KR20130069586A - 탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법 및 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 바이오매스 원료 물질을 위한 전처리부; 탄화로(4); 가스화로(20); 및 파이프라인 커넥션과 가스 운송 시스템을 포함한다. 상기 탄화로(4)의 정상은 사이클론 분리기(5)에 연결되고; 상기 사이클론 분리기(5)의 출력단은 연소 베드(7)와 숯 호퍼(hopper)(12)에 각각 연결된다. 상기 연소 베드(7)의 출력단은 재생 열분해 가스를 가열하기 위한 열교환기(9)에 연결된다. 가열된 열분해 가스의 배출구는 상기 탄화로(4)에 연결되며; 그리고, 열교환된 폐(廢) 고온 연도 가스의 배출구는 건조 시스템(2)에 연결된다. 상기 탄화로(4)의 숯 배출구로부터 상기 숯 호퍼(12)로 향하는 파이프라인에는 탄화로(4)의 배출구로부터의 숯을 60-280℃로 냉각시키는 수냉식 스크류 이송기(11)가 설치되어 탄화로(4)의 배출구로부터의 숯을 숯 호퍼(12)로 이송한다. 숯 호퍼(12)의 배출구로부터 가스화로(20)로 향하는 파이프라인에는 분쇄기(mill)(13), 숯 슬러리 탱크(16) 및 고압 숯 슬러리 펌프(17)가 차례대로 설치된다. 가열 베드(7)의 가스 공급 파이프는 공기 파이프라인(6)에 연결되어 연소를 뒷받침하는 가스로서 공기를 공급한다.

Description

탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 시스템 및 방법{PROCESS AND STSTEM FOR PRODUCING SYNTHESIS GAS FROM BIOMASS BY CARBONIZATION}
본 발명은 합성 가스의 제조에 관한 것으로서, 특히 탄화(carbonization)에 의해 바이오매스(biomass)로부터 합성 가스(synthetic gas)를 제조하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조 방법은 바이오매스를 사용하는 것에 의해 합성 가스나 가연 가스(combustible gas)를 제조하는 기술분야에 속한다. 합성 가스는 CO, H2 및 탄소, 수소 및 산소를 함유하는 다양한 탄수화물(carbonhydrate)을 함유하는 혼합 가스이다. 본 발명에 따른 방법으로 제조된 합성 가스는 터빈 전력 발전 시스템, 연료 전지, 합성유, 야금술 및 다른 시스템을 위해 사용될 수 있다.
전통적인 화석연료(석탄, 석유 및 천연가스) 보존량의 고갈과 화석 연료의 사용으로 인해 초래되는 환경 오염 문제가 인간의 생존과 발전을 직접적으로 위협함에 따라 환경친화적이고 재생가능한 에너지의 개발의 중요성에 대한 접근이 모든 국가 정부들의 컨센서스(consensus)가 되고 있다. 광합성을 통해 식물에 의해 생성되는 유기 물질인 바이오매스(biomass)는 폭넓은 공급원을 가지고 있을 뿐만 아니라 이용가능한 양이 매우 많다. 바이오매스는 공업원료와 화학제품을 제조하고, 전력을 생산하기 위해 청정 가스(clean gas)나 액체 연료(liquid fuel)로 변환될 수 있다. 에너지로서 바이오매스는 이산화탄소를 배출하지 않아서 청정할 뿐만 아니라 재생가능하기 때문에 화석연료를 완전히 대체할 수 있는 새로운 에너지원으로서 모든 국가들에서 우선적으로 검토되고 있다.
바이오매스를 청정 가스나 액체 연료로 변환하는 여러가지 방법이 있지만, 그중에서도 바이오매스 가스화 기술은 다양한 종류에 적용할 수 있고, 뛰어난 발전성을 가진다. 바이오매스의 가스화는 열화학 공정, 즉, 탄소, 수소 및 산소를 함유하는 탄수화물을 구성하는 혼합 가스를 생성하기 위해 고온에서 바이오매스를 가스화제(gasification agent)(공기, 산소, 증기, 이산화탄소 등과 같은)와 반응시키는 것이다. 이 혼합 가스는 합성 가스로 불리운다. 합성 가스의 구성성분은 사용된 바이오매스의 종류, 가스화제의 타입, 반응 조건 및 사용된 기화장치의 구조에 의해 결정된다. 가스화의 목표는 한편으로는 합성 가스내의 타르 함량 뿐만 아니라 가스화제와 원료의 소비를 최소화하고, 다른 한편으로는 합성 가스내의 유효 성분(CO와 H2) 뿐만 아니라 탄소 전환 효율과 가스화 효율을 최대화하는 것이다. 이러한 목표는 바이오매스의 수분(moisture)과 재(ash), 그리고, 바이오매스의 입자크기, 가스화 압력 및 온도, 가스화제의 타입 및 사용된 기화장치의 타입 등에 의해 결정된다.
가스화 공정에 사용되는 가스화로(gasification furnace)는 고정 베드(fixed bed), 유동베드(fluidized bed) 및 연행 흐름 베드(entrained flow bed)와 같이 3가지 종류로 나누어질 수 있다. 상기 고정 베드는 간단한 가스화 구조, 편리한 작동, 유연한 동작 모드, 더 높은 탄소 전환율, 20%와 110% 사이의 넓은 운전 부하를 가지고, 고체 연료가 오랜 시간 동안 베드(bed)내에 머물 수 있다. 그러나, 온도가 불균일하고, 열교환의 효율성이 없고, 배출구에서 합성 가스의 낮은 발열량을 가지며, 합성 가스내에 많은 양의 타르(tar)가 함유된다. 상기 유동 베드는 물질 첨가와 재(ash)의 발산이 편리하고, 온도가 균일하며, 온도의 조정이 쉽다. 그러나, 유동 베드는 원료 물질의 특성에 민감하다. 원료 물질의 접착력, 열안정성, 수분함량 또는 재의 용융점이 변하게 되면, 작동은 비정상적으로 될 것이다. 또한, 가스화로의 정상적인 유동화를 유지하기 위해서, 유동 베드는 더 낮은 온도로 유지될 필요가 있고, 합성 가스는 많은 양의 타르를 가지게 된다. 많은 양의 타르가 고정 베드와 유동 베드내에 생성됨에 따라 타르 분해 유닛(tar cracking unit)과 정제 설비가 설치되어야 하고, 그 결과 공정은 더 복잡해진다. 상기 연행 흐름 베드는 높고, 균일한 운전 온도, 우수한 증폭 특성을 가지며, 특히 대규모 산업화에 적합하다. 타르는 완전히 분해된다. 그러나, 연행 흐름 베드는 원료 물질의 입자 크기에 대해 엄격한 요구를 가진다. 현재의 분쇄 기술에 기초할 때, 많은 셀룰로오스를 가지는 바이오매스를 연행 흐름 베드에 적합한 정도의 크기로 분쇄할 방법이 없다. 그래서, 연행 흐름 베드는 바이오매스의 가스화를 위해 사용될 수 없다. 현재까지, 가스화 이전에 바이오매스에 대한 전처리와 타르 분해는 바이오매스 가스화의 발전을 위해 어려운 문제이다.
중국 특허 출원 제 200510043836.0 호는 저 타르 바이오매스를 가스화하는 장치 및 방법을 개시하고 있다. 그 방법은 열분해와, 가스화를 독립적으로 포함하고, 바이오매스는 저함량의 타르를 함유하는 합성 가스로 변환된다. 그 방법에 있어서, 가스화기내에서 열분해 가스와 숯(charcoal)은 불완전 연소를 경험하고, 타르는 높은 온도에서 분해된다. 비록 타르 함량이 크게 감소되었지만, 많은 양의 숯이 소비되었고, 이로 인해, 합성 가스내에 고함량의 CO2가 함유되고, 이어지는 환원 반응에서 저함량의 CO가 생성된다. 다음으로, 연소 반응에서의 낮은 온도로 인해 이어지는 환원에서의 온도는 더 낮아지고, 환원 영역에서의 평균온도는 700℃ 보다 낮아지고, 이로 인해, 유효 합성 가스(CO와 H2)의 생성 효율(대략 30%)은 크게 낮아진다. 그 다음으로, 재(ash)와 환원 반응으로부터의 미반응 탄소 잔류물이 직접 방출되고, 그 결과 낮은 탄소 전환율로 귀결된다. 마지막으로, 이 방법에 사용된 가스화기는 고정 베드의 형태이고, 환원 반응이 열을 흡수하기 때문에 베드의 정상과 바닥사이의 온도 차이(정상은 대략 1000℃이고, 바닥은 대략 500℃)가 크게 벌어지는데, 이것은 고정 베드의 고유한 단점이다.
미국 특허 제 6,863,878B2 호는 탄소 함유 물질을 가진 합성 가스를 제조하는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 이 방법은 탄화(또는 열분해)와 가스화를 독립적으로 포함한다. 이 방법에 있어서, 열분해로 인한 타르 함량을 줄이기 위해 탄화 온도는 450℉ 미만이 되도록 조절된다. 그러나, 탄화 과정중에 고체 생성물이 가스화기의 반응 코일로 옮겨지기전에 분쇄되지 않아서 가스화 반응의 정도와 속도에 영향을 미치게 될 것이다. 다음으로, 가스화 반응이 반응 코일내에서 일어나기 때문에 많은 양의 이송 가스가 필요하지만, 이송 가스는 운송중에 많은 열을 빼앗기기 때문에 가스화 효율이 낮고, 온도가 불균일하며, 뒤따르는 폐열 회수 시스템이 거대해진다. 그 다음으로, 새롭게 생성된 합성 가스를 가스화와 탄화를 위한 열을 공급하기 위해 사용하는 것은 비경제적이다. 다음으로, 연소 생성물(주로 CO2와 H2O)은 직접 방출되고, 완전히 활용되지 않기 때문에 가스화 효율이 낮다. 마지막으로, 합성 가스내에 있는 재(ash)와 미반응 탄소 잔류물 역시 직접 방출되기 때문에 탄소 전환율 역시 낮다.
중국 특허출원 제 200810236639.4 호는 고온 가스화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 또한 탄화와 고온 가스화을 결합하고 있다. 그러나, 이 방법은 다음과 같은 문제점을 안고 있다: 첫번째, 탄화로의 열이 외부 연소가스와 산소의 직접 연소에 의해 공급되고, 도입된 고품질의 외부 연료 가스는 시스템의 에너지 소비를 크게 증가시킨다; 두번째, 적용된 열분해 가스 분말 공급시스템이 복잡하다; 고온 열분해 가스가 저온 탄소 분말과 혼합되고, 가스화로내로 공급될 때, 혼합물은 타르를 형성하기 위해 쉽게 응결될 수 있고, 장애를 초래하며 정상적인 작동에 영향을 미친다. 마지막으로, 탄화로내에 생성된 고압 숯(charcoal)은 분말로 만들어지기 위해 눌려서 식혀진 후에 정상 압력 밀링 머신으로 공급되며, 그리고나서 탄소 분말은 압축되어 열분해 가스에 의해 가스화로내로 공급된다. 이러한 전체 공정은 복잡하고, 에너지 소비가 높기 때문에 프로젝트의 실행 가능성이 좋지 않다.
상술한 방법들로부터, 바이오매스 또는 고체 탄소 함유 물질로부터 이루어지는 종래의 가스화는 합성 가스를 고효율과 낮은 비용으로 제조할 수 없다. 비록 독립적인 열분해와 가스화의 기술이 다양한 바이오매스에 적용될 수 있고, 합성 가스내에 포함된 타르의 함량을 줄일 수 있다 할지라도 불균일한 온도, 폐열 회수를 위한 과도한 설비 투자, 원료의 과소비, 낮은 가스화 효율 및 낮은 탄소 전환율이 바이오매스 가스화의 산업적 적용을 제한한다. 특히, 연행 흐름 베드에 적용되는 바이오매스 가스화를 위한 효과적인 방법이 존재하지 않는다.
중국 특허 출원 No.200510043836.0 미국 특허 No.6,863,878B2 중국 특허 출원 No.200810236639.4
상술한 기술적 문제와 관련하여 본 발명은 저비용과 고효율을 갖는 탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 양태는 다음과 같다.
탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다.
1) 바이오매스 원료 물질을 전처리하는 단계;
2) 열분해 가스의 생성물과 숯을 얻기 위해 저온 탄화를 실행하고, 탄화로의 배출구에서 상기 숯을 60-280℃의 온도로 냉각하며, 이렇게 냉각된 숯을 숯 저장통으로 이송하는 단계;
3) 상기 탄화로의 상부(upper part)로부터의 출력 가스를 가스-고체 분리기를 거쳐서 통과시킨 후 숯 분말로부터 상기 합성 가스를 분리하는 단계;
4) 연소를 위해 분리된 합성 가스의 일 부분을 연소 베드로 전달하고, 연소 베드의 연소시에 생성된 고온 연도 가스(hot flue gas)와 더불어 상기 분리된 열분해 가스의 다른 부분을 가열하고나서 가열된 열분해 가스를 탄화로를 위한 열원으로서 탄화로에 전달하며; 열교환후의 폐(廢) 고온 연도 가스(waste hot flue gas)를 건조를 위해 바이오매스 원료 물질을 위한 전처리부로 전달하고, 분리된 숯 분말을 상기 숯 저장통으로 이송하는 단계;
5) 슬러리를 마련하기 위해 상기 숯 분말을 밀링(milling)하는 단계; 및
6) 상기 숯 슬러리를 고압 숯 슬러리 펌프를 거쳐서 가스화를 위한 가스화로에 도입하는 단계.
합성 가스를 제조하기 위한 방법에서, 상기 저온 탄화는 탄화로내에서 산소를 차단하고 대기압의 조건하에서 실행되는 느린 열분해이고, 열분해 가스와 공기의 비율을 조정하는 것을 통해서 상기 탄화로의 온도를 200-400℃로, 탄화로의 온도 상승율을 5-20℃/min으로, 그리고 상기 로내에서 바이오매스 원료 물질의 체류 시간을 20-90min으로 조절한다.
슬러리를 마련하기 위해 숯 분말을 밀링하는 공정에서, 대기 밀(atmosheric mill)이 적용되고, 물과 첨가제가 상기 숯 슬러리를 마련하기 위한 밀링을 위해 첨가된다.
합성 가스를 제조하기 위한 방법에서, 상기 숯 슬러리내에서 숯 분말의 함량은 50-70wt%이고, 바람직하게는 60-65wt%이다.
합성 가스를 제조하기 위한 방법에서, 상기 탄화로의 온도는 바람직하게는 250℃±10℃로 조절되고, 탄화로의 온도 상승율은 바람직하게는 15℃/min으로 조절되며, 상기 로내에서 바이오매스 원료 물질의 체류 시간(retention time)은 바람직하게는 15min으로 조절된다.
열분해에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하기 위한 가스화 시스템은: 바이오매스 원료 물질을 위한 전처리부; 탄화로; 상기 탄화로를 위한 파이프라인 커넥터(pipeline connector); 및 공압 이송 시스템을 포함한다. 상기 탄화로의 정상(top)은 사이클론 분리기에 연결되고; 상기 사이클론 분리기의 출력단은 연소 베드와 상기 숯 저장통에 연결되고; 상기 연소 베드의 출력단은 재생 열분해 가스를 가열하기 위한 열교환기에 연결되고; 가열된 열분해 가스의 배출구는 상기 탄화로에 연결되며; 그리고, 열교환된 폐(廢) 고온 연도 가스의 배출구는 건조 시스템에 연결된다.
상기 가스화 시스템에서, 수냉식 스크류 이송기는 상기 탄화로의 숯 배출구로부터 상기 숯 저장통으로 향하는 파이프라인 상에 배치되고, 상기 수냉식 스크류 이송기는 상기 탄화로의 숯 배출구에서 숯을 60-280℃로 냉각하기 위해 사용되며, 이렇게 냉각된 숯은 상기 숯 저장통으로 이송된다.
상기 가스화 시스템에서, 분쇄기(mill), 숯 슬러리 탱크 및 고압 숯 슬러리 펌프는 상기 숯 저장통의 배출구로부터 가스화로로 향하는 파이프라인 상에 차례대로 배치된다.
상기 가스화 시스템에서, 상기 연소 베드를 위한 입력 가스 공급 파이프는 공기 파이프와 연결되고, 공기는 연소를 뒷받침하는 가스로서 사용된다.
본 발명의 장점은 아래와 같이 요약된다.
첫번째, 저온 느린 열분해 기술을 채택하는 것에 의해, 한편으로는 바이오매스의 목재 섬유 구조가 잘 파괴될 수 있고, 바이오매스는 쉽게 분쇄되고, 에너지 소비는 절감되고, 바이오매스의 체적 에너지 밀도는 증가하며, 다른 한편으로는 중국 특허출원 제 200810236639.4 호에서의 가스화 방법과 비교하여 낮은 온도에서, 특히, 250℃±10℃의 온도에서 더 높은 고체 수득율과 더 높은 에너지 수득율이 얻어지고(숯의 질량 수득율은 60-80%이고, 숯의 에너지 수득율은 70-90%이다.), 에너지 소비는 절감되고, 전체 시스템의 탄소 전환율은 크게 향상된다.
두번째, 본 발명은 탄화로의 열원으로서 스스로 생성한 열분해 가스의 연소에 의해 생성된 열을 사용하여 재생 열분해 가스를 가열하는 기술을 채택하고 있다. 본 발명의 탄화로 가열 기술은 다음의 3가지 특징을 가진다: 1) 열분해 기법에 의해 필요로 하는 열은 기본적으로 외부 에너지를 도입하지 않고, 시스템의 열적 평형을 실현하기 위해서 시스템의 내부 부분들로부터 제공된다; 2) 재생 열분해 가스를 가열하는 열은 열분해 가스와 공기를 직접 연소시키는 것에 의해 제공받는다. 즉, 열분해 가스의 화학 에너지를 사용하고, 다른 한편으로, 순수한 산소 대신에 공기를 사용하기 때문에 전체 시스템의 비용을 크게 줄이고, 탄화로의 사용 유연성을 증가시킨다; 3) 가열된 재생 열분해 가스가 직접 원료 물질과 접촉하기 위해 탄화로로 이송되기 때문에 탄화로의 열효율을 증가시킬 뿐만 아니라 산소 차단, 대기압 및 느린 열분해의 조건하에서 가장 높은 숯 수득율을 위한 정상 동작을 유지한다.
세번째, 본 발명은 원료 물질을 건조시키기 위해 열분해 가스의 연소에 의해 생성된 폐열 연기를 사용하기 때문에 전체 시스템의 에너지 효율을 향상시킨다.
네번째, 대기 밀링(atmoshperic milling)에 의해 슬러리를 마련하는 기술을 채택하는 것에 의해, 탄화로의 배출구의 숯은 대기 밀(atmospheric mill)로 도입되고나서 숯 슬러리를 마련하기 위해 일정한 양의 물 및 첨가제와 혼합된다. 그 공정은 간단하고, 효율적이다. 유입구에 공급되는 중국 특허출원 제 200810236639.4 호의 가스화 방법과 비교하여 본 발명의 방법은 유입 원료 물질의 에너지 소비를 크게 줄이고, 시스템의 안정성, 신뢰성 및 실행 가능성을 증가시킨다.
다섯번째, 본 발명은 숯 슬러리 펌프로 압축, 운송하는 기술을 채택하고 있다. 특허 번호 제 200810236639.4 호의 가스화 방법과 비교하여, 본 방법은 건조 탄소 분말을 공급할 때 분말의 공압 이송에 대한 기술적 문제점과 타르 막힘을 피할 수 있고, 또한, 시스템의 안정성, 신뢰성 및 실행 가능성을 증가시킨다.
간단하게, 본 발명은 간단함, 효율성, 에너지 절약, 경제성 및 높은 프로젝트 실행 가능성을 실현하는 것을 목표로 한다. 한편, 본 발명은 가스화 효율성을 증대하고, 유효 합성 가스의 양을 줄이며, 시스템의 에너지 전환율을 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법 및 시스템에 대한 계통도이다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예, 방법 및 시스템 레이아웃 구조가 첨부도면과 함께 설명된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 가스화 시스템은: 바이오매스 원료 물질 전달 포트(1), 건조 시스템(2), 바이오매스 저장통(biomass stock bin)(3), 탄화로(carbonization furnace)(4), 사이클론 분리기(cyclone separator)(5), 연소 베드를 위한 공기 파이프라인(6), 연소 베드(7), 압축기(8), 재생 열분해 가스를 가열하기 위한 열교환기(9), 건조 시스템을 위한 폐(廢熱) 고온 연도 가스 파이프라인(waste heat flue gas pipeline)(10), 수냉식 스크류 이송자(water-cooled screw conveyor)(11), 숯 저장통(12), 분쇄기(mill)(13), 분쇄기용 슬러리 제조를 위한 물 파이프라인(14), 분쇄기를 위한 부가 파이프라인(15), 숯 슬러리 탱크(16), 고압 숯 슬러리 펌프(17), 가스화로의 버너 노즐을 위한 산소 파이프라인(18), 가스화로의 버너 노즐(19), 가스화로(20), 가스화로를 위한 수냉식 벽(21), 합성 가스 파이프라인(22), 재(ash) 잔류물 파이프라인(23), 탐염수 및 탈산수 파이프라인(24), 포화 스팀 파이프라인(25), 외부 연료 파이프라인(N1) 및 빈 파이프라인(N2)를 포함한다.
가스화 시스템에서, 탄화로(4)의 정상(top)은 상기 사이클론 분리기(5)에 연결되고, 사이클론 분리기(5)의 출력단은 연소 베드(7)와 숯 저장통(12)에 각각 연결된다. 상기 연소 베드(7)의 출력단은 재생 열분해 가스를 가열하기 위해 열교환기(9)에 연결된다. 가열된 열분해 가스의 배출구(heated pyrolysis gas outlet)는 탄화로(4)에 연결되고, 열교환된 폐(廢) 고온 연도 가스의 배출구(heat-exchanged waste heat flue gas outlet)는 건조 시스템(2)에 연결된다.
상기 수냉식 스크류 이송자(11)는 상기 숯 저장통(12)으로 향하는 탄화로(4)의 숯 배출구로부터의 파이프라인상에 배치되어, 탄화로의 숯 배출구에 있는 숯을 60-280℃로 냉각시키기 위해 사용되고, 이렇게 냉각된 숯을 상기 숯 저장통(12)으로 이송한다.
상기 분쇄기(mill)(13), 숯 슬러리 탱크(16) 및 고압 숯 슬러리 펌프(17)는 가스화로(20)를 향하는 숯 저장통(12)의 배출구로부터의 파이프라인상에 차례대로 배치된다.
상기 연소 베드(7)를 위한 입력 가스 공급 파이프는 공기 파이프라인(6)에 연결되고, 공기는 연소를 뒷받침하는 가스로서 사용된다.
탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다.
1) 바이오매스 원료 물질을 전처리 하는 단계;
2) 열분해 가스와 숯의 생성물을 얻기 위해서 저온 탄화를 실행하고, 탄화로의 배출구에 있는 숯을 60-280℃로 냉각하고나서 이렇게 냉각된 숯을 숯 저장통으로 이송하는 단계;
3) 탄화로의 상부로부터 제거된 가스를 가스-고체 분리기를 거쳐서 통과시킨 후 숯 분말로부터 열분해 가스를 분리하는 단계;
4) 상기 분리된 열분해 가스의 일 부분을 연소를 위해 연소 베드로 전달하고, 연소 베드의 연소시에 생성되는 고온 연도 가스(hot flue gas)와 함께 상기 열분해 가스의 다른 부분을 열교환기를 거쳐서 가열하고나서 이렇게 가열된 열분해 가스를 탄화로를 위한 열원으로서 상기 탄화로에 전달하는 단계; 열교환후의 폐(廢) 고온 연도 가스를 건조를 위해 바이오매스 원료 물질을 위한 전처리부로 전달하는 단계; 상기 분리된 숯 분말을 숯 저장통으로 이송하는 단계;
5) 슬러리를 마련하기 위해 상기 숯 분말을 밀링(milling)하는 단계; 및
6) 가스화를 위해 숯 슬러리를 고압 숯 슬러리 펌프를 통해서 가스화로로 도입하는 단계.
저온 탄화는 탄화로에서 산소를 차단한 상태에서 1기압의 조건하에서 이루어지는 느린 열분해이고, 열분해 가스와 공기의 비율을 조정하는 것을 통해 탄화로의 온도는 200-400℃로 조절되고, 탄화로의 온도 상승율은 5-20℃/min으로 조절되며, 상기 탄화로내에서 바이오매스 원료 물질의 체류 시간(retention time)은 20-90min으로 조절된다. 바람직하게, 탄화로의 온도는 250℃±10℃로 조절되고, 탄화로의 온도 상승율은 15℃/min으로 조절되며, 상기 탄화로내에서 바이오매스 원료 물질의 체류 시간(retention time)은 15min내로 조절되는 것이 바람직하다.
슬러리를 마련하기 위해 숯 분말을 밀링하는 공정에서, 대기 밀(atmospheric mill)이 채택되고, 물과 첨가제는 숯 분말을 마련하기 위한 밀링(milling)을 위해 첨가된다. 숯 슬러리내의 숯 분말의 함량은 50-70wt%이고, 바람직하게는 60-65wt%이다.
작업 공정:
1. 시스템 시동 프로세스:
1) 바이오매스 저장통(3)으로부터 탄화로(4)로 향하는 파이프라인상에 설치된 제어 밸브 V1과 빈 파이프라인 N2상에 설치된 제어 밸브 V4를 개방하고, 연소 베드(7)상에 설치된 제어 밸브 V2와 사이클론 분리기(5)로부터 압축기(8)로 향하는 파이프라인상에 설치된 제어 밸브 V3를 닫힌 상태로 유지하는 단계;
2) 연소 베드(7)로부터 건조 시스템(2)로 향하는 파이프라인상에 설치된 제어 밸브 V9과 연소 베드(7)로부터 탄화로(4)를 향하는 파이프라인상에 설치된 제어 밸브 V8 뿐만 아니라 연소 베드를 위한 공기 파이프라인(6)상에 설치된 제어 밸브 V5, 외부 연료 파이프라인 N1상에 설치된 제어 밸브 V6를 개방하고, 에너지 공급을 위해 연소 베드(7)내의 연료와 공기의 연소시에 생성된 고온 연도 가스(hot flue gas)가 건조 시스템(2)과 탄화로(4)내에 도입될 수 있도록 연소 베드(7)로부터 재생 열분해 가스를 가열하기 위한 열교환기(9)로 향하는 파이프라인상에 설치된 제어 밸브 V7을 닫힌 상태로 유지하는 단계;
3) 상기 단계 1)로부터 상기 단계 2)에 이르는 프로세스를 30-40분 동안 운전한 후에, 제어 밸브 V2, V3 및 V7을 개방함과 동시에 제어 밸브 V4, V6, V8 및 V9을 닫음으로써 시스템은 정상적으로 작동하기 시작한다.
2. 시스템의 정상 운전 프로세스
바이오매스 원료 물질이 상기 바이오매스 원료 물질 전달 포트(1)를 통해 건조 시스템(2)으로 공급된다. 상기 바이오매스 원료 물질은 시스템내의 고온 연기(heat smoke)에 의해 탈수되어 건조되고나서 저장을 위해 바이오매스 저장통(3)으로 이송된 후 탄화로(4)로 이송된다.
상기 탄화로(4)의 생성물은 열분해 가스와 CO, H2, CO2, H2O, CH4 및 타르를 함유하는 숯을 포함한다. 거친(coarse) 열분해 가스는 사이클론 분리기(5)에 의해 분리된 후 거친 열분해 가스내에 포함된 숯 입자들은 숯 저장통(12)으로 이송되고, 이러한 거친 분리 후의 열분해 가스는 연소 베드(7)와 압축기(8)로 공급된다.
연소 베드(7)에서, 연소를 위한 열분해 가스는 파이프라인(6)으로부터의 공기와 함께 연소 반응을 겪는다. 연소에 의해 생성된 고온 연기는 재생 열분해 가스를 가열하고; 공기에 대한 연소에 의해 생성되는 열분해 가스의 비율을 조정하는 것에 의해 탄화로(4)의 온도는 400-600℃로 조절되고, 탄화로(4)의 온도 상승율은 5-20℃/min으로 조절된다.
압력 증가를 위해 압축기(8)로 도입된 후, 상기 재생 열분해 가스는 재생 열분해 가스를 가열하는 열교환기(9)를 거친 후에 소정의 온도로 가열되고, 이렇게 가열된 재생 열분해 가스는 탄화로를 위해 필요한 에너지를 공급하기 위해 탄화로에 제공된다. 열교환 후의 고온 연도 가스(hot flue gas)는 바이오매스 원료 물질을 건조하기 위해 건조 시스템(2)에 제공된다.
탄화로(4)를 거쳐서 생성되는 숯은 상기 수냉식 스크류 이송기(11)를 거쳐서 냉각된 후에 저장을 위해 숯 저장통(12)으로 이송된다. 숯 슬러리를 얻기 위해서 분쇄기(mill)를 위한 첨가제 파이프라인(15)으로부터의 첨가제와 분쇄기를 위한 슬러리 마련을 위한 물 파이프라인(14)으로부터의 물을 함께 분쇄하기(milled) 위해 상기 숯을 분쇄기(mill)(13)에 제공한다. 이렇게 마련된 숯 슬러리는 숯 슬러리 탱크(16)로 도입되고나서 고압 숯 슬러리 펌프(17)를 거쳐서 숯 슬러리의 압력을 가스화로(20)의 운전 압력까지 증가시킨 후에 가스화로의 버너 노즐(19)로 도입된다. 또한, 산소 파이프라인(18)으로부터의 산소 역시 가스화로(20)내에서 고온 가스화 반응을 실행하기 위해 가스화로의 버너 노즐(19)로 전달되고, 가스화로의 배출구에서 합성 가스의 온도는 탈염수 및 탈산수가 도입된 가스화로의 수냉식 벽(21)의 열교환량과 산소의 양을 조정하는 것에 의해 1200-1600℃로 조절된다. 가스화 생성물은 주로 CO와 H2이고, 적은 양의 CO2와 H2O와, CH4의 양이 검출되고, 탈염수 및 탈산수는 가스화로의 수냉식 벽(21)을 거치는 것에 의해 열을 빼앗겨 차고압 포화 스팀(sub-high pressure saturated steam)으로 생성되고, 이 차고압 포화 스팀은 포화 스팀 파이프라인(25)을 경유하여 다음 시스템으로 제공되며, 가스화시에 생성된 재 잔류물(ash residues)은 재(ash) 잔류물 파이프라인(23)을 통해서 배출된다.
실시예 1
바이오매스의 원료 물질로서 목재(wood)를 취한다. 건조된 목재의 기본적인 구성성분과 특성 데이터는 표 1에 열거된다.
: 건조된 목재의 기본적인 구성성분과 특성 데이터
항목 기호 단위 값
탄소 Car %(Kg/Kg) 39.43
수소 Har %(Kg/Kg) 5.21
산소 Oar %(Kg/Kg) 38.36
질소 Nar %(Kg/Kg) 0.15
황 Sar %(Kg/Kg) 0.21
염소 Clar %(Kg/Kg) 0.00
재 Aar %(Kg/Kg) 5.00
수분 Mar %(Kg/Kg) 11.64
재 용융점(Ash fusion point) FT ℃ 1436
낮은 열량(Low heat value) LHV MJ/Kg 14.75
주요한 운전조건은 다음과 같이 설정된다.
1) 건조 시스템(2)의 배출구에서 물질의 수분 함량은 15wt%이다;
2) 탄화로(4)의 압력은 대기압이고, 탄화로(4)의 온도는 200℃로 조절된다;
3) 탄화로(4)의 온도 상승율은 20℃/min으로 조절된다;
4) 상기 로내에서 바이오매스 원료 물질의 체류 시간은 90min이내로 조절된다;
5) 고온 숯은 수냉식 스크류 전달기(11)를 거치면서 60℃로 냉각된다;
그리고
6) 가스화로(20)의 압력은 4.0MPa(A)이 되도록 조절되고, 가스화로(20)의 온도는 1400℃로 조절된다.
상기 설정 조건에 따라, 첨부 도면과 더불어 본 시스템을 설명하기 위한 시행 공정에서 시스템의 실행 파라미터와 주요 데이터는 다음과 같다.
1) 탄화로(4)내로 도입된 바이오매스 원료 물질내의 숯의 질량 수득율(mass yield)은 75%이다;
2) 합성 가스 파이프라인 22을 거쳐서 출력되는 합성 가스내에서 CO와 H2의 함량은 78%이다;
3) 가스화 시스템의 탄소 전환율은 99.9%이고, 이용 가능한 합성 가스의 산호 소비량(oxygen consumptin)은 0.33mol/mol이다.
실시예 2
바이오매스의 원료 물질로서 실시예 1에서의 목재(wood)를 취한다.(표 1)
주요한 운전조건은 다음과 같이 설정된다.
1) 건조 시스템(2)의 배출구에서 물질의 수분 함량은 10wt%이다;
2) 탄화로(4)의 압력은 대기압이고, 탄화로(4)의 온도는 300℃로 조절된다;
3) 탄화로(4)의 온도 상승율은 10℃/min으로 조절된다;
4) 상기 로내에서 바이오매스 원료 물질의 체류 시간은 80min이내로 조절된다;
5) 고온 숯은 수냉식 스크류 전달기(11)를 거치면서 60℃로 냉각된다;
그리고
6) 가스화로(20)의 압력은 4.0MPa(A)이 되도록 조절되고, 가스화로(20)의 온도는 1400℃로 조절된다.
상기 설정 조건에 따라, 첨부 도면과 더불어 본 시스템을 설명하기 위한 시행 공정에서 시스템의 실행 파라미터와 주요 데이터는 다음과 같다.
1) 탄화로(4)내로 도입된 바이오매스 원료 물질내의 숯의 질량 수득율(mass yield)은 80%이다;
2) 합성 가스 파이프라인 22을 거쳐서 출력되는 합성 가스내에서 CO와 H2의 함량은 82%이다;
3) 가스화 시스템의 탄소 전환율은 99.9%이고, 이용 가능한 합성 가스의 산호 소비량(oxygen consumptin)은 0.32mol/mol이다.
실시예 3
바이오매스의 원료 물질로서 실시예 1에서의 목재(wood)를 취한다.(표 1)
주요한 운전조건은 다음과 같이 설정된다.
1) 건조 시스템(2)의 배출구에서 물질의 수분 함량은 20wt%이다;
2) 탄화로(4)의 압력은 대기압이고, 탄화로(4)의 온도는 400℃로 조절된다;
3) 탄화로(4)의 온도 상승율은 5℃/min으로 조절된다;
4) 상기 로내에서 바이오매스 원료 물질의 체류 시간은 30min이내로 조절된다;
5) 고온 숯은 수냉식 스크류 전달기(11)를 거치면서 60℃로 냉각된다;
그리고
6) 가스화로(20)의 압력은 4.0MPa(A)이 되도록 조절되고, 가스화로(20)의 온도는 1400℃로 조절된다.
상기 설정 조건에 따라, 첨부 도면과 더불어 본 시스템을 설명하기 위한 시행 공정에서 시스템의 실행 파라미터와 주요 데이터는 다음과 같다.
1) 탄화로(4)내로 도입된 바이오매스 원료 물질내의 숯의 질량 수득율(mass yield)은 70%이다;
2) 합성 가스 파이프라인 22을 거쳐서 출력되는 합성 가스내에서 CO와 H2의 함량은 75%이다;
3) 가스화 시스템의 탄소 전환율은 99.9%이고, 이용 가능한 합성 가스의 산호 소비량(oxygen consumptin)은 0.34mol/mol이다.
실시예 4
바이오매스의 원료 물질로서 실시예 1에서의 목재(wood)를 취한다.(표 1)
주요한 운전조건은 다음과 같이 설정된다.
1) 건조 시스템(2)의 배출구에서 물질의 수분 함량은 12wt%이다;
2) 탄화로(4)의 압력은 대기압이고, 탄화로(4)의 온도는 250℃로 조절된다;
3) 탄화로(4)의 온도 상승율은 15℃/min으로 조절된다;
4) 상기 로내에서 바이오매스 원료 물질의 체류 시간은 40min이내로 조절된다;
5) 고온 숯은 수냉식 스크류 전달기(11)를 거치면서 60℃로 냉각된다;
그리고
6) 가스화로(20)의 압력은 4.0MPa(A)이 되도록 조절되고, 가스화로(20)의 온도는 1400℃로 조절된다.
상기 설정 조건에 따라, 첨부 도면과 더불어 본 시스템을 설명하기 위한 시행 공정에서 시스템의 실행 파라미터와 주요 데이터는 다음과 같다.
1) 탄화로(4)내로 도입된 바이오매스 원료 물질내의 숯의 질량 수득율(mass yield)은 82%이다;
2) 합성 가스 파이프라인 22을 거쳐서 출력되는 합성 가스내에서 CO와 H2의 함량은 84%이다;
3) 가스화 시스템의 탄소 전환율은 99.9%이고, 이용 가능한 합성 가스의 산호 소비량(oxygen consumptin)은 0.31mol/mol이다.
실시예 5
바이오매스의 원료 물질로서 실시예 1에서의 목재(wood)를 취한다.(표 1)
주요한 운전조건은 다음과 같이 설정된다.
1) 건조 시스템(2)의 배출구에서 물질의 수분 함량은 16wt%이다;
2) 탄화로(4)의 압력은 대기압이고, 탄화로(4)의 온도는 220℃로 조절된다;
3) 탄화로(4)의 온도 상승율은 12℃/min으로 조절된다;
4) 상기 로내에서 바이오매스 원료 물질의 체류 시간은 50min이내로 조절된다;
5) 고온 숯은 수냉식 스크류 전달기(11)를 거치면서 60℃로 냉각된다;
그리고
6) 가스화로(20)의 압력은 4.0MPa(A)이 되도록 조절되고, 가스화로(20)의 온도는 1400℃로 조절된다.
상기 설정 조건에 따라, 첨부 도면과 더불어 본 시스템을 설명하기 위한 시행 공정에서 시스템의 실행 파라미터와 주요 데이터는 다음과 같다.
1) 탄화로(4)내로 도입된 바이오매스 원료 물질내의 숯의 질량 수득율(mass yield)은 85%이다;
2) 합성 가스 파이프라인 22을 거쳐서 출력되는 합성 가스내에서 CO와 H2의 함량은 86%이다;
3) 가스화 시스템의 탄소 전환율은 99.9%이고, 이용 가능한 합성 가스의 산호 소비량(oxygen consumptin)은 0.3mol/mol이다.
실시예 6
바이오매스의 원료 물질로서 실시예 1에서의 목재(wood)를 취한다.(표 1)
주요한 운전조건은 다음과 같이 설정된다.
1) 건조 시스템(2)의 배출구에서 물질의 수분 함량은 18wt%이다;
2) 탄화로(4)의 압력은 대기압이고, 탄화로(4)의 온도는 320℃로 조절된다;
3) 탄화로(4)의 온도 상승율은 18℃/min으로 조절된다;
4) 상기 로내에서 바이오매스 원료 물질의 체류 시간은 70min이내로 조절된다;
5) 고온 숯은 수냉식 스크류 전달기(11)를 거치면서 60℃로 냉각된다;
그리고
6) 가스화로(20)의 압력은 4.0MPa(A)이 되도록 조절되고, 가스화로(20)의 온도는 1400℃로 조절된다.
상기 설정 조건에 따라, 첨부 도면과 더불어 본 시스템을 설명하기 위한 시행 공정에서 시스템의 실행 파라미터와 주요 데이터는 다음과 같다.
1) 탄화로(4)내로 도입된 바이오매스 원료 물질내의 숯의 질량 수득율(mass yield)은 78%이다;
2) 합성 가스 파이프라인 22을 거쳐서 출력되는 합성 가스내에서 CO와 H2의 함량은 81%이다;
3) 가스화 시스템의 탄소 전환율은 99.9%이고, 이용 가능한 합성 가스의 산호 소비량(oxygen consumptin)은 0.32mol/mol이다.
1: 바이오매스 원료 물질 전달 포트, 2: 건조 시스템, 3: 바이오매스 저장통(biomass stock bin), 4: 탄화로(carbonization furnace), 5: 사이클론 분리기(cyclone separator), 6: 공기 파이프라인, 7: 연소 베드, 8: 압축기, 9: 열교환기, 10: 폐열 연도 가스 파이프라인(waste heat flue gas pipeline), 11: 수냉식 스크류 이송자(water-cooled screw conveyor), 12: 숯 저장통, 13: 분쇄기(mill), 14: 물 파이프라인, 15: 부가 파이프라인, 16: 숯 슬러리 탱크, 17: 고압 숯 슬러리 펌프, 18: 산소 파이프라인, 19: 버너 노즐, 20: 가스화로, 21: 수냉식 벽, 22: 합성 가스 파이프라인, 23: 재(ash) 잔류물 파이프라인, 24: 탐염수 및 탈산수 파이프라인, 25: 포화 스팀 파이프라인

Claims (10)

  1. 탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법으로서,
    1) 바이오매스 원료 물질을 전처리하는 단계;
    2) 열분해 가스와 숯의 생성물을 얻기 위해 저온 탄화를 실행하고, 탄화로의 배출구에서 숯을 60-280℃의 온도로 냉각하며, 이렇게 냉각된 숯을 숯 저장통으로 이송하는 단계;
    3) 상기 탄화로의 상부(upper part)로부터의 출력 가스를 가스-고체 분리기를 거쳐서 통과시킨 후 숯 분말로부터 합성 가스를 분리하는 단계;
    4) 연소를 위해 분리된 합성 가스의 일 부분을 연소 베드로 전달하고, 연소 베드의 연소시에 생성된 고온 연도 가스(hot flue gas)와 더불어 상기 분리된 열분해 가스의 다른 부분을 가열하고나서 가열된 열분해 가스를 탄화로를 위한 열원으로서 탄화로에 전달하며; 열교환 후의 폐(廢) 고온 연도 가스(waste hot flue gas)를 건조를 위해 바이오매스 원료 물질을 위한 전처리부로 전달하고, 상기 분리된 숯 분말을 숯 저장통으로 이송하는 단계;
    5) 슬러리를 마련하기 위해 상기 숯 분말을 밀링(milling)하는 단계; 및
    6) 상기 숯 슬러리를 고압 숯 슬러리 펌프를 거쳐서 가스화를 위한 가스화로에 도입하는 단계를 포함하는 탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온 탄화는 탄화로내에서 산소를 차단하고 대기압의 조건하에서 실행되는 느린 열분해이고, 열분해 가스와 공기의 비율을 조정하는 것을 통해서 상기 탄화로의 온도를 200-400℃로, 탄화로의 온도 상승율을 5-20℃/min으로, 그리고 탄화로내에서 바이오매스 원료 물질의 체류 시간을 20-90min으로 조절하는 것을 특징으로 하는 탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    슬러리를 마련하기 위해 숯 분말을 밀링하는 공정에서, 대기 밀(atmosheric mill)이 적용되고, 물과 첨가제가 밀링을 위해 첨가되는 것을 특징으로 하는 탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 숯 슬러리내에서 숯 분말의 함량은 50-70wt%인 것을 특징으로 하는 탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 탄화로의 온도는 250℃±10℃로 조절되고, 탄화로의 온도 상승율은 15℃/min으로 조절되며, 상기 로내에서 바이오매스 원료 물질의 체류 시간(retention time)은 15min으로 조절되는 것을 특징으로 하는 탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 숯 슬러내에서 상기 숯 분말의 함량은 60-65wt%인 것을 특징으로 하는 탄화에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하는 방법.
  7. 청구항 1 내지 6중 어느 방법을 사용하여 열분해에 의해 바이오매스로부터 합성 가스를 제조하기 위한 가스화 시스템으로서,
    a) 바이오매스 원료 물질을 위한 전처리부;
    b) 탄화로;
    c) 가스화로;
    d) 상기 탄화로와 상기 가스화로를 위한 파이프라인 커넥터(pipeline connector); 및
    d) 공압 이송 시스템을 포함하고;
    상기 탄화로(4)의 정상(top)은 사이클론 분리기(5)에 연결되고;
    상기 사이클론 분리기(5)의 출력단은 연소 베드(7)와 숯 저장통(12)에 연결되고;
    상기 연소 베드(7)의 출력단은 재생 열분해 가스를 가열하기 위한 열교환기(9)에 연결되고;
    가열된 열분해 가스의 배출구(heated pyrolysis gas outlet)는 상기 탄화로(4)에 연결되며; 그리고,
    열교환된 폐(廢) 고온 연도 가스의 배출구(heat-exchanged waste heat flue gas outlet)는 건조 시스템(2)에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스화 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    수냉식 스크류 이송기(11)는 상기 탄화로(4)의 숯 배출구로부터 상기 숯 저장통(12)으로 향하는 파이프라인 상에 설치되고, 상기 수냉식 스크류 이송기(11)는 상기 탄화로의 숯 배출구에서 숯을 60-280℃로 냉각하기 위해 사용되며, 이렇게 냉각된 숯은 상기 숯 저장통(12)으로 이송되는 것을 특징으로 하는 가스화 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    분쇄기(mill)(13), 숯 슬러리 탱크(16) 및 고압 숯 슬러리 펌프(17)는 상기 숯 저장통(12)의 배출구로부터 가스화로(20)로 향하는 파이프라인 상에 차례대로 배치되는 것을 특징으로 하는 가스화 시스템.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 연소 베드(7)를 위한 입력 가스 공급 파이프는 공기 파이프(6)와 연결되고, 공기는 연소를 뒷받침하는 가스로서 사용되는 것을 특징으로 하는 가스화 시스템.
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