KR20200133536A - 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템 - Google Patents

바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 유기성 폐연료를 건조하는 건조저장사이로를 포함하는 연료건조투입부와; 상기 연료건조투입부에서 투입되는 연료를 열분해 가스화하여 합성가스를 생산하는 열분해가스부와; 상기 열분해가스부에서 이송되는 가스에 함유된 불순물을 제거하는 집진수단, 냉각수단, 혼합수단을 포함하는 가스정제부와; 상기 가스정제부에서 공급되는 가스를 이용하는 발전을 하는 가스발전부를 포함하되, 상기 가스정제부의 정제된 합성가스를 상기 집진수단 또는 상기 냉각수단으로 순환시키는 것을 특징으로 한다.
이에, 본 발명에 따르면, 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지 등을 포함하는 가연성 재생 연료)를 열분해하여 발생한 가스에 혼입된 불순물을 제거한 후의 정제된 합성가스를 이용할 수 있고, 가스 터빈으로 발전을 할 수 있는 정도의 균질화 되고 안정적인 품질을 갖는 정제된 합성가스를 생산할 수 있다.

Description

바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템 {Power generating system by using syngas that pyrolysis and gasification using combustible renewable fuels including biomass}
본 발명은, 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템에 관한 것으로, 특히, 유기성 폐연료(생활, 산업, 폐합성수지 등을 포함하는 모든 가연성물질로 활용할 수 있는 고체 및/또는 액체 연료를 열분해하여 발생한 가스에 혼입된 불순물을 제거한 후의 정제된 합성가스를 이용, 응용할 수 있도록 시스템을 개선한 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템에 관한 것이다.
사람들이 생활하는 과정, 산업 생산 활동, 의료산업 등의 모든 분야에서 생산적인 활동을 한 이후에 불필요한 쓰레기 내지 폐기물이 발생하게 된다.
이러한 폐기물을 처리하는 방법에는 땅 속에 묻은 후 땅속에서 쓰레기 등이 분해되면서 서서히 안정화되는 매립, 높은 온도에서 태워 부피를 줄이고 이 과정에서 발생하는 열을 활용할 수 있는 소각, 필요로 하는 쓰레기 등을 분리하여 재사용하거나 재활용, 육지로부터 다소 떨어진 해양에 분뇨 등을 배출 등의 방법이 있다. 이러한 방법 중에서 특히 해양에 분뇨를 배출하는 등의 방법은 국제적으로 금지하고 있는 추세이다.
요즘 폐플라스틱의 미처리 문제로 지구환경 오염이 심각하나, 연소하는 과정에서 발생하는 열 내지 가스 등을 이용한 에너지화는 화석연료를 대체하고 폐기물 매립으로부터 생성되는 메탄가스 발생량을 줄여 메탄가스(바이오가스)의 높은 지구온난화지수(이산화탄소의 21배)로 인한 기후변화에 대응할 수 있는 수단이나 탄산가스나 미세분진 등 2차 지구 오염을 시키는 문제가 있다. 그러므로, 선진국에서는 가연성폐기물의 고형연료화(RDF)와 유기성 폐기물의 바이오가스화 등 폐기물 에너지화로 온실가스를 감축하려는 노력이 활발하다.
이러한 추세에 발맞추어 국내에서도 관련 기술이 제안되고 있으며, 본 발명자도 참고문헌 등을 포함하여 관련 분야에서 다수의 기술을 제안하여 왔고, 현재도 다양한 분야에서 제안을 하고 있다.
폐기물 중 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지 등)로 활용할 수 있는 가연성 재생(고형화 하지 않은 것도 포함) 연료를 열분해 내지 소각하는 과정에서 발생하는 열을 활용하여 전력을 생산하는 기술도 제안되었다. 현재 적용되고 있는 대부분의 방법은 열분해 등의 과정에서 발생되는 열을 이용하여 스팀을 생산하고 생산된 스팀을 활용하여 스팀 터빈을 가동시켜 전력을 얻는 것이다.
그러나, 이러한 과정에서 가연성 재생 연료를 소각하는 과정에서 발생하는 다이옥신을 포함하는 여러 가지 유독 가스는 물론 미세 분진이 다량 발생하여 대기오염을 가중시키고 효율이 낮아 생산단위 전력 당 CO2 발생량이 많아 지구 온난화를 가중시키는 문제점을 갖는다.
이에, 연소하는 과정에서 완전 연소를 유도하는 1차로 열분해가스화 하여 가스연소를 통해 발생한 가스를 통해 발생한 열을 회수하여 스팀 발전 등으로 재활용하였으나, 근래에 와서는 그 기술이 진일보하여 열분해가스화 하고 그 가스를 정제하여 가스를 생산하고 이를 재활용하는 것이 효율적이고 친환경적으로 매우 바람직하다.
특히 폐기물 중에서도 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지 등)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해하여 발생한 가스에 혼입된 불순물을 제거한 후의 정제된 합성가스를 이용하여 가스엔진 또는 가스터빈을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 것이 바람직하다.
[참고문헌]
등록특허공보 제10-0899185호 (2009.05.26. 공고)
공개특허공보 제10-2010-0019316호 (2010.02.18. 공개)
등록특허공보 제10-0742159호 (2007.07.25. 공고)
공개특허공보 제10-2018-0034033호 (2018.04.04. 공개)
본 발명의 목적은, 유기성 폐연료(생활, 산업, 폐합성수지 등을 포함하는 바이오매스)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해하여 발생한 가스에 혼입된 불순물을 제거한 후의 정제된 합성가스를 이용할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 가스 엔진이나 터빈을 이용할 수 있는 정도의 안정된 품질을 갖는 정제된 합성가스를 생산할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 불순물이 혼입된 가스를 정제하는 과정에서 퍼지용 또는 펄스용 가스로 폭발의 위험 등으로 인해 질소 가스를 사용하고 있으나 본 발명에서는 정제된 합성가스를 재활용하여 폭발 위험성을 예방함과 동시에 질소 가스 대신에 생산 되고 정제된 합성가스를 사용하므로 가스의 열량(질)을 유지하면서 경제성을 증대시킬 수 있는 바이오매스을 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 정제된 합성가스를 쇼트 블라스트 이송유체로 사용하는 것을 포함하는 다양한 분야에 생산가스를 활용할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 건조하는 건조저장사이로를 포함하는 연료건조투입부와; 상기 연료건조투입부에서 투입되는 연료를 열분해 가스화하여 합성가스를 생산하는 열분해가스부와; 상기 열분해가스부에서 이송되는 가스에 함유된 불순물을 제거하는 집진수단, 냉각수단, 혼합수단을 포함하는 가스정제부와; 상기 가스정제부에서 공급되는 가스를 이용하는 발전을 하는 가스발전부를 포함하되, 상기 가스정제부의 정제된 합성가스를 상기 집진수단 또는 상기 냉각수단으로 순환시키는 것을 특징으로 하는 가스화 발전 시스템에 의하여 달성된다.
또한, 상기 냉각수단은, 상기 열분해가스부에서 발생한 가스를 냉각시키는 혼합챔버와, 상기 혼합챔버의 하류에 배치되어 가스 중의 분진 및 타르를 제거 가능하게 마련된 사이클론 또는 사이클론전기집진기를 포함하는 집진기 하류에 배치되어 유입되는 가스를 냉각시키는 냉각열교환기와, 상기 냉각열교환기의 하류에 배치되어 가스를 냉각하고 불순물을 제거하는 냉각스크러버를 포함하고, 상기 집진수단은, 상기 집진기와, 상기 집진기 하류에 배치된 냉각폐열보일러 및 백필터를 포함하며, 상기 냉각열교환기와 상기 냉각스크러버 사이의 정제된 합성가스를 상기 혼합챔버로 순환시켜 급냉시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉각스크러버의 하류에 배치되어 상기 가스발전부로 공급되는 가스를 균질화시키는 혼합버퍼탱크의 하류에서 분기되어 이송되는 가스를 압축하여 저장하는 압축가스저장탱크를 포함하며, 상기 압축가스저장탱크에 저장된 압축가스를 상기 백필터의 펄스용으로 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가스화 발전 시스템이 정지되는 경우 상기 열분해가스부, 상기 가스정제부 또는 상기 가스발전부를 퍼지시키는 유체는 상기 가스발전부에서 배기되는 산소 5wt% 이하를 함유하는 배기가스를 압축 저장하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 건조투입부, 상기 열분해가스부, 상기 가스정제부 및 상기 가스발전부를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 가스발전부에서 요구하는 설정된 품질을 유지할 수 있도록 상기 열분해가스부에 포함되어 열분해 가스화가 이루어지는 연료를 이송하는 이송램이 연료를 이송하는 속도 및 량을 제어하는 것과 열분해 공기를 제어하는 것과 상기 혼합버퍼탱크의 압력에 따라 상기 열분해 가스화의 량을 제어하는 것을 특징이 바람직하다.
또한, 상기 건조투입부, 상기 열분해가스부, 상기 가스정제부 및 상기 가스발전부를 제어하는 제어부와; 상기 가스정제부에는 상기 가스정제부에서 정제된 합성가스를 상기 가스발전부로 균질하고 균일하게 공급 가능하게 마련된 혼합버퍼탱크;가 더 포함되고, 상기 제어부는 상기 혼합버퍼탱크에 저장된 가스의 압력에 기초하여 열분해가스 생산량을 제어하고, 상기 가스발전부에서 요구하는 압력과 량을 조절 가능하게 마련된 자동조절밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이에, 본 발명에 따르면, 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지 등을 포함하는 가연성 재생 연료)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해하여 발생한 가스에 혼입된 불순물을 제거한 후의 정제된 합성가스를 이용할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 가스 엔진이나 터빈이 정상적으로 가동될 수 있는 정도의 안정된 품질을 갖는 정제된 합성가스를 생산할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 불순물이 혼입된 가스를 정제하는 과정에서 폭발의 위험 등으로 인해 질소 가스를 사용하고 있으나 본 발명에서는 가스발전 후 배출가스를 재활용하여 폭발 위험성을 예방함과 동시에 질소 가스에 비하여 저렴한 배기가스를 사용하므로 경제성을 증대시킬 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 정제된 합성가스를 쇼트 블라스트에 필요한 이송 유체를 포함하는 다양한 분야에 활용할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템의 구성도,
도 2a 내지 도 2b는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템에서 정제된 합성가스를 순환시켜 활용하는 과정을 도시한 흐름도,
도 3은 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제어하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명의 일실시예에 따라 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템 및 그 제어 방법에 대하여 이하에서 도 1 내지 도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템의 구성도이고, 도 2a 내지 도 2b는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템에서 정제된 합성가스를 순환시켜 활용하는 과정을 도시한 흐름도이며, 도 3은 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제어하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명의 일실시예에 따라 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템(100, 이하에서 '열분해 가스화 발전 시스템'이라 함)은 크게 나누면, 도 1에 도시된 바와 같이, "가" 부분은 유기성 폐연료의 건조 투입하는 건조투입부(110) 영역이며, "나" 부분은 유기성 폐연료를 열분해 가스화하여 합성가스연료를 생산하는 열분해가스부(120) 영역이고, "다" 부분은 생산된 합성가스를 정제(합성가스에 포함된 분진 등 이물질을 제거 과정으로 건식 또는 습식 장치를 사용)하는 가스정제부(미도시) 영역이며, "라＂ 부분은 정제된 합성가스를 이용하여 가스엔진 또는 가스터빈으로 발전하는 가스발전부(155) 영역이다. 여기서, 가스정제부는 냉각수단인 재순환된 가스와 혼합되는 혼합챔버(141)와 냉각열교환기(146) 및 냉각스크러버(147)와 냉각폐열보일러(143)를 포함하고, 이물질을 제거하는 집진수단인 사이클론 또는 사이클론 전기집진기를 포함하는 집진기(142), 백필터(145)를 포함하는 것이 바람직하고 필요에 따라 사이클론과 습식전기집진기를 사용할 수 있다.
이러한 "가" 부분에서 "라" 부분으로 진행하는 과정에서 다른 부분도 포함되지만 "나" 부분에서 생성된 열분해 합성가스를 정제하고 안정적으로 "라" 부분으로 공급할 수 있는 방법이 본 발명의 핵심적인 사항이다. 즉, 가스엔진이나 가스터빈에 소요되는 청정가스의 품질은 매우 까다로운 조건을 필요로 하며, 이러한 까다로운 조건에 부합한 청정가스를 생산하는 데 종래기술에서는 매우 많은 문제점을 가지고 있었고 이러한 종래의 문제점을 해결한 것이 본 발명이다.
예를 들면, 가스엔진에 소요되는 청정가스가 구비해야 할 요건은, 첫째, 청정가스의 발열량은 일정발열량 이상이고, 둘째, 청정가스의 성분이 설정치 이상이며 변동 폭이 ±2%/30초(30초 동안 변동 폭이 2% 이하) 이내이며, 셋째, 청정가스에 타르가 존재하지 않아야 하고, 넷째, 청정가스에 존재하는 수분이 25℃ 포화 수분 이하이어야 한다. 이러한 최적의 요건을 구현할 수 있는 후술하는 열분해 가스화 발전 시스템(100)을 본 발명자는 관련 분야의 다양한 경험, 연구 및 기존 특허 기술들을 활용하여 도출하게 되었다.
열분해 가스화 발전 시스템(100)에서는 순전히 일반 공기가 이용되므로 합성가스의 발열량은 LNG나 LPG 등과 달리 아주 낮고(1,000 ~ 2,000Kcal/Nm3) 투입되는 폐연료 조건에 따라 생산되는 합성가스의 량과 질이 아주 달라지는 것이 특징이다. 이러한 변동 가능성이 많은 조건을 극복하고 가스발전에서 요구하는 조건을 만족하기 위하여 본 발명은 후술하는 바와 같이 종래기술과 다르게 구사된다.
먼저, "가" 공정에서 폐고체 유기성분을 갖는 연료는 선별 파쇄 되어 투입 되고 간이 건조저장사이로(111)를 거쳐 압축투입장치(115)를 통해 열분해가스부(120)로 유입된다.
유입된 압축연료는 회전분쇄기(분배기, 미도시)를 거쳐 분쇄되어 골고루 하부로 공급되고 하부 가열 공기 주입 회전분배기에서 공급하는 가열 공기에 의해 연료건조존(121)에서 건조되고, 건조 후 연료는 계속 하부로 이동되며 이송그레이트(고정설치도 가능) 근처에서부터 열분해가 이루어진다. 이러한 과정을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
건조화존공기공급팬(122)에 의하여 공급된 가열 공기의 대부분은 상부에서 이송되는 연료를 건조한 후 연료에서 건조된 공기와 유입된 공기가 혼합되어 퍼지팬(123)을 통해 외부로 배출된다. 이렇게 배출되는 온도가 상승한 가스에서 폐열을 회수하기 위하여 마련된 열회수장치(예를 들면, 엔진배출가스열교환기, 미도시)에서 열을 흡수하여 가열되어 다시 열분해가스화로로 공급되며 일부는 열분해가스화 공기로 이용 가스화 되고 나머지는 열분해로 상부 건조공기용으로 재순환 공급된다.
그리고, 그레이트 상부에서 열분해가 이루어진 연료는 그레이트 사이로 낙하된다. 이때, 낙하량을 조절하기 위해 그레이트가 주기적으로 움직이며 고정그레이트의 경우에는 하부에 회전이송장치(124)의 주기적 회전에 의해 하부로 낙하 이송된다.
하부로 낙하된 연료는 휘발 물질의 열분해가 대부분이 이루어진 상태이므로 다음 단계인 가스화가 진행될 수 있다. 가스화를 위하여 가스화공기공급팬(125) 에 의하여 공급되는 공기는 하부의 특수노즐(미도시)을 통해 가열된 상태로 주입되어 낙하된 연료의 가스화를 촉진시키며 어느 정도 가스화가 진행되면 이송램에 의해 다음 단계로 교반 이송된다.
이때 이송램이 연료를 이송시키면 교반에 의해 폭발적으로 가스화가 이루어진다. 이러한 연료의 가스화를 조절하기 위해 이송램으로 연료의 이송 속도 및 이송량을 조절하고 용량에 따라 한 단에 한 개 이상의 다수의 램을 다단으로 설치할 수 있다. 또한 가스화단 역시 용량에 따라 한 단 이상 다단의 예를 들면 10여 개 이상의 다단으로 설치될 수 있다.
이러한 과정을 거쳐 가스화가 이루어진 연료는 회분만 남게 되며 최종적으로 회분 속 잔류탄소를 가스화한 후 회분만을 외부로 배출시킨다. 이때 잔류탄소를 완벽하게 가스화하기 위해 플라즈마 등을 이용한 용융풀속을 거쳐 잔류탄소를 완전하게 가스화 시키고 남은 잔재만을 외부로 배출 할 수도 있다.
이러한 과정을 거치는 본 공정에서 압축연료가 투입되는 과정에서 외부 공기 유입을 차단하기 위해 연료를 압축하여 연료 중의 공기를 퍼지 하여 외부 공기의 유입을 차단하는 것이 바람직하다.
투입되는 연료를 열분해로 내의 열분해가스화 부분으로 투입하기 전 최대한으로 가열 공기와 퍼지팬(123)을 이용 건조한다.
투입된 연료의 열분해가스화가 순간적으로 대량 발생(이송램 등의 작동 시 대량 발생)하지 않도록 이송램을 2개 이상(10여개 이상도 가능) 장착하고 각각의 작동 시간과 속도를 조절하게 한다.
그리고, 일반적인 소각로의 경우에 연소나 열분해를 하고 남은 회분은 수봉장치(물로 밀봉하는 장치)를 통해 배출되는 과정에서 다량의 증기가 발생 유입되므로, 본 발명에서는 이를 방지하기 위하여 기계적으로 회분이 압축되어 배출되므로, 회분 배출시에서 외부공기가 연소, 열분해 과정으로 유입되지 않도록 차단될 수 있다.
발생된 열분해가스는 800 ~ 1000°C 정도의 온도를 가지며, 하류로 흐르면서 가스분해챔버(126)에서 분진은 원심 분리되어 낙하되어 회분이 배출되는 측으로 이동하고, 타르 및 고분자 화합물은 분해된 후 가스와 함께 정제하는 영역인 “다” 부분으로 유입된다. 여기서, 분해되지 않고 존재하는 타르가 이후 냉각폐열보일러(143)에 부착되는 경우 냉각폐열보일러(143) 내부에 부착된 타르 등을 제거하기 위하여 쇼트 블라스트로 냉각폐열보일러(143) 내부를 클리닝하는 것이 바람직하다.
정제 영역에 속하는 “다” 부분에 유입된 가스에 유리 카본 성분이 생성되는 것을 방지를 위해 급격한 냉각이 요구되며, 이를 위해 정제장치 냉각 후 백필터(145) 후단의 냉각열교환기(146) 출구의 냉각된 가스(60℃ 내외)를 혼합챔버(141)로 혼합챔버순환블로워(171)를 이용하여 순환시켜 열분해가스와 혼합시켜 800 ~ 1000℃ 가스를 500°C로 급냉시킬 수 있다(도 2a의 ‘L113’ 참조).
급랭을 거친 가스는 사이클론식 전기집진기(142, 필요에 따라 사이클론만 설치 할 수 있음)를 통해 분진을 제거한 후 집진기(142 하류에 배치된 냉각폐열보일러(143) 형식의 포함하는 냉각장치 내지 냉각수단을 통해 냉각된다. 여기서, 냉각폐열보일러(143)는 미세한 정도라도 유입될 수 있는 타르나 분진에 막힘이 없도록 입형 연관식으로 구비될 수 있으며, 쇼트 블라스트(shot blast) 방식을 이용한 클리닝 시스템을 적용할 수 있고, 수관식으로 적용도 가능하다. 이러한 쇼트 블라스트에 활용되는 가스는 도 2a에 도시된 ‘L115’를 따라 폐열보일러순환블로워(173)에 의해 순환될 수 있다. L115는 제습기(153)를 거쳐 가스발전부(155)의 상류에서 분기된 라인이며 상측에 표시하지 않은 라인은 집진기(142) 퍼지용으로 활용되는 배관 라인이다.
가스에 혼입된 분진의 제거를 위해 가스는 냉각폐열보일러(143)의 하류에 배치된 백필터(145)로 유입된다. 백필터(145)는 습식 전기집진기로 설치 또는 대체될 수도 있다.
백필터(145)에서 분진이 제거된 가스는 냉각열교환기(146, 예를 들면, 에코노마이저 타입)를 통해 60℃ 정도로 냉각된 후 일부 가스는 혼합탱크순환블로워(171)에 의해 혼합챔버(141)로 순환되고, 나머지 가스는 냉각스크러버(scrubber)를 통해 불순물이 제거되면서 냉각된다.
여기서, 본 발명에서는 하류의 냉각폐열보일러(143) 등으로 많은 량의 분진 유입되는 것을 예방할 수 있도록 집진기(142가 적용되고, 집진기(142를 통과한 미세한 분진을 제거하기 위하여 백필터(145)가 배치되며, 수 분사에 의해 폐기물 중 산성가스 등 유해가스 제거용으로 사용하며 바이오매스 연료의 경우에는 필요치 않을 수도 있으나 최종 냉각 및 유해가스 제거용으로 사용되는 냉각스크러버(147)가 각각 활용되는 것이 바람직하다.
아울러 필요에 따라 백필터(145)와 냉각스크러버(147) 대신에 습식 전기집진기를 사용할 수 있다.
이러한 과정을 거쳐 정제된 합성가스는, 로터리블로워(151)를 통해 가압 이송 되어 혼합버퍼탱크(152)에 저장 된다. 혼합버퍼탱크(152) 내에서 정제된 합성가스는 시간의 차이(예를 들면, 20초 이상)를 두고 혼합되도록 설정된 혼합장치(미도시)에 의해 혼합되어 저장된다.
혼합버퍼탱크(152)에 저장된 정제된 합성가스는 제습기(153)를 통해 제습되고 최종적으로 압력자동조절밸브(154)를 통해 설정된 적정 압력과 적정량으로 가스발전부(155, 예를 들면, 가스엔진, 가스터빈)로 유입된다. 유입되는 정제된 합성가스에 의해 가스발전부(155)에서 발전이 이루어질 수 있다.
그리고, 추가적으로 혼합버퍼탱크(152)의 하류에서 분기되어 가스압축기(161)로 압축(예를 들면, 6~8 bar)된 가스는 압축가스저장탱크(163)에 저장된다. 이렇게 저장된 고압으로 압축되어 정제된 합성가스는 전술한 백필터(145)의 펄스용으로 활용될 수 있다(도 2b의 ‘L211’ 참조). 여기서, 연료가 열분해가스부(120)로 투입되는 과정에서 외부 공기를 차단하는 등의 퍼지용 가스는 엔진 출구의 배기가스를 흡입 압축(미도시)하여 사용하는 것도 바람직하다.
이러한 과정에서 집진기(142는 퍼지용 유체, 백필터(145)는 펄스용 유체, 냉각폐열보일러(143)의 쇼트 블라스트용 유체, 급냉 시 냉각용 유체가 각각 필요하다. 예를 들면, 일반 소각로의 경우에 이러한 퍼지용, 펄스용 또는 냉각용 등에 사용되는 유체는 공기를 압축한 압축공기가 사용된다. 반면에, 열분해 가스화 공정에서 퍼지용, 펄스용 또는 냉각용 등에 적용되는 유체는 폭발 등의 위험을 예방할 수 있도록 불활성가스인 질소를 사용한다. 열분해 가스화 공정의 경우 질소를 사용하면 질소의 가격이 본 발명에 따른 정제된 합성가스 또는 이를 압축한 가스에 비하여 훨씬 비싸 경제성에서 차이를 많이 가질 수 있다. 또 다른 측면에서 펄스용, 퍼지용 또는 냉각용으로 질소가 사용되면 정제된 합성가스 내부에 질소의 함량이 증가하여 정제된 합성가스의 발열량이 저하된다는 문제점이 있다. 아울러 펄스용에는 비교적 고압의 정제된 합성가스가 사용되고, 혼합용 또는 퍼지용 등에는 저압의 정제된 합성가스가 활용되는 것이 바람직하다.
즉, 가스발전부(155)를 작동시킬 수 있는 정제된 합성가스에는 산소가 0wt%이고, 발열량을 발생시킬 수 있는 CH4, H2, CO 등을 포함하고 있으므로 이러한 정제된 합성가스가 퍼지용, 펄스용 및 냉각용으로 혼입이 되더라도 동일한 가스로 폭발을 예방할 수 있고 생산된 합성가스의 질을 변화시키지 않아 효율적이다. 또한, 시스템 정지 시와 같은 경우의 안전 퍼지용으로 이용되는 가스발전부의 배기가스는 산소가 5wt% 이하이고 나머지는 질소와 이산화탄소로서 불활성가스적 성질을 가지므로 이러한 가스는 합성가스와 혼합하여도 폭발할 수 있는 범위에서 벗어나므로 폭발을 예방할 수 있어 시스템을 운영하는 과정에 사용하면 안전성이 확보되고 경제적이다.
본 발명에 따르면 정제된 합성가스를 재순환시켜 활용을 하면 가스발열량을 변동시키거나 전체 공정에 영향을 미치지 않을 뿐만 아니라 가스질을 균질화(순환, 혼합으로)시켜 발전기의 작동을 안정화 시킬 수 있으며 질소를 사용하는 종래 기술에 비하여 품질이 향상되어 효율이 높고 경제성을 증대시킬 수 있다.
한편, 가스발전부(155)에 나오는 배가스를 미도시된 열회수장치에 의하여 냉각되고 냉각된 배가스를 압축기를 통해 압축시켜 압축된 공기를 저장탱크(미도시)에 저장시켜 저장된 압축 배가스를 열분해 가스화 발전 시스템(100)이 정지되는 경우 공정 라인의 퍼지(purge)용으로도 활용할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 제어부(180)는 통상의 제어부(180)와 마찬가지로 본 열분해 가스화 발전 시스템(100)을 제어, 통제할 수 있는 중앙제어반뿐만 아니라 각 구성 또는 이들을 연결하는 배관 등에 설치된 유량계, 온도계, 압력계 등의 센서류에서 감지한 결과에 기초하여 다른 구성들을 제어 통제하는 등의 다양한 공지된 제어 수단을 포함한다. 또는 제어부(180)는 중앙제어반뿐만 아니라 각 구성에 인접된 로컬제어반도 포함할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 열분해 가스화 발전 시스템(100)의 작동 내지 제어 과정을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 3에 도시된 바와 같이, 연료를 압축투입장치(115)를 통해 외부 공기의 유입을 최대한으로 차단한다. 외부 공기 유입이 있을 경우 강제로 조절하여 외부 공기가 유입되는 것을 차단한다. 외부 공기는 1차적으로 연료압축에 의해 퍼지 차단되고 압축연료 투입 과정에서 유입되는 소량의 외부공기는 퍼지팬(123)에 의해 건조공기와 같이 혼합 배출된다. 외부 공기가 유입되면, 가열되는 열분해 가스화 주입 공기가 적어져 가스화 효율이 낮고 발생 가스의 연소가 이루어져 합성가스 발열량이 낮아지기 때문이다.
이송램이 일반 소각로와 같이 대형이고 대용량으로 제작되어 일순간에 작동할 경우에 폭발적으로 가스가 대량 발생되므로 작은 용량의 이송램을 여러 개(용량에 따라 한 개 이상 수십 개를 포함하는 다수도 가능)로 제작되는 것이 바람직하다. 교반이송장치 역시 여러 개로 구비 되어 교반시키는 시간 차이를 두고 작동시켜 이송되는 연료량이 설정된 범위 내에서 이루어져 발생하는 합성 가스의 열량 및 성분이 안정적이면서도 균일하게 발생되도록 조절한다(도 3의 ‘S117’ ‘S119’ 참조).
발생된 가스를 균질화하기 위해 순환 사이클을 사용(도 2a 등 참조)하고 또한 혼합버퍼탱크(152)에서 가스의 최종 균질화를 유도하였다.
가스의 발생량은 혼합버퍼탱크(152)의 압력을 일정하게 유지 할 수 있도록 중앙제어반 PLC를 포함하는 제어부(180)에 의해 연료 투입량 이송교반장치(미도시)를 포함하는 연료투입장치(미도시) 및 열분해 가스화 주입공기조절밸브를 조정한다(도 3의 ‘S113’ ‘S115’ 참조)
그리고, 제어부(180)에서 가스발전부(155) 발전량 증가를 감지하여 혼합버퍼탱크(152)의 압력과 비교 생산 가스량을 조절, 제어하고, 가스발전부(155)에서 필요로 하는 공급되는 정제된 합성가스의 압력을 압력자동조절밸브(154)를 이용하여 조절 한다(도 3의 ‘S211’ ‘S213’ 참조).
이에, 본 발명에 따르면, 유기성 폐연료(생활, 산업, 폐합성수지 등을 포함하는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해하여 발생한 가스에 혼입된 불순물을 제거한 후의 정제된 합성가스를 이용할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 가스 엔진이나 터빈을 안정적으로 작동 할 수 있는 정도의 안정된 품질을 갖는 정제된 합성가스를 생산할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 불순물이 혼입된 가스를 정제하는 과정에서 폭발의 위험 등으로 인해 질소 가스를 사용하고 있으나 본 발명에서는 정제된 합성가스를 재활용하여 폭발 위험성을 예방함과 동시에 질소 가스에 비하여 저렴한 정제된 합성가스를 사용하므로 경제성을 증대시킬 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 정제된 합성가스를 쇼트 블라스트의 이송유체를 포함하는 다양한 분야에 활용할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템을 제공할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예를 도시하여 설명하였지만, 본 발명의 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
100 : 열분해 가스화 발전 시스템 110 : 연료건조투입부
111 : 건조저장사이로 115 : 압축투입장치
120 : 열분해가스부 121 : 연료건조존
122 : 건조화존공기공급팬 123 : 퍼지팬
124 : 회전이송장치 125 : 가스화공기공급팬
126 : 가스분해챔버 130 : 배출스텍
141 : 혼합챔버 142 : 전기집진기
143 : 냉각폐열보일러 145 : 백필터
146 : 냉각열교환기 147 : 냉각스크러버
151 : 로터리불로워 152 : 혼합버퍼탱크
153 : 제습기 154 : 압력자동조절밸브
155 : 가스발전부 161 : 가스압축기
163 : 압축가스저장탱크 171 : 혼합탱크순환블로워
173 : 폐열보일러순환블로워 180 : 제어부

Claims (6)

  1. 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 건조하는 건조저장사이로를 포함하는 연료건조투입부와;
    상기 연료건조투입부에서 투입되는 연료를 열분해 가스화하여 합성가스를 생산하는 열분해가스부와;
    상기 열분해가스부에서 이송되는 가스에 함유된 불순물을 제거하는 집진수단, 냉각수단, 혼합수단을 포함하는 가스정제부와;
    상기 가스정제부에서 공급되는 가스를 이용하는 발전을 하는 가스발전부를 포함하되,
    상기 가스정제부의 정제된 합성가스를 상기 집진수단 또는 상기 냉각수단으로 순환시키는 것을 특징으로 하는 가스화 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수단은, 상기 열분해가스부에서 발생한 가스를 급속 냉각시키는 혼합챔버와, 상기 혼합챔버의 하류에 배치되어 가스 중의 분진 및 타르를 제거 가능하게 마련된 사이클론 또는 사이클론전기집진기를 포함하는 집진기 하류에 배치되어 유입되는 가스를 냉각시키는 냉각열교환기와, 상기 냉각열교환기의 하류에 배치되어 가스를 냉각하고 불순물을 제거하는 냉각스크러버를 포함하고,
    상기 집진수단은, 상기 집진기와, 상기 집진기 하류에 배치된 냉각폐열보일러 및 백필터를 포함하며,
    상기 냉각열교환기와 상기 냉각스크러버 사이의 정제된 합성가스를 상기 혼합챔버로 순환시켜 급냉시키는 것을 특징으로 하는 가스화 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각스크러버의 하류에 배치되어 상기 가스발전부로 공급되는 가스를 균질화시키는 혼합버퍼탱크의 하류에서 분기되어 이송되는 가스를 압축하여 저장하는 압축가스저장탱크를 포함하며,
    상기 압축가스저장탱크에 저장된 압축가스를 상기 백필터의 펄스용으로 사용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스화 발전 시스템이 정지되는 경우 상기 열분해가스부, 상기 가스정제부 또는 상기 가스발전부를 퍼지시키는 유체는 상기 가스발전부에서 배기되는 산소 5wt% 이하를 함유하는 배기가스를 압축 저장하여 사용하는 것을 특징으로 하는 가스화 발전 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 건조투입부, 상기 열분해가스부, 상기 가스정제부 및 상기 가스발전부를 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 가스발전부에서 요구하는 설정된 품질을 유지할 수 있도록 상기 열분해가스부에 포함되어 열분해 가스화가 이루어지는 연료를 이송하는 이송램이 연료를 이송하는 속도 및 량을 제어하는 것과 열분해 공기를 제어하는 것과 상기 혼합버퍼탱크의 압력에 따라 상기 열분해 가스화의 량을 제어하는 것을 특징으로 하는 가스화 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 건조투입부, 상기 열분해가스부, 상기 가스정제부 및 상기 가스발전부를 제어하는 제어부와; 상기 가스정제부에는 상기 가스정제부에서 정제된 합성가스를 상기 가스발전부로 균질하고 균일하게 공급 가능하게 마련된 혼합버퍼탱크;가 더 포함되고,
    상기 제어부는 상기 혼합버퍼탱크에 저장된 가스의 압력에 기초하여 열분해가스 생산량을 제어하고, 상기 가스발전부에서 요구하는 압력과 량을 조절 가능하게 마련된 자동조절밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 발전 시스템.
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