KR20240092641A - 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템 - Google Patents

가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 바이오매스를 포함하는 유기성 폐연료를 건조하는 건조저장사이로를 포함하는 연료건조투입부와; 상기 연료건조투입부에서 투입되는 연료를 열분해 가스화하여 합성가스를 생산하는 열분해가스부와; 상기 열분해가스부에서 이송되는 가스에 함유된 탄소 또는 타르를 포함하는 불순물을 제거 가능하게 상기 열분해가스부의 하류에 마련된 스팀플라즈마개질로와; 상기 스팀플라즈마개질로에서 배출되는 분진 또는 산성가스를 포함하는 불순물을 제거하는 집진수단 또는 이송되는 가스를 냉각하고 혼합하는 냉각수단 및 혼합수단을 포함하는 가스정제부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에, 종래 20bar 이상으로 합성가스를 개질하는 시스템을 상압(±100mmAq)에서 합성가스를 개질하여 고함량의 수소를 함유한 고순도 합성가스를 생산할 수 있으며, 초기 설치비를 낮추고, 에너지 사용량을 줄여 운전비용을 절감할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템을 제공할 수 있다.

Description

가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템 {Hydrogen Production and High Quality Gas Production System using combustible renewable fuels Pyrolysis Gasification and Steam-plasma Gasification Reform}
본 발명은, 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템에 관한 것으로, 특히, 유기성 폐연료(생활, 산업, 폐합성수지 등을 포함하는 모든 가연성물질로 활용할 수 있는 고체 및/또는 액체 연료)를 열분해하고 열분해 등에 의하여 생성(잔류)하는 탄소를 스팀플라즈마를 활용하여 합성가스(CO)를 더 발생시키고 동시에 수소(H2) 생산율을 증대시키며 발생한 가스에 혼입된 타르 등 불순물을 제거한 후의 정제된 합성가스를 이용, 응용할 수 있도록 시스템을 개선한 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 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 에너지 자원화는 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. 이에, 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, 슬러지 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, 슬러지 등)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해하여 발생한 가스에 혼입된 타르 등 불순물을 제거한 후의 정제된 합성가스를 이용하여 수소를 생산하거나, 가스엔진 또는 가스터빈을 이용하여 전력을 생산할 수 있는 것이 바람직하다.
한편, 폐연료를 열분해 가스화하는 과정에서 발생하는 타르나 미세한 고정탄소를 열량이 높은 가스와 질소로 효율적으로 분해하는 것이 더욱 바람직할 것이다.
[참고문헌]
등록특허공보 제10-0899185호 (2009.05.26. 공고)
공개특허공보 제10-2010-0019316호 (2010.02.18. 공개)
공개특허공보 제10-2018-0034033호 (2018.04.04. 공개)
공개특허공보 제10-2020-0133536호 (2020.11.30. 공개)
본 발명의 목적은, 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지, 슬러지 등을 포함하는 재생연료)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해하여 발생한 가스에 혼입된 불순물을 제거하고 형성되는 고정탄소를 포함하는 불순물을 스팀플라즈마로 분해한 후의 정제된 합성가스를 이용할 수 있으며 장치를 컴팩트화 할 수 있고 수소 발생량을 증대시킬 수 있는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 수소를 생산할 수 있으며 가스엔진이나 터빈을 이용할 수 있는 정도의 안정된 품질을 갖는 정제된 합성가스를 생산할 수 있는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 타르 등 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 생산되고 정제된 합성가스를 사용하므로 가스의 열량(질)을 유지하면서 경제성을 증대시킬 수 있는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 종래 20bar 이상으로 합성가스를 개질하는 시스템을 상압(±100mmAq)에서 합성가스를 개질하여 고함량의 수소를 함유한 고순도 합성가스를 생산할 수 있으며, 초기 설치비를 낮추고, 에너지 사용량을 줄여 운전비용을 절감할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 바이오매스를 포함하는 유기성 폐연료를 건조하는 건조저장사이로를 포함하는 연료건조투입부와; 상기 연료건조투입부에서 투입되는 연료를 열분해 가스화하여 합성가스를 생산하는 열분해가스부와; 상기 열분해가스부에서 이송되는 가스에 함유된 탄소 또는 타르를 포함하는 불순물을 제거 가능하게 상기 열분해가스부의 하류에 마련된 스팀플라즈마개질로와; 상기 스팀플라즈마개질로에서 배출되는 분진 또는 산성가스를 포함하는 불순물을 제거하는 집진수단 또는 이송되는 가스를 냉각하고 혼합하는 냉각수단 및 혼합수단을 포함하는 가스정제부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 생산 시스템에 의하여 달성된다.
또한, 상기 열분해가스부에는 연료를 순차적으로 이송 가능하게 횡형으로 구비된 횡형영역과 상기 횡형영역의 하단부에 모여지는 카본을 고온에서 열분해하는 스팀플라즈마용융로가 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스팀플라즈마개질로에서는 카본을 가스화하기 위하여 스팀과 플라즈마가 작용하여 고온에서 카본이 해리 상태의 수분(2H2 + O2)에 의하여 수성가스(주성분 H2 + CO)로 변화되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스팀은 200 ~ 500℃ 범위를 포함하고, 상기 플라즈마에서 공급되는 아크 에너지에 의한 온도는 3000 ~ 5000℃ 범위를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가스정제부를 구성하는 백필터 후단에 고온의 가스(200∼250℃)에 포함된 CO를 저온촉매를 이용하여 상압저온에서 수성가스반응으로 CO2로 변환하고 수소(H2)를 생성하여 수소의 함량을 극대화하는 WGS 반응기(Water Gas Shift Reaction);를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가스정제부 후단에 PSA(Pressure Swing Absorption) 과정을 포함하여 수소를 분리하여 99.99%의 수소를 생산하고 잉여 가스는 발전을 하는 것이 바람직하다.
이에, 본 발명에 따르면, 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지, 슬러지 등을 포함하는 재생연료)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해하여 발생한 가스에 혼입된 불순물을 제거하고 중간에 생성되는 고정탄소를 스팀플라즈마로 분해한 후의 정제된 합성가스를 이용할 수 있으며 장치를 컴팩트화 할 수 있고 수소 발생량을 증대시킬 수 있는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 수소를 생산할 수 있으며 가스엔진이나 터빈을 이용할 수 있는 정도의 안정된 품질을 갖는 정제된 합성가스를 생산할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 타르 등 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 생산되고 정제된 합성가스를 사용하므로 가스의 열량(질)을 유지하면서 경제성을 증대시킬 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 종래 20bar 이상으로 합성가스를 개질하는 시스템을 상압(±500mmAq)에서 합성가스를 개질하여 고함량의 수소를 함유한 고순도 합성가스를 생산할 수 있으며, 초기 설치비를 낮추고, 에너지 사용량을 줄여 운전비용을 절감할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 (가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한) 수소 (생산) 또는 (고품질) 가스 생산 시스템의 구성도,
도 2a 내지 도 2b는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용하고 스팀플라즈마를 적용한 수소 또는 가스 생산 시스템의 작동 과정을 도시한 흐름도,
도 3a는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용하고 열분해 및 스팀플라즈마를 적용한 수소 또는 가스 생산 시스템의 제어, 작동하는 과정을 설명하기 위한 공정 설명도,
3b는 도 3a를 부분적으로 간략화하고 온도 등을 도시한 공정 설명도,
도 4는 스팀플라즈마개질부에서의 반응 과정을 설명하기 위한 개념도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 또는 가스 생산 시스템의 구성도이다.
본 발명의 일실시예에 따라 바이오매스를 포함하는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템(100, 이하에서 '가스 생산 시스템'이라 함) 및 그 제어 방법에 대하여 이하에서 도 1 내지 도 5를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 (가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한) 수소 (생산) 또는 (고품질) 가스 생산 시스템의 구성도이고, 도 2a 내지 도 2b는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용하고 스팀플라즈마를 적용한 수소 또는 가스 생산 시스템의 작동 과정을 도시한 흐름도이며, 도 3a는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용하고 열분해 및 스팀플라즈마를 적용한 수소 또는 가스 생산 시스템의 제어, 작동하는 과정을 설명하기 위한 공정 설명도이고, 도 3b는 도 3a를 부분적으로 간략화하고 온도 등을 도시한 공정 설명도이며, 도 4는 스팀플라즈마개질부에서의 반응 과정을 설명하기 위한 개념도이며, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 또는 가스 생산 시스템의 구성도이다.
본 발명을 보다 상세하게 설명하기에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.
또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명에 따른 가스 생산 시스템(100)은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 건조하는 건조저장사이로(111)를 포함하는 연료건조투입부(110)와; 상기 연료건조투입부(110)에서 투입되는 연료를 열분해 가스화하여 합성가스를 생산하는 열분해가스부(120)와; 상기 열분해가스부(120)에서 이송되는 가스에 함유된 분진 또는 산성가스를 포함하는 불순물을 제거하는 집진수단 또는 이송되는 가스를 냉각하고 혼합하는 냉각수단 및 혼합수단을 포함하는 가스정제부(미도시)와; 상기 열분해가스부(120)에서 이송되는 가스에 함유된 타르를 포함하는 불순물을 제거 가능하게 상기 열분해가스부(120)의 하류에 마련된 스팀플라즈마개질로(127);를 포함하는 것이 바람직하다.
이하에서 본 발명은 스팀플라즈마개질로(127)가 핵심이지만 전체적인 이해를 돕기 위하여 폐연료를 이용하여 생성된 가스를 이용하여 발전, 수소를 생산하는 과정, 수소 생산 과정을 포함하여 설명을 하도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따라 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용하고 스팀플라즈마로 타르, 고정탄소를 포함하는 불순물을 개질하여 합성가스를 생산하여 합성가스로부터 수소를 생산하거나 가스 터빈 등의 발전을 할 수 있는 가스 생산 시스템(100)은, 크게 나누면, 도 1에 도시된 바와 같이, "가" 부분은 유기성 폐연료의 건조 투입하는 건조투입부(110) 영역이며, "나" 부분은 유기성 폐연료를 열분해 가스화하여 합성가스연료를 생산하고 개질하는 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(147) 및 냉각스크러버(148)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 내용이다. 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 가스 생산 시스템(100)을 본 발명자는 관련 분야의 다양한 경험, 연구 및 기존 특허 기술들을 활용하여 도출하게 되었다.
가스 생산 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.
본 발명에 사용되는 유기성 폐연료는 생활, 산업, 폐합성수지 등을 포함하는 모든 가연성물질로 활용할 수 있는 고체 및/또는 액체 연료를 포함한다.
먼저, "가" 공정에서 유기성 폐연료는 선별 파쇄 되어 투입되고 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(필요에 따라 그레이트가 생략된 이송램 설치 가능) 근처에서부터 열분해가 이루어지고 램(121a)에 의하여 순차적으로 횡형영역의 하측에서 비교적 비중이 있는 고온의 카본을 고압증기에 의해 한 번 더 합성가스(CO, Syngas)와 수소로 분해를 한다. 이러한 과정을 일 실시예로 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 열분해가스부(120)로 공급되며 일부는 열분해가스화 공기로 이용 가스화 되고 나머지는 열분해로 상부 건조공기용으로 재순환 공급된다.
그리고, 열분해가 이루어진 연료는 이송량을 조절하기 위해 이송램(121a)이 주기적으로 또는 단속적으로 움직이며, 이러한 이송램(121a)의 작동에 의하여 하부로 이송되거나 낙하된다.
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 램(121a)에 의해 다음 단계로 교반 이송된다.
이때 슬라이딩식 이송수단을 포함하는 램(121a)이 연료를 이송시키면 교반에 의해 폭발적으로 가스화가 이루어진다. 이러한 연료의 가스화를 조절하기 위해 램(121a)으로 연료의 이송 속도 및 이송량을 조절하고 용량에 따라 한 단에 한 개 이상의 다수의 램(121a)을 다단으로 설치할 수 있다. 또한 가스화단 역시 용량에 따라 한 단 이상 다단의 예를 들면 10여 개 이상의 다단으로 설치될 수 있다.
한편, 횡형영역 하단으로 모여지는 불연분은 고온의 스팀과 고압의 전력으로 생성된 플라즈마를 포함하는 플라즈마용융로(126a)에서 열분해되고, 불연분으로부터 분리된 합성가스, 수소 및 타르 또는 카본 등이 포함된 불순물은 열분해가스부(120)의 하류로 이동하여 스팀플라즈마개질로(127)를 거치면서 개질되어 가스정제부로 이동하게 된다.
즉, 본 발명에 따른 플라즈마용융로(126a)와 스팀플라즈마개질로(127)에는 각각 고온의 스팀과 고압의 전력에 의하여 생성된 플라즈마가 함께 공급되는 스팀플라즈마토치(미도시)를 사용하는 것이 바람직하다.
다른 한편, 대부분 열분해가스부(120)에서 연료로부터 열분해된 합성가스와 타르, 회분을 포함하는 불순물은 열분해가스부(120)의 하류로 이동하게 된다.
그리고, 열분해 되어 분진이나 미세하게 떠다니는 타르 성분, 회분 속에 카본 등의 불순물은 열분해가스부(120)의 하류에 가스정제부로 이송되기 전에 스팀플라즈마개질로(127)에서 가스와 질소로 개질이 되는 것이 본 발명의 특징이다.
타르 성분이나 회분에 존재하는 카본을 스팀플라즈마개질로(127)에서 가스와 질소로 분해되어 개질이 된다. 스팀플라즈마개질로(127)에서는 고온의 스팀과 플라즈마의 아크 에너지를 이용하여 수분이 해리된다.
회분 속의 카본 C(s)는 O2와 접촉하여야 고체가 가스(CO)로 변환되므로 산소(O2)나 공기(N2 + O2) 등의 가스화 매체 주입이 불가피하다.
만약 공기를 주입한다면, 공기 중 질소(N2)로 인해 발생가스 중에 질소가 대량 포함되어 있어 가스 생성량이 증가하나 상대적으로 가스 열량은 낮아져 가스 품질이 떨어진다는 문제점이 있다. 또한, 순산소(O2)를 주입할 경우에는 질소에 의한 가스 발생량은 증가하지 않지만 발생가스 중 수소 함량이 낮아 수소 생산 효율이 낮은 단점이 있다.
이에, 해리 상태의 수분(2H2 + O2)을 주입할 경우 가스 발생량도 적어지고 상대적으로 수소 함량은 많아져 수소를 생산하는데 최상의 방법임을 알 수 있다.
그러나, 수분 주입 방법을 기존 방식과 같이 건조한 코크스를 슬러리 상태로 만들기 위해 30wt% 이상 혼입 주입하게 되면 수분의 증발 잠열의 소모에 의해 상대적으로 가스의 열량이 낮아지므로 주입 코크스를 건조 상태(5% 이하 수분 포함)로 주입하는 방식이 수소 생산량을 높일 수 있는 바람직한 방법이다.
수분을 고온의 증기와 플라즈마를 통해 해리 상태로 주입하는 스팀플라즈마개질로(127)를 활용하면, 장치를 콤팩트화 할 수 있고 수소 함량을 최대화 시킬 수 있다.
수소의 생산을 극대화하기 위해 플라즈마 매개체 가스로 과열증기가 이용되나 스팀 온도가 너무 낮을 경우 냉각수에 의한 응결로 플라즈마 토치가 누전 등의 문제가 야기되므로 높은 온도의 과열증기가 공급되는 것이 바람직하다.
반면에, 너무 높은 과열증기일 경우에는 토치의 과열 및 냉각 등의 다른 문제가 발생 될 수 있으므로 통상적으로 200 ~ 500℃ 내외의 과열증기가 활용될 수 있으나 바람직하게는 200 ~ 300℃ 범위이고, 더욱 바람직하게는 230 ~ 270℃ 범위이다.
그리고 플라즈마 토치에 의하여 발생되는 온도는 2000 ~ 5000℃ 범위가 바람직하여, 플라즈마에 공급된 과열증기는 아크 에너지에 의하여 약 2500℃ 이상 초고온으로 가열, 해리되어 합성가스 (H2 + O2)로 분리되고 분리된 가스는 폐기물 연료의 탄소(C)와 혼합하여 수성가스(주성분 H2 + CO)로 변화된다.
앞에서 설명한 과정을 그림으로 도시한 것이 도 4이다.
이때 수소 성분은 종래 기술의 최대14.85V%(공기사용) 내지 32.19V%(순산소 사용 시)에서 본 발명에 따르면, 56.84V%(최대65V%)까지도 증가됨을 파일럿 실험을 통해 확인하였다.
여기서, 불연분을 열분해하기 위한 스팀플라즈마용융로(126a)에서 스팀의 공급 온도는 300∼500℃도 범위이고, 플라즈마에 의하여 형성되는 온도는 3,000∼5,000℃범위가 바람직하다.
그리고, 스팀플라즈마개질로(127)의 온도는 1,350℃ 이내(H2 최대 생산 효율)인 것이 바람직하다. 스팀플라즈마개질로(127)에서 스팀의 공급 온도는 300∼500℃도 범위이고, 플라즈마에 의하여 형성되는 온도는 3,000∼5,000℃범위가 바람직하다
즉, 이러한 온도 내지 분위기에서 플라즈마용융로(126a)에서 열분해 대상이 되는 불연물으로부터 열분해 후 발생되는 것은 합성가스(수소 포함 80V%이상), 타르 성분(1mg/Nm 3 이하), 슬래그 중의 탄소(0.01wt%) 등을 포함하고 잔류물은 용융슬래그로 배출된다.
그리고 스팀플라즈마개질로(127)에서 개질의 대상이 되는 것은 타르 성분, 회분 중의 탄소를 포함하며, 개질 결과 탄소, 타르가 가스화 내지 분해된다.
이러한 과정을 거치는 본 공정에서 압축연료가 투입되는 과정에서 외부 공기 유입을 차단하기 위해 연료를 압축하여 연료 중의 공기를 퍼지 하여 외부 공기의 유입을 차단한다. 그리고, 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 제어부(미도시)에서 각 램의 작동 시간과 속도를 조절하여 연료의 이송 속도를 조절 내지 제어할 수 있다.
발생된 열분해가스는 1000±100℃(폐연료의 발열량 또는 열분해가스화 방식에 따라 차이를 가짐) 정도의 온도를 가지며, 이러한 열분해가스가 최종적으로 스팀플라즈마개질로(127)에서 1300 ±℃ 까지 상승 개질되어 타르 및 비산 탄소가 분해되는 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 타르는 앞에서 설명한 스팀플라즈마개질로(127)에서 분해되어 냉각폐열보일러(143)에 부착되는 것을 예방할 수 있다.
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(147) 출구의 냉각된 가스(60℃ 내외)를 혼합챔버(141)로 혼합챔버순환블로워(171)를 이용하여 순환시켜 열분해가스와 혼합시켜 1300±50℃ 가스를 500±50℃로 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, 수관식을 적용할 수 있다. 이러한 쇼트 블라스트에 활용되는 가스는 도 2a에 도시된 ‘L115’를 따라 폐열보일러순환블로워(173)에 의해 순환될 수 있다. ‘L115’는 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)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.
이때 수소 생산을 극대화 시키기 위하여 백필터(145)를 통과한 냉각 전 고온(220±20℃)의 합성가스를 저온촉매장치인 WGS(Water Gas Shifter Reaction) 반응기(146)를 통하여 합성가스를 개질 수소함량을 극대화 시키는 것이 바람직하다)
여기서, WGS 반응기(146)는 합성가스 내의 일산화탄소(CO)와 수증기(H2O)를 반응시켜 이산화탄소(CO2) 및 수소(H2)를 생성시킨다. 즉, 이러한 장치를 통해 합성가스 내의 일산화탄소를 감소시키고 수소의 발생량을 증대시킬 수 있다. 본 발명에 따른 WGS 반응기(146)는 종래기술의 고압(20bar 이상) 고온(250℃±30℃)에서 이루어졌던 WGS 반응을 본 발명에서는 저압(상압±500mmAq), 고온(220℃±20℃ : 일정범위 온도로 유지하기 위하여 Intercooler를 삽입할 수도 있음)으로 작동시킬 수 있어 저압으로 이루어지는 공정에 추가를 할 수 있는 장점을 갖는다.
여기서, 본 발명에서는 하류의 냉각폐열보일러(143) 등으로 많은 량의 분진 유입되는 것을 예방할 수 있도록 집진기(142)가 적용되고, 집진기(142)를 통과한 미세한 분진을 제거하기 위하여 백필터(145)가 배치되며, 물의 분사는 폐기물 중 산성가스 등 유해가스 제거용으로 사용하며 바이오매스 연료의 경우에는 필요치 않을 수도 있으나 최종 냉각 및 유해가스 제거용으로 사용되는 냉각스크러버(148)가 각각 활용되는 것이 바람직하다.
아울러 필요에 따라 백필터(145)와 냉각스크러버(148) 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, 8bar)된 가스는 압축가스저장탱크(163)에 저장된다. 이렇게 저장된 고압으로 압축되어 정제된 합성가스는 PSA를 거쳐 99.99%의 수소를 분리 추출하여 생산할 수도 있으며 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(142)는 퍼지용 유체, 백필터(145)는 펄스용 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 불활성가스의 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 가스 품질을 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 가스 생산 시스템(100)이 정지되는 경우 공정 라인의 퍼지(purge)용으로도 활용할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 제어부는 통상의 제어부와 마찬가지로 본 가스 생산 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 제어부는 중앙제어반뿐만 아니라 각 구성에 인접된 로컬제어반도 포함할 수 있다.
아울러 도3b에 도시된 바와 같이 압축기 후단에 냉각기와 수소 분리 공정인 PSA (Pressure Swing Absorption) 과정을 포함하여 수소를 생산할 수 있음은 물론이다. PSA 과정은 압력이 높은 상태에서 수소를 흡착시켜 분리한다.
이러한 구성을 갖는 가스 생산 시스템(100)의 작동 내지 제어 과정을 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 연료를 압축투입장치(115)로 압축하고 이 과정에서 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.
그리고 램(121a, 필요에 따라 이송램이라 하기도 함)에 의하여 스팀플라즈마개질로(127)로 이송된 타르 성분, 회분 중에서 탄소는, 도 4에 도시된 바와 같이, 해리된 수분인 H2 와 O2 중 O2와 반응하여 수성가스(H2 와 CO)로 변화된다. 이에 합성가스에서 H2의 발생 비율이 증대시킬 수 있다.
무거운 불연분 물질은 하측의 플라즈마용융로(126a)에서 고온의 플라즈마에 의하여 열분해 되어 합성 가스, 경우에 따라 타르 성분, 회분 등이 발생하고 이러한 타르 성분 등의 불순물은 스팀플라즈마개질로(127)를 통과하면서 개질된다. 플라즈마용융로(126a)에서 분해되지 않은 금속, 불연분 등을 외부로 배출되어 처리된다.
스팀플라즈마개질로(127)를 거쳐 발생한 합성 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 PLC를 포함하는 제어부에 의해 연료 투입량 이송교반장치(미도시)를 포함하는 연료투입장치(미도시) 및 열분해 가스화 주입공기조절밸브를 조정한다.
그리고, 제어부에서 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.
이와 같이 탄소가 다량 함유된 폐플라스틱 등 가연성쓰레기 연료들의 가스화를 산소나 공기로 하지 않고 전력인 플라즈마와 플라즈마의 매질로 스팀을 함께 이용하면 발생가스에 타르 성분이나 탄소 등이 포함되어 않아 가스의 질이 좋아지고 총 발열량에 비하여 발생 가스가 적어 고발열량의 가스를 생산할 수 있다. 이러한 장점으로 인해 정제수단을 구성하는 장치를 컴팩트화할 수 있고 수소발생량 대비 건설비와 운영비가 저렴해져 경제성을 향상시킬 수 있다.
다른 한편, 가스화나 수소 생산은 위험성이 존재하지만 고온의 가스화의 압력을 20bar 정도의 고압을 사용하지 않고 오히려 대기압에 근접한 부압 상태(±500mm Aq 내외)에서 운전하므로 누출 내지 유출 등에 의한 폭발 위험성을 감소 내지 예방할 수 있어 안전성을 보장할 수 있는 장점이 있고 가압에 필요한 에너지를 절감할 수 있어 사용하는 전력을 절감할 수 있는 반면 수소 생산량을 증대시킬 수 있는 장점을 갖는다.
즉, 본 발명에 따르면, 스팀플라즈마를 사용하여 열분해 가스화 및 용융화를 하므로 가스화 효율이 증가하고 수소함량을 증가시킬 수 있으며 스팀플라즈마개질로를 사용하지 않은 경우와 종래기술을 비교하면 합성가스 중의 수소 함량이 약 2.5배 이상임을 확인할 수 있고 이에 따라 수소의 생산량의 종래기술에 비하여 증대함을 알 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가스 생산 시스템(100)을 도시한 것이고 폐플라스틱을 이용하여 건조 - 열분해 / 가스화(Pyrolysis & Gasification Furnace) - 합성가스 스팀플라즈마개질 내지 정제(Syngas Refining) - 혼합챔버 (Mixing Chamber) - 집진 (Cyclone collector) - 냉각 (Cooler H / Recovery) - 집진 (Dust Collector) - WGS 반응기 (포함하는 것이 바람직함) - 냉각 - (Cooler Heat H/E) - 습식 스크러버 (Wet Scrubber) - 압축기 (Gas Compressor) - 가스 혼합 버퍼 탱크 (Gas Mixing Buffer Tank) - WGS H/E - 수소 생성 시스템 (H2 Generation PSA System) - <Gas Engine Power Generation> - 수소 저장 (H2 Storage PSA System) 으로 개관적으로 구성되어 있다.
즉 앞의 실시예에서 설명한 플라즈마용융로 및 스팀플라즈마개질로를 거친 합성가스를 후처리 하여 수소 생성 시스템에서 수소를 분리하고 분리하고 남은 여분의 가스 성분으로 가스 엔진을 가동시킬 수 있다.
이렇게 플라스틱의 폐연료를 열분해하여 가스화하고 이를 플라즈마용융로 및 스팀플라즈마개질로 개질을 하면 종래기술과 비교하여 타르 성분, 회분 중의 탄소 등의 불순물이 제거된 고순도의 합성가스와 많은 량의 수소를 생산할 수 있다.
이에, 본 발명에 따르면, 유기성 폐연료(바이오매스, 생활, 산업, 폐합성수지, 슬러지 등을 포함하는 재생연료)로 활용할 수 있는 가연성 재생 연료를 열분해하여 발생한 가스에 혼입된 불순물을 제거하고 중간에 생성되는 고정탄소 및 타르를 스팀플라즈마로 분해한 후의 정제된 합성가스를 이용할 수 있으며 장치를 컴팩트화 할 수 있고 수소 발생량을 증대시킬 수 있는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 수소를 생산할 수 있으며 가스엔진이나 터빈을 이용할 수 있는 정도의 안정된 품질을 갖는 정제된 합성가스를 생산할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 타르 등 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 생산되고 정제된 합성가스를 사용하므로 가스의 열량(질)을 유지하면서 경제성을 증대시킬 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 종래 20bar 이상으로 합성가스를 개질하는 시스템을 상압(±100mmAq)에서 합성가스를 개질하여 고함량의 수소를 함유한 고순도 합성가스를 생산할 수 있으며, 초기 설치비를 낮추고, 에너지 사용량을 줄여 운전비용을 절감할 수 있는 바이오매스를 포함하는 가연성 재생연료 열분해가스화 및 스팀플라즈마가스화 개질을 이용한 수소 생산 또는 고품질 가스 생산 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 : 가스 생산 시스템 110 : 연료건조투입부
111 : 건조저장사이로 115 : 압축투입장치
120 : 열분해가스부 121 : 연료건조존
121a : 램
122 : 건조화존공기공급팬 123 : 퍼지팬
124 : 회전이송장치 125 : 가스화공기공급팬
126 : 가스분해챔버 126a : 스팀플라즈마용융로
127 : 스팀플라즈마개질로 130 : 배출스텍
141 : 혼합챔버 142 : 전기집진기
143 : 냉각폐열보일러 145 : 백필터
146 : WGS 반응기(Water Gas Shifter Reaction)
147 : 냉각열교환기 148 : 냉각스크러버
151 : 로터리불로워 152 : 혼합버퍼탱크
153 : 제습기
155 : 가스발전부 161 : 가스압축기
163 : 압축가스저장탱크 171 : 혼합탱크순환블로워
173 : 폐열보일러순환블로워

Claims (6)

  1. 바이오매스를 포함하는 유기성 폐연료를 건조하는 건조저장사이로를 포함하는 연료건조투입부와;
    상기 연료건조투입부에서 투입되는 연료를 열분해 가스화하여 합성가스를 생산하는 열분해가스부와;
    상기 열분해가스부에서 이송되는 가스에 함유된 탄소 또는 타르를 포함하는 불순물을 제거 가능하게 상기 열분해가스부의 하류에 마련된 스팀플라즈마개질로와;
    상기 스팀플라즈마개질로에서 배출되는 분진 또는 산성가스를 포함하는 불순물을 제거하는 집진수단 또는 이송되는 가스를 냉각하고 혼합하는 냉각수단 및 혼합수단을 포함하는 가스정제부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열분해가스부에는 연료를 순차적으로 이송 가능하게 횡형으로 구비된 횡형영역과 상기 횡형영역의 하단부에 모여지는 카본을 고온에서 열분해하는 스팀플라즈마용융로가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 가스 생산 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스팀플라즈마개질로에서는 카본을 가스화하기 위하여 스팀과 플라즈마가 작용하여 고온에서 카본이 해리 상태의 수분(2H2 + O2)에 의하여 수성가스(주성분 H2 + CO)로 변화되는 것을 특징으로 하는 가스화 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스팀은 200 ~ 500℃ 범위를 포함하고, 상기 플라즈마에서 공급되는 아크 에너지에 의한 온도는 3000 ~ 5000℃ 범위를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스정제부를 구성하는 백필터 후단에 고온의 가스(200∼250℃)에 포함된 CO를 저온촉매를 이용하여 상압저온에서 수성가스반응으로 CO2로 변환하고 수소(H2)를 생성하여 수소의 함량을 극대화하는 WGS 반응기(Water Gas Shift Reaction);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스정제부 후단에 PSA(Pressure Swing Absorption) 과정을 포함하여 수소를 분리하여 99.99%의 수소를 생산하고 잉여 가스는 발전을 하는 것을 특징으로 하는 가스화 시스템.
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