KR20160093290A - 유기성 폐기물의 바이오촤 생산 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유기성 폐기물의 바이오촤 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원료를 예열하는 원료 예열반응기; 상기 원료 예열반응기에서 예열된 원료를 1.0MPa 내지 3.0MPa의 압력에서 탄화시키는 탄화반응기; 및 상기 탄화반응기에 열원을 공급하는 열매체유 탱크를 포함하고, 상기 탄화반응기는 원료를 수용하는 내통 및 상기 내통을 둘러싸며 내통과 이격되어 제 1 공간부를 형성하도록 외통이 구비되고, 상기 내통 및 외통은 그 하부가 하측방향으로 직경이 작아지는 테이퍼진 원추 형상이며, 상기 열매체유 탱크는 열매체유가 수용된 내통 및 상기 내통으로부터 소정 간격 이격되어 제 2 공간부를 형성하도록 외통이 구비되고, 상기 열매체유는 파이프 및 제 1공간부로 유입되어, 탄화반응기로부터 배출되고 열매체유 탱크로 유입되는 것으로 구성됨으로써 높은 발열량을 갖는 바이오촤를 생산할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

Description

유기성 폐기물의 바이오촤 생산 시스템 {BIO-CHAR GENERATING SYSTEM OF ORGANIC WASTE}
본 발명은 유기성 폐기물을 탄화시켜 높은 발열량을 갖는 바이오촤를 생산하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 음식물 쓰레기, 하수슬러지와 같은 유기성 폐기물은 땅속에 매립하여 처리되고 있다.
그러나 유기성 폐기물은 특성상 수분 함량이 높아 쉽게 부패되어 악취와 오수가 발생하며, 매립 시에는 다량의 침출수가 흘러나와 지하수 오염과 같은 2차 환경오염을 유발시킨다.
그러므로 수분 함량이 높은 유기성 폐기물을 재활용 자재로 만들기 위해서는 유기성 폐기물의 수분을 제거한 다음 탄화 공정을 거쳐야 한다.
상기 탄화 공정은 무산소 상태 또는 저산소 분위기(2~4%)에서 외부 가열원에 의한 간접가열로 유기물질이 열분해되어 탄소를 최종 생성물에 고정시키기 위해 진행되는 것으로, 대부분의 유기성 폐기물이 탄화 공정을 통해 재활용되고 있다.
이와 관련하여, 한국공개특허 제2013-0031512호에서 전기히터에 의해 탄화로를 간접가열하여 음식물 쓰레기를 탄화시키는 탄화처리장치를 개시하고 있다.
상기 기술은 탄화로의 열원으로 전기히터를 사용하므로 함수율이 높은 음식물 쓰레기를 탄화시키는데 막대한 전기 에너지를 소모하여 비효율적인 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 한국공개특허 제2014-0028407호에서 슬러지가 건조되는 제1건조부와 제2건조부, 건조된 슬러지를 탄화시키는 탄화부 및 건조부와 탄화부에 열풍을 공급하는 열풍공급부를 포함하는 슬러지 탄화시스템을 개시하고 있다.
상기 기술은 LPG, LNG, 등유 등의 연료로부터 연소된 열풍을 이용한 건조부를 구비하여 수분 함량이 8wt% 내지 30wt%인 슬러지로 건조하고 탄화부로 이동시키나, 열풍의 온도가 일정하지 않아 슬러지의 내부까지 건조되지 못하여 생성물의 발열량이 낮아 품질이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 생성물의 발열량이 우수하면서 동시에 소비 에너지를 최소화하는 바이오촤 생산 시스템의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원료에 열을 균일하게 전달하고 원료의 함수율을 조절하여 높은 발열량을 갖는 바이오촤를 생산하고, 폐열을 사용하여 에너지 소비를 최소화하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원료를 예열하는 원료 예열반응기; 상기 원료 예열반응기에서 예열된 원료를 1.0MPa 내지 3.0MPa의 압력에서 탄화시키는 탄화반응기; 및 상기 탄화반응기에 열원을 공급하는 열매체유 탱크를 포함하고, 상기 탄화반응기는 원료를 수용하는 내통 및 상기 내통을 둘러싸며 내통과 이격되어 제 1 공간부를 형성하도록 외통이 구비되고, 상기 내통 및 외통은 그 하부가 하측방향으로 직경이 작아지는 테이퍼진 원추 형상이며, 상기 열매체유 탱크는 열매체유가 수용된 내통 및 상기 내통으로부터 소정 간격 이격되어 제 2 공간부를 형성하도록 외통이 구비되고, 상기 열매체유는 파이프 및 제 1 공간부로 유입되어, 탄화반응기로부터 배출되고 열매체유 탱크로 유입되는 것을 특징으로 하는 바이오촤 생산 시스템을 제공한다.
상기 원료 예열반응기는 원료를 50℃ 내지 90℃로 예열하고, 상기 탄화반응기는 예열된 원료를 150℃ 내지 300℃에서 탄화시키며, 상기 열매체유는 가스버너에 의해 300℃ 내지 500℃로 가열될 수 있다.
상기 탄화반응기의 내통에 투입된 원료는 함수율이 50% 내지 80%일 수 있다.
상기 제 2 공간부는 그 내부에 나선형의 파이프가 형성될 수 있다.
상기 탄화반응기로부터 배출된 증기 또는 가스는 바이오촤, 바이오리퀴드, 증기 또는 가스를 보관하는 배출보관조 및 관성충돌형 열교환기를 순차적으로 거쳐 응축될 수 있다.
상기 관성충돌형 열교환기는 기체의 바람 방향에 대하여 일정 각도로 경사지게 형성되는 제 1 블레이드, 상기 제 1 블레이드로부터 굴절각을 가지고 연장 형성되는 제 2 블레이드, 상기 제 1 블레이드 및 제 2 블레이드의 연결점에 형성된 히트파이프, 및 상기 히트파이프에 형성되고 횡단면이 원호 형상인 한 쌍의 제 3 블레이드를 포함할 수 있다.
상기 바이오촤 생산 시스템은 관성충돌형 열교환기로부터 배출된 응축액 및 가연성 가스를 포집하는 포집장치를 추가로 구비하고, 상기 가연성 가스는 열매체유 탱크의 가스버너에 의해 소각될 수 있다.
상기 바이오촤 생산 시스템은 배출보관조에 보관된 바이오촤를 건조시키는 건조실을 추가로 구비하고, 상기 건조된 바이오촤의 함수율은 5% 내지 10% 일 수 있다.
상기 바이오촤 생산 시스템은 메탄가스, 일산화탄소 및 악취 가스로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 생성하는 혐기성소화조를 추가로 구비할 수 있다.
상기 바이오촤 생산 시스템은 열교환된 온수의 열을 수집하는 축열조를 추가로 구비하고, 상기 축열조는 원료 예열반응기의 열원일 수 있다.
본 발명의 바이오촤 생산 시스템은 생성된 바이오촤의 함수율을 최소화하여 발열량이 높은 고형 연료를 얻을 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 바이오촤 생산 시스템은 반응기에서 발생하는 악취 또는 가연성가스는 열원으로 재활용하여 에너지 소비를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오촤 생산 시스템의 공정도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오촤 생산 시스템의 원료 예열반응기, 열매체유 탱크 및 탄화반응기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 유기성 폐기물을 탄화시켜 높은 발열량을 갖는 바이오촤를 생산하는 시스템에 관한 것이다.
이하, 하기 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명을 이하에서 설명함에 있어서 일반적으로 사용되는 밸브, 유량계 등의 각종 일반적인 계측기는 관용적인 것으로서 당해 분야에서의 당업자라면 용이하게 형성 가능하므로 이하 세부적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오촤 생산 시스템의 공정도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바이오촤 생산 시스템은 원료 예열반응기(10), 열매체유 탱크(20), 탄화반응기(30), 배출보관조(40), 관성충돌형 열교환기(50), 포집장치(60), 혐기성 소화조(70), 탈수기(80), 건조실(90) 및 축열조(100)를 포함하여 이루어진다.
좀 더 구체적으로 상기 바이오촤 생산 시스템은 원료를 예열하는 원료 예열반응기(10); 상기 원료 예열반응기(10)에서 예열된 원료를 탄화시키는 탄화반응기(30); 및 상기 탄화반응기(30)의 열원을 공급하는 열매체유 탱크(20)를 포함하여 이루어진다.
우선 원료 예열반응기(10)에 원료를 투입하기 전에 전처리 공정을 거칠 수 있다.
구체적으로, 분쇄기(미도시)에 의해 원료에 포함되어 있는 이물질을 선별하고 10mm ~ 100mm의 크기로 분쇄하여 원료 예열반응기(10)로 공급할 수 있다.
상기 분쇄기는 원료의 이물질 선별 및 분쇄를 목적으로 통상적으로 사용되는 것을 제한없이 적용할 수 있다.
이때 일례로 분쇄기는 통상 시판되고 있는 커터 밀, 분쇄용 볼 또는 숯 분쇄 분별기 등이 사용 가능하다.
또한 상기 분쇄기의 재질은 특별히 한정되지 않으며, 바람직하게는 내수성, 내구성 또는 탄력성이 우수한 스테인리스 스틸, 구리, 우레탄, 세라믹, 고무, 플라스틱 및 자연석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다.
상기 원료 예열반응기(10)는 원료를 예열하는 장치로서, 이때 투입되는 원료의 종류는 특별히 한정하지 않으나 일례로 음식물 폐기물, 하수 슬러지 및 폐목재로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하기로는 음식물 폐기물 또는 하수 슬러지가 좋다.
상기 원료 예열반응기(10)는 원료를 50℃ 내지 90℃로 예열할 수 있다.
이때 상기 원료 예열반응기(10)의 온도가 50℃ 미만인 경우 원료가 충분히 예열되지 않아 탄화반응기(30) 내에서 탄화 반응시간이 증가할 수 있으며, 온도가 90℃ 초과인 경우에는 음식물 폐기물에서 함유하고 있는 수분이 증발함과 동시에 악취물질이 배출될 수 있다.
이로 인해 원료의 탄화 반응 시간을 단축시키므로 연료의 소비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
상기 원료 예열반응기(10)에 의해 예열된 원료는 개폐밸브에 의해 탄화반응기(30)의 내통(31)으로 투입되어 탄화 과정을 거친다.
본 발명에서는 예열된 원료를 탄화시켜 높은 발열량을 갖는 바이오촤를 생산하는 탄화반응기(30)에 그 특징이 있으므로 이에 대하여 좀 더 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 바이오촤 생산 시스템의 원료 예열반응기(10), 열매체유 탱크(20) 및 탄화반응기(30)을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 탄화반응기(30)는 예열된 원료를 열원에 의해 탄화시킨 후 바이오촤, 바이오 리퀴드 및 바이오 가스를 얻는 장치이다
상기 탄화반응기(30)는 1.0MPa 내지 3.0MPa의 압력에서 원료 예열반응기(10)에 의해 예열된 원료를 탄화시킨다.
이때 탄화반응기(30)의 압력이 1.0MPa 미만인 경우 유기성 폐기물의 반응성이 저하되어 최종 생성물인 탄화물의 발열량이 낮아질 수 있으며, 3.0MPa 초과인 경우 고압에 따른 반응기의 안전성을 고려해야하므로 초기 제작비가 상승할 수 있다.
상기 탄화반응기(30)의 열원으로는 열매체유 탱크(20)로부터 유입된 열매체유로서, 이에 대한 상세한 설명은 탄화반응기(30)에서 후술하고자 한다.
상기 탄화반응기(30)은 원료를 수용하는 내통(31) 및 상기 내통(31)을 둘러싸며 내통(31)과 이격되어 제 1 공간부(33)를 형성하도록 외통(32)이 구비된다.
이때 상기 탄화반응기(30)은 내부에 수용된 원료를 골고루 탄화시키기 위해, 내통(31) 및 외통(32)으로 구성된 구조로 제작되는 것이 바람직하다.
본 발명의 탄화반응기(30)는 원료를 150℃ 내지 300℃의 온도에서 탄화시킨다.
상기 탄화반응기(30)의 온도가 150℃ 미만인 경우 원료의 탄화반응이 저하되어 탄화 반응시간이 증가할 수 있으며, 온도가 300℃ 초과인 경우에는 탄화반응기(30)의 열부식이 진행되어 탄화반응기(30)의 수명이 저하될 수 있고, 유기성 폐기물의 함수량을 저하할 수 있다.
상기 외통(32)의 외벽은 제 1 공간부(33)로 공급되는 열이 탄화반응기(30) 외부로 방열되는 것을 방지하도록 단열재로 형성될 수 있다.
상기 내통(31)은 그 내부에 나선형의 파이프가 형성될 수 있으며, 상기 파이프의 내부로 열매체유가 순환되어 원료가 골고루 탄화될 수 있도록 열을 균일하게 공급할 수 있다.
이때 상기 열매체유는 나선형의 파이프 및 제 1 공간부(33)로 유입되어, 탄화반응기(30)로부터 배출되고 열매체유 탱크(20)로 유입된다.
상기 열매체유는 열매체유 탱크(20)의 열원인 가스버너에 의해 300℃ 내지 500℃로 가열된다.
상기 열매체유의 온도가 300℃ 미만인 경우에는 내통(31) 내부에 수용된 유기성 폐기물로 충분한 열이 전달되지 않으므로 원료의 탄화반응이 잘 일어나지 않아 생성물의 품질이 저하될 수 있으며, 온도가 500℃ 초과인 경우에는 탄화반응기(30) 내부의 유기성 폐기물이 탄화되지 않고 가스화되어 탄화물의 수율이 낮아질 수 있다.
상기 열매체유(0.4~0.6cal/g℃)는 물(1cal/g℃)보다 비열이 낮아 열에 의해 빠른 속도로 온도 상승이 일어나고, 스팀보다 압력을 1/10 낮출 수 있어 압력부하가 감소되는 특징이 있다.
따라서 열매체유는 상기 탄화반응기(30)의 일측에서 나선형의 파이프 및 제 1 공간부(33)로 유입되어 내통(31) 내부에 열을 균일하게 전달함으로써 생성물의 품질을 향상시킬 수 있으며, 추가적인 열원이 필요하지 않으므로 연료 소비를 줄일 수 있다.
또한 상기 열매체유를 이용하여 탄화반응기(30)를 간접적으로 가열함으로써 탄화반응기(30) 하부의 국부적인 열부식을 방지하고, 탄화반응기(30)의 압력부하를 감소시킬 수 있으므로 탄화반응기(30)의 수명이 연장될 수 있다.
본 발명에 따른 탄화 반응은 탄화반응기(30) 내부에서 원료에 함유된 물이 고온 및 고압(온도에 따른 수증기압)에서 기화되어 원료가 임계상태에서 탄화반응이 이루어지도록 하는 촉매 역할을 한다.
상기 탄화반응기(30)의 내통(31)에 투입된 원료는 탄화반응이 진행되는 동안 발열량이 높은 바이오촤를 얻기 위해서 함수율이 50% 내지 80%로 유지되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 60% 내지 70%로 유지되는 것이 좋다.
상기 원료의 함수율이 50% 미만인 경우에는 반응기의 내부 압력을 상승시키는 속도가 느려져 탄화 반응시간이 길어질 수 있으며, 함수율이 80% 초과인 경우에는 과다한 수분으로 인해 포화수증기압이 급격하게 상승하여 적절한 온도를 유지하기 어려울 뿐만 아니라, 다량의 수분이 유기성 폐기물에 포함되어 최종 생성물의 수율이 저하될 수 있다.
이렇게 상기 원료의 함수율을 일정하게 유지하기 위해서는 탄화반응기(30)에 물을 공급하는 보조 수조(미도시)를 추가로 구비할 수 있다.
또한, 상기 탄화반응기(30)는 원료의 발열량을 높이기 위해 pH를 조절하는 pH 조정조를 추가로 구비할 수 있으며, 이때 당해 분야에서 사용되는 pH 조정조를 용이하게 적용할 수 있다.
한편, 본 발명의 탄화반응기(30)는 내통(31) 및 외통(32)의 하부가 하측방향으로 직경이 작아지는 테이퍼(taper)진 원추 형상으로, 바이오촤, 바이오 리퀴드 및 바이오 가스를 포함하는 생성물이 원활하게 하부로 배출되도록 할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 탄화 반응이 종결되면 탄화반응기(30)의 중앙 하부에 형성된 밸브를 개방하여 탄화반응기(30) 내부의 생성물이 배출된다.
상기 생성물은 바이오촤, 바이오 리퀴드 및 바이오 가스를 포함하는 것으로, 배출보관조(40)에 임시로 저장될 수 있다.
이때 상기 배출보관조(40)에 형성된 밸브를 개방하여 탄화반응기(30)에서 생성된 바이오 가스가 압력차에 의해 배출보관조(40)를 거쳐 바로 배출되게 한다.
따라서 탄화반응기(30)에 포함된 가스를 탄화반응기(30)의 하부로 원활하게 배출할 수 있다.
한편, 탄화반응기(30)의 열원으로 사용된 열매체유는 제 1 공간부(33) 및 나선형의 파이프를 통과하여 다시 열매체유 탱크(20)로 유입된다.
상기 열매체유 탱크(20)는 열매체유가 수용된 내통(22) 및 상기 내통(22)으로부터 소정 간격 이격되어 제 2 공간부(21)를 형성하도록 외통(23)이 구비되고, 상기 외통(23)의 하부에 구비된 가스버너에 의해 가열된다.
상기 가스버너는 연료를 연소하기 위해 사용되는 것으로서, 그 종류는 특별히 한정하지 않으나 기체연료를 사용하는 버너 또는 액체연료를 사용하는 버너 등 모든 종류의 버너가 사용될 수 있다.
이때 상기 제 2 공간부(21)는 그 내부에 나선형의 파이프가 형성될 수 있다.
연료가 연소되어 발생된 배기가스는 상기 파이프의 내부를 통과하면서 열매체유 탱크(20)로 배기가스의 열을 골고루 전달한다.
그 이후 열매체유 탱크(20)를 가열한 배기가스는 열매체유 탱크(20)의 상단부에 형성된 배출구(미도시)를 통하여 후술하는 관성충돌형 열교환기(50)로 이동한다.
이때 열매체유 탱크(20)의 상단부에 형성된 배출구로 배기가스가 배출되면서 배기가스의 흐름을 일방향으로 유도하므로 열매체유 탱크(20)의 하부에 형성된 버너 화염이 외부로 새어나가지 않아 연소효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
이러한 과정을 거친 원료는 탄화 반응이 종결되고 난 다음 바이오 리퀴드, 바이오 가스 및 바이오촤로 전환된다.
상기 탄화반응기(30)로부터 배출된 바이오 가스는 바이오촤, 바이오 리퀴드 또는 바이오 가스를 보관하는 배출보관조(40) 및 관성충돌형 열교환기(50)를 순차적으로 거쳐 응축될 수 있다.
상기 바이오 가스는 배출보관조(40)를 거쳐 관성충돌형 열교환기(50)로 이동한다.
상기 바이오 가스는 고온의 증기, 일산화탄소(CO), 메탄가스(CH4) 및 악취물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것으로, 열매체유 탱크(20)로부터 배출된 고온의 배기가스 및 증기와 함께 관성충돌형 열교환기(50)에서 액화된다.
상기 관성충돌형 열교환기(50)는 기체의 바람 방향에 대하여 일정 각도로 경사지게 형성되는 제 1 블레이드(미도시), 상기 제 1 블레이드로부터 굴절각을 가지고 연장 형성되는 제 2 블레이드(미도시), 상기 제 1 블레이드 및 제 2 블레이드의 연결점에 형성된 히트파이프(미도시) 및 상기 히트파이프에 형성되고 횡단면이 원호 형상인 한 쌍의 제 3 블레이드(미도시)를 포함한다.
상기 히트파이프는 내부에 흐르는 냉수에 의해 고온의 증기를 응축시켜 액화함과 동시에 열을 회수하는 역할을 한다.
이때 상기 히트파이프 내부에 흐르는 냉수는 축열조(100)로부터 제공되는데, 상기 축열조(100)에 대해서는 이후에 후술하도록 한다.
상기 열매체유 탱크(20)로부터 배출된 고온의 배기가스 및 증기에 포함된 미세먼지와 같은 입자상 물질은 상기 제 2 블레이드 및 제 3 블레이드에 충돌하여 하부로 낙하되어 제거된다.
이때 상기 제 2 블레이드는 제 1 블레이드로부터 굴절각을 가지고 연장 형성되는데, 상기 굴절각은 30°내지 60°일 수 있다.
상기 굴절각이 30°미만인 경우에는 미세먼지가 블레이드에 적게 충돌하여 미세먼지 제거 효과가 저하될 수 있으며, 60°초과인 경우에는 공기의 흐름이 나빠져서 미세먼지 제거 효율이 저하될 수 있다.
상기 제 1 블레이드 및 제 2 블레이드는 블레이드 길이방향에 대하여 수직방향으로 설치되는 로드(미도시)에 의하여 상호 체결될 수 있다.
또한 상기 바이오촤 생산 시스템은 관성충돌형 열교환기(50)로부터 배출된 응축액 및 가연성 가스를 포집하는 포집장치(60)를 추가로 구비할 수 있다.
상기 가연성 가스는 포집장치(60)에 형성된 개폐밸브를 통해 배출되어 열매체유 탱크(20)의 가스버너에 의해 소각되므로 오염물질이 외부로 배출되지 않아 2차 환경오염을 줄일 수 있다.
이때 상기 가연성 가스는 일산화탄소(CO), 메탄가스(CH4) 및 악취물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 포집장치(60)는 당해 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 제한 없이 적용할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한 상기 바이오촤 생산 시스템은 일산화탄소, 메탄가스 및 악취물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 생성하는 혐기성 소화조(70)를 추가로 구비할 수 있다.
상기 혐기성 소화조(70)는 배출보관조(40), 탈수기(80) 및 포집장치(60)로부터 유입된 응축액 또는 유기물을 다량 함유한 바이오 리퀴드를 소화하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 혐기성 소화조(70)는 소화에 적합한 환경을 갖추기 위해, 온도 및 pH를 적절하게 제어하는 수단을 추가로 구비할 수 있으며, 온도의 경우 35℃ 내지 40℃로 유지되어 바이오 리퀴드에 포함된 박테리아 등의 미생물들이 지방산 또는 휘발성 산을 생성할 수 있다.
이렇게 생성된 지방산은 이산화탄소, 일산화탄소 또는 메탄가스를 생성하여 열매체유 탱크(20)를 가열하기 위한 연료 에너지로 공급될 수 있다.
이를 통해 유기성 폐기물의 탄화 반응에 의해 생성된 바이오 리퀴드, 바이오가스 및 악취 가스는 메탄가스로 전환되어 연료로 공급되므로 환경오염을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 소비를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한 상기 혐기성 소화조(70)는 바이오 리퀴드를 골고루 혼합하여 효율적인 소화를 이루기 위하여 교반기와 교반 및 소화 시 발생하는 거품을 제거하는 거품제거기를 추가로 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 탄화반응기(30)로부터 배출된 바이오촤는 탈수기(80)로 이동하고 고체 및 액체로 분리된다.
상기 탈수기(80)는 특별히 한정하지 않으나, 일례로 벨트프레스, 필터프레스 또는 공기압을 이용한 탈수 및 원심분리기로 이루어진 군에서 선택된 1종일 수 있다.
이때 탈수기(80)에 유입된 바이오촤는 상당량의 수분이 제거되어 초기 함수량의 30% 내지 40%의 함수량을 가지게 된다.
일반적으로 음식물 폐기물에 포함된 수분은 결합수로 일반적인 탈수기에 의해 수분 제거가 힘들지만, 탄화반응을 거친 음식물 폐기물의 경우에는 결합수가 자유수로 존재하기 때문에 물리적인 가압 조건에서도 탈수가 잘 일어난다.
상기 바이오촤 생산 시스템은 바이오촤를 건조시키는 건조실(90)을 추가로 구비할 수 있다.
상기 탈수기(80)를 거친 바이오촤는 건조실(90)로 이동하여 고온의 건공기에 의해 함수율이 5% 내지 10%가 되도록 수분이 제거된다.
상기 함수율이 5% 미만인 경우에는 고형 연료의 펠릿 성형시 잘 부서지기 쉬워 성형이 어려울 수 있으며, 함수율이 10% 초과인 경우에는 보관 중에 물이 배어나오고, 곰팡이가 발생하여 고형 연료의 품질이 저하될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 바이오촤 생산 시스템은 탄화시 원료의 함수율을 조절하고 건조 과정을 통해 최종 생성물(바이오촤)의 함수율을 최소화함으로써 발열량이 높은 고형 연료를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 바이오촤 생산 시스템은 상기 관성충돌형 열교환기(50)에 의해 열교환된 온수의 열을 수집하는 축열조(100)를 추가로 구비할 수 있다.
상기 축열조(100)는 원료 예열반응기(10)의 열원을 공급하는 장치로, 당해분야에서 일반적으로 사용되는 장치를 적용할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 내용을 하기 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> : 음식물 폐기물로부터 고형 연료의 제조
음식물 폐기물을 수거하여 원료로 사용하였으며, 이들을 모두 50mm로 분쇄하여 사용하였다.
상기 분쇄된 음식물 폐기물 600kg을 원료 예열반응기에 투입하여 70℃로 예열한 다음, 탄화반응기(1,000L)의 승온속도를 5℃/min으로 하여 230℃로 설정하고 2.5MPa의 조건에서 3시간 동안 탄화시켰다.
이때 탄화반응기 내의 음식물 폐기물은 함수율이 67.7%이 되도록 유지하였다.
반응시간 경과 후 탄화반응기를 냉각시키고, 탄화반응기 내의 고체(바이오촤), 액체(바이오 리퀴드) 및 기체(바이오 가스 및 증기)를 배출보관조에 이동시켰다.
그 중 바이오촤는 탈수기로 이동시켜 수분을 제거하고, 이를 다시 건조실로 이동시켜 70℃의 건공기에 의해 6시간 동안 건조시켜 함수율이 5%인 바이오촤를 생산하였다.
그 다음, 건조된 바이오촤를 성형기를 이용하여 펠릿 형태로 고형 연료를 제조한 후에 고형 연료의 열량을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
< 실시예 2 내지 11 및 비교예 1 및 2>
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 하기 표 1에 나타낸 조건으로 수행하여 고형 연료를 제조하였다.

구분
원료 예열반응기 온도(℃)		 탄화반응기 열매체유 온도
(℃)		 탄화반응기 내 원료 함수율
(%)
온도(℃) 압력(MPa)
실시예 1 70.0 200.0 2.5 405.5 67.7
실시예 2 91.2 200.0 2.5 405.5 67.7
실시예 3 125.5 200.0 2.5 405.5 67.7
실시예 4 30.5 200.0 2.5 405.5 67.7
실시예 5 70.0 130.0 2.5 405.5 67.7
실시예 6 70.0 420.0 2.5 405.5 67.7
실시예 7 70.0 200.0 2.5 520.0 67.7
실시예 8 70.0 200.0 2.5 250.0 67.7
실시예 9 70.0 200.0 2.5 405.5 35.2
실시예 10 70.0 200.0 2.5 405.5 92.5
실시예 11 70.0 200.0 2.5 405.5 55.0
비교예 1 70.0 200.0 0.7 405.5 67.7
비교예 2 70.0 200.0 4.0 405.5 67.7
구분 열량(kcal/kg)
실시예 1 6,654
실시예 2 6,115
실시예 3 5,364
실시예 4 6,015
실시예 5 4,985
실시예 6 6,020
실시예 7 5,700
실시예 8 5,280
실시예 9 6,040
실시예 10 5,010
실시예 11 6,420
비교예 1 4,089
비교예 2 4,890
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오촤 생산 시스템으로 제조된 실시예 1 내지 11은 비교예 1 및 2에 비해 발열량이 높은 바이오촤를 얻을 수 있었다.
특히, 실시예 1은 비교예 1 및 2에 비해 음식물 폐기물의 탄화반응이 향상되어 최종생성물인 바이오촤의 발열량이 증가한 것을 확인할 수 있었다.
10: 원료 예열반응기 20: 열매체유 탱크
21: 제 2 공간부 22, 23: 열매체유 탱크의 내통, 외통
30: 탄화반응기 31, 32: 탄화반응기의 내통, 외통
33: 제 1 공간부 40: 배출보관조
50: 관성충돌형 열교환기 60: 포집장치
70: 혐기성 소화조 80: 탈수기
90: 건조실 100: 축열조

Claims (10)

  1. 원료를 예열하는 원료 예열반응기;
    상기 원료 예열반응기에서 예열된 원료를 1.0MPa 내지 3.0MPa의 압력에서 탄화시키는 탄화반응기; 및 상기 탄화반응기에 열원을 공급하는 열매체유 탱크를 포함하고,
    상기 탄화반응기는 원료를 수용하는 내통 및 상기 내통을 둘러싸며 내통과 이격되어 제 1 공간부를 형성하도록 외통이 구비되고,
    상기 내통 및 외통은 그 하부가 하측방향으로 직경이 작아지는 테이퍼진 원추 형상이며,
    상기 열매체유 탱크는 열매체유가 수용된 내통 및 상기 내통으로부터 소정 간격 이격되어 제 2 공간부를 형성하도록 외통이 구비되고,
    상기 열매체유는 파이프 및 제 1공간부로 유입되어, 탄화반응기로부터 배출되고 열매체유 탱크로 유입되는 것을 특징으로 하는 바이오촤 생산 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 원료 예열반응기는 원료를 50℃ 내지 90℃로 예열하고, 상기 탄화반응기는 예열된 원료를 150℃ 내지 300℃에서 탄화시키며, 상기 열매체유는 가스버너에 의해 300℃ 내지 500℃로 가열되는 것을 특징으로 하는 바이오촤 생산 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 탄화반응기의 내통에 투입된 원료는 탄화반응이 진행되는 동안 함수율이 50% 내지 80%로 유지되는 것을 특징으로 하는 바이오촤 생산 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제 2 공간부는 그 내부에 나선형의 파이프가 형성된 것을 특징으로 하는 바이오촤 생산 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 탄화반응기로부터 배출된 증기 또는 가스는 바이오촤, 바이오리퀴드, 증기 또는 가스를 보관하는 배출보관조 및 관성충돌형 열교환기를 순차적으로 거쳐 응축되는 것을 특징으로 하는 바이오촤 생산 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 관성충돌형 열교환기는 기체의 유입 방향에 대하여 일정 각도로 경사지게 형성되는 제 1 블레이드, 상기 제 1 블레이드로부터 굴절각을 가지고 연장 형성되는 제 2 블레이드, 상기 제 1 블레이드 및 제 2 블레이드의 연결점에 형성된 히트파이프, 및 상기 히트파이프에 형성되고 횡단면이 원호 형상인 한 쌍의 제 3 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오촤 생산 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 바이오촤 생산 시스템은 관성충돌형 열교환기로부터 배출된 응축액 및 가연성 가스를 포집하는 포집장치를 추가로 구비하고, 상기 가연성 가스는 열매체유 탱크의 가스버너에 의해 소각되는 것을 특징으로 하는 바이오촤 생산 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 바이오촤 생산 시스템은 바이오촤를 건조시키는 건조실을 추가로 구비하고, 상기 건조된 바이오촤의 함수율은 5% 내지 10%인 것을 특징으로 하는 바이오촤 생산 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 바이오촤 생산 시스템은 메탄가스, 일산화탄소 및 악취물질로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 생성하는 혐기성 소화조를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 바이오촤 생산 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 바이오촤 생산 시스템은 열교환된 온수의 열을 수집하는 축열조를 추가로 구비하고, 상기 축열조는 원료 예열반응기의 열원인 것을 특징으로 하는 바이오촤 생산 시스템.
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