KR101945186B1 - 탈무기질 바이오매스, 이를 이용한 복합 연료 생산 시스템 및 그 제조방법 - Google Patents

탈무기질 바이오매스, 이를 이용한 복합 연료 생산 시스템 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탈무기질 바이오매스, 이를 이용한 복합 연료 생산 시스템 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초본계 또는 목질계 바이오매스로부터 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스에 기인하는 고상성분과 회분 및 리그닌을 포함하는 액상성분을 산처리, 알칼리, 열수처리, 막여과를 포함하는 방법을 이용하여 금속이온을 포함하는 무기물 성분 추출 분리함으로써 무기물에 기인하는 클링커 파울링 등의 문제점을 근원적으로 배제할 수 있는 분리된 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스에 기인하는 고상성분, 리그닌을 포함하는 액상성분 및/또는 용수를 선택적으로 다양한 연료 생산 시스템에 공급하여 석탄 고품위화, 애쉬프리 성형연료, 애쉬프리 반탄화연료, 바이오에탄올 등의 연료 생산 공정 등에 적용할 수 있는 탈무기질 바이오매스, 이를 이용한 복합 연료 생산 시스템 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

탈무기질 바이오매스, 이를 이용한 복합 연료 생산 시스템 및 그 제조방법 {De-mineralized Biomass, Manufacturing Method and System of Multi-fuel Production thereof}
본 발명은 탈무기질 바이오매스, 이를 이용한 복합 연료 생산 시스템 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초본계 또는 목질계 바이오매스로부터 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스에 기인하는 고상성분과 회분 및 리그닌을 포함하는 액상성분을 산처리, 알칼리, 열수처리, 막여과를 포함하는 방법을 이용하여 금속이온을 포함하는 무기물 성분 추출 분리함으로써 무기물에 기인하는 클링커 파울링 등의 문제점을 근원적으로 배제할 수 있는 분리된 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스에 기인하는 고상성분, 리그닌을 포함하는 액상성분 및/또는 용수를 선택적으로 다양한 연료 생산 시스템에 공급하여 석탄 고품위화, 애쉬프리 성형연료, 애쉬프리 반탄화연료, 바이오에탄올 등의 연료 생산 공정 등에 적용할 수 있는 탈무기질 바이오매스, 이를 이용한 복합 연료 생산 시스템 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이산화탄소 발생량이 가장 많은 요인이며 지구 온난화 문제에 경쟁력이 취약한 에너지원이 화석연료에 기반한 에너지원이다. 따라서 현재 에너지원으로서 세계적으로 이슈화 되고 있는 것 중에 신재생 에너지의 이용 및 보급을 들 수 있으며, 이는 기존의 석유, 석탄 등 화석연료에 비하여 이산화탄소의 배출이 저감되어 지구온난화 및 기후변화에 대응할 수 있는 에너지원이기 때문이다.
국내에서는 화석연료의 고갈과 더불어 국제조약인 기후변화협약 대응에 따른 온실가스 감축이 대두되면서 일정규모(500MW) 이상의 발전설비(신재생에너지 설비는 제외)를 보유한 발전사업자(공급의무자)에게 총 발전량의 일정비율 이상을 신·재생에너지를 이용하여 공급토록 의무화한 신재생 에너지공급의무화제도(Renewable Portfolio Standard; RPS)가 도입되었으며 이런 의무공급량 미이행분에 대해서는 공급인증서 평균거래가격의 150%이내에서 불이행사유, 불이행 횟수 등을 고려하여 과징금을 부과할 수 있도록 법제화 하였다.
이에 따라 신재생에너지를 공급하여 인정받기 위하여 발전사업자가 신·재생에너지 설비를 이용하여 전기를 생산·공급하였음을 증명하는 인증서로 공급의무자는 의무공급량을 신·재생에너지 공급인증서를 구매하여 충당할 수 있는 것으로 공급인증서 발급대상 설비에서 공급된 MWh기준의 신·재생에너지 전력량에 대해 가중치를 곱하여 부여하는 신재셍에너지 공급인증서(REC, Renewable Energy Certificate)를 실시하고 있고 신재생에너지 원별 가중치는 환경, 기술개발 및 산업활성화에 미치는 영향, 발전원가, 부존잠재량, 온실가스 배출거감에 미치는 효과 등을 고려하여 정부가 재정하고 3년마다 재검토하고 있다.
이에 따라 대규모 석탄화력 발전사에서는 이러한 신재생에너지 공급의무 비중을 달성하기 위하여 석탄의 이산화탄소 발생을 감축시키는 발전 플랜트 연계 및 개선방안으로 석탄 가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle; IGCC), 초초임계압(Ultra Supercritical, USC)기술, CO2 포집 및 저장기술 등의 청정 석탄 기술(Clean Coal Technology, CCT), 및 바이오매스(bio-mass) 혼소 등을 시도하고 있으나 근본적인 문제해결에는 개선 극복해야 할 부분이 다수 존재하고 있는 실정이다.
특히, 바이오매스 혼소의 경우에는 석탄에 비하여 상대적으로 낮은 발열량의 바이오매스를 연소함에 따라 발전효율이 저하된다는 문제점을 안고 있다.
또한, 혼소를 위해 투입되는 바이오매스와 석탄의 연소특성이 상이하여 석탄을 대상원료로 설계된 기존 발전 설비내에서 다단연소가 발생하여 설비 운전에 문제점을 발생시킨다.
또한, 바이오매스내에 포함된 금속성분을 포함하는 무기질 성분에 의한 클링커 파울링이 발생하는 문제점도 안고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 선행 연구에서는 석탕에 오일계 바이오매스를 혼합시킨 연료를 적용하는 기술이 개발되었으나, 이러한 기술 또한, 단순히 석탄과 오일계 바이오매스를 혼합시킨 연료의 경우, 석탄의 표면이 오일로 코팅되거나 기공 안으로 오일이 함침 된다. 하지만 오일 자체의 낮은 표면장력과 오일계 바이오매스와 석탄 표면의 결합력이 부족하여, 석탄과 바이오매스는 각각 기존의 연소 특성을 유지하므로 결과적으로는 다른 연소 특징을 보이게 된다. 따라서 이를 발전소에 적용하면 버너 앞부분에서 오일의 저온 연소 패턴으로 인하여 산소가 우선적으로 과잉 소모하게 되고, 결국 석탄의 연소를 저해하여 미연 탄소(unburned carbon)의 양이 증가하게 되며 발전 효율을 감소시키게 된다.
또한, 바이오매스 내의 회분의 대표적인 응집현상은 미분탄 연소로에서 각각 연소로의 복사면 및 대류전달면에서 주로 발생되는 슬래깅(slagging)과 클링커 파울링(fouling), 유동층 연소로에서의 회분 응집(agglomeration) 등이다.
발전플랜트의 과열기튜브 고온염소부식, 절탄기튜브 회막힘현상에 의한 유속변화에 따른 마모, 유동층 연소기의 유동사에 의한 튜브 마모, 슈트블로워의 기계적 마모가 예상되며, 연료성분내의 무기성분인 칼륨과 염소성분이 연소과정에 화학결합을 통해 KCl을 생성하면, KCl의 용융온도가 776℃로 KCl은 점성이 강한 물질로 부착이 잘되며 염소반응등에 의한 부식을 가속화 시킨다고 알려져 있다.
연소로에서 이러한 현상이 발생되면 공정의 효율을 감소시키는 주요 원인이 되고 있을 뿐만 아니라, 궁극적으로 이와 같은 현상이 심화되면 조업을 중단해야 하고, 이로 인해서 막대한 경제적 손실을 초래하게 된다. 회분의 응집현상은 일반적으로 회분 조성, 온도, 입도, 가스분위기, 조업조건 등에 의해서 영향을 받게 되며, 특히 고온에서 회분의 일부가 용융이 되면 이와 같은 현상이 가속화된다.
한편 상기와 같은 문제점들에 대응하기 위한 다수의 공지된 문헌들을 살펴보면 아래와 같다.
한국공개특허 제2012-0077991호에서는 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 발효용 기질 생산을 위한 전처리 장치가 개시되어 있다.
한국등록특허 제10-1171922호에서는 탄수화물-함유 재료를 제조 및 처리하여 그들의 구조를 변화시키는 방법, 및 구조적으로 변화된 재료를 제공하는 시스템을 개시하고 있다.
일본공개특허 제2011-205933호에서는 바이오매스(biomass)로부터 효소를 이용해 당화액을 제조하는 방법을 개시하고 있다.
한국특허공보 제10-1195416호에서는 저급탄에 존재하는 친수성 표면을 바이오매스 유래 물질의 탄소성분으로 코팅하여 개질 함으로써 건조 후에도 수분의 재흡착이 억제된 고발열량의 하이브리드 석탄을 제조하는 방법을 개시하고 있다.
Evstigneyev, E., et al., Tappi J., 1992. Vol. 75, no. 5, pp. 177-182에서는 펄핑공정에서 알칼리 성분에 의한 탈리그닌(Delignification) 속도에 영향을 미치는 영향에 대하여 증해공정 중 탈리그닌화가 진행되면 용해되거나 잔존하는 리그닌 성분내의 β-alkyl aryl 결합이 감소하고, Phenolic hydroxyl 그룹이 증가하며 증해공정이 완료되면 용해된 리그닌 내에 Biphenyl 구조의 양이 증가한다고 하였고 이러한 탈리그닌화 속도에 NaOH 및 Anthraquinone의 긍정적인 영향을 미치는 것을 보고하였다.
Evstigneyev, E., Russian Journal of Applied Chemistry. 2011, Vol. 84, no. 6, pp. 1040-1045에서는 가문비나무 및 소나무의 증해공정으로부터 기인한 흑액의 NaOH 수용액에서의 용해도를 리그닌의 분자량, 온도, 고액비 및 이온강도 조건에서 연구하였고 리그닌 내의 Phenolic hydroxyl양을 측정하는 방법 및 알칼리 수용액상에서의 리그닌 용해도를 계산하는 식을 제안하였다.
그러나 지금까지 알려진 종래기술들에서는 바이오매스로부터 리그닌을 제거하고 글루코스(glucose)가 주성분인 셀룰로오스와 자일로스(xylose)가 주성분인 헤미셀룰로오스를 추출하기 위해 물리 화학적인 처리를 적용하였으나 산 또는 알칼리와 같은 약품을 사용할 경우에는 약품비가 증가할 뿐만 아니라 사용된 약품을 회수하는 공정이 수반되어야 하므로 공정이 복잡하다는 문제점이 있으며 분리된 성분을 목적하는 원료에 적용하기 위해서는 순도가 높고 부반응물을 최대한 제거하여야 하는 조건이 수반되는 경우가 많았다. 또한 바이오매스는 그 원료의 종류에 따라 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등의 함유량 및 상기 분자구조, 작용기, 회분 함유량 등 다양한 성상이 존재하므로 바이오에탄올 공정을 위한 당화 시 다양한 분해효소 및 분해조건이 만족되어야 한다. 이는 결과적으로 원하는 물질의 추출 및 분리조건이 신뢰성을 갖지 못하게 하는 원인으로 작용한다.
따라서 신재생 에너지의 이용 및 보급을 촉진하고, 바이오매스 연료의 공급 안정성을 확보하기 위해서는, 회분에 기인하는 공정 문제를 근원적으로 배제하기 위한 바이오매스내의 무기질 성분을 제거하여 애쉬프리 바이오매스 유래 물질을 효과적으로 추출 및 분리하고 이를 활용한 애쉬프리 복합 연료 생산 시스템에 관한 기술개발이 절실히 요구되고 있다.
한국공개특허 제2012-0077991호 한국등록특허 제10-1171922호 일본공개특허 제2011-205933호 한국특허공보 제10-1195416호
Evstigneyev, E., et al., Tappi J., 1992. Vol. 75, no. 5, pp. 177-182 Evstigneyev, E., Russian Journal of Applied Chemistry. 2011, Vol. 84, no. 6, pp. 1040-1045
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로, 초본계 또는 목질계 바이오매스로부터 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스에 기인하는 고상성분과 회분 및 리그닌을 포함하는 액상성분을 열수처리, 막여과를 포함하는 방법을 이용하여 추출 분리하고 분리된 셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스에 기인하는 고상성분, 리그닌을 포함하는 액상성분, 금속이온 성분 및/또는 용수를 선택적으로 다양한 연료 생산 시스템에 공급하여 바이오에탄올 등의 바이오연료 생산 공정, 석탄 고품위화 공정 및/또는 연소용 바이오매스 생산 공정 등에 적용할 수 있는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템을 제공하는 데 있다.
이를 위하여 본 발명에서는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템에 있어서, 상기 바이오매스를 소정 온도와 압력의 온수를 포함하는 제1처리수로 처리하는 제1처리유닛(100); 및 상기 제1처리유닛에서 처리된 상기 바이오매스를 소정 온도와 압력의 열수를 포함하는 제2처리수로 액상성분 및 고상성분을 생성하는 제2처리유닛(200); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2처리유닛에서 처리된 액상성분을 소정의 pH가 되도록 선택적으로 pH조정제를 첨가하는 제3처리유닛(300);을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3처리유닛에서 처리된 액상성분을 소정의 고액분리장치를 이용하여 상기 처리된 액상성분 중 존재하는 애쉬 프리 농축분을 분리하는 제4처리유닛(400);을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2처리유닛에서 처리된 고상성분을 소정 온도와 압력의 온수로 처리하는 제5처리유닛(500);을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2처리유닛 또는 제5처리유닛에서 처리된 고상성분을 고온 및 고압의 열수로 처리하여 셀룰로오스를 포함하는 고상섬유분과 헤미셀룰로오스를 포함하는 액상섬유분을 생성하는 열수처리유닛(600); 을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 열수처리유닛 일단의 저압영역에서 공기접촉없이 배출되는 스팀을 포집하는 과정에서 상기 고상섬유분을 배출 분리하는 제1배출부(610);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열수처리유닛 타단의 저압영역에서 공기접촉없이 배출되는 스팀을 포집하는 과정에서 상기 섬유액상분을 배출 분리하는 제2배출부(620);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1배출부에서 배출된 셀룰로오스를 포함하는 고상섬유분을 바이오에탄올 생산을 위한 효소 당화반응 시키는 효소당화유닛(700);을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 열수처리유닛에서 처리된 헤미셀룰로오스를 포함하는 섬유액상분 중 소정양의 아세트산을 추출하여 상기 제5처리유닛 및/또는 상기 열수처리유닛으로 재순환시키는 추출유닛(800);을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 추출유닛에서 처리된 섬유액상분을 이용하여 소정 농도의 스프레잉 용액을 생성하는 스프레잉 생성유닛(900);을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 스프레잉 생성 유닛을 통해 생성된 스프레이 용액을 이용하여 조분쇄 된 석탄 중 평균입도가 4 mm 이상인 석탄을 함침 또는 코팅시키는 석탄 전처리 유닛(1000); 을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 스프레잉 생성 유닛을 통해 생성된 스프레이 용액을 이용하여 조분쇄 된 석탄 중 평균입도가 4 mm 미만인 석탄을 회전시키면서 상기 석탄에 스프레이 용액을 분사하여 석탄이 함침 또는 코팅되면서 과립화(granulation)를 통하여 크기를 증가시키는 석탄 과립화 유닛(1100); 을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제4처리유닛에서 분리된 애쉬 프리 농축분을 소수성 바인더로 상기 제5처리유닛에서 처리된 고상성분을 바인딩하여 애쉬프리 성형연료를 제조하기 위한 성형연료유닛(1200); 을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1처리유닛, 상기 제2처리유닛, 상기 제4처리유닛 및 상기 제5처리유닛 중 어느 하나 또는 2이상의 유닛의 후단에 세척을 위한 세척유닛 및 수분제거유닛 중 어느 하나 또는 2개 유닛이 추가될 수 있다.
또한, 상기 열수처리유닛의 후단에 세척을 위한 세척유닛 및 수분제거유닛 중 어느 하나 또는 2개 유닛이 추가될 수 있다.
또한, 상기 제4처리유닛에서 분리된 애쉬 프리 농축분을 소수성 바인더로 상기 제5처리유닛에서 처리된 고상성분을 열처리하여 애쉬프리 반탄화연료를 제조하기 위한 반탄화유닛(1300); 을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 필터유닛을 통해 상기 액상성분에서 분리된 소듐을 포함하는 분리액은 상기 제1소킹유닛 및/또는 상기 증해유닛으로 재순환시키는 재순환유닛을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 제4처리유닛에서 분리된 애쉬 프리 농축분 또는 상기 제5처리유닛에서 처리된 고상성분을 선택적으로 연소 또는 가스화 연료, 점착제, 파티클 보드 및 합판의 제조에서 페놀 포름알데히드 레진 증량제, 몰딩 화합물, 우레탄 레진, 에폭시 레진, 항산화제, 서방성 제제, 유량 조절제, 시멘트 또는 콘크리트 혼합, 석고 보드 제조, 석유 굴착, 일반 분산, 태닝 가죽, 도로 복개, 바닐린 제조, 디메틸 설파이드 및 디메틸 술폭사이드 제조, 폴리올레핀 혼합물에 페놀 레진이 내포된 페놀 치환, 방향족 페놀 단량체, 탄소 섬유, 폴리우레탄 공중합체에서 선택된 어느 하나로 사용될 수 있다.
또한, 상기 제4처리유닛을 통해 상기 액상성분에서 분리된 무기물을 포함하는 분리액은 상기 제1처리유닛 및/또는 상기 제2처리유닛으로 재순환시키는 재순환유닛(1400)을 추가로 포함될 수 있다.
또한, 상기 효소당화유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템으로 제조된 바이오에탄올 일 수 있다.
또한, 상기 석탄전처리유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템으로 제조된 석탄일 수 있다.
또한, 상기 석탄과립화유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템으로 제조된 석탄일 수 있다.
또한, 상기 성형연료유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템으로 제조된 애쉬프리 성형연료일 수 있다.
또한, 상기 반탄화유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템으로 제조된 애쉬프리 반탄화연료일 수 있다.
또한, 상기 제1처리유닛에서 전처리되어 바이오매스내 금속을 포함하는 무기질 성분이 용출된 무기질포함 액상분을 제3처리유닛 또는 제4처리유닛으로 공급할 수 있다.
본 발명의 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템에 따르면, 산이나 알칼리 등 별도의 화학약품을 사용하지 않고도 고온 고압 반응조건을 통하여 초본계 또는 목질계 바이오매스로부터 글루코스 성분 등을 효과적이면서 쉽게 추출 분리할 수 있어 바이오에탄올 생산을 위한 원료를 선택적으로 확보할 수 있다.
또한, 바이오매스에 포함된 금속 등의 무기질성분을 효과적으로 분리하므로써 발전연료에 적용시 애쉬 프리 연료를 적용하므로써 연소시스템 운전중 발생할 수 있는 클링커 파울링 및 알칼리 부식 문제를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 얻어진 글루코스를 포함하는 액상 성분 및/또는 리그닌을 포함하는 고상 성분을 저등급 석탄에 함침, 건조 및 탄화시킴으로써 수분이 재흡착 되는 것을 방지할 수 있고 이는 고발열량을 갖는 석탄의 공급을 가능하게 함으로써 저등급 석탄의 고품위화가 가능하다는 효과가 있다.
또한, 바이오매스 성분이 저등급 석탄에 함침 후 탄화되어 결합되므로 기존 발전소에 통상 3.5wt%이하의 바이오매스만을 투입 혼소 하는 중요한 원인인 별도의 바이오매스 미분화장치를 구비하지 않고 기존 석탄 미분화설비를 이용하여도 되는 효과가 있다.
또한, 애쉬프리 바이오매스의 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌을 이용하여 성형연료 및 반탄화연료를 생산하므로 유동층 및 미분화 연소로 및 가스화로에 연소 및 가스화 후 바이오매스에 기인하는 회분으로부터 예상되는 클링커 파울링 및 고온부식의 문제를 근원적으로 배제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 필터링 공정을 적용하여 바이오매스의 액상성분 중의 애쉬 프리 리그닌을 효과적으로 분리함으로써 펄프 생산을 위한 연료 확보 및 처리수를 재활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템을 나타낸 흐름도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한 본 발명에서 사용되는 석탄은 이탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄 등 이 기술분야에서 인식되는 저등급 석탄 중에서 선택된 어느 하나 이상의 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 애쉬프로 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템을 나타낸 흐름도이다.
애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템에 있어서, 상기 바이오매스를 소정 온도와 압력의 온수를 포함하는 제1처리수로 처리하는 제1처리유닛(100); 및 상기 제1처리유닛에서 처리된 상기 바이오매스를 소정 온도와 압력의 열수를 포함하는 제2처리수로 액상성분 및 고상성분을 생성하는 제2처리유닛(200); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템 을 포함할 수 있다.
상기 제1처리유닛에 공급되는 바이오매스를 물리적 처리하는 것으로부터 출발한다. 바이오매스의 물리적 처리방법은 파쇄, 전단, 절단 등 바이오매스의 크기를 줄이는 동시에 표면적을 넓히는 목적을 달성할 수 있다면 그 방법에 제한이 되지 않는다.
여기서 바이오매스의 물리적 처리방법을 수행하는 장치로는 밀, 믹서, 스크류 형태 익스트루더, 회전 나이프 커터가 될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 바이오매스 원료로는 목질계와 초본계를 사용할 수 있다. 목질계로는 나무 블럭, 우드칩, 통나무, 나무 가지, 나무 부스러기, 낙엽, 목판, 톱밥, 리그닌, 자일렌, 리그노셀룰로오스, 야자나무, PKS(palm kernel shell), 야자섬유질, EFB(empty fruit bunches), FFB(fresh fruit bunches), 야자잎, 야자제분찌꺼기 등을 이용할 수 있다. 초본계로는 옥수수대, 볏짚, 수수대, 사탕수수대, 곡물(쌀, 수수, 커피 등) 허스크, 사탕무잎, 바가스, 기장, 아티초크, 당밀, 아마, 대마, 양마, 면줄기, 담배줄기, 전분질계인 옥수수, 감자, 카사바, 밀, 보리, 라이밀, 기타 전분계 가공 잔재물, 과실류인 아보카도, 자트로파 및 이들의 가공 잔재물 등의 바이오매스가 사용될 수 있다.
상기와 같이 적절한 크기로 분쇄된 바이오매스는 제1처리유닛으로 이송된다.
또한, 상기 바이오매스는 리그노셀룰로오스 기반의 초본, 목질계 바이오매스를 의미하며 상기 바이오매스에 속하는 물질이라면 제한을 두지 않는다. 또한 제1세대 또는 3세대 바이오매스도 적용가능함은 자명하다. 리그노셀룰로오스의 주요 성분인 셀룰로오스는 글루코오스(glucose)가 β-1,4 결합으로 연결된 안정된 구조의 다당류이다. 또 다른 주요 성분인 5탄당인 자일로스(xylose)의 중합체로 구성되고 그 외에도 5탄당인 아라비노스(arabinose), 6탄당인 만노스(mannose), 갈락토스(galactose), 글루코스, 람노스(rhamnose) 등의 중합체로 구성된다.
글루칸(glucan)은 포도당으로 구성되는 다당의 총칭으로 D-글루코오스 끼리의 결합양식에 따라 다양한 종류가 있으며, 부제탄소원자의 배치에 의해 크게 α-글루칸과 β-글루칸으로 나누어진다. α-글루칸에는 아밀로스(α-1,4결합), 아밀로펙틴(α-1,4와 α-1,6결합), 글리코겐(α-1,4와 α-1,6결합), 세균의 덱스트란(-1,6결합) 등이 포함된다. β-글루칸의 대표적인 것으로는 셀룰로오스(β-1,4결합), 갈조류의 라미나란(β-1,3결합), 지의류의 리케난(β-1,3과 β-1,4 결합) 등이 있다.
자일렌이 포함된 액상 성분에는 자일렌(xylan). 글루쿠로노자일렌(glucuronoxylan), 아라비노자일렌(arabinoxylan), 글루코만난(glucomannan), 자일로글루칸(xyloglucan)등이 포함될 수 있다. 상기 기재된 성분으로 자일렌이 포함된 액상 성분은 제한되는 것은 아니며, 투입되는 바이오매스의 성분에 따라 다양한 성분들이 분리될 수 있다.
당류는 상기 기재된 화합물에 한정되는 것이 아니며, 2세대 바이오매스의 종류에 따라 다양하게 생성이 가능하다. 따라서, 탄소수에 따라 2탄당, 3탄당, 4탄당, 5탄당, 6탄당으로 분류되며, 2탄당으로 글리코알데히드(Glycoaldehyde), 3탄당으로 글리세라알데히드(Glyceraldehyde), 디하드로시아세톤(Dihydroxyacetone), 4탄당으로 에리드로우즈(erythrose), 에리드루로우즈(erythrulose), 5탄당으로 리보우즈(ribose), 아라비노우즈(arabinose), 자일로스(xylose), 리부로우즈(ribulose), 자이루로우즈(xylulose), 6탄당으로 포도당, 글리코우즈(glucose), 과당, 프락토우즈(fructose), 갈락토우즈(galactose), 만노우즈(mannose)가 있을 수 있다.
단당류 2개가 결합한 것 이당류로는 젖당, 유당, 락토우즈, 엿당, 맥아당, 말토우즈, 설탕, 슈크로즈, 트레할로우즈(trehalose), 멜리보우즈(melibiose), 셀로비오즈가 있을 수 있다.
2~10분자의 당이 결합된 당인 소당류로는 3당류로 라피노우즈, 멜레지토우즈(melezitose), 말토리오즈(maltoriose)가, 4당류로는 스타치오즈, 스트로도우즈(schrodose)가 있으며 올리고당으로 갈락토올리고당, 이소말토올리고당, 프락토올리고당이 있을 수 있다.
다당류로는 단순다당류로 5탄당들이 결합된 펜토산(pentosan)으로 자이란(xylan), 아라반(araban) 등이 있을 수 있다.
6탄당들이 축합된 헥소산(hesoxan)으로는 전분, 녹말(starch), 글루코오스의 중합체로 아밀로우즈, 호정(dextrin), 글리코겐(glycogen), 섬유소(cellulose), 프록탄(fructan), 갈락탄(galactan), 만난(mannan) 등이 있을 수 있다.
복합다당류로는 한천(agar), 알긴산(alginic acid), 가라지난(carrageenan), 키틴(chitin), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 펙틴(pectin) 등이 있을 수 있다.
상기 제1처리유닛의 온도조건은 80℃ 내지 140℃일 수 있다. 바람직하게는 90℃ 내지 130℃일 수 있다. 더욱 바람직하게는 100℃ 내지 120℃일 수 있다. 상기 제1소킹유닛의 압력조건은 1 내지 1.5bar일 수 있다.
상기 온도 및 압력 조건보다 낮거나 높다면 바이오매스내 공기 배출 및 액포화를 위한 목적, 온도상승을 위한 에너지확보 목적, 후속단계에서 생성된 유기산을 바이오매스에 함침시키기 위한 목적, 액상분 내에 건조분을 증가시키기 위한 목적에 효과적이지 않다.
상기 제1처리수는 소정온도와 압력의 온수일 수 있으며, 추가로 알칼리성 액체를 포함할 수 있다. 알칼리 성분으로는 NaOH, KOH, 암모니아, 석회, 과산화수소 등 일 수 있으며, 수용성이며 수용액의 pH를 높일 수 있다면 제한되지 않는다.
또한, 추가로 약산성 액체를 포함할 수 있다. 약산성 성분으로는 아세트산, 개미산 등 일 수 있으며, 수용성이며 수용액의 pH를 낮출 수 있다면 제한되지 않는다. 추가로 이산화탄소를 공급할 수 있다.
또한, 추가로 강산성 액체를 포함할 수 있다. 산성 성분으로는 황산, 질산, 염산 등 일 수 있으며, 수용성이며 수용액의 pH를 낮출 수 있다면 제한되지 않는다.
또한, 상기 제2처리유닛의 온도조건은 100℃ 내지 300℃일 수 있다. 바람직하게는 120℃ 내지 250℃일 수 있다. 더욱 바람직하게는 150℃ 내지 170℃일 수 있다. 상기 제2처리유닛의 압력조건은 1 내지 20bar일 수 있다. 바람직하게는 1.5 내지 7bar일 수 있다. 더욱 바람직하게는 2 내지 2.5bar일 수 있다. 상기 제2처리유닛의 pH조건은 8 내지 14일 수 있다. 바람직하게는 11 내지 13.5일 수 있다. 더욱 바람직하게는 12 내지 13일 수 있다.
상기 온도, 압력 및 pH 조건보다 낮거나 높다면 바이오매스내 리그닌 성분의 용출의 목적, 바이오매스내 공기 배출 및 액포화를 위한 목적, 온도상승을 위한 에너지확보 목적, 후속단계에서 생성된 유기산을 바이오매스에 함침시키기 위한 목적, 액상분 내에 건조분을 증가시키기 위한 목적에 효과적이지 않다.
상기 제2처리유닛의 제2처리수에는 소정온도와 압력의 온수에 추가로 알칼리성 액체를 포함한다. 알칼리 성분으로는 NaOH, KOH, 암모니아, 석회, 과산화수소 등 일 수 있으며, 수용성이며 수용액의 pH를 높일 수 있다면 제한되지 않는다.
또한, 상기 제3처리유닛은 상기 제2처리유닛에서 리그닌을 포함하는 액상성분을 제4처리유닛에서 선택적으로 필터링 하기 위하여 pH를 낮추기 위해서 pH조정제를 첨가한다. pH조정제는 pH를 낮출 수 있다면 제한되지 않는다. 황산, 염산, 질산, 인산 등을 첨가할 수 있으며, 황화수소, 아황산가스, CO2 등을 첨가할 수 도 있다. 추가적으로 물을 첨가할 수 도 있다. 상기 pH조정제를 통한 목적하는 pH는 7~12일 수 있다. 바람직하게는 8 내지 11일 수 있다. 더욱 바람직하게는 9 내지 10일 수 있다. 상기 pH보다 높으면 상기 액상성분의 필터링 과정에서 분리막의 손상을 일으킬 수 있다.
또한, 상기 제4처리유닛은 액상성분의 리그닌을 포함하는 구성분을 선택적으로 분리할 수 있으면 특별히 제한되지 않는다. 일반필터, 정밀여과막(Micro Filter), 한외여과막(Ultra-Filter), 나노여과막(Nano Filter), 역삼투막(Reverse Osmosis)중 어느 하나 또는 2 이상을 선택적으로 사용할 수 있다. 병렬 또는 직렬로 연계할 수 도 있다. 또한 전처리를 위한 스크린, 마이크로미터 수준의 입자제거 필터 등을 전처리 필터로 적용할 수 있다.
상기 제1처리유닛에서 전처리되어 바이오매스내 금속을 포함하는 무기질 성분이 용출된 무기질포함 액상분을 제3처리유닛 또는 제4처리유닛으로 공급할 수 있다. 이러한 공정 방안은 애쉬 프리 성분을 바이오매스 내에서 용출하는 방안이 최적화 되는 공정 조건에서 다양하게 조합 가능하다는 것을 의미한다.
이러한 공정 적용은 처리되는 바이오매스의 성상, 전처리 입자크기, 공정 온도, 압력, 처리수 조성, 공급되는 산성, 알칼리성, 이온성 화합물, 촉매 등에 따라서 다양하게 예측되기 때문이다.
정밀여과막 및 한외여과막 적용시 분리막에는 시트형태의 평막 (Plat Type), 실형태로 중앙인 빈 중공사막 (Hollow-fiber Type) 및 관형태의 관상막 (Tubular Type)으로 분류할 수 있다.
또한 이러한 막을 케이스에 넣은 케이싱수납형막과 막을 물속에 직접 침적시킨 침적형막이 있다. 통수방식에는 처리대상물질을 막의 외부에서 공급하는 외압식과 내부에서 공급하는 내압식이 있다. 여과방식에는 공급수 전량을 여과하는 방식으로서 모래여과와 같이 정기적으로 막면상에 집적한 오염물질을 배출하면서 여과를 계속하는 전량여과방식 (Dead-end Flow), 막면에 대하여 평형으로 물의 흐름을 만들어 현탁물질이나 콜로이드물질이 막면에 퇴적하는 것을 억제하여 여과하는 십자류여과 (Cross-flow), 외압식인 조침적방식은 막모듈을 침적조에 침적시켜 여과하는 방식으로서 장치가 간단하여 막모듈의 교환도 용이한 이점이 있지만 반면 고압조건하에서의 운전이 불가능한 경우에는 높은 투과수량 (Flux)의 운전으로는 한계가 있다.
상기 필터유닛에서는 전처리설비로서 협잡물 제거를 위한 스크린이나 스트레이너 설비, 1μm 내지 1001μm 의 일반필터, 여과성능 향상을 위한 응집제, 고화제, 고분자흡수제, 주입설비, 모래여과설비, 유기물의 부착방지 및 철, 망간의 산화를 위한 염소제 주입설비 등을 설치할 수 있다.
막여과설비는 원수조, 펌프, 막모듈, 세정유닛 등을 선택적으로 설치할 수 있다.
배수처리설비는 목적하는 구성분을 분리 후 방류하거나 회수율의 향상을 위하여 세정배수에 대해서 다시 막여과를 실시하거나 혹은 농축조를 설치하여 중력침강 등을 실시하여 상등수를 원수에 반송할 수도 있다.
나노여과막을 적용시 분리막에는 모듈의 배열을 다단으로 하는 크리스마스트리방식이 사용되며 농축수는 말단에서 계외로 배출하는 크리스마스트리 방식, 농축수를 공급수라인에 되돌리는 방식으로서 농축수의 일부를 계외로 배출하는 펌프순환방식을 적용할 수 있다. 이러한 나노여과막은 칼슘, 마그네슘 등의 미네랄 성분도 분리 가능하다.
역삼투막을 적용시 분리막에는 막모듈은 구조에 따라 와권형 (Spiral Type), 중공사형 (Hollow-Fiber Type), 관상형(Tubular Type) 및 평막형 (Plat and Frame Type) 등으로 나눌 수 있다.
통상적으로 바이오매스에서 유래되는 물질의 분자량은 글루코스 180, 자일로스 150.13, 만토스 180.2, 갈락토스 180, 아라비노스 150.13, 리그닌 800~10000, 푸푸랄(Furfural) 96.09, 레부리닉산(Levulinic acid) 116, 포름산 46.03, 아세트산 60, Na2O3Si 122.06, NaOH 40, SiO2 60으로 알려져 있어 상기 분자량에 따라 선택적 분리를 위해 분리막을 적용할 수 있다.
무기성분의 몰당원자량(g/mol)은 Na 23, K 40, Mg 24.3, Mn 54.9, Ca 40, Ti 47.86, Cl 35.45, Si 28, Al 27로 알려져 있어 원자량에 따라 선택적 분리를 위해 분리막을 적용할 수 있다.
또한, 상기 제2처리유닛에서 처리된 고상성분을 소정 온도와 압력의 온수로 처리하는 제5처리유닛(500);을 추가로 포함할 수 있다.
상기 제5처리유닛의 온도조건은 80℃ 내지 140℃일 수 있다. 바람직하게는 90℃ 내지 130℃일 수 있다. 더욱 바람직하게는 100℃ 내지 120℃일 수 있다. 상기 제1소킹유닛의 압력조건은 1 내지 1.5bar일 수 있다.
상기 온도 및 압력 조건보다 낮거나 높다면 고상성분 내의 공기 배출 및 액포화를 위한 목적, 온도상승을 위한 에너지확보 목적, 후속단계에서 생성된 유기산을 바이오매스에 함침시키기 위한 목적, 액상분 내에 건조분을 증가시키기 위한 목적에 효과적이지 않다.
상기 처리수는 소정온도와 압력의 온수일 수 있으며, 추가로 약산 액체를 포함할 수 있다. 약산 성분으로는 아세트산, 개미산 등 일 수 있으며, 수용성이며 수용액의 pH를 낮출 수 있다면 제한되지 않는다.
또한, 상기 제2처리유닛 또는 제5처리유닛에서 처리된 고상성분을 고온 및 고압의 열수로 처리 하여 셀룰로오스를 포함하는 고상섬유분과 헤미셀룰로오스를 포함하는 액상섬유분을 생성하는 열수처리유닛(600); 을 추가로 포함할 수 있다.
열수처리유닛은 소정의 온도, 압력 및 반응시간이 유지되도록 운전된다. 열수처리유닛에 공급된 고상성분은 높은 압력과 온도로 인해 조직이 파괴되며 헤미셀룰로오스가 포함된 액상, 셀룰로오스와 리그닌이 함유된 고상으로 분리된다.
열수처리유닛로부터 분리된 성분 중 헤미셀룰로오스가 포함된 액상은 당화공정을 통하여 최종적으로 자일로스가 수득된다. 한편 수득되는 당분은 헤미셀룰로오스로부터 얻어질 수 있는 것이면 특별히 제한하지 않지만, 바람직하게는 아라비노스(Arabinose), 자일로스(Xylose)일 수 있다.
여기서, 열수처리유닛은 공급된 고상성분 입자를 파괴하여 헤미셀룰로오스가 포함된 액상과 셀룰로오스 등이 포함된 고상으로 분리될 수 있도록 160~250 , 9∼~30 bar 및 1~5 시간 반응이 유지하도록 운전된다. 바람직하게는 180~220 , 15∼~25 bar 및 2~4 시간 반응일 수 있다. 더욱 바람직하게는 190~210 ℃, 18∼~22 bar 및 1~3 시간 반응일 수 있다. 반응 상기 온도범위, 압력범위 또는 반응시간을 벗어나는 경우에는 최종적으로 얻어지는 글루코스의 회수율이 낮아지거나 반응시간이 지나치게 길어지거나 또는 운전비용이 증가하는 문제점이 발생할 수 있으므로 상기 반응조건하에 운전하는 것이 바람직하다.
한편 바이오매스로부터 글루코스와 자일로스를 분리 추출하기 위해 일반적으로 알려진 종래 기술은, 먼저 원료를 적절한 크기로 파쇄, 분쇄하는 물리적 전처리 공정, 산이나 알칼리 등의 약품을 사용한 화학적 전처리 공정, 효소를 이용한 당화공정 등을 통하여 자일로스와 글루코스를 분리 추출하여 왔다. 그러나 본 발명에서는 물리적 전처리 공정을 실시한 후 산이나 알칼리 등의 약품을 전혀 사용하지 않으면서도 최적화된 조건에서의 고온 고압 반응을 실시함으로써 글루코스를 효과적으로 추출 분리할 수 있을 뿐만 아니라 글루코스의 회수율을 높일 수 있는 장점이 있고, 이러한 구성과 효과는 본 발명의 주요 특징부라 할 수 있다.
부가적으로 설명하면, 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스는 산에 용해되는 반면 리그닌은 알칼리에 용해되는 특성을 가지므로 산 또는 알칼리를 용매로 고온에서 전처리 하는 방법이 주로 사용되고 있다. 그러나 자일로스가 주성분인 헤미셀룰로오스는 열에 약한 특성이 있어 고온에서 장시간 처리할 경우 헤미셀룰로오스의 일부가 발효 저해 물질로 변하게 되어 자일로스의 손실뿐만 아니라 발효 저해 문제도 발생하게 되는데 반해, 본 발명에서는 화학적 약품을 사용하지 않으므로 상기와 같은 자일로스의 손실이나 발효 저하 문제를 사전에 방지할 수 있다.
상기 반응에 참여하는 산으로는 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 과초산(C2H4O3), 옥살산(C2H2O4) 등이 있을 수 있다. 상기 산은 기재된 산으로 한정되는 것이 아니며 헤미셀룰로오스와 셀룰로오스의 분해하는 산이라면 어느 것이든 사 상기 반응에 참여하는 염기로는 sodium hydroxide, calcium hydroxide, 우레아 등이 있을 수 있다. 상기 염기는 기재된 염기로 한정되는 것이 아니며 반응특성을 증진시키는 염기라면 어느 것이든 사용 가능하다.
상기 반응에 참여하는 이온성 액체로는 이미다졸리움계 화합물로 1-에틸아크릴레이트-3-메틸이미다졸리움 클로라이드 (1-ethylacrylate-3- methylimidazolium chloride), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드 (1-buthyl- 3-methylimidazolium chloride), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluoro phosphate), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리플루오로메탄술포네이트(1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 아세테이트(1-ethyl-3-methylimidazolium acetate), 1-벤질-3-메틸이미다졸리움 클로라이드(1-benzyl-3-methylimidazoliumchloride), 1,3-디메틸이미다졸리움메틸 술페이트(1,3-dimethylimidazoliummethyl sulfate), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 아세테이트 등이 있을 수 있으며, 에틸메틸이미다졸리엄 클로라이드([EMIM]Cl), 에틸메틸이미다졸리엄 브로민([EMIM]Br), 에틸메틸이미다졸리엄 요오드([EMIM]I), 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움, 1-에틸 이미다졸리움 니트레이트, 1-에틸 이미다졸리움 브로마이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 클로라이드, 1-에틸-이미다졸리움 클로라이드, 1,2,3-트리메틸 이미다졸리움 메틸 설페이트, 1-메틸 이미다졸리움 클로라이드, 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 테트라클로로알루미네이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 테트라클로로알루미네이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 하이드로겐설페이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 하이드로겐설페이트, 메틸이미다졸리움 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 아세테이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 아세테이트, Tris-2(하이드록시 에틸) 메틸암모늄 메틸설페이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 에틸설페이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 메탄설포네이트, 메틸-트리-n-부틸암모늄 메틸설페이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 티오시아네이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 티오시아네이트, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨나이트레이트, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨아세테이트, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨테트라플로로보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨나이트레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨아세테이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨테트라플로로보레이트, 1-알리-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-알리-3-메틸이미다졸륨나이트레이트, 1-알리-3-메틸이미다졸륨아세테이트, 1-알리-3-메틸이미다졸륨테트라플로로보레이트가 있을 수 있다. 상기 이온성 액체는 기재된 이온성 액체로 한정되는 것이 아니며, 반응특성을 증진시키는 것이라면 어느 것이든 사용 가능하다.
상기 반응 유닛에 투입되는 효소, 산, 알칼리, 이온성 액체 중 어느 하나 또는 2 이상이 투입되는 양은 반응조건에 따라 투입되지 않을 수도 있다.
또한, 상기 열수처리유닛을 통해 상기 고상성분이 고온고압 반응에 참여하면서 푸르푸랄(furfural)등의 화합물이 생성될 수 있다.
또한, 상기 열수처리유닛 일단의 저압영역에서 공기접촉없이 배출되는 스팀을 포집하는 과정에서 상기 고상섬유분을 배출 분리하는 제1배출부(610);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열수처리유닛 타단의 저압영역에서 공기접촉없이 배출되는 스팀을 포집하는 과정에서 상기 섬유액상분을 배출 분리하는 제2배출부(620);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열수처리유닛에서 처리된 셀룰로오스를 포함하는 고상섬유분을 바이오에탄올 생산을 위한 효소 당화반응 시키는 효소당화유닛(700);을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 효소당화유닛에 효소, 산, 알칼리, 이온성 액체 중 어느 하나 또는 2 이상이 투입되는 것을 특징으로 한다.
상기 반응에 참여하는 효소로 헤미셀룰로오스의 분해에 관여하는 효소로는 Endo-1,4-β-D-xylanases, exo-1,4-β-D-xylosidases, endo-1,4-β-D-mannanases, β-mannosidases, acetyl xylan esterases, α-glucuronidases, α-L-arabinofuranosidases, α-galactosidases, ferulic acid esterase 등이 있으며, 셀룰로오스의 분해에 관여하는 효소로는 endo-glucanase (EG), cellobiogydrase(CBH), β-glucosidase(BGL) 등이 있을 수 있다. 상기 효소는 기재된 효소로 한정되는 것이 아니며 헤미셀룰로오스와 셀룰로오스의 분해하는 효소라면 어느 것이든 사용 가능하다.
또한, 상기 열수처리유닛에서 처리된 헤미셀룰로오스를 포함하는 섬유액상분 중 소정양의 아세트산을 추출하여 상기 제5처리유닛 및/또는 상기 열수처리유닛으로 재순환시키는 추출유닛(800);을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 추출유닛에서 처리된 섬유액상분을 이용하여 소정 농도의 스프레잉 용액을 생성하는 스프레잉 생성유닛(900);을 추가로 포함할 수 있다.
상기 스프레잉 용액의 농도는 열수처리유닛에서 분리된 셀룰로오스에 기인한 글루칸을 포함하는 고상 성분, 셀룰로오스에 기인한 글루칸이 함유된 액상 성분, 상기 효소당화유닛을 통해 생성된 글루코스를 포함하는 액상 성분 중 어느 하나 또는 2 이상 액상 성분 및 상기 제4처리유닛에서 분리된 리그닌을 포함하는 고상분에 일정량의 수분을 포함하는 것이다.
상기 농도는 전체 스프레잉 용액 대비 투입되는 액상 성분의 용액 비로서 나타내며, 0 초과 내지 1 미만일 수 있다. 바람직하게는 0.3 이상 내지 0.95 이하 일수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.5 이상 내지 0.9 이하일 수 있다.
상기 용액비 보다 낮으면 수분의 양이 많아 공정비가 많이 드는 단점이 있고, 상기 용액비 보다 높으면 스프레잉을 위한 점도조건 등에 어려움이 있다.
또한, 상기 스프레잉 생성 유닛을 통해 생성된 스프레이 용액을 이용하여 조분쇄 된 석탄 중 평균입도가 4 mm 이상인 석탄을 함침 또는 코팅시키는 석탄 전처리 유닛(1000); 을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 스프레잉 생성 유닛을 통해 생성된 스프레이 용액을 이용하여 조분쇄 된 석탄 중 평균입도가 4 mm 미만인 석탄을 회전시키면서 상기 석탄에 스프레이 용액을 분사하여 석탄이 함침 또는 코팅되면서 과립화(granulation)를 통하여 크기를 증가시키는 석탄 과립화 유닛(1100); 을 추가로 포함할 수 있다.
상기 석탄 과립화 유닛을 통해 제조되는 연료는 펠렛형태의 연료를 생산할 수도 있음은 자명하다.
또한, 상기 석탄 전처리 유닛 또는 상기 석탄 과립화 유닛은 평균입도 조건에 맞는 석탄의 유입 유무에 따라 독립적으로 또는 동시에 운영되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 첨가유닛으로는 상기 제2처리유닛을 통해 생성된 고상성분을 활용한 펄프생산을 위한 표백유닛에서 생성되는 폐액이 추가로 공급될 수 있다.
또한, 상기 제1처리유닛, 상기 제2처리유닛, 상기 제4처리유닛, 상기 제5처리유닛 및 상기 열수처리유닛 중 어느 하나 또는 2이상의 유닛의 후단에 세척을 위한 세척유닛 및 수분제거유닛 및 중 어느 하나 또는 2개 유닛이 추가될 수 있다.
상기 세척유닛은 세정펌프, 공기압, 역압, 에어스트리핑, 원수세정, 기계진동 중 어느 하나 또는 2이상을 적용할 수 있다.
상기 제4처리유닛에서 분리된 애쉬 프리 농축분을 소수성 바인더로 상기 제5처리유닛에서 처리된 고상성분을 바인딩하여 애쉬프리 성형연료를 제조하기 위한 성형연료유닛(1200); 을 추가로 포함할 수 있다.
분리된 애쉬 프리 농축분에는 다량의 리그닌이 포함될 수 있으며, 리그닌을 소수성 특징을 갖니다. 따라서 분리된 애쉬프리 농축분을 바인더로 상기 제5처리유닛에서 처리된 셀룰로오스 및/또는 헤미셀룰로오스를 다량 포함하는 고상성분을 이용하여 성형연료를 제조할 수 있다.
이러한 성형연료는 유동층, 화격자, 미분화 보일러 및 가스화기 등에 사용할 수 있으며, 연소 및 가스화 과정 중 연료중 금속원소를 포함하는 무기질 성분에 기인하는 클링커 파울링 등의 막힘현상 및 알칼리계 금속에 기인하는 부식현상을 근원적을 배제할 수 있다.
상기 제4처리유닛에서 분리된 애쉬 프리 농축분 또는 상기 제5처리유닛에서 처리된 고상성분을 선택적으로 연소 또는 가스화 연료, 점착제, 파티클 보드 및 합판의 제조에서 페놀 포름알데히드 레진 증량제, 몰딩 화합물, 우레탄 레진, 에폭시 레진, 항산화제, 서방성 제제, 유량 조절제, 시멘트 또는 콘크리트 혼합, 석고 보드 제조, 석유 굴착, 일반 분산, 태닝 가죽, 도로 복개, 바닐린 제조, 디메틸 설파이드 및 디메틸 술폭사이드 제조, 폴리올레핀 혼합물에 페놀 레진이 내포된 페놀 치환, 방향족 페놀 단량체, 탄소 섬유, 폴리우레탄 공중합체에서 선택된 어느 하나로 사용될 수 있다.
또한, 상기 제4처리유닛에서 분리된 애쉬 프리 농축분을 소수성 바인더로 상기 제5처리유닛에서 처리된 고상성분을 열처리하여 애쉬프리 반탄화연료를 제조하기 위한 반탄화유닛(1300); 을 추가로 포함될 수 있다.
여기서, 본 발명의 탄화공정에서는 공지된 탄화기를 사용할 수 있으므로 특별히 제한하지 않고, 탄화를 위한 가열온도는 180 내지 220 의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 190 내지 210 의 온도에서 탄화를 수행할 수 있다. 이러한 탄화공정을 통해 애쉬프리 반탄화연료 파우더 표면이나 미세기공 내부로 수분이 다시 흡착되는 것을 방지할 수 있어 애쉬프리 바이오매스 연료의 수송 및 보관을 용이하게 할 수 있고, 또한 수분이 적게 포함되어 있으므로 소수성의 발열량이 높은 애쉬프리 바이오매스 반탄화연료를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제4처리유닛을 통해 상기 액상성분에서 분리된 무기물을 포함하는 분리액은 상기 제1처리유닛 및/또는 상기 제2처리유닛으로 재순환시키는 재순환유닛(1400)을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 효소당화유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템으로 제조된 바이오에탄올 일 수 있다.
또한, 상기 석탄전처리유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템으로 제조된 석탄일 수 있다.
또한, 상기 석탄과립화유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템으로 제조된 석탄일 수 있다.
또한, 상기 성형연료유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템으로 제조된 애쉬프리 성형연료일 수 있다.
또한, 상기 반탄화유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템으로 제조된 애쉬프리 반탄화연료일 수 있다.
100: 제1처리유닛
200: 제2처리유닛
300: 제3처리유닛
400: 제4처리유닛
500: 제5처리유닛
600: 열수처리유닛
610: 제1배출부
620: 제2배출부
700: 효소당화유닛
800: 추출유닛
900: 스프레잉 생성유닛
1000: 석탄 전처리유닛
1100: 석탄 과립화유닛
1200: 성형연료유닛
1300: 반탄화유닛
1400: 재순환유닛

Claims (28)

  1. 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템에 있어서,
    상기 바이오매스를 소정 온도와 압력의 온수를 포함하는 제1처리수로 처리하는 제1처리유닛(100); 및
    상기 제1처리유닛에서 처리된 상기 바이오매스를 소정 온도와 압력의 열수를 포함하는 제2처리수로 액상성분 및 고상성분을 생성하는 제2처리유닛(200); 을 포함하고,
    상기 제2처리유닛에서 처리된 액상성분을 소정의 pH가 되도록 선택적으로 pH조정제를 첨가하는 제3처리유닛(300);을 포함하며,
    상기 제3처리유닛에서 처리된 액상성분을 소정의 고액분리장치를 이용하여 상기 처리된 액상성분 중 존재하는 애쉬 프리 농축분을 분리하는 제4처리유닛(400); 을 포함하며
    상기 제2처리유닛에서 처리된 고상성분을 소정 온도와 압력의 온수로 처리하는 제5처리유닛(500);을 추가로 포함하고
    상기 제2처리유닛에서 처리된 고상성분을 고온 및 고압의 열수로 처리하여 셀룰로오스를 포함하는 고상섬유분과 헤미셀룰로오스를 포함하는 액상섬유분을 생성하는 열수처리유닛(600); 을 추가로 포함하며
    상기 열수처리유닛 타단의 저압영역에서 공기접촉없이 배출되는 스팀을 포집하는 과정에서 상기 액상섬유분을 배출 분리하는 제2배출부(620);를 포함하고
    상기 열수처리유닛에서 처리된 헤미셀룰로오스를 포함하는 섬유액상분 중 소정양의 아세트산을 추출하여 상기 열수처리유닛으로 재순환시키는 추출유닛(800);을 추가로 포함하며
    상기 추출유닛에서 처리된 섬유액상분을 이용하여 소정 농도의 스프레잉 용액을 생성하는 스프레잉 생성유닛(900);을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
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  6. 제1항에 있어서, 상기 열수처리유닛 일단의 저압영역에서 공기접촉없이 배출되는 스팀을 포집하는 과정에서 상기 고상섬유분을 배출 분리하는 제1배출부(610);를 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
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  8. 제6항에 있어서, 상기 제1배출부에서 배출된 셀룰로오스를 포함하는 고상섬유분을 바이오에탄올 생산을 위한 효소 당화반응 시키는 효소당화유닛(700);을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
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  11. 제1항에 있어서, 상기 스프레잉 생성 유닛을 통해 생성된 스프레이 용액을 이용하여 조분쇄 된 석탄 중 평균입도가 4 mm 이상인 석탄을 함침 또는 코팅시키는 석탄 전처리 유닛(1000); 을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 스프레잉 생성 유닛을 통해 생성된 스프레이 용액을 이용하여 조분쇄 된 석탄 중 평균입도가 4 mm 미만인 석탄을 회전시키면서 상기 석탄에 스프레이 용액을 분사하여 석탄이 함침 또는 코팅되면서 과립화(granulation)를 통하여 크기를 증가시키는 석탄 과립화 유닛(1100); 을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제4처리유닛에서 분리된 애쉬 프리 농축분을 소수성 바인더로 상기 제5처리유닛에서 처리된 고상성분을 바인딩하여 애쉬프리 성형연료를 제조하기 위한 성형연료유닛(1200); 을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서, 상기 열수처리유닛의 후단에 세척을 위한 세척유닛 및 수분제거유닛 중 어느 하나 또는 2개 유닛이 추가되는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제4처리유닛에서 분리된 애쉬 프리 농축분을 소수성 바인더로 사용하여 바인딩된 상기 제5처리유닛에서 처리된 고상성분을 열처리하여 애쉬프리 반탄화연료를 제조하기 위한 반탄화유닛(1300); 을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
  17. 삭제
  18. 제1항에 있어서, 상기 제4처리유닛을 통해 상기 액상성분에서 분리된 무기물을 포함하는 분리액은 상기 제1처리유닛 및/또는 상기 제2처리유닛으로 재순환시키는 재순환유닛(1400)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬 프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
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  24. 제1항에 있어서, 상기 제1처리유닛에서 전처리되어 바이오매스내 금속을 포함하는 무기질 성분이 용출된 무기질포함 액상분을 제3처리유닛 또는 제4처리유닛으로 공급하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 상기 제1처리유닛과 상기 제2처리유닛 중 어느 하나 또는 2개의 후단에 세척을 위한 세척유닛 및 수분제거유닛 중 어느 하나 또는 2개 유닛이 추가되는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
  26. 제1항에 있어서, 상기 제4처리유닛의 후단에 세척을 위한 세척유닛 및 수분제거유닛 중 어느 하나 또는 2개 유닛이 추가되는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
  27. 제1항에 있어서, 제5처리유닛의 후단에 세척을 위한 세척유닛 및 수분제거유닛 중 어느 하나 또는 2개 유닛이 추가되는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
  28. 제1항에 있어서, 상기 제5처리유닛에서 처리된 고상성분을 고온 및 고압의 열수로 처리하여 셀룰로오스를 포함하는 고상섬유분과 헤미셀룰로오스를 포함하는 액상섬유분을 생성하는 열수처리유닛(600); 을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 애쉬프리 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템.
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