KR20230093557A - 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법 - Google Patents

바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법에 관한 것으로서, 바이오매스 고형연료를 공급하는 방법에 있어서, 고형연료의 입자 크기에 따라 임의의 수분 흡수도를 갖도록 수분을 흡수시키는 수분흡수단계와, 상기 수분흡수단계에서 수분이 흡수된 고형연료를 내부가 빈 스프링 형상의 스프링축을 이용하여 반응로에 투입시키는 연료투입단계를 포함함으로써, 스프링 타입의 연료공급장치를 이용하여 바이오매스 고형연료를 공급할 때 고형연료의 공급을 일정하게 하여, 안정적으로 연료의 공급이 이루어질 수 있는 효과가 있다.

Description

바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법{Fuel supply method for combustion of biomass solid fuel}
본 발명은 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스프링 타입의 연료공급장치를 이용하여 바이오매스 고형연료를 공급할 때 고형연료의 공급을 일정하게 하여, 안정적으로 연료의 공급이 이루어질 수 있는 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법에 관한 것이다.
유기성 폐기물류(가축분뇨, 음식물류 폐기물, 하폐수 슬러지 등)는 지속적으로 대량 발생하는 환경오염원인 동시에 바이오매스이다. 그러나 대부분의 유기성폐기물류는 다량의 수분을 함유하고 있기 때문에 자원화 및 에너지 생산시 운전비용 상승으로 인한 경제성 저하의 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하고 궁극적으로 바이오에너지 생산효율을 높이기 위하여 수열탄화기술에 기반한 통합공정을 개발하고 실증플랜트를 건설하여 이를 검증하는 노력을 기울이고 있는데, 수열탄화 기술은 180~200℃ 영역의 열수(hot water)에 의하여 고형의 유기물을 부분 분해함으로서 고형분에 부착된 수분을 증발 없이 액상으로 분리시키는 역할을 수행한다.
이와 같은 수열탄화 기술로 수분이 분리된 고형분은 기계적 탈수만으로도 함수율을 30%까지 낮출수 있기 때문에 기존의 건조방법대비 에너지 소비량을 약 70%까지 절감할 수 있다. 이렇게 수분이 감량화된 고형분은 고형연료로 활용할 수 있고, 동시에 고형분으로부터 분리된 수분에는 용해성 유기물이 다량 농축되어 있으며 이를 혐기소화하여 바이오가스(60% 함량의 메탄)를 생산할 수 있으므로 매우 유용하다.
그러나, 수열탄화 기술로 제조된 고형연료를 반응로에 투입할 경우, 강한 점착성으로 인해 기존의 스크류 타입(Screw Type)의 피더(Feeder)로 공급하면 고형연료가 스크류의 축에 달라붙어 반응로에 공급이 원활하지 않고, 공급량이 일정하지 않은 현상이 발생한다.
즉, 연료공급이 진행됨에 따라 고형연료 공급량이 점차 감소하고 일정시간 이후에는 투입되는 통로가 막혀 고형연료가 공급되지 않는 문제점이 발생하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 수열탄화 고형연료의 특성에 적합한 스프링 타입(Spring Type)으로 축을 교체하여 연료공급을 진행해본 바, 스크류 타입과 같이 연료가 투입되는 통로가 막히지는 않았지만, 스프링 타입의 축을 사용한 경우에도 고형연료가 일정하게 공급되지 않고 양이 점점 줄어들어 안정적인 공급이 되지 않은 문제점이 발생하였는바, 이에 대한 대책이 요구되어 왔다.
한국특허공개공보 제10-2019-0060848호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 수열탄화 고형연료를 반응로에 투입할 때 고형연료의 공급이 일정하게 이루어지어 안정적인 공급이 될 수 있게 하는 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 바이오매스 고형연료를 공급하는 방법에 있어서, 고형연료의 입자 크기에 따라 임의의 수분 흡수도를 갖도록 수분을 흡수시키는 수분흡수단계와, 상기 수분흡수단계에서 수분이 흡수된 고형연료를 내부가 빈 스프링 형상의 스프링축을 이용하여 반응로에 투입시키는 연료투입단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 수분흡수단계는 고형연료를 대기 중에 일정시간 방치하여 고형연료의 입자 크기에 따라 임의의 수분 흡수도를 갖도록 할 수 있다.
상기 수분흡수단계에서의 수분 흡수도는 고형연료의 입자 크기가 75um 이하인 경우, 1.7% 내지 2.5% 이고, 입자 크기가 300um 이하인 경우, 1.1% 내지 1.6%인 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 수분흡수단계에서, 입자 크기가 75um 내지 300um의 고형연료는 90분 내지 150분 동안 대기 중 방치하여 수분 흡수도를 갖도록 할 수 있다.
또한, 상기 수분흡수단계는 상기 고형연료를 반응로에 투입하기 전 저장되는 저장부에서 고형연료의 입자 크기에 따라 임의의 수분 흡수도를 갖도록 수분을 공급하는 것도 가능하다.
한편, 상기 수분흡수단계 이후, 고형연료에 흡수된 수분의 양을 측정하는 수분 흡수도 측정단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 연료투입단계에서는 상기 스프링축이 포함되는 연료공급장치에 의해 상기 고형연료를 반응로에 투입시키며, 상기 연료공급장치는 상기 스프링축의 일단에 결합되어 상기 스프링축을 회전시키는 회전부와, 상기 스프링축의 직경보다 큰 직경을 갖고 상기 스프링축을 둘러싸도록 형성되며, 상기 회전부에 일측이 결합되어 상기 스프링축과 함께 회전되는 혼합부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 연료공급장치는 바이오매스 고형연료가 저장되는 저장부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 저장부에는 상기 고형연료에 수분 미립자 또는 수분 증기를 가하는 수분공급부가 설치될 수 있다.
이 경우, 상기 수분공급부는 노즐, 초음파진동자, 스프레이, 가열판 중 하나 이상을 사용하여 물을 미립자화하거나 증기화하여 수분 미립자 또는 수분 증기를 공급하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 스프링 타입 연료공급장치를 이용하여 수열탄화 고형연료를 공급 시 공급되는 고형연료의 양이 일정하게 될 수 있다.
또한, 고형연료의 공급량이 일정하여 안정적으로 연료의 공급이 가능하므로, 바이오매스 고형연료의 활용도를 크게 향상시킬 수 있어서, 바이오매스 고형연료를 이용한 에너지 생산을 보다 활성화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에서 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급장치의 일예를 도시한 구성도이다.
도 3은 도 1의 투입부의 구성도이다.
도 4는 본 발명에서의 수열탄화 고형연료 공급 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에서의 대기 중 방치된 고형연료 공급 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에서의 공촌 수열탄화 고형연료(75um) 수분 흡수량 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에서의 공촌 수열탄화 고형연료(300um) 수분 흡수량 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법을 나타내는 순서도이고, 도 2는 본 발명에서 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급장치의 일예를 도시한 구성도이며, 도 3은 도 1의 투입부의 구성도이다.
본 발명은 바이오매스 고형연료를 공급할 때 고형연료의 공급을 일정하게 하여, 안정적으로 연료의 공급이 이루어질 수 있게 하는 바이오매스 고형연료 공급방법으로서, 도 1에 도시한 바와 같이, 고형연료의 입자 크기에 따라 임의의 수분 흡수도를 갖도록 수분을 흡수시키는 수분흡수단계(S110)와, 상기 수분흡수단계(S110)에서 수분이 흡수된 고형연료를 내부가 빈 스프링 형상의 스프링축을 이용하여 반응로에 투입시키는 연료투입단계(S120)를 포함한다.
즉, 본 발명에서는 수열탄화 고형연료의 공급이 일정하게 이루어지도록 고형연료를 반응로에 투입하기 전 일정한 수준으로 고형연료에 수분이 흡수되도록 하는데 그 특징이 있다.
본 출원인은 수열탄화 고형연료의 파울링 융착 실험을 하기 위하여, 우선 고형연료 공급 테스트를 진행한 바, 건조된 수열탄화 고형연료를 연속적으로 공급할 경우, 시간이 지남에 따라 공급되는 고형연료 량이 감소하는 경향을 나타내었고, 100분 이후는 거의 변하지 않는 것을 확인한 바, 고형연료를 반응로에 투입하기 전 일정한 수준으로 고형연료에 수분이 흡수되도록 함으로써, 안정적인 공급을 할 수 있도록 하는 것을 제안한다.
본 발명에서의 상기 수분흡수단계는 고형연료를 대기 중에 일정시간 방치하여 고형연료의 입자 크기에 따라 임의의 수분 흡수도를 갖도록 할 수 있다.
이 경우, 상기 수분흡수단계에서, 입자 크기가 75um 내지 300um의 고형연료는 90분 내지 150분 동안 대기 중 방치하여 수분 흡수도를 갖도록 할 수 있다.
본 출원인의 실험 시 입자 크기가 75um 이하인 공촌 수열탄화 고형연료는 90분 동안 대기 중 방치된 샘플과 150분 동안 대기 중 방치된 샘플은 최종 수분 감소량은 비슷한 것으로 나타났다. 이는 본 대상 고형연료의 경우 대기 중에서 90분 정도 방치하였을 때 대기 중의 수분을 최대로 흡수한 것으로 판단할 수 있으며, 안정적인 연료 공급을 위해 건조된 고현연료를 대기 중에 90분 정도 방치 한 후 연소 실험을 진행하는 것이 적합함을 알 수 있다.
또한, 입자 크기가 300um 이하인 경우에는, 대기 중 방치 시간이 90분 이후에는 최종 수분 감소량이 거의 비슷한 것으로 나타났다. 즉, 300um이하 입자 크기의 고형연료를 이용하여 연소 실험을 진행 할 경우에는, 안정적인 공급을 위하여 고형연료를 대기 중에 90분 정도 방치하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 입자 크기가 75um 이하 및 300um 이하 모두 90분 이상 대기 중 방치함으로써, 최적의 수분 흡수도를 갖도록 할 수 있다.
한편, 상기 수분흡수단계 이후, 고형연료에 흡수된 수분의 양을 측정하는 수분 흡수도 측정단계를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 고형연료에 흡수된 수분이 적당한지 수분 흡수도를 측정한 후 고형연료를 반응로에 투입함으로써, 공급장치에서의 연료공급이 진행됨에 따라 고형연료 공급량이 점차 감소하다가 일정시간 이후에는 투입되는 통로가 막혀 고형연료가 공급되지 않는 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명에서, 상기 연료투입단계에서는 상기 스프링축이 포함되는 연료공급장치에 의해 상기 고형연료를 반응로에 투입시킨다. 여기서, 상기 연료공급장치는 도 2에 도시한 바와 같이, 바이오매스가 투입되는 투입부(200)와, 상기 투입부에 의해 투입된 바이오매스를 가열하여 산화시키는 반응로(500)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 투입부(200)는, 수평 방향으로 연장되며 내부가 빈 스프링 형상을 갖는 스프링축(220)과, 스프링축(220)의 일단에 결합되어 스프링축(220)을 회전시키는 회전부(240)를 포함한다. 스프링축(220)은 탄성을 가질 수도 있고 갖지 않을 수도 있다. 투입부(200)는 바이오매스가 저장된 저장부(210)를 더 포함하며, 저장부(210)의 측벽에 회전부(240)가 위치하고, 저장부(210)를 가로질러 스프링축(220)이 위치할 수 있다.
상기 회전부(240)에 의해 스프링축(220)이 회전함에 따라, 스프링축(220) 내부의 바이오매스가 스프링축(220)의 타단 방향으로 이동되어 반응로(500)의 상측 개구부에 투입된다. 상기 스프링축(220)의 타단에는 제1 바이오매스 공급관(310)이 연결될 수 있으며, 이에 따라 스프링축(220) 내부의 바이오매스는 제1 바이오매스 공급관(310) 및 제1 바이오매스 공급관(310)에 연결된 제2 바이오매스 공급관(320)을 거쳐 반응로(500)의 상측 개구부에 투입될 수 있다.
바이오매스는 특성상 파우더 형태로 만들기 어렵고 섬유질을 포함한다. 이에 따라, 스프링축(220) 대신 단순한 막대 형상의 축을 이용하는 경우에는 축 둘레에 바이오매스의 섬유질이 엉겨붙어 바이오매스가 원활하게 공급되지 못한다.
상기 스프링축(220)은 내부가 빈 스프링 형상이기 때문에 바이오매스의 섬유질이 엉겨붙지 않으며, 내부의 바이오매스를 타단 방향으로 밀어낼 수 있다. 이에 따라, 상기 투입부(200)는 바이오매스를 효과적으로 공급할 수 있다. 상기 투입부를 이용하면 석탄, 하수슬러지, 초본계 및 목본계 바이오매스, 해양 바이오매스 등 다양한 물성을 갖는 연료의 투입이 가능하다.
상기 투입부(200)는, 수평 방향으로 연장되며 내부가 빈 스프링 형상을 갖고, 상기 스프링축의 직경보다 큰 직경을 갖고 스프링축(220)을 둘러싸도록 형성되며, 상기 회전부에 일측이 결합되어 상기 스프링축과 함께 회전되는 혼합부(230)를 더 포함할 수 있다. 혼합부(230)는, 스프링축(220)의 단위 길이당 권선수보다 적은 단위 길이당 권선수를 가질 수 있다.
여기서, 상기 저장부(210)에는 상기 고형연료에 수분 미립자 또는 수분 증기를 가하는 수분공급부가 설치될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 상기 수분흡수단계에서 상기 고형연료를 반응로에 투입하기 전 상기 수분공급부에 의해 고형연료의 입자 크기에 따라 임의의 수분 흡수도를 갖도록 수분을 공급하는 것도 가능하다.
이 경우, 상기 수분공급부는 노즐, 초음파진동자, 스프레이, 가열판 중 하나 이상을 사용하여 물을 미립자화하거나 증기화하여 수분 미립자 또는 수분 증기를 공급하며, 이와 같은 수분공급부의 구성은 공지의 기술을 사용할 수 있으므로 본 발명에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
<실험예>
① 수열탄화 고형연료 공급 테스트
본 발명에서는 수열탄화 고형연료의 파울링 융착 실험을 하기 위하여, 우선 고형연료 공급 테스트를 진행하였다. 120분 동안 연속적으로 수열탄화 고형연료를 공급하였고, 매 10분마다 공급된 고형연료의 무게를 측정하였으며, 공급 테스트 결과는 도 4에 나타내었다. 건조된 입자 크기가 75um 이하인 공촌 수열탄화 고형연료를 연속적으로 공급할 경우, 시간이 지남에 따라 매 10분당 공급되는 고형연료 량이 감소하는 경향을 나타내었고, 100분 이후는 거의 변하지 않는 것으로 나타났다.
수열탄화 고형연료를 대기 중 100분 동안 방치 후 공급 장치를 이용하여 연속 공급을 하였다. 10분 간격으로 공급된 고형연료를 샘플링 하여 무게를 측정하였으며, 결과는 도 5에 나타내었다. 10분 동안 공급된 수열탄화 고형연료는 3.976g에서 최대 4.098g으로 비교적 안정적으로 공급되는 것을 확인 할 수 있었다.
② 수열탄화 고형연료의 대기 중 수분 흡수도 측정
본 발명에서 파울링 융착 실험과정에서 시간이 지남에 따라 건조된 수열탄화 고형연료가 공급 장치를 통해 공급되는 양이 줄어드는 현상을 나타내었다. 이는 대상연료인 분쇄된 수열탄화 고형연료가 상온에 방치된 시간이 길어질수록 서로 점착되는 성질이 강해져 공급량이 점차 줄어드는데, 이는 대기 중의 수분을 흡수하여 발생하는 현상인 것으로 판단되어 건조된 수열탄화 고형연료의 대기 중에서의 수분 흡수 테스트를 진행하였다. 동일한 조건의 수열탄화 고형연료를 대기 중에서의 방치 시간을 달리하여, 동일한 수분측정온도 조건에서 수분 감소량을 측정하여, 고형연료의 대기 중에서의 수분 흡수정도를 판단할 수 있다.
수분 측정 장치는 GIBERTINI EUROTHERM을 사용하였다. 대상 수열탄화 고형연료를 무게를 측정하여 105℃까지 승온 된 수분 측정 장치에 투입 후, 시간에 따라 변화되는 무게를 기록하여 감소된 수분량을 측정하였다.
105℃에서 24시간을 건조한 수열탄화 고형연료는 항온조에 보관을 한 후, 대기 중에서 방치시간을 0/30/60/90/120/150분으로 한 샘플을 10g씩 수분 측정 장치에 투입하여 시간변화에 따른 수분 감소량 측정을 하였으며, 결과는 도 6에 나타내었다.
아래의 [표 1]은 수분 측정용 샘플을 0/30/60/90/120/150분으로 구분하여 10g씩 수분 측정 장치에 투입한 결과이다. (공촌 슬러지, 75um 이하)
구분 A B C D E F
대기 중
방치 시간 (min)		 0 30 60 90 120 150
수분 측정 결과로부터 대기 중에서 방치 시간이 길수록 흡수하는 수분량이 많은 것으로 나타났다. 입자 크기가 75um 이하인 공촌 수열탄화 고형연료는 90분 동안 대기 중 방치된 샘플과 150분 동안 대기 중 방치된 샘플은 최종 수분 감소량은 비슷한 것으로 나타났다.
이는 본 대상 고형연료의 경우 대기 중에서 90분 정도 방치하였을 때 대기 중의 수분을 최대로 흡수한 것으로 판단할 수 있으며, 안정적인 연료 공급을 위해 건조된 고현연료를 대기 중에 90분 정도 방치 한 후 연소 실험을 진행하는 것이 적합함을 알 수 있다. 이때의 수분 흡수도(%)는 도 6에서 보는 바와 같이, 1.7% 내지 2.5% 정도이다.
한편, 입자 크기가 300um 이하인 경우에는, 대기 중 방치 시간이 90분 이후에는 최종 수분 감소량이 거의 비슷한 것으로 나타났다. 즉 300um이하 입자 크기의 고형연료를 이용하여 연소 실험을 진행 할 경우에는, 안정적인 공급을 위하여 고형연료를 대기 중에 90분 정도 방치하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
입자 크기가 300um 이하인 경우, 수분 흡수도(%)는 도 7에서 보는 바와 같이, 1.1% 내지 1.6% 정도이다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
200: 투입부
210: 저장부
220: 스프링축
240: 회전부
500: 반응로

Claims (10)

  1. 바이오매스 고형연료를 공급하는 방법에 있어서,
    고형연료의 입자 크기에 따라 임의의 수분 흡수도를 갖도록 수분을 흡수시키는 수분흡수단계; 및
    상기 수분흡수단계에서 수분이 흡수된 고형연료를 내부가 빈 스프링 형상의 스프링축을 이용하여 반응로에 투입시키는 연료투입단계;
    를 포함하는 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수분흡수단계는,
    고형연료를 대기 중에 일정시간 방치하여 고형연료의 입자 크기에 따라 임의의 수분 흡수도를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 수분흡수단계에서의 수분 흡수도는 고형연료의 입자 크기가 75um 이하인 경우, 1.7% 내지 2.5% 이고,
    입자 크기가 300um 이하인 경우, 1.1% 내지 1.6%인 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 수분흡수단계에서, 입자 크기가 75um 내지 300um의 고형연료는 90분 내지 150분 동안 대기 중 방치하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수분흡수단계는,
    상기 고형연료를 반응로에 투입하기 전 저장되는 저장부에서 고형연료의 입자 크기에 따라 임의의 수분 흡수도를 갖도록 수분을 공급하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 수분흡수단계 이후, 고형연료에 흡수된 수분의 양을 측정하는 수분 흡수도 측정단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료투입단계에서는 상기 스프링축이 포함되는 연료공급장치에 의해 상기 고형연료를 반응로에 투입시키며,
    상기 연료공급장치는 상기 스프링축의 일단에 결합되어 상기 스프링축을 회전시키는 회전부와, 상기 스프링축의 직경보다 큰 직경을 갖고 상기 스프링축을 둘러싸도록 형성되며, 상기 회전부에 일측이 결합되어 상기 스프링축과 함께 회전되는 혼합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 연료공급장치는 바이오매스 고형연료가 저장되는 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 저장부에는 상기 고형연료에 수분 미립자 또는 수분 증기를 가하는 수분공급부가 설치되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 수분공급부는 노즐, 초음파진동자, 스프레이, 가열판 중 하나 이상을 사용하여 물을 미립자화하거나 증기화하여 수분 미립자 또는 수분 증기를 공급하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형연료의 연소를 위한 연료공급방법.
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