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KR102068337B1 - 바이오매스와 합성수지의 혼합 열분해를 위한 바이오 원유 제조 시스템 - Google Patents

바이오매스와 합성수지의 혼합 열분해를 위한 바이오 원유 제조 시스템 Download PDF

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KR102068337B1
KR102068337B1 KR1020180038667A KR20180038667A KR102068337B1 KR 102068337 B1 KR102068337 B1 KR 102068337B1 KR 1020180038667 A KR1020180038667 A KR 1020180038667A KR 20180038667 A KR20180038667 A KR 20180038667A KR 102068337 B1 KR102068337 B1 KR 102068337B1
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South Korea
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pyrolysis reactor
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crude
biomass
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최연석
최상규
김석준
한소영
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한국기계연구원
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Publication date
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 바이오매스와 합성수지의 혼합 열분해에 의해 바이오 원유를 제조하는 시스템으로서, 바이오매스와 합성수지의 열분해 반응이 이루어지는 급속 열분해 반응기; 상기 급속 열분해 반응기의 상단부에 연결되며 상기 급속 열분해 반응기 내부로 고온의 유동사를 공급하는 유동사 공급관; 상기 급속 열분해 반응기의 상단부에 연결되며 상기 급속 열분해 반응기 내부로 바이오매스와 합성수지의 혼합물을 공급하는 혼합 공급부; 상기 급속 열분해 반응기에서 배출되는 반응 생성물 및 유동사를 공급받아 상기 반응 생성물을 연소시키고 상기 유동사를 상기 유동사 공급관으로 순환 공급하는 순환 유동층 연소기; 및 상기 급속 열분해 반응기에서 발생되는 열분해 가스를 응축하여 바이오 원유를 생성하는 응축기;를 포함하고, 상기 바이오매스와 합성수지의 혼합물과 상기 유동사가 독립적으로 상기 급속 열분해 반응기 내부로 공급된 후 상기 급속 열분해 반응기 내에서 상기 혼합물과 유동사가 혼합되도록 구성된 것을 특징으로 하는 바이오 원유 제조 시스템을 개시한다.

Description

바이오매스와 합성수지의 혼합 열분해를 위한 바이오 원유 제조 시스템 {System for producing bio-oil from pyrolysis of biomass and plastics}
본 발명은 바이오 원유 제조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 바이오매스와 합성수지의 혼합물의 급속 열분해에 의해 바이오 원유를 생성하는 바이오 원유 제조 시스템에 관한 것이다.
신재생 에너지는 수소, 연료전지, 석탄가스화와 같은 신에너지 및 태양에너지, 풍력, 수력, 폐기물, 해양, 바이오매스(biomass) 및 지열과 같은 재생에너지로 구분할 수 있으며, 최근 신재생 에너지 중 바이오매스를 이용하여 바이오 원유를 생산하는 기술이 활발히 연구되고 있다.
바이오매스는 목질계, 초본계, 수생식물, 유기성 슬러지, 가축분뇨 및 음식폐기물 등을 포함하며, 바이오매스를 열분해(pyrolysis) 또는 고온고압 가수분해 등의 방법으로 처리하여 원유를 생성한다.
이와 관련하여 아래 특허문헌1 등은 바이오매스에 합성수지를 혼합하여 열분해 할 경우 바이오 원유의 발열량을 높일 수 있다는 점을 개시하였고, 특허문헌2는 유동사(fluidized-sand)를 이용하는 급속 열분해(fast pyrolysis) 시스템을 개시하였다.
그러나 급속 열분해 반응기는 섭씨 500도 내외의 높은 온도에서 동작하는 반면 바이오매스와 혼합될 주요 합성수지인 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등은 융점이 섭씨 130 내지 150도 정도 밖에 되지 않아 바이오매스와 합성수지의 혼합물이 급속 열분해 반응기 내에 투입되기 전에 합성수지가 열분해 반응기의 투입구에서 녹아버려 투입구를 막는 문제점이 있었다. 특히 유동사를 이용하는 급속 열분해 반응기의 경우 열분해 반응기 내에 투입되는 순환 유동사의 온도도 대략 500도 내외로 매우 높기 때문에, 합성수지가 급속 열분해 반응기 내에 투입되기 전에는 용융되지 않고 온전한 형태를 유지하되 열분해 반응기에 투입된 직후부터 바이오매스 및 유동사와 잘 혼합되어 열분해되도록 할 필요가 있으나 현재까지는 이러한 문제를 해결할 수 있는 급속 열분해 반응기 시스템이 개발되지 못하고 있는 상황이다.
특허문헌1: 한국 공개특허 제2013-0102545호 (2013년 9월 17일 공개) 특허문헌2: 한국 등록특허 제10-1068748호 (2011년 9월 28일 공고)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 바이오매스와 합성수지의 혼합물을 급속 열분해 반응기에 공급하여 바이오 원유를 생산하되, 합성수지가 급속 열분해 반응기에 투입되기 전에 미리 녹지 않고 열분해 반응기에 투입된 직후부터 바이오매스 및 유동사와 잘 혼합되어 열분해되도록 함으로써 높은 발열량을 갖는 바이오 원유를 생산할 수 있는 바이오 원유 제조 시스템을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 바이오매스와 합성수지의 혼합 열분해에 의해 바이오 원유를 제조하는 시스템으로서, 바이오매스와 합성수지의 열분해 반응이 이루어지는 급속 열분해 반응기; 상기 급속 열분해 반응기의 상단부에 연결되며 상기 급속 열분해 반응기 내부로 고온의 유동사를 공급하는 유동사 공급관; 상기 급속 열분해 반응기의 상단부에 연결되며 상기 급속 열분해 반응기 내부로 바이오매스와 합성수지의 혼합물을 공급하는 혼합 공급부; 상기 급속 열분해 반응기에서 배출되는 반응 생성물 및 유동사를 공급받아 상기 반응 생성물을 연소시키고 상기 유동사를 상기 유동사 공급관으로 순환 공급하는 순환 유동층 연소기; 및 상기 급속 열분해 반응기에서 발생되는 열분해 가스를 응축하여 바이오 원유를 생성하는 응축기;를 포함하고, 상기 바이오매스와 합성수지의 혼합물과 상기 유동사가 독립적으로 상기 급속 열분해 반응기 내부로 공급된 후 상기 급속 열분해 반응기 내에서 상기 혼합물과 유동사가 혼합되도록 구성된 것을 특징으로 하는 바이오 원유 제조 시스템을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 바이오매스와 합성수지의 혼합물을 급속 열분해 반응기에 공급하여 바이오 원유를 생산하되, 합성수지가 급속 열분해 반응기에 투입되기 전에 미리 녹지 않고 열분해 반응기에 투입된 직후부터 바이오매스 및 유동사와 잘 혼합되어 열분해 되도록 함으로써 높은 발열량을 갖는 바이오 원유를 생산할 수 있는 이점이 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 원유 제조 시스템의 블록도,
도2는 일 실시예에 따른 바이오 원유 제조 시스템을 설명하기 위한 도면,
도3은 일 실시예에 따른 합성수지 전처리부를 설명하기 위한 도면,
도4는 일 실시예에 따른 혼합 공급부를 설명하기 위한 도면,
도5는 일 실시예에 따른 응축기를 설명하기 위한 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 원유 제조 시스템의 블록도이다.
도면을 참조하면 일 실시예에 따른 바이오 원유 제조 시스템은 합성수지 전처리부(10), 바이오매스 저장부(20), 혼합 공급부(30), 급속 열분해 반응기(40), 유동층 연소기(60), 및 응축기(70)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 합성수지 전처리부(10)는 급속 열분해 반응기(40)에 투입할 합성수지를 미리 전처리 하는 장치이다. 예를 들어 합성수지 전처리부(10)는 합성수지를 분쇄하고 가열 건조하여 반응기(40)에 투입할 적당한 크기와 밀도를 갖도록 처리할 수 있다. 일 실시예에 따른 합성수지 전처리부(10)를 도3을 참조하여 후술하기로 한다.
본 발명의 바이오 원유 제조 시스템에 공급할 합성수지의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 다만 바람직하게는, 합성수지 전처리부(10)에서 처리하기 용이하며 또한 급속 열분해 반응기(40) 내에 투입되기 전에는 용융되지 않고 반응기(40)에 투입된 직후부터 바이오매스 및 유동사와 잘 혼합될 수 있는 합성수지가 바람직하다. 예를 들어 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 및 폴리스티렌(PS)을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 폴리스티렌을 사용할 수 있다.
바이오매스 저장부(20)는 급속 열분해 반응기(40)에 공급할 바이오매스를 저장하는 장치이다. 바이오매스 저장부(20)의 형태나 구조 및 바이오매스 저장 환경은 바이오매스의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 공지의 바이오매스 저장 장치를 채용할 수 있다.
일 실시예에서 바이오매스는 목질계, 초본계, 수생식물, 유기성 슬러지, 가축분뇨 및 음식폐기물 등을 포함할 수 있으며 특정 종류에 한정되지 않는다.
바이오매스에 합성수지를 혼합하여 열분해를 할 경우 열분해에 의해 생성되는 바이오 원유의 발열량이 증가하게 된다. 예를 들어 바이오매스로서 톱밥을 사용하고 합성수지로서 폴리스티렌(PS)을 사용했을 경우 바이오매스와 합성수지의 혼합비를 변경하며 실험한 결과 아래와 같이 바이오 원유의 발열량이 증가했음을 확인하였다.
급속 열분해 원료 바이오 원유 발열량 (kcal/kg)
톱밥 (100%) 4089
톱밥 (90%) + PS (10%) 4421
톱밥 (85%) + PS (15%) 4586
혼합 공급부(30)는 합성수지와 바이오매스를 혼합하여 급속 열분해 반응기(40)에 공급하는 장치이다. 일 실시예에서 혼합 공급부(30)는 합성수지와 바이오매스를 혼합하는 교반기 및 합성수지와 바이오매스의 혼합물을 급속 열분해 반응기(40)로 공급하는 이송부로 구현될 수 있다. 혼합 공급부(30)의 예시적인 구성에 대해서는 도4를 참조하여 후술하기로 한다.
급속 열분해 반응기(40)는 바이오매스와 합성수지를 열분해하여 열분해 가스와 촤(char)를 생성한다. 급속 열분해 반응기(40)에서 생성된 열분해 가스는 응축기(70)로 전달되고 촤 및 유동사는 유동층 연소기(60)로 이송된다.
유동층 연소기(60)는 급속 열분해 반응기(40)에서 공급된 촤를 연소하고 유동사를 고온으로 가열한다. 유동사는 바이오매스 및 합성수지와 혼합되어 바이오매스와 합성수지의 급속 열분해 과정을 촉진시키는 열전달 매체이다. 유동사는 급속 열분해 과정시 용융되지 않는 작은 입자의 물질이 사용될 수 있다. 예를 들면 유동사로는 모래 또는 금속구(steel ball) 등이 사용될 수 있다.
유동층 연소기(60)에서 촤의 연소에 의해 생성된 연소가스는 외부로 배출되고, 고온의 유동사는 순환 경로를 따라 급속 열분해 반응기(40)로 다시 공급된다. 이 때 바람직한 일 실시예에서, 바이오매스와 합성수지의 혼합물과 유동사가 반응기(40) 내로 투입되기 전까지는 혼합되지 않도록 혼합 공급부(30)의 경로와 유동사의 순환 경로를 분리하여 구성한다. 즉 바이오매스와 합성수지의 혼합물이 반응기(40) 내부로 공급된 후 반응기(40) 내에서 이 혼합물과 유동사가 혼합되도록 구성한다.
응축기(70)는 급속 열분해 반응기(40)에서 발생된 열분해 가스를 공급받고 이를 응축시켜 바이오 원유를 생성한다. 바람직한 일 실시예에서 응축기(70)는 직접 응축기(71), 간접 응축기(72), 및 충전탑(73)의 3단 구조로 구현될 수 있다. 이러한 3단 응축기(70)의 예시적인 구성에 대해서는 도5를 참조하여 후술하기로 한다.
도2 내지 도5는 일 실시예에 따른 바이오 원유 제조 시스템의 구체적 구성을 도시한 것으로, 도2는 일 실시예에 따른 혼합 공급부(30), 급속 열분해 반응기(40), 및 유동층 연소기(60)의 예시적 구성을 보다 상세히 나타내었고, 도3 내지 도5는 각각 합성수지 전처리부(10), 혼합 공급부(30), 및 응축기(70)의 구성을 보다 상세히 나타내었다.
우선 도2와 도3을 참조하여 합성수지 전처리부(10)를 설명하기로 한다. 급속 열분해 방식에서는 급속 열분해 반응기(40)의 상단에서 공급되는 유동사와 열분해 원료(즉 바이오매스와 합성수지의 혼합물)가 잘 혼합되면서 반응기(40)를 통과하는 것이 중요하다. 그러나 합성수지 중 예컨대 폴리스티렌(PS)과 같이 밀도가 상대적으로 낮은 원료는 반응기 내에서 유동사와의 혼합이 원활하지 않는 경우가 많고 더욱이 원료의 입자 크기가 클 경우 입자 표면으로부터 입자 내부로의 열전달에 많은 시간이 소요되어 열분해가 신속하게 일어나기 어려우므로, 원료의 입자 크기와 밀도가 열분해에 적절하게 되도록 전처리하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 합성수지 전처리부(10)는 합성수지 공급부(11), 파쇄부(12), 가열건조부(13), 및 체(14)를 포함할 수 있다. 공급부(11)는 합성수지를 전처리부(10) 내부로 이송하며, 합성수지는 공급부(11)를 통해 파쇄부(12)로 전달된다. 파쇄부(12)는 합성수지를 일정 분쇄한다. 일 실시예에서 파쇄부(12)는 합성수지를 수 밀리미터 이하의 직경을 갖는 크기로 파쇄할 수 있다.
파쇄된 합성수지는 가열건조부(13)로 공급된다. 가열건조부(13)는 파쇄된 합성수지를 섭씨 100도 내지 120도 사이의 온도 환경하에서 소정시간 가열할 수 있다. 폴리스티렌(PS)의 경우, 가열건조부(13)의 가열에 의해 내부의 공기나 수분이 빠져나가면서 폴리스티렌 입자의 크기(부피)가 줄어들어 밀도가 높아지게 된다.
체(14)는 가열건조부(13)에서 배출되는 합성수지 중 소정 크기 이하의 합성수지만 통과시키는 분리장치이다. 일 실시예에서 체(14)의 격자 크기가 1 내지 수 밀리미터일 수 있다. 예를 들어 체(14)의 격자가 2 밀리미터 크기를 가질 수 있고, 이 경우 2 밀리미터 이하의 직경을 갖는 합성수지 입자들만 체(14)를 통과할 수 있다. 합성수지와 바이오매스의 입자 크기가 유사하면 서로간에 혼합이 더 잘될 수 있으므로, 대안적 실시예에서, 합성수지 입자가 바이오매스와 유사한 크기를 갖도록 체(14)의 격자 크기가 결정될 수 있다.
일 실시예에서 체(14)를 통과한 합성수지는 혼합 공급부(30)로 공급된다. 체(14)를 통과하지 못한 합성수지 입자들은 파쇄부(12)로 다시 이송되어 파쇄부(12)와 가열건조부(13)에서 한번 더 처리될 수 있고 또는 다른 별도의 파쇄부(도시 생략)로 이송되어 파쇄된 후 체(14)로 이송될 수도 있다.
다시 도2를 참조하면, 합성수지 전처리부(10)에서 처리된 합성수지와 바이오매스 저장부(20)에 저장된 바이오매스가 혼합 공급부(30)로 공급된다. 혼합 공급부(30)는 바이오매스와 합성수지를 혼합하고 이 혼합물을 급속 열분해 반응기(40) 내부로 공급한다. 일 실시예에서 혼합 공급부(30)는 유동사를 급속 열분해 반응기(40) 내부로 공급하는 유동사 공급기와 독립적으로 급속 열분해 반응기(40) 상단에 연결될 수 있다.
이와 관련하여 도4는 일 실시예에 따른 혼합 공급부를 설명하기 위한 도면이다. 도2와 도4를 참조하면, 일 실시예에 따른 혼합 공급부(30)는 호퍼(31), 스크류 이송부(32), 및 구동부(34)를 포함할 수 있다.
호퍼(31)는 바이오매스 및 합성수지의 혼합물을 수용하며 스크류 이송부(32)로 혼합물을 공급한다. 일 실시예에서 호퍼(31)는 바이오매스와 합성수지를 혼합하기 위한 교반기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 교반기가 호퍼(31)와 별도로 설치될 수 있고, 이 경우 교반기를 통과한 바이오매스와 합성수지의 혼합물이 호퍼(31)로 공급될 수 있다.
스크류 이송부(32)는 내부에 스크류 컨베이어(33)가 설치된 통형상의 부재이다. 스크류 이송부(32)의 일단은 호퍼(31)의 하부와 연통되고 타단은 급속 열분해 반응기(40)의 상단부에 연결된다. 스크류 컨베이어(33)는 구동부(34)에 의해 회전하는 샤프트(331) 및 이 샤프트(331)의 측면을 따라 돌출 형성된 스크류 날개(332)를 포함할 수 있다.
도시한 실시예에서 스크류 이송부(32)의 타단이 급속 열분해 반응기(40)의 상단에 연결되고 유동사 공급관(64)도 급속 열분해 반응기(40)의 상단에 연결되어 있다. 그러나 스크류 이송부(32)의 상기 타단과 유동사 공급관(64)은 서로 분리되어 독립적으로 열분해 반응기(40)의 상단부와 연통하고 있으며, 따라서 스크류 이송부(32)의 타단에서 배출되는 바이오매스와 합성수지의 혼합물이 유동사와 실질적으로 혼합되지 않은 채 급속 열분해 반응기(40) 내부로 곧바로 투입될 수 있으므로, 합성수지가 반응기(40) 내부로 투입되기 전에 고온의 유동사와 접촉하며 용융되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에서 혼합 공급부(30)는 스크류 이송부(32)를 냉각시키기 위한 냉각 재킷(35)을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서 냉각 재킷(35)은 스크류 이송부(32)의 외부 표면을 둘러싸도록 구성되고, 내부에 냉각유체가 흐르는 공간을 가진다. 냉각유체는 냉각 재킷(35)의 표면에 형성된 주입구(355)를 통해 주입되고 이 주입구(355) 또는 별도의 배출구(도시 생략)를 통해 배출될 수 있다.
한편 도시한 일 실시예에서 혼합 공급부(30)는 스크류 이송부(32)의 타단, 즉 급속 열분해 반응기(40)의 상단과 연결되는 단부에 배치되는 가스 차단벽(325)을 더 포함할 수 있다. 가스 차단벽(325)은 급속 열분해 반응기(40)의 상단과 연통하는 스크류 이송부(32)의 통로를 적어도 부분적으로 차단하는 역할을 가진다.
일 실시예에서 가스 차단벽(325)이 스크류 이송부(32)의 통로를 폐쇄하는 정도를 조절하기 위해 가스 차단벽(325)이 슬라이딩 가능하게 설치될 수 있다. 예를 들어 가스 차단벽(325)이 최대한 위로 상승하면 스크류 이송부(32)의 통로가 완전 개방되고 가스 차단벽(325)이 최대한 아래로 하강하면 스크류 이송부(32)의 통로가 완전 폐쇄되거나 혹은 기설정된 단면적 만큼만 개방되도록 구성할 수 있다.
일 실시예에서 이러한 가스 차단벽(325)의 이동은 바이오매스와 합성수지의 혼합물의 공급량, 급속 열분해 반응기(40) 내에서 생성되는 가스의 양 등에 따라 제어될 수 있다. 또한 대안적 실시예에서 가스 차단벽(325)은 상하 방향이 아니라 좌우 방향으로 또는 비스듬한 사선 방향으로 슬라이딩 가능하게 설치될 수도 있다.
일반적으로 합성수지가 급속 열분해 반응기(40)에 투입되기 전에 녹아버리는 이유는 섭씨 500도 부근의 온도를 가지는 반응기(40) 내부의 열에너지가 유동사 공급관(64)과 스크류 이송부(32)로 열전달되는 것도 있지만 반응기(40)의 고온의 가스가 유동사 공급관(64)과 스크류 이송부(32)로 유입되는 것도 주요한 원인이다. 냉각 재킷(35)은 반응기(40)의 열에너지의 열전달에 의해 스크류 이송부(32)가 가열되는 것을 방지할 수 있으며, 가스 차단벽(325)은 반응기(40)에서 배출되는 가스가 스크류 이송부(32)를 따라 혼합 공급부(30)측으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한 상술하였듯이 스크류 이송부(32)가 급속 열분해 반응기(40)의 상단에 연결되어 있으므로 스크류 이송부(32)에서 배출되는 바이오매스와 합성수지의 혼합물이 유동사와 접촉하여 용융되기 전 곧바로 반응기(40) 내부로 투입될 수 있으므로 합성수지가 반응기(40) 내부로 투입되기 전에 고온의 가스로 인해 용융되는 것을 방지할 수 있다.
그러므로 도시한 실시예의 혼합 공급부(30)에 따르면, 반응기(40)의 고온의 온도 환경이 스크류 이송부(32) 및 이로부터 공급되는 바이오매스와 합성수지의 혼합물에 끼치는 영향을 최대한 억제할 수 있으므로 합성수지가 반응기(40) 내에 투입되기 전에 반응기(40)의 투입구에서 녹아버려 투입구를 막는 현상을 방지할 수 있다.
다시 도2를 참조하면, 일 실시예에 따른 급속 열분해 반응기(40)는 바이오매스와 합성수지의 급속 열분해 반응을 일으켜 열분해 가스를 생성하는 장치이다. 급속 열분해 반응기(40)는 급속 열분해를 위해 섭씨 500도 가량의 온도 환경으로 제어되고 바이오매스와 합성수지의 혼합물과 유동사가 통과할 수 있도록 내부가 중공이며 소정 각도 경사져서 배치되는 배관(41)으로 형성된다.
급속 열분해 반응기(40)의 배관(41)에는 적어도 일부 표면에 반응기(40) 내부의 가열을 위한 가열장치(42)가 설치되고 배관(41)의 상부면을 따라 하나 또는 그 이상의 가스 배출구(43)가 형성되어 있다. 또한 일 실시예에서 바이오매스와 합성수지의 혼합물과 유동사가 잘 혼합되며 경사면을 흘러내릴 수 있도록 배관(41)의 내부면에 규칙적 또는 불규칙적인 돌기부가 형성될 수 있다.
급속 열분해 반응기(40) 내에서 바이오매스와 합성수지의 열분해에 의해 열분해 가스와 촤(char)가 반응 생성물로 생성된다. 열분해 가스는 하나 또는 그 이상의 가스 배출구(43)를 통해 응축기(70)로 전달되고, 촤는 유동사와 함께 반응기(40)의 하부를 통해 배출되고 이송기(50)를 통해 유동층 연소기(60)로 전달된다.
일 실시예에서 이송기(50)는 내부에 스크류 컨베이어(52)가 설치된 통형상의 이송관(51) 및 스크류 컨베이어(52)를 회전시키는 구동부(53)를 포함할 수 있다. 이송관(51)의 일단은 급속 열분해 반응기(40)의 하단부와 연통하고 타단은 유동층 연소기(60)에 연결되어 있다.
유동층 연소기(60)는 급속 열분해 반응기(40)에서 배출되는 반응 생성물(촤) 및 유동사를 공급받아 반응 생성물을 연소시키고 유동사를 유동사 공급관(64)으로 순환 공급할 수 있다. 일 실시예에서 유동층 연소기(60)는 연소로(61), 유동사 순환 통로(62), 유동사 분리기(63), 유동사 공급관(64), 및 가스 순환 통로(65)를 포함할 수 있다.
연소로(61)는 반응기(40)의 반응 생성물인 촤 및 유동사를 가열한다. 촤는 연소로(61)에서 연소되어 연소가스를 생성하고 유동사는 연소로(61)의 가열과 촤의 연소열에 의해 가열된다. 일 실시예에서 연소로(61)는 응축기(70)로부터 공급되는 비응축 가스를 열원으로 사용할 수 있다.
유동사 순환 통로(62)는 유동사의 순환 이송을 안내하는 배관이며 일단부는 연소로(61)의 상부와 연통하고 타단은 반응기(40)의 상부에 배치된 유동사 분리기(63)와 연통한다. 연소로(61)의 하부에서 상부로 공급되는 기체에 의해 유동사가 연소로(61) 상부의 순환 통로(62)를 통해 유동사 분리기(63)까지 도달할 수 있다.
유동사 분리기(63)는 연소로(61)로부터 공급받은 유동사와 연소가스를 분리하여 유동사를 반응기(40)로 공급하고 연소가스를 가스 순환 통로(65)로 배출한다. 일 실시예에서 유동사 분리기(63)는 사이클론 방식에 의해 유동사와 연소가스를 분리할 수 있다.
유동사 분리기(63)의 하부는 유동사 공급관(64)과 연통한다. 즉 유동사 공급관(64)의 상단은 유동사 분리기(63)와 연통하고 하단은 급속 열분해 반응기(40)의 상부와 연통할 수 있다. 대안적 실시예에서 유동사 분리기(63)와 유동사 공급관(64) 사이에 호퍼(도시 생략)가 더 배치될 수 있다. 이 경우 유동사 분리기(63)에서 분리된 유동사가 호퍼에 저장된 후 호퍼에서 유동사 공급관(64)으로 유동사가 공급될 수 있다.
유동사 분리기(63)에서 분리된 유동사는 유동사 공급관(64)을 통해 아래로 하강하여 반응기(40) 내로 투입되며, 따라서 유동사는 반응기(40)와 유동사 연소기(60) 사이를 계속하여 순환할 수 있다. 유동사 분리기(63)에서 분리된 연소가스는 외부로 배출될 수도 있고, 도시한 것처럼 연소로(61)에 유동기체로서 공급될 수 있다.
한편 급속 열분해 반응기(40)의 하나 또는 그 이상의 가스 배출구(43)를 통해 배출되는 열분해 가스는 응축기(70)로 전달되고, 응축기(70)는 열분해 가스를 응축시켜 바이오 원유를 생성한다.
이와 관련하여 도5는 일 실시예에 따른 응축기를 설명하기 위한 도면이다. 도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 응축기(70)는 직접 응축기(71), 간접 응축기(72), 및 충전탑(73)으로 구성할 수 있다.
직접 응축기(71)는 열분해 가스에 응축액을 직접 분사하여 열분해 가스를 응축하여 바이오 원유를 추출한다. 일 실시예에서 직접 응축기(71)는 응축통로(711), 제1 저장부(713), 제2 저장부(714), 및 순환경로(715)를 포함할 수 있다. 급속 열분해 반응기(40)의 하나 또는 그 이상의 가스 배출구(43)를 통해 응축기(70)로 전달되는 열분해 가스는 직접 응축기(71)의 가스 유입구(712)를 통해 응축통로(711)로 유입된다. 메인 응축통로(711)의 아래쪽에는 이미 응축된 바이오 원유가 제1 저장부(713)에 저장되어 있고 그 중 일부가 펌프에 의해 순환경로(715)를 따라 응축통로(711)의 상부로 공급되어 메인 응축통로(711)의 상부에서 응축액으로서 분사된다. 이에 따라 열분해 가스가 응축통로(711)를 통과하는 응축액과 접촉하며 바이오 원유로 응축된다. 응축된 바이오 원유는 응축통로(711) 하부의 제1 저장부(713)에 저장된다. 제1 저장부(713)는 예컨대 냉각수나 냉각유체에 의해 또는 냉각 코일과 같은 냉각수단에 의해 냉각될 수 있다. 또한 바이오 원유가 제1 저장부(713)의 용량을 초과하는 경우 초과된 바이오 원유가 제1 저장부(713)에 연결된 제2 저장부(714)로 흘러 들어가 저장될 수 있다.
한편 상술한 직접 응축기(71)에서 응축되지 않은 열분해 가스는 가스 배출구(716)를 통해 간접 응축기(72)로 이동한다. 간접 응축기(72)는 직접 응축기(71)에 연속적으로 연결되며, 직접 응축기(71)를 통과한 열분해 가스를 응축통로를 통과시키며 응축하여 바이오 원유를 추출한다. 일 실시예에서 간접 응축기(72)는 1개의 단일 응축기로 구성되거나 또는 2개 내지 3개가 직렬 연결된 다단 응축기로 구성될 수 있다. 도시한 실시예에서는 2개의 간접 응축기(721,722)가 직렬 연결된 형태를 도시하였다. 설명의 편의상 2개의 간접 응축기를 각각 제1 간접 응축기(721)와 제2 간접 응축기(722)로 칭하기로 한다.
일 실시예에서 제1 간접 응축기(721)는 응축통로(7211)와 저장부(7213)를 포함할 수 있다. 직접 응축기(71)의 가스 배출구(716)를 통과하여 제1 간접 응축기(721)로 유입된 열분해 가스는 응축통로(7211)를 통과하면서 응축된다. 도면에 도시하지 않았지만 일 실시예에서 응축통로(7211) 내부에는 냉각액에 지나는 냉각경로가 배치되어 있고, 열분해 가스는 응축통로(7211)의 냉각액에 의해 응축되어 바이오 원유가 생성되고 저장부(7213)에 저장된다. 제1 간접 응축기(721)의 응축통로(7211)에서 응축되지 않은 잔여 열분해 가스는 제1 간접 응축기(721)와 제2 간접 응축기(722)를 연결하는 연결관(725)를 통해 제2 간접 응축기(722)로 이송된다.
제2 간접 응축기(722)는 제1 간접 응축기(721)와 동일 또는 유사한 구조를 가질 수 있다. 도시한 실시예에서 제2 간접 응축기(722)는 응축통로(7221)와 저장부(7223)를 포함할 수 있다. 연결관(725)을 통과하여 제2 간접 응축기(722)로 유입된 열분해 가스는 응축통로(7221)를 통과하면서 냉각액에 의해 응축되어 바이오 원유가 생성되고 저장부(7223)에 저장된다. 응축통로(7221)를 통과하여 바이오 원유로 응축되고 남은 비응축 가스는 출구부(726)를 통해 간접 응축기(72) 외부로 배출된다. 이와 같이 다단의 간접 응축기(72)를 통해, 직접 응축기(71)에서 응축되지 않은 열분해 가스의 나머지가 바이오 원유로 응축될 수 있다.
간접 응축기(72)의 출구부(726)로 배출된 잔여 열분해 가스는 충전탑(73)으로 공급된다. 충전탑(73)에서는 열분해 가스를 충전물로 채워진 충전영역으로 통과시키며 응축하여 바이오 원유를 추출할 수 있다.
일 실시예에서 충전탑(73)은 통 형상의 충전탑 본체(731), 충전탑 본체(731) 내에 배치된 스크린(736), 스크린(736) 상부에 형성되는 충전 영역(735), 열분해 가스를 공급하는 열분해 가스 공급관(732), 충전탑 본체(731)의 하부에 형성된 바이오 원유를 저장하는 저장부(738), 및 가스를 배출하는 배출구(733)을 포함할 수 있다.
스크린(736)은 통 형상의 충전탑 본체(731) 내에서 가로로 배치되며 스크린(736) 상부에 충전물(737)이 채워진 충전 영역(735)이 형성된다. 스크린(736)은 열분해 가스가 통과할 수 있지만 충전물(737)은 통과할 수 없는 격자 크기를 갖는 메쉬 형태의 부재일 수 있다.
충전물(737)은 높은 표면적과 공극률을 갖는 직경 수 밀리미터 내지 수 센티미터의 입자 구조물로서 예컨대 플라스틱이나 금속 등의 재질로 만들어진다. 충전물(737)은 스크린(736)에 의해 충전탑(73) 내에 지지된다. 열분해 가스 공급관(732)의 일단은 간접 응축기(72)의 출구부(726)와 연결되며 타단은 스크린(736) 하부에 위치하고 다수의 분출구가 형성되어 있다.
열분해 가스 공급관(732)은 간접 응축기(72)에서 배출되는 열분해 가스를 유입받아 스크린(736) 하부의 분출구를 통해 가스를 분출하고, 분출된 열분해 가스는 충전 영역(735)을 통과하며 상방으로 이동되면서 충전물(737)의 표면과 접촉하며 응축되어 바이오 원유를 생성한다. 충전물(737) 표면에서 응축된 바이오 원유는 아래로 하강하여 저장부(738)에 저장되고, 충전 영역(735)을 통과한 잔여 가스는 배출구(733)를 통해 충전탑 본체(731)의 외부로 배출된다.
이상과 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면 응축기(70)를 직접 응축기(71), 1 내지 3단의 간접 응축기(72), 및 충전탑(73)으로 구성하며 이러한 구성에 의해 열분해 가스로부터 포집하는 바이오 원유의 수율을 극대화할 수 있다.
일반적으로 간접응축기의 후단으로 갈수록 응축되어 포집되는 바이오 원유의 양이 감소하기 때문에 간접 응축기를 일정 개수 이상 설치하는 것은 비효율적이다. 본 발명에서는 간접 응축기(72)를 최대 3단까지만 구성하고 그 후단에 간접 응축기 대신 충전탑(73)을 설치함으로써 직접 및 간접 응축기에서 응축되지 않았던 열분해 가스 성분이 충전탑(73)의 충전물 사이를 지나면서 응축을 위한 체류시간을 증가시켜 바이오 원유 수율을 극대화할 수 있다.
더욱이 충전탑(73)을 설치함으로써 바이오 원유 수율 향상 효과뿐 아니라 비응축 가스 내 잔여 물질을 제거하는 효과를 얻을 수 있다. 급속 열분해를 통하여 생성된 열분해 가스는 다단 응축기에서 모두 응축되지는 않으며, 이러한 비응축 가스는 주로 CH4, C2H6 등의 가벼운 탄화수소 및 CO, CO2, H2 등의 가스로 구성되어 있으나 타르로 응축될 수 있는 분자량이 큰 잔여 물질도 일부 포함되어 있다. 이러한 잔여 성분은 송풍기 팬 및 배관에 타르를 형성하여 부착되고 팬 성능저하 및 배관 오염의 문제를 일으킨다. 그러나 본 발명의 구성과 같이 충전탑을 설치하면 바이오 원유 수율 향상 효과뿐 아니라 비응축 가스 내의 잔여 물질까지 최대한 제거할 수 있는 효과가 있어 송풍기 및 배관의 타르 생성이 크게 감소하고 이에 따라 운전 안정성이 향상되는 장점도 있다.
이와 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 합성수지 전처리부 20: 바이오매스 저장부
30: 혼합 공급부 40: 급속 열분해 반응기
50: 이송기 60: 유동층 연소기
70: 응축기

Claims (10)

  1. 바이오매스와 합성수지의 혼합 열분해에 의해 바이오 원유를 제조하는 시스템으로서,
    바이오매스와 합성수지의 열분해 반응이 이루어지는 급속 열분해 반응기(40);
    상기 급속 열분해 반응기의 상단부에 연결되며 상기 급속 열분해 반응기 내부로 고온의 유동사를 공급하는 유동사 공급관(64);
    상기 급속 열분해 반응기의 상단부에 연결되며 상기 급속 열분해 반응기 내부로 바이오매스와 합성수지의 혼합물을 공급하는 혼합 공급부(30);
    상기 급속 열분해 반응기에서 배출되는 반응 생성물 및 유동사를 공급받아 상기 반응 생성물을 연소시키고 상기 유동사를 상기 유동사 공급관(64)으로 순환 공급하는 순환 유동층 연소기(60); 및
    상기 급속 열분해 반응기에서 발생되는 열분해 가스를 응축하여 바이오 원유를 생성하는 응축기(70);를 포함하고,
    상기 혼합 공급부(30)가,
    바이오매스 및 합성수지의 혼합물을 수용하는 호퍼(31);
    일단이 상기 호퍼(31)의 하부와 연결되고 타단이 상기 급속 열분해 반응기의 상단부에 연결되며 내부에 이송 스크류(33)가 설치된 스크류 이송부(32); 및
    상기 스크류 이송부(32)의 외부 표면을 둘러싸며 내부에 냉각유체가 흐르는 공간을 갖는 냉각 재킷(35)을 포함하고,
    상기 바이오매스와 합성수지의 혼합물과 상기 유동사가 독립적으로 상기 급속 열분해 반응기(40) 내부로 공급된 후 상기 급속 열분해 반응기 내에서 상기 혼합물과 유동사가 혼합되도록 구성된 것을 특징으로 하는 바이오 원유 제조 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 공급부(30)가, 상기 이송 스크류(33)를 회전시키는 구동부(34)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 원유 제조 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 바이오매스와 합성수지의 혼합물이 상기 급속 열분해 반응기에 공급되는 경로와 상기 유동사가 상기 급속 열분해 반응기에 공급되는 경로가 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 원유 제조 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 혼합 공급부(30)가, 상기 급속 열분해 반응기의 상단과 연결되는 단부에 배치되는 가스 차단벽(325)을 더 포함하고,
    상기 가스 차단벽은 급속 열분해 반응기의 상단과 연통하는 상기 스크류 이송부의 통로를 적어도 부분적으로 차단하도록 구성된 것을 특징으로 하는 바이오 원유 제조 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    소정 크기 이하로 파쇄된 합성수지를 상기 혼합 공급부(30)의 상기 호퍼(31)로 공급하는 합성수지 전처리부(10)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 원유 제조 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 합성수지 전처리부(10)가,
    합성수지를 파쇄하는 파쇄부(12);
    파쇄된 합성수지를 섭씨 100도 내지 120도 환경하에서 소정시간 가열하는 가열건조부(13); 및
    상기 가열건조부에서 배출되는 합성수지 중 상기 소정 크기 이하의 합성수지만 통과시키는 체(14);를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 원유 제조 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 합성수지가 폴리스티렌인 것을 특징으로 하는 바이오 원유 제조 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 체의 격자 크기가 1 내지 수 밀리미터인 것을 특징으로 하는 바이오 원유 제조 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 응축기(70)가,
    상기 열분해 가스에 응축액을 직접 분사하여 상기 열분해 가스를 응축하여 바이오 원유를 추출하는 직접 응축기(71);
    상기 직접 응축기를 통과한 열분해 가스를 응축통로를 통과시키며 응축하여 바이오 원유를 추출하는 간접 응축기(72); 및
    상기 간접 응축기를 통과한 열분해 가스를 충전물로 채워진 충전영역으로 통과시키며 응축하여 바이오 원유를 추출하는 충전탑(73);을 포함하고,
    상기 간접 응축기(72)가 1개의 단일 응축기로 구성되거나 또는 2개 또는 3개가 직렬 연결된 다단 응축기로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오 원유 제조 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 충전탑(73)이,
    통 형상의 충전탑 본체(731);
    하부에 스크린(736)이 배치되고 충전물(737)로 채워진 충전 영역(735);
    상기 간접 응축기(72)에서 배출되는 열분해 가스를 상기 충전 영역(735)의 하부로 공급하는 열분해 가스 공급관(732);
    상기 충전 영역(735)을 통과하며 응축된 바이오 원유를 저장하는 저장부(738); 및
    상기 충전 영역(735)을 통과한 가스를 상기 본체(731) 외부로 배출하는 배출구(733);를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 원유 제조 시스템.
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