KR101569255B1

KR101569255B1 - 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템 및 이를 이용한 바이오 오일 제조방법

Info

Publication number: KR101569255B1
Application number: KR1020130135423A
Authority: KR
Inventors: 최항석
Original assignee: 연세대학교 원주산학협력단
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-11-13
Also published as: KR20150053462A

Abstract

본원발명은 바이오매스가 급속 열분해되어 생산된 가스를 응축시켜 바이오 오일을 만드는 바이오 오일 제조 시스템에 있어서, 가로(x), 세로(y), 높이(z)의 길이가 서로 다른 사각 기둥 형상으로 하부에 가스 분산판을 갖추고 유동사를 이용하여 바이오매스를 급속 열분해시키는 사각형 컬럼 형태의 유동층 반응기와, 유동층 반응기의 일측에 구비되어 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급기와, 가스 분산판에 공급되는 가스와 유동층 반응기의 내외부를 가열하는 가열기와, 유동층 반응기의 상부 일측에 설치되어 촤(char)를 배출하는 촤 배출구와, 바이오매스의 열분해 가스를 전달받아 열분해 가스에 함유된 촤를 회수하는 사이클론과, 사이클론에서 촤가 제거된 열분해 가스로부터 바이오 오일을 응축시키는 열교환기를 포함하여 구성되되, 열교환기는 하면이 막힌 관 형상의 부재로 하면으로부터 일정높이로 오일이 채워져 있고, 상부 외주면 일측에 가스배출관이 있는 몸체와, 몸체의 상부 외주면 일측에 설치되는 것으로 몸체 내부로 액체를 분사하는 분사노즐과, 관 형상의 부재로 일단이 몸체의 상면을 통해 관입되어 몸체 내의 오일 속에 담겨지도록 설치되되 타단은 몸체의 상면에 고정되는 가스주입관과, 관 형상의 부재로 몸체 하부의 외주면 일측에 설치되는 오일배출관과, 일단이 몸체의 하부 외주면 일측에 결합되고 타단이 분사노즐에 결합되어 몸체 내의 오일이 몸체의 상부로 공급되도록 하는 펌프 및,오일에 있는 미세입자를 제거하는 것으로 상기 가스주입관의 일단 밑에 위치하도록 상기 몸체 하부 일측에 설치되는 제1필터로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템을 제공한다.
또한, 본원발명은 바이오매스가 급속 열분해되어 생산된 가스를 응축시켜 바이오 오일을 만드는 바이오 오일 제조방법에 있어서, (a) 유동층 반응기에 바이오매스가 공급되고, 공급된 바이오매스에 고온의 유동사가 공급되어 혼합되는 단계와, (b) 유동층 반응기에 고온의 가스가 주입된 후, 유동층 반응기의 내외부가 가열되어 바이오매스가 급속 열분해되는 단계와, (c) (b) 단계에서 유동층 반응기에 주입되는 가스 유량이 제어되어 유동층 반응기 내의 가스 유속(U/Umf)이 제어되는 단계와, (d) 급속 열분해 과정에서 발생한 촤(char)가 배출되는 단계와, (e) 급속 열분해 과정에서 발생되는 열분해 가스를 전달받아 사이클론이 이용되어 (d) 단계에서 걸러지지 않은 마이크로 촤가 제거되는 단계와, (f) (e)단계에서 촤가 제거된 열분해 가스가 열교환기에 설치된 가스주입관을 통해 열교환기의 내부에 있는 오일에 직접 접촉되는 방법으로 응축되어 바이오 오일이 추출되고, 바이오 오일로 변환되지 않는 가스는 열교환기의 상부에 있는 분사노즐에서 분사되는 오일에 의하여 다시 한번 응축되어 바이오 오일이 추출되는 단계 및 (g) 유동층 반응기에서 일부 배출된 모래, 유동층 반응기를 거쳐 사이클론을 통하여 배출, 제거된 촤 및 상기 열분해 가스에 포함된 비응축 가스가 연소되는 단계로 구성되되, 상기 (f) 단계에서 상기 분사노즐은 펌프가 사용되어 열교환기의 내부에 있는 오일이 공급되어 분사되고, 상기 가스주입관의 일단 밑에 위치하도록 상기 열교환기의 하부 일측에 제1필터가 설치되어 오일에 있는 미세입자를 제거하여 상기 분사노즐이 막히는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 바이오 오일 제조방법을 제공한다.

Description

바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템 및 이를 이용한 바이오 오일 제조방법{ Bio oil manufacturing system comprising fluidized bed reactor and direct-contact heat exchanger for fast pyrolysis of biomass and method for manufacturing Bio oil using the same }

본 발명은 바이오매스를 급속 열분해하여 바이오 오일을 제조함에 있어서 오일의 수율을 높일 수 있는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템 및 이를 이용한 바이오 오일 제조방법에 관한 것이다.

바이오 에너지란 바이오매스 자원을 에너지화하여 이용하는 것을 말하며 최근 석유, 가스, 석탄을 비롯한 화석연료의 다량 사용으로 기후변화, 대기오염 등의 환경문제 및 자원 고갈의 우려 때문에 바이오 에너지는 중요한 화석연료 대체에너지 자원으로써 큰 관심을 끌고 있다.

바이오매스 자원을 에너지로 전환, 이용하는 방법은 직접적으로 연소하는 방법 외에도 가스화 및 열분해 방법이 있으나, 그 중 급속 열분해 방법이 바이오 원유의 수율을 가장 높일 수 있는 방법으로서, 열분해(pyrolysis)는 산소가 없는 상태에서 바이오매스를 열적으로 분해하여 액상, 고상, 가스상의 연료 등 유용한 생성물로 회수하는 방법이다.

열분해 공정에서 회수되는 생성물의 형태, 조성, 수율 등은 바이오매스 원료의 형태와 조성 반응온도와 압력조건, 체류시간, 촉매의 존재 여부 등 공정 조건에 따라 영향을 받으며 달라지게 된다. 특히, 1980 년대 말에 접어들면서는 약 500 ℃ 정도의 온도 조건에서 시료의 반응기 내 체류시간이 짧을수록 액상 생성물의 수율이 높아지게 된다는 결과에 이르게 되면서, 1990 년 무렵부터 수초 이하의 극히 짧은 체류시간을 조건으로 행해지는 급속 열분해(fast pyrolysis) 방법이 집중적으로 연구되고 있다.

하지만, 아직까지 대부분의 급속 열분해 공정의 규모는 상업화 수준에 이르지 못하고, 파일럿 플랜트(pilot plant) 수준에 머무르고 있다. 따라서, 현재 이 분야에서 가장 많이 다루어지고 있는 연구는 바이오 원유의 안정성 향상과 사용 목적에 적합한 특성으로 전환시키기 위한 품질 개선이 핵심을 이루고 있다.

바이오매스를 이용한 급속 열분해 공정에서는 열분해 반응기로 투입되는 바이오매스와 고체 입자의 열전달을 촉진하기 위하여 유동층 반응기가 많이 사용되고 있다. 바이오매스의 급속열분해 공정에서 유동층 반응기의 형상은 바이오 오일의 조성 및 수율에 영향을 미친다. 현재까지의 유동층 반응기를 이용한 급속 열분해 기술은 열분해 온도, 승온률, 투입가스의 유량 등을 위주로 발전되어 왔다. 그러나 바이오매스가 급속 열분해되어 생성된 타르(tar), 촤(char), 비응축가스(NCG)의 생성비율에 따라서도 바이오 오일의 수율이 달라질 수 있으므로 상기 가스를 생산할 수 있는 최적의 유동층 반응기의 형상에 관한 개발이 필요한 실정이다.

또한, 바이오 오일의 수율을 높이기 위해서는 열분해 가스를 응축시키는 열교환기에 대한 성능이 매우 중요하다. 파일럿 규모의 급속 열분해 공정에서 기존에 상되고 있는 열교환기는 shell and tube 열교환기와 직접접촉 열교환기가 있다. Shell and tube 열교환기는 급속 열분해된 가스를 열교환기에 통과시켜 응축반응을 통해 바이오 원유를 회수한다. Shell and tube 응축 열교환기 사용 시 열전달면의 부식, 스케일 퇴적(fouling)에 의한 전열면의 오염과 벽면의 열저항으로 열교환 성능이 감소하는 단점이 있다. 이러한 열교환기의 단점 때문에 현재 상업화 플랜트 및 파일럿 플랜트 규모의 급속 열분해 공정에서는 직접접촉 열교환기가 많이 사용되고 있다.

그러나 급속 열분해 공정에서 기존에 사용되고 있는 열교환기는 원유의 응축수율이 높지 않아 문제가 있고, 증기상의 열분해 가스에 있는 미세입자를 포집하기 위하여 전기집진기를 따로 설치해야 하는 등 초기 설치 비용이 비싸고 많은 전기를 필요로 하기 때문에 운영비 부담이 발생하는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1309667호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로 급속 열분해되어 생산된 가스의 생산량을 높이기 위하여 최적 형상의 유동층 반응기와 상기 가스가 오일로 변환되는 응축수율을 높이고, 전기집진기를 사용하지 않아도 가스에 포함되어 있는 미세입자를 제거할 수 있는 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템 및 이를 이용한 바이오 오일 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본원발명은 바이오매스가 급속 열분해되어 생산된 가스를 응축시켜 바이오 오일을 만드는 바이오 오일 제조 시스템에 있어서, 가로(x), 세로(y), 높이(z)의 길이가 서로 다른 사각 기둥 형상으로 하부에 가스 분산판을 갖추고 유동사를 이용하여 바이오매스를 급속 열분해시키는 사각형 컬럼 형태의 유동층 반응기와, 유동층 반응기의 일측에 구비되어 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급기와, 가스 분산판에 공급되는 가스와 유동층 반응기의 내외부를 가열하는 가열기와, 유동층 반응기의 상부 일측에 설치되어 촤(char)를 배출하는 촤 배출구와, 바이오매스의 열분해 가스를 전달받아 열분해 가스에 함유된 촤를 회수하는 사이클론과, 사이클론에서 촤가 제거된 열분해 가스로부터 바이오 오일을 응축시키는 열교환기를 포함하여 구성되되, 열교환기는 하면이 막힌 관 형상의 부재로 하면으로부터 일정높이로 오일이 채워져 있고, 상부 외주면 일측에 가스배출관이 있는 몸체와, 몸체의 상부 외주면 일측에 설치되는 것으로 몸체 내부로 액체를 분사하는 분사노즐과, 관 형상의 부재로 일단이 몸체의 상면을 통해 관입되어 몸체 내의 오일 속에 담겨지도록 설치되되 타단은 몸체의 상면에 고정되는 가스주입관과, 관 형상의 부재로 몸체 하부의 외주면 일측에 설치되는 오일배출관과, 일단이 몸체의 하부 외주면 일측에 결합되고 타단이 분사노즐에 결합되어 몸체 내의 오일이 몸체의 상부로 공급되도록 하는 펌프 및,오일에 있는 미세입자를 제거하는 것으로 상기 가스주입관의 일단 밑에 위치하도록 상기 몸체 하부 일측에 설치되는 제1필터로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템을 제공한다.

또한, 본원발명은 바이오매스가 급속 열분해되어 생산된 가스를 응축시켜 바이오 오일을 만드는 바이오 오일 제조방법에 있어서, (a) 유동층 반응기에 바이오매스가 공급되고, 공급된 바이오매스에 고온의 유동사가 공급되어 혼합되는 단계와, (b) 유동층 반응기에 고온의 가스가 주입된 후, 유동층 반응기의 내외부가 가열되어 바이오매스가 급속 열분해되는 단계와, (c) (b) 단계에서 유동층 반응기에 주입되는 가스 유량이 제어되어 유동층 반응기 내의 가스 유속(U/Umf)이 제어되는 단계와, (d) 급속 열분해 과정에서 발생한 촤(char)가 배출되는 단계와, (e) 급속 열분해 과정에서 발생되는 열분해 가스를 전달받아 사이클론이 이용되어 (d) 단계에서 걸러지지 않은 마이크로 촤가 제거되는 단계와, (f) (e)단계에서 촤가 제거된 열분해 가스가 열교환기에 설치된 가스주입관을 통해 열교환기의 내부에 있는 오일에 직접 접촉되는 방법으로 응축되어 바이오 오일이 추출되고, 바이오 오일로 변환되지 않는 가스는 열교환기의 상부에 있는 분사노즐에서 분사되는 오일에 의하여 다시 한번 응축되어 바이오 오일이 추출되는 단계 및 (g) 유동층 반응기에서 일부 배출된 모래, 유동층 반응기를 거쳐 사이클론을 통하여 배출, 제거된 촤 및 상기 열분해 가스에 포함된 비응축 가스가 연소되는 단계로 구성되되, 상기 (f) 단계에서 상기 분사노즐은 펌프가 사용되어 열교환기의 내부에 있는 오일이 공급되어 분사되고, 상기 가스주입관의 일단 밑에 위치하도록 상기 열교환기의 하부 일측에 제1필터가 설치되어 오일에 있는 미세입자를 제거하여 상기 분사노즐이 막히는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 바이오 오일 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명의 유동층 반응기의 형상은 바이오매스가 열분해시 생성되는 가스의 생성비율이 최고로 될 수 있도록 최적화되어 있어 바이오 오일의 생산량이 높다. 즉, 본 발명은 기본의 방법보다 투입대비 열분해된 가스의 생성비율이 높아 경제적이다.

둘째, 본 발명은 열교환기의 가스주입관 일단이 몸체 내의 오일 속에 있어 사이클론을 거쳐 들어오는 가스가 오일에 직접 접촉되어 오일로 변환되는 응축 수율이 높고, 또한 오일로 변화되지 않는 가스는 몸체 상부에 있는 분사노즐에 의해서 냉각 오일이 분무되어 오일로 변환되는 효과가 있다. 즉, 본원발명은 가스가 오일로 변화되는 과정을 2번 거치게 하여 응축 수율을 획기적으로 높인 발명이다.

셋째, 본 발명은 열교환기의 몸체에 필터를 설치하여 사이클론에서 제거하지 못한 미세입자를 제거할 수 있어 전기집진기를 사용하지 않아도 되는 효과가 있다. 즉 본 발명은 전기집진기를 사용하지 않아도 됨으로 인해 초기 설치비 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 운영비 또한 절감할 수 있어 경제적이다.

도1은 본원발명의 바이오 오일 제조 시스템을 개략적으로 도시한 구성이다.
도2는 도1에서 유동층 반응기와 열교환기 및 주요 장치의 구성을 보다 구체적으로 나타내는 도면이다.
도3은 본원발명의 열교환기를 나타내는 사시도이다.
도4는 도3의 단면도이다.
도5는 본원발명의 열교환기 몸체에 오일(녹색으로 경계선 표시함)이 채워져 있는 것을 나타내는 도면이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템 및 이를 이용한 바이오 오일 제조방법의 구체적인 내용을 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본원발명의 바이오 오일 제조 시스템을 개략적으로 도시한 구성이고, 도2는 도1에서 유동층 반응기와 열교환기 및 주요 장치의 구성을 보다 구체적으로 나타내는 도면이다.

도3은 본원발명의 열교환기를 나타내는 사시도이고, 도4는 도3의 단면도이다.

도5는 본원발명의 열교환기 몸체에 오일(녹색으로 경계선 표시함)이 채워져 있는 것을 나타내는 도면이다.

본원발명은 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기(100)와 직접접촉 열교환기(600)를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템(1)에 관한 것으로 상세하게는 바이오매스가 급속 열분해되어 생산된 가스를 응축시켜 바이오 오일을 만드는 바이오 오일 제조 시스템에 있어서, 가로(x), 세로(y), 높이(z)의 길이가 서로 다른 사각 기둥 형상으로 하부에 가스 분산판(110)을 갖추고 유동사를 이용하여 바이오매스를 급속 열분해시키는 사각형 컬럼 형태의 유동층 반응기(100)와, 유동층 반응기(100)의 일측에 구비되어 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급기(200)와, 가스 분산판(110)에 공급되는 가스와 유동층 반응기(100)의 내외부를 가열하는 가열기(300)와, 유동층 반응기(100)의 상부 일측에 설치되어 촤(char)를 배출하는 촤 배출구(400)와, 바이오매스의 열분해 가스를 전달받아 열분해 가스에 함유된 촤를 회수하는 사이클론(500)과, 사이클론(500)에서 촤가 제거된 열분해 가스로부터 바이오 오일을 응축시키는 열교환기(600)를 포함하여 구성되되, 열교환기(600)는 하면이 막힌 관 형상의 부재로 하면으로부터 일정높이로 오일(10)이 채워져 있고, 상부 외주면 일측에 가스배출관(611)이 있는 몸체(610)와, 몸체(610)의 상부 외주면 일측에 설치되는 것으로 몸체(610) 내부로 액체를 분사하는 분사노즐(620)과, 관 형상의 부재로 일단이 몸체(610)의 상면을 통해 관입되어 몸체(610) 내의 오일(10) 속에 담겨지도록 설치되되 타단은 몸체(610)의 상면에 고정되는 가스주입관(630)과, 관 형상의 부재로 몸체(610) 하부의 외주면 일측에 설치되는 오일배출관(640) 및, 일단이 몸체(610)의 하부 외주면 일측에 결합되고 타단이 분사노즐(620)에 결합되어 몸체(610) 내의 오일(10)이 몸체(610)의 상부로 공급되도록 하는 펌프(650)로 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본원발명의 바이오 오일 제조 시스템(1)은 유동층 반응기(100)와 사이클론(500)에서 배출, 제거된 촤, 상기 열분해 가스 내에 포함된 비응축 가스 및 유동층 반응기(100)에서 배출된 모래를 연소시키는 연소기(700);를 더 포함하여 구성되고, 연소기(700)에서 촤, 비응축 가스 및 모래를 연소시킨 고온의 가스를 가스 분산판(110)을 통하여 유동층 반응기(100)로 재순환되며, 연소기(700)에서 연소한 고온의 모래를 유동층 반응기(100) 하단에 구비된 모래 주입구(120)를 통해서 유동층 반응기(100)에 주입되어 열분해 반응에 필요한 일부 열을 제공할 수 있다.

본원발명은 유동층 반응기(100), 바이오매스 공급기(200), 가열기(300), 촤 배출구(400), 사이클론(500), 열교환기(600)로 구성되는 것으로 바이오매스가 열분해되어 생긴 가스의 발생 효율이 높고, 상기 가스가 오일에 직접 접촉되어 바이오 오일로 변화되는 수율이 높게 생성되도록 한 바이오 오일 제조 시스템(1)이다.

본 발명에서 개발된 유동층 반응기와 열교환기는 다음과 같은 특징이 있다.

본 발명의 유동층 반응기의 형상은 바이오매스가 열분해시 생성되는 가스의 생성비율이 최고로 될 수 있도록 최적화되어 있어 바이오 오일의 생산량이 높다. 즉, 본 발명은 기본의 방법보다 투입대비 열분해된 가스의 생성비율이 높아 경제적이다.

본 발명의 열교환기는 가스주입관 일단이 몸체 내의 오일 속에 있어 사이클론을 거쳐 들어오는 가스가 오일에 직접 접촉되어 오일로 변환되는 응축 수율이 높고, 또한 오일로 변화되지 않는 가스는 몸체 상부에 있는 분사노즐에 의해서 냉각 오일이 분무되어 오일로 변환되는 효과가 있다. 즉, 본원발명은 가스가 오일로 변화되는 과정을 2번 거치게 하여 응축 수율을 획기적으로 높인 발명이다. 또한, 본 발명은 열교환기의 몸체에 필터를 설치하여 사이클론에서 제거하지 못한 미세입자를 제거할 수 있어 전기집진기를 사용하지 않아도 되는 효과가 있다. 즉 본 발명은 전기집진기를 사용하지 않아도 됨으로 인해 초기 설치비 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 운영비 또한 절감할 수 있어 경제적이다.

유동층 반응기(100)는 바이오매스가 열분해되어 가스화되는 곳으로 상세하게는 가로(x), 세로(y), 높이(z)의 길이가 서로 다른 사각 기둥 형상으로 하부에 가스 분산판(110)을 갖추고 유동사를 이용하여 바이오매스를 급속 열분해시키는 사각형 컬럼 형태의 부재이다. 유동층 반응기(100)는 가열기(300)에 의해서 내외부가 가열되어 유동층 반응기(100) 내에서 급속 열분해 반응이 일어난다. 상기와 같이 바이오매스가 급속 열분해되면, 바이오매스로부터 바이오 오일(10)이 함유된 열분해 가스가 생성될 수 있다. 유동층 반응기(100)의 상부에는 열분해 가스가 배출되는 가스 배출구가 형성될 수 있다.

본 발명에서 상기 유동층 반응기(100)는 가로/세로의 길이가 다른 직사각형 바닥면을 기준으로 한 기둥(컬럼) 형상인 것을 특징으로 한다.

그 중에서도 열분해시 생성되는 가스의 비율이 높이기 위한 최적의 유동층 반응기(100)는 가로(x), 세로(y), 높이(z)의 비율이 16 : 1 : 20로 이루어진 사각 기둥 형상으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 유동층 반응기(100)의 가로(x)가 0.4m인 경우 세로(y)는 0.025m이고, 높이(z)는 0.5m로 이루어진다. 또는 유동층 반응기(100)의 가로(x)가 80m인 경우 세로(y)는 5m이고, 높이(z)는 100m로 이루어진다. 즉, 유동층 반응기(100)가 상기와 같은 가로(x), 세로(y), 높이(z)의 비율로 이루어져 있다면 바이오 오일의 수율을 증가시킬 수 있는 최적 형상이다. 상기와 같은 유동층 반응기(100)의 형상은 바이오매스가 열분해되어 가스화되는 가스량이 최대화될 수 있는 형상이다.

바이오매스 공급기(200)는 유동층 반응기(100)의 일측에 구비되어 바이오매스를 공급하는 구성이다. 바이오매스 공급기는 유동층 반응기(100)의 일측에 설치되어 유동층 반응기(100) 내부로 바이오매스를 원할히 공급할 수 있으면 다양한 형태와 재료가 사용될 수 있다.

가열기(300)는 가스 분산판의 하부에 설치되어 가스 분산판(110)에 공급되는 가스와 유동층 반응기(100)의 내외부를 가열하는 구성이다. 가열기는 가스 분산판(110)에 공급되는 가스와 유동층 반응기(100)의 내외부를 가열할 수 있으면 다양한 형태의 가열기가 사용될 수 있다.

촤 배출구(400)는 유동층 반응기(100)의 상부 일측에 설치되어 촤(char)를 배출하는 구성이다. 촤 배출구(400)는 유동층 반응기(100)에서 바이오매스가 열분해되어 생긴 촤가 배출될 수 있도록 유동층 반응기(100)에 설치되는 구성으로 바이오매스가 열분해될 때 촤를 용이하게 배출시킬 수 있으면 다양한 형태로 설치될 수 있다.

사이클론(500)는 바이오매스의 열분해 가스를 전달받아 열분해 가스에 함유된 촤를 회수하는 구성이다. 사이클론(500)은 촤 배출구로 배출되지 못한 것으로 열분해 가스에 함유된 나머지 촤를 회수하기 위하여 설치되는 구성이다. 사이클론(500)은 가스에 함유된 촤를 회수할 수 있으면 다양한 형태의 사이클론(500)이 이용될 수 있다. 또한, 사이클론(500)은 필요에 따라 복수 개가 연속적으로 배치될 수 있으며, 이에 따라 유동층 반응기(100)에서 배출된 열분해 가스는 복수 개의 사이클론(500)에 의해서 단계적으로 처리될 수 있다.

열교환기(600)는 사이클론(500)에서 촤가 제거된 열분해 가스로부터 바이오 오일(10)을 응축시키는 구성이다. 열교환기(600)는 하면이 막힌 관 형상의 부재로 하면으로부터 일정높이로 오일(10)이 채워져 있고, 상부 외주면 일측에 가스배출관(611)이 있는 몸체(610)와, 몸체(610)의 상부 외주면 일측에 설치되는 것으로 몸체(610) 내부로 액체를 분사하는 분사노즐(620)과, 관 형상의 부재로 일단이 몸체(610)의 상면을 통해 관입되어 몸체(610) 내의 오일(10) 속에 담겨지도록 설치되되 타단은 몸체(610)의 상면에 고정되는 가스주입관(630)과, 관 형상의 부재로 몸체(610) 하부의 외주면 일측에 설치되는 오일배출관(640) 및, 일단이 몸체(610)의 하부 외주면 일측에 결합되고 타단이 분사노즐(620)에 결합되어 몸체(610) 내의 오일(10)이 몸체(610)의 상부로 공급되도록 하는 펌프(650)로 구성되어 있다. 열교환기(600)는 가스를 응축시켜 오일로 변환시킬 수 있는 장치이면 다양한 장치가 사용될 수 있으나 본원발명에서는 가스가 오일로 변환되는 수율을 획기적으로 높이기 위하여 사이클론(500)을 거쳐 들어오는 가스가 직접 오일에 2번 접촉되도록 하는 구성으로 되어 있다. 즉, 본원발명의 열교환기(600)는 몸체(610), 분사노즐(620), 가스주입관(630), 오일배출관(640), 펌프(650)로 구성되는 것으로 바이오매스가 급속 열분해되어 생산된 가스가 바이오 오일(10)로 변환되는 수율이 높게 나오도록 하는 구성이다.

몸체(610)는 하면이 막힌 관 형상의 부재로 하면으로부터 일정높이로 오일(10)이 채워져 있고, 상부 외주면 일측에 가스배출관(611)이 있는 구성이다. 몸체(610)는 몸체(610)는 직접접촉 열교환기(600)의 바디에 해당하는 구성으로 열분해된 가스가 사이클론(500)을 거쳐 들어올 때 오일(10)에 직접 접촉이 되도록 하부에 오일(10)이 채워져 있는 부재이다. 몸체(610)는 상부 외주면 일측에 가스배출관(611)이 있는데 이는 몸체(610) 내의 작용에 의해서 오일(10)로 응축되지 않는 가스가 배출되는 관이다. 가스배출관(611)은 몸체(610) 내의 작용에 의해서 오일(10)로 응축되지 않는 가스가 배출될 수 있으면 다양한 형태로 제작되어 몸체(610) 상부 외주면 일측에 결합될 수 있다. 몸체(610)는 하면이 막힌 관 형상의 부재로 내부에 오일(10)을 담아 들어오는 가스를 오일(10)로 응축할 수 있으면 다양한 형태와 재료로 제작될 수 있다. 일예로 몸체(610)의 하부는 하면으로 갈수록 직경이 작아지게 형성될 수도 있고, 몸체(610)의 상부는 상면으로 갈수록 직경이 가스주입관(630)의 타단 크기로 작아지게 형성시킬 수 있다. 또한, 몸체(610)는 제작의 편의성을 위하여 몸체(610)를 전체적으로 3등분하여(상부, 중부, 하부) 각각 제작되고 그 결합(관이음)은 볼트나 용접으로 할 수 있다.

분사노즐(620)은 몸체(610)의 상부 외주면 일측에 설치되는 것으로 몸체(610) 내부로 액체를 분사하는 구성이다. 분사노즐(620)은 몸체(610)의 상부에 설치되어 가스에 오일(10)을 분사하여 오일(10)로 응축시키기 위한 구성이다. 즉, 분사노즐(620)은 열분해된 가스가 몸체(610)의 오일(10)에 직접 접촉되어 오일(10)로 변환되지 않은 가스를 다시 한번 오일(10)을 분사하여 오일(10)로 응축시키기 위한 구성이다. 즉, 분사노즐(620)은 오일(10)로 변환되지 않은 가스에 다시 한번 미세입자로 된 오일(10)을 분사하여 가스를 오일(10)로 변환시키는 구성으로 오일(10)의 생산량(가스가 오일로 변환되는 수율)을 높이기 위한 구성이다. 분사노즐(620)은 몸체(610)의 상부 외주면 일측에 다수개가 설치될 수 있는데 바람직하게는 1개 내지 4개가 설치되어 있어 가스를 용이하게 오일(10)로 응축시킬 수 있다. 분사노즐(620)은 뒤에서 설명하는 펌프(650)에 의해서 몸체(610) 하부에 있는 오일(10)을 전달받아 오일(10)을 분사하는 구성으로 통상적으로 기름을 분사할 수 있는 노즐이면 어떠한 것이든지 사용될 수 있다. 분사노즐(620)은 사용자의 제어에 의해서 움직이는 것으로 일정한 프로그램 또는 수동으로 작동될 수 있다.

가스주입관(630)은 관 형상의 부축되게 하는 것이다. 가스가 오일(10)에 직접 접촉되게 함으로서 가스가 오일(10)로 변환되는 수율을 높일 수 있다. 가스주입관(630)의 타단은 관통공이 있는 덮개판에 결합되어 몸체(610)의 상면에 고정될 수 있고, 몸체(610)의 상면이 가스주입관(630)의 직경만큼 작아지는 경우 용접, 볼트 등으로 몸체(610)의 상면에 고정시킬 수 있다. 가스주입관(630)은 열분해된 고온 가스의 통로가 될 수 있으면 다양한 형태와 재료가 사용될 수 있다.

오일배출관(640)은 관 형상의 부재로 상기 몸체(610) 하부의 외주면 일측에 설치되는 구성이다. 오일배출관(640)은 몸체(610) 내부에 있는 오일(10)이 배출되는 구성으로 가스가 응축되어 오일(10)이 일정높이로 올라오는 경우 이를 배출하는 구성이다. 즉, 오일배출관(640)은 열분해된 가스가 오일(10)로 응축되어 오일(10)이 늘어나는 경우 이를 몸체(610) 밖으로 배출시키는 구성이다. 오일배출관(640)은 상기 몸체(610) 하부의 외주면 일측에 설치되는 것으로 가스주입관(630)의 일단이 있는 부분보다 높게 설치된다. 오일배출관(640)이 가스주입관(630)의 일단보다 높게 설치될 수 있으면 사용자의 선택(몸체 내부에 있는 오일량: 가스가 직접 접촉되어 오일로 변화시킬 수 있는 오일량)에 따라 몸체(610)의 하부에 설치될 수 있다. 오일배출관(640)은 오일(10)을 배출할 수 있으면 다양한 형태와 재료가 사용될 수 있다.

펌프(650)는 일단이 몸체(610)의 하부 외주면 일측에 결합되고 타단이 분사노즐(620)에 결합되어 몸체(610) 내의 오일(10)이 몸체(610)의 상부로 공급되도록 하는 구성이다. 펌프(650)는 몸체(610) 내부에 있는 오일(10)을 이용하여 분사노즐(620)에 공급하는 구성으로 오일(10)이 몸체(610) 내부에서 순환되도록 하는 구성이다. 펌프(650)는 몸체(610) 하부에 있는 오일(10)을 몸체(610)의 상부에 있는 분사노즐(620)에 공급할 수 있으면 다양한 종류의 펌프(650)가 사용될 수 있다.

본원발명의 열교환기(600)는 열분해된 가스가 사이클론(500)을 거쳐 촤(char)를 제거한 가스라 하더라도 미세입자의 불순물이 있을 수 있어 오일(10)에 있는 미세입자를 제거하기 위하여 몸체(610) 내부에 필터가 설치될 수 있다. 필터는 오일(10) 속에 있는 미세입자를 제거할 수 있으면 다양한 종류의 필터가 사용될 수 있다. 본원발명에서 사용되는 필터는 아래와 같이 제1필터(660)와 제2필터(665)로 구분되어 있다.

제1필터(660)는 오일(10)에 있는 미세입자를 제거하는 것으로 가스주입관(630)의 일단 밑에 위치하도록 몸체(610) 하부 일측에 설치된다. 즉, 제1필터(660)는 가스주입관(630)의 일단과 일정간격 이격되도록 설치되는 것으로 펌프(650)에 의해서 오일(10)이 배출될 때 오일(10) 속에 있는 미세입자가 제1필터(660)에 의해서 걸러지게 됨으로 인해 분사노즐(620)이 작동될 때 분사노즐(620)이 막히는 현상을 방지할 수 있다. 제1필터(660)가 결합되는 몸체(610)의 내부면에 오일(10)이 통과되지 못하도록 하는 장치가 더 포함하여 구비될 수 있다.

제2필터(665)는 오일배출관(640)의 내부 관통공 일측에 설치되는 것으로 오일(10)에 있는 미세입자를 제거하는 구성이다. 제2필터(665)가 결합되는 곳(제2필터(665)와 오일배출관(640)의 내부면이 결합되는 곳) 역시 제1필터(660)와 마찬가지로 오일(10)이 통과되지 못하도록 하는 장치가 더 포함하여 구비될 수 있다.

본원발명의 열교환기(600)는 관 부재로 몸체(610) 내부의 오일(10)과 다수의 면이 접촉되도록 형성되도록 양단이 몸체(610) 하부의 외주면 일측에 설치되는 냉각관(670)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 냉각관(670)은 고온의 가스가 몸체(610) 내부의 오일(10)에 직접 접촉되어 오일(10)로 응축될 때 발생되는 열을 제어하기 위하여 설치되는 구성이다. 즉, 가스주입관(630)을 통해 배출된 고온의 가스가 오일(10)에 접촉될 때 오일(10)의 온도가 상승되어 이를 제어하지 못하면 가스가 오일(10)로 변환되는 량이 급격히 줄어드는 문제가 있어 오일(10)의 응축 수율을 높이기 위하여 오일(10)의 일정한 온도의 유지는 매우 중요하다. 냉각관(670)은 내부 공간에 냉매를 순환시켜 오일(10)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있으면 다양한 형태로 설치될 수 있다. 일예로 냉각관(670)은 코일 스프링 형상의 관 부재로 양단이 몸체(610) 하부의 외주면 일측에 설치되되 가스주입관(630)이 코일 스프링 형상의 내부공간에 있도록 설치될 수 있다. 상기와 같이 냉각관(670)을 설치하는 이유는 오일(10)에 접촉되는 냉각관(670)의 표면적을 늘리기 위한 것이다.

연소기(700)는 유동층 반응기(100)와 사이클론(500)에서 배출, 제거된 촤, 상기 열분해 가스 내에 포함된 비응축 가스 및 유동층 반응기(100)에서 배출된 모래를 연소시키는 구성이다. 연소기(700)는 촤, 비응축 가스 및 모래를 연소시킨 고온의 가스를 가스 분산판(110)을 통하여 유동층 반응기(100)로 재순환 시키는 역할을 하는 구성으로 연소기(700)에서 연소한 고온의 모래가 유동층 반응기(100) 하단에 구비된 모래 주입구(120)를 통해서 유동층 반응기(100)에 주입되어 열분해 반응에 필요한 일부 열을 제공할 수 있다. 즉, 연소기는 바이오 오일 제조 시스템(1)에서 오일(10) 제조시 사용되는 에너지를 낭비하지 않고, 바이오 오일 제조 시스템(1)에서 재순환시켜 사용될 수 있도록 하는 구성으로 본 발명의 에너지 효율을 높이는 구성이다.

또한, 본원발명의 가스 분산판(110)에 공급되는 가스는 제습기(20)를 통과하여 수분이 제거된 가스이고, 제습기(20)와 가스 분산판(110) 사이에는 레귤레이터(30) 및 유량계(40)가 연결되어 있으며, 레귤레이터(30) 및 유량계(40)에 의해서 가스 유량을 제어하여 유동층 반응기(100) 내의 가스 유속(U/Umf)을 조절할 수 있다..

본원발명에서 사용되는 가스 유속(U/Umf)은 1.1 내지 1.3이 되도록 제어할 수 있는데 이는 바이오매스가 효율적으로 열분해될 수 있도록하는 유속이다. .

또한, 본원발명은 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기(100)와 직접접촉 열교환기(600)를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템(1)을 이용한 바이오 오일 제조방법에 관한 것으로 상세하게는 바이오매스가 급속 열분해되어 생산된 가스를 응축시켜 바이오 오일을 만드는 바이오 오일 제조방법에 있어서, (a) 유동층 반응기(100)에 바이오매스가 공급되고, 공급된 바이오매스에 고온의 유동사가 공급되어 혼합되는 단계와, (b) 유동층 반응기(100)에 고온의 가스가 주입된 후, 유동층 반응기(100)의 내외부가 가열되어 바이오매스가 급속 열분해되는 단계와, (c) (b) 단계에서 유동층 반응기(100)에 주입되는 가스 유량이 제어되어 유동층 반응기(100) 내의 가스 유속(U/Umf)이 제어되는 단계와, (d) 급속 열분해 과정에서 발생한 촤(char)가 배출되는 단계와, (e) 급속 열분해 과정에서 발생되는 열분해 가스를 전달받아 사이클론(500)이 이용되어 (d) 단계에서 걸러지지 않은 마이크로 촤가 제거되는 단계와, (f) (e)단계에서 촤가 제거된 열분해 가스가 열교환기(600)에 설치된 가스주입관630)을 통해 열교환기(600)의 내부에 있는 오일(10)에 직접 접촉되는 방법으로 응축되어 바이오 오일이 추출되고, 바이오 오일로 변환되지 않는 가스는 열교환기(600)의 상부에 있는 분사노즐(620)에서 분사되는 오일에 의하여 다시 한번 응축되어 바이오 오일이 추출되는 단계 및 (g) 유동층 반응기(100)에서 일부 배출된 모래, 유동층 반응기(100)를 거쳐 사이클론(500)을 통하여 배출, 제거된 촤 및 상기 열분해 가스에 포함된 비응축 가스가 연소되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본원발명은 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기(100)와 직접접촉 열교환기(600)를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템(1)을 이용한 바이오 오일 제조방법에 관한 것으로 (a)단계 내지 (g)단계로 구성되어 있다.

본원발명에서 설명되어 지지 않는 상세한 구성은 상기 바이오 오일 제조 시스템(1)에서 설명되어 진 것으로 한다.

(a)단계는 유동층 반응기(100)에 바이오매스가 공급되고, 공급된 바이오매스에 고온의 유동사가 공급되어 혼합되는 단계이다. (a)단계는 바이오매스가 열분되어 가스를 생산하기 위한 준비단계로 유동층 반응기에 바이오매스가 공급되는 단계이다.

유동층 반응기(100)는 다양한 사이즈로 제작될 수 있으나 바람직하게는 가로(x), 세로(y), 높이(z)의 비율이 16 : 1 : 20로 이루어진 사각 기둥 형상으로 이루어져 있다.

(b)단계는 유동층 반응기(100)에 고온의 가스가 주입된 후, 유동층 반응기(100)의 내외부가 가열되어 바이오매스가 급속 열분해되는 단계이다. (b)단계는 바이오매스가 열분해되어 가스가 생산되는 단계이다.

(c)단계는 유동층 반응기(100)에 주입되는 가스 유량이 제어되어 유동층 반응기(100) 내의 가스 유속(U/Umf)이 제어되는 단계이다. (c)단계에서 제어되는 상기 유동층 반응기(100) 내의 가스 유속(U/Umf)은 1.1 내지 1.3인 것이 적당하다. (c) 단계의 가스 유속 제어는 유동층 반응기(100)에 고온의 가스가 주입될 때, 레귤레이터(30) 및 유량계(40)에 의해서 자동으로 가스의 유량을 조절하여 유동층 반응기(100)에 주입되는 가스의 유속을 제어할 수 있다.

(d) 급속 열분해 과정에서 발생한 촤(char)가 배출되는 단계이다. 촤가 유동층 반응기(100)에 남아 있는 경우 열분해된 가스의 생성율이 좋지 못함으로 빠르게 제거해야 한다.

(e)단계는 급속 열분해 과정에서 발생되는 열분해 가스를 전달받아 사이클론(500)이 이용되어 (d) 단계에서 걸러지지 않은 마이크로 촤가 제거되는 단계이다. (e)단계는 열분해 가스에 포함된 촤를 제거하는 단계로서 상황에 따라 다수의 사이클론(500)이 설치되어 있을 수 있다.

(f)단계는 (e)단계에서 촤가 제거된 열분해 가스가 열교환기(600)에 설치된 가스주입관630)을 통해 열교환기(600)의 내부에 있는 오일(10)에 직접 접촉되는 방법으로 응축되어 바이오 오일이 추출되고, 바이오 오일로 변환되지 않는 가스는 열교환기(600)의 상부에 있는 분사노즐(620)에서 분사되는 오일에 의하여 다시 한번 응축되어 바이오 오일이 추출되는 단계이다. 즉, (f)단계는 열분해된 가스가 바이오 오일로 변환되는 단계로서 바이오 오일로 변환되는 수율을 높이기 위하여 열분해된 가스가 오일에 직접 2번 접촉되도록 하는 단계이다.

또한, (f) 단계에서 분사노즐(620)은 펌프(650)가 사용되어 열교환기(600)의 내부에 있는 오일(10)이 공급되어 분사될 수 있다. 상기와 같은 작용에 의해서 열교환기(600) 내부에서 오일이 순환되어 좀 더 효율이 높은 오일이 생산될 수 있다. 오일(10)에 있는 미세입자를 제거하여 분사노즐(620)이 막히는 것을 방지하는 것으로 가스주입관(630)의 일단 밑에 위치하도록 열교환기(600)의 하부 일측에 설치되는 제1필터(660)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 제1필터(660)는 사이클론(500)에서 미쳐 제거하지 못한 미세입자를 제거할 수 있는 구성이다.

(f) 단계에서 상기 열교환기(600) 내부의 오일(1)과 다수의 면이 접촉되도록 형성된 것으로 양단이 상기 열교환기(600) 하부의 외주면 일측에 냉각관(670)이 설치되어 열교환기(600) 내부의 오일(10)을 냉각할 수 있다. (f)단계는 열분해된 가스가 직접 오일에 접촉되어 바이오 오일로 전화되는 단계로서 가스가 오일로 변화되는 수율을 높이기 위하여 열교환기(600) 내부에 있는 오일을 냉각하는 단계이다. 즉, 오일의 온도가 높으면 열분해된 가스가 오일로 변환되는 수율이 낮아질 수 있으므로 이를 방지하고자 함이다. 냉각관(670)은 다양한 형태로 제작될 수 있으나 바람직하게는 코일 스프링 형상의 관 부재로 양단이 열교환기(600) 하부의 외주면 일측에 설치되되 가스주입관(630)이 코일 스프링 형상의 내부공간에 있도록 설치될 수 있다.

본원발명은 (g) 단계에서 연소시켜 발생한 고온의 가스를 상기 (b) 단계의 고온의 가스로 사용하여 재순환시키는 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다(h단계). 또한, 상기 (g) 단계에서 연소시켜 제조한 고온의 모래를 상기 유동층 반응기(100)에 주입하여 고온의 유동사로 사용하여 열분해 반응에 필요한 열을 일부 제공하는 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다(i단계).

상기 (h)단계와 (i)단계는 바이오 오일 제조방법에서 오일(10) 제조시 사용되는 에너지를 낭비하지 않고, 바이오 오일 제조방법에서 재순환시켜 사용될 수 있도록 하는 구성으로 본 발명의 에너지 효율을 높이는 구성이다.

이상으로 본 발명에 따른 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템 및 이를 이용한 바이오 오일 제조방법의 바람직한 실시예를 설명하였으나 이는 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 작용이 제한되지는 아니하는 것으로, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 도면 또는 도면을 참조한 설명에 의해 한정／제한되지는 아니하는 것이다. 또한 본 발명에서 제시된 발명의 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로써 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 사용되어질 수 있을 것인데, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의한 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허청구범위에서 기술되는 본 발명의 기술적 범위에 구속되는 것으로서, 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능한 것이다.

1 : 바이오 오일 제조 시스템
10 : 오일 20 : 제습기
30 : 레귤레이터 40 : 유량계
100 : 유동층 반응기 110 : 가스 분산판
200 : 바이오매스 공급기
300 : 가열기
400 : 촤 배출구
500 : 사이클론
600 : 열교환기
610 : 몸체 611 : 가스배출관
620 : 분사노즐 630 : 가스주입관
640 : 오일배출관 650 : 펌프
660 : 제1필터 665 : 제2필터
670 : 냉각관

Claims

바이오매스가 급속 열분해되어 생산된 가스를 응축시켜 바이오 오일을 만드는 바이오 오일 제조 시스템에 있어서,
가로(x), 세로(y), 높이(z)의 길이가 서로 다른 사각 기둥 형상으로 하부에 가스 분산판(110)을 갖추고 유동사를 이용하여 바이오매스를 급속 열분해시키는 사각형 컬럼 형태의 유동층 반응기(100);
상기 유동층 반응기(100)의 일측에 구비되어 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급기(200);
상기 가스 분산판(110)에 공급되는 가스와 상기 유동층 반응기(100)의 내외부를 가열하는 가열기(300);
상기 유동층 반응기(100)의 상부 일측에 설치되어 촤(char)를 배출하는 촤 배출구(400);
상기 바이오매스의 열분해 가스를 전달받아 열분해 가스에 함유된 촤를 회수하는 사이클론(500);
상기 사이클론(500)에서 촤가 제거된 열분해 가스로부터 바이오 오일을 응축시키는 열교환기(600);를 포함하여 구성되되,
상기 열교환기(600)는
하면이 막힌 관 형상의 부재로 하면으로부터 일정높이로 오일(10)이 채워져 있고, 상부 외주면 일측에 가스배출관(611)이 있는 몸체(610);
상기 몸체(610)의 상부 외주면 일측에 설치되는 것으로 상기 몸체(610) 내부로 액체를 분사하는 분사노즐(620);
관 형상의 부재로 일단이 상기 몸체(610)의 상면을 통해 관입되어 상기 몸체(610) 내의 오일(10) 속에 담겨지도록 설치되되 타단은 상기 몸체(610)의 상면에 고정되는 가스주입관(630);
관 형상의 부재로 상기 몸체(610) 하부의 외주면 일측에 설치되는 오일배출관(640);
일단이 상기 몸체(610)의 하부 외주면 일측에 결합되고 타단이 상기 분사노즐(620)에 결합되어 상기 몸체(610) 내의 오일(10)이 상기 몸체(610)의 상부로 공급되도록 하는 펌프(650); 및,
오일(10)에 있는 미세입자를 제거하는 것으로 상기 가스주입관(630)의 일단 밑에 위치하도록 상기 몸체(610) 하부 일측에 설치되는 제1필터(660)로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 바이오 오일 제조 시스템(1)은 상기 유동층 반응기(100)와 사이클론(500)에서 배출, 제거된 촤, 상기 열분해 가스 내에 포함된 비응축 가스 및 유동층 반응기(100)에서 배출된 모래를 연소시키는 연소기(700);를 더 포함하여 구성되고,
상기 연소기(700)에서 촤, 비응축 가스 및 모래를 연소시킨 고온의 가스를 상기 가스 분산판(110)을 통하여 상기 유동층 반응기(100)로 재순환시키며, 상기 연소기(700)에서 연소한 고온의 모래를 상기 유동층 반응기(100) 하단에 구비된 모래 주입구(120)를 통해서 상기 유동층 반응기(100)에 주입하여 상기 열분해 반응에 필요한 일부 열을 제공하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 가스 분산판(110)에 공급되는 가스는 제습기(20)를 통과하여 수분이 제거된 가스이고, 상기 제습기(20)와 가스 분산판(110) 사이에는 레귤레이터(30) 및 유량계(40)가 연결되어 있으며, 상기 레귤레이터(30) 및 유량계(40)에 의해서 가스 유량을 제어하여 상기 유동층 반응기(100) 내의 가스 유속(U/Umf)을 조절하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템.
제3항에 있어서,
상기 가스 유속(U/Umf)은 1.1 내지 1.3이 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 유동층 반응기(100)는 가로(x), 세로(y), 높이(z)의 비율이 16 : 1 : 20로 이루어진 사각 기둥 형상인 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 오일배출관(640)의 내부 관통공 일측에 설치되는 것으로 오일(10)에 있는 미세입자를 제거하는 제2필터(665)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템.
제1항에 있어서,
관 부재로 상기 몸체(610) 내부의 오일(10)과 다수의 면이 접촉되도록 형성되도록 양단이 상기 몸체(610) 하부의 외주면 일측에 설치되는 냉각관(670)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템.
제8항에 있어서,
상기 냉각관(670)은
코일 스프링 형상의 관 부재로 양단이 상기 몸체(610) 하부의 외주면 일측에 설치되되 상기 가스주입관(630)이 코일 스프링 형상의 내부공간에 있도록 설치되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 분사노즐(620)은 상기 몸체(610) 상부 외주면 일측에 1개 내지 4개가 설치되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 몸체(610)의 하부는 하면으로 갈수록 직경이 작아지는 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 몸체(610)의 상부는 상면으로 갈수록 직경이 상기 가스주입관(630)의 타단 크기로 작아지는 것을 특징으로 하는 바이오매스 급속열분해용 유동층 반응기와 직접접촉 열교환기를 포함하는 바이오 오일 제조 시스템.
바이오매스가 급속 열분해되어 생산된 가스를 응축시켜 바이오 오일을 만드는 바이오 오일 제조방법에 있어서,
(a) 유동층 반응기(100)에 바이오매스를 공급하고, 상기 공급된 바이오매스에 고온의 유동사가 공급되어 혼합되는 단계;
(b) 상기 유동층 반응기(100)에 고온의 가스가 주입된 후, 상기 유동층 반응기(100)의 내외부가 가열되어 바이오매스가 급속 열분해되는 단계;
(c) 상기 (b) 단계에서 상기 유동층 반응기(100)에 주입되는 가스 유량이 제어되어 상기 유동층 반응기(100) 내의 가스 유속(U/Umf)이 제어되는 단계;
(d) 상기 급속 열분해 과정에서 발생한 촤(char)가 배출되는 단계;
(e) 상기 급속 열분해 과정에서 발생되는 열분해 가스를 전달받아 사이클론(500)이 이용되어 상기 (d) 단계에서 걸러지지 않은 마이크로 촤가 제거되는 단계;
(f) 상기 촤가 제거된 열분해 가스가 열교환기(600)에 설치된 가스주입관630)을 통해 열교환기(600)의 내부에 있는 오일(10)에 직접 접촉되는 방법으로 응축되어 바이오 오일이 추출되고, 바이오 오일로 변환되지 않는 가스는 열교환기의 상부에 있는 분사노즐(620)에서 분사되는 오일에 의하여 다시 한번 응축되어 바이오 오일이 추출되는 단계; 및
(g) 상기 유동층 반응기(100)에서 일부 배출된 모래, 상기 유동층 반응기(100)를 거쳐 사이클론(500)을 통하여 배출, 제거된 촤 및 상기 열분해 가스에 포함된 비응축 가스가 연소되는 단계로 구성되되,
상기 (f) 단계에서 상기 분사노즐(620)은 펌프(650)가 사용되어 열교환기(600)의 내부에 있는 오일(10)이 공급되어 분사되고, 상기 가스주입관(630)의 일단 밑에 위치하도록 상기 열교환기(600)의 하부 일측에 제1필터(660)가 설치되어 오일(10)에 있는 미세입자를 제거하여 상기 분사노즐(620)이 막히는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 바이오 오일 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 (c) 단계의 가스 유속 제어는 상기 유동층 반응기(100)에 고온의 가스가 주입될 때, 레귤레이터(30) 및 유량계(40)에 의해서 자동으로 가스의 유량을 조절하여 상기 유동층 반응기(100)에 주입되는 가스의 유속을 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오 오일 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 제어되는 상기 유동층 반응기(100) 내의 가스 유속(U/Umf)은 1.1 내지 1.3인 것을 특징으로 하는 바이오 오일 제조방법.
제13항에 있어서,
상기 유동층 반응기(100)는 가로(x), 세로(y), 높이(z)의 비율이 16 : 1 : 20로 이루어진 사각 다른 사각 기둥 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오 오일 제조방법.
제13항에 있어서,
(h) 상기 (g) 단계에서 연소시켜 발생한 고온의 가스를 상기 (b) 단계의 고온의 가스로 사용하여 재순환시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 오일 제조방법.
제17항에 있어서,
(i) 상기 (g) 단계에서 연소시켜 제조한 고온의 모래를 상기 유동층 반응기(100)에 주입하여 고온의 유동사로 사용하여 열분해 반응에 필요한 열을 일부 제공하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 오일 제조방법.
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제13항에 있어서,
상기 (f) 단계에서 상기 열교환기(600) 내부의 오일(1)과 다수의 면이 접촉되도록 형성된 것으로 양단이 상기 열교환기(600) 하부의 외주면 일측에 냉각관(670)이 설치되어 열교환기(600) 내부의 오일(10)을 냉각하는 것을 특징으로 하는 바이오 오일 제조방법.
제21항에 있어서,
상기 냉각관(670)은
코일 스프링 형상의 관 부재로 양단이 상기 열교환기(600) 하부의 외주면 일측에 설치되되 상기 가스주입관(630)이 코일 스프링 형상의 내부공간에 있도록 설치되는 것을 특징으로 하는 바이오 오일 제조방법.