KR100808512B1

KR100808512B1 - 산림 잔여물의 연료화 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100808512B1
Application number: KR1020070023761A
Authority: KR
Inventors: 전호건
Original assignee: 전호건
Priority date: 2007-03-10
Filing date: 2007-03-10
Publication date: 2008-03-03
Also published as: MY145108A; CA2686853A1; WO2008111766A1; CA2680545A1

Abstract

본 발명의 일면은 다종의 산림 잔여물을 제1투입기(10)에서 분쇄기(12)로 보내어 분쇄하고, 중간 공정을 거쳐 팔레타이저(35)에서 규격화된 연료로 생성하는 장치에 관련된다. 구성에 있어서, 상기 제1투입기(10)의 하류측과 혼합기(15)로 동시 연결되고, 상기 분쇄된 제1원료에 혼합하기 위한 제2원료를 수용하는 제2투입기(20); 상기 혼합기(15)의 하류측에 중간원료를 받도록 설치되고, 상기 중간원료를 고온에서 고속으로 탄화하는 카보나이저(22); 상기 카보나이저(22)의 하류측에 탄화된 중간원료를 받도록 설치되고, 쿨러(24)를 거쳐 냉각된 중간원료를 고운 입자 상태로 분쇄하는 분쇄기(26); 및 상기 분쇄기(26)의 하류측과 혼합기(32)로 동시에 연결되고, 상기 미분쇄된 중간원료에 혼합하기 위한 제3원료를 수용하는 제3투입기(30);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 바이오매스를 활용함에 있어 운반ㆍ저장ㆍ연소 처리가 편리할 뿐 아니라 연소에 따른 열량을 높일 수 있어 에너지원으로서의 경제성도 구비하는 효과가 있다.

바이오매스, 산림, 잔여물, 나무, 연료, 펠렛

Description

산림 잔여물의 연료화 장치 및 방법 {Apparatus and method for making fuel using forest residue}

도 1은 본 발명에 따른 장치의 전반적 구성을 개략적으로 나타내는 정면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10: 제1투입기 12: 분쇄기

15: 혼합기 20: 제2투입기

22: 카보나이저 24: 쿨러

26: 분쇄기 30: 제3투입기

32: 혼합기 35: 펠레타이저

36: 호퍼 38: 포장기

본 발명은 산림 잔여물의 연료화에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바이오매스를 활용함에 있어 운반ㆍ저장ㆍ연소 처리가 편리할 뿐 아니라 연소에 따른 열량을 높일 수 있어 에너지원으로서의 경제성도 구비하는 산림 잔여물의 연료화 장치 및 방법에 관한 것이다.

바이오매스(biomass)는 식물이나 미생물과 같이 에너지원으로 이용되는 생물체로서 환경친화적인 대체에너지원으로써의 중요성이 강조되고 있고 이를 열분해 또는 발효시켜 메탄, 에탄올, 수소와 같은 연료를 채취하는 방법이 연구되고 있다. 구체적으로 설명하면, 현재까지의 바이오매스 에너지 이용 및 활용은 목질류 톱밥, 우드칩, 펠렛 등을 직접 연소하여 열과 전력을 발생하거나, 열화학적 변환으로 가스화/액화하거나, 생물학적 변환으로 비료나 액체연료를 생성하거나, 에스테르화를 통하여 바이오디젤 연료를 제조하는 정도가 통상적으로 알려져 있다.

특히 산림 바이오매스 중에서 무한하게 생성되고 에너지 함유량이 높아 선호되는 것은 나무이다. 이를 위해 나무를 베어낸 것은 물론 지스러기 또는 그와 비슷한 형태로 나무를 활용하기 위하여 소위 펠렛(pellet) 형태로 만들어서 에너지를 생산하는 것이 알려져 있다. 상기 나무 펠렛은 석탄이나 목탄과 비교하여 손색이 없을 정도로 운반, 저장 및 연소 시의 처리가 용이하다. 또한, 바이오매스의 여러 가지 종류와 대체 에너지 함유체에 대한 수요의 증가를 고려할 때 나무 이외의 다른 바이오매스로부터 운반, 저장 및 연소 처리가 용이하면서 열량이 높은 연료를 제공하는 것이 부단히 요구되고 있다.

다만 나무를 제외한 여타의 식물체의 경우 단위 중량 또는 용적당 발열량이 낮아 동일량의 연료를 얻기 위한 원료의 중량과 용적이 증가하므로 이송과 보관에 따른 비용 부담이 발생하며, 양질의 원료확보가 곤란하여 대량의 에너지 생산에 부적합한 단점이 있다.

근래에 이를 개선 보완하기 위하여 에너지 밀도를 최적화하는 탄화과정을 거 치는 새로운 방식이 제안된 바, 이로써 보일러(특히 소형에서 중형) 연료용으로 사용을 활성화 할 수 있는 새로운 전기가 마련될 것으로 사료된다.

이에 따라 본 발명은 상기한 점에 착안하는 것으로서, 바이오매스를 활용함에 있어 운반ㆍ저장ㆍ연소 처리가 편리할 뿐 아니라 연소에 따른 열량을 높일 수 있어 에너지원으로서의 경제성도 구비하는 산림 잔여물의 연료화 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일면은 다종의 산림 잔여물을 제1투입기에서 분쇄기로 보내어 분쇄하고, 중간 공정을 거쳐 팔레타이저에서 규격화된 연료로 생성하는 장치에 있어서: 상기 제1투입기의 하류측과 혼합기로 동시 연결되고, 상기 분쇄된 제1원료에 혼합하기 위한 제2원료를 수용하는 제2투입기; 상기 혼합기의 하류측에 중간원료를 받도록 설치되고, 상기 중간원료를 고온에서 고속으로 탄화하는 카보나이저; 상기 카보나이저의 하류측에 탄화된 중간원료를 받도록 설치되고, 쿨러를 거쳐 냉각된 중간원료를 고운 입자 상태로 분쇄하는 분쇄기; 및 상기 분쇄기의 하류측과 혼합기로 동시에 연결되고, 상기 미분쇄된 중간원료에 혼합하기 위한 제3원료를 수용하는 제3투입기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 카보나이저는 급기부와 가스공급부를 제어하여 400-700℃의 온도 조절범위를 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일면으로서, 다종의 산림 잔여물을 분쇄한 제1원료를 투입하고, 중간 공정을 거쳐 규격화된 연료로 생성하는 방법에 있어서: 상기 제1원료에 고무나무과를 주재로 하는 제2원료를 혼합하는 제1단계; 상기 혼합된 중간원료를 탄화시켜 탄소 70-90 wt%, 휘발성 물질 8-10 %wt 등으로 구성되는 탄화물을 생성하는 제2단계; 상기 탄화물을 200메쉬 이상의 고운입자로 분쇄하는 제3단계; 및 상기 미분쇄된 중간원료에 생톱밥을 주재로 하는 제3원료를 혼합하는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 제4단계에서 제3원료는 20-30 wt% 범위로 혼합하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하는 바, 도 1은 본 발명에 따른 장치의 전반적 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.

본 발명의 일면은 다종의 산림 잔여물을 제1투입기(10)에서 분쇄기(12)로 보내어 분쇄하고, 중간 공정을 거쳐 팔레타이저(35)에서 규격화된 연료로 생성하는 장치에 관련된다. 산림 잔여물은 나무, 잔가지, 잔목, 톱밥, 팜오일 잔여물(palm oil waste), 목질류, 풀, 잡초, 왕겨, 사탕수수 등을 포함한다. 그러나 건축용 목재자재 또는 접착제 등 화학제가 혼합된 목재는 제외한다. 제1투입기(10)와 분쇄기(12)의 초기 공정을 지나 팔레타이저(35), 호퍼(36), 포장기(38)에 이르는 최종 공정에 이르기 전까지는 중간 공정으로 칭한다.

제1투입기(10)는 통상적인 호퍼와 같은 중력 낙하 방식을 택한다. 분쇄 기(12)는 산림 잔여물을 최적의 탄화 집적과 에너지 집적을 위한 크기로 절단한다. 팔레타이저(35)는 중간 공정을 마친 최종원료를 펠렛 크기로 성형하는 구성이고, 호퍼(36)는 펠렛의 포장 수량을 결정하는 구성이며, 포장기(38)는 설정된 단위별로 포장하는 구성이다.

본 발명에 따르면 상기 분쇄된 제1원료에 혼합하기 위한 제2원료를 수용하는 제2투입기(20)가 상기 제1투입기(10)의 하류측과 혼합기(15)로 동시 연결된다. 제1원료는 제1투입기(10)에서 분쇄기(12)를 거쳐 적절한 크기로 절단된 원료를 의미한다. 제2투입기(20)도 제2투입기(20)처럼 호퍼 구조이나 용량은 다소 작아도 무방하다. 분쇄기(12)와 제2투입기(20)는 하류측에서 동시에 혼합기(15)로 연결된다. 제2투입기(20)에는 연료의 열량을 높이기 위하여 후술하는 것처럼 고무나무과의 잔여물을 투입한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 중간원료를 고온에서 고속으로 탄화하는 카보나이저(22)가 상기 혼합기(15)의 하류측에 중간원료를 받도록 설치된다. 상기 카보나이저(22)는 급기부(16)와 가스공급부(18)를 제어하여 400-700℃의 온도 조절범위를 유지하는 것이 바람직하다. 카보나이저(22)의 점화 연료로서 급기부(16)의 공기와 가스공급부(18)의 LPG가스등을 사용하도록 연결된다. 카보나이저(22)의 로(furnace) 온도는 400-700℃로 유지되도록 하는 바, 후술하는 것처럼 원료(산림 잔여물)의 종류에 따른 차이가 있다. 고속 카보나이저(22)의 경우, 40분~60분 정도가 소요되는 것을 기준으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 쿨러(24)를 거쳐 냉각된 중간원료를 고운 입자 상태로 분쇄하는 분쇄기(26)가 상기 카보나이저(22)의 하류측에 탄화된 중간원료를 받도록 설치된다. 분쇄기(26)는 제1원료와 제2원료가 탄화되고 냉각되어 배출된 중간원료를 200메쉬 이상의 고운 입자로 분쇄한다. 이는 후속되는 펠렛화 공정에서 완제품의 규격을 일정하게 유지하는데 유리하다.

또, 본 발명에 따르면 상기 미분쇄된 중간원료에 혼합하기 위한 제3원료를 수용하는 제3투입기(30)가 상기 분쇄기(26)의 하류측과 혼합기(32)로 동시에 연결된다. 제3투입기(30)도 제2투입기(20)처럼 호퍼 방식을 사용하고 용량도 유사하게 설정한다. 제3투입기(30)에는 후술하는 것처럼 일반적 톱밥(생톱밥)이 투입되며, 혼합기(32)는 배출된 제품에 제3원료를 10~50% 혼합하도록 조절한다.

본 발명의 다른 일면은 다종의 산림 잔여물을 분쇄한 제1원료를 투입하고, 중간 공정을 거쳐 규격화된 연료로 생성하는 방법에 관련된다. 열매 껍질, 코코넛, 잔가지 뿌리, 잎, 왕겨, 사탕수수 껍데기, 잡초, 풀 등을 타 용도로 전혀 사용될 수 없는 목재류 쓰레기도 사용이 가능하다. 수초는 건수초와 물에 젖은 수초도 관계없으나 탄소동화작용(광합성)을 하는 산림류 쓰레기 외에 미역류나 김 등의 해초류 사용은 곤란한 점에 주의한다. 그리고, 수분함유량은 대략 10~50%수준이 바람직하며, 최대 40~50%의 수분함유의 물품도 사용 가능하지만 건조할수록 좋다. 분쇄에 있어서, 원재료 그대로를 투입하여 이송 스크류로 분쇄하거나, 원재료를 1차 조분쇄 후 2차 분쇄시(10mesh 정도) 이송 스크류를 이용할 수도 있다.

본 발명에 따르면 상기 제1원료에 고무나무과를 주재로 하는 제2원료를 혼합하는 제1단계를 거친다. 도 1의 혼합기(15)에 투입되는 제1원료와 제2원료의 투입 비는 같아질수록 열량 측면에서는 유리하나 제2원료의 획득량이 상대적으로 작음을 고려해야 한다. 고무나무과 잔여물 대신 참나무과 잔여물도 가능하지만 열량 측면에서 다소 열세에 있다. 고무나무는 열대지방을 중심으로 수십종이 분포하고 있으며 본 발명에 사용되는 종류에는 제한이 없다.

또, 본 발명에 따르면 상기 혼합된 중간원료를 탄화시켜 탄소 70-90 wt%, 휘발성 물질 8-10 %wt 등으로 구성되는 탄화물을 생성하는 제2단계를 거친다. 중간원료는 제1원료와 제2원료를 혼합된 것으로서 400-700℃에서 1시간 내외 경과되면 탄화물이 생성된다. 흑탄으로 되는 잔가지 뿌리, 열매 등의 경질재는 400~450℃, 백탄이 되는 잎, 왕겨, 풀 등의 연질재는 550~700℃로 유지하는 것이 좋다. 이와 같이 하면 상기 제2원료가 숯의 다공질을 막아 열량 손실을 줄이는 것으로 예측된다. 탄화물은 탄소 80%, 휘발성 물질 10%, 수분 4%, S(황) 0.02%, N(질소) 0.2%, H(수소) 2.8%의(이하 wt% 단위) 함량일 때 열량이 7200kcal/kg 내외 정도가 발생되어 일반적인 공정에서 제조된 펠렛 연료에 비하여 약 2배 이상으로 유지되는 장점이 있다.

또, 본 발명에 따르면 상기 탄화물을 200메쉬 이상의 고운 입자로 분쇄하는 제3단계를 거친다. 탄화물의 입자 상태가 고울수록 완제품인 펠렛으로 성형할 때 다공성이 우수하다.

또, 본 발명에 따르면 상기 미분쇄된 중간원료에 생톱밥을 주재로 하는 제3원료를 혼합하는 제4단계를 거친다. 생톱밥은 입자가 굵을수록 성형성과 열효율 측면에서 유리하다. 이와 같은 공정을 거치면 펠렛 제품이 보일러 연소 과정에서 연 소시 로(furnace)내에서 완전 연소될 때 까지 제품의 재(ash) 융점(약 890도 이상)에 도달하는 것을 방해하여 완전 연소를 용이하게 유지시킨다. 이때, 상기 제4단계에서 제3원료는 10-50%, 바람직하게는 20-30 wt% 범위로 혼합하는 것이 좋다. 제3원료의 함량 범위는 열량과 밀접한 관계가 있는 것으로 나타난다.

최종 공정에서 펠렛은 완전연소를 용이하게 하기 위하여 지름4~8mm내외, 길이는 10~15mm내외로 성형함이 바람직한 것으로 보인다. 성형이 완료된 펠렛은 수요처마다 보일러의 용량이 다른 점을 감안하여 포장단위를 달리하도록 한다.

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 바이오매스를 활용함에 있어 운반ㆍ저장ㆍ연소 처리가 편리할 뿐 아니라 연소에 따른 열량을 높일 수 있어 에너지원으로서의 경제성도 구비하는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims

다종의 산림 잔여물을 제1투입기(10)에서 분쇄기(12)로 보내어 분쇄하고, 중간 공정을 거쳐 팔레타이저(35)에서 규격화된 연료로 생성하는 장치에 있어서:

상기 제1투입기(10)의 하류측과 혼합기(15)로 동시 연결되고, 상기 분쇄된 제1원료에 혼합하기 위한 제2원료를 수용하는 제2투입기(20);

상기 혼합기(15)의 하류측에 중간원료를 받도록 설치되고, 상기 중간원료를 고온에서 고속으로 탄화하는 카보나이저(22);

상기 카보나이저(22)의 하류측에 탄화된 중간원료를 받도록 설치되고, 쿨러(24)를 거쳐 냉각된 중간원료를 고운 입자 상태로 분쇄하는 분쇄기(26); 및

상기 분쇄기(26)의 하류측과 혼합기(32)로 동시에 연결되고, 상기 미분쇄된 중간원료에 혼합하기 위한 제3원료를 수용하는 제3투입기(30);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 산림 잔여물의 연료화 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 카보나이저(22)는 급기부(16)와 가스공급부(18)를 제어하여 400-700℃의 온도 조절범위를 유지하는 것을 특징으로 하는 산림 잔여물의 연료화 장치.
다종의 산림 잔여물을 분쇄한 제1원료를 투입하고, 중간 공정을 거쳐 규격화된 연료로 생성하는 방법에 있어서:

상기 제1원료에 고무나무과를 주재로 하는 제2원료를 혼합하는 제1단계;

상기 혼합된 중간원료를 탄화시켜 탄소 70-90 wt%, 휘발성 물질 8-10 %wt 등으로 구성되는 탄화물을 생성하는 제2단계;

상기 탄화물을 200메쉬 이상의 고운입자로 분쇄하는 제3단계; 및

상기 미분쇄된 중간원료에 생톱밥을 주재로 하는 제3원료를 혼합하는 제4단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 산림 잔여물의 연료화 방법.
제 3 항에 있어서,

상기 제4단계에서 제3원료는 20-30 wt% 범위로 혼합하는 것을 특징으로 하는 산림 잔여물의 연료화 방법.