KR101876300B1 - 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법 에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과를 나타내는 발열량이 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법 에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과를 나타내는 발열량이 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
환경부에서는 2014년 7월 22일에 “자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률” 개정안을 시행하였다. 이번 개정안에 따르면 신재생에너지로 주목받는 고형연료의 관리가 강화되면서 고형연료제품의 수입·제조부터 사용단계까지 전 과정에 걸쳐 관리체계가 구축되어 폐자원의 에너지화를 질적으로 업그레이드시킬 수 있는 기반을 마련한 것으로 평가받고 있다. 개정안의 주요 내용으로는 고형연료제품에 대한 품질검사와 품질표시제도의 의무화, 고형연료제품의 제조·사용시설의 의무적 정기검사, 고형연료제품의 제조·수입·사용하는 자의 신고 의무화 등을 포함한다.
재활용법의 시행규칙의 개정안에 따르면 고형연료제품을 고형연료(Solid Refuse Fuel, 이하 SRF)와 바이오 고형연료(Bio Solid Refuse Fuel, 이하 Bio-SRF)로 분류한다. SRF에는 음식물을 제외한 생활폐기물(폐가구 포함), 폐합성섬유류, 폐타이어, 자동차 파쇄 잔재물을 제외한 폐합성 수지류, 폐고무류, 바이오고형연료제품 제조용 원료와 혼합된 연료 등을 포함된다. Bio-SRF는 폐지류, 농업 폐기물(왕겨, 쌀겨, 옥수수대 등), 초본류 폐기물, 폐목재류(철도용 침목과 전신주로 사용된 것은 제외), 땅콩 껍질, 호두껍질, 팜껍질, 코코넛 껍질, 귤 껍질 등 식물성 잔재물(음식물 제외) 등을 포함한다. SRF와 Bio-SRF는 전용 보일러, 열병합발전소, 그리고 산업시설의 연료로 판매가 가능하다.
SRF와 Bio-SRF, 목재펠릿의 품질규격에 있어서는 큰 차이가 있다. 목재펠릿과 품질 특성과 대비될 수 있는 Bio-SRF의 품질·등급 기준을 보면 발열량의 경우 Bio-SRF는 저위발열량 기준 3,000 kcal/kg 이상, 회분은 15 중량% 이하, 염소는 0.5 중량% 이하, 황분은 0.6 중량% 이하가 되어야 한다. 목재펠릿의 경우 4급 펠릿 기준 발열량은 4,040 kcal 이상, 회분은 6% 이하, 염소는 0.05% 미만, 황분은 0.05% 미만이어야 한다. 이러한 품질·등급 기준에 따르면 Bio-SRF는 목재펠릿의 4급 펠릿이 갖는 규격·품질 기준에 비교될 수 있고, 목재펠릿의 4급 펠릿보다 느슨한 기준이 적용되기 때문에 목재펠릿보다 Bio-SRF의 수요가 보다 더 확대될 수 있는 조건을 충족하고 있다고 볼 수 있다.
특히 오일팜 바이오매스 중 Empty Fruit Bunch (EFB)와 Palm Kernel Shell (PKS)는 Bio-SRF의 범주에 속하기 때문에 국내에서 오일팜 바이오매스가 Bio-SRF로서 수요가 확대될 수 있는 가능성이 훨씬 커졌다. 이미 일부 업체에서는 아열대 지역으로부터 PKS를 수입하여 발전용 연료로 사용하고 있기도 하다. 참고로 PKS나 EFB가 일부 톱밥이 혼합이 되더라도 Bio-SRF의 품질 기준이 적용된다.
한편, PKS와 EFB를 비롯한 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 연소용 연료로서 사용되기 위해서는 부피 밀도를 가능하다면 크게 하여 물류비용을 절감할 필요가 있고, 또한 이들의 에너지 밀도도 향상시킬 필요가 있다. 그러기 위해서는 반탄화 (torrefaction)와 같은 에너지 최적화 기술을 적용시켜 연료로서의 효율성을 높여야 하지만 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 반탄화되고 나면 천연접착제의 역할을 하는 리그닌의 분해로 인하여 바이오매스 입자들간 상호 결합력이 현저히 떨어지고 펠릿 성형이 어려워지는 문제가 있었다.
한편, 종래에는 해조류를 이용하여 바이오 석탄을 제조하는 방법이 개시되어 있는데, 이러한 구성은 이산화탄소 등의 유해가스 발생량을 대폭 저감함과 동시에 연소 불안정을 저감할 수 있는 효과를 갖지만, 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과를 나타내기 어려운 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 해결하려는 과제는 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과를 나타내는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 펠릿화하여 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계 및 상기 바이오매스 펠릿을 반탄화 공정을 수행하여 바이오 석탄을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 반탄화 공정은 무산소 및 대기압 하에서 200℃ ~ 320℃에서 수행하며, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 EFB(Empty fruit bunch) 및 PKS(Palm kernel shell) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계 전에 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 전처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 전처리하는 단계는 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 EFB인 경우, EFB를 함수율 15% 미만으로 건조하는 단계 및 EFB의 길이를 60 mm 미만으로 가공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 전처리하는 단계는 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 PKS인 경우 초기 부피의 70% 미만으로 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계는 100℃ ~ 170℃에서 30분 ~ 90분 동안 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 반탄화 공정은 내부온도를 20℃ ~ 25℃부터 7℃ ~ 13℃/min의 속도로 승온시키고, 불활성 기체를 0.03 ~ 0.07 L/min의 속도로 공급하여 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 바이오 석탄을 제조하는 단계는 230℃ ~ 320℃에서 수행할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 발열량이 4,000 ~ 6,500 kcal/kg이고, 반탄화 된 EFB(Empty fruit bunch) 펠릿 또는 반탄화 된 PKS(Palm kernel shell) 펠릿을 포함하며, 반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 1에 따른 질량 수율(Mass yield)이 38 ~ 92 %이고, 하기 관계식 2에 따른 에너지 수율(Enerhy yield)이 58 ~ 97 % 이며, 반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 1에 따른 질량 수율이 40 ~ 90 %이고, 하기 관계식 2에 따른 에너지 수율이 51 ~ 96 % 인 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제공한다.
[관계식 1]
상기 관계식 1에서, Mtorrefaction은 반탄화 후의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이고, Mraw는 반탄화 전의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이다.
[관계식 2]
상기 관계식 2에서 Hhv는 고위발열량을 나타낸 것이다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 바이오 석탄은 반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 3에 따른 에너지밀도(Energy denity)가 1.03 ~ 1.42일 수 있고, 반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 3에 따른 에너지밀도가 1.06 ~ 1.34 일 수 있다.
[관계식 3]
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 바이오 석탄은 반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 4에 따른 내구성이 70 ~ 92 %일 수 있고, 반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 4에 따른 내구성이 60 ~ 85 % 일 수 있다.
[관계식 4]
상기 내구성은 ISO 3310-2 규정에 따른 직경 3.15 mm의 체로 걸러진 바이오 석탄 펠릿 500 g을 0.01g 수준까지 무게를 측정하여 CEN/TS 15210-1 규정에 근거한 내구성시험기에 넣은 후 50 rpm의 속도로 10분간 수행한 후, 상기 직경 3.15 mm의 체로 거른 후의 바이오 펠릿의 무게(g)를 측정한 것이다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 반탄화 된 EFB 펠릿은 탄소 46 ~ 67.5 중량%, 산소 18.5 ~ 43 중량%, 수소 4 ~ 6.15 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을 포함할 수 있고, 상기 반탄화 된 PKS 펠릿은 탄소 51.5 ~ 67 중량%, 산소 23 ~ 40 중량%, 수소 4.2 ~ 6.2 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 바이오 석탄은 발열량이 5,000 ~ 6,300 kcal/kg 일 수 있다.
본 발명의 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법은 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 시료 사진이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 펠릿성형장치의 사진이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 평면도 및 3차원 구조 이미지이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 바이오 석탄 제조 장치의 사진이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 내구성시험기의 사진이다.
도 6은 본 발명의 비교예 3에 따른 석탄화 된 PKS 및 바이오 석탄 펠릿의 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교예 4에 따른 석탄화 된 EFB 및 바이오 석탄 펠릿의 사진이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 PKS 바이오 석탄 및 EFB 바이오 석탄의 사진이다.
도 9은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 탄소, 수소 및 산소의 분자비 그래프이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 공업분석 결과 그래프이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 발열량 그래프이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 발열량 증가율 그래프이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 내구성 그래프이다.
도 14은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 열분해 특성 그래프이다.
도 15은 본 발명의 바람직한 일실실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 질량 수율 및 에너지 수율 그래프이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 에너지 밀도 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 펠릿성형장치의 사진이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 평면도 및 3차원 구조 이미지이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 바이오 석탄 제조 장치의 사진이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 내구성시험기의 사진이다.
도 6은 본 발명의 비교예 3에 따른 석탄화 된 PKS 및 바이오 석탄 펠릿의 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교예 4에 따른 석탄화 된 EFB 및 바이오 석탄 펠릿의 사진이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 PKS 바이오 석탄 및 EFB 바이오 석탄의 사진이다.
도 9은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 탄소, 수소 및 산소의 분자비 그래프이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 공업분석 결과 그래프이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 발열량 그래프이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 발열량 증가율 그래프이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 내구성 그래프이다.
도 14은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 열분해 특성 그래프이다.
도 15은 본 발명의 바람직한 일실실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 질량 수율 및 에너지 수율 그래프이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 에너지 밀도 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 종래의 구성은 이산화탄소 등의 유해가스 발생량을 대폭 저감함과 동시에 연소 불안정을 저감할 수 있는 효과를 갖지만, 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과를 나타내기 어려운 문제가 있었다.
이에 본 발명은 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 펠릿화하여 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계 및 상기 바이오매스 펠릿을 반탄화 공정을 수행하여 바이오 석탄을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 반탄화 공정은 무산소 및 대기압 하에서 200℃ ~ 320℃에서 수행하며, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 EFB(Empty fruit bunch) 및 PKS(Palm kernel shell) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 이를 통해, 종래의 발명과는 달리 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과를 달성할 수 있다.
먼저, 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 펠릿화하여 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계를 설명한다.
상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 통상적으로 펠릿화하여 석탄을 제조할 수 있는 리그노셀룰로오스계 바이오매스라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 EFB(Empty fruit bunch) 및 PKS(Palm kernel shell) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
한편, 상기 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계전에 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 전처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 EFB(Empty fruit bunch)인 경우, EFB를 함수율 15% 미만으로, 바람직하게는 13% 미만으로 건조하는 단계 및 EFB의 길이를 60 mm 미만으로, 바람직하게는 50 mm 미만으로 가공하는 단계를 포함할 수 있다. 만일 상기 함수율이 15% 이상이면 펠릿의 성형 수율이 50% 이하로 떨어지는 문제가 발생할 수 있고, 상기 길이가 60 mm 이상이면 섬유들 사이의 엉김 현상으로 인하여 펠릿 다이를 통과하기 용이하지 않은 문제가 발생할 수 있다.
그리고, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 PKS(Palm kernel shell)인 경우 초기 부피의 70% 미만으로, 바람직하게는 60% 미만으로 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 만일 상기 분쇄 후 부피가 초기 부피의 70% 이상이면 펠릿 제조가 용이하지 않은 문제가 발생할 수 있다.
상기 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계는 통상적으로 펠릿을 제조하는 조건이라면 제한되지 않으며, 바람직하게는 펠릿 롤과 바이오매스 사이의 마찰열로 인한 온도인 100℃ ~ 170℃에서, 더욱 바람직하게는 120℃ ~ 150℃에서 30 ~ 90분 동안, 바람직하게는 40 ~ 80분 동안 펠릿 성형작업을 수행하여 바이로매스 펠릿을 제조할 수 있다. 만일 상기 온도가 100℃ 미만이면 펠릿의 내구성이 좋지 않은 문제가 발생할 수 있고, 170℃를 초과하면 과한 마찰열로 인하여 화재의 위험이 생기는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 펠릿 성형 시 바이오매스가 펠릿제조장치의 다이(die)를 통해 분말 형태로 그대로 통과되면 펠릿의 성형 수율이 급격히 떨어지는 문제가 발생할 수 있고, 5분 이상 경과후에도 펠릿제조장치의 다이를 통해 펠릿이 배출되지 않으면 마찰열로 인해 화재가 발생할 수 있다.
다음으로, 상기 바이오매스 펠릿을 반탄화 공정을 수행하여 바이오 석탄을 제조하는 단계를 설명한다.
상기 반탄화 공정은 통상적인 반탄화 공정의 온도에서 수행할 수 있으며, 바람직하게는 무산소 및 대기압 하에서 200℃ ~ 320℃에서, 바람직하게는 무산소 및 대기압 하에서 230℃ ~ 320℃에서 수행할 수 있다. 만일 상기 반탄화 공정의 온도가 200℃ 미만이면 발열량이 낮고, 에너지 밀도가 낮은 문제가 발생할 수 있고, 온도가 320℃를 초과하면 내구성이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
그리고 상기 반탄화 공정은 내부온도를 20℃ ~ 25℃부터, 바람직하게는 21℃ ~ 24℃부터 7℃ ~ 13℃/min의 속도로, 바람직하게는 8℃ ~ 12℃/min의 속도로 승온시킬 수 있다. 만일 상기 내부온도를 20℃ 미만부터 승온시키면 승온 시 필요한 에너지가 과도하게 소비되는 문제가 발생할 수 있고, 25℃를 초과한 온도부터 승온시키면 균일하게 반탄화가 되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 특히, 100℃를 초과한 온도부터 승온시키면 내부에 비하여 표면이 과도하게 반탄화되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일 상기 승온속도가 7℃/min 미만이면 에너지 소비가 많이 일어나고, 공정 시간이 길어지는 문제가 발생할 수 있고, 13℃/min을 초과하면 균일하게 반탄화가 되지 않는 한 문제가 발생할 수 있다.
그리고, 상기 반탄화 공정은 통상적으로 반탄화 공정에서 불활성 기체를 공급하는 속도라면 제한되지 않으며, 바람직하게는 0.03 ~ 0.07 L/min의 속도로, 더욱 바람직하게는 0.04 ~ 0.06 L/min의 속도로 공급하여 수행할 수 있다. 만일 상기 불활성 기체를 공급하는 속도가 0.03 L/min 미만이면 바이오매스가 연소되어 화재 발생의 문제가 발생할 수 있고, 0.07 L/min을 초과하면 제조원가가 상승하고, 반탄화가 잘 되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
한편 상기 불활성 기체는 통상적으로 반탄화 공정에서 사용되는 불활성 기체라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 질소 기체를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명은 특정 발열량을 가지고, 반탄화 된 EFB(Empty fruit bunch) 펠릿 또는 반탄화 된 PKS(Palm kernel shell) 펠릿을 포함하며, 특정 질량 수율(Mass yield) 및 특정 에너지 수율(Enerhy yield)을 갖는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제공한다.
[관계식 1]
상기 관계식 1에서, Mtorrefaction은 반탄화 후의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이고, Mraw는 반탄화 전의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이다.
[관계식 2]
상기 관계식 2에서 Hhv는 고위발열량을 나타낸 것이다.
구체적으로, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄은 발열량이 4,000 ~ 6,500 kcal/kg 이고, 바람직하게는 발열량이 5,000 ~ 6,300 kcal/kg일 수 있다. 이는 통상적인 바이오 석탄의 발열량이 5,000 kcal/kg 미만인데 비하여, 월등하게 우수한 발열량을 나타낸다. 만일 상기 발열량이 4,000 ~ 6,500 kcal/kg의 범위를 벗어나면 석탄으로써 연료로 사용하기에 적합하지 않은 문제가 있다.
한편, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄이 반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 상기 관계식 1에 따른 질량 수율(Mass yield)이 38 ~ 92%, 바람직하게는 질량 수율이 38 ~ 65%일 수 있고, 상기 관계식 2에 따른 에너지 에너지 수율(Enerhy yield)이 58 ~ 97 %, 바람직하게는 에너지 수율이 58 ~ 85 % 일 수 있다.
그리고, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄이 반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 상기 관계식 1에 따른 질량 수율(Mass yield)이 40 ~ 90 %, 바람직하게는 질량 수율이 40 ~ 75 % 일 수 있고, 상기 관계식 2에 따른 에너지 수율(Enerhy yield)이 51 ~ 96 %, 바람직하게는 51 ~ 78 % 일 수 있다.
이에 따라, 상기 바이오 석탄이 반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 3에 따른 에너지밀도(Energy denity)가 1.03 ~ 1.42, 바람직하게는 에너지밀도가 1.19 ~ 1.42일 수 있으며, 상기 바이오 석탄이 반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 3에 따른 에너지밀도(Energy denity)가 1.06 ~ 1.34, 바람직하게는 1.08 ~ 1.34 일 수 있다.
[관계식 3]
만일, 상기 에너지밀도가 상기 범위 미만이면 목적하는 만큼의 에너지밀도 향상이 나타나지 않는 문제가 발생할 수 있고, 상기 범위를 초과하면 상대적으로 반탄화 온도를 높여야 하기 때문에 내구성이 좋지 않아지는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 바이오 석탄이 반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 4에 따른 내구성이 70 ~ 92 %, 바람직하게는 내구성이 70 ~ 82 % 일 수 있으며, 상기 바이오 석탄이 반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 4에 따른 내구성이 60 ~ 85 %, 바람직하게는 60 ~ 73 % 일 수 있다.
[관계식 4]
상기 내구성은 ISO 3310-2 규정에 따른 직경 3.15 mm의 체로 걸러진 바이오 석탄 펠릿 500 g을 0.01g 수준까지 무게를 측정하여 CEN/TS 15210-1 규정에 근거한 내구성시험기에 넣은 후 50 rpm의 속도로 10분간 수행한 후, 상기 직경 3.15 mm의 체로 거른 후의 바이오 펠릿의 무게(g)를 측정한 것이다.
만일, 상기 내구성이 상기 범위 미만이면 내구성이 좋지 않고, 바이오 석탄의 운반성이 좋지 않은 문제가 발생할 수 있고, 상기 범위를 초과하면 상대적으로 반탄화 온도를 낮춰야 하기 때문에 에너지 밀도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 반탄화 된 EFB 펠릿은 탄소 46 ~ 67.5 중량%, 산소 18.5 ~ 43 중량%, 수소 4 ~ 6.15 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을, 바람직하게는 탄소 54 ~ 67 중량%, 산소 19 ~ 33 중량%, 수소 4.2 ~ 5.9 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을 포함할 수 있다. 또한, 상기 반탄화 된 PKS 펠릿은 탄소 51.5 ~ 67 중량%, 산소 23 ~ 40 중량%, 수소 4.2 ~ 6.2 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을, 바람직하게는 탄소 54.5 ~ 66.5 중량%, 산소 23 ~ 36 중량%, 수소 4.3 ~ 5.9 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예들을 통해 설명한다. 이때, 하기 실시예들은 발명을 예시하기 위하여 제시된 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
[
실시예
]
실시예
1:
리그노셀룰로오스계
바이오 석탄의 제조
(1)
바이오매스
펠릿의 제조
도 1b와 같은 인도네시아 팜유 추출 및 정제 공정에서 부산물로 발생하는 PKS를 전처리 단계로써, 초기 부피에 대하여 평균부피 60% 미만으로 분쇄하였다. 그 후 자체 마찰열로 인한 온도인 135℃에서, 도 2의 펠릿성형장치(DUCO, korea)를 이용하여 바이오매스 펠릿을 제조하였다. 상기 펠릿성형장치는 플랫다이(flat die) 방식이며, 펠릿 다이의 구조는 도 3과 같이 3단계로 토출되는 구조의 펠릿 다이를 사용하였다.
(2)
리그노셀룰로오스계
바이오 석탄의 제조
상기 바이오매스 펠릿을 도 4와 같은 바이오 석탄 제조 장치(Manufacturing equipment of bio-coals, 경상대학교 펄프종이신소재연구실)를 통해 반탄화하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다. 구체적으로, 반응조 내부를 무산소 및 대기압 상태로 설정하고, 불활성 기체로 질소를 0.05 L/min의 유량으로 공급하였다. 상기 바이오 매스 펠릿을 투입한 후 반응조 내부의 온도는 24℃부터 10℃/min의 속도로 승온시켰으며, 200℃에서 30분 동안 반응시켜서 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.
실시예 2
반탄화의 온도를 200℃에서 250℃로 변경한 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.
실시예
3
반탄화의 온도를 200℃에서 300℃로 변경한 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.
실시예
4
PKS를 EFB로 변경하고, 전처리 단계로써 EFB의 함수율을 10%로 자연 건조시키고, 건조한 EFB를 길이가 50 mm 미만이 되도록 잘라서 사용한 것을 제외하면, 실시예 1과 동일하게 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.
실시예
5
반탄화의 온도를 200℃에서 250℃로 변경한 것을 제외하면 실시예 4와 동일하게 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.
실시예
6
반탄화의 온도를 200℃에서 300℃로 변경한 것을 제외하면 실시예 4와 동일하게 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.
비교예
1
반탄화 공정을 수행하지 않은 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
비교예
2
반탄화 공정을 수행하지 않은 것을 제외하면 실시예 4와 동일하게 실시하여 제조하였다.
비교예 3
반탄화 공정을 먼저 수행한 후, 펠릿으로 제조한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.
비교예
4
반탄화 공정을 먼저 수행한 후, 펠릿으로 제조한 것을 제외하면 실시예 4과 동일한 조건으로 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.
실험예
1: 품질 특성 분석
실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 품질특성을 분석하기 위하여 국립산림과학원 고시 목재펠릿 규격·품질기준(제2014-9호)에 근거하여 회분, 염소분, 질소분, 황분 및 발열량을 측정하였다.
바이오 석탄 제조 전후 펠릿에 대한 원소분석을 위해 원소 분석기 (EA1110, CE Instruments)를 사용하였다. 시료를 1 mm 금속망 체를 통과하는 크기로 잘게 부순 후 100 mg을 취하여 원소분석기를 이용하여 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 그리고 황(S) 함량을 측정하였다. 산소 함량은 하기 수학식 1를 사용하여 계산하였다.
[수학식 1]
O(%) = 100-C(%)-H(%)-N(%)-S(%)-ash(dry, %)
바이오 석탄 제조 전후 펠릿에 포함된 고유 수분, 고정탄소, 회분, 그리고 휘발분을 측정을 위해 한국산업규격 KS E 3705에 근거하여 TGA (SDT Q600, TA Instruments)를 근거하여 분석하였다. 연소용 연료에 대한 일반적인 계산방법인 '수분+휘발분+고정탄소+회분=100'으로 계산하였다.
(1) 성형성 평가
목질계 바이오매스를 구성하는 리그닌 성분은 펠릿 성형 단계에서 120 ~ 150℃의 온도로 가온되면서 천연접착제 역할을 하게 되고, 이를 통해 별도의 접착제 없이도 펠릿이 성형될 수 있다. 하지만 바이오 석탄 과정을 거치면서 리그닌 구조는 해중합과 재축합 반응을 겪게 되고 이러한 과정을 통하여 숯의 구조로 변환되면서 고유의 접착력을 잃게 된다. 결국 바이오 석탄으로 제조된 목질계 바이오매스는 바이오 석탄 제조 전과는 달리 자체 결합력을 이용한 펠릿 성형이 불가능해지기 때문에 펠릿 성형 수율이 급격히 떨어진다.
구체적으로, 도 6은 본 발명의 비교예 3에 따른 석탄화 된 PKS 및 바이오 석탄 펠릿의 사진인데, 도 6a는 PKS를 200℃에서 바이오 석탄으로 제조한 PKS 바이오 석탄을 나타내고, 도 6b는 바이오 석탄 제조 후 펠릿제조장치를 이용하여 펠릿으로 성형하였을 때 토출된 형상을 보여준다. 바이오 석탄화 된 PKS를 이용하여 펠릿을 성형하면 대부분이 가루 형태로 펠릿 다이를 통해 토출되거나 매우 짧아진 상태로 토출되어 성형 상태가 매우 일정하지 않았다.
그리고, 도 7은 본 발명의 비교예 4에 따른 석탄화 된 EFB 및 바이오 석탄 펠릿의 사진인데, 도 7a는 EFB를 200℃에서 바이오 석탄으로 제조한 EFB 바이오 석탄을 나타내고, 도 7b는 바이오 석탄 제조 후 펠릿제조장치를 이용하여 펠릿으로 성형하였을 때 토출된 형상을 보여준다. 비교예 4는 비교예 3과 마찬가지로 펠릿 다이를 통한 발열 과정이 일어나기 전에 다이 구멍을 통해 가루 형태로 그대로 배출되거나 EFB 입자들 사이의 결합력이 매우 약하기 때문에 길이가 짧거나 모양이 일정하지 않은 상태로 토출되었다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 PKS 바이오 석탄 및 EFB 바이오 석탄의 사진이다. 도 8a 및 도 8e는 반탄화 공정을 수행하지 않은 비교예 1 및 2의 바이오매스 펠릿을 나타내는데, 도 8a 및 도 8e에서 볼 수 있듯이 펠릿 성형이 매우 용이하게 진행된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 8b ~ 도 8d는 실시예 1 ~ 3에 따른 바이오 석탄을, 도 8f ~ 도 8h는 실시예 4 ~ 6에 따른 바이오 석탄을 나타내며, 바이오 석탄 제조 시 온도가 높아질수록 펠릿의 표면 색상이 암갈색에서 흑갈색으로, 그리고 최종적으로 흑색으로 변화되는 것을 쉽게 확인할 수 있었다. 즉, 펠릿의 표면 색상만으로도 바이오 석탄화 정도를 쉽게 판단할 수 있었다. 또한, 석탄화를 진행한 후 펠릿화한 비교예 3 및 4에 비하여 성형성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
(2) 원소 변화 및 공업 분석
실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 2와 같이 PKS와 EFB로 제조된 펠릿을 상이한 온도에서 바이오 석탄으로 제조하였을 때 원소 변화를 표 1 및 표 2에 나타내었다. PKS와 EFB는 오일팜 바이오매스가 발생되는 지역이나 팜오일 생산공장의 조건에 따라 회분, 염소분, 유황분, 질소분 등의 조성이 달라진다. 본 발명에서 사용한 PKS와 EFB는 인도네시아 팜유 제조공장에서 분양받은 것인데 유황분 함량이 목재펠릿의 품질 특성에 규정되어 있는 0.05 중량% 미만보다 훨씬 더 많은 0.1 ~ 0.5 중량%가 검출되었다. 질소분의 경우에는 0.2 ~ 0.7 중량% 해당되어 1등급에서 4등급 펠릿의 품질 규격에 부합한 함량이 검출되었다. 하지만 환경부에서 고시한 Bio-SRF의 품질기준에 의하면 유황분은 0.6 중량% 이하가 Bio-SRF의 품질기준에 만족하기 때문에 Bio-SRF로서 충분히 사용될 수 있다. 별도로 측정한 염소 성분의 경우 EFB에서는 0.2 중량% 검출되었고, PKS에서는 거의 검출이 되지 않았기 때문에 Bio-SRF의 품질 기준인 0.5 중량% 이하를 모두 만족하였다. 하지만 목재펠릿의 품질 기준인 0.05 중량% 미만에는 충족하지 않았다. 바이오 석탄 제조 시 온도가 높아지면서 유황분의 경우 함량 변화가 거의 없는 반면에, 질소분의 경우에는 바이오 석탄 제조 시 온도가 높아지면서 조금씩 증가하였다. 이는 바이오 석탄 제조 과정에서 투입되는 불활성 가스인 질소 성분이 펠릿의 공극 사이에 잔류하여 질소 함량의 증가에 영향을 미친 것으로 추정된다. PKS와 EFB를 바이오 석탄으로 만든 후 펠릿을 제조하였을 때는 질소분의 함량 변화가 전혀 일어나지 않은 것에서 그 근거를 찾을 수 있다. 실제 대용량으로 바이오 석탄화시키는 공정에서는 질소 가스를 사용하지 않기 때문에 바이오 석탄 제조 시 온도가 높아짐에 따른 질소 함량의 증가 문제는 발생하지 않을 것으로 예상된다.
회분 함량의 경우에는 바이오 석탄화가 진행되면서 휘발분 증발이나 수분 함량의 감소에 따라 상대적으로 회분 함량이 증가하기 시작하는데 PKS 펠릿과 EFB 펠릿 모두 250 ~ 300℃ 온도에서 바이오 석탄화시켰을 때 바이오 석탄화 전보다 회분 함량의 증가가 일어났다. PKS 펠릿은 3.1 중량%에서 4.2 중량%로, 그리고 EFB 펠릿은 5.8 중량%에서 8.8 중량%로 증가하여 바이오 석탄화 전보다 33%에서 52%까지 회분 함량이 증가하였다. 목재펠릿의 품질기준에는 회분 함량이 6 중량% 이하까지 허용되어 EFB 펠릿은 바이오 석탄화로 인해 목재펠릿의 품질기준에서 벗어나지만, Bio-SRF의 품질기준에서는 회분 함량 15 중량%까지 허용되기 때문에 바이오 석탄화 된 PKS 펠릿과 EFB 펠릿 모두 고효율의 Bio-SRF로 이용될 수 있다.
바이오 석탄화가 진행되면서 PKS 펠릿과 EFB 펠릿 모두에서 수소와 산소 함량은 줄어들고 상대적으로 산소 함량이 증가하였다. 일반적으로 역청탄이나 아역청탄의 경우 탄소 함량이 약 80 중량% 수준에 이르는데 300℃의 온도에서 바이오 석탄으로 제조하더라도 탄소 함량은 66 중량% 수준에 불과하지만 바이오 석탄화로 인해 탄소 함량이 아역역청탄의 83 중량% 수준까지 증가하였다. 결국 바이오 석탄화 기술이 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 아역청탄의 성상으로 변화시켜 주는 매우 효율적인 연료 개질 기술임을 알 수 있다.
| 구분 | N(중량%) | S(중량%) | C(중량%) | H(중량%) | O(중량%) | 회분(중량%) |
| 비교예1 | 0.2 | 0.1 | 49.4 | 6.4 | 40.8 | 3.1 |
| 실시예1 | 0.2 | 0.1 | 52.8 | 6 | 38.5 | 2.8 |
| 실시예2 | 0.3 | 0.1 | 55.2 | 5.8 | 35.1 | 3.6 |
| 실시예3 | 0.7 | 0.1 | 65.6 | 4.7 | 24.6 | 4.2 |
| 구분 | N(중량%) | S(중량%) | C(중량%) | H(중량%) | O(중량%) | 회분(중량%) |
| 비교예2 | 0.5 | 0.5 | 45.7 | 6.2 | 41.4 | 5.8 |
| 실시예4 | 0.5 | 0.3 | 46.9 | 6.1 | 42.1 | 4.2 |
| 실시예5 | 0.6 | 0.2 | 55.2 | 5.7 | 32.3 | 6 |
| 실시예6 | 0.8 | 0.2 | 66.3 | 4.5 | 19.4 | 8.8 |
도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 탄소, 수소 및 산소의 분자비 그래프로써, Van Krevelen diagram 상의 탄소, 수소, 그리고 산소의 분자비 곡선이다. 도 9는 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 2의 O/C와 H/C의 변화를 보여준다. 반탄화의 온도가 높아질수록 아역청탄에 근접하였고, 300℃에서 반탄화 공정을 수행한 실시예 6이, 실시예 3에 비하여 아역청탄의 성상에 보다 더 가까워졌다. 이는 섬유상으로 구성되어 있는 EFB 펠릿은 동일한 온도에서 바이오 석탄화 시킬지라도 PKS 펠릿에 비하여 보다 더 쉽게 열분해가 진행됨을 의미하는 것이다. 결론적으로 대기압 상태에 PKS 펠릿과 EFB 펠릿을 바이오 석탄화시키면 펠릿 자체가 역청탄의 성상을 갖게 됨으로써 열효율이 매우 높게 향상될 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 공업분석 결과 그래프이다. 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 2에서 온도가 높아질수록 휘발분이 감소하는 반면에, 고정 탄소의 경우 온도가 높아짐에 따라 증가하는 것을 볼 수 있다. 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 약 80 중량%의 휘발분과 20 중량%의 고정 탄소로 구성되어 있다. 일반적으로 바이오 석탄화가 진행되면 에너지의 80 ~ 95 중량%를 보유하게 되고, 바이오매스 최초 중량의 70 ~ 90 중량%만 남게 된다. 바이오 석탄으로 제조하는 동안 바이오매스는 최초 중량에서 10 ~ 30 중량%가 가스상 형태로 제거되는데 이들 가스상 성분들은 수분과 휘발분에 해당된다. 이 때 제거되는 휘발분은 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 함유하고 있는 대부분의 산소를 포함하고 있는 성분들이고, 이들 휘발분이 제거되면서 바이오매스의 연소 효율이 향상된다. PKS 펠릿과 EFB 펠릿은 실시예 3 및 실시예 6과 같이 300℃에서 바이오 석탄화가 진행되었을 경우 고정 탄소의 비율은 약 60%까지 올라가면서 이들 펠릿의 발열량도 함께 증가하게 된다.
(3) 발열량 측정
도 11은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 발열량 그래프이다. 바이오 석탄으로 제조하기 전인 비교예 1 및 비교예 2의 PKS 펠릿 및 EFB 펠릿은 발열량이 각각 19.4 MJ/kg (=4,610.3 kcal/kg)과 18.0 MJ/kg (=4,288.9 kcal/kg)이었다. 하지만 바이오 석탄화가 진행되면서 PKS 펠릿과 EFB 펠릿의 발열량은 점차적으로 높아지면서 실시예 2는 21.7 MJ/kg(=5,157 kcal/kg), 실시예 4는 21.8 MJ/kg(=5,182.4 kg)이었고, 실시예 3은 25.9 MJ/kg(=6,174 kcal/kg), 실시예 5는 25.4 MJ/kg(=6,038 kcal/kg)으로 향상되었다.
또한, 도 12는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 발열량 증가율 그래프인데, 도 12에서 보는 바와 같이 PKS 펠릿과 EFB 펠릿은 바이오 석탄 제조 시 온도 200℃인 실시예 1 및 실시예 4는 바이오 석탄화 전보다 발열량이 각각 7%와 3%, 250℃인 실시예 2 및 실시예 5는 12%와 21%, 그리고 300℃인 실시예 3 및 실시예 6은 33.9%와 40.8%까지 상승하였다. EFB 펠릿의 바이오매스 성상이 섬유질로 구성되어 있기 때문에 PKS 펠릿보다 바이오 석탄 제조 시 온도에 더 민감하게 반응하였고, 250℃ 이후에는 PKS 펠릿에 비해 더 높은 증가율을 나타내었다. 결론적으로 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 물질 성상에 따라 바이오 석탄화에 반응하는 정도가 달라지기 때문에 바이오매스의 성상에 맞게 바이오 석탄화 조건을 적용시켜야 한다.
실험예
2: 내구성 분석
실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 내구성을 측정하기 위하여, ISO 3310-2 규정에 따른 직경 3.15 mm의 체로 걸러진 바이오 석탄 펠릿 500 g을 0.01g 수준까지 무게를 측정하여 도 5와 같은 CEN/TS 15210-1 규정에 근거한 내구성시험기에 넣은 후 50 rpm의 속도로 10분간 수행한 후, 상기 직경 3.15 mm의 체로 거른 후의 바이오 펠릿의 무게(g)를 측정하였다. 그 후, 하기 관계식 4에 따라 내구성을 계산하였다.
[관계식 4]
(1) 내구성 변화 평가
도 13은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 내구성 그래프이다. 반탄화의 온도에 따라 PKS 펠릿과 EFB 펠릿의 내구성은 빠르게 감소한다. 특히, 실시예 3 및 실시예 6에서 PKS 펠릿과 EFB 펠릿은 내구성이 바이오 석탄화 전 96%와 98%에서 반탄화 후 72-74%까지 줄어들었다. 또한, 반탄화 공정의 온도가 200℃인 실시예 1 및 실시예 4, 온도가 250℃인 실시예 2 및 실시예 5의 결과에서 온도가 높아질수록 내구성이 감소한다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 바이오 석탄화화 된 PKS 펠릿과 EFB 펠릿을 포장 후 운송할 때 바이오 석탄화 전보다 펠릿의 형상이 쉽게 부숴지는 문제가 발생할 수 있음을 의미한다. 바이오 석탄화 과정에서 펠릿을 구성하는 리그노셀룰로오스계 바이오매스 입자들 간 결합력이 급격히 약화되면서 바이오 석탄화된 펠릿을 구성하는 바이오매스 입자들이 가루 형태로 떨어져 나오거나 펠릿의 길이가 쉽게 짧아지는 문제가 발생할 수 있다.
(2) 열분해 특성 평가
도 14은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 열분해 특성 그래프이다. KS 펠릿과 EFB 펠릿 모두 바이오 석탄 제조 시 온도가 높아짐에 따라 펠릿 내부에 있던 수분 제거 후 휘발분로 제거로 인한 무게 감량이 급격히 줄어 들기 시작하였다. 휘발분 제거로 인한 무게 감량이 감소하는 대신에 고정탄소의 연소로 인한 무게 감량이 많이 일어나기 시작하였다. 이러한 경향은 바이오 석탄 제조 시 온도가 250℃인 실시예 2 및 4, 온도가 300℃인 실시예 3 및 6에서 뚜렷하게 확인할 수 있었으며, 실시예 1 ~ 6의 결과에서 볼수 있듯이 온도가 높아짐에 따라 고정탄소의 연소로 인한 무게 감량이 많이 나타났다. 바이오 석탄으로 제조하기 전인 비교예 1 및 비교예 2 또는 200℃에서 바이오 석탄으로 제조한 실시예 1 및 실시예 4는 고정 탄소의 함량이 적어 휘발분 제거에 오랜 시간이 소요되고, 고정 탄소로 인한 무게 감량은 매우 작게 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
결국 목질계 바이오매스의 연소 효율을 높이기 위해서는 고정 탄소의 함량을 높여 고정 탄소의 연소로 인한 무게 감량을 증가시켜야 하고, 이를 위해서는 바이오 석탄화를 통한 높은 연소 효율을 갖는 펠릿 제조가 중요함을 확인할 수 있었다.
실험예
3: 질량 수율, 에너지 수율 및 에너지 밀도 분석
실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 질량 수율 (mass yield), 에너지 수율 (energy yield), 그리고 에너지 밀도 (energy density)를 하기 관계식 1 ~ 3을 통해 계산하였다.
[관계식 1]
상기 관계식 1에서, Mtorrefaction은 반탄화 후의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이고, Mraw는 반탄화 전의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이다.
[관계식 2]
상기 관계식 2에서 Hhv는 고위발열량을 나타낸 것이다.
[관계식 3]
(1) 질량 수율 및 에너지 수율 측정
도 15은 본 발명의 바람직한 일실실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 질량 수율 및 에너지 수율 그래프이다. PKS 펠릿과 EFB 펠릿을 바이오 석탄화시켰을 때 질량 수율은 바이오 석탄 제조 시 온도가 200℃인 실시예 1 및 4와 온도가 300℃인 실시예 3 및 6에서 볼 수 있듯이, 온도가 높아지면서 약 90% 수준에서 40 ~ 44% 수준으로 감소하였고, 반면에 에너지 수율은 약 95% 수준에서 56 ~ 62% 수준으로 낮아진 것을 확인할 수 있었다. 바이오 석탄화 동안 질량 수율과 에너지 수율이 감소하는 것은 일차적으로 수분 증발, 휘발분 제거, 헤미셀룰로오스의 분해 등에 기인하고, 특히 바이오 석탄 제조 시 온도가 질량 수율과 에너지 수율의 감소에 큰 영향을 미치는 것에 주목하여야 한다.
(2) 에너지 밀도 측정
도 16은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 에너지 밀도 그래프이다. PKS 펠릿과 EFB 펠릿은 바이오 석탄화가 진행되면서 반탄화를 하지 않은 비교예 1 및 비교예 2의 질량에 비하여 40 ~ 50% 수준까지 질량 감소가 크게 일어났고, 에너지는 반탄화를 하지 않은 비교예 1 및 비교예 2의 에너지에 비하여 50 ~ 60%만 보유하게 되었다. 하지만 바이오 석탄화와 함께 에너지 밀도는 30 ~ 40%까지 증가하여 에너지 효율 면에서 큰 향상을 기대할 수 있었다. 하지만 200℃에서 반탄화를 진행한 실시예 1 및 실시예 4는 10% 이하의 에너지 밀도의 향상이 있지만, 250℃ 이상의 온도에서 반탄화를 진행한 실시예 2, 실시예 3, 실시예 5 및 실시예 6은 12 ~ 40% 수준의 에너지 밀도의 향상이 일어났다. 특히 EFB 펠릿을 반탄화시킨 실시예 4 ~ 6은 에너지 밀도의 상승 효과가 PKS 펠릿을 반탄화시킨 실시예 1 ~ 3 보다 더 큰 것을 알 수 있었다. 결론적으로 PKS 펠릿과 EFB 펠릿을 바이오 석탄화하기 전인 비교예 1 및 비교예 2보다 바이오 석탄으로 제조한 실시예 1 ~ 6은 작은 양의 펠릿을 연소하더라도 더 높은 에너지 효율을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
Claims (12)
- EFB(Empty fruit bunch) 또는 PKS(Palm kernel shell)를 포함하는 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 전처리하는 단계;
전처리한 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 100℃ ~ 170℃에서 30분 ~ 90분 동안 펠릿화를 수행하여 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계; 및
상기 바이오매스 펠릿을 무산소 및 대기압 하에서 온도 200℃ ~ 320℃로 반탄화 공정을 수행하여 바이오 석탄을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 전처리하는 단계는, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 EFB인 경우, EFB를 함수율 15% 미만으로 건조하는 단계 및 EFB의 길이를 60 mm 미만으로 가공하는 단계를 포함하며, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 PKS인 경우 초기 부피의 70% 미만으로 분쇄하는 단계를 포함하고,
상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 EFB인 경우 제조된 바이오 석탄은 하기 관계식 1에 따른 질량 수율이 38 ~ 92%, 하기 관계식 2에 따른 에너지 수율이 58 ~ 97% 및 하기 관계식 3에 따른 에너지 밀도가 1.03 ~ 1.42이며,
상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 PKS인 경우 제조된 바이오 석탄은 하기 관계식 1에 따른 질량 수율이 40 ~ 90%, 하기 관계식 2에 따른 에너지 수율이 51 ~ 96% 및 하기 관계식 3에 따른 에너지 밀도가 1.06 ~ 1.34인 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법:
[관계식 1]
상기 관계식 1에서, Mtorrefaction은 반탄화 후의 바이오 석탄의 질량을 나타낸것이고, Mraw는 반탄화 전의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이다.
[관계식 2]
상기 관계식 2에서 Hhv는 고위발열량을 나타낸 것이다.
[관계식 3]
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- 제1항에 있어서, 상기 반탄화 공정은
내부온도를 20℃ ~ 25℃부터 7℃ ~ 13℃/min의 속도로 승온시키고,
불활성 기체를 0.03 ~ 0.07 L/min의 속도로 공급하여 수행하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 바이오 석탄을 제조하는 단계는 230℃ ~ 320℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법.
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| KR1020160020873A KR101876300B1 (ko) | 2016-02-22 | 2016-02-22 | 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법 |
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| KR1020160020873A KR101876300B1 (ko) | 2016-02-22 | 2016-02-22 | 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법 |
Publications (2)
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|---|---|
| KR20170098658A KR20170098658A (ko) | 2017-08-30 |
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| KR1020160020873A KR101876300B1 (ko) | 2016-02-22 | 2016-02-22 | 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법 |
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| KR (1) | KR101876300B1 (ko) |
Citations (7)
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|---|---|---|---|---|
| KR101007651B1 (ko) * | 2010-03-31 | 2011-01-13 | 산림조합중앙회 | 목질원료 및 목재를 이용한 연료용 펠릿 및 그 제조방법 |
| KR20130029650A (ko) * | 2011-09-15 | 2013-03-25 | 경상대학교산학협력단 | 부레옥잠으로 제조된 고연소 효율을 갖는 바이오펠릿 및 그의 제조 방법 |
| KR101371884B1 (ko) * | 2012-09-13 | 2014-03-12 | 주식회사 경동 | 바이오매스 원료를 이용한 고체 연료의 제조 방법 및 이로부터 제조된 고체 연료 |
| KR20140035185A (ko) * | 2012-09-13 | 2014-03-21 | (주)원진세라텍 | 열처리 바이오매스 연료 제조방법 및 이에 의해 제조되는 열처리 바이오매스 연료 |
| KR101484544B1 (ko) * | 2014-11-21 | 2015-01-21 | 남문식 | 팜 부산물을 이용한 신재생에너지 연료용 펠릿 및 그 제조방법 |
| JP2015131919A (ja) * | 2014-01-15 | 2015-07-23 | 王子ホールディングス株式会社 | 燃料組成物 |
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-
2016
- 2016-02-22 KR KR1020160020873A patent/KR101876300B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (7)
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| J. of Korea Society of Waste Management, Vol. 31, No. 5, pp. 469-479, July 2014, 1부. * |
| J. of Korea Society of Waste Management, Vol. 31, No. 5, pp. 469-479, July 2014. 1부. * |
| Journal of Korea TAPPI, Vol.47. No. 1, .2015. PP 24-34. 1부. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20170098658A (ko) | 2017-08-30 |
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