(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 2012 년 07 월 20 일 (11) 등록번호 10-1167633 (24) 등록일자 2012년07월16일 (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) C10J 3/00 (2006.01) C10B 53/00 (2006.01) B09B 3/00 (2006.01) (21) 출원번호 10-2011-0138965 (22) 출원일자 2011 년 12 월 21 일 심사청구일자 (56) 선행기술조사문헌 2011 년 12 월 21 일 논문 1;PROCEEDINGS OF THE ASME 2011 INTERNATIONAL MECHANICAL ENGINEERING CONGRESS AND EXPOSITION (2011,11) (73) 특허권자 한국생산기술연구원 충청남도천안시서북구입장면양대기로길 89 (72) 발명자 이은도 대전광역시유성구도룡동로얄밸리 604 호 양원 경기도고양시덕양구화정 1 동은빛마을 11 단지아파트 1104 동 305 호 ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 전체청구항수 : 총 6 항심사관 : 오정아 (54) 발명의명칭하이브리드가스화시스템 (57) 요약 본발명은미분연료를주로활용하는분류층가스화기와상대적으로다양한성상을가지는연료의가스화에활용되는유동층가스화기의장점을동시에가지는하이브리드형가스화시스템을제공한다. 이를위한본발명은고온으로운전되는제 1 반응챔버의외부에 700~900 사이에서운전되는제 2 반응챔버가둘러싸인구조를도입함에따라단열효과, 부가적인열교환이가능함과동시에열손실을최소화하는하이브리드가스화시스템을제공한다. 또한, 본발명은제 1 반응챔버에서생성된합성가스내미반응물및타르가제 2 반응챔버에서반응하여전체가스화효율을높이는시스템을제공하는것이다. 대표도 - 도 1 손민 - 1 -
(72) 발명자 박동호 경기도안성시공도읍양기리송정아파트 101 동 104 호 이정우 대전광역시유성구신성로 58 번길 28, 파크빌라 302 호 ( 신성동 ) 김영두 서울시성북구장위 3 동 SH 공사아파트 102 동 602 호 문지홍 광주광역시남구회서로 22 번가길 13, B 동 507 호 ( 주월동, 종원아파트 ) 김광수 충청남도천안시서북구입장면양대기로길 89, 연구동 445 호 ( 한국생산기술연구원 ) 양창원 인천광역시부평구일신동풍림아파트 109 동 203 호 김범종 경기도수원시권선구탑동로 48 번길 26-7, 탑하우스빌 102 동 401 호 ( 탑동 ) 이발명을지원한국가연구개발사업 과제고유번호 PEO11100 부처명 기획재정부 연구사업명 기관고유임부형 연구과제명 저탄소청정가스화시스템개발 (3/3) 주관기관 한국생산기술연구원 연구기간 2011.01.01 ~ 2011.12.31-2 -
특허청구의범위청구항 1 중공의가스화로 ; 상기가스화로의내부중앙에위치하는제 1 반응챔버 ; 상기가스화로내에상기제 1 반응챔버를둘러싸도록위치하는제 2 반응챔버 ; 상기제 2 반응챔버의하단부에위치하는제 1 분산판 ; 및상기제 1 반응챔버및상기제 2 반응챔버의하부에위치하는합성가스이송부 ; 를포함하고, 미분연료주입관을통하여상기제 1 반응챔버의내부로유입되는미분연료는상기제 1 반응챔버에서합성가스로전환되며, 상기제 1 반응챔버에서생성된상기합성가스는상기제 1 분산판을통해상기제 2 반응챔버로유입되는것을특징으로하는, 하이브리드가스화시스템. 청구항 2 삭제청구항 3 제 1 항에있어서, 상기하이브리드가스화시스템은, 상기가스화로내부의상기합성가스이송부의하부에위치하며, 제 2 분산판을구비하는유동층반응부 ; 를더포함하는것을특징으로하는, 하이브리드가스화시스템. 청구항 4 제 3 항에있어서, 상기유동층반응부는, 상기합성가스이송부에잔류하는미반응물을상기제 2 분산판을통해상기합성가스로전환되도록반응시키는것을특징으로하는, 하이브리드가스화시스템. 청구항 5 제 1 항에있어서, 상기하이브리드가스화시스템은, 상기가스화로의상부면과연통하는합성가스유출관 ; 및상기가스화로의측면및하면과연통하여고형폐기물이투입되는고형폐기물유입관 ; 을포함하고, 상기합성가스유출관은, 상기제 2 반응챔버내의합성가스가상기가스화로의외부로배출되는것을특징 - 3 -
으로하는, 하이브리드가스화시스템. 청구항 6 제 1 항, 제 3 항및제 4 항중어느한항에따른하이브리드가스화시스템에있어서, 상기하이브리드가스화시스템은, 상기제 2 반응챔버에연통하는순환유로부 ; 를더포함하고, 상기순환유로의일측은상기제 2 반응챔버의상부에형성된제 1 관통홀에삽입되며, 상기순환유로의타측은상기제 2 반응챔버의측부에형성된제 2 관통홀에삽입되는것을특징으로하는, 하이브리드가스화시스템. 청구항 7 제 6 항에있어서, 상기순환유로부는, 외부와연통하는유출관및상기순환유로부내로가스화제를공급하는공기노즐을더포함하고, 상기제 2 반응챔버내의합성가스는상기제 2 관통홀, 상기순환유로및상기제 1 관통홀의순서대로순환한후, 상기유출관을통해외부로배출되는것을특징으로하는, 하이브리드가스화시스템. 명세서 [0001] 기술분야본발명은하이브리드가스화시스템에관한것으로, 보다상세하게는미분연료를주로활용하는분류층가스화기와상대적으로다양한성상을가지는연료의가스화에활용되는유동층가스화기의장점을동시에가지는하이브리드형가스화시스템에관한것이다. [0002] [0003] 배경기술전통적인화학석유에너지 ( 석탄, 석유천연가스 ) 매장량의지속적인감소및화학석유에너지사용으로인한환경오염문제가인류의생존과발전에직접적인위협을초래함에따라, 재생가능하고환경친화적인에너지에대한관심및발전은각국정부의공동의관심이되고있다. 바이오매스 (biobass) 는식물이광합성작용을거쳐생성하는유기물질로, 분포가넓고사용량이크며화학석유에너지에비해깨끗하며, CO 2 배출량이제로인장점을구비하고있어, 중요한재생가능에너지로주목되 고있다. 열화학, 생물화학등방법을통하여바이오매스를합성가스또는액체연료로전환가능하며, 발전, 생산공업연료, 화학공업제품등에사용가능하여, 기존의에너지변환시스템에큰변화없이석유화 학에너지의상당량을대체할수있어세계각국에서우선적으로발전시키고있는신재생에너지원이다. [0004] [0005] [0006] 바이오매스를합성가스또는액체연료로전환하는방법은여러가지이며, 바이오매스가스화기술은기타기술과비교할경우활용가능한바이오매스의종류범위가넓고확장성이더욱크다. 바이오매스의가스화과정은열화학전환과정으로, 바이오매스원료와가스제 ( 공기, 산소, 수증기, 이산화탄소등 ) 가고온하에서화학반응을일으켜고체바이오매스원료로하여금탄소, 수소, 산소등원소로구성된탄화수소를주성분으로하는혼합가스로전환하는과정으로, 상기혼합가스는통상적으로합성가스로불리운다. 가스화과정중생성되는합성가스의조성은, 가스화시사용되는바이오매스원료의특성에일차적으로영향 - 4 -
을받으며, 가스화제종류및가스화기유형, 온도및압력과같은반응조건에따라달라지게된다. 일반적으로가스화공정개발방향은원하는합성가스조성을얻는것을기본으로하며, 가스화과정중의타르유함량을감소함과동시에, 시스템의가스화효율, 탄소전환율및합성가스중의 (CO 및 H 2 ) 의함량을최대화하려는데있다. [0007] [0008] [0009] [0010] [0011] [0012] 전술한바와같은사안을해결하기위하여크게분류층가스화기및유동층가스화기가제공된다. 일반적으로분류층가스화기는수십 ~ 백마이크론단위의미분연료를산화제에함께분사하여 1600도이상의고온연소영역을형성하고주위에과량의미분연료를투입하여가스화를수행하는것이일반적이며, 미분화가쉬운석탄의가스화에주로활용되고있으나바이오매스, 바이오매스촤및전처리된고함수바이오매스 ( 건조하수슬러지 ) 등을미분화하여활용할수있다. 또한, 구조가간단하므로높은압력에서운전가능한가압가스화시스템으로의적용이용이한특징을가진다. 유동층가스화기는수밀리에서수센티미터크기의연료사용이가능하며일반적으로모래를열매체및유동화물질로사용하므로발열량이낮고 ( 또한발열랑의변동이심하고 ) 다양한성상을가지는폐기물, 바이오매스, 저급석탄 ( 미분연료로활용이불가능한 ) 의가스화에활용된다. 유동층가스화기운전을위해서는유동화를위해일정압력, 일정유량, 일정온도이상의기체가요구되며주로분산판을통해유동층가스화제를공급하여가스화를수행한다. 가스화시스템에서생성되는합성가스는정제하여연료로사용하거나촉매전환공정을거쳐화학원료생산에활용하며이과정에서합성가스내발생되는타르및미연분, 분진에대한처리가필수적이다. 그러나, 정제과정에서합성가스는냉각되게되고이때손실되는현열은폐열회수를통해이용하게되지만폐열회수효율은높지않은문제점이존재한다. 발명의내용 [0013] [0014] [0015] [0016] 해결하려는과제상기와같은문제점을해결하기위한본발명의목적은분류층가스화기와유동층가스화기의장점을취한하이브리드형태로분류층가스화를통해생산된고온의합성가스를분산판을통해유동층가스화기에공급하여유동층반응부의가스화제로이용하는하이브리드가스화시스템을제공하는것이다. 또한, 본발명은고온으로운전되는제 1 반응챔버의외부에 700~900 사이에서운전되는제 2 반응챔버가둘러싸인구조를도입함에따라열손실을최소화하는하이브리드가스화시스템을제공하는것이다. 또한, 본발명은제 1 반응챔버에서생성된합성가스내미반응물및타르가제 2 반응챔버에서반응하여전체가스화효율을높이는시스템을제공하는것이다. 아울러, 본발명은분류층가스화기하단에적당한규모의유동층반응부를두어제 1 반응챔버에서발생되는미반응물을추가적으로반응시켜탄소전환율을높이는하이브리드가스화시스템을제공하는것이다. [0017] [0018] [0019] 과제의해결수단상기와같은문제점을해결하기위한본발명에따른하이브리드가스화시스템은중공의가스화로 ; 상기가스화로의내부중앙에위치하는제 1 반응챔버 ; 상기가스화로내에상기제 1 반응챔버를둘러싸도록위치하는제 2 반응챔버 ; 및상기제 1 반응챔버및상기제 2 반응챔버의하부에위치하는합성가스이송부 ; 를포함하고, 미분연료주입관을통하여상기제 1 반응챔버의내부로유입되는미분연료는상기제 1 반응챔버에서합성가스로전환되는것을특징으로한다. 바람직하게는, 상기하이브리드가스화시스템은, 상기제 2 반응챔버의하단부에위치하는제 1 분산판을더포함하고, 상기제 1 반응챔버에서생성된상기합성가스는상기제 1 분산판을통해상기제 2 반응챔버로유입되는것을특징으로한다. 바람직하게는, 상기하이브리드가스화시스템은, 상기가스화로내부의상기합성가스이송부의하부에위치 - 5 -
하며, 제 2 분산판을구비하는유동층반응부 ; 를더포함하는것을특징으로한다. [0020] [0021] [0022] [0023] 바람직하게는, 상기유동층반응부는, 상기합성가스이송부에잔류하는미반응물을상기제 2 분산판을통해상기합성가스로전환되도록반응시키는것을특징으로한다. 바람직하게는, 상기하이브리드가스화시스템은, 상기가스화로의상부면과연통하는합성가스유출관 ; 및상기가스화로의측면및하면과연통하여고형폐기물이투입되는고형폐기물유입관 ; 을포함하고, 상기합성가스유출관은, 상기제 2 반응챔버내의합성가스가상기가스화로의외부로배출되는것을특징으로한다. 전술한바에따른하이브리드가스화시스템에있어서, 상기하이브리드가스화시스템은, 상기제 2 반응챔버에연통하는순환유로부 ; 를더포함하고, 상기순환유로의일측은상기제 2 반응챔버의상부에형성된제 1 관통홀에삽입되며, 상기순환유로의타측은상기제 2 반응챔버의측부에형성된제 2 관통홀에삽입되는것을특징으로한다. 바람직하게는, 상기순환유로부는, 외부와연통하는유출관및상기순환유로부내로공기를공급하는공기노즐을더포함하고, 상기제 2 반응챔버내의합성가스는상기제 2 관통홀, 상기순환유로및상기제 1 관통홀의순서대로순환한후, 상기유출관을통해외부로배출되는것을특징으로한다. [0024] [0025] [0026] [0027] [0028] [0029] 발명의효과상기한바와같은본발명은분류층가스화기와유동층가스화기의장점을취한하이브리드형태로가스화로내에서생산된고온의합성가스를유동층반응부로하여분산판을통해유동층가스화기에공급함에따라분류층에서생산된고온합성가스의현열을유동층가스화기에서활용함으로써열효율이증대되는효과가발생한다. 또한, 본발명은고온으로운전되는제 1 반응챔버의외부에 700~900 사이에서운전되는제 2 반응챔버가둘러싸인구조를도입함에따라단열효과, 부가적인열교환이가능함과동시에열손실을최소화하는하이브리드가스화시스템을제공하는것이다. 또한, 본발명은분류층가스화기하단에적당한규모의유동층반응부를두어제 1 반응챔버에서발생되는미반응물을추가적으로반응시켜탄소전환율을높이는하이브리드가스화시스템을제공하는것이다. 또한, 본발명은분류층가스화기에서생성된합성가스가유동층가스화기를통과하며추가적인가스화반응이발생되며타르및분진등의정제하는효과가있다. 아울러, 본발명은유동화물질을모래대신돌로마이트 (Dolomite) 또는올리빈 (Olivine) 등타르분해에효과적인물질을쓸경우추가적인정제효과가있다. 나아가, 본발명은석탄과폐기물, 바이오매스를혼합가스화하는것은공급량에편차가심한폐기물과바이오매스원료특성을보완하는효과도있다. [0030] 도면의간단한설명 도 1 은본발명의제 1 실시예에따른하이브리드가스화시스템을나타낸일방향에서의단면도, 도 2는도 1의고형연소로내부로투입되는폐기물과미분연료및합성가스의기포유동층을나타낸흐름도, 도 2는도 1의모식도, 도 4는본발명의제 2 실시예에따른하이브리드가스화시스템을나타낸일방향에서의단면도, 및도 5는도 4의도 1의고형연소로내부로투입되는폐기물과미분연료및합성가스의순환유동층을나타낸흐름도이다. [0031] 발명을실시하기위한구체적인내용 본발명의하이브리드가스화시스템을이루는구성요소들은필요에따라일체형으로사용되거나각각분리되 - 6 -
어사용될수있다. 또한, 사용형태에따라일부구성요소를생략하여사용가능하다. [0032] 본발명에따른하이브리드가스화시스템 (100) 의바람직한실시예를도 1 내지도 5를참조하여설명한다. 이과정에서도면에도시된선들의두께나구성요소의크기등은설명의명료성과편의상과장되게도시되어있을수있다. 또한, 후술되는용어들은본발명에서의기능을고려하여정의된용어들로서이는사용자, 운용자의의도또는관례에따라달라질수있다. 그러므로이러한용어들에대한정의는본명세서전반에걸친내용을토대로기술되어야할것이다. [0033] [0034] [0035] 이하, 도 1 내지도 3을참조하여본발명의제 1 실시예에따른하이브리드가스화시스템 (100) 을설명하면다음과같다. 본발명의제 1 실시예에따른하이브리드가스화시스템 (100) 은중공의가스화로 (110), 가스화로 (110) 의내부중앙에위치하는제 1 반응챔버 (120), 가스화로 (110) 내에제 1 반응챔버 (120) 를둘러싸도록위치하는제 2 반응챔버 (130), 제 1 반응챔버 (120) 및제 2 반응챔버 (130) 의하부에위치하는합성가스이송부 (140), 가스화로 (110) 의하부에위치하는분산판 (150), 제 2 반응챔버 (130) 와연통하는연통부 (160) 및가스화로 (110) 내부의합성가스이송부 (140) 의하부에위치하는유동층반응부 (170) 를포함한다. 가스화로 (110) 는내부가빈중공의형태로서, 이와같은가스화로 (110) 의내부에는고압의합성가스가유동하므로압력을견딜수있도록제작되는것이바람직하다. 또한, 가스화로 (110) 는외부와연통할수있는구조로되어있으며, 이에대한구체적인내용은후술하도록한다. [0036] 제 1 반응챔버 (120) 는가스화로 (110) 의내부중앙에위치하며, 그상부에는후술되는미분연료주입관 (163) 이위치하여상호연통한다. 이러한제 1 반응챔버 (120) 의내부에는미분연료주입관 (163) 을통하여상기제 1 반응챔버 (120) 의내부로유입되는미분연료가제 1 반응챔버 (120) 에서합성가스로전환되도록한다. [0037] [0038] [0039] 제 2 반응챔버 (130) 는가스화로 (110) 내에제 1 반응챔버 (120) 를둘러싸도록위치하며, 이러한제 2 반응챔버 (130) 는제 2 반응챔버 (130) 의상부일측에위치하는제 1 관통홀 (131) 및제 2 반응챔버 (130) 의측면상부에위치하는제 2 관통홀 (132) 을포함한다. 제 1 관통홀 (131) 은도 1에도시된바와같이제 2 반응챔버 (130) 에서생성된합성가스를외부로배출하는역할을수행한다. 제 2 관통홀 (132) 은도 1에도시된바와같이고형폐기물을제 2 반응챔버 (130) 로공급하는통로의역할을한다. [0040] [0041] 합성가스이송부 (140) 는제 1 반응챔버 (120) 및제 2 반응챔버 (130) 의하부에위치한다. 이러한합성가스이송부 (140) 는제 1 반응챔버 (120) 및제 2 반응챔버 (130) 와연통하도록구성됨에따라제 1 반응챔버 (120) 에서생성된합성가스가유입될수있다. 또한, 합성가스이송부 (140) 는유입된합성가스를제 2 반응챔버 (130) 로이송하는역할을수행한다. [0042] [0043] [0044] [0045] 분산판 (150) 은제 2 반응챔버 (130) 의하단부에위치하는제 1 분산판 (151) 및유동층반응부 (170) 에하부에위치하는제 2 분산판 (152) 을포함한다. 제 1 분산판 (151) 은제 1 반응챔버 (120) 에서생성되어합성가스이송부 (140) 를유동하는합성가스가제 1 분산판 (130) 에분무화된상태로유입되게한다. 한편, 제 1 분산판 (151) 은반응하지않은미분연료가제 2 반응챔버 (130) 의내부로유입되는것을막아다시반응할수있도록유도하는역할을수행한다. 제 2 분산판 (152) 은유동층반응부 (170) 의중앙부에위치하며, 이러한제 2 분산판 (152) 은제 1 분산판 (151) 과동일한역할을수행한다. - 7 -
[0046] 다시말해, 합성가스이송부 (140) 에서낙하한미반응연료를에어로졸상태로미분화하여합성가스이송부 (140) 로재공급한다. [0047] [0048] [0049] [0050] 연통부 (160) 는제 2 반응챔버 (130) 와연통하며, 이러한연통부 (160) 는가스화로 (110) 의상부면과연통하는합성가스유출관 (161), 가스화로 (110) 의측면및하면과연통하여고형폐기물이투입되는고형폐기물유입관 (162) 및가스화로 (110) 의상부중앙에위치하는미분연료주입관 (163) 을포함한다. 합성가스유출관 (161) 은가스화로 (110) 의상부면과연통한다. 보다상세하게합성가스유출관 (161) 은제 2 반응챔버 (130) 내의합성가스가가스화로 (110) 의외부로배출되는토출구기능을한다. 고형폐기물유입관 (162) 은가스화로 (110) 의측면및하면과연통하여고형폐기물이투입되며, 이러한고형폐기물유입관 (162) 은고형폐기물을가스화로 (110) 내부의제 2 반응챔버 (130) 및유동층반응부 (170) 로투입한다. 미분연료주입관 (163) 은가스화로 (110) 의상부중앙에위치하며, 이러한미분연료주입관 (163) 은외부로부터공급되는미분연료가제 1 반응챔버 (120) 내로유입될수있는통로이다. [0051] 유동층반응부 (170) 는가스화로 (110) 내부의합성가스이송부 (140) 의하부에위치한다. 이러한유동층반응부 (170) 는합성가스이송부 (140) 에잔류하는미반응물을제 2 분산판 (152) 을통해상기합성가스로전환되도록 반응시키는역할을수행한다. [0052] 전술한본발명의제 1 실시예에서는기포유동층형태로구성함에따라기포유동층의경우는중소형규모에 유리한측면이있다. [0053] [0054] [0055] [0056] [0057] [0058] [0059] 이하, 도 3을참조하여본발명의제 2 실시예에따른하이브리드가스화시스템 (100') 을설명하되, 전술한제 1 실시예와동일한구성요소에대한설명은생략하고추가적인구성요소에대하여구체적으로설명하도록한다. 본발명의제 2 실시예에따른하이브리드가스화시스템 (100') 은가스화로 (110), 제 1 반응챔버 (120), 제 2 반응챔버 (130), 합성가스이송부 (140), 분산판 (150), 유동층반응부 (170) 및제 2 반응챔버 (130) 에연통하는순환유로부 (180) 를포함한다. 또한, 본발명의제 2 실시예에따른하이브리드가스화시스템 (100') 은전술한고형폐기물유입관 (162) 을더포함할수있다. 순환유로부 (180) 는제 1 관통홀 (131) 및제 2 관통홀 (132) 와연통하는순환유로 (181), 순환유로 (181) 의상부와연통하는유출관 (182) 및순환유로 (181) 의하부와연통하는공기노즐 (183) 을포함한다. 순환유로 (181) 의일측은제 2 반응챔버 (130) 의상부에형성된제 1 관통홀 (131) 에삽입되며, 순환유로 (181) 의타측은제 2 반응챔버 (130) 의측부에형성된제 2 관통홀 (132) 에삽입된다. 유출관 (182) 은순환유로 (181) 의상부와연통하며, 이러한유출관 (182) 은전술한합성가스유출관 (161) 과같이제 1 반응챔버 (120) 내의합성가스가가스화로 (110) 의외부로배출되도록돕는다. 공기노즐 (183) 은순환유로 (181) 의하부와연통함으로써외부와연통하는유출관 (182) 및순환유로 (181) 내로가스화제를공급하는역할을수행하며, 이를통해고체순환량을조절하는역할을한다. [0060] 전술한바와같은본발명의제 2 실시예에서제 2 반응챔버 (130) 내의합성가스는제 2 관통홀 (132), 순환 유로 (181) 및제 1 관통홀 (131) 의순서대로순환한후, 유출관 (182) 을통해외부로배출된다. [0061] 한편, 전술한바와같이본발명은기포유동층형태로구성된제 1 실시예및순환 ( 고속 ) 유동층형태로구 - 8 -
성된제 2 실시예의각각의발명으로목적에따라취사선택하여사용할수있음에유의한다. [0062] 전술한제 2 실시예에따른본발명에서는순환 ( 고속 ) 유동층형태로구성할수있으며, 이경우에는중대형 규모에유리한측면이있다. [0063] 상기에서는본발명의바람직한실시예를참조하여설명하였지만, 당업계에서통상의지식을가진자라면이 하의특허청구범위에기재된본발명의사상및영역을벗어나지않는범위내에서본발명을다양하게수정 및변경시킬수있음을이해할수있을것이다. [0064] 부호의설명 100 : 하이브리드가스화시스템 110 : 가스화로 120 : 제 1 반응챔버 130 : 제 2 반응챔버 131 : 제 1 관통홀 132 : 제 2 관통홀 140 : 합성가스이송부 150 : 분산판 151 : 제 1 분산판 152 : 제 2 분산판 160 : 연통부 161 : 합성가스유출관 162 : 고형폐기물유입관 163 : 미분연료주입관 170 : 유동층반응부 180 : 순환유로부 181 : 순환유로 182 : 유출관 183 : 공기노즐 - 9 -
도면 도면 1 도면 2-10 -
도면 3 도면 4-11 -
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