KR20230151701A - 우분 고체연료를 활용한 반탄화 바이오매스 제조 설비 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 우분 고체연료 및 반탄화 배가스를 활용하여 반탄화 바이오매스를 제조하는 설비 및 방법에 관한 것으로, 반탄화 바이오매스 제조 설비는, 바이오매스 원료를 건조 및 반탄화시키는 반응기, 상기 반응기로부터 배출되는 반탄화 배가스를 정제하는 가스 청정설비, 및 상기 가스 청정설비를 거친 반탄화 배가스가 유입되고, 우분 고체연료가 투입되어 연소되는 연소장치를 포함하고, 상기 연소장치에서 발생한 연소가스가 상기 반응기에 공급되어 건조 및 반탄화 열원으로 사용되고, 상기 우분 고체연료의 투입량은, 바이오매스 원료의 투입량에 따라 산출되는 건조 및 반탄화 에너지에서 반탄화 배가스 에너지를 감하여 산정될 수 있다.
Description
본 발명은 우분 고체연료 및 반탄화 배가스를 활용하여 반탄화 바이오매스를 제조하는 설비 및 방법에 관한 것이다.
최근 저탄소 친환경 제철 공정 및 탄소중립 철강을 구현하기 위해서 바이오매스 활용 기술이 각광을 받고 있다. 특히 바이오매스 에너지원의 연소로 인한 CO2 배출량은 CO2 배출 통계에서 제외하기 때문에 탄소중립재로 사용이 가능하다. 다만, 제선 공정에서 바이오매스를 대체 연료로 적용하려면 수송, 파쇄, 열량 특성이 기존 연료의 성능 수준에 도달해야 한다. 바이오매스는 석탄 대비 저열량이며, 수분과 휘발분이 많아서 에너지 밀도가 낮기 때문에 바이오매스를 반탄화시키는 공정이 필요하다. 반탄화(Torrefaction)는 200℃ 내지 300℃ 온도 범위의 무산소 조건에서 일어나는 열화학적 전처리 공정이다. 반탄화 처리시 고밀도, 고열량, 소수성 특성을 얻을 수 있고, 고정탄소 성분 증가로 장거리 운송 비용이 절감된다. 또한, 취급과 저장이 용이하고 분쇄성이 향상된다.
종래 반탄화 바이오매스 설비는 반탄화 배가스를 연료로 재사용하고, 반응기에서 열원으로 사용한 다음 배출하였다. 하지만, 전체 반탄화 공정의 열 및 물질 수지를 산출하면 반탄화 배가스 연료 외 추가 열량이 필요하다. 추가 열량으로 기존 연료인 석탄계 연료나 천연 가스를 사용하면 탄소중립재로서 바이오매스의 가치가 떨어지게 된다. 추가 연료로 우드 펠렛을 사용할 수 있으나, 우드 펠렛의 가격($200~300/톤)과 반탄화 우드 펠렛의 가격($500/톤)을 고려할 경우 경제성이 낮다.
본 발명은, 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래 반탄화 바이오매스 설비에서 우분 고체연료와 반탄화 배가스를 연료로 사용하여 반탄화 펠렛을 제조하고, 탄소중립재를 고로 원료로 사용함으로써 저탄소 친환경 제선공정과 탄소중립 철강을 구현하고자 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 반탄화 바이오매스 제조 설비가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 반탄화 바이오매스 제조 설비는, 바이오매스 원료를 건조 및 반탄화시키는 반응기, 상기 반응기로부터 배출되는 반탄화 배가스를 정제하는 가스 청정설비, 및 상기 가스 청정설비를 거친 반탄화 배가스가 유입되고, 우분 고체연료가 투입되어 연소되는 연소장치를 포함하고, 상기 연소장치에서 발생한 연소가스가 상기 반응기에 공급되어 건조 및 반탄화 열원으로 사용되고, 상기 우분 고체연료의 투입량은, 바이오매스 원료의 투입량에 따라 산출되는 건조 및 반탄화 에너지에서 반탄화 배가스 에너지를 감하여 산정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 반탄화 바이오매스 제조 설비는, 상기 가스 청정설비 및 연소장치 사이에 설치되고, 상기 반응기 내 열원으로 사용된 배가스가 상기 연소장치로 유입되는 반탄화 배가스를 승온시키는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 우분 고체연료는 우분을 펠렛 타입으로 성형하고 건조하여 얻어진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 연소장치는 바이오매스 원료의 투입량에 따라 우분 고체연료의 투입량을 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 반탄화 바이오매스 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 반탄화 바이오매스 제조 방법은, (1) 바이오매스 원료를 건조 및 반탄화 시키는 단계, (2) 상기 반탄화 중 발생하는 배가스를 청정 처리한 후 우분 고체연료와 함께 연소하는 단계, 및 (3) 상기 배가스를 바이오매스 건조 및 반탄화 열원으로 사용하는 단계를 포함하고, 상기 우분 고체연료의 투입량은, 바이오매스 원료의 투입량에 따라 산출되는 건조 및 반탄화 에너지에서 반탄화 배가스 에너지를 감하여 산정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 반탄화 바이오매스 제조 방법은, (4) 단계 (3)에서 열원으로 사용된 배가스 폐열을 이용하여 단계 (2)에서 연소되는 배가스를 승온시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 단계 (4)는 배가스를 200℃ 내지 300℃ 온도로 승온시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 우분 고체연료는 우분을 펠렛 타입으로 성형하고 건조하여 얻어진 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이오매스 원료는 목질계 바이오매스일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 단계 (2)의 청정 처리는 배가스에서 분진, 타르 및 수분을 제거하는 단계일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 현재 우리나라에서 사회적, 환경적 문제로 대두되는 가축분뇨인 우분을 고체연료로 재활용함으로써, 반탄화 바이오매스 제조 설비에서 부족 열원을 보충할 수 있다. 또한, 반탄화 바이오매스를 저탄소 친환경 공법으로 제조하고, 고로 공정의 탄소중립 연료로 활용하여 탄소중립 철강을 제조에 기여할 수 있다. 본 발명을 통해 제조되는 반탄화 바이오매스로 고로용 미분탄의 10%를 대체하면, 제선 공정에서 연간 1~3% 수준의 온실가스를 저감하는 효과가 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래 반탄화 공정의 개요도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오매스 반탄화 시스템을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오매스 반탄화 시스템을 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
도 1은 종래 바이오매스 반탄화 시스템을 나타낸다.
반탄화 공정 내 반응기는 간접 가열 방식으로 주로 로터리 드럼 및 스크루 타입의 반응기를 사용하는데, 반탄화 공정에서 배가스가 발생하게 된다. 배가스의 대부분은 일산화탄소, 이산화탄소로 이루어지고, 열량은 1000~2000kcal/㎥ 정도이다. 종래 반탄화 바이오매스 설비는 반탄화 배가스를 연료로 재사용하고, 열 교환하여 반탄화 공정에서 열원으로 사용하고 일부는 방산하였다. 하지만, 전체 반탄화 공정의 열 및 물질 수지를 산출하면 반탄화 배가스 연료 외 추가 열량이 필요함에도 추가 연료로 석탄, 천연가스와 같은 화석 연료를 선택할 수 밖에 없었다.
이에, 본 발명에서는 종래 설비에서의 부족 열원을 우분 고체연료로 대체하고, 공정 중 배가스의 폐열 회수를 통해 저탄소 친환경 공정으로 반탄화 바이오매스를 제조하고자 하였다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오매스 반탄화 시스템을 나타낸다. 반탄화 바이오매스 제조 설비(1)는, 바이오매스 원료를 건조 및 반탄화시키는 반응기(100), 반응기로부터 배출되는 반탄화 배가스를 정제하는 가스 청정설비(200), 가스 청정설비를 거친 반탄화 배가스가 유입되고, 우분 고체연료가 투입되어 연소되는 연소장치(300) 및 가스 청정설비(200) 및 연소장치(300) 사이에 설치되고, 반응기(100) 내 열원으로 사용된 배가스가 연소장치(300)로 유입되는 반탄화 배가스를 승온시키는 열교환기(400)를 포함하여 구성된다. 가축분뇨인 우분을 펠렛 타입으로 성형하고 자연 건조하면 고체연료로 사용할 수 있다. 우분 고체연료의 조성은 아래 표 1과 같으며, 열량은 3,800 kcal/kg 수준이다. 우분 고체연료 연소 후 회분은 알칼리와 인 성분이 많아서 비료 또는 토양 중화재로 재활용이 가능한 장점이 있다. 또한, 우분 고체연료의 가격은 우드 펠렛 대비 저렴하여 경제성도 있다.
| 고유수분 | 회분 | 휘발분 | 고정탄소 | ||
| 성분 함량(%) | 2.8 | 16.6 | 62.1 | 18.5 | |
| C | H | N | S | O | |
| 원소 함량(%) | 50.8 | 5.3 | 2.9 | 0.8 | 40.2 |
반응기(100) 내에 장입되는 바이오매스 원료는 목질계 바이오매스일 수 있다. 목질계 바이오매스는 나무 블럭, 우드 칩, 우드 펠렛, 통나무, 나무 가지, 나무 부스러기, 낙엽, 목판, 톱밥, 야자나무, PKS(palm kernel shell), EFB(empty fruit bunches), FFB(fresh fruit bunches), 및 야자제분찌꺼기로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 우드 펠렛을 반응기 내에 장입한 후, 간접 가열 방식으로 건조 온도 200℃ 까지 승온하고 약 30분간 건조하고, 간접 가열 방식으로 반탄화 온도 300℃까지 승온하고 약 30분간 반탄화할 수 있다. 반탄화 종료 후 얻어진 반탄화 우드 펠렛은 탱크 또는 호퍼 내에서 자연 냉각 또는 질소 냉각된다.
반탄화 공정 중 발생하는 배가스는 분진, 수분, 타르가 있기 때문에 가스청정 처리를 실시한다. 일 실시예에 있어서, 사이클론 타입 건식 집진기에서 분진을 제거하고, 액체 탱크에서 타르를 제거하고, 스크러버에서는 수분 제거를 한 후, 연료용 가스로 재사용할 수 있다.
연료용 가스인 반탄화 배가스를 우분 고체연료와 함께 연소하여 반응기(100) 내 건조 및 반탄화 열원으로 사용한다. 우분 고체연료의 투입량은, 바이오매스 원료의 투입량에 따라 산출되는 건조 및 반탄화 에너지에서 반탄화 배가스 에너지를 감하여 산정될 수 있다. 바이오매스 원료의 투입량이 많아지면 건조 및 반탄화에 필요한 총 에너지가 증가한다. 동시에 반탄화 공정 중 발생하는 배가스량도 많아지므로 그에 따라 반탄화 배가스 에너지도 증가한다. 바이오매스 원료의 건조 및 반탄화에 필요한 총 에너지는 반탄화시 발생한 배가스 및 우분 고체연료의 연소로 인해 발생하는 열에너지(연소가스)로부터 제공될 수 있다. 연소장치(300)는 바이오매스 원료의 투입량에 따라 부족 열원을 계산하여 그에 따른 우분 고체연료의 필요량을 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
반응기(100) 내 간접열원으로 사용된 반탄화 배가스 폐열은 바이패스 밸브에서 열교환기(400)를 거쳐 반탄화 배가스를 승온시키거나, 필요 시, 공정 중에 외기로 방산시킬 수 있다. 이때, 배가스 폐열은 열교환기(400)에서 반탄화 배가스를 200℃ 내지 300℃ 온도로, 또는 필요시 그 이상의 온도로 승온시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 제조예 및 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 실시예들이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
종래 반탄화 공정의 정보를 바탕으로 열량 및 에너지 수지를 산출하여 아래 표 2 내지 5에 나타내었다. 열 효율은 일반 산업용 보일러의 최저 열 효율 80%로 산정하였다.
| 항목 | 단위 | 값 |
| 반탄화 배가스_CO2 | % | 63 |
| 반탄화 배가스_CO | % | 37 |
| CO_밀도 | kg/m3 | 1.25 |
| CO2_밀도 | kg/m3 | 1.98 |
| 반탄화 배가스 밀도 | kg/m3 | 1.71 |
| 반탄화 배가스 열량 | kcal/m 3 | 1,164 |
| 항목 | 단위 | 값 |
| 건조시간 | hr | 0.5 |
| 반탄화시간 | hr | 0.5 |
| 시작 온도 | ℃ | 25 |
| 건조 온도 | ℃ | 200 |
| 반탄화 온도 | ℃ | 300 |
| 우드펠렛 공급량 | kg/hr | 714 |
| 반탄화 우드펠렛 제조량 | kg/hr | 500 |
| 반탄화 가스 발생량 | m3/hr | 125 |
| 우드펠렛 비열 | kcal/kg℃ | 0.38 |
| 건조 에너지 | kcal/hr | 96,000 |
| 반탄화 에너지 | kcal/hr | 54,857 |
| 총 에너지 | kcal/hr | 150,857 |
| 열 효율 80% 고려, 총 에너지 | kcal/hr | 188,571 |
| 항목 | 단위 | 값 |
| 건조에 필요한 가스량 | m3/hr | 103 |
| 반탄화에 필요한 가스량 | m3/hr | 59 |
| 총 필요 가스량 | m3/hr | 162 |
| 총 필요 가스 에너지 | kcal/hr | 188,571 |
| 총 필요 가스 (중량) | kg/hr | 277 |
| 반탄화 시, 발생 배가스량 | m 3 /hr | 125 |
| 반탄화 시, 발생 배가스 에너지 | kcal/hr | 145,873 |
| 부족 에너지 | kcal/hr | 42,698 |
| 항목 | 단위 | 값 |
| 천연가스 열량 | kcal/m3 | 10,100 |
| 천연가스 필요량 | m3/hr | 4.2 |
표 4를 참조하면, 반탄화 배가스를 재사용하여 연료로 사용할 경우 총 필요 열량의 77% 수준을 제공하며, 총 필요 열량의 23%는 추가 열원이 필요함을 알 수 있다. 표 5에서, 천연가스를 추가 연료로 사용할 경우 연료의 열량에 따른 필요량이 산출된다. 다만, 천연가스를 사용하면 탄소배출계수가 산정되어 반탄화 바이오매스는 탄소중립재의 역할을 하지 못하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 우분 고체연료를 공급연료로 하여 반탄화 공정의 추가 열원으로 제공하고자 하였다.
| 항목 | 단위 | 값 |
| 우분 고체연료 열량 | kcal/kg | 3,800 |
| 우분 고체연료 필요량 | kg/Hr | 11 |
| 열 효율 80% 고려, 필요량 | kg/Hr | 14 |
표 6을 참조하면, 우드 펠렛이 714kg/Hr 투입되는 경우 반탄화 우드 펠렛을 제조하기 위해 우분 고체연료가 14 kg/Hr 필요한 것으로 나타났다. 이를 통해, 반탄화시 발생하는 배가스 에너지 145,873 kcal/hr 및 우분 고체연료의 연소로 인해 발생하는 열에너지(연소가스) 42,698 kcal/hr가 우드 펠렛의 건조 및 반탄화에 필요한 에너지 188,571 kcal/hr로 제공됨을 예측할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 반탄화 바이오매스 제조 설비
100: 반응기
200: 가스 청정설비
300: 연소장치
400: 열교환기
100: 반응기
200: 가스 청정설비
300: 연소장치
400: 열교환기
Claims (10)
- 바이오매스 원료를 건조 및 반탄화시키는 반응기;
상기 반응기로부터 배출되는 반탄화 배가스를 정제하는 가스 청정설비; 및
상기 가스 청정설비를 거친 반탄화 배가스가 유입되고, 우분 고체연료가 투입되어 연소되는 연소장치;를 포함하고,
상기 연소장치에서 발생한 연소가스가 상기 반응기에 공급되어 건조 및 반탄화 열원으로 사용되고,
상기 우분 고체연료의 투입량은, 바이오매스 원료의 투입량에 따라 산출되는 건조 및 반탄화 에너지에서 반탄화 배가스 에너지를 감하여 산정되는,
반탄화 바이오매스 제조 설비. - 제 1 항에 있어서,
상기 가스 청정설비 및 연소장치 사이에 설치되고, 상기 반응기 내 열원으로 사용된 배가스가 유입되어 상기 연소장치로 유입되는 반탄화 배가스를 승온시키는 열교환기;를 더 포함하는,
반탄화 바이오매스 제조 설비. - 제 1 항에 있어서,
상기 우분 고체연료는,
우분을 펠렛 타입으로 성형하고 건조하여 얻어진 것인,
반탄화 바이오매스 제조 설비. - 제 1 항에 있어서,
상기 연소장치는,
바이오매스 원료의 투입량에 따라 우분 고체연료의 투입량을 조절하는 제어부를 포함하는,
반탄화 바이오매스 제조 설비. - (1) 바이오매스 원료를 건조 및 반탄화 시키는 단계;
(2) 상기 반탄화 중 발생하는 배가스를 청정 처리한 후 우분 고체연료와 함께 연소하는 단계; 및
(3) 상기 배가스를 바이오매스 건조 및 반탄화 열원으로 사용하는 단계;를 포함하고,
상기 우분 고체연료의 투입량은, 바이오매스 원료의 투입량에 따라 산출되는 건조 및 반탄화 에너지에서 반탄화 배가스 에너지를 감하여 산정되는,
반탄화 바이오매스 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
(4) 단계 (3)에서 열원으로 사용된 배가스 폐열을 이용하여 단계 (2)에서 연소되는 배가스를 승온시키는 단계를 더 포함하는,
반탄화 바이오매스 제조 방법. - 제 6 항에 있어서,
단계 (4)는 배가스를 200℃ 내지 300℃ 온도로 승온시키는 단계인,
반탄화 바이오매스 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 우분 고체연료는,
우분을 펠렛 타입으로 성형하고 건조하여 얻어진 것인,
반탄화 바이오매스 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 바이오매스 원료는 목질계 바이오매스인,
반탄화 바이오매스 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
단계 (2)의 청정 처리는,
배가스에서 분진, 타르 및 수분을 제거하는 단계인,
반탄화 바이오매스 제조 방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220051370A KR20230151701A (ko) | 2022-04-26 | 2022-04-26 | 우분 고체연료를 활용한 반탄화 바이오매스 제조 설비 및 제조 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020220051370A KR20230151701A (ko) | 2022-04-26 | 2022-04-26 | 우분 고체연료를 활용한 반탄화 바이오매스 제조 설비 및 제조 방법 |
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| KR20230151701A true KR20230151701A (ko) | 2023-11-02 |
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| KR (1) | KR20230151701A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101619357B1 (ko) | 2014-11-28 | 2016-05-11 | 삼양에코너지 주식회사 | 목질계 바이오매스의 건조 및 반탄화 시스템 |
-
2022
- 2022-04-26 KR KR1020220051370A patent/KR20230151701A/ko not_active Application Discontinuation
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