KR101170614B1 - 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 제조공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오매스를 1차 건조 및 2차 반탄화시켜 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정을 제공코자 하는 것이다.
즉, 본 발명은 바이오매스를 투입부를 통해 정량씩 투입하고, 상기 투입부를 통해 건조부로 공급된 바이오매스를 복열식 스크류로 이송과 동시에 교반, 혼합하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 건조토록 하며, 상기 건조부를 통해 건조된 바이오매스를 상압의 반탄화부로 투입하여 복열식 스크류로 이송과 동시에 교반, 혼합하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 반탄화시켜 바이오콜을 제조토록 한 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명은 바이오매스를 투입부를 통해 정량씩 투입하고, 상기 투입부를 통해 건조부로 공급된 바이오매스를 복열식 스크류로 이송과 동시에 교반, 혼합하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 건조토록 하며, 상기 건조부를 통해 건조된 바이오매스를 상압의 반탄화부로 투입하여 복열식 스크류로 이송과 동시에 교반, 혼합하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 반탄화시켜 바이오콜을 제조토록 한 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소(co-firing, 混燒) 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 여러 종류의 바이오매스[biomass; 폐목재 칩, 톱밥, 농수산 부산물(옥수수대, 사탕수수 부산물, 파인애플 꼭지, 볏짚, 왕겨 등)]를 상압(常壓)에서 1차 건조 및 2차 물성변화를 유도하는 반탄화 과정을 거쳐 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정을 제공코자 하는 것이다.
전 세계적으로 기후변화에 대응하기 위한 국제적인 규제가 강화되고 있으며, 우리나라는 녹색성장기본법, 국가 온실가스 감축목표를 수립하여 이의 달성을 위해 2012년부터는 '온실가스 에너지 목표관리제'와 'RPS(Renewwable Standard)'를 시행할 예정으로 관련법은 이미 발효된 상태이다.
따라서 발전사들은 2012년 2%, 이후 매년 0.5% 혹은 1% 증가하여 2020년까지 전기 생산량의 약 10%를 의무적으로 신재생 에너지로 생산하여야 하며, 이에 따라 다양한 신재생 에너지 개발을 추진하고 있다.
그러나 우리나라는 신재생 에너지 자원이 유한하여 막대한 시설투자에도 불구하고 국가 배분 의무 발전량 달성이 어려울 전망이다.
특히 '바이오매스'는 우리나라의 산림자원, 농수산 부산물의 물량 등 환경 특성상 그 자원이 매우 한정되어 있고, 최근에는 개발도상국의 의무 감축이 논의되고 있어 세계적으로 바이오매스 수요가 급증 할 것으로 전망됨에 따라서 자원의 확보가 필요한 실정이다.
기존 바이오매스는 석탄과 혼소가 불가능하거나, 석탄에 비해 열량이 낮고, 분쇄가 용이하지 않아 혼소가 제한적이며, 자체 열량이 낮은 것 이외에도 높은 수분함수량과 생물학 반응을 지속하여 부패하는 까닭에 높은 보관비용 및 운송비용이 발생하고 그로 인해 그 사용에 있어서 경제성이 맞지 않는 등 원천적인 사용의 제약사항이 존재한다.
따라서 우드칩, 우드펠릿 등 기존의 우드 바이오매스를 석탄화력발전소에서 혼소하기 위해서는 옥내 저장실이 필요하며, 낮은 분쇄특성으로 인해 별도의 분쇄기 설치가 요구되는 등 기존 발전시설의 보강이 필요하여 많은 투자비가 소요된다.
이에 석탄과 유사하게 옥외 저장이 가능하고, 기존 분쇄설비를 그대로 이용할 수 있는 품질의 바이오매스를 원자재로 사용한 대체 에너지의 개발이 절실히 요망되고 있다.
다양한 바이오매스를 원자재로 사용하는 생산되는 '바이오콜(bio-coal)'은 반탄화(Torrefaction)된 바이오매스를 집적(Densification)한 물건을 지칭하는 것으로서, 이러한 바이오콜을 생산하는 기술은 유럽과 북미를 중심으로 활발하게 연구가 진행 중에 있으며, 국내에서는 산림청 주관으로 기초 연구 단계를 진행 중에 있어 선진국들과 기술 격차가 매우 큰 상태이다.
국외에서 알려진 바이오콜 제조과정은 진공상태에서 섬유질의 바이오매스를 약 200~250℃의 온도조건에서 가열하여 숯과 유사한 형태의 바이오콜을 생산하고 있다.
즉, 원료→전처리→건조→열처리를 행하여 제조되는 바이오콜은 건조와 열처리를 진공상태에서 행하므로 진공상태 조성 및 진공 해제 등으로 인해 작업시간이 매우 길어질 수 밖에 없었으며, 진공장치의 추가로 인한 장치의 설치 비용 등이 고가로 소모됨은 물론 에너지 비용 소모가 커서 상용화에 상당한 애로가 되고 있는 실정이다.
한편, 대한민국 등록특허 제10-0998580호 에는 '코코넛 쉘을 이용한 바이오매스 및 그 제조공정'에 관한 기술이 개시되어 있으나, 이러한 선행기술 등을 통해 제조되는 바이오매스는 수분을 함유하고 있어 보관성이나 에너지 밀도 등이 바이오콜에 비해 상대적으로 낮고, 강도 역시 낮아 부서지기 쉽고, 옥외 저장이 불가한 등의 문제점을 안고 있어, 이러한 바이오매스가 안고 있는 문제점을 일소하기 위한 바이오콜 개발이 절실한 실정이다.
이에 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정은 상기와 같은 문제점을 해소코자 하는 것이다.
본 발명은 바이오콜 생산을 위한 바이오매스를 1차 건조장치로 정량씩 공급하여 건조토록 하고, 2차로 건조된 바이오매스를 상압에서 반탄화시켜 배출할 수 있도록 한 반탄화 장치를 제공코자 하는 것이다.
또한 본 발명은 상기 건조장치 및 반탄화 장치를 바이오콜 제조를 위해 최적의 조건으로 제어하여 단시간에 섬유질의 바이오매스를 탄소화되도록 물성변화를 행하는 반탄화 작업을 거쳐 바이오콜을 제조할 수 있도록 하여 시간과 에너지 비용 등을 절감할 수 있도록 한 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정을 제공코자 하는 것이다.
본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 제조공정은 바이오매스를 투입부를 통해 정량씩 투입하는 공정과, 상기 투입부를 통해 건조부로 공급된 바이오매스를 복열식 스크류로 이송과 동시에 교반, 혼합하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 건조하는 건조 공정과, 상기 건조부를 통해 건조된 바이오매스를 상압의 반탄화부로 투입하여 복열식 스크류로 이송과 동시에 교반, 혼합하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 반탄화시킨 후 배출하는 반탄화 공정을 구비하며, 상기 건조부의 내부 온도는 50~70℃가 되도록 설정되며, 상기 반탄화부 내부 온도는 80~90℃가 되도록 설정되며, 상기 건조부의 내부 온도 및 상기 반탄화부의 내부온도를 설정하기 위하여 가해지는 열매유를 이용한 가열 및 마이크로 웨이브 조사를 통한 가열의 비율은 80:20으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여 본 발명에 따른 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치는 바이오매스를 정량씩 공급하기 위한 투입부와, 상기 투입부를 통해 공급된 바이오매스를 이송하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 건조하기 위한 건조부와, 상기 건조부를 통해 건조된 바이오매스를 이송하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 반탄화하기 위한 상압의 반탄화부를 구비하며, 상기 건조부의 내부 온도는 50~70℃가 되도록 설정되며, 상기 반탄화부 내부 온도는 80~90℃가 되도록 설정되며, 상기 건조부의 내부 온도 및 상기 반탄화부의 내부온도를 설정하기 위하여 가해지는 열매유를 이용한 가열 및 마이크로 웨이브 조사를 통한 가열의 비율은 80:20으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여 본 발명에 따른 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치는 바이오매스를 정량씩 공급하기 위한 투입부와, 상기 투입부를 통해 공급된 바이오매스를 이송하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 건조하기 위한 건조부와, 상기 건조부를 통해 건조된 바이오매스를 이송하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 반탄화하기 위한 상압의 반탄화부를 구비하며, 상기 건조부의 내부 온도는 50~70℃가 되도록 설정되며, 상기 반탄화부 내부 온도는 80~90℃가 되도록 설정되며, 상기 건조부의 내부 온도 및 상기 반탄화부의 내부온도를 설정하기 위하여 가해지는 열매유를 이용한 가열 및 마이크로 웨이브 조사를 통한 가열의 비율은 80:20으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 투입부는 바이오매스가 공급되는 투입호퍼와, 상기 투입호퍼와 연결된 투입관 내부에 바이오매스를 정량 이송하기 위하여 모터와 연결구동되는 이송스크류로 구성된 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 건조부의 건조-챔버 내부에는 바이오매스를 교반하면서 이송키 위해 모터와 연결구동되며 복수개의 임펠러(Impeller)를 형성한 복열식 스크류와, 상기 건조-챔버 내측 하부에는 발열히터가 설치되고 열매유가 내입된 열매유 발열기와, 상기 건조-챔버 내측 상부에는 마이크로 웨이브를 조사하기 위한 복수개의 마그네트론을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한 상기 건조부의 건조-챔버와 반탄화부의 반탄화-챔버에는 건조 및 반탄화 시에 발생되는 수분과 분진, 가스가 배출될 수 있는 배출관이 설치되며, 상기 배출관에는 배출방향과 예각으로 분기되도록 배출팬을 설치한 것을 특징으로 한다.
또한 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 반탄화 제조공정에 있어서는 바이오매스를 투입부를 통해 정량씩 투입하고, 상기 투입부를 통해 건조부로 공급된 바이오매스를 이송하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 건조토록 하며, 상기 건조부를 통해 건조된 바이오매스를 이송하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 섬유질에서 탄소화시키는 물성변화를 행하는 반탄화 과정을 상압에서 행하도록 한 것을 특징으로 한다.
상기 바이오매스의 건조 및 반탄화 과정에 있어서, 건조부의 열매유 온도는 110~130℃로 설정하여 건조-챔버 내부 온도가 50~70℃가 되도록 설정하며, 상기 반탄화부의 열매유 온도는 200~250℃로 설정하여 반탄화-챔버 내부 온도가 80~90℃가 되도록 설정하며, 상기 열매유에서 발생되는 복사열과 마이크로 웨이브에서 조사되는 열원의 가온 비율은 80:20으로 바이오매스를 가온토록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정은 상압에서 열매유 가온시 발생되는 열원과 마이크로 웨이브를 동시에 바이오매스에 가하여 단시간에 건조 및 반탄화 작업을 수행할 수 있어 작업 효율성을 극대화 할 수 있으며, 상압에서 물성변화를 일으키도록 반탄화를 행하므로 별도의 진공장치가 필요 없어 장치 설치비용을 대폭 줄일 수 있으며, 또한 에너지 비용 및 이송비 등의 절감에도 크게 일조 할 수 있는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명이다.
도 1은 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치의 전체 구성을 보인 일부 파절상태의 정면도
도 2는 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소가 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치에 있어서 스크류 부위를 발췌한 확대 정면도
도 3은 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치의 전체 구성을 보인 평면도
도 4는 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치의 전체 구성을 보인 측면도
도 5는 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치의 건조부 및 반탄화부의 내부 구성을 설명키 위한 확대 발췌 측단면도
도 6은 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치의 건조부 및 반탄화부에 설치되는 복열식 스크류를 보인 평면도
도 7은 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치의 전체 처리공정을 보인 블록도
도 2는 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소가 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치에 있어서 스크류 부위를 발췌한 확대 정면도
도 3은 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치의 전체 구성을 보인 평면도
도 4는 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치의 전체 구성을 보인 측면도
도 5는 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치의 건조부 및 반탄화부의 내부 구성을 설명키 위한 확대 발췌 측단면도
도 6은 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치의 건조부 및 반탄화부에 설치되는 복열식 스크류를 보인 평면도
도 7은 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치의 전체 처리공정을 보인 블록도
본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정의 기술적 사상에 대한 구체적인 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 것인 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나 이는 본 발명의 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명키로 하며, 상세한 설명에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 명칭 또는 동일한 부호를 병기한다.
한편, 각 도면 및 상세한 설명에서 일반적인 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정으로부터 해당 분야의 종사자들이 용이하게 인지할 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략화하거나 생략하였다.
특히, 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
그리고 도면의 도시에 있어서 요소들 간의 크기 비율이 다소 상이하게 표현되거나 서로 결합되는 부품들 간의 크기가 상이하게 표현된 부분도 있으나, 이와 같은 도면상에 나타나는 표현의 차이는 해당 분야의 종사자들이 용이하게 이해 가능한 부분들이므로 별도의 설명을 생략한다.
본 발명에서 언급되는 '바이오콜(bio-coal)'은 바이오매스를 열분해(pyrolysis)의 일종인 반탄화 과정을 거쳐 연소 및 가스화 적용을 위한 연료성이 강화되어 고형화를 거친 후 석탄화력발전소에 석탄과 혼소 가능한 연료를 지칭하는 것으로 정의하여, 본 발명을 상세히 설명키로 한다.
본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정은 수분을 포함하고 있는 바이오매스를 정량씩 공급할 수 있도록 한 이송스크류를 이용하여 건조부로 바이오매스를 정량씩 공급토록 하고, 상기 정량 공급되는 바이오매스를 건조시킬 수 있도록 한 건조부와, 상기 건조부를 통해 건조된 바이오매스를 상압에서 물성변화(섬유질에서 탄소화로 변화)를 행하도록 하여 반탄화시킬 수 있도록 한 반탄화부로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정에서는 건조와 반탄화를 위해 건조-챔버와 반탄화-챔버에 복열식으로 제 1,2 스크류를 각각 설치하고, 열매유를 가온시켜 발생된 복사열로 바이오매스의 건조를 행할 수 있도록 제 1,2 열매유 발열기를 설치하며, 더불어 마이크로 웨이브를 조사할 수 있도록 제 1,2 마그네트론을 설치한 것을 특징으로 한다.
상기 건조부에서는 열매유 온도를 110~130℃로 설정하여 건조-챔버 내부 온도가 50~70℃가 되도록 설정하고, 마이크로 웨이브를 동시에 조사하여 바이오매스의 함수률을 15~0% 범위로 건조할 수 있도록 하고,
상기 반탄화부의 열매유 온도는 200~250℃로 설정하여 반탄화-챔버 내부 온도가 80~90℃가 되도록 설정하며, 마이크로 웨이브를 동시에 조사하여 건조된 바이오매스를 상압에서 반탄화시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
상기 제 1,2 스크류에는 바이오매스를 이송하는 과정에서 교반, 혼합을 행하도록 하여 바이오매스의 균일한 건조 및 반탄화가 이루어지도록 하여 양질의 바이오콜을 제조토록 한다. 이를 위해 제 1,2 스크류에는 복수개의 임펠러를 형성한 것을 특징으로 한다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명의 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정을 이하 첨부된 도면과 함께 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치를 보인 일부 파절 상태의 정면 구성도이다.
수분을 포함하고 있는 바이오매스를 정량씩 공급할 수 있도록 한 투입부(1)는 투입호퍼(2)의 하부에 투입관(3)을 설치하고, 상기 투입관(3)에는 바이오매스 이송을 위한 이송스크류(4)를 축설치하여 원하는 회전수로 회전이 가능토록 이송모터(5)와 연결토록 한다.
상기 투입부(1)에서 투입되는 바이오매스를 자연 낙하방식으로 이동시켜 건조부(6)로 투입토록 한다.
상기 건조부(6)는 정량씩 투입된 바이오매스 중의 수분을 건조하기 위한 것으로서, 이를 위해 건조-챔버(7) 내부에 투입된 바이오매스를 이송과 동시에 교반, 혼합하여 균일한 건조가 수행될 수 있도록 제 1 스크류(8)를 복열로 축설치하여 제 1 모터(9)와 연결 구동토록 한다.
도 2는 본 발명의 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼합 소각이 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치에 있어서, 스크류 부위를 확대한 정면 구성도를 보인 것이다.
상기 제 1 스크류(8)에는 수개(예를 들어 1피치 당 1~4개 정도)의 제 1 임펠러(8a)를 형성하여 바이오매스를 교반, 혼합하여 건조작업 시 전체적으로 균일한 건조가 수행될 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼합 소각이 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치의 측면 구성도를 보인 것이다.
건조-챔버(7)의 하부에는 복사열을 이용하여 바이오매스를 건조하기 위한 제 1 열매유 발열기(10)를 설치한다. 상기 제 1 열매유 발열기(10)에는 열매유가 투입되고, 열매유를 가온하기 위한 제 1 발열히터(11)가 내부에 설치된다.
또한 건조-챔버(7)의 상부에는 마이크로 웨이브를 조사할 수 있도록 제 1 마그네트론(12)을 복수개 설치한다. 도시한 예는 300mm 간격으로 1.2kw의 출력을 가진 제 1 마그네트론(12)을 8개 설치한 경우이다. 실제 제 1 마그네트론(12)의 출력은 1kw이다.
상기 건조-챔버(7)는 열연강판 등을 사용하여 제작하게 되며, 스테인레스 304(SUS 304) 메쉬망과 커츠를 이용한 100% 전자파 차단 육안 점검망을 만들어 바이오매스의 건조과정에서 건조상태를 작업자가 육안으로 판별 가능케 한다.
상기 건조부(6)에서 건조된 바이오매스는 상압에서 반탄화를 위해 반탄화부(13)로 자연낙하 방식으로 이송될 수 있도록 연결관(14)을 건조-챔버(7)와 반탄화-챔버(15) 사이에 연결한다. 반탄화부(13)는 건조된 바이오매스를 상압에서 반탄화시켜 섬유질을 탄소화시키는 물성변화를 행한 바이오콜을 제조하게 된다.
이를 위해 건조부(6)에서 건조된 바이오매스가 연결관(14)을 통해 반탄화-챔버(15)로 공급되면, 반탄화-챔버(15) 내부에 투입된 바이오매스를 이송과 동시에 교반, 혼합하여 균일한 반탄화가 수행될 수 있도록 제 2 스크류(16)를 복열로 축설치하여 제 2 모터(17)와 연결 구동토록 한다.
상기 제 2 스크류(16)에는 수개(1피치 당 1~4개 정도)의 제 2 임펠러(16a)를 형성하여 바이오매스를 교반, 혼합하여 반탄화작업 시 전체적으로 균일한 반탄화가 수행될 수 있도록 한다.
반탄화-챔버(15)의 하부에는 복사열을 이용하여 바이오매스를 탄화하기 위한 제 2 열매유 발열기(18)를 설치한다. 상기 제 2 열매유 발열기(18)에도 전기한 건조부(6)와 같이 열매유가 투입되고, 열매유를 가온하기 위한 제 2 발열히터(19)가 설치된다.
또한 반탄화-챔버(15)의 상부에는 마이크로 웨이브를 조사할 수 있도록 제 2 마그네트론(20)을 복수개 설치한다. 도시한 예는 300mm 간격으로 1.2kw의 출력을 가진 제 2 마그네트론(20)을 7개 설치한 경우이다. 실제 제 2 마그네트론(20)의 출력은 1kw이다.
상기 건조부(6)의 건조-챔버(7) 상부 및 반탄화부(13)의 반탄화-챔버(15) 상부에는 바이오매스가 건조 및 반탄화 될 시에 발생되는 수분 및 분진, 가스 등을 배출하기 위한 배출팬(21)을 갖는 배출관(22)을 각각 설치토록 한다.
상기 배출팬(21)은 배출관(22)에 배출방향과 동일한 방향으로 외부 공기를 분사할 수 있도록 배출관(22)의 배출방향과 예각으로 분기되는 관체에 설치하여 분진이나 고온의 가스에 의해 배출팬(21)이 고장이 발생하거나 수명이 단축되는 폐단을 일소토록 한다.
물론 상기 배출관(22)을 통하여 배출되는 가스 중의 분진 등은 포집하고 청정의 가스만이 대기 중으로 방출될 수 있도록 다양한 집진장치 등을 부가로 설치할 수 있으며, 이러한 집진장치는 사이클론(cyclone) 등 알려진 다양한 집진장치를 사용할 수 있는 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략키로 한다.
상기 건조-챔버(7)와 반탄화-챔버(15)의 내부는 상압에서 건조 및 반탄화가 이루어지게 되며, 마이크로 웨이브가 조사되므로 바이오콜이 최종 배출되는 반탄화-챔버(15)의 배출호퍼(23)는 개략 L형 등으로 적정 각도 꺾어서 제작하여 마이크로 웨이브가 외부로 조사되지 않도록 차폐구간을 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정에서 가장 중요한 것은 건조부(6) 및 반탄화부(13)의 바이오매스 처리과정에서 제 1,2 열매유 발열기(10,18)의 가열 온도이다.
즉, 건조부(6)의 제 1 열매유 발열기(10) 온도는 110~130℃로 설정하여 건조-챔버 내부 온도가 50~70℃가 되도록 설정하며, 반탄화부(13)의 제 2 열매유 발열기(18) 온도는 200~250℃로 설정하여 반탄화-챔버(15) 내부 온도가 80~90℃가 되도록 설정한다.
또한 열매유를 이용한 복사열 가온 비율과, 마이크로 웨이브의 조사 비율은 80:20으로 한다.
본 발명자가 실험한 바에 따르면, 열매유 단독으로 히팅을 행할 경우 1시간당 0.5리터의 수분이 바이오매스로부터 증발되었으며, 마이크로 웨이브 단독으로 히팅을 행할 경우 1시간당 1리터의 수분이 바이오매스로부터 증발되었다.
그러나 열매유 히팅과 마이크로 웨이브를 동시에 사용하여 바이오매스를 히팅시 전기한 바와 같이 1차 건조부(6)에서는 제 1 열매유 발열기(10)의 온도는 110~130℃(내부 온도 50~70℃), 제 2 열매유 발열기(17)의 온도는 200~250℃(내부 온도 80~90℃)로 하며, 열매유 히팅 비율과 마이크로 웨이브 히팅 비율을 80:20 으로 했을 경우에는 1시간당 1.8리터의 수분이 바이오매스로부터 증발되어 마이크로 웨이브가 건조 및 반탄화 과정에서 강한 촉매제 역할을 수행하는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정에 있어서, 이송스크류(4) 및 복열식으로 설치되는 건조부(6)의 제 1 스크류(8), 반탄화부(13)의 제 2 스크류(16)의 회전속도, 제 1,2 열매유 발열기(10,18)의 히팅 온도 제어 등은 투입되는 바이오매스의 종류나 함수률, 투입량 등을 감안하여 프로그래머블 로직 컨트롤러(약칭 'PLC')의 제어에 의해 자동 및 수동으로 적절히 셋팅이 가능함은 물론이다.
상기와 같이 실시될 수 있는 본 발명의 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정은 상압에서 바이오매스를 열매유가 가온되어 발생하는 복사열과 마이크로 웨이브를 동시에 사용하여 건조 및 반탄화 시킬 수 있는 것으로서, 이의 작용 등을 이하에 보다 상세히 설명키로 한다.
바이오매스를 투입부(1)의 투입호퍼(2)로 투입하면 이송모터(5)의 구동에 의해 이송스크류(4)가 소정 회전수로 회전하면서 바이오매스를 정량씩 건조부(6)의 건조-챔버(7)로 이송하게 되며, 건조-챔버(7)로 투입된 바이오매스는 제 1 모터(9)에 의해 회전구동하는 복열식으로 축설치된 복수의 제 1 스크류(8)에 의해 서서히 이동하게 된다.
이때 상기 제 1 스크류(8)에 형성된 제 1 임펠러(8a)에 의해 바이오매스가 교반, 혼합된다. 그리고 열매유가 내입된 제 1 열매유 발열기(10)에 설치된 제 1 발열히터(11)에 의해 열매유를 가온시키게 되고, 가온된 열매유가 발산하는 복사열이 바이오매스에 전달되면서 건조가 이루어지게 된다.
상기 가온된 열매유에 의해 발생되는 복사열와 함께 건조-챔버(7) 상부에 설치된 복수개의 제 1 마그네트론(12)에서 발생되는 마이크로 웨이브가 이송되는 바이오매스에 조사되어 내부까지 신속하게 건조가 이루어지게 되는 것이며, 건조가 이루어진 바이오매스는 연결관(14)을 통해 반탄화부(13)를 구성하는 반탄화-챔버(15)로 투입된다.
건조부(6)에서 건조된 바이오매스는 차기로 바이오콜 제조를 위해 반탄화부(13)에서 반탄화가 이루어진다. 상기 반탄화 과정은 섬유질의 바이오매스를 탄소화로 물성변화를 행하도록 하는 과정이며, 반탄화 과정에서 바이오매스는 압축되어 부피가 대폭 축소된다.
즉, 반탄화-챔버(15)로 투입된 바이오매스는 제 2 모터(17)에 의해 회전구동하는 복열식으로 축설치된 복수의 제 2 스크류(16)에 의해 서서히 이동하게 되며, 이때 상기 제 2 스크류(16)에 형성된 제 2 임펠러(16a)에 의해 바이오매스가 교반, 혼합된다.
이송되는 바이오매스는 열매유가 내입된 제 2 열매유 발열기(18)에 설치된 제 2 발열히터(19)에 의해 열매유를 가온시키게 되고, 가온된 열매유가 발산하는 복사열이 바이오매스에 전달되면서 반탄화가 이루어지게 된다.
상기 가온된 열매유에 의해 발생되는 복사열와 함께 반탄화-챔버(15) 상부에 설치된 복수개의 제 2 마그네트론(20)에서 발생되는 마이크로 웨이브가 이송되는 바이오매스에 조사되어 바이오매스 내부까지 신속하게 반탄화가 이루어지게 되며, 반탄화된 바이오매스, 즉 바이오콜은 배출호퍼(23)를 통해 배출되는 것이다.
상기 건조-챔버(7)와 반탄화-챔버(15)에서 건조 및 반탄화 시에 발생된 수분과 분진, 가스 등은 배출팬(21)의 가동으로 배출관(22)으로 벤츄리 효과(Venturi effect)에 의해 배출이 이루어지게 되며, 배출된 수분, 분진은 집진장치 등에 의해 수분과 분진이 분리된 후 청정의 가스만이 대기로 방출되는 것이다.
참고적으로 바이오매스가 본 발명의 반탄화(torrefied) 공정을 거치게 되면 바이오매스 내부 및 외부의 수분이 제거되고 셀루로즈와 같은 바이오 고분자물이 부분적으로 분해되어 바이오콜이 생산되는 것이며, 반탄화 과정에서 바이오매스는 20% 정도 질량이 감소되나 에너지 요소는 10%만 상실되고, 상기 상실되는 에너지는 반탄화 과정에 필요한 연료로 사용될 수도 있는 것이다.
반탄화 공정의 장점은;
(1) 에너지 농축도가 18~20 GJ/ton으로 운송비를 절감할 수 있다.
(2) 반탄화 공정을 거치면서 다양한 바이오매스를 유사한 바이오콜로 생산 할 수 있으며, 이는 모든 바이오메스가 동일한 고분자물로 형성되어 있기 때문인데, 일반적으로 바이오매스는 섬유소(셀루로즈), 다당류 탄수화물(hemicelluloses), 목질소(lignin)로 구성되어 있으며, 이 3가지를 합해 목질섬유소(lignocelluloses) 라고 칭함.
따라서 반탄화 과정을 거치면 모든 바이오매스는 유사한 성정의 반탄화 물질을 생성하게 된다.
(3) 반탄화 바이오매스는 염수성(hydrophobic property) 이므로 고형화 과정을(pellet 또는 brick화) 거치면 야외에서 대량으로 보관 가능하다.
(4) 반탄화 과정을 거치면 발화 및 생물학적 분해의 위험성이 감소된다.
(5) 바이오매스의 반탄화는 분쇄성을 높여주어 기존 발전로에 석탄과 효율적으로 혼소 가능하다.
이를 요약하면 바이오매스가 반탄화 과정을 거쳐 바이오콜로 생산되면, 석탄화력발전소에 기존의 화석연료인 석탄과 혼소할 경우 핸들링 코스트(handling cost)가 낮고, 연료 효율성이 높으며, 운송 경비가 자렴하고, 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있는 등 다수의 장점이 주어지는 것이다.
그리고 상기 반탄화 공정을 거쳐 생산된 바이오콜은 제철소, 주거용 난방연료, 운송연료 등 다양한 분야에 널리 활용이 가능한 것이다.
지금까지 설명한 본 발명의 기술적 사상의 주요한 부분에 대하여 요약하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 그 제조방법은 바이오매스에 대한 건조 공정 단계 및 그 이후에 이루어지는 반탄화 공정에 열매유를 통한 복사열과 마이크로웨이브를 동시에 적용하는 것으로,
첫째, 본원 발명은 반탄화 공정시 투입되는 에너지를 절감하기 위하여 건조 및 반탄화 공정을 모두 상압하에서 실시한다는 것이다.
따라서 진공 상태에서 반탄화 공정을 거치는 일부 종래의 기술과 대비하여 반탄화 공정에 소요되는 총 에너지가 적다는 점, 그리고 이를 수행하는 챔버의 구성이 간단해진다는 이점이 있다.
둘째, 본원 발명은 건조 및 반탄화 공정시 열매유를 이용한 복사열 히팅 비율과 마이크로웨이브의 히팅 비율을 대략 80:20으로 하여 각 공정에 놓여진 바이오매스의 수분 증발량을 극대화시켰다.
즉, 본원 발명은 전술한 바와 같이, 본원 장치에 대한 실험 결과 열매유 단독으로 히팅한 경우 1 시간당 약 0.5리터의 수분이 바이오매스로부터 증발되었고 마이크로 웨이브 단독으로 히팅한 경우 1시간당 1리터의 수분이 바이오매스로부터 증발하였다.
따라서, 단순하게 생각하여 열매유와 마이크로웨이브를 이용하여 건조 챔버 내부의 온도를 50~70℃ 반탄화 챔버 내부의 온도를 80~90℃로 맞추기 위하여 열매유와 마이크로웨이브의 히팅 비율을 50: 50으로 한 경우 바이오 매스의 수분증발량은 대략 1.5리터로 예상되고, 이 비율을 조절한 경우에도 마찬가지로 1.5리터가 예상된다.
그러나, 본 출원인의 실험 결과, 전술한 바와 같이, 건조 및 반탄화 공정시 열매유를 이용한 복사열 히팅 비율과과 마이크로웨이브의 히팅 비율을 조사 비율을 80:20으로 하여 챔버 내부의 온도를 설정한 경우 1시간당 1.8리터의 수분이 바이오매스로부터 증발되는 것을 확인하였다.
이러한 결과는 정상적으로 판단할 수 있는 추정치에서 벗어나는 특이적인 효과이고 이러한 수분증발량의 극대화는 전체 반탄화 공정의 총 처리 시간을 단축함에 있어 큰 효과가 있을 뿐만 아니라 특히 대량 생산 공정시 단위 시간당 처리할 수 있는 산출물의 양이 증대되는 효과가 있다.
셋째, 본원 발명은 반탄화 공정시 80~90℃에서 처리함으로써 바이오매스의 탄화화를 방지함과 아울러 바이오매스 내부 깊숙히 반탄화가 이루어질 수 있도록 하였다.
지금까지 설명한 본 발명의 기술적 사상의 주요한 부분에 대하여 요약하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 그 제조방법은 바이오매스에 대한 건조 공정 단계 및 그 이후에 이루어지는 반탄화 공정에 열매유를 통한 복사열과 마이크로웨이브를 동시에 적용하는 것으로,
첫째, 본원 발명은 반탄화 공정시 투입되는 에너지를 절감하기 위하여 건조 및 반탄화 공정을 모두 상압하에서 실시한다는 것이다.
따라서 진공 상태에서 반탄화 공정을 거치는 일부 종래의 기술과 대비하여 반탄화 공정에 소요되는 총 에너지가 적다는 점, 그리고 이를 수행하는 챔버의 구성이 간단해진다는 이점이 있다.
둘째, 본원 발명은 건조 및 반탄화 공정시 열매유를 이용한 복사열 히팅 비율과 마이크로웨이브의 히팅 비율을 대략 80:20으로 하여 각 공정에 놓여진 바이오매스의 수분 증발량을 극대화시켰다.
즉, 본원 발명은 전술한 바와 같이, 본원 장치에 대한 실험 결과 열매유 단독으로 히팅한 경우 1 시간당 약 0.5리터의 수분이 바이오매스로부터 증발되었고 마이크로 웨이브 단독으로 히팅한 경우 1시간당 1리터의 수분이 바이오매스로부터 증발하였다.
따라서, 단순하게 생각하여 열매유와 마이크로웨이브를 이용하여 건조 챔버 내부의 온도를 50~70℃ 반탄화 챔버 내부의 온도를 80~90℃로 맞추기 위하여 열매유와 마이크로웨이브의 히팅 비율을 50: 50으로 한 경우 바이오 매스의 수분증발량은 대략 1.5리터로 예상되고, 이 비율을 조절한 경우에도 마찬가지로 1.5리터가 예상된다.
그러나, 본 출원인의 실험 결과, 전술한 바와 같이, 건조 및 반탄화 공정시 열매유를 이용한 복사열 히팅 비율과과 마이크로웨이브의 히팅 비율을 조사 비율을 80:20으로 하여 챔버 내부의 온도를 설정한 경우 1시간당 1.8리터의 수분이 바이오매스로부터 증발되는 것을 확인하였다.
이러한 결과는 정상적으로 판단할 수 있는 추정치에서 벗어나는 특이적인 효과이고 이러한 수분증발량의 극대화는 전체 반탄화 공정의 총 처리 시간을 단축함에 있어 큰 효과가 있을 뿐만 아니라 특히 대량 생산 공정시 단위 시간당 처리할 수 있는 산출물의 양이 증대되는 효과가 있다.
셋째, 본원 발명은 반탄화 공정시 80~90℃에서 처리함으로써 바이오매스의 탄화화를 방지함과 아울러 바이오매스 내부 깊숙히 반탄화가 이루어질 수 있도록 하였다.
이상과 같이 본 발명의 기술사상을 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위의 기술사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
본 발명에서 제공하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 장치 및 제조공정은 바이오매스를 상압에서 단시간에 건조 및 반탄화를 수행할 수 있으며, 장치 설치비용 절약 및 에너지 비용도 절감할 수 있어 관련 업계에 파급효과가 지대한 발명이다.
1: 투입부 2: 투입호퍼
3: 투입관 4: 이송스크류
5: 이송모터 6: 건조부
7: 건조-챔버 8: (제 1) 스크류
8a: (제 1) 임펠러 9: (제 1) 모터
10: (제 1) 열매유 발열기 11: (제 1) 발열히터
12: (제 1) 마그네트론 13: 반탄화부
14: 연결관 15: 반탄화-챔버
16: (제 2) 스크류 16a: (제 2) 임펠러
17: (제 2) 모터 18: (제 2) 열매유 발열기
19: (제 2) 발열히터 20: (제 2) 마그네트론
21: 배출팬 22: 배출관
23: 배출호퍼
3: 투입관 4: 이송스크류
5: 이송모터 6: 건조부
7: 건조-챔버 8: (제 1) 스크류
8a: (제 1) 임펠러 9: (제 1) 모터
10: (제 1) 열매유 발열기 11: (제 1) 발열히터
12: (제 1) 마그네트론 13: 반탄화부
14: 연결관 15: 반탄화-챔버
16: (제 2) 스크류 16a: (제 2) 임펠러
17: (제 2) 모터 18: (제 2) 열매유 발열기
19: (제 2) 발열히터 20: (제 2) 마그네트론
21: 배출팬 22: 배출관
23: 배출호퍼
Claims (9)
- 바이오매스를 투입부를 통해 정량씩 투입하는 공정과,
상기 투입부를 통해 건조부로 공급된 바이오매스를 복열식 스크류로 이송과 동시에 교반, 혼합하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 건조하는 건조 공정과,
상기 건조부를 통해 건조된 바이오매스를 상압의 반탄화부로 투입하여 복열식 스크류로 이송과 동시에 교반, 혼합하면서 가온된 열매유에서 발산되는 복사열과 마이크로 웨이브를 조사하여 반탄화시킨 후 배출하는 반탄화 공정을 구비하며,
상기 건조부의 내부 온도는 50~70℃가 되도록 설정되며,
상기 반탄화부 내부 온도는 80~90℃가 되도록 설정되며,
상기 건조부의 내부 온도 및 상기 반탄화부의 내부온도를 설정하기 위하여 가해지는 열매유를 이용한 가열 및 마이크로 웨이브 조사를 통한 가열의 비율은 80:20으로 설정되는 것을 특징으로 하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소가 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 제조공정.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서;
상기 건조부와 반탄화부에 설치되어 구동하는 복열식 스크류에는 복수개의 임펠러가 형성되어 바이오매스를 교반과 동시에 이송토록 하여 균일한 건조 및 반탄화가 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 석탄화력발전용 보일러에 석탄과 혼소 가능한 바이오콜 생산을 위한 반탄화 제조공정.
- 삭제
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