KR20160044645A - 타르 생성 억제를 위한 광물 분말을 함유한 바이오매스 펠릿의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 목재 펠릿 보일러용 바이오매스(biomass) 펠릿의 제조방법 및 이 제조방법에 제조된 백운석 또는 생석회의 광물 분쇄물이 포함된 목재 펠릿 보일러용 바이오매스(biomass) 펠릿에 관한 것이다. 본 발명의 바이오매스(biomass) 펠릿에 포함된 백운석 또는 생석회 분쇄물은 목재 펠릿 보일러에 연료로 사용하는 경우 타르의 생성을 현저히 감소시켜, 보일러의 연소 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

타르 생성 억제를 위한 광물 분말을 함유한 바이오매스 펠릿의 제조방법{Manufacturing Method of Biomass Pellet Containing Mineral Powder for Reducing Tar Formation}
본 발명은 타르 생성 억제를 위한 광물 분말을 함유한 목재 펠릿 보일러 연료용 바이오매스 펠릿의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 바이오매스 펠릿에 관한 것이다.
바이오매스(biomass)는 연소할 때 화학적 반응을 일으켜 열에너지를 방출한다. 이처럼 바이오매스는 연소를 통해 열에너지로 전환될 수 있다. 최근에 바이오매스를 압축, 성형하여 펠릿 형태의 연료를 제조하여 단위 부피당 발열량을 증가시키고 운송 및 보관을 용이하게 하는 바이오매스 펠릿 연료 기술이 개발되어 유럽을 중심으로 이용량이 증가하고 있다.
바이오매스가 200℃-500℃의 온도범위에서 연소될 경우 필수적으로 타르(tar)가 생성된다. 이러한 온도 범위 내에서는 바이오매스의 구성요소인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌의 일부가 타르로 분해된다. 500℃ 이상의 온도에서는 타르성분은 작고 가벼운 비응축성 가스 및 보조 타르 중질 분자라는 일련의 개량된 종류로써 재형성 된다. 이보다 더 높은 온도의 경우에서는 1차 및 2차 타르는 파괴되고 3차 타르는 생성되어 잔존한다. 타르는 다양한 탄화수소의 혼합물로 검은 빛을 띄고 높은 점성을 유지하며 산소를 함유하는 화합물 및 페놀 유도체를 포함 할 수 있다. 타르의 생산량 및 조성은 연소시 반응 온도, 반응기의 종류 및 공급 원료에 따라 다르다. 이러한 타르는 열 전환 시 반드시 생성되는 부산물인데, 이는 저온에서 응축되어 문제를 일으킨다. 목재 펠릿 보일러에서 연료 연소시 생성되는 타르는 전열판과 연관에 축적되어 열전달 속도를 감소시켜 결국 보일러의 효율을 감소시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 타르를 일정량 제거하거나 줄일 수 있는 다양한 방법들이 연구되고 제시되어 왔지만, 여전히 타르의 생성을 완전히 제거할 수 있는 방법은 현재로서는 개발되어 있지 않다.
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0005927호
본 발명자들은 바이오매스 펠릿이 목재 펠릿 보일러에서 연소되는 경우에 발생되는 타르의 생성을 억제할 수 있는 방법을 개발하기 위해 연구 노력하였다. 그 결과, 바이오매스 펠릿을 제조할 때에 광물 분말을 첨가하여 제조하면 광물의 촉매 작용에 의해 타르의 발생량을 크게 감소시킬 수 있다는 사실을 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 타르의 발생이 저감되는 목재 펠릿 보일러용 바이오매스 펠릿의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 의해 제조된 목재 펠릿 보일러용 바이오매스 펠릿을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 목적 및 장점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 목재 펠릿 보일러용 바이오매스(biomass) 펠릿의 제조방법을 제공한다: (a) 바이오매스를 파쇄하여 바이오매스 파쇄물을 얻은 후 이를 건조하는 단계; (b) 상기 바이오매스 파쇄물에 백운석(dolomite) 또는 생석회(lime)의 분쇄물을 첨가하는 단계; 및 (c) 상기 광물 분쇄물이 첨가된 바이오매스 파쇄물을 압축 성형하여 펠릿 형태로 제조하는 단계.
이하에서 본 발명의 방법을 각 단계별로 상세하게 설명한다.
단계 (a): 바이오매스를 파쇄하여 바이오매스 파쇄물을 얻은 후 이를 건조하는 단계
본 발명에서 “바이오매스(biomass)”는 숲가꾸기 사업 또는 벌채사업과 같은 산림에서 직접 발생되는 입목벌채 부산물과 산림개발 부산물, 및 제제소에서 발생되는 톱밥 또는 폐목재과 같은 목재 가공 부산물을 포함한다. 상기 생산된 목재 부산물, 톱밥, 폐목재 등을 미세한 크기로 파쇄하여 파쇄물을 제조한다. 목재 파쇄물의 크기는 특별하게 제한되지 않으나, 후속의 펠릿 제조시에 성형 효과를 높이기 위해 바람직하게는 5 mm 이하의 크기로 파쇄한다. 이어서, 파쇄물에 포함되어 있는 수분을 제거하기 위해 건조 과정을 거친다. 건조는 가열 건조방법을 사용할 수 있다.
단계 (b): 상기 바이오매스 파쇄물에 백운석(dolomite) 또는 생석회(lime)의 분쇄물을 첨가하는 단계
상기 바이오매스 분쇄물에 광물 분쇄물을 첨가한다. 상기 광물 분쇄물은 백운석(dolomite) 또는 생석회(lime)의 분쇄물을 포함한다. 상기 광물 분쇄물은 전체 바이오매스 펠릿에 대해 1-5 중량％의 함유량으로 첨가하고, 보다 바람직하게는 3-4중량％, 가장 바람직하게는 4중량％의 함유량으로 첨가한다. 1중량％ 미만으로 첨가하면 광물에 의한 촉매 작용의 효과가 미약하고, 5중량％ 초과하여 첨가하면 첨가량 대비 촉매 작용의 효과가 증대되지 않고 비용이 증가하는 문제점이 있다.
단계 (c): 상기 광물 분쇄물이 첨가된 바이오매스 파쇄물을 압축 성형하여 펠릿 형태로 제조하는 단계
바이오매스 펠릿의 제조는 압축 성형에 의해 행한다. 광물 분쇄물이 첨가된 바이오매스 파쇄물을 펠릿 성형기의 지름 6-8 cm의 작은 구멍을 통해 압출시키고, 이어서, 제조된 펠릿을 냉각시킨다. 성형기에서 높은 압력과 마찰열이 가해지면서 목재에 포함된 리그닌 성분이 융해되고, 냉각 시에는 융해되었던 리그닌 성분이 고형화되어 목재 파쇄물이 단단한 펠릿 형태로 제조된다. 펠릿 제조시의 가해지는 온도 및 압력은 목재의 수종에 따라 다르므로, 목재의 수종에 따라 적절하게 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 설명된 방법에 의해 제조된 바이오매스 펠릿으로서, 바이오매스 파쇄물 및 백운석(dolomite) 또는 생석회(lime)의 분쇄물을 포함하는 목재 펠릿 보일러 연료용 바이오매스(biomass) 펠릿을 제공한다.
본 발명은 목재 펠릿 보일러용 바이오매스(biomass) 펠릿의 제조방법 및 이 제조방법에 제조된 백운석 또는 생석회의 광물 분쇄물이 포함된 바이오매스(biomass) 펠릿에 관한 것이다. 본 발명의 바이오매스(biomass) 펠릿에 포함된 백운석 또는 생석회는 펠릿의 연소시 발생되는 타르의 생성량을 현저히 감소시킬 수 있고, 저급 목재를 사용한 펠릿을 사용한 경우라도 타르의 생성량을 억제할 수 있으므로 보일러의 연소 효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 백운석 또는 생석회의 광물 분쇄물이 포함된 바이오매스(biomass) 펠릿을 보일러에서 연소시켰을 경우에 발생되는 타르 생성량을 측정한 결과이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
1. 목재 펠릿 연소 시 발생하는 타르에 의한 목재 펠릿 보일러 효율의 감소
1급 목재펠릿(약 80％ larch, 약 20％ oak)을 이용한 연소실험에서, 작동시간 약 27.33, 작동횟수 약 70인 조건 하에서, 버너 맞은편 전열면에 약 90.75 g/㎡의 타르가 점착·축적되었고, 연소실 바닥면에 약 756.89 g의 재가 축적되었다(표 1). 3급 목재펠릿(약 100％ rigida)을 이용한 연소실험에서, 작동시간 약 27.33, 작동횟수 약 70인 조건 하에서, 버너 맞은편 전열면에 약 79.9 g/㎡의 타르가 점착·축적되고, 연소실 바닥면에 약 3303.3 g의 재가 축적되었다(표 1). 1급 및 3급 목재펠릿을 이용한 non-tar 조건에서의 성능시험(KS B 6205, KATS, KOREA)에 의한 열효율 분석 결과, 1급은 약 93.65％, 3급은 약 88.79％이며, 절대 편차는 약 4.86％p (percent point)로 산출되었다. 1급 및 3급 목재펠릿을 이용한 1 ㎜ tar 조건에서의 성능시험(KS B 6205, KATS, KOREA)에 의한 열효율 분석 결과, 1급은 약 86.38％, 3급은 약 79.60％이며, 절대편차는 약 8.78％p (percent point)로 산출되었다. 1급 목재 펠릿 기준 타르 생성에 따른 열효율 감소분은 약 7.26％p, 3급 목재 펠릿 기준 타르 생성에 따른 열효율 감소분은 약 9.19％p로 산출되었다. 연소실 전열면의 재질은 탄소강(carbon steel, spp)으로, 절대온도 300K 기준의 열전도계수는 약 60.5 W/mㆍK 인 반면, 타르의 열전도계수는 약 0.15 W/mㆍK의 상대적으로 작은 값을 나타내고 있으므로, 연소실 전열면 타르의 점착 현상이 고온의 연소가스로부터 열매체로의 열전달을 저해시키는 요인으로 작용하고 있음을 확인하였다.
Figure pat00001
2. 바이오매스 펠릿의 제조
목재 톱밥을 열풍 건조시키고, 5 mm 이하 크기로 파쇄하여 목재 톱밥 파쇄물을 제조하였다. 상기 제조한 목재 톱밥 파쇄물에 생석회 또는 백운석의 분쇄물을 펠릿 전체 중량 대비 4중량％가 되도록 첨가한 후 압축 성형기에 투입하여 압출해내고, 바로 냉각시켜 최종적으로 펠릿을 제조하였다. 생석회 또는 백운석 분쇄물은 전체 펠릿에 대해 4중량％가 되도록 10분을 주기로 주기적으로 첨가하였다.
3. 타르 생성의 측정
상기 제조된 광물 분쇄물이 첨가된 펠릿을 보일러에서 연소할 경우에 타르의 생성량을 측정하였다. 2개의 철판을 보일러 내부에 버너 입구 반대 쪽 면과 측면 쪽 면에 부착하고, 상기 제조한 펠릿을 20시간 동안 보일러에서 연소시킨 후에 철판 위에 생성된 타르의 양을 측정하였다. 타르 생성량 측정 결과, 도 1에 나타난 바와 같이, 광물 분쇄물이 포함되지 않은 펠릿을 연소시켰을 경우와 비교하여, 백운석(dolomite) 분쇄물이 포함된 펠릿을 연소시켰을 경우 71.5％의 타르 제거율을 나타내었으며, 생석회(lime) 분쇄물이 포함된 펠릿을 연소시켰을 경우 63.5％의 타르 제거율을 나타내었다. 생석회 분쇄물이 포함된 펠릿을 사용했을 때 상대적으로 낮은 제거율을 보이는 이유는 생석회가 입경이 매우 작은 입자로 구성되어 있어 보일러 내부에 투입 시 공기의 흐름을 통해 일부가 연소실 벽면에 부착되어 타르와 혼재되기 때문인 것으로 사료된다. 본 발명의 실시예에서 사용된 백운석은 지름이 약 0.5mm의 입자로 생석회보다 무거워 공기 흐름과 상관없이 대부분이 연소실 바닥으로 떨어져 벽면에 생성되는 타르에 영향을 주지 않은 것으로 사료된다. 본 발명의 펠릿에 포함된 백운석 및 생석회는 연소시 타르 발생의 주원인인 수분(H2O)을 일산화탄소와 수소로 변환시켜 제거함으로써 타르의 생성을 감소시킬 수 있는 것으로 사료된다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (4)

  1. 다음의 단계를 포함하는 목재 펠릿 보일러용 바이오매스(biomass) 펠릿의 제조방법:
    (a) 바이오매스를 파쇄하여 바이오매스 파쇄물을 얻은 후 이를 건조하는 단계;
    (b) 상기 바이오매스 파쇄물에 백운석(dolomite) 또는 생석회(lime)의 광물 분쇄물을 첨가하는 단계; 및
    (c) 상기 광물 분쇄물이 첨가된 바이오매스 파쇄물을 압축 성형하여 펠릿 형태로 제조하는 단계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 단계 (b)에서의 광물 분쇄물은 1-5중량％의 함유량으로 첨가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 바이오매스는 입목벌채 부산물, 산림개발 부산물, 또는 목재 가공 부산물인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항 기재 방법에 의해 제조된 바이오매스 펠릿으로서, 바이오매스 파쇄물 및 백운석(dolomite) 또는 생석회(lime)의 분쇄물을 포함하는 목재 펠릿 보일러 연료용 바이오매스(biomass) 펠릿.
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