발명의명칭:바이오매스를이용한바이오차제� �장치및 제조방법

기술분야

[1] 본발명은바이오매스를이용한바이오차제조장 치및제조방법에관한

것으로서，더욱상세하게는과수전정지，가로 수전정지,산림간벌재등의 바이오매스를반탄화가아닌완전탄화방법으로 탄화하여바이오차를제조하는 장치및방법에관한것이다.

배경기술

[2] 1879년에 Herbert Smith는아마존을탐험하던중원주민의설탕농업� ��대해， 사탕수수의높이가 3m에굵기가손목두께에이르며경이로운생산력� ��있는 것을보고이의비밀이아마존의 terra preta（dark earth,검은흙）토양에있다고 조사된바,이의연구끝에개발된것이바이오차� �biochar）이다.

[3] 이러한바이오차는온실가스저감의경제적（환 경적）이익을창출하는것으로 연구되고있다.보다구체적으로유기물은당,탄� ��화물,셀룰로오즈와같이 빠르게분해되는물질과리그린처럼천천히분해 되는물질이있는바,이때 분해시발생하는이산화탄소의발생을바이오차 가최소화함으로써 , 전세계적으로이슈화되고있는온실가스를저감 할수있다.

[4] 한편 ,일반적으로목재의경우는가구나목조주택에� �용하면목재에약 50% 정도의탄소를저장하고있으므로목재의사용이 이산화탄소를저감하는 방법으로인식되고있지만,목재는부후되면다� �일산화탄소나이산화탄소로 바뀌어공기중으로나가기에탄소평행을이루게 된다.

的 하지만,목재를바이오차로전환할경우에는땅� �들어가도분해가되지

않으므로탄소네거티브의역할을한다고할수있 다.

[6] 본발명은과수전정지나가로수전정지,산림간� �재등폐기되는목재를 바이오차로전환함으로써이산화탄소를저감하 고지구온난화를줄이는 대책으로제안된다.

[7] 한편,본출원인은선출원등록특허인대한민국� �록특허제 10-0378104호를 통해제지슬리지와왕겨를이용하여가축사육장 의깔짚과퇴비공장에서 사용되는수분조절제와같은농업용원료를제조 하는장치와방법에관한 기술을제안한바있다.

[8] 이특허에서는농업부산물인왕겨를탄화하는목 적으로발명된기술로

왕겨처럼비중이가볍고건조가충분히잘이루어 진（건조도 :수분율약 10%） 재료를이용하여숯으로변환시킴으로써숯재료 를제조하고여기에서 배출되는열기를이용하여제지슬러지를건조시 켜이것을사육장의깔짚과 수분조절제로사용하는기술을제안하였다. 2019/103551 1»（：1^1{2018/014611

[9] 이기술에서는농업부산물인왕겨와볏집과같은 비중이낮고건조가충분히 잘된재료를사용하였기에착화시간의컨트롤이 필요하지않았으며,왕겨의 입자（8_내외）가작기에밀도가크므로연소연� ��를배출하는브로워의조절이 필요치않았다.또한농업부산물인왕겨의탄화� �은비중이낮고입자가작아 공랭에의한탄화물의소화가가능하였다.

[10] 그러나,전정지나간벌재등은비중이높고，건� �도（수분율 :약 30 40%）가 낮아착화가어렵기에착화시간의컨트롤이필요 하며,입자（10~30 ）가크기에 탄화로내의밀도가작아지므로착화후연소연기 를강하게배출해주는 브로워의컨트롤이필요하다.또한바이오차의� �수과정에서도공기로 냉각하는부분은문제점이있었으므로이에대한 개선의필요성이있었다.이에 과수전정지나가로수전정지,산림간벌재등의� �재로구성된바이오매스의 경우는탄화공정에서상기특허에서개시된기술 로써는탄화가불가능한 부분이있었으며，회수의어려움이있어서이의 개선이필요한상황이었다.

[11]

[12] [선행기술문헌]

[13] [특허문헌]

[14] （특허문헌 1）대한민국특허등록공보등록번호제 10-1638822호

[15] （특허문헌 2）대한민국특허공개공보공개번호제 10-2016-0054938호

[16] （특허문헌 3）대한민국특허공개공보공개번호제 10-2016-0001832호

[1刀 （특허문헌 4）대한민국특허등록공보등록번호제 10-1390454호

[18]

발명의상세한설명

기술적과제

[19] 본발명은상기한본출원인의선등록특허에서의 한계점내지문제점을

개선하기위해제안된것으로서,과수전정지，� �로수전정지，산림간벌재등 중량의바이오매스를반탄화가아닌완전탄화방 법으로탄화함으로써혐기 상태에서스스로탄화하는방법으로외부의전기 ，가스,석유등의에너지가 거의이용되지않으므로에너지소비를절감할수 있는특징을가지며 ,중량의 바이오매스를통한바이오차제조과정에서탄화 및회수의컨트롤이용이하고， 별도의외부에너지를사용하지않기에추가적으 로이산화탄소를저감하는 효과를갖는바이오차의제조장치및방법을제공 하고자한다.

[20]

과제해결수단

[21] 상기과제를달성하기위하여본발명은

[22] 바이오매스가분쇄기에의해길이 1~3 « ₁₁ 크기의소입자로분쇄되고

이송컨베이어를따라이송되는가운데가열건조 가이루어지는건조부;

[23] 상기건조부에서건조되어보관되는바이오매스 를이송관을통해이송및 3

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투입하여바이오매스를바이오차로변환하는 바이오차변환부;

[24] 상기바이오차변환부에서발생되는연소연기를 고열회수기로회수하여

재연소시키고이에의해발생되는열원을열원공 급배관을통해공급하는열원 회수부;

[25] 상기열원회수부에서연소연기를발생시키고남 은바이오차를바이오차

회수관을통해전달받아냉각및분진을분리선별 하여바이오차를회수하는 바이오차회수부;및

[26] 상기고열회수기에서불완전연소연기가연소되 는과정에서응축생성되어진 목초액을회수및정제시킨후저장시키는목초액 저장부;를포함하며，

[27] 상기열원회수부에서상기연소연기를고열회수 기로회수함에있어서상기 열원공급배관의중간부에강도조절을위한인버 터가구비된브로워가더 설치되고,

[28] 상기바이오차회수부는바이오차회수관을통해 바이오차입자를흡입하기 위한흡입부가설치되어있으며,물로냉각시키� �수냉장치가더설치되고，상기 흡입부에는바이오차의이송을제어하는컨트롤 러가구비되어있는것을 특징으로하는바이오매스를이용한바이오차제 조장치를제공한다.

[29]

[30] 본발명의일실시예에있어서 ,상기바이오차변환부에는바이오매스를

바이오차로변환시키기위한히터봉이단수또는 복수개구비되며,상기 히터봉을바이오매스의상태에따른제어가가능 하도록타이머가연결되는 것을북징으로한다.

[31] 또한,본발명의일실시예에있어서 ,상기바이오차변환부에는내부온도가

0~600ᄋ＜：가되도록산소조절장치및온도조절� ��치가구비되는것을특징으로 한다.

[32] 또한,본발명의일실시예에있어서 ,상기열원회수부에서발생하는열원을 상기건조부로공급하여투입되는바이오매스의 건조시키는것을특징으로 한다.

[33] 또한,본발명의일실시예에있어서,상기열원회� ��부에서발생하는열원을 제너레이터로공급하여열병합발전에사용하는 것을특징으로한다.

[34]

[35] 또한,상기과제를달성하기위하여본

[36] 바이오매스를건조부내로투입시켜길 소입자로분쇄및 건조시키는건조단계;

[37] 상기건조부로열풍을공급하기위한연소연기를 발생시키기위한재료로서 바이오매스를이송시킨뒤이를착화시켜바이오 차를형성함으로써생성된 바이오차를별도로수냉처리하여분진을분리배 출시키는바이오차제조단계;

[38] 상기바이오차의착화에따라발생되어진불완전 연소연기를고열회수기로 이송한후다시착화시켜고온으로연소시킴으로 써고온의열원을회수하는 4

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열원회수단계;

[39] 상기바이오차를제조하는과정에서바이오차에 서발생되는연소연기가

고열회수기에서연소되는과정에서응축된물질 중타르를분리정제시켜 고순도의목초액을회수하는목초액회수단계;� �포함하여구성되며，

[40] 상기열원회수단계에서상기연소연기를고열회 수기로회수함에있어서상기 열원공급배관의중간부에구비된강도조절을위 한인버터가구비된브로워를 이용하여브로윙하여회수하는것을특징으로하 고，

[41] 상기바이오차제조단계에서생성되는바이오차 를바이오차회수관을통해 바이오차입자를흡입하기위한흡입부가설치되 되 ,상기바이오차회수관에는 물로냉각시키는수냉장치가더설치되고，상기 흡입부에는바이오차의이송을 제어하는컨트롤러가구비되어바이오차의중량 에따라바이오차의이송을 컨트롤하는것을특징으로하는바이오매스를이 용한바이오차의제조방법을 제공한다.

[42]

발명의효과

[43] 본발명에따른바이오차제조장치및방법은，과 수전정지，가로수전정지， 산림간벌재등중량의바이오매스를반탄화가아 닌완전탄화방법으로 탄화함으로써혐기상태에서스스로탄화하는방 법으로외부의전기,가스，석유 등의에너지가거의이용되지않으므로에너지소 비를절감할수있는특징을 갖는다.

[44] 또한，건조도가낮고중량이비교적큰바이오매 스를통한바이오차

제조과정에서탄화및회수의컨트롤이용이하고 ,별도의외부에너지를 사용하지않기에추가적으로이산화탄소를저감 하는효과를갖는다.

[45] 또한，바이오차변환부（탄화로）에서발생하 는폐열을이용하여원재료인

바이오매스의건조뿐아니라농산물인벼，고추 등을건조할수있으며, 탄화로가많을경우에는열병합발전시설을추가 하여열병합발전도가능한 효과가있다.

[46]

도면의간단한설명

[47] 도 1은본발명에따른바이오차제조장치의개략적� �전체구성도.

[48] 도 2는본발명에따른바이오차제조장치중건조부� �성상세도.

[49] 도 3은본발명에따른바이오차제조장치중고열회� �기구성상세도.

[50] 도 4는본발명에따른바이오차제조장치중바이오� �변환부및열원회수부 구성상세도.

도 5는본발명에따른바이오차제조장치중바이오� �회수부구성상세도. 도 6은본발명에따른바이오차제조장치중목초액� �장부구성상세도. 2019/103551 1»（：1/10公018/014611

발명의실시를위한최선의형태

[54] 이하,본발명의구체적인실시예를첨부도면을� �조하여상세히살펴보기로 한다.

[55]

[56] 먼저 ,본발명제조장치의전체적인구성을도면을통� �살펴보면,호퍼 (5)및 투입컨베이어 (3)를통해투입되는과정에서바이오매스 )률약 1~30111,더욱 바람직하게는약 1~2 ¥ ₁ 의길이를갖는입자로분쇄하기위한제 1, 2분쇄기 (1,2) 및분쇄된바이오매스가이송컨베이어 (4)를따라이송되는가운데가열건조가 이루어지도록하는건조부 (10)가구비된다.

[57] 또한，상기건조부 (10)에서건조되어보관되는바이오매스를이송� � (31)을 통해이송및투입하여바이오매스를바이오차 )로변환하는바이오차 변환부 (300)를포함하며 ,

[58] 상기바이오차변환부 (300)에서발생되는연소연기를고열회수기 (20)로

회수하여재연소시키고이에의해발생되는열원 을열원공급배관 (21)을통해 공급하는열원회수부 (30)와상기열원회수부 (30)에서연소연기를발생시키고 남은바이오차 (지를바이오차회수관 (41)을통해전달받아냉각및분진을분리 선별하여바이오차를회수하는바이오차회수부 (40)를포함하여구성된다.

[59] 또한，상기열원회수부 (30)에서상기연소연기를고열회수기 (20)로회수함에 있어서상기열원공급배관 (21)의중간부에강도조절을위한인버터 (29-1)가 구비된브로워 (29)가설치된것을특징으로한다.

[60] 또한，상기고열회수기 (20)에서불완전연소연기가연소되는과정에서� �축 생성되어진목초액을회수및정제시킨후저장시 키는목초액저장부 (50)를 포함하여이루어지는것을구성적특징으로한다 .

[61] 이때，상기바이오차회수부 (40)는바이오차회수관 (41)을통해바이오차

입자를흡입하기위한흡입부 (42)가설치되어있으며 ,물로냉각시키는 수냉장치 (400)가더설치되고，상기흡입부에는바이오차� ��이송을제어하는 컨트롤러 (420)가구비되어있는것을특징으로한다.

[62] 상기건조부 (10)구성을도 ² 를통해좀더상세히살펴보면,하우징내부� �는 이송컨베이어 (4)가높이를달리하는다단으로구성되어있어이 송과정에서 바이오매스 (幻의건조가이루어질수있도록하였는데,각경� ��상에는 바이오매스재료를균일하게펼쳐주기위한펼침 브러쉬 (12)및하단의 컨베이어로낙하되지않은재료를털어주기위한 털이브러쉬 (11)가복수의 개소에설치되어있으며,바이오매스의건조를� �해암모니아가스및수분을 증발시키기위한열풍이공급되는열풍유입구에 는풍량을조절하기위한풍량 조절기 (13)가설치되고，장치하단에는건조후배출호� � (6)를통해배출되는 바이오매스를저장탱크 (8)로배출시키기위한배출컨베이어 (7)가구성되었다. 미설명부호 9는증기배줄을위한연통을나타낸다. 2019/103551 1»（：1^1{2018/014611

[63] 그리고고열회수기 (20)는도 3에서와같이 ,열원공급배관 (21)에는불완전

연소연기를유도하기위한풍량기 (21句가설치되며，유도공급된연기가 1차로 저장되는연기저장고 (22),연기저장고 (22)로부터연기를연소실 (24)로안내하기 위해설치된다수의연기토출관 (23),연소실 (24)내의연소연기점화를위한 점화버너 (25)가포함된다.

[64] 이때,본발명에서사용되는전정지，산립간벌� �등과같이중량이상대적으로 크고입자가큰바이오매스의경우에는착화후연 소연기를배출해주어야 탄화가일어나는데,연소연기가원활하게배출� �지않으면바이오차의형성이 안되고재로되어버린다.따라서강한힘으로연� �연기를배출시킬필요가 있으며이에따라브로워 (29)의설치가필수적이고，상기브로워 (29)의강도를 내부의바이오매스의상태에따라조절할수있는 인버터 (29-1)의설치가 필요하다.

[65] 도 3에서미설명부호 26은배출차단단파기이고， 27은열선, 28은목초액이 회수관 (51’)으로유입됨을단속하는밸브를나타낸다.

[66] 그리고열원회수부 (30)는도 4에도시된바와같이바이오매스이송관 (31)을 통해바이오매스저장고 (38)로부터이송，투입된바이오매스가순차적� �로 투입되는복수의바이오매스보관부 (32)，각바이오매스보관부 (32)내에 투입되는바이오매스를착화시켜연소연기가발 생되도록하는희터봉 (33),상기 바이오매스보관부 (32)의하부에위치하여바이오차를선별하여바� �오차 배출게이트 (34)측으로보내기위한타공망게이트 (35),그리고

공기량조절기 (36)가포함된다.

[67] 이때，상기바이오차변환부 (300)에는내부온도가 100-600。<그，더욱

바람직하게는 400-550 °(그가되도록산소조절장치및온도조절장치가 구비되도록하는것이바람직하다.

[68] 상기바이오매스이송관 (31)은바이오매스저장고 (38)로부터바이오매스

입자를상승시키기위한수직이송관 (31 및상승된바이오매스를다시각 보관부 (32)로이송시키기위한수평이송관 (311>)으로이루어진상태에서각 이송관내부에는이송스크류 (37)가설치되며，수평이송관 (3:比)단부에는잔여 바이오매스의회수를위해배출시키는잔여바이 오매스배출구 (39)가구비되며， 미설명부호 32크는바이오매스공급확인기를나타낸다.

[69] 또한，본발명에서는상기바이오차변환부 (300)내에희터봉 (33)이단수또는 복수개로설치되는테，내부의바이오매스의상 태에따라상기희터봉 (33)의가열 시간을조절할수있도록제어판에타이머 (330)가설치되는것이바람직하다.

[70] 또한，상기바이오차변환부 (300)에서생성되는바이오차를 1차로냉각시키기 위해수냉장치 (400)가더구비되는것을특징으로한다.상기본출 원인의 선등룍특허에서는입자가작은농업부산물 (왕겨)를냉각하기위해서는공랭에 의해서쉽게가능했지만본발명은바이오매스를 사용하므로내부의온도를 효율적으로냉각시키기위해서는공냉만으로는 부족하므로물의순환을이용한 2019/103551 1»（：1^1{2018/014611

수냉방법을사용하였다.이때,수냉방식으로� ��각을실시하지만바이차가 수분을흡수하지않게하기위한수냉방법을사용 하는것이바람직하다.

[71] 그리고도 5는바이오차회수부 (40)률도시한것으로,각바이오매스

보관부 (32)하부의바이오차배출게이트 (34)를통해배출되는바이오차 (1)를 회수하기위한회수관 (41)，바이오차의회수를위한흡입력을발생시� �는 흡입부 (42),상기흡입부 (42)흡기력에의해유입되어진입자중분진과 바이오차이분리되어지는바이오차분리기 (43),상기바이오차분리기 (43)로 유입되는분진을분리하여집진하기위한분진배 출관 (44)및분진

저장탱크 (45)로구성되었다.또한,상기흡입부 (42)에는제조되는바이오차의 이송을제어하기위한컨트롤러 (420)가추가로구비된다.상기컨트롤러는상기 얻어지는바이오차의경우과수전정지,가로수� �정지및산림간벌재등 중량의목재를이용하여얻어지므로기존과같이 일반적인브로워를사용할 경우에는이송이원활하지않고분진과의분리가 용이하지않은문제가있다.

[72] 본발명에서는이러한문제점을해결하기위해흡 입기의흡입력을바이오차의 밀집도에따라조절할수있도록하는역할을한다 .즉,본발명에서얻어지는 바이오차는바이오차는밀도 (밀집도)가기존왕겨나제지슬러지를이용한 경우와대비하여매우약하므로흡입시원활한이 송이안되고이에따라 분진과의분리가용이하지않은문제가있다.따� �서본발명에서는이러한종래 기술의문제점을해결하기위해상기흡입부 (42)에흡입력을조절할수있는 컨트롤러 (420)를구비하여해결하는것을특징으로한다.

[73]

[74] 상기바이오차분리기 (43)하부에는분리되는바이오차를정량적으로

배출시키기위한정량배출밸브 (48)가설치되어있으며，분진저장탱크 (45) 상부에는분진을집진시키기위한집진기 (46)및공기배출관 (47)이연결 구성된다.미설명부호 49는단파기를나타낸다.

[75] 또한,목초액저장부 (50)는도 6에서와같이，고열회수기 (20)로부터

회수관 (51，51’)으로연결되어회수된액을정제로 (67)내에서다시가열하여 기화시키기위한가열버너 (61),기화된가스를응축시키기위한냉각기 (62)및 냉각괜 (63),응축된목초액을여과시키기위한여과탱크 (64),그리고다수의 여과필터 (65^651),65(:),여과되어정제로 (67)저부에침전된타르를외부로 배출하기위한타르배출밸브 (66)로구성되어진목초액정제기 (60)가

구성되었다.

[76]

[7刀 또한,도 3에도시된바와같이열원공급배관 (21)을통해고열회수기 (20)로 안내되어하부의연기저장고 (22)에 1차로저장된불완전연소연기는

연소실 (24)에서점화버너 (25)에의해점화되어완전연소가이루어짐으로� �약 100 600° (:의비교적저온으로전환되어건조부 (10)내로열풍을공급시키게 됨으로써바이오매스의건조에사용된다. [78] 한편，고열회수기 (20)내에서열원의연소에의해생성되어바닥면� �고여지는 목초액은목초액회수관 (51,51’)을통해안내되어도 6에도시된바와같은 목초액정제기 (60)에서정제가이루어지게되는데，정제로 (67)로회수되는 목초액중에함유된타르는하부바닥에침전되어 배출밸브 (66)를통해배출이 이루어지고,액상의목초액만이가열버너 (61)의가열에의해기화되어 냉각기 (62)를통과하면서다시응죽이이루어지고，응� �된목초액은

여과탱크 (64)과단계별여과필터 (65c)를통과하는가운데정제가

이루어짐으로서목초액저장부 (50)에는순수한목초액만이저장되게된다.

[79] 또한，상기바이오매스보관부 (32)에서만들어진바이오차는바이오차

배출게이트 (34)에의해배출되면흡입부 (42)의흡기력에의해바이오차 회수관 (41)을따라회수되는가운데수냉이이루어지게� �다.이때바이오차에는 분진과같은미세이물질이함유되어있는데,이� �바이오차분리기 (43)에서 분리가이루어진다.즉，흡입기 (42)의흡기력에의해바이오차분리기 (43)내로 유입되는바이오차는하강된후입자의자중에의 해하부에쌓이게되고，미세한 분진은하강된후분진배출관 (44)을통해재상승된후집진기 (46)에서집진되어 분진저장탱크 (45)로의저장이이루어지게된다,

[80]

[81] 이상,본발명에따른바이오매스를이용한바이� �차의제조장치및제조 방법에관하여도면을참조하여상세하게설명하 였다.

[82] 이상의방법으로제조되는바이오차는단독으로 포장하여이산화탄소저감을 위한토양개량재，건축용단열재 (열전도율 0.040w/mk),제습제나

탈취제 (자동차용또는실내용)등으로사용하거나,또는 분변토 (지렁이분), 펄라이트,버미큘라이트,코코피트피트모스등� ��혼합하여상토를제조할수 있다.특히 _, 바이오차를공기가통하도록하는봉지에포 장하여쌀이나과일 등과함께보관할경우신선도를향상시켜보존기 간을늘릴수있고,풍미가 좋고，쌀벌레방지로인한뜸냄새가방지될수있 다.또한축분유기질비료에 5 15%를첨가하면발효에의한냄새제거를할수있다 .그밖에철강산업에서 보온재로사용될수있으며,바이오차를활성화� �면비표면적이커져활성탄을 대신할수있다.또한화석연료인석탄을대신해� �화력발전에이용하면 탄소중립 (carbon neutral)의신재생에너지로분류된다.

[83]

[84] 위에기술된실시예는본원발명에기술되는원리 를나타내는많은구체적 실시예중에서일부분의실시예를예시하는것이 다.따라서본원발명의 실시예를이용함에따라당업자들이본원발명의 청구항에의해정의된범위 내에서많은다른배열들을쉽게구현해낼수있을 것이다.본발명의상세한 설명에서는구체적인실시예에관해설명하였으 나，본발명의범위에서 벗어나지않는한도내에서여러가지변형이가능 함은물론이다.그러므로본 발명의범위는설명된실시예에국한되지않으며 ，후술되는특허청구의 2019/103551 1»（：1^1{2018/014611

범위뿐만아니라이특허청구의범위와균등한 것들에의해정해져야한다.

[85]

_[86] [부호의설명 _]

[87] 1,2:분쇄기 3:투입컨베이어

[88] 4:이송컨베이어 5:호퍼

[89] 7 :배출컨베이어 8 :저장탱크

[90] 10 :건조부 13 :풍량조절기

[91] 20:고열회수부 21 :열원공급배관

[92] 22:연기저장고 23 :연기토출관

[93] 24:연소실 25:점화버너

[94] 29:브로워 29-1 :인버터

[95] 30:열원회수부 31 :농업부산물이송관

[96] 32:농업부산물보관부 33 :희터봉

[9刀 330 :타이머 34 :바이오차배출게이트

[98] 35 :타공망게이트 36 :공기량조절기

[99] 37 :이송스크류 40 :바이오차회수부

[100] 41 :바이오차회수관 42:흡입부

[101] 420 :컨트롤러 43 :바이오차분리기

[102] 44 :분진배출관 45 :저장탱크

[103] 50:목초액저장부 51,51’:목초액회수관

[104] 60 :목초액정제기 61 :가열버너

[105] 62:냉각기 63:냉각팬

[106] 64:여과탱크