게 할 수 있다. Referring to FIG. 4, the thickness of the separator 103 is preferably 2 to 4 mm, specifically about 2.5 mm, and the diameter of the hole 104 formed on the upper part of the separator is preferably 0.5 to 1 mm, specifically 0.8 mm. mm. In addition, the inlet of the hole 104 may be larger than the outlet if necessary, so that the gas can be moved conveniently.

분리판(103)의 재질은 스틸일 수 있다. The material of the separator 103 may be steel.

이러한 구성을 가진 본 발명의 실시 예에 따른 유동층 반응기의 동작을 설명하면 다음과 같다.The operation of the fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention having such a configuration will be described as follows.

먼저 본체부(100)의 프리베드에 촉매로 층 물질을 채운 상태에서, 공기공급부(130)가 유동화제(질소/공기)를 예열기를 통해 투입한 후, 원료공급부가 반응영역(101)으로 원료를 공급한다. First, in a state in which the layer material is filled with the catalyst in the pre-bed of the main body 100, the air supply unit 130 injects the fluidizing agent (nitrogen/air) through the preheater, and then the raw material supply unit transfers the raw material to the reaction zone 101. supply

이후, 원료가 가스, 유동화제(질소 및 공기)에서 공급되는 열원, 그리고 프리베드에 채워져 있는 열매체인 층 물질과 유동화 되면서 수열액화 과정을 거친다.Thereafter, the raw material undergoes a hydrothermal liquefaction process while being fluidized with gas, a heat source supplied from a fluidizing agent (nitrogen and air), and a layer material, which is a heat source filled in the prebed.

반응영역(101)에서 수열액화 과정이 순조롭게 진행되면, 가스화제(공기)를 유동화제(질소)와 혼합하여 공급하고 유동화 영역에서 공기는 부분 산화시킴으로써 흡열반응인 가스화반응에 필요한 열을 공급하게 되며, 스팀과 흡열반응을 일으켜 수소와 메탄가스를 생성하게 된다. When the hydrothermal liquefaction process proceeds smoothly in the reaction zone 101, the gasification agent (air) is mixed with the fluidization agent (nitrogen) and supplied, and the air is partially oxidized in the fluidization zone to supply heat necessary for the gasification reaction, which is an endothermic reaction. , it causes an endothermic reaction with steam to produce hydrogen and methane gas.

여기서, 합성 가스는 상부에서 분리판(103)의 미세구멍을 통하여 가스 영역(102)으로 이동하게 되고, 다시 피드백 되어 반응영역(101)의 하부로 공급될 수 있다. Here, the synthesis gas may move from the upper portion to the gas region 102 through the micropores of the separator 103 and be fed back to the lower portion of the reaction region 101 .

또한, 프리베드에 채우는 층 물질의 종류와 양의 결정, 층 물질의 유동화를 위한 유동화제의 공급 속도는 제어부(140)을 통해 조절할 수 있다.In addition, the supply rate of the fluidizing agent for determining the type and amount of the layer material filled in the prebed and fluidizing the layer material can be controlled through the control unit 140.

상기 유동화 속도의 결정은 본체부(100) 반응영역(101)의 층 물질의 최소 유동 및 압력 변동분을 측정하고 실험에서 얻어진 최소 유동화 속도를 이용할 수 있다.The fluidization rate may be determined by measuring the minimum flow and pressure fluctuations of the layer material in the reaction region 101 of the main body 100 and using the minimum fluidization rate obtained in the experiment.

가스화 반응은 바이오 반응물에서 생성되는 가스가 재순환화여 반응영역으로 인입하여 반응하지 못한 미 반응 가스를 재활용하고 수율과 효율 및 열량을 올릴 수 있다.In the gasification reaction, the gas generated from the bioreactant is recycled and introduced into the reaction area to recycle the unreacted gas and increase the yield, efficiency and heat.

향후에 미 반응 가스를 활용하여 합성가스인 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 생산하여 제2의 수소가스를 생산 및 제조할 수 있다. In the future, it is possible to produce and manufacture a second hydrogen gas by producing hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), which are syngas, using unreacted gas.

반응을 유지하기 위하여 외부에서 열원을 공급해 주어야하며 본 발명에서는 자켓 타입 전기열원을 설치하여 필요한 열원을 공급하여 준다.In order to maintain the reaction, a heat source must be supplied from the outside, and in the present invention, a jacket-type electric heat source is installed to supply the required heat source.

제어부(140)는 반응영역(101)내의 압력 및 유동화 속도, 그리고 온도를 확인하면서 바이오매스를 공급한다. The controller 140 supplies biomass while checking the pressure, fluidization speed, and temperature in the reaction zone 101 .

따라서 상기 유동층반응기의 예열은 가스예열기 및 반응영역(101)의 온도를 190~240℃로 올린 목질계 바이오매스나 유기성 폐기물을 공급하고 공기를 공급하여 가스화영역(102)에서 반응영역(101)을 거쳐 수열가스화를 생성하게 된다. Therefore, in the preheating of the fluidized bed reactor, the gas preheater and the reaction zone 101 are heated in the gasification zone 102 by supplying woody biomass or organic waste and supplying air to raise the temperature of the reaction zone 101 to 190-240 ° C. to produce hydrothermal gasification.

본 발명에서는 유기성폐기물과 목질계 바이오매스의 종류에 관계없이 사용이 가능하며 더불어 유기성폐기물에서 고부가 가치의 가스 생산이 가능하다. 별도의 처리장치 없이 유동상 반응기를 통해 생산되는 수소(H2)는 30-39% 메탄(CH4)은 10~17%, 이산화탄소(CO2)는 40~49%이다.In the present invention, it can be used regardless of the type of organic waste and woody biomass, and it is possible to produce high value-added gas from organic waste. Hydrogen (H 2 ) produced through a fluidized bed reactor without a separate treatment device is 30-39%, methane (CH 4 ) is 10-17%, and carbon dioxide (CO 2 ) is 40-49%.

개시된 기술의 일 실시 예에 따른 유동층 반응기는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 개시된 기술의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허 청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.The fluidized bed reactor according to an embodiment of the disclosed technology has been described with reference to the embodiment shown in the drawings to aid understanding, but this is only exemplary, and various modifications and equivalents from this to those of ordinary skill in the art It will be appreciated that other embodiments are possible. Therefore, the true technical scope of protection of the disclosed technology will be determined by the appended claims.

Claims (4)

유기성 폐기물과 목질계 바이오매스를 원료로 이용하고, 수열가스화 반응이 일어나 수소와 메탄을 생산할 수 있는 유동층 반응기로서,
반응영역과 가스화영역을 구비하며, 상기 반응영역과 가스화영역이 중간 분리판으로 분리된 본체부;
유동화영역으로 외부 공기와 프리히터(Pre-heater)로 가열한 고온의 공기와 질소를 공급하여 유동층의 온도를 상승시켜 수열가스화 분위기를 형성하는 공기공급부;
상기 수열가스화를 하는 반응영역으로 목질계 바이오매스와 유기성 폐기물을 공급하는 원료공급부;
상기 본체부 내측에 설치된 회전형 분사노즐을 통해 산화제를 공급하는 산화제 공급부; 및
상기 유동층반응기의 내부 반응 온도를 제어하기 위하여 반응기 외부에 구비되는 히터를 포함하고,
제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 조절 밸브 및 상기 히터의 구동을 제어하며,
상기 제어부는 반응영역내의 압력, 유동화 속도 및 온도를 확인하면서 원료를 공급하고,
발열반응을 유도하는 촉매를 층 물질로 이용하여 프리베드에 채우고 운영하며,
상기 유동층반응기 촉매는 Na,1.35~3.45중량%의 Ni, 1.24~2.73중량%을 포함하며,
상기 반응영역은 열역학 상평형에서 300℃ - 400℃의 아임계 유체를 활용하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
A fluidized bed reactor that uses organic waste and wood-based biomass as raw materials and produces hydrogen and methane through hydrothermal gasification.
A main body having a reaction region and a gasification region, the reaction region and the gasification region being separated by an intermediate separator;
An air supply unit supplying external air, high-temperature air and nitrogen heated by a pre-heater to the fluidization zone to raise the temperature of the fluidized bed to form a hydrothermal gasification atmosphere;
a raw material supply unit supplying wood-based biomass and organic waste to the reaction zone for hydrothermal gasification;
An oxidizing agent supply unit for supplying an oxidizing agent through a rotary injection nozzle installed inside the body unit; and
Including a heater provided outside the reactor to control the internal reaction temperature of the fluidized bed reactor,
Further comprising a control unit, the control unit controls the driving of the control valve and the heater,
The control unit supplies the raw material while checking the pressure, fluidization speed and temperature in the reaction zone,
A catalyst that induces an exothermic reaction is used as a layer material to fill the prebed and operate it.
The fluidized bed reactor catalyst contains Na, 1.35 to 3.45% by weight of Ni, 1.24 to 2.73% by weight,
The reaction zone is a fluidized bed reactor, characterized in that utilizing a subcritical fluid of 300 ℃ - 400 ℃ in thermodynamic phase equilibrium.
제1항에 있어서,
상기 본체부의 반응영역으로 공급되는 유동화제, 공기 및 산화제의 압력 및 유속을 조절하기 위하여 벤트 라인(Vent line)에 조절밸브를 설치한 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
According to claim 1,
Fluidized bed reactor, characterized in that a control valve is installed in the vent line to control the pressure and flow rate of the fluidizing agent, air and oxidizing agent supplied to the reaction area of the main body.
제1항에 있어서,
상기 산화제 공급부의 상기 분사노즐은 연장되어 반응영역의 내측 하부에 회전형 분사방식으로 형성되는 유동층 반응기.
According to claim 1,
The fluidized bed reactor in which the spray nozzle of the oxidizing agent supply unit extends and is formed in a rotary spraying method at the inner lower part of the reaction zone.
제1항에 있어서,
상기 원료공급부에서 공급되는 원료는, 각종 목재 및 부산물 그리고 폐목재 등 목질계 바이오매스와 술찌꺼기, 커피찌꺼기, 비지, 콩, 팥, 고구마, 감자 등 각종 식품가공 폐기물; 버섯배지, 채소, 과일 등 농업 폐기물; 우분, 돈분, 계분, 동물사체 등 축산 폐기물; 어류, 굴, 해초, 미역 등 수산 폐기물; 하폐수슬러지, 음식물쓰레기, 커피찌꺼기, 정원 폐기물 등 생활 폐기물중 적어도 하나를 포함하는 유동층 반응기.

According to claim 1,
The raw materials supplied from the raw material supply unit include wood-based biomass such as various woods, by-products, and waste wood, and various food processing wastes such as alcohol residue, coffee grounds, bean curd, beans, red beans, sweet potatoes, and potatoes; Agricultural waste such as mushroom broth, vegetables and fruits; Livestock waste such as cow manure, pig manure, chicken manure, and animal carcasses; aquatic wastes such as fish, oysters, seaweed, and seaweed; A fluidized bed reactor containing at least one of domestic waste such as wastewater sludge, food waste, coffee grounds, and garden waste.

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