KR102460251B1 - 바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응기 및 수열탄화 반응시스템 - Google Patents

바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응기 및 수열탄화 반응시스템 Download PDF

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Abstract

바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응기 및 수열탄화 반응시스템이 소개된다.
이 중에서 수열탄화 반응기는 측벽의 내부에 열매체가 이동 가능한 열매체 유로가 형성되고, 원료가 수용 가능한 반응 공간을 제공하는 반응 하우징과, 반응 하우징의 원주방향으로 상기 원료를 교반하도록 상기 반응 하우징에 회전 가능하게 설치되는 메인 교반기와, 메인 교반기에 대하여 수직방향으로 배치되되, 측벽에 회전 가능하게 설치되는 서브 교반기를 포함할 수 있다.

Description

바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응기 및 수열탄화 반응시스템{HYDROTHERMAL CARBONIZAION APPARATUS AND SYSTEM FOR MANUFACTURING HIGH QUALITY BIOMASS FUEL}
본 발명은 바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응기 및 수열탄화 반응시스템에 관한 것이다.
신재생에너지 중에서 바이오에너지는 바이오매스를 연료로 하여 얻어지는 에너지로 환경적, 산업적, 경제적으로 높은 잠재성을 갖고 있지만 낮은 밀도와 발열량, 높은 함수율, 파쇄 및 분쇄의 어려움, 불균질성, 수분 재흡수성 등의 바이오매스 특징과 회분의 알칼리 금속과 염소 함량으로 연료로서 품질이 낮기 때문에 연료화를 위한 전처리 과정이 필요하다. 특히, 바이오매스 내에 포함된 알칼리 금속과 염소 성분은 연소시 회분이 슬래깅(slagging)과 클링커(clinker), 파울링(fouling), 회분 응집(agglomeration), 부식(Corrosion) 등을 발생시키게 되어 연소성능을 저하시키게 된다.
이처럼 연료품질을 높이고 무기물 성분을 제거하기 위해서는 탄화반응과 세척 공정이 반드시 선행되어야 한다. 하지만 종래의 기술은 강산, 강염기 등을 이용한 세척과 고온을 이용한 탄화의 구분된 공정이 필요하며 이로 인해 복수공정으로 인해 공정이 복잡하고 운전의 어려움, 유지보수 문제, 설비비 증가, 원료단가 상승, 2차 환경오염물질 발생 등을 야기한다는 문제점을 가지고 있다.
한편, 수열탄화 공정의 열전달 방법은 일반적으로 이중구조 형태의 반응기를 이용해서 고온의 열매체유로 가온하는 간접열전달 방식과 직접 고온, 고압의 스팀을 주입하는 직접 열전달 방식을 많이 채용하고 있다. 간접열전달 방식은 운전초기 바이오매스가 고체 형태를 유지하고 있어 벽면으로부터 열에너지가 중심부까지 고르게 전달되지 못하여 반응성이 떨어지고 반응시간이 길어지는 문제점이 있으며, 직접열전달 방식은 수열탄화 반응이 아임계 조건으로 반응온도가 높아질수록 반응압력도 포화수증기압 이상으로 올라가기 때문에 고압의 스팀을 만드는데 초기투자 비용이 높고 운용비가 크다는 어려움이 존재한다.
특히, 바이오매스 연료화를 위하여, 탄화 장치와 세척 장치가 개별적으로 필요했던 종래의 문제점을 극복하고, 단일 수열탄화 공정에서 세척효과를 동시에 취할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
국내 등록특허공보 10-1964623호(2019.03.27. 등록)
본 발명의 실시예들은 수열탄화 단일 공정에서 연소장애물질인 무기물 성분세척효과를 극대화하여 연전달 효율을 향상시킴으로써, 고품위 바이오매스 고형연료를 생산할 수 있는 바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응기 및 수열탄화 반응시스템을 제공하고자 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 해결과제는 상기에서 언급한 것만으로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 내용을 통하여 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 측벽의 내부에 열매체가 이동 가능한 열매체 유로가 형성되고, 원료가 수용 가능한 반응 공간을 제공하는 반응 하우징; 상기 반응 하우징의 원주방향으로 상기 원료를 교반하도록 상기 반응 하우징에 회전 가능하게 설치되는 메인 교반기; 및 상기 메인 교반기에 대하여 수직방향으로 배치되되, 상기 측벽에 회전 가능하게 설치되는 서브 교반기를 포함할 수 있다.
이때, 상기 반응 하우징은 상기 측벽을 갖는 하우징; 상기 원료가 투입 가능하도록 상기 하우징의 일단측 측벽 상부에 형성되는 원료 투입구; 상기 원료가 배출되도록 상기 하우징의 타단측 측벽 하부에 형성되는 반응물 배출구; 상기 열매체가 유입되도록 상기 열매체 유로의 일단에 연결되되, 상기 하우징의 일단측 측벽 하부에 관통되어 형성되는 열매체 유입구; 및 상기 열매체가 배출되도록 상기 열매체 유로의 타단에 연결되되, 상기 하우징의 타단측 측벽 상부에 관통되어 형성되는 열매체 유출구를 포함할 수 있다.
또한, 상기 메인 교반기는 상기 반응 하우징의 반응 공간 중심부에 회전 가능하게 설치되는 메인 샤프트; 상기 메인 샤프트의 길이방향으로 이격 배치되는 복수 개로 제공되고, 상기 메인 샤프트의 외경방향으로 수직되게 돌출 형성되는 메인 교반봉; 및 상기 메인 교반봉의 단부에서 상기 메인 교반봉의 원주방향으로 경사지게 형성되는 메인 블레이드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 서브 교반기는 일단부가 상기 반응 공간에 삽입되고 타단부가 상기 반응 하우징의 외부에 위치되도록 상기 측벽에 관통되게 설치되고, 상기 반응 공간에 스팀을 유입시키기 위한 교란 유로가 내부에 관통하여 형성되는 서브 샤프트; 및 상기 서브 샤프트의 일단부에서 상기 서브 샤프트의 외경방향으로 돌출되는 복수 개로 제공되고, 복수 개가 상기 서브 샤프트의 길이방향에 대하여 경사지게 배치되는 서브 블레이드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 서브 블레이드는 복수 개의 상기 메인 교반봉 사이에 동일 간격으로 개재되도록 배치되고, 상기 반응 공간에 돌출되는 상기 서브 샤프트의 일단부 길이는 상기 메인 블레이드의 길이보다 더 짧을 수 있다.
또한, 상기 서브 교반기는 상기 교란 유로가 상기 서브 샤프트의 단부에서 수직방향으로 분기되어 연장되도록 상기 서브 샤프트의 일단부에 형성되는 분지관을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 서브 교반기는 상기 서브 샤프트의 단부에서 상기 열매체를 상기 서브 샤프트의 외경방향으로 안내하도록 상기 서브 샤프트의 일단부에 마련되는 덮개를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상술한 수열탄화 반응기; 원료를 파쇄하여 상기 수열탄화 반응기에 공급하는 원료 공급부; 상기 수열탄화 반응기에 열매체를 공급하기 위한 열매체 공급부; 상기 수열탄화 반응기에서 배출된 반응물을 고형물과 액상으로 분리하는 고액 분리부; 및 상기 수열탄화 반응기에 물을 공급하는 물공급부를 포함하는 바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응시스템이 제공될 수 있다.
이때, 상기 원료 공급부는 원료를 기 설정 크기 이하의 입자로 파쇄하는 파쇄기; 상기 파쇄기에 의해 파쇄된 원료를 임시 보관하는 저장조; 및 상기 저장조에 보관된 원료를 상기 수열탄화 반응기로 이송하는 이송장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열매체 공급부는 열매체를 공급하기 위한 열매체 순환펌프; 물을 공급하기 위한 물공급기; 및 상기 열매체 순환펌프로부터 공급받은 열매체를 기 설정된 온도 이상으로 가열하고, 상기 물공급기로부터 공급받은 물을 스팀으로 상변화시킨 후, 상기 열매체와 상기 스팀을 상기 수열탄화 반응기에 공급하는 연소보일러를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고액 분리부는 상기 수열탄화 반응기에서 배출된 반응물을 고형물과 액상으로 분리하는 고액 분리기; 상기 고형물을 고형연료로 성형하는 연료 성형기; 성형된 상기 고형연료를 건조시키는 건조기; 및 상기 액상으로 분리된 액체를 임시 보관하는 액체 저장조를 포함할 수 있다.
또한, 수열탄화 반응시스템은 상기 수열탄화 반응기에서 배출된 스팀을 상기 수열탄화 반응기에 재 공급하는 스팀 저장조를 더 포함하고, 상기 물공급부는 상기 고액 분리부에서 회수된 액체를 상기 수열탄화 반응기에 재 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 열매체와 고온 스팀을 이용한 직,간접 가열방식과 메인 교반기와 서브 교반기를 함께 사용하기 때문에, 열전달 효율과 교반성능이 상승하는 효과를 가질 수 있고, 열전달 효율이 상승하게 되면 공정 당 운전시간을 단축시킬 수 있고 소비에너지를 저감할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 수열탄화 반응기 내 교반성능이 증가하여 바이오매스 원료의 무기물 성분 세척성능이 상승하면, 고품위 고형연료를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 무기물 성분 제거를 위해 종래 사용했던 별도의 세척장치와 화학약품(강산,강염기)을 사용하지 않아도 하나의 반응기에서 세척효과를 이뤄낼 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 단일 공정에서 탄화와 세척의 과정을 동시에 이뤄낸다면 공정이 단순화되어 운전 및 유지보수에 편이성이 확보될 수 있고, 설치비와 운영비 감소로 고형연료 단가가 내려가게 되어, 보급사업화에 이점이 생길 수 있으며, 화학약품을 사용하지 않고 공정수도 재사용하기 때문에 2차 환경오염물질 발생을 최소화 할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 상온에 비해 아임계수 분위기에서 바이오매스 내 무기물 성분의 용해도가 증가할 수 있고, 수열탄화 과정에서 추출되는 바이오매스의 유기산 성분이 무기물 성분의 세척효과를 증가시킬 수 있으며, 서브 교반기를 통해 바이오매스의 교반 성능을 향상시켜, 무기물 성분의 물리적 제거 및 열전달 효율을 극대화할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수열탄화 반응시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수열탄화 반응기를 구성도이다.
도 3은 도 2의 "A"부를 확대하여 도시한 확대도이다.
도 4는 도 2의 "B-B"부를 확대하여 도시한 확대도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 서브 교반기의 분기관을 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 서브 교반기의 덮개를 도시한 구성도이다.
도 7는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수열탄화 반응시스템을 도시한 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수열탄화 반응시스템을 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따라, 수열탄화와 세척의 바이오매스의 알칼리금속 제거 효과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따라, 수열탄화 반응온도별 반응후 액상물질의 pH 농도변화를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '지지', '접속', '공급', '전달', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 지지, 접속, 공급, 전달, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 상측, 하측, 측면 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응시스템의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 시스템(10)은, 수열탄화 반응기(100), 원료 공급부(200), 열매체 공급부(300), 고액 분리부(400) 및 물공급부(500)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 수열탄화 반응기(100)는 원료 공급부(200)로부터 공급받는 원료(이하, 바이오매스)를 수열탄화(HTC :HydroThermal Carbonization)하여 반응물(수열탄화 반응물)을 생성시킬 수 있다. 여기서, 수열탄화란 저함수율을 갖는 재료와 물을 혼합한 재료 또는 고함수율을 갖는 재료를 반응기에 넣어 가온시키고, 가온에 의해 물이 포화되어 수증기압이 발생되면서 수분 증발 없이 탄화 반응이 진행되는 것을 의미한다.
수열탄화 반응기(100)는 반응 하우징(110), 메인 교반기(120) 및 서브 교반기(130)를 포함할 수 있다. 반응 하우징(110)은 길이방향으로 연장되는 종형 하우징 형태로 제공될 수 있다. 물론, 반응 하우징(110)은 종형 하우징(111) 형태 외에도, 외경방향으로 확장되는 횡형 하우징 형태로 구성될 수도 있을 것이다.
일 예로, 반응 하우징(110)은 하우징(111), 원료 투입구(112), 반응물 배출구(113), 열매체 유입구(114) 및 열매체 유출구(115)를 포함할 수 있다. 하우징(111)은 바이오매스가 수용 가능한 반응 공간을 제공할 수 있다. 이 반응 공간에는 원료 공급부(200)의 원료와 열매체 공급부(300)의 스팀, 물공급부(500)의 물 등이 공급되어 혼합될 수 있다.
그리고 하우징(111)의 측벽은 외벽 및 내벽으로 구성된 이중벽 구조로 구성될 수 있다. 예컨대, 하우징(111)의 측벽 내부, 다시 말해 외벽 및 내벽 사이 공간에는 열매체가 이동 가능한 열매체 유로(W1)가 형성될 수 있다. 열매체 유로(W1)는 열매체 유입구(114) 및 열매체 유출구(115)와 연통되게 연결될 수 있다. 열매체 유로(W1)에는 열매체가 이동되므로, 열매체는 하우징(111)의 반응 공간 내 바이오매스와 열교환을 통해 바이오매스를 가열시킬 수 있다.
원료 투입구(112)는 하우징(111)의 일단측 측벽 상부에 형성될 수 있다. 원료 투입구(112)는 원료 공급부(200)의 배관과 연결되어 원료 공급부(200)로부터 바이오매스를 공급받을 수 있다. 원료 투입구(112)를 통해 하우징(111)의 반응 공간으로 유입된 바이오매스는, 반응 공간의 일단측 상측에서 하측으로 낙하된 후, 메인 교반기(120) 및 서브 교반기(130)를 통해 반응물 배출구(113)로 이송될 수 있다.
반응물 배출구(113)는 하우징(111)의 타단측 측벽 하부에 형성될 수 있다. 반응물 배출구(113)는 고액 분리부(400)의 배관과 연결될 수 있다. 반응물 배출구(113)를 통해 하우징(111)에서 배출된 바이오매스는, 고액 분리부(400)로 이송될 수 있다.
열매체 유입구(114)는 하우징(111)의 일단측 측벽 하부에 관통되어 형성될 수 있다. 열매체 유입구(114)는 열매체 공급부(300)의 공급 배관과 열매체 유로(W1)의 일단 사이에 연결될 수 있다. 열매체 유입구(114)는 열매체 공급부(300)로부터 공급받은 열매체를 열매체 유로(W1)에 전달할 수 있다.
열매체 유출구(115)는 하우징(111)의 타단측 측벽 상부에 관통되어 형성될 수 있다. 열매체 유출구(115)는 열매체 유로(W1)의 타단과 열매체 공급부(300)의 배출 배관에 연결될 수 있다. 열매체 유출구(115)는 열매체 유로(W1)를 통해 이송된 열매체를 열매체 공급부(300)에 다시 전달할 수 있다.
메인 교반기(120)는 반응 하우징(110)의 중심부에 회전 가능하게 설치될 수 있다. 메인 교반기(120)는 반응 하우징(110)의 반응 공간에 수용된 바이오매스를 하우징(111)의 원주방향으로 교반시킬 수 있다. 이때, 메인 교반기(120)의 회전방향은 바이오매스를 하우징(111)의 일단측에서 타단으로 이송시키기 위한 방향과 매칭될 수 있다.
메인 교반기(120)는 반응 하우징(110)의 반응 공간 중심부에 회전 가능하게 설치되는 메인 샤프트(121)와, 메인 샤프트(121)의 외경방향으로 수직되게 돌출 형성되는 메인 교반봉(122)과, 메인 교반봉(122)의 단부에 형성되는 메인 블레이드(123)를 포함할 수 있다. 메인 샤프트(121)는 구동 모터에 구동 연결되어, 회전시 반응 공간 내 바이오매스를 교반할 수 있다.
메인 교반봉(122)은 메인 샤프트(121)의 원주방향으로 이격 배치되는 복수 개로 제공될 수 있다. 일 예로, 4개의 메인 교반봉(122)은 메인 샤프트(121)의 원주방향으로 90도 간격으로 이격 배치될 수 있다. 또한, 메인 교반봉(122)은 메인 샤프트(121)의 길이방향으로 이격 배치되는 복수 개로 제공될 수 있다. 일 예로, 메인 교반봉(122)은 메인 샤프트(121)의 길이방향으로 3단으로 이격 배치될 수 있다.
메인 블레이드(123)는 메인 교반봉(122)의 단부에서 메인 교반봉(122)의 원주방향으로 경사지게 형성될 수 있다. 메인 블레이드(123)는 메인 교반봉(122)의 단부에서 경사지게 형성됨으로써, 메인 샤프트(121)의 회전시 반응 공간 내 바이오매스를 하우징(111)의 원료 투입구(112) 측에서 반응물 배출구(113) 측으로 이동시킬 수 있다.
그리고 메인 블레이드(123)의 끝단은 하우징(111)의 내벽에 최대한 근접하게 위치되도록 설치될 수 있다. 메인 블레이드(123)의 끝단은 하우징(111)의 내벽에 최대한 근접하게 위치되면, 메인 블레이드(123)의 끝단과 하우징(111)의 내벽 사이의 공간을 통해 바이오매스가 교반없이 통과되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
서브 교반기(130)는 하우징(111)의 측벽에서 회전 가능하게 설치되되, 메인 교반기(120)에 대하여 수직방향으로 배치될 수 있다. 서브 교반기(130)는 반응 공간 내 스팀을 공급함으로써, 바이오매스에 대한 효율적인 열전달이 가능하고, 바이오매스의 세척 효과를 극대화할 수 있다. 서브 교반기(130)는 스팀을 공급하는 동시에, 열매체와 바이오매스 간의 열전달면적을 상승할 수 있는 핀(fin) 역할을 할 수 있다.
특히, 서브 교반기(130)에서 공급되는 스팀은, 바이오매스에 직접 공급되므로, 바이오매스와 물의 유동에서 난류효과를 배가시킬 수 있다. 그리고 스팀은 열전달 매체가 되어, 바이오매스에 대한 효율적인 간접열 전달이 가능하다. 이를 통해, 운전 초기, 고체 형태의 바이오매스가 열매체를 통한 간접가열 효율이 극히 낮음에 따라, 바이오매스의 반응시간이 길어지는 문제를 극복할 수 있다.
이러한 서브 교반기(130)는 측벽에 관통되게 설치되는 서브 샤프트(131)와, 서브 샤프트(131)의 일단부에서 서브 샤프트(131)의 외경방향으로 돌출되는 복수 개의 서브 블레이드(132)를 포함할 수 있다.
서브 샤프트(131)는 하우징(111)의 측벽부에 위치한 바이오매스를 교반하도록 회전 모터에 구동 연결되어 회전될 수 있다. 이를 위해, 서브 샤프트(131)의 일단부는 하우징(111)의 반응 공간에 삽입될 수 있다. 이때, 반응 공간에 돌출되는 서브 샤프트(131)의 일단부 길이는 메인 블레이드(123)의 길이보다 더 짧을 수 있다. 그리고 반응 공간에 돌출되는 서브 샤프트(131)의 일단은, 메인 교반봉(122)의 단부보다 메인 샤프트(121)의 외경방향으로 더 멀리 떨어지게 위치될 수 있다.
그리고 서브 샤프트(131)의 타단부는 반응 하우징(110)의 외부에 위치될 수 있다. 서브 샤프트(131)는 열매체 공급부(300)로부터 스팀을 공급받을 수 있다. 서브 샤프트(131)의 내부에는 반응 공간에 스팀을 유입시키기 위한 교란 유로가 내부에 관통하여 형성될 수 있다.
서브 블레이드(132)는 서브 샤프트(131)의 일단부에서 서브 샤프트(131)의 길이방향에 대하여 경사지게 배치될 수 있다. 예를 들어, 서브 블레이드(132)의 기단부는 서브 블레이드(132)의 끝단부보다 서브 샤프트(131)의 원주 일방향에 대하여 경사지도록 서브 샤프트(131)의 외면에 위치될 수 있다. 서브 블레이드(132)는 끝단이 서브 샤프트(131)의 일단을 향하는 반달 블레이드 형태일 수 있다. 서브 블레이드(132)가 서브 샤프트(131)에 연결되는 연결부위는, 하우징(111)의 내벽에 최대한 근접하게 위치될 수 있다. 아울러, 서브 블레이드(132)는 서브 샤프트(131)의 일단부에서 서브 샤프트(131)의 원주방향으로 이격되게 배치되는 복수 개로 제공될 수 있다. 일 예로, 서브 블레이드(132)는 서브 샤프트(131)의 원주방향으로 이격 배치되는 4개로 구성될 수 있다.
서브 블레이드(132)는 복수 개의 메인 교반봉(122) 사이에 동일 간격으로 개재되도록 배치될 수 있다. 이때, 서브 블레이드(132)는 복수 개의 메인 교반봉(122) 사이에 동일 간격으로 개재되도록 배치되고, 반응 공간에 돌출되는 서브 샤프트(131)의 일단부 길이는 메인 블레이드(123)의 길이보다 더 짧게 구성될 수 있다.
이와 같이, 메인 교반기(120)의 메인 샤프트(121)와 서브 교반기(130)의 서브 샤프트(131)는, 반응 공간 내 서로 수직방향에 배치되고, 서브 블레이드(132)는 복수 개의 메인 교반봉(122) 사이에 동일 간격으로 개재되도록 배치되며, 서브 샤프트(131)의 일단부 길이는 메인 블레이드(123)의 길이보다 더 짧게 구성됨으로써, 반응 공간 내 바이오매스는, 메인 교반기(120) 및 서브 교반기(130)에 의해 효율적인 교반이 이루어질 수 있다.
특히, 메인 교반기(120)와 서브 교반기(130)가 발생시키는 유동특성에 난류효과를 배가시키는 효과를 주기 때문에, 바이오매스가 가지고 있는 무기물 성분을 더욱 효과적으로 제거할 수 있다. 그리고 이러한 난류효과는 하우징(111) 내부에 전반적인 유동을 교란시키므로, 바이오매스가 충분히 혼합되지 못하고 재순환영역(recirculation region)에 갇혀 버리는 현상을 완화시킬 수 있다.
이들 메인 교반기(120)와 서브 교반기(130)는, 모두 정,역방향 회전을 반복적으로 수행 가능하므로, 바이오매스에 대한 혼합효율을 극대화할 수 있다. 바이오매스의 반응이 진행되어 하우징(111)의 내부온도와 압력이 충분히 상승되면, 반응물은 고유의 고형물 형태를 잃고 슬러지 형태를 갖게 되는데, 이 시점부터는 열매체를 통한 간접가열이 효과적이므로, 스팀 공급을 중단하여 고온,고압의 스팀 생산을 위한 소비에너지를 저감할 수 있다.
바이오매스의 반응 완료된 후에는, 수열탄화 반응기(100)의 반응물 배출구(113)를 통해 반응물이 배출될 수 있고, 고액분리를 거쳐 고형물질은 연료로, 액상물질은 액체저장조(220)에 보관된다. 액상물질은 수열탄화를 통해서 다량의 무기물 성분과 높은 유기산 농도를 보이기 때문에 액상물질 일부는 액비, 혐기소화 기질, 수처리 탄소원 등으로 활용하고, 나머지는 초기 봉입해주는 물과 혼합하여 다음공정의 유기산에 의한 바이오매스 세척에 사용될 수 있다.
보다 자세하게는, 산,염기 사용 없이 물만 사용하여 아 임계 상태의 수열탄화 운전조건에서, 물은 밀도와 점도는 낮아지고 극성에서 비극성 용매가 되어 회분의 무기물 용해도가 증가하여 무기물 제거효율이 향상될 수 있다. 수열탄화가 진행되면서 바이오매스의 분해로 인해서 유기산 증가로 pH가 낮아져 회분 성분(K, Na, Cl 등) 제거 효율이 증대되어 추가적인 전처리 없이 하나의 반응기에서 탄화와 세척이 가능하다.
도 5에서 보듯이, 본 발명의 변형예로, 서브 교반기(130)는 서브 샤프트(131), 서브 블레이드(132) 및 분지관(133)을 포함할 수 있다. 분지관(133)은 서브 샤프트(131)의 일단부에 서브 샤프트(131)의 수직방향으로 분기되어 형성될 수 있다. 분지관(133)은 교란 유로를 서브 샤프트(131)의 단부에서 수직방향으로 분기시킴으로써, 열매체 공급부(300)로부터 공급받은 스팀을 서브 샤프트(131)의 외경방향으로 안내할 수 있다.
스팀이 분지관(133)을 통해 서브 샤프트(131)의 외경방향으로 안내되면, 스팀이 서브 샤프트(131)를 통해 서브 샤프트(131)의 길이방향으로 안내되는 경우에 비하여, 반응 공간 내 바이오매스의 교란이 효과적으로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 바이오매스와 고온 스팀의 직교류 혼합이 발생하게 되므로, 열전달 효과를 상승시킬 수 있다. 또한, 반응물이 서브 교반기(130)를 통해 역류하거나, 서브 교반기(130)의 배관을 막는 것을 미연에 방지할 수 있다.
도 6에서 보듯이, 본 발명의 다른 변형예로, 서브 교반기(130)는 서브 샤프트(131), 서브 블레이드(132) 및 덮개(134)를 포함할 수 있다. 덮개(134)는 서브 샤프트(131)의 일단부에 이격되어 배치될 수 있다. 덮개(134)는 서브 샤프트(131)의 단부에서 열매체를 서브 샤프트(131)의 외경방향으로 안내할 수 있다.
덮개(134)를 통해 서브 샤프트(131)의 외경방향으로 안내되면, 스팀이 서브 샤프트(131)를 통해 서브 샤프트(131)의 길이방향으로 안내되는 경우에 비하여, 반응 공간 내 바이오매스의 교란이 효과적으로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 바이오매스와 고온 스팀의 직교류 혼합이 발생하게 되므로, 열전달 효과를 상승시킬 수 있다. 또한, 반응물이 서브 교반기(130)를 통해 역류하거나, 서브 교반기(130)의 배관을 막는 것을 미연에 방지할 수 있다.
한편, 원료 공급부(200)는 원료를 파쇄하여 수열탄화 반응기(100)에 공급할 수 있다. 원료 공급부(200)는 원료를 기 설정 크기 이하의 입자로 파쇄하는 파쇄기(210)와, 파쇄기(210)에 의해 파쇄된 원료를 임시 보관하는 저장조(220)와, 저장조(220)에 보관된 원료를 수열탄화 반응기(100)로 이송하는 이송장치를 포함할 수 있다.
열매체 공급부(300)는 열매체를 수열탄화 반응기(100)에 공급할 수 있다. 이를 위해, 열매체 공급부(300)는 열매체를 공급하기 위한 열매체 순환펌프(310)와, 물을 공급하기 위한 물공급기(320)와, 열매체 순환펌프(310)로부터 공급받은 열매체를 기 설정된 온도 이상으로 가열하고 물공급기(320)로부터 공급받은 물을 스팀으로 상변화시킨 후, 열매체와 스팀을 수열탄화 반응기(100)에 공급하는 연소보일러(330)를 포함할 수 있다.
수열탄화 반응기(100)에서 배출된 반응물은 고액 분리부(400)로 이송될 수 있다. 고액 분리부(400)는 수열탄화 반응기(100)에서 배출된 반응물을 고형물과 액상으로 분리할 수 있다.
이러한 고액 분리부(400)는 수열탄화 반응기(100)에서 배출된 반응물을 고형물과 액상으로 분리하는 고액 분리기(410)와, 고형물을 고형연료로 성형하는 연료 성형기(420)와, 성형된 고형연료를 건조시키는 건조기(430)와, 액상으로 분리된 액체를 임시 보관하는 액체 저장조(440)를 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 시스템(10)은, 수열탄화 반응기(100), 원료 공급부(200), 열매체 공급부(300), 고액 분리부(400) 및 물공급부(500)를 포함할 수 있다.
물공급부(500)는 고액 분리부(400)에서 회수된 액체를 수열탄화 반응기(100)에 재 공급하는 물공급기를 포함할 수 있다. 이 물공급부(500)는 수열탄화 반응기(100)의 반응 종료후, 반응기 내부 압력 감압을 위해서 배출되는 스팀을 공정수 공급을 위한 물공급기로 재 사용할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 시스템(10)은, 수열탄화 반응기(100), 원료 공급부(200), 열매체 공급부(300), 고액 분리부(400), 물공급부(500) 및 스팀 저장조(600)를 포함할 수 있다.
스팀 저장조(600)는 수열탄화 반응기(100)에서 배출된 스팀을 상기 수열탄화 반응기(100)에 재 공급할 수 있다. 이 스팀 저장조(600)는 수열탄화 반응기(100)의 반응 종료후, 반응기 내부 압력 감압을 위해서 배출되는 스팀을 보관후, 다음공정에 재활용할 수 있다.
이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 갖는 바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응시스템의 작용 및 효과에 대하여 설명한다.
도 1을 다시 참조하면, 바이오매스는 원료 공급부(200)의 파쇄기(210)를 거치면서 일정 크기 이하로 분쇄된 후, 저장조(220)에 저장된다. 이후, 바이오매스는 이송장치(230)를 통해 수열탄화 반응기(100)로 투입된다. 이때, 바이오매스의 함수율과 세척효과에 따라 바이오매스와 물의 혼합 투입 비율은 다양하게 적용될 수 있다.
수열탄화 반응기(100)의 운전이 시작되면, 열매체 공급부(300)의 연소보일러(330)에서 가온된 열매체는 수열탄화 반응기(100)의 열매체 유로(W1)를 통해서 열을 전달할 수 있고, 스팀이 서브 교반기(130)를 통해 수열탄화 반응기(100)의 내부로 주입된다.
예컨대, 열매체는 수열탄화 반응기(100)의 열매체 유로(W1)에 유입된 후, 하우징(111)의 하부에서 상부로 토출된다. 원료 투입구(112)를 통해 수열탄화 반응기(100)에 유입된 바이오매스는, 수열탄화 반응기(100)의 하부면부터 적층되며 반응이 완료된 반응물은 반응물 배출구(113)를 통해 배출된다. 이때, 메인 샤프트(121) 및 서브 샤프트(131)의 회전속도는 조절 가능하므로, 바이오매스가 수열탄화 반응기(100) 내 투입하는 동안 낮은 회전속도로 회전해서 반응기 내부에 바이오매스가 고르게 충진되도록 할 수 있다. 그리고 서브 교반기(130)는 메인 교반기(120)와 함께 회전하게 됨으로써, 수열탄화 반응기(100) 내 유동교란을 증대시켜 교반성능을 향상시킬 수 있고, 재순환영역 등과 같은 데드 존(Dead Zone) 발생을 억제하여 바이오매스가 측벽에 응집 또는 융착되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
특히, 고온의 열매체는 수열탄화 반응기(100) 내부에 바이오매스로 열을 전달한다. 열매체 열에너지의 전달 매커니즘의 경우, 반응기 벽면 근방에 위치한 바이오매스부터 진행되어 메인 교반기(120)의 메인 샤프트(121)의 근방에 위치한 바이오매스까지 전달되는데, 운전초기에 바이오매스는 고형 상태를 보임에 따라 블레이드가 회전을 해도, 수열탄화 반응기(100) 중심 근방에 위치한 바이오매스까지 열매체의 열에너지가 전달되기 쉽지가 않기 때문에 고온의 스팀을 서브 교반기(130)를 통해 수열탄화 반응기(100) 내부로 직접 주입한다. 뿐만 아니라, 서브 교반기(130)의 서브 블레이드(132)가 메인 블레이드(123)와 함께 회전함에 따라 증폭된 활발한 유동교란효과는 열전달을 촉진시킴과 동시에 무기질 성분의 세척효과 또한 증대시킬 수 있다. 여기서 서브 교반기(130)의 스팀이 배출되는 위치는 메인 교반기(120)와 서브 교반기(130)가 만들어내는 유동 교란에 의해 난류효과가 최대가 되는 지점에 설치함으로써, 스팀이 바이오매스에 열을 효과적으로 전달 할 수 있도록 한다. 스팀의 주입은 수열탄화 반응기(100) 내부압력을 측정하여 반응기 내부 압력이 공급스팀 압력보다 커지면, 스팀의 주입을 중단하고 열매체만을 통해 열을 전달함으로써, 소비에너지를 저감하는 동시에 반응기로부터 스팀의 역류로 인한 기기고장을 방지할 수 있다.
수열탄화 반응기(100)에서의 반응 이후 반응물은, 고액 분리부(400)의 고액분리기를 거치고, 고형물은 건조기(430)와 연료성형기를 통해 고형연료가 되며, 다량의 무기질 성분과 유기산을 함유하고 있는 액상물질은, 액체 저장조(440)에 저장된다. 저장된 액상물질의 일부는 액비, 혐기소화 기질, 수처리 탄소원 등으로 활용되고 나머지 일부는 회수되어 수열탄화 반응기(100) 운전 초기 유입되는 물과 혼합하여 반응기 내부로 투입함으로써 유기산에 의한 세척효과를 증대시킬 수 있다.
도 9에서 보듯이, 수열탄화 반응 중 물리적 세척으로 바이오매스의 알칼리금속 제거 효과를 나타낸 결과로, 물리적인 세척만으로도 알칼리금속 성분이 제거되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 9를 통해, 수열탄화 온도가 증가할수록 알칼리 금속의 제거 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 10에서 보듯이, 수열탄화 반응온도별 반응 후, 액상물질의 pH 농도변화에 대한 것으로 수열탄화 반응온도가 증가할수록 바이오매스의 분해로 인해, 유기산 농도가 증가하여 액상 물질의 pH 농도는 낮아지게 된다. 이를 통해, 수열탄화 과정에서 반응물의 pH가 충분히 낮아지므로, 바이오매스의 무기물 성분이 원활히 추출될 수 있는 분위기가 형성되었음을 확인할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
10 :수열탄화 반응시스템 100 :수열탄화 반응기
110 :반응 하우징 111 :하우징
112 :원료 투입구 113 :반응물 배출구
114 :열매체 유입구 115 :열매체 배출구
120 :메인 교반기 121 :메인 샤프트
122 :메인 교반봉 123 :메인 블레이트
130 :서브 교반기 131 :서브 샤프트
132 :서브 블레이드 133 :분지관
134 :덮개 200 :원료 공급부
210 :파쇄기 220 :저장조
230 :이송장치 300 :열매체 공급부
310 :열매체 순환펌프 320 :물공급기
330 :연료보일러 400 :고액 분리부
410 :고액 분리기 420 :연료 성형기
430 :건조기 500 :물공급부
600 :스팀저장조

Claims (12)

  1. 측벽의 내부에 열매체가 이동 가능한 열매체 유로가 형성되고, 원료가 수용 가능한 반응 공간을 제공하는 반응 하우징;
    상기 반응 하우징의 원주방향으로 상기 원료를 교반하도록 상기 반응 하우징에 회전 가능하게 설치되는 메인 교반기; 및
    상기 메인 교반기에 대하여 수직방향으로 배치되되, 상기 측벽에 회전 가능하게 설치되는 서브 교반기를 포함하고,
    상기 메인 교반기는
    상기 반응 하우징의 반응 공간 중심부에 회전 가능하게 설치되는 메인 샤프트와, 상기 메인 샤프트의 길이방향으로 이격 배치되는 복수 개로 제공되고, 상기 메인 샤프트의 외경방향으로 수직되게 돌출 형성되는 메인 교반봉과, 상기 메인 교반봉의 단부에서 상기 메인 교반봉의 원주방향으로 경사지게 형성되는 메인 블레이드를 포함하며,
    상기 서브 교반기는
    일단부가 상기 반응 공간에 삽입되고 타단부가 상기 반응 하우징의 외부에 위치되도록 상기 측벽에 관통되게 설치되고, 상기 반응 공간에 스팀을 유입시키기 위한 교란 유로가 내부에 관통하여 형성되는 서브 샤프트와, 상기 서브 샤프트의 일단부에서 상기 서브 샤프트의 외경방향으로 돌출되는 복수 개로 제공되고, 복수 개가 상기 서브 샤프트의 길이방향에 대하여 경사지게 배치되는 서브 블레이드를 포함하는,
    바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 하우징은
    상기 측벽을 갖는 하우징;
    상기 원료가 투입 가능하도록 상기 하우징의 일단측 측벽 상부에 형성되는 원료 투입구;
    상기 원료가 배출되도록 상기 하우징의 타단측 측벽 하부에 형성되는 반응물 배출구;
    상기 열매체가 유입되도록 상기 열매체 유로의 일단에 연결되되, 상기 하우징의 일단측 측벽 하부에 관통되어 형성되는 열매체 유입구; 및
    상기 열매체가 배출되도록 상기 열매체 유로의 타단에 연결되되, 상기 하우징의 타단측 측벽 상부에 관통되어 형성되는 열매체 유출구를 포함하는,
    바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 서브 블레이드는
    복수 개의 상기 메인 교반봉 사이에 동일 간격으로 개재되도록 배치되고,
    상기 반응 공간에 돌출되는 상기 서브 샤프트의 일단부 길이는
    상기 메인 블레이드의 길이보다 더 짧은,
    바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 서브 교반기는
    상기 교란 유로가 상기 서브 샤프트의 단부에서 수직방향으로 분기되어 연장되도록 상기 서브 샤프트의 일단부에 형성되는 분지관을 더 포함하는,
    바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 서브 교반기는
    상기 서브 샤프트의 단부에서 상기 열매체를 상기 서브 샤프트의 외경방향으로 안내하도록 상기 서브 샤프트의 일단부에 마련되는 덮개를 더 포함하는,
    바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응기.
  8. 청구항 1에 따른 수열탄화 반응기;
    원료를 파쇄하여 상기 수열탄화 반응기에 공급하는 원료 공급부;
    상기 수열탄화 반응기에 열매체를 공급하기 위한 열매체 공급부;
    상기 수열탄화 반응기에서 배출된 반응물을 고형물과 액상으로 분리하는 고액 분리부: 및
    상기 수열탄화 반응기에 물을 공급하는 물공급부를 포함하는,
    바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 원료 공급부는
    원료를 기 설정 크기 이하의 입자로 파쇄하는 파쇄기;
    상기 파쇄기에 의해 파쇄된 원료를 임시 보관하는 저장조; 및
    상기 저장조에 보관된 원료를 상기 수열탄화 반응기로 이송하는 이송장치를 포함하는,
    바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 열매체 공급부는
    열매체를 공급하기 위한 열매체 순환펌프;
    물을 공급하기 위한 물공급기; 및
    상기 열매체 순환펌프로부터 공급받은 열매체를 기 설정된 온도 이상으로 가열하고, 상기 물공급기로부터 공급받은 물을 스팀으로 상변화시킨 후, 상기 열매체와 상기 스팀을 상기 수열탄화 반응기에 공급하는 연소보일러를 포함하는,
    바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 고액 분리부는
    상기 수열탄화 반응기에서 배출된 반응물을 고형물과 액상으로 분리하는 고액 분리기;
    상기 고형물을 고형연료로 성형하는 연료 성형기;
    성형된 상기 고형연료를 건조시키는 건조기; 및
    상기 액상으로 분리된 액체를 임시 보관하는 액체 저장조를 포함하는,
    바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응시스템.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 수열탄화 반응기에서 배출된 스팀을 상기 수열탄화 반응기에 재 공급하는 스팀 저장조를 더 포함하고,
    상기 물공급부는
    상기 고액 분리부에서 회수된 액체를 상기 수열탄화 반응기에 재 공급하는,
    바이오매스를 고품위 연료화하기 위한 수열탄화 반응시스템.
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