KR101416755B1 - Apparatus for manufacturing biofuel using supercritical water gasification - Google Patents

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류성혜
조후갑
노명균
이주하
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Abstract

An apparatus for manufacturing biofuel according to the present invention relates to an apparatus capable of manufacturing biofuel out of biomass at a temperature lower than a traditional gasification process, by using a supercritical water gasification process.

Description

초임계 수 가스화 공정을 이용한 바이오연료 제조 장치{Apparatus for manufacturing biofuel using supercritical water gasification}[0001] The present invention relates to a biofuel producing apparatus using a supercritical water gasification process,
본 발명은 초임계 수 가스화 공정을 이용한 바이오연료 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오매스(Bio-mass)를 비교적 낮은 온도에서 가스화 반응을 통해 저장 및 사용성이 우수한 바이오연료를 높은 수율로 제조하는 바이오연료 제조장치에 관한 것이다.The present invention relates to a bio-fuel production apparatus using a supercritical water gasification process, and more particularly, to a bio-fuel production apparatus using a supercritical water gasification process, in which bio-mass is produced at a relatively low temperature, To a biofuel producing apparatus.
바이오연료(Bio-fuel)은 현재 가장 활발히 연구되고 있는 대체 에너지 분야들 중 하나이다. 바이오연료는 바이오매스(Bio-mass)로부터 생물학적, 화학적 또는 물리적인 처리를 통해 생산되는 고체, 액체, 기체 상태의 다양한 연료를 의미한다. 좁은 관점에서, 바이오매스는 재생 가능한 식물체에서 광합성 과정으로부터 생산되는 유기물만을 의미하지만, 넓은 범위에서는 동물 배설물, 도시 쓰레기, 수생생물들과 같은 유기성 폐기물까지도 포함한다.Bio-fuel is one of the most active alternative energy fields currently being studied. Biofuels are a variety of solid, liquid, and gaseous fuels produced from biological, chemical, or physical treatments from biomass. In a narrow sense, biomass refers only to organic matter produced from the photosynthesis process in renewable plants, but also to organic wastes such as animal waste, municipal waste, and aquatic organisms to a large extent.
현재 바이오매스로부터 생산되는 바이오연료는 에탄올, 부탄올, 디젤 같은 수송용 연료와 수소, 메탄과 같은 기체용 연료 등이 있다. 바이오연료는 재생이 가능하고, 폐기물의 유용한 처리가 가능하며, 화석연료에 비해 상대적으로 높은 온실가스 저감 효과 등이 장점이며, 그로 인해 앞서 지적하였던 자원고갈, 환경오염, 지구 온난화 같은 문제들을 해결하는데 크게 기여할 수 있다.Currently, biofuels produced from biomass include transportation fuels such as ethanol, butanol, and diesel, and gas fuels such as hydrogen and methane. Biofuels can be recycled, useful waste can be treated, and relatively high greenhouse gas reduction effects compared to fossil fuels. This will solve problems such as resource depletion, environmental pollution and global warming. Can greatly contribute.
최근 바이오연료 생산을 위한 바이오매스의 확보에 대한 관심이 여러 국가들을 중심으로 증대되고 있다. 미국과 브라질에서는 주로 전분질계(옥수수) 및 당질계(사탕수수)를 이용한 바이오에탄올 생산과 EU에서는 동식물 유지를 이용한 바이오디젤 생산에 주력하고 있다.Recently, interest in securing biomass for biofuel production is increasing in many countries. In the United States and Brazil, production of bioethanol using mainly starchy maize (corn) and carbohydrate (sugarcane) and production of bio-diesel using animal and plant fats are in the EU.
한편, 곡물 바이오매스를 이용한 바이오연료 생산 시 곡물 바이오매스의 연소로 인해 발생하는 이산화탄소는 원래 식물체가 대기에서 광합성작용을 통해 흡수한 것으로 대기 내 전체 이산화탄소의 양은 변화가 없으므로 온실효과 저감 효과를 기대할 수 있다. 하지만 곡물 바이오매스의 이용은 제한된 경작지 면적으로 인한 식량 부족, 곡물가격의 상승, 농업용수의 부족, 비료로 인한 토양오염화 등의 문제점을 안고 있는 실정이다.On the other hand, carbon dioxide generated by the combustion of cereal biomass in the production of biofuels using grain biomass was originally absorbed by photosynthesis in the atmosphere, and the amount of total carbon dioxide in the atmosphere is not changed. have. However, the use of grain biomass has problems such as shortage of food due to limited cultivated land area, increase of grain price, lack of agricultural water, soil contamination due to fertilizer.
곡물 바이오매스와 달리 미세조류는 해양으로부터 풍부한 양의 비식용 원료를 수확할 수 있다. 미세조류(Micro-algae)는 현미경으로 관찰할 수 있는 크기가 작은 단세포 모양을 가진 원핵 또는 진핵 조류를 지칭하며, 식물과 마찬가지로 광합성기작을 가지고 있으므로 광독립영양 생장을 할 수 있다. 지구상에는 최소한 5 만종 이상의 다양한 미세조류들이 해양 생태계에 광범위하게 분포되어 있는 것으로 추정되며, 지구 전체 산소 발생량의 50% 이상을 차지하고 있는 것으로 알려지고 있다.Unlike grain biomass, microalgae can harvest abundant amounts of non-edible raw materials from the ocean. Micro-algae refers to prokaryotic or eucaryotic algae with a single-celled shape that can be observed under a microscope. They have photosynthetic mechanisms similar to those of plants, so they can grow light-independent nutrition. At least 50,000 species of microalgae are estimated to be widely distributed in the marine ecosystem on the Earth and account for more than 50% of the global oxygen production.
최근에는 이러한 이유로 대체 바이오 에너지 생산을 위한 원료로 미세조류가 주목을 받고 있고, 효율적인 생산을 위한 새로운 미세조류 종의 동정 및 분리 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 많은 장점에도 불구하고 미세조류의 배양 후 수확 시 높은 수분함량으로 인해 미세조류 바이오매스의 탈수 공정 및 건조 공정에 많은 에너지가 필요하기 때문에 미세조류의 바이오매스화는 아직 경제적인 면에서는 불리한 입장이다. In recent years, microalgae have attracted attention as a raw material for alternative bio-energy production, and studies for identifying and separating new microalgae species for efficient production have been actively conducted. Despite its many advantages, however, biomassification of microalgae is still a disadvantage in terms of economics because of the high energy required for the dehydration process and drying process of microalgae biomass due to the high moisture content of the microalgae after harvesting .
바이오매스 자원을 에너지로 전환시키는 기술은 종래 기술에서 보듯이 바이오매스 자원을 500 ~ 900 ℃의 온도에서 조업되는 가스화기에 주입하고, 산소 또는 증기를 이용하여 수소, 일산화탄소 등으로 구성된 합성가스로 전환하는 것으로 기재되어 있다. 그러나 상기 방법은 바이오매스의 수분 함량이 30% 이상이 되면 주입되는 바이오매스 내의 수분을 고온의 증기로 전환시키기에 필요한 열을 공급하기 어려워 석탄, LNG, 등유 등의 화석연료 자원을 반드시 이용해야 한다. 특히 수분 함량이 97 ~ 99 %인 미세조류 및 50 ~ 60 % 이상의 미세조류 부산물을 이용하기 위해서는 건조를 위해 에너지를 추가로 소비해야 하는 문제점이 있었다.The technology to convert biomass resources into energy is to convert biomass resources into syngas composed of hydrogen, carbon monoxide, etc. using oxygen or steam by injecting the biomass resources into a gasifier operated at a temperature of 500 to 900 ° C. . However, when the moisture content of the biomass is above 30%, it is difficult to supply the heat required to convert the moisture in the biomass into the high-temperature steam. Therefore, fossil fuel resources such as coal, LNG and kerosene must be used . Particularly, in order to utilize microalgae having a moisture content of 97 to 99% and microalgae byproducts of 50 to 60% or more, there has been a problem of consuming additional energy for drying.
또한, 일반적으로 미세조류로부터 바이오 에너지 생산 시 필요한 전처리과정으로 수확 및 농축하는 단계가 요구된다. 이것은 전체적인 바이오매스 생산 가격의 20 ~ 30 %를 차지하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 미세조류의 종류와 특성이 다양하기 때문에 아직까지는 보편적인 수확 방법이 개발되어 있지 않은 상태이다.In addition, generally, a step of harvesting and concentrating the microalgae is required as a pretreatment step necessary for producing bioenergy. It is said to account for 20-30% of the total biomass production price. However, because of the variety and characteristics of microalgae, universal harvesting methods have not yet been developed.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 미세조류의 전처리과정이 필요하지 않으며, 낮은 반응 온도에서 짧은 반응시간 동안 높은 반응성으로 인해 바이오매스를 높은 수율로 전환시킬 수 있으며, 이로 인해 기존의 바이오연료 제조장치보다 적은 비용으로 바이오연료를 생산할 수 있는 제조장치를 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a bioreactor that does not require pre-processing of microalgae and can convert biomass into high yield due to high reactivity at a short reaction time at a low reaction temperature, The present invention provides a manufacturing apparatus capable of producing biofuel at a lower cost than a biofuel producing apparatus of the present invention.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 미세조류 및 물을 포함하는 바이오매스가 유입되며, 금속 촉매가 충진되어있고, 고온 전기로가 구비된 초임계 수 가스화 반응기(110); 상기 초임계 수 가스화 반응기로부터 유입된 생성물을 70 ~ 80 ℃ 로 냉각시키는 냉각기(120); 및 상기 냉각기에서 냉각된 생성물을 액상(liquid phase) 생성물 및 기상(gas phase) 생성물로 분리하는 분리기(130);를 포함하는 바이오연료 제조장치를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a supercritical water gasification reactor (110) comprising a micro-algae and water, into which biomass is introduced, a supercritical water gasification reactor (110) A cooler 120 for cooling the product introduced from the supercritical water gasification reactor to 70 to 80 캜; And a separator (130) for separating the product cooled in the cooler into a liquid phase product and a gas phase product.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치는 초임계 수 가스화 반응기 이전에 구비되며, 바이오매스를 예열시키기 위한 고압 관형 반응기(220)를 더 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the biofuel producing apparatus is provided before the supercritical water gasification reactor, and may further include a high-pressure tubular reactor 220 for preheating the biomass.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치의 고압 관형 반응기는 바이오매스를 200 ~ 300 ℃ 및 200 ~ 300 bar로 예열 및 가압시킬 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the high pressure tubular reactor of the biofuel production apparatus can preheat and pressurize the biomass at 200 to 300 ° C and 200 to 300 bar.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치는 고압 관형 반응기 및 초임계 수 가스화 반응기 사이에 구비되며, 바이오매스를 초임계 수 가스화 반응기로 이송하기 위한 가압펌프(210)를 더 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the biofuel producing apparatus is provided between the high-pressure tubular reactor and the supercritical water gasification reactor, and further comprises a pressurizing pump 210 for transferring the biomass to the supercritical water gasification reactor .
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치의 초임계 수 가스화 반응기는 온도 450 ~ 600 ℃ 및 압력 200 ~ 300 bar 하에서, 바이오매스를 초임계 수(Supercritical water) 가스화 공정을 통하여 생성물을 제조할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the supercritical water gasification reactor of the biofuel production apparatus is operated at a temperature of 450 to 600 ° C. and a pressure of 200 to 300 bar by passing a biomass through a supercritical water gasification process The product can be prepared.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치의 금속 촉매가 금속산화물-니켈 복합 촉매, 제올라이트(Zeolite), 백금(Pt)-알루미나(Al2O3) 촉매 및 백금(Pt)-레늄(Re)-알루미나(Al2O3) 촉매로 구성된 군에서 선택된 2종 이상의 촉매를 포함하며, 상기 금속산화물-니켈 복합 촉매는 산화크로뮴(Cr2O3), 알루미나(Al2O3) 및 산화철(Fe2O3)로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 금속 산화물 및 니켈(Ni)을 포함하고, 상기 제올라이트는 실리카(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)를 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the metal catalyst of the biofuel producing apparatus is a metal oxide-nickel composite catalyst, a zeolite, a platinum (Pt) -alumina (Al 2 O 3 ) catalyst, and a platinum (Pt) (Al 2 O 3 ) catalyst, wherein the metal oxide-nickel composite catalyst is selected from the group consisting of chromium oxide (Cr 2 O 3 ), alumina (Al 2 O 3 ) And at least one metal oxide selected from the group consisting of iron oxide (Fe 2 O 3 ) and nickel (Ni). The zeolite may include silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ).
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치는 분리기로부터 유입되는 액상 생성물을 30 ~ 100 ℃로 가열하는 증발기(280)를 더 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the biofuel production apparatus may further include an evaporator 280 for heating the liquid product introduced from the separator to 30 to 100 ° C.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치는 분리기로부터 유입되는 기상 생성물 중 이산화탄소를 제거하는 가스 세정조(270); 및 상기 가스 세정조로부터 유입되는 이산화탄소가 제거된 기상 생성물 중 잔여 수분을 흡수하는 흡습기(271); 를 더 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the biofuel producing apparatus includes a gas cleaning tank 270 for removing carbon dioxide from gaseous products introduced from the separator; And a humidifier (271) for absorbing residual moisture in the gaseous product from which the carbon dioxide introduced from the gas washing tank is removed. As shown in FIG.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치의 가스 세정조는 물 및 탄산나트륨으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함하며, 흡습기는 활성탄, 실리카젤(Silica gel), 염화칼슘(CaCl2), 제올라이트(Zeolite) 및 수산화나트륨(NaOH)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 흡습제를 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the gas cleaning tank of the biofuel producing apparatus includes at least one selected from the group consisting of water and sodium carbonate, and the humidifier is made of activated carbon, silica gel, calcium chloride (CaCl 2 ), Zeolite (Zeolite), and sodium hydroxide (NaOH).
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치는 흡습기로부터 수분이 제거된 기상 생성물이 유입되고 비귀금속 촉매가 충진되어있으며, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성 반응을 통해 피셔-트롭쉬 반응 생성물을 제조하는 합성가스 액화반응기(Syn-gas to liquid reactor)(380); 상기 합성가스 액화반응기로부터 유입된 피셔-트롭쉬 반응 생성물을 70 ~ 80 ℃로 냉각시켜 피셔-트롭쉬 반응 액상 생성물 및 피셔-트롭쉬 반응 기상 생성물로 분리하는 응축기(390); 및 제습제로 충진되어있으며, 상기 응축기로부터 유입된 피셔-트롭쉬 반응 기상 생성물 중 수분을 흡수하는 제습조(392); 를 더 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the biofuel producing apparatus is a system in which a moisture-removed gaseous product is introduced from a moisture absorber and is filled with a non-precious metal catalyst, and a Fischer-Tropsch A Syn-gas to liquid reactor (380) for producing a Tropsch reaction product; A condenser 390 for separating the Fischer-Tropsch reaction product introduced from the syngas liquefaction reactor into a Fischer-Tropsch reaction liquid product and a Fischer-Tropsch reaction gaseous product by cooling to 70 to 80 ° C; And a dehumidifying tank (392) filled with a dehumidifying agent and absorbing moisture from the Fischer-Tropsch reaction gaseous product introduced from the condenser; As shown in FIG.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치의 합성가스 액화반응기는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성 반응을 온도 200 ~ 300 ℃ 및 압력 10 ~ 40 bar 하에서 수행하며, 상기 비귀금속 촉매는 철(Fe) 또는 코발트(Co)를 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the Fischer-Tropsch synthesis reaction is carried out at a temperature of 200 to 300 ° C and a pressure of 10 to 40 bar, The non-noble metal catalyst may include iron (Fe) or cobalt (Co).
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치의 제습제는 활성탄, 실리카젤(Silica gel), 염화칼슘(CaCl2), 제올라이트(Zeolite) 및 수산화나트륨(NaOH)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the dehumidifying agent of the biofuel producing apparatus is one selected from the group consisting of activated carbon, silica gel, calcium chloride (CaCl 2 ), zeolite and sodium hydroxide (NaOH) Or more.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치는 초임계 수 가스화 반응기의 압력을 제어 및 냉각기로부터 유입되는 생성물의 압력을 조절하며, 냉각기 및 분리기 사이에 설치되는 압력조절기를 더 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the apparatus for producing biofuel further comprises a pressure regulator for controlling the pressure of the supercritical water gasification reactor and regulating the pressure of the product introduced from the cooler, and installed between the cooler and the separator .
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치는 냉각기 및 분리기 사이에 구비되고, 상기 초임계 수 가스화 반응기의 압력을 제어 및 상기 냉각기로부터 유입되는 생성물의 압력을 조절하는 압력조절기(250)를 더 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, a biofuel producing apparatus is provided between a cooler and a separator and includes a pressure regulator for controlling the pressure of the supercritical water gasification reactor and regulating the pressure of the product introduced from the cooler 250).
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치의 농축된 바이오매스는 수분 함량이 10 ~ 65 중량% 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the concentrated biomass of the biofuel producing apparatus may contain 10 to 65% by weight of water.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치의 미세조류는 탄수화물 함량이 5 ~ 40 중량% 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the microalgae of the biofuel producing apparatus may contain 5 to 40% by weight of carbohydrate.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 제조장치의 미세조류는 지질 함량이 10 ~ 80 중량% 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the microalgae of the biofuel producing apparatus may contain 10 to 80% by weight of lipid.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 바이오연료 장치의 미세조류는 포피리듐 크루엔툼(Porphyridium Cruentum ), 클로렐라(Chlorella sp.), 나노클롭시스(Nannochloropsis sp.), 스키조키트리움(Schizochytrium sp .) 및 네오클로리스 올레분단(Neochloris oleoabundans)로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 미세조류를 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the microalgae of the biofuel device are selected from the group consisting of Porphyridium Cruentum ) , Chlorella sp .), Nannochloropsis sp .), Schizochytrium sp .), and neoclorisole division ( Neochloris o leoabundans ).
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 생성된 바이오연료는 C1 ~ C4의 알케인(alkane), 합성가스(Syn-gas), 벤젠(benzene) 및 톨루엔(toluene)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 가스를 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the produced biofuel is obtained from a group consisting of C 1 -C 4 alkane, Syn-gas, benzene and toluene And may include at least one selected gas.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 생성된 바이오연료는 C5 ~ C10의 알케인(alkane), 알켄(alkene), 알카인(alkyne) 및 아렌(arene)로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 액체 연료를 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the produced biofuel may be one selected from the group consisting of C 5 -C 10 alkane, alkene, alkyne and arene Or more of the liquid fuel.
본 발명의 바이오연료 제조장치는 바이오매스의 수분함량을 제거하는 전처리가 불필요하며, 종래의 가스화 반응장치보다 낮은 반응 온도에서 짧은 반응시간 동안 높은 수율의 바이오연료를 수득할 수 있어, 기존의 바이오연료 제조장치보다 적은 비용으로 바이오연료를 제조할 수 있다. 또한, 저장성이 불량한 합성가스를 액화하여 저장 및 수송이 우수한 연료 형태로 전환시킬 수 있으며, 공정의 단일화에 의해 조업시간의 단축 및 생산표준화의 용이성이 향상된 바이오연료 제조장치를 제공한다.The apparatus for producing a biofuel according to the present invention does not require a pretreatment for removing the moisture content of the biomass, and can obtain a biofuel with a high yield over a short reaction time at a reaction temperature lower than that of the conventional gasification reaction apparatus, Biofuels can be produced at a lower cost than manufacturing equipment. The present invention also provides a biofuel producing apparatus in which synthesis gas having poor storage stability is liquefied and can be converted into a fuel form having excellent storage and transportation, and operation time is shortened by unifying the process and ease of production standardization is improved.
도 1은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 바이오연료 제조장치의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 일구현예에 따른 바이오연료 제조장치의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 또 다른 일구현예에 따른 바이오연료 제조장치의 흐름도이다.
도 4는 실험예에서 실시한 기상 생성물의 가스 크로마토그래피 결과이다.
도 5는 실험예에서 실시한 액상 생성물의 가스 크로마토그래피 결과이다.
1 is a flowchart of a biofuel producing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a flow chart of a biofuel producing apparatus according to another preferred embodiment of the present invention.
3 is a flowchart of an apparatus for producing biofuel according to another preferred embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a gas chromatographic result of the gaseous product conducted in Experimental Example.
Fig. 5 shows the gas chromatographic results of the liquid product obtained in Experimental Example.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
상술한 바와 같이, 종래의 바이오연료 제조장치는 바이오매스의 높은 수분함량으로 인해 많은 에너지가 필요한 바이오매스를 탈수 및 건조하는 전처리 공정의 필요로 인해 바이오연료의 경제적인 면에서 문제점이 있었다. 또한, 800 ℃이상의 고온에서 스팀을 이용한 바이오매스 가스화의 경우, 스팀에 고상(solid phase)인 바이오매스가 용해되지 않기 때문에 물질 전달 저항이 크게 작용하여 가스화 반응속도가 낮은 문제점이 있었다.
As described above, the conventional biofuel producing apparatus has a problem in terms of the economics of the biofuel because of the necessity of a pretreatment process for dehydrating and drying the biomass that requires a large amount of energy due to high moisture content of the biomass. Further, in the case of biomass gasification using steam at a temperature of 800 ° C or higher, there is a problem that the biomass solid phase does not dissolve in the steam, so that mass transfer resistance greatly acts and the gasification reaction rate is low.
이에, 본 발명에서는 미세조류 및 물을 포함하는 바이오매스가 유입되며, 금속 촉매가 충진되어 있고, 고온 전기로가 구비된 초임계 수 가스화 반응기; 상기 초임계 수 가스화 반응기로부터 유입된 생성물을 70 ~ 80 ℃ 로 냉각시키는 냉각기; 및 상기 냉각기에서 냉각된 생성물을 액상(liquid phase) 생성물 및 기상(gas phase) 생성물로 분리하는 분리기; 를 포함하는 바이오연료 제조장치를 제공할 수 있다. 따라서, 바이오매스의 과도한 수분제거를 위한 전처리 공정이 필요하지 않으며 낮은 반응 온도에서 짧은 반응시간 동안 높은 반응성으로 인해 바이오매스를 높은 수율로 전환시킬 수 있어서, 기존의 바이오연료 제조장치보다 적은 비용으로 바이오연료를 생산할 수 있다.
Accordingly, the present invention provides a supercritical water gasification reactor having biomass including microalgae and water, which is filled with a metal catalyst, and is equipped with a high-temperature electric furnace; A cooler for cooling the product introduced from the supercritical water gasification reactor to 70 to 80 캜; And a separator for separating the product cooled in the cooler into a liquid phase product and a gas phase product; The biofuel producing apparatus according to the present invention can be provided. Therefore, there is no need for a pretreatment process for excessive moisture removal of the biomass, and it is possible to convert the biomass into a high yield due to high reactivity at a short reaction time at a low reaction temperature, Fuel can be produced.
구체적으로, 도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 바이오연료 제조장치의 흐름도(100)이다. 바이오연료 제조장치는 미세조류 및 물을 포함하는 바이오매스가 유입되며, 금속 촉매(113)가 충진되어 있고, 고온 전기로(111)가 구비된 초임계 수 가스화 반응기(110); 상기 초임계 수 가스화 반응기로부터 유입된 생성물을 70 ~ 80 ℃ 로 냉각시키는 냉각기(120); 및 상기 냉각기에서 냉각된 생성물을 액상(liquid phase) 생성물 및 기상(gas phase) 생성물로 분리하는 분리기(130);를 포함한다.
Specifically, FIG. 1 is a flowchart 100 of an apparatus for producing biofuel according to one embodiment of the present invention. The apparatus for producing biofuel includes a supercritical water gasification reactor 110 into which biomass including microalgae and water flows and is filled with a metal catalyst 113 and is equipped with a hot electric furnace 111; A cooler 120 for cooling the product introduced from the supercritical water gasification reactor to 70 to 80 캜; And a separator 130 separating the cooled product from the cooler into a liquid phase product and a gas phase product.
먼저, 초임계 수 가스화 반응기(110)에 대해 설명한다. 초임계 수 가스화 반응기는 통상적으로 가스화 공정에서 사용하는 것이라면 특별히 제한이 없으나, 바람직하게는 반응기의 재질(112)이 금속인 것, 더욱 바람직하게는 내부가 세라믹으로 코팅된 금속인 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.First, the supercritical water gasification reactor 110 will be described. The supercritical water gasification reactor is not particularly limited as long as it is used in a gasification process, but it is preferable that the material 112 of the reactor is a metal, more preferably a metal whose inside is coated with ceramics, But is not limited thereto.
초임계 수 가스화 반응기의 반응 조건은 물이 초임계 수로 존재할 수 있는 조건이라면 특별히 제한이 없으나, 바람직하게는 온도 450 ~ 600 ℃ 및 압력 200 ~ 300 bar 하에서 반응될 수 있다. 또한, 초임계 수 가스화 반응기의 반응물은 미세조류 및 물을 포함하는 바이오매스, 촉매는 초임계 수 가스화 반응기에 충진되어 있는 금속 촉매를 사용하여 초임계 수(Supercritical water) 가스화 공정을 통해 생성물을 제조할 수 있다.
The reaction condition of the supercritical water gasification reactor is not particularly limited as long as water can be present in the supercritical water, but it can be reacted preferably at a temperature of 450 to 600 ° C and a pressure of 200 to 300 bar. In addition, the reactants in the supercritical water gasification reactor may be produced by a supercritical water gasification process using a biomass including microalgae and water, and a catalyst using a metal catalyst packed in a supercritical water gasification reactor can do.
초임계 수 가스화 반응기는 고온 전기로(111)가 구비되어 있어, 초임계 수 가스화 반응기의 반응 조건에 항상성을 유지할 수 있다. 바람직하게는, 고온 전기로는 초임계 수 가스화 반응기의 온도 450 ~ 600 ℃로 유지하여 바이오매스 내에 포함된 물이 초임계 수로 유지되어 가스화 반응의 수율을 높일 수 있다.
The supercritical water gasification reactor is provided with the high-temperature electric furnace 111, and can maintain the homogeneity in the reaction conditions of the supercritical water gasification reactor. Preferably, the high-temperature electric furnace is maintained at a temperature of 450 to 600 ° C. in the supercritical water gasification reactor, so that water contained in the biomass is maintained as supercritical water, thereby increasing the yield of the gasification reaction.
초임계 수 가스화 반응기에 충진되어 있는 금속 촉매(113)는 통상적으로 가스화 공정에서 사용하는 금속 촉매하면 특별히 제한이 없으나, 바람직하게는 금속산화물-니켈 복합 촉매, 제올라이트(Zeolite) 및 백금(Pt)-알루미나(Al2O3) 복합촉매로 구성된 군에서 선택된 2종 이상의 촉매를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. The metal catalyst 113 filled in the supercritical water gasification reactor is not particularly limited as long as it is a metal catalyst normally used in the gasification process, but it is preferably a metal oxide-nickel complex catalyst, a zeolite and a platinum (Pt) Alumina (Al 2 O 3 ) complex catalyst, but is not limited thereto.
금속 촉매에 포함되는 금속산화물-니켈 복합 촉매는 통상적으로 탈수소화 반응에서 사용되는 것이라면 특별히 제한이 없으나, 바람직하게는 산화크로뮴(Cr2O3), 알루미나(Al2O3) 및 산화철(Fe2O3)로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 금속 산화물 및 니켈(Ni)을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.Metals contained in the metal catalytic oxide-nickel complex catalyst so long as it is conventionally used in the dehydrogenation reaction, but is not particularly limited, preferably a chromium oxide (Cr 2 O 3), alumina (Al 2 O 3) and iron oxide (Fe 2 O 3 ) and nickel (Ni), but the present invention is not limited thereto.
금속 촉매에 포함되는 제올라이트는 통상적으로 크래킹(cracking) 반응에서 사용되는 합성 제올라이트 또는 천연 제올라이트 모두 사용할 수 있다. 또한, 상기 제올라이트는 실리카(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)를 포함할 수 있다.The zeolite included in the metal catalyst may be any of synthetic zeolites or natural zeolites which are conventionally used in cracking reactions. In addition, the zeolite may include silica (SiO 2 ) and alumina (Al 2 O 3 ).
금속 촉매에 포함되는 백금(Pt)-알루미나(Al2O3) 복합촉매는 통상적으로 개질 반응에서 사용되는 촉매라면 특별히 제한이 없으나, 바람직하게는 백금(Pt)-알루미나(Al2O3) 또는 백금(Pt)-레늄(Re)-알루미나(Al2O3)를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
Platinum contained in the metal catalyst (Pt) - alumina (Al 2 O 3) composite catalyst is typically If the catalyst used in the reforming reaction, but is not particularly limited, preferably platinum (Pt) - alumina (Al 2 O 3), or platinum (Pt) - rhenium (Re) -, but can include alumina (Al 2 O 3), it is not limited to this.
초임계 수 가스화 반응기로 유입되는 바이오매스는 미세조류 및 물을 포함하는 것이라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 수분 함량이 10 ~ 65 중량% 포함하는 것을 사용할 수 있다. The biomass introduced into the supercritical water gasification reactor is not particularly limited as long as it contains microalgae and water, but preferably contains 10 to 65% by weight of water.
또한, 상기 미세조류는 통상적으로 바이오매스로 사용되는 것이라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 탄수화물 함량이 5 ~ 40 중량% 포함하는 것 또는 지질 함량이 10 ~ 80 중량% 포함하는 것을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 포피리듐 크루엔툼(Porphyridium Cruentum ), 클로렐라(Chlorella sp.), 나노클롭시스(Nannochloropsis sp.), 스키조키트리움(Schizochytrium sp .) 및 네오클로리스 올레분단(Neochloris oleoabundans)로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 미세조류를 포함할 수 있다.
The microalgae are not particularly limited as long as they are usually used as biomass. Preferably, the microalgae contain 5 to 40% by weight of carbohydrate or 10 to 80% by weight of lipid. Preferably Porphyridium < RTI ID = 0.0 > Cruentum ) , Chlorella sp .), Nannochloropsis sp .), Schizochytrium sp .), and neoclorisole division ( Neochloris o leoabundans ).
다음, 냉각기(120)에 대해 설명한다. 냉각기는 초임계 수 가스화 반응기로부터 유입되는 생성물을 냉각시키는 역할을 하며, 통상적으로 응축기 또는 냉각기로 사용되는 재질 및 크기라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 70 ~ 80 ℃로 생성물을 냉각시킬 수 있다.
Next, the cooler 120 will be described. The cooler serves to cool the product introduced from the supercritical water gasification reactor, and is not particularly limited as long as it is a material and a size used as a condenser or a cooler, but the product can be cooled to preferably 70 to 80 ° C.
다음으로 분리기(130)에 대해 설명한다. 분리기는 냉각기로부터 유입되는 냉각된 생성물을 액상(liquid phase) 생성물 및 기상(gas phase) 생성물로 분리하는 역할을 하며, 통상적으로 기체-액체 분리기(separator)로 사용되는 것이라면 제한하지 않으나, 바람직하게는 감압에 의해 기체 생성물 및 액체 생성물을 분리할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 200 ~ 300bar의 생성물을 40 ~ 60 bar로 감압하여 분리할 수 있다.
Next, the separator 130 will be described. The separator serves to separate the cooled product introduced from the cooler into a liquid phase product and a gas phase product and is not particularly limited as long as it is usually used as a gas-liquid separator, The gas product and the liquid product can be separated by the decompression, more preferably 200 to 300 bar product can be separated by decompression to 40 to 60 bar.
또한, 본 발명의 바이오연료 제조장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 초임계 수 가스화 반응기(230) 이전에 가압펌프(210) 및 고압 관형 반응기(220)를 포함하고, 냉각기(240) 및 분리기(260) 사이에 압력조절기(250), 분리기 이후에 가스 세정조(270), 흡습기(271) 및 증발기(280)을 더 포함하는 바이오연료 제조장치(200)을 제공할 수 있다.
2, the apparatus for producing biofuel according to the present invention includes a pressurization pump 210 and a high-pressure tubular reactor 220 before the supercritical water gasification reactor 230, and the cooler 240 and the separator 250, The apparatus may further include a pressure regulator 250 between the separator 260 and the gas scrubbing tank 270 after the separator, a moisture absorber 271 and an evaporator 280.
먼저, 가압펌프(210)에 대해 설명한다. 가압펌프는 바이오매스를 초임계 수 가스화 반응기로 이송하기 위해 압력을 가하는 역할을 하며, 통상적으로 액체를 이송하기 위해 사용되는 가압펌프라면 특별히 제한하지 않는다.
First, the pressure pump 210 will be described. The pressurizing pump serves to apply pressure to transfer the biomass to the supercritical water gasification reactor and is not particularly limited as long as it is a pressurizing pump normally used for transferring the liquid.
다음으로 고압 관형 반응기(220)에 대해 설명한다. 고압 관형 반응기는 바이오매스를 예열하여 초임계 수 가스화 반응기의 항상성 유지를 돕는 역할을 하며, 통상적으로 액체를 가열할 수 있는 반응기라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 바이오매스를 200 ~ 300 ℃ 및 200 ~ 300 bar로 예열 및 가압시킬 수 있는 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
Next, the high-pressure tubular reactor 220 will be described. The high-pressure tubular reactor serves to pre-heat the biomass to help maintain the homeostasis of the supercritical water gasification reactor, and is not particularly limited as long as it is a reactor capable of heating liquid. Preferably, the biomass is heated to 200 to 300 ° C and 200 To 300 bar may be used, but the present invention is not limited thereto.
다음, 압력조절기(250)에 대해 설명한다. 압력조절기는 초임계 수 가스화 반응기의 내부 압력 및 냉각기로부터 배출되는 생성물의 압력을 조절하는 역할을 하며, 통상적으로 압력을 조절하는데 사용되는 조절기라면 특별히 제한하지 않는다. 압력조절기는 초임계 수 가스화 반응기에서 배출되는 생성물이 압력이 300 bar 이상의 압력에 도달할 때, 초임계 수 가스화 반응기에서 냉각기로 생성물이 배출되도록 할 수 있고, 이로 인해 초임계 수 가스화 반응기의 압력을 조절하여 초임계 수 가스화 반응기의 항상성을 유지시킬 수 있다.
Next, the pressure regulator 250 will be described. The pressure regulator serves to regulate the internal pressure of the supercritical water gasification reactor and the pressure of the product discharged from the cooler, and is not particularly limited as long as it is a regulator normally used for regulating the pressure. The pressure regulator can cause the product discharged from the supercritical water gasification reactor to be discharged to the cooler when the product discharged from the supercritical water gasification reactor reaches a pressure of 300 bar or more, It is possible to maintain the homogeneity of the supercritical water gasification reactor.
다음으로, 가스 세정조(270)에 대해 설명한다. 가스 제정조는 분리기에서 액상 생성물과 분리된 기상 생성물에 포함되어있는 이산화탄소를 제거하는 역할을 하며, 바람직하게는 물 및/또는 탄산나트륨을 포함하고 있을 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.Next, the gas washing tank 270 will be described. The gas-forming tank serves to remove carbon dioxide contained in the gaseous product separated from the liquid product in the separator, and preferably includes water and / or sodium carbonate, but is not limited thereto.
다음, 흡습기(271)에 대해 설명한다. 흡습기는 가스 세정조로부터 유입되는 기상 생성물에 포함되어있는 수분을 흡수하는 역할을 하며, 통상적으로 수분을 제거할 수 있는 장치라면 특별히 제한이 없으나, 바람직하게는 활성탄, 실리카젤(Silica gel), 염화칼슘(CaCl2), 제올라이트(Zeolite) 및 수산화나트륨(NaOH)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 흡습제를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
Next, the moisture absorber 271 will be described. The humidifier has a function of absorbing the moisture contained in the gaseous product flowing from the gas washing tank and is not particularly limited as long as it is a device capable of removing moisture normally. Preferably, the humidifier is made of activated carbon, silica gel, But is not limited to, at least one moisture absorbent selected from the group consisting of CaCl 2 , zeolite, and sodium hydroxide (NaOH).
다음으로 증발기(280)에 대해 설명한다. 증발기는 분리기에서 기상 생성물과 분리된 액상 생성물을 가열하며, 통상적으로 액체를 가열할 수 있는 장치라면 특별히 제한이 없으나, 바람직하게는 액상 생성물을 30 ~ 100 ℃로 가열할 수 있다.
Next, the evaporator 280 will be described. The evaporator is not particularly limited as long as it can heat the liquid product separated from the gaseous product in the separator and can usually heat the liquid, but preferably the liquid product can be heated to 30 to 100 ° C.
또한, 본 발명의 바이오연료 제조장치는 바이오연료 포집부(281, 282, 293)을 포함할 수 있다. 상기 바이오연료 포집부는 바이오연료 제조장치에 의해 생산된 가스 연료를 포집하는 가스탱크(293), 바이오연료 제조장치에 의해 생산된 액체 연료 중 끓는점이 80℃ 이하인 것을 포집하는 경질 액체 포집부(281) 및 생상된 액체 연료 중 끓는점이 80 ℃를 초과하는 것을 포집하는 중질 액체 포집부(282)를 포함할 수 있다.
In addition, the biofuel production apparatus of the present invention may include biofuel collection units 281, 282, and 293. The biofuel collector includes a gas tank 293 for collecting the gaseous fuel produced by the biofuel producing apparatus, a light liquid collecting unit 281 for collecting the boiling point of the liquid fuel produced by the biofuel producing apparatus, And a heavy liquid collecting portion 282 for collecting the boiling point of the produced liquid fuel exceeding 80 캜.
나아가, 본 발명의 바이오연료 제조장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 합성가스 액화반응기(380), 응축기(390) 및 제습조(392)를 더 포함하는 바이오연료 제조장치(300)을 제공할 수 있다. 3, the apparatus for producing biofuel according to the present invention further comprises a syngas liquefaction reactor 380, a condenser 390 and a dehumidifying tank 392, .
먼저, 합성가스 액화반응기(380)을 설명한다. 합성가스 액화반응기(Syn-gas to liquid reactor)는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성 반응이 일어나 피셔-트롭쉬 반응 생성물을 제조하며, 통상적으로 합성가스 액화반응기로 사용되는 것이라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 비귀금속 촉매가 충진되어 있는 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 합성가스 액화반응기는 200 ~ 300 ℃ 및 압력 10 ~ 40 bar 하에서 반응되는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니다.First, the synthesis gas liquefaction reactor 380 will be described. The Syn-gas to liquid reactor is not particularly limited as long as it is a Fischer-Tropsch synthesis reaction to produce a Fischer-Tropsch reaction product and is generally used as a synthesis gas liquefaction reactor , Preferably a non-noble metal catalyst, may be used. The synthesis gas liquefaction reactor is preferably reacted at a temperature of 200 to 300 ° C and a pressure of 10 to 40 bar, but is not limited thereto.
상기 비귀금속 촉매는 고가인 백금(Pt), 루테늄(Rh) 또는 팔라듐(Pd) 등과 같은 귀금속이 아니라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 철(Fe) 또는 코발트(Co)를 포함할 수 있다.
The noble metal catalyst is not particularly limited as long as it is not a noble metal such as platinum (Pt), ruthenium (Rh) or palladium (Pd) which is expensive, but may preferably include iron (Fe) or cobalt (Co).
다음으로 응축기(390)을 설명한다. 응축기는 합성가스 액화반응기로부터 유입된 피셔-트롭쉬 반응 생성물을 냉각시켜 피셔-트롭쉬 반응 액상 생성물 및 피셔-트롭쉬 반응 기상 생성물로 분리하며, 통상적으로 응축기 또는 냉각기로 사용되는 재질 및 크기라면 특별히 제한하지 않으나, 바람직하게는 피셔-트롭쉬 반응 생성물을 70 ~ 80 ℃로 냉각 및 1 ~ 10 bar로 감압시킬 수 있다.
Next, the condenser 390 will be described. The condenser cools the Fischer-Tropsch reaction product introduced from the syngas liquefaction reactor to separate it into a Fischer-Tropsch reaction liquid product and a Fischer-Tropsch reaction gaseous product. Normally, the material and the size used for the condenser or the cooler Preferably, the Fischer-Tropsch reaction product is cooled to 70-80 < 0 > C and depressurized to 1-10 bar, although not limited thereto.
다음, 제습조(392)를 설명한다. 제습조는 응축기로부터 유입되는 피셔-트롭쉬 반응 기상 생성물에 포함되어있는 수분을 제거하며, 통상적으로 수분을 제거할 수 있는 장치라면 특별히 제한이 없으나, 바람직하게는 활성탄, 실리카젤(Silica gel), 염화칼슘(CaCl2), 제올라이트(Zeolite) 및 수산화나트륨(NaOH)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 제습제를 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
Next, the dehumidifying tank 392 will be described. The dehumidifier is not particularly limited as long as it removes the moisture contained in the Fischer-Tropsch reaction gas phase product flowing from the condenser and is capable of removing moisture, but is preferably an activated carbon, silica gel, calcium chloride But is not limited to, at least one dehumidifying agent selected from the group consisting of CaCl 2 , zeolite, and sodium hydroxide (NaOH).
또한, 본 발명의 바이오연료 제조장치는 생성물 포집부(391, 393)를 포함할 수 있다. 상기 생성물 포집부는 바이오연료 제조장치에 의해 생산된 가스 연료를 포집하는 탱크(293) 및 바이오연료 제조장치에 의해 생산된 액체 연료를 포집하는 포집부(391)을 포함할 수 있다.
In addition, the apparatus for producing biofuel of the present invention may include product collecting units 391 and 393. The product collecting unit may include a tank 293 for collecting the gaseous fuel produced by the biofuel producing apparatus and a collecting unit 391 for collecting the liquid fuel produced by the biofuel producing apparatus.
상술한 바이오연료 제조장치를 통해 제조된 바이오연료는 C1 ~ C4의 알케인(alkane), 합성가스(Syn-gas), 벤젠(benzene) 및 톨루엔(toluene)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 가스 또는 C5 ~ C10의 알케인(alkane), 알켄(alkene), 알카인(alkyne) 및 아렌(arene)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 액체 연료를 포함한다.
The biofuel produced through the above-described biofuel production apparatus may contain at least one selected from the group consisting of C 1 -C 4 alkane, syn-gas, benzene, and toluene Gas or at least one liquid fuel selected from the group consisting of C 5 -C 10 alkanes, alkenes, alkynes, and arenes.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the structure and effect of the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples. However, this embodiment is only an example for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments.
[[ 실시예Example ]]
실시예Example 1.  One.
미세조류 90 중량% 및 물 10 중량%를 포함하는 바이오매스를 가압펌프를 이용하여 300 bar, 50 ㎖/분의 유량으로 고압 관형 반응기로 이송하였다. 이후 고압 관형 반응기에서 300 ℃로 바이오매스를 예열 후 초임계 수 가스화 반응기로 이송하였으며, 상기 초임계 수 가스화 반응기는 산화철(Fe2O3)-니켈(Ni) 촉매 및 제올라이트를 1:1 중량비로 혼합하여 충진하였다. 이후 초임계 수 가스화 반응기 내부의 발생가스 및 생성물은 냉각기에서 70 ℃ 로 냉각시켜 분리기로 이송하였으며, 분리기에서는 300 bar의 생성물을 60 bar로 감압시켜 기상 생성물 및 액상 생성물로 분리시켰다. Biomass containing 90% by weight of microalgae and 10% by weight of water was transferred to the high pressure tubular reactor at a flow rate of 300 bar and 50 ml / min using a pressure pump. Then, the biomass was transferred to a supercritical water gasification reactor at 300 ° C in a high-pressure tubular reactor, and the supercritical water gasification reactor was fed with an iron oxide (Fe 2 O 3 ) -nickel (Ni) catalyst and zeolite at a weight ratio of 1: Mixed and filled. Then, the gases and products in the supercritical water gasification reactor were cooled to 70 ° C in a cooler and transferred to a separator. In the separator, 300 bar of product was decompressed to 60 bar to separate into gaseous products and liquid products.
분리된 액상 생성물은 80 ℃의 증발기로 이송되어 가열시켰으며, 휘발된 액체 생성물은 경질 액체 포집부로 이송시키고, 증발기 하부층의 액체는 중질 액체 포집부로 배출시켰다.The separated liquid product was transferred to an evaporator at 80 캜 and heated. The volatilized liquid product was transferred to the light liquid collector and the liquid in the lower evaporator was discharged to the heavy liquid collector.
분리된 기상 생성물은 물이 들어있는 가스 세정조 및 활성탄이 충진되어있는 흡습기를 거쳤다. 이후 40 bar의 압력으로 합성가스 액화반응기로 이송시켰는데, 상기 합성가스 액화반응기는 철을 충진하여 사용하였고, 상기 기상 생성물은 합성가스 액화반응기에서 온도 250 ℃, 압력 40 bar에서 10초 동안 반응시켜 피셔-트롭쉬 반응 생성물을 제조하였다. 이후 피셔-트롭쉬 반응 생성물은 응축기로 이송되며, 응축기는 70 ℃, 1 bar로 상기 피셔-트롭쉬 반응 생성물을 피셔-트롭쉬 반응 액상 생성물 및 피셔-트롭쉬 반응 기상 생성물로 분리시켰다.The separated gaseous products were passed through a gas scrubbing tank containing water and a moisture absorber filled with activated carbon. The synthesis gas liquefaction reactor was charged with iron and the gaseous products were reacted in a syngas liquefaction reactor at a temperature of 250 DEG C and a pressure of 40 bar for 10 seconds, The Fischer-Tropsch reaction product was prepared. The Fischer-Tropsch reaction product was then transferred to a condenser and the condenser separated the Fischer-Tropsch reaction product into a Fischer-Tropsch reaction liquid product and a Fischer-Tropsch reaction gaseous product at 70 DEG C, 1 bar.
분리된 피셔-트롭쉬 반응 기상 생성물은 활성탄이 충진되어 있는 제습조에서 수분을 제거한 후 탱크에 저장시켰다.The separated Fischer-Tropsch reaction gas product was dehydrated in a dehumidifying tank filled with activated carbon and stored in a tank.
분리된 피셔-트롭쉬 반응 액상 생성물은 상기 경질 액체 포집부로 이송시켰다.
The separated Fischer-Tropsch reaction liquid product was transferred to the light liquid collector.
실험예Experimental Example ..
상기 실시예 1에서 경질 액체 포집부, 중질 액체 포집부 및 탱크에 저장된 생성물들은 영하 15 ℃ 냉동고에 보관시켰으며, 상기 생성물들의 구성성분 분석을 위해 가스 크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. 분석한 가스 크로마토그래피 결과는 하기 도 4 내지 5에 나타내었다.In Example 1, the products stored in the light liquid collector, the heavy liquid collector, and the tank were stored in a freezer at a temperature of minus 15 ° C and analyzed using gas chromatography to analyze the constituents of the products. The analyzed gas chromatographic results are shown in Figs. 4 to 5 below.
도 4에서 확인되는 바와 같이, 탱크에 저장된 생성물들은 메테인(methane), 에테인(ethane), 프로테인(protane), 뷰테인(butane), 뷰텐(butene), 벤젠(benzene) 및 톨루엔(toluene)을 다량 함유하는 것을 알 수 있었다.As can be seen in FIG. 4, the products stored in the tanks may include methane, ethane, protane, butane, butene, benzene, and toluene. It was found that it contained a large amount.
도 5에서 확인되는 바와 같이, 경질 액체 포집부 및 중질 액체 포집부에 포집된 액상 생성물들은 펜테인(pentane), 헥세인(hexane), 헵테인(heptane) 및 옥테인(oxtane) 등의 알케인(alkane); 펜텐(pentene), 헥센(hexene) 및 헵텐(heptene) 등의 알켄(alkene); 및 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 나프탈렌 및 페난트렌 등의 아렌(arene)이 다량 함유하는 것을 알 수 있었다.
As can be seen in Fig. 5, the liquid products captured in the light liquid collector and the heavy liquid collector are selected from alkanes such as pentane, hexane, heptane and oxtane, (alkane); Alkenes such as pentene, hexene and heptene; And arene such as benzene, toluene, xylene, naphthalene, and phenanthrene.
상기 실시예 및 실험예를 통해 확인할 수 있듯이, 본 발명의 바이오연료 제조장치는 종래의 600 ~ 900 ℃에서 수행하는 바이오매스 가스화 방법보다 낮은 온도인 450 ~ 600 ℃에서 짧은 반응시간 동안 높은 반응성으로 인해 높은 수율로 바이오매스를 바이오연료로 전환시킬 수 있으며, 이로 인해 기존의 바이오연료 제조장치보다 적은 비용으로 바이오연료를 제조할 수 있었다.
As can be seen from the above Examples and Experimental Examples, the biofuel production apparatus of the present invention has high reactivity for a short reaction time at a temperature of 450 to 600 ° C which is lower than that of a conventional biomass gasification method performed at 600 to 900 ° C It is possible to convert biomass to biofuels at high yields, which enables biofuels to be produced at a lower cost than conventional biofuel production equipment.
100, 200, 300 : 바이오연료 제조장치 111 : 고온 전기로
110, 230 : 초임계 수 가스화 반응기 113 : 금속 촉매
120, 240 : 냉각기 130, 260 : 분리기
210 : 가압펌프 220 : 고압 관형 반응기
250 : 압력조절기 270 : 가스 세정조
271 : 흡습기 280 : 증발기
281 : 경질 액체 포집부 282 : 중질 액체 포집부
380 : 합성가스 액화반응기 390 : 응축기
392 : 제습조 393 : 탱크
100, 200, 300: Biofuel production apparatus 111: High temperature electric furnace
110, 230: supercritical water gasification reactor 113: metal catalyst
120, 240: cooler 130, 260: separator
210: pressurizing pump 220: high pressure tubular reactor
250: Pressure regulator 270: Gas cleaning tank
271: Moisture absorber 280: Evaporator
281: light liquid collecting part 282: heavy liquid collecting part
380: Syngas liquefaction reactor 390: Condenser
392: dehumidifying tank 393: tank

Claims (20)

  1. 미세조류 및 물을 포함하는 바이오매스가 유입되며, 금속 촉매가 충진되어 있고, 고온 전기로가 구비된 초임계 수 가스화 반응기(110);
    상기 초임계 수 가스화 반응기로부터 유입된 생성물을 70 ~ 80 ℃ 로 냉각시키는 냉각기(120); 및
    상기 냉각기에서 냉각된 생성물을 액상(liquid phase) 생성물 및 기상(gas phase) 생성물로 분리하는 분리기(130);
    를 포함하는 바이오연료 제조장치.
    A supercritical water gasification reactor 110 into which biomass including microalgae and water is introduced and has a metal catalyst and is equipped with a high temperature electric furnace;
    A cooler 120 for cooling the product introduced from the supercritical water gasification reactor to 70 to 80 캜; And
    A separator 130 separating the cooled product from the cooler into a liquid phase product and a gas phase product;
    And a fuel cell.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초임계 수 가스화 반응기 이전에 구비되며, 바이오매스를 예열시키기 위한 고압 관형 반응기(220)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.The apparatus for producing biofuel according to claim 1, further comprising a high-pressure tubular reactor (220) provided before the supercritical water gasification reactor and preheating the biomass.
  3. 제2항에 있어서, 상기 고압 관형 반응기는 바이오매스를 200 ~ 300 ℃ 및 200 ~ 300 bar로 예열 및 가압시키는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.The apparatus for manufacturing a biofuel according to claim 2, wherein the high-pressure tubular reactor preheats and pressurizes the biomass at 200 to 300 ° C and 200 to 300 bar.
  4. 제2항에 있어서, 상기 고압 관형 반응기 이전에 구비되며, 바이오매스를 초임계 수 가스화 반응기로 이송하기 위한 가압펌프(210)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.The apparatus for producing biofuels according to claim 2, further comprising a pressurization pump (210) provided before the high-pressure tubular reactor for transferring the biomass to the supercritical water gasification reactor.
  5. 제1항에 있어서, 상기 초임계 수 가스화 반응기는
    온도 450 ~ 600 ℃ 및 압력 200 ~ 300 bar 하에서, 바이오매스를 초임계 수(Supercritical water) 가스화 공정을 통하여 생성물을 제조하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.
    The process according to claim 1, wherein the supercritical water gasification reactor
    Wherein the biomass is produced through a supercritical water gasification process at a temperature of 450 to 600 ° C and a pressure of 200 to 300 bar.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 촉매가 금속산화물-니켈 복합 촉매, 제올라이트(Zeolite), 백금(Pt)-알루미나(Al2O3) 촉매 및 백금(Pt)-레늄(Re)-알루미나(Al2O3) 촉매로 구성된 군에서 선택된 2종 이상의 촉매를 포함하며,
    상기 금속산화물-니켈 복합 촉매는 산화크로뮴(Cr2O3), 알루미나(Al2O3) 및 산화철(Fe2O3)로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 금속 산화물 및 니켈(Ni)을 포함하고,
    상기 제올라이트는 실리카(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.
    The method of claim 1, wherein the metal catalyst is a metal oxide-nickel complex catalyst, Zeolite (Zeolite), platinum (Pt) - alumina (Al 2 O 3) catalyst and a platinum (Pt) - rhenium (Re) - alumina (Al 2 O < 3 >) catalyst,
    The metal oxide-nickel composite catalyst includes at least one metal oxide selected from the group consisting of chromium oxide (Cr 2 O 3 ), alumina (Al 2 O 3 ) and iron oxide (Fe 2 O 3 ), and nickel (Ni) ,
    The zeolite biofuel production apparatus characterized in that it comprises a silica (SiO 2) and alumina (Al 2 O 3).
  7. 제1항에 있어서, 상기 분리기로부터 유입되는 액상 생성물을 30 ~ 100 ℃로 가열하는 증발기(280)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.The apparatus for manufacturing a biofuel according to claim 1, further comprising an evaporator (280) for heating the liquid product flowing from the separator to 30 to 100 캜.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분리기로부터 유입되는 기상 생성물 중 이산화탄소를 제거하는 가스 세정조(270); 및
    상기 가스 세정조로부터 유입되는 이산화탄소가 제거된 기상 생성물 중 잔여 수분을 흡수하는 흡습기(271);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.
    The method according to claim 1,
    A gas cleaning tank (270) for removing carbon dioxide from gaseous products flowing from the separator; And
    A moisture absorber (271) for absorbing residual moisture in the gaseous product from which carbon dioxide has been removed from the gas washing tank;
    Wherein the biofuel producing apparatus further comprises:
  9. 제8항에 있어서, 상기 가스 세정조는 물 및 탄산나트륨으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상을 포함하며,
    상기 흡습기는 활성탄, 실리카젤(Silica gel), 염화칼슘(CaCl2), 제올라이트(Zeolite) 및 수산화나트륨(NaOH)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 흡습제를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.
    9. The method according to claim 8, wherein the gas scrubbing vessel comprises at least one selected from the group consisting of water and sodium carbonate,
    Wherein the moisture absorber comprises at least one desiccant selected from the group consisting of activated carbon, silica gel, calcium chloride (CaCl 2 ), zeolite, and sodium hydroxide (NaOH).
  10. 제8항에 있어서,
    상기 흡습기로부터 수분이 제거된 기상 생성물이 유입되고, 비귀금속 촉매가 충진되어있으며, 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성 반응을 통해 피셔-트롭쉬 반응 생성물을 제조하는 합성가스 액화반응기(Syn-gas to liquid reactor)(380);
    상기 합성가스 액화반응기로부터 유입된 피셔-트롭쉬 반응 생성물을 70 ~ 80 ℃로 냉각시켜 피셔-트롭쉬 반응 액상 생성물 및 피셔-트롭쉬 반응 기상 생성물로 분리하는 응축기(390); 및
    제습제로 충진되어있으며, 상기 응축기로부터 유입된 피셔-트롭쉬 반응 기상 생성물 중 수분을 흡수하는 제습조(392);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.
    9. The method of claim 8,
    A syngas liquefaction reactor Syn, which is produced by introducing a gaseous product from which moisture is removed from the moisture absorber, is filled with a non-noble metal catalyst, and produces a Fischer-Tropsch reaction product through a Fischer-Tropsch synthesis reaction -gas to liquid reactor (380);
    A condenser 390 for separating the Fischer-Tropsch reaction product introduced from the syngas liquefaction reactor into a Fischer-Tropsch reaction liquid product and a Fischer-Tropsch reaction gaseous product by cooling to 70 to 80 ° C; And
    A dehumidifying tank (392) filled with a dehumidifying agent and absorbing moisture from the Fischer-Tropsch reaction gaseous product introduced from the condenser;
    Wherein the biofuel producing apparatus further comprises:
  11. 제10항에 있어서, 상기 합성가스 액화반응기는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성 반응을 온도 200 ~ 300 ℃ 및 압력 10 ~ 40 bar 하에서 수행하며, 상기 비귀금속 촉매는 철(Fe) 또는 코발트(Co)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.11. The method of claim 10, wherein the synthesis gas liquefaction reactor is a Fischer-Tropsch synthesis reaction at a temperature of 200 to 300 DEG C and a pressure of 10 to 40 bar, and the non-noble metal catalyst is iron (Fe) or cobalt (Co). ≪ / RTI >
  12. 제10항에 있어서, 상기 제습제는 활성탄, 실리카젤(Silica gel), 염화칼슘(CaCl2), 제올라이트(Zeolite) 및 수산화나트륨(NaOH)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.The method of claim 10, wherein the dehumidifying agent comprises at least one selected from the group consisting of activated carbon, silica gel, calcium chloride (CaCl 2 ), zeolite, and sodium hydroxide (NaOH) Fuel production device.
  13. 제1항에 있어서, 상기 냉각기 및 분리기 사이에 구비되고, 상기 초임계 수 가스화 반응기의 압력을 제어 및 상기 냉각기로부터 유입되는 생성물의 압력을 조절하는 압력조절기(250)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.2. The apparatus of claim 1, further comprising a pressure regulator (250) provided between the cooler and the separator for regulating the pressure of the supercritical water gasification reactor and regulating the pressure of the product entering the cooler Biofuel manufacturing equipment.
  14. 제13항에 있어서, 상기 압력조절기는 초임계 수 가스화 반응기로부터 유입되는 생성물의 압력이 300 bar 이상 일 때, 초임계 수 가스화 반응기에서 냉각기로 생성물이 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.14. The apparatus of claim 13, wherein the pressure regulator allows the product to be discharged from the supercritical water gasification reactor to the cooler when the pressure of the product introduced from the supercritical water gasification reactor is 300 bar or more.
  15. 제1항에 있어서, 상기 바이오매스는 수분 함량이 10 ~ 65 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.2. The biofuel producing apparatus according to claim 1, wherein the biomass has a moisture content of 10 to 65 wt%.
  16. 제1항에 있어서, 상기 미세조류는 탄수화물 함량이 5 ~ 40 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.The biofuel producing apparatus according to claim 1, wherein the microalgae contains 5 to 40% by weight of carbohydrate.
  17. 제1항에 있어서, 상기 미세조류는 지질 함량이 10 ~ 80 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.The biofuel producing apparatus according to claim 1, wherein the microalgae comprises 10 to 80% by weight of lipid.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 미세조류는 포피리듐 크루엔툼(Porphyridium Cruentum ), 클로렐라(Chlorella sp.), 나노클롭시스(Nannochloropsis sp.), 스키조키트리움(Schizochytrium sp .) 및 네오클로리스 올레분단(Neochloris oleoabundans)로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 미세조류를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.18. The method of claim 16 or 17, wherein the microalgae is selected from the group consisting of Porphyridium < RTI ID = 0.0 > Cruentum ) , Chlorella sp .), Nannochloropsis sp .), Schizochytrium sp .) and neoclorisole division ( Neochloris o leoabundans ). < Desc / Clms Page number 13 >
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오연료는 C1 ~ C4의 알케인(alkane), 합성가스(Syn-gas), 벤젠(benzene) 및 톨루엔(toluene)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.18. The method of any one of claims 1 to 17, wherein the biofuel is selected from the group consisting of C 1 -C 4 alkanes, syn-gas, benzene, and toluene And at least one gas selected from the group consisting of:
  20. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오연료는 C5 ~ C10의 알케인(alkane), 알켄(alkene), 알카인(alkyne) 및 아렌(arene)으로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 액체 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오연료 제조장치.Claim 1 to claim 17 according to any one of claims, wherein the biofuel is C 5 ~ C 10 of alkane (alkane), alkene (alkene), alkynyl (alkyne) and arene (arene) selected from the group consisting of And at least one liquid fuel.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011050304A (en) 2009-09-01 2011-03-17 Bio−energy株式会社 Continuous process for production of biodiesel fuel by enzymatic method
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