KR101887028B1 - 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 상부에 투입된 목질계 바이오매스를 열 전처리 후 급속 열분해 반응시켜 기체상의 열분해 가스를 생성하여 배출하는 반응기 본체와, 상기 반응기 본체 내에 결합된 상태에서 수직 축에 대해 회전 가능하며, 상기 수직 축 상의 길이 방향에 대한 상부와 하부 부분에 각각 원통 몸체의 외벽을 따라 나선형의 스크류가 형성된 구조를 가지는 제1 로터 및 제2 로터를 구비한 로터부와, 상기 제1 로터의 위치에 대응하는 상기 반응기 본체의 상부 부분을 제1 온도 범위로 가열하는 제1 열원, 및 상기 제2 로터의 위치에 대응하는 상기 반응기 본체의 하부 부분을 상기 제1 온도 범위보다 높은 제2 온도 범위로 가열하는 제2 열원을 포함하고, 상기 로터부의 회전 시 상기 목질계 바이오매스가 상기 스크류를 따라 선회하여 하강하는 동안 상기 제1 열원을 통해 열 전처리된 후 상기 제2 열원을 통해 급속 열분해되는 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기를 제공한다.
본 발명에 의하면, 목질계 바이오매스에 대한 열 전처리 및 급속 열분해 반응을 원 스탑으로 가능하게 할 뿐만 아니라 기존의 반응기와는 달리 열전달 유동 매체인 모래 사용 없이도 목질계 바이오매스(목재 칩) 만을 이용하여 바이오 오일을 제조할 수 있는 이점이 있다.

Description

바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기{Torrefaction unification reactor for manufacturing bio-oil}

본 발명은 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 급속 열분해 반응을 이용하여 바이오 오일을 제조할 수 있는 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기에 관한 것이다.

최근 전세계적으로 지속 가능한 에너지 시스템 구축의 일환으로, 신재생 연료인 바이오 디젤, 바이오 에탄올 등이 주목받고 있다. 바이오 연료에 대한 연구는 석유 의존도 감소, 온실가스 저감, 농업 활성화, 신재생 에너지 보급 확대 등의 취지 하에 활발하게 이루어지고 있다.

따라서, 종래의 석유 화학 연료를 대체할 에너지 자원인 바이오 오일 등과 같은 바이오 연료에 대한 생산 증대의 필요성 및 관련 시장 규모가 더욱 커질 것으로 전망되고 있다. 더불어, 바이오 디젤, 바이오 오일 등 바이오 연료의 개질을 통하여 품질 및 성능이 더욱 향상된 바이오 연료 제품을 생산하는 공정의 수요 역시 급속히 증가하고 있다.

바이오 오일은 오일 연료 또는 디젤을 대체하여 보일러, 노, 엔진 및 발전용 터빈에 사용될 수 있다. 또한 바이오 오일로부터 식품 조미료, 레진, 하이드로 아세트알데히드, 농화학제, 비료, 배기가스 조절제 등도 추출될 수 있다.

바이오 오일은 시료를 높은 온도에서 분해시키는 열분해 기술을 바이오매스(biomass)에 적용하여 생산되는 흑갈색의 액체로, 열분해 오일(pyrolysis oil)이라고도 불리며, 열분해 공정을 통해 전체 생성물의 약 70% 가량 생성된다.

일반적으로 산소가 없는 조건에서 바이오매스를 500℃ 정도까지 빠르게 가열하는 급속 열분해(fast pyrolysis) 공정을 이용하면 바이오 오일(열분해 오일)을 생산할 수 있다. 생산된 바이오 오일은 전력 생산용, 산업용 또는 수송용 연료로 사용될 수 있다.

급속 열분해 공정은 고온에서 극히 짧은 시간 내에 반응을 시켜야 하기 때문에 급속 가열시 고른 열전달 통하여 열분해 효율을 증가시킬 필요성이 있으며, 열분해 반응 이후에 발생되는 후속 분해로 인하여 수율이 저하되는 문제를 방지할 수 있어야 한다.

바이오매스를 활용한 급속 열분해 공정의 반응성 향상을 위해서는 시료 입자의 분말화가 필요하다. 바이오 오일의 생산을 위해서는 빠른 시간 내 반응을 수행해야 하며, 시료 입자의 분말화 과정을 통하여 투입되는 원료의 크기를 작게 할수록 빠르고 효율적인 반응을 유도할 수 있다.

통상적으로는 바이오매스를 분말화하기 위해 별도 분쇄 공정을 수반하기도 한다. 이를 일반적으로 전처리 공정이라 하는데, 이러한 전처리 공정은 비용 손실을 수반하는 문제점이 있다. 또한 급속 열분해 공정 기술은 아직까지 세계적으로 안정화된 상태가 아니며 기술적으로 우수성이 입증된 상용화 플랜트가 존재하지 않는다.

도 1은 종래의 순환 유동층 반응기를 나타낸 도면이다. 순환 유동층 반응기(CFB, Circulating Fluidized Bed)는 바이오 오일의 급속 열분해와 관련한 대표적인 기술이다.

순환 유동층이란 기체에 의해 격렬히 혼합되는 혼합 유동층 흐름이 고속으로 가동될 때 사이클론에 의한 입자 포집 및 루프실(loop seal) 등에 의한 입자 재주입 등과 같이 반응기 내에서 입자가 흩어졌다가 재주입되는 전체 흐름 방식을 의미한다. 또한 이를 활용하는 반응기를 순환 유동층 반응기라 한다.

도 1을 간단히 설명하면, 반응기 내에는 목분 등과 같은 바이오매스(biomass)가 공급부(feeder)를 통해 투입된다. 반응기 내부에 투입된 바이오매스를 급속 열분해 반응시키면 그 부산물인 열분해 가스가 생성된다. 이러한 모든 반응은 무산소 조건(보통, 질소 가스 존재 하)에서 이루어진다. 반응기로부터 배출되는 열분해 가스를 급속 냉각시키면 액상의 바이오 오일을 생산할 수 있다.

급속 열분해 반응으로 인한 부산물 중에는 고체상의 바이오차(char)도 존재하는데 이는 별도로 분리되거나 배출될 수 있다. 반응기 내에 사용된 모래(hot sand)는 열전달 유동 매체로, 빠르고 균일한 열분해 반응을 유도하여 바이오매스의 열분해 효율을 높인다.

이와 같은 순환 유동층 반응기는 바이오차(char; 열분해 반응 후 남는 숯과 같은 잔류물)의 체류시간이 기포 및 가스의 체류시간과 거의 같은 것이 특징이며, 대용량 처리에는 적합하나, 가스 유속이 빨라 그 소모 정도가 높고 이때 채집된 바이오 오일은 많은 양의 char를 포함하는 단점이 있다. 일반적으로 바이오차는 불순물에 가깝기 때문에 이를 줄이려는 시도가 이루어져야 한다.

도 2는 종래에 따른 바이오 오일의 통상 개질 및 직접 개질을 설명하는 도면이다. 종래 바이오 오일에 대한 개질 기술은 주로 '액체' 상태의 바이오 오일 개질(통상의 개질)에 대한 것으로, 공정 복잡도가 상승하고 에너지 요구량이 높은 것이 특징이다. 통상의 개질에 의한 액체상 바이오 오일은 상온에서 불안정한 상태를 유지하고 있고 강산성에 속하므로 반응기를 부식시킬 수 있고 수분함량이 대체로 높기 때문에 이를 보완하는 공정상 요소가 필요한 실정이다.

또한, 통상의 개질과 달리 '기체' 상에서 바로 촉매 층과의 접촉을 통해 바이오 오일을 개질하는 직접 개질에 관한 방법도 종래 기술의 보완 방법으로 알려졌으나, 이러한 직접 개질 방법에 대한 실질적인 내용은 크게 알려진 것이 별로 없으며, 특히 바이오 오일에 대해 직접 개질을 시도한 예는 거의 찾아볼 수 없다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-1524456호(2015.06.01 공고)에 개시되어 있다.

본 발명은, 모래 없이 바이오매스 만으로 바이오 오일의 제조가 가능하고 바이오매스의 분말화 과정을 요구하지 않아 제조 비용을 절감할 수 있는 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 상부에 투입된 목질계 바이오매스를 열 전처리 후 급속 열분해 반응시켜 기체상의 열분해 가스를 생성하여 배출하는 반응기 본체와, 상기 반응기 본체 내에 결합된 상태에서 수직 축에 대해 회전 가능하며, 상기 수직 축 상의 길이 방향에 대한 상부와 하부 부분에 각각 원통 몸체의 외벽을 따라 나선형의 스크류가 형성된 구조를 가지는 제1 로터 및 제2 로터를 구비한 로터부와, 상기 제1 로터의 위치에 대응하는 상기 반응기 본체의 상부 부분을 제1 온도 범위로 가열하는 제1 열원, 및 상기 제2 로터의 위치에 대응하는 상기 반응기 본체의 하부 부분을 상기 제1 온도 범위보다 높은 제2 온도 범위로 가열하는 제2 열원을 포함하고, 상기 로터부의 회전 시 상기 목질계 바이오매스가 상기 스크류를 따라 선회하여 하강하는 동안 상기 제1 열원을 통해 열 전처리된 후 상기 제2 열원을 통해 급속 열분해되는 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기를 제공한다.

여기서, 상기 목질계 바이오매스가 상기 제1 로터의 스크류를 따라 선회하여 하강하는 동안 상기 제1 열원에 의해 상기 열 전처리되며, 이후 상기 제2 로터의 스크류를 따라 선회하여 하강하는 동안 상기 제2 열원에 의해 상기 급속 열분해될 수 있다.

또한, 상기 제1 온도 범위는 250~300℃이고, 상기 제2 온도 범위는 450~550℃일 수 있다.

또한, 상기 제1 열원 및 상기 제2 열원은, 상기 반응기 본체의 외측에서 각각 해당 부분을 가열하도록, 상기 반응기 본체를 수용하는 케이스의 내벽의 상부 부분과 하부 부분에 각각 구비되어 있을 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2 로터의 위치 각각에서, 각 로터의 외벽과 상기 반응기 본체의 내벽 사이의 공간이 하측으로 갈수록 점차 좁아지는 형태를 가질 수 있다.

또한, 상기 목질계 바이오매스가 상기 스크류를 따라 선회하면서 하강하도록 하여 상기 열 처리 및 상기 열분해 반응의 면적을 각각 넓히는 동시에, 상기 점차 좁아지는 공간으로 인하여 하측으로 갈수록 상기 목질계 바이오매스의 분쇄가 이루어져 상기 목질계 바이오매스의 사이즈를 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 반응기 본체의 직경은 하측으로 갈수록 좁아지며 상기 제1 및 제2 로터의 직경은 상하 방향으로 일정할 수 있다.

본 발명에 의한 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기에 따르면, 목질계 바이오매스에 대한 열 전처리 및 급속 열분해 반응을 원 스탑으로 가능하게 할 뿐만 아니라 기존의 반응기와는 달리 열전달 유동 매체인 모래 사용 없이도 목질계 바이오매스(목재 칩) 만을 이용하여 바이오 오일을 제조할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 반응기 내에서 급속 열분해와 우드 칩의 사이즈 제어가 함께 이루어질 수 있어 사전에 목재 칩의 분쇄 등과 같은 입자 전처리 공정이 전혀 불필요하게 되어, 바이오 오일의 제조 공정을 간소화함은 물론 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.

도 1은 종래의 순환 유동층 반응기를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래에 따른 바이오 오일의 통상 개질 및 직접 개질을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 반응기를 포함한 바이오 오일 제조 시스템을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반응기가 수용되는 케이스를 예시한 도면이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기에 관한 것으로, 기존과 달리 모래 없이 바이오매스 만으로 바이오 오일의 제조가 가능하고 바이오매스의 분말화 과정을 요구하지 않아 제조 비용을 절감할 수 있으며, 바이오매스의 열 전처리 및 급속 열분해 반응을 원 스탑(one-stop)으로 수행할 수 있는 전처리 일체형 반응기를 제시한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 반응기를 포함한 바이오 오일 제조 시스템을 예시한 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전처리 일체형 반응기(100)는 반응기 본체(110), 로터부(120), 그리고 제1 및 제2 열원(미도시)을 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 전처리 일체형 반응기(100)는 내부에 투입된 바이오매스를 열 전처리(heat-pretreatment) 및 급속 열분해(fast pyrolysis) 하여 기화된 가스(열분해 가스)를 생산하며 생산한 가스를 후단의 공정으로 전달한다. 열분해 가스는 추후 냉각 공정을 거쳐 액상의 바이오 오일로 생산된다.

반응기 본체(110)는 상부를 통해 투입된 목질계 바이오매스(ex, 우드 칩)를 제1 고온 환경(ex, 250~300℃)에서 열 전처리(로스팅) 후 제2 고온 환경(ex, 450~550℃)에서 급속 열분해 반응시켜 기체상의 열분해 가스를 생성하여 배출한다. 열분해 가스는 추후 급속 냉각되어 액상의 바이오 오일로 생산된다. 고온 환경의 조성은 반응기(100)의 외부에서 반응기(100) 자체를 가열하는 별도의 열원에 의해 이루어질 수 있다. 열원에 대해서는 추후 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에서 목질계 바이오매스는 반응기 본체(110)의 상부에 형성된 투입구(111)에 투입된다. 투입된 바이오매스는 본체(110) 내벽과 로터부(120) 사이의 공간으로 낙하되며 고온 환경 조성에 따라 반탄화(torrefaction) 처리되면서(구워지면서) 열분해되어 기화되고 기화된 가스가 상부 배출구(112)를 통해 빠져나간다.

반응기 본체(110) 내부에 투입된 바이오매스는 로터부(120)의 회전에 따라 선회하면서 하강하게 되며 내부 공간의 구조 및 로터 회전 운동으로 인해 입자 사이즈가 점차 작아지는 동시에 고온 환경으로 인하여 급속 열분해되면서, 기체 상의 부산물인 열분해 가스와 고체 상의 부산물인 바이오차(char; 숯이나 재와 같은 불순물)를 발생시킨다.

바이오차 중 무거운 것은 하부 배출구(113)를 통하여 배출 가능하고 무게가 가벼운 것은 상부 배출구(112)를 통해 열분해 가스와 함께 빠져나가게 된다. 도 4에 도시된 것과 같이, 열분해 가스는 상부 배출구(112)를 통해 배출된 후에 싸이클론(200)과 냉각기(300)를 순차로 거쳐 바이오 오일로 생산될 수 있다.

싸이클론(200)은 가스와 함께 흘러 들어온 바이오차를 아래로 떨어뜨려 열분해 가스와 바이오차를 분리하여 가스로부터 최대한 불순물을 제거한다. 냉각기(300)는 싸이클론(200)을 거친 열분해 가스를 급속 냉각시켜서 액상의 바이오 오일을 생산한다. 여기서 반응기(100) 후단의 공정은 단지 실시예에 불과하며 기 공지된 다양한 방식의 공정이 사용될 수 있음은 자명하다.

일반적으로 급속 열분해 공정은 무산소 조건(ex, 질소 가스 환경)에서 이루어진다. 이를 위해 반응기 본체(110)에 질소 가스(유동화 가스; fluidizing gas)가 투입될 수 있으며 별도의 가스 투입구가 소정 위치에 형성될 수 있다.

이처럼, 목질계 바이오매스의 급속 열분해를 이용한 바이오 오일 생산은 기 공지된 기법에 해당하므로 그 원리에 대한 더욱 구체적인 설명은 생략한다. 다음은 로터부(120)의 구조에 관하여 더욱 상세히 설명한다.

로터부(120)는 반응기 본체(110) 내에 결합된 상태에서 수직 축에 대해 회전 가능하며 수직 축 상의 길이 방향에 대한 상부와 하부 부분에 각각 제1 로터(121) 및 제2 로터(122)를 구비한다.

각각의 로터(121,122)는 회전하는 원통 몸체의 외벽을 따라 나선형의 스크류(121a,122a)가 형성된 구조를 가진다. 본체 내에 로터를 회전 가능하게 결합시키는 구조는 기 공지된 다양한 방법을 사용할 수 있으므로 결합 구조에 대한 상세한 설명은 생략한다.

제1 로터(121)는 열 전처리 반응부에 해당하고 제2 로터(122)는 급속 열분해 반응부에 해당한다. 즉, 로터부(120)는 그 길이 방향에 대해 상부의 열 전처리 반응부와 하부의 급속 열분해 반응부가 일체화된 구조를 가진다. 열 전처리는 투입된 바이오매스의 로스팅 즉, 반탄화 과정을 의미하고, 급속 열분해 반응은 바이오매스의 열분해 과정을 의미한다.

즉, 제1 로터(121)의 외벽과 본체(110)의 내벽 간의 공간은 투입된 목질계 바이오매스를 제1 온도 범위로 열 전처리(로스팅)하기 위한 공간이며, 제2 로터(122)의 외벽과 본체(110)의 내벽 간의 공간은 열 전처리되어 낙하되는 목질계 바이오매스를 그보다 높은 제2 온도 범위로 급속 열분해하기 위한 공간을 의미한다.

각 로터(121,122)의 스크류(121a,122a)는 로터(121,122)의 외주면을 따라 나선형의 단턱을 형성하게 하는 효과를 준다. 따라서 로터(121,122)의 회전 시 목질계 바이오매스(우드 칩)가 스크류를 따라 선회 유동하면서 하강하도록 하여 반응 면적(접촉 면적)을 넓힐 수 있다.

또한 회전하는 로터(121,122)의 표면에 형성된 스크류(121)는 목질계 바이오매스(ex, 우드 칩)를 아래로 끌어내리는 유동성을 높이며, 스크류(121) 자체가 계단처럼 단턱을 가짐에 따라 입자가 일정 부분 머물렀다가 아래로 점점 하강하게 하여 반응 효율을 높인다.

제1 열원(미도시)은 제1 로터(121)의 위치에 대응하는 반응기 본체(110)의 상부 부분을 제1 온도 범위(ex, 250~300℃)로 가열한다. 제2 열원(미도시)은 제2 로터(122)의 위치에 대응하는 반응기 본체(110)의 하부 부분을 제1 온도 범위보다 높은 제2 온도 범위(ex, 450~550℃)로 가열한다.

즉, 반응기 본체(110)의 상하 길이 방향에 대한 중앙부를 기준으로 상부 부분에 있는 제1 로터(121)의 부분은 250~300℃로, 하부 부분에 제2 로터(122)의 부분은 450~550℃로 가열될 수 있다.

이러한 구조에 따라, 로터부(120)의 회전 시 목질계 바이오매스(우드 칩)가 스크류를 따라 선회하여 하강하는 동안 제1 열원을 통해 열 전처리된 후 제2 열원을 통해 급속 열분해될 수 있다. 즉, 목질계 바이오매스가 제1 로터(121)의 스크류(121a)를 따라 선회하여 하강하는 동안 제1 열원에 의해 반탄화 처리될 수 있고 이후 제2 로터(122)의 스크류(122a)를 따라 선회하여 하강하는 동안 제2 열원에 급속 열분해 처리될 수 있다.

결과적으로 제1 로터(121)의 부분에서는 목분 칩을 250~300℃의 온도로 로스팅하면서 열적으로 전처리(반탄화)하고 하부의 제2 로터(122) 부분에서는 그보다 높은 450~550℃에서 가열하면서 잘게 부수면서 고온으로 급속 열분해 반응시킬 수 있다.

여기서, 제1 및 제2 로터(121,122)의 위치 각각에서, 각 로터(121,122)의 외벽과 반응기 본체(110)의 내벽 사이의 공간은 하측으로 갈수록 점차 좁아지는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이, 반응기 본체(110)의 직경은 하측으로 갈수록 좁아지며 제1 및 제2 로터(121,122)의 직경은 상하 방향으로 일정한 형태를 가질 수 있다.

여기서 각 로터(121,122)의 직경이란 실제 스크류가 형성된 부분에 해당하는 구간에 대한 직경을 의미할 수 있다. 예를 들어, 스크류가 형성되지 않은 부위 즉, 각 로터의 상단부 또는 하단부 부분은 시료의 유입이 용이하도록 일시적으로 직경이 점차 넓어지거나 좁아지는 형태를 가지지만 이는 상술한 직경 설명에 포함되지 않는 영역에 해당한다.

이와 같이, 로터(121,122)의 외벽과 반응기 본체(110)의 내벽 사이의 공간이 하측으로 갈수록 점차 좁아짐으로 인하여 하측으로 갈수록 목질계 바이오매스의 분쇄가 이루어져 목질계 바이오매스의 사이즈를 감소시킬 수 있다. 즉, 투입된 목질계 바이오매스는 점차 좁아지는 공간을 선회하는 형태로 내려오면서 바이오매스가 더 작은 사이즈로 부서질 수 있고 입자가 작아지면서 열분해 효율 또한 높아지는 효과가 있다.

즉, 본 발명의 실시예는 반응기 내부에 회전하는 로터 및 그 스크류의 구조를 사용하여 목질계 바이오매스가 스크류를 따라 선회하면서 하강하도록 하여 열 처리 및 열분해 반응의 면적을 각각 넓히는 동시에, 수직 방향으로 점차 좁아지는 공간으로 인하여 하측으로 갈수록 목질계 바이오매스의 분쇄가 이루어져 상기 목질계 바이오매스의 사이즈를 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

기존의 급속 열분해 반응기의 경우, 우드 칩을 그대로 사용하지 않고 우드 칩을 잘게 분쇄하여 분말화한 시료(목분가루 형태)을 투입하여 열분해 반응시키는 반면, 본 발명의 실시예는 사이즈가 큰(대략 2~3cm 직경) 우드 칩을 그대로 투입하여도 되므로 투입 전에 목재 칩의 입자 전처리(분말화)를 전혀 수행할 필요가 없어 공정을 간소화할 수 있는 이점이 있다. 물론, 본 발명의 실시예는 이미 분말화된 목분을 투입하여 사용하여도 바이오 오일을 제조할 수 있음은 자명하다.

이처럼, 본 발명의 실시예에 따르면, 반응기 본체(110)의 내부 구조상 수직(vertical) 방향으로 열분해 반응시 반응 효율성 및 시료의 반응성을 극대화시킬 수 있고 시료(바이오매스)와 반응면과의 접촉면을 최대화할 수 있다. 따라서, 기존과 달리, 반응 효율을 높이기 위해 사용되는 모래(열전달 유동 매체)를 전혀 사용하지 않고도 목질계 바이오매스 만으로 바이오 오일을 제조할 수 있으며, 원재료인 목질 바이오매스의 크기가 미세할 필요가 없어 시료 입자의 크기 제약이 적으며, 전반적으로 바이오 오일의 제조에 소요되는 비용을 크게 절감할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서 반응기 본체(110)의 상부와 하부 부분을 각각 가열하는 제1 및 제2 열원은 반응기(100)를 수용하는 함체(케이스)에 내장될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반응기가 수용되는 케이스를 예시한 도면이다. 반응기(100)는 두 가지 열원(H1,H2)이 제공되는 별도의 케이스(C) 내에 장착된다.

케이스(C)는 제1 및 제2 열원(H1,H2)의 동작에 따라 내부 환경을 고온 환경으로 조성하여 반응기(100)의 상부 및 하부 공간을 개별 온도로 가열하고 이에 따라 반응기 본체(110) 내부에 투입된 바이오매스의 열 전처리 및 급속 열분해가 이루어진다.

열원에 의해 반응기(100) 표면 및 내부가 고온으로 가열됨으로써 내부 투입된 시료를 열분해 반응시킨다. 케이스(C) 내부에는 반응기(100) 외에도 싸이클론(200)이 함께 설치될 수 있다. 다만, 냉각기(300)는 냉각 효율을 위해 케이스(C)의 외부에 설치된다.

제1 열원(H1) 및 제2 열원(H2)은 반응기 본체(110)의 외측에서 각각 해당 부분을 가열하도록, 케이스(C) 내벽의 상부 부분과 하부 부분에 각각 구비된다. 제1 열원(H1)은 반응기 본체(110)의 상부 부분을 제1 온도 범위(250~300℃)로 가열(히팅)하고 제2 열원(H2)은 상부 부분을 제외한 하부 부분을 제2 온도 범위(450~550℃)로 가열할 수 있다. 이에 따라 상부에서는 목분 칩을 고온으로 달구고 로스팅하면서 열적으로 전처리(heat-pretreatment)하고 하부에서는 더 높은 온도에서 잘게 부수면서 고온으로 급속 열분해 반응(fast pyrolysis)시킬 수 있다.

제1 및 제2 열원(H1,H2)은 도시된 것과 같이 케이스(C) 내표면을 따라 설치되며 전기 등으로 데워지는 열선 형태를 가질 수 있다. 또한, 가열 효율을 위해 상하로 촘촘히 지그재그 형태로 구비될 수 있다. 물론, 열원의 구조 및 형태는 보다 다양한 실시예가 존재할 수 있다. 이러한 형태로 케이스(C) 내부의 온도 환경(반응기 주변 온도)을 상부와 하부 영역을 구분하여 서로 다른 온도 범위(상부는 250~300℃, 하부는 450~550℃)로 조성할 수 있고 반응기(100)의 상부와 하부 부분을 서로 다른 온도 범위로 가열할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 의한 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기에 따르면, 목질계 바이오매스에 대한 열 전처리 및 급속 열분해 반응을 원 스탑으로 가능하게 할 뿐만 아니라 기존의 반응기와는 달리 열전달 유동 매체인 모래 사용 없이도 목질계 바이오매스(목재 칩) 만을 이용하여 바이오 오일을 제조할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 반응기 내에서 급속 열분해와 우드 칩의 사이즈 제어가 함께 이루어질 수 있어 사전에 목재 칩의 분쇄 등과 같은 입자 전처리 공정이 전혀 불필요하게 되어, 바이오 오일의 제조 공정을 간소화함은 물론 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 반응기 110: 반응기 본체
111: 투입구 112: 상부 배출구
113: 하부 배출구 120: 로터부
121: 제1 로터 122: 제2 로터
121a,122a: 스크류 200: 싸이클론
300: 냉각기

Claims (7)

1. 상부에 투입된 목질계 바이오매스를 열 전처리 후 급속 열분해 반응시켜 기체상의 열분해 가스를 생성하여 배출하는 반응기 본체;
   상기 반응기 본체 내에 결합된 상태에서 수직 축에 대해 회전 가능하며, 상기 수직 축 상의 길이 방향에 대한 상부와 하부 부분에 각각 원통 몸체의 외벽을 따라 나선형의 스크류가 형성된 구조를 가지는 제1 로터 및 제2 로터를 구비한 로터부;
   상기 반응기 본체를 수용하는 케이스; 및
   상기 제1 로터의 위치에 대응하는 상기 반응기 본체의 상부 부분과 상기 제2 로터의 위치에 대응하는 상기 반응기 본체의 하부 부분을 각각 250~300℃ 및 450~550℃의 온도 범위로 가열하는 제1 열원 및 제2 열원을 포함하고,
   상기 로터부의 회전 시 상기 목질계 바이오매스가 상기 제1 로터의 스크류를 따라 선회하여 하강하는 동안 상기 제1 열원을 통해 열 전처리되며, 이후 상기 제2 로터의 스크류를 따라 선회하여 하강하는 동안 상기 제2 열원을 통해 급속 열분해되며,
   상기 제1 열원 및 상기 제2 열원은,
   상기 반응기 본체의 외측에서 각각 해당 부분을 가열하도록, 상기 케이스의 내벽의 상부 부분과 하부 부분에 각각 구비되어 있는 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 및 제2 로터의 위치 각각에서, 각 로터의 외벽과 상기 반응기 본체의 내벽 사이의 공간이 하측으로 갈수록 점차 좁아지는 형태를 가지는 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 목질계 바이오매스가 상기 스크류를 따라 선회하면서 하강하도록 하여 상기 열 처리 및 상기 열분해 반응의 면적을 각각 넓히는 동시에, 상기 점차 좁아지는 공간으로 인하여 하측으로 갈수록 상기 목질계 바이오매스의 분쇄가 이루어져 상기 목질계 바이오매스의 사이즈를 감소시키는 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 반응기 본체의 직경은 하측으로 갈수록 좁아지며 상기 제1 및 제2 로터의 직경은 상하 방향으로 일정한 바이오 오일 제조를 위한 전처리 일체형 반응기.

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