KR20140120311A - 극초단파 플라즈마 바이오매스 가스화 고정층 가스화기 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 극초단파 플라즈마 바이오매스 가스화 고정층 가스화기는 수직으로 배치된 가스화기 본체(2)를 구비한다. 가스화기 본체(2)의 상부는 가스화기 간극 구역(8)이다. 가스화기 본체(2)의 하부는 고정층 영역이다. 가스화기 본체에는 재료 물질 및 연료 입구, 생성물 가스 출구, 산소/증기 입구(4)(5)가 마련된다. 가스화기 본체의 바닥부에는 슬래그 배출 출구(7)가 마련된다. 생성물 가스 출구에는 합성 가스 모니터링 유니트(6)가 배치된다. 가스화기 본체에는 wrjdj도 하나의 극초단파 플라즈말 발생기(3)가 배치된다. 또한, 가스화기를 사용하는 바이오매스 가스화 공정이 제공된다. 이러한 공정은 1) 바이오매스 연료와 폐기물을 피더를 통해 퍼니스 본체로 공급하고, 바이오매스 연료와 폐기물을 고정층 구역에서 연소 및 가스화시켜서 고온 연도 가스를 생성하고, 연도 가스를 상방으로 유동시켜서 가스화기의 공급 구역에서 새롭게 공급되는 바이오매스 연료와 폐기물과 열교환시키는 한편, 연도 가스를 하부 산소/증기 노즐로부터 분사되는 증기와 제1 극초단파 플라즈마 발생 장치에 의해 생성되는 플라즈마 산화제에 반응시켜서, 그 화학 방정식이 2C + O2 = 2CO, C + H2O = CO + H2이고, 온도가 700 내지 1600℃ 사이인 합성가스를 생성하는 단계; 2) 합성가스를 간극 구역의 상방으로 유동시켜서, 합성가스에 있는 타르를 크랙킹시키고, 제2 극초단파 플라즈마 발생 장치에 의해 생성된 플라즈마의 존재하에서 합성가스에 있는 탄화수소를 변환시키는 단계; 3) 잔류 코크를 고정층 구역으로 하방으로 낙하시키켜 열에너지를 방출하여 고정층 구역의 온도를 유지하고, 슬래그 출구로부터 슬래그를 배출시키는 단계; 및 4) 공정 파리미터들을 미리 설정된 범위로 유지하기 위해 모니터링 유니트에 의해 합성가스의 온도와 성분을 실시간으로 모니터링하는 단계를 포함한다.

Description

극초단파 플라즈마 바이오매스 가스화 고정층 가스화기 및 방법{MICROWAVE PLASMA BIOMASS GASIFYING FIXED BED GASIFIER AND PROCESS}
본 발명은 바이오매스와 고형 폐기물의 가스화에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 극초단파 플라즈마의 존재하에서 바이오매스와 고형 폐기물을 가스화시키기 위한 가스화기 및 방법에 관한 것이다.
중국은 목화 줄기, 짚, 잔가지, 및 왕겨를 포함하는 바이오매스 자원이 풍부하다. 화석 연료와 같은 종래의 기본적인 에너지원들이 매일 감소됨에 따라, 인류는 저 칼로리 연료에 대해 점점 더 많은 관심을 보이고 있다.
한편, 환경 의식이 증가함에 따라, 효율이 높고 오염이 적은 첨단 기술이 산업적 생산에 점점 더 많이 채택되고 있다.
현재, 고정층 가스화는 낮은 가스화 온도, 높은 타르 함량, 저품질 합성가스와 같은 단점을 가지고 있다. 낮은 가스화 온도는 합성가스의 타르 함량을 높이는 결과를 초래한다. 타르는 제거가 어렵고 밸브, 파이프, 및 보조 장비를 쉽게 막히게 하고 부식시킨다. 타르의 제거는 비용이 많이 든다. 극초단파 기술이 개발됨에 따라, 그 자체만의 뛰어난 특성을 가진 극초단파 플라즈마는 저온 화학 증착(CVD), 광섬유의 신속한 준비, 칩의 초미세 에칭, 고분자 물질의 표면 교정, 마이크로전자적 재료 공법 등의 기술에 광범위하게 적용되고 있다.
본 발명은 극초단파와 플라즈마를 사용하여 바이오매스 연료를 고효율로 가스화시켜서 바이오매스 연료와 폐기물을 사용하여 합성가스의 합성에 대한 새로운 길을 제공한다.
전술한 문제점들의 관점에서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은, 고품질 바이오매스 합성가스의 합성 특히, 경제적이고 효율이 높은 특성을 가진 CO와 H2를 구비하는 합성가스의 합성을 위한 가스화를 위해 고정층 가스화기 및 이것을 이용한 가스화 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 기술적 방안이 사용된다.
바이오매스의 극초단파 플라즈마 계열 고정층 가스화기는, 수직으로 배치된 퍼니스 본체, 모니터링 유니트, 및 극초단파 플라즈마 발생 장치를 구비하고, 퍼니스 본체는 재료와 연료 입구, 합성가스 출구, 산소/증기 입구, 및 슬래그 출구를 구비하고, 퍼니스 본체는 상부에 있는 간극 구역 및 하부에 있는 고정층 구역을 구비하고; 슬리그 출구는 퍼니스 본체의 바닥에 배치되고; 모니터링 유니트는 합성가스 출구에 근접되게 배치되고; 적어도 하나의 극초단파 플라즈마 발생 장치는 퍼니스 본체에 배치된다.
바람직하게, 제1 극초단파 플라즈마 발생 장치는 퍼니스 본체의 하부의 고정층 구역과 재료와 연료 입구 사이에 배치되고, 제2 극초단파 플라즈마 발생 장치는 퍼니스 본체의 상부의 간극 구역에 배치되며; 제1 극초단파 플라즈마 발생 장치는 2개 또는 3개 층의 극초단파 플라즈마 발생 장치들을 구비하고, 제2 극초단파 발생 장치는 하나 또는 2개 층의 극초단파 플라즈마 발생 장치들을 구비하고, 극초단파 플라즈마 발생 장치들의 각각의 층은 3개 또는 4개의 균일하게 분포된 작동 가스 입구들을 구비한다.
바람직하게, 제1 극초단파 플라즈마 발생 장치는 큰 파워 및 작은 전극 틈새를 가지며 고온 플라즈마를 생성하며; 제2 극초단파 플라즈마 발생 장치는 큰 전극 간극, 강한 플라즈마 활성, 및 넓은 체적 범위를 가진다.
바람직하게, 극초단파 플라즈마 발생 장치들의 극초단파 파워 소스는 2.45GHz의 기본 주파수를 가지며, 단일의 극초단파 플라즈마 발생 장치의 파워는 200kW 이내이다.
바람직하게, 상부 산소/증기 노즐은 퍼니스 본체의 간극 구역에 배치되고, 하부 산소/증기 노즐은 퍼니스 본체의 고정층에 배치된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 가스화기를 사용한 가스화 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다.
1) 바이오매스 연료와 폐기물을 피더를 통해 퍼니스 본체로 공급하고, 바이오매스 연료와 폐기물을 고정층 구역에서 연소 및 가스화시켜서 고온 연도 가스를 생성하고, 연도 가스를 상방으로 유동시켜서 가스화기의 공급 구역에서 새롭게 공급되는 바이오매스 연료와 폐기물과 열교환시키는 한편, 연도 가스를 하부 산소/증기 노즐로부터 분사되는 증기와 제1 극초단파 플라즈마 발생 장치에 의해 생성되는 플라즈마 산화제에 반응시켜서, 그 화학 방정식이 2C + O2 = 2CO, C + H2O = CO + H2이고, 온도가 700 내지 1600℃ 사이인 합성가스를 생성하는 단계;
온도 범위 내에서, 극초단판-활성 플라즈마 산화제는 고차의 이온화, 고차의 분산, 및 강한 산화 활동 및 화학 반응성을 가진다. 따라서, 상대적으로 낮은 주변 온도에서도 화학 반응이 수행될 수 있다. 바이오매스 연료의 변환 효율이 높고, CO와 H2를 구비하는 합성가스는 품질이 높고 타르가 적다.
2) 합성가스를 간극 구역의 상방으로 유동시켜서, 합성가스에 있는 타르를 크랙킹시키고 합성가스에 있는 탄화수소를 제2 극초단파 플라즈마 발생 장치에 의해 생성된 플라즈마의 존재하에서 변환시키는 단계;
3) 잔류 코크를 고정층 구역으로 하방으로 낙하시키켜 열에너지를 방출하여 고정층 구역의 온도를 유지하고, 슬래그 출구로부터 슬래그를 배출시키는 단계; 및
4) 공정 파리미터들을 미리 설정된 범위로 유지하기 위해 모니터링 유니트에 의해 합성가스의 온도와 성분을 실시간으로 모니터링하는 단계.
단계 1)에서, 가스화 온도는 700 내지 1600℃ 사이이고, 단계 4)에서 합성가스의 온도는 1200℃ 이내이다.
단계 1)에서, 가스화 온도는 750 내지 950℃ 사이이다.
단계 1)에서, 하부 산소/증기 노즐로부터 분사되는 증기는 증기 집중을 증가시키도록 작동하여 잔류 탄소와 증기 사이의 반응을 촉진시키고; 단계 2)에서, 제2 극초단파 플라즈마 발생 장치의 전체 파워는 반응 평행을 위한 열에너지를 공급하기 위한 조건을 만족하며; 단계 2)에서, 적절한 고온 증기는 상부 산소/증기 노즐로부터 분사되어 타르의 크랙킹 반응을 촉진시킨다.
본 발명의 바람직한 예시적 실시예들에 따른 효과를 정리하면 다음과 같다.
1. 극초단파 플라즈마의 고차의 이온화 및 고차의 분산 하에서, 가스화기의 바이오매스 연료는 고효율로 변환되고, 종래의 가스화 공정의 그것과 비교하여 냉가스 효율이 85%를 초과하여 현저하게 개선된다.
2. 가스화기의 간극 구역에 배치된 극초단파 플라즈마 발생기는 합성가스에 있는 타르의 불균형 크랙킹을 촉진하여, 합성가스가 적은 양의 타르를 함유하거나 전혀 타르를 함유하지 않게 하여, 간단한 공정과 경제적으로 양호하게 산업 현장에 직접 사용될 수 있다.
3. 가스화기는 바이오매스 연료의 입자 사이즈에 대한 특정의 조건이 없고, 기본적인 분쇄만으로도 입자 사이즈의 조건을 만족시킬 수 있으므로, 생산비가 낮고 경제적으로 효과적이다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 아래에서 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 바이오매스의 고정층 가스화기의 개략적 구성도이다.
도 2는 도 1의 A-A선을 따라 취한 단면도이다.
퍼니스 본체(2)는 수직으로 배치된 원통이고, 간극 구역(8)은 퍼니스 본체의 상부에 배치되고, 극초단파 플라즈마를 수용하는 고정층 구역은 퍼니스 본체의 하부에 배치된다. 상부 산소/증기 노즐(5)은 퍼니스 본체의 간극 구역(8)에 배치되고, 하부 산소/증기 노즐(4)은 퍼니스 본체의 고정층 구역에 배치된다. 2개의 노즐들 모두는 유동량을 조절하는 스위치들에 의해 제어될 수 있다. 퍼니스 본체(2)는 원통형이거나, 원뿔과 원통의 조합이다.
피더(1)는 퍼니스 본체(2)의 중간에 배치되고 경사 공급 슈트에 의해 퍼니스 본체(2)와 연통된다. 공급 방법은 경사 공급 슈트가 없는 스크류 공급일 수도 있다.
극초단파 플라즈마 발생 장치의 수는 바이오매스 연료의 수분 함량과 활성 성분에 의해 결정된다. 바이오매스 연료가 대략 20%의 높은 수분 함량과 낮은 칼로리 값을 포함할 때, 본 실시예에서, 제1 극초단파 플라즈 발생 장치는 2개 또는 2개 층의 극초단파 플라즈마 발생 장치(3)(도 1에는 3개의 극초단파 플라즈마 발생 장치들이 도시됨)를 구비하고, 이러한 극초단파 플라즈마 발생 장치(3)는 피더(1)의 하부 중앙에서 고정층에 있는 물질 위치보다 약간 더 높게 배치되고, 각각의 층의 극초단파 플라즈마 발생 장치들은 3개 또는 4개의 균일하게 분포된 작동 가스 입구들을 구비한다. 피더의 상부에 배치된 극초단파 플라즈마 발생 장치들의 유사한 구성 역시 생각할 수 있다. 제2 극초단파 플라즈마 발생 장치(3')는 피더(1)의 상부에 있는 간극 구역에 배치되고, 하나 또는 2개의 층들의 극초단파 플라즈마 발생 장치들을 구비하고, 각각의 층의 극초단파 플라즈마 발생 장치는 3개 또는 4개의 균일하게 분포된 작동 가스 입구들(도 2에는 3개의 작동 가스 입구들이 도시됨)을 구비한다.
제1 극초단파 플라즈마 발생 장치(3)는 큰 파워와 작은 전극 틈새를 가지며, 고온의 플라즈마를 생성하고; 제2 극초단파 플라즈마 발생 장치(3')는 큰 전극 틈새, 강한 플라즈마 활성, 및 넓은 체적 범위를 가지며, 합성가스의 타르를 크랙킹하도록 구성되어, 합성가스에 있는 메탄과 같은 탄화수소를 변환한다. 결국, 합성가스에 있는 타르 함량은 산업계에서 직접 사용할 수 있는 수준을 만족시키도록 감소되고, 탄화수소 함량 역시 감소되어 이어지는 탄소 제거에 유용하다.
극초단파 플라즈마 발생 장치의 극초단파 파워 소스는 2.45GHz의 기본 주파수를 가지며, 단일의 극초단파 플라즈마 발생 장치의 파워는 200kW 이내이다.
제2 극초단파 플라즈마 발생 장치의 전체 파워는 반응 평행을 위해 열에너지를 공급하기 위한 조건을 만족시킨다.
모니터링 유니트(6)는 퍼니스 본체(2)의 꼭대기에 있는 합성가스 출구에 근접되게 배치되어, 미리 설정된 범위 안에서 공정 파라미터들을 유지하도록 합성가스의 온도와 성분을 실시간으로 모니터링한다.
바이오매스 연료와 폐기물은 피더(1)를 통해 퍼니스 본체(2)로 공급되어 가스화기의 고정층 구역에서 신속히 가스화된다. 먼저, 연료 입자들은 고온 하에서 열분해되어 다량의 활성 성분들과 잔류 코라이트(semi-coke)를 생성한다. 활성 성분은 고주파수 플라즈마 발생 장치에 의해 발생된 고차의 플라즈마의 존재하에 산소 및 증기와 반응한다. 고정층 구역의 온도 조절은 가스화 공정의 스무스한 작동을 보장한다. 퍼니스 온도가 너무 낮으면, 산소와 같은 작동 가스가 대규모로 보충되어야 하는 반면 극초단파 플라즈마 발생 장치의 극초단파 파워와 작동 가스의 유동율은 그에 따라 반대로 조절된다. 하부 산소/증기 노즐(4)로부터 분사된 증기는 증기 집중을 증가시키도록 작동함으로써, 잔류 탄소와 증기 사이의 반응을 촉진하여 H2 수율을 향상시키고, 반응 구역에서 타르의 형성을 방지하고, 합성가스의 품질을 향상시킨다.
바이오매스 연료의 공급과 가스화에 따라, 합성가스는 간극 구역으로 상방향으로 유동하여 크랙킹된다. 잔류 코크는 고정층 구역으로 하방으로 낙하되어 열에너지를 방출하여 그 안의 온도를 유지한다. 결과적인 슬래그는 슬래그 출구(7)로부터 배출된다. 간극 구역(8)에서, 합성가스는 제2 극초단파 플라즈마 발생 장치(3')에 의해 발생되는 고차의 이온화 및 고차의 플라즈마의 존재하에 추가적으로 크랙킹된다. 적절한 고온 증기는 상부 산소/증기 노즐(5)로부터 분사되어 합성가스에 있는 타르를 추가적으로 크랙킹한다. 따라서, 타르 함량은 엄청나게 감소되어 이어지는 적용에 유용하게 된다.
가스화 온도는 700 내지 1600℃ 사이고; 합성가스의 온도는 1200℃이다. 가스화 온도는 750 내지 950℃ 사이이다.
적정한 작동 조건을 얻고 가스화의 전체 성능 조건을 만족시키기는 핵심은 분류층의 온도 제어, 산소 유동율, 증기 유동율, 및 극초단파 파워의 조절이다. 모니터링 유니트는 합성가스 출구에 가깝게 배치되어 전술한 파라미터들을 실시간으로 제어할 수 있으므로, 가스화 공정을 연쇄적으로 완전 자동화에 의해 제어할 수 있고 가스화기의 작동 안정성을 유지할 수 있다.
본 발명의 특정의 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명을 벗어나지 않는 한 당업자에 의해 본 발명의 변화와 개조가 가능하기 때문에, 본 발명의 청구범위의 목적은 본 발명의 진정한 정신과 범위에 속하게 되는 모든 그러한 변화와 개조를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
1...피더
2...퍼니스 본체
3...제1 극초단파 플라즈마 발생 장치
3'...제2 극초단파 플라즈마 발생 장치
4...하부 노즐
5...상부 노즐
6...모니터링 유니트
7...슬래그 출구

Claims (9)

  1. 바이오매스의 극초단파 플라즈마 계열 고정층 가스화기에 있어서,
    재료 및 연료 입구, 합성가스 출구, 산소/증기 입구, 및 바닥에 배치된 슬래그 출구를 구비하고, 상부에 있는 간극 구역과 하부에 있는 고정층 구역을 구비하도록 수직으로 배치된 퍼니스 본체;
    합성가스 출구에 근접되게 배치된 모니터링 유니트; 및
    퍼니스 본체에 배치된 적어도 하나의 극초단파 플라즈마 발생 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 고정층 가스화기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 극초단파 플라즈마 발생 장치는 2개 또는 3개 층의 극초단파 플라즈마 발생기들을 포함하는 제1 극초단파 플라즈마 발생 장치와, 하나 또는 2개 층의 극초단파 플라즈마 발생기들을 포함하는 제2 극초단파 플라즈마 발생 장치를 구비하고;
    제1 극초단파 플라즈마 발생 장치는 퍼니스 본체의 하부의 고정층 구역과 재료 및 연료 입구 사이에 배치되고, 제2 극초단파 플라즈마 발생 장치는 퍼니스 본체의 상부의 간극 구역에 배치되며;
    극초단파 플라즈마 발생기들의 각각의 층은 3개 또는 4개의 균일하게 분포된 작동 가스 입구들을 구비하는 것을 특징으로 하는 고정층 가스화기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제1 극초단파 플라즈마 발생 장치는 큰 파워 및 작은 전극 틈새를 가지며 고온 플라즈마를 생성하며;
    제2 극초단파 플라즈마 발생 장치는 큰 전극 간극, 강한 플라즈마 활성, 및 넓은 체적 범위를 가진 것을 특징으로 하는 고정층 가스화기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    극초단파 플라즈마 발생기들의 극초단파 파워 소스는 2.45GHz의 기본 주파수를 가지며, 단일의 극초단파 플라즈마 발생기의 파워는 200kW 이내인 것을 특징으로 하는 고정층 가스화기.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    퍼니스 본체의 간극 구역에 배치된 상부 산소/증기 노즐; 및
    퍼니스 본체의 고정층에 배치된 하부 산소/증기 노즐을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고정층 가스화기.
  6. 가스화기를 사용한 가스화 방법에 있어서,
    1) 바이오매스 연료와 폐기물을 피더를 통해 퍼니스 본체로 공급하고, 바이오매스 연료와 폐기물을 고정층 구역에서 연소 및 가스화시켜서 고온 연도 가스를 생성하고, 연도 가스를 상방으로 유동시켜서 가스화기의 공급 구역에서 새롭게 공급되는 바이오매스 연료와 폐기물과 열교환시키는 한편, 연도 가스를 하부 산소/증기 노즐로부터 분사되는 증기와 제1 극초단파 플라즈마 발생 장치에 의해 생성되는 플라즈마 산화제에 반응시켜서, 그 화학 방정식이 2C + O2 = 2CO, C + H2O = CO + H2이고, 온도가 700 내지 1600℃ 사이인 합성가스를 생성하는 단계;
    2) 합성가스를 간극 구역의 상방으로 유동시켜서, 합성가스에 있는 타르를 크랙킹시키고, 제2 극초단파 플라즈마 발생 장치에 의해 생성된 플라즈마의 존재하에서 합성가스에 있는 탄화수소를 변환시키는 단계;
    3) 잔류 코크를 고정층 구역으로 하방으로 낙하시키켜 열에너지를 방출하여 고정층 구역의 온도를 유지하고, 슬래그 출구로부터 슬래그를 배출시키는 단계; 및
    4) 공정 파리미터들을 미리 설정된 범위로 유지하기 위해 모니터링 유니트에 의해 합성가스의 온도와 성분을 실시간으로 모니터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    단계 1)에서, 가스화 온도는 700 내지 1600℃ 사이이고, 단계 4)에서 합성가스의 온도는 1200℃ 이내인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    단계 1)에서, 가스화 온도는 750 내지 950℃ 사이인 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    단계 1)에서, 하부 산소/증기 노즐로부터 분사되는 증기는 증기 집중을 증가시키도록 작동하여 잔류 탄소와 증기 사이의 반응을 촉진시키고;
    단계 2)에서, 제2 극초단파 플라즈마 발생 장치의 전체 파워는 반응 평행을 위한 열에너지를 공급하기 위한 조건을 만족하며; 적절한 고온 증기는 상부 산소/증기 노즐로부터 분사되어 타르의 크랙킹 반응을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
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