KR20220096285A - 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치와, 그 방법 - Google Patents

연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치와, 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치와 방법은 목질계 바이오매스 가스화 설비에서 발생되는 부산물인 흑탄을 고부가가치를 갖는 백탄으로 만들 수 있다. 이를 위해, 본 발명은 킬른 내부의 온도와 체류 시간 및 압력의 최적값을 제안하고 이를 구현하는 장치와 방법을 개시한다.

Description

연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치와, 그 방법 {Apparatus for manufacturing high quality bio-char continuously, and method thereof}
본 발명은 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 목질계 바이오매스의 가스화 설비에서 발생되는 부산물인 흑탄을 고부가가치를 갖는 백탄으로 연속적으로 만들 수 있는 장치에 대한 것이다.
아울러, 본 발명은 이러한 장치를 이용하여 고품위 백탄을 연속적으로 제조하는 방법도 포함한다.
일반적으로, 바이오 숯(bio-char)은 나무와 풀, 옥수숫대 등과 같은 유기물질을 산소가 없이 밀폐된 공간에서 태워 얻는 숯이다.
바이오 숯은 탄화되는 온도에 따라 흑탄과 백탄으로 나눌 수 있다. 흑탄은 발열량 6,000kcal/kg 정도로서 제품 내 잔류수분, 휘발 성분과 산소 성분이 다량 존재하므로 저급 목탄으로 분류된다.
이러한 저급 목탄을 무산소 열분해 반응과정을 통해 잔류수분, 휘발성분, 산소성분을 제거하게 되면 고정 탄소(fixed Carbon)와 회분(ash)으로 구성되는 고급 목탄(백탄)으로 품질을 업그레이드 하여 발열량 7,500kcal/kg 이상의 부가가치가 높은 제품으로 만들 수 있다.
그런데, 국내,외의 바이오 숯 생산 설비의 약 80%는 배치형(batch type)인데, 배치형 설비는 생산 효율이 낮고 환경에 유해한 가스를 많이 발생시키며 인건비가 높다는 문제점을 갖고 있다.
따라서, 생산 효율이 높으면서 유해 가스 배출이 작으며 인건비가 작게 소요되는, 고품질의 고급 목탄(백탄)을 연속적으로 생산할 수 있는 장치와 방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 목질계 바이오매스의 가스화 설비에서 발생되는 부산물인 흑탄을 고부가가치를 갖는 백탄으로 연속적으로 만들 수 있는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치와 그 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
구체적으로, 본 발명은 흑탄을 열반응시켜 백탄을 제조하기 위해 적합한 온도 범위와 킬른 내 체류 시간 및 압력 조건을 구하고, 이를 구현하기 위한 장치와 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고품질의 고급 목탄(백탄)을 제조하기 위해 소요되는 에너지 소비를 줄이고 유해 가스 배출이 작으며 인건비가 작게 소요되는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치와 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치(100)는 흑탄을 투입하여 백탄을 연속식으로 제조하기 위한 장치이다.
구체적으로, 상기 장치(100)는, 입구(21)와 출구(22) 및 밀폐된 제1 내부공간(23)을 갖고, 제1 내부공간(23)은 무산소 환경인 킬른(20); 흑탄을 킬른(20) 내부에 투입하는 투입부(10); 고온의 배기가스를 공급하는 버너(82); 킬른(20)을 감싸는 밀폐된 제2 내부공간(43)을 갖고, 제2 내부공간(43)은 버너(82)로부터 공급된 고온 배기가스가 유입되는 공급포트(41)와 저온 배기가스가 배출되는 배출포트(42)를 구비하는 외부 자켓(40); 및, 흑탄을 제1 내부공간(23)에서 무산소 열분해시키기 위해, 킬른 내부를 500℃ ~ 600℃의 온도 및 50mmH2O ~ 200mmH2O의 압력을 유지하도록 버너(82)의 작동과 중지를 반복하거나 버너(82)의 작동 부하를 상대적으로 강하게 하거나 약하게 조절하는 제어부;를 포함할 수 있다.
고온 배기가스는 킬른(20)을 가열한 후 저온 배기가스로 되어 배출포트(42)로부터 배출되고, 저온 배기가스는 버너(82)로 공급된 후 가열되어 다시 외부 자켓(40)으로 공급되는 순환을 반복한다.
바람직하게, 상기 장치(100)는 제1 내부공간(23)의 온도가 530℃ ~ 570℃가 되도록 버너(82)의 작동을 제어하면서 배기 가스를 순환시키고, 제1 내부공간(23)에 투입된 흑탄은 20분 ~ 50분 동안 제1 내부공간(23)에 체류하면서 반응한 후 배출될 수 있다.
상기 버너(82)는 표면연소버너(metal fiber burner)인 것이 바람직하다. 그리고, 배출포트(42)로부터 배출된 배기가스는 버너(82)에 직접 유입되어 가열될 수 있다.
제2 내부공간(43)은 2개 또는 2개 이상의 구역으로 구획되고, 각 구역은 킬른을 균일하게 가열하도록 다른 구역과 분리될 수 있다. 상기 각 구역에는 공급포트(41)와 배출포트(42)가 구비된다.
상기 장치(100)는, 킬른(20)의 후단에 설치된 무산소 진공가열로(61); 및, 무산소 진공가열로(61)의 하단에 구비된 냉각장치(70);를 더 포함할 수 있다. 무산소 진공가열로(61)에서 가열된 백탄은 중력에 의해 냉각장치(70)로 이동되며, 무산소 진공가열로(61)의 내부 가스는 무산소 진공가열로(61)의 상단에서 배출되어 버너(82)로 공급될 수 있다.
냉각장치(70)와 무산소 진공가열로(61) 사이에는 에어락 장치(64)가 설치되어 외부 공기의 유입을 막을 수 있다. 그리고, 냉각장치(70)의 내부에는 무산소 환경을 만들기 위해 질소가스가 공급되고, 냉각장치(70)의 자켓(72)에는 냉각수가 공급되어 백탄을 냉각시킬 수 있다
킬른(20)은 수평방향의 축 또는 수평방향에 가까운 축을 따라 길게 연장되도록 형성되되 상기 축을 중심으로 회전될 수 있다. 그리고, 킬른(20)은 상기 축의 경사를 조절하기 위한 경사조절수단을 구비할 수 있다.
구체적으로, 상기 경사조절수단은, 킬른(20)의 한쪽 끝단의 하단에 설치된 힌지축; 및, 킬른(20)의 다른쪽 끝단의 하단에 설치된 높이조절부재;를 포함할 수 있다.
높이조절부재의 높이를 조절하는 것에 의해 킬른(20)이 힌지축을 중심으로 회동하여 상기 경사가 조절될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면인 연속 제조 방법은, (a) 버너(82)로부터 공급된 고온 배기가스가 외부 자켓(40)에 공급되고 고온 배기가스는 킬른(20)을 가열한 후 저온 배기가스가 되어 외부 자켓(40)으로부터 배출되며 외부 자켓(40)으로부터 배출된 저온 배기가스가 버너(82)로 공급되어 재가열된 후 외부 자켓(40)으로 공급되는 것을 반복하면서 킬른(20)을 가열하는 단계; 및, (b) 흑탄을 킬른(20) 내부에 투입하고 무산소 환경에서 가열하여 백탄으로 만드는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계에서, 킬른(20) 내부가 500℃ ~ 600℃의 온도 및 50mmH2O ~ 200mmH2O의 압력을 유지하도록 버너(82)의 작동을 온, 오프하거나 버너(82)의 작동 부하를 상대적으로 강, 약으로 조절할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 목질계 바이오매스의 가스화 설비에서 발생되는 부산물인 흑탄을 고부가가치를 갖는 백탄으로 연속적으로 제조할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 흑탄을 열반응시켜 백탄을 제조하기 위해 적합한 온도 범위와 체류 시간 및 압력 조건을 구하고, 이를 구현하기 위한 장치와 방법을 제공한다.
둘째, 고품질의 고급 목탄(백탄)을 제조하기 위해 소요되는 에너지 소비를 줄이고 유해 가스 배출이 작으며 인건비가 작게 소요되는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치와 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치의 주요 구성을 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 장치에 구비된 킬른과 외부 자켓을 확대한 도면.
도 3은 외부 자켓의 배플판을 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
아래에서는 목질계 바이오매스의 가스화 설비에서 발생되는 부산물인 흑탄을 고부가가치를 갖는 백탄으로 연속적으로 제조하기 위해 적합한 온도 범위와 체류 시간 및 압력 조건을 먼저 구하고, 이어서 이러한 온도 범위와 체류 시간 및 압력 조건을 구현하기 위한 장치와 방법을 설명하기로 한다.
1. 열반응의 온도 범위와 체류 시간
(1) 반응 온도 및 체류시간에 따른 기초 실험
고품질, 고부가가치의 백탄을 생산하기 위해 간접 열교환 방식을 적용하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 아래와 같은 전기로를 이용하여 Lab scale로 실험하였다. 핵심 운전 parameter는 체류 시간(residence time)과 반응 온도(reaction temperature)이다. PDI 제어기를 이용하여 3 zone control로 온도를 제어하였고, 반응 전,후에 공업분석과 원소분석을 하였다.
시험에 이용된 샘플의 성분은 아래 표와 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
반응 온도를 각각 300℃, 400℃, 500℃로 하고, 각 온도에 따른 체류 시간을 30분, 60분으로 하여 시험하였다.
체류 시간과 반응 온도에 따른 시험 결과는 아래 표와 같다.
Figure pat00003
위 시험시에 배출된 배기 가스를 분석한 결과는 아래와 같다.
(i) CO 농도
Figure pat00004
(ii) CxHy 농도
Figure pat00005
(iii) CH4 농도
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
위의 배기가스 분석 결과를 참조하면, 상대적으로 낮은 온도인 300℃에서는 반응이 거의 일어나지 않았음을 확인할 수 있다.
그리고, 반응 온도가 높을수록 CO, CxHy, CH4의 초반 배출 농도가 상대적으로 빠르게 상승하는 것으로 나타났으며, 그 절대량도 높게 측정되었다. 아울러, 반응온도가 증가할수록 질량 감량은 높게 나타났다.
체류 시간이 30분에서 60분으로 2배 증가했음에도 불구하고 그에 따른 질량 감소 및 각 성분의 증감률은 확연한 차이를 보이지 않음을 알 수 있었다. 따라서 약 20분 ~ 50분, 바람직하게는 25분 ~ 40분, 가장 바람직하게는 30분이 적합한 체류시간으로 판단되었다. 그리고, 500℃ 이상에서의 추가 시험을 통해 최적 온도 범위를 확인할 필요가 있다고 판단되었다.
(2) 최적 반응 온도 및 실험 결과
본 출원인은 Raw material(흑탄)의 성분 함량이 테스트 결과에 영향을 주는 것으로 판단됨에 따라 실험 결과의 신뢰성 확보를 위해 동일한 시료를 2등분하여 반응 전,후의 성분 분석을 하였다.
최적 반응 온도 실험에 이용된 샘플 1~6의 반응 전,후 성분은 아래와 같다.
Figure pat00009
(i) 배기가스 CO 농도
Figure pat00010
(ii) 배기가스 CxHy 농도
Figure pat00011
(iii) 배기가스 CH4 농도
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
Figure pat00015
위에 나타난 바와 같이, 반응 온도가 증가할수록 배출가스 농도는 상대적으로 빠르게 측정되었으며, 그 절대량 또한 높게 나타났다. (이것은 위 (1)의 결과와 일치한다.)
반응 온도가 증가할수록 반응 후 시료의 발열량 및 fixed carbon 함량은 증가하는 경향을 보이고, volatile 및 oxygen 함량은 감소하는 경향을 보였다.
배기가스 농도 분석 결과와 시료분석 결과로부터 경제성 및 효율성을 고려한 반응 최적온도는 약 500℃~600℃이고, 바람직하게는 530℃~570℃이며, 가장 바람직하게는 550℃인 것으로 판단된다. 그리고, 체류 시간은 20분 ~ 50분, 바람직하게는 25분 ~ 40분, 가장 바람직하게는 30분이 적합한 것으로 판단된다.
반응 온도가 500℃ 미만이면 열반응이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있고 반응 온도가 600℃를 초과하면 투입된 에너지에 비해 그 효과가 미미하므로 에너지가 낭비되어 바람직하지 않다.
그리고, 체류 시간이 20분 미만이면 반응 시간이 충분하지 못하므로 바람직하지 않고, 체류 시간이 50분을 초과하면 증가된 체류시간에 비해 그 효과가 미미하므로 바람직하지 않다.
2. 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치
아래에서는 상술한 반응 온도와, 압력 및, 체류 시간을 구현하기 위한 장치를 설명하기로 한다. 이 장치는 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치로서, 흑탄을 투입한 후 무산소 상태에서 열반응시켜 백탄을 연속적으로 제조한다.
도 1은 상기 장치의 주요 구성을 보여주는 도면이고, 도 2는 상기 장치의 킬른과 외부 자켓을 확대한 도면이다.
도면에 나타난 바와 같이, 상기 장치(100)는, 흑탄을 공급하는 투입부(10)와, 투입부(10)로부터 공급된 흑탄이 열반응되는 킬른(20)과, 킬른(20)을 감싸도록 설치된 외부 자켓(40)과, 고온의 배기가스를 외부 자켓(40)에 공급하는 버너부(80) 및, 제어부를 포함한다.
투입부(10)는 흑탄을 킬른(20)에 공급한다. 바람직하게, 상기 흑탄은 목질계 바이오매스의 가스화 설비에서 발생되는 부산물일 수 있다.
투입부(10)는 호퍼(11)와, 호퍼(11)의 하단에 설치된 공급관(14) 및, 공급관(14)의 내부에서 회전 가능하도록 설치된 무축 컨베이어(15)를 포함할 수 있다.
호퍼(11)는 상측의 투입구(12)로부터 공급된 흑탄을 내부에 저장하고, 저장된 흑탄을 하반의 배출구(13)를 통해서 공급관(14)으로 배출한다.
호퍼(11)의 아랫면 중 배출구(13)를 제외한 부분은 배출구(13)를 향하여 45° 이상의 경사를 갖고 바람직하게는 70° 이상의 경사를 갖는데 이것은 Charcoal이 호퍼 내부에서 적체되는 현상을 방지하기 위함이다.
공급관(14)은 배출구(13)를 통해 공급된 흑탄을 킬른(20) 내부에 공급한다. 공급관(14)의 내부에는 이송 수단, 바람직하게는 무축 컨베이어(15)가 설치된다. 무축 컨베이어(15)는 흑탄의 파손을 최소화하면서 이송할 수 있다. 이에 비해, 실축 스크류(도면에 미도시)는 흑탄의 파손이 많이 발생한다는 문제점을 갖는다. 무축 컨베이어(15)의 구성은 대한민국 특허등록 10-1947002 등에 개시되어 있으므로 여기서는 그 구조에 대한 설명을 생략하기로 한다.
무축 컨베이어(15)는 150mm 이상의 피치(pitch)를 갖는 것이 바람직한데, 이것은 흑탄이 이송 중에 파손되는 것을 방지하기 위함이다. 여기서, 피치는 나선 형상의 날개가 반복되는 간격(이웃하는 나선과의 간격)을 의미한다.
아울러, 무축 컨베이어(15)는 이웃하는 나선형상의 날개를 서로 연결하도록 설치된 스페이스 바(도면에 미도시)를 더 포함할 수 있다. 스페이스 바는 고온과 흑탄과의 충돌 등에 의해 날개가 휘는 것을 방지한다.
킬른(20)은 입구(21)와, 출구(22)와, 제1 내부공간(23) 및 회전수단을 갖는다.
입구(21)는 공급관(14)을 통해 흑탄이 공급되는 부분이다. 구체적으로, 공급관(14)이 입구(21)를 관통하여 설치되고, 이에 따라 기밀이 유지될 수 있다. 그리고, 출구(22)는 열반응된 백탄이 무산소 진공가열로(31) 쪽으로 배출되는 부분이다.
제1 내부공간(23)은 무산소 환경의 밀폐된 공간으로서, 입구(21)를 통해 투입된 흑탄이 출구(22) 쪽으로 이동하면서 열반응이 이루어지는 공간이다.
제1 내부공간(23)은 외부 자켓(40)으로부터 전달된 열에 의해 고온으로 가열된다. 제1 내부공간(23)은 500℃ ~ 600℃의 온도 및 50mmH2O ~ 200mmH2O의 압력을 유지하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 530℃ ~ 570℃의 온도를 유지하며, 가장 바람직하게는 550℃의 온도를 유지한다.
그리고, 투입된 흑탄은 대략 20분 ~ 50분 동안 제1 내부공간(23)에 체류하면서 반응한 후 배출되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 25분 ~ 40분 동안 체류하며, 가장 바람직하게는 30분 동안 체류한다. 이 시간 동안 흑탄은 무산소 환경에서 열반응하여 백탄으로 만들어진다.
회전수단은 킬른(20)을 회전시킨다. 회전수단은 킬른(20)의 한쪽 끝단에 설치된 구동부와, 킬른(20)의 다른쪽 끝단에 설치된 회전 지지부를 포함할 수 있다.
구동부는 모터(24)와, 킬른의 외주면에 설치된 기어나 벨트 또는 체인(25)을 포함할 수 있다. 모터(24)의 회전력이 기어(25) 등에 전달되면 킬른(20)이 회전될 수 있다.
회전 지지부는 킬른(20)의 다른쪽 끝단에 설치된 베어링(26) 등을 포함할 수 있다. 상기 베어링(26)은 킬른(20)을 회전 가능하도록 지지한다.
위 구조에 대한 대안으로서, 모터(24)와 기어(25)가 킬른(20)의 다른쪽 끝단에도 설치될 수 있는데, 이 경우에는 킬른(20)의 양쪽 끝단에 설치된 모터(24)와 기어(25)에 의해 킬른(20)이 회전된다.
킬른(20)은 그 길이방향을 따라 길게 연장된 형태를 갖되, 상기 길이 방향이 수평 또는 수평과 가깝게 경사지도록 설치될 수 있다. 상기 경사는 반응 중인 흑탄의 이동 속도를 고려하여 결정될 수 있다.
바람직하게, 킬른(20)은 상기 경사를 조절하기 위한 경사조절수단을 포함한다. 상기 경사조절수단은 킬른(20)의 한쪽 끝단의 하단에 설치된 힌지축(도면에 미도시) 및, 킬른(20)의 다른쪽 끝단의 하단에 설치된 높이조절부재(도면에 미도시)를 포함할 수 있다.
높이조절부재의 일 예는 볼트를 회전시키는 것에 의해 지지판의 높이를 조절하는 것일 수 있다. 볼트를 회전시켜 지지판의 높이를 조절하면 킬른(20)의 다른쪽 끝단의 높이가 조절되고, 이에 따라 힌지축을 중심으로 킬른(20)이 회동하여 경사가 조절될 수 있다.
킬른(20)의 내부에는 나선형 배플(도면에 미도시), 수평 배플(도면에 미도시) 등이 설치될 수도 있다. 나선형 배플은 킬른(20)의 내부에서 킬른의 길이방향을 따라 나선형으로 설치된 좁은 폭의 띠(strip)로서, 가스의 흐름을 선회시켜 가스의 체류 시간을 증가시킬 수 있고 균일한 가스 흐름을 유도하여 흑탄에 간접적으로 전열시킬 수 있으므로 킬른(20)의 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 수평 배플은 좁은 폭을 가진 긴 평판으로서, 킬른(20)의 내부 중심부를 향해 돌출되도록 설치되어 흑탄을 교반 및/또는 운반하는 작용을 할 수도 있다.
바람직하게, 킬른(20)의 후단에는 무산소 진공가열로(61)가 설치될 수 있고, 무산소 진공가열로(61)의 하단에는 냉각장치(70)가 설치될 수 있다.
무산소 진공가열로(61)는 상하로 길게 연장된 공간을 갖고, 하부에는 히터(63)가 설치된다. 히터(63)는 무산소 진공가열로(61)를 가열한다.
킬른(20)으로부터 배출된 반응물(예를 들어 백탄)은 무산소 환경에서 가열된 후, 냉각장치(70)로 배출된다. 이 때, 무산소 진공가열로(61)에서 발생된 가스는 상단의 배기구를 통해서 버너(82)로 공급된다. 그리고, 버너(82)로 공급된 상기 가스는 가열된 후 외부 자켓(40)에 공급된다.
바람직하게, 무산소 진공가열로(61)와 냉각장치(70) 사이에는 에어락 장치(64)가 설치될 수 있다. 에어락 장치(64)는 외부 공기가 무산소 진공가열로(61)에 유입되는 것을 방지하면서 무산소 진공가열로(61)의 백탄을 냉각장치(70)로 공급한다.
냉각장치(70)는 무산소 진공가열로(61)로부터 배출된 백탄을 냉각한다. 킬른(20)에서 가열된 숯(백탄)은 외부로 배출되면 자체 온도에 의해 자연 발화(350℃ 이상)되므로, 냉각장치(7)를 이용하여 백탄을 냉각한 후 배출한다.
냉각장치(70)는 질소공급부(도면에 미도시)와 냉각수 공급부(도면에 미도시)를 갖는다. 질소 공급부는 냉각장치의 내부를 무산소 환경으로 만들기 위해 질소를 공급하고, 냉각수 공급부는 냉각장치(70)를 둘러싸는 자켓(72)에 냉각수를 공급한다. 상기 자켓은 이중벽으로 이루어지고, 상기 이중벽 사이의 공간에 냉각수가 공급되어 냉각장치(70)를 냉각시킨 후 외부로 배출된다.
외부 자켓(40)은 킬른(20)을 둘러싸도록 설치된다. 구체적으로, 외부 자켓(40)은 구동부와 회전 지지부 사이의 킬른(20)을 감싸도록 설치될 수 있다.
외부 자켓(40)은 공급포트(41)와, 배출포트(42) 및, 제2 내부공간(43)을 갖는다. 바람직하게, 제2 내부공간(43)은 배플판(45)에 의해서 2개 또는 2개 이상의 구역으로 구획되고, 각 구역은 다른 구역과 분리되어 있으며, 킬른(20)을 균일하게 가열하기 위해 각 구역에는 공급포트(41)와 배출포트(42)가 구비된다. 도면에는 두 개의 구역으로 나누어진 것이 도시되어 있으나, 제2 내부공간(43)은 3개 이상의 구역으로 구획될 수 있다. 한편, 도 2에서 제2 내부공간(43)의 화살표는 고온 배기가스로부터 킬른(20)으로 열전달이 이루어지는 것을 표시한다.
배플판(45, baffle plate)은 링 형상을 갖는 부재로서, 킬른(20)과 외부 자켓(40) 사이에 설치되어 이웃하는 구역 사이에 배기가스가 이동하는 것을 저감 또는 방지하여 킬른(20)이 균일하게 가열되도록 한다.
배플판(45)은, 도 3에 나타난 바와 같이, 다수 개의 통공(45a)(45b)을 포함할 수도 있다. 바람직하게, 배플판(45)의 상부에는 큰 통공(45a)이 조밀하게 형성되고 배플판(45)의 하부에는 상대적으로 작은 통공(45b)이 넓은 간격으로 형성될 수도 있다. 그리고, 이러한 배플판(45)은 소정 간격으로 설치되되, 이웃하는 배플판(45)의 큰 통공(45a)과 작은 통공(45b)의 위치가 서로 엇갈리도록 설치될 수 있다. 예를 들어, 제1 배플판의 큰 통공(45a)이 아래쪽에 위치하고 작은 통공(45b)이 위쪽에 위치하도록 설치되었다면 제1 배플판과 이웃하는 제2 배플판의 큰 통공(45a)이 위쪽에 위치하고 작은 통공(45b)이 아래쪽에 위치하도록 배치될 수 있다.
각각의 구역에서, 공급포트(41)는 배출포트(42) 보다 상류측(입구(21)쪽을 의미함)에 배치되는 것이 바람직하다. 이것은 버너(82)로부터 공급된 배기가스의 온도가 킬른(20)을 가열한 후 배출되는 배기가스 보다 고온이므로 공급포트(41)를 상류측에 배치하는 것이 효율적인 가열에 도움이 되기 때문이다.
버너부(80)는 고온의 배기가스를 외부 자켓(40)에 공급하고 외부 자켓(40)으로부터 배출된 저온 배기가스를 가열하여 고온 배기가스로 만들어서 외부 자켓(40)에 다시 공급한다. 이에 따라, 본 발명에서 배기가스는 외부 자켓(40)과 버너부(80)를 순환하면서 킬른(20)을 가열하므로, 에너지 소비를 줄일 수 있고 오염물질의 배출을 줄일 수 있다.
한편, 무산소 진공가열로(61)로부터 배출된 가스도 버너부(80)로 공급되고 가열된 후 외부 자켓(40)으로 공급될 수 있다.
팬(84)이 배기가스의 순환을 돕기 위해 설치될 수 있는데, 팬(84)은 고온 배기가스의 공급 배관(86) 보다는 저온 배기가스의 배출 배관(87)에 설치되는 것이 바람직하다. 이것은 공급 배관(86)은 고온 배기가스로 인해 상대적으로 고온이므로 팬(84)이 손상될 가능성이 크기 때문이다.
바람직하게, 버너부(80)의 버너(82)는 표면연소버너(metal fiber burner)이다. 표면연소버너는 기존의 버너에 비해 경제성이 우수하다는 장점을 갖는다.
버너(82)는 저온 배기가스를 열교환 방식에 의한 간접 가열방식이 아닌, 직접 가열방식으로 가열하는 것이 바람직하다.
제어부는 제1 내부공간(23)을 500℃ ~ 600℃의 온도 및 50mmH2O ~ 200mmH2O의 압력을 유지하도록 버너의 작동과 중지를 반복하거나 버너의 작동 부하를 상대적으로 강하게 하거나 약하게 조절한다.
이러한 제어방법은, 기존의 버너가 일정하게 작동하는 것과 비교하여, 에너지 소비를 절감할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 장치(100)가 작동을 개시할 때에는 버너(82)를 지속적으로 작동시키되, 제1 내부공간(23)의 온도와 압력이 일정 수준(예를 들어, 제1 내부공간이 550℃)에 도달하면 버너(82)의 온/오프를 교대로 반복하거나 버너(82)의 작동을 강/약으로 교대로 반복할 수 있다.
3. 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 방법
그러면, 아래에서는 상기 장치(100)를 이용한, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 제어부에 의해 전원이 온(on) 되면, 버너(82)에 의해 고온으로 가열된 배기가스가 외부 자켓(40)의 내부로 공급되어 킬른(20)을 가열하고 킬른(20)을 가열한 고온 배기가스는 저온 배기가스가 되어 외부 자켓(40)으로부터 배출된 후 버너(82)로 다시 공급된다.
배기가스의 이러한 순환에 의해 킬른 내부가 500℃ ~ 600℃의 온도 및 50mmH2O ~ 200mmH2O의 압력에 도달하면 버너(82)의 온/오프를 교대로 반복하거나 버너(82)의 작동 부하를 강/약으로 교대로 조절하여 상기 온도 및 압력 범위를 유지하도록 한다.
예를 들어, 버너(82)의 작동에 의해서 킬른 내부의 온도가 상기 온도 범위에 도달하면, 버너(82)의 작동을 오프시키거나 약하게 하고 일정시간 동안 온도 변화 추이를 지켜본 후(일정 시간 동안 온도를 주기적으로 측정하여) 상기 온도 범위의 하단 보다 소정 온도 높은 온도에서 버너(82)를 다시 작동시키거나 강하게 작동시키고, 다시 작동된 버너(82)에 의해 킬른(20) 내부 온도가 상기 온도 범위의 상한 보다 소정 온도로 낮을 때 버너(82)의 작동을 오프시키거나 약하게 하는 것을 반복할 수 있다.
상기 가열 및 냉각시에 온도 변화 추이는 킬른(20) 내부에 설치된 온도 센서(도면에 미도시)에 의해 측정되고, 이 측정된 온도 신호가 제어부에 전달되면 제어부는 상기 온도 신호에 대응하여 버너(82)의 작동을 조절할 수 있다. 그리고, 상기 소정 온도는 시간에 따른 온도 변화와, 주변 온도 등을 고려하여 결정할 수 있다.
한편, 상기 온도와 압력에 도달된 후, 투입부(10)를 통해 흑탄을 킬른(20) 내부에 투입한다. 킬른(20)은 수평으로 설치되거나 약간 경사지도록 설치되어 있는데, 킬른(20)이 회전함에 따라 흑탄은 출구(22) 쪽으로 이동하면서 열반응하여 백탄으로 만들어진다.
출구(22)에서 배출된 반응물(백탄)은 무산소 진공가열로(61)로 이동하여 가열된 후 냉각장치(70)로 배출된다. 이 때, 무산소 진공가열로(61)로부터 배출된 가스는 버너(82)로 공급되어 가열된 후 외부 자켓(40)으로 다시 공급된다.
냉각장치(70)는 냉각 완료된 백탄을 아래로 배출된다.
10 : 투입부 11 : 호퍼
12 : 투입구 13 : 배출구
14 : 공급관 15 : 무축 컨베이어
20 : 킬른 21 : 입구
22 : 출구 23 : 제1 내부공간
24 : 모터 25 : 기어(또는 체인이나 벨트)
26 : 베어링 40 : 외부 자켓
41 : 공급포트 42 : 배출포트
43 : 제2 내부공간 45 : 배플판
45a : 큰 통공 45b : 작은 통공
61 : 무산소 진공가열로 63 : 히터
64 : 에어락 장치 70 : 냉각장치
72 : 자켓 80 : 버너부
82 : 버너 84 : 팬
86 : 공급 배관 87 : 배출 배관
100 : 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치

Claims (14)

  1. 흑탄을 투입하여 백탄을 연속식으로 제조하기 위한 장치로서,
    입구와 출구 및 밀폐된 제1 내부공간(23)을 갖고, 제1 내부공간(23)은 무산소 환경인 킬른(20);
    흑탄을 킬른 내부에 투입하는 투입부(10);
    고온의 배기가스를 공급하는 버너(82);
    킬른(20)을 감싸는 밀폐된 제2 내부공간을 갖고, 제2 내부공간은 버너(82)로부터 공급된 고온 배기가스가 유입되는 공급포트(41)와 저온 배기가스가 배출되는 배출포트(42)를 구비하는 외부 자켓(40); 및,
    흑탄을 제1 내부공간(23)에서 무산소 열분해시키기 위해, 킬른 내부를 500℃ ~ 600℃의 온도 및 50mmH2O ~ 200mmH2O의 압력을 유지하도록 버너의 작동과 중지를 반복하거나 버너(82)의 작동 부하를 상대적으로 강하게 하거나 약하게 조절하는 제어부;를 포함하고,
    고온 배기가스는 킬른(20)을 가열한 후 저온 배기가스로 되어 배출포트로부터 배출되고, 저온 배기가스는 버너(82)로 공급된 후 가열되어 다시 외부 자켓(40)으로 공급되는 순환을 반복하는 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 내부공간(23)의 온도가 530℃ ~ 570℃가 되도록 버너(82)의 작동을 제어하면서 배기 가스를 순환시키고, 제1 내부공간(23)에 투입된 흑탄은 20분 ~ 50분 동안 제1 내부공간(23)에 체류하면서 반응한 후 배출되는 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 버너(82)는 표면연소버너(metal fiber burner)이고, 배출포트(42)로부터 배출된 배기가스는 버너(82)에 직접 유입되어 가열되는 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    버너(82)의 작동에 의해서 킬른 내부의 온도가 상기 온도 범위에 도달하면, 버너(82)의 작동을 오프시키거나 작동 부하를 약하게 하고 일정시간 동안 온도 변화를 측정하여 500℃ 보다 소정 온도 높은 온도에서 버너(82)를 다시 작동시키거나 작동부하를 크게 하고, 다시 작동된 버너(82)에 의해 킬른(20) 내부 온도가 600℃ 보다 소정 온도로 낮을 때 버너(82)의 작동을 오프시키거나 작동부하를 약하게 하는 것을 반복하는 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 내부공간(43)은 2개 또는 2개 이상의 구역으로 구획되고, 각 구역은 킬른을 균일하게 가열하도록 다른 구역과 분리되어 있으며, 각 구역에는 공급포트(41)와 배출포트(42)가 구비된 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    킬른(20)의 후단에 설치된 무산소 진공가열로(61); 및,
    무산소 진공가열로(61)의 하단에 구비된 냉각장치(70);를 포함하고,
    무산소 진공가열로(61)에서 가열된 백탄은 중력에 의해 냉각장치(70)로 이동되며,
    무산소 진공가열로(61)의 내부 가스는 무산소 진공가열로(61)의 상단에서 배출되어 버너(82)로 공급되는 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    냉각장치(70)와 무산소 진공가열로(61) 사이에는 에어락 장치(64)가 설치되어 외부 공기의 유입을 막고,
    냉각장치(70)의 내부에는 무산소 환경을 만들기 위해 질소가스가 공급되고,
    냉각장치(70)의 자켓(72)에는 냉각수가 공급되어 백탄을 냉각시키는 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    킬른(20)은 수평방향의 축 또는 수평방향에 가까운 축을 따라 길게 연장되도록 형성되되 상기 축을 중심으로 회전되며,
    킬른(20)은 상기 축의 경사를 조절하기 위한 경사조절수단을 구비하고,
    상기 경사조절수단은,
    킬른(20)의 한쪽 끝단의 하단에 설치된 힌지축; 및,
    킬른(20)의 다른쪽 끝단의 하단에 설치된 높이조절부재;를 포함하고,
    높이조절부재의 높이를 조절하는 것에 의해 킬른(20)이 힌지축을 중심으로 회동하여 상기 경사가 조절되는 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치.
  9. 흑탄을 투입하여 백탄을 연속적으로 제조하기 위한 방법에 있어서,
    (a) 버너(82)로부터 공급된 고온 배기가스가 외부 자켓(40)에 공급되고 고온 배기가스는 킬른(20)을 가열한 후 저온 배기가스가 되어 외부 자켓(40)으로부터 배출되며 외부 자켓(40)으로부터 배출된 저온 배기가스가 버너(82)로 공급되어 재가열된 후 외부 자켓(40)으로 공급되는 것을 반복하면서 킬른(20)을 가열하는 단계; 및
    (b) 흑탄을 킬른(20) 내부에 투입하고 무산소 환경에서 가열하여 백탄으로 만드는 단계;를 포함하고,
    상기 (a) 단계에서, 킬른(20) 내부가 500℃ ~ 600℃의 온도 및 50mmH2O ~ 200mmH2O의 압력을 유지하도록 버너(82)의 작동을 온, 오프하거나 버너(82)의 작동 부하를 상대적으로 강, 약으로 조절하는 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 버너(82)의 작동에 의해서 킬른 내부의 온도가 상기 온도 범위에 도달하면 버너(82)의 작동을 오프시키거나 작동 부하를 약하게 하는 단계;
    (b2) 상기 (b1) 단계의 이후에, 일정시간 동안 온도 변화를 측정하여 500℃ 보다 소정 온도 높은 온도에서 버너(82)를 다시 작동시키거나 작동부하를 크게 하는 단계; 및,
    (b3) 상기 (b2) 단계의 이후에, 다시 작동된 버너(82)에 의해 킬른(20) 내부 온도가 600℃ 보다 소정 온도로 낮을 때 버너(82)의 작동을 오프시키거나 작동부하를 약하게 하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b1), (b2), (b3) 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    킬른(20) 내부가 530℃ ~ 570℃가 되도록 버너(82)의 작동을 제어하면서 외부 자켓(40)과 버너(82) 사이에서 배기 가스를 순환시키고,
    킬른(20)의 내부에 투입된 흑탄은 20분 ~ 50분 동안 체류하면서 반응한 후 배출되는 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    킬른(20)의 후단에는 무산소 진공가열로(61)가 설치되고, 무산소 진공가열로(61)의 하단에는 냉각장치(70)가 설치되며,
    무산소 진공가열로(61)에서 가열된 백탄은 중력에 의해 냉각장치(70)로 이동되는 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 버너(82)는 표면연소버너(metal fiber burner)이고, 외부 자켓(40)으로부터 배출된 배기 가스가 버너(82)에 직접 유입되는 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    외부 자켓(40)은 2개 또는 2개 이상의 구역으로 구획되고, 각 구역은 킬른(20)을 균일하게 가열하도록 다른 구역과 분리되어 있으며, 각 구역에는 공급포트(41)와 배출포트(42)가 구비된 것을 특징으로 하는, 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 방법.
KR1020200188574A 2020-12-30 2020-12-30 연속식 바이오 숯 제조 및 고품위화 장치와, 그 방법 KR102485296B1 (ko)

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