WO2017196111A2 - Gasification device - Google Patents
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- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
- C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
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- C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
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- C10J3/78—High-pressure apparatus
Definitions
- the present invention relates to a gasification apparatus for producing a synthesis gas of renewable energy by thermally reacting waste and the like, and more particularly, to a gasification apparatus that more efficiently improves the production process to facilitate the production of syngas.
- Gasification technology is a technology that treats wastes containing carbon materials through chemical reactions and obtains flammable products (syngas / syngas). Gasification technology uses waste as fuel to thermally react. Gasification process that maintains specific reaction conditions prevents complete combustion of fuel and induces additional chemical reactions. Through this, it is possible to obtain a syngas which is a useful energy source.
- the waste gas can be treated through a gasification process to obtain useful renewable energy.
- it is necessary to control and maintain the temperature inside the reactor at a constant temperature. Therefore, there is a problem that it is not easy to control and maintain the conventional reaction temperature.
- it is necessary to properly supply specific reactants, but there is a problem that the supply of such reactants is not made efficiently and the productivity of the synthesis gas is reduced or the purity is lowered.
- impurities such as tar generated by thermal reaction are mixed in the synthesis gas, and thus, it is difficult to maintain the purity of the product at an appropriate level.
- Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2012-0126172, (2012.11.21)
- the technical problem to be achieved by the present invention is to solve such a problem, to provide a gasification apparatus that improves the production process more efficiently to facilitate the synthesis gas production.
- a gasifier according to the present invention comprises a reactor for thermally reacting a fuel containing a carbon material to produce a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide; A fuel input unit formed on the reaction furnace; A fuel waste discharge portion formed in the lower portion of the reactor; A gas discharge pipe discharging the syngas to the outside of the reactor; And a first nozzle disposed inside the reactor to supply pyrolysis gas containing water to the reactor.
- the reactor includes a first region in which the injected fuel is dried, a second region in which the dried fuel is carbonized, and a carbon component of the fuel and a supplied reactant are oxidized and reduced by thermal reaction to include hydrogen and carbon monoxide.
- a third region for generating gas may be included therein, and the first nozzle may be disposed in the third region.
- the apparatus may further include a circulation pipe connecting the first nozzle and the first region or the second region to provide the pyrolysis gas of the first region or the second region to the first nozzle.
- the first nozzle is a main flow passage penetrating from the end of the circulation pipe toward the inside of the reactor, the induction passage for injecting a high-pressure gas into the main flow passage opening to the inner peripheral surface of the main flow passage, and the induction passage and the circulation It may include an induction curved surface that is formed at the end of the main flow path between the pipe and is curved toward the circulation pipe.
- the high pressure gas may compress the pyrolysis gas generated in the first region or the second region at a high pressure.
- the apparatus may further include a catalyst unit disposed on a flow path of the synthesis gas between the reactor and the gas discharge pipe and including a pyroelectric material generating a pyroelectric effect.
- the catalyst unit may include a heat exchange passage in contact with the reaction furnace in a form surrounding the lower portion of the reaction furnace and in direct contact with the reaction furnace to exchange heat, and the pyroelectric material may be accommodated inside the heat exchange passage.
- the catalyst unit may generate a pyroelectric effect by heat provided from the reactor.
- the reactor includes a first zone in which the injected fuel is dried, a second zone in which the dried fuel is carbonized, and a reaction material and a carbon component of the fuel are oxidized and reduced by heat to reduce the synthesis gas.
- the pyroelectric material may contact the heat exchange passage and surround the third region.
- the pyroelectric material may include tourmaline mineral.
- a plurality of pores may be formed between the pyroelectric materials.
- a second nozzle disposed above the first nozzle in the third zone and supplying air to the reactor, and disposed above the second nozzle in the third zone to mix hydrogen and oxygen in the reactor; It may further include a third nozzle for supplying an oxyhydrogen gas which is a gas.
- the reactant may include water, and the water may be generated and supplied in the reactor by a thermal reaction of the oxyhydrogen gas.
- the oxyhydrogen gas may have a 2: 1 mixing ratio of hydrogen: oxygen.
- a reactant for maintaining the reaction conditions can be more efficiently supplied into the apparatus.
- the internal temperature of the reactor can be maintained very conveniently and stably at the proper temperature required for the process, and the reaction in the device can be promoted in a simple manner, so that the gasification process proceeds very effectively.
- the impurities generated during the reaction can be treated very conveniently and effectively to maintain the purity of the synthesis gas at a high level. Therefore, the productivity of the syngas can be increased by using the gasifier of the present invention, and it is possible to produce a higher purity syngas.
- FIG. 1 is a conceptual diagram of a gasifier according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a view illustrating in detail the reactor of the gasifier of FIG.
- FIG. 3 is a schematic diagram of a reaction process performed in the reactor of FIG. 2.
- FIG. 4 is a perspective view illustrating an example of a first nozzle installed in the reactor of FIG. 2.
- FIG. 5 is an operation diagram illustrating an internal structure of the first nozzle of FIG. 4 together with a circulation pipe.
- FIG. 6 is a perspective view illustrating an example of a third nozzle installed in the reactor of FIG. 2.
- FIG. 7 is an enlarged view of a catalyst unit of the gasifier of FIG. 1.
- 8 to 10 are operation diagrams sequentially showing the reaction process of the gasifier according to an embodiment of the present invention.
- the 'pyroelectric effect' in the present specification is an effect that the electric force is formed by spontaneous electrical polarization when the temperature is changed
- the 'pyroelectric material' refers to a material capable of generating such a pyroelectric effect.
- the pyroelectric material may include a crystalline material such as, for example, a specific ceramic.
- FIG. 1 is a conceptual diagram of a gasifier according to an embodiment of the present invention.
- a gasifier 1 includes a reactor 10 for generating a synthesis gas including hydrogen and carbon monoxide by thermally reacting a fuel including a carbon material, and a reactor ( 10) the fuel input unit 20 formed in the upper portion, the fuel residue discharge portion 30 formed in the lower portion of the reactor 10, the gas discharge pipe 40 for discharging the synthesis gas to the outside of the reactor 10 and the reactor (10)
- the first nozzle 110 is disposed in the interior and supplies a pyrolysis gas containing water to the reactor 10.
- the reactor 10 of the gasifier 1 includes a first region (see 101 in FIG. 2) in which the injected fuel (fuel containing carbon material) is dried, and a second region in which the dried fuel is carbonized (FIG. 2). 102) includes a third region (see 103 in FIG. 2) in which the carbon component of the fuel and the supplied reactant are oxidized and reduced by heat to generate a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide.
- the one nozzle 110 is disposed in the third region 103 inside the reactor 10.
- the gasifier 1 connects the first nozzle 110 and the first region 101 or the second region 102 to remove the pyrolysis gas of the first region 101 or the second region 102. It is formed in a structure including a circulation pipe 140 provided to one nozzle (110).
- the gasifier 1 includes a structure (a first nozzle and a circulation pipe) for circulating and supplying a fluid required for the reaction by connecting different regions inside the reactor 10. .
- a substance capable of activating a thermal reaction (which may be a pyrolysis gas including water) may be easily provided inside the reactor 10 and the synthesis gas may be efficiently produced.
- the gasifier 1 according to the present invention has a combustion characteristic including a structure injecting an oxygen gas, which is a mixed gas of hydrogen and oxygen (mixing ratio of hydrogen: oxygen, may be 2: 1) to the reactor 10. And to control the temperature of the reactor 10 can be maintained at an appropriate temperature.
- the oxyhydrogen gas injected into the reactor 10 not only promotes fluid circulation in the reactor 10 but also generates water by thermal reaction, so that other reactants required for the gasification process may include water. (10) It can be provided very easily inside.
- the gasifier 1 according to the present invention includes the structure of the catalyst unit 150 which is catalytically reacted with the synthesis gas by a pyroelectric effect, and the like, and uses the compound gas in combination to produce a productivity of the final synthesis gas. It is possible to efficiently produce a higher purity syngas.
- the gasifier 1 of the present invention includes a structure in which fuel is introduced around the reactor 10, a structure in which fuel is discharged, and a synthesis gas produced in the reactor 10. (10) Includes a structure for discharging to the outside.
- the overall configuration of the gasifier 1 will be described with reference to FIG. 1, and then the specific structure and reaction process of the reactor 10 will be described in more detail with reference to each drawing.
- the fuel input unit 20 is formed on the reactor 10.
- the fuel introduced into the reactor 10 includes a carbonaceous material.
- the carbon component of the fuel is maintained under appropriate reaction conditions in the reactor 10 and is thermally reacted with the injected reactant (which may include water) to generate flammable syngas.
- the fuel may utilize various wastes containing carbon materials, and other materials including carbon components may be used as fuel even if the wastes are not wastes.
- the fuel input unit 20 is formed in various structures in which fuel can be easily introduced into the reactor 10.
- the fuel input unit 20 may be, for example, an input structure such as a pipe line connected to the reactor 10, a chute, a hopper, etc., and a transfer device (conveyor, etc.) to transfer fuel materials to the input structure. It can be made of). If necessary, the fuel input unit 20 may be configured in various forms.
- the reactor 10 is connected to the fuel input unit 20 and includes a reaction space capable of conducting a thermal reaction therein. As described above, the reaction space inside the reactor 10 is divided into first, second, and third regions (see 101, 102, and 103 of FIG. 2), and different processes are performed in each region. Inside the reactor 10, a first nozzle 110 for supplying pyrolysis gas containing water to the reactor 10, a second nozzle 120 for supplying air to the reactor 10, and a reactor ( 10) a third nozzle 130 for injecting oxyhydrogen gas, which is a mixed gas of hydrogen and oxygen, is formed. In particular, the first nozzle 110 is connected to the circulation pipe 140 to communicate with another region (first region or second region) of the reactor 10 in which the first nozzle 110 is not disposed. The catalyst unit 150 is formed at one side of the reactor 10 so that the synthesis gas generated in the reactor 10 passes through and reacts with the catalyst. The structure and reaction process of the reactor 10 will be described later in more detail.
- the fuel residue discharge portion 30 is formed at the bottom of the reactor 10.
- the reactor 10 is formed in a form in which the width of the bottom portion gradually decreases as shown, and is formed to easily discharge the residue left after the reaction.
- the fuel dreg discharge part 30 is located at the bottom of the reactor 10 to recover the discharged fuel dregs and discharge them to the outside.
- the fuel dregs discharge part 30 is formed in various structures that can easily discharge the fuel dregs to the outside.
- the fuel residue discharge part using various structures such as a conveyor device including a belt or a chain, a screw conveyor including a screw rotating inside the pipeline, or an elevator device or a discharge pipe that can move vertically ( 30) can be configured.
- Gas discharge pipe 40 is formed on one side of the reactor (10).
- the gas discharge pipe 40 discharges the synthesis gas generated in the reactor 10 to the outside of the reactor 10.
- the gas discharge pipe 40 may be directly connected to the reactor 10, but may be connected to the reactor 10 via the catalyst structure that forms a catalyst reaction with the synthesis gas as in the present embodiment. That is, as shown, the catalyst unit 150 is disposed in the syngas flow path between the reactor 10 and the gas discharge pipe 40 so that the syngas is discharged to the gas discharge pipe 40 through the catalyst unit 150. Can be configured.
- the present invention does not need to be limited in this manner, and the synthesis gas generated in the reactor 10 may be changed depending on the structure of the gasifier 1, the location of the reactor 10, the location of the gasifier 1, and the like. 10) it is possible to form a gas discharge pipe 40 that can be easily discharged to the outside.
- the rear end of the gas discharge pipe 40 may be further connected to the device for processing or storing the produced syngas. That is, fuel such as a waste containing carbon material may be introduced into the reactor 10, and a thermal reaction may be performed in the reactor 10 to produce a combustible synthetic gas, which is a renewable energy source, to be discharged and stored in the gas discharge pipe 40.
- fuel such as a waste containing carbon material
- a thermal reaction may be performed in the reactor 10 to produce a combustible synthetic gas, which is a renewable energy source, to be discharged and stored in the gas discharge pipe 40.
- FIG. 2 is a view illustrating in detail the reactor of the gasifier of FIG. 1
- FIG. 3 is a schematic view of a reaction process performed in the reactor of FIG. 2
- FIG. 4 is a first nozzle installed in the reactor of FIG. 2. It is a perspective view showing an example. 5 is an operation view showing an internal structure of the first nozzle of FIG. 4 together with a circulation pipe
- FIG. 6 is a perspective view illustrating an example of a third nozzle installed in the reactor of FIG. 1 is an enlarged view of the catalyst unit of the gasifier of FIG. 1.
- the reactor 10 is formed in a vessel-shaped structure provided with a reaction space therein. At least three regions in which different reaction processes are performed are formed in the reaction space of the reactor 10.
- the first region 101 in which the fuel containing the carbon material (fuel injected through the fuel input unit) is dried is formed on the uppermost layer, and the second region 102 in which the dried fuel is carbonized is formed thereon.
- a third region 103 is formed in which the carbon component of the fuel and the supplied reactant are oxidized and reduced by heat to generate a synthesis gas.
- Syngas is a combustible gas containing hydrogen and carbon monoxide and is discharged through the gas discharge pipe 40 and then used as an energy source in various applications. A closer look at the reaction process follows.
- the fuel A including the carbon material is first injected and then dried. In the drying process, volatile substances and the like may evaporate and the fuel A may solidify.
- This fuel A is again carbonized through thermal reaction. That is, the carbide (A) can be oxidized under appropriate reaction conditions (proper temperature composition and supply of reactants) to produce carbide (char).
- the carbon component of the carbonized fuel (A) is oxidized and reduced with other reactants through a thermal reaction, whereby a flammable syngas (E) containing hydrogen and carbon monoxide can be produced (gasification process).
- the remaining fuel dregs F are discharged and disposed of.
- Syngas (E) is produced in large quantities through the thermal reaction of carbon components and moisture, thermal reaction of carbon components and oxygen, and secondary reactions of materials produced primarily by thermal reactions.
- the following reaction formula may be considered.
- the carbon component (C) in the above reaction formula is obtained from the above-mentioned carbides (char), and combustible synthesis gas (E) containing hydrogen and carbon monoxide as a main component can be obtained by reacting the carbon component with water vapor or the like in a reducing atmosphere. Since the gasification process is an endothermic reaction that requires heat of reaction, if the reaction temperature is appropriately increased, the reaction rate may be increased, and the conversion rate of converting carbon into reactants such as syngas may be increased. In addition, the gasification process may be accelerated by heat generation due to partial combustion of carbide (char). The carbon component may react with other reactants provided in the reactor 10 to generate a synthesis gas (E), and may contain another combustible material such as methane through a secondary reaction.
- E combustible synthesis gas
- the present invention supplies a pyrolysis gas (D) containing a hydrogen gas (B), air (C), and water, a mixed gas of hydrogen and oxygen for this purpose during the reaction process.
- Oxygen gas (B) of the present invention is a material having a 2: 1 mixture ratio of hydrogen: oxygen, and it is known that oxyhydrogen gas (B) mixed in such a ratio generates a stable flame during combustion and effectively maintains the reaction temperature. . Therefore, it is possible to easily adjust the combustion characteristics in the reactor (see 10 of FIG. 2) with the oxyhydrogen gas (B) and to easily maintain a proper temperature at which the reaction is easy.
- the oxyhydrogen gas (B) which is a mixed gas of hydrogen and oxygen, easily generates water (moisture) in the combustion process, so that a reactant for generating syngas (E) is easily generated in the reactor 10. And supply is possible.
- the pyrolysis gas (D) containing water supplied with the air (C) is very easily used to promote the first or second reaction of the above-described gasification process.
- Pyrolysis gas (D) containing water is recycled to the region (third region) where the gasification process proceeds and reused in another region (first region or second region) in the reactor 10 to improve the reaction efficiency. It can be maximized. That is, it is possible to maximize the production efficiency of the synthesis gas by providing a pyrolysis gas containing water generated in the carbonization zone to the region where the synthesis gas is generated through the circulation path.
- the present invention provides a pyrolysis gas (D) including oxygen and hydrogen gas (B), air (C), and water, which are a mixture of hydrogen and oxygen, in an organic manner to the reaction process, thereby providing more efficient and effective synthesis gas ( E) can be produced.
- the synthesis gas (E) may be catalytically reacted while passing through the above-described catalyst unit 150 to increase purity, and at the same time, impurities such as tar may be removed.
- a first region 101, a second region 102, and a third region 103 are formed in the reactor 10 where such a reaction process proceeds.
- the catalyst unit 150 is disposed in the syngas flow path between the reactor 10 and the gas discharge pipe 40.
- a third nozzle 130 for injecting oxyhydrogen gas, which is a gas, is formed.
- the first nozzle 110 connects the first nozzle 110 and the second region 102 to provide the first nozzle 110 with pyrolysis gas containing water in the second region 102.
- the circulation pipe (140) It is connected to the circulation pipe (140). That is, the first nozzle 110, the second nozzle 120, and the third nozzle 130 are organically disposed in the third region 103 such that pyrolysis gas, air, and oxyhydrogen gas containing moisture react with each other. ) Is supplied in the optimal path.
- at least one heating source such as a torch may be installed in at least one of the first region 101, the second region 102, and the third region 103 in the reactor 10.
- the first nozzle 110 is located below the second nozzle 120, and the third nozzle 130 is located above the second nozzle 120. That is, the second nozzle 120 is disposed above the first nozzle 110 of the third region 103 to supply air to the reactor 10, and the third nozzle 130 is the third region 103. It is disposed above the second nozzle 120 to supply an oxyhydrogen gas, which is a mixed gas of hydrogen and oxygen, to the reactor 10.
- the first nozzle 110, the second nozzle 120, and the third nozzle 130 are all located in the third region 103, and are sequentially disposed from the bottom of the third region 103 to the top thereof.
- oxyhydrogen gas which is a mixed gas of hydrogen and oxygen, is injected from the third nozzle 130 to the top of the third region 103, and air is supplied from the second nozzle 120 to the center of the third region 103.
- the pyrolysis gas containing water is injected from the first nozzle 110 to the lower portion of the third region 103. Since the oxyhydrogen gas can flow from the top of the third region 103 to the second region 102, the second region 102 and the upper portion positioned upward through stable flame composition during combustion by a heating source (torch, etc. described above). The temperature can be effectively maintained up to one region 101.
- the oxyhydrogen gas injected to the top of the third region 103 generates water (moisture) during combustion, the generated hydrogen is naturally supplied and supplied to the entire third region 103 where gasification proceeds. Accordingly, the reactant (which may include water) is easily filled in the entire third region 103, and the oxidation and reduction reaction (gasification process) between the carbon component and the reactant is performed very effectively.
- the second nozzle 120 and the first nozzle 110 provide a reactant to the third region 103 by injecting pyrolysis gas containing air and moisture, respectively, the first and second processes of the above-described gasification process. The reaction is accelerated and syngas is easily produced.
- the third nozzle 130 for supplying the oxyhydrogen gas, the second nozzle 120 for supplying the air, and the first nozzle 110 for supplying the pyrolysis gas containing water are thus disposed in the third region 103. It can be arranged organically to produce syngas very efficiently.
- the first nozzle 110 is formed in a shape as shown in FIGS. 4 and 5, so that the pyrolysis gas containing water in the second region (see 102 in FIG. 2) is included in the third region (see 103 in FIG. 2). Can be supplied very effectively.
- the first nozzle 110 is connected to the circulation pipe 140 and an air injection pipe 114 is connected to one side thereof.
- the first nozzle 110 has a main flow passage 111 penetrating from the end of the circulation pipe 140 toward the inside of the reaction furnace (see 10 in FIG. 2) and the main flow passage 111.
- the circulation pipe 140 connects the first nozzle 110 and the first region 101 or the second region 102 to produce a pyrolysis gas containing moisture in the first region 101 or the second region 102.
- the first nozzle 110 is provided.
- an end portion of the circulation pipe 140 may be connected to the first region 101, through which the pyrolysis is formed in the second region 102 and moves upward to stay in the first region 101. It can be configured to easily inhale the gas.
- the present invention is not necessarily limited thereto, and the circulation pipe 140 is connected to the first region 101 or the second region 102 as necessary to provide pyrolysis gas of the first region 101 or the second region 102. It may be formed in various forms that can be provided to the first nozzle (110).
- the guide curve 113 of the first nozzle 110 more effectively induces a fluid flow from the circulation pipe 140 toward the main flow path 111. That is, as shown, when the high pressure gas is injected from the induction path 112, a primary fluid flow is induced along the high pressure gas, and a part of the pyrolysis gas containing water from the circulation pipe 140 toward the main flow path 111 is formed. Is inhaled. At this time, the pyrolysis gas containing the sucked water flows along the guide curve 113 at the end of the main flow path 111 by viscosity, and flows in a state in which it is in close contact with the inner circumferential surface of the main flow path 111. Create (Coanda effect). As a result, the suction force of the main flow passage 111 is increased to allow more pyrolysis gas to flow into the main flow passage 111 from the circulation pipe 140.
- the first nozzle 110 provides an increased suction force inside the circulation tube 140 by using a nozzle structure including the guide curve 113 and sucks a larger amount of pyrolysis gas through the circulation tube 140. can do.
- the gasification of the pyrolysis gas containing water generated in the first region (see 101 of FIG. 2) where drying proceeds or the second region (see 102 of FIG. 2) where carbonization proceeds is performed through the circulation pipe 140.
- It can be supplied very efficiently by circulating to the third region (see 103 in FIG. 2) which is advanced.
- the structure of the first nozzle 110 is a structure capable of suctioning the entire main flow path 111 even with a relatively low fluid pressure by using the fluid flow of the guide curve 113.
- the high pressure gas injected through the induction furnace 112 may compress the pyrolysis gas generated in the first region 101 or the second region 102 to a high pressure.
- the air supplied to the second nozzle 120 disposed above the first nozzle 110 to supply air to the reactor 10 may be provided by branching. That is, various types of gas generated or supplied in the reactor 10 may be utilized as a high pressure gas that is initially supplied to provide suction power to the main flow passage 111.
- the high-pressure gas may be formed in various ways and injected into the induction furnace 112.
- the pyrolysis gas containing water may be more efficiently supplied into the reactor 10 as shown in FIG. 2, and the thermal reaction may be activated.
- the second nozzle 120 and the third nozzle 130 may be formed in the form of a general nozzle capable of fluid injection, but may be applied to the structure of the illustrated first nozzle 110 as necessary.
- Each of the first nozzle 110, the second nozzle 120, and the third nozzle 130 has a suitable shape for circulating and supplying pyrolysis gas containing water, for easily injecting air, or for injecting oxyhydrogen gas. It can be formed as.
- the third nozzle 130 may be formed, for example, as shown in FIG. 6.
- the third nozzle 130 in a form including a main pipe 131, at least three distribution pipes 132 branched from the main pipe 131, and at least three injection holes 133 formed in each distribution pipe 132. Can be formed.
- the injection port 133 can be maintained upward and the oxyhydrogen gas can be easily injected into the uppermost portion of the third region (see 103 in FIG. 2).
- the main pipe 131 may be partitioned and oxygen and hydrogen may be divided and injected into each injection hole 133 to implement a nozzle structure in which the ratio of oxyhydrogen gas injected through the injection hole 133 is maintained at 2: 1. It is also possible. However, since this is only one example, it is not necessary to limit the formation method of the third nozzle 130 in this manner.
- the catalyst unit 150 is formed at one side of the reactor 10 as shown in FIGS. 2 and 7.
- the catalyst unit 150 has a pyroelectric effect caused by heat (see G in FIG. 7) provided from the reactor 10, and is formed such that at least a portion thereof is in contact with the reactor 10 to receive heat.
- the catalyst unit 150 includes a heat exchange passage 151 contacting the reactor 10 in a form surrounding the lower portion of the reactor 10 and directly contacting the reactor 10 to exchange heat.
- the pyroelectric material may be accommodated inside.
- one side of the catalyst unit 150 communicates with the third region 103 of the reactor 10, the other side communicates with the gas discharge pipe 40, and a third side between the one side and the other side.
- the heat exchange passage 151 is in contact with and surrounds the region 103, and the pyroelectric material is formed to contact the heat exchange passage 151 and surround the third region 103.
- the pyroelectric material is crushed and accommodated inside the catalyst unit 150 (that is, the inside of the heat exchange passage), and a plurality of pores are formed between the pyroelectric materials so that the syngas can easily flow.
- the pores may be due to irregular gaps between the crushed pyroelectric materials or may be formed on the pyroelectric materials themselves.
- the pyroelectric material may include tourmaline mineral 152 and the tourmaline mineral 152 may be accommodated in the heat exchange passage 151 to generate a pyroelectric effect.
- the tourmaline mineral 152 will be described as representing the pyroelectric material.
- the pyroelectric material may include a material other than tourmaline mineral 152.
- the pyroelectric material may be disposed in contact with the heat exchange passage 151 to surround the third region 103 to increase the thermal efficiency and to more efficiently catalyze the reaction.
- the catalyst unit 150 is disposed in the syngas flow path between the reactor 10 and the gas discharge pipe 40 to catalytically react with the syngas by a pyroelectric effect.
- Pyroelectric effect refers to the effect that a specific material provides electric power by spontaneous electric polarization caused by temperature change.
- the catalyst unit 150 is, for example, one side is in communication with the third region 103 of the reactor 10, the other side is in communication with the gas discharge pipe 40 and at least a portion between one side and the other side ( 10) may include a heat exchange passage 151 in contact with the circumference to exchange heat, and a tourmaline mineral 152 accommodated in the heat exchange passage 151.
- the heat exchange passage 151 is formed in a shape surrounding the lower portion of the reactor 10 as shown, it can be easily heat exchanged with the reactor (10).
- the heat exchange passage 151 may be formed in a shape surrounding the lower portion of the reactor 10 as shown in order to be in contact with the reactor 10 and facilitate the heat (G) of the reactor 10 through the contact surface. Can be provided. Accordingly, when the temperature inside the heat exchange passage 151 rises, an electric force is provided by the pyroelectric effect of the tourmaline mineral 152, and the synthesis gas E is electrically catalyzed.
- the heat exchange passage 151 may have one side connected to the inlet 151a formed under the reactor 10 and the other side connected to the outlet 151b facing the gas discharge pipe 40.
- the heat exchange passage 151 is configured to be in direct contact with the reactor 10 as shown, it is possible for a very efficient heat exchange. Since a fireproof material or the like is attached to the circumference of the reaction furnace 10, it is possible to hinder the propagation of heat.
- the heat transfer blocker such as the fireproof material is removed between the heat exchange passage 151 and the reaction furnace 10 of the present invention. Therefore, the heat exchange passage 151 may be in direct contact with the reactor 10 so that heat exchange is possible, and the heat exchange passage 151 easily absorbs heat from the reactor 10 and heats very efficiently. Through this structure, the pyroelectric effect can be easily induced and the syngas can be catalyzed.
- the catalyst unit in a form that can easily pass the synthesis gas (E) between the reactor (10) and the gas discharge pipe (40) in contact with the reactor (10) to easily propagate heat (G) into the interior.
- 150 is configured.
- the pyroelectric effect of the tourmaline mineral 152 may be induced, and the synthesis gas may be electrically catalyzed to remove impurities mixed in the synthesis gas and increase the concentration of the active ingredient.
- the catalytic reaction proceeds by electric force without a separate chemical reaction, and it is possible to raise the purity of the synthesis gas (E) very efficiently without generating additional impurities.
- a detailed manufacturing process of the synthesis gas including the catalytic action of the catalyst unit 150 will be described in more detail later.
- the tourmaline mineral 152 is accommodated in the heat exchange passage 151 as described above.
- the heat exchange passage 151 is formed to surround the reactor 10, one side of which is connected to the inlet 151a formed at the bottom of the reactor 10, and the other side of the heat exchange passage 151 faces the gas discharge pipe 40. It can be connected to form a flow path of syngas.
- the tourmaline mineral 152 contained in the heat exchange passage 151 is heated by the heat energy absorbed from the reactor 10 to provide electric power by the pyroelectric effect.
- the synthesis gas passing through the heat exchange passage 151 may be partially decomposed or the tar component may be decomposed in the inside by the electrocatalytic action of the tourmaline mineral 152 by the electric force. Accordingly, the amount of hydrogen may be increased or the amount of carbon monoxide may be increased to increase the purity of hydrogen, and the synthesis gas including carbon monoxide.
- the nozzle structure is disposed inside the reactor 10 and organically supplies the pyrolysis gas, air, and oxyhydrogen gas containing moisture to the reactor 10, between the reactor 10 and the gas discharge pipe 40.
- a characteristic configuration such as the catalyst unit 150 is disposed in the synthesis gas flow path of the electric catalytic action, it is possible to more effectively proceed the thermal reaction process of the fuel including gasification process and to easily produce the synthesis gas.
- a reaction process of producing a synthesis gas will be described in more detail with reference to FIGS. 8 to 10.
- 8 to 10 are operation diagrams sequentially showing the reaction process of the gasifier according to an embodiment of the present invention.
- fuel A is introduced into the reactor 10.
- the fuel A may be automatically introduced into the reactor 10 through the fuel input unit 20 formed on the reactor 10.
- the fuel (A) may utilize various wastes including carbon materials, and other materials including carbon components may be used as fuel (A) even if the wastes are not wastes.
- Oxygen hydrogen gas B which is a mixed gas of hydrogen and oxygen, is provided through the third nozzle 130 and air C is provided through the second nozzle 120 to be burned by a heating source. do.
- the temperature inside the reactor 10 rises and a flame is generated to maintain the temperature of the reactor 10 at an appropriate temperature.
- the fuel A injected into the reactor 10 is dried while passing through the first region 101 and carbonized while passing through the second region 102. That is, as described above, in the drying process, volatiles and the like evaporate, the fuel A solidifies, and oxidizes again through thermal reaction to generate carbides.
- the stable flame composition of the oxyhydrogen gas B supplied from the third nozzle 130 to the second region 102 and the first region 101 located above the third nozzle 130 effectively. Temperature can be maintained.
- the carbonized fuel passes through the third region 103 and is oxidized and reduced with other reactants by heat. That is, the carbon component of the carbonized fuel reacts with other reactants including water, oxygen, and the like to produce flammable synthesis gas (E) containing hydrogen and carbon monoxide. Syngas (E) is produced in large quantities through the thermal reaction of carbon components and moisture, thermal reaction of carbon components and oxygen, and secondary reactions of materials produced primarily by thermal reactions.
- the upper portion of the third region 103 may be divided into an oxidation region in which oxidation proceeds, and the lower portion may be divided into a reduction region in which reduction proceeds. However, in some cases, the oxidation and reduction may proceed in the entire third region 103.
- Oxyhydrogen gas (B) which is a mixed gas of hydrogen and oxygen injected from the third nozzle 130, is known to generate a stable flame in the combustion process and effectively maintain the reaction temperature, and also easily removes water (moisture) during the combustion process.
- reactants which may include water
- for generating the syngas E may be easily generated and supplied in the reactor 10.
- the first nozzle 110 sucks the pyrolysis gas containing water from the first region 101 or the second region 102 through the circulation pipe 140 and moves to the third region 103.
- the reaction efficiency can be maximized by circulating and reusing the pyrolysis gas D including water generated in the second region 102 in the reactor 10 to the third region 103 where the gasification process is performed.
- the present invention provides a pyrolysis gas (D) including oxygen and hydrogen gas (B), air (C), and water, which are a mixture of hydrogen and oxygen, in an organic manner to the reaction process, thereby providing more efficient and effective synthesis gas ( E) can be produced.
- the remaining fuel dregs F are discharged by the fuel dregs discharge unit 30 and are easily processed.
- the synthesis gas (E) thus produced is catalytically reacted while passing through the catalyst unit 150 again as shown in FIG. 10, thereby increasing purity and removing impurities such as tar. That is, the syngas E generated in the third region 103 moves to the heat exchange passage 151 through the inlet 151a formed under the reactor 10 and is heated tourmaline mineral inside the heat exchange passage 151. After the catalytic reaction by the pyroelectric effect of 152, it is discharged to the gas discharge pipe 40 through the outlet 151b. As described above, the catalytic reaction is an electrocatalytic reaction by electric force, which causes a part of the water molecules contained in the syngas (E) to flow or decomposes a tar component.
- the synthesis gas (E) increases the amount of hydrogen or the amount of carbon monoxide by the electrocatalytic effect of the pyroelectric effect while passing through the catalyst unit 150.
- Fuel B Oxyhydrogen Gas
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Abstract
Description
본 발명은 폐기물 등을 열반응시켜 재생 에너지인 합성가스를 생산하는 가스화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 합성가스 생산이 용이하도록 생산공정을 보다 효율적으로 개선한 가스화 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a gasification apparatus for producing a synthesis gas of renewable energy by thermally reacting waste and the like, and more particularly, to a gasification apparatus that more efficiently improves the production process to facilitate the production of syngas.
환경문제가 대두되면서 에너지 재활용 기술도 발전하고 있다. 엔진에서 발생하는 고온의 폐가스로부터 2차, 3차로 열교환하여 에너지를 회수하는 기술이 적용되고 있고, 기계적 움직임으로부터 전기에너지를 충전하는 기술도 상용화되고 있다. 종래 그대로 소각되었던 산업 폐기물 등에 대해서도 추가로 에너지를 얻을 수 있는 기술이 개발되어 적용되고 있다.As environmental issues arise, energy recycling technologies are also developing. The technology of recovering energy by heat-exchanging secondary and tertiary from high-temperature waste gas generated in an engine has been applied, and the technology of charging electrical energy from mechanical movement is also commercialized. A technology for additionally obtaining energy has also been developed and applied to industrial wastes that have been incinerated conventionally.
가스화 기술은 탄소물질이 함유된 폐기물 등을 화학 반응을 통해 처리하고 가연성의 생산물(합성가스/syngas)을 얻는 기술이다. 가스화 기술은 폐기물 등을 연료로 사용하여 열반응 시키는 기술로 특정 반응조건을 유지하는 가스화(gasification) 공정을 통해 연료의 완전 연소를 막고 추가적인 화학반응을 유도한다. 이를 통해 유용한 에너지원인 합성가스를 얻을 수 있다.Gasification technology is a technology that treats wastes containing carbon materials through chemical reactions and obtains flammable products (syngas / syngas). Gasification technology uses waste as fuel to thermally react. Gasification process that maintains specific reaction conditions prevents complete combustion of fuel and induces additional chemical reactions. Through this, it is possible to obtain a syngas which is a useful energy source.
즉, 가스화 공정을 통해 폐기물을 처리하여 유용하게 활용 가능한 재생 에너지를 얻을 수 있다. 그러나, 가스화 공정을 원활히 진행하기 위해서는 반응장치 내부의 온도를 일정 온도로 조절하고 유지해야 하는바 종래 반응온도의 조절 및 유지가 쉽지 않은 문제가 있었다. 또한, 장치 내부의 반응조건을 유지하기 위해서 특정 반응물질을 적절히 공급해 주어야 하나 이러한 반응물질의 공급이 효율적으로 이루어지지 못하여 합성가스의 생산성이 감소하거나 순도가 떨어지는 등의 문제가 있었다. 또한, 일반적인 가스화 공정의 경우 열반응에 의해 생성된 타르 등의 불순물이 합성가스에 혼합되어 생산물의 순도를 적절한 수준으로 유지하기 어려운 문제가 있었다.In other words, the waste gas can be treated through a gasification process to obtain useful renewable energy. However, in order to smoothly proceed with the gasification process, it is necessary to control and maintain the temperature inside the reactor at a constant temperature. Therefore, there is a problem that it is not easy to control and maintain the conventional reaction temperature. In addition, in order to maintain the reaction conditions inside the apparatus, it is necessary to properly supply specific reactants, but there is a problem that the supply of such reactants is not made efficiently and the productivity of the synthesis gas is reduced or the purity is lowered. In addition, in the general gasification process, impurities such as tar generated by thermal reaction are mixed in the synthesis gas, and thus, it is difficult to maintain the purity of the product at an appropriate level.
(선행기술문헌)(Prior art document)
(특허문헌)(Patent literature)
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0126172호, (2012.11.21)(Patent Document 1) Republic of Korea Patent Publication No. 10-2012-0126172, (2012.11.21)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 합성가스 생산이 용이하도록 생산공정을 보다 효율적으로 개선한 가스화 장치를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to solve such a problem, to provide a gasification apparatus that improves the production process more efficiently to facilitate the synthesis gas production.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem of the present invention is not limited to the above-mentioned problem, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명에 의한 가스화장치는, 탄소물질을 포함하는 연료를 열반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 반응로; 상기 반응로 상부에 형성된 연료투입부; 상기 반응로 하부에 형성된 연료찌꺼기배출부; 상기 합성가스를 상기 반응로 외부로 배출하는 가스배출관; 및 상기 반응로 내부에 배치되어 상기 반응로로 수분을 포함하는 열분해가스를 공급하는 제1노즐을 포함한다.A gasifier according to the present invention comprises a reactor for thermally reacting a fuel containing a carbon material to produce a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide; A fuel input unit formed on the reaction furnace; A fuel waste discharge portion formed in the lower portion of the reactor; A gas discharge pipe discharging the syngas to the outside of the reactor; And a first nozzle disposed inside the reactor to supply pyrolysis gas containing water to the reactor.
상기 반응로는, 투입된 연료가 건조되는 제1영역, 건조된 연료가 탄화되는 제2영역, 및 연료의 탄소성분과 공급된 반응물질이 열에 의해 산화 및 환원 반응하여 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 제3영역을 내부에 포함하고, 상기 제1노즐은 상기 제3영역에 배치될 수 있다.The reactor includes a first region in which the injected fuel is dried, a second region in which the dried fuel is carbonized, and a carbon component of the fuel and a supplied reactant are oxidized and reduced by thermal reaction to include hydrogen and carbon monoxide. A third region for generating gas may be included therein, and the first nozzle may be disposed in the third region.
상기 제1노즐과 상기 제1영역 또는 상기 제2영역을 연결하여, 상기 제1영역 또는 상기 제2영역의 상기 열분해가스를 상기 제1노즐로 제공하는 순환관을 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a circulation pipe connecting the first nozzle and the first region or the second region to provide the pyrolysis gas of the first region or the second region to the first nozzle.
상기 제1노즐은, 상기 순환관의 단부로부터 상기 반응로의 내부를 향해 관통된 메인유로, 상기 메인유로 내주면으로 개구되어 상기 메인유로에 고압기체를 주입하는 유도로, 및 상기 유도로와 상기 순환관 사이의 상기 메인유로의 단부에 형성되며 상기 순환관을 향해 확장되는 곡면인 유도곡면을 포함할 수 있다.The first nozzle is a main flow passage penetrating from the end of the circulation pipe toward the inside of the reactor, the induction passage for injecting a high-pressure gas into the main flow passage opening to the inner peripheral surface of the main flow passage, and the induction passage and the circulation It may include an induction curved surface that is formed at the end of the main flow path between the pipe and is curved toward the circulation pipe.
상기 고압기체는 상기 제1영역 또는 상기 제2영역에서 발생한 상기 열분해가스를 고압으로 압축한 것일 수 있다.The high pressure gas may compress the pyrolysis gas generated in the first region or the second region at a high pressure.
상기 제3영역의 상기 제1노즐 상부에 배치되어, 상기 반응로에 공기를 공급하는 제2노즐을 더 포함하고, 상기 고압기체는 상기 제2노즐로 공급되는 공기가 분기하여 제공되는 것일 수 있다.Is disposed above the first nozzle of the third region, and further comprising a second nozzle for supplying air to the reactor, wherein the high pressure gas may be provided by branching the air supplied to the second nozzle. .
상기 반응로와 상기 가스배출관 사이의 상기 합성가스의 유동경로 상에 배치되며 초전효과(pyroelectric effect)를 발생시키는 초전물질을 포함하는 촉매부를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a catalyst unit disposed on a flow path of the synthesis gas between the reactor and the gas discharge pipe and including a pyroelectric material generating a pyroelectric effect.
상기 촉매부는, 상기 반응로의 하부를 둘러싸는 형태로 상기 반응로와 접촉하며 상기 반응로와 직접 맞닿아 열교환하는 열교환통로를 포함하고, 상기 열교환통로 내측에 상기 초전물질이 수용될 수 있다.The catalyst unit may include a heat exchange passage in contact with the reaction furnace in a form surrounding the lower portion of the reaction furnace and in direct contact with the reaction furnace to exchange heat, and the pyroelectric material may be accommodated inside the heat exchange passage.
상기 촉매부는 상기 반응로로부터 제공되는 열에 의해 초전효과가 발생될 수 있다.The catalyst unit may generate a pyroelectric effect by heat provided from the reactor.
상기 반응로는, 투입된 연료가 건조되는 제1영역, 건조된 연료가 탄화되는 제2영역, 및 상기 반응로에 공급된 반응물질과 연료의 탄소성분이 열에 의해 산화 및 환원 반응하여 상기 합성가스를 생성하는 제3영역을 내부에 포함하고, 상기 열교환통로는, 일 측은 상기 반응로의 상기 제3영역과 연통되고, 타 측은 상기 가스배출관과 연통되며, 일 측과 타 측 사이는 상기 제3영역을 접하며 둘러싸고, 상기 초전물질은, 상기 열교환통로에 접하며 상기 제3영역을 둘러쌀 수 있다.The reactor includes a first zone in which the injected fuel is dried, a second zone in which the dried fuel is carbonized, and a reaction material and a carbon component of the fuel are oxidized and reduced by heat to reduce the synthesis gas. A third region to be generated therein, the heat exchange passage, one side of which is in communication with the third region of the reactor, the other side of which is in communication with the gas discharge pipe, between one side and the other side of the third region; The pyroelectric material may contact the heat exchange passage and surround the third region.
상기 초전물질은 토르말린광물을 포함할 수 있다.The pyroelectric material may include tourmaline mineral.
상기 초전물질 사이에 다수의 기공이 형성될 수 있다.A plurality of pores may be formed between the pyroelectric materials.
상기 제3영역의 상기 제1노즐 상부에 배치되어, 상기 반응로에 공기를 공급하는 제2노즐, 및 상기 제3영역의 상기 제2노즐 상부에 배치되어, 상기 반응로에 수소와 산소의 혼합가스인 산수소(oxyhydrogen)가스를 공급하는 제3노즐을 더 포함할 수 있다.A second nozzle disposed above the first nozzle in the third zone and supplying air to the reactor, and disposed above the second nozzle in the third zone to mix hydrogen and oxygen in the reactor; It may further include a third nozzle for supplying an oxyhydrogen gas which is a gas.
상기 반응물질은 물을 포함하되, 상기 물은 상기 산수소가스의 열반응에 의해 상기 반응로 내부에서 생성 및 공급될 수 있다.The reactant may include water, and the water may be generated and supplied in the reactor by a thermal reaction of the oxyhydrogen gas.
상기 산수소가스는 수소: 산소의 혼합비가 2:1일 수 있다.The oxyhydrogen gas may have a 2: 1 mixing ratio of hydrogen: oxygen.
본 발명에 의하면, 반응조건을 유지하기 위한 반응물질을 장치 내부에 보다 효율적으로 공급할 수 있다. 특히, 열분해 가스의 순환구조를 이용하여 장치 내에서 반응물질을 효율적으로 공급할 수 있다. 또한, 반응장치 내부온도를 공정에 필요한 적정온도로 매우 편리하고 안정적으로 유지할 수 있고, 간단한 방식으로 장치 내 반응을 촉진할 수 있어 가스화 공정이 매우 효과적으로 진행된다. 또한, 반응시 생성된 불순물 등을 매우 편리하게, 효과적으로 처리하여 합성가스의 순도를 높은 수준으로 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 가스화 장치를 이용하여 합성가스의 생산성을 높일 수 있으며 보다 순도 높은 합성가스를 제조하는 것이 가능하다.According to the present invention, a reactant for maintaining the reaction conditions can be more efficiently supplied into the apparatus. In particular, it is possible to efficiently supply the reactants in the apparatus by using the circulation structure of the pyrolysis gas. In addition, the internal temperature of the reactor can be maintained very conveniently and stably at the proper temperature required for the process, and the reaction in the device can be promoted in a simple manner, so that the gasification process proceeds very effectively. In addition, the impurities generated during the reaction can be treated very conveniently and effectively to maintain the purity of the synthesis gas at a high level. Therefore, the productivity of the syngas can be increased by using the gasifier of the present invention, and it is possible to produce a higher purity syngas.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스화장치의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a gasifier according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 가스화장치의 반응로를 보다 상세히 도시한 도면이다.2 is a view illustrating in detail the reactor of the gasifier of FIG.
도 3은 도 2의 반응로 내부에서 진행되는 반응공정의 모식도이다.FIG. 3 is a schematic diagram of a reaction process performed in the reactor of FIG. 2.
도 4는 도 2의 반응로에 설치된 제1노즐의 일 례를 도시한 사시도이다.4 is a perspective view illustrating an example of a first nozzle installed in the reactor of FIG. 2.
도 5는 도 4의 제1노즐의 내부구조를 순환관과 함께 도시한 작동도이다.FIG. 5 is an operation diagram illustrating an internal structure of the first nozzle of FIG. 4 together with a circulation pipe.
도 6은 도 2의 반응로에 설치된 제3노즐의 일 례를 도시한 사시도이다.6 is a perspective view illustrating an example of a third nozzle installed in the reactor of FIG. 2.
도 7은 도 1의 가스화장치의 촉매부를 확대하여 도시한 도면이다.7 is an enlarged view of a catalyst unit of the gasifier of FIG. 1.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스화장치의 반응공정을 순차적으로 도시한 작동도이다.8 to 10 are operation diagrams sequentially showing the reaction process of the gasifier according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the present embodiments make the disclosure of the present invention complete and the general knowledge in the technical field to which the present invention belongs. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.
본 명세서 상의 '초전효과(pyroelectric effect)'는 온도가 변화하면 자발적 전기분극에 의해 전기력이 형성되는 효과로, '초전물질'은 이러한 초전효과를 발생시킬 수 있는 물질을 의미한다. 초전물질은 예를 들어, 특정 세라믹과 같은 결정성의 물질을 포함할 수 있다.The 'pyroelectric effect' in the present specification is an effect that the electric force is formed by spontaneous electrical polarization when the temperature is changed, the 'pyroelectric material' refers to a material capable of generating such a pyroelectric effect. The pyroelectric material may include a crystalline material such as, for example, a specific ceramic.
이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 가스화장치에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, a gasifier according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 10.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스화장치의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a gasifier according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 가스화장치(1)는 탄소물질을 포함하는 연료를 열반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 반응로(10), 반응로(10) 상부에 형성된 연료투입부(20), 반응로(10) 하부에 형성된 연료찌꺼기배출부(30), 합성가스를 반응로(10) 외부로 배출하는 가스배출관(40) 및 반응로(10) 내부에 배치되어 반응로(10)로 수분을 포함하는 열분해가스를 공급하는 제1노즐(110)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a
가스화장치(1)의 반응로(10)는, 투입된 연료(탄소물질이 포함된 연료)가 건조되는 제1영역(도 2의 101참조), 건조된 연료가 탄화되는 제2영역(도 2의 102참조), 연료의 탄소성분과 공급된 반응물질이 열에 의해 산화 및 환원 반응하여 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 제3영역(도 2의 103참조)을 내부에 포함하며, 제1노즐(110)은 반응로(10) 내부의 제3영역(103)에 배치된다. 또한, 가스화장치(1)는 제1노즐(110)과 제1영역(101) 또는 제2영역(102)을 연결하여, 제1영역(101) 또는 제2영역(102)의 열분해가스를 제1노즐(110)로 제공하는 순환관(140)을 포함하는 구조로 형성된다.The
본 발명의 일 실시예에 의한 가스화장치(1)는 특히, 반응로(10) 내부의 서로 다른 영역을 연결하여 반응에 필요한 유체를 순환 및 공급하는 구조(제1노즐 및 순환관)를 포함한다. 이를 이용하여 열반응을 활성화시킬 수 있는 물질(수분을 포함하는 열분해가스일 수 있다)을 반응로(10) 내부에 용이하게 제공하고 합성가스를 효율적으로 생산할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 가스화장치(1)는 수소와 산소의 혼합가스(수소: 산소의 혼합비가 2:1일 수 있다)인 산수소가스를 반응로(10)에 주입하는 구조를 포함하여 연소특성을 조절하고 반응로(10)의 온도를 적정온도로 유지할 수 있다. 반응로(10)에 주입된 산수소가스는 반응로(10) 내 유체순환을 촉진할 뿐만 아니라 열반응에 의해 물을 생성하므로 가스화 공정에 필요한 다른 반응물질(물을 포함할 수 있다)도 반응로(10) 내부에서 매우 용이하게 제공받을 수 있다. 또한, 본 발명의 의한 가스화장치(1)는 초전효과(pyroelectric effect)에 의해 합성가스와 촉매 반응하는 촉매부(150)의 구조 등을 포함하여 이를 복합적으로 활용함으로써, 최종 산출되는 합성가스의 생산성을 높이고 보다 순도 높은 합성가스를 효율적으로 제조하는 것이 가능하다. In particular, the
이하, 이러한 특징을 갖는 본 발명의 가스화장치(1)에 대해 각 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 설명을 통해서 언급되지 않은 본 발명의 다른 특징들도 보다 명확히 파악될 수 있을 것이다.Hereinafter, the
본 발명의 가스화장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 반응로(10)를 중심으로 연료를 투입하는 구조, 연료찌꺼기를 배출하는 구조, 반응로(10)에서 생산된 합성가스를 반응로(10) 외부로 배출하는 구조 등을 포함한다. 먼저, 도 1을 참조하여 가스화장치(1)의 전체 구성에 대해서 설명한 후, 각 도면을 참조하여 반응로(10)의 구체적인 구조와 반응과정 등에 대해서 보다 상세히 설명하도록 한다.As shown in FIG. 1, the
반응로(10) 상부에는 연료투입부(20)가 형성된다. 반응로(10)에 투입되는 연료는 탄소물질(carbonaceous material)을 포함한다. 연료의 탄소성분은 반응로(10) 내부에서 적절한 반응조건으로 유지되며 투입된 반응물질(물을 포함할 수 있다)과 열반응하여 가연성의 합성가스를 생성한다. 연료는 탄소물질이 포함된 각종 폐기물을 활용할 수 있으며, 그 밖에 폐기물이 아니더라도 탄소성분을 포함하는 물질을 연료로 사용할 수 있다. 연료투입부(20)는 연료를 반응로(10)에 용이하게 투입할 수 있는 다양한 구조로 형성된다. 연료투입부(20)는 예를 들어, 반응로(10)에 연결된 관로, 슈트(chute), 호퍼(hopper) 등의 투입구조와 이러한 투입구조까지 연료물질을 이송하는 이송장치(컨베이어 등일 수 있다)로 이루어질 수 있다. 필요에 따라 다양한 형태로 연료투입부(20)를 구성할 수 있다.The
반응로(10)는 연료투입부(20)와 연결되며 내부에 열반응을 진행할 수 있는 반응공간을 포함한다. 반응로(10) 내부의 반응공간은 전술한 바와 같이 제1, 제2, 제3영역(도 2의 101, 102, 103참조)으로 구분되고 각 영역에서 서로 다른 과정이 진행된다. 반응로(10)의 내부에는 반응로(10)로로 수분을 포함하는 열분해가스를 공급하는 제1노즐(110), 반응로(10)로로 공기를 공급하는 제2노즐(120), 반응로(10)로 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스를 주입하는 제3노즐(130)이 형성된다. 특히 제1노즐(110)은 순환관(140)에 연결되어 제1노즐(110)이 배치되지 않은 반응로(10)의 다른 영역(제1영역 또는 제2영역)과 연통된다. 반응로(10)의 일 측에는 촉매부(150)가 형성되어 있어 반응로(10)에서 생성된 합성가스가 통과하면서 촉매 반응하도록 구성된다. 반응로(10)의 구조와 반응과정 등에 대해서는 후술하여 좀 더 상세히 설명한다.The
반응로(10) 하부에는 연료찌꺼기배출부(30)가 형성된다. 반응로(10)는 도시된 바와 같이 밑부분의 너비가 점차 감소하는 형태로 형성되어 반응 후 남은 찌꺼기를 하방으로 용이하게 토출하도록 형성된다. 연료찌꺼기배출부(30)는 이러한 반응로(10)의 하부에 위치하여 토출된 연료찌꺼기를 회수하고 외부로 배출한다. 연료찌꺼기배출부(30)는 연료찌꺼기를 외부로 용이하게 배출할 수 있는 다양한 구조로 형성된다. 예를 들어, 벨트나 체인 등을 포함하는 컨베이어 장치, 관로의 내부에서 회전하는 스크류 등을 포함하는 스크류 컨베이어, 또는 수직 이동이 가능한 엘리베이터 장치나 배출배관 등의 다양한 구조를 이용하여 연료찌꺼기배출부(30)를 구성할 수 있다.The fuel
반응로(10) 일 측에는 가스배출관(40)이 형성된다. 가스배출관(40)은 반응로(10)에서 생성된 합성가스를 반응로(10)의 외부로 배출한다. 가스배출관(40)은 반응로(10)에 직접 연결될 수도 있으나, 본 실시예에서와 같이 합성가스와 촉매 반응하는 촉매구조가 형성된 경우 이를 경유하여 반응로(10)와 연결될 수 있다. 즉 도시된 바와 같이, 반응로(10)와 가스배출관(40) 사이의 합성가스 유동경로에 촉매부(150)를 배치하여 합성가스가 촉매부(150)를 거쳐 가스배출관(40)으로 배출되도록 구성할 수 있다.
그러나, 이와 같이 한정하여 이해할 필요는 없으며 가스화장치(1)의 구조, 반응로(10)의 위치, 가스화장치(1)의 설치장소 등에 따라서 반응로(10)에서 생성된 합성가스를 반응로(10) 외부로 용이하게 배출할 수 있는 가스배출관(40)을 형성할 수 있다. 가스배출관(40) 후단에는 생산된 합성가스를 후처리 하거나 저장하는 장치가 추가로 연결될 수 있다. 즉, 탄소물질을 포함하는 폐기물 등의 연료를 반응로(10)에 투입하고 반응로(10)에서 열반응을 거쳐 재생 에너지원인 가연성 합성가스를 생산하여 가스배출관(40)으로 배출하고 저장할 수 있다. 이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여 합성가스를 생산하는 반응로의 구체적인 구조와 반응과정 등에 대해서 좀 더 상세히 설명한다.However, the present invention does not need to be limited in this manner, and the synthesis gas generated in the
도 2는 도 1의 가스화장치의 반응로를 보다 상세히 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 반응로 내부에서 진행되는 반응공정의 모식도이며, 도 4는 도 2의 반응로에 설치된 제1노즐의 일 례를 도시한 사시도이다. 또한, 도 5는 도 4의 제1노즐의 내부구조를 순환관과 함께 도시한 작동도이고, 도 6은 도 2의 반응로에 설치된 제3노즐의 일 례를 도시한 사시도이며, 도 7은 도 1의 가스화장치의 촉매부를 확대하여 도시한 도면이다.FIG. 2 is a view illustrating in detail the reactor of the gasifier of FIG. 1, FIG. 3 is a schematic view of a reaction process performed in the reactor of FIG. 2, and FIG. 4 is a first nozzle installed in the reactor of FIG. 2. It is a perspective view showing an example. 5 is an operation view showing an internal structure of the first nozzle of FIG. 4 together with a circulation pipe, FIG. 6 is a perspective view illustrating an example of a third nozzle installed in the reactor of FIG. 1 is an enlarged view of the catalyst unit of the gasifier of FIG. 1.
도 2를 참조하면, 반응로(10)는 내부에 반응공간이 마련된 용기 형상의 구조로 형성된다. 반응로(10)의 반응공간 내부에는 서로 다른 반응공정이 진행되는 적어도 3개의 영역이 형성된다. 탄소물질이 포함된 연료(연료투입부를 통해 투입된 연료)가 건조되는 제1영역(101)이 최상층에 형성되고, 그 아래에 건조된 연료가 탄화되는 제2영역(102)이 형성되며, 다시 그 아래에 연료의 탄소성분과 공급된 반응물질이 열에 의해 산화 및 환원 반응하여 합성가스를 생성하는 제3영역(103)이 형성된다. 합성가스는 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 가연성 가스로 가스배출관(40)을 통해 배출된 후 다양한 사용처에서 에너지원으로 사용된다. 반응과정을 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.Referring to Figure 2, the
도 3에 도시된 바와 같이, 탄소물질을 포함하는 연료(A)는 투입된 후 우선 건조과정을 거친다. 건조과정에서 휘발성 물질 등이 증발하고 연료(A)가 고형화 될 수 있다. 이러한 연료(A)는 다시 열반응을 통해 탄화된다. 즉, 적절한 반응조건(적정온도 조성 및 반응물질의 공급)으로 연료(A)를 산화시켜 탄화물(char)을 생성할 수 있다. 탄화된 연료(A)의 탄소성분은 열반응을 통해 다른 반응물질과 산화 및 환원 반응하며 이를 통해 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 가연성의 합성가스(E)가 생성될 수 있다(가스화 과정). 남은 연료찌꺼기(F)는 배출되어 처리된다. 합성가스(E)는 탄소성분과 수분의 열반응, 탄소성분과 산소의 열반응, 열반응으로 1차 생성된 물질의 2차 반응 등의 과정을 통해서 대량으로 생성된다. 반응로(10) 내 합성가스(E)를 생성하기 위한 반응으로 다음과 같은 반응식이 고려될 수 있다.As shown in FIG. 3, the fuel A including the carbon material is first injected and then dried. In the drying process, volatile substances and the like may evaporate and the fuel A may solidify. This fuel A is again carbonized through thermal reaction. That is, the carbide (A) can be oxidized under appropriate reaction conditions (proper temperature composition and supply of reactants) to produce carbide (char). The carbon component of the carbonized fuel (A) is oxidized and reduced with other reactants through a thermal reaction, whereby a flammable syngas (E) containing hydrogen and carbon monoxide can be produced (gasification process). The remaining fuel dregs F are discharged and disposed of. Syngas (E) is produced in large quantities through the thermal reaction of carbon components and moisture, thermal reaction of carbon components and oxygen, and secondary reactions of materials produced primarily by thermal reactions. As a reaction for generating the synthesis gas (E) in the
(반응식 1) C + H2O -> CO +H2, (반응식 2) C +2H2 -> CH4 (Scheme 1) C + H 2 O-> CO + H 2 , (Scheme 2) C + 2H 2- > CH 4
상기 반응식의 탄소성분(C)은 전술한 탄화물(char)로부터 얻어지며, 탄소성분이 환원성 분위기에서 수증기 등과 반응함으로써 수소, 및 일산화탄소를 주성분으로 포함하는 가연성의 합성가스(E)를 얻을 수 있다. 가스화 과정은 반응열이 필요한 흡열반응이므로 반응온도를 적절히 상승시키면 반응속도가 증가하고 탄소가 합성가스 등의 반응물로 전환되는 전환률도 상승시킬 수 있다. 또한 탄화물(char)의 부분적인 연소에 의한 발열로 가스화 과정이 촉진될 수 있다. 탄소성분은 반응로(10) 내 제공된 다른 반응물질과 반응하여 합성가스(E)를 생성하고 2차 반응 등을 통해 메탄 등 또 다른 가연성 물질을 함유하는 것이 가능하다.The carbon component (C) in the above reaction formula is obtained from the above-mentioned carbides (char), and combustible synthesis gas (E) containing hydrogen and carbon monoxide as a main component can be obtained by reacting the carbon component with water vapor or the like in a reducing atmosphere. Since the gasification process is an endothermic reaction that requires heat of reaction, if the reaction temperature is appropriately increased, the reaction rate may be increased, and the conversion rate of converting carbon into reactants such as syngas may be increased. In addition, the gasification process may be accelerated by heat generation due to partial combustion of carbide (char). The carbon component may react with other reactants provided in the
따라서, 탄소성분과 반응하기 위한 반응물질로서 물(수분)이나 산소를 포함하는 물질(공기)이 필요하다. 본 발명은 이를 위해 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스(B), 공기(C), 및 수분을 포함하는 열분해가스(D)를 반응과정 동안 공급한다. 본 발명의 산수소가스(B)는 수소: 산소의 혼합비가 2:1인 물질로, 이러한 비율로 혼합된 산수소가스(B)는 연소과정에서 안정적인 화염을 생성하고 반응온도를 효과적으로 유지하는 것이 알려져 있다. 따라서, 상기 산수소가스(B)로 반응로(도 2의 10참조) 내 연소특성을 조절하고 반응이 용이한 적정온도를 손쉽게 유지할 수 있다. 뿐만 아니라, 수소와 산소의 혼합가스인 상기 산수소가스(B)는 연소과정에서 손쉽게 물(수분)을 생성하므로 합성가스(E)를 생성하기 위한 반응물질을 반응로(10) 내에서 용이하게 생성 및 공급하는 것이 가능하다.Therefore, a substance containing water (water) or oxygen (air) is required as a reaction substance for reacting with the carbon component. The present invention supplies a pyrolysis gas (D) containing a hydrogen gas (B), air (C), and water, a mixed gas of hydrogen and oxygen for this purpose during the reaction process. Oxygen gas (B) of the present invention is a material having a 2: 1 mixture ratio of hydrogen: oxygen, and it is known that oxyhydrogen gas (B) mixed in such a ratio generates a stable flame during combustion and effectively maintains the reaction temperature. . Therefore, it is possible to easily adjust the combustion characteristics in the reactor (see 10 of FIG. 2) with the oxyhydrogen gas (B) and to easily maintain a proper temperature at which the reaction is easy. In addition, the oxyhydrogen gas (B), which is a mixed gas of hydrogen and oxygen, easily generates water (moisture) in the combustion process, so that a reactant for generating syngas (E) is easily generated in the
또한, 공기(C)와 함께 공급되는 수분을 포함하는 열분해가스(D)는 전술한 가스화 과정의 1차 또는 2차반응을 촉진하는 데 매우 용이하게 사용된다. 수분을 포함하는 열분해가스(D)는 반응로(10) 내 타 영역(제1영역 또는 제2영역)에서 생성된 것을 가스화 과정이 진행되는 영역(제3영역)으로 순환시켜 재사용함으로써 반응효율을 극대화할 수 있다. 즉, 탄화영역에서 생성된 수분을 포함하는 열분해가스를 순환경로를 통해 합성가스가 생성되는 영역으로 제공하여 합성가스의 생산효율을 극대화 할 수 있다. 이와 같이 본 발명은 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스(B), 공기(C), 및 수분을 포함하는 열분해가스(D)를 반응과정에 유기적인 방식으로 제공함으로써 보다 효율적이고 효과적으로 합성가스(E)를 생산할 수 있다. 또한, 합성가스(E)는 전술한 촉매부(150)를 통과하면서 촉매 반응하여 순도가 상승되고 동시에 타르(tar) 등의 불순물도 제거될 수 있다.In addition, the pyrolysis gas (D) containing water supplied with the air (C) is very easily used to promote the first or second reaction of the above-described gasification process. Pyrolysis gas (D) containing water is recycled to the region (third region) where the gasification process proceeds and reused in another region (first region or second region) in the
도 2에 도시된 바와 같이, 반응로(10) 내부에는 이러한 반응과정이 진행되는 제1영역(101), 제2영역(102), 및 제3영역(103)이 형성되어 있다. 반응로(10)와 가스배출관(40) 사이의 합성가스 유동경로에는 촉매부(150)가 배치된다. 특히, 가스화 과정이 진행되는 제3영역(103)에 수분을 포함하는 열분해가스를 공급하는 제1노즐(110), 공기(C)를 공급하는 제2노즐(120), 및 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스를 주입하는 제3노즐(130)이 형성된다. 제1노즐(110)은 전술한 바와 같이 제1노즐(110)과 제2영역(102)을 연결하여 제2영역(102)의 수분을 포함하는 열분해가스를 제1노즐(110)로 제공하는 순환관(140)에 연결된다. 즉, 제1노즐(110), 제2노즐(120), 제3노즐(130)이 제3영역(103)에 유기적으로 배치되어 수분을 포함하는 열분해가스, 공기, 산수소가스가 반응로(10)에 최적의 경로로 공급된다. 도시되지 않았지만, 반응로(10) 내 제1영역(101), 제2영역(102), 제3영역(103) 중 적어도 하나에는 토치 등 가열원이 하나 또는 하나 이상 설치될 수 있다.As shown in FIG. 2, a
도 2에 도시된 바와 같이 제1노즐(110)은 제2노즐(120)의 하방에 위치하고, 제3노즐(130)은 제2노즐(120)의 상방에 위치한다. 즉, 제2노즐(120)은 제3영역(103)의 제1노즐(110) 상부에 배치되어 반응로(10)에 공기를 공급하고, 제3노즐(130)은 제3영역(103)의 제2노즐(120) 상부에 배치되어 반응로(10)에 수소와 산소의 혼합가스인 산수소(oxyhydrogen)가스를 공급한다. 제1노즐(110), 제2노즐(120), 제3노즐(130)은 모두 제3영역(103)에 위치하되 제3영역(103)의 하부로부터 상부로 차례로 배치된다. 이에 따라, 제3노즐(130)로부터 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스가 제3영역(103)의 최상단으로 분사되고, 제2노즐(120)로부터 제3영역(103)의 중앙부로 공기가 분사되며, 제1노즐(110)로부터 제3영역(103)의 하부로 수분을 포함하는 열분해가스가 분사된다. 산수소가스는 제3영역(103)의 최상단에서 제2영역(102)으로 유동이 가능하므로 가열원(전술한 토치 등)에 의한 연소시 안정적인 화염조성을 통해 상방에 위치한 제2영역(102) 및 제1영역(101)까지 효과적으로 온도를 유지할 수 있다.As shown in FIG. 2, the
제3영역(103)의 최상단으로 분사된 산수소가스는 연소시 물(수분)을 생성하므로 생성된 수분이 자연스럽게 하강하면서 가스화가 진행되는 제3영역(103) 전체에 공급된다. 이로 인해 제3영역(103) 전체에 반응물질(물을 포함할 수 있다)이 용이하게 충전되고 탄소성분과 반응물질간 산화 및 환원반응(가스화 과정)이 매우 효과적으로 이루어진다. 또한, 제2노즐(120)과 제1노즐(110)은 각각 공기 및 수분을 포함하는 열분해가스를 분사하여 제3영역(103)에 반응물질을 제공하므로 전술한 가스화 과정의 1차, 2차 반응이 촉진되고 합성가스가 용이하게 생성된다. 산수소가스를 공급하는 제3노즐(130)과, 공기를 공급하는 제2노즐(120), 및 수분을 포함하는 열분해가스를 공급하는 제1노즐(110)을 이와 같이 제3영역(103) 내에 유기적으로 배치하여 합성가스를 매우 효율적으로 생성할 수 있다.Since the oxyhydrogen gas injected to the top of the
특히, 제1노즐(110)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같은 형태로 형성되어 제2영역(도 2의 102참조)의 수분을 포함하는 열분해가스를 제3영역(도 2의 103참조)에 매우 효과적으로 공급할 수 있다. 제1노즐(110)은 도 4에 도시된 바와 같이 순환관(140)에 연결되고 그 일 측에는 공기주입관(114)이 연결된다. 도 5에 도시된 바와 같이 제1노즐(110)은 순환관(140)의 단부로부터 반응로(도 2의 10참조)의 내부를 향해 관통된 메인유로(111)와, 메인유로(111)의 내주면으로 개구되어 메인유로(111)에 고압기체를 주입하는 유도로(112), 및 유도로(112)와 순환관(140) 사이의 메인유로(111) 단부에 형성되며 순환관(140)을 향해 확장되는 곡면인 유도곡면(113)을 포함하는 형태로 형성된다.In particular, the
순환관(140)은 제1노즐(110)과 제1영역(101) 또는 제2영역(102)을 연결하여 제1영역(101) 또는 제2영역(102)의 수분을 포함하는 열분해가스를 제1노즐(110)로 제공한다. 특히, 도시된 바와 같이 순환관(140)의 단부를 제1영역(101)에 연결할 수 있으며, 이를 통해 제2영역(102)에서 형성되고 상방으로 이동하여 제1영역(101)에 체류하는 열분해가스를 용이하게 흡입하도록 구성할 수 있다. 그러나 이로써 한정될 필요는 없으며, 순환관(140)은 필요에 따라 제1영역(101) 또는 제2영역(102)에 연결되어 제1영역(101) 또는 제2영역(102)의 열분해가스를 제1노즐(110)에 제공 가능한 다양한 형태로 형성할 수 있다. The
제1노즐(110)의 유도곡면(113)은 순환관(140)으로부터 메인유로(111)를 향하는 유체흐름을 보다 효과적으로 유도한다. 즉, 도시된 바와 같이 유도로(112)에서 고압기체가 분사되면 고압기체를 따라 일차적인 유체흐름이 유도되고 순환관(140)으로부터 메인유로(111)를 향해 수분을 포함하는 열분해가스의 일부가 흡입된다. 이때, 흡입되는 수분을 포함하는 열분해가스는 점성 등에 의해 메인유로(111)의 단부에서 유도곡면(113)을 따라 진행하며 메인유로(111)의 내주면에 밀착된 상태로 유동하는 상대적으로 빠른 유체흐름을 생성한다(코안다 효과). 이로 인해 메인유로(111)의 흡입력이 증가하여 순환관(140)으로부터 메인유로(111)로 보다 많은 열분해가스를 유입할 수 있다.The
즉, 제1노즐(110)은 유도곡면(113)을 포함하는 노즐구조를 이용하여 순환관(140) 내부에 증가된 흡입력을 제공하고 순환관(140)을 통해서 보다 많은 양의 열분해가스를 흡입할 수 있다. 이를 통해 건조가 진행되는 제1영역(도 2의 101참조) 또는 탄화가 진행되는 제2영역(도 2의 102참조)에서 생성된 수분을 포함하는 열분해가스를 순환관(140)을 통해 가스화가 진행되는 제3영역(도 2의 103참조)으로 순환시켜 매우 효율적으로 공급할 수 있다. 제1노즐(110)의 구조는 유도곡면(113)의 유체흐름을 이용해 상대적으로 적은 유체압으로도 메인유로(111) 전체로 흡입할 수 있는 구조로서 이러한 구조의 제1노즐(110)을 제3영역(103)에 배치하고 순환관(140)을 통해 제2영역(102)과 연결함으로써 반응로(10)내 필요한 적소(즉, 제3영역)에 수분을 포함하는 열분해가스를 순환시켜 효과적으로 공급하는 것이 가능하다.That is, the
유도로(112)를 통해 주입되는 고압기체는 제1영역(101) 또는 제2영역(102)에서 발생한 열분해가스를 고압으로 압축한 것일 수 있다. 또는, 제1노즐(110)의 상부에 배치되어 반응로(10)에 공기를 공급하는 제2노즐(120)로 공급되는 공기가 분기하여 제공되는 것일 수도 있다. 즉, 메인유로(111)로 흡입력을 제공하기 위해 최초에 공급하는 고압기체로서 반응로(10)에서 생성되거나 공급되는 다양한 형태의 기체를 활용할 수 있다. 반응로(10) 내부에서 생성된 열분해가스를 활용하는 경우 별도의 압축기 등을 활용하는 것이 가능하며, 다른 노즐로 제공되는 유체(공기)를 활용하는 경우 해당 노즐에 연결된 압축기 등을 공유할 수도 있을 것이다. 그 밖에도 다양한 방식으로 고압기체를 형성하여 유도로(112)로 주입할 수 있다. The high pressure gas injected through the
이처럼 제1노즐(110)을 구성함으로써 도 2에 도시된 바와 같은 반응로(10) 내부에 수분을 포함하는 열분해가스를 보다 효율적으로 공급하고 열반응을 활성화시킬 수 있다. 제2노즐(120), 및 제3노즐(130)은 유체분사가 가능한 일반적인 노즐형태로 형성할 수 있으나, 필요에 따라 예시된 제1노즐(110)의 구조를 적용할 수도 있을 것이다. 제1노즐(110), 제2노즐(120), 제3노즐(130) 각각은 수분을 포함하는 열분해가스를 순환시켜 공급하거나, 공기를 주입하기 용이하거나, 산수소가스를 주입하기 용이한 적절한 형태로 형성할 수 있다.By constructing the
제3노즐(130)은 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같은 형태로 형성할 수 있다. 주배관(131)과, 주배관(131)에서 분기된 적어도 3개의 분배관(132), 각각의 분배관(132)에 형성된 적어도 3개의 분사구(133)를 포함하는 형태로 제3노즐(130)을 형성할 수 있다. 이와 같은 형태로 제3노즐(130)을 형성함으로써 분사구(133)를 상방으로 유지하고 산수소가스를 제3영역(도 2의 103참조)의 최상단 부분으로 용이하게 분사할 수 있다. 또한, 필요한 경우 주배관(131) 내부를 구획하고 각 분사구(133)에 산소와 수소를 나누어 분사하도록 형성함으로써 분사구(133)를 통해 분사되는 산수소가스의 비율이 2:1로 유지되는 노즐구조를 구현하는 것도 가능하다. 그러나 이는 하나의 예에 불과하므로 제3노즐(130)의 형성방식을 이와 같이 한정하여 이해할 필요는 없다.The
한편, 반응로(10) 일 측에는 도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이 촉매부(150)가 형성된다. 촉매부(150)는, 반응로(10)로부터 제공되는 열(도 7의 G참조)에 의해 초전효과가 발생되며, 적어도 일부가 반응로(10)와 접하여 열을 제공받도록 형성된다. 촉매부(150)는 반응로(10)의 하부를 둘러싸는 형태로 반응로(10)와 접촉하며 반응로(10)와 직접 맞닿아 열교환하는 열교환 통로(151)를 포함하고, 열교환통로(151) 내측에 초전물질이 수용될 수 있다.Meanwhile, the
도 7에 도시된 바와 같이, 촉매부(150)는 일 측은 반응로(10)의 제3영역(103)과 연통되고 타 측은 가스배출관(40)과 연통되며 일 측 과 타 측 사이는 제3영역(103)을 접하며 둘러싸는 열교환통로(151)를 포함하고, 초전물질은 열교환통로(151)에 접하며 제3영역(103)을 둘러싸도록 형성된다. 초전물질은 파쇄되어 촉매부(150)의 내측(즉, 열교환통로의 내측일 수 있다)에 수용되고 초전물질 사이에 다수의 기공이 형성되어 합성가스가 용이하게 유동할 수 있다. 기공은 파쇄된 초전물질 사이에 불규칙하게 형성된 간격에 의한 것이거나, 초전물질 자체에 형성된 것일 수 있다. As shown in FIG. 7, one side of the
본 발명의 일 실시예에서와 같이 초전물질은 토르말린광물(152)을 포함할 수 있고 토르말린광물(152)이 열교환통로(151)에 수용되어 초전효과를 발생시킬 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에서는 토르말린광물(152)로 초전물질을 대표하여 설명한다. 그러나, 다른 실시예에서 초전물질은 토르말린광물(152)이 아닌 물질을 포함할 수도 있다. 열교환통로(151)에 접하며 제3영역(103)을 둘러싸는 형태로 초전물질을 배치하여 열효율을 높이고 보다 효율적으로 촉매 반응하도록 형성할 수 있다.As in an embodiment of the present invention, the pyroelectric material may include
촉매부(150)는 전술한 바와 같이 반응로(10)와 가스배출관(40) 사이의 합성가스 유동경로에 배치되어 초전효과(pyroelectric effect)에 의해 합성가스와 촉매 반응한다. 초전효과는 특정 물질이 온도변화에 의한 자발적 전기 분극에 의해 전기력을 제공하는 효과를 말한다. 촉매부(150)는 예를 들어, 일 측은 반응로(10)의 제3영역(103)과 연통되고 타 측은 가스배출관(40)과 연통되며 일 측과 타 측 사이의 적어도 일부는 반응로(10) 둘레에 접촉되어 열교환하는 열교환통로(151)와, 열교환통로(151) 내부에 수용되는 토르말린(tourmaline)광물(152)을 포함할 수 있다. 열교환통로(151)는 도시된 바와 같이 반응로(10) 하부를 둘러싸는 형태로 형성되어 반응로(10)와 용이하게 열교환할 수 있다.As described above, the
열교환통로(151)는 도시된 바와 같이 반응로(10)의 하부를 둘러싸는 형태로 형성하여 반응로(10)와 접촉시킬 수 있으며 접촉면을 통해 반응로(10)의 열(G)을 용이하게 제공받을 수 있다. 이에 따라 열교환통로(151) 내부의 온도가 상승하면 토르말린광물(152)의 초전효과(pyroelectric effect)에 의해 전기력이 제공되고 합성가스(E)가 전기적으로 촉매 반응한다. 열교환통로(151)는 일 측은 반응로(10) 하부에 형성된 유입구(151a)와 연결되고 타 측은 가스배출관(40)에 면하는 배출구(151b)와 연결된 형태로 형성될 수 있다.The
열교환통로(151)는 도시된 바와 같이 반응로(10)와 직접 맞닿는 형태로 구성되어 매우 효율적인 열교환이 가능하다. 통상 반응로(10)의 둘레에는 내화재 등이 부착되므로 열의 전파를 방해할 수 있는바, 본 발명의 열교환통로(151)와 반응로(10)의 사이에는 내화재 등 열전달 방해요소가 모두 제거된다. 따라서 열교환통로(151)는 반응로(10)와 직접 접촉하여 열교환이 가능하며 열교환통로(151)가 반응로(10)의 열을 용이하게 흡수하여 매우 효율적으로 가열된다. 이러한 구조를 통해 용이하게 초전효과를 유도하고 합성가스를 촉매 반응시킬 수 있다.The
즉, 반응로(10)와 가스배출관(40) 사이에서 합성가스(E)를 용이하게 통과시키되 반응로(10)와 접촉하여 내부로 열(G)을 용이하게 전파할 수 있는 형태로 촉매부(150)가 구성된다. 이러한 구조를 이용하여 토르말린광물(152)의 초전효과를 유도하고, 합성가스를 전기적으로 촉매 반응시켜 합성가스에 섞인 불순물을 제거하고 유효성분의 농도를 증가시킬 수 있다. 특히, 이러한 촉매반응은 별도의 화학적 반응 없이 전기력에 의해서 진행되는 것으로 추가적인 불순물의 생성 없이 매우 효율적으로 합성가스(E)의 순도를 상승시키는 것이 가능하다. 촉매부(150)의 촉매작용을 포함하는 합성가스의 구체적인 제조과정에 대해서는 후술하여 좀 더 상세히 설명한다.That is, the catalyst unit in a form that can easily pass the synthesis gas (E) between the reactor (10) and the gas discharge pipe (40) in contact with the reactor (10) to easily propagate heat (G) into the interior. 150 is configured. Using this structure, the pyroelectric effect of the
열교환통로(151)의 내부에는 전술한 바와 같이 토르말린광물(152)이 수용된다. 열교환통로(151)는 반응로(10) 둘레를 감싸는 형태로 형성되되 일 측은 반응로(10) 하부에 형성된 유입구(151a)와 연결되고, 타 측은 가스배출관(40)에 면하는 배출구(151b)에 연결되어 합성가스의 유동로를 형성할 수 있다. 열교환통로(151) 내부에 수용된 토르말린광물(152)은 반응로(10)로부터 흡수된 열에너지에 의해 가열되어 초전효과에 의해 전기력을 제공한다. 열교환통로(151)를 통과하는 합성가스는 토르말린광물(152)의 전기력에 의한 전기적 촉매작용에 의해 내부에 함유되어 함께 유동하는 물분자의 일부가 분해되거나, 타르성분이 분해될 수 있다. 이에 따라 수소의 양이 증가하거나, 일산화탄소의 양이 증가되어 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스의 순도를 증가시킬 수 있다.The
이와 같이 반응로(10) 내부에 배치되어 반응로(10)에 수분을 포함하는 열분해가스, 공기, 및 산수소가스를 유기적으로 공급하는 노즐구조와, 반응로(10)와 가스배출관(40) 사이의 합성가스 유동경로에 배치되어 전기적 촉매작용을 가하는 촉매부(150) 등의 특징적인 구성을 이용하여 가스화 과정을 포함하는 연료의 열반응 과정을 보다 효과적으로 진행하고 합성가스를 용이하게 생산할 수 있다. 이하 도 8 내지 도 10을 참조하여 합성가스를 생산하는 반응공정에 대해서 좀 더 상세히 설명한다.The nozzle structure is disposed inside the
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스화장치의 반응공정을 순차적으로 도시한 작동도이다.8 to 10 are operation diagrams sequentially showing the reaction process of the gasifier according to an embodiment of the present invention.
먼저 도 8에 도시된 바와 같이 반응로(10) 내부로 연료(A)가 투입된다. 연료(A)는 반응로(10) 상부에 형성된 연료투입부(20)를 통해서 반응로(10) 내부로 자동 투입될 수 있다. 전술한 바와 같이 연료(A)는 탄소물질이 포함된 각종 폐기물을 활용할 수 있으며 그 밖에 폐기물이 아니더라도 탄소성분을 포함하는 물질을 연료(A)로 사용할 수 있다. 반응로(10) 내부에는 제3노즐(130)을 통해 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스(B)가 제공되고 제2노즐(120)을 통해 공기(C)가 제공되어 가열원에 의해 연소된다. 이에 따라 반응로(10) 내부 온도가 상승하고 화염이 생성되어 반응로(10)의 온도가 적정온도로 유지된다.First, as shown in FIG. 8, fuel A is introduced into the
이러한 상태에서 반응로(10)에 투입된 연료(A)는 제1영역(101)을 통과하면서 건조되고, 제2영역(102)을 통과하면서 탄화된다. 즉, 전술한 바와 같이 건조과정에서 휘발성 물질 등이 증발하고 연료(A)가 고형화되며 다시 열반응을 통해 산화되어 탄화물(char)이 생성된다. 이때, 전술한 바와 같이 제3노즐(130)로부터 공급된 산수소가스(B)의 안정적인 화염조성을 통해 제3노즐(130)의 상방에 위치한 제2영역(102) 및 제1영역(101)까지 효과적으로 온도를 유지할 수 있다.In this state, the fuel A injected into the
탄화된 연료는 도 9에 도시된 바와 같이 제3영역(103)을 통과하며 열에 의해 다른 반응물질과 산화 및 환원 반응한다. 즉, 탄화된 연료의 탄소성분이 물, 산소, 등을 포함하는 다른 반응물질과 반응하여 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 가연성의 합성가스(E)가 생성된다. 합성가스(E)는 탄소성분과 수분의 열반응, 탄소성분과 산소의 열반응, 열반응으로 1차 생성된 물질의 2차 반응 등의 과정을 통해서 대량으로 생성된다. 제3영역(103)의 상부는 산화가 진행되는 산화영역으로, 하부는 환원이 진행되는 환원영역으로 구분될 수 있으나, 경우에 따라 산화 및 환원은 제3영역(103) 전체에서 진행될 수도 있다. The carbonized fuel passes through the
이때, 제3영역(103)에 배치된 제1노즐(110), 제2노즐(120), 및 제3노즐(130)을 통해서는 수분을 포함하는 열분해가스(D), 공기(C), 및 산수소가스(B)가 지속적으로 공급된다. 제3노즐(130)로부터 분사된 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스(B)는 연소과정에서 안정적인 화염을 생성하고 반응온도를 효과적으로 유지하는 것이 알려져 있을 뿐만 아니라 연소과정에서 손쉽게 물(수분)을 생성하므로 합성가스(E)를 생성하기 위한 반응물질(물을 포함할 수 있다)을 반응로(10) 내에서 용이하게 생성 및 공급할 수 있다.At this time, through the
또한, 제1노즐(110)은 전술한 바와 같이 제1영역(101) 또는 제2영역(102)으로부터 순환관(140)을 통해 수분을 포함하는 열분해가스를 흡입하고 제3영역(103)으로 제공하여 가스화 과정의 1차 또는 2차반응을 촉진한다. 즉, 반응로(10) 내 제2영역(102)에서 생성된 수분을 포함하는 열분해가스(D)를 가스화 과정이 진행되는 제3영역(103)으로 순환시켜 재사용함으로써 반응효율을 극대화할 수 있다. 이와 같이 본 발명은 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스(B), 공기(C), 및 수분을 포함하는 열분해가스(D)를 반응과정에 유기적인 방식으로 제공함으로써 보다 효율적이고 효과적으로 합성가스(E)를 생산할 수 있다. 남은 연료찌꺼기(F)는 연료찌꺼기배출부(30)에 의해 배출되어 용이하게 처리된다.In addition, the
한편, 이와 같이 생성된 합성가스(E)는 도 10에 도시된 것처럼 다시 촉매부(150)를 통과하면서 촉매 반응하여 순도가 상승되고 동시에 타르(tar) 등의 불순물도 제거된다. 즉, 제3영역(103)에서 생성된 합성가스(E)는 반응로(10) 하부에 형성된 유입구(151a)를 통해 열교환통로(151)로 이동하고 열교환통로(151) 내부의 가열된 토르말린광물(152)의 초전효과(pyroelectric effect)에 의해 촉매 반응한 후 배출구(151b)를 통해 가스배출관(40)으로 배출된다. 촉매 반응은 전술한 바와 같이 전기력에 의한 전기적 촉매 반응으로 이로 인해 합성가스(E) 내부에 함유되어 유동하는 물분자의 일부가 분해되거나, 타르성분이 분해된다.On the other hand, the synthesis gas (E) thus produced is catalytically reacted while passing through the
즉, 합성가스(E)는 촉매부(150)를 통과하면서 초전효과에 의한 전기적 촉매 작용에 의해 수소의 양이 증가하거나, 일산화탄소의 양이 증가된다. 특히, 불순물인 전기적 촉매 작용에 의해 타르 성분을 분해하고 일산화탄소의 양을 증가시킬 수 있어 가스배출관(40)을 통해 최종 배출되는 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스(E)의 순도를 증가시키고 보다 양질의 합성가스(E)를 생산하는 것이 가능하다. 이와 같은 방식으로 본 발명의 가스화장치(1)를 이용하여 가스화 과정을 효과적으로 진행하고 양질의 순도 높은 합성가스(E)를 용이하게 생산할 수 있다.That is, the synthesis gas (E) increases the amount of hydrogen or the amount of carbon monoxide by the electrocatalytic effect of the pyroelectric effect while passing through the
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. I can understand that. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
(부호의 설명)(Explanation of the sign)
1: 가스화장치 10: 반응로1: gasifier 10: reactor
20: 연료투입부 30: 연료찌꺼기배출부20: fuel input portion 30: fuel residue discharge portion
40: 가스배출관 101: 제1영역40: gas discharge pipe 101: first region
102: 제2영역 103: 제3영역 102: second region 103: third region
110: 제1노즐 111: 메인유로110: first nozzle 111: main euro
112: 유도로 113: 유도곡면112: induction furnace 113: induction surface
114: 공기주입관 120: 제2노즐114: air injection pipe 120: the second nozzle
130: 제3노즐 131: 주배관130: third nozzle 131: main pipe
132: 분배관 133: 분사구132: distribution pipe 133: nozzle
140: 순환관140: circulation tube
150: 토르말린촉매부 151: 열교환통로150: tourmaline catalyst 151: heat exchange passage
151a: 유입구 151b: 배출구151a:
152: 토르말린광물152: tourmaline mineral
A: 연료 B: 산수소가스A: Fuel B: Oxyhydrogen Gas
C: 공기 D: 수분을 포함하는 열분해가스C: air D: pyrolysis gas containing water
E: 합성가스 F: 연료찌꺼기E: Syngas F: Fuel Leftover
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