KR20170001803A - 바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오매스에 탄소계 다공체 촉매를 적용하여 유용한 바이오 케미컬 성분이 풍부하게 포함된 생성물을 제조하고 이를 분리 및 회수하는 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은, 바이오매스 및 탄소계 다공체 촉매가 혼합되어 공급되어 열분해됨으로써 각각 상이 다른 상태로 혼합된 하나 이상의 생성물을 포함하는 열분해 증기가 생성되는 열분해 반응기; 상기 열분해 반응기와 연결되며, 상기 생성된 열분해 증기에 혼합된 생성물 중 제1생성물을 분리하는 콘덴서; 및 상기 콘덴서와 연결되며, 상기 제1생성물이 분리된 열분해 증기에서 제2생성물을 분리하는 임팩터;를 포함하는 바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치 및 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치 및 제조방법에 의하면, 바이오매스와 탄소계 다공체 촉매를 열분해함으로써 유용한 케미컬이 다량 포함된 생성물을 얻을 수 있으며, 또한, 이를 간편하고 적은 비용으로 분리 및 회수할 수 있다는 장점을 갖는다.

Description

바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치 및 제조방법{Bio-chemical-producing device, and producing method using the biomass and catalyst}
본 발명은 바이오 케미컬 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 바이오매스에 탄소계 다공체 촉매를 적용하여 유용한 바이오 케미컬 성분이 풍부하게 포함된 생성물을 제조하고 이를 분리 및 회수하는 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
화석연료가 한정된 매장량과 편중된 분포특성으로 인한 수급 불안정 문제점을 드러낸 이래, 재생가능자원(renewable resource)의 개발에 꾸준한 노력을 기울여왔다. 특히 최근 10년간은 식물을 비롯한 바이오매스(biomass)가 화석연료 중심의 기존 산업시설 및 장치 등에 직접 적용할 수 있는 대체자원으로서 인식되면서 커다란 관심을 끌고 있다.
바이오매스란 육상과 수상의 식물과 동물 및 미생물을 포함하는 지구상의 유기체 전부를 물질로 환산한 것을 가리키는 것으로, 목재, 곡물, 농업 임업 관련 부산물이나 하수처리장의 슬러지, 도시 고형폐기물 등의 유기성 물질 전체를 포함하는 개념이다. 생물계는 식물체를 근간으로 형성되며 식물체는 곧 화학결합 중에 태양에너지를 저장하는 탄소화합물이라고 할 수 있기 때문에 결국 바이오매스는 화석연료와 같이 탄소화합물로 이루어진 에너지 저장 물질이라고 할 수 있다. 따라서 바이오매스는 재생자원 중 유일하게 화석연료를 대신하여 에너지원으로서는 물론 화학공업 원료물질 공급원(chemical feedstock)으로서의 역할까지도 수행할 수 있는 자원이 된다.
최근 바이오매스 열분해를 통해 얻어진 바이오 오일을 연료로서 사용하는 것 외에 바이오 케미컬을 회수하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
바이오매스로부터의 열분해 생성물에 다양한 바이오 화학물질이 존재하나 그 각각의 양은 매우 소량이며, 하기 표 1과 같이, 대표적인 바이오매스로 사용되는 목재로부터 발생되는 바이오 케미컬로서의 생성물의 예로 페놀과 아세트산의 함량은 각각 0.5 및 10 중량% 미만이다(Mullen et al., Energy &Fuels, 25, 5444-5451).
바이오 케미컬(중량%) 목재(참나무)
Acetic acid 9.6
Phenol 0.2
따라서, 보다 효율적으로 바이오 케미컬을 생산하기 위하여 열분해시 각종 촉매들을 이용하는 방법들이 연구되고 있는데, 한국특허공개공보 제 2014-0131354 호 에는 바이오매스의 열분해 반응에 있어서, 바이오 매스에 철 산화물과 같은 촉매를 적용하여 열분해하는 방법이 개시되어 있다.
그러나, 이렇게 얻어지는 생성물은 산소성분이 많고 강한 산도 등을 나타내어 불안정 하기에 별도로 탈산소화 공정을 거쳐야 하므로, 공정이 복잡해지고 또한, 비용이 많이 든다는 문제가 있다
KR 2014-0131354 A
이에, 본 발명은 상기한 종래의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 화석연료로부터 얻을 수 있던 화학물질을 바이오매스로부터 효율적으로 다량 생산할 수 있고, 또한, 이를 간단하게 분리 및 회수할 수 있는 바이오매스를 이용한 바이오 케미컬 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 바이오매스 및 탄소계 다공체 촉매가 혼합되어 공급되어 열분해됨으로써 각각 상이 다른 상태로 혼합된 하나 이상의 생성물을 포함하는 열분해 증기가 생성되는 열분해 반응기; 상기 열분해 반응기와 연결되며, 상기 생성된 열분해 증기에 혼합된 생성물 중 제1생성물을 분리하는 콘덴서; 및 상기 콘덴서와 연결되며, 상기 제1생성물이 분리된 열분해 증기에서 제2생성물을 분리하는 임팩터;를 포함하는 바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치를 제공한다.
또한, 바이오매스가 공급되어 열분해됨으로써 1차 열분해 증기가 생성되는 열분해 반응기; 상기 열분해 반응기와 연결되며, 상기 생성된 1차 열분해 증기가 통과됨으로써, 서로 상이 다른 상태로 혼합된 하나 이상의 생성물을 포함하는 2차 열분해 증기가 생성되는 탄소계 다공체 촉매층;상기 탄소계 다공체 촉매층과 연결되며, 상기 2차 열분해 증기의 생성물 중 제1생성물을 분리하는 콘덴서; 및 상기 콘덴서와 연결되며, 상기 제1생성물이 분리된 2차 열분해 증기에서 제2생성물을 분리하는 임팩터;를 포함하는 바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치를 제공한다.
상기 제1생성물은 수용성이고, 상기 제2생성물은 지용성 또는 상기 제1생성물보다 수용성이 낮은 것이 바람직하다.
상기 다공성 탄소계 촉매는 활성탄인 것이 바람직하다.
상기 열분해 반응기에 연결되어, 상기 열분해 반응 후에 발생하는 상기 탄소계 다공성 촉매를 포함하는 촤(char)가 분리되어 수집되는 촤 회수부를 더 포함하며, 수집된 상기 촤는 상기 열분해 반응기 열원으로 재사용되는 것이 바람직하다.
또한, (a) 바이오매스 및 탄소계 다공성 촉매가 열분해 됨으로써 각각 상이 다른 상태로 혼합된 하나 이상의 생성물을 포함하는 열분해 증기가 생성되는 단계; (b) 상기 생성된 열분해 증기에 혼합된 생성물 중 제1생성물이 분리되는 단계; 및 (c) 상기 제1생성물이 분리된 열분해 증기에서 제2생성물이 분리되는 단계;를 포함하는 바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조방법을 제공한다.
그리고, (a) 바이오매스가 열분해 됨으로써 1차 열분해 증기가 생성되는 단계; (b) 상기 생성된 1차 열분해 증기가 탄소계 다공체 촉매층을 통과함으로써, 서로 상이 다른 상태로 혼합된 하나 이상의 생성물을 포함하는 2차 열분해 증기가 생성되는 단계; (c) 상기 생성된 2차 열분해 증기에 혼합된 생성물 중 제1생성물이 분리되는 단계; 및 (d) 상기 제1생성물이 분리된 상기 2차 열분해 증기에서 제2생성물이 분리되는 단계;를 포함하는 바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조방법을 제공한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치 및 제조방법에 의하면, 바이오매스와 탄소계 다공체 촉매를 열분해함으로써 유용한 케미컬이 다량 포함된 생성물을 얻을 수 있으며, 또한, 이를 간편하고 적은 비용으로 분리 및 회수할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 케미컬 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는, lignin의 열분해 cracking 현상을 통해 페놀이 생성되는 과정을 도시한다.
도 3은, 기존의 제조장치에서 분리 및 회수된 생성물 및, 본 발명에 따른 제조장치에서 분리 및 회수된 생성물을 도시한다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치를 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치(이하, 설명의 편의를 위하여 단순히 '제조장치'라 칭한다) 및 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 일 실시예에 따른 제조장치는, 열분해 반응기(100), 콘덴서(300), 및 임팩터(400)를 포함할 수 있다.
열분해 반응기(100)는, 일례로서 유동성 매체를 이용한 유동층 열분해 반응기(100)로서, 이와 연결된 연료공급부(10)로부터 바이오매스와 다공성 탄소계 촉매가 혼합되어 공급되고, 열분해 반응기(100)에서 열분해 증기가 생성된다.
공급되는 바이오매스는 한정되지 않으나, Lignin이 다량 포함된 목재류 및/또는 팜 부산물일 수 있다.
상기한 바이오매스의 입자 크기는 원활한 급속열분해 반응을 위하여 0.4~2mm 직경을 갖도록 분쇄되어 공급될 수 있다. 또한, 상기 열분해 반응로의 열분해 온도는 400~700℃, 열분해 반응기 내 열분해 증기 체류시간은 대략 1~5sec. 전후임이 바람직하고, 이와 혼합되어 공급되는 탄소계 다공성 촉매는 활성탄일 수 있다.
상기와 같이 열분해 과정을 통하여 바이오매스에 포함된 성분은 각각 상이 다른 상태로 혼합된 하나 이상의 생성물을 포함하는 열분해 증기가 생성되며, 리그닌의 경우 열분해 되면서 생성되는 phenol의 전구체인 p-coumaryl, conferyl, sinapyl alcohol이, 바이오매스에 혼합된 탄소계 다공성 촉매에 의해 cracking되면서 다량의 phenol이 포함된 열분해 증기가 생성된다.
이렇게 생성된 열분해 증기는, 열분해 반응기(100) 일단에 연결된 사이클론으로 유입되어, 고체 입자가 제거되며, 고체입자의 효율적인 제거를 위해 제1 및 제2 사이클론(210, 220)을 직렬로 사용할 수 있다.
고체입자가 제거된 열분해 증기는 사이클론의 일단에 연결된 콘덴서(300)를 통과하며 응축되어 열분해 증기에 포함된 생성물 중 제1생성물이 분리된다.
콘덴서(300)에서 생성되는 제1생성물은 수용성 또는 비교적 점도가 낮은 생성물로서, 콘덴서(300) 내에 유동되는 냉각매체(물, 알코올 등)의 낮은 온도에 의해 열분해 증기로부터 분리 및 회수된다. 이때 냉각 온도는 -10~20℃가 바람직하다.
상기와 같이 제1생성물이 분리된 열분해 증기는, 콘덴서(300)의 일단에 연결된 임팩터(400)로 유동되어 임팩터(400)에 의해 제2생성물이 분리된다. 이때 분리되는 제2생성물은 지용성 또는, 상기 제1생성물보다 수용성이 낮은 물질 또는 비교적 점도가 높은 에어로졸 상의 생성물로서, 임팩터(400)의 물리적인 충돌 현상에 의해 분리 및 회수된다.
기존의 제조장치는 열분해 증기를 콘덴서(300)만을 이용하여 분리하기에, 각각 다른 상의 생성물이 섞인 상태로 생성되는 열분해 증기의 각 상에 따른 분리가 어려우며 이를 다시 분리하기 위하여 원심 분리 공정과 같은 추가적인 공정이 필요하나, 상기한 임팩터(400)의 구성이 추가됨으로 인하여 각 상에 따른 생성물의 용이한 분리가 가능하다.
도 3은, 기존의 제조장치에서 분리 및 회수된 생성물 및, 본 발명에 따른 제조장치에서 분리 및 회수된 생성물을 도시한다. 도 3 좌측의 A는 기존의 제조장치에서 분리 및 회수된 생성물이며, 중앙의 B,C 및 우측의 D,E는 본 발명에 따른 제조장치 및 제조방법에 의해 생성된 생성물로서, B, C는 500℃에서의 열분해 반응에 의해 생성된 제1 및 제2 생성물을 각각 나타내며, D, E는 600℃에서의 열분해 반응에 의해 생성된 제1 및 제2 생성물을 각각 나타낸다.
하기 표 2는 상기 도 3에 도시된 각 생성물의 정량적인 결과를 HPLC(High Performance Liquid Chromatography) 기기 분석을 통해 얻은 값이다.
생성물
(중량%)		 팜 부산물 탄소계 다공체 촉매를 적용한 팜 부산물
A B C D E
Acetic acid 6.0 8.5 5.5 12.7 5.2
Phenol 3.0 2.9 5.5 3.0 10.9
도 3 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 탄소계 다공체 물질을 적용하여 얻어진 생성물은 상이 다른 형태로 분리되어 나누어지며, 생성물의 양도 다량인 것을 알 수 있고, Phenol(페놀) 외에도 Acetic acid(아세트산) 등의, 열분해 증기 내의 특정 생성물이 역시 탄소계 다공성 촉매를 적용하였을 때 증가하는 경향을 나타낸다.
제1 및 제2 생성물이 각 상에 따라 분리 및 회수되고 남은 열분해 증기는 임팩터(400)에 연결된 전기집진기(500)로 유동하여 상기 분리 및 회수과정에서 회수되지 않은 미량의 고분자 타르 등의 성분이 분리되어 포집되며, 그 후 남은 열분해 가스의 일부는 전기집진기(500)의 일단에 연결된 펌프(600)를 통하여 다시 예열기 (110)를 통해 유동화를 위하여 열분해 반응기(100)로 공급되거나, 마찬가지로 전기집진기(500)와 연결된 버너(700)로 유입되어 연소 및 배출된다. 이때 버너 (700)로 연소되는 열분해 가스의 경우 다시 열분해 반응기의 온도 유지를 위하여 열원으로 재사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 제조장치는 상기한 바와 같이 임팩터(400)의 구성이 추가됨에 따라, 수용성이 낮은 생성물의 분리가 용이하게 이루어지며, 대부분의 생성물이 포집되므로, 상기한 전기집진기(500)의 구성을 생략하거나, 보다 설치가 간편하고 비용이 저렴한 필터 등의 구성으로 대체 할 수 있다.
하기 표 3은 활성탄을 적용하지 않은 500℃에서의 실험과 활성탄을 적용한 500℃와 600℃에서의 실험들에서 열분해 반응이 끝난 후 콘덴서, 임팩터(400)와 전기집진기(500) 각각에 포집된 생성물 수율 분포 결과를 나타낸 것이다.
500℃(활성탄 미적용) 500℃(활성탄 적용) 600℃(활성탄 적용)
콘덴서 (중량%) 67.7 63.6 69.2
임팩터 (중량%) 32.2 36.3 30.5
전기집진기 (중량%) 0.1 0.1 0.3
상기 표 3에 나타난 것과 같이 전기집진기에는 미량의 생성물이 포집된 것을 볼 수 있으며 콘덴서와 임팩터에 99 중량% 이상의 생성물이 집중되어 있는 것을 알 수 있다.
한편, 열분해 반응이 끝난 후, 발생하는 촤(char)에는 열분해 반응에 사용된 탄소계 다공성 촉매가 포함되어 있는데, 이를 열분해 반응기(100) 일측에 연결된 촤 회수부(130)로 수집하여, 열분해 반응의 열원으로 재이용 할 수 있으며 탄소계 첨가제로 재이용할 수 있다는 장점을 갖는다.
다음, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제조장치 및 제조방법을 설명한다.
이하의 설명은, 발명의 이해 및 설명의 편의를 위해 상기 일 실시예와 다른 점을 중심으로 설명하며 그외 동일한 구성은 그 설명을 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 제조장치는, 도 1에 도시된 상기 일 실시예와는 달리, 직렬로 연결된 복수의 사이클론(200)의 구성 중 제2사이클론(220) 대신 탄소계 다공성 촉매층의 구성을 갖는다.
이러한 구성으로 인하여, 열분해 반응기(100)에서, 바이오매스와 탄소계 다공성 촉매를 혼합하여 열분해시키지 않고, 바이오매스만을 열분해 하여 1차 열분해 증기를 생성시킨다.
생성된 1차 열분해 증기가 사이클론(제1사이클론)을 통하여 고체 입자가 제거된 후, 탄소계 다공성 촉매층을 통과하며 상기한 cracking 현상을 통하여 서로 상이 다른 상태로 혼합된 하나 이상의 생성물을 포함하는 2차 열분해 증기가 생성되며, 이렇게 생성된 2차 열분해 증기가 콘덴서(300)와 임팩터(400)를 순차로 통과하며 제1생성물 및 제2생성물이 각각 분리 및 회수된다.
상기와 같이 본 발명에 따른 제조장치 및 제조방법에 의하면, 바이오매스와 탄소계 다공체 촉매를 열분해함으로써 유용한 케미컬이 다량 포함된 생성물을 얻을 수 있으며, 또한, 이를 간편하고 적은 비용으로 분리 및 회수할 수 있다는 장점을 갖는다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10: 연료공급부
100: 열분해 반응기
110: 예열기
130: 촤 회수부
200: 사이클론
300: 콘덴서
400: 임팩터
500: 전기집진기
600: 펌프
700: 버너

Claims (7)

  1. 바이오매스 및 탄소계 다공체 촉매가 혼합되어 공급되어 열분해됨으로써 각각 상이 다른 상태로 혼합된 하나 이상의 생성물을 포함하는 열분해 증기가 생성되는 열분해 반응기(100);
    상기 열분해 반응기(100)와 연결되며, 상기 생성된 열분해 증기에 혼합된 생성물 중 제1생성물을 분리하는 콘덴서(300); 및
    상기 콘덴서(300)와 연결되며, 상기 제1생성물이 분리된 열분해 증기에서 제2생성물을 분리하는 임팩터(400);를 포함하는,
    바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치.
  2. 바이오매스가 공급되어 열분해됨으로써 1차 열분해 증기가 생성되는 열분해 반응기(100);
    상기 열분해 반응기(100)와 연결되며, 상기 생성된 1차 열분해 증기가 통과됨으로써, 서로 상이 다른 상태로 혼합된 하나 이상의 생성물을 포함하는 2차 열분해 증기가 생성되는 탄소계 다공체 촉매층;
    상기 탄소계 다공체 촉매층과 연결되며, 상기 2차 열분해 증기의 생성물 중 제1생성물을 분리하는 콘덴서(300); 및
    상기 콘덴서(300)와 연결되며, 상기 제1생성물이 분리된 2차 열분해 증기에서 제2생성물을 분리하는 임팩터(400);를 포함하는,
    바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1생성물은 수용성이고, 상기 제2생성물은 지용성 또는 상기 제1생성물 보다 수용성이 낮은,
    바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다공성 탄소계 촉매는 활성탄인,
    바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열분해 반응기(100)에 연결되어, 상기 열분해 반응 후에 발생하는 상기 탄소계 다공성 촉매를 포함하는 촤(char)가 분리되어 수집되는 촤 회수부(130)를 더 포함하며,
    수집된 상기 촤는 상기 열분해 반응기(100) 열원으로 재사용되는,
    바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조장치.
  6. (a) 바이오매스 및 탄소계 다공성 촉매가 열분해 됨으로써 각각 상이 다른 상태로 혼합된 하나 이상의 생성물을 포함하는 열분해 증기가 생성되는 단계;
    (b) 상기 생성된 열분해 증기에 혼합된 생성물 중 제1생성물이 분리되는 단계; 및
    (c) 상기 제1생성물이 분리된 열분해 증기에서 제2생성물이 분리되는 단계;를 포함하는,
    바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조방법.
  7. (a) 바이오매스가 열분해 됨으로써 1차 열분해 증기가 생성되는 단계;
    (b) 상기 생성된 1차 열분해 증기가 탄소계 다공체 촉매층을 통과함으로써, 서로 상이 다른 상태로 혼합된 하나 이상의 생성물을 포함하는 2차 열분해 증기가 생성되는 단계;
    (c) 상기 생성된 2차 열분해 증기에 혼합된 생성물 중 제1생성물이 분리되는 단계; 및
    (d) 상기 제1생성물이 분리된 상기 2차 열분해 증기에서 제2생성물이 분리되는 단계;를 포함하는,
    바이오매스와 촉매를 이용한 바이오 케미컬 제조방법.
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