KR101964127B1 - 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법 및 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비 - Google Patents

철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법 및 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법, 및 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열처리하여 1 단계 500 ℃ 이하(더욱 구체적으로는 300 내지 500 ℃)의 탄화 공정에서는 바이오차(Biochar) 형태로 제조하는 제 1 생산 과정; 및 2 단계로 1000℃ 이하(더욱 구체적으로는 800 내지 1000℃)의 활성화 공정에서는 활성탄 형태로 제조하는 제 2 생산 과정; 을 포함하되, 상기 1 단계 및 2 단계를 순차적인 열처리 공정을 마이크로파 발열에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법과 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비를 제공한다.
본 발명에 따르면, 폐목침목을 재활용한 저탄소 배출 및 친환경 소재인 바이오차(Biochar) 및 환경필터(활성탄)를 제공할 수 있고, 저탄소 배출 및 친환경 소재 제조를 위한 폐목침목을 가열시 단순 가열이 아니라 마이크로파를 이용한 간접 가열 방식의 기술을 활용하여 온도를 균일하게 조절하고 단시간에 고온까지 가열할 수 있어서, 기존의 버너직화 방식에 있어서 회전로 내에서 불균일한 온도분포로 인한 장시간의 생산공정의 단점을 해결할 수 있는 효과가 있다. 또한, 열처리부의 내통을 감싸고 있는 외통을 양쪽으로 연장시키고 상기 외통의 내주면으로 고리 모양의 마이크로파 감쇄부를 다수 배치함으로써 마이크로파가 상기 내통 및 외통 사이로 유출되는 것을 방지하여 친환경성을 확보할 수 있는 효과도 있다.

Description

철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법 및 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비{METHOD FOR MANUFACTURING LOW CARBON COMPOSITE FREE AND ECO-FRIENDLY MATERIAL USING WASTE RAILROAD WOOD SLEEPER, AND HEATING GENERATING MULTISTAGE EQUIPMENT MICRO-WAVE WITH INDIRECT HEATING MODE FOR THE SAME}
본 발명은 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법 및 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 폐목침목을 재활용한 저탄소 배출 및 친환경 소재인 바이오차(Biochar) 및/또는 환경필터(활성탄)를 제공하도록 하기 위한 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법 및 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비에 관한 것이다.
2016년 11월 4일 파리기후변화협정이 발효된 시점에서 우리나라를 포함한 세계 각국은 국가별 온실가스 감축 목표를 중장기적으로 설정하고 이행하여야 한다.
또한, 사회적으로 에너지 소비절감 및 배기가스 배출 규제의 중요성이 증대되고 있는 시점에서, 저탄소 교통수단인 철도시스템에 대한 관심이 높아지고 있으나 디젤 철도차량의 운행, 지하도시철도 역사 및 철도시설물 운영에 따른 배출 오염물질이 사회적 문제가 되는 실정이다.
철도 인프라분야에서는 유독성 오염물질인 크레오소트(creosote) 처리 목침목이 토양오염의 주범으로 여겨지고 있고 매년 100만개 이상의 폐목침목이 발생하고 있으나 재활용이 안 되고 있는 실정이며 오히려 막대한 처리 비용으로 인해 처리도 못하고 야적한 상태에서 방치되고 있는 실정이다.
철도개량사업이나 유지보수 과정에서 필연적으로 발생하는 폐목침목은 폐기물관리법에 따라 바이오차(Biochar), 환경필터(Activated Carbon) 원료인 바이오매스(Biomass) 등으로 재활용 가능할 것이나, 아직 상용화된 공정기술은 전무한 실정이다.
종래의 기술 1인 대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-0936137호 "중장비용 폐목침목 파쇄집게(A Crushing Tongs Of Waste Wood Sleepers For A Heavy Equipment)"는 서브조를 단일의 유압실린더를 이용해 작동시켜 구동의 효율성을 증대시킬 수 있으며, 또한 다수의 폐목침목을 파쇄함과 동시에 운반 및 절단할 수 있어 작업 효율성이 증대되는 구조의 중장비용 폐목침목 파쇄집게에 관한 것이다.
종래의 기술 1은 폐목침목의 파쇄를 위한 파쇄집게를 제공하나 파쇄된 폐목침목을 활용한 재활용 방법을 제시하지 못하는 한계점이 있다.
종래의 기술 2인 대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-0916980호 "폐목침목 절개장치(A Incision Device Of Waste Wood Sleepers)"는 폐목침목을 종방향으로 2조각 또는 횡방향으로 2조각 또는 종/횡방향으로 4조각으로 절개할 수 있도록 수평커터날 및 수직커터날이 분해 조립 가능하게 구성되며, 또한 다수의 폐목침목을 동시에 절단할 수 있어 작업의 효율성이 증대되는 폐목침목 절개장치에 관한 것이다.
그러나 종래의 기술 2도 폐목침목의 절단을 통한 재활용 방법을 제시하지 못하는 한계점이 있다.
종래의 기술 3인 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2012-0134844호 "열 추출을 이용한 폐목침목 처리 장치(SYSTEM FOR TREATMENT OF WASTE WOOD SLEEPER USING THERMAL ABSTRACTION)"는 유류 및 방부제로 오염된 폐목침목(침목 중 폐기되는 목침목)을 대상으로 오염농도를 저감시키기 위한 열 추출을 이용한 폐목침목 처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
그러나 종래의 기술 3은 고온 열 추출 기술을 적용함으로써 폐목침목 내의 오염농도를 저감시킬 수 있으나, 폐목침목 자체에 대한 재활용 기술을 제시하지 못하는 한계점이 있다.
종래의 기술 4인 대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-1482734호 "폐침목 재생장치(A REPRODUCTION APPARATUS FOR SLEEPERS)"는 폐목재의 빠른 커팅과, 별도의 폐목재 표면 연삭 처리 없이 표면을 매끄럽게 커팅할 수 있는 구조의 폐침목 재생장치에 관한 것으로, 이를 위해 이송되는 폐침목의 빠른 커팅과 모터 부하 방지를 위해 폐침목의 상부 양측면과 하부 양측면을 개별적으로 커팅할 수 있도록 커터날이 상기 각 주축대의 상부 전방과 하부 후방에 나란히 배치되는 기술에 관한 것이다.
그러나 종래의 기술 4는 종래의 기술 1 및 2와 같이 파쇄된 폐목침목을 활용한 재활용 방법을 제시하지 못하는 한계점이 있다.
대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-0936137호 "중장비용 폐목침목 파쇄집게(A Crushing Tongs Of Waste Wood Sleepers For A Heavy Equipment)" 대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-0916980호 "폐목침목 절개장치(A Incision Device Of Waste Wood Sleepers)" 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2012-0134844호 "열 추출을 이용한 폐목침목 처리 장치(SYSTEM FOR TREATMENT OF WASTE WOOD SLEEPER USING THERMAL ABSTRACTION)" 대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-1482734호 "폐침목 재생장치(A REPRODUCTION APPARATUS FOR SLEEPERS)"
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폐목침목을 재활용한 저탄소 배출 및 친환경 소재인 바이오차(Biochar) 및 환경필터(활성탄)를 제공하도록 하기 위한 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법 및 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 저탄소 배출 및 친환경 소재 제조를 위한 폐목침목 가열시 단순 가열이 아니라 마이크로파를 이용한 간접 가열 방식의 기술을 활용하여 온도를 균일하게 조절하고 단시간에 고온까지 가열할 수 있어서, 기존의 버너직화 방식에 있어서 회전로 내에서 불균일한 온도분포로 인한 장시간의 생산공정의 단점을 해결할 수 있도록 하기 위한 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법 및 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비를 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
철도 폐목침목을 열처리하여 1 단계 300 내지 500 ℃의 탄화 공정에서는 바이오차(Biochar) 형태로 제조하는 제 1 생산 과정; 및 2 단계로 800 내지 1000℃의 활성화 공정에서는 활성탄(Activated Carbon) 형태로 제조하는 제 2 생산 과정; 을 포함하되, 상기 1 단계 및 2 단계를 순차적인 열처리 공정을 마이크로파 발열에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제 1 생산 과정 이전에 전처리 과정으로서, 철도 폐목침목을 치핑(분쇄)하여 미리 설정된 직경 이하로 분쇄하고 건조하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 1 단계 및 2 단계에서 마이크로파를 이용한 간접 가열 방식의 기술을 활용하여 온도를 균일하게 조절하고 단시간에 미리 설정된 고온까지 가열 가능한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
치핑 장치로부터 철도 폐목침목을 전달받아 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비로 이송하기 위한 이송부, 상기 이송부에서 이송되는 철도 폐목침목이 열에 의해 바이오차(Biochar) 및 활성탄(Activated Carbon)으로 제조되는 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비의 열처리부, 그리고 상기 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비의 열처리부를 거쳐 제작된 바이오차 및 활성탄을 회수하는 회수부를 포함하여 구성되며, 상기 열처리부는, 열처리하여 1 단계 300 내지 500 ℃의 탄화 공정에서는 바이오차(Biochar) 형태로 제조하고, 2 단계로 800 내지 1000℃의 활성화 공정에서는 활성탄(Activated Carbon) 형태로 제조하되, 상기 1 단계 및 2 단계를 순차적인 열처리 공정을 마이크로파 발열에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 철도 폐침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이송부에는 철도 폐목침목에서 수분을 건조하기 위한 건조 수단이 추가로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리부 일측에는 마이크로파 발진부가 연결되고, 원통형의 고정된 컨테이너를 구성하는 외통 및 상기 외통 내에 상기 외통보다 직경이 작은 원통형으로 구비되며 회전축에 의해 상기 외통 내에서 회전 가능하게 설치되고 상기 투입구를 통해 철도 폐목침목 칩이 투입되는 내통이 구비되며, 상기 외통 외부에는 상기 회전축이 연장되어 연결되는 구동모터가 구비되고, 상기 내통의 외주면에는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키는 마이크로파 흡수 발열체가 구비되며, 상기 외통 및 내통 사이에는 캐비티 공간이 구비되어 상기 마이크로파 발진부에서 조사된 마이크로파가 상기 캐비티 공간에서 난반사를 일으켜 상기 내통의 외주면에 구비된 마이크로파 흡수 발열체에서 열을 발생시킴에 의해 상기 내통 내부로 통한 철도 폐목침목 칩을 열처리하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리부는 상기 외통이 양쪽으로 연장되어 그 내부에 내주면을 따라 2번 꺽인 고리 모양의 마이크로파 감쇄부를 상기 열처리부의 중심 방향으로 다수개 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법 및 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비는, 폐목침목을 재활용한 저탄소 배출 및 친환경 소재인 바이오차(Biochar) 및 환경필터(활성탄)를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법 및 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비는, 저탄소 배출 및 친환경 소재 제조를 위한 폐목침목을 가열시 단순 가열이 아니라 마이크로파를 이용한 간접 가열 방식의 기술을 활용하여 온도를 균일하게 조절하고 단시간에 고온까지 가열할 수 있어서, 기존의 버너직화 방식에 있어서 회전로 내에서 불균일한 온도분포로 인한 장시간의 생산공정의 단점을 해결할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법 및 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비는, 열처리부의 내통을 감싸고 있는 외통을 양쪽으로 연장시키고 상기 외통의 내주면으로 고리 모양의 마이크로파 감쇄부를 다수 배치함으로써 마이크로파가 상기 내통 및 외통 사이로 유출되는 것을 방지하여 친환경성을 확보할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에서 사용되는 철도 폐목침목을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 철도 폐목침목에 의해 제조되는 바이오차에 의한 탄소감축 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 버너직화 방식의 기존 기술을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에서 사용되는 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)를 나타내는 실제 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에 사용되는 전체 제조 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 6은 도 5의 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템 중 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)의 열처리부를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 도 5의 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템에서 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1) 중 열처리부(420)에서의 발열 원리를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 5의 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템에서 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1) 중 열처리부(420)가 실제로 제작된 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 5의 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템에서 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1) 중 마이크로파 흡수 발열체(426)의 설계에 따른 마그네트론 출력시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 도 5의 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템에서 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1) 중 열처리부(420)에 있어 마이크로파 감쇄부 부분을 확대하여 나타낸 측단면도이다.
도 12는 도 5의 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템에서 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1) 중 열처리부(420)에 있어 마이크로파 감쇄부를 모식화하여 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비의 일 예를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에서 사용되는 철도 폐목침목을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에서는 환경적으로 유해한 철도 폐목침목을 바이오매스(Biomass)로 활용하여 저속 열처리 공정을 통해 바이오차(Biochar)를 생성함으로써, 탄소함량이 매우 높은 고체물질로서 유기물과 달리 안정성이 뛰어나므로 토양에 투입하게 되면 분해가 거의 일어나지 않아 대기 중의 이산화탄소(CO2)를 장기간 격리함으로써 기후변화 완화에 획기적으로 기여할 수 있는 친환경 물질을 제공할 수 있다.
이러한 바이오차는 도 2와 같은 탄소감축 원리에 의해 토양 흡착능력, pH, 양이온교환능력의 증가(화학적 특성), 미생물 생체량, 활성도 증가(생물학적 특성), 토양 통기성, 수분보유능력 증가(물리적 특성)를 통해 폐목침목의 유해성으로 오염된 철도부지의 개량에 활용될 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에 의해 바이오차 뿐만 아니라, 활성탄(Activated Carbon)을 제공할 수 있다.
대표적인 대기오염물질인 미세먼지, 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx)의 경우는 환경필터를 이용한 흡착제거방법에 의해 정화되고 있는데, 환경필터를 조성하는 물질로는 활성탄이 주를 이루고 있다.
하지만, 활성탄 제조시, 원재료의 탄화 및 활성화 과정에 있어 기존 기술에 의하면 소모되는 에너지 비용이 상당하여 국내에서 소모되는 활성탄은 전량 수입되는 실정이다.
또한, 이미 산업 및 철도분야에 적용한 환경필터(활성탄)의 성능이 저하되면, 주기적으로 재생시켜 재활용을 하게 되는데, 이 또한 기존 기술에 의하면 많은 에너지 비용이 소모되는 문제가 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에 의해 철도분야의 대표적인 폐기물인 폐목침목을 바이오매스(Biomass)로 재활용하여 바이오차(Biochar) 및 활성탄을 생산하면, 온실가스 감축에 기여하고 철도부지를 개량하고 활성탄의 국산화를 통한 수입대체효과를 도모할 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 도 3은 기존 기술로 버너직화 방식을 나타내며, 기존 설비(Rotary-kiln, 버너직화 방식)는 과다한 화석연료의 사용으로 열처리 및 활성화 공정을 위한 에너지 비용이 고가이며, 회전로 내에서 불균일한 온도분포로 인한 장시간의 생산공정과 같은 단점이 있는데 반해, 본 발명에서는 "마이크로파 발열기술"을 활용함으로써, 열처리 공정 및 활성화 공정을 효율적으로 친환경적이며 경제적인 방식으로 진행하는 것이 바람직하다.
즉, 일단 폐목침목을 치핑(분쇄)하여 미리 설정된 직경 이하로 분쇄하고 건조한 후, 열처리(pyrolysis)하여 1 단계 500 ℃ 이하(더욱 구체적으로는 300 내지 500 ℃)의 탄화 공정에서는 바이오차(Biochar) 형태로, 2 단계로 1000℃ 이하(더욱 구체적으로는 800 내지 1000℃)의 활성화 공정에서는 활성탄(Activated Carbon) 형태로 제조하되, 상기 1 단계 및 2 단계를 순차적인 열처리 공정을 마이크로파 발열기술에 의해 수행할 수 있다.
본 발명에서는 상기 1 단계 및 2 단계에서 단순히 직화 방식으로 가열하는 것이 아니라, 마이크로파를 이용한 간접 가열 방식의 기술을 활용하여 온도를 균일하게 조절하고 단시간에 고온까지 가열할 수 있는 장비인 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)를 활용한다.
보다 구체적으로, 도 4는 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)를 나타내는 실제 사진이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에서 제안하고자 하는 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)는 회전로 내로 균일한 온도 분포로 인한 효율적인 열처리 및 활성화 공정을 유지할 수 있으며, 기존 기술에 비해 단시간에 생산 공정을 마칠 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에 사용되는 전체 제조 시스템을 나타내는 개념도이고, 도 6은 도 5의 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템 중 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)의 열처리부를 모식적으로 나타내는 도면이다. 또한, 도 7은 도 5의 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템에서 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1) 중 열처리부(420)에서의 발열 원리를 구체적으로 나타낸 도면이고, 도 8은 도 5의 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템에서 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1) 중 열처리부(420)가 실제로 제작된 것을 나타내는 도면이다. 또한, 도 9는 도 5의 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템에서 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템은 치핑 장치(미도시)로부터 철도 폐목침목(분쇄칩)을 전달받아 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)로 이송하기 위한 이송부(30), 이송부(30)에서 이송되는 철도 폐목침목이 열에 의해 바이오차 및 활성탄으로 제조되는 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)의 열처리부(420), 그리고 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)의 열처리부(420)를 거쳐 제작된 바이오차(Biochar) 및 활성탄(Activated Carbon)을 회수하는 회수부(50)를 포함하여 구성된다.
먼저, 철도 폐목침목을 컨베이어 벨트 등의 이송부(30)를 통해 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)로 이송된다. 또한, 이송부(30)에는 철도 폐목침목에서 수분을 건조하기 위한 건조 수단이 추가로 구비될 수 있으며, 건조 수단은 가열, 환풍 또는 열풍 건조 등과 같은 공지, 공용의 건조 수단이 적용될 수 있다. 이러한 건조 수단에 의해 수분이 제거됨으로써 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)에서의 열기에 의한 철도 폐목침목에 대한 바이오차 및 활성탄을 제조할 수 있다.
간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)는 철도 폐목침목(42)이 미리 설정된 직경 이하로 치핑이 수행된 뒤 들어오는 입구와 배출되는 출구를 제외하고는 밀폐된 룸 구조를 이루어 마이크로파 발진부(41)에서 조사되는 마이크로파를 난반사시키는 공진룸 역할을 수행한다.
여기서, 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)의 몸체에 해당하는 열처리부(420)가 도 6과 같이 한쪽으로 기울어진 상태로 자중에 의해, 또는 자중과 진동에 의해 아래쪽 방향으로 치핑된 철도 폐목침목(42)이 이송된다.
이때 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비의 외통 일측, 예를 들어 상부 또는 측부에는 마이크로파 발진부(41)가 도 4 및 도 9와 같이 효율상승을 위해 열처리부(420)의 외주면에 테두리를 따라 설치되며, 테두리를 따라 형성되는 각 마이크로파 발진부(41)는 마이크로파 발진기(마그네트론)와 고전압변압기를 하나의 쌍(pair)으로 2개 이상의 쌍을 포함하여 구성되고, 추가로 고전압 콘덴서, 고전압 다이오드 등을 포함할 수 있다.
도 5의 (b)에서는 열처리부(420)가 대략적으로 표시되어 있지만, 이는 도면의 대략적인 표현을 위한 것으로서, 상기 열처리부(420)는 도 6에 도시된 것이 적용된다.
여기서, 고전압변압기는 외부로부터 입력되는 상용교류전압을 고주파 발생에 적합한 고전압(예를 들면, 4 킬로볼트[kV] 정도)으로 변압하여 마그네트론으로 인가하며, 마그네트론은 고전압변압기로부터 인가되는 고전압에 의하여 고주파발진을 하여 마이크로파를 발생시킨다. 마이크로파 주파수는 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 주파수를 사용하되, 부품 수급의 원활성 등 장점을 살려 주로 2,450MHz대역을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니고, 용도에 따라 300MHz ~ 300GHz 영역의 주파수를 갖는 마이크로파를 다양하게 변형하여 사용할 수 있다. 마그네트론이 구동될 때 마그네트론에서 발생되는 고열을 냉각시키기 위해 마그네트론의 일단에는 냉각팬이 설치되고, 냉각팬은 팬모터와 연결되며, 외부로부터 전압이 팬모터에 인가되면 팬모터가 가동되면서 팬모터에 의해 냉각팬이 구동되어 외부의 찬공기를 마그네트론에 송풍함으로써, 마그네트론에서 발생되는 고열을 냉각시킬 수 있다.
한편, 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)에는 상기 탄화 공정 및 상기 활성화 공정에 의해 배출되는 가스와 분진을 이송하여 처리한 후 방출하기 위한 배출물 후처리부(2)가 추가로 연결될 수 있다.
배출 가스와 분진은 이송관(43)을 통해 후연소기(71)로 이송된 후 버너에 의해 후연소되고, 이어서 냉각기(72)를 통해 냉각된 후 백필터(73)를 거쳐 대기 중에 방출될 수 있다. 이때, 도 8과 같이 분진 상태로서 배출물 후처리부(2)에 의해 완전 연소되지 않고 대기 중에 방출되는 것이 바람직하지 않은 오염 물질은 별도의 집진 설비(3)를 갖추어 수집될 수 있다.
또한 대기로의 배출이 제한되는 유해 가스와 같은 분재는 강제로 흡입 및 부착시켜 공기로부터 분리하기 위한 흡착기에 의해 걸러질 수 있다.
간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)를 거쳐 상기 탄화 공정에 의해 제조된 바이오차 및 상기 활성화 공정에 의해 제조된 활성탄을 회수하기 위한 회수부(50)가 구비될 수 있다.
이어서 회수부(50)에서 회수된 바이오차 및 활성탄은 고온 상태이므로 냉각수를 처리하여 회수하기 위한 냉각 처리부(60)가 추가로 포함될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템의 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)를 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1)는 치핑된 철도 폐목침목(42)이 투입되는 투입구(410), 철도 폐목침목이 열처리되는 열처리부(420) 및 열처리된 철도 폐목침목이 배출되는 배출구(430)를 포함하여 구성된다.
한편, 열처리부(420) 일측에는 마이크로파 발진부(41)가 열처리부(420)의 외주면에 테두리를 따라 설치되며, 원통형의 고정된 컨테이너를 구성하는 외통(421) 및 외통 내에 외통보다 직경이 작은 원통형으로 구비되며 회전축(423)에 의해 외통(421) 내에서 회전 가능하게 설치되고 투입구(410)를 통해 철도 폐목침목(42)이 투입되는 내통(422)이 구비되며, 외통(421) 외부에는 회전축(423)이 연장되어 연결되는 구동모터(424)가 구비되고, 내통(422)의 외주면에는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키는 마이크로파 흡수 발열체(426)가 구비될 수 있다.
이에 따라 외통(421) 및 내통(422) 사이에는 마이크로파가 반사되기 위한 캐비티 공간(427)이 구비되어 마이크로파 발진부(41)에서 조사된 마이크로파가 캐비티 공간(427)에서 난반사를 일으켜 내통(422)의 외주면에 구비된 마이크로파 흡수 발열체(426)에서 열을 발생시킴에 의해 내통(422) 내부로 간접 가열 방식에 의한 탄화 공정 및 활성화 공정이 수행되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 열처리부를 외부에서 감싸서 보호하는 역할을 하는 하우징(428)이 구비될 수 있다.
보다 구체적으로, 열처리부(420)의 원통을 따라 마이크로파 발진부(41)가 복수로 연결되는데, 원통형의 고정된 컨테이너를 구성하는 외통(421) 및 외통(421) 내에 외통보다 직경이 작은 원통형으로 구비되고 회전축(423)에 의해 외통(421) 내에서 회전 가능하게 설치되며 투입구(410)를 통해 철도 폐목침목이 투입되는 내통(422)이 구비되며, 외통(421) 외부에는 회전축(423)이 연장되어 연결되는 구동모터(424)가 구비되고, 내통(422)의 외주면에는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키는 마이크로파 흡수 발열체(426)가 구비되며, 외통 및 내통 사이에는 마이크로파가 반사되기 위한 캐비티 공간(427)이 구비되어 마이크로파 발진부(41)에서 조사된 마이크로파가 캐비티 공간(427)에서 난반사를 일으켜 내통(422)의 외주면에 구비된 마이크로파 흡수 발열체(426)에서 열을 발생시킴에 의해 내통 내부의 철도 폐목침목(42)에 대한 설정된 온도 범위 내에서 간접 가열 방식에 의한 탄화 공정 및 활성화 공정이 수행되도록 할 수 있다.
한편, 도 7 내지 도 9를 참조하면 마이크로파 흡수 발열체(426)는 도 7과 같이 격자 형태, 도 8 내지 도 9와 같이 블럭 또는 바(bar) 형태로 선택적으로 형성될 수 있다.
도 9을 참조하면, 마이크로파 흡수 발열체(426)는 내구성 및 강도를 고려하여 3cm 두께로 제작하며, 블록(Block) 형으로 내통(422)인 킬른 회전로의 외부면에 설치하는 것이 바람직하다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1) 중 마이크로파 흡수 발열체(426)의 설계에 따른 마그네트론 출력시험 결과를 나타내는 도면이다.
도면에서와 같이, Impedance Matching Test, 즉 마이크로파 흡수 발열체(426)를 설치한 뒤 마이크로파 발진부(41)에 의한 마이크로파 조사거리에 따른 마그네트론 출력시험에서 하기의 도 12와 같이 약 200mm거리에서 최대 출력율을 나타냈다.
즉, 본 발명에 따른 마이크로파 흡수 발열체(426)는 종래의 발열물질을 내통(422) 외주면에 발라서 제작함으로써, 발열물질에 균열이 발생하고 잘 떨어지는 문제를 해결하기 위해 발열물질을 외부에서 블록화시킨 다음, 내통(422) 외주면에 프레임을 구비시킨 상태에서 끼워 넣는 방식으로 제공하는 것이 바람직하다.
도 11은 도 5의 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템에서 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1) 중 열처리부(420)에 있어 마이크로파 감쇄부 부분을 확대하여 나타낸 측단면도이고, 도 12는 도 5의 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 시스템에서 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비(1) 중 열처리부(420)에 있어 마이크로파 감쇄부를 모식화하여 구체적으로 나타낸 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 외통(421) 및 내통(422)의 미세한 틈으로 마이크로파가 누설되어 작업자들의 건강에 악영향을 미치고 주변 기기의 오작동 및 손상을 유발하는 것을 방지하기 위한 기술이다.
이를 위하여 본 발명에서는 열처리부를 구성함에 있어서 외통의 양쪽으로 외통보다 직경이 동일하거나 작게 구성된 연장 원통(100)을 연결시킨다. 이 때 상기 외통에 연장 원통이 연결됨에 따라 내통(422) 또한 연장되어 내통 연장 구간(422-1)을 형성한다. 이러한 내통 연장 구간은 스크류 등을 통해 이송되는 철도 폐목침목(분쇄칩)의 투입을 용이하게 하기 위해 설치된다.
또한, 상기 외통에 연장된 연장 원통과 상기 내통 연장 구간의 사이에서, 상기 연장 원통(100)의 내주면에는 2번 꺾인 고리 모양, 즉 꺽쇠 모양의 마이크로파 감쇄부(101)가 규칙 또는 불규칙적으로 다수개 설치된다. 상기 마이크로파 감쇄부는 도면에 도시된 바와 같이, 상기 열처리부의 중심 방향으로 개방부가 향하고 있으며, 개방부에서 2회 90도로 같은 방향으로 꺽여 있어 마이크로파가 상기 개방부로 수용되면 소멸되어 외부로 재방출이 되지 않도록 구성된다. 이와 같은 마이크로파 감쇄부는 다른 말로 쵸크(choke)로 명명되며 상기 쵸크로 인해 외통과 내통 사이에서 외부로 누출되던 마이크로파를 거의 100% 소멸시킬 수 있다. 상기 쵸크의 내부 구조는 마이크로파가 갖는 파장보다 작게 구성되는 것이 바람직하다.
상기 마이크로파 감쇄부가 부착된 상기 연장 원통(100)의 길이 및 상기 마이크로파 감쇄부의 개수는 마이크로파의 강도나 오염물 탈착부의 크기 등에 따라 가변적으로 설정할 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비의 일 예를 나타낸 도면이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비 전처리 과정, 제1생산과정(바이오차 제조) 및 제2생산과정(활성탄 제조)이 수직적 구조로 연속적, 다단계(multi-stage)로 구성될 수 있다. 그러나, 반드시 수직적 구조로 이루어져야 하는 것은 아니고 수평적 구조로 구성될 수도 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 포함된다.
이상, 본 발명에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법 및 이를 위한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하였다.
본 발명에서는 상기 1단계 및 2단계 중 하나의 단계는 마이크로파 발열에 의해 수행되고, 나머지 하나의 단계는 종래의 직접가열 방식이나 또 다른 열원을 이용하여 수행될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에서는 상기 1 단계 및 2 단계에서 마이크로파를 이용한 간접 가열 방식의 기술을 활용하여 온도를 균일하게 조절하고 단시간에 미리 설정된 고온까지 가열 가능한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비에 의해 수행되는 것에 관하여 주로 설명하였지만, 상기 1단계 및 2단계 중 하나의 단계는 마이크로파를 이용한 간접 가열 방식의 기술을 활용하여 온도를 미리 설정된 고온까지 가열하고, 나머지 하나의 단계는 종래의 직접가열 방식(예를 들어, 로터리 킬른 방식)이나 또 다른 열원을 이용하여 사용하는 것도 가능하며, 이 또한 본 발명의 범위에 포함된다.
또한, 본 발명에서는, 상기 1 단계 및 2 단계가 연속적으로 구성되는 것을 중심으로 설명되었으나, 상기 1 단계 및 2 단계 중 하나의 단계만 선택적으로 수행되는 것, 즉 상기 철도 폐목침목을 열처리하여 바이오차 형태로 제조하는 과정, 및 상기 철도 폐목침목을 열처리하여 활성탄 형태로 제조하는 과정도 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명에 따르면, 폐목침목을 재활용한 저탄소 배출 및 친환경 소재인 바이오차(Biochar) 및 환경필터(활성탄)를 제공할 수 있고, 저탄소 배출 및 친환경 소재 제조를 위한 폐목침목을 가열시 단순 가열이 아니라 마이크로파를 이용한 간접 가열 방식의 기술을 활용하여 온도를 균일하게 조절하고 단시간에 고온까지 가열할 수 있어서, 기존의 버너직화 방식에 있어서 회전로 내에서 불균일한 온도분포로 인한 장시간의 생산공정의 단점을 해결할 수 있는 효과가 있다. 또한, 열처리부의 내통을 감싸고 있는 외통을 양쪽으로 연장시키고 상기 외통의 내주면으로 고리 모양의 마이크로파 감쇄부를 다수 배치함으로써 마이크로파가 상기 내통 및 외통 사이로 유출되는 것을 방지하여 친환경성을 확보할 수 있는 효과도 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1 : 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비
2 : 배출물 후처리부 3 : 집진 설비
30 : 이송부 40 : 오염물 탈착부
41 : 마이크로파 발진부 42 : 철도 폐목침목
43 : 이송관 50 : 회수부
60 : 냉각 처리부 71 : 후연소기
72 : 냉각기 73 : 백필터
100 : 연장 원통 101 : 마이크로파 감쇄부
410 : 투입구 420 : 열처리부
421 : 외통 422 : 내통
423 : 회전축 424 : 구동모터
426 : 마이크로파 흡수 발열체 427 : 캐비티 공간
428 : 하우징 430 : 배출구

Claims (9)

  1. 철도 폐목침목을 열처리하여 1 단계 300 내지 500 ℃의 탄화 공정에서는 바이오차(Biochar) 형태로 제조하는 제 1 생산 과정; 및
    2 단계로 800 내지 1000℃의 활성화 공정에서는 활성탄(Activated Carbon) 형태로 제조하는 제 2 생산 과정; 을 포함하며,
    상기 1 단계 및 2 단계를 순차적인 열처리 공정을 마이크로파 발열에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법으로서,
    상기 마이크로파 발열에 의해 수행되는 열처리 공정은 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비에 의해 수행되되,
    상기 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비는
    치핑 장치로부터 철도 폐목침목을 전달받아 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비로 이송하기 위한 이송부, 상기 이송부에서 이송되는 철도 폐목침목이 열에 의해 바이오차(Biochar) 및 활성탄으로 제조되는 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비의 열처리부, 그리고 상기 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비의 열처리부를 거쳐 제작된 바이오차 및 활성탄을 회수하는 회수부를 포함하여 구성되며,
    상기 열처리부는, 열처리하여 1 단계 300 내지 500 ℃의 탄화 공정에서는 바이오차(Biochar) 형태로 제조하고, 2 단계로 800 내지 1000℃의 활성화 공정에서는 활성탄 형태로 제조하되, 상기 1 단계 및 2 단계를 순차적인 열처리 공정을 마이크로파 발열에 의해 수행하는 것을 특징으로 하고,
    상기 열처리부 일측에는 마이크로파 발진부가 복수로 연결되고되고, 원통형의 고정된 컨테이너를 구성하는 외통 및 상기 외통 내에 상기 외통보다 직경이 작은 원통형으로 구비되며 회전축에 의해 상기 외통 내에서 회전 가능하게 설치되고 투입구를 통해 철도 폐목침목 칩이 투입되는 내통이 구비되며, 상기 외통 외부에는 상기 회전축이 연장되어 연결되는 구동모터가 구비되고, 상기 내통의 외주면에는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키는 마이크로파 흡수 발열체가 구비되며, 상기 외통 및 내통 사이에는 마이크로파가 반사되기 위한 캐비티 공간이 구비되어 상기 마이크로파 발진부에서 조사된 마이크로파가 상기 캐비티 공간에서 난반사를 일으켜 상기 내통의 외주면에 구비된 마이크로파 흡수 발열체에서 열을 발생시킴에 의해 상기 내통 내부 철도 폐목침목 칩을 열처리하도록 구성되는 것을 특징으로 하며,
    상기 열처리부는 상기 외통이 양쪽으로 연장되어 그 내부에 내주면을 따라 2번 꺾인 고리 모양의 마이크로파 감쇄부를 상기 열처리부의 중심 방향으로 다수개 포함하되, 상기 외통이 연장됨에 따라 상기 내통 또한 연장되어 내통 연장 구간을 형성하며, 상기 외통에 연장된 연장 외통과 상기 내통 연장 구간의 사이에서 상기 연장 외통의 내주면에 상기 마이크로파 감쇄부가 열처리부의 중심 방향으로 개방부가 향하게 형성되며 상기 개방부에서 2회 90도로 같은 방향으로 꺾여 마이크로파가 개방부로 수용되면 소멸되도록 구성되는 것을 특징으로 하며,
    상기 마이크로파 흡수 발열체는 블록화하여 내통 외주면에 프레임을 구비한 상태에서 프레임에 끼워 넣는 방식으로 설치되는 것을 특징으로 하는
    철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 생산 과정 이전에 전처리 과정으로서, 철도 폐목침목을 치핑하여 미리 설정된 직경 이하로 분쇄하고 건조하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 1 단계 및 2 단계에서 마이크로파를 이용한 간접 가열 방식의 기술을 활용하여 온도를 균일하게 조절하고 단시간에 미리 설정된 고온까지 가열 가능한 간접 가열 방식의 마이크로파 다단로 발열설비에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 1 단계 및 2 단계 중 하나의 단계는 마이크로파 발열에 의해 수행되고, 나머지 하나의 단계는 직접가열 방식이나 또 다른 열원을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 1 단계 및 2 단계 중 하나의 단계만 선택적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법.
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