KR101584175B1

KR101584175B1 - 활성탄 제조방법 및 제조장치

Info

Publication number: KR101584175B1
Application number: KR1020140141727A
Authority: KR
Inventors: 김주식
Original assignee: 서울시립대학교 산학협력단
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2016-01-13

Abstract

본 발명은 간단한 구조로 생산비를 저감하여 효율적으로 활성탄을 제조할 수 있는 활성탄 제조장치 및 그것을 이용한 활성탄 제조방법에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 보조연료와 공기가 연소실에 주입되는 단계; 상기 연소실에 의한 열원에 의하여 바이오매스를 포함하는 반응기에서 생성가스가 발생되는 단계; 상기 생성가스는 피드백부를 통과하고 다시 연소실로 주입되어 연소열을 발생시키는 단계; 상기 연소실에서 연소되어 발생되는 활성화제가 상기 연소실을 빠져나와 다시 상기 반응기로 주입되는 단계를 포함하여 수행되는 활성탄 제조방법을 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 활성탄을 제조함에 있어서 생산단가를 저감하여 저렴한 비용으로 생산성을 향상시키고 고품질의 활성탄을 제조할 수 있는 이점이 있다.

Description

활성탄 제조방법 및 제조장치{Producing method and apparatus for activated carbon}

본 발명은 활성탄 제조방법 및 제조장치에 관한 것이며, 구체적으로 간단한 구조로 생산비를 저감하여 효율적으로 활성탄을 제조할 수 있는 활성탄 제조장치 및 그것을 이용한 활성탄 제조방법에 관한 것이다.

활성탄은 높은 흡착성을 지닌 탄소질 물질로서 목탄 따위를 활성화하여 제조된다. 이러한 활성탄은 다공질이어서 색소나 냄새를 잘 빨아들이므로 탈색, 정제, 촉매, 방독면 등에 널리 사용되고 있다.

활성탄 생산을 위한 활성화 공정은 물리적 활성화와 화학적 활성화로 구분될 수 있다. 화학적 활성화는 산 또는 염기로 활성탄을 처리함으로써 수행될 수 있고, 물리적 활성화는 수증기, 이산화탄소 및 공기 등의 산화성 기체로 활성탄 전구체를 처리함으로써 수행될 수 있다. 일반적으로 물리적 활성화는 열분해 공정과 활성화 공정의 2단계를 포함한다. 상기 열분해 공정은 바이오매스와 같은 원료를 가열하여 탈수, 탈산 등의 분해가 일어날 수 있게 하여 물, 일산화탄소 및 이산화탄소 등의 휘발성분을 제거하는 단계이다. 그 후에 활성화 공정을 통해 활성탄의 다공질 구조를 형성할 수 있다.

하지만, 활성탄 제조를 위해 바이오매스 또는 바이오촤를 활성화할 때 사용되는 활성화제인 CO₂, H₂O 등을 사용하거나 생산하기 위해 드는 비용이 상당히 많이 소요되므로 활성탄 제조시 소요되는 비용을 저감시키는 동시에 높은 생산성을 유지할 수 있는 방안이 요청되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저렴한 비용으로 활성탄을 제조할 수 있으며, 동시에 생산성 및 품질을 저하시키지 않는 활성탄 제조방법 및 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 보조연료와 공기가 연소실에 주입되는 단계; 상기 연소실에 의한 열원에 의하여 바이오매스를 포함하는 반응기에서 생성가스가 발생되는 단계; 상기 생성가스는 피드백부를 통과하고 다시 연소실로 주입되어 연소열을 발생시키는 단계; 상기 연소실에서 연소되어 발생되는 활성화제가 상기 연소실을 빠져나와 다시 상기 반응기로 주입되는 단계를 포함하여 수행되는 활성탄 제조방법을 제공한다.

상기 연소실은 상기 반응기의 외부에 위치하고, 상기 피드백부는 상기 연소실의 외부에 위치하며, 상기 생성가스는 반응기의 상부에 구비되는 가스유도부를 통해 상기 피드백부로 이동되는 것이 바람직하다.

상기 활성화제는 응축기를 통과하고 열교환기에 의하여 가열된 후 상기 반응기로 주입되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 또한, 바이오매스와 활성화제를 반응시켜 활성탄을 생성하는 반응기; 상기 반응기에서 생성되는 생성가스가 이동되는 피드백부; 상기 피드백부를 통과한 생성가스가 주입되어 연소되는 연소실을 포함하며, 상기 연소실에서 연소되어 생성된 활성화제는 다시 상기 반응기로 주입되는 활성탄 제조장치를 제공한다.

상기 가스유도부의 측면에는 생성가스가 주입되는 생성가스주입구가 구비되며, 상기 가스유도부의 하부에는 아래로 경사진 입자유도부 및 입자배출구가 구비되는 것이 바람직하다.

상기 활성화제는 응축기를 통과하고 열교환기에 의하여 가열된 후 상기 반응기로 주입될 수 있다.

본 발명에 의하면, 활성탄을 제조함에 있어서 생산단가를 저감하여 저렴한 비용으로 생산성을 향상시키고 고품질의 활성탄을 제조할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 활성탄 제조장치의 구성을 나타내는 구성도;
도 2는 본 발명에 의한 활성탄 제조과정을 설명하기 위한 순서도.

본 발명의 실시예의 구성 및 작용에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 활성탄 제조장치는 반응기(100), 연소실(200), 피드백부(300), 가스유도부(120), 응축기(400), 열교환기(500)를 포함하여 구성된다.

상기 반응기(100)는 목탄 등의 바이오매스(110)를 이용하여 활성탄을 생성시키는 곳으로서, 외부로부터 공급되는 열원 및 CO₂, H₂O 등의 활성화제를 이용하여 활성탄을 생성시킨다.

상기 바이오매스는 크게 목질계 바이오매스와 초본계 바이오매스로 구분될 수 있다. 상기 목질계 바이오매스는 구체적으로 아카시아 나무, 참나무, 대나무, 고무나무, 단풍나무, 야자수 나무, 소나무 및 오크 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 초본계 바이오매스는 구체적으로 볏짚, 옥수수대, 사탕수수대, 보리대 및 갈대 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 활성탄 제조장치에서 생성되는 활성탄은 기공의 크기가 10 내지 500Å일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 보통 활성탄은 500m²/g 이상의 비표면적을 가지며, 본 발명에 의해 얻어지는 활성탄의 비표면적은 700 내지 1130m²/g일 수 있다.

상기 반응기(100)의 상부에는 가스유도부(120)가 구비된다. 상기 가스유도부는 바이오매스에 열원을 가해 생성되는 생성가스가 주입되어 후술할 피드백부로 이동되는 통로이다. 즉, 상기 가스유도부(120)의 측면에는 생성가스가 주입되는 생성가스주입구(122)가 구비되며, 상기 가스유도부의 상부에는 주입된 생성가스를 피드백부로 이동시켜 주는 피드백이동관(128)이 구비되고, 상기 가스유도부의 하부에는 입자유도부(124) 및 입자배출구(126)가 구비된다.

상기 생성가스는 연소실의 열원에 의하여 반응기에서 생성되는 가스로서, CO₂, CO, CH₄, C_nH_m 등의 가스가 생성가스로서 생성될 수 있다.

상기 입자유도부(124)는 생성가스 이외의 미세 고형산물(바이오매스 또는 활성탄)이 반응기 외부로 나가지 않고 다시 반응기 내부로 돌아오도록 유도하여 주는 역할을 한다. 즉, 상기 입자유도부(124)는 아래로 경사진 원추형상으로 구비되어 있어 생성가스주입구(122)로 주입된 생성가스는 원심력을 일으키고 이에 의해 생성가스내 입자들은 그들의 크기, 밀도차에 의해 분리되며, 입자 중 비교적 크거나 무거운 입자는 아래로 내려가면서 모이게 한다. 상기 입자유도부(124)의 가운데 가장 낮은 부분은 입자배출구(126)와 연통되어 입자들이 다시 반응기 내부로 내려오게 된다.

상기 피드백이동관(128)은 연소실(200)을 관통하여 피드백부(300)로 연결되며, 생성가스를 피드백부(300)로 안내하여 준다.

본 발명의 실시예에 의하면, 반응기(100) 외부는 연소실(200)과 접촉하게 되고, 상기 연소실 외부에는 피드백부(300)가 구비된다.

상기 피드백부(300)의 일단은 연소실(200)로 연결되어 반응기로부터 주입된 생성가스는 피드백부를 거쳐 다시 연소실로 주입된다.

상기 연소실(200)에서는 주입되는 생성가스와 함께 외부의 공기가 주입되어 연소가 일어나게 된다. 이때 연소실에 주입되는 공기는 상기 생성가스의 양에 따라 적절히 조절되는 것이 바람직하다.

상기 연소실에서 연소 후 생성된 가스의 주성분은 CO₂ 또는 H₂O 이며, 연소실에서 배출되는 이 가스는 응축기(400)를 거치면서 다른 불순물이 걸러지게 된다. 응축기를 거치면서 온도가 낮아진 상기 연소가스는 열교환기(500)를 거치면서 다시 온도가 올라가게 되고, 열교환기를 거친 연소가스는 활성화제로서 다시 반응기로 주입된다.

상기 활성화제가 반응기로 주입되면, 다음과 같이 바이오매스의 탄소와 화학반응하여 탄소성분이 제거됨과 동시에 기공이 발달하여 활성탄이 생성된다.

C + CO₂ → 2CO

C + H₂O → CO + H₂

다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 활성탄 제조장치를 이용한 활성탄 제조과정에 대하여 설명한다.

먼저, 반응기의 외부에 인접한 연소실에는 보조연료 주입구가 형성되어 있다. 처음 반응기에서 생성가스를 생성시기키 위해 LPG와 같은 보조연료를 사용할 수 있다. 이러한 보조연료를 공기주입구를 통해 주입되는 공기와 함께 주입시키면 발열반응으로 인해 반응기가 가열된다.

그러면, 반응기 내부에 수용되어 있는 바이오매스로부터 CO₂, CO, CH₄, C_nH_m와 같은 생성가스가 생성되어 반응기의 상부로 이동하면서 가스유도부로 주입된다. 이때, 생성가스 이외의 미세 고체입자(바이오매스 또는 활성탄)도 같이 주입될 수가 있는데, 대부분의 고체입자는 가스유도부의 하부에 구비된 입자유도부 및 입자배출구를 통해 다시 반응기로 돌아오게 된다.

가스유도부로 주입된 생성가스는 가스유도부의 상부에 구비된 피드백이동관을 통해 외부의 연소실을 관통하여 피드백부로 이동하게 된다. 가장 외부에 설치되는 피드백부를 통과한 생성가스는 다시 연소실로 주입된다. 이때, 생성가스의 양에 따라 외부에서 연소실로 공기가 주입되며, 생성가스와 공기와의 연소반응에 의하여 생성가스는 연소실 내에서 연소되고, 연소 후 발생되는 CO₂ 또는 H₂O와 같은 연소 생성가스는 응축기 및 열교환기를 거쳐 다시 반응기로 주입된다. 이때, 연소 생성가스외의 불순물은 바이패스를 통해 걸러질 수 있다.

이후, CO₂ 또는 H₂O와 같은 활성화제와 바이오매스와의 화학반응에 의하여 활성탄이 생성된다.

상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 반응기 120 : 가스유도부
122 : 생성가스주입구 124 : 입자유도부
126 : 입자배출구 128 : 피드백이동관
200 : 연소실 300 : 피드백부
400 : 응축기 500 : 열교환기

Claims

보조연료와 공기가 연소실에 주입되는 단계;
상기 연소실에 의한 열원에 의하여 바이오매스를 포함하는 반응기에서 생성가스가 발생되는 단계;
상기 생성가스는 피드백부를 통과하고 다시 연소실로 주입되어 연소열을 발생시키는 단계;
상기 연소실에서 연소되어 발생되는 활성화제가 상기 연소실을 빠져나와 다시 상기 반응기로 주입되는 단계를 포함하여 수행되며,
상기 연소실은 상기 반응기의 외부에 인접하게 설치되어 상기 연소실에 의한 열원이 상기 반응기로 전달되고, 상기 피드백부는 상기 연소실의 외부에 위치하며, 상기 생성가스는 반응기의 상부에 구비되는 가스유도부를 통해 상기 피드백부로 이동되는 것을 특징으로 하는 활성탄 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 활성화제는 응축기를 통과하고 열교환기에 의하여 가열된 후 상기 반응기로 주입되는 것을 특징으로 하는 활성탄 제조방법.
바이오매스와 활성화제를 반응시켜 활성탄을 생성하는 반응기;
상기 반응기에서 생성되는 생성가스가 이동되는 피드백부;
상기 반응기 외부에 인접하게 설치되고 상기 피드백부를 통과한 생성가스가 주입되어 연소되는 연소실을 포함하며,
상기 연소실에 의한 열원이 상기 반응기로 전달되고 상기 연소실에서 연소되어 생성된 활성화제는 다시 상기 반응기로 주입되는 활성탄 제조장치.
제4항에 있어서,
상기 피드백부는 상기 연소실의 외부에 위치하며, 상기 생성가스는 반응기의 상부에 구비되는 가스유도부를 통해 상기 피드백부로 이동되는 것을 특징으로 하는 활성탄 제조장치.
제5항에 있어서,
상기 가스유도부의 측면에는 생성가스가 주입되는 생성가스주입구가 구비되며, 상기 가스유도부의 하부에는 아래로 경사진 입자유도부 및 입자배출구가 구비되는 것을 특징으로 하는 활성탄 제조장치.
제4항에 있어서,
상기 활성화제는 응축기를 통과하고 열교환기에 의하여 가열된 후 상기 반응기로 주입되는 것을 특징으로 하는 활성탄 제조장치.