KR101744524B1 - 탄화방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 고수분율 바이오매스의 건류에 의한 탄화처리를 기존의 탄화장치에 대폭적인 개량을 가하지 않고 효율적으로 할 수 있는 탄화방법을 제공한다.
본 발명의 탄화방법은, 저수분율 바이오매스를 탄화로 내에서 열분해시켜서 저수분율 바이오매스 유래의 탄화연료와 건류가스를 얻는 제1공정, 얻은 건류가스의 2차연소에 의하여 얻은 고온가스에 의하여 건조기 내의 고수분율 바이오매스를 건조시켜서 건조 바이오매스를 얻는 제2공정, 제2공정에서 얻은 건조 바이오매스를 보관하는 제3공정으로 이루어지는 3개의 공정을 일정기간 연속하여 실시하고, 그 후에 보관한 건조 바이오매스를 열분해시켜서 고수분율 바이오매스 유래의 탄화연료와 건류가스를 얻는 제4공정, 얻은 건류가스의 2차연소에 의하여 얻은 고온가스에 의하여 건조기 내의 고수분율 바이오매스를 건조시켜서 건조 바이오매스를 얻는 제5공정, 제5공정에서 얻은 건조 바이오매스를 보관하는 제6공정으로 이루어지는 3개의 공정을 일정기간 연속하여 실시한다.

Description

탄화방법{CARBONIZATION METHOD}
본 발명은, 수분(水分)을 많이 포함하는 바이오매스(biomass)를 건류(乾溜)하여 탄화(炭化)시키는 탄화방법에 관한 것으로서, 특히 기존의 탄화장치에 대폭적인 개량을 가하지 않고 탄화처리를 효율적으로 할 수 있는 탄화방법에 관한 것이다.
최근에 환경의식이 높아짐으로써, 종래라면 소각이나 매립처리를 하였던 하수오니(下水汚泥), 가축분뇨(家畜糞尿), 식품잔사(食品殘渣) 등의 바이오매스를 건류(乾溜)에 의하여 거의 무산소 상황하에서 열분해하여, 일산화탄소, 수소, 메탄 등의 연소가스를 발생시킴과 아울러 고형연료(固形燃料)로서의 숯을 얻는 기술의 개발이 진척되고 있다.
그러나 바이오매스 중에서 예를 들면 하수오니와 같은 수분함유율(水分含有率)이 높은 것은 건류의 전처리(前處理)로서 가열건조에 의하여 수분량을 저하시켜 둘 필요가 있지만, 등유 등 화석연료의 연소열을 사용하는 경우에는 연료값이 비싸고, 태양광·풍력 등의 자연에너지나 발효열을 사용하는 경우에는 시간이 걸린다는 문제가 있다.
예를 들면 특허문헌1에는, 저수분율 바이오매스를 건류하여 제1공정 탄화연료와 건류가스를 얻는 제1탄화공정과, 제1탄화공정에서 얻은 건류가스를 연소시켜서 발생하는 고온의 연소배기가스에 의하여 고수분율 바이오매스를 건조시켜서 건조 바이오매스를 얻는 건조공정과, 건조공정에서 얻은 건조 바이오매스를 건류하여 제2공정 탄화연료를 얻는 제2탄화공정으로 이루어지는 탄화연료의 제조방법이 개시되어 있다.
: 일본국 공개특허 특개2010-241936호 공보
그러나 상기 특허문헌1에 개시된 기술에서는 이하와 같은 문제가 있다.
즉 제1탄화행정(第1炭化行程)과 제2탄화행정의 각각에서 서로 다른 탄화로(炭化爐)(건류로(乾溜爐))를 사용하기 때문에 합계 2개의 탄화로가 필요하게 되어, 탄화로를 1개밖에 구비하지 않는 기존의 탄화장치를 전용(轉用)할 수 없다는 문제나 장치가 대형화된다는 문제가 있다.
또한 상기 특허문헌1에는 저수분율 바이오매스가 들어가 있는 탄화로까지 건조 바이오매스를 반송하고, 당해 탄화로 내에서 저수분율 바이오매스와 건조 바이오매스를 섞은 후에 건류시키는 기술도 개시되어 있지만, 이 경우에도 반송로(搬送路)나 믹서(mixer)가 별도로 필요하게 되어, 기존의 탄화장치를 전용할 수 없다는 문제나 장치의 대형화라는 문제를 해소할 수 없다.
본 발명은, 이러한 문제에 고려하여 고수분율 바이오매스의 건류에 의한 탄화처리를 기존의 탄화장치에 대폭적인 개량을 가하지 않고 효율적으로 할 수 있는 탄화방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 탄화방법은, 저수분율 바이오매스를 탄화로 내에서 열분해시켜서 저수분율 바이오매스 유래의 탄화연료와 건류가스를 얻는 제1공정과, 제1공정에서 얻은 건류가스의 2차연소에 의하여 얻은 고온가스를 이용하여 건조기 내의 고수분율 바이오매스를 건조시켜서 건조 바이오매스를 얻는 제2공정과, 제2공정에서 얻은 건조 바이오매스를 보관하여 두는 제3공정으로 이루어지는 3개의 공정을 일정기간 연속하여 실시하고, 그 후에 보관하여 둔 건조 바이오매스를 상기 제1공정에서 사용한 탄화로와 동일한 탄화로 내에서 열분해시켜서 고수분율 바이오매스 유래의 탄화연료와 건류가스를 얻는 제4공정과, 제4공정에서 얻은 건류가스의 2차연소에 의하여 얻은 고온가스를 이용하여 건조기 내의 고수분율 바이오매스를 건조시켜서 건조 바이오매스를 얻는 제5공정과, 제5공정에서 얻은 건조 바이오매스를 보관하여 두는 제6공정으로 이루어지는 3개의 공정을 일정기간 연속하여 실시하며, 보관하고 있었던 건조 바이오매스가 부족하게 된 타이밍에 상기 제4∼제6공정을 종료시키고 다시 상기 제1∼제3공정을 재개시킴으로써 건조 바이오매스를 보충하는 것을 특징으로 한다.
또한 고수분율 바이오매스가 하수오니, 가축분뇨 및 식품잔사 중 적어도 1개를 포함하는 유기성 폐기물인 것을 특징으로 한다.
또한 저수분율 바이오매스가 왕겨, 야자 껍질 및 목재 중 적어도 1개를 포함하는 유기성 폐기물인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 탄화방법은 상기 제1∼제3공정을 일정기간 연속하여 실시하는 점이 특징 중 하나이다. 건조시킬 필요가 없는 저수분율 바이오매스만을 사용하여 제1∼제3공정을 일정기간 연속하여 실시함으로써, 저수분율 바이오매스밖에 포함되어 있지 않은 순수한 탄화연료를 얻을 수 있다는 이점이 있다. 또한 고수분율 바이오매스를 건조시키는 수단으로서, 제1공정에서 얻은 건류가스를 2차연소시켜서 발생시킨 고온가스를 이용할 수 있다는 이점이 있다. 이것은, 고수분율 바이오매스에 대하여 저수분율 바이오매스를 혼합하여 함수율(含水率)을 저하시키는 수고가 불필요하게 된다는 이점에도 연결된다. 저수분율 바이오매스밖에 포함되어 있지 않은 순수한 탄화연료로서 예를 들면 왕겨 이루어지는 훈탄(燻炭)을 들 수 있다.
제1∼제3공정을 일정기간 연속하여 실시할 경우의 「일정기간」이라는 것은, 저수분율 바이오매스 및 고수분율 바이오매스의 실제의 수분율, 재질, 탄화로 및 건조기의 처리능력 등에 의하여 변동되지만, 예를 들면 탄화처리를 1주일의 스팬(span)으로 한 경우에는, 최초의 2일간이 당해 「일정기간」에 해당한다. 이 2일간만 연속하여 제1∼제3공정을 반복함으로써 나머지 5일간에서 사용(소비)하는 양의 건조 바이오매스(고수분율 바이오매스를 건조시킨 것)를 제조하여, 스톡으로서 보관하여 두게 된다. 또 당연한 것이지만 「일정기간」은 최초의 2일간에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 최초의 30시간으로 하더라도 좋고 혹은 탄화처리를 3일간의 스팬으로 하였을 경우의 첫날로 하더라도 좋다. 또 1일 중 아침을 당해 「일정기간」으로 하더라도 좋다. 이 경우에, 아침 중에 제1∼제3공정을 실시하여 저수분율 바이오매스 유래의 탄화연료의 제조와 건조 바이오매스의 스톡을 실시하여 두고, 그 후에 다음에 설명하는 제4∼제6공정을 실시하여 고수분율 바이오매스 유래의 탄화연료의 제조와 건조 바이오매스의 스톡의 보충을 하게 된다.
또한 본 발명은 이들 제4∼제6공정을 일정기간 연속하여 실시하는 점도 하나의 특징이다. 고수분율 바이오매스 유래의 건조 바이오매스만을 사용하여 제4∼제6공정을 일정기간 연속하여 실시함으로써, 고수분율 바이오매스밖에 포함되어 있지 않은 순수한 탄화연료를 얻어진다는 이점이 있다. 또한 수분율이 충분하게 낮아진 건조 바이오가스를 열분해시켜서 얻어지는 건류가스는 높은 열량을 갖기 때문에, 건조기 내의 고수분율 바이오매스를 단시간에 건조시킬 수 있다는 이점이 있다.
제4∼제6공정을 일정기간 연속하여 실시하는 경우의 「일정기간」이라는 것은, 고수분율 바이오매스 및 건조 바이오매스의 실제의 수분량, 재질, 탄화로 및 건조기의 처리능력 등에 의하여 변동되지만, 예를 들면 탄화처리를 1주일의 스팬으로 하였을 경우로서, 최초의 2일간에 제1∼제3공정을 연속하여 반복적으로 실시하는 경우에는, 나머지 5일간이 당해 「일정기간」에 해당한다. 또 당연한 것이지만 「일정기간」은 나머지 5일간에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 최초의 30시간으로 제1∼제3공정을 연속하여 실시한 후의 나머지 시간으로 하더라도 좋고 혹은 탄화처리를 3일간의 스팬으로 보았을 경우에 있어서 첫날 종료 후의 나머지 2일간으로 하더라도 좋다. 또 상기한 바와 같이 1일 중 아침에 제1∼제3공정을 실시하고, 나머지 시간에 제4∼제6공정을 실시하는 것으로 하더라도 좋다.
이상과 같이 본 발명의 탄화방법은, 저수분율 바이오매스와 고수분율 바이오매스(건조 바이오매스)의 열분해를 동일한 탄화로에서 실시하는 등, 고수분율 바이오매스의 건류에 의한 탄화처리를 기존의 탄화장치에 대폭적인 개량을 가하지 않고 실시할 수 있다. 또한 고수분율 바이오매스를 건조시킬 때에 등유 등의 화석연료, 태양광·풍력 등의 자연에너지, 발효열 등을 이용하지 않고, 저수분율 바이오매스를 열분해시킬 때에 발생하는 건류가스를 이용하기 때문에 탄화처리를 효율적으로 실시할 수 있다.
본 발명에 있어서의 「저수분율 바이오매스」는 함수율 50% 이하, 바람직하게는 15% 이하의 바이오매스를 가리킨다. 함수율이 15% 이하이면 저수분율 바이오매스를 열분해시켰을 때에 발생하는 건류가스의 연소열량이 커지게 되어, 고수분율 바이오매스를 함수율 15% 정도까지 건조시키는 데에도 충분한 열량을 얻을 수 있다.
「저수분율 바이오매스」의 재질로서는 예를 들면 삼림벌채 목재, 간벌재, 가로수·공원 수목의 전정폐재(剪定廢材), 건축 폐목재 등의 칩(chip) 또는 펠렛(pellet), 톱밥, 옥수수·사탕수수·토마토의 줄기 등의 식품잔사, 왕겨, 야자 껍질(PKS : Palm Kernel Shell), 밀짚, 벼지푸라기 등의 농업폐재, 섬유소를 포함하는 산업폐재 등을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서의 「고수분율 바이오매스」는 함수율 50% 이상, 바람직하게는 70% 이상의 바이오매스를 가리킨다. 당연히 고수분율 바이오매스의 함수율이 낮을수록 건조 바이오매스를 제조하기 쉬워지게 되지만, 함수율이 50%∼70% 정도로 비교적 낮은 경우에는 본 발명의 탄화방법이 아니라 종래의 방법을 사용하더라도 어느 정도 효율적인 탄화처리를 실시할 수 있는 경우가 있다. 따라서 본 발명은 함수율이 70% 이상인 고수분율의 바이오매스에 적용하는 것이 바람직하다.
「고수분율 바이오매스」의 재질로서는 예를 들면 하수오니, 메탄발효 후의 소화오니(消化汚泥), 가축분뇨, 식품잔사 등의 유기성 폐기물을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
도1은, 본 발명의 탄화방법을 설명하기 위한 블럭도이다.
본 발명의 탄화방법(炭化方法)의 실시형태에 대하여 설명한다.
도1에 나타내는 바와 같이 본 발명의 탄화방법은 제1∼제6공정을 적어도 포함하고 있고, 건조기(乾燥機)와 탄화로(炭化爐)(건류로(乾溜爐))를 구비하는 기존의 탄화장치에 대하여 개량이나 장치의 추가 등을 거의 하지 않고 그대로 실시할 수 있다. 또 도1에 있어서 저수분율 바이오매스(低水分率 biomass)가 탄화연료로 될 때까지의 경로에 L1 및 L2를 붙이고, 고수분율 바이오매스(高水分率 biomass)가 탄화연료로 될 때까지의 경로에 H1∼H4를 붙이고 있다.
제1공정에서는 저수분율 바이오매스를 탄화로 내에서 열분해시켜서 저수분율 바이오매스 유래(低水分率 biomass 由來)의 탄화연료와 건류가스(乾溜gas)를 얻는다.
구체적으로는, 기존의 탄화장치의 탄화로 내에 수분율이 낮은 저수분율 바이오매스를 1종류 또는 복수 종류를 투입하여 두고, 이것을 열분해시킴으로써 저수분율 바이오매스 유래의 탄화연료를 얻음과 아울러, CO, H2, CH4 등을 포함하는 건류가스를 발생시킨다. 얻어진 탄화연료는 제1∼제3공정의 적절한 타이밍에서 탄화로로부터 꺼내어 둔다.
제2공정에서는, 제1공정에서 얻은 건류가스를 2차연소시킴으로써 발생시킨 고온가스를 이용하여 건조기 내의 고수분율 바이오매스를 건조시켜서 건조 바이오매스(乾燥 biomass)를 얻는다.
구체적으로는, 제1공정에서 얻은 건류가스에 산소(공기)를 공급하여 연소시킴으로써 고온가스를 발생시킨다. 그리고 이 고온가스를 탄화로로부터 건조기에까지 이르는 유로(流路) 내에서 필요에 따라 공기와 혼합함으로써 적절한 온도로 조절한 후에 건조기 내로 유입한다. 건조기 내에는 미리 고수분율 바이오매스를 1종류 또는 복수 종류를 투입하여 두고, 상기 고온가스에 노출하여 건조시킴으로써 수분을 증발시켜서 건조 바이오매스를 얻는다.
제3공정에서는, 제2공정에서 얻은 건조 바이오매스를 스톡(stock)으로서 일시적으로 보관하여 둔다. 기존의 탄화장치에 적절한 보관장소가 있으면 그 장소를 사용하면 좋고, 적절한 보관장소가 없는 경우에는 별도로 준비할 필요가 있다. 보관장소는 건조상태를 유지하기 위하여 우로(雨露)에 노출되기 어렵게 되도록 지붕을 설치하는 것이 바람직하다.
제1∼제3공정을 일정기간 연속하여 실시한 후에 제4∼제6공정을 실시한다. 즉 본 발명에서는 제1∼제3공정과, 제4∼제6공정을 하나의 탄화장치 내에서 동시진행으로 실시하지 않는다. 또 당연한 것이지만 제1∼제3의 각 공정은 탄화장치 내에서 동시진행으로 실시된다.
제4공정에서는, 스톡으로서 보관하여 둔 건조 바이오매스(및 후술하는 제6공정에서 스톡으로서 보관하여 둔 건조 바이오매스)를 제1공정에서 사용한 탄화로와 동일한 탄화로 내에서 열분해시켜서 고수분율 바이오매스 유래의 탄화연료와 건류가스를 얻는다.
구체적으로는, 보관하여 둔 건조 바이오매스를 제1공정에서 사용한 기존의 탄화로 내에 투입한다. 상기한 바와 같이 제1∼제3공정의 적절한 타이밍에서 저수분율 바이오매스 유래의 탄화연료를 당해 탄화로로부터 꺼내어 두기 때문에, 제4공정의 시작시점에서는 당해 탄화로 내에 저수분율 바이오매스 유래의 탄화연료는 잔존하지 않고 있다. 즉 본 발명에서는 탄화로 내에서 저수분율 바이오매스와 고수분율 바이오매스(건조 바이오매스)가 혼재하지 않는다.
그리고 탄화로 내의 건조 바이오매스를 열분해시킴으로써 고수분율 바이오매스 유래의 탄화연료를 얻음과 아울러 건류가스를 발생시킨다. 얻어진 탄화연료는 제4∼제6공정의 적절한 타이밍에서 탄화로로부터 꺼내어 둔다.
제5공정에서는, 제4공정에서 얻은 건류가스를 2차연소시킴으로써 발생시킨 고온가스를 이용하여 건조기 내의 고수분율 바이오매스를 건조시켜서 건조 바이오매스를 얻는다.
구체적으로는 상기 제2공정과 마찬가지로, 제4공정에서 얻은 건류가스에 산소(공기)를 공급하여 연소시킴으로써 고온가스를 발생시킨다. 그리고 이 고온가스를 탄화로로부터 건조기에까지 이르는 유로 내에서 필요에 따라 공기와 혼합함으로써 적절한 온도로 조절한 후에 건조기 내로 유입한다. 건조기 내에는 미리 고수분율 바이오매스를 1종류 또는 복수 종류를 투입하여 두고, 상기 고온가스에 노출하여 건조시킴으로써 수분을 증발시켜서 건조 바이오매스를 얻는다.
제6공정에서는, 제5공정에서 얻은 건조 바이오매스를, 제2공정에서 얻은 건조 바이오매스와 함께 스톡으로서 일시적으로 보관하여 둔다.
제6공정 종료 후에는 다시 제4공정부터 반복하여, 보관한 건조 바이오매스를 탄화로 내에서 열분해시킨다. 또 당연한 것이지만 제4∼제6의 각 공정은 탄화장치 내에서 동시진행으로 실시된다.
제4공정에서 1차연료의 용도로 제공되는 건조 바이오매스의 양과 제5공정에서 새롭게 얻어지는 건조 바이오매스의 양을 비교하면 전자(前者)쪽이 많아지게 되기 때문에, 제4∼제6공정으로 이루어지는 3개의 공정을 일정기간 연속하여 실시하면, 스톡으로서 보관하고 있었던 건조 바이오매스가 점차적으로 부족하게 된다. 따라서 작업자는 부족하게 된 타이밍을 가늠하여 제4∼제6공정으로 이루어지는 3개의 공정을 일단 종료시키고, 다시 제1∼제3공정으로 이루어지는 3개의 공정을 재개시킴으로써 스톡으로서의 건조 바이오매스가 보충된다. 이 작업을 포함하는 본 발명에 관한 일련의 작업은 반드시 작업자의 판단에 의거하여 할 필요는 없고, 컴퓨터 제어에 의하여 전자동으로 하는 것으로 하더라도 좋다.
본 발명은, 고수분율 바이오매스의 건류에 의한 탄화처리를 기존의 탄화장치에 대폭적인 개량을 가하지 않고 효율적으로 할 수 있는 탄화방법에 관한 것으로서, 산업상의 이용가능성을 갖는다.

Claims (3)

  1. 저수분율 바이오매스(低水分率 biomass)를 탄화로(炭化爐) 내에서 열분해시켜서 저수분율 바이오매스 유래(低水分率 biomass 由來)의 탄화연료와 건류가스(乾溜gas)를 얻는 제1공정과,
    제1공정에서 얻은 건류가스의 2차연소에 의하여 얻은 고온가스를 이용하여 건조기 내의 고수분율 바이오매스(高水分率 biomass)를 건조시켜서 건조 바이오매스(乾燥 biomass)를 얻는 제2공정과,
    제2공정에서 얻은 건조 바이오매스를 보관하여 두는 제3공정으로
    이루어지는 3개의 공정을 일정기간 연속하여 실시하고,
    그 후에 보관하여 둔 건조 바이오매스를 상기 제1공정에서 사용한 탄화로와 동일한 탄화로 내에서 열분해시켜서 고수분율 바이오매스 유래의 탄화연료와 건류가스를 얻는 제4공정과,
    제4공정에서 얻은 건류가스의 2차연소에 의하여 얻은 고온가스를 이용하여 건조기 내의 고수분율 바이오매스를 건조시켜서 건조 바이오매스를 얻는 제5공정과,
    제5공정에서 얻은 건조 바이오매스를 보관하여 두는 제6공정으로
    이루어지는 3개의 공정을 일정기간 연속하여 실시하며,
    보관하고 있었던 건조 바이오매스가 부족하게 된 타이밍에 상기 제4∼제6공정을 종료시키고 다시 상기 제1∼제3공정을 재개시킴으로써 건조 바이오매스를 보충하는
    것을 특징으로 하는 탄화방법.
  2. 제1항에 있어서,
    고수분율 바이오매스가 하수오니(下水汚泥), 가축분뇨(家畜糞尿) 및 식품잔사(食品殘渣) 중에서 적어도 1개를 포함하는 유기성 폐기물(有機性 廢棄物)인 것을 특징으로 하는 탄화방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    저수분율 바이오매스가 왕겨, 야자 껍질 및 목재(木材) 중에서 적어도 1개를 포함하는 유기성 폐기물인 것을 특징으로 하는 탄화방법.
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