KR102213062B1 - 타르 재흡착을 통한 고품위 반탄화 바이오매스 생산장치 - Google Patents

타르 재흡착을 통한 고품위 반탄화 바이오매스 생산장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타르 재흡착을 통한 고품위 반탄화 바이오매스 생산장치에 관한 것으로, 공기 및 배가스가 유입되어, 바이오매스가 건조되는 제1로터리 킬른; 건조된 상기 바이오매스가 투입되며, 유입되는 배가스에 의해 상기 바이오매스가 반탄화되면서, 상기 바이오매스로부터 타르가 생성되는 제2로터리 킬른; 반탄화된 상기 바이오매스가 투입되고, 생성된 상기 타르가 유입되어, 유입된 상기 타르가 반탄화된 상기 바이오매스에 흡착되는 반응기; 및 타르가 흡착된 상기 바이오매스가 투입되며, 유입되는 공기에 의해 상기 타르가 흡착된 상기 바이오매스가 냉각되어 배출되는 제3로터리 킬른;을 포함하는 반탄화 바이오매스 생산장치를 제공한다.

Description

타르 재흡착을 통한 고품위 반탄화 바이오매스 생산장치{Apparatus for producing high-quality torrefaction biomass through tar readsorption}
본 발명은 반탄화 바이오매스 생산장치에 관한 것이다.
바이오매스 반탄화 기술은 바이오매스의 열적 변환을 통해 품질을 향상시키는 기술이다.
반탄화 바이오매스는 탄소함량, 발열량, 에너지밀도 및 분쇄성이 향상되는 장점을 가진다.
반탄화 온도가 증가되면 석탄보다 우수한 분쇄성을 나타내나, 반대로 에너지 밀도는 낮아져 높은 온도에서 반탄화 바이오매스를 생산시 경제성의 문제가 있다.
따라서, 기존 반탄화 공정에서는 반탄화 바이오매스의 생산량(에너지 밀도)을 고려하여 적정 온도(일반적으로 250~270℃)로 진행된다.
그러나, 이러한 온도에서 생산된 반탄화 바이오매스는 석탄보다는 분쇄성이 떨어지므로, 반탄화 바이오매스를 기존 석탄 화력 발전에 연료로 사용할 경우 낮은 분쇄성의 문제로 인해 미분기의 과부하 문제가 발생한다.
또한, 바이오매스 반탄화시 생성되는 타르는 약 30%의 수율로 생성되며 약 10~15MJ/kg의 발열량을 갖는다.
그러나, 반탄화시 생성되는 타르는 약 40% 내외의 수분 함량으로 인해 별도의 연료로서의 사용 가치는 다소 낮다.
특허문헌 1에는 바이오배스 반탄화시 발생하는 배가스에서 타르를 제거하여 배출하기 위한 타르 제거부를 포함하는 반탄화 바이오매스 제조장치를 제공한다.
그러나, 타르 제거부에서 타르를 제거하기 위한 응축 에너지가 별도로 필요하며, 타르 제거부에서 수용되어 응축되어 배출되는 타르에 의해 수용부 또는 배출관의 부식이나 막힘 현상이 발생한다는 문제가 있다.
따라서, 일부 바이오매스 생산장치에서는 반탄화시 생성되는 타르를 반탄화 열원인 연소로에 재투입하여 연소시키는 방법을 사용하나, 이러한 경우에도 재투입 배관의 막힘이나 부식 현상을 방지할 수는 없다.
KR 1,894,817 B1
이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 바이오매스 반탄화시 생성되는 타르를 사용하여 고품위의 반탄화 바이오매스를 생산하고, 타르 배출 또는 처리에 의한 문제를 해결하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 공기 및 배가스가 유입되어, 바이오매스가 건조되는 제1로터리 킬른; 건조된 상기 바이오매스가 투입되며, 유입되는 배가스에 의해 상기 바이오매스가 반탄화되면서, 상기 바이오매스로부터 타르가 생성되는 제2로터리 킬른; 반탄화된 상기 바이오매스가 투입되고, 생성된 상기 타르가 유입되어, 유입된 상기 타르가 반탄화된 상기 바이오매스에 흡착되는 반응기; 및 타르가 흡착된 상기 바이오매스가 투입되며, 유입되는 공기에 의해 상기 타르가 흡착된 상기 바이오매스가 냉각되어 배출되는 제3로터리 킬른;을 포함하는 반탄화 바이오매스 생산장치를 제공한다.
상기 반응기 둘레 측에 위치하며, 냉매가 유동하는 워터자켓을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 반응기 내부에 위치하는 스크류를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 생산장치에 의하면, 바이오매스 반탄화시 생성되는 타르를 반탄화 바이오매스 겉표면에 재흡착시켜 반탄화 바이오매스의 수율, 에너지 밀도, 분쇄성을 증가시킴으로써, 연소 안정화 및 경제성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 화력 발전 등에서 반탄화 바이오매스의 사용량을 늘리고, 또한, 반탄화 바이오매스의 에너지 밀도 향상으로 인해 연료 비용 감소 및 분쇄시 미분기 부하 저감 등의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 생산장치를 다단의 로터리 킬른과 반응기로 구성하여, 건조, 반탄화, 타르의 응축, 흡착 및 냉각을 별도의 구성으로 행함으로써, 기존의 바이오매스 반타화시 생성되는 타르를 포함하는 배가스의 배출로 인한 배관 막힘이나, 부식등의 문제를 해결할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반탄화 바이오매스 생산장치의 개략도이다.
도 2은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반탄화 바이오매스 생산장치의 작용을 나타낸 개략도이다.
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 반탄화 바이오매스 생산장치를 상세히 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반탄화 바이오매스 생산장치의 구성을 상세히 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반탄화 바이오매스 생산장치는, 제1로터리 킬른(100), 제2로터리 킬른(200), 반응기(300) 및 제3로터리 킬른(400)을 포함한다.
로터리 킬른은 회전로라고도 하며, 가열로의 일종으로서, 내부로 투입된 대상물을 건조, 연소 또는 용해 시킬 수 있다.
로터리 킬른은 원통형의 노를 수평 또는 다소 경사지게 가로 놓고, 노를 회전시키면서 일측(또는 상측)에서 대상물을 투입한다. 대상물은 노의 회전에 따라 타측(또는 하측)으로 이동하면서 내부 또는 외부로부터의 열원에 의해 가열되어 외부로 배출된다.
로터리 킬른의 구성 자체는 공지된 바, 이상 상세한 설명은 생략한다.
제1로터리 킬른(100)의 내부로는 바이오매스가 투입되어 건조가 이루어진다.
제1로터리 킬른(100)의 일측으로 고온 가스가 유입됨으로써, 내부의 건조가 이루어질 수 있다. 상기 고온의 가스는 보일러, 연소로 등에서 발생하는 배가스를 이용할 수 있다.
제1로터리 킬른(100)으로 유입되는 고온 가스의 온도가 너무 높으면 바이오매스의 건조가 아니라 열분해가 일어날 수 있으므로, 고온 가스의 온도가 높은 경우, 외부 공기를 고온 가스와 함께 혼합되어 유입시킴으로써 적정온도(예를 들면, 대략 230℃)로 유입시켜 제1로터리 킬른(100) 내부를 바이오매스의 건조에 적정한 온도(예를 들면, 대략 180℃)으로 유지되도록 한다.
제1로터리 킬른(100)에서 건조된 바이오매스는 배출되어 제2로터리 킬른(200)으로 투입된다.
제2로터리 킬른(200) 내부로 제1로터리 킬른(100)에서 건조된 바이오매스가 투입된다.
또한, 제2로터리 킬른(200)의 일측으로 고온 가스가 유입되어, 투입된 건조 바이오매스의 반탄화가 이루어진다.
제2로터리 킬른(200)은 바이오매스의 반탄화가 이루어지므로, 유입되는 고온 가스는 제1로터리 킬른(100)으로 유입되는 고온 가스보다 높아야 한다. 따라서, 제2로터리 킬른(200)으로 유입되는 고온가스는 상기한 배가스를 그대로 유입시켜 사용하여도 된다.
제2로터리 킬른(200)으로 유입되는 고온의 배가스에 의해, 제2로터리 킬른(200) 내부가 바이오매스의 반탄화에 적절한 온도(예를 들면, 대략 300℃)로 유지됨으로써 바이오매스의 반탄화가 이루어진다. 상기한 기존의 반탄화 온도보도 다소 높은 온도에서 반탄화를 진행하여 분쇄성을 높일 수 있으며, 이로 인헤 저하되는 에너지 밀도는 후술되는 타르의 재흡착을 통하여 해결할 수 있다.
제2로터리 킬른(200)에서의 반탄화 과정에서, 바이오매스에 포함된 타르가 기화되면서 바이오매스 밖으로 빠져나오며 생성되며 배가스와 혼합된다.
제2로터리 킬른(200)에서 반탄화된 바이오매스 및 타르가 혼합된 배가스는 반응기(300)로 투입된다.
반응기(300) 내부는 배가스에 포함된 타르가 응축되는 적정온도(예를 들면, 대략 120℃)로 유지된다.
이로써, 반응기(300)로 유입된 배가스에 포함된 타르가 응축되면서, 반탄화 바이오매스 표면에 재흡착이 이루어진다.
이와 같이, 반탄화 바이오매스에 타르를 흡착시킴으로써, 결과적으로 바이오매스의 수율, 에너지 밀도, 분쇄성을 모두 증가시킬 수 있다.
반응기(300)로 투입된 배가스에 포함된 타르를 자연 냉각에 의해 응축시킬 수도 있으나, 반응기(300) 둘레부분에 냉각자켓(320)을 구비하여 냉각자켓(320)으로 냉각수 등의 냉매를 유입 및 유동하도록 한다.
이로써, 배가스에 포함된 타르가 효과적으로 응축 및 흡착되며, 반탄화된 바이오매스가 연소됨으로써 발생할 수 있는 화재의 위험을 방지한다.
또한, 반응기(300) 내부에는 회전 가능하도록 설치되는 스크류(310)를 구비함으로써, 스크류(310)의 회전동작에 의해 반탄화 바이오매스를 일측으로 이송 및 교반함으로써 타르의 흡착율을 높일 수 있다.
반응기(300)에서 타르가 흡착된 반탄화 바이오매스는 제3로터리 킬른(400)으로 투입된다.
타르가 흡착된 반탄화 바이오매스는 제3로터리 킬른(400)으로 투입되어 냉각된다. 외부의 공기를 제3로터리 킬른(400)으로 유입시켜, 타르가 흡착된 반탄화 바이오매스를 적정온도(예를 들면, 대략 30℃)로 냉각을 행한다.
이하, 첨부된 도 2를 더 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반탄화 바이오매스 생산장치의 작용을 상세히 설명한다.
먼저, 제1로터리 킬른(100)으로 바이오매스가 투입된다. 또한, 제1로터리 킬른(100)으로 고온 가스(배가스 등)와 공기를 유입시킴으로써, 제1로터리 킬른(100) 내부로 투입된 바이오매스의 건조가 이루어진다.
제1로터리 킬른(100)에서 건조된 바이오매스는 제2로터리 킬른(200)으로 투입되며, 바이오매스에 건조에 의해 증발한 수분은 배가스와 함께 제1로터리 킬른(100) 외부로 배출된다.
제2로터리 킬른(200)으로 투입된 건조 바이오매스는, 제2로터리 킬른(200)으로 유입되는 고온 가스가 직접 접촉하면서 반탄화가 진행되며, 건조 바이오매스에 포함된 타르가 기화되면서 생성되며 배가스와 혼합된다.
제2로터리 킬른(200)에서 반탄화된 바이오매스 및 타르를 포함하는 배가스는 반응기(300)로 각각 투입된다.
반응기(300) 내부는 냉각자켓(320)을 유동하는 냉매에 의해 타르 응축 온도로 냉각되고, 따라서, 반응기(300)로 유입된 배가스에 포함된 타르가 응축되면서 반탄화 바이오매스의 표면에 흡착된다.
배가스 중 타르의 응축온도에서 응축되지 않는 가스(CO, H2O)는 배출되거나, 상기한 보일러로 재순환 될 수 있으며, 재순환시 배가스와 응축되지 않는 가스의 영향성은 거의 없음을 확인하였다.
타르가 흡착된 반탄화 바이오매스는 제3로터리 킬른(400)으로 투입되고, 제3로터리 킬른(400)으로 유입되는 공기에 의해 냉각되어 배출된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 반탄화 바이오매스 생산장치에 의하면, 바이오매스 반탄화시 생성되는 타르를 반탄화 바이오매스 겉표면에 재흡착시켜 반탄화 바이오매스의 수율, 에너지 밀도, 분쇄성을 증가시킴으로써, 연소 안정화 및 경제성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 화력 발전 등에서 반탄화 바이오매스의 사용량을 늘리고, 또한, 반탄화 바이오매스의 에너지 밀도 향상으로 인해 연료 비용 감소 및 분쇄시 미분기 부하 저감 등의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 생산장치를 다단의 로터리 킬른과 반응기로 구성하여, 건조, 반탄화, 타르의 응축, 흡착 및 냉각을 별도의 구성으로 행함으로써, 기존의 바이오매스 반타화시 생성되는 타르를 포함하는 배가스의 배출로 인한 배관 막힘이나, 부식등의 문제를 해결할 수 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: 제1로터리 킬른
200: 제2로터리 킬른
300: 반응기
310: 스크류
320: 냉각자켓
400: 제3로터리 킬른

Claims (7)

  1. 공기 및 배가스 중 일부가 유입되어, 바이오매스가 건조되는 제1로터리 킬른(100);
    건조된 상기 바이오매스가 투입되며, 상기 배가스 중 다른 일부가 유입됨으로써 상기 바이오매스가 반탄화되면서, 상기 바이오매스로부터 생성되는 기화된 타르가 상기 유입된 배가스에 혼합되는 제2로터리 킬른(200);
    내부가 타르의 응축온도로 유지되며, 반탄화된 상기 바이오매스가 투입되고, 생성된 상기 제2로터리 킬른(200)에서 배가스와 혼합된 상기 기화된 타르가 유입되어, 유입된 상기 기화된 타르가 응축되면서, 반탄화된 상기 바이오매스에 흡착되는 반응기(300); 및
    타르가 흡착된 상기 바이오매스가 투입되며, 유입되는 공기에 의해 상기 타르가 흡착된 상기 바이오매스가 냉각되어 배출되는 제3로터리 킬른(400);을 포함하는,
    반탄화 바이오매스 생산장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기(300) 둘레 측에 위치하며, 냉매가 유동하는 냉각자켓(320)을 더 포함하는,
    반탄화 바이오매스 생산장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기(300) 내부에 위치하는 스크류(310)를 더 포함하는,
    반탄화 바이오매스 생산장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1로터리 킬른(100)으로 유입되는 상기 공기에 의해, 상기 제1로터리 킬른(100) 내부의 온도가 조절되는,
    반탄화 바이오매스 생산장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1로터리 킬른(100) 내부의 온도는 180℃, 상기 제2로터리 킬른(200) 내부의 온도는 300℃, 및 상기 반응기(300) 내부의 온도는 120℃로 유지되는,
    반탄화 바이오매스 생산장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1로터리 킬른(100)에서 상기 바이오매스의 건조에 의해 발생하는 수분 및 상기 유입된 배가스는 외부로 배출되는,
    반탄화 바이오매스 생산장치.
  7. 바이오매스가 투입된 제1로터리 킬른(100)으로 공기 및 배가스 중 일부가 유입되어, 상기 바이오매스가 건조되는 단계;
    제2로터리 킬른(200)으로 상기 제1로터리 킬른(100)에서 건조된 상기 바이오매스 및 상기 배가스 중 다른 일부가 투입됨으로써 건조된 상기 바이오매스가 반탄화되면서, 상기 건조된 바이오매스로부터 생성되는 기화된 타르가 상기 유입된 배가스에 혼합되는 단계;
    반응기(300)의 내부가 타르의 응축온도로 유지되며, 제2로터리 킬른(200)에서 반탄화된 상기 바이오매스가 투입되고, 생성된 상기 제2로터리 킬른(200)에서 배가스와 혼합된 상기 기화된 타르가 유입되어, 유입된 상기 기화된 타르가 응축되면서, 반탄화된 상기 바이오매스에 흡착되는 단계; 및
    제3로터리 킬른(400)으로 상기 반응기(300)에서 타르가 흡착된 상기 바이오매스가 투입되며, 유입되는 공기에 의해 상기 타르가 흡착된 상기 바이오매스가 냉각되어 배출되는 단계;를 포함하는,
    반탄화 바이오매스 생산방법.
KR1020190043224A 2019-04-12 2019-04-12 타르 재흡착을 통한 고품위 반탄화 바이오매스 생산장치 KR102213062B1 (ko)

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