KR20090026348A - 발전장치 제어방법 및 이 방법에 사용하기 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

발전장치의 제어방법 및 이 방법에 사용되는 장치로서, 이 장치는 가스화를 위한 원료물질이 상부로부터 장입되고, 가스화제가 하부로부터 도입되는 샤프트 및 업드래프트 고정상 형식의 폐기물, 목재 칩, 밀짚 등의 바이오매스 물질을 위한 가스화 장치 및 상기 가스화 장치로부터의 연료가스에 의해 구동되는 전력을 생산하기 위한 발전기를 구동하는 가스엔진을 포함한다. 상기 가스화 장치로부터 가스엔진까지 생산된 연료가스를 직접 공급함과 동시에 일정한 전력 출력을 유지하기 위해 상기 가스화 장치 내의 연료가스의 생산을 조절함에 의해 가스화 장치와 가스엔진 사이에 가스 홀더를 사용할 필요가 없어진다.
Figure P1020097001579
발전설비, 가스화 장치(gasifier), 바이오매스(biomass), 가스엔진(gas engine)

Description

발전장치 제어방법 및 이 방법에 사용하기 위한 장치{METHOD OF CONTROLLING AN APPARATUS FOR GENERATING ELECTRIC POWER AND APPARATUS FOR USE IN SAID METHOD}
본 발명은 발전장치 제어방법 및 그 방법에 사용하기 위한 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 가스화를 위한 원료물질이 상부로부터 장입되고, 가스화제가 하부로부터 도입되는 샤프트 및 업드래프트 고정상 형식의 폐기물, 목재 칩, 밀짚 등의 바이오매스 물질을 위한 가스화 장치, 및 이 가스화 장치로부터의 연료가스에 의해 구동되고, 전력을 생산하기 위한 발전기를 구동하는 가스엔진을 포함한다.
이와 같은 발전장치에서, 연료가스 생산의 변동을 보상하여 일정한 발전 출력을 유지하도록 가스화 장치와 가스엔진 또는 생산의 제어가 가능하도록 생산된 연료가스를 이용하는 기타 설비의 사이에 가스 홀더(gas holder)를 사용하는 것이 공지되어 있다.
프랑스 특허 FR 2,844,804로부터 전력을 생산하는 가스엔진을 위한 연료로서 다운드래프트(downdraft) 가스화 장치에서 제공되는 가스를 이용하는 것이 공지되 어 있다. 생산된 가스는 가열용 버너의 연료로서도 사용된다. 가스 생산의 변화는 부분적으로 가스엔진의 기계적 관성에 의해 수행된다고 언급되어 있다. 이와 같은 가스 생산의 변화는 또 버너에 대한 가스의 공급량을 변화시키는 것에 의해 수행될 수 있다. 다운드래프트 가스화 장치의 중요한 단점은 생산된 가스가 약 500-650℃의 고온으로 공급되는 것으로서, 이것은 폭발의 위험을 줄이기 위해 즉각 냉각시켜주어야 한다. 냉각된 기체는 가스엔진에 사용하기 전 세정단계, 스크러빙단계(scrubbing) 및 여과단계의 다수 단계를 거친다. 상기 문헌은 또 가스화 장치에 공급되는 바이오매스 연료가 탈수되고, 건조 및 펠릿화된 바이오매스는 10-25%의 특정 습도를 가진다는 것이 명시되어 있다. 이 문헌에는 건조, 열분해, 환원 및 산화를 위해 공기가 사용된다는 언급은 있으나 가스화제에 대한 상세한 내용은 언급되어 있지 않다.
미국 특허출원 US 2004/0168468 A1 및 영국 특허출원 GB 2 331 128 A로부터 고압의 가스화 장치로부터 전기를 생산하는 가스 터어빈에 가스를 공급하는 것이 공지되어 있다. 고압 가스화 장치는 석탄 또는 석유공업의 잔류물 등의 입자상 화석연료를 가스화하는데 적합하고, 500-1000℃ 범위의 고온의 연료가스를 생산한다. 이러한 고압 가스화 장치의 주요 단점은 가스화 장치가 압력용기 내에 구속되어야 하고, 가스화 장치에 대한 연료 및 가스화제의 공급 이 가스화 장치의 고압 하에서 수행되어야 하므로 공급을 위해 고압의 압축기가 필요하다는 점이다.
미국 특허출원 US 2004/0168468 A1에는 감시 하의 발전 출력에 기초하여 가스화 장치에 대한 고체연료 공급류의 자동적인 증가변화 및 감소변화가 기술되어 있다. 또, 이 문헌에는 고압/고온의 가스화 장치 및 연소장치(즉, 가스 터어빈) 내에 산화제로서 순수한 산소를 제공하고, 가스 터어빈의 냉각을 위해 N2를 도입하기 위해 공기를 N2 및 O2의 2개의 흐름으로 분리시키는 정교하고 복잡한 공기 분리장치가 기술되어 있다.
영국 특허출원 GB 2, 331, 128 A는 고압의 버퍼 연도 가스 저장체를 이용하거나 고압의 가스화 장치 자체를 버퍼 가스 저장체로서 이용한다.
전술한 종래기술에 기초하여, 본 발명의 목적은 전술한 종류의 단순한 방법 및 장치를 제공하는 것으로서, 이것에 의해 업드래프트 가스화 장치 내의 연료가스의 생산을 변화시키도록 보상하는 가스 홀더를 사용할 필요가 없이 제어된 양의 생산 가스를 직접 가스엔진에 공급할 수 있으므로 다양한 요구에 따라 제어된 전력을 공급할 수 있고, 이것은 가스화 장치의 연료가스를 적절한 냉각장치 및 여과장치를 개재하여 가스엔진에 직접 공급하는 것 및 일정한 및/또는 제어된 전력출력을 유지하기 위해 연료가스의 생산을 제어하는 것에 의해 달성된다. 연료가스의 생산 제어는 가스화 장치에 공급되는 가스화제의 양을 제어하는 것에 의해 수행할 수 있다.
고압 가스화 장치에 비해 대기압에 근접하는 압력에서 동작하는 본 업드래프트 가스화 장치는 구조가 단순하고 제작비가 저렴하고, 가스화를 위해 폐기물, 목재 칩, 밀짚 등의 저가의 바이오매스 물질을 사용한다.
이 업드래프트 가스화 장치는 습기함유량이 높은 비균질 바이오매스 연료에 적합하고, 매우 낮은 온도에서 연료가스를 생산하고, 그 가스화는 가스화 장치의 저부에 도입되는 가스화제를 제어함에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 가스화제의 양 및 파라메터를 제어된 방법 및 동적인 방법으로 변화시킴으로써 전기 생산이 일정하게 제어되고, 그 결과 생산된 연료가스가 발전기를 구동하는 가스엔진에 직접 공급되어 즉각 100% 소모된다.
제어는 설정된 소망의 전기 출력을 가스엔진 및 발전기의 실제 전력생산과 비교하여 수행하는 것이 바람직하다. 편차가 존재하는 경우, 이 편차는 소망의 설정된 출력을 유지하도록 가스화 장치의 연료가스를 약간 증감시킴으로써 제어된다. 이 조절은 예를 들면 가스엔진에 도입되는 연료가스의 유량을 변화시키는 단순한 가스제어밸브에 의해 수행되고, 이와 같은 조절의 결과 가스화 장치에 첨가되는 가스화제의 양이 자동적으로 변화된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발전장치의 예시적인 실시예에 대해 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 발전장치의 실시예의 개략도이다.
도 2는 가스 제어밸브의 개방도를 변화시킴으로써 안정된 전력생산량을 보이는 그래프이다.
도 1에 도시된 발전장치는 샤프트 및 업드래프트(shaft and updraft) 고정상 형식의 가스화 장치(1)를 포함하는 것으로, 가스화를 위한 원료물질은 장입 컨베이어(2)에 의해 상측으로부터 장입된다. 가스화제는 가스화 장치(1)의 저부로부터 도입되고, 가스화제는 가습장치(3) 및 예열장치(4)로부터 공급되는 가습 및 예열된 공기를 포함한다. 가스화 장치(1)에서 생산된 가스는 전력 생산을 위한 발전기(6)를 구동하는 가스엔진(5)에 공급된다. 가스엔진(5)을 위한 청정가스를 제공하기 위해 가스냉각장치(7) 형태의 가스세정장치 및 전기집진장치(8)가 가스화 장치(1)와 가스엔진(5) 사이에 제공된다. 또, 팬(9)은 가스엔진(5)에 공급되는 연료가스의 압력을 증대시키고, 이 팬(9)은 일정한 압력을 공급하도록 제어되고, 이를 위해 연료가스의 유량을 변화시키는 가스제어밸브가 후속된다. 가스냉각장치(7)는 이 가스냉각장치(7) 내의 가스로부터 제거되는 에너지를 이용하기 위해 열교환기(10)에 연결된다. 열교환기(10)는 가스냉각장치(7) 내에 일체화될 수 있고, 가스냉각장치(7)는 연료가스의 온도를 감소시키기 위한 그리고 연료가스로부터 응축물을 추출하기 위한 가스 냉각탑을 더 포함할 수 있다. 가스냉각장치(7)로부터 수집된 응축물은 타르 분리 및 기타 가연성 응축 생성물의 세정과 같은 세정 작업 후 가습장치(3)를 위한 공급수로서 사용할 수 있다. 전기집진장치(8)는 가스엔진(5)에 공급되기 전의 연료가스 내에 존재하는 입자/에어로졸을 제거한다. 가스엔진(5)으로부터의 배기가스는 가스화제로서 사용하기 위한 공기의 예열을 위한 예열장치(4) 내에서 사용할 수 있고, 잔여 열은 배기가스가 굴뚝(14)으로 이송되기 전에 별도의 열교환기(11) 에서 추출될 수 있다. 열교환기(4)로부터의 예열된 2차 공기는 도 1에 도시된 바와 같이 직접적으로 또는 가습장치(3) 내에서 가습된 1차 공기와 함께 가스화 장치(1)의 저부에 공급된다. 가습장치(3)는 별도의 공기 팬 및 열교환기(10)를 통해 가스냉각장치(7)의 잉여 열을 이용하거나 열교환장치(11)를 통해 가스엔진(5)의 배기가스의 잉여 열을 이용하여 물을 가열하는 수순환 장치를 포함할 수 있다.
가습된 1차 공기 및 2차 공기 형태의 가스화제는 1차 공기용 팬(12) 및 2차 공기용 팬(13)을 제어함에 의해 제어된 양만큼 가스화 장치의 저부에 공급되고, 가습은 가습장치(3) 내의 순환수에 전달되는 열을 제어함으로써 제어되고, 이것에 의해 제어된 양의 제어된 습도를 가지는 가스화제가 가스화 장치(1)에 공급될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 시간 경과에 따른 전형적인 전력생산곡선은 상당한 기간에 걸쳐 일정한 전력을 유지할 수 있다는 것을 나타낸다. 가스제어밸브의 주기적 위치변화는 장입 컨베이어(2)에 의한 바이오매스 물질을 주기적 공급과 관련이 있다.
1차 공기를 위한 전형적 파라메터는 70℃에서의 수포화 공기이고, 2차 공기를 위한 전형적인 파라메터는 400℃에서의 건조 공기이고, 1차 공기와 2차 공기는 120℃에서 가스화제로서 사용하기 위해 혼합된다.
작동 중, 가스엔진(5) 및 발전기(6)는 소망의 전력을 생산하도록 제어되고, 팬(9)은 일정한 압력으로 가스엔진(5)에 연료가스를 공급하도록 제어된다. 또, 가스화 장치(1)는 일정한 압력으로 기체화장치의 상측에서 연료가스를 공급하도록 1 차 공기용 팬(12) 및 2차 공기용 팬(13)에 의해 각각 제어된다. 상기 연료가스의 압력은 대기압에 근접한 압력인 대기압에 대해 0-5 mmWG 만큼 작은 압력에 유지되는 것이 바람직하고, 대기압에 대해 0-1 mmWG 만큼 작은 압력 유지되는 것이 더 바람직하다. 다시 말하면, 발전량의 제어는 가스제어밸브의 위치의 제어에 의해 수행된다. 가스제어밸브의 위치를 변화시키면 이 가스제어밸브에 일정한 압력을 유지시켜주는 팬(9)의 제어변화가 유발되고, 이것에 의해 가스화 장치의 상부에서 공급되는 연료가스의 압력을 일정하기 유지시키기 위한 1차 공기 및 2차 공기용 팬(12, 13)의 속도가 변화된다. 이 고정상 업드래프트 가스화 장치의 제어 모드에 의해, 아래의 기능적 파라메터가 얻어진다.
발전되는 전력의 제어범위: 최대 전력의 10% - 100%의 범위.
발전되는 전력의 증가율: 약 10%의 분당 최대 전력.
발전되는 전력의 감소율: 약 35%의 분당 최대 전력.
이론적으로 10% 미만의 최대 전력이 제어될 수 있으나 이것은 비교적 높은 열손실 등에 기인되어 실제적인 관심을 받지 못한다.
1차 공기 및 2차 공기용 팬(12, 13)은 각각 가스화 장치(1) 내의 가스화를 최적화하여 공정에 최적화된 온도 및 습도를 가지는 가스화제를 제공하도록 개별적으로 제어된다. 상기 파라메터는 명백히 장입 컨베이어(2)로부터 공급되는 바이오매스 물질, 즉 상기 바이오매스 물질의 습도 및 그 성분에 의존한다. 장입 컨베이어(2)에 의한 바이오매스의 공급은 예를 들면 가스화 장치의 상부의 바이오매스의 상면에서 바이오매스를 분배하는 레벨링 임펠러를 구비함과 동시에 이 레벨링 임펠 러에 작용하는 저항에 따라 장입 컨베이어(2)를 제어함으로써 가스화 장치 내의 바이오매스의 양이 실질적으로 일정하게 유지되도록 제어된다. 가스화 장치(1)의 저부에서 회분이 취출되고, 통상의 방법으로 폐기된다. 가스화 장치(1)는 이 가스화 장치의 상부의 연료가스의 온도가 100℃, 전형적으로는 약 75℃가 되도록 제어되는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명은 그 바람직한 실시예에 관련하여 설명되었으나, 첨부되는 청구항의 범위 내에서 많은 변경이 가능하다. 이들 변경은 가스엔진(5) 및 전력을 생산하기 위한 발전기(6)를 하나 이상 사용하는 것 및 지역난방용 보일러 내의 가스화 장치로부터 연료가스의 일부를 사용할 수 있는 것이 포함된다. 상기 보일러는 가스세정을 하지 않은 가스화 장치의 연료가스를 직접 사용할 수 있다. 또, 타르 함유수인 가스 냉각장치(7)로부터의 응축물은 본 출원의 출원인이 소유한 유럽특허 1,395,519에 개시된 바와 같이 물에서 타르를 분리하는 정수작업에 의해 정수하는 것이 가능하다. 분리된 타르는 연료로서 사용하거나 가스화를 위한 원료물질로서 사용될 수 있다. 굴뚝(14)과 전기집진장치(8)의 각각의 배기가스 온도를 적절히 감소시키기 위해 열교환기(11)의 하류측 및 가스 냉각장치(7) 및 전기집진장치(8)의 사이에 추가의 열교환기를 개재시킬 수 있다. 다수의 열교환기로부터 추출된 열은 지역난방용으로 사용될 수 있다. 전기집진장치(8)의 입구의 연료가스의 온도는 통상 35℃이고, 출구의 온도는 40℃이고, 팬(9)에 의해 약 60℃의 온도까지 승온되어 가스엔진에 공급되므로 연료가스가 응축될 위험성이 방지된다. 가스화 매체의 온도는 전술한 바와 같이 통상 120℃이지만 이 온도는 70℃ 내지 400℃의 범위 내에서 변화시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 가스화 매체는 1차 공기 및 2차 공기로 구성되지만 이 가스화 매체는 가스화 공정에 기여하는 CO2 및 H2O를 포함하는 최대 50%의 재순환된 연도 가스 또는 배기 가스와 함께 공급하는 것이 가능하다.

Claims (14)

  1. a) 폐기물, 목재 칩, 밀짚 등의 바이오매스 물질을 위한 가스화 장치(1)로서, 가스화를 위한 원료물질이 상부로부터 장입되고, 가스화제가 하부로부터 도입되는 샤프트 및 업드래프트 고정상 형식의 가스화 장치(1), 및
    b) 전력을 생산하기 위한 발전기(6)를 구동하는 가스엔진(5)으로서, 상기 가스화 장치로부터의 연료가스에 의해 구동되는 가스엔진(5)을 포함하는 발전장치를 제어하는 방법으로서,
    - 상기 가스화 장치(1)로부터 상기 가스엔진(5)까지 가스 홀더를 사용하지 않고 직접 생산된 연료가스를 공급하는 단계, 및
    - 설정된 소망의 일정한 전력의 출력을 유지하기 위해 상기 가스화 장치(1) 내의 연료가스의 생산을 제어하는 단계를 포함하는 발전장치의 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스화 장치(1)의 상부에서 연료가스의 온도를 100℃ 미만에 유지하는 추가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전장치의 제어방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가스화 장치(1)의 상부에서 연료가스 의 압력을 일정하게 유지하는 추가의 단계를 특징으로 하는 발전장치의 제어방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 일정한 압력이 대기압에 근접하는 것을 특징으로 하는 발전장치의 제어방법.
  5. 제 3 항 및 제 4 항에 있어서, 상기 일정한 압력이 상기 가스화 장치 내에 도입되는 가스화제의 양을 제어함에 의해 유지되는 것을 특징으로 하는 발전장치의 제어방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 한 항에 있어서, 상기 가스화제가 가열 공기이고, 상기 가열 공기 내의 수증기의 양이 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 발전장치의 제어방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 한 항에 있어서, 상기 가스화제는 재순환된 연도 가스 또는 배기 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전장치의 제어방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 일정한 수증기의 양은 제어된 습도 및 일정한 압력을 가지는 설비(3) 내에 가열 공기를 도입함으로써 유지되는 것을 특징으로 하는 발전장치의 제어방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 한 항에 있어서, 상기 가스엔진(5)에 공급되는 연료가스의 압력을 팬(9), 및 상기 가스화 장치(1) 및 가스엔진(5) 사이에 개재되는 연료 가스 유량을 변화시키는 가스제어 밸브에 의해 일정하게 유지하는 추가의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전장치의 제어방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 한 항에 있어서, 상기 가스화 장치(1)의 상부에서의 연료가스의 압력이 대기압에 대해 0-5 mmWG 만큼 작은 압력, 바람직하게는 대기압에 대해 0-1 mmWG 만큼 작은 압력에 유지되는 것을 특징으로 하는 발전장치의 제어방법.
  11. 발전설비로서,
    - 폐기물, 목재 칩, 밀짚 등의 바이오매스를 위한 가스화 장치(1)로서, 가스 화될 원료물질이 상부로부터 장입되고, 가스화제가 하부로부터 공급되는 샤프트 및 업드래프트 고정상 형식의 가스화 장치(1), 및
    - 상기 가스화 장치(1) 내에서 생산된 연료가스에 의해 구동되고, 전력을 생산하기 위한 발전기(6)에 연결되는 가스엔진(5)을 포함하는 발전설비에 있어서,
    상기 가스엔진(5)이 가스 홀더를 사용하지 않고 상기 가스화 장치(1)의 출구에 직접 연결되고, 상기 가스화 장치(1)는 일정한 전력 출력을 보장하는 제어수단에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 발전설비.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제어수단은 상기 가스화 장치(1) 내에 도입되는 가스화제의 양을 제어함에 의해 상기 가스화 장치(1)의 상부에서의 연료가스압력을 일정하게 유지하기 위한 폐 루프제어를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전설비.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 일정한 압력은 대기압에 근접하는 압력, 바람직하게는 대기압에 대해 0-5 mmWG 만큼 작은 압력, 더 바람직하게는 대기압에 대해 0-1 mmWG 만큼 작은 압력인 것을 특징으로 하는 발전설비.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 한 항에 있어서, 상기 가스엔진(5)에 공급되는 연료가스의 압력을 일정하게 유지하기 위해 팬(9), 및 상기 가스화 장치(1) 및 가스엔진(5) 사이에 개재되는 가스제어밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전설비.
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