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KR101503607B1 - 2 stage fluidized bed biomass gasifier for hydrogen production and method of preparing hydrogen using the same - Google Patents

2 stage fluidized bed biomass gasifier for hydrogen production and method of preparing hydrogen using the same Download PDF

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KR101503607B1
KR101503607B1 KR1020130141107A KR20130141107A KR101503607B1 KR 101503607 B1 KR101503607 B1 KR 101503607B1 KR 1020130141107 A KR1020130141107 A KR 1020130141107A KR 20130141107 A KR20130141107 A KR 20130141107A KR 101503607 B1 KR101503607 B1 KR 101503607B1
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KR
South Korea
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gas
biomass
fluidized bed
water
gasifier
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KR1020130141107A
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Korean (ko)
Inventor
이시훈
국진우
신지훈
손정민
Original Assignee
전북대학교산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 지속가능 에너지 자원의 일종의 바이오매스 자원들을 이용하여 고농도의 수소를 생산하고 이를 이용하여 전력, 연료전지, 화학산업 원료 등으로 이용할 수 있도록 해주는 2단 유동층 바이오매스 가스화 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 이단 유동층 바이오매스 가스화 장치는 합성가스 생성 반응과 수성가스 전환 반응을 하나의 단일 반응기에서 연속적으로 수행할 수 있으므로 배출되는 일산화탄소 함량을 줄임과 동시에 고농도 수소를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 가스화 장치는 합성가스 생성 반응에서 발생되는 가스 및 에너지를 수성가스 반응에 활용하므로 경제적이고 효율적이다.
본 발명의 장치 및 방법은 20wt% 이상의 고수분을 가지고 있는 바이오매스 자원들을 활용하여 수증기의 추가 공급 없이 고농도의 수소 가스를 생산할 수 있다.
The present invention relates to a two-stage fluidized bed biomass gasification apparatus and method for producing a high concentration of hydrogen using a kind of biomass resources of sustainable energy resources and making it possible to utilize it as a raw material for electric power, fuel cell, chemical industry .
The two-stage fluidized bed biomass gasification apparatus of the present invention can continuously perform syngas production reaction and water gas conversion reaction in one single reactor, thereby making it possible to produce high-concentration hydrogen while reducing the amount of carbon monoxide to be discharged. Further, the gasification apparatus of the present invention is economical and efficient because it utilizes the gas and energy generated in the synthesis gas generation reaction for the water gas reaction.
The apparatus and method of the present invention can utilize biomass resources having a high water content of 20 wt% or more to produce hydrogen gas at a high concentration without addition of water vapor.

Description

수소생산을 위한 2단 유동층 바이오매스 가스화 장치 및 방법{2 stage fluidized bed biomass gasifier for hydrogen production and method of preparing hydrogen using the same} [0001] The present invention relates to a two-stage fluidized bed biomass gasifier for hydrogen production,

본 발명은 수소생산을 위한 2단 유동층 바이오매스 가스화 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 지속가능 에너지 자원의 일종의 바이오매스 자원들을 이용하여 고농도의 수소를 생산하고 이를 이용하여 전력, 연료전지, 화학산업 원료 등으로 이용할 수 있도록 해주는 2단 유동층 바이오매스 가스화 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a two-stage fluidized bed biomass gasification apparatus and method for hydrogen production. More specifically, the present invention relates to a two-stage fluidized-bed biomass gasification apparatus and a method of producing the same, which can utilize a kind of biomass resources of sustainable energy resources to produce hydrogen at a high concentration and utilize it as a raw material for power, fuel cell, ≪ / RTI >

주에너지 자원으로 이용되고 있는 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석 연료의 고갈 위험 및 이에 대한 급격한 가격 변동, 그리고 지구온난화와 같은 환경 문제 유발에 따른 지속가능한 에너지 시스템에 대한 우려, 안정적인 에너지 공급을 위한 자국 내의 에너지 자원 확대 등이 핵심 과제로 대두되면서 국내에서 지속가능하게 공급가능한 바이오매스가 중요한 에너지 자원으로 인식되고 있다. Concerns about sustainable energy systems caused by environmental problems such as global warming and the risk of depletion of fossil fuels such as coal, oil, and natural gas that are used as main energy resources, And the expansion of domestic energy resources has become a key issue. Therefore, biomass, which can be supplied sustainably in Korea, is recognized as an important energy resource.

바이오매스 자원은 탄소 중립 자원으로 인정받고 있어 국내의 이산화탄소 배출 저감에도 크게 기여할 수 있다. 이에 따라서 바이오매스 자원들을 이용하는 열화학적 전환 공정들이 다양하게 개발되고 있다. 현재 개발되고 있는 바이오매스 에너지 전환 공정은 고정층, 유동층, 순환유동층 등으로 매우 다양하나, 바이오매스 자원은 높은 수분 함량은 바이오매스 에너지 전환 공정의 경제성을 악화시키고 있으며 저수분의 바이오매스 자원들의 이용은 규모의 경제를 달성하기 어렵다. Since biomass resources are recognized as carbon-neutral resources, they can contribute significantly to reducing carbon dioxide emissions in Korea. Accordingly, various thermochemical conversion processes utilizing biomass resources have been developed. The biomass energy conversion process currently being developed is very diverse, including fixed bed, fluidized bed, and circulating fluidized bed. However, the high water content of biomass resources deteriorates the economics of the biomass energy conversion process and the use of low moisture biomass resources Economies of scale are difficult to achieve.

유동층 가스화 장치는 상향 흐름을 갖는 반응 기체로 인해 고체층이 부유하여 기체 및 액체와 같은 유동을 하며 기체-고체, 고체-고체가 매우 빠르게 혼합되어 가스화 반응을 일으키는 장치로, 고온의 유동매질과 연료 및 산화제의 완전혼합을 통해 기체-고체의 접촉이 완벽히 일어나며, 이에 따라 반응속도가 빠르고 효율이 증대될 수 있다. 또한 비교적 광범위한 연료를 사용할 수 있으며, 낮은 온도에서도 반응이 빠르게 진행되고, 회분이 건식으로 처리되어 회분의 슬래그(Slag) 배출로 인한 열손실을 줄일 수 있는 특징이 있다. 일반적으로, 유동층 가스화 장치는 대체 에너지 개발 및 폐기물 처리 등의 여러 화학공정 분야에서, 석탄이나 슬러지 또는 폐고분자, 폐목재 및 폐타이어 등의 가스화와 관련된 에너지 전환공정 및 에너지 회수공정에서 사용되어 왔으며, 이에 대한 광범위한 연구 및 개발이 진행되고 있다.The fluidized bed gasification system is a device in which a solid layer floats due to a reaction gas having an upward flow and flows like a gas and a liquid, and gas-solid or solid-solid is mixed very quickly to cause a gasification reaction. And gas-solid contact through the complete mixing of the oxidizing agent, so that the reaction rate is fast and the efficiency can be increased. It is also characterized in that a relatively wide range of fuels can be used, the reaction is rapid at low temperatures, and the ash is treated dry to reduce heat loss due to ash slag discharge. Generally, fluidized bed gasification systems have been used in energy conversion processes and energy recovery processes related to gasification of coal, sludge or waste polymers, waste wood and waste tires in various chemical processing fields such as alternative energy development and waste treatment, Extensive research and development is underway.

또한, 유동층 가스화 장치는 다른 종류의 가스화 반응기에 비해 우수한 열전달 특성을 가지며, 반응로 내의 균일한 온도 분포로 인해 가스화 생성가스의 수율 및 조성이 일정하며, 고체 반응물의 반응로 내의 체류시간이 비교적 길고, 고체가 유체와 같은 흐름을 갖고 있어 고체 처리가 용이하다는 여러 가지 장점을 갖는다. 이와 같이 유동층 가스화 장치는 고체를 처리함에 따라 생성되는 고품질의 합성가스와 고온의 연소 가스를 얻는 것을 주목적으로 하기 때문에, 고열량화 및 수율증대를 위해 여러 방식으로 연구 및 개발되고 있다.In addition, the fluidized bed gasifier has superior heat transfer characteristics compared to other types of gasification reactors, and the yield and composition of the gasification product gas are constant due to the uniform temperature distribution in the reactor, the residence time of the solid reactants in the reactor is relatively long , And the solid has the same flow as the fluid, so that the solid treatment is easy. Thus, the fluidized bed gasification apparatus has been studied and developed in various ways in order to increase the heat quantity and increase the yield, because the main purpose is to obtain a high-quality synthesis gas and a high-temperature combustion gas produced by processing the solid.

특허로 등록된 기존의 바이오매스 가스화 공정들을 보면, 합성가스 생산을 위하여 농임산 폐기물을 500-900의 온도에서 조업되는 가스화기에 주입하여 산소 또는 증기를 가스화제로 이용하여 합성가스를 생산한다(국내 특허 제0659497호). 통상적인 바이오매스 가스화 공정은 가스화 반응기, 정제기(타르, 목초 회수, 스크러버 등으로 구성), 가스화제 주입 등으로 구성되어 있다(국내 특허 제0742159호). 더불어 바이오매스 가스화 공정에 추가적인 타르 제거 시스템을 설치하여 효율을 향상시키려고 하였다 (국내 특허10-2009-0129730호). 이외에 대부분이 수분으로 구성된 미세조류를 이용하여 초임계수를 이용한 가스화 설비도 개발되었다 (국내 특허 제10-1142818호). In the existing biomass gasification processes registered as patents, syngas waste is injected into a gasifier operated at a temperature of 500-900 to produce syngas using oxygen or steam as a gasifier Korean Patent No. 0659497). Conventional biomass gasification processes consist of a gasification reactor, a purifier (composed of tar, grass recovery, scrubber, etc.), and a gasifier injection (Korean Patent No. 0742159). In addition, an additional tar removal system was installed in the biomass gasification process to improve the efficiency (Korean Patent No. 10-2009-0129730). In addition, a gasification facility using supercritical water has also been developed using microalgae composed mostly of water (Korean Patent No. 10-1142818).

그러나 지금까지 개발된 대부분의 바이오매스 가스화 공정은 저수분 바이오매스 자원들의 이용이 요구되거나 초임계 조건과 같이 공정 및 운전 비용이 과다하게 필요하다. 또한 합성가스 내에 일산화탄소의 함량이 매우 높아 연료전지와 같이 고농도의 수소를 요구하는 공정에 적합하지 않다. However, most of the biomass gasification processes developed so far require the use of low-moisture biomass resources or excessive process and operating costs, such as supercritical conditions. Also, since the content of carbon monoxide in the syngas is very high, it is not suitable for a process requiring a high concentration of hydrogen such as a fuel cell.

본 발명은 20wt% 이상의 고수분을 가지고 있는 바이오매스 자원들을 원료로 이용하여 고농도의 수소를 생산하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides an apparatus and a method for producing hydrogen at a high concentration using biomass resources having a high water content of 20 wt% or more as a raw material.

본 발명은 합성가스 생산 반응과 생성된 합성가스 내에 존재하는 일산화탄소를 초정정 에너지인 수소로 전환하는 수성가스 전이반응을 효율적으로 연계시키는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides an apparatus and method for efficiently linking a synthesis gas production reaction with a water gas shift reaction for converting carbon monoxide present in the produced synthesis gas into hydrogen, which is a superconversion energy.

본 발명의 하나의 양상은 One aspect of the present invention is

컬럼(column) 구조의 반응기 본체 ;A reactor body of a columnar structure;

상기 본체 하단에 형성되는 공기 또는 산소 공급부 ;An air or oxygen supply unit formed at a lower end of the main body;

상기 공급부 상부에 형성되고 유동매체가 존재하는 유동층과 대부분 기체로 이루어진 희박층을 구비하는 유동층 합성가스 반응부 ;A fluidized bed syngas reactor having a fluidized bed formed in the upper part of the feed part and having a fluid medium and a lean bed composed mostly of gas;

상기 유동층 합성가스 반응부 상부에 형성되고 수성가스 전환 촉매가 존재하는 촉매층과 대부분 기체로 이루어진 희박층을 구비하는 수성가스 반응부를 포함하고, 상기 공급부, 유동층 합성가스 반응부 및 수성가스 반응부 사이에는 분산판이 각각 형성되어 하단에서 상단으로 가스 공급이 연속적으로 이루어지는 이단유동층 가스화기에 관계한다.And a water gas reacting part formed on the fluidized bed synthesis gas reacting part and having a catalyst layer in which a water gas conversion catalyst is present and a lean layer composed mainly of a gas, Stage gasifier in which a dispersion plate is formed and gas supply is continuously performed from the lower end to the upper end.

다른 양상에 본 발명은 상기 이단유동층 가스화기 및 상기 가스화기에 바이오매스를 제공하는 바이오매스 주입부를 포함하는 이단유동층 바이오매스 가스화 장치에 관계한다.In another aspect, the present invention relates to a two-stage fluidized bed biogas gasifier including the two-stage fluidized bed gasifier and a biomass feeder for providing the biomass to the gasifier.

또 다른 양상에서, 본 발명은 In yet another aspect,

공기 또는 산소 및 고수분 바이오매스를 공급하는 단계 ;Supplying air or oxygen and high-water biomass;

상기 공기 또는 산소, 상기 바이오매스 및 유동물질을 반응시켜 합성가스를 생산하는 단계 ;Reacting the air or oxygen, the biomass and the fluid material to produce a synthesis gas;

상기 바이오매스로부터 발생된 수증기와 상기 합성가스 중 일산화탄소를 유동 수성가스 촉매와 반응시키는 수성가스 반응 단계를 포함하고, 상기 합성가스 생산 단계에서 발생되는 가스가 상기 수성가스 반응 단계로 분산판을 통해 연속적으로 주입되는 것을 이단 유동층 바이오매스 가스화 방법에 관계한다.And a water gas reaction step of reacting water vapor generated from the biomass with carbon monoxide in the syngas with a fluid water gas catalyst, wherein the gas generated in the synthesis gas production step is continuously supplied to the aqueous gas reaction step To a method for gasifying a biomass in a two-stage fluidized bed.

본 발명의 이단 유동층 바이오매스 가스화 장치는 합성가스 생성 반응과 수성가스 전환 반응을 2단으로 구성된 하나의 단일 반응기에서 연속적으로 수행할 수 있으므로 배출되는 일산화탄소 함량을 줄임과 동시에 고농도 수소를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 가스화 장치는 합성가스 생성 반응에서 발생되는 가스 및 에너지를 수성가스 반응에 활용하므로 경제적이고 효율적이며 또한 20wt% 이상의 고수분을 가지고 있는 바이오매스 자원들을 이용하여 추가적인 증기 공급 없이 고농도의 수소 가스를 생산할 수 있다.The two-stage fluidized-bed biomass gasifier of the present invention can continuously perform the synthesis gas-generating reaction and the water gas conversion reaction in one single reactor composed of two stages, thereby reducing the amount of carbon monoxide to be discharged and producing hydrogen at a high concentration . In addition, since the gasification apparatus of the present invention utilizes the gas and energy generated in the synthesis gas reaction for the water gas reaction, it is economical and efficient, and it is possible to utilize the biomass resources having a high water content of 20 wt% Hydrogen gas can be produced.

도 1은 본 발명의 이단유동층 바이오매스 가스화 장치를 나타낸다.
도 2는 도 1의 가스화 장치에서 일산화탄소의 수소가스 전환율을 나타낸다.
1 shows a two-stage fluidized bed biomass gasification apparatus of the present invention.
Fig. 2 shows the hydrogen gas conversion rate of carbon monoxide in the gasifier of Fig.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The present invention can be all accomplished by the following description. The following description should be understood to describe preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not necessarily limited thereto.

도 1은 본 발명의 이단유동층 가스화기 및 이를 포함하는 이단유동층 바이오매스 가스화 장치를 나타낸다.1 shows a two-stage fluidized bed gasifier of the present invention and a two-stage fluidized bed biomass gasifier comprising the same.

도 1을 참고하면, 본 발명의 이단 유동층 바이오매스 가스화 장치는 이단유동층 가스화기(100) 및 바이오매스 주입부(200)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the two-stage fluidized bed biomass gasifier of the present invention includes a two-stage fluidized bed gasifier 100 and a biomass injection unit 200.

상기 이단유동층 가스화기(100)는 본체(10), 공급부(20), 합성가스 반응부(30) 및 수성가스 반응부(40)를 포함한다.The two-stage fluidized bed gasifier 100 includes a main body 10, a supply unit 20, a syngas reaction unit 30, and a water gas reaction unit 40.

상기 반응기 본체(10)는 내부에 두 개의 유동층 반응기가 연속적으로 형성된다. In the reactor body 10, two fluidized bed reactors are continuously formed.

상기 본체(10) 하단에는 공기 또는 산소 공급부(20)가 형성된다. 상기 공급부(20)에는 소정 압력의 공기 또는 산소가 충진되어 있으며, 상기 합성가스 반응부로 소정 압력 및 온도로 공급된다.At the lower end of the main body 10, an air or oxygen supply part 20 is formed. The supply part 20 is filled with air or oxygen at a predetermined pressure and is supplied to the synthesis gas reaction part at a predetermined pressure and temperature.

상기 공급부(20) 상부에는 유동층 합성가스 반응부(30)가 형성된다.A fluidized-bed syngas reacting section 30 is formed above the supply section 20.

상기 공급부(20)와 상기 합성가스 반응부(30)는 분산판(50)에 의해 구분될 수 있다. 바람직하게는 상기 분산판은 버블캡 방식의 분산판일 수 있다. 도 1을 참고하면, 상기 분산판(50) 상에 버블캡(51)이 형성되어 있으며, 상기 버블캡(51)을 통해 공급부의 공기 또는 산소가 합성가스 반응부(30)로 주입된다. The supply unit 20 and the syngas reacting unit 30 may be separated by a dispersing plate 50. Preferably, the dispersion plate may be a bubble cap type dispersion plate. 1, a bubble cap 51 is formed on the dispersion plate 50. Air or oxygen of a supply part is injected into the synthesis gas reaction part 30 through the bubble cap 51. [

상기 합성가스 반응부(30)는 유동매체가 존재하는 유동층(31)과 대부분 기체로 이루어진 희박층(32)을 포함한다.The syngas reacting section 30 includes a fluidized bed 31 in which a fluid medium exists and a lean layer 32 composed mainly of a gas.

상기 합성가스 반응부(30)에서는 상기 공급부(20)에서 주입된 공기 또는 산소에 의해 고체의 유동매체가 부유되어 반응물질과 혼합되어 가스화 반응이 일어난다. In the syngas reacting unit 30, a solid fluid medium is suspended by the air or oxygen injected from the supply unit 20, mixed with the reaction material, and gasification reaction occurs.

상기 유동매체는 직경이 100~500㎛인 모래로 이루어진다.The flow medium is made of sand having a diameter of 100 to 500 mu m.

상기 합성가스 반응부(30)는 500~700℃의 온도 범위를 가질 수 있다. 상기 합성가스 반응부(30)에는 고수분의 바이오매스가 공급된다. 상기 바이오매스는 수분 함량이 20wt% 이상일 수 있다. The syngas reacting section 30 may have a temperature range of 500 to 700 ° C. The syngas reacting section 30 is supplied with a high concentration of biomass. The biomass may have a water content of 20 wt% or more.

상기 합성가스 반응부(30)에서는 공기 또는 산소와 고수분의 바이오매스가 반응하여 합성가스를 생산한다. 상기 바이오매스는 열분해되어 탄소성분과 수증기를 방출하므로 상기 합성가스 반응부(30)에서는 하기와 같이 반응이 일어난다. In the syngas reacting unit 30, air or oxygen and high-biomass react with each other to produce a syngas. Since the biomass is pyrolyzed to release carbon components and water vapor, the reaction occurs in the synthesis gas reaction unit 30 as follows.

C + 공기 또는 산소 + 수증기 --> CO + 수소 + 수증기C + air or oxygen + water vapor -> CO + hydrogen + water vapor

상기 합성가스 반응부(30)에서 발생되는 가스들은 상기 희박층(32)을 경유하여 상기 유동층 수성가스 반응부(40)로 주입된다.The gas generated in the syngas reacting unit 30 is injected into the fluidized bed water gas reacting unit 40 via the lean layer 32.

상기 합성가스 반응부(30)와 상기 유동층 수성가스 반응부(40) 사이에는 분산판(60)이 형성된다. 상기 분산판은 버블캡 방식의 분산판일 수 있다. 도 1을 참고하면, 상기 분산판(60) 상에 버블캡(61)이 형성되어 있으며, 상기 버블캡(61)을 통해 상기 합성가스 반응부(30)로부터 가스가 주입된다.The dispersion plate 60 is formed between the synthesis gas reaction unit 30 and the fluidized-bed water gas reaction unit 40. The dispersion plate may be a bubble cap type dispersion plate. 1, a bubble cap 61 is formed on the dispersion plate 60 and a gas is injected from the syngas reaction unit 30 through the bubble cap 61.

상기 유동층 수성가스 반응부(40)는 수성가스 전환 촉매가 존재하는 촉매층(41)과 대부분 기체로 이루어진 희박층(42)을 포함한다.The fluidized-bed water-gas reaction unit 40 includes a catalyst layer 41 in which a water gas shift catalyst is present and a lean layer 42 composed mainly of a gas.

상기 수성가스 전환 촉매로는 공지된 촉매들을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 고온 수성가스 전환 촉매를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 촉매로는 8~12 중량%의 CrO3가 포함된 Fe3O4가 촉매를 사용할 수 있다.As the water gas shift catalyst, known catalysts can be used, and preferably a high temperature water gas shift catalyst can be used. For example, as the catalyst, a Fe 3 O 4 catalyst containing 8 to 12 wt% CrO 3 may be used.

상기 수성가스 전환 촉매는 상기 분산판(60)을 통해 주입되는 가스에 의해 유동될 수 있다. The water gas shift catalyst may be flowed by the gas injected through the dispersion plate 60.

상기 유동층 수성가스 반응부(40)에서는 상기 합성가스 반응부(30)에서 발생된 가스들이 상기 바이오매스로부터 발생된 수증기와 상기 합성가스 중 일산화탄소를 수성가스 촉매와 반응한다.In the fluidized-bed aqueous gas reacting section 40, the gases generated in the synthesis gas reacting section 30 react with water gas generated from the biomass and carbon monoxide in the synthesis gas with the water gas catalyst.

수증기 + CO --> 수소 + CO2Water vapor + CO -> Hydrogen + CO2

상기 수성가스 전환 반응은 400~550℃ 범위에서 수행될 수 있다.The water gas conversion reaction may be performed at a temperature in the range of 400 to 550 ° C.

상기 유동층 수성가스 반응부(40)에서 발생되는 수소가스와 이산화탄소 등은 희박층(42)을 경유하여 배출부(43)를 통해 방출된다. Hydrogen gas and carbon dioxide generated in the fluidized bed water gas reacting section 40 are discharged through the discharge section 43 via the lean layer 42.

본 발명의 이단 유동층 가스화기는 합성가스 생성 반응과 수성가스 전환 반응을 하나의 단일 반응기에서 연속적으로 수행할 수 있으므로 배출되는 일산화탄소 함량을 줄임과 동시에 고농도 수소를 제조할 수 있다. The two-stage fluidized bed gasifier of the present invention can perform the synthesis gas reaction and the water gas conversion reaction continuously in one single reactor, thereby reducing the amount of carbon monoxide to be discharged and producing hydrogen at a high concentration.

다른 양상에서, 본 발명은 이단유동층 바이오매스 가스화 장치(1000)에 관계한다. 상기 이단유동층 바이오매스 가스화 장치(1000)는 상기 이단유동층 가스화기(100) 및 바이오매스 주입부(200)를 포함한다.In another aspect, the present invention relates to a two-end fluidized bed biomass gasifier 1000. The two-stage fluidized bed biomass gasifier 1000 includes the two-stage fluidized-bed gasifier 100 and the biomass injection unit 200.

상기 이단유동층 가스화기(100)는 본체(10), 공급부(20), 합성가스 반응부(30) 및 수성가스 반응부(40)를 포함한다. 상기 이단유동층 가스화기(100)는 앞에서 상술한 내용을 참고할 수 있다.The two-stage fluidized bed gasifier 100 includes a main body 10, a supply unit 20, a syngas reaction unit 30, and a water gas reaction unit 40. The above-described two-stage fluidized-bed gasifier 100 can be referred to above.

상기 바이오매스 주입부(200)는 상기 가스화기에 바이오매스를 제공한다. 상기 바이오매스 주입부(200)는 저장부(210) 및 공급부(220)를 포함한다. The biomass injector 200 provides biomass to the gasifier. The biomass injection unit 200 includes a storage unit 210 and a supply unit 220.

상기 공급부(220)는 스크류 타입을 사용할 수 있다. The supply unit 220 may use a screw type.

상기 바이오매스 주입부(200)는 바이오매스를 연결부(33)를 통해 상기 유동층 합성가스 반응부(30)로 공급한다.The biomass injection unit 200 supplies the biomass to the fluidized bed synthesis gas reacting unit 30 through the connection unit 33.

상기 공급부(220)는 상기 고수분의 바이오매스가 주입되면서 건조 및 열분해되는 것을 방지하기 위해 냉각부(230)를 구비한다. 상기 냉각부(230)는 2중관 형태로 냉각수가 공급되어 상기 주입부 온도를 60℃ 이하로 유지할 수 있다.The supply unit 220 includes a cooling unit 230 to prevent the high water content of the biomass from being dried and pyrolyzed. The cooling unit 230 is supplied with cooling water in the form of a double pipe to maintain the temperature of the injection unit at 60 ° C or lower.

상기 바이오매스는 적절한 크기로 분쇄하여 공급할 수 있으며, 예를 들면, 5mm 이하의 직경을 가질 수 있다.The biomass can be pulverized to an appropriate size and supplied, for example, to have a diameter of 5 mm or less.

상기 이단유동층 바이오매스 가스화 장치(1000)는 상기 이단유동층 가스화기(100) 후단에 배출가스와 이물질을 분리하는 분리부(300)를 포함할 수 있다. 상기 분리부는 싸이클론일 수 있다.The two-stage fluidized bed biogas gasifier 1000 may include a separator 300 for separating the exhaust gas and foreign matter from the downstream of the two-stage fluidized bed gasifier 100. The separator may be a cyclone.

상기 이단유동층 바이오매스 가스화 장치(1000)는 상기 유동층 수성가스 반응부(40)에서 배출되는 가스를 이용하여 공기 또는 산소를 가열하는 예열기(미도시)를 포함할 수 있다.The two-stage fluidized bed biomass gasifier 1000 may include a preheater (not shown) that heats air or oxygen using the gas discharged from the fluidized bed water gas reacting unit 40.

또 다른 양상에서 본 발명은 이단 유동층 바이오매스 가스화 방법에 관계한다.In another aspect, the present invention relates to a two-stage fluidized bed biomass gasification process.

상기 이단 유동층 가스화 방법은 공급단계, 합성가스 생산 단계 및 수성가스 반응단계를 포함한다.The two-stage fluidized bed gasification process includes a feed step, a synthesis gas production step and a water gas reaction step.

상기 공급단계는 공기 또는 산소 및 고수분 바이오매스를 공급하는 단계이다.The feeding step is to supply air or oxygen and high-water biomass.

상기 합성가스 생산단계는 앞에서 상술한 바와 같이, 상기 공기 또는 산소, 상기 바이오매스 및 유동물질을 반응시켜 합성가스를 생산하는 단계이다.The synthesis gas producing step is a step of producing a synthesis gas by reacting the air or oxygen, the biomass, and the fluid material, as described above.

상기 수성가스 반응단계는 상기 바이오매스로부터 발생된 수증기와 상기 합성가스 중 일산화탄소를 수성가스 전환 촉매와 반응시키는 단계이다.The water gas reaction step is a step of reacting water vapor generated from the biomass and carbon monoxide in the syngas with a water gas conversion catalyst.

본 발명의 이단 유동층 가스화 방법은 상기 합성가스 생산 단계에서 발생되는 가스가 상기 수성가스 반응 단계로 연속적으로 주입된다. 또한, 본 발명의 방법은 상기 합성가스 생산 단계와 수성가스 반응단계가 하나의 단일 반응기에서 수행될 수 있다. 또한, 본 발명의 방법은 상기 합성가스 생산 단계와 수성가스 반응 공정이 유동층 공정으로 수행된다.In the two-stage fluidized bed gasification method of the present invention, the gas generated in the synthesis gas production step is continuously injected into the aqueous gas reaction step. In addition, the process of the present invention can be carried out in one single reactor in which the synthesis gas production step and the water gas reaction step are carried out. In addition, the method of the present invention is performed in a fluidized bed process in which the synthesis gas production step and the water gas reaction process are performed.

상기 합성 가스 생산 단계는 500~700℃ 온도 범위로 수행되고, 상기 수성가스 반응 단계는 400~550℃로 운전될 수 있다. The synthesis gas production step may be performed at a temperature ranging from 500 to 700 ° C, and the aqueous gas reaction step may be operated at a temperature ranging from 400 to 550 ° C.

상기 수성가스 반응 단계는 상기 합성가스 생산 단계에서 발생된 고온의 가스 및 열을 이용하여 반응을 수행할 수 있다.The reaction of the aqueous gas may be performed using the high temperature gas and heat generated in the synthesis gas production step.

도 2는 도 1의 가스화 장치에서 일산화탄소의 수소가스 전환율을 나타낸다. 좀 더 구체적으로는, 도 2를 참고하면, 수성가스 반응부에서 전환되는 일산화탄소의 전환율(400)은 50%를 나타내며, 배출되는 가스들은 수소, 이산화탄소가 대부분이며, 일산화탄소는 10% 이하로 존재함을 알 수 있다. 즉 본 발명의 이단유동층 가스화기는 50% 이상의 수소와 40%에 근접하는 이산화탄소를 생산할 수 있음을 알 수 있다. Fig. 2 shows the hydrogen gas conversion rate of carbon monoxide in the gasifier of Fig. More specifically, referring to FIG. 2, the conversion rate (400) of carbon monoxide converted in the water gas reaction part is 50%, and the discharged gases are mostly hydrogen and carbon dioxide, and the carbon monoxide exists in 10% or less . That is, it can be seen that the two-stage fluidized bed gasifier of the present invention can produce more than 50% of hydrogen and close to 40% of carbon dioxide.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

10 : 본체 20 : 공급부
30 : 합성가스 반응부 40 : 수성가스 반응부
50, 60 : 분산판 51, 61 : 버블캡
100 : 이단유동층 가스화기 200 : 바이오매스 주입부
210 : 저장부 220 : 공급부
230 : 냉각부 300 : 분리부
10: main body 20:
30: Synthetic gas reaction part 40: Water gas reaction part
50, 60: Dispersion plate 51, 61: Bubble cap
100: Two-Stage Fluidized Bed Gasifier 200: Biomass Injection Unit
210: storage unit 220:
230: Cooling section 300: Separation section

Claims (9)

반응기 본체 ;
상기 본체 하단에 형성되는 공기 또는 산소 공급부 ;
상기 공급부 상부에 형성되고 유동매체가 존재하는 유동층과 대부분 기체로 이루어진 희박층을 구비하는 유동층 합성가스 반응부 ;
상기 유동층 합성가스 반응부 상부에 형성되고 수성가스 전환 촉매가 존재하는 촉매층과 대부분 기체로 이루어진 희박층을 구비하는 수성가스 반응부를 포함하고, 상기 공급부, 유동층 합성가스 반응부 및 수성가스 반응부 사이에는 분산판이 각각 형성되어 하단에서 상단으로 가스 공급이 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이단유동층 가스화기.
A reactor body;
An air or oxygen supply unit formed at a lower end of the main body;
A fluidized bed syngas reactor having a fluidized bed formed in the upper part of the feed part and having a fluid medium and a lean bed composed mostly of gas;
And a water gas reacting part formed on the fluidized bed synthesis gas reacting part and having a catalyst layer in which a water gas conversion catalyst is present and a lean layer composed mainly of a gas, And the gas supply is continuously performed from the lower end to the upper end of the gasifier.
제 1항에 있어서, 상기 유동층 합성가스 반응부는 공기 또는 산소, 바이오매스 및 유동물질을 반응시켜 합성가스를 생산하고,
상기 유동층 수성가스 반응부는 상기 바이오매스로부터 발생된 수증기와 상기 합성가스 중 일산화탄소를 수성가스 촉매와 반응시키는 것을 특징으로 하는 이단 유동층 가스화기.
The method according to claim 1, wherein the fluidized-bed synthesis gas reacting unit reacts air or oxygen, biomass, and fluid material to produce a syngas,
Wherein the fluidized bed water gas reacting unit reacts the water vapor generated from the biomass and the carbon monoxide in the syngas with the water gas catalyst.
제 1항에 있어서, 상기 분산판은 버블캡 방식의 분산판이고, 상기 유동매체 및 상기 수성가스 전환 촉매는 상기 분산판을 통해 주입되는 가스에 의해 유동되는 것을 특징으로 하는 이단 유동층 가스화기. 2. The gasifier according to claim 1, wherein the dispersion plate is a bubble cap type dispersion plate, and the fluid medium and the water gas shift catalyst are flowed by a gas injected through the dispersion plate. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따르는 이단유동층 가스화기 및 상기 가스화기에 바이오매스를 제공하는 바이오매스 주입부를 포함하는 이단유동층 바이오매스 가스화 장치.A two-stage fluidized bed biogas gasifier comprising a two-stage fluidized-bed gasifier according to any one of claims 1 to 3 and a biomass injector for providing biomass to the gasifier. 제 4항에 있어서, 상기 바이오매스는 수분 함량이 20wt% 인 고수분 바이오매스인 것을 특징으로 하는 이단 유동층 바이오매스 가스화 장치.[5] The apparatus of claim 4, wherein the biomass is a high-concentration biomass having a moisture content of 20 wt%. 제 5항에 있어서, 상기 바이오매스 주입부는 바이오매스를 상기 유동층 합성가스 반응부로 공급하되, 주입부의 온도를 60℃ 이하로 유지시키는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이단 유동층 바이오매스 가스화 장치.[6] The apparatus of claim 5, wherein the biomass injection unit includes a cooling unit for supplying the biomass to the fluidized-bed syngas reacting unit and maintaining the temperature of the injection unit at 60 [deg.] C or lower. 제 1항에 있어서, 상기 가스화 장치는 상기 유동층 수성가스 반응부에서 배출되는 가스를 이용하여 공기 또는 산소를 가열하는 예열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이단 유동층 바이오매스 가스화 장치.The gasification apparatus of claim 1, wherein the gasifier includes a preheater for heating air or oxygen using the gas discharged from the fluidized bed water gas reacting unit. 공기 또는 산소 및 고수분 바이오매스를 공급하는 단계 ;
상기 공기 또는 산소, 상기 바이오매스 및 유동물질을 반응시켜 합성가스를 생산하는 단계 ;
상기 바이오매스로부터 발생된 수증기와 상기 합성가스 중 일산화탄소를 유동 수성가스 촉매와 반응시키는 수성가스 반응 단계를 포함하고, 상기 합성가스 생산 단계에서 발생되는 가스가 상기 수성가스 반응 단계로 분산판을 통해 연속적으로 주입되는 것을 특징으로 하는 이단 유동층 바이오매스 가스화 방법.
Supplying air or oxygen and high-water biomass;
Reacting the air or oxygen, the biomass and the fluid material to produce a synthesis gas;
And a water gas reaction step of reacting water vapor generated from the biomass with carbon monoxide in the syngas with a fluid water gas catalyst, wherein the gas generated in the synthesis gas production step is continuously supplied to the aqueous gas reaction step Is injected into the second fluidized bed biomass gasification process.
제 7항에 있어서, 상기 합성 가스 생산 단계는 500~700℃로 운전되고, 상기 수성가스 반응 단계는 400~550℃로 운전되는 것을 특징으로 하는 이단 유동층 바이오매스 가스화 방법.
The method of claim 7, wherein the synthesis gas production step is operated at a temperature of 500 to 700 ° C, and the aqueous gas reaction step is operated at a temperature of 400 to 550 ° C.
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