KR101946478B1 - 초본계 바이오매스의 연료화 방법 - Google Patents

초본계 바이오매스의 연료화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초본계 바이오매스의 연료화 방법에 관한 것으로, 본 발명은 (a) 초본계 바이오매스를 수집하여 파쇄하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 파쇄된 초본계 바이오매스를 함수율 40％ 이하가 될 때까지 일차로 압축하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 수분이 일부 제거된 초본계 바이오매스에 수분과 습윤제를 추가하는 단계; (d) 상기 (c) 단계 후 수분이 포함된 초본계 바이오매스에 중화제를 추가하여 중화시키는 단계; (e) 상기 (d) 단계에서 중화된 초본계 바이오매스를 함수율이 45％ 이하가 될 때까지 이차로 압축하는 단계; (f) 상기 (e) 단계에서 수분이 일부 제거된 초본계 바이오매스를 함수율이 20％ 이하가 될 때까지 가열하여 건조하는 단계; 및 (g) 상기 (f) 단계에서 건조된 초본계 바이오매스를 가열하여 반탄화시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 수분을 초본계 바이오매스에 침투시키고 압축하여 칼륨을 제거함으로써 클링커(Clinker) 또는 슬래그(Slag)의 과다한 생성을 방지하고, 파울링(Fouling) 발생의 원인을 차단할 수 있다.

Description

초본계 바이오매스의 연료화 방법{Method Fuelization Plant Biomass}
본 발명은 연료화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초본계 바이오매스의 연료화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 지구상의 생물권에는 동식물의 유체(遺體)를 미생물이 분해하여 무기물로 환원시킨다는 물질 순환 사이클이 있는데, 바이오매스는 이 미생물(분해자)을 대신하여 인간이 이것을 에너지나 유기 원료로 이용하자는 것이다. 마른 잎이나 짚으로 밥을 짓거나 장작불로 증기 기관차나 자동차를 굴리고 횃불로 어둠을 밝히는 것 등은 바이오매스의 직접적인 이용이며, 목재를 구워 숯을 만들고 미생물을 사용하여 알코올을 만들거나 메탄가스를 발생시키고 풀이나 짚을 썩혀 퇴비를 만드는 일 등은 바이오매스의 변환 이용이다. 현재의 에너지원(源)으로 큰 비중을 차지하는 석유는 머지않은 장래에 고갈될 것으로 예상되고 있으며, 1978년 말부터 시작된 제2차 석유 파동을 계기로 세계 각국에서는 바이오매스 이용에 관한 연구가 활발해졌다.
바이오매스를 에너지원으로 이용하면 에너지를 저장할 수 있고, 재생이 가능하며, 지구 어느 곳에서나 얻을 수 있고, 적은 자본으로도 개발이 가능하며, 환경 보전적으로 안전하다. 바이오매스는 목질계 바이오매스와 당질계 바이오매스, 전분질계 바이오매스, 초본계 바이오매스 등으로 구분될 수 있다.
바이오매스 중에서도 초본계 바이오매스는 억새, 옥수수대, 볏집, 나뭇잎, 팜부산물(Empty Fruit Bunch, EFB) 등을 포함한다.
하지만 초본계 바이오매스에는 칼륨 성분이 다량 함유되어 있으므로, 연소하는 과정에서 클링커(Clinker) 또는 슬래그(Slag)가 과다하게 형성되고, 파울링(Fouling) 발생의 원인이 되므로 초본계 바이오매스를 연료화하기에는 어려움이 있다.
KR 10-1084363 B1
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 칼륨을 제거함으로써 클링커(Clinker) 또는 슬래그(Slag)의 과다한 생성을 방지하고, 파울링(Fouling) 발생의 원인을 차단하는 초본계 바이오매스의 연료화 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법은, (a) 초본계 바이오매스를 수집하여 파쇄하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 파쇄된 초본계 바이오매스를 함수율 40％ 이하가 될 때까지 일차로 압축하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 수분이 일부 제거된 초본계 바이오매스에 수분과 습윤제를 추가하는 단계; (d) 상기 (c) 단계 후 수분이 포함된 초본계 바이오매스에 중화제를 추가하여 중화시키는 단계; (e) 상기 (d) 단계에서 중화된 초본계 바이오매스를 함수율이 40％ 이하가 될 때까지 이차로 압축하는 단계; (f) 상기 (e) 단계에서 수분이 일부 제거된 초본계 바이오매스를 함수율이 20％ 이하가 될 때까지 가열하여 건조하는 단계; 및 (g) 상기 (f) 단계에서 건조된 초본계 바이오매스를 가열하여 반탄화시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법에 있어서, 상기 (a) 단계에서 초본계 바이오매스는 2 내지 4인치 크기로 파쇄될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법에 있어서, 상기 (c) 단계에서 상기 수분은 60 내지 80℃의 증기일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법에 있어서, 상기 (c)단계에서 추가되는 상기 수분과 상기 습윤제는 5 : 1의 중량비를 가질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법에 있어서, 상기 (c) 단계에서 증기와 습윤제는 2 내지 3㎏/㎠의 압력으로 살포될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법에 있어서, 상기 (c)단계에서 추가되는 수분에 의해 초본계 바이오매스에 함유된 칼륨이 용해되고, 상기 (e)단계에서 초본계 바이오매스를 압축함으로써, 용해되어 칼륨을 포함하는 수분이 배출될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법에 있어서, 상기 (f) 단계에서는 보일러에서 발생되는 폐열 또는 폐가스를 통해 가열할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법에 있어서, 상기 (f) 단계에서는 170 내지 190℃에서 건조가 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법에 있어서, 상기 (g)단계에서는 초본계 바이오매스는 톱밥을 250 내지 300℃의 온도로 연소시킴으로써 반탄화될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법에 있어서, 상기 (g) 단계에서 반탄화는 30분 내지 60분 동안 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법에 있어서, 상기 (g)단계에서 반탄화된 초본계 바이오매스는, 70.0 내지 75.0 중량％의 탄소; 1.0 내지 1.5 중량％의 산소; 0.5 내지 1.0 중량％의 질소; 및 20.0 내지 25 중량%의 회분을 포함할 수 있다.
본 발명은 수분을 초본계 바이오매스에 침투시키고 압축하여 칼륨을 제거함으로써 클링커(Clinker) 또는 슬래그(Slag)의 과다한 생성을 방지하고, 파울링(Fouling) 발생의 원인을 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법의 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법에서 초본계 바이오매스를 파쇄하는데 사용되는 커터를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1 , 제2 , A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 “연결”, “결합” 또는 “접속”된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 “연결”, “결합” 또는 “접속”될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법의 플로우 차트이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법은 (a) 내지 (g)단계를 포함하여 이루어진다.
일반적인 초본계 바이오매스는 억새, 옥수수대, 볏집, 나뭇잎, 팜부산물(Empty Fruit Bunch, EFB) 등을 포함한다. 상기 초본계 바이오매스는 칼륨을 상당량 포함하고 있고, 일부 칼륨은 수산기(OH-)와 결합된 수산화칼륨(KOH)으로 존재할 수 있다.
참고로, 수산화칼륨(KOH)은 다음과 같은 성질을 가지고 있다.
분자량 융점(℃) 비점(℃) 용해도
0℃ 100℃
56.11 380 1,320 97 178
상기 칼륨은 초본계 바이오매스의 연소과정에서 클링커(Clinker) 또는 슬래그(Slag)의 과다한 생성을 유발하고, 파울링(Fouling)이 발생하는 원인이 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법의 제일 첫 단계인 (a) 단계는 초본계 바이오매스를 수집하여 파쇄하는 단계이다. 초본계 바이오매스는 통상적으로 섬유질을 포함하고 있으므로, 이를 잘게 분쇄할 필요가 있다. 따라서 초본계 바이오매스를 2 내지 4인치(inch) 크기로 파쇄하는 것이 바람직하지만, 상기에서 언급한 크기에 한정하지는 않는다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법에서 초본계 바이오매스를 파쇄하는데 사용되는 커터를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 초본계 바이오매스를 파쇄하는 커터는 회전축을 중심으로 커터의 각 날개가 배치되되, 상기 날개들이 이웃하는 날개들과 서로 엇갈리도록 배치되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일실시예에서 섬유질을 잘게 부순다는 것은 초본계 바이오매스를 연료화하기 위하여 섬유질에 후술하는 수분을 침투시키기 적합한 크기를 만드는 것으로, 그 파쇄 또는 잘게 부숴진 조각들은 그 크기나 단면 등이 일정할 필요가 없이 찢어짐으로써도 형성될 수 있는 것이고, 따라서 도 2에 도시된 바와 같이 초본계 바이오매스를 파쇄하는 커터는 날개들이 서로 엇갈리게 배치되는 것이다.
상기 (a) 단계 이후에는, (b) 상기 (a) 단계에서 파쇄된 초본계 바이오매스를 함수율 40％ 이하가 될 때까지 일차로 압축하는 단계를 포함한다. 이때, 초본계 바이오매스를 스크류 프레스를 이용하여 기계적으로 압축함으로써 초본계 바이오매스 내부에 함유되어있는 수분과 상기 수분에 용해되어있는 수산화칼륨(KOH)을 배출시킬 수 있다.
상기 (b) 단계 이후에는, (c) 상기 (b) 단계에서 수분이 일부 제거된 초본계 바이오매스에 수분을 다시 추가하고 습윤제를 추가하는 단계를 포함한다. 이때, 초본계 바이오매스에 수분 즉, 물을 추가함으로써 함수율은 60% 이상으로 상승하게 되지만, 초본계 바이오매스 내부에 함유되어 있는 칼륨은 상기 수분에 용해된다. 따라서 상기 칼륨은 수산화칼륨(KOH)로 존재할 수 있다. 또한, 공급되는 상기 수분 또는 물의 온도는 본 발명의 일실예에서 크게 영향을 미치지 않고 사용자의 선택에 따를 수 있다.
상기 습윤제는 초본계 바이오매스에 수분이 침투되고, 상기 수분이 초본계 바이오매스 내부에서 분산되도록 하는 것으로, 상기 습윤제의 종류를 특별히 한정하지 않는다.
그리고 상기 (c)단계에서 초본계 바이오매스에 수분의 침투력을 더욱 높이기 위하여 상기 초본계 바이오매스와 수분증기를 살포하여 가열하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 살포되는 증기는 60 내지 80℃의 온도를 유지하는 것이 바람직하고, 상기 증기의 온도가 70℃인 것이 가장 바람직하다. 또한 상기 습윤제 역시 증기상태로 상기 살포되는 증기와 동시에 살포될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 상기 증기를 생성시키기 위하여 또는 후술하는 건조와 반탄화를 위하여 보일러를 구비할 수 있고, 상기 보일러로 생성된 증기는 상기 초본계 바이오매스와 수분에 직접 살포됨으로써 가열시키며, 상기 증기는 2 내지 3㎏/㎠의 압력으로 살포하는 것이 바람직하다. 상기 살포되는 증기의 압력이 2 내지 3㎏/㎠을 벗어나게 되면 초본계 바이오매스에 수분이 침투가 용이하게 이루어지지 않는다. 상기 초본계 바이오매스가 (c)단계를 거치게 되면, 침투되는 수분에 의해 상기 초본계 바이오매스의 내부에 함유되어 있는 칼륨이 수산화칼륨(KOH)로 용해된다.
상기 (c)단계 이후에는 (d) 상기 (c) 단계 후 수분이 포함된 초본계 바이오매스에 중화제를 추가하여 중화시키는 단계를 포함한다. 상기 수산화칼륨(KOH)은 그 자체가 염기성을 띠고 있으므로, 중화제를 추가하여 중화시키는 과정이 필요하다. 이때, 상기 중화제는 무기산 종류일 수 있으며, 그 종류를 특별히 한정하지 않는다.
시험항목 분석자료 EFB(원재료) [EFB+습윤제](A) [EFB+습윤제+중화제](B)
수분 67.30％ 60.00％ 69.10％ 65.30％
ASH습윤기준 4.90％ 1.85％ 0.73％ 0.45％
칼륨(K) 2.28％ 0.39％ 0.43％ 0.28％
고형분 32.7g 40.00g 30.90g 34.70g
회분(Ash)량 14.98％ 1.85％ 0.73g 0.45g
회분(Ash) 비율 14.98％ 4.62％ 2.36％ 1.30％
회분(Ash) 중 칼륨(K)의 함량 0.117g 0.0072g 0.0031g 0.0012g
상기 표 2는 초본계 바이오매스 중 EFB(Empty Fruit Bunch)의 실험결과를 나타낸 비교표이다. 상기 표 2를 참조하면, 초본계 바이오매스에 습윤제만을 추가하였을 때와 초본계 바이오매스에 습윤제와 중화제를 추가하였을 때의 칼륨의 양을 비교할 수 있으며, 중화제를 통한 상기 초본계 바이오매스를 중화시키는 과정은 상기 칼륨의 양을 더욱 감소시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
이때, 상기 A의 경우 상기 습윤제는 물 1000ℓ에 200g의 비율로 추가되어 실온에서 30분 침적 후 사용되며, 상기 B의 경우 상기 습윤제는 A의 경우와 같이 추가되고 중화제가 더 추가되어 사용되는 것을 의미한다.
덧붙여서, 상기 수산화칼륨(KOH)을 초본계 바이오매스로부터 배출되어 폐기될 때 발생할 수 있는 환경오염을 미리 예방할 수 있다.
상기 (d) 단계 이후에는, (e) 상기 (d) 단계에서 중화된 초본계 바이오매스를 함수율이 45％ 이하가 될 때까지 이차로 압축하는 단계를 포함한다. 이때 수분이 추가된 초본계 바이오매스를 스크류 프레스를 이용하여 압축함으로써 초본계 바이오매스의 내부에 함유되어있는 수분을 배출시킬 수 있다. 또한, 상기 수분에는 칼륨이 용해되어 있으므로, 압축에 의해 수분이 초본계 바이오매스로부터 배출되면서 초본계 바이오매스의 내부에 함유된 칼륨도 함께 배출된다.
상기 (e) 단계 이후에는, (f) 상기 (e) 단계에서 수분이 일부 제거된 초본계 바이오매스를 함수율이 20％ 이하가 될 때까지 가열하여 건조하는 단계를 포함한다. 이때, 초본계 바이오매스는 170 내지 190℃(가장 바람직하게는 180℃)의 온도로 가열되어 건조가 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 건조는 상기 (c) 단계의 보일러에서 발생되는 폐열 또는 폐가스로 가열하는 것이 바람직하다.
상기 (f) 단계 이후에는, (g) 상기 (f) 단계에서 건조된 초본계 바이오매스를 가열하여 반탄화시키는 단계를 포함한다. 이때, 초본계 바이오매스는 250 내지 300℃(가장 바람직하게는 270℃)에서 반탄화되는 것이 바람직하다. 상기 반탄화는 상기 (c)단계의 보일러에서 발생되는 폐열로 가열하는 것이 바람직하다. 또한 상기 반탄화는 톱밥을 250 내지 300℃의 온도로 연소시킴으로써 이루어질 수 있다. 그리고 상기 반탄화는 30 내지 60분에서 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 도면에 도시하지 않았지만, 상기 (e)와 (f) 단계의 건조와 반탄화를 위해 상기 보일러의 폐열을 보관하는 폐열회수기를 구비하는 것도 가능하다.
A B C D E F G



EFB
30		 Before 8.77 78.97 4.88 7.78
200 4.11 57.55 4.80 33.54
250 5.78 40.01 10.66 43.55
300 5.30 34.51 9.30 62.09

60		 Before 8.77 78.97 4.88 13.68
200 2.14 48.03 6.55 20.81
250 1.35 35.39 8.28 61.82
300 1.73 30.52 8.62 62.13
A : Raw Material
B : Residence Time(min.)
C : Torrefacion temp(℃)
D : Inherent moisture(％)
E : Volatile matter(％)
F : Ash(％)
G : Fixed Carbon(％)
상기 표 3은 초본계 바이오매스 중 EFB(Empty Fruit Bunch)를 반탄화하는 과정을 표로 나타낸 것이다.
표 3을 참조하면, EFB는 반탄화 전과 비교하여, 반탄화가 진행되면서 반탄화 전 4.88％에서 최고 10.66％ 수준까지 회분(Ash) 함량이 증가하는 것을 알 수 있다. 결론적으로 EFB는 반응시간보다 반응온도에 더 민감하게 영향을 받는 것을 알 수 있다.
고정탄소(Fixed Carbon)의 경우에도 반탄화 전과 비교하여, 반탄화가 진행되면서 약 8％에서 최고 62.09％ 수준까지 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 이 사실은 EFB를 반탄화 처리하는 동안 열에너지에 의해 휘발성 물질들이 제거되면서 상대적으로 고정탄소의 함량이 증가하는 것에 기인한다. 또한 EFB는 반응온도 200℃에서부터 휘발성 물질(Volatile matter)이 감소하는 경향을 보이는데, 이는 EFB가 섬유상 형태로 되어 있기 때문이라고 판단된다.
상기와 같은 방법으로 칼륨을 제거하여 초본계 바이오매스를 연료화하면, 클링커(Clinker) 또는 슬래그(Slag)의 과다한 생성을 방지하고, 파울링(Fouling) 발생의 원인을 차단하고 5,000㎉/㎏ 이상의 발열량을 가진 연료를 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명의 실시예에 따른 초본계 바이오매스의 연료화 방법를 실시하기 위한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (11)

  1. (a) 초본계 바이오매스를 수집하여 파쇄하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 파쇄된 초본계 바이오매스를 함수율 40％ 이하가 될 때까지 일차로 압축하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에서 수분이 일부 제거된 초본계 바이오매스에 60 내지 80℃의 증기로 된 수분과 습윤제를 5 : 1의 중량비로 2 내지 3㎏/㎠의 압력으로 살포 추가하는 단계;
    (d) 상기 (c) 단계 후 수분이 포함된 초본계 바이오매스에 중화제를 추가하여 중화시키는 단계;
    (e) 상기 (d) 단계에서 중화된 초본계 바이오매스를 함수율이 45％ 이하가 될 때까지 이차로 압축하는 단계;
    (f) 상기 (e) 단계에서 수분이 일부 제거된 초본계 바이오매스를 함수율이 20％ 이하가 될 때까지 170 내지 190℃로 가열하여 건조하는 단계; 및
    (g) 상기 (f) 단계에서 건조된 초본계 바이오매스를 톱밥을 250 내지 300℃의 온도로 연소시킴으로써 가열하여 반탄화시키는 단계를 포함하는 초본계 바이오매스의 연료화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 초본계 바이오매스는 2 내지 4인치 크기로 파쇄되는 초본계 바이오매스의 연료화 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 추가되는 수분에 의해 초본계 바이오매스에 함유된 칼륨이 용해되고,
    상기 (e)단계에서 초본계 바이오매스를 압축함으로써, 용해되어 칼륨을 포함하는 수분이 배출되는 초본계 바이오매스의 연료화 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (f) 단계에서는 보일러에서 발생되는 폐열 또는 폐가스를 통해 가열하는 초본계 바이오매스의 연료화 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (g) 단계에서 반탄화는 30분 내지 60분 동안 이루어지는 초본계 바이오매스의 연료화 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (g)단계에서 반탄화된 초본계 바이오매스는,
    70.0 내지 75.0 중량％의 탄소;
    1.0 내지 1.5 중량％의 산소;
    0.5 내지 1.0 중량％의 질소; 및
    20.0 내지 25 중량%의 회분을 포함하는 초본계 바이오매스의 연료화 방법.
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