KR20200069865A - 식물성 오일 부산물과 고효율 압축성형기술을 이용한 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존 바이오매스 성형연료의 저위 발열량 기준 약 3,900 kcal/kg보다 개선되어 4,000 ~ 4,300 kcal/kg의 향상된 열량을 가짐과 동시에 생산성과 연료품질이 우수한 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법을 개시한다.
본 발명의 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법은 바이오매스의 수분을 조절하기 위해 건조하는 단계, 식물성 오일 부산물을 공급하여 바이오매스와 가온교반하는 단계, 가온교반 후 식물성 오일 부산물 및 바이오매스 혼합물에 추가로 바이오매스를 혼합하여 식물성 오일 함유량을 희석조절하고 균질한 상태로 유도하는 후처리 교반 단계, 제품성형을 위한 압축성형 단계, 압축성형 시 발생하는 마찰열을 제거하기 위한 압축냉각 단계, 생산된 완제품의 강도유지를 위한 후처리 냉각 단계, 완제품 중 이물질 등 기준 이하의 불량품 제거를 위한 선별단계를 포함한다.

Description

식물성 오일 부산물과 고효율 압축성형기술을 이용한 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료 및 이의 제조방법{Biomass molded fuel with high calorific value, apparatus and manufacturing method for thermoelectric power plant using vegetable Oil generation by-product and high efficiency compression molding technique}

본 발명은 식물성 오일을 생산하는 공정에서 발생하는 최종 부산물과 바이오매스인 톱밥을 이용하여 고효율 압축성형기술을 활용한 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 바이오매스 성형연료의 저위 발열량 기준 약 3,900 kcal/kg보다 개선되어 4,000 ~ 4,300 kcal/kg의 향상된 열량을 가짐과 동시에 생산성과 연료품질이 우수한 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료에 관한 것이다.

화력 발전소는 화석연료, 특히 석탄을 대규모로 사용하는 대표적인 온실가스 배출산업으로 1997년 도쿄의정서 및 2015년 파리협약 등 국제적인 온실가스 감축요구, 배출권 거래제 및 친환경 기업으로의 이미지 제고 등 청정개발체제(CDM, Clean development mechanism) 사업 수행을 위해 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 바이오매스를 활발하게 사용하고 있다. 화력 발전소는 바이오매스를 이용하여 전소 또는 석탄과 혼합하는 혼소발전을 통해 전력을 생산하고 있다.

그러나 바이오매스의 경우 발열량은 우드칩은 약 3,000 kcal/kg, 성형연료인 우드펠릿은 약 3,900 kcal/kg으로 석탄에 비해 열량이 현저히 낮은 수준임에도 불구하고 가격이 2배 이상 비싼 단점으로 연료 구입비 및 발열량 손실에 따른 경제적 부담이 가중되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 최근 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 있으며 다양한 동식물성 유지 및 오일을 열량개선을 위한 첨가제로 활용한 기술들이 연구, 개발되고 있는 실정이다.

바이오매스 연료의 경우 운반 및 취급의 편의성을 위해 펠렛, 브리켓 등의 형상으로 성형을 실시하고 있으며 이들 성형을 위해 건조, 혼합, 성형, 냉각 등의 단계를 거치는 것이 일반적인 성형과정이다. 바이오매스 연료 성형제조 시 강도유지를 위해 전분, 아교 및 당밀 등 다양한 부형재를 바인더로 사용하고 있으나 이들 바인더는 낮은 발열량으로 화석연료 대비 열량저하의 요인이 되고 있으며 과도한 리그닌 함량으로 성형을 위한 융점이 높아지고 롤러 및 익스트루더에 압출부하에 따른 마찰열이 자주 발생하여 장비의 수명단축과 화재의 위험이 증가하게 된다.

인도네시아 및 말레이시아 등 동남아 지역의 경우 팜, 코코넛, 커피 및 콩 등 식물성 오일을 생산하는 공정에서 발생되는 부산물은 높은 발열량에도 불구하고 낮은 융점, 상온에서의 높은 점성과 고체상태를 유지하는 단점 등으로 인해 일반적인 취급이 어려운 실정이다.

이러한 식물성 오일 부산물 및 바이오매스의 발열량 향상과 관련된 종래의 기술은 하기와 같다.

한국등록특허 제10-1447976호에서는 오일을 포함한 앨지매스를 건조시키는 단계; 연료첨가제를 파쇄기에 넣고 파쇄하고 건조하고 살균하는 단계; 건조 및 살균된 연료첨가제를 분쇄하는 단계; 상기 오일을 포함한 앨지매스, 3,800kcal/kg 이상의 열량을 가진 천연오일 및 그 오일 슬러지와 연료첨가제를 혼합하는 단계; 및 상기 오일을 포함한 상기 오일을 포함한 앨지매스, 천연오일, 그 오일 슬러지와 연료첨가제의 혼합물을 성형하는 단계를 포함하는 고체연료의 제조방법을 개시하고 있다.

한국공개특허 제2014-035186호에서는 바이오매스(Biomass) 원료를 준비하는 바이오매스 원료 준비 단계; 준비된 상기 바이오매스 원료를 고온의 성형 설비에 넣어서 펠렛, 브리켓 또는 블록 형태의 바이오매스 성형체를 성형하는 바이오매스 성형 단계; 및 중탕에 의해 고온으로 달궈진 유액에 바이오매스 성형체를 넣어 열처리하는 바이오매스 유액 중탕 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 연료 제조방법을 개시하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 식물성 오일 부산물을 톱밥과 같은 바이오매스에 혼합시킨 후 고효율 압축성형기술을 활용하여 제품 성형성 및 장비수명을 연장시킴과 동시에 향상된 발열량을 가지는 고열량 바이오매스 성형연료, 그의 제조장치 및 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 톱밥 등 바이오매스의 수분을 조절하기 위해 건조하는 단계, 식물성 오일 부산물을 공급하여 바이오매스와 가온교반하는 단계, 가온교반 후 식물성 오일 부산물 및 바이오매스 혼합물에 추가로 바이오매스를 혼합하여 식물성 오일 함유량을 희석조절하고 균질한 상태로 유도하는 후처리 교반 단계, 제품성형을 위한 압축성형 단계, 압축성형 시 발생하는 마찰열을 제거하기 위한 압축냉각 단계, 생산된 완제품의 강도유지를 위한 후처리 냉각 단계, 완제품 중 이물질 등 기준 이하의 불량품 제거를 위한 선별단계를 포함하는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법을 제공한다.

상기 가온교반을 위해 공급되는 바이오매스의 함수율은 10 내지 20중량%로 건조되는 것이 바람직하다.

상기 바이오매스가 건조된 후 식물성 오일 부산물과 바이오매스와의 가온교반을 위해 가온교반 단계 전에 식물성 오일 부산물 공급단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 식물성 오일 부산물 공급단계에서 식물성 오일 부산물이 바인더로 제 역할을 수행할 수 있도록 잔사 등 이물질을 제거하기 위한 식물성 오일 부산물 이물질 선별단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 바이오매스와 공급된 식물성 오일 부산물을 가온교반하는 단계에서 온도는 40 내지 60℃의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 바이오매스와 공급된 식물성 오일 부산물을 가온교반하는 단계에서 교반시간은 10 내지 30분의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 바이오매스와 식물성 오일 부산물의 가온교반 후 공급된 혼합물과 희석혼합을 위해 후처리 교반 단계 전에 바이오매스 추가 공급단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 바이오매스와 식물성 오일 부산물의 가온교반 혼합물과 추가로 공급된 바이오매스의 희석혼합 및 균질화를 위해 후처리 교반하는 단계에서 교반시간은 30 내지 60분의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 압축성형 단계에서 건조 및 안정화된 바이오매스와 식물성 오일 부산물의 혼합물에 성형연료로서의 형상제작, 압축 및 냉각을 통한 제품강도유지 및 변형방지를 위해 압축성형부, 열전달 차단부 및 성형유지부로 구분하여 성형연료를 제작하는 것이 바람직하다.

상기 압축성형 단계 중 압축성형부에서 압축 시 온도는 100 내지 150℃의 범위로 이루어지는 것이 바람직하며 이를 위해 적절한 마찰열이 발생하도록 압축성형부 금형가공 시 투입구와 배출구의 구경이 다른 테이퍼 등의 가공을 적용하는 것이 바람직하다.

상기 압축성형 단계 중 압축성형부에서 발생한 마찰열이 냉각을 위한 성형유지부에 전달되지 않도록 열전달 차단부를 유지하는 것이 바람직하며 이를 위해 열전달 차단부는 비열전달 소재이면서 기계적 강도유지가 가능한 엔지니어링 플라스틱 중 마모도 등을 고려하여 PEEK 또는 PPS 소재를 사용하여 압축성형부의 배출구경과 동일한 규격으로 제작된 금형을 적용한다.

상기 압축성형 단계 중 압축성형부와 열전달 차단부를 통과한 성형연료가 냉각을 통해 표면강도와 광택이 강화되고 식물성 오일 부산물에 의한 팝핑현상이 제거된 후 최종 배출이 이루어지도록 성형유지부를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 압축냉각 단계에서 마찰열 감소를 위한 냉각온도의 유지를 위해 냉매공급 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 압축냉각 단계에서 마찰열 감소 및 냉각효과의 조절을 위해 압축성형부와 성형유지부를 구분하여 압축냉각 단계를 구성하는 것이 바람직하다.

상기 냉매공급단계에서 압축성형 시 냉각을 위해 공급되는 냉매의 온도는 -15 내지 0℃의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 후처리 냉각단계에서 최종 제품의 강도유지를 위해 공기를 이용한 에어쿨러가 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기의 제조방법으로 제조된 화력발전소 석탄대체용 고열량 바이오매스 성형연료를 제공한다.

상기 화력발전소 석탄대체용 고열량 바이오매스 성형연료는 바이오매스 대비 식물성 오일 부산물의 혼합율이 필요에 따라 1 내지 10중량%의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 화력발전소 석탄대체용 고열량 바이오매스 는 수분함량이 1 내지 10중량%의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 화력발전소 석탄대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 발열량은 저위 발열량 기준 4,000 내지 4,300 kcal/kg의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 바이오매스를 건조하는 건조기, 건조된 바이오매스와 공급된 식물성 오일 부산물을 혼합하는 가온교반기, 식물성 오일 부산물의 공급을 위한 바인더 공급피더, 바인더의 이물질 제거를 위한 오일필터, 가온교반 혼합물의 희석혼합 및 균질화를 위한 후처리 교반기, 바이오매스 추가공급을 위한 바이오매스 공급피더, 연료성형을 위한 압축성형과 냉각을 위한 압축냉각 단계를 일원화 시킨 일체형 압축 성형기, 에어쿨러를 포함한 후처리 냉각기 및 최종 제품의 불량품 제거를 위한 이물질 선별기를 포함하는 화력발전소 석탄대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조장치를 제공한다.

이와 같은 본 발명의 실시예는 식물성 오일 부산물을 바이오매스에 1 내지 10중량%의 범위로 혼합, 성형함에 따라 4,000 내지 4,300 kcal/kg 범위의 화력발전소 석탄대체용 고열량 바이오매스 성형연료를 제공할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 실시예는 성형연료 제조 시 제품의 강도유지를 위한 바인더로 식물성 오일 부산물의 고열량, 상온에서의 높은 점도 및 점결특성을 활용함에 따라 성형연료의 강도, 형상유지와 함께 상기 기술한 바와 같이 연료의 발열량도 동시에 향상시킬 수 있다. 또한 리그닌에 비해 융점이 낮은 식물성 오일 부산물의 윤활특성을 활용함에 압출성형 시 마찰열의 감소가 가능하여 운전비의 절감이 가능하다.

이와 같은 본 발명의 실시예는 성형연료 제조 시 식물성 오일 부산물의 유지성분으로 인해 성형제품의 표면 마찰력을 감소시켜 롤러 및 익스트루더 압출부하 및 마찰열을 감소시켜 장비의 수명단축 및 화재발생의 위험을 감소시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명의 실시 예는 식물성 오일 부산물이 포함된 바이오매스 성형연료는 기존의 일반 바이오매스 성형연료에 비해 강도 및 비중이 높아져 분진 비산 등에 따른 환경문제 등 민원발생을 최소화 시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명의 실시 예는 바인더 및 열량 보조제인 식물성 오일 부산물과 바이오매스를 압축성형 전 가온교반과 후처리 교반 2단계로 구분하여 혼합 및 균질화 함으로써 압축성형 시 바인더 및 원료 혼합불량에 따른 문제점을 해결할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 실시 예는 식물성 오일 부산물의 유지성분이 상기 가온교반과 후처리 교반 단계에서 바이오매스에 고르게 혼합침적되어 코팅됨에 따라 성형연료 보관 시 수분 재흡습과 자연발화의 위험을 최소화 시킬 수 있다.

이와 같은 본 발명의 실시 예는 성형연료의 형상을 압축을 통해 구현하는 압축성형부, 마찰열 전달을 차단하기 위한 열전달 차단부, 성형유지부를 포함하는 일원화된 압축성형 단계와 냉매가 공급되는 압축냉각 단계를 적용함에 따라 식물성 오일 부산물의 유지성분과 바이오매스가 급격한 마찰열 상승 및 압력강하에 의해 발생되는 팝핑현상을 해결함과 동시에 냉각기의 냉각부하 저감을 가능하게 하여 성형연료의 강도강화, 광택유지 및 운전비 절감을 가능케 한다.

도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 전체공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 압축성형 및 압축냉각 단계의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 제품생산 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의해 제조되어 4,100 kcal/kg의 성능을 가지는 완제품의 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의해 제조되어 4,300 kcal/kg의 성능을 가지는 완제품의 다른 예시의 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 실시 예를 설명하기 위한 순서도로, 식물성 오일 부산물과 고효율 압축성형기술을 이용한 화력발전소 석탄대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법을 도시하고 있다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시 예를 설명하기 위해 압축성형 단계(S4)와 압축냉각 단계(S5)의 세부 구조도를 도시하고 있다. 도 3은 본 발명의 실시 예를 설명하기 위해 고열량 바이오매스 성형연료를 생산하는 과정을 설명하기 위한 제품생산 공정도이며 도 4는 본 발명의 실시 예를 통해 제작된 제품의 샘플을 도시하고 있다.

본 발명의 실시 예의 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이 바이오매스를 건조하는 단계(S1), 건조된 바이오매스와 바인더인 식물성 오일부산물을 혼합하기 위한 가온교반 단계(S2), 가온교반을 위해 바인더인 식물성 오일 부산물을 공급하는 단계(S8), 바인더의 이물질을 제거하는 식물성 오일 부산물 이물질 선별단계(S9), 가온교반 후 원하는 바인더 함유량 조절을 위해 추가로 바이오매스와의 희석 및 균질화를 실시하는 후처리 교반단계(S3), 후처리 교반을 위해 바이오 매스를 추가로 공급하는 단계(S10), 후처리 교반이 완료된 바이오매스와 식물성 오일 부산물의 혼합물로 연료제품 성형을 실시하기 위한 압축성형 단계(S4), 압축성형 시 발생하는 마찰열을 제거하기 위한 압축냉각 단계(S5), 압축냉각을 위한 냉매공급 단계(S11), 배출되는 성형연료 제품을 추가로 냉각하는 후처리 냉각단계(S6), 후처리 냉각을 위한 에어쿨러 단계(S12), 그리고 최종 제품의 불량품을 제거하기 위해 규격외 제품을 제거하는 선별단계(S7)를 포함한다.

본 발명의 실시 예에서 바이오매스를 건조하는 단계(S1)는 임야에서 간벌 및 벌목작업 또는 원목 가공 등에 의해 생산된 톱밥을 대상으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 건조기(1, Dryer)를 이용하여 원하는 함수율로 바이오매스의 수분을 조절하여 사용한다. 본 발명에서 사용되는 건조기(Dryer)는 로터리킬른 방식의 건조기를 사용하며 이때 도 3에 도시된 바와 같이 보일러(8, Boiler) 등을 통해 생성된 열풍을 건조를 위한 열원으로 사용할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 바이오매스의 함수율은 10 내지 20중량%로 조절하여 사용할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서 건조된 바이오매스는 도 1의 식물성 오일 부산물 이물질 선별 단계(S9)와 식물성 오일 부산물 공급단계(S8)를 통해 공급된 바인더와 가온교반 단계(S2)에서 혼합된다. 이때 도 3에 도시된 바와 같이 오일필터(10, Oil Filter)를 통과하여 정제된 식물성 오일 부산물은 바인더 공급피더(9, Binder Suppling Feeder)를 통해 가온교반기(2, Heating Mixer)로 공급되어 건조기(1, Dryer)를 통과한 바이오매스와 혼합되게 된다. 본 발명에서 가온교반을 위해 유지되는 식물성 오일 부산물과 가온교반 단계(S2)의 온도는 40 내지 60℃로 유지하는 것이 바람직하다. 또한 식물성 오일 부산물과 바이오매스의 가온교반 시간은 식물성 오일 부산물의 혼합율에 따라 상이하나 10 내지 30분으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시 예에서 도 3의 바인더 공급피더(9, Binder Suppling Feeder)는 식물성 오일 부산물의 공급을 위해 펌프 또는 노즐분사에 의한 압송식을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 요구되는 바인더의 농도를 위해 공급되는 식물성 오일 부산물의 양을 조절할 수 있도록 제어된다.

도 3에 도시한 바와 같이 본 발명에서 사용된 가온교반기(2, Heating Mixer)는 패들믹서, 리본믹서 및 콘믹서 등의 교반용 믹서가 사용될 수 있으며 가온을 위해 전기히터와 도 3의 건조기(1, Dryer)와 보일러(8, Boiler)에서 나오는 폐열을 회수하여 사용할 수 있다.

일반적인 식물성 오일 부산물의 경우 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 식물성 오일 부산물의 바이오매스와의 혼합 및 침적을 위한 최소한의 유동성 확보와 혼합효율, 물성이 변하지 않는 끓는점 이하의 조건 및 공급된 식물성 오일 부산물이 손실되지 않는 조건을 고려하여 온도를 40 내지 60℃로 유지하는 것이 바람직하다. 식물성 오일 부산물의 경우 40℃이상에서는 유동성이 확보되어 액상으로 취급이 가능하다. 따라서 다양한 식물성 오일 부산물의 액상 유동화를 고려할 때 최소한의 점성도를 회피하기 위해 가온교반기(2, Heating Mixer)의 온도를 40 내지 60℃에서 운전하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 실시 예에서 가온교반 단계(S3)를 거친 식물성 오일 부산물과 바이오매스 혼합물은 도 1의 바이오매스 추가공급 단계(S10)을 거쳐 공급된 바이오매스와 후처리 교반단계(S3)에서 재혼합 되어 원하는 식물성 오일 부산물의 농도로 희석 조절되며 균질화를 이루게 된다. 이때 바인더 농도의 희석을 위해 도 3에 도시된 바와 같이 바이오매스 추가 공급피더(11, Biomass Additional Suppling Feeder)를 통해 바이오매스가 추가로 공급되며 후처리 교반기(3, After Treatment Mixer)에서 최종 균질화를 실시한다.

바이오매스는 바인더에 비해 겉보기 밀도가 매우 낮아 가온교반 단계(S3)에서 원하는 바인더의 농도로 원료전량을 처리하려면 매우 큰 부피의 반응기가 요구되어 가열면적 증가로 인한 운전비 상승요인이 된다. 따라서 가온교반 단계(S3)에서는 고농도의 바인더 함량으로 소량의 원료를 1차로 가온 및 혼합하고 이후 후처리 교반단계(S3)에서 2차로 혼합하여가온 없이 원하는 조건의 원료를 제조함으로써 운전비 절감효과를 얻을 수 있다.

본 발명에서 후처리 교반단계(S3)를 위한 운전시간은 바인더와 바이오매스의 균질한 혼합을 위해 30 내지 60분으로 하는 것이 바람직하다.

바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌 등으로 이루어진 유기물로 내부에 많은 공극을 가지는 다공성 물질로 가온교반기(2, Heating Mixer) 내에서 식물성 오일 부산물이 바이오매스의 표면뿐만 아니라 이들 내부 공극으로 침투하게 된다. 따라서 바이오매스 전체에 균일한 발열량 증가효과와 함께 식물성 오일 부산물의 유지가 고르게 코팅됨에 따라 최종 성형연료 제품을 외부에 야적보관 시 대기 중 수분이 재흡착되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서 건조 및 안정화가 완료된 바이오매스와 식물성 오일 부산물의 혼합물을 성형하여 제품화하는 도 1의 압축성형 단계(S4)는 도 2에 도시한 바와 같이 압축성형부(D1), 열전달 차단부(D2) 및 성형유지부(D3)로 구분하여 구성된다.

본 발명의 실시 예에서 압축성형 단계(S4) 중 압축성형부(D1)는 성형을 위한 압력 및 외력을 견딜 수 있도록 고강도의 금속성 금형을 제작하여 사용하며 요구되는 성형연료의 규격에 따라 투입구와 배출구의 규격을 조정하여 제작하며 화력발전소 보일러 투입조건을 고려할 때 입경 기준 6 내지 8mm의 범위로 제작하는 것이 바람직하다. 압축성형부의 경우 투입된 바이오매스 내 리그닌과 바인더 및 발열량 보조제인 식물성 오일 부산물의 용융, 압축을 위해 온도를 100 내지 150℃의 범위로 유지하는 것이 바람직하며 상기 온도를 압력과 마찰열에 의해 발생, 유지될 수 있도록 필요한 경우 금형의 투입구와 배출구의 규격이 다른 테이퍼 가공 등을 사용할 수 있다. 일반적인 테이퍼 가공을 포함한 압축성형의 경우 투입되는 바이오매스의 종류에 따라 마찰열이 상이하며 전분, 아교 등의 바인더 내 리그닌에 의해 융점이 높아져 원활한 성형이 이루어지지 않으며 성형을 위해 압출부하를 증가시켜 마찰열을 과도하게 발생시키는 경우 성형장비의 수명단축과 화재위험이 증가하고 경우에 따라 배출구가 폐색되는 등 다양한 문제가 발생하나 본 발명의 경우 리그닌 대비 융점이 낮아 표면마찰을 최소화 시키면서 바인더 역할을 동시에 수행하는 식물성 오일 부산물을 사용함에 따라 상기 기술한 성형불량, 장비수명 단축, 화재위험 및 배출구폐색 등의 문제를 해결할 수 있다. 본 발명에서 압축성형 단계(S4) 중 압축성형부(D1)의 금형은 바인더의 함량과 요구되는 완제품의 강도에 따라 상이하나 25 내지 70mm의 두께로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시 예에서 압축성형 단계(S4) 중 열전달 차단부(D2)는 비전열성이면서 기계적 강도의 유지가 가능한 엔지니어링 플라스틱 중 PEEK 또는 PPS의 소재로 가공하며 성형된 외형이 유지될 수 있도록 상기 압축성형부(D1) 금형 배출구경과 동일한 규격으로 제작하여 압축성형부(D1)에서 발생한 마찰열이 성형유지부(D3)로 전달되지 않도록 하며 도 1에 도시된 압축냉각 단계(S5)와 냉매공급 단계(S11)의 냉각부하를 절감하여 준다. 본 발명에서 압축성형 단계(S4) 중 열전달 차단부(D2)의 금형은 압축성형부(D1)에서 발생되는 마찰열에 따라 상이하나 10 내지 20mm의 두께로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시 예에서 압축성형 단계(S4) 중 성형유지부(D3)는 압축성형부(D1)과 열전달 차단부(D2)를 통과한 성형연료의 외형이 유지되고 제품강도가 신속하게 유지, 강화될 수 있도록 한다. 성형유지부(D3)는 상기 압축성형부(D1)와 동일하게 기계적 강도와 냉각효율이 좋은 금속성의 소재로 가공된 금형을 사용하며 상기 기술한 바와 같이 제품의 성형성이 유지될 수 있도록 압축성형부(D1) 금형 토출구경과 동일한 규격으로 제작한다. 본 발명에서 성형유지부(D3)의 금형은 바인더의 함량과 요구되는 완제품의 강도에 따라 상이하나 25 내지 70mm의 두께로 하는 것이 바람직하다.

식물성 오일 부산물을 포함한 유지성분의 경우 바이오매스 등 유기물과 혼합된 상태에서 온도와 압력조건이 고온, 고압에서 저온,저압으로 변경되는 경우 유기물의 세포벽이 확대되어 강도가 약해지고 부피는 커지는 팝핑현상이 발생하여 유지성분을 첨가제로 사용하는 성형연료 생산공정에서 제품강도 저하의 요인으로 작용하나 본 발명의 경우 압력이 유지되는 동일한 배출구경 내에서 급속히 온도를 저하시켜 팝핑현상을 방지하고 식물성 오일 부산물의 상온 고형화 현상을 촉진시킴으로써 제품강도 향상을 위한 바인더로써의 역할을 배가하였다.

본 발명의 실시 예에서 도 2에 도시된 압축성형 단계(S4)의 압축성형부(D1)와 성형유지부(D3)의 마찰열을 저감시켜 기계적 수명을 연장하고 동시에 상기의 식물성 오일 부산물을 포함한 유지성분으로 인한 팝핑현상 등 제품강도 저하의 문제를 해결하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 냉매공급 단계(S11)를 거쳐 공급된 냉매를 이용한 압축냉각 단계(S5)를 구성하였다. 상기 압축냉각 단계(S5)를 위해 도 2에 도시된 바와 같이 압축성형 단계(S4)의 마찰열 발생구간인 압축성형부(D1)과 성형유지부(D3)의 온도조건에 따라 각각 구분하여 냉각을 실시할 수 있도록 2단으로 압축냉각 단계(S5)를 구성하였다. 본 발명에서 도 1 및 도 2의 압축냉각 단계(S5)를 위해 냉매공급 단계(S11)에서 공급되는 냉매온도는 -15 내지 0℃의 범위로 유지하는 것이 바람직하며 이때 사용되는 냉매는 에틸렌글리콜이 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서는 상기의 목적을 위해 도 1의 압축성형 단계(S4) 중 도 2의 압축성형부(D1), 열전달 차단부(D2), 성형유지부(D3)와 도 1과 2의 압축냉각 단계(S5)를 연계하여 도 3에 도시된 바와 같이 일체형 압축성형기(4. Assembled Pressing Molder)를 통해서 요구에 따라 펠렛 형상으로 성형연료를 생산할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서 도 1의 압축냉각 단계(S5)를 거친 펠릿 형상 성형연료의 표면광택 및 제품강도의 보강을 위해 도 1에 도시된 바와 같이 에어쿨러 단계(S12)와 후처리 냉각단계(S6)를 구성하였다. 압축냉각 단계(S5)를 통과하여 배출된 성형연료의 경우 압축성형 단계(S4)에서 발생된 마찰열이 워낙 높기때문에 냉매를 통한 냉각을 거친 후라도 실온보다는 높은 온도를 가지고 있기 때문에 대기 중의 수분 재흡습 등에 의한 연료제품의 품질저하가 발생할 수 있다. 또한 펠릿을 실온보다 높은 온도로 포장하여 보관하는 경우 잠열에 의한 화재위험 등이 있기 때문에 도 1의 에어쿨러 단계(S12)와 후처리 냉각단계(S6)가 반드시 필요하며 이를 위해 도 3에 도시한 바와 같이 후처리 냉각기(5, After Treatment Air Cooler)를 사용하여 연료제품의 온도를 실온과 동일하게 유지시킨다.

본 발명의 실시 예에서 도 1의 후처리 냉각단계(S6)를 거쳐 실온으로 냉각된 연료제품은 선별단계(S7)를 거쳐 공정 중에 낙하에 따른 충격 및 성형불량 등으로 인해 파손이 되어 기준에 미달되는 분진 또는 불량품을 제거하게 된다. 이 때 도 3에 도시된 바와 같이 이물질 선별기(6, Screen)를 통해 배출된 최종 연료제품이 완제품 포장(7, Final Packing)이 이루어진다.

바이오매스와 식물성 오일 부산물을 이용하여 도 1에 도시된 바와 같이 고효율 압축성형기술이 포함된 전 단계를 거쳐 최종 생산된 화력발전소 석탄대체용 고열량 바이오매스 성형연료는 요구되는 발열량에 따라 차이가 있으나 저위 발열량 기준 4,000 내지 4,300 kcal/kg의 범위에서 생산하는 것이 바람직하다.

도 4와 도 5는 톱밥과 식물성 오일 부산물을 사용하여 도 1과 3의 공정을 통해 생산된 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 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. 건조기 2. 가온교반기
3. 후처리 교반기 4. 일체형 압축성형기
5. 후처리 냉각기 6. 이물질 선별기
7. 완제품 포장 8. 보일러
9. 바인더 공급피더 10. 오일필터
11. 바이오매스 추가 공급피더

Claims (13)

1. 바이오매스의 수분 조절을 위해 건조하는 단계,
   식물성 오일 부산물을 공급하여 바이오매스와 가온교반하는 단계,
   가온교반 후 식물성 오일 부산물 및 바이오매스 혼합물에 추가로 바이오매스를 혼합하는 후처리 교반 단계, 제품성형을 위한 압축성형 단계, 압축성형 시 발생하는 마찰열을 제거하기 위한 압축냉각 단계, 그리고
   생산된 완제품의 강도유지를 위한 후처리 냉각 단계, 완제품 중 이물질 제거를 위한 선별단계
   를 포함하는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 바이오매스의 수분 조절을 위해 건조하는 단계에서
   상기 바이오매스의 함수율이 10 내지 20중량%의 범위로 이루어지는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 바이오매스와 공급된 식물성 오일 부산물을 가온교반하는 단계에서
   온도가 40 내지 60℃의 범위로 이루어지는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 바이오매스와 공급된 식물성 오일 부산물을 가온교반하는 단계에서
   교반시간이 10 내지 30분의 범위로 이루어지는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 가온교반 후 추가로 바이오매스를 혼합하는 후처리 교반단계에서
   교반시간이 30 내지 60분의 범위로 이루어지는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 압축성형 단계에서
   압축성형부, 열전달 차단부 및 성형유지부로 구분하여 성형연료를 제작하는 것을 포함하는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 압축성형 단계 중 압축성형부의 금형 두께가 25 내지 70mm의 범위로 이루어지는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 압축성형 단계 중 열전달 차단부의 소재를 PEEK 내지 PPS를사용하는 것을 특징으로 하는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 압축성형 단계 중 열전달 차단부의 금형 두께가 10 내지 20mm의 범위로 이루어지는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법.
10. 청구항 6에 있어서,
    상기 압축성형 단계 중 성형유지부의 금형 두께가 25 내지 70mm의 범위로 이루어지는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축냉각 단계 중 압축성형부와 성형유지부를 구분하여 냉각을 수행하는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 압축냉각 단계를 위해 냉매공급 온도가 -15 내지 0℃의 범위로 이루어지는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조방법.
13. 바이오매스를 건조하는 건조기,
    상기 건조기에 열원을 공급하는 보일러,
    식물성 오일 부산물을 공급하는 바인더 공급피더,
    바인더의 이물질을 제거하는 오일필터,
    바이오매스와 상기 식물성 오일 부산물의 혼합을 위한 가온교반기,
    추가 바이오매스 공급을 위한 바이오매스 추가 공급피더,
    상기 바인더와의 희석 혼합 및 균질화를 위한 후처리 교반기,
    압축성형과 압축냉각을 위한 일체형 압축성형기,
    성형 연료제품의 실온 냉각을 위한 후처리 냉각기, 그리고
    불량품 제거를 위한 이물질 선별기 및 완제품 포장기
    를 포함하는 화력발전소 석탄 대체용 고열량 바이오매스 성형연료의 제조장치.

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