KR20100125428A - 바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법 및 장치가 예시되고 설명되었는데, (1) 바이오매스를 적어도 하나의 열분해 반응기 내에서 열분해 코크와 열분해 가스로 분해하고, (2) 상기 열분해 코크를 합성 가스 반응기의 유동화 베드 안으로 도입시키고, (3) 상기 열분해 가스를 합성 가스 반응기용 유동화 가스로 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING SYNTHESIS GAS FROM BIOMASS}
본 발명은 탄소를 함유하는 에너지원, 특히 바이오매스(biomass)에서 합성 가스를 열화학적으로 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
바이오매스로부터 생성된 합성 가스는 수소를 최종 소비자에게 가스 수송관을 통해 보내게 되는 미래의 태양 수소 경제(solar hydrogen economy)를 위한 출발 제품이다. 수소를 전기로 분산 변화시키는 데 있어서의 효율이 높기 때문에, 거의 대부분의 최종 소비자들은 잉여 전기를 얻게 된다. 따라서 전기와 열은 열제어 경제의 관점에서는 동일한 가치를 갖는다. 이 때문에 합성 가스 생산을 위해서 전기 에너지를 사용함에 있어서는 반응 엔탈피를 제공할 수 있도록 사용하는 것이 경제적이다. 전기가 남는 경우에 전기는 제한된 범위에서 거래할 수 있기 때문에, 일례로 태양력 전기, 풍력 전기는 물을 전기 분해해서 물을 수소와 산소로 변환해야 한다. 산소는 열화학적 가스화를 위해 사용할 수 있다. 농업 및 임업 분야에서 바이오매스를 제공하는 경우에 그 물류 관리를 위해서는 20 내지 500 MW 범위 규모의 설비가 최적이다. 또한 그 설비는 생산된 가스가 지역 가스 망으로 바로 공급될 수 있도록 6바 내지 40바의 상승된 압력에서 작동될 수 있어야 한다.
바이오매스로부터 합성 가스를 열화학적으로 생산하는 방법은 기본적으로는 세 가지가 알려져 있다.
저출력 범위의 용도로는 고정형 베드 기화기(fixed bed gasifier)가 우세하게 사용되고 있으며 여러 가지로 변형되어 사용되고 있다. 고정형 베드 기화기는 바이오매스를 지속적으로 고품질로 유지할 수 있게 적합화되지만, 수소를 형성하는 추가 공정에 적합한 고품질 합성 가스를 생산하는 데에는 적절하지 않다.
비말동반 유동 기화기(entrained flow gasifier)는 특히 1GW 이상의 고출력용으로 적합한데, 그 이유는 비말동반 유동 기화기의 반응기 크기가 비교적 작기 때문이다. 비말동반 유동 기화기는 설비의 비용이 많이 들기 때문에 소형 설비용으로는 비경제적이다. 비말동반 유동 기화기는 순수 산소로 고온에서 작동하기 때문에 실질적으로 건조한 바이오매스나 중간 생산물을 필요로 한다. 재가 유리처럼 용융되지만, 무기 비료로 사용할 수는 없다. 이는 비료의 관점에서 보면 더 비싸지면서도 활용성은 낮아진다는 점에서 문제다.
유동화 베드 반응기는 그 강도가 중간 규모의 산업 출력 범위인 1MW 내지 1GW이다. 유동화 베드 반응기를 취급함에 있어서는 자기(自己) 열 가스화(autothermal gasification)와 이종(異種) 열 가스화(allothermal gasification)를 구분한다. 자기 열 가스화의 경우, 흡열 반응이 발생해서 유지되도록 하기 위해, 유동화 베드 반응기 내의 바이오매스의 일부를 태운다. 이종 열 가스화의 경우, 필요한 열은 열전달에 의해 도입된다. 이는 일례로 유동화 베드에 가열 봉을 사용하거나 순환 열 교환 매체를 이용해서 구현할 수 있다. 대개는 바이오매스의 일부를 태움으로써 제2 반응기 내에서 가열되는 모래가 열교환 매체로 사용된다. 이러한 기화기로는, 오스트리아 귀씽(Guessing)에 열 출력이 8MW인 기화기가 있다. 이 설비는 2002년 9월 23-27일 우크라이나 키에프에서 개최된 에너지용 바이오매스 관련 1차 국제 우크라이나 회의(The 1st International Ukrainian Conference on BIOMASS FOR ENERGY)에서 엠. 볼하르-노르덴캄프(M. Bolhar-Nordenkampf) 등이 "오스트리아 귀씽에서 100KW급 파일럿 FICFB를 8MW급 FICFB 기화기 시범 설비로의 규모 확장"이라는 제목으로 발표한 바 있다. 독일 특허 공개 공보 DE 10 2004 0457772 A1호는 순환 열교환 매체를 갖춘 방법에 대해 개시하고 있는데, 이 방법에서는 CaO에서 CaCO3로의 변환에 열 조성(調性)을 부수적으로 사용한다. 유동화 베드 반응기는 재가 형성되는 소결 온도 이하에서 작동되는데, 이로써 재를 무기 비료로 사용할 수 있게 된다.
유동화 베드를 구비한 합성 가스 반응로 내에서는 산소, 공기 및 증기가 유동화 가스 및 탄소를 위한 산화제로서 사용된다. 이종 열 가스화 방식의 경우에는 일반적으로는 증기만 사용된다. 자기 열 가스화는 공기로 작동된다. 순수 산소는 유동화 베드 내에 국부 과열을 야기할 수 있기 때문에 증기 및 공기와 혼합하여 사용된다. 공기를 사용하면 합성 가스가 질소와 이산화탄소로 희석되게 되는데, 이로 인해 전기 생산 공정과 수소, 메탄, 메탄올 또는 액체 추진제 등과 같은 생산물을 형성하는 또 다른 공정을 위한 개발이 어려워진다. 증기를 제공하는 데에는 추가적인 에너지 소비가 있어야 하므로 투자 비용이 증가한다.
종래 기술에 따르면, 바이오매스는 합성 가스 반응기의 유동화 베드에 직접 공급된다. 유동화 베드에 있어서, 일차 타르를 형성하기 위한 열분해 및 합성 가스를 형성하기 위한 최종 반응이 짧은 시간 내에 동시에 이루어진다. 따라서 합성 가스 내의 타르 함량이 아주 높다. 타르는 정밀한 방법에 의해 제거되어야 한다. 게다가 장치 내에서의 타르 형성은 종종 전체 설비의 고장을 유발한다.
모든 가스화 방법 중에서, 유동화 베드 반응기에서의 가스화는 재가 용융되지 않고, 그래서 농업용 무기 비료로 사용될 수 있다는 점에서 구별된다. 그러나 얻어진 합성 가스는 타르 함량이 높다. 이는 합성 가스를 이용하는 데 있어서 큰 단점이다.
본 발명의 목적은 바이오매스로부터 합성 가스를 생성하는 데 있어서의 상기와 같은 단점들을 제거하는 것이다.
본 발명의 목적은 특허청구범위의 청구항 1에 따른 방법에 의해 달성된다. 특허청구범위의 청구항 2 내지 청구항 9에는 본 발명의 또 다른 유리한 구성들이 기재되었다. 또한, 본 발명의 목적은 특허청구범위의 청구항 10 내지 청구항 12에 따른 장치에 의해 달성된다. 여기서, 바이오매스(biomass)라 함은 생물학적으로 유래된 모든 물질들을 의미한다. 합성 가스는 그 대부분이 H2, CO, CO2 및 CH4로 이루어진다.
에너지 용도의 바이오매스는 일반적으로 수소가 풍부한 합성 가스의 이종 열 제조에서 필요로 하는 것보다 많은 수분을 함유한다. 그래서 바이오매스를 열분해 또는 탄소화에 의해 열분해 코크와 열분해 가스로 분열시킬 때에, 충분한 증기를 이용할 수 있어야 바이오매스의 탄소를 산화시켜서 CO 및 CO2를 형성할 수 있다. 따라서 열분해 가스는 유동화 베드를 구비한 합성 가스 반응기용 유동화 가스로서 바람직하게 사용될 수 있다. 따라서 증기를 유동화 가스로 제공하는 것을 피할 수 있다. 과도한 증기는 설비의 효율을 떨어뜨린다. 합성 가스를 형성하기 위해서 흡열 반응에 필요한 에너지를 제공하려면, 합성 가스 반응기 안으로 에너지를 공급하는 것이 필요한데, 일례로 내부에 배치된 가열기 의해서나 혹은 별도의 반응기와 관련된 모래 회로(sand circuit)로부터 에너지를 공급하는 것이 필요하다. 유동화 베드 반응기를 가열하는 기술은 그 자체가 공지되어 있다. 가스 속도가 높은 경우, 유동화 베드의 일부를 뽑아내어질 것이고, 사이클론을 이용하여 침전시켜 반응기 안으로 재순환시켜야 한다. 이를 순환식 유동화 베드라고 칭한다. 가스 속도가 낮은 경우, 미세 입자와 재만 유동화 베드에서 뽑아내어진다. 이를 고정형 유동화 베드라고 칭한다. 본 발명에 따른 방법은 모든 방식의 유동화 베드에 적합하다.
바이오매스의 열분해식 분해 자체는 공지되어 있다. 독일 특허 DE 601 20 957 T2호는 바이오매스를 벽을 거쳐서 직접 가열하거나 과열 증기로 간접 가열함으로써 공정의 현열을 이용하여 바이오매스를 탄소화시키는 방법에 대해 설명하고 있다. 열분해 가스 및 열분해 코크를 형성하기 위한 탄소화를 위해 산소를 사용하는 것도 알려져 있다.
다수의 반응기들 사이에서, 열분해 공정은 예를 들면 발열성 열 조성(heat tonality)을 갖는 하류측 공정과 합성 가스의 현열을 이용하는 저온 열분해와, 바이오매스의 타르 형성 구성성분들이 열분해 코크로부터 유도되어 나오는 고온 열분해로 나누어진다. 실질적으로 타르가 제거된 열분해 코크를 사용하기만 해도 합성 가스 반응기 이후에서의 합성 가스 내의 타르 함량은 상당히 저감될 수 있다.
본 발명의 청구항 2에 따르면, 열분해 가스가 합성 가스 반응기의 유동화 베드 안으로 들어가기 전에 그 열분해 합성 가스를 가열 장치로 850℃ 내지 1600℃의 온도, 바람직하기로는 900℃ 내지 1300℃의 온도, 특히 바람직하기로는 950℃ 내지 1200℃의 온도로 추가로 가열하거나, 산소를 추가하기만 해도, 타르 함량을 저감시킬 수 있다. 이에 의해 열분해 가스 내의 타르가 실질적으로 파괴된다. 상기 가열 온도를 재의 용융 온도보다 높게 선정하는 경우에는, 열분해 가스로부터 먼지를 사전에 제거하는 것이 유리한데, 만일 그렇지 않게 되면 용융 재를 제거하기 위해서 비말 동반 유동 반응기에서와 유사하게 많은 비용이 소요된다.
과열 열분해 가스가 합성 가스 반응기의 유동화 베드 안으로 들어갈 때에, 가스는 켄칭(quenching)에 의해서 850℃ 내지 700℃까지 냉각된다. 합성 가스 내의 타르 함량을 최저로 하는 것은, 열분해 코크가 화학적 켄칭에 충분할 때까지 열분해를 수행한 때에 청구항 4에 의해 달성된다. 이 경우, 합성 가스를 형성하기 위하여 열분해 코크를 흡열 반응시키는 데에는 과열 유동화 가스의 현열을 조달하여 사용한다. 따라서, 이 경우에는 합성 가스 반응기를 가열할 필요가 없다.
청구항 3에 따라서 열분해가 500℃ 내지 800℃의 온도에서 작동되는 경우, 반응 시간은 저온 열분해에 비해 실질적으로 짧아질 수 있다. 고온 열분해의 경우, 열분해 코크 내에는 거의 순수한 탄소가 남아 있게 된다. 휘발성 구성성분들이 열분해 가스로 변환된다. 이 경우, 일차 타르는 이미 이차 타르 또는 삼차 타르로 변환된다.
고온 열분해는 다수의 저온 열분해에 선행될 수 있는데, 그렇게 하면 공정에서 현열을 추출하기가 쉬워진다.
기본적으로, 열분해를 위한 열은 벽을 통해서 간접적으로 전달될 수 있다. 이는 큰 열전달 면적을 필요로 하며 바이오매스나 열분해 코크를 이동시키면서 입열시키는 도움을 필요로 한다.
바이오매스 또는 열분해 코크는 또한 산소에 의한 부분적 산화에 의해서나 혹은 고온 가스에 의해서 직접 가열될 수 있다. 가스 회로 및 가열기에 의해 가열되는 열분해 가스를 고온 가스로 사용하는 것이 상책이다. 고온 가스는 바이오매스 나 열분해 코크의 이동 베드를 통해서 유동한다. 고온 가스와의 접촉은 열분해 코크를 교반기로 섞는 것에 의해서도 확립될 수 있다.
열분해에 소요되는 시간은 열분해를 유동화 베드에서 청구항 5에 따라 실행하기만 해도 단축될 수 있다. 유동화 베드에서, 재료 이송은 바이오매스 또는 열분해 코크를 분쇄함으로써 크게 증가한다. 상기 분쇄는 모래와 같은 불활성 베드 재료를 추가함으로써 증가된다. 공정에서 나오는 폐열을 다단계 열분해용으로 사용하는 것이 바람직하다. 유동화 베드에서의 열전달은 아주 양호하기 때문에 유동화 베드에서는 튜브 또는 봉에 의한 가열이 가능하다. 그러나 열 에너지를 적어도 부분적으로는 열분해 가스에 의해 도입시키는 것도 가능하다. 이를 위해, 열분해 가스를 송풍기로 순환시킬 수 있다. 이의 대안으로서, 산소에 의한 부분적 산화로 열을 공급할 수도 있다.
청구항 6에 따르면, 열분해 가스를 합성 가스 반응기 안으로 들어가지 전에 촉매 베드를 통해서 공급하는 것이 바람직하다. 촉매 베드는 합성 가스 반응기의 유동화 베드 아래에 배치할 수 있다. 촉매는 타르와 메탄이 합성 가스로 바람직하게 변환될 수 있도록 한 것으로 선택할 수 있다. 이렇게 하면 열분해 가스를 아주 많이 가열할 필요가 없어진다. 일례로 니켈과 같은 캐리어-고정 전이 금속(carrier-fixed transition metal)이 촉매로서 적절하다. 촉매는 또한 과열 열분해 가스로부터 암모니아를 제거하기도 한다.
일례로 수소를 형성하기 위해 합성 가스를 추가로 더 처리할 때에, 메탄과 더 많은 양의 탄화수소를 분리해서 합성 가스 반응기 안으로 다시 공급해야 한다. 이들 가스를 청구항 7에 따라서 가열된 열분해 가스와 혼합하면 기상에서의 화학적 켄칭이 유발되고, 이는 청구항 6에 따라서 촉매 반응식으로 도움을 받는다. 이와 같은 방식에서는, 들어오는 유동화 가스가 냉각되어서, 먼지로부터의 자유로움과 설계의 자유도가 덜 요구된다. 냉각은 냉 가스를 추가함으로써 도움을 받을 수 있다.
합성 가스의 현열은, 독일 특허 DE 601 20 957 T2호에서 설명하고 있는 바와 같이, 비용이 많이 드는 대형 산업 플랜트에서 단일 스크류 컨베이어의 벽을 통해서 도입될 수 있다. 이는 기하학적 형태의 문제를 야기한다. 청구항 8에 따르면, 관다발 열교환기의 방식으로 스크류 컨베이어들을 배치하는 것을 제안하고 있다. 이는 장치의 크기를 한정한다.
유동화 베드 반응기는 단지 제한적으로만 부분적 장입(partial load)을 가능하게 한다. 이는 특히나 본 발명에 따른 방법에 적용되는데, 별도로 발생시킨 증기를 공급할 때와는 달리 본 발명에서는 유동화 가스의 양을 임의로 조정할 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고 대량의 제어 범위를 설정하기 위해, 청구항 9에 따르면, 유동화 베드 반응기를 에워싸면서 그 유동화 베드 반응기의 머리부 안으로 유동화 가스를 공급하는 것이 상책이다. 합성 가스 반응기의 경우, 과열 열분해 가스를 유동화 베드 안으로 도입되기 전에 합성 가스와 혼합시킨다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방법을 수행하는 장치에 관한 것이기도 한다. 본 발명에 따른 장치의 특징 구성들은 청구항 10 내지 청구항 12에서 파악할 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 다른 특징적 구성들은 방법과 관련된 청구항 1 내지 청구항 9로부터 논리적으로 도출될 수 있다.
이하에서는 다음과 같은 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 개념을 요약 형태로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명을 더 상세하게 도시한 도면이다.
도 3은 2 개의 열분해 반응기를 도시하는 것으로 하나는 유동화 베드를 구비하는 열분해 반응기를 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3의 상세도이다.
도 5는 직렬 열분해 반응기를 도시한 도면이다.
도 1에 따르면, 본 발명에 다른 바이오매스로부터 합성 가스는 2개의 반응기로 구성된다. 반응기(1)에서, 도입된 바이오매스(3)는 일정량의 열(8) 공급에 의해서나 부분적 산화에 의해서 열분해 코크와 열분해 가스로 분해된다. 열분해 코크(6)는 합성 가스 반응기(2)의 유동화 베드 안으로 도입된다. 열분해 가스(5)는 합성 가스 반응기(2)의 유동화 베드용 유동화 가스로서 사용된다. 일정량의 열(7)을 합성 가스 반응기 안으로 공급함에 의해서나 혹은 부분적 산화에 의해서 합성 가스(4)가 열분해 코크(6) 및 열분해 가스(5)로부터 생성된다.
도 2는 본 발명에 따른 개념을 더 상세하게 도시하고 있다. 열분해 반응기(1)는 도입된 바이오매스를 이송하고 열분해하는 다수의 장치로 구성된다. 바이오매스(3)는 회전 밸브(16)를 통해서 가열 재킷(18)이 구비된 스크류 컨베이어(17) 안으로 도입되고, 상기 스크류 컨베이어를 통해서는 고온의 합성 가스(4)가 유동한다. 이어서 합성 가스는 추가 처리 공정(19)으로 계속해서 들어간다. 스크류 컨베이어(17) 안에 형성된 열분해 코크는 용기(20) 안으로 떨어진다. 열분해 코크(21)는 2개의 스크류(22, 9)에 의해서 합성 가스 반응기(2)의 유동화 베드(11) 안으로 이송된다. 이러한 루트를 따라서 열분해 가스가 합성 가스 반응기(2)에 도달하지 못하도록 스크류(22)와 스크류(9) 사이에 회전 밸브를 설치하는 것이 상책이다.
용기로부터 나오는 열분해 가스(5)는 사이클론(23)에 의해서 먼지가 제거되어 합성 가스 반응기(2)의 저부(12)로 도입된다. 열분해 가스(5)가 고온 유동화 베드(11)를 통해 유동하고, 상기 유동화 베드 안에는 일정량의 열(7)이 가열 장치에 의해 도입된다. 이 경우, 열분해 가스와 열분해 코크는 750℃ 내지 950℃의 온도에서 합성 가스로 변환되어서, 본 실시예에서는 고정형 유동화 베드가 구비된 반응기로 칭하는 합성 가스 반응기(2)의 자유 공간(2) 안으로 들어간다. 합성 가스(4)는 사이클론(24)에서 먼지가 제거된다. 재(25)는 용융되지 않기 때문에 땅에 비료로 뿌려질 수 있다.
합성 가스(5)의 타르 함량을 줄이기 위해, 버너(8)에 의해 산소(14)나 공기로 부분적으로 산화시킨다. 합성 가스 제조 과정에서 나온 일례로 메탄과 같은 가스를 과열 열분해 가스와 혼합하는 것도 유리하다. 이 지점에서의 온도 여하에 따라서는 메탄의 많은 부분이 이미 합성 가스로 변환되기도 한다. 화학적 켄칭으로 인해, 공간(12) 내의 온도가 떨어진다. 적절한 촉매(13)에 의하면 타르와 메탄과 암모니아가 더 많은 양으로 변환될 수 있는데, 상기 촉매는 유동화 베드(11)의 노즐 플로어 앞에 배치된다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 방법에 의해서, 합성 가스의 타르 함량은 특히나 바이오매스(3)를 합성 가스 반응기(2) 안으로 직접 공급하지 않고 열분해 가스 반응기(1) 안에서 초기에 열분해 가스(5)와 열분해 코크(6)로 분열시킴으로써 저감된다. 유동화 가스로 사용된 열분해 가스(5)는 거의 순수한 탄소를 만나기 때문에 타르가 거의 없는 합성 가스(4)가 생산된다. 반응에서 필요한 엔탈피는 열속(7, 8)에 의해 제공된다.
열분해 코크에서 휘발성 물질 성분을 저감시키기 위해, 공간(12)으로부터 나온 타르가 실질적으로 없는 고온 열분해 가스(27)를 용기(20) 내의 열분해 코크(21)를 통해서 유동시킬 수 있다. 이 경우 열분해 가스는 압축기(26)에 의해 더 높은 압력이 된다. 도입된 열분해 가스(27)의 양과 용기(20)의 디자인 여하에 따라서, 유동화 베드를 열분해 코크 층으로 형성할 수도 있다. 가스 속도가 낮은 경우, 열분해 코크의 이동 베드만을 형성한다. 유동화 베드에서의 변환은 자연적으로 더 커진다. 처리 공정을 더 향상시키기 위해, 스크류(22)의 단부에 적은 양의 열분해 가스(27) 보조 유동을 공급할 수 있다. 이 경우, 실질적으로 타르가 없는 열분해 가스만이 스크류(9)를 통해서 유동화 베드 안으로 들어간다.
도 3은 합성 가스 반응기(2)에 열분해 가스와 열분해 코크를 공급하기 위한 장치로서 저온 열분해기 고온 열분해기를 구비하는 장치를 도시하고 있다. 저온 열분해기의 가열은, 본 실시예의 경우에서는, 관다발 열교환기의 관들과 유사한 방식으로 스크류 컨베이어(40)의 관들 주변에서 유동하는 고온 합성 가스(4)에 의해 실행된다. 바이오매스(3)는 저온 열분해기(39)의 머리부에서 공급된다. 이 경우에서, 원하는 시스템 압력은 일례로 압력 잠금기(pressure lock)와 같은 상류측의 설비(도시되지 않음)에 의해 적용된다. 바이오매스(3)는 다수의 스크류 컨베이어(40)를 경유해서 저온 열분해기(39)의 저부로 이동한다. 여기서부터는 열분해 코크(37)가 회전 밸브(38)에 의해서 고온 열분해기(32) 안으로 도입된다. 열분해 가스(36)가 고온 열분해기(32) 안으로 도입되고, 유동화 베드(34)를 통해서 유동하여, 사이클론(30)을 통과함으로써 실질적으로 타르가 없는 열분해 가스(5)가 되어 합성 가스 반응기(2) 안으로 들어간다. 고온 열분해기(32)와 합성 가스 반응기(2)는 순환하는 유동화 베드가 구비된 반응기로서 구성된다. 상기 2개의 반응기들은, 종래 기술에 있어서 반응기와 버너 사이에서 이종 열 가스화의 경우에서 행해지는 것처럼, 그들 두 반응기들의 베드 재료를 상호 교환한다. 이 경우에서, 합성 가스 반응기(2)는 "버너"에 해당하고, 고온 열분해기는 "반응기"에 해당한다. 자유 공간(10), 사이클로(10), 그리고 라인(29)을 거쳐서 베드 재료의 많은 부분이 고온 열분해기(32) 안으로 들어간다. 고온 열분해기의 단부에서, 라인(29)은 통상적으로 공정 가스 또는 증기로 유동화되는 사이펀을 구비한다. 이 방식에서, 베드 재료의 많은 부분이 고온 열분해기(32)로부터 자유 공간(10), 사이클로(10), 그리고 라인(29)을 거쳐서 합성 가스 반응기로 되돌아간다.
원칙적으로, 일정량의 열(7, 8a) 각각이 유동화 베드 내의 가열기에 의해서 2개의 반응기로 공급된다. 그러나 고온 열분해기(32)는 사실 베드 재료의 교환에 의해 가열되기 때문에 그 고온 열분해기의 가열은 필요하지 않다. 일반적으로 타르라고 하는 고분자량 화합물을 파쇄하기 위해서는 여하튼간에 열분해 가스(5)의 온도를 공간(12) 안으로 들어가지 전에 높이는 것이 현명하다. 이는 가스류 내에 존재하는 가열기에 의해서나, 혹은 본 명세서에 설명하는 바와 같이 버너(8) 내에서의 산소(14)에 의한 부분적 산화에 의해서 행해질 수 있다. 이와 같은 방식으로 열속(7)이 저감된다. 공간(35) 안으로 들어가는 열분해 가스(36)가 위와 같은 방식으로 부분 산화에 의해 가열될 수 있다.
사이클론(30)에 의한 열분해 가스(5)의 순화는 여기서는 상징적으로만 나타낸다. 먼지로부터 충분히 자유롭기 위해서는, 합성 가스를 사이클론(28, 24)으로 순화시키는 것과 관련하여 나타낸 바와 같이 적어도 이중 사이클론이 필요하다. 입력측 사이클론은 실질적으로 일례로 모래와 같은 베드 재료를 유동화 베드의 순환을 위해 침전시키고, 후속하는 사이클론은 열분해 코크와 재를 침전시킨다. 합성 가스 사이클론(24)은 기본적으로는 재(25)를 분리시킨다.
합성 가스 반응기(2)의 출력이 더 큰 제어 범위에 있게 하기 위해서는, 부분적 장입이 가능하도록 구성할 수 있다. 더 높은 출력을 위해, 과열 유동화 가스를 노즐 플로어 안으로 들어가기 전에 라인(50)에 의해서 분기시켜서, 합성 가스(4)와 혼합시킬 수 있다. 현열을 이용하기 위해서는 상기 일정량의 열(8g)을 열분해 반응기(32) 안으로 도입시키는 것이 유리하다.
도 4는 도 3의 저온 열분해기(39)를 상세히 도시하고 있다. 수직으로 배치된 부분에는 컨베이어 스크류(40)가 도시되어 있다. 스크류 컨베이어는 자유 낙하 바이오매스가 도입되는 것을 방지하여 재료와 열이 일정한 교반에 의해서 양호하게 교환될 수 있도록 설계되어서 제어된다. 이 이유 때문에 스크류 축(44)은 스크류 컨베이어(43)를 이송시키는 단지 짧은 부분을 구비한다. 교반 블레이드(45)가 스크류 축과 스크류 컨베이어 사이에 배치되어서, 바이오매스 또는 열분해 코크를 교반하여 온도를 더 낮춘 재료를 가열된 스크류 튜브(42)로 일정하게 공급한다. 스크류들은, 특히, 도입되는 바이오매스가 스크류 컨베이어의 머리부에서 너무 많이 정체되지 않고 스크류 튜브들은 충분히 충전된 채로 유지되도록, 모터(41)에 의해 좌우 회전 방향으로 번갈아 설정된다. 스크류 컨베이어 위의 층이 균일한 높이에 이르고 그 스크류 컨베이어에 공동이 형성되지 않도록 하기 위해 교반 블레이드(46)가 그 공간 안으로 돌출하여 이웃하는 스크류 축 근처까지 연장된다. 충돌은 높이에 편차를 준 교반 블레이드(46)들에 의해서, 또는 정합되고 동기화된 회전 속도 제어에 의해 피할 수 있다.
도 5는 합성 가스 반응기(2)와 유사하게 유동화 베드를 구비한 2개의 열분해 반응기를 도시하고 있다. 바이오매스(3)는 저온 열분해기(48) 안으로 도입된다. 열분해 가스는 압축기(49)에 의해 순환된다. 이 회로의 튜브들을 가열할 필요가 없도록 온도가 350℃ 이하로 떨어지지 않게 한다. 이 반응기는 바람직하기로는 400℃ 내지 550℃의 온도에서 작동되어야 한다. 일례로 고온의 합성 가스와 같이 공정에서 나온 열은 상기 온도와 짝을 잘 이룬다. 이러한 열(8d, 8e)은 유동화 베드 안으로 바로 입력되거나 가스 회로로 공급된다. 통상적으로, 모래가 불활성 베드 재료로 사용될 수 있다. 교반된 모래는 바이오매스 또는 열분해 코크를 양호하게 분쇄시킨다. 이와 같은 형태의 반응기에 의하면, 낮은 온도에도 불구하고 높은 수준의 변환을 달성할 수 있다. 저온 열분해기(48)의 유동화 베드로부터 나온 베드 재료는 컨베이어 장치(6a)에 의해 고온 열분해기(47)의 유동화 베드 안으로 이동하고, 다시 그 고온 열분해기로부터 컨베이어 장치(6c)에 의해서 합성 가스 반응기(2) 안으로 이동한다. 합성 가스 반응기(2)의 유동화 베드는 낮은 함량의 열분해 코크로 작동되는데, 상기 열분해 코크의 함량은 저온 열분해기(48)에서는 가장 크며 합성 가스 반응기에서는 아주 낮다. 경로(6a)를 통해서 모래가 빠져나가는 것을 보상하기 위해, 합성 가스 반응기로부터 베드 재료를 컨베이어 장치(6c)에 의해 저온 열분해기(48) 안으로 다시 공급한다.
상기 컨베이어 장치들은 예를 들자면 스크류 컨베이어이다. 훈환 유동화 베드를 구비한 3개의 유동화 베드 반응기를 작동시키는 것도 가능하다. 베드 재료는 사이클론을 경유해서 경로(6a, 6b, 6c)를 거친다.
저온 열분해기(48)로부터 나온 열분해 가스는 고온 열분해기(47)용 유동화 가스로 사용한다. 고온 열분해기로부터 나온 열분해 가스(5)는 합성 가스 반응기(2)로 이동한다. 필요한 열속(7, 8c, 8d)이 열교환기에 의해서 유동화 베드로 바로 도입된다. 열속(7, 8c, 8d)의 도입은 동일한 효과를 갖는다. 원칙적으로, 반응에 필요한 엔탈피는 적어도 일부는 산소(14)에 의한 부분 산화에 의해 가해질 수 있다. 고온 열분해기(47)는 600℃ 내지 800℃에서 작동되는 것이 상책이다. 열분해 가스(5)를 후속하는 촉매 작용에 의해 과열시키는데 따른 이점은 이미 앞에서 설명한 바와 같다. 3개의 반응기들 모두는 고정형 유동화 베드와 순환형 유동화 베드와 함께 작동하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 방법에 의하면, 질적으로 아주 순수한 합성 가스를 일차적인 조치에 의해 생산할 수 있다. 특히, 이는 아주 낮은 함량의 타르에 적용된다. 이는 합성 가스의 후속한 정교한 순화와 폐수의 정교한 순화 공정을 절약한다. 열분해 가스를 합성 가스 반응기용 유동화 가스로 바로 사용하게 됨으로써 과열 증기를 유동화 가스로 추가로 제공하는 것을 피할 수 있게 된다. 고정형 베드 기화기 및 비말 동반 유동 기화기의 경우와는 달리, 바이오매스의 재를 농업용 무기 비료로 사용할 수 있다. 이는 활용성이 낮아지는 인(phosphorus)에 있어서는 특히나 아주 중요하다.
이상에서는 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였다. 본 발명은 그렇게 설명한 예시적인 실시예에 국한되지 않는다고 하는 점을 알아야 한다. 오히려, 당해 기술 분야의 숙련인에게는 본 발명의 범위 내에서 다수의 변형 및 수정 이 가능하다는 것이 명백하며, 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의해 정해진다.

Claims (12)

  1. 바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법에 있어서,
    (a) 바이오매스를 적어도 하나의 열분해 반응기 내에서 열분해 코크와 열분해 가스로 분해하고,
    (b) 상기 열분해 코크를 합성 가스 반응기의 유동화 베드 안으로 도입시키고,
    (c) 상기 열분해 가스를 합성 가스 반응기용 유동화 가스로 사용하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열분해 가스를 합성 가스 반응기의 유동화 베드 안으로 들어가기 전에 가열하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 하나의 열분해 반응기 내에서 고온 열분해를 수행하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    열분해 코크가 화학적 켄칭에 충분할 정도로만 아주 작은 양으로 합성 가스 반응기 안에 남아 있게 될 때까지 열분해를 수행하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 열분해 반응기가 유동화 베드를 구비하는 것을 특징으로 하는, 바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동화 가스를 합성 가스 반응기의 유동화 베드 안으로 들어가기 전에 촉매 베드를 통과하여 유동시키는 것을 특징으로 하는, 바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    합성 가스의 추가 처리에서 나온 가스를 합성 가스 반응기의 유동화 베드 안으로 들어가기 전에 가열된 열분해 가스와 혼합시키는 것을 특징으로 하는, 바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 열분해 반응기가 다수의 외부 가열식 스크류 컨베이어를 구비하고, 상기 스크류 컨베이어는 관다발 열교환기 방식으로 배열된 것을 특징으로 하는, 바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유동화 가스는 적어도 일부가 각 유동화 베드를 에워싸면서 반응기의 출구에서 가스와 혼합되는 것을 특징으로 하는, 바이오매스에서 합성 가스를 생산하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는 장치에 있어서,
    적어도 하나의 열분해 반응기와 적어도 하나의 합성 가스 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    적어도 하나의 열분해 반응기가 유동화 베드를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    적어도 하나의 열분해 반응기가 다수의 외부 가열식 스크류 컨베이어를 구비하고, 상기 스크류 컨베이어는 관다발 열교환기 방식으로 배열된 것을 특징으로 하는 장치.
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