KR102434206B1 - 생성물의 제조 방법 - Google Patents

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켄타로 나가사와
타다시 나카무라
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Abstract

본 발명은, 식물성 폐기물을 포함하는 원료를 가수분해 처리하고, 생성물을 제조하는 생성물의 제조 방법이고, 원료를 증기에 의하여 가수분해하는 가수분해 처리 공정과, 가수분해 처리된 원료를 세정액으로 세정하는 세정 공정과, 세정된 원료를 고형분과 액체분으로 분리하는 고액(固液) 분리 공정을 포함하고, 고형분 또는 액체분 중 적어도 일방(一方)을 생성물로 하는 것이다.　본 발명은, 식물성 폐기물을 포함하는 원료를 가수분해 처리하고, 생성물을 제조하는 생성물의 제조 장치이고, 원료를 증기에 의하여 가수분해 처리하는 가수분해 처리 장치와, 가수분해 처리된 원료를 세정액으로 세정하는 세정 장치와, 세정된 원료를 고형분과 액체분으로 분리하는 고액 분리 장치를 구비하는 것이다.　본 발명에 의하여, 식물성 폐기물 원료로부터 생성물을 단시간에 제조할 수 있는 생성물의 제조 방법 및 제조 장치를 제공할 수 있다.

Description

생성물의 제조 방법
본 발명은, 생성물의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.
종래, 식물성 폐기물, 예를 들어, (a) 과잉 생산에 의한 폐기 야채, 야채 찌꺼기, 커트 야채 찌꺼기, 콩비지, 가로수의 벌채 지엽(枝葉), 간벌재(間伐材), 톱밥, 밀짚, 볏짚, 왕겨 등의 농작물 및 농작물 가공품 잔사(殘渣), (b) 소주 지게미, 청주 지게미, 과실주 지게미, 간장 지게미, 차잎, 과실 쥬스 지게미 등의 음료품 잔사, (c) 팜 야자의 열매로부터 팜유를 착유한 후의 잔사인 EFB(Empty Fruit Bunch: 공과방(空果房)) 등은, 건조, 소각, 매립 등의 방법으로 처분되고 있었다.
근년(近年), 이것들의 식물성 폐기물을 재이용하기 위하여, 식물성 폐기물을 효소에 의하여 가수분해 처리하여, 유기산을 제조하는 유기산의 제조 방법이 제안되어 있다(특허 문헌 1 참조).
일본국 공개특허공보 특개2013-230142호
그렇지만, 특허 문헌 1에 기재된 제조 방법에서는, 효소를 이용하여 식물성 폐기물을 가수분해 처리하기 때문에, 가수분해 처리 공정에 장시간 걸리고 있었다.
그래서, 본 발명은 이상의 과제에 감안하여 이루어진 것이며, 식물성 폐기물 원료로부터 생성물을 단시간에 제조할 수 있는 생성물의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 발명에 관련되는 하나의 태양(態樣)은, 식물성 폐기물을 포함하는 원료를 가수분해 처리하고, 생성물을 제조하는 생성물의 제조 방법이고, 상기 원료를 증기에 의하여 가수분해 처리하는 가수분해 처리 공정과, 가수분해 처리된 상기 원료를 세정액으로 세정하는 세정 공정과, 세정된 상기 원료를 고형분과 액체분으로 분리하는 분리 공정을 포함하고, 상기 고형분 또는 상기 액체분 중 적어도 일방(一方)을 상기 생성물로 하는 것을 특징으로 한다.
(2) 상기 (1)의 태양에 있어서, 상기 분리 공정 후, 상기 세정 공정으로 되돌리고, 상기 분리 공정 및 상기 세정 공정을 복수 회(回) 반복하여도 무방하다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)의 태양에 있어서, 상기 세정 공정의 상기 세정액은, 물이어도 무방하다.
(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 고형분을 건조하는 건조 공정을, 포함하여도 무방하다.
(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 고형분을 펠릿(pellet)화하는 성형 공정을, 포함하여도 무방하다.
(6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 고형분으로부터, 바이오매스(biomass) 연료를 제조하여도 무방하다.
(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나의 태양에 있어서, 상기 액체분으로부터, 액체 비료를 제조하여도 무방하다.
(8) 본 발명에 관련되는 다른 하나의 태양은, 식물성 폐기물을 포함하는 원료를 가수분해 처리하고, 생성물을 제조하는 생성물의 제조 장치이고, 상기 원료를 증기에 의하여 가수분해 처리하는 가수분해 처리 장치와, 가수분해 처리된 상기 원료를 세정액으로 세정하는 세정 장치와, 세정된 상기 원료를 고형분과 액체분으로 분리하는 고액(固液) 분리 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 식물성 폐기물 원료로부터 생성물을 단시간에 제조할 수 있는 생성물의 제조 방법 및 제조 장치를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 관련되는 생성물의 제조 방법 및 제조 장치에 관하여 설명한다.
이 생성물의 제조 방법은, 식물성 폐기물을 포함하는 원료를 가수분해 처리하고, 생성물을 제조하는 것이고, 가수분해 처리 공정과, 세정 공정과, 고액 분리 공정을 포함하고 있다. 여기에서는, 식물성 폐기물 즉 원료를 EFB로서, 바이오매스 연료 및 액체 비료 중 적어도 일방을 생성물로서 제조하지만, 이것으로 한정되지 않고, 옥수수, 바나나 등이어도 무방하다. 단, EFB는, 팜 야자의 열매로부터 팜유를 착유한 후의 잔사이기 때문에, 염가이며, 다량으로 입수 가능하다.
(원료 전(前) 처리 공정)
착유 공장에서 그대로, 생성물을 제조하는 경우, EFB는, 착유 후의 형상인 채이어도 무방하지만, 다른 장소로 수송하여 행하는 경우 등은, 필요에 따라, 파쇄 수단으로 100mm 내지 10mm 이하 정도의 크기로 파쇄되어도 무방하다.
(원료 투입 공정)
EFB는, 가수분해 처리 장치의 처리 용기에 투입된다. 이 때, EFB와 함께 수분 조정재(調整材)가, 동시에 투입되어도 무방하다. 수분 조정재로서는, 흡수성과 함께, 가수분해 처리로 용출(溶出)시킨 유해 중금속 이온 등을 흡착 가능한 흡착재(吸着材)를 사용하여도 무방하다. 흡착재는, 무기계(無機系) 흡착재이어도 무방하지만, 유기계(有機系) 흡착재가 바람직하다.
EFB가 처리 용기에 투입되면, 처리 용기 내(內)의 교반(攪拌) 수단이 회전되는 것으로, EFB가 교반되어도 무방하다. 교반 수단의 운전은, 연속 또는 간헐 중 어느 쪽이어도 무방하지만, 소정 시간마다 정회전 및 역회전을 반복하도록, 회전 방향을 타이머로 제어하면 된다.
(가압 승온(昇溫) 공정)
처리 용기가 밀폐 상태로 되면, 증기원으로부터 증기가 처리 용기의 내부에 공급되고, 처리 용기의 내부가 소정의 압력 및 온도로 가압 및 승온된다. 이 때의 처리 용기의 내부 압력은, 1.8Mpa 내지 3.0MPa 정도이며, 내부 온도는 180℃ 내지 230℃ 정도이다.
(가수분해 처리 공정)
처리 용기의 내부가 소정의 압력 및 온도로 유지되면, EFB는, 식물성의 유기물이기 때문에, 가수분해 처리되기 시작한다. 증기의 공급 개시로부터 소정의 시간, 예를 들어 30분이 경과하면, 원료의 가수분해 처리가 거의 완료하기 때문에, 증기의 공급을 정지하고, 가수분해 처리를 종료한다. 이 가수분해 처리 공정에 의하여, EFB는 가수분해 처리된다. 덧붙여, 가수분해 처리의 시간은, 처리량 등에 따라 적의(適宜) 변경되지만, 30분 내지 2시간 정도로 충분하다.
EFB가 가수분해 처리되는 것으로, 셀룰로오스 등의 고분자가 저분자화된다. 즉, 식물 섬유(식물의 세포벽 및 세포막)가, 무르게 되거나 파괴된다. 또한, 식물 세포 중의 칼륨, 염소 등 원소는, 액체분 중으로 용출한다.
덧붙여, 원료 투입 공정의 때와 같도록, 교반 수단을 회전시키는 것으로, EFB가 교반되어도 무방하다. 교반 수단의 운전은, 연속 또는 간헐 중 어느 쪽이어도 무방하지만, 소정 시간마다 정회전 및 역회전을 반복하도록, 회전 방향을 타이머로 제어하면 된다.
(증기 배기 공정)
가수분해 처리 공정의 종료 후는, 30분 내지 60분을 걸쳐, 처리 용기의 내부의 압력이 상압(常壓)(0.1MPa) 정도까지 해방된다.
(제품 배출 공정)
가수분해 처리 장치에서 가수분해 처리된 EFB는, 금속 메시(mesh) 등의 간이(簡易) 필터로, 액체분이 간이 제거되고, 처리 용기로부터 배출된다. 덧붙여, EFB는, 다소의 수분을 포함하고 있어도 무방하다. 이 때, 가수분해 처리 전의 EFB에는, 32g/Kg(3.24% DM)의 칼륨이 포함되어 있지만, 이 가수분해 처리에 의하여, 80% 정도가 액체분 중으로 용출한다. 즉, 가수분해 처리 후의 EFB에는, 7g/Kg(0.7% DM)의 칼륨밖에 포함되어 있지 않다.
반대로, 간이 분리된 액체분에는, 25g/Kg(2.53% DM)의 칼륨이 이행한 것이 된다. 이 액체분은, 이와 같이 칼륨을 많이 포함하기 때문에, 그대로 액체 비료로 할 수도 있고, 또한, 액체 비료의 성분의 일 원료로서도 이용할 수 있다.
(세정 공정)
한편, 배출된 EFB는, 세정 장치에 투입되고, 세정액에 침지(浸漬)되어 세정된다. 세정액은, 공장 용수 또는 수도물 등의 물로 무방하고, EFB의 체적의 5배 이상, 바람직하게 10배 내지 20배를 이용하면 된다. 세정액의 온도는, 상온으로부터 60℃ 정도이면 된다. 세정 시간은, 처리량 등에 따라 적의 변경되지만, 15분 내지 30분 정도로 충분하다.
이 세정액의 세정에 의하여도, EFB로부터 칼륨이 용출하기 때문에, 칼륨은 세정액으로 이행한다. 이 때, 세정액에는, 3g/Kg(0.3% DM) 내지 2g/Kg(0.2% DM) 정도의 칼륨이 이행하고 있다. 이와 같이 세정 후의 세정액도, 칼륨을 포함하기 때문에, 그대로 액체 비료로 할 수도 있고, 또한, 액체 비료의 성분의 일 원료로서도 이용할 수 있다.
(분리 공정)
세정된 EFB는, 고액 분리 장치로 보내지고, 고형분과 액체분으로 분리(탈수)된다. 여기에서는, 간이 필터가 아니라, 고형분인 EFB로부터 액체분을 눌러 짜는(탈수하는), 스크루 컨베이어형 등의 고액 분리 장치(예를 들어, 일본국 공개특허공보 특개2012-153790호 참조. )가 이용된다. 스크루 컨베이어형이라면, 연속적으로 고액 분리를 행할 수 있기 때문에, 생산성이 양호하게 된다.
이 분리 공정 후의 고형분(EFB)에는, 4g/Kg(0.4% DM) 내지 2g/Kg(0.2% DM) 이하의 칼륨밖에 포함되어 있지 않다. 덧붙여, 상기 일본국 공개특허공보 특개2012-153790호의 처리 방법만으로, EFB를 고형분과 액체분으로 분리한 경우, 고형분(EFB)에는, 14g/Kg(1.42% DM)의 칼륨이 포함되어 있는 것이 실험으로 확인되어 있다.
그리고, EFB로부터 액체분을 분리하는 이 분리 공정 후, 세정 공정으로 되돌리고, 분리 공정 및 세정 공정을 복수 회, 예를 들어 2회 또는 3회 반복하여도 무방하다.
(건조 공정)
분리된 고형분은, 약간 수분을 포함하고 있기 때문에, 건조 장치에서 건조된다. 건조 온도는, 120℃ 내지 200℃ 정도이다. 덧붙여, 경우에 따라서는, 다음으로 설명하는 성형 공정을 먼저 행하고, 그 후에, 이 건조 공정을 행하는 일도 있다.
(성형 공정)
건조된 고형분은, 재료를 펠릿화하는 플랫 다이형의 펠리타이저(pelletizer) 등에 의하여 펠릿에 성형된다. 이 펠릿화된 고형분에는, 3g/Kg(0.3% DM) 내지 1g/Kg(0.1% DM) 이하의 칼륨밖에 포함되어 있지 않다. 또한, 이 펠릿의 발열량은, 4300Kcal(18.0MJ)/Kg 내지 4500Kcal(18.8MJ)/Kg 정도이고, 일반적인 바이오매스 연료의 발열량이 4000Kcal(16.7MJ)/Kg 내지 4200Kcal(17.5MJ)/Kg 정도이기 때문에, 발열량도 향상하고 있다.
일반적으로, 바이오매스 연료에 칼륨이 다량으로 포함되어 있으면, 연소로의 연소에 의하여 슬래그화하는 것으로, 연소로를 폐색(閉塞)시키고, 손상을 주는 일이 있다. 그 때문에 EFB가, 바이오매스 연료에 이용되는 것이 적었지만, 본 실시 형태의 생성물의 제조 방법에 의하면, EFB로부터 칼륨의 함유량이 적은 펠릿을 제조할 수 있기 때문에, 바이오매스 연료로서 이용할 수 있다. 또한, 연소로에서, 석탄과 바이오매스 연료를 섞어 연소시켜도, 바이오매스 연료 단독으로 연소시켜도, 문제가 일어나지 않는다.
한편, 가수분해 처리 전의 EFB에 포함되는 다른 원소나 성분에 관하여는, 염소가 0.7% DM, 유황이 0.11% DM, 회분(灰分)이 4.9% DM이었지만, 가수분해 처리 후는, 염소가 0.2% DM, 유황이 0.04% DM, 회분이 0.9% DM으로 저감되어 있는 것도 알 수 있었다. 이와 같이, 바이오매스 연료 중의 염소가 적게 되는 것으로, 연소시켜도, 염화수소나 다이옥신 등이 발생하기 어려워진다.
이상대로, 본 발명의 실시 형태에 관련되는 생성물의 제조 방법은, 식물성 폐기물을 포함하는 원료를 가수분해 처리하고, 생성물을 제조하는 것이고, 원료를 증기에 의하여 가수분해 처리하는 가수분해 처리 공정과, 가수분해 처리된 원료를 세정액으로 세정하는 세정 공정과, 세정된 원료를 고형분과 액체분으로 분리하는 고액 분리 공정을 포함하고, 고형분 또는 액체분 중 적어도 일방을 상기 생성물로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 관련되는 생성물의 제조 장치는, 식물성 폐기물을 포함하는 원료를 가수분해 처리하고, 생성물을 제조하는 것이고, 원료를 증기에 의하여 가수분해 처리하는 가수분해 처리 장치와, 가수분해 처리된 원료를 세정액으로 세정하는 세정 장치와, 세정된 원료를 고형분과 액체분으로 분리하는 고액 분리 장치를 구비하는 것이다.
이것에 의하여, 식물성 폐기물을 포함하는 원료를, 증기에 의하여 가수분해 처리하기 때문에, 매우 단시간에 고형분 또는 액체분의 생성물을 제조할 수 있다. 효소를 이용하여 식물성 폐기물을 가수분해 처리하기에는, 0.5일 내지 5일 정도 필요하였지만 , 증기에 의한 가수분해 처리에서는, 30분 내지 2시간 정도밖에 필요하지 않고, 시간을 절약할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 분리 공정 후, 세정 공정으로 되돌리고, 분리 공정 및 세정 공정을 복수 회 반복한다. 이것에 의하여, 생성물을 확실히 세정할 수 있다. 또한, 복수 회의 세정에 의하여, 고형물 중의 칼륨이, 세정액으로 용출하기 때문에, 고형분 중의 칼륨의 함유량을 낮출 수 있다.
본 실시 형태에서는, 세정 공정의 세정액은, 물이다. 이것에 의하여, 생성물의 세정액에 특수한 약액(藥液)을 사용하는 일이 없기 때문에, 염가의 공장 용수 또는 수도물을 이용할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 고형분을 건조하는 건조 공정을 포함한다. 이것에 의하여, 고형분에 보지(保持)된 수분(잔류 수분)은, 칼륨과 함께 고형분으로부터 제거되기 때문에, 고형분 중의 칼륨의 함유량을 한층 더 낮출 수 있다.
본 실시 형태에서는, 고형분을 펠릿화하는 성형 공정을 포함한다. 이것에 의하여, 고형분의 수송 등의 취급이 용이하게 된다.
본 실시 형태에서는, 고형분으로부터, 바이오매스 연료를 제조한다. 이것에 의하여, 고형분은, 칼륨을 거의 함유하지 않기 때문에, 연료로서 이용할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 액체분으로부터, 액체 비료를 제조한다. 이것에 의하여, 액체분은, 칼륨을 많이 함유하기 때문에, 그대로 액체 비료로 할 수도 있고, 또한, 액체 비료의 성분의 일 원료로서도 이용하여도 무방하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 관하여 상술하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되는 것은 아니고, 청구의 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 여러 가지의 변형, 변경이 가능하다.

Claims (8)

  1. 식물성 폐기물을 포함하는 원료를 가수분해 처리하고, 생성물을 제조하는 생성물의 제조 방법에 있어서,
    상기 원료를 증기에 의하여 가수분해 처리하는 가수분해 처리 공정으로서, 처리 용기의 내부 압력을 1.8MPa 내지 3.0MPa로 하는 가수분해 처리 공정과,
    가수분해 처리된 상기 원료를 물만으로 세정하는 세정 공정과,
    물만으로 세정된 상기 원료를 고형분과 액체분으로 분리하는 고액(固液) 분리 공정을 포함하고,
    상기 고형분 또는 상기 액체분 중 적어도 일방(一方)을 상기 생성물로 하는 것과 함께,
    상기 고액 분리 공정 직후의 상기 고형분 중의 칼륨의 농도를, 0.2% DM 이하로 하고,
    상기 고형분으로부터, 바이오매스(biomass) 연료를 제조하는
    것을 특징으로 하는 생성물의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체분으로부터, 액체 비료를 제조하는
    것을 특징으로 하는 생성물의 제조 방법.
  3. 식물성 폐기물을 포함하는 원료를 가수분해 처리하고, 생성물을 제조하는 생성물의 제조 방법에 있어서,
    상기 원료를 증기에 의하여 가수분해 처리하는 가수분해 처리 공정으로서, 처리 용기의 내부 압력을 1.8MPa 내지 3.0MPa로 하는 가수분해 처리 공정과,
    가수분해 처리된 상기 원료를 물만으로 세정하는 세정 공정과,
    물만으로 세정된 상기 원료를 고형분과 액체분으로 분리하는 고액 분리 공정을 포함하고,
    상기 고형분 또는 상기 액체분 중 적어도 일방을 상기 생성물로 하는 것과 함께,
    상기 고액 분리 공정 직후의 상기 고형분 중의 칼륨의 농도를, 0.2% DM 이하로 하고,
    상기 액체분으로부터, 액체 비료를 제조하는
    것을 특징으로 하는 생성물의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고형분으로부터, 바이오매스 연료를 제조하는
    것을 특징으로 하는 생성물의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고액 분리 공정 후, 상기 고형분을 상기 세정 공정으로 되돌리고, 상기 고액 분리 공정 및 상기 세정 공정을 복수 회(回) 반복하는
    것을 특징으로 하는 생성물의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세정 공정에서는, 상기 원료의 체적의 5배 이상의 체적의 물만을 이용해서 세정하는
    것을 특징으로 하는 생성물의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고형분을 건조하는 건조 공정을 포함하는
    것을 특징으로 하는 생성물의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고형분을 펠릿(pellet)화하는 성형 공정을 포함하는
    것을 특징으로 하는 생성물의 제조 방법.
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