KR20060104718A - High temperature air gasification process for hydrogen production and apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소제조용 고온공기 가스화방법 및 그 장치에 관한것으로, 그 목적은 가스화제로서 산소 대신 고온공기를 사용하여, 고온하에서 무촉매, 부분산화 및 수증기 반응으로 탄화수소 연료로부터 부분산화 반응 및 흡열 가스화반응에 의해 가장 간단한 분자 형태인 H2 및 CO로 구성되는 가스를 제조하는 고온공기 가스화 방법 및 장치를 제공하는데 있다.The present invention relates to a high temperature air gasification method and apparatus for producing hydrogen, the object of which is to use a high temperature air instead of oxygen as a gasifier, partial oxidation reaction and endothermic gasification from hydrocarbon fuel in a non-catalytic, partial oxidation and steam reaction at high temperature To provide a hot air gasification method and apparatus for producing a gas consisting of H 2 and CO in the simplest molecular form by reaction.
본 발명의 구성은 가스화반응기에 공급되는 탄화수소계의 저급연료에 고온의 공기를 가스화제로 공급하여 가스화 반응시켜 수소를 생산하는 방법과 이를 수행하는 장치 구성을 그 기술적 특징으로 한다.The configuration of the present invention has a technical feature of a method of producing hydrogen by supplying hot air to the hydrocarbon-based lower fuel supplied to the gasification reactor with a gasifier and gasifying the gas, and a device configuration for performing the same.
수소제조, 고온공기, 가스화, 석탄, 폐기물 Hydrogen production, hot air, gasification, coal, waste
Description
도 1은 본 발명 고온공기 가스화장치 중 가스화반응기의 개념도,1 is a conceptual diagram of a gasification reactor in the high temperature air gasifier of the present invention,
도 2는 본 발명 고온공기 가스화 반응기를 포함한 가스화장치 설계도,2 is a design diagram of a gasifier including the present invention a high temperature air gasification reactor,
도 3은 본 발명 고온공기 가스화반응기의 설치사진이다.Figure 3 is a photograph of the installation of the high temperature air gasification reactor of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
(1) : 고온공기 제조장치 (2) : 고온공기 가스화반응기(1) high temperature air manufacturing apparatus (2) high temperature air gasification reactor
(3) : 연료공급장치 (21) : 분류층(3): fuel supply device (21): classification bed
(22) : 축열층부위 (23) : 열전쌍(22): heat storage layer portion (23): thermocouple
(24) : 열교환기 (25) : 가스 배출구 24: heat exchanger 25: gas outlet
(26) : 보조창 (27) : 가스분석기(26): auxiliary window (27): gas analyzer
(28) : 보조버너 (31) : 호퍼(28): auxiliary burner (31): hopper
(32) : 스크류피더(32): screw feeder
본 발명은 수소제조용 고온공기 가스화방법 및 그 장치에 관한것으로, 자세 하게는 고형의 저급탄화수소 연료(석탄, 바이오매스 및 폐기물)를 이용한 수소생산 기술과 관련된 것으로, 특히 기존의 가스화공정에서 산소를 산화제로 사용하는 것과 달리 고온의 공기를 가스화제로 사용하여 투자비를 크게 줄일 수 있으며, 향후 연료전지 등과 같은 분산형 발전기술로의 적용이 가능한 신개념의 가스화 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a high temperature air gasification method and apparatus for producing hydrogen, and more particularly, to a hydrogen production technology using solid low hydrocarbon fuels (coal, biomass and waste). Unlike using it, it is possible to greatly reduce the investment cost by using high temperature air as a gasifier, and it relates to a new concept gasification technology that can be applied to distributed power generation technology such as fuel cell in the future.
새로운 에너지원으로 부각되고 있는 수소에너지는 석유, 석탄 등과 같은 1차 에너지가 아니며 1차 에너지를 변환시켜 얻을 수 있는 2차 에너지이다. Hydrogen energy, which is emerging as a new energy source, is not primary energy such as petroleum or coal, but secondary energy that can be obtained by converting primary energy.
상기 수소에너지는 물, 화석연료, 바이오매스등 천연자원으로부터 얻을 수 있는 청정에너지이며, 탄소성분이 없으므로 발전용으로 사용후 생성물이 환경을 오염시키지 않는 장점을 지니고 있다. The hydrogen energy is a clean energy that can be obtained from natural resources such as water, fossil fuels, and biomass, and has no advantage in that the product does not pollute the environment after being used for power generation because there is no carbon component.
그러나 수소는 우리 주위에서 가장 흔한 자원이지만 독립적인 에너지원으로 얻기가 힘들며, 독립적으로 생산할 수 있다면 발전용으로 에너지를 공급할 수 있는 효과적인 연료가 될 수 있다. But hydrogen is the most common resource around us, but it is difficult to obtain as an independent energy source, and if it can be produced independently, it can be an effective fuel for power generation.
연료전지 등 수소이용 발전기술이 점차 현실화됨에 따라 근시일내에 수소를 대량으로 제조할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다. 수소제조방법은 천연가스개질방법, 전기분해방법, 열화학적 방법, 광촉매분해반응, 가스화 방법에 의해서 생산이 가능하다. 화석연료로부터의 수소 제조방법의 선택은 천연가스나 나프타와 같은 청정고급 연료 이용방법과 석탄이나 중질유 같은 저급 탄화수소계 연료를 이용 하는 방법이 있다. As hydrogen-based power generation technologies such as fuel cells become more realistic, there is a demand for developing a technology capable of producing a large amount of hydrogen in the near future. Hydrogen production method can be produced by natural gas reforming method, electrolysis method, thermochemical method, photocatalytic decomposition reaction, gasification method. The choice of hydrogen production from fossil fuels includes the use of clean high-grade fuels such as natural gas or naphtha and the use of lower hydrocarbon fuels such as coal and heavy oil.
이들 수소생산 기술중 최근의 고유가 및 환경문제와 결부되어 CO2 발생이 없는 풍력, 태양열 및 원자력을 이용한 물분해 수소제조기술 등과 같은 대체에너지 이용기술에 대한 많은 연구가 진행되고 있으나, 아직까지 경제성 확보가 어려우며 상용화를 위한 추가적인 기술개발 노력과 시간이 요구되고 있다. The hydrogen production technology of coupled with recent high oil prices and environmental concerns of CO 2 occurs, but this is a lot of research on alternative energy using technologies such as wind, water decomposition of hydrogen production technology using solar and nuclear progress is not, yet ensure affordability to It is difficult and requires additional technology development effort and time for commercialization.
천연가스 등을 이용하는 방법은 초기투자비는 저렴하나 연료비가 차지하는 비중이 크며 향후 가격상승 요인을 감안한다면 국내에서는 저급탄화수소 연료를 수소생산에 적용하는 기술의 개발이 절실한 실정이다. In the case of using natural gas, the initial investment cost is low, but the fuel cost is large, and considering the price increase factor in the future, it is urgently needed to develop a technology for applying low-hydrocarbon fuel to hydrogen production in Korea.
왜냐하면 국내의 경우 경질유, 가스, 전기등과 같은 고급에너지의 소비가 증가하고 있는 반면, 석탄, 바이오매스 및 폐기물 등과 같이 취급이 불편한 저급연료나 발열량이 낮은 연료 등은 이용도가 더욱 낮아지게 되어 환경친화적인 고급연료로 전환할 필요가 있기 때문이다.In Korea, the consumption of high-grade energy such as light oil, gas, electricity, etc. is increasing, while low fuel or low calorific fuel, such as coal, biomass, and waste, which are inconvenient to handle, are becoming less available. That's because they need to switch to friendly, premium fuel.
일반적으로 기존의 저급탄화수소 연료의 가스화 기술은 순산소를 사용하고 있어 가스화 플랜트(plant)에는 산소분리장치가 필수적이며 대형화 위주로 이루어졌는데, 대형 시스템은 투자비가 많이 소요되고 분산형 발전방식에는 적용하기 어려운 점을 안고 있다. 따라서, 분산형 발전 방식에 이용될 수 있는 규모의 가스화기 개발과 합성가스 및 수소의 이용 기술 개발이 필요한 실정에 있다.In general, the existing gasification technology of low-hydrocarbon fuel uses pure oxygen, so oxygen separation device is essential for gasification plant, and it is mainly made up of large size. Large system requires a lot of investment cost and it is difficult to apply to distributed power generation method. I have a point. Therefore, there is a need for the development of gasifiers that can be used for distributed power generation and the development of technologies for using syngas and hydrogen.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 가스화제로서 산소 대신 고온공기를 사용하여, 고온하에서 무촉매, 부분산화 및 수증기 반응으로 탄화수소 연료로부터 부분산화 반응 및 흡열 가스화반응에 의해 가장 간단한 분자 형태인 H2 및 CO로 구성되는 가스를 제조하는 고온공기 가스화 방법 및 장치를 제공하는데 있다.The object of the present invention to solve the above problems is to use the hot air instead of oxygen as the gasifier, the simplest molecule by partial oxidation reaction and endothermic gasification reaction from hydrocarbon fuel in the absence of catalyst, partial oxidation and steam reaction at high temperature To provide a hot air gasification method and apparatus for producing a gas consisting of H 2 and CO in the form.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 가스화반응기에 공급되는 탄화수소계의 저급연료에 고온의 공기를 가스화제로 공급하여 가스화 반응시켜 수소를 생산하는 방법을 특징으로 한다.The present invention to achieve the object as described above and to perform the problem for eliminating the conventional drawbacks is a method of producing hydrogen by supplying a high temperature air gasifier to the hydrocarbon-based low-grade fuel supplied to the gasification reactor gasification reaction It is characterized by.
상기 가스화반응기는 분류층 가스화로의 하부에 축열체 부위(Pebble bed)를 배치하여 용융회재의 효과적인 회수와, 미반응 고체생성물(char)을 축열체 부위(pebble bed)에 머물게 하여 반응시간을 증가시켜 반응성을 확보함과 동시에 축열기능을 갖도록 하여 열적 완충성을 확보토록 하는 방법을 특징으로 한다.The gasification reactor increases the reaction time by arranging a pebble bed in the lower part of the fractionation bed gasifier, thereby effectively recovering the molten ash and allowing the unreacted solid product to stay in the pebble bed. It is characterized in that the method to ensure the thermal buffering properties by ensuring the reactivity and at the same time have a heat storage function.
상기에서 축열체 부위(Pebble bed)는 고온용 세라믹 볼을 충전한 층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The heat storage part (Pebble bed) is characterized in that consisting of a layer filled with a high-temperature ceramic ball.
상기 고온공기는 1000℃이상으로 가열된 고온 공기인 것을 특징으로 하는데 고온의 공기 일수록 순산소를 가스화제로 사용하는 것과 같은 결과를 얻을 수 있 다.The hot air is characterized in that the hot air heated to 1000 ℃ or more, the higher the temperature of the air can be obtained the same result as using pure oxygen as a gasifier.
상기 고온공기는 수증기와 같이 공급되어 연료와 반응하게 된다.The hot air is supplied with water vapor to react with the fuel.
상기와 같은 방법이 수행되는 본 발명의 장치 구성은 고온의 공기를 제조하여 가스화 장치로 공급하는 고온공기 제조장치와; The apparatus configuration of the present invention in which the above method is carried out comprises: a high temperature air production apparatus for producing hot air and supplying it to a gasifier;
탄화수소계의 저급연료를 가스화 장치로 공급하는 연료공급장치와;A fuel supply device for supplying a hydrocarbon-based lower fuel to a gasifier;
상기 고온공기 제조장치와 연료공급장치로 부터 공급되는 탄화수소계의 저급연료와 고온공기가 혼합 반응하여 수소를 생산하는 고온공기 가스화반응기로 구성하되, 고온공기 가스화반응기는 분류층 가스화로의 하부에 축열체 부위(Pebble bed)를 배치하여 용융회재의 효과적인 회수와 미반응 고체생성물(char)을 축열체 부위(pebble bed)에 머물게 하여 반응시간을 증가시켜 반응성을 확보함과 동시에 축열기능을 갖도록 하여 열적 완충성을 확보토록 구성한 것을 특징으로 한다.It is composed of a high temperature air gasification reactor for producing hydrogen by the reaction of the hydrocarbon-based low-grade fuel and the high temperature air supplied from the high temperature air production device and the fuel supply device, the hot air gasification reactor is heat storage at the bottom of the fractionation bed gasifier The placement of the Pebble Bed enables effective recovery of the molten ash and the unreacted solid product (char) to stay in the Pebble Bed to increase the reaction time to ensure reactivity and to have a heat storage function. It is characterized in that it is configured to ensure buffering properties.
상기 고온공기 가스화반응기는 반응기 내부의 온도 측정을 위하여 반응기 내부용 4개 및 반응기 벽면 내화재의 온도 측정용 3개의 열전쌍(thermocouple)을 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.The hot air gasification reactor is characterized in that it comprises four thermocouples for measuring the temperature inside the reactor and the reactor wall refractory material for measuring the temperature inside the reactor.
상기 고온공기 제조장치는 공기의 온도 조절을 용이하게 하기 위해 전기히터를 사용하여 구성한 것을 특징으로 한다.The hot air production apparatus is characterized in that it is configured using an electric heater to facilitate the temperature control of the air.
상기 연료 공급장치는 호퍼와 스크류피더(screw feeder)로 구성한 것을 특징으로 한다.The fuel supply device is characterized by consisting of a hopper and a screw feeder (screw feeder).
상기 호퍼에 공급되는 연료(석탄, 바이오매스 및 폐기물 등)를 사전에 건조 하는 건조기를 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.It characterized in that it further comprises a dryer for drying the fuel (coal, biomass and waste, etc.) supplied to the hopper in advance.
상기 고온공기 가스화반응기 후단부에 배가스 냉각용 열교환기를 더 포함하여 설치 구성한 것을 특징으로 한다.The exhaust gas cooling heat exchanger is further provided at the rear end of the high temperature air gasification reactor.
상기 고온공기 가스화반응기는 가스화 반응 초기에 반응 온도인 1,200℃ 이상으로 유지하여 축열체 부위(pebble bed)에 충분한 축열이 이루어지도록 하기 위하여 가스화 내부 예열용 LPG용 보조버너를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.The high temperature air gasification reactor is characterized in that it comprises a gas burner internal preheating LPG auxiliary burner in order to maintain a temperature of more than 1,200 ℃ at the initial reaction of the gasification reaction so that sufficient heat storage in the heat storage body (pebble bed) .
상기 고온공기 가스화 반응기는 내벽이 내화 및 단열재로 구성된 고밀도 알루미나 재질을 구성되고, 하부 외벽에는 고온에서 형성된 슬래그의 회수 및 처리를 위하여 보조창이 설치구성되고, 하부에는 생성된 가스가 슬래그와 분리 배출되도록 가스 배출구가 설치 구성된 것을 특징으로 한다.The high temperature air gasification reactor is made of a high density alumina material consisting of the inner wall of the fire and heat insulating material, the lower outer wall is provided with an auxiliary window for the recovery and treatment of slag formed at a high temperature, the lower gas is separated from the slag and discharged Characterized in that the gas outlet is installed.
상기 축열체 부위(Pebble bed)는 고온용 세라믹 볼을 충전한 층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.The heat accumulator portion (Pebble bed) is characterized in that consisting of a layer filled with a high-temperature ceramic ball.
상기 본 발명 고온공기를 이용한 가스화 장치는 다단계로 폐열을 회수 이용하는 방식(MEET: Multi staged Enthalpy Extraction Technology, 이하 'MEET'라 칭함)의 장치로 가스화를 위한 산화제로 산소 대신에 고온공기를 사용하는 것을 특징으로 하는 장치이다.The gasification apparatus using the high temperature air of the present invention is a multi staged Enthalpy Extraction Technology (MEET: multi staged Enthalpy Extraction Technology, hereinafter referred to as 'MEET') device using a high-temperature air instead of oxygen as an oxidant for gasification It is a device characterized by.
상기 본 발명에서 고온공기를 산화제로 사용하는 이유는 종래 산소를 사용하는 가스화 방식은 합성가스 발열량은 높지만 산소를 제조하는 비용이 추가되므로 고비용의 경제적인 문제점을 안고 있었기 때문이다.The reason why the high temperature air is used as the oxidant in the present invention is that the conventional gasification method using oxygen has a high cost of syngas, but the cost of producing oxygen is high, resulting in a high cost economic problem.
상기 본 발명에서 MEET 방식을 채택한 이유는 탄화수소계의 어떠한 저급연료에 대해서도 거의 동일한 기기구성으로 대응할 수 있고 연소에 수반하는 환경부하를 최저상태로 제어하면서 고효율 발전을 할 수 있기 때문이다. 이와 같은 방식에 의해 경제적이고 컴팩트(compact)하며, 또한 신뢰성이 높은 획기적인 발전 시스템을 제공할 수 있다.The reason why the MEET method is adopted in the present invention is that it is possible to cope with any low-grade fuel of hydrocarbon type with almost the same device configuration, and to generate high efficiency while controlling the environmental load accompanying combustion to the minimum state. In this way, it is possible to provide an innovative power generation system that is economical, compact and reliable.
또한 본 발명 고온공기를 이용한 가스화 반응기는 로의 하부에 열을 유지할 수 있는 축열체 부위를 설치하여 중소규모 플랜트 위주를 대상으로 하고 있다는 점이 큰 특징이다. 중소규모 플랜트에 적합한 이유는 순산소 대신에 공기를 사용하기 때문으로 보통 순산소를 얻기 위한 산소분리장치는 전체 투자비의 30%를 차지한다.In addition, the gasification reactor using the high temperature air of the present invention is characterized in that the heat storage body portion that can maintain the heat in the lower part of the furnace mainly aimed at small and medium-sized plants. Suitable for small and medium-sized plants because air is used instead of pure oxygen, and oxygen separation equipment to obtain pure oxygen usually accounts for 30% of the total investment.
상기와 같은 본 발명 고온공기 가스화 장치를 이용한 발전 시스템에서는, 1000℃이상으로 가열된 고온 공기로 연료의 가스화를 통해 생성 가스 중의 환경오염 물질을 제거한 후에, 생성 가스를 다시 고온 공기로 저 NOx 연소시켜, 증기터빈이나 가스터빈을 구동하거나 수소생산을 위한 추가공정으로 이송될 수 있다.In the power generation system using the high temperature air gasifier of the present invention as described above, after removing environmental pollutants in the product gas through gasification of the fuel with hot air heated to 1000 ° C. or higher, the product gas is again burned with low temperature NOx. For example, steam turbines or gas turbines can be driven or transferred to further processes for hydrogen production.
본 발명 고온공기 가스화장치에서 석탄이나 잔사유, 폐기물등의 연료는 가스화반응기 내부에서 가스화되어 연료용 합성가스로 전환된다. In the high temperature air gasifier of the present invention, fuels such as coal, residue oil, and waste are gasified in a gasification reactor and converted into fuel synthesis gas.
가스화제로는 1,000℃정도의 공기 및 수증기가 포함되거나 단독형태의 공기를 이용한다. The gasifier includes about 1,000 ° C. air and water vapor, or uses a single type of air.
공급된 연료로부터 가스화에 의해 생긴 합성가스는 열교환하여 온도를 내린 후에, 정제한다. The syngas produced by gasification from the supplied fuel is purified by heat exchange to lower the temperature.
정제된 합성가스는 그 일부를 가스화제인 공기를 고온에 가열하기 위해서 이용하고 나머지는 여러가지 용도의 연료로 이용한다. The purified syngas is used in part to heat the gasifier air at high temperature and the rest as fuel for various uses.
고체연료 중 회분은 가스화로인 가스화반응기 내부에서 용해 분리되어 슬래그로서 배출된다. Ash in solid fuel is dissolved and separated in the gasification reactor, which is a gasifier, and discharged as slag.
이와 같이 고온공기를 이용하고 축열체(Pebble)를 이용하는 방식은 회분을 포함하는 고체연료를 가스상 연료를 제조하는 과정에서 가스온도를 회분의 융점 이상으로 하여 용융슬래그를 만들어 회재를 회수하는 기술이다. As such, the method of using high temperature air and using a heat storage body (Pebble) is a technique of recovering ash by making molten slag with a gas temperature higher than the melting point of ash in the process of producing a gaseous fuel of a solid fuel including ash.
용융 슬래그는 드라이 애쉬(dry ash)와 달리 비체적이 작으며 건자재 등으로 재활용될 수 있다.Unlike dry ash, molten slag has a small specific volume and can be recycled as a dry material.
축열체 부위(Pebble bed) 가스화 반응기는 가연분을 가스화함과 동시에 회분을 용융하는 용융가스화로의 일종으로 MEET방식에 의한 시스템에서 가장 중요한 핵심 요소기술이다.The regenerator bed gasification reactor is a kind of melt gasification furnace that gasifies combustibles and melts ashes, and is the most important core element technology in the MEET system.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명 고온공기 가스화장치 중 가스화반응기의 개념도인데, 본 발명의 가스화반응기는 고온공기를 가스화제로 이용하는 회재 용융방식의 가스화로이며, 종래의 분류층 가스화로의 하부에 축열체(pebble)를 배치한 형태의 용융가스화 로이다. 여기서 축열체 부위(Pebble bed)라 함은 고온용 세라믹 볼을 충전한 층이다.1 is a conceptual diagram of a gasification reactor in the high temperature air gasifier of the present invention, the gasification reactor of the present invention is a ash melting method gasification furnace using high temperature air as a gasifier, a heat storage body (pebble) in the lower portion of the conventional fractionation layer gasifier It is a melt gasification furnace of the type which arrange | positioned). Here, the heat accumulator part (Pebble bed) is a layer filled with a high-temperature ceramic ball.
고체연료는 분쇄된 상태로 상부에서 반응기 내부로 투입되며 가스화제로는 고온으로 예열된 공기에 수증기를 첨가한 것이 사용된다. Solid fuel is introduced into the reactor from the top in a pulverized state, and as the gasifier, water vapor is added to the air preheated to a high temperature.
반응기 상부에서 공급된 고체연료는 가스화제와 혼합되어 반응한 후, 회분은 용융슬래그로 되어 축열체 부위(pebble bed) 바닥에서 용융상태로 흘러내려 하부에서 합성가스와 분리된다. After the solid fuel supplied from the upper part of the reactor is mixed with the gasifier and reacted, the ash becomes molten slag and flows to the molten state at the bottom of the pebble bed to be separated from the syngas at the bottom.
축열체 부위(Pebble bed) 가스화반응기(가스화로)는 로의 크기를 작게 유지할 수 있어 석탄, 폐기물, 바이오매스(biomass)등의 입경이나 조성이 다른 다양한 고체연료를 동일한 형식에서 가스화하는 것을 목적으로 하고 있다. The regenerator bed gasification reactor (gasifier) can keep the size of the furnace small, and aims to gasify various solid fuels with different particle sizes or compositions, such as coal, waste, and biomass, in the same type. have.
축열체 부위(Pebble bed) 가스화로에서는 상부의 분류층(Entrained Flow Section) 아래에 고정층 형태의 축열체 부위(pebble bed)를 설치함으로써 용융회재의 효과적인 회수, 미반응 고체생성물(char)을 축열체 부위(pebble bed)에 머물게 하여 반응시간을 증가시킴으로써 반응성을 확보할 수 있으며, 특히 축열체 부위(pebble bed)는 축열기능을 갖게 되어 열적 완충성을 확보할 수 있는 특징을 갖고 있다.In the Bed bed gasifier, a fixed bed type pebble bed is placed under the entrained flow section in order to effectively recover the molten ash and to store the unreacted solid product (char). Reactivity can be ensured by increasing the reaction time by staying in the pebble bed, and in particular, the heat accumulator part has a heat storage function and thus has a thermal buffering property.
도 2는 본 발명 고온공기 가스화 반응기를 포함한 가스화장치 설계도인데, 본 발명의 가스화장치는 크게 고온공기 제조장치(Electric high temperature air heater, 1), 고온공기 가스화반응기(High temperature air-blown gasifier, 2), 연 료공급장치(Screw feeder, 3)로 구성된다. 2 is a schematic diagram of a gasifier including a high temperature air gasification reactor of the present invention, the gasifier of the present invention is largely an electric high temperature air heater (1), a high temperature air gasifier (2) ), And a screw feeder (3).
상기 고온공기 가스화반응기는 내부 상부의 분류층(21)과 하부의 축열층부위(22)로 나뉘어 구성되고, 반응기 내부의 온도 측정을 위하여 가스화 반응기 내부용 4개 및 반응기 벽면 내화재의 온도 측정용 3개의 열전쌍(thermocouple, 23)을 포함한다. The hot air gasification reactor is divided into a
아울러, 가스화를 통해 생성되는 가스의 온도는 매우 높기 때문에 이를 냉각시켜야 할 필요가 있으며, 이는 가스화반응기 후단부에 설치된 배가스 냉각용 열교환기(24)에서 이루어진다. In addition, since the temperature of the gas generated through gasification is very high, it needs to be cooled, and this is done in the exhaust gas
또한 고온공기 가스화 반응기는 내벽이 내화 및 단열재로 구성된 고밀도 알루미나 재질을 구성되고, 하부 외벽에는 고온에서 형성된 슬래그의 회수 및 처리를 위하여 보조창(26)이 설치구성되고, 하부에는 생성된 가스가 슬래그와 분리 배출되도록 가스 배출구(25)가 설치 구성된다. 또한 배출구에는 일부의 가스를 가스분석기(27)로 보내 가스조성을 분석할 수 있도록 하였다.In addition, the high temperature air gasification reactor is composed of a high-density alumina material of the inner wall is made of fire-resistant and heat-insulating material, the lower outer wall is provided with an
또한 가스화 반응기는 반응초기에 반응 온도인 1,200℃ 이상으로 유지하여 축열체 부위(21)에 충분한 축열이 이루어지도록 하기 위하여 가스화 내부 예열용 LPG용 보조버너(28)를 포함하여 구성한다.In addition, the gasification reactor comprises a gas burner internal preheating LPG
상기 고온공기 제조장치(1)는 공기를 압축하는 컴프레셔(12)와 공급량을 제어하는 공기플로우미터(13), 체크벨브(14) 및 이들을 연결하는 파이프를 포함하는 공기공급라인으로 구성되는데, 특히 온도조절을 용이하게 하기 위하여 전기히터 (11)를 사용하여 구성하였다. The hot
상기 연료의 공급은 호퍼(31)와 스크류피더(screw feeder, 32)를 통하여 이루어지며, 연료 공급시 약간의 수분이 포함되어 있는 경우 공급 중 연료의 응집으로 연속적인 공급에 매우 어려움을 겪게 된다. 따라서 연료는 사전에 건조기(도시 없음)를 이용하여 건조되어야 한다. The fuel is supplied through the
도 3은 본 발명 고온공기 가스화반응기의 설치사진으로서, 가스화 반응 초기에 반응 온도인 1,200℃ 이상으로 유지하여 축열체 부위(pebble bed)에 충분한 축열이 이루어지도록 하기 위하여 가스화 내부 예열용 LPG용 보조버너(도 2참조)를 포함하며, 가스화 반응기 내벽은 열손실 방지를 위하여 내화 및 단열재로 구성된 고밀도 알루미나 재질을 사용하여 제작되었다. Figure 3 is a photograph of the installation of the high temperature air gasification reactor of the present invention, the LPG auxiliary burner for preheating the gasification in order to maintain sufficient heat storage in the heat storage body (pebble bed) by maintaining the reaction temperature 1,200 ℃ or more at the beginning of the gasification reaction (See FIG. 2), the inner wall of the gasification reactor was manufactured using a high density alumina material consisting of fire and insulation to prevent heat loss.
가스화 반응기 하부는 고온에서 형성된 슬래그의 회수 및 처리를 위하여 보조창을 설치하여 회수된 슬래그의 특성을 분석할 수 있도록 하였다. The lower part of the gasification reactor was equipped with an auxiliary window for the recovery and treatment of slag formed at a high temperature to analyze the characteristics of the recovered slag.
생성된 가스는 슬래그와 분리되어 가스 배출구(25)를 통하여 배출되며, 배출구에는 일부의 가스를 가스분석기(27)로 보내 가스조성을 분석할 수 있도록 하였다.The generated gas is separated from the slag and discharged through the
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the present invention configured as described above are as follows.
가스화 반응기 상부에서 공급된 고체연료는 가스화제로 사용되는 고온의 공 기와 혼합되어 반응한 후, 회분은 용융슬래그로 되어 축열체 부위(pebble bed) 바닥에서 용융상태로 흘러내려 하부에서 합성가스와 분리된 후 배출되게 된다. The solid fuel supplied from the upper part of the gasification reactor is mixed with the hot air used as the gasifier and reacted, and the ash is melted slag, which flows into the molten state at the bottom of the pebble bed and is separated from the synthesis gas at the bottom. Will be discharged.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
상기와 같은 본 발명은 다단계로 폐열을 회수 이용하는 방식(MEET: Multi staged Enthalpy Extraction Technology)의 고온공기를 이용한 가스화장치는 가스화를 위한 산화제로 산소 대신에 고온공기를 사용하는 장치로 종래 산소를 사용하는 가스화 방식에서 발생했던 문제점인 합성가스 발열량은 높지만 산소를 제조하는 비용이 추가되므로 고비용의 경제적 문제점을 해결하였다는 장점과,The present invention as described above is a multi-stage waste heat recovery method (MEET: multi staged Enthalpy Extraction Technology) gasifier using a high-temperature air instead of oxygen as an oxidant for gasification using a conventional oxygen Synthetic calorific value, which is a problem of gasification method, is high, but the cost of producing oxygen is added to solve the high cost economic problem.
또한 본 발명에서 채택한 MEET 방식은 탄화수소계의 어떠한 저급연료에 대해서도 거의 동일한 기기구성으로 대응할 수 있고 연소에 수반하는 환경부하를 최저상태로 제어하면서 고효율 발전을 할 수 있는 경제적이고 컴팩트(compact)하며, 또한 신뢰성이 높은 획기적인 발전 시스템을 개발할 수 있다는 장점과,In addition, the MEET method adopted in the present invention is economical and compact, which can cope with any low-grade fuel of hydrocarbon type with almost the same device configuration, and can perform high efficiency power generation while controlling the environmental load accompanying combustion to the minimum state. In addition, it is possible to develop breakthrough power generation systems with high reliability.
또한 본 발명 고온공기를 이용한 가스화 방식은 열을 유지할 수 있는 축열체 부위(Pebble Bed)를 설치하여 중소규모 플랜트 위주에 적합하다는 장점과, In addition, the gasification method using the high temperature air of the present invention has the advantage that it is suitable for small and medium-sized plants by installing a heat accumulator (Pebble Bed) that can maintain heat,
또한 본 발명 고온공기 가스화 방식을 포함한 발전 시스템에서는, 1000℃이상으로 가열된 고온 공기로 연료의 가스화를 통해 생성 가스중의 환경오염 물질을 제거한 후에, 생성 가스를 다시 고온 공기로 저 NOx 연소시켜, 증기터빈이나 가스터빈을 구동하거나 수소생산을 위한 추가공정으로 이송될 수 있다는 장점을 가져 기존 가스화 공정의 초기투자비에서 약 30%를 차지하는 산소 분리공정이 제외되어 발전 단가를 줄일 수 있으며, 미래에너지원인 수소를 저급탄화수소 연료를 이용하여 고효율의 환경 친화적, 경제적으로 생산함으로써 소규모 및 대형 제조공정 기술개발로 연료전지 등과 연계할 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다. In addition, in the power generation system including the high temperature air gasification method of the present invention, after removing environmental pollutants in the product gas through gasification of the fuel with hot air heated to 1000 ° C. or higher, the product gas is again low NOx burned with high temperature air, Since it can drive steam turbines or gas turbines or transfer them to additional processes for hydrogen production, it can reduce the cost of power generation by excluding oxygen separation process, which takes about 30% of the initial investment cost of the existing gasification process. Hydrogen is a useful invention that has the advantage of being able to be linked to a fuel cell through the development of small and large manufacturing process technology by producing high efficiency, eco-friendly and economical using low hydrocarbon fuel.
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