KR101611486B1 - Method for fast pyrolysis of biomass using double tube type fluidized bed reactor - Google Patents

Method for fast pyrolysis of biomass using double tube type fluidized bed reactor Download PDF

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이인구
양제복
하종현
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한국에너지기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a rapid pyrolysis method of biomass using a double tube-type bubble fluidized bed reactor, which can be driven in a stable manner. The rapid pyrolysis method comprises: a first step for inserting a certain amount of fluidized media in an inner tube of the reactor equipped in the reactor; a second step for preheating the reactor at constant temperature; a third step for inserting a reaction raw material stored in a hopper through a raw material insertion unit at a constant flow rate into the reactor; a fourth step for performing pyrolysis with respect to the reaction raw material by heating the temperature of the reactor at the predetermined temperature; a fifth step for collecting bio-char through a lower unit of a cyclone and a lower unit of the appearance of the reactor at a constant time interval; and a sixth step for collecting bio-oil generated through a tar separator and a bio-oil collection tank.

Description

이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법{METHOD FOR FAST PYROLYSIS OF BIOMASS USING DOUBLE TUBE TYPE FLUIDIZED BED REACTOR}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a method for rapidly pyrolyzing a biomass using a double tube type bubble fluidized bed reactor,

본 발명은 바이오매스의 급속 열분해 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이중관형 반응기를 이루는 반응기 내관에서 안정적인 버블 유동층을 유지하고, 외관에서 고상 생성물인 바이오-차(bio-char)를 기타 생성물과 신속히 분리/제거함으로써 기존의 버블유동층 반응기 보다 안정적인 운전이 가능한 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a rapid pyrolysis method of biomass, more particularly, to a method for maintaining a stable bubble fluidized bed in a reactor inner tube constituting a dual tube type reactor, The present invention relates to a rapid pyrolysis method of biomass using a double-tubular bubble fluidized bed reactor capable of stable operation than a conventional bubble fluidized bed reactor by rapidly separating /

석탄, 석유 등과 같은 화석연료의 과도한 사용으로 인해 에너지 자원이 고갈된다는 문제점과 더불어 지구 온난화와 같은 환경문제를 유발할 수 있다.Excessive use of fossil fuels, such as coal and oil, can lead to exhaustion of energy resources and environmental problems such as global warming.

이를 해결하기 위해 다양한 방법이 연구되고 있는데, 이 중 하나는 바이오에너지와 같은 신 재생에너지 사용 비중을 높이는 것이다.
A variety of methods have been studied to solve this problem, one of which is to increase the proportion of renewable energy such as bioenergy.

나무와 같은 목본계 물질이나 건초와 같은 초본계 물질 등의 바이오에너지원, 즉 바이오매스로(biomass)는 내부에 미세 오일방울을 포함하고 있어 이로부터 바이오에너지를 만들 수 있다.Bio-energy sources such as tree-like wood-based materials and herbal materials such as hay, ie, biomass, contain micro oil droplets inside, which can be used to make bio-energy.

이들 고상 바이오매스를 산화제가 없는 분위기에서 급속 열분해 하면 바이오오일(bio-oil) 혹은 바이오원유(bio-crude-oil)라고 불리는 검은 갈색의 액상 열분해 물질을 얻을 수 있다. Rapid thermal decomposition of these solid-state biomass in an oxidizer-free atmosphere yields a black-brown liquid pyrolysis material called bio-oil or bio-crude-oil.

부산물로는 고상인 바이오-차( bio-char)와 기상인 가연성 합성가스가 발생할 수 있지만, 바이오오일 생산의 가장 큰 목적은 액상 연료를 얻는데 있다.As a by-product, bio-char and meteoric flammable syngas can occur, but the main purpose of bio-oil production is to obtain liquid fuel.

이 액상 연료는 고상 바이오매스에 비하여 에너지밀도가 높고, 수송, 저장에 드는 비용이 적게 드는 장점이 있다.This liquid fuel has a higher energy density than the solid phase biomass, and has a merit of low transportation and storage cost.

일반적으로 바이오매스의 급속 열분해는 500℃ 전후의 온도와 상압 반응조건에서 수행된다.Generally, the rapid pyrolysis of biomass is performed at a temperature of around 500 ° C and under normal pressure reaction conditions.

열분해 오일의 수율(생산량)을 극대화하기 위해서는 외부 열원에서 고상 바이오매스 원료에 가능한 빠르게 열분해에 필요한 열을 공급해야 하며 반응기 체류시간은 수초 이내로 짧게 진행된다.
In order to maximize the yield of the pyrolysis oil, it is necessary to supply heat to the solid-phase biomass material from the external heat source as quickly as possible, and the residence time of the reactor is shortened to within a few seconds.

또한 생성물은 신속히 냉각해야만 부반응을 최소화할 수 있다. 이러한 최적 반응조건에서 열분해 오일 수율은 바이오매스 원료 건조기준으로 80%까지 얻을 수 있다.
The product must also be cooled rapidly to minimize side reactions. Under these optimum reaction conditions, pyrolysis oil yield can be up to 80% based on biomass feedstock drying.

바이오매스 급속 열분해를 하기 위한 기존의 급속 열분해 장치의 반응기는, 바이오매스를 유동층 급속 열분해를 통해 바이오오일을 얻는 장치인 대한민국 특허등록번호 제10-1285879호와 농임산폐기물을 유동층 열분해 하여 가스화하는 장치인 대한민국 특허등록번호 제10-0659497호에서 볼 수 있는 바와 같이 단일관 구조의 형태로 제작되었다.Conventional rapid pyrolysis reactors for biomass rapid pyrolysis include Korean Patent Registration No. 10-1285879, which is a device for obtaining biomass through fluidized bed rapid pyrolysis, and a device for pyrolyzing fluidized bed pyrolysis , As shown in Korean Patent Registration No. 10-0659497.

그러나 상기의 단일관 구조의 반응기는 바이오매스가 열분해 반응을 한 후 생성되는 고상 생성물과 증기상의 생성물들이 단일관 내에 섞여있을 뿐 아니라, 고상 생성물의 배출구가 유동층이 형성되는 부분에 연결되어 있어 고상 생성물만을 분리해 내는데 어려움이 있었다.
However, in the single-tube reactor, the solid product and the vapor product produced after the pyrolysis reaction of the biomass are mixed in a single tube, and the discharge port of the solid product is connected to the portion where the fluidized bed is formed, But it was difficult to separate them.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 이중관형 반응기를 이용하여 바이오매스의 급속 열분해를 수행함으로써, 반응기 내관에서 안정적인 버블유동층을 유지하고, 외관에서 고상 생성물인 바이오-차(bio-char)를 기타 생성물과 신속히 분리 및 제거할 수 있는 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법의 제공을 목적으로 한다.
DISCLOSURE Technical Problem The present invention has been conceived to solve the problems as described above, and it is an object of the present invention to provide a bubble-fluidized bed in which a stable bubble fluidized bed is maintained in an inner tube of a reactor by performing rapid pyrolysis of biomass using a double tube type reactor, The present invention aims to provide a rapid pyrolysis method of biomass using a dual-tubular bubble fluidized bed reactor capable of rapidly separating and removing bio-char from other products.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the object of the present invention is not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스(biomass)의 급속 열분해 방법은, 반응기에 구비된 반응기 내관에 일정량의 유동화 매질을 투입하는 제 1 단계와, 상기 반응기를 일정한 온도로 예열하는 제 2 단계와, 호퍼(hopper)에 저장된 반응 원료를 원료 투입부를 통해 일정한 유속으로 상기 반응기에 투입하는 제 3 단계와, 상기 반응기의 온도를 설정된 온도로 가열하여 반응 원료에 대한 열분해를 수행하는 제 4 단계와, 일정 시간 간격으로 반응기 외관 하부 및 사이클론의 하부를 통해 바이오-차(bio-char)를 채취하는 제 5 단계 및 바이오오일 수집조 및 타르 분리기를 통해 생성된 바이오오일을 채취하는 제 6 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
In order to achieve the above object, a rapid pyrolysis method of a biomass using a dual-tubular bubble fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention includes a first pyrolysis step of introducing a certain amount of a fluidizing medium into an inner tube of a reactor provided in a reactor, A second step of preheating the reactor to a predetermined temperature, a third step of feeding the reaction feedstock stored in a hopper into the reactor at a constant flow rate through the feedstock inlet, A fifth step of collecting bio-char through a lower portion of the outer surface of the reactor and a lower portion of the cyclone at predetermined time intervals, and a fifth step of collecting bio- And a sixth step of collecting the bio-oil produced through the bio-oil.

또한, 본 발명에 따른 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법은, 상기 제 1 단계에서 상기 유동화 매질은 모래를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Further, in the rapid pyrolysis method of biomass using the dual tubular bubble fluidized bed reactor according to the present invention, the fluidizing medium in the first step includes sand.

또한, 본 발명에 따른 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법은, 상기 제 2 단계에서 예열 후 운반 가스를 상기 반응기에 일정 속도로 유입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
The method for rapid pyrolysis of biomass using the dual tubular bubble fluidized bed reactor according to the present invention is characterized in that it comprises the step of introducing a carrier gas into the reactor at a constant rate after the preheating in the second step.

또한, 본 발명에 따른 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법은, 상기 제 3 단계에서 상기 호퍼에 저장되는 반응 원료는 톱밥, EFB(empty fruit bunch) 또는 이의 반탄화(torrefaction) 생성물 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
Also, in the rapid pyrolysis method of biomass using the dual tubular bubble fluidized bed reactor according to the present invention, the reaction material stored in the hopper in the third step may include sawdust, empty fruit bunch (EFB) Or a product thereof.

또한, 본 발명에 따른 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법은, 상기 반응 원료가 저장된 상기 호퍼에 질소를 유입한 후, 일정 압력으로 가압하는 것을 특징으로 한다.
Further, the rapid pyrolysis method of biomass using the dual tubular bubble fluidized bed reactor according to the present invention is characterized in that nitrogen is introduced into the hopper in which the reaction raw material is stored, followed by pressurization at a constant pressure.

또한, 본 발명에 따른 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법은, 열분해를 수행하는 동안 상기 사이클론의 출구에서 일정 압력의 질소를 공급하여 발생되는 타르를 콘덴서(condenser) 방향으로 제거하는 것을 특징으로 한다.
Also, the rapid pyrolysis method of a biomass using the double-tubular bubble fluidized bed reactor according to the present invention is characterized in that the pyrolysis is performed by supplying nitrogen at a certain pressure from the outlet of the cyclone during the pyrolysis to remove the tar generated in the direction of the condenser .

또한, 본 발명에 따른 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법은, 상기 제 3 단계에서, 투입되는 상기 반응 원료는 입도가 10㎜ 이하이고, 수분 함량은 15wt% 이하이며, 상기 반응 원료의 투입속도(feeding rate)는 상기 반응기 내관 부피당 1.0 ∼ 3.0㎏/h.L인 것을 특징으로 한다.
Also, in the rapid pyrolysis method of biomass using the dual tubular bubble fluidized bed reactor according to the present invention, in the third step, the reacted raw material to be introduced has a particle size of 10 mm or less and a water content of 15 wt% or less, And the feeding rate of the reaction raw material is 1.0 to 3.0 kg / hL per unit volume of the inner tube of the reactor.

또한, 본 발명에 따른 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법은, 열분해 시 상기 반응기의 온도는 420℃ ∼ 530℃를 유지하는 것을 특징으로 한다.
In the rapid pyrolysis method of biomass using the dual tubular bubble fluidized bed reactor according to the present invention, the temperature of the reactor is maintained at 420 ° C. to 530 ° C. during pyrolysis.

아울러, 본 발명에 따른 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법은, 열분해 시 상기 프리보드와 사이클론의 온도는 400℃ ∼ 500℃를 유지하는 것을 특징으로 한다.
Further, in the rapid pyrolysis method of biomass using the dual tubular bubble fluidized bed reactor according to the present invention, the temperature of the freeboard and the cyclone during pyrolysis is maintained at 400 ° C to 500 ° C.

본 발명의 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법에 따르면, 이중관형 반응기를 이용하여 목재 재제소에서 발생하거나 펠렛 제조과정에서 발생하는, 팜오일 착유과정에서 발생하는 EFB(empty fruit bunch) 등과 이의 반탄화(torrefaction) 생성물로 이루어지는 바이오매스를 급속 열분해 시킴으로써, 반응기 내관에서 안정적인 버블유동층을 유지할 수 있고, 외관에서는 고상 생성물인 바이오-차(bio-char)를 기타 생성물과 신속히 분리 및 제거할 수 있는 특징이 있다.According to the rapid pyrolysis method of the biomass using the double pipe-type bubble fluidized bed reactor of the present invention, the EFB (empty fruit) generated in the palm oil-milking process, which occurs in the wood- bunch) and its torrefaction product, it is possible to maintain a stable bubble fluidized bed in the inner tube of the reactor and to rapidly separate and separate the bio-char, which is a solid product, from the solid product, There is a feature that can be removed.

따라서, 본 발명에 따르면 기존의 버블유동층 반응장치 보다 안정적으로 운전이 가능하다는 이점이 있다.
Therefore, according to the present invention, there is an advantage that it is possible to operate more stably than the conventional bubble fluidized bed reaction apparatus.

도 1은, 본 발명에 따른 바이오매스 급속 열분해를 위한 이중관형 유동층 반응기를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 이중관형 유동층 반응기를 구비하는 이중관형 버블유동층 반응장치를 나타내는 구성도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는, 톱밥의 급속 열분해로부터 열분해 생성물 분포에 미치는 반응 온도 영향을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 5는, 톱밥의 급속 열분해로부터 생산한 바이오오일의 총유기탄소함량(TOC)과 O/C비에 미치는 열분해 온도 영향을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 6은, 열분해 온도에 따른 바이오-차의 연료특성을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 7은, 톱밥의 급속 열분해로부터 얻은 생성물의 수율에 미치는 반응 원료의 투입 속도 영향을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 8은, 톱밥의 급속 열분해로부터 바이오오일 생산에 미치는 반응 원료의 투입 속도 영향을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 9는, 톱밥의 급속 열분해로부터 바이오-차 생산에 미치는 반응 원료의 투입 속도 영향을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing a dual-tubular fluidized bed reactor for biomass rapid pyrolysis according to the present invention. FIG.
FIG. 2 is a view showing a double tube type bubble fluidized bed reactor equipped with a double-tube type fluidized bed reactor according to the present invention.
3 is a flowchart showing a rapid thermal decomposition method of biomass using the dual tubular bubble fluidized bed reactor according to the present invention.
4 is a graph exemplarily showing the effect of reaction temperature on the thermal decomposition product distribution from the rapid thermal decomposition of sawdust.
5 is a graph exemplarily showing the effect of pyrolysis temperature on total organic carbon content (TOC) and O / C ratio of bio-oil produced from rapid thermal decomposition of sawdust.
Fig. 6 is a graph exemplarily showing the fuel characteristics of the bio-tea according to the pyrolysis temperature.
7 is a graph exemplarily showing the influence of the feed rate of the reaction raw material on the yield of the product obtained from rapid thermal decomposition of sawdust.
8 is a graph exemplarily showing the influence of the feed rate of the reaction raw material on bio oil production from rapid thermal decomposition of sawdust.
9 is a graph exemplarily showing the influence of the feed rate of the reaction raw material on the bio-tea production from the rapid thermal decomposition of sawdust.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a detailed description of preferred embodiments of the present invention will be given with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It is to be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms of disclosure, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ",or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

도 1은, 본 발명에 따른 바이오매스 급속 열분해를 위한 이중관형 유동층 반응기를 개략적으로 나타내는 구성도로, 도면에 나타낸 바와 같이 이중관형 유동층 반응기(100)는 반응 원료를 투입하는 호퍼(hopper)(111), 반응기 내관(121), 분산판(122), 운반가스 챔버(123), 반응기 외관(131), 바이오차(bio-char) 수집부(133), 프리보드(137), 운반가스 유입부(141) 및 생성물 배출부(150)를 포함할 수 있다.
FIG. 1 is a schematic view of a dual-tubular fluidized-bed reactor for biomass rapid pyrolysis according to the present invention. As shown in FIG. 1, a dual-tubular fluidized bed reactor 100 includes a hopper 111, The reactor inner tube 121, the dispersion plate 122, the carrier gas chamber 123, the reactor outer tube 131, the bio-char collector 133, the freeboard 137, the carrier gas inlet 141 and a product discharge unit 150. [

이 원료 투입부(111)를 통해 바이오매스 원료인 목본계 물질 또는 초본계 물질을 투입할 수 있다. 목본계 물질 또는 초본계 물질은 예를 들어, 폐목재, 폐지, 왕겨, 톱밥, 식물의 줄기 등일 수 있다.The raw material or herbaceous material, which is a raw material for biomass, can be supplied through the raw material input portion 111. The neck base material or herbaceous base material can be, for example, waste wood, waste paper, rice husks, sawdust, stem of plants, and the like.

원료 투입부(111)의 일단은 반응기 내관(121)과 연결되어 바이오매스가 반응기 내관(121)의 내부 공간에 수용되고, 반응을 통해 바이오매스는 급속 열분해 되어 증기상 생성물과 고상 생성물을 생성한다.One end of the raw material input portion 111 is connected to the reactor inner pipe 121 so that the biomass is accommodated in the inner space of the reactor inner pipe 121 and the biomass is rapidly pyrolyzed through the reaction to generate a steam phase product and a solid phase product .

원료 투입부(111)의 내부에는 예를 들어 스크류 피더가 장착될 수 있으며 바이오매스가 원료 투입부(111)에서 막히지 않고 반응기 내관(121)으로 유입될 수 있도록 도와준다.
For example, a screw feeder may be installed in the raw material input portion 111, and the biomass may be introduced into the reactor inner pipe 121 without being blocked by the raw material input portion 111.

반응기 내관(121)의 하부에 배치되는 운반가스 챔버(123)와 반응기 내관(121)의 사이에는 분산판(122)이 배치될 수 있다. 운반가스 챔버(123)에 있는 운반가스는 분산판(122)을 통과하여 반응기 내관(121)의 내부 공간에서 바이오매스를 열분해 하여 유동층을 형성시킬 수 있다.
The dispersion plate 122 may be disposed between the transfer gas chamber 123 disposed at the lower portion of the reactor inner tube 121 and the reactor inner tube 121. The carrier gas in the carrier gas chamber 123 may pass through the dispersion plate 122 to pyrolyze the biomass in the inner space of the reactor inner tube 121 to form a fluidized bed.

분산판(122)의 상부 및 반응기 내관(121)이 끝나는 지점에는 각각 압력계(125a, 125b)가 설치되어 있어 반응시 압력을 측정하여 반응기의 정상 운전 여부를 알 수 있다.Pressure gauges 125a and 125b are installed at the upper part of the dispersion plate 122 and the end point of the in-reactor inner pipe 121, respectively.

두 압력계의 압력차(ΔP)가 0에 가까울수록 바이오오일의 수득률이 높아진다. 또한 반응기 내관(121)에는 일정 간격 이격하여 높이에 따라 열전대(126)가 구비되어 있어 반응기 내관(121)의 온도를 측정할 수 있다.
The closer the pressure difference (? P) between the two pressure gauges is to zero, the higher the yield of the bio-oil. In addition, the reactor inner tube 121 is provided with a thermocouple 126 spaced apart at a predetermined interval to measure the temperature of the reactor inner tube 121.

분산판(122)에는 일정량의 유동화 매질이 충전되어 있으며, 유동층 형성시 함께 혼합되어 바이오매스에 열이 효율적으로 전달되는 것을 돕는다. 유동화 매질은 단단하면서 일정한 입도를 갖는 물질로서, 예를 들어 모래일 수 있다.
The dispersion plate 122 is filled with a certain amount of fluidizing medium and is mixed with the fluidized bed to help efficiently transfer heat to the biomass. The fluidization medium is a material with a hard and uniform particle size, for example sand.

또한, 운반가스 챔버(123)의 하단 측면에는 운반가스를 공급하는 운반가스 유입부(141)가 형성되어 있다. 유입되는 운반가스는 가열되어 고온인 상태로 유입되며, 특히 운반가스는 열분해 반응시 반응성이 없는 물질로서, 예를 들어, 질소(N2), 이산화탄소(CO2), 연소가스일 수 있으며, 연소가스는 산소(O2), 일산화탄소(CO), 수증기(H2O), 아황산가스(SO2) 등 일 수 있다.
Further, a carrier gas inlet 141 for supplying a carrier gas is formed at a lower side surface of the carrier gas chamber 123. The carrier gas is heated and introduced at a high temperature. Particularly, the carrier gas is a material which is not reactive in the thermal decomposition reaction. For example, the carrier gas may be nitrogen (N 2 ), carbon dioxide (CO 2 ) The gas may be oxygen (O 2 ), carbon monoxide (CO), water vapor (H 2 O), sulfur dioxide gas (SO 2 ), and the like.

유동층에서 생성된 미세한 고상 물질, 예를 들어, 바이오-차(bio-char)가 분산판(122)을 통하여 운반가스 챔버(123)로 내려올 수 있기 때문에, 운반가스 챔버(123)의 하단에는 바이오-차를 제거할 수 있는 밸브(124)가 장착될 수 있다.Since the fine solid material, for example, bio-char, produced in the fluidized bed can be transferred to the carrier gas chamber 123 through the dispersion plate 122, A valve 124 capable of removing the car can be mounted.

특히, 운반가스 챔버(123) 하단에 설치된 밸브(124)의 작동을 위하여, 바이오-차 수집부(133)는 반응기 외관(131)과 도면에 나타낸 바와 같이, 플랜지 등의 이음부(134)로 연결하여 부착과 탈착이 용이하도록 할 수 있다.Particularly, for the operation of the valve 124 installed at the lower end of the carrier gas chamber 123, the bio-tea collecting part 133 is connected to the reactor outer tube 131 and the joint part 134 such as a flange as shown in the figure So that attachment and detachment can be facilitated.

또한 반응기 내관(121), 반응기 외관(131) 및 운반가스 챔버(123)의 외벽에는, 도시하지는 않았지만 반응기(100)를 가열시켜 적정 온도를 유지시킬 수 있는 가열로가 설치될 수 있다.
A heater may be installed on the outer wall of the reactor inner pipe 121, the reactor outer pipe 131 and the transfer gas chamber 123 to maintain the proper temperature by heating the reactor 100, though not shown.

또한, 반응기 외관(131)은 내측이 반응기 내관(121) 외측과 일정 간격 이격되어 배치되고, 반응기 내관(121)을 감싸도록 형성될 수 있으며, 반응기 외관(131)과 반응기 내관(121)의 사이에는 바이오-차가 낙하하는데 방해받지 않을 정도의 크기의 연결장치(132)에 의하여 연결될 수 있다.
The inside of the reactor outer tube 131 is spaced apart from the outer side of the reactor inner tube 121 and may be formed so as to surround the reactor inner tube 121 and may be formed between the reactor outer tube 131 and the reactor inner tube 121 May be connected by a connecting device 132 of a size that is not disturbed by the falling of the bio-car.

반응기 외관(131)의 내측 하부에는 바이오-차 수집부(133)가 위치하며, 급속 열분해 반응을 통해 생성된 바이오-차가 중력에 의하여 낙하하여 수집된다. 이로 인해 증기상 생성물이 모여지는 공간과 다른 공간에 바이오-차가 수집될 수 있어 효율적인 분리가 가능하게 된다. A bio-disc collecting unit 133 is located inside the outer surface 131 of the reactor 131, and the bio-disc produced through the rapid thermal decomposition reaction is dropped by gravity and collected. As a result, the bio-car can be collected in a space different from the space in which the vapor phase product is collected, thereby enabling efficient separation.

바이오-차 수집부(133)에 수집된 바이오-차는 하단의 밸브(135)를 열어 밖으로 배출할 수 있다. 이때 수집된 바이오-차의 일정량을 남겨두어 반응기(100) 외부로부터의 열손실을 최소화할 수 있다.
The bio-tea collected in the bio-tea collecting unit 133 can open and discharge the valve 135 at the lower end. At this time, a certain amount of the collected bio-tea can be left to minimize the heat loss from the outside of the reactor 100.

또한, 반응기 외관(131)의 상단과 반응기 내관(121)의 상단 사이에는 프리보드(137)가 위치하여 급속 열분해 반응을 통해 생성된 증기상 물질을 수집되고, 프리보드(137) 상단에는 열전대(138)가 장착되어 있어 프리보드(137)의 온도를 측정할 수 있다. The freeboard 137 is positioned between the upper end of the reactor outer tube 131 and the upper end of the inner reactor tube 121 to collect the vapor phase material generated through the rapid thermal decomposition reaction, 138 are mounted on the free board 137 to measure the temperature of the free board 137.

프리보드(137)의 일 측면에는 강제 배출관(136)이 장착되어 있어, 반응기 외관(131)이 바이오-차로 막혀 프리보드(137)에서 분리된 바이오-차가 분리되지 못하는 사태를 대비할 수 있다.
A forced discharge pipe 136 is mounted on one side of the freeboard 137 so that the bio-car separated from the freeboard 137 can not be separated from the reactor exterior pipe 131 due to the blockage of the bio-lane.

생성물 배출부(150)는 프리보드(137)의 상단 측면과 연결되어, 증기상 생성물을 외부로 배출할 수 있다.
The product discharge portion 150 is connected to the upper surface of the freeboard 137 to discharge the vapor phase product to the outside.

도 2는 본 발명에 따른 이중관형 유동층 반응기(100)를 구비하는 바이오매스 급속 열분해 장치(200)를 나타내는 구성도이고, 도 3은 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법을 나타내는 흐름도를 나타내며, 도면에 나타낸 바와 같이, 그 주요 구성요소로는 반응 원료로서 바이오매스를 저장하는 호퍼(hopper)(112), 원료 투입구(111), 반응기 내관(121), 반응기 외관(131), 분산판(122), 운반가스 챔버(123), 바이오-차 수집부(133), 프리보드(137), 사이클론(210), 콘덴서(condenser)(221), 바이오오일 수집조(222), 냉각기(231), 타르 분리기(232), 타르 분리관(233)을 포함할 수 있다.
FIG. 2 is a schematic view showing a biomass rapid thermal cracking apparatus 200 having a dual-tubular fluidized bed reactor 100 according to the present invention, and FIG. 3 is a schematic view showing a rapid pyrolysis method of biomass using a double- A hopper 112 for storing biomass as a reaction raw material, a feed inlet 111, a reactor inner pipe 121, a reactor outer pipe 131, A bio-oil collecting unit 133, a freeboard 137, a cyclone 210, a condenser 221, a bio-oil collecting tank 222, a cooler (not shown) A tar separator 232, a tar separator 233,

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a rapid pyrolysis method of the biomass using the dual tubular bubble fluidized bed reactor will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG.

반응기 내관(121)의 상부에 있는 플랜지(도시하지 않음)를 열고 적당량의 유동화 매질, 예를 들어, 모래를 투입한 다음 플랜지를 닫는다(S101).A flange (not shown) at the upper part of the reactor inner pipe 121 is opened and an appropriate amount of a fluidizing medium, for example, sand is charged, and then the flange is closed (S101).

이후, 가열장치를 통하여 반응기(100)를 예열한 후(S102), 예열된 고온의 운반가스를 설정된 유속으로 반응기 내관(121)에 공급하여 유동화 매질을 유동시킨다.
Thereafter, the reactor 100 is preheated through the heating device (S102), and the preheated high-temperature carrier gas is supplied to the in-reactor tube 121 at a predetermined flow rate to flow the fluidizing medium.

반응기(100)를 가열시켜 온도가 목표치에 도달한 상태에서, 적당한 수분함량과 입도를 갖도록 미리 준비된 반응 원료인 바이오매스를, 원료 투입구(111)를 이용하여 호퍼(112)에서 반응기 내관(121)으로 투입한다(S103).The reactor 100 is heated and the biomass as a reaction raw material prepared in advance so as to have a proper moisture content and particle size is supplied from the hopper 112 to the reactor inner pipe 121 by using the feed inlet 111, (S103).

이때, 호퍼(112)의 내부에는 반응 원료의 원활한 투입을 위해, 교반기(113)를 설치하여 일정 속도, 예를 들어 10rpm 내외로 반응 원료를 교반할 수 있으며, 또한, 반응 원료가 저장된 호퍼(112)에 질소를 유입한 후, 일정 압력으로 가압할 수 있다.
At this time, a stirrer 113 may be installed in the hopper 112 to smoothly inject the reaction material into the hopper 112, and the reaction material may be stirred at a predetermined speed, for example, about 10 rpm. ), And then pressurized at a constant pressure.

반응 원료인 바이오매스는 목재 제재소에서 발생하거나 펠렛 제조과정에서 발생하는 톱밥, 팜오일 착유과정에서 발생하는 EFB(empty fruit bunch) 또는 이의 반탄화(torrefaction) 생성물 중 어느 하나일 수 있다.The biomass as a reaction raw material may be any one of sawdust generated in a wood-making mill or pellet producing process, empty fruit bunch (EFB) generated in palm oil-milking process or its torrefaction product.

본 발명의 실시예에 따라 사용된 반응 원료는 제재소 톱밥으로 입도가 10㎜ 이하이고, 수분 함량은 15wt% 이하일 수 있다.
The reaction raw material used in the embodiment of the present invention is sawmill sawdust and may have a particle size of 10 mm or less and a moisture content of 15 wt% or less.

반응기 내관(121)에서는 운송된 바이오매스와 매질이 분산판(122)을 통하여 공급되는 고온의 운반가스에 의하여 유동화하면서 유동층이 형성되고, 유동하는 고온의 유동화 매질이 바이오매스와 충돌하면서 열분해에 필요한 열을 빠르게 공급함으로써 열분해 공정이 수행될 수 있다(S104).
In the inner tube 121 of the reactor, a fluidized bed is formed while the transported biomass and medium are fluidized by the high temperature carrier gas supplied through the dispersion plate 122, and a high temperature fluidizing medium flowing therethrough collides with the biomass, The pyrolysis process can be performed by rapidly supplying heat (S104).

또한, 고온의 운반가스는 열분해 반응에 반응성이 없는 질소를 예열기(142)에서 가열하여 운반가스 챔버(123)와 분산판(122)을 통하여 반응기 내관(121)에 공급할 수 있고, 추가적인 가열을 위하여 운반가스 챔버(123), 반응기 외관(131), 프리보드(137), 그리고 사이클론(210) 외벽에 전기가열로(도시하지 않음)를 설치할 수 있다.
The high temperature carrier gas can also be heated in the preheater 142 to supply nitrogen to the reactor inner tube 121 through the carrier gas chamber 123 and the dispersion plate 122 without additional reaction to the pyrolysis reaction, An electric heating furnace (not shown) may be installed on the outer wall of the carrier gas chamber 123, the reactor outer tube 131, the freeboard 137, and the cyclone 210. [

이를 통해, 열분해 시 반응기(100)의 온도를 420℃ ∼ 530℃를 유지하거나, 프리보드(137)와 사이클론(210)의 온도를 400℃ ∼ 500℃ 정도로 유지할 수 있다.
This allows the temperature of the reactor 100 to be maintained at 420 ° C. to 530 ° C. or the temperature of the freeboard 137 and the cyclone 210 to be maintained at about 400 ° C. to 500 ° C. during pyrolysis.

열분해 시 유동층은 반응기 내관(121) 전체에 형성되며, 프리보드(137)에서 입도가 큰 고상 생성물, 즉, 바이오-차(bio-char)가 보다 가벼운 증기상 생성물과 분리되어 중력에 의하여 반응기 외관(131)을 통하여 바이오-차 수집부(133)로 떨어져 채취될 수 있다(S105).The fluidized bed at the time of pyrolysis is formed in the entire inner tube 121 of the reactor and separated from the vapor phase product having a larger particle size in the freeboard 137, that is, the bio-char is lighter than the vapor phase product, The bio-disc collecting unit 133 may be separated from the bio-disc collecting unit 133 (S105).

이를 통하여 반응기 내관(121)에서 일정한 유동층을 유지할 수 있으므로 안정적인 운전이 가능해지는 것이다.
In this way, since a constant fluidized bed can be maintained in the reactor inner pipe 121, stable operation can be performed.

프리보드(137)에서 입도가 크고 무거운 고상 생성물이 분리된 나머지 생성물이 사이클론(210)에 유입되어 잔존하는 고상 생성물을 추가적으로 분리한 다음, 콘덴서(221)에 유입, 급랭시킴으로서 바이오오일을 응축하여 기상의 합성가스로부터 분리한다.The remaining product having a large particle size and a heavy solid product separated from the freeboard 137 flows into the cyclone 210 to further separate the remaining solid product and then flows into the condenser 221 and rapidly cooled to condense the bio- Of the synthesis gas.

콘덴서(221) 하부에는 바이오오일 수집조(222)가 있어 응축된 액상의 바이오오일을 분리 및 채취하여 저장한다(S106).A bio-oil collecting tank 222 is disposed under the condenser 221 to separate and collect condensed liquid bio-oil (S106).

콘덴서 상부에서 배출된 합성가스에는 소량의 타르가 포함되어 있을 수 있으므로 이를 분리, 제거하기 위하여 냉각기(231)와 타르 분리기(232), 타르 분리관(233) 등을 설치한다.Since the synthetic gas discharged from the upper portion of the condenser may contain a small amount of tar, a cooler 231, a tar separator 232, a tar separator 233, and the like are installed to separate and remove the tar.

특히, 사이클론(210)과 콘덴서(221) 사이에 관로는 온도가 급냉각됨에 따라 생성물질 중 타르가 고형화되어 관로가 폐쇄될 수 있다. 따라서, 사이클론(210)에서 콘덴서(221) 방향으로 삽입된 가스관, 즉 튜브(211)를 통해 높은 압력의 질소를 공급하여 생성된 타르가 콘덴서(221) 쪽으로 제거될 수 있다.
Particularly, as the temperature is suddenly cooled in the duct between the cyclone 210 and the condenser 221, the tar in the produced material becomes solidified and the duct can be closed. Therefore, the tar produced by supplying the high pressure nitrogen through the gas pipe inserted into the cyclone 210 in the direction of the condenser 221, that is, the tube 211, can be removed toward the condenser 221.

<급속 열분해 결과>&Lt; Result of rapid pyrolysis >

본 발명에 따른 이중관형 버블유동층 반응장치(200)를 이용하여 급속 열분해를 수행한 결과는 다음과 같다.
The results of rapid pyrolysis using the double tube type bubble fluidized bed reactor 200 according to the present invention are as follows.

(1) 열분해 반응온도(1) Pyrolysis reaction temperature

톱밥의 급속 열분해로부터 열분해 생성물 분포에 미치는 반응 온도 영향을 도 4에 나타냈다.The effect of reaction temperature on the thermal decomposition product distribution from the rapid pyrolysis of sawdust is shown in FIG.

여기서, 열분해 시 조건은 반응 원료 투입 속도는 1.2㎏/h·L, 질소 운반가스 유속은 15L/min, 1bar를 가질 수 있고, 열분해 반응온도는 분산판 상단온도, 반응원료 투입지점 온도, 그리고 내관 상단온도의 평균값으로 정의하였다.
The pyrolysis reaction temperature may be the temperature of the top of the dispersion plate, the temperature of the feedstock at the point of introduction of the feedstock, and the temperature of the feedstock, And the average value of the upper temperature.

반응 원료 투입 속도(feeding rate)는 시간당 투입되는 바이오매스를 반응기 내관 부피로 나눈 값으로 나타냈다. 운반가스 유속은 반응물질 체류시간이 2초(s) 내외가 되도록 설정하였다.Feeding rate of reaction material was expressed by dividing biomass input per hour divided by reactor inner tube volume. The carrier gas flow rate was set so that the residence time of the reactant was about 2 seconds (s).

생성물에서 가스(bio-syngas) 발생량은 반응원료 투입량에서 바이오오일(bio-oil)과 바이오-차(bio-char) 생성량을 제외한 나머지로 계산하였다.The amount of bio-syngas generated in the product was calculated by subtracting the amount of bio-oil and bio-char from the feed amount of the reaction product.

도면에 나타낸 바와 같이, 바이오오일 수율은 약 440℃에서 60.3wt%에 다달았고, 이후 반응 온도가 증가함에 따라 서서히 감소하여 530℃ 정도에서는 41.3wt%로 떨어졌다.As shown in the figure, the yield of bio-oil reached 60.3 wt% at about 440 ° C, and gradually decreased with increasing reaction temperature and dropped to 41.3 wt% at about 530 ° C.

한편 가스 생성물은 426℃에서 18.3wt%에 머물렀으나 반응온도가 높을수록 증가하여 530℃에서 38.7wt%를 보였다.On the other hand, the gas product remained at 18.3 wt% at 426 ° C, but increased at higher reaction temperature and showed 38.7 wt% at 530 ° C.

고형 생성물인 바이오-차(bio-char)는 가스 생성물과 반대경향을 보였다. 즉, 426℃에서 28.7wt%로 최고치를 보였고, 528℃에서 20.1wt%로 최저치에 도달했다.The bio-char, the solid product, showed a tendency to be opposite to the gas product. That is, the maximum value was 28.7 wt% at 426 DEG C and reached the lowest value at 20.0 wt% at 528 DEG C.

바이오-차의 80wt% 이상을 반응기 하단에서 얻었으며 반응온도가 낮을수록 반응기 하단에서 얻은 비율이 다소 높게 나타났다.More than 80 wt% of bio - tea was obtained at the bottom of the reactor. The lower the reaction temperature, the higher the ratio obtained at the bottom of the reactor.

이러한 결과로부터 톱밥으로부터 바이오오일 생산에 적합한 최적 열분해 반응온도는 440℃임을 알 수 있다.
From these results, it can be seen that the optimum pyrolysis reaction temperature suitable for producing bio oil from sawdust is 440 ° C.

도 5는 톱밥의 급속 열분해로부터 생산한 바이오오일의 총 유기탄소함량(TOC)과 O/C비에 미치는 열분해 온도 영향을 예시적으로 나타내는 그래프이다.5 is a graph exemplarily showing the effect of thermal decomposition temperature on the total organic carbon content (TOC) and O / C ratio of bio-oil produced from rapid thermal decomposition of sawdust.

도면에 나타낸 바와 같이, 반응온도 420∼530℃ 범위에서 바이오오일의 TOC는 약 400g/L로 큰 변화를 보이지 않았으나, O/C비는 440℃ 근방에서 최소치인 1.1를 나타냈다.As shown in the figure, the TOC of the bio-oil did not show a significant change to about 400 g / L in the reaction temperature range of 420 to 530 ° C, but the O / C ratio showed a minimum value of 1.1 near 440 ° C.

이후 열분해 온도 상승에 따라 증가하여 530℃에서는 1.8로 최고값을 보였다.It increased with the increase of pyrolysis temperature and showed the maximum value at 1.8 ℃ at 530 ℃.

유기탄소함량에 변화가 없음에도 불구하고, O/C비에 큰 변화가 있는 것으로 미루어 보아 바이오오일의 산소함량은 비교적 열분해온도에 민감하게 영향을 받는다고 볼 수 있다.Although there is no change in the organic carbon content, the oxygen content of the bio - oil is affected by the pyrolysis temperature relatively, considering that there is a large change in the O / C ratio.

또한, 반응온도에 대한 바이오오일의 O/C비 경향성은 수율과 완전히 상반되는 결과를 나타냈다. 결론적으로 바이오오일 수율이 최대일 때 최소의 O/C비와 최대치의 발열량을 얻을 수 있다고 볼 수 있다.
Also, the O / C non - tendency of the bio - oil to the reaction temperature was completely opposite to the yield. In conclusion, the maximum O / C ratio and maximum calorific value can be obtained when the bio oil yield is maximum.

바이오매스의 급속 열분해 부산물로 바이오-차(bio-char)와 가스(bio-syngas)가 생산되며, 이들 부산물은 연소하여 열분해 열원으로 이용할 수도 있고 산업적 수요가 있는 경우에는 추가적인 정제과정을 통하여 상품화하면 열분해 공정의 경제성을 높일 수 있다.Bio-char and bio-syngas are produced as a byproduct of rapid pyrolysis of biomass. These by-products can be used as a pyrolysis heat source by burning. If there is an industrial demand, The economical efficiency of the pyrolysis process can be enhanced.

특히, 바이오-차는 열량이 높을 뿐만 아니라 비교적 간단한 공정을 통하여 흡착능력과 탄소순도가 높은 활성탄과 같은 소재로 재생산할 수 있어 잠재적으로 높은 부가가치를 지니고 있다. 따라서 열분해 부산물인 바이오-차의 특성을 파악하는 것은 중요하다.In particular, bio-tea has high calorific value and potentially high added value because it can be reproduced by a material such as activated carbon with high adsorption capacity and high purity carbon through a relatively simple process. Therefore, it is important to understand the characteristics of bio-tea which is a by-product of pyrolysis.

도 6에는 열분해 온도에 따른 바이오-차의 연료특성을 예시적으로 나타냈다.FIG. 6 exemplarily shows the fuel characteristics of the bio-tea according to the pyrolysis temperature.

열분해 온도가 높아짐에 따라 회분 함량이 꾸준히 증가하였는데 이는 반응온도가 높아짐에 따라 운반가스 속도가 증가하고 열분해 증기량이 증가하여 유동화 매질인 모래가 일부가 내관에서 유실되어 반응기 하부의 바이오-차에 포함되었기 때문으로 사료될 수 있다.As the pyrolysis temperature increased, the ash content steadily increased. As the reaction temperature increased, the carrier gas velocity increased and the amount of pyrolysis vapor increased. As a result, some of the sand as a fluidization medium was lost in the inner tube and contained in the bio- .

일반적으로, 반응온도 420 ∼ 500℃ 범위에서 바이오-차의 발열량이나 O/C비와 같은 연료특성은 큰 변화가 없었고 볼 수 있다.
Generally, the fuel characteristics such as the heating value of the bio-tea and the O / C ratio are not significantly changed in the range of 420 to 500 ° C.

(2) 반응 원료 투입 속도(2) Reaction feed rate

도 7은 톱밥의 급속 열분해로부터 얻은 생성물의 수율에 미치는 반응 원료의 투입 속도 영향을 예시적으로 나타내는 그래프이다.7 is a graph exemplarily showing the influence of the feed rate of the reaction raw material on the yield of the product obtained from rapid thermal decomposition of sawdust.

도면에 나타낸 바와 같이, 생성물 분포는 투입 속도(feeding rate)에 크게 영향을 받지 않음을 알 수 있다.As shown in the figure, it can be seen that the product distribution is not greatly influenced by the feeding rate.

다만, 바이오오일과 바이오-차 생성물은 원료의 투입 속도가 2.6kg/h·L일 때 각각 가장 높은 수율인 62.2wt%와 25.5wt%를 보였고, 이와는 대조적으로 가스 생성물(bio-syngas)은 1.2kg/h·L 일때 가장 높은 17.0wt%를 보였다.The bio-oil and bio-tea products showed the highest yields of 62.2wt% and 25.5wt%, respectively, when the feed rate of the raw material was 2.6kg / h · L, and the bio-syngas were 1.2 kg / h · L, the highest value was 17.0 wt%.

반응 원료 투입이 전혀 없는 경우, 즉 운반가스만 투입될 경우에 운반가스의 반응기 체류시간은 반응온도에서 2초(s) 정도이다.When no feedstock is added, that is, only the carrier gas is fed, the reactor residence time of the carrier gas is about 2 seconds (s) at the reaction temperature.

반응 원료가 투입되어 급속 열분해가 진행되고, 증기상 생성물이 대량 생성되면 반응기 체류시간은 2초보다 짧아지므로 최대의 바이오오일 수율을 얻을 수 있는 반응기 체류시간은 2초(s) 이내임을 알 수 있다.
When rapid reaction of raw materials is carried out and pyrolysis proceeds and a large amount of vapor phase product is produced, the residence time of the reactor becomes shorter than 2 seconds, so that the residence time of the reactor in which the maximum bio oil yield can be obtained is within 2 seconds .

도 8에는 톱밥의 급속 열분해로부터 바이오오일 생산에 미치는 반응 원료의 공급 속도 영향을 예시적으로 나타냈다.FIG. 8 shows an example of the influence of the feeding rate of the reaction raw material on bio oil production from the rapid thermal decomposition of sawdust.

반응온도 440℃ 및 원료의 투입 속도가 1.2 - 2.6kg/h·L 범위에서 바이오오일 수율과 연료 특성은 큰 변화가 없었다. 하지만, 투입 속도가 높아짐에 따라 바이오오일의 수율과 O/C비가 모두 증가하는 경향을 보였다.In the range of reaction temperature 440 ℃ and feed rate 1.2 ~ 2.6kg / h · L, there was no significant change in bio oil yield and fuel characteristics. However, as the feed rate increased, the yield of bio-oil and O / C ratio tended to increase.

이는 도 5에 나타낸 열분해 온도에 대한 영향과 다른 경향성이다. 또한 O/C비는 수율이나 TOC에 비하여 투입 속도에 더 민감한 반응을 보임을 알 수 있다.
This is a tendency different from the influence on the pyrolysis temperature shown in FIG. Also, the O / C ratio is more sensitive to the feed rate than the yield or TOC.

또한, 도 9는 톱밥의 급속 열분해로부터 바이오-차 생산에 미치는 반응 원료의 공급 속도 영향을 예시적으로 나타내는 그래프로, 도면에 나타낸 바와 같이, 바이오-차의 수율과 발열량은 구간의 원료 투입 속도에서 큰 변화가 없었지만, 회분함량은 투입 속도가 1.2에서 2.6kg/h·L로 높아짐에 따라 10에서 3.8로 크게 감소함을 알 수 있다.9 is a graph exemplarily showing the influence of the feed rate of the reaction raw material on the bio-tea production from the rapid thermal decomposition of sawdust. As shown in the figure, the yield and the calorific value of the bio- The ash content decreased significantly from 10 to 3.8 as the feed rate increased from 1.2 to 2.6 kg / h · L.

이는 높은 투입 속도에서 반응기에서 증가된 원료가 유동화 매질인 모래의 오버플로우(overflow)를 억제하여 손실을 줄였기 때문으로 생각될 수 있다.
This can be attributed to the fact that the increased feedstock in the reactor at high feed rates reduced the loss by suppressing the overflow of sand, the fluidizing medium.

따라서, 상술한 결과를 바탕으로 본 발명에 따른 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용하여 바이오매스 급속 열분해를 수행하는 최적 운전조건은 다음과 같이 설정될 수 있다.Therefore, based on the above-described results, the optimal operation condition for performing the biomass rapid thermal decomposition using the dual-tubular bubble fluidized bed reactor according to the present invention can be set as follows.

먼저, 반응 원료는 목질계 바이오매스를 이용하지만, 입도는 반응기 크기나 열분해 목적에 따라 달라질 수 있다.First, the reaction raw material uses woody biomass, but the particle size may vary depending on the size of the reactor or the purpose of pyrolysis.

따라서, 최대 입도는 반응기 내관과 외관 사이의 간격보다 작아야 하며, 급속 열분해 목적이 액상 생성물인 바이오오일 생산인 경우, 10mm 이하로 하고, 수분함량이 높을수록 바이오오일 중의 수분함량이 높아 발열량이 낮고 후처리 공정에서 부담이 증가하는 것을 방지하기 위하여, 15wt% 이하인 것이 바람직하다.
Therefore, the maximum particle size should be smaller than the distance between the inner tube and the outer surface of the reactor, and the purpose of rapid pyrolysis should be 10 mm or less in the case of bio-oil production as the liquid product, and as the water content is high, In order to prevent the burden from increasing in the treatment process, it is preferably 15 wt% or less.

또한, 반응 원료의 투입 시 호퍼 상부에 뚜껑(cover)를 설치하고 밀폐한 다음, 질소나 열분해 생성가스 등 산소가 없는 가스를 호퍼로 유입하여 약 0.02bar 내외의 압력을 유지할 수 있다.
In addition, when the reaction material is charged, a cover is provided on the upper part of the hopper, and then oxygen-free gas such as nitrogen or pyrolysis gas is introduced into the hopper to maintain a pressure of about 0.02 bar.

열분해가 이루어지는 반응기의 경우, 바이오매스의 열분해 온도는 바이오오일 생산이 목적인 경우에는 420-530℃ 범위를 유지하고, 압력은 0.3bar 이내가 적합하다. 또한, 투입 속도는 반응기 내관 부피당 1.0 - 3.0kg/h.L 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
In the case of a pyrolysis reactor, the pyrolysis temperature of biomass should be in the range of 420-530 ° C for bio-oil production purposes, and the pressure should be within 0.3 bar. It is also preferred that the feed rate be maintained in the range of 1.0 - 3.0 kg / hL per reactor inner tube volume.

아울러, 반응기 상부의 프리보드(FB)와 이어 설치된 사이클론 온도는 모두 400-500℃ 범위에서 운전하고, 가능한 450℃가 적합할 수 있다.In addition, the cyclone temperature connected to the freeboard (FB) in the upper part of the reactor is operated in the range of 400-500 ° C, and 450 ° C is suitable as far as possible.

사이클론과 콘덴서 사이 관로는 온도가 급냉각됨에 따라 생성물질 중 타르(tar)가 고형화되어 관로가 패쇄될 수 있으므로 사이클론에서 콘덴서 방향으로 가스관을 삽입하고, 약 5분 간격으로 약 5bar 정도 고압의 가스를 1초 정도 순간 투입하여 냉각되는 타르를 관로에서 제거한다. 이때, 콘덴서는 가능한 생성물이 급랭될 수 있도록 운전하되 생성물 출구온도가 최대 20℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
Since the tar between the cyclone and the condenser is suddenly cooled, the tar is solidified and the pipeline can be closed. Therefore, the gas pipe is inserted in the direction of the condenser from the cyclone, and the gas at about 5 bar The tar is cooled for one second and removed from the pipeline. At this time, it is preferable that the condenser is operated so that the product can be quenched as much as possible, but the product outlet temperature is not higher than 20 ° C at the maximum.

상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. will be. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

100 : 이중관형 유동층 반응기
111 : 원료 투입부 112 : 호퍼(112)
121 : 반응기 내관 122 : 분산판
123 : 운반가스 챔버 124, 135 : 밸브
125a, 125b : 압력계 126, 127, 138 : 열전대
131 : 반응기 외관 132 : 연결장치
133 : 바이오차(bio-char) 수집부 134 : 이음부
136 : 강제 배출관 137 : 프리보드(FB)
141 : 가스 유입부 142 : 예열기
150 : 생성물 배출부
200 : 이중관형 버블유동층 반응장치
210 : 사이클론 221 : 콘덴서
222 : 바이오오일 수집조 231 : 냉각기
232 : 타르 분리기 233 : 타르 분리관
100: Double tube type fluidized bed reactor
111: Feedstock feeding part 112: Hopper 112
121: Reactor inner tube 122: Dispersion plate
123: Carrier gas chamber 124, 135: Valve
125a, 125b: pressure gauges 126, 127, 138: thermocouple
131: Reactor Appearance 132: Connection Device
133: bio-char collecting unit 134:
136: Forced discharge pipe 137: Free board (FB)
141: gas inlet 142: preheater
150:
200: double tube type bubble fluidized bed reactor
210: Cyclone 221: Capacitor
222: Bio-oil collection tank 231: Cooler
232: tar separator 233: tar separator

Claims (9)

이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스(biomass)의 급속 열분해 방법에 있어서,
반응기에 구비된 반응기 내관에 일정량의 유동화 매질을 투입하는 제 1 단계;
상기 반응기를 일정한 온도로 예열하는 제 2 단계;
호퍼(hopper)에 저장된 반응 원료를 원료 투입부를 통해 일정한 유속으로 상기 반응기에 투입하는 제 3 단계;
상기 반응기의 온도를 설정된 온도로 가열하여 반응 원료에 대한 열분해를 수행하는 제 4 단계;
일정 시간 간격으로 반응기 외관 하부 및 사이클론의 하부를 통해 바이오-차(bio-char)를 채취하는 제 5 단계; 및
바이오오일 수집조 및 타르 분리기를 통해 생성된 바이오오일을 채취하는 제 6 단계;를 포함하고,
상기 제 3 단계에서, 상기 반응 원료가 저장된 상기 호퍼에 질소를 유입한 후, 일정 압력으로 가압하는 것을 특징으로 하는 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법.
In a rapid pyrolysis method of a biomass using a double tube type bubble fluidized bed reactor,
A first step of injecting a certain amount of a fluidizing medium into a reactor inner tube provided in the reactor;
A second step of preheating the reactor to a predetermined temperature;
A third step of feeding a reaction material stored in a hopper into the reactor at a constant flow rate through a raw material input part;
A fourth step of performing pyrolysis on the reaction material by heating the temperature of the reactor to a predetermined temperature;
A fifth step of collecting bio-char through the lower part of the outer appearance of the reactor and the lower part of the cyclone at regular time intervals; And
And a sixth step of collecting the bio-oil produced through the bio-oil collecting tank and the tar separator,
The method according to claim 1, wherein in the third step, nitrogen is introduced into the hopper in which the reaction material is stored, and then the mixture is pressurized at a constant pressure.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 단계에서, 상기 유동화 매질은 모래를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the fluidizing medium comprises sand in the first step. 2. The method of claim 1, wherein the fluidizing medium comprises sand.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 단계에서, 예열 후 운반 가스를 상기 반응기에 일정 속도로 유입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of introducing the carrier gas into the reactor at a predetermined rate comprises the step of introducing the carrier gas into the reactor at a constant rate.
제 1 항에 있어서,
상기 제 3 단계에서, 상기 호퍼에 저장되는 반응 원료는 톱밥, EFB(empty fruit bunch) 또는 이의 반탄화(torrefaction) 생성물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법.
The method according to claim 1,
In the third step, the reaction material stored in the hopper is any one of sawdust, empty fruit bunch (EFB), and torrefaction products thereof. In the double-tubular bubble fluidized bed reactor, Pyrolysis method.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
열분해를 수행하는 동안 상기 사이클론의 출구에서 일정 압력의 질소를 공급하여 발생되는 타르를 콘덴서(condenser) 방향으로 제거하는 것을 특징으로 하는 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the pyrolysis is performed by supplying nitrogen at a predetermined pressure from the outlet of the cyclone to remove tar generated in the direction of the condenser. 2. The pyrolysis method of biomass according to claim 1,
제 1 항에 있어서,
상기 제 3 단계에서,
투입되는 상기 반응 원료는 입도가 10㎜ 이하이고, 수분 함량은 15wt% 이하이며,
상기 반응 원료의 투입 속도(feeding rate)는 상기 반응기 내관 부피당 1.0 ∼ 3.0㎏/h.L인 것을 특징으로 하는 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법.
The method according to claim 1,
In the third step,
The reaction raw material to be added has a particle size of 10 mm or less, a water content of 15 wt% or less,
Wherein the feeding rate of the reaction material is 1.0 to 3.0 kg / hL per volume of the inner tube of the reactor.
제 1 항에 있어서,
열분해 시 상기 반응기의 온도는 420℃ ∼ 530℃를 유지하는 것을 특징으로 하는 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the temperature of the reactor is maintained at 420 ° C to 530 ° C during pyrolysis.
제 1 항에 있어서,
열분해 시 프리보드와 사이클론의 온도는 400℃ ∼ 500℃를 유지하는 것을 특징으로 하는 이중관형 버블유동층 반응장치를 이용한 바이오매스의 급속 열분해 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the temperature of the freeboard and the cyclone at the time of pyrolysis is maintained at 400 ° C. to 500 ° C. 2. A method for rapid pyrolysis of biomass using a double tube type bubble fluidized bed reactor,
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