KR20050016802A - 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치 - Google Patents

유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치

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KR20050016802A
KR20050016802A KR1020030053696A KR20030053696A KR20050016802A KR 20050016802 A KR20050016802 A KR 20050016802A KR 1020030053696 A KR1020030053696 A KR 1020030053696A KR 20030053696 A KR20030053696 A KR 20030053696A KR 20050016802 A KR20050016802 A KR 20050016802A
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강경태
김상용
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 바이오매스의 열분해 및 가스화반응으로부터 수소를 개질하기 위한 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치에 관한 것으로, 유동층과 프리보드가 형성된 유동층 반응로의 가스화 반응에 의하여 수소를 개질하는 수소개질장치에 있어서, 상기 유동층 반응로의 유동화영역으로 블로어에 의하여 유입된 공기를 히터로 가열한 고온의 공기를 공급하여 유동층의 온도를 상승시켜 가스화 분위기를 형성하기 위한 공기공급부; 상기 유동층 반응로의 가스화영역으로 바이오매스를 정량공급하여 열분해 반응 및 가스화 반응을 수행하기 위한 바이오매스투입부; 및 상기 유동층 반응로의 상부로부터 반응영역으로 산화제를 공급하여 열분해된 바이오매스의 가스를 수소로 개질하기 위한 산화제공급부를 포함하여 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치가 구성되고, 특히 바이오매스를 유동층 반응로의 가스화영역에서 고온의 공기로 열분해시키며, 상기 바이오매스가 열분해되어 생성된 합성가스를 반응영역에서 산화제를 공급하여 산화반응시켜 수소를 개질하기 위한 수소개질장치에 관한 것이다.

Description

유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치{DEVICE FOR REFORMING HYDROGEN FROM PYROLYSIS GAS USING THE BUBBLING FLUIDIZED BED FURNACE}
본 발명은 바이오매스의 열분해 및 가스화반응으로부터 수소를 개질하기 위한 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치에 관한 것으로, 특히 바이오매스를 유동층 반응로의 가스화영역에서 고온의 공기로 열분해시키고, 상기 바이오매스가 열분해되어 생성된 합성가스를 반응영역에서 산화제를 공급하여 산화반응시켜 수소를 개질하기 위한 수소개질장치에 관한 것이다.
폐플라스틱과 같은 유기물을 투입하여 유동층 연소로에서 열분해ㆍ가스화하여 얻어진 생성가스로부터 연료전지, 특히 고체고분자형 연료전지에 적합한 수소가스를 제조하는 시스템이 대한민국 특허출원 제2002-7000063호에 게재되어 있으며, 도 5에 상기 시스템 중 가스화공정을 실시하기 위한 장치가 도시되어 있다.
상기 장치의 각 구성요소에서 이루어지는 반응을 설명하면, 원료공급기(201)에 의하여 공급되는 폐플라스틱 등과 같은 가연물(a)을 저온가스화노(202)에 공급하여 가연물(a)을 저온가스화노(202)에서 400 내지 1000℃에서 열분해ㆍ가스화하여 얻어진 생성가스는 그대로 고온가스화노(215)로 보내지고, 고온가스화노(215)에 있어서 1000 내지 1500℃의 온도에서 더욱 가스화되어 저분자화 된다. 고온가스화노(215)의 온도는 생성가스 중에 포함되는 재분이 용융하는 온도 이상으로 유지되어 생성가스 중의 80 내지 90%의 재분은 슬래그화되어 용융슬래그(226)로서 시스템 밖으로 배출된다. 생성가스 중의 유기물, 탄화수소는 고온가스화노(215) 내에서 완전히 수소, 일산화탄소, 수증기, 이산화탄소로까지 분해된다.
상기 고온가스화노(215)로서의 선회형 용융노는 수직의 축선을 가지는 원통형의 1차 가스화실(215a) 및 수평으로부터 약간 아래쪽으로 경사진 2차 가스화실(215b) 및 그 하류에 배치되어 거의 수직의 축선을 가지는 3차 가스화실(215c)에 의하여 구성되어 있다. 상기 2차 가스화실(215b)과 상기 3차 가스화실(215c) 사이에 슬래그배출구(242)를 가지고, 여기서 대부분의 재분은 슬래그화하여 배출된다. 상기 선회형 용융노에 공급되는 생성가스는 1차 가스화실(215a) 내에서 선회류를 일으키도록 접선방향으로 공급된다. 유입된 생성가스는 선회류를 형성하고, 가스 중의 고형분은 원심력에 의하여 주변의 벽면에 포착되기 때문에 슬래그화율, 슬래그포집율이 높고, 슬래그 미립자의 비산이 적다.
상기 선회형 용융노 내에는 화로내를 적정한 온도분포로 유지하도록 복수의 노즐(234)로부터 산소가 공급된다. 상기 1차 가스화실(215a), 2차 가스화실(215b)까지에서 완전히 탄화수소의 분해와 재의 슬래그화를 완료시키도록 온도분포를 조정한다. 산소의 단독공급은 노즐의 소손(燒損) 등을 일으킬 염려가 있으므로 필요에 따라 증기 등으로 희석하여 공급된다. 또 증기는 증기개질에 의한 탄화수소의 저분자화에 기여하기 때문에 부족하지 않게 공급하지 않으면 안된다. 왜냐하면 노내는 고온으로 수증기가 부족하면 축합 중합반응에 의하여 반응성이 현저하게 떨어지는 흑연이 생성되어 미연소 손실의 원인이 되기 때문이다.
상술한 바와 같이 상기 가스화공정을 실시하는 장치는 수소개질을 위한 반응로(215)와 가스화로(202)가 분리되어 있어서, 장치가 복잡하며, 상기 가스화로 상단(220)에서 발생된 가스의 온도가 이동경로(208,209) 부분에서 이동중 하강하여 수소반응로(215)에서 적절한 반응분위기를 형성하기 어렵게되고, 또한 상기 가연물(a)이 가스화된 합성가스가 이동중 온도가 하강할 경우 포함된 미량의 수분이 분진과 함께 응고되어 연결부에 부착되어 누적될 가능성이 있으며, 상기 이동경로(208,209)는 가스화로(202)에서 발생한 분진 등이 누적되어 반응로 운전을 저해할 가능성이 있으며, 상기 가스화로(202)와 상기 반응로(215)로 분리되어 전체 장치의 원활한 유동의 흐름을 위해서는 운전을 송풍기의 용량이 크게 요구되어 효율적이지 못한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로서, 본 발명의 목적은 바이오매스가 유동층 연소로에서 열분해ㆍ가스화되어 생성된 합성가스를 산화반응시켜 수소를 개질하기 위하여 상기 합성가스의 압력 및 온도가 하강되지 않은 상태에서 산화반응될 수 있도록 가스화영역과 반응영역을 유동층 반응로의 내부에 일체로 형성하고, 상기 합성가스의 산화반응을 통하여 다량의 수소를 얻기 위하여 순수한 산소 대신 고온의 공기를 공급하되 상기 공기의 공급량을 조절하여 바이오매스가 부분산화되도록 하며, 부분산화반응에 의하여 생성된 열을 이용하여 흡열반응인 가스화반응을 유도하기 위하여 상기 유동층 반응로의 상부로 산화제(수증기)를 분사시켜 유용가스(H2,CO)의 생성 효율을 높이기 위한 수소개질장치를 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적은, 유동층과 프리보드가 형성된 유동층 반응로의 가스화 반응에 의하여 수소를 개질하는 수소개질장치에 있어서, 상기 유동층 반응로의 유동화영역으로 블로어에 의하여 유입된 공기를 히터로 가열한 고온의 공기를 공급하여 유동층의 온도를 상승시켜 가스화 분위기를 형성하기 위한 공기공급부; 상기 유동층 반응로의 가스화영역으로 바이오매스를 정량공급하여 열분해 반응 및 가스화 반응을 수행하기 위한 바이오매스투입부; 및 상기 유동층 반응로의 상부로부터 반응영역으로 산화제를 공급하여 열분해된 바이오매스의 가스를 수소로 개질하기 위한 산화제공급부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치에 의하여 달성된다.
바람직하게는, 상기 유동층 반응로로 공급되는 공기의 압력 및 유속을 조절하기 위하여 상기 블로어와 상기 히터의 사이에 오리피스를 더욱 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치에 의하여 달성된다.
더욱 바람직하게는, 상기 산화제공급부는, 산화제를 생성하기 위한 스팀보일러;와 상기 스팀보일러로부터 이송된 산화제를 유동층 반응로의 상부에 분사시켜주기 위한 복수의 산화제분사노즐로 이루어진 것을 특징으로 하는 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치에 의하여 달성된다.
또한, 상기 산화제분사노즐은 상기 스팀보일러로부터 연장되어 유동층 반응로의 내측 상부에 위치한 스팀관의 단부가 환형으로 형성되고, 상기 스팀관의 외주면에 사방으로 노즐이 형성된 것을 특징으로 하는 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치에 의하여 달성된다.
본 발명에서는 바이오매스로 제재소에서 목재를 가공한 후 발생되는 톱밥을 사용하였다. 상기 톱밥은 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N) 및 수분(Water)의 성분을 포함하고 있고, 각 성분에 대한 정량분석은 원소분석기(elemental analyser)로 수행하였고, 상기 톱밥의 연소열 측정은 자동봄베열량계(automatic bomb calorimeter)로 수행하였으며, 상기 톱밥의 성분 분석결과는 아래의 표 1과 같다.
탄소(C) 32.27 %
수소(H) 5.44 %
산소(O) 41.95 %
질소(N) 1.53 %
수분(water) 13.8 %
열량(heat value) 4,167 kcal/kg
여기서, 상기 자동봄베열량계는 물질을 밀폐된 용기 속에서 급속히 연소시키고, 상기 물질이 연소될때 발생되는 열량을 측정하는 장치이다.
일반적으로 소각로에서의 연소는 탄화수소물(CxHy) 또는 바이오매스(biomass)가 산소(O2)와 반응하는 발열반응이 주가 되어 일어나면서 완전연소에 의하여 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)이 발생된다. 만일 상기 소각로에 산소의 공급량을 줄여 주면 상기 탄화수소물 또는 상기 바이오매스가 불완전 연소되어 일산화탄소(CO)와 미량의 수소 등이 발생되고, 상기 일산화탄소를 다시 수증기(H2O)와 반응시키면 다량의 수소가 발생된다. 상기 탄화수소물 또는 상기 바이오매스가 수증기와 반응하는 흡열반응은 이들이 산소와 반응하는 발열반응에 비해 반응속도가 매우 느려지기 때문에 생성된 가스의 발열량이 증가된다. 또한, 이러한 반응은 산소를 급격히 소비시켜 가스와 반응에 용이한 고체상의 탄화수소물과 이산화탄소 반응조건을 조성하게 된다. 상기 생성된 가스가 충분한 발열량에 도달되었을 때 수증기(H2O)를 공급하면 화염의 안정, 탄소 전환에 충분한 반응 온도 유지 및 가능한 최대의 냉가스 효율간 균형이 달성된다.
상기 소각로 내에서 탄화물(C(s))이 연소되면서 일어나는 다양한 반응에 대한 반응식 및 흡열반응 또는 발열반응에 대한 열량이 표 2에 기재되어 있다.
반응식 열 량
C(s) + 1/2 O2→ CO -26,400 kcal/Kmole
C(s) + CO2→ 2CO 41,200 kcal/Kmole
C(s) + H2O → CO + H2 41,900 kcal/Kmole
CO + 1/2 O2→ CO2 -67,600 kcal/Kmole
CO + H2O → CO2+ H2 -11,200 kcal/Kmole
C(s) + H2→ CH4 -17,890 kcal/Kmole
이하, 본 발명에 의한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명에 의한 유동층 반응로의 상세도이며, 도 3은 도 2의 A-A선 단면도이다.
본 발명에서 사용된 유동층 반응로(1)는 도 2에 도시된 바와 같이 하부에 유동층(10)이 형성되고 유동층(10) 상부에 프리보드가 형성된 기포식 유동층 반응로이며, 상기 프리보드는 열분해반응 및 가스화반응이 이루어지는 가스화영역(Ⅱ)과 열분해된 바이오매스(30) 가스가 수소로 개질되는 반응영역(Ⅲ)으로 구분되어 있다.
본 발명에 의한 열분해가스 수소개질장치는 유동층 반응로(1), 공기공급부(2), 바이오매스투입부(3), 산화제공급부(4), 합성가스처리부, 가스포집부 및 데이터처리부로 구성되어 있다.
본 발명에 의한 상기 유동층 반응로(1)는 우선 파일로트 플랜트(pilot-plant)규모로 제작하여 시험작동을 하였으며, 실제로 다량의 수소가스를 생성하기 위해서는 유동층 반응로(1) 및 이와 연결되는 각 구성요소들의 스케일이 커져야 함은 자명하다.
상기 유동층 반응로(1)를 이루고 있는 본체는 스테인레스 스틸 STS301로 제작되어 있고, 외부 높이는 2.7m, 내부 높이는 1.8m, 내경이 0.3m로 설계되어 있다.
상기 유동층 반응로(1)의 바닥부에는 유동화 및 연소용 공기 공급을 위한 분산판(11)이 설치되어 있고, 상기 분산판(11)의 상부면에는 복수의 튜이어노즐(Tuyere nozzle)(26)이 형성되어 고온의 공기가 유동층(10)에 골고루 분배되도록 되어 있다. 상기 분산판(11) 중앙에는 모래나 바닥재를 배출시키기 위하여 소각로 외부로 연결되도록 배출구(13)가 설치되어 있다. 또한 상기 본체의 외주면에는 단열을 위하여 세라믹 울(ceramic wool)이 약 0.2m 두께로 감싸져 외부로의 열손실을 최소화 하였다. 상기 유동층 반응로(1) 상부에는 투시창(15) 및 분리 가능한 개폐구가 마련되어 연소시 상기 투시창(15)을 통하여 유동층(10)의 유동상태, 연소에 의한 화염 및 반응로 내부 상태를 볼 수 있도록 되어 있고, 상기 개폐구를 통하여 내부의 청소 및 수리가 용이하도록 되어 있으며, 반응영역(Ⅲ)에 수증기를 공급하여 수소를 개질하기 위한 산화분사노즐이 설치되어 있으며, 상단부 일측에는 바이오매스(30)의 열분해 및 가스화반응에 의하여 생성된 합성가스(H2,CO)가 합성가스포집부로 이송되도록 배기관이 형성되어 있다.
상기 유동층 반응로(1)의 중단부 일측에는 스크류피더(31)에 의하여 정량공급되는 바이오매스(30)가 투입되도록 투입구(14)가 경사지게 형성되어 있고, 상기 바이오매스(30)의 투입시 상기 유동층 반응로(1)의 내벽에 부착되지 않도록 상기 투입구(14)가 내측으로 연장되어 있다.
상기 공기공급부(2)는 상기 유동층 반응로(1)의 하부를 통하여 고온의 공기를 공급하여 유동층(10)의 온도를 상승시켜 가스화 분위기를 형성하기 위하여 블로어(20), 오리피스(21), 히터(23), 콘트롤러(24), 챔버(25) 및 튜이어노즐(26)로 이루어져 있다.
상기 블로어(20)는 외기를 흡입하여 히터(23)로 송풍하기 위하여 출구에 공기공급관(22)이 연결되어 있고, 7.5kW 용량의 송풍기가 설치되어 인버터에 의하여 제어되도록 하였다. 상기 오리피스(21)는 상기 블로어(20)와 상기 히터(23)의 사이 즉, 공기공급관(22)의 중간에 설치되어 유동층 반응로(1)로 공급되는 공기의 압력 및 유속을 측정하고 조절하도록 되어 있다.
상기 히터(23)는 상기 블로어(20)에 의하여 흡입된 공기를 가열한 후 상기 유동층 반응로(1)에 고온의 공기를 공급하여 유동층(10)의 온도를 상승시켜 가스화 분위기를 형성하기 위한 구성으로 본 발명에서는 공기를 400 내지 500℃까지 간접 가열하기 위하여 애자의 외주면에 칸탈선이 감겨진 히터(23)가 사용되었고, 15kW급 1기, 10kW급 2기가 각각 설치되었다.
상기 히터(23)에 의한 공기의 가열방법은 전기저항에 의한 간접 가열방법으로 1000℃ 이하의 온도에서는 발열체로 니크롬선과 철크롬선이 주로 사용되고, 1000 내지 1400℃의 온도 범위에서는 발열체로 탄화규소·칸탈선 등이 주로 사용되며, 1400℃ 이상의 온도에서는 규화몰리브덴이 사용되고 있으며, 상기 히터(23)에 의한 저항가열은 효율적으로 고온을 얻을 수 있고, 온도를 자유롭게 제어할 수 있기 때문에 가연물 또는 바이오매스(30)의 종류에 따라 적절하게 히터(23)를 선정하여 유동층(10)을 예열하는데 사용될 수 있다. 여기서, 상기 칸탈선(Kanthal wire)은 합금계(合金系)로서는 철-크롬-알루미늄계에 속하고, 표준성분은 크롬 23%, 알루미늄 6%로 그 외에 코발트 2%를 함유하고 있으며, 인장강도가 1㎟당 75∼80kg이며, 니켈을 주성분으로 하는 니크롬보다 값이 저렴하다.
상기 콘트롤러(24)는 상기 블로어(20)에 의하여 공급된 공기의 가열온도를 조절하기 위하여 상기 히터(23)와 전기적으로 연결되어 히터(23)에 인가되는 전류 또는 전압을 조절하여 히터(23)의 발열량을 직접 제어하도록 설치되어 있다. 상기 히터(23)에 의하여 가열된 고온의 공기는 공기공급구(12)에 연결된 공기공급관(22)을 통하여 본체의 하부에 형성된 밀폐 공간인 챔버(25)에 모여져 챔버(25) 내에서 균일하게 압력이 분포되며, 이러한 상태의 공기가 균일한 압력으로 유동층(10)에 공급되어 고르게 가열되도록 상기 유동층 반응로(1)의 바닥부에 복수의 튜이어노즐(26)이 형성되어 있다.
상기 바이오매스투입부(3)는 바이오매스(30)를 정량공급하여 열분해 반응 및 가스화 반응을 수행하기 위한 구성으로 상기 바이오매스(30)가 상기 유동층 반응로(1)의 가스화영역(Ⅱ)으로 투입되도록 본체의 중단부에 일체로 형성되어 있다.
상기 바이오매스투입부(3)는 바이오매스(30)를 저장하기 위한 호퍼(34)와 상기 호퍼(34)의 하부에 설치되어 모터(32)와 연결된 스크류(33)의 회전수에 따라 상기 바이오매스(30)를 정량 투입하기 위한 스크류피더(31)로 구성되어 있다.
상기 유동층 반응로(1)의 연속 운전을 위해서는 바이오매스(30)를 연속적으로 투입하고 그 투입량이 일정하게 유지되도록 이를 정량화 해야 하기 때문에 도 1와 같이 스크류(33) 방식의 공급기가 설치되었다. 상기 스크류피더(31)에 의하여 투입되는 바이오매스(30)는 함수율 또는 투입 연료의 입자 성상에 따라 투입율이 상이하므로 함수율에 따른 투입량을 상기 스크류피더(31)의 스크류(33) 회전수에 따라 정량을 보정(calibration)하였다.
상기 산화제공급부(4)는 가스화영역(Ⅱ)에서 열분해된 바이오매스(30)의 가스를 수소로 개질하기 위한 구성으로 산화제인 수증기(H2O)가 유동층 반응로(1)의 반응영역(Ⅲ)으로 공급되도록 본체의 내측 상부에 스팀관(41)이 연장 형성되어 있다.
상기 산화제공급부(4)는 산화제를 생성하기 위한 스팀보일러(40)와 상기 스팀보일러(40)로부터 이송된 산화제를 유동층 반응로(1)의 상부에 분사시켜주기 위한 복수의 산화제분사노즐(42)로 구성되어 있다. 여기서, 상기 산화제분사노즐(42)은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 스팀보일러(40)로부터 스팀관(41)이 연장되어 유동층 반응로(1)의 내측 상부에 스팀관(41)의 단부가 환형으로 형성되고, 상기 스팀관(41)의 외주면에 사방으로 노즐이 형성되어 있으며, 도 2에서는 상기 노즐이 환형의 스팀관(41)의 상향으로 돌출 형성되어 있지만 효율 증대를 위하여 상기 노즐을 하향 또는 상,하향으로 형성하여 사용하는 것도 가능하다.
상기 데이터처리부는 유동층 반응로(1)와 공기공급부(2)의 압력 및 온도 변화를 측정하고, 데이터를 수집 및 처리하기 위하여 센서(71), 표시기(73), 가스분석기(72), 데이터수집기(74) 및 컴퓨터(75)로 이루어져 있다.
상기 센서(71)는 압력센서와 열전대(K-type thermo-couple)로 구성되어 있고, 상기 센서(71)가 유동층 반응로(1) 본체의 유동화영역(Ⅰ), 가스화영역(Ⅱ) 및 반응영역(Ⅲ)에 해당되는 위치와 상기 공기공급부(2)의 오리피스(21) 입출구에 각각 설치되어 운전조건에 대한 유동층 반응로(1) 내부 각 지점의 압력과 온도 변화가 측정되도록 하였다. 여기서, 상기 압력센서는 허용범위 1,000mmAq 인 제품이 사용되었다. 또한, 상기 센서(71)로부터 수신된 압력 및 온도의 신호를 수치로 변환하여 실시간으로 보여주기 위하여 복수의 표시기(indicator)(73)가 설치되어 있으며, 상기 센서(71)에 의하여 발생된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 컴퓨터(75)로 저장하기 위하여 데이터수집기(data aquisition)(74)가 상기 표시기(73)의 출력단에 연결되어 있다. 상기 컴퓨터(75)에는 상기 데이터수집기(74)의 데이터를 처리하기 위하여 National Instruments사의 Labview 5.0가 설치되어 있고, 상기 Labview 5.0이 제공하는 화면에는 상기 센서(71)로부터 수신된 온도 및 압력에 대한 정보가 설정된 시간 마다 디스플레이되면서 저장되어 유동층 반응로(1)의 유동화 상태 및 연소 상태가 실시간으로 모니터 된다.
상기 가스분석기(72)는 통상의 가스 크로마토그래프(Gas Chromatograph; GC)를 사용하였고, 표 3에 상기 크로마토그래프의 분석조건이 기재되어 있으며, 가스를 검출하기 위한 검출기는 전도도 검출기(Thermal Conductivity Detector; TCD)를 사용하였다. 상기 유동층 반응로(1)에서 생성된 합성가스는 사이클론(5) 후단에 설치된 프로브(probe)(71')를 통해서 합성가스 포집펌프(reaction gas capture pump)를 이용해 테프론 백(taflon bag)에 포집하여 실시간으로 분석된다. 상기 합성가스의 정량분석을 위하여 표준 수소가스 5 내지 150㎕ 까지 분석되어 수소 검출량을 보정한 후 합성가스의 수소량이 측정된다.
분석조건
Detector TCD
Column Molecular Sieve 5A
Carrier gas N2
Amount of injection 100㎕
Oven temp. 60℃
Injection temp. 60℃
Detector temp. 150℃
상기 합성가스처리부는 통상의 소각로 또는 반응로에서 발생된 연소가스를 후처리하기 위한 장치로서 사이클론(5), 습식세정기(quencher)(6), 배기팬(61) 등으로 구성되어 있다. 상기 사이클론(5)은 합성가스에서 비산재를 분리하기 위하여 설치되어 있고, 대략 0.3m의 직경으로 형성되어 있다. 상기 유동층 반응로(1)의 연속 운전시 투입구(14) 측으로 합성가스가 역류하여 바이오매스(30)를 건조시켜 호퍼(34) 및 스크류(33)에 부착되어 바이오매스(30)의 공급이 원활하게 이루어지지 못하는 문제점을 해결하기 위하여 상기 습식세정기(6)의 출구측에 배기팬(61)을 설치하여 합성가스를 강제로 배기시켜 역류를 방지하도록 하였다. 또한 고온의 합성가스에 의한 배기팬(61)의 손상과 잔류 비산재의 방출을 방지하기 위하여 습식세정기(6)를 사이클론(5)의 배기구와 배기팬(61) 사이에 설치하여 상기 습식세정기(6)의 내부에 설치된 워터노즐(60)에서 분사되는 물에 의하여 합성가스의 비산재를 처리함과 동시에 고온의 합성가스를 냉각시켜 적정온도로 배기되도록 하였다.
(실시예)
일반적으로 가연물 또는 바이오매스(30)가 열분해된 가스와 수증기, 연소용 공기를 이용하여 유동층 반응로(1)에서 수소를 생성할 수 있다고 알려져 있다.
상기한 방법은 먼저 수증기와 공기를 함께 혼합하여 유동층 반응로(1)에 투입하면서 유동층(10)을 유동화시키고, 유동화영역(Ⅰ)에서 공기는 가연물이나 바이오매스(30)를 부분 산화시킴으로써 흡열반응인 가스화반응에 필요한 열을 공급하게 되며, 이 열을 이용하여 공급된 수증기와 흡열반응을 일으켜 유용한 가스를 생성하게 된다. 실제로 유동층 반응로(1)에서 가연물이나 바이오매스(30)가 산소와 반응하여 일산화탄소와 이산화탄소를 동시에 발생하게 되며, 이러한 경우 이산화탄소에 대한 일산화탄소의 발생비(CO/CO2)는 반응로의 온도나 공급되는 공기(산소)의 비에 따라 결정된다. 따라서 유용한 가스를 많이 생성하기 위해서는 가능한 완전연소 반응을 억제시키면서 부분 산화반응에 의해 생성된 열을 이용하여 산화제가 흡열반응인 가스화 반응에 필요한 열을 공급하면서 가스화 반응을 유도하는 것이 필요하다.
본 발명에 의한 유동층 반응로(1)의 운전방법은 유동층(10)의 형성, 유동층 반응로(1)의 예열 및 정상운전과 같이 3단계로 구분되는데 상기 유동층(10)의 형성을 위한 최소 유동화속도는 압력 변동분 측정을 위한 유동층(10) 상태 모니터링 실험에서 얻어진 최소 유동화속도를 이용하되 상기 실험에 의한 최소 유동화속도의 2 내지 3배 속도로 설정하였다.
가스화반응은 바이오매스(30)내의 수분과 휘발분의 일부가 600℃에서 열분해되어 제거되고 수증기를 실험조건의 유속에 맞추어 주입하면서 유동층(10)의 온도가 반응 조건의 온도에 도달하면 유동층 반응로(1) 내부의 온도, 유동층(10) 높이, 압력을 확인하면서 바이오매스(30)를 투입한다. 따라서, 상기 유동층 반응로(1)의 예열은 전기히터를 이용하여 500℃로 예열된 공기를 유동층(10)이 유동화된 상태에서 유동층 반응로(1)의 유동화영역(Ⅰ) 내로 공급하여 유동층(10)의 온도를 400℃로 올린 다음 바이오매스(30)를 가스화영역(Ⅱ)으로 투입하여 유동층(10)의 온도가 900℃ 이상인 정상 가스화반응 상태에서 반응영역(Ⅲ)으로 바이오매스(30)와 증기(steam)를 투입한다. 상기 유동층 반응로(1)가 정상 상태가 되면 시간당 18kg의 바이오매스(30)인 톱밥을 스크류피더(screw feeder)(31)를 통해서 투입하고, 반응온도와 유동화 상태를 확인하면서 수증기(H2O)를 투입하여 가스화반응을 수행하고 상기 가스화반응에 의해서 생성된 합성가스는 사이클론(cyclone)(5)을 통하여 분진이나 입자들을 포집하고 여과기(미도시됨)의 냉각 튜브(미도시됨)를 거쳐 가스 크로마토그래프(gas chromatograph)를 분석하였다.
도 4는 본 발명에 의한 산화제공급량 및 공기공급량의 변화에 따른 수소부피비의 관계를 도시한 그래프이며, 도 4의 그래프에서 U는 유동화속도를 H2는 생성된 수소가스의 부피비를 각각 나타낸다.
일반적으로 유동층 반응로(1)에서는 반응온도, 투입공기량(O2), 투입증기량(H2O)에 따라 생성되는 가스의 조성이 달라진다. 따라서 본 발명에 의한 유동층 반응로(1)에서는 흡열반응에 유리한 충분한 반응온도가 형성된 상태에서 공급되는 공기량과 증기량을 조절하였을때 이에 따른 가스의 조성이 달라지는 정도를 모니터하고 이를 그래프화하여 합성가스의 생성에 참조하도록 하였다.
도 4는 유동층 반응로의 반응영역(Ⅲ)의 온도를 900 내지 1000℃로 유지시킨 상태에서 수증기의 공급량을 0.3, 0.5kg/㎤으로 각각 변환시킬때 수소의 생성량을 측정한 결과가 도시되어 있다.
도 4의 그래프에 의하면, 수소의 생성은 유동화속도가 낮을 수록 크게 나타났으며 수증기의 양이 많아지면 생성량이 증가하는 것을 알 수 있다. 유동화속도가 낮을 수록 수소의 생성량이 커지는 것은 상기 유동화 반응로에서 공기로 유동화를 시키기(유동층(10)을 형성하기) 때문에 유동화속도의 증가는 상기 유동화 반응로내 공기 공급량의 증가를 의미하므로 수증기와 반응하여 수소를 생성해야 할 일산화탄소(CO)가 연소되어 이산화탄소(CO2) 등으로 전환되어 배출되거나 유동화 반응로 내에 체류하는 시간이 짧아져서 일산화탄소(CO)가 증기와 반응하지 않고 다량 배기구로 배출되기 때문이다. 따라서, 상기 유동화 반응로 내에 유동화를 유지시키는 범위내에서 공기량을 최소로 운전하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명은 바이오매스가 유동층 연소로에서 열분해ㆍ가스화되어 생성된 합성가스를 산화반응시켜 수소를 개질하기 위한 통상의 유동층 반응로는 하부에 유동층이 형성되어 연소를 위하여 공급된 고온의 공기가 상기 유동층을 가열하기 위한 유동화영역, 상기 유동층의 상부 즉, 유동층 반응로의 중단부로 바이오매스가 공급되어 고온의 공기에 의하여 바이오매스를 부분 산화시킴으로써 흡열반응인 가스화반응에 필요한 열을 공급하게 하기 위한 가스화영역 및 상기 유동층 반응로의 상부를 통하여 공급된 수증기와 흡열반응을 일으켜 유용한 가스(합성가스)를 생성하기 위한 반응영역으로 구분되어 있으며, 상기 가스화영역과 상기 반응영역이 유동층 반응로의 내부에 일체로 형성되어 있어서 상기 가스화영역에서 부분 산화되어 생성된 바이오매스가스가 상기 반응영역에서 흡열반응이 이루어질때 반응을 위한 온도 분위기의 형성에 유리하여 상기 바이오매스가스의 압력 및 온도가 하강되지 않은 상태에서 산화반응이 수행되었다. 특히 합성가스의 생성량이 공급되는 수증기의 양에 따라 증감되기 때문에 상기 반응영역으로 공급되는 수증기에 의하여 바이오매스가스의 산화반응을 유도하는 것이 중요하므로 상기 반응영역에 환형의 증기관을 형성하고 그 외주면에 방사상으로 노즐을 형성하여 수증기가 공급되었을때 반응영역 전체에 대하여 고르게 분사되어 상기 바이오매스가스의 산화반응을 촉진시켜 대량의 합성가스(수소를 포함한 연소가스)를 얻을 수 있었다. 또한 합성가스의 생성량이 공급되는 고온의 공기량에 따라 증감되기 때문에 공기공급관의 중간에 오리피스를 설치하여 공기의 압력 및 유속을 조절함으로써 유동화영역으로 공급되는 공기의 양을 조절하는 것이 가능해졌다. 아울러, 본 발명에 의한 유동층 반응로의 유동층영역에 공급되는 연소 열원으로 공기를 사용하였기 때문에 쉽게 수집하여 공급할 수 있었고, 상기 유동층 반응로를 포함하는 수소개질장치의 구성이 단순하기 때문에 고장의 염려가 적어서 유지 및 보수에 유리할 뿐만 아니라 설비비의 부담이 감소되었다.
도 1은 본 발명에 의한 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치의 개략도,
도 2는 본 발명에 의한 유동층 반응로의 상세도,
도 3은 도 2의 A-A선 단면도,
도 4는 본 발명에 의한 산화제공급량 및 공기공급량의 변화에 따른 수소부피비의 관계를 도시한 그래프,
도 5는 종래의 가스화공정을 실시하기 위한 장치이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1: 유동층 반응로 2: 공기공급부
3: 바이오매스투입부 4: 산화제공급부
5: 사이클론 6: 습식세정기
10: 유동층 11: 분산판
12: 공기공급구 13: 배출구
14: 투입구 15: 투시창
20: 블로어 21: 오리피스
22: 공기공급관 23: 히터
24: 콘트롤러 25: 챔버
26: 튜이어노즐 30: 바이오매스
31: 스크류피더 32: 모터
33: 스크류 34: 호퍼
40: 스팀보일러 41: 스팀관
42: 산화제분사노즐 60: 워터노즐
61: 배기팬 71: 센서
71': 프로브 72: 가스분석기
73: 표시기 74: 데이터수집기
75: 컴퓨터

Claims (4)

  1. 유동층(10)과 프리보드가 형성된 유동층 반응로(1)의 가스화 반응에 의하여 수소를 개질하는 수소개질장치에 있어서,
    상기 유동층 반응로(1)의 유동화영역(Ⅰ)으로 블로어(20)에 의하여 유입된 공기를 히터(23)로 가열한 고온의 공기를 공급하여 유동층(10)의 온도를 상승시켜 가스화 분위기를 형성하기 위한 공기공급부(2);
    상기 유동층 반응로(1)의 가스화영역(Ⅱ)으로 바이오매스(30)를 정량공급하여 열분해 반응 및 가스화 반응을 수행하기 위한 바이오매스투입부(3); 및
    상기 유동층 반응로(1)의 상부로부터 반응영역(Ⅲ)으로 산화제를 공급하여 열분해된 바이오매스(30)의 가스를 수소로 개질하기 위한 산화제공급부(4);
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유동층 반응로(1)로 공급되는 공기의 압력 및 유속을 조절하기 위하여 상기 블로어(20)와 상기 히터(23)의 사이에 오리피스(21)를 더욱 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화제공급부(4)는,
    산화제를 생성하기 위한 스팀보일러(40);와
    상기 스팀보일러(40)로부터 이송된 산화제를 유동층 반응로(1)의 상부에 분사시켜주기 위한 복수의 산화제분사노즐(42);
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 산화제분사노즐(42)은 상기 스팀보일러(40)로부터 연장되어 유동층 반응로(1)의 내측 상부에 위치한 스팀관(41)의 단부가 환형으로 형성되고, 상기 스팀관(41)의 외주면에 사방으로 노즐이 형성된 것을 특징으로 하는 유동층 반응로를 이용한 열분해가스 수소개질장치.
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