KR20130041234A - 상호 연결된 2개의 퍼니스들을 통해 바이오매스 열분해 가스화를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 연결된 2개의 퍼니스들을 통해 바이오매스 열분해와 가스화를 위한 방법 및 시스템이다. 본 발명의 방법은 고열용량 고체 입자를 에너지 캐리어로서 사용하고 포화 수증기를 산화제로서 사용한다. 첫째, 바이오매스는 500-800℃의 온도의 저온 열분해 퍼니스(furnace)에 노출되어 알칼리 금속 산화물이 없는 미정제 합성 가스와 코크를 얻는다. 이어서, 미정제 합성 가스와 코크는 1200-1600℃ 온도의 고온 가스화에 노출되어 타르가 없는 합성 가스를 얻는다. 최종적으로, 생성된 합성 가스는 연속적인 냉각, 분진 제거, 탈산 및 건조 공정을 거친다. 본 발명의 장치는 서로 수직으로 배치된 가스화 장치(4)와 열분해 퍼니스(6)를 구비하고, 2개의 퍼니스들의 내부 캐버티는 서로 연결되어 있으며,입자 히터(10), 플라즈마 토치 히터(11), 배기 팬(12), 주기적으로 배치된 제1 열 교환기(13), 포화 수증기를 만들기 위한 물 저장 탱크(16), 워터 펌프(15), 제2 열 교환기(14), 분진 제거기(17), 및 산 제거기(18), 및 건조기(19)를 구비한다.

Description

상호 연결된 2개의 퍼니스들을 통해 바이오매스 열분해 가스화를 위한 방법 및 장치{Method and apparatus for biomass pyrolysis gasification via two interconnected furnaces}
본 발명은 가연성 물질을 청정하고 효율이 높은 합성 가스로 변환시키는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게, 서로 연결된 2개의 퍼니스들을 사용하여 바이오매스의 열분해와 가스화를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
가연성 물질의 가스화 기술은 21세기 후반에 놀라운 성과를 낳았으며, 특히 가연성 석탄의 가스화 기술이 매우 성숙되어 있다. 연구원들은 광범위하게 적용할 수 있고, 고효율의 가스화가 가능하고 오염이 없는 석탄 가스화 공정을 성공적으로 개발하였다. 나뭇가지, 짚, 기타 농업 부산물 또는 임목 부산물과 같은 바이오매스의 가스화 기술은 21세기의 포괄적인 에너지 이용을 위한 신기술이다. 종래의 바이오매스 가스화 기술은, 고정 베드(fixed bed) 가스화, 유동화 베드(fluidized bed) 가스화, 2단(two stages) 가스화를 포함하고, 이 모든 것들은 직접 가스화 기술이다. 직접 가스화 기술의 공정은 바이오매스의 일부분에 의해 생성된 열이 가스화를 위한 에너지 소스를 공급하고, 공기, 산화 공기, 또는 산화된 공기와 수증기의 혼합이 가스 반응 동안 산화제로서 기능한다. 그러나, 연구에 따르면, 바이오매스의 직접 가스화 기술들은 다음과 같은 단점들을 가진다.
첫째, 바이오매스 연료의 성분과 발열량이 불안정하고, 바이오매스는 낮은 발화점을 가지고 가연 반응이 빠르므로, 폭발이 용이하다. 몇몇 부위들이 과열되거나 코킹(coked)될 때, 가스화 장치(gasfier)의 작동 온도의 제어가 매우 어렵다.
둘째, 불활성 가스 N2의 함량이 현저해서 공기가 산화제로 작용하면, 보다 높은 N2 함량, 보다 낮은 유효 가스(CO+H2), 및 보다 낮은 H2/CO 비율의 결과를 초래하고, 그 외에 합성 가스의 발열량이 낮고 불안정해서, 5000KJ/Nm3 이하에서만 유지되어 산업적 이용의 필요성을 거의 충족시킬 수 없다.
셋째, 산화된 공기가 산화제로서 작용할 때, N2의 함량이 상대적으로 낮더라도, 추가적인 공기 분리 장치가 필요하다. 고용량 및 에너지 소비가 높은 공기 분리 장치 때문에, 그러한 공정은 생산비를 증대시킨다.
넷째, 산화된 공기와 수증기가 모두 산화제로서 작용할 때, 합성 가스의 N2 함량이 감소되고, H2 함량이 증가되더라도, 반응 매개체로서 작용하는 수증기는 여전히 많은 양의 열 에너지를 소비할 뿐만 아니라, 공기 분리에 따른 에너지 소비에 의해 공정의 생산비가 증대된다.
다섯째, 바이오매스의 대략 15-20%는 가스화를 위한 에너지 소스를 제공하기 위해 자기-발화가 필요할 뿐만 아니라 동시에 많은 양의 CO2가 연소 과정에서 생산되어, 유효 가스(CO+H2)의 함량이 감소된다. 더군다나, 고온의 합성 가스와 혼합 공기는 많은 양의 실용적 열을 운반함으로써, 열 에너지로부터 화학 에너지로의 변환이 최소화되고, 냉각 가스의 효율 역시 대체적으로 70% 이하로 되고 예외적 상황에서 80%보다 높지 않게 된다.
여섯째, 가스화 장치의 작동 온도는 대체적으로 800-1200℃에서 제어되고, 그러한 온도에서 바이오매스의 가스화는 제거하기 곤란한 많은 양의 타르를 생성함으로써, 너무 많은 양의 타르가 장치와 파이프 내부에 쌓이게 되어 파이프 막힘과 장치 오염의 원인이 된다.
일곱째, 바이오매스의 가스화 과정에서 생성된 재(ash)는 전체 재의 20-40wt.%인 K와 Na과 같은 알칼리 금속 산화물의 현저한 함량을 포함한다. 그러나, 800℃보다 더 높은 온도에서, 알칼리 금속 산화물이 가스화되어 합성 가스와 혼합될 수 있으므로, 합성 가스의 성분에 영향을 줄 뿐만 아니라, 파이프와 장치에 타르와 함께 달라붙음으로써, 장치와 파이프를 심각하게 부식시키는 결과를 초래한다.
전술한 바와 같은 문제점들의 관점에서, 바이오매스의 직접 가스화 기술은 실제 생산에 적용하기 어렵다. 따라서, 산업적 생산에 적용될 수 있고 상업적 혜택으로 전환될 수 있는 바이오매스 가스화 방법이 필요하다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 착상된 것으로서, 열분해와 가스화를 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 방법은 용이한 제어, 에너지 절약형, 저비용 구조이다. 생산된 합성 가스는 효율이 높고, 발열량이 높으며, 타르 또는 알칼리 금속 산화물이 없다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 바이오매스의 열분해와 가스화를 위한 방법이 제공된다. 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 방법은, 에너지 캐리어로서 고열용량을 가진 고체 입자를 산화제로서 포화 수증기를 각각 채택한다. 바이오매스의 열분해와 가스화는 열분해 퍼니스와 가스화 장치에서 각각 수행되어 청정 합성 가스가 생성된다. 본 발명에 따른 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다.
a) 열분해 퍼니스 위에 가스화 장치를 배치하고, 가스와 장치의 내부 캐버티와 연분해 퍼니스의 내부 캐버티를 상호 연결하고, 가스화 장치의 상단으로부터 가스화 장치와 열분해 퍼니스 속으로 연속적으로 고체 입자를 토입한다. 고체 입자의 열 에너지는 예를 들어, 플라즈마 토치 히터와 같은 외부 가열 장치에 의해 제공되고, 일반적으로, 고체 입자는 1400-1800℃의 온도까지 가열된다. 가스화 장치에서, 고체 입자는 열 에너지의 일 부분을 방출하여 가스화 장치의 내부 캐버티를 1200-1600℃의 작동 온도로 유지하고, 열분해 퍼니스로 떨어질 때 고체 입자는 열 에너지의 다른 부분을 방출하여 열분해 퍼니스의 내부 캐버티를 500-800℃의 작동 온도로 유지한다. 따라서, 바이오매스의 자기-발화(self-ignition)는 열분해와 가스화에서 불필요하고, 바이오매스의 전환(conversion)이 크게 향상된다.
b) 포화 수증기를 열분해 퍼니스 내부로 분사하는 동안 바이오매스를 그라인딩시켜 바이오매스를 열분해 퍼니스(furnace) 속으로 공급하고, 바이오매스를 미정제 합성 가스 및 코크를 포함하는 재로 열분해시키기 위해 바이오매스를 포화 수증기와 접촉시킨다. 열분해 퍼니스의 작동 온도는 K와 Na를 함유하는 알칼리 금속 산화물의 승화 온도보다 낮기 때문에, 알칼리 금속 산화물은 코크를 포함하는 재에 존재하고, 미정제 합성 가스는 타르를 포함하지 않거나 소량 포함한다.
c) 코크를 포함하는 재를 고체 입자로부터 분리시키고, 고체 입자를 재가열하여, 다음 순환을 위해 고체 입자를 가스화 장치 속으로 전송한다. 가열된 고체 입자는 바이오매스 열분해와 가스화를 위한 열 에너지를 공급하지만 그 어떤 화학 반응에도 관여하지 않으므로, 고체 입자의 순환은 에너지 소비 및 제조 비용을 낮추게 된다.
d) 코크를 포함하는 재를 일반적으로 150℃ 이하의 온도까지 냉각시키고, 재로부터 코크를 분리한다. 코크는 이어지는 단계에서 합성 가스를 생성하기 위해 사용되고, 알칼리 금속 산화물을 포함하는 재는 종합적 활용을 위해 재 저장소(ash storehouse)로 전송된다.
e) 서로 연결된 내부 캐버티들을 경유하여 미정제 합성 가스를 가스화 장치에 도임시켜, 포화 수증기를 가스화 장치 속으로 분사하는 ehdd안 가스화 장치 속으로 코크를 전송시켜, 코크와 미정제 합성 가스를 기초 합성 가스로 가스화시키기 위해 코크와 미정제 합성 가스를 포화 수증기에 접촉시킨다.
f) 기초 합성 가스의 냉각, 분진 제거, 탈산(deacidification), 건조(desiccation) 공정을 거쳐 기초 합성 가스를 청정 합성 가스로 변환시킨다. 냉각 공정은 합성 가스의 생산을 위한 전체 공정에 필수 불가결할 뿐만 아니라 종합적 활용을 위한 다량의 현열(sensible heat)을 회복한다. 분진 제거 공정은 미정제 합성 가스로부터 먼지를 분리하여 가스의 먼지 농도를 50 mg/Nm3 이하로 낮춘다. H2S, COS, HCL, NH3 및 HCN과 같은 유해 가스는 탈산 공정에서 제거된다. 건조 공정 후, 기초 합성 가스는 청정 합성 가스로 변환되고, 청정 합성 가스는 산업적 적용을 위해 저장된다.
높은 열용량을 가진 고체 입자는 희토류 입자, 세라믹 입자, 또는 규사이고, 고체 입자의 직경은 5mm 이하이다. 고체 입자는 1400-1800℃의 온도에서도 안정된 물리적 그리고 화학적 성질, 높은 엔탈피 값을 가지며, 고체 입자의 온도는 가열되었을 때 제어가 용이하므로, 고체 입자는 에너지 캐리어로서 작업이 매우 적합하다. 한편, 상대적으로 작은 입자 크기는 동일한 수의 고체 입자들과 비교하여 더 큰 총 표면적을 보장하고, 작은 크기는 고체 입자로부터 바이오매스로의 열전달이 용이할 뿐만 아니라 열분해 퍼니스와 가스화 장치 사이의 상호 연결에서 유동 필터 레이어를 형성하는데 도움을 주기 때문에, 미정제 합성 가스에 있는 분진이 제거된다.
열분해 퍼니스로부터 미정제 합성 가스의 누출에 의해 화재 또는 폭발에 대비하여 질소 보호 장치는 열분해 퍼니스의 공급 입구와 가스화 장치의 입자 입구에 연결된다.
열분해 퍼니스의 바람직한 작동 온도는 500-650℃에서 제어되고, 열분해 퍼니스의 바람직한 작동 압력은 105-109 kPa에서 제어된다. 열분해 퍼니스 속으로 들어가는 포화 수증기의 입력 속도는 35-50 m/s이고, 열분해 퍼니스 안에서 미정제 합성 가스의 보유(retention) 시간은 15-20초이고, 열분해 퍼니스로부터 나오는 미정제 합성 가스의 출력 속도는 15-20 m/s이다. 열분해 퍼니스는 정상 압력에서 작동하고, 특별한 압력 장치가 필요하지 않기 때문에 제조 비용이 낮아진다. 열분해 퍼니스 내부의 바이오매스는 빨리 건조되어 활성 물질로부터 분리되고, 미정제 합성 가스와 포화 수증기와 접촉하는 동안 열분해 된다. 또한, 열분해 퍼니스의 작동 온도는 알칼리 금속 산화물의 승화점(대략 800℃)보다 훨씬 낮기 때문에, 알칼리 금속 산화물은 미정제 합성 가스로부터 제거된다. 열분해 퍼니스로부터 나오는 상대적으로 낮은 출력 속도는 재가 열분해 퍼니스의 출구와 가스 파이프에 쌓이는 것을 방지한다.
가스화 장치의 바람직한 작동 온도는 1200-1400℃에서 제어되고 가스화 장치의 바람직한 작동 압력은 105-109 kPa에서 제어된다. 가스화 장치 속으로 들어가는 포화 수증기의 입력 속도는 35-50m/s이고, 가스화 장치 내부의 미정제 합성 가스의 보유 시간은 15-20초이고, 가스화 장치로부터 나오는 기초 합성 가스의 출력 속도는 15-20m/s이다. 가스화 장치는 정상 압력에서 작동하고 특별 압력 장치가 불필요하기 때문에 제조 비용을 낮출 수 있다. 가스화 장치 속으로 들어가는 포화 수증기의 높은 입력 속도는 미정제 합성 가스와 코크의 접촉 및 혼합을 크게 향상시킨다. 가스화 장치의 작동 온도의 범위가 적절하고, 포화 수증기와 접촉하는 동안 미정제 합성 가스와 코크의 전체 가스화를 보장하며, 타르를 구비하지 않는 기초 합성 가스가 얻어짐과 동시에 에너지 소비는 가능한 한 낮아지며, 가스화 장치의 성능이 크게 향상된다.
기초 합성 가스는 260-320℃의 온도까지 냉각된 후, 세정 공정이 수행된다. 가스화 장치로부터 나오는 기초 합성 가스의 온도가 대략 120-1400℃로 여전히 높으면, 냉각 공정은 이어지는 분진 수거, 탈산, 건조에 도움을 줄 뿐만 아니라 기초 합성 가스에서 현열을 회복하는데 도움을 줌으로써, 배출열(exhaust heat)의 종합적 활용이 가능하다.
전술한 방법에 따른 바이오매스의 열분해와 가스화를 위한 시스템은, 열분해 퍼니스, 가스화 장치, 입자 히터, 플라즈마 토치 히터, 배기 블로워(exhaust blower), 제1 열 교환기, 물 저장 탱크, 워터 펌프, 및 제2 열 교환기를 구비한다. 가스화 장치는 열분해 퍼니스 위에 배치되고, 가스화 장치의 내부 캐버티와 열분해 퍼니스의 내부 캐버티는 수직으로 상호 연결된다.
물 저장 탱크는 워터 펌프에 의해 제1 열 교환기의 물 입구와 제2 열 교환기의 물 입구에 연결되고, 제1 열 교환기의 증기 출구와 제2 열 교환기의 증기 출구 모두는 열분해 퍼니스의 증기 노즐과 가스화 장치의 증기 노즐 모두에 연결된다. 제1 열 교환기의 공기 출구는 배기 블로워를 통해 플라스마 토치 히터의 rdrl 입구에 연결되고, 플라즈마 토치 히터의 공기 출구는 입자 히터의 공기 입구에 연결되고, 입자 히터의 공기 출구는 제1 열 교환기의 공기 입구에 연결된다.
입자 히터의 공급 출구는 가스화 장치의 입자 입구에 연결되고, 가스화 장치의 가스 출구는 제2 열 교환기의 가스 입구에 연결되고, 제2 열 교환기의 가스 출구는 분진 수거기, 탈산 타워 및 건조기에 순차적으로 연결된다. 열분해 퍼니스의 재 출구(ash outlet)는 입자 분리기의 공급 입구에 연결되고, 입자 분리기의 재 출구(ash outlet)는 애쉬 쿨러(ash cooler)의 재 입구(ash inlet)에 연결되고, 애쉬 쿨러의 재 출구는 재-코크 분리기의 공급 입구에 연결된다.
플라즈마 토치 히터는 초-고온 가열, 열과 매스의 신속한 전달, 고효율, 조절가능한 가열 파워 측면에서 장점을 가지기 때문에, 순환되는 공기를 1800-2000℃의 온도까지 즉각적으로 가열할 수 있다. 그러면, 고온 순환 공기는 고체 입자를 가열시키는데 사용된 후, 필요한 온도에서 고체 입자는 안정된 작동 온도를 유지하기 위해 열분해 퍼니스와 가스화 장치로 출력된다. 제1 열 교환기와 제2 열 교환기는 각각 순환 공기와 기초 합성 가스의 현열의 상당량을 효과적으로 회복한다. 물 저장 탱크 내부의 물은 예열되어 현열 덕택으로 포화 수증기로 변환됨으로써, 플라즈마 토치 히터의 에너지 소모가 감소되고, 열 에너지의 종합적 활용이 가능하다.
질소 보호 장치가 열분해 퍼니스의 공급 입구와 가스화 장치의 입자 입구에 연결된다. 바이오매스가 열분해 퍼니스의 공급 입구 속으로 입력될 때, 질소 보호 장치는 공급 입구를 통해 열분해 퍼니스로 질소를 공급하고, 고체 입자가 가스화 장치 속으로 입력될 때, 질소 보호 장치는 입자 입구를 통해 가스화 장치 속으로 질소를 공급함으로써, 질소 밀봉 레이어가 형성되어, 합성 가스가 열분해 퍼니스와 가스화 장치 밖으로 누출되는 것을 방지하고, 열분해 퍼니스와 가스화 장치 외부에 공기를 유지시켜 발화와 폭발을 방지하여 미정제 합성 가스의 성분을 보장한다.
열분해 퍼니스와 가스화 장치에 배치되는 증기 노즐들은 2-4개의 높이 레벨들로 각각 그룹핑되고, 각각의 레벨의 증기 노즐들은 원주 방향을 따라 균등하게 그리고 접선 방향으로 배열된다. 따라서, 포화 수증기는 서로 다른 레벨들로부터 열분해 퍼니스와 가스화 장치 속으로 분사되어, 균일하고 안정된 온도장이 서로 다른 높이 레벨에서 유지됨으로써, 포화 수증기와 반응물 사이의 완전한 접촉을 유발한다.
열분해 퍼니스의 내부 캐버티와 가스화 장치의 내부 캐버티의 교차 지점은 병목 형상(bottle neck)이고, 적어도 하나의 메쉬 스크린 레이어가 교차 지점에 배치된다. 병목 형상의 교차 지점의 최소 단면적과 메쉬 스크린의 배치는 고온의 고체 입자의 하강 속도를 효과적으로 조절할 수 있고, 고체 입자는 가스화 장치에서 열 에너지를 완전히 방출한 후 열분해 퍼니스 안으로 떨어지기 때문에, 가스화 장치와 열분해 퍼니스의 안정된 작동 온도가 얻어진다. 동시에, 메쉬 스크린에 의해 막히는 고체 입자는 유동 필터 레이어를 형성하여, 상승하는 미정제 합성 가스에 있는 분진의 제거에 도움을 준다.
재-코크 분리기의 코크 출구는 코크 전송기를 통해 가스화 장치의 코크 입구에 연결된다. 입자 분리기의 입자 출구는 입자 전송기를 통해 입자 히터의 공급 입구에 연결된다. 예를 들어, 스크류 피더가 채택되어 코크를 가스화 장치에 직접적으로 전송하고, 공압 수송 파이프가 고체 입자를 입자 히터로 전송하는데 사용됨으로써, 중간의 수작업 전송이 생략되어, 전체 시스템의 안정성과 연속성을 향상시킨다.
물, 재, 활성 물질, 및 바이오매스의 재 용융점(ash fusion point)의 내재적 특징에 근거하고, 가스화 장치의 작동 특성과 결합될 때, 본 발명의 방법은, 저온 열분해와 고온 가스화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 생성하기 위해, 종래의 산화제 공기 또는 산화된 공기를 산화제로 사용하는 대신에, 포화 수증기를 산화제로 채택한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 바이오매스를 간접적으로 가열하기 위해 고체 입자가 사용되고, 포화 수증기가 서로 다른 온도에서 바이오매스 열분해와 가스화의 산화제로서 작동한다. 서로 독립하여 에너지 캐리어와 산화제로서 다른 종류의 마이오매스에 적용될 수 있고, 작동이 편리할 뿐만 아니라, 산화제로서 산화제 공기 또는 산화된 공기가 더 이상 불필요해져서 전체 공정의 에너지 소비를 최소화하고 전체 제조 비용을 저렴하게 한다.
둘째, 열분해와 가스화 공정 동안 바이오매스에 자연-발화(self-ignition)가 생기지 않기 때문에, 열분해 퍼니스 또는 가스화 장치에서 바이오매스 폭발, 국부적 코킹, 각각의 공정 제어의 어려움 등과 같이 종래의 가스화 공정에서 발생되었던 문제점을 효과적으로 해결할 수 있다. 산화제 공기 또는 산화된 공기가 반응에서 더 이상 불필요하기 때문에, 합성 가스는 높은 H2/CO 비율, 85% 이상의 높은 유효 가스(CO+H2) 함량을 가지기 때문에 합성 가스의 발열량이 크게 향상되고, 합성 가스의 사용이 훨씬 넓어진다.
셋째, 주요 반응 장치들은 열분해 퍼니스와 가스화 장치이고, 두 장치는 서로 연결되어 있으므로, 구조가 간단해 진다. 먼저, 바이오매스는 저온에서 미정제 합성 가스와 코크로 열분해되고, 코크는 가스화 장치로 전송되고, 미정제 합성 가스와 코크 모두 고온에서 가스화된다. 온도 범위가 적절하게 설정되어 있기 때문에, 생산된 미정제 합성 가스는 알칼리 금속 산화물을 함유하지 않으며, 타르와 코크 모두는 기초 합성 가스로 변환됨으로써, 탄소 변환(carbon conversion)이 매우 높고, 획득된 기초 합성 가스는 장치와 파이프들을 부식시키는 불순물이 없으며, 이 후의 세정 공정이 훨씬 간소화된다.
넷째, 플라즈마 토치 히터는 매체로서 순환 공기를 채용함으로써 고체 입자를 가열시키고, 고온 고체 입자는 바이오매스 열분해와 가스화를 위해 필요한 모든 열 에너지를 공급한다. 바이오매스 연료의 열 에너지는 모두 화학 에너지로 변환되고, 냉각 가스의 효율은 종래의 그것보다 8%더 높은 88% 이상이 된다.
다섯째, 플라즈마 토치 히터는 높은 열 효율 및 조절 가능한 입력 파워를 가진다. 바이오매스 연료의 성분들이 변할 때, 플라즈마 토치 히터의 파워가 조절될 수 있으므로, 고온 과열 수증기의 온도 제어가 매우 편리하고, 가스화 장치를 안정되게 작동시킬 수 있고, 기초 합성 가스의 안정된 출력과 안정된 성분을 보장할 수 있다.
본 발명의 방법 및 시스템은 다른 종류의 바이오매스 연료들에 적용될 수 있고, 특히, 일체화된 바이오매스 가스화 사이클 조합 및 바이오매스 액체 연료 산업에 적용될 수 있다.
도 1은 바이오매스의 열분해와 가스화를 위한 시스템의 다이어그램이다.
바이오매스의 열분해와 가스화를 위한 방법 및 시스템은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 바이오매스의 열분해와 가스화를 위한 시스템은, 벨트 컨베이어(1), 호퍼(2), 바이오매스를 전송하기 위한 스크류 피더(5), 주요 반응기들로서 기능하며, 가스화 장치(4)는 열분해 퍼니스(6) 위에 배치되어 있고, 열분해 퍼니스(6)의 내부 캐버티와 가스화 장치(4)의 내부 캐버티는 서로 수직으로 연결되어 있는 열분해 퍼니스(6)와 가스화 장치(4), 입자 히터(10), 플라즈마 토치 히터(11), 배기 블로워(12), 고체 입자와 포화 수증기를 연속적으로 가열하기 위해 순환 공기를 형성하기 위해 나란하게 연결된 제1 열 교환기(13), 물 저장 탱크(16), 워터 펌프(15), 기초 합성 가스를 냉각시키고 포화 수증기를 생성하기 위한 제2 열 교환기(14), 분진 수거기(17), 탈산 타워(18), 및 합성 가스의 이후 세정을 위한 건조기(19)를 구비한다.
벨트 컨베이어(1)의 출력단은 호퍼(2)의 입구 위에 배치되고, 호퍼(2)의 출구는 스크류 피더(5)의 공급 입구에 연결되고, 스크류 피더(5)의 공급 출구는 열분해 퍼니스(6)의 공급 입구에 연결된다.
가스화 장치(4)는 열분해 퍼니스(6) 위에 배치되고, 가스화 장치(4)의 내부 캐버티와 열분해 퍼니스(6)의 내부 캐버티는 상호 연결된다. 열분해 퍼니스(6)의 내부 캐버티와 가스화 장치(4)의 내부 캐버티의 교차 지점은 병목 형상이다. 교차 지점은 열분해 퍼니스(6)의 가스 출구일 뿐만 아니라 가스화 장치(4)의 가스 출구이다. 고체 입자의 하강 속도를 낮추고 제어하기 위해 적어도 하나의 메쉬 스크린 레이어가 교차 지점에 배치된다. 열분해 퍼니스(6)와 가스화 장치(4)는 수냉 재킷 또는 공랭 재킷을 구비하고, 효과적인 열 단열재를 구비한다.
열분해 퍼니스(6)의 공급 입구는 상부에 배치되고, 균등한 바이오매스의 추가와 열분해 퍼니스(6) 내부로 안정된 유동장을 보장하며, 공급 입구의 수는 2-4개이다. 열분해 퍼니스(6)는 바닥에 배치된 재 출구(ash outlet)을 구비하며, 재 출구의 수는 1-2개이다. 열분해 퍼니스(6)의 재 출구로부터 배출되는 재는 액체 상태이다. 재 출구는 재로부터 고체 입자를 분리하기 위해 입자 분리기(7)의 재 입구에 연결된다. 입자 분리기(7)의 재 출구는 코크를 포함하는 재를 냉각시키기 위해 애쉬 쿨러(8)의 재 입구에 연결된다. 애쉬 쿨러(8)의 재 출구는 재로부터 코크를 분리하기 위해 재-코크 분리기(9)의 공급 입구에 연결된다.
바람직하게, 재-코크 분리기(9)의 입자 출구는 입자 전송기(24)를 경유하여 입자 히터(10)의 공급 입구에 연결된다. 재-코크 분리기(9)의 코크 출구는 코크 전송기(22)를 경유하여 가스화 장치(4)의 코크 입구에 연결된다. 수동 전송과 비교하여 본 발명의 방법은 에너지를 절감하고 가스화 장치(4)의 안정되고 연속적인 동작을 보장한다.
가스화 장치(4)의 코크 입구는 상부 또는 상단에 배치된다. 균일한 코크 추가 및 가스화 장치(4) 내부의 안정된 유동장을 보장하기 위해, 코크 입구는 용량에 따라 1-2개이다. 가스화 장치(4)의 가스 출구는 상부에 배치되어 제2 열 교환기(11)의 가스 입구에 연결되고, 제2 열 교환기(11)의 가스 출구는 분진 수거기(17), 탈산 타워(18), 및 건조기(19)에 직렬로 연결되고, 건조기(19)의 출구는 가스 저장 탱크(20)에 연결된다.
개량된 예로서, 질소 보호 장치(3)는 열분해 퍼니스(6)의 공급 입구와 가스화 장치(4)의 입자 입구에 연결됨으로써, 질소 밀봉 레이어가 형성되어 공기로부터 합성 가스를 효과적으로 분리시킨다.
열분해 퍼니스(6)와 가스화 장치(4) 속으로 분사되는 포화 수증기는 제1 열 교환기(13)와 제2 열 교환기(14)에 각각 존재하는 순환 공기와 기초 합성 가스와 열교환된 후 물 저장 탱크(16)의 경수(soft water) 또는 탈염수(desalted water)로부터 변환된다. 물 저장 탱크(16)는 워터 펌프(15)를 경유하여 제1 열 교환기(13)의 물 입구와 제2 열 교환기(14)의 물 입구에 연결된다. 제1 열 교환기(13)의 증기 출구와 제2 열 교환기(14)의 증기 출구 모두는 열분해 퍼니스(6)의 증기 노즐과 가스화 장치(4)의 증기 노즐 모두에 연결된다. 개량된 구조로서, 열분해 퍼니스(6)와 가스화 장치(4)에 배치된 증기 노즐들은 각각 2-4개의 높이 레벨로 그룹핑되고, 각각의 레벨의 증기 노즐들은 원주 방향을 따라 균등하게 접선 방향으로 배치된다. 따라서, 균등하고 안정된 증기장이 유지되고, 포화 수증기와 반응물 사이에 완전한 접촉이 가능하다.
고체 입자는 순환 공기의 중간 가열 공정을 거쳐 플라즈마 토치 히터(11)에 의해 간접적으로 가열된다. 제1 열 교환기(13)의 공기 출구는 배기 블로워(12)에 의해 플라즈마 토치 히터(11)의 공기 입구에 연결되고, 플라즈마 토치 히터(11)의 공기 출구는 입자 히터(10)의 공기 입구에 연결되며, 입자 히터(11)의 공기 출구는 제1 열 교환기(13)의 공기 입구에 연결된다. 입자 히터(10)의 공급 출구는 바이오매스에 안정된 열 에너지를 공급하기 위해 가스화 장치(4)의 입자 입구에 연결된다.
또한, 시스템은 재 저장소(23)를 구비한다. 재-코크 분리기(9)로부터 출력되는 재는 수동 또는 기계적 방식에 의해 재 저장소(23)로 전송된다.
전술한 시스템을 사용한 바이오매스의 열분해와 가스화를 위한 방법은 다음과 같다.
A) 배기 블로워(12)와 플라즈마 토치 히터(11)를 시동하여, 1800-2000℃의 온도까지 순환 공기를 점차적으로 가열시킨다. 순환 공기는 입자 히터(10)에 있는 고체 입자와 열 교환한다. 열 교환을 한 후, 고체 입자는 1400-1800℃의 온도까지 가열되고, 순환 공기는 500-650℃의 온도까지 냉각되어 소모된 열을 사용하기 위해 제1 열 교환기(13)로 전송된다. 고온 고체 입자는 가스화 장치(4)의 입자 입구로 전송되어, 중력에 의해 가스화 장치(4)와 열분해 퍼니스(6) 하방으로 떨어진다. 가스화 장치(4)의 작동 온도가 1200-1400℃이고 열분해 퍼니스(6)의 작동 온도가 500-650℃될 때까지 고체 입자의 온도와 유동율(flow rate)은 조절된다.
B) 그라인딩된 바이오매스는 벨트 컨베이어(1), 호퍼(2), 및 스크류 피더(5)에 의해 열분해 퍼니스(5)로 연속적으로 전송되고, 동시에 질소는 질소 보호 장치(3)로부터 열분해 퍼니스(6)의 공급 입구와 가스화 장치(4)의 입자 입구로 각각 입력된다. 바이오매스가 예를 들어, 나무의 가지와 뿌리와 같은 회색 짚(gray straw)일 때, 바이오매스의 입자 크기는 50mm×50mm 이하로 제어되고, 바이오매스의 수분 함량은 40% 이하로 제어된다. 바이오매스가 예를 들어, 탈곡 곡물의 자루(stalk), 짚(thatch), 옥수수 자루(stalk)와 같은 황색 짚(yellow straw)일 때 바이오매스의 입자 크기는 상대적으로 클 수 있다.
C) 탈염수는 물 저장 탱크(17)로부터 나와서 워터 펌프(16)를 통해 제 열 교환기(13)의 물 입구와 제2 열 교환기(14)의 물 입구로 각각 공급된다. 제1 열 교환기(13)에서, 탈염수는 순환 공기의 폐열을 추출하고, 순환 공기는 500-650℃의 온도로부터 200℃ 이하로 냉각되고, 동시에 0.4-0.6 Mpa의 포화 수증기가 생성된다. 그러면, 냉각된 공기는 재가열을 위해 플라즈마 토치 히터(11)로 전송된다. 제2 열 교환기(14)에서, 탈염수는 260-320℃의 온도까지 냉각된 기초 합성 가스의 현열을 추출하고, 동시에 0.4-0.6Mpa의 포화 수증기가 생성된다. 제1 열 교환기(13)의 증기 출구와 제2 열 교환기(14)의 증기 출구로부터 나오는 포화 수증기는 열분해 퍼니스(6)의 증기 노즐들과 가스화 장치(4)의 증기 노즐들로 각각 도입된다.
D) 포화 수증기는 35-50m/s의 입력 속도, 500-650℃의 작동 온도, 및 105-109kPa의 작동 압력으로 열분해 퍼니스(6) 속으로 입력되므로, 바이오매스는 포화 수증기와 완전히 접촉되어 미정제 합성 가스와 코크를 포함하는 재로 열분해된다. 미정제 합성 가스는 15-20초 동안 열분해 퍼니스(6) 내부에 유지되고, 15-20m/s의 속도로 열분해 퍼니스(6)로부터 출력된다.
E) 코크를 포함하는 재는 열분해 퍼니스(6)의 재 출구로부터 입자 분리기(7)로 전송된 후 500-650℃의 온도에서 고체 입자와 혼합되고, 고체 입자들은 코크를 포함하는 재로부터 분리된다. 고체 입자는 다음 순환을 위해 입자 전송기(24)를 통해 입자 히터(10)로 복귀된다. 코크를 포함하는 재는 열 회복 후, 애쉬 쿨러(8)로 전송되고, 코크를 포함하는 재의 온도는 150℃ 이하로 냉각된다. 코크는 재-코크 분리기(9)에 의해 재로부터 분리된 후 코크 전송기(22)를 통해 가스화 장치(4)로 전송되는 반면, 재-코크 분리기(9)로부터 나온 재는 수동 또는 기계적 방식으로 재 저장소(23)로 전송된다.
F) 미정제 합성 가스는 500-650℃의 온도에서 병목 형상의 교차 지점에서 메쉬 스크린(21)을 교차하여 가스화 장치(4) 속으로 흘러들어 가며, 동시에 포화 수증기는 35-50m/s의 속도, 1200-1400℃의 작동 온도, 및 105-109kPa의 작동 압력으로 가스화 장치(4) 속으로 입력되므로, 미정제 합성 가스와 코크는 포화 수증기와 완전히 접촉하여 기초 합성 가스로 가스화된다. 기초 합성 가스는 가스화 장치(4)에서 15-20초 동안 유지되고 가스화 장치(4)로부터 15-20m/s 속도로 출력된다.
G) 기초 합성 가스는 1200-1400℃의 온도에서 가스화 장치(4)로부터 나와서 펌프를 통해 제2 열 교환기(14)의 가스 출구로 들어간다. 탈염수에 의해 260-320℃의 온도로 냉각된 후, 기초 합성 가스는 제2 열 교환기(14)의 가스 출구로부터 분진 수거기(17)로 출력된다. 기초 합성 가스에 있는 분진은 분진 수거기(17)에 의해 포집되고, 분진 수거기(17)의 출구에서 기초 합성 가스의 농도는 50 mg/Nm3 이하이다.
H) 분진이 제거된 후, 기초 합성 가스는 탈산 타워(18)로 전송되고, 여기서 H2S, COS, HCL, NH3, 및 HCN과 같은 유해 성분들이 제거된다.
I) 탈산 공정 후, 기초 합성 가스는 건조기(19)로 전송되고 여기서, 물이 제거되며, 청정 합성 가스가 얻어진다. 청정 합성 가스는 가스 저장 탱크(20)로 전송되어 이후의 산업적 적용을 위해 저장된다.
많은 회수의 시험들과 데이터를 검출한 후, 청정 합성 가스의 주요 성분들과 그 특징들이 표 1에 나타난다. 표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법에 의해 생성된 청정 합성 가스는 (CO+H2) 총 함량의 90%이고, H2/CO 비율이 1과 같거나 1보다 더 크고, 합성 가스의 발열량은 12.5-13.4 MJ/Nm3이고, 냉각 가스의 효율은 대략 88%이다. 따라서, 합성 가스는 엄청난 상업적 유용성을 낳고 특히, 집적 바이오매스 가스화 사이클 조합 및 바이오매스 액체 연료 산업에 적용할 수 있다.
수 성분 단위 값
1 CO % (vol) 30-40
2 H2 % (vol) 40-50
3 N2+Ar % (vol) <1.0
4 CO2 % (vol) 15-20
5 CH2 % (vol) 5-6
6 CnHm % (vol) < 2
7 합성 가스(LHV)의 발열량 MJ/Nm3 12.5-13.4
8 냉각 가스의 효율 % -87.0
1...벨트 컨베이어 2...호퍼
3...질소 보호 장치 4...가스화 장치
5...스크류 피더 6...열분해 퍼니스
7...입자 분리기 8...애쉬 쿨러
9...재-코크 분리기 10...입자 히터
11...플라즈마 토치 히터 12...배기 블로워
13...제1 열 교환기 14...제2 열 교환기
15...워터 펌프 16...물 저장 탱크
17...분진 수거기 18...탈산 타워
19...건조기 20...가스 저장 탱크
21...메쉬 스크린 22...코크 전송기
23...재 저장소 24...입자 전송기

Claims (12)

  1. 고열용량을 가진 고체 입자를 에너지 캐리어로서 채용하고 포화 수증기를 산화제로서 채용하고, 서로 연결된 내부 캐버티들을 가진 열분해 퍼니스(pyrolysis furnace)와 가스화 장치(gasifier) 내부에서 열분해와 가스화를 수행시켜, 청정 합성 가스를 최종적으로 생성하는, 바이오매스의 열분해 및 가스화 방법에 있어서,
    a) 상기 열분해 퍼니스 위에 상기 가스화 장치를 배치시켜 상기 가스화 장치의 내부 캐버티와 상기 열분해 퍼니스의 내부 캐버티를 서로 연결하고, 상기 고체 입자를 가열시켜 상기 가스화 장치의 상단으로부터 상기 가스화 장치와 상기 열분해 퍼니스 속으로 연속적으로 상기 고체 입자를 도입하고, 상기 가스화 장치의 내부 캐버티의 작동 온도를 500-800℃로 제어하고 상기 열분해 퍼니스의 작동 온도를 1200-1600℃로 제어하는 단계;
    b) 바이오매스를 그라인딩(grinding)하고, 포화 수증기를 상기 열분해 퍼니스 내부로 분사하는 동안 상기 바이오매스를 상기 열분해 퍼니스 속으로 공급하여, 바이오매스를 열분해시켜, 미정제(crude) 합성 가스 및 코크(coke)를 함유하는 재(ash)를 생성하기 위해 500-800℃에서 바이오매스를 포화 수증기화 접촉시키는 단계;
    c) 상기 고체 입자로부터 코크를 함유하는 상기 재를 분리시키고, 상기 고체 입자를 가열하고, 다음 순환을 위해 상기 고체 입자를 상기 가스화 장치로 전송시키는 단계;
    d) 상기 재를 냉각시켜 상기 코크를 분리하는 단계;
    e) 서로 연결된 내부 캐버티들을 경유하여 상기 가스화 장치 속으로 미정제 합성 가스를 도입하고, 포화 수증기를 상기 가스화 장치 속으로 분사하는 동안 상기 코크를 전송시키고, 상기 코크와 상기 미정제 합성 가스를 가스화시켜 기초(primary) 합성 가스를 생성하기 위해 00-1600℃에서 상기 코크와 상기 미정제 합성 가스를 상기 포화 수증기에 접촉시키는 단계; 및
    f) 상기 기초 합성 가스를 냉각, 분진 제거, 탈산, 및 건조시켜 청정 합성 가스를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    고열용량을 가진 상기 고체 입자는 희토류 입자, 세라믹 입자, 또는 규사이고, 상기 고체 입자의 직경은 5mm 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 단계 a)에서, 질소 분위기가 상기 열분해 퍼니스의 공급 입구에 마련되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열분해 퍼니스의 작동 온도는 500-650℃에서 제어되고, 상기 열분해 퍼니스의 작동 압력은 105-109 kPa에서 제어되며;
    상기 열분해 퍼니스 속으로 들어가는 상기 포화 수증기의 입력 속도는 35-50m/s이고;
    상기 열분해 퍼니스 내부의 상기 미정제 합성 가스의 보유 시간은 15-20초이고, 상기 열분해 퍼니스로부터 나오는 상기 미정제 가스의 출력 속도는 15-20m/s인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스화 장치의 작동 온도는 1200-1400℃에서 제어되고, 상기 가스화 장치의 작동 압력은 105-109 kPa로 제어되며;
    상기 가스화 장치로 들어가는 상기 포화 수증기의 입력 속도는 35-50m/s이고;
    상기 가스화 장치 내부의 상기 미정제 합성 가스의 보유 시간은 15-20초이고, 상기 가스화 장치로부터 나오는 상기 기초 합성 가스의 출력 속도는 15-20m/s인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기초 합성 가스는 260-320℃의 온도로 냉각된 후, 먼지로부터 분리되고, 탈산되어 건조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 열분해 퍼니스(6); 가스화 장치(4); 입자 히터(10); 플라즈마 토치 히터(11); 배기 블로워(exhaust blower)(12); 제1 열 교환기(13); 물 저장 탱크(16); 워터 펌프(15); 및 제2 열 교환기(14)를 구비하고, 바이오매스의 열분해와 가스화를 위한 시스템에 있어서,
    상기 가스화 장치(4)는 상기 열분해 퍼니스(6) 위에 배치되고, 상기 가스화 장치(4)의 내부 캐버티와 상기 열분해 퍼니스(6)의 내부 캐버티가 상호 연결되며;
    상기 물 저장 탱크(16)는 상기 워터 펌프(15)를 경유하여 상기 제1 열 교환기(13)의 물 입구와 상기 제2 열 교환기(14)의 물 입구에 연결되고, 상기 제1 열 교환기(13)의 증기 출구와 상기 제2 열 교환기(14)의 증기 입구 모두는 각각 상기열분해 퍼니스(6)의 증기 노즐과 상기 가스화 장치(4)의 증기 노즐에 연결되고;
    상기 제1 열 교환기(13)의 증기 출구는 상기 배기 블로워(12)를 경유하여 상기 플라즈마 토치 히터(11)의 공기 입구에 연결되고, 상기 플라즈마 토치 히터(11)의 공기 출구는 입자 히터(10)의 공기 입구에 연결되며, 상기 입자 히터(10)의 공기 출구는 상기 제1 열 교환기(13)의 공기 입구에 연결되며;
    상기 입자 히터(10)의 공급 출구는 상기 가스화 장치(4)의 입자 입구에 연결되고, 상기 가스화 장치(4)의 가스 출구는 상기 제2 열 교환기(14)의 가스 입구에 연결되고, 상기 제2 열 교환기(14)의 가스 출구는 분진 수거기(17), 탈산 타워(18), 및 건조기(19)에 직렬로 연결되며;
    상기 열분해 퍼니스(6)의 재 출구(ash outlet)는 입자 분리기(7)의 공급 입구에 연결되고, 상기 입자 분리기(7)의 재 출구는 애쉬 쿨러(ash cooler)(8)의 재 입구에 연결되고, 상기 애쉬 쿨러(8)의 재 출구는 재-코크 분리기(9)의 공급 입구에 연결된 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 열분해 퍼니스(6)의 공급 입구와 상기 가스화 장치(4)의 입자 입구에 연결된 질소 보호 장치(3)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 열분해 퍼니스(6)와 상기 가스화 장치(4)에 배치되고 2-4개의 높이 레벨들로 각각 그룹핑된 복수의 증기 노즐들을 더 구비하고,
    각각의 레벨의 증기 노즐들은 원주 방향을 따라 균등하게 접선 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 열분해 퍼니스(6)의 내부 캐버티와 상기 가스화 장치(4)의 내부 캐버티의 교차 지점은 병목 형상(bottle necked)이고,
    상기 교차 지점에 배치된 적어도 하나의 메쉬 스크린 레이어를 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 재-코크 분리기(9)의 코크 출구는 코크 전송기(22)에 의해 상기 가스화 장치(4)의 코크 입구에 연결된 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 입자 분리기(7)의 입자 출구는 입자 전송기(24)에 의해 상기 입자 히터(10)의 공급 입구에 연결된 것을 특징으로 하는 시스템.
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