KR20060102778A

KR20060102778A - 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치와 그 방법

Info

Publication number: KR20060102778A
Application number: KR1020050024710A
Authority: KR
Inventors: 이시훈; 이재구; 최영찬; 김재호; 김용구
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-09-28
Also published as: KR100659497B1

Abstract

본 발명은 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치와 그 방법에 관한 것으로, 그 목적은 기존의 탄화 공정이 가지고 있는 문제를 해결하고 성능을 증가시킨 유동층 열분해 및 가스화 반응 장치와 그 공정방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 구성은 농임산폐기물을 담아두는 호퍼(19)와; 일정한 질량 속도로 농임산폐기물을 주입하는 스크류 피더(20)와; 반응 가스의 역류를 방지하기 위한 기체를 주입하는 주입관(21)으로 구성된 시료 주입부와;

사용되는 기체가 저장되는 반응 기체 저장고(1, 2)와, 기체저장고에서 이송되는 반응가스의 속도를 제어하는 전자식 유량계(3)와, 기체를 반응온도로 가열시키는 예열관(4)으로 이루어진 기체 예열 주입부와;

상기 예열관(4)을 통해 예열된 가스가 유동층 반응기로 주입되는 반응기체 분배기(5), 유동 매체가 존재하는 하부의 유동층부(8)와 대부분 기체로 이루어진 상부의 희박상영역부(10), 반응 기체를 분산시키는 기포형 분산판(6), 생성된 촤를 배출하는 배출관(7), 농임산폐기물을 유동층(8)으로 직접 주입시킬 수 있는 주입관(9)으로 이루어진 유동층 열분해 및 가스화 반응기와;

생성된 촤와 생성 가스 및 오일을 분리하는 싸이클론(11)과; 사이클론으로부터 공급되는 생성 가스와 오일을 분리하기 위하여 그 후단에 순차적으로 설치된 다중 열교환기(13) 및 전기집진 시스템(15)과; 전기 집진시스템 후단에 설치되어 최종 생성가스를 배출하는 생성가스배출관(17); 상기 싸이클론 하부에 장치된 미세입 자 체집기(12)와; 상기 다중 열교환기(13) 하부에 장치된 오일 포집기(14)와; 상기 전기집진 시스템(15) 하부에 장치된 전기 집진 오일 포집기(16)로 구성된 싸이클론 및 기-액 분리부;를 포함 구성하여 농임산폐기물의 열분해 및 가스화를 이용해 동시에 바이오오일, 생성가스, 촤로 전환토록 구성한 것을 특징으로 하는 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치 밀 이를 이용한 공정방법을 제공하는데 그 기술적 특징이 있다.

농임산폐기물, 유동층, 열분해, 가스화 장치, 촤, 바이오오일, 생성가스

Description

농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치와 그 방법{Fluidized bed pyrolysis and gasification system for agricultural wastes and method thereof}

도 1은 본 발명에 따른 유동층 열분해 및 가스화 장치의 개략 종단면도,

도 2는 본 발명에 따른 농임산 폐기물의 바이오오일, 가스, 촤 등의 전환 결과를 나타낸 그래프,

도 3a 내지 3e는 본 발명에 따라 생성된 바이오오일의 성분 분석 결과 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1, 2) : 반응 기체 저장고 (3) : 전자식 유량계

(4) : 예열관 (5) : 가스 분배기

(6) : 분산판 (7) : 촤(char) 배출관

(8) : 모래 유동층부 (9) : 예비 폐기물 주입관

(10) : 희박상 영역부 (11) : 싸이클론

(12) : 미세입자 포집기 (13) : 다중열교환기

(14) : 오일 포집기 (15) : 전기집진 시스템

(16) : 전기 집진 오일 포집기 (17) : 생성가스 배출관

(18) : 농임산폐기물 투입구 (19) : 호퍼

(20) : 스크류 피더 (21) : 주입관

(22) : 투입관

본 발명은 공기, 질소 등의 가스를 반응 온도로 선가열하여 유동층 열분해 및 가스화로로 주입시키고 농임산 폐기물들은 스크류 피더를 통해 희박상 영역부로 투입되어 열분해 및 가스화 반응을 통해 바이오오일, 가스, 촤 등으로 전환하여 다중 열교환기와 전기 집진 장치를 통해서 바이오오일, 가스 등을 포집, 분리하는 유동층 열분해 및 가스화 장치와 유량 제어, 온도 제어, 고체량 제어, 농도 제어 등의 공정 제어를 통해 생성물의 분포 및 품질 등을 생산 목적에 맞추어 조절하는 운전 방법에 관한 것이다.

최근까지 국내에서 폐목재, 왕겨, 톱밥, 축산 폐기물 등의 농임산폐기물들을 이용하여 목초액, 활성 탄소 등을 생산하기 위하여 저속 열분해의 일종인 목재의 탄화 공정을 이용하여 왔다.

상기 탄화공정은 500-700℃의 온도에서 목재에서 발생하는 연기와 수증기를 냉각, 응축시켜 회수하여 30일 이상 상온에서 방치하여 상부의 경유질과 하부의 타르를 제외한 중간층을 이용하였다.

현재 많이 이용되고 있는 재래식 탄화공정은 열효율과 목초액 생산 수율이 낮고 가스 생성물의 재활용이 불가능하며 연료 성상의 다변화가 어려운 문제점을 지니고 있다.

농임산 폐기물을 이용하여 바이오오일을 생산하기 위해 이용되는 열분해 장치의 형태로는 순환베드, 로터리 킬른, 회전콘, 유동층 방식 등이 있다.

구체적인 이분야의 기술로 국내 특허 출원 10-2002-0022223호(명칭 : "천연유기산 첨가 장류 조성물 및 그 제조방법"/ 출원인 : "주식회사 썬트바이오")는 간장, 된장, 고추장 등의 장류 원료물 및 활엽수, 칩엽수를 탄화시켜 열분해 시킨 후, 응축시킨 목초액을 정제하여 얻어지는 천연 유기산의 생산과 이를 통해 만들어지는 천연 유기산 장류 조성물에 대한 것이다.

하지만 이와 같은 종래 기술은 운전 조건에 따른 목초액의 조성, 생성량 등을 조절할 수 없으며 수소, 일산화탄소 같은 기상 생성물을 전혀 없을 수가 없다는 구조적인 문제점이 있다.

또한 국내 특허출원 제10-2000-074550호(명칭 : "폐기물, 특히 산업 폐기물, 바이오 매스 또는 이와 유사한 가스화 물질의 가스화를 위한 방법 및 가스화 플랜트"/ 출원인 : "지엠펠캄프 구스-운트 안라겐테크니크 홀딩 GMBH 운트 코")는 산업폐기물, 바이오매스 또는 이와 유사한 가스화 물질을 가스화하는 방법에 대한 것이다. 가스화 단계는 건조, 탈가스화, 부분 가스화 등이 일어나며 부분 적으로 열분 해가 이용된다. 가스화를 통해 생산된 가스는 냉각, 정제를 거쳐 사용된다.

하지만 이와 같은 종래 기술은 가스만을 목적으로 이용되기 때문에 바이오오일, 촤 등의 액상, 고상 생성물을 전혀 얻을 수가 없으며 비교적 고온의 온도에서 운전되기 때문에 운전비가 상대적으로 비싸다는 문제점이 있다.

또한 유럽 특허인 EPA200102010784번을 보면 열분해에서 생산된 오일의 연소 방법에 대한 것이며, 또한 다른 유럽특허인 EPA1989050316355번은 바이오매스를 액체 생성물로 전환하는 기술에 대해서 나타내었다. 이 특허는 빠른 열교환과 적은 가스 접촉 시간이 가능한 반응기를 통해 액체 생성물의 수율을 90%까지 높이는 방법에 대한 것이다. 하지만 이와 같은 종래 기술은 액체 생성물만을 목적으로 하기 때문에 기상 또는 고상 생산물을 동시에 얻을 수가 없다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기존의 탄화 공정이 가지고 있는 문제를 해결하고 성능을 증가시킨 유동층 열분해 및 가스화 반응 장치와 그 공정방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 기존 공정들이 대부분 농임산폐기물을 단순한 촤(char) 또는 목초액 만을 얻는 것에 비해, 단일 공정을 통해 바이오오일, 생성가스, 촤 등의 3가지 생산품을 동시에 얻을 수 있는 기술과 톱밥, 왕겨, 음식물쓰레기, 축산 폐기물 등의 다양한 농임산폐기물들을 단일 공정을 통해 이용할 수 있는 유동층 열분해 및 가스화 반응 장치와 그 공정방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 반응 가스의 전처리를 통해 반응기에서의 열효율을 향상시키고 반응 온도, 기체 유량, 농임산폐기물의 처리량 등의 제어를 통해 생성물 성상을 변화시킬 수 있는 기술을 개발하며 필요에 따라서 각각의 생산량을 제어할 수 있는 유동층 열분해 및 가스화 반응 장치와 그 공정방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다중 열교환기를 설치하여 열교환 효율을 높이고 바이오오일을 포집하는 전기 포집기를 설치하여 바이오오일이 미세입자로 가스 생성물과 동반 배출되는 현상을 막아 바이오오일의 수율을 극대화하는 유동층 열분해 및 가스화 반응 장치와 그 공정방법을 제공하는데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 농임산폐기물을 담아두는 호퍼와; 일정한 질량 속도로 농임산폐기물을 이송후 투입관을 통해 주입하는 스크류 피더와; 반응 가스의 역류를 방지하기 위한 기체를 주입하는 주입관으로 구성된 시료 주입부와;

사용되는 기체가 저장되는 반응 기체 저장고와, 기체저장고에서 이송되는 반응가스의 속도를 제어하는 전자식 유량계와, 기체를 반응온도로 가열시키는 예열관으로 이루어진 기체 예열 주입부와;

상기 예열관을 통해 예열된 가스가 유동층 반응기로 주입되는 반응기체 분배기, 유동 매체가 존재하는 하부의 유동층부와 대부분 기체로 이루어진 상부의 희박 상영역부, 반응 기체를 분산시키는 기포형 분산판, 생성된 촤를 배출하는 배출관, 농임산폐기물을 유동층으로 직접 주입시킬 수 있는 예비 폐기물 주입관으로 이루어진 유동층 열분해 및 가스화 반응기와;

생성된 촤와 생성 가스 및 오일을 분리하는 싸이클론과; 사이클론으로부터 공급되는 생성 가스와 오일을 분리하기 위하여 그 후단에 순차적으로 설치된 다중 열교환기 및 전기집진 시스템과; 전기 집진시스템 후단에 설치되어 최종 생성가스를 배출하는 생성가스배출관; 상기 싸이클론 하부에 장치된 미세입자 체집기와; 상기 다중 열교환기 하부에 장치된 오일 포집기와; 상기 전기집진 시스템 하부에 장치된 전기 집진 오일 포집기로 구성된 싸이클론 및 기-액 분리부;를 포함 구성하여 농임산폐기물의 열분해 및 가스화를 이용해 동시에 바이오오일, 생성가스, 촤로 전환토록 구성한 것을 특징으로 한다.

상기 유동층 열분해 및 가스화 반응기는 농임산폐기물이 안정적으로 장치에 투입되도록 시료 주입부의 수직관인 투입관(22)이 희박상영역부로 침투되도록 구성하고, 유동층부와 희박상영역부를 분리하여 조절하도록 구성한다.

즉, 농임산 폐기물이 이중관으로 된 스크류 피더(20)를 통해 반응기를 이루는 희박상영역부(10)와 수직관인 투입관(22)으로 연결되어 있다. 이 투입관이 반응기를 이루는 희박상영역부(10) 내로 30cm 정도 내려가 있다.

본 발명의 유동층부(8)와 희박상 영역부(10)는 기체 유량 조절로 구분된다. 즉 실제로 나누어지는 영역이 아니며 고체 물질들이 거의 없는 반응기의 상부를 희 박상 영역부로 편의상 나누어 표시한다.

상기 싸이클론 및 기-액 분리부는 생성된 바이오오일 수율을 극대화하기 위하여 다중 열교환기를 냉각 매체를 이용하여 열교환토록 구성하고, 전기 집진 시스템은 오일 미스트를 전기 흡착 방식으로 포집토록 구성한다.

상기 정량 주입을 위해 사용되는 스크류 피더는 반응기로부터 전달된 열이 피더 안에서 농임산 폐기물의 건조를 시키는 것을 방지할 수 있는 이중관 구조로 구성한다.

상기 싸이클론은 희박상 영역부를 거쳐 유동층 열분해 및 가스화로 밖으로 배출되는 촤와 생성 가스 및 오일을 분리하는 장치로 생성가스가 배출되는 상부에 열전대를 설치하여 오일이 촤와 혼합되는 것을 방지토록 구성한다.

상기 다중 열교환기는 생성 가스를 냉각수와 열교환하여 기-액을 분리하는 것으로 액체(바이오오일) 생산량을 극대화하기 위하여 냉각 매체를 항온시스템에 연결 구성하고, 일부 액체가 분리된 생성 가스는 다중 열교환기의 하부를 통해 배출후 전기 집진 시스템에 주입토록 구성한다.

상기 생성가스배출관을 통해 최종 배출된 가스를 유동층 열분해 및 가스화 반응기로 재주입되거나 예열관으로 주입되어 가스 또는 반응기의 온도를 높이도록 구성한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 구성은 농임산폐기물을 이중 스크류피더를 통해 희박상 영역부로 주입시켜 농임산폐기물에 들어있는 수분이 생성가스와의 열교환을 통해 배출되는 건조 단계;

상기 건조된 농임산폐기물이 하부의 유동층부로 떨어져 유동 매체와 급속하게 혼합되고 유동 매체가 보유한 열이 건조된 농임산폐기물로 전달되는 혼합 단계;

상기 전달된 열과 유동층부 하부에서 주입된 반응가스에 의해 농임산폐기물이 분해되어 상부로 생성가스, 바이오오일 미스트 등을 배출하고 촤가 남게 되는 열분해 단계;

상기 남겨진 촤가 하부에서 주입된 반응가스와 반응하여 합성가스를 만드는 가스화 단계;

상기 열분해 단계에서 만들어진 생성가스, 바이오오일 미스트가 싸이클론, 다중 열교환기, 전기 집진 시스템을 순차적으로 거치며 기-액 분리를 통해 바이오오일 포집 및 생성가스 배출 단계로 이루어져 농임산폐기물을 유동층 열분해 및 가스화시켜 바이오오일, 가스, 촤를 단일 공정으로 얻는 방법을 특징으로 한다.

상기 반응가스는 산소의 농도를 0%-21% 까지 조절하도록 공기와 질소가 동시 또는 단독으로 공급되어 이루어진 가스이다.

상기 합성가스는 수소와 일산화탄소이다.

상기 유동층부 하부에 주입되는 반응가스는 예열관을 통해 200∼700℃까지 기체 온도를 상승시켜 유동층 반응기에서의 열분해 및 가스화 반응을 촉진시킨다.

상기에서 생성되는 바이오오일 성분은 아세틱산, 아세톨, 나프탈렌, 레보글루코산, 퓨란, 페놀, 크레솔, 구아이아콜, 시링골으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 하나이상이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 유동층 열분해 및 가스화 장치의 개략적인 종단면도를 도시하고 있는데, 본 발명 유동층 열분해 및 가스화 시스템은 농임산폐기물의 안정적인 주입을 위한 시료 주입부와; 기체 예열 주입부와; 유동층 열분해 및 가스화 반응기와; 싸이클론 및 기-액 분리부 를 포함하여 구성된다.

상기 시료 주입부는 농임산폐기물을 담아두는 호퍼(19)와; 일정한 질량 속도로 농임산폐기물을 이송후 투입관(22)을 통해 주입하는 이중관 스크류 피더(20)와; 반응 가스의 역류를 방지하기 위한 기체를 주입하는 노즐(21)로 구성되며 특히 정량 주입을 위해 사용되는 스크류 피더(20)는 반응기로부터 전달된 열이 피더 안에 서 농임산 폐기물의 건조를 시키는 것을 방지할 수 있는 이중관 구조로 이루어 진다.

상기 기체 예열 주입부는 사용되는 기체가 저장되는 반응 기체 저장고(1, 2)와, 기체저장고에서 이송되는 반응 가스의 속도를 제어하는 전자식 유량계(3)와, 기체를 반응 온도로 가열시키는 예열관(4)으로 이루어진다.

상기 본 발명 농임산폐기물의 열분해 및 가스화에 이용되는 가스는 생성 가스의 품질에 따라 공기, 질소, 산소 등을 다양하게 연결할 수 있으며 전자식 유량계(3)를 통해서 산소의 농도를 조절하며 이를 통하여 농임산폐기물의 열분해 또는 가스화 반응을 조절하게 된다.

또한 생성가스를 다시 반응기로 주입시켜 오일 수율을 최대화하도록 할 수도 있다.

상기 예열관(4)은 200∼700℃까지 기체 온도를 상승시켜 유동층 반응기에서의 열분해 및 가스화 반응을 촉진시키는 작용을 한다.

상기 유동층 열분해 및 가스화 반응기는 농임산폐기물 시료의 열분해 및 가스화가 진행되는 곳으로서 유동매체의 존재 유무를 통해 하부의 모래 유동층부(8)와 상부의 희박상 영역부(10)로 나누어 구성된다.

또한 예열관(4)을 통해 예열된 가스가 유동층 반응기로 주입되는 반응기체 분배기(5)와, 유동층의 고른 분포를 위해 반응 기체를 분산시키고 반응기의 온도 변화에 대한 저항력이 높은 기포형 분산판(6)이 상기 유동층부(8)의 하부에 설치된다.

상기 하부의 유동층부(8)는 기체 유속, 입자 크기 등의 운전 조건에 따라 최소 유동호 영역, 기포 유동층 영역, 난류 유동층 영역으로 나누어 운전되며, 사용되는 유동 매체에 따라서 희박상 영역부(10)를 조절하도록 제작되었다. 또한 유동층부(8)는 열효율이 좋고 빠른 열교환이 가능하며 유동매체가 농임산폐기물을 가열하는 방식으로 반응이 이루어진다. 유동층부(8)와 희박상 영역부(10)는 분리된 전기 가열기가 설치되어 있어 각각의 영역에서의 온도를 제어하여 생성물의 품질을 변화시키도록 되어 있다.

상기 희박상 영역부(10)로는 이중관 스크류 피더(20)와 연결된 투입관(22)이 연결되어 있으며 반응 가스가 피더로 역류하는 것을 막기 위하여 주입관이 희박상 영역부(10) 안으로 연결된다.

유동층부(8) 상부에는 농임산폐기물을 직접 유동층부(8)로 주입시킬 수 있는 예비 폐기물 주입관(9)이 있으며 유동층 하부에는 생성물인 촤가 배출되는 촤 배출관(7)이 설치되어 있다.

상기 싸이클론 및 기-액 분리부는 싸이클론(11), 미세입자 체집기(12), 다중 열교환기(13), 전기집진 시스템(15), 오일 포집기(14, 16), 생성가스배출관(17)으로 구성되어 있다.

상기 싸이클론(11)은 희박상 영역부(10)를 거쳐 유동층 열분해 및 가스화로 밖으로 배출되는 촤와 생성 가스 및 오일을 분리하는 장치로 생성가스가 배출되는 상부에 열전대를 설치하여 오일이 촤와 혼합되는 것을 방지한다.

또한 생성 가스와 오일을 분리하기 위하여 본 발명에서는 다중 열교환기(13)와 전기 집진 시스템(15)을 설치하였다.

상기 다중 열교환기(13)는 생성 가스를 냉각수와 열교환하여 기-액을 분리하는 것으로 액체(바이오오일) 생산량을 극대화하기 위하여 냉각 매체를 항온시스템에 연결하여 사용한다. 일부 액체가 분리된 생성 가스는 다중 열교환기의 하부를 통해 배출되어 전기 집진 시스템(15)에 주입된다.

상기 전기 집진 시스템(15)은 오일 미스트 형태로 생성 가스와 동반 배출되는 오일 성분을 포집하여 오일 수율을 극대화시킨다.

상기 생성가스배출관(17)을 통해 최종 배출된 가스는 유동층 열분해 및 가스화 반응기로 재주입되거나 예열관으로 주입되어 가스 또는 반응기의 온도를 높이는데 이용될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명 유동층 열분해 및 가스화 장치는 유동매체를 가열하여 반응을 일으키기 때문에 반응기의 온도보다는 유동 매체의 온도를 높이는 것이 매우 중요하다. 따라서 장치 운전 초기에는 오일, 가스 버너, 전기히터 등을 이용하여 유동 매체의 온도를 반응온도로 상승시킨다.

유동층(8)에 주입되는 매체는 사용되는 농임산폐기물의 양보다 최저 5배 이상을 주입하게 되기 때문에 유동 매체의 예열이 특히 중요하다.

유동매체를 예열하는 동안 예열기의 온도를 반응온도로 상승시키며 오일, 가스버너 등의 연소에 사용되는 공기의 온도도 상승시켜 빠른 시간에 유동층부(8)가 반응 온도에 도달하게 한다.

상기와 같은 본 발명 구성에 따라 농임산폐기물을 유동층 열분해 및 가스화시켜 바이오오일, 가스, 촤를 얻는 방법은 다음과 같다.

농임산폐기물을 이중 스크류(20)를 통해 희박상 영역부(10)로 주입시켜 농임산폐기물에 들어있는 수분이 생성가스와의 열교환을 통해 배출되는 건조 단계;

상기 건조된 농임산폐기물이 하부의 유동층부(8)로 떨어져 유동 매체와 급속하게 혼합되고 유동 매체가 보유한 열이 건조된 농임산폐기물로 전달되는 혼합 단계;

상기 전달된 열과 유동층부(8) 하부에서 주입된 반응가스에 의해 농임산폐기물이 분해되어 상부로 생성가스, 바이오오일 미스트 등을 배출하고 촤가 남게 되는 열분해 단계;

상기 남겨진 촤가 하부에서 주입된 반응가스(특히 산소)와 반응하여 수소, 일산화탄소 등의 합성가스를 만드는 가스화 단계;

상기 열분해 단계에서 만들어진 생성가스, 바이오오일 미스트가 싸이클론(11), 다중 열교환기(13), 전기 집진 시스템(15)를 거치며 기-액 분리를 통해 바이오오일 포집 및 생성가스 배출 단계로 이루어진다.

도 2는 본 발명에 따른 농임산 폐기물의 바이오오일, 가스, 촤 등의 전환 결과를 나타낸 그래프를 도시하고 있는데. 도 2의 (a)를 보면 온도가 증가함에 따라 오일 생성량은 증가하였다. 그러나 톱밥의 경우 2kg/h로 주입하였으며 왕겨는 1.4kg/h로 주입하였다. 따라서 전체 수율은 왕겨가 더 높게 나타났다. 소규모 장치에서는 450℃ 이상에서는 오일 생성량이 감소하였으나 pilot 장치에서는 온도가 증가함에 따라 오일 생성량이 지속적으로 증가하다가 500℃ 이상에서 증가폭이 감소함을 볼 수 있다. 이는 기존의 연구자들의 결과와 비슷하며 최적의 수율을 얻는 열분해 온도는 500-550℃ 임을 알 수 있다.

도2의 (b)에서는 400℃에서의 톱밥의 열분해에 따른 바이오오일, 촤, 비산회재의 발생량을 정리하였다. 도시된 바와 같이 톱밥은 회재와 촤의 함량이 작기 때문에 대부분이 바이오오일과 기체상으로 전환됨을 알 수 있다. 또한 농임산폐기물의 투입량을 증가시키면 바이오 오일의 생산량 및 수율이 모두 증가하였다. 바이오 오일의 생산량의 증가보다는 수율의 증가가 적었으며 이는 장치의 크기에 따라서 최적의 투입량이 존재함을 나타낸다.

도 3a 내지 3e는 본 발명에 따라 생성된 바이오오일의 성분 분석 결과 그래프로서, 동일한 농임산 폐기물을 이용하여 본 발명품에 따라 온도별로 생성된 바이오오일을 분석하여 나타낸 것이다. 또한 아래의 [표1]은 도 3a 내지 3e에 나타난 숫자들의 성분표인데, 도면에 나타난 피크 숫자뿐만 아니라 미 기재된 피크 숫자까지 포함되어 있다.

도면에서 볼 수 있듯이 반응온도를 증가시킬수록 반응기내에서의 이차분해반응이 진행되어 생성된 오일양의 감소와 함께 오일의 성분도 감소하는 것을 확인할 수 있다. 열분해 메카니즘에 따라 온도가 올라갈수록 페놀(Phenol)류가 늘고, GC 컬럼 내에서 비교적 머무름 시간이 긴 구아이아콜(guaiacol)류와 시린골(syringol)류가 높은 온도에서 분해되어 감소하거나 소거됨을 알 수 있다. 높은 온도에서는 1차분해에 의해 생성된 시린골(syringol)류와 구아이아콜(guaiacol)류가 2차분해되어 페놀(phenol) 류의 생성이 증가하게 된다.

유동층 열분해 및 가스화 장치에 의해 생성된 바이오오일은 원료물질에 따라 다소 다른 성상을 보였으며 목재, 왕겨, 음식물 쓰레기 모두 주생성물의 함량은 대부분 카보하이드레이트류였으나 나머지 성분은 조금씩 차이를 보였다. 참나무의 경우 구아이아콜류 > 페놀류 > 시린골류의 순을 보였으며, 낙엽송의 경우 시린골류 > 구아이아콜류 > 페놀류의 순으로 나타났다. 왕겨는 페놀류 > 구아이아콜류 > 시린골류, 음식물 쓰레기의 경우 구아이아콜류나 페놀류가 조금씩 검출되었으나 시린골류는 전혀 검출되지 않았다.

[표1] 바이오오일의 성분 분석표

No.	RT [min]	Compounds	Fast pyrolysis
No.	RT [min]	Compounds	Quercus	Larch A	Larch B	Rice husk	Food waste
		carbohydrates
1	2.98	acetic acid	o	o	o	o	o
2	3.08	acetol		o
3	3.25	propionic acid		o	o	o
6	4.98	butanoic acid
7	5.00	4-methyl-3-penten-2-one					o
8	5.07	cyclopentanone	o
14	7.76	acetoxyacetone	o	o	o	o
15	8.93	3-heptyne
16	8.99	2-methyl-2-cyclopenten-1-one	o		o	o
24	11.32	1-(acetyloxy)-2-butanone			o
28	13.25	corylone	o	o	o	o	o
29	13.68	2,3-diemthyl-2-cyclopenten-1-one	o		o	o
34	16.08	maltol			o	o	o
35	16.31	3-ethyl-2-hydroxy-2-Cyclopenten-1-one	o	o	o	o
41	18.19	naphthalene		o
55	21.93	5,5-dimethyl-2,4-imidazolidinedione					o
47	18.95	1,4:3,6-dianhydro-a-d-glucopyranose	o	o		o	o
57	22.33	benzenepropanoic acid	o
68	26.16	levoglucosan		o	o	o	o
70	27.38	2,3,5-trimethoxytoluene				o
76	32.86	phenanthrene
77	33.35	octadecane
78	35.36	nanadecane
79	35.88	hexadecanoic acid, methyl ester
80	37.28	eicosane
81	39.12	heneicosane
82	39.39	1-phenyl-naphthalene	o		o	o	o
83	39.98	linoleic acid
84	40.88	docosane
85	42.56	tricosane
86	44.18	tetracosane
87	46.22	docosanoic acid, methyl ester
88	46.33	docosanolide
		furans
11	6.20	Furfural	o	o	o
12	7.11	furfuryl alcohol	o	o	o	o
17	9.12	acetylfuran	o	o		o	o
18	9.19	dihydro-2(3H)-furanone				o
19	9.47	2(5H)-furanone		o	o	o
20	9.85	5-methyl-2(3H)-furanone	o	o	o
22	10.21	5-methyl-2(5H)-furanone		o	o
23	11.06	5-methylfurfural		o	o
25	11.59	3-methyl-2(5H)-furanone	o	o	o	o
		phenols
27	11.80	phenol	o	o	o	o	o
30	14.30	o-cresol	o	o	o	o	o
31	14.99	m- or p- cresol	o	o	o	o	o
32	15.14	2-ethyl-2,5-dimethylpyrazine					o
37	17.24	2.4-Xylenol	o		o	o
38	17.67	2,3-dihydroxybenzaldehyde			o	o
39	17.81	4-ethylphenol				o
40	17.86	3,4-xylenol		o		o
42	18.33	1,4-dimethoxybenzene				o
45	18.73	pyrocatechol	o	o	o	o
46	19.34	4-vinylphenol				o
50	20.46	3-methoxycatechol	o	o
51	20.60	3-methylcatechol		o	o	o
52	20.83	hydroquinone		o	o	o
54	21.30	4-methylcatechol	o	o	o	o
58	22.82	2-methylhydroquinone	o	o	o	o
61	23.26	3- or 4-hydroxybenzaldehyde				o
63	23.79	4-ethyl-1,3-benzenediol		o		o
		guaiacols
33	15.36	guaiacol	o	o	o	o	o
44	18.56	4-methylguaiacol(creosol)	o		o	o	o
49	19.72	5-hydroxymethylfurfural		o	o	o
53	21.04	4-ethylguaiacol	o	o	o	o
56	21.95	4-vinylguaiacol	o		o	o
60	23.15	eugenol	o	o	o	o
62	23.38	4-propylguaiacol
64	24.20	vanillin	o	o	o	o
65	24.46	trans-isoeugenol	o	o	o	o
66	25.50	cis-isoeugenol	o	o	o
69	26.38	acetovanillone(acetoguaiacone)	o		o	o	o
71	28.15	vanillic acid			o	o
72	30.14	homovanillic acid	o		o	o
		syringols
59	22.98	syringol	o	o		o	o
73	30.42	syringaldehyde	o	o		o
74	31.33	4-allylsringol	o
75	31.99	acetosyringone	o	o	o
		N-contained compounds
4	3.28	pyrazine					o
5	3.70	pyridine				o	o
9	5.61	2-methylpyridine				o	o
10	5.77	methylpyrazine					o
13	7.37	3-methylpyridine					o
21	9.87	3,4-dimethylpyridine				o
26	11.72	cyanobenzene					o
36	16.52	3-pyridinol					o
43	18.35	1,2,3-trimethylpyrazole					o
48	19.70	isoquinoline					o
67	25.89	parabanic acid					o

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그 와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 농임산폐기물을 단순한 촤 또는 목초액 만을 얻는 것이 아니라 단일 공정을 통해 바이오오일, 생성가스, 촤 등의 3가지 생산품을 동시에 얻을 수 있으며 톱밥, 왕겨, 음식물쓰레기, 축산 폐기물 등의 다양한 농임산폐기물들을 단일 공정을 통해 이용할 수 있다는 장점과,

또한 반응 온도, 기체 유량, 농임산폐기물의 처리량 등의 제어를 통해 생성물 성상과 생산량을 조절할 수 있다는 장점을 가진다.

따라서 본 발명에서 개발한 유동층 형태의 반응기는 높은 기-고 접촉효율, 높은 기체와 고체의 처리량, 기상과 고상의 낮은 축 방향 분산, 고른 온도 분포 및 뛰어난 단열 효과, 빠른 열전달에 따른 급속 열분해의 가능 등으로 인해 바이오오일의 수율을 극대화 할 수 있다는 효과를 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.

Claims

농임산폐기물을 담아두는 호퍼(19)와; 일정한 질량 속도로 농임산폐기물을 이송후 투입관(22)을 통해 주입하는 스크류 피더(20)와; 반응 가스의 역류를 방지하기 위한 기체를 주입하는 주입관(21)으로 구성된 시료 주입부와;

사용되는 기체가 저장되는 반응 기체 저장고(1, 2)와, 기체저장고에서 이송되는 반응가스의 속도를 제어하는 전자식 유량계(3)와, 기체를 반응온도로 가열시키는 예열관(4)으로 이루어진 기체 예열 주입부와;

상기 예열관(4)을 통해 예열된 가스가 유동층 반응기로 주입되는 반응기체 분배기(5), 유동 매체가 존재하는 하부의 유동층부(8)와 대부분 기체로 이루어진 상부의 희박상영역부(10), 반응 기체를 분산시키는 기포형 분산판(6), 생성된 촤를 배출하는 배출관(7), 농임산폐기물을 유동층(8)으로 직접 주입시킬 수 있는 예비 폐기물 주입관(9)으로 이루어진 유동층 열분해 및 가스화 반응기와;

생성된 촤와 생성 가스 및 오일을 분리하는 싸이클론(11)과; 사이클론으로부터 공급되는 생성 가스와 오일을 분리하기 위하여 그 후단에 순차적으로 설치된 다중 열교환기(13) 및 전기집진 시스템(15)과; 전기 집진시스템 후단에 설치되어 최종 생성가스를 배출하는 생성가스배출관(17); 상기 싸이클론 하부에 장치된 미세입 자 체집기(12)와; 상기 다중 열교환기(13) 하부에 장치된 오일 포집기(14)와; 상기 전기집진 시스템(15) 하부에 장치된 전기 집진 오일 포집기(16)로 구성된 싸이클론 및 기-액 분리부;를 포함 구성하여 농임산폐기물의 열분해 및 가스화를 이용해 동시에 바이오오일, 생성가스, 촤로 전환토록 구성한 것을 특징으로 하는 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치.
제 1항에 있어서,

상기 유동층 열분해 및 가스화 반응기는 농임산폐기물이 안정적으로 장치에 투입되도록 희박상영역부(10)와 시료 주입부의 수직관인 투입관(22)이 침투되어 구성되고, 유동층부(8)와 희박상 영역부(10)는 기체 유량 조절로 구분되도록 구성된 것을 특징으로 하는 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치.
제 1항에 있어서,

상기 싸이클론 및 기-액 분리부는 생성된 바이오오일 수율을 극대화하기 위하여 다중 열교환기(13)를 냉각 매체를 이용하여 열교환토록 구성하고, 전기 집진 시스템(15)은 오일 미스트를 전기 흡착 방식으로 포집토록 구성한 것을 특징으로 하는 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치.
제 1항에 있어서,

상기 정량 주입을 위해 사용되는 스크류 피더(20)는 반응기로부터 전달된 열이 피더 안에서 농임산 폐기물의 건조를 시키는 것을 방지할 수 있는 이중관 구조로 구성한 것을 특징으로 하는 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치.
제 1항에 있어서,

상기 싸이클론(11)은 희박상 영역부(10)를 거쳐 유동층 열분해 및 가스화로 밖으로 배출되는 촤와 생성 가스 및 오일을 분리하는 장치로 생성가스가 배출되는 상부에 열전대를 설치하여 오일이 촤와 혼합되는 것을 방지토록 구성한 것을 특징으로 하는 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치.
제 1항 또는 3항 중 어느 한항에 있어서,

상기 다중 열교환기(13)는 생성 가스를 냉각수와 열교환하여 기-액을 분리하는 것으로 액체(바이오오일) 생산량을 극대화하기 위하여 냉각 매체를 항온시스템에 연결 구성하고, 일부 액체가 분리된 생성 가스는 다중 열교환기의 하부를 통해 배출후 전기 집진 시스템(15)에 주입토록 구성한 것을 특징으로 하는 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치.
제 1항에 있어서,

상기 생성가스배출관(17)을 통해 최종 배출된 가스를 유동층 열분해 및 가스화 반응기로 재주입되거나 예열관으로 주입되어 가스 또는 반응기의 온도를 높이도록 구성한 것을 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치.
제 1항 내지 7항 중 어느 한항의 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치를 구비한 후,

농임산폐기물을 이중 스크류피더(20)를 통해 희박상 영역부(10)로 주입시켜 농임산폐기물에 들어있는 수분이 생성가스와의 열교환을 통해 배출되는 건조 단계;

상기 건조된 농임산폐기물이 하부의 유동층부(8)로 떨어져 유동 매체와 급속하게 혼합되고 유동 매체가 보유한 열이 건조된 농임산폐기물로 전달되는 혼합 단계;

상기 전달된 열과 유동층부(8) 하부에서 주입된 반응가스에 의해 농임산폐기물이 분해되어 상부로 생성가스, 바이오오일 미스트 등을 배출하고 촤가 남게 되는 열분해 단계;

상기 남겨진 촤가 하부에서 주입된 반응가스와 반응하여 합성가스를 만드는 가스화 단계;

상기 열분해 단계에서 만들어진 생성가스, 바이오오일 미스트가 싸이클론 (11), 다중 열교환기(13), 전기 집진 시스템(15)을 순차적으로 거치며 기-액 분리를 통해 바이오오일 포집 및 생성가스 배출 단계로 이루어져 농임산폐기물을 유동층 열분해 및 가스화시켜 바이오오일, 가스, 촤를 단일 공정으로 얻는 방법을 특징으로 하는 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 방법.
제 8항에 있어서,

상기 반응가스는 산소의 농도를 0%-21% 까지 조절하도록 공기와 질소가 동시 또는 단독으로 공급되어 이루어진 가스인 것을 특징으로 하는 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 방법.
제 8항에 있어서,

상기 합성가스는 수소와 일산화탄소인 것을 특징으로 하는 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 방법.
제 8항에 있어서,

상기 유동층부(8) 하부에 주입되는 반응가스는 예열관(4)을 통해 200∼700℃까지 기체 온도를 상승시켜 유동층 반응기에서의 열분해 및 가스화 반응을 촉진시 키는 예열 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 방법.
제 8항에 있어서

상기에서 생성되는 바이오오일 성분은 아세틱산, 아세톨, 나프탈렌, 레보글루코산, 퓨란, 페놀, 크레솔, 구아이아콜, 시링골으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 장치.농임산폐기물의 유동층 열분해 및 가스화 방법.