KR101281753B1 - 왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 왕겨탄화시스템의 탄화로(10)에서 배출되는 합성가스를 사이클론집진기(20)·응축기(30)·습식세정탑(40)·정전식 집진장치(50)·흡착탑(60)을 거쳐 정제한 후 발전기(70)에 구비된 엔진(75)의 연료로 공급하여 전력을 생산함으로써, 왕겨탄화시스템의 가동에 필요한 전력을 보충하여 운전경비를 절감하거나 잉여전력를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 부산물인 합성가스로 전력을 생산함에 따라 결과적으로 기존의 화력발전 또는 원자력발전 등에 의존하던 전력생산의 부담을 줄일 수 있으며, 궁극적으로는 보다 환경친화적인 탄화왕겨 생산시스템을 구현할 수 있는, 왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 탄화왕겨의 생산시스템에서 부산물로 발생하는 합성가스를 발전기 엔진의 연료로 사용할 수 있도록 처리하여 합성가스로부터 전기를 생산함으로써, 왕겨탄화시스템의 가동에 필요한 전력을 보충하여 운전경비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 부산물인 합성가스로 전력을 생산함에 따라 결과적으로 기존의 화력발전 또는 원자력발전 등에 의존하던 전력생산의 부담을 줄일 수 있으며, 궁극적으로는 보다 환경친화적인 탄화왕겨 생산시스템을 구현할 수 있는, 왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법에 관한 것이다.
일반적으로 숯은 정화기능과 함께 산성토양을 개선하고, 원적외선을 방출함과 아울러 다량의 미네랄을 함유하는 것으로 알려져 있으며, 농업을 포함한 각종 산업분야에서 그 사용영역이 점차 확대되고 있는바, 그 중에서 왕겨숯(탄화왕겨)에 대하여 하기에서 간략히 살펴본다.
왕겨숯은 미세한 다공질 구조로 이루어져 1g당 660㎡ 이상의 표면적을 갖는데, 왕겨 자체가 갖는 형상의 특성상 그 어떤 종류의 숯보다 통기성 및 보비력과 수분 조절기능이 뛰어나 토양에 있는 미생물 등의 최적의 서식 환경을 제공함으로써 토양에 활력을 주어 뿌리의 발육 및 식물의 성장을 촉진한다. 뿐만 아니라, 일반 목탄에 비해 연질(섬유질)이어서 그 구조가 치밀함에 따라 유해 물질에 대한 흡착력이 강력하기 때문에 다른 종류의 탄화물에 대비하여 월등한 품질 및 고부가가치를 갖는다.
한편, 상기 왕겨숯은 일반적으로 탄화로를 주요 설비로 하는 왕겨탄화시스템에서 생산되는데, 상기 탄화로는 공기를 제한적으로 공급하면서 왕겨를 고온으로 열분해하는 장치로서, 본 발명의 출원인은 상기 탄화로에 대한 발명으로서 "수직형 연속식 왕겨 탄화 제조장치"를 발명하여 특허 제0602732호로 등록받은 바 있다.
또한, 본 발명의 출원인은 왕겨탄화시스템의 탄화로에서 발생하는 합성가스를 연소시켜 그 폐열을 회수하는 발명으로서 "탄화 왕겨 및 목초액을 제조하면서 온수를 얻는 장치"를 특허 제0602733호로 등록받은 바 있으며, 다른 한편으론 상기 왕겨탄화시스템의 탄화로에서 발생하는 합성가스를 이용하여 전력을 생산하는 발명을 특허출원(공개특허 제10-2010-0120580호, 2010. 11. 16. 공개)한 바 있다.
그러나, 상기의 발명 외에도 보다 환경친화적인 왕겨탄화시스템을 구현하기 위해서는 더욱 지속적인 연구개발을 필요로 할 뿐만 아니라, 특히 합성가스를 엔진의 연료로 사용하여 전력을 생산하기 위해서는 합성가스에 포함된 분진 및 타르 등 불순물의 특성을 파악하여 상기 불순물에 의한 엔진의 성능저하가 없도록 하여야 한다. 또한, 왕겨탄화시스템의 운전상황에 맞게 다양한 방법으로 합성가스를 사용함으로써 보다 효율적인 운영이 가능토록 하여야 한다.
본 발명은 상기의 종래 발명을 더욱 발전시켜 보다 환경친화적인 왕겨탄화시스템을 구현하기 위한 것으로, 왕겨숯의 생산시 부산물로 발생하는 합성가스를 발전기 엔진의 연료로 사용할 수 있도록 처리하여 합성가스로부터 전기를 생산하되, 특히 합성가스에 포함된 불순물에 의한 엔진의 성능저하 및 고장이 발생하지 않도록 합성가스를 고도로 정제하는 데 발명의 주된 목적이 있다. 또한, 왕겨탄화시스템의 운전 상황에 맞게 다양한 방법으로 합성가스를 활용하여 보다 효율적인 재생에너지의 생산과 소비가 가능토록 하는 데 부가적인 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 제한된 공기가 유입되는 탄화로에 왕겨를 투입하여 고온으로 열분해하는 왕겨탄화공정과, 상기 탄화로에서 배출되는 합성가스를 사이클론집진기로 유입하여 왕겨 및 탄화물에서 발생한 분진을 제거한 후 응축기 또는 무연화로에 선택적으로 공급하는 1차 집진공정과, 상기 사이클론집진기로부터 응축기로 공급된 합성가스를 응축하여 목초액을 추출하는 초액응축공정과, 상기 응축기를 거쳐 배출되는 합성가스를 습식세정탑으로 유입하여 합성가스에 포함된 타르성분을 응결시켜 제거하는 습식세정공정과, 상기 타르성분이 제거된 합성가스를 정전식 집진장치로 공급하여 미세분진을 제거하는 2차 집진공정과, 상기 미세분진이 제거된 합성가스를 발전기에 구비된 엔진의 연료로 공급하여 전기를 생산하는 발전공정을 포함하는 '왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법'을 특징으로 한다.
그리고 본 발명은, 상기 미세분진이 제거된 합성가스를 발전기의 엔진으로 공급하기에 앞서 흡착탑으로 유입하는 정제공정을 더 포함하는 구성과, 상기 사이클론집진기 또는 응축기에서 배출되는 합성가스나 발전기 엔진의 배기가스를 무연화로에 선택적으로 공급하여 유해가스를 완전연소시키는 무연화공정을 더 포함하는 구성의 '왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법'에 부가적인 특징이 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 왕겨의 탄화시 부산물로 발생하는 합성가스를 발전기 엔진의 연료로 사용하여 전력을 생산함으로써, 왕겨탄화시스템의 가동에 필요한 전력을 보충하여 운전경비를 절감할 수 있음은 물론이고, 잉여전력을 판매하여 수익을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 부산물인 합성가스로 전력을 생산하므로 궁극적으로는 환경친화적 왕겨탄화시스템을 구현하는 효과가 있다.
특히, 1차 집진공정·습식세정공정·2차 집진공정·정제공정과 같은 일련의 공정을 거쳐 합성가스에 포함된 분진 및 타르 등을 고도처리함으로써, 불순물에 의한 엔진 및 발전기의 성능저하 및 고장의 유발이 없이 전력생산이 가능한 효과가 있고, 다른 한편으론 상황에 따라 합성가스를 선택적으로 운용하여 효율적으로 재생에너지를 생산/소비할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법을 나타내는 순서도
도 2는 본 발명에 따른 왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법을 나타내는 공정도
도 3은 본 발명에 있어 탄화로 및 사이클론집진기와 응축기를 나타내는 도면
도 4는 본 발명에 있어 습식세정탑 및 정전식 집진장치를 나타내는 도면
도 5는 본 발명에 있어 흡착탑을 나타내는 도면
도 6은 본 발명에 있어 발전기 및 무연화로와 열교환기를 나타내는 도면
도 2는 본 발명에 따른 왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법을 나타내는 공정도
도 3은 본 발명에 있어 탄화로 및 사이클론집진기와 응축기를 나타내는 도면
도 4는 본 발명에 있어 습식세정탑 및 정전식 집진장치를 나타내는 도면
도 5는 본 발명에 있어 흡착탑을 나타내는 도면
도 6은 본 발명에 있어 발전기 및 무연화로와 열교환기를 나타내는 도면
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법을 도면을 참조하여 살펴보되, 각 공정을 구분하여 상세히 살펴본다.
<왕겨탄화공정>
왕겨탄화공정(S100)은 제한된 공기가 유입되는 탄화로(10)에 왕겨를 투입하여 고온으로 열분해하는 공정으로서, 상기 탄화로(10)는 도 3의 도시와 같이 밀폐된 탄화로(10)의 내부를 공지의 가열수단(버너 등)으로 300~700℃로 가열하되, 탄화로(10)의 상측에는 선별 또는 비선별 된 왕겨를 투입하는 투입구(11) 및 합성가스 배기구(14)를 형성하고, 하측에는 왕겨숯 배출구(12) 및 흡기구(13)를 형성하며, 내부에는 교반기(15)를 형성하여 연속투입되는 왕겨를 골고루 교반하여 탄화시키는바, 본 발명은 상기 탄화로(10)의 세부 구성에 한정하지 않는다. 한편, 상기 탄화로(10)에서 배출되는 왕겨숯은 탄화물저장조(16)를 거쳐 포장된 후 반출된다.
<1차 집진공정>
1차 집진공정(S200)은 상기 탄화로(10)에서 배출되는 합성가스를 사이클론집진기(20)로 유입하여 왕겨 및 탄화물(왕겨숯)에서 발생한 분진을 제거한 다음 응축기(30) 또는 무연화로(80)에 선택적으로 공급하는 공정이다. 구체적으로, 상기 탄화로(10)의 내부에는 왕겨의 연속투입 및 왕겨숯의 배출과 함께 지속적인 교반작용으로 인하여 상당량의 분진을 발생하는데, 상기 분진 중 비교적 입자가 큰 분진이나 비산된 왕겨 또는 왕겨숯은 이후 원활한 각 공정을 위하여 사이클론집진기(20)를 이용하여 제거함이 바람직하다.
<초액응축공정>
초액응축공정(S300)은 상기 사이클론집진기(20)로부터 응축기(30)로 공급된 합성가스를 응축하여 목초액을 추출하는 공정으로서, 응축탱크(31)의 내부에 응축관(32)을 형성하여 냉매(냉각수 등)를 순환시킴으로써, 상기 응축탱크(31)로 유입된 고온의 합성가스로부터 결로현상을 유도하여 목초액을 추출하되, 상기 추출된 목초액은 초액탱크(33)에 저장 및 숙성시킨 후 농약이나 살충제 및 각종 세정제품 등의 원료로 사용한다. 한편, 상기 목초액을 추출한 후 응축기(30)에서 배출되는 합성가스는 후술할 습식세정탑(40)로 유입하거나 또는 무연화로(80)에 선택적으로 공급함이 바람직하다.
<습식세정공정>
습식세정공정(S400)은 상기 응축기(30)를 거쳐 배출되는 합성가스를 습식세정탑(40)으로 유입하여 합성가스에 포함된 타르성분을 응결시켜 제거하는 공정으로서, 상기 습식세정탑(40)은 도 4에 도시된 바와 같이 벤츄리 스크러버(41, Venturi Scrubber)와 다수의 스프레이 스크러버(42, Spray Scrubber)를 연속으로 설치함이 바람직하나, 본 발명은 상기 습식세정탑(40)의 종류 및 개수에 한정하지 않는다. 또한, 상기 습식세정탑(40)의 후단에는 기액분리기(45)를 형성하여 습식세정탑(40)을 경유하는 동안 혼입될 수 있는 수분을 혼합가스로에서 제거함이 바람직하다.
한편, 상기 습식세정탑(40)은 1차 집진공정(S200)의 사이클론집진기(20)에서 포집되지 않은 분진을 합성가스에서 제거함은 물론이고, 특히 합성가스에 포함된 타르성분을 제거하는 역할을 한다. 즉, 합성가스에 포함된 타르성분은 그 점성으로 인하여 발전기에 구비된 엔진의 연료로 사용하기에 부적합하므로 제거되어야 하는데, 상기 초액응축공정(S300)에서 목초액과 함께 응축되지 않고 잔류하는 타르성분은 상기 습식세정탑(40)을 경유하는 동안 응결되어 세정수와 함께 침강함으로써 잔류 타르성분을 대부분 제거할 수 있으며, 이는 후술하는 2차 집진공정(S500)을 원활히 하는 역할 또한 한다.
<2차 집진공정>
2차 집진공정(S500)은 상기 타르성분이 제거된 합성가스를 정전식 집진장치(50)로 공급하여 미세분진을 제거하는 공정이다. 상기에 있어 정전식 집진장치(50)는 대기 중에 부유하는 미립자에 직류전원을 이용하여 불평등 전계를 형성케 하고, 이 전계에 코로나방전을 이용 가스 중의 입자에 전하를 주어 (-)로 대전된 입자를 전기력에 의해 집진극(+)로 이동케 하여 포집하는 장치로서, 그 형식에 따라 하전식 및 집진극식과 건식 및 습식으로 분류되는바, 본 발명의 정전식 집진장치(50)는 상기 공지의 정전식 집진장치(50)를 이용함에 있어 그 종류 및 형식에 한정하지 않는다.
한편, 상기 정전식 집진장치(50)에 의하여 혼합가스에 잔류하는 미세분진을 대부분 제거할 수 있는데, 이는 앞선 습식세정탑(40)에 의한 습식세정공정(S400)을 거치는 동안 점성이 높은 타르성분을 미리 제거함으로써 상기 정전식 집진장치(50)에 의한 미세분진의 원활한 제거가 가능하며, 상기와 같이 미세분진을 혼합가스에서 제거함으로써 분진의 침착에 의한 발전기에 구비된 엔진의 고장 등을 배제할 수 있다.
<정제공정>
정제공정(S600)은 상기 미세분진이 제거된 합성가스를 발전기(70)의 엔진(75)으로 공급하기에 앞서 왕겨, 탄화물, 모래 중 적어도 어느 하나를 충진한 흡착탑(60)으로 유입하여 합성가스에 포함된 흡착물을 제거하는 부가적 공정으로서, 상기 정제공정(S600)을 거치는 동안 합성가스에 잔류하는 분진 및 타르 등의 불순물을 고도로 제거할 수 있다.
이때, 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이 다수의 흡착탑(60) 중 탄화물흡착탑(62)에 충진되는 탄화물은 상기 탄화로(10)에서 생산된 왕겨숯을 사용함으로써 외부 자원을 사용치 않고 왕겨탄화시스템 내부자원을 경제적으로 순환하여 사용할 수 있다. 특히, 왕겨흡착탑(61)에 사용된 왕겨 및 탄화물흡착탑(62)에 사용된 왕겨숯은 왕겨탄화공정에서 탄화로(10)에 투입되는 왕겨 원료와 함께 혼입하여 왕겨탄화시스템 내에서 순환 및 재사용함이 바람직한바, 상기 왕겨흡착탑(61)과 탄화물흡착탑(62)에서 사용된 왕겨·왕겨숯(도면에서 'A'로 표기)는 타르 등의 가연성 물질을 흡착하여 탄화로(10)에서 그 연소효율을 증진한다.
도면 중 미설명 부호인 '63'은 모래흡착탑(63)이고, '65'는 충진물투입장치(65)이다.
<발전공정>
발전공정(S700)은 상기 미세분진 및 타르 등의 불순물이 고도로 제거된 합성가스를 발전기(70)에 구비된 엔진(75)의 연료로 공급하여 전기를 생산하는 공정이다. 한편, 상기 발전기(70)의 전단에는 도 6에 도시된 바와 같이 가스탱크(78)를 설치하여 전기를 생산하는 동안 지속적으로 합성가스를 공급하여 안정적인 전력생산이 가능토록 함이 바람직하다.
<무연화공정>
무연화공정(S800)은 상기 사이클론집진기(20) 또는 응축기(30)에서 배출되는 합성가스나 발전기(70)에 구비된 엔진(75)의 배기가스를 무연화로(80)에 선택적으로 공급하여 완전연소시키는 공정으로서, 왕겨탄화시스템의 운전상황에 따라 선택적으로 운용한다.
즉, 왕겨탄화시스템의 탄화로(10)에서 발생하는 합성가스로 전력을 생산하지 않을 경우, 상기 습식세정공정(S400)·2차 집진공정(S500)·정제공정(S600)을 더 필요치 않으므로, 상기 사이클론집진기(20) 또는 응축기(30)를 경유한 혼합가스를 무연화로(80)로 직접 공급하여 완전연소시킨다. 그리고 전력을 생산하는 경우에 있어서는 발전기(70)의 엔진(75)에서 배출되는 배기가스를 무연화로(80)로 유입하여 배기가스에 포함된 유해가스까지 완전연소시킴으로써 보다 환경친화적인 왕겨탄화시스템을 구현할 수 있다.
한편, 도면의 도시에 있어 단일 가스탱크(78)를 표시하였으나, 정제하지 않고 무연화로(80)로 직접 공급되는 혼합가스와 정제 후 발전기(70)의 엔진(75)으로 공급되는 혼합가스를 구분하여 다수의 가스탱크를 구비함이 바람직하다.
<열교환공정>
열교환공정(S900)은 상기 사이클론집진기(20) 또는 응축기(30)로부터 무연화로(80)가 직접 합성가스를 공급받는 경우에 있어 무연화로(80)에서 배출되는 열풍을 열교환하여 온수를 생산하는 부가적 공정이다. 구체적으로, 습식세정공정(S400)·2차 집진공정(S500)·정제공정(S600)을 거치지 않은 합성가스는 타르 등과 같은 가연성 물질을 다량으로 포함할 뿐만 아니라 발전기(70)의 엔진(75)을 거치지 않은 상태이어서 상당한 열에너지를 얻을 수 있기 때문에 상기의 경우에 있어 선택적으로 열교환기(90)를 운전함으로써 왕겨탄화시스템 및 다른 시설물에 온수를 공급할 수 있다.
이하, 상기와 같은 구성의 본 발명에 따른 '왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법'의 작용을 살펴보면, 왕겨탄화시스템의 탄화로(10)에서 배출되는 합성가스를 사이클론집진기(20)·응축기(30)·습식세정탑(40)·정전식 집진장치(50)·흡착탑(60)을 거쳐 정제한 후 발전기(70)를 통하여 전력을 생산함으로써, 왕겨탄화시스템의 가동에 필요한 전력을 보충하여 운전경비를 절감할 수 있음은 물론이고, 잉여전력을 판매하여 수익을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 부산물인 합성가스로 전력을 생산하므로 궁극적으로는 환경친화적 왕겨탄화시스템을 구현할 수 있다.
또한, 1차 집진공정(S200)·습식세정공정(S400)·2차 집진공정(S500)·정제공정(S600)과 같은 일련의 공정을 거쳐 합성가스에 포함된 분진 및 타르 등을 고도처리함으로써, 불순물에 의한 발전기 엔진(75)의 성능저하 및 고장의 유발이 없이 전력을 생산할 수 있으며, 다른 한편으론 상황에 따라 합성가스를 선택적으로 운용하여 전력 또는 온수를 생산하므로 효율적으로 재생에너지를 생산 및 소비할 수 있다.
10: 탄화로 20: 사이클론집진기
30: 응축기 40: 습식세정탑
50: 정전식 집진장치 60: 흡착탑
70: 발전기 80: 무연화로
S100: 왕겨탄화공정 S200: 1차 집진공정
S300: 초액응축공정 S400: 습식세정공정
S500: 2차 집진공정 S600: 정제공정
S700: 발전공정 S800: 무연화공정
S900: 열교환공정
30: 응축기 40: 습식세정탑
50: 정전식 집진장치 60: 흡착탑
70: 발전기 80: 무연화로
S100: 왕겨탄화공정 S200: 1차 집진공정
S300: 초액응축공정 S400: 습식세정공정
S500: 2차 집진공정 S600: 정제공정
S700: 발전공정 S800: 무연화공정
S900: 열교환공정
Claims (4)
- 제한된 공기가 유입되는 탄화로(10)에 왕겨를 투입하여 고온으로 열분해하는 왕겨탄화공정(S100)과;
상기 탄화로(10)에서 배출되는 합성가스를 사이클론집진기(20)로 유입하여 왕겨 및 탄화물에서 발생한 분진을 제거한 후, 응축기(30) 또는 무연화로(80)에 선택적으로 공급하는 1차 집진공정(S200)과;
상기 사이클론집진기(20)로부터 응축기(30)로 공급된 합성가스를 응축하여 목초액을 추출하는 초액응축공정(S300)과;
상기 응축기(30)를 거쳐 배출되는 합성가스를 습식세정탑(40)으로 유입하여 합성가스에 포함된 타르성분을 응결시켜 제거하는 습식세정공정(S400)과;
상기 타르성분이 제거된 합성가스를 정전식 집진장치(50)로 공급하여 미세분진을 제거하는 2차 집진공정(S500)과;
상기 미세분진이 제거된 합성가스를 왕겨가 충진된 왕겨흡착탑(61) 및 탄화물이 충진된 탄화물흡착탑(62)으로 유입하여 합성가스에 포함된 흡착물을 제거하는 정제공정(S600)과;
상기 흡착물이 제거된 합성가스를 발전기(70)에 구비된 엔진(75)의 연료로 공급하여 전기를 생산하는 발전공정(S700)을 포함하되;
상기 탄화로(10)에서 생산된 왕겨숯은 정제공정의 탄화물흡착탑(62)으로 공급하고, 정제공정의 왕겨흡착탑(61)에 충진된 왕겨 및 탄화물흡착탑(62)에 충진된 왕겨숯은 상기 탄화로(10)에 투입하여 왕겨탄화시스템의 원료로 재사용함으로써 순환하도록 한 것을 특징으로 하는 왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법.
- 제1항에 있어서;
상기 사이클론집진기(20) 또는 응축기(30)에서 배출되는 합성가스나 발전기(70)의 엔진(75)에서 배출되는 배기가스를 무연화로(80)에 선택적으로 공급하여 유해가스까지 완전연소시키는 무연화공정(S800)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법.
- 제2항에 있어서;
상기 무연화로(80)가 사이클론집진기(20) 또는 응축기(30)로부터 직접 합성가스를 공급받는 경우 무연화로(80)에서 배출되는 열풍을 열교환하여 온수를 생산하는 열교환공정(S900)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 왕겨탄화시스템의 합성가스 부산물을 이용한 재생에너지 생산방법.
- 삭제
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