KR20170098658A - Improved heating value lignocellulosic bio-coal and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a lignocellulose bio-coal having improved caloric value and a manufacturing method thereof. The lignocellulose bio-coal has excellent energy density and energy efficiency, shows high combustion efficiency and has improved caloric values.

Description

발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법{Improved heating value lignocellulosic bio-coal and manufacturing method thereof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a lignocellulosic bio-coal having improved heat generation and an improved heating value lignocellulosic bio-coal and manufacturing method thereof,

본 발명은 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법 에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과를 나타내는 발열량이 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a lignocellulosic bio-coal having an improved calorific value and an improved energy density and energy efficiency, Cellulose-based bio-coal and a process for producing the same.

환경부에서는 2014년 7월 22일에 “자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률” 개정안을 시행하였다. 이번 개정안에 따르면 신재생에너지로 주목받는 고형연료의 관리가 강화되면서 고형연료제품의 수입·제조부터 사용단계까지 전 과정에 걸쳐 관리체계가 구축되어 폐자원의 에너지화를 질적으로 업그레이드시킬 수 있는 기반을 마련한 것으로 평가받고 있다. 개정안의 주요 내용으로는 고형연료제품에 대한 품질검사와 품질표시제도의 의무화, 고형연료제품의 제조·사용시설의 의무적 정기검사, 고형연료제품의 제조·수입·사용하는 자의 신고 의무화 등을 포함한다.The Ministry of Environment revised the "Law Concerning the Promotion of Resource Conservation and Recycling" on July 22, 2014. According to the amendment, management of solid fuels, which are attracting attention as renewable energy, has been strengthened, and a management system has been established throughout the entire process from importing, manufacturing, and use of solid fuel products. It is estimated that it provided. The main contents of the amendment include mandatory quality inspection and quality labeling for solid fuel products, compulsory periodic inspection of facilities for manufacturing and using solid fuel products, manufacture, import and use of solid fuel products .

재활용법의 시행규칙의 개정안에 따르면 고형연료제품을 고형연료(Solid Refuse Fuel, 이하 SRF)와 바이오 고형연료(Bio Solid Refuse Fuel, 이하 Bio-SRF)로 분류한다. SRF에는 음식물을 제외한 생활폐기물(폐가구 포함), 폐합성섬유류, 폐타이어, 자동차 파쇄 잔재물을 제외한 폐합성 수지류, 폐고무류, 바이오고형연료제품 제조용 원료와 혼합된 연료 등을 포함된다. Bio-SRF는 폐지류, 농업 폐기물(왕겨, 쌀겨, 옥수수대 등), 초본류 폐기물, 폐목재류(철도용 침목과 전신주로 사용된 것은 제외), 땅콩 껍질, 호두껍질, 팜껍질, 코코넛 껍질, 귤 껍질 등 식물성 잔재물(음식물 제외) 등을 포함한다. SRF와 Bio-SRF는 전용 보일러, 열병합발전소, 그리고 산업시설의 연료로 판매가 가능하다.According to the amendment of the Enforcement Regulations of the Recycling Law, solid fuel products are classified as Solid Refuse Fuel (SRF) and Bio Solid Refuse Fuel (Bio-SRF). SRFs include municipal solid waste (including waste furniture), waste synthetic fibers, waste tires, waste synthetic resin except for automobile trash remnants, waste rubber, and fuel mixed with raw materials for manufacturing bio solid fuel products. Bio-SRF can be used to remove wastes, agricultural wastes (rice husks, rice bran, corn bran, etc.), herbaceous waste, scrap wood (except those used for railway sleepers and poles), peanut bark, walnut bark, palm bark, And vegetable residues such as peel (excluding food). SRF and Bio-SRF can be sold as fuel for private boilers, cogeneration plants, and industrial facilities.

SRF와 Bio-SRF, 목재펠릿의 품질규격에 있어서는 큰 차이가 있다. 목재펠릿과 품질 특성과 대비될 수 있는 Bio-SRF의 품질·등급 기준을 보면 발열량의 경우 Bio-SRF는 저위발열량 기준 3,000 kcal/kg 이상, 회분은 15 중량% 이하, 염소는 0.5 중량% 이하, 황분은 0.6 중량% 이하가 되어야 한다. 목재펠릿의 경우 4급 펠릿 기준 발열량은 4,040 kcal 이상, 회분은 6% 이하, 염소는 0.05% 미만, 황분은 0.05% 미만이어야 한다. 이러한 품질·등급 기준에 따르면 Bio-SRF는 목재펠릿의 4급 펠릿이 갖는 규격·품질 기준에 비교될 수 있고, 목재펠릿의 4급 펠릿보다 느슨한 기준이 적용되기 때문에 목재펠릿보다 Bio-SRF의 수요가 보다 더 확대될 수 있는 조건을 충족하고 있다고 볼 수 있다. There is a big difference in the quality specifications of SRF, Bio-SRF and wood pellets. The bio-SRF quality criteria, which can be contrasted with the quality of wood pellets, are as follows: Bio-SRF has a calorific value of less than 3,000 kcal / kg, ash less than 15%, chlorine less than 0.5% The sulfur content should not be more than 0.6% by weight. For wood pellets, the calorific value based on grade 4 pellets should be 4,040 kcal or higher, the ash content should be less than 6%, the chlorine content less than 0.05%, and the sulfur content less than 0.05%. According to these quality class standards, Bio-SRF can be compared to the quality and quality standards of wood pellets grade 4 pellets, and because of looser standards than wood pellets grade 4 pellets, the demand for Bio-SRF It can be said that it satisfies the conditions that can be further expanded.

특히 오일팜 바이오매스 중 Empty Fruit Bunch (EFB)와 Palm Kernel Shell (PKS)는 Bio-SRF의 범주에 속하기 때문에 국내에서 오일팜 바이오매스가 Bio-SRF로서 수요가 확대될 수 있는 가능성이 훨씬 커졌다. 이미 일부 업체에서는 아열대 지역으로부터 PKS를 수입하여 발전용 연료로 사용하고 있기도 하다. 참고로 PKS나 EFB가 일부 톱밥이 혼합이 되더라도 Bio-SRF의 품질 기준이 적용된다.In particular, since Empty Fruit Bunch (EFB) and Palm Kernel Shell (PKS) among the oil palm biomass are in the category of Bio-SRF, the possibility of oil palm biomass to expand as demand for Bio-SRF is much greater in Korea . Some companies have already imported PKS from the subtropical region and used it as fuel for power generation. For reference, the quality standard of Bio-SRF applies even if some sawdust are mixed with PKS or EFB.

한편, PKS와 EFB를 비롯한 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 연소용 연료로서 사용되기 위해서는 부피 밀도를 가능하다면 크게 하여 물류비용을 절감할 필요가 있고, 또한 이들의 에너지 밀도도 향상시킬 필요가 있다. 그러기 위해서는 반탄화 (torrefaction)와 같은 에너지 최적화 기술을 적용시켜 연료로서의 효율성을 높여야 하지만 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 반탄화되고 나면 천연접착제의 역할을 하는 리그닌의 분해로 인하여 바이오매스 입자들간 상호 결합력이 현저히 떨어지고 펠릿 성형이 어려워지는 문제가 있었다.On the other hand, in order to use lignocellulosic biomass including PKS and EFB as fuels for combustion, it is necessary to reduce the logistical cost by increasing the bulk density as much as possible, and also to increase the energy density thereof. In order to do this, it is necessary to increase the efficiency as a fuel by applying an energy optimization technique such as torrefaction, but once the lignocellulosic biomass is semi-carbonized, the lignin decomposition, which acts as a natural adhesive, There is a problem that pellet molding becomes difficult.

한편, 종래에는 해조류를 이용하여 바이오 석탄을 제조하는 방법이 개시되어 있는데, 이러한 구성은 이산화탄소 등의 유해가스 발생량을 대폭 저감함과 동시에 연소 불안정을 저감할 수 있는 효과를 갖지만, 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과를 나타내기 어려운 문제가 있었다.A conventional method for producing bio-coal using seaweeds has been proposed. This configuration has the effect of significantly reducing the amount of harmful gases such as carbon dioxide and reducing combustion instability. However, energy density and energy efficiency There is a problem that it is difficult to exhibit an effect of exhibiting a high combustion efficiency and an improvement in a calorific value.

대한민국 등록번호 10-1580621(2015.12.21)Korea Registration No. 10-1580621 (Dec. 21, 2015)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 해결하려는 과제는 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과를 나타내는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a lignocellulose having an improved energy density and energy efficiency, a high combustion efficiency and an improved calorific value, And a method for producing the same.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 펠릿화하여 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계 및 상기 바이오매스 펠릿을 반탄화 공정을 수행하여 바이오 석탄을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 반탄화 공정은 무산소 및 대기압 하에서 200℃ ~ 320℃에서 수행하며, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 EFB(Empty fruit bunch) 및 PKS(Palm kernel shell) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method for producing bio-coal, comprising the steps of pelletizing a lignocellulosic biomass to produce biomass pellets, and performing a semi-carbonization process on the biomass pellets to produce bio- The semi-carbonization process is performed at 200 ° C to 320 ° C under anoxic and atmospheric pressure, and the lignocellulosic biomass includes at least one selected from Empty fruit bunch (EFB) and Palm kernel shell (PKS) Provided is a method for producing lignocellulosic bio-coal having improved heating value.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계 전에 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 전처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the step of preparing the biomass pellet may further include a step of pre-treating the lignocellulosic biomass.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 전처리하는 단계는 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 EFB인 경우, EFB를 함수율 15% 미만으로 건조하는 단계 및 EFB의 길이를 60 mm 미만으로 가공하는 단계를 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the pre-treating step comprises drying the EFB to less than 15% moisture content when the lignocellulosic biomass is EFB, and processing the length of the EFB to less than 60 mm . ≪ / RTI >

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 전처리하는 단계는 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 PKS인 경우 초기 부피의 70% 미만으로 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the pretreatment may comprise pulverizing to less than 70% of the initial volume when the lignocellulosic biomass is PKS.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계는 100℃ ~ 170℃에서 30분 ~ 90분 동안 수행할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the step of preparing the biomass pellet may be performed at 100 ° C to 170 ° C for 30 minutes to 90 minutes.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 반탄화 공정은 내부온도를 20℃ ~ 25℃부터 7℃ ~ 13℃/min의 속도로 승온시키고, 불활성 기체를 0.03 ~ 0.07 L/min의 속도로 공급하여 수행할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, in the semi-carbonization step, the internal temperature is raised from 20 ° C to 25 ° C at a rate of 7 ° C to 13 ° C / min, the inert gas is supplied at a rate of 0.03 to 0.07 L / min As shown in FIG.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 바이오 석탄을 제조하는 단계는 230℃ ~ 320℃에서 수행할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the step of preparing the bio-coal may be performed at 230 ° C to 320 ° C.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 발열량이 4,000 ~ 6,500 kcal/kg이고, 반탄화 된 EFB(Empty fruit bunch) 펠릿 또는 반탄화 된 PKS(Palm kernel shell) 펠릿을 포함하며, 반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 1에 따른 질량 수율(Mass yield)이 38 ~ 92 %이고, 하기 관계식 2에 따른 에너지 수율(Enerhy yield)이 58 ~ 97 % 이며, 반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 1에 따른 질량 수율이 40 ~ 90 %이고, 하기 관계식 2에 따른 에너지 수율이 51 ~ 96 % 인 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제공한다.SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a process for producing a semi-carbonized EFB pellet comprising a semi-carbonized Empty fruit bunch pellet or semi-carbonized PKS (Palm kernel shell) pellet having a calorific value of 4,000-6,500 kcal / kg, , Mass yield of 38 to 92% according to the following formula 1 and energy yield (Enerhy yield) of 58 to 97% according to the following relational formula 2 and half-carbonized PKS pellets according to the following relational formula 1 Wherein the mass yield is 40 to 90%, and the energy yield according to the following formula 2 is 51 to 96%.

[관계식 1][Relation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 관계식 1에서, Mtorrefaction은 반탄화 후의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이고, Mraw는 반탄화 전의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이다.In the above relational expression 1, M torrefaction represents the mass of the bio-coal after the semi-carbonization, and M raw represents the mass of the bio-coal before the semi-carbonization.

[관계식 2][Relation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

상기 관계식 2에서 Hhv는 고위발열량을 나타낸 것이다.In the above-mentioned relational expression 2, H hv represents a high calorific value.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 바이오 석탄은 반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 3에 따른 에너지밀도(Energy denity)가 1.03 ~ 1.42일 수 있고, 반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 3에 따른 에너지밀도가 1.06 ~ 1.34 일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the bio-coal may be a semi-carbonized EFB pellet having an energy denitance of 1.03 to 1.42 according to the following relation 3, and in the case of semi-carbonized PKS pellets, May be 1.06 to 1.34.

[관계식 3][Relation 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 바이오 석탄은 반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 4에 따른 내구성이 70 ~ 92 %일 수 있고, 반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 4에 따른 내구성이 60 ~ 85 % 일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, when the bio-coal is semi-carbonized EFB pellets, durability according to the following formula 4 may be 70 to 92%, and in the case of semi-carbonized PKS pellets, durability May be 60 to 85%.

[관계식 4][Relation 4]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 내구성은 ISO 3310-2 규정에 따른 직경 3.15 mm의 체로 걸러진 바이오 석탄 펠릿 500 g을 0.01g 수준까지 무게를 측정하여 CEN/TS 15210-1 규정에 근거한 내구성시험기에 넣은 후 50 rpm의 속도로 10분간 수행한 후, 상기 직경 3.15 mm의 체로 거른 후의 바이오 펠릿의 무게(g)를 측정한 것이다.The durability was measured by weighing 500 g of bio-coal pellets sieved with a diameter of 3.15 mm according to ISO 3310-2 to 0.01 g, putting it into a durability tester based on CEN / TS 15210-1 regulation, Min, and the weight (g) of the bio-pellet after sieving with a sieve having a diameter of 3.15 mm was measured.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 반탄화 된 EFB 펠릿은 탄소 46 ~ 67.5 중량%, 산소 18.5 ~ 43 중량%, 수소 4 ~ 6.15 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을 포함할 수 있고, 상기 반탄화 된 PKS 펠릿은 탄소 51.5 ~ 67 중량%, 산소 23 ~ 40 중량%, 수소 4.2 ~ 6.2 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을 포함할 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the semi-carbonized EFB pellet comprises 46 to 67.5% by weight of carbon, 18.5 to 43% by weight of oxygen, 4 to 6.15% by weight of hydrogen and the balance nitrogen, And the semi-carbonized PKS pellets may comprise 51.5-67 wt% carbon, 23-40 wt% oxygen, 4.2- 6.2 wt% hydrogen and balance nitrogen, sulfur, ash.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 바이오 석탄은 발열량이 5,000 ~ 6,300 kcal/kg 일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the calorific value of the bio-coal may be 5,000 to 6,300 kcal / kg.

본 발명의 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄 및 이의 제조방법은 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과가 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The lignocellulosic bio-coal of the present invention having an improved calorific value and its production method are excellent in energy density and energy efficiency, exhibit high combustion efficiency and have an improved calorific value.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 시료 사진이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 펠릿성형장치의 사진이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 평면도 및 3차원 구조 이미지이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 바이오 석탄 제조 장치의 사진이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 내구성시험기의 사진이다.
도 6은 본 발명의 비교예 3에 따른 석탄화 된 PKS 및 바이오 석탄 펠릿의 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교예 4에 따른 석탄화 된 EFB 및 바이오 석탄 펠릿의 사진이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 PKS 바이오 석탄 및 EFB 바이오 석탄의 사진이다.
도 9은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 탄소, 수소 및 산소의 분자비 그래프이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 공업분석 결과 그래프이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 발열량 그래프이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 발열량 증가율 그래프이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 내구성 그래프이다.
도 14은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 열분해 특성 그래프이다.
도 15은 본 발명의 바람직한 일실실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 질량 수율 및 에너지 수율 그래프이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 에너지 밀도 그래프이다.
1 is a photograph of a lignocellulosic biomass according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a photograph of a pellet molding apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a plan view and a three-dimensional structure image according to a preferred embodiment of the present invention.
4 is a photograph of a bio-coal production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a photograph of a durability tester according to a preferred embodiment of the present invention.
6 is a photograph of coalized PKS and bio coal pellets according to Comparative Example 3 of the present invention.
7 is a photograph of the coalized EFB and bio-coal pellets according to Comparative Example 4 of the present invention.
8 is a photograph of PKS bio-coal and EFB bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph of carbon, hydrogen, and oxygen mole ratios by temperature according to a preferred embodiment of the present invention.
10 is a graph showing an industrial analysis result according to temperature according to a preferred embodiment of the present invention.
11 is a graph showing calorific value of bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention.
12 is a graph illustrating a heating rate increase rate of bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention.
13 is a graph showing the durability of bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a graph of pyrolysis characteristics of bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention.
15 is a graph showing a mass yield and an energy yield of bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention.
16 is a graph of energy density of bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

상술한 바와 같이 종래의 구성은 이산화탄소 등의 유해가스 발생량을 대폭 저감함과 동시에 연소 불안정을 저감할 수 있는 효과를 갖지만, 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과를 나타내기 어려운 문제가 있었다.As described above, the conventional structure has the effect of significantly reducing the amount of harmful gases such as carbon dioxide and reducing the combustion instability. However, it has an excellent energy density and energy efficiency, a high combustion efficiency and a high heating value There was a problem that it was difficult to show the effect.

이에 본 발명은 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 펠릿화하여 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계 및 상기 바이오매스 펠릿을 반탄화 공정을 수행하여 바이오 석탄을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 반탄화 공정은 무산소 및 대기압 하에서 200℃ ~ 320℃에서 수행하며, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 EFB(Empty fruit bunch) 및 PKS(Palm kernel shell) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 이를 통해, 종래의 발명과는 달리 에너지 밀도 및 에너지 효율이 우수하고, 높은 연소효율을 나타내는 동시에 발열량이 향상되는 효과를 달성할 수 있다.Accordingly, the present invention relates to a method for producing biomass pellets by pelletizing a lignocellulosic biomass to produce a biomass pellet and a step of performing a semi-carbonization process on the biomass pellet to produce bio-coal, Characterized in that the lignocellulosic biomass is carried out at atmospheric pressure at 200 ° C to 320 ° C and the lignocellulosic biomass comprises at least one selected from EFB (Empty fruit bunch) and PKS (Palm kernel shell) The present invention provides a method for producing bio-coal. As a result, the energy density and the energy efficiency can be different from the conventional invention, the high combustion efficiency can be achieved, and the heat generation can be improved.

먼저, 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 펠릿화하여 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계를 설명한다.First, the step of producing biomass pellets by pelletizing the lignocellulosic biomass will be described.

상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 통상적으로 펠릿화하여 석탄을 제조할 수 있는 리그노셀룰로오스계 바이오매스라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 EFB(Empty fruit bunch) 및 PKS(Palm kernel shell) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.The lignocellulosic biomass may be any lignocellulosic biomass that can be conventionally pelletized to produce coal. The lignocellulosic biomass is preferably selected from Empty fruit bunch (EFB) and Palm kernel shell And may include one or more species.

한편, 상기 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계전에 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 전처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further comprise pretreating the lignocellulosic biomass prior to the step of preparing the biomass pellet.

상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 EFB(Empty fruit bunch)인 경우, EFB를 함수율 15% 미만으로, 바람직하게는 13% 미만으로 건조하는 단계 및 EFB의 길이를 60 mm 미만으로, 바람직하게는 50 mm 미만으로 가공하는 단계를 포함할 수 있다. 만일 상기 함수율이 15% 이상이면 펠릿의 성형 수율이 50% 이하로 떨어지는 문제가 발생할 수 있고, 상기 길이가 60 mm 이상이면 섬유들 사이의 엉김 현상으로 인하여 펠릿 다이를 통과하기 용이하지 않은 문제가 발생할 수 있다.Drying the EFB to a water content of less than 15%, preferably less than 13%, when the lignocellulosic biomass is an EFB (Empty fruit bunch), and drying the EFB to a length less than 60 mm, preferably less than 50 mm To about < RTI ID = 0.0 > 1. < / RTI > If the moisture content is more than 15%, the pellet forming yield may drop to 50% or less, and if the pellet length is more than 60 mm, the pellets may not pass through the pellet die due to entanglement between the fibers. .

그리고, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 PKS(Palm kernel shell)인 경우 초기 부피의 70% 미만으로, 바람직하게는 60% 미만으로 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 만일 상기 분쇄 후 부피가 초기 부피의 70% 이상이면 펠릿 제조가 용이하지 않은 문제가 발생할 수 있다.And, when the lignocellulosic biomass is a PKS (Palm kernel shell), it may include pulverizing to less than 70% of the initial volume, preferably less than 60%. If the volume after crushing is 70% or more of the initial volume, pellets may not be easily manufactured.

상기 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계는 통상적으로 펠릿을 제조하는 조건이라면 제한되지 않으며, 바람직하게는 펠릿 롤과 바이오매스 사이의 마찰열로 인한 온도인 100℃ ~ 170℃에서, 더욱 바람직하게는 120℃ ~ 150℃에서 30 ~ 90분 동안, 바람직하게는 40 ~ 80분 동안 펠릿 성형작업을 수행하여 바이로매스 펠릿을 제조할 수 있다. 만일 상기 온도가 100℃ 미만이면 펠릿의 내구성이 좋지 않은 문제가 발생할 수 있고, 170℃를 초과하면 과한 마찰열로 인하여 화재의 위험이 생기는 문제가 발생할 수 있다. The step of preparing the biomass pellet is not particularly limited as long as it is a condition for producing the pellet, and preferably at 100 ° C to 170 ° C, more preferably at 120 ° C to 170 ° C due to frictional heat between the pellet roll and the biomass, The pellet molding operation can be carried out at 150 DEG C for 30 to 90 minutes, preferably 40 to 80 minutes, to produce viromass pellets. If the temperature is less than 100 ° C, the durability of the pellet may be poor. If the temperature is more than 170 ° C, a risk of fire due to excessive frictional heat may occur.

한편, 펠릿 성형 시 바이오매스가 펠릿제조장치의 다이(die)를 통해 분말 형태로 그대로 통과되면 펠릿의 성형 수율이 급격히 떨어지는 문제가 발생할 수 있고, 5분 이상 경과후에도 펠릿제조장치의 다이를 통해 펠릿이 배출되지 않으면 마찰열로 인해 화재가 발생할 수 있다.On the other hand, when the biomass is passed through the die of the pelletizing apparatus as it is in the form of powder when the pellet is molded, the molding yield of the pellet may be drastically decreased. After 5 minutes or more, If it is not discharged, the frictional heat may cause fire.

다음으로, 상기 바이오매스 펠릿을 반탄화 공정을 수행하여 바이오 석탄을 제조하는 단계를 설명한다.Next, the step of producing the bio-coal by performing the semi-carbonization process on the biomass pellet will be described.

상기 반탄화 공정은 통상적인 반탄화 공정의 온도에서 수행할 수 있으며, 바람직하게는 무산소 및 대기압 하에서 200℃ ~ 320℃에서, 바람직하게는 무산소 및 대기압 하에서 230℃ ~ 320℃에서 수행할 수 있다. 만일 상기 반탄화 공정의 온도가 200℃ 미만이면 발열량이 낮고, 에너지 밀도가 낮은 문제가 발생할 수 있고, 온도가 320℃를 초과하면 내구성이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.The semi-carbonization process may be performed at a temperature of a conventional semi-carbonization process, preferably at 200 ° C to 320 ° C under anoxic and atmospheric pressure, preferably at 230 ° C to 320 ° C under anaerobic and atmospheric pressure. If the temperature of the semi-carbonization process is less than 200 ° C, a low calorific value and a low energy density may occur. If the temperature exceeds 320 ° C, the durability may be lowered.

그리고 상기 반탄화 공정은 내부온도를 20℃ ~ 25℃부터, 바람직하게는 21℃ ~ 24℃부터 7℃ ~ 13℃/min의 속도로, 바람직하게는 8℃ ~ 12℃/min의 속도로 승온시킬 수 있다. 만일 상기 내부온도를 20℃ 미만부터 승온시키면 승온 시 필요한 에너지가 과도하게 소비되는 문제가 발생할 수 있고, 25℃를 초과한 온도부터 승온시키면 균일하게 반탄화가 되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 특히, 100℃를 초과한 온도부터 승온시키면 내부에 비하여 표면이 과도하게 반탄화되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일 상기 승온속도가 7℃/min 미만이면 에너지 소비가 많이 일어나고, 공정 시간이 길어지는 문제가 발생할 수 있고, 13℃/min을 초과하면 균일하게 반탄화가 되지 않는 한 문제가 발생할 수 있다.The semi-carbonizing step is a step of heating the internal temperature at a rate of 20 ° C to 25 ° C, preferably 21 ° C to 24 ° C, and 7 ° C to 13 ° C / min, preferably 8 ° C to 12 ° C / . If the internal temperature is raised from below 20 ° C, there is a problem that excessive energy is consumed at the time of heating. If the internal temperature is raised above 25 ° C, When the temperature is raised from a temperature exceeding 100 ° C, the surface may become excessively semi-carbonated as compared with the inside. If the heating rate is less than 7 DEG C / min, energy consumption is increased and the process time may become longer. If the heating rate is higher than 13 DEG C / min, problems may occur as long as the half- .

그리고, 상기 반탄화 공정은 통상적으로 반탄화 공정에서 불활성 기체를 공급하는 속도라면 제한되지 않으며, 바람직하게는 0.03 ~ 0.07 L/min의 속도로, 더욱 바람직하게는 0.04 ~ 0.06 L/min의 속도로 공급하여 수행할 수 있다. 만일 상기 불활성 기체를 공급하는 속도가 0.03 L/min 미만이면 바이오매스가 연소되어 화재 발생의 문제가 발생할 수 있고, 0.07 L/min을 초과하면 제조원가가 상승하고, 반탄화가 잘 되지 않는 문제가 발생할 수 있다.The semi-carbonization step is not particularly limited as long as the inert gas is supplied at the half-carbonization step, preferably at a rate of 0.03 to 0.07 L / min, more preferably at a rate of 0.04 to 0.06 L / min Can be performed. If the rate of feeding the inert gas is less than 0.03 L / min, the biomass may be burned to cause a fire problem. If the inert gas is supplied at a rate of more than 0.07 L / min, the manufacturing cost may increase, .

한편 상기 불활성 기체는 통상적으로 반탄화 공정에서 사용되는 불활성 기체라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 질소 기체를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.On the other hand, the inert gas can be used without limitation as long as it is an inert gas generally used in a semi-carbonization process. Preferably, nitrogen gas may be used, but is not limited thereto.

본 발명은 특정 발열량을 가지고, 반탄화 된 EFB(Empty fruit bunch) 펠릿 또는 반탄화 된 PKS(Palm kernel shell) 펠릿을 포함하며, 특정 질량 수율(Mass yield) 및 특정 에너지 수율(Enerhy yield)을 갖는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제공한다.The present invention relates to a process for the production of a catalyst having a specific calorific value and comprising a semi-carbonized Empty fruit bunch (EFB) pellet or a semi-carbonized PKS (Palm kernel shell) pellet and having a specific mass yield and a specific energy yield Thereby providing a lignocellulosic bio-coal having improved calorific value.

[관계식 1][Relation 1]

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 관계식 1에서, Mtorrefaction은 반탄화 후의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이고, Mraw는 반탄화 전의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이다.In the above relational expression 1, M torrefaction represents the mass of the bio-coal after the semi-carbonization, and M raw represents the mass of the bio-coal before the semi-carbonization.

[관계식 2][Relation 2]

Figure pat00006
Figure pat00006

상기 관계식 2에서 Hhv는 고위발열량을 나타낸 것이다.In the above-mentioned relational expression 2, H hv represents a high calorific value.

구체적으로, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄은 발열량이 4,000 ~ 6,500 kcal/kg 이고, 바람직하게는 발열량이 5,000 ~ 6,300 kcal/kg일 수 있다. 이는 통상적인 바이오 석탄의 발열량이 5,000 kcal/kg 미만인데 비하여, 월등하게 우수한 발열량을 나타낸다. 만일 상기 발열량이 4,000 ~ 6,500 kcal/kg의 범위를 벗어나면 석탄으로써 연료로 사용하기에 적합하지 않은 문제가 있다.Specifically, the lignocellulosic bio-coal has a calorific value of 4,000 to 6,500 kcal / kg, and a calorific value of 5,000 to 6,300 kcal / kg. This shows a much higher calorific value than that of a typical bio-coal having a calorific value of less than 5,000 kcal / kg. If the calorific value is out of the range of 4,000 ~ 6,500 kcal / kg, there is a problem that coal is not suitable for use as fuel.

한편, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄이 반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 상기 관계식 1에 따른 질량 수율(Mass yield)이 38 ~ 92%, 바람직하게는 질량 수율이 38 ~ 65%일 수 있고, 상기 관계식 2에 따른 에너지 에너지 수율(Enerhy yield)이 58 ~ 97 %, 바람직하게는 에너지 수율이 58 ~ 85 % 일 수 있다.On the other hand, when the lignocellulosic bio-coal is a semi-carbonized EFB pellet, mass yield may be 38 to 92%, preferably mass yield may be 38 to 65% according to the relationship 1, 2, the energy yield may be 58 to 97%, preferably the energy yield may be 58 to 85%.

그리고, 상기 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄이 반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 상기 관계식 1에 따른 질량 수율(Mass yield)이 40 ~ 90 %, 바람직하게는 질량 수율이 40 ~ 75 % 일 수 있고, 상기 관계식 2에 따른 에너지 수율(Enerhy yield)이 51 ~ 96 %, 바람직하게는 51 ~ 78 % 일 수 있다.If the lignocellulosic bio-coal is a semi-carbonized PKS pellet, the mass yield may be 40 to 90%, preferably 40 to 75%, according to the relationship 1, 2, the energy yield (Enerhy yield) may be 51 to 96%, preferably 51 to 78%.

이에 따라, 상기 바이오 석탄이 반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 3에 따른 에너지밀도(Energy denity)가 1.03 ~ 1.42, 바람직하게는 에너지밀도가 1.19 ~ 1.42일 수 있으며, 상기 바이오 석탄이 반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 3에 따른 에너지밀도(Energy denity)가 1.06 ~ 1.34, 바람직하게는 1.08 ~ 1.34 일 수 있다. Accordingly, when the bio-coal is a semi-carbonized EFB pellet, the energy density according to the following Equation 3 may be 1.03 to 1.42, preferably the energy density is 1.19 to 1.42, and the bio- In case of PKS pellets, the energy denity according to the following formula 3 may be 1.06 to 1.34, preferably 1.08 to 1.34.

[관계식 3][Relation 3]

Figure pat00007
Figure pat00007

만일, 상기 에너지밀도가 상기 범위 미만이면 목적하는 만큼의 에너지밀도 향상이 나타나지 않는 문제가 발생할 수 있고, 상기 범위를 초과하면 상대적으로 반탄화 온도를 높여야 하기 때문에 내구성이 좋지 않아지는 문제가 발생할 수 있다.If the energy density is less than the above range, there may arise a problem that the desired energy density improvement is not exhibited. If the energy density exceeds the above range, the semi-carbonization temperature must be relatively increased, resulting in poor durability .

한편, 상기 바이오 석탄이 반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 4에 따른 내구성이 70 ~ 92 %, 바람직하게는 내구성이 70 ~ 82 % 일 수 있으며, 상기 바이오 석탄이 반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 4에 따른 내구성이 60 ~ 85 %, 바람직하게는 60 ~ 73 % 일 수 있다.When the bio-coal is a semi-carbonized EFB pellet, the durability according to the following formula 4 may be 70 to 92%, preferably 70 to 82%. If the bio-coal is a semi-carbonized PKS pellet, The durability according to the relational expression 4 may be 60 to 85%, preferably 60 to 73%.

[관계식 4][Relation 4]

Figure pat00008
Figure pat00008

상기 내구성은 ISO 3310-2 규정에 따른 직경 3.15 mm의 체로 걸러진 바이오 석탄 펠릿 500 g을 0.01g 수준까지 무게를 측정하여 CEN/TS 15210-1 규정에 근거한 내구성시험기에 넣은 후 50 rpm의 속도로 10분간 수행한 후, 상기 직경 3.15 mm의 체로 거른 후의 바이오 펠릿의 무게(g)를 측정한 것이다.The durability was measured by weighing 500 g of bio-coal pellets sieved with a diameter of 3.15 mm according to ISO 3310-2 to 0.01 g, putting it into a durability tester based on CEN / TS 15210-1 regulation, Min, and the weight (g) of the bio-pellet after sieving with a sieve having a diameter of 3.15 mm was measured.

만일, 상기 내구성이 상기 범위 미만이면 내구성이 좋지 않고, 바이오 석탄의 운반성이 좋지 않은 문제가 발생할 수 있고, 상기 범위를 초과하면 상대적으로 반탄화 온도를 낮춰야 하기 때문에 에너지 밀도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.If the durability is less than the above range, the durability may be poor and the bio-coal may be poorly transported. If the durability is out of the above range, the semi-carbonization temperature should be lowered to lower the energy density. .

한편, 상기 반탄화 된 EFB 펠릿은 탄소 46 ~ 67.5 중량%, 산소 18.5 ~ 43 중량%, 수소 4 ~ 6.15 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을, 바람직하게는 탄소 54 ~ 67 중량%, 산소 19 ~ 33 중량%, 수소 4.2 ~ 5.9 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을 포함할 수 있다. 또한, 상기 반탄화 된 PKS 펠릿은 탄소 51.5 ~ 67 중량%, 산소 23 ~ 40 중량%, 수소 4.2 ~ 6.2 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을, 바람직하게는 탄소 54.5 ~ 66.5 중량%, 산소 23 ~ 36 중량%, 수소 4.3 ~ 5.9 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을 포함할 수 있다.On the other hand, the semi-carbonized EFB pellets contain 46 to 67.5% by weight of carbon, 18.5 to 43% by weight of oxygen, 4 to 6.15% by weight of hydrogen and residual amounts of nitrogen, sulfur and ash, preferably 54 to 67% 19 to 33% by weight, hydrogen to 4.2 to 5.9% by weight, and balance nitrogen, sulfur and ash. The semicarbonated PKS pellets may also contain 51.5 to 67% by weight of carbon, 23 to 40% by weight of oxygen, 4.2 to 6.2% by weight of hydrogen and a balance of nitrogen, sulfur and ash, preferably 54.5 to 66.5% 23 to 36 wt%, hydrogen to 4.3 to 5.9 wt%, and balance nitrogen, sulfur, ash.

이하, 본 발명을 하기 실시예들을 통해 설명한다. 이때, 하기 실시예들은 발명을 예시하기 위하여 제시된 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the following examples. The following examples are provided to illustrate the invention, but the scope of the present invention is not limited by the following examples.

[[ 실시예Example ]]

실시예Example 1:  One: 리그노셀룰로오스계Lignocellulose system 바이오 석탄의 제조 Manufacture of bio-coal

(1) (One) 바이오매스Biomass 펠릿의 제조 Manufacture of pellets

도 1b와 같은 인도네시아 팜유 추출 및 정제 공정에서 부산물로 발생하는 PKS를 전처리 단계로써, 초기 부피에 대하여 평균부피 60% 미만으로 분쇄하였다. 그 후 자체 마찰열로 인한 온도인 135℃에서, 도 2의 펠릿성형장치(DUCO, korea)를 이용하여 바이오매스 펠릿을 제조하였다. 상기 펠릿성형장치는 플랫다이(flat die) 방식이며, 펠릿 다이의 구조는 도 3과 같이 3단계로 토출되는 구조의 펠릿 다이를 사용하였다.The PKS generated as a by-product in the Indonesian palm oil extraction and purification process as shown in FIG. 1B was pulverized to an average volume of less than 60% based on the initial volume as a pretreatment step. Thereafter, the biomass pellet was prepared using the pellet molding apparatus (DUCO, Korea) shown in Fig. 2 at a temperature of 135 ° C due to the self-heating frictional heat. The pellet molding apparatus was a flat die system, and the structure of the pellet die was a pellet die having a structure of discharging in three stages as shown in FIG.

(2) (2) 리그노셀룰로오스계Lignocellulose system 바이오 석탄의 제조 Manufacture of bio-coal

상기 바이오매스 펠릿을 도 4와 같은 바이오 석탄 제조 장치(Manufacturing equipment of bio-coals, 경상대학교 펄프종이신소재연구실)를 통해 반탄화하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다. 구체적으로, 반응조 내부를 무산소 및 대기압 상태로 설정하고, 불활성 기체로 질소를 0.05 L/min의 유량으로 공급하였다. 상기 바이오 매스 펠릿을 투입한 후 반응조 내부의 온도는 24℃부터 10℃/min의 속도로 승온시켰으며, 200℃에서 30분 동안 반응시켜서 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.The biomass pellets were semi-carbonized through a manufacturing equipment of bio-coals (New Materials Laboratory, Pulp and Paper, Gyeongsang National University) as shown in FIG. 4 to prepare lignocellulosic bio-coal. Specifically, the inside of the reactor was set to an oxygen-free and an atmospheric pressure state, and nitrogen was supplied to the inert gas at a flow rate of 0.05 L / min. After charging the biomass pellets, the temperature inside the reaction vessel was raised from 24 ° C at a rate of 10 ° C / min, and the reaction was carried out at 200 ° C for 30 minutes to prepare lignocellulosic biocarbons.

실시예 2Example 2

반탄화의 온도를 200℃에서 250℃로 변경한 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.The lignocellulosic bio-coal was produced in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the semi-carbonization was changed from 200 캜 to 250 캜.

실시예Example 3 3

반탄화의 온도를 200℃에서 230℃로 변경한 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.The lignocellulosic bio-coal was produced in the same manner as in Example 1, except that the temperature of the semi-carbonization was changed from 200 ° C to 230 ° C.

실시예Example 4 4

PKS를 EFB로 변경하고, 전처리 단계로써 EFB의 함수율을 10%로 자연 건조시키고, 건조한 EFB를 길이가 50 mm 미만이 되도록 잘라서 사용한 것을 제외하면, 실시예 1과 동일하게 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.Except that PKS was changed to EFB and the water content of the EFB was naturally dried to 10% by the pretreatment step and the dried EFB was cut to have a length of less than 50 mm to use as the lignocellulose bio- Coal was produced.

실시예Example 5 5

반탄화의 온도를 200℃에서 250℃로 변경한 것을 제외하면 실시예 4와 동일하게 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.The lignocellulosic bio-coal was produced in the same manner as in Example 4, except that the temperature of the semi-carbonization was changed from 200 캜 to 250 캜.

실시예Example 6 6

반탄화의 온도를 200℃에서 300℃로 변경한 것을 제외하면 실시예 4와 동일하게 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.Lignocellulosic bio-coal was produced in the same manner as in Example 4, except that the temperature of semi-carbonization was changed from 200 캜 to 300 캜.

비교예Comparative Example 1 One

반탄화 공정을 수행하지 않은 것을 제외하면 실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하였다.Carbonization was carried out in the same manner as in Example 1, except that the semi-carbonization process was not performed.

비교예Comparative Example 2 2

반탄화 공정을 수행하지 않은 것을 제외하면 실시예 4와 동일하게 실시하여 제조하였다.Carbonization was carried out in the same manner as in Example 4 except that the semi-carbonization process was not performed.

비교예 3Comparative Example 3

반탄화 공정을 먼저 수행한 후, 펠릿으로 제조한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.The lignocellulosic bio-coal was produced under the same conditions as in Example 1 except that the semi-carbonization process was performed first and then the pellet was produced.

비교예Comparative Example 4 4

반탄화 공정을 먼저 수행한 후, 펠릿으로 제조한 것을 제외하면 실시예 4과 동일한 조건으로 실시하여 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄을 제조하였다.The lignocellulosic bio-coal was produced under the same conditions as in Example 4, except that the semi-carbonization process was performed first and then the pellet was produced.

실험예Experimental Example 1: 품질 특성 분석 1: Analysis of quality characteristics

실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 품질특성을 분석하기 위하여 국립산림과학원 고시 목재펠릿 규격·품질기준(제2014-9호)에 근거하여 회분, 염소분, 질소분, 황분 및 발열량을 측정하였다.In order to analyze the quality characteristics of the lignocellulosic bio-coal produced according to Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4, Chlorine content, nitrogen content, sulfur content and calorific value were measured.

바이오 석탄 제조 전후 펠릿에 대한 원소분석을 위해 원소 분석기 (EA1110, CE Instruments)를 사용하였다. 시료를 1 mm 금속망 체를 통과하는 크기로 잘게 부순 후 100 mg을 취하여 원소분석기를 이용하여 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 그리고 황(S) 함량을 측정하였다. 산소 함량은 하기 수학식 1를 사용하여 계산하였다.An elemental analyzer (EA1110, CE Instruments) was used for elemental analysis of pellets before and after bio-coal production. The sample was crushed to a size that passed through a 1 mm metal mesh, and 100 mg was taken. The contents of carbon (C), hydrogen (H), nitrogen (N), and sulfur (S) were measured using an elemental analyzer. The oxygen content was calculated using the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

O(%) = 100-C(%)-H(%)-N(%)-S(%)-ash(dry, %)O (%) = 100-C (%) -H (%) -N (%) -S (%

바이오 석탄 제조 전후 펠릿에 포함된 고유 수분, 고정탄소, 회분, 그리고 휘발분을 측정을 위해 한국산업규격 KS E 3705에 근거하여 TGA (SDT Q600, TA Instruments)를 근거하여 분석하였다. 연소용 연료에 대한 일반적인 계산방법인 '수분+휘발분+고정탄소+회분=100'으로 계산하였다.Before and after bio-coal production, the intrinsic moisture, fixed carbon, ash, and volatile matter contained in pellets were analyzed based on TGA (SDT Q600, TA Instruments) based on Korean Industrial Standard KS E 3705. The general calculation method for combustion fuel was calculated as 'moisture + volatile matter + fixed carbon + ash = 100'.

(1) 성형성 평가(1) Moldability evaluation

목질계 바이오매스를 구성하는 리그닌 성분은 펠릿 성형 단계에서 120 ~ 150℃의 온도로 가온되면서 천연접착제 역할을 하게 되고, 이를 통해 별도의 접착제 없이도 펠릿이 성형될 수 있다. 하지만 바이오 석탄 과정을 거치면서 리그닌 구조는 해중합과 재축합 반응을 겪게 되고 이러한 과정을 통하여 숯의 구조로 변환되면서 고유의 접착력을 잃게 된다. 결국 바이오 석탄으로 제조된 목질계 바이오매스는 바이오 석탄 제조 전과는 달리 자체 결합력을 이용한 펠릿 성형이 불가능해지기 때문에 펠릿 성형 수율이 급격히 떨어진다.The lignin component constituting the woody biomass is heated at a temperature of 120 to 150 ° C. in the pellet molding step, and thus acts as a natural adhesive, whereby the pellet can be molded without a separate adhesive. However, the lignin structure undergoes depolymerization and recondensation through the bio - coal process, and through this process, the lignin structure is transformed into the charcoal structure and the inherent adhesion is lost. As a result, woody biomass produced from bio-coal can not be formed into pellets using self-bonding force unlike before bio-coal production, and thus the yield of pellet molding drops sharply.

구체적으로, 도 6은 본 발명의 비교예 3에 따른 석탄화 된 PKS 및 바이오 석탄 펠릿의 사진인데, 도 6a는 PKS를 200℃에서 바이오 석탄으로 제조한 PKS 바이오 석탄을 나타내고, 도 6b는 바이오 석탄 제조 후 펠릿제조장치를 이용하여 펠릿으로 성형하였을 때 토출된 형상을 보여준다. 바이오 석탄화 된 PKS를 이용하여 펠릿을 성형하면 대부분이 가루 형태로 펠릿 다이를 통해 토출되거나 매우 짧아진 상태로 토출되어 성형 상태가 매우 일정하지 않았다.6 shows PKS and bio-coal pellets according to Comparative Example 3 of the present invention. FIG. 6A shows PKS bio-coal produced from bio-coal at 200 ° C., FIG. 6B shows PKS bio- And shows the discharged shape when it is molded into pellets by using a pelletizing apparatus after manufacture. When the pellets were molded using the bio-coalized PKS, most of them were discharged in powder form through the pellet die or in a very shortened state, and the molding conditions were not very uniform.

그리고, 도 7은 본 발명의 비교예 4에 따른 석탄화 된 EFB 및 바이오 석탄 펠릿의 사진인데, 도 7a는 EFB를 200℃에서 바이오 석탄으로 제조한 EFB 바이오 석탄을 나타내고, 도 7b는 바이오 석탄 제조 후 펠릿제조장치를 이용하여 펠릿으로 성형하였을 때 토출된 형상을 보여준다. 비교예 4는 비교예 3과 마찬가지로 펠릿 다이를 통한 발열 과정이 일어나기 전에 다이 구멍을 통해 가루 형태로 그대로 배출되거나 EFB 입자들 사이의 결합력이 매우 약하기 때문에 길이가 짧거나 모양이 일정하지 않은 상태로 토출되었다.7A and 7B are photographs of coal-fired EFB and bio-coal pellets according to Comparative Example 4 of the present invention. FIG. 7A shows EFB bio-coal produced from bio-coal at 200 ° C., FIG. And shows the discharged shape when molded into a pellet using a post-pelletizing apparatus. As in Comparative Example 3, Comparative Example 4 was discharged in the form of a powder through the die hole before the exothermic process by the pellet die. Since the bonding force between the EFB particles was very weak, .

도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 PKS 바이오 석탄 및 EFB 바이오 석탄의 사진이다. 도 8a 및 도 8e는 반탄화 공정을 수행하지 않은 비교예 1 및 2의 바이오매스 펠릿을 나타내는데, 도 8a 및 도 8e에서 볼 수 있듯이 펠릿 성형이 매우 용이하게 진행된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 8b ~ 도 8d는 실시예 1 ~ 3에 따른 바이오 석탄을, 도 8f ~ 도 8h는 실시예 4 ~ 6에 따른 바이오 석탄을 나타내며, 바이오 석탄 제조 시 온도가 높아질수록 펠릿의 표면 색상이 암갈색에서 흑갈색으로, 그리고 최종적으로 흑색으로 변화되는 것을 쉽게 확인할 수 있었다. 즉, 펠릿의 표면 색상만으로도 바이오 석탄화 정도를 쉽게 판단할 수 있었다. 또한, 석탄화를 진행한 후 펠릿화한 비교예 3 및 4에 비하여 성형성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.8 is a photograph of PKS bio-coal and EFB bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention. 8A and 8E show the biomass pellets of Comparative Examples 1 and 2 which were not subjected to the semi-carbonization process. As can be seen from FIGS. 8A and 8E, it was confirmed that the pelletization proceeded very easily. Figs. 8B to 8D show the bio-coal according to Examples 1 to 3, Figs. 8F to 8H show the bio-coal according to Examples 4 to 6, and the surface color of the pellet Dark brown to black brown, and finally black. That is, the degree of bio-coalification was easily judged by the surface color of the pellet alone. In addition, it was confirmed that the moldability was superior to that of Comparative Examples 3 and 4 which were pelletized after the coalification.

(2) 원소 변화 및 공업 분석(2) Elemental change and industrial analysis

실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 2와 같이 PKS와 EFB로 제조된 펠릿을 상이한 온도에서 바이오 석탄으로 제조하였을 때 원소 변화를 표 1 및 표 2에 나타내었다. PKS와 EFB는 오일팜 바이오매스가 발생되는 지역이나 팜오일 생산공장의 조건에 따라 회분, 염소분, 유황분, 질소분 등의 조성이 달라진다. 본 발명에서 사용한 PKS와 EFB는 인도네시아 팜유 제조공장에서 분양받은 것인데 유황분 함량이 목재펠릿의 품질 특성에 규정되어 있는 0.05 중량% 미만보다 훨씬 더 많은 0.1 ~ 0.5 중량%가 검출되었다. 질소분의 경우에는 0.2 ~ 0.7 중량% 해당되어 1등급에서 4등급 펠릿의 품질 규격에 부합한 함량이 검출되었다. 하지만 환경부에서 고시한 Bio-SRF의 품질기준에 의하면 유황분은 0.6 중량% 이하가 Bio-SRF의 품질기준에 만족하기 때문에 Bio-SRF로서 충분히 사용될 수 있다. 별도로 측정한 염소 성분의 경우 EFB에서는 0.2 중량% 검출되었고, PKS에서는 거의 검출이 되지 않았기 때문에 Bio-SRF의 품질 기준인 0.5 중량% 이하를 모두 만족하였다. 하지만 목재펠릿의 품질 기준인 0.05 중량% 미만에는 충족하지 않았다. 바이오 석탄 제조 시 온도가 높아지면서 유황분의 경우 함량 변화가 거의 없는 반면에, 질소분의 경우에는 바이오 석탄 제조 시 온도가 높아지면서 조금씩 증가하였다. 이는 바이오 석탄 제조 과정에서 투입되는 불활성 가스인 질소 성분이 펠릿의 공극 사이에 잔류하여 질소 함량의 증가에 영향을 미친 것으로 추정된다. PKS와 EFB를 바이오 석탄으로 만든 후 펠릿을 제조하였을 때는 질소분의 함량 변화가 전혀 일어나지 않은 것에서 그 근거를 찾을 수 있다. 실제 대용량으로 바이오 석탄화시키는 공정에서는 질소 가스를 사용하지 않기 때문에 바이오 석탄 제조 시 온도가 높아짐에 따른 질소 함량의 증가 문제는 발생하지 않을 것으로 예상된다. Table 1 and Table 2 show the elemental changes when pellets made of PKS and EFB were prepared from bio-coal at different temperatures as in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2. The composition of PKS and EFB varies depending on the conditions of oil palm biomass and palm oil production plant, such as ash, chlorine, sulfur and nitrogen. The PKS and EFB used in the present invention were obtained from a palm oil production plant in Indonesia and 0.1 to 0.5 wt% of sulfur was detected, which is much more than 0.05 wt%, which is specified in the quality characteristics of the wood pellets. In the case of nitrogen content, the content corresponding to the quality standard of the grade 1 to 4 grade pellets was found to be 0.2 to 0.7 wt%. However, according to the quality standard of Bio-SRF notified by the Ministry of Environment, 0.6% by weight or less of sulfur content satisfies the quality standard of Bio-SRF, so it can be sufficiently used as Bio-SRF. The chlorine content measured separately was 0.2% by weight in EFB and nearly 0.5% by weight in Bio-SRF. However, it did not satisfy the quality standard of the wood pellets of less than 0.05 wt%. As the temperature increased during the production of bio - coal, the content of sulfur was little changed, while the content of nitrogen increased slightly with increasing temperature during the production of bio - coal. It is presumed that the nitrogen component, which is an inert gas injected in the bio-coal production process, remains between the pores of the pellets, thereby affecting the increase of the nitrogen content. When PKS and EFB were made into bio-coal, pellets were prepared and the change in the content of nitrogen was not observed at all. In fact, since the process of making bio-coal with large capacity does not use nitrogen gas, it is expected that no problem of increase of nitrogen content due to increase in temperature during production of bio-coal is expected to occur.

회분 함량의 경우에는 바이오 석탄화가 진행되면서 휘발분 증발이나 수분 함량의 감소에 따라 상대적으로 회분 함량이 증가하기 시작하는데 PKS 펠릿과 EFB 펠릿 모두 250 ~ 300℃ 온도에서 바이오 석탄화시켰을 때 바이오 석탄화 전보다 회분 함량의 증가가 일어났다. PKS 펠릿은 3.1 중량%에서 4.2 중량%로, 그리고 EFB 펠릿은 5.8 중량%에서 8.8 중량%로 증가하여 바이오 석탄화 전보다 33%에서 52%까지 회분 함량이 증가하였다. 목재펠릿의 품질기준에는 회분 함량이 6 중량% 이하까지 허용되어 EFB 펠릿은 바이오 석탄화로 인해 목재펠릿의 품질기준에서 벗어나지만, Bio-SRF의 품질기준에서는 회분 함량 15 중량%까지 허용되기 때문에 바이오 석탄화 된 PKS 펠릿과 EFB 펠릿 모두 고효율의 Bio-SRF로 이용될 수 있다.In the case of ash content, the ash content starts to increase as the volatile matter evaporation or moisture content decreases as the bio-coalization progresses. When both PKS pellets and EFB pellets are bioconverted at 250-300 ° C., An increase in content occurred. The PKS pellets increased from 3.1 wt.% To 4.2 wt.%, And the EFB pellets increased from 5.8 wt.% To 8.8 wt.%, Increasing the ash content from 33 wt.% To 52 wt.% Before bioconcentration. The quality standard of wood pellets is allowed up to 6 wt% ash, so EFB pellets deviate from the quality standard of wood pellets due to bio-coalification, but bio ash content can be up to 15 wt% Both PKS pellets and EFB pellets can be used as high-efficiency Bio-SRF.

바이오 석탄화가 진행되면서 PKS 펠릿과 EFB 펠릿 모두에서 수소와 산소 함량은 줄어들고 상대적으로 산소 함량이 증가하였다. 일반적으로 역청탄이나 아역청탄의 경우 탄소 함량이 약 80 중량% 수준에 이르는데 300℃의 온도에서 바이오 석탄으로 제조하더라도 탄소 함량은 66 중량% 수준에 불과하지만 바이오 석탄화로 인해 탄소 함량이 아역역청탄의 83 중량% 수준까지 증가하였다. 결국 바이오 석탄화 기술이 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 아역청탄의 성상으로 변화시켜 주는 매우 효율적인 연료 개질 기술임을 알 수 있다.As bio - coalification progressed, both hydrogen and oxygen content decreased and relative oxygen content increased in both PKS and EFB pellets. Generally, in the case of bituminous coal or sub-bituminous coal, the carbon content reaches about 80% by weight. Even if it is made from bio-coal at a temperature of 300 ° C, the carbon content is only 66% by weight, but the carbon content due to bio- % ≪ / RTI > by weight. As a result, the bio-coalification technology is a very efficient fuel reforming technology that changes the lignocellulosic biomass into a bituminous coal.

구분division N(중량%)N (% by weight) S(중량%)S (% by weight) C(중량%)C (% by weight) H(중량%)H (wt%) O(중량%) O (% by weight) 회분(중량%)Ash (wt%) 비교예1Comparative Example 1 0.20.2 0.10.1 49.449.4 6.46.4 40.840.8 3.13.1 실시예1Example 1 0.20.2 0.10.1 52.852.8 66 38.538.5 2.82.8 실시예2Example 2 0.30.3 0.10.1 55.255.2 5.85.8 35.135.1 3.63.6 실시예3Example 3 0.70.7 0.10.1 65.665.6 4.74.7 24.624.6 4.24.2

구분division N(중량%)N (% by weight) S(중량%)S (% by weight) C(중량%)C (% by weight) H(중량%)H (wt%) O(중량%) O (% by weight) 회분(중량%)Ash (wt%) 비교예2Comparative Example 2 0.50.5 0.50.5 45.745.7 6.26.2 41.441.4 5.85.8 실시예4Example 4 0.50.5 0.30.3 46.946.9 6.16.1 42.142.1 4.24.2 실시예5Example 5 0.60.6 0.20.2 55.255.2 5.75.7 32.332.3 66 실시예6Example 6 0.80.8 0.20.2 66.366.3 4.54.5 19.419.4 8.88.8

도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 탄소, 수소 및 산소의 분자비 그래프로써, Van Krevelen diagram 상의 탄소, 수소, 그리고 산소의 분자비 곡선이다. 도 9는 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 2의 O/C와 H/C의 변화를 보여준다. 반탄화의 온도가 높아질수록 아역청탄에 근접하였고, 300℃에서 반탄화 공정을 수행한 실시예 6이, 실시예 3에 비하여 아역청탄의 성상에 보다 더 가까워졌다. 이는 섬유상으로 구성되어 있는 EFB 펠릿은 동일한 온도에서 바이오 석탄화 시킬지라도 PKS 펠릿에 비하여 보다 더 쉽게 열분해가 진행됨을 의미하는 것이다. 결론적으로 대기압 상태에 PKS 펠릿과 EFB 펠릿을 바이오 석탄화시키면 펠릿 자체가 역청탄의 성상을 갖게 됨으로써 열효율이 매우 높게 향상될 수 있다.FIG. 9 is a graph of the atomic ratio of carbon, hydrogen, and oxygen according to a preferred embodiment of the present invention, and is a molecular ratio curve of carbon, hydrogen, and oxygen on the Van Krevelen diagram. FIG. 9 shows changes in O / C and H / C of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2. The higher the temperature of the semi-carbonization, the closer to the bituminous coal, and the Example 6 in which the semi-carbonization process was performed at 300 ° C was closer to the bitterness of the bittern than the Example 3. This means that EFB pellets composed of fibrous form are more easily pyrolyzed than PKS pellets even if they are bio-coalized at the same temperature. As a result, when the PKS pellets and the EFB pellets are bio-coalized at atmospheric pressure, the thermal efficiency of the pellets can be improved to a very high level due to the properties of bituminous coal itself.

도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 공업분석 결과 그래프이다. 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 2에서 온도가 높아질수록 휘발분이 감소하는 반면에, 고정 탄소의 경우 온도가 높아짐에 따라 증가하는 것을 볼 수 있다. 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 약 80 중량%의 휘발분과 20 중량%의 고정 탄소로 구성되어 있다. 일반적으로 바이오 석탄화가 진행되면 에너지의 80 ~ 95 중량%를 보유하게 되고, 바이오매스 최초 중량의 70 ~ 90 중량%만 남게 된다. 바이오 석탄으로 제조하는 동안 바이오매스는 최초 중량에서 10 ~ 30 중량%가 가스상 형태로 제거되는데 이들 가스상 성분들은 수분과 휘발분에 해당된다. 이 때 제거되는 휘발분은 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 함유하고 있는 대부분의 산소를 포함하고 있는 성분들이고, 이들 휘발분이 제거되면서 바이오매스의 연소 효율이 향상된다. PKS 펠릿과 EFB 펠릿은 실시예 3 및 실시예 6과 같이 300℃에서 바이오 석탄화가 진행되었을 경우 고정 탄소의 비율은 약 60%까지 올라가면서 이들 펠릿의 발열량도 함께 증가하게 된다.10 is a graph showing an industrial analysis result according to temperature according to a preferred embodiment of the present invention. In Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2, as the temperature increases, the volatile matter decreases, whereas the fixed carbon increases as the temperature increases. The lignocellulosic biomass is composed of about 80% by weight of volatile matter and 20% by weight of fixed carbon. Generally, when the bio-coalization proceeds, 80 to 95% by weight of the energy is retained and only 70 to 90% by weight of the initial weight of the biomass is left. During the production of bio-coal, biomass is removed in a gaseous form in an initial weight of 10 to 30 wt%, which corresponds to moisture and volatile matter. The volatile matter removed at this time is a component containing most of the oxygen contained in the lignocellulosic biomass, and the combustion efficiency of the biomass is improved by removing these volatile components. PKS pellets and EFB pellets, as in Example 3 and Example 6, when the bio-coalization progressed at 300 ° C, the ratio of the fixed carbon was increased to about 60%, and the calorific value of these pellets also increased.

(3) 발열량 측정(3) Calorimetric measurement

도 11은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 발열량 그래프이다. 바이오 석탄으로 제조하기 전인 비교예 1 및 비교예 2의 PKS 펠릿 및 EFB 펠릿은 발열량이 각각 19.4 MJ/kg (=4,610.3 kcal/kg)과 18.0 MJ/kg (=4,288.9 kcal/kg)이었다. 하지만 바이오 석탄화가 진행되면서 PKS 펠릿과 EFB 펠릿의 발열량은 점차적으로 높아지면서 실시예 2는 21.7 MJ/kg(=5,157 kcal/kg), 실시예 4는 21.8 MJ/kg(=5,182.4 kg)이었고, 실시예 3은 25.9 MJ/kg(=6,174 kcal/kg), 실시예 5는 25.4 MJ/kg(=6,038 kcal/kg)으로 향상되었다.11 is a graph showing calorific value of bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention. The calorific values of PKS pellets and EFB pellets of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 before production of bio-coal were respectively 19.4 MJ / kg (= 4,610.3 kcal / kg) and 18.0 MJ / kg (= 4,288.9 kcal / kg). However, as the bio-coalization progressed, the calorific value of the PKS pellets and the EFB pellets gradually increased. In Example 2, 21.7 MJ / kg (= 5,157 kcal / kg) and Example 4 was 21.8 MJ / kg (= 5,182.4 kg) Example 3 was improved to 25.9 MJ / kg (= 6,174 kcal / kg) and Example 5 was 25.4 MJ / kg (= 6,038 kcal / kg).

또한, 도 12는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 발열량 증가율 그래프인데, 도 12에서 보는 바와 같이 PKS 펠릿과 EFB 펠릿은 바이오 석탄 제조 시 온도 200℃인 실시예 1 및 실시예 4는 바이오 석탄화 전보다 발열량이 각각 7%와 3%, 250℃인 실시예 2 및 실시예 5는 12%와 21%, 그리고 300℃인 실시예 3 및 실시예 6은 33.9%와 40.8%까지 상승하였다. EFB 펠릿의 바이오매스 성상이 섬유질로 구성되어 있기 때문에 PKS 펠릿보다 바이오 석탄 제조 시 온도에 더 민감하게 반응하였고, 250℃ 이후에는 PKS 펠릿에 비해 더 높은 증가율을 나타내었다. 결론적으로 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 물질 성상에 따라 바이오 석탄화에 반응하는 정도가 달라지기 때문에 바이오매스의 성상에 맞게 바이오 석탄화 조건을 적용시켜야 한다.12 is a graph showing a heating rate increase rate of bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 12, the PKS pellets and the EFB pellets were prepared in the same manner as in Example 1 and Example 4 were 7% and 3%, respectively, and 12% and 21% in Example 2 and Example 5 at 250 ° C and 33.9% and 40.8% in Example 3 and Example 6 at 300 ° C, respectively Respectively. The biomass properties of EFB pellets were more sensitive to the temperature during the production of bio - coal than the PKS pellets because of the biodegradability of the pellets. In conclusion, bioconcentration conditions must be applied to biomass because biodegradability of lignocellulosic biomass varies depending on the material properties of lignocellulosic biomass.

실험예Experimental Example 2: 내구성 분석 2: Durability analysis

실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 내구성을 측정하기 위하여, ISO 3310-2 규정에 따른 직경 3.15 mm의 체로 걸러진 바이오 석탄 펠릿 500 g을 0.01g 수준까지 무게를 측정하여 도 5와 같은 CEN/TS 15210-1 규정에 근거한 내구성시험기에 넣은 후 50 rpm의 속도로 10분간 수행한 후, 상기 직경 3.15 mm의 체로 거른 후의 바이오 펠릿의 무게(g)를 측정하였다. 그 후, 하기 관계식 4에 따라 내구성을 계산하였다.In order to measure the durability of the lignocellulosic bio-coal produced according to Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4, 500 g of bio-coal pellets sieved with a diameter of 3.15 mm according to ISO 3310-2 was mixed with 0.01 g , And the resultant was placed in a durability tester based on the CEN / TS 15210-1 standard as shown in Fig. 5 and then subjected to 10 minutes at a speed of 50 rpm. Thereafter, the weight (g) of the bio pellet after sieving with a sieve having a diameter of 3.15 mm Respectively. Thereafter, durability was calculated according to the following relational expression (4).

[관계식 4][Relation 4]

Figure pat00009
Figure pat00009

(1) 내구성 변화 평가(1) Evaluation of durability change

도 13은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 내구성 그래프이다. 반탄화의 온도에 따라 PKS 펠릿과 EFB 펠릿의 내구성은 빠르게 감소한다. 특히, 실시예 3 및 실시예 6에서 PKS 펠릿과 EFB 펠릿은 내구성이 바이오 석탄화 전 96%와 98%에서 반탄화 후 72-74%까지 줄어들었다. 또한, 반탄화 공정의 온도가 200℃인 실시예 1 및 실시예 4, 온도가 250℃인 실시예 2 및 실시예 5의 결과에서 온도가 높아질수록 내구성이 감소한다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 바이오 석탄화화 된 PKS 펠릿과 EFB 펠릿을 포장 후 운송할 때 바이오 석탄화 전보다 펠릿의 형상이 쉽게 부숴지는 문제가 발생할 수 있음을 의미한다. 바이오 석탄화 과정에서 펠릿을 구성하는 리그노셀룰로오스계 바이오매스 입자들 간 결합력이 급격히 약화되면서 바이오 석탄화된 펠릿을 구성하는 바이오매스 입자들이 가루 형태로 떨어져 나오거나 펠릿의 길이가 쉽게 짧아지는 문제가 발생할 수 있다.13 is a graph showing the durability of bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention. The durability of PKS pellets and EFB pellets decreases rapidly depending on the temperature of the semi-carbonization. In particular, in Examples 3 and 6, the durability of PKS pellets and EFB pellets was reduced from 96% and 98% before bioconversion to 72-74% after half-carbonization. In addition, it was confirmed from the results of Examples 1 and 4 that the temperature of the semi-carbonization process is 200 ° C, that of Examples 2 and 5 that the temperature is 250 ° C, and that the durability decreases as the temperature increases. This means that when the biocharged PKS pellets and the EFB pellets are packed and transported, the shape of the pellets may be easily broken before the bio-coalization. In the bio-coalification process, the bonding force between the lignocellulosic biomass particles constituting the pellets is drastically weakened, so that the biomass particles constituting the bio-coalized pellets are separated in powder form or the pellets are easily shortened in length Lt; / RTI >

(2) 열분해 특성 평가(2) Evaluation of pyrolysis characteristics

도 14은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 열분해 특성 그래프이다. KS 펠릿과 EFB 펠릿 모두 바이오 석탄 제조 시 온도가 높아짐에 따라 펠릿 내부에 있던 수분 제거 후 휘발분로 제거로 인한 무게 감량이 급격히 줄어 들기 시작하였다. 휘발분 제거로 인한 무게 감량이 감소하는 대신에 고정탄소의 연소로 인한 무게 감량이 많이 일어나기 시작하였다. 이러한 경향은 바이오 석탄 제조 시 온도가 250℃인 실시예 2 및 4, 온도가 300℃인 실시예 3 및 6에서 뚜렷하게 확인할 수 있었으며, 실시예 1 ~ 6의 결과에서 볼수 있듯이 온도가 높아짐에 따라 고정탄소의 연소로 인한 무게 감량이 많이 나타났다. 바이오 석탄으로 제조하기 전인 비교예 1 및 비교예 2 또는 200℃에서 바이오 석탄으로 제조한 실시예 1 및 실시예 4는 고정 탄소의 함량이 적어 휘발분 제거에 오랜 시간이 소요되고, 고정 탄소로 인한 무게 감량은 매우 작게 일어나는 것을 확인할 수 있었다.FIG. 14 is a graph of pyrolysis characteristics of bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention. Both the KS pellet and the EFB pellet began to lose weight due to the removal of volatile components in the pellet after the water was removed as the temperature increased during the production of bio-coal. Instead of reducing the weight loss due to removal of volatiles, weight loss due to combustion of the fixed carbon began to take place. This tendency can be clearly observed in Examples 2 and 4 at a temperature of 250 ° C in the production of bio-coal, and in Examples 3 and 6 at a temperature of 300 ° C. As can be seen from the results of Examples 1 to 6, The weight loss due to the combustion of carbon was much higher. In Examples 1 and 4, which were prepared prior to production of bio-coal, the production of bio-coal at 200 < 0 > C was small because the amount of fixed carbon was small and it took a long time to remove volatile matter. It was confirmed that the weight loss was very small.

결국 목질계 바이오매스의 연소 효율을 높이기 위해서는 고정 탄소의 함량을 높여 고정 탄소의 연소로 인한 무게 감량을 증가시켜야 하고, 이를 위해서는 바이오 석탄화를 통한 높은 연소 효율을 갖는 펠릿 제조가 중요함을 확인할 수 있었다.As a result, in order to increase the combustion efficiency of woody biomass, it is necessary to increase the amount of fixed carbon to increase weight loss due to combustion of fixed carbon, and it is important to manufacture pellets having high combustion efficiency through bio-coalization there was.

실험예Experimental Example 3: 질량 수율, 에너지 수율 및 에너지 밀도 분석 3: mass yield, energy yield and energy density analysis

실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 질량 수율 (mass yield), 에너지 수율 (energy yield), 그리고 에너지 밀도 (energy density)를 하기 관계식 1 ~ 3을 통해 계산하였다.The mass yield, energy yield and energy density of the lignocellulosic bio-coal produced according to Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 were calculated according to the following relational formulas Respectively.

[관계식 1][Relation 1]

Figure pat00010
Figure pat00010

상기 관계식 1에서, Mtorrefaction은 반탄화 후의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이고, Mraw는 반탄화 전의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이다.In the above relational expression 1, M torrefaction represents the mass of the bio-coal after the semi-carbonization, and M raw represents the mass of the bio-coal before the semi-carbonization.

[관계식 2][Relation 2]

Figure pat00011
Figure pat00011

상기 관계식 2에서 Hhv는 고위발열량을 나타낸 것이다.In the above-mentioned relational expression 2, H hv represents a high calorific value.

[관계식 3][Relation 3]

Figure pat00012
Figure pat00012

(1) 질량 수율 및 에너지 수율 측정(1) Mass yield and energy yield measurement

도 15은 본 발명의 바람직한 일실실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 질량 수율 및 에너지 수율 그래프이다. PKS 펠릿과 EFB 펠릿을 바이오 석탄화시켰을 때 질량 수율은 바이오 석탄 제조 시 온도가 200℃인 실시예 1 및 4와 온도가 300℃인 실시예 3 및 6에서 볼 수 있듯이, 온도가 높아지면서 약 90% 수준에서 40 ~ 44% 수준으로 감소하였고, 반면에 에너지 수율은 약 95% 수준에서 56 ~ 62% 수준으로 낮아진 것을 확인할 수 있었다. 바이오 석탄화 동안 질량 수율과 에너지 수율이 감소하는 것은 일차적으로 수분 증발, 휘발분 제거, 헤미셀룰로오스의 분해 등에 기인하고, 특히 바이오 석탄 제조 시 온도가 질량 수율과 에너지 수율의 감소에 큰 영향을 미치는 것에 주목하여야 한다.15 is a graph showing a mass yield and an energy yield of bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention. The mass yields of the PKS pellets and the EFB pellets when bio-coalized were as shown in Examples 1 and 4, which were 200 ° C. during the production of bio-coal, and about 90 ° C., % To 40 ~ 44%, while the energy yield decreased to about 56 ~ 62% at about 95%. The decrease in mass yield and energy yield during bio-coalition is primarily due to moisture evaporation, removal of volatile matter, and degradation of hemicellulose, and it should be noted that the temperature during the production of bio-coal greatly affects the mass yield and energy yield do.

(2) 에너지 밀도 측정(2) Measurement of energy density

도 16은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 온도별 바이오 석탄의 에너지 밀도 그래프이다. PKS 펠릿과 EFB 펠릿은 바이오 석탄화가 진행되면서 반탄화를 하지 않은 비교예 1 및 비교예 2의 질량에 비하여 40 ~ 50% 수준까지 질량 감소가 크게 일어났고, 에너지는 반탄화를 하지 않은 비교예 1 및 비교예 2의 에너지에 비하여 50 ~ 60%만 보유하게 되었다. 하지만 바이오 석탄화와 함께 에너지 밀도는 30 ~ 40%까지 증가하여 에너지 효율 면에서 큰 향상을 기대할 수 있었다. 하지만 200℃에서 반탄화를 진행한 실시예 1 및 실시예 4는 10% 이하의 에너지 밀도의 향상이 있지만, 250℃ 이상의 온도에서 반탄화를 진행한 실시예 2, 실시예 3, 실시예 5 및 실시예 6은 12 ~ 40% 수준의 에너지 밀도의 향상이 일어났다. 특히 EFB 펠릿을 반탄화시킨 실시예 4 ~ 6은 에너지 밀도의 상승 효과가 PKS 펠릿을 반탄화시킨 실시예 1 ~ 3 보다 더 큰 것을 알 수 있었다. 결론적으로 PKS 펠릿과 EFB 펠릿을 바이오 석탄화하기 전인 비교예 1 및 비교예 2보다 바이오 석탄으로 제조한 실시예 1 ~ 6은 작은 양의 펠릿을 연소하더라도 더 높은 에너지 효율을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.16 is a graph of energy density of bio-coal according to a preferred embodiment of the present invention. PKS pellets and EFB pellets showed mass reduction to the level of 40-50% compared to the masses of Comparative Examples 1 and 2 which did not undergo semi-carbonization due to the progress of bio-coalization, and the energy was lower than that of Comparative Example 1 And 50% to 60% of the energy of Comparative Example 2, respectively. However, the energy density increased to 30 ~ 40% with bio - coalification, and it could be expected to improve in energy efficiency. However, in Examples 1 and 4 in which half-carbonization was carried out at 200 ° C, the energy density was improved to 10% or less. However, in Example 2, Example 3 and Example 5, In Example 6, an energy density improvement of 12 to 40% level occurred. In particular, in Examples 4 to 6 in which EFB pellets were semi-carbonized, it was found that the synergistic effect of the energy density was larger than in Examples 1 to 3 in which PKS pellets were semi-carbonized. In conclusion, it can be seen that in Examples 1 to 6 made from bio-coal than in Comparative Examples 1 and 2 before bio-coalification of PKS pellets and EFB pellets, higher energy efficiency can be obtained even when a small amount of pellets are burned have.

Claims (12)

리그노셀룰로오스계 바이오매스를 펠릿화하여 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계; 및
상기 바이오매스 펠릿을 반탄화 공정을 수행하여 바이오 석탄을 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 반탄화 공정은 무산소 및 대기압 하에서 200℃ ~ 320℃에서 수행하며,
상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 EFB(Empty fruit bunch) 및 PKS(Palm kernel shell) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법.
Pelletizing the lignocellulosic biomass to produce a biomass pellet; And
Carbonizing the biomass pellet to produce bio-coal,
The semi-carbonization process is carried out at 200 ° C to 320 ° C under anaerobic and atmospheric pressure,
Wherein the lignocellulosic biomass comprises one or more selected from Empty fruit bunch (EFB) and Palm kernel shell (PKS).
제1항에 있어서, 상기 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계 전에 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 전처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법.The method of claim 1, further comprising pretreating the lignocellulosic biomass prior to the step of preparing the biomass pellet. 제2항에 있어서, 상기 전처리하는 단계는
상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 EFB인 경우,
EFB를 함수율 15% 미만으로 건조하는 단계; 및
EFB의 길이를 60 mm 미만으로 가공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법.
3. The method of claim 2, wherein the pre-
When the lignocellulosic biomass is EFB,
Drying the EFB to a moisture content of less than 15%; And
And processing the length of the EFB to less than 60 mm. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제2항에 있어서, 상기 전처리하는 단계는
상기 리그노셀룰로오스계 바이오매스가 PKS인 경우 초기 부피의 70% 미만으로 분쇄하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법.
3. The method of claim 2, wherein the pre-
And pulverizing the lignocellulosic biomass to less than 70% of the initial volume when the lignocellulosic biomass is PKS.
제1항에 있어서, 상기 바이오매스 펠릿을 제조하는 단계는 100℃ ~ 170℃에서 30분 ~ 90분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the step of preparing the biomass pellet is performed at 100 ° C to 170 ° C for 30 minutes to 90 minutes. 제1항에 있어서, 상기 반탄화 공정은
내부온도를 20℃ ~ 25℃부터 7℃ ~ 13℃/min의 속도로 승온시키고,
불활성 기체를 0.03 ~ 0.07 L/min의 속도로 공급하여 수행하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the semi-
The internal temperature is raised from 20 ° C to 25 ° C at a rate of 7 ° C to 13 ° C / min,
Wherein the inert gas is supplied at a rate of 0.03 to 0.07 L / min.
제1항에 있어서, 상기 바이오 석탄을 제조하는 단계는 230℃ ~ 320℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄의 제조방법.The method according to claim 1, wherein the step of preparing the bio-coal is performed at 230 ° C to 320 ° C. 발열량이 4,000 ~ 6,500 kcal/kg이고,
반탄화 된 EFB(Empty fruit bunch) 펠릿 또는 반탄화 된 PKS(Palm kernel shell) 펠릿을 포함하며,
반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 1에 따른 질량 수율(Mass yield)이 38 ~ 92 %이고, 하기 관계식 2에 따른 에너지 수율(Enerhy yield)이 58 ~ 97 % 이며,
반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 1에 따른 질량 수율이 40 ~ 90 %이고, 하기 관계식 2에 따른 에너지 수율이 51 ~ 96 % 인 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄:
[관계식 1]
Figure pat00013

상기 관계식 1에서, Mtorrefaction은 반탄화 후의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이고, Mraw는 반탄화 전의 바이오 석탄의 질량을 나타낸 것이다.
[관계식 2]
Figure pat00014

상기 관계식 2에서 Hhv는 고위발열량을 나타낸 것이다.
The calorific value is 4,000 to 6,500 kcal / kg,
Semi-carbonized EFB (Empty fruit bunch) pellets or semi-carbonized PKS (Palm kernel shell) pellets,
In case of semi-carbonized EFB pellets, the mass yield according to the following formula 1 is 38 to 92%, the energy yield according to the following formula 2 is 58 to 97%
A semi-carbonized PKS pellet having a mass yield of 40 to 90% according to the following formula 1 and an energy yield of 51 to 96% according to the following formula 2: Lignocellulose-
[Relation 1]
Figure pat00013

In the above relational expression 1, M torrefaction represents the mass of the bio-coal after the semi-carbonization, and M raw represents the mass of the bio-coal before the semi-carbonization.
[Relation 2]
Figure pat00014

In the above-mentioned relational expression 2, H hv represents a high calorific value.
제8항에 있어서, 상기 바이오 석탄은
반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 3에 따른 에너지밀도(Energy denity)가 1.03 ~ 1.42 이고,
반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 3에 따른 에너지밀도가 1.06 ~ 1.34 인 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄.
[관계식 3]
Figure pat00015
9. The method of claim 8, wherein the bio-
In the case of semi-carbonized EFB pellets, the energy denity according to the following formula 3 is 1.03 to 1.42,
A semi-carbonized PKS pellet having an energy density of 1.06 to 1.34 according to the following relational expression (3): Ligno-cellulose-based bio-coal having improved calorific value.
[Relation 3]
Figure pat00015
제8항에 있어서, 상기 바이오 석탄은
반탄화 된 EFB 펠릿인 경우 하기 관계식 4에 따른 내구성이 70 ~ 92 %이고,
반탄화 된 PKS 펠릿인 경우 하기 관계식 4에 따른 내구성이 60 ~ 85 %인 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄:
[관계식 4]
Figure pat00016

상기 내구성은 ISO 3310-2 규정에 따른 직경 3.15 mm의 체로 걸러진 바이오 석탄 펠릿 500 g을 0.01g 수준까지 무게를 측정하여 CEN/TS 15210-1 규정에 근거한 내구성시험기에 넣은 후 50 rpm의 속도로 10분간 수행한 후, 상기 직경 3.15 mm의 체로 거른 후의 바이오 펠릿의 무게(g)를 측정한 것이다.
9. The method of claim 8, wherein the bio-
In case of semi-carbonized EFB pellets, the durability according to the following formula 4 is 70 to 92%
In case of semi-carbonized PKS pellets, the lignocellulosic bio-coal having an improved calorific value is characterized in that the durability according to the following relational expression 4 is 60 to 85%
[Relation 4]
Figure pat00016

The durability is measured by weighing 500 g of bio-coal pellets sieved with a diameter of 3.15 mm according to ISO 3310-2 to 0.01 g, putting it into a durability tester based on CEN / TS 15210-1 regulation, Min, and the weight (g) of the bio-pellet after sieving with a sieve having a diameter of 3.15 mm was measured.
제8항에 있어서, 상기 반탄화 된 EFB 펠릿은 탄소 46 ~ 67.5 중량%, 산소 18.5 ~ 43 중량%, 수소 4 ~ 6.15 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을 포함하고,
상기 반탄화 된 PKS 펠릿은 탄소 51.5 ~ 67 중량%, 산소 23 ~ 40 중량%, 수소 4.2 ~ 6.2 중량% 및 잔량의 질소, 황, 회분을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄.
The method of claim 8, wherein the semi-carbonized EFB pellets comprise 46 to 67.5 wt% carbon, 18.5 to 43 wt% oxygen, 4 to 6.15 wt% hydrogen, and balance nitrogen, sulfur,
Wherein the semi-carbonized PKS pellets comprise 51.5 to 67% by weight of carbon, 23 to 40% by weight of oxygen, 4.2 to 6.2% by weight of hydrogen, and residual nitrogen, sulfur and ash, Coal.
제8항에 있어서, 상기 바이오 석탄은 발열량이 5,000 ~ 6,300 kcal/kg인 것을 특징으로 하는 발열량이 향상된 리그노셀룰로오스계 바이오 석탄.The lignocellulosic bio-coal according to claim 8, wherein the bio-coal has a calorific value of 5,000 to 6,300 kcal / kg.
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