KR102642964B1 - 바이오가스 생성장치 및 이를 포함하는 환원시스템, 그리고 이를 이용한 원료 환원방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 바이오가스 생성장치는 내부로 유입된 바이오매스와 반응가스를 반응시켜 바이오가스를 생성하는 가스반응로를 포함하며, 이때 상기 가스반응로는, 바이오가스를 대상 원료에 대한 환원 공정을 진행하는 환원로에 공급하여 환원가스로 사용되도록 한다.
Description
본 발명은 바이오가스 생성장치 및 이를 포함하는 환원시스템, 그리고 이를 이용한 원료 환원방법에 관한 것이다.
일반적으로 제철 산업의 철강 소재 생산 공정은 크게 광석을 주원료로 사용하는 고로-전로 생산 체계와, 생산된 철강소재를 활용하여 제품화한 후 회수/재활용되는 스크랩(Scrap)을 주원료로 사용하는 전기로 생산 체계로 구분할 수 있다.
그리고 최근에는 탄소 중립이 세계적인 이슈가 됨에 따라, 고로 공정에 비해 CO2 발생량이 ≤10% 수준인 전기로 공정이 미래 철강생산의 대안으로 부각되고 있다.
또한 이와 함께, 직접환원철(DRI, Direct Reduced Iron)로 대표되는 대체 철원 시장 역시 꾸준히 성장하고 있다. 직접환원철은 고체 상태의 철광석을 환원가스(CO, H2)를 사용하여 환원시켜 제조된 철원으로서, 이와 같이 생산된 직접환원철은 불순물이 적어 고급 고철의 대용으로 사용된다.
이와 같은 환원철은 일반적으로 분말 또는 펠렛(Pellet) 타입으로 공급되는 철광석을 환원로에 투입하고, 이를 환원가스와 반응시켜 환원시키는 방식으로 제조하게 된다.
그리고 종래에는 철광석을 환원시키기 위한 환원가스를 생성시키기 위해서 석탄계를 주로 활용하고 있었다. 다만, 석탄계를 통해 생성된 환원가스는 철광석의 환원 과정에서 이산화탄소(CO2)가 다량 발생하는 문제가 있어, 현재 전 세계적 과제인 탄소중립을 만족시키기가 어렵다.
이에 석탄계를 통해 생성된 환원가스를 대체하여 제철소 부생가스(COG{Coke Oven Gas}, FOG{FINEX Off Gas})를 활용하기도 하나, 이 역시 이산화탄소(CO2)의 발생 자체는 불가피하다는 문제가 있다.
따라서 이상과 같은 문제점들을 해결하기 위한 방안이 요구되는 상황이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 원료의 환원 공정을 위해 활용되는 환원가스를 생성하는 과정에서 온실가스로 산정되는 가스가 발생하지 않도록 하여 탄소중립에 기여할 수 있도록 하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 바이오매스를 활용함에 따라, 지역사회 환경 개선에 도움을 주기 위한 목적을 가진다.
또한 본 발명은 환원 공정이 이루어지는 장치의 내부로부터 철광석이 외부로 누출되는 현상을 방지하기 위한 목적을 가진다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제 해결을 위한 일 실시예에 따른 바이오가스 생성장치는, 내부로 유입된 바이오매스와 반응가스를 반응시켜 바이오가스를 생성하는 가스반응로를 포함하며, 상기 가스반응로는, 바이오가스를 대상 원료에 대한 환원 공정을 진행하는 환원로에 공급하여 환원가스로 사용되도록 한다.
이때 상기 가스반응로는, 내부에 바이오매스와 반응가스가 유입되는 반응공간이 형성된 반응로 본체, 상기 반응공간 내에 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급부 및 상기 반응공간 내에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부를 포함할 수 있다.
더불어 상기 가스반응로는, 기 반응공간 내에 구비되어 상기 반응가스 공급부에 의해 공급되는 반응가스를 상기 반응공간의 전체 단면적에 걸쳐 분산시키는 반응가스 분배부를 더 포함할 수 있다.
이와 함께 상기 가스반응로는, 상기 바이오매스 공급부 상에 구비되어 바이오매스에 반응향상물질을 혼합하는 물질혼합부를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 반응향상물질은 모래를 포함할 수 있다.
또한 상기 가스반응로는, 상기 반응로 본체에서 생성된 생성물에서 바이오가스와 잔여 부산물을 분리하는 가스분리부 및 상기 가스분리부에서 분리된 잔여 부산물 중 액체 및 고체를 배출시키는 부산물 배출부를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 가스반응로는, 상기 가스분리부에서 분리된 잔여 부산물 중 기체를 상기 반응공간 내로 재유입시키는 재공급부를 더 포함할 수 있다.
이와 함께 본 발명은 상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거유닛을 더 포함할 수 있다.
더불어 본 발명은 상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스에 포함된 이산화탄소(CO2)를 제거하는 개질유닛을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 과제 해결을 위한 일 실시예에 따른 환원시스템은, 내부로 유입된 바이오매스와 반응가스를 반응시켜 바이오가스를 생성하는 가스반응로 및 상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스를 환원가스로서 공급받고, 내부로 유입된 바이오가스와 대상 원료를 반응시켜 대상 원료를 환원시키는 환원로를 포함한다.
이때 상기 가스반응로는, 내부에 바이오매스와 반응가스가 유입되는 반응공간이 형성된 반응로 본체, 상기 반응공간 내에 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급부 및 상기 반응공간 내에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부를 포함할 수 있다.
더불어 상기 가스반응로는, 상기 반응공간 내에 구비되어 상기 반응가스 공급부에 의해 공급되는 반응가스를 상기 반응공간의 전체 단면적에 걸쳐 분산시키는 반응가스 분배부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 가스반응로는, 상기 바이오매스 공급부 상에 구비되어 바이오매스에 반응향상물질을 혼합하는 물질혼합부를 더 포함할 수 있다.
이때 상기 반응향상물질은 모래를 포함할 수 있다.
한편 상기 가스반응로는, 상기 반응로 본체에서 생성된 생성물에서 바이오가스와 잔여 부산물을 분리하는 가스분리부 및 상기 가스분리부에서 분리된 잔여 부산물 중 액체 및 고체를 배출시키는 배출부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 가스반응로는, 상기 가스분리부에서 분리된 잔여 부산물 중 기체를 상기 반응공간 내로 재유입시키는 재공급부를 더 포함할 수 있다.
더불어 본 발명은 상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거유닛을 더 포함할 수 있다.
이와 함께 본 발명은 상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스에 포함된 이산화탄소(CO2)를 제거하는 개질유닛을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 환원로는, 내부에 바이오가스와 대상 원료가 유입되는 환원공간이 형성된 환원로 본체, 상기 환원공간 내에 바이오가스를 공급하는 환원가스 공급부 및 상기 환원공간 내에 대상 원료를 공급하는 원료 공급부를 포함할 수 있다.
이때 상기 환원로는, 상기 환원공간 내에 구비되어 상기 환원가스 공급부에 의해 공급되는 바이오가스를 상기 환원공간의 전체 단면적에 걸쳐 분산시키는 환원가스 분배부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 환원로에는, 상기 환원공간 내에 유동되는 바이오가스를 선택적으로 배출시키는 가스 배출부가 형성될 수 있다.
그리고 상기 과제 해결을 위한 일 실시예에 따른 원료 환원방법은, 가스반응로의 내부에 바이오매스와 반응가스를 유입시키는 단계, 상기 가스반응로의 내부에서 바이오매스와 반응가스를 반응시켜 바이오가스를 생성하는 단계, 상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스를 환원로 측으로 유동시키는 단계, 상기 환원로의 내부에 바이오가스와 대상 원료를 유입시키는 단계 및 상기 환원로의 내부에서 바이오가스와 대상 원료를 반응시켜 대상 원료를 환원시키는 단계를 포함한다.
이때 상기 바이오매스와 반응가스를 유입시키는 단계 이전에는, 바이오매스에 반응향상물질을 혼합하는 단계가 더 수행될 수 있다.
그리고 상기 바이오가스를 생성하는 단계 및 상기 바이오가스를 환원로 측으로 유동시키는 단계 사이에는, 상기 가스반응로에서 생성된 생성물에서 바이오가스와 잔여 부산물을 분리하는 단계가 더 수행될 수 있다.
한편 상기 바이오가스와 잔여 부산물을 분리하는 단계 이후에는, 분리된 잔여 부산물 중 액체 및 고체를 배출시키는 단계 및 분리된 잔여 부산물 중 기체를 상기 가스반응로 내로 재유입시키는 단계가 더 수행될 수 있다.
또한 상기 바이오가스를 환원로 측으로 유동시키는 단계는, 상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 단계 및 상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스에 포함된 이산화탄소(CO2)를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
일 실시예에 따른 바이오가스 생성장치 및 이를 포함하는 환원시스템, 그리고 이를 이용한 원료 환원방법에 의하면, 폐기용 바이오매스를 사용하여 대상 원료를 환원시킬 수 있어 탄소중립에 막대한 기여를 할 수 있다는 장점을 가진다.
특히 본 발명은 바이오매스의 활용을 통해 지역사회 환경 개선에 도움을 주며, 탄소중립 관점으로 바이오매스를 활용하여 탄소세(Carbon Tax) 부과를 낮출 수 있도록 한다.
실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템의 전체 구성을 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템에 있어서, 가스반응로의 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템에 있어서, 가스반응로의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템을 이용한 원료 환원방법의 각 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템에 있어서, 환원로의 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템에 있어서, 환원로의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템에 있어서, 가스반응로의 모습을 나타낸 도면이다.
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도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템을 이용한 원료 환원방법의 각 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템에 있어서, 환원로의 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템에 있어서, 환원로의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소(또는 영역, 층, 부분 등)가 다른 구성요소 "상에 있다", "연결된다", 또는 "결합된다"고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 배치/연결/결합될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 배치될 수도 있다는 것을 의미한다.
동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 지칭한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께, 비율, 및 치수는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
"및/또는"은 연관된 구성들이 정의할 수 있는 하나 이상의 조합을 모두 포함한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, "아래에", "하측에", "위에", "상측에" 등의 용어는 도면에 도시된 구성들의 연관관계를 설명하기 위해 사용된다. 상기 용어들은 상대적인 개념으로, 도면에 표시된 방향을 기준으로 설명된다.
다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 용어 (기술 용어 및 과학 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어와 같은 용어는 관련 기술의 맥락에서 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 이상적인 또는 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않는 한, 명시적으로 여기에서 정의된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템은 가스반응로(100)와, 환원로(400)를 포함한다.
가스반응로(100)는 내부로 유입된 바이오매스와 반응가스를 반응시켜 바이오가스를 생성한다.
그리고 환원로(400)는 이와 같은 가스반응로(100)에서 생성된 바이오가스를 환원가스로서 공급받고, 내부로 유입된 바이오가스와 대상 원료를 반응시켜 대상 원료를 환원시키게 된다.
즉 본 발명은 바이오매스를 사용하여 바이오가스를 생성하고, 이를 환원가스로 활용하여 대상 원료를 환원시킬 수 있어 탄소중립에 막대한 기여를 할 수 있다.
먼저, 가스반응로(100)를 보다 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템에 있어서, 가스반응로(100)의 모습을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템에 있어서, 가스반응로(100)의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 가스반응로(100)는, 반응로 본체(110), 바이오매스 공급부(120) 및 반응가스 공급부(130)를 포함한다.
반응로 본체(110)는 내부에 바이오매스와 반응가스가 유입되는 반응공간(111)이 형성된다.
그리고 바이오매스 공급부(120)는 반응공간(111) 내에 바이오매스를 공급하도록 마련되며, 반응가스 공급부(130)는 반응공간(111) 내에 반응가스를 공급하도록 마련된다.
이때 바이오매스 공급부(120)를 통해 공급되는 바이오매스는 목질계 바이오매스일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 반응가스 공급부(130)를 통해 공급되는 반응가스는 공기, 스팀 및 산소를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 가스반응로(100)는 바이오매스 공급부(120) 상에 구비되어 바이오매스에 반응향상물질을 혼합하는 물질혼합부(125)를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 물질혼합부(125)에 의해 혼합되는 반응향상물질은 모래일 수 있으며, 이는 기체와 고체 간의 반응을 향상시킬 수 있도록 한다.
또한 본 실시예에서, 가스반응로(100)는 반응공간(111) 내에 구비되어 반응가스 공급부(130)에 의해 공급되는 반응가스를 반응공간(111)의 전체 단면적에 걸쳐 분산시키는 반응가스 분배부(140)를 더 포함할 수 있다.
반응가스 분배부(140)는 전체적으로 반응공간(111)의 횡단면 형상에 대응되는 단면 형상을 가지도록 형성될 수 있으며, 내측에는 반응가스가 통과하는 복수 개의 통과홀이 소정 간격으로 배치될 수 있다.
이상과 같이 반응공간(111)의 내부로 유입된 바이오매스와 반응가스 간의 반응에 의해 바이오가스가 생성되며, 이는 후술할 환원로에 공급되어 환원가스로 사용될 수 있다.
이때 본 실시예의 가스반응로(100)는, 가스분리부(150), 부산물 배출부(160) 및 재공급부(170)를 더 포함할 수 있다.
가스분리부(150)는 반응로 본체(110)에서 생성된 생성물에서 바이오가스와 잔여 부산물을 서로 분리하는 역할을 수행한다.
예컨대, 가스분리부(150)는 사이클론 방식으로 바이오가스를 상부로 분리하고, 잔여 부산물을 하부로 분리하는 메커니즘이 적용될 수 있다. 다만, 가스분리부(150)의 바이오가스 및 잔여 부산물 분리 방식은 이에 제한되지 않는다.
부산물 배출부(160)는 가스분리부(150)에서 분리된 잔여 부산물 중에서, 액체 및 고체를 배출시키도록 마련된다. 예컨대, 부산물 배출부(160)를 통해 배출되는 물질은 재(Ash), 탄화물질(Char), 모래(Sand) 등일 수 있다.
재공급부(170)는 가스분리부(150)에서 분리된 잔여 부산물 중에서, 부산물 배출부(160)에 의해 액체 및 고체가 제거된 후 나머지 기체를 반응공간 내로 재유입시키도록 마련된다. 이와 같이 재유입된 기체 성분은 반응공간(111) 내에서 반응가스로서 재사용될 수 있다.
이때 본 실시예에서 재공급부(170)는 전체적으로 'U'자 형태로 형성된 배관을 포함할 수 있으며, 이는 가스분리부(150)에서 분리된 잔여 부산물 중에서 부산물 배출부(160)로 미처 배출되지 못한 액체 및 고체가 포집되도록 하여, 반응공간(111) 내로 액체와 고체 성분이 유입되는 것을 방지하기 위한 것이다.
한편 다시 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 환원시스템의 바이오가스 생성장치는 가스반응로(100)와 함께 수분제거유닛(200) 및 개질유닛(300)을 더 포함할 수 있다.
수분제거유닛(200)은 가스반응로(100)에서 생성된 바이오가스에 포함된 수분을 제거하도록 바이오가스의 유동경로 상에 마련된다.
그리고 개질유닛(300)은 가스반응로(100)에서 생성된 바이오가스에 포함된 이산화탄소(CO2)를 제거하도록 바이오가스의 유동경로 상에 마련된다.
본 실시예에서 개질유닛(300)은 바이오가스의 유동 방향을 기준으로 수분제거유닛(200)보다 하류에 배치되어, 수분제거유닛(200)에 의해 전처리된 바이오가스를 개질하는 형태를 가지는 것으로 하였다. 다만, 이는 본 실시예로 제한되는 것은 아니다.
이후 수분제거유닛(200) 및 개질유닛(300)을 경유한 바이오가스는 환원로(400) 측으로 공급되고, 환원로(400)는 바이오가스를 환원가스로 활용하여 내부로 유입된 바이오가스와 대상 원료를 반응시켜 대상 원료를 환원시키게 된다.
이때 본 실시예에서 대상 원료는 철광석인 것으로 예시하였으며, 이하의 설명에서도 철광석으로 언급할 것이나, 본 발명의 환원 대상이 되는 원료의 종류는 이에 제한되지 않음은 물론이다.
이하에서는, 이상 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템을 이용한 원료 환원방법에 대해 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템을 이용한 원료 환원방법의 각 과정을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원시스템을 이용한 원료 환원방법은 전체적으로 (a)단계 내지 (g)단계를 포함할 수 있다.
먼저, 바이오매스에 반응향상물질을 혼합하는 단계(a)가 수행된다.
본 과정에서는 바이오매스 공급부(120)로 공급되는 바이오매스에, 물질혼합부(125)에 의해 반응향상물질이 혼합된다, 전술한 바와 같이, 반응향상물질은 모래 등일 수 있다.
이후 가스반응로(100)의 내부에 바이오매스와 반응가스를 유입시키는 단계(b)가 수행된다.
본 과정에서, 반응향상물질이 혼합된 바이오매스가 바이오매스 공급부(120)를 통해 반응공간(111) 내로 유입되고, 또한 반응가스 공급부(130)를 통해 반응공간(111) 내로 반응가스가 유입된다.
다음으로, 가스반응로(100)의 내부에서 바이오매스와 반응가스를 반응시켜 바이오가스를 생성하는 단계(c)가 수행된다.
그리고 본 단계에 의해 생성된 바이오가스는 반응로 본체(110)의 상부에 형성된 배출구를 통해 배출된다.
이후, 가스반응로(100)에서 생성된 생성물에서 바이오가스와 잔여 부산물을 분리하는 단계(d)가 수행된다.
본 과정에서는, 가스분리부(150)에 의해 반응로 본체(110)에서 생성된 생성물 중에서 바이오가스와 잔여 부산물이 각각 분리된다. 그리고 바이오가스는 가스분리부(150)로부터 배출된다.
이에 따라 가스반응로(100)에서 생성된 바이오가스를 환원로(400) 측으로 유동시키는 단계(e)가 진행된다.
이때 바이오가스를 환원로 측으로 유동시키는 단계(e)는, 세부적으로 가스반응로(100)에서 생성된 바이오가스에 포함된 수분을 수분제거유닛(200)을 통해 제거하는 단계와, 가스반응로(100)에서 생성된 바이오가스에 포함된 이산화탄소(CO2)를 개질유닛(300)을 통해 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
이후에는, 환원로(400)의 내부에 바이오가스와 대상 원료를 유입시키는 단계(f) 및 환원로(400)의 내부에서 바이오가스와 대상 원료를 반응시켜 대상 원료를 환원시키는 단계(g)가 순차적으로 수행된다.
한편 전술한 바이오가스와 잔여 부산물을 분리하는 단계(d) 이후에는, 분리된 잔여 부산물 중 액체 및 고체를 배출시키는 단계(ex1)와, 분리된 잔여 부산물 중 기체를 가스반응로(100) 내로 재유입시키는 단계(ex2)가 별도로 수행될 수 있다.
이상으로 바이오가스를 생성하기 위한 바이오가스 생성장치 및 원료 환원방법에 대해 설명하였다. 이하에서는, 환원로(400) 및 환원로(400)에서 이루어지는 대상 원료의 환원 과정에 대해 보다 자세히 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원로(400)의 모습을 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원로(400)의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 환원로(400)는 환원탑(410) 및 밸브 어셈블리(500)를 포함한다.
환원탑(410)의 내부에는 원료의 환원 공정이 이루어지는 환원공간(411)이 형성된다. 전술한 바와 같이, 본 실시예에서 원료는 철광석인 것으로 예시하였으나, 환원 대상이 되는 원료의 종류는 이에 제한되지 않는다.
그리고 환원탑(410)의 상부에는 별도의 상위 공정, 즉 전처리 공정에서 전처리된 철광석을 환원공간(411) 내로 투입하는 원료투입부(420)가 형성되고, 하부에는 원료투입부(420)로 투입된 철광석을 환원시키기 위한 환원가스, 즉 바이오가스를 환원공간(411) 내로 공급하는 가스공급부(430)가 형성된다.
이때 원료투입부(420)로 투입되는 철광석은 분말 및 펠렛 중 적어도 어느 하나의 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 원료투입부(420)로 투입되는 철광석은 수분 제거 공정, 입도 분포 균일화 공정 등의 공정을 거친 전처리된 철광석일 수 있다.
또한 환원탑(410)의 측부에는, 환원공간(411) 내에서 환원된 원료, 즉 본 실시예의 경우 환원철을 배출할 수 있는 배출부(412)가 형성된다. 특히 본 실시예에서 배출부(412)는 단일 개가 구비되는 것으로 하였으나, 배출부(412)는 이와 달리 복수 개가 마련되어 서로 다른 위치에 배치될 수도 있다.
더불어 환원탑(410)의 상부에는 환원공간(411) 내에 유동되는 바이오가스를 선택적으로 배출시키는 가스배출부(413)가 형성될 수 있다. 이와 같은 가스배출부(413)로는 환원 공정을 거친 이후의 바이오가스가 배출될 수 있다.
이와 함께 환원공간(411)의 하부에는, 가스공급부(430)에 의해 공급되는 바이오가스를 환원공간(411)의 전체 단면적에 걸쳐 분산시키는 환원가스 분배부(440)가 추가적으로 구비될 수 있다.
환원가스 분배부(440)는 전체적으로 환원공간(411)의 횡단면 형상에 대응되는 단면 형상을 가지도록 형성될 수 있으며, 내측에는 바이오가스가 통과하는 복수 개의 통과홀이 소정 간격으로 배치될 수 있다.
밸브 어셈블리(500)는 환원공간(411)의 측부에 형성된 배출부(412)를 선택적으로 개폐하도록 구비된다.
구체적으로, 밸브 어셈블리(500)는 환원공간(411) 내에서 철광석의 환원 공정이 진행되는 과정에서는 배출부(412)를 차폐하여 환원공간(411)을 밀폐시키고, 환원 공정의 진행에 따라 환원철이 생성될 경우 배출부(412)를 개방하여 환원철을 환원공간(411)으로부터 환원탑(410)의 외부로 배출시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 환원로(400)는 밸브설치관(510) 및 분지관(520)을 포함할 수 있으며, 밸브 어셈블리(500)는 피스톤 밸브(540) 및 구동유닛(530)을 포함할 수 있다.
밸브설치관(510)은 배출부(412)로부터 측 방향으로 연장되되, 내부가 환원공간(411)과 연통된 상태로 형성되며, 밸브 어셈블리(500)가 설치되는 연통공간(511)을 포함한다.
그리고 분지관(520)은 밸브설치관(510)의 소정 지점으로부터 분지되며, 내부에 연통공간(511)과 연통되고, 밸브 어셈블리(500)가 배출부(412)를 개방시킨 상태에서 환원철이 유입되는 회수공간(521)이 형성된 형태를 가진다.
이때 분지관(520)은 밸브설치관(510)의 전체 길이 중에서, 배출부(412)와 피스톤 밸브(540)의 하사점 사이에 연결될 수 있다.
더불어 본 실시예의 경우, 분지관(520)의 끝단부에 구비되어 회수공간(521)을 통해 환원공간(411)으로부터 배출된 환원철을 저장하는 저장호퍼(600)를 더 포함할 수 있다.
피스톤 밸브(540)는 연통공간(511)의 길이 방향을 따라 길게 형성되고, 연통공간(511) 내에서 선형 이동 가능하게 형성된다.
그리고 구동유닛(530)은 이와 같은 피스톤 밸브(540)가 배출부(412)를 선택적으로 개폐할 수 있도록, 피스톤 밸브(540)를 연통공간(511) 내에서 기 설정된 행정거리만큼 왕복 이동시키는 구동력을 제공하게 된다.
피스톤 밸브(540)는 구동유닛(520)에 의해 상사점으로 이동된 상태에서 배출부(412)를 막아 차폐한다. 피스톤 밸브(540)는 구동유닛(530)에 의해 하사점으로 이동된 상태에서 배출부(412) 및 분지관(520)의 회수공간(521)을 개방한다.
배출부(412)가 개방됨에 따라, 환원공간(411)에서 제조된 환원철이 연통공간(511) 및 회수공간(521)으로 유입될 수 있다.
또한 본 실시예에서, 배출부(412)의 내측면에는 밸브 어셈블리(500)에 의해 배출부(412)가 차폐된 상태에서 기밀을 유지하도록 하는 실링부재(미도시)가 구비될 수 있다. 더불어 이와 반대로 피스톤 밸브(540)의 선단부 둘레에 실링부재가 구비되는 형태, 또는 피스톤 밸브(540) 및 배출부(412)의 내측면에 실링부재가 모두 구비되는 형태 등이 본 발명에 제한없이 적용될 수 있다.
이상과 같은 본 실시예의 환원로(400)는, 환원공간(411) 내에서 철광석 및 바이오가스가 반응하여 철광석의 환원 공정이 진행된다.
이때 투입된 철광석과 바이오가스는 환원공간(411) 내 일정 시간 동안 함께 머무르도록 유지될 수 있다.본 과정에서는 환원공간(411) 내에서 철광석과 바이오가스의 접촉에 의해 철의 환원 반응이 이루어지며, 시간의 경과에 따라 환원철의 비율이 증가하게 된다.
이후 별도의 모니터링부를 통해 환원 공정을 모니터링하여, 환원공간(411) 내에 투입된 전체 철광석 중 환원철의 비율이 기 설정된 비율 이상인 것으로 판단된 경우 밸브 어셈블리(500)를 통해 배출부(412)를 개방하게 된다.
즉 밸브 어셈블리(500)의 구동유닛(530)은 피스톤 밸브(540)가 하사점으로 이동되도록 구동력을 제공하며, 피스톤 밸브(540)는 환원탑(410)의 배출부(412)와 멀어지도록 이동하여 배출부(412)를 개방하게 된다.
그리고 환원공간(411) 내에서 생성된 환원철을 배출부(412)로 배출시켜 회수하는 과정이 수행되며, 환원공간(411) 내에서 환원이 완료된 환원철은 배출부(412)를 통해 연통공간(411)으로 유입된 후, 분지관(520)의 회수공간(521)으로 유동되어 저장호퍼(600) 측으로 배출된다.
이때 환원철은 피스톤 밸브(540)의 피스톤 운동에 따른 유압 또는 유압차이에 의하여 배출될 수 있다. 예를 들면, 피스톤 밸브(540)가 이동할 때 환원탑(410)은 밀폐된 상태일 수 있다.
이와 같이 본 실시예의 환원로(400)는 공정 중 완전 밀폐 상태를 유지하여 철광석이 외부로 누출되는 현상을 방지할 수 있으며, 예열-환원-냉각을 포함하는 복수의 단계를 단일 설비에서 진행하던 종래의 환원로와 달리, 철광석의 환원 공정만을 분리하여 환원철을 제조함으로써 환원철 제조 속도 및 제조 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 가스반응로
110: 반응로 본체
111: 반응공간
120: 바이오매스 공급부
125: 물질혼합부
130: 반응가스 공급부
140: 반응가스 분배부
150: 가스분리부
160: 부산물 배출부
170: 재공급부
200: 수분제거유닛
300: 개질유닛
400: 환원로
410: 환원탑
411: 환원공간
420: 원료투입부
430: 가스공급부
500: 밸브 어셈블리
510: 밸브설치관
520: 분지관
530: 구동유닛
540: 피스톤 밸브
600: 저장호퍼
110: 반응로 본체
111: 반응공간
120: 바이오매스 공급부
125: 물질혼합부
130: 반응가스 공급부
140: 반응가스 분배부
150: 가스분리부
160: 부산물 배출부
170: 재공급부
200: 수분제거유닛
300: 개질유닛
400: 환원로
410: 환원탑
411: 환원공간
420: 원료투입부
430: 가스공급부
500: 밸브 어셈블리
510: 밸브설치관
520: 분지관
530: 구동유닛
540: 피스톤 밸브
600: 저장호퍼
Claims (26)
- 내부로 유입된 바이오매스와 반응가스를 반응시켜 바이오가스를 생성하는 가스반응로를 포함하고,
상기 가스반응로는,
내부에 바이오매스와 반응가스가 유입되는 반응공간이 형성된 반응로 본체;
상기 반응공간의 상부와 연결되어 상기 반응로 본체에서 생성된 생성물에서 바이오가스와 잔여 부산물을 분리하는 가스분리부;
상기 가스분리부의 하부에 연결되어 상기 가스분리부에서 분리된 잔여 부산물 중 액체 및 고체를 배출시키는 부산물 배출부; 및
상기 가스분리부로부터 상기 가스분리부에서 분리된 잔여 부산물 중 기체를 상기 반응공간 내로 재유입시키는 재공급부를 포함하고,
상기 재공급부는,
상기 부산물 배출부의 하측 방향으로 연장하는 제1 부분;
상기 제1 부분으로부터 수평 방향으로 연장하는 제2 부분;
상기 제2 부분으로부터 상부 방향으로 연장하는 제3 부분; 및
상기 제3 부분으로부터 상기 반응로 본체로 갈수록 높이가 낮아지며, 상기 반응공간의 하부와 연결되는 제4 부분을 포함하는,
바이오가스 생성장치. - 제1항에 있어서,
상기 가스반응로는,
상기 반응공간 내에 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급부; 및
상기 반응공간 내에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부;
를 포함하는,
바이오가스 생성장치. - 제2항에 있어서,
상기 가스반응로는,
상기 반응공간 내에 구비되어 상기 반응가스 공급부에 의해 공급되는 반응가스를 상기 반응공간의 전체 단면적에 걸쳐 분산시키는 반응가스 분배부를 더 포함하는,
바이오가스 생성장치. - 제2항에 있어서,
상기 가스반응로는,
상기 바이오매스 공급부 상에 구비되어 바이오매스에 반응향상물질을 혼합하는 물질혼합부를 더 포함하고,
상기 반응향상물질은 모래인,
바이오가스 생성장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거유닛을 더 포함하는,
바이오가스 생성장치. - 제1항에 있어서,
상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스에 포함된 이산화탄소(CO2)를 제거하는 개질유닛을 더 포함하는,
바이오가스 생성장치.
- 내부로 유입된 바이오매스와 반응가스를 반응시켜 바이오가스를 생성하는 가스반응로; 및
상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스를 환원가스로서 공급받고, 내부로 유입된 바이오가스와 대상 원료를 반응시켜 대상 원료를 환원시키는 환원로;
상기 가스반응로는,
내부에 바이오매스와 반응가스가 유입되는 반응공간이 형성된 반응로 본체;
상기 반응공간의 상부와 연결되어 상기 반응로 본체에서 생성된 생성물에서 바이오가스와 잔여 부산물을 분리하는 가스분리부;
상기 가스분리부에서 분리된 잔여 부산물 중 액체 및 고체를 배출시키는 부산물 배출부;
상기 가스분리부에서 분리된 잔여 부산물 중 기체를 상기 반응공간 내로 재유입시키는 재공급부를 포함하고,
상기 재공급부는,
상기 부산물 배출부의 하측 방향으로 연장하는 제1 부분;
상기 제1 부분으로부터 상기 반응로 본체를 향하여 이격된 제2 부분;
상기 제1 부분의 하부와 상기 제2 부분의 하부 사이에 배치되어 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 연결하는 제3 부분; 및
상기 제2 부분의 상부로부터 상기 반응로 본체를 향하여 경사지게 연장되어 상기 반응공간의 하부와 연결된 제4 부분;
을 포함하는,
환원시스템. - 제10항에 있어서,
상기 가스반응로는,
상기 반응공간 내에 바이오매스를 공급하는 바이오매스 공급부; 및
상기 반응공간 내에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부;
를 포함하는,
환원시스템. - 제11항에 있어서,
상기 가스반응로는,
상기 반응공간 내에 구비되어 상기 반응가스 공급부에 의해 공급되는 반응가스를 상기 반응공간의 전체 단면적에 걸쳐 분산시키는 반응가스 분배부를 더 포함하는,
환원시스템. - 제11항에 있어서,
상기 가스반응로는,
상기 바이오매스 공급부 상에 구비되어 바이오매스에 반응향상물질을 혼합하는 물질혼합부를 더 포함하고,
상기 반응향상물질은 모래인,
환원시스템. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제10항에 있어서,
상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거유닛을 더 포함하는,
환원시스템. - 제10항에 있어서,
상기 가스반응로에서 생성된 바이오가스에 포함된 이산화탄소(CO2)를 제거하는 개질유닛을 더 포함하는,
환원시스템. - 제10항에 있어서,
상기 환원로는,
내부에 바이오가스와 대상 원료가 유입되는 환원공간이 형성된 환원로 본체;
상기 환원공간 내에 바이오가스를 공급하는 환원가스 공급부; 및
상기 환원공간 내에 대상 원료를 공급하는 원료 공급부;
를 포함하는,
환원시스템. - 제19항에 있어서,
상기 환원로는,
상기 환원공간 내에 구비되어 상기 환원가스 공급부에 의해 공급되는 바이오가스를 상기 환원공간의 전체 단면적에 걸쳐 분산시키는 환원가스 분배부를 더 포함하는,
환원시스템. - 제19항에 있어서,
상기 환원로에는,
상기 환원공간 내에 유동되는 바이오가스를 선택적으로 배출시키는 가스 배출부가 형성된,
환원시스템.
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- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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- 2023-03-31 KR KR1020230043029A patent/KR102642964B1/ko active IP Right Grant
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