KR20220030521A - 합성가스 엔진 및 상기 합성가스 엔진을 포함하는 발전시스템 - Google Patents

합성가스 엔진 및 상기 합성가스 엔진을 포함하는 발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 석탄, 폐기물, 바이오매스 등을 이용한 가스화 공정으로부터 발생되는 합성가스를 연료로 사용하되, 안정적인 연소가 이루어질 수 있도록 가스화 공정에서 발생되는 폐열로 가열되는 합성가스 엔진 및 상기 합성가스 엔진을 포함하는 발전시스템을 제공함에 있다.

Description

합성가스 엔진 및 상기 합성가스 엔진을 포함하는 발전시스템 {Syngas engine and generation system comprising the same syngas engine}
본 발명은 합성가스 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 석탄, 바이오매스, 폐기물 등을 원료로 하여 가스화(gasification)을 통해 생산되며, 일반적으로 사용되는 연료에 비해 발열량 수준이 상당히 낮은 합성가스(synthetic gas, syngas)를 연소시켜 구동되는 합성가스 엔진 및 상기 합성가스 엔진을 포함하는 발전시스템에 관한 것이다.
석탄을 이용한 화력 발전 기술은 석탄을 직접 연소시켜 증기를 발생시키고 이 증기로 터빈을 돌려 발전을 하는 기술로, 전통적인 발전 기술 중 하나이다. 화력발전은 상당히 효율이 좋은 발전 기술인 반면 유해한 배기가스 등의 폐부산물의 발생량이 많아 환경에 큰 악영향을 끼치는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하면서 화력 발전의 장점을 더욱 발전시키고자 하는 연구가 지속적으로 이루어져 왔으며, 이러한 연구의 일환으로 석탄 가스화 복합 발전(Integrated Gasification Combined Cycle) 기술이 점차 확대되어 가고 있다.
석탄 가스화 복합 발전이란, 석탄을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 주성분으로 한 합성가스(syngas)로 전환한 뒤 합성가스 중에 포함된 분진(Dust)과 황산화물 등 유해물질을 제거하고 천연가스와 유사한 수준으로 정제하여 복합 발전을 하는 기술이다. 또한 이와 같은 가스화 기술의 대상은 비단 석탄에만 국한되지 않으며, 폐플라스틱과 같은 폐기물, 바이오매스 등, 석탄과 유사하게 탄화수소를 포함하고 있는 다양한 물질들을 원료로 하는 것으로 점차 발전되어 가고 있다. 석탄 가스화 복합 발전 기술은 고전적인 석탄 화력 발전 기술에 비해 더욱 높은 발전 효율을 가지며, 직접 연소 발전에 비해서는 황산화물 90% 이상, 질소산화물 75% 이상, 이산화탄소 25%까지 저감할 수 있는 환경친화적 기술이기 때문에 세계 각국에서 개발에 힘쓰고 있다.
석탄 가스화 공정에서 발생되는 합성가스는 여러 가지 용도로 활용되는데, 일반적으로는 이를 FT(Fischer & Tropsh) 반응을 통하면 우리가 일반적으로 사용할 수 있는 연료들(디젤, 등유, 가솔린 등)을 생산하는데 사용된다. 또는 이러한 합성가스를 내연기관(엔진)의 연료로 그대로 활용하기도 한다. 이처럼 합성가스에 의해 구동되는 엔진은 발전기의 회전력을 제공하는데 사용되며, 결과적으로 석탄 가스화 공정으로부터 산업용 연료만 얻는 것이 아니라 전력도 함께 생산할 수 있게 해 준다.
그런데, 이러한 합성가스는 일반적인 발전기용 엔진의 연료로 사용되는 디젤, 가솔린이나 천연가스 등과 같은 고급연료에 비해 매우 낮은 발열량을 갖기 때문에, 미연소가 되거나 연소가 되더라도 열효율이 매우 낮아서 발전용 연료로 사용되기에 그리 적합하지는 못하다는 점이 잘 알려져 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 예를 들어 천연가스의 발열량이 8,000~10,000kcal/m3 정도인 것에 비하여, 합성가스의 발열량은 1,000~1,500kcal/m3 정도로 극히 낮다. 따라서 디젤, 가솔린, 천연가스 등과 같은 고급연료를 상정하고 설계된 엔진 또는 그러한 엔진의 구동방법을 사용할 경우 연소가 제대로 일어나지 않는 문제가 있다.
이러한 문제를 해소하기 위하여, 일반적으로 저발열량 연료를 사용하는 엔진은 다음과 같은 두 가지 해결방법을 사용한다. 첫째, 원활한 착화를 위해 디젤을 주입하는 혼소엔진을 사용하거나, 둘째, 전소엔진을 사용하되 점화가 잘 일어날 수 있도록 엔진 자체를 가열하는 것이다.
혼소엔진을 사용하는 경우에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 혼소(mixed firing) 방식이란, 연소를 위한 착화가 원활하게 일어날 수 있도록 하기 위하여 착화 시점에 디젤을 조금씩 공급하는 방식이다. 앞서 설명한 바와 같이 디젤은 발열량이 높은 고급연료이므로, 적은 양으로도 쉽게 착화가 일어날 수 있다. 일단 착화가 일어나기만 하면 발열량이 낮은 저급연료가 공급되어도 안정적인 연소가 이루어질 수 있으므로, 디젤은 단지 착화가 일어날 수 있을 정도로의 소량만 주입되면 된다. 즉 혼소엔진에서 디젤은 주연료로 사용되는 것이 아니라 단지 착화에만 사용되며 주연료로서는 합성가스가 사용되므로, 디젤만을 연료로 사용하는 경우에 비해서는 당연히 디젤 사용량을 훨씬 절약할 수 있다. 이와 같이 석탄 가스화 공정에서 발생된 합성가스를 연료로 하는 엔진에 압축착화 방식의 혼소엔진을 적용하는 기술은, 한국특허등록 제1953737호("가스화기 연계 합성가스 혼소 엔진 가동 방법", 2019.02.25.) 등에 잘 개시된다. 그러나 이 방식은, 엔진 작동 사이클마다 착화를 위해 디젤이 계속 주입되어야 하며, 저급연료를 활용하기 위한 엔진에 고급연료를 사용한다는 것 자체가 자원의 낭비가 될 수 있다는 문제가 있다.
전소엔진을 사용하는 경우에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 상술한 바와 같이 혼소엔진의 경우 저급연료 활용을 위해 고급연료를 낭비해야 한다는 문제점이 있다. 그렇다면 1종의 연료만을 연소시키는 전소엔진을 사용하는 방안을 생각해볼 수 있을 것이다. 일반적으로는 전소엔진에는 불꽃점화 방식(즉 전기스파크를 이용하여 점화하는 방식)이 사용되는데, 합성가스는 발열량이 낮기 때문에 불꽃점화 방식으로는 연소가 어렵다. 한국특허등록 제2086651호("석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템", 2020.03.03.)에서는, 석탄 가스화 공정에서 발생된 합성가스를 연료로 하는 엔진에 불꽃점화 방식의 전소엔진을 적용하기 위하여, 합성가스 생산 과정에서 고농도의 산소를 공급함으로써 합성가스의 발열량을 증대시키는 해결책을 사용하고 있다. 그러나 (고농도의 산소공급 없이) 일반적인 방식으로 생산되는 합성가스의 경우 여전히 발열량이 낮기 때문에 불꽃점화 방식의 전소엔진 사용은 실질적으로 불가능하다고 할 수 있다. 이에 따라 전소엔진(1종의 연료만 연소되는 엔진)에 합성가스와 같은 저발열량 연료를 적용하고자 할 때, (일반적인 전소엔진이 불꽃점화 방식으로 점화되는 것과는 달리) 압축착화 방식으로 점화되도록 하는 기술이 연구된 바 있다. 간략히 설명하자면, 엔진에 연료로서 합성가스 1종만을 공급하되(전소엔진) 엔진 자체를 가열하여 고온환경을 만들어준 상태에서 압축착화 방식으로 점화하는 것(압축착화)이다. 이와 같이 하면 점화에서 연소로 이어지는 과정이 훨씬 안정적이 되어 원활한 엔진 운용이 가능하다. 다만 이 경우, 엔진 가열에 별도의 에너지가 소비되어야만 한다는 점에서, 결과적으로 또다른 형태의 에너지 낭비가 이루어지게 된다.
1. 한국특허등록 제1953737호("가스화기 연계 합성가스 혼소 엔진 가동 방법", 2019.02.25.) 2. 한국특허등록 제2086651호("가석탄 자원을 이용한 독립형 에너지 생산플랜트 시스템", 2020.03.03.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 석탄, 폐기물, 바이오매스 등을 이용한 가스화 공정으로부터 발생되는 합성가스를 연료로 사용하되, 안정적인 연소가 이루어질 수 있도록 가스화 공정에서 발생되는 폐열로 가열되는 합성가스 엔진 및 상기 합성가스 엔진을 포함하는 발전시스템을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 합성가스 엔진은, 연료 및 공기를 공급받아 내부에서 연료가 연소됨으로써 구동되는 내연기관 형태로 형성되며, 가스화 공정에서 생산되는 합성가스를 연료로 하는 합성가스 엔진에 있어서, 상기 합성가스 엔진은 압축착화 방식으로 점화되되 합성가스 1종의 연료만 연소되는 전소엔진이며, 상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스 또는 공기 중 선택되는 적어도 하나가, 가스화 공정에서 발생되는 폐열에 의해 가열된 후 상기 합성가스 엔진에 공급되도록 형성될 수 있다.
이 때 상기 합성가스 엔진은, 가스화 공정에 사용되며 탄화수소를 포함하는 원료를 가스화하는 가스화부(20)에서 폐열이 발생되되, 상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스 또는 공기 중 선택되는 적어도 하나가, 상기 가스화부(20)에서 발생되는 폐열을 흡수하여 가열되도록 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 합성가스 엔진은, 상기 합성가스 엔진으로 합성가스를 공급하는 유로가 상기 가스화부(20)를 적어도 1회 감싸도록 형성되어, 상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스가 상기 가스화부(20)에서 발생되는 폐열을 흡수하도록 형성될 수 있다.
또는 상기 합성가스 엔진은, 상기 합성가스 엔진으로 공기를 공급하는 유로가 상기 가스화부(20)를 적어도 1회 감싸도록 형성되어, 상기 합성가스 엔진으로 공급되는 공기가 상기 가스화부(20)에서 발생되는 폐열을 흡수하도록 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 상기 합성가스 엔진을 포함하는 발전시스템(100)은, 탄화수소를 포함하는 원료를 전처리하는 전처리부(10); 상기 전처리부(10)에서 전처리된 원료를 가스화하는 가스화부(20); 상기 가스화부(20)에서 발생된 가스를 정제하여 합성가스를 생산하는 정제부(30); 상기 정제부(30)에서 생산된 합성가스의 일부를 공급받아 FT반응을 통해 가솔린, 디젤을 포함하는 산업연료를 생산하는 FT반응부(40); 상기 정제부(30)에서 생산된 합성가스의 나머지 일부를 공급받아 합성가스 엔진을 사용하여 발전기를 구동시킴으로써 전기를 생산하는 발전부(50); 를 포함하되, 상기 합성가스 엔진은 압축착화 방식으로 점화되되 합성가스 1종의 연료만 연소되는 전소엔진이되, 상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스 또는 공기 중 선택되는 적어도 하나가 상기 가스화부(20)에서 발생되는 폐열에 의해 가열된 후 상기 합성가스 엔진에 공급되도록 형성될 수 있다.
이 때 상기 발전시스템(100)은, 상기 합성가스 엔진으로 합성가스를 공급하는 유로가 상기 가스화부(20)를 적어도 1회 감싸도록 형성되어, 상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스가 상기 가스화부(20)에서 발생되는 폐열을 흡수하도록 형성될 수 있다.
또는 상기 발전시스템(100)은, 상기 합성가스 엔진으로 공기를 공급하는 유로가 상기 가스화부(20)를 적어도 1회 감싸도록 형성되어, 상기 합성가스 엔진으로 공급되는 공기가 상기 가스화부(20)에서 발생되는 폐열을 흡수하도록 형성될 수 있다.
또한 상기 발전부(50)는, 상기 FT반응부(40)에서 반응되지 않고 남은 오프가스를 더 공급받아 상기 합성가스 엔진에 부가 공급하거나, 또는 별도의 엔진을 사용하여 별도의 발전기를 더 구동시키도록 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 엔진이 합성가스만을 연료로 사용하면서도 안정적인 연소 및 원활한 구동이 잘 이루어질 수 있게 되는 큰 효과가 있다. 구체적으로 설명하자면, 석탄, 폐기물, 바이오매스 등을 이용한 가스화 공정으로부터 발생되는 합성가스를 연료로 사용하는 엔진의 경우, 합성가스 자체의 발열량이 지나치게 낮기 때문에 안정적인 구동이 이루어지지 못하는 문제가 있었다. 이에 종래에는 일반적으로 디젤을 착화원으로 사용하는 혼소엔진이 사용되었으나, 이 경우 저급연료인 합성가스를 주연료로 사용하는 엔진을 구동하기 위해 고급연료인 디젤이 낭비된다는 문제가 있었다. 단일 연료만을 연소시키는 전소엔진의 경우 일반적으로 불꽃점화 방식이 사용되는데, 이 경우 합성가스가 저발열량 연료이기 때문에 연소가 불가능한 문제가 있었다. 이에 합성가스 단일 연료만을 연소시키는 전소엔진이되 압축착화 방식을 적용하고, 저발열량 연료인 합성가스라도 압축착화 방식으로 연소가 가능하도록 엔진 자체를 가열하는 고온환경을 조성하는 방식이 개발되었으나, 이 방식은 엔진을 가열하는 장치가 별도로 필요하였으며, 또한 엔진을 가열하는 데에 별도의 에너지 낭비가 이루어지는 문제가 있었다.
그러나 본 발명에 의하면, 합성가스 엔진이 압축착화 방식으로 점화되되 합성가스 1종의 연료만 연소되는 전소엔진이되, 가스화 공정에서 발생된 폐열로 엔진을 가열해 줌으로써, 엔진 가열을 위한 별도의 에너지 소비를 필요로 하지 않게 해 준다. 즉 합성가스 엔진 자체에 있어서는 안정적인 고온환경의 조성이 이루어짐에 따라 시동이 꺼지는 등의 문제가 없이 원활하고 안정적인 구동이 가능한 효과가 있는 것이다. 또한 이러한 고온환경 조성에 별도의 에너지가 소비되지 않아도 되므로, 궁극적으로는 전반적인 시스템 효율이 비약적으로 향상되는 큰 효과가 있다.
도 1은 일반적인 가스화 공정을 이용하는 발전시스템.
도 2는 도 1의 발전시스템에 포함되는 종래의 합성가스 엔진.
도 3은 도 1의 발전시스템에 포함되는 본 발명의 합성가스 엔진의 제1실시예.
도 4는 도 1의 발전시스템에 포함되는 본 발명의 합성가스 엔진의 제2실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 합성가스 엔진 및 상기 합성가스 엔진을 포함하는 발전시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일반적인 가스화 공정을 이용하는 발전시스템을 도시하는 것으로, 도시된 바와 같이 가스화 공정을 이용하는 발전시스템(100)은, 전처리부(10), 가스화부(20), 정제부(30), FT반응부(40), 발전부(50)를 포함한다. 본 발명의 합성가스 엔진은 상기 발전부(50)에 포함되는 것인데, 본 발명의 합성가스 엔진의 작동원리에 대하여 보다 명확하게 파악하기 위하여 상기 발전시스템(100)의 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 전처리부(10)는 석탄, 폐플라스틱과 같은 폐기물, 바이오매스 등과 같이 탄화수소를 포함하는 원료를 전처리하여 고정탄소의 비율을 높인 후 상기 가스화부(20)로 공급하는 역할을 한다. 기본적으로 이러한 가스화 공정은 석탄을 기반으로 하는데, 석탄은 주로 가연성 성분인 고정탄소 및 휘발성분, 비가연성 성분인 수분, 회분 및 기타 광물 등으로 이루어져 있다. 고정탄소는 석탄 활용의 주성분이 되며 고정탄소의 비율이 높을수록 고급석탄이며 발열량과 전환효율이 높다. 즉 이 고정탄소가 이후 진행될 가스화 과정에서의 주원료가 되는 것이다. 그런데 나머지 성분들(휘발성분, 회분 등)은 가스화 과정에 오히려 악영향을 줄 수 있다. 휘발성분은 탄화도가 낮은 경우에 다량 생성되는 것으로, 휘발성분의 비율이 높은 경우 연소가 잘 되지 않는다. 특히 회분은 석탄의 발열량 및 전환효율을 크게 떨어뜨린다. 이처럼 고정탄소 비율이 낮은 저급석탄의 활용을 위해서는 반드시 석탄의 전처리가 필요하다. 그리고 탄층에서 캐낸 원탄(run of mine coal)에는 고정탄소 성분이 높은 정탄과 암석의 파괴석인 맥석(gangue)이 혼재되어 있는데, 맥석이 정탄에 함유되어 있으면 정탄의 연소과정에서 열량이 저하되고 유해가스(SOx)가 발생하는 원인이 되므로, 석탄을 상기 가스화부(20)로 공급하기 전에 석탄의 전처리가 필요하다.
상기 가스화부(20)는 상기 전처리부(10)에서 전처리된 원료를 가스화하여 합성가스(syngas)를 발생시키는 역할을 한다. 보다 상세하게는, 상기 가스화부(20)에서는 탄화수소로 구성된 물질인 석탄, 저급 잔사유, 산업 폐기물, 바이오매스 등을 산소 또는 증기 등과 반응시키는 가스화 과정(gasification)을 통해서 열과 합성가스(CO, H2)를 생성한다. 여기에서 가스화 반응은 단일 반응이 아니라 고체 탄화수소 물질이 100℃ 근처에서 수분이 제거되는 건조, 350℃ 내지 550℃ 범위에서 고체상의 휘발 성분이 제거되는 열분해, 500℃ 이상부터 탄소와 산소가 반응하여 열을 만드는 연소, 합성가스를 생성하는 가스화 반응 등이 순차적 또는 동시에 일어나는 복합 반응이다. 열분해를 거치면 고체 탄화수소는 탄화수소 물질들과 회재로만 구성된 숯(char)으로 변하며, 숯을 반응시키기 위해서는 열이 필요하게 된다. 가스화제로 수증기와 고농도의 산소를 사용할 경우에 생성되는 합성가스는 주로 CO와 H2로 비교적 발열량이 높은 중열량가스(3,000kcal/m3 전후)가 될 수 있으나, 일반적으로는 산소 대신에 공기를 사용하며, 이 경우 생성가스 중에 질소 성분이 증가되어 발열량이 낮은 저열량가스(1,000kcal/m3 전후)가 된다. 또한, 고체 탄화수소에 포함된 유황과 질소성분은 가스화 반응으로 수소 또는 일산화탄소와 반응하여 H2S, COS, CS2, NH3로 변화되어 연소에 의해 배출되는 가스와는 다른 형태의 화합물을 형성한다.
상기 정제부(30)는 상기 가스화부(20)에서 가스화 과정을 거친 후 발생된 합성가스에서 이물질 또는 유해가스 등을 제거하는 역할을 한다. 상술한 바와 같이 상기 가스화부(20)에서 발생된 가스는 유효하게 사용될 수 있는 성분 외에 다양한 유해가스 등을 포함하고 있기 때문에 상기 정제부(30)에서 정제되기 전에는 그대로 사용하기 어렵다. 따라서 상기 가스화부(20)에서 가스화 과정에 의해 발생된 가스로부터 상기 정제부(30)에서 이물질 또는 유해가스 등을 제거하는 과정까지 거쳐야 합성가스의 생산이 완료되었다고 볼 수 있다.
이와 같이 상기 정제부(30)에서 생산된 합성가스는, 도 1에 도시된 바와 같이 일부는 상기 FT반응부(40)로 공급되어 FT반응에 이용되며, 나머지 일부는 상기 발전부(50)로 공급되어 발전에 이용된다.
상기 FT반응부(40)는 정제 후 공급되는 합성가스 및 수소를 공급받아 FT 반응을 통해 산업용 연료인 디젤 또는 가솔린 등을 생산하는 역할을 한다. FT 반응이란, 피셔(Fischer) 및 트롭시(Tropsh)라는 사람이 개발해 내었으며 석유화학 공정의 기반이 되는 반응으로서, 합성가스인 CO 및 H2로부터 알칸(CnH(2n+2) 생성을 타겟으로 하는 반응이다. 상기 FT반응부(40)에 공급된 합성가스는 대부분 FT 반응에 참여하여 산업연료 생산에 사용되지만, 공급되는 수소 양이나 공정환경 등에 따라 FT 반응에 참여하지 못해 미활용된 가스가 남게 될 수 있다. 이처럼 FT 반응에 미활용된 가스를 오프가스(offgas)라 하며, 오프가스 역시 합성가스와 비슷하게 중열량가스 또는 저열량가스이다.
상기 발전부(50)는 상기 정제부(30)에서 생산된 합성가스의 나머지 일부를 공급받아 합성가스 엔진을 사용하여 발전기를 구동시킴으로써 전기를 생산하는 역할을 한다. 이처럼 상기 발전시스템(100)은, 상기 FT반응부(40)에서는 산업연료를 생산하고, 상기 발전부(50)에서는 전기를 생산하게 된다. 본 발명의 합성가스 엔진은 바로 상기 발전부(50)에 포함되는 것으로서, 즉 상기 합성가스 엔진은 기본적으로 연료 및 공기를 공급받아 내부에서 연료가 연소됨으로써 구동되는 내연기관 형태로 형성되며, 가스화 공정에서 생산되는 합성가스를 연료로 한다. 잘 알려진 바와 같이 일반적으로 발전기는 외부 동력에 의하여 회전함으로써 전기를 생산하는데, 즉 상기 발전부(50)에서는 상기 합성가스 엔진이 구동되어 발생되는 회전력에 의하여 발전기가 회전함으로써 전기 생산이 이루어지게 된다. 한편 상기 발전부(50)는 상기 FT반응부(40)에서 반응되지 않고 남은 오프가스를 더 공급받아 역시 발전에 이용할 수 있다. 오프가스는 합성가스와 혼합되어 상기 합성가스 엔진에 부가 공급될 수도 있고, 또는 오프가스 전용으로 별도의 엔진을 사용하여 별도의 발전기를 더 구동시키도록 형성될 수도 있다.
이제 본 발명의 합성가스 엔진에 대하여 보다 상세히 설명한다. 먼저 도 2는 도 1의 발전시스템에 포함되는 종래의 합성가스 엔진을 간략히 도시하고 있다. 상술한 바와 같이 상기 발전부(50)는 합성가스 엔진 및 발전기가 포함되어, 합성가스 엔진이 합성가스 및 공기를 공급받아 구동되며 그 구동력에 의하여 발전기가 연계하여 구동되어 전기가 발생된다. 즉 상기 발전부(50)로는 합성가스 및 공기가 공급되도록 이루어진다. 합성가스는 상기 가스화부(20)에서 가스화 공정에 의하여 만들어지되, 이물질, 유해가스 등이 상기 정제부(30)에서 제거된 후에야 사용될 수 있다. 상기 발전시스템(100)에서 상기 합성가스 엔진과 관련된 일부 서브시스템(150)만을 따로 도시한 것이 도 2이며, 도 1에는 상기 서브시스템(150)이 점선으로 표시되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 일반적인 발전기용 엔진의 연료로 사용되는 디젤, 가솔린이나 천연가스 등과 같은 고급연료는 8,000~10,000kcal/m3 정도의 높은 발열량을 가지는 반면, 합성가스는 1,000~1,500kcal/m3 정도의 극히 낮은 발열량을 갖는다. 물론 상기 가스화부(20)에 고농도의 산소를 공급할 경우 중열량가스(3,000kcal/m3 전후) 수준으로 발열량을 높일 수 있다. 그러나 고농도의 산소를 공급하기 위해서는 전기분해장치나 산소발생기 등과 같은 별도의 장치를 더 구비해야 하며, 일반적인 실무 현장에서는 이러한 장치를 구비하지 못하는 경우가 많다. 즉 대부분의 현장에서는 저열량가스가 생산되는 실정이라고 볼 수 있다. 이처럼 발열량이 낮은 저급연료인 합성가스는 연소가 원활하게 일어나지 못하여, 합성가스 엔진의 시동이 꺼지는 등의 문제가 생길 위험성이 높다.
종래에는 합성가스 엔진에서 이러한 문제를 해소하기 위하여, 압축착화 방식의 혼소엔진(2종의 연료, 즉 합성가스 및 디젤이 혼합 공급되는 엔진)을 사용하는 경우가 대부분이었다. 그러나 저급연료(합성가스)의 활용을 위해 고급연료(디젤)를 소비한다는 것 자체가 자원의 낭비가 될 수 있으며, 불꽃점화 방식의 전소엔진(단일 연료, 즉 합성가스만 공급되는 엔진)의 경우 합성가스가 저발열량 연료이기 때문에 연소가 불가능한 바, 전소엔진이되 압축착화 방식으로 점화되도록 하는 방식을 사용하고자 하는 시도가 있었다. 상술한 바와 같이 합성가스는 점화 및 연소가 잘 이루어지지 못하는 저열량가스이므로, 합성가스 엔진에 압축착화 방식의 전소엔진을 적용하기 위해서는 (점화 및 연소가 보다 원활하게 이루어질 수 있는 고온환경을 조성하기 위해) 별도의 히터로 엔진을 가열하여 주는 등의 방법을 사용하였다. 이 때 엔진을 가열하기 위하여 또다시 별도의 에너지를 소비하여야 하기 때문에, 결과적으로 시스템 전체 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해소하기 위하여, 먼저 상기 합성가스 엔진이 압축착화 방식으로 점화되되 합성가스 1종의 연료만 연소되는 전소엔진 형태로 형성되도록 한다. 이렇게 함으로써 연소를 위해 디젤과 같은 고급연료를 낭비할 필요가 없어진다. 다음으로 안정적인 연소를 위한 고온환경을 조성하기 위한 열을 상기 발전시스템(100)의 가스화 공정에서 얻는다. 즉 고온환경 조성을 위한 별도의 엔진 가열장치를 구비하는 대신, 상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스 또는 공기 중 선택되는 적어도 하나가, 가스화 공정에서 발생되는 폐열에 의해 가열된 후 상기 합성가스 엔진에 공급되도록 형성되게 하는 것이다.
보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 가스화부(20)에서는 석탄, 폐기물, 바이오매스 등과 같이 탄화수소를 포함하는 원료를 가스화하기 위해 다양한 공정이 이루어진다. 가스화 공정에 포함되는 여러 공정 중 건조 공정은 100℃ 정도, 열분해 공정은 350℃ 내지 550℃ 정도, 연소 공정은 500℃ 정도의 온도환경에서 이루어지며, 따라서 상기 가스화부(20)에서는 공정 중 상당한 폐열이 발생한다. 본 발명에서는, 상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스 또는 공기 중 선택되는 적어도 하나가, 상기 가스화부(20)에서 발생되는 폐열을 흡수하여 가열되도록 한다.
앞서 설명한 바와 같이 종래에는 도 2와 같이 상기 가스화부(20) 및 상기 정제부(30)를 순차적으로 거쳐 생산된 합성가스와, 외부로부터 끌어온 공기가 상기 발전부(50)의 합성가스 엔진으로 바로 공급되었다. 상기 가스화부(20)에서 배출된, 이물질, 유해가스를 아직 포함하고 있는 합성가스는 아직 다량의 열을 포함하고 있으나, 상기 정제부(30)를 지나면서 상당량의 열을 잃어버리게 되어, 이대로 합성가스 엔진으로 공급될 경우 합성가스가 가지고 있는 열량으로는 전혀 고온환경을 조성할 수 없다. 또한 외부에서 끌어온 공기 역시 실온 정도의 온도를 가지고 있기 때문에 역시 전혀 고온환경 조성에 도움이 될 수 없다. 그러나 본 발명에서는, 상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스 또는 공기 중 선택되는 적어도 하나가 상기 가스화부(20)에서 발생되는 폐열을 흡수하여 가열되도록 함으로써, 상기 합성가스 엔진 내에 연소가 잘 일어날 수 있을 정도로 충분히 고온인 온도환경을 원활하게 조성할 수 있다.
구체적인 예시로서, 도 3은 도 1의 발전시스템에 포함되는 본 발명의 합성가스 엔진의 제1실시예이며, 도 4는 도 1의 발전시스템에 포함되는 본 발명의 합성가스 엔진의 제2실시예이다. 도 3의 실시예에서는, 상기 합성가스 엔진으로 합성가스를 공급하는 유로가 상기 가스화부(20)를 적어도 1회 감싸도록 형성되어, 상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스가 상기 가스화부(20)에서 발생되는 폐열을 흡수하도록 형성된다. 도 4의 실시예에서는, 상기 합성가스 엔진으로 공기를 공급하는 유로가 상기 가스화부(20)를 적어도 1회 감싸도록 형성되어, 상기 합성가스 엔진으로 공급되는 공기가 상기 가스화부(20)에서 발생되는 폐열을 흡수하도록 형성된다. 도면으로 도시되지는 않았으나, 도 3 및 도 4와 마찬가지의 원리로, 상기 합성가스 엔진으로 합성가스를 공급하는 유로 및 공기를 공급하는 유로 둘 다가 상기 가스화부(20)를 적어도 1회 감싸도록 형성되도록 함으로써, 합성가스 및 공기 둘 다 가열된 상태로 상기 합성가스 엔진에 공급되게 형성할 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 가스화부(20)에서는 어차피 가스화 공정을 위하여 많은 열에너지를 소비해야만 한다. 이 과정에서 당연히 상당한 폐열이 발생하며, 종래에는 이 폐열이 어디에도 사용되지 않고 그대로 버려질 뿐이었다. 그러나 본 발명에서는 바로 이 폐열을 이용하여 상기 합성가스 엔진에 공급되는 합성가스 또는 공기를 가열해 준다. 즉 합성가스 또는 공기를 가열해 주는 과정에서 별도로 더 소비되는 에너지는 없는 바, 전체 시스템 효율에는 악영향이 없다. 한편 이처럼 상기 합성가스 엔진에 공급되는 합성가스 또는 공기가 미리 가열됨에 따라, 상기 합성가스 엔진 내에 상당한 고온환경이 원활하게 조성될 수 있으며, 이러한 고온환경은 합성가스가 발열량이 극히 낮은 저열량가스임에도 불구하고 원활하고 안정적으로 점화 및 연소될 수 있게 해 준다. 즉 본 발명에 의하면, 전체 시스템 효율을 떨어뜨리지 않으며, 합성가스 엔진의 안정적인 구동을 위해 고급연료(혼소엔진 적용 시)나 별도의 히터 구동 에너지(전소엔진 적용 시)를 소비하지 않으면서도, 합성가스 엔진에 충분히 고온환경을 조성하여 안정적이고 지속적인 구동이 이루어질 수 있게 해 주는 것이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 발전시스템 150 : 서브시스템
10 : 전처리부 20 : 가스화부
30 : 정제부 40 : FT반응부
50 : 발전부

Claims (8)

  1. 연료 및 공기를 공급받아 내부에서 연료가 연소됨으로써 구동되는 내연기관 형태로 형성되며, 가스화 공정에서 생산되는 합성가스를 연료로 하는 합성가스 엔진에 있어서,
    상기 합성가스 엔진은 압축착화 방식으로 점화되되 합성가스 1종의 연료만 연소되는 전소엔진이며,
    상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스 또는 공기 중 선택되는 적어도 하나가, 가스화 공정에서 발생되는 폐열에 의해 가열된 후 상기 합성가스 엔진에 공급되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 합성가스 엔진.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 합성가스 엔진은,
    가스화 공정에 사용되며 탄화수소를 포함하는 원료를 가스화하는 가스화부에서 폐열이 발생되되,
    상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스 또는 공기 중 선택되는 적어도 하나가, 상기 가스화부에서 발생되는 폐열을 흡수하여 가열되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 합성가스 엔진.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 합성가스 엔진은,
    상기 합성가스 엔진으로 합성가스를 공급하는 유로가 상기 가스화부를 적어도 1회 감싸도록 형성되어,
    상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스가 상기 가스화부에서 발생되는 폐열을 흡수하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 합성가스 엔진.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 합성가스 엔진은,
    상기 합성가스 엔진으로 공기를 공급하는 유로가 상기 가스화부를 적어도 1회 감싸도록 형성되어,
    상기 합성가스 엔진으로 공급되는 공기가 상기 가스화부에서 발생되는 폐열을 흡수하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 합성가스 엔진.
  5. 탄화수소를 포함하는 원료를 전처리하는 전처리부;
    상기 전처리부에서 전처리된 원료를 가스화하는 가스화부;
    상기 가스화부에서 발생된 가스를 정제하여 합성가스를 생산하는 정제부;
    상기 정제부에서 생산된 합성가스의 일부를 공급받아 FT반응을 통해 가솔린, 디젤을 포함하는 산업연료를 생산하는 FT반응부;
    상기 정제부에서 생산된 합성가스의 나머지 일부를 공급받아 합성가스 엔진을 사용하여 발전기를 구동시킴으로써 전기를 생산하는 발전부;
    를 포함하되,
    상기 합성가스 엔진은 압축착화 방식으로 점화되되 합성가스 1종의 연료만 연소되는 전소엔진이되,
    상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스 또는 공기 중 선택되는 적어도 하나가 상기 가스화부에서 발생되는 폐열에 의해 가열된 후 상기 합성가스 엔진에 공급되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 발전시스템은,
    상기 합성가스 엔진으로 합성가스를 공급하는 유로가 상기 가스화부를 적어도 1회 감싸도록 형성되어,
    상기 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스가 상기 가스화부에서 발생되는 폐열을 흡수하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 발전시스템은,
    상기 합성가스 엔진으로 공기를 공급하는 유로가 상기 가스화부를 적어도 1회 감싸도록 형성되어,
    상기 합성가스 엔진으로 공급되는 공기가 상기 가스화부에서 발생되는 폐열을 흡수하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 발전부는,
    상기 FT반응부에서 반응되지 않고 남은 오프가스를 더 공급받아 상기 합성가스 엔진에 부가 공급하거나, 또는 별도의 엔진을 사용하여 별도의 발전기를 더 구동시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발전시스템.
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