KR20200048903A - 직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비 및 이를 이용한 폐목재로부터의 저탄소 친환경 소재 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비 및 이를 이용한 폐목재로부터의 저탄소 친환경 소재 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐목재를 벌크 상태로 반응기 내에서 열처리하여 바이오차 또는 활성탄(Activated Carbon) 형태로 제조하는 것으로 특징으로 하며, 상기 열처리는 마이크로파 발열에 의해 수행하는 것을 특징으로 하고, 상기 열처리는 상기 벌크 상태의 폐목재를 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비에 투입하여 수행되는 것을 특징으로 하는 폐목재를 활용한 저탄소 친환경 소재의 제조 방법 및 이에 사용되는 직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비를 제공한다.
본 발명에 따르면, 반응기에서 초기에 마이크로파를 흡수할 수 있는 흡수 발열체를 이용하여 탄화를 개시하고, 이후에는 기 탄화가 이루어진 폐목재를 탄화 개시점으로 이용하여 추가적인 마이크로파의 조사에 의해 폐목재의 전체 탄화가 진행되도록 함에 의해 벌크 상태의 폐목재를 그대로 바이오차 및 활성탄으로 신속하고 효율적으로 제조할 수 있는 동시에, 벌크 형태를 유지할 수 있으므로 다양한 형태로의 후가공 등 활용성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비 및 이를 이용한 폐목재로부터의 저탄소 친환경 소재 제조 방법{Directly heated microwave thermal desorption and disassembly facility, and method for manufacturing low carbon and eco-friendly material from waste wood using directly heated microwave thermal desorption and disassembly facility}

본 발명은 직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비를 이용하여 철도 폐목침목, 건설현장에서 발생되는 폐목 자재 등의 폐목재로부터의 저탄소 친환경 소재를 제조하는 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 열탈착 및 분해 설비를 이용하여 폐목재를 재활용한 저탄소 배출 및 친환경 소재인 바이오차(Biochar) 및 환경필터(활성탄)를 제조할 수 있는 기술에 관한 것이다.

2016년 11월 4일 파리기후변화협정이 발효된 시점에서 우리나라를 포함한 세계 각국은 국가별 온실가스 감축 목표를 중장기적으로 설정하고 이행하여야 한다.

또한, 사회적으로 에너지 소비절감 및 배기가스 배출 규제의 중요성이 증대되고 있는 시점에서, 저탄소 교통수단인 철도시스템에 대한 관심이 높아지고 있으나 디젤 철도차량의 운행, 지하도시철도 역사 및 철도시설물 운영에 따른 배출 오염물질이 사회적 문제가 되는 실정이다.

철도 인프라분야에서는 유독성 오염물질인 크레오소트(creosote) 처리 목침목이 토양오염의 주범으로 여겨지고 있고 매년 100만개 이상의 폐목침목이 발생하고 있으나 재활용이 안 되고 있는 실정이며 오히려 막대한 처리 비용으로 인해 처리도 못하고 야적한 상태에서 방치되고 있는 실정이다.

철도개량사업이나 유지보수 과정에서 필연적으로 발생하는 폐목침목은 폐기물관리법에 따라 바이오차(Biochar), 환경필터(Activated Carbon) 원료인 바이오매스(Biomass) 등으로 재활용 가능할 것이나, 아직 상용화된 공정기술은 전무한 실정이다.

관련 기술로서, 대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-0936137호 "중장비용 폐목침목 파쇄집게(A Crushing Tongs Of Waste Wood Sleepers For A Heavy Equipment)"는 서브조를 단일의 유압실린더를 이용해 작동시켜 구동의 효율성을 증대시킬 수 있으며, 또한 다수의 폐목침목을 파쇄함과 동시에 운반 및 절단할 수 있어 작업 효율성이 증대되는 구조의 중장비용 폐목침목 파쇄집게에 관한 것이다.

그러나 이 기술은 폐목침목의 파쇄를 위한 파쇄집게를 제공하나 파쇄된 폐목침목을 활용한 재활용 방법을 제시하지 못하는 한계점이 있다.

또한, 대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-0916980호 "폐목침목 절개장치(A Incision Device Of Waste Wood Sleepers)"는 폐목침목을 종방향으로 2조각 또는 횡방향으로 2조각 또는 종/횡방향으로 4조각으로 절개할 수 있도록 수평커터날 및 수직커터날이 분해 조립 가능하게 구성되며, 또한 다수의 폐목침목을 동시에 절단할 수 있어 작업의 효율성이 증대되는 폐목침목 절개장치에 관한 것이다.

그러나 이 기술도 폐목침목의 절단을 통한 재활용 방법을 제시하지 못하는 한계점이 있다.

또한, 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2012-0134844호 "열 추출을 이용한 폐목침목 처리 장치(SYSTEM FOR TREATMENT OF WASTE WOOD SLEEPER USING THERMAL ABSTRACTION)"는 유류 및 방부제로 오염된 폐목침목(침목 중 폐기되는 목침목)을 대상으로 오염농도를 저감시키기 위한 열 추출을 이용한 폐목침목 처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

그러나 이 기술은 고온 열 추출 기술을 적용함으로써 폐목침목 내의 오염농도를 저감시킬 수 있으나, 폐목침목 자체에 대한 재활용 기술을 제시하지 못하는 한계점이 있다.

또한, 대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-1482734호 "폐목침목 재생장치(A REPRODUCTION APPARATUS FOR SLEEPERS)"는 폐목재의 빠른 커팅과, 별도의 폐목재 표면 연삭 처리 없이 표면을 매끄럽게 커팅할 수 있는 구조의 폐목침목 재생장치에 관한 것으로, 이를 위해 이송되는 폐목침목의 빠른 커팅과 모터 부하 방지를 위해 폐목침목의 상부 양측면과 하부 양측면을 개별적으로 커팅할 수 있도록 커터날이 상기 각 주축대의 상부 전방과 하부 후방에 나란히 배치되는 기술에 관한 것이다.

그러나 이 기술은 위에 예시된 다른 기술들과 같이 파쇄된 폐목침목을 활용한 재활용 방법을 제시하지 못하는 한계점이 있다.

대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-0936137호 "중장비용 폐목침목 파쇄집게(A Crushing Tongs Of Waste Wood Sleepers For A Heavy Equipment)" 대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-0916980호 "폐목침목 절개장치(A Incision Device Of Waste Wood Sleepers)" 대한민국 특허출원 출원번호 제10-2012-0134844호 "열 추출을 이용한 폐목침목 처리 장치(SYSTEM FOR TREATMENT OF WASTE WOOD SLEEPER USING THERMAL ABSTRACTION)" 대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-1482734호 "폐목침목 재생장치(A REPRODUCTION APPARATUS FOR SLEEPERS)"

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폐목재를 재활용한 저탄소 배출 및 친환경 소재인 바이오차(Biochar) 및 환경필터(활성탄)를 제조할 수 있기 위한 기술을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 기존의 버너직화 방식과 달리, 반응기에서 초기에 마이크로파를 흡수할 수 있는 흡수 발열체를 이용하여 탄화를 개시하고, 이후에는 기 탄화가 이루어진 폐목재를 탄화 개시점으로 이용하여 추가적인 마이크로파의 조사에 의해 폐목재의 전체 탄화가 진행되도록 함에 의해 벌크 상태의 폐목재를 그대로 바이오차 및 활성탄으로 신속하고 효율적으로 제조할 수 있는 동시에, 벌크 형태를 유지할 수 있으므로 인해 다양한 형태로의 후가공 등 활용성을 높일 수 있는 제조 기술을 제공하기 위한 것이다.

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은,

폐목재를 벌크 상태로 반응기 내에서 열처리하여 바이오차 또는 활성탄(Activated Carbon) 형태로 제조하는 것으로 특징으로 하며,

상기 열처리는 마이크로파 발열에 의해 수행하는 것을 특징으로 하고,

상기 열처리는 상기 벌크 상태의 폐목재를 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비에 투입하여 수행되는 것을 특징으로 하는 폐목재를 활용한 저탄소 친환경 소재의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비는 폐공간으로 구성된 반응기, 발화부 및 활성화부를 포함하는 마이크로파 발진부, 상기 마이크로파 발진부에서 발생되는 마이크로파를 상기 반응기로 전달하는 도파관 및 상기 마이크로파 발진부에서 전달되는 마이크로파를 흡수하여 발열함으로써 폐목재의 탄화를 개시하는 마이크로파 흡수 발열체를 포함하여 구성되며,

상기 마이크로파 흡수 발열체는 상기 마이크로파 발진부 중 발화부에서 발생되는 마이크로파를 흡수하여 1차로 폐목재의 탄화가 개시되고, 상기 개시된 탄화 이후 상기 활성화부에서 발진되는 마이크로파에 의해 상기 폐목재의 탄화가 전체적으로 진행되어 탄화체가 형성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 마이크로파 흡수 발열체는 급냉 제강 슬래그를 벌크 상태의 육면체로 형성하여 제조된 것으로서 상기 폐목재를 상기 육면체 형상의 마이크로파 흡수 발열체 상에 직접 적재하여 발열 및 탄화가 개시되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리 온도는 300~500 ℃의 조건에서 수행되어 바이오차가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리 온도는 300~500 ℃의 조건에서 수행되어 1차로 바이오차가 형성된 후 800~1000 ℃의 조건에서 재차 수행되어 2차로 활성탄이 형성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 마이크로파 발진부 중 발화부에서 발생되는 마이크로파를 흡수하여 1차로 폐목재의 탄화가 개시된 후에는 상기 발화부에서의 마이크로파 발진은 중단되고 상기 활성화부에서만 마이크로파가 발생되어 상기 폐목재의 탄화가 진행될 수 있다.

또한, 상기 마이크로파 흡수 발열체는 분말 또는 입자 상태의 급냉 제강 슬래그를 시멘트와 혼합하여 벌크 상태의 육면체로 형성한 것을 사용할 수 있다.

또한, 상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은

폐목재를 재활용하여 저탄소 친환경 소재를 제조하기 위한 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비로서,

폐공간으로 구성된 반응기;

발화부 및 활성화부를 포함하는 마이크로파 발진부;

상기 마이크로파 발진부에서 발생되는 마이크로파를 상기 반응기로 전달하는 도파관; 및

상기 마이크로파 발진부에서 전달되는 마이크로파를 흡수하여 발열함으로써 폐목재의 탄화를 개시하는 마이크로파 흡수 발열체;를 포함하여 구성되며,

상기 마이크로파 흡수 발열체는 상기 마이크로파 발진부 중 발화부에서 발생되는 마이크로파를 흡수하여 1차로 폐목재의 탄화가 개시되고, 상기 개시된 탄화 이후 상기 활성화부에서 발진되는 마이크로파에 의해 상기 폐목재의 탄화가 전체적으로 진행되어 탄화체가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로파 흡수 발열체는 급냉 제강 슬래그를 벌크 상태의 육면체로 형성하여 제조된 것으로서 상기 폐목재를 상기 육면체 형상의 마이크로파 흡수 발열체 상에 직접 적재하여 발열 및 탄화가 개시되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 열처리 온도를 1차로 300~500 ℃의 조건에서 수행되도록 조절하고, 2차로 800~1000 ℃의 조건에서 재차 수행되도록 조절하는 온도 콘트롤러가 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로파 발진부 중 발화부에서 발생되는 마이크로파를 흡수하여 1차로 폐목재의 탄화가 개시된 후에는 상기 발화부에서의 마이크로파 발진은 중단되고 상기 활성화부에서만 마이크로파가 발생되어 상기 폐목재의 탄화가 진행되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로파 흡수 발열체는 분말 또는 입자 상태의 급냉 제강 슬래그를 시멘트와 혼합하여 벌크 상태의 육면체로 형성한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비 및 이를 이용한 폐목재로부터의 저탄소 친환경 소재 제조 방법에 따르면, 반응기에서 초기에 마이크로파를 흡수할 수 있는 흡수 발열체를 이용하여 탄화를 개시하고, 이후에는 기 탄화가 이루어진 폐목재를 탄화 개시점으로 이용하여 추가적인 마이크로파의 조사에 의해 폐목재의 전체 탄화가 진행되도록 함에 의해 벌크 상태의 폐목재를 그대로 바이오차 및 활성탄으로 신속하고 효율적으로 제조할 수 있는 동시에, 벌크 형태를 유지할 수 있으므로 다양한 형태로의 후가공 등 활용성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에서 사용되는 철도 폐목침목을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 철도 폐목침목에 의해 제조되는 바이오차에 의한 탄소감축 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 버너직화 방식의 기존 기술을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에 사용되는 직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비를 이용하여 철도 폐목침목으로부터 저탄소 친환경 소재를 제조하는 전체 과정을 나타내는 개념도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명에서는 설명의 편의를 위하여 폐목재로서 철도 폐목침목을 예로 들어 설명하나, 본 발명의 범위가 철도 폐목침목에만 한정되는 것은 아니고, 건설현장에서 발생되는 오염된 폐목자재나 공장 또는 해안의 오염된 목재 등 폐목재는 포괄적으로 포함될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에서 사용되는 철도 폐목침목을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에서는 환경적으로 유해한 철도 폐목침목을 바이오매스(Biomass)로 활용하여 열처리 공정을 통해 바이오차(Biochar)를 생성함으로써, 탄소함량이 매우 높은 고체물질로서 유기물과 달리 안정성이 뛰어나므로 토양에 투입하게 되면 분해가 거의 일어나지 않아 대기 중의 이산화탄소(CO₂)를 장기간 격리함으로써 기후변화 완화에 획기적으로 기여할 수 있는 친환경 물질을 제조할 수 있다.

이러한 바이오차는 도 2와 같은 탄소감축 원리에 의해 토양 흡착능력, pH, 양이온교환능력의 증가(화학적 특성), 미생물 생체량, 활성도 증가(생물학적 특성), 토양 통기성, 수분보유능력 증가(물리적 특성)를 통해 폐목침목의 유해성으로 오염된 철도부지의 개량에 활용될 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에 의해 바이오차 뿐만 아니라, 활성탄(Activated Carbon)을 제조할 수도 있다.

대표적인 대기오염물질인 미세먼지, 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx)의 경우는 환경필터를 이용한 흡착제거방법에 의해 정화되고 있는데, 환경필터를 조성하는 물질로는 활성탄이 주를 이루고 있다.

하지만, 활성탄 제조시, 원재료의 탄화 및 활성화 과정에 있어 기존 기술에 의하면 소모되는 에너지 비용이 상당하여 국내에서 소모되는 활성탄은 전량 수입되는 실정이다.

또한, 이미 산업 및 철도분야에 적용한 환경필터(활성탄)의 성능이 저하되면, 주기적으로 재생시켜 재활용을 하게 되는데, 이 또한 기존 기술에 의하면 많은 에너지 비용이 소모되는 문제가 있다.

이에 따라 본 발명에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에 의해 철도분야의 대표적인 폐기물인 폐목침목을 바이오매스(Biomass)로 재활용하여 바이오차(Biochar) 및 활성탄을 생산하면, 온실가스 감축에 기여하고 철도부지를 개량하고 활성탄의 국산화를 통한 수입대체효과를 도모할 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 도 3은 기존 기술로 버너직화 방식을 나타내며, 기존 설비(Rotary-kiln, 버너직화 방식)는 과다한 화석연료의 사용으로 열처리 및 활성화 공정을 위한 에너지 비용이 고가이며, 회전로 내에서 불균일한 온도분포로 인한 장시간의 생산공정과 같은 단점이 있는데 반해, 본 발명에서는 "마이크로파 발열기술"을 활용함으로써, 열처리 공정 및 활성화 공정을 효율적으로 친환경적이며 경제적인 방식으로 진행하는 것이 바람직하다.

즉, 일단 폐목침목을 치핑(분쇄) 과정 없이 벌크 상태 그대로 또는 적당한 크기로 절단하여 열처리(pyrolysis)함으로써 바이오차 및 활성탄과 같은 친환경 소재로 변환한다.

구체적으로 예를 들어 1 단계 500 ℃ 이하(더욱 구체적으로는 300 내지 500 ℃)의 탄화 공정에서는 바이오차(Biochar) 형태로, 2 단계로 1000℃ 이하(더욱 구체적으로는 800 내지 1000℃)의 활성화 공정에서는 활성탄(Activated Carbon) 형태로 제조하되, 상기 1 단계 및 2 단계를 순차적인 열처리 공정을 마이크로파 발열기술에 의해 수행할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비에는 열처리 온도를 1차로 300~500 ℃의 조건에서 수행되도록 조절하고, 2차로 800~1000 ℃의 조건에서 재차 수행되도록 조절하는 온도 콘트롤러(미도시)가 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 1 단계 및 2 단계에서 단순히 직화 방식으로 가열하는 것이 아니라, 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 기술을 활용하여 온도를 균일하게 조절하고 단시간에 고온까지 가열할 수 있는 장비인 마이크로파 열탈착 및 분해 설비를 활용한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철도 폐목침목을 재활용한 저탄소 친환경 소재 제조 방법에 사용되는 직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비는 산소를 차단할 수 있는 폐공간으로 구성되며 폐목침목이 투입되는 반응기(204), 발화부(201) 및 활성화부(202)를 포함하는 마이크로파 발진부, 상기 마이크로파 발진부에서 발생되는 마이크로파를 상기 반응기(204)로 전달하는 도파관 및 상기 마이크로파 발진부에서 도파관을 통해 전달되는 마이크로파를 흡수하여 발열함으로써 폐목침목의 탄화를 개시하는 마이크로파 흡수 발열체(200)를 포함하여 구성된다. 기타, 반응기의 전면에 가스 및 전자파 차폐부(206) 및 폐목침목의 투입을 위한 도어(207)가 구성되며, 후면에는 알루미늄이나 석영 등의 소재로 이루어진 위도우(203)가 구성되고, 상면으로는 반응후 폐가스 및 연기의 배출을 위한 분출구(205)가 구성된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비를 이용하여 철도 폐목침목으로부터 저탄소 친환경 소재를 제조하는 전체 과정을 나타내는 개념도이다.

도 5를 참조하여 본 발명에 따른 저탄소 친환경 소재의 제조 과정 전체를 설명하면 다음과 같다. 즉, 상기 마이크로파 흡수 발열체(200)는 상기 발화부 마이크로파 발진부(201)에서 발생되는 마이크로파를 흡수하여 발열함으로써 1차로 먼저 상기 폐목침목(100)의 탄화를 개시하고, 탄화가 개시된 후에는 상기 활성화부 마이크로파 발진부(202)에서 발진되는 마이크로파에 의해 상기 폐목침목(100)의 탄화가 폐목침목 전체적으로 진행되어 탄화체가 형성된다.

상기 마이크로파 흡수 발열체(200)는 상기 폐목침목(100)에 직접 면접촉하여 상기 마이크로파 흡수 발열체에서 발생되는 열을 상기 폐목침목에 전달함으로써 탄화를 유도하고, 이후 발화부 마이크로파 발진부(201)의 작동은 중단될 수 있으며, 상기 활성화부 마이크로파 발진부(202)에서 발생되는 마이크로파에 의해 상기 폐목침목의 잔여부 탄화가 진행될 수 있다.

한편, 상기 발화부 마이크로파 발진부(201)는 작동이 중단되지 않고, 상기 활성화부 마이크로파 발진부(202)의 작동과 동시에 마이크로파가 발생될 수도 있다. 상기 발화부 마이크로파 발진부에서 발생하는 마이크로파는 상기 마이크로파 흡수 발열체를 발열시키는 동시에 상기 활성화부 마이크로파 발진부와 같이 상기 폐목침목의 잔여부 탄화에도 참여할 수 있다.

한편, 상기 발화부 마이크로파 발진부(201)를 이용한 마이크로파 발생이 없이 활성화부 마이크로파 발진부를 통해서만 마이크로파를 발생시키고, 상기 마이크로파 흡수 발열체가 상기 반응기 내에서 상기 폐목침목과 면접촉하고 있지 않을 경우에는, 상기 마이크로파 활성화부에서 발생되는 마이크로파에 의해 상기 폐목침목은 연소되어 재로 변해버리므로 바이오차나 활성탄으로 변성될 수 없다.

그러나, 본 발명에서와 같이, 1차로 마이크로파 발진부에서 발생하는 마이크로파가 상기 마이크로 흡수 발열체를 발열시키고 여기에서 발생된 열이 상기 폐목침목으로 전달되면 상기 폐목침목에서 변성이 개시돼서 탄화되고 온도에 따라 바이오차 또는 활성탄으로 변성이 일어난다.

또한, 상기 폐목침목의 변성이 개시된 이후에는 상기 변성된 폐목침목의 부분이 마이크로파를 흡수할 수 있는 재질로 변성이 일어나므로, 상기 활성화부 마이크로파 발진부(202)에서 투입되는 마이크로파가 상기 변성 부분으로 투입되어 상기 마이크로파를 지속적으로 흡수함으로써 상기 폐목침목 잔여 부분으로의 변성이 진행되어 전체적으로 탄화가 진행되고 이렇게 됨으로써 전체 부분에 대한 바이오차 및 활성탄의 제조가 가능하게 되는 것이다.

본 발명에서 상기 마이크로파 흡수 발열체(200)는 본 발명자가 선출원 등록특허들(대한민국 등록특허 제10-1272148호, 제10-1289016호, 제10-1678593호, 제10-1727197호, 제10-1820112호 등 다수)을 통해 개시한 마이크로파 흡수 발열체(일명, "MIP(Microwave-irritated pyrogen)")를 사용할 수 있다.

그 중에서도 예를 들어 급냉 제강슬래그를 사용할 수 있으며, 또한 상기 급냉 제강 슬래그 외에 탄화규소(SiC) 입자를 혼합하여 사용할 수도 있으며, 이들은 세라믹 조성물로서 마이크로파를 흡수하여 단시간에 고온으로 발열시킬 수 있는 특성을 갖는 물질이다.

더욱 구체적으로, 본 발명에서 상기 마이크로파 흡수 발열체는 상기 급냉 제강 슬래그를 벌크 상태의 육면체로 형성하여 제조된 것으로서 상기 폐목침목을 상기 육면체 형상의 마이크로파 흡수 발열체 상에 직접 적재하여 발열 및 탄화가 개시되도록 한다.

이때, 상기 마이크로파 흡수 발열체(200)는 도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 분말 또는 입자 상태의 급냉 제강 슬래그를 시멘트와 혼합하여 벌크 상태의 육면체로 형성한 것을 사용할 수 있다.

본 발명에서는 상기 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비는 설정 온도에 따라 바이오차를 형성할 수도 있고, 활성탄을 형성할 수도 있다.

즉, 투입되는 열처리 온도가 약 300~500 ℃의 조건일 경우에는 바이오차가 형성되고, 투입되는 열처리 온도는 300~500 ℃의 조건에서 수행되어 1차로 바이오차가 형성된 후 800~1000 ℃의 조건에서 재차 수행되어 2차로 활성탄이 형성될 수도 있다.

한편, 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비에는 상기 탄화 공정 및 활성화 공정에 의해 배출되는 가스와 분진을 이송하여 처리한 후 방출하기 위한 배출물 후처리부가 상기 가스 및 연기 분출구(205)에 추가로 연결될 수 있다. 배출 가스와 분진은 이송관을 통해 후연소기로 이송된 후 버너에 의해 후연소되고, 이어서 냉각기를 통해 냉각된 후 백필터를 거쳐 대기 중에 방출될 수 있다. 이때, 분진 상태로서 배출물 후처리부에 의해 완전 연소되지 않고 대기 중에 방출되는 것이 바람직하지 않은 오염 물질은 별도의 집진 설비를 갖추어 수집될 수 있다.

또한, 대기로의 배출이 제한되는 유해 가스와 같은 분재는 강제로 흡입 및 부착시켜 공기로부터 분리하기 위한 흡착기에 의해 걸러질 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비를 거쳐 상기 탄화 공정에 의해 제조된 바이오차 및 상기 활성탄은 벌크 상태를 유지하고 있으므로 회수가 용이하며, 별도의 후속 가공 처리를 통해 다양한 용도로 활용될 수 있다.

이상, 본 발명에 따른 직접 가열 방식의 마이크로파 열탈착 및 분해 설비 및 이를 이용한 철도 폐목침목으로부터의 저탄소 친환경 소재 제조 방법에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하였다.

상기 설명된 본 발명에 따르면, 반응기에서 초기에 마이크로파를 흡수할 수 있는 흡수 발열체를 이용하여 탄화를 개시하고, 이후에는 기 탄화가 이루어진 폐목재를 탄화 개시점으로 이용하여 추가적인 마이크로파의 조사에 의해 폐목재의 전체 탄화가 진행되도록 함에 의해 벌크 상태의 폐목재를 그대로 바이오차 및 활성탄으로 신속하고 효율적으로 제조할 수 있는 동시에, 벌크 형태를 유지할 수 있으므로 다양한 형태로의 후가공 등 활용성을 높일 수 있는 효과가 있다.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100: 폐목침목 200: 마이크로파 흡수 발열체
201: 발화부 마이크로파 발진부 202: 활성화부 마이크로파 발진부
203: 알루미나 또는 석영 윈도우 204: 반응기
205: 폐가스 및 연기 분출구 206: 가스 및 전자파 차폐부
207: 도어(door) 208: 서포트(support)

Claims (12)

1. 폐목재를 벌크 상태로 반응기 내에서 열처리하여 바이오차 또는 활성탄(Activated Carbon) 형태로 제조하는 것으로 특징으로 하며,
   상기 열처리는 마이크로파 발열에 의해 수행하는 것을 특징으로 하고,
   상기 열처리는 상기 벌크 상태의 폐목재를 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비에 투입하여 수행되는 것을 특징으로 하는 폐목재를 활용한 저탄소 친환경 소재의 제조 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비는 폐공간으로 구성된 반응기, 발화부 및 활성화부를 포함하는 마이크로파 발진부, 상기 마이크로파 발진부에서 발생되는 마이크로파를 상기 반응기로 전달하는 도파관 및 상기 마이크로파 발진부에서 전달되는 마이크로파를 흡수하여 발열함으로써 폐목재의 탄화를 개시하는 마이크로파 흡수 발열체를 포함하여 구성되며,
   상기 마이크로파 흡수 발열체는 상기 마이크로파 발진부 중 발화부에서 발생되는 마이크로파를 흡수하여 1차로 폐목재의 탄화가 개시되고, 상기 개시된 탄화 이후 상기 활성화부에서 발진되는 마이크로파에 의해 상기 폐목재의 탄화가 전체적으로 진행되어 탄화체가 형성되는 것을 특징으로 하는 폐목재를 활용한 저탄소 친환경 소재의 제조 방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 마이크로파 흡수 발열체는 급냉 제강 슬래그를 벌크 상태의 육면체로 형성하여 제조된 것으로서 상기 폐목재를 상기 육면체 형상의 마이크로파 흡수 발열체 상에 직접 적재하여 발열 및 탄화가 개시되도록 하는 것을 특징으로 하는 폐목재를 활용한 저탄소 친환경 소재의 제조 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 열처리 온도는 300~500 ℃의 조건에서 수행되어 바이오차가 형성되는 것을 특징으로 하는 폐목재를 활용한 저탄소 친환경 소재의 제조 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 열처리 온도는 300~500 ℃의 조건에서 수행되어 1차로 바이오차가 형성된 후 800~1000 ℃의 조건에서 재차 수행되어 2차로 활성탄이 형성되는 것을 특징으로 하는 폐목재를 활용한 저탄소 친환경 소재의 제조 방법.
   
6. 청구항 2에 있어서, 상기 마이크로파 발진부 중 발화부에서 발생되는 마이크로파를 흡수하여 1차로 폐목재의 탄화가 개시된 후에는 상기 발화부에서의 마이크로파 발진은 중단되고 상기 활성화부에서만 마이크로파가 발생되어 상기 폐목재의 탄화가 진행되는 것을 특징으로 하는 폐목재를 활용한 저탄소 친환경 소재의 제조 방법.
   
7. 청구항 2에 있어서, 상기 마이크로파 흡수 발열체는 분말 또는 입자 상태의 급냉 제강 슬래그를 시멘트와 혼합하여 벌크 상태의 육면체로 형성한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 폐목재를 활용한 저탄소 친환경 소재의 제조 방법.
   
8. 폐목재를 재활용하여 저탄소 친환경 소재를 제조하기 위한 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비로서,
   폐공간으로 구성된 반응기;
   발화부 및 활성화부를 포함하는 마이크로파 발진부;
   상기 마이크로파 발진부에서 발생되는 마이크로파를 상기 반응기로 전달하는 도파관; 및
   상기 마이크로파 발진부에서 전달되는 마이크로파를 흡수하여 발열함으로써 폐목재의 탄화를 개시하는 마이크로파 흡수 발열체;를 포함하여 구성되며,
   상기 마이크로파 흡수 발열체는 상기 마이크로파 발진부 중 발화부에서 발생되는 마이크로파를 흡수하여 1차로 폐목재의 탄화가 개시되고, 상기 개시된 탄화 이후 상기 활성화부에서 발진되는 마이크로파에 의해 상기 폐목재의 탄화가 전체적으로 진행되어 탄화체가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 마이크로파 흡수 발열체는 급냉 제강 슬래그를 벌크 상태의 육면체로 형성하여 제조된 것으로서 상기 폐목재를 상기 육면체 형상의 마이크로파 흡수 발열체 상에 직접 적재하여 발열 및 탄화가 개시되도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비.
   
10. 청구항 8에 있어서,
    열처리 온도를 1차로 300~500 ℃의 조건에서 수행되도록 조절하고, 2차로 800~1000 ℃의 조건에서 재차 수행되도록 조절하는 온도 콘트롤러가 구비된 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비.
    
11. 청구항 8에 있어서, 상기 마이크로파 발진부 중 발화부에서 발생되는 마이크로파를 흡수하여 1차로 폐목재의 탄화가 개시된 후에는 상기 발화부에서의 마이크로파 발진은 중단되고 상기 활성화부에서만 마이크로파가 발생되어 상기 폐목재의 탄화가 진행되도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비.
    
12. 청구항 8에 있어서, 상기 마이크로파 흡수 발열체는 분말 또는 입자 상태의 급냉 제강 슬래그를 시멘트와 혼합하여 벌크 상태의 육면체로 형성한 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 직접 가열 방식의 마이크로파 발열설비.
    

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