KR101894817B1 - 반탄화 바이오매스 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반탄화 바이오매스 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 과열증기 내에서 반복적으로 낙하시켜 과열증기와의 접촉면적을 증가시킴으로써 생산성을 크게 향상시킨 반탄화 바이오매스 제조장치에 관한 것이다.
또한, 연소가스가 통과하는 중공의 연소부와 연소부의 외주면에 형성되어 과열증기가 발생되는 과열증기 생성부와 상기 과열증기 생성부로부터 공급받은 과열증기를 이용하여 우드칩을 반탄화시켜 반탄화 바이오매스를 제조하는 반탄화부와 상기 반탄화부를 통해 제조된 반탄화 바이오매스를 과열증기로부터 분리하여 배출하는 배출부와 상기 배출부를 통해 분리된 과열증기의 타르를 제거하기 위한 타르제거부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반탄화 바이오매스 제조장치{torrefaction biomass manufacturing equipment}

본 발명은 반탄화 바이오매스 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우드칩과 같은 바이오매스 원료를 과열증기 내에서 반복적으로 낙하시켜 과열증기와의 접촉면적을 증가시킴으로써 생산성을 크게 향상시킨 반탄화 바이오매스 제조장치에 관한 것이다.

최근 화석 연료 대체하기 위한 대체 에너지나 비석유계 에너지 공급원에 대한 요구가 증대되고 있으며, 그 중 하나로 바이오매스가 새로운 대체 에너지원으로 높은 관심을 받고 있다.

최근 나무 등에서 얻을 수 있는 우드 칩, 우드 펠렛, 목질 브라켓, 목탄 등의 목질계 바이오매스의 발열량을 보다 높이기 위해 한국등록특허 제10-1809077호 "반탄화 바이오매스 고형 연료 및 그 제조방법"과 같은 기술이 개발되고 있다.

반탄화 바이오매스는 무산소 환경에서 250~350℃의 비교적 저온으로 열처리하여 수분과 일부 휘발성 물질을 증발시키고 부분 탄화된 숯과 장작의 중간 상태로 종래의 목재연료보다 부피가 적고, 발열랑이 우수하며, 분새성이 우수한 특징이있다.

또한, 흡습성이 매우 낮고, 물에 잘 젖지않아 저장, 운송이 용이한 장점이있다.

반면, 종래의 반탄화 바이오매스 제조장치는 바이오매스 원료를 벨트컨베이어 또는 스크류컨베이어를 통해 반탄화 반응로내에서 단순 이송시키면서 열처리를 실시함으로써, 반탄화 효율이 매우 낮고, 생산성이 낮은 문제점이 있었다.

특히, 과열증기와의 접촉정도 또는 바이오매스 원료의 개별입자 크기에 따라 반탄화가 불균일하게 이루어져 품질이 좋지 않은 문제점이 있었다.

한국등록특허 제10-1809077호 "반탄화 바이오매스 고형 연료 및 그 제조방법"

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 바이오매스 원료를 균일하게 반탄화 시키기 위한 반탄화 바이오매스 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 바이오매스 원료 공급 및 배출시 산소의 유입 또는 과열증기의 배출을 억제하기 위한 반탄화 바이오매스 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 반탄화 바이오매스 제조과정에서 발생되는 타르 및 목초액을 과열증기로부터 효과적으로 분리하여 배출하기 위한 반탄화 바이오매스 제조장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치는 연소가스가 통과하는 중공의 연소부와 연소부의 외주면에 형성되어 과열증기가 발생되는 과열증기 생성부와 상기 과열증기 생성부로부터 공급받은 과열증기를 이용하여 바이오매스 원료를 반탄화시켜 반탄화 바이오매스를 제조하는 반탄화부와 상기 반탄화부를 통해 제조된 반탄화 바이오매스를 과열증기로부터 분리하여 배출하는 배출부와 상기 배출부를 통해 분리된 과열증기의 타르를 제거하기 위한 타르제거부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반탄화부는 회전하는 중공의 몸체와 상기 몸체 내주면에 배열된 복수 개의 날개부를 포함하며, 상기 몸체의 회전에 의해 하부의 바이오매스 원료는 몸체 내주면의 날개부에 의해 상부로 이송된 후 자중에 의해 낙하하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 날개부는 바이오매스 원료를 상부로 이송할 때 낙하되지 않도록 각각 "ㄴ"자 형태의 단면으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배출부는 반탄화 바이오매스와 과열증기가 공급되되, 과열증기는 상부로 배출되고, 반탄화 바이오매스는 자중에 의해 저면에 적재되는 공간부와 상기 공간부의 저면에서 탄성을 가진 복수 개의 탄성판이 방사형으로 설치된 로터를 회전시킴으로써 적재된 반탄화된 바이오매스를 배출하도록 구성된 로터부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배출부를 통해 배출된 반탄화 바이오매스를 이송시켜주기 위한 이송스크류와 상기 이송스크류를 감싸도록 배치되어 반탄화 바이오매스를 냉각시켜주기 위한 워터재킷을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 타르제거부는 배출부를 통해 배출된 과열증기를 내주면을 따라 나선형태로 유동시키기 위한 중공의 타르제거 몸체와 상기 타르제거 몸체의 하단에 배치된 수용부를 포함하여 구성되며, 상기 타르제거 몸체의 내주면을 따라 배출부를 통해 공급된 과열증기의 타르를 흡착시키기 위한 타르흡착 유체가 흘러 수용부로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치에 의하면, 과열증기 내에서 바이오매스 원료를 반복적으로 낙하시킴으로써 균일하게 반탄화 시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치에 의하면, 탄성을 가진 복수 개의 탄성판이 방사형으로 설치된 로터의 회전을 통해 개폐를 반복하여 바이오매스 원료 공급하거나, 반탄화 바이오매스를 배출시킴으로써 산소의 유입 또는 과열증기의 배출을 효과적으로 억제할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치에 의하면, 과열증기에 원심력을 가한 상태에서 타르를 흡착시키기 위한 타르흡착 유체에 접촉시킴으로써, 반탄화 바이오매스 제조과정에서 발생되는 타르 및 목초액을 과열증기로부터 효과적으로 분리하여 배출할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치를 도시한 간략도.
도 2는 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치의 반탄화부를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치의 배출부를 도시한 종단면도.
도 4는 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치의 공급부를 도시한 종단면도.
도 5는 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치의 타르제거부를 도시한 단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치를 도시한 간략도이며, 도 2는 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치의 반탄화부를 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치의 배출부를 도시한 종단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치의 공급부를 도시한 종단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치의 타르제거부를 도시한 단면도이다.

도 1은 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치를 간략하게 도시한 것이며, 연소재료(100)를 연소하면서 발생되는 고열의 연소가스가 통과하는 중공의 연소부(1)와 연소부(1)의 외주면에 형성되어 과열증기가 발생되는 과열증기 생성부(2)와 상기 과열증기 생성부(2)로부터 공급받은 과열증기를 이용하여 바이오매스 원료(101)를 반탄화시켜 반탄화 바이오매스를 제조하는 반탄화부(3)와 상기 반탄화부(3)를 통해 제조된 반탄화 바이오매스(102)를 과열증기로부터 분리하여 배출하는 배출부(5)와 상기 배출부(5)를 통해 분리된 과열증기의 타르를 제거하기 위한 타르제거부(6)를 포함하여 구성된다.

특히, 최초 상기 연소부(1)를 통해 고열의 연소가스가 통과할 때, 상기 과열증기 생성부(2)에서 물이 가열되어 증기를 발생시켜 과열증기가 발생되도록 실시할 수 있다.

다른 방법으로 처음에는 과열증기 생성부(2) 내의 기체를 가열시켜 반탄화부(3)로 공급하고, 반탄화부(3) 내에서 가열된 기체가 수분을 함유하고 있는 바이오매스 원료(101)를 가열함으로써 수분이 증발되고, 바이오매스 원료(101)로부터 수분을 흡수한 기체가 다시 과열증기 생성부(2)로 공급되며, 반복적으로 순환하면서 과열증기가 되도록 실시할 수도 있다.

이때, 반탄화부(3) 내의 바이오매스 원료(101)로 공급되는 가열된 기체의 습도가 낮을 경우 바이오매스 원료(101)가 연소하며 화재가 발생될 수 있음에 따라, 충분히 습도가 높아져서 과열증기가 발생되기 전까지 바이오매스 원료(101)의 발화점 이상으로 온도를 급격하게 올리지 않는 것이 바람직하다.

이후 과열증기 상태가 된 이후에는 높은 습도로 인해 높은 온도로 가열하더라도 바이오매스 원료(101)가 연소되지 않아 화재가 발생되지 않게 된다.

또는, 불활성 기체가 과열증기 생성부(2)에서 가열되어 반탄화부(3)로 공급되어 순환되도록 구성할 수도 있다.

또 다른 방법으로는 상기 반탄화부(3) 내에서 화재 발생시 이를 소화하기 위해 반탄화부(3) 내로 물을 분사하기 위한 소화부(미도시)를 통해 소정의 물을 공급하여 가열된 기체에 의해 증발되어 과열증기가 발생되도록 실시할 수도 있다.

또한, 상기 배출부(5)를 통해 배출된 반탄화 바이오매스(102)를 이송시켜주기 위한 이송스크류(54)와 상기 이송스크류(54)를 감싸도록 배치되어 배출된 반탄화 바이오매스(102)를 냉각시켜주기 위한 워터재킷(55)을 더 포함하도록 구성될 수도 있다.

상기 워터재킷(55)은 반탄화부(3)에서 과열증기에 의해 반탄화되면서 가열된 반탄화 바이오매스(102)가 가열된 상태로 공기중에 노출되어 연소되는 것을 방지하기 위해 이송스크류(54)를 이용하여 이송시키면서 반탄화 바이오매스(102)를 충분히 냉각시킨 후 배출하게 된다.

또한, 상기 배출부(5)를 통해 배출되는 과열증기의 타르 및 목초액을 제거하기 위한 상기 타르제거부(6)는 물리적 필터를 이용하여 타르 및 목초액을 제거하기 위한 타르흡착필터(60a) 또는 원심력 및 타르제거 유체와의 접촉을 이용한 원심분리장치(60b) 중 어느 하나 이상을 포함하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 타르제거부(6)를 통해 타르 및 목초액이 제거된 후 다시 과열증기 생성부(2)로 순환되도록 구성되며, 바이오매스 원료(101)의 수분 증발에 의해 내부 압력이 기 설정된 압력보다 높아지는 것을 방지하기 위해 분배부(60c)를 통해 과열증기 중 일부만 분할하여 과열증기 생성부(2)로 순환되도록 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 분배부(60c)를 통해 분할된 과열증기 중 나머지는 외부로 배출되거나, 다른 타르제거부(6)를 통해 타르 및 목초액이 제거된 후 연소부(1)로 공급되도록 구성할 수도 있다.

이때, 과열증기에 함유된 타르 및 목초액과 함께 수분도 제거되도록 원심분리장치(60b)를 이용함이 바람직하다.

또한, 과열증기는 원심분리장치(60b)를 통과하면서 수분이 함유량과 온도가 낮아지나, 여전히 대기 온도보다 높은 온도를 가지며, 이를 연소부(1)로 공급함으로써, 연료 사용량을 축소시킬 수 있게 된다.

또한, 원심분리장치(60b)를 통과하면서 제거되지 않은 타르 및 목초액 등을 연소시켜 환경오염을 줄이는 효과도 있다.

도 2는 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치의 반탄화부를 도시한 것이며, 상기 반탄화부(3)는 회전하는 중공의 몸체(31)와 상기 몸체(31) 내주면에 배열된 복수 개의 날개부(32)를 포함하며, 상기 몸체(31)의 회전에 의해 하부의 바이오매스 원료(101)는 몸체(31) 내주면의 날개부(32)에 의해 상부로 이송된 후 자중에 의해 낙하하도록 구성된다.

또한, 상기 날개부(32)는 바이오매스 원료(101)를 상부로 이송할 때 낙하되지 않도록 각각 "ㄴ"자 형태의 단면으로 구성됨이 바람직하다.

상기 날개부(32)에 의해 몸체(31)의 상부에서 낙하되는 바이오매스 원료(101)는 질량에 따라 몸체(31) 내부로 통과하는 과열증기(도 1 참조)에 의해 낙하되는 위치가 각각 상이하게 된다.

예를 들면, 질량이 큰 바이오매스 원료는 도 1의 3a와 같이 낙하 시작지점과 가까운 위치로 낙하되며, 질량이 적은 바이오매스 원료는 도 1의 3b와 같이 과열증기에 의해 날려 낙하 시작지점으로부터 먼 위치로 낙하하게 된다.

이를 통해, 질량이 큰 바이오매스 원료에 비해 비교적 건조가 빠르게 진행되는 적은 질량의 바이오매스 원료는 빠르게 반탄화되어 배출될 수 있게 된다.

또한, 반탄화부(3)의 양 끝단에 위치한 콘 형태의 입구단과 출구단의 내주면에는 각각 나선 형태로 돌출된 나선부(33)가 배치되어 몸체(31)의 회전을 통해 바이오매스 원료를 몸체(31) 내부로 공급하거나, 반탄화 바이오매스를 배출하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치의 배출부를 도시한 것이며, 상기 배출부(5)는 반탄화부(3)로부터 반탄화 바이오매스(102)와 과열증기가 공급되되, 과열증기는 상부로 배출되고, 반탄화 바이오매스(102)는 자중에 의해 저면에 적재되는 공간부(51)와 상기 공간부(51)의 저면에서 탄성을 가진 복수 개의 탄성판(52)이 방사형으로 설치된 로터(53)를 회전시킴으로써 적재된 반탄화된 바이오매스(102)를 배출하도록 구성된 로터부를 포함하여 구성된다.

상기 로터부의 탄성판(52)은 로터(53)의 회전시 과열증기가 하부로 누출되는 것을 최대한 억제시키게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치의 공급부(도 1의 4 참조)를 도시한 것이며, 상기 반탄화부(3)에 바이오매스 원료(101)를 공급하는 과정에서 과열증기가 누출되는 것을 억제하기 위한 것으로써, 상기 위에서 설명한 배출부(5)의 로터(53) 및 복수 개의 탄성판(52)의 구성이 동일하게 구성된다.

도 5는 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 제조장치의 타르제거부를 도시한 것이며, 상기 타르제거부 중 원심분리장치(6)는 배출부를 통해 배출된 과열증기를 내주면을 따라 62a와 같이 나선형태로 유동시키기 위한 중공의 타르제거 몸체(61)와 상기 타르제거 몸체(61)의 하단에 배치된 수용부(62)를 포함하여 구성되며, 상기 타르제거 몸체(61)의 내주면을 따라 배출부를 통해 공급된 과열증기의 타르를 흡착시키기 위한 타르흡착 유체가 62b와 같이 흘러 수용부(62)로 공급되며, 상기 수용부(62) 내에서 타르는 타르흡착 유체와의 밀도차이에 의해 저면에 가라앉아 분리된다.

이때, 타르흡착 유체로 환경오염을 방지하기 위해 물을 사용함이 바람직하며, 상기 타르제거 몸체(61) 내부에서 과열증기가 나선형태로 유동하면서, 질량이 높은 타르 및 목초액은 원심력에 의해 과열증기로부터 분리되어 타르제거 몸체(61)의 내주면을 따라 흐르는 타르제거 유체에 섞여 내려가게 된다.

또한, 상기 수용부(62) 내의 타르흡착 유체는 냉각부(63)로 배출되어 냉각된 후 순환하도록 구성되며, 냉각부(63)에 의해 소정의 온도로 냉각된 타르흡착 유체에 62a와 같이 나선형태로 유동되는 과열증기가 접촉하면서 과열증기의 수분도 온도차에 의해 응축되어 제거되는 효과가 있다.

또한, 상기 타르제거 몸체(61)는 상부 단면적보다 하부 단면적이 좁은 형태로 구성되어, 상부에서 하부로 갈수록 과열증기의 유속이 보다 증가되어 원심력이 보다 강하게 작용하도록 구성됨이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

1 : 연소부
2 : 과열증기 생성부
3 : 반탄화부
4 : 공급부
5 : 배출부
6 : 타르제거부
31 : 몸체
32 : 날개부
33 : 나선부
51 : 공간부
52 : 탄성판
53 : 로터부
54 : 이송스크류
55 :워터재킷
60 : 타르흡착필터
61 : 타르제거 몸체
62 : 수용부
63 : 냉각부
100 : 연소재료
101 : 바이오매스 원료
102 : 반탄화 바이오매스

Claims (6)

1. 연소가스가 통과하는 중공의 연소부와;
   연소부의 외주면에 형성되어 과열증기가 발생되는 과열증기 생성부와;
   상기 과열증기 생성부로부터 공급받은 과열증기를 이용하여 바이오매스 원료를 반탄화시켜 반탄화 바이오매스를 제조하는 반탄화부와;
   상기 반탄화부를 통해 제조된 반탄화 바이오매스를 과열증기로부터 분리하여 배출하는 배출부와;
   상기 배출부를 통해 분리된 과열증기의 타르를 제거하기 위한 타르제거부와;
   상기 타르제거부를 통해 타르가 제거된 과열증기 중 일부만 분할하여 과열증기 생성부로 순환시키며, 나머지는 연소부로 공급시키기 위한 분배부를 포함하여 구성되며,
   상기 분배부는
   바이오매스 원료의 수분 증발에 의해 내부 압력이 기 설정된 압력보다 높아지는 것을 방지하고, 완전히 제거되지 않은 타르 및 목초액이 연소부에서 연소되도록하며,
   상기 반탄화부의 양 끝단에 위치한 콘 형태의 입구단과 출구단의 내주면에는 바이오매스 원료의 공급과 배출을 위해 나선 형태로 돌출된 나선부가 배치되어 있으며,
   상기 배출부는
   반탄화 바이오매스와 과열증기가 공급되되, 과열증기는 상부로 배출되고, 반탄화 바이오매스는 자중에 의해 저면에 적재되는 공간부와;
   상기 공간부의 저면에서 탄성을 가진 복수 개의 탄성판이 방사형으로 설치된 로터를 회전시킴으로써 적재된 반탄화된 바이오매스를 배출하도록 구성된 로터부를 포함하여 구성되고,
   상기 타르제거부는
   배출부를 통해 배출된 과열증기를 내주면을 따라 나선형태로 유동시키되, 상부 단면적보다 하부 단면적이 좁은 형태로 구성된 중공의 타르제거 몸체와;
   상기 타르제거 몸체의 하단에 배치된 수용부를 포함하여 구성되며,
   상기 타르제거 몸체 내부에서 과열증기가 나선형태로 유동하면서, 질량이 높은 타르 및 목초액은 원심력에 의해 과열증기로부터 분리되어 타르제거 몸체의 내주면을 따라 흐르는 타르제거 유체에 섞여 수용부로 내려가고,
   과열증기의 수분이 온도차에 의해 응축되어 제거되도록 과열증기가 접촉하는 타르흡착 유체를 소정의 온도로 냉각시키기 위한 냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   반탄화 바이오매스 제조장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 반탄화부는
   회전하는 중공의 몸체와;
   상기 회전하는 중공의 몸체 내주면에 배열된 복수 개의 날개부를 포함하며,
   상기 회전하는 중공의 몸체의 회전에 의해 하부의 바이오매스 원료는 몸체 내주면의 날개부에 의해 상부로 이송된 후 자중에 의해 낙하하도록 구성된 것을 특징으로 하는
   반탄화 바이오매스 제조장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 날개부는
   바이오매스 원료를 상부로 이송할 때 낙하되지 않도록 각각 "ㄴ"자 형태의 단면으로 구성된 것을 특징으로 하는
   반탄화 바이오매스 제조장치.
   
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 배출부를 통해 배출된 반탄화 바이오매스를 이송시켜주기 위한 이송스크류와;
   상기 이송스크류를 감싸도록 배치되어 반탄화 바이오매스를 냉각시켜주기 위한 워터재킷을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   반탄화 바이오매스 제조장치.
   
6. 삭제

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