KR20120083881A

KR20120083881A - 바이오매스 재료의 처리방법 및 열에너지 이용방법

Info

Publication number: KR20120083881A
Application number: KR1020127008792A
Authority: KR
Inventors: 가쓰모리 다니구로; 가즈노리 이와부치
Original assignee: 가쓰모리 다니구로
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-07-26
Also published as: EP2486989A1; EP2486989A4; WO2011043181A1; EP2486989B1; CN102648058A; CN102648058B; JP2011098330A; KR101712229B1; US9139790B2; ES2644225T3; BR112012007788B1; JP4538595B1; BR112012007788A2; US20120193212A1

Abstract

본 발명은 바이오매스 재료를 매우 저비용으로 감량화 또는 탄화시킬 수 있는 처리방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 가축배설물, 농산폐기물, 수산폐기물 및 임산폐기물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 바이오매스 재료를 가온 및 가압가능한 용기 내에서 감량화 또는 탄화시키는 방법으로서, 상기 바이오매스 재료를 상기 용기 내에 넣은 후, 상기 용기 내부를 (a)산소함유분위기, (b)55℃~80℃, (c)대기압 초과~15기압, 및 (d)일산화탄소 농도 100ppm 이상의 모든 조건을 만족하는 초기환경으로 함으로써, 상기 바이오매스 재료를 80℃를 초과하는 온도로 상승시키고, 상기 80℃를 초과한 후에는 상기 용기 내부를 (가)산소함유분위기, (나)대기압 초과~15기압, 및 (다)일산화탄소 농도 100ppm 이상의 모든 조건을 만족하는 계속환경으로 함으로써, 상기 바이오매스 재료를 적어도 150℃를 초과하는 온도로 자연상승시켜 이 바이오매스 재료를 감량화 또는 탄화시킨다.

Description

바이오매스 재료의 처리방법 및 열에너지 이용방법{Method for Treating Biomass Material and Method for Using Heat Energy}

본 발명은 바이오매스 재료의 처리방법 및 열에너지 이용방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 식품폐기물, 가축배설물, 농산폐기물, 수산폐기물, 임산폐기물 등의 바이오매스 재료를 매우 저비용으로 감량화 또는 탄화시킬 수 있는, 바이오매스 재료의 처리방법, 및 그 처리방법에서 발생한 열원을 이용하는 열에너지 이용방법에 관한 것이다.

근래, 생물자원의 순환이용에 대한 의식이 높아짐에 따라, 유기성 폐기물의 대부분이 퇴비화되어 자원으로서 토양환원되게 되었다. 그 중에서도 가장 퇴비화/자원화가 기대되는 축산배설물인 가축똥이나 음식물 쓰레기 등의 식품폐기물(이하, 이들을 총칭할 때는 '가축똥 등'이라 한다.)은 발생시점에서는 고수분으로 소위 진창 형태로 되어 있는 경우가 많다. 그러한 가축똥 등은 진창 형태로 되어 있기 때문에 내부에 공기(산소)를 도입하기 어렵고, 통상의 미생물 분해에 의한 생화학반응이 일어나기 어려워 퇴비화하기 어렵다는 난점이 있다. 그 때문에, 종래에는 함수율을 낮춰 내부에 산소를 도입하기 쉽게 하는 방법이 채용되었다.

함수율을 낮추는 하나의 수단으로서, 유기성 폐기물에 열에너지를 부여하거나 송풍 등을 하여 함수율을 낮추는 방법이 있는데, 비용면에서 문제가 있어 현실적이지 못하다. 또한, 다른 수단으로서, 축산배설물인 가축똥의 경우와 같이, 톱밥, 볏짚, 왕겨 등의 농업부산물을 갖는 유기성 폐기물과 혼합하여 수분을 내리고, 그 결과로서 공기를 통하기 쉽게 하여 미생물 분해에 의한 생화학반응을 촉진하는 방법이 있는데, 이 경우에는 상기 농업부산물을 조달하기 어려운 지역이 있거나, 예를 들면 조달할 수 있다고 하더라도 농업부산물의 가공작업이 더해져 비용이 증대되거나, 또한 그러한 농업부산물의 혼합은 오히려 총처리량이 늘어 비용 증대로 연결되거나 하는 난점이 있다.

유기성 폐기물을 퇴비화/자원화하지 않고, 감량화하여 자연계로 되돌리는 것도 생각해 볼 수 있는데, 그 경우에도 진창 형태의 유기성 폐기물은 함수율을 낮춰야만 하여 상기와 동일한 문제가 일어난다. 또한, 진창 형태의 유기성 폐기물의 함수율을 단순히 낮춰 건조시킨 것만으로는 미생물 분해에 의한 퇴비화 반응이 일어나지 않으며, 건조한 유기성 폐기물을 자연계로 다시 되돌리면 원래의 진창 형태의 유기성 폐기물로 되돌아가 버린다. 또한, 인간배설물과 동일한 하수처리를 하는 정도의 비용도 들 수 없다.

한편, 특허문헌 1에는 음식물 쓰레기를 함유하는 폐기물을 수증기솥에서 가압 및 가열(150~200℃)하여 폐기물을 탄화, 감량화하는 폐기물 처리방법이 제안되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는 가스화로 내에서 공기를 공급하면서 도시 쓰레기의 부분연소로 발생하는 일산화 탄소량이 최대가 되도록 상기 공기의 공급량을 제어하는 방법이 제안되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는 건조장치 내부의 피건조물과 접촉하고 있는 분위기 가스에 포함되는 일산화탄소 농도를 측정하여, 상기 일산화탄소의 농도를 10ppm 이상 100mm 이하의 소정의 값으로 유지하는 유기물 등의 건조방법이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 4에는 주방 음식물 찌꺼기를 갈아 으깬 후 하수와 혼합하여 슬러리 원수를 만들고, 이를 고압펌프로 가압함과 아울러 산소를 포함하는 고압가스 또는 고압공기를 압입하여, 습식산화온도까지 가열한 후, 습식 산화처리하는 주방 음식물 찌꺼기의 혼합처리방법이 제안되어 있다. 또한, 특허문헌 5에는 축산물 등의 폐기물을 반응용기와 가열수단과 가압수단을 구비한 아임계수 분해장치를 이용하여 130~374℃의 반응온도, 반응온도의 포화 수증기압 이상의 반응압력으로 아임계수 분해처리하는 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 1 : 일본국 특허공개 2001-137806호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특허공개 2000-297917호 공보 특허문헌 3 : 일본국 특허공개 2000-46472호 공보 특허문헌 4 : 일본국 특허공개 평1-310799호 공보 특허문헌 5 : WO 2005/077514(국제공개 팜플렛)

그러나, 상기 특허문헌 1~5 모두에 있어서도, 그 처리온도를 고온으로 할 필요가 있어 처리비용이 높다는 문제가 있다. 구체적으로는 특허문헌 1에서는 150~200℃라는 고온으로 하는 것이 필요하고, 특허문헌 2에서도 450~900℃의 고온으로 하는 것이 필요하며, 특허문헌 3에서도 350~600℃의 고온으로 하는 것이 필요하고, 특허문헌 4에서도 100~300℃의 고온으로 하는 것이 필요하며, 특허문헌 5에서도 130~374℃의 고온으로 하는 것이 필요하다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 식품폐기물, 가축폐기물, 농산폐기물, 수산폐기물, 임산폐기물 등의 바이오매스 재료를 매우 저비용으로 감량화 또는 탄화시킬 수 있는, 바이오매스 재료의 처리방법을 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 그 바이오매스 재료의 처리방법에서 발생한 열원을 이용하는 열에너지 이용방법을 제안하는 것에 있다.

본 발명자는 유기성 폐기물을 퇴비화하여 재이용하거나, 감량화하여 폐기하거나 할 수 있는 효과적인 처리방법을 연구하고 있는 과정에서, 함수율이 높고 진창 형태로 되어 있는 경우라도 유기성 폐기물의 내부에 산소를 효과적으로 공급하여 미생물 분해에 의한 생화학반응을 촉진하여 퇴비화를 구현할 수 있음을 발견하였으며, 또한 미생물 분해에 의한 자기발열이 종료하는 온도(약 70℃ 전후)를 초과하여 100℃, 200℃로 온도가 상승하는 현상을 발견하였다(본 출원인의 미공개 선출원 : 일본국 특허출원 2008-99985호, 공개번호 : 일본국 특허공개 2009-249240호 공보). 그 후, 더욱 검토를 진행한 결과, 동일한 온도 상승은 함수율이 낮은 다른 바이오매스 재료일지라도, 초기에 특정 조건하에 둠으로써 자연적으로 온도 상승이 일어나며, 종래와 같은 고온 가열을 하지 않아도 바이오매스 재료의 감량화 또는 탄화를 수행할 수 있음을 발견하여, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법은 식품폐기물, 가축배설물, 농산폐기물, 수산폐기물 및 임산폐기물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 바이오매스 재료를 가온 및 가압가능한 용기 내에서 감량화 또는 탄화시키는 바이오매스 재료의 처리방법으로서, 상기 바이오매스 재료를 상기 용기 안에 넣은 후, 이 용기 내부를 (a)산소함유분위기, (b)55℃~80℃, (c)대기압 초과~15기압, 및 (d)일산화탄소 농도 100ppm 이상의 모든 조건을 만족하는 초기환경으로 함으로써, 상기 바이오매스 재료를 80℃를 초과하는 온도로 상승시키고, 상기 80℃를 초과한 후에는 상기 용기 내부를 (가)산소함유분위기, (나)대기압 초과~15기압, 및 (다)일산화탄소 농도 100ppm 이상의 모든 조건을 만족하는 계속환경으로 함으로써, 상기 바이오매스 재료를 적어도 150℃를 초과하는 온도로 자연 상승시켜 상기 바이오매스 재료를 감량화 또는 탄화시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 바이오매스 재료를 용기 안에 넣은 후에 그 용기 내부를 특정 조건으로 하여 바이오매스 재료를 80℃를 초과하는 온도로 상승시키고, 그 80℃를 초과한 후의 용기 내부를 특정 조건으로 유지함으로써, 바이오매스 재료를 고온으로까지 자연상승시켜 바이오매스 재료를 감량화 또는 탄화하므로, 종래와 같은 고온가열을 하지 않아도 좋고, 매우 저비용으로 바이오매스 재료의 감량화 또는 탄화를 구현할 수 있다.

본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법에 있어, 상기 바이오매스 재료는 산소와 접촉하여 일어나는 미생물의 유기물 분해반응에 의해 적어도 55℃까지 상승하는 유기성 폐기물을 포함한다.

본 발명에 따르면, 바이오매스 재료가, 산소와 접촉하여 일어나는 미생물의 유기물 분해반응에 의해 적어도 55℃까지 상승하는 유기성 폐기물을 포함하므로, 그러한 바이오매스 재료는 퇴비화(컴포스트화)된 후에 감량화 또는 탄화된다. 그 결과, 감량화 또는 탄화된 처리물이 그 후의 매립 등에 의해 다시 자연계로 되돌아갈 수 있다.

본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법에 있어서, 상기 용기 내에는 상기 바이오매스 재료와 함께, 유리전이온도가 200℃ 이하인 플라스틱 재료가 투입된다.

본 발명에 따르면, 바이오매스 재료와 함께, 유리전이온도가 200℃ 이하인 플라스틱 재료가 투입되므로, 그 플라스틱 재료는 적어도 150℃를 초과하는 온도로 상승하는 바이오매스 재료와 함께 감량화 또는 탄화된다.

본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법에 있어, 상기 용기는 배수밸브, 가온장치 및 가압장치를 적어도 구비하며, 상기 온도상승에 따라 상기 용기 바닥부에 고인 수분을 정기적 또는 비정기적으로 상기 배수밸브를 통해 배수한다.

본 발명에 따르면, 온도상승에 따라 용기 바닥부에 고인 수분을 정기적 또는 비정기적으로 배수할 수 있으므로, 바이오매스 재료의 감량화 또는 탄화의 효율을 올릴 수 있다.

본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법에 있어, 상기 일산화탄소는 상기 바이오매스 재료를 발생공급원으로 하여, 및/또는 일산화탄소 봄베를 공급원으로 하여 공급된다.

본 발명에 따르면, 일산화탄소를 바이오매스 재료 자신으로부터 및/또는 일산화탄소 봄베로부터 공급하여 그 농도를 소정의 범위로 유지함으로써, 바이오매스 재료의 처리 효율화를 도모할 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 열에너지 이용방법은 상기 본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법을 실시함으로써 발생한 열을 열원으로서 이용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법에 따르면, 바이오매스 재료를 용기 안에 넣은 후에 그 용기 내부를 특정 조건으로 하여 바이오매스 재료를 80℃를 초과하는 온도로 상승시키고, 그 80℃를 초과한 후의 용기 내부를 특정 조건으로 유지함으로써, 바이오매스 재료를 고온으로까지 자연상승시켜 바이오매스 재료를 감량화 또는 탄화하므로, 종래와 같은 고온가열을 하지 않아도 되며, 매우 저비용으로 바이오매스 재료의 감량화 또는 탄화를 구현할 수 있다.

본 발명의 열에너지의 이용방법에 따르면, 상기 본 발명의 유기성 폐기물의 처리방법에서 발생한 열을 열원으로서 이용하므로, 열에너지를 유효하게 이용할 수 있다. 특히 이러한 열에너지를 축산사업 등의 에너지원으로서 이용함으로써, 사업 비용을 절약할 수 있어 경쟁력을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법에서 적용되는 용기의 일 예를 나타낸 구성도.
도 2는 용기 안에 공기와 일산화탄소 만을 넣었을 때의 온도 변화의 결과를 나타낸 그래프.
도 3은 건조시킨 젖소똥을 50℃?70℃의 범위에서 가온한 후, 1MPa로 가압했을 때의 온도 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 젖소똥 이외의 드라이계 바이오매스(목재 칩, 현미)의 1MPa에서의 온도 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 플라스틱 재료가 혼입된 바이오매스 재료의 온도 변화 및 그 반응 과정에서의 정기적 배수시의 용기내 압력 변화를 나타낸 그래프.
도 6은 실험개시 전의 바이오매스 재료의 형태와, 실험개시 후의 감량화 또는 탄화시킨 바이오매스 재료의 형태를 나타낸 사진.
도 7은 실험 1의 바이오매스 재료를 사용한 경우의 1MPa에서의 온도와 일산화탄소 농도와의 변화를 나타낸 그래프.
도 8은 실험 6에서 사용한 장치의 개략 구성도.
도 9는 실험 6에 있어 1MPa에서의 실험시료 온도의 시간 경과에 따른 변화를 나타낸 그래프.
도 10은 도 9의 결과와 함께, 실험 1의 바이오매스 재료(젖소똥)에 대해 공기(산소) 분위기, 50℃, 1MPa를 초기환경조건으로 하여 개시한 예, 및 실험 6의 실험시료(주방 음식물 찌꺼기)에 대해 공기(산소) 분위기, 40℃, 1MPa를 초기환경조건으로 하여 개시한 예를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법 및 열에너지 이용방법에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시형태는 본 발명의 바람직한 예로서, 그 실시형태로 한정해석되는 것이 아니다.

[바이오매스 재료의 처리방법]

본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법은 식품폐기물, 가축배설물, 농산폐기물, 수산폐기물 및 임산폐기물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 바이오매스 재료를 가온 및 가압가능한 용기 내에서 감량화 또는 탄화시키는 방법이다. 그리고, 그 특징은 첫째, 바이오매스 재료를 상기 용기 내에 넣은 후, 이 용기 내부를 (a)산소함유분위기, (b)55℃~80℃, (c)대기압 초과~15기압, 및 (d)일산화탄소 농도 100ppm 이상의 모든 조건을 만족하는 초기환경으로 함으로써, 상기 바이오매스 재료를 80℃를 초과하는 온도로 상승시킨다. 둘째, 상기 80℃를 초과한 후에는 상기 용기 내부를 (가)산소함유분위기, (나)대기압 초과~15기압, 및 (다)일산화탄소 농도 100ppm 이상의 모든 조건을 만족하는 계속환경으로 함으로써, 상기 바이오매스 재료를 적어도 150℃를 초과하는 온도로 자연상승시켜 바이오매스 재료를 감량화 또는 탄화시킨다.

이하, 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 있어, 특별히 언급하지 않는 한 '%'은 '중량%(질량%)'이다.

(바이오매스 재료)

바이오매스 재료는 식품폐기물, 가축배설물, 농산폐기물, 수산폐기물 및 임산폐기물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 폐기물이다. 구체적으로는 음식물 쓰레기 등의 식품폐기물(식품 찌꺼기), 소, 돼지, 말 등의 가축배설물(분뇨), 잉여생산품, 선별배제품, 가공부산물(쌀겨 등) 등의 농산폐기물, 과잉물흡수품, 가공 쓰레기 등의 수산폐기물, 톱밥, 목재 칩, 가공 쓰레기 등의 임산폐기물 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독이어도 좋고, 복수의 종류를 혼합한 것이어도 좋다.

이러한 바이오매스 재료는 그 함수율은 상관없으며, 진흙체이든 건조체이든 좋다. 또한, 이미 퇴비화된 것이어도 아니어도 좋다. 일 예로서는 함수율이 높고, 정치한 상태에서는 산소가 내부에 침투하기 어려워 미생물에 의한 생화학반응이 일어나기 어려운 바이오매스 재료; 전체적으로 또는 국부적으로 진창 형태가 되어 통기성이 나쁜 바이오매스 재료; 함수율이 낮은(0%도 포함) 젖소똥, 목재칩, 현미 등과 같은 탄소를 기질로 갖는 드라이계의 바이오매스 재료; 이미 퇴비화된 바이오매스 재료; 등을 적용할 수 있다.

이 중, 퇴비화된 바이오매스 재료란 산소와 접촉하여 일어나는 미생물의 유기물 분해반응에 의해 적어도 55℃까지 상승하여 퇴비화된 것이다. 이 바이오매스 재료는 퇴비화(컴포스트화)된 후에 본 발명의 처리방법에 적용되어 감량화 또는 탄화되게 되므로, 그 후의 매립 등에 의해 다시 자연계로 되돌릴 수 있다.

바이오매스 재료의 함수율이 가축배설물(분뇨)이나 농산폐기물 등과 같이 전체적으로 80% 이상이거나, 전체적으로는 많지 않지만 국부적으로 80% 이상인 것은 진창 형태로 되어 있는데, 본 발명의 처리방법에서는 진창 형태의 바이오매스 재료라도 관계없이 사용될 수 있다. 단, 진창 형태의 바이오매스 재료는 후술하는 산소가 그 표면으로부터 내부로 파고들기 어렵기 때문에, 미생물에 의한 생화학반응이나 발열을 수반하는 화학반응이 진행되기 어렵다. 그 때문에, 바이오매스 재료의 내부에 산소를 공급하는 수단으로서, 강제가압수단을 적용한다. 강제가압수단이란 봄베로부터 공기나 산소 등을 주입하여 밀폐용기 내의 압력을 상승시키는 것이다. 한편, 전체적인 또는 국부적인 함수율이 80% 미만인 경우에는 산소가 바이오매스 재료의 내부에 들어가기 어려운 현상은 약간 약해지므로, 그 바이오매스 재료의 내부에 산소를 강제 공급할 필요성은 약해져서, 자연가압수단으로도 내부에 산소를 공급할 수 있다. 물론 강제가압수단을 적용하여도 좋다. 자연가압수단이란 가온상태의 밀폐용기 내에서 자연스럽게 압력이 증가해가는 것이다.

또한, 바이오매스 재료가 음식물 쓰레기 등의 식품폐기물인 경우에는 그 함수율은 그 바이오매스 재료 전체적으로 40% 이상이거나, 전체적으로는 많지 않지만 국부적으로 40% 이상이다. 상기한 가축배설물(분뇨)이나 농산폐기물 등과 같이 섬유질을 많이 포함하는 것인 경우에는 전체 또는 국부적인 함수율이 80% 이상에서 진창 형태가 되는데, 섬유질을 그다지 많이 포함하지 않는 음식물 쓰레기 등에서는 80% 미만에서도 진창 형태가 되고, 통상 40% 이상에서 진창 형태가 되는 경향이 있다. 그 때문에, 이러한 식품폐기물에 있어서도, 상기와 마찬가지로, 그 내부에 산소를 강제가압수단 또는 자연가압수단에 의해 공급한다. 함수율이 '전체적으로'란, 바이오매스 재료에 수분이 균등하게 또는 비교적 균등하게 포함되어 있는 경우의 비율을 가리키고 있다. 한편, 함수율이 '국부적으로'란 바이오매스 재료 전체적으로는 80% 미만(예를 들면 축산배설물 등의 경우) 또는 40% 미만(예를 들면 음식물 쓰레기 등의 식품폐기물의 경우)일지라도, 부분적으로 보면 80% 이상 또는 40% 이상의 진창 형태로 되어 있는 부분이 있는 경우를 가리키고 있다.

바이오매스 재료 전체의 함수율의 측정은 어느 정도의 양의 바이오매스 재료를 시료로서 채취하여, 그 시료의 건조 전후의 질량측정으로 평가할 수 있다. 한편, 바이오매스 재료의 국부적인 함수율은 국부적으로 소량의 시료를 채취하여, 그 건조 전후의 질량 측정에 의해 평가할 수 있다.

이러한 바이오매스 재료와 함께, 다른 폐기물을 혼입시켜도 좋다. 다른 폐기물로서는 예를 들면 가정으로부터의 음식물 쓰레기와 함께 폐기되기 쉬운 플라스틱 재료(엽란(초밥 장식용), 석위(초밥 장식용), 병 캡, 스트로우, 고무줄, 포장재 등), 종이제품, 나무제품(1회용 나무젓가락, 이쑤시개 등) 등을 들 수 있다. 또한, 플라스틱 재료는 종류에 따라 내열성이 다르므로, 여기에서는 유리전이온도가 200℃ 이하인 플라스틱 재료, 특히 150℃ 이하인 플라스틱 재료, 예를 들면 폴리에틸렌 나프탈레이트(유리전이온도:120℃), 폴리부틸렌테레프탈레이트(75℃), 폴리에틸렌테레프탈레이트(75℃), 폴리페닐렌설파이드(90℃), 폴리에테르에테르케톤(143℃), 폴리카보네이트(145℃)로 이루어진 것을 들 수 있다. 이들 폐기물을 바이오매스 재료와 함께 혼입함으로써, 적어도 150℃를 초과하는 온도로 상승하는 바이오매스 재료와 함께 감량화 또는 탄화시킬 수 있다

(처리용기)

도 1은 본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법에서 적용되는 용기의 일 예를 나타낸 구성도이다. 용기(1)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 용기 본체(2)와 덮개(4)로 밀폐가능하고 또한 가온 및 가압가능하게 되어 있으며, 바이오매스 재료(10)는 덮개(4)를 개방한 재료투입구(3)로부터 투입된다. 덮개(4)는 용기 상부에 마련된 소위 덮개이어도 좋으며, 용기 측벽에 형성된 문이어도 좋고, 특별히 한정되지 않는다. 용기의 재질도 특별히 한정되지 않지만, 바이오매스 재료에 대해 내부식성이 있고 또한 내열성이 있는 재질로 이루어진 것이면 되며, 예를 들면 스테인리스 스틸 등을 예시할 수 있다.

본 발명에서는 이 용기 내부를 특정 조건으로 함으로써 바이오매스 재료(10)를 온도상승시키고, 또한 그 온도상승이 개시된 후의 용기 내부를 더욱 특정 조건으로 유지함으로써, 바이오매스 재료(10)를 고온으로까지 자연상승시켜 바이오매스 재료(10)를 감량화 또는 탄화시킨다.

용기(1)의 가온은 적어도 용기 본체(2)에 형성된 가온장치(7)에 의해 이루어진다. 용기의 가온은 전열 히터 등으로 수행할 수 있지만, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 가온장치(7)의 주위는 단열재로 덮여 있다. 용기(1)에는 내열피복된 열전쌍 등의 온도계가 설치되어 있다. 그 온도계는 용기 내에 설치되며, 바람직하게는 바이오매스 재료(10)가 충진되는 부위에 설치되어 있는 것이 바람직하고, 용기 내에서의 바이오매스 재료(10)의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.

용기 내의 가압은 가압장치(장치 자체는 미도시)로 이루어진다. 구체적으로는 용기(1)에 설치된 가스 유입밸브(8)로부터 산소, 공기, 일산화탄소의 1종 또는 2종 이상을 필요에 따라 유입시켜 용기 내부가 가압된다. 또한, 이들 가스는 용기 내에서 바이오매스 재료(10)의 연소에 작용한다. 어느 가스를 유입시킬지는 용기 내부의 가스 농도를 센서로 검출하거나 하여 제어할 수 있다. 일산화탄소 농도는 100ppm 정도로 낮으므로, 소정의 압력값을 담당하는 것은 통상 압축산소 또는 압축공기, 혹은 압축펌프 또는 컴프레셔 등의 압력인가수단이 적용된다. 또한, 각 가스는 각각의 봄베로부터 단독으로 또는 혼합하여 주입된다. 용기(1)에는 대기압~20기압 정도의 압력을 측정할 수 있는 압력계가 설치되어 있다. 압력계로서는 시판의 것을 적용할 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.

용기(1)에는 바이오매스 재료(10)의 내부에, 산소, 공기, 일산화탄소의 1종 또는 2종 이상을 직접 주입시키기 위한 가스제어밸브(9)를 설치하여도 좋다. 가스제어밸브(9)는 바이오매스 재료(10)의 통상의 충전량보다 낮은 위치에 구멍(11a)을 갖는 주입관(11)에 접속한다. 본 발명에서는 용기 내부를 가압상태로 하여 처리를 하므로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 용기 본체(2)의 상부에 설치된 가스유입밸브(8)로부터 가스를 유입한 경우일지라도, 바이오매스 재료(10)의 내부에 가스를 침입시켜 바이오매스 재료(10)의 발열반응을 발생시킬 수 있는데, 추가로 이와 같은 가스제어밸브(9) 및 주입관(11)을 설치함으로써, 바이오매스 재료(10)의 내부로의 가스 침입을 보다 직접적으로 수행할 수 있으며, 바이오매스 재료(10)의 발열반응을 보다 효과적으로 수행할 수 있다. 특히, 바람직하게는 용기(1) 내로 산소를 주입하여 바이오매스 재료(10)의 내부에 산소를 직접 주입함으로써, 발열반응을 보다 효과적으로 수행할 수 있다.

용기(1)에는 일산화탄소계가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이 일산화탄소계는 용기 내부의 일산화탄소 농도를 측정하고, 발열반응의 진행상황 등의 확인에 편리하다. 일산화탄소계는 시판의 것을 사용할 수 있으며, 그 설치장소도 임의이다.

용기(1)의 바닥부(13)는 처리중에 바이오매스 재료(10)로부터 배출된 수분이 밑판(12)(수분통과공을 갖는 칸막이판)을 통과하여 고이는 부분인데, 그 바닥부(13)에 설치된 배수밸브(6)는 그러한 수분을 정기적으로 또는 비정기적으로 배출하기 위한 밸브이다. 배수밸브의 제어는 수동이어도 자동이어도 좋다. 또한, 정기적이란 예를 들면 일정시간마다 배수밸브(6)를 작동시키는 경우 등이며, 비정기적이란 예를 들면 일정시간마다는 아니지만, 용기 내부가 소정 압력 또는 소정 온도에 도달했을 때에 배수밸브(6)를 작동시키는 경우 등이다.

용기(1)에는 내압을 조정하는 누설밸브(5)가 설치되어 있어도 좋다. 누설밸브(5)는 처리 종료시에 사용되는데, 용기 내부가 소정 압력에 도달했을 때에 자동적으로 작동하는 밸브이어도 좋다. 또한, 도 1에서는 누설밸브(5), 가스유입밸브(8), 가스제어밸브(9) 등이 용기 본체(2)에 설치되어 있는데, 그 설치부위는 도 1의 예에 한정되지 않고, 예를 들면 덮개(4) 등에 설치되어 있어도 좋다.

이러한 용기는 매우 높은 압력에서 사용하지 않으므로, 고가의 압력용기를 채용할 필요가 없어 저비용의 것을 적용할 수 있다.

(초기환경)

본 발명에 따른 처리방법에서는 첫째, 바이오매스 재료(10)를 용기(1) 내에 넣은 후, 그 용기 내를 (a)산소함유분위기, (b)55℃~80℃, (c)대기압 초과~15기압, 및 (d)일산화탄소 농도 100ppm 이상의 모든 조건을 만족하는 초기환경으로 한다. 이러한 특정 조건으로 함으로써, 바이오매스 재료(10)를 80℃를 초과하는 온도로 상승시킬 수 있다.

(a) 산소는 필수적인 분위기 가스로서 용기 내에 포함된다. 이 산소는 바이오매스 재료(10)의 탄소와 반응하여 발열반응에 기여한다. 바이오매스 재료(10) 내로의 산소 공급은 도 1에 나타낸 바와 같이, 용기 내를 가압상태(대기압 초과~15 기압)로 함으로써 바이오매스 재료(10)의 내부에 침입시킬 수 있다. 또한, 보다 효과적인 산소 침입은 도 1에 나타낸 주입관(11)에 접속된 가스제어밸브(9)로 직접적으로 수행할 수 있다. 산소는 산소가스 그 자체이어도 좋고, 산소와 다른 캐리어 가스를 혼합한 가스이어도 좋지만, 통상적으로는 산소를 약 20% 정도 포함하는 일반적인 공기가 사용된다.

(b) 용기 내의 온도는 55℃~80℃로 설정된다. 온도를 이 범위로 함으로써, 바이오매스 재료(10)에 발열반응을 발생시킬 수 있으며, 80℃를 초과하는 온도로 상승시킬 수 있다. 온도는 용기(1)에 설치된 가온장치(7)로 상기 온도 내로 조정된다. 이 온도는 초기환경에서의 범위이므로, 용기 내의 바이오매스 재료(10)의 온도가 80℃를 초과하여 후술의 '계속환경'으로 이행한 후에는 그대로의 온도에서 용기를 보온하여도 좋고, 가온장치(7)의 스위치를 커도 좋다.

(c) 용기 내의 압력은 대기압 초과~15기압이다. 이 범위의 압력으로 함으로써, 상술한 산소를 바이오매스 재료 내에 용이하게 주입할 수 있다. 또한, 이 압력은 가스를 가스유입밸브(8)로부터 밀폐 용기 내로 주입함으로써 이룰 수 있다. 바이오매스 재료(10)로의 산소공급 관점에서는 2기압 이상 10기압 이하인 것이 바람직하며, 또한 더 저렴한 용기의 관점에서는 2기압 이상 5기압 이하인 것이 보다 바람직하다.

용기 내의 압력은 항상 일정해지도록 제어되고 있어도 좋고, 상기 소정의 압력 범위 내이면 임의로 변동하는 것이어도 좋다. 전자의 압력의 일정 제어는 압력계와 누설밸브(5)와 가스유입밸브(8)의 제어로 실행할 수 있다. 후자의 경우는 상한의 압력을 설정하여 두고, 그 압력을 넘지않도록 누설밸브(5)를 작동시키도록 하면 된다. 또한, 이 초기환경 하에서는 수분을 배출할 필요성이 적으므로, 배수밸브(6)는 열리지 않는다.

(d) 일산화탄소의 농도는 100ppm 이상이다. 일산화탄소는 바이오매스 재료를 발생공급원으로 하여 및/또는 일산화탄소 봄베를 공급원으로 하여 공급된다. 바이오매스 재료(10)에서 발생하는 일산화탄소는 바이오매스 재료가 산소와 불완전하게 반응하여 생성된다. 바이오매스 재료(10)의 종류에 따라서는 바이오매스 재료 자체로부터의 발생량으로 100ppm 이상이 되는 경우도 있다. 또한, 바이오매스 재료 자체로부터의 발생량이 100ppm 이상이 되지 않는 경우에는 가스유입밸브(8)로부터 소정량의 일산화탄소를 유입시킴으로써, 용기 내부의 일산화탄소 농도를 100ppm 이상으로 할 수 있다. 또한, 바이오매스 재료 자체가 거의 일산화탄소를 발생하지 않는 경우에는 가스유입밸브(8)로부터 소정량의 일산화탄소를 유입시킴으로써, 용기 내부의 일산화탄소 농도를 100ppm 이상으로 할 수 있다.

일산화탄소 농도를 100ppm 이상으로 함으로써, 산소와 함께 바이오매스 재료(10)의 발열반응을 발생시킬 수 있다. 일산화탄소의 농도가 100ppm 미만에서는 100ppm 이상 존재하는 경우에 비해 발열반응이 약간 불충분하고 온도도 그다지 올라가지 않는 일이 있으며, 바이오매스 재료의 감량화나 탄화의 진행이 둔해질 우려가 있다. 또한, 일산화탄소 농도의 필요충분한 농도는 100ppm~500ppm의 범위이며, 그 이상의 농도일지라도 발열반응은 저해되지 않는다(후술하는 도 7 참조).

이상, 특정한 초기환경으로 함으로써, 바이오매스 재료를 80℃를 초과하는 온도로 상승시킬 수 있다. 구체적으로는 예를 들면 음식물 쓰레기 등의 식품폐기물을 용기 내에 투입한 경우에는 용기를 상기 (a)~(d)의 초기환경으로 설정함으로써, 식품폐기물은 용기 내의 100ppm 이상의 일산화탄소와 산소로 발열반응을 일으켜 80℃를 초과하는 온도로 상승한다. 또한, 예를 들면 드라이계 바이오매스 재료인 목재 칩을 용기 안에 투입한 경우에는 용기를 상기 (a)~(d)의 초기환경으로 설정함으로써, 목재 칩은 용기 안의 100ppm 이상의 이산화탄소와 산소로 발열반응을 일으켜서 80℃를 초과하는 온도로 상승한다.

(계속환경)

본 발명에 따른 처리방법에서는 둘째로, 상기 80℃를 초과한 후에는 용기 내부를 (가)산소함유분위기, (나)대기압 초과~15기압, 및 (다)일산화탄소 농도 100ppm 이상의 모든 조건을 만족하는 계속환경으로 함으로써, 상기 바이오매스 재료를 적어도 150℃를 초과하는 온도로 자연상승시켜 바이오매스 재료를 감량화 또는 탄화한다. 이러한 특정조건으로 함으로써, 상기한 초기환경에서 발생시킨 발열반응을 유지하고, 그 온도를 적어도 150℃를 초과하는 고온으로까지 상승시킬 수 있다. 또한, 이 계속환경은 온도 요건을 제외하고 상기한 초기환경과 거의 동일하다.

(가) 산소는 이 계속환경에서도 필수적인 분위기 가스로서 용기 내에 포함된다. 상기한 초기환경의 경우와 마찬가지로, 산소는 바이오매스 재료(10)의 탄소와 반응하여 발열반응에 기여한다. 바이오매스 재료(10) 내로의 산소 공급은 도 1에 나타낸 바와 같이, 용기 내를 가압상태(대기압 초과~15기압)로 함으로써 바이오매스 재료(10)의 내부에 침입시킬 수 있다. 또한, 보다 효과적인 산소의 침입은 도 1에 나타낸 주입관(11)에 접속된 가스제어밸브(9)로 직접적으로 수행할 수 있다. 산소는 산소가스 그 자체이어도 좋고, 산소와 다른 캐리어 가스를 혼합한 가스이어도 좋지만, 통상적으로는 산소를 약 20%정도 포함하는 일반적인 공기가 사용된다.

(나) 용기 내의 압력도 상기한 초기환경과 마찬가지로, 대기압 초과~15기압(1.5MPa)이다. 이 범위의 압력으로 함으로써, 상술한 산소를 바이오매스 재료 내에 용이하게 주입할 수 있다. 또한, 이 압력은 가스를 가스유입밸브(8)로부터 밀폐용기 내로 주입함으로써 수행할 수 있다. 바이오매스 재료(10)로의 산소공급 관점에서는 2기압(0.2MPa) 이상 10기압(1MPa) 이하인 것이 바람직하며, 또한 보다 저렴한 용기의 관점에서는 2기압(0.2MPa) 이상 5기압(0.5MPa) 이하인 것이 보다 바람직하다.

이 계속환경 하에서는 바이오매스 재료(10) 중의 수분이 용기 바닥부(13)에 고이게 되므로, 정기적 또는 비정기적으로 배수밸브(6)를 연다. 그 결과, 용기 내부의 압력이 일시적으로 대기압으로 개방되는데, 바로 다시 배수밸브(6)를 닫으므로, 바이오매스 재료(10) 중의 수분이 수증기로 기화하여 내압이 올라가고, 소정의 대기압 초과 분위기로 용이하게 되돌아간다. 또한, 배수밸브(6)를 닫은 후에 가스유입밸브(8)로부터 가스를 유입시킴으로써, 소정의 내압으로 조정하여도 좋다. 이러한 정기적 또는 비정기적인 배수는 바이오매스 재료(10)의 건조를 빠르게 할 수 있다는 점에서 유리하다. 본 발명의 이 계속환경에서는 이러한 배수밸브(6)를 여는 공정을 포함하므로, 일시적으로 압력이 대기압~15기압 이외의 압력이 되는 일이 있으며, 또한 일산화탄소 농도도 희석되어 100ppm 미만이 되거나 하는 일이 있는데, 이 '계속환경'은 일시적으로 대기압~15기압 이외의 압력이 된 경우나, 일산화탄소 농도가 100ppm 미만이 되는 경우를 포함한다. 본 발명의 계속환경 하에서는 상기 (가)~(다)의 모든 조건을 만족함과 아울러, 이 배수공정을 포함하는 것이 바람직하다.

용기 내의 압력은 항상 일정해지도록 제어되어 있어도 좋으며, 상기 소정 압력범위 내이면 임의로 변동하는 것이어도 좋다. 전자의 압력의 일정제어는 압력계와 누설밸브(5)와 가스유입밸브(8)의 제어로 실행할 수 있다. 후자의 경우는 상한의 압력을 설정하여 두고, 그 압력을 초과하지 않도록 누설밸브(5)를 작동시키도록 하면 된다.

(다) 이 계속환경에서도 일산화탄소의 농도는 100ppm 이상이다. 일산화탄소는 바이오매스 재료를 발생공급원으로 하여 및/또는 일산화탄소 봄베를 공급원으로 하여 공급된다. 바이오매스 재료(10)로부터 발생하는 일산화탄소는 바이오매스 재료가 산소와 불완전하게 반응하여 생성된다. 바이오매스 재료(10)의 종류에 따라서는 바이오매스 재료 자체로부터의 발생량으로 100ppm 이상이 되는 경우도 있다. 또한, 바이오매스 재료 자체로부터의 발생량이 100ppm 이상이 되지 않을 경우에는 가스유입밸브(8)로부터 소정량의 일산화탄소를 유입시킴으로써, 용기 내부의 일산화탄소 농도를 100ppm 이상으로 할 수 있다. 또한, 바이오매스 재료 자체가 거의 일산화탄소를 발생하지 않는 경우에는 가스유입밸브(8)로부터 소정량의 일산화탄소를 유입시킴으로써, 용기 내부의 일산화탄소 농도를 100ppm 이상으로 할 수 있다.

일산화탄소의 농도가 100ppm 미만에서는 100ppm 이상 존재하는 경우에 비해 발열반응이 약간 불충분하며 온도도 그다지 올라가지 않는 일이 있으며, 바이오매스 재료의 감량화나 탄화의 진행이 둔해질 우려가 있다. 일산화탄소 농도를 100ppm 이상으로 함으로써, 산소와 함께 바이오매스 재료(10)의 발열반응을 발생시킬 수 있다. 또한, 일산화탄소 농도의 필요 충분한 농도는 100ppm~500ppm의 범위이며, 그 이상의 농도일지라도 발열반응은 저해되지 않는다(후술하는 도 7 참조).

이 계속환경에서는 초기환경의 경우와 같이 온도를 가하지 않는다. 그 이유는 분위기를 상기 (가)~(다)의 범위 내로 하여 바이오매스 재료 자체의 발열반응을 계속적으로 일으키고 있기 때문이다. 또한, 온도는 초기환경과 동일한 온도를 그대로 가하여 보온하여도 좋으며, 가온장치(7)의 스위치를 꺼도 좋다.

이상, 특정한 계속환경으로 함으로써, 바이오매스 재료의 발열반응을 보다 촉진하여 유지할 수 있으며, 적어도 150℃를 초과하고, 200℃ 이상의 온도까지 상승시킬 수 있다. 그 결과, 바이오매스 재료(10)의 감량화와 탄화를 수행할 수 있다. 특히, 이 계속환경에서는 종래와 같은 고온 가열을 하지 않아도 좋으므로, 전기에너지를 현저하게 삭감할 수 있으며, 나아가 이산화탄소 삭감목표의 실현을 위한 일부분을 담당하는 것으로 기대된다.

또한, 본 발명에 따른 처리방법에서의 바이오매스 재료(10)의 발열반응의 상세 사항은 충분하게는 밝혀지지 않았지만, 바이오매스 재료와 산소가 반응하여 이산화탄소를 발생시킬 때의 발열반응과, 바이오매스 재료와 산소가 반응하여 일산화탄소를 발생시키는 발열반응과, 일산화탄소와 산소가 반응하여 이산화탄소를 발생시키는 발열반응을 적어도 1이상 포함하는 반응이라고 생각된다.

이상, 초기환경과 계속환경을 포함하는 본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법에 있어서, 바이오매스 재료가 적어도 150℃를 초과하는 온도가 될 때까지의 시간(기간)은 처리대상인 바이오매스 재료의 종류나 함수율 등의 상황에 따라서도 다르지만, 3일 이상 14일 이하 정도이다. 따라서, 바이오매스 재료의 처리량과의 관계에서, 처리용기 내지 후술하는 처리장치를 복수대 준비하여 수행하는 것이 바람직하다.

[열에너지의 이용방법]

본 발명에 따른 열에너지의 이용방법은 상기 본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법의 발열원리를 활용하여 발생한 열을 열원으로서 이용하는 방법이다.

구체적인 이용방법으로서는 용기 내에서 바이오매스 재료의 처리를 하고, 그 용기 내에서 발생한 수증기를 열원으로 하여 열교환하는 방법을 들 수 있다. 이 경우는 열교환기가 사용되는데, 그 열교환기는 용기로부터 고온수증기를 도입하여 고온측 열원으로서 외부에 열에너지를 공급하도록, 용기에 직접 또는 배관을 통해 설치된다. 또한, 용기 내에서 바이오매스 재료를 처리하여, 그 용기 내에서 발생한 수증기를 냉매용 열원으로서 사용하여 냉난방에 이용하는 방법도 들 수 있다.

온도가 예를 들면 150℃를 초과하는 고온에 도달할 때까지의 일수로서는 3일 이상 14일 이하 정도이므로, 화학반응에서 발생하는 열을 열원으로서 이용할 경우에는 예를 들면 도 1에 나타낸 처리장치를 복수대 병렬로 설치하고, 바이오매스 재료의 투입시기를 순차적으로 어긋나게 하여 운전함으로써, 연속적인 열원으로서 이용할 수 있다.

이러한 이용에서는 열교환기에서 냉각된 수증기를 다시 처리용기 내로 환류시켜 수분을 순환이용하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 바이오매스 재료의 탄화를 억제하고, 바이오매스 재료를 발열용 원료로서 비교적 장시간 지속적으로 이용할 수 있다.

[ 실시예 ]

이하, 구체적인 실험예를 나타내어 본 발명에 따른 바이오매스 재료의 처리방법에 대해 더욱 상세하게 설명한다.

(실험 1)

실험시료로서, 우츠노미야대학 농학부 부속농장에서 채취한 '젖소똥'을 바이오매스 재료로서 사용하고, 이를 약 50~60% w.b.의 함수율로 조정하여, 약 15시간 30℃에서 정치한 후에 실험에 제공하였다. 실험장치는 도 1에 나타낸 것과 동일한 구조형태로 이루어진 용기를 사용하고, 1L의 반응조에 시료 220g(함수율:51.6 w.b.%)을 넣었다. 용기 내에는 가스유입밸브(8)로부터 공기를 보내고, 용기 내의 압력을 1MPa로 유지하였다. 용기 내의 일산화탄소 농도는 가스검출기(GASTEC, Japan)를 사용하여 계측하였다. 1MPa에서는 1L의 가스채취주머니로 가스를 채취한 후 측정하고, 대기압에서는 용기 내에서 직접 측정하였다.

도 2는 용기 내에 공기와 일산화탄소만을 넣었을 때의 온도변화의 결과를 나타낸 그래프이다. 본 발명에 따른 처리방법에서 일어나는 발열반응이 일산화탄소를 중심으로 한 가스만에 의한 반응이라면, 용기 내에 공기와 일산화탄소만을 충전하는 것만으로 온도는 상승한다. 용기 내에 공기와 일산화탄소를 충전하고, 용기 내의 온도를 62℃~80℃의 범위로 강제적으로 가온한 결과, 0.1MPa(대기압)에서든 1MPa에서든 공기와 일산화탄소만으로 온도가 상승하는 것이 확인되었다. 특히 1MPa의 쪽이 온도상승은 빨랐다. 대조구로서 공기만을 충전한 1MPa의 가압환경에서는 온도는 상승하지 않았다.

또한, 용기 내에 공기와 '젖소똥의 미세고압(1MPa) 반응 후의 가스(도 2에 'Finish gas'로 표기)를 혼합한 결과, 일산화탄소 농도가 100ppm일 때는 온도가 상승하였지만, 일산화탄소 농도가 25ppm 미만일 때는 온도가 저하되었다. 온도를 상승시키기 위해서는 최저한의 일산화탄소 농도가 필요하다고 추측되었다. 또한, 처리를 62℃~약 70℃의 범위에서부터 개시시킨 것과, 약 70℃~80℃의 범위에서부터 개시시킨 것을 비교하면, 후자 쪽이 온도 상승이 빨랐다.

한편, 공기와 일산화탄소의 반응을 상온에서부터 실시한 경우, 대기압(0.1MPa)에서도 1MPa에서도 온도의 상승은 관찰되지 않았다. 따라서, 공기와 일산화탄소의 반응을 개시시켜 온도상승을 일으키기 위해서는 어느 정도의 온도가 필요하다고 생각된다. 이상의 사실로 보건대, 본 발명에 따른 처리방법에서 일어나는 발열반응은 기체에 의한 화학반응이며, 일산화탄소가 관여하고 있음이 실증되었다. 또한, 반응을 개시시키기 위해서는 최저한의 온도와 일산화탄소 농도가 필요하다는 것도 밝혀졌다.

(실험 2)

도 3은 건조시킨 젖소똥을 50℃~70℃의 범위에서 가온한 후, 1MPa로 가압했을 때의 온도변화를 나타낸 그래프이다. 55℃~70℃의 범위로 강제적으로 가온한 결과, 함수율이 0% w.b.~63.5% w.b.인 경우에서조차도 온도는 상승하였다. 따라서, 젖소똥의 함수율은 발열반응에는 직접적으로 관여하지 않는 것이 확인되었다. 한편, 대기압에서 개시한 대상구(함수율 69.5% w.b., 70℃ 개시)일 때는 온도가 저하되었다. 이는 온도상승을 수반하는 발열반응에 필요한 이산화탄소 농도가 대기압 이하에서 바이오매스 재료를 발생원으로 하여 충분히 공급되지 않았기 때문이라고 생각된다. 그 때문에, 압력은 바이오매스 재료로부터 일산화탄소를 발생시키기 쉬운 효과를 갖는 것으로 추측된다.

또한, 1MPa에서의 실험개시온도를 55℃로 설정한 경우도 온도의 상승이 확인되었는데, 실험개시온도를 50℃에서 개시한 경우에는 온도상승은 확인되지 않았다. 그 때문에, 일산화탄소를 중심으로 한 기체에 의한 발열반응은 최저 55℃ 이상에서 반응이 개시된다고 생각된다.

(실험 3)

도 4는 젖소똥 이외의 드라이계 바이오매스(목재 칩, 현미)의 1MPa에서의 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 1MPa에서의 실험개시온도를 약 70℃로 설정한 경우, 목재 칩, 현미 모두 온도는 상승하였다. 이는 일산화탄소를 발생시키기 위한 유기물(C를 포함하는 것)만 존재하면 온도를 상승시키는 것이 가능한 것을 의미한다. 한편, 목재 칩을 사용하여, 1MPa에서의 실험개시온도를 53℃로 설정한 경우에는 온도가 저하되었다. 이는 건조시킨 젖소똥과 마찬가지로, 발열반응은 55℃ 미만에서는 발생하기 어렵다는 결과를 보완한다.

(실험 4)

가정에서 나온 음식물 쓰레기를 바이오매스 재료로서 사용하고, 또한 페트병의 캡(폴리프로필렌), 티백, 이쑤시개, 스트로우, 엽란(초밥도시락에 들어 있는 것), 비닐 캡, 고무줄, 각종 플라스틱 포장재(간장 용기 등)를 섞은 것을 용기 내에 투입하였다. 초기환경으로서, 용기 내에 공기를 충전하고, 75℃로 가온하여, 1MPa, 일산화탄소 농도 약 100ppm의 조건에서 실험을 개시하였다. 도 5는 플라스틱 재료가 혼입된 바이오매스 재료의 온도 변화 및 그 반응 과정에서의 정기적 배수시의 용기 내부 압력 변화를 나타낸 그래프이다. 바이오매스 재료는 온도가 상승하여 바로 80℃를 초과하였다. 바로 가온을 정지하였지만 온도는 계속 상승하여 140℃에 도달한 시점에서 배수밸브를 열어 제1회의 배수(A)를 실시하였다. 일시적으로 약 100℃/대기압이 되었지만, 그 후 바로 온도상승과 압력상승이 일어났다. 이 때의 압력상승은 바이오매스 재료 중의 수분이 기화하여 용기의 내압이 높아졌기 때문이다. 또한, 실험 중의 일산화탄소 농도는 모두 100ppm을 초과하였다.

그 후, 도 5에 나타낸 바와 같이, 배수 B, C, D, E, F를 실시하였다. 그 때마다 일시적으로 온도가 저하되었고 또한 대기압이 되었는데, 배수(A)와 마찬가지로, 그 후 바로 온도와 압력이 상승하였다. 각 배수시에, 바이오매스 재료에서 나온 배수량, 잔수량, 잔수율을 표 1에 나타내었다. 배수 때마다, 잔수율이 저하되어 있는 것이 확인되었다. 배수(F) 후에 실험을 정지하였다. 도 6은 실험개시 전의 바이오매스 재료의 형태와 실험개시 후의 바이오매스 재료의 형태를 나타낸 사진이다.

이 실험 4로부터 알 수 있듯이, 초기환경에서 계속환경으로 이행시킨 후에는 정기적 또는 비정기적인 배수를 수행하는 것이 바람직하며, 그 계속환경조건으로서는 산소함유분위기 그리고 100~500ppm의 일산화탄소 농도환경 하에서, 용기 내압이 1.5MPa(15기압) 바람직하게는 1MPa(10기압)에 도달할 때마다 배수밸브를 여는 동작을 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 배수동작을 수행함으로써, 바이오매스 재료의 건조를 빠르게 할 수 있으며, 효율적인 감량화 또는 탄화를 도모하는 점에서 유리하다.

	배수량(g)	잔수량(g)	잔수율(%)	비고
개시시	0	378.3	100	-
A	33.4	344.9	91.2	약 1.0MPa에서 배수
B	39.2	305.7	80.8	약 0.4MPa에서 배수
C	52.2	253.5	67.0	약 0.9MPa에서 배수
D	66.6	186.9	49.4	약 1.1MPa에서 배수
E	59.0	127.9	33.8	약 1.0MPa에서 배수
F	47.3	80.6	23.4	약 1.0MPa에서 배수
합계	297.7	80.6	23.4

(실험 5)

도 7은 실험 1의 바이오매스 재료를 사용한 경우의 1MPa에서의 온도와 일산화탄소 농도와의 변화를 나타낸 그래프이다. 일산화탄소 농도는 온도의 상승과 함께 증가하며, 약 78℃ 이상에서의 일산화탄소의 상승이 현저하였다. 이와 같이 일산화탄소의 존재는 발열반응에 기초한 온도상승을 발생시키고 있으며, 일산화탄소 농도가 100ppm 보다도 높은 농도(예를 들면, 500, 1000, 1500, 2000, 2500ppm)일지라도 온도상승을 수반하는 발열반응을 저해하지 않음을 알 수 있었다.

(실험 6)

실험 4와 마찬가지로, 가정에서 나온 음식물 쓰레기(주방 음식물 찌꺼기) 485g(함수율 77.8% w.b.)를 바이오매스 재료로서 사용하고, 또한 페트병의 캡(폴리프로필렌), 스트로우, 엽란(초밥도시락에 들어 있는 것), 비닐 캡, 플라스틱 포장재(간장 용기 등) 등의 플라스틱 쓰레기 15g을 섞어 이루어진 합계 500g의 실험시료를 사용하였다. 그 실험시료를 도 8에 나타낸 실험장치의 밀폐형 내압 스테인리스 용기(유효용량 : 0.93L) 내에 투입하였다. 용기는 단열형 챔버 내에 정치하고, T형 열전쌍을 사용하여 ±1℃ 이내의 온도조절을 하였다. 용기 내에 실험시료를 투입한 후, 비밀폐환경에서 가온하고, 실험시료가 80℃에 도달한 시점에서 가온을 정지하며, 그 시점에서 봄베로부터 공기를 용기 내로 공급하고, 3회 퍼징하여 용기 내의 기상조건을 균일화시켰다. 용기 내의 압력은 배기 밸브를 닫은 후, 다시 봄베로부터 공기만을 용기 내로 공급하고, 압력 게이지가 1MPa(약 10기압)을 나타낸 시점에서 공급 밸브를 닫음으로써, 용기 내의 압력을 일정(1MPa)하게 하였다. CO농도는 가스검지기(GASTEC, Japan)를 사용하여 조사하였다. 이 실험에서는 일산화탄소 가스를 봄베로부터 공급하지 않았다.

도 9는 실험시료 온도의 시간경과에 따른 변화를 나타낸 그래프이다. 공기(산소) 분위기, 80℃, 1MPa의 초기환경조건 하의 실험시료는 수시간은 온도가 그대로이었지만, 그 후 상승을 계속하여, 4일 후에는 100℃에 달하였으며, 또한 그 후에도 온도가 상승하였다(또한, 110℃에서 실험을 중지하였다.).

이 실험 6에서는 일산화탄소 가스를 봄베로부터 공급하지 않았음에도 불구하고, 온도상승을 볼 수 있었다. 그 이유는 80℃에 도달한 후에 수시간 정도 온도가 상승하지 않는 동안에, 실험시료로부터 일산화탄소가 발생하고, 그 일산화탄소 온도가 용기 내에서 적어도 100ppm 이상에 도달했을 것으로 생각된다. 이것은 실험 5에서, 젖소똥에서 발생하는 일산화탄소는 온도가 높을수록 많다는 사실로부터도 설명될 수 있다. 또한, 60ppm의 일산화탄소를 함유시킨 공기를 용기 내에 공급하여, 이 실험 6과 마찬가지의 대비실험을 실시한 결과, 도 9 중에 점선으로 표시한 바와 같이, 80℃에 도달한 후에 온도가 정체하는 시간은 짧으며, 비교적 원활하게 온도가 상승하고 있음이 확인되었다. 이로부터도, 80℃에 도달한 후에 수시간 정도 온도가 상승하지 않는 동안에, 실험시료로부터 일산화탄소가 발생하고, 그 일산화탄소 농도가 용기 내에서 적어도 100ppm 이상에 도달했을 것으로 생각된다. 또한, 도 9에 나타낸 2개의 곡선과 관련된 시료에서, 110℃의 시점에서 일산화탄소 농도는 모두 2000ppm 초과(사용한 CO농도검지관의 측정가능범위를 초과하였다)이었다.

또한, 도 10은 도 9의 결과와 함께, 실험 1의 바이오매스 재료(젖소똥)에 대해 공기(산소) 분위기, 50℃, 1MPa를 초기환경조건으로 하여 개시한 예, 및 실험 6의 실험시료(주방 음식물 찌꺼기)에 대해 공기(산소) 분위기, 40℃, 1MPa를 초기환경조건으로 하여 개시한 예를 나타낸 것이다. 이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 일산화탄소를 발생하기 쉬운 젖소똥 또는 주방 음식물 찌꺼기를 사용하면, 서서히 온도를 상승시킬 수 있지만, 그 시간은 80℃에 달할 때까지 25일 이상을 요하며, 매우 장기간을 요한다. 따라서, 본 발명에서의 초기환경조건 하에 실험시료를 두는 것은 매우 신속한 온도상승을 구현할 수 있으며, 바이오매스 재료의 효율적인 감량화 또는 탄화를 도모하는 점에서 유리하다.

이상의 각 실험결과로부터, (1) 바이오매스 재료를 용기 내에 넣은 후의 실험개시시에는 용기 내를 산소함유분위기, 55℃~80℃(바람직하게는 70~80℃), 대기압 초과~15기압, 일산화탄소 농도 100ppm 이상의 모든 조건을 만족하는 초기환경으로 함으로써, 상기 바이오매스 재료를 80℃를 초과하는 온도로 상승시킬 수 있는 점, (2) 그 80℃를 초과한 후에는 상기 용기 내를 산소함유분위기, 대기압 초과~15기압, 일산화탄소 농도 100ppm 이상의 모든 조건을 만족하는 계속환경으로 함으로써, 바이오매스 재료를 적어도 150℃를 초과하는 온도로 자연 상승시켜 바이오매스 재료를 감량화 또는 탄화시킬 수 있는 점을 알 수 있었다. 이러한 처리방법에서는 바이오매스 재료의 함수율에 의존하지 않고, 또한, 탄소를 기질에 갖는 재료이면 어떠한 것이라도 온도를 상승시킬 수 있는 가능성을 나타내고 있다. 그리고, 이러한 발열반응은 C+0₂=CO₂+94.1kcal(394.3kJ), C+1/20₂=CO+26.4kcal(110.6kJ), CO+1/20₂=CO₂+67.6kcal(283.7kJ)일 것으로 추측된다. 응용예로서는 초임계 반응으로의 응용, 아임계 반응으로의 응용도 유망하다.

1 : 용기
2 : 용기 본체
3 : 재료투입구
4 : 덮개
5 : 누설밸브
6 : 배수밸브
7 : 가온장치
8 : 가스유입밸브
9 : 가스제어밸브
10 : 바이오매스 재료
11 : 주입관
11a : 구멍
12 : 용기 밑판
13 : 용기 바닥부

Claims

식품폐기물, 가축배설물, 농산폐기물, 수산폐기물 및 임산폐기물 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 바이오매스 재료를 가온 및 가압가능한 용기 내에서 감량화 또는 탄화시키는 바이오매스 재료의 처리방법으로서,
상기 바이오매스 재료를 상기 용기 안에 넣은 후, 이 용기 내부를 (a)산소함유분위기, (b)55℃~80℃, (c)대기압 초과~15기압, 및 (d)일산화탄소 농도 100ppm 이상의 모든 조건을 만족하는 초기환경으로 함으로써, 상기 바이오매스 재료를 80℃를 초과하는 온도로 상승시키고,
상기 80℃를 초과한 후에는 상기 용기 내부를 (가)산소함유분위기, (나)대기압 초과~15기압, 및 (다)일산화탄소 농도 100ppm 이상의 모든 조건을 만족하는 계속환경으로 함으로써, 상기 바이오매스 재료를 적어도 150℃를 초과하는 온도로 자연상승시켜 상기 바이오매스 재료를 감량화 또는 탄화시키는 것을 특징으로 하는 바이오매스 재료의 처리방법.
제 1 항에 있어서,
상기 바이오매스 재료는 산소와 접촉하여 일어나는 미생물의 유기물 분해반응에 의해 적어도 55℃까지 상승하는 유기성 폐기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 재료의 처리방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 용기 내에는 상기 바이오매스 재료와 함께, 유리전이온도가 200℃ 이하인 플라스틱 재료가 투입되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 재료의 처리방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용기는 배수밸브, 가온장치 및 가압장치를 적어도 구비하며, 상기 온도상승에 따라 상기 용기 바닥부에 고인 수분을 정기적 또는 비정기적으로 상기 배수밸브로부터 배수하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 재료의 처리방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 일산화탄소는 상기 바이오매스 재료를 발생공급원으로 하여 및/또는 일산화탄소 봄베를 공급원으로 하여 공급되는 것을 특징으로 하는 바이오매스 재료의 처리방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 바이오매스 재료의 처리방법을 실시함으로써 발생한 열을 열원으로서 이용하는 것을 특징으로 하는 열에너지 이용방법.