KR20120091983A - 고형 혼합 바이오매스 연료 - Google Patents
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Abstract
높은 발열량을 유지하며 연소 후에도 고형 상태를 유지하여 연소 후처리가 용이하도록 한 고형 혼합 바이오매스 연료가 제공된다. 상기 고형 혼합 바이오매스 연료는 고형 혼합 바이오매스 연료에 있어서, 농림부산물, 임업부산물, 음식폐기물, 농축산폐기물 중에서 선택된 어느 하나 또는 2 이상이 혼합된 바이오매스와, 모래 또는 흙을 포함하는 토사, 석회, 산화규소 및 물이 혼합된 혼합 바이오매스의 중량에 대하여 70~150중량비료 물을 혼합하여 미리 설정된 형상을 갖는 고형으로 성형되며, 고형으로 성형된 상기 고형 혼합 바이오매스는 연소 후에도 고형 상태를 유지한다.
Description
본 발명은 고형 바이오매스 연료에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 높은 발열량을 유지하며 연소 후에도 제조 시 성형된 고형 상태를 그대로 유지하여 연소 후처리가 용이하도록 한 고형 혼합 바이오매스 연료에 관한 것이다.
바이오매스는 식물이나 미생물 등을 에너지원으로 이용하는 생물체이며 지구상에서 1년간 생산되는 바이오매스는 석유의 전체 매장량과 맞먹어 적절하게 이용하면 고갈될 염려가 없는 신재생에너지로서 석유자원의 대체에너지로서 각광받고 있다. 이와 같은 바이오매스는 대기 오염이 적고, 지역별로 자급이 가능한 에너지 자원으로 고도의 생산 기술이 필요하지 않은 이점이 있다.
이와 같은 바이오매스의 재료의 예로서는 간벌목재와 같은 산림자원, 쌀, 수수, 조, 옥수수, 땅콩과 같은 농산물자원, 목질(木質) 폐기물, 술지게미, 농축산폐기물, 음식폐기물과 같은 폐기물자원 등 연소 가능한 무수한 생물체를 모두 사용할 수 있다. 이와 같은 바이오매스는 운반, 연소가 용이하고 충분할 발열량을 위하여 펠릿(pellet)의 형태와 같이 압축되어 고체화되는 것이 일반적이다.
그런데, 위와 같은 바이오매스의 재료를 단순히 펠릿 형태로 성형한 종래의 고체 바이오매스는 연소 시 발열 효율은 좋으나, 연소 후 고형 상태를 유지하지 못하여 많은 문제가 있었다. 첫째로, 연소 후 고형상태를 유지하지 못함으로써 연소장치를 빈번하게 청소하여야 하는 문제가 있었고, 연소된 후의 잿더미가 연소실 및 배기관의 표면에 달라붙는 문제로 연소장치의 수명을 단축시키는 문제가 되어 왔다.
따라서 바이오매스의 재료를 연료로 하는 연소장치에서는 연소된 후의 잔존물이 고형 될 수 있고, 연소 후 연소실로부터의 제거가 용이하도록 개발되어지고 있다. 농림부산물을 바이오매스의 재료로 하고, 연소장치에서 연소 후에도 고형상태를 유지하기 위한 종래의 기술로서는 아래 특허문헌에 기재된 "친환경 연료 조성물 및 이를 이용한 연탄의 제조방법"을 그 예로 들 수 있다.
본 발명의 목적은 바이오매스를 일정한 고형상태로 형성이 용이하고, 연소 시에도 고형상태를 유지하면서도 충분한 발열효율을 갖는 고형 혼합 바이오매스 연료를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 연소장내의 내부에서 연소된 후에도 그 형태를 온전하게 유지하여 연소장치로부터 쉽게 꺼내 처리할 수 있는 고형 혼합 바이오매스 연료를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고형 혼합 바이오매스 연료는, 농림부산물, 임업부산물, 음식폐기물, 농축산폐기물 중에서 선택된 어느 하나 또는 2 이상이 혼합된 바이오매스와, 모래 또는 흙을 포함하는 토사, 석회, 산화규소(SiO2) 및 물이 혼합된 혼합 바이오매스의 중량에 대하여 70~150중량비로 물을 혼합하여 미리 설정된 형상을 갖는 고형으로 성형되며, 고형으로 성형된 고형 혼합 바이오매스는 연소 후에도 고형 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합 바이오매스는, 바이오매스 40~70중량비, 토사 10~30중량비, 석회 10~15중량비, 산화규소 10~15중량비로 혼합한 것임을 특징으로 한다.
상기 혼합 바이오매스에는 열효율을 높이기 위하여 코코스(cokes) 또는 숯 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 코크스는 탄소가 주성분인 물질을 가열하여 휘발 성분을 없앤 것으로 내부에는 많은 구멍이 형성되어 있어, 바이오매스, 토사, 석회, 산화규소를 물과 혼합 시 이들의 결합력을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 착화가 용이하고 발열량을 크게 증대시킬 수 있다. 또한, 숯 역시 탄소가 주성분으로 많은 구멍이 형성되어 있고 착화가 용이하며 발열량이 크기 때문에 고형 혼합 바이오매스 연료로 제조하였을 때 고형 상태로 쉽게 성형되고 고온에서 연소 시 구멍에 채워져 결합된 석회, 황토, 산화규소에 의하여 고형 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 바이오매스는 농림부산물의 탄화물, 임업부산물의 탄화물, 음식폐기물의 탄화물, 농축산폐기물의 탄화물 중에서 선택된 어느 하나 또는 2 이상이 혼합된 재료가 혼합될 수 있다.
상기 토사는 바이오매스를 고형화 시킬 때 기타 부재료들과 용이하게 결합될 수 있도록 점성이 우수한 황토를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에 따른 상기 바이오매스는 100~1000℃의 온도에서 가열하여 탄화된 것을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 고형 혼합 바이오매스 연료는 바이오매스에 양호한 점성을 갖는 황토 등과 같은 토사와, 물과 혼합 시 발열 반응(또는 수화반응)되어 응고되는 석회, 고온의 열에서 용해되지 않는 산화규소를 상호 혼합하여 제조함으로써 연소 전에는 석회의 수화반응에 의해 충분한 압축 강도를 갖는 고형상태를 유지하고, 연소 후에는 토사, 석회 및 산화규소의 유기적인 결합작용에 의해 고형상태의 원형을 유지함으로써 연소 후에 사용자의 연료 처리과정이 간편해질 수 있고 연소장치내의 연소 후 잔존물을 최소화함으로서 연소장치의 수명을 연장할 수 있으며, 시판되는 보일러와 같은 연소장치를 그대로 활용 할 수 있는 이점이 있다. 또한, 바이오매스가 충분히 혼합되어 있으므로 발열량이 높아 연료로서의 효용성이 양호하며, 바이오매스를 비롯한 토사, 석회 및 산화규소가 모두 친환경 물질로 유해물질을 생성하지 않으므로 친환경적이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 이하에서 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
본 발명에 따른 고형 혼합 바이오매스 연료는 바이오매스에 토사, 석회 및 산화규소를 혼합하여 혼합 바이오매스로 만들고, 상기 혼합 바이오매스를 물로 반죽한 후 성형 틀에 넣어 압축하여 일정한 형태를 갖는 고형 혼합 바이오매스 연료로 만들어진다.
상기 제조된 고형 혼합 바이오매스 연료는 초기 압축 형성된 고형상태가 연소 후에도 원형으로 유지되어 사용자의 연소 후 처리과정을 간편화할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 바이오매스는 연소 시 발열량을 발생시키는 역할을 한다. 바이오매스의 재료로서는 초본류, 농작물류와 같은 농림부산물, 목질유의 임업부산물, 음식물찌꺼기, 술지개미 등과 같은 음식폐기물, 동물의 배설물 등과 같은 농축산폐기물 등이 모두 사용될 수 있고, 필요에 따라서는 이들 중에서 적어도 1종 이상을 선택하여 혼합한 것을 사용할 수 있다.
초본류로서는 케나프, 해바라기의 줄기, 목화, 질경이 줄기 등이 될 수 있고 농작물류로서는 볏짚, 왕겨, 옥수수대, 땅콩껍질, 잣껍질, 밤껍질, 밤송이, 고구마, 감지, 콩줄기 등 전답 및 임야에서 재배되는 모든 것을 사용할 수 있다. 그리고, 음식물 찌꺼꺼류로는 커피 찌꺼기, 차 찌꺼기, 비지, 술지게미(술 찌꺼기) 등일 수 있고, 축산물폐기물로서는 소 배설물 등이 될 수 있다.
이들 바이오매스의 주재료는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 주성분으로 하여 구성된다. 바이오매스의 주성분의 대기압하에서의 내열성은 100℃ 정도에서 대부분 자유수가 증발에 의해 탈수되고, 리그닌(250~550℃) > 셀룰로우스(240~400℃) > 헤미셀룰로오스(150~300℃)의 순으로 각각 해당 온도 이상에서 변색, 분해 또는 연화, 가스화, 나아가서는 발열되어 탄화가 진행되며 연소된다. 이러한 바이오매스는 연소에 의해 열을 발생시키며 대부분 90% 이상 탄화되어 없어진다.
본 발명의 실시 예에 따른 고형 혼합 바이오매스 연료를 제조 시 사용되는 바이오매스는 상술한 다양한 종류 중에서 선택된 어느 하나 이상이 혼합되어 사용될 수 있다.
토사는 점성이 양호한 황토를 사용하는 것이 좋다. 황토는 물과 혼합되었을 때 점성이 우수하여 바이오매스는 물론 기타 첨가제가 혼합되었을 때 상호간의 결합을 용이하게 하고 압축 성형이 용이하며, 고형 혼합 바이오매스 연료가 연소 후에도 고형상태를 유지하도록 하는 기능을 한다. 즉, 토사는 연소 후 바이오매스가 탄화되어 대부분 없어지더라도 고형 상태의 잔여물이 원 연료 형태를 유지하면서 남아 있도록 한다.
석회는 바이오매스와 황토 등의 토사, 산화규소가 혼합된 혼합 바이오매스가 물과 혼합되었을 때 물과의 발열반응 또는 수화반응에 의해 이들 재료간의 결합력을 높여 고형 혼합 바이오매스 연료가 연소 후에도 고형상태를 유지하도록 한다. 석회는 물과 반응하면 굳어지는 특성으로 인해 바이오매스와 토사 및 산화규소가 서로 결합된 상태를 유지하도록 한다. 이에 의해 고형 혼합 바이오매스 연료가 연소 전에도 압축성형 후 일정 압축강도를 갖는 고형 형태를 유지하도록 하고, 연소 후에도 고형 형태가 유지되도록 한다. 이때, 상기 석회는 물과 혼합 시 발열반응(수화반응) 효과가 가장 좋은 생석회(CaO)를 사용하는 것이 좋다.
산화규소도 고형 혼합 바이오매스 연료가 연소되어도 고형 형태가 유지되도록 한다. 산화규소는 녹는점이 1600℃ 이상으로, 바이오매스, 토사, 석회 및 산화규소와 물이 혼합되어 압축 성형된 고형 혼합 바이오매스 연료가 연소되어 바이오매스가 없어지더라도 없어지지 않고 잔존함으로써 토사, 석회 및 산화규소가 결합된 상태를 그대로 유지함으로써 압축 성형된 고형 형태를 그대로 유지시킨다.
이러한 조성으로 구성되는 고형 혼합 바이오매스 연료의 제조과정을 설명하면 아래와 같다.
먼저, 주재료인 바이오매스를 적어도 한 종류 이상 준비한다. 바이오매스는 이물질을 처리한 상태로 준비한다. 이물질 처리 과정은 바이오매스의 재료에 따라 적합하게 처리된다. 준비된 바이오매스는 파쇄기 또는 분쇄기를 이용하여 0.1mm~20mm 정도의 크기로 분쇄한다. 바이오매스의 크기가 상기 설정 범위를 초과할 경우 압축 성형 시 공극이 생겨 균일하게 성형이 되지 않으므로, 바람직하게는 10mm 이하가 되도록 분쇄한다.
분쇄된 바이오매스는 그대로 사용이 가능하며, 1차로 100~1000℃ 온도에서 고온 가열되는 탄화과정을 거칠 수 있다.
준비된 바이오매스에 황토와 같은 토사, 석회, 산화규소를 상호 혼합하여 혼합 바이오매스를 제조한다. 이때, 바이오매스, 토사, 석회 및 산화규소의 혼합비율은 전체 중량에 대해 바이오매스 40~70중량비, 토사 10~30중량비, 석회 10~15중량비, 산화규소 10~15중량비이고, 해당 혼합 바이오매스 중량에 대해 70~150%의 물을 첨가하여 반죽한다.
바이오매스의 혼합비율이 40% 미만일 경우 연소 시 충분한 발열량이 나오지 않아 연료로서의 효용이 떨어진다. 반면, 바이오매스의 혼합비율이 70%를 초과할 경우 발열량은 높은 반면 나머지 재료의 혼합비율이 적어져 연소 후에 고형상태를 유지하기 못하게 된다.
토사는 혼합비율이 10% 미만일 경우 점성을 충분히 얻을 수 없어 바이오매스와 석회, 산화규소 상호간의 결합을 온전하게 할 수 없고, 연소 후 고형 상태를 유지하지 못한다. 반면, 토사의 혼합비율이 30%를 초과할 경우 바이오매스가 충분히 혼합되지 못하므로 발열량이 나오지 않는다.
석회는 입자 크기의 분말형태로 준비한다. 석회는 혼합비율이 10% 미만일 경우 발열반응(수화반응)이 충분하지 못하여 압축 성형시 고형상태를 유지하게가 곤란하고, 30%를 초과하여 혼합될 경우 바이오매스의 혼합량이 상대적으로 적어져 발열량이 나오지 않게 되다.
산화규소는 1mm 이하의 입자크기로 준비된다. 산화규소의 혼합비율이 10% 미만일 경우 연소 후 고형물을 유지하는 압축강도가 나오지 않게 되고, 30%를 초과하여 혼합될 경우 바이오매스의 부족으로 발열량이 나오지 않게 된다.
물은 혼합 바이오매스의 중량에 대해 70% 미만으로 혼합되면 균일한 혼합을 달성할 수 없으며, 150%를 초과하여 혼합될 경우 압축 성형이 원활하지 못하고 연소 시 발화가 되지 않으며 후속되는 건조공정이 어려울 수 있다. 또한, 물의 혼합량이 너무 많을 경우 고형 상태를 유지하기도 어렵다.
이러한 각 혼합물들의 혼합비율은 바이오매스와 토사, 석회 및 산화규소의 혼합비율과 제조 후 고형 혼합 바이오매스 연료의 압축강도를 고려하여 적절히 조절될 수 있다.
상호 혼합된 혼합 바이오매스 반죽은 성형용 기구를 이용하여 바람직하게 고온(100~400℃)에서 압축 성형하여 일정 형상의 고형으로 성형한다. 이때, 고형 혼합 바이오매스 연료의 형상은 펠릿과 같은 형태, 숯과 같은 막대 형상, 연탄과 같이 통기공이 형성된 원통 형상 등 다양한 형상으로 구비될 수 있다. 즉, 고형 혼합 바이오매스 연료의 형상은 현재 통용되는 보일러와 같은 연소장치나 난방기에 사용될 수 있는 다양한 형상으로 구비될 수 있다.
이어서, 고형으로 성형된 고형 혼합 바이오매스 연료를 탈수과정을 통해 고형 온합 바이오매스 연료의 강도를 향상시킬 수 있고, 건조시킨다. 건조방법은 자연건조, 전열기를 이용한 열 건조, 온풍을 이용한 온풍건조 등 다양한 건조방법이 사용될 수 있다. 건조 과정을 통해 제조가 완료된 고형 혼합 바이오매스 연료는 건조한 곳에 보관된다.
한편, 상술한 고형 혼합 바이오매스 연료 제조과정 시 발열량을 더욱 높이기 위해 코크스, 숯과 같이 발열량이 높은 물질을 일정 량 첨가할 수도 있다. 이때, 상기 코크스는 탄소가 주성분인 물질을 가열하여 휘발 성분을 없앤 것으로 내부에는 많은 구멍이 형성되어 있어, 바이오매스, 토사, 석회, 산화규소를 물과 혼합 시 이들의 결합력을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 착화가 용이하고 발열량을 크게 증대시킬 수 있다. 또한, 숯 역시 탄소가 주성분으로 많은 구멍이 형성되어 있고 착화가 용이하며 발열량이 크기 때문에 고형 혼합 바이오매스 연료로 제조하였을 때 고형 상태를 쉽게 성형하고 고온에서 연소 시 석회, 산화규소 등에 의해 결합되됨으로써 연소 후에도 그 상태를 유지할 수 있다. 이들의 첨가량은 바이오매스의 혼합비와 발열량을 고려하여 적절히 가감될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 고형 혼합 바이오매스 연료는 다양한 종류의 바이오매스에 토사, 석회 및 산화규소를 적절한 비율로 혼합하여 제조되므로 연소 전에도 충분한 압축강도를 갖는 고형상태를 유지하고, 연소 후에도 토사, 석회 및 산화규소에 의해 고형상태를 유지하게 된다.
이에 따라 연소 후에 사용자의 연료 처리과정이 간편해질 수 있으며, 시판되는 보일러와 같은 연소장치에 그대로 적용할 수 있다. 또한, 바이오매스가 충분히 혼합되어 있으므로 발열량이 높아 연료로서의 효용성이 높아질 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 고형 혼합 바이오매스 연료의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
Claims (5)
- 고형 혼합 바이오매스 연료에 있어서, 농림부산물, 임업부산물, 음식폐기물, 농축산폐기물 중에서 선택된 어느 하나 또는 2 이상이 혼합된 바이오매스와, 모래 또는 흙을 포함하는 토사, 석회, 산화규소 및 물이 혼합된 혼합 바이오매스의 중량에 대하여 70~150중량비료 물을 혼합하여 미리 설정된 형상을 갖는 고형으로 성형되며, 고형으로 성형된 상기 고형 혼합 바이오매스는 연소 후에도 고형 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 고형 혼합 바이오매스 연료.
- 청구항 1에 있어서, 상기 혼합 바이오매스는, 바이오매스 40~70중량비, 토사 10~30중량비, 석회 10~15중량비, 산화규소 10~15중량비로 혼합한 것임을 특징으로 하는 고형 혼합 바이오매스 연료.
- 청구항 1에 있어서, 상기 토사는 바이오매스를 압축 성형하여 고형화 시킬 때 바이오매스, 석회 및 산화규소들이 용이하게 결합될 수 있도록 점성이 우수한 황토임을 특징으로 하는 고형 혼합 바이오매스 연료.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 혼합 바이오매스에는 열효율을 높이기 위하여 코크스 또는 숯 중에서 선택된 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고형 혼합 바이오매스 연료.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 바이오매스는 100~1000℃의 온도에서 가열하여 탄화된 것임을 특징으로 하는 고형 혼합 바이오매스 연료.
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