KR20070034543A - 고체연료 가스화 시스템 - Google Patents

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KR20070034543A
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pyrolysis
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steam
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KR1020067027965A
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쿠니오 요시카와
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독립행정법인 과학기술진흥기구
에코미트 솔루션즈 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명의 고체연료 가스화 시스템은, 차르(char) 재활용수단의 생략을 가능하게 함과 동시에, 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 한 고발열량의 합성가스의 제조를 가능하게 한다. 고체연료 가스화 시스템은, 공기 공급을 단절한 열분해영역과, 열분해영역의 차르(char)를 연소시켜 고온연소가스를 생성하는 차르(char) 연소영역과, 연소가스를 정화하는 제진장치와, 먼지제거 후의 연소가스의 온도상승을 가져오는 연소가스 재열용(再熱用) 연소수단과, 연소가스와 수증기와의 열교환에 의해 수증기를 고온으로 가열하는 수증기가열장치를 구비한다. 가스화 시스템은, 고온 수증기에 의해서 고체연료를 열분해하고 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 제조한다.
열분해영역, 차르(char) 연소영역, 제진장치, 연소가스 재열용(再熱用) 연소수단, 수증기가열장치

Description

고체연료 가스화 시스템{SOLID-FUEL GASIFICATION SYSTEM}
본 발명은, 고체연료 가스화 시스템에 관한 것으로, 조금 더 상세하게는 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 한 합성가스를 고체연료의 열분해에 의해 제조하는 고체연료 가스화 시스템에 관한 것이다.
폐 플라스틱, 슬러지(sludge), 문서재단기 먼지 또는 도시 쓰레기 등의 유기 폐기물, 혹은, 석탄 등의 질이 낮은 고형연료를 가스화하고, 비교적 고칼로리의 합성가스를 발전설비 등에 공급하는 연료 가스화 시스템이 알려져 있다. 본 발명은, 이러한 종류의 가스화 시스템에 있어서, 약 1000℃의 고온공기에서 고체연료를 가스화 용융(熔融)하는 연료 가스화 시스템을 개발하고, 특허공개 제2002-158885호 등에 제안하고 있다.
이 방식의 가스화 시스템은, 도 10 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 고체연료를 가스화 용융하는 가스화로(爐)를 구비한다. 공기가열장치가, 1000℃이상의 고온공기를 가스화로(爐)에 공급하고, 열회수·가스정제장치가 가스화로(爐)의 미정제가스를 냉각하고 동시에 정제한다. 가스화로(爐)에 공급된 고체연료는, 고온공기에 의해 가스화 용융하고 약 1000℃의 고온 미정제가스를 생성하고, 고온 미정제가스는, 열회수·가스정제장치로 공급된다. 열회수·가스정제장치는, 고온 미정제가스 를 냉각하고 동시에 정제하여, 정제가스를 발전설비 등에 공급한다. 열회수·가스정제장치에서 회수한 차르(char, 열분해 후의 탄화물)는, 차르(char) 재활용수단에 의해 고체연료 공급로에 도입되고, 고체연료와 함께 가스화로(爐)에 공급된다. 정제가스의 일부는 공기가열용 연료로서 공기가열장치에 공급되고, 공기가열장치는 정제가스의 연소열에 의해 공기를 가열하고, 고온공기를 가스화로(爐)에 공급한다. 이와 같은 방식의 가스화 시스템에 의하면, 미정제가스 온도가 상당히 고온(약 1000℃)이기 때문에, 타르 함유량이 적고, 또한 비교적 다량의 수소를 포함하는 미정제가스를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 고체연료의 열분해에 의해 생성한 열분해가스를 고온 수증기로 개질(改質)하고, 개질가스를 발전설비 등에 공급하는 연료 가스화 시스템을 개발하여, 특허공개 제2002-210444호 등에 제안하고 있다.
이 방식의 가스화 시스템은, 도 12 및 도 13에 나타낸 바와 같이, 고체연료를 열분해하는 열분해로(爐)를 구비함과 동시에 열분해가스를 고온 수증기로 개질하는 개질로(爐)를 구비한다. 열분해로(爐)에 공급된 고체연료는, 열분해로(爐) 내에서 열분해하고, 열분해로(爐)에서 발생한 온도 약 300℃정도의 열분해가스가 개질로(爐)에 공급된다. 열분해가스는, 개질로(爐)에서 온도 약 1000℃의 고온 수증기와 혼합하여 개질된다. 열분해가스 중의 탄화수소의 수증기 개질반응(흡열반응)에 의해 개질로(爐)의 로내(爐內) 온도가 강하하는 것을 방지하고, 약 1000℃의 고온공기가 개질로(爐)에 공급되고, 약 800℃정도의 개질가스가 개질로(爐)에서 열회수·가스정제장치로 공급된다. 열회수·가스정제장치는, 개질가스를 냉각하고 동시 에 정제하여, 정제가스를 발전설비 등에 공급한다. 정제가스의 일부는 공기·수증기 가열장치로 공급되고, 공기·수증기 가열장치는, 정제가스의 연소열에 의해 공기 및 수증기를 가열하고, 온도 약 1000℃정도의 고온공기 및 고온 수증기를 개질로(爐)에 공급한다.
이와 같은 방식의 가스화 시스템에 의하면, 고체연료는 열분해로(爐) 내에 비교적 장시간 체류하기 때문에, 비교적 큰 사이즈의 폐기물 등을 열분해 처리하는 것이 가능하게 되고 또한, 탄소전환율이 높아져 그을음의 발생이 억제되기 때문에, 차르(char) 재활용수단을 생략하는 것이 가능하게 된다. 또한, 이 방식의 가스화 시스템에 의하면, 재(灰)용융 연소로(爐)를 추가로 구성하는 것에 의해, 차르(char) 성분이 혼입하지 않은 용융재(灰)의 추출이 가능하게 되는 등의 이점이 있다.
위에서 설명한 가스화 용융형 가스화로(爐)(도 10 및 도 11)를 구비한 가스화 시스템에 있어서는, 비교적 다량의 그을음이 연료가스에 포함되는 경향이 있고, 그을음의 발생은 특히, 플라스틱 폐기물 등의 고형연료를 가스화하는 경우에 현저하게 나타난다. 그렇기 때문에, 도 10에 나타낸 바와 같이, 가스화 시스템은 차르(char)를 회수하는 차르(char) 재활용수단을 구비할 필요가 있다. 또한, 가스화로(爐)에 있는 고체연료의 로내(爐內)의 체류시간이 비교적 단시간이라는 것으로, 사이즈가 큰 폐기물 등을 가스화 처리하기 어렵고, 그렇기 때문에, 고형연료의 미분쇄(微粉碎)처리 등의 전처리공정 및 전처리설비가 필요하게 된다. 더욱이, 이 방 식의 가스화 시스템은 정제가스의 발열량은 1000㎉/Nm3 정도이고, 단지 발열량이 낮은 합성가스를 얻는 것에 불과하다.
한편, 열분해로(爐) 및 개질로(爐)를 구비한 상기 가스화 시스템(도 12 및 도 13)에 의하면, 이와 같은 차르(char) 재활용수단을 생략할 수 있고, 비교적 대형의 폐기물 등을 미분쇄하는 일 없이 열분해 처리를 하는 것이 가능하다. 그러나, 열분해가스 중, 타르성분을 완전히 개질하기 위해서는, 개질로(爐)의 로내(爐內) 온도를 상당히 고온(약 1000℃ 정도)으로 유지해야하고, 비교적 다량의 고온공기를 개질로(爐)에 도입할 필요가 생긴다. 그렇기 때문에, 개질·정제 후 정제가스의 발열량이 약 1000㎉/Nm3정도로 저하해 버린다는 문제가 생긴다. 또한, 이 방식에서 정제가스는, 비교적 다량의 메탄을 함유한다. 그러나, 수소를 다량으로 함유한 합성가스를 제조하기 어렵기 때문에, 수소를 다량으로 포함한 합성가스를 제조하고, 가스화 시스템을 더욱 개량해야 할 필요가 생긴다.
본 발명은, 차르(char) 재활용수단의 생략을 가능하게 함과 동시에, 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 한 고(高)발열량의 합성가스를 제조하는 것이 가능한 고체연료 가스화 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위하여 예의연구를 거듭한 결과, 종래의 가스화 시스템으로는 상기 미정제가스 및 개질가스가 비교적 다량의 질소를 함유하는 점에 착안하고, 질소 함유량이 적은 합성가스를 제조가능한 가스화 시스템을 연구하였다. 그 결과 본 발명자는 열분해로(爐)에 대한 공기공급을 단절하고, 600℃ 이상의 고온 수증기만을 열분해 가스화로(爐)에 공급하여 고형연료를 열분해 하는 것에 의해, 비교적 다량의 수소를 함유한 열분해가스가 발생하는 것을 발견하고, 이러한 견지에 근거하여 본 발명을 달성했다.
즉, 본 발명은 고체연료를 열분해하고, 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 제조하는 고체연료 가스화 시스템에 있어서, 공기공급이 단절된 열분해영역과, 열분해영역의 차르(char)를 연소용 공기의 존재하에 연소하고 연소가스를 생성하는 차르(char) 연소영역과, 연소가스와 수증기의 열교환에 의해 수증기를 가열하는 수증기가열장치와, 상기 차르(char) 연소영역과 상기 수증기가열장치 사이에서 차르(char) 연소영역의 연소가스를 정화하는 제진장치와, 제진장치에서 수증기가열장치로 송출된 먼지제거 후의 연소가스를 연소시켜, 연소가스의 온도 상승을 가져오는 연소가스 재열용(再熱用) 연소수단을 구비하고, 상기 수증기가열장치는, 상기 연소가스와 상기 수증기의 열교환에 의해 수증기를 600℃이상의 고온 수증기로 가열하는 열교환기를 구비하고, 고온 수증기는, 상기 열분해영역에 공급되어, 열분해영역의 고체연료를 열분해하고, 열분해영역에서 열분해가스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템을 제공한다.
본 발명의 상기 구성에 의하면, 고체연료 가스화 시스템은 차르(char)의 연소열을 열 에너지원으로 수증기를 600℃이상으로 가열하고, 600℃이상의 고온 수증기로 고체연료를 열분해 한다. 공기공급을 단절한 열분해영역은, 고체연료 공급부를 제외하고, 실질적으로 폐쇄하고 있고, 열분해영역으로 공급되는 열원(熱願) 유체(流體)는 본질적으로 수증기만으로 이루어지고 혹은, 그 성분의 100%가 수증기이다. 열분해영역에는 질소를 포함하지 않는 열분해가스가 발생하고, 그을음의 발생도 억제된다. 열분해영역에 잔류하는 차르(char)는 차르(char) 연소영역에서 소각된다. 차르(char)의 연소열은 차르(char) 연소에 의해 생성한 연소가스를 열매체로서 수증기가열용 열교환기에 공급되고, 수증기가열을 위한 열원(熱源)으로서 유효하게 이용된다. 차르(char) 연소영역의 연소가스는 제진장치를 통해서 열교환기에 공급되기 때문에, 연소가스 온도는 800℃이하의 온도(제진장치 정화부의 온도한계)로 억제된다. 그러나, 본 발명에 의하면 정화공정을 거친 연소가스는 연소가스 재열용(再熱用) 연소수단에 의해 2차 연소 또는 재연소 하여 온도가 상승한다. 온도가 상승한 연소가스는, 수증기가열수단에서 수증기를 고온으로 가열하고, 고온 수증기는 상기와 같은 열분해영역에 공급된다. 열분해영역에 발생한 열분해가스는, 상기 고온 수증기에 의해 개질되고, 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 한 비교적 고발열량의 합성가스가 제조된다.
따라서, 본 발명의 상기 구성에 의하면, 차르(char)는 차르(char) 연소영역에서 소각되기 때문에, 차르(char) 재활용수단을 생략하는 것이 가능하다. 차르(char)의 연소열을 열 에너지원으로서 가열한 고온 수증기는, 공기공급을 단절한 열분해영역으로 공급되고, 고체연료는 고온 수증기만으로 열분해 하기 때문에, 질소를 포함하지 않는 열분해가스가 열분해영역에 발생한다. 더욱이, 열분해가스는 다시 고온 수증기에 의해 개질되고, 이렇게 해서 고체연료 가스화 시스템은 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 한 고발열량의 합성가스를 제조하여, 발전설비, 수소제조설비 등에 공급하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 열분해 후에 차르(char)가 잔류하기 어려운 고체연료를 열분해 하고, 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 제조하는 고체연료 가스화 시스템에 있어서, 공기공급을 단절한 열분해영역과, 열분해영역에 있는 상기 고체연료의 열분해에 의해 생성한 열분해가스, 또는 그 열분해가스를 개질한 정제가스를 연소시켜 1000℃를 넘는 연소가스를 발생시키는 연소수단과, 상기 연소가스와 수증기의 열교환에 의해 상기 수증기를 가열하는 수증기가열장치를 구비하고, 상기 수증기가열장치는, 상기 연소가스와 상기 수증기의 열교환에 의해 수증기를 600℃이상의 고온 수증기로 가열하는 열교환기를 구비하고, 그 고온 수증기는, 상기 열분해영역에 공급되어 열분해영역의 고체연료를 열분해 하고, 그 열분해영역에 열분해가스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템을 제공한다.
본 발명의 상기 구성에 의하면, 열분해영역의 열분해가스 및 열분해가스 정제 후의 정제가스는, 연소수단에 의해 연소하고, 고온의 연소가스를 발생시킨다. 열분해가스 또는 정제가스의 연소에 의해 발생한 연소가스는, 정화공정을 거치지 않고 바로 수증기 가열장치의 열교환기에 도입하는 것이 가능하다. 그렇기 때문에, 연소가스의 온도는 1000℃를 넘는 고온으로 설정하는 것이 가능하다. 600℃이상의 고온 수증기만이, 공기공급을 단절한 열분해영역에 공급된 결과, 열분해영역에서는 질소를 포함하지 않는 비교적 다량의 수소를 포함하는 열분해가스가 발생하고, 그을음의 발생도 억제된다. 열분해영역에 발생한 열분해가스는, 고온 수증기에 의해 개질되고, 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 한 비교적 고발열량의 합성가스가 제조된다. 이와 같은 구성은, 연소 후에 차르(char)가 잔류하기 어려운 고체연료, 또는 바이오매스(biomass) 연료를 이용한 가스화 시스템에 채용된다.
따라서, 본 발명의 고체연료 가스화 시스템은 연소 후에 차르(char)가 잔류하기 어려운 고체연료를 고온 수증기만으로 열분해하고, 열분해가스 및 정제가스의 연소에 의해 1000℃를 넘는 고온의 연소가스를 발생시킨다. 연소가스는, 수증기와 열교환하고, 수증기를 600℃이상의 고온으로 가열한다. 고체연료는 고온 수증기만으로 열분해 하기 때문에, 질소를 포함하지 않는 열분해가스가 열분해영역에 발생한다. 열분해 가스는 다시 고온 수증기에 의해 개질되고, 이렇게 해서 고체연료 가스화 시스템은, 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 한 고발열량의 합성가스를 제조하여 발전설비, 수소제조설비 등에 공급하는 것이 가능하다.
도 1은, 본 발명의 제 1 실시예에 관한 고체연료 가스화 시스템의 전체구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는, 도 1에 나타낸 가스화 시스템의 열원(熱源)구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 가스화 시스템의 열원(熱源)구성을 개략적으로 나타낸 시스템 블럭도이다.
도 4는, 본 발명의 제 2 실시예에 관한 고체연료 가스화 시스템의 전체구성을 나타내는 블럭도이다.
도 5는, 도 4에 나타낸 가스화 시스템의 열원(熱源)구성을 나타내는 블럭도 이다.
도 6은, 도 4에 나타낸 가스화 시스템의 열원(熱源)구성을 개략적으로 나타낸 시스템 블럭도이고, 제 1 및 제 2 로(爐)의 제 1 공정의 작동형태가 도시되어 있다.
도 7은, 도 4에 나타낸 가스화 시스템의 열원(熱源)구성을 개략적으로 나타내는 시스템 블럭도이고, 제 1 및 제 2 로(爐)의 제 2 공정의 작동형태가 도시되어 있다.
도 8은, 본 발명의 제 3 실시예에 관한 가스화 시스템의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 9는 도 8에 나타낸 가스화 시스템의 열원(熱源)구성을 개략적으로 나타내는 시스템 블럭도이다.
도 10은, 종래의 연료 가스화 시스템의 전체구성을 나타내는 블럭도이고, 고체연료를 가스화 융해로(爐)에 의해 가스화하는 방식의 가스화 시스템이 도시되어 있다.
도 11은, 도 10에 나타낸 가스화 시스템의 열원(熱源)구성을 나타내는 블럭도이다.
도 12는, 종래의 연료 가스화 시스템의 전체구성을 나타내는 블럭도이고, 고체연료를 열분해로(爐)에 의해 열분해하고, 열분해가스를 개질로(爐)에 의해 개질하는 방식의 가스화 시스템이 도시되어 있다.
도 13은, 도 12에 나타낸 가스화 시스템의 열원(熱源)구성을 나타내는 블럭 도이다.
본 발명의 적합한 실시형태에 있어서, 상기 차르(char) 연소영역은, 차르(char) 연소로(爐) 내에 형성된다. 열분해영역에 잔류하는 차르(char)가 차르(char) 연소영역에 도입되고, 차르(char) 소각용의 연소용 공기가 차르(char) 연소영역에 공급된다.
본 발명의 다른 적합한 실시형태로는, 열분해·차르(char) 연소겸용의 제 1 로(爐) 및 제 2 로(爐)가 이용된다. 제 1 로(爐) 및 제 2 로(爐)는 각각 열분해영역 겸 차르(char) 연소영역으로서 작용하는 로내(爐內)영역을 구비한다. 제 1 로(爐) 및 제 2 로(爐)의 운전을 전환하는 전환수단이 설치되고, 전환수단은, 고온 수증기를 제 1 로(爐)에 공급하고, 동시에 연소용 공기를 제 2 로(爐)에 공급하는 제 1 위치와, 연소용 공기를 제 1 로(爐)에 공급하고, 동시에 고온 수증기를 제 2 로(爐)에 공급하는 제 2 위치에서 상호 전환된다. 전환수단의 제 1위치에서는, 제 1 로(爐)의 로내(爐內)영역은 열분해영역으로서 기능하고, 제 2 로(爐)의 로내(爐內)영역은 차르(char) 연소영역으로서 기능한다. 전환장치의 제 2 위치에서는 제 1 로(爐)의 로내(爐內)영역은 차르(char) 연소영역으로서 기능하고, 제 2 로(爐)의 로내(爐內)영역은 열분해영역으로서 기능한다. 이와 같은 구성에 의하면, 고체연료의 열분해 후에 로(爐)의 바닥부분에 잔류한 차르(char)는, 계속해서 연소용 공기의 로내(爐內)로의 도입에 의해 연소하고, 고온연소가스를 생성한다. 따라서, 차르(char) 연소전용으로 차르(char) 연소로(爐)를 설치할 필요 없이, 차르(char)를 제 1 및 제 2 로(爐)에서 꺼내어 차르(char) 연소로(爐)로 이송하는 차르)(char) 공급로의 설치도 생략하는 것이 가능하다. 또한, 제 1 로(爐) 및 제 2 로(爐)는 고온 수증기를 로내(爐內)에 공급하기 전에 고체연료를 미리 로내(爐內)에 투입하는 일괄(batch)식도 좋고, 제 1 로(爐) 또는 제 2 로(爐)에 고온 수증기의 공급과 동시에 고체연료를 로내(爐內)에 공급하는 연속공급식이어도 좋다.
바람직하게는, 연소가스 재열용(再熱用) 연소수단은, 합성가스의 일부 및/또는 연소용 공기를 정화 후의 연소가스에 첨가하는 주입부를 갖고, 주입부는 예를 들면, 연소가스배관 또는 덕트(duct)와 합성가스 또는 연소용 공기의 배관 또는 덕트의 T형 접속부 혹은, 연소가스와 합성가스 또는 연소용 공기를 혼합가능한 연소기로 이루어진다. 합성가스 또는 연소용 공기의 주입에 의해, 연소가스는 재연소 또는 2차 연소하고, 연소가스는 온도가 상승한다. 합성가스의 주입은 차르(char) 연소영역에 충분한 연소용 공기를 공급하는 경우(즉, 차르(char)가 차르(char) 연소영역에서 실질적으로 완전연소하고, 연소가스가 비교적 다량의 산소를 포함하는 경우)에 바람직하게 채용되고, 연소가스는, 합성가스의 첨가에 의해 재연소한다. 차르(char) 연소영역에 대한 연소용 공기의 공급량을 제한하는 경우(즉, 차르(char)가 차르(char) 연소영역에서 불완전 연소하고, 산소가스가 비교적 다량의 일산화탄소를 포함하는 경우)에는, 연소용 공기가 주입부에 공급되고, 연소가스에 첨가된다. 연소용 공기의 주입에 의해, 연소가스는 2차 연소하고, 연소가스는 온도가 상승하여, 연소가스 중, 미연소분의 완전연소가 촉진된다. 필요에 따라, 합성가스 및 연소용 공기 모두를 연소가스에 첨가하여도 좋다.
본 발명의 적합한 실시형태에 있어서, 가스화 시스템은, 상기 열분해영역의 열분해가스 및 고온 수증기가 도입되는 개질로(爐)를 갖고, 600℃이상, 바람직하게는 900℃이상의 고온공기 또는 산소가 열분해가스 송급로(送給路) 또는 개질로(爐)에 주입된다. 산소를 열분해가스 송급로 또는 개질로(爐)에 주입하는 경우에는, 상온(대기온도)의 산소를 열분해가스 송급로 또는 개질로(爐)에 주입하여도 좋다. 열분해가스, 고온 수증기 및 고온공기(또는 산소)는, 개질로(爐) 내에서 혼합하고, 열분해가스 중의 탄화수소(주로 타르성분)는, 수증기 개질반응에 의해, 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 한 개질가스(합성가스)로 개질된다. 적합하게는, 개질가스는, 후속하는 정제공정에서 정제되고, 정제가스로서 발전설비, 수소제조장치 등에 공급된다. 바람직하게는, 개질가스를 정제 전에 냉각하는 열회수장치가 설치되고, 열회수장치에 공급된 급수는 개질가스의 현열(顯熱)에 의해 수증기로 기화한다. 이 수증기는 상기 수증기가열장치로 공급되고, 위에 설명한 바와 같이 고온 수증기로 가열된다. 보다 바람직하게는, 정제가스의 일부가 공기가열장치에 공급되고, 상온의 공기가 정제가스의 연소열에 의해 상기 고온공기로 가열된다.
본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 고온 수증기는, 900℃이상의 온도를 갖고, 열분해영역에 있는 타르성분의 발생은, 최소한으로 억제되어, 상기 개질공정은 생략된다.
적합하게는, 정제가스 또는 열분해가스의 일부가, 보조 연료로서 차르(char) 연소영역에 공급되고, 차르(char) 연소열의 부족은 정제가스 또는 열분해가스의 연소열로 보충된다. 이것에 의해, 차르(char) 연소영역의 연소가스의 온도 및/또는 유량이 조절되고, 열분해 영역에 공급되는 고온 수증기의 온도 및/또는 유량이 억제된다. 변형예로서, 차르(char) 연소영역을 고온화하고, 차르(char) 소각재를 재(灰)용융하여도 좋다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명 제 1 실시예에 관한 고체연료 가스화 시스템을 나타낸 블럭도이다.
고체연료 가스화 시스템은, 산업폐기물 등의 고체연료를 열분해 하는 열분해 가스화로(爐)와, 온도 약 1000℃의 고온 수증기를 열분해 가스화로(爐)에 공급하는 수증기가열장치와, 열분해 가스화로(爐)에서 배출된 차르(char)를 연소시키는 차르(char) 연소로(爐)를 구비한다. 수증기가열장치는, 고온 수증기 공급로(HS)에 의해 열분해 가스화로(爐)에 접속된다. 열분해 가스화로(爐)에는, 고체연료를 열분해 가스화로(爐)에 공급하는 고체연료 공급로(L1)가 접속됨과 동시에, 열분해 가스화로(爐)의 차르(char)를 차르(char) 연소로(爐)에 공급하는 차르(char) 공급로(L2)가 접속된다. 공기 공급로(L3)가 차르(char) 연소로(爐)에 접속되고, 연소가스 송출로(L4)가 고온 제진장치를 통해서 수증기가열장치에 접속된다. 연소가스 송출로(L4) 사이에 장치된 고온 제진장치는, 예를 들면, 연소가스를 정화가능한 고온 세라믹 필터로 이루어진다. 공기공급로(L3)의 분기로(分岐路, L30)가 고온 제진장치 및 수증기가열장치 사이에서 연소가스 송출로(L4)에 접속된다.
열분해 가스화로(爐)는 열분해 가스 송급로(L5)에 의해 개질로(爐)에 접속되 고, 개질로(爐)는 개질가스 송급로(L6)에 의해 열회수·가스정제장치에 접속된다. 열분해 가스화로(爐)의 로내(爐內) 영역은, 초기적으로 로내(爐內)에 존재하는 공기 및 산소나 고체연료 공급시에 고체연료와 함께 로내(爐內)에 유입하여 얻는 소량의 공기 외에는, 공기 및 산소의 공급을 단절하고, 열분해 가스화로(爐)의 로내(爐內)영역에는 실질적으로 고온 수증기만 공급된다. 열분해 가스화로(爐)의 열분해가스는, 열분해가스 송급로(L5)를 통해서 개질로(爐)에 접속되고, 개질로(爐)의 개질가스는 개질가스 송급로(L6)를 통해서 열회수·가스정제장치로 공급된다. 필요에 따라, 열분해가스의 일부가 분기로(L9, 파선으로 나타낸다)를 통해서 차르(char) 연소로(爐)에 공급된다.
열회수·가스정제장치는, 급수관로(SW)가 접속됨과 동시에 수증기 공급로(L7)의 상류단이 접속된다. 수증기 공급로(L7)의 하류단은, 수증기가열장치에 연결된다. 열분해가스의 회수열에 의해 생성한 수증기가, 수증기 공급로(L7)를 통해서 수증기가열장치에 공급된다. 열회수·가스정제장치는, 정제가스 송출로(L8)에 의해 발전설비 또는 수소제조설비에 접속된다. 열회수·가스정제장치의 정제가스는, 발전설비 또는 수소제조설비에 연료가스 또는 원료가스로서 공급된다. 정제가스 공급로(L8)의 제 1 분기로(L11)가, 공기가열장치에 접속되고, 정제가스의 일부가 공기가열장치에 공기가열용 연료로서 공급된다. 공기가열장치의 고온공기 공급로(L10)가, 열분해가스 송급로(L5)에 접속되고, 약 1000℃의 고온공기가 열분해가스 송급로(L5)에 주입된다. 정제가스 공급로(L8)의 제 2 분기로(L12)가, 차르(char) 연소로(爐)에 접속된다. 필요에 따라, 정제가스의 일부가 보조연료로서 차르(char) 연소로에 공급된다. 제 3 분기로(L13)가 정제가스 공급로(L8)에서 다시 분기하고, 제 3 분기로(L13)의 하류단이 고온제진장치와 수증기가열장치 사이에서 연소가스 송출로(L4)에 접속된다.
산업폐기물 등의 고체연료가 열분해 가스화로(爐)에 공급되고, 열분해 가스화로(爐)의 로내(爐內)영역에 투입된다. 시스템 밖의 보조연료 공급설비(도시하지 않음)가 초기연소용 연료를 차르(char) 연소로(爐)의 버너(burner)설비에 공급하고, 공기공급로(L3) 사이에 장치한 급기팬이 연소용 공기를 차르(char) 연소로(爐)에 공급한다. 필요에 따라, 연소용 공기를 예열하는 공기예열장치(도시하지 않음)가, 공기공급로(L3) 사이에 장치된다. 차르(char) 연소로(爐)의 연소작동에 의해, 온도 약 800℃정도의 연소가스가 차르(char) 연소로(爐)에서 송출로(L4)로 송출된다. 연소가스는, 고온 제진장치 및 연소가스 재열용(再熱用) 연소수단을 통해서 수증기가열장치에 공급된다. 연소가스 재열용(再熱用) 연소수단에는, 시스템 밖의 보조연료 공급설비(도시하지 않음)로부터 초기연소용 연료가 공급된다.
비교적 저온의 수증기(온도 약 150 ~ 300℃ 정도)가, 시스템 밖의 프로세스 증기발생기(도시하지 않음) 등으로부터 수증기가열장치에 초기적으로 공급되고, 차르(char) 연소로(爐)의 연소가스와 열교환하여, 약 1000℃정도의 고온으로 가열된다. 고온 수증기는, 고온 수증기 공급로(HS)를 통해서 열분해 가스화로(爐)에 공급된다.
열분해 가스화로(爐)의 로내(爐內)영역(열분해영역)은, 공기의 공급을 단절해두고, 수증기가열장치의 고온 수증기만이 열분해 가스화로(爐)에 공급된다. 고온 수증기 공급로(HS)로부터 열분해 가스화로(爐)에 공급되는 고온 수증기의 온도(공급로(HS)의 출구온도)는 예를 들면, 1000℃로 설정된다. 열분해 가스화로(爐)의 로내(爐內) 압력은 대기압(상온), 혹은 1 ~ 2기압으로 설정된다. 열분해영역의 고체연료는, 열분해 가스화로(爐)의 로내(爐內)로 도입된 고온 수증기의 열로 열분해하고, 고온 약 600℃정도의 열분해가스가 고체연료의 열분해에 의해 발생한다. 실질적으로 고온 수증기에만 의존한 고체연료의 열분해에 의해 열분해영역에 발생한 열분해가스는, 질소를 포함하지 않고 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 하며, 게다가, 약 600℃정도의 온도를 갖는 열분해가스는 단지 비교적 소량의 타르성분을 포함하는 것에 불과하다. 열분해가스는 열분해 가스화로(爐) 내의 고온 수증기와 함께 열분해가스 송급로(L5)로 송출된다.
시스템 밖의 보조연료 공급설비(도시하지 않음)가 초기연소용 연료를 공기가열장치에 공급한다. 공기가열장치는, 연료의 연소열에 의해 대기온도의 공기를 약 1000℃의 온도로 가열하고, 고온공기를 고온공기 공급로(L10)로부터 열분해가스 송급로(L5)에 주입한다. 고온공기의 첨가는 다음 공정(개질공정)의 개질반응에 필요한 열을 보충하기 위한 것이고, 고온공기의 첨가량은, 열보급에 필요한 최소한의 공기량으로 제한하는 것이 바람직하다.
개질로(爐)는 중공(中空)이고, 동시에 무촉매의 반응용기로 이루어진다. 열분해가스 송급로(L5)의 열분해가스, 고온 수증기 및 고온공기는 개질로(爐)의 로내(爐內)영역으로 유입하고, 개질로(爐)의 개질영역에서 혼합하여 열분해가스 중의 탄화수소(주로 타르성분)의 수증기 개질반응(흡열반응)이 이 혼합과정에서 발생한 다. 열분해가스는 이와 같은 개질공정에 의해 비교적 다량의 수소 및 일산화탄소를 포함하는 고칼로리 가스로 개질된다. 개질영역에서는, 고온공기 및 열분해가스의 발열반응이 동시에 진행하기 때문에, 온도 약 800℃의 개질가스(합성가스)가 개질가스 송급로(L6)로 송출된다.
개질가스는, 소량의 수증기 외에, 고온공기의 첨가에 의해 시스템 안으로 공급된 소량의 질소를 포함한다. 본 실시예의 변형예로서, 이와 같은 질소의 혼입을 방지해야하므로, 위에서 설명한 공기가열장치를 대신하여 산소가열장치를 사용하여도 좋다. 이 경우, 산소가열장치에 의해 예열한 산소가 공급로(L10)에서 열분해가스에 첨가된다. 변형예로서, 대기온도의 산소(상온의 산소)를 공급로(L14, 파선으로 나타낸다)에서 열분해가스에 바로 첨가하여도 좋다.
개질가스 송급로(L6)의 개질가스(합성가스)는, 열회수·가스정제장치에 도입된다. 열회수·가스정제장치는 개질가스와 급수의 열교환에 의해 수증기를 생성하는 열회수부를 구비함과 동시에, 열회수 후의 개질가스를 정화하는 정화부(가스 세정기(scrubber) 등)를 구비한다. 약 800℃정도의 온도를 보유하는 고온의 개질가스는 급수와 열교환하여 냉각하고, 급수는, 수증기로 기화하여 수증기 공급로(L7)로 송출된다. 개질가스는 다시 정화부를 통과하고, 정화부는 개질가스 중의 수증기 및 고형성분 등을 제거한다. 열회수·가스정제장치의 정제가스는 정제가스 공급로 (L8)를 통해서 발전설비의 가스 터빈엔진(turbine engine) 등에 연료가스로서 공급되고 혹은, 수소제조설비에 원료가스로서 공급된다.
정제가스의 일부가, 제 1 분기로(L11)에서 공기가열장치로 공급된다. 공기가 열장치는 예를 들면, 특허공개 제2002-158885호 공보에 기재된 구성의 공기가열장치로 이루어진다. 공기가열장치는 대체로 대기온도의 공기를 정제가스의 연소열에 의해 약 1000℃로 가열하고, 고온공기 공급로(L10)로 송출한다. 필요에 따라, 정제가스의 일부가, 차르(char) 연소로(爐)의 보조연료로서 제 2 분기로(12)에서 송출되고, 차르(char) 연소로(爐)에서 공급된다.
정제가스의 일부 혹은 공기공급로(L3)의 연소용 공기의 일부가 고온제진장치와 수증기가열장치 사이에서, 분기로(L13, L30)에서 연소가스 송출로(L4)로 주입된다. 정제가스 또는 연소용 공기 모두를 연소가스 송출로(L4)로 주입하여도 좋다. 정제가스 또는 연소용 공기의 주입부는 배관 또는 덕트의 T형 접속부 혹은, 연소가스 송출로(L4) 사이에 장치한 연소기에 의해 형성된다.
고온제진장치에 공급해야하는 연소가스의 온도는 차르(char) 연소로(爐)의 연소제어에 의해 대체로 600 ~ 800℃정도의 온도로 규제되는데, 연소가스는 정제가스(L13) 및/또는 연소용 공기(L30)의 첨가에 의해 재연소 또는 2차 연소하기 때문에, 연소가스의 온도는 상승한다. 따라서, 수증기가열장치에 도입된 연소가스는, 1000℃를 넘는 온도 예를 들면, 1200℃의 온도를 보유한다.
도 2 및 도 3은, 본 실시예에 있는 가스화 시스템의 열원(熱源)구성을 나타내는 블럭도이다.
열분해 가스화로(爐)에서 열분해 가스화 반응이 안정한 단계에서는, 시스템 밖의 설비로부터의 보조연료공급 및 수증기공급은 정지된다. 가스화 시스템은 도 2에 나타낸 바와 같이, 열분해 가스화로(爐)의 차르(char)를 수증기가열용 열 에너 지원으로 한 정상운전으로 전환된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 정상운전시에는 열분해가스의 개질에 이용되는 공기(또는, 산소)는, 정제가스의 연소열에 의해 가열되고, 급수는 개질가스와 열교환 하여, 수증기가열장치에 공급해야할 수증기를 생성한다. 따라서, 정상운전시에는, 수증기의 가열, 공기(또는, 산소)의 가열 및 수증기생성을 위한 열에너지는, 열분해 가스화로(爐, 1)에서 발생하는 차르(char) 및 열분해가스에 의해서 얻어진다. 즉, 가스화 시스템은, 열분해 가스화로(爐, 1)의 차르(char) 및 열분해가스를 에너지원으로 운전된다.
도 3에 나타낸 바와 같이 열분해 가스화로(爐,1)는 열분해영역(11)을 형성하는 로체(爐體, 10)를 구비한다. 로체(爐體, 10)의 하부에는 다수의 통기공을 구비한 로(爐) 바닥(12)이 형성된다. 로(爐) 바닥(12)으로서, 다수의 통기공을 뚫은 세라믹제 고정바닥을 적합하게 사용할 수 있다. 고온 수증기 공급로(HS) 및 차르(char) 공급로(L2)가 로(爐) 저부(低部)에 접속된다. 고체연료가 고체연료 공급로(L1)로부터 열분해영역(11)으로 투입되고, 로(爐) 바닥(12) 위에 퇴적한다. 열분해 가스화로(爐)(1)는 로(爐) 저부에서 고온 수증기가 공급되는 고정바닥형식의 로(爐)이고, 열분해영역(11)은, 로체(爐體) 상부에 배치된 고체연료 공급로(L1) 및 열분해가스 송급로(L5)의 개구부를 제외하고 폐쇄한다. 따라서, 열분해영역(11)으로 외부공기의 진입은 실질적으로 완전히 단절된다.
수증기가열장치(3)의 고온 수증기는 로(爐) 저부에서 위를 향하여 로내(爐內)로 들어가고 로(爐) 바닥(12)의 통기공을 통과하여 고체연료(13)에 접촉하여, 고체연료(13)를 가열한다. 공기공급을 단절한 상태의 열분해영역(11)에서 고체연 료(13)는, 고온 수증기의 공급만으로 열분해하고, 열분해가스가 발생한다. 더욱 바람직하게는 열분해의 반응속도를 빠르게 하기 때문에, 수증기의 온도를 1000℃이상으로 설정하는 것이 적합하다. 열분해영역(11)의 열분해가스 및 고온 수증기는 로체(爐體) 상부에 접속한 열분해가스 송급로(L5)로 유출하여 개질로(5)에 공급된다. 열분해가스 송급로(L5)의 열분해가스 및 고온 수증기에는 고온공기 공급로(L10)의 고온공기(또는, 산소)가 첨가된다. 파선으로 나타낸 바와 같이, 대체로 대기온도의 산소를 공급로(L14)에서부터 열분해가스 송급로(L5)에 첨가하여도 좋다.
열분해가스, 수증기 및 공기(또는, 산소)는, 개질로(5)에 도입되고, 개질로(5) 내에서 혼합하여, 열분해가스 중의 탄화수소(주로 타르성분)는, 개질된다. 따라서, 비교적 다량의 수소 및 일산화탄소를 포함한 개질가스(합성가스)가 개질가스 송급로(L6)에서 송출되고, 열회수·가스정제장치(도 1)로 공급된다. 개질로(5)로서 예를 들면, 특허공개 제2002-210444호에 개시된 구조의 개질로(爐)를 적합하게 사용할 수 있다.
고체연료(13)의 열분해에 의해 생성한 차르(char)는, 로(爐) 바닥(12)의 통기공을 흐르고, 노저(爐低)영역에 설치된 차르(char) 배출구 및 차르(char) 공급로(L2)를 통해서 차르(char) 연소로(2)로 공급된다. 차르(char) 연소로(2)는, 열분해 가스화로(1)와 같은 식의 구조를 구비한다. 즉, 차르(char) 연소로(2)는, 차르(char) 연소영역(21)을 형성하는 로체(爐體, 20)와 다수의 통기공을 구비한 로(爐) 바닥(22)을 갖는다. 로(爐) 바닥으로서, 다수의 통기공을 뚫은 세라믹제 고정바닥을 적합하게 사용할 수 있다. 공기공급로(L3)는 차르(char) 연소로(2)의 로 (爐) 저부에 접속되고, 연소가스 송출로(L4)는 차르(char) 연소로(2)의 로체(爐體) 상부에 접속된다.
차르(char) 연소로(2)에 공급된 차르(char)는, 로(爐) 바닥(22) 위에 퇴적하고, 공기공급로(L3)의 연소용 공기가 로(爐) 바닥(22)의 통기공을 통해서 차르(char) 연소영역(21) 내에서 위를 향하여 들어간다. 차르(char) 연소로(2)의 로(爐)의 온도는 차르(char)의 연소에 의해 800℃를 넘는 온도에 달한다. 온도 약 600 ~ 800℃정도의 연소가스가 연소가스 송출로(L4)의 유로(L41)로 송출된다. 필요에 따라, 제 2 분기로(L12)의 정제가스 또는 분기로(L9, 파선으로 나타낸다)의 열분해가스를 보조적으로 차르(char) 연소영역(11)에 공급해도 좋다.
연소가스는 고온제진장치(4)를 통과하여, 연소가스 중의 먼지 등은, 제거된다. 연소가스는 고온제진장치(4)에서 유로(L42)로 송출된다. 정제가스 및/또는 연소용 공기의 주입부(40)가, 유로(L42)에 접속된다. 주입부(40)는 예를 들면, 유로(L42)에 대한 분기로(L13, L30)의 T형 접속부 혹은, 분기로(L13, L30)를 접속한 연소기로 이루어진다. 연소가스는 주입부(40)에서 정제가스 및/또는 연소용 공기와 혼합하고, 재연소 또는 2차 연소한다.
분기로(L13, L30)에는, 주입부(40)에 대한 정제가스 및 연소용 공기의 공급을 제어하는 제어밸브(45, 46)가 설치된다. 제어밸브(45, 46)는 연소가스의 재연소 또는 2차 연소가 주입부(40)에서 적절하게 진행하도록 정제가스 및 연소용 공기의 유량을 제어한다. 예를 들면, 차르(char) 연소영역(21)의 차르(char)가 완전연소하는 경우, 연소가스는 비교적 다량의 산소를 포함하기 때문에, 제어밸브(45, 46)는 주로 분기로(L13)의 정제가스를 주입부(40)에 공급한다. 한편, 차르(char) 연소영역(21)의 차르(char)가 불완전연소하는 경우에는, 연소가스는 비교적 다량의 일산화탄소를 포함하기 때문에, 제어밸브(45, 46)는 주로 분기로(L30)의 연소용 공기를 주입부(40)에 공급한다.
연소가스는 주입부(40)에서 재연소 또는 2차 연소에 의해 1000℃를 넘는 고온으로 온도가 상승하고, 유로(L43)로부터 수증기가열장치(3)로 공급된다. 연소가스는, 앞에서 말한 바와 같이, 수증기와 열교환하여 수증기를 고온으로 가열하고, 스스로 냉각한다. 냉각 후의 연소가스는, 배기로를 통해서 대기로 방출된다.
수증기가열장치(3)는 예를 들면, 높은 온도효율을 갖는 융그스트롬(Ljungstrom)식의 열교환기로 이루어지고, 수증기 공급로(L7)의 수증기를 약 1000℃정도의 고온으로 가열하여 고온 수증기 공급로(HS)로 송출한다. 수증기 가열장치(3)로서, 세라믹 허니캄(honey-comb)구조 등의 축열체를 구비하거나 리제너레이터형(regenerator) 열교환기, 혹은 전열코일을 구비한 리쿠퍼레이터형(recuperator) 열교환기를 채용하여도 좋다. 이 경우, 수증기 공급로(l7)의 수증기는 축열체를 통해서 이루어진 연소가스와 수증기의 열교환 혹은, 전열코일을 유통하는 수증기와 연소가스의 열교환에 의해 가열된다.
또한, 차르(char)를 연료로하는 연소로(2)의 연소량이 부족한 경우, 열분해가스 또는 정제가스의 일부가 분기로(L9, L12)에서 차르(char) 연소로(2)의 버너설비(도시하지 않음)에 보조적으로 공급된다.
도 4 ~ 도 7은, 본 발명의 제 2 실시예에 관한 가스화 시스템의 구성을 개략 적으로 나타내는 블럭도 및 시스템 블럭도이다.
상기 제 1 실시 예에서는, 가스화 시스템은 열분해 가스화로(爐)와 직렬로 연결한 차르(char) 연소로(爐)를 구비하는데, 본 실시예의 가스화 시스템은 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이 병렬로 배치된 제 1 로(爐) 및 제 2 로(爐)를 구비한다. 제 1 및 제 2 로(爐)는 각각 열분해 가스화로(爐) 및 차르(char) 연소로(爐)를 겸한다.
도 5에는, 상호 실시되는 가스화 시스템의 제 1 공정 및 제 2 공정이 나타나 있다. 도 5(A)에 나타낸 제 1 공정에서는, 제 1 로(爐)는 가스화 운전을 하고, 제 2 로(爐)는 차르(char) 연소운전을 한다. 도 5 (B)에 나타낸 제 2 공정에서는 제 1 로(爐)는 차르(char) 연소운전을 하고, 제 2 로(爐)는 가스화 운전을 한다. 제 1 공정 및 제 2 공정은, 몇 시간 도는 수십 시간의 시간단위로 상호 실행된다.
도 5(A)에 나타낸 제 1 공정에서는, 고온 수증기가 제 1 로(爐)에 공급된다. 제 1 로(爐)의 가스화운전에 의해 발생한 열분해가스가 개질로(爐)에 공급된다. 고체연료는, 제 1 로(爐)에 미리 투입되고 혹은, 고온 수증기의 공급과 동시에 제 1 로(爐)에 연속 투입된다.
제 1 로(爐)가 가스화 운전(도 5(A))을 종료하면, 도 5(B)에 나타낸 제 2 공정이 실행되어 연소용 공기가 제 1 로(爐)에 공급된다. 제 2 공정에서는 제 1 로(爐)의 가스화 운전중(도 5(A))에 제 1 로(爐)의 로(爐) 바닥부분에 잔류한 차르(char)가 연소용 공기의 공급에 의해 연소하고, 제 1 로(爐)는 차르(char) 연소로(爐)로서 작용하여 연소가스를 제진장치로 송출한다. 제진장치에서 먼지를 제거 한 연소가스는, 위에서 설명한 제 1 실시예와 같이 연소용 공기 및/또는 정제가스의 첨가에 의해 2차 연소 또는 재연소하고, 온도가 상승한 후, 고온연소가스로 수증기가열장치에 공급된다. 수증기가열장치에 공급된 수증기가 고온연소가스와 열교환하고, 약 1000℃로 가열된다. 가열 후의 고온 수증기는, 제 2 로(爐)에 공급된다. 제 2 로(爐)는 고온수증기의 공급에 의해 고체연료를 열분해하고, 열분해가스를 개질로(爐)에 공급한다. 또한, 고체연료는 제 2 로(爐)에 미리 투입되고 혹은, 고온 수증기의 공급과 동시에 제 1 로(爐)에 연속 투입된다.
제 2 로(爐)가 가스화 운전을 종료하면, 도 5(A)에 나타낸 제 1공정이 실행된다. 제 1 공정에서는 제 2 로(爐)의 가스화 운전중(도 5(B))에 제 2 로(爐)의 로(爐) 바닥부분에 잔류한 차르(char)가 연소용 공기의 공급에 의해 연소하고, 제 2 로(爐)는, 차르(char) 연소로(爐)로서 작동하여, 고온의 연소가스를 제진장치로 송출한다. 제진장치에서 먼지를 제거한 연소가스는, 연소용 공기 및/또는 정제가스의 첨가에 의해 2차 연소 또는 재연소하여 온도가 상승한 후, 수증기가열장치로 공급된다. 수증기는 고온연소가스와 열교환에 의해, 약 1000℃로 가열되고, 제 1 로(爐)에 공급된다. 제 1 로(爐)는 고온 수증기의 공급에 의해 고체연료를 열분해하고, 열분해가스를 개질로(爐)에 공급한다.
제 1 공정(도 5(A) 및 제 2 공정(도 5(B))은 몇 시간 또는 수십 시간의 시간간격으로 상호 전환되고, 제 1 로(爐) 및 제 2 로(爐)는 열분해 가스화로(爐) 및 차르(char) 연소로(爐)로서 상호 운전된다. 즉, 제 1 로(爐) 및 제 2 로(爐)는, 열분해가스를 발생하는 열분해 가스화로(爐)로서의 작용과, 로(爐) 바닥부분에 잔류 한 차르(char)의 연소에 의해 고온연소가스를 생성하는 차르(char) 연소로(爐)로서의 작용을 상호 발휘한다.
도 6 및 도 7은, 가스화 시스템의 열원(熱源)구성을 개략적으로 나타낸 시스템 블럭도이다. 도 6에는 가스화 시스템의 제 1 공정이 나타나고, 도 7에는 가스화 시스템의 제 2 공정이 나타난다.
제 1 및 제 2 로(爐, 1a, 1b)는, 상기 제 1 실시예의 열분해 가스화로(爐)와 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 로체(爐體, 10)의 하부에는 다수의 통기공을 뚫어 설치한 로(爐) 바닥(12)이 설치된다. 고체연료 공급로(L1a, L1b), 열분해가스 송급로(L5a, L5b) 및 연소가스 송출로(L4a, L4b)가 로체(爐體) 상부에 접속된다. 고체연료 공급로(L1a, L1b)는, 전환제어밸브(V1)를 통해서 고체연료 공급로(L1)에 접속되고, 열분해가스 송급로(L5a, L5b)는 전환제어밸브(V2)를 통해서 열분해가스 송급로(L5)에 접속되고, 연소가스 송출로(L4a, L4b)는 전환제어밸브(V3)를 통해서 연소가스 송출로(L4)에 접속된다.
공기공급로(L3a, L3b) 및 고온 수증기 공급로(HSa, HSb)가 제 1 로(爐, 1a) 및 제 2 로(爐, 1b)의 로(爐) 저부에 접속된다. 공기공급로(L3a, L3b)는, 전환제어밸브(V4)를 통해서 공기공급로(L3)에 접속된다. 고온 수증기 공급로(HSa, HSb)는 전환제어밸브(V5)를 통해서 고온 수증기 공급로(HS)에 접속된다.
전환제어밸브(V1 ~ V5)는, 도 6에 나타낸 제 1 공정에 있어서, 제 1 위치에 위치하고, 고체연료 공급로(L1), 열분해가스 송급로(L5) 및 고온 수증기 공급로(HS)를 제 1 로(爐, 1a)에 접속하고, 공기공급로(L3) 및 가스 송출로(L4)를 제 2 로(爐, 1b)에 접속한다. 제 1 로(爐, 1a)는, 열분해 가스화로(爐)로서 기능하고, 고체연료(13)의 열분해에 의해 발생한 열분해가스를 개질로(5)에 공급한다. 제 2 로(爐, 1b)는 차르(char) 연소로(爐)로서 기능하고, 로(爐) 바닥부분의 차르(char, 14)의 연소에 의해 생성한 연소가스를 수증기가열장치(3)에 공급한다.
전환제어밸브(V1 ~ V5)는, 도 7에 나타낸 제 2 공정에 있어서, 제 2 위치에 위치하고, 고체연료 공급로(L1), 열분해가스 송급로(L5) 및 고온 수증기 공급로(HS)를 제 2 로(爐, 1b)에 접속하고, 공기공급로(L3) 및 가스 송출로(L4)를 제 1 로(爐, 1a)에 접속한다. 제 2 로(爐, 1b)는, 열분해 가스화로(爐)로서 기능하고, 고체연료(13)의 열분해에 의해 발생한 열분해가스를 개질로(5)에 공급한다. 제 1 로(爐, 1a)는 차르(char) 연소로(爐)로서 기능하고, 로(爐) 바닥부분의 차르(char, 14)의 연소에 의해 생성한 연소가스를 수증기가열장치(3)에 공급한다.
필요에 따라, 차르(char) 연소중의 제 1 또는 제 2 로(爐)에 대하여, 정제가스 송출로(L8)의 정제가스의 일부를 제 2 분기로(L12)에서 보조적으로 공급하여도 좋다. 또한, 열분해가스 송급로(L5)의 열분해가스의 일부를 분기로(L9)에서 보조적으로 공급하여도 좋다.
이와 같은 실시예에 의하면, 가스화 운전에 의해 제 1 로(爐, 1a) 또는 제 2 로(爐, 1b)의 로(爐) 바닥부분에 잔류한 차르(char)를 로외(爐外)의 차르(char) 연소로(爐)로 이송하는 일 없이, 제 1 로(爐, 1a) 또는 제 2 로(爐, 1b)의 차르(char) 연소운전에 의해 연소시키고, 수증기가열용의 고온 수증기가스를 생성하는 것이 가능하다. 그렇게 때문에, 차르(char) 연소전용으로 차르(char) 연소로 (爐)를 설치할 필요없이, 차르(char)를 제 1 로(爐)에서 꺼내어 차르(char) 연소로(爐)로 이송하는 차르(char) 공급로(L2, 도1)에 대해서도 그 설치를 생략하는 것이 가능하다.
도 8 및 도 9는 본 발명 제 3 실시예에 관한 가스화 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도 및 시스템 블록도이다.
상기 제 1 및 제 2 실시예에서는 가스화 시스템은, 차르(char) 연소영역, 제진장치 및 연소가스 재열용(再熱用) 연소수단을 구비했는데, 본 실시예의 가스화 시스템은, 정제가스 및 공기의 연소반응에 의해 고온의 연소가스를 발생시키는 연소기(40)를 구비한다. 연소기(40)에는 공기공급로(L3)의 연소용 공기와 분기로(L13)의 정제가스가 도입된다. 연소용 공기는, 필요에 따라 공기 예열기(파선으로 나타낸다)에서 예열된다. 1000℃를 넘는 연소기(40)의 연소가스는 유로(L43)을 통해서 수증기가열장치(3)로 공급된다. 연소가스는 앞에 설명한 바와 같이, 수증기와 열교환하여, 냉각하고, 배기로를 통하여 대기로 방출된다. 고온의 연소가스와의 열교환에 의해 약 1000℃로 가열된 수증기는, 열분해 가스화로(1)에 공급된다. 가스화로(1)에 공급된 고온 수증기는 고체연료를 열분해하고, 가스화로(1)는 열분해 가스를 개질로(5)에 공급한다. 또한, 열분해가스 송급로(l5)의 열분해 가스의 일부를 분기로(L9, 도9)에서 연소기(40)에 공급하여도 좋다. 그 밖의 구성은 앞에 설명한 제 1 및 제 2 실시예와 실질적으로 동일하기 때문에 다시 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예는, 바이오매스(biomass) 연료와 같은 차르(char)가 잔류하기 어려 운 고체연료를 이용한 가스화 시스템에 바람직하게 적용된다. 연료가스는 정제가스 및 공기의 연소반응에 의해 발생하기 때문에, 제진장치에 의해서 정화하는 일 없이(따라서, 온도를 제한하는 일 없이), 수증기가열장치(3)로 공급하는 것이 가능하다. 그렇기 때문에, 1000℃를 넘는 고온의 연소가스를 바로 수증기가열장치(3)로 도입하는 것이 가능하다. 또한, 열분해가스의 일부(L9)를 연소기(40)에 도입하고, 열분해가스의 연소에 의해 상기 고온연소가스를 발생시키는 것도 가능하다.
변형예로서, 상기 제 2 실시예와 같은 식으로 제 1 로(爐) 및 제 2 로(爐)를 설치하고, 제 1 또는 제 2 로(爐)의 열분해가스 또는 그 정제가스를 연소기(40)에 선택적으로 공급하도록 구성하여도 좋다. 이 경우, 가스화 시스템의 열원(熱源)은 예를 들면, 도 4 ~ 도 8에 나타낸 구성의 가스화 시스템에 있어서, 유로(L4a, L4b, L41, L42), 전환제어밸브(V3) 및 고온제진장치(4)를 생략하고, 열분해가스 또는 그 정제가스를 제 1 로(爐) 또는 제 2 로(爐)에서 상호 연소기(40)에 공급하도록 구성된다.
이상, 본 발명의 적합한 실시예에 대하여 상세하게 설명했는데, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위 내에서 여러 가지의 변형 또는 변경이 가능하다.
예를 들면, 온도 1000℃이상의 고온 수증기를 열분해 가스화로(爐)에 공급하고, 타르의 발생을 최소한으로 억제하는 것에 의해, 개질로(爐)의 개질공정을 생략하는 것도 가능하다. 또한, 열분해영역 투입 전의 고체연료를 미분쇄처리 등의 전처리공정에서 미분쇄하여도 좋다. 더욱이, 상기 제 1 실시예에서는, 차르(char) 연 소 후의 소각재는, 차르(char) 연소로(爐)에서 배출되는데, 차르(char) 연소로(爐) 로(爐)의 온도를 고온화하는 것에 의해 소각재를 재(灰)용융하는 것도 가능하다. 또한, 상기 제 2 실시예에서는, 가스화 시스템은, 가스화 및 차르(char) 연소의 각 기능을 상호 발휘하는 제 1 로(爐) 및 제 2 로(爐)를 구비하는데, 전환운전이 가능한 3개 이상의 로(爐)를 가스화 시스템에 구성하여도 좋다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 폐기물 등의 질이 낮은 고체연료의 가스화 시스템에 바람직하게 적용된다. 본 발명의 고체연료 가스화 시스템은, 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 한 고발열량의 합성가스를 제조하고, 발전설비, 수소제조설비 등에 공급하는 것이 가능하다.

Claims (14)

  1. 고체연료를 열분해하고, 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 제조하는 고체연료 가스화 시스템에 있어서,
    공기공급을 단절한 열분해영역과,
    그 열분해영역의 차르(char)를 연소용 공기의 존재하에 연소하여 연소가스를 생성하는 차르(char) 연소영역과,
    상기 연소가스와 수증기의 열교환에 의해 수증기를 가열하는 수증기가열장치와,
    상기 차르(char) 연소영역과 상기 수증기가열장치 사이에서 상기 차르(char) 연소영역의 연소가스를 정화하는 제진장치와,
    그 제진장치로부터 수증기가열장치로 송출되는 먼지제거 후의 연소가스를 연소시키고, 연소가스의 온도상승을 가져오는 연소가스 재열용(再熱用) 연소수단을 구비하고,
    상기 수증기가열장치는, 상기 연소가스와 상기 수증기의 열교환에 의해 그 수증기를 600℃이상의 고온 수증기로 가열하는 열교환기를 구비하고, 그 고온 수증기는 상기 열분해영역에 공급되어 열분해영역의 고체연료를 열분해하고, 그 열분해영역에 열분해가스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  2. 열분해 후에 차르(char)가 잔류하기 어려운 고체연료를 열분해하고, 수소 및 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 제조하는 고체연료 가스화 시스템에 있어서,
    공기공급을 단절한 열분해영역과,
    그 열분해영역에 있는 상기 고체연료의 열분해에 의해 생성한 열분해가스, 또는 그 열분해가스를 개질(改質)한 정제가스를 연소시켜 1000℃가 넘는 연소가스를 발생시키는 연소수단과,
    상기 연소가스와 수증기의 열교환에 의해 상기 수증기를 가열하는 수증기가열장치를 구비하고,
    상기 수증기가열장치는, 상기 연소가스와 상기 수증기의 열교환에 의해 그 수증기를 600℃이상의 고온 수증기로 가열하는 열교환기를 구비하고, 그 고온 수증기는, 상기 열분해영역으로 공급되어, 열분해영역의 고체연료를 열분해하고, 그 열분해영역에서 열분해가스를 발생시키는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  3. 청구항 제 1항에 있어서, 상기 연소가스 재열용(再熱用) 연소수단은, 상기 합성가스의 일부 및/또는 연소용 공기를 정화 후의 연소가스에 첨가하는 주입부를 갖고, 상기 연소가스는, 상기 주입부에 있는 합성가스 및/또는 연소용 공기의 주입에 의해, 재연소 또는 2차 연소하여, 온도가 상승하는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  4. 청구항 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 차르(char) 연소영역은, 상기 열분해영역의 차르(char)가 도입되는 차르(char) 연소로(爐) 내에 형성되고, 차르(char) 소각용의 연소용 공기가 차르(char) 연소영역에 공급되는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  5. 청구항 제 1 또는 제 3항에 있어서, 열분해영역 겸 차르(char) 연소영역으로서 작용하는 로내(爐內)영역을 구비한 열분해·차르(char) 연소겸용의 제 1 로(爐) 및 제 2 로(爐)와, 그 제 1 및 제 2 로(爐)의 운전을 전환하는 전환수단을 갖고, 그 전환수단은 상기 고온 수증기를 제 1 로(爐)에 공급하고 동시에 연소용 공기를 제 2 로(爐)에 공급하는 제 1 위치와, 연소용 공기를 제 1 로(爐)에 공급하고 동시에 상기 고온 수증기를 제 2 로(爐)에 공급하는 제 2 위치에서 상호 전환되는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  6. 청구항 제 1, 3, 4항 또는 제 5항의 어느 한 항에 있어서, 상기 열분해가스의 일부 또는 열분해가스를 정제한 정제가스의 일부가, 상기 차르(char) 연소영역의 연소열을 보충하기 위한 보조연료로서 상기 차르(char) 연소영역으로 공급되는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  7. 청구항 제 6항에 있어서, 상기 열분해영역에 공급해야하는 고온 수증기의 온도 및/또는 유량을 제어하기 위해서, 상기 차르(char) 연소영역의 연소가스의 온도 및/또는 유량을 조절하는 제어수단을 부가적으로 갖는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  8. 청구항 제 1항 내지 제 7항의 어느 한 항에 있어서, 열분해가스 송급로를 통해서 상기 열분해영역과 연통하는 개질로(爐)와, 상기 합성가스의 연소열에 의해 공기를 600℃이상의 고온공기로 가열하는 공기가열장치를 부가적으로 갖고, 상기 고온공기는 상기 열분해가스 송급로 또는 개질로(爐)에 주입되는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  9. 청구항 제 1항 내지 제 7항의 어느 한 항에 있어서, 열분해가스 송급로를 통해서 상기 열분해영역과 연통하는 개질로(爐)를 부가적으로 갖고, 산소가, 상기 열분해가스 송급로 또는 개질로(爐)로 주입되는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  10. 청구항 제 1항 내지 제 7항의 어느 한 항에 있어서, 상기 열분해영역과 연통하는 열회수·가스정제장치가 설치되고, 상기 열교환기는 상기 수증기를 900℃이상의 온도로 가열하고, 열분해영역의 열분해가스는 열분해영역에서 바로 상기 열회수·가스정제장치로 공급되는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  11. 청구항 제 1항 내지 제 4항의 어느 한 항에 있어서, 상기 열분해영역을 형성 하는 열분해로(爐)가 설치되고, 열분해로(爐)는 로(爐) 바닥에 퇴적한 고체연료에 대하여 상기 고온 수증기를 로(爐) 저부에서 위를 향하여 들어가고, 로(爐) 바닥에 퇴적한 고체연료를 가열하여 공기공급을 단절한 상태의 상기 열분해영역에 열분해가스를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  12. 청구항 제 11항에 있어서, 상기 로(爐) 바닥은, 다수의 통기공을 구비한 고정바닥이고, 상기 고체연료의 공급수단이, 상기 열분해영역의 상부에 배치되고, 상기 고온 수증기의 공급로가 상기 로(爐) 바닥 하측의 로(爐) 저부에 접속되고, 고온 수증기는 로(爐) 바닥의 통기공을 통하여 고체연료에 접촉하여 고체연료를 가열하고, 열분해가스를 발생시는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  13. 청구항 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 열분해영역을 형성하는 열분해로(爐)가 설치되고, 열분해로(爐)는, 로(爐) 바닥에 퇴적한 고체연료에 대하여 상기 고온 수증기를 로(爐) 저부에서 위를 향하여 들어가고, 로(爐) 바닥에 퇴적한 고체연료를 가열하여 공기 공급을 단절한 상태의 상기 열분해영역에 열분해가스를 생성하도록 구성되고,
    상기 차르(char) 연소영역에 차르(char)를 공급하는 차르(char) 공급로가 상기 로(爐) 저부에 접속되는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
  14. 청구항 제 13항에 있어서, 상기 로(爐) 바닥은, 다수의 통기공을 구비한 고 정바닥이고, 상기 고체연료의 공급수단이, 상기 열분해영역의 상부에 배치되고, 상기 고온 수증기의 공급로가 상기 로(爐) 바닥 하측의 로(爐) 저부에 접속되고, 고온 수증기는 로(爐) 바닥의 통기공을 통과하여 고체연료에 접촉하여 고체연료를 가열하는 것을 특징으로 하는 고체연료 가스화 시스템.
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