KR101998858B1

KR101998858B1 - 통나무 열분해장치 및 열분해 가스 처리장치를 이용한 에너지 회수 시스템

Info

Publication number: KR101998858B1
Application number: KR1020180130329A
Authority: KR
Inventors: 김용주; 한미진
Original assignee: 비엔지코리아(주)
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-09-04
Also published as: JP2020071016A; JP6598041B1

Abstract

본 발명은 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생되는 유해물질 제거와 에너지효율의 증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 열분해 완료시에 발생되는 회분(ash)을 벤추리에젯트(venturi ejector)를 이용한 냉각 공기콘베어를 통하여 집진 수거가 편리한 곳에 포집하므로 깨끗한 환경을 유지할 수 있으며, 또한 통나무 중에 소량 함유된 질소화합물 황 화합물 염화물과 유기산 등의 분해로 발생되는 유해물질을 저감시키기 위하여 연소기에서 요소수 및 알카리수를 공급 분사하므로 유해 물질을 근본적으로 중화 제거하며, 또한 열분해기에서 열분해용 공급공기에 수분을 일부분 공급하므로 탄소와 수분이 반응하여 수소 분자가 발생하므로 수소 분자의 연소열로 인한 열을 회수하므로 연소시 발생되는 유해물질 근본적으로 제거하고 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템에 관한 것인 바, 본 발명은 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템에 있어서, 통나무를 이송 및 공급하는 연료공급수단과; 이송된 통나무를 열분해하는 열분해수단과; 상기 열분해수단에서 열분해된 가스를 연소시키는 연소수단과; 상기 연소장치에서 연소된 가스의 열을 회수 및 교환하는 열교환수단과; 상기 열교환수단에서 배출되는 연소가스를 여과 및 집진하는 집진수단과; 상기 연소수단에 요소수와 알카리수를 공급하는 연소가스처리수단과; 상기 열분해수단에 공기를 공급하는 제1공기공급수단과; 상기 연소수단에 공기를 공급하는 제2공기공급수단과; 상기 열분해수단과 제1공기공급수단을 연결하는 관로에 연결되어 수분을 공급하는 수분공급수단과; 상기 연소수단과 제2공기공급수단을 연결하는 관로에 집진수단에서 배출되는 연소가스의 일부를 재순환시키는 밸브가 설치된 연소가스재순환파이프와; 상기 열교환수단과 연결되어 열에너지 또는 전기에너지를 회수하는 에너지회수장치와; 상기 열분해수단 내부에 적층되어 열분해된 통나무의 불연분과 회분(Ash)을 배출시키는 회분제거수단을 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.

Description

통나무 열분해장치 및 열분해 가스 처리장치를 이용한 에너지 회수 시스템{Energy Recovery System Removing Generated Hazardous Material and Improving Energy Efficiency from Pyrolyzing and Combusting Logs Using Pyrolysis Apparatus}

본 발명은 유해물질 제거와 에너지효율의 증대를 얻을 수 있는 통나무 열분해장치 및 열분해 가스 처리장치를 이용한 에너지 회수 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 열분해 완료시에 발생되는 회분(ash)을 벤추리 이젝터(venturi ejector)를 이용한 냉각 공기콘베어를 통하여 집진 수거가 편리한 곳에 포집하므로 깨끗한 환경을 유지할 수 있으며, 또한 통나무 중에 소량 함유된 질소화합물, 황화합물, 염화물과 유기산 등의 분해로 발생되는 유해물질을 저감시키기 위하여 연소기에서 요소수 및 알카리수를 공급 분사하여 유해 물질을 근본적으로 중화 제거하며, 또한 열분해기에서 열분해용 공급공기에 수분을 일부 공급하므로 탄소와 수분이 반응하여 수소 분자가 발생하므로 수소 분자의 연소열로 인한 열을 회수하여 소각시 발생되는 유해물질을 근본적으로 제거하고 에너지효율을 증대시킬 수 있는 통나무 열분해장치 및 열분해 가스 처리장치를 이용한 에너지 회수 시스템에 관한 것이다.

고유가 시대를 맞아 원자력 발전을 지양하고 태양열 발전의 권장에 따라 벌 목에 따른 통나무와 홍수시 떠내려 오는 통나무 등을 처리하기 위하여 통나무를 직접 연소시켜 에너지를 얻기 위한 연구와 화목의 연소에 의한 에너지 회수로 발전하는 연구가 진행되고 있다. 가스, 기름 등의 연소 기구는 연료를 완벽하게 통제하고 공급할 수 있지만 화목은 연료를 수동으로 자주 공급해 주어야 하는 불편함이 있다. 이에 화목 전체를 연소실에 넣지 않고 화목 투입 관을 중력 방향으로 설치하고 화목의 일부는 연소실 내에 일부는 외부 차가운 영역에 두어서 화목 투입을 수직방향으로 투입하여 밑에서 불이 붙어 서서히 타게 하면 균일한 출력과 긴 연소시간을 가지게 된다.

이 방식에는 두 가지 공기 공급방법이 있는데 장작 투입구 위쪽을 열어서 공기가 위에서 아래로 흘러들어 가면서 연소시키는 방법과 위쪽은 막고 아래쪽에서 공기를 공급하여 연소시키는 방법이 있다. 첫째 위에서 공기를 공급하는 방식은 공기가 위쪽 장작을 냉각시키면서 아래 화점에 공급되므로 화력이 안정되고 불이 타는 모습을 관찰하기가 편하다.

그러나 장작 투입 관을 길게 하여 긴 장작을 투입하려고 하면 투입구가 가열되면서 점점 연통 역할을 하게 되고 불이 역화 한다. 둘째 위를 막고 아래쪽을 열어서 공기를 공급하는 방식을 채택하면 투입 관을 원하는 길이만큼 연장할 수 있는데 이때 연소열이 위로 올라가서 장작의 미연소 부위를 가열하게 되어 여기에서 열분해 나무가스가 발생 연소가 안정적이지 못하고 출력조절이 힘든 측면이 있으며, 연소가스에 의한 대기 오염이 심각한 사회문제로 비화되고 있다.

상기한 문제점을 감안하여 종래 통나무를 소각하여 에너지를 획득하는 기술로는 일본국 특허공개 특개2016-130623호의 "통나무 연료용의 연소장치, 통나무 연료로 사용할 때 연소가스가 발생되는데 이때 연소가스 중에는 소량의 대표적인 오염물질은 황산화물(SOx), 염화물(HcL), 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 미연탄소(C) 등이 있다. 이중 질소산화물(NOx)은 광화학 스모그를 일으키는 주 원인으로서 인체에 직접적으로 해를 끼치고, 산성비의 원인이 되며, 각종 식물의 성장에 심각한 영향을 끼치므로, 그 배출량에 대한 규제가 엄격해지고 있다.

대기 중에 존재하는 질소산화물 중 인체에 해를 끼치며 대기 오염의 주 원인은 NO와 NO₂로서, 이들을 총칭하여 NOx라 칭한다. NOx의 발생원으로는 열적 질소산화물(thermal NOx), 즉발 질소산화물(prompt NOx) 및 연료 질소산화물(fuelNOx)로 분류되며, 각각의 저감에 대한 연구가 환경문제와 더불어 활발하게 가속화되고 있다.

열적 질소산화물은 고온의 분위기하에서 연소공기 중의 질소분자가 산소와 반응하여 생성되는 것으로서, 연료 중의 질소 성분이 없는 경우 NOx 발생의 주 원인이 될 수 있다. 이에 대한 대책으로 가능한 화염의 온도를 낮추고 낮은 과잉 공기비에서 연소하는 것이 NO 발생의 억제 방법이 될 수 있다. 이때 화염의 안정성 등을 고려해야 된다.

열적 질소산화물의 발생 기구는 zeldovich에 의해 제시된 다음의 반응식으로 설명될 수 있다.

O + N₂ ↔ NO + N

N + O₂ ↔ NO + O

N + OH ↔ NO + H

고온에서 O₂가 2O로 분리되어, 이 산소원자가 공기 중의 질소분자와 반응하여 NO를 생성하고, 동시에 질소 원자를 생성하며, 이것이 다시 공기 중의 산소와 반응하여 NO를 생성한다.

열적 질소산화물의 생성은 주로 연소온도가 높을 경우, 연소영역에서 산소의 농도가 높을 경우, 고온영역에서 연소가스의 체류시간이 길 경우 많이 발생된다. 특히 온도 의존성이 매우 크다.

연료 질소산화물은 연료의 탈질화가 되어 있지 않은 중유 등의 저질유 연소시 연료 중의 질소 성분이 공기 중의 산소와 결합하여 생성되는 것으로서, 탈질화가 되지 않은 연료를 연소시키는 경우 연소 방법이나 연소 장치를 변환하여 연료의 N성분이 NO화 되지 않도록 N₂화시키는 것이 필요하다 연료 NOx의 생성은 온도보다는 공기의 당량비에 크게 영향을 받는다.

고온의 화염후류 영역에서는 NOx의 생성에 대하여 zeldovich기구에 따른 이론과 실험 결과가 비교적 일치되고 있다. 화염면 및 그 주변에서는 zeldovich기구 이외의 경로에 의하여 많은 양의 NO가 급격히 생성되는 것이 발견되었다.

fenimore는 메탄-공기, 에틸렌-공기의 예 혼합 평판 화염에 대하여 실험한 결과, 화염대 주변에서 급속한 NO의 생성을 발견하고, 이때 NO를 "prompt NO"라고 정의하였다 fenimore는 다음 반응식을 제안하였다

N₂ + CH ↔ HCN + N

N₂ + 2C ↔ 2CN

상기 반응식에서 분해된 질소원자는 NO를 생성하게 되고, 반응식의 HCN 또는 CN 도 산소를 포함하는 화합물과 반응하여 NO를 생성하게 된다.

현재까지의 연구 결과, 즉발 질소산화물은 탄화수소계 연료에서만 생성되고, 온도, 연료의 종류, 공기의 당량비 등에 대한 의존성이 비교적 낮고, 연소가스의 체류시간에는 무관한 것으로 알려져 있다. 그러나 질소산화물의 생성과 소멸과정은 아직까지 정확하게 알려져 있지 않다.

저 질소산화물(NOx)을 얻기 위한 방법으로는 운전조건의 변경에 의한 방법, 연소방식을 변경하는 방법, N성분이 적은 연료를 사용하는 방법 등이 있다. 이때 NOx의 발생과 미연가스의 발생은 서로 상반되기 때문에 저 NOx 연소는 연소 효율, CO 및 매연(fumes) 발생의 억제와 함께 이루어져야 한다.

한편 종래 통나무를 연소하여 에너지를 획득하는 기술로는 일본국 특허공개 특개2016-130623의 "통나무 연료용의 연소장치는, 통나무를 최초 점화 연소시(20℃이하) 수분 증발과 함께 기타 성분으로 이루어진 목초액이 생성되며 상기 목초액(죽초액 포함)은 유기산과 알코올류, 중성 성분, 염기성 성분 등 100여 종의 미량 성분이 함유되어 있으며, 주요 성분으로는 초산 등의 유기산과 알코올류, 폴리페놀류 등의 물질이 함유되어 있다.

상기한 목초액이 수분을 포함한 연소가스와 함께 공기 중에 배출되므로 목초액은 산성을 띠고 있기 때문에 금속 표면의 부식을 촉진시키며 가축의 스트레스 증가와 재를 밭에 뿌리게 되는데 목초액이 묻어 있는 재에 의하여 토양이 산성화되는 문제와 특히 목초액에는 실명을 유발하는 메탄올과 중금속, 1급 발암성 물질인 타르, 벤조피렌 등 유해물질이 함유되어 있어서 작업자가 장시간 노출되어 있을 때에는 건강상 문제를 유발시키는 커다란 문제점이 있다.

일본국 특허공개 특개2016-130623호 일본국 특허공개 특개2013-210123호

본 발명의 목적은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 최초 점화 열분해시(200℃이하)시 발생하는 목초액과 유해물질을 연소기에서 연소 및 중화하여 완전 제거하고, 또한 열분해 후 잔존하는 불연분 즉 회분(Ash)을 벤추리 이젝터(venturi ejetor)를 이용한 냉각 공기 콘베어를 통해 집진하여 회분의 수거가 편리하고 깨끗한 환경을 유지할 수 있으며, 질소산화물을 저감시키는 요소수 공급과, 대표적 공해물질인 무기산성 물질, 즉 황산화물(SOx), 염화물(Hcl)과 유기산을 중화시키는 알카리수를 연소기에서 분사하여 목초액과 알콜류, 폴리페놀 등의 유기화합물과 일산화탄소(CO) 미연탄소(C) 등을 연구 개발된 연소기에 의해 850℃ 이상에서 완전 연소시킴으로써, 점화 연소단계에서 공해물질을 근본적으로 제거하고, 또한 열분해기에서 열분해용 공급 공기 중에 수분을 일부분 공급함으로써, 탄소와 수분이 반응하여 수소분자가 발생하여 수소 분자의 연소열로 인한 열을 회수하므로 연소시 발생되는 유해물질 제거 및 에너지효율을 증대시킬 수 있는 에너지회수시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 열분해된 통나무의 불연분 즉 회분(Ash)을 공기를 사용하여 냉각 흡입배출시키기 때문에 회분을 제거하기 위해 주변이 오염되는 것을 방지하고, 회분을 제거하기 위해 작업자가 회분과 접촉하지 않게 되어 회분을 흡입하지 않게 되는 깨끗하고 안전한 에너지회수시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 열분해수단에 제2연소공간부를 더 구비하여 통나무 연소시 발생되는 유해물질 제거 및 완전 연소에 의한 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 통나무를 파쇄목, 나무펠렛 중 어느 하나로 대체하여 사용할 수 있도록 하는 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템을 제공하기 위한 것이다.

이러한 본 발명의 목적은 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템에 있어서, 통나무를 이송 및 공급하는 연료공급수단과; 이송된 통나무를 열분해하는 열분해수단과; 상기 열분해수단에서 열분해된 가스를 연소시키는 연소수단과; 상기 연소수단에서 연소된 가스의 열을 회수 및 교환하는 열교환수단과; 상기 열교환수단에서 배출되는 가스를 여과 및 집진하는 집진수단과; 상기 연소수단에 요소수와 알카리수를 공급하는 연소가스처리수단과; 상기 열분해수단에 공기를 공급하는 제1공기공급수단과; 상기 연소수단에 공기를 공급하는 제2공기공급수단과; 상기 열분해수단과 제1공기공급수단을 연결하는 관로에 연결되어 수분을 공급하는 수분공급수단과; 상기 연소수단과 제2공기공급수단을 연결하는 관로에 집진수단에서 배출되는 연소가스의 일부 재순환시키는 밸브가 설치된 연소가스재순환파이프와 상기 열교환수단과 연결되어 열에너지 또는 전기에너지를 회수하는 에너지회수장치와; 열분해수단 내부에 적층되어 열분해된 통나무의 불연분(Ash)을 배출시키는 회분제거수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질 제거와 에너지 효율증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템에 의하여 달성된다.

상기 열분해수단은 제1호기와 제2호기로 이루어져 하나 작동시 나머지 하나는 작동이 중지되어 있는 것을 특징으로 하는 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템에 의하여 달성된다.

상기 열분해수단은 점화하여 열분해온도까지 상승하였을 때 작동하여 수분을 공급하며 상기 수분공급수단에서 공급되는 수분의 양은 제1공기공급수단에서 공급되는 공기를 100vol%라고 하였을 때 1~30vol%범위로 수분을 공급하는 것을 특징으로 하는 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템에 의하여 달성된다.

상기 연소가스재순환파이프를 통해 공급되는 연소가스는 120~180℃ 온도범위이며, 공급되는 공기를 100vol%라고 하였을 때 공급되는 공기 대비 1~30vol% 재순환되어 공급되는 것을 특징으로 하는 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템에 의하여 달성된다.

상기 연소수단에 공급되는 요소수와 알카리수는 액체 상태로 분무되는 것을 특징으로 하는 통나무 소각시 발생되는 유해물질 제거 및 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템에 의하여 달성된다.

상기 연소수단에 공급되는 요소수와 알카리수가 각각 공급되는 연소가스를 100vol%라고 하였을 때 공급되는 공기 대비 1~5vol% 범위로 공급되는 것을 특징으로 하는 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템에 의하여 달성된다.

상기 연소수단과 열교환수단사이에는 제2연소공간부가 더 구비되어 이루어진 것을 특징으로 하는 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템에 의하여 달성된다.

상기 회분제거수단은 에너지회수시스템의 열분해 중지 후 열분해수단 내부에 적층되어 미 열분해된 통나무성분과 불연분을 총칭하여 회분(Ash)이라 칭하며, 흡입하는 흡입팬과 흡입팬에 의해 흡입 배출하여 포집하는 집진수단과 상기 집진수단과 열분해수단을 연결하는 파이프에 설치된 벤츄리에젯트(venturi ejector)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템에 의하여 달성된다.

이와 같은 본 발명은 열분해기에서 발생되는 회분(Ash)을 집진하여 회분(Ash)의 수거가 편리한 곳에 포집하므로 깨끗한 환경을 유지할 수 있으며, 질소산화물을 저감시키는 요소수 공급, 무기 산성물질 즉 황산화물(SOx),염화물(Hcl) 등과 유기산을 중화시키는 알카리수 공급 및 연소기에 집진기를 통과한 배출가스의 일부를 재순환시켜 회수열량을 극대화시켜 에너지효율 증대시키는 등의 효과가 있는 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질 제거 및 에너지효율 증대를 얻을 수 있는 매우 유용한 발명이다.

도 1은 본 발명인 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템의 구성을 보여주는 예시도.
도 2는 본 발명의 기술 요점인 연소수단과 열교환수단, 집진수단의 설치 구조를 보여주는 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명인 열분해기를 이용한 통나무 열분해 및 연소시 발생하는 유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 에너지회수시스템의 구성을 보여주는 예시도이다. 이에 따른 본 발명은 벌목된 통나무의 잔가지를 정리한 후 일정한 길이로 절단하여 열분해 및 연소시키기 위해 통나무를 이송 및 공급하는 연료공급수단(10)을 이용하여 열분해수단(20)에 통나무를 공급한다.

상기 연료공급수단(10)은 집게 형태로 이루어지며 일정각도 회전하는 기계기구를 사용하며 상기 이송된 통나무는 열분해수단(20)에 의해 열분해 된다. 상기 열분해수단(20)은 2개가 1조를 이루어져 구성되며 바람직하게는 상기 열분해수단(20)은 제1호기와 제2호기로 이루어져 하나 작동시 나머지 하나는 작동이 중지되도록 설치하며, 상기한 열분해수단(20)은 도어를 개방한 후 하우징 내부에 통나무를 적층하되 열분해수단(20) 내부에 적층되는 통나무는 가로방향으로 배열시키고 그 위에 세로방향으로 배열하여 적층하는 구조로 적층하며, 하우징 하부에는 공기를 공급하는 제1공기공급수단(30a)이 연결 설치되어 열분해에 필요한 공기를 내부로 공급하게 된다. 일반적인 나무의 조성은 아래 표 1과 같은 물성으로 이루어져 있으며, 벌목 통나무는 건조 기간에 따라 다르나 대략 40중량% 이상의 경우도 있다.

구분	나무의 물성
Carbon	45~50%
Hydrogen	5~6%
Nitrogen	0.8~1.5%
Oxygen	40~45%
Sulfur	0.01
Chloride	0.01
Moisture	15~20%
Ash	1.5~2.0%

상기와 같은 조성의 나무를 열분해 반응시키면 반응식은 아래와 같이 된다.

C+ O₂ → CO₂ + (+393.5) kJ/mole

C+ CO₂ → 2CO+ (-172.58) kJ/mole

2CO + O₂ → 2CO₂ + (2×283) kJ/2mole

상기 같은 조성의 나무를 열분해 연소반응을 시키면 전체적으로 786.92 kJ/2mole의 열량을 갖게 된다. 그러나 상기에 기술한 본 발명과 같이 통나무 열분해시 열분해에 필요한 공급공기 중 일정한 범위의 수분을 공급하여 열분해 연소반응을 시키면 나무 중의 탄소성분과 수분이 반응하며 반응식은 아래와 같이 된다.

2C +2H₂O → 2CO + 2H₂ + (-2×131.3) kJ/2mole

2CO + O₂ → 2CO₂ + (2×283) kJ/2mole

2H₂ + O₂ → 2H₂O + (2×285.8) kJ/2mole

통나무 열분해시 일정량의 수분을 공급하여 연소시키면 연소열은 875.0 kJ/2mole의 열량을 갖게 된다. 상기와 같이 수분을 공급하여 연소시기면 열분해반응은 875.0 kJ/2mole의 열량을 나타내며, 수분을 분사하지 않은 열분해반응은 786.92 kJ/2mole의 열량을 나타내므로 수분을 분사한 열분해반응이 수분을 분사하지 않은 열분해반응보다 88.08 kJ/2mole(21.04 kcal/2mole)의 차이가 있다. 즉, 탄소 1 mole 기준으로 수분 분사 열분해 반응시 회수되는 열은 44.04 kJ/mole (10.52 kcal/mole) 만큼 높아진다.

따라서 본 발명에 따른의 열에너지 회수율을 살펴보면 탄소성분의 30vol%와 반응할 수 있는 수분을 분사 투입하여 열분해 반응을 일으킬 경우 아래의 식과 같이 통나무의 고위 발열량에 따라 열 회수율이 약 3∼3.7% 정도 높아지는 것을 알 수 있다.

y= [(1,000 kg × 48.5%)/12×30vol%×10.52]/3,500 = 3.7%
여기서, 통나무 중량 : 1,000 kg, 통나무의 평균 탄소성분 비율 : 48.5%, 탄소 분자량 : 12, 수분의 분사량 : 30vol%, 탄소 1 mole 기준의 수분 분사 열분해 반응시 높아지는 회수열 : 10.52 kcal/mole, 나무의 평균 저위 발열량 : 3,500인 경우, 높아지는 열 회수율은 3.7%가 된다.

한편 상기 열분해수단(20)이 일정한 열분해 온도까지 상승하였을 때 작동하여 수분을 분사 공급하며 상기 수분공급수단(40)에서 공급되는 수분의 양은 제1공기공급수단(30a)에서 공급되는 공기를 100vol% 라고 하였을 때 1~30vol% 범위 내로 수분을 공급하면 약 3~3.7%의 열 회수율을 높일 수 있다.

상기 열분해수단(20)에서 열분해된 가스를 연소수단(50)으로 이송시켜 연소시키며, 연소방법은 도 2에 도시된 바와 같이 열분해수단(20)으로부터 배출된 가스를 점화시키는 버너(51)와 버너(51)의 불꽃이 내측으로 유입되는 연소실(52a)을 구비하며 연소실(52a)과 외부를 연결하는 다수의 통기공(53)을 형성한 연소통(52) 외측면으로는 열분해수단(20)의 배출 가스가 공급되는 가스공급관(55)과 연소에 필요한 공기를 공급하는 제2공기공급수단(30b)과 연결되어 연소공급용 공기공급관(56)을 형성한 외통(57)과, 상기 외통(57)과 연소통(52)의 사이에 형성되어 공급되는 공기와 상기 열분해수단(20)의 배기가스와 혼합되는 혼합실(58)을 형성하며, 상기 외통(57)과 버너(51)와 연결되어 버너(51)의 불꽃 화염이 연소되도록 공기를 공급하는 불꽃조절용 공기 공급관(59)을 포함하여 이루어진 구조이다.

상기 불꽃조절용 공기공급관(59)은 점화 완료 후 버너의 화염 길이와 형태를 조절하는 구조이다. 상기 연소실(52a)에는 동심원상에 일정 간격으로 다수 개의 통기공(53)을 형성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 통기공(53)의 개수에 의해 공급되는 가스의 양이 조절되기 때문이다. 가스공급관(55)과 공기공급관(56)은 연소실(52a)의 접선방향으로 형성하는 것이 바람직하다.

연소통(52)을 통과하는 가스 중 포함되어 있는 불완전연소가스와 접촉하여 불완전연소가스를 완전 연소시키는 가열필터수단(54)은 외통(57)과 중심이 나란하게 설치되어 있다.

가열필터수단(54)은 하우징(54-1)의 내측에 일정간격으로 다수개의 핀형 타입의 반응셀(54-2)이 설치되어 이루어진 구조이다. 한편 혼합실(58)에는 상기 혼합실(58)에 유입되는 열분해기에서 열분해된 배출 가스와 혼합되도록 요소수를 공급하는 요소수공급수단(60a)과 알카리수를 공급하는 알카리수공급수단(60b)이 연결 설치되어 있다.

상기와 같은 본 발명의 연소수단(50)은 버너(51)에 불을 붙임과 동시에 불꽃 조절용 공기공급관(59)을 통해 외부의 공기를 공급하면서 불꽃 화염의 길이와 형태 모양 등을 조절한다. 상기 버너(51)의 화염의 조절은 가열필터수단(54)이 가열될 수 있는 정도 바람직하게는 가열필터수단(54)의 전단까지 형성하는 것이 좋다.

상기 버너(51)의 불꽃 조절이 완료되면 열분해수단(20)에서 열분해된 배출가스를 가스공급관(55)을 통해 외통(57)과 연소통(52) 사이에 형성된 혼합실(58)로 공급한다. 이때 열분해수단(20)에서 가스공급관(55)을 통해 유입되는 가스의 유량에 따라 연소공급용 공기공급관(56)을 통해 외부 공기를 혼합실(58)로 공급한다.

상기 혼합실(58)은 가스공급관(55)으로부터 공급되는 배기가스, 연소공급용 공기공급관(56)으로부터 공급되는 공기, 요소수공급수단(60a)과 알카리수공급수단(60b)으로부터 공급되는 알카리수와 요소수가 혼합실(58)에서 와류형태로 혼합되어 혼합기체를 형성하게 된다. 여기서, 알카리수와 요소수는 선택적으로 공급될 수 있다.

상기 혼합기체는 혼합실(58)에서 아래와 같은 반응이 일어난다.

2CO(NH₂)₂ + 4NO + O₂ → 2N₂ +CO₂ + 2H₂O

상기 요소수공급수단(60a)에 요소수를 미도시된 인젝터장치를 사용하여 분무하면 요소수 중의 물과 열분해수단(20)에서 열분해된 배기가스 중에 분진에 미량의 탄소성분이 존재할 경우 혼합실(58)과 연소실(52a)에서는 아래와 같은 반응도 일어난다.

C + H₂O → CO + H₂

2NO + CO + 1/2O₂ → N₂ + 2CO₂

2NO + 2H₂ → N₂ + 2H₂O

상기와 같이 반응이 일어난 혼합기체는 연소실(52a)에 형성된 통기공(53)을 통해 상기 와류형태로 혼합기체가 연소실(52a)로 공급되며 버너(51)의 불꽃 화염에 의해 완전 연소와 함께 탈질반응(DeNOx) 반응이 일어난다.

상기 연소실(52a)에서 가스가 버너(51)의 불꽃 화염에 의해 연소 되지만 이때 완전히 연소가 일어나지 않은 불완전 연소가스는 가열필터수단(54)을 통과하면서 고열로 가열되어 있는 일정간격으로 다수개가 핀형 또는 파이프 타입의 반응셀(59A-2)과 접촉하여 불완전연소가스를 완전 연소시키게 된다.

한편 열분해수단(20)에서 열분해되어 배출된 가스에는 R-COOH(여기서 R은 C, CH₃, Cl, C₂H₅)로 표기되는 유기산과 산성 유해물질인 염화물(HCl)과 황산화물(SOx)인 무기산이 잔존한다. 따라서 혼합실(58)에 공급되는 알카리수 공급장치에서 공급되는 알카리수(NaOH)는 아래와 같이 반응하게 된다.

(유기산) RCOOH + NaOH → RCOONa + H₂O

(무기산) HCl + NaOH → NaCl + H₂O

(무기산) SO₃ + 2NaOH → Na2SO₄ + H2O

이와 같은 본 발명은 열분해수단(20)으로부터 열분해 되어 배출되는 고온의 가스에 공기와 요소수 및 알카리수를 혼합 공급하여 질소산화물, 무기 산성유해물질과 유기산을 반응시켜 인체에 무해한 성분으로 중화 환원시키고 연소실 내부에 설치된 가열필터를 이용하여 연소가스에 포함되어 있는 불완전연소가스가 가열필터수단(54)과 접촉하여 완전 연소되므로서 연소가스에 포함되어 있는 질소산화물 및 불완전연소가스의 배출을 방지하여 대기환경에 개선하도록 하는 효과가 있다.

한편 연소수단(50)에서 완전연소된 가스는 열교환수단(70) 예컨대 보일러, 발전기로 보내어져 열에너지와 전기에너지로 회수된다. 상기 열교환수단(70)으로 연소가스가 배출될 때 연소수단(50)과 열교환수단(70) 사이에 제2연소공간부(70a)를 형성시켜 또 한번 고온에서 와류 회전을 시켜 완전 연소반응을 시킨다.

상기 제2연소공간부(70a)는 열분해수단(20)과 연소수단(50)에 의해 생성되는 질소산화물, 무기 산성유해물질과 유기산들과 요소수 및 알카리수가 반응할 수 있는 공간과 시간을 더 확보하여 주는 효과가 있기 때문이다.

열교환수단(70)을 경유한 배출가스는 집진수단(80)에 의해 여과되어 대기중으로 배출되며, 이때 배기가스는 120∼200℃의 온도를 유지하고 있기 때문에 연소수단(50)에 연결되어 연소에 필요한 공기를 공급하는 제2공기공급수단(30b)에 의해 일부 가스를 재순환시킨다. 연소수단(50)과 제2공기공급수단(30b)을 연결하는 관로에 집진수단(80)을 통과한 배출가스를 일부 재순환시키는 밸브가 설치된 연소가스재순환파이프(81)에 의해 가능하게 된다.

상기 연소가스재순환파이프(81)를 통해 공급되는 연소가스는 120~200℃ 온도범위이며, 공급되는 연소가스를 100vol%라고 하였을 때 공급되는 연소가스 대비 1~30vol%을 재순환 공급한다. 이때 공급되는 연소가스가 1vol% 이하이면 에너지 회수의 목적이 저조하므로 무의미 하며 30vol%이상 공급되면 제2공기공급수단(30b)에 공급되는 공기 중에 산소농도가 떨어져 연소 효율이 저하되는 문제가 있기 때문이다.

상기 연소수단(50)에 배출가스 중 일부를 재 순환시키는 것은 공급되는 공기의 온도를 상승시키는 효과가 있어 열 회수율을 상승시킨다. 또한 열분해수단(20)은 12시간씩 교대 교호 운전을 원칙으로 한다. 그러므로 열분해수단(20) 중 어느 하나를 12시간 가동 후 냉각시키는 동안 사용하지 않는 열분해수단(20)을 작동시킨다.

상기와 같이 열분해 반응을 마치고 높은 온도를 갖는 열분해수단(20)을 냉각시킨 후 열분해수단(20)과 회분포집수단(90)을 작동시킨다. 상기 회분 포집수단(90)은 열분해수단(20)을 가동 중지 후 열분해수단(20) 내부에 적층되어 있는 회분을 흡입하는 흡입팬(91)과 흡입팬(91)에 의해 흡입 배출되는 회분을 포집하는 여과집진장치(92)와 상기 여과집진장치(92)와 열분해수단(20)을 연결하는 흡입파이프(93)에 설치된 벤츄리 이젝트를 포함하며, 벤츄리 이젝트(94)에는 외기의 찬 공기를 흡입하는 외기 흡입관(95)이 설치되어 있다.

회분포집수단(90)의 작동은 흡입팬(91)을 작동시켜 열분해장치의 내부의 공기와 회분을 함께 강제 흡입한다. 열 분해된 통나무 회분은 가볍게 흡입된다. 이때 열분해수단(20) 내부의 회분은 온도가 다소 높기 때문에 외기 흡입관(95)을 통하여 찬 외부공기와 함께 흡입하므로 회분이 냉각된다. 냉각 흡입을 위하여 흡입파이프(93)에 벤츄리 이젝트(94)를 설치하여 배출되도록 한다. 이때 벤츄리 이젝트(94)에 음압이 걸리면서 열분해장치의 내부 공기와 회분을 함께 강제 흡입하게 되므로 내부 회분은 냉각 흡입되어 여과집진장치(92)에서 포집된다.

회분을 외부 찬 공기를 이용하여 냉각 이송 흡입 배출시키기 때문에 회분(Ash)을 제거하기 위해 주변의 오염 방지와 작업자가 회분(Ash)을 제거하기 위해 회분(Ash)과 접촉과 흡입하는 것을 방지하는 등의 효과가 있다.

한편 상기 통나무를 파쇄목, 나무펠렛 중 어느 하나로 대체하여 사용할 수 있으며 이때 상기 파쇄목, 나무펠렛은 열분해 및 연소할 때 표면적이 넓어지므로 에너지효율증대를 극대화 할 수 있다.

10 : 연료공급수단 20 : 열분해수단
30a : 제1공기공급수단 30b : 제2공기공급수단
40 : 수분공급수단 50 : 연소수단
51 : 버너 52 : 연소통
52a : 연소실 53 : 통기공
54 : 가열필터수단 54-1 : 하우징
54-2 : 반응셀 55 : 가스공급관
56 : 공기공급관 57 : 외통
58 : 혼합실 59 : 불꽃조절용 공기공급관
60 : 연소가스처리수단 60a : 요소수공급수단
60b : 알카리수공급수단 70 : 열교환수단
75 : 에너지회수장치 90 : 회분포집수단
91 : 흡입팬 92 : 여과집진장치
93 : 흡입파이프 94 : 벤츄리 이젝트
95 : 외기 흡입관

Claims

유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 통나무 열분해 장치에 있어서,
열분해를 위한 공기를 공급하는 제1공기공급수단과;
상기 제1공기공급수단으로부터 공급되는 열분해용 공기에 수분을 공급하기 위한 수분공급수단과;
상기 제1공기공급수단과 상기 수분공급수단으로부터 공급되는 수분이 함유된 공기를 공급받아 통나무를 열분해할 때, 상기 통나무에 포함된 탄소와 상기 공기에 함유된 수분이 반응하여 수소분자가 발생하는 반응이 함께 이루어져 열분해하는 통나무 열분해수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 통나무 열분해장치.
제 1 항에 있어서,
상기 수분공급수단으로부터 공급되는 수분은 상기 열분해수단이 열분해 온도까지 상승하였을 때 작동하여 공급하는 것을 특징으로 하는 통나무 열분해장치.
제2항에 있어서,
상기 수분공급수단에서 공급되는 수분의 양은 제1공기공급수단에서 공급되는 100vol%의 공기에 대하여 1∼30vol%인 것을 특징으로 하는 통나무 열분해장치.
유해물질제거와 에너지효율증대를 얻을 수 있는 통나무 열분해장치로부터 공급받는 열분해 가스를 연소시키는 열분해 가스 처리장치에 있어서,
상기 통나무 열분해장치로부터 가스를 공급하는 가스공급관과;
상기 가스공급관으로부터 공급되는 열분해 가스를 연소시키기 위한 공기를 공급하는 제2공기공급수단과;
상기 열분해 가스와 연소용 공기에 요소수와 알카리수를 분사하여 공급하기 위한 요소수 공급수단 및 알카리수 공급수단과;
상기 가스공급관으로부터 공급되는 열분해 가스와, 상기 제2공기공급수단으로부터 공급되는 공기와, 상기 요소수 공급수단 및 알카리수 공급수단으로부터 공급되는 요소수 및 알카리수가 함유된 혼합기체 또는 알카리수 공급수단으로부터 공급되는 알카리수가 함유된 혼합기체를 분사하여 연소시키는 연소수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열분해 가스 처리장치.
제4항에 있어서,
상기 분사되는 요소수 및 알카리수는 상기 통나무 열분해장치로부터 공급되는 100vol%의 가스에 대하여 1∼5vol%인 것을 특징으로 하는 열분해 가스 처리장치.
제4항에 있어서,
상기 열분해 가스 처리장치는 상기 연소수단으로부터 연소된 가스를 완전 연소시키기 위한 제2연소공간부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 열분해 가스 처리장치.
제4항에 있어서,
상기 분사되는 혼합기체를 점화하는 버너를 더 구비한 것을 특징으로 하는 열분해 가스 처리장치.
제7항에 있어서,
상기 버너에서 발생되는 불꽃에 공기를 공급하기 위한 불꽃조절용 공기공급관을 더 구비한 것을 특징으로 하는 열분해 가스 처리장치.
제8항에 있어서,
상기 불꽃조절용 공기공급관에서 공급되는 공기는 상기 혼합기체가 점화되어 연소되도록 상기 버너에서 발생되는 불꽃을 조절하는 것을 특징으로 하는 열분해 가스 처리장치.
제6항에 의한 열분해 가스 처리장치에 있어서, 상기 제2연소공간부에 열교환수단을 더 구비하여 상기 열교환 수단으로부터 에너지를 회수하는 것을 특징으로 하는 에너지 회수 시스템.