KR20120002295A

KR20120002295A - 바이오매스 연료 토리팩션 장치 및 전처리 방법

Info

Publication number: KR20120002295A
Application number: KR1020100063105A
Authority: KR
Inventors: 박정극; 김동원; 허광범
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-05
Also published as: KR101219776B1

Abstract

본 발명은 바이오매스 토리팩션 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 피더를 통해 건조된 바이오매스를 연속적으로 공급하여 1차 및 2차 토리팩션 공정을 수행하고, 이를 냉각한다. 이때, 발생되는 부산물들을 연소시키거나 폐열 회수 공정을 통해 열을 재사용할 수 있으며, 열교환 후의 열원 또는 냉매를 폐열 회수 공정을 통해 열을 재사용하여 효율을 높일 수 있다.

Description

바이오매스 연료 토리팩션 장치 및 전처리 방법{BIOMASS FUEL TORREFACTION DEVICE AND THE METHOD FOR PREPROCESS OF BIOMASS FUEL}

본 발명은 바이오매스 연료 토리팩션 장치 및 전처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 바이오매스 또는 폐기물 연료는 연료 성상과 입자 측면에서 변동이 매우 심하므로 미분탄 화력에 적용되기 보다는 유동층 연소로 및 스토커식 소각로와 같이 연료 성상 및 외형에 대한 규격이 까다롭지 않은 시설에 주로 사용된다. 그러나 유동층 및 스토커 방식의 경우 반응 온도가 미분탄 연소 방식에 비해 낮으므로, 효율이 낮은 문제점이 있다. 또한, 유동층 화력 발전소에 비해 미분탄 화력 발전소 용량이 월등하게 크고 USC 등 보다 고효율의 미분탄 화력 발전소가 건설될 예정에 있으므로 바이오모매스 미분탄 화력에 적용할 수 있는 전처리 장치를 필요로 한다.

종래 토리팩션을 이용한 바이오매스 또는 폐기물 연료를 처리하는 공정은 1단의 토리팩션 장치에 관한 것으로 공정 중 발생하는 발열량이 상당하여 연료의 종류로 이용되는 가스의 포집이 한번에 이루어진다. 이러한 1단 토리팩션 공정은 공정 중에 발생되는 가스 부산물 중에서 수증기가 차지하는 비중이 매우 높아 가스 부산물을 한번에 포집할 경우 발열량이 낮아지며, 연소가 불가능한 문제점이 발생한다. 또한, 냉각 공정 중에 온도가 200 도 이상으로 유지되므로 토리팩션 반응이 지속적으로 일어나 전체 부산물 수집 효율이 낮아지는 경향이 있다.

본 발명의 해결하려는 과제는 건조공정 중 발생되는 수증기와 토리팩션 공정 중에서 발생되는 공정 가스 부산물과 냉각 공정 중 발생되는 가스 부산물을 각각 포집할 수 있는 바이오매스 연료 토리팩션 장치 및 전처리 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 바이오매스가 투입되는 투입구와 상기 바이오매스가 토리팩션 공정과 냉각 공정을 수행한 후 배출되는 배출구를 구비한 챔버; 상기 챔버에 내재되어 상기 투입구로 투입된 바이오매스를 상기 배출구측으로 이송하는 피더; 상기 투입구측에 위치하여 열을 공급하여 상기 바이오매스에 잔류하는 잔류 수분을 제거하는 제1 열교환부; 상기 제1 열교환부와 인접하여 상기 챔버에 부착되며, 상기 제1 열교환부로부터 공급되는 잔류 수분이 제거된 바이오매스에 열을 공급하여 상기 바이오매스에 포함된 섬유질 성분을 반탄화시키는 제2 열교환부; 상기 제2 열교환부로부터 반탄화된 바이오매스를 1차 냉각시키는 제1 냉각부; 및 상기 제1 냉각부에서 1차 냉각된 바이오매스를 2차 냉각시키는 제2 냉각부를 포함하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치를 제공할 수 있다.

상기 제1 열교환부 또는 상기 제2 열교환부는 상기 챔버의 외측에 부착되어 간접적으로 열교환을 수행할 수 있다.

상기 제1 열교환부에서 상기 바이오매스로부터 생성된 부산물을 포집하는 제1 부산물 포집부를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 열교환부에서 상기 바이오매스로부터 생성된 부산물을 포집하는 제2 부산물 포집부를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 냉각부에서 1차 냉각시 상기 바이오매스에서 생성된 부산물을 저장하는 제3 부산물 포집부; 상기 제3 부산물 포집부로 배출되는 부산물을 온도를 측정하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 감지된 온도가 설정온도 이하일 경우에 상기 제3 부산물 포집부로 공급되는 부산물을 차단하는 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 냉각부에서 2차 냉각시 상기 바이오매스에서 생성된 부산물을 저장하는 제4 부산물 포집부를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 내지 제4 부산물 포집부에 포집된 부산물들의 폐열을 회수하여 재사용할 수 있다.

상기 제1 열교환부에 열원이 공급되는 제1 열원 투입구; 및 상기 제1 열교환부에서 열 교환이 이루어진 열원을 배출하는 제1 열원 배출구를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 열교환부에 공급되는 열원은 제1 열교환부 내의 바이오매스가150~200℃의 온도를 가질 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

바이오매스 연료 토리팩션 장치는 상기 제2 열교환부에 열원이 공급되는 제2 열원 투입구; 및 상기 제2 열교환부에서 열 교환이 이루어진 열원을 배출하는 제2 열원 배출구를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 열교환부에 공급되는 열원은 제2 열교환부 내의 바이오매스가220~300℃의 온도를 가질 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

바이오매스 연료 토리팩션 장치는 상기 제1 냉각부에 냉매를 공급하는 제1 냉매 투입구; 및 상기 제1 냉각부에서 열교환된 상기 냉매가 배출되는 제1 냉매 배출구를 더 포함할 수 있다.

바이오매스 연료 토리팩션 장치는 상기 제2 냉각부에 냉매를 공급하는 제2 냉매 투입구; 및 상기 제2 냉각부에서 열교환된 상기 냉매가 배출되는 제2 냉매 배출구를 더 포함할 수 있다.

바이오매스 연료 토리팩션 장치는 상기 배출된 열원 또는 냉매의 폐열을 회수하여 재사용 할 수 있다.

바이오매스 연료 토리팩션 장치는 상기 투입구측과 연결되어 상기 바이오매스를 건조하는 건조부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, (a) 건조된 바이오매스를 챔버에 투입하는 단계; (b) 1차 토리팩션 공정을 통해 상기 건조된 바이오매스에 포함된 잔류 수분을 제거하는 제1 토리팩션 공정을 수행하는 단계; (c) 상기 잔류 수분이 제거된 바이오매스를 2차 토리팩션 공정을 수행하여 상기 바이오매스에 포함된 섬유질 성분을 탈휘발 시키고 상기 바이오매스를 반탄화 시키는 단계; (d) 상기 바이오매스를 냉각시켜 저장부에 공급하는 단계를 포함하는 바이오매스 연료 전처리 방법을 제공할 수 있다.

바이오매스 연료 전처리 방법은 상기 단계 (a) 이전에, 상기 바이오매스를 건조시켜 수분을 제거하는 건조 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 단계(b)는 상기 챔버와 밀착된 제1 열교환부 내의 바이오매스가 150~200℃의 온도로 가열될 수 있도록 열원을 공급하여 상기 건조된 바이오매스를 열교환하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 단계(c)는 상기 챔버와 밀착된 제2 열교환부 내의 바이오매스가 220~300℃의 온도로 가열될 수 있도록 열원을 공급하여 상기 잔류 수분이 제거된 바이오매스를 열교환하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 1차 토리팩션 공정과 상기 2차 토리팩션 공정은 연속적으로 수행될 수 있다.

상기 단계(d)는 제1 온도를 가지는 냉매로 1차 냉각을 수행하고, 상기 제1 온도보다 낮은 온도를 가지는 냉매로 2차 냉각을 수행하며, 상기 1차 냉각과 상기 제2 냉각은 연속적으로 수행될 수 있다.

바이오매스 연료 전처리 방법은 상기 1차 냉각을 수행하는 동안 상기 바이오매스에서 생성되는 부산물을 포집하는 단계를 더 포함하되, 상기 부산물의 온도가 설정된 온도 이하일 경우 상기 부산물 포집을 중단하는 단계를 더 포함할 수 있다.

바이오매스 연료 전처리 방법은 상기 단계(a), 단계(b) 및 단계(c) 중 어느 하나의 단계에서 발생되는 부산물을 포집하는 단계; 및 상기 포집된 부산물의 폐열을 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.

바이오매스 연료 전처리 방법은 상기 단계(a) 또는 단계(b)에서 배출되는 열교환된 열원의 폐열을 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 건조공정, 토리팩션 공정 및 냉각 공정에서 발생되는 수증기, 공정 가스 부산물 및 가스 부산물을 각각 포집하여 공정 효율을 높일 수 있다.

또한, 장치간 이동 중에 온도 감소가 일어나는 것이 방지되어 토리팩션 공정과 냉각단 사이에서 열손실 발생이 방지되어 공정 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오매스 연료 토리팩션 장치를 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오매스 연료 토리팩션 전처리 방법을 순차적으로 도시한 흐름도.
도 3은 1차 토리팩션 단계를 구체적으로 설명한 흐름도.
도 4는 2차 토리팩션 단계를 구체적으로 설명한 흐름도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 바이오매스 연료 토리팩션 장치 및 방법에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오매스 연료 토리팩션 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 건조기(50), 챔버(110), 피더(100), 제1 열교환부(210), 제2 열교환부(220), 제1 냉각부(310), 제2 냉각부(320), 제1 부산물 포집부(410), 제2 부산물 포집부(420), 제3 부산물 포집부(430), 제4 부산물 포집부(440), 온도센서(600), 밸브(500) 및 저장부(60)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 건조기(50)는 투입된 바이오매스를 건조한다. 건조기(50)는 바이오매스에 포함된 수분의 일부를 제거할 수 있다.

챔버(110)는 건조기(50) 건조된 바이오매스가 투입되어 제1 및 제2 열교환부(210, 220)와 제1 및 제2 냉각부(310, 320)가 형성된 위치까지 바이오매스를 이동하도록 하는 피더(100)가 내재된다.

챔버(110)는 원통형태의 관으로 제조될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 사각통 형태, 다각형의 통 형태 등으로 제조될 수 있다.

피더(100)는 챔버(110)로 투입된 바이오매스를 저장부(60)측까지 이송한다. 이를 위하여 피더(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 스크류 형태로 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 피더(100)는 스크류 형태에 한정되지 않으며, 바이오매스를 저장부(60)까지 이송시킬 수 있는 어떠한 수단이 사용되어도 무방하다. 피더(100)는 연속적으로 바이오매스를 제1 열교환부(210), 제2 열교환부(220), 제1 냉각부(310) 및 제2 냉각부(320)에 공급할 수 있다.

제1 열교환부(210)는 바이오매스가 투입되는 투입구측에 위치하여 1차 토리팩션 공정을 수행한다. 여기서, 제1 열교환부(210)는 챔버(110)에 부착되어 바이오매스에 열을 공급한다. 제1 열교환부(210)는 제1 열원 투입구(215)에서 배가스 등의 열이 투입된다.

제1 열교환부(210)는 제 1 열교환부(210) 내의 바이오매스가 150~200℃의 온도로 가열될 수 있도록 열원을 공급하여 챔버(110)내의 바이오매스를 간접 가열하며, 건조기(50)에서의 건조 과정에서 제거되지 않은 수분을 추가적으로 제거한다. 예를 들면, 제1 열교환부(210)에 공급되는 열원은 200~300℃의 온도일 수 있다. 제1 열교환부(210)에서 150℃ 이하로 바이오매스가 가열될 경우 내부의 수분이 충분히 제거되지 않을 수 있고, 200℃ 이상의 온도로 가열되면 수분이 제거되기 전에 반탄화 공정이 진행되어 공정 효율이 낮아질 수 있다.

제1 열교환부(210)에서 공급된 열로 인한 1차 토리팩션 공정에서 발생된 기체 부산물은 제1 부산물 포집부(410)에 포집된다. 또한, 제1 열교환부(210)에서 공급된 열은 제1 열원 배출구(415)를 통해 배출된다. 배출된 열원은 외부로 배출되거나 폐열을 회수하여 다른 공정에서 열원으로 사용될 수 있다.

제2 열교환부(220)는 제1 열교환부(210)와 열교환부 격막(230)으로 분리되어 형성될 수 있다. 제2 열교환부(220)는 1차 토리팩션을 통해 수분이 제거된 바이오매스에 간접적으로 열을 공급한다. 이때, 제2 열교환부(220)는 제2 열원투입구(225)를 통해 제 2 열교환부(220) 내의 바이오매스가 220~300℃의 온도로 가열될 수 있도록 배가스, 증기 등을 공급받을 수 있다.

여기서, 제2 열교환부(220) 내의 바이오매스의 온도가 300℃ 이상일 경우에는 챔버(110) 내에서 바이오매스의 가스화가 진행될 수 있으므로 300℃ 이하로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

제2 열교환부(220)는 1차 토리팩션된 바이오매스를 2차 토리팩션한다. 이때, 제2 열교환부(220)에 의해 2차 토리팩션된 바이오매스는 바이오매스에 포함된 헤미셀룰로스, 셀룰로스, 리그닌 등과 같은 폴리머 조직을 유리전이(Glass Transition) 및 재응결(Recondensation)시킨다. 또한, 2차 토리팩션 공정에서 바이오매스의 탈휘발화 및 탄화 반응을 일으키고, 결과적으로 흡습성, 에너지 밀도, 미분성 등이 개선된 바이오매스를 생산할 수 있다.

이때, 2차 토리팩션 공정에서 생성된 부산물 가스는 제2 부산물 포집부(420)에 포집된다.

제2 열교환부(220)에 공급된 열원은 제2 열원 배출구(425)를 통해 배출된다. 배출된 열원은 외부로 배출되거나 폐열을 회수하여 다른 공정에서 열원으로 사용될 수 있다.

여기서, 제1 열교환부(210)와 제2 열교환부(220)는 열교환기 격막(230)을 사이에 두고 연속적으로 배치되어 열교환효율을 높일 수 있다.

제1 냉각부(310)는 2차 토리팩션 공정을 통과한 바이오매스를 냉각시킬 수 있다. 제1 냉각부(310)는 제2 열교환부(220)와 이웃하여 배치되며, 챔버(110)에 부착된다. 제1 냉각부(310)는 챔버(110)에 부착되어 2차 토리팩션 공정에서 가열된 바이오매스의 온도를 간접적으로 낮출 수 있다.

제1 냉각부(310)는 제1 냉매 투입구(315)를 통해 저온의 액체 또는 기체를 이용하여 바이오매스를 냉각시킨다. 제1 냉각부(310)에서 1차 냉각 과정을 통해 바이오매스의 온도를 200℃까지 냉각시킨다. 이때, 냉각 중에도 토리팩션 공정이 진행되므로 배출되는 부산물은 제3 부산물 포집부(430)를 통해 포집한다. 여기서, 제1 냉각부(310)는 제3 부산물 포집부(430)로 유입되는 관로에 온도센서(600)와 밸브(500)를 설치한다. 온도센서(600)는 바이오매스의 온도를 검출하여 밸브(500)로 온/오프 신호를 공급한다. 예를 들면, 바이오매스의 온도가 200℃ 이하로 낮아질 경우, 밸브(500)를 구동시키는 신호를 생성하여 밸브(500)를 차단시킨다. 이에 따라, 바이오매스의 온도가 200℃이하일 경우 부산물을 포집하지 않을 수 있다.

제2 냉각부(320)에서 열교환된 냉매(액체 또는 기체)는 제1 냉매 배출구(435)를 통해 배출된다. 이때, 배출된 냉매는 폐열 회수 또는 온도가 상승된 냉매의 열을 다른 공정에서 재사용하도록 처리할 수 있다.

제2 냉각부(320)는 제1 냉각부(310)와 냉각부 격막(330)을 통해 분리되어 배치될 수 있다. 제2 냉각부(320)는 냉각부 격막(330)을 사이에 두고 연속적으로 배치되어 냉각효율을 높일 수 있다.

제2 냉각부(320)는 제1 냉각부(310)에 1차 냉각된 바이오매스를 2차 냉각시킨다. 제2 냉각부(320)는 제2 냉매 투입구(325)를 통해 저온의 기체 또는 액체를 이용하여 바이오매스를 냉각시킨다.

제2 냉각부(320)는 바이오매스의 온도를 100℃ 이하로 냉각시킨다. 이때, 제2 냉각부(320)에서 열교환된 냉매는 제2 냉매 배출구(445)를 통해 배출된다. 제2 냉각부(320)에서 열교환된 냉매는 폐열 회수를 통해 외부로 배출하거나 열을 재사용할 수 있도록 재처리될 수 있다.

또한, 제2 냉각부(320)에서 생성된 부산물은 제4 부산물 포집부(440)에 포집된다.

상기 제1 냉각부(310) 및 제2 냉각부(320)에서 사용되는 냉매는 자체 공정 또는 연계 공정에 사용되는 공정 기체 또는 공정수 일 수 있다. 냉각 과정 중에 회수된 열은 공정에 재사용하여 공정 효율을 높일 수 있다. 예를 들면, 비열 1.26kJ/kgK이고 수분 함량이 50%인 건조 목재가 1,000kg/hr로 공급되고 torrefaction 설정 온도가 300℃ 인 토리팩션 공정의 경우 이론적으로 회수 가능한 열량은 250,000kJ/hr (100℃ 이하로 냉각)에 달한다.

따라서, 토리팩션 공정을 최적화 하기 위하여 각 공정에서 발생되는 폐열을 회수하여 이를 다른 공정 또는 토리팩션 공정에 재사용함으로써 효율을 향상시킨다. 또한, 토리팩션 공정에서 발생된 CO등의 연소 가능한 가스로 이루어진 부산물을 포집하여 포집된 부산물을 연소시켜 공정에 활용할 수 있다.

제2 냉각부(320)에서 냉각된 바이오매스는 챔버(110)에서 배출되어 저장부(60)에 저장된다.

본 실시 예에 따르면, 건조기(50)에 공급된 고온의 기체는 건조 후 배출될 때, 높은 온도를 유지하므로 폐열회수 또는 다른 공정(예를 들면, 1차 또는 2차 토리팩션 공정, 제1 냉각공정)에 사용될 수 있다. 또한, 1차 토리팩션, 2차 토리팩션 공정에 사용되는 고온의 기체는 각 단계에서 활용된 이후에도 상온에 비해 온도가 높으므로 폐열 회수 공정을 통해 상온으로 낮춰 배출하거나, 상기의 다른 공정에 재활용하여 전체 공정 효율을 증가 시킬 수 있다.

또한, 본 실시 예에 따르면, 제1 내지 제4 부산물 포집부(410 내지 440)에 포집된 부산물들은 폐열 회수 또는 수분 제거 공정을 통해 열에너지를 회수하여 통합 또는 개별 연소되어 제1 또는 제2 토리팩션 공정에 사용하거나 다른 공정에서 사용할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오매스 연료 전처리 방법을 순차적으로 도시한 흐름도이고, 도 3은 1차 토리팩션 공정을 구체적으로 도시한 흐름도이고, 도 4는 2차 토리팩션 공정을 구체적으로 도시한 흐름도이다. 이하의 설명에서는 도 1에 도시된 바이오매스 연료 토리팩션 장치를 참조하여 설명하기로 한다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 바이오매스 연료 전처리 방법은 바이오매스 투입 단계(S100), 바이오매스 건조 단계(S200), 1차 토리팩션 단계(S300), 2차 토리팩션 단계(S400), 1차 냉각 단계(S500), 2차 냉각 단계(S600) 및 바이오매스 배출 단계(S700)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 바이오매스 투입 단계(S100)는 건조 목재 등의 바이오매스 연료를 건조기(50)에 투입한다.

이어서, 건조기(50)에 투입된 바이오매스 연료를 고온의 가스 등을 이용하여 건조시켜 수분을 제거한다.(S200)

다음으로, 수분이 제거된 바이오매스를 바이오매스 연료 토리팩션 장치에 투입한다. 이때, 투입된 바이오매스는 제1 열교환부(210)를 통해 공급된 열을 통해 수분이 제거된다.(S300) 제1 열교환부(210)는 150~200℃의 고온의 기체를 포함하는 열원을 이용하여 챔버(110)에 투입된 바이오매스를 건조시켜 바이오매스에 잔류하는 수분을 제거한다. 이때, 제1 열교환부(210)에서 1차 토리팩션 공정에서 사용된 열원은 열원 배출구를 통해 배출된다. 그리고 1차 토리팩션 공정에서 생성된 부산물은 제1 부산물 포집부(410)에서 포집되어 재사용되도록 한다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 1차 토리팩션 단계(S300)는 건조된 바이오매스 투입 단계(S310), 고온 기체 공급 단계(S320), 부산물 포집/기체 배출 단계(S330), 부산물의 폐열회수 및 수분 제거 단계(S340) 및 배출된 기체로부터 폐열 회수/공정 재투입 단계(S350)를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 건조기(50)에서 건조된 바이오매스가 챔버 내로 투입된다.(S310) 챔버(110)에 밀착되게 배치된 제1 열교환부(210)에서는 1차 토리팩션을 위하여 고온의 기체를 공급한다.(S320) 공급된 기체에 의해 바이오매스에 포함된 잔류 수분이 제거되며 잔류 수분, 가스 등은 제1 부산물 포집부(410)로 배출되고, 열교환된 가스는 외부 또는 폐열 회수 장치 등으로 배출된다.(S330) 이어서, 제2 열교환부(220)에 바이오매스가 공급된다. 여기서, 제1 부산물 포집부(410)에 포집된 부산물의 폐열을 회수하고 수분을 제거하는 공정은 별도로 이루어질 수 있다.(S340) 또한, 배출된 기체로부터 폐열 회수/공정 재투입 공정이 별도로 이루어질 수 있다.(S350)

1차 토리팩션 공정에서 생성된 바이오매스를 2차 토리팩션 공정을 통해 바이오매스에 포함된 헤미셀룰로스, 셀룰로스, 리그닌 등과 같은 폴리머 조직을 유리전이(Glass Transition) 및 재응결(Recondensation)시킨다.(S400) 2차 토리팩션 공정 시 사용되는 열원은 280~400℃의 배가스, 증기 등을 사용할 수 있다. 2차 토리팩션 단계(S400)에서 열교환된 배가스 또는 증기는 배출구를 통해 배출된다. 또한, 2차 토리팩션 단계(S400)에서 생성된 부산물은 제2 부산물 포집부(420)로 배출된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 1차 토리팩션 단계에서 생성된 바이오매스가 이동되면(S410) 280~400℃의 배가스, 증기 등이 제2 열교환부(220)로 공급된다.(S420) 제2 열교환부(220)에 공급된 열원을 이용하여 공급된 바이오매스를 간접적으로 열교환 시킨다. 이때, 바이오매스는 상술한 바와 같이 헤미셀룰로스, 셀룰로스, 리그닌 등을 탈휘발한다.

2차 토리팩션 공정 후 부산물은 제2 부산물 포집부(420)에 배출하며, 열교환에 사용된 가스는 배출시킨다.(S430)

여기서, 여기서, 제2 부산물 포집부(420)에 포집된 부산물의 폐열 회수하는 공정은 별도로 이루어질 수 있다.(S440) 또한, 배출된 기체로부터 폐열 회수/공정 재투입 공정이 별도로 이루어질 수 있다.(S450)

이어서, 2차 토리팩션 공정을 마친 바이오매스는 1차 냉각 단계를 거친다.(S500)

1차 냉각 단계(S500)는 제1 냉각부(310)에 냉매(예를 들면, 저온의 기체 또는 액체)가 공급되어 2차 토리팩션 공정에서 고온의 상태로 운송된 바이오매스를 냉각 시킨다. 1차 냉각 단계(S500)는 챔버(110) 내부 온도가 200℃이상으로 유지되므로 토리팩션이 계속해서 진행되며, 토리팩션에 의해 부산물이 제3 부산물 포집부(430)로 포집될 수 있다. 여기서, 1차 냉각 단계(S500)에서 챔버(110)로부터 제3 부산물 포집부(430)로 이송하는 유로에 온도센서(600) 및 밸브가 설치되어 부산물의 온도가 200℃이하일 경우에는 부산물이 포집되지 않도록 밸브가 닫치도록 제어된다.

이어서, 1차 냉각 단계(S500)에서 냉각된 바이오매스는 1차 냉각 단계(S500)보다 낮은 온도의 바이오매스를 얻는 2차 냉각 단계를 수행한다.(S600)

2차 냉각 단계(S600)는 제2 냉각부(320)에 냉매(예를 들면, 저온의 기체 또는 액체)가 공급되어 1차 냉각된 바이오매스를 100℃이하의 낮은 온도로 변환한다. 이때, 바이오매스로부터 생성된 부산물은 제4 부산물 포집부(440)에 포집되며, 냉각을 위해 사용된 냉매는 제2 냉매 배출구(445)를 통해 배출된다.

이어서, 냉각된 바이오 매스를 저장부(60)로 배출한다.(S700)

한편, 상기 1차 냉각 단계에서 배출된 냉매(예를 들면, 저온의 가스 또는 액체)와 2차 냉각 단계에서 배출된 냉매는 별도의 수거 장치에서 수거되어 폐열 회수 단계 또는 공정 재투입을 할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따르면, 1차 토리팩션 단계(S300), 2차 토리팩션 단계(S400), 1차 냉각 단계(S500) 및 2차 냉각 단계(S600)에서 각 단계별로 사용된 열원 또는 냉매는 별도의 장치에서 모두 수거하여 열원 또는 냉매로 재사용하거나, 폐열을 회수하고 연소 또는 외부로 배출할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

50: 건조기
60: 저장부
100: 피더
110: 챔버
210: 제1 열교환부
215: 제1 열원 투입구
220: 제2 열교환부
225: 제2 열원 투입구
230: 열교환부 격막
310: 제1 냉각부
315: 제1 냉매 투입구
320: 제2 냉각부
325: 제2 냉매 투입구
330: 냉각부 격막
410: 제1 부산물 포집부
415: 제1 열원 배출구
420: 제2 부산물 포집부
425: 제2 열원 배출구
430: 제3 부산물 포집부
435: 제1 냉매 배출구
440: 제4 부산물 포집부
445: 제2 냉매 배출구
500: 밸브
600: 온도센서

Claims

바이오매스가 투입되는 투입구와 상기 바이오매스가 토리팩션 공정과 냉각 공정을 수행한 후 배출되는 배출구를 구비한 챔버;
상기 챔버에 내재되어 상기 투입구로 투입된 바이오매스를 상기 배출구측으로 이송하는 피터;
상기 투입구측에 위치하여 열을 공급하여 상기 바이오매스에 잔류하는 잔류 수분을 제거하는 제1 열교환부;
상기 제1 열교환부와 인접하여 상기 챔버에 부착되며, 상기 제1 열교환부로부터 공급되는 잔류 수분이 제거된 바이오매스에 열을 공급하여 상기 바이오매스에 포함된 섬유질 성분을 탈휘발시키는 제2 열교환부;
상기 제2 열교환부로부터 탈휘발된 바이오매스를 1차 냉각시키는 제1 냉각부; 및
상기 제1 냉각부에서 1차 냉각된 바이오매스를 2차 냉각시키는 제2 냉각부를 포함하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 열교환부 또는 상기 제2 열교환부는 상기 챔버의 외측에 부착되어 간접적으로 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 열교환부에서 상기 바이오매스로부터 생성된 부산물을 포집하는 제1 부산물 포집부를 더 포함하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 열교환부에서 상기 바이오매스로부터 생성된 부산물을 포집하는 제2 부산물 포집부를 더 포함하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 냉각부에서 1차 냉각시 상기 바이오매스에서 생성된 부산물을 저장하는 제3 부산물 포집부;
상기 제3 부산물 포집부로 배출되는 부산물을 온도를 측정하는 온도센서; 및
상기 온도센서에서 감지된 온도가 설정온도 이하일 경우에 상기 제3 부산물 포집부로 공급되는 부산물을 차단하는 밸브를 더 포함하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 냉각부에서 2차 냉각시 상기 바이오매스에서 생성된 부산물을 저장하는 제4 부산물 포집부를 더 포함하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 내지 제4 부산물 포집부에 포집된 부산물들의 폐열을 회수하여 재사용하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 열교환부에 열원이 공급되는 제1 열원 투입구; 및
상기 제1 열교환부에서 열 교환이 이루어진 열원을 배출하는 제1 열원 배출구를 더 포함하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 제1 열교환부에 공급되는 열원은 200~300℃의 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 열교환부에 열원이 공급되는 제2 열원 투입구; 및
상기 제2 열교환부에서 열 교환이 이루어진 열원을 배출하는 제2 열원 배출구를 더 포함하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 제2 열교환부에 공급되는 열원은 280~400℃의 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 냉각부에 냉매를 공급하는 제1 냉매 투입구; 및
상기 제1 냉각부에서 열교환된 상기 냉매가 배출되는 제1 냉매 배출구를 더 포함하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 냉각부에 냉매를 공급하는 제2 냉매 투입구; 및
상기 제2 냉각부에서 열교환된 상기 냉매가 배출되는 제2 냉매 배출구를 더 포함하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 배출된 열원 또는 냉매의 폐열을 회수하여 재사용하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 투입구측과 연결되어 상기 바이오매스를 건조하는 건조부를 더 포함하는 바이오매스 연료 토리팩션 장치.
(a) 건조된 바이오매스를 챔버에 투입하는 단계;
(b) 1차 토리팩션 공정을 통해 상기 건조된 바이오매스에 포함된 잔류 수분을 제거하는 제1 토리팩션 공정을 수행하는 단계;
(c) 상기 잔류 수분이 제거된 바이오매스를 2차 토리팩션 공정을 수행하여 상기 바이오매스에 포함된 섬유질 성분을 탈휘발시키고 상기 바이오매스를 반탄화 시키는 단계;
(d) 상기 바이오매스를 냉각시켜 저장부에 공급하는 단계를 포함하는 바이오매스 연료 전처리 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 단계 (a) 이전에,
상기 바이오매스를 건조시켜 수분을 제거하는 건조 단계를 더 포함하는 바이오매스 연료 전처리 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 단계(b)는
상기 챔버와 밀착된 제1 열교환부에 제1 열교환부 내의 바이오매스가 150~200℃의 온도로 가열될 수 있도록 하는 열원을 공급하여 상기 건조된 바이오매스를 열교환하는 단계를 더 포함하는 바이오매스 연료 전처리 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 단계(c)는
상기 챔버와 밀착된 제2 열교환부에 제2 열교환부 내의 바이오매스가 220~300℃의 온도로 가열될 수 있도록 하는 열원을 공급하여 상기 잔류 수분이 제거된 바이오매스를 열교환하는 단계를 더 포함하는 바이오매스 연료 전처리 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 1차 토리팩션 공정과 상기 2차 토리팩션 공정은 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 연료 전처리 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 단계(d)는
제1 온도를 가지는 냉매로 1차 냉각을 수행하고, 상기 제1 온도보다 낮은 온도를 가지는 냉매로 2차 냉각을 수행하며, 상기 1차 냉각과 상기 제2 냉각은 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 연료 전처리 방법.
제 21 항에 있어서,
상기 1차 냉각을 수행하는 동안 상기 바이오매스에서 생성되는 부산물을 포집하는 단계를 더 포함하되,
상기 부산물의 온도가 설정된 온도 이하일 경우 상기 부산물 포집을 중단하는 단계를 더 포함하는 바이오매스 연료 전처리 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 단계(a), 단계(b) 및 단계(c) 중 어느 하나의 단계에서 발생되는 부산물을 포집하는 단계; 및
상기 포집된 부산물의 폐열을 회수하는 단계를 더 포함하는 바이오매스 연료 전처리 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 단계(a) 또는 단계(b)에서 배출되는 열교환된 열원의 폐열을 회수하는 단계를 더 포함하는 바이오매스 연료 전처리 방법.