KR101189588B1 - 바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법 - Google Patents

바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법에 관한 것으로서, 바이오매스 재료를 공급하는 공급부; 상기 공급부로부터 공급되는 바이오매스를 반탄화 처리하는 반탄화장치와, 상기 반탄화장치에서 발생하는 반탄화가스에서 타르를 제거하고 타르가 제거된 불활성가스를 상기 반탄화장치로 전달하는 타르제거장치를 갖는 처리부; 상기 처리부의 반탄화장치에서 전달되는 반탄화된 바이오매스를 상기 타르제거장치에서 제거된 타르를 이용하여 고형체로 성형하는 성형부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 설비 투자비용 및 관리비용을 절감함과 동시에, 반탄화 과정에서 타르를 효율적으로 제거하면서 재활용할 수 있는 바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법이 제공된다.
또한, 바이오매스의 반탄화 과정에서 발생하는 열분해가스 및 타르를 재활용하여 바이오매스 고형체의 품질을 향상시킬 수 있고, 친환경적인 바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법이 제공된다.

Description

바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법{Biomass solid manufacture system and Manufacture method thereof}
본 발명은 바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법에 관한 것으로서, 설비 투자비용 및 관리비용을 절감함과 동시에, 반탄화 과정에서 타르를 효율적으로 제거하면서 재활용할 수 있고, 바이오매스 고형체의 품질을 향상시키면서 친환경적인 바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유 등과 같은 화석계 에너지의 대체 에너지로 주목받고 있는 바이오매스는 미가공 상태에서는 그 소재 내부의 공극률이 매우 높아서 부피가 크기 때문에, 기존 화석계 에너지에 비해 단위 에너지 당 수송비용이 상당히 고가로 형성된다.
이로 인해, 바이오매스의 장거리 수송, 특히, 해외로 수송하기 위한 해상 운송시 수송비용이 크게 상승하여 비경제적이며 경쟁력이 약화되는 단점을 가지고 있었다.
이에 최근에는 바이오매스 원재료를 반탄화 처리하여 단위 중량당 에너지밀도(Kcal/kg)를 높이면서, 바이오매스 원재료를 고형체인 펠릿 형태로 제조하여 단위 에너지 당 수송비용을 절감할 수 있는 바이오매스 펠릿의 제조방법이 개발된 바 있다.
여기서, 반탄화 처리는 고온의 무산소 상태에서 바이오매스 원재료를 열처리하여 중량을 30%정도 낮추는 것이다. 이때, 바이오매스의 발열량은 10%정도 감소되는데, 결과적으로는 단위중량당 발열량 즉, 에너지밀도(Kcal/kg)는 30%정도 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
이렇게 반탄화 처리된 바이오메스를 고압으로 펠릿 형태의 고형체 물질로 성형하면, 그 부피가 줄어 단위 에너지당 수송비용을 30% 이상 절감할 수 있다.
그런데, 이러한 종래의 바이오매스 펠릿의 제조방법에 있어서는 반탄화 처리 과정에서 무산소 상태를 조성하기 위하여 질소나 과열 증기 등을 사용해야 하기 때문에, 질소 구매 및 질소공급 설비의 추가와 과열 증기 사용을 위한 설비 추가에 따른 투자비용 및 관리비용이 과도하게 상승하는 요구되는 문제점이 발생하였다.
또한, 바이오매스의 반탄화 처리 과정에서 열분해에 따른 타르(Tar)가 필연적으로 발생하게 되는데, 이 타르는 점도가 매우 높은 물질이기 때문에, 처리 공정 상의 설비나 연결 배관 등에 타르가 점착되어 열분해 가스 등의 유동을 방해하거나 설비의 가동 불능을 초래하는 문제점이 발생하였다.
또한, 바이오매스의 반탄화 과정에서 발생하는 열분해가스와 타르의 외부 배출에 따른 환경오염을 초래하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 설비 투자비용 및 관리비용을 절감함과 동시에, 반탄화 과정에서 타르를 효율적으로 제거하면서 재활용할 수 있는 바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 바이오매스의 반탄화 과정에서 발생하는 열분해가스 및 타르를 재활용하여 바이오매스 고형체의 품질을 향상시킬 수 있고, 친환경적인 바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라서, 바이오매스 고형체 제조시스템에 있어서, 바이오매스 재료를 공급하는 공급부; 상기 공급부로부터 공급되는 바이오매스를 반탄화 처리하는 반탄화장치와, 상기 반탄화장치에서 발생하는 반탄화가스에서 타르를 제거하고 타르가 제거된 불활성가스를 상기 반탄화장치로 전달하는 타르제거장치를 갖는 처리부; 상기 처리부의 반탄화장치에서 전달되는 반탄화된 바이오매스를 상기 타르제거장치에서 제거된 타르를 이용하여 고형체로 성형하는 성형부를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템에 의해 달성된다.
여기서, 공급부는 바이오매스 재료를 건조시키는 건조기와, 상기 건조기에서 건조된 바이오매스를 집진하는 집진기와, 상기 집진기에 집진된 바이오매스를 저장하여 반탄화장치로 전달하는 저장탱크를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 처리부는 열매체유를 생성하고 상기 열매체유를 반탄화장치로 공급하는 열교환기와, 상기 열교환기로 연소가스를 공급하는 버너를 더 포함하는 것이 효과적이다.
이때, 반탄화장치는 공급부로부터 공급되는 바이오매스 재료를 건조하는 반탄화건조기와, 상기 반탄화건조기에서 건조된 바이오매스 재료를 예열하는 예열기와, 상기 예열기에서 예열된 바이오매스를 전달받아 반탄화시키는 반탄화반응기와, 상기 반탄화반응기에서 반탄화된 바이오매스를 냉각시키는 냉각기를 갖는 것이 보다 바람직하다.
또한, 반탄화반응기는 이중재킷 형태의 통 형상을 갖는 반탄화챔버와, 상기 반탄화챔버 내부에 공급된 바이오매스 재료를 교반하는 반탄화교반수단과, 상기 반탄화챔버 내부를 가열하는 반탄화가열수단을 갖는 것이 보다 효과적이다.
또한, 반탄화챔버는 반탄화 가스를 타르제거장치로 배출하는 반탄화가스배출구와, 상기 타르제거장치에서 전달되는 불활성가스가 유입되는 불활성가스유입구와, 열교환기에서 전달되는 열매체유가 유입되는 열매체유공급구를 갖는 것이 바람직하다.
이때, 반탄화반응기는 복수로 마련되는 것이 효과적이다.
한편, 냉각기는 반탄화반응기로부터 전달되는 바이오매스가 체류하는 냉각챔버와, 상기 냉각챔버를 냉각시키기는 워터재킷을 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 냉각챔버에서는 바이오매스를 냉각하는 과정에서 열교환작용에 의한 온수가 발생하며, 상기 온수는 타르제거장치로 공급되는 것이 효과적이다.
또한, 타르제거장치는 반탄화장치에서 전달되는 반탄화가스에 포함된 타르를 걸러내는 메쉬컨베이어와, 상기 메쉬컨베이어에 온수를 분사하여 타르를 분리하는 온수분사기와, 상기 메쉬컨베이어에서 분리된 타르에서 온수와 타르를 필터링하는 타르필터를 갖는 것이 보다 바람직하다.
이때, 메쉬컨베이어는 반탄화장치에서 버너를 향하는 반탄화가스의 이동 경로 상을 순환하는 메쉬부재와, 메쉬부재가 잠기는 온수챔버를 가지며; 온수분사기는 온수를 저장하는 수조와, 상기 수조에 저장된 온수를 상기 온수챔버 내에 위치하는 메쉬컨베이어에 분사하는 분사펌프를 갖는 것이 효과적이다.
그리고, 메쉬컨베이어를 거친 반탄화 가스의 일부는 버너로 전달되고, 나머지는 반탄화장치로 전달되는 것이 바람직하다.
또한, 타르필터에서 필터링된 온수는 수조로 재순환되며, 필터링된 타르는 성형부로 전달되어 바이오매스 고형체를 성형하는 결합제로 이용되는 것이 효과적이다.
한편, 성형부는 반탄화장치로부터 전달되는 반탄화된 바이오매스를 고르게 분쇄하는 분쇄기와, 상기 분쇄기에서 분쇄된 바이오매스를 고형체인 펠릿으로 성형하는 펠릿성형기를 갖는 것이 보다 바람직하다.
한편, 상기 목적은 바이오매스 고형체 제조방법에 있어서, 바이오매스 재료를 공급하는 공급단계; 상기 공급단계부로부터 공급되는 바이오매스를 반탄화 처리하는 반탄화단계와, 상기 반탄화단계에서 발생하는 반탄화가스에서 타르를 제거하고 타르가 제거된 불활성가스를 상기 반탄화단계로 전달하는 타르제거단계를 갖는 처리단계: 상기 반탄화단계에서 전달되는 반탄화된 바이오매스를 상기 타르제거단계에서 제거된 타르를 이용하여 고형체로 성형하는 성형단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조방법에 의해서도 달성된다.
여기서, 공급단계는 바이오매스 재료를 건조하는 건조단계와, 건조된 바이오매스를 집진하는 집진단계를 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 반탄화단계는 바이오매스 재료를 다시 건조하는 반탄화건조단계와, 상기 반탄화건조단계에서 건조된 바이오매스 재료를 예열하는 예열단계와, 예열된 바이오매스를 반탄화시키는 반탄화반응단계와, 반탄화반응단계에서 반탄화된 바이오매스를 냉각시키는 냉각단계를 갖는 것이 효과적이다.
그리고, 반탄화반응단계는 260℃ ~ 300℃의 무산소 상태에서 예열단계로부터 전달된 바이오매스를 최장 30분간 열처리하는 단계인 것이 바람직하다.
또한, 반탄화반응단계의 온도는 열매체유의 전달에 의해 이루어지는 것이 효과적이다.
또한, 반탄화반응단계에서 발생하는 반탄화 가스는 타르제거단계에서 타르가 제거된 다음 적어도 일부가 반탄화반응단계로 다시 공급되는 것이 바람직하다.
한편, 냉각단계에서는 열교환작용에 의한 온수가 발생하며, 상기 온수는 타르제거단계로 전달되는 것이 효과적이다.
그리고, 타르제거단계는 반탄화단계에서 전달되는 반탄화가스에 포함된 타르를 걸러내는 타르분리단계와, 분리된 타르를 필터링하는 타르필터링단계를 갖는 것이 보다 바람직하다.
이때, 타르분리단계에서 타르가 분리된 반탄화 가스의 일부는 반탄화단계에서 무산소 상태 조성을 위한 불활성가스로 이용되는 것이 보다 효과적이다.
또한, 타르필터링단계에서 필터링된 온수는 타르분리단계로 공급되고, 타르는 성형단계로 전달되어 바이오매스 고형체를 성형하는 결합제로 이용되는 것이 바람직하다.
한편, 성형단계는 반탄화단계로부터 전달되는 반탄화된 바이오매스를 고르게 분쇄하는 분쇄단계와, 분쇄된 바이오매스를 고형체인 펠릿으로 성형하는 펠릿성형단계를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 설비 투자비용 및 관리비용을 절감함과 동시에, 반탄화 과정에서 타르를 효율적으로 제거하면서 재활용할 수 있는 바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법이 제공된다.
또한, 바이오매스의 반탄화 과정에서 발생하는 열분해가스 및 타르를 재활용하여 바이오매스 고형체의 품질을 향상시킬 수 있고, 친환경적인 바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오매스 고형체 제조시스템의 간략한 공정도,
도 2는 도 1의 바이오매스 고형체 제조 공정상의 타르 제거 공정의 개략도,
도 3은 도 1의 바이오매스 고형체 제조 공정상의 반탄화 설비 개략도,
도 4는 도 3의 반탄화 설비의 반탄화 반응기 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 바이오매스 고형체 제조방법의 간략한 블록도.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오매스 고형체 제조시스템(1)은 바이오매스를 공급하는 공급부(3)와, 공급부(3)로부터 공급되는 바이오매스를 반탄화 처리하고 반탄화 처리과정에서 발생하는 타르를 제거하는 처리부(5)와, 처리부(5)에서 반탄화 및 타르가 제거된 바이오매스를 고형체로 형성하는 성형부(7)를 포함한다.
공급부(3)는 바이오매스 재료를 건조하는 건조기(3a)와, 건조기(3a)에서 건조된 바이오매스를 집진하는 집진기(3b)와, 집진기(3b)에 집진된 바이오매스를 저장하는 저장탱크(3c)를 구비할 수 있다. 여기서, 집진기(3b)에 집진된 바이오매스는 송풍기(3d)의 송풍작용에 의해 저장탱크(3c)로 이동될 수 있으며, 건조기(3a)에서 바이오매스가 건조되어 집진기(3b)로 이동했을 때 집진기(3b) 내에 발생하는 연소가스는 배관을 통해 외부로 배출되거나 후술할 버너(40)의 연소가스로 공급될 수 있다.
처리부(5)는 공급부(3)의 저장탱크(3c)로부터 전달되는 건조된 바이오매스 재료를 반탄화 처리하는 반탄화장치(10)와, 반탄화장치(10)에서 바이오매스를 반탄화하는 과정에서 열분해 작용에 의해 발생하는 반탄화가스에 포함된 타르를 제거하는 타르제거장치(20)와, 후술할 버너(40)에서 전달되는 연소가스를 열교환하여 열매체유를 생성하고 이 열매체유를 반탄화장치(10)로 공급하는 열교환기(30)와, 열교환기(30)로 연소가스를 공급하기 위한 버너(40)를 가지고 있다.
반탄화장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 공급부(3)의 저장탱크(3c)로부터 공급되는 바이오매스 재료를 다시 건조하는 반탄화건조기(11)와, 반탄화건조기(11)에서 건조된 바이오매스 재료를 예열하는 예열기(13)와, 예열기(13)에서 예열된 바이오매스를 전달받아 반탄화시키는 반탄화반응기(15)와, 반탄화반응기(15)에서 반탄화된 바이오매스를 냉각시키는 냉각기(17)와, 냉각된 바이오매스를 성형부(7)로 이동시키는 배출기(19)로 구성될 수 있다.
반탄화건조기(11)는 공급부(3)의 저장탱크(3c)로부터 전달된 바이오매스에 포함되어 있을 수 있는 수분을 제거하기 위한 것으로서, 건조효율을 높이기 위해 예비건조기(11a)와, 주건조기(11b)로 구비될 수 있다.
그리고, 예열기(13)는 반탄화건조기(11)에서 수분이 완벽하게 제거된 바이오매스 재료가 반탄화반응기(15)로 공급되기 전 반탄화 처리온도에 근접한 고온으로 예열하기 위한 것으로서, 반탄화반응기(15)에서의 반탄화 효율을 증대시킬 수 있다.
이 예열기(13)는 통형상의 예열챔버(13a) 내에 바이오매스를 교반시키는 예열교반수단(13b)과, 예열챔버(13a) 내부를 예열온도로 가열하는 예열수단이 구비된 형태일 수 있다.
이때, 예열교반수단(13b)은 도시하지는 않았지만 예열챔버(13a)의 공급 측으로부터 배출 측을 향해 바이오매스를 이동시키도록 도시 않은 구동모터에 의해 회전하는 이송스크류 형태일 수 있다. 또는, 예열교반수단(13b)은 도시 않은 구동모터에 의해 회전하는 복수의 교반플레이트일 수 있다.
또한, 예열수단은 예열챔버(13a)의 외주면을 이중재킷 구조로 형성하고, 고온의 예열 액체를 이중재킷 내부로 순환시켜서 예열챔버(13a)를 예열온도로 유지시키는 형태로 마련될 수 있다. 여기서 예열 액체는 열교환기(30)로부터 전달되는 열매체유일 수 있다.
한편, 반탄화반응기(15)는 260℃ ~ 300℃의 고온과 무산소 상태에서 예열기(13)에서 에열되어 전달된 바이오매스를 최장 30분간 열처리하는 것으로서, 제1반응기(15a)와 제2반응기(15b)를 구비하여 바이오매스를 순차적으로 반탄화 처리할 수 있다.
이때, 제1 및 제2반응기(15a,15b)는 도 3에 도시된 바와 같이, 이중재킷 형태의 통 형상을 갖는 반탄화챔버(15c)에 반탄화교반수단(15d)과 반탄화가열수단(15e)이 구비된 형태일 수 있다.
반탄화교반수단(15d)은 반탄화챔버(15c)의 공급 측(15i)으로부터 배출 측(15j)을 향해 바이오매스를 이동시키도록 도시 않은 구동모터에 의해 회전하는 이송스크류 형태일 수 있다. 또는, 반탄화교반수단(15d)은 도시 않은 구동모터에 의해 회전하는 복수의 교반플레이트일 수 있다.
또한, 반탄화가열수단(15e)은 반탄화챔버(15c)의 외주면을 이중재킷 구조로 형성하고, 열교환기(30)로부터 전달되는 고온의 열매체유를 이중재킷 내부로 순환시켜서 반탄화챔버(15c)를 반탄화 온도로 유지시키는 형태로 마련될 수 있다.
그리고, 제1 및 제2반응기(15a,15b)에는 반탄화 과정에서 발생하는 반탄화 가스를 타르제거장치(20)로 배출하는 반탄화가스배출구(15f)와, 타르제거장치(20)에서 전달되는 불활성가스가 유입되는 불활성가스유입구(15g)와, 열교환기(30)에서 전달되는 열매체유가 유입되는 열매체유공급구(15h)가 형성되어 있다. 이때, 불활성가스유입구(15g) 및 열매체유공급구(15h)는 반탄화챔버(15c)의 공급 측(15i)에 인접하게 마련되며, 반탄화가스배출구(15f)는 반탄화챔버(15c)의 배출 측(15j)에 인접하게 마련된다.
냉각기(17)는 반탄화반응기(15)에서 반탄화 처리된 바이오매스를 전달받아 냉각시키기 위한 것으로서, 바이오매스가 체류하는 냉각챔버(17a)와, 냉각챔버(17a)를 냉각시키기 위한 냉각수를 공급하는 워터재킷(17b)을 구비할 수 있다. 냉각챔버(17a)에서 바이오매스를 냉각하는 과정에서 열교환작용에 의한 온수가 발생하게 되는데, 이 온수는 반탄화반응기(15)에사 배츨되는 반탄화가스에 포함된 타르를 제거하기 위한 용도로서 타르제거장치(20)로 공급된다.
배출기(19)는 냉각기(17)의 냉각챔버(17a) 배출 측으로부터 후술할 성형부(7)의 분쇄기(7a)를 향해 설치되어 냉각기(17)에서 냉각된 반탄화 완료 후의 바이오매스를 성형부(7)로 전달하는 배출컨베이어일 수 있다.
한편, 타르제거장치(20)는 도 4에 도시된 바와 같이, 반탄화반응기(15)에서 전달되는 반탄화가스에 포함된 타르를 걸러내는 메쉬컨베이어(21)와, 메쉬컨베이어(21)에 걸러진 타르를 분리하는 온수분사기(23)와, 메쉬컨베이어(21)에서 분리된 타르를 온수와 필터링하는 타르필터(25)를 갖는다.
메쉬컨베이어(21)는 반탄화반응기(15)에서 버너(40)를 향하는 반탄화가스의 이동 경로 상에 메쉬부재(21a)를 순환 시키는 구조로 마련되며, 메쉬컨베이어(21)의 하부에는 타르가 걸러진 메쉬부재(21a)가 순환되는 과정에서 온수에 잠기도록 온수챔버(21b)가 마련된다. 이 메쉬컨베이어(21)를 거친 반탄화 가스는 타르가 걸러진 상태로서 일부는 버너(40)의 연소가스로 이용되며, 나머지는 반탄화반응기(15)의 무산소 상태 조성을 위한 불활성가스로 이용된다. 이를 위해, 메쉬컨베이어(21)를 지난 위치에서 가스의 이동을 위한 배관은 버너(40)와 반탄화반응기(15)의 불활성가스유입구(15g)로 연장된다.
온수분사기(23)는 온수를 저장하는 수조(23a)와, 수조(23a)에 저장된 온수를 온수챔버(21b) 내에 위치하는 메쉬컨베이어(21)에 분사하는 분사펌프(23b)를 구비할 수 있다. 수조(23a)는 전술한 냉각기(17)에서 발생한 온수를 전달받아 저장하는데, 이 수조(23a)에 저장된 온수의 온도저하를 고려하여 가열기(23c)를 추가로 구비할 수 있다. 또한, 이 수조(23a)에는 수조(23a) 청소 등을 고려하여 드레인(23d) 구조가 마련될 수 있다.
타르필터(25)는 메쉬컨베이어(21)로 분사된 온수에 의해 메쉬컨베이어(21)에서 걸러진 타르가 온수와 함께 온수챔버(21b)에 수령된 다음 배출되면, 타르에 포함된 온수를 필터링한다. 타르필터(25)에서 필터링된 온수는 온수분사기(23)의 수조(23a)로 재순환되며, 필터링된 타르는 성형부(7)의 펠릿성형기(7b)로 전달되어 바이오매스 고형체인 펠릿을 성형하는 결합제(binder)로 이용된다.
타르는 바이오매스의 성분으로서 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌이 반탄화 과정에서 열분해되어 발생되는 점도가 높은 물질로서 접착력을 가지며, 이러한 타르의 접착력은 바이오매스를 고형체인 펠릿으로 성형하는 결합제로 이용되는 것이다.
한편, 열교환기(30)는 버너(40)에서 전달되는 연소가스 중 일부를 열교환하여 열매체유를 생성하고 이 열매체유를 반탄화반응기(15)로 공급한다. 이를 위해 열교환기(30)로부터 반탄화반응기(15)의 열매체유공급구(15h)를 향해 연결배관이 구비된다. 반탄화반응기(15)에서 회수되는 회수 열매체유는 다시 열교환기(30)로 전달되어 순환된다.
그리고, 버너(40)에서 열교환기(30)로 전달된 나머지 연소가스는 공급부(3)의 건조기(3a)로 공급되어 바이오매스 재료의 건조를 위해 사용된다.
버너(40)는 펠릿을 연소시키면서 발생되는 연소가스를 열교환기(30)로 전달하여 열교환기(30)에서 열매체유가 생성되도록 한다.
한편, 성형부(7)는 반탄화장치(10)로부터 전달되는 반탄화된 바이오매스를 고르게 분쇄하는 분쇄기(7a)와, 분쇄기(7a)에서 분쇄된 바이오매스를 고형체인 펠릿으로 성형하는 펠릿성형기(7b)를 구비할 수 있다. 이때, 펠릿성형기(7b)에서는 타르제거장치(20)로부터 전달되는 타르를 결합제로 하여 바이오매스 고형체의 강도와 발열량을 보다 향상시킬 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 바이오매스 고형체 제조시스템(1)을 이용한 바이오매스 고형체의 제조방법은 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 바이오매스 재료를 공급하는 공급단계(S10)와, 공급된 바이오매스 원재료를 반탄화 및 타르 제거하는 처리단계(S20)와, 반탄화 및 타르 제거가 완료된 바이오매스를 고형체로 형성하는 성형단계(S30)를 갖는다.
공급단계(S10)는 바이오매스 재료를 건조하는 건조단계(S11)와, 건조된 바이오매스를 집진하는 집진단계(S12)로 구성될 수 있다. 집진된 바이오매스를 소정의 저장탱크(3c)에 저장될 수 있다. 이때, 건조단계(S11)에서 바이오매스가 건조되어 집진단계(S12)로 이동하는 과정에서 건조열에 의한 연소가스가 발생될 수 있는데, 이 연소가스는 외부로 배출되거나 후술할 버너(40)의 연소가스로 공급될 수 있다.
한편, 처리단계(S20)는 공급단계(S10)에서 전달되는 건조된 바이오매스 재료를 반탄화 처리하는 반탄화단계(S21)와, 반탄화단계(S21)에서 바이오매스를 반탄화하는 과정에서 열분해 작용에 의해 발생하는 반탄화가스에 포함된 타르를 제거하는 타르제거단계(S22)로 이루어진다.
반탄화단계(S21)에서는 바이오매스 재료를 다시 건조하는 반탄화건조단계(S21a)와, 반탄화건조단계(S21a)에서 건조된 바이오매스 재료를 예열하는 예열단계(S21b)와, 예열된 바이오매스를 반탄화시키는 반탄화반응단계(S21c)와, 반탄화반응단계(S21c)에서 반탄화된 바이오매스를 냉각시키는 냉각단계(S21d)로 세분화될 수 있다.
반탄화건조단계(S21a)는 공급단계(S10)에서 전달된 바이오매스에 포함되어 있을 수 있는 수분을 제거하기 단계로서, 건조효율을 높이기 위해 예비건조단계와, 주건조단계로 보다 세분화될 수 있다.
그리고, 예열단계(S21b)는 반탄화건조단계(S21a)에서 수분이 완벽하게 제거된 바이오매스 재료가 반탄화반응단계(S21c)로 공급되기 전 반탄화 처리온도에 근접한 고온으로 예열하기 위한 과정으로서, 반탄화반응단계(S21c)에서의 반탄화 효율을 증대시킬 수 있다.
이 예열단계(S21b)에서 이용되는 예열수단은 전술한 열교환기(30)에서 전달되는 열매체유일 수 있다.
반탄화반응단계(S21c)는 260℃ ~ 300℃의 고온과 무산소 상태에서 예열단계(S21b)에서 전달된 바이오매스를 최장 30분간 열처리하는 단계로서, 제1반응단계와 제2반응단계로 이루어질 수 있다. 이때, 반탄화를 위한 열매체유는 전술한 열교환기(30)에서 전달된다.
이 반탄화반응단계(S21c)에서 발생하는 반탄화 가스는 후술할 타르제거단계(S22)에서 타르가 제거되어 일부 버너(40)로 공급되고, 나머지는 반탄화를 위한 불활성가스로 반탄화반응단계(S21c)로 다시 공급된다.
냉각단계(S21d)는 반탄화반응단계(S21c)에서 반탄화 처리된 바이오매스를 전달받아 냉각시키는 단계로서 냉각과정에서 열교환작용에 의한 온수가 발생하게 되는데, 이 온수는 반탄화반응단계(S21c)에서 배츨되는 반탄화가스에 포함된 타르를 제거하기 위한 용도로 이용된다.
한편, 타르제거단계(S22)는 반탄화반응단계(S21c)에서 전달되는 반탄화가스에 포함된 타르를 걸러내는 타르분리단계(S22a)와, 분리된 타르를 필터링하는 타르필터링단계(S22b)로 구성된다.
타르분리단계(S22a)에서는 전술한 바와 같이, 메쉬컨베이어(21)를 이용하여 반탄화가스에서 타르를 분리한다. 타르가 분리된 반탄화 가스의 일부는 버너(40)의 연소가스로 이용되며, 나머지는 반탄화반응단계(S21c)에서 무산소 상태 조성을 위한 불활성가스로 이용된다.
타르필터링단계(S22b)는 타르분리단계(S22a)에서 분리된 타르에서 온수와 타르를 필터링하여 이 중 타르를 성형단계(S30)로 공급하여 바이오매스 고형체인 펠릿을 성형하는 결합제(binder)로 이용되도록 한다. 또한, 온수는 타르분리단계(S22a)로 공급하여 반탄화가스에 포함된 타르를 분리하기 위한 용도로 이용된다.
성형단계(S30)는 반탄화단계(S21)로부터 전달되는 반탄화된 바이오매스를 고르게 분쇄하는 분쇄단계(S31)와, 분쇄된 바이오매스를 고형체인 펠릿으로 성형하는 펠릿성형단계(S32)로 구성된다. 펠릿성형단계(S32)에서는 타르제거단계(S22)로부터 전달되는 타르를 결합제로 하여 성형되는 바이오매스 고형체의 강도와 발열량을 보다 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 바이오매스 재료의 반탄화 과정에서 발생하는 반탄화가스에서 타르를 제거하여 반탄화 과정의 무산소 상태 조성을 위한 불활성 가스로 재사용함으로써, 종래 질소나 과열 증기 등을 사용하는 반탄화 처리에 비해서 설비 투자비용 및 관리비용이 현격하게 절감된다.
또한, 반탄화 과정에서 타르를 효율적으로 제거하여 바이오매스 고형체의 결합제로 재활용할 수 있다.
또한, 바이오매스의 반탄화 과정에서 발생하는 열분해가스 및 타르를 재활용함으로써, 바이오매스 고형체의 강도나 발열량 향상에 따른 품질 향상을 도모함과 동시에 친환경적인 바이오매스 고형체 제조시스템 및 제조방법을 제공할 수 있다.
3 : 공급부 5 : 처리부
7 : 성형부 10 : 반탄화장치
11 : 반탄화건조기 13 : 예열기
15 : 반탄화반응기 17 : 냉각기
20 : 타르제거장치 21 : 메쉬컨베이어
23 : 온수분사기 25 : 타르필터
30 : 열교환기 40 : 버너

Claims (25)

  1. 바이오매스 고형체 제조시스템에 있어서,
    바이오매스 재료를 공급하는 공급부;
    상기 공급부로부터 공급되는 바이오매스를 반탄화 처리하는 반탄화장치와, 상기 반탄화장치에서 발생하는 반탄화가스에서 타르를 제거하고 타르가 제거된 불활성가스를 상기 반탄화장치로 전달하는 타르제거장치를 갖는 처리부;
    상기 처리부의 반탄화장치에서 전달되는 반탄화된 바이오매스를 상기 타르제거장치에서 제거된 타르를 이용하여 고형체로 성형하는 성형부를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    공급부는
    바이오매스 재료를 건조시키는 건조기와,
    상기 건조기에서 건조된 바이오매스를 집진하는 집진기와,
    상기 집진기에 집진된 바이오매스를 저장하여 반탄화장치로 전달하는 저장탱크를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    처리부는
    열매체유를 생성하고 상기 열매체유를 반탄화장치로 공급하는 열교환기와,
    상기 열교환기로 연소가스를 공급하는 버너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    반탄화장치는
    공급부로부터 공급되는 바이오매스 재료를 건조하는 반탄화건조기와,
    상기 반탄화건조기에서 건조된 바이오매스 재료를 예열하는 예열기와,
    상기 예열기에서 예열된 바이오매스를 전달받아 반탄화시키는 반탄화반응기와,
    상기 반탄화반응기에서 반탄화된 바이오매스를 냉각시키는 냉각기를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    반탄화반응기는
    이중재킷 형태의 통 형상을 갖는 반탄화챔버와,
    상기 반탄화챔버 내부에 공급된 바이오매스 재료를 교반하는 반탄화교반수단과,
    상기 반탄화챔버 내부를 가열하는 반탄화가열수단을 갖는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    반탄화챔버는
    반탄화 가스를 타르제거장치로 배출하는 반탄화가스배출구와,
    상기 타르제거장치에서 전달되는 불활성가스가 유입되는 불활성가스유입구와,
    열교환기에서 전달되는 열매체유가 유입되는 열매체유공급구를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    반탄화반응기는 복수로 마련되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    냉각기는
    반탄화반응기로부터 전달되는 바이오매스가 체류하는 냉각챔버와,
    상기 냉각챔버를 냉각시키기는 워터재킷을 갖는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    냉각챔버에서는 바이오매스를 냉각하는 과정에서 열교환작용에 의한 온수가 발생하며, 상기 온수는 타르제거장치로 공급되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  10. 제3항에 있어서,
    타르제거장치는
    반탄화장치에서 전달되는 반탄화가스에 포함된 타르를 걸러내는 메쉬컨베이어와,
    상기 메쉬컨베이어에 온수를 분사하여 타르를 분리하는 온수분사기와,
    상기 메쉬컨베이어에서 분리된 타르에서 온수와 타르를 필터링하는 타르필터를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    메쉬컨베이어는 반탄화장치에서 버너를 향하는 반탄화가스의 이동 경로 상을 순환하는 메쉬부재와, 메쉬부재가 잠기는 온수챔버를 가지며;
    온수분사기는 온수를 저장하는 수조와, 상기 수조에 저장된 온수를 상기 온수챔버 내에 위치하는 메쉬컨베이어에 분사하는 분사펌프를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    메쉬컨베이어를 거친 반탄화 가스의 일부는 버너로 전달되고, 나머지는 반탄화장치로 전달되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    타르필터에서 필터링된 온수는 수조로 재순환되며, 필터링된 타르는 성형부로 전달되어 바이오매스 고형체를 성형하는 결합제로 이용되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  14. 제1항 또는 13항에 있어서,
    성형부는
    반탄화장치로부터 전달되는 반탄화된 바이오매스를 고르게 분쇄하는 분쇄기와,
    상기 분쇄기에서 분쇄된 바이오매스를 고형체인 펠릿으로 성형하는 펠릿성형기를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조시스템.
  15. 바이오매스 고형체 제조방법에 있어서,
    바이오매스 재료를 공급하는 공급단계;,
    상기 공급단계부로부터 공급되는 바이오매스를 반탄화 처리하는 반탄화단계와, 상기 반탄화단계에서 발생하는 반탄화가스에서 타르를 제거하고 타르가 제거된 불활성가스를 상기 반탄화단계로 전달하는 타르제거단계를 갖는 처리단계:
    상기 반탄화단계에서 전달되는 반탄화된 바이오매스를 상기 타르제거단계에서 제거된 타르를 이용하여 고형체로 성형하는 성형단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    공급단계는
    바이오매스 재료를 건조하는 건조단계와,
    건조된 바이오매스를 집진하는 집진단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    반탄화단계는
    바이오매스 재료를 다시 건조하는 반탄화건조단계와,
    상기 반탄화건조단계에서 건조된 바이오매스 재료를 예열하는 예열단계와,
    예열된 바이오매스를 반탄화시키는 반탄화반응단계와,
    반탄화반응단계에서 반탄화된 바이오매스를 냉각시키는 냉각단계를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    반탄화반응단계는
    260℃ ~ 300℃의 무산소 상태에서 예열단계로부터 전달된 바이오매스를 최장 30분간 열처리하는 단계인 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    반탄화반응단계의 온도는 열매체유의 전달에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조방법.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    반탄화반응단계에서 발생하는 반탄화 가스는 타르제거단계에서 타르가 제거된 다음 적어도 일부가 반탄화반응단계로 다시 공급되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조방법.
  21. 제17항에 있어서,
    냉각단계에서는 열교환작용에 의한 온수가 발생하며, 상기 온수는 타르제거단계로 전달되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조방법.
  22. 제15항 또는 제21항에 있어서,
    타르제거단계는
    반탄화단계에서 전달되는 반탄화가스에 포함된 타르를 걸러내는 타르분리단계와,
    분리된 타르를 필터링하는 타르필터링단계를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조방법.
  23. 제22항에 있어서,
    타르분리단계에서 타르가 분리된 반탄화 가스의 일부는 반탄화단계에서 무산소 상태 조성을 위한 불활성가스로 이용되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조방법.
  24. 제22항에 있어서,
    타르필터링단계에서 필터링된 온수는 타르분리단계로 공급되고, 타르는 성형단계로 전달되어 바이오매스 고형체를 성형하는 결합제로 이용되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조방법.
  25. 제15항에 있어서,
    성형단계는
    반탄화단계로부터 전달되는 반탄화된 바이오매스를 고르게 분쇄하는 분쇄단계와,
    분쇄된 바이오매스를 고형체인 펠릿으로 성형하는 펠릿성형단계를 갖는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고형체 제조방법.
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