KR102489230B1

KR102489230B1 - 바이오매스 반탄화 장치

Info

Publication number: KR102489230B1
Application number: KR1020200142149A
Authority: KR
Inventors: 김대현; 조라훈; 박선용; 김석준; 오광철
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2023-01-16
Also published as: KR20220057679A

Abstract

본 발명은, 바이오매스 반탄화 장치에 관한 것으로서, 태양광을 집광하는 집광기; 상기 집광기에 의해 집광된 상기 태양광이 조사되도록 설치되며, 상기 태양광의 태양열을 집열하여 작동 유체를 가열하는 집열 부재를 구비하는 축열기; 및 상기 작동 유체에 축열된 태양열을 이용해 바이오매스를 반탄화하는 반탄화 챔버를 구비하는 반탄화기를 포함한다.

Description

바이오매스 반탄화 장치{Torrefaction device for biomass}

본 발명은 바이오매스 반탄화 장치에 관한 것이다.

최근 탈원전, 탈석탄 등의 정책과 지구온난화 등의 환경문제, 화석연료 잠재량의 한계 등으로 인한 경제적, 환경적 문제가 끊임없이 논의되고 있다. 이러한 경제적, 환경적 문제를 해결하기 위하여, 신재생에너지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

특히, 신재생에너지 중 현재의 석탄 발전소에서 큰 구조 변경없이 연료로서 사용 가능한 목재 펠릿이 각광을 받고 있다. 그러나, 목재 펠릿의 생산량이 수요량을 따라 가지 못하고 있는 실정이다. 이를 해결하기 위하여, 농업 부산물 및 임업 부산물을 목재를 대체하기 위한 연료로서 이용하려는 연구가 진행되고 있다.

그런데, 농업 부산물은, 함수율이 높은데 반해 발열량이 낮고, 큰 부피로 인해 넓은 저장 공간이 필요하고 많은 운송비가 소요되는 바, 펠릿화하여 연료로서 이용하기 어려운 실정이다. 또한, 임업 부산물은, 농업 부산물과 마찬가지로, 큰 부피로 인해 넓은 저장 공간이 필요하고 많은 운송비가 소요되는 바, 펠릿화하여 연료로서 이용하기 어려운 실정이다.

본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 바이오매스를 연료로서 이용할 수 있도록 반탄화하기 위한 바이오매스 반탄화 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오매스 반탄화 장치는, 태양광을 집광하는 집광기; 상기 집광기에 의해 집광된 상기 태양광이 조사되도록 설치되며, 상기 태양광의 태양열을 집열하여 작동 유체를 가열하는 집열 부재를 구비하는 축열기; 및 상기 작동 유체에 축열된 태양열을 이용해 바이오매스를 반탄화하는 반탄화 챔버를 구비하는 반탄화기를 포함한다.

바람직하게, 상기 작동 유체는, 질산 나트륨과 질산 칼륨이 혼합된 용융염이다.

바람직하게, 상기 집광기는, 상기 태양광을 집광하는 적어도 하나의 집광 렌즈들을 구비한다.

바람직하게, 상기 집광기는, 상기 태양광을 상기 집광 렌즈를 향해 반사하도록 설치되는 원추형 반사체를 더 구비한다.

바람직하게, 상기 원추형 반사체는, 상기 태양광이 진입되는 제1 개구와, 원추 형상을 갖고 상기 제1 개구를 통해 진입된 상기 태양광을 상기 원추형 반사체의 중심부를 향해 반사하도록 상기 원추형 반사체의 내주면에 마련되는 반사면을 갖고, 상기 집광 렌즈는, 상기 반사면에 의해 반사된 상기 태양광이 입사되도록 상기 중심부에 배치된다.

바람직하게, 상기 원추형 반사체는, 상기 집광 렌즈에 의해 집광된 상기 태양광이 방출되는 제2 개구를 더 갖는다.

바람직하게, 상기 집광 렌즈들 적어도 하나는, 미리 정해진 초점을 갖는 프레넬 렌즈이다.

바람직하게, 상기 집열 부재는, 상기 프레넬 렌즈에 의해 집광된 상기 태양광이 조사되도록 상기 초점에 배치된다.

바람직하게, 상기 축열기는, 상기 작동 유체가 저장되는 축열 탱크와, 상기 집열 부재와 상기 축열 탱크 사이에서 상기 작동 유체를 순환시키는 제1 순환 유로를 더 구비한다.

바람직하게, 상기 축열기는, 상기 축열 탱크로부터 배출된 상기 작동 유체를 상기 집열 부재를 향해 펌핑할 수 있도록 상기 제1 순환 유로에 설치되는 제1 순환 펌프를 더 구비한다.

바람직하게, 상기 반탄화기는, 상기 바이오매스가 수용되는 반탄화 챔버와, 공기를 작동 유체와 열교환시켜 가열하는 열교환기와, 상기 반탄화 챔버에 수용된 상기 바이오매스가 열풍에 의해 반탄화되도록, 상기 축열기와 상기 반탄화 챔버 사이에서 상기 공기를 순환시키는 제2 순환 유로를 구비한다.

바람직하게, 상기 반탄화기는, 상기 반탄화 챔버로부터 배출된 상기 공기를 상기 열교환기를 향해 펌핑할 수 있도록 상기 제2 순환 유로에 설치되는 제2 순환 펌프를 더 구비한다.

바람직하게, 상기 태양열을 보조하기 위한 보조열을 상기 반탄화기에 선택적으로 공급하는 보조 열원을 더 구비한다.

바람직하게, 상기 보조 열원은, 상기 순환 유로를 따라 유동하는 상기 공기를 가열 가능하도록 상기 순환 유로와 연결된다.

바람직하게, 상기 바이오매스는, 농업 부산물과 임업 부산물 중 적어도 하나를 포함한다.

바람직하게, 상술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오매스 반탄화 장치; 및 상기 바이오매스 반탄화 장치를 이송하는 운송 장치를 포함한다.

본 발명은, 바이오매스 반탄화 장치에 관한 것으로서, 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 본 발명은, 미이용된 상태로 버려지는 바이오매스인 농업 수산물 및 임업 부산물을 반탄화 처리할 수 있다. 이러한 본 발명에 의하면, 반탄화된 바이오매스를 목재 펠릿을 대체하기 위한 연료로서 사용할 수 있고, 바이오매스의 겉보기 밀도를 낮춰, 저장 또는 운송에 필요한 공간 및 비용을 줄일 수 있다.

둘째, 본 발명은, 친환경 에너지인 태양열을 주열원으로서 이용해 바이오매스를 반탄화 처리함으로써, 화석 연료를 이용해 바이오매스를 반탄화시킴으로 인해 환경 오염이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

셋째, 본 발명은, 큰 열용량을 갖는 용융염으로 구성된 작동 유체를 매개로 태양열을 바이오매스에 인가시킴으로써, 바이오매스를 일정한 반탄화 온도 하에서 안정적으로 반탄화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오매스 반탄화 장치의 개략적인 구성을 나타내는 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 프레넬 렌즈의 평면도.
도 3은 도 2에 도시된 프레넬 렌즈에 의해 태양광이 집광되는 양상을 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오매스 반탄화 장치의 개략적인 구성을 나타내는 개념도이고, 도 2는 도 1에 도시된 프레넬 렌즈의 평면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 프레넬 렌즈에 의해 태양광이 집광되는 양상을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오매스 반탄화 장치(1)는, 태양광(S)을 집광하는 집광기(10)와, 집광기(10)에 의해 집광된 태양광(S)의 태양열을 작동 유체(O)에 저장하는 축열기(20)와, 작동 유체(O)에 저장된 태양열을 열원으로서 이용해 바이오매스(B)를 반탄화시키는 반탄화기(30)와, 태양열을 보조하기 위한 보조열을 반탄화기(30)에 선택적으로 공급하는 보조 열원(40) 등을 포함할 수 있다.

바이오매스 반탄화 장치(1)는, 생산지에서 수집된 농업 부산물 및 임업 부산물을 생산지 현지에서 실시간으로 가공하여 반탄화 펠릿을 제조하기 위한 이동식 반탄화 플랜트를 구성할 수 있도록, 트럭, 기타 운송 장치에 설치되는 것이 바람직하다.

농업부산물	이론 잠재량(TOE year-1)	비율 (%)
볏짚	2,244,395	55.8
왕겨	405,235	10.1
고춧대	303,029	7.5
사과 전정 가지	276,189	6.9
포도 전정 가지	174,337	4.3
고구마 줄기	113,145	2.8
들?? 줄기	111,426	2.8
배 전정 가지	85,573	2.1
콩 줄기	56,835	1.4
감 전정 가지	48,692	1.2
감자줄기	43,656	1.1
옥수수줄기	40,046	1
복숭아 전정가지	32,776	0.8
참깻대	28,750	0.7
콩깍지	23,061	0.6
보리짚	19,622	0.5
쌀보리짚	12,004	0.3
합 계	4,018,771	100

표 1은, 연간 농산 바이오매스 이론 잠재량 중 주요 농업 부산물들이 차지하는 비율을 나타내는 표이다. 연간 농산 바이오매스 이론 잠재량 중 대다수인 65%를 차지하는 볏집과 왕겨는, 주로 가축 사료, 퇴비 등으로 사용된다. 볏집과 왕겨를 제외한 나머지 종류의 농업 부산물들은, 특별한 사용처가 없는 바, 미이용된 채 버려지고 있다.

한편, 임업 부산물의 경우에, 수집의 어려움과, 낮은 이용가치 등으로 인해 미이용된 채 버려지는 양이 총 임목재적 중 54 % 로서 큰 비중을 차지하고 있다.

구분	단계 무게당 발열량[kcal/kg]
볏짚	3,755-4199
왕겨	4,057-4,066
보릿짚	3,784-4,208
쌀보릿짚	3,780-3,810
밀짚	3,823-4,275
감자 줄기	4,107
고구마 줄기	4,109-4,161
옥수수 줄기	3,950-4,234
조 줄기	4,076
메밀 줄기	4,566-4,586
대두 줄기	4,171-4,291
대두 껍질	3,961-3,982
팥 줄기	4,183-4,363
팥 껍질	4,239-4,355
녹두 줄기	4,219
녹두 껍질	4,179
고추 줄기	4,111-4,278
참깨 줄기	3,848-4,268
들깨 줄기	3,969-4,315
땅콩 줄기	3,972-4,168
유채 줄기	4,209
임업폐목재	4,120
임업부산물	4,120
아역청탄	4,600~6,400
목재펠릿	4,500

표 2는, 농업 부산물, 임업 부산물, 석탄, 목재 펠릿 등의 발열량을 나타내는 표이다. 농업 부산물 및 임업 부산물은, 목재 펠릿을 대체하기 위한 연료로서 바로 사용하기엔 단위 무게 당 발열량(kcal/kg)이 상대적으로 낮다.

이러한 표 1 및 표 2에 따르면, 바이오매스 반탄화 장치(1)는, 볏집과 왕겨를 제외한 나머지 종류의 미이용 농업 부산물과, 미이용 임업 부산물 중 적어도 하나를 포함하는 바이오매스(B)를 반탄화하기 위해 사용되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이하에서는, 도면을 참조하여, 바이오매스 반탄화 장치(1)의 구성에 대해 설명한다.

먼저, 집광기(10)는, 태양열을 바이오매스(B)를 반탄화하기 위한 열원으로서 사용할 수 있도록 태양광(S)을 집광하기 위한 장치이다.

집광기(10)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 집광기(10)는, 내부로 입사된 태양광(S)을 중심부를 향해 반사하도록 마련되는 원추형 반사체(12)와, 원추형 반사체(12)에 의해 반사된 태양광(S)을 집광하는 적어도 하나의 집광 렌즈들(14)을 구비할 수 있다.

태양광(S)을 집광하기 위한 집광기(10)의 집광 면적은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 원추형 반사체(12) 및 집광 렌즈들(14)은 각각, 바이오매스(B)를 200℃ 내지 300℃의 반탄화 온도 하에서 반탄화시킬 수 있도록, 바이오매스(B)의 형상, 무게, 함수량 및 성분, 기타 환경 조건에 대응하는 집광 면적을 가질 수 있다.

원추형 반사체(12)는 일정 두께를 갖고 원추형으로 이루어진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 원추형 반사체(12)의 내주면에는 태양광(S)을 원추형 반사체(12)의 중심부를 향해 반사하는 반사면(12a)이 형성되고, 원추형 반사체(12)의 원추 밑면에 해당하는 부분에는 제1 개구(12b)가 형성되며, 원추형 반사체(12)의 원추 꼭지점에 해당하는 부분에는 제2 개구(12c)가 형성된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 원추형 반사체(12)는 제2 개구(12c)에 비해 단면적이 넓은 제1 개구(12b)를 통해 태양광(S)이 내부로 진입되도록 설치된다. 그러면, 태양광(S)은 제1 개구(12b)를 통해 원추형 반사체(12)의 내부로 진입된 후 반사면(12a)에 입사되고, 반사면(12a)에 입사된 태양광(S)은 반사면(12a)에 의해 원추형 반사체(12)의 중심부를 향해 반사된다. 이를 통해, 원추형 반사체(12)는 태양광(S)을 1차적으로 집광한다.

집광 렌즈(14)는 원추형 반사체(12)에 의해 1차적으로 집광된 태양광(S)을 2차적으로 집광할 수 있도록 마련된다.

집광 렌즈(14)로서 사용 가능한 렌즈의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 집광 렌즈들(14) 중 적어도 하나는, 미리 정해진 초점(F)을 갖는 프레넬 렌즈(16)(Fresnel lens)일 수 있다.

프레넬 렌즈(16)는, 집광 렌즈의 일종류로서, 볼록 렌즈처럼 빛을 모아주는 역할을 하면서도 두께를 얇게 줄일 수 있도록 마련된 렌즈이다. 여기서, 프레넬 렌즈(16)의 두께를 얇게 줄여도 볼록 렌즈와 같은 역할을 할 수 있는 이유는, 프레넬 렌즈(16)의 입사면(16a)을 몇 개의 띠 모양으로 나눔과 함께, 각 띠에 프리즘 작용을 갖게 함으로써, 렌즈의 수차를 작게 했기 때문이다. 한편, 빛을 렌즈의 초점 한 곳에 집광시키기 위해서는, 렌즈의 영역별 굴절률의 차이를 줄여야 한다. 이를 위하여, 프레넬 렌즈(16)는, 동심을 갖는 수많은 고리 형태의 홈들이 입사면(16a)에 마련되며, 이러한 홈들에 의해 영역별 굴절률이 균등하게 조절된다.

프레넬 렌즈(16)는, 원추형 반사체(12)에 의해 1차적으로 집광된 태양광(S)이 프레넬 렌즈(16)의 입사면(16a)에 입사되되 프레넬 렌즈(16)에 의해 2차적으로 집광된 태양광(S)이 원추형 반사체(12)의 제2 개구(12c)를 통해 원추형 반사체(12)의 외부로 방출되도록, 원추형 반사체(12)의 중심부에 배치된다.

한편, 집광기(10)는, 원추형 반사체(12) 및 프레넬 렌즈(16)에 입사되는 태양광(S)의 입사 각도를 조절 가능하도록 원추형 반사체(12) 및 프레넬 렌즈(16)를 이송하는 렌즈 이송기(미도시)를 더 구비할 수 있다. 이러한 렌즈 이송기는, 프레넬 렌즈(16)의 입사면(16a)에 입사되는 태양광(S)의 입사 각도가 수직이 되도록, 태양 고도의 변화 양상에 맞춰 원추형 반사체(12) 및 프레넬 렌즈(16)를 점진적으로 이송할 수 있다.

도 3을 참조하면, 위와 같이 집광기(10)가 마련됨에 따라, 집광기(10)는 원추형 반사체(12) 및 프레넬 렌즈(16)를 이용해 태양광(S)을 프레넬 렌즈의 초점(F) 한 곳에 집중적으로 집광시킬 수 있다. 이를 통해, 바이오매스 반탄화 장치(1)는, 바이오메스를 반탄화하기 충분한 수준의 열량을 갖는 태양열을 원활하게 확보할 수 있다.

다음으로, 축열기(20)는 집광기(10)에 의해 집광된 태양광(S)의 태양열을 작동 유체(O)에 저장하기 위한 장치이다.

축열기(20)의 구성은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 축열기(20)는, 집광기(10)에 집광된 태양광(S)이 조사되도록 설치되며, 태양광(S)의 태양열을 집열하여 작동 유체(O)를 가열하는 집열 부재(22)와, 집열 부재(22)에서 태양열에 의해 가열된 작동 유체(O)가 저장되는 축열 탱크(24)와, 집열 부재(22)와 축열 탱크(24) 사이에서 작동 유체(O)를 순환시키는 제1 순환 유로(26)와, 축열 탱크(24)로부터 배출된 작동 유체(O)를 집열 부재(22)를 향해 펌핑하도록 제1 순환 유로(26)에 설치되는 제1 순환 펌프(28) 등을 구비할 수 있다.

작동 유체(O)를 구성하는 물질은 특별히 한정되지 않으며, 바이오매스(B)의 반탄화 온도와 대응하는 온도 범위에서 액상으로 존재하되 열용량이 큰 물질이 작동 유체(O)로서 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 작동 유체(O)는, 용융점이 약 308℃인 질산 나트륨과, 용융점이 약 334℃인 질산 칼륨이 혼합된 혼합염으로 구성될 수 있다.

질산 나트륨과 질산 칼륨의 혼합 비율은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 질산 나트늄과 질산 칼륨은, 작동 유체(O)가 약 260℃ 내지 550℃의 온도 범위 내에서 액상인 용융염으로 존재하도록 미리 정해진 비율로 혼합될 수 있다.

이하에서는, 작동 유체(O)가 상기 혼합염으로 구성되는 경우를 기준으로 본 발명을 설명하기로 한다.

집열 부재(22)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 집열 부재(22)는, 작동 유체(O)가 수용되는 가열 공간(22a)과, 집광기(10)에 의해 집광된 태양광(S)이 조사되는 집열면(22b)과, 후술할 제1 순환 유로(26)의 제1 공급 유로(26a)를 통과한 작동 유체(O)를 가열 공간(22a)으로 유입시키는 유입구(22c)와, 가열 공간(22a)에서 가열된 작동 유체(O)를 후술할 제1 순환 유로(26)의 제1 회수 유로(26b)로 전달하는 배출구(22d) 등을 가질 수 있다.

가열 공간(22a)은 집열 부재(22)의 내부에 마련되는 폐공간으로서, 외부로부터 격리되도록 다수의 벽체들에 의해 구획 형성된다.

집열면(22b)은 상기 벽체들 중 어느 하나의 벽체의 외면에 형성된다. 상기 벽체들의 소재는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 어느 하나의 벽체는 태양광(S)의 태양열이 원활하게 집열될 수 있도록 낮은 반사율 및 높은 열전도율을 갖는 소재로 구성될 수 있고, 상기 어느 하나의 벽체를 제외한 나머지 벽체들은 작동 유체(O)에 축열된 태양열이 당해 벽체들을 통해 외부로 유출되지 않도록 열전도율이 낮은 단열 소재로 구성될 수 있다.

집열 부재(22)는 집광기(10)에 의해 집광된 태양광(S)이 집열면(22b)에 조사되도록 설치된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 집열 부재(22)는, 집열면(22b)이 프레넬 렌즈(16)의 초점(F)에 위치하도록 설치될 수 있다. 그러면, 프레넬 렌즈(16)에 의해 집광된 태양광(S)이 집열면(22b)에 조사됨으로써, 태양광(S)의 태양열은 집열면(22b)에 집열될 수 있다.

유입구(22c)는 제1 공급 유로(26a)와 가열 공간(22a)을 연통시키도록 집열 부재(22)의 일측에 형성되고, 배출구(22d)는 가열 공간(22a)과 제1 회수 유로(26b)를 연통시키도록 집열 부재(22)의 타측에 형성된다. 그러면, 제1 공급 유로(26a)를 통과한 작동 유체(O)는 유입구(22c)를 통해 가열 공간(22a)에 유입되고, 가열 공간(22a)에 유입된 작동 유체(O)는 집열면(22b)으로부터 전달된 태양열에 의해 가열되며, 태양열에 의해 가열된 작동 유체(O)는 배출구(22d)를 통해 제1 회수 유로(26b)로 전달된다.

한편, 작동 유체(O)는 용융점 이하로 냉각되면 고상으로 상전이되는 바, 작동 유체(O)가 용융점 이하로 냉각된 경우에는 작동 유체(O)를 제1 공급 유로(26a)를 통해 가열 공간(22a)으로 공급하기 어렵다. 이를 해결하기 위해, 집열 부재(22)는 고상으로 상전이된 작동 유체(O)를 가열 공간(22a)으로 주입하기 위한 주입구(미도시)를 더 가질 수 있다. 그러면, 주입구를 통해 가열 공간(22a)으로 주입된 고상의 작동 유체(O)는, 집열면(22b)으로부터 전달된 태양열에 의해 용융되어 액상으로 상전이된 후, 배출구(22d)를 통해 제1 회수 유로(26b)로 전달될 수 있다.

축열 탱크(24)는 집열 부재(22)에서 태양열에 의해 가열된 작동 유체(O)를 내부에 저장 가능하도록 마련된다. 이러한 축열 탱크(24)는, 작동 유체(O)를 축열 탱크(24)의 내부로 공급하기 위한 유입구(24a)와, 축열 탱크(24)의 내부에 저장된 작동 유체(O)를 축열 탱크(24)의 외부로 배출하기 위한 배출구(24b) 등을 가질 수 있다.

제1 순환 유로(26)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 순환 유로(26)는, 축열 탱크(24)로부터 배출된 작동 유체(O)를 집열 부재(22)에 공급하는 제1 공급 유로(26a)와, 집열 부재(22)로부터 배출된 작동 유체(O)를 축열 탱크(24)로 회수하는 제1 회수 유로(26b) 등을 가질 수 있다.

제1 공급 유로(26a)는 축열 탱크(24)의 배출구(24b)와 집열 부재(22)의 유입구(22c)를 연결하고, 제1 회수 유로(26b)는 집열 부재(22)의 배출구(24d)와 축열 탱크(24)의 유입구(24a)를 연결한다. 그러면, 축열 탱크(24)의 내부에서 후술할 반탄화기(30)의 열교환기(34)에 의해 공기(A)와 열교환되어 냉각된 작동 유체(O)는 제1 공급 유로(26a)를 통해 집열 부재(22)로 공급될 수 있고, 집열 부재(22)에서 가열된 집열 부재(22)는 제1 회수 유로(26b)를 통해 축열 탱크(24)로 회수될 수 있다.

제1 순환 펌프(28)는, 작동 유체(O)가 제1 순환 유로(26)를 순환하기 위한 유동력을 갖도록, 제1 순환 유로(26) 상에 설치된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 순환 펌프(28)는 제1 공급 유로(26a) 상에 설치될 수 있다. 이러한 제1 순환 펌프(28)는, 제1 공급 유로(26a)를 유동하는 작동 유체(O)를 집열 부재(22)를 향해 펌핑하여, 작동 유체(O)에 유동력을 부여할 수 있다.

다음으로, 반탄화기(30)는 작동 유체(O)에 축열된 태양열을 열원으로서 이용해 바이오매스(B)를 반탄화시키기 위한 장치이다.

반탄화기(30)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 반탄화기(30)는, 바이오매스(B)가 수용되는 반탄화 챔버(32)와, 공기(A)를 작동 유체(O)와 열교환시켜 가열하는 열교환기(34)와, 반탄화 챔버(32)에 수용된 바이오매스(B)가 열풍에 의해 반탄화되도록, 축열기(20)와 반탄화 챔버(32) 사이에서 공기(A)를 순환시키는 제2 순환 유로(36) 등을 구비할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 반탄화 챔버(32)의 내부에는 반탄화를 진행하고자 하는 바이오매스(B)가 수용될 수 있다. 이 경우에, 바이오매스(B)는 펠릿 성형기(미도시)에 의해 미리 펠릿화된 상태로 반탄화 챔버(32)의 내부에 수용되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

반탄화 챔버(32)는, 후술할 제2 순환 유로(36)의 제2 회수 유로(36b)를 통과한 작동 유체(O)를 반탄화 챔버(32)의 내부로 유입시키는 유입구(32a)와, 반탄화 챔버(32)의 내부에서 냉각된 작동 유체(O)를 후술할 제2 순환 유로(36)의 제2 공급 유로(36a)로 전달하는 배출구(32b) 등을 가질 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 열교환기(34)는, 공기(A)가 열교환기(34)의 내부를 통과할 수 있는 관로 형상을 갖고, 축열 탱크(24)에 수용된 작동 유체(O)에 장입되도록 축열 탱크(24)의 내부에 설치된다. 이러한 열교환기(34)에 의하면, 열교환기(34)의 내부에 수용된 공기(A)와 축열 탱크(24)에 수용된 작동 유체(O) 사이에서 열교환이 발생함으로써, 공기(A)는 작동 유체(O)에 의해 가열되고, 작동 유체(O)는 공기(A)에 의해 냉각된다.

열교환기(34)는, 제2 공급 유로(36a)를 통과한 공기(A)를 열교환기(34)의 내부로 유입시키는 유입구(34a)와, 열교환기(34)의 내부에서 가열된 공기(A)를 제2 회수 유로(36b)로 전달하는 배출구(34b) 등을 가질 수 있다.

제2 순환 유로(36)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 제2 순환 유로(36)는, 반탄화 챔버(32)로부터 배출된 공기(A)를 열교환기(34)에 공급하는 제2 공급 유로(36a)와, 열교환기(34)로부터 배출된 공기(A)를 반탄화 챔버(32)로 회수하는 제2 회수 유로(36b) 등을 가질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 공급 유로(36a)는 반탄화 챔버(32)의 배출구(32b)와 열교환기(34)의 유입구(34a)를 연결하고, 제2 회수 유로(36b)는 열교환기(34)의 배출구(34b)와 반탄화 챔버(32)의 유입구(32a)를 연결한다.

이러한 제2 순환 유로(36)에 의하면, 열교환기(34)에서 가열된 공기(A)는 제2 회수 유로(36b)를 통해 반탄화 챔버(32)의 내부로 유입되고, 반탄화 챔버(32)에 수용된 바이오매스(B)는 제2 회수 유로(36b)를 통해 유입된 공기(A)에 의해 형성되는 고온의 열풍에 의해 열처리되어 반탄화(semi-carbonization, tyorrefaction)된다.

바이오매스(B)의 반탄화 시간은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 바이오매스(B)의 반탄화 온도가 200℃ 내지 300℃인 경우에, 반탄화 시간은 약 1시간일 수 있다.

한편, 반탄화 챔버(32)의 내부에서 바이오매스(B)를 반탄화시키면서 냉각된 공기(A)는 배출구(34b) 및 제2 공급 유로(36a)를 통해 열교환기(34)에 재전달된 후, 작동 유체(O)에 축열된 태양열에 의해 재가열될 수 있다.

제2 순환 펌프(38)는, 공기(A)가 제2 순환 유로(36)를 순환하기 위한 유동력을 갖도록, 제2 순환 유로(36) 상에 설치된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 순환 펌프(38)는 제2 공급 유로(36a) 상에 설치될 수 있다. 이러한 제2 순환 펌프(38)는, 제2 공급 유로(36a)를 유동하는 공기(A)를 열교환기(34)를 향해 펌핑하여, 공기(A)에 유동력을 부여할 수 있다.

다음으로, 보조 열원(40)은, 작동 유체(O)에 의해 가열된 공기(A)를 추가로 가열 가능한 보조열을 선택적으로 공급하기 위한 장치이다.

보조 열원(40)은, 보조 열원(40)에서 생성된 보조열을 공기(A)에 인가할 수 있도록 마련된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 보조 열원(40)은, 제2 공급 유로(36a)를 통과하는 공기(A)에 보조열을 인가할 수 있도록, 제2 공급 유로(36a) 상에 설치될 수 있다.

보조열의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 보조 열원(40)은, 전기 히터에서 생성된 열, 외부의 장치에서 회수된 폐열 등을 보조열로서 공급할 수 있다.

이러한 보조 열원(40)은, 집광기(10)에 의해 집열된 태양광(S)의 태양열이 바이오매스(B)를 반탄화하기에 부족한 경우에, 보조열을 제2 회수 유로(36b)를 통과하는 공기(A)에 선택적으로 인가할 수 있다. 그러면, 바이오매스(B)는 태양열 및 보조열에 의해 공기(A)가 2차적으로 가열되어 형성된 열풍에 의해 원활하게 반탄화될 수 있다.

위와 같이, 바이오매스 반탄화 장치(1)는, 미이용된 상태로 버려지는 바이오매스(B)인 농업 수산물 및 임업 부산물을 반탄화 처리할 수 있다. 이처럼 반탄화된 바이오매스(B)는, 목재 펠릿과 유사한 수준의 단위 무게 당 발열량(kcal/kg)을 가질 수 있는 바, 목재 펠릿을 대체하기 위한 신재생에너지 즉, 연료로서 사용될 수 있다. 또한, 반탄화된 바이오매스(B)는, 함수율 및 부피가 감소됨으로써 반탄화 이전보다 상대적으로 낮은 겉보기 밀도를 갖는 바, 저장 또는 운송에 필요한 공간 및 비용을 줄일 수 있다.

또한, 바이오매스 반탄화 장치(1)는, 친환경 에너지인 태양열을 주열원으로서 이용해 바이오매스(B)를 반탄화 처리함으로써, 화석 연료를 이용해 바이오매스(B)를 반탄화시킴으로 인해 환경 오염이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 바이오매스 반탄화 장치(1)는, 큰 열용량을 갖는 용융염으로 구성된 작동 유체(O)를 매개로 태양열을 바이오매스(B)에 인가시킴으로써, 바이오매스(B)를 일정한 반탄화 온도 하에서 안정적으로 반탄화시킬 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 바이오매스 반탄화 장치
10 : 집광기
12 : 원추형 반사체
12a : 반사면
12b : 제1 개구
12c : 제2 개구
14 : 집광 렌즈
16 : 프레넬 렌즈
16a : 입사면
20 : 축열기
22 : 집열 부재
22a : 가열 공간
22b : 집열면
22c : 유입구
22d : 배출구
24 : 축열 탱크
24a : 유입구
24b : 배출구
26 : 제1 순환 유로
26a : 제1 공급 유로
26b : 제1 회수 유로
28 : 제1 순환 펌프
30 : 반탄화기
32 : 반탄화 챔버
32a : 유입구
32b : 배출구
34 : 열교환기
34a : 유입구
34b : 배출구
36 : 제2 순환 유로
36a : 제2 공급 유로
36b : 제2 회수 유로
38 : 제2 순환 펌프
40 : 보조 열원
F : 초점
S : 태양광
O : 작동 유체
A : 공기
B : 바이오매스

Claims

태양광을 집광하는 집광기;
상기 집광기에 의해 집광된 상기 태양광이 조사되도록 설치되며, 상기 태양광의 태양열을 집열하여 작동 유체를 가열하는 집열 부재와, 상기 작동 유체가 저장되는 축열 탱크와, 상기 집열 부재와 상기 축열 탱크 사이에서 상기 작동 유체를 순환시키는 제1 순환 유로를 구비하는 축열기; 및
바이오매스가 수용되는 반탄화 챔버와, 공기를 상기 작동 유체와 열교환시켜 가열하는 열교환기와, 상기 반탄화 챔버에 수용된 상기 바이오매스가 열풍에 의해 반탄화되도록, 상기 축열기와 상기 반탄화 챔버 사이에서 상기 공기를 순환시키는 제2 순환 유로를 구비하는 반탄화기를 포함하는, 바이오매스 반탄화 장치.
제1항에 있어서,
상기 작동 유체는, 질산 나트륨과 질산 칼륨이 혼합된 용융염인, 바이오매스 반탄화 장치.
제1항에 있어서,
상기 집광기는, 상기 태양광을 집광하는 적어도 하나의 집광 렌즈들을 구비하는, 바이오매스 반탄화 장치.
제3항에 있어서,
상기 집광기는, 상기 태양광을 상기 집광 렌즈를 향해 반사하도록 설치되는 원추형 반사체를 더 구비하는, 바이오매스 반탄화 장치.
제4항에 있어서,
상기 원추형 반사체는, 상기 태양광이 진입되는 제1 개구와, 원추 형상을 갖고 상기 제1 개구를 통해 진입된 상기 태양광을 상기 원추형 반사체의 중심부를 향해 반사하도록 상기 원추형 반사체의 내주면에 마련되는 반사면을 갖고,
상기 집광 렌즈는, 상기 반사면에 의해 반사된 상기 태양광이 입사되도록 상기 중심부에 배치되는, 바이오매스 반탄화 장치.
제5항에 있어서,
상기 원추형 반사체는, 상기 집광 렌즈에 의해 집광된 상기 태양광이 방출되는 제2 개구를 더 갖는, 바이오매스 반탄화 장치.
제6항에 있어서,
상기 집광 렌즈들 적어도 하나는, 미리 정해진 초점을 갖는 프레넬 렌즈인, 바이오매스 반탄화 장치.
제7항에 있어서,
상기 집열 부재는, 상기 프레넬 렌즈에 의해 집광된 상기 태양광이 조사되도록 상기 초점에 배치되는, 바이오매스 반탄화 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 축열기는, 상기 축열 탱크로부터 배출된 상기 작동 유체를 상기 집열 부재를 향해 펌핑할 수 있도록 상기 제1 순환 유로에 설치되는 제1 순환 펌프를 더 구비하는, 바이오매스 반탄화 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 반탄화기는, 상기 반탄화 챔버로부터 배출된 상기 공기를 상기 열교환기를 향해 펌핑할 수 있도록 상기 제2 순환 유로에 설치되는 제2 순환 펌프를 더 구비하는, 바이오매스 반탄화 장치.
제1항에 있어서,
상기 태양열을 보조하기 위한 보조열을 상기 반탄화기에 선택적으로 공급하는 보조 열원을 더 구비하는, 바이오매스 반탄화 장치.
제13항에 있어서,
상기 보조 열원은, 상기 순환 유로를 따라 유동하는 상기 공기를 가열 가능하도록 상기 순환 유로와 연결되는, 바이오매스 반탄화 장치.
제1항에 있어서,
상기 바이오매스는, 농업 부산물과 임업 부산물 중 적어도 하나를 포함하는, 바이오매스 반탄화 장치.
제1항 내지 제8항, 제10항 및 제12항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 따른 바이오매스 반탄화 장치; 및
상기 바이오매스 반탄화 장치를 이송하는 운송 장치를 포함하는, 이동식 반탄화 플랜트.