KR101473061B1 - 바이오촤의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents
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Abstract
(a) 반응기 내에서 비활성 기체를 공급하면서 바이오매스를 열분해함으로써 바이오촤 및 열분해 기체를 생성하는 단계; 및 (b) 상기 바이오촤를 수집하는 단계; 를 포함하고, 상기 (a) 단계에서, 상기 비활성 기체에 의해 상기 바이오매스에 열이 전달됨으로써 상기 바이오매스가 열분해 되고, 상기 (b) 단계는 사이클론을 이용하여 연속 공정으로 수행되는 바이오촤의 제조 방법을 개시한다.
또한, 바이오매스를 열분해함으로써 바이오촤 및 열분해 기체를 생성하는 반응기; 상기 반응기에 비활성 기체를 공급하는 비활성 기체 공급관; 상기 반응기로부터 전달받은 상기 바이오촤, 상기 열분해 기체 및 상기 비활성 기체를 포함하는 유체로부터 바이오촤를 수집하는 제1사이클론; 및 상기 제1사이클론을 통과한 상기 반응기로부터의 유체로부터 바이오촤를 수집하는 제2사이클론을 포함하는 바이오촤의 제조 장치를 개시한다.
또한, 바이오매스를 열분해함으로써 바이오촤 및 열분해 기체를 생성하는 반응기; 상기 반응기에 비활성 기체를 공급하는 비활성 기체 공급관; 상기 반응기로부터 전달받은 상기 바이오촤, 상기 열분해 기체 및 상기 비활성 기체를 포함하는 유체로부터 바이오촤를 수집하는 제1사이클론; 및 상기 제1사이클론을 통과한 상기 반응기로부터의 유체로부터 바이오촤를 수집하는 제2사이클론을 포함하는 바이오촤의 제조 장치를 개시한다.
Description
본 발명은 바이오촤의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 반응기 내에서 바이오매스를 반응 기체로 균일하게 분포되게 하는 바이오촤의 제조 방법에 관한 것이다.
바이오촤는 바이오 숯이라고도 한다. 바이오촤는 다양한 용도로 사용될 수 있기 때문에, 이의 기능과 중요성에 대한 관심이 집중되고 있다.
바이오촤는 자연적으로 생성될 수도 있고, 인위적인 합성에 의해서도 생성될 수 있다.
상기 자연적으로 생성된 바이오촤는 토양 내에서, 이산화탄소를 포집하여 장기적으로 축적함으로써 지구온난화를 방지할 수 있고 식생을 조성하는데 기여할 수 있다.
또한, 인위적인 합성에 의해서 생성되는 바이오촤는 예를 들면, 바이오매스의 열분해 공정을 통하여 생성될 수 있다. 바이오촤는 음이온 공급원으로 작용할 수 있고, 습도를 조절할 수 있으며, 보온 효과, 산화방지 효과 등의 다양한 효과를 나타낼 수 있다.
일반적으로 바이오촤를 생성하기 위해서, 종래의 열분해 공정 및 열분해 장치는 단순히 밀폐된 금속통 내부에 바이오매스를 공급하고, 진공 상태 또는 불활성 기체 분위기에서 이를 열분해함으로써 바이오촤를 생성한다. 상기와 같은 종래의 방법을 사용하여 생성된 바이오촤는 비표면적이 낮다는 문제가 있다.
본 발명의 일 목적은 종래의 바이오촤의 제조 방법이 가지고 있는 문제를 해결하여, 비표면적이 넓거나 또는 적어도 탄소 함량이 많은 바이오촤를 경제적으로 생성할 수 있는 바이오촤의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 비표면적이 넓거나 또는 적어도 탄소 함량이 많은 바이오촤를 경제적으로 생성할 수 있는 바이오촤의 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은
(a) 반응기 내에서 비활성 기체를 공급하면서 바이오매스를 열분해함으로써 바이오촤 및 열분해 기체를 생성하는 단계; 및
(b) 상기 바이오촤를 수집하는 단계;
를 포함하고, 상기 (a) 단계에서, 상기 비활성 기체에 의해 상기 바이오매스에 열이 전달됨으로써 상기 바이오매스가 열분해 되고, 상기 (b) 단계는 사이클론을 이용하여 연속 공정으로 수행되는 바이오촤의 제조 방법을 제공한다.
바이오촤의 제조 방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 상기 반응기의 온도를 1 ℃/min 내지 20 ℃/min로 증가시키는 승온 단계; 및 상기 승온 단계에 이어서 상기 반응기의 온도를 일정하게 유지시키는 등온 유지 단계를 포함할 수 있다.
바이오촤의 제조 방법에 있어서, 상기 바이오매스의 열분해는 400 내지 600℃에서 수행될 수 있다.
바이오촤의 제조 방법에 있어서, 상기 열분해 기체는 상기 (a) 단계에서 공급되는 열원으로 사용될 수 있다.
바이오촤의 제조 방법은 상기 (a) 단계에서 상기 열분해 기체를 상기 반응기에 공급되는 상기 비활성 기체와 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바이오촤의 제조 방법에 있어서, 상기 비활성 기체는 질소 및 이산화탄소로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
바이오촤의 제조 방법에 있어서, 상기 바이오촤의 비표면적은 15 m2/g 내지 150 m2/g일 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면은,
바이오매스를 열분해함으로써 바이오촤 및 열분해 기체를 생성하는 반응기;
상기 반응기에 비활성 기체를 공급하는 비활성 기체 공급관;
상기 반응기로부터 전달받은 상기 바이오촤, 상기 열분해 기체 및 상기 비활성 기체를 포함하는 유체에서 바이오촤를 수집하는 제1사이클론; 및
상기 제1사이클론을 통과한 상기 반응기로부터의 유체로부터 바이오촤를 수집하는 제2사이클론
을 포함하는 바이오촤의 제조 장치를 제공한다.
상기 바이오촤의 제조 장치는 상기 반응기를 가열하는 가열기를 더 포함하고, 상기 가열기는 제1 열분해 기체 공급관과 연결될 수 있다.
상기 바이오촤의 제조 장치는 상기 비활성 기체 공급관 및 제2 열분해 기체 공급관을 더 포함할 수 있다.
상기 바이오촤의 제조 방법은 반응기 내의 바이오매스가 고르게 열분해될 수 있게 함으로써, 높은 비표면적을 갖는 바이오촤를 제공할 수 있다.
또한, 상기 바이오촤의 제조 방법은 연속 공정으로 바이오촤를 생성할 수 있고, 바이오촤의 제조 중에 생성되는 열분해 기체를 바이오매스의 열분해에 재사용할 수 있기 때문에, 바이오촤의 제조 비용을 감소시킬 수 있다. 따라서, 바이오촤를 더욱 경제적으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바이오촤의 제조 방법을 실시하는데 사용될 수 있는 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오촤의 제조 장치의 구성도이다.
이하, 본 발명의 여러 구현예들에 따른 바이오촤의 제조 방법 및 바이오촤의 제조 장치를 더욱 상세하게 설명한다.
바이오촤는 기공이 있으므로 흑연과 같은 순수한 탄소와 구분될 수 있다. 일반적으로, 바이오촤는 5 내지 50 cm2/g의 비표면적을 갖는 것을 말한다. 그러나, 본 구현예에 따른 바이오촤의 제조 방법은 15 m2/g 내지 150 m2/g의 비표면적을 갖는 바이오촤를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오촤의 제조 방법에 의해 제공되는 바이오촤 중에서, 비표면적이 낮은 바이오촤는 토질 개량제로 사용될 수 있고, 비표면적이 높은 바이오촤는 환경 오염 물질 제거제로 사용될 수 있다. 즉, 본 구현예에 따른 바이오촤의 제조 방법에 의해 제공되는 바이오촤는 비표면적에 따라 다양한 용도로 사용될 수 있다. 또한, 상기 바이오촤의 제조 방법은 60 wt% 내지 70 wt%의 탄소 함량을 갖는 바이오촤를 제공할 수 있다.
상기 바이오촤의 제조 방법에 의해 제공되는 바이오촤의 비표면적, 기공의 부피 등의 물성은 상기 바이오촤의 제조 방법에서 적용하는 구체적인 조건에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오촤의 제조 방법에 의해 제공되는 바이오촤는 바이오매스의 열분해 온도, 가열 속도 및 공급되는 바이오매스의 입경 등을 조절함으로써, 원하는 물성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 바이오촤의 제조 방법은 (a) 반응기 내에서 비활성 기체를 공급하면서 바이오매스를 열분해함으로써 바이오촤 및 열분해 기체를 생성하는 단계; 및 (b) 상기 바이오촤를 수집하는 단계; 를 포함하고, 상기 (a) 단계에서, 상기 비활성 기체에 의해 상기 바이오매스에 열이 전달됨으로써 상기 바이오매스가 열분해되고, 상기 (b) 단계는 사이클론을 이용하여 연속 공정으로 수행된다.
상기 (a) 단계에서 상기 바이오매스는 리그닌, 셀룰로오스 또는 헤미셀룰로오스와 같은 다당류 탄수화물을 포함하고 있는 것이면 제한되지 않는다. 상기 바이오매스는 구체적으로 나무 등의 목질계 바이오매스, 낙엽 등의 초본계 바이오매스 및 옥수수대 등의 농업 부산물 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 바이오매스는 구체적으로 리그닌 또는 셀룰로오스가 포함된 나무, 초본 식물 및 이들로부터 파생된 생성물 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 바이오매스는 크게 목질계 바이오매스와 초본계 바이오매스로 구분될 수 있다. 상기 목질계 바이오매스는 구체적으로 아카시아 나무, 참나무, 대나무, 고무나무, 단풍나무, 야자수 나무, 소나무 및 오크 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 초본계 바이오매스는 구체적으로 볏짚, 옥수수대, 사탕수수대, 보리대 및 갈대 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 농업 부산물 바이오매스는 옥수수대, 볏짚, 보리대, 사탕수수대 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 리그닌 또는 셀룰로오스가 포함된 나무, 초본 식물로부터 파생된 생성물은 구체적으로 폐목재, 합판, MDF 및 종이 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 (a) 단계에서 상기 반응기 내에서 상기 바이오매스의 열분해가 진행됨에 따라, 바이오매스의 당류로부터 휘발 성분 예를 들면, CH4와 같은 CxHy , H2, CO 및 CO2를 포함하는 열분해 기체가 생성된다. 또한, 바이오매스의 리그닌 또는 셀룰로오스로부터는 바이오촤가 생성된다. 상기 (a) 단계에서 반응기의 최종 온도를 조절함으로써 열분해 기체의 조성을 변화시킬 수 있다. 예를 들면,반응기의 최종 온도를 높일수록 CH4와 같은 CxHy , H2 및 CO의 비율이 증가하고, CO2의 비율은 낮아진다.
상기 (a) 단계에 있어서, 상기 비활성 기체는 질소 또는 이산화탄소로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 비활성 기체는 반응기에 도입되기 이전에 별도의 가열 수단에 의하여 가열될 수 있다. 그 다음, 상기 가열된 비활성 기체를 상기 반응기에 도입할 수 있다. 반응기 내부의 온도 정도의 온도를 갖는 비활성 기체를 반응기 내부에 도입함으로써, 반응기 내부에 새로운 비활성 기체를 계속해서 공급함에도 불구하고 상기 반응기의 온도가 적정하게 유지될 수 있다. 이렇게 함으로써, 비표면적이 넓은 바이오촤를 얻을 수 있다.
상기 (a) 단계에 있어서, 상기 반응기의 온도를 증가시키는 승온 단계가 포함될 수 있다. 상기 반응기의 온도는 구체적으로 1 ℃/min 내지 20 ℃/min로 증가될 수 있고, 더욱 구체적으로 5 ℃/min 내지 15 ℃/min로 증가될 수 있다. 상기 반응기의 온도를 1℃/min 미만으로 증가시키면 반응 시간이 길어지며, 20℃/min 초과로 증가시키면 바이오촤의 생성이 상대적으로 급속히 일어나므로, 바이오촤의 기공이 적게 생성된다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 (a) 단계에 있어서, 상기 반응기의 온도가 증가된 이후에, 이어서 상기 반응기의 온도를 일정하게 유지시키는 등온 유지 단계가 포함될 수 있다. 상기 등온 유지 단계는 구체적으로 400 내지 600℃에서 수행될 수 있다. 더욱 구체적으로 450 내지 550℃에서 수행될 수 있다. 상기 반응기의 최종 온도가 400℃ 미만인 경우에는 열분해가 덜 일어나므로 생성 바이오촤의 비표면적과 탄소 함량이 낮아진다. 또한, 상기 반응기의 최종 온도가 400℃ 미만인 경우에는 염기성의 바이오촤를 얻을 수 있다. 상기 반응기의 최종 온도가 600℃ 초과인 경우에는 바이오촤의 수율이 낮아질 수 있고, 산성의 바이오촤를 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 (a) 단계에 있어서, 상기 반응기의 온도를 증가시키는 단계와 상기 반응기의 온도를 일정하게 유지되는 등온 유지 단계가 진행되는 동안 바이오매스의 열분해가 수행될 수 있다. 상기 열분해는 400 내지 600℃에서 수행될 수 있다. 상기 열분해가 400℃ 미만에서 수행되는 경우에는 열분해가 덜 일어나므로 생성 바이오촤의 비표면적과 탄소 함량이 낮아진다. 또한, 염기성의 바이오촤를 얻을 수 있다. 상기 열분해가 600℃ 초과에서 수행되는 경우에는 바이오촤의 수율이 낮아질 수 있고, 산성의 바이오촤를 얻을 수 있다.
상기 비활성 기체는 구체적으로 1 내지 20 L/min로 공급될 수 있고, 더욱 구체적으로 3 내지 15 L/min 로 공급될 수 있다. 1 L/min 미만으로 반응 기체가 공급되면, 반응기 내에서 바이오매스가 균일하게 분포되지 않을 수 있고, 20 L/min 초과로 반응 기체가 공급되면 반응기 내에 투입되는 바이오매스가 유체의 흐름에 의하여 상기 반응기에서 열분해 반응이 일어나기도 전에 상기 반응기를 빠져나갈 수 있다. 본 명세서에서 유체의 유량은 20℃ 및 1기압의 정상상태 조건하에서 측정된 값이다. 즉 L/min은 더 정확하게는 NL/min로 표시될 수 있다.
이때, 초기 반응기내에서 비활성기체 및/또는 반응기내에서 재공급되는 열분해 기체와 바이오매스간의 접촉시간(contact time)은 0.5초-1분, 일상적 운전에서는 1초-20초 그리고 최적 운전시는 1-5초 정도인 것이 바람직하다. 상기 접촉 시간이 0.5초 미만이면 바이오매스의 열분해가 충분하지 않고, 반대로 상기 접촉시간이 1분을 초과하면, 바이오촤의 수율 감소의 문제가 발생할 수 있다.
상기 (b) 단계에서 바이오촤가 수집된다. 상기 (b) 단계에서 바이오촤를 수집하기 위하여, 상기 (b) 단계는 퇴적, 사이클론 등의 다양한 방법 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 선택되는 방법은 바이오촤의 제조 방법 또는 제조 장치에 의하여 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 (b) 단계는 사이클론을 사용할 수 있다.
본 구현예에 따른 바이오촤의 제조 방법은 상기 (b) 단계에서, 반응기 내에 비활성 기체를 빠른 속도로 흐르게 함으로써, 반응기 내에서 생산되어 퇴적된 바이오촤를 사이클론으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 상기 바이오촤의 제조 방법의 일 구현예는 반응기를 분리하거나, 정지시키는 등의 별도의 조작을 가하지 않고도 바이오촤를 수집할 수 있으므로 바이오촤를 연속 공정으로 제조할 수 있다. 그러므로, 상기 바이오촤의 제조 방법의 일 구현예는 바이오촤의 단위 시간 당 생산성이 높다. 상기 사이클론은 높은 유속, 예를 들어 약 40 L/min에서 평균 직경이 10μm 이상의 바이오촤를 수집할 수 있다.
상기 (a) 단계에서 생성된 열분해 기체는 상기 (a) 단계에 공급되는 열원으로 사용될 수 있다. 열분해 기체의 발열량은 5 x 106 J/Nm3 내지 10 x 106 J/Nm3의 범위에 있을 수 있으므로, 열분해 기체는 바이오매스를 열분해하는 열원으로 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 바이오촤의 제조 방법의 일 구현예는 반응기를 가열하는 가열기가 반응기 외부에 더 있는 바이오 촤의 제조 장치를 이용하여, 상기 가열기에 공급되는 열분해 기체를 원료로 가열기를 가열함으로써 수행될 수 있다. 상기 가열기를 가열하는 열원으로는 열분해 기체 이외에 프로판 등을 더 포함하는 연료가 사용될 수 있다. 상기 바이오촤의 제조 방법은 열분해 기체를 상기 (a) 단계에서의 열원으로 사용함으로써, 바이오촤를 제조하는데 필요한 비용을 낮출 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 바이오촤 제조 방법은 상기 (a) 단계에서 생성된 열분해 기체를 상기 반응기에 공급되는 상기 비활성 기체와 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다. 열분해 기체는 바이오매스와 반응하지 않을 정도로 충분히 비활성일 수 있으므로, 열분해시에 공급될 수 있다. 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 비활성 기체에 열분해 기체를 혼합하여 (a) 단계에 공급함으로써, 바이오촤를 제조하는데 필요한 비용을 낮출 수 있다.
본 구현예에 따른 바이오촤의 제조 방법에 따르면, 상기 반응기 내에 공급되는 상기 비활성 기체가 바이오매스에 열을 전달함으로써, 반응기 내에 쌓여진 바이오매스의 내부에까지 열을 전달할 수 있다. 따라서, 상기 바이오촤의 제조 방법은 반응기 내의 위치에 따라 바이오매스의 열분해가 일어나는 정도가 균일해질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 바이오촤의 제조 방법은 높은 비표면적을 갖는 바이오촤를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 바이오촤의 제조 장치는 바이오매스를 열분해함으로써 바이오촤 및 열분해 기체를 생성하는 반응기; 상기 반응기에 비활성 기체를 공급하는 비활성 기체 공급관; 상기 반응기로부터 전달받은 상기 바이오촤, 상기 열분해 기체 및 상기 비활성 기체를 포함하는 유체로부터 바이오촤를 수집하는 제1사이클론; 및 상기 제1사이클론을 통과한 상기 반응기로부터의 유체로부터 바이오촤를 수집하는 제2사이클론을 포함한다.
상기 반응기로부터 상기 제1사이클론으로 전달된 유체는 상기 반응기에서 생성된 바이오촤 및 열분해 기체를 포함하고, 상기 반응기에 공급되었던 비활성 기체를 포함한다. 상기 유체 내에 포함된 바이오촤의 일부는 상기 제1사이클론에 의하여 수집되고, 상기 유체의 나머지는 상기 제2사이클론으로 전달된다. 따라서, 상기 제1사이클론으로부터 상기 제2사이클론으로 전달되는 유체는 상기 반응기로부터 상기 제1사이클론으로 전달된 유체에서 상기 제1사이클론에서 수집된 바이오촤를 제외한 나머지이다.
상기 반응기는 상기 바이오매스를 공급하기 위한 원료 공급 개구부; 상기 비활성 기체를 공급하기 위한 비활성 기체 주입구; 및 상기 반응기 내에서 생성된 생성물을 배출하기 위한 생성물 배출구를 포함할 수 있다. 바이오촤의 원료로 사용되는 바이오매스는 상기 원료 공급 개구부를 통해 공급된다. 상기 비활성 기체 주입구는 비활성 기체 공급관과 연결되어 있고, 이를 통해 비활성 기체가 공급된다. 상기 생성물 배출구는 상기 제1사이클론에 연결되어 있고, 이를 통해 반응기로부터 활성탄, 열분해 기체 및 비활성 기체를 포함하는 유체가 상기 제1사이클론에 전달된다.
상기 제1사이클론은 반응기로부터 전달받은 유체로부터 바이오촤를 수집할 수 있다. 상기 반응기에 비활성 기체가 공급됨으로써, 유체의 흐름이 발생하므로, 이러한 유체의 흐름으로 인하여 반응기로부터 제1사이클론으로 바이오촤가 전달될 수 있다.
상기 제2사이클론은 제1사이클론을 통과한 반응기로부터의 유체로부터 바이오촤를 수집할 수 있다. 상기 반응기 내에서 열분해가 일어나면, 바이오촤는 반응기 내에 퇴적될 수 있다. 이 때, 비활성 기체를 빠르게 공급함으로써 반응기 내에 퇴적된 바이오촤를 제2사이클론으로 전달할 수 있고, 상기 제2사이클론이 바이오촤를 수집한다. 구체적으로, 반응기에서 열분해 반응이 종료된 후 비활성 기체를 30 L/min 이상으로 공급하면, 상기 비활성 기체를 통해 반응기 내에 퇴적되어 있던 바이오촤가 제1사이클론을 거쳐 제2사이클론까지 전달될 수 있다. 상기 제2사이클론에 전달된 바이오촤는 제2사이클론에서 수집될 수 있다. 제1사이클론 및 제2사이클론을 통해 반응기 내에 퇴적되어 있던 바이오촤를 수집함으로써, 반응기를 냉각시키거나 별도의 조작을 하지 않고도 바이오촤를 수집할 수 있으므로, 연속 공정으로 바이오촤를 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 바이오촤의 제조 장치는 가열기를 더 포함할 수 있다. 상기 가열기의 온도를 변화시킴으로써 반응기의 온도를 변화시킬 수 있다. 가열기 내에 연료가 공급될 수 있고, 공급된 연료를 연소시킴으로써 발생한 열을 이용하여 반응기의 온도를 증가시킬 수 있다. 가열기 내에 공급되는 연료는 프로판 등의 탄화수소 기체일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 가열기 내에 공급되는 연료에 반응기로부터 얻어진 열분해 기체가 더 혼합될 수 있다. 열분해 기체가 연료에 더 혼합되는 경우, 상기 가열기는 제1 열분해 기체 공급관와 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 바이오촤의 제조 장치는 상기 비활성 기체 공급관 및 제2사이클론에 함께 연결되어 있는 제2 열분해 기체 공급관을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 열분해 기체 공급관을 통하여 반응기로부터의 열분해 기체를 다시 반응기로 공급할 수 있다. 열분해 기체가 반응기로 다시 공급되는 경우, 열분해 기체는 밸브를 포함하는 제2 열분해 기체 공급관 또는 블로어(blower)를 포함하는 제2 열분해 기체 공급관을 통해 반응기로 공급될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 바이오촤의 제조 장치는 사일로를 더 포함할 수 있다. 사일로는 반응기에 공급될 바이오매스를 저장할 수 있다. 사일로는 반응기의 상류에 위치할 수 있으며, 반응기에 연결될 수 있다. 구체적으로 사일로는 반응기의 원료 공급 개구부를 통해 반응기에 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 바이오촤의 제조 장치는 피더를 더 포함할 수 있다. 피더에 캐리어 기체가 공급됨으로써, 유체의 흐름이 생길 수 있고, 상기 유체의 흐름을 통하여 바이오매스가 반응기로 전달될 수 있다. 구체적으로 피더는 스크류 피더일 수 있다. 바이오촤의 제조 장치가 사일로를 더 포함하는 경우, 피더를 통해 공급되는 캐리어 기체가 사일로의 바이오매스를 반응기에 전달할 수 있다. 상기 캐리어 기체는 비활성기체이다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 바이오촤의 제조 장치는 수냉 응축기를 더 포함할 수 있다. 상기 수냉 응축기는 제2사이클론에 연결되어 있을 수 있다. 반응기로부터 전달된 열분해 기체를 냉각시킴으로써, 상기 열분해 기체 내의 끓는점이 높은 바이오 오일을 응축할 수 있다. 수냉 응축기는 2개 이상이 직렬로 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 바이오촤의 제조 장치는 예비 가열기를 더 포함할 수 있다. 상기 예비 가열기는 비활성 기체 공급관을 통과하는 비활성 기체를 가열함으로써, 반응기에 공급되는 비활성 기체의 온도를 반응기 내부의 온도 정도로 증가시켜 공급할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이는 오직 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 참조에 의하여 제한되는 것을 의미하지 않음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오촤의 제조 장치의 구성도이다.
본 발명의 일 측면에 따른 바이오촤의 제조 방법은 반응기(1) 내에 비활성 기체를 공급하면서 바이오매스를 열분해함으로써 바이오촤 및 열분해 기체를 생성하는 단계; 및 (b) 상기 바이오촤를 수집하는 단계;를 포함하고, 상기 (a) 단계에서, 상기 비활성 기체에 의해 상기 바이오매스에 열이 전달됨으로써 바이오매스가 열분해 되고, 상기 (b) 단계는 사이클론(3, 4)을 이용하여 연속 공정으로 수행된다.
비활성 기체는 반응기에 도입되기 이전에 별도의 가열 수단(15)에 의하여 가열될 수 있다. 그 다음, 상기 가열된 비활성 기체를 상기 반응기(1)에 도입할 수 있다.
반응기(1) 내에 비활성 기체를 빠른 속도로 흐르게 함으로써, 반응기(1) 내에서 생산되어 퇴적된 바이오촤를 사이클론(3, 4)으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 이러한 방법으로 바이오촤를 수집하는 경우, 반응기(1)를 분리하거나, 정지시키는 등의 별도의 조작을 가하지 않고도 바이오촤를 수집할 수 있으므로 바이오촤를 연속 공정으로 제조할 수 있다. 그러므로 본 발명의 바이오촤의 제조 방법을 이용하면 생산성이 높아진다.
본 발명의 다른 측면에 따른 바이오촤의 제조 장치(30)는 바이오매스를 열분해함으로써 바이오촤 및 열분해 기체를 생성하는 반응기(1); 상기 반응기(1)에 비활성 기체를 공급하는 비활성 기체 공급관(2); 상기 반응기(1)로부터 전달받은 상기 바이오촤, 상기 열분해 기체 및 상기 비활성 기체를 포함하는 유체로부터 바이오촤를 수집하는 제1사이클론(3); 및 제1사이클론(3)을 통과한 반응기(1)로부터의 유체로부터 바이오촤를 수집하는 제2사이클론(4)을 포함한다.
상기 반응기(1)는 상기 바이오매스를 공급하기 위한 원료 공급 개구부(5); 상기 비활성 기체를 공급하기 위한 비활성 기체 주입구(6); 및 상기 반응기(1) 내에서 생성된 생성물을 배출하기 위한 생성물 배출구(7)를 포함할 수 있다. 상기 비활성 기체 주입구(6)는 비활성 기체 공급관(2)과 연결되어 있고, 이를 통해 비활성 기체가 반응기(1)에 공급된다. 상기 생성물 배출구(7)는 상기 제1사이클론(3)에 연결되어 있고, 이를 통해 반응기(1)로부터 유체가 상기 제1사이클론(3)에 전달된다.
상기 반응기(1)에 비활성 기체가 공급됨으로써, 유체의 흐름이 발생하므로, 이러한 유체의 흐름으로 인하여 반응기에서 생성되는 바이오촤의 일부가 제1사이클론(3)으로 전달된다. 상기 제2사이클론(4)은 제1사이클론(3)을 통과한 반응기(1)로부터의 유체로부터 바이오촤를 수집할 수 있다. 상기 반응기(1) 내에서 열분해가 일어나면, 바이오촤가 반응기(1) 내에 퇴적되는데, 열분해 반응이 종료된 후 비활성 기체를 빠르게 공급함으로써 반응기(1) 내에 퇴적된 바이오촤를 제1사이클론(3)을 거쳐 제2사이클론(4)까지 전달할 수 있다. 따라서 제1사이클론(3)에서 수집되지 않은 바이오촤는 상기 제2사이클론에서 수집될 수 있다.
상기 바이오촤의 제조 장치(30)는 가열기(8)를 더 포함할 수 있다. 상기 가열기(8) 내에 연료가 공급될 수 있고, 공급된 연료를 연소시킴으로써 발생한 열을 이용하여 반응기(1)의 온도를 증가시킬 수 있다. 가열기(8) 내에 공급되는 연료에 반응기(1)로부터 얻어진 열분해 기체가 더 혼합될 수 있다. 열분해 기체가 연료에 더 혼합되는 경우, 상기 가열기(8)는 제1 열분해 기체 공급관(20)을 통해 연결될 수 있다.
상기 바이오촤의 제조 장치(30)는 상기 비활성 기체 공급관(2) 및 제2사이클론(4)에 함께 연결되어 있는 제2 열분해 기체 공급관(9)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 열분해 기체 공급관 (9)을 통하여 반응기(1)로부터의 열분해 기체를 다시 반응기(1)로 공급할 수 있다. 열분해 기체가 반응기(1)로 다시 공급되는 경우, 열분해 기체는 밸브를 포함하는 제2 열분해 기체 공급관(9) 또는 블로어(blower)(14)를 포함하는 제2 열분해 기체 공급관(9)을 통해 반응기(1)로 공급될 수 있다.
상기 바이오촤의 제조 장치(30)는 사일로(10)를 더 포함할 수 있다. 사일로(10)는 반응기(1)의 상류에 위치할 수 있으며, 반응기(1)에 연결될 수 있다. 구체적으로 사일로(10)는 반응기(1)의 원료 공급 개구부(5)를 통해 연결될 수 있다.
상기 바이오촤의 제조 장치(30)는 피더(11)를 더 포함할 수 있다. 피더(11)에 캐리어 기체가 공급됨으로써 유체의 흐름이 생길 수 있고, 상기 유체의 흐름을 통하여 바이오매스가 반응기(1)로 전달될 수 있다. 구체적으로 피더(11)는 스크류 피더(12)일 수 있다. 바이오촤의 제조 장치(30)가 사일로(10)를 더 포함하는 경우, 피더(11)를 통해 공급되는 캐리어 기체가 사일로(10)의 바이오매스를 반응기(1)에 전달할 수 있다. 상기 캐리어 기체는 비활성기체이다.
상기 바이오촤의 제조 장치(30)는 수냉 응축기(13)를 더 포함할 수 있다. 상기 수냉 응축기(13)는 제2사이클론(4)에 연결되어 있을 수 있다. 수냉 응축기(13)는 반응기(1)로부터 전달된 열분해 기체를 냉각시킴으로써 상기 열분해 기체 내의 끓는점이 높은 바이오 오일을 응축할 수 있다. 수냉 응축기(13)는 2개 이상이 직렬로 연결되어 있을 수 있다.
상기 바이오촤의 제조 장치(30)는 예비 가열기(15)를 더 포함할 수 있다. 상기 예비 가열기(15)는 비활성 기체 공급관(2)을 통과하는 비활성 기체를 가열함으로써, 반응기(1)에 공급되는 비활성 기체의 온도를 반응기 내부의 온도 정도로 증가시켜 공급할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 제한되는 것을 의미하지 않음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
실시예 1
도 1에 도시된 바이오촤의 제조 장치(30)을 이용하여 바이오촤를 다음과 같이 연속적으로 제조하였다.
200g의 참나무 톱밥을 스크류 피더를 통해 반응기에 공급하였다. 반응기에 질소를 공급하면서 반응기를 가열하였다. 이 때, 상기 반응기에 질소를 10 L/min의 유량으로 공급하였고, 상기 반응기를 10 ℃/min로 가열하였다. 상기 반응기의 온도가 500℃가 될 때까지 50분간 가열한 후 20분간 500℃를 유지하였다. 이때, 초기 반응기내에서 질소 기체와 참나무 톱밥간의 접촉시간은 약 3초 이었다.
반응이 끝난 후 수집된 바이오촤는 56g이었고, 수율은 28%였다. 상기 바이오촤의 비표면적은 107 m2/g이었다. 상기 바이오촤의 미세 기공의 부피는 약 0.0491 cm3/g, 메조 기공의 부피는 약 0.012 cm3/g, 전체 기공의 부피는 약 0.0501 cm3/g 이었다. 상기 바이오촤의 평균 직경은 약 1.87 nm이고, 탄소 함량은 약 80.9 wt%이었다.
실시예 2
도 1에 도시된 바이오촤의 제조 장치(30)을 이용하여 바이오촤를 다음과 같이 연속적으로 제조하였다.
200g의 참나무 톱밥을 스크류 피더를 통해 반응기에 공급하였다. 이어서 초기에 질소가 채워진 반응기의 10 ℃/min로 가열하여 온도를 높이고, 이 때 온도가 높아가면 생성된 열분해 가스에 의해 반응기내의 압력이 높아지면 여분의 가스는 반응시스템 외부로 유출시켜 반응기내의 압력을 안전하게 유지하였다. 반응기는 이제 열분해 생성 가스로만 채워져서 바이오촤가 생성된다. 이 때 열분해 기체의 유량은 10 L/min로 하였다. 상기 반응기의 온도가 500℃가 될 때까지 50분간 가열한 후 20분간 500℃를 유지하였다. 이때, 초기 반응기내에서 열분해 기체와 참나무 톱밥간의 접촉시간은 약 3초이었다.
반응이 끝난 후 수집된 바이오촤는 50 g 이었고, 수율은 25 %였다. 상기 바이오촤의 비표면적은 약 15 m2/g이었다. 탄소 함량은 약 85 wt%이었다. 본 실시예에 따르면 고가의 질소가스를 절약할 수 있으며 열분해 기체의 열에너지를 재활용할 수 있는 장점이 있다.
비교예 1
경목재(hardwood)를 Catherine E. Brewer et al., Characterization of Biochar from Fast Pyrolysis and Gasification, Environmental Progress & Sustainable Energy (Vol.28, No.3) 386-396에 기재된 구조를 갖는 열분해 반응기에서 이 논문에 개시된 조건하에서 저속 열분해하였다. 이때, 반응기에 질소를 유입하면서 15 ℃/min 속도로 500℃까지 가열하였다.
그 후, 반응기로부터 바이오촤를 수집하였다. 상기 수집된 바이오촤의 비표면적은 약 19.7 m2/g 이었고 탄소 함량은 약 63.8wt% 였다.
비교예2
1dm3 크기로 분쇄된 소나무 250g을 W. Kwapinski et al., Biochar from Biomass and Waste, Waste Biomass Valor (2010) 1:177-89에 기재된 구조를 갖는 열분해 반응기에서 반응기 내에 추가의 질소도 공급하지 않고 무산소하에서 500℃까지 온도를 높인 후 10분 동안 가열하였다. 이때, 초기 반응기내에서 소나무 조각과 반응기체의 접촉시간은 약 4-6 초이라고 생각할 수 있다.
반응기로부터 바이오촤를 수집하였다. 바이오촤의 비표면적은 약 2 m2/g 이었고 탄소 함량은 약 81.4wt% 였다.
바이오촤
물성 측정
바이오촤의 비표면적 SBET은 BET법(Brunauer-Emmett-Teller method)에 따른 물리 흡착 기체량을 측정함으로써, 고체의 외부 및 내부의 전비표면적을 측정하였다. 이때 한국산업표준 KS A 0094의 "기체흡착에 의한 분체(고체)의 비표면적 측정방법"에 따랐다.
바이오촤의 마이크로 기공의 부피 Vmicro 및 메조 기공의 부피 Vmeso는 문헌 Computations from nitrogen isotherms, J. Am. Chem. Soc. (1951), 73, 373-380을 참조하여 측정하였다. 여기서 Vmicro는 마이크로기공의 부피를 나타내고 Vmeso는 메조기공의 부피를 나타낸다. 여기서 마이크로기공은 기공 크기가 2 나노미터 이하인 범위의 기공을 나타내고, 메조기공은 기공 크기가 2 ~ 25 나노미터 범위의 기공을 나타낸다.바이오촤의 총 기공 부피 V의 Gurvich 측정법에 따라 측정하였다. Gurvich 측정법은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있다. Gurvich 측정법에 관한 더욱 상세한 내용에 대해서는 예컨대 L. Gurvich (1915), J. Phys. Chem. Soc. Russ. 47, 805, 및 또한 S. Lowell et al., characterization of Porous Solids and Powders: Surface Area Pore Size and Density, Kluwer Academic Publishers, Article Technology Series, pages 111 이하를 참조할 수 있다.
활성탄의 기공의 평균 직경은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 BJH(Barrett, Joyner and Halenda) 모델링 방법을 이용하여 측정하였다.
탄소 함량은 원소분석 방법을 이용하여 측정하였다.
실시예 1, 2 및 비교예로 제조된 바이오촤의 비표면적, 미세 기공의 부피, 메조 기공의 부피, 총기공의 부피, 기공의 평균 직경, 탄소 함량은 표 1과 같다.
| SBET (m2/g) |
Vmicro (cm3/g) |
Vmeso (cm3/g) |
V (cm3/g) |
평균 직경 (nm) | 탄소함량 | |
| 실시예 1 | 107 | 0.0491 | 0.012 | 0.0501 | 1.87 | 80.9 |
| 실시예 2 | 15 | 미실시 | 미실시 | 미실시 | 미실시 | 85 |
| 비교예 1 | 19.7 | 미실시 | 미실시 | 미실시 | 미실시 | 63.8 |
| 비교예 2 | 2 | 미실시 | 미실시 | 미실시 | 미실시 | 81.4 |
표 1을 참조하면, 상기 바이오촤의 제조 방법의 일 구현예에 따른 실시예 1은 비교예 1 및 2보다 비표면적이 넓은 바이오촤를 제공한다. 즉, 상기 바이오촤의 제조 방법에 따른 질소 기체의 흐름에 의한 교반(agitation) 효과에 의하여 균질한 반응 조건을 유지할 수 있어서 종래의 바이오촤의 제조 방법에 의해 제조된 바이오촤보다 더 높은 비표면적을 갖는 바이오촤를 제공하기 적합함을 알 수 있다. 이와 같은 고비표면적의 바이오촤는 폐수 중금속의 흡착능이 증가하는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 상기 바이오촤의 제조 방법의 다른 구현예에 따른 실시예 2는 비교예 2보다 비표면적이 넓은 바이오촤 및 높은 탄소함량를 제공한다. 즉, 상기 바이오촤의 제조 방법은 질소 대신에 열분해 기체를 공급하면서 바이오매스를 열분해 하는 경우에도, 높은 비표면적 및 높은 탄소함량을 갖는 바이오촤를 제공함을 알 수 있다. 따라서, 상기 바이오촤의 제조 방법은 더 낮은 비용으로도 종래의 바이오촤의 제조 방법으로 제조된 바이오촤와 비교하여, 비표면적이 동등하거나 더 높을 수 있다. 이와 같은 높은 탄소함량의 바이오촤는 발전소 연료 및 제철 공정의 코크스로서 유리하다.
1: 반응기
2: 비활성 기체 공급관
3, 4: 제1 및 제2 사이클론
5: 원료 공급 개구부
6: 비활성 기체 주입구
7: 생성물 배출구
8: 가열기
9: 제2 열분해 기체 공급관
10: 사일로
11: 피더
12: 스크류 피더
20: 제1 열분해 기체 공급관
14: 블로어
30: 바이오촤의 제조 장치
2: 비활성 기체 공급관
3, 4: 제1 및 제2 사이클론
5: 원료 공급 개구부
6: 비활성 기체 주입구
7: 생성물 배출구
8: 가열기
9: 제2 열분해 기체 공급관
10: 사일로
11: 피더
12: 스크류 피더
20: 제1 열분해 기체 공급관
14: 블로어
30: 바이오촤의 제조 장치
Claims (10)
- (a) 반응기 내에서 비활성 기체를 공급하면서 바이오매스를 열분해함으로써 바이오촤 및 열분해 기체를 생성하는 단계; 및
(b) 상기 바이오촤를 수집하는 단계; 를 포함하고,
상기 (a) 단계에서, 상기 비활성 기체에 의해 상기 바이오매스에 열이 전달됨으로써 상기 바이오매스가 열분해 되고, 상기 (b) 단계는 사이클론을 이용하여 바이오촤를 회수하는 연속 공정으로 수행되며,
상기 사이클론은 상기 반응기로부터 전달받은 바이오촤, 열분해 기체 및 비활성 기체를 포함하는 유체로부터 바이오촤를 수집하고,
상기 반응기에 인접한 가열기는 상기 사이클론을 통과한 열분해 기체를 제1열분해기체공급관을 통해 공급받음과 동시에 상기 가열기 외부로부터 공기를 주입받아 상기 열분해 기체를 연소시켜 상기 반응기를 가열시키는 바이오촤의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는 상기 반응기의 온도를 1 ℃/min 내지 20 ℃/min로 증가시키는 승온 단계; 및 상기 승온 단계에 이어서 상기 반응기의 온도를 일정하게 유지시키는 등온 유지 단계를 포함하는 바이오촤의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 바이오매스의 열분해를 400 내지 600℃에서 수행하는 바이오촤의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 비활성 기체를 상기 반응기 내부로 빠른 속도로 분사시켜 반응기 내부 물질을 외부로 배출시켜 상기 사이클론에 의해 바이오촤가 저장되고 반응기 기체는 통과되는 것을 특징으로 하는 바이오촤의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 상기 열분해 기체를 상기 반응기에 공급되는 상기 비활성 기체와 혼합하는 단계를 더 포함하는 바이오촤의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 비활성 기체는 질소 및 이산화탄소로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 바이오촤의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 바이오촤의 비표면적은 15 m2/g 내지 150 m2/g인 바이오촤의 제조 방법.
- 바이오매스를 열분해함으로써 바이오촤 및 열분해 기체를 생성하는 반응기;
상기 반응기에 비활성 기체를 공급하는 비활성 기체 공급관;
상기 반응기로부터 전달받은 상기 바이오촤, 상기 열분해 기체 및 상기 비활성 기체를 포함하는 유체로부터 바이오촤를 수집하는 사이클론;
상기 사이클론을 통과한 열분해 기체를 가열기로 공급하는 제1열분해기체공급관; 및
상기 제1열분해기체공급관을 통해 상기 가열기로 들어온 열분해 기체에 상기 가열기 외부로부터 가열기 내부로 공기를 주입하여 상기 열분해 기체를 연소시켜 상기 반응기를 가열시키는 가열기를 포함하는 바이오촤의 제조 장치. - 삭제
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