KR102028442B1 - 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템 - Google Patents

바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초본계, 목질계, 조류(Algae) 바이오매스로부터 보일러 운전시 파울링, 슬래깅, 고온부식, 크링커 생성 등 반응기 벽면, 열교환기 등 전열면에 악영향을 발생하는 융착 및 고온부식 유발성분을 물리, 화학적 방법을 통하여 제거하고 제거 후 고상성분은 반탄화 고형연료로 보일러 혼소에 적용하여 바이오매스 혼소율을 높일 수 있는 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템에 관한 것이다.

Description

바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템{Improvement on Co-firing of Biomass with Coal Biomass Blending ratio, Manufacturing Method and System of Boiler-Torrefaction Fuel Production thereof}
본 발명은 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초본계, 목질계, 조류(Algae) 바이오매스로부터 보일러 운전시 파울링, 슬래깅, 고온부식, 크링커 생성 등 반응기 벽면, 열교환기 등 전열면에 악영향을 발생하는 융착 및 고온부식 유발성분을 물리, 화학적 방법을 통하여 제거하고 제거 후 고상성분은 반탄화 고형연료로 보일러 혼소에 적용하여 바이오매스 혼소율을 높일 수 있는 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템에 관한 것이다.
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 신재생에너지 공급인증서(REC, Renewable Energy Certificate)를 실시하고 있고 신재생에너지 원별 가중치는 환경, 기술개발 및 산업활성화에 미치는 영향, 발전원가, 부존잠재량, 온실가스 배출저감에 미치는 효과 등을 고려하여 정부가 재정하고 3년마다 재검토하고 있다.
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 설비 내에서 다단연소가 발생하여 설비 운전에 문제점을 발생시킨다.
또한, 바이오매스 내에 포함된 금속성분을 포함하는 무기질 성분에 의한 클링커나 파울링이 발생하는 문제점도 안고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 선행 연구에서는 석탄에 오일계 바이오매스를 혼합시킨 연료를 적용하는 기술이 개발되었다. 이처럼 단순히 석탄과 오일계 바이오매스를 혼합시킨 연료의 경우, 석탄의 표면이 대체로 오일로 코팅되거나 기공 안으로 오일이 일부 함침하게 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(clinker), 파울링(fouling), 유동층 연소로에서의 회분 응집(agglomeration) 등이다.
발전플랜트의 과열기튜브 고온염소부식, 절탄기튜브 회막힘 현상에 의한 유속변화로 인해 발생되는 마모, 유동층 연소기의 유동사에 의한 튜브 마모, 슈트블로워의 기계적 마모가 예상되며, 연료성분내의 무기성분인 칼륨과 염소성분이 연소과정에 화학결합을 통해 KCl을 생성하면, KCl(용융온도 776℃)은 점성이 강한 물질로 부착이 잘되며 염소 반응 등에 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 제2014-0068691호에서는 바이오매스 원료를 20~40분 동안 건조, 150~350℃로 반탄화하는 기술이 개시되어 있다.
일본등록특허 제 2688509호에서는 밀기울을 수세해 수용성 물질을 제거한 후, 0.1~0.4 규정의 알칼리 수용액으로 처리해 헤미셀룰로오스로부터 주로 이루어지는 구분을 알칼리수용액 중에 용출시켜 한계 밖과 막 및 이온교환 수지를 이용해 순으로 정제하는 것을 특징으로 하는 헤미셀룰로오스의 추출·정제법을 개시하고 있다.
한국등록특허 제10-0476239호에서는 왕겨로부터 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스를 제조하는데 있어서 (1) 왕겨에서 단백질 제거 및 왕겨를 세척하는 공정; (2) 왕겨를 0.5 내지 1M 농도의 수산화나트륨 용액으로 추출하고 여과하는 공정; (3) (2)단계에서 얻은 알칼리 추출용액에 인산을 가해 용액의 pH를 낮추어서 헤미셀룰로오스를 침전으로 회수하는 공정; (4) (3)단계에서 얻어진 침전에 대해 인산 또는 옥살산으로 추가 세척한 다음 oxalate-potassium permanganate처리를 통해 탈색하는 공정; (5) 상기단계에서 얻어진 탈색된 헤미셀룰로오스 분획으로부터 용액의 pH조절을 통해 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스의 선별적인 분리가 가능하되 수용성 헤미셀룰로오스를 회수하는데 있어서 인산을 가해 침전으로 회수하거나 또는 칼슘을 가해 불용성으로 전환한 다음 회수하는 공정; (6) 이와 같은 일련의 연속공정을 통해 얻은 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스를 자연건조 또는 분무건조하여 분말을 얻은 후, 밀링(milling)하고 적절한 크기의 체망을 통과하여 미세분말을 얻는 공정으로 이루어진 왕겨로부터의 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스의 제조방법 을 개시하고 있다.
한국공개특허 특2002-0017572호에서는 폐수처리오니를 혼합 탈수하는 단계, 파쇄단계, 재생오니 제조단계 기술을 개시하고 있다.
한국특허공보 제10-1457470호에서는 a) 헤미셀룰로오스를 바이오매스로부터 추출하는 단계; b) 헤미셀룰로오스 추출액으로부터 헤미셀룰로오스를 침전 및 분리하는 단계; 및 c) 상기 분리된 헤미셀룰로오스를 제지공정에 투입하는 단계;로 구성되는 건조 지력이 개선된 종이 제조 방법에 있어서, 상기 a) 추출 단계는 70 ~ 180분간 135 ~ 160 에서 NaOH를 전건 바이오매스 대비 12 ~ 25% 첨가하는 고온 알칼리 추출 처리시 추출액비 1:8 ~ 1:16으로 수행하며, 상기 b) 단계에서는 헤미셀룰로오스 추출액에 아세톤을 혼합하여 헤미셀룰로오스를 침전, 분리하며, 상기 c) 단계는 분리된 헤미셀룰로오스의 종이 내 정착을 위하여 디시안디아마이드를 단량체로 하는 분자량 30만 ~ 70만, 양이온성 전하밀도 3 ~ 7 meq/g의 폴리디시안디아미드 전해질을 정착제로 사용하는 것을 특징으로 하는 건조 지력이 개선된 종이 제조 방법이 개시되어 있다.
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 바이오매스 내의 융착 및 고온부식 유발성분을 제거하여 회분 함량이 낮은 연료 물질을 효과적으로 추출 및 분리하고 이를 활용하여 보일러의 바이오매스 혼소율을 증진할 수 있는 보일러용 연료 생산 시스템에 관한 기술개발이 절실히 요구되고 있다.
한국공개특허 제2014-0068691호 일본등록특허 제 2688509호 한국등록특허 제10-0476239호 한국특허공보 제10-0413384호 한국공개특허 특2002-0017572호
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, 목질계, 조류(Algae) 바이오매스로부터 보일러 운전시 파울링, 슬래깅, 고온부식, 크링커 생성 등 반응기 벽면, 열교환기 등 전열면에 악영향을 발생하는 융착 및 고온부식 유발성분을 물리, 화학적 방법을 통하여 제거하고 제거 후 고상성분은 반탄화 고형연료로 보일러 혼소에 적용하여 바이오매스 혼소율을 높일 수 있는 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템을 제공하는 데 있다.
이를 위하여 본 발명에서는 바이오매스를 소정 크기의 원료로 형성하는 분쇄유닛(100); 상기 원료를 저장하는 호퍼(200); 상기 호퍼에 저장된 상기 원료를 후단에 정량 공급하는 원료공급피더(210); 상기 원료공급피더로부터 공급된 원료의 연소 후 융착 및 고온부식 유발성분이 최대로 분리되도록 소정 온도의 열수로 처리하는 성분분리유닛(300); 상기 성분분리유닛에서 융착 및 고온부식 유발성분이 분리된 연료를 펠릿화하는 펠릿화유닛(400); 및 상기 펠릿화유닛에서 펠릿화된 연료를 반탄화처리하는 반탄화유닛 (500)을 포함하는 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템을 포함할 수 있다.
또한, 바이오매스를 소정 크기의 원료로 형성하는 분쇄유닛(100); 상기 원료를 저장하는 호퍼(200); 상기 호퍼에 저장된 상기 원료를 후단에 정량 공급하는 원료공급피더(210); 상기 원료공급피더로부터 공급된 원료의 연소 후 융착 및 고온부식 유발성분이 최대로 분리되도록 소정 온도의 열수로 처리하는 성분분리유닛(300); 상기 성분분리유닛에서 공급된 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 제거된 연료를 반탄화처리하는 반탄화유닛(500) 및 상기 반탄화유닛에서 반탄화된 연료를 펠릿화하는 펠릿화유닛(400); 을 포함하는 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템을 포함할 수 있다.
또한, 상기 성분분리유닛에서 배출되는 액상성분에 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 포함할 수 있다.
또한, 상기 성분분리유닛에서 배출되는 고상성분은 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 분리된 가연성 성분을 포함될 수 있다.
또한, 상기 성분분리유닛에서 배출되는 액상성분의 pH는 6이하일 수 있다.
또한, 상기 액상성분 중 유기화합물이 분리된 액상성분은 상기 성분분리유닛으로 재순환될 수 있다.
또한, 상기 반탄화유닛에서 배출되는 기상성분에는 산성가스를 포함하는 유기화합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템에서 상기 반탄화된 연료는 화석연료를 사용하는 보일러에서 50중량부 이하로 혼소될 수 있다.
또한, 바이오매스를 소정 크기의 원료로 형성하는 분쇄유닛(100); 상기 원료를 저장하는 호퍼(200); 상기 호퍼에 저장된 상기 원료를 후단에 정량 공급하는 원료공급피더(210); 상기 원료공급피더에서 공급된 연료를 반탄화처리하는 반탄화유닛(500); 상기 반탄화유닛에서 반탄화된 연료를 펠릿화하는 펠릿화유닛(400); 및 상기 펠릿화유닛으로부터 공급된 원료의 연소 후 융착 및 고온부식 유발성분이 최대로 분리되도록 소정 온도의 열수로 처리하는 성분분리유닛(300); 을 포함하는 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템일 수 있다.
또한, 바이오매스를 분쇄유닛(100)에서 소정 크기의 원료로 형성하는 제1단계; 상기 원료를 호퍼(200)에 저장하는 제2단계; 상기 호퍼에 저장된 상기 원료를 원료공급피더(210)로 후단에 정량 공급하는 제3단계; 상기 원료공급피더로부터 공급된 원료를 성분분리유닛(300)에서 연소 후 융착 및 고온부식 유발성분이 최대로 분리되도록 소정 온도의 열수로 처리하는 제4단계; 상기 성분분리유닛에서 융착 및 고온부식 유발성분이 분리된 연료를 펠릿화유닛(400)에서 펠릿화하는 제5단계; 및 상기 펠릿화유닛에서 펠릿화된 연료를 반탄화유닛(500)에서 반탄화처리하는 제6단계;를 포함하는 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 방법일 수 있다.
본 발명의 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템에 따르면, 산 등 촉매의 저온/고온 반응조건을 통하여 초본계 또는 목질계 바이오매스로부터 융착 및 고온부식 유발성분 등을 효과적이면서 쉽게 추출 분리할 수 있어 보일러내 바이오매스 전소 및/또는 혼소를 위한 원료를 선택적으로 확보할 수 있다.
또한, 바이오매스에 포함된 알칼리 및 알칼리토 금속, 할로겐족 원소 등의 융착 및 고온부식 유발성분을 효과적으로 제거하여 발전연료에 적용 시 연소시스템 운전 중 발생할 수 있는 클링커, 파울링 및 알칼리 부식 문제를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 융착 및 고온부식 유발성분이 제거된 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, 멤브레인필터링 공정을 적용하여 바이오매스의 액상성분 중의 융착 및 고온부식 유발성분을 효과적으로 분리함으로써 액상의 유기화합물 연료 확보 및 처리수를 재활용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템에서 융착 및 고온부식 유발성분분리유닛 전 후의 원료의 성분 변화를 나타낸 것이다.
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 보일러용 연료에 사용되는 석탄은 이탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄 등 이 기술분야에서 인식되는 저등급 석탄 중에서 선택된 어느 하나 이상의 것을 의미한다.
바이오 매스 원료로는 목질계와 초본계를 사용할 수 있다. 목질계로는 나무 블럭, 우드칩, 통나무, 나무 가지, 나무 부스러기, 낙엽, 목판, 톱밥, 리그닌, 자일란, 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 바이오 매스가 사용될 수 있다.
바이오 매스 원료로는 조류(algae)를 사용할 수 있다. 조류로는 녹조류(Green algae), 남조류(Cyanobacteria), 규조류(Diatom), 홍조류, Chlorella, Spirulina, Dunaliella, Porphyridium, Phaeodactylum 등이 사용될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 회분저감형 바이오매스를 이용한 복합 연료 생산 시스템을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 융착 및 고온부식 유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템을 나타낸 흐름도이다.
바이오매스를 소정 크기의 원료로 형성하는 분쇄유닛(100); 상기 원료를 저장하는 호퍼(200); 상기 호퍼에 저장된 상기 원료를 후단에 정량 공급하는 원료공급피더(210); 상기 원료공급피더로부터 공급된 원료의 연소 후 융착 및 고온부식 유발성분이 최대로 분리되도록 소정 온도의 열수로 처리하는 성분분리유닛(300); 상기 성분분리유닛에서 융착 및 고온부식 유발성분이 분리된 연료를 펠릿화하는 펠릿화유닛(400); 및 상기 펠릿화유닛에서 펠릿화된 연료를 탄화처리하는 반탄화유닛(500)을 포함하는 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템일 수 있다.
상기 바이오매스는 억새, 옥수수대, 우드펠릿 등 일 수 있다.
상기 바이오매스는 2세대, 3세대 바이오매스, 가연성 고형폐기물 중 어느 하나 이상 일 수 있다.
상기 가연성 고형폐기물에는 폐지류, 농업폐기물, 폐목재류, 식물성잔재물, 초본류 폐기물 등이 있을 수 있다.
2, 3등급 폐목재(2등급 : 가공·처리·사용과정에서 접착제, 페인트, 기름, 콘크리트 등 의 물질이 사용되었거나 이에 오염된 폐목재(할로겐족유기화합물이나 방부제로 처리·오염된 폐목재는 예외), 3등급 : 가공처리사용과정에서 할로겐족유기화합물이나 방부제가 사용되었거나 이에 오염된 폐목재와 「자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률」시행규칙 제20조의3 제2항의 고형연료제품의 품질등급기준에 적합하지 않는 폐목재 칩 및 위의 1~2등급에 해당되지 않는 기타 폐목재)를 추가로 포함할 수 있다. (환경부고시 제2012-117호)
상기 소정 크기는 500mm이하 일 수 있다.
바람직하게는 10μm 내지 300mm이하 일 수 있다.
더욱 바람직하게는 20mm 내지 50mm이하 일 수 있다.
상기 입자 사이즈를 벗어날 경우, 분쇄비용이 과다하게 소요되거나, 융착 및 고온부식 유발성분의 제거 효율이 낮아질 수 있다.
상기 분쇄유닛은 파쇄(crushing) 및/또는 분쇄(grinding)를 수행할 수 있다. 상기 분쇄유닛은 압축, 충격, 마찰, 전단, 굽힘 중 어느 하나 이상의 물리 특성을 이용할 수 있으며 절단 등 바이오매스의 크기를 줄이는 동시에 표면적을 넓히는 목적을 달성할 수 있다면 그 방법에 제한이 되지 않는다.
상기 분쇄유닛은 죠크러셔(Jaw crusher), 자이레토리크러셔(Gyratory crusher), 롤크러셔(Roll crusher), 에지러너(Edge runner), 햄머크러셔(Hammer crusher), 볼밀(Ball mill), 제트밀(Jet mill), 디스크크러셔(Disk crusher) 중 어느 하나 일 수 있다.
상기 원료공급피더는 후단에 정량적으로 상기 원료를 공급할 수 있는 장치라면 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게는 스크류피더, 락호퍼가 있다.
상기 융착 및 고온부식 유발성분이란 연소반응에 사용되는 바이오매스에 포함된 무기물 성분 중 반응 후단의 반응기 벽면, 열교환기, 후단 배가스 처리 설비의 표면에 물리, 화학적으로 부착되어 파울링, 슬래깅, 부식, 크링커 생성등을 유발하는 융착 및 고온부식 유발성분을 의미한다.
상기 융착 및 고온부식 유발성분은 알칼리, 알칼리토 금속, 할로겐족 원소일 수 있다.
바람직하게는 나트륨, 칼륨, 염소일 수 있다.
상기 소정 온도의 열수처리를 위한 주입수의 온도는 0℃ 내지 100℃일 수 있다. 바람직하게는 40℃ 내지 80℃일 수 있다. 상기 공급원료가 상기 융착 및 고온부식 유발성분분리 유닛내에 체류하는 시간은 10분 내지 2시간일 수 있다.
상기 온도 및 시간조건을 벗어나면 제거성분의 효율이 낮아지거나 공정 비용이 많이 소요된다.
상기 단위공급원료 당 투입되는 열수양은 바이오매스의 종류에 따라 달라지며, BTW(Biomass to Water, kg/kg)으로 정의될 수 있다. 바람직하게는 0.02 내지 0.5일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.11 내지 0.18일 수 있다(억새 기준, 우드펠릿, 옥수수대 1/6).
상기 BTW비를 벗어나게 되면 유발성분의 분리 효율이 낮아지게 된다.
상기 혼소 조건은 기존 화석연료 대비 1wt% 내지 50wt%일 수 있다. 바람직하게는 3wt% 내지 40wt%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 5wt% 내지 30wt%일 수 있다.
상기 융착 및 고온부식 유발성분분리유닛에서 배출되는 액상성분에 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 포함될 수 있다.
상기 액상성분은 소량의 유기화합물 및 융착 및 고온부식 유발성분을 포함하는 수용액일 수 있다. 상기 유기화합물은 탄소, 수소, 질소, 산소, 황 성분을 주요 구성성분으로 할 수 있다. 바람직하게는 상기 액상성분은 헤미셀룰로오스, 유기산, 푸르푸랄, 5-hydroxymethylfufural (5-HMF) 및 무기물을 포함할 수 있다.
상기 융착 및 고온부식 유발성분 분리유닛에서 배출되는 고상성분은 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 분리된 가연성 성분을 포함될 수 있다.
상기 가연성 성분은 유기화합물일 수 있다. 상기 가연성 성분은 탄소, 수소, 질소, 산소, 황 성분을 주요 구성성분으로 할 수 있다.
상기 액상성분의 pH는 6이하일 수 있다.
더욱 바람직하게는 pH는 2.5에서 4이하일 수 있다.
상기 액상성분의 pH는 상기 원료내의 유기산에 의해 pH가 낮아지는 것에 기술적 특징이 있다. 상기 유기산으로는 acetic acid, formic acid, propanoic acid, 4-hydroxy-butanoic acid, 2-butenoic acid 등이 있다.
추가적으로 융착 및 고온부식 유발성분 분리유닛의 반응성 향상을 위해 산액인 acetic acid(C2H4O2), formic acid(HCOOH), propanoic acid(CH3CH2COOH), 4-hydroxy-butanoic acid, 2-butenoic acid, 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 과초산(C2H4O3), 초산(CH3COOH), 옥살산(C2H2O4) 중 어느 하나 이상을 추가로 투입할 수 있다.
상기 산액의 첨가량은 전체 투입 열수량 대비 10wt% 이내 일 수 있다.
상기 산액의 첨가에 의한 pH는 바람직하게는 4이하 일 수 있다.
더욱 바람직하게는 pH는 2.5에서 4이하일 수 있다.
상기 액상성분 중 유기화합물을 분리한 pH가 낮은 수용액은 상기 융착 및 고온부식 유발성분분리유닛(400);으로 재순환 시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 액상성분 중 유기화합물을 제거하기 위해 원심분리, 응집, 흡착, 여과막, 이온교환수지 중 어느 하나 이상을 적용할 수 있다.
상기 반탄화유닛은 회전통과 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 제거된 연료 저장장치 및 이송장치, 그리고 원료 취합부를 구비할 수 있다.
상기 회전통 내부에는 내부 회전튜브를 포함할 수 있다. 상기 내부 회전튜브의 외경 대 상기 회전통 내경의 비는 0.9 이하일 수 있다. 바람직하게는 상기 내부 회전튜브 외경 대 상기 회전통 내경의 비는 0.6이하일 수 있다. 상기 직경비의 범위내에서만 탄화효율이 효과적일 수 있다.
상기 내부 회전튜브의 회전방형은 상기 회전통의 회전방향과 역방향일 수 있다. 상기 내부 회전튜브는 내부에 요철이 형성되거나 스크류 형태를 갖을 수 있다. 상기 원료 취합부는 압력 및/또는 온도센서를 포함할 수 있다.
상기 원료 취합부는 가스배출 밸브를 포함할 수 있다.
상기 원료 취합부는 로드셀을 포함할 수 있다.
상기 원료 취합부는 가스농도센서가 포함할 수 있다.
상기 반탄화유닛의 내부 회전튜브의 반탄화 온도는 150 내지 250일 수 있다. 바람직하게는 180 내지 230일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 190 내지 210일 수 있다. 상기 반탄화온도 범위를 벗어나면 상기 원료가 완전탄화되거나 부피, 발열량, 분쇄성 특성이 떨어질 수 있다.
상기 반탄화유닛의 반탄화 조건은 불활성 가스상에서 수행될 수 있다.
상기 액상성분의 유기화합물 분리를 위해 재순환유닛을 추가로 포함할 수 있다.
상기 재순환유닛은 마이크로필터, 울트라필터, 나노필터, 역삼투막 중 어느 하나 또는 2이상일 수 있다. 또한, 상기 재순환유닛유닛의 전단 또는 후단에 pH, 농도조절을 위한 물, 산성용액, 염기성용액을 주입할 수 있다. 또한, 상기 재순환유닛 전단 또는 후단에 수분증발, 원심분리, 석출, 침전, 응집, 흡착 중 어느 하나 이상의 방법을 이용하여 액상성분내 고체성분을 분리할 수 있다. 상기 액상성분내 헤미셀룰로오스는 정제분리하여 식이섬유 대용으로 사용할 수 있다.
상기 융착 및 고온부식 유발성분 분리유닛 후단에 세척을 위한 세척유닛 및 수분제거유닛 중 어느 하나 또는 2개 유닛이 추가될 수 있다.
상기 반탄화유닛에서 배출되는 기상성분에는 산성가스를 포함하는 유기화합물을 포함할 수 있다.
상기 유기화합물은 상기 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템의 열원으로 이용될 수 있다. 상기 유기화합물은 헤미셀룰로오스, 산성가스, 푸르푸랄, 열분해 가연성 가스등을 포함할 수 있다. 상기 유기화합물은 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템에서 열원으로 사용될 수 있다.
상기 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템에서 상기 반탄화된 연료는 화석연료를 사용하는 보일러에서 50중량부 이하로 혼소될 수 있는 것을 특징으로 하는 반탄화 연료일 수 있다.
상기 반탄화된 연료는 화석연료를 사용하는 보일러에서 상기 반탄화 연료 wt% 대 혼소연료 wt% 혼소비는 0.01 내지 0.5일 수 있다.
바람직하게는 0.05 내지 0.4일 수 있다. 더욱 바람직하게는 0.3일 수 있다. 상기 혼소비를 벗어나면, 상기 혼소연료상에 존재하는 부식성 유발 물질 및 저융점 물질에 기인하는 파울링, 크링커, 배관부식 등의 문제가 발생할 수 있다.
바이오매스를 분쇄유닛(100)에서 소정 크기의 원료로 형성하는 제1단계; 상기 원료를 호퍼(200)에 저장하는 제2단계; 상기 호퍼에 저장된 상기 원료를 원료공급피더(210)로 후단에 정량 공급하는 제3단계; 상기 원료공급피더로부터 공급된 원료를 성분분리유닛(300)에서 연소 후 융착 및 고온부식 유발성분이 최대로 분리되도록 소정 온도의 열수로 처리하는 제4단계; 상기 성분분리유닛에서 융착 및 고온부식 유발성분이 분리된 연료를 펠릿화유닛(400)에서 펠릿화하는 제5단계; 및 상기 펠릿화유닛에서 펠릿화된 연료를 반탄화유닛(500)에서 반탄화처리하는 제6단계;를 포함하는 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 방법일 수 있다.
100: 분쇄유닛
200: 호퍼
210: 원료공급피더
300: 융착 및 고온부식 유발성분분리유닛
400: 펠릿화유닛
500: 반탄화유닛

Claims (10)

  1. 바이오매스를 소정 크기의 원료로 형성하는 분쇄유닛(100);
    상기 원료를 저장하는 호퍼(200);
    상기 호퍼에 저장된 상기 원료를 후단에 정량 공급하는 원료공급피더(210);
    상기 원료공급피더로부터 공급된 원료의 연소 후 융착 및 고온부식 유발성분이 최대로 분리되도록 소정 온도의 열수로 처리하는 성분분리유닛(300);
    상기 성분분리유닛에서 융착 및 고온부식 유발성분이 분리된 연료를 펠릿화하는 펠릿화유닛(400); 및
    상기 펠릿화유닛에서 펠릿화된 연료를 반탄화처리하는 반탄화유닛(500)을 포함하고,
    상기 성분분리유닛에서 배출되는 액상성분에 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 포함되고,
    상기 성분분리유닛에서 배출되는 고상성분은 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 분리된 가연성 성분을 포함되며,
    상기 성분분리유닛에서 배출되는 액상성분의 pH는 6이하이고,
    상기 액상성분 중 유기화합물이 분리된 액상성분은 상기 성분분리유닛으로 재순환 시키며,
    상기 소정 온도의 열수처리를 위한 주입수의 온도는 40 내지 80℃이고,
    BTW(Biomass to Water, kg/kg)는 0.02 내지 0.5이며,
    추가적으로 융착 및 고온부식 유발성분의 상기 성분분리유닛 내에서의 반응성 향상을 위해 산액인 acetic acid(C2H4O2), formic acid(HCOOH), propanoic acid(CH3CH2COOH), 4-hydroxy-butanoic acid, 2-butenoic acid, 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 과초산(C2H4O3), 옥살산(C2H2O4)중 어느 하나 이상을 추가로 투입하고,
    상기 산액의 첨가량은 전체 투입 열수량 대비 10wt% 이내인,
    바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템.
  2. 바이오매스를 소정 크기의 원료로 형성하는 분쇄유닛(100);
    상기 원료를 저장하는 호퍼(200);
    상기 호퍼에 저장된 상기 원료를 후단에 정량 공급하는 원료공급피더(210);
    상기 원료공급피더로부터 공급된 원료의 연소 후 융착 및 고온부식 유발성분이 최대로 분리되도록 소정 온도의 열수로 처리하는 성분분리유닛(300);
    상기 성분분리유닛에서 공급된 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 제거된 연료를 반탄화처리하는 반탄화유닛(500) 및
    상기 반탄화유닛에서 반탄화된 연료를 펠릿화하는 펠릿화유닛(400); 을 포함하며
    상기 성분분리유닛에서 배출되는 액상성분에 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 포함되고,
    상기 성분분리유닛에서 배출되는 고상성분은 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 분리된 가연성 성분을 포함되며,
    상기 성분분리유닛에서 배출되는 액상성분의 pH는 6이하이고,
    상기 액상성분 중 유기화합물이 분리된 액상성분은 상기 성분분리유닛으로 재순환 시키며,
    상기 소정 온도의 열수처리를 위한 주입수의 온도는 40 내지 80℃이고,
    BTW(Biomass to Water, kg/kg)는 0.02 내지 0.5이며,
    추가적으로 융착 및 고온부식 유발성분의 상기 성분분리유닛 내에서의 반응성 향상을 위해 산액인 acetic acid(C2H4O2), formic acid(HCOOH), propanoic acid(CH3CH2COOH), 4-hydroxy-butanoic acid, 2-butenoic acid, 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 과초산(C2H4O3), 옥살산(C2H2O4)중 어느 하나 이상을 추가로 투입하고,
    상기 산액의 첨가량은 전체 투입 열수량 대비 10wt% 이내인,
    바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반탄화유닛에서 배출되는 기상성분에는 산성가스를 포함하는 유기화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는
    바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템.
  8. 삭제
  9. 바이오매스를 소정 크기의 원료로 형성하는 분쇄유닛(100);
    상기 원료를 저장하는 호퍼(200);
    상기 호퍼에 저장된 상기 원료를 후단에 정량 공급하는 원료공급피더(210);
    상기 원료공급피더에서 공급된 연료를 반탄화처리하는 반탄화유닛(500);
    상기 반탄화유닛에서 반탄화된 연료를 펠릿화하는 펠릿화유닛(400); 및
    상기 펠릿화유닛으로부터 공급된 원료의 연소 후 융착 및 고온부식 유발성분이 최대로 분리되도록 소정 온도의 열수로 처리하는 성분분리유닛(300);을 포함하며
    상기 성분분리유닛에서 배출되는 액상성분에 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 포함되고,
    상기 성분분리유닛에서 배출되는 고상성분은 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 분리된 가연성 성분을 포함되며,
    상기 성분분리유닛에서 배출되는 액상성분의 pH는 6이하이고,
    상기 액상성분 중 유기화합물이 분리된 액상성분은 상기 성분분리유닛으로 재순환 시키며,
    상기 소정 온도의 열수처리를 위한 주입수의 온도는 40 내지 80℃이고,
    BTW(Biomass to Water, kg/kg)는 0.02 내지 0.5이며,
    추가적으로 융착 및 고온부식 유발성분의 상기 성분분리유닛 내에서의 반응성 향상을 위해 산액인 acetic acid(C2H4O2), formic acid(HCOOH), propanoic acid(CH3CH2COOH), 4-hydroxy-butanoic acid, 2-butenoic acid, 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 과초산(C2H4O3), 옥살산(C2H2O4)중 어느 하나 이상을 추가로 투입하고,
    상기 산액의 첨가량은 전체 투입 열수량 대비 10wt% 이내인,
    바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템.
  10. 바이오매스를 분쇄유닛(100)에서 소정 크기의 원료로 형성하는 제1단계;
    상기 원료를 호퍼(200)에 저장하는 제2단계;
    상기 호퍼에 저장된 상기 원료를 원료공급피더(210)로 후단에 정량 공급하는 제3단계;
    상기 원료공급피더로부터 공급된 원료를 성분분리유닛(300)에서 연소 후 융착 및 고온부식 유발성분이 최대로 분리되도록 소정 온도의 열수로 처리하는 제4단계;
    상기 성분분리유닛에서 융착 및 고온부식 유발성분이 분리된 연료를 펠릿화유닛(400)에서 펠릿화하는 제5단계; 및
    상기 펠릿화유닛에서 펠릿화된 연료를 반탄화유닛(500)에서 반탄화처리하는 제6단계;를 포함하며
    상기 성분분리유닛에서 배출되는 액상성분에 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 포함되고,
    상기 성분분리유닛에서 배출되는 고상성분은 상기 융착 및 고온부식 유발성분이 분리된 가연성 성분을 포함되며,
    상기 성분분리유닛에서 배출되는 액상성분의 pH는 6이하이고,
    상기 액상성분 중 유기화합물이 분리된 액상성분은 상기 성분분리유닛으로 재순환 시키며,
    상기 소정 온도의 열수처리를 위한 주입수의 온도는 40 내지 80℃이고,
    BTW(Biomass to Water, kg/kg)는 0.02 내지 0.5이며,
    추가적으로 융착 및 고온부식 유발성분의 상기 성분분리유닛 내에서의 반응성 향상을 위해 산액인 acetic acid(C2H4O2), formic acid(HCOOH), propanoic acid(CH3CH2COOH), 4-hydroxy-butanoic acid, 2-butenoic acid, 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 과초산(C2H4O3), 옥살산(C2H2O4)중 어느 하나 이상을 추가로 투입하고,
    상기 산액의 첨가량은 전체 투입 열수량 대비 10wt% 이내인,
    바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 방법.
KR1020160106683A 2016-08-23 2016-08-23 바이오매스 혼소율 향상을 위한 보일러용 반탄화 연료 생산 시스템 KR102028442B1 (ko)

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