(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給されたバイオマスが重力によって下側にスライディング移動するように形成された傾斜部が備えられた反応器と、
前記反応器の上部に備えられ、前記傾斜部に前記バイオマスを供給したときに重力によって前記バイオマスが前記傾斜部に沿って滑り出して移動するように設置されたバイオマス供給機と、
前記反応器の上部に供給された前記バイオマスが前記傾斜部に沿って移動する間に高温の流動砂を前記バイオマスの上面に供給し、前記バイオマスおよび前記流動砂が共に接触して前記流動砂の熱によって前記バイオマスが熱分解されるように設置された流動砂供給機と、
前記傾斜部を加熱させ、前記傾斜部に沿って下側に移動する前記バイオマスを急速熱分解させる加熱器と、を含むバイオオイル製造装置。
【請求項２】
前記反応器の上部には、前記バイオマスの急速熱分解過程で生成したガスを排出させる少なくとも１つのガス排出口が形成される請求項１に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項３】
前記反応器には、前記バイオマスの急速熱分解過程を観察するための透明窓が備えられる、請求項１に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項４】
前記透明窓は、前記傾斜部と対向するように配置された側面部に互いに複数が離隔するように配置される請求項３に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項５】
前記反応器には、前記バイオマスの急速熱分解過程時に内部温度を感知するための温度感知センサが備えられる請求項１に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項６】
前記温度感知センサは、前記傾斜部と対向するように配置された側面部に互いに複数が離隔するように配置される、請求項５に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項７】
前記反応器の傾斜部には、前記加熱器が提供する熱の供給を受けて前記傾斜部に均一に伝達する熱伝達部が備えられる請求項１に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項８】
前記加熱器は前記熱伝達部に高温の熱風を提供し、前記熱伝達部は前記熱風が通過する通路形状に形成され、
前記熱伝達部の下部には前記熱風が吸入する熱風吸入口が形成され、前記熱伝達部の上部には前記傾斜部を加熱した熱風が排出される熱風排出口が形成される請求項７に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項９】
前記反応器の傾斜部または前記熱伝達部のうちの少なくとも１つには、前記熱風との熱伝達性能を高めるための熱伝達構造物が形成される請求項８に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項１０】
前記反応器の傾斜部には、前記傾斜部を加熱して前記バイオマスの反応温度を調節する補助加熱器が備えられる請求項１に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項１１】
前記流動砂供給機には、前記流動砂を加熱して前記流動砂の温度を調節する流動砂加熱器が備えられる請求項１に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項１２】
前記バイオマス供給機には、前記バイオマスの凝固を防ぐ凝固防止機構が備えられる請求項１に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項１３】
前記凝固防止機構は、
前記バイオマス供給機の内部に移動可能に配置され、前記バイオマス供給機の外側に一端が貫通するように配置された棒部と、
前記棒部に突出するように形成され、前記棒部の移動時に前記バイオマスの凝固状態を解消する複数の突起部と、
前記棒部の一端に連結し、前記棒部を往復移動させる駆動部と、を含む、請求項１２に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項１４】
前記棒部は、前記反応器の上部と連結した部位に配置される請求項１３に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項１５】
前記突起部は、前記棒部から前記反応器に向かって突出するように形成され、
前記突起部の端部は、前記棒部と前記突起部の長さ方向に交差する方向に折り曲げられる請求項１３に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項１６】
前記反応器の上部に備えられ、前記流動砂供給機から供給される流動砂の上面に可燃性の高分子化合物質を供給する高分子化合物供給機をさらに含む、請求項１に記載のバイオオイル製造装置。
【請求項１７】
供給されたバイオマスが重力によって下側にスライディング移動するように形成された傾斜部が備えられた反応器と、
前記反応器の上部に備えられ、前記傾斜部に前記バイオマスを供給したときに重力によって前記バイオマスが前記傾斜部に沿って滑り出して移動するように設置されたバイオマス供給機と、
前記反応器の上部に供給された前記バイオマスが前記傾斜部に沿って移動する間に高温の流動砂を前記バイオマスの上面に供給し、前記バイオマスおよび前記流動砂が共に接触して前記流動砂の熱によって前記バイオマスが熱分解されるように設置された流動砂供給機と、
前記傾斜部を加熱させ、前記傾斜部に沿って下側に移動する前記バイオマスを急速熱分解させる加熱器と、
前記反応器の内部で発生したガスを受け取り、前記ガスに含まれている固形物を除去するサイクロン機構と、
前記サイクロン機構で固形物が除去されたガスを凝縮させてバイオオイルを抽出する凝縮器と、
前記加熱器から排出される燃焼ガスを後処理し、前記燃焼ガス内の有害物質を除去する後処理機構と、
前記後処理機構で後処理された前記燃焼ガスの成分を分析するガス分析器と、を含むバイオオイル製造システム。
【請求項１８】
前記加熱器は、前記凝縮器で非凝縮のガスおよび前記反応器から排出したチャーと流動砂を燃焼させ、
前記流動砂供給機は、前記加熱器で加熱された流動砂の供給を受け、
前記反応器は、前記加熱器で発生した熱風の供給を内部に受ける請求項１７に記載のバイオオイル製造システム。
【請求項１９】
前記反応器の下部と前記加熱器の間に備えられ、前記反応器から排出するチャーと流動砂を前記加熱器に伝達するコンベア機構をさらに含む請求項１７に記載のバイオオイル製造システム。
【請求項２０】
前記反応器の傾斜部には、前記加熱器が提供する熱の供給を受けて前記傾斜部に均一に伝達する熱伝達部が備えられる請求項１７に記載のバイオオイル製造システム。
【請求項２１】
前記反応器または前記熱伝達部から排出する廃熱を利用して前記加熱器に供給される空気を予熱させる予熱器をさらに含む請求項２０に記載のバイオオイル製造システム。
【請求項２２】
前記サイクロン機構は、前記ガスの処理時にバイオオイルが凝縮しないように内部温度の低下を防ぐ保温構造が備えられる請求項１７に記載のバイオオイル製造システム。
【請求項２３】
前記凝縮器は、
前記サイクロン機構で固形物が除去されたガスを中温で凝縮させる中温凝縮器と、
前記中温凝縮器で非凝縮のガスを電気集塵する電気集塵機と、
前記電気集塵機で集塵されたガスを低温で凝縮させる低温凝縮器と、を備える請求項１７に記載のバイオオイル製造システム。
【請求項２４】
前記反応器、前記バイオマス供給機、前記流動砂供給機、前記加熱器、前記サイクロン機構または前記凝縮器のうちの少なくとも１つは、前記ガス分析器の分析値に応じて作動が調節される請求項１７に記載のバイオオイル製造システム。
【請求項２５】
前記反応器の上部に備えられ、前記流動砂供給機から供給される流動砂の上面に可燃性の高分子化合物質を供給する高分子化合物供給機をさらに含む請求項１７に記載のバイオオイル製造システム。
【請求項２６】
反応器の側面部に形成された傾斜部にバイオマスを供給するバイオマス供給段階と、
前記傾斜部に供給されたバイオマスの上面に高温の流動砂を供給する流動砂供給段階と、
前記傾斜部を加熱し、前記傾斜部に沿って下側に移動する前記バイオマスを急速熱分解させる急速熱分解段階と、
前記バイオマスの急速熱分解過程で発生するガスを受け取り、前記ガス内の固形物を除去するサイクロン段階と、
前記サイクロン段階で固形物が除去されたガスを凝縮させ、前記ガスからバイオオイルを抽出する凝縮段階と、
前記凝縮段階で非凝縮のガスおよび前記急速熱分解段階で生成したチャーと流動砂を燃焼させる燃焼段階と、
前記燃焼段階で再生された高温の流動砂を前記流動砂供給段階に移す流動砂回収段階と、
前記燃焼段階で発生した熱風を前記反応器の内部に供給する熱風供給段階と、
前記燃焼段階で発生した燃焼ガスをろ過させ、前記燃焼ガスに含まれている有害物質を除去する後処理段階と、
前記後処理段階で後処理された前記燃焼ガスの成分を分析するガス分析段階と、
前記ガス分析段階で分析された前記燃焼ガスの成分に応じ、前記バイオマス供給段階、前記流動砂供給段階、前記急速熱分解段階、前記サイクロン段階、前記凝縮段階、前記熱風供給段階のうちの少なくとも１つの作動を調節する作動調節段階と、を含むバイオオイル製造方法。
【請求項２７】
前記急速熱分解段階では、前記燃焼段階で発生した熱を利用して前記傾斜部を加熱する請求項２６に記載のバイオオイル製造方法。
【請求項２８】
前記燃焼段階では、前記急速熱分解段階で捨てられる廃熱を利用して燃焼時に用いられる外部空気を予熱する請求項２６に記載のバイオオイル製造方法。
【請求項２９】
前記凝縮段階は、
前記サイクロン段階で固形物が除去されたガスを中温で凝縮させ、前記ガスから高分子量のバイオオイルを抽出する中温凝縮過程と、  前記中温凝縮過程で非凝縮のガスを電気集塵し、前記ガスに含まれている液滴状態の前記バイオオイルを捕集する電気集塵過程と、
前記電気集塵過程で電気集塵されたガスを低温で凝縮させ、前記ガスから低分子量のバイオオイルを抽出する低温凝縮過程と、を備える請求項２６に記載のバイオオイル製造方法。
【請求項３０】
前記流動砂供給段階で供給された前記流動砂の上面に可燃性の高分子化合物質を供給する高分子化合物供給段階をさらに含む請求項２６に記載のバイオオイル製造方法。
【請求項３１】
前記反応器には、前記バイオマスの急速熱分解過程時に内部温度を感知する温度感知センサが備えられ、前記傾斜部を選択的に加熱する補助加熱器が備えられ、
前記急速熱分解段階では、前記温度感知センサの感知値が設定温度未満であれば、前記補助加熱器を作動させる請求項２６に記載のバイオオイル製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオオイル製造装置、バイオオイル製造システムおよびバイオオイル製造方法に関し、より詳細には、急速熱分解方法を利用してバイオマスからバイオオイルを効果的に生産することができるバイオオイル製造装置、バイオオイル製造システムおよびバイオオイル製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、化石燃料は、環境汚染を誘発させる上に埋蔵量にも限界があるものとして知られている。したがって、各国では、化石燃料を代替する新材生エネルギー（renewable energy）の開発に多くの努力を注いでいる。
【０００３】
新材生エネルギーは、水素、燃料電池、石炭ガス化のような新エネルギーと、太陽エネルギー、風力、水力、廃棄物、海洋、バイオマスおよび地熱のような再生エネルギーとに区分することができる。最近では、リグノセルロース系バイオマスを利用してバイオオイルを生産する技術が活発に進められている。
【０００４】
バイオオイルは、リグノセルロース系バイオマスを急速熱分解または高温高圧加水分解などの方法を適用して生産した重油と類似した液体燃料である。特に、急速熱分解方法は、バイオオイルの収率を最も高めることができる熱分解技術である。しかし、急速熱分解方法は、反応時間を極めて短く維持させる正確性を必要とする技術であり、反応温度幅も比較的狭い方である。
【０００５】
具体的に説明すれば、急速熱分解を利用したバイオオイルの製造方法は、バイオオイルの収率を高めるために反応界面において高い熱伝達率が必要となるため、材料のサイズを小さくしなければならず、反応温度を５００℃および蒸気状態の温度を４００℃〜４５０℃程度で精密に制御しなければならない。さらに、生成物が蒸気状態で存在する時間が約２秒以内となるように制御し、蒸気は短時間内に冷却させなければならない。これだけでなく、チャー（char：炭化物質）は蒸気状態の生成物を分解する触媒機能を行うため、迅速に分離除去することが必要となる。
【０００６】
しかし、このような条件をすべて満たす急速熱分解技術は実用化されておらず、バイオオイルを高い収率で製造することができる急速熱分解タイプの製造システムを開発する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、バイオマスを急速熱分解させてバイオオイルを高い収率と効率で製造することができるバイオオイル製造装置、バイオオイル製造システム、およびバイオオイル製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、バイオマスを急速熱分解させる構造が極めて容易に構成されるだけでなく、低廉な費用で簡単に製作することができるバイオオイル製造装置、バイオオイル製造システム、およびバイオオイル製造方法を提供することを他の目的とする。
【０００９】
さらに、本発明は、バイオオイルの製造時の費用とエネルギーの節減、および品質の向上を図ることができるバイオオイル製造装置、バイオオイル製造システム、およびバイオオイル製造方法を提供することをさらに他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、供給されたバイオマスが重力によって下側にスライディング移動するように形成された傾斜部が備えられた反応器、前記反応器の上部に備えられ、前記傾斜部に前記バイオマスを供給したときに重力によって前記バイオマスが前記傾斜部に沿って滑り出して移動するように設置されたバイオマス供給機、前記反応器の上部に供給された前記バイオマスが前記傾斜部に沿って移動する間に高温の流動砂を前記バイオマスの上面に供給し、前記バイオマスおよび前記流動砂が共に接触して前記流動砂の熱によって前記バイオマスが熱分解されるように設置された流動砂供給機、および前記傾斜部を加熱させ、前記傾斜部に沿って下側に移動する前記バイオマスを急速熱分解させる加熱器を含むバイオオイル製造装置を提供する。
【００１１】
すなわち、前記バイオマスは、前記加熱器によって加熱された傾斜部および前記高温の流動砂の間で急速熱分解されてもよい。また、前記バイオマスは、前記流動砂によって覆われた状態で前記傾斜部に沿って下側にスライディング移動しながら急速熱分解されてもよい。したがって、前記反応器は、前記傾斜部に沿って重力によって移動する前記バイオマスを連続的に急速熱分解させることができ、前記バイオマスと前記流動砂を移送させるための別途の移送手段が必要ない。
【００１２】
前記傾斜部は、地面から２０度〜８０度の角度で傾いて形成されてもよい。したがって、前記反応器は、設計条件に応じて前記傾斜部の角度を適切に選択してもよい。これだけでなく、前記反応器は、運転条件に応じて前記傾斜部の角度を調節する構造に形成されてもよい。
【００１３】
前記反応器の上部には、前記バイオマスの急速熱分解過程で生成されたガスを排出させる少なくとも１つのガス排出口が形成されてもよい。前記ガスには、前記バイオマスの急速熱分解過程で発生したバイオオイルが気体状態で含まれてもよい。
【００１４】
前記反応器には、前記バイオマスの急速熱分解過程を観察するための透明窓が備えられてもよい。前記透明窓は、前記傾斜部と対向するように配置された側面部に互いに複数が離隔するように配置されてもよい。また、前記反応器には、前記バイオマスの急速熱分解過程時に内部温度を感知するための温度感知センサが備えられてもよい。前記温度感知センサは、前記傾斜部と対向するように配置された側面部に互いに複数が離隔するように配置されてもよい。
【００１５】
すなわち、前記透明窓または前記温度感知センサは、前記傾斜部と対向する前記反応器の側面部に配置されるため、前記傾斜部に沿って下側に移動する前記バイオマスと前記流動砂に接触しない。これだけでなく、前記透明窓または前記温度感知センサは、前記反応器の側面部に上下方向に離隔するように配置されるため、前記バイオマスの急速熱分解過程を順に確認することができる。
【００１６】
前記反応器の傾斜部には、前記加熱器が提供する熱が供給されて前記傾斜部に均一に伝達する熱伝達部が備えられてもよい。すなわち、前記熱伝達部は、前記加熱器から提供される熱を前記傾斜部の全面積に均等に伝達するため、前記バイオマスの急速熱分解性能は前記傾斜部の位置と関係なく均一になる。
【００１７】
ここで、前記加熱器は、前記熱伝達部に高温の熱風を提供してもよく、前記熱伝達部は、前記熱風が通過する通路形状に形成されてもよい。すなわち、前記加熱器で発生した熱は、燃焼ガスと共に熱風形態で前記熱伝達部に伝達されるようになり、前記熱風が前記熱伝達部を通過する過程において前記傾斜部が前記熱風によって加熱されるようになる。
【００１８】
前記熱伝達部の下部には前記熱風が吸入される熱風吸入口が形成されてもよく、前記熱伝達部の上部には前記傾斜部を加熱した熱風が排出される熱風排出口が形成されてもよい。したがって、前記熱風吸入口を通じて吸入された熱風は、前記熱伝達部に沿って上側に流動し、この流動過程において前記熱風の熱が前記傾斜部に伝達される。
【００１９】
また、前記反応器の傾斜部または前記熱伝達部のうちの少なくとも１つには、前記熱風との熱伝達性能を高めるための熱伝達構造物が形成されてもよい。例えば、熱伝達構造物としては、フィンまたはブレードなどがある。フィンまたはブレードは、バイオオイル製造装置の設計条件に応じて多様なパターンと形状に形成されてもよい。
【００２０】
前記反応器の傾斜部には、前記傾斜部を加熱して前記バイオマスの反応温度を調節する補助加熱器が備えられてもよい。すなわち、前記バイオマスの反応温度は、前記反応器の作動初期に前記加熱器の非正常な作動または前記流動砂と前記バイオマスの温度変化などにより、急速熱分解のための設定温度よりも低くなることがある。前記バイオマスの反応温度が低下すれば前記補助加熱器が作動し、前記バイオマスの反応温度が第１設定温度に維持されるようになる。
【００２１】
前記流動砂供給機には、前記流動砂を加熱して前記流動砂の温度を調節する流動砂加熱器が備えられてもよい。すなわち、前記流動砂の温度が第２設定温度未満に低下するようになれば前記流動砂加熱器が作動し、前記流動砂の温度が第２設定温度に維持されるようになる。
【００２２】
前記バイオマス供給機には、前記バイオマスの凝固を防ぐ凝固防止機構が備えられてもよい。したがって、前記凝固防止機構によって前記バイオマスの凝固状態が解消され、前記反応器の内部に前記バイオマスが円滑に供給されるようになる。
【００２３】
例えば、前記凝固防止機構は、前記バイオマス供給機の内部に移動可能に配置され、前記バイオマス供給機の外側に一端が貫通するように配置された棒部、前記棒部に突出するように形成され、前記棒部の移動時に前記バイオマスの凝固状態を解消する複数の突起部、および前記棒部の一端に連結し、前記棒部を往復移動させる駆動部を含んでもよい。
【００２４】
前記棒部は、前記反応器の上部と連結した部位に配置されてもよい。したがって、前記バイオマスは、前記反応器の内部に投入される直前に、前記凝固防止機構によって凝固状態が解消されるようになる。
【００２５】
前記突起部は、前記棒部から前記反応器に向かって突出するように形成されてもよい。前記突起部の端部は、前記棒部と前記突起部の長さ方向に交差する方向に折り曲げられてもよい。
【００２６】
前記バイオオイル製造装置は、前記反応器の上部に備えられ、前記流動砂供給機から供給される流動砂の上面に可燃性の高分子化合物質を供給する高分子化合物供給機をさらに含んでもよい。このように、反応器の内部に可燃性の高分子化合物質が供給されれば、前記バイオマスの急速熱分解時に生成されるバイオオイルの品質が画期的に改善されるだけでなく、バイオオイルの収率と量も増大するようになる。
【００２７】
一方、本発明の他の側面によれば、供給されたバイオマスが重力によって下側にスライディング移動するように形成された傾斜部が備えられた反応器、前記反応器の上部に備えられ、前記傾斜部に前記バイオマスを供給したときに重力によって前記バイオマスが前記傾斜部に沿って滑り出して移動するように設置されたバイオマス供給機、前記反応器の上部に供給された前記バイオマスが前記傾斜部に沿って移動する間に高温の流動砂を前記バイオマスの上面に供給し、前記バイオマスおよび前記流動砂が共に接触して前記流動砂の熱によって前記バイオマスが熱分解されるように設置された流動砂供給機、前記傾斜部を加熱させ、前記傾斜部に沿って下側に移動する前記バイオマスを急速熱分解させる加熱器、前記反応器の内部で発生したガスの伝達を受け、前記ガスに含まれている固形物を除去するサイクロン機構、前記サイクロン機構で固形物が除去されたガスを凝縮させてバイオオイルを抽出する凝縮器、前記加熱器から排出される燃焼ガスを後処理し、前記燃焼ガス内の有害物質を除去する後処理機構、および前記後処理機構で後処理された前記燃焼ガスの成分を分析するガス分析器を含むバイオオイル製造システムを提供する。
【００２８】
すなわち、前記バイオマスは、前記加熱器によって加熱された傾斜部および前記高温の流動砂の間で急速熱分解されるようになる。また、前記急速熱分解されたガスは、前記サイクロン機構で固形物を除去した後、前記凝縮器でバイオオイルを抽出するようになる。
【００２９】
前記加熱器は、前記凝縮器で非凝縮のガスおよび前記反応器から排出されるチャーと流動砂を燃焼させてもよい。すなわち、前記非凝縮のガスと前記チャーは前記加熱器で燃焼されるようになり、前記流動砂は前記加熱器において高温で再生されるようになる。
【００３０】
また、前記流動砂供給機は前記加熱器で加熱された流動砂が供給され、前記反応器は前記加熱器で発生した熱風が内部に供給されるようになる。したがって、前記流動砂を反復的に再使用するため、前記流動砂の費用を節減することができる。また、前記加熱器で発生した不活性の熱風によって前記反応器の内部が満たされるため、前記反応器の内部は大気圧以上の非酸化性雰囲気にすることができる。
【００３１】
すなわち、従来では、反応器の内部に不活性ガスを高い圧力で注入して反応器の内部を非酸化性雰囲気にしたが、本発明の実施形態では、前記不活性ガスの代わりに前記加熱器で発生する熱風の一部を前記反応器の内部に供給する。したがって、前記バイオオイル製造装置は、高価の不活性ガスを用いずに費用を節減することができ、不活性ガスを高圧で供給する追加装置を省略して製品単価と運転費用を節減することができる。すなわち、従来の不活性ガス供給装置は、製品単価が高いだけでなく高圧でガスを供給するため、多量の流動化エネルギーを消耗する。
【００３２】
前記バイオオイル製造システムは、前記反応器の下部と前記加熱器の間に備えられ、前記反応器から排出されるチャーと流動砂を前記加熱器に伝達するコンベア機構をさらに含んでもよい。したがって、前記反応器から連続的に排出されるチャーと流動砂は、前記加熱器に連続的に移送されるようになる。特に、前記チャーは前記バイオマスの急速熱分解反応を妨害するため、前記反応器の内部に前記チャーを長時間放置せず、リアルタイムで迅速に除去することは極めて重要である。
【００３３】
前記反応器の傾斜部には、前記加熱器が提供する熱が供給されて前記傾斜部に均一に伝達する熱伝達部が備えられてもよい。すなわち、前記熱伝達部は、前記加熱器から提供される熱を前記傾斜部の全面積に均等に伝達するため、前記バイオマスの急速熱分解性能は前記傾斜部の位置と関係なく均一になる。
【００３４】
一方、前記バイオオイル製造システムは、前記反応器または前記熱伝達部から排出される廃熱を利用して前記加熱器に供給される空気を予熱させる予熱器をさらに含んでもよい。したがって、前記バイオオイル製造システムは、前記予熱器を通じて前記反応器または前記熱伝達部から捨てられる廃熱のうちの一部を回収するため、システム全体のエネルギー効率を高めることができ、加熱器の負荷を減らして燃焼効率を高めることができる。
【００３５】
前記サイクロン機構は、前記ガスの処理時にバイオオイルが凝縮しないように内部温度の低下を防ぐ保温構造が備えられてもよい。なぜなら、前記サイクロン機構の内部温度が低下すれば、前記サイクロン機構の内部で前記ガスに含まれているバイオオイルが凝縮し、前記バイオオイルの収率が大きく減少するためである。前記保温構造は、前記サイクロン機構の内部温度を前記バイオオイルが凝縮しない温度に維持する機能を有するすべての構造が用いられてもよい。例えば、前記保温構造としては、前記サイクロン機構を外部と断熱させる構造や、前記サイクロン機構の内部温度を調節する構造がある。
【００３６】
前記凝縮器は、前記サイクロン機構で固形物が除去されたガスを中温で凝縮させる中温凝縮器、前記中温凝縮器で非凝縮のガスを電気集塵する電気集塵機、および前記電気集塵機で集塵されたガスを低温で凝縮させる低温凝縮器を備えてもよい。
【００３７】
したがって、前記中温凝縮器と前記低温凝縮器が互いに異なる凝縮温度でバイオオイルを抽出するため、バイオオイルの収率を高めることができる。また、前記電気集塵機が前記中温凝縮器で非凝縮のガスに含まれている液滴状態のバイオオイルを電気集塵するため、バイオオイルの収率を高めることができる。
【００３８】
前記反応器、前記バイオマス供給機、前記流動砂供給機、前記加熱器、前記サイクロン機構、または前記凝縮器のうちの少なくとも１つは、前記ガス分析器の分析値に応じて作動が調節されてもよい。したがって、前記バイオオイル製造システムは、ガス分析器の分析値に応じて正常作動の可否を簡単に感知できるだけでなく、非正常作動している機構を容易にチェックすることもできる。
【００３９】
また、前記バイオオイル製造システムは、前記反応器の上部に備えられ、前記流動砂供給機から供給される流動砂の上面に可燃性の高分子化合物質を供給する高分子化合物供給機をさらに含んでもよい。このように、反応器の内部に可燃性の高分子化合物質が供給されれば、前記バイオオイルの収率と量が増大するようになり、前記バイオオイルの品質が向上するようになる。
【００４０】
一方、本実施形態のさらに他の側面によれば、反応器の側面部に形成された傾斜部にバイオマスを供給するバイオマス供給段階、前記傾斜部に供給されたバイオマスの上面に高温の流動砂を供給する流動砂供給段階、前記傾斜部を加熱し、前記傾斜部に沿って下側に移動する前記バイオマスを急速熱分解させる急速熱分解段階、前記バイオマスの急速熱分解過程で発生するガスが伝達され、前記ガス内の固形物を除去するサイクロン段階、前記サイクロン段階で固形物が除去されたガスを凝縮させ、前記ガスからバイオオイルを抽出する凝縮段階、前記凝縮段階で非凝縮のガスおよび前記急速熱分解段階で生成されたチャーと流動砂を燃焼させる燃焼段階、前記燃焼段階で再生された高温の流動砂を前記流動砂供給段階に伝達する流動砂回収段階、前記燃焼段階で発生した熱風を前記反応器の内部に供給する熱風供給段階、前記燃焼段階で発生した燃焼ガスをろ過させ、前記燃焼ガスに含まれている有害物質を除去する後処理段階、前記後処理段階で後処理された前記燃焼ガスの成分を分析するガス分析段階、および前記ガス分析段階で分析された前記燃焼ガスの成分に応じてバイオマス供給段階、流動砂供給段階、急速熱分解段階、サイクロン段階、凝縮段階、熱風供給段階のうちの少なくとも１つの作動を調節する作動調節段階を含むバイオオイル製造方法を提供する。しかし、前記ガス分析段階では、前記後処理段階以外の他の段階で生成されたガスが分析されてもよい。
【００４１】
すなわち、前記バイオマス供給段階と前記流動砂供給段階でバイオマスと流動砂を供給すれば、前記急速熱分解段階でバイオマスと流動砂が前記傾斜部に沿って下側に移動しながらバイオマスの急速熱分解が連続的に実行されるようになる。したがって、前記急速熱分解段階では、バイオマスの急速熱分解過程が別途の動力なく、重力の作用だけで簡単に実施されるようになる。
【００４２】
前記急速熱分解段階では、前記燃焼段階で発生した熱を利用して前記傾斜部を加熱してもよい。すなわち、前記燃焼段階でチャーと流動砂および非凝縮性ガスを燃焼させる熱を利用して前記急速熱分解段階でバイオマスの急速熱分解させるため、エネルギー効率を高めることができるだけでなく、燃料費を節減することができる。
【００４３】
前記燃焼段階では、前記急速熱分解段階で捨てられる廃熱を利用して燃焼時に用いられる外部空気を予熱してもよい。したがって、前記燃焼段階で低温の外部空気による負荷を減少させることができ、燃焼効率を向上させることができる。
【００４４】
前記凝縮段階は、前記サイクロン段階で固形物が除去されたガスを中温で凝縮させ、前記ガスから高分子量のバイオオイルを抽出する中温凝縮過程、前記中温凝縮過程で非凝縮のガスを電気集塵し、前記ガスに含まれている液滴状態の前記バイオオイルを捕集する電気集塵過程、および前記電気集塵過程で電気集塵されたガスを低温で凝縮させ、前記ガスから低分子量のバイオオイルを抽出する低温凝縮過程を備えてもよい。すなわち、中温凝縮過程と低温凝縮過程では、凝縮点が異なる高分子量のバイオオイルおよび低分子量のバイオオイルをそれぞれ抽出することができる。電気集塵過程では、液滴状態の高分子量のバイオオイルを回収することができる。
【００４５】
また、前記バイオオイル製造方法は、前記流動砂供給段階で供給された前記流動砂の上面に可燃性の高分子化合物質を供給する高分子化合物供給段階をさらに含んでもよい。前記高分子化合物質の一例としては、細かく粉砕された廃プラスチックがある。
【００４６】
前記反応器には、前記バイオマスの急速熱分解過程時に内部温度を感知する温度感知センサが備えられてもよい。前記反応器には、前記傾斜部を選択的に加熱する補助加熱器が備えられてもよい。また、前記急速熱分解段階では、前記温度感知センサの感知値が設定温度未満であれば、前記補助加熱器を作動させてもよい。
【００４７】
すなわち、前記バイオマスの反応温度は、前記反応器の作動初期に前記加熱器の非正常な作動または前記流動砂と前記バイオマスの温度変化などにより、設定温度よりも低くなることがある。したがって、前記温度感知センサの感知温度が第１設定温度未満に低下すれば前記補助加熱器が作動し、前記バイオマスの反応温度を調節するようになる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造装置、バイオオイル製造システム、およびバイオオイル製造方法は、加熱器によって加熱された反応器の傾斜部に沿って高温の流動砂に覆われたバイオマスを下側に移動させてバイオマスを急速熱分解させるため、バイオマスの急速熱分解性能を安定的に確保することができ、バイオオイルの収率を大きく向上させることができる。
【００４９】
また、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造装置、バイオオイル製造システム、およびバイオオイル製造方法は、バイオマスを急速熱分解させる構成と工程が簡単に形成されるため製作と運転が容易になるだけでなく、製品単価と運転費用も節減することができる。
【００５０】
また、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造装置は、反応器に透明窓または温度感知センサが備えられるため、透明窓を通じてバイオマスの急速熱分解過程をリアルタイムで確認することができ、温度感知センサを通じてバイオマスの反応温度をリアルタイムでチェックすることができる。
【００５１】
また、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造装置、バイオオイル製造システム、およびバイオオイル製造方法は、反応器の傾斜部に補助加熱器が備えられるため、バイオマスの反応温度を設定温度に簡単に維持させることができ、バイオオイルの収率を向上させることができる。特に、反応器の作動初期には補助加熱器と加熱器が同時に作動し、バイオマスの反応温度を設定温度により迅速に到達させることができる。これだけでなく、加熱器の作動温度変化および流動砂の温度変化によってバイオマスの反応温度が低下した場合にも、補助加熱器が選択的に作動し、バイオマスの反応温度を設定温度に一定に維持することができる。
【００５２】
また、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造装置は、バイオマス供給機に凝固防止機構が備えられるため、凝固防止機構によって反応器に投入されるバイオマスの凝固を防ぎ、バイオマス供給機の供給性能を向上させることができる。
【００５３】
また、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造装置、バイオオイル製造システム、およびバイオオイル製造方法は、反応器の傾斜部に可燃性の高分子化合物質を供給する高分子化合物供給機が備えられ、バイオマスの急速熱分解時に高分子化合物質が共に分解されるため、バイオオイルの品質を良好に改善させることができ、バイオオイルの収率および獲得量を向上させることができる。
【００５４】
また、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造装置、バイオオイル製造システム、およびバイオオイル製造方法は、加熱器に供給される外部空気を反応器または熱伝達部から排出される廃熱で予熱させるため、反応器または熱伝達部の廃熱を回収してシステム全体のエネルギー効率を高めることができ、加熱器の負荷を減らして燃焼効率を向上させることができる。
【００５５】
また、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造装置、バイオオイル製造システム、およびバイオオイル製造方法は、バイオマスの急速熱分解に用いられた流動砂を加熱器で再生させてバイオマスの急速熱分解に再使用するため、流動砂を繰り返して使用することができ、維持管理費用を節減することができる。
【００５６】
また、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造装置、バイオオイル製造システム、およびバイオオイル製造方法は、加熱器で発生する不活性の熱風を反応器の内部に供給するため、反応器の内部圧力を上昇させ、反応器の内部に外部空気が流入する現象を防ぐことができる。これにより、反応器の内部は熱風によって非酸化雰囲気が形成され、バイオマスの急速熱分解時にバイオマスの酸化を防ぎ、バイオオイル製造装置の収率と効率を向上することができる。
【００５７】
これだけでなく、加熱器で発生した熱風が反応器の内部に提供されるため、反応器の内部に不活性ガスを高い圧力で注入する別途の装置を省略することができる。このように、不活性ガスを供給する装置が省略されれば、バイオオイル製造装置の製品単価を低めることができ、装置を運転するためのエネルギーを節減することができる。さらに、高価の不活性ガスが使用されなければ、バイオオイル製造装置の運転費用を大きく節減することができる。
【００５８】
さらに、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造装置、バイオオイル製造システム、およびバイオオイル製造方法は、後処理機構を利用して最終的に排出されるガス内の有害物質を除去することができ、ガス分析器を利用して後処理機構によって後処理されたガスの成分を分析することができる。特に、バイオオイル製造工程は、ガス分析器の分析データに応じて適切に制御される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造システムの概略図である。
【図２】図１に示されたバイオオイル製造システムのバイオオイル製造装置を示す斜視図である。
【図３】図２に示されたバイオオイル製造装置を示す左側面図である。
【図４】図３に示されたＡ−Ａ線による断面を示す図である。
【図５】図４に示されたＢ−Ｂ線による断面を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造装置の作動状態を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の他の実施形態に係るバイオオイル製造システムの概略図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係るバイオオイル製造装置の作動状態を示す図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に係るバイオオイル製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
以下、本発明に係る実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、本発明が実施形態によって制限されたり限定されるものではない。各図面に提示された同一する参照符号は、同一する部材を示す。
【００６１】
図１は、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造システムの概略図である。図２は、図１に示されたバイオオイル製造システムのバイオオイル製造装置を示す斜視図である。図３は、図２に示されたバイオオイル製造装置を示す左側面図である。図４は、図３に示されたＡ−Ａ線による断面を示す図である。図５は、図４に示されたＢ−Ｂ線による断面を示す図である。図６は、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造装置の作動状態を示す図である。
【００６２】
図１を参照すれば、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造システム１００は、急速熱分解技術を利用してバイオマスＭからバイオオイルを製造する装置である。一般的に、バイオマスＭは、リグノセルロース、セルロース、水耕植物、有機性スラッジ、家畜糞尿、および食品廃棄物などを含んでもよい。以下、本実施形態では、説明の便宜のために、バイオオイル製造システム１００がリグノセルロースバイオマスＭからバイオオイルを生産するものとして説明するが、リグノセルロースバイオマスＭに限定されるものではなく、セルロースまたは下水スラッジなどがすべて用いられてもよい。
【００６３】
このようなバイオオイル製造システム、バイオマスＭを急速熱分解させるバイオオイル製造装置は、反応器１１０、バイオマス供給機１２０、流動砂供給機１３０、および加熱器１４０を含んでもよい。
【００６４】
図１〜図３を参照すれば、前記反応器１１０は、バイオマスＭを急速熱分解させ、バイオマスＭからバイオオイルを生成する装置である。反応器１１０は、バイオマスＭを収容するために内部が中空形状に形成されてもよい。反応器１１０の上部には、バイオマスＭと流動砂（温度砂）Ｓが流入する入口１１０ａが形成されてもよい。反応器１１０の下部には、バイオマスＭの急速熱分解時に生成されたチャーＣおよび急速熱分解時に用いられた流動砂Ｓを排出する出口１１０ｂが形成されてもよい。
【００６５】
また、反応器１１０は、少なくともいずれか一側面部に傾いて形成された傾斜部１１１が備えられてもよい。バイオマスＭと流動砂Ｓは傾斜部１１１に積層された構造で配置されてもよく、重力によって傾斜部１１１に沿って下側にスライディング移動してもよい。すなわち、反応器１１０は、バイオマスＭと流動砂Ｓを移動させるための別途の駆動手段および移動手段が省略されるようになる。したがって、反応器１１０の構造が極めて容易に形成され、反応器１１０の製造単価および運転費用が節減される。
【００６６】
このような傾斜部１１１は、地面から２０度〜８０度の角度で傾いて形成されてもよい。傾斜部１１１の角度は、反応器１１０の設計条件に応じて多様に選択されてもよい。または、上述とは異なるように、傾斜部１１１の角度が反応器１１０の運転条件に応じて選択的に調節されてもよい。以下、本実施形態では、傾斜部１１１の角度が５０度〜６０度に形成されたものとして説明する。
【００６７】
また、反応器１１０は、円形、楕円形、または多角形のうちのいずれか１つの形状の断面に形成されてもよい。以下、本実施形態では、反応器１１０が四角形の断面形状に形成されたものとして説明する。
【００６８】
一方、図２と図３に示すように、傾斜部１１１は反応器１１０の後面部に形成され、反応器１１０は地面を基準として後方に向かって傾いたものとして説明する。すなわち、反応器１１０は、正面部、左側面部、右側面部、および後面部で定義される４つの側面部を有し、後面部全体が傾斜部１１１を形成する。
【００６９】
また、反応器１１０の上部には、バイオマスＭの急速熱分解過程で生成されたガスを排出させる少なくとも１つのガス排出口１１２が形成されてもよい。以下、ガス排出口１１２が、傾斜部１１１と対向するように配置された反応器１１０の正面上部に互いに複数が離隔するように配置されたものとして説明する。
【００７０】
また、反応器１１０には、バイオマスＭの急速熱分解過程を肉眼で観察することができるように透明窓１１３が備えられてもよい。反応器１１０には、バイオマスＭの急速熱分解過程時に内部温度を感知することができるように温度感知センサ１１４が備えられてもよい。このような透明窓１１３と温度感知センサ１１４は、傾斜部１１１と対向するように配置された反応器１１０の正面に上下方向に複数の透明窓１１３と温度感知センサ１１４が互いに離隔するように配置されてもよい。すなわち、透明窓１１３と温度感知センサ１１４が反応器１１０の正面に配置されれば、傾斜部１１１に配置されたバイオマスＭと接触しないようになる。また、透明窓１１３と温度感知センサ１１４が上下方向に離隔するように配置されれば、バイオマスＭの急速熱分解過程によるバイオマスＭの状態と反応温度を順にチェックすることができる。
【００７１】
また、反応器１１０の傾斜部１１１には、傾斜部１１１を加熱してバイオマスＭの反応温度を調節する補助加熱器１１５が備えられてもよい。補助加熱器１１５としては、電気ヒーターおよびガスバーナのように、バイオマスＭの反応温度の制御が容易な多様な加熱手段が採用されてもよい。
【００７２】
このような補助加熱器１１５は、傾斜部１１１に複数の補助加熱器１１５が上下方向に互いに離隔するように配置されてもよい。補助加熱器１１５は、加熱器１４０の作動可否とは関係なく別途に作動されてもよい。例えば、急速熱分解過程の初期には加熱器１４０と補助加熱器１１５が共に作動し、バイオマスＭの反応温度が迅速に上昇するようになる。これだけでなく、加熱器１４０の非正常な作動またはバイオマスＭと流動砂Ｓの温度低下が発生する場合には、補助加熱器１１５のうちのいずれか１つが選択的に作動し、バイオマスＭの反応温度低下を防ぐことができる。
【００７３】
図１〜図６を参照すれば、前記バイオマス供給機１２０は、反応器１１０の傾斜部１１１にバイオマスＭを供給する装置である。前記バイオマス供給機１２０は、反応器１１０の上部に反応器１１０と連通するように連結されてもよい。バイオマス供給機１２０の上部にはバイオマスＭを投入する投入口１２０ｂが形成されてもよく、バイオマス供給機１２０の下部には排出口１２０ａが形成されてもよい。この場合、排出口１２０ａは、そこからバイオマスＭが排出されるように反応器１１０の入口１１０ａと連通するように形成されている。バイオマス供給機１２０の排出口１２０ａと反応器１１０の入口１１０ａのうちの少なくとも１つは、開閉可能に形成されてもよい。
【００７４】
バイオマス供給機１２０には、排出口１１０ｂに排出されるバイオマスＭの凝固を防ぐ凝固防止機構１２２が備えられてもよい。すなわち、バイオマスＭは細かく粉砕されたリグノセルロースバイオマスＭ、例えば鋸屑または木材チップであるため、バイオマス供給機１２０の内部で固まる可能性が極めて高い。しかし、バイオマスＭがバイオマス供給機１２０の内部で固まるようになれば、バイオマス供給機１２０の排出口１１０ｂと反応器１１０の入口１１０ａが開放するとき、バイオマスＭが反応器１１０の内部に投入されなかったり、バイオマスが固まった状態で投入されるという問題が生じる。したがって、バイオマス供給機１２０にバイオマスＭの凝固状態を解消することができる凝固防止機構１２２が備えられれば、バイオマス供給機１２０から反応器１１０の内部にバイオマスＭが円滑に供給されるようになる。
【００７５】
例えば、凝固防止機構１２２は、バイオマス供給機１２０の内部に移動可能に配置され、バイオマス供給機１２０の外側に一端が貫通するように配置された棒部１２３、棒部１２３に突出するように形成され、棒部１２３の移動時にバイオマスＭの凝固状態を解消する複数の突起部１２４、および棒部１２３の一端に連結して棒部１２３を往復移動させる駆動部１２５を含んでもよい。
【００７６】
棒部１２３は、バイオマスＭの排出口１１０ｂ上側に配置されてもよい。棒部１２３の一端はバイオマス供給機１２０の左側面と右側面のうちのいずれか一側面に貫通するように配置されてもよく、棒部１２３の他端はバイオマス供給機１２０の他の側面に移動可能に配置されてもよい。以下、棒部１２３の一端がバイオマス供給機１２０の左側面に貫通するように配置され、棒部１２３の他端がバイオマス供給機１２０の右側面に移動可能に配置されるものとして説明する。
【００７７】
突起部１２４は、棒部１２３から反応器１１０に向かって下側に突出するように形成されてもよい。突起部１２４の端部は、棒部１２３と突起部１２４の長さ方向に交差する方向に折り曲げられてもよい。以下、本実施形態では、突起部１２４の端部が棒部１２３と突起部１２４の長さ方向にすべて直交する方向に折り曲げられたものとして説明する。したがって、突起部１２４は「Ｌ」形状に形成される。
【００７８】
このような突起部１２４は、棒部１２３の長さ方向に複数が同じ間隔で互いに離隔するように配置されてもよい。また、突起部１２４の端部は、隣接する突起部１２４の端部と折り曲げられる方向が反対に形成されるように、突起部１２４が棒部１２３の長さ方向に沿って互いに交差するように配置されてもよい。
【００７９】
駆動部１２５は、棒部１２３の駆動力を発生する駆動モータ１２５ａ、駆動モータ１２５ａによって回転する回転体１２５ｂ、および棒部１２３の一端と回転体１２５ｂに両端が回転可能に連結し、回転体１２５ｂの回転運動を棒部１２３の直線往復運動とする動力伝達リンク１２５ｃを含んでもよい。しかし、駆動部１２５は、棒部１２３を直線往復運動させることができる多様な構造で形成されてもよい。
【００８０】
図１〜図３を参照すれば、前記流動砂供給機１３０は、反応器１１０の傾斜部１１１に供給されたバイオマスＭの上面に高温の流動砂Ｓを供給する装置である。流動砂Ｓは、バイオマスＭの上面に覆われ、バイオマスＭの急速熱分解過程を促進させる物質である。流動砂Ｓは、急速熱分解過程時に溶融しない小さい粒子の物質、一例として砂または金属球が用いられてもよい。以下、本実施形態では、流動砂Ｓとして砂が用いられるものとして説明する。
【００８１】
ここで、流動砂供給機１３０の上部には流動砂Ｓを投入する投入口１３０ｂが形成されてもよく、流動砂供給機１３０の下部には反応器１１０の入口１１０ａと連通するように形成され、流動砂Ｓを排出させる排出口１３０ａが形成されてもよい。流動砂供給機１３０の排出口１３０ａと反応器１１０の入口１１０ａのうちの少なくとも１つは、開閉可能に形成されてもよい。
【００８２】
また、流動砂供給機１３０には、流動砂Ｓを加熱して流動砂Ｓの温度を調節する流動砂加熱器１４０が備えられてもよい。流動砂加熱器１４０としては、電気ヒーターおよびガスバーナのように、流動砂Ｓの温度の制御が容易な多様な加熱手段が採用されてもよい。すなわち、流動砂加熱器１４０は、バイオマスＭの急速熱分解に最も適した温度で流動砂Ｓの温度を一定に維持させるようになる。
【００８３】
図１〜図３を参照すれば、前記加熱器１４０は、反応器１１０の傾斜部１１１に熱風Ｈを提供して傾斜部１１１を加熱する装置である。したがって、バイオマスＭは、傾斜部１１１に沿って下側に移動することにより、加熱器１４０の熱風Ｈおよび流動砂Ｓの熱によって急速熱分解されるようになる。このような加熱器１４０としては、電気ヒーター、ガスバーナ、燃焼炉、および流動層（fluidize bed）燃焼器などが用いられてもよいが、本実施形態では燃焼炉が用いられるものとして説明する。
【００８４】
このような加熱器１４０は、傾斜部１１１に高温の熱風Ｈ形態で熱を伝達するが、熱風Ｈには燃焼時に発生する燃焼ガスが含まれる。したがって、加熱器１４０は、反応器１１０よりも相対的に低い位置に配置されることが好ましい。これにより、加熱器１４０で発生する熱風Ｈが自然に反応器１１０に伝達されるようになる。この反面、加熱器１４０の位置が反応器１１０よりも相対的に高く配置されれば、加熱器１４０で発生した熱風Ｈを反応器１１０に円滑に供給するために、別途の送風機を追加するようになる。
【００８５】
また、反応器１１０の出口１１０ｂと加熱器１４０の間には、反応器１１０の出口１１０ｂから排出されるチャーＣと流動砂Ｓを加熱器１４０に伝達するコンベア機構１４２が配置されてもよい。コンベア機構１４２としては、スクリューコンベア、ベルトコンベア、バケットコンベアなどが多様に採用されてもよい。
【００８６】
このように、加熱器１４０は、反応器１１０の出口１１０ｂに排出されるチャーＣと流動砂Ｓ、および後述する凝縮器１６０で非凝縮のガスＧ４を燃焼させてもよい。したがって、非凝縮のガスＧ４とチャーＣは加熱器１４０で燃焼されて除去され、流動砂Ｓは加熱器１４０で燃焼されて高温の流動砂Ｓとして再生されるようになる。以後、加熱器１４０で再生された流動砂Ｓは、流動砂供給機１３０に回収されてもよい。
【００８７】
加熱器１４０は、燃焼時に発生する熱風Ｈの一部を反応器１１０の内部に供給してもよい。これにより、バイオマスＭの急速熱分解時に反応器１１０の内部圧力が適当な圧力に増加して外気の流入が遮断され、反応器１１０の内部を非酸化性雰囲気にしてバイオマスＭの燃焼を妨げるようになる。したがって、バイオマスＭの燃焼を妨げることにより、バイオマスＭがすべて急速熱分解されてバイオオイルの収率が向上することとなる。
【００８８】
また、反応器１１０の傾斜部１１１には、加熱器１４０の熱風Ｈを傾斜部１１１の全体に均一に伝達するために熱伝達部１４６が形成されてもよい。したがって、補助加熱器１１５は、熱伝達部１４６と独立的に傾斜部１１１に熱を直接提供するように傾斜部１１１に備えられたり、または熱伝達部１４６の内部に熱を提供するように熱伝達部１４６に備えられてもよい。以下、補助加熱器１１５が熱伝達部１４６に備えられたものとして説明する。
【００８９】
熱伝達部１４６は、傾斜部１１１の背面に形成された通路形状のキャビティであってもよい。すなわち、加熱器１４０から伝達された熱風Ｈが熱伝達部１４６の内部に所定の時間停滞し、傾斜部１１１の全体面積に熱風Ｈの熱が均等に伝達されるようになる。熱伝達部１４６の下部には熱風Ｈが吸入される熱風吸入口が形成されてもよく、熱伝達部１４６の上部には傾斜部１１１の加熱に用いられた熱風Ｈ’が排出される熱風排出口が形成されてもよい。したがって、熱風吸入口を通じて吸入された熱風Ｈが熱伝達部１４６に沿って上側に流動し、この流動過程において熱風Ｈの熱が傾斜部１１１に伝達される。
【００９０】
一方、熱伝達部１４６の内部には、熱風Ｈとの熱伝達性能を高めるための熱伝達構造物１４８が形成されてもよい。すなわち、熱伝達構造物１４８は、傾斜部１１１または熱伝達部１４６のうちの少なくとも１つに形成されてもよい。例えば、熱伝達構造物１４８は、熱風Ｈとの接触面積を増加させるようにフィンまたはブレード形状に形成されてもよく、設計条件に応じて多様なパターンと形状に形成されてもよい。以下、本実施形態では、熱伝達構造物１４８を傾斜部１１１に上下方向に離隔するように形成された複数のフィンとして説明するが、これに限定されるものではない。
【００９１】
また、加熱器１４０には、熱伝達部１４６または反応器１１０から外気に排出される廃熱Ｈ’を利用して加熱器１４０に供給される空気を予熱させる予熱器１４４をさらに含んでもよい。ここで、廃熱Ｈ’は、熱伝達部１４６または反応器１１０に供給された熱風ＨがバイオマスＭの急速熱分解に用いられた後、外気に排気される熱風Ｈ’に該当する。
【００９２】
このように、加熱器１４０に余熱された空気が供給されれば、加熱器１４０の負荷が実質的に減少し、加熱器１４０の燃焼効率を向上することができる。また、予熱器１４４は、熱伝達タイプの熱交換器、空冷タイプの熱交換器などで構成されてもよい。予熱器１４４は、加熱器１４０の内部に外部空気を案内する経路上に配置されるだけでなく、熱伝達部１４６または反応器１１０から排出される廃熱Ｈ’の経路上に配置されてもよい。
【００９３】
図１を参照すれば、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造システム１００は、サイクロン機構１５０および凝縮器１６０をさらに含んでもよい。
【００９４】
前記サイクロン機構１５０は、反応器１１０のガス排出口１１２を通じて排出されるガスＧを受け取り、ガスＧに含まれている固形物をサイクロン現象によって除去する装置である。サイクロン機構１５０が除去する固形物としては、バイオオイルの製造過程に悪影響を与えるチャーＣが代表的である。このようなサイクロン機構１５０は、必要に応じて１回または数回のサイクロン過程によってガスＧ内の固形物を除去してもよい。以下、本実施形態では、数回のサイクロン過程を有する多段サイクロン機構１５０を用いるものとして説明する。
【００９５】
また、多段サイクロン機構１５０には、内部温度の低下を防ぐために保温構造が備えられてもよい。例えば、前記保温構造は、断熱材のような保温用素材を利用して多段サイクロン機構１５０から放出される熱を遮断する構造、またはヒーターのような発熱素材を利用して多段サイクロン機構１５０の内部温度を能動的に調節する構造などがある。
【００９６】
このように、多段サイクロン機構１５０の温度低下を防ぐ理由は、ガスＧに含まれているバイオオイルが多段サイクロン機構１５０の内部で非正常に凝縮することがあるためである。すなわち、多段サイクロン機構１５０内に凝縮したバイオオイルは固形物と共に外部に排出するため、凝縮器１６０で凝縮可能なバイオオイルの含有量が減少し、バイオオイルの収率が大きく低下するようになる。
【００９７】
前記凝縮器１６０は、多段サイクロン機構１５０で固形物が除去されたガスＧ１を凝縮させてバイオオイルを抽出する装置である。このような凝縮器１６０は、多段サイクロン機構１５０で固形物が除去されたガスＧ１を中温で凝縮させる中温凝縮器１６２、中温凝縮器１６２で非凝縮のガスＧ２を電気集塵する電気集塵機１６４、および電気集塵機１６４で集塵されたガスＧ３を低温で凝縮させる低温凝縮器１６６を備えてもよい。
【００９８】
ここで、中温凝縮器１６２はガスＧ１を中温で凝縮させて比較的に高分子量のバイオオイルを抽出することができ、低温凝縮器１６６はガスＧ３を低温で凝縮させて低分子量のバイオオイルを抽出することができる。中温凝縮器１６２の凝縮温度の中温は通常は常温であり、低温凝縮器１６６の凝縮温度の低温は通常は零下付近の温度である。
【００９９】
また、電気集塵機１６４は、中温凝縮器１６２で非凝縮のガスＧ２に含まれている液滴状態のバイオオイルを電気集塵させ、高分子量のバイオオイルを完全に抽出することができる。
【０１００】
図１を参照すれば、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造システム１００は、後処理機構１７０およびガス分析器１８０をさらに含んでもよい。
【０１０１】
前記後処理機構１７０は、予熱器１４４で熱交換された熱風Ｈ’を後処理して熱風Ｈ’内の有害物質を除去する装置である。後処理機構１７０は、大気中に排気される熱風Ｈ’の成分に応じて多様な構成のフィルタで構成されてもよい。例えば、後処理機構１７０は、活性炭粒子、白金触媒、パラジウム触媒などを含むスポンジ構造のフィルタを備えてもよい。このように、後処理機構１７０は、大気中に排気される熱風Ｈ’を浄化させて環境汚染を予防する役割を行う。
【０１０２】
ガス分析器１８０は、後処理機構１７０で後処理された熱風Ｈ’の成分を分析する装置である。このようなガス分析器１８０によって分析された熱風Ｈ’の分析データを利用すれば、バイオオイル製造システム１００の作動が正常であるか非正常であるかを把握することができる。例えば、反応器１１０、流動砂供給機１３０、加熱器１４０、多段サイクロン機構１５０、または凝縮器１６０のうちの少なくとも１つは、ガス分析器１８０を通じて分析された熱風Ｈ’の成分に応じて作動が制御されるようになる。
【０１０３】
このように構成された本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造システム１００のバイオオイル製造方法を詳察すれば次のとおりである。図７は、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造方法を示すフローチャートである。
【０１０４】
図７を参照すれば、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造方法は、バイオマス供給段階１、流動砂供給段階２、急速熱分解段階３、サイクロン段階４、凝縮段階５、６、７、燃焼段階１１、流動砂回収段階１２、および熱風供給段階１３を含む。
【０１０５】
前記バイオマス供給段階１では、バイオマス供給機１２０が反応器１１０の傾斜部１１１にバイオマスＭを供給してもよい。このとき、バイオマス供給機１２０は、細かく粉砕されたリグノセルロース系バイオマスＭを連続的に傾斜部１１１の上部に供給する。したがって、バイオマスＭは、重力によって傾斜部１１１に沿って下側にスライディング移動するようになる。
【０１０６】
また、バイオマス供給段階１では、バイオマスＭの供給時に凝固防止機構１２２を作動させてバイオマスＭの凝固を防いでもよい。すなわち、凝固防止機構１２２の駆動部１２５が作動すれば、駆動部１２５が棒部１２３を左右方向に直線往復運動させ、棒部１２３と共に突起部１２４も左右方向に直線往復運動する。これにより、突起部１２４がバイオマス供給機１２０の排出口１１０ｂに位置したバイオマスＭを破砕させ、バイオマスＭの供給性能を向上させることができる。
【０１０７】
前記流動砂供給段階２では、流動砂供給機１３０が傾斜部１１１に配置されたバイオマスＭの上面に高温の流動砂Ｓを供給してもよい。このとき、流動砂供給機１３０は、傾斜部１１１の上部に供給されたバイオマスＭの上面に流動砂Ｓを連続的に供給するため、流動砂ＳはバイオマスＭと共に重力によって傾斜部１１１に沿って下側にスライディング移動するようになる。
【０１０８】
また、流動砂供給機１３０に備えられた流動砂加熱器１４０は、流動砂Ｓを第２設定温度に一定に維持してもよい。第２設定温度は、バイオマスＭの急速熱分解を最も活発に促進させる流動砂Ｓの温度である。したがって、バイオマスＭの急速熱分解過程において、流動砂ＳがバイオマスＭに作用する熱が一定であるため、バイオマスＭの急速熱分解が安定的に実施されるようになる。
【０１０９】
前記急速熱分解段階３では、加熱器１４０が傾斜部１１１に熱風Ｈを提供して傾斜部１１１を第１設定温度に加熱する。このとき、加熱器１４０の熱風Ｈは、反応器１１０に備えられた熱伝達部１４６に供給される。熱伝達部１４６に供給された熱風Ｈは、熱伝達部１４６に沿って上側に流動しながら、傾斜部１１１の全体に熱を均等に伝達することができる。したがって、加熱器１４０の熱風Ｈおよび流動砂Ｓの熱は、傾斜部１１１に沿って下側に移動するバイオマスＭを急速熱分解させる。
【０１１０】
このような急速熱分解段階３では、バイオマスＭをガスＧで急速に熱分解させてもよい。急速熱分解段階３で生成されるガスＧはバイオオイル成分を含んでおり、ガス排出口１１２を通じて反応器１１０の外部に排出する。この反面、急速熱分解段階３で副産物として生成されるチャーＣは、反応器１１０の出口１１０ｂを通じて流動砂Ｓ’と共にコンベア機構１４２に排出される。
【０１１１】
一方、バイオマスＭの急速熱分解過程は、反応器１１０の透明窓１１３を通じて肉眼で確認することができ、バイオマスＭの急速熱分解時の反応器１１０内の反応温度は温度感知センサ１１４を通じて確認することができる。もし、反応器１１０内の反応温度が急速熱分解に必要な第１設定温度よりも低ければ、加熱器１４０と共に補助加熱器１１５を作動させ、反応器１１０内の反応温度を高めることができる。
【０１１２】
前記サイクロン段階４では、多段サイクロン機構１５０がバイオマスＭの急速熱分解過程で発生するガスＧを反応器１１０から受け取り、ガスＧ内の固形物を除去する。このような多段サイクロン機構１５０は、多段階のサイクロン現象を利用してガスＧに含まれている粒子状態の固形物を除去する。
【０１１３】
サイクロン段階４で除去する固形物としては、ガスＧに含まれている微細粒子状態のチャーＣが代表的である。なぜなら、微細粒子状態のチャーＣはバイオオイルの製造過程に悪影響を与え、バイオオイルの収率を低下させる主要原因であるためである。
【０１１４】
前記凝縮段階５，６，７では、凝縮器１６０がサイクロン段階４で固形物が除去されたガスＧ１を多段サイクロン機構１５０から受け取り、ガスＧ１を凝縮させる。すなわち、凝縮器１６０がガスＧ１を凝縮させれば、ガスＧ１からバイオオイルが抽出される。このような凝縮段階５，６，７をより詳しく説明すれば、凝縮段階５，６，７は、中温凝縮過程５、電気集塵過程６、および低温凝縮過程７からなる。
【０１１５】
すなわち、中温凝縮過程５では、中温凝縮器１６２がサイクロン段階４で固形物が除去されたガスＧ１を多段サイクロン機構１５０から受け取り、ガスＧ１を中温で凝縮させる。中温凝縮器１６２がガスＧ１を中温凝縮すれば、ガスＧ１からバイオオイルが１次抽出される。このとき、中温凝縮過程５の凝縮温度は常温であり、中温凝縮過程５で抽出されるバイオオイルは高分子物質で構成される。
【０１１６】
また、電気集塵過程６では、電気集塵機１６４が中温凝縮過程５で非凝縮のガスＧ２を中温凝縮器１６２から受け取り、ガスＧ２を電気集塵する。電気集塵機１６４がガスＧ２を電気集塵すれば、ガスＧ２に含まれている液滴状態のバイオオイルが捕集される。したがって、電気集塵過程６では、中温凝縮過程５で完全に回収することができない液滴状態のバイオオイルを回収するため、バイオオイルの収率を高めることができる。
【０１１７】
また、低温凝縮過程７では、低温凝縮器１６６が電気集塵過程６で電気集塵されたガスＧ３を電気集塵機１６４から受け取り、低温で凝縮させる。低温凝縮器１６６がガスＧ３を低温凝縮させれば、ガスＧ３からバイオオイルが２次抽出される。このとき、低温凝縮過程７の凝縮温度は零下付近の温度であり、低温凝縮過程７で抽出されるバイオオイルは低分子物質で構成される。
【０１１８】
前記燃焼段階１１では、加熱器１４０が凝縮段階５、６、７で非凝縮のガスＧ４および急速熱分解段階３で生成されたチャーＣと流動砂Ｓ’を受け取り、ガスＧ４とチャーＣおよび流動砂Ｓ’を高温で燃焼させる。すなわち、ガスＧ４は凝縮器１６０から加熱器１４０の内部に供給され、チャーＣと流動砂Ｓ’はコンベア機構１４２によって加熱器１４０の内部に供給される。したがって、燃焼段階１１では、ガスＧ４とチャーＣを完全に燃焼させて無くすだけでなく、流動砂Ｓ’を高温で再生させることができる。
【０１１９】
一方、燃焼段階１１では、加熱器１４０で発生した熱を熱風Ｈの形態で急速熱分解段階３に伝達する。また、加熱器１４０は、反応器１１０または熱伝達部１４６から外部に排出される廃熱Ｈ’を利用して外部から供給される空気を予熱させる。したがって、加熱器１４０の燃焼効率を向上させるだけでなく、運転費用も節減することができる。
【０１２０】
前記流動砂回収段階１２では、流動砂供給機１３０が燃焼段階１１で再生された高温の流動砂Ｓを加熱器１４０から受け取る。流動砂供給機１３０に回収された流動砂Ｓは、流動砂供給段階２で再使用される。したがって、流動砂Ｓが消耗されずに継続して再活用されるため、費用を極めて大きく節減することができ、一定の品質の流動砂Ｓを持続的に用いることができる。
【０１２１】
前記熱風供給段階１３では、燃焼段階１１で発生した熱風Ｈの一部を加熱器１４０から反応器１１０の内部に供給する。このような熱風Ｈは、高温の熱気と共に不活性燃焼ガスを含むようになる。したがって、反応器１１０の内部温度は熱風Ｈによって上昇するようになり、反応器１１０の内部圧力は熱風Ｈによって大気圧以上の圧力で形成されるようになる。これだけでなく、反応器１１０の内部は、熱風Ｈによって非酸化雰囲気が形成されるようになる。
【０１２２】
ここで、反応器１１０の内部圧力が大気圧よりも高ければ、反応器１１０の内部に外部空気が流入することができない。したがって、外部空気とバイオマスＭが反応器１１０の内部で反応する現象を防ぐことができる。これにより、反応器１１０の内部に別途の不活性ガス、例えば窒素ガスを注入する必要性が減少するようになる。すなわち、不活性ガス供給装置の省略が可能となり、バイオオイル製造システム１００の製品単価および運転エネルギーを節約することができ、高価の不活性ガスを用いずにバイオオイル製造システム１００の運転費用を抑えることができる。
【０１２３】
また、反応器１１０の内部が熱風Ｈによって非酸化性雰囲気にできれば、バイオマスＭの急速熱分解過程においてバイオマスＭの不必要な酸化を防ぐことができる。したがって、反応器１１０に投入されたバイオマスＭが急速熱分解過程にすべて用いられるため、バイオオイルの収率を向上することができる。
【０１２４】
図７を参照すれば、本発明の一実施形態に係るバイオオイル製造方法は、後処理段階８、ガス分析段階９、および作動調節段階１０をさらに含んでもよい。
【０１２５】
前記後処理段階８では、後処理機構１７０が、急速熱分解段階３において外部に排出された熱風Ｈ’を、予熱器１４４を通過した後に受け取り、熱風Ｈ’を後処理させる。すなわち、後処理機構１７０が熱風Ｈ’に含まれている有害物質を除去する。このように、後処理機構１７０によって有害物質が除去された熱風Ｈ’は、外部に排気されるようになる。
【０１２６】
前記ガス分析段階９では、後処理機構１７０によって後処理された熱風Ｈ’の成分をガス分析器１８０が分析する。もちろん、ガス分析段階９では、必要に応じてバイオオイルを製造するすべての段階で発生するそれぞれのガスＧ，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を分析することも可能である。
【０１２７】
前記作動調節段階１０では、ガス分析段階９において分析された熱風Ｈ’の成分に応じ、バイオマス供給段階１、流動砂供給段階２、急速熱分解段階３、サイクロン段階４、凝縮段階５、６、７、熱風供給段階１３のうちの少なくとも１つの作動を調節する。
【０１２８】
すなわち、ガス分析器１８０が分析したガスＧ４の成分に変化が認められれば、バイオオイル製造過程が非正常に進められていると判断し、バイオオイルを製造する段階の作動を適切に制御する。
【０１２９】
図８は、本発明の他の実施形態に係るバイオオイル製造システムの概略図である。図９は、本発明の他の実施形態に係るバイオオイル製造装置の作動状態を示す図である。図１０は、本発明の他の実施形態に係るバイオオイル製造方法を示すフローチャートである。
【０１３０】
図８〜図１０において、図１〜図７に示す参照符号と同一または類似する参照符号は、同一部材または同一作動段階を示す。以下、図１〜図７に示すバイオオイル製造システム１００と異なる点を中心に詳述するようにする。
【０１３１】
図８および図９に示すバイオオイル製造システム２００が図１〜図７に示すバイオオイル製造システム１００と異なる点は、反応器１１０の上部に高分子化合物供給機２１０がさらに備えられるという点である。
【０１３２】
すなわち、反応器１１０の上部には、バイオマス供給機１２０および流動砂供給機１３０と共に高分子化合物供給機２１０が備えられてもよい。高分子化合物供給機２１０は、反応器１１０の傾斜部１１１に供給されたバイオマスＭと流動砂Ｓに高分子化合物質Ｐを供給する装置である。このような高分子化合物質Ｐとしては、細かく粉砕された廃プラスチックが用いられてもよい。
【０１３３】
高分子化合物供給機２１０の上部には流動砂Ｓを投入する投入口２１０ｂが形成されてもよく、高分子化合物供給機２１０の下部には排出口２１０ａが形成されてもよい。この場合、排出口２１０ａは高分子化合物質Ｐを排出させるため、反応器１１０の入口１１０ａと連通するように形成される。高分子化合物供給機２１０の排出口２１０ａと反応器１１０の入口１１０ａのうちの少なくとも１つは、開閉可能に形成されてもよい。
【０１３４】
図１０を参照すれば、バイオオイル製造システム２００のバイオオイル製造方法は、図７に示すバイオオイル製造システム１００のバイオオイル製造方法と比較すれば、流動砂供給段階２と急速熱分解段階３の間に高分子化合物供給段階１４が備えられるという点が異なる。
【０１３５】
すなわち、高分子化合物供給段階１４は、バイオマス供給段階１と流動砂供給段階２以後に進められ、反応器１１０の傾斜部１１１に供給されたバイオマスＭと流動砂Ｓに高分子化合物質Ｐが供給される。このように、反応器１１０の内部に高分子化合物質Ｐが供給されれば、バイオマスＭの急速熱分解時に高分子化合物質Ｐが共に熱分解され、バイオオイルの収率および品質を向上させることができる。
【０１３６】
以上のように、本発明の一実施形態では、具体的な構成要素などの事項と限定された実施形態および図面によって説明されたが、これは本発明のより全般的な理解を助けるために提供されたものに過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明が属する分野において通常の知識を有する者であれば、このような記載から多様な修正および変形が可能である。したがって、本発明の思想は、説明された実施形態に限定されて定められてはならず、添付の特許請求の範囲だけではなく、この特許請求の範囲と均等であるか等価的変形があるすべてのものは、本発明の思想の範疇に属するといえる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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