KR20160140156A

KR20160140156A - 팜유 생산 부산물과 목질계 바이오매스를 이용한 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료, 그의 제조장치 및 제조방법

Info

Publication number: KR20160140156A
Application number: KR1020150076412A
Authority: KR
Inventors: 전신성; 엄민섭; 김병권
Original assignee: 에스씨에코 주식회사
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-12-07
Also published as: KR101722698B1

Abstract

본 발명은 팜유(Palm oil)를 생산하는 공정에서 최종적으로 배출되는 부산물인 PAO(Palm Acid Oil)와 목질계 바이오매스를 이용하여 화력발전소와 제철소 등에서 고발열량의 연료 또는 환원제로 사용할 수 있는 고체연료, 그의 제조장치 및 제조방법을 개시한다.
본 발명의 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법은 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계, 그리고 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계 후에 상기 바이오매스를 건조시키는 단계를 포함한다.

Description

팜유 생산 부산물과 목질계 바이오매스를 이용한 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료, 그의 제조장치 및 제조방법{High calorific power fuel, apparatus and method for manufacturing the same for thermoelectric power plant and steelworks using palm oil by-product and wooden biomass}

본 발명은 팜유(Palm oil)를 생산하는 공정에서 최종적으로 배출되는 부산물인 PAO(Palm Acid Oil)와 목질계 바이오매스를 이용하여 화력발전소와 제철소 등에서 고발열량의 연료 또는 환원제로 사용할 수 있는 고체연료, 그의 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

전 세계적으로 화력 발전소와 제철소는 전기 및 철강제품 생산을 위해 화석연료, 특히 석탄을 대규모로 사용하는 대표적인 온실가스 배출산업이다. 한국의 경우 2012년 1월부터 신재생에너지 의무할당제(RPS, Renewable Energy Portfolio Standard)를 시행, 총발전량의 일정비율을 신재생 에너지로 공급하도록 의무화하고 있으며 특히, 설비규모 500MW 이상의 화력발전소를 보유한 발전사는 총 발전량의 2%를 시작으로 2022년까지 최대 10%를 신재생 에너지를 사용하여 전력을 생산해야 한다. 또한 제철소의 경우 친환경 기업으로의 이미지 제고 및 온실가스 감축에 따른 배출권 거래 등 청정개발체제(CDM, Clean development mechanism) 사업 수행을 위해 2020년까지 신재생 에너지를 활용하여 기존 대비 약 9%의 온실가스 저감을 업계목표로 하고 있다.

이를 위해 화력 발전소와 제철소는 사용 중인 석탄의 일부를 태양광, 풍력, 소수력 및 바이오매스 에너지 등과 같은 다양한 신재생 에너지로 대체 중에 있으며 특히, 석탄과 같은 고형연료인 우드칩, 우드펠렛 등의 목질계 바이오매스를 활발하게 사용하고 있다. 화력 발전소는 목질계 바이오매스를 이용하여 전소 또는 석탄과 혼합하는 혼소발전을 통해 전력을 생산하고 있으며 제철소는 연료 대체 목적 외에도 공정 중 산소를 제거하기 위한 환원제로 목질계 바이오매스를 사용하고 있다.

그러나 목질계 바이오매스의 경우 발열량은 3,500 ~ 4,500 kcal/kg으로 석탄에 비해 63 ~ 80% 수준임에도 불구하고 가격이 2배 이상 비싼 단점으로 연료 구입비 및 발열량 손실에 따른 경제적 부담이 가중되고 있다. 또한, 탄소함량은 약 45% 정도로 석탄 70% 이상에 비해 매우 낮은 수준이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 목질계 바이오매스를 질소퍼지 후 약 200℃ 이상으로 가온하여 탄소함량 및 발열량을 향상시키는 반탄화 기술이 적용, 검토되고 있으나 설비투자 및 가열에 필요한 화석연료 등 경제성 문제는 여전히 남아있어 이에 대한 해결이 요구되고 있다.

인도네시아 및 말레이시아 등 동남아 지역에서 주로 재배되는 팜(Palm)은 팜 오일 생산 공정에서 고체상태의 EFP(Empty Fruit Bunch), PKS(Palm Kernel Shell), Mesocarp Fiber(중과피 섬유) 및 액체상태의 POME(Palm Oil Mill Effluent), 팜 나무의 갱신에 따른 OPT(Oil Palm Trunk)가 발생한다. 따라서 이들 팜 부산물을 이용하여 바이오매스 연료로 사용하기 위한 기술이 개발되고 있다.

그러나 팜 부산물 중 일부, 특히 PKS나 EFB를 주로 활용할 뿐, 대단위로 발생되는 POME에 대한 근본적인 처리방법을 제시하지 못하고 있는 실정이다.

POME는 팜 오일 생산공정의 최종 단계에서 발생하는 폐기물로 불용성의 유무기계 고형분과 미생물 덩어리로 이루어져 있으며 대부분 연못(Pond) 형태의 저류조에 장기간 보관하여 분해하고 자연건조 및 증발을 통해 수분을 제거 후 PAO(Palm Acid Oil)를 회수하며 잔존하는 오일 성분으로 인해 발열량이 9,000 kcal/kg 이상임에도 불구하고 상온에서 높은 점도와 고체상태를 유지하는 단점으로 인해 대부분 비누 첨가제 등 저부가가치 원료로 재활용 하고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 우드칩 또는 톱밥과 같은 목질계 바이오매스에 팜 오일 생산공정에서 회수된 PAO(Palm Acid Oil)를 혼합 및 침적시켜 향상된 발열량과 탄소함량을 갖는 고체연료, 그의 제조장치 및 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계, 그리고 상기 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계 후에 상기 바이오매스를 건조시키는 단계를 포함하는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법을 제공한다.

상기 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계 전에 상기 바이오매스의 크기를 선별하는 선별단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계 후에 상기 바이오매스의 표면에 과도하게 묻은 PAO를 제거하는 표면처리단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계에서, 상기 PAO의 온도는 40~100℃의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계에서, 침적시간은 1~60분의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 바이오매스를 건조하는 단계에서, 상기 바이오매스를 건조하는 건조기의 온도는 80~120℃의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 바이오매스를 건조하는 단계에서, 상기 바이오매스를 건조하는 시간은 30~120분의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기의 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법으로 제조된 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료를 제공한다.

상기 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료는 목질계 바이오매스 대비 PAO의 침적율이 10 내지 60중량%의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료는 수분함량이 20~25중량%의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료는 탄소함량이 50 내지 60중량%의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료는 발열량이 4,500 내지 7,000kcal/kg의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 바이오매스의 크기를 선별하는 선별기, 상기 선별기에서 선별된 상기 바이오매스를 PAO에 침적하는 가온교반기, 상기 가온교반기에서 침적된 바이오매스의 표면에 과도하게 묻은 PAO를 제거하는 표면처리챔버, 그리고

침적된 상기 바이오매스를 건조시키는 건조기를 포함하는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조장치를 제공한다.

상기 표면처리챔버에서 회수된 PAO를 정제하여 PAO저장탱크로 공급하여 공정원료로 재사용하는 것이 바람직하다.

상기 표면처리챔버에서 발생하는 폐열을 회수하여 PAO 액상화단계를 수행하는 PAO 저장탱크의 열원으로 재사용하는 것이 바람직하다.

상기 건조기에서 발생하는 폐열을 회수하여 상기 표면처리챔버로 공급하여 표면처리단계의 열원으로 재사용하는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명의 실시예는 팜유 생산 부산물과 목질계 바이오매스를 이용한 화력발전소 및 제철소용 고발열량 연료 및 환원제 제조를 위한 장치 및 방법은 공정 내에서 발생하는 부산물을 최대한 활용함으로써 공정운영 비용을 절감하고 효율을 향상시킴과 동시에 팜유 생산 부산물의 악취를 제거하도록 하고, 목질계 바이오매스에 발열량과 탄소함량이 높은 팜유 생산 부산물을 침적시킴으로써 평균 발열량 및 탄소함량의 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명으로 팜유 생산 부산물에 의해 목질계 바이오매스에 수분이 재흡착되는 것을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료를 제조하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료를 생산하는 과정을 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 우드칩 형태의 목질계 바이오매스에 고등급의 PAO(Palm Acid Oil)를 혼합, 침적 후 건조, 안정화한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예의 우드칩 형태의 목질계 바이오매스에 저등급의 PAO(Palm Acid Oil)를 혼합, 침적 후 건조, 안정화한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예의 핀칩 형태의 목질계 바이오매스에 고등급의 PAO(Palm Acid Oil)를 혼합, 침적 후 건조, 안정화한 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 순서도로, 팜유 생산 부산물과 목질계 바이오매스를 이용한 화력발전소 및 제철소용 고발열량 칩의 제조방법을 도시하고 있다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 고발열량의 고체연료를 생산하는 과정을 설명하기 위한 구성도이다.

본 발명의 실시예의 고발열량 칩의 제조방법은, 목질계 바이오매스를 가공하여 칩을 생산하는 단계(S1), 생산된 바이오매스를 선별하는 단계(S3), PAO(Palm Acid Oil) 액상화 단계(S5), 바이오매스를 액상화된 PAO에 혼합 침적하는 단계(S7), 바이오매스에 과부착된 PAO를 제거하는 표면처리단계(S9), 바이오매스를 건조하는 단계(S11), 그리고 바이오매스를 냉각 및 포장하는 단계(S13)를 포함한다.

목질계 바이오매스를 가공하여 칩을 생산하는 단계(S1)는 임야에서 간벌 또는 벌목한 원목을 대상으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 칩퍼(Chipper) 및 분쇄기(1, Mill)를 이용하여 우드칩, 핀칩 등의 형태로 가공하며 본 발명에서 사용되는 칩퍼(Chipper) 및 분쇄기(Mill)는 우드칩퍼(Wood Chipper), 해머밀(Hammer Mill), 롤밀(Roll Mill), 핀밀(Pin Mill), 제트밀(Jet Mill) 및 조크러셔(Jaw Crusher) 등을 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 목질계 바이오매스의 원료는 활엽수, 침엽수 등의 나무뿐만 아니라 볏짚, 건초 등 농업 부산물도 사용할 수 있다.

본 발명의 목질계 바이오매스를 가공하여 칩을 생산하는 단계(S1)에서 생산되는 목질계 바이오매스의 입도는 평균 100mm 이하인 것이 바람직하다. 또한 목질계 바이오매스를 우드칩 또는 핀칩 형태로 생산하는 경우, 입도는 평균 10 내지 100mm으로 하는 것이 더욱 바람직하다.

생산된 바이오매스를 선별하는 단계(S3)는 도2에 도시한 선별기(3, Separator)를 통해 원목수피 및 이물질을 제거하고 원하는 크기의 우드칩과 같은 목질계 바이오매스를 선별한다. 이때 바이오매스를 선별하는 단계(S3)에서 제거된 원목수피 및 이물질은 공정 내 열원을 공급하는 보일러(5)에 연료로 재사용할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 선별기(3, Separator)는 트롬멜 스크린(Trommel Screen), 진동 스크린(Vibrating Screen), 공기선별(Air Classifier), 관성선별(Internal Separation) 등이 사용될 수 있다.

PAO (Palm Acid Oil) 액상화 단계(S5)는 팜 농장에서 최종 배출되는 팜유 생산 부산물인 PAO(Palm Acid Oil)을, 도 2에 도시된 바와 같이, PAO 저장 탱크(7, PAO Storage Tank)에 가온, 보관한다. 그리고 액상화된 PAO(Melting PAO)는 가온 교반기(7, Hot Mixer)에 공급된다.

본 발명에서 PAO 저장 탱크(7, PAO Storage Tank)의 가온을 위해 바이오매스에 과부착된 PAO를 제거하는 표면처리단계(S9) 또는 바이오매스를 건조하는 단계(S11)에서 발생되는 폐열을 회수하여 열원으로 사용할 수 있다.

PAO(Palm Acid Oil)은 인도네시아, 말레이시아 등 동남아 지역 팜유 생산공정에서 최종 배출되는 것으로, 상온에서는 고점도의 고체이며 배출 후 보관된 시간이 짧아 부패되지 않은 고등급의 경우 황갈색, 배출 후 보관시간이 길어 부패가 많이 이루어진 저등급의 경우 검은색을 가지며 악취의 정도는 등급에 따라 차이가 있으나, 발열량은 9,000kcal/kg 이상으로 등급에 관계없이 매우 높은 특성을 보인다.

본 발명에서 PAO(Palm Acid Oil)는 취급의 용이성과 액상화를 위해 PAO 저장 탱크(7, PAO Storage Tank)의 온도를 40 내지 60℃의 범위로 제어하는 것이 바람직하다.

바이오매스를 액상화된 PAO에 침적하는 단계(S7)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 목질계 바이오매스를 액상화된 PAO(Palm Acid Oil)에 가온 교반기(9, Hot Mixer)를 이용하여 균일하게 혼합 및 침적을 시킨다. 본 발명에서 사용하는 가온 교반기(9, Hot Mixer)에는 혼합 및 침적 후 목질계 바이오매스로부터 액상의 PAO(Palm Acid Oil)가 최대한 제거될 수 있도록 그물망 벨트 컨베이어(Mesh Belt Conveyer), 그물망 스크류 컨베이어(Mesh Belt Conveyer) 및 그물망 상자(Mesh Box) 등이 설치될 수 있다.

목질계 바이오매스에 PAO(Palm Acid Oil)는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등으로 이루어진 유기물로 내부에 많은 공극을 가지는 다공성 물질로 가온 후 액상화된 PAO(Palm Acid Oil)는 목질계 바이오매스의 표면뿐만 아니라 이들 내부 공극으로 침투하여 침적이 이루어지게 된다.

본 발명에서 화력발전소와 제철소에서 고발열량 연료 및 환원제로 사용할 수 있도록 발열량은 4,500 내지 7,000 kcal/kg, 탄소함량은 50 내지 60 중량%를 갖도록 하기 위하여 목질계 바이오메스 대비 PAO(Palm Acid Oil)의 침적율을 10 내지 60중량%로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 침적율을 조절하기 위해 혼합 및 침적시간의 조정 외에도 가온 교반기(Hot Mixer)(6)의 내부온도를 조절할 수 있으며, 내부온도는 40 내지 120℃로 하는 것이 바람직하다. PAO는 상온에서 높은 점도와 고체상태를 유지하며 유동성이 확보되는 유동점(Pour Point)이 35℃이며 끓기 시작하는 끓는점(Boiling Point)는 125℃, 발화가 시작되는 인화점(Flesh Point)은 200℃의 물성을 가진다. 따라서 PAO의 혼합 및 침적을 위해 최소한의 유동성 확보와 물성이 변하지 않는 끓는점 이하의 조건에서 제품을 생산하고자 온도를 40 내지 120℃로 설정하였다. PAO는 40℃이상에서 유동성은 확보되어 액상으로 취급이 가능하지만 50℃에서 보통 점도가 17 내지 18cst 수준으로 다소 점성이 존재하여 혼합 및 침적효율이 저하될 수 있다. 또한 혼합 침적단계에서 우드칩으로부터 배출된 공극 내 수분이 PAO와의 비중차이로 탱크하부에 침강되어 존재하다가 물의 끓는점(Boiling Point)인 100℃ 이상의 조건에서는 물이 끓게 되어 탱그상부로 부상하여 PAO의 혼합침적을 방해하고 운전 중 유수분리 등 수분제거 시 효과를 기대하기 어렵다. 따라서 PAO의 유동성과 혼합 및 침적효율을 충분히 확보하기 위해 바람직하게는 80 내지 100℃의 온도조건을 유지하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에서 침적율의 확보를 위해 혼합 및 침적시간을 1 내지 60분으로 하는 것이 바람직하다. 침적에 적합한 시간을 확인하기 위해 PAO의 온도를 100℃로 고정하고 [표 1]에서 보는 바와 같이 최대 80분까지 침적시간을 변화시키며 침적량과 저위발열량(LHV)를 측정하였다.

즉, [표 1]에 표시한 바와 같이 침적 후 최초 1분의 경우 PAO의 대부분은 우드칩 표면에만 첨착되고 공극내로 유입되지 않아 침적량이 약 6중량%에 불과하나 5분이 경과하면서 급격히 우드칩 공극내로 PAO가 유입되면서 침적량이 20.69중량%로 급격히 증가하게 된다. 또한 20분을 경과하면서 46.07중량%의 침적량을 보이는 것을 알 수 있으며 60분을 경고하면서 침적량은 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 제품의 품질에 해당하는 저위발열량을 분석한 결과 [표 1]에서 보는 바와 같이 침적시간 5분을 경과하면서 4.461 kcal/kg을, 20분을 경과하면서 6,110 kcal/kg을 가지며 60분 이후부터 약 7,000 kcal/kg에서 침적시간에 비해 상대적으로 큰 변화는 없는 것으로 확인되었다.

따라서 침적에 소요되는 시간은 표면과 공극내에 PAO가 첨착되는 1분 내지 60분으로 하고, 바람직하게는 목질계 바이오매스의 최대 저위발열량 이상 내지 석탄대체가 가능하도록 유, 무연탄의 저위발열량과 유사한 수준의 저위발열량이 확보되도록 5 내지 20분으로 침적시간을 유지하는 것이 더 적합하다.

또한 이때 약 200 내지 300℃에서 수행되는 반탄화 공정보다 현저히 낮은 온도임에도 불구하고 저위발열량 기준, 약 5,200 내지 5,400 kcal/kg을 갖는 바이오매스 반탄화 부산물과 유사한 연료로써의 가치를 확보할 수 있다.

[표 1] 침적시간에 따른 침적량 및 저위발열량 변화

바이오매스에 과부착된 PAO를 제거하는 표면처리단계(S9)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 혼합 및 침적단계(S7)를 거쳐 가온 교반기(9, Hot Mixer)로부터 배출된 목질계 바이오매스가 표면처리를 위한 송풍 및 중력식 전처리 챔버(11, Blowing & Gravity Drain Chamber)에서 바이오매스의 표면에 과도하고 불균일하게 첨착된 PAO(Palm Acid Oil)가 제거되면서 균질화가 이루어진다.

본 발명에서 침적 후의 바이오매스의 표면처리를 하는 송풍 및 중력식 드레인 챔버(11, Blowing & Gravity Drain Chamber)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 건조단계(S11)에서 배출되는 더운 공기(Hot Air)를 사용할 수 있다. 송풍 및 중력식 드레인 챔버(11, Blowing & Gravity Drain Chamber)에서는 유인송풍기(13, Induced Draft Fan)를 통해 더운 공기를 공급받아 목질계 바이오매스 표면에 과도하게 침착된 PAO(Palm Acid Oil)의 액상을 중력방향으로 낙하시켜 제거할 수 있다.

상술한 설명에서 낙하되면서 제거된 PAO(Palm Acid Oil)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 회수(Drain & Recollected PAO)되고 정제탱크(15, PAO Refine Tank)에서 정제하여 공정원료로 재사용(Recycled PAO)로 재사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에서 전단계인 가온 교반기(9, Hot Mixer)에서 체류시간 및 온도 등 운전조건에 따라 불필요한 경우, 송풍 및 중력식 드레인 챔버(11, Blowing & Gravity Drain Chamber)를 이용한 표면처리단계는 생략될 수 도 있다.

본 발명에서 송풍 및 중력식 드레인 챔버(11, Blowing & Gravity Drain Chamber)(11)에서 배출되는 공기는, 도 2에 도시한 바와 같이, 보일러(5, Boiler)의 2차 연소용 공기(Secondary Combustion Air)로 재사용하여 배출공기에 포함된 휘발성 악취를 제거할 수 있다.

본 발명의 실시예에서 침적된 후의 바이오매스의 표면처리를 위해 송풍 및 중력식 드레인 챔버(11, Blowing & Gravity Drain Chamber) 내의 온도를 40 내지 60℃로 유지하는 것이 바람직하다.

바이오매스에 과부착된 PAO를 제거하는 표면처리단계(S9)는 목질계 바이오매스 표면에 과도하고 불균일하게 첨착된 PAO의 제거가 목적이다. 따라서 PAO의 최소 유동성 확보와 물성이 변하지 않는 끓는점 이하의 조건이 동일하게 적용되어 온도는 40 내지 120℃로 설정하였다. 그러나 더욱 바람직하게는 표면처리단계(S9)의 경우 표면에 첨착된 PAO의 제거만이 목적이므로 최소한의 유동성만 확보하면 되므로 공정 운전 시 에너지 절감과 공극 내 유입된 PAO의 침적완료까지 약간의 점성이 계속 유지되도록 온도를 40 내지 60℃로 하는 것이 더욱 효과적이다.

본 발명의 실시예에서 침전된 후의 바이오매스의 표면처리를 위해 송풍 및 중력식 드레인 챔버(11, Blowing & Gravity Drain Chamber)에서 바이오매스의 체류시간을 1 내지 60분으로 하는 것이 바람직하다. 그러나 침전된 후의 바이오매스의 표면처리를 위해 송풍 및 중력식 드레인 챔버(11, Blowing & Gravity Drain Chamber)에서 바이오매스의 체류시간은 공정 내 운전 조건에 따라 달라질 수 있으며 표면처리시 소요되는 열풍의 선속도에 따라 시간이 상이할 수 있으나, 5 내지 10분의 범위로 하는 것이 더욱 효율적이다.

PAO가 침적된 바이오매스를 건조하는 단계(S7)는 송풍 및 중력식 드레인 챔버(11, Blowing & Gravity Drain Chamber)에서 배출된 목질계 바이오매스는, 도 2에 도시한 바와 같이, 건조기(17, Dryer)를 이용하여 자체 수분의 제거와 표면 및 내부 공극에 침적된 PAO(Palm Acid Oil)를 안정화시켜 외부로 유출되지 않고 제품완성 후 대기 중 수분이 흡습되지 않게 된다.

본 발명의 실시예에서 건조기(17, Dryer)를 이용하여 건조 및 안정화가 이루어지는 과정에서 침적된 PAO(Palm Acid Oil) 자체 휘발성 물질과 악취성분이 목질계 바이오매스의 표면 및 내부공극으로부터 휘발, 제거되어 장기보관 시 휘발분에 위한 자연발화 및 악취확산 문제를 동시에 해결할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 도 2에 도시한 바와 같이, 건조기(17, Dryer)의 열원은 보일러(5, Boiler)에서 스팀 또는 뜨거운 공기로 공급받으며 보일러(5, Boiler)의 1차 연소용 공기는 압입송풍기(19, Forced Draft Fan)로부터 공급받는다.

본 발명에서 건조기(17, Dryer)에서 회수된 PAO(Palm Acid Oil)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 회수(Drain & Recollected PAO)하여 정제탱크(15, PAO Refine Tank)에서 정제하여 공정원료로 재사용(Recycled PAO)한다.

본 발명에서 건조기(17, Dryer)는 내부에 PAO의 회수가 가능하도록 선반, 그물망(Mesh) 및 타공판(Punching Plate)를 포함한 2중 구조를 갖도록 하고 로타리 킬른 건조기(Rotary Kiln Dryer), 디스크 건조기(Disk Dryer) 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서 화력발전소와 제철소에서 고발열량 연료 및 환원제로 사용가능하도록 함수율 25중량% 이하, 발열량은 4,500 내지 7,000 kcal/kg, 탄소함량은 50 내지 60 중량%를 갖도록 하기 위하여 목질계 바이오메스 대비 PAO(Palm Acid Oil)의 침적율을 10 내지 60중량%로 유지하기 위해 건조기(Dryer)(12)의 온도를 80 내지 120℃로 하는 것이 바람직하다.

건조에 적합한 온도를 판단하기 위해 동일한 함수율을 가지는 대표 샘플군을 이용하여 PAO를 100℃에서 10분간 침적 후 5분간 표면처리하여 완성된 시료를 각각의 조건에 따라 건조 후 함수율을 측정하여 [표 2]에 나타내었다.

[표 2] 건조온도 및 시간에 따른 함수율 변화

[함수율 : 중량%]

앞서 기술한 바와 같이 제철소 및 화력발전소의 경우 우드칩을 연료 또는 환원제로 사용하고자 하는 경우 함수율은 20 내지 25중량%면 적합하므로 이를 만족하는 구간을 확인한 결과 표 2에서 보는 바와 같이 80 내지 120℃에서 상기 함수율을 만족하는 것을 확인하였다. 건조 시 상기에서 기술한 바와 같이 PAO가 끓는 점이 125℃로 건조온도가 120℃를 상회하는 경우 침적된 PAO가 다시 끓으면서 외부로 유출될 수 있으므로 그 이상의 온도는 고려하지 않았다.

본 발명에서 상기 품질의 유지를 위해 건조기(17, Dryer)의 체류시간을 30 내지 120분으로 하는 것이 바람직하다.

앞서 기술한 건조온도 실험과 동시에 건조시간에 대한 영향을 확인하고자 실험을 수행하였으며 그 결과를 표 2에 나타내었다. [표 2]에서 보는 바와 같이 건조온도 80 내지 120℃의 구간에서 건조시간은 30 내지 120분의 구간이 적합함을 확인하였다.

[표 2]에서 보는 바와 같이 우드칩에 침적된 PAO가 재유출되는 끓는점에서 최대한 떨어짐과 동시에 공정운전 시 에너지 소요와 운전시간을 모두 고려할 때 바람직하게는 건조온도 및 시간을 95 내지 105℃, 40 내지 60분으로 하는 것이 더욱 상기 목적 함수율 달성에 적합하다.

건조 및 안정화된 바이오매스를 냉각 및 포장하는 단계(S13)는 건조기(17)에서 배출된 최종 목질계 바이오매스의 보관 및 운반의 편의성을 위한 단계이다. 즉, 건조기(17, Dryer)에서 배출된 최종 목질계 바이오매스는, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각 및 제품포장기(21, Cooling & Product Packing)을 통해 운반의 편의성을 확보한다.

도 3 내지 도 5는 상술한 단계를 모두 거친 후 완성된 팜유 생산 부산물과 목질계 바이오매스를 이용한 화력발전소 및 제철소용 고발열량 연료 및 환원제의 실시예의 사진이다.

도 3은 우드칩 형태의 목질계 바이오매스에 고등급의 PAO(Palm Acid Oil)를 혼합, 침적 후 건조, 안정화한 사진이다. 그리고 도 4는 우드칩 형태의 목질계 바이오매스에 저등급의 PAO(Palm Acid Oil)를 혼합, 침적 후 건조, 안정화한 사진이다. 도 5는 핀칩 형태의 목질계 바이오매스에 고등급의 PAO(Palm Acid Oil)를 혼합, 침적 후 건조, 안정화한 사진이다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

1. 분쇄기, 3. 선별기,
5. 보일러, 7. PAO저장탱크,
9. 가온교반기, 11. 표면처리챔버,
13. 유인송풍기, 15. 정제탱크,
17. 건조기, 19. 압입송풍기,
21. 냉각 및 제품포장기

Claims

바이오매스를 PAO에 침적하는 단계, 그리고
상기 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계 후에 상기 바이오매스를 건조시키는 단계
를 포함하는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계 전에
상기 바이오매스의 크기를 선별하는 선별단계를 포함하는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계 후에
상기 바이오매스의 표면에 과도하게 묻은 PAO를 제거하는 표면처리단계를 포함하는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계에서,
상기 PAO의 온도는 40~100℃의 범위에서 이루어지는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 바이오매스를 PAO에 침적하는 단계에서,
침적시간은 1~60분의 범위로 이루어지는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 바이오매스를 건조하는 단계에서,
상기 바이오매스를 건조하는 건조기의 온도는 80~120℃의 범위로 이루어지는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 바이오매스를 건조하는 단계에서,
상기 바이오매스를 건조하는 시간은 30~120분의 범위로 이루어지는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법.
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법으로 제조된 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료.
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법으로 제조되며,
목질계 바이오매스 대비 PAO의 침적율이 10 내지 60중량%의 범위로 이루어지는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료.
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법으로 제조되며,
수분함량이 20~25중량%이하로 이루어지는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료.
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법으로 제조되며,
탄소함량이 50 내지 60중량%의 범위로 이루어지는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료.
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조방법으로 제조되며,
발열량이 4,500 내지 7,000kcal/kg의 범위로 이루어지는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료.
바이오매스의 크기를 선별하는 선별기,
상기 선별기에서 선별된 상기 바이오매스를 PAO에 침적하는 가온교반기,
상기 가온교반기에서 침적된 바이오매스의 표면에 과도하게 묻은 PAO를 제거하는 표면처리챔버, 그리고
침적된 상기 바이오매스를 건조시키는 건조기
를 포함하는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조장치.
청구항 13에 있어서,
상기 표면처리챔버에서 회수된 PAO를 정제하여 PAO저장탱크로 공급하여 공정원료로 재사용하는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조장치.
청구항 13에 있어서,
상기 표면처리챔버에서 발생하는 폐열을 회수하여 PAO 액상화단계를 수행하는 PAO 저장탱크의 열원으로 재사용하는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조장치.
청구항 13에 있어서,
상기 건조기에서 발생하는 폐열을 회수하여 상기 표면처리챔버로 공급하여 표면처리단계의 열원으로 재사용하는 화력발전소 및 제철소용 고발열량 고체연료의 제조장치.