KR101479906B1 - 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치 및 이를 이용하여 반탄화 연료를 생산하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치 및 이를 이용한 반탄화 연료를 생산하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체 상태인 바이오매스를 이용하여 기체 상태인 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 합성가스로 생산하는 가스화반응장치를 이용하여 반탄화 연료를 생산하는 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치로 이용하는 기술에 관한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 상측으로부터 목질계 바이오매스(biomass)를 투입하여 무산소 상태에서 가열하여 반탄화 연료를 생산하는 것으로, 상기 바이오매스가 채워진 내부 공간의 상측으로부터 건조영역(drying zone), 열분해영역(pyrolysis zone), 산화영역(combustion zone), 환원영역(reduction zone)이 순차적으로 형성된 반응기; 상기 반응기의 하부측에 형성되는 가스배출구에 구비되고, 상기 환원영역으로부터 배출되는 상기 합성가스와 외부로부터 공급되는 물을 상호 교차 유동시켜 열교환시키는 열교환유닛;을 포함하여 구성되어, 상기 반응기로 투입되는 목질계 바이오매스를 무산소 상태에서 가열하열 반탄화 연료를 생산할 수 있다.

Description

바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치 및 이를 이용하여 반탄화 연료를 생산하는 방법{TORREFACCION REACTING APPARATUS USING BIOMASS}

본 발명은 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치 및 이를 이용하여 반탄화 연료를 생산하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체 상태인 바이오매스를 이용하여 기체 상태인 수소, 일산화탄소, 메탄 등의 합성가스로 생산하는 가스화반응장치를 반탄화 연료를 생산하는 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치로 이용하는 기술에 관한 것이다.

최근 신재생에너지 공급의무화제도(Renewable Portfolio Standard, RPS)의 도입으로 인하여 500MW이상의 설비용량을 갖춘 발전소의 경우에 총 발전량 중 일정 부분을 신재생에너지를 이용하여 전력을 생산하여야 한다. 따라서 신재생에너지원 중에 하나인 바이오매스에 대한 관심이 증가하고 있다.

바이오매스를 이용한 가스화 반응장치는 석탄, 폐기물, 목질계 바이오매스(왕겨, 옥수수대, 톱밥, 우드칩)를 이용하여 수소, 일산화탄소, 메탄 등과 같은 합성가스를 생산하는 장치를 말한다. 이렇게 생산된 합성가스는 보일러의 열원이나 내연기관의 연료로 사용할 수 있도록 하는 장치를 말한다.

국내에는 바이오매스 자원으로 친환경적인 목재원료가 많이 사용되고 있는데, 그 중 가장 일반적인 형태는 목재를 칩 형태로 만들거나 목제펠릿으로 이용하는 것이다. 하지만, 목제의 경우에 함수율이 높아서 운송이나 보관에 많이 비용이 든다는 문제점이 있다. 특히 국내의 경우에 산림사업을 하면서 잡목을 솎아내는 과정에서 발생하는 목재와 제재소 등에서 부산물로 발생하는 목재가 있지만, 근본적으로 바이오매스의 원료로 사용할 목재자원이 턱없이 부족하기 때문에 상당량을 국외에서 수입하여야 할 것으로 전망된다.

그런데, 국외에서 목재원료를 들여 와서 발전소를 운반하는 경우에 운송 및 보관비용이 크게 증가하고, 자칫 잘못하면 국외의 유해곤충이 무방비로 상태로 유입되어 국내 산림을 황폐화시킬 수는 있는 문제점이 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 가장 실효적인 방법은 목재원료를 반탄화 형태의 우드칩(Wood chip)이나 펠릿(Pellet) 등으로 가공하여 사용하거나 다른 발전소에 공급하는 것이다.

바이오매스를 반탄화하는 방법은 바이오매스 원료를 200~300℃의 온도로 무산소 상태에서 가열하여 탄화시키는 것으로, 반탄화된 바이오매스는 함수율이 매우 낮아서 운반이 용이하고 미생물에 의한 부패나 변형이 작다는 장점이 있다. 그리고 탄화시키는 과정에서 목재에 포함되어 있는 미생물이나 곤충 등이 사멸되기 때문에 외국에서 들여오는 목재 바이오매스를 처리하여 보관하거나 운송하는데 매우 유용하다. 또한, 반탄화된 바이오매스를 펠릿형태로 가공하면 아황산가스를 비롯한 각종 유독가스의 발생량이 적으며, 크기가 작기 때문에 투입량을 조절하여 온도조절이 자유롭다는 이점이 있다. 그리고 반탄화된 바이오매스는 목재에 비하여 중량이나 부피는 적어지고 발열량을 증가하기 때문에 최근에는 바이오매스 원료를 반탄화하여 사용하는 방법에 대한 연구가 활발하다.

특허출원 제10-2008-7025930호 미국특허공개 US2003/099593 미국특허공개 US2003/220531

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은 바이오매스를 연소시켜 합성가스를 생산하는 가스화반응장치를 이용하여 전력을 생산하는 동시에, 공급되는 산소를 차단하여 반탄화 바이오매스 연료를 생산하는 장치 및 이러한 장치를 이용한 반탄화 연료 생산방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 상측으로부터 목질계 바이오매스(biomass)를 투입하여 무산소 상태에서 가열하여 반탄화 연료를 생산하는 것으로, 상기 바이오매스가 채워진 내부 공간의 상측으로부터 건조영역(drying zone), 열분해영역(pyrolysis zone), 산화영역(combustion zone), 환원영역(reduction zone)이 순차적으로 형성된 반응기; 상기 반응기의 하부측에 형성되는 가스배출구에 구비되고, 상기 환원영역으로부터 배출되는 상기 합성가스와 외부로부터 공급되는 물을 상호 교차 유동시켜 열교환시키는 열교환유닛;을 포함하여 구성되어, 상기 반응기로 투입되는 목질계 바이오매스를 무산소 상태에서 가열하열 반탄화 연료를 생산할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예로, 상기 반응기는 상측으로부터 점차 넓어지는 형상으로 형성되고, 상기 건조영역과 상기 열분해영역이 내부에 형성되어 있는 반응기 상체와, 상기 반응기 상체의 하단부 가장자리로부터 연결되고 일측에 가스배출구가 형성되어 있는 외부케이스와, 상기 외부케이스에 수용되고 상기 반응기 상체의 내부와 연통되어 상기 산화영역과 상기 환원영역이 내부에 형성되는 내부케이스를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예로, 상기 반응기의 하부측에는 상기 반탄화 연료를 반응기의 외부로 배출시키는 배출유닛을 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예로, 상기 반응기 상체는 상기 건조영역의 하부로부터 상기 반응기 상체의 내주면을 따라 일정한 두께로 형성된 제1 내화벽층과, 상기 제1 내화벽층의 상단부에 상기 내부케이스측을 향하여 하향 경사지게 형성된 내화벽 사면을 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예로, 상기 내부케이스는 상측으로부터 점차 좁아지게 형성되는 연소사면을 구비한 축경부와, 상기 연소사면의 하단부 가장자리로부터 연장되어 잠차 넓어지게 형성되는 확경부를 포함하며, 상기 산화영역은 상기 축경부와 상기 확경부의 상부에 형성되고, 상기 환원영역은 상기 확경부의 하부에 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치 및 이를 이용한 반탄화 연료 생산방법에 의하면, 목재 등과 같은 바이오매스를 반탄화된 바이오매스 원료로 생산할 수 있는 이점이 있다. 또한, 반탄화된 바이오매스 원료를 펠릿형태로 만들면 바이오매스 원료의 보관과 운송이 용이하고, 발전효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 수입되는 목재원료를 각 발전소로 공급하기 전에 한 곳에 집중하여 미리 반탄화 형태의 바이오매스 원료로 만들면 외국에서 유입되는 유해충을 차단할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치의 전체적인 구성을 나타낸 단면 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치의 평면 개념도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치의 주요부인 제2 에어공급 어셈블리의 전체적인 구성을 나타낸 단면 개념도

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치의 전체적인 구성을 나타낸 단면 개념도 이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치의 평면 개념도 이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치의 주요부인 제2 에어공급 어셈블리의 전체적인 구성을 나타낸 단면 개념도 이다.

본 발명에 따른 출원인은 최근 대한민국특허출원 제10-2013-0100364호를 통하여 바이오매스를 열, 화학적인 에너지로 변환하는 바이오매스를 이용한 가스화 반응장치에 관한 기술을 특허출원 하였으며, 본 발명은 상기의 특허출원서에 기재된 장치를 이용하여 반탄화 연료를 생산하는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치는 기본적으로 본 발명의 출원인에 의하여 출원된 대한민국특허출원 제10-2013-0100364호를 이용하여 반탄화 연료를 생산하는 장치로 겸하여 사용할 수 있도록 하는데 있다. 이하에서는 바이오매스를 이용하여 가스화반응을 하는 장치 및 그 방법에 관해서 설명하고, 이러한 장치를 반탄화 연료를 생산하는 장치로 활용하는 방법에 관해서 설명한다. 본 발명에서 반탄화 연료를 생산하는 것에 관하여 별도로 언급한 경우를 제외하고는 본 발명에 따른 반탄화 연료생산장치가 가스화반응에 활용되는 메커니즘을 기준으로 설명하고, 상기의 장치를 반탄화 연료를 생산할 때와의 차이점을 기준으로 비교 설명한다.

참고로, 도 1에서 투명한 화살표는 환원영역(104)으로부터 배출되는 합성가스(105)의 이동 방향을 나타내고, 일점 쇄선으로 표시된 화살표는 바이오매스(108)의 재[灰, ash] 또는 반탄화 연료가 배출되는 방향을 나타내며, 이점 쇄선으로 표시된 화살표는 냉각재킷(680)에 유입되고 배출되는 냉각수의 이동 방향을 나타낸다.

그리고, 도 3에서 실선으로 표시된 화살표는 열교환유닛(400)으로부터 열교환되어 유입된 에어의 이동 방향을, 점선으로 표시된 화살표는 열교환되지 않고 외부로부터 유입되는 에어의 이동 방향을 각각 나타낸다.

그리고, 미설명 부호로 도면 부호 107은 열교환 되지않고 외부로부터 유입되는 에어를 나타내며, 도면 부호 700은 반응기(100)를 받침 지지하는 지지 프레임을 나타낸다.

본 발명은 도시된 바와 같이 반응기(100)에 제1, 2 에어공급 어셈블리(200, 300)와 열교환유닛(400)이 구비된 구조임을 파악할 수 있다.

반응기(100)는 상측으로부터 바이오매스(108, biomass) 및 산화제인 에어를 투입하여 바이오매스(108)로부터 합성가스(105, syngas)를 생산하는 것으로, 바이오매스(108)가 채워진 내부 공간의 상측으로부터 건조영역(101, drying zone), 열분해영역(102, pyrolysis zone), 산화영역(103, combustion zone), 환원영역(104, reduction zone)이 순차적으로 형성된 것이다.

제1 에어공급 어셈블리(200)는 반응기(100)의 상측으로부터 하향 경사지게 관통되어 산화영역(103)까지 연장되도록 반응기(100)의 외면을 따라 이격하여 배치되고, 바이오매스(108)의 연소를 위한 에어를 산화영역(103)에 공급하는 복수의 것이다.

제2 에어공급 어셈블리(300)는 반응기(100)의 상측으로부터 하향 경사지게 관통되어 산화영역(103)까지 연장되도록 반응기(100)의 외면을 따라 이격하여 배치되고, 제1 에어공급 어셈블리(200)와 이웃한 제1 에어공급 어셈블리(200) 사이에 배치되며, 바이오매스(108)의 연소를 위한 에어를 제1 에어공급 어셈블리(200)보다 많이 산화영역(103)에 공급하는 복수의 것이다.

이러한 제1, 2 에어공급 어셈블리(200, 300)의 배치구조는 도 2에서 명확하게 파악할 수 있다. 물론, 제1, 2 에어공급 어셈블리(200, 300)는 도시된 바와 같이 각각 등 간격으로 번갈아 배치되도록 할 수 있음은 물론, 비대칭적으로 일측에 치우치게 배치할 수도 있는 등 다양한 변형 및 응용 설계가 가능함은 물론이다.

이때, 목재를 이용하여 반탄화 연료를 생산할 때는 후술하여 설명하는 바와 같이 제1, 2 에어공급 어셈블리(200, 300)를 통하여 공급되는 에어의 공급을 차단하여 무산소 상태에서 목질계 바이오매스를 가열하게 된다. 따라서 반탄화 연료만 생산하는 경우에는 제1,2 에어공급 어셈블리(200, 300)는 생략될 수도 있다.

열교환유닛(400)은 반응기(100)의 하부측에 형성되는 가스배출구(106)에 구비되고, 환원영역(104)으로부터 배출되는 합성가스(105)와 외부로부터 공급되는 에어를 상호 교차 유동시켜 열교환시키는 것이다.

따라서, 본 발명은 가스화반응을 할 때 제1, 2 에어공급 어셈블리(200, 300)에 의하여, 투입되는 바이오매스(108)의 성상 및 종류에 따라 산화 영역(103)에 에어 공급량을 선택적으로 조절할 수 있으므로, 다양한 종류의 바이오매스에 폭넓게 적용할 수 있게 되며, 반탄화 연료를 생산할 때는 상기 제1,2 에어공급 어셈블리(200, 300)를 통하여 공급되는 에어를 차단하면 된다.

본 발명에 따른 하향식 가스화 방법은 가스화 반응장치로 이용할 때는 전술하여 설명한 바와 같이 구조적 특성상 생산되어 배출되는 합성가스(105)의 높은 현열을 열교환유닛(400)에 의하여 다시 가스화 공정에 필요한 에어를 가열하는데 재사용함으로써, 불필요한 에너지의 낭비를 최소화하고 합성가스(105)의 생산 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 실시예의 적용이 가능하며 다음과 같은 다양한 실시예의 적용 또한 가능함은 물론이다.

반응기(100)는 전술한 바와 같이 투입된 바이오매스(108)로부터 합성가스(105)를 생산하거나 투입된 목질계 바이오매스(108)를 무산소 상태에서 가열하여 반탄화 연료를 생산하기 위한 것으로, 크게 반응기 상체(110)와 외부케이스(120)가 상호 연결되고, 내부케이스(130)는 외부케이스(120)에 내장되는 구조임을 파악할 수 있다.

반응기(100)의 각 구성부의 설명에 앞서 반응기(100) 내부에 상측으로부터 순차적으로 형성되는 건조영역(101)과 열분해영역(102)과 산화영역(103)과 환원영역(104)에 대하여 간략히 살펴본다.

우선, 건조영역(101)에서는 연소 열전달에 의하여 반응기(100) 내부에 투입된 바이오매스(108) 내부의 함수율을 조절하게 된다. 이때, 필요에 따라서는 반탄화 연료를 생산할 때도 일시적으로 연소 열전달에 의하여 가열된 에어를 투입하여 목재 바이오매스의 내부 함수율을 조절할 수도 있을 것이다.

열분해영역(102)에서는 가스화 반응시에 연소 열전달에 의하여 반응기(100) 내부에 투입된 바이오매스(108) 내부로부터 예를 들면 촤(char)나 타르(tar)와 같은 가스상 전환물질을 추출하게 되고, 반탄화 연료를 생산할 때는 열분해온도를 조절하여 탄화 및 반탄화 연료를 생산할 수 있다.

산화영역(103)에서는 특별히 도시하지 않았으나, 반응기(100)와 연결된 점화버너에 의한 부분 연소가 일어나게 된다. 이때, 가스화 반응을 할 때는 산화영역(103)의 부분 연소를 촉진하기 위하여 투입되는 바이오매스(108)들의 종류나 성상에 따라 후술할 제1, 2 에어공급유닛(200, 300)을 통하여 에어가 투입되는 것이다.

또한, 환원영역(104)에서는 주로 촤(char, 숯)로 이루어진 영역으로, 열분해 가스가 이 영역을 통과하면서 수소와 일산화탄소로 전환되는 것이다.

한편, 반응기 상체(110)는 상측으로부터 점차 넓어지는 형상으로 구성되고, 건조영역(101)과 열분해영역(102)이 내부에 형성되며, 열교환된 에어가 일시 수용되는 체류공간(511)을 형성하는 분배유닛(500)이 상측 외면을 따라 건조영역(101)의 외부를 감싸도록 띠 형상으로 형성되는 것이다.

그리고, 외부케이스(120)는 반응기 상체(110)의 하단부 가장자리로부터 연결되고, 일측에 가스배출구(106)가 형성되는 것이다.

또한, 내부케이스(130)는 외부케이스(120)에 수용되고, 반응기 상체(110)의 내부와 연통되어 산화영역(103)과 환원영역(104)이 내부에 형성되는 것이다. 여기서, 후술할 제1 에어공급 어셈블리(200)와 제2 에어공급 어셈블리(300)는 각각 내부케이스(130)의 상측 내주면을 따라 경사지게 배치된다. 이때, 내부케이스(130)의 외면과 외부케이스(120)의 내면 사이에는 내부케이스(130)의 저면을 통하여 환원영역(104)으로부터 합성가스(105)가 배출되고 상승하여 가스배출구(106)를 통하여 유도되며, 내부케이스(130)의 저면을 통하여 환원영역(104)으로부터 재나 반탄화 원료가 배출되는 배출공간(125)이 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 배출공간(125)은 후술할 배출유닛(600)과도 연결되는 것이다.

반응기 상체(110)와 외부케이스(120)와 내부케이스(130)는 단열성이 우수한 내화 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 반응기 상체(110)를 더욱 구체적으로 살펴보면 제1 내화벽층(111)과 내화벽 사면(112)을 포함하는 구조임을 알 수 있다.

제1 내화벽층(111)은 건조영역(101)의 하부로부터 반응기 상체(110)의 내주면을 따라 일정한 두께로 형성된 것이다. 내화벽 사면(112)은 제1 내화벽층(111)의 상단부에 내부케이스(130)측을 향하여 하향 경사지게 형성된 것으로, 내화벽 사면(112)은 투입된 바이오매스(108)가 하부측으로 원활하게 안내되어 하강할 수 있도록 마련된 것이다.

내부케이스(130)를 더욱 구체적으로 살펴보면 축경부(132)와 확경부(134)를 포함하는 구조임을 알 수 있다. 축경부(132)는 상측으로부터 점차 좁아지게 형성되는 연소사면(131)을 구비한 것이며, 확경부(134)는 연소사면(131)의 하단부 가장자리로부터 연장되어 점차 넓어지게 형성되는 것이다. 여기서, 산화영역(103)은 축경부(132)와 확경부(134)의 상부에 형성되고, 환원영역(104)은 확경부(134)의 하부에 형성되는 것이다.

반응기 상체(110)와 내부케이스(130)의 구조에 대하여 더욱 상세하게 살펴보고자 한다. 우선, 도 1의 우측 하부에 도시된 도면 부호를 설명하면 다음과 같다.

도면부호 w1는 제1 폭으로 내화벽 사면(112)의 하단부 가장자리가 이루는 폭 또는 직경을 나타내며, 도면부호 w2는 제2 폭으로 반응기 상체(110)의 하단부 가장자리가 이루는 폭 또는 직경을 나타낸다. 도면부호 w3는 제3 폭으로 연소사면(131)의 하단부 가장자리가 이루는 폭 또는 직경을 나타내며, 도면부호 w4는 제4 폭으로 확경부(134)의 하단부 가장자리, 즉 환원영역(104)의 하단부 가장자리가 이루는 폭 또는 직경을 나타낸다.

여기서, 제2 폭(w2)은 제1 폭(w1)보다 크게 형성되는 것이 바람직하며, 이는 반응기 상체(110)로부터 투입되는 바이오매스(108)가 브릿지(bridge) 현상 없이 원활하게 투입되기 위한 구조이기 때문이다. 이때, 제4 폭(w4)은 제3 폭(w3)보다 크게 형성되는 것이 바람직하며, 이는 환원영역(104)으로부터 바이오매스(108)의 재가 원활하게 배출되도록 하기 위한 구조이기 때문이다.

그리고, 축경부(132)와 확경부(134)의 외부는 제2 내화벽층(133)으로 이루어진다.

또한, 반응기(100)는 반응기 상체(110)의 상단부에 연결되고 바이오매스(108)가 투입되는 호퍼(140)와, 호퍼(140)의 상단부와 하단부에 각각 적어도 하나 이상 장착되어 회전하면서 투입되는 바이오매스(108)의 공급량을 감지하는 토크 센서(150)를 더 포함하는 구조의 실시예를 적용할 수 있다.

토크 센서(150)는 호퍼(140)를 통하여 바이오매스(108)가 투입되는 것을 감지하면 회전하면서 바이오매스(108)의 투입량을 실시간으로 정량 제어하게 된다.

한편, 에어는 가스화 반응을 할 때 산화영역(103)에서 바이오매스(108)의 부분 연소를 촉진하기 위하여 투입되는 산화제로, 제1 에어공급 어셈블리(200) 및 제2 에어공급 어셈블리(300) 중 하나 또는 전부를 통해 산화영역(103)에 투입되는 것이다. 다만, 반탄화 연료를 생산할 때는 무산소 상태에서 바이오매스(108)를 가열하기 때문에 에어의 공급이 차단한 상태로 가열하거나 에어공급 어셈블리가 생략될 수도 있다.

가스화반응을 할 때, 투입되는 바이오매스(108)가 목질계, 즉 왕겨, 옥수수대, 톱밥, 우드칩 등과 같은 물질일 때는 바이오매스(108)의 완전 연소를 위한 에어 공급량의 20% 내지 35% 정도(0.7 ~ 0.8 N㎥/kg) 정도 주입하면 되므로, 후술할 제1 에어공급 어셈블리(200)를 이용하면 될 것이다. 또한, 투입되는 바이오매스(108)가 석탄 및 폐기물 등 탄소 집약적이고 석유 화합물 등과 같은 고분자 물질일 때는 목질계인 바이오매스(108)의 에어 공급량 조건보다 30 내지 50% 정도 더 주입하면 되므로, 후술할 제2 에어공급 어셈블리(300)를 이용하면 될 것이다. 따라서, 제1, 2 에어공급 어셈블리(200, 300)는 위와 같은 조건을 감안하여 개별적으로 또는 전부 가동시키며, 반탄화 연료를 생산할 때는 전부를 가동시키지 않은 상태에서 운용하는 등 다양한 운용 방법을 적용할 수 있음은 물론이다.

제1 에어공급 어셈블리(200)를 구체적으로 살펴보면, 제1 메인배관(210)과 제1 밸브(220)와 에어공급배관(230)을 포함하는 구조임을 알 수 있다.

제1 메인배관(210)은 반응기(100), 즉 반응기 상체(110)의 상측 외면에 배치되고, 내부에 열교환유닛(400)으로부터 열교환된 에어가 일시 수용되는 체류공간(511)을 형성하는 분배유닛(500)으로부터 반응기(100)의 하부측을 향하여 분기된 것이다.

그리고, 제1 밸브(220)는 제1 메인배관(210) 내의 유로를 개폐하는 것이며, 에어공급배관(230)은 제1 메인배관(210)에 대하여 경사지게 연장되어 산화영역(103)에 열교환된 에어를 주입하는 유로가 형성된 것이다. 본 발명에 따른 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치를 이용하여 반탄화 연료를 생산할 때는 제1 밸브(220)를 차단함으로써 산화영역(103)에 에어가 공급되지 않도록 한다.

제2 에어공급 어셈블리(300)를 구체적으로 살펴보면, 제2 메인배관(310)과 제2 밸브(320)와 제1, 2 실린더부(330, 340)를 포함하는 구조임을 파악할 수 있다.

제2 메인배관(310)은 반응기(100)의 상측 외면에 배치되고, 내부에 열교환유닛(400)으로부터 열교환된 에어가 일시 수용되는 체류공간(511)을 형성하는 분배유닛(500)으로부터 반응기(100)의 하부측을 향하여 분기된 것이다.

제2 밸브(320)는 제2 메인배관(310) 내의 유로를 개폐하는 것으로, 가스화 반응을 할 때는 제2 밸브(320)를 개방하여 에어가 공급되도록 하고, 반탄화 연료를 생산할 때는 제2 밸브(320)를 차단하여 에어가 공급되지 않도록 하여 가동한다.

제1 실린더부(330)는 제2 메인배관(310)과 연통되어 열교환된 에어가 통과하는 연통 공간(335)을 형성하는 것이다. 제2 실린더부(340)는 제1 실린더부(330)의 양단부를 관통하여 배치되고, 일단부로부터 공급되는 외부의 에어가 연통 공간(335)을 통과한 열교환된 에어와 합류하여 타단부로부터 고속으로 분사되는 것이다.

즉, 제1, 2 실린더부(330, 340)는 바이오매스(108)의 가스화 공정에서 반응기(100) 내부에서 형성되는 흡입 압력을 이용하여 자연스레 외부로부터 유입된 에어가 반응기(100) 내부로 빨려들어가는 경우, 유체의 벽 부착 현상, 즉 분류(噴流)의 흐름 등으로 말미암아 압력차를 발생시키고, 주(主) 분류는 더욱 저압 쪽으로 부착하여 흐르는 코안다 효과(coanda effect)에 의하여 고압, 고속으로 에어를 주입할 수 있게 한다.

제1 실린더부(330)를 더욱 상세하게 살펴보면 제1 실린더본체(331)와 가이드(332)를 포함하는 구조임을 알 수 있다. 제1 실린더본체(331)는 제2 실린더부(340)의 일측을 수용하는 원기둥 형상의 부재이며, 가이드(332)는 제1 실린더본체(331)의 단부 가장자리로부터 연장되어 제2 실린더부(340)의 외주면을 감싸며, 제2 실린더부(340)의 외주면에 대하여 일정 각도로 경사진 원뿔대 형상의 부재이다.

따라서, 후술할 열교환유닛(400)을 거쳐 열교환된 에어는 가이드(332) 내측의 경사면을 따라 유도되어 제2 실린더부(340)의 내주면을 통해 제2 실린더부(340)의 타단부로부터 외부의 에어와 합류하여 분사되는 것이다.

제2 실린더부(340)를 더욱 상세하게 살펴보면 제2 실린더본체(342)와 코안다(coanda) 오리피스(343)와 벤투리(venturi) 노즐(344)을 포함하는 구조임을 파악할 수 있다. 제2 실린더본체(342)는 제1 실린더부(330)에 수용되고, 일단부는 외부로 노출되는 원기둥 형상의 부재이다.

코안다 오리피스(343)는 제1 실린더부(330)의 단부 가장자리에 형성된 원뿔대 형상인 가이드(332)의 경사면에 대응하도록 경사지게, 제2 실린더본체(342)의 타단부 외주면을 따라 관통된 복수의 부재이다.

벤투리노즐(344)은 제2 실린더본체(342)의 타단부로부터 제1 실린더부(330)의 외부로 노출되게 제2 실린더본체(342)보다 점차 직경이 커지도록 연장되는 것이다.

코안다 오리피스(343)는 유체의 벽 부착 현상을 촉진하여 코안다 효과를 증대시킬 수 있도록 가이드(332)의 단부 가장자리와 근접하게 배치되는 것이 바람직하다.

한편, 열교환유닛(400)은 전술한 바와 같이 합성가스(105)와 외부로부터 공급되는 에어를 상호 교차 유동시켜 열교환시키기 위한 것으로, 가스도관(410)과 교환재킷(420)과 에어배플(430, air baffle)을 포함하는 구조임을 파악할 수 있다.

가스도관(410)은 가스배출구(106)와 연결되어 합성가스(105)가 배출되는 유로를 형성되는 것이다. 교환재킷(420)은 일측에는 외부로부터 에어가 유입되는 에어유입포트(421)가 구비되고, 타측에는 반응기(100)의 상측 외면에 배치되는 분배유닛(500)의 체류공간(511)을 향하여 열교환유닛(400)으로부터 열교환된 에어를 공급하는 에어배출포트(422)가 구비되며, 가스도관(410)의 외주면 전체를 감싸고 내부에 교환공간(415)을 형성하는 것이다.

에어배플(430)은 교환재킷(420)의 내주면과 가스도관(410)의 외주면 사이에 교환공간(415)의 형성 방향을 따라 나선형상으로 형성되는 것이다. 따라서, 가스화 반응을 할 때 에어유입포트(421)를 통하여 유입된 에어는 에어배플(430)의 형성 방향을 따라 지체 유동을 하면서 고온으로 배출되는 합성가스(105)와 충분한 열교환을 한 뒤, 제1 에어공급 어셈블리(100) 및 제2 에어공급 어셈블리(200)측으로 공급되는 것이다. 즉, 열교환유닛(400)은 가스도관(410)과 교환재킷(420)이 교환공간(415)을 두고 이중관의 구조로 되어 외부로부터 유입된 에어가 고온으로 배출되는 합성가스(105)와의 열교환을 통한 일종의 폐열회수 이용의 측면에서 마련된 것이라 할 수 있다. 경우에 따라 열교환유닛(400)에 물 배관을 함께 배치하여 온수나 난방수로 공급되도록 하는 응용 및 변형 설계도 가능함은 물론이다. 특히, 본 발명에 따른 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치를 이용하여 반탄화 연료를 만드는 경우에는 제1, 2 에어공급 어셈블리(100, 200)가 차단된 상태에서 구동되기 때문에, 열교환유닛(400)에 물 배관을 배치하여 폐열을 온수나 난방수로 활용할 수 있을 것이다.

한편, 본 발명은 반응기(100)의 상측 외면에 배치되고, 가스화 반응 시 열교환유닛(400)으로부터 열교환된 에어를 건조영역(101)의 열원으로 사용하면서 제1 에어공급 어셈블리(200) 및 제2 에어공급 어셈블리(300)로 공급하는 분배유닛(500)을 더 포함하는 구조의 실시예를 적용할 수 있다.

분배유닛(500)은 반응기(100) 내부의 건조영역(101)과 열분해영역(102)의 온도를 높여줌으로써 산화영역(103)에서 바이오매스(108)의 연소 부하를 경감시킬 수 있을 것이며, 크게 분배 재킷(510)과 연결 배관(520)을 포함하는 구조임을 알 수 있다. 분배 재킷(510)은 반응기(100)의 상측 외면을 따라 띠 형상으로 형성되어 열교환된 에어가 일시 수용되는 체류공간(511)을 형성한 것이다.

연결 배관(520)은 열교환유닛(400)의 에어배출포트(422)와 체류공간(511)을 상호 연통시키는 것이다. 따라서, 가스화 반응을 할 때, 제1 에어공급 어셈블리(200) 및 제2 에어공급 어셈블리(300)는 각각 체류공간(511)과 연통되어 열교환된 에어를 산화영역(103)에 공급하게 된다. 이러한 분배유닛(500)은 바이오매스(108)가 투입되는 방향과 산화제인 에어의 투입 방향이 동일한 방향이므로, 건조영역(101)과 열분해영역(102)의 온도를 높여줄 구조가 필요한 것이다. 한편, 연결 배관(520)은 반탄화 연료를 생산할 때는 열교환유닛(400)을 통하여 가열된 물이 유출되도록 할 수 있으며, 이때는 연결 배관(520)이 체류공간(511)으로 연통되지 않고 외부로 연장되어 필요한 곳에 온수를 공급하도록 할 수 있다.

분배유닛(500)은 가스와 반응에서 바이오매스(108) 내부의 수분 건조를 촉진시키고, 바이오매스(108)를 열화학적으로 분해하는 (가스화) 과정의 열 엔트로피 증가를 완화시켜주는 역할 또한 하게 된다. 또한, 분배유닛(500)은 열교환유닛(400)을 통하여 열교환되고 가열된 에어를 제1 에어공급 어셈블리(200) 또는 제2 에어공급 어셈블리(300)를 통하여 산화영역(103)으로 주입하게 되면 산화영역(103)에서 바이오매스(108)의 국부적 연소를 촉진시킬 수 있으며, 합성가스(105)의 생산성 향상을 도모할 수 있게 되는 것이다. 따라서, 분배유닛(500)은 열교환유닛(400)과 함께 일반적으로 바이오매스(108) 1kg 당 2 내지 2.5 N㎥의 합성가스(105)를 생산하는 가스화 반응장치에 있어서 중요한 역할을 담당하게 되는 것이다.

한편, 본 발명은 반응기(100)의 하부측에 배치되고, 환원영역(104)으로부터 합성가스(105)가 배출되고 남은 재를 반응기(100)의 외부로 배출시키는 배출유닛(600)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 배출유닛(600)은 무산소 가열을 통하여 반탄화 연료를 생산할 때는 재가 아닌 반탄화 연료를 배출시키게 된다.

배출유닛(600)은 구동모터(610)와 스러스트 베어링(621)과 구동샤프트(620)와 그레이트 어셈블리(630, grate assembly)와 수용탱크(640)와 배출스크류(650)와 배출모터(660)와 배출 유도관(670)을 포함하는 구조임을 알 수 있다.

구동모터(610)는 반응기(100)의 저면에 배치되어 구동모터(610)와 연결된 구동샤프트(620)에 구동력을 전달하고, 구동샤프트(620)는 스러스트 베어링(621)으로 회전 지지 되고, 구동모터(610)로부터 구동력을 전달받아 회전하는 것이다.

그레이트 어셈블리(630)는 구동샤프트(620)의 상단부에 연결되고, 환원영역(104)의 하부에 내장되어 일정 속도로 회전하면서 환원영역(104)으로부터 연소된 바이오매스(108)의 재를 일정량만큼 낙하시키는 복수의 단차(631)를 형성한 원판들이 겹쳐져 있는 원뿔대 형상의 부재이다. 그레이트 어셈블리(630)는 반탄환 연료를 생산할 때는 환원영역(104)에서 무산소 상태에서 가열되어 생산된 반탄화 연료를 일정량만큼 낙하시키는 역할을 한다.

그레이트 어셈블리(630)는 특별히 도시하지 않았으나, 저면에 그릴 또는 메쉬 형태로 바이오매스(108)의 재나 반탄화 연료가 배출될 수 있도록 한 구조를 형성하여, 간헐적으로 매우 느리게 회전하는 구동샤프트(620)에 연동 회전하면서 주기적으로 환원영역(104)으로부터 바이오매스(108)의 재나 반탄화 연료를 일정량만큼 배출시킨다.

수용탱크(640)는 반응기(100)의 저면에 구비되어 낙하된 바이오매스(108)의 재나 반탄화 연료를 일시 수용하는 공간을 형성한 것이다.

배출스크류(650)는 수용탱크(640)의 하부로부터 상향 경사지게 형성되어 일방향으로 회전하는 배출샤프트(651)의 외주면을 따라 나선 형상으로 형성된 것이다.

배출모터(660)는 배출샤프트(651)의 단부에 연결되어 배출샤프트(651)에 구동력을 전달하는 것이다.

배출 유도관(670)은 수용탱크(640)로부터 연장되고 배출스크류(650)를 내장하고, 일측에 재나 반탄화 연료가 배출되는 부산물 배출포트(671)를 구비한 것이다.

따라서, 수용탱크(640)에 낙하되어 쌓이는 바이오매스(108)의 재나 반탄화 연료는 배출모터(660)가 가동되면 배출샤프트(651)도 함께 회전함에 따라 배출스크류(650)에 의하여 일방향으로 이송되면서 부산물 배출포트(671)를 통하여 외부로 배출된다.

한편, 스러스트 베어링(621) 및 구동샤프트(620)의 외측에는 외부로부터 냉각수가 유입되는 냉각수유입포트(681)와 냉각수가 배출되는 냉각수배출포트(682)를 구비한 냉각재킷(680)을 더 구비하여 구동샤프트(620)와 스러스트 베어링(621)의 발열 및 과열을 저감할 수도 있다.

상기와 같은 구성에서, 바이오매스를 이용하여 가스화반응이 이루어지는 과정을 살펴보면, 반응기(100)의 상부에 구비된 호퍼(140)로 왕겨, 옥수수대, 톱밥, 우드칩, 장작 등과 같은 목질계 바이오매스는 물론, 석탄, 폐기물, 석유 호합물 등과 같은 다양한 종류의 바이오매스를 투입한다.

호퍼(140)로 투입된 바이오매스(108)는 건조영역(101)을 지나면서 수분이 증발되어 함수율이 조절되고, 열분해영역(102)에서는 가스상 전환물질을 추출하게 된다. 그리고 산화영역(103)에서는 투입된 바이오매스(108)를 연소시키게 되는데, 이때 제1,2 에어공급유닛(200, 300)으로 산화에 필요에 에어를 공급하게 된다. 이때, 제1,2 에오공급 유닛(200, 300)으로 공급되어 에어는 열교환유닛(400)을 통하여 일정부분 가열되어 연소부하를 경감시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치를 이용하여 반탄화 연료를 생산하는 방법을 살펴보면, 반탄화 연료를 생산할 때는 호퍼(140)를 통하여 우트칩이나 장작 등과 같은 목질계 바이오매스를 투입한다. 그런 후에, 건조영역(101)을 지나면서 마이오매스를 건조시킨다. 이렇게 건조된 목질계 바이오매스(108)는 산화영역(103)에서 제1,2 에어공급유닛(200, 300)을 차단하여 무산소 상태에서 200~300℃로 가열한다. 가열시간은 바이오매스의 크기에 따라 다소 차이가 있는데, 작게는 30mm에서 크게는 50mm 정도의 크기로 구성되는 통상적인 우드칩의 경우 10~60분 정도 가열하면 반탄화 연료가 된다.

이상과 같이 본 발명은 투입되는 바이오매스의 성상 및 종류에 따라 선택적인 운전이 가능하며 합성가스의 생산량을 증대시킬 수 있음은 물론, 배출되는 합성가스의 현열을 회수하여 산화제로 공급되는 에어의 온도를 높여 다시 가스화 공정에 투입함으로써 에너지 효율을 높일 수 있도록 하는 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치 및 이를 이용한 반탄화 연료를 생산하는 방법를 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 그리고 본 발명은 투입된 바이오매스가 목질계인 경우에 제1,2 에어공급유닛(200, 300)을 통하여 공급되는 에어를 차단하여 무산소 상태에서 가열함으로써 고품질의 반탄화 연료를 생산할 수도 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100...반응기 101...건조영역
102...열분해영역 103...산화영역
104...환원영역 105...합성가스
106...가스배출구 110...반응기 상체
111...제1 내화벽층 112...내화벽 사면
120...외부케이스 125...배출공간
130...내부케이스 131...연소사면
132...축경부 133...제2 내화벽층
134...확경부 140...호퍼
150...토크 센서 200...제1 에어공급 어셈블리
210...제1 메인배관 220...제1 밸브
230...에어공급배관 300...제2 에어공급 어셈블리
310...제2 메인배관 320...제2 밸브
330...제1 실린더부 331...제1 실린더본체
332...가이드 335...연통 공간
340...제2 실린더부 342...제2 실린더본체
343...코안다 오리피스 344...벤투리노즐
400...열교환유닛 410...가스도관
415...교환공간 420...교환재킷
421...에어유입포트 422...에어배출포트
430...에어배플 500...분배유닛
510...분배 재킷 511...체류공간
520...연결 배관 600...배출유닛
610...구동모터 620...구동샤프트
621...스러스트 베어링 630...그레이트 어셈블리
640...수용탱크 650...배출스크류
651...배출샤프트 660...배출모터
670...배출 유도관 671...부산물 배출포트
680...냉각재킷 681...냉각수유입포트
682...냉각수배출포트

Claims (5)

1. 상측으로부터 목질계 바이오매스(biomass)를 투입하여 무산소 상태에서 가열하여 반탄화 연료를 생산하는 것으로, 상기 바이오매스가 채워진 내부 공간의 상측으로부터 건조영역(drying zone), 열분해영역(pyrolysis zone), 산화영역(combustion zone), 환원영역(reduction zone)이 순차적으로 형성된 반응기;
   상기 반응기의 하부측에 형성되는 가스배출구에 구비되고, 상기 환원영역으로부터 배출되는 합성가스와 외부로부터 공급되는 물을 상호 교차 유동시켜 열교환시키는 열교환유닛;을 포함하여 구성되어,
   상기 반응기로 투입되는 목질계 바이오매스를 무산소 상태에서 가열하열 반탄화 연료를 생산하는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 반응기는,
   상측으로부터 점차 넓어지는 형상으로 형성되고, 상기 건조영역과 상기 열분해영역이 내부에 형성되어 있는 반응기 상체와, 상기 반응기 상체의 하단부 가장자리로부터 연결되고 일측에 가스배출구가 형성되어 있는 외부케이스와, 상기 외부케이스에 수용되고 상기 반응기 상체의 내부와 연통되어 상기 산화영역과 상기 환원영역이 내부에 형성되는 내부케이스를 포함하여 구성되는 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 반응기의 하부측에는 상기 반탄화 연료를 반응기의 외부로 배출시키는 배출유닛을 더 포함하여 구성되는 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 반응기 상체는,
   상기 건조영역의 하부로부터 상기 반응기 상체의 내주면을 따라 일정한 두께로 형성된 제1 내화벽층과,
   상기 제1 내화벽층의 상단부에 상기 내부케이스측을 향하여 하향 경사지게 형성된 내화벽 사면을 더 포함하여 구성되는 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 내부케이스는,
   상측으로부터 점차 좁아지게 형성되는 연소사면을 구비한 축경부와,
   상기 연소사면의 하단부 가장자리로부터 연장되어 잠차 넓어지게 형성되는 확경부를 포함하며,
   상기 산화영역은 상기 축경부와 상기 확경부의 상부에 형성되고, 상기 환원영역은 상기 확경부의 하부에 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오매스를 이용한 반탄화 연료생산장치.
   
   

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