KR20150140642A - 에너지 변환을 위한 바이오매스의 전처리 방법 및 장치 - Google Patents

에너지 변환을 위한 바이오매스의 전처리 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 전환을 위해 유기물질, 더 자세히는 바이오매스를 전처리하는 방법 및 장치를 설명하는데, 상기 방법은 예비 가열 탱크에서 예비 가열하는 단계, 가수분해 반응기(5)에서 가수분해하는 단계, 및 감압 탱크에서 감압하는 단계를 포함하고, 여기서 예비가열 탱크(4)에서 가수분해 반응기(5)로 상기 유기 물질을 전송하는 것은 중력과 반응기(5) 내부의 진공을 생성함으로써 이루어진다. 이 방법은 예비가열 탱크(4)에서 반응기(5)로 물질을 매우 빠르게 전송시킬 수 있게 한다. 나아가, 고주파수 압력 센서와 필요한 상부 공간을 제공하도록 반응기의 상부로 증기(3A)를 공급함으로써 반응기(5)의 충진 부피는 제어될 수 있다. 본 발명은 또한 상기 방법을 수행하는 장치를 설명한다.

Description

에너지 변환을 위한 바이오매스의 전처리 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR PRETREATMENT OF BIOMASS FOR CONVERSION TO ENERGY}
본 발명은 유기 물질, 특히 생물학적 에너지 변환을 위한 바이오매스(biomass)의 열 전처리 방법에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 바이오매스의 열 전처리 장치를 포함하고, 상기 장치는 펌프를 사용하지 않고 예비가열 탱크에서 고압의 반응기로, 나아가 감압 탱크로, 이어서 에너지 변환을 하는 곳으로 바이오매스를 전송하는 시스템을 포함한다.
열적가수분해 (Thermal hydrolysis) 와 증기 폭발은, 예를 들어 바이오매스 소화(digestion to biomass)와 같은, 에너지 변환을 위한 생물학적 처리 과정에 아주 적합하도록 바이오매스를 분해하는 공지된 방법이다. 고온으로 바이오매스를 처리하는 것은 보통 4-20bar(g)의 고압 상태의 증기를 공급하는 방법으로 아주 빈번하게 수행한다. 특히, 바이오매스가 폐수 슬러지(effluent sludge)와 같이 건물(dry matter) 함량이 낮다면, 이와 같은 에너지가 필요할 수 있다. 에너지 수요를 줄이기 위해서는 공정에서 가능한 많은 열을 재사용하는 것이 중요하다. 먼저 탈수시켜 건물 함량을 더 높인 상태에서 바이오매스를 처리하는 것 또한 효과적일 수 있다. 건물 함량이 높은 바이오매스는 공정 장치에서 전송이 어렵다. 큰 치수의 장치와 확실한 해결책이 요구된다. 본 발명은 단지 바이오매스의 전송을 위해 열 압력 에너지를 이용하고, 그렇게 함으로써 시스템에서 장애나 손상에 대한 위험을 줄인다.
열적가수분해를 위한 일괄처리방식(batch-wise) 공정 및 연속(continuous) 공정을 설명하는 몇몇 특허받은 방법들이 있다. 바이오매스의 일괄처리방식의 처리는 수용할 수 있는 살균 및 소독을 제공해서 고온에서의 요구되는 체류시간을 기록할 수가 있다. 이는 모든 바이오매스가 정확한 온도에서 충분히 오랫동안 유지되는 것을 기록할 수 없는 연속 공정과는 다르다. 바이오매스를 가열시키는 것은 신선한 증기(fresh steam)의 공급과 함께 일어나야 한다. 바이오매스가 처리되는 온도인 가수분해 온도는 보통 반응기 내에서 증기의 포화 압력과 관련될 수 있다. 열처리 이후, 바이오매스의 압력을 빠르고 완전히 감소시키는 것은 공정의 사용가치를 위해 중요하다. 빠른 압력 감소와 함께, 물이 증기가 될 때 증기 폭발이 바이오매스에 발생할 수 있다. 따라서, 바이오매스는 분리되어 더 작은 입자 사이즈를 가지는 것, 세포막을 분리시키는 것, 및 낮은 점성을 가지는 것과 같은 바이오매스에 요구되는 특징이 달성된다.
특히, 일괄처리방식의 열적가수분해에 대한 두 가지 공지된 방법이 있다.
국제특허공보 WO96/09882 (Solheim)는 몇몇 병렬의 반응기들 중 하나로 질량이 펌프로 보내지기 전에 예비가열 탱크 안에서 후속공정에서 재활용되는 증기의 도움으로 바이오매스가 예비가열 탱크 내에서 예비가열되는 에너지 효율 공정에 관하여 설명한다. 가열을 위한 신선한 증기가 바이오매스에 공급되고 요구되는 시간동안 반응기 내에서 특정 온도와 압력 상태에서 유지되게 된다. 이후, 반응기는 압력이 완화되고 증기는 에너지 재생을 위해 예비가열 탱크로 다시 보내지게 된다. 반응기 내 압력이 요구되는 레벨(보통, 2-4bar(a))로 낮아질 때, 반응기에서 예비가열 탱크로의 증기 회수는 끝나게 된다. 이후, 바이오매스는 낮은 압력(보통, 1.2bar(a))의 감압 탱크로 분출된다. 이 시스템이 가지는 장점은 열적가수분해가 완료된 이후에 감압 탱크 내부에 상대적으로 낮은 압력에서 반응기 내에 에너지의 많은 양을 재생할 수 있다는 것이다. 감압 탱크로 분출되기 전에 반응기 내에 압력 감소는 반응기와 감압 탱크 사이의 파이프 시스템에 폭발 문제를 줄이기 위해 필요한 것으로 설명된다.
미국특허공보 US 6,966,989 (HØjsgaard)는 Solheim와 반대로 예비가열 탱크를 사용하지 않는다. 하지만, 예비가열 탱크로써 역시 동작하는 병렬로 배치된 반응기들이 있다. 이는 저압 상태의 대기하는 반응기 안으로 증기를 보냄으로써 고압 상태의 반응기가 교체되는 것으로 달성된다. 이 반응기들 내 압력이 같아질 때, 증기 전송이 멈추게 되고 반응기 내에서 가수분해된 바이오매스는 압력이 낮은 감압 탱크로 분출된다. 감압 탱크로부터의 에너지 재생에 관한 설명은 없다. 제 2 반응기에서의 증기로 반응기를 충진시킴으로써, 압력이 훨씬 아래로 떨어지지 않고, 따라서 에너지 재생이 최적으로 되지 않는다.
두 시스템에 있어서 공통점은 펌프를 사용하는 것이다. 이는 용량을 제한하게 만들고 반응기 부피의 활용을 부족하게 만든다. 본 발명은 큰 치수의 짧은 파이프에서 진공과 중력을 이용하여 충진을 시킴으로써 반응기 부피를 훨씬 더 잘 활용한다. 이는 펌프를 사용할 때 보다 보통 10배 빨리 충진시킨다. 따라서, 일괄처리 방식의 가수분해에 대한 다른 공지된 방법들보다 본 발명의 시스템에서 반응기가 작동하는 총 시간은 더 많을 수 있다.
빠른 충진과 함께 반응기 내에 요구되는 레벨을 얻는 공정을 제어하는 것이 어렵다. 종래의 레벨 측정 장치는 그러한 상황에서 상당한 공정 소음을 일으키게 된다. 많은 제어 밸브는 역시 너무 느려서 그러한 빠른 충진 공정을 제어할 수가 없다. 본 발명의 방법은 간단한 기구적 제한사항과 고주파수 압력 신호의 분석을 포함하여 정확한 레벨을 보장하도록 한다.
Solheim의 에너지 효율은 HØjsgaard의 시스템 보다 다소 높다. 이는 감압 탱크에서 압력이 다소 더 낮기 때문이다. 하지만, Solheim의 감압 탱크에서의 압력은 회수 증기의 응축 및 에너지 재생을 보장하는 예비가열 탱크 내에 요구되는 액체 높이보다 더 낮지 않은데, 보통 1.2-1.3bar이다. 본 발명은 감압 탱크에서 예비가열 탱크 내부에 증기상을 제공하는 전용 증기 회수 라인과 차갑게 새로 공급되는 바이오매스가 회수 증기의 최적의 응축을 보장하도록 하는 주입구 장치(inlet arrangement)의 도움으로 이 상황을 향상시킨다. 감압 탱크 내의 압력은 이 방법으로 보통 0.3-0.5bar로 낮게 되고, 이는 에너지 재생을 증가시키고 총 증기 소비를 더 낮추도록 한다.
열적가수분해를 이용하여 바이오매스를 처리하는 방법 및 장치는 국제특허공보 WO 03/043939에 공지되어 있다. 바이오매스는 예비가열 단계에서 예비가열되는데, 그 결과 가열은 신선한 증기(fresh steam)와 감압탱크에서 공급되는 습증기(flash steam)를 이용하여 발생하게 된다.
내부 공정에서, 열 에너지는 바이오매스의 이송을 위해서만 사용된다. 이 새로운 시스템은 선행기술과 관련하여 상당히 더 짧은 사이클 타임을 가지고 반응기 부피를 훨씬 더 잘 활용할수 있음에 대해 공개한다. 본 발명의 방법 및 장치는 펌프 및 레벨 측정장치의 사용을 제거하고, 그렇게 함으로써 비용과 유지비를 상당히 줄인다. 본 발명의 장치는 에너지 재생(energy recovery)을 향상시키는 예비가열 탱크로 새로운 바이오매스를 공급하기 위한 신규한 시스템을 포함한다. 본 발명의 주요 목적은 닳아서 소모되는 배관 및 밸브의 수를 줄이고, 또한 공정 탱크들 사이에 바이오매스를 전송하거나 또는 후속의 에너지 변환 장치로 배출시키기 위한 펌프를 없애는 것이다.
상기 언급된 목적과 장점들은 예비가열 탱크에서 예비가열하는 단계, 가수분해 반응기에서 가수분해하는 단계, 감압 탱크에서 감압하는 단계를 포함하는 에너지 변환을 위해 유기물질, 특히 바이오매스를 전처리하는 방법에 있어서,
- 건물의 함량이 5-40%, 바람직하게는 10-25%인 유기물질을 예비가열 탱크로 공급하는 단계와,
- 상기 예비가열 탱크 내의 유기 물질을 감압 탱크에서 제공되는 습증기로 가열시키는 단계 단계를 포함하고,
상기 전처리하는 방법은,
- 상기 가수분해 반응기 내에 냉수를 공급하여 상기 가수분해 반응기 내에 진공을 만들고, 상기 예비가열 탱크와 상기 반응기 사이의 공급 밸브를 열고, 진공과 중력을 이용하여 상기 예비가열 탱크에서 상기 반응기로 가열된 유기 물질을 전송하여, 반응기를 기본적으로 전부 충진시키는 단계,
- 압력을 측정하며 레벨을 검출하기 위해 상기 반응기 내에 압력 진동을 분석하는 민감한 고주파수 압력 센서를 이용하여, 상기 반응기 내 압력을 측정하는 단계,
- 상기 압력 센서가 상기 반응기 내에 요구되는 레벨에 도달하였음을 기록하여 나타낼 때까지 상기 반응기의 상부에 증기를 공급하여 상기 반응기에서의 공급 과잉 유기물질을 상기 예비가열 탱크로 회수하는 단계,
- 상기 반응기와 상기 예비가열 탱크 사이의 공급 밸브를 닫는 단계,
- 상기 예비가열 탱크에 새로운 유기물질을 공급하는 단계,
- 증기를 공급함으로써 상기 반응기 내 유기물질을 가열시키고, 충분한 시간 동안 소정의 온도를 유지하는 단계,
- 상기 반응기와 상기 감압 탱크 사이에 분출 밸브를 열고, 처리된 유기물질을 상기 반응기에서 상기 감압 탱크로 전송하고, 상기 반응기와 상기 감압 탱크 사이에 압력 차이로 증기 폭발을 얻는 단계,
- 이전 단계에서 상기 증기 폭발시에 방출되는 습증기(flash steam)를 증기 회수 라인을 거쳐 상기 예비 가열 탱크 내 액체 레벨 아래로 보내고, 상기 예비가열 탱크 내 유기물질에서 증기 응축에 의해 열을 재생하는 단계,
- 상기 증기 회수 라인을 닫고, 상기 감압 탱크에서 상기 예비가열 탱크내의 액체 레벨 위로 이어지는 증기 회수 라인을 열어서, 상기 예비가열 탱크 내의 액체 기둥이 나타내는 압력 이상으로 상기 감압 탱크와 상기 예비가열 탱크 사이의 압력 차이를 더 줄이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환을 위해 유기물질, 특히 바이오매스를 전처리하는 방법에 의해 달성될 수 있다.
또한, 본 발명은 반응기에 연결되는 예비가열 탱크와 상기 반응기에 연결되는 감압 탱크를 포함하는데,
상기 예비가열 탱크는 반응기와 같은 수직축 상에 또는 이와 평행하게 상기 반응기 위에 수직으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기물질의 열적가수분해와 증기 폭발을 위한 장치를 포함한다.
본 발명에 따른 방법 및 장치의 또 다른 장점들은 종속항들에 나타난다.
내부 공정에서, 열 에너지는 바이오매스의 이송을 위해서만 사용된다. 이 새로운 시스템은 선행기술과 관련하여 상당히 더 짧은 사이클 타임을 가지고 반응기 부피를 훨씬 더 잘 활용할수 있음에 대해 공개한다. 본 발명의 방법 및 장치는 펌프 및 레벨 측정장치의 사용을 제거하고, 그렇게 함으로써 비용과 유지비를 상당히 줄인다. 본 발명의 장치는 에너지 재생(energy recovery)을 향상시키는 예비가열 탱크로 새로운 바이오매스를 공급하기 위한 신규한 시스템을 포함한다. 본 발명의 주요 목적은 닳아서 소모되는 배관 및 밸브의 수를 줄이고, 또한 공정 탱크들 사이에 바이오매스를 전송하거나 또는 후속의 에너지 변환 장치로 배출시키기 위한 펌프를 없애는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 변환을 위한 유기 물질의 전처리 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시하고;
도 2는 반응기에서 예비가열 탱크로 과잉 공급된 유기 물질의 회수에 의한 압력 신호의 일 예를 도시하고,
도 3은 시계열 순서의 일 예를 개략적으로 도시한다.
본 발명은 다음의 첨부도면들을 참조하여 실시예를 통해 다음과 같이 더 상세하게 설명될 수가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유기 물질의 전처리 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한다.
세 개의 탱크, 즉 예비가열 탱크(4), 반응기(5) 및 감압 탱크(6)가 직렬로 연결된다. 예비가열 탱크(4)와 감압 탱크(6)의 부피는 반응기(5) 부피의 보통 2배이다. 예비가열 탱크(4)와 반응기(5)는 배관을 최소로 줄이고 한 탱크에서 다른 탱크로 바이오매스를 전송시키기 위해 중력을 이용할 수 있도록 서로 바로 위에 위치할 수 있다. 대안으로, 예비가열 탱크(4)는 반응기(5)의 수직축과 실질적으로 평행하게 놓여질 수 있다. 상기 탱크들은 밸브로 격리될 수 있다. 반응기(5)와 감압 탱크(6)로 증기를 공급하는 것이 가능하다. 감압 탱크(6)에서 예비가열 탱크(4)로 이어지는 두 개의 증기 회수 라인이 있어서, 열적가수분해(thermal hydrolysis)에 의해 반응기(5) 내에 공급되는 열 에너지를 재생시킬 수 있다. 예비가열 탱크에서 유기 물질을 위한 배출 라인(13)에 이어지는 가스 배출 파이프가 있다. 유기 물질을 부수어서 분해하는 주입구 장치(inlet arrangement)(15)가 예비가열 탱크(4) 내에 형성되고, 이는 큰 표면적을 제공한다.
예를 들어 건물(dry matter) 함량이 5-40%인, 바람직하게는 10-25%인, 바이오매스인, 유기 물질(1)은 전처리 탱크(4) 내에서 바이오매스와 증기 사이에 접촉 표면을 증가시키는 장치(15)를 가능한 거쳐 예비가열 탱크(4) 안으로 보내지고, 감압 탱크(6)에서 공급되는 습증기(flash steam)에 의해 보통 80-100 ℃로 예비가열된다. 충분히 가열시킨 후 마이오매스는 반응기(5)로 보내진다. 이는 예비가열 탱크(4)와 반응기(5) 사이에 있는 충진 밸브(7)가 열리기 전에 반응기 내부에 진공을 발생시킴으로써 수행된다. 반응기(5)에서 감압 탱크(6)로 바이오매스를 비우는 전회의 단계 이후에 반응기(5) 내에 남아있는 증기를 응축시킴으로써, 진공이 발생된다. 반응기(5)의 상부에서 냉수(2A)를 주입시킴으로써 증기의 응축이 발생하게 된다. (일반적으로, 50리터의 냉수는 모든 증기를 응축시킬 수 있고, 완전한 진공 상태(full vaccum)를 생성시킬 수 있다.) 예비가열 탱크(4)는 반응기의 수직축 또는 이와 평행하도록 반응기 바로 위에 위치할 수 있다. 충진 밸브(7)가 열릴 때 반응기(5) 내부의 진공과 예비가열 탱크(4) 안에 있는 액체 기둥으로부터 생기는 압력으로 예비가열 탱크(4)에서 반응기(5)로 바이오매스를 빠르게 전송시킬 수 있다. 일반적인 충진 시간은 10-180초이고, 바람직하게는 20-40초이다. 이는 다른 공지된 방법보다 훨씬 더 빠르다. 전통적으로, 제어 밸브와 레벨 측정 장치가 반응기 부피 제어를 위해 사용된다. 이 장치로는 빠른 충진을 할 수 없다. 레벨을 정확하게 맞추는 것은 본 발명에서는 다른 방법으로 보장된다.
반응기(5)는 완전히 충진된다. 차 후에 반응기(5) 내부에서 바이오매스를 가열하는 동안 응축하는 신선한 증기(fresh steam)의 공간이, 통상 반응기 부피의 10-30%, 있어야 하기 때문에, 이는 원칙적으로 바람직하지 않다. 이는 예비가열 탱크(4)에서 반응기(5)로 이어지는 충진 파이프(16)가 반응기 안의 정의된 높이에서 끝이 나도록 하여 본 발명에서 해결될 수 있다. 이 높이는 바이오매스 가열을 시작하기 전에 반응기(5) 내에서 바람직한 충진 부피를 한정한다. 바이오매스 상부의 필요 팽창 부피는, 예비가열 탱크(4)와 반응기(5) 사이의 충진 밸브(7)가 여전히 열려져 있는 동안, 반응기(5)의 상부에서 신선한 증기(3A)를 공급함으로써 보장된다. 따라서, 상기 탱크들 사이에 충진 밸브(7)가 닫히기 전에 공급 과잉 바이오매스는 예비가열 탱크(4)로 역류하게 된다.
이 부피는, 대안으로, 예비가열 탱크(4)에 대한 외부 라인과 측면에 장착된 밸브에 의해 제공될 수 있다.
본 발명에 의하면 반응기(5)의 레벨 제어를 위해 증기의 사용을 최소화할 수 있다. 과잉 공급된 바이오매스는 반응기(5) 외부로 나가는 데, 증기가 반응기 외부로 배출되고 또한 위쪽으로 충진 파이프(16) 안으로 들어가서 예비가열 탱크(4)로 배출되고 있음을 반응기(5) 내부에 있는 민감한 고주파수 압력 센서(미도시)가 감지하면, 충진 밸브(7)는 닫힌다. 이는 반응기(5)로부터의 증기 거품이 충진 파이프 안에서 응축되고 터질 때 압력 진동(pressure oscillations)에 의해 검출된다. 압력 진동의 분석과 관련이 있는 반응기 내의 압력의 고주파수 기록은 요구 레벨이 반응기(5) 내에서 도달했음을 판단하는데 사용된다. 이 방법에 의하면, 반응기(5)에서 복잡한 레벨 측정 장치를 사용할 필요가 없어진다.
도 2는 반응기(5)에서 예비가열 탱크(4)로 공급과잉 바이오매스의 회수시에 전형적인 압력 신호를 도시한다. 증기가 반응기(5)에서 충진 파이프(16) 안에서 위로 바이오매스를 가속시킬 때, 압력은 출발 단계에서 빠르게 증가한다(도 2에서 Ⅰ로 도시됨). 슬러지(sludge)는 예비가열 탱크(4)로 역류하기 시작한다. 바이오매스가 예비가열 탱크(4)로 회수되고 예비가열 탱크(4)에서 액체 레벨이 증가하고 반응기(5)에서 액체 레벨이 감소하는 점에서 반응기와 예비가열 탱크 사이에 정압이 증가하는 동안, 압력은 더 완만하게 증가한다(도 2에서 Ⅱ에 도시됨).
반응기(5) 내에서 액체 레벨이 충진 파이프(16)의 끝단으로 가라앉을 때, 반응기의 상부의 증기는 충진 파이프 위로 예비가열 탱크로 올라갈 수 있다. 이 증기는 상승하여 더 차가운 바이오매스로 유입되어 응결될 수 있다. 이는 더 큰 압력 펄스를 만든다(도 2에서 Ⅲ에 도시됨). 이 펄스는 바이오매스의 가열을 시작하기 전에 반응기가 정확한 액체 레벨에 도달하였음을 지시한다.
반응기 안에 있는 바이오매스는 반응기(5)에 신선한 증기(3B)를 공급함으로써 요구되는 가수분해 압력까지 가열된다. 여기서, 압력은 일반적으로 3-16bar이고, 폐수 슬러지(effluent sludge)와 습기에 찬 유기성 폐기물의 처리를 위해서는 바람직하게는 3-7bar, 프리온(prion)을 함유하는 바이오매스의 처리를 위해서는 바람직하게는 10-12bar, 그리고 리그노셀룰로스(lignocelluloses)를 함유하는 바이오매스의 처리를 위해서는 바람직하게는 12-16bar이어야 한다. 이후 소정의 시간 동안 상기 압력에서 유지되는데, 여기서 시간은 폐수 슬러지와 습기에 찬 유기성 폐기물의 처리를 위해서는 일반적으로 20-30분, 프리온을 함유하는 바이오매스의 처리를 위해서는 바람직하게는 60-120분, 리그노셀룰로스를 함유하는 바이오매스의 처리를 위해서는 바람직하게는 5-20분 동안 유지된다. 이후, 분출 밸브(10)가 열려 바이오매스는 고압의 반응기(5)에서 저압의 감압 탱크(6)로 분출된다. 그렇게 함으로써 증기 폭발이 바이오매스에 발생한다. 감압 탱크(6) 내에서 증기 폭발시 방출되는 습증기는 감압 파이프(9)를 거쳐서 예비가열 탱크(4) 내의 액체 레벨 아래로 흘러들어가게 된다. 감압 탱크(6)에서의 과잉 열은 예비가열 탱크(4) 안 바이오매스에서 증기 응축으로 재생(recover)된다.
반응기(5)가 비워진 이후, 분출 밸브는 닫히고 반응기(5)의 새로운 충진을 대기하게 된다.
하나의 반응기를 가지는 시스템의 장점은 반응기(5)가 열적가수분해를 위한 바이오매스로 충진되는 동안 예비가열 탱크(4)와 감압 탱크(6)를 다른 목적으로 사용할 수 있다는 점이다. 분출 밸브(10)가 닫히고 감압 탱크(6)와 예비가열 탱크(4) 사이 압력이 증기 회수 라인(9)을 거쳐 균형이 잡히게 되자마자, 증기 회수 라인(9)은 닫히고 감압 탱크(6)에서 예비가열 탱크(4) 안에 기체상으로 연결되는 증기 회수 라인(11)이 열리게 된다. 이렇게 함으로써, 감압 탱크와 예비가열 탱크 사이에 압력 차이가 예비가열 탱크(4)에서 액체 기둥이 만드는 압력 이상으로 감소될 수가 있고, 이는 보통 0.1-0.2bar의 추가 감소를 제공한다. 이는 감압 탱크(6) 의 압력은 예비가열 탱크(4) 내부의 액체 레벨에 독립적임을 나타낸다. 감압 탱크(6)에서 압력이 낮으면 낮을수록, 감압 탱크(6) 외부로 가는 바이오매스의 온도를 더 낮추게 된다. 동시에, 증기 회수 라인(11)이 열릴 때, 새로운 바이오매스(1)가 예비가열 탱크(4)의 상부로 보내진다. 이 바이오매스는 보통5-40℃로 차갑다. 예비가열 탱크(4) 내부의 증기는 새로운 바이오매스 상에서 응축되고, 바이오매스는 예비가열되고, 예비가열 탱크(4)와 감압 탱크(6)에서 압력을 더 감소시킨다. 이는 최적의 에너지 효율을 위해 중요한 작용이다.
새로운 바이오매스 상에서 증기 응축을 최적화하기 위해서, 바이오매스가 예비가열 탱크 내의 기체상과 접촉 면적을 크게 가지도록 하는 장치(15)가 예비가열 탱크(4) 내부에 형성된다. 이 장치(15)는 바이오매스를 얇은 필름 조각 또는 빔(beam)으로 부수어서 분해한다.
감압 탱크(6) 안에서 레벨은 반응기(5)의 다음 비움이 있기 전에 충분히 감소되어야 한다. 이것은 증기 회수 라인(11)을 닫고 신선한 증기(3C)를 감압 탱크(6)의 기체상으로 충진시킴으로써 발생한다. 처리된 바이오매스를 출구 파이프(13)를 거쳐 바람직한 후속의 장치로 전송하기에 압력이 충분해지면(보통 2-4bar), 출구 밸브(12)가 열리고 감압 탱크(6) 내 레벨이 출구 밸브(12)가 다시 닫히기 전에 요구되는 최소 레벨로 감소된다.
반응기(5) 안에서 일어나는 열 전처리 과정 동안 형성되는 휘발성 및 비활성의 처리 가스가 방출된다. 이 가스는 감압 탱크(6)를 거쳐 예비가열 탱크(4)로 전송된다. 처리 가스는 중화로(hydrolysis plant)에서 제거되어야 하는데, 축적물을 방지하고 중화로의 효율이 감소됨을 방지하기 위함이다. 보통 이 가스는 출구 파이프(13)를 거쳐 생물 분해(biological degradation)로 보내질 수 있다.
새로운 바이오매스가 예비가열 탱크(4)로 공급되기 전에, 예비가열 탱크(4)에서의 처리 가스는 처리 가스 파이프(14)를 거쳐 출구 파이프(13)로 보내진다. 이 처리 가스 파이프(14)는 예비가열 탱크(4)에서의 압력이 충분히 높을 때, 보통 2-4bar일 때, 열린다. 요구되는 압력은 감압 탱크(6)로 신선한 증기(3C)를 공급하는 것에 의해 도달하게 된다. 처리 가스가 처리가스 파이프(14)를 거쳐 외부로 배출되었을 때, 이는 닫힌다. 증기 회수 라인(11)은 닫힌다.
감압 탱크(6)로 반응기(5)의 다음 비움이 있기 전에, 예비가열 탱크(4)에서 압력은 가능한 많은 습증기를 재생할 수 있도록 가능한 낮게 하는 것이 중요하다. 이는 냉수(2B)를 예비가열 탱크(4)에 주입시킴으로써 예비가열 탱크(4)에서의 증기 응축에 의해 달성된다. 예비가열 탱크(4)에서 낮은 압력 및 이렇게 함으로써 감압 탱크(6)에서의 낮은 압력은 감압 탱크(6) 내 바이오매스로부터 생기는 습증기의 양이 증가되도록 하고, 이렇게 함으로써 출구(13)에서 바이오매스의 온도를 가능한 가장 낮게 가지도록 한다.
도 3은 상기 세 탱크에 대하여 일반적인 시계열 순서의 일 예를 대략적으로 도시한다.
4: 예비가열 탱크
5: 반응기
6: 감압 탱크

Claims (8)

  1. 예비가열 탱크(4)에서 예비가열하는 단계, 가수분해 반응기(5)에서 가수분해하는 단계, 감압 탱크(6)에서 감압하는 단계를 포함하는 에너지 변환을 위해 유기물질, 특히 바이오매스를 전처리하는 방법에 있어서,
    - 건물의 함량이 5-40%인, 바람직하게는 10-25%인, 유기물질(1)을 예비가열 탱크(4)로 공급하는 단계와,
    - 상기 예비가열 탱크(4) 내의 유기 물질(1)을 감압 탱크(6)에서 제공되는 습증기로 가열시키는 단계를 포함하며,
    상기 전처리하는 방법은,
    - 상기 가수분해 반응기(5) 내에 냉수(2A)를 공급하여 상기 가수분해 반응기(5) 내에 진공을 만들고, 상기 예비가열 탱크(4)와 상기 반응기(5) 사이의 공급 밸브(7)를 열고, 진공과 중력을 이용하여 가열된 유기 물질을 상기 예비가열 탱크(4)에서 상기 반응기(5)로 전송하여, 반응기를 기본적으로 전부 충진시키는 단계,
    - 압력을 측정하며 레벨을 검출하도록 상기 반응기 내의 압력 진동을 분석하는 민감한 고주파수 압력 센서를 이용하여, 상기 반응기(5) 내의 압력을 측정하는 단계,
    - 상기 압력 센서가 상기 반응기(5) 내에 요구되는 레벨에 도달하였음을 기록하여 나타낼 때까지 상기 반응기(5)의 상부에 증기(3A)를 공급하여 상기 반응기(5)에서의 공급 과잉 유기물질을 상기 예비가열 탱크(4)로 회수하는 단계,
    - 상기 반응기(5)와 상기 예비가열 탱크(4) 사이의 공급 밸브(7)를 닫는 단계,
    - 상기 예비가열 탱크(4)에 새로운 유기물질(1)을 공급하는 단계,
    - 증기(3B)를 공급함으로써 상기 반응기 내 유기물질을 가열시키고, 충분한 시간 동안 소정의 온도를 유지하는 단계,
    - 상기 반응기(5)와 상기 감압 탱크(6) 사이에 분출 밸브(10)를 열고, 처리된 유기물질을 상기 반응기(5)에서 상기 감압 탱크(6)로 전송하고, 상기 반응기(5)와 상기 감압 탱크(6) 사이에 압력 차이로 증기 폭발을 얻는 단계,
    - 이전 단계에서 상기 증기 폭발시에 방출되는 습증기(flash steam)를 증기 회수 라인(9)을 거쳐 상기 예비 가열 탱크(4) 내의 액체 레벨 아래로 보내고, 상기 예비가열 탱크(4) 내의 유기물질에서 증기 응축에 의해 열을 재생하는 단계, 및
    - 상기 증기 회수 라인(9)을 닫고, 상기 감압 탱크(6)에서 상기 예비가열 탱크(4) 내의 액체 레벨 위로 이어지는 증기 회수 라인(10)을 열어서, 상기 예비가열 탱크(4) 내의 액체 기둥이 나타내는 압력 이상으로 상기 감압 탱크(6)와 상기 예비가열 탱크(4) 사이의 압력 차이를 더 줄이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전처리하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 예비가열 탱크(4)에 공급되는 유기 물질(1)과 상기 예비가열 탱크(4) 내에 있는 증기 사이의 접촉 표면을 증가시키는 것을 특징으로 하는 전처리하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 예비가열 탱크(4) 내의 유기물질(1)은 보통80-100 oC로 가열되는 것을 특징으로 하는 전처리하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기(5) 내에서 액체 레벨은 압력 진동 분석과 결합되는 상기 반응기(5) 내의 압력의 고주파수 기록에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 전처리하는 방법.
  5. 청구항 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따라 유기물질의 열적가수분해와 증기 폭발을 위한 장치로서, 반응기(5)에 연결되는 예비가열 탱크(4)와 상기 반응기(5)에 연결되는 감압 탱크(6)를 포함하며,
    상기 예비가열 탱크(4)는 상기 반응기(5)와 같은 수직축 상에서 상기 반응기(5) 위에 수직으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유기물질의 열적가수분해와 증기 폭발을 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    유입되는 상기 유기 물질(1)과 상기 예비가열 탱크(4) 내에 있는 증기 사이의 접촉 면적을 증가시키기 위한 장치(15)가 상기 예비가열 탱크(4)의 입구에 형성되는 것을 특징으로 하는 유기물질의 열적가수분해와 증기 폭발을 위한 장치.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 예비가열 탱크(4)는 밸브(7)가 설치된 파이프(16)를 통해 상기 반응기(5)와 연결되고, 상기 파이프(16)는 상기 반응기(5) 내에서 아래로 소정의 거리 연장되며, 상기 파이프(16)의 하부 끝단은 상기 반응기(5) 내에서 충진 레벨을 정의하는 것을 특징으로 하는 유기물질의 열적가수분해와 증기 폭발을 위한 장치.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파이프(16)는 상기 반응기(5) 내에서 수직으로 아래로 연장되거나, 상기 반응기의 측벽의 상부에서 상기 반응기(5) 안으로 연장되며, 상기 파이프(16)의 끝단과 상기 반응기(5)의 바닥 사이의 거리는 상기 반응기(5) 내에서 충진 레벨을 정의하는 것을 특징으로 하는 유기물질의 열적가수분해와 증기 폭발을 위한 장치.
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