KR100742159B1 - 바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전기술에 관한 것으로, 특히 새로운 재생에너지원의 하나인 바이오매스의 가스화에 의하여 합성가스를 제조하여 엔진을 가동시키고 전력의 생산과 열을 회수하여 스팀을 제조하는 열병합 발전 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 바이오매스의 가스화에 의한 합성가스의 제조공정, 타르 및 목초액을 회수하는 공정, 합성가스의 정제공정, 그리고 엔진장치에 의한 엔진의 가동공정을 포함하여 이루어지되, 상기 엔진장치가 엔진본체에 경유공급부를 거쳐 경유를 공급하고, 별도의 가스공급부를 거쳐 혼합된 합성가스를 공급하되 혼합된 합성가스는 유량조절밸브를 거쳐 외부로부터 공급되는 공기와 터보기구를 거치면서 미리 혼합된 상태의 가스로 상기 가스공급부로 공급하며, 상기 유량조절밸브는 연소가스배출부에 설치된 센서로부터 감지된 신호에 의하여 산소분석기와 제어기를 거쳐 유량의 제어가 이루어지도록 그 구성이 이루어지는 바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전방법을 제공함을 특징으로 한다.

바이오매스, 가스화, 열병합, 발전, 합성가스

Description

바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전방법{Cogeneration System By Biomass Gasification}

도 1은 본 발명의 바람직한 일례로서 나타낸 계통도,

도 2는 본 발명의 바람직한 다른 일례를 나타낸 계통도,

도 3은 본 발명의 바람직한 또 다른 일례를 나타낸 계통도,

도 4는 본 발명에 있어서 채택 활용되는 엔진의 구동을 위한 연료의 공급 및 배기가스의 배출계통을 나타내는 계통도,

도 5는 본 발명에 있어서 채택 활용되는 개질기의 바람직한 일례를 나타낸 계통도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 바이오매스 가스화장치, 2: 타르 회수장치,

3: 목초액 회수장치, 4: 가스정제장치,

5: 엔진장치, 6: 개질기

본 발명은 바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전기술에 관한 것으로, 특히 새로운 재생에너지원의 하나인 바이오매스의 가스화에 의하여 합성가스를 제조하여 엔진을 가동시키고 전력의 생산과 열을 회수하여 스팀을 제조하는 열병합 발전 방법에 관한 것이다.

에너지원의 대부분을 수입에 의존하는 우리나라에서는 국가안보의 차원에서나 지속적인 경제성장을 유지하기 위하여 에너지 수입의존도를 최대한 감소시킬 수 있는 장기적인 에너지원 수급정책의 수립과 근본적인 청정 대체에너지의 개발이 필수적인 상황이다.

이러한 현실에서 바이오매스는 화석연료의 고갈과 환경오염에 대한 우려를 해소할 수 있는 대체에너지의 한 분야로 주목받고 있다.

이러한 바이오매스란 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의하여 생성되는 식물체, 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물유기체를 지칭하는 용어이다. 따라서, 바이오매스 자원은 곡물 등의 전분질계 자원과 임목 및 볏짚, 왕겨와 같은 농부산물을 포함하는 셀룰로오스계의 자원, 사탕수수, 사탕무우와 같은 당질계의 자원 및 음식폐기물 등의 유기성 폐기물에 이르기까지 포함하는 포괄적인 의미를 갖는다.

현재 지구상에는 건조중량으로 약 1.8 내지 2 조 톤의 바이오매스가 존재하고, 이 양의 약 10% 에 해당하는 2,000 억 톤의 바이오매스가 매년 생산되고 있으며, 이는 지구상에 내려 쬐는 태양에너지의 약 0.1%가 바이오매스로 축적되고 있는 것에 해당하며, 또한 바이오매스는 근본적으로 CO₂ 에 의한 환경영향이 제로이기 때 문에 화석연료에 비해 매력적인 에너지원이 아닐 수 없다.

바이오매스를 에너지화하는 방법은 열화학적 방법과 생물학적 방법으로 나눌 수 있다.

그 중에서 열화학방법 중 가장 오래된 에너지 전환 기술은 연소 방법이지만 최근에는 열분해, 액화, 가스화 등의 새로운 기술에 의한 이용이 연구 개발되고 있으며, 바이오 디젤, 바이오 알코올은 전 세계적으로 이미 상용화 단계에 접어든 분야이다.

그러나, 기술수준에 관계없이 바이오매스에 대한 연구개발은 앞으로도 전 세계적으로 지속될 것이며, 향후 5 내지 10년을 기점으로 바이오매스 산업은 급격히 성장할 것으로 전망되고 있다.

가스화기술 중 바이오매스를 연료로 이용하는 경우에는 바이오매스를 600℃ 내지 1000℃의 고온에서 부분 산화시켜 발생하는 열과 가스화제인 O₂, H₂O를 이용하여 합성가스(CO+H₂)를 생산하는 기술이다.

특히, 가스화 공정이 연소방식과 다른 점은 환원성 분위기에서 전체적인 반응이 이루어진다는 점으로 비교적 오염원 배출이 적어 차세대 청정 이용 기술로 각광을 받고 있다.

현재까지 국내에서는 바이오매스 열분해에 의한 목초액 생산에 초점이 맞추어져 왔으나, 발전부분과 연계된 열병합발전 기술 개발에 대한 연구는 매우 미약한 실정에 있다.

위와 같이 합성가스 및 목초액 생산을 위한 가스화 장치의 종류에는 직화식 수직형 로, 간접가열식 수직형 연속로 및 간접가열식 수평형 로터리 킬른 등으로 구분할 수 있다.

직화식 수직형로는 일본 나가시마의 특허를 도입하여 1993년 경남 의령에서 생산하기 시작한 것으로서 프랑스에서 개발된 SIFIC형 목재 연속탄화로를 개량한 것으로서, 미국, 브라질, 호주 등지에서 가장 많이 사용되고 있는 가스화 장치이다.

간접가열식 수직형 연속로는 일본 오다의 특허를 도입하여 1998년 전남 목포에서 가동을 시작한 가스화 장치로서, SIFIC형 연속탄화로를 간략화한 CISR Lambiotte형을 개량하였으며 프랑스, 벨기에 등지에서 많이 사용되고 있다.

간접가열식 수평형 로터리 킬른은 일본 요시다의 특허를 도입하여 1998년 경북 성주에서 가동을 시작하였으며, Pillard형 목재 연속 탄화로를 개량한 것으로 이것 역시 프랑스에서 개발된 것이다.

바이오매스 가스화 발전 기술은 상압 부근에서 공기와 반응하여 가스화 반응을 하여 합성가스를 제조하고, 합성가스 중의 타르 성분이나 입자상 물질을 제거한 다음 가스터빈이나 가스엔진의 연소를 통한 전력생산과 부산물로서 목초액을 회수하는 기술이다.

따라서, 범용적으로 이용하기 위해 개발되어야 할 핵심적인 요소기술로는 연료 성상의 다변화에 따른 공정 운전기술, 가스화 장치 설계 기술, 연료주입 및 반응물 혼합기술, 내화재 및 열회수 기술, 타르, 슬래그 등의 미반응물 처리기술, 발 전 및 연계운전기술, 플랜트 최적화 기술 등이 필요하다.

또한 바이오매스는 에너지 밀도 대비 존재하는 지역이 광범위하여 발생, 수집, 수송에 따른 비용이 많이 소요되는 특성이 있어 산지에서 직접 처리하거나 수집하여 대규모처리 등과 같이 여러 가지 현장상황에 따라 적절한 플랜트 운용의 유연성을 갖추는 것이 필수적이라 하겠다.

본 발명은 위와 같이 종래에는 해결하지 못했던 여러 기술 중 실용화가 가능하도록 개발하여 이루어진 것으로 다음과 같은 목적을 가지고 개발이 이루어졌다.

본 발명은 주로 목초액을 생산하기 위해 사용되어 왔던 기존의 바이오매스 열분해시스템을 이용하여, 목초액, 목탄 및 전력생산시스템을 포함하는 바이오매스 열병합발전시스템의 개발과 발전효율을 증가시킬 수 있는 개질기(Reformer)의 설치를 통하여 바이오매스 가스화에 의한 열병합발전이 가능하도록 하고 국제적인 환경규제 강화에 대처할 수 있도록 하고자 함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 많은 량의 폐기물을 발생하는 목재공장에 중소 규모의 바이오매스 열병합발전시스템의 설치를 통하여 폐자원을 이용한 자가발전 및 고 부가가가치의 목초액 등의 생산을 통한 부수익을 올릴 수 있도록 하고, 에너지수급 안정화 및 기업의 경쟁력 확보에 크게 기여할 수 있도록 하고자 함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 고정층 가스화 장치로서 바이오매스를 이용한 직화식 수직형 로를 이용하여 가스화를 통해 발생되는 합성가스중에 포함되어 있는 고부가가치의 부산물인 목초액을 회수하여 농자재 및 소취제로서 사용하고, 목탄 및 토지개선재 등의 부산물을 회수한 후 상기 합성가스를 연료로 이용하여 엔진을 작동시키거나 가스화 부산물인 목초액을 개질기를 통해 가스로 전환한 후 엔진작동의 연계를 통한 전력생산 방식으로서 바이오매스 열병합 발전방법을 제공하려는 것이다.

본 발명은 위와 같은 여러 목적들을 달성하기 위하여, 바이오매스의 가스화에 의한 합성가스의 제조공정, 타르 및 목초액을 회수하는 공정, 합성가스의 정제공정, 그리고 엔진장치에 의한 엔진의 가동공정을 포함하여 이루어지되, 상기 엔진장치가 엔진본체에 경유공급부를 거쳐 경유를 공급하고, 별도의 가스공급부를 거쳐 혼합된 합성가스를 공급하되 혼합된 합성가스는 유량조절밸브를 거쳐 외부로부터 공급되는 공기와 터보기구를 거치면서 미리 혼합된 상태의 가스로 상기 가스공급부로 공급하며, 상기 유량조절밸브는 연소가스배출부에 설치된 센서로부터 감지된 신호에 의하여 산소분석기와 제어기를 거쳐 유량의 제어가 이루어지도록 그 구성이 이루어지는 바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전방법을 제공한다.

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이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예를 근거로 하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 살펴보기로 한다.

본 발명에 의한 바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전방법과 관련한 시스템의 여러 구성도는 도 1, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같다.

여기에서, 도 1은 타르 및 목초액 회수설비를 포함하는 바이오매스 가스화에 의한 열병합발전시스템을 나타낸 것이고, 도 2는 개질기를 포함하는 바이오매스 가스화에 의한 열병합발전시스템을 나타낸 것이며, 그리고 도 3은 타르 및 목초액 회수설비와 잔여 타르 및 목초액의 처리를 위한 개질기를 포함하는 바이오매스 가스화에 의한 열병합발전시스템을 나타낸 것이다.

도 1에는 바이오매스 가스화장치(1), 타르 회수장치(2), 목초액 회수장치(3), 가스정제장치(Scrubber)(4) 및 전력생산을 위한 엔진장치(5)를 순차적으로 연결 설치하여 이들을 포함하는 바이오매스 가스화에 의한 열병합발전시스템으로서, 여기에서 상기 엔진장치(5)는 2 연료엔진(Dual Fueled Engine) 또는 스털링 엔진(Stirling Engine)을 포함한다.

도 2에는 바이오매스 가스화장치(1), 목초액 및 타르를 합성가스로 전환하기 위한 개질기(Reformer)(6), 가스정제장치(Scrubber)(4) 및 전력생산을 위한 엔진장치(5)를 순차적으로 연결 설치하여 이들을 포함하는 바이오매스 가스화에 의한 열병합발전시스템으로서, 여기에서 상기 엔진장치(5)는 2 연료엔진(Dual Fueled Engine) 또는 스털링 엔진(Stirling Engine)을 포함한다.

도 3에는 바이오매스 가스화장치(1), 타르 회수장치(2), 목초액 회수장치(3), 개질기(6), 가스정제장치(Scrubber)(4) 및 전력생산을 위한 엔진장치(5)를 순차적으로 연결 설치하여 이들을 포함하는 바이오매스 가스화에 의한 열병합발전시스템으로서, 여기에서 상기 엔진장치(5)는 2 연료엔진(Dual Fueled Engine) 또는 스털링 엔진(Stirling Engine)을 포함한다.

도 4에는 엔진장치(5)로서 2 연료엔진(Dual Fueled Engine)의 구동을 위한 경유 및 합성가스의 유량조절시스템을 예시한 것으로서, 엔진본체(50)에 경유공급부(51)를 거쳐 경유를 공급하고, 별도의 가스공급부(52)를 거쳐 혼합된 합성가스를 공급하되 혼합된 합성가스는 유량조절밸브(53)를 거쳐 외부로부터 공급되는 공기와 터보기구(54)를 거치면서 미리 혼합된 상태의 가스로 상기 가스공급부(52)로 공급하며, 상기 유량조절밸브(53)는 연소가스배출부(55)에 설치된 센서로부터 감지된 신호에 의하여 산소분석기(56)와 제어기(57)를 거쳐 유량의 제어가 이루어지도록 그 구성이 이루어진 것을 나타낸 것이다.

도 5는 합성가스 중에 포함되어 있는 목초액 및 타르를 합성가스로 전환하기 위한 개질기(6)를 예시한 것으로서, 반응기(60)의 상부 일측에 합성가스의 유입구(62)를 마련하고 반응기(60)의 하부 일측에 개질가스의 배출구(64)를 마련하되 상기 유입구(62)의 대향측엔 개시 가열 및 온도 제어를 위한 버너(66)를 설치하고 상기 반응기(60)의 내부로서 상기 유입구(62) 및 상기 배출구(64)의 사이 위치엔 축열 및 혼합을 위한 세라믹볼층(68)을 마련하여 이루어져 합성가스와 스팀의 원활한 혼합과 고온의 열을 축적하여 반응이 원활하게 유지될 수 있도록 그 구성이 이 루어지도록 한다.

그리하여 위와 같이 시스템을 구성하고 작동이 이루어지는 과정을 본 발명에 의한 열병합 발전방법을 토대로 하여 살펴보기로 한다.

우선, 도 1에 예시한 시스템을 기초로 하여 살펴보면, 본 발명은 바이오매스 가스화장치(1)에 의하여 바이오매스의 가스화에 의한 합성가스의 제조공정, 상기 바이오매스 가스화장치(1)에 의하여 제조된 합성가스가 타르 회수장치(2) 및 목초액 회수장치(3)를 거치면서 타르 및 목초액을 회수하는 공정, 타르 및 목초액을 회수한 다음 가스정제장치(4)를 거치면서 합성가스를 정제하게 되는 합성가스의 정제공정, 합성가스의 정제공정에 의하여 정제된 합성가스를 연료로 활용하여 엔진장치(5)를 가동시키게 되는 엔진의 가동공정을 포함하여 이루어지게 된다.

물론, 위와 같이 엔진장치(5)를 가동시켜 발전기를 작동시켜 발전을 행하게 되고 바이오매스 가스화장치(1)를 가동하는 중에 발생되는 폐열을 활용하여 스팀을 제조하여 활용하는 바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전이 이루어지게 된다.

또한, 도 2에 예시한 바와 같이, 도 1에 예시한 실시예로서 타르 회수장치(2) 및 목초액 회수장치(3)를 경유하면서 타르 및 목초액을 회수하는 상기 공정 대신에 개질기(6)를 채택하여 타르 및 목초액을 합성가스로 전환하기 위한 개질공정으로 대체하는 바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전이 이루어질 수 있다.

또한, 도 3에 예시한 바와 같이, 도 1에 예시한 실시예로서 타르 회수장치(2) 및 목초액 회수장치(3)를 경유하면서 타르 및 목초액을 회수하는 상기 공정 후에 이를 다시 개질기(6)에 의하여 합성가스로 전환하는 개질공정을 추가공정으로 더 수행하여 이루어지는 바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전이 이루어질 수 있다.

이때, 바이오매스는 바이오매스 가스화장치(1) 내부에서 가스화되어 연료용 합성가스로 변화되게 되는데, 가스화제로는 1,000℃정도의 수증기가 포함되거나 단독형태의 공기를 이용하게 된다.

즉, 도 1 및 도 3에 예시한 바와 같이, 공급된 연료로부터 가스화에 의해 생긴 합성가스는 타르 회수장치(2) 및 목초액 회수장치(3)를 포함하는 바이오매스 가스화의 경우 냉각수를 이용하여 타르 및 목초액을 회수한 후에 가스정제장치(Scrubber)(4)에서 정제가 이루어지게 되고, 도 2에 예시한 바와 같이 개질기(6)를 포함하는 바이오매스 가스화의 경우엔 합성가스 중의 타르 및 목초액을 스팀과 반응하여 가스로 개질된 후 가스정제장치(Scrubber)(4)에서 정제되며, 정제된 합성가스는 2 연료엔진(Dual Fueled Engine) 또는 스털링 엔진(Stirling Engine)을 포함하는 엔진장치(5)를 이용하여 전력생산을 위해 사용되고, 바이오매스 가스화장치(1)를 통해 배출되는 고체 잔유물은 토질개량제로 사용하기 위해 회수된다.

이때, 적용되는 가스화 기술은 바이오매스를 600℃ 내지 1000℃의 고온에서 부분 산화하여 발생하는 열과 반응물인 O₂, H₂O를 이용하여 합성가스(CO+H₂)를 생산하는 기술로서, 생성된 합성가스의 연소를 통한 가스엔진인 엔진장치(5)의 구동으로 전력생산이 가능하고, 바이오매스 가스화장치(1)나 개질기(6)에서 발생되는 폐열을 활용하여 스팀을 제조하여 활용하게 되는 바이오매스 가스화 열병합시스템으 로 활용함이 가능하다.

또한, 생성된 가스의 냉각과정에서 발생되는 부산물인 목초액은 농자재나 소취재로서 사용되며, 가스화장치(1) 하단부에서 회수가 가능한 잔류물은 목탄 및 토질개선재 등으로 사용될 수 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 주로 목초액을 생산하기 위해 사용되어 왔던 기존의 바이오매스 열분해시스템을 이용하여, 목초액, 목탄 및 전력생산시스템을 포함하는 바이오매스 열병합발전시스템의 적용이 가능하여 지고 개질기(6)를 채택하여 발전효율을 증가시키면서 바이오매스 가스화에 의한 청정 상태의 열병합발전이 가능하도록 하고 국제적인 환경규제 강화에 대처할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 많은 량의 폐기물을 발생하는 목재공장 등에 본 발명과 같은 바이오매스 열병합 발전방법을 적용하여 폐자원을 이용한 자가발전 및 고 부가가가치의 목초액 등의 생산을 통한 부수익을 올릴 수 있게 되고, 에너지수급 안정화 및 기업의 경쟁력 확보에 크게 기여할 수 있게 되며, 고정층 가스화 기술로서 바이오매스를 이용한 직화식 수직형 로 형태인 바이오매스 가스화장치(1)를 이용하여 가스화를 통해 발생되는 합성가스 중에 포함되어 있는 고부가가치 부산물인 목초액을 회수하여 농자재 및 소취제로서 사용하고, 목탄 및 토지개선재 등의 부산물을 회수한 후 상기 합성가스를 연료로 이용하여 엔진장치(5)을 작동시키거나 가스화 부산물인 목초액을 개질기(6)를 통해 연료가스로 전환한 후 엔진장치(5)를 작동시켜 바이오매스 열병합 발전이 이루어질 수 있는 등의 우수한 효과를 갖는다.

Claims (5)

1. 바이오매스의 가스화에 의한 합성가스의 제조공정, 타르 및 목초액을 회수하는 공정, 합성가스의 정제공정, 그리고 엔진장치에 의한 엔진의 가동공정을 포함하여 이루어지되,

   상기 엔진장치가

   엔진본체에 경유공급부를 거쳐 경유를 공급하고,

   별도의 가스공급부를 거쳐 혼합된 합성가스를 공급하되 혼합된 합성가스는 유량조절밸브를 거쳐 외부로부터 공급되는 공기와 터보기구를 거치면서 미리 혼합된 상태의 가스로 상기 가스공급부로 공급하며,

   상기 유량조절밸브는 연소가스배출부에 설치된 센서로부터 감지된 신호에 의하여 산소분석기와 제어기를 거쳐 유량의 제어가 이루어지도록 그 구성이 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전방법.
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