KR101598576B1 - 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법은 페이스트를 예열된 드럼 내부에 충진한 상태에서 상기 드럼의 회전과 동시에 새로운 페이스트 및 열풍을 드럼 내부로 공급하면서 친수성 바이오메스를 분사하여 새롭게 투입되는 페이스트에 도포시키고, 상기 드럼 내부에서 교반되는 페이스트의 반복적인 낙차 및 이동 과정에서 페이스트에 함유된 수분, 휘발분을 증발시키는 건조단계, 페이스트 표면에 친수성 바이오메스의 함침단계 및 상기 친수성 바이오메스의 탄화단계로 이루어진다.

Description

액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치 및 제조방법{Impregnation of biomass coal, advanced manufacturing equipment and manufacturing method}

본 발명은 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고수분의 저급탄에 함유된 수분 및 휘발분을 증발시킨 다음 저급탄 표면 및 기공에 바이오메스를 함침 및 코팅시켜 발열량이 높은 고품위 탄을 제조하기 위한 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

최근 지속적으로 상승하는 유가와 원자력 에너지의 안정성에 대한 불신 등의 원인으로 에너지원으로서의 석탄에 대한 관심이 다시 고조되고 있다. 2007년 기준으로 전체 화석연료 가채매장량은 현재의 화석연료소비 수준으로 고려할 때 향후 약100년을 더 소비할 수 있는 수준이며 그 중 약 60%를 차지하는 화석연료가 바로 석탄이다.

특히 갈탄과 아역청탄과 같은 저급탄이 차지하는 매장량은 전체 석탄 매장량의 50%에 달하여 저급탄 고부가가치화 기술이 절실히 요구되고 있다.

그러나 저급탄을 효율적으로 이용하기 위해서는 극복해야 할 일부 중요한 문제가 상존하고 있다.

실제로 석탄화력 발전소의 경우에는 고급탄 공급의 어려움을 해결하기 위해 저급탄을 혼소하고 있는데, 저급탄의 높은 고유수분함량(20-65wt%) 때문에 발전효율이 감소되고 이에 따른 CO2 발생량이 고급탄에 비해 20%이상 증가한다는 문제점을 갖고 있다.

이를 해결하기 위해서 저급탄을 단순건조, 열수를 이용한 고압건조, 또는 고온의 유기용매를 이용한 건조 등의 저급탄 건조에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있지만, 공정이 복잡하다는 문제점 및 건조 후에 수분이 재흡착되어 발전효율이 떨어지는 문제점을 여전히 안고 있다. 또한, 건조된 석탄에 수분이 재흡착되면서 자연발화가 발생하고 이로 인해 저장된 석탄이 손실되는 문제점도 있다.

따라서 저급탄의 이용 및 보급을 촉진하기 위하여 해결해야 할 가장 중요한 문제점 중의 하나는 건조처리된 저급탄에 수분이 재흡착되는 것을 방지하여 발열량도 유지하고 자연발화도 억제하는 기술을 개발하는 것이라 할 수 있겠다. 현재 이러한 문제점을 개선할 수 있는 기술들 중 상용화가 유력한 기술로는 저급탄을 고압의 분위기에서 고온의 유기용매를 이용해 가열함으로써 석탄의 고유수분을 제거하는 방법을 꼽을 수 있다.

하지만, 이 기술은 유기용매를 분리 회수해야 하고, 공정이 비교적 복잡하여 또 다른 에너지 비용이 필요하다는 단점을 가지고 있어 이보다 더 간단하고 효과적인 건조탄의 수분 재흡착 억제 기술이 절실히 요구되고 있다.

한편, 에너지원으로서 세계적으로 이슈화 되고 있는 것 중에 신재생 에너지의 이용 및 보급을 들 수 있는데, 이는 기존의 석유, 석탄 등 화석연료에 비하여 이산화탄소의 배출이 저감되어 지구온난화 및 기후변화에 대응할 수 있는 에너지원으로서 각광받고 있기 때문이다. 그러나 국내에서는 아직까지 태양광 또는 풍력 등의 신재생에너지원을 발전용 또는 난방용으로 사용하는 경우에는 화석연료와 비교하면 발전단가 등의 차이로 인하여 획기적인 이용 및 보급이 제한적인 상황이었다.

우리나라도 화석연료의 고갈과 더불어 국제조약인 기후변화협약 대응에 따른 온실가스 감축이 대두되면서 신재생에너지 의무할당제가 거론되기 시작한 이래 2012년부터 신재생에너지 의무할당제[Renewable PortfolioStandard(RPS)]가 도입됨으로써 에너지 사업자들에게는 부담으로 작용하는 것이 사실이다.

그러므로 신재생에너지의 이용 및 보급을 촉진하고, 신재생에너지 의무할당제를 따르기 위하여는 신재생에너지원의 개발 및 사용이 필수적이라 할 것인데, 그 중에서도 최근 바이오매스는 고갈의 염려가 없고 에너지원으로서의 기술개발이 용이하여 기타 신재생에너지원에 비하여 관심의 대상이 되고 있다.

특히, 최근 신재생에너지원으로서 우드 펠릿 또는 우드 칩 등의 바이오매스 유래 물질을 연소하여 전력을 생산하면 정책적으로 높은 가중치를 받는데 힘입어 석탄 등과 혼합하여 연료로 사용할 수 있으므로 수요가 증가하리라 예상되나, 우드 펠릿 또는 우드 칩 등을 안정적으로 공급받기가 매우 어려운 실정이다.

따라서 석탄 발전소의 CO2 배출저감을 목적으로 혼합해야만 하는 바이오매스 연료의 공급 안정성을 확보하기 위하여 다양한 바이오매스 유래 물질을 석탄 발전에 이용할 수 있는 획기적인 기술개발에 대한 요구가 대두되고 있다.

상기와 같은 요구를 달성하기 위한 종래기술은 일본 코베스틸사의 Upgrading Brown Coal(UBC)는 인도네이사 현지에 600톤/일급 상용시설은 완공하여 2008년도 부터 가동에 들어갔으나, 현재 유가 상승으로 인해 경제성이 결여되고 운영상 기술적 문제로 인해 가동을 중단한 상태에 있다.

UBC 공정은 등유, 중유, 저유황확스 등의 석유계 원료를 사용하기 때문에 이러한 원료를 분리하고 회수하는 복잡한 공정을 포함하고 있어 운전 및 유지보수가 어려운 문제점이 있다.

일본 JGC 그룹의 Hot Water Treating(HWT) 공법은 석탄을 300~330℃에서 열수 처리하여 석탄에 포함되어 있는 타르가 기공을 막아 소수성의 특성을 갖도록 하는 기술이며, 운전압력이 무려 120~150bar에 달하기 때문에 설비 투자비가 매우 높고, 위험성 때문에 상용화가 지연되고 있는 문제점이 있다.

미국의 Western Syn Coal LLC에서는 DOE와 참여기관으로부터 1억달러 이상을 투자하여 지난 1992~2001년까지 45톤/h급의 SynCoal 생산 실증플랜트를 구축하여 운영한 바가 있으나, 저급탄을 250~300℃ 사이에서 단순 건조처리 하여 회분을 걸러내고 소수성의 석탄을 생산하는 공정으로 이루어져 있으나, 생산공정에서 발생하는 자연발화 문제와 제지 기술이 취약하여 상용화에 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치 및 제조방법은 고수분의 저급탄을 건조시켜 수분과 휘발분을 증발시킨 다음 저급탄 표면 및 기공에 바이오메스를 코팅 및 함침 및 저온 탄화를 거쳐 두 가지 연료가 하나의 연료를 전환됨에 따라 두 가지 연료가 동일한 온도에서 연소되며 연소효율을 증가시킨다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저급탄 고품위화 제조방법은 페이스트를 예열된 드럼 내부에 충진한 상태에서 상기 드럼의 회전과 동시에 새로운 페이스트 및 열풍을 드럼 내부로 공급하면서 친수성 바이오메스를 분사하여 새롭게 투입되는 페이스트에 도포시키고, 상기 드럼 내부에서 교반되는 페이스트의 반복적인 낙차 및 이동 과정에서 페이스트에 함유된 수분, 휘발분을 증발시키는 건조단계, 페이스트 표면에 친수성 바이오메스의 함침단계 및 상기 친수성 바이오메스의 탄화단계로 이루어진다.

본 발명의 저급탄 고품위화 제조방법은 페이스트를 예열된 드럼 내부에 충진한 상태에서 상기 드럼의 회전과 동시에 새로운 페이스트 및 열풍을 드럼 내부로 공급하면서 소수성 바이오메스를 분사하여 새롭게 투입되는 페이스트에 도포시키고, 상기 드럼 내부에서 교반되는 페이스트의 반복적인 낙차 및 이동 과정에서 페이스트에 함유된 수분, 휘발분을 증발시키는 건조단계, 페이스트 표면에 소수성 바이오메스의 함침단계로 이루어진다.

본 발명의 저급탄 고품위화 제조장치는 페이스트 공급부와, 열풍을 제공하는 발열부와, 액상의 바이오메스를 분사하는 분사부와, 드럼 내부에 페이스트를 충진 한 상태에서 상기 공급부, 발열부 및 분사부를 통해 드럼 내부로 페이스트, 바이오메스 및 열풍을 제공받아 회전되는 드럼 내부에 설치된 버켓에 의해 페이스트가 교반 되면서 이동되는 반복적인 낙차과정에서 페이스트에 함유된 수분과 휘발분을 건조시키면서 바이오메스가 페이스트 표면에 함침 및 코팅되도록 하는 혼합부로 포함한다.

본 발명에 따르면, 친수성 페이스트가 충진된 상태에서 예열된 드럼을 회전시켜 페이스트를 교반, 이동 및 배출시키는 과정에서 외부에서 드럼 내부로 열풍을 투입하면서 새롭게 투입되는 페이스트에 친수성 바이오메스를 분사시켜 도포하고, 친수성 바이오메스가 코팅된 페이스트는 교반 및 이동되는 과정에서 드럼 내부에서 페이스트가 교반되면서 낙하되는 낙차 과정이 반복되면서 드럼에서 복수의 페이스트에 의해 장막을 형성시켜 상기 드럼의 내부가 가상으로 건조공간, 함침공간, 탄화공간으로 구분되되, 상기 건조공간은 페이스트에 함유된 수분과 휘발분이 건조되는 동시에 친수성 바이오메스가 페이스트 표면에 도포되고, 상기 함침공간은 상기 건조공간에서의 페이스트 낙차에 의해 분사되는 친수성 바이오메스의 유입을 최소화한 상태로 페이스트가 반복 낙차되면서 페이스트의 표면 기공에 친수성 바이오메스가 함침 및 코팅되며, 상기 탄화공간은 친수성 바이오메스를 탄화시켜 친수성 페이스트 표면이 소수성으로 개질되어 페이스트에 수분이 재흡착되는 것을 방지한다.

본 발명에 따르면, 친수성 페이스트가 충진된 상태에서 예열된 드럼을 회전시켜 페이스트를 교반, 이동 및 배출시키는 과정에서 외부에서 드럼 내부로 새롭게 투입되는 페이스트에 열풍과 소수성 바이오메스를 분사시켜 표면을 코팅하되, 소수성 바이오메스가 코팅된 페이스트는 교반 및 이동되는 과정에서 드럼 내부에서 페이스트가 교반되면서 자중에 의해 낙하되는 낙차 과정이 반복되면서 드럼 내부에 페이스트가 장막을 형성시켜 상기 드럼 내부가 가상으로 건조공간, 함침공간으로 구분되어, 상기 건조공간은 페이스트에 함유된 수분과 휘발분이 건조되는 동시에 소수성 바이오메스가 코팅되고, 상기 함침공간은 상기 건조공간에서의 페이스트 낙차에 의해 분사되는 소수성 바이오메스의 유입을 최소화한 상태로 페이스트의 반복 낙차되면서 소수성 바이오메스가 페이스트의 표면 기공에 함침 및 코팅시켜 페이스트 표면에 수분의 재흡착을 방지한다.

본 발명에 따르면, 예열된 드럼 내부에 미리 충진된 상태의 페이스트는 함침공간과 탄화공간을 거쳐 배출되면 리턴라인을 거쳐 드럼 내부로 재투입된다.

본 발명에 따르면, 상기 드럼을 통해 건조, 함침, 탄화가 진행되는 동안의 드럼 내부온도는 200~300℃로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 상기 바이오메스는 친수성 물질로 적용한다.

본 발명에 따르면, 상기 드럼을 통해 건조, 함침, 탄화가 진행되는 동안의 내부온도는 100℃ 이상으로 적용한다.

본 발명에 따르면, 상기 바이오메스는 소수성 물질로 적용한다.

본 발명에 따르면, 예열된 드럼 내부에 미리 충진된 상태의 페이스트는 함침공간 거쳐 배출되면 리턴라인을 거쳐 드럼 내부로 재투입된다.

본 발명에 따르면, 상기 드럼 내부에 미리 충진된 페이스트는 드럼 내부 공간 체적 대비 1/2 ~ 2/3 이다.

본 발명에 따르면, 상기 드럼의 예열온도는 300~400℃로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 상기 발열부는 송풍기에 의해 발생하는 압력 공기가 버너를 거쳐 온도를 갖는 열풍을 드럼 내부에 공급된다.

본 발명에 따르면, 상기 분사부는 점성을 갖는 액상의 바이오메스를 저열로 보관하는 저장탱크와, 상기 저장탱크에 충진된 바이오메스를 드럼 내부에 설치된 노즐로 압송시키는 펌프, 및 상기 노즐에 별도로 압력 공기를 주입하는 공기공급수단으로 구성한다.

본 발명에 따르면, 상기 드럼에는 배기수단을 설치하여 드럼 내부의 수분에 의한 증기 및 휘발분의 가스를 외부로 배출한다.

본 발명에 따르면, 상기 저장탱크는 내부 온도가 35~45℃로 유지한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치 및 제조방법은 페이스트 공급부와, 열풍을 제공하는 발열부와, 액상의 바이오메스를 분사하는 분사부와, 상기 공급부, 발열부 및 분사부를 통해 드럼 내부로 페이스트, 바이오메스 및 열풍을 제공받아 회전되는 드럼 내부에 설치된 버켓에 의해 페이스트가 교반 되면서 이동되는 반복적인 낙차과정에서 페이스트에 함유된 수분과 휘발분을 건조시키면서 바이오메스가 페이스트 표면에 함침 및 코팅되도록 하는 혼합부로 구성하여 고수분의 저급탄을 건조시켜 수분과 휘발분을 증발시킨 다음 상기 페이스트 표면 및 기공에 바이오메스를 함침 및 코팅하여 점화력과 발열량을 향상시키도록 하여 저급탄 페이스트의 고품위화를 꾀함으로서 점화력과 발열량을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치 및 제조방법을 통해 소수성화된 페이스트를 통해 대기노출시 수분의 재흡착을 방지하여 자연발화의 문제점을 해소시켜 연료 수송에 대한 비용을 획기적으로 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

아울러, 본 발명의 저급탄 고품위와 제조장치는 드럼에 공급부, 발열부, 분사부를 설치하여 장치 및 공정의 간소화를 꾀하면서 드럼의 온도조건과 페이스트의 공급 조건변화에 따라 친수성 또는 소수성 성질을 갖는 바이오메스를 선택적으로 적용할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명의 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치 및 제조방법은 건조되는 페이스트에 바이오메스를 도포하여 함침, 탄화 또는 함침 공정을 거쳐 석탄 표면의 개질을 가능하도록 함으로서, 퀼른 방식의 드럼을 통해 아주 단순한 공정 및 설비만으로도 저급탄의 고품위화를 가능하도록 하는 효과가 있다.

결국, 저급탄 페이스트를 고열량화시켜 고부가가치를 실현하고, 이를 통한 고열량탄 사용으로 발전 효율 증대 및 설비 수명의 연장이 가능하며, 수분의 재흡착방지를 통한 자연발화를 방지하여 석탄 수송의 안전성을 향상시켜 수송비용의 절감 및 석탄 산업 안정성 및 신뢰성을 재확인을 통한 전력 예비율을 제고하는 동시에 저급탄 고품위와 제조장치의 발전설비 건설비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

이를 통해 석탄 산업 활성화를 통한 사회적 비용의 절감을 꾀할 수 있다.

즉, 석탄 산업 활성화 및 관련 산업체의 매출증대, 투자확대, 세급증가가 예상되고, 대기오염 개선으로 인한 사회적 비용이 절감되며, 석탄 관련분야의 인력고용 증대는 물론, 고품위화된 석탄을 활용한 이산화탄소 저감에 의한 환경 오염방지 등의 기대효과가 있다.

도 1은 본 발명의 저급탄 고품위화 제조장치를 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명의 저급탄 고품위화 제조장치의 드럼을 나타낸 정단면도.
도 3은 본 발명의 저급탄 고품위화 제조장치의 제1실시예를 나타낸 상태도.
도 4는 본 발명의 저급탄 고품위화 제조장치의 제2실시예를 나타낸 상태도.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

도 1은 본 발명의 저급탄 고품위화 제조장치를 나타낸 개념도이고, 도 2는 본 발명의 저급탄 고품위화 제조장치의 드럼을 나타낸 정단면도이며, 도 3은 본 발명의 저급탄 고품위화 제조장치의 드럼을 나타낸 측단면도이다.

페이스트는 화석연료인 석탄을 말하는 것으로서, 본 발명은 저급 페이스트를 고급 페이스트로 만들기 위한 제조방법 및 제조장치이다.

즉, 본 발명의 저급탄 고품위화 장치는 수분이 30% 이상 포함된 친수성 성질의 저급탄 페이스트에 함유된 수분과 타르 등의 휘발분을 증발시켜 제거한 다음 페이스트 표면 및 기공에 친수성 바이오메스 또는 소수성 바이오메스를 코팅 및 함침시켜 수분의 재흡착을 방지하도록 하여 고급탄 페이스트로 만들기 위한 장치이다.

이를 가능하도록 본 발명의 저급탄 고품위화 장치는 공급부 110, 발열부 140, 분사부 130 , 혼합부 120로 구성된다.

상기 혼합부 120는 원통형의 드럼 121이 마련되고, 상기 드럼 121의 내주연에는 복수개의 버켓 122이 나선형으로 배치되어 설치된다.

상기 드럼 121은 회전하여 내부로 투입되거나 이미 투입된 상태의 페이스트가 버켓 122에 의해 드럼 121 내부에서 교반되면서 낙하되는 과정의 낙차를 반복적으로 발생시킨다.

또한, 상기 드럼 121에는 배기수단 170을 설치하여 드럼 121 내부의 수분에 의한 증기와 휘발분에 의한 가스를 외부로 배출한다.

그리고, 상기 배기수단 170에서 배출된 증기와 가스는 별도의 공정을 거쳐 가스만을 분리하여 가스의 재활용을 가능하게 한다.

여기서, 상기 혼합부 120는 로터리 퀼른식 건조기(rotary method sweeping a dry apparatus)를 적용하는 것이 바람직하다.

상기 공급부 110는 저급탄 저장소 111에서 컨베이어 112를 통해 제공받는 페이스트를 상기 혼합부 120의 드럼 121 내부로 공급한다.

상기 발열부 140는 송풍기 141에 의해 발생하는 압력 공기가 버너 142를 거쳐 온도를 갖는 열풍을 혼합부 120의 드럼 121 내부에 공급한다.

상기 분사부 130는 점성을 갖는 액상의 바이오메스를 저열로 보관하는 저장탱크 131와, 상기 저장탱크 131에 충진된 바이오메스를 드럼 121 내부에 설치된 노즐 123로 압송시키는 펌프 132, 및 상기 노즐 123에 별도로 압력 공기를 주입하는 공기공급수단 133으로 구성되어 드럼 121 내부에 설치된 노즐 123을 통해 바이오메스를 분사한다.

상기와 같이 구성되는 저급탄 고품위화 장치는 상기 공급부 110, 발열부 140, 분사부 130 및 혼합부 120를 통해 드럼 121 내부로 페이스트, 바이오메스 및 열풍을 제공받아 회전되는 드럼 121 내부에 설치된 버켓 122에 의해 페이스트가 교반 되면서 이동되는 반복적인 낙차과정에서 페이스트에 함유된 수분과 휘발분을 건조시키면서 바이오메스가 페이스트 표면에 함침 및 코팅되도록 한다.

상기 저급탄 고품위화 장치를 구동시키기 전 혼합부 120는 예열된 드럼 121 내부에 미리 패이스트를 드럼 121 내부 공간 체적 대비 1/2 ~ 2/3 충진한 상태에서 회전시키면서 상기 페이스트를 공급하면서 바이오메스를 분사한다.

특히, 친수성 또는 소수성 성질을 갖는 바이오메스 적용 여부에 따라 혼합부 120의 드럼 121 내부 환경 조건을 달리한다.

즉, 본 발명의 저급탄 고품위화 장치 및 방법의 핵심은 친수성 성질을 갖는 패이스트에 친수성 바이오메스 또는 소수성 바이오메스를 코팅하기 위한 실시예가 마련된다.

도 3에서 도시한 바와 같이, 제 1실시예는 친수성 바이오메스를 적용할 경우의 저급탄 고품위화 제조방법은 아래와 같다.

친수성 페이스트가 충진된 상태에서 예열된 드럼 121을 회전시켜 페이스트를 교반, 이동 및 배출시키는 과정에서 외부에서 드럼 121 내부로 열풍을 투입하면서 새롭게 투입되는 페이스트에 친수성 바이오메스를 분사시켜 표면 및 기공에 함침과 코팅을 병행한다.

여기서, 상기 드럼 121의 예열온도는 300~400℃로 이루어져 드럼 121의 회전동작 이전에 미리 충진된 페이스트을 건조시킨다.

더욱, 상기 드럼 121의 예열온도는 350℃인 것이 바람직하다.

또한, 상기 드럼 121은 페이스트의 건조과정에 발생하는 증기 또는 수분은 배기수단 170을 통해 외부로 배출한다.

그리고, 상기 친수성 바이오메스가 코팅된 페이스트는 교반 및 이동되는 과정에서 드럼 121 내부에서 페이스트가 교반되면서 낙하되는 낙차 과정이 반복되면서 드럼 121에서 복수의 페이스트에 의해 복수층의 장막을 형성시켜 상기 드럼 121의 내부가 가상으로 건조공간 121a, 함침공간 121b, 탄화공간 121b으로 구분되도록 한다.

즉, 상기 페이스트는 점성을 갖는 바이오메스가 도포되어 있기 때문에 교반과정에서 복수의 페이스트가 여러 덩어리들로 서로 뭉쳐지면서 드럼 121 회전에 의한 낙차에 의해 발생하는 충격력으로 뭉쳐진 페이스트 덩어리가 낱개씩 분리되는 과정을 갖는다.

이때, 상기 버켓 122에 의해 교반되는 과정에서 페이스트는 드럼 121 후방으로 이동하게 되면서 페이스트의 낙차현상을 통해 마치 장막을 형성한 것과 같은 현상을 발생시킨다.

이를 통해 상기 드럼 121의 내부공간은 가상으로 건조공간 121a, 함침공간 121b, 탄화공간 121b으로 구분될 수 있다.

즉, 상기 건조공간 121a은 페이스트에 함유된 수분과 휘발분이 건조되는 동시에 친수성 바이오메스가 페이스트 표면에 도포된다.

상기 함침공간 121b은 상기 건조공간 121a에서의 페이스트 낙차에 의해 분사되는 친수성 바이오메스의 유입을 최소화한 상태로 페이스트가 반복 낙차되면서 페이스트의 표면 기공에 친수성 바이오메스가 함침 및 코팅된다.

상기 탄화공간 121b은 친수성 바이오메스를 탄화시켜 친수성 페이스트 표면이 소수성으로 개질되어 페이스트에 수분이 재흡착되는 것을 방지한다.

여기서, 상기 드럼 121을 통해 건조, 함침, 탄화가 진행되는 동안의 드럼 121 내부온도는 200~300℃로 적용된다. 더욱, 드럼 내부의 온도는 250℃ 적용이 바람직하다.

상기의 건조공간 121a, 함침공간 121b, 탄화공간 121c은 드럼 121 내부에 교반되는 페이스트에 의해 가상의 공간으로 나뉜다.

즉, 건조공간 121a은 바이오메스가 도포되면서 건조되는 구간이고, 함침공간121b은 패이스트의 장막에 의해 바이오메스가 유입이 최소화된 구역으로서, 페이스트의 교반이 반복되는 구간이며, 함친공간 121b은 건조공간보다 높은 온도를 갖아 함친 효과를 더욱 높일 수 있다.

또한, 상기 탄화공간 121c은 페이스트의 교반에 의해 이동되면서 함친공간 121b 보다 높은 온도로 유지되면서 바이오메스의 탄화가 이루어지는 구간이다.

또한, 상기 드럼 121 내부에 미리 충진된 페이스트는 드럼 121 내부 공간 체적 대비 1/2 ~ 2/3 량으로 충진된다.

이는, 점성을 갖는 바이오메스가 코팅된 페이스트는 드럼 121 내부에서 교반되는 과정에서 드럼 121 내주연에 붙는 현상이 발생하여 교반 효율을 떨어뜨리게 된다.

즉, 드럼 121 내부에 페이스트를 충진하지 않은 상태에서 공급부 110와 분사부 130를 통해 페이스트를 공급하는 동시에 바이오메스를 분사하게 되면 드럼 121 내부의 페이스트 낙차가 발생하지 않은 상태 또는 낙차가 발생하더라도 바이오메스의 분사영역이 드럼 121 내부 전체에 도포됨으로서, 열풍에 의해 드럼 121 내주연에 점착된다.

이를 통해 바이오메스를 도포한 페이스트가 드럼 121 내주연에 도포된 바이오메스와 반응하여 점착되는 현상이 발생된다.

이를 방지하고자, 예열된 드럼 121 내부에 미리 페이스트를 충진한 상태에서 회전시키면서 새롭게 투입되는 페이스트에 바이오메스를 분사하면 기존 투입된 페이스트의 낙차에 의해 장막 현상을 발생시켜 바이오메스의 분사 영역이 한정됨으로서, 드럼 121 내주연 일부분인 함침공간 121b, 탄화공간 121b에 바이오메스가 점착되지 않도록 하여 드럼 121 내주연에 페이스트가 붙게 되는 현상이 방지된다.

또한, 예열된 드럼 내부에 미리 충진된 상태의 페이스트는 함침공간 121b과 탄화공간 121b을 거쳐 배출되면 리턴라인을 거쳐 드럼 내부로 재투입된다.

결국, 제1실시예는 저급탄으로 구분되는 페이스트에 수분과 휘발분을 건조시킨 다음 점화력과 발열량을 향상시키기 위해 페이스트 표면에 친수성 바이오메스를 코팅하되, 친수성 바이오메스일 경우 건조된 페이스트에 수분의 재흡착이 가능하기 때문에 이를 방지하고자 탄화공정을 통해 친수성 바이오메스를 탄화시켜 소수성으로 개질시킨다.

상기와 같이, 바이오메스를 소수성으로의 개질을 통해 수분의 재흡착을 방지하여 점화력과 발열량을 향상시키는 동시에 수분이 함유된 페이스트일 경우 자연발화되는 문제점을 해소한다.

즉, 저급탄은 30% 이상의 고수분, 2,500~5,000Kcal/kg의 저발열량 및 높은 산소함량으로 자연발화의 위험성을 가지고 있었으나, 페이스트에 함유된 수분 및 휘발분을 제거한 다음 수분의 재흡착을 방지하여 자열발화의 위험성을 방지한다.

아래의 [표 1]은 저급탄과 고급탄의 분석표이다.

분석 항목	공업분석(wt%)				원소분석(wt%)					고위 발열량 (Kcal/kg)	참발열량 (Kcal/kg)
시료명	수분 (M)	휘발분 (VM)	회분 (Ash)	고정 탄소 (F.C)	탄소 (C)	수소 (H)	질소 (N)	산소 (O)	유황분 (S)
키데코원탄	25.39	33.71	6.44	34.46	71.29	5.08	1.26	22.33	0.04	5,970	4,454
고품위화탄	1.16	42.98	7.08	48.78	76.30	4.85	1.46	17.34	0.04	6,290	6,217

상기 키데코원탄은 인도네시아에서 채탄되는 저급탄이고, 고품위화탄은 본 발명의 제조장치 및 제조방법을 통해 제조된 석탄이다.

상기 [표 1]에서 보는 바와 같이, 저급탄에 비하여 고품위화탄의 수분 감소량이 월등히 감소되었고, 고품위화탄의 참 발열량이 저급탄과 비교하였을 때 1,763 Kcal/kg 증가한 것으로 나타난다.

결국, 본 발명은 고수분의 저급탄을 건조시켜 수분과 휘발분을 증발시킨 다음 저급탄 표면 및 기공에 바이오메스를 코팅 및 함침 및 저온 탄화를 거쳐 두 가지 연료가 하나의 연료를 전환됨에 따라 두 가지 연료가 동일한 온도에서 연소되며 발열량 및 연소효율을 증가시킨다.

도 4에서 도시한 바와 같이, 제 2실시예는 친수성 바이오메스를 적용할 경우의 저급탄 고품위화 제조방법은 아래와 같다.

친수성 페이스트가 충진된 상태에서 예열된 드럼 121을 회전시켜 페이스트를 교반, 이동 및 배출시키는 과정에서 외부에서 드럼 121 내부로 새롭게 투입되는 페이스트에 열풍과 소수성 바이오메스를 분사시켜 표면을 코팅한다.

여기서, 상기 드럼 121의 예열온도는 300~400℃로 이루어져 드럼 121의 회전동작 이전에 충진된 페이스트을 건조시키고, 건조, 함침, 탄화가 진행되는 동안의 드럼 121 내부 온도는 50~150℃로 적용한다.

더욱이, 드럼 121 내부 온도는 100℃가 바람직하다.

또한, 상기 드럼 121 내부에 미리 충진된 페이스트는 드럼 121 내부 공간 체적 대비 1/2 ~ 2/3 량으로 충진된다.

아울러, 상기 드럼 121은 페이스트의 건조과정에 발생하는 증기 또는 수분은 배기수단 170을 통해 외부로 배출한다.

그리고, 소수성 바이오메스가 코팅된 페이스트는 교반 및 이동되는 과정에서 드럼 121 내부에서 페이스트가 교반되면서 자중에 의해 낙하되는 낙차 과정이 반복되면서 드럼 121 내부에 페이스트가 장막을 형성시켜 상기 드럼 121 내부가 가상으로 건조공간 121a, 함침공간 121b으로 구분되도록 한다.

아울러, 상기 건조공간 121a은 페이스트에 함유된 수분과 휘발분이 건조되는 동시에 소수성 바이오메스가 코팅한다.

상기 함침공간 121b은 상기 건조공간 121a에서의 페이스트 낙차에 의해 분사되는 소수성 바이오메스의 유입을 최소화한 상태로 페이스트의 반복 낙차되면서 소수성 바이오메스가 페이스트의 표면 기공에 함침 및 코팅시켜 페이스트 표면에 수분의 재흡착을 방지한다.

또한, 예열된 드럼 121 내부에 미리 충진된 상태의 페이스트는 함침공간 121b을 거쳐 배출되면 리턴라인 150을 거쳐 드럼 121 내부로 재투입된다.

이와 같이, 제2실시예는 페이스트에 수분과 휘발분을 건조시킨 다음 페이스트 표면에 소수성 바이오메스를 코팅하여 점화과 발열량을 향상시키는 동시에 수분의 재흡착을 방지하여 페이스트의 자연 발화되는 문제점을 해소한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

10 : 저급탄 11 : 친수성 물질
100 : 저급탄 고품위화 장치 110 : 공급부
111 : 저급탄 저장소 112 : 컨베이어
120 : 혼합부 121 : 드럼
121a : 건조공간 121b : 함침공간
121c : 탄화공간 122 : 버켓
123 : 노즐 130 : 분사부
131 : 저장탱크 132 : 펌프
133 : 공기공급수단 140 : 발열부
141 : 송풍기 142 : 버너
150 : 리턴라인 170 : 배기라인

Claims (17)

1. 페이스트를 예열된 드럼 내부에 충진한 상태에서 상기 드럼의 회전과 동시에 새로운 페이스트 및 열풍을 드럼 내부로 공급하면서 친수성 바이오메스를 분사하여 새롭게 투입되는 페이스트에 도포시키고,
   상기 드럼 내부에서 교반되는 페이스트의 반복적인 낙차 및 이동 과정에서 페이스트에 함유된 수분, 휘발분을 증발시키는 건조단계, 페이스트 표면에 친수성 바이오메스의 함침단계 및 상기 친수성 바이오메스의 탄화단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법.
   
2. 페이스트를 예열된 드럼 내부에 충진한 상태에서 상기 드럼의 회전과 동시에 새로운 페이스트 및 열풍을 드럼 내부로 공급하면서 소수성 바이오메스를 분사하여 새롭게 투입되는 페이스트에 도포시키고,
   상기 드럼 내부에서 교반되는 페이스트의 반복적인 낙차 및 이동 과정에서 페이스트에 함유된 수분, 휘발분을 증발시키는 건조단계, 페이스트 표면에 소수성 바이오메스의 함침단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법..
   
3. 페이스트 공급부와,
   열풍을 제공하는 발열부와,
   액상의 바이오메스를 분사하는 분사부와,
   드럼 내부에 페이스트를 충진 한 상태에서 상기 공급부, 발열부 및 분사부를 통해 드럼 내부로 페이스트, 바이오메스 및 열풍을 제공받아 회전되는 드럼 내부에 설치된 버켓에 의해 페이스트가 교반 되면서 이동되는 반복적인 낙차과정에서 페이스트에 함유된 수분과 휘발분을 건조시키면서 바이오메스가 페이스트 표면에 함침 및 코팅되도록 하는 혼합부로 포함한 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   친수성 페이스트가 충진된 상태에서 예열된 드럼을 회전시켜 페이스트를 교반, 이동 및 배출시키는 과정에서 외부에서 드럼 내부로 열풍을 투입하면서 새롭게 투입되는 페이스트에 친수성 바이오메스를 분사시켜 도포하고,
   친수성 바이오메스가 코팅된 페이스트는 교반 및 이동되는 과정에서 드럼 내부에서 페이스트가 교반되면서 낙하되는 낙차 과정이 반복되면서 드럼에서 복수의 페이스트에 의해 장막을 형성시켜 상기 드럼의 내부가 가상으로 건조공간, 함침공간, 탄화공간으로 구분되되,
   상기 건조공간은 페이스트에 함유된 수분과 휘발분이 건조되는 동시에 친수성 바이오메스가 페이스트 표면에 도포되고,
   상기 함침공간은 상기 건조공간에서의 페이스트 낙차에 의해 분사되는 친수성 바이오메스의 유입을 최소화한 상태로 페이스트가 반복 낙차되면서 페이스트의 표면 기공에 친수성 바이오메스가 함침 및 코팅되며,
   상기 탄화공간은 친수성 바이오메스를 탄화시켜 친수성 페이스트 표면이 소수성으로 개질되어 페이스트에 수분이 재흡착되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법.
   
5. 제2항에 있어서,
   친수성 페이스트가 충진된 상태에서 예열된 드럼을 회전시켜 페이스트를 교반, 이동 및 배출시키는 과정에서 외부에서 드럼 내부로 새롭게 투입되는 페이스트에 열풍과 소수성 바이오메스를 분사시켜 도포하되,
   소수성 바이오메스가 코팅된 페이스트는 교반 및 이동되는 과정에서 드럼 내부에서 페이스트가 교반되면서 자중에 의해 낙하되는 낙차 과정이 반복되면서 드럼 내부에 페이스트가 장막을 형성시켜 상기 드럼 내부가 가상으로 건조공간, 함침공간으로 구분되어,
   상기 건조공간은 페이스트에 함유된 수분과 휘발분이 건조되는 동시에 소수성 바이오메스가 코팅되고,
   상기 함침공간은 상기 건조공간에서의 페이스트 낙차에 의해 분사되는 소수성 바이오메스의 유입을 최소화한 상태로 페이스트의 반복 낙차되면서 소수성 바이오메스가 페이스트의 표면 기공에 함침 및 코팅시켜 페이스트 표면에 수분의 재흡착을 방지하는 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   예열된 드럼 내부에 미리 충진된 상태의 페이스트는 함침공간과 탄화공간을 거쳐 배출되면 리턴라인을 거쳐 드럼 내부로 재투입되는 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 드럼을 통해 건조, 함침, 탄화가 진행되는 동안의 드럼 내부온도는 200~300℃로 이루어진 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 바이오메스는 친수성 물질로 적용한 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법.
   
9. 제2항에 있어서,
   상기 드럼을 통해 건조, 함침, 탄화가 진행되는 동안의 내부온도는 100℃ 이상인 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법.
   
10. 제2항에 있어서,
    상기 바이오메스는 소수성 물질로 적용한 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법.
    
11. 제2항에 있어서,
    예열된 드럼 내부에 미리 충진된 상태의 페이스트는 함침공간 거쳐 배출되면 리턴라인을 거쳐 드럼 내부로 재투입되는 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법.
    
12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 드럼 내부에 미리 충진된 페이스트는 드럼 내부 공간체적 대비 1/2 ~ 2/3 인 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법.
    
13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 드럼의 예열온도는 300~400℃로 이루어진 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조방법.
    
14. 제3항에 있어서,
    상기 발열부는 송풍기에 의해 발생하는 압력 공기가 버너를 거쳐 온도를 갖는 열풍을 드럼 내부에 공급되는 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치.
    
15. 제3항에 있어서,
    상기 분사부는,
    점성을 갖는 액상의 바이오메스를 저열로 보관하는 저장탱크와,
    상기 저장탱크에 충진된 바이오메스를 드럼 내부에 설치된 노즐로 압송시키는 펌프, 및
    상기 노즐에 별도로 압력 공기를 주입하는 공기공급수단으로 구성한 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치.
    
16. 제3항에 있어서,
    상기 드럼에는 배기수단을 설치하여 드럼 내부의 수분에 의한 증기 및 휘발분의 가스를 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치.
    
17. 제15항에 있어서,
    상기 저장탱크는 내부 온도가 35~45℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 액상 바이오메스의 함침에 의한 저급탄 고품위화 제조장치.

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