KR102014673B1 - 마이크로웨이브 유전가열을 이용한 반탄화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브 기반의 유전가열을 이용하여 4면 모두를 입체로 가열하여 온도 분포를 일정하게 유지함으로써 목재, 하수슬러지 등을 반탄화 품질을 개선할 수 있는 반탄화장치에 관한 것으로, 내부공간을 형성하고, 원통형상으로 회전 가능하면서, 일측으로 투입구(10)가 형성되고, 타측으로 유출구(30)가 형성된 챔버(100); 상기 챔버(100)에서 마이크로웨이브를 생성하여 조사하는 마그네트론(40); 상기 챔버(100)의 내벽을 따라 형성된 유전체벽면(60);을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 유전체벽면(60)은 PZT 단결정일 수 있고, 상기 챔버(100)의 내부에는 유전체를 포함하여 구성되는 유전체배플(50)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치로 구성되어 있다.

Description

마이크로웨이브 유전가열을 이용한 반탄화장치{Torrefaction system using a microwaves and dielectric heating}

본 발명은 반탄화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로웨이브 기반의 유전가열을 이용하여 4면 모두를 입체로 가열하여 온도 분포를 일정하게 유지함으로써 목재, 하수슬러지 등을 반탄화 품질을 개선할 수 있는 반탄화장치에 관한 것이다.

최근 목재, 하수슬러지, 커피찌꺼기, 왕겨 등 바이오 부산물을 고품질의 연료로 개선하기 위하여, 반탄화를 통해 수분을 제거하면서 가연성분의 함량을 증대할 수 있는 반탄화 기술이 개발되고 있다. 반탄화 장치는 산소의 농도를 최소화하면서, 온도를 일정하게 유지시켜 탄소의 함량을 일정하게 만들어주는 것이 중요하며, 이를 위해서는 무엇보다 반응로 전체의 온도를 특정 범위로 유지하는 것이 핵심이다. 통상적으로 이용되는 반탄화 장치는 로터리킬른, 스크류컨베이어벨트 등이 있으며, 상기 로터리킬른 반응로는 회전축을 중심으로 회전하는 드럼에 바이오매스(예 : 나무, 목재 칩, 폐목재 등)를 투입하고, 드럼 주위를 가열하여 탄소의 농도를 일정하게 구성하는 공정으로, 가열을 위하여 열풍을 이용하는 것이 일반적이다, 상기 로터리킬른 반응로는 드럼의 속도, 길이, 설치 각도 등을 조절하여 드럼내 체류시간을 용이하게 조절하 수 있으며 다양한 크기의 목재칩을 수용할 수 있다는 장점이 있으나, 열풍로를 이용하여 열풍의 유동경로가 정해져 있어, 반응로내 온도 분포가 균일하지 못하여, 반탄화 품질을 일정하게 관리하는 것에 어려움이 있다. 결과적으로, 이러한 열풍에 의한 반탄화는 가열 영역이 협소하여 특정영역만 국부 가열되기 때문에 챔버내에서 온도차가 크고, 열풍을 만들기 위한 많은 에너지(전기 또는 유류)가 소비될 수 있으며, 반탄화에 사용된 뜨거운 열풍이 그대로 배출됨으로써 에너지 낭비가 컸다. 이러한 문제는 로터리킬른 반응로 뿐만 아니라, 스크류 컨베이어벨트 반응로에서도 동일하게 나타나는 것으로, 열풍로를 이용한 가열기술의 단점으로 지적되고 있다. 이외에도 마이크로파를 이용하는 기술도 개시되어 있으나, 이 경우, 단순히 마이크로웨이브만을 이용하기 때문에 대용량 장치에 적용하는 것이 어렵고, 특히, 에너지 경비의 측면에서 어려움을 극복하는 것에 문제가 있는 것으로 알려져 있다.

대한민국 특허공개번호 제10-2012-0011852호 대한민국 특허공개번호 제10-2015-0176883호 일본 특허등록번호 제6233910호 한국 특허등록번호 제1041171호

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반응로 내의 넓은 면적을 균일하게 가열하여 바이오매스를 반탄화할 수 있는 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치를 제공하는 것에 목적이 있다.

이를 위하여, 단순히 마이크로웨이브만을 이용한 가열이 아니라, 반응로 전체를 균일하게 입체적으로 가열하면서 경제성을 개선할 수 있는 반탄화 장치를 제공하는 것에 목적이 있다.

다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치는 내부공간을 형성하고, 원통형상으로 회전 가능하면서, 일측으로 투입구(10)가 형성되고, 타측으로 유출구(30)가 형성된 챔버(100); 상기 챔버(100)에서 마이크로웨이브를 생성하여 조사하는 마그네트론(40); 상기 챔버(100)의 내벽을 따라 형성된 유전체벽면(60);을 포함하여 구성된다.

여기에서, 상기 유전체벽면(60)은 PZT 단결정을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 챔버(100)의 내부에는 유전체를 포함하여 구성되는 유전체배플(50)이 더 형성될 수 있다. 특히, 상기 유전체배플(50)은 유입구(10)에서 유출구(30)의 방향으로 경사져 있는 것을 특징으로 한다.

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또한, 본 발명의 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치에서 상기 마그네트론(40)은 대응하는 방향의 유전체벽면(60)을 향하여 조사되는 것을 특징으로 하며, 투입되는 원료물질은 목재칩 또는 하수슬러지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 특정 영역에만 국부 가열되는 기존 열풍로 기반 가열수단의 단점을 해소하고, 넓은 영역을 동시에 입체적으로 가열이 가능하다. 또한, 열원으로 마그네트론을 이용하는 마이크로웨이브 방사와 이를 통해 가열되는 유전체를 적용하여, 열손실이 적고 반응시간이 신속하다는 장점이 있다. 이로 인해, 열효율을 개선하여, 반탄화된 고형바이오매스의 품질과 경제성을 확보할 수 있다.

다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치의 개략도를 나타낸다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

실시예의 구성과 동작

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다. 먼저, 본 발명에서 반탄화(半炭化, Torrefaction)란 연소가 일어나지 않도록 산소가 없는 환경에서 목재에 열을 가하여 유분, 수지, 송진, 당분 등을 제거하고, 또한 특정 온도에서 적절한 시간 동안 목재를 가열하여 접착제 역할을 하는 목질소(Lignin)를 재배치한 것이다. 따라서, 반탄화 과정을 거친 목재는 그 성질이 변화되고 질량이 가벼워진다. 보다 구체적으로는, 건식 반탄화 연료란 목재를 무산소 환경에서 200℃ ~ 300℃로 가열하여 숯과 장작의 중간물질 형태를 갖는 것이다. 이러한 반탄화 연료는 기존의 목재 연료에 비해 작은 부피, 우수한 발열량과 분쇄성, 물에 잘 젖지 않으면서 저장과 사용에 유리한 특징이 있다. 특히, 낙엽송과 백합나무를 열처리하여 반탄화 목재로 만들었을 때, 발열량이 각각 13%와 19% 증가한다. 그리고, 투입 대비 산출을 나타내는 전체 에너지 수율도 90% 이상의 매우 높은 수준을 보여준다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치는 유입구(10) 및 상기 유입구(10)를 구비한 챔버(100)로 구성되며, 상기 챔버(100)는 기본적으로 원통형의 형상이고, 구동부(20)를 통해 회전이 가능하도록 만들어져, 상기 유입구(10)를 통해 내부로 유입된 목재칩 및 하수슬러지 등의 원료물질이 내부에서 회전하여 분산되거나 또는 혼합되도록 구성되어 있다. 원통형상의 드럼을 회전시키는 것은 로터리 킬른 등에서 채용되는 일반적으로 것으로 모터를 통해 이루어지는 바, 본 발명에서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치에서, 상기 챔버(100)는 유입구(10)로부터 투입되어 반탄화가 완료된 고형 바이오매스를 외부로 배출하는 유출구(30) 및 마이크로웨이브를 발생시켜 챔버(100) 내부로 조사하는 마그네트론(40), 상기 조사되는 마이크로웨이브로 인해 온도가 올라가는 유전체로 구성된 유전체벽면(60)를 내장하고 있다.

상기 마그네트론(120)은 챔버(140) 내부중 천정 영역이나 측면 영역에 설치할 수 있고, 마이크로웨이브(130)를 생성하여 챔버(140)를 내부를 향해 조사한다. 마그네트론(120)은 이송중인 바이오매스(165)를 향해 직접적으로 마이크로웨이브(130)를 조사할 수도 있으나, 유전체(180)를 향해 조사하여 내부를 균일하게 가열하도록 하는 것이 더 바람직하다. 보다 구체적으로, 마그네트론(120)은 300 MHz ~ 300 GHz의 마이크로웨이브(130)(전자파)를 생성하며, 대체적인 동작주파수는 2.45 GHz 이다.

본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치의 중요한 특징 중 하나는 상기 마그네트론(40)으로부터 조사된 마이크로웨이브를 이용하여 유전체로 구성된 벽면이 높은 온도로 가열되어 발열함으로써, 반응로 전체가 입체적으로 발열한다는 것에 있다. 상기의 기능은 고주파 전기장 속에 놓인 절연물 내에 발생하는 유전체 손실을 이용하는 유전가열의 원리를 이용한 것으로, 본 발명에서는 유전체로, 활성탄 또는 PZT를 이용하고 있으나, 기본적으로 유전 특징을 가지고 있는 물질은 모두 이용이 가능하다. 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치에서는 활성탄 또는 PZT 로 상기 챔버(100)의 내벽을 구성하거나 코팅하였으며, 이 경우, 상기 마그네트론(40)으로부터 조사되는 마이크로웨이브로 인해 200도 내지 300도의 온도범위로 가열되는 것으로 나타났다. 특히, 본 발명에서 이용되는 PZT 는 Pb(Zr(x)Ti(1-x))O3 로 구성되는 대표적인 압전 재료로서, 분말상으로 구성되어 코팅 등이 용이한 특징을 가지고 있다. 본 발명에서는 상기 PZT 이외에도 활성탄을 이용해서도 챔버(100)의 내벽을 코팅하였으며, 이 경우에도 유사한 성능을 나타내었다.

본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치에서는 유입구(10)로부터 목재칩 또는 하수슬러지가 챔버(100)내로 투입되며, 상기 투입단계가 완료된 후, 챔버(100)내의 원료물질(목재칩 또는 하수슬러지)이 혼합되면서, 고르게 반탄화가 이루어질 수 있도록 상기 챔버(100)는 회전하게 된다. 이때, 챔버(100)의 형상은 다각형으로 구성될 수도 있으나, 상기와 같이 회전에 의해 챔버(100) 내부의 원료물질이 혼합되면서, 반탄화가 고르게 이루어질 수 있도록 회전이 용이한 원통형인 것이 바람직하다. 원료물질의 투입 후, 챔버(100) 내부의 원료물질이 혼합되면서 고르게 반탄화가 이루어지도록 상기 챔버(100)는 회전하게 되며, 챔버의 회전이 시작되면서, 마그네트론(40)으로부터 마이크로웨이브가 조사되면서, 유전체가 가열되기 시작한다. 실제 운전에서는 원료물질의 투입 단계 이전에, 챔버(100)의 회전이 시작되기 이전에 마그네트론(40)으로부터 마이크로웨이브가 조사되면서, 반탄화를 위한 적정 온도인 200도 내지 300도의 범위로 온도가 설정되어 있는 것이 바람직하다. 상기와 같이 마그네트론(40)으로부터 마이크로웨이브가 조사될 때, 조사된 마이크로웨이브는 챔버(100) 내부의 원료물질에도 조사되지만, 내부 벽면에 위치하는 유전체벽면(60)에도 조사되어 유전체벽면의 온도가 올라가게 되며, 이때 유전체벽면의 온도는 200도 내지 300도 범위로 조정될 수 있다. 챔버(100) 내부 벽면을 구성하는 유전체벽면은 바륨 계열 등 유전가열이 가능한 물질은 모두 이용될 수 있으며, 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용하는 반탄화장치에서는 활성탄 또는 PZT 분말을 상기 챔버(100) 내부 벽면에 코팅하여 구성되었다. 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용하는 반탄화장치에서 원료물질은 상기에 기재된 바와 같이, 목재칩 또는 하수슬러지가 이용될 수 있으며, 이 경우, 원료물질의 투입은 챔버(100) 전체 볼륨의 60% 미만을 차지하도록 하여, 회전하는 챔버(100)의 내부에서 유동이 가능하도로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서와 같이,반탄화 반응에서는 온도를 특정 범위로 조정하는 것과 산소의 농도를 최소화하여 무산소 상태에서 가열하는 것이 필요하며, 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용하는 반탄화장치에서는 펌프(미도시)와 연결된 가스배출구(80)를 통해 챔버(100) 내부의 공기를 외부로 배출함으로써, 무산소 조건을 조정하고 있다. 또한, 필요시에는 가스유입구(70)를 통해 질소 등의 가스를 주입함으로써, 챔버(100) 내부의 공기 배출을 용이하게 할 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용하는 반탄화장치에서, 또 한가지의 중요한 특징은 도 1에 나타난 유전체배플(50)에 있다. 반탄화의 품질은 반탄화가 일어나는 반응챔버 내부의 온도의 균일성에 큰 영향을 받게 되며, 열풍로 가열의 단점 역시 유입구와 유출구를 중심으로 온도 분포의 불균일성이 심화되어 반탄화 품질에 부정적인 영향을 주게된다는 점에 있다. 마이크로웨이브 가열의 중요한 장점은 열풍로 가열과 같은 특정 방향에서부터 가열이 일어나는 것이 아니라, 상하좌우 4면 전체에서 입체적인 가열이 일어난다는 점에 있으며, 본 발명은 이에 더하여 유전가열을 통해 상기의 입체가열의 효율성을 개선한 것이 특징이다. 이때, 이러한 입체가열의 장점을 극대화시키기 위해서는 마이크로웨이브를 조사하는 마그네트론(40)이 적어도 2개 이상 구성되는 것이 필요하며, 이와 함께 마그네트론(40)으로부터 조사된 마이크로웨이브에 의해 유전가열을 발생시키는 유전체가 많을수록 입체가열의 효율은 증진될 수 있다. 이를 위하여 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용하는 반탄화장치는 상기에 기재된 유전체벽면(60)과 함께 유전체배플(50)을 구성하고 있다. 상기 유전체배플(50)은 두께가 얇아서 휘어질 수 있는 알루미늄, 철, 탄소섬유 등의 판상의 기재에 활성탄 또는 PZT 등의 유전물질이 코팅되어 구성되며, 상기 마그네트론(40)으로부터 조사된 마이크로웨이브에 의해 가열되어 발열될 수 있는 특징을 가진다. 이때, 중요한 특징은 상기 유전체배플(50)은 휘어질 정도로 얇게 구성되어 챔버(100) 내부로 투입되는 목재칩 또는 하수슬러지의 유동에 따라 함께 움직임으로써 목재칩 또는 하수슬러지의 혼합을 방해하지 않으면서, 발열체로써 기능하여 상기 목재칩 또는 하수슬러지와의 접촉 면적을 증대하는 것에 있다. 도 1에 나타난 본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용하는 반탄화장치의 일 실시예를 살펴보면, 상기 유전체배플(50)은 유입구(10)에서부터 유출구(30)로 챔버(100) 내부로 투입된 원료물질이 이동하는 방향으로 경사지게 구성되어, 원료물질의 이동을 방해하지 않으면서, 목재칩 또는 하수슬러지 등 원료물질과의 접촉시 휘어져 원료물질간의 혼합을 저해하지 않도록 구성되어 있다.

본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용하는 반탄화장치에서 원료물질은 나무, 목재칩, 폐목재, 커피찌꺼기, 야자껍질, 하수슬러지 등 반탄화가 가능한 것이라면 어떤 것이라도 투입될 수 있다.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

100 : 챔버,
10 : 유입구,
20 : 구동부,
30 : 유출구,
40 : 마그네트론,
50 : 유전체배플,
60 : 유전체벽면,
70 : 가스유입구,
80 : 가스배출구

Claims (7)

1. 내부공간을 형성하고, 원통형상으로 회전 가능하면서, 일측으로 투입구(10)가 형성되고, 타측으로 유출구(30)가 형성된 챔버(100);
   상기 챔버(100)에서 마이크로웨이브를 생성하여 조사하는 마그네트론(40);
   상기 챔버(100)의 내벽을 따라 형성된 유전체벽면(60); 및
   상기 챔버(100)의 내부에 형성되고, 유전체를 포함하여 구성된 유전체배플(50);을 포함하고,
   상기 유전체배플(50)은 상기 챔버(100) 내부로 투입되는 원료물질과 접촉시 휘어질 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 유전체벽면(60)은 PZT 단결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치.
   
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 유전체배플(50)은 유입구(10)에서 유출구(30)의 방향으로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 마그네트론(40)은 대응하는 방향의 유전체벽면(60)을 향하여 조사되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 원료물질은 목재칩 또는 하수슬러지를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 반탄화장치.

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