KR101777919B1 - Method for producing bio-heavy oil from sewage sludge and bio-heavy oil produced by the method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하수슬러지 유래 바이오중유의 제조방법 및 그로부터 제조된 바이오중유에 관한 것으로, 초임계 상태의 알코올을 용매 및 반응매체로 이용하여 하수슬러지 내 포함된 유기물의 저분자화 및 산소제거 반응을 동시에 수행함으로써, 산소함량이 낮고, 에너지함량이 높은 효과적인 바이오중유의 제조방법을 제공할 수 있다.
The present invention relates to a method for producing bio-heavy oil derived from sewage sludge and to a bio-heavy oil produced therefrom, wherein supercritical alcohols are used as a solvent and a reaction medium to simultaneously perform low molecular weight and oxygen removal of organic substances contained in sewage sludge , It is possible to provide a method for producing biofuel having low oxygen content and high energy content.

Description

하수슬러지 유래 바이오중유의 제조방법 및 그로부터 제조된 바이오중유 {METHOD FOR PRODUCING BIO-HEAVY OIL FROM SEWAGE SLUDGE AND BIO-HEAVY OIL PRODUCED BY THE METHOD}METHOD FOR PRODUCING BIO-HEAVY OIL FROM SEWAGE SLUDGE AND BIO-HEAVY OIL PRODUCED BY THE METHOD <br> <br> <br> Patents - stay tuned to the technology METHOD FOR PRODUCING BIO-

본 발명은 하수슬러지 유래 바이오중유의 제조방법 및 그로부터 제조된 바이오중유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수슬러지를 원료로 이용하고, 초임계 상태의 알코올을 용매 및 반응매체로 이용하여, 하수슬러지 내 존재하는 유기물의 저분자화 및 산소제거 반응을 동시에 수행함으로써, 제조된 액체 상태의 바이오중유는 산소함량이 적고, 에너지함량이 증가하여, 발전용 액상연료 및 향후 업그래이딩을 통한 수송용 액상연료로 활용 가능한 바이오중유의 제조방법 및 그로부터 제조된 바이오중유에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing bio-heavy oil derived from sewage sludge and a bio-heavy oil produced therefrom, and more particularly, to a method for producing bio-heavy oil from sewage sludge using sewage sludge as a raw material and using a supercritical alcohol as a solvent and a reaction medium, By simultaneously carrying out the low molecular weight and organic oxygen elimination reaction of the organic substances present, the produced liquid heavy biofuel has low oxygen content, increases the energy content, and becomes a liquid fuel for power generation and a liquid fuel for transportation through upgraduation The present invention relates to a method for producing biofuel, and to a biofuel produced therefrom.

최근 화석 연료의 과다 사용에 따른 석유 자원 고갈 및 CO2 발생 등 환경오염에 대한 우려가 증가함에 따라, 비화석연료 기반의 재생가능하고 지속가능하며 환경친화성이 높은 연료에 대한 관심이 급증하고 있다. 하수슬러지는 하수처리 과정에서 필연적으로 발생하는 유기성 부산물이다. 국내외 하수처리장에서 주로 채택하고 있는 하수처리공법 중 하나인 표준 활성 슬러지법에 의한 하수 처리과정에서 발생하는 슬러지의 종류로는, 최초 침전지에서 발생하는 슬러지로 고형물 농도가 4-10중량%인 생슬러지, 최종 침전지에서 회수한 슬러지 중 반송슬러지를 제외한 고형물 농도가 0.8-2.5중량%인 잉여슬러지, 농축조에서 농축시킨 고형물 농도가 2-8중량%인 농축슬러지, 소화조에서 처리한 고형물 농도가 2.5-7중량%인 소화슬러지, 탈수기를 통해 수분을 감소시켜 고형물 농도가 20중량%인 탈수슬러지 등이 포함된다. 하수슬러지에는 각종 유기물이 다량으로 포함되어 있어, 이러한 유기물에 적절한 기술을 이용하면 에너지를 회수할 수 있다.Recently, concerns about environmental pollution such as depletion of petroleum resources and generation of CO 2 due to excessive use of fossil fuels have increased, and interest in renewable, sustainable and environmentally friendly fuels based on non-fossil fuels is increasing rapidly . Sewage sludge is an organic by-product that necessarily occurs in the sewage treatment process. The sludge generated in the sewage treatment process by the standard activated sludge process, which is one of the sewage treatment methods adopted mainly at domestic and overseas sewage treatment plants, is the sludge generated in the initial sedimentation basin, and the raw sludge having a solid concentration of 4-10% , Surplus sludge having a solid concentration of 0.8-2.5 wt% excluding sludge recovered from the final sedimentation tank, concentrated sludge having a solid concentration of 2-8 wt% concentrated in a concentration tank, solid matter concentration in a digestion tank of 2.5-7 % By weight of digested sludge, and dehydrated sludge having a solid concentration of 20 wt% by reducing water through a dehydrator. Sewage sludge contains a large amount of various organic materials, and energy can be recovered by using appropriate technology for such organic materials.

한편, 전 세계적인 대도시 인구증가 및 급격한 생활수준 향상으로 하수처리장에서 발생하는 하수슬러지의 양은 지속적으로 증가하고 있다. 일예로 국내 하수슬러지의 발생량은 2006년 7,446톤/일에서 2015년 10,179톤/일로 지난 10년간 약 4%의 가파른 증가율을 보이고 있다. 하지만, 기존 하수슬러지 매립지의 한계 및 추가 매립지 확보에 어려움을 겪고 있고, 또한 최근 런던협약의 발효에 따라 하수슬러지의 해양투기가 전면 금지됨에 따라, 본격적인 하수슬러지의 육상 처리 또는 에너지화 방안을 강구해야 한다.On the other hand, the amount of sewage sludge generated at the sewage treatment plant is continuously increasing due to the increase in the population of the big cities in the world and the rapid improvement of living standards. For example, domestic sewage sludge production has increased steadily by about 4% over the past 10 years from 7,446 tons / day in 2006 to 10,179 tons / day in 2015. However, due to the limitations of conventional sewage sludge landfills and the difficulty of securing additional landfill sites, and since the recent conclusion of the London Convention has banned all marine dumping of sewage sludge, do.

하수슬러지의 대표적인 에너지화 방법에는 바이오가스화 및 고형연료화가 있고, 이 이외에도 소각, 고화, 탄화, 및 부숙화 등 다양한 종류의 기술이 개발되고 있으나, 2차 환경오염, 낮은 에너지화 효율, 토양오염, 높은 처리비용 등으로 인해 널리 활용되고 있지 않은 실정이다.In addition, various kinds of technologies such as incineration, solidification, carbonization and composting are being developed, but secondary environmental pollution, low energy efficiency, soil pollution, High processing cost, and the like.

한편, 국내외 발전사들은 각국의 신재생에너지 공급의무화제도에 대응하기 위하여 발전용 연료로 사용되는 벙커 C유에 혼합하기 위한 바이오연료로 바이오디젤 및 바이오디젤 공정 부산물인 피치를 바이오중유로 활용하여 발전용 연료로 사용하기 위한 기술을 개발하고 있다. 하지만, 국내에서 바이오디젤 원료로 사용하기 위한 유지의 경우, 대부분 해외에서 수입하고 있고, 그 양도 많지 않기 때문에, 발전용 바이오중유의 원료에 대한 다변화가 필요한 실정이다.Meanwhile, domestic and overseas power generation companies are using biofuel to mix with Bunker C oil used as fuel for power generation in order to cope with the mandatory system of new and renewable energy supply in each country. As a byproduct of biodiesel and biodiesel process, As well as a number of other technologies. However, in Korea, most of the oil used for raw materials for biodiesel is imported from abroad, and its amount is not so large. Therefore, it is necessary to diversify raw materials for bio-fuel oil for power generation.

또한, 수송용 바이오연료 중 당질계원료를 이용하는 바이오에탄올 및 식물성유지를 이용하는 바이오디젤은 상업적인 생산이 이루어지고 있으나, 이들 1세대 바이오연료는 식량자원과의 경쟁이라는 원천적인 한계를 가지고 있고, 분자구조식에 산소를 포함하고 있기 때문에 기존 화석원료에서 출발하는 가솔린, 항공유, 및 디젤과 비교하였을 때 에너지함량이 낮은 단점이 있다. 따라서 기존 1세대 바이오연료에서 탈피하여, 식량자원과 경쟁이 없으며, 또한 분자구조식에 산소를 적게 포함하거나 아예 포함하지 않는 바이오연료("drop-in" 바이오연료) 생산에 많은 관심이 집중되고 있다. In addition, among biofuels for transportation, bioethanol using sugar-based raw materials and bio-diesel using vegetable oil are commercially produced, but these first-generation biofuels have a fundamental limit of competition with food resources, It has a disadvantage in that it has a low energy content when compared with gasoline, jet fuel, and diesel starting from conventional fossil raw materials. As a result, much attention has been focused on the production of biofuels ("drop-in" biofuels), which do not compete with food resources and which contain little or no oxygen in the molecular structure.

따라서, 국내외에서 필연적으로 발생하는 막대한 양의 하수슬러지를 적절한 전환공정을 거쳐 발전용 액상연료인 바이오중유 및 향후 수송용 액상연료로 확대 적용 가능한 기술을 개발하는 것이 필요하다.Therefore, it is necessary to develop a technology capable of expanding the enormous amount of sewage sludge inevitably generated at home and abroad through suitable conversion processes and expanding it to bio-heavy fuel oil for power generation and liquid fuel for future transportation.

한국등록특허 제10-0839363호Korean Patent No. 10-0839363 한국공개특허 제10-2015-0005123호Korean Patent Publication No. 10-2015-0005123

본 발명은 초임계 상태의 알코올을 용매 및 반응매체로 이용하여, 하수슬러지로부터 고수율로 산소함량이 낮고 에너지함량이 높은 바이오중유의 제조방법 및 그 방법으로 제조된 바이오중유를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention relates to a method for producing bio-heavy oil having a low oxygen content and a high energy content from sewage sludge at a high yield using an alcohol in a supercritical state as a solvent and a reaction medium, And to provide biofuel produced by the method.

또한, 본 발명은 상기 제조된 바이오중유를 포함하는 발전용 연료 또는 수송용 연료를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a fuel for power generation or a fuel for transportation comprising the produced bio-heavy oil.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이오중유의 제조방법은, 하수슬러지를 알코올 용매의 초임계 상태에서 반응시켜 바이오중유를 제조하는 바이오중유의 제조 단계를 포함할 수 있다.In order to accomplish the above object, a method for producing biofuel feedstock according to the present invention may include the step of producing biofuel feedstock by reacting sewage sludge in a supercritical state of an alcohol solvent.

상기 바이오중유의 제조 단계 전, 하수슬러지를 건조하는 하수슬러지의 건조 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 바이오중유의 제조 단계 후, 생성된 반응 산물을 분리하고 회수하는 반응 산물의 분리 및 회수 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include a step of drying the sewage sludge to dry the sewage sludge before the step of preparing the biofuel feedstock, and a step of separating and recovering the reaction product after the step of preparing the biofuel feedstock, .

상기 하수슬러지는 생슬러지, 잉여슬러지, 농축슬러지, 소화슬러지, 및 탈수슬러지 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 상기 하수슬러지의 수분함량은 5 내지 90중량%일 수 있다.The sewage sludge may comprise at least one of raw sludge, excess sludge, concentrated sludge, digested sludge, and dehydrated sludge, and the moisture content of the sewage sludge may be 5 to 90 wt%.

상기 알코올 용매는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로필알코올, 부탄올, 이소부탄올, 2-부탄올, tert-부탄올, n-펜탄올, 이소펜틸 알코올, 2-메틸-1-부탄올, 네오펜틸 알코올, 디에틸 케비놀, 메틸 프로필 케비놀, 메틸 이소프로필 케비놀, 디메틸 에틸 케비놀, 1-헥산올, 2-헥산올, 3-헥산올, 2-메틸-1-펜탄올, 3-메틸-1-펜탄올, 4-메틸-1-펜탄올, 2-메틸-2-펜탄올, 3-메틸-2-펜탄올, 4-메틸-2-펜탄올, 2-메틸-3-펜탄올, 3-메틸-3-펜탄올, 2,2-디메틸-1-부탄올, 2,3-디메틸-1-부탄올, 2,3-디메틸-2-부탄올, 3,3-디메틸-1-부탄올, 2-에틸-1-부탄올, 1-헵탄올, 2-헵탄올, 3-헵탄올, 및 4-헵탄올 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The alcohol solvent may be at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, butanol, isobutanol, 2-butanol, tert-butanol, n- pentanol, isopentyl alcohol, Methyl-1-pentanol, 3-methyl-1-pentanol, 2-methyl-1-pentanol, Methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-methyl-3-pentanol, 3- Dimethyl-1-butanol, 2,3-dimethyl-1-butanol, 2-ethyl 1-butanol, 1-heptanol, 2-heptanol, 3-heptanol, and 4-heptanol.

상기 하수슬러지는 하수슬러지와 알코올 용매의 합계 100중량% 중 1 내지 80중량%로 포함될 수 있다. The sewage sludge may be contained in an amount of 1 to 80% by weight based on the total 100% by weight of the sewage sludge and the alcohol solvent.

또한, 상기 하수슬러지와 상기 알코올 용매를 250 내지 600℃의 온도에서, 30 내지 700bar의 압력으로, 10초 내지 5시간 동안 반응시켜 바이오중유를 제조할 수 있다.Further, the sewage sludge and the alcohol solvent may be reacted at a temperature of 250 to 600 ° C and a pressure of 30 to 700 bar for 10 seconds to 5 hours to produce biofuel.

상기 알코올 용매는 물과 7:3 내지 3:7의 중량비로 혼합되는 혼합용매를 포함할 수 있다.The alcohol solvent may include a mixed solvent which is mixed with water at a weight ratio of 7: 3 to 3: 7.

또한 상기 바이오중유의 제조 단계는, 첨가제를 추가하여 반응시킬 수 있으며, 상기 첨가제는, LiOH, NaOH, KOH, RbOH, Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Mg(OH)2, Ca(OH)2, Sr(OH)2, MgCO3, CaCO3, SrCO3, 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 붕산(H3BO3), 불산(HF), 탄산(H2CO3), 개미산(HCOOH), 아세트산(CH3COOH), 프로피오닉산(CH3CH2COOH), 부틸릭산(CH3CH2CH2COOH), 젖산(C2H4OHCOOH), 및 벤조익산(C6H5COOH)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.Further manufacturing steps of the bio-oil-in-water is, can be reacted by adding the additive, the additive, LiOH, NaOH, KOH, RbOH , Li 2 CO 3, Na 2 CO 3, K 2 CO 3, Mg (OH) 2 , Ca (OH) 2, Sr (OH) 2, MgCO 3, CaCO 3, SrCO 3, hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO 3), phosphoric acid (H 3 PO 4), sulfuric acid (H 2 SO 4), boric acid (H 3 BO 3), hydrofluoric acid (HF), carbonic acid (H 2 CO 3), formic acid (HCOOH), acetic acid (CH 3 COOH), propionic acid (CH 3 CH 2 COOH), butyl acid (CH 3 CH 2 CH 2 COOH), lactic acid (C 2 H 4 OHCOOH), and benzoic acid (C 6 H 5 COOH).

본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 바이오중유를 제공할 수 있다.The present invention can provide the biofuel of the present invention.

상기 바이오중유는 산소함량이 5 내지 20 중량%이며, O/C(oxygen/carbon) 몰비는 0.05 내지 0.25일 수 있다.The oxygen heavy oil may have an oxygen content of 5 to 20% by weight and the O / C (oxygen / carbon) molar ratio may be 0.05 to 0.25.

또한, 상기 제조된 바이오중유의 고위발열량(HHV)은 하기 수학식 3에 따라 25 내지 45MJ/kg일 수 있다.The high calorific value (HHV) of the prepared biofuel may be 25 to 45 MJ / kg according to the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure 112015088267607-pat00001
Figure 112015088267607-pat00001

(상기 수학식 3에서 C, H, N, S, 및 O는 바이오중유에 존재하는 전체 원소에 대한 탄소, 수소, 질소, 황, 및 산소의 각각의 중량비임)(Where C, H, N, S, and O in Equation (3) are the respective weight ratios of carbon, hydrogen, nitrogen, sulfur, and oxygen to all elements present in the biofuel)

본 발명은 상기 바이오중유를 포함하는 발전용 연료 또는 수송용 연료를 제공할 수 있다.The present invention can provide a fuel for power generation or transportation fuel containing bio-heavy oil.

본 발명에 따른 하수슬러지로부터 초임계 알코올을 이용한 바이오중유의 제조방법은, 외부에서 제공하는 고가의 수소 및 불균일 촉매를 이용하지 않고, 고체 상태의 하수슬러지를 액체 상태의 중유 물질로 효과적으로 전환할 수 있으며, 하수슬러지에 존재하는 산소를 일정부분 제거하여 에너지함량을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.The method for producing bio-heavy oil using the supercritical alcohol from the sewage sludge according to the present invention can effectively convert the solid-state sewage sludge into the liquid-state heavy oil material without using expensive hydrogen and heterogeneous catalyst provided from the outside And the energy content can be increased by removing a certain amount of oxygen present in sewage sludge.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라, 초임계 상태의 메탄올을 이용하여 제조된 바이오중유를 가스크로마토그래피-질량분석기로 분석한 결과를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따라, 초임계 상태의 에탄올을 이용하여 제조된 바이오중유를 가스크로마토그래피-질량분석기로 분석한 결과를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예 13에 따라, 에탄올:물의 중량비가 3:7인 혼합용매를 초임계 유체로 이용하여 제조된 바이오중유를 가스크로마토그래피-질량분석기로 분석한 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예 10에서 제조한 바이오중유의 연소 특성을 중유보일러를 대상으로 분석한 것으로, 보일러 내에서의 온도 분포를 정리한 전산유체역학( Computational Fluid Dynamics, CFD) 전산해석 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예 10에서 제조한 바이오중유의 연소 특성을 중유보일러를 대상으로 분석하여, 보일러 높이에 따른 평균 가스 온도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예 10에서 제조한 바이오중유의 연소 특성을 중유보일러를 대상으로 분석하여, 보일러 내 열전달 특성에 관해 CFD 전산해석을 실시한 결과를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 10에서 제조한 바이오중유의 연소 특성을 중유보일러를 대상으로 분석하여, 보일러 벽면 및 각 전열관군에서의 전열량을 나타낸다.
FIG. 1 shows a result of analysis of biofuel heavy oil produced using methanol in a supercritical state by a gas chromatography-mass spectrometer according to Example 1 of the present invention.
FIG. 2 shows the result of analyzing biofuel heavy oil produced using supercritical ethanol according to the second embodiment of the present invention by a gas chromatography-mass spectrometer. FIG.
FIG. 3 shows a result of analyzing bio-heavy oil produced by using a mixed solvent having a weight ratio of ethanol: water of 3: 7 as a supercritical fluid by a gas chromatography-mass spectrometer according to Example 13 of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the combustion characteristics of the biofuel heavy oil produced in Example 10 of the present invention for a heavy oil boiler. The results of computational fluid dynamics (CFD) analysis of the temperature distribution in the boiler are shown in FIG. .
FIG. 5 shows the average gas temperature according to the height of the boiler by analyzing the combustion characteristics of the biofuel heavy oil manufactured in the tenth embodiment of the present invention with respect to the heavy oil boiler.
6 is a graph showing the results of CFD computation performed on the heat transfer characteristics in the boiler by analyzing the combustion characteristics of the biofuel heavy oil produced in Example 10 of the present invention with respect to the heavy oil boilers.
FIG. 7 is a graph showing the results of analysis of the combustion characteristics of the biofuel heavy oil produced in Example 10 of the present invention with respect to the boiler wall surface and the heat transfer pipe group.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In addition, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless explicitly defined otherwise.

본 발명은 하수슬러지로부터 바이오중유의 제조방법 및 그 방법으로 제조된 바이오중유에 관한 것으로, 하수슬러지를 원료로 이용하고, 초임계 상태의 알코올을 용매 및 반응매체로 이용하여, 하수슬러지 내 포함된 유기물에 대한 저분자화 반응으로 고상 유기물을 액상 유기물로 전환하고, 하수슬러지 내 포함된 유기물의 분자구조식에 존재하는 산소를 제거하여, 하수슬러지로부터 수율이 높고 에너지함량이 높은 바이오중유의 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing bio-heavy oil from sewage sludge and a method for producing bio-heavy oil using sewage sludge as a raw material and using a supercritical alcohol as a solvent and a reaction medium, The present invention relates to a method for producing bio-heavy oil having a high yield and a high energy content from sewage sludge by converting a solid organic matter into a liquid organic matter by a low-molecular reaction on an organic matter, removing oxygen existing in a molecular structure of the organic matter contained in the sewage sludge, will be.

본 발명에 따른 하수슬러지로부터 바이오중유의 제조방법은, 하수슬러지를 알코올 용매의 초임계 상태에서 반응시켜 바이오중유를 제조하는 바이오중유의 제조 단계를 포함할 수 있다.The method for producing bio-heavy oil from sewage sludge according to the present invention may include a step of producing bio-heavy oil in which sewage sludge is reacted in a supercritical state of an alcohol solvent to produce bio-heavy oil.

상기 바이오중유의 제조방법은, 상기 바이오중유의 제조 단계 전 하수슬러지를 건조하는 하수슬러지의 건조 단계를 더 포함할 수 있다.The method for producing bio-heavy oil may further include a step of drying the sewage sludge to dry the sewage sludge before the bio-heavy oil production step.

또한, 상기 바이오중유의 제조방법은, 상기 바이오중유의 제조 단계 후 생성된 반응 산물을 분리하고 회수하는 반응 산물의 분리 및 회수 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method for producing bio-heavy oil may further include a step of separating and recovering a reaction product for separating and recovering the reaction product produced after the bio-heavy oil production step.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제조방법의 각 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.Each step of the manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

먼저, 본 발명의 바이오중유 제조에 이용되는 하수슬러지로는, 특별한 제한은 없으며, 표준 활성 슬러지법에 의한 하수 처리과정에서 발생하는 유기성 부산물이 포함될 수 있으며, 바람직하게는 생슬러지, 잉여슬러지, 농축슬러지, 소화슬러지, 및 탈수슬러지 중 적어도 하나가 포함될 수 있다. 상기 하수슬러지에 존재하는 수분의 함량은 5 내지 90중량%일 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 80중량%, 더욱 바람직하게는 20 내지 60중량%일 수 있다. 수분함량이 5 내지 90중량%를 벗어나는 경우에는 고수율로 에너지함량이 높은 바이오중유를 제조하지 못하는 문제가 있다.First, the sewage sludge used in the production of bio-heavy oil according to the present invention is not particularly limited and may include organic by-products generated in a sewage treatment process by the standard activated sludge process, and preferably includes raw sludge, surplus sludge, At least one of sludge, digested sludge, and dehydrated sludge may be included. The water content in the sewage sludge may be 5 to 90% by weight, preferably 10 to 80% by weight, more preferably 20 to 60% by weight. When the moisture content is out of the range of 5 to 90% by weight, there is a problem that biofuel having high energy content can not be produced in high yield.

본 발명에 따른 바이오중유의 제조 단계는, 하수슬러지를 초임계 상태의 알코올을 이용하여 바이오중유를 제조하는 단계이다. 구체적으로는, 하수슬러지와 알코올 용매를 반응기에 도입하여, 반응기의 온도와 압력을 알코올의 임계 온도 및 임계 압력 이상으로 높여 초임계 알코올 상태에서 하수슬러지를 반응시켜 바이오중유를 제조하는 단계이다. 본 발명에 따른 초임계 상태의 알코올을 이용한 공정은, 외부에서 수소를 제공하지 않아도 자체적으로 발생하는 수소로 인해 하수슬러지의 저분자화 반응 시 생성되는 라디칼을 안정화할 수 있는 능력이 뛰어나기 때문에, 촤(char)/타르 등 고체상태의 잔류물을 생산하는 응축(condensation) 또는 재고분자화(repolymerization) 반응을 억제할 수 있다. 또한, 탈카르복실화(decarboxylation), 탈카르보닐화(decarbonylation), 및 수첨탈산소화(hydrodeoxygenation) 반응 등 산소를 제거하는 반응으로 하수슬러지에 존재하는 산소를 효과적으로 제거할 수 있기 때문에, 제조된 바이오중유의 O/C(oxygen/carbon) 몰비를 낮출 수 있어, 바이오중유의 에너지함량을 증가시킬 수 있다. 이 이외에도 초임계 상태의 알코올이 지니는 독특한 화학반응성인 에스테르화 반응(esterification), 알킬레이션 반응(alkylation), 알콕실레이션 반응(alkoxylation) 등으로 하수슬러지 내 존재하는 유기물의 분해 시 발생하는 불안정안 중간체를 안정화시켜서 바이오중유의 수율을 증가시킬 수 있다.The process for producing biofuel feedstock according to the present invention is a process for producing biofuel feedstock using sewage sludge as a supercritical alcohol. Specifically, the step of introducing the sewage sludge and the alcohol solvent into the reactor, raising the temperature and pressure of the reactor to the critical temperature and the critical pressure of the alcohol, and reacting the sewage sludge in the supercritical alcohol state. Since the process using the supercritical alcohol according to the present invention is excellent in the ability to stabilize the radicals generated in the low-molecular-weight reaction of the sewage sludge due to the hydrogen generated by itself without supplying hydrogen from the outside, it is possible to suppress condensation or repolymerization reactions that produce solid residues such as char / tar. In addition, since oxygen present in sewage sludge can be effectively removed by a reaction for removing oxygen such as decarboxylation, decarbonylation, and hydrodeoxygenation reaction, The oxygen / carbon (O / C) molar ratio of the heavy oil can be lowered, and the energy content of the bio fuel oil can be increased. In addition to this, unstable intermolecules that occur when the organic matter present in the sewage sludge is decomposed by esterification, alkylation, alkoxylation, etc., unique chemical reactivity of supercritical alcohols Can be stabilized to increase the yield of biofuel.

상기 바이오중유의 제조 단계에서 이용되는 알코올 용매는, 탄소수가 1 내지 10인 주쇄에 1개 이상의 하이드록실기를 포함하는 알코올 용매일 수 있다. 바람직하게는 탄소수가 1 내지 7개의 주쇄에 1개 이상의 하이드록실기가 결합되어 있는 알코올을 이용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 알코올 용매는, 메탄올(임계 온도 = 239℃; 임계 압력 = 81bar), 에탄올(임계 온도 = 241℃; 임계 압력 = 63bar), 프로판올(임계 온도 = 264℃; 임계 압력 = 52bar), 이소프로필알코올(임계 온도 = 307℃; 임계 압력 = 41bar), 부탄올(임계 온도 = 289℃; 임계 압력 = 45bar), 이소부탄올(임계 온도 = 275℃; 임계 압력 = 45bar), 2-부탄올(임계 온도 = 263℃; 임계 압력 = 42bar), tert-부탄올(임계 온도 = 233℃; 임계 압력 = 40bar), n-펜탄올(임계 온도 = 307℃; 임계 압력 = 39bar), 이소펜틸 알코올(임계 온도 = 306℃; 임계 압력 = 39bar), 2-메틸-1-부탄올(임계 온도 = 302℃; 임계 압력 = 39bar), 네오펜틸 알코올(임계 온도 = 276℃; 임계 압력 = 40bar), 디에틸 케비놀(임계 온도 = 286℃; 임계 압력 = 39bar), 메틸 프로필 케비놀(임계 온도 = 287℃; 임계 압력 = 37bar), 메틸 이소프로필 케비놀(임계 온도 = 283℃; 임계 압력 = 39bar), 디메틸 에틸 케비놀(임계 온도 = 271℃; 임계 압력 = 37bar), 1-헥산올(임계 온도 = 337℃; 임계 압력 = 34bar), 2-헥산올(임계 온도 = 310℃; 임계 압력 = 33bar), 3-헥산올(임계 온도 = 309℃; 임계 압력 = 34bar), 2-메틸-1-펜탄올(임계 온도 = 331℃; 임계 압력 = 35bar), 3-메틸-1-펜탄올(임계 온도 = 387℃; 임계 압력 = 30bar), 4-메틸-1-펜탄올(임계 온도 = 330℃; 임계 압력 = 30bar), 2-메틸-2-펜탄올(임계 온도 = 286℃; 임계 압력 = 36bar), 3-메틸-2-펜탄올(임계 온도 = 333℃; 임계 압력 = 36bar), 4-메틸-2-펜탄올(임계 온도 = 301℃; 임계 압력 = 35bar), 2-메틸-3-펜탄올(임계 온도 = 303℃; 임계 압력 = 35bar), 3-메틸-3-펜탄올(임계 온도 = 302℃; 임계 압력 = 35bar), 2,2-디메틸-1-부탄올(임계 온도 = 301℃; 임계 압력 = 35bar), 2,3-디메틸-1-부탄올(임계 온도 = 331℃; 임계 압력 = 35bar), 2,3-디메틸-2-부탄올(임계 온도 = 331℃; 임계 압력 = 35bar), 3,3-디메틸-1-부탄올(임계 온도 = 331℃; 임계 압력 = 35bar), 2-에틸-1-부탄올(임계 온도 = 307℃; 임계 압력 = 34bar), 1-헵탄올(임계 온도 = 360℃; 임계 압력 = 31bar), 2-헵탄올(임계 온도 = 335℃; 임계 압력 = 30bar), 3-헵탄올(임계 온도 = 332℃; 임계 압력 = 30bar), 및 4-헵탄올(임계 온도 = 329℃; 임계 압력 = 30bar) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The alcohol solvent used in the production of the biofuel feedstock may be one for alcohol containing at least one hydroxyl group in the main chain having 1 to 10 carbon atoms. An alcohol in which at least one hydroxyl group is bonded to the main chain having 1 to 7 carbon atoms can be used, but the present invention is not limited thereto. The alcohol solvent can be selected from the group consisting of methanol (critical temperature = 239 DEG C, critical pressure = 81 bar), ethanol (critical temperature = 241 DEG C, critical pressure = 63 bar), propanol (critical temperature = 264 DEG C, critical pressure = 52 bar) (Critical temperature = 307 DEG C, critical pressure = 41 bar), butanol (critical temperature = 289 DEG C; critical pressure = 45 bar), isobutanol (critical temperature = 275 DEG C, critical pressure = 45 bar) (Critical pressure = 42 bar), tert-butanol (critical temperature = 233 캜, critical pressure = 40 bar), n-pentanol (critical temperature = 307 캜, critical pressure = 39 bar), isopentyl alcohol (Critical pressure = 39 bar), 2-methyl-1-butanol (critical temperature = 302 캜, critical pressure = 39 bar), neopentyl alcohol (critical temperature = 276 캜, critical pressure = 40 bar) = Critical temperature = 283 [deg.] C, Critical pressure = 39 bar), Methylpropyl Kinetin (Critical temperature = 287 [ (Critical pressure = 39 bar), dimethylethylquinol (critical temperature = 271 캜, critical pressure = 37 bar), 1-hexanol (critical temperature = 337 캜, critical pressure = 34 bar), 2-hexanol (Critical pressure = 33 bar), 3-methyl-1-pentanol (critical temperature = Pentanol (critical temperature = 387 占 폚, critical pressure = 30 bar), 4-methyl-1-pentanol (critical temperature = 330 占 폚, critical pressure = 30 bar) (Critical pressure = 36 bar), 3-methyl-2-pentanol (critical temperature = 333 캜, critical pressure = 36 bar) (Critical temperature = 303 DEG C, critical pressure = 35 bar), 3-methyl-3-pentanol (critical temperature = 302 DEG C; (Critical pressure = 35 bar), 2,3-dimethyl-1-butanol (critical temperature = 331 캜, critical pressure = 35 bar), 2,2- Dimethyl-1-butanol (critical temperature = 331 캜, critical pressure = 35 bar), 2-ethyl-1- Heptanol (critical temperature = 335 DEG C, critical pressure = 30 bar), 3-heptanol (critical temperature = 307 DEG C, critical pressure = 34 bar) Heptanol (critical temperature = 332 DEG C, critical pressure = 30 bar), and 4-heptanol (critical temperature = 329 DEG C; critical pressure = 30 bar).

상기 알코올 용매는 물과 7:3 내지 3:7의 중량비로 혼합되는 혼합용매를 포함할 수 있다.The alcohol solvent may include a mixed solvent which is mixed with water at a weight ratio of 7: 3 to 3: 7.

상기 바이오중유의 제조 단계에서 사용되는 반응기의 구성은 특별한 제한은 없지만, 배치형 또는 연속형 반응기가 사용될 수 있다.The constitution of the reactor used in the production step of the biofuel feedstock is not particularly limited, but batch type or continuous type reactors can be used.

또한, 상기 바이오중유의 제조 단계에서, 상기 반응기에 도입되는 하수슬러지의 농도는 하수슬러지와 알코올 용매의 합계 100중량% 중 1 내지 80중량%일 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 60중량%일 수 있다. 하수슬러지의 농도가 1중량% 미만이면, 농도가 너무 희박하여 단위 시간에 제조되는 바이오중유의 양이 너무 적어 경제성이 떨어지고, 하수슬러지의 양이 80중량%를 초과하면, 농도가 너무 진하여 제조 시 하수슬러지로부터 효과적인 저분자화 및 산소제거 반응이 이루어질 수 없을 가능성이 있으며, 균일도가 악화되어 품질이 저하되는 문제가 있다.In addition, the concentration of the sewage sludge introduced into the reactor may be 1 to 80% by weight, preferably 1 to 60% by weight, of the total 100% by weight of the sewage sludge and the alcohol solvent. have. If the concentration of sewage sludge is less than 1% by weight, the concentration is too lean and the amount of bio-heavy oil produced per unit time is too small to be economical. If the amount of sewage sludge exceeds 80% by weight, There is a possibility that an effective low-molecular-weight and oxygen-removing reaction can not be performed from the city sewage sludge, and the uniformity is deteriorated and the quality is deteriorated.

상기 바이오중유의 제조 단계에서 하수슬러지와 알코올의 반응 온도는 250 내지 600℃일 수 있고, 바람직하게는 300 내지 500℃일 수 있다. 반응 온도가 250℃ 미만일 경우 초임계 알코올의 효과적인 저분자화 반응, 수소발생 반응 및 산소제거 반응이 일어나기 어려워 바이오중유의 수율이 낮아질 수 있고, 산소함량이 높아질 수 있으며, 반응 온도가 600℃를 초과할 경우 크래킹 반응이 활발하게 일어나, 원료인 하수슬러지가 가스화될 가능성이 있어 바이오중유의 수율이 낮아져 하수슬러지의 바이오중유 전환공정의 경제성이 감소되는 문제가 있다.The reaction temperature of the sewage sludge and the alcohol in the bio-heavy oil production step may be 250 to 600 ° C, preferably 300 to 500 ° C. When the reaction temperature is less than 250 ° C., the effective low molecular weight reaction, the hydrogen generation reaction and the oxygen removal reaction of the supercritical alcohol hardly occur, the yield of the biofuel can be lowered, the oxygen content can be increased, There is a problem that the cracking reaction occurs actively, and the raw sewage sludge is gasified, which lowers the yield of biofuel feedstock and reduces the economical efficiency of the conversion process of biofuel feedstock sludge.

또한, 상기 바이오중유의 제조 단계에서 하수슬러지와 알코올의 반응 압력은 30 내지 700bar일 수 있고, 바람직하게는 100 내지 500bar일 수 있다. 반응 압력이 30bar 미만일 경우 초임계 알코올의 저분자화 반응, 수소발생 반응, 및 산소제거 반응 능력이 저하되어 바이오중유의 수율이 낮아지고 산소함량이 높아질 수 있으며, 반응 압력이 700bar를 초과할 경우 고압을 유지하기 위한 공정 비용이 상승하는 문제가 있다. The reaction pressure of the sewage sludge and the alcohol in the bio-heavy oil production step may be 30 to 700 bar, preferably 100 to 500 bar. When the reaction pressure is less than 30 bar, the hydrolysis of the supercritical alcohol, the hydrogen generation reaction, and the oxygen elimination reaction capability may be lowered and the yield of the biofuel may be lowered and the oxygen content may be increased. If the reaction pressure exceeds 700 bar, There is a problem in that the process cost for maintaining is increased.

아울러, 상기 바이오중유의 제조 단계에서 하수슬러지와 초임계 상태의 알코올의 반응 시간은 특별한 제한은 없지만, 10초 내지 5시간일 수 있고, 바람직하게는 1분 내지 2시간일 수 있다. 반응 시간이 10초 미만일 경우 초임계 알코올의 저분자화 반응, 수소발생 반응, 산소제거 반응으로 바이오중유가 제조되기에 시간이 너무 짧아 바이오중유의 수율이 낮아지고 산소함량이 높아질 가능성이 있고, 반응 시간이 5시간을 초과할 경우 고온·고압을 장시간 유지시켜야 하기 때문에 공정 비용이 상승하는 문제가 있다.In addition, the reaction time of the sewage sludge and the supercritical alcohol in the production of the biofuel feedstock is not particularly limited, but may be 10 seconds to 5 hours, preferably 1 minute to 2 hours. When the reaction time is less than 10 seconds, the production time of the biofuel is lowered due to the low molecular weight of the supercritical alcohol, the hydrogen generation reaction, and the oxygen removal reaction. Therefore, the yield of the biofuel may be lowered and the oxygen content may be increased. If it exceeds 5 hours, the high temperature and high pressure must be maintained for a long time, so that the process cost is increased.

본 발명의 상기 바이오중유의 제조 단계는 첨가제를 추가로 혼합할 수 있다. 상기 첨가제로는 초임계 알코올로부터 수소발생을 촉진시키거나 바이오중유 내 존재하는 산소를 제거하는 반응을 촉진시키는 물질이 포함될 수 있다. 첨가제의 예로 LiOH, NaOH, KOH, RbOH 등 알칼리 금속이 하이드록실 그룹과 결합된 물질; Li2CO3, Na2CO3, K2CO3 등 알칼리 금속이 카보네이트 그룹과 결합된 물질; Mg(OH)2, Ca(OH)2, Sr(OH)2 등 알칼리 토금속이 하이드록실 그룹과 결합된 물질; MgCO3, CaCO3, SrCO3 등 알칼리 토금속이 카보네이트 그룹과 결합된 물질; 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 붕산(H3BO3), 불산(HF), 탄산(H2CO3) 등 무기산; 개미산(HCOOH), 아세트산(CH3COOH), 프로피오닉산(CH3CH2COOH), 부틸릭산(CH3CH2CH2COOH), 젖산(C2H4OHCOOH), 및 벤조익산(C6H5COOH) 등 유기산으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.In the step of preparing the biofuel of the present invention, additives may be further mixed. The additive may include a substance that promotes the generation of hydrogen from the supercritical alcohol or promotes the reaction to remove oxygen present in the biofuel. Examples of the additive include a substance in which an alkali metal such as LiOH, NaOH, KOH, or RbOH is bonded to a hydroxyl group; A substance in which an alkali metal such as Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 or K 2 CO 3 is combined with a carbonate group; A substance in which an alkaline earth metal such as Mg (OH) 2 , Ca (OH) 2 , or Sr (OH) 2 is combined with a hydroxyl group; A substance in which an alkaline earth metal such as MgCO 3 , CaCO 3 or SrCO 3 is bonded to a carbonate group; Inorganic acids such as hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO 3 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), boric acid (H 3 BO 3 ), hydrofluoric acid (HF) and carbonic acid (H 2 CO 3 ); Formic acid (HCOOH), acetic acid (CH 3 COOH), propionic acid (CH 3 CH 2 COOH), butyl acid (CH 3 CH 2 CH 2 COOH ), lactic acid (C 2 H 4 OHCOOH), and benzoin acid (C 6 H 5 COOH), and the like.

또한, 상기 첨가제의 사용가능한 농도는 특별한 제한은 없지만 전체 반응물 중 0.1 내지 20 중량%일 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 10중량%일 수 있다. 첨가제의 함량이 0.1중량% 미만일 경우, 하수슬러지에서 바이오중유 제조 시 효과적인 첨가제 효과를 기대하기 어려울 수 있고, 첨가제의 함량이 20중량%를 초과하는 경우, 초임계 알코올 내 첨가제가 용해되는 범위를 초과하여 과량의 첨가제 사용 및 공정 후 첨가제 분리비용이 상승하는 문제가 있다. The usable concentration of the additive is not particularly limited, but may be 0.1 to 20 wt%, preferably 0.5 to 10 wt%, of the total reactants. If the content of the additive is less than 0.1% by weight, it may be difficult to expect an effective additive effect in the production of biofuel from the sewage sludge. If the content of the additive exceeds 20% by weight, the additive in the supercritical alcohol There is a problem that the use of excessive additives and the cost of separating additive after processing are increased.

본 발명은 상기 바이오중유의 제조 단계 전, 하수슬러지를 건조하는 하수슬러지의 건조 단계를 더 포함할 수 있다. The present invention may further comprise a step of drying the sewage sludge to dry the sewage sludge before the step of producing the biofuel.

상기 하수슬러지의 건조 단계는, 하수슬러지를 하수처리장에서 회수 후 존재하는 수분을 일정부분 제거하는 단계로, 건조방법에는 특별한 제한은 없으며, 자연건조 등의 방법이 이용될 수 있다. 건조 후 하수슬러지에 존재하는 수분의 함량은 5 내지 90중량%일 수 있다. 바람직하게는 10 내지 80중량%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20 내지 60중량%일 수 있다. 수분함량이 5중량% 미만인 경우에는 건조에 소요되는 에너지가 과량으로 소모되어 전체적인 공정의 비용이 과다하게 상승하는 문제가 발생하고, 수분함량이 90중량%를 초과하는 경우에는 고수율로 에너지함량이 높은 바이오중유를 제조하지 못하는 문제가 있다. The drying step of the sewage sludge is a step of removing a certain amount of moisture present after recovering the sewage sludge at a sewage treatment plant. The drying method is not particularly limited, and natural drying and the like can be used. The content of water present in the sewage sludge after drying may be 5 to 90% by weight. Preferably 10 to 80% by weight, and more preferably 20 to 60% by weight. When the moisture content is less than 5% by weight, the energy required for drying is excessively consumed, and the cost of the entire process is excessively increased. When the moisture content exceeds 90% by weight, the energy content There is a problem that a high biofuel can not be produced.

또한, 본 발명은 바이오중유의 제조 단계 후, 생성된 반응 산물을 분리하고 회수하는 반응 산물의 분리 및 회수 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include a step of separating and recovering the reaction products, which are separated and recovered, after the production step of the biofuel feedstock.

상기 반응 산물의 분리 및 회수 단계는, 바이오중유의 제조 단계 후 온도와 압력을 낮추어 반응 산물을 분리하고 회수하는 단계이다. 상기 반응 산물은 반응기의 배출구에 위치한 감압장치를 통하여 배출될 수 있다. 상기 반응 산물은 기체 상태의 이산화탄소, 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로필렌, 프로판, 부탄 등이 있을 수 있고, 액체 상태의 물질은 제조된 바이오중유, 용매인 알코올 및 반응에 참여하여 알코올로부터 전환된 유기화합물, 반응부산물인 물을 포함할 수 있고, 고체 상태의 잔류물은 촤, 타르, 무기물질을 포함할 수 있다. 이때 기체 상태의 생성물의 분리는 온도와 압력을 낮추어서 기-액 분리를 통해 분리할 수 있고, 고체 상태의 잔류물 분리는 필터, 사이클론 등을 이용한 고-액 분리를 통해 분리할 수 있다. 액상인 바이오중유를 다른 액상생성물 또는 액상부산물로부터 분리하는 방법은 분별증류, 감압증류, 증류탑 등 일반적인 증류공정을 이용할 수 있다.The step of separating and recovering the reaction product is a step of separating and recovering the reaction product by lowering the temperature and pressure after the production step of biofuel. The reaction product may be discharged through a decompression device located at the outlet of the reactor. The reaction product may be in the form of gaseous carbon dioxide, carbon monoxide, methane, ethane, ethylene, propylene, propane, butane, etc. The liquid state material may include the produced heavy fuel oil, the alcohol as a solvent, Organic compounds, reaction byproducts, and the solid state residues may include tungsten, tar, and inorganic materials. At this time, the separation of the gaseous products can be performed by separating the gas and liquid by lowering the temperature and the pressure, and the solid residue can be separated through the solid-liquid separation using a filter, a cyclone or the like. As a method for separating the liquid heavy biofuel from other liquid product or liquid by-product, a general distillation process such as fractional distillation, reduced pressure distillation, and distillation column can be used.

본 발명은 상기 방법으로 제조된 바이오중유를 제공할 수 있다.The present invention can provide the biofuel produced by the above method.

상기 제조된 바이오중유의 수율은 하기 수학식 1에 따라 40 내지 90중량%일 수 있으며, 바람직하게는 50 내지 85중량%일 수 있다.The yield of the produced biofuel can be 40 to 90% by weight, preferably 50 to 85% by weight, according to the following formula (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112015088267607-pat00002
Figure 112015088267607-pat00002

상기 바이오중유 수율은 고체상태의 하수슬러지가 액상으로 전환할 때 반응물과 생성물(액상)의 무게 비율을 의미한다.The bio-heavy oil yield refers to the weight ratio of the reactant to the product (liquid phase) when the solid-state sewage sludge is converted into the liquid phase.

또한, 상기 바이오중유의 제조방법에 따라 생성된 고상잔류물의 수율은 하기 수학식 2에 따라 10 내지 45중량%일 수 있으며, 바람직하게는 20 내지 40중량%일 수 있다.The yield of the solid residue produced according to the production method of bio-heavy oil may be 10 to 45% by weight, preferably 20 to 40% by weight, according to the following formula (2).

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure 112015088267607-pat00003
Figure 112015088267607-pat00003

상기 바이오중유 제조방법에 따라 제조된 바이오중유의 산소함량은 5 내지 20중량%일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 15중량%일 수 있다.The oxygen content of the bio-heavy oil produced according to the bio-heavy oil production method may be 5 to 20 wt%, and preferably 5 to 15 wt%.

또한, 상기 바이오중유의 O/C(oxygen/carbon) 몰비는 0.05 내지 0.25일 수 있으며, 바람직하게는 0.05 내지 0.19일 수 있다.The O / C (oxygen / carbon) molar ratio of the biofuel may be 0.05 to 0.25, preferably 0.05 to 0.19.

상기 바이오중유의 고위발열량(HHV)은 하기 수학식 3에 따라 25 내지 45MJ/kg일 수 있으며, 바람직하게는 30 내지 45MJ/kg, 더욱 바람직하게는 35 내지 40MJ/kg일 수 있다.The high calorific value (HHV) of the biofuel can be 25 to 45 MJ / kg, preferably 30 to 45 MJ / kg, more preferably 35 to 40 MJ / kg according to the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure 112015088267607-pat00004
Figure 112015088267607-pat00004

(상기 수학식 3에서 C, H, N, S, 및 O는 바이오중유에 존재하는 전체 원소에 대한 탄소, 수소, 질소, 황, 및 산소의 각각의 중량비(중량%)임)(Wherein C, H, N, S, and O are weight ratios (wt%) of carbon, hydrogen, nitrogen, sulfur, and oxygen to all elements present in the biofuel,

다음으로, 본 발명은 상기 제조된 바이오중유를 포함하는 발전용 연료 또는 수송용 연료를 제공할 수 있다. Next, the present invention can provide the fuel for power generation or transportation fuel containing the bio-fuel oil produced as described above.

상기 발전용 연료는 상기 바이오중유를 전소용 또는 혼소용 연료로 활용할 수 있으며, 이는 보일러의 특성에 따라 바이오중유를 100% 활용하는 전소용 또는 바이오중유를 일부 활용하는 혼소용으로 이용될 수 있다.The power generation fuel can utilize the bio fuel oil as a fuel for use as a whole or a mixture thereof, and it can be used for electric power for making full use of bio fuel oil according to the characteristics of the boiler or for making use of bio fuel.

또한, 상기 수송용 연료는, 상기 바이오중유를 끓는점에서 분별증류한 후 석유계 수송용 연료와 혼합하여 제조될 수 있으며, 상기 석유계 수송용 연료는 휘발유, 제트유, 및 디젤 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The transportation fuel may be produced by fractionally distilling the biofuel heavy oil at a boiling point and mixing it with a petroleum transportation fuel, and the petroleum transportation fuel may include at least one of gasoline, jet oil, and diesel .

이하, 본 발명의 구체적인 내용을 하기 실시예 및 비교예를 통하여 상세히 설명하고자하나 이는 본 발명의 예시목적을 위한 것으로, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples and comparative examples. However, the present invention is not intended to limit the scope of protection defined by the appended claims.

실시예Example -  - 초임계Supercritical 알코올을 이용한 바이오중유 제조 Manufacture of biofuel using alcohol

실시예Example 1 One

본 실시예에서 사용된 하수슬러지는 하수종말처리장에서 수거한 함수량 80%의 탈수슬러지이다. 원심분리기 및 열풍건조를 이용하여 함수량 10중량%의 하수슬러지를 원료로 이용하였다. 본 발명에 사용된 하수슬러지는 회분함량이 28중량%, 유기물함량이 72중량%이며, 유기물 중 탄수화물/지방족 화합물이 30중량%, 방향족 화합물이 42중량%로 이루어져 있다. 140㎖ 부피의 배치형 반응기에 10중량%의 농도로 건조된 하수슬러지 및 메탄올을 도입한 후 10bar의 질소로 반응기를 가압하고, 약 20℃/min의 속도로 승온하여 반응 온도 400℃에서 30분간 초임계 메탄올로 바이오중유를 제조하였다. 반응기의 온도가 400℃에 도달하였을 때 반응 압력이 365bar였으며, 30분 후 반응 압력이 397bar로 상승한 것으로, 바이오중유를 제조하는 반응에서 산소를 제거하는 반응을 포함한 가스화 반응이 진행되었다는 것을 알 수 있었다. 30분 반응 후 반응기의 온도를 상압으로 낮추었을 때 기상의 압력은 25bar였다. 기상 생성물을 Tedlar bag을 사용하여 포집하여 분석하였고, 고상 및 액상 생성물은 필터를 사용하여 분리하였다. 액상 중 바이오중유 및 메탄올의 분리는 분별증류로 분리하여 제조된 바이오중유의 특성을 평가하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다. 또한, 상기 제조된 바이오중유를 가스크로마토그래피-질량분석기로 분석한 결과를 도 1에 나타내었다.The sewage sludge used in this embodiment is dehydrated sludge having a water content of 80% collected at a sewage end treatment plant. A 10 wt% water content sludge was used as a raw material using a centrifugal separator and hot air drying. The sewage sludge used in the present invention has an ash content of 28% by weight, an organic matter content of 72% by weight, a carbohydrate / aliphatic compound content of 30% by weight and an aromatic compound content of 42% by weight. After introducing the dried sewage sludge and methanol at a concentration of 10% by weight into a batch type reactor having a volume of 140 ml, the reactor was pressurized with 10 bar of nitrogen, and the temperature was raised at a rate of about 20 ° C / min. Bio - heavy oil was prepared from supercritical methanol. When the temperature of the reactor reached 400 ° C., the reaction pressure was 365 bar. After 30 minutes, the reaction pressure increased to 397 bar, indicating that the gasification reaction including the reaction of removing oxygen in the reaction of producing biofuel was proceeded . When the temperature of the reactor was lowered to normal pressure after 30 minutes of reaction, the pressure of the gas phase was 25 bar. The gaseous products were collected by Tedlar bag, and the solid and liquid products were separated using a filter. The separation of bio-heavy oil and methanol in the liquid phase was evaluated by evaluating the characteristics of bio-heavy oil produced by fractional distillation and the results are shown in Tables 1 to 3. Further, the result of analysis of the produced biofuel heavy oil by a gas chromatography-mass spectrometer is shown in FIG.

실시예Example 2 2

초임계유체로 에탄올을 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다. 또한, 상기 제조된 바이오중유를 가스크로마토그래피-질량분석기로 분석한 결과를 도 2에 나타내었다.The bio-heavy oil was prepared in the same manner as in Example 1 except that ethanol was used as the supercritical fluid. The produced bio-heavy oil was analyzed and the results are shown in Tables 1 to 3. FIG. 2 shows the result of analysis of the bio-heavy oil by the gas chromatography-mass spectrometer.

실시예Example 3 3

초임계유체로 이소프로판올을 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다. The bio-heavy oil was prepared in the same manner as in Example 1 except that isopropanol was used as the supercritical fluid. The produced bio-heavy oil was analyzed and the results are shown in Tables 1 to 3.

실시예Example 4 4

초임계유체로 부탄올을 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다. The bio-heavy oil was prepared in the same manner as in Example 1 except that butanol was used as the supercritical fluid. The produced bio-heavy oil was analyzed and the results are shown in Tables 1 to 3.

실시예Example 5 5

반응 온도가 350℃인 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다.Except that the reaction temperature was 350 ° C. The results of the analysis are shown in Tables 1 to 3.

실시예Example 6 6

반응 온도가 300℃인 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다. The reaction was carried out in the same manner as in Example 1, except that the reaction temperature was 300 ° C. The biofuel heavy oil was analyzed and the results are shown in Tables 1 to 3.

실시예Example 7 7

반응 시간이 120분인 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다. And the reaction time was 120 minutes. The results of the analysis are shown in Tables 1 to 3.

실시예Example 8 8

메탄올:물의 중량비가 7:3인 혼합용매를 초임계 유체로 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다. The bio-heavy oil was prepared in the same manner as in Example 1 except that a mixed solvent having a weight ratio of methanol: water of 7: 3 was used as a supercritical fluid. The produced bio-heavy oil was analyzed, Respectively.

실시예Example 9 9

메탄올:물의 중량비가 5:5인 혼합용매를 초임계 유체로 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다. The bio-heavy oil was prepared in the same manner as in Example 1 except that a mixed solvent having a weight ratio of methanol: water of 5: 5 was used as a supercritical fluid. The produced bio-heavy oil was analyzed, Respectively.

실시예Example 10 10

메탄올:물의 중량비가 3:7인 혼합용매를 초임계 유체로 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다. The bio-heavy oil was prepared in the same manner as in Example 1 except that a mixed solvent having a weight ratio of methanol: water of 3: 7 was used as a supercritical fluid. The produced bio-heavy oil was analyzed, Respectively.

실시예Example 11 11

에탄올:물의 중량비가 7:3인 혼합용매를 초임계 유체로 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다. The bio-heavy oil was prepared in the same manner as in Example 1 except that a mixed solvent having a weight ratio of ethanol: water of 7: 3 was used as a supercritical fluid. The produced bio-heavy oil was analyzed, Respectively.

실시예Example 12 12

에탄올:물의 중량비가 5:5인 혼합용매를 초임계 유체로 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다. Was prepared in the same manner as in Example 1 except that a mixed solvent of ethanol and water in a weight ratio of 5: 5 was used as a supercritical fluid. The bio-heavy oil was analyzed, Respectively.

실시예Example 13 13

에탄올:물의 중량비가 3:7인 혼합용매를 초임계 유체로 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다. 또한, 상기 제조된 바이오중유를 가스크로마토그래피-질량분석기로 분석한 결과를 도 3에 나타내었다.The bio-heavy oil was prepared in the same manner as in Example 1 except that a mixed solvent having a weight ratio of ethanol: water of 3: 7 was used as a supercritical fluid. The produced bio-heavy oil was analyzed, Respectively. FIG. 3 shows the result of analysis of the bio-heavy oil by the gas chromatography-mass spectrometer.

실시예Example 14 14

첨가제로 5중량%의 Na2CO3를 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다.The bio-heavy oil was prepared in the same manner as in Example 1 except that 5% by weight of Na 2 CO 3 was used as an additive. The produced bio-heavy oil was analyzed and the results are shown in Tables 1 to 3.

실시예Example 15 15

첨가제로 5중량%의 HCOOH를 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다.The bio-heavy oil was prepared in the same manner as in Example 1 except that 5% by weight of HCOOH was used as an additive. The produced bio-heavy oil was analyzed and the results are shown in Tables 1 to 3.

실시예Example 16 16

첨가제로 5중량%의 KOH를 이용한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이오중유를 제조하였고, 제조된 바이오중유를 분석하여 그 결과를 표 1 내지 표 3에 나타내었다.The bio-heavy oil was prepared in the same manner as in Example 1 except that 5 wt% of KOH was used as an additive. The produced bio-heavy oil was analyzed and the results are shown in Tables 1 to 3.

<바이오중유의 특성 분석><Characteristic analysis of biofuel>

상기 실시예에 있어서 최종적으로 얻어지는 바이오중유의 수율은 각 성분의 중량으로부터 하기 수학식 1 내지 3에 따라 계산되었다.The final yield of biofuel was obtained from the weight of each component in accordance with the following formulas (1) to (3).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112015088267607-pat00005
Figure 112015088267607-pat00005

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure 112015088267607-pat00006
Figure 112015088267607-pat00006

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure 112015088267607-pat00007
Figure 112015088267607-pat00007

(상기 수학식 3에서 C, H, N, S, 및 O는 바이오중유에 존재하는 전체 원소에 대한 탄소, 수소, 질소, 황, 및 산소의 각각의 중량비임)(Where C, H, N, S, and O in Equation (3) are the respective weight ratios of carbon, hydrogen, nitrogen, sulfur, and oxygen to all elements present in the biofuel)

상기 수학식에 따라 계산한 초임계 알코올을 이용한 바이오중유의 제조 시 액상, 고상 및 기상물질 수율을 하기 표 1에 나타내었다.The yields of liquid, solid and gaseous materials in the production of biofuel using supercritical alcohols calculated according to the above equations are shown in Table 1 below.

초임계 유체Supercritical fluid 반응
온도
(℃)
reaction
Temperature
(° C)
반응
압력
(bar)
reaction
pressure
(bar)
반응
시간
(분)
reaction
time
(minute)
첨가제additive 바이오중유
수율
(wt%)
Bio fuel oil
yield
(wt%)
고체
잔류물
수율
(wt%)
solid
Residue
yield
(wt%)
기상
수율
(wt%)
weather
yield
(wt%)
실시예 1Example 1 초임계 메탄올Supercritical methanol 400400 365-397365-397 3030 -- 50.850.8 32.732.7 4.44.4 실시예 2Example 2 초임계 에탄올Supercritical ethanol 400400 285-322285-322 3030 -- 88.988.9 32.432.4 3.93.9 실시예 3Example 3 초임계 이소프로판올Supercritical isopropanol 400400 239-320239-320 3030 -- 53.253.2 34.834.8 3.23.2 실시예 4Example 4 초임계 부탄올Supercritical butanol 400400 164-197164-197 3030 -- 83.683.6 31.331.3 4.24.2 실시예 5Example 5 초임계 메탄올Supercritical methanol 350350 265-277265-277 3030 -- 55.455.4 36.036.0 0.30.3 실시예 6Example 6 초임계 메탄올Supercritical methanol 300300 165-186165-186 3030 -- 62.362.3 40.240.2 0.20.2 실시예 7Example 7 초임계 메탄올Supercritical methanol 400400 337-406337-406 120120 -- 52.952.9 34.034.0 4.44.4 실시예 8Example 8 초임계
메탄올:물 = 7:3
Supercritical
Methanol: water = 7: 3
400400 372-402372-402 3030 -- 51.451.4 31.331.3 3.73.7
실시예 9Example 9 초임계
메탄올:물 = 5:5
Supercritical
Methanol: water = 5: 5
400400 368-393368-393 3030 -- 53.953.9 29.929.9 1.21.2
실시예 10Example 10 초임계
메탄올:물 = 3:7
Supercritical
Methanol: water = 3: 7
400400 349-363349-363 3030 -- 57.557.5 30.130.1 3.03.0
실시예 11Example 11 초임계
에탄올:물 = 7:3
Supercritical
Ethanol: water = 7: 3
400400 336-362336-362 3030 -- 60.860.8 31.431.4 1.01.0
실시예 12Example 12 초임계
에탄올:물 = 5:5
Supercritical
Ethanol: water = 5: 5
400400 348-371348-371 3030 -- 72.372.3 31.131.1 14.314.3
실시예 13Example 13 초임계
에탄올:물 = 3:7
Supercritical
Ethanol: water = 3: 7
400400 336-359336-359 3030 -- 51.351.3 29.129.1 1.21.2
실시예 14Example 14 초임계 메탄올Supercritical methanol 400400 360-395360-395 3030 Na2CO3 Na 2 CO 3 82.482.4 29.529.5 2.22.2 실시예 15Example 15 초임계 메탄올Supercritical methanol 400400 380-420380-420 3030 HCOOHHCOOH 75.975.9 29.429.4 5.55.5 실시예 16Example 16 초임계 메탄올Supercritical methanol 400400 355-401355-401 3030 KOHKOH 79.279.2 29.829.8 2.72.7

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 4에서 초임계 상태의 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 및 부탄올을 이용하여 하수슬러지로부터 바이오중유를 제조하였을 경우, 제조된 바이오중유의 액상 수율은 50 내지 89중량%, 고체잔류물 수율은 31 내지 35중량%, 기상 수율은 약 5중량% 미만으로 액상 수율이 매우 높은 것을 알 수 있다. 원료인 하수슬러지 내에 포함된, 기상 및 액상으로 전환될 수 없는 무기물에 대한 성분이 28중량%인 것을 감안할 경우, 31 내지 35중량%의 고체잔류물에는 3 내지 7중량%의 유기물이 존재하는 것으로, 대부분의 유기물이 기상 및 액상으로 전환되었다는 것을 알 수 있으며, 기상 수율이 5중량%로 낮은 것으로 하수슬러지 내 존재하는 대부분의 유기물이 액상으로 전환되었다는 것을 알 수 있다. 이는 초임계 알코올이 수소를 효과적으로 제공할 수 있어 고체상태의 잔류물을 생산하는 응축(condensation) 또는 재고분자화(repolymerization) 반응을 억제할 수 있고, 촉매를 활용하지 않고도 에스테르 반응(esterification), 알킬레이션 반응(alkylation), 알콕실레이션 반응(alkoxylation) 등이 효과적으로 진행되어 바이오중유 내 존재하는 유기물의 분해 시 발생하는 불안정한 중간체를 안정화시켜서 액상 수율을 증가시켰기 때문이라고 사료된다.As shown in Table 1, when the bio-heavy oil was prepared from sewage sludge using methanol, ethanol, isopropanol, and butanol in the supercritical state in Examples 1 to 4, the liquid phase yield of the produced bio-heavy oil was 50 To 89% by weight, a solid residue yield of 31 to 35% by weight, and a vapor phase yield of less than about 5% by weight. Considering that 28 wt% of the component contained in the raw sewage sludge can not be converted into vapor or liquid phase, 31 to 35 wt% of the solid residue contains 3 to 7 wt% of organic matter , It can be seen that most of the organic matter has been converted into gas phase and liquid phase, and that the vapor yield is as low as 5 wt%, indicating that most of the organic matter present in the sewage sludge has been converted into the liquid phase. This is because supercritical alcohols can effectively provide hydrogen to inhibit the condensation or the repolymerization reaction that produces solid residues and can be used for esterification, The alkylation and the alkoxylation were effectively promoted to stabilize unstable intermediates which are generated when the organic substances present in the biofuel feedstock are decomposed, thereby increasing the liquid yield.

한편, 실시예 5 내지 실시예 6에서 초임계 메탄올의 반응 온도를 각각 350℃ 및 300℃로 낮추어서 바이오중유를 제조하였을 경우, 고체잔류물 수율이 각각 36중량% 및 40중량%로 높아지는 것으로 하수슬러지 내 존재하는 유기물의 전환율이 다소 낮아지는 것을 알 수 있으나, 액상 수율은 55 내지 62중량%로 높게 유지되는 것을 알 수 있다. On the other hand, when the reaction temperatures of supercritical methanol were lowered to 350 ° C. and 300 ° C. in Examples 5 to 6, respectively, the yield of solid residue was increased to 36% by weight and 40% by weight respectively, It can be seen that the conversion rate of organic substances existing therein is somewhat lowered, but the liquid phase yield is maintained as high as 55 to 62 wt%.

한편, 실시예 7에서 반응 시간을 120분으로 증가시켰을 경우에도 고체잔류물 수율이 34중량%로 낮게 유지되는 것으로, 하수슬러지 내 존재하는 대부분의 유기물이 액상 및 기상으로 전환되었다는 것을 알 수 있다. 한편, 액상 수율이 53중량%로 매우 높게 유지되고, 기상 수율이 4중량%로 실시예 1의 기상 수율과 매우 유사한 것으로, 장시간 반응에 따른 일어날 수 있는 가스화 반응이 억제되었다는 것을 알 수 있다.  On the other hand, even when the reaction time was increased to 120 minutes in Example 7, the yield of the solid residue was maintained as low as 34% by weight, indicating that most of the organic matter present in the sewage sludge was converted into a liquid phase and a gas phase. On the other hand, it can be seen that the liquid phase yield was maintained at a very high level of 53% by weight, and the gas phase yield was 4 wt%, which was very similar to the gas phase yield of Example 1, and the gasification reaction that could occur due to the long reaction was suppressed.

한편, 실시예 8 내지 실시예 10에서 다양한 중량비를 갖는 메탄올:물의 혼합물을 초임계 용매로 사용하였을 경우에는, 고체잔류물 수율이 30 내지 31중량%로 하수슬러지가 가지고 있는 무기물함량인 28중량%와 매우 유사한 것으로, 하수슬러지 내 존재하는 대부분의 유기물이 액상 및 기상으로 전환되었다는 것을 알 수 있다. 또한 액상 수율이 51 내지 58중량%로 매우 높게 유지되었으며, 기상 수율이 3 내지 4중량%로 대부분의 유기물이 액상으로 전환되었다는 것을 알 수 있다. On the other hand, in Examples 8 to 10, when a mixture of methanol and water having various weight ratios was used as a supercritical solvent, the yield of the solid residue was 30 to 31 wt%, and the inorganic matter content of the sewage sludge was 28 wt% , It can be seen that most organic matter present in the sewage sludge has been converted into liquid and vapor phase. In addition, the liquid yield was maintained at 51 to 58 wt%, which was very high, and the vapor yield was 3 to 4 wt%, indicating that most of the organic materials were converted to the liquid phase.

또한, 실시예 11 내지 실시예 13에서 다양한 중량비를 갖는 에탄올:물의 혼합물을 초임계 용매로 사용하였을 경우에도, 실시예 8 내지 실시예 10과 매우 유사하게 하수슬러지 내 존재하는 대부분의 유기물이 액상으로 전환되었다는 것을 알 수 있다.Further, even when a mixture of ethanol and water having various weight ratios in Examples 11 to 13 was used as a supercritical solvent, most of the organic substances present in the sewage sludge were in a liquid state It can be seen that the conversion has been made.

한편, 실시예 14 내지 실시예 16에서 첨가제로 Na2CO3, HCOOH, KOH를 사용하였을 경우, 고체잔류물 수율이 30중량%로 하수슬러지가 가지고 있는 무기물함량인 28중량%와 매우 유사한 것으로, 하수슬러지 내 존재하는 대부분의 유기물이 액상 및 기상으로 전환되었다는 것을 알 수 있다. 또한 액상 수율이 75 내지 83중량%로 실시예 1과 비교하였을 때 더 높게 유지되었으며, 기상 수율이 2 내지 6중량%로 대부분의 유기물이 액상으로 전환되었다는 것을 알 수 있다. On the other hand, when Na 2 CO 3 , HCOOH and KOH were used as additives in Examples 14 to 16, the yield of solid residue was 30% by weight, which was very similar to the inorganic content of sewage sludge of 28% It can be seen that most of the organic matter present in sewage sludge has been converted into liquid and vapor phase. Also, the liquid yield was 75 to 83 wt%, which was higher than that of Example 1, and it was found that most of the organic matter was converted into a liquid phase at a vapor yield of 2 to 6 wt%.

다음으로, 반응 전 하수슬러지의 특성과 반응 후 제조된 바이오중유의 특성을 분석하여 하기 표 2에, 기체반응생성물의 성분을 분석하여 하기 표 3에 나타내었다. Next, the characteristics of the sewage sludge before the reaction and the characteristics of the biofuel produced after the reaction were analyzed, and the components of the gas reaction products were analyzed in Table 2 below.

반응물의 원소분석은 열전도검출기(thermal conductivity detector, TCD)가 장착된 원소분석기(Elemental analyzer, EA, Vario EL cube, Elementar Analysensystem GmbH)를 사용하여 분석하였다.Elemental analysis of the reactants was performed using an elemental analyzer (EA, Vario EL cube, Elementar Analysensystem GmbH) equipped with a thermal conductivity detector (TCD).

한편, 기체반응생성물의 정성 및 정량분석은 열전도검출기(thermal conductivity detector, TCD)와 불꽃이온화검출기(flame ionization detector, FID)가 장착된 가스크로마토그래피(Gas chromatography, GC, Clarus 600 GC-Model Arnel 1115PPC Refinery Gas Analyzer (RGA), PerkineElmer)를 사용하여 분석하였다.Meanwhile, the qualitative and quantitative analysis of gas reaction products was carried out by gas chromatography (GC) equipped with a thermal conductivity detector (TCD) and a flame ionization detector (FID), Clarus 600 GC-Model Arnel 1115PPC Refinery Gas Analyzer (RGA), PerkineElmer).

C
(wt%)
C
(wt%)
O
(wt%)
O
(wt%)
H
(wt%)
H
(wt%)
N
(wt%)
N
(wt%)
S
(wt%)
S
(wt%)
O/C
O / C
ratio
HHV
(MJ/kg)
HHV
(MJ / kg)
하수슬러지Sewage sludge 38.938.9 23.223.2 3.63.6 6.46.4 1.11.1 0.450.45 16.316.3 실시예 1Example 1 71.871.8 13.213.2 6.66.6 6.26.2 0.80.8 0.140.14 32.032.0 실시예 2Example 2 71.571.5 8.28.2 7.27.2 5.05.0 1.21.2 0.090.09 33.133.1 실시예 3Example 3 70.370.3 10.510.5 8.38.3 7.07.0 2.22.2 0.110.11 34.234.2 실시예 4Example 4 71.571.5 10.810.8 9.29.2 6.56.5 2.12.1 0.110.11 35.635.6 실시예 5Example 5 66.566.5 14.814.8 8.18.1 7.27.2 0.90.9 0.170.17 32.032.0 실시예 6Example 6 58.858.8 15.115.1 7.87.8 7.77.7 0.70.7 0.190.19 29.029.0 실시예 7Example 7 73.373.3 9.69.6 8.28.2 5.25.2 0.50.5 0.100.10 34.734.7 실시예 8Example 8 72.172.1 11.411.4 9.09.0 5.45.4 0.70.7 0.120.12 35.235.2 실시예 9Example 9 74.374.3 9.09.0 9.09.0 4.94.9 0.90.9 0.090.09 36.136.1 실시예 10Example 10 76.076.0 9.19.1 9.19.1 5.15.1 0.90.9 0.090.09 36.836.8 실시예 11Example 11 71.071.0 10.210.2 9.29.2 5.75.7 1.11.1 0.110.11 35.235.2 실시예 12Example 12 71.871.8 10.910.9 8.98.9 5.55.5 1.31.3 0.110.11 35.135.1 실시예 13Example 13 75.575.5 8.08.0 9.49.4 5.35.3 1.81.8 0.080.08 37.337.3 실시예 14Example 14 68.068.0 9.29.2 8.88.8 6.86.8 0.90.9 0.100.10 33.833.8 실시예 15Example 15 71.271.2 9.59.5 8.28.2 5.45.4 1.01.0 0.100.10 34.134.1 실시예 16Example 16 70.870.8 9.39.3 9.19.1 5.15.1 0.90.9 0.100.10 35.135.1

CO2
(mol%)
CO 2
(mol%)
CO
(mol%)
CO
(mol%)
H2
(mol%)
H 2
(mol%)
CH4
(mol%)
CH 4
(mol%)
C2H4+
C2H6
(mol%)
C 2 H 4 +
C 2 H 6
(mol%)
C3H6+
C3H8
(mol%)
C 3 H 6 +
C 3 H 8
(mol%)
C4+
(mol%)
C4 +
(mol%)
기상 수율
(wt%)
Meteor yield
(wt%)
실시예 1Example 1 31.631.6 10.910.9 23.623.6 7.77.7 21.221.2 3.73.7 1.11.1 4.44.4 실시예 2Example 2 23.323.3 6.86.8 3.63.6 48.948.9 4.94.9 2.22.2 0.70.7 3.93.9 실시예 3Example 3 33.033.0 3.83.8 0.20.2 49.049.0 6.86.8 4.04.0 2.22.2 3.23.2 실시예 4Example 4 15.015.0 19.219.2 19.019.0 6.56.5 19.619.6 19.719.7 0.80.8 10.410.4 실시예 5Example 5 14.814.8 15.215.2 20.220.2 4.24.2 15.815.8 8.98.9 0.50.5 0.30.3 실시예 6Example 6 0.80.8 2.22.2 95.395.3 0.40.4 21.221.2 0.10.1 0.00.0 0.20.2 실시예 7Example 7 30.030.0 28.328.3 1.81.8 7.17.1 29.129.1 3.23.2 0.40.4 4.44.4 실시예 8Example 8 37.337.3 7.07.0 10.010.0 30.930.9 9.79.7 3.23.2 1.71.7 3.73.7 실시예 9Example 9 51.051.0 12.112.1 7.47.4 10.310.3 16.716.7 2.42.4 0.00.0 1.21.2 실시예 10Example 10 20.020.0 13.513.5 33.033.0 6.16.1 23.323.3 3.13.1 0.90.9 3.03.0 실시예 11Example 11 21.421.4 24.524.5 0.50.5 7.27.2 42.142.1 3.53.5 1.31.3 1.01.0 실시예 12Example 12 13.713.7 54.654.6 4.34.3 5.95.9 19.819.8 1.11.1 0.50.5 14.314.3 실시예 13Example 13 69.069.0 8.08.0 0.50.5 5.85.8 14.314.3 1.51.5 0.40.4 1.21.2 실시예 14Example 14 35.235.2 15.215.2 12.212.2 7.87.8 15.315.3 3.43.4 4.24.2 2.22.2 실시예 15Example 15 33.433.4 17.817.8 13.213.2 7.27.2 17.417.4 4.54.5 4.64.6 5.55.5 실시예 16Example 16 25.825.8 25.225.2 11.011.0 8.98.9 19.919.9 3.13.1 2.82.8 2.72.7

상기 표 2에서 나타낸 바와 같이, 하수슬러지의 경우 탄소함량이 38.9중량%로 낮았고, 산소함량이 23.2중량%로 높았으며, O/C(oxygen/carbon) 몰비가 0.45로 높아서 고위발열량(HHV)이 16.3MJ/kg으로 매우 낮았다.As shown in Table 2, the carbon content of sewage sludge was as low as 38.9% by weight, the oxygen content was as high as 23.2% by weight, the oxygen / carbon molar ratio was as high as 0.45 and the high calorific value (HHV) 16.3MJ / kg.

실시예 1 내지 실시예 4에서 초임계 알코올을 이용하여 바이오중유를 제조하였을 경우, 액상의 탄소함량이 증가하고 산소함량이 감소하여 O/C 몰비가 0.09 내지 0.14로 감소한 것으로 탈산소 반응이 효과적으로 진행되었고, HHV가 32.0 내지 35.6MJ/kg으로 큰 폭으로 증가한 것으로 에너지함량이 높아진 것을 알 수 있다. When the bio-heavy oil was prepared using supercritical alcohols in Examples 1 to 4, the carbon content of the liquid phase increased and the oxygen content decreased to decrease the O / C molar ratio from 0.09 to 0.14, And the HHV was greatly increased from 32.0 to 35.6 MJ / kg, indicating that the energy content was increased.

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 기체 생성물의 성분을 분석한 결과 CO(10.9mol%) 및 CO2(31.6mol%)가 과량으로 검출된 것으로, 탈카르보닐화 및 탈카르복실화 반응으로 하수슬러지 내 포함되어 있는 산소가 제거되었음을 알 수 있었고, H2(23.6mol%)가 과량 검출된 것으로 외부에서 수소를 제공해 주지 않아도 초임계 상태의 메탄올이 수소를 발생하여 하수슬러지 전환 반응에서 일어날 수 있는 재결합(recombination) 또는 축합(condensation)반응을 억제하여 제조된 액상 수율이 높음을 알 수 있었다. 또한 C3H6+C3H8(3.7mol%) 및 C4+(1.1mol%)가 소량 검출된 것으로 하수슬러지 내 포함된 유기물의 크래킹 반응이 억제된 것을 알 수 있었다. As shown in the above Table 3, the components of the gaseous products of Example 1 were analyzed to find that CO (10.9 mol%) and CO 2 (31.6 mol%) were detected in an excessive amount, and decarbonylation and decarboxylation It was found that the oxygen contained in the sewage sludge was removed by the reaction, and excessive amount of H 2 (23.6 mol%) was detected. Supercritical methanol generated hydrogen, It was found that the produced liquid phase yield was high due to inhibition of recombination or condensation reaction that could occur. It was also found that a small amount of C 3 H 6 + C 3 H 8 (3.7 mol%) and C 4 + (1.1 mol%) were detected and the cracking reaction of the organic substances contained in the sewage sludge was inhibited.

한편, 실시예 5 내지 실시예 6에서 반응 온도를 350℃ 및 300℃로 유지하였을 경우 O/C 몰비가 각각 0.17 및 0.19로 감소하였고, HHV가 각각 32.0과 29.0MJ/kg으로 실시예 1의 HHV와 비교하였을 때 다소 낮아졌으나, 하수슬러지의 HHV와 비교하였을 때 매우 높아진 것을 알 수 있다. On the other hand, when the reaction temperatures were maintained at 350 ° C and 300 ° C in Examples 5 to 6, the O / C molar ratios were reduced to 0.17 and 0.19, respectively, and the HHV values were 32.0 and 29.0 MJ / , But it is very high when compared with the HHV of sewage sludge.

한편, 실시예 7에서 반응 시간을 120분으로 증가시켰을 경우에도 O/C 몰비가 0.1로 큰 폭으로 감소하였고 HHV가 34.7MJ/kg으로 큰 폭으로 증가하였으며, 생성되는 기체의 대부분이 CO(28.3mol%)와 CO2(30.0mol%)인 것으로 탈카르보닐화 및 탈카르복실화 반응이 활발히 일어나서 산소가 효과적으로 제거되었음을 알 수 있다. On the other hand, when the reaction time was increased to 120 minutes in Example 7, the O / C molar ratio was greatly reduced to 0.1 and the HHV was greatly increased to 34.7 MJ / kg. Most of the produced gases were CO mol%) and CO 2 (30.0 mol%), indicating that decarbonylation and decarboxylation reaction were actively performed and oxygen was effectively removed.

한편, 실시예 8 내지 실시예 10에서 다양한 중량비를 갖는 메탄올:물의 혼합물을 초임계 용매로 이용하였을 경우 O/C 몰비가 0.09 내지 0.12로 큰 폭으로 감소하였고, HHV가 35.2 내지 36.8MJ/kg으로 큰 폭으로 증가하였으며, 생성되는 기체의 대부분이 CO와 CO2인 것으로 탈카르보닐화 및 탈카르복실화 반응이 활발히 일어나서 산소가 효과적으로 제거되었음을 알 수 있고, 수소함량이 7.4 내지 33.0mol%로 매우 높은 것으로 혼합용매에서도 수소발생이 활발히 일어났음을 알 수 있었다. On the other hand, when the mixture of methanol and water having various weight ratios was used as a supercritical solvent in Examples 8 to 10, the O / C molar ratio was greatly reduced to 0.09 to 0.12 and the HHV was 35.2 to 36.8 MJ / kg And most of the generated gas was CO and CO 2 , indicating that de-carbonylation and decarboxylation reactions were actively performed to effectively remove oxygen, and that the hydrogen content was 7.4 to 33.0 mol% And it was found that hydrogen generation was actively occurred in the mixed solvent.

또한, 실시예 11 내지 실시예 13에서 다양한 중량비를 갖는 에탄올:물의 혼합물을 초임계 용매로 사용하였을 경우 O/C 몰비가 0.08 내지 0.11로 큰 폭으로 감소하였고, HHV가 35.1 내지 37.3MJ/kg으로 큰 폭으로 증가하였으며, 생성되는 기체의 대부분이 CO와 CO2인 것으로 탈카르보닐화 및 탈카르복실화 반응이 활발히 일어나서 산소가 효과적으로 제거되었음을 알 수 있고, C3+ 및 C4+가 소량 생성된 것으로 크래킹 반응이 효과적으로 억제되었음을 알 수 있다. Also, when the mixture of ethanol and water having various weight ratios was used as a supercritical solvent in Examples 11 to 13, the O / C molar ratio was greatly reduced to 0.08 to 0.11, and the HHV was 35.1 to 37.3 MJ / kg And most of the generated gas is CO and CO 2 , which shows that de-carbonylation and decarboxylation reaction actively occurred, and oxygen was effectively removed, and a small amount of C3 + and C4 + was produced. The cracking reaction Is effectively suppressed.

한편, 실시예 14 내지 실시예 16에서 첨가제로 Na2CO3, HCOOH, KOH를 사용하였을 경우 실시예 1과 비교하였을 때 O/C 몰비가 0.1로 더욱 감소하였고 HHV가 33.8 내지 35.1MJ/kg으로 더욱 상승한 것으로 탈산소 반응이 더욱 활발히 일어난 것을 알 수 있다. 또한 첨가제를 사용하였을 경우에도 생성되는 기체의 대부분이 CO와 CO2인 것으로 탈카르보닐화 및 탈카르복실화 반응이 활발히 일어나서 산소가 효과적으로 제거되었음을 알 수 있고, C3+ 및 C4+가 소량 생성된 것으로 크래킹 반응이 효과적으로 억제되었음을 알 수 있다.On the other hand, when Na 2 CO 3 , HCOOH and KOH were used as additives in Examples 14 to 16, the O / C molar ratio was further reduced to 0.1 and the HHV was 33.8 to 35.1 MJ / kg And it was found that the deoxygenation reaction was more actively occurred. In addition, when the additive is used, most of the generated gases are CO and CO 2 , indicating that de-carbonylation and decarboxylation reactions are actively performed to effectively remove oxygen, and a small amount of C3 + and C4 + It can be seen that the reaction was effectively inhibited.

실험예Experimental Example

실시예에서 제조한 바이오중유를 화력발전소에 적용 가능성을 알아보기 위하여, 울산화력의 중유보일러를 대상으로 전산유동해석(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 수행하였다. 울산화력의 중유보일러 크기는 10m x 12.6m x 56m이고, 입열량은 1025MWth이며, 터빈출력은 405MWe인 대향류 방식을 사용한다. 울산화력의 중유보일러를 대상으로 실시예 10에서 제조한 바이오중유의 연소 특성을 분석하였다. Computational Fluid Dynamics (CFD) was performed on heavy oil boilers of Ulsan power to investigate the feasibility of applying the biofuel heavy oil produced in the examples to thermal power plants. The size of the heavy oil boiler of Ulsan Thermal Power Plant is 10m x 12.6m x 56m, the heat input is 1025MW th , and the turbine power is 405MW e . The combustion characteristics of the biofuel produced in Example 10 were analyzed for a heavy oil boiler of Ulsan Thermal Power.

울산 중유보일러에 대한 전산유동해석은 석유화학 리파이너리에서 발생하는 중유의 에멀전 전소 조건과 석유화학 중유 에멀전 80중량%와 하수슬러지 유래 바이오중유 20중량%의 혼소 조건에 대해 각각 해석을 진행하여 비교 분석하였다. The computational flow analysis for the boiler of Ulsan heavy oil boiler was analyzed and analyzed for the emulsion condition of heavy oil produced in petrochemical refinery, the mixed condition of 80 wt% of petrochemical heavy oil emulsion and 20 wt% of bio-heavy oil derived from sewage sludge .

울산화력 보일러의 경우 터빈출력 405MWe의 보일러로 이때의 입열량은 1025MWth정도가 된다. 울산화력 중유보일러는 스월 버너를 사용하고 유량은 전부 동일하게 분할하였다. 또한, 스월 방향은 기어 트레인(gear train) 방식으로 설정하여 해석을 진행하였다. 버너의 스월은 axial:tangential 비를 1:0.8로 가정하였다. 울산화력 중유보일러의 해석 조건을 하기 표 4에 나타내었다.In the case of Ulsan thermal power boiler, the heat input of the turbine is 405MW e and the heat input is about 1025MW th . The Ulsan thermal power heavy oil boiler uses a swirl burner and the flow rates are all divided equally. In addition, the swirl direction was set by the gear train method and the analysis was carried out. The burner swirl was assumed to have an axial: tangential ratio of 1: 0.8. The analysis conditions of the Ulsan thermal power oil boiler are shown in Table 4 below.

운전조건Operating condition 중유Heavy oil 중유 80% + 바이오중유 20% Heavy oil 80% + Bio heavy oil 20% 입열량 (MWth) Heat input (MW th ) 1025.11025.1 1025.01025.0 터빈출력 (MWe) Turbine output (MW e ) 405.1 405.1 405.0405.0




Fuel





Fuel
Throughput Throughput 24.69724.697 19.75(중유) / 5.93(바이오중유)19.75 (heavy oil) / 5.93 (bio heavy oil)
온도 (℃)Temperature (℃) 107 107 107107 중유Heavy oil 바이오중유Bio fuel oil 물함량 (%) Water content (%) 0.5 0.5 5.395.39 휘발성분 (%) Volatile matter (%) 94.342 94.342 94.3894.38 고정탄소 (%) Fixed carbon (%) 5 5 00 회분 (%)Ashes (%) 0.158 0.158 0.230.23 C (%)C (%) 86.5 86.5 73.2673.26 H (%)H (%) 10.8 10.8 8.1988.198 O (%)O (%) 0.202 0.202 9.5589.558 N (%)N (%) 0.458 0.458 5.195.19 S (%)S (%) 2.04 2.04 0.4530.453 HHV (MJ/kg)HHV (MJ / kg) 41.51 41.51 34.5934.59 에멀전 물Emulsion 유량 (kg/s) Flow rate (kg / s) 2.57 2.57 2.062.06 분무스팀Spray steam 온도(℃)Temperature (℃) 346 346 346346 유량 (kg/s) Flow rate (kg / s) 1.611 1.611 1.6111.611
공기

air
과량공기 (%) Excess air (%) 1.19 1.19 4.64.6
유량 (kg/s) Flow rate (kg / s) 344.25 344.25 361361 온도 (℃)Temperature (℃) 312 312 312312

보일러 내에서 조건별로 온도 분포를 정리한 CFD 전산해석 결과를 도 4에 나타내었다. 바이오중유를 20% 혼소할 경우 중유 전소 조건 보다 보일러 내부 온도 분위기가 더 높게 나타났다. 이는 수분이 포함된 에멀전 방식의 중유에 비해 바이오중유의 착화가 빨리 일어나 보일러 내 가스 온도가 상승한 것으로 사료된다. 중유 전소와 같이 기어 트레인 방식을 사용하고 보일러 내부 구조가 대칭적이기 때문에 온도 분포뿐만 아니라 유속, 화학종, 열유속 분포 등 대부분의 특성이 전후, 좌우 대칭적인 형태를 나타낸 것으로 바이오중유 혼소가 가능함을 확인하였다.Fig. 4 shows the CFD computation results of the temperature distribution in each boiler. When 20% of biofuel oil was mixed, the temperature inside the boiler was higher than that of heavy oil. It is considered that the gas temperature in the boiler has risen due to the rapid ignition of biofuel in comparison with the emulsion type heavy oil containing water. Since the gear train system is used like the heavy oil boiler and the internal structure of the boiler is symmetrical, most characteristics such as flow rate, chemical species, and heat flux distribution as well as temperature distribution are symmetrical in the front and rear direction, .

한편, 보일러 높이에 따른 평균 가스 온도를 도 5에 나타내었다. 바이오중유 20% 혼소 조건의 평균 가스 온도가 전체적으로 높게 나타난 것을 볼 수 있다.On the other hand, the average gas temperature according to the height of the boiler is shown in Fig. It can be seen that the average gas temperature of bio-heavy oil 20% condition is high as a whole.

또한, 보일러 내 열전달 특성을 분석하기 위하여 CFD 전산해석을 실시하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 중유 전소 조건과 마찬가지로 바이오중유 20% 혼소 조건에서도 대칭적인 경향이 나타났으며 세 번째 단의 버너 앞에서 열유속이 가장 높았다. 중유 전소의 경우 열유속이 최대 480kW/m2이고, 20% 바이오중유 혼소의 경우 최대 열유속이 364kW/m2인 것으로 혼소 때 감소하였으나 전체적인 경향은 유사하며 중유 전소에 비해 더 고른 벽면 열유속 분포를 나타낸 것으로 보아 하수슬러지에서 제조한 바이오중유의 혼소가 가능함을 확인하였다. 이러한 벽면 열유속의 분포 차이는 soot의 양에 따른 복사 특성 차이 때문이라고 사료된다. soot은 투입되는 연료에 중유가 많을수록 많이 생성되기 때문에 중유 전소 조건이 최대 3중량%로 가장 많이 생성되었으며 혼소를 할 경우 soot의 농도가 줄어들었다. In addition, CFD computational analysis was performed to analyze the heat transfer characteristics in the boiler, and the results are shown in FIG. As in the case of the heavy oil burning condition, the symmetrical tendency was shown even under the condition of 20% bio fuel oil, and the heat flux was the highest in front of the burner of the third stage. The maximum heat flux of 364 kW / m 2 for 20% heavy fuel oil compost was reduced to a maximum of 480 kW / m 2 for the heavy oil fired power plant, but the tendency was similar to that of the heavy fuel oil fired power plant. It was confirmed that biofertile oil produced from boa sewage sludge could be mixed. It is considered that the difference in the distribution of the wall surface heat flux is due to the difference in the radiation characteristics depending on the amount of soot. Since soot is produced more fuel oil with more heavy fuel, the heavy oil burning condition is the largest with 3 wt%, and the concentration of soot is decreased when the fuel is added.

도 7은 보일러 벽면 및 각 전열관군에서의 전열량을 나타낸 것이다. 중유 전소의 경우 벽면 전열량이 473MWth로 높았고, 바이오중유 20% 혼소의 경우 425MWth으로 벽면 전열량이 소폭 감소한 것으로 나타났다. 바이오중유 20% 혼소의 경우 벽면 전열량이 줄어듦에 따라 후단 전열관군에서의 전열량이 각 전열관군별로 3~9MWth 정도 증가한 것으로 나타났다. Fig. 7 shows the amounts of heat transferred from the boiler wall surface and each heat transfer pipe group. In the case of heavy fuel oil burned around the walls are higher in calories 473MW th, the case of 20% bio-fuel oil dual fuel showed a slight decrease in calories wall around 425MW th. In the case of 20% biofuel heavy oil, the amount of heat in the rear heat pipe group increased by 3 ~ 9MW th in each heat pipe group as the wall heat transfer decreased.

따라서 중유 전소 및 바이오중유 혼소에 대한 전산해석을 수행한 결과 하수슬러지에서 제조한 바이오중유를 이용하여 혼소가 가능함을 확인하였다. As a result of computer analysis of heavy oil and bio fuel oil contamination, it was verified that bio fuel oil produced from sewage sludge could be used as a compost.

본 발명의 구성은 상기의 실시예를 통해 그 우수성이 입증되었지만 상기의 구성에 의해서만 반드시 한정되는 것은 아니고 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변경 및 변형이 가능하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.The configuration of the present invention has been proved to be superior through the above-described embodiments, but is not necessarily limited to the above configuration, and various permutations, modifications and variations are possible without departing from the technical idea of the present invention. Therefore, the above description does not limit the scope of the present invention, which is defined by the limitations of the following claims.

Claims (17)

하수슬러지로부터 바이오중유를 제조하는 방법으로서,
하수슬러지를 알코올 용매의 초임계 상태에서, 하수슬러지와 알코올을 164 bar 이상의 압력에서 반응시켜 바이오중유를 제조하는 바이오중유의 제조 단계를 포함하는 바이오중유의 제조방법.
A method for producing biofuel from sewage sludge,
A method for producing bio-heavy oil, comprising the step of producing bio-heavy oil by reacting sewage sludge in a supercritical state of an alcohol solvent at a pressure of 164 bar or more with sewage sludge and alcohol.
제1항에 있어서,
상기 바이오중유의 제조 단계 전, 하수슬러지를 건조하는 하수슬러지의 건조 단계를 더 포함하는 바이오중유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Further comprising a step of drying the sewage sludge to dry the sewage sludge before the step of preparing the biofuel feedstock.
제1항에 있어서,
상기 바이오중유의 제조 단계 후, 생성된 반응 산물을 분리하고 회수하는 반응 산물의 분리 및 회수 단계를 더 포함하는 바이오중유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of separating and recovering the reaction product for separating and recovering the produced reaction product after the step of producing the biofuel feedstock.
제1항에 있어서,
상기 하수슬러지는 생슬러지, 잉여슬러지, 농축슬러지, 소화슬러지, 및 탈수슬러지 중 적어도 하나를 포함하는 바이오중유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sewage sludge comprises at least one of raw sludge, excess sludge, concentrated sludge, digested sludge, and dehydrated sludge.
제4항에 있어서,
상기 하수슬러지는 수분함량이 5 내지 90중량%인 바이오중유의 제조방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the sewage sludge has a moisture content of 5 to 90% by weight.
제1항에 있어서,
상기 알코올 용매는, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로필알코올, 부탄올, 이소부탄올, 2-부탄올, tert-부탄올, n-펜탄올, 이소펜틸 알코올, 2-메틸-1-부탄올, 네오펜틸 알코올, 디에틸 케비놀, 메틸 프로필 케비놀, 메틸 이소프로필 케비놀, 디메틸 에틸 케비놀, 1-헥산올, 2-헥산올, 3-헥산올, 2-메틸-1-펜탄올, 3-메틸-1-펜탄올, 4-메틸-1-펜탄올, 2-메틸-2-펜탄올, 3-메틸-2-펜탄올, 4-메틸-2-펜탄올, 2-메틸-3-펜탄올, 3-메틸-3-펜탄올, 2,2-디메틸-1-부탄올, 2,3-디메틸-1-부탄올, 2,3-디메틸-2-부탄올, 3,3-디메틸-1-부탄올, 2-에틸-1-부탄올, 1-헵탄올, 2-헵탄올, 3-헵탄올, 및 4-헵탄올 중 적어도 하나를 포함하는 바이오중유의 제조방법.
The method according to claim 1,
The alcohol solvent may be at least one selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, butanol, isobutanol, 2-butanol, tert-butanol, n- pentanol, isopentyl alcohol, Methyl-1-pentanol, 3-methyl-1-pentanol, 2-methyl-1-pentanol, Methyl-2-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 2-methyl-3-pentanol, 3- Dimethyl-1-butanol, 2,3-dimethyl-1-butanol, 2-ethyl 1-butanol, 1-heptanol, 2-heptanol, 3-heptanol, and 4-heptanol.
제1항에 있어서,
상기 하수슬러지는 하수슬러지와 알코올 용매의 합계 100중량% 중 1 내지 80중량%로 포함되는 바이오중유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sewage sludge comprises 1 to 80% by weight of a total of 100% by weight of sewage sludge and an alcohol solvent.
제1항에 있어서,
상기 하수슬러지와 상기 알코올 용매를 250 내지 600℃의 온도에서 반응시키는 바이오중유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sewage sludge and the alcohol solvent are reacted at a temperature of 250 to 600 ° C.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 알코올 용매의 초임계 상태에서 10초 내지 5시간 동안 반응시키는 바이오중유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the reaction is carried out in a supercritical state of the alcohol solvent for 10 seconds to 5 hours.
제1항에 있어서,
상기 알코올 용매는 물과 7:3 내지 3:7의 중량비로 혼합되는 혼합용매를 포함하는 바이오중유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the alcohol solvent comprises a mixed solvent which is mixed with water at a weight ratio of 7: 3 to 3: 7.
제1항에 있어서,
상기 바이오중유의 제조 단계는 첨가제를 추가하여 반응시키는 것을 포함하는 바이오중유의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of preparing the biofuel feedstock comprises adding an additive and reacting the biofuel feedstock.
제12항에 있어서,
상기 첨가제는, LiOH, NaOH, KOH, RbOH, Li2CO3, Na2CO3, K2CO3, Mg(OH)2, Ca(OH)2, Sr(OH)2, MgCO3, CaCO3, SrCO3, 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 황산(H2SO4), 붕산(H3BO3), 불산(HF), 탄산(H2CO3), 개미산(HCOOH), 아세트산(CH3COOH), 프로피오닉산(CH3CH2COOH), 부틸릭산(CH3CH2CH2COOH), 젖산(C2H4OHCOOH), 및 벤조익산(C6H5COOH)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 바이오중유의 제조방법.
13. The method of claim 12,
The additive, LiOH, NaOH, KOH, RbOH , Li 2 CO 3, Na 2 CO 3, K 2 CO 3, Mg (OH) 2, Ca (OH) 2, Sr (OH) 2, MgCO 3, CaCO 3 , SrCO 3, hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO 3), phosphoric acid (H 3 PO 4), sulfuric acid (H 2 SO 4), boric acid (H 3 BO 3), hydrofluoric acid (HF), carbonic acid (H 2 CO 3 ), formic acid (HCOOH), acetic acid (CH 3 COOH), propionic acid (CH 3 CH 2 COOH), butyl acid (CH 3 CH 2 CH 2 COOH), lactic acid (C 2 H 4 OHCOOH), and benzoin acid ( C 6 H 5 COOH). &Lt; / RTI &gt;
제1항 내지 제8항 및 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 바이오중유.A biofuel feed produced by the method of any one of claims 1 to 8 and 10 to 13. 제14항에 있어서,
상기 바이오중유는 산소함량이 5 내지 20중량%이며, O/C(oxygen/carbon) 몰비는 0.05 내지 0.25인 바이오중유.
15. The method of claim 14,
Wherein the biofuel has an oxygen content of 5 to 20 wt% and an O / C (oxygen / carbon) molar ratio of 0.05 to 0.25.
제14항에 있어서,
상기 바이오중유의 고위발열량(HHV)은 하기 수학식 3에 따라 25 내지 45MJ/kg인 바이오중유.
[수학식 3]
Figure 112015088267607-pat00008

(상기 수학식 3에서 C, H, N, S, 및 O는 바이오중유에 존재하는 전체 원소에 대한 탄소, 수소, 질소, 황, 및 산소의 각각의 중량비임)
15. The method of claim 14,
Wherein the high calorific value (HHV) of the biofuel is 25 to 45 MJ / kg according to the following formula (3).
&Quot; (3) &quot;
Figure 112015088267607-pat00008

(Where C, H, N, S, and O in Equation (3) are the respective weight ratios of carbon, hydrogen, nitrogen, sulfur, and oxygen to all elements present in the biofuel)
제14항의 바이오중유를 포함하는 발전용 연료 또는 수송용 연료.A fuel for power generation or transportation fuel containing the biofuel of claim 14.
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