KR20120117774A

KR20120117774A - 반탄화 및 파쇄에 의하여 고체 또는 페이스트형 에너지 원료로부터 미립 연료를 생성하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20120117774A
Application number: KR1020127015142A
Authority: KR
Inventors: 랄프 아브라함; 스테판 하멜; 랄프 스카이퍼
Original assignee: 프로엑터 슈츠레츠스베르발퉁스 게엠베하; 티센크루프 우데 게엠베하
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2012-10-24
Also published as: RU2012121603A; RU2569369C2; AU2010318258B2; EP2501790A1; TW201127492A; BR112012011205A2; US20120266485A1; AU2010318258A1; CA2779350A1; CN102822322A; WO2011057822A1; CN102822322B

Abstract

본 발명은 반탄화에 의하여 고체 또는 페이스트형 에너지 원료로부터 미립 연료를 생성하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 여기에서 상기 장치는 350℃ 이하의 온도에서 내열성인, 회전자 및 충격 부품을 포함하는 충격 반응기, 충격 반응기의 하부 영역에 고온 순환 가스를 공급하는 장치, 충격 반응기의 상부 영역에 고체 또는 페이스트형 에너지 원료를 공급하는 장치, 세분 및 반탄화된 에너지 원료 입자를 포함하는 기류를 회수하는 하나 이상의 장치와, 충격 반응기로부터 취한 가스로부터 파쇄 및 반탄화된 에너지 원료 입자를 분리 및 회수하는 장치를 포함한다.

Description

반탄화 및 파쇄에 의하여 고체 또는 페이스트형 에너지 원료로부터 미립 연료를 생성하는 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR CREATING A FINE-GRAINED FUEL FROM SOLID OR PASTE-LIKE RAW ENERGY MATERIALS BY MEANS OF TORREFACTION AND CRUSHING}

본 발명은 충격 반응기(impact reactor) 내에서의 탄소 및 수소 함유 고체 연료의 열 전처리, 즉 반탄화(torrefaction)에 관한 것이다. 이하, 점조도(consistency)가 페이스트와 같거나 아니면 점성이 있는 것일 수 있는, 상기 연료는 고체 또는 페이스트형 에너지 공급원을 말하며, 예를 들어 생물 기원 및 기타 고 반응성 연료, 화석 연료 및 잔류물을 포함한다. 페이트스형(pasty)은 고체 및 액체 성분의 혼합물을 함유하는 모든 물질을 나타내며, 그 예로서는 하수 오니, 및 물이 주성분이거나 아니면 용제나 에너지 포함 액체, 예를 들어 기름이 많은 물질 또는 윤활제를 주성분으로 하는 산업용 잔류물이 있다. 에너지와 물질 양 측면에서 특히 유용하게 활용할 수 있는 열 가스화를 통하여, 재생 에너지 공급원을 사용하는 방법을 개발하고 폐기물과 잔류물을 재활용하고자 하는 움직임이 전 세계적으로 일고 있다. 분류층의 가스화가 특히 유리한데, 그 이유는 일반적으로 분류층 가스화 플랜트의 용량이 매우 클 뿐만 아니라, 석탄을 주원료로 하여 진행되기 때문이다. 본 발명은 또한 사용하기 어려운 폐기물을 분류층 연소 플랜트나 보일러 플랜트에 사용할 수 있도록 할 수 있는데, 여기에서 사용하기 어려운 폐기물은, 예를 들어 대부분 신생 석탄(younger coal)에서 발견되는 섬유질 및 목질 성분을 의미하는 것으로서, 여전히 식물 유체로서 인식될 수 있는 것이다.

고체 연료가 분류층 가스화기 내에서 사용될 수 있기 전에, 고체 연료는 적당한 입도로 파쇄될 필요가 있으며, 이 연료의 수분 함량을 감소시키는 것 또한 유리하다. 에너지 공급 원료, 예를 들어 바이오매스, 생물 기원 잔류물과 폐기물의 경우, 통상의 기술을 바탕으로 하는 전처리는 에너지가 많이 소모되고 장비가 많이 필요한데, 그 이유는 상기 에너지 공급 원료가 종종 질기고 섬유질의 구조이기 때문이다. 예를 들어, 저온 열분해(mild pyrolysis) 조건에서의 바이오매스 열처리, 즉 반탄화는, 추후 행하여지는 파쇄 과정에 드는 기계적인 노력이 상당이 감소될 정도로 세포의 구조를 약화시키는 것으로 알려져 있다.

본 발명에서는 소량의 산소가 허용되지만, 반탄화는 산소를 배제한 조건 하에 220℃ 내지 350℃의 온도에서 고체 연료의 저온 열 처리를 말한다. 공급 원료를 완전히 반탄화시키는데 필요한 체류 시간(residence time)은 15분 내지 120분의 범위이다. 체류 시간은 공급 원료의 입도와 사용된 공정의 열 전달 특징에 의해서 결정된다. 공급 원료가 가열될 때, 이 공급 원료는 처음에 건조 단계를 거친다. 공급 원료가 추가로 가열됨에 따라서, 이 경우에는 목재를 예로 들자면, 온도가 약 200℃ 내지 220℃가 될 때까지 이산화탄소와 유기산, 예를 들어 아세트산 및 포름산은 처음에 공급 원료가 기화함에 따라서 같이 증발된다. 280℃ 내지 350℃가 될 때까지 추가로 가열하면, 주로 이산화탄소화 유기산은 계속 증발하게 되고, 온도 상승에 따른 열 분해의 시작으로 인하여 일산화탄소의 양은 증가한다.

만일 온도가 계속해서 본 발명과 관련된 온도 범위 이상으로 증가하면, 거대 분자의 열 분해 반응은 (바이오매스에 따라서) 350℃ 내지 400℃ 이상으로 급속하게 상승한다. 가스의 증발량이 증가하고, (예를 들어, 너도 밤나무(beechwood)의 경우에) 약 480℃ 내지 500℃에서 고급 탄화수소의 방출량은 최대가 된다. 이와 같은 온도 범위에서, 예를 들어 너도 밤나무로부터 유래하는 물 및 무회 연료 물질 중 약 70wt%는 응결 가능한 고급 탄화수소로서 방출되는데, 이는 일반적으로 또한 타르(tar)라고 불린다. 약 15wt%는 가스로서 방출되고, 약 15wt%는 고체 잔류물, 소위 코크(coke)로서 남게 된다.

탄소와 수소 이외에, 다수의 생물 기원 공급 원료가 또한 상당량의 산소 및 기타 원소(모두 결합형으로 존재)를 함유한다. 합성 가스를 생성하기 위하여 산소가 감소하는, 산소 결핍 대기 중에서 분류층 가스화가 진행되는 동안, 연료로부터 산소 화합물이 방출되는데, 이로써 합성 가스 중에 이산화 탄소가 원하는 양보다 훨씬 많은 양으로 생성되며, 또한 수소 대신에 증기가 생성된다. 그러므로, 가능하다면 전처리 단계 초기에 사용되는 생물 기원 공급 원료 중 산소 화합물의 분자 비를 감소시키고, 이와 같은 산소 감소 과정을 통해 연료의 품질을 향상시킴으로써, 생성될 합성 가스의 품질도 개선하는 것이 바람직하다.

바이오매스를 반탄화시키는 다수의 방법이 당업계에 공지되어 있다. 이와 같은 방법에 대한 기초 절차의 기본적인 개요가 예를 들어 문헌[Kaltschmitt et al., "Energie aus Biomasse", ISBN 978-3-540-85094-6, 2009, pages 703-709]에 제공되어 있다. 상기 문헌에 개시된 바에 따르면, 바이오매스 반탄화에는 다양한 기본형 반응기, 예를 들어 고정상 또는 이동상 반응기, 드럼형 반응기, 회전-디스크 반응기 및 스크류형 또는 패들형 반응기가 사용될 수 있다. 예를 들어 WO 2007/078199 A1은 이동상 반응기를 제안하고 있으며, 예를 들어 WO 2005/056723 A1은 반탄화 방법의 구성 변형예를 제시한다.

상기 방법들 전부에 있어서 공통된 점은 상기 방법 모두 바이오매스의 열 처리를 목적으로 한다는 점이다. 반탄화된 바이오매스의 추후 처리, 즉 파쇄(crushing)에 관하여는 제시하고 있지 않으므로, 상기 추후 처리는 추후 단계에서 행해져야 한다. 따라서, 현재 최신 기술로부터의 상기 예에서, 파쇄 또는 분쇄는 필연적으로 추가의 공정 단계와 추가의 기구를 필요로 한다.

그러므로, 본 발명의 목적은 반탄화 및 파쇄를 단일 단계에서 수행할 수 있으며, 고체 또는 페이스트형인 에너지 공급 원료가, 추가의 단계를 거치지 않고서도 분류층 가스화를 진행할 수 있기에 충분하게 전처리되는, 장비와 에너지 절약 방법의 측면에서 기술상 단순화된 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 다음을 포함하는 장치를 통하여 상기 목적을 달성한다:

- 회전자 및 충격 부품을 포함하는 충격 반응기(여기에서, 상기 반응기는 350℃ 이하의 온도에서 내열성임),

- 충격 반응기 저부에 존재하는 고온 반탄화 가스 공급 장치,

- 충격 반응기의 상부에 존재하는 고체 또는 페이스트형 에너지 공급 원료 공급 장치,

- 파쇄된 반탄화 에너지 공급 원료 입자를 포함하는, 하나 이상의 기류 배출 장치, 및

- 파쇄된 반탄화 에너지 공급 원료 입자를, 충격 반응기로부터 배출된 기류로부터 분리 및 배출시키는 장치.

본 발명의 바람직한 구체예에서, 반탄화 가스는 래버린스 시일(labyrinth seal) 근처의 충격 반응기로 도입되고/도입되거나, 충격 반응기의 회전자 축(rotor shaft) 근처에 위치하는 래버린스 시일을 통과하여 충격 반응기로 도입되는데, 상기 시일은 유체 소통면에서 충격 반응기 내부와 외부 환경을 분리시킨다. 이는 유리하게 충격 반응기 내부의 반탄화 가스와, 반응기 저부로부터 상승하여 흐르는 생성물 흐름이 특히 효율적으로 분포하게 하며, 이때 반탄화된 입자는 상기 흐름의 상부로 운반된다.

본 발명의 추가의 구체예는 파쇄된 반탄화 에너지 공급 원료 입자의 분리 및 배출 장치로서의 변류기 휠 분류기(deflector wheel classifier)를 구현한다.

본 발명의 유리한 구체예는 또한 폐쇄 루프 배치(closed-loop configuration)를 구현하는데, 가스 루프는 또한 다음을 포함한다:

- 분리 장치로부터 얻어진 기류의 후연소 장치(여기에서, 상기 기류는 파쇄된 반탄화 에너지 공급 원료 입자가 제거되었고, 상기 후연소 장치는 얻어진 연도 가스로부터 유래하는 폐열을 이용하는 장치를 가짐),

- 질소를 폐쇄 루프 기류에 공급하는 장치,

- 폐쇄 루프 기류 내 가압 장치, 그리고

- 연도 가스로부터 얻어진 폐열을 폐쇄 루프 기류와 커플링(coupling)하는 장치.

충격 반응기 저부 또는 본 발명의 방법에 적당한 충격 반응기 내 임의의 지점에 폐쇄 루프 기류가 공급될 때, 이 기류는 또한 필요한 열을 운반하는 반탄화 기류를 형성한다.

본 발명의 유리한 구체예는 또한, 충격 반응기에서 배출된 기류로부터 파쇄된 반탄화 에너지 공급 원료 입자를 분리 및 배출하기 위한 장치의 하류에, 잔류하던 기류와 폐쇄 루프 기류의 분지(branch)를 제공하고, 상기 폐쇄 루프 흐름 분지의 하류에 부스터 버너(booster burner)를 배치함으로써 이 버너가 폐쇄 루프 흐름 중에 있도록 하는 것을 구현한다. 상기 부스터 버너는 측류 또는 재순환하는 가스의 주류 내에 위치할 수 있다.

예를 들어 OS DE 196 00 482 A1은 적당한 충격 반응기를 기술한다. 놀랍게도, 이 반응기는 바이오매스 예를 들어, 밀짚이나 유기 폐기물(green waste)을 처리할 수 있으며, 동일한 방식으로 플라스틱 분획물도 처리할 수 있다고 기재되어 있다. 또한 효율을 개선하기 위해서, 장치 예를 들어 특허 출원 DE 10 2005 055 620 A1에 기술된 바와 같은 장치들을 사용하는 것이 편리할 수 있다.

본 발명 장치의 추가 목적은, 상이한 입도의 다양한 분획물을 회수할 수 있는 충격 반응기를 사용하여, 반탄화된 물질을 배출시키는 것에 관한 것이다. 본 발명은 파쇄된 건조 에너지 공급 원료 입자를 분리 및 배출하기 위한 측면 스크린을 제공함으로써 목적을 이룬다. 이와 같은 방식으로, 상이한 디자인과 메쉬 크기(mesh size)는 상이한 입자 분획물의 분리를 가능하게 한다.

본 발명 장치의 다른 구체예는 충격 반응기의 저부에 반탄화 가스를 공급하는 것에 관한 것이다. 이 점에서, 본 발명의 목적은 또한 다량의 반탄화 가스를 충격 반응기 내에 도입시킬 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 충격 반응기 저부의 둘레에 분포하고 있는 고온의 반탄화 가스 공급 장치로서 보어(bore)를 제공함으로써 목적을 이룬다. 본 발명의 다른 구체예는 보어가 방사상으로 기울어지게 배열되는 것을 구현한다. 본 발명의 기타 유리한 구체예는 보어가 충격 부품의 회전 방향에 대해서 접선 방향으로 배열되는 것을 구현할 수 있다. 이와 같이 구현함에 있어서, 상기 보어의 출구 방향은 충격 반응기 회전자의 회전 방향 또는 이 방향의 반대 방향에 배치될 수 있다. 본 발명의 방법에 있어서 더욱 유리한 해결책은 파쇄될 물질의 특성과 회전자 및 충격 부품의 기하학적 디자인, 그리고 회전자의 작용 방식 간 상호 작용, 즉, 예를 들어 국소 유동 작용의 속도와 이로 인하여 발생하는 충격량에 좌우된다.

대안적으로, 본 발명은 충격 반응기 저부의 둘레에 분포하고 있는 고온의 반탄화 가스 공급 장치로서 슬롯형 개구부(slot-shaped opening)를 제공함으로써 목적을 이룬다. 여기에서, 상기 슬롯도 또한 방사상으로 기울어져 있을 수 있다.

본 발명의 다른 구체예에서, 슬롯은 중첩하는 방식으로 베이스 플레이트(base plate)를 적재함으로써 형성된다.

모든 형태의 반탄화된 가스 공급물은 또한 조합하여 사용할 수도 있다. 따라서, 상기한 래버린스 시일, 에너지 공급 원료의 공급 장치, 그리고 충격 반응기의 저부에 존재하는 보어와 슬롯을 통하여 반탄화 가스를 충격 반응기에 도입함으로써, 본 발명의 방법에 의해 생성된 매우 상이한 공급 원료와 반응시킬 수 있는데, 이는 본 발명의 이점이다.

본 발명의 목적은 또한 회전자와 충격 부품을 포함하는 충격 반응기를 사용하여 반탄화 및 파쇄함으로써 고체 또는 페이스트형 에너지 공급 원료로부터 미립 연료를 생성하는 방법을 통해서 이루어지기도 하는데, 여기에서

- 상기 고체 또는 페이스트형 에너지 공급 원료는 190℃ 내지 350℃에서 상기 충격 반응기의 상부에서 충격 반응기로 공급되고,

- 고온의 반탄화 가스는 충격 반응기의 저부에 첨가되며,

- 고체 또는 페이스트형의 에너지 공급 원료는 충격 반응기 내에서 파쇄, 건조 및 반탄화되고,

- 충격 반응기로부터 유래하는 기류 내에 포함되어 있는, 파쇄된 반탄화 에너지 공급 원료 입자는 입자 분리기를 향한다.

본 발명은 통상적인 반탄화 온도 범위, 즉 190℃ 내지 350℃에서의 열처리를 구현한다. 이는 첫 번째로, 질량의 약 30%를 감소시키며, 이 경우 에너지양은 약 10%만 감소하고, 상당히 더 높아진 비 발열량(specific calorific value)이 획득된다. 두 번째로, 반탄화는 바이오매스의 구조를 섬유상(fibrous)에서 이쇄성 상태(brittle)로 변화시키므로, 파쇄에 필요로 하는 에너지를 상당히 감소시킨다. 바이오매스의 종류와 반탄화 정도에 따라서, 파쇄에 필요로 하는 에너지의 양은 50% 내지 85%로 감소될 수 있다(문헌[Kaltschmitt et al.: "Energie aus Biomasse", ISBN 978-3-540-85094-6, 2009, pages 703-709] 참조).

본 발명에서 반탄화 과정 및 파쇄 과정이 동시에 진행되는 것은 상기 두 과정 얻는 이익으로부터 상승 효과를 만들어낸다. 최신 기술에서, 반탄화는 별도의 반응기에서 일어나는데, 즉 입도와 반응기 의존성 열 운반 특성에 따라서, 입자는 이 입자를 완전히 그리고 철저하게 반탄화시키기 위하여 임의의 체류 시간을 필요로 한다. 일정한 반응기 온도에서, 상기 반응기 체류 시간은 입도를 감소시킴으로써만 이루어질 수 있으며, 이는 입자를 반응기에 공급하기 전에 수행할 필요가 있다. 그 다음 반탄화된 입자는 목표 크기로 파쇄된다.

본 발명에서의 동시 처리로 인하여, 굵은(coarse) 입자가 공급될 때 신속한 건조가 일어나며, 입자의 추가 가열로 인하여 외부에서 내부로 진행되는 해당 반탄화는 또한 입자 외부에서 입자 내부로 진행된다. 유사한 최신 방법에 있어서, 입도는 반탄화 동안 동일하게 유지되는 데, 이와 같은 경우 충격 효과로 인해 파쇄가 동시에 진행되며, 이미 반탄화된 외부 입자층은 바람직하게 충격 부품과 접촉할 때 이쇄성 물성으로 인해 떨어져 나가게 된다. 그러므로, 아직 완전히 반탄화되지 않은 나머지 입자 코어는 다시 노출되며, 다시 이에 부수적으로 입도가 감소하여 완전한 열 전달이 일어난다. 반탄화된 층들의 연속적 파쇄 및 기계적 제거로 인하여, 단일 입자의 전체적인 반탄 시간은 상항히 감소된다. 동시에, 이미 반탄화되어 이쇄성인 입자의 일부가 훨씬 더 효과적으로 파쇄될 수 있게 됨에 따라서, 파쇄에 필요로 하는 기계적인 노력은 감소된다.

한편으로, 본 발명은 통상적인 처리 연쇄 공정의 기술상 장비에 대한 요구를 상당히 감소시키며, 동시에 필요한 비 리드 타임(specific lead time) 또한 감소시킨다.

본 발명의 몇몇 구체예는 또한 폐쇄 루프 작용을 구현하는데, 여기에서

- 입자 분리기로부터 얻어진 기류의 적어도 일부는 후연소 장치에 도입되고, 얻어진 연도 가스로부터 유래하는 에너지는 폐쇄 루프 기류를 가열하는데 직접적으로 또는 간접적으로 사용되며,

- 질소는 폐쇄 루프 기류로 공급되고,

- 폐쇄 루프 기류 내 압력 손실은 보충되며,

- 가열된 폐쇄 루프 기류는 재순환되어 충격 반응기의 저부로 되돌아가게 된다.

본 방법의 다른 구체예는 입자 분리기로부터 배출된 분진 포함 가스가 분지되어(branched off) 폐쇄 루프 기류로 보내어지고, 나머지 기류와 폐쇄 루프 흐름도 측류나 주류, 또는 이 흐름 둘 다에서 가열되는 것을 구현한다.

본 방법의 또 다른 추가의 개선된 구체예는 반탄화 가스의 적어도 일부가 에너지 공급 원료와 함께 관련 공급 장치에 의해 반응기에 공급되는 것을 구현한다. 이와 같이 함에 있어서, 반탄화 가스는 공급 장치에 도입될 때 충분히 저온인 상태임이 보장되어야 한다. 반탄화 가스의 도입은 에너지 공급 원료, 특히 고체 에너지 공급 원료의 외부 표면이 건조되게 하며, 그 결과, 운반 특성은 개선되고 부착 성향은 상당히 감소한다. 반탄화 가스는 역류 및 병류 둘 다를 통과할 수 있다.

본 발명의 방법에 관한 다른 구체예는, 공급 장치가 간접적으로 가열되는 것을 구현한다. 건조 효과로 인하여, 반탄화 가스가 공급 장치에 도입될 때 이 반탄화 가스는 냉각된다. 가열 과정은 이와 같은 냉각 과정을 적극적으로 방해한다. 또한 가열하기 위하여, 고온의 반탄화 가스를 사용할 수 있으며, 이 고온의 반탄화 가스가 냉각된 다음에 공급 장치를 통과하게 된다.

만일 스크류형 운반기에 의해 빈(bin)으로부터 에너지 공급 원료를 처음에 배출한 후, 성상 휠 공급기(star-wheel feeder)로 이 공급 원료를 계량하여 충격 반응기로 공급하는 것이 구현되면, 본 경우에서 이러한 순서는 반환되어야 할 것이다. 이는 공급 장치를 통과한 반탄화 가스가 빈으로 다시 흘러들어가지 않도록 막을 수 있다. 반탄화 가스는 충격 반응기를 향하여 개방되어 있는 스크류형 운반기에 의해서 어떠한 방해도 받지 않고 충격 반응기로 도입될 수 있다. 이와 같은 경우, 스크류형 운반기를 통해 에너지 공급 원료와 반탄화 가스를 병류로 보내는 것이 유리하다.

본 발명은 또한 분류층 가스화 유닛, 분류층 연소 플랜트, 유동층 가스화 유닛 및 유동층 연소 플랜트 내에서 이와 같은 방식으로 처리된 고체 에너지 공급 원료의 용도에 관한 것이다.

이하, 예를 들어, 폐쇄 루프 방식으로 작용하고, 바이오매스를 반탄화하는 공정 5개에 관한 도면을 통하여 본 발명을 더욱 상세히 기술한다. 도 1은 재순환 가스를 추가로 간접 가열하는 본 발명에 의한 방법을 보인다. 도 2 및 도 3은 도 1의 분지 공정을, 그리고 도 4는 추가로 직접 가열하는 방법으로서 분지 공정을 포함하지 않는 방법을 보인다. 도 5는 본 발명에 따른 래버린스 시일을 도시한다.

바이오매스(2)는 스크류형 운반기(3)와 성상 휠 공급기(4)를 통해 공급 탱크(1)로부터 충격 반응기(5)로 운반된다. 여기에서, 이 바이오매스는 회전자(7)에 의해 파쇄된다. 반탄화 가스는 충격 반응기(5)의 저부에서 고온의 재순환 가스(8a 및 8b)의 형태로 첨가된다. 파쇄된 건조 반탄화 입자(11)는 분류기(6)(바람직하게는, 모터 구동 회전 분류기)를 통과한 기류(9)와 함께 충격 반응기(5)로부터 배출되며, 입자 분리기(10)(여기에서는 원심 분리 분리 장치로서 보임)로 향하게 된다.

이와 같은 경우에 있어서의 이점은, 분류기(6)의 사용이 기류(9)와 함께 배출되는 입자의 크기를 조절할 수 있게 한다는 점이다. 또한, 모터 구동 회전 분류기로 분배하는 것과, 기류(9)에 포함된 고체 입자의 크기를 조절할 수 있는 다공판 또는 스크린을 사용하는 것이 유리할 수 있다.

전처리한 연료의 원하는 용도에 따라서, 반탄화된 입자(11)의 목표 입도는 가스화 플랜트 또는 연소 플랜트의 상이한 조건에 의해서 한정된다. 이는 예를 들어 반응성과 입도의 상호 작용 및 유동성 등에 관한 조건이므로, 상이한 입도 또는 입도 분포는 상이한 공급 원료에 대해서 유리할 수 있다. 그러므로, 상이한 전 분리 방법 예를 들어, 분류기 또는 스크린을 사용하는 방법 또한 실현 가능하다. 원하는 입도에 따라서, 입자 분리기(10)로서 관성 분리기 또는 여과 분리기를 사용하는 것 또한 실현 가능하다.

입자 분리기(10)에 있어서, 반탄화된 입자(11)는 성상 휠 공급기(12)에 의해서 분리 및 배출된다. 이후, 상기 분리 및 배출된 입자는 스크류형 운반기(13)에 의해서 공급 탱크(14)로 공급된다.

원심 분리 분리기(10)로부터 얻어진 재순환 가스(15)는, 공급 원료의 반탄화 동안 방출되어 후연소시킬 필요가 있는 가스 성분과 분진을 소량만 함유한다. 분지 공정(16) 이후, 잔류하는 기류(17)는 팬(fan)(18)에 의해서 버너(19)로 향하게 되는데, 이때 잔류 가스는 공기(20) 및 연료 가스(21)와 함께 후연소된다. 열 교환기(22)에 있어서, 고온의 연도 가스는 자체의 에너지를 재순환 가스(27)로 운반하며, 이후 대기(23)로 배출될 수 있다.

질소(25)는 잔류 가스(17)의 배출량과 거의 동량으로 재순환 가스(24)에 첨가되는데, 이 경우 충격 반응기 입구에서의 최대 산소 함량은 8%로 맞추어진다. 압력 손실량은 재순환 가스 압축기(26)에서 보충되며, 재순환 가스(27)는 열 교환기 내에서 가열되어 고온의 재순환 가스(8)로서 충격 반응기로 재순환된다. 이와 동시에, 예를 들어 공급 장치가 배치되는데, 이로써 고온의 재순환 가스(8)는 래버린스 시일(33) 근처에 첨가되고, 동시에 래버린스 시일(33) 자체는 투과된다.

도 2에 있어서, 측류(28)는 재순환 가스(16)로부터 분지된다. 지지 팬(29)에 의하여 상기 측류(28)는 공기(30)로 작동하는 보조 버너(31)로 운반되고, 이때 상기 측류는 가열된다. 고온의 가스(32)는 재순환 가스(8)와 다시 혼합된다.

도 1과는 대조적으로, 도 3은 연도 가스(33)의 일부를 대기(23) 중으로 배출한 후에 연도 가스(33)를 재순환 가스(27)로 다시 직접 공급함으로써, 열 교환기(22)를 배제한다.

도 4에 있어서, 버너(19)는 재순환 가스(27) 중에 직접 배치된다. 이와 같은 변형 공정은 예를 들어 반탄화로부터 방출되는 가스 성분의 양과 발열량이 상당할 때 바람직하다.

본 발명에 의하면, 탄소 및 수소 함유 고체 연료의 열 전처리 방법은 또한 폐쇄 루프 없이 수행될 수도 있다. 이는, 현존하는 플랜트 기반 설비로의 통합이 계획되어 있을 때 특히 유리하다. 예를 들어, 만일 목적이 분류층 가스화기 내에서 바이오매스와 석탄을 혼합 가스화하기 위한 것이라면, 이것들을 가스화 유닛(이 경우에는, 예를 들어 미분탄기에 존재하는 가열 버너)으로부터 배출된 기류(15)에 공급함으로써 커플링이 가능하다. 이와 동시에, 공급될 예열 기류(8a 및 8b)는 또한 가스화 유닛으로부터 제공될 수 있다. 이는, 예를 들어 미분탄기로부터 유래하는 가열된 재순환 가스로부터 유래하는 부분 흐름일 수 있거나, 또는 가스화 유닛 내에서 예열된 비활성 기류로 이루어질 수 있다.

혼합 가스화를 위해서, 얻어진 반탄화 입자(11)는 공급 탱크(14)를 통하여 석탄 분진 흐름으로 공급될 수 있거나, 아니면 원탄과 함께 미분탄기로 공급될 수 있는데, 이 과정은 주로 충격 반응기(5) 내에서 선택되는 파쇄 정도에 좌우된다.

전술한 바와 같은 가스화 유닛과의 커플링은 단지 일례일 뿐이며, 상류 미분탄기를 포함하는 혼합 가스화 유닛 내 열 추출에 사용되는 부품과 보조 흐름이 매우 많이 존재하고 열 추출 가능성도 매우 높으므로, 다수의 대안이 있을 수 있다.

동일한 방식으로, 커플링은 또한 연소 유닛을 사용하고, 얻어진 반탄화 입자(11)가 공급 탱크(14)를 통하여 혼합 가스화 유닛을 향하게 되는 동력 발전 공정으로 수행될 수도 있다.

게다가, 도 5는 회전자 축(34) 근처에 존재하며, 본 도면에 도시하지 않은 모터로 회전자(7)를 구동시킴으로써 작동하는 충격 반응기(5)의 일부의 상세도를 나타낸다. 도 5에서 살펴볼 수 있는 바와 같이, 회전자 축(34)의 상부 말단에는 회전자 연결부(35)가 존재하는데, 여기에서, 고리 모양의 채널 또는 홈(36)은, 예를 들어 횡단면이 직사각형인 저부에 삽입된다. 바람직하게 충격 반응기(5)의 베이스 플레이트(38)에 위치하는 고리형 돌출부(37)는 처음부터 아예 고리형 채널(36) 내부로 확장된다. 돌출부(37)는 폭이 채널(36)의 폭보다 작으며, 이 돌출부 상부는 채널의 저부로 완전히 확장하지 않으므로, 돌출부(37)의 외표면과 채널(36)의 내표면 사이에 래버린스 통로(33a)가 존재하는 래버린스 시일(33)이 형성되며, 이를 통하여 반탄화 가스 또는 기타 가스가 충격 반응기(5)의 내부에 도입된다. 예를 들어 래버린스 통로는 폭이 2㎜ 내지 20㎜일 수 있다.

도시하지 않은 본 발명의 구체예에 의하면, 시일 효과(seal effect)를 개선하기 위하여 래버린스 시일(33)은 또한 2개 이상의 돌출부(37)를 가질 수도 있는데, 이 돌출부는 방사상으로 배향되어 있으며 이 돌출부의 형태와 매치되는 형태를 가지는 부속 채널(36)로 확장한다.

반탄화 가스(8a 및 8b)는 베이스 플레이트(38) 밑에 존재하는 축 배열(39)에 배열되어 있는 하나 이상의 구멍(40)을 통한 공급 경로(화살표(42)로 표시함)에 따라서 공급되는 것이 바람직하다. 이러한 경로는 처음에 회전자 축(34) 방향(즉, 회전자(7)의 회전 중심)으로 진행되고, 이후에는 본질적으로 회전자 축 또는 회전자(7)의 회전 축에 평행인 윗 방향으로 진행되며, 그후에는 래버린스 통로(33a)를 통하여 충격 반응기(5)의 회전 중심으로부터 방사상 바깥 쪽으로 떨어져서 반대 방향으로 되돌아서 베이스 플레이트(38) 위로 진행하게 되는데, 이로써 반응기 내 반탄화 가스의 밀봉 및 분포를 특히 효율적으로 만들어 준다. 이는 또한 흐름의 측면에서 래버린스 통로(33a)의 하류에 하나 이상의 충격 슬랫(41)을 사용함으로써 추가로 개선될 수도 있다.

1: 공급 탱크
2: 바이오매스
3: 스크류형 운반기
4: 성상 휠 공급기
5: 충격 반응기
6: 분류기
7: 회전자
8, 8a, 8b: 고온 재순환 가스/반탄화 가스
9: 기류
10: 입자 분리기
11: 반탄화 입자
12: 성상 휠 공급기
13: 스크류형 운반기
14: 공급 탱크
15: 재순환 가스
16: 재순환 가스
17: 잔류 가스
18: 팬
19: 버너
20: 공기
21: 연료 가스
22: 열 교환기
23: 대기
24: 재순환 가스
25: 질소
26: 재순환 가스 압축기
27: 재순환 가스
28: 측류
29: 지지 팬
30: 공기
31: 보조 버너
32: 고온 가스
33: 래버린스 시일
33a: 래버린스 통로
34: 회전자 축
35: 회전자 연결부
36: 채널
37: 돌출부
38: 베이스 플레이트
39: 축 배열
40: 구멍
41: 충격 슬랫
42: 화살표
M: 모터

Claims

- 회전자(7) 및 충격 부품을 포함하는 충격 반응기(5)(여기에서, 상기 반응기는 350℃ 이하의 온도에서 내열성임),
- 충격 반응기(5) 저부에 존재하는, 하나 이상의 고온 반탄화 가스 공급 장치(8, 8a, 8b),
- 충격 반응기(5) 상부에 존재하는, 하나 이상의 고체 또는 페이스트형 에너지 공급 원료 공급 장치 (3, 4),
- 파쇄된 반탄화 에너지 공급 원료 입자를 포함하는, 하나 이상의 기류(9) 배출 장치, 및
- 파쇄된 반탄화 에너지 공급 원료 입자(11)를, 충격 반응기(5)로부터 배출된 기류(9)로부터 분리 및 배출시키는 장치(10)
를 포함하는, 반탄화(torrefaction) 및 파쇄(crushing)에 의해 고체 또는 페이스트형 에너지 공급 원료로부터 미립 연료를 생산하는 장치.
제1항에 있어서, 반탄화 가스(8, 8a, 8b)는 래버린스 시일(labyrinth seal)(33) 근처의 충격 반응기(5)로 도입되고/도입되거나, 충격 반응기(5)의 회전자 축(rotor shaft) 근처에 위치하는 래버린스 시일을 통과하여 충격 반응기(5)로 도입되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 변류기 휠(deflector wheel) 분류기는 파쇄된 반탄화 에너지 공급 원료 입자의 분리 및 배출 장치로서 구현되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 가스 루프를 포함하는 폐쇄 루프 배치(closed-loop configuration)는 또한
- 분리 장치로부터 얻어진 기류(15)의, 하나 이상의 후연소 장치(19, 31)(여기에서, 상기 기류는 파쇄된 반탄화 에너지 공급 원료 입자가 제거됨),
- 질소(25)를 폐쇄 루프 기류에 공급하는, 하나 이상의 장치,
- 폐쇄 루프 기류 내, 하나 이상의 가압 장치(18, 26, 29), 및
- 연도 가스로부터 얻어진 폐열을 폐쇄 루프 기류와 커플링(coupling)하는, 하나 이상의 장치
를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 충격 반응기에서 배출된 기류로부터 파쇄된 반탄화 바이오매스 입자를 분리 및 배출하기 위한 장치의 하류에, 잔류하던 기류와 폐쇄 루프 기류의 분지(branch)를 제공하고, 상기 폐쇄 루프 흐름 분지의 하류에 부스터 버너(booster burner)를 배치함으로써 상기 버너가 폐쇄 루프 흐름 중에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서, 부스터 버너는 폐쇄 루프 흐름의 주류 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
제6항에 있어서, 부스터 버너는 폐쇄 루프 흐름의 측류 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 측면 스크린(lateral screen)은 파쇄된 건조 에너지 공급 원료 입자를 분리 및 배출하기 위하여 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 보어(bore)는 충격 반응기(5) 저부의 둘레에 분포하고 있는 고온의 반탄화 가스 공급 장치로서 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서, 보어는 방사상으로 기울어지게 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
제10항에 있어서, 보어는 충격 부품의 회전 방향에 대해서 접선 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 슬롯형 개구부(slot-shaped opening)는 충격 반응기 저부의 둘레에 분포하고 있는 고온의 반탄화 가스 공급 장치로서 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서, 슬롯은 방사상으로 기울어져 존재하는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항 또는 제13항에 있어서, 슬롯은 베이스 플레이트(base plate)를 중첩하는 방식으로 적재함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
회전자(7)와 충격 부품을 포함하는 충격 반응기(5)를 사용하여 반탄화함으로써 고체 또는 페이스트형 에너지 공급 원료로부터 미립 연료를 생성하는 방법으로서, 여기에서,
- 상기 고체 또는 페이스트형 에너지 공급 원료는 충격 반응기(5)의 상부에 서 충격 반응기(5)로 공급되고,
- 고온의 반탄화 가스(8, 8a, 8b)는 충격 반응기(5)의 저부에 첨가되며,
- 에너지 공급 원료는 충격 반응기 내에서 파쇄, 건조 및 반탄화되고,
- 충격 반응기로부터 유래하는 기류 내에 포함되어 있는, 파쇄된 반탄화 에너지 공급 원료 입자는 입자 분리기(10)를 향하는 방법.
제15항에 있어서, 폐쇄 루프 작용은
- 입자 분리기(10)로부터 얻어진 기류의 적어도 일부는 후연소 장치(19)에 도입되고, 얻어진 연도 가스로부터 유래하는 에너지는 폐쇄 루프 기류를 가열하는데 직접적으로 또는 간접적으로 사용되며,
- 질소(25)는 폐쇄 루프 기류로 공급되고,
- 폐쇄 루프 기류 내 압력 손실은 보충되며,
- 가열된 폐쇄 루프 기류는 재순환되어 충격 반응기의 저부로 되돌아가게 됨으로써 구현되는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항 또는 제16항에 있어서, 폐쇄 루프 흐름은 또한 측류나 주류 내에서 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서, 입자 분리기로부터 배출된 분진 포함 가스(15)가 분지되어(branched off) 폐쇄 루프 기류와 나머지 기류로 보내어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항 내지 제18항 중 어느 하나의 항에 있어서, 반탄화 가스의 적어도 일부가 에너지 공급 원료와 함께 관련 공급 장치에 의해 반응기에 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서, 반응기에 에너지 공급 원료를 공급하는 장치는 간접적으로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 의한 방법에 따라서 생성된 연료의, 분류층 가스화 유닛에서의 용도.
제15항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 의한 방법에 따라서 생성된 연료의, 분류층 연소 유닛에서의 용도.
제15항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 의한 방법에 따라서 생성된 연료의, 유동층 가스화 유닛에서의 용도.
제15항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 의한 방법에 따라서 생성된 연료의, 유동층 연소 유닛에서의 용도.