KR102441857B1

KR102441857B1 - 목재 가스화

Info

Publication number: KR102441857B1
Application number: KR1020160105669A
Authority: KR
Inventors: 가스통 글록
Original assignee: 글록 우코에네기 게엠베하
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2036-08-19
Also published as: KR20180020778A

Abstract

본 발명은 가스화되는 물질 및 바람직하게 산소 형태의 산소가 가스화가 이루어지는 고정층 반응기에 공급되는 가스 발생기(1)를 포함하는, 탄소 함유 물질, 바람직하게 목재의 가스화 장치 및 방법에 관한 것이다. 생성 가스는 생성 가스 라인(6)을 통해 배출되며, 고온 가스 필터(2)로 유입되고, 클린 가스가 클린 가스 라인(8)을 통과하고 클린 가스 라인(8)을 통해 배출되는 동안, 바람직하게 필터 캔들(7)을 포함하는 필터는 아직 가스화되지 않은 입자, 애쉬 및 이물질과 같은 고형물을 제거한다. 배출구(10)는 잔여 고형물을 배출하기 위하여 고온 가스 필터(2)의 바닥부에 제공되었다.
수율을 증가시키기 위하여, 본 발명은 필터 바닥부(13) 및 배출구(10) 사이의 고온 가스 필터(2)의 중간 높이 영역에서 라인(12)을 통해, 바람직하게 공기 형태의 산소가 공급되는 고온 가스 필터(2)를 포함한다.

Description

목재 가스화{WOOD GASIFICATION}

본 발명은 청구항 제1항 및 제2항의 전제부 및 WO 95/24591에 따라, 목재 또는 다른 탄소 함유 물질을 가스화하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 출원서는 복합 사이클 발전소용 유동층로(fluidized bed furnace)를 개시하였고, 다른 높이로 반응기에 도입되는 2차 공기 공급 및 3차 공기 공급을 가지는 반응기를 제공하였다.

US　2008/0127824　A1은 질소/공기 혼합을 통해 산소를 공급함에 따라 연소되지 않은 물질이 연소되는 석탄 가스화 플랜트용 재생 필터(regenerative filter)를 개시하였다.

US　6,077,490는 두 개의 필터 캔들(filter candle)에 의해 유사하게 제공하였다.

일반적으로, 선행 기술에 대하여, 다음이 명시될 수 있다: 목재는 화학적으로 3개의 주요 성분으로 이루어졌다:

- 셀룰로오스(cellulose);

- 헤미셀룰로오스(hemicellulose);

- 리그닌(lignin); 및

- 잔여물.

셀룰로오스

셀룰로오스는 약 50%로 모든 목본 식물의 주요 구성 성분이다. 셀룰로오스는 각각의 글루코오스 유닛으로 형성된 사슬 구조를 가지는 분자이다. 셀룰로오스의 실제 빌딩 블록은 셀로비오스(cellobiose), 이당류(disaccharide)이다.

헤미셀룰로오스

헤미셀룰로오스는 구성 성분이 펜토오스(pentoses) 및 헥소오스(hexoses)인 고분자 탄수화물로 이루어진다. 셀룰로오스와 마찬가지로, 헤미셀룰로오스는 다당류이다.

리그닌

목재의 세 번째 구성 요소는 약 25~30질량%의, 페닐프로판 유닛으로 이루어진 고분자, 리그닌이다.

잔여물

셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 뿐 아니라, 목재는 지방, 수지, 테르펜, 염료 및 타닌 및 미네랄 성분을 포함한다.

원소 조성물

목재의 실험식:

C_6.1H₉O_4.2 (1.2)

대조용 테이블 설탕(table sugar):

C₁₂H₂₂O₁₁ (2.2)

목재 타입	C [m-%]	H [m-%]	O [m-%]	N [m-%]	Cl [m-%]	Ash [m-%]
너도밤나무(Beech)	49	6	44	0.1	0.001	0.9
가문비나무(Spruce)	50	6	43	0.05	0.001	0.95

열 화학적 변환

열 화학적 향상 기법(가스화)은 열의 영향을 받아 고체 형태의 생물 에너지 운반체를 가스 형태의 2차 에너지 운반체로 변형시킨다. 가스화 동안, 바이오매스는 고온에서 가연성 가스(burnable gases)로 대부분 완전히 전환된다. 산호 함유 가스화 작용제와 세포 조직 생리학적으로 기능이 공급되며, 바이오매스에 존재하는 탄소가 일산화탄소로 전환되는 것이 기능 중 하나이다. 동시에, 공급 물질의 부분 연소는 실제 가스화 공정(자가열 가스화)을 수행하기 위하여 필요한 공정 열을 제공하였다. 발열량이 낮은, 형성된 가스는 열을 제공하기 위해 버너(burners)에서 이용될 수 있으며, 다른 응용법 중, 전기를 발생시키는 가스 엔진 또는 가스 터빈에서 이용될 수 있다.

병류 고정층 가스화

가스화 방법으로, 미립자 고형물(particulate solids, 목재)은 가스 스트림에 의해 교반된다. 연료는 가스화 장치(gasifier)를 통해 층(bed)의 형태로 이동한다. 가스화 잔여물은 가스화 장치의 바닥부에 모인다. 연료 및 가스는 동일한 방법을 이용한다.

가열 및 건조

제1 단계는 목재가 밖에서 안으로 천천히 가열되는 것을 특징으로 한다. 물이 증기 형태로 방출된다. 이러한 공정은 (에너지가 필요한)흡열성이다.

탈가스화 및 열분해(pyrolysis)

열분해 상 또는 열분해 영역의 온도는 200~400℃이다. 상기 온도에서, 산소(O2) 및 수소(H2)가 탈가스화된다.

상기 열분해 상에서, 위의 단락에서 확인된 목재 빌딩 블록이 탈가스화 된다. 열분해 방법에서, 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스로부터, 이산화탄소 및 일산화탄소(CO)가 형성되고, 아세트산(CH3COOH), 아세톤(C3H6O), 페놀(C6H5OH) 및 물(H2O)도 형성된다. 열분해 동안 형성된 긴 사슬 탄화수소가 타르(tars)이다.

리그닌의 분해는 메탄올(CH3OH) 및 방향족 탄화수소(예를 들어, 벤젠(C6H6))를 형성한다.

열분해의 고체 생성물은 숯(charcoal)이다.

산화

건조, 열분해 및 환원에 필요한 에너지가 본 영역에서 형성되었다. 탄소 및 수소는 연소하여 에너지를 방출한다. 본 영역에서, 온도는 650~1100℃이며, H₂O 및 CH₄가 (하기에 설명 없이)형성되었다.

환원

환원 영역에서, 가연성 가스가 형성될 수 있다. 여기에서, 고체 탄소의 실제 가스화가 이루어졌다. 환원 영역에서, 상기 산화에서 형성된 중간물, 예를 들어 CO2 및 H2O가 벌겋게 단 숯(glowing charcoal)을 통해 환원되었다. 여기에서, 생성물은 CO, H2 및 고급 탄화수소이다. 생성물은 약 110~650℃에서 생성되었다.

환원 공정은 주요 온도에 의존한다. 메탄을 형성하기 위한 수소 및 탄소의 반응은 400~600℃로 가파르게 감소한다. 1000℃ 이상의 온도에서, 메탄은 더이상 형성되지 않는다. 고온에서, 부다 반응(Boudouard reaction)이 우수하게 일산화탄소를 수득한다. 반응은 상대적으로 느리게 진행된다.

온도에 의존하여, 높은 CO 생성률 및 높은 수소 생성률 사이에서 서로 일치하지 않는 경향이 있다. 또한, 수소 생성률은 메탄이 형성됨에 따라 다시 감소된다. 두 성분은 발열량을 증가시킨다. 수소 함량이 높으면 엔진 노킹(engine knocking) 문제가 증가한다. 노크 저항(Knock-resistant) 메탄은 우수한 연료 가스이나, 높은 메탄 함량으로 유도된 가스 생성이 가스에서 타르 부하를 높이는 것으로 추측된다.

가스화 공정 방법

첫째로, 목재는 열이 공급됨에 따라 가열되고, 동시에 가스화 장치 물질에 존재하는 물이 증발된다. 필요한 열의 양은 탄화(carbonization)로 인한 가스의 부분 연소 및 탄소 및 수소의 산화에 의해 생성된다.

이로 인해 생성된 숯은 탄소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소가 산화 및 환원되는 반응 영역에 쓰인다. 가스화 공정의 순서에서, 숯의 크기가 감소되는데, 이것은 입자의 표면 영역이 커지고 반응 속도가 상승하는 것을 의미한다.

반응 영역이 전체로 간주되고, 산화 및 환원이 동시에 진행되는 것은 명백하다.

숯에 의한 이산화탄소의 환원이 흡열성이기 때문에, 온도는 바닥부에서 상부로 떨어지며, 반응이 약해진다. 환원층(reduction zone) 및 산화층(oxidation zone) 사이가 명백하게 분리되지 않는다.

CO₂가 1000~1400℃의 높은 주요 온도에서 더이상 안정적이지 않기 때문에, 산화층에서 탄소가 CO₂를 형성하기 위하여 연소되는 것으로 생각된다.

일산화탄소의 비율은 산소의 존재 하에 CO₂를 형성하기 위하여 연소되는 것으로 생각된다. 그러나, CO₂는 고온에서 불안정하며, 뜨거운 탄소를 통해 CO로 환원된다. 산소가 모두 이용되었을 때, CO는 더이상 연소되지 않으며, 온도가 낮아짐에도 불구하고 안정적인 농도로 유지된다. 따라서, 마지막 고려 사항에 따라, 우선 CO₂가 존재하기 때문에 환원 반응은 여기에서 가정되어야 한다.

위에 설명한 방법이 명백해지도록, 가스화는 다음과 같은 가연성 및 난연성 가스의 혼합물을 생성한다.

1. 가연성 가스:

· 일산화탄소(carbon monoxide) CO

· 수소(hydrogen) H₂

· 메탄 CH₄

· 분자량이 높은 탄화수소 화합물

2. 난연성 가스:

· 이산화탄소 CO₂

· 질소 N₂

· 증기 H₂O

· 적은 양의 산소 O₂

성분	부피율	발열량	최소 공기 질량	메탄가
	[vol%]	[MJ/m ³ ]	[m ³ _air /m ³ _gas ]
수소 H ₂	17.1-19.8	10.8	2.36	0
산소 O ₂	0.4-0.6	0	-	-
질소 N ₂	45	0	-	-
일산화탄소 CO	20-23.8	12.6	2.41	75-100
이산화탄소 CO ₂	8.5-16.2	0	-	-
메탄 CH ₄	1.5-2.9	35.9	9.57	100
고급 탄화수소 C _m H _n	0.2	≒50-90	가변적	-

공정 체제, 체류 시간, 온도 및 연료 타입, 입자 크기 및 습도가 목재 가스 조성물에 영향을 미친다. 목재의 일반적인 발열량은 약 3.5-5.5　MJ/m3이며, 목재 가스는 약한 가스를 만든다.

5~10중량%의 개시 물질은 애쉬(ash)로 남아있으나, 처음에는 가스화되지 않은 목재 잔여물로 남아 있으며, 선행 기술에 따른 목재 가스화에서 연소화되지 않은 형태로 얻어진 목재 성분의 가스화를 최대화하여, 경제적이고 환경적이어야 한다. 즉 이것이 본 발명의 목적이다.

도 1은 본 발명의 플랜트의 도식도.

본 발명은 청구항 제1항의 특징부에 설명한 특성을 포함하는 장치 및 청구항 제3항의 특징부에 설명한 특성을 포함하는 방법으로 본 발명의 목적을 달성하였다.

다시 말하면: 가스 발생기의 바닥부에서 가스화되지 않은 형태로 얻어진 숯이 하류의 고온 가스 필터에 가스 스트림으로 적어도 대부분이 전달된다. 따라서, 벌크 제품(bulk goods)의 운반으로 알려진 바와 같이, 공압 수송 방식으로 유량을 적합하게 선택하여 수행될 수 있다. 고온 가스 필터에서, 석탄 가루 및 혼입되는 애쉬와 함께, 숯은 바람직하게 필터 캔들로 이루어진 필터의 표면에 증착된다. 필터 캔들의 필터 상류에서의 압력 저하에 의존하여, 산소(주로 공기 형상)가 가능한 필터 캔들 위의 필터 케이크(filter cake)가 따로따로 부서지며, 압력파(pressure wave) 및 온도에 의해 촉진되는 펄스 방식으로 도입되며, 제2 가스화 단계에서, 혼입된 숯 및/또는 석탄 가수가 훨씬 뚜렷하게 가스화된다. 여전히 가스화되지 않은 분획물은 바람직하게 공기의 형태로 다시, 필터의 바닥부에 공급된 산소에 의해 결국 가스화된다. 플랜트 제조사 및 플랜트 조작자에게 쉽게 결정된 공정 매개변수에 따라, 이미 알려진 방식이 아닐 경우, 대체로 완전히 목재가 가스화되어, 오직 미네랄 애쉬(mineral ash)만 남게된다.

하나의 도안으로 이루어진 도면에서, 본 발명에 따른 플랜트가 도식적으로 기술되었다. 본 발명에 관련되지 않은 모든 부품의 기술은 생략되었다. 특히, 많은 계량기; 조절 소자 및 차단 소자; 제어부; 저장부, 건조 장치, 최종 생성 가스 클리닝과 같으며 사용자에게 전달되는 플랜트 상류 및 하류의 부품이 목재 가스화 플랜트의 분야의 기술의 숙련자에게 잘 알려져 있으며, 본 발명에 관하여 더 자세한 설명을 필요로 하지 않는다.

비록 계량기 등이 없더라도, 본 발명에 필요한 부품 및 소자를 가지는 본 발명의 플랜트는 단일 도면에서 도식적으로 기술되었다. 도면에 기술된 본 발명의 플랜트는 다음을 특징으로 한다: 가스 발생기(1) 및 고온 가스 필터(2). 도시되지 않은 저장소 벙커(reservoir bunker)로부터, 목재 부스러기, 목재 펠릿, 석탄 등등이 공급부(3)를 통해 가스 발생기(1)에 공급되고, 선행 기술로부터 알려졌으며 처음에 건조 단계, 탄화 단계, 산화 단계 및 환원 단계를 거친다; 장치(4)로 나타낸 바닥부에서, 공기는 라인 및 분배 시스템(5)에 의해 적당히 공급된다. 상기 장치는 병류(co-current)로 작동하는 고정층을 가지는 종래의 목재 가스화기이다. 바닥부에서, 산화 후, 환원되며, 연소되지 않은 일부 및 애쉬가 가스 발생기의 바닥부의 라인(6)을 통해 생성 가스(product gas)로 배출되어, 고온 가스 필터(2)의 중간부에 도입된다. 고온 가스 필터(2)의 바닥부는 필터 바닥부(13)를 포함하는 필터 캔들(7)의 아래로 돌출된다. 하나의 필터 캔들이 특정 상황에 충분할 지라고, 연속 작동을 위해 중요하진 않지만 적어도 두 개의 필터 캔들(7)이 제공되는 것이 바람직하다. 생성 가스는 필터 캔들을 통과하며, 고온 가스 필터(2)의 상부으로, 클린 가스인 생성물로서 나타나며, 상기 고온 가스 필터(2)의 상부에서 클린 가스가 클린 가스 라인(8)을 통해 제거되며 추가 처리 및/또는 이용을 위해 공급된다.

필터 캔들(7)은 압축 공기 공급부(compressed air supply)에 의해 가압 공기 공급부(pressurized air supply, 9)에 조절 가능하게 연결되며, 필터 캔들은 미정제 가스(crude gas) 측에 수집되는 필터 케이크를 터트리고 적어도 부분적으로 가스화시키기 위하여, 초대기압 압력(superatmospheric pressure)하에, 필터 캔들의 클린 가스측에 펄스 방식으로 배치될 수 있다. 고온 가스 필터(2)의 바닥부에 가스화되지 않은 성분 및 대응하는 애쉬 배트(ash vat, 11)용 배출구(10)가 제공된다.

그 후, 본 발명에 따라, 상술한대로, 라인(12)을 통해 선택적으로 가열되고 및/또는 건조된, 예를 들어 공기 형태의 산소가 필터 바닥부(13) 아래의 영역에 공급됨에 따라, 고온 가스 필터(2)의 미정제 가스 영역에서, 본 위치까지 가스화되지 않았던 목재의 성분의 매우 크고 완전한 추가 가스화가 이루어진다.

상기 방식으로, 잔류하고 가스화되지 않은 목재의 분획물이 환경 및 경제적 측면에 대하여 주목할 만한 결과로서 미네랄 애쉬로 환원될 수 있다: 선행 기술에서, 이용된 연료의 5~10중량%가 가스화되지 않음에 따라, 적절한 처리가 필요하다: 본 발명의 결과로서, 상기 분획물은 이용된 연료의 1중량% 미만으로 압축되며, 본 발명은 이전의 폐기물 레벨의 10~20%로 폐기물의 감소가 증가함에 따라 90~95%에서 99%까지의 수율로 부스트(boost)를 생성한다. 한편으로는 라인(6)의 외풍(draft)을 강화시키는 추가 비용 및 라인(12)을 통해 고온 가스 필터(2)로 반응 공기를 불어 넣는 비용은 무시할 정도이며, 대단치 않다.

본 발명은 도시된 실시예로 한정되지 않으며, 다양한 방법으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 거대한 플랜트에 의해, 복수의 가스 발생기 및/또는 복수의 고온 가스 필터가 정비 중인 경우에도 연속 작동을 위하여 서로 적합하게 결합될 수 있다. 증가된 외풍으로 인해 매우 무거워진 목재 성분에 대하여, 부품용 방전 장치가 가스 생성기로 제공될 수 있다; 부품이 이후에 가스 생성기로 재공급되거나 개시 물질의 특성에 의존하여 구성될 수 있으며, 생성물 스트림(product stream)으로 돌아갈 가능성이 있다.

본 발명은 고온 가스 필터에서의 반응이 중단되지 않고 및/또는 필터 작동의 다른 실시예가 중단을 야기하지 않기 때문에, 방법 또는 장치의 다양한 다른 실시예와 결합될 수 있다.

고온 가스 필터의 두 번째 가스화 단계를 수행한 결과, 상태 조건이 변화 또는 물질의 적용이 필요함에 따라 충분한 방식으로 변경되지 않으며, 따라서, 종래의 고온 가스 필터로 기술의 숙련자에 의해 고려되는 모든 부품 및 물질을 이용할 수 있다.

필터 캔들(7)이 바닥부에 존재할 때, 고온 가스 필터(2)의 노즐의 도입부 또는 공급 라인의 다른 개구부의 레벨은 적합하다. 필터 케이크가 산산 조각 날 때, 전체 물질이 중단되지 않는 작동 중에 앞쪽으로 통과할 것이며, 아직 가스화되지 않은 물질도 앞쪽을 통과할 것이다. 초대기압과 같은 작동 변수 및 부피 유량은 몇몇 실험에 의해 쉽게 측정된다. 다른 물질이 탈가스화되는 경우, 특정 환경 아래, 개별적으로 또는 그룹으로 제공될 수 있는 노즐을 다른 높이로 제공하는 것이 바람직하다.

기울어진 노즐의 배열을 통해, 추가 가스화가 촉진되는 특정 흐름 패턴을 얻을 수 있다.

본 발명은 가스 발생기(1)를 포함하는, 탄소 함유 물질, 바람직하게 목재의 가스화 장치에 관한 것이며, 가스화되는 물질이 상기 가스 발생기(1)의 상부(upper region)에 공급되고, 주로 공기 형태의 산소는 상기 가스 발생기(1)의 중간부(middle region)에 공급되며, 상기 가스 발생기(1)의 하부(lower region)의 고정층 반응기(fixed bed reactor)에서 대부분 가스화되고, 생성 가스는 생성 가스 라인(6)을 통해 상기 가스 발생기(1)의 최저부(lowermost region)에서 배출되며, 고온 가스 필터(2)의 하부에 유입되고, 바람직하게, 클린 가스가 클린 가스 라인(8)를 통과하고 클린 가스 라인(8)을 통해 배출되는 동안, 필터 캔들(7)을 가지는 필터는 아직 가스화되지 않은 입자, 애쉬 및 이물질과 같은 고형물을 제거하며, 배출구(10)는 상기 고온 가스 필터(2)의 바닥부에서 잔여 고형물을 배출시키기 위해 제공되었다. 고온 가스 필터(2)는 바람직하게 공기 형태의 산소가 라인(12)을 통해 필터 바닥부(13)와 배출구(10) 사이의 중간 높이 영역에 공급된다.

또한 본 발명은 탄소 함유 물질, 더 특히 목재를 가스화하는 방법에 관한 것이며, 가스 발생기(1) 및 생성물 스트림에서 가스 발생기(1)의 하류에 있는 고온 가스 필터(2)를 포함하며, 고온 가스 필터(2)는 바람직하게 공기 형태의 산소가 생성물 스트림의 필터 앞쪽에 공급되고, 추가 가스화 방법이 수행된다.

물질의 경우 "대부분(largely)"과 같은 항목은 50중량% 이상, 바람직하게 80중량% 이상 및 더 바람직하게 95중량% 이상을 의미하며; 반응기, 필터, 구조물 또는 장치 또는 일반적으로 물품의 "바닥부(bottom region)"는 하반부 및 더 특히 전체 높이의 1/4 아래를 의미하고; "최저부(lowermost region)"는 최저 영역을 의미하며, 더 특히 근소 부분을 의미하며; "중간부(middle region)"는 전체 영역 3등분 중 중간 부분을 말한다. "상부(top)", "바닥부(bottom)" 등과 같은 모든 세부 사항은 일반적으로 통상적인 의미로 쓰이며, 고려 중인 물품의 정의된 위치에 적용된다.

"대체로(Substantially)"는 물리적으로 가능한 경우, 상술한 도면에서 위쪽으로 및 아래쪽으로 둘 다 또는 이해 가능한 방향으로만 10%의 편차로 한정될 수 있다.

01 가스화기
02 고온 가스 필터
03 공급부
04 장치
05 분배기(Distributor system)
06 제품 라인
07 필터 캔들(들)
08 클린 가스 라인
09 압축된 공기 공급부
10 배출구
11 애쉬 빈(ash bin)
12 공급 라인
13 필터 바닥부

Claims

가스 발생기(1)를 포함하는, 탄소 함유 물질의 가스화 장치로서,
가스화되는 물질이 상기 가스 발생기(1)의 상부(upper region)에 공급되고,
공기 중에 포함된 산소는 상기 가스 발생기(1)의 중간부(middle region)에 공급되어, 상기 가스 발생기(1)의 하부(lower region)의 고정층 반응기(fixed bed reactor)에서 가스화되고,
생성 가스는 생성 가스 라인(product gas line, 6)을 통해 상기 가스 발생기(1)의 최저부(lowermost region)에서 배출되어, 고온 가스 필터(hot gas filter, 2)의 하부에 유입되고,
클린 가스가 클린 가스 라인(8)을 통과하고 클린 가스 라인(8)을 통해 배출되는 동안, 필터 캔들(filter candles, 7)을 가지는 필터는 아직 가스화되지 않은 입자, 애쉬 및 이물질인 고형물을 제거하며,
배출구(10)는 상기 고온 가스 필터(2)의 바닥부(bottom region)에서 잔여 고형물을 배출시키기 위해 제공되고,
상기 고온 가스 필터(2)는 공기 중에 포함된 산소가 라인(12)을 통해 필터 바닥부(13) 및 상기 배출구(10) 사이의 중간 높이 영역으로 공급되는 것을 특징으로 하는, 가스화 장치.
제1항에 있어서,
팬(fan)에 의해 상기 생성 가스 라인(product gas line, 6)의 외풍(draft)이 너무 강해서, 상기 가스 발생기에서 가스화되지 않은 입자가 상기 고온 가스 필터(2)로 상당히 혼입되는 것을 특징으로 하는, 가스화 장치.
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