KR20110137345A

KR20110137345A - 바이오매스의 재활용 방법 및 시스템 그리고 블록 열 발전 설비

Info

Publication number: KR20110137345A
Application number: KR20117023549A
Authority: KR
Inventors: 베른드 요하네스 크로이스
Original assignee: 이.온 안라겐서비스 게엠베하
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-12-22
Also published as: RU2011141417A; CN102348649A; US20120111715A1; CA2755375A1; BRPI1009134A2; JP2012520166A; DE102009012668A1; EP2406190A1; EP2406190B1; WO2010102854A1

Abstract

본 발명은 생물성 매스, 특히 슬러지를 재활용하기 위한 방법에 관한 것으로서, 재활용하고자 하는 재료가 먼저 건조되고, 이후 열분해 가스를 생성하기 위하여 열분해 반응기 안에서 열분해된다. 본 발명에 따른 방법은, 상기 재료가 서로 연속으로 배열된 적어도 두 개의 건조 스테이지들을 통해 가열 건조 되고, 재료의 운송 방향에서 하류의 건조 스테이지의 폐열이 상대적으로 상류에 있는 건조 스테이지를 위한 공정열로서 사용된다는 점을 특징으로 한다. 본 발명은 추가로 생물성 매스, 특히 슬러지를 재활용하기 위한 시스템에 관한 것이다.

Description

바이오매스의 재활용 방법 및 시스템 그리고 블록 열 발전 설비{METHOD AND SYSTEM FOR RECLAMATION OF BIOMASS AND BLOCK HEATING PLANT}

본 발명은 생물성 매스(biogenic mass), 특히 하수 슬러지(sewage sludge)를 활용하기 위한 방법에 관한 것으로서, 활용하고자 하는 재료를 먼저 건조하고, 그 후 열분해 가스(pyrolysis gas)를 생성하기 위하여 열분해 반응기(pyrolysis reactor) 안에서 열분해(thermally decomposed)시킨다. 본 발명은 추가로 생물성 매스를 활용하는 시스템에 관한 것이다.

여러 해 동안, 생물성 매스의 활용, 특히 대안적인 에너지 공급원으로의 사용은 집중적인 연구의 주제가 되어왔다. 포괄적인 용어인 "생물성 매스"(biogenic mass)는 독일 바이오매스 법령(German Biomass Ordinance)에 따른 "바이오매스", 다시 말하자면, 채소 잔유물, 채소 및 동물성 폐기물 및 부산물, 바이오폐기물(biowaste), 폐목재 등과 또한 재활용 공정 폐기물, 그리고 가정 및 산업 하수 슬러지들을 포함한다.

특히, 하수 슬러지의 활용 및 처치는 다양한 방법으로 가능한데, 최근 들어서는 문제점이 있다고 밝혀졌다. 원칙적으로 하수 슬러지는 경작지에 매립(농업적 활용)함으로써 활용할 수 있다. 비록 이 방법이 독일 하수 슬러지 법령(German Sewage Sludge Ordinance)의 규정들에 따라 허용되고 있기는 하지만, 비료로 사용하게 되면 장기적으로 보았을 때에는 토양의 오염 및 부담을 가져오고, 그 토양에서 경작된 곡식으로부터 생산된 식품에 유해 물질들이 증가하게 된다. 또한 경작지에 하수 슬러지를 매립하는 것은 높은 운송비용을 계속적으로 발생시키고, 따라서 고비용 및 이산화탄소 배출이 추가적인 단점으로 지적되고 있다.

중앙 발전 설비에서 하수 슬러지를 함께 소각하는 것도 원칙적으로 가능하지만, 이것 역시 큰 운송 부피의 문제가 있는데, 이는 대략 25 % 밖에 되지 않는 고체 비율(나머지 75 %는 수분)을 가진 하수 슬러지를 발전 설비까지 운송해야 하기 때문이다. 발전 설비에서는 슬러지가 복잡하고 에너지 소모적인 건조 과정을 거쳐야 하므로, 이후에 건조된 하수 슬러지를 함께 소각함으로써 추가로 얻어지는 열에너지는 상기 건조 과정에서 거의 소모된다. 따라서 에너지 공급자에게 있어서 에너지 관점에서는 아무런 이점이 없다.

분산되어 있는 발전 설비들에서 하수 슬러지를 소각하는 것 또한 공정 비용의 감소 측면에서 성공적이지 않다. 비록 운송 경로가 일반적으로 짧아지기는 하지만, 역시 소각 공정을 통해 얻어지는 에너지가 건조 공정을 위해 소비되는 에너지에 비하여 너무 낮다. 또한, 소각 공정을 추가적인 연료를 사용하면서 유지시켜야 하는데, 대체적으로 이는 궁극적으로 양의 에너지 균형이 이루어지도록 하는 것일 뿐이다.

마지막으로 하수 슬러지를 활용하는 또 다른 가능한 방법은 바이오가스 시스템(biogas system)에서의 발효를 포함한다. 그러나 이 경우의 주요 단점은, 바이오가스의 생산량이 너무 낮아서 이 방법의 효율도 역시 매우 낮다는 점이다.

상기와 같은 종래 기술로부터 출발하여, 본 발명의 목적은 생물성 매스, 특히 하수 슬러지를 활용하는 방법 및 시스템을 제공하는 것으로서, 상기 활용에 의해 생성되는 에너지와 관련하여, 이 방법 및 시스템은 처리되는 생물성 매스의 에너지 함량에 근거하여 높은 효율로 운용될 수 있어야 한다.

본 발명에 따르면, 재료가 연속으로 배열된 적어도 두 개의 건조기 스테이지들에서 재료가 가열 건조되고, 상기 재료의 운송 방향에서 하류에 배치된 건조기 스테이지의 폐열(waste heat)이 상류에 배치된 건조기 스테이지를 위한 공정열(process heat)로서 사용되는, 특허청구범위의 청구항 1의 도입부에 따른, 생물성 매스, 특히 하수 슬러지를 활용하기 위한 방법에 의하여 상기 목적이 성취된다.

본 발명에 따른 방법의 구체적인 장점은, 하류 건조 스테이지의 폐열을 상류 건조 스테이지에서 유용한 열로 사용함에 따라, 생물성 매스의 필요한 건조를 위하여 제공되는 에너지가 전체적으로 최소화될 수 있고, 따라서 예를 들어 열분해 공정 중에 열분해 가스의 연소 과정에서 얻어지는 에너지가 생물성 매스의 건조를 위해 사용되는 에너지보다 훨씬 커지게 되는데, 이는 종래 기술의 비교 대상 방법들에서는 가능하지 않았던 것이다. 이와 관련하여, 본 출원인의 계산 결과는, 생물성 매스로부터의 에너지 회복이 그 에너지 함량에 근거하여 80 %까지도 가능하다는 것을 보여주었다.

본 발명에 따른 방법의 또 다른 장점은, 완전히 분산된 방식으로 운용될 수 있다는 것인데, 예를 들어 생물성 매스가, 말하자면 하수 처리 시설 인근의 하수 슬러지의 경우에, 그 발생지 위치의 근처에서 건조되고 열분해될 수 있고, 그 후 예를 들어 전기를 생성하기 위한 가스 터빈, 내연 엔진, 또는 스털링 엔진(Stirling engine)과 같은 발전기에 연결된 연료 전지 또는 가열 엔진에서 열분해 가스가 선택적으로 사용될 수 있다. 블록형 열 발전 설비에서 사용하는 경우에는, 전기에 추가로 유용한 열이 얻어질 수 있고, 따라서 본 발명에 따른 방법은 바람직한 전력-열-동시생성의 증가된 활용이라는 측면에서도 의미가 있다.

적어도 두 개의 건조기 스테이지들은 상류 건조 스테이지로서 적어도 하나의 저온 건조기와 하류 건조 스테이지로서 적어도 하나의 고온 건조기를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 케스케이드형 건조 공정에서 고온 스테이지의 폐열은 저온 스테이지에서의 공정열로 사용 가능하게 되어, 시스템 내에서 활용, 즉 시스템에 내재하는 공정에 활용된다. 저온 스테이지 및 고온 스테이지에 더하여, 추가적인 건조 스테이지들이 제공되고, 이에 따라 다수의 건조 스테이지들로 형성된 건조기 케스케이드가 형성될 수도 있음을 이해할 수 있는데, 이때 건조시키고자 하는 재료의 운송 방향으로 하류에 있는 각각의 다음 고온 건조 스테이지는 자신의 폐열이 더 낮은 온도에 있는 상류의 건조 스테이지 또는 건조 스테이지들에서 공정열로서 사용될 수 있도록 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 열분해 반응기를 가열하는 보조 연소기의 폐기 가스의 열이 상류 건조 스테이지 및/또는 하류 건조 스테이지에서의 공정열로서 사용된다. 이 경우에, 본 발명의 기반이 되는 원칙이 확대되어, 고온 건조 스테이지와 비교하여 훨씬 높은 온도 수준에 있는 열분해 반응기의 폐열이 하나 이상의 건조 스테이지에서 공정열로서 사용될 수 있도록 제공된다. 일반적으로는, 온도가 증가하는 공정 스테이지들의 케스케이드에 있어서, 하류 공정 스테이지의 폐열이 저온의 상류 공정 스테이지에서 공정열로서 사용될 수 있도록 제공된다.

더 나아가, 열분해 반응기에서 발생한 고온의 열분해 가스의 열이 또한 상류 건조 스테이지 및/또는 하류 건조 스테이지에서 공정열로서 사용될 수 있다. 따라서 열분해 가스의 높은 열에너지 함량은 열분해 반응기의 상류에 배열된 건조 스테이지들로 공급되어, 전체 공정의 효율이 더욱 증가된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 열분해 반응기에서 발생한 상기 열분해 가스는 열분해 가스의 에너지 함량을 전기로 변환하기 위하여 에너지 변환기에 공급된다.

열분해 가스의 화학적 에너지 함량을 전기로 직접 변환할 수 있는 연료 전지는, 발전기를 가동시키는 열 엔진(heat engine), 특히 가스 터빈, 내연 엔진, 또는 스털링 엔진과 마찬가지로, 하나의 에너지 변환기로서 취급될 수 있다.

열 엔진의 경우에, 공정 효율을 더욱 증가시키기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 열 엔진의 폐기 가스들의 열이 상류 건조 스테이지 및/또는 하류 건조 스테이지에서의 공정열로서 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 적어도 두 건조 스테이지들 중 각각은 각자의 열전달 회로, 특히 열매체 회로(thermal oil circuit)를 통하여 공정열을 공급 받는다. 실제적으로, 폐열은 특히 배출 증기(exhaust vapour)의 형태, 즉 증기-공기 혼합물의 형태로, 본 발명에 따라 상류 건조 스테이지를 위한 공정열로서 사용되도록 상류 건조 스테이지의 열전달 회로에 통합된 열교환기에 의하여, 하류 건조 스테이지로 전달될 수 있다.

열분해 가스로 작동되는 열 엔진의 경우에, 만약 그 폐기 가스의 폐열이 상류 건조 스테이지 및/또는 하류 건조 스테이지의 공정열로서 사용된다면, 현실에서 이러한 방식은, 해당 건조 스테이지의 열전달 회로에 통합된 폐기 가스 열 교환기를 통과하여 열 엔진의 폐기 가스들이 운송되는 방식으로 구현된다. 특히 먼저 하류 건조 스테이지의 열전달 회로에 통합된 폐기 가스 열 교환기를 통과하여 폐기 가스를 운송하고, 이후 상류 건조 스테이지의 열전달 회로에 통합된 열 교환기를 통과하여 운송하도록 하는 것이 가능하다.

건조 스테이지로부터 흘러나오는 배출 증기는 또한, 적어도 부분적으로, 자체 건조 스테이지를 위해 필요한 공정열을 공급할 수 있는데, 이는 배출 증기의 적어도 일부가 먼저 추가적인 에너지를 이용하여 압축되고, 가열된 후, 해당 건조 스테이지의 열전달 회로에 통합된 열 교환기 내에서 응축되어서, 그 응축 엔탈피(condensation enthalpy)가 열전달 회로에 공급되고 열전달 매체가 가열되는 방식으로 이루어진다. 이 경우, 건조 스테이지의 폐열은 열 펌프(heat pump)의 방식으로 압축에 의하여 더 높은 온도 수준으로 높여지고, 이후 응축기로 기능하는 열 교환기를 통하여, 유용한 열의 형태로 건조 스테이지에 공정열을 공급하는 열전달 회로 속으로 다시 공급된다.

본 발명의 또 다른 유익한 실시예에 따르면, 열분해 반응기에서 생성된 열분해 가스의 일부는, 상류 및/또는 하류 건조 스테이지의 열전달 회로에 통합된 보일러, 특히 열매체 보일러의 연소기를 위한 연료로서 사용된다. 상기 보일러는 하류 건조 스테이지의 열전달 회로에 배열되고, 상기 보일러 연소기의 폐기 가스가 이후 상류 건조 스테이지의 열전달 회로에 통합된 열 교환기를 통과하도록 유도되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 분기된 열분해 가스의 에너지 함량은 적어도 두 개의 건조 스테이지들 모두를 위하여 특히 효율적인 방식으로 사용된다.

또한 열분해 반응기에서 생성된 열분해 가스의 일부가 열분해 반응기 자체의 보조 연소기를 위한 연료로서 사용될 수도 있다. 그 결과, 시스템이 추가의 연료 없이 기본적으로 독립적으로 작동될 수 있다.

또한 건조된 재료의 열분해 동안 생성된 열분해 코크스가 기화장치(gasifier)에 공급되고, 그 장치에서 기화(gasification)에 의해 생성된 옅은 가스가 열분해 반응기를 위한 보조 연소기에 연료로서 공급될 수도 있다. 이는, 특히 일반적으로 사용되지 않는 열분해 산출물들의 에너지, 이 경우에는 열분해 코크스가 본 방법에서 직접 사용됨으로 인하여, 공정 효율을 향상시킬 수 있는 추가적인 가능성을 제공한다.

장치의 관점에서, 본 명세서의 도입부에 언급한 목적은, 청구범위 청구항 17의 전제부에 따른, 생물성 매스, 특히 하수 슬러지를 활용하기 위한 시스템을 사용하여 성취되는데, 이때 건조 장치는 재료의 운송 방향에서 연속으로 배열된 적어도 두 개의 건조 스테이지들을 포함하고, 상기 건조 스테이지들은 재료의 운송 방향에서 하류에 배열된 건조 스테이지의 폐열이 상류에 배열된 건조 스테이지를 위한 유용한 열로서 사용될 수 있도록 서로 결합된다.

위에서 언급한 설명들은 본 발명에 따른 시스템의 장점과 관련하여서도 마찬가지로 적용된다.

아래에서 본 발명은 하나의 실시예를 도시하고 있는 도면들을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다.

도 1은 하수 슬러지로부터 전기를 생성하는 시스템의 블록선도를 보여주는 도면이다.
도 2는 바람직한 하나의 실시예에 따른, 열매체 회로를 포함하는 저온 건조기의 블록선도를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에서 보인 시스템의 열분해 반응기의 바람직한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 4는 하수 슬러지를 활용하는 방법을 도시하는 흐름도이다.

도 1에서 블록선도의 형태로 개략적으로 도시된, 생물성 매스로서의 하수 슬러지로부터 전기를 생성하기 위한 시스템은 하나의 건조 장치(1)를 포함하는데, 이 장치를 통하여 하수 슬러지가 공급 지점(1a)에 도입되고, 운송되고, 건조된다. 상기 건조 장치는 두 개의 건조 스테이지들, 즉 저온 건조기(3) 및 고온 건조기(4)로 나뉘어 진다. 추가적인 건조 스테이지들이 추가될 수도 있다(이 경우는 도면 생략).

열분해 반응기(2)는 처리 방향에서 고온 건조기(4)의 뒤에 배치되고, 보조 연소기(2a)에 의하여 가열된다. 열분해 공정 중에, 건조 장치(1) 내의 하수 슬러지는 열분해되고, 이때 열분해 가스(일반적으로 질소, 이산화탄소, 수소, 일산화탄소, 및 고차 탄소 원소들로 구성)와, 추가적인 산출물로서 열분해 코크스 및 더 이상 사용할 수 없는 재가 생성된다.

상기 열분해 가스는 라인(25)을 통하여 열분해 반응기(2)로부터 빠져나가서 열 엔진, 이 경우에는 전기를 생성하기 위한 발전기(5a)에 연결된 가스 터빈(5)에 도달한다. 내연 엔진, 스털링 엔진, 또는 열분해 가스의 화학적 에너지를 직접 전기로 변환시키는 연료 전지도 또한 가스 터빈 대신에 제공될 수 있다.

건조 장치(1)의 개별적인 건조 스테이지들로서 고온 건조기(4) 및 저온 건조기(3) 각각은, 해당 건조 스테이지(3, 4)에 공정열을 공급하는 열전달 회로, 즉 이 경우 열매체 회로(30, 40)를 포함한다. 상기 열매체 회로(30, 40)들은 서로 결합될 수 있는데(도 1에는 생략), 이는 특히 안정적인 가동 상태에 도달할 때까지 하수 슬러지의 빨리 건조시키도록 시스템을 기동하는 경우에 유익하다.

열매체 및 열 교환기(42)를 가열하기 위한 열매체 보일러(41)는 고온 건조기(4)의 열매체 회로(40)에 이어서 배치된다. 상기 열매체 보일러(41)는 그 부재로서, 연료 공급 라인(43)이 열분해 가스 라인(25)에 연결된 보조 연소기(41a)를 포함한다. 따라서 상기 보조 연소기(41a)는 열분해 반응기(2)에서 생성된 열분해 가스를 연료로 하여 작동한다. 상기 열 교환기(42)에서는, 상기 가스 터빈(5)으로부터의 폐기 가스 라인(52)을 통하여 흘러나오는 고온의 폐기 가스에 의하여, 열매체 회로(40) 내의 열매체 순환이 추가적으로 가열된다.

본 실시예에서는 총 다섯 개의 열 교환기들(31 내지 35)이 저온 건조기(3)의 열매체 회로(30)에 연속으로 배열된다. 열매체 회로(40)에 배치된 열매체 보일러(41)의 연소기(41a)의 폐기 가스들은 열 교환기(31)를 통과하여 흐른다. 열 교환기(31)로부터 흘러나오는 폐기 가스들의 잔류열은 손실된 열로 빠져나간다. 차례로, 가스 터빈(5)의 폐기 가스들은, 열매체 회로(40)에 배치된 열 교환기(42)를 통과하여 지난 후에, 열 교환기(32)를 통과하여 흐른다. 명확한 설명을 위하여, 열 교환기(42, 32)들의 연결은 도 1에서 단순히 도면 부호 C-C로만 표시되었다. 상기 열 교환기(32)를 통과한 후에 가스 터빈의 폐기 가스들의 잔류열은 마찬가지로 손실된 열로 빠져나가고, 열매체 회로(30) 내에서 순환하는 열매체는 다시 가열된다.

상기 열매체 회로(30)의 열매체는 열분해 반응기(2)의 보조 연소기(2a)의 폐기 가스들에 의하여 추가적으로 가열된다. 이를 위하여 이 폐기 가스들은 폐기 가스 라인(23)을 통과하여 그 라인과 통합된 열 교환기(33)속으로 흘러간다.

추가로, 고온 건조기(4) 흐름으로부터 빠져나가는 배출 증기가 통과하는 라인(44)은, 상기 배출 증기가 열 교환기(34)를 통과하여 흘러서 그 열에너지의 일부가 열매체에 전달되도록, 상기 열매체 회로(30)의 열 교환기(34)에 연결된다.

마지막으로, 열 교환기(35)가 저온 건조기(3)의 열매체 회로(30)에 배치된다. 열분해 반응기(2)로부터 빠져나오는 고온 열분해 가스는 상기 열 교환기를 통과하여 흘러서, 그 열의 일부가 열매체에 전달되도록 한다.

도 2는 저온 건조기(3)의 특히 바람직한 하나의 실시예에 대한 블록선도를 보여준다. 추가적인 열 교환기(37)가 저온 건조기(3)의 열매체 회로(30)에 통합된다. 명확한 설명을 위하여, 위에서 설명한 열 교환기들(31 내지 35)은 도 2에서 생략되었다. 도 2의 배치에서 보인 것처럼, 저온 건조기(3)로부터 흘러나오는 배출 증기는 압축기(36)에서 압축되고 더 높은 온도로 높여져서, 이후 압축된 배출 증기 흐름으로서 라인(38)을 통하여 열 교환기(37)에 흘러가고, 상기 열 교환기는 응축 열 교환기로서 작용한다. 따라서 상기 배출 증기는 열 교환기(37)를 통과하는 동안 액화되고, 그 응축열(condensation heat)이 열매체 회로(30)의 열매체에 전달된다. 크게는 열 펌프(heat pump)의 작동 원리에 대응하는 상기 구조 덕분에, 압축기에서 추가적 에너지의 사용을 이용하여 저온 건조기(3)에서의 건조 공정을 위한 추가적인 공정열이 매우 효율적으로 제공될 수 있다.

도 3은 도 1에 보인 시스템의 열분해 반응기(2)의 특히 바람직한 하나의 실시예에 대한 블록선도를 보여준다. 도 1의 블록선도에서 이미 알려진 구성요소들은 동일한 도면 부호들을 갖는다. 도 3에서 도시된 구성의 특징은, 열분해 공정 중에 생성된 열분해 코크스가 라인(24)을 통해 반응기로부터 회수되어, 종래 기술에서 그 자체로 알려져 있는 방식으로 열분해 코크스가 기화되는 기화 장치 스테이지(26)에 공급된다는 점이다. 생성된 린 가스(lean gas)는 세정 스테이지(27)에서 세정된 후, 열분해 반응기(2)의 보조 연소기(2a)에 추가적인 연료로서 공급된다. 따라서 추가적인 열분해 산출물, 이 경우 열분해 코크스가 공정 과정에서 에너지원으로 활용됨에 따라, 본 방법의 전체적인 효율이 더욱 향상된다.

하수 슬러지로부터 전기를 생성하기 위한, 도 1의 시스템에서 발생하는 과정이 아래에서는 도 1과, 도 4의 개략적인 흐름도를 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.

첫 번째 단계에서는, 건조 상태에서의 물질 함량이 보통 대략적으로 25 %(나머지 75 %는 수분)인 건조하고자 하는 하수 슬러지가 시스템에 공급되고, 저온 건조기(3)로 운송되어 사전 건조된다. 이때 슬러지는 저온 건조기(3)를 떠날 때의 건조 물질 함량이 대략 40 %가 될 때까지 건조된다. 상기 저온 건조기(3)는 열매체 회로(30)에 의하여 필요한 공정열을 공급받는다. 이후 사전 건조된 재료는 고온 건조기(4)로 운송되고, 최종 건조 정도에 이를 때까지 건조된다. 고온 건조기(4)에서 생성된 배출 증기는 라인(44)을 통하여 저온 건조기(3)의 열매체 회로(30)에 제공된 열 교환기(34)로 운송되고, 자신의 열의 일부를 열매체 회로(30) 안을 순환하는 열매체에 전달한다. 따라서 그 결과로, 재료의 운송 방향에서 하류에 배치된 건조 스테이지의 폐열, 즉 고온 건조기(4)의 폐열이, 상류에 배치된 건조 스테이지, 즉 저온 건조기(3)를 위하여 공정열로서 사용된다.

이후 건조 물질 함량이 대략 85 %로 건조된 재료가 열분해 반응기(2)로 공급되고, 그 곳에서 바람직하게는 종래 기술에서 그 자체로 알려진 바와 같이, 상기 재료가 무산소 상태로 두 스테이지의 열분해 과정을 통해 열분해된다. 이를 위하여 필요한 열은 보조 연소기(2a)를 사용하여 생성된다. 생성된 상기 연소기의 폐기 가스는 라인(23)을 통하여 저온 건조기(3)의 열매체 회로(30) 안에 제공된 열 교환기(33)에 공급되고, 상기 연소기 폐기 가스의 열도 역시 건조 스테이지, 즉 이 경우 저온 건조기(3)에서 공정열로서 사용된다.

열분해 반응기(2)에서 생성된 열분해 가스는 라인(25)을 통해 열분해 반응기(2)를 빠져나가고, 먼저 먼지 분리기(dust separator)(21)를 통과하는데, 여기서 열분해 가스 흐름 내에 아직 포함된 모든 먼지들이 분리된다. 도 1에서 볼 수 있는 것처럼, 이후 열분해 반응기(2)에서 생성된 열분해 가스의 열이 다시 본 건조 스테이지에 공정열로서 공급될 수 있도록, 열분해 가스가 열 교환기(35)를 통과하여 흐르게 된다.

상기 열 교환기(35)를 통과하기 전에, 열분해 가스 흐름의 일부는 라인(25)로부터 분기하여 라인(22, 43)로 들어간다. 상기 라인(22)으로 공급된 열분해 가스는 열분해 반응기(2)의 보조 연소기(2a)를 가동하는 연료로서 사용되고, 상기 라인(43)으로 공급된 일부는 고온 건조기(4)의 열매체 회로(40) 안에 배치된 열매체 보일러(41)의 보조 연소기(41a)에 연료로서 공급된다. 따라서 열분해 반응기(2)에서 생성된 열분해 가스 안에 포함된 화학적 에너지는 전체 공정을 유지하도록 특히 효율적인 방식으로 사용된다.

상기 라인(25)을 통과하여 흐르는 열분해 가스는 이후 가스 터빈(5)으로 공급되는데, 여기서 상기 가스가 연소되고, 상기 가스 터빈(5)은 발전기(5a)를 구동시킨다. 가스 터빈의 폐기 가스는 라인(52)을 통해서 고온 건조기(4)의 열매체 회로(40) 안에 배치된 열 교환기(42)에 공급된 후, 저온 건조기(3)의 열매체 회로(30) 안에 배치된 열 교환기(32)에 공급되어, 가스 터빈의 폐기 가스 내에 포함된 열이 두 개의 건조 스테이지(3, 4)에 공정열로서 사용될 수 있도록 한다.

전체 공정의 전반적인 효율을 향상시키기 위하여, 증가하는 공정 온도를 가진 복수-스테이지 공정에서 공정열의 형태로 특정 온도의 공정 단계에서 발생한 폐열을 낮은 온도를 가진 하나 이상의 상류 공정 단계들에 제공하는 원리가 위에서 설명한 방법을 통해 구현되었다.

Claims

생물성 매스, 특히 하수 슬러지를 활용하는 방법으로서, 활용하고자 하는 재료를 먼저 건조시킨 후, 열분해 가스를 생성시키기 위해 열분해 반응기(2)에서 열분해시키는 생물성 매스 활용 방법에 있어서,
상기 재료가 연속으로 배열된 적어도 두 개의 건조 스테이지(3, 4)에서 열분해되고, 재료의 운송 방향에서 하류에 배치된 건조 스테이지(4)의 폐열이 상류에 배치된 건조 스테이지(3)를 위한 공정열로서 사용되는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제1항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 건조 스테이지(3, 4)들은 상류 건조 스테이지로서 적어도 하나의 저온 건조기(3)와 하류 건조 스테이지로서 적어도 하나의 고온 건조기(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
열분해 반응기(2)를 가열하는 보조 연소기(2a)의 폐기 가스의 열이 상류 건조 스테이지(3) 및/또는 하류 건조 스테이지(4)에서 공정열로 사용되는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
열분해 반응기(2)에서 생성된 열분해 가스의 열이 상류 건조 스테이지(3) 및/또는 하류 건조 스테이지(4)에서 공정열로 사용되는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
열분해 반응기(2)에서 생성된 열분해 가스가, 열분해 가스의 에너지 함량을 전기로 변환하기 위하여, 에너지 변환 유닛(5)에 공급되는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제5항에 있어서,
상기 에너지 변환 유닛이 연료 전지인 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제5항에 있어서,
상기 에너지 변환 유닛이 발전기에 연결된 열 엔진, 특히 가스 터빈(5), 내연 엔진, 또는 스털링 엔진인 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제7항에 있어서,
상기 열 엔진(5)의 폐기 가스의 열이 상류 건조 스테이지(3) 및/또는 하류 건조 스테이지(4)에서 공정열로 사용되는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 두 개의 건조 스테이지(3, 4)들 각각은 자체적인 열전달 회로(30, 40), 특히 열매체 회로를 통하여 공정열을 공급받는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제9항에 있어서,
상기 폐열은 특히 배출 증기의 형태로, 상류 건조 스테이지(3)의 열전달 회로(30)에 통합된 열 교환기(34)를 통하여, 하류 건조 스테이지(4)에 전달되는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서,
적어도 두 개의 건조 스테이지(3, 4)들 중 적어도 하나에서, 건조 스테이지(3)로부터 빠져나오는 배출 증기의 적어도 일부가 먼저 압축되고, 그 후 해당 건조 스테이지(3)의 열전달 회로(30) 안에 통합된 열 교환기(37) 내부에서 응축되어, 응축 엔탈피가 열전달 회로에 전달되는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
열분해 반응기(2)에서 생성된 열분해 가스의 일부가 상류 및/또는 하류 건조 스테이지(3, 4)의 열전달 회로(40) 안에 통합된 보일러(41), 특히 열매체 보일러의 연소기(41a)를 위한 연료로서 사용되는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제12항에 있어서,
상기 보일러(41)는 하류 건조 스테이지(4)의 열전달 회로(40) 안에 배치되고, 보일러 연소기(41a)의 폐기 가스가 상류 건조 스테이지(3)의 열전달 회로(30) 안에 통합된 열 교환기(31)를 통과하도록 유도되는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항 및 제8항에 있어서,
열 엔진(5)의 폐기 가스는 먼저 하류 건조 스테이지(4)의 열전달 회로(40) 안에 통합된 폐기 가스 열 교환기(42)를 통과하도록 유도되고, 그 후 상류 건조 스테이지(3)의 열전달 회로(30) 안에 통합된 열 교환기(32)를 통과하도록 유도되는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
열분해 반응기(2)에서 생성된 열분해 가스의 일부가 열분해 반응기(2)의 보조 연소기(2a)를 위한 연료로 사용되는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 건조된 재료의 열분해 중에 생성된 열분해 코크스가 기화장치에 공급되고, 기화장치에서 기화에 의해 생성된 린 가스(lean gas)가 열분해 반응기(2)의 보조 연소기(2a)에 연료로 공급되는 것을 특징으로 하는 생물성 매스 활용 방법.
건조 장치(1)와, 건조된 재료로부터 열분해 가스를 생성하기 위해 재료의 운송 방향에서 건조 장치의 뒤에 배치된 열분해 반응기(2)를 포함하는, 생물성 매스, 특히 하수 슬러지를 활용하기 위한 시스템에 있어서,
상기 건조 장치(1)는 재료의 운송 방향에서 연속적으로 배치된 적어도 두 개의 건조 스테이지(3, 4)들을 포함하는데, 상기 건조 스테이지들은, 재료의 운송 방향에서 하류에 배치된 건조 스테이지(4)의 폐열이 상류에 배치된 건조 스테이지(3)를 위한 유용한 열로서 사용될 수 있도록, 서로 결합된 것을 특징으로 하는 시스템.
제17항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 건조 스테이지(3, 4)들은 상류 건조 스테이지로서 적어도 하나의 저온 건조기(3)와 하류 건조 스테이지로서 적어도 하나의 고온 건조기(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 건조 스테이지(3, 4)들 각각은 공정열의 공급을 위한 하나의 열전달 회로(30, 40), 특히 열매체 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제19항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 건조 스테이지(3, 4)들의 열전달 회로(30, 40)들은 서로 결합될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
열분해 가스로 작동할 수 있는 연료 전지, 또는 열분해 가스로 작동할 수 있고 발전기에 연결된 열 엔진(5)이 공정 방향에서 열분해 반응기(2)의 뒤에 배치된 것을 특징으로 하는 시스템.
제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 포함하는 블록형 열 발전 설비.