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KR101892683B1 - 고체 연료의 가스화용 버너 - Google Patents

고체 연료의 가스화용 버너 Download PDF

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KR101892683B1
KR101892683B1 KR1020137011261A KR20137011261A KR101892683B1 KR 101892683 B1 KR101892683 B1 KR 101892683B1 KR 1020137011261 A KR1020137011261 A KR 1020137011261A KR 20137011261 A KR20137011261 A KR 20137011261A KR 101892683 B1 KR101892683 B1 KR 101892683B1
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solid fuel
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passage
oxygen
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요하네스 헤르마누스 마리아 디셀호르스트
돈겐 프란시스쿠스 게라르두스 판
Original Assignee
에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명은 고체 연료 방출용 개구를 갖는 버너 전방부를 구비하는 고체 연료의 가스화용 버너에 관한 것으로, 고체 연료 방출용 개구는 중앙 통로에 유체 연통되고, 중앙 통로는, 통로의 직경이 제 1 길이에 걸쳐 증가한 후, 버너 전방부에서 종료하는 제 2 길이에 걸쳐 감소하는 하류 부분을 가지며, 중앙 통로의 하류 부분 내에 중공 부재가 위치되고, 중공 부재는 중공 부재의 증가 및 감소하는 직경에 정렬된 내부 증가 직경 및 내부 감소 직경을 가지고, 연결 도관은 중공 부재의 분기 부분에 위치된 방출 개구를 갖는다.

Description

고체 연료의 가스화용 버너{A BURNER FOR THE GASIFICATION OF A SOLID FUEL}
본 발명은 고체 연료의 가스화용 버너에 관한 것이다. 버너는 탄소질 연료의 가스화에서 사용하기에 특히 적합하고, 이 탄소질 연료는, 예컨대, 가압된 합성 가스, 연료 가스를 생산하거나 가스를 감소시키기 위해 산소 함유 가스를 사용하는, 가스 캐리어에 의해 운반된 미분된 (finely divided) 고체 연료, 예컨대 질소 가스 및/또는 이산화탄소와 같은 가스 캐리어에 의해 운반된 미분탄이다.
고체 탄소질 연료의 가스화는 산소와 연료의 반응에 의해 얻어진다. 연료는 주로 가연 성분으로서 탄소 및 수소를 함유한다. 가스 운반된 (gas-carried) 미분 탄소질 연료 및 산소 함유 가스는 버너 내의 별개의 채널들을 통해 반응기 내로 비교적 높은 속도로 통과된다. 반응기 내에서 주로 일산화탄소와 수소를 형성하기 위해 1300℃ 이상의 온도에서 산소 함유 가스 내의 산소와 연료가 반응하는 불꽃이 유지된다.
종래 기술에서 다양한 버너의 설계가 제안되었다. EP-A-328794 는, 미분된 석탄이 버너의 종축을 따라 배치된 중앙 채널을 통해 버너 전방부에 공급되고, 산소 함유 가스가 상기 중앙 채널을 둘러싸는 적어도 하나의 환형 채널을 통해 공급되는 버너를 개시한다. 산소는 버너 전방부에서 석탄의 유동으로 유도된다.
EP-A-130630 는, 버너 전방부에서, 산소 함유 가스가 높은 속도로 중앙 채널로부터 방출되고, 산소 함유 가스가 낮은 속도로 환형 출구로부터 방출되는 버너를 개시한다. 고체 연료는 상기 중앙 및 환형의 산소 출구 개구들 사이에 위치된 복수의 유출 개구들로부터 방출된다. 이 공보에 따라, 외부의 낮은 속도의 산소 흐름은 고온 가스의 흡입에 기안한 과열에 대해 버너를 보호하는 역할을 한다. 이 공보는, 버너가 많은 처리량에 대해 사용되는 경우, 고체 연료용 출구 개구들이 바람직하게는 환형 형상을 갖지 않는다는 것을 개시한다. 이러한 설계는 산소와 모든 고체 연료 입자의 적절한 접촉을 초래하지 않는다는 것을 나타낸다.
EP-A-328794 에 따른 버너 유형은 큰 성공과 함께 상업적으로 사용되었다. 하지만, 높은 처리량에서, 버너 전방부에 대한 열 플럭스 (heat flux) 가 버너 수명을 매우 짧아지게 할 수 있는 값으로 증가한다.
EP-A-130630 는 불꽃 주위에 저속 산소 실드를 적용함으로써 버너 전방부에 대한 열 플럭스의 문제점을 다룬다. EP-A-130630 에 따른 버너의 단점은, 높은 처리량을 위해 고체 연료가 별개의 채널들을 통해 버너 전방부로 전달되는데, 이것이 부식 문제점을 야기할 수 있다는 것이다. 다른 문제점은, 산소 함유 가스 및 고체 연료용 다중 채널들을 가진 하나의 금속 피스 (metal piece) 가 제조될 필요가 있다는 사실로 인한 설계의 복잡성이다.
이하의 버너는, 높은 처리량을 위해 사용될 수 있고 종래 기술의 버너의 단점을 갖지 않는 버너를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 고체 연료 방출용 개구와 산소 함유 가스 방출용 단일 중앙 개구를 갖는 버너 전방부를 구비하는 고체 연료의 가스화용 버너로서, 고체 연료 방출용 개구는 중앙 통로에 유체 연결되고, 산소 함유 가스 방출용 개구는 중앙 통로와 동축으로 위치된 산소 통과용 환형 통로에 유체 연결되며;
중앙 통로는, 통로의 직경이 제 1 길이에 걸쳐 증가한 후, 버너 전방부에서 종료하는 제 2 길이에 걸쳐 감소하는 하류 부분을 가지고, 중앙 통로의 하류 부분 내에는, 일 단부에서 폐쇄되고 버너 전방부에서 개구를 갖는 중공 부재가 위치되며, 중공 부재는 중앙 통로의 증가 및 감소하는 직경에 정렬된 증가 직경 및 감소 직경을 가져서, 고체 연료를 방출하는 내향 환형 개구 내에 버너 전방부에서 종료하는 고체 연료용 환형 개구를 형성하고;
중공 부재는 하나 이상의 연결 도관들에 의해 산소 함유 가스용의 환형 통로와 유체 연결되고, 중공 부재의 개구는 버너 전방부에서의 산소 함유 가스 방출용 개구이며, 중공 부재는 중공 부재의 증가 및 감소하는 직경에 정렬된 내부 증가 직경 및 내부 감소 직경을 가지며, 연결 도관들은 중공 부재의 분기 부분에 위치된 방출 개구를 갖는, 고체 연료의 가스화용 버너를 제공한다.
본 발명은 또한 전술한 버너를 이용하는 고체 연료의 가스화에 의해 수소와 일산화탄소를 포함하는 혼합물을 제조하기 위한 공정에 관한 것으로, 산소 함유 가스는 산소 함유 가스용 통로를 통과하고, 고체 연료 및 캐리어 가스는 중앙 통로를 통과하며, 가스화는 버너 전방부에서 일어난다.
도 1 은 본 발명에 따른 버너의 전방부의 종단면도를 도시한다.
도 2 는 도 1 의 버너의 AA' 의 횡단면도를 도시한다.
EP-A-130630 의 교시와 달리, 고 처리량 작동을 위해 고체 연료용 환형 개구를 구비하는 버너가 제공될 수 있다는 것을 본원 발명자는 발견하였다. 산소 함유 가스용 중앙 개구를 통해 모든 산소를 유도함으로써, 고체 연료와의 충분한 접촉이 달성된다. 상세한 컴퓨터 시뮬레이션은 불꽃이 버너 전방부로부터 약간 리프팅 (lifting) 될 것이라고 예측한다. 이는 일반적으로 버너 전방부에 대한 열 플럭스를 크게 감소시키고, 이로 인해 상기 버너 전방부의 수명 및 산소 함유 가스를 방출하는 개구와 고체 연료용 환형 통로를 분리하는 림의 수명을 연장한다.
본 발명에 따른 버너는 EP-A-130630 에 따른 버너에서와 같이 산소 함유 가스를 더 낮은 속도로 방출하는 환형 방출구를 가지지 않는다. 중공 부재 및 중앙 통로의 치수의 정렬 때문에, 고체 연료용 유동 경로가 형성되고, 이는 부식을 제한한다.
여기에서 사용되는 용어 '산소 함유 가스' 는, 유리 산소 (O2) 를 함유하는 가스를 나타내고, 공기, 산소 부화 공기 (즉, 21 mole% 초과의 산소) 및 실질적으로 순수 산소 (즉, 약 95 mole% 초과의 산소) 를 포함하고 잔부가 질소 및/또는 희가스와 같은 공기에서 일반적으로 발견되는 가스를 포함하는 것을 의미한다.
여기에서 사용된 용어 '고체 탄소질 연료' 는, 석탄, 석탄으로부터의 코크스, 석탄 액화 잔류물, 석유 코크스, 그을음, 바오이매스, 및 오일 셰일, 타르 샌드 및 피치 (pitch) 로부터 유래된 미립자 고체의 군으로부터의 다양한, 가스 운반된, 가연성 재료들 및 이들의 혼합물을 포함하는 것을 의미한다. 석탄은 갈탄, 아역청탄 (sub-bituminous), 역청탄 (bituminous) 및 무연탄을 포함하는 임의의 유형일 수 있다. 고체 탄소질 연료는 재료의 적어도 약 90 중량% 가 90 미크론 미만이 되는 입자 크기로 바람직하게는 분쇄되고 수분 함량이 약 5 중량% 미만이 된다. 고체 연료는 캐리어 가스, 바람직하게는 질소 또는 이산화탄소와의 혼합으로 버너에 공급된다.
여기에서 사용된 용어 고용량 버너는, 2 kg/sec 초과의 고체가 환형 개구로부터 방출되는 공정을 포함하는 것을 의미한다. 이러한 고용량 버너의 환형 개구의 폭은 바람직하게는 4 ~ 15 ㎜ 이다. 고체가 환형 개구로부터 방출되는 때의 바람직한 고체의 속도는 5 ~ 15 m/s 이다.
도면의 상세한 설명
본 발명은 도 1 및 도 2 에 의하여 추가로 설명되어야 한다. 도 1 은 본 발명에 따른 버너 (1) 의 전방부의 종단면을 도시한다. 버너 (1) 는 고체 연료를 방출하기 위한 개구 (3) 와 산소 함유 가스를 방출하기 위한 단일 중앙 개구 (4) 를 갖는 버너 전방부 (2) 를 구비한다. 고체 연료를 방출하기 위한 개구 (3) 는 중앙 통로 (5) 에 유체 연결된다. 통로 (6) 는 중앙 통로 (5) 와 동축으로 위치된다.
중앙 통로 (5) 는, 중앙 통로 (5) 의 직경이 제 1 길이 (7) 에 걸쳐 증가한 후 버너 전방부 (2) 에서 종료하는 제 2 길이 (8) 에 걸쳐 감소하는 하류 부분을 갖는다. 중앙 통로의 하류 부분 내에는, 일 단부 (10) 에서 폐쇄되고 버너 전방부 (2) 에서 개구 (11) 를 갖는 중공 부재 (9) 가 위치된다. 중공 부재 (9) 는 중앙 통로 (5) 의 증가 및 감소 직경과 정렬된 증가 직경 및 감소 직경을 가져서, 고체 연료를 방출하기 위한 내향 환형 개구 (13) 내에, 버너 전방부 (2) 에서 종료하는 고체 연료용 환형 통로 (12) 를 형성한다. 바람직하게는, 환형 통로 (12) 의 폭이 실질적으로 일정하게 유지되어 부식을 제한하도록 직경의 정렬이 선택된다.
바람직하게는 중공 부재 (9) 는, 중공 부재 (9) 의 증가 및 감소 직경과 정렬된 내부 증가 직경 (15) 및 내부 감소 직경 (16) 을 가진다. 이는 원추 형 부분과 원추대형 부분을 갖는 중공 부재의 중공 공간을 규정한다. 중공 부재 (9) 는 하나 이상의 연결 도관들 (14) 에 의해 산소 함유 가스용 환형 통로 (6) 와 유체 연결된다. 또한, 연결 도관들 (14) 은 중앙 통로 (5) 내에 위치된 중공 부재 (9) 를 유지하는 스페이서이다. 사용 중에 있을 때, 고체의 유동 또는 산소 함유 가스에, 또는 양자에 소용돌이 (swirl) 가 전달되도록 도관들 (14) 이 설계될 수 있다. 바람직하게는, 연결 도관들 (14) 은, 분기부 내에 위치된 방출 개구 (17), 그렇지 않으면 중공 부재 (9) 의 원추형 부분 내에 위치된 방출 개구를 갖는다. 적절하게는 방출 개구 (17) 는 더 긴 치수가 버너의 축선과 정렬된 타원형 형태를 갖는다. 바람직한 실시형태에서, 개구들 (14) 의 수는 3 개이다. 또한, 도 1 은 중공 부재의 원추대형 단부에서 중공 부재의 개구 (11) 를 도시하고, 이 개구는 버너 전방부 (2) 에서 산소 함유 가스를 방출하기 위한 개구 (4) 이다. 따라서, 산소 함유 가스를 방출하기 위한 개구 (4) 는 중공 부재 (9) 와 연결 도관들 (14) 을 통해 산소 함유 가스의 통과를 위한 환형 통로 (6) 에 유체 연결된다.
바람직하게는, 산소 함유 가스가 중공 부재의 개구 (11) 로부터 균등하게 분배된 유동으로 방출되도록 중공 부재 (9) 의 치수 및 형상이 선택된다. 바람직하게는, 산소 함유 가스가 이 개구로부터 방출되는 때에, 산소 함유 가스의 속도는 30 ~ 90 m/s 이다. 중공 부재의 형상은 원추형 단부 및 버너 전방부 (2) 에서의 원추대형 단부를 포함하고, 두 부분은 직접 연결되거나 선택적으로 관형 부분을 통해 연결된다. 원추형 단부 (10) 의 상부의 경사에 의해 형성된 각도는 바람직하게는 5 ~ 40 도이다. 이 각도는 고체의 유동이 중앙 통로 (5) 로부터 환형 통로 (12) 로 진출하는 지점에서의 부식을 제한하기 위해 너무 커서는 안 된다.
바람직하게는, 고체 연료를 방출하기 위한 개구 (3) 를 산소 함유 가스를 방출하기 위한 개구 (4) 로부터 분리하는, 버너 전방부 (2) 에서의 중공 부재 (9) 의 림 (25) 의 폭은 0.5 ~ 3 ㎜ 이다. 버너 (1) 의 축선과 고체 연료를 방출하기 위한 내향 환형 개구 (13) 의 유출 방향에 의해 형성되는 때에 각도는 바람직하게는 3 ~ 45 도, 더 바람직하게는 5 ~ 30 도이다. 이 범위 내에서, 산소 함유 가스와 연료 사이에 최적 접촉이 달성되면서, 또한 불꽃의 충분한 리프팅을 달성하고, 따라서 열 플러스의 감소를 달성한다는 것을 발견하였다.
또한, 도 1 의 버너는 환형 통로 (6) 의 주위에 위치된 신선한 냉각수용의 바람직한 환형 통로 (19) 를 구비한다. 통로 (19) 주위에, 사용된 냉각수용의 환형 통로 (20) 가 존재한다. 적절하게는, 통로들 (6, 19 및 20) 은 중앙 통로 (5) 용 중앙 개구, 냉각 재킷 (23) 으로부터 통로 (20) 로의 사용된 냉각수의 통과를 위한 다중 통로 (22), 및 통로 (19) 로부터 냉각 재킷 (23) 으로의 신선한 냉각수의 통과를 위한 다중 개구 (24) 가 제공된 연결 블록 (21) 에서 종료한다. 연결 블록 (21) 의 존재는 가능하게는 손상된 중공 부재 (9) 를 간단하게 교체할 수 있게 하므로 유리하다. 중공 부재의 원추대형 부분은 연결 블록 (21) 으로부터 중앙 통로 (5) 의 원추대형 벽부 (26) 및 냉각 재킷 (23) 을 잘라냄으로써 제거될 수 있다. 연결 블록 (21) 은, 설명된 대로 간단한 제거가 가능하도록, 중앙 통로 (5) 의 직경이 증가 직경으로부터 감소 직경으로 역전되는 지점에 위치되는 것이 적절하다.
바람직하게는 냉각 재킷 (23) 은 상기한 EP-A-328794 에서 설명된 바와 같은 또는 CN-A-101363624 에서 설명된 바와 같은 냉각 재킷이다. 이러한 냉각 재킷 (23) 은 연결 블록 (21) 에서 시작하여 버너 전방부 (2) 에서 종료하는 버너 섹션의 외부를 규정하는 이중벽 (28, 29) 을 구비한다. 이중벽 (28, 29) 은 버너 전방부 (2) 의 일부와 상기 버너 섹션을 둘러싸는 냉각수용 유동 경로를 규정하는 하나 이상의 배플 (30) 에 의해 이격되어 있다. 버너 전방부 (2) 에서, 신선한 냉각수는 중앙 통로 (5) 의 벽 (26) 과 벽 (29) 에 의해 규정된 신선한 냉각수 구획 (31) 을 통해 개구 (32) 내로 유동한다. 신선한 냉각수 구획 (31) 은 개구들 (24) 을 통해 통로 (19) 에 유체 연결된다.
산소 함유 가스, 고체 연료, 신선한 냉각수 그리고 사용된 냉각수용 공급 연결부들을 갖는 버너 (1) 의 단부는 도 1 에 도시되지 않는다. CN-A-101363622 에서 설명된 바와 같은 설계는 이러한 목적을 위해 적절하게 사용될 수 있다.
도 2 에서 사용된 참조 부호들은 전술한 바와 동일한 의미를 갖는다. 또한, 도 2 는 환형 통로 (20) 의 외부 벽 (27) 을 도시한다. 도 2 는 세 개의 개구들 (17) 을 갖는 바람직한 실시형태를 도시한다. 도 1 에서는 세 개의 개구들 중 하나의 개구 (17) 와 단 하나의 연결 도관 (14) 을 갖는 대안적인 실시형태가 도시된다.

Claims (15)

  1. 고체 연료 방출용 개구 (3) 및 산소 함유 가스 방출용 단일 중앙 개구 (4) 를 갖는 버너 전방부 (2) 를 구비하는 고체 연료의 가스화용 버너 (1) 로서,
    상기 고체 연료 방출용 개구 (3) 는 중앙 통로 (5) 에 유체 연결되고,
    상기 산소 함유 가스 방출용 단일 중앙 개구 (4) 는, 상기 중앙 통로 (5) 와 동축으로 위치된 산소 통과용 환형 통로 (6) 에 유체 연결되며,
    상기 중앙 통로 (5) 는, 상기 중앙 통로 (5) 의 직경이 제 1 길이 (7) 에 걸쳐 증가한 후, 버너 전방부 (2) 에서 종료되는 제 2 길이 (8) 에 걸쳐 감소하는 하류 부분을 가지고,
    상기 중앙 통로의 상기 하류 부분 내에는, 일 단부 (10) 에서 폐쇄되고 상기 버너 전방부 (2) 에서 개구 (11) 를 갖는 중공 부재 (9) 가 위치되며,
    상기 중공 부재 (9) 는 상기 중앙 통로 (5) 의 증가 및 감소하는 직경에 정렬된 증가 직경 및 감소 직경을 가져서, 상기 고체 연료를 방출하는 내향 환형 개구 (13) 내에 상기 버너 전방부 (2) 에서 종료하는 고체 연료용 환형 통로 (12) 를 형성하고,
    상기 중공 부재 (9) 는 하나 이상의 연결 도관들 (14) 에 의해 산소 함유 가스용의 상기 환형 통로 (6) 와 유체 연결되며,
    상기 중공 부재의 상기 개구 (11) 는 상기 버너 전방부 (2) 에서의 상기 산소 함유 가스 방출용 단일 중앙 개구 (4) 이고,
    상기 중공 부재 (9) 는 상기 중공 부재 (9) 의 증가 및 감소하는 직경에 정렬된 내부 증가 직경 (15) 및 내부 감소 직경 (16) 을 가지며,
    상기 연결 도관들 (14) 은 상기 중공 부재 (9) 의 분기 부분에 위치된 방출 개구 (17) 를 갖는, 고체 연료의 가스화용 버너.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방출 개구 (17) 는 더 긴 치수가 상기 버너의 축선과 정렬되어 있는 타원형 형태를 갖는, 고체 연료의 가스화용 버너.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    개구들 (14) 의 수는 3 개인, 고체 연료의 가스화용 버너.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    개구들 (14) 의 수는 1 개인, 고체 연료의 가스화용 버너.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 버너 전방부 (2) 에서 상기 고체 연료 방출용 개구 (3) 를 상기 산소 함유 가스 방출용 상기 개구 (4) 로부터 분리하는 상기 중공 부재 (9) 의 림 (25) 의 폭은, 0.5 ~ 3 ㎜ 인, 고체 연료의 가스화용 버너.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 버너 (1) 의 축선과 상기 고체 연료를 방출하는 상기 내향 환형 개구 (13) 의 유출 방향에 의해 형성되는 각도가 3 ~ 45 도인, 고체 연료의 가스화용 버너.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 버너 (1) 의 축선과 상기 고체 연료를 방출하는 상기 내향 환형 개구 (13) 의 유출 방향에 의해 형성되는 각도가 5 ~ 30 도인, 고체 연료의 가스화용 버너.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중공 부재 (9) 의 폐쇄된 단부 (10) 는 원추형 형상을 갖는, 고체 연료의 가스화용 버너.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 환형 통로 (6) 주위에는 신선한 냉각수용 환형 통로 (19) 가 존재하고, 상기 환형 통로 (19) 주위에는 사용된 냉각수용 환형 통로 (20) 가 존재하며, 상기 통로들 (6, 19 및 20) 은, 중앙 통로 (5) 용 중앙 개구, 냉각 재킷 (23) 으로부터 통로 (20) 로의 사용된 냉각수의 통과를 위한 다중 개구들 (22), 및 통로 (19) 로부터 냉각 재킷 (23) 으로의 신선한 냉각수의 통과를 위한 다중 개구들 (24) 이 제공된 연결 블록 (21) 에서 종료되는, 고체 연료의 가스화용 버너.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연결 블록 (21) 은 상기 중앙 통로 (5) 의 직경이 증가하는 직경으로부터 감소하는 직경으로 역전되는 지점에 위치되는, 고체 연료의 가스화용 버너.
  11. 제 1 항에 따른 버너를 이용한 고체 연료의 가스화에 의해 수소 및 일산화탄소의 혼합물을 제조하는 방법에 있어서,
    산소 함유 가스는 통로 (6) 를 통과하고, 고체 연료 및 캐리어 가스는 중앙 통로 (5) 를 통과하며, 가스화는 버너 전방부 (2) 에서 일어나는, 고체 연료의 가스화에 의해 수소 및 일산화탄소의 혼합물을 제조하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 산소 함유 가스는 개구 (11) 로부터 방출되는 때에 30 ~ 90 m/s 의 속도를 가지고, 고체의 유동은 환형 개구 (13) 로부터 방출되는 때에 5 ~ 15 m/s 의 속도를 가지는, 고체 연료의 가스화에 의해 수소 및 일산화탄소의 혼합물을 제조하는 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 개구 (13) 로부터 2 kg/sec 초과의 고체가 방출되는, 고체 연료의 가스화에 의해 수소 및 일산화탄소의 혼합물을 제조하는 방법.
  14. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 고체는 석탄, 석유 코크스 또는 바이오매스인, 고체 연료의 가스화에 의해 수소 및 일산화탄소의 혼합물을 제조하는 방법.
  15. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 질소 또는 이산화탄소인, 고체 연료의 가스화에 의해 수소 및 일산화탄소의 혼합물을 제조하는 방법.
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