KR102653928B1 - 타르 개질기 일체형 가스화기 - Google Patents
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Abstract
타르 개질기 일체형 가스화기가 개시된다. 본 발명의 타르 개질기 일체형 가스화기는, 본체에 공급된 연료를 고온에서 공기와 반응시켜 합성가스로 변환하는 가스화부; 본체의 측면을 둘러싸고, 복수의 관통홀을 형성하는 보온부; 및 관통홀마다 삽입되고, 합성가스 내 타르를 개질하는 촉매를 수용하는 복수의 개질기를 포함하고, 가스화부의 열에너지는 보온부를 통해 촉매로 전달되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 가스화 공정에서 합성가스와 함께 생성되는 타르를 공정 효율적으로 개질 제거하도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기를 제공할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 타르 개질기 일체형 가스화기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 가스화 공정에서 합성가스와 함께 생성되는 타르를 개질 제거하도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기에 관한 것이다.
신기후 변화협약(Paris Agreement)의 출범으로 전 세계적으로 신 재생 에너지(NewRenewable Energy)의 비중이 커질 것으로 예상된다. 이와 국내에서도 친환경기술 개발에 대한 수요가 늘어나고 있으나, 기술개발에 비해 상용화 실적은 낮은 상태이다. 이에 따라 상용화가 가능한 친환경 기술의 개발이 필요하며, 그 대표적인 분야가 가스화 분야이다.
기존 소각 방식의 기술은 질소 화합물(nitrogen compound), 다이옥신(dioxine) 등의 대기오염물질과 CO2 등의 지구온난화 물질을 발생시킴에 따라 대기오염 방지시설이 반드시 필요하다. 이에 반해 가스화 기술은 대기오염물질과 CO2 발생량이 적고 생산된 합성가스를 전력, 메탄올(methanol), SNG(synthetic natural gas) 등의 다양한 에너지원으로 생산 가능한 장점이 있다.
이와 관련하여 대한민국 등록특허공보 제1218976호(이하 '선행문헌1')는 가변형 가스화기가 구비된 발전과 연소보일러 겸용 가스화 장치를 개시한다. 선행문헌1의 가스화 장치는 가변형 가스화기, 정제장치, 공급제어기, 연소보일러 및 가스엔진을 포함한다.
가변형 가스화기는 연료를 공급받아 사용목적에 따라 상향류 또는 하향류가스화가 이루어지도록 가변된다. 정제장치는 가변형 가스화기에서 생산된 합성가스를 정제한다. 공급제어기는 정제장치에서 정제된 합성가스의 공급방향을 제어한다. 연소보일러 및 가스엔진은 공급제어기에 의해 합성가스를 선택적으로 공급받아 구동된다.
선행문헌1의 가스화 장치는 가스화기의 합성가스배출구 전면에 유로개폐부를 더 형성하여, 가스화챔버에 의해 구획된 가스화기 내부의 상부공간 또는 하부공간을 선택적으로 연통시킴은 물론, 가스화제의 투입위치를 변경시킴으로써, 하나의 가스화기에서 상향류 또는 하향류 가스화를 선택적으로 할 수 있는 이점이 있다.
가스화기에서 생성된 합성가스는 정제장치를 통해 정제가 이루어진다. 정제장치는 사이클론 및 필터를 포함한다. 가스화기로부터 배출되는 합성가스는 사이클론을 통과하면서 큰 입자의 이물질이 제거된다.
사이클론을 통과한 합성가스는 필터를 통과하며 타르(tar) 등 미세 입자성분이 분리되어 개질된다. 정제장치를 통해 큰 입자와 미세 입자성분이 걸러진 합성가스는 가스엔진으로 공급되어 가스엔진의 발전(power generation)에 사용된다.
합성가스를 개질하는 장치와 관련하여 대한민국 등록특허공보 제912249호(이하 '선행문헌2')는 타르개질과 수트제거용 촉매반응장치를 개시한다. 선행문헌2의 촉매반응장치는 반응챔버, 분리챔버, 유입관, 촉매개질층 및 배출관을 포함한다.
반응챔버는 관체로 상단에는 배출구가 형성되고, 측면의 상부에는 유입구가 형성된다. 분리챔버는 반응챔버의 하단에 연통설치된다. 유입관은 반응챔버의 내주면과 이격된 틈이 형성되도록 수직으로 설치되고, 상단은 반응챔버의 유입구를 통해 외부관과 연설되어 바이오매스를 가스화한 합성가스를 공급받도록 하고, 하단은 분리챔버에 일부 표출시켜 공급받은 합성가스를 분리챔버로 배출시킨다.
촉매개질층은 유입관과 반응챔버의 내주면 사이의 이격틈에 설치되고, 분리챔버로 공급된 합성가스가 상측배출구로 이동되면서 내포된 타르와 수트성분을 개질시킨다. 배출관은 촉매개질층에 의해 개질된 합성가스를 배출시킨다.
선행문헌2의 촉매반응장치는 입자성분이 분리된 합성가스는 상측으로 이동되면서 촉매개질층에 서의 촉매반응에 의해 합성가스내에 포함되어 있는 타르와 잔여 수트성분이 고열에서의 촉매반응으로 개질되어 가연성가스인 수소의 함유 비율을 증가시켜 고순도로 수취할 수 있는 이점이 있다.
선행문헌2의 촉매반응장치는 촉매개질층을 통과하는 합성가스의 온도를 상승시키고 촉매개질층의 온도를 높이기 위해 히터가 설치될 수 있다. 히터는 촉매개질층에 접하여 구비된다. 히터는 이송도중에 손실된 합성가스의 온도를 상승시켜 개질반응이 용이하게 이루어지게 한다. 촉매개질층의 온도는 히터의 열에너지에 의해 600~900℃로 유지될 수 있다.
촉매개질층의 온도를 600~900℃로 유지시키려면, 고온용 히터(High Temperature Heaters)가 지속적으로 작동되어야 한다. 그러나 고온용 히터를 발열시키는데 사용되는 전기에너지의 양이 상당하므로, 히터는 가스화 장치 전체의 에너지 효율(energy efficiency)을 낮추는 주요한 요인으로 작용하게 된다.
바람직하게는, 히터는 촉매개질층의 하단에 설치된다. 따라서, 촉매개질층의 하부는 높은 온도를 유지하지만, 상부쪽으로 갈수록 촉매개질층의 온도는 낮아지게 된다. 따라서 선행문헌2의 촉매반응장치는 촉매개질층의 하부는 개질반응이 활발하지만, 상부로 갈수록 개질반응이 느린 문제가 있다.
한편, 분리챔버로 배출되어 입자성분이 분리된 합성가스는 반응챔버의 내주면과 유입관의 외면 사이의 이격틈을 통해 상측으로 이동되어 분리챔버의 상단에 형성된 배출관을 통해 다음 공정으로 이송된다. 촉매개질층은 합성가스의 이송경로인 반응챔버와 유입관의 사이에 형성된다.
따라서 선행문헌2의 촉매반응장치는 촉매개질층을 교체하거나 촉매를 재생하려면, 촉매반응장치의 작동을 중지시켜야 한다. 그러나 촉매반응장치의 작동 중지는 가스화 장치 전체의 가동 중지를 의미한다. 따라서 선행문헌2의 촉매반응장치는 가스화 장치 전체의 가동률을 낮추는 주요한 요인으로 작용하게 된다.
본 발명의 목적은, 가스화 공정에서 합성가스와 함께 생성되는 타르를 공정 효율적으로 개질 제거하도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기를 제공하는 것이다.
또한, 합성가스의 개질 속도를 향상시키면서 동시에, 가스화 장치 전체의 에너지 효율(energy efficiency)을 향상시키도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기를 제공하는 것이다.
또한, 촉매의 위치에 따른 합성가스의 개질 속도 편차가 발생하지 않도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기를 제공하는 것이다.
아울러, 촉매를 교체하거나 재생해야 하더라도 가스화 장치의 정상 운행이 가능하도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 본체에 공급된 연료를 고온에서 공기와 반응시켜 합성가스로 변환하는 가스화부; 상기 본체의 측면을 둘러싸고, 복수의 관통홀을 형성하는 보온부; 및 상기 관통홀마다 삽입되고, 상기 합성가스 내 타르를 개질하는 촉매를 수용하는 복수의 개질기를 포함하고, 상기 가스화부의 열에너지는 상기 보온부를 통해 상기 촉매로 전달되는 것을 특징으로 하는 타르 개질기 일체형 가스화기에 의하여 달성된다.
상기 가스화부가 배출한 상기 합성가스는 집진장치에 의해 분진이 제거되고 나서 상기 개질기들로 유입되도록 이루어질 수 있다.
상기 개질기들 중 어느 일부의 상기 촉매를 교체하거나 재생하는 경우, 상기 개질기들 중 다른 일부가 상기 합성가스를 개질하도록 이루어질 수 있다.
상기 개질기는, 상기 촉매를 수용하고, 세로방향으로 긴 열교환관; 상기 열교환관에 연결되고, 상기 합성가스가 유입되는 제1 유입관; 상기 촉매를 기준으로 상기 제1 유입관과 반대쪽에서 상기 열교환관에 연결되고, 상기 합성가스를 배출하는 제1 배출관; 및 상기 촉매를 교체하거나 재생하는 경우, 상기 제1 유입관을 막는 제1 개폐밸브를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 개질기는, 상기 열교환관에 연결되는 제2 유입관; 상기 촉매를 재생하는 경우, 상기 제2 유입관을 여는 제2 개폐밸브; 상기 촉매를 기준으로 상기 제2 유입관과 반대쪽에서 상기 열교환관에 연결되고, 상기 촉매를 재생하는 경우 기체를 배출하는 제2 배출관; 및 상기 촉매를 재생하는 경우, 상기 제1 배출관을 막고 상기 제2 배출관을 여는 제3 개폐밸브를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 개질기는, 상기 열교환관에 연결되는 제2 유입관; 상기 촉매를 교체하는 경우, 상기 제2 유입관을 여는 제2 개폐밸브; 상기 촉매를 기준으로 상기 제2 유입관과 반대쪽에서 상기 열교환관에 연결되고, 상기 촉매를 교체하는 경우 상기 촉매를 배출하는 제3 배출관; 및 상기 촉매를 교체하는 경우, 상기 제3 배출관을 여는 제4 개폐밸브를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 개질기는, 상기 촉매를 수용하고, 세로방향으로 긴 열교환관; 상기 열교환관에 연결되고, 상기 합성가스가 유입되는 제1 유입관; 및 상기 촉매를 기준으로 상기 제1 유입관과 반대쪽에서 상기 열교환관에 연결되고, 상기 합성가스를 배출하는 제1 배출관을 포함하고, 상기 촉매가 상기 연료와 동일 높이에 위치하도록 상기 열교환관 내부에서 상기 촉매 아래에 충전되는 복수의 다공성 지지체를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 다공성 지지체는 미소 구상(microspheroida)의 실리카 알루미나 촉매(silica-alumina catalyst)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 제1항의 타르 개질기 일체형 가스화기; 및 상기 타르 개질기 일체형 가스화기로부터 합성가스를 흡출하는 팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 장치에 의하여 달성된다.
아울러, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 가스화기와, 상기 가스화기로부터 합성가스를 흡출하는 팬을 포함하고, 상기 가스화기는, 본체에 공급된 연료를 고온에서 공기와 반응시켜 합성가스로 변환하는 가스화부; 상기 본체의 측면을 둘러싸고, 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 형성하는 보온부; 상기 제1 관통홀에 삽입되고, 상기 합성가스 내 타르를 개질하는 촉매를 수용하는 제1 개질기; 및 상기 제2 관통홀에 삽입되고, 상기 합성가스 내 타르를 개질하는 촉매를 수용하는 제2 개질기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 장치에 의하여 달성된다.
상기 제1 개질기 및 상기 제2 개질기는, 상기 촉매를 수용하고, 세로방향으로 긴 열교환관; 상기 열교환관에 연결되고, 상기 합성가스를 배출하는 제1 배출관; 상기 촉매를 재생하는 경우 기체를 배출하는 제2 배출관; 및 상기 촉매를 재생하는 경우, 상기 제1 배출관을 막고 상기 제2 배출관을 여는 제3 개폐밸브를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 팬은, 상기 제1 개질기의 상기 제1 배출관 및 상기 제2 개질기의 상기 제1 배출관과 연결된 제1 팬; 및 상기 제1 개질기의 상기 제2 배출관 및 상기 제2 개질기의 상기 제2 배출관과 연결된 제2 팬을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 가스화부의 열에너지는 보온부를 통해 촉매로 전달됨으로써, 가스화 공정에서 합성가스와 함께 생성되는 타르를 공정 효율적으로 개질 제거하도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기를 제공할 수 있게 된다.
또한, 복수의 관통홀을 형성하는 보온부가 본체의 측면을 둘러싸고, 합성가스 내 타르를 개질하는 촉매를 수용하는 복수의 개질기가 관통홀마다 삽입됨으로써, 타르의 개질 속도를 향상시키면서 동시에, 가스화 장치 전체의 에너지 효율(energy efficiency)을 향상시키도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기를 제공할 수 있게 된다.
또한, 촉매가 연료와 동일 높이에 위치하도록 열교환관 내부에서 촉매 아래에 복수의 다공성 지지체가 충전됨으로써, 촉매의 위치에 따른 타르의 개질 속도 편차가 발생하지 않도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기를 제공할 수 있게 된다.
아울러, 개질기들 중 어느 일부의 촉매를 교체하거나 재생하는 경우, 개질기들 중 다른 일부가 타르를 개질함으로써, 촉매를 교체하거나 재생해야 하더라도 가스화 장치의 정상 운행이 가능하도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 타르 개질기 일체형 가스화기의 XZ평면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타르 개질기 일체형 가스화기의 YZ평면 단면도이다.
도 4는 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 보온부를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 보온부의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 촉매를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 다공성 지지체를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 2의 타르 개질기 일체형 가스화기의 사용상태를 나타내는 XZ평면 단면도이다.
도 9는 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 사용상태를 나타내는 YZ평면 단면도이다.
도 10은 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 촉매를 재생하는 상태를 나타내는 YZ평면 단면도이다.
도 11은 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 촉매를 교체하는 상태를 나타내는 YZ평면 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 타르 개질기 일체형 가스화기의 XZ평면 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타르 개질기 일체형 가스화기의 YZ평면 단면도이다.
도 4는 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 보온부를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 보온부의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 촉매를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 다공성 지지체를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 2의 타르 개질기 일체형 가스화기의 사용상태를 나타내는 XZ평면 단면도이다.
도 9는 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 사용상태를 나타내는 YZ평면 단면도이다.
도 10은 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 촉매를 재생하는 상태를 나타내는 YZ평면 단면도이다.
도 11은 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기의 촉매를 교체하는 상태를 나타내는 YZ평면 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 발명의 타르 개질기 일체형 가스화기는, 가스화 공정에서 합성가스와 함께 생성되는 타르를 공정 효율적으로 개질 제거하도록 이루어진다.
또한, 본 발명의 타르 개질기 일체형 가스화기는, 합성가스 내 타르의 개질 속도를 향상시키면서 동시에, 가스화 장치 전체의 에너지 효율(energy efficiency)을 향상시키도록 이루어진다.
또한, 본 발명의 타르 개질기 일체형 가스화기는, 촉매의 위치에 따른 합성가스 내 타르의 개질 속도 편차가 발생하지 않도록 이루어진다.
아울러, 본 발명의 타르 개질기 일체형 가스화기는, 촉매를 교체하거나 재생해야 하더라도 가스화 장치의 정상 운행이 가능하도록 이루어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 장치(1)를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 장치(1)는 가스화기(10), 집진장치(20), 팬(30), 공급제어기(40), 저장조(50), 가스엔진(60) 및 연소보일러(70)를 포함한다.
가스화기(10)는 타르 개질기 일체형 가스화기(10)로 이루어진다. 가스화기(10)는 가스화부(100) 및 개질기(300)를 포함한다. 가스화부(100)는 하향류 가스화 반응에 의해 합성가스를 생성한다. 개질기(300)는 분진 및 이물질이 제거 완료된 합성가스 내 타르를 개질한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가스화부(100)가 생성한 합성가스는 집진장치(20)로 이동한다. 집진장치(20)는 합성가스로부터 분진 및 이물질을 제거한다. 집진장치(20)는 사이클론 또는 세정 집진기로 구비될 수 있다. 도 1은 사이클론을 도시하고 있다.
사이클론(cyclone)은 원심력을 이용하여 분진을 제거하는 집진장치(20)이다. 사이클론은 분진을 함유한 기류를 이 장치로 유도해 선회운동을 시키는데 따라 분진에 원심력을 발생시키고 이 원심력에 의해서 분진을 분리해서 집진한다.
사이클론은 처리하려는 기류를 원통탑 내의 접선 방향으로 유입하여 회전하면서 하강하면, 분진은 원심력에 의해 내벽에 부딪혀서 낙하하여 포집된다. 분진 및 이물질이 제거된 합성가스는 중앙부에 의해 상승하여 배출된다.
세정 집진기(scrubbing dust collector)는 가스 중에 액적을 분무하여 가스와 액적 간에 큰 속도차를 부여하면 가스 중에 부유하는 입자는 관성력으로 액적에 충돌하여 포착된다. 스크러버는 입자뿐만 아니라 특정한 가스성분도 액에 흡수 제거할 수 있다.
가스화부(100)가 배출한 합성가스는 집진장치(20)에 의해 분진 및 이물질이 제거되고 나서 복수의 개질기(300)로 유입된다. 개질기(300)는 촉매반응에 의해 합성가스로부터 타르 및 수트(soot)를 제거한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 팬(30)은 개질기(300)로부터 합성가스를 흡출한다. 팬(30)은 흡출 송풍기(induced draft fan)로 이루어질 수 있다. 흡출 송풍기는 글자 그대로 흡출 통풍 방식에 사용되는 송풍기이다. 흡출 통풍(induced draft)은 가스를 흡출하여 토출하는 인공 통풍을 가리킨다.
도 1에 도시된 바와 같이, 팬(30)에 의해 흡출된 합성가스는 공급제어기(40)로 유입된다. 공급제어기(40)는 합성가스의 공급방향을 제어하는 장치이다. 공급제어기(40)는 합성가스를 가스엔진(60) 또는 연소보일러(70)로 공급할 수 있다.
가스엔진(60)은 합성가스로 발전하여 전기를 생산한다. 공급제어기(40)와 가스엔진(60) 사이에 저장조(50)를 설치할 수 있다. 저장조(50)는 가스엔진(60)으로 공급되는 합성가스 중 잉여분을 저장할 수 있다.
저장조(50)의 합성가스 저장한도가 넘으면, 합성가스 잉여분은 연소보일러(70)로 공급될 수 있다. 연소보일러(70)는 합성가스로 열에너지를 생산할 수 있다. 가스엔진(60)의 냉각수를 연소보일러(70)의 반응수로 사용할 수 있다.
대한민국 등록특허공보 제1218976호에 개시된 바와 같이, 공급제어기(40), 가스엔진(60), 연소보일러(70) 및 저장조(50)는 가스화 장치(1) 분야에서 널리 공지된 기술이므로 이의 자세한 설명은 생략하고자 한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예의 용이한 이해를 위해 3차원 직교좌표(Three Dimensional Cartesian Coordinate)를 사용하여 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 타르 개질기 일체형 가스화기(10)의 XZ평면 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타르 개질기 일체형 가스화기(10)의 YZ평면 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 타르 개질기 일체형 가스화기(10)는, 가스화 공정에서 합성가스와 함께 생성되는 타르를 개질 제거하도록 이루어지며, 가스화부(100), 보온부(200) 및 개질기(300)를 포함한다.
가스화부(100)는 본체(120)에 공급된 연료(F)를 고온에서 공기와 반응시켜 합성가스로 변환한다. 연료(F)는 석탄(coal), 바이오매스(biomass), 폐플라스틱(waste plastic) 등으로 이루어진다.
가스화부(100)는 호퍼(110), 본체(120), 교반기(130) 및 이송장치(140)를 포함한다. 가스화부(100)는 하향류식 고정상 반응기 타입으로 이루어진다.
하향류식 고정상 반응기 타입은 가스화 프로세스에서 유동상이나 분류상 등 여타 반응기 타입에 비해 운전이 비교적 용이하다. 그리고 하향류식은 가스가 아래 부분의 고정탄소 연소층을 통과함에 따라 상향류식에 비해 타르의 생성이 적은 이점이 있다.
호퍼(110)는 본체(120)의 상측에 구비된다. 호퍼(110)는 나팔 모양의 밑이 열린 용기로서, 상부에 연료(F)를 투입해서 일시 보류시키고, 하부에서 본체(120) 내부로 일정량씩 방출할 수 있도록 한다.
연료(F)는 벨트 컨베이어(belt conveyor) 또는 스크루 피더(screw feeder)에 의해 호퍼(110)로 공급될 수 있다. 벨트 컨베이어 또는 스크루 피더는 인버터 컨트롤러에 의해 제어되어 호퍼(110) 상부에 정량의 연료(F)를 공급할 수 있다.
가스화기(10)로 연료(F)를 투입하기 위한 설비는 다단 나이프밸브(111)로 구비될 수 있다. 호퍼(110) 하부에 한 쌍의 나이프밸브(111)가 설치된다.
벨트 컨베이어에 의해 이송되어 상부 나이프밸브(111)에 적재된 연료(F)는 상부의 나이프밸브(111)가 열린 상태에서 하부의 나이프밸브(111) 위에 적재된다. 이후 상부의 나이프밸브(111)가 닫힌 상태에서 하부의 나이프밸브(111)가 개폐되어 본체(120) 내부로 연료(F)가 투입된다.
한 쌍의 나이프밸브(111)를 순차적으로 개방하면, 연료(F)만 본체(120)로 내부로 유입시키면서 본체(120) 내부로의 공기 유입을 단속할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본체(120)는 연료(F)를 고온에서 공기와 반응시켜 합성가스로 변환하는 공간(이하 '가스화공간(121)')을 형성한다. 본체(120)는 원통 형태를 형성할 수 있다.
본체(120) 상단은 호퍼(110)와 연결된다. 본체(120) 하부에 포집공간(101)이 형성된다. 그레이트(122)는 가스화공간(121)과 포집공간(101) 사이에 구비된다. 그레이트(122)는 상부로 핀이 다수 돌출된 원판 형태를 형성할 수 있다. 그레이트(122)의 일부 또는 전부는 원판이 다층 적층된 구조를 형성할 수 있다.
교반기(130)의 회전축이 그레이트(122)에 결합된다. 교반기(130)는 회전축을 통해 그레이트(122)를 회전시킨다. 본체(120) 하부에 적층된 회재는 그레이트(122)의 운동에너지에 의해 포집공간(101)으로 낙하할 수 있다.
이송장치(140)는 포집공간(101) 아래에 구비된다. 이송장치(140)는 포집공간(101)으로부터 낙하한 회재를 외부로 배출한다. 이송장치(140)는 스크루 피더(screw feeder)로 구비될 수 있다.
스크루 피더는 상향 경사를 갖도록 형성될 수 있다. 스크루 피더에 의해 배출되는 회재는 스크루 피더의 유로를 차단할 수 있다. 따라서 스크루 피더의 유로를 통한 합성가스의 누출이 방지된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 가스화공간(121) 일측에 복수의 주입관(123)이 연결된다. 주입관(123)은 보온부(200)를 관통하여 외부로 돌출된다. 주입관(123)은 산화제(가스화제)가 투입되는 유로를 형성한다.
산화제(가스화제)는 가스화 반응에 있어 유기물을 산화시켜서 합성가스를 생산하기 위해 필요한 산소의 공급원을 가리킨다. 산소의 공급원으로는 공기(air), 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 스팀(steam) 등이 단독 또는 서로 배합하여 사용될 수 있다.
가스화(gasification)란 고체 또는 액체 연료(F)에 공기, 산소, 수증기, 이산화탄소 등의 가스화제(gasifying agent)를 단독, 또는 혼합해서 반응시켜 수소, 일산화탄소, 또는 메탄을 주성분으로 하는 가스를 제조하는 것을 말한다.
가스화 반응에서 얻고자 하는 주요 반응생성물은 합성가스이다. 합성가스를 가스엔진(60) 등 내연기관에 사용할 경우, 합성가스의 발열량은 내연기관 가동의 중요한 인자이다.
포집공간(101) 일측에 하나 이상의 배기관(124)이 연결된다. 배기관(124)은 보온부(200)를 관통하여 외부로 돌출된다. 배기관(124)은 합성가스가 다음 공정으로 배기되는 유로를 형성한다.
도 4는 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기(10)의 보온부(200)를 나타내는 사시도이다. 도 5는 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기(10)의 보온부(200')의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 보온부(200)는 연료(F)의 화학반응에 의한 열에너지 누출을 차단하는 구성이다. 보온부(200)는 가스화부(100)의 열에너지가 본체(120)의 측면을 통해 누출되는 것을 차단한다.
보온부(200)는 본체(120)의 측면을 둘러싸는 형태를 형성한다. 본체(120)는 원통 형태를 형성할 수 있다. 보온부(200)는 원통 형태를 둘러싸는 튜브 형태를 형성할 수 있다.
금속 재질의 하우징(11)이 본체(120) 및 보온부(200)의 뼈대를 형성할 수 있다. 하우징(11)은 지지기둥(12)에 의해 지면으로부터 이격 지지된다.
보온부(200)는 캐스터블 내화물(castable refractory)로 제작될 수 있다. 캐스터블 내화물은 내화성 골재와 수경성 시멘트를 혼합한 내화물이다. 보온부(200)는 사용 현장에서 물을 가해 혼합하고 하우징(11) 내로 흘려 넣거나, 또는 본체(120) 외면에 흙손으로 발라 시공할 수 있다.
따라서 시공체는 맞춤새가 없는 일체 구조물이 된다. 품종으로서는 고알루미나질, 크로마그질, 단열질 등이 있다. 결합제로는 알루미나 시멘트 외에 인산염, 규산염, 점토 등을 사용한 것도 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 보온부(200,200')는 복수의 관통홀(201)을 형성한다. 관통홀(201)은 2개 이상 형성될 수 있다. 개질기(300)들이 관통홀(201)마다 삽입된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 관통홀(201)이 2개 형성되는 경우, 관통홀(201)들은 보온부(200)의 원통 형태의 중심축을 기준으로 서로 180도의 사잇각을 형성할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 관통홀(201)이 4개 형성되는 경우, 관통홀(201)들은 보온부(200')의 원통 형태의 중심축을 기준으로 서로 90도의 사잇각을 형성할 수 있다.
즉, 관통홀(201)들은 보온부(200,200')의 원통 형태의 중심축을 중심으로 원주방향을 따라 서로 등간격을 형성한다. 따라서 보온부(200,200')에 전달된 가스화부(100)의 열에너지는 개질기(300)마다 동일한 열량으로 전달될 수 있다.
관통홀(201)들은 대체로 상하방향 즉, Z축 방향으로 긴 형태를 형성한다. 도 4의 201A는 후술할 제1 유입관(320)이 관통하는 부분(홀)을 의미한다. 도 4의 201B는 후술할 제1 배출관(340)이 관통하는 부분(홀)을 의미한다. 도 4의 202는 주입관(123)이 관통하는 부분(홀)을 의미한다. 도 4의 203은 배기관(124)이 관통하는 부분(홀)을 의미한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 개질기(300)는 분진 및 이물질이 제거 완료된 합성가스 내 타르를 개질하는 장치이다. 개질기(300)는 복수로 구비된다. 개질기(300)들은 관통홀(201)마다 삽입된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 개질기(300)는 열교환관(310), 제1 유입관(320), 제2 유입관(330), 제1 배출관(340), 제2 배출관(350) 및 제3 배출관(360)을 포함한다.
열교환관(310)은 세로방향으로 긴 형태를 형성한다. 열교환관(310)은 촉매(400)를 수용한다. 개질기(300)는 촉매(400)의 촉매반응(catalytic reaction)에 의해 합성가스로부터 타르 및 수트(soot)를 제거한다.
촉매(400)는 니켈, 지르코니아, 백운석, 감람석, Katalco 46-3Q, Katalco 46-6Q로 이루어진 군으로부터 선택 사용될 수 있다.
또는 촉매(400)는 알루미나, 실리카, 백운석, 감람석으로 이루어진 군으로부터 일종 또는 이종 이상 선택한 광물을 담체(carrier)로 할 수 있다. 그리고 촉매(400)는 백금, 루테늄, 니켈, 지르코니아, 팔라듐, 구리, 칼슘, 칼륨, 철 또는 망간으로 이루어진 군으로부터 일종 또는 이종 이상의 혼합광물이 0.1~10 wt% 혼합될 수도 있다.
도 6은 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기(10)의 촉매(400)를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 촉매(400)는 분체(particulate material) 또는 구체(sphere) 형태로 제조될 수 있다. 또는 촉매(400)는 다수의 촉매 유로(401)를 갖는 다공성 소자 형태로 제조될 수 있다.
도 7은 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기(10)의 다공성 지지체(500)를 나타내는 도면이다.
도 7 도시된 바와 같이, 열교환관(310)은 다공성 지지체(500)를 수용한다. 다공성 지지체(500)는 열교환관(310) 내부에서 촉매(400) 아래에 충전될 수 있다.
다공성 지지체(500)는 미소 구상(microspheroida)의 실리카 알루미나 촉매(silica-alumina catalyst)로 이루어질 수 있다. 다공성 지지체(500)는 내부가 빈 구체 형태를 형성할 수 있다. 구체 형태의 표면은 그물망(501) 구조를 형성할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 유입관(320)은 열교환관(310)의 상부에 연결된다. 제1 유입관(320)은 열교환관(310)의 상부에서 측면 방향으로 분기된 형태를 형성할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 유입관(320)은 합성가스가 유입되는 유로를 형성한다. 즉, 제1 유입관(320)은 배관을 통해 집진장치(20)의 출구와 연결된다. 집진장치(20)의 출구에 연결된 배관은 복수로 분기되어 제1 유입관(320)마다 연결될 수 있다. 제1 유입관(320)에 제1 개폐밸브(V1)가 결합된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 유입관(330)은 열교환관(310)의 상부에 연결된다. 제2 유입관(330)은 열교환관(310)의 상부에서 위쪽으로 연장된 형태를 형성할 수 있다.
제2 유입관(330)은 촉매(400)를 재생하거나 교체하는 경우, 촉매(400)가 투입되거나 외기가 유입되는 유로를 형성한다. 제2 유입관(330)에 제2 개폐밸브(V2)가 결합된다.
제1 배출관(340)은 열교환관(310)의 하부에 연결된다. 제1 배출관(340)은 촉매(400)를 기준으로 제1 유입관(320)과 반대쪽에서 열교환관(310)에 연결된다. 제1 배출관(340)은 열교환관(310)의 하부에서 측면 방향으로 분기된 형태를 형성할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 배출관(340)은 합성가스가 배출되는 유로를 형성한다. 즉, 제1 배출관(340)은 배관을 통해 팬(30)과 연결된다.
합성가스는 팬(30)에 의해 흡출되어 공급제어기(40)로 이동할 수 있다. 제1 배출관(340) 및 제2 배출관(350)은 제3 개폐밸브(V3)에 의해 개폐될 수 있다. 제3 개폐밸브(V3)는 삼방밸브로 구비될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 배출관(350)은 제1 배출관(340) 또는 열교환관(310)의 하부에 연결된다. 즉, 제2 배출관(350)은 촉매(400)를 기준으로 제2 유입관(330)과 반대쪽에서 제1 배출관(340) 또는 열교환관(310)에 연결된다.
촉매(400)를 재생하는 경우, 제2 배출관(350)은 기체가 배출되는 유로를 형성한다. 제1 배출관(340) 및 제2 배출관(350)은 제3 개폐밸브(V3)에 의해 개폐될 수 있다. 제3 개폐밸브(V3)는 삼방밸브로 구비될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제3 배출관(360)은 열교환관(310)의 하부에 연결된다. 제3 배출관(360)은 촉매(400)를 기준으로 제2 유입관(330)과 반대쪽에서 열교환관(310)에 연결된다.
제3 배출관(360)은 열교환관(310)의 하부에서 아래쪽으로 연장된 형태를 형성할 수 있다. 촉매(400)를 교체하는 경우, 제3 배출관(360)은 촉매(400)가 배출되는 출구를 형성한다. 제3 배출관(360)은 제4 개폐밸브(V4)에 의해 개폐될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 장치(1)의 사용상태를 설명하고자 한다. 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 장치(1)의 세부구성들은 사용상태의 설명을 통해 보다 용이하게 이해될 수 있다.
도 8은 도 2의 타르 개질기 일체형 가스화기(10)의 사용상태를 나타내는 XZ평면 단면도이다. 도 9는 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기(10)의 사용상태를 나타내는 YZ평면 단면도이다.
도 8 및 도 9는 본체(120) 내부에서의 반응영역과 흐름을 간략하게 나타내고 있다. 주입관(123)을 통해 가스화로 내부에 공급된 산화제는 연료(F)와 반응영역을 형성한다. 산화제의 공급량은 본체(120) 내부의 온도와 비례한다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 본체(120) 내부에 공급된 산화제에 의해 연료(F)는 건조영역(F1), 열분해영역(F2), 연소영역(F3) 및 가스화영역(F4)을 형성한다.
즉, 본체(120) 내부의 반응영역은 산화제를 공급하는 위치와 회재를 아래로 배출하는 그레이트(122)를 기준으로 건조영역(F1), 열분해영역(F2), 연소영역(F3) 및 가스화영역(F4)으로 구분된다.
본체(120) 내부로 공급된 연료(F)는 점차 하부로 이동되면서 건조영역(F1), 열분해영역(F2), 연소영역(F3) 및 가스화영역(F4)을 거친다.
연료(F)와 연소영역(F3)으로 공급된 산화제가 산화반응을 일으키면서 발생된 열에너지는 가스화 반응에 필요한 에너지로 공급된다. 산화제의 공급량은 본체(120) 내부의 온도와 합성가스의 조성 및 품질을 제어할 수 있는 중요한 인자이다.
가스화기(10)에 투입되는 연료(F) 내 탄소성분은 가연성 물질로서 가스화 반응을 통해 탄소가스(CO, CO2)로 전환되기 때문에 탄소전환율이 높으면 합성가스 생산이 높아질 수 있다.
산화제의 공급량을 감소시키면 본체(120) 내부에서 발생되는 합성가스의 속도 또한 감소한다. 동일한 부피의 본체(120)에서 내부 유속과 산화제 공급량의 감소는 연소영역(F3)의 축소를 가져올 수 있다.
산화제의 공급량 증감에 따른 반응영역의 온도와 높이의 변화는 분진과 타르의 배출량에 영향을 미친다. 가스화기(10) 후단에서의 타르와 분진의 배출량은 산화제의 공급량에 비례하여 증감할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 건조영역(F1), 열분해영역(F2), 연소영역(F3) 및 가스화영역(F4)을 거쳐 생성된 합성가스는 포집공간(101)에서 배기관(124)을 통해 배기된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가스화부(100)가 생성한 합성가스는 집진장치(20)로 이동한다. 집진장치(20)는 합성가스로부터 분진 및 이물질을 제거한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 분진 및 이물질이 제거 완료된 합성가스는 제1 유입관(320)을 통해 개질기(300)의 상부로 유입된다.
일반적으로 가스화공정에서 생성되는 합성가스에는 HCl, NH3, H2S, COS와 같은 가스상 오염물질과 타르, 분진과 같은 입자상 오염물질이 포함된다. 이러한 오염물질들은 메탄올 합성공정, 가스엔진 발전, F-T 합성공정, 가스터빈 등의 연계를 위해 각 공정에서 요구하는 한계농도 이하로 정제되어야 한다.
특히 타르는 점성이 있는 액체로서 가스화로 후단의 온도가 낮은 영역에서 응축되어 가스의 흐름을 막거나, 단위 공정에서의 시스템 오염을 야기할 수 있다. 타르는 가스화 시스템의 파이프, 엔진 등에 부착되어 공정 효율과 합성가스 활용성을 저해하므로 타르를 제거하는 과정은 반드시 필요하다.
또한, 타르 등의 물질들은 가스엔진(60) 등에 고장을 유발할 수 있다. 따라서 합성가스를 내연기관에 활용하기 위해서는 정제설비에서의 타르와 분진에 대한 높은 정제효율이 요구된다.
수트는 유기물의 불완전연소 또는 열분해에 의해 생기는 흑색 무정형의 미소분말 물질이다. 수트는 그을음 또는 검댕이라고도 불린다.
수트가 잘 발생하는 연료(F)로는 보통 탄소의 수가 많은 분자로 이루어지는 물질이다. 수트는 대부분 탄소로 이루어지지만, 이 밖에 약간의 산소 및 미소량의 질소, 수소 등을 함유하고 있다.
연료(F)가 연소할 때, 공기가 충분하고 잘 혼합되어 있으며, 또한 어느 정도 이상의 온도가 되면 수트는 그다지 발생하지 않는다. 발생한 수트도 원래는 탄소이므로 고온에서 산소가 있으면 연소하지만, 일반적인 연소상태에서는 연소나 가스화가 방해받는 일이 많다. 수트가 잘 발생하는 연료(F)로는 보통 탄소의 수가 많은 분자로 이루어지는 물질이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 개질기(300)의 상부로 유입된 합성가스는 제1 배출관(340)을 향해 이동하며 촉매(400)를 통과한다.
촉매(400)는 다공성 지지체(500)에 의해 열교환관(310) 내부에서 연료(F)의 건조영역(F1), 열분해영역(F2), 연소영역(F3) 및 가스화영역(F4)과 동일 높이에 위치하게 된다.
따라서 건조영역(F1), 열분해영역(F2), 연소영역(F3) 및 가스화영역(F4)에서 발생한 가스화부(100)의 열에너지는 보온부(200)를 통해 최단거리의 전도 경로를 거쳐 촉매(400)로 전달된다.
즉, 보온부(200)는 가스화부(100)의 열에너지 누출을 차단함과 동시에, 보온부(200)로 전도된 열에너지를 개질기(300)로 전달하는 열매체(heating medium)로서 작용한다. 가스화부(100)의 열에너지는 촉매(400)의 촉매반응 속도를 증가시켜 촉매반응이 원활하게 진행된다.
촉매(400)를 이용한 타르의 개질은 타르 및 수트를 제거하는 동시에 추가적인 수소와 일산화탄소를 생성하여 가스화 합성가스의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 9에 도시된 바와 같이, 촉매(400)를 통과하여 개질된 합성가스는 제1 배출관(340)을 통해 배출된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 관통홀(201)이 2개 형성되는 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 개질기(300)는 2개 구비된다.
어느 하나의 개질기(300;이하 '제1 개질기')는 어느 하나의 관통홀(201;이하 '제1 관통홀')에 구비된다. 그리고 다른 하나의 개질기(300;이하 '제2 개질기')는 다른 하나의 관통홀(201;이하 '제2 관통홀')에 구비된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 팬(30)은 제1 팬(31) 및 제2 팬(32)을 포함한다. 제1 팬(31)은 제1 개질기(300)의 제1 배출관(340) 및 제2 개질기(300)의 제1 배출관(340)과 연결된다. 제2 팬(32)은 제1 개질기(300)의 제2 배출관(350) 및 제2 개질기(300)의 제2 배출관(350)과 연결된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제1 개질기(300) 및 제2 개질기(300)가 모두 합성가스 내 타르의 개질에 사용되는 정상상태에서, 제1 개질기(300) 및 제2 개질기(300)의 제1 개폐밸브(V1)는 모두 개방된다. 그리고 제1 개질기(300) 및 제2 개질기(300)의 제2 개폐밸브(V2)는 모두 폐쇄된다.
그리고 제1 개질기(300) 및 제2 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 제2 배출관(350)을 막고 제1 배출관(340)을 개방한다. 제1 개질기(300) 및 제2 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 모두 폐쇄된다.
도 1 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 개질기(300) 및 제2 개질기(300)가 모두 합성가스 내 타르의 개질에 사용되는 정상상태에서, 합성가스는 제1 개질기(300) 및 제2 개질기(300)의 제1 배출관(340)에 연결된 제1 팬(31)에 의해 흡출되어 공급제어기(40)로 이동하게 된다.
제1 개질기(300) 및 제2 개질기(300)가 모두 합성가스 내 타르의 개질에 사용되는 정상상태에서, 제2 팬(32)은 작동중지될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 팬(31)과 공급제어기(40) 사이에는 제1 삼방밸브(V5)가 구비된다. 제1 삼방밸브(V5)는 제1 팬(31)과 공급제어기(40) 사이 유로를 연결하거나, 제1 팬(31)이 흡출한 기체를 대기 중으로 배출한다.
그리고 제2 팬(32)과 공급제어기(40) 사이에는 제2 삼방밸브(V6)가 구비된다. 제2 삼방밸브(V6)는 제2 팬(32)과 공급제어기(40) 사이 유로를 연결하거나, 제2 팬(32)이 흡출한 기체를 대기 중으로 배출한다.
도 10은 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기(10)의 촉매(400)를 재생하는 상태를 나타내는 YZ평면 단면도이다.
도 1 및 도 10에 도시된 바와 같이, 개질기(300)들 중 어느 일부의 촉매(400)를 재생하는 경우, 개질기(300)들 중 다른 일부가 합성가스 내 타르를 개질할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1 개질기(300)는 합성가스 내 타르의 개질에 사용되고, 제2 개질기(300)의 촉매(400)를 재생하는 경우, 제1 개질기(300)의 제1 개폐밸브(V1)는 개방된다. 그리고 제1 개질기(300)의 제2 개폐밸브(V2)는 폐쇄된다.
그리고 제1 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 제2 배출관(350)을 막고 제1 배출관(340)을 개방한다. 제1 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 폐쇄된다. 제1 삼방밸브(V5)는 제1 팬(31)과 공급제어기(40) 사이 유로를 연결한다.
따라서, 제1 개질기(300)는 합성가스 내 타르의 개질에 사용되고, 제2 개질기(300)의 촉매(400)를 재생하는 경우, 제1 개질기(300)가 개질한 합성가스는 제1 개질기(300)의 제1 배출관(340)에 연결된 제1 팬(31)에 의해 흡출되어 공급제어기(40)로 이동하게 된다.
한편, 제1 개질기(300)는 합성가스 내 타르의 개질에 사용되고, 제2 개질기(300)의 촉매(400)를 재생하는 경우, 제2 개질기(300)의 제1 개폐밸브(V1)는 폐쇄된다. 그리고 제2 개질기(300)의 제2 개폐밸브(V2)는 개방된다.
그리고 제2 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 제1 배출관(340)을 막고 제2 배출관(350)을 개방한다. 제2 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 폐쇄된다. 제2 삼방밸브(V6)는 제2 팬(32)이 흡출한 기체를 대기 중으로 배출한다.
따라서, 제1 개질기(300)는 합성가스 내 타르의 개질에 사용되고, 제2 개질기(300)의 촉매(400)를 재생하는 경우, 제2 개질기(300)의 촉매(400)는 제2 유입관(330)을 통해 열교환관(310)으로 유입된 공기에 의해 재생된 다음, 제2 개질기(300)의 제2 배출관(350)에 연결된 제2 팬(32)에 의해 흡출되어 제2 삼방밸브(V6)를 통해 대기 중으로 배출된다.
제2 개질기(300)의 촉매(400)는 가스화부(100)의 열에너지 또는 별도로 공급된 열에너지에 의해 공기와 연소반응하여 재생될 수 있다.
제2 개질기(300)의 촉매(400) 재생이 완료되면, 제2 개질기(300)의 제1 개폐밸브(V1)는 개방된다. 그리고 제2 개질기(300)의 제2 개폐밸브(V2)는 폐쇄된다. 제2 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 제2 배출관(350)을 막고 제1 배출관(340)을 개방한다.
따라서 합성가스는 제1 개질기(300) 및 제2 개질기(300)의 제1 배출관(340)에 연결된 제1 팬(31)에 의해 흡출되어 공급제어기(40)로 이동하게 된다. 제1 개질기(300) 및 제2 개질기(300)가 다시 합성가스 내 타르의 개질에 사용되는 정상상태에서, 제2 팬(32)은 작동중지될 수 있다.
도 11은 도 3의 타르 개질기 일체형 가스화기(10)의 촉매(400)를 교체하는 상태를 나타내는 YZ평면 단면도이다.
도 1 및 도 11에 도시된 바와 같이, 개질기(300)들 중 어느 일부의 촉매(400)를 교체하는 경우, 개질기(300)들 중 다른 일부가 합성가스를 개질할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제1 개질기(300)는 합성가스의 개질에 사용되고, 제2 개질기(300)의 촉매(400)를 교체하는 경우, 제1 개질기(300)의 제1 개폐밸브(V1)는 개방된다. 그리고 제1 개질기(300)의 제2 개폐밸브(V2)는 폐쇄된다.
그리고 제1 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 제2 배출관(350)을 막고 제1 배출관(340)을 개방한다. 제1 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 폐쇄된다. 제1 삼방밸브(V5)는 제1 팬(31)과 공급제어기(40) 사이 유로를 연결한다.
따라서, 제1 개질기(300)는 합성가스 내 타르의 개질에 사용되고, 제2 개질기(300)의 촉매(400)를 교체하는 경우, 제1 개질기(300)가 개질한 합성가스는 제1 개질기(300)의 제1 배출관(340)에 연결된 제1 팬(31)에 의해 흡출되어 공급제어기(40)로 이동하게 된다.
한편, 제1 개질기(300)는 합성가스 내 타르의 개질에 사용되고, 제2 개질기(300)의 촉매(400)를 교체하는 경우, 제2 개질기(300)의 제1 개폐밸브(V1)는 폐쇄된다. 그리고 제2 개질기(300)의 제2 개폐밸브(V2)는 개방된다.
그리고 제2 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 제1 배출관(340)을 막고 제2 배출관(350)을 개방한다. 또는 제2 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 제1 배출관(340) 및 제2 배출관(350)을 모두 폐쇄한다. 제2 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 개방된다. 이때, 제2 팬(32)의 작동은 중지될 수 있다.
따라서, 제1 개질기(300)는 합성가스 내 타르의 개질에 사용되고, 제2 개질기(300)의 촉매(400)를 교체하는 경우, 제2 개질기(300)의 기존 촉매(400)는 제3 배출관(360)을 통해 외부로 배출된다. 그리고 제3 배출관(360)을 폐쇄한 다음, 신규 촉매(400)가 제2 유입관(330)을 통해 제2 개질기(300) 내부로 투입된다.
제2 개질기(300)의 촉매(400) 교체가 완료되면, 제2 개질기(300)의 제1 개폐밸브(V1)는 개방된다. 그리고 제2 개질기(300)의 제2 개폐밸브(V2)는 폐쇄된다. 제2 개질기(300)의 제3 개폐밸브(V3)는 제2 배출관(350)을 막고 제1 배출관(340)을 개방한다.
따라서 합성가스는 제1 개질기(300) 및 제2 개질기(300)의 제1 배출관(340)에 연결된 제1 팬(31)에 의해 흡출되어 공급제어기(40)로 이동하게 된다. 제1 개질기(300) 및 제2 개질기(300)가 다시 합성가스 내 타르의 개질에 사용되는 정상상태에서, 제2 팬(32)은 작동중지될 수 있다.
본 발명에 의하면, 가스화부(100)의 열에너지는 보온부(200)를 통해 촉매(400)로 전달됨으로써, 가스화 공정에서 합성가스와 함께 생성되는 타르를 공정 효율적으로 개질 제거하도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기(10)를 제공할 수 있게 된다.
또한, 복수의 관통홀(201)을 형성하는 보온부(200)가 본체(120)의 측면을 둘러싸고, 합성가스 내 타르를 개질하는 촉매(400)를 수용하는 복수의 개질기(300)가 관통홀(201)마다 삽입됨으로써, 합성가스 내 타르의 개질 속도를 향상시키면서 동시에, 가스화 장치(1) 전체의 에너지 효율(energy efficiency)을 향상시키도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기(10)를 제공할 수 있게 된다.
또한, 촉매(400)가 연료(F)와 동일 높이에 위치하도록 열교환관(310) 내부에서 촉매(400) 아래에 복수의 다공성 지지체(500)가 충전됨으로써, 촉매(400)의 위치에 따른 합성가스 내 타르의 개질 속도 편차가 발생하지 않도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기(10)를 제공할 수 있게 된다.
아울러, 개질기(300)들 중 어느 일부의 촉매(400)를 교체하거나 재생하는 경우, 개질기(300)들 중 다른 일부가 합성가스 내 타르를 개질함으로써, 촉매(400)를 교체하거나 재생해야 하더라도 가스화 장치(1)의 정상 운행이 가능하도록 이루어지는 타르 개질기 일체형 가스화기(10)를 제공할 수 있게 된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1 : 가스화 장치
10 : 가스화기 50 : 저장조
20 : 집진장치 60 : 가스엔진
30 : 팬 70 : 연소보일러
31 : 제1 팬 V5 : 제1 삼방밸브
32 : 제2 팬 V6 : 제2 삼방밸브
40 : 공급제어기
10 : 가스화기
100 : 가스화부 300 : 개질기
110 : 호퍼 310 : 열교환관
111 : 나이프밸브 320 : 제1 유입관
120 : 본체 330 : 제2 유입관
121 : 가스화공간 340 : 제1 배출관
122 : 그레이트 350 : 제2 배출관
123 : 주입관 360 : 제3 배출관
124 : 배기관 V1 : 제1 개폐밸브
101 : 포집공간 V2 : 제2 개폐밸브
130 : 교반기 V3 : 제3 개폐밸브
140 : 이송장치 V4 : 제4 개폐밸브
200 : 보온부 400 : 촉매
201 : 관통홀 401 : 촉매 유로
11 : 하우징 500 : 다공성 지지체
12 : 지지기둥 501 : 그물망
F : 연료
F1 : 건조영역
F2 : 열분해영역
F3 : 연소영역
F4 : 가스화영역
10 : 가스화기 50 : 저장조
20 : 집진장치 60 : 가스엔진
30 : 팬 70 : 연소보일러
31 : 제1 팬 V5 : 제1 삼방밸브
32 : 제2 팬 V6 : 제2 삼방밸브
40 : 공급제어기
10 : 가스화기
100 : 가스화부 300 : 개질기
110 : 호퍼 310 : 열교환관
111 : 나이프밸브 320 : 제1 유입관
120 : 본체 330 : 제2 유입관
121 : 가스화공간 340 : 제1 배출관
122 : 그레이트 350 : 제2 배출관
123 : 주입관 360 : 제3 배출관
124 : 배기관 V1 : 제1 개폐밸브
101 : 포집공간 V2 : 제2 개폐밸브
130 : 교반기 V3 : 제3 개폐밸브
140 : 이송장치 V4 : 제4 개폐밸브
200 : 보온부 400 : 촉매
201 : 관통홀 401 : 촉매 유로
11 : 하우징 500 : 다공성 지지체
12 : 지지기둥 501 : 그물망
F : 연료
F1 : 건조영역
F2 : 열분해영역
F3 : 연소영역
F4 : 가스화영역
Claims (10)
- 본체에 공급된 연료를 고온에서 공기와 반응시켜 합성가스로 변환하는 가스화부;
상기 본체의 측면을 둘러싸고, 복수의 관통홀을 형성하는 보온부; 및
상기 관통홀마다 삽입되고, 상기 합성가스 내 타르를 개질하는 촉매를 수용하는 복수의 개질기를 포함하고,
상기 가스화부의 열에너지는 상기 보온부를 통해 상기 촉매로 전달되며,
상기 개질기들 중 어느 일부의 상기 촉매를 교체하거나 재생하는 경우, 상기 개질기들 중 다른 일부가 상기 합성가스 내 타르를 개질하는 것을 특징으로 하는 타르 개질기 일체형 가스화기. - 제1항에 있어서,
상기 가스화부가 배출한 상기 합성가스는 집진장치에 의해 분진이 제거되고 나서 상기 개질기들로 유입되는 것을 특징으로 하는 타르 개질기 일체형 가스화기. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 개질기는,
상기 촉매를 수용하고, 세로방향으로 긴 열교환관;
상기 열교환관에 연결되고, 상기 합성가스가 유입되는 제1 유입관;
상기 촉매를 기준으로 상기 제1 유입관과 반대쪽에서 상기 열교환관에 연결되고, 상기 합성가스를 배출하는 제1 배출관; 및
상기 촉매를 교체하거나 재생하는 경우, 상기 제1 유입관을 막는 제1 개폐밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 타르 개질기 일체형 가스화기. - 제4항에 있어서,
상기 개질기는,
상기 열교환관에 연결되는 제2 유입관;
상기 촉매를 재생하는 경우, 상기 제2 유입관을 여는 제2 개폐밸브;
상기 촉매를 기준으로 상기 제2 유입관과 반대쪽에서 상기 열교환관에 연결되고, 상기 촉매를 재생하는 경우 기체를 배출하는 제2 배출관; 및
상기 촉매를 재생하는 경우, 상기 제1 배출관을 막고 상기 제2 배출관을 여는 제3 개폐밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 타르 개질기 일체형 가스화기. - 제4항에 있어서,
상기 개질기는,
상기 열교환관에 연결되는 제2 유입관;
상기 촉매를 교체하는 경우, 상기 제2 유입관을 여는 제2 개폐밸브;
상기 촉매를 기준으로 상기 제2 유입관과 반대쪽에서 상기 열교환관에 연결되고, 상기 촉매를 교체하는 경우 상기 촉매를 배출하는 제3 배출관; 및
상기 촉매를 교체하는 경우, 상기 제3 배출관을 여는 제4 개폐밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 타르 개질기 일체형 가스화기. - 제1항에 있어서,
상기 개질기는,
상기 촉매를 수용하고, 세로방향으로 긴 열교환관;
상기 열교환관에 연결되고, 상기 합성가스가 유입되는 제1 유입관; 및
상기 촉매를 기준으로 상기 제1 유입관과 반대쪽에서 상기 열교환관에 연결되고, 상기 합성가스를 배출하는 제1 배출관을 포함하고,
상기 촉매가 상기 연료와 동일 높이에 위치하도록 상기 열교환관 내부에서 상기 촉매 아래에 충전되는 복수의 다공성 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 타르 개질기 일체형 가스화기. - 제7항에 있어서,
상기 다공성 지지체는 미소 구상(microspheroida)의 실리카 알루미나 촉매(silica-alumina catalyst)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 타르 개질기 일체형 가스화기. - 제1항의 타르 개질기 일체형 가스화기; 및
상기 타르 개질기 일체형 가스화기로부터 합성가스를 흡출하는 복수의 팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 장치. - 가스화기와, 상기 가스화기로부터 합성가스를 흡출하는 복수의 팬을 포함하고,
상기 가스화기는,
본체에 공급된 연료를 고온에서 공기와 반응시켜 합성가스로 변환하는 가스화부;
상기 본체의 측면을 둘러싸고, 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 형성하는 보온부;
상기 제1 관통홀에 삽입되고, 상기 합성가스 내 타르를 개질하는 촉매를 수용하는 제1 개질기; 및
상기 제2 관통홀에 삽입되고, 상기 합성가스 내 타르를 개질하는 촉매를 수용하는 제2 개질기를 포함하고,
상기 제1 개질기 및 상기 제2 개질기는,
상기 촉매를 수용하고, 세로방향으로 긴 열교환관;
상기 열교환관에 연결되고, 상기 합성가스를 배출하는 제1 배출관;
상기 촉매를 재생하는 경우 기체를 배출하는 제2 배출관; 및
상기 촉매를 재생하는 경우, 상기 제1 배출관을 막고 상기 제2 배출관을 여는 제3 개폐밸브를 포함하고,
상기 복수의 팬은,
상기 제1 개질기의 상기 제1 배출관 및 상기 제2 개질기의 상기 제2 배출관과 연결된 제1 팬; 및
상기 제1 개질기의 상기 제2 배출관 및 상기 제2 개질기의 상기 제1 배출관과 연결된 제2 팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 장치.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| KR1020220001354A KR102653928B1 (ko) | 2022-01-05 | 2022-01-05 | 타르 개질기 일체형 가스화기 |
| KR1020230173458A KR20230169046A (ko) | 2022-01-05 | 2023-12-04 | 타르 개질기 일체형 가스화기 |
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| KR20230105838A KR20230105838A (ko) | 2023-07-12 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2004155629A (ja) * | 2002-11-08 | 2004-06-03 | Corona Corp | 水素含有ガス製造装置及びこれを用いた小型燃料電池発電装置 |
| KR101466836B1 (ko) | 2014-05-20 | 2014-11-28 | 삼호환경기술 주식회사 | 고정층 가스화기 |
| JP2019137717A (ja) | 2018-02-06 | 2019-08-22 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | タール成分の処理方法および装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4505247B2 (ja) * | 2004-03-26 | 2010-07-21 | 出光興産株式会社 | 流動層炉におけるタールの除去方法 |
| KR100569120B1 (ko) * | 2004-08-05 | 2006-04-10 | 한국에너지기술연구원 | 바이오메스 정제연료의 저온 촉매가스화 장치 및가스제조방법 |
| KR100912249B1 (ko) | 2008-03-25 | 2009-08-14 | 한국에너지기술연구원 | 타르개질과 수트제거용 촉매반응장치 |
| KR101218976B1 (ko) | 2012-06-26 | 2013-01-09 | 한국에너지기술연구원 | 가변형 가스화기가 구비된 발전과 연소보일러 겸용 가스화 장치 및 그 운전방법 |
| KR102075154B1 (ko) * | 2018-06-29 | 2020-02-10 | 제이엔케이히터(주) | 개질기 |
-
2022
- 2022-01-05 KR KR1020220001354A patent/KR102653928B1/ko active IP Right Grant
-
2023
- 2023-12-04 KR KR1020230173458A patent/KR20230169046A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2004155629A (ja) * | 2002-11-08 | 2004-06-03 | Corona Corp | 水素含有ガス製造装置及びこれを用いた小型燃料電池発電装置 |
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| JP2019137717A (ja) | 2018-02-06 | 2019-08-22 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | タール成分の処理方法および装置 |
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