KR101809077B1 - 반탄화 바이오매스 고형 연료 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반탄화 바이오매스와 원료탄을 포함하는 고형 연료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 원료탄과 반탄화 바이오매스를 포함하는 펠릿 형의 고형 연료를 제공한다. 본 발명의 고형 연료는 효율적인 공정을 통해 간단하게 제조될 수 있고, 나아가 연료로서의 특성과 효율이 우수하면서도 수송성, 보관성 및 안전성까지도 우수한 효과가 있는바, 종래의 화석연료나, 화석연료와 바이오매스의 미분연료를 대체하는 대체연료로서 유용하게 이용될 수 있다.

Description

반탄화 바이오매스 고형 연료 및 그 제조방법{SEMI-CARBONIZED BIOMASS SOLID FUEL AND METHOD FOR PREPARATION THEREOF}
본 발명은 반탄화 바이오매스를 이용한 고형 연료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반탄화 바이오매스와 원료탄을 포함하는 고형 연료 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 화석 연료의 오남용에 따른 점점 심각해지는 자원 고갈 현상과 지구 온난화 현상에 대한 우려로 인해, 대체 에너지나 비석유계 에너지 공급원에 대한 요구가 증대되면서, 화석 연료 대신 이산화탄소의 배출량을 낮춘 새로운 대체 연료의 개발에 대한 관심이 커지고 있다. 또한 전 세계적으로 기후변화에 대응하기 위한 국제적인 규제가 강화되고 있으며, 우리나라는 녹색성장기본법, 국가온실가스 감축목표를 수립하여 이의 달성을 위해 '온실가스 에너지 목표관리제'와 'RPS(Renewable Energy Portfolio Standard) 제도' 등이 추진되고 있다.
이에 따라, 바이오매스를 대체 에너지원으로 활용하기 위한 연구가 지속적으로 진행되어 왔고 현재 국내외 산업계에서는 태양열, 풍력, 지열 등의 에너지원에 비해 투자비 및 제조원가 면에서 경쟁력을 가진 고체 바이오매스 에너지원을 우선적인 대체 에너지원으로 사용하기 위한 움직임이 활발하게 진행되고 있다.
상기 바이오매스는 나무 등에서 얻을 수 있는 목질계 바이오매스, 사탕수수, 과실 폐액 등으로부터 얻어지는 당질계 바이오매스, 고구마 등으로부터 얻어지는 전분질계 바이오매스, 광합성 세균의 바이오매스, 음식물 등과 같은 생활 폐기물로부터 얻어지는 바이오매스 등으로 분류될 수 있고, 이 중에서도 목질계 바이오매스는 고체, 액체, 기체의 세 가지 형태로 제조하여 열, 전력 수송 연료 등의 용도로 활용할 수 있어 그 활용도가 가장 높다. 상기 고체 목질계 바이오매스의 예로는 우드 칩, 우드 펠렛, 목질 브라켓, 목탄 등을 들 수 있고, 상기 액체 목질계 바이오매스의 예로는 바이오 오일 또는 바이오 에탄올을 들 수 있으며, 상기 기체 목질계 바이오매스의 예로는 합성 가스를 들 수 있는데, 상기 목질계 바이오매스는 황 함량이 적기 때문에 SO2의 발생을 저감할 수 있는 친환경적인 연료이다. 특히 고유황 석탄과 혼합 연소하는 경우, 바이오매스에 함유되어 있는 알칼리 물질이 SO2를 제거하는 효과를 기대할 수 있으며, 바이오매스가 가지고 있는 질소 성분은 연소 과정에서 NH 라디칼로 전이되기 때문에 NO를 환원시켜 제거하는데 이용되므로 NOx를 제거하는 효과도 있는 것으로 보고되고 있다. 그러나 상기 목질계 바이오매스는 일반적으로 발열량이 석탄의 6할 내지 7할 수준으로 낮고, 미가공 바이오매스는 소재 내부의 공극률이 매우 높기 때문에 부피가 커져 석탄에 비해 수송 효율이 크게 떨어지지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해, 석탄과 바이오매스를 혼합한 연료가 개발되었다. 예컨대, 특허문헌 1에는 무연탄과 제지용 슬러지를 이용한 구공탄이 개시되어 있고, 특허문헌 2에는 조성물 총중량을 기준으로 하여, 우드 펠릿과 무연탄 분말을 혼합한 고체 연료 조성물이 개시되어 있으며, 특허문헌 3에는 유연탄과 톱밥의 혼합물을 이용한 연료 조성물이 개시되어 있다. 그러나, 상기와 같이 석탄과 바이오매스를 혼합하여 이용함에 있어서도, 상기 석탄과 상기 바이오매스 간의 연료로서의 성질 차이로 인하여 이들을 단순 혼합하여 이용하기 보다는, 석탄의 연료로서의 성질 및 보관성을 보완하기 위해 석탄을 건류하여 수분을 제거한 다음 이용하거나, 또는 바이오매스의 연료로서의 효율을 보완하기 위해 연료를 미분화하여 이용하는 기술이 등장하였다(특허문헌 4, 5).
그러나 상기와 같은 기술조차도, 석탄과 같은 원료탄의 건조를 위한 별도의 설비를 구비하여야 하는 비용이나 공정 상의 단점이 있었고, 또한 연료가 분상으로 형성됨에 따라 수송이나 보관 상의 어려움이 있었으며, 나아가 분상의 연료가 자연발화되거나 분진폭발하게 되는 안전 상의 문제점도 있었다.
이에, 위와 같은 종래의 원료탄과 바이오매스를 혼합한 연료의 문제점을 극복할 수 있는 새로운 형태의 연료에 대한 필요성이 크게 대두되고 있다.
1. 대한민국 공개특허공보 제2006-0026471호 2. 대한민국 공개특허공보 제2010-0058741호 3. 대한민국 공개특허공보 제2010-0130443호 4. 대한민국 공개특허공보 제2011-0031153호 5. 대한민국 공개특허공보 제2013-0039356호
본 발명의 목적은 수송성, 보관성 및 안전성이 우수하면서, 동시에 연료로서의 특성 및 효율도 우수한 연료를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상기와 같은 연료를 간단하고 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원료탄과 반탄화 바이오매스를 포함하는 펠릿 형의 고형 연료를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 1)반탄화 바이오매스를 제조하는 단계, 2)상기 반탄화 바이오매스를 원료탄과 혼합하는 단계 및 3)상기 반탄화 바이오매스와 원료탄의 혼합물을 압밀하여 펠릿 형태로 성형하는 단계를 포함하는 고형 연료의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 고형 연료는 효율적인 공정을 통해 간단하게 제조될 수 있고, 나아가 연료로서의 특성과 효율이 우수하면서도 수송성, 보관성 및 안전성까지도 우수한 효과가 있는바, 종래의 화석연료나, 화석연료와 바이오매스의 미분연료를 대체하는 대체연료로서 유용하게 이용될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 고형 연료 샘플의 사진이다.
도 2는 본 발명의 고형 연료를 제조하는 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
1. 고형 연료
본 발명의 일 측면은 고형 연료를 제공한다.
본 발명의 상기 고형 연료는 원료탄과 바이오매스를 포함한다.
상기 원료탄은 이탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄과 같은 유연탄, 무연탄 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 원료탄은 채굴된 상태 그대로 이용될 수 있고, 상기 원료탄은 수분 함량이 원료탄 전체 중량 대비 30 중량% 이하, 보다 바람직하게는 25 중량% 이하, 가장 바람직하게는 10 중량% 내지 20 중량%일 수 있고, 상기 원료탄은 상기와 같은 함량 범위의 수분과 함께 30 중량% 내지 50 중량%의 휘발분, 10 중량% 이하의 회분 및 0.5 중량% 이하의 유황분을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다. 또한, 상기 원료탄은 평균 입도가 10 ㎜ 이하, 바람직하게는 5 ㎜ 이하일 수 있다.
상기 바이오매스는 바이오매스 원료가 반탄화된 것, 즉 '반탄화 바이오매스'인 것이 바람직하다.
상기 바이오매스 원료는 세포벽이 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및/또는 리그닌 등을 주성분으로 하는 것이라면 특별히 제한되지 않고 이용될 수 있다. 구체적으로, 상기 바이오매스 원료는 톱밥, 우드칩, 폐목재 및 산림 부산물 등과 같은 목질계 바이오매스, 또는 옥수수대, 팜 커널, 코코넛 쉘, 견과류 껍질, 왕겨, 수수대, 억새(Miscanthus), 갈대(Phragmites), 볏짚(Rice straw), EFB(Empty fruit bunch) 및 낙엽 등과 같은 초본계 바이오매스일 수 있다. 특히, 상기 목질계 바이오매스는 소나무 폐목재 또는 참나무 폐목재 등이거나, 상기 초본계 바이오매스는 볏짚, 억새, 갈대 또는 EFB 등일 수 있다.
상기 반탄화 바이오매스는, 특별히 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 바이오매스 원료를 150 ℃ 내지 350 ℃의 온도 범위, 보다 바람직하게는 200 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위에서 20분 내지 3시간, 보다 바람직하게는 1시간 내지 2시간 동안 열분해함으로써 형성될 수 있다. 상기 바이오매스를 열 분해 하는 경우, 헤미셀룰로오스 성분이 분해되면서 목초액, 타르 등을 비롯한 수분 및 휘발분 등이 먼저 제거되고, 이어서 셀룰로오스와 리그닌이 순차적으로 분해되는데, 상기와 같은 반탄화 조건에서는 상기 바이오매스 중 헤미셀룰로오스만이 주로 분해되고, 탄소-수소 결합체인 셀룰로오스와 에테르 결합과 탄소-탄소 결합 구조로 되어있는 리그닌과 같이 에너지 밀도가 높은 성분들의 함량이 최대가 되어, 높은 에너지 밀도를 가지는 반탄화 바이오매스가 된다.
상기와 같이 형성된 반탄화 바이오매스는 반탄화 바이오매스 전체 중량 대비 3 중량% 이하, 바람직하게는 1.5 중량% 이하의 수분을 함유하고 있고, 상기와 같은 함량 범위의 수분을 함유하는 반탄화 바이오매스는 5000 ㎈/g 이상의 저위 발열량을 가지는 것이 바람직하다.
상기 원료탄과 상기 반탄화 바이오매스는 서로 혼합되어 상기 고형 연료에 포함되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 원료탄과 상기 반탄화 바이오매스는 40:60 내지 60:40의 중량비로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 원료탄과 상기 반탄화 바이오매스의 전제 중량에 대하여, 원료탄의 함량이 60 중량% 초과(따라서 반탄화 바이오매스의 함량이 40 중량% 미만)인 경우에는 분쇄도와 연소효율이 낮아 연료로서의 효용성이 저하될 뿐만 아니라(표 4 및 표 5 참고), 나아가 흡습성이 높아 장기간의 보관 및 저장이 어려운 문제가 있고(표 6 참고), 원료탄의 함량이 40 중량% 미만(따라서 반탄화 바이오매스의 함량이 60 중량% 초과)인 경우에는 저위 발열량과 에너지 밀도가 낮아 연료의 운송이 비효율적이게 되는 문제가 있다(표 7 참고). 위와 같은 분쇄도, 연소효율, 흡습성 및 에너지 밀도를 종합적으로 고려할 때, 상기 원료탄과 상기 반탄화 바이오매스는 50:50의 중량비로 포함되는 것이 가장 바람직하다(표 4 내지 표 7 참고).
상기와 같이 원료탄과 반탄화 바이오매스를 40:60 내지 60:40의 중량비로 포함하는 고형 연료는, 고형 연료 전체 중량 대비 10 중량% 이하, 바람직하게는 8 중량% 이하, 보다 바람직하게는 6 중량% 이하의 수분을 함유하고 있고, 8 ㎜ 내지 20 ㎜ 크기의 입도를 갖는 펠릿 형태인 것이 바람직하다.
상기 고형 연료는 바람직하게 70 % 이상의 HGI(Hardgrove Grindability Index) 분쇄도, 250 ℃ 이하의 착화온도, 50초 이하의 연소속도, 20초 이하의 착화시간, 상대습도 95%인 조건 하에서 10% 미만의 흡수율 및 4,500,000 ㎈/㎥ 이상의 에너지 밀도를 가진다.
본 발명의 구체적인 실시예에서는 수분 함량이 25.47 중량%, 무수 기준의 휘발분, 회분, 및 유황분의 함량이 각각 83.25 중량%, 0.97 중량%, 0.01 중량%이고 저위 발열량이 4282 ㎈/g이며 입도가 5 ㎜ 이하인 우드 칩을 300 ℃이 온도에서 2시간 동안 열분해하여 반탄화시킨 다음, 수분 함량이 17.22 중량%, 무수 기준의 휘발분, 회분 및 유황분의 함량이 각각 41.17 중량%, 4.63 중량% 및 0.32 중량%이고 저위 발열량이 5932 ㎈/g이며 입도가 5 ㎜ 이하인 유연탄과 40:60 내지 60:40의 중량비로 혼합하고, 건조 및 압밀하여 펠릿 형태로 성형하여 수분 함량이 전체 중량 대비 6 중량%이고 입도가 8 ㎜ 내지 20 ㎜인 고형 연료를 제조하였다(실험군 3 내지 5 연료).
상기와 같이 제조된 고형 연료는 무수 기준으로 50 중량% 이상의 휘발분과 0.20 중량% 이하의 유황분을 함유하고 있고 약 5500 ㎈/g 이상의 저위 발열량을 가지고 있어, 그 착화성이 원료탄보다 우수하고 SO2의 발생이 원료탄보다 저감됨과 동시에 되며, 연료로서의 효율은 바이오매스보다 우수해짐을 확인하였다(표 3 참고).
또한, 상기와 같이 제조된 고형 연료는 70% 이상의 HGI 분쇄도, 250 ℃ 이하의 착화온도, 20초 이하의 착화시간, 50초 이하의 연소속도, 상대습도 95%인 조건 하에서 10% 미만의 흡수율 및 4,500,000 ㎈/㎥ 이상의 에너지 밀도를 나타내는바, 연료로서의 특성과 효율이 우수하면서도 수송성, 보관성 및 안전성까지도 우수함을 확인하였다(표 4 내지 표 7 참고).
2. 고형 연료의 제조방법
본 발명의 다른 측면은 상기 " 1. 고형 연료 " 항목에서 상세히 설명한 고형 연료의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 상기 고형 연료 제조방법은 1)반탄화 바이오매스를 제조하는 단계, 2)상기 반탄화 바이오매스를 원료탄과 혼합하는 단계, 및 3)상기 반탄화 바이오매스와 원료탄의 혼합물을 펠릿 형태로 성형하는 단계를 포함한다.
먼저, 반탄화 바이오매스를 제조한다(단계 1)).
상기 단계 1)의 반탄화 바이오매스를 제조하는 단계는 바이오매스 원료를 밀폐된 고온 건조로 내부에 투입하고, 열분해하는 단계를 포함한다.
상기 단계 1)의 바이오매스 원료는 세포벽이 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및/또는 리그닌 등을 주성분으로 하는 것이라면 특별히 제한되지 않고 이용될 수 있다. 구체적으로, 상기 바이오매스 원료는 톱밥, 우드칩, 폐목재 및 산림 부산물 등과 같은 목질계 바이오매스, 또는 옥수수대, 팜 커널, 코코넛 쉘, 견과류 껍질, 왕겨, 수수대, 억새(Miscanthus), 갈대(Phragmites), 볏짚(Rice straw), EFB(Empty fruit bunch) 및 낙엽 등과 같은 초본계 바이오매스일 수 있다. 특히, 상기 목질계 바이오매스는 소나무 폐목재 또는 참나무 폐목재 등이거나, 상기 초본계 바이오매스는 볏짚, 억새, 갈대 또는 EFB 등일 수 있다.
상기 단계 1)의 열분해는 150 ℃ 내지 350 ℃의 온도 범위, 보다 바람직하게는 200 ℃ 내지 300 ℃의 온도 범위에서 20분 내지 3시간, 보다 바람직하게는 1시간 내지 2시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기 열분해 과정에서 발생하는 복사열에 의해 건조로 내부의 온도가 상승하면서 바이오매스 원료의 구성 성분들, 특히 헤미셀룰로오스 성분이 분해되면서, 목초액, 타르 등을 비롯한 수분 및 휘발분 등이 제거되기 때문에, 상기 열분해 공정만으로도 바이오매스 원료를 충분히 반탄화시킬 수 있다. 다만, 상기 열분해의 온도가 150 ℃보다 낮거나 열분해 시간이 20분보다 짧은 경우에는 바이오매스 원료가 충분히 반탄화되지 않는 문제가 있으며, 열분해 온도가 350 ℃보다 높거나 열분해 시간이 3시간 보다 긴 경우에는 바이오매스가 지나치게 탄화되어 휘발물질이 지나치게 제거됨에 따라 연소시 착화에 여러움이 발생하는 문제가 있다.
상기 단계 1)에서 제조된 반탄화 바이오매스는 반탄화 바이오매스 전체 중량 대비 3 중량% 이하, 바람직하게는 1.5 중량% 이하의 수분을 함유하고 있고, 상기와 같은 함량 범위의 수분을 함유하는 반탄화 바이오매스는 5000 ㎈/g 이상의 저위 발열량을 가지는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 단계 1)에서 제조된 반탄화 바이오매스와, 별도로 준비된 원료탄을 서로 혼합한다(단계 2)).
상기 단계 2)의 원료탄은 이탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄과 같은 유연탄, 무연탄 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 원료탄은 채굴된 상태 그대로 이용될 수 있고, 상기 원료탄은 수분 함량이 원료탄 전체 중량 대비 30 중량% 이하, 보다 바람직하게는 25 중량% 이하, 가장 바람직하게는 10 중량% 내지 20 중량%일 수 있고, 상기 원료탄은 상기와 같은 함량 범위의 수분과 함께 30 중량% 내지 50 중량%의 휘발분, 10 중량% 이하의 회분 및 0.5 중량% 이하의 유황분을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 아니한다. 또한, 상기 원료탄은 평균 입도가 10 ㎜ 이하, 바람직하게는 5 ㎜ 이하일 수 있다.
상기 단계 2)에서 상기 원료탄과 상기 반탄화 바이오매스는 40:60 내지 60:40의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다. 상기 원료탄과 상기 반탄화 바이오매스의 전제 중량에 대하여, 원료탄의 함량이 60 중량% 초과(따라서 반탄화 바이오매스의 함량이 40 중량% 미만)인 경우에는 분쇄도와 연소효율이 낮아 연료로서의 효용성이 저하될 뿐만 아니라(표 4 및 표 5 참고), 나아가 흡습성이 높아 장기간의 보관 및 저장이 어려운 문제가 있고(표 6 참고), 원료탄의 함량이 40 중량% 미만(따라서 반탄화 바이오매스의 함량이 60 중량% 초과)인 경우에는 저위 발열량과 에너지 밀도가 낮아 연료의 운송이 비효율적이게 되는 문제가 있다(표 7 참고). 위와 같은 분쇄도, 연소효율, 흡습성 및 에너지 밀도를 종합적으로 고려할 때, 상기 원료탄과 상기 반탄화 바이오매스는 50:50의 중량비로 포함되는 것이 가장 바람직하다(표 4 내지 표 7 참고).
마지막으로, 상기 단계 2)에서 형성된 원료탄과 반탄화 바이오매스의 혼합물을 펠릿 형태로 성형한다(단계 3)).
상기 단계 3)의 성형은 상기 혼합물을 압축 성형기에 주입하여 고온 및 고압으로 압밀함으로써, 상기 혼합물을 펠릿 형태로 성형함과 동시에, 상기 성형체(고형 연료) 내의 수분 함량을 적절하게 조절할 수 있다. 상기 성형의 온도 및 압력은 혼합물의 성분과, 원료탄 및 바이오매스의 혼합 비율에 따라 달라질 수 있으며, 압축력과 성형 온도는 서로 상보적인 관계에 있으므로 일정한 범위 내에서 서로 조절이 가능하다.
상기 단계 3)에서 제조된 펠릿 형태의 고형 연료는 고형 연료 전체 중량 대비 10 중량% 이하, 바람직하게는 8 중량% 이하, 보다 바람직하게는 6 중량% 이하의 수분을 함유하고 있고, 8 ㎜ 내지 20 ㎜ 크기의 입도를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 단계 3)에서 제조된 펠릿 형태의 고형 연료는 바람직하게 70 % 이상의 HGI(Hardgrove Grindability Index) 분쇄도, 250 ℃ 이하의 착화온도, 50초 이하의 연소속도, 20초 이하의 착화시간, 상대습도 95%인 조건 하에서 10% 미만의 흡수율 및 4,500,000 ㎈/㎥ 이상의 에너지 밀도를 가진다.
상기 " 1. 고형 연료 " 항목에서도 설명한 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예에서는 본 발명의 상기 제조방법에 따라 제조된 고형 연료가 원료탄을 특수 가공하는 별도의 공정없이, 원료탄을 그대로 이용하면서도 원료탄보다 착화성이 향상되고 SO2 발생이 저감됨과 동시에 바이오매스에 비해 연료로서의 효율이 향상됨을 확인하였고(표 3 참고), 나아가 상기와 같은 제조방법에 따라 제조된 고형 연료는 연료로서의 특성과 효율 뿐만 아니라, 수송성, 보관성 및 안전성까지도 우수함을 확인하였다(표 4 내지 표 7 참고).
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하는 것이며, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되지 아니한다.
원재료의 준비 및 기초 분석
본 발명에 따른 고형 연료의 제조를 위하여, 원료탄으로서 입도가 5 ㎜ 이하인 채굴 입고된 유연탄(러시아산 ABK 탄)과 바이오매스로서 입도가 5 ㎜ 이하인 소나무 우드 칩(국내산)을 준비하였고, 이들의 성분 함량을 분석하였다. 상기 원재료의 성분 함량을 분석함에, 수분, 휘발분, 회분, 고정탄소의 함량은 공업분석법으로, 유황의 함량은 C/S분석, 발열량은 공업분석 결과 값에 의한 계산식으로 산출하였다. 또한 각 분석에 사용된 샘플 개수는 각각 10개로 하여 그 평균값을 나타내었다. 상기와 같은 함량 분석의 결과는 다음 표와 같았다.
원재료 수분
(%) 		휘발분
(%) 		회분
(%) 		고정탄소
(%) 		유황분
(%) 		저위 발열량
(㎈/g)
유연탄 17.22 41.17 4.63 39.28 0.32 5932
우드 칩 25.47 83.25 0.97 15.78 0.01 4282
연료의 제조
<2-1> 원료탄과 반탄화 바이오매스의 혼합 고형 연료의 제조
단계 1: 반탄화 바이오매스의 제조
먼저, 상기 실시예 1에서 준비한 우드 칩을 탄화실에 장입하여 밀폐하고, 300 ℃이 온도에서 2시간 동안 열분해 분위기의 공정을 거쳐 반탄화 바이오매스를 제조하였다. 이와 같이 제조된 바이오매스를 상기 실시예 1에서와 같은 방법으로 함량 분석하였고, 그 결과는 다음 표와 같았다.
원재료 수분
(%) 		휘발분
(%) 		회분
(%) 		고정탄소
(%) 		유황분
(%) 		저위 발열량
(㎈/g)
반탄화
우드 칩 		1.07 72.19 1.40 26.41 0.01 5182
단계 2: 반탄화 바이오매스와 원료탄의 혼합 및 성형
상기 실시예 1에서 준비한 유연탄과 상기 실시예 2의 단계 1에서 제조된 반탄화 바이오매스를 각각 10:90, 30:70, 40:60, 50:50, 60:40, 70:30 및 90:10의 중량비로 혼합하고, 이를 건조(열풍식 건조기) 및 압밀(펠릿 성형기)하여 펠릿 형태로 성형하여, 수분 함량이 전체 중량 대비 6 중량%이고 입도가 8 ㎜ 내지 20 ㎜인 고형 연료를 제조하였다. 이와 같이 제조된 고형 연료를 원료탄과 반탄화 바이오매스의 혼합 비율에 따라 각각 실험군 1 연료 내지 실험군 7 연료라고 하였다.
<2-2> 비교 연료의 제조
대조군 연료 1: 우드 펠릿(wood pellet)
상기 실시예 1에서 준비한 우드 칩을 건조(열풍식 건조기) 및 압밀(펠릿 성형기)하여 펠릿 형태로 성형하여, 수분 함량이 전체 중량 대비 1 중량% 미만, 7 중량% 및 10 중량%이고 입도가 8 ㎜ 내지 20 ㎜인 우드 펠릿을 제조하였다. 이와 같이 제조된 우드 펠릿을 수분 함량에 따라 각각 대조군 1-1 연료 내지 대조군 1-3 연료라고 하였다.
대조군 연료 2: 유연탄
상기 실시예 1에서 준비한 유연탄을 건조(열풍식 건조기) 및 압밀(펠릿 성형기)하여 펠릿 형태로 성형하여, 수분 함량이 전체 중량 대비 8.62 중량%, 13 중량% 및 30 중량%이고 입도가 8 ㎜ 내지 20 ㎜인 유연탄 펠릿을 제조하였다. 이와 같이 제조된 유연탄 펠릿을 수분 함량에 따라 각각 대조군 2-1 연료 내지 대조군 2-3 연료라고 하였다.
대조군 연료 3: 원료탄과 바이오매스의 혼합 고형 연료
상기 실시예 1에서 준비한 유연탄과 우드 칩(반탄화하지 않은 바이오매스)을 각각 10:90, 30:70, 50:50, 70:30 및 90:10의 중량비로 혼합하고, 이를 건조(열풍식 건조기) 및 압밀(펠릿 성형기)하여 펠릿 형태로 성형하여, 수분 함량이 전체 중량 대비 6 중량%이고 입도가 8 ㎜ 내지 20 ㎜인 고형 연료를 제조하였다. 이와 같이 제조된 고형 연료를 원료탄과 바이오매스의 혼합 비율에 따라 각각 대조군 3-1 연료 내지 대조군 3-5 연료라고 하였다.
<2-3> 각 연료들의 함량 분석
상기 실시예 <2-1> 및 실시예 <2-2>에서 제조된 실험군 및 대조군 연료들을 상기 실시예 1에서와 같은 방법으로 함량 분석하였고, 그 결과는 다음 표와 같았다.
연료 원료탄:바이오매스
혼합 비율 		무수 기준 저위
발열량
(㎈/g)
수분
(%) 		휘발분
(%) 		회분
(%) 		고정
탄소( % ) 		유황분
(%)
실험군 1 연료 10 : 90(반탄화) 6 44.27 4.31 37.99 0.29 5857
실험군 2 연료 30 : 70(반탄화) 6 50.48 3.66 35.42 0.23 5707
실험군 3 연료 40 : 60(반탄화) 6 53.58 3.34 34.13 0.20 5632
실험군 4 연료 50 : 50(반탄화) 6 56.68 3.02 32.85 0.17 5557
실험군 5 연료 60 : 40(반탄화) 6 59.78 2.69 31.56 0.13 5482
실험군 6 연료 70 : 30(반탄화) 6 62.88 2.37 30.27 0.10 5407
실험군 7 연료 90 : 10(반탄화) 6 69.09 1.72 27.70 0.04 5257
대조군 1-3 연료 0 : 100(일반) 10 70.14 0.95 20.18 0.1 4600
대조군 2-1 연료 100 : 0 8.62 35.40 8.21 56.39 0.48 7200
대조군 3-1 연료 10 : 90(일반) 6 45.38 4.26 36.93 0.29 5767
대조군 3-2 연료 30 : 70(일반) 6 53.79 3.53 32.23 0.23 5437
대조군 3-3 연료 50 : 50(일반) 6 62.21 2.80 27.53 0.17 5107
대조군 3-4 연료 70 : 30(일반) 6 70.63 2.07 22.83 0.10 4777
대조군 3-5 연료 90 : 10(일반) 6 79.04 1.34 18.13 0.04 4447
연료들의 특성 분석
<3-1> HGI(Hardgrove Grindability Index) 분쇄도
상기 실시예 <2-1> 및 실시예 <2-2>에서 제조된 실험군 및 대조군 연료들을 표준 볼-밀(ball-mill)로 마광하고, 상기 마광된 연료들을 200 메쉬(mesh) 체로 걸렀다. 그런 다음, 상기 마광한 연료의 중량에 대하여 상기 200 메쉬 체를 통과한 연료의 비율을 측정하여 %로 나타내었다. 그 결과는 다음 표와 같았다.
연료 HGI 분쇄도(%)
실험군 1 연료 45
실험군 2 연료 58
실험군 3 연료 74
실험군 4 연료 80
실험군 5 연료 82
실험군 6 연료 83
실험군 7 연료 85
대조군 1-1 연료 10
대조군 1-2 연료 5
대조군 2-2 연료 50
대조군 2-3 연료 35
대조군 3-1 연료 15
대조군 3-2 연료 25
대조군 3-3 연료 35
대조군 3-4 연료 45
대조군 3-5 연료 60
상기 HGI 값이 높을수록 분쇄하기가 용이함을 의미하는 것으로서, 실험군 1 내지 7 연료가 대조군 1-1, 1-2, 2-2 및 2-3 연료에 비하여 전체적으로 분쇄도가 우수한 것으로 확인되었다. 또한, 일반 우드 칩을 이용한 대조군 3-1 내지 3-5 연료에 비하여, 반탄화 우드 칩을 이용한 실험군 1 내지 7 연료가 전체적으로 우수한 분쇄도를 나타내었고, 실험군 1 내지 7 연료 중에서도 특히 실험군 3 내지 7 연료의 분쇄도가 70% 이상으로서 고형 연료로서 이용되기에 적합한 분쇄도를 가지는 것으로 확인되었다.
<3-2> 연소효율
상기 실시예 <2-1> 및 실시예 <2-2>에서 제조된 실험군 및 대조군 연료들 0.5 g을 200 메쉬로 미분화하여 30 ㎖ 자기 도가니에 넣고 850 ℃로 가열하여, 각 연료들이 착화되는 온도(착화온도), 착화되는데 걸리는 시간(착화시간) 및 착화된 후 연소가 끝나는데 걸리는 시간(연소시간)을 각각 측정하였다. 그 결과는 다음 표와 같았다.
연료 착화온도(℃) 착화시간(초) 연소시간(초)
실험군 1 연료 300 22 68
실험군 2 연료 270 18 55
실험군 3 연료 250 16 47
실험군 4 연료 250 15 45
실험군 5 연료 250 14 43
실험군 6 연료 250 13 40
실험군 7 연료 250 13 40
대조군 1-2 연료 250 20 55
대조군 2-2 연료 350 30 90
대조군 3-1 연료 290 20 65
대조군 3-2 연료 260 17 60
대조군 3-3 연료 250 14 44
대조군 3-4 연료 250 13 40
대조군 3-5 연료 250 12 38
상기 착화온도는 낮을수록, 착화시간이 짧을수록 연료가 쉽게 착화됨을 의미하고, 연소시간은 짧을수록 연료가 쉽게 연소됨을 의미한다. 상기 표에서 나타난 바와 같이, 실험군 3 내지 7 연료가 착화온도, 착화시간 및 연소시간의 측면에서 고형 연료로서 이용되기에 적합한 연소효율을 가지는 것으로 확인되었다.
<3-3> 흡습성
상기 실시예 <2-1> 및 실시예 <2-2>에서 제조된 실험군 및 대조군 연료들을 상대습도 95%의 환경에 노출시키고, 시간의 경과에 따라 연료 내의 수분 함량을 %로 측정하였다. 그 결과는 다음 표와 같았다.
연료 0초 50초 100초 180초 350초 550초 1000초 1250초
실험군 1 연료 6 7.5 8.7 10 11.5 12 12.7 13
실험군 2 연료 6 7 8 8.9 10.2 10.8 11.4 11.6
실험군 3 연료 6 7 7.5 7.7 8.1 8.3 8.35 8.4
실험군 4 연료 6 7 7.3 7.5 7.7 7.9 8.1 8.2
실험군 5 연료 6 7 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0 8.1
실험군 6 연료 6 7 7.1 7.2 7.5 7.8 7.95 8
실험군 7 연료 6 7 7.1 7.2 7.5 7.7 7.8 7.9
대조군 1-2 연료 7 10 13 15.5 17 18 19 19.5
대조군 2-2 연료 13 18 22 25 27 27.7 28.8 29
대조군 3-1 연료 6 10.2 14 16.5 17.5 18.2 19.3 20.2
대조군 3-2 연료 6 10.5 14.3 16.7 17.8 18.1 19.4 20.1
대조군 3-3 연료 6 10.2 14 16.5 17.5 18.2 19.3 20.2
대조군 3-4 연료 6 10.5 14.3 16.7 17.8 18.1 19.4 20.1
대조군 3-5 연료 6 10.1 14.5 16.6 17.5 18.3 19.2 19.8
그 결과, 실험군 1 내지 7 연료가 대조군 연료들에 비하여 전체적으로 낮은 흡습성을 나타내는 것으로 확인되었고, 시간의 경과에 따른 상기 연료 내의 수분 함량이 적을수록 연료를 저장성 및 보관성이 우수함을 의미하는바, 실험군 3 내지 7 연료가 고형 연료로서 이용되기에 적합한 수분 흡수성을 가지는 것으로 확인되었다.
<3-4> 에너지 밀도
상기 실시예 <2-1> 및 실시예 <2-2>에서 제조된 실험군 및 대조군 연료들을 대상으로 겉보기 밀도와 단위 질량당 발열량(저위 발열량)을 측정하여 단위 체적당 열량을 산출하였다. 상기 단위 질량당 발열량(저위 발열량)은 KS E 3707 규격의 측정법에 따라 자동식 봄베열량계(Ika C200 모델)를 이용하여 측정하였다. 그 결과는 다음 표와 같았다.
연료 겉보기 밀도
(㎏/㎥) 		저위 발열량
(㎈/g) 		에너지 밀도
(㎈/㎥)
실험군 1 연료 890 5857 5,212,730
실험군 2 연료 865 5707 4,936,555
실험군 3 연료 855 5632 4,815,360
실험군 4 연료 850 5557 4,723,450
실험군 5 연료 845 5482 4,632,290
실험군 6 연료 815 5407 4,406,705
실험군 7 연료 790 5257 4,153,030
대조군 1-1 연료 620 4282 2,654,840
대조군 1-2 연료 640 3866 2,474,240
대조군 2-2 연료 213 3606 768,078
대조군 2-3 연료 253 2722 688,666
대조군 3-1 연료 880 5767 5,074,960
대조군 3-2 연료 840 5437 4,567,080
대조군 3-3 연료 780 5107 3,983,460
대조군 3-4 연료 720 4777 3,439,440
대조군 3-5 연료 660 4447 2,935,020
그 결과, 실험군 1 내지 7 연료가 대조군 연료들에 비하여 전체적으로 높은 에너지 밀도를 나타내는 것으로 확인되었고, 상기 에너지 밀도가 높을수록 운송비가 절감됨을 의미하는바, 실험군 1 내지 5 연료가 고형 연료로서 이용되기에 적합한 에너지 밀도를 가지는 것으로 확인되었다.
석탄과 반탄화 바이오매스를 혼합한 종래의 미분 연료와의 연소효율 비교
<3-1> 종래의 미분 연료의 제조
상기 실시예 1에서 준비한 유연탄을 넓게 펼쳐 놓고 24시간 이상 자연 건조시켜 수분 함량 5%로 제조한 다음, 5℃/분의 속도로 소성 온도(600℃)까지 승온시킨 로터리킬른에 상기 건조시킨 유연탄을 장입하여 일정 시간 동안 열분해시켰다. 상기와 같이 열분해 된 유연탄을 수냉자켓으로 50℃ 이하로 냉각시켜 그린석탄을 수득하였다. 상기와 같이 수득된 그린석탄과 상기 실시예 2의 단계 1에서 제조된 반탄화 바이오매스를 각각 10:90 및 20:80의 중량비로 튜브밀(볼밀) 타입의 분쇄장치에 직경 10㎜ 내지 80㎜의 볼과 함께 혼입하고, 분쇄장치를 회전시켜 볼과 원료들을 마찰에 의해 100∼200 메쉬 입도의 미분과 200 메쉬 이하(-75㎛) 입도의 미분이 각각 10:90의 비율로 이루어진 미분 연료를 제조하였다. 이와 같이 제조된 미분 연료를 그린석탄과 반탄화 바이오매스의 혼합 비율에 따라 각각 대조군 4-1 연료 및 대조군 4-2 연료라고 하였다. 상기와 같이 제조된 대조군 4-1 및 4-2 연료를 상기 실시예 1에서와 같은 방법으로 함량 분석하였고, 그 결과는 다음 표와 같았다.
미분연료
그린석탄 :
바이오매스
혼합 비율 		무수 기준 저위
발열량
(㎈/g)
수분
(%) 		휘발분
(%) 		회분
(%) 		고정
탄소( % ) 		유황분
(%)
대조군 4-1 연료 10 : 90(반탄화) 6 19.73 8.70 71.68 0.46 6600
대조군 4-2 연료 20 : 80(반탄화) 6 24.38 7.84 67.94 0.42 6400
<3-2> 미분연료의 연소효율 분석 및 비교
상기와 같이 제조된 대조군 4-1 및 4-2 연료를 상기 실시예 <3-2>에서와 같은 방법으로 연소효율을 분석하였고, 그 결과는 다음 표와 같았다.
연료 착화온도(℃) 착화시간(초) 연소시간(초)
대조군 4-1 연료 360 32 95
대조군 4-2 연료 350 30 90
실시예 <3-2>의 결과
실험군 3 연료 250 16 47
실험군 4 연료 250 15 45
실험군 5 연료 250 14 43
실험군 6 연료 250 13 40
실험군 7 연료 250 13 40
그 결과, 미분연료인 대조군 4-1 및 4-2 연료는 상기 실시예 <3-2>에서 확인된 것과 같은 실험군 3 내지 7 연료에 비하여 착화온도가 높고, 착화시간도 길며, 연소시간까지 짧음을 알 수 있었다. 따라서 실험군 3 내지 7 연료는 고형 연료로서 종래의 미분 연료에 비하여 우수한 연소효율을 나타내는 것으로 확인되었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 상기와 같은 특정 실시예에만 한정되지 아니하며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 원료탄과 반탄화 바이오매스를 40:60 내지 60:40의 중량비로 혼합한 혼합물을 포함하는 고형 연료로서,
    상기 원료탄은 유연탄 또는 무연탄이고,
    상기 고형 연료는 펠릿(pellet) 형태이며,
    상기 고형 연료는 에너지 밀도가 4,500,000 ㎈/㎥ 이상이고, HGI(Hardgrove Grindability Index) 분쇄도가 70 % 이상이고, 착화온도가 250 ℃ 이하이고, 연소속도가 50초 이하이며, 착화시간이 20초 이하인 것을 특징으로 하는 고형 연료.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 원료탄은
    원료탄 전체 중량 대비 20 중량% 이하의 수분을 함유하고 있고,
    입도가 5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 고형 연료.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 반탄화 바이오매스는
    반탄화 바이오매스 전체 중량 대비 3 중량% 이하의 수분을 함유하고 있고,
    저위 발열량이 5000 ㎈/g 이상인 것을 특징으로 하는 고형 연료.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 고형 연료는
    상기 원료탄과 상기 반탄화 바이오매스를 50:50의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 고형 연료.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 고형 연료는
    고형 연료 전체 중량 대비 6 중량% 이하의 수분을 함유하고 있고,
    입도가 8 ㎜ 내지 20 ㎜인 것을 특징으로 하는 고형 연료.
  8. 삭제
  9. 반탄화 바이오매스를 제조하는 단계;
    상기 반탄화 바이오매스를 원료탄과 40:60 내지 60:40의 중량비로 혼합하는 단계; 및
    상기 반탄화 바이오매스와 원료탄의 혼합물을 압밀하여 펠릿 형태로 성형하는 단계;를 포함하는 고형 연료의 제조방법으로서,
    상기 원료탄은 유연탄 또는 무연탄이며,
    상기 고형 연료는 에너지 밀도가 4,500,000 ㎈/㎥ 이상이고, HGI(Hardgrove Grindability Index) 분쇄도가 70 % 이상이고, 착화온도가 250 ℃ 이하이고, 연소속도가 50초 이하이며, 착화시간이 20초 이하인 것을 특징으로 하는 고형 연료의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 반탄화 바이오매스를 제조하는 단계는
    바이오매스 원료를 밀폐된 고온 건조로 내부에 투입하고 열분해하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고형 연료의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 바이오매스 원료는
    목질계 바이오매스 원료 또는 초본계 바이오매스 원료인 것을 특징으로 하는 고형 연료의 제조방법.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 열분해는
    150 ℃ 내지 350 ℃의 온도 범위에서 20분 내지 3시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 고형 연료의 제조방법.
  13. 청구항 10에 있어서, 상기 반탄화 바이오매스는
    반탄화 바이오매스 전체 중량 대비 3 중량% 이하의 수분을 함유하고 있고,
    저위 발열량이 5000 ㎈/g 이상인 것을 특징으로 하는 고형 연료의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 청구항 9에 있어서, 상기 원료탄은
    원료탄 전체 중량 대비 20 중량% 이하의 수분을 함유하고 있고,
    입도가 5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 고형 연료의 제조방법.
  16. 삭제
  17. 청구항 9에 있어서, 상기 반탄화 바이오매스를 원료탄과 혼합하는 단계는
    상기 원료탄과 상기 반탄화 바이오매스를 50:50의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 고형 연료의 제조방법.
  18. 청구항 9에 있어서, 상기 고형 연료는
    고형 연료 전체 중량 대비 6 중량% 이하의 수분을 함유하고 있고,
    입도가 8 ㎜ 내지 20 ㎜인 것을 특징으로 하는 고형 연료의 제조방법.
  19. 삭제
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