KR102658228B1 - 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템은, 산소발생장치, 바이오매스를 공급하는 연료공급장치, 상기 산소발생장치에서 공급된 산소와 상기 연료공급장치에서 공급된 바이오매스가 순산소 연소되는 제1연소장치, 상기 산소발생장치에서 공급된 산소와 상기 제1연소장치에서 배출된 합성가스가 순산소 연소되는 제2연소장치 및 상기 제2연소장치에서 배출된 합성가스에 포함된 이물질을 제거하는 제2세정장치를 포함하고, 상기 제2세정장치에서 배출되는 배출가스는 이산화탄소의 농도가 95%이상인 고순도의 이산화탄소 가스인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 순산소 연소를 이용하여 연소 효율을 높이며 고순도의 이산화탄소를 생산하는 바이오매스 연소시스템에 관한 것이다.
최근 환경 오염에 관한 관심이 증대되면서 재생에너지의 일종으로 바이오매스가 주목받고 있다. 바이오매스(biomass)는 광합성에 의해 생성되는 다양한 조류 및 식물 자원, 광범위하게는 모든 산업활동에서 발생하는 폐자원, 목재, 톱밥, 볏짚 등 농업, 임업 부산물, 농업부산물, 축산부산물, 음식물 쓰레기 등을 의미한다.
특히, 이와 같은 바이오매스를 원료로 하는 바이오매스 연소시스템이 개발되고 있다. 그러나, 바이오매스 연소시스템에서 생성되는 배출가스를 도시가스 등에 공급하기에는 발열량이 낮은 문제점이 있었다. 특히, 배출가스에 질소가스가 포함되어 발열량이 낮은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 순산소 연소를 이용하여 발열량을 높인 배출가스를 생성하는 바이오매스 연소시스템을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 순산소 연소를 이용하여 농도가 95%이상에 해당되는 고순도의 이산화탄소를 생산하는 바이오매스 연소시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 순산소를 이용하여 바이오매스를 연소시켜 고순도의 이산화탄소를 생산하는 것을 특징으로 하는 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템에 의해 달성된다.
여기서, 바이오매스 연소시스템은 산소발생장치, 바이오매스를 공급하는 연료공급장치, 상기 산소발생장치에서 공급된 산소와 상기 연료공급장치에서 공급된 바이오매스가 순산소 연소되는 제1연소장치, 상기 산소발생장치에서 공급된 산소와 상기 제1연소장치에서 배출된 합성가스가 순산소 연소되는 제2연소장치 및 상기 제2연소장치에서 배출된 합성가스에 포함된 이물질을 제거하는 세정장치를 포함할 수 있다.
이때, 상기 세정장치에서 배출되는 배출가스는 이산화탄소의 농도가 95%이상인 고순도의 이산화탄소 가스인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2연소장치로 공급되는 합성가스에 포함된 성분을 측정하기 위해 설치된 계측기, 상기 산소발생장치와 상기 제1연소장치의 사이에 설치되는 제1밸브 및 상기 산소발생장치와 상기 제2연소장치의 사이에 설치되는 제2밸브를 더 포함하고, 상기 연료공급장치에서 공급되는 바이오매스의 양에 따라 상기 제1밸브의 개폐정도를 조절하여 상기 제1연소장치로 공급되는 산소의 양을 조절하고, 상기 계측기에서 측정된 결과값에 따라 상기 제2밸브의 개폐정도를 조절하여 상기 제2연소장치로 공급되는 산소의 양을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제1연소장치는 바이오매스를 열분해하여 가스화하는 열분해 가스화장치(gasification)이고, 상기 제2연소장치는 소정의 합성가스를 열분해하는 열병합 발전기일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 바이오매스 연소시스템에 따르면 순산소 연소를 이용하여 연소함에 따라 연소 효율을 높이며 발열량을 높인 가스를 생산할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 순산소 연소를 이용하여 농도가 95%이상에 해당되는 고순도의 이산화탄소를 생산하여 공업용 또는 식음료용으로 판매가능하다는 장점이 있다.
또한, 순산소 연소를 이용함에 따라 질소 및 질소산화물이 없다. 그에 따라, 연소실의 온도를 낮추고 적정한 온도로 유지하는 것이 가능하여 열 효율이 상승한다는 장점이 있다.
또한, 연소과정에서 수분 또는 이산화탄소를 분사함에 따라 연소 후 이물질을 함유한 가스가 액체형태로 토출되어 세정될 수 있다. 그에 따라, 별도의 대기오염저감장치를 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템의 개략도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템에 대해 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템(1)의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바이오매스 연소시스템(1)은, 두 개의 연소장치(20, 40)를 포함한다. 상기 연소장치(20, 40)의 소정의 연소가 발생되는 공간을 형성하는 장치에 해당된다.
이를 연소 순서에 따라 제1연소장치(20) 및 제2연소장치(40)로 구분한다. 즉, 상기 제1연소장치(20)에서 배출된 가스가 상기 제2연소장치(40)로 공급된다. 즉, 본 발명의 바이오매스 연소시스템(1)은 두 개의 연소장치(20, 40)를 이용하여 두 번의 연소가 발생된다.
또한, 상기 바이오매스 연소시스템(1)은, 세정장치(50)를 더 포함한다. 상기 세정장치(50)는 가스 내에 포함되는 이물질을 제거하는 장치에 해당된다. 예를 들어, 상기 세정장치(50) 에는 상기 제2연소장치(40)에서 토출된 가스가 공급된다.
또한, 상기 바이오매스 연소시스템(1)은 두 개의 세정장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1연소장치(20)에서 토출된 가스가 공급되는 세정장치(미도시)와, 상기 제2연소장치(40)에서 토출된 가스가 공급되는 세정장치(50)가 각각 구비될 수 있다.
또한, 상기 바이오매스 연소시스템(1)은, 산소발생장치(70)를 더 포함한다. 상기 산소발생장치(70)는 순산소를 공급하는 장치에 해당된다. 상기 산소발생장치(70)는 상기 제1연소장치(20) 및 상기 제2연소장치(40)와 연결된다. 상기 산소발생장치(70)에서 공급되는 산소에 의해 상기 제1연소장치(20) 및 상기 제2연소장치(40)에서 순산소 연소가 발생될 수 있다.
또한, 상기 바이오매스 연소시스템(1)은, 분사장치(22, 42)를 더 포함한다. 상기 분사장치(22, 42)는 상기 연소장치(20, 40)로 물 또는 이산화탄소를 분사하는 장치에 해당된다. 예를 들어, 상기 분사장치(22, 42)는 상기 제1연소장치(20)로 물 또는 이산화탄소를 분사하는 제1분사장치(22) 및 상기 제2연소장치(40)로 물 또는 이산화탄소를 분사하는 제2분사장치(42)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 바이오매스 연소시스템(1)은, 계측기(130) 및 각종 밸브(110, 120)를 더 포함할 수 있다.
상기 계측기(130)는 가스 내에 포함된 성분, 양 등을 측정하도록 설치될 수 있다. 자세하게는, 상기 계측기(130)는, 상기 제2연소장치(40)로 공급되는 가스에 포함된 성분을 측정하기 위해 상기 제1연소장치(20)와 상기 제2연소장치(40)를 연결하는 배관에 설치될 수 있다.
또한, 각종 밸브에는, 상기 산소발생장치(70)와 상기 제1연소장치(20)의 사이에 설치되는 제1밸브(110) 및 상기 산소발생장치(70)와 상기 제2연소장치(20)의 사이에 설치되는 제2밸브(120)를 포함할 수 있다. 상기 제1밸브(110) 및 상기 제2밸브(120)의 개폐정도에 따라 상기 제1연소장치(20) 및 상기 제2연소장치(40)로 공급되는 산소의 양이 조절될 수 있다.
또한, 상기 계측기(130)에서 측정된 값을 통해 상기 제2밸브(120)의 개폐정도를 조절할 수 있다. 즉, 상기 제2연소장치(40)로 공급되는 가스가 순산소 연소를 위해 필요한 산소량을 상기 제2연소장치(40)로 공급할 수 있다.
또한, 상기 바이오매스 연소시스템(1)은, 연료공급장치(10)를 더 포함한다. 상기 연료공급장치(10)는 바이오매스 연료를 공급하는 장치로, 저장장치 등으로 이해될 수 있다. 본 발명에서 사용하는 바이오매스에는 목재 칩, 톱밥, 펠릿 등 목재, 옥수수대, 배추 등 농업부산물 및 축산부산물 등이 포함될 수 있다.
이하, 앞서 설명한 구성을 바탕으로 본 발명의 바이오매스 연소시스템(1)의 작동에 대하여 순서대로 설명한다.
우선, 상기 연료공급장치(10)에서 상기 제1연소장치(20)로 연료, 즉, 바이오매스가 공급된다. 또한, 상기 산소발생장치(70)에서 연소에 필요한 산소가 상기 제1연소장치(20)로 공급된다. 이때, 상기 제1연소장치(20)로 공급되는 연료 및 산소의 양은 미리 정해진 바에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 공급되는 연료의 양에 따라 상기 제1밸브(110)를 제어하여 공급되는 산소의 양을 조절할 수 있다.
상기 제1연소장치(20)에서는 연소가 발생되며 바이오매스가 열분해될 수 있다. 특히, 상기 제1연소장치(20)는 바이오매스를 소정의 가스로 열분해하는 열분해 가스화장치(gasification)에 해당할 수 있다. 그에 따라, 상기 제1연소장치(20)에서는 소정의 합성가스(sysgas)가 토출될 수 있다. 이때, 상기 합성가스에는 이산화탄소, 수소, 일산화탄소, 매탄 등이 포함될 수 있다.
이때, 상기 제1연소장치(20)에는 순산소를 다소 부족하게 공급하여 불완전연소가 발생될 수 있다. 그에 따라, 상기 제1연소장치(20)에서 토출되는 합성가스에는 이산화탄소, 물, 일산화탄소 및 매탄 등이 생성될 수 있다.
또한, 상기 제1분사장치(22)가 상기 제1연소장치(20)에 물 또는 이산화탄소를 분사할 수 있다. 이는 연소온도를 낮추어 열효율을 상승시키기 위함이다. 이를 통해 상기 제1연소장치(20)에서 발생되는 연소는 미리 설정된 적정온도를 유지할 수 있다.
상기 제1연소장치(20)에서 연소과정동안 발생된 이물질(Residues)은 폐기장치(80)로 이동될 수 있다. 이때, 상기 제1연소장치(20)에서 토출된 합성가스가 세정장치(미도시)로 투입되어 이물질이 제거될 수 있다. 예를 들어, 타르(tar), 차(char), 애쉬(ash) 등이 합성가스에서 제거되어 상기 폐기장치(80)로 이동될 수 있다.
그리고, 상기 제1연소장치(20)를 통과한 합성가스는 상기 제2연소장치(40)로 투입된다. 또한, 상기 산소발생장치(70)에서 연소에 필요한 산소가 상기 제2연소장치(40)로 공급된다. 이때, 상기 제2연소장치(40)로 공급되는 산소는 앞서 설명한 바와 같이 상기 계측기(130)에서 측정된 결과에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 계측기(130)에서 측정된 값에 따라 상기 제2밸브(120)를 제어하여 공급되는 산소의 양을 조절할 수 있다.
특히, 상기 계측기(130)는 상기 제1연소장치(20)에 미리 설정된 소정의 양의 산소를 공급하도록 작동될 수 있다. 소정의 양보다 산소가 적게 공급되는 경우 불완전연소가 되며, 소정의 양보다 산소가 많이 공급되는 경우 발생되는 이산화탄소의 순도가 낮아지기 때문이다.
상기 제2연소장치(40)에서는 순산소 연소가 발생되며 합성가스가 열분해될 수 있다. 특히, 상기 제2연소장치(40)는 소정의 합성가스를 열분해하는 열병합 발전기에 해당할 수 있다. 그에 따라, 상기 제2연소장치(40)에 의해 소정의 공급장치(90)에 전기 또는 온수를 공급할 수 있다.
또한, 상기 제2분사장치(42)가 상기 제2연소장치(40)에 물 또는 이산화탄소를 분사할 수 있다. 이는 연소온도를 낮추어 열효율을 상승시키기 위함이다. 이를 통해 상기 제2연소장치(40)에서 발생되는 연소는 미리 설정된 적정온도를 유지할 수 있다.
또한, 상기 제2연소장치(40)에는 소정의 합성가스가 토출될 수 있다. 이때, 상기 합성가스에는 고순도의 이산화탄소가 포함된다. 자세하게는, 상기 제2연소장치(40)에 투입된 합성가스에 포함된 매탄은 연소되고, 수소와 일산화탄소가 결합하여 이산화탄소 및 물로 변환될 수 있다.
이때, 물은 상기 공급장치(90)를 통해 온수 등으로 배출될 수 있다. 또한, 물은 냉각하여 액체로 회수하여 폐기 처리할 수 있다. 더하여, 상기에서 설명한 바와 같이, 연소과정에서 물이 많이 분사되어 연소 후 가스 수분이 액체로 변화되고 배출될 수 있다. 이는 이물질을 함유하여 세정역활을 하여 별도의 대기오염저감장치를 필요로 하지 않는다.
그에 따라, 상기 제2연소장치(40)에서 배출되는 합성가스는 이산화탄소의 농도가 95%일 수 있다. 즉, 상기 제2연소장치(40)에는 고순도의 이산화탄소가 배출될 수 있다. 상기 제2세정장치(50)를 통해 이물질이 제거되어 이물질은 폐기장치(100)로 이동되고 배출된 가스는 이산화탄소의 농도 99.5%이상일 수 있다.
이와 같은 고순도의 이산화탄소에 해당하는 배출가스는 이산화탄소 회수장치(60)로 이동될 수 있다. 이와 같은 고순도 또는 순수 이산화탄소는 공업용 또는 식음료용으로 다양하게 사용될 수 있다. 또한, 고순도 이산화탄소 회수를 통해 순산소 생산에 투입되는 비용을 충단할 수 있다.
또한, 순산소에 질소가 포함되는 등 소정의 요인에 따라 질소가 일부 포함될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 상기 바이오매스 연소시스템(1)은, 요소수 공급장치를 더 포함할 수 있다. 상기 요소수 공급장치는 질소산화물에 요소수를 공급하여 질소와 산소로 분해하여 산성으로 변하는 것을 방지하는 장치에 해당된다. 예를 들어, 상기 요소수 공급장치는 상기 제2연소장치(40)에서 토출되는 가스가 통과하도록 설치될 수 있다.
또한, 도 1 및 상기의 설명에서는 상기 제1연소장치(30) 및 상기 제2연소장치(40)를 별도의 장치로 설명하였다. 이는 설명의 편의를 위한 것으로 상기 제1연소장치(30) 및 상기 제2연소장치(40)는 하나의 장치에 해당될 수 있다. 그에 따라, 하나의 장치에서 1차 연소 및 2차연소가 발생되는 것으로 이해할 수 있다.
더하여, 하나의 장치에서 한번의 연소를 통해 고순도의 이산화탄소를 얻을 수 있다. 자세하게는, 하나의 장치 내부에서 연소가 이루어질 수 있도록 순산소를 공급하고 물 또는 이산화탄소를 분사하여 내부 온도를 조절할 수 있다. 그리고, 연소과정에 따른 이물질 등을 제거하여 최종적으로 이산화탄소 및 물만 남을 수 있다. 이때 물은 냉각하여 액체로 회수할 수 있고 이산화탄소는 95% 이상의 순도로 회수하여 사용할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
1...바이오매스 연소시스템
10...연료공급장치
20...제1연소장치
40...제2연소장치
50...세정장치
70...산소발생장치
10...연료공급장치
20...제1연소장치
40...제2연소장치
50...세정장치
70...산소발생장치
Claims (4)
- 순산소를 이용하여 바이오매스를 연소시켜 고순도의 이산화탄소를 생산하는 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템에 있어서,
산소발생장치;
바이오매스를 공급하는 연료공급장치;
상기 산소발생장치에서 공급된 순산소와 상기 연료공급장치에서 공급된 바이오매스가 순산소 연소되는 제1연소장치;
상기 산소발생장치에서 공급된 순산소와 상기 제1연소장치에서 배출된 합성가스가 순산소 연소되는 제2연소장치; 및
상기 제2연소장치에서 배출된 합성가스에 포함된 이물질을 제거하는 세정장치를 포함하고,
상기 세정장치에서 배출되는 배출가스는 이산화탄소의 농도가 95%이상인 고순도의 이산화탄소 가스인 것을 특징으로 하는 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2연소장치로 공급되는 합성가스에 포함된 성분을 측정하기 위해 설치된 계측기;
상기 산소발생장치와 상기 제1연소장치의 사이에 설치되는 제1밸브; 및
상기 산소발생장치와 상기 제2연소장치의 사이에 설치되는 제2밸브를 더 포함하고,
상기 연료공급장치에서 공급되는 바이오매스의 양에 따라 상기 제1밸브의 개폐정도를 조절하여 상기 제1연소장치로 공급되는 산소의 양을 조절하고,
상기 계측기에서 측정된 결과값에 따라 상기 제2밸브의 개폐정도를 조절하여 상기 제2연소장치로 공급되는 산소의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1연소장치는 바이오매스를 열분해하여 가스화하는 열분해 가스화장치(gasification)이고,
상기 제2연소장치는 소정의 합성가스를 열분해하는 열병합 발전기인 것을 특징으로 하는 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020220021135A KR102658228B1 (ko) | 2022-02-17 | 2022-02-17 | 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020220021135A KR102658228B1 (ko) | 2022-02-17 | 2022-02-17 | 순산소 연소를 이용한 바이오매스 연소시스템 |
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ID=87841533
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Citations (5)
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| KR101126166B1 (ko) | 2009-12-31 | 2012-06-13 | 주식회사 전주페이퍼 | 바이오매스 보일러 가스 분석 시스템 |
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| CN111075565B (zh) | 2018-10-18 | 2021-05-18 | 华中科技大学 | 一种生物质气化与富氧燃烧联合循环耦合的发电装置 |
-
2022
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Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Journal of The Korean Society Combustion. 31 March 2020. 37-47* |
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|---|---|
| KR20230123844A (ko) | 2023-08-24 |
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