KR20170004131A - 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오매스의 열분해를 통해 생성된 저급 바이오오일을 연속적인 촉매 반응 과정을 거쳐 고급화된 바이오오일로 업그레이드하는 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치에 관한 것으로, 처리 대상 바이오오일을 흡입하여 고압으로 토출시키는 펌프; 상부에 유입구가 형성되고 하부에 배출구가 형성되어 상기 펌프로부터 토출된 상기 처리 대상 바이오오일이 상부에서 하부로 하강 이동하는 과정에서 상기 처리 대상 바이오오일의 산소 함량을 감소시키는 촉매로 이루어진 촉매층을 통과함에 따라 개질된 바이오오일이 생성되는 반응기; 상기 반응기에서 배출되는 고온의 바이오오일을 냉각하는 냉각기; 및 상기 냉각기에서 배출되는 바이오오일을 저장하는 최종 저장조;를 포함하여 이루어진다.

Description

바이오오일의 연속 촉매 반응 장치{An apparatus of continuous catalytic reaction of bio-oil}

본 발명은 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오매스의 열분해를 통해 생성된 저급 바이오오일을 연속적인 촉매 반응 과정을 거쳐 고급화된 바이오오일로 업그레이드하는 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치에 관한 것이다.

기존 화석 연료를 주 에너지원으로 사용하면서 발생한 환경오염 문제와 에너지 자원 고갈 문제를 해결하기 위해 신재생에너지가 크게 주목받고 있다.

특히 최근 10년간은 식물을 비롯한 바이오매스(biomass)가 화석연료 중심의 기존 산업시설 및 장치 등에 직접 적용할 수 있는 대체에너지원으로 인식되면서 현재 빠른 속도로 기술개발이 이루어지고 있다.

바이오매스란 육상과 수상의 식물과 동물 및 미생물을 포함하는 지구상의 유기체 전부를 물질로 환산한 것을 가리키는 것으로, 목재, 곡물, 농업 임업 관련 부산물이나 하수처리장의 슬러지, 도시 고형폐기물 등의 유기성 물질 전체를 포함하는 개념이다. 생물계는 식물체를 근간으로 형성되며 식물체는 곧 화학결합 중에 태양에너지를 저장하는 탄소화합물이라고 할 수 있기 때문에 결국 바이오매스는 화석연료와 같이 탄소화합물로 이루어진 에너지 저장 물질이라고 할 수 있다. 따라서 바이오매스는 재생자원 중 유일하게 화석연료를 대신하여 에너지원으로서는 물론 화학공업 원료물질 공급원(chemical feedstock)으로서의 역할까지도 수행할 수 있는 자원이 된다.

바이오매스는 원료의 종류에 따라 분류되는데, 전분질계 바이오매스(곡류, 감자류 등), 목질계 바이오매스(목본, 초본, 볏집과 왕겨 등 농업 부산물), 당질계 바이오매스(사탕수수, 사탕무 등), 동물 단백질계 바이오매스(동물사체, 미생물 균체 등) 등으로 구분할 수 있다.

그 중에서 목질계 바이오매스 발생량은 국내의 경우 5백만톤 이상이며 말레이시아의 경우 팜오일 착유공장에서 발생하는 에너지작물 부산물(EFB)만 연간 2천만톤 정도로 비교적 안정적인 원료공급이 가능하기 때문에, 목질계 바이오매스를 이용하여 바이오원유를 생성하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

이와 관련된 기술이 한국등록특허 제 10-0857247호("촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산 방법")에 개시되어 있으며, 상기 선행기술은 바이오매스의 열분해시 생성되는 바이오오일을 보다 더 안정성 있고, 발열량이 높은 바이오오일로 개질하는 방법에 관한 것이다.

그러나, 상기 선행기술을 통해 생성된 바이오오일에는 여전히 산소가 포함되어 있어 발열량이 낮으며 산성 물질들이 포함되어 있어 이를 디젤엔진 연료 등으로 활용하기 위해서는 바이오오일을 업그레이드 해야만 한다.

이때, 상기한 선행기술을 포함한 종래 기술을 통해 생성된 바이오오일은 점성(viscosity)이 수백 cps 정도로 크고 pH가 2 내지 3정도로 산성을 띄며 고온의 촉매 반응 과정에서 코크가 생성되기 쉬운 특성이 있으므로, 이러한 특성을 고려하여 바이오오일을 효율적으로 업그레이드하는 기술이 필요로 된다.

한국등록특허 제 10-0857247호("촉매 열분해에 의한 바이오오일의 생산 방법")

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 바이오매스의 급속 열분해를 통해 생성된 바이오오일이 점도가 높고 산성이며 고온의 촉매 반응 과정에서 코크 생성이 용이한 특성을 고려하여, 업그레이드된 바이오오일을 생성하는 새로운 구조의 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치는 처리 대상 바이오오일을 흡입하여 고압으로 토출시키는 펌프; 상부에 유입구가 형성되고 하부에 배출구가 형성되어 상기 펌프로부터 토출된 상기 처리 대상 바이오오일이 상부에서 하부로 하강 이동하는 과정에서 상기 처리 대상 바이오오일의 산소 함량을 감소시키는 촉매로 이루어진 촉매층을 통과함에 따라 개질된 바이오오일이 생성되는 반응기; 상기 반응기에서 배출되는 고온의 바이오오일을 냉각하는 냉각기; 및 상기 냉각기에서 배출되는 바이오오일을 저장하는 최종 저장조;를 포함하여 이루어질 수 있다.

이때, 상기 펌프와 상기 반응기 사이에 구비되어, 상기 반응기로 유입되기 전 상기 처리 대상 바이오오일의 온도를 상기 반응기 내의 온도와 유사하게 예열시키는 예열기;를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또, 상기 반응기는 상기 배출구가 하부 측면에 형성되어 배출되는 바이오오일의 이동 방향을 직각으로 변경함으로써, 상기 반응기 하부에 상기 바이오오일에 포함된 미세 이물질이 누적되도록 할 수 있으며, 상기 반응기의 하측 단부와 연결되어 상기 반응기 하부에 누적된 미세 이물질을 포집하는 이물질 포집조;를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또, 상기 반응기는 개질된 바이오오일이 배출되는 배출구 측에 충전물질을 충전하여, 상기 바이오오일에 남아있는 미세 이물질이 흡착 제거된 후 배출되도록 할 수 있다.

또한, 상기 반응기는 상기 처리 대상 바이오오일이 유입되는 유입구 측에 구비되며, 상기 처리 대상 바이오오일이 상기 촉매층의 온도보다 낮은 온도로 가열된 후 상기 촉매층으로 이동되도록 하는 이송튜브,를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

한편, 상기 촉매층은 복수개의 촉매가 층을 이루어 순차적으로 충전되되, 각 촉매들 사이에는 빈 공간 또는 충전제가 삽입될 수 있으며, 상기 촉매층은 상부에서 하부로 갈수록 충전된 촉매 층의 반응 온도가 소폭의 온도 구배를 갖도록 온도가 조절될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 촉매 반응 장치는 점성이 높고, 산성이며, 고온의 촉매 반응 과정에서 코크 생성이 용이한 특성을 갖는 처리 대상 바이오오일에 적합한 새로운 구조의 장치를 설계함으로써, 효율적으로 바이오오일을 업그레이드할 수 있다.

특히, 본 발명의 일실시예에 따른 촉매 반응 장치에 있어서, 반응기의 구조를 수직형으로 형성하고, 처리 대상 바이오오일이 반응기 내부에 구비된 촉매층을 통과함에 따라 처리 대상 바이오오일에 포함된 산소와 이물질이 효과적으로 제거됨으로써, 생성된 바이오오일의 발열량과 화학적 안정성이 증대되는 효과가 있다.

따라서, 목질계 바이오매스로부터 생산된 저급 바이오오일을 효과적으로 업그레이드함으로써, 디젤엔진 연료로도 활용할 수 있으므로 경제성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연속 촉매 반응 장치의 개략구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전처리부의 개략구성도.

일반적으로 목질계 바이오매스를 급속 열분해를 하면 50% 이상의 바이오오일을 얻을 수 있다. 이때, 생성된 바이오오일에는 과량의 산소가 함유되어 있으며, 상기 산소는 바이오오일의 발열량을 떨어뜨리고, 고분자화반응(condensation)을 통하여 타르나 분진을 생성하는 원인물질로 반드시 제거하여야만 바이오오일을 발전용 디젤엔진 연료로 활용이 가능하다.

본 발명은 목질계 바이오매스의 급속 열분해를 통해 생성된 바이오오일(이하, '처리 대상 바이오오일'이라 함.)을 연속 촉매 반응 공정을 수행하도록 함으로써, 처리 대상 바이오오일에 포함된 산소 및 이물질을 제거하여 고급 바이오오일로 업그레이드하는 장치를 고안한 것이다.

장치를 설계함에 있어서 중요하게 고려해야할 사항은 상술한 바와 같이 처리 대상 바이오오일이 점성이 크고, 산도가 산성이어서 부식성이 있으며, 고온의 촉매 반응 과정에서 코크 생성이 용이한 특성이 있다는 것이다.

상기한 특성을 갖는 바이오오일에 적합하도록 설계된 본 발명의 일실시예에 따른 연속 촉매 반응 장치를 첨부된 도면을 사용하여 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연속 촉매 반응 장치는 크게 전처리부(100), 펌프(200), 반응기(400), 냉각기(500) 및 최종 바이오오일 저장조(600)를 포함하여 이루어진다.

먼저, 상술한 구성들을 간단히 설명하면, 바이오매스의 급속 열분해를 통해 생성된 처리 전 바이오오일은 전처리부(100)로 유입된다. 전처리부(100)는 일반적인 저장조로 이루어져, 처리 전 바이오오일을 일정 시간동안 저장함으로써 바이오오일에 포함된 이물질 등을 침전에 의해 제거한 후 본 발명의 일실시예에 따른 연속 촉매 반응 장치로 유입되도록 할 수 있다.

그러나, 전처리부(100)는 도 2에 도시된 것처럼 구성되는 것이 더욱 바람직하다. 도 2는 전처리부(100)의 하나의 실시예를 나타낸 것으로, 전처리부(100)는 처리 전 오일 저장조(10), 고압펌프(20), 필터부(30) 및 최종 저장조(40)를 포함하여 이루어지는 물리적 정제 장치이다. 이하, 도 2를 참고하여 전처리부(100)의 구성을 상세히 설명한다.

바이오매스를 열분해하여 생성된 바이오오일은 처리 전 오일 저장조(10)로 회수되어 저장되며, 고압펌프(20)는 처리 전 오일 저장조(10)로부터 바이오오일을 흡입하고 상당한 고압으로 필터부(30)로 토출시킨다.

또한, 필터부(30)는 서로 여과유효직경이 상이한 2개 이상의 필터로 이루어지며, 고압펌프(20)로부터 토출된 바이오오일의 상태에 따라 선택적으로 필터를 통과시켜 바이오오일에 함유된 이물질 및 수분을 효율적으로 제거한다.

이렇게, 필터부(30)를 통과하여 최종 정제된 바이오오일은 최종 저장조(40)에 저장된다.

또한, 필터부(30) 및 최종 저장조(40) 사이에는 필터부(30)를 통과하여 정제된 바이오오일이 임시 저장되는 임시 저장조(50)와 임시 저장조(50) 내 바이오오일의 품질을 확인하는 품질 확인 수단(80)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

바이오오일의 품질은 바이오오일에 함유된 이물질 및 수분 함량에 따라 결정되는 것으로, 품질 확인 수단(80)에서 확인된 바이오오일의 품질이 기준치 이하일 경우 임시 저장조(50) 내 바이오오일을 고압펌프(20)로 재투입되며, 원하는 품질의 최종 바이오오일을 회수하기 위해 상기한 과정은 수차례 반복 수행될 수 있다. 이때, 품질 확인 수단(80)으로는 바이오오일에 함유된 이물질 및 수분 농도를 측정하는 센서가 사용될 수 있으며, 이외에도 당업자라면 공지된 다양한 수단을 이용할 수 있음은 물론이다.

한편, 바이오오일은 산성이고 점성이 크기 때문에 고압펌프(20)를 내산성 있는 재질로 제작하는 것이 바람직하며, 점성이 큰 바이오오일을 원활하게 흡입하고 필터부(30)에 걸리는 압력 이상의 압력(2기압 이상)으로 토출시키도록 구성되는 것이 바람직하다. 아울러, 고압펌프(20) 뿐만 아니라 전처리부(100) 내 바이오오일이 유동하는 모든 유로를 내산성 있는 재질로 제작하는 것이 바람직하다.

또한, 필터부(30)는 직경 10 ~ 50㎛ 범위의 이물질을 걸러내는 1차 필터(31), 직경 1 ~ 5㎛ 범위의 이물질을 걸러내는 2차 필터(32), 및 직경 0.1 ~ 0.5㎛ 범위의 이물질을 걸러냄과 동시에 필터 표면에 수분이 통과되지 않고 하강하여 모아지도록 하는 표면 특성을 가진 필터에 의해 수분을 제거하는 3차 필터(33)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 이때, 바이오오일의 상태에 따라 고압펌프(20)에서 토출된 바이오오일을 1차 필터(31), 2차 필터(32), 및 3차 필터(33) 중 선택되는 어느 하나 이상의 필터를 통과시킬 수 있다.

구체적으로, 고압펌프(20)에서 토출된 바이오오일이 1차 필터(31) - 2차 필터(32) - 3차 필터(33)를 모두 통과하거나, 1차 필터(31) - 3차 필터(33)를 통과하거나, 2차 필터(32) - 3차 필터(33)를 통과하거나, 3차 필터(33) 하나만 통과하도록 할 수 있으며, 이는 바이오오일이 이송되는 이송관들에 각각 구비되어 있는 밸브를 자동 또는 수동 개폐함으로써 제어된다. 바이오오일의 품질이 매우 가변적이므로, 바이오오일의 품질에 따라 선택적으로 필터를 통과시키는 것이다.

만약, 바이오오일의 이물질 및 수분 농도가 높은 수준이라면 1차 필터(31) - 2차 필터(32) - 3차 필터(33)를 통과시킨 후 다시 1차 필터(31)로 재순환시켜 수차례 여과 과정을 수행하도록 할 수 있다. 이러한 구조는 필터부(30)를 직렬로 복수개 구비하는 것과 동일한 수준의 효과를 얻으면서도 설치면적 및 설치비용을 최소화할 수 있으므로 매우 효과적이다.

또, 도시된 바와 같이 바이오오일이 필터부(30)를 통과하는 과정에서 걸러진 이물질이 필터부(30) 하부에 모이도록 필터부(30) 하부의 일정 영역을 하단부로 갈수록 직경이 작아지는 원추형으로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 필터부(30)의 하측 단부와 연결되어 필터부(30)의 하부에 남아있는 바이오오일을 포집하여 저장하는 잔여 오일 저장조(60)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 필터부(30) 하부에 쌓인 이물질들은 잔여 오일과 함께 뒤섞여있는 상태이다. 따라서, 필터부(30)의 하부가 원추형으로 형성됨에 따라 필터를 통과하지 못한 이물질들이 필터부(30)의 가장 직경이 작은 최하단부부터 차곡차곡 쌓일 수 있으며, 이때 필터부(30)의 최하단부는 직경이 매우 작기 때문에 최대한 이물질이 적은 잔여 오일만 잔여 오일 저장조(60)로 이송될 수 있도록 한다. 따라서, 각 필터의 하부에 남아있는 바이오오일은 비교적 깨끗한 상태로 잔여 오일 저장조(60)에 포집되고, 잔여 오일 저장조(60) 내 바이오오일은 고압펌프(20) 또는 처리 전 오일 저장조(10)로 재투입시키도록 함으로써, 폐기되는 바이오오일을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

이때, 도시된 것처럼, 필터부(30)의 하부에 모아지는 이물질이 이송되어 저장되는 이물질 저장조(70)를 더 포함할 수 있다. 즉, 필터부(30)의 하부에 이물질이 쌓이게 되어 이를 제거해야할 필요가 있을 때마다 간헐적으로 필터부(30)의 하부의 이물질을 제거하는 과정이다. 이를 위해, 이물질 저장조(70)의 앞단에 흡입펌프(미도시)를 더 구비하여 이물질을 흡입하여 이물질 저장조(70)로 이송되도록 구성될 수 있다.

상기한 바와 같이 전처리부(100)가 구성됨으로써, 처리 전 바이오오일은 이물질이 최대한 제거되고, 수분 함량도 비교적 낮은 수준으로 처리될 수 있다. 즉, 연속적으로 필터부(30)를 통과함으로써 처리 전 바이오오일에 포함된 이물질이 효과적으로 제거된 후, 본 발명의 일실시예에 따른 연속 촉매 반응 장치로 유입되므로, 이물질에 의한 막힘 현상 등을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

다시, 도 1을 참고하면, 펌프(200)는 전처리부(100)의 최종 저장조(40)로부터 처리 대상 바이오오일을 흡입하여 고압으로 토출시킨다.

또한, 반응기(400)는 도시된 바와 같이 상부에 유입구가 형성되고 하부에 배출구가 형성되어 펌프(200)로부터 토출된 처리 대상 바이오오일이 상부에서 하부로 하강 이동하는 과정에서 반응기(400) 내부에 구비된 촉매층(420)을 통과함에 따라 개질된 바이오오일을 생성한다. 이때, 촉매층(420)은 탈산소 반응에 활성이 높은 촉매로 구성되어 처리 대상 바이오오일에 함유된 산소 함량을 감소시키는 역할을 한다.

반응기(400)에서는 고온에서 촉매 반응이 이루어짐에 따라 고온의 바이오오일이 배출되므로, 반응기(400)의 후단에 구비된 냉각기(500)에서 바이오오일을 냉각시킨다.

이후, 냉각된 바이오오일은 질량을 측정하면서 최종 바이오오일 저장조(600)에 포집되어 저장된다.

상기한 일련의 과정과 같이 처리 대상 바이오오일이 연속 촉매 반응을 거쳐 효과적으로 개질된다.

이하, 도 1을 참고하여, 본 발명의 일실시예에 따른 연속 촉매 반응 장치를 더욱 구체적으로 설명한다.

먼저, 펌프(200)는 점성이 큰 바이오오일에 의해 막힘 현상이 발생하지 않도록 펌프(200) 내부의 처리 대상 바이오오일이 유동하는 공간을 비교적 크게 형성하는 것이 바람직하며, 혹 막힘 현상이 발생했을 경우 수리나 일부 부품 교체가 용이한 간단하도록 효율적인 펌프(200) 내부 구조 형태를 가지는 것이 좋다. 또한, 점성이 큰 처리 대상 바이오오일을 원활하게 흡입하기 위해 펌프(200)의 유입구 압력(1기압 이상)이 큰 것이 바람직하며, 처리 대상 바이오오일을 펌프(200) 내부로 진공 흡입되도록 구성될 수도 있다. 토출 시에도 마찬가지로 후단의 공정에 걸리는 압력 이상의 압력으로 토출시키는 것이 바람직하다. 또한, 처리 대상 바이오오일은 산성이므로, 펌프(200)를 내산성 있는 재질로 제작해야만 부식을 방지하고 장기간 처리가 가능하다. 또한, 펌프(200)뿐만 아니라 후술할 바이오오일이 유동하는 예열기(300), 반응기(400), 냉각기(500), 최종 바이오오일 저장조(600) 및 모든 유로 등의 구성이 내산성 있는 재질로 제작되거나 코팅되어야 할 것이다.

또한, 도시된 것처럼, 펌프(200)와 반응기(400) 사이에는 예열기(300)가 더 구비될 수 있다. 예열기(300)는 반응기(400)로 유입되기 전 처리 대상 바이오오일의 온도를 반응기(400) 내의 온도와 유사하게 예열시키는 역할을 하는 것으로, 가열 면적이 넓을수록 좋지만, 상대적으로 유체의 흐름이 원활하게 할 수 있는 정도의 직경을 갖는 이송관이어야 생성된 코크의 누적으로 막힘 현상이 발생되지 않는다. 이때, 예열기(300)의 가열 온도는 코크 생성이 적어 장시간 운전에 유리하도록 400℃ 이하로 운전하는 것이 바람직하며, 또한, 가열 온도는 반응기(400) 내의 온도보다는 약간 낮게 운전하는 것이 바람직하다.

예열기(300)에서 가열된 처리 대상 바이오오일은 반응기(400)로 유입된다. 상술한 바와 같이 반응기(400)는 유체가 상부로 유입되어 촉매층(420)을 거쳐 하부로 배출되도록 설계된 수직형 구조를 갖는다. 이와 같은 구조는 반응기(400)로 유입된 처리 대상 바이오오일이 펌프(200)의 토출 압력에 중력이 더해져 비교적 작은 압력으로도 원활하게 하강 이동할 수 있도록 함으로써, 처리 효율을 극대화시킨다.

또한, 도시된 것처럼, 본 발명의 일실시예에 따른 촉매 반응 장치는 반응기(400) 내에는 유입구 측(반응기(400)의 상단부)에 이송튜브(410)가 구비된다. 이송튜브(410)는 처리 대상 바이오오일이 촉매층(420)의 온도보다 다소 낮은 온도로 가열된 후 상기 촉매층(420)으로 이동되도록 하는 유로이다. 이때, 이송튜브(410)는 촉매층(420)의 온도보다는 낮고 예열기(300)의 가열 온도보다는 높은 온도로 제어되어야만 가열 효과가 있는 동시에 열에 의한 코크 생성을 최대한 억제할 수 있다. 즉, 이송튜브(410) 내 코크 생성을 최소화하기 위해 이송튜브(410) 내 유체의 선 속도(Linear velocity)가 빠르도록 이송튜브(410)의 직경이 작아야 하나, 장시간 운전 과정에서 미량의 코크가 생성되어 코크가 누적됨에 따른 막힘 현상이 발생되지 않도록 너무 작지 않은 적절한 직경으로 제작해야 한다. 동시에 신속하게 가열될 수 있도록 열전달 효율이 높고 내식성이 강해 쉽게 녹이 슬지 않는 스테인레스강(Stainless Steel)와 같은 재질로 제작하는 것이 바람직하다.

이후, 이송튜브(410)를 통과하여 가열된 처리 대상 바이오오일은 촉매층(420)을 통과하게 되며, 이 과정에서 촉매층을 이루는 탈산소 반응에 활성이 높은 촉매와 반응하여 decarbonylation(R₁-CHO -> R₁-H + CO)와 decarboxylation (R₁-COOH -> R₁-H + CO₂) 등에 의해 바이오오일 성분 중의 산소가 CO, CO2 등으로 제거된다.

촉매층(420)의 촉매 형태와 충전 높이 및 온도 조절 방법은 반응기(400)의 상단과 하단의 압력 차를 최소화하는 동시에, 코크 생성이 최대한 억제할 수 있도록 촉매층(420)을 이루는 촉매의 반응 온도를 조절하여 코크 생성을 억제하여 바이오오일의 품질이 향상될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 촉매층(420)은 복수개의 촉매가 층을 이루어 순차적으로 충전되되, 각 촉매들 사이에는 빈 공간 또는 충전제가 삽입되도록 할 수 있다. 도시된 것처럼, 촉매층(420)은 제 1촉매(421), 제 2촉매(422) 및 제 3촉매(423)가 순차적으로 충전되도록 구성될 수 있으며, 각 촉매들 사이에 빈 공간(424)이나 충전제가 삽입되어 구성될 수 있다. 이는 입자로 이루어진 제 1촉매(421), 제 2촉매(422) 및 제 3촉매(423)가 차례로 층을 이루는데 있어서, 각 촉매 층 사이의 압력 차이를 최소화하여 바이오오일이 용이하게 이동될 수 있도록 하는 효과가 있다. 이때, 도면상에는 제 1촉매(421), 제 2촉매(422) 및 제 3촉매(423)로 구성되었으나, 필요에 따라 복수개의 촉매가 4층 이상을 이루도록 할 수 있으며, 이에 따라 각 촉매들 사이에 빈 공간 또는 충전제가 각각 삽입될 수 있다.

이때, 촉매의 충전량을 조절할 수 있도록 촉매층(420)의 높이(H)는 유동적으로 가변될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 처리 대상 바이오오일의 산소 함량에 따라, 촉매층(420)에서의 접촉 시간을 늘리거나 줄이도록, 제 1촉매(421), 제 2촉매(422) 및 제 3촉매(423)의 높이 및 각 촉매 사이의 간격을 적절히 조절하는 것이 바람직하다.

아울러, 촉매층(420)은 상부에서 하부로 갈수록 충전된 촉매의 반응 온도가 소폭의 온도 구배를 갖도록 온도를 조절되는 것이 바람직하다. 이는 반응 생성물의 질을 높이는 동시에, 코크 생성을 최대한 억제할 수 있는 효과가 있다.

또한, 반응기(400)에서 촉매층(420)을 통과함으로써 개질된 바이오오일이 배출되는 배출구 측에 충전물질(430)을 충전하여, 바이오오일에 남아있는 미세 이물질이 최대한 걸러져 제거된 후 배출되도록 하는 것이 바람직하고, 충전물질(430)은 주기적으로 깨끗이 청소 후에 재사용하도록 한다. 이때, 충전물질(430)로는 울과 같은 섬유 등이 사용될 수 있으며, 이외에도 당업자라면 상기 제시된 물질 이외에 다른 다양한 물질을 선택하여 사용할 수도 있을 것이다.

한편, 도시된 것처럼, 반응기(400)는 배출구가 하부 측면에 형성되어 배출되는 바이오오일의 이동 방향이 직각으로 변경됨으로써, 바이오오일이 배출구로 배출되기 전 반응기(400)의 하단부에서 속도가 급격히 감소된다. 따라서, 반응기(400) 하부에 바이오오일에 포함된 코크와 같은 미세 이물질이 누적되도록 할 수 있다. 이때, 반응기(400)의 하측 단부와 연통되어 반응기(400) 하부에 누적된 미세 이물질을 포집하는 이물질 포집조(700)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 즉, 평상시에는 밸브를 이용해 이물질 포집조(700)의 입구가 막혀있지만, 반응기(400) 하부에 일정량 이상의 이물질이 누적되면 이를 포집 제거하도록 입구가 개방됨으로써, 반응기(400)의 후단 공정으로 이송되는 바이오오일을 더욱 깨끗한 상태로 만들 수 있다.

한편, 도시된 것처럼, 반응기(400)의 하부는 하측으로 갈수록 직경이 좁아지는 원뿔형(또는 원뿔대)나 각뿔형(또는 각뿔대)으로 형성될 수도 있다. 이와 같이 형성될 경우 평상시 이물질 포집조(700)가 막혀있으므로, 상대적으로 무거운 이물질과 충전물질(430)에서 걸러진 이물질이 반응기(400) 하부의 경사에 의해 쌓이게 되며 동시에 소량의 바이오오일도 함께 고여 있게 된다. 이후 주기적으로 이물질 포집조(700)로 포집되도록 하며, 이물질 포집조(700)는 침전 또는 필터링 과정을 거쳐 이물질을 제거한 후 남은 바이오오일을 재처리하도록 전처리부(100)로 이송할 수 있다.

정리하자면, 반응기(400)는 상단부의 이송튜브(410)가 구비된 가열 부분과 중간부의 촉매층(420) 및 하단부의 충전물질층(430)으로 구성된 수직형으로 형성됨에 따라 펌프(200)의 토출 압력에 중력이 더해져 처리 대상 바이오오일이 상부에 하부로 용이하게 하강 이동될 수 있으며, 이 과정에서 처리 대상 바이오오일에 함유된 산소 및 이물질이 효과적으로 제거되는 효과가 있다.

이후, 반응기(400)를 거처 나오는 바이오오일은 고온임에 따라 고효율 열교환기형 냉각기(500)로 냉각을 실시하게 되며, 냉각된 바이오오일은 질량을 측정하면서 자동으로 최종 바이오오일 저장조(600)에 포집되어 저장된다.

본 발명의 일실시예에 따른 촉매 반응 장치는 점성이 높고, 산성이며, 고온의 촉매 반응 과정에서 코크 생성이 용이한 특성을 갖는 처리 대상 바이오오일에 적합한 새로운 구조의 장치를 설계한 것으로, 특히, 처리 대상 바이오오일에 포함된 산소와 이물질을 효과적으로 제거하도록 반응기(400)를 상술한 바와 같은 구조로 설계함으로써, 생성된 바이오오일의 발열량과 화학적 안정성이 증대되는 효과가 있다.

따라서, 목질계 바이오매스로부터 생산된 저급 바이오오일을 효과적으로 업그레이드함으로써, 디젤엔진 연료로도 활용할 수 있으므로 경제성이 향상되는 효과가 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 전처리부
200 : 펌프
300 : 예열기
400 : 반응기 410 : 이송튜브
420 : 촉매층 430 : 충전물질
500 : 열교환기형 냉각기
600 : 최종 바이오오일 저장조
700 : 이물질 포집조

Claims (8)

1. 처리 대상 바이오오일을 흡입하여 고압으로 토출시키는 펌프;
   상부에 유입구가 형성되고 하부에 배출구가 형성되어 상기 펌프로부터 토출된 상기 처리 대상 바이오오일이 상부에서 하부로 하강 이동하는 과정에서 상기 처리 대상 바이오오일의 산소 함량을 감소시키는 촉매로 이루어진 촉매층을 통과함에 따라 개질된 바이오오일이 생성되는 반응기;
   상기 반응기에서 배출되는 고온의 바이오오일을 냉각하는 냉각기; 및
   상기 냉각기에서 배출되는 바이오오일을 저장하는 최종 저장조;
   를 포함하여 이루어지는 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 펌프와 상기 반응기 사이에 구비되어, 상기 반응기로 유입되기 전 상기 처리 대상 바이오오일의 온도를 상기 반응기 내의 온도와 유사하게 예열시키는 예열기;
   를 더 포함하여 이루어지는 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 반응기는,
   상기 배출구가 하부 측면에 형성되어 배출되는 바이오오일의 이동 방향을 직각으로 변경함으로써, 상기 반응기 하부에 상기 바이오오일에 포함된 미세 이물질이 누적되도록 하는 것을 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 반응기의 하측 단부와 연결되어 상기 반응기 하부에 누적된 미세 이물질을 포집하는 이물질 포집조;
   를 더 포함하여 이루어지는 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 반응기는,
   개질된 바이오오일이 배출되는 배출구 측에 충전물질을 충전하여, 상기 바이오오일에 남아있는 미세 이물질이 흡착 제거된 후 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 반응기는,
   상기 처리 대상 바이오오일이 유입되는 유입구 측에 구비되며, 상기 처리 대상 바이오오일이 상기 촉매층의 온도보다 낮은 온도로 가열된 후 상기 촉매층으로 이동되도록 하는 이송튜브,를 더 포함하여 이루어지는 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치.
   
7. 제 1항에 있어서, 상기 촉매층은,
   복수개의 촉매가 층을 이루어 순차적으로 충전되되, 각 촉매들 사이에는 빈 공간 또는 충전제가 삽입되는 것을 특징으로 하는 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치.
   
8. 제 7항에 있어서, 상기 촉매층은,
   상부에서 하부로 갈수록 충전된 촉매 층의 반응 온도가 소정의 온도 구배를 갖도록 온도가 조절되는 것을 특징으로 하는 바이오오일의 연속 촉매 반응 장치.

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