KR101084363B1 - 바이오매스 부산물을 이용한 친환경 바이오탄의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물을 이용한 친환경 탄의 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물에서 오일 또는 에탄올을 추출하여 분리한 후 탄화시키고, 탄화물에 전분류 및 추출한 오일 또는 에탄올을 다시 혼합함으로써 발열량이 높으면서도 이산화탄소 발생이 거의 없는 친환경 바이오탄 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 친환경 바이오탄 및 그 제조방법은 바이오매스 부산물을 사용함으로써 폐기물을 재활용하는 것이 가능하여 자원의 재활용이 가능하며, 제조 과정 중 유해가스를 발생시키지 않으며, 생산 공정 중 에너지 소모를 최소화하면서도 단위 중량당 발열량과 연소성이 우수한 친환경 바이오탄을 제공하는 것이 가능하다.

바이오매스 부산물, 바이오매스 슬러지, 친환경, 바이오탄

Description

바이오매스 부산물을 이용한 친환경 바이오탄의 제조 방법 {Method of Environment-friendly bio-charcoal using biomass byproduct}

본 발명은 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물을 가압 추출하는 단계를 포함하는 친환경 탄의 제조방법으로서, 구체적으로 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물에서 오일 또는 에탄올을 추출하여 분리한 후 탄화시키고, 탄화물에 식물성 착화제 및/또는 점착제 및 추출한 오일 또는 에탄올을 다시 혼합하여 제조함으로써 발열량이 높으면서도 친환경적인 바이오탄 및 그 제조방법에 관한 것이다.

탈취, 독성물질 흡수 및 연료로서 사용되는 숯의 제조방법은 숯의 원재료로서의 목재를 경화토(hardening soil)에 의해 형성된 가마 내에 채워 넣고, 목재 위에 장작을 배치하고 또한 장작을 화구(火口) 부근에 채워 넣으며, 이 장작을 태워서 숯의 원재료를 탄화시키고, 배연구(排煙口)로부터 배출되는 연기가 흰색에서 푸른색으로 바뀌었을 때 화구를 닫으며, 그리고 대체로 화구를 닫은 때로부터 3 내지 5일 경과 후 통기구와 배연구를 완전히 막음으로써 제조되는 것이 일반적이었다. 일본 공개특허공보 2000-119661, 2001-181646 및 평9-59642에서는 가마 또는 가마 내부의 공간 내로 공기를 유입시키는 기술이 알려져 있다. 그러나, 이러한 제조방법은 숯이 저온(300 내지 550 ℃)에서 탄화에 의해 제조되므로 포름알데히드, 벤젠, 톨루엔, 자일렌(xylene), 에틸 벤젠, 및 클로로벤젠 등의 유해가스를 충분히 흡착하지 못한다.

최근에는 버려진 자원의 재활용의 방안으로서 폐자재를 이용하여 활성탄을 제조하는 방법이 알려져 있었다. 그러나, 가구 등의 폐기목이나 산업체에서 발생하는 폐기물의 경우 합성수지 등은 생산원가가 고가일 뿐만 아니라, 화학물질이 다수 포함되어 있는 경우가 많고, 이러한 화학물질이 활성탄 제조과정 중 공기중으로 방출되어 대기 오염 등의 문제를 피할 수 없었다.

이에 본 발명자들은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 광범위한 연구를 수행한 결과, 본 발명에 따른 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물을 이용한 탄화 제조방법이 제조 원료의 가격이 저렴할 뿐만 아니라, 사용하고 남은 식물성 부산물을 활용하여 원재료로 이용한다는 점에서 친환경적이라는 점을 밝힘으로써 본 발명을 완성하였다.

종래의 폐기목이나 생활 폐목재를 활용한 탄화 제조방법은 제조원가가 높을 뿐만 아니라 제조 과정 중 유해 가스가 많이 방출되어 환경에 악영항을 미친다는 문제점을 해결하여, 식물성 원료 및 식물성 재료를 사용함으로써 유해가스 발생과 같은 환경적 문제를 해결하고자 한다.

본 발명은 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물을 가압 추출하는 단계를 포함하는 친환경 바이오탄의 제조방법으로서, 구체적으로 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물에서 오일 또는 에탄올을 추출하여 분리한 후 탄화시키고, 탄화물에 전분류 및 추출한 오일 또는 에탄올을 다시 혼합하여 제조된 친환경 바이오탄 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 친환경 탄 및 그 제조방법은 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물을 사용함으로써 폐에너지원을 재활용하는 것이 가능하고, 제조 과정 중 유해가스를 발생시키지 않으며, 생산 공정 중 에너지 소모를 최소화하면서도 단위 중량당 발열량과 연소성이 우수한 친환경 바이오탄을 제공하는 것이 가능하다.

본 발명은 본 발명은 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물을 가압 추출하는 단계를 포함하는 친환경 바이오탄의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물에서 오일 또는 에탄올을 추출하여 분리한 후 탄화시키고, 탄화물에 전분류 및 추출한 오일 또는 에탄올을 다시 혼합하여 제조한 친환경 바이오탄에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 친환경 바이오탄의 제조방법은

오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물을 150 ~ 180 ℃에서 가압 처리하여 오일 또는 에탄올을 추출하는 단계;

오일 또는 에탄올이 추출된 바이오매스 부산물을 탄화하는 단계; 및

바이오매스 부산물의 탄화물과 전분류 및 추출단계에서 추출된 오일 또는 에탄올을 혼합하는 단계를 포함한다.

바이오매스(biomass)는 에너지 전용의 작물과 나무, 농산품과 사료작물, 농작 폐기물과 찌꺼기, 임산 폐기물과 부스러기, 수초, 동물의 배설물, 도시 쓰레기, 그리고 여타의 폐기물에서 추출된 재생가능한 유기 물질로 현재 에너지원으로 쓰여지고 있는 목재, 식물, 농·임산 부산물, 도시 쓰레기와 산업 폐기물 내의 유기 성 분등을 일컫는다.

본 발명의 섬유성 바이오매스(fibrous biomass)는 초본 에너지 작물; 스위치그래스(switchgrass), 미스컨터스(코끼리풀이나 부들), 대나무, 사탕수수, 톨페스큐(벼과), 코치아, 개밀 등과 같이 다 자라기까지 2 내지 3년이 걸리고 이후로 매년 수확이 가능한 다년생식물; 짧은 주기의 목본 작물, 잡종 포플러, 잡종 버드나무, 은단풍, 미루나무, 녹색 물푸레나무, 검정호두나무, 풍나무, 시카모어(플라타너스)와 같이 심은 후 5 내지 8년이면 수확하는 속성의 활엽수; 섬유질 추출용 커넵(양마)과 짚류, 리시놀산 추출용 피마자 등과 같이 산업 작물특정 산업의 화학물질을 생산하기 위해 개발 조성되는 작물; 농작물, 옥수수녹말과 옥수수유, 대두유과 대두가루, 밀전분, 기타 식물유와 같이 대개 당, 기름, 그리고 플라스틱이나 다른 화학물질들을 만드는데 사용될 수 있는 여러 추출물 등을 산출하는 것으로 현행 유통중인 생산품과 미래에 새롭게 개발될 상품의 성분을 포함하는 작물; 조류, 대형 해조와 같은 수중 바이오매스 자원; 옥수수대(줄기, 이파리, 껍질, 알맹이), 밀짚, 볏짚와 같은 농업 작물 찌꺼기, 추수되지 않거나 상업적인 유통과 거리가 먼 줄기나 이파리; 임업 폐기물, 미리 솎아내고 죽은 나무를 제거하는 등의 수림 관리 작업에 의해 만들어지는 것 뿐 아니라 상업용의 침·활엽수 중 벌채되지 않았거나 벌목장에서 제외된 수림. 중 초목은 잎, 줄기, 뿌리 등으로서 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 리그닌(lignin)의 3가지 주성분 및 여타 수지 등을 포함할 수 있다.

특히, 본 발명의 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물은 오 래된 팜나무 또는 팜나무에서 오일을 추출하고 남은 팜 슬러지, 바이오 연료를 추출하고 남은 사탕수수 슬러지, 옥수수 슬러지 또는 콩대 슬러지인 것이 바람직하나, 팜, 사탕수수, 옥수수 껍질 또는 옥수수대, 콩대와 같은 상기 바이오매스 원료도 분쇄하여 사용하는 것이 가능하며, 식물성 원료로서 통상의 기술자가 적용, 변형할 수 있는 원료라면 모두 본 발명의 바이오탄의 재료로 사용될 수 있다.

상기 추출단계는 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물을 150 ~ 180 ℃에서 5 ~ 10분 스팀처리 및 가압하여 오일 또는 에탄올을 추출하는 단계이다. 상기 스팀처리 및 가압 온도가 150 ℃ 이하이면, 추출이 잘 되지 않고, 가압온도가 180 ℃ 이상이면, 바이오매스 부산물 내 소량 남아있는 에탄올이 모두 증발하여 추출물을 얻을 수 없다. 스팀처리 및 가압 시간이 5분 이하이면, 추출이 잘 되지 않고, 가압 시간이 10분 이상이면, 식물성 슬러지 자체 내의 수분이 모두 증발해 버릴 수 있다.

상기 탄화단계는 280 ~ 350 ℃의 온도에서 30 ~ 60분 정도 탄화하여 탄화물을 얻는 단계로서, 고온에서 탄화함으로써 황산화물, 질소산화물, 일산화탄소 같은 유해성 물질이 효과적으로 제거된 탄화물을 얻는 것이 가능하다. 저온에서 탄화시키는 저온건조의 경우 불완선 연소가 발생하고, 이로 인하여 유해성 물질이 잔존하게 된다. 또한, 탄화 방법은 직화 방법으로 직접 태워서 탄화시키는 것도 가능하나, 직접 불길이 닿지 않고 열로만 탄화되도록 탄화하는 방법이 더욱 바람직하다. 간접 열로 탄화시킴으로써 탄화물에 그을음이 생기는 것을 막아 주어 최종 생산된 바이오탄은 연소된 후 찌꺼기를 현저하게 줄일 수 있다.

본 발명의 혼합단계는 산화제를 추가로 포함할 수 있으며, 바람직한 산화제로서는 질산칼륨이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 혼합단계는 오일 또는 에탄올을 제거한 후 탄화시킨 바이오매스 부산물의 탄화물의 100 중량부에 대하여 추출단계에서 추출된 오일 또는 에탄올 1~2 중량부, 식물성 착화제 및/또는 점착제 6 ~ 14 중량부, 산화제 1~2 중량부를 포함하는 것이 바람직하나, 상기 중량 비율은 이에 한정되지 않으며, 통상의 기술자가 본 발명의 바이오탄의 발열량을 높이기 위하여 적절히 변경 및 수정이 가능하다. 또한, 추출단계에서 추출된 오일 또는 에탄올에 추가로 판매되는 오일 또는 에탄올을 첨가하는 것도 가능하다. 혼합단계에서 사용되는 식물성 착화제 및/또는 점착제로서는 당해 기술분야에서 식물성 착화제, 점결제, 점착제로서 사용 가능한 것은 어떠한 것이든 사용 가능하며, 특히 전분류를 사용하는 것이 바람직하다. 전분류는 사탕수수 전분, 옥수수전분 및/또는 카사바 전분을 사용하는 것이 바람직하나, 통상 전분으로 사용 가능한 것은 어떠한 것이든 가능하다.

또한, 본 발명의 바이오탄 제조방법은 상기 혼합단계 이전에 탄화물을 분쇄하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 탄화물을 분쇄함으로써 혼합단계에서 각 구성요소가 균일하게 혼합될 수 있다.

상기 성형단계는 100 ℃의 증기를 7 ~ 8 kg/㎠ 압력으로 전체 원료에 대하여 30 ~ 40 중량부의 수분이 첨가되도록 분무하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않으며, 수분량은 당업자가 적절히 조절할 수 있다.

바이오탄 제조과정에 있어, 상기 추출단계를 거치지 않고 탄화시킬 경우, 바이오매스 부산물에 소량 남아있는 오일 또는 에탄올이 고온 탄화 과정에서 소실되어 최종 생산된 바이오탄의 발열량이 낮게 된다. 따라서, 본 발명은 바이오매스 부산물에 소량 남아있는 오일 또는 에탄올을 고온으로 탄화시키기 전에 추출하여 재사용함으로써 발열량을 높이는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 상기 제조 방법으로 제조된 바이오탄에 관한 것이다.

본 발명의 바이오탄은 원료로 사용되어 폐기물인 바이오매스 부산물에 소량 남아있는 오일 또는 에탄올을 추출하여 에너지원으로서 재혼합하여 제조함으로써, 발열량이 5,000 ~ 8,000 ㎉/㎏으로 매우 높으므로, 가정용 또는 농어촌의 보일러 연료용, 에너지를 다량 사용해야 하는 공장, 업체 등의 에너지 연료용 또는 소형 열병합 발전 시스템의 연료용으로도 사용하는 것이 가능하다. 본 발명의 바이오탄은 폐기된 폐에너지원을 재활용한다는 점, 화학물질을 첨가하지 않고 버려지는 식물성 부산물을 추출하여 그 추출물을 이용한다는 점, 간접 탄화로 그을음이 현저하게 줄어 최종 생산물의 연소 후 찌꺼기가 거의 남지 않는다는 점, 바이오탄 제조과정 및 최종 생산물의 연소시 유해가스가 거의 발생하지 않는다는 점 및 최종 생산물의 연소 후 재는 거름으로 사용가능하다는 점에서 제조원가가 저렴하고, 친환경적으로 우수한 효과를 가진다.

[실시예]

이하 실시예를 통해 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하나 본 발명이 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 : 사탕수수 전분을 이용한 친환경 탄 제조

팜 부산물 및 슬러지를 180 ℃에서 10분간 스팀처리 후 가압하여 팜오일 및 에탄올을 추출하여 분리한다. 팜오일 및 에탄올이 추출 분리된 팜 슬러지를 300 ℃에서 45 분 정도 고온 건조하여 탄화물을 습득하였다. 상기 탄화물을 잘게 파쇄하고 분말 가루화한 후, 상기 탄화물 가루 100 kg, 추출 분리된 팜 오일 2 kg, 사탕수수 전분 10 kg 및 질산칼륨(초석) 2 kg을 혼합한 다음, 총 중량에 대하여 100 ℃의 증기를 7 ~ 8 kg/㎠ 압력으로 전체 원료에 대하여 30 ~ 40 중량부의 수분이 첨가되도록 분무하면서 혼합하여 압축 성형기로 성형하였다. 성형물을 약 100 ℃에서 3시간 동안 건조시켜 원통형 바이오탄을 제조하였으며, 제조된 탄의 발열량을 측정한 결과 7,300 kcal/kg이었다.

본 실시예에 따라 제조된 친환경 바이오탄 1 kg의 연소 가스를 측정한 결과 벤젠, 포름알데히드, 납, 카드뮴 등의 유해 가스는 전혀 검출되지 않았다. 표 1에 기재된 바와 같이 본 발명의 바이오탄은 종래의 열탄에 비하여 연소시 유해물질의 발생이 없으면서도 발열량이 현저히 높음을 알 수 있었다.

항목	실시예1(바이오탄)	중국산 열탄(톱밥탄)	비교예 2	시중육각 열탄
발열량(kcal/kg)	7,300	4,050	5,300	4,530
납	검출안됨	123.4ug/m3	검출안됨	87.0ug/m3
카드뮴	검출안됨	24.0ug/m3	검출안됨	22.3ug/m3
바륨	검출안됨	11.2ug/m3	4ppm	23.6ug/m3

실시예 2 : 카사바 전분을 이용한 친환경 탄 제조

탄화물 가루 100 kg, 추출 분리된 팜 오일 2 kg, 카사바 전분 10 kg 및 질산칼륨(초석) 2 kg을 혼합하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오탄을 제조하였으며, 제조된 탄의 발열량을 측정한 결과 7,300 kcal/kg이었다.

본 실시예에 따라 제조된 친환경 바이오탄 1 kg의 연소 가스를 측정한 결과 벤젠, 포름알데히드, 납, 카드뮴 등의 유해 가스는 전혀 검출되지 않았다.

실시예 3 : 옥수수 전분을 이용한 친환경 탄 제조

탄화물 가루 100 kg, 추출 분리된 팜 오일 2 kg, 옥수수 전분 10 kg 및 질산칼륨(초석) 2 kg을 혼합하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오탄을 제조하였으며, 제조된 탄의 발열량을 측정한 결과 7,000 kcal/kg이었다.

본 실시예에 따라 제조된 친환경 바이오탄 1 kg의 연소 가스를 측정한 결과 벤젠, 포름알데히드, 납, 카드뮴 등의 유해 가스는 전혀 검출되지 않았다.

실시예 4 : 사탕수수 전분 및 카사바 전분을 이용한 친환경 탄 제조

탄화물 가루 100 kg, 추출 분리된 팜 오일 1 kg, 사탕수수 및 카사바 혼합 전분 10 kg 및 질산칼륨(초석) 2 kg을 혼합하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오탄을 제조하였으며, 제조된 탄의 발열량을 측정한 결과 6,500 kcal/kg이었다.

본 실시예에 따라 제조된 친환경 바이오탄 1 kg의 연소 가스를 측정한 결과 이러한 벤젠, 포름알데히드, 납, 카드뮴 등의 유해 가스는 전혀 검출되지 않았다.

비교예 1 : 폐자재를 이용한 숯의 제조방법

합성수지가 코팅된 가구를 분쇄하여 탄화처리후, 발열량을 측정한 결과 발열량은 4,000 kcal/kg이었다. 상기 폐자재를 이용하여 탄화 처리 과정 중 발생하는 유독가스를 측정한 결과 납의 경우 123.4 ㎍/㎥, 카드뮴 24.0 ㎍/㎥ 수은 85.0 ㎍/㎥, 포름알데히드 984.0 ㎍/㎥, 벤젠 128.0 ㎍/㎥이었다.

비교예 2 : 추출과정을 제외하고 제조된 탄의 발열량을 측정

실시예 1과 동일하게 실시하되, 추출과정을 제외하고 탄을 제조하여 발열량을 측정하였다. 그 결과 발열량은 5,300 kcal/kg이었다. 실시예 1과 비교하여 발열량이 현저하게 떨어지는 이유는 추출과정을 거치지 않고 고온에서 탄화시킴으로써, 팜 부산물 및 슬러지 내에 포함되어 있는 팔미틴산, 올레인산, 리놀레산이 소실되었기 때문이다.

비교예 3 : 카바사 전분 또는 사탕수수 전분을 대신하여 종래의 화학물질을 사용하여 제조된 탄

실시예 1과 동일한 방법으로 탄화물을 제조, 파쇄한 후, 상기 탄화물 가루 100 kg, 파라핀 왁스와 아세톤 및 메탄올의 혼합물10 kg 및 질산나트륨 또는 질산바륨 2 kg을 혼합한 다음, 압축 성형기로 성형하였다. 상기 성형물을 약 100 ℃ 3시간 동안 건조시켜 숯을 제조하였다.

제조된 숯 1 kg을 연소하였을 때 발생되는 가스를 측정한 결과, 일산화탄소 1002ppm, 일산화질소 969ppm, 이산화질소 101ppm, 이산화황 30ppm, 바륨82ppm, 납 42ppm, 카드뮴26ppm 정도 이었으며, 이때 연소시 발열량은 6,900kcal/kg 이었다.

Claims (9)

1. 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물을 150 ~ 180 ℃에서 가압 처리하여 오일 또는 에탄올을 추출하는 단계;

   오일 또는 에탄올이 추출된 바이오매스 부산물을 탄화하는 단계; 및

   바이오매스 부산물의 탄화물 100 중량부에 대하여 전분류 6 ~ 14 중량부 및 추출단계에서 추출된 오일 또는 에탄올 1~2 중량부를 혼합하는 단계를 포함하는 바이오탄의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 오일 또는 에탄올이 소량 남아있는 바이오매스 부산물은 오래된 팜나무 또는 팜나무에서 오일을 추출하고 남은 팜 슬러지, 바이오 연료를 추출하고 남은 사탕수수 슬러지, 옥수수 슬러지 또는 콩대 슬러지인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 탄화 단계는 280 ~ 350 ℃의 열로서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 혼합 단계 전 바이오매스 부산물의 탄화물을 분쇄하 는 단계를 추가로 포함하는 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 혼합단계 이후, 100 ℃의 증기를 7 ~ 8 kg/㎠ 압력으로 30 ~ 40 중량부의 수분이 첨가되도록 분무하는 것을 특징으로 하는 성형단계를 추가로 포함하는 방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제로서 질산칼륨을 추가하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 삭제
8. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전분류는 사탕수수 전분, 옥수수 전분 또는 카사바 전분인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 바이오탄.