KR102063708B1 - 타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템 - Google Patents

타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템에 관한 것으로, 바이오매스 및 연소가스가 유입되며, 바이오매스의 열분해에 의해 바이오촤 및 열분해 가스가 생성되는 열분해 장치; 상기 열분해 장치에서 생성되는 바이오촤가 유입되어 냉각되는 바이오촤 냉각기; 상기 바이오촤 냉각기에서 냉각된 바이오촤 및 상기 열분해 장치에서 생성된 상기 열분해 가스가 유입되어, 상기 바이오촤에 상기 열분해 가스에 포함된 타르가 흡착되는 타르 회수 장치; 및 상기 타르가 흡착된 바이오촤를 펠릿 형태로 성형하는 펠릿화부;를 포함하는 타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템을 제공한다.
이에 의하면, 바이오매스 열분해시 발생하는 바이오촤에 열분해 가스에 포함된 타르를 회수하여 흡착시킴으로써, 바이오촤의 에너지 밀도를 높일 수 있고, 또한, 타르를 회수하지 않고 바로 배출시키는 경우에 배출 배관 등에서 발생하는 문제를 해결할 수 있고, 열분해 가스에 포함된 비응축 가스 및 수분을 다시 재사용함으로써, 시스템 전체의 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.

Description

타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템{system for biochar pellet production through recovering tar}
본 발명은, 펠릿 연료 생산 시스템으로서, 상세하게는 바이오매스 열분해시 발생하는 타르의 회수를 통하여 바이오촤 펠릿 연료를 생산하는 시스템에 관한 것이다.
석탄, 석유 등과 같은 화석연료의 과도한 사용으로 인해 에너지 자원이 고갈된다는 문제점과 더불어 지구 온난화와 같은 환경문제를 유발할 수 있다.
이를 해결하기 위해 다양한 방법이 연구되고 있는데, 이 중 하나는 바이오에너지와 같은 신 재생에너지 사용 비중을 높이는 것이다.
나무와 같은 목본계 물질이나 건초와 같은 초본계 물질 등의 바이오에너지원, 즉 바이오매스(biomass)는, 이를 저속 열분해 하면 고상인 바이오촤(bio-char)와 열분해 가스가 발생하게 된다.
바이오촤는 고체연료로서 사용될 수 있으나, 열분해 가스의 경우, 이를 바로 배출하게 되는 경우가 많은데, 열분해 가스에는 메탄 등의 비응축성 가스와 타르가 포함된다.
열분해 가스에 포함된 타르는 C, H, O 등의 포함된 다양한 분자량을 갖는 물질의 화합물로서, 이를 포함하는 열분해 가스를 바로 배출하면 배출 배관의 부식, 막힘 등의 문제를 발생시킨다.
특허문헌 1에는 바이오매스 열분해가 이루어지는 과정에서 발생하는 타르를 포함하는 가스에 가스화제를 주입하여 연소시켜 제거하는 것에 대하여 개시되며, 특허문헌 2에는 발생하는 타르를 세척수단을 이용하여 스크러빙하여 제거하는 것에 대하여 개시되어 있다.
그러나, 이는 발생하는 타르를 효과적으로 제거할 수는 있으나, 타르는 고발열량을 가지기에 연소용 에너지원으로 사용이 가능하므로, 이를 단순히 제거하여 버리는 것은 효율적이지 못하다.
특허문헌 1: KR 1,546,348 B1 특허문헌 2: KR 1,530,662 B1
이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 바이오매스 열분해시 발생하는 타르를 재이용하여, 열분해를 통해 생산되는 펠릿연료의 에너지밀도를 높일 수 있는 바이오매스를 이용한 펠릿 생산 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 바이오매스 및 연소가스가 유입되며, 바이오매스의 열분해에 의해 바이오촤 및 열분해 가스가 생성되는 열분해 장치; 상기 열분해 장치에서 생성되는 바이오촤가 유입되어 냉각되는 바이오촤 냉각기; 상기 바이오촤 냉각기에서 냉각된 바이오촤 및 상기 열분해 장치에서 생성된 상기 열분해 가스가 유입되어, 상기 바이오촤에 상기 열분해 가스에 포함된 타르가 흡착되는 타르 회수 장치; 및 상기 타르가 흡착된 바이오촤를 펠릿 형태로 성형하는 펠릿화부;를 포함하는 타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템을 제공한다.
상기 펠릿화부는, 상기 타르가 흡착된 바이오촤를 냉각하는 펠릿화부 냉각기; 상기 펠릿화부 냉각기에서 냉각된 타르가 흡착된 바이오촤를 분쇄하는 미분기; 및; 상기 미분기에서 분쇄된 타르가 흡착된 바이오촤를 펠릿 형태로 성형하는 성형부;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 열분해 장치로 상기 연소가스를 공급하는 연소장치를 더 포함하며, 상기 펠릿화부에서 가공된 상기 바이오촤가 상기 연소장치로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 타르 회수 장치에서 타르가 흡착된 후 배출되는 가스를 응축하는 응축기를 더 포함하며, 상기 타르 회수 장치에서 배출되어 상기 응축기에서 수분이 회수된 가스는 상기 연소장치로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 응축기에서 회수된 수분은 상기 바이오촤 냉각기로 공급되는 것이 바람직하다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템에 의하면, 바이오매스 열분해시 발생하는 바이오촤에 열분해 가스에 포함된 타르를 회수하여 흡착시킴으로써, 바이오촤의 에너지 밀도를 높일 수 있고, 또한, 타르를 회수하지 않고 바로 배출시키는 경우에 배출 배관 등에서 발생하는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 열분해 가스에 포함된 비응축 가스 및 수분을 다시 재사용함으로써, 시스템 전체의 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템의 작동을 개략적으로 나타낸다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오촤 펠릿 생산 시스템의 구성을 상세히 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오촤 펠릿 생산 시스템은, 열분해 장치(100), 바이오촤 냉각기(300) 타르 회수 장치(200) 및 펠릿화부(700)를 포함한다.
열분해 장치(100)는, 내부에 열분해 공간이 마련되며, 바이오매스 및 연소가스가 공급된다.
열분해 장치(100)로 공급되는 바이오매스가 연소가스의 열에 의해 열분해된다.
열분해 장치(100)의 일측에는, 열분해 장치(100)로 공급될 바이오매스가 저장되는 바이오매스 저장부(400)가 위치하여, 바이오매스 저장부(400)와 열분해 장치(100) 사이에 위치한 스크류 피더를 통하여 바이오매스 저장부(400)에 저장된 바이오매스가 열분해 장치(100)로 공급된다.
열분해 장치(100) 내부에는 공급된 상기 바이오매스를 열분해 장치(100) 내부에서 이동시키는 스크류 장치가 구비되어, 공급된 바이오매스가 연소가스와 효율적으로 접촉하여 열분해가 이루어질 수 있도록 한다.
열분해 장치(100)의 타측에는 연소장치(500)가 위치하며, 연소장치(500)에 투입되는 연료 및 산화제의 연소에 의해 발생하는 고온의 연소가스가 열분해 장치(100)로 공급되게 된다.
냉각기는 열분해 장치(100)와 연결되며, 열분해 장치(100)에서 바이오매스의 열분해에 의해 발생하는 바이오촤가 냉각기로 유입되어 냉각된다.
냉각기의 구성은 한정되지 않으나, 냉각기 일측으로 공급되는 냉매와 바이오촤와의 열교환을 통하여 바이오촤의 냉각이 이루어지도록 구성될 수 있다.
타르 회수 장치(200)는 열분해 장치(100)와 연결되며, 열분해 장치(100)에서 바이오매스의 열분해에 의해 발생하는 열분해 가스가 타르 회수 장치(200)의 일측으로 유입되고, 타측으로는 상기 열분해 장치(100)로부터 냉각기로 공급되어 냉각된 바이오촤가 유입된다.
타르 회수 장치(200)에서, 열분해 가스에 포함된 타르가 바이오촤에 흡착되게 된다.
타르 회수 장치(200) 내부에도, 공급된 바이오촤를 타르 회수 장치(200) 내부에서 이동시키는 스크류 장치가 구비되어, 공급된 바이오촤가 열분해 가스와 효율적으로 접촉하여 열분해 가스에 포함된 타르가 효율적으로 바이오매스에 흡착될 수 있도록 한다.
타르가 흡착되어 제거된 열분해 가스는 타르 회수 장치(200)로부터 배출되어, 타르 회수 장치(200) 후단에 연결된 응축기(600)로 유입되어, 별도로 응축기(600)로 유입되는 냉매와의 열교환에 의한 응축을 통하여 수분이 제거될 수 있으며 상세히는 후술한다.
펠릿화부(700)는 타르 회수 장치(200) 후단에 연결되며, 타르 회수 장치(200)에서 타르가 흡착된 바이오촤가 펠릿화부(700)로 유입되어 펠릿형태의 연료로 가공된다.
구체적으로, 펠릿화부(700)는 타르 회수 장치(200) 후단에 순차로 연결되는 펠릿화부 냉각기(710), 미분기(720) 및 성형부(730)를 구비하며, 상기 구성에 의한 바이오촤의 펠릿화에 대한 상세는 후술한다.
이하, 도 2를 더 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오촤 펠릿 생산 시스템의 작동을 상세히 설명한다.
먼저, 바이오매스 저장부(400)로부터 스크류 피더에 의해 열분해 장치(100) 상부로 바이오매스가 공급되고, 연소장치(500)에서 산화제와 연료와의 연소에 의해 발생하는 연소가스도 열분해 장치(100)로 하부로 공급된다.
열분해 장치(100)로 공급된 바이오매스는, 열분해 장치(100) 내부의 스크류 장치(110)에 의해 열분해 장치(100) 하부로 이동하고, 열분해 장치(100)로 공급된 연소가스는 열분해 장치(100) 상부로 이동하면서, 연소가스에 의해 바이오매스의 열분해가 진행된다.
열분해 장치(100) 내에서의 열분해에 의해 바이오매스로부터 생성된 고온의 바이오촤는 바이오매스에 비하여 탄소 함량이 증가하고, 기공이 생성되게 된다.
열분해 장치(100)에서의 열분해에 의해 생성된 고온의 바이오촤는 바이오촤 냉각기(300) 일측으로 유입되며, 냉각기의 타측으로 유입된 냉매와의 열교환을 통하여 냉각된다.
바이오촤 냉각기(300)에서 냉각된 바이오촤는 타르 회수 장치(200)의 하부로 유입된다.
한편, 상기 열분해 장치(100)에서의 바이오매스 열분해로 인해 발생하는 고온의 열분해 가스도 타르 회수 장치(200) 상부로 유입된다.
타르 회수 장치(200)에서는 상기 냉각되어 유입된 바이오촤가 스크류 장치(210)에 의해 타르 회수 장치(200) 상부로 이동하고, 유입된 열분해 가스는 타르 회수 장치(200) 하부로 이동하게 된다.
이로써, 타르 회수 장치(200)에서는, 유입된 고온의 열분해 가스와 냉각된 저온의 바이오촤가 접촉하면서, 열분해 가스의 온도가 타르 응축 온도인 350℃이하로 떨어지면서 응축되는 타르가 바이오촤에 흡착되게 되어, 바이오촤의 에너지밀도를 증가하여 연료로서의 효율이 향상된다.
바이오촤에 흡착됨으로써 타르가 제거된 열분해 가스는, 타르 회수 장치(200)로부터 배출되어 응축기(600)로 유입되며, 응축기(600)로 유입되는 냉매와의 열교환을 통하여 열분해 가스에 포함된 수증기 형태의 수분이 응축되어 배출된다.
여기서, 열분해 가스로부터 응축되어 배출되는 수분은 상기 바이오촤 냉각기(300)의 냉매로 공급되어 사용될 수 있고, 이로써, 바이오촤 냉각기(300)에는 별도의 냉매를 따로 공급하지 않아도 되므로, 보다 효율적이다.
상기와 같이, 수분이 제거된 열분해 가스에는 메탄 등의 비응축성 가스가 포함되어 있는데, 이를 팬(550) 등을 통하여 연소장치(500)로 다시 공급하여 보조적인 연료로 사용되도록 함으로써, 연소장치(500)에서의 연료 사용량을 저감할 수 있다.
한편, 타르 회수 장치(200)에서 타르가 흡착된 바이오촤는 펠릿화부(700)로 유입된다.
타르 회수 장치(200)에서 타르가 흡착된 바이오촤는 고온의 열분해 가스와 접촉으로 인하여 타르가 흡착된 것으로서, 먼저 펠릿화부 냉각기(710)로 유입되어 냉각이 이루어진다.
펠릿화부 냉각기(710)에서 냉각된 바이오촤는 미분기(720)로 유입되며, 미분기(720)는 바이오매스의 분쇄가 가능한 분쇄장치 등으로 구성되어, 바이오촤의 성형이 용이하도록 분말형태로 분쇄한다.
미분기(720)에서 분쇄된 바이오촤는 성형부(730)로 유입되어, 압축 및 건조 등을 통하여 펠릿 형태의 연료로 성형된다, 응축되어 바이오촤에 흡착된 타르는 점성이 있기 때문에, 바이오촤 성형시 바인더 역할을 하여 성형이 용이하고, 성형후 펠릿의 경도가 높다는 장점이 있다.
성형된 펠릿은 성형부(730) 후단에 연결된 펠릿 저장부(740)에 저장된다. 여기서, 성형된 펠릿의 일부를 상기 연소장치(500)로 공급하여 연소 연료로 사용할 수 있다.
연소장치(500)의 초기 동작시에는 별도의 연료를 공급하여 연소를 행하고, 이후, 펠릿이 생산됨에 따라, 이를 다시 연소장치(500)에 투입하여 연료로 사용함으로써, 별도의 연료 없이 효율적으로 바이오매스의 열분해 및 펠릿화가 가능하게 된다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템에 의하면, 바이오매스 열분해시 발생하는 바이오촤에 열분해 가스에 포함된 타르를 회수하여 흡착시킴으로써, 바이오촤의 에너지 밀도를 높일 수 있고, 또한, 타르를 회수하지 않고 바로 배출시키는 경우에 배출 배관 등에서 발생하는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 열분해 가스에 포함된 비응축 가스 및 수분을 다시 재사용함으로써, 시스템 전체의 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: 열분해 장치
200: 타르 회수 장치
300: 바이오촤 냉각기
400: 바이오매스 저장부
500: 연소장치
600: 응축기
700: 펠릿화부

Claims (5)

  1. 바이오매스 및 연소가스가 유입되며, 바이오매스의 열분해에 의해 바이오촤 및 열분해 가스가 생성되는 열분해 장치(100);
    상기 열분해 장치(100)에서 생성되는 바이오촤가 유입되어 냉각되는 바이오촤 냉각기(300);
    상기 바이오촤 냉각기(300)에서 냉각된 바이오촤 및 상기 열분해 장치(100)에서 생성된 상기 열분해 가스가 유입되어, 상기 열분해 가스에 포함된 타르가 상기 바이오촤에 흡착되는 타르 회수 장치(200);
    상기 타르가 흡착된 바이오촤를 펠릿 형태로 성형하는 펠릿화부(700); 및
    상기 타르 회수 장치(200)에서 타르가 흡착된 후 배출되는 가스를 응축하는 응축기(600);를 포함하며,
    상기 응축기(600)에서 회수된 수분은 상기 바이오촤 냉각기(300)로 공급되는,
    타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 펠릿화부(700)는,
    상기 타르가 흡착된 바이오촤를 냉각하는 펠릿화부 냉각기(710);
    상기 펠릿화부 냉각기(710)에서 냉각된 타르가 흡착된 바이오촤를 분쇄하는 미분기(720); 및
    상기 미분기(720)에서 분쇄된 타르가 흡착된 바이오촤를 펠릿 형태로 성형하는 성형부(730);를 포함하는,
    타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열분해 장치(100)로 상기 연소가스를 공급하는 연소장치(500)를 더 포함하며,
    상기 펠릿화부(700)에서 가공된 상기 바이오촤가 상기 연소장치(500)로 공급되는,
    타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 타르 회수 장치(200)에서 배출되어 상기 응축기(600)에서 수분이 회수된 가스는 상기 연소장치(500)로 공급되는,
    타르 회수를 통한 바이오촤 펠릿 생산 시스템.
  5. 삭제
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