KR102177810B1 - 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열분해 시스템 내 열매체 및 생성되는 가스를 순환시켜 가연성 물질을 열분해 하는 시스템에 관한 것으로, 내부에 열매체가 수용되고, 가연성 물질이 투입되어 반응이 이루어지는 제1반응기; 내부에 열매체가 수용되고, 상기 제1반응기보다 높은 온도로 유지되는 제2반응기; 상기 제1반응기에서 배출되는 제1가스를 응축시켜 응축물과 비응축 가스로 분리하는 응축장치; 및 상기 제2반응기에서 배출되는 제2가스가 투입되는 가스공급 제어장치;를 포함하며, 상기 제1반응기 및 상기 제2반응기는 내부에 수용된 상기 열매체가 서로 순환 가능하도록 구성되고, 상기 제2반응기에 수용된 열매체가 상기 제1반응기로 투입됨으로써 상기 제1반응기로 투입되는 가연성 물질의 열분해에 의해 상기 제1가스가 생산되어 배출되고, 상기 제1반응기의 열분해 잔유물과 열매체가 상기 제2반응기로 투입되며, 상기 응축장치에서 분리된 비응축 가스 및 산화제가 상기 제2반응기로 투입되어 상기 제1반응기로부터 제2반응기로 열분해 잔유물과의 발열반응에 의해 상기 제2가스가 생산되고 상기 제2반응기 내의 열매체가 가열되며, 상기 가스공급 제어장치로 투입된 상기 제2가스는 상기 제1반응기로 투입되는 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 열분해 시스템으로서, 상세하게는 시스템 내 열매체 및 생성되는 가스를 순환시켜 가연성 물질을 열분해 하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 폐수/하수슬러지, 축분슬러지, 음식물슬러지, 산업배출 유기성 슬러지 등의 해양 투기가 현재 금지되고 있어 이에 대한 처리문제는 중요하다.
그러나, 폐비닐, 플라스틱, 폐목재, 바이오매스, 저급고체 연료, 저급액체연료, 오일샌드, 오일셰일 등의 가연성 물질로 부터 에너지를 회수하는 공정에서 에너지 회수 효율이 매우 낮은 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 하기 특허문헌 1 내지 4에는 열분해 시스템에서의 에너지 회수가 가능한 기술들이 개시되어 있다.
예를 들어 고수분 슬러지로부터 에너지 회수를 위해 소각로 배가스를 이용한 열풍건조, 바이오건조, 로터리킬른 스팀건조, 유중건조, 가압건조 등의 기술이 개시되며, 또한, 폐비닐, 플라스틱, 폐기물로부터의 에너지를 회수하기 위한 STR(Stirred Tank Reacter), 로터리킬른, 스크류, 스토커, 유동층 기술이 개시된다.
그러나 이러한 종래의 기술들은 에너지 회수 구조가 복잡하여 비용이 많이 소요되고 분야가 광범위하다.
따라서, 열분해 오일 생산 시스템에서의 보다 구체적인 적용이 가능한 기술이 필요한 실정이다.
이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 열분해를 통하여 오일을 생산함과 동시에 효율이 높은 열분해 시스템을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 내부에 열매체가 수용되고, 가연성 물질이 투입되어 반응이 이루어지는 제1반응기; 내부에 열매체가 수용되고, 상기 제1반응기보다 높은 온도로 유지되는 제2반응기; 상기 제1반응기에서 배출되는 제1가스를 응축시켜 응축물과 비응축 가스로 분리하는 응축장치; 및 상기 제2반응기에서 배출되는 제2가스가 투입되는 가스공급 제어장치;를 포함하며, 상기 제1반응기 및 상기 제2반응기는 내부에 수용된 상기 열매체가 서로 순환 가능하도록 구성되고, 상기 제2반응기에 수용된 열매체가 상기 제1반응기로 투입됨으로써 상기 제1반응기로 투입되는 가연성 물질의 열분해에 의해 상기 제1가스가 생산되어 배출되고, 상기 제1반응기의 열분해 잔유물과 열매체가 상기 제2반응기로 투입되며, 상기 응축장치에서 분리된 비응축 가스 및 산화제가 상기 제2반응기로 투입되어 상기 제1반응기로부터 제2반응기로 열분해 잔유물과의 발열반응에 의해 상기 제2가스가 생산되고 상기 제2반응기 내의 열매체가 가열되며, 상기 가스공급 제어장치로 투입된 상기 제2가스는 상기 제1반응기로 투입되는 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템을 제공한다.
상기 제1반응기 및 상기 제2반응기는 일측이 서로 연통되며, 상기 제1반응기 및 상기 제2반응기 내부에서 상기 열매체를 순환시키는 내부순환장치를 더 포함하며, 상기 내부순환장치는 상기 연통부를 통하여 상기 열매체가 순환되도록 하는 스크류 피더를 구비할 수 있다.
상기 제2반응기와 상기 가스 공급 제어장치 사이에 위치하는 외부순환장치를 더 포함하며, 상기 외부순환장치는 상기 제1반응기에서 배출된 제2가스로부터 열매체를 분리하여 상기 제1반응기로 투입하고, 열매체가 분리된 제2가스를 상기 가스공급 제어장치를 통하여 상기 제1반응기로 공급되도록 할 수 있다.
상기 제1반응기와 상기 응축장치 사이에 위치하며, 상기 제1반응기에서 배출되는 제1가스에 포함된 불순물을 제거하는 정제장치를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 공급 제어장치 후단에 위치하는 열교환기를 더 포함하며,
상기 가스 공급 제어장치는, 투입된 상기 제2가스 중 일부는 상기 열교환기로 투입되도록 하고 나머지 일부는 상기 제1반응기로 투입되도록 할 수 있다.
열교환기 후단에 위치하는 송풍장치를 더 포함하며, 상기 송풍장치는 상기 열교환기에서 배출되는 가스를 상기 제1반응기로 공급할 수 있다.
본 발명에 의하면 열분해 시스템 내에서 가열된 열매체 및 고온가스를 순환시켜 가연성 물질의 열화학적 전환을 통해 가연성 물질을 열분해하면서 에너지를 회수하여 재이용함으로써 효율적이고 경제적인 열분해 시스템의 운전이 가능하다.
도 1은, 본 발명의 제1실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템의 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 제1실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템의 내부순환장치의 개략도로서 도 1의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템의 외부순환장치의 개략사시도이다.
도 2는, 본 발명의 제1실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템의 내부순환장치의 개략도로서 도 1의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템의 외부순환장치의 개략사시도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 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 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템을 설명하면 다음과 같다.
제1실시예
첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템의 개략도이다. 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템의 내부순환장치의 개략도로서 도 1의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템은, 제1반응기(100), 제2반응기(200), 응축장치(400) 및 가스 공급 제어장치(500)를 포함한다.
제1반응기(100)는 내부에 열매체가 수용되는 공간이 마련되며, 일측으로 가연성 물질이 투입된다.
제2반응기(200)는 내부에 열매체가 수용되고, 상기 제1반응기(100)보다 높은 온도로 유지된다.
본 명세서에서 상기 "열매체"는 공지된 유동층 열분해 공정을 가능하게 하는 매체로서, 예를 들면, 모래, 가연성물질/무기물 혼합 분말, 무기물 분말, 촉매 분말, 금속분말, 등을 포함하는 0.01 - 100mm 크기의 다공성 또는 비다공성, 정형 또는 비정형 물질일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 "가연성 물질"은 반응기 내의 온도 상승에 따른 건조, 증발, 열분해, 가스화, 부분산화 및 연소되면서 가스 생성이 가능한 물질을 말하며, 이는 일반적인 고체연료가 사용될 수고 있고, 또는 고수분슬러지, 유기성슬러지, 축분슬러지, 음식물슬러지, 산업배출 유기성슬러지, 비닐, 플라스틱, 바이오매스, 폐목재, 폐기물, 저급고체연료, 저급오일, 오일샌드, 오일셰일 등을 단독 또는 다양한 방식으로 혼합한 물질을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1반응기(100) 및 제2반응기(200)의 하측에는 상기 각 반응기로 산화제 및 기체가 유입되어 공급되도록 하는 윈드박스(250)가 위치할 수 있다.
상기 제1반응기(100) 및 제2반응기(200)는 그 내부에 수용된 열매체가 수용되도록 구성된다. 이하 상세히 설명한다.
제1반응기(100) 및 제2반응기(200)는 각 반응기를 구획하는 격벽 하부가 개방되어 서로 연통되도록 구성되고, 그 일측에 내부순환장치가 설치된다.
내부순환장치는 제1반응기(100) 일측에 설치되는 모터 등의 구동부(212)와 구동부(212)로부터 인가되는 전달되는 동력에 의해 회전하면서 반응기 내부의 열매체를 이송시켜, 이송되는 열매체가 상기 격벽의 개방된 부분을 통하여 순환하도록 하는 스크류 피더(211)를 구비한다.
응축장치(400)는 상기 제1반응기(100) 후단에 연결되어, 제1반응기(100)로 투입된 가연성 물질의 열분해에 의해 생성된 제1가스가 유입되며, 유입된 제1가스가 응축됨으로써 응축물과 비응축 가스로 분리된다.
가스 공급 제어장치(500)는 상기 제2반응기(200) 후단에 연결되어, 상기 제2반응기(200)에서의 반응에 의해 생성되어 배출되는 제2가스가 유입된다.
설명한 바와 같이, 제2반응기(200)는 제1반응기(100)보다 높은 온도로 운전되어 유지되므로 제2반응기(200)에서 생성되는 제2가스는 제1가스보다 높은 온도를 갖는다, 즉, 제1가스는 저온가스이고 제2가스는 고온가스이다.
이와 같이, 제1가스로부터 분리된 비응축 가스 및 제2가스는 재순환을 하게 되는데, 이에 대하여는 후술한다.
가스 공급 제어장치(500)는 제2반응기(200) 후단에 위치하며, 제2반응기(200)로부터 생성되어 배출되는 제2가스가 유입된다.
가스 공급 제어장치(500)로 유입된 제2가스의 일부 또는 전부는 제1반응기(100)로 다시 공급될 수 있다.
열교환장치(600)는 가스 공급 제어장치(500) 후단에 위치하며, 가스 공급 제어장치(500)로 유입된 제2가스의 일부가 열교환장치(600)로 공급되며, 공급된 제2가스로부터 열에너지를 회수하며, 이와 같이 회수된 열에너지를 통하여 발전 등을 행할 수 있다.
열교환장치(600) 후단에는 후처리부(700)가 위치하여 열교환이 끝난 제2가스에 포함된 오염물질 등을 처리하여 외부로 배출한다.
또한, 열교환장치(600)와 후처리부(700) 사이에 송풍장치(650)를 설치하여 열교환장치(600)에서 배출되는 제2가스를 제1반응기(100)로 추가로 공급할 수 있다.
한편, 응축장치(400)와 제1반응기(100) 사이에는 정제장치(300)가 설치되어, 제1반응기(100)에서 배출되는 제1가스에 포함된 왁스 성분 등의 불순물을 제거하여 응축장치(400)로 유입되도록 한다.
이하, 도 1 및 도 2를 다시 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템의 운전과정을 상세히 설명한다.
먼저, 제2반응기(200)를 버너 등의 열 공급장치로 예열하여 제2반응기(200) 내를 고온으로 유지하여, 제2반응기(200) 내에서 발생하는 고온의 공기가 가스 공급 제어장치(500)를 거쳐 제1반응기(100)로 공급되어 열매체르 가열한다..
제1반응기(100) 내부로 상기한 가연성 물질이 투입되며, 투입된 가연성 물질은 가열된 열매체의 열에 의해 열분해가 이루어진다.
가연성 물질의 열분해에 의해 제1가스가 생성되며, 가연성 물질 중 열분해가 이루어지지 않은 열분해 잔유물 및 제1반응기(100) 내의 열매체가 내부순환장치의 스크류 피더(211)에 의해, 제1반응기(100)와 제2반응기(200) 사이의 격벽 개방부를 통하여 제2반응기(200)로 이송된다. 이 때, 제2반응기(200) 내의 열매체도 맞은편 쪽의 개방부를 통하여 제1반응기(100)로 이송되면서 제1반응기(100) 및 제2반응기(200)의 열매체의 순환이 이루어진다.
제1반응기(100)에서 열분해에 의해 생성되는 제1가스는 정제장치(300)로 유입되어, 제1가스에 포함된 왁스 등의 불순물이 제거된다.
정제장치(300)를 통하여 불순물이 제거된 제1가스는 응축장치(400)로 유입되어 응축에 의해 응축물 및 비응축 가스로 분리된다. 응축된 응축물은 열분해 오일로써 액체 연료 등으로 유용하게 사용될 수 있다.
제1가스에서 응축물이 제거된 비응축 가스는 윈드박스(250)를 거쳐 제2반응기(200)로 다시 공급된다.
또한, 제2반응기(200)로는 공기 또는 산소와 같은 산화제가 공급되며, 제2반응기(200)에서는 비응축 가스, 산화제 및 열분해 잔유물의 산화, 가스화, 연소 등의 발열반응을 통해 고온의 제2가스가 생성됨과 함께 제2반응기(200)내의 열매체도 가열된다.
제2반응기(200)에서 생성된 제2가스는 가스 공급 제어장치(500)로 유입되어, 가스 공급 제어장치(500)에 의해 제2가스의 일부는 제1반응기(100)로 공급되고 나머지 일부는 열교환장치(600)로 유입된다.
제1반응기(100)로 공급되는 고온의 제2가스에 의해 제1반응기(100)에 수용된 열매체의 가열이 이루어지며, 투입되는 가연성 물질의 열분해가 지속적으로 이루어지게 된다.
한편, 열교환장치(600)로 유입된 나머지 제2가스는 열교환을 통하여 열에너지가 회수되며, 후처리부(700)를 거쳐 오염물질 등이 제거된 후 외부로 배출된다.
이때, 열교환장치(600)에서 배출되는 제2가스의 일부를 송풍장치(650)를 통하여 제1반응기(100)로 추가로 공급할 수 있다.
제2실시예
다음, 첨부된 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템을 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템의 개략도이다. 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템의 외부순환장치(220)의 개략도이다.
이하의 설명에서는 상기 제1실시예와의 차이점을 중심으로 설명하며, 상기 제1실시예와 동일한 구성에 대하여는 동일한 도면부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
본 실시예에서는 열매체를 순환하기 위한 순환장치가 외부순환장치(220)로서 반응기 외부에 구비된다.
외부순환장치(220)는 하부가 좁은 원통 형태인 중공의 하우징(225), 상기 하우징(225)의 측면에서 하우징(225) 중심에서 편심되게 위치하는 유입구(221), 및 하우징(225) 상부의 상부 배출구(222) 및 하부의 하부 배출구(223)를 포함한다.
본 실시예에서는 외부순환장치(220)를 통하여 열매체 및 가스의 순환이 이루어진다.
제2반응기(200)에서 생성된 고온의 제2가스는 외부순환장치(220)의 유입구(221)로 유입되어 하우징(225) 내에서 싸이클론 유동을 하게 된다.
제2가스의 싸이클론 유동에 의해 제2가스에 포함된 열매체가 제2가스로부터 분리되어 하부 배출구(223)를 통하여 제1반응기(100)로 공급된다.
한편, 열매체가 분리된 제2가스는 상부 배출구(222)를 통하여 가스 공급 제어장치(500)로 유입되어, 가스 공급 제어장치(500)에 의해 제2가스의 일부는 제1반응기(100)로 공급되고 나머지 일부는 열교환장치(600)로 유입된다.
본 발명에 의하면 열분해 시스템 내에서 가열된 열매체 및 고온가스를 순환시켜 가연성 물질의 열화학적 전환을 통해 가연성 물질을 열분해하면서 에너지를 회수하여 재이용함으로써 효율적이고 경제적인 열분해 시스템의 운전이 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 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: 제1반응기
200: 제2반응기
300: 정제장치
400: 응축장치
500: 가스 공급 제어장치
600: 열교환장치
700: 후처리부
200: 제2반응기
300: 정제장치
400: 응축장치
500: 가스 공급 제어장치
600: 열교환장치
700: 후처리부
Claims (6)
- 내부에 열매체가 수용되고, 가연성 물질이 투입되어 반응이 이루어지는 제1반응기(100);
내부에 열매체가 수용되고, 상기 제1반응기(100)보다 높은 온도로 유지되는 제2반응기(200);
상기 제1반응기(100)에서 배출되는 제1가스를 응축시켜 응축물과 비응축 가스로 분리하는 응축장치(400); 및
상기 제2반응기(200)에서 배출되는 제2가스가 투입되는 가스공급 제어장치;를 포함하며,
상기 제1반응기(100) 및 상기 제2반응기(200)는 내부에 수용된 상기 열매체가 서로 순환 가능하도록 구성되고,
상기 제2반응기(200)에 수용된 열매체가 상기 제1반응기(100)로 투입됨으로써 상기 제1반응기(100)로 투입되는 가연성 물질의 열분해에 의해 상기 제1가스가 생산되어 배출되고, 상기 제1반응기(100)의 열분해 잔유물과 열매체가 상기 제2반응기(200)로 투입되며,
상기 응축장치(400)에서 분리된 비응축 가스 및 산화제가 상기 제2반응기(200)로 투입되어, 상기 제1반응기(100)로부터 제2반응기(200)로 투입된 열분해 잔유물과의 발열반응에 의해 상기 제2가스가 생산되고 상기 제2반응기(200) 내의 열매체가 가열되며,
상기 제2반응기(200)로부터 상기 가스공급 제어장치로 투입된 상기 제2가스는 상기 제1반응기(100)로 직접 투입되는,
열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1반응기(100) 및 상기 제2반응기(200)는 일측이 서로 연통되며,
상기 제1반응기(100) 및 상기 제2반응기(200) 내부에서 상기 열매체를 순환시키는 내부순환장치를 더 포함하며,
상기 내부순환장치는 상기 연통부를 통하여 상기 열매체가 순환되도록 하는 스크류 피더(211)를 구비하는,
열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제2반응기(200)와 상기 가스 공급 제어장치(500) 사이에 위치하는 외부순환장치(220)를 더 포함하며,
상기 외부순환장치(220)는 상기 제1반응기(100)에서 배출된 제2가스로부터 열매체를 분리하여 상기 제1반응기(100)로 투입하고, 열매체가 분리된 제2가스를 상기 가스공급 제어장치를 통하여 상기 제1반응기(100)로 공급되도록 하는,
열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1반응기(100)와 상기 응축장치(400) 사이에 위치하며, 상기 제1반응기(100)에서 배출되는 제1가스에 포함된 불순물을 제거하는 정제장치(300)를 더 포함하는,
열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스 공급 제어장치(500) 후단에 위치하는 열교환장치(600)를 더 포함하며,
상기 가스 공급 제어장치(500)는, 투입된 상기 제2가스 중 일부는 상기 열교환장치(600)로 투입되도록 하고 나머지 일부는 상기 제1반응기(100)로 투입되도록 하는,
열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템.
- 제 5 항에 있어서,
열교환장치(600) 후단에 위치하는 송풍장치(650)를 더 포함하며,
상기 송풍장치(650)는 상기 열교환장치(600)에서 배출되는 가스를 상기 제1반응기(100)로 공급하는,
열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템.
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