KR20220007844A

KR20220007844A - 고체 바이오매스 연료의 생산공정

Info

Publication number: KR20220007844A
Application number: KR1020217006205A
Authority: KR
Inventors: 홍 메이 바이
Original assignee: 홍 메이 바이
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2022-01-19
Also published as: US20210332304A1; US11920100B2; WO2020229824A1; CN111925853A; JP2020186362A; EP3969548A1; EP3969548B1

Abstract

본 발명은 고체 바이오매스 연료를 생산하는 공정, 및 상기 공정에 의해 생산된 고체 바이오매스 연료에 관한 것이다. 부가적으로, 본 발명은 에너지를 생산하도록 상기 고체 바이오매스 연료를 연소하는 단계를 포함하는 연소 공정에 관한 것이다.

Description

고체 바이오매스 연료의 생산공정

본 발명은 고체 바이오매스 연료의 생산 공정, 및 상기 공정에 의해 생산된 고체 바이오매스 연료에 관한 것이다. 부가적으로, 본 발명은 에너지를 생산하기 위하여 상기 고체 바이오매스 연료를 연소하는 단계를 포함하는 연소 공정에 관한 것이다.

석탄-화력 발전은 전세계 발전소 및 산업 공정에서 사용된다. 석탄 및 기타 화석 연료는 재생 불가능한 에너지 자원이다. 지난 몇 십년에 걸쳐 석탄-화력 발전소에서의 석탄의 소비를 감소시키고 대신 에너지용 재생가능한 자원을 사용하려는 요구가 있었다.

바이오매스로부터 유래된 연료는 석탄을 대체하거나 또는 적어도 부분적으로 대체하기 위하여 사용될 수 있는 재생 가능한 에너지 소스의 예이다. 바이오매스 유래 연료는 에너지를 생산하기 위하여 연소 공정의 발전소에서 산소의 존재에서 태워질 수 있다. 바이오매스 유래 연료는 석탄 연소를 위해 원래 고안된 전통적인 발전소에서 연소될 수 있거나, 또는 바이오매스 유래 연료는 바이오매스 연소를 위하여 특별히 건설된 발전소에서 연소될 수 있다. 소정의 형태의 바이오매스는 석탄화 혼합되어 발전소 내에서 동일한 연소 공정에서 연소될 수 있다. 이러한 공정은 바이오매스의 석탄 공-소성(coal co-firing)으로 알려져 있다. 석탄과의 공-소성에 적합화되도록, 바이오매스 유래 연료는 소정 수준의 품질과 같은 소정의 성질 및 성질과 관련된 균질성을 전형적으로 가져야 한다. 예를 들어, 균질한 크기, 밀도, 수분 함량 등의 입자를 포함하는 바이오매스 연료는 공-소성 공정에서 특히 바람직하다. 또한, 상기 바이오매스 연료는 낮은 수준의 재(ash)를 함유하는 것이 바람직하다. 바이오매스 유래 연료 내의 재의 수준은 석탄에서 발견된 것보다 전형적으로 높다.

바이오매스 소스로부터 고체 바이오매스 연료를 생산하는 다양한 공정이 알려져 있다. WO 제2014/087949호는 바이오매스 소스가 바이오매스 연료를 형성하도록 가열되는 바이오매스 블록 내로 몰딩되기 전에 증기 폭발(steam explode)되는 고체 바이오매스 연료의 생산을 위한 공정을 개시하고 있다. 상기 공정의 목적은 저장 동안 배출된 물(discharged water) 내의 감소된 화학적 산소 요구량 (COD) 및 저장 동안 충분한 취급성을 갖는 바이오매스 연료의 생산이다. 상기 공정에 사용된 바이오매스 소스는 야자 알맹이 껍질(palm kernel shell)이다.

WO 제2016/056608호는 WO 제2014/087949호의 교시에 기반하며, 연료를 생산하는데 증기 폭발 단계가 요구되지 않는 고체 바이오매스 연료 제조를 위한 공정을 개시하고 있다. 상기 공정은 바이오매스 블록이 가열되기 전에, 바이오매스 블록 내로 몰딩되고 압축되기 전에 바이오매스 소스가 크러쉬되는 몰딩 단계를 포함한다. 상기 바이오매스 소스는 미송, 독미나리, 삼나무, 사이프러스, 유럽 적송, 아몬드 고목, 아몬드 껍질, 아카시아 목질 부분, 아카시아 나무껍질, 호두 껍질, 사고 야자, 비어있는 과실 송이, 메란티 및 고무와 같은 나무이다.

WO 제2017/175733호는 바이오매스 블록이 가열되기 전에, 바이오매스 블록 내로 몰딩되고 압축되기 전에 바이오매스 소스가 크러쉬되는 몰딩 단계를 포함하는 유사 공정을 개시하고 있다. WO 제2017/175733호의 공정은 빗물에 노출되는 경우 배출된 물 내에 감소된 COD를 달성하고 낮은 붕괴(disintegration)를 나타내는 바이오매스 연료를 제공하는 것에 관한 것이다. 상기 공정에서 사용되는 바이오매스의 소스는 고무 나무, 아카시아, 메란티, 유칼립투스, 티크 및 낙엽송, 가문비나무 및 자작나무의 혼합물로부터 선택된다.

WO 제2019/069849호는 저장 동안 자연 연소에 내성을 가지며 수송 및 저장이 용이한 바이오매스 연료를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 바이오매스 연료는 바이오매스 블록이 가열되기 전에, 바이오매스 소스가 바이오매스 블록으로 몰드되고 압축되기 전에 크러쉬되는 몰딩 단계를 포함하는 공정에 의해 제작된다. 연료 생산을 위한 상기 바이오매스 소스는 고무 나무, 아카시아 나무, 라디에이터 파인, 낙엽송, 가문비나무 및 자작나무의 혼합물; 및 가문비나무, 전나무로부터 선택된다.

WO 제2019/069860호는 바이오매스 고체 연료 생산용 장치를 기재하고 있다. 상기 장치는 바이오매스 고체 연료를 얻기 위하여 몰드된 바이오매스 생산물을 탄화시키기 위한 탄화 로(carbonisation furnace)를 포함한다. 상기 장치는 수율 계산 유닛, 온도 측정 유닛, 제어 유닛을 더욱 포함한다. 상기 제어 유닛은 상기 바이오매스 연료의 자연 연소 성질에 기반하여 탄화 로에 적용된 열을 제어한다. 상기 몰드된 바이오매스 생산물은 상기 펠릿을 몰드된 바이오매스 생산물로 몰딩하기 전에 바이오매스 소스를 펠릿으로 분쇄함으로써 형성된다. 상기 바이오매스 소스는 고무 나무, 아카시아, 디프테로카프, 라디아 소나무, 낙엽송, 가문비나무 및 자작나무의 혼합물 또는 가문비나무, 소나무 및 전나무의 혼합물로부터 선택된다.

WO 제2018/181919호는 고체 바이오매스 연료를 생산하기 위하여 전술한 것과 다른 공정을 기재하고 있다. 상기 공정은 바이오매스를 탄화시키도록 뜨거운 물 내에서 바이오매스 소스가 가압되는 바이오매스의 수열 탄화 단계를 포함한다. 상기 공정은 높은 수율 및 감소된 제조 비용으로 높은 분쇄성을 갖는 바이오매스 연료를 제공하는 것으로 보고되어 있다. 상기 바이오매스의 소스는 겉껍질, 야자 알맹이 껍질, 코코야자 나무, 대나무, 비어있는 과실 송이, 살구 및 가지로부터 선택된다.

WO 제2017/175737호는 탄화된 바이오매스를 냉각하기 위한 냉각 장치를 기재하고 있다. 상기 장치는 반-탄화된 몰드된 바이오매스의 냉각 효율을 개선한다. 상기 장치는 그 위에 물을 스프레이함으로써 바이오매스를 냉각한다. 상기 냉각기는 평판 상에 물을 스프레이하기 위한 스프레이 섹션 및 진동 평판을 포함한다. 상기 바이오매스 연료는 전술한 바와 동일한 공정에 의해 생산된다. 바이오매스 연료를 생산하기 위한 바이오매스의 소스는 미송, 독미나리, 삼나무, 사이프러스, 유럽 적송, 아몬드 고목, 아몬드 껍질, 아카시아 목질 부분, 아카시아 나무껍질, 호두 껍질, 사고 야자, 비어있는 과실 송이, 메란티 및 고무 나무이다.

마지막으로, WO 제2014/050964호는 석탄으로 그라인드될 수 있도록 바이오매스의 분쇄성을 향상시키기 위한 공정을 기재하고 있다. 상기 공정은 10 내지 50%로 그라인드된 목재 바이오매스의 수분 함량을 증가시키는 단계; 상기 바이오매스를 배소에 투입하기 전에 0.55 g/cm³ 이상의 밀도를 갖도록 상기 바이오매스를 치밀화하는 단계를 포함한다. 상기 바이오매스의 소스는 목재 칩, 바크(bark), 대팻밥, 및 톱밥을 포함한다.

본 발명의 발명자들은 전술한 고체 바이오매스 연료 및 이들의 생산을 위한 공정이 이들과 관련된 다양한 문제점들을 갖고 있음을 인식하였다. 예를 들어, 전술한 문헌에서 기술된 바이오매스 소스는 모두 전형적으로 오로지 자연적으로 발생하며, 상업적 규모로 경작 및 수확이 쉽지 않은 식물 및 나무이다. 본 발명자들은 상업적 규모로 쉽게 성장되거나 수확될 수 있는 바이오매스의 소스를 갖는 것이 유리할 수 있다는 점을 인식하였다. 또한, 바이오매스 소스의 품질 및 특정의 특성이 제어될 수 있도록 성장 및 수확될 수 있는 바이오매스의 소스를 갖는 것이 유리할 것이다.

대안적으로, 전술한 문헌에서 기술된 바이오매스의 소스는 모두 목재 및 유사 물질을 포함하며, 당업계에 공지된 종래의 분쇄 기술에 투여되는 경우 낮은 정도의 균질성을 갖는 입자를 형성한다는 점이 본 발명자들에 의해 발견되었다. 나아가, 상기 바이오매스 소스를 분쇄하는 단계는 분쇄하기 어려운 목재-형 물질 및 목재의 본질에 기인하여 값비싸다. 본 발명의 발명자들은 당업계에 알려져 있는 종래의 분쇄 기술에 의해 더욱 쉽게 분쇄되며 분쇄되는 경우 좀 더 균질한 크기의 입자를 형성하는 바이오매스의 소스를 갖는 것이 유리할 것이라는 점을 인식하였다.

부가적으로, 전술한 문헌에서 언급된 바이오매스 소스로부터 제조되고 상기 문헌에서의 공정에 의해 제조된 고체 바이오매스 연료는 충분한 방수 특성을 갖지 않는다는 점이 본 발명자들에 의해 발견되었다. 방수 특성은 연소 공정(그 자체 상에서 또는 석탄과 공-소성되는 경우)에서 사용되는 경우 건조(또는 적어도 충분히 건조)될 필요가 있으므로 고체 바이오매스 연료에 중요하다. 바이오매스 연료는 저장 또는 수송 동안(빗물로부터와 같은) 수분에 종종 노출된다. 따라서, 증가된 방수 능력을 갖는 바이오매스 연료가 바람직하다.

본 발명자들은 또한 전술한 문헌에서 기술된 바이오매스 연료 생산은 충분한 품질 및 균일성을 갖는 연료를 제공하지 않는다는 점을 인식하고 있다. 특히, 전술한 공정은 몰딩 단계 동안 바이오매스의 밀도의 충분한 제어를 제공하지 못한다.

본 발명은 종래 공정과 관련된 전술한 문제점들을 해결한다. 놀랍게도, 본 발명의 발명자들은 고체 바이오매스 연료를 제공하는데 유용한 바이오매스의 소정의 소스들이 상업적 규모로 성장 및 수확될 수 있다는 점을 발견하였다. 따라서, 연료의 생산을 위한 바이오매스의 고정되고 일정한 소스가 성장 주기로 제공될 수 있다. 부가적으로, 상기 바이오매스 소스를 상업적 규모로 성장시키고 수확하는 것은 바이오매스 소스의 품질 및 균일성을 예를 들어 경작 및 사육 기술에 의해 제어할 수 있도록 한다. 부가적으로, 상기 바이오매스 소스는 종래 공정에서 언급된 나무 및 나무-유형 소스보다 그라인드하기에 쉬워 감소된 공정 비용으로 이끄는 것이 발견되었다. 본 발명에서 사용된 바이오매스 소스는 또한 종래에 사용된 바이오매스 소스에 비해서 그라인드되는 경우 좀 더 큰 균질성을 제공하는 것으로 발견되었다. 상술한 점에 덧붙여, 본 발명의 발명자들은 개선된 방수 특성을 갖는 바이오매스 연료가 상기 공정의 몰딩 및/또는 가열 단계를 변경함으로써 제공될 수 있다는 점을 발견하였다. 본 발명의 공정의 몰딩 및 가열 단계의 맞춤 및 제어는 또한 고체 바이오매스 연료 생산물의 품질 및 균일성을 개선하고 연소 공정에 사용하기 위해 크게 바람직한 소정의 물리적 특성을 부여한다는 점이 발견되었다. 본 발명자들은 바이오매스 소스의 성질, 그라인딩, 몰딩, 및 가열 단계의 특정 피쳐가 함께 종래 공지된 것에 비해서 연소 공정에서 사용을 위한 뛰어난 바이오매스 연료 생산물을 제공한다는 것을 발견하였다.

본 발명의 제1관점에 따르면, 고체 바이오매스 연료의 생산공정이 제공되며, 상기 공정은 다음의 단계들을 포함한다:

상기 공정은 다음의 단계들:

(i) 하나 이상의 바이오매스 소스를 분쇄하여 1000 ㎛ 내지 6000 ㎛의 평균 입경(D50)을 갖는 바이오매스 분말을 제공하는 단계;

(ii) 상기 바이오매스 분말을 몰딩하여 몰드된 바이오매스 생산물을 제공하는 단계; 및

(iii) 상기 몰드된 바이오매스 생산물을 0.25 내지 5 시간의 기간 동안 160℃ 내지 420℃의 온도에서 가열하여 고체 바이오매스 연료를 제공하는 단계, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 (i) 파바세애 과(Fabaceae family)의 종, (ii) 짚, 왕겨 및 야자각의 혼합물, 또는 (iii) 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스(albizia chinensis) 및 히비어 브라질리엔시스(hevea brasiliensis)의 혼합물을 포함한다.

바람직하게는, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스 종(species calliandra calothyrsus)을 포함한다. 일 구현예에서, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스로 필수적으로 이루어지며, 캘리앤드라 캘로사이르서스 전체로 이루어질 수 있다. 또 다른 구현예에서, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스 캘리앤드라 캘로사이르서스를 포함하며, 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스, 히비어 브라질리엔시스, 짚, 왕겨, 또는 야자각을 더욱 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 i) 캘리앤드라 캘로사이르서스, 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스 및 히비어 브라질리엔시스; 또는 ii) 캘리앤드라 캘로사이르서스, 짚, 왕겨, 및 야자각을 포함하거나, 이들로 필수적으로 이루어지거나 또는 이루어질 수 있다.

상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계는 바람직하게는 0.5 내지 3 시간의 기간 동안 수행된다.

상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계는 180 ℃ 내지 350 ℃, 바람직하게는 210 ℃ 내지 280 ℃의 온도로 상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계는 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 배소(torrefaction)를 유도하는 조건 하에서 상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 공정은 상기 바이오매스 분말을 몰딩하기 전에 바이오매스 분말을 건조하여 몰드된 바이오매스 생산물을 제공하는 단계를 더욱 포함한다.

바람직하게는, 상기 공정은 가열 단계 후 상기 고체 바이오매스 연료를 냉각하는 단계를 포함한다.

상기 바이오매스 분말을 몰딩하는 단계 (ii)는 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 밀도가 제어되도록 상기 몰딩 단계를 맞추는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 밀도가 제어되도록 몰딩 단계를 맞추는 단계는 상기 몰딩 단계에서 사용된 몰드의 압축 비율을 제어하는 단계를 포함한다.

상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계 (iii)는 전형적으로 상기 고체 바이오매스 연료의 균일성을 제어하도록 맞춘다. 바람직하게는, 상기 고체 바이오매스 생산물의 균일성을 제어하도록 맞추는 단계 (iii)는 가열되는 중 상기 몰드된 바이오매스 생산물이 회전되는 장치에서 수행 단계 (iii)를 포함한다. 좀 더 바람직하게는, 상기 고체 바이오매스 생산물의 균일성을 제어하도록 맞추는 단계 (iii)는 상기 고체 바이오매스 생산물의 회전의 방향 또는 속도를 제어하는 단계를 포함하며, 선택적으로 상기 몰드된 바이오매스 생산물은 장치에서 반시계 방향 및 시계 방향 모두에서 회전된다.

DIN EN 15103에 따라 결정된, 생산된 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 0.6 kg/l 내지 0.8 kg/l, 바람직하게는 0.6 kg/l 내지 0.75 kg/l, 가장 바람직하게는 0.6 내지 0.7 kg/l이다.

DIN EN 15210-1에 따라 결정된, 생산된 고체 바이오매스 연료의 기계적 내구성은 95% 이상, 96% 이상, 97% 이상, 또는 98% 이상이다.

본 공정의 일부 구현예에서, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스 및 고체 바이오매스 연료는 다음과 같다:

(i) 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스를 포함하며, 상기 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 0.64 kg/L 내지 0.66 kg/L이며, 기계적 내구성은 96% 이상이며;

(ii) 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스, 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스 및 히비어 브라질리엔시스의 혼합물을 포함하며, 상기 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 0.67 kg/L 내지 0.69 kg/L이며, 기계적 내구성은 98% 이상이며;

(iii) 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스, 짚, 왕겨, 및 야자각의 혼합물을 포함하며, 상기 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 0.61 kg/L 내지 0.63 kg/L이며, 기계적 내구성은 95% 이상이며;

(iv) 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 짚, 왕겨 및 야자각의 혼합물을 포함하며, 상기 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 0.60 kg/L 내지 0.62 kg/L이며, 기계적 내구성은 95% 이상이며;

(v) 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스 및 히비어 브라질리엔시스의 혼합물을 포함하며, 상기 바이오매스 고체 연료의 벌크 밀도는 0.66 kg/l 내지 0.68 kg/l이며, 기계적 내구성은 97% 이상이며;

상기 벌크 밀도는 DIN EN 15103에 따라 결정되며, 상기 기계적 내구성은 DIN EN 15210-1에 따라 결정된다.

전형적으로, 상기 생산된 바이오매스 고체 연료의 총 건조 황 함량은 0.05 wt% 이하, 바람직하게는 0.03 wt% 이하, 가장 바람직하게는 0.02 wt% 이하이며, 상기 총 건조 황 함량은 DIN EN 15289에 따라 결정된다.

전형적으로, 상기 생산된 바이오매스 고체 연료의 총 건조 수소 함량은 5 wt% 이상, 바람직하게는 5 wt% 내지 10 wt%, 좀 더 바람직하게는 5 wt% 내지 7 wt%이며, 상기 총 건조 수소 함량은 DIN EN 15104에 따라 결정된다.

전형적으로, 상기 바이오매스 고체 연료의 총 건조 산소 함량은 34 wt% 이상, 바람직하게는 34 wt% 내지 40 wt%, 좀 더 바람직하게는 34 wt% 내지 38 wt%이며, 상기 총 건조 산소 함량은 DIN EN 15296에 따라 결정된다.

전형적으로, 상기 바이오매스 고체 연료의 총 건조 탄소 함량은 50 wt% 이상, 바람직하게는 53 wt% 내지 60 wt%, 좀 더 바람직하게는 53 wt% 내지 58 wt%이며, 총 건조 탄소 함량은 DIN EN 15104에 따라 결정된다.

전형적으로, 상기 바이오매스 고체 연료의 총 건조 질소 함량은 0.3 wt% 미만, 바람직하게는 0.25 wt% 미만, 좀 더 바람직하게는 0.2 wt% 미만이며, 상기 총 건조 질소 함량은 DIN EN 15104에 따라 결정된다.

전형적으로, 상기 고체 바이오매스 연료는 최대 20일, 바람직하게는 최대 30일, 좀 더 바람직하게는 최대 40일 동안 방수성을 갖는다.

전형적으로, 물에 침지되는 경우 생산된 상기 고체 바이오매스 연료의 화학적 산소 요구량 (COD)은 5000 ppm 이하, 바람직하게는 4000 ppm 이하, 가장 바람직하게는 3000 ppm 이하이며, 상기 화학적 산소 요구량은 GB/11914-89에 따라 결정된다.

전형적으로, 상기 고체 바이오매스 연료의 고정 탄소 함량은 25 wt% 이상, 바람직하게는 25 wt% 내지 35 wt%, 좀 더 바람직하게는 25 wt% 내지 32 wt%이며, 상기 고정 탄소 함량은 DIN EN 51734에 따라 결정된다.

전형적으로, 상기 고체 바이오매스 연료의 회분(ash content)은 5 wt% 미만, 바람직하게는 2.5 wt% 미만, 가장 바람직하게는 2 wt% 미만이며, 상기 회분은 550 ℃에서 DIN EN 14775에 따라 결정된다.

전형적으로, 상기 고체 바이오매스 연료의 수분 함량은 5 wt% 미만, 바람직하게는 2.5 wt% 미만, 및 가장 바람직하게는 2 wt% 미만이며, 상기 수분 함량은 DIN EN 14774에 따라 결정된다.

전형적으로, 생산된 상기 고체 바이오매스 연료의 휘발물 함량(volatile matter content)은 60 wt% 내지 80 wt%, 좀 더 바람직하게는 60 wt% 내지 70 wt%이며, 상기 휘발물 함량은 DIN EN 15148에 따라 결정된다.

전형적으로, 상기 고체 바이오매스 연료의 열량은 5000 kcal/kg 건중량 내지 7000 kcal/kg 건중량이며, 상기 열량은 DIN EN 14918에 따라 결정된다.

전형적으로, 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 벌크 밀도는 A이며, 상기 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 B이며, 여기서 B/A는 0.55 내지 1이며, 상기 벌크 밀도는 DIN EN 15103에 따라 결정된다.

본 발명의 제2관점에 따르면, 본 발명의 제1관점에 따른 공정에 따라 얻어지거나 또는 얻어질 수 있는 고체 바이오매스 연료가 제공된다.

본 발명의 제3관점에 따르면, 하나 이상의 바이오매스 소스로부터 유래된 고체 바이오매스 연료가 제공되며, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 (i) 파바세애 과의 종, (ii) 짚, 왕겨 및 야자각의 혼합물, 또는 (iii) 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스 및 히비어 브라질리엔시스의 혼합물을 포함한다.

바람직하게는, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스 종을 포함한다. 일 구현예에서, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스로 필수적으로 이루어지거나 또는 이루어진다.

또 다른 구현예에서, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스를 포함하며, 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스, 히비어 브라질리엔시스, 짚, 왕겨, 또는 야자각을 더욱 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 i) 캘리앤드라 캘로사이르서스, 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스 및 히비어 브라질리엔시스; 또는 ii) 캘리앤드라 캘로사이르서스, 짚, 왕겨, 및 야자각을 포함하거나, 이들로 필수적으로 이루어지거나 또는 이루어질 수 있다.

DIN EN 15103에 따라 결정된 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 전형적으로 0.6 kg/l 내지 0.8 kg/l, 바람직하게는 0.6 kg/l 내지 0.75 kg/l, 및 가장 바람직하게는 0.6 to 0.7 kg/l이다.

DIN EN 15210-1에 따라 결정된, 고체 바이오매스 연료의 기계적 내구성은 전형적으로 95% 이상, 96% 이상, 97% 이상, 또는 98% 이상이다.

본 발명의 제4관점에 따르면, 에너지를 생산하도록 본 발명의 제2 및 제3관점에 따라 고체 바이오매스 연료를 연소하는 단계를 포함하는 연소 공정을 제공한다.

일 구현 예에서, 상기 고체 바이오매스 연료는 화석 연료와 함께 공-소성되며, 연소된다. 바람직하게는, 상기 화석 연료는 석탄을 포함한다.

일 구현 예에서, 상기 공정의 PM1.0 배출은 175 mg/kg 미만, 바람직하게는 150 mg/kg 미만이다.

본 발명의 제5관점에 따르면, 연소 공정에서 연료로서 본 발명의 제2 및 제3관점에 따른 고체 바이오매스 연료의 사용을 제공한다.

바람직하게는, 상기 연소 공정은 화석 연료와 함께 고체 바이오매스 연료를 공-소성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 화석 연료는 석탄이다.

본 발명의 제6관점에 따르면, 고체 바이오매스 연료를 생산하기 위한 하나 이상의 바이오매스 소스의 사용방법을 제공하며, 여기서 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는: (i) 파바세애 과의 종, (ii) 짚, 왕겨 및 야자각의 혼합물, 또는 (iii) 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스 및 히비어 브라질리엔시스의 혼합물을 포함한다.

바람직하게는, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 본 발명의 제1 및 제3관점에 따라 전술한 바와 같다.

바람직하게는, 상기 사용방법은 본 발명의 제1관점에 따른 공정에서 하나 이상의 바이오매스 소스의 사용을 포함한다.

바람직하게는, 상기 고체 바이오매스 연료는 본 발명의 제1 및 제3관점에 따라 전술한 바와 같다.

본 발명은 다음과 같은 첨부된 도면을 참조하여 실시 예에 의해 기술될 것이다:
도 1은 본 발명의 공정에 따라 생산된 몰드된 바이오매스 생산물에 대하여 Y-축 상의 생산성 대 X-축 상의 압축 비율을 도시한 그래프이다. 상기 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스로 이루어진다.
도 2는 본 발명의 공정에 따라 생산된 몰드된 바이오매스 생산물에 대하여 y-축(kg/L) 상의 밀도 대 x-축 상의 압축 비율을 나타낸 그래프이며, 여기서 상기 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스로 이루어진다.
도 3은 본 발명의 바이오매스 연료 생산물의 사진이다.
도 4는 본 발명의 수 개의 생산물의 벌크 밀도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 수 개의 생산물의 내구성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 수 개의 생산물의 황 함량을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 수 개의 생산물의 산소 함량을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 수 개의 생산물의 탄소 함량을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 수 개의 생산물의 질소 함량을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 수 개의 생산물의 탄소 함량을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 수 개의 생산물의 회분을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 수 개의 생산물의 수분 함량을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 수 개의 생산물의 휘발물 함량을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 수 개의 생산물의 PM 1.0 배출을 나타내는 그래프이다.
도 15는 인공 기후 실험실에서 본 발명의 생산물의 시험 결과를 나타낸다.
도 16은 인공 기후 실험실에서 본 발명의 생산물의 또 다른 시험 결과를 나타낸다.
도 17은 기후 실험실에서 시험 후 본 발명의 수 개의 생산물의 표면 수분 함량의 결과를 나타낸다.
도 18은 인공 기후 실험실에서 본 발명의 생산물의 또 다른 시험의 결과를 나타낸다.
도 19 및 20은 본 발명의 공정의 몰딩 단계에서 사용될 수 있는 압축 몰드의 다이어그램이다.
도 21 및 22는 본 발명의 고체 바이오매스 연료 펠릿의 다양한 물리적 그리고 화학적 성질을 나타낸다.

바이오매스의 소스

바람직한 구현예에서, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스를 포함하거나, 필수적으로 이루어지거나 또는 이루어진다. 상기 하나 이상의 바이오매스 소스가 캘리앤드라 캘로사이르서스 및 하나 이상의 부가적인 바이오매스 소스를 포함하는 경우, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 5 wt% 내지 95 wt%와 같은 어느 특정 양의 캘리앤드라 캘로사이르서스를 함유할 수 있다. 전형적으로, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스 및 하나 이상의 부가적인 바이오매스 소스를 포함하며, 상기 캘리앤드라 캘로사이르서스는 하나 이상의 바이오매스 소스 중 50 wt% 내지 90 wt%의 양으로 존재한다. 상기 하나 이상의 바이오매스 소스가 짚, 왕겨 및 야자각의 혼합물, 또는 카시아 만기움, 알바지아 치넨시스 및 히비어 브라질리엔시스의 혼합물을 포함하거나, 이들로 이루어지는 경우, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스의 각 성분은 5 wt% 내지 95 wt%의 양과 같은 어느 적합한 양으로 존재할 수 있다. 전술한 하나 이상의 바이오매스 소스 각각은 당업계에 공지된 통상의 방법에 의해 얻어지거나 수확될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본원 발명에서 사용되는 하나 이상의 바이오매스 소스는 종래 기술에 사용된 나무 목재에 비하여 상기 바이오매스 소스의 특정의 특성 및 품질의 증가된 제어를 제공하면서 상업적 규모로 성장 및 수확될 수 있다는 점이 발견되었다. 상기 물질의 사용은 또한 필요한 벌채와 같은 나무를 사용하는 것과 관련된 환경 손상을 방지한다. 본 발명에서 사용되는 하나 이상의 바이오매스 소스의 사용은 또한 이전에 사용된 물질보다 그라인드하기가 쉽다는 것이 놀랍게도 발견되었다. 이는 그라인딩 공정의 비용을 감소시킨다. 본 발명의 물질의 사용은 그라인딩되는 경우, 또한 이전에 사용된 물질보다 좀 더 균질한 믹스를 제공한다. 이론에 한정되지 않으나, 이는 바이오매스 연료 생산물의 좀 더 큰 균일성 및 연속성과 같은, 최종 고체 연료 생산물에 유리한 성질을 부여하는 것으로 믿어진다. 이는 몇 가지 이유로 연소 공정에서 바람직하다.

바이오매스의 분쇄

상기 바이오매스 소스는 당업계에 공지된 표준 기술에 의해 바이오매스 분말로 분쇄될 수 있다. 상기 바이오매스 소스는 바이오매스 분말이 1000 ㎛ 내지 6000 ㎛의 평균 입경 (D50)을 갖도록 분쇄될 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명에서의 사용을 위한 특정 바이오매스 소스를 분쇄하는 단계는 이전에 공지된 바이오매스 소스를 그라인딩함으로써 제공되는 것보다 유리한 좀 더 작은 입자 크기의 분포를 갖는 바이오매스 분말을 제공하는 점이 발견되었다.

바이오매스 분말의 몰딩

상기 바이오매스 분말은 몰드되어 몰드된 바이오매스 생산물을 제공한다. 상기 몰딩 단계는 당해 분야에 공지된 바이오매스 몰딩 기술에 따라 그리고 당업계에 공지된 어느 몰딩 장치에서 수행될 수 있으며, 압출 시스템을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 몰딩 단계는 압축 몰드에서 수행된다. 바람직하게는, 상기 압축 몰드는 몰드 생산물 출구 홀을 포함한다. 상기 몰딩 단계는 CN 제105435708호에 기재된 바와 같은 장치를 사용하여 수행될 수 있다.

바람직하게는, 상기 몰딩 단계는 상기 바이오매스 분말을 펠릿으로 몰딩하는 단계를 포함한다. 따라서, 바람직한 구현 예에서, 상기 몰드된 바이오매스 생산물은 바이오매스 펠릿을 포함한다.

몰드된 바이오매스 생산물을 생산하기 위하여 바이오매스 분말을 몰드하는 것은 공지되어 있는 한편, 본 발명의 발명자들은 놀랍게도 상기 단계로부터 생산된 몰드된 바이오매스 생산물의 밀도가 소정의 범위 내에 있게 제어되도록 몰딩 단계를 맞추는 것은 최종 고체 바이오매스 연료 생산물에 소정의 유리한 성질을 부과한다는 점을 발견하였다. 구체적으로, 몰드된 바이오매스 생산물의 밀도를 0.9 내지 1.6 kg/ 범위 내이도록 몰딩 단계를 제어하는 것은 최종 바이오매스 연료 생산물에 유리한 성질을 부과한다는 점이 발견되었다. 바람직하게는, 상기 몰딩 단계는 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 밀도가 1.1 kg/L 내지 1.25 kg/L이도록 제어된다.

상기 몰딩 단계는 다양한 방식으로 제어될 수 있다. 상기 몰딩 단계가 압축 몰드의 사용을 포함하는 경우, 상기 밀도는 3.8 내지 6.5의 압축 비율을 사용하여 제어된다. 전형적으로, 압축 비율이 더욱 작을수록, 몰드된 바이오매스 생산물의 밀도가 더욱 낮아진다. 그러나, 압축 비율이 높을수록, 몰드된 바이오매스 생산물의 수율은 낮아진다.

몰드 생산물 출구 홀을 갖는 압축 몰드에 대한 압축 비율은 몰드 생산물 출구 홀의 직경에 대한 길이의 비율로서 정의될 수 있다.

도 19 및 20은 본 발명에 따라 사용될 수 있는 압축 몰드의 예를 나타낸다. 상기 바이오매스 분말은 상기 도면에서 몰드 생산물 출구 홀을 빠져나가도록 압력에 의해 몰드 내부로부터 스퀴즈되기 전에 몰드의 내부 내로 삽입된다. 상기 압축 비율은 그 직경에 대해서 홀을 나오는 생산물의 길이의 비율로서 도면에서 나타낸다.

본 발명의 공정에서, 바람직하게는, 상기 바이오매스 분말을 몰딩하는 단계 (ii)는 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 밀도가 1.1 kg/L 내지 1.25 kg/L의 범위 내로 제어되도록 몰딩 단계를 맞추는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 밀도는 압축 몰드를 사용하고 상기 압축 몰드의 압축 비율을 제어함으로써 제어된다. 좀 더 바람직하게는, 상기 압축 비율은 3.8 내지 6.5이다.

상기 몰딩 단계 동안 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 밀도를 제어하는 것은 놀랍게도 증가된 방수 성능을 갖는 최종 바이오매스 연료 생산물을 제공하는 것으로 발견되었다. 바람직하게는, 1.1 kg/L 내지 1.25 kg/L 범위 내의 밀도를 갖는 몰드된 바이오매스 생산물로부터 생산된 고체 바이오매스 연료 생산물은 20일 까지, 바람직하게는 30일 까지 충분히 방수성을 갖는다.

도 1은 본 발명의 방법에 따라 생산된 몰드된 바이오매스 생산물에 대해서 y-축 상의 수율 대 x-축 상의 압축 비율을 도시한 그래프이다. 여기서 상기 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스로 이루어진다.

도 2는 본 발명의 방법에 따라 생산된 몰드된 바이오매스 생산물에 대해서 y-축 상의 밀도(kg/L) 대 x-축 상의 압축 비율을 도시한 그래프이며, 여기서 상기 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스로 이루어진다.

몰드된 바이오매스 생산물의 가열

상기 몰드된 바이오매스 생산물은 가열되어 고체 바아이매스 연료를 생산한다. 상기 가열은 0.25 내지 5 시간의 기간 동안 160℃ 내지 420℃의 온도에서 수행된다. 바람직하게는, 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 가열 단계는 0.5 내지 3 시간의 기간 동안 수행된다. 바람직하게는, 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 가열 단계는 상기 몰드된 바이오매스 생산물을 180℃ 내지 350℃의 온도, 좀 더 바람직하게는 내지 210℃ 내지 280℃의 온도로 가열하는 단계를 포함한다.

전술한 바와 같이, 바람직하게는 상기 몰드된 바이오매스 생산물은 본 발명의 공정의 가열 단계 (iii)에서 가열되는 경우 펠릿을 포함한다.

바람직하게는, 상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계 (iii)는 몰드된 바이오매스 생산물의 배소를 유도하는 조건 하에서 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계를 포함한다. 배소는 가열이 10% 미만의 산소 함량의 분위기와 같은 낮은 산소 분위기에서 수행되는 온화한 열분해의 공정이다. 배소의 적합한 조건 및 공정이 당해 분야에 공지되어 있다. 따라서, 바람직하게는 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 가열 단계 (iii)는 배소를 포함한다. 펠릿을 포함하는 몰드된 바이오매스 생산물의 사용은 목재 칩과 같은 그라인드된 바이오매스 소스가 펠릿으로 그라인드되지 않고 직접 배소에 투입되는 경우 이전에 공지된 배소 공정에 비해서 유리하다. 펠릿은 일반적으로 우드 칩보다 더욱 치밀하며, 이는 이들이 부피 당 좀 더 많은 에너지를 함유한다는 것을 의미한다. 좀 더 낮은 부피는 배소 가열 장치의 에너지 요구 측면에서 절약된다. 따라서, 펠릿의 사용이 좀 더 경제적이다. 상기 가열 단계는 고체 바이오매스 연료 생산물을 생산하도록 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하기 위하여 당해 분야에 공지된 어느 적합한 장치에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 단계는 EP 3287509A1호에 기재된 바와 같은 공정 조건을 사용하여 수행될 수 있다.

바람직하게는, 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 가열 단계 (iii)는 고체 바이오매스 연료의 균일성을 제어하도록 맞추어지며, 선택적으로 상기 고체 바이오매스 생산물의 균일성을 제어하도록 맞추는 단계 (iii)는 가열되는 한편, 몰드된 바이오매스 생산물이 회전되는 장치에서의 수행 단계 (iii)를 포함하며, 선택적으로, 고체 바이오매스 생산물의 균일성을 제어하도록 맞추는 단계 (iii)는 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 직접적 회전 또는 속도를 제어하는 단계를 포함하며, 선택적으로, 상기 몰드된 바이오매스 생산물은 반시계 방향 및 시계 방향 모두로 상기 장치에서 회전된다. 상기 고체 바이오매스 연료의 균일성은 또한 전술한 온도 및 기간에서 가열함으로써 최적화된다.

본 발명의 공정이 바이오매스의 가열 단계 후 냉각 단계를 포함하는 경우, 상기 냉각 단계는 상기 바이오매스를 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 바이오매스는 EP 제3287509A1호에 기재된 바와 같은 적합한 장치에서 회전될 수 있다. 바람직하게는, 바이오매스의 가열 단계 (vi) 및 냉각 단계 모두는 바이오매스를 회전시키는 단계를 포함한다. 상기 바이오매스가 냉각 단계 또는 가열 단계 중 어느 하나에서 회전되는 경우, 상기 바이오매스는 연속적인 주기로 시계 방향 및 반시계 방향 모두와 같이, 다른 방향에서 회전될 수 있다.

용어 고체 바이오매스 생산물의 '균일성'은 고체 바이오매스 연료의 각 입자에 걸쳐, 그리고 고체 바이오매스 연료 생산물의 벌크 샘플 내에서 복수의 입자에 걸쳐 일정하거나 또는 유사 성질을 갖는 고체 바이오매스 연료 생산물을 나타내는데 사용된다. 예를 들어, 이에 한정되는 것은 아니나, 입자의 밀도, 입자의 연소의 용이성, 입자의 화학적 조성물, 및 입자의 방수성이다. 균일성은 연소 공정에 사용하기 위한 바이오매스 연료에 크게 바람직한 성질이다.

본 발명자들은 또한 전술한 방식에서 가열 단계를 제어하는 것은 종래 기술의 바이오매스 연료에 비해서 향상된 방수성질을 갖는 고체 바이오매스 연료 생산물을 제공하는데 부가적으로 도움을 준다는 점을 발견하였다.

고체 바이오매스 연료 생산물

상기 고체 바이오매스 연료 생산물은 전술한 물리적 성질 중 어느 것을 가질 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 바이오매스 고체 연료는 바람직하게는 펠릿을 포함한다. 상기 펠릿은 어느 적합한 크기일 수 있다. 바람직하게는, 상기 펠릿은 3 mm 내지 100 mm, 좀 더 바람직하게는, 5 mm 내지 8mm의 직경을 갖는다. 바람직하게는, 상기 펠릿은 20 mm 내지 60 mm, 좀 더 바람직하게는 30 mm 내지 50 mm의 길이를 갖는다. 전술한 바와 같이, 놀랍게도, 본 발명의 고체 바이오매스 연료 생산물은 종래 기술의 공정에 의해 제조된 고체 바이오매스 연료 생산물에 비해서 향상된 방수 특성을 갖는다는 점이 발견되었다. 이는 전술한 바와 같은 몰딩 및/또는 가열 단계의 제어에 기인하는 것으로 믿어진다. 종래 기술의 바이오매스 연료는 본 발명자들에 의해 최대 10일 동안의 충분한 방수성을 갖는 것으로 발견되었다. 반면, 본 발명의 고체 바이오매스 연료 생산물은 최대 20일, 바람직하게는 30일, 좀 더 바람직하게는 40일의 충분한 방수성을 갖는다는 것이 발견되었다.

고체 바이오매스 연료의 방수 성질은 이하에서 더욱 상세히 기재되는, 네덜란드 에너지 연구 센터(ECN)의 표준 시험에 따라 결정된다.

본 발명의 바이오매스 고체 연료의 수분 함량은 표준 ECN 시험 방법에 의해 결정될 수 있다. 본 발명의 고체 바이오매스 연료의 수분 함량은 전형적으로 5 내지 9 wt%, 바람직하게는 6 내지 8 wt%, 좀 더 바람직하게는 6 내지 7 wt%이다.

본 발명의 고체 바이오매스 연료는 예상외로 높은 기계적 내구성을 갖는 것으로 발견되었다. 상기 기계적 내구성은 전형적으로 95%보다 높다. 이는 95% 이상의 기계적 내구성을 갖는 바이오매스 펠릿이 2달간의 기간 동안 손상 없이 옥외에 저장될 수 있다고 발견된 것이므로 유리하다. 반면, 95% 미만의 기계적 내구성을 갖는 바이오매스 펠릿은 강우에 손상되며, 옥외에 저장될 수 없다. 따라서, 높은 기계적 내구성은 본 발명의 바이오매스 펠릿의 부가적인 이점이다.

고체 바이오매스 연료 입자의 높은 내구성과 관련된 부가적인 이점은 펠릿이 힘에 의해 어느 정도 파괴되는 경우, 이들이 낮은 기계적 내구성을 갖는 펠릿보다 좀 더 큰 피스로 떨어진다는 것이다. 이는 어느 먼지 폭발 위험을 최소화한다.

연소 공정

본 발명의 생산물은 여러가지 다른 연소 공정에서 사용될 수 있다. 특정 공정에 사용하기 위한 생산물의 적합성은 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 바이오매스 연료는 그 자체로 산업 공정에서 또는 발전소에서 연소 공정에 사용될 수 있다. 대안적으로, 본 발명의 바이오매스 생산물은 공-소성 공정에서 석탄과 같은 부가적인 연료와 함께 연소 공정에서 사용될 수 있다.

유리하게, 본 발명의 생산물은 당업계에 공지된 기타 바이오매스 연료에 비해서 매우 낮은 PM1.0 배출을 제공하는 것으로 발견되었다. 부가적으로, 상기 공정의 PM1.0 배출은 석탄의 연소를 포함하는 공정보다 더욱 낮다.

유리하게는, 본 발명의 바이오매스 연료의 개선된 물리적 성질은 석탄과의 공-소성에 바이오매스를 특히 적합하게 하는 것으로 발견되었다. 예를 들어, 생산물의 개선된 품질 및 균일성은 본 발명의 바이오매스 연료를 석탄과 특히 잘 공-소성될 수 있도록 한다. 본 발명의 바이오매스 연료의 개선된 방수 성질은 또한 상기 바이오매스가 석탄과 공-소성되는데 특히 적합하며 방수 성질에 기인하여 저장 및 수송을 더욱 쉽게 한다는 것을 의미한다.

실시예 1

본 발명에 따른 공정이 수행되었다. 상기 바이오매스의 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스 단독이었다. 가열 단계의 온도는 0.5 내지 3.5 시간의 기간 동안 220℃ 내지 280℃이었고, 냉각되어 고체 바이오매스 연료를 얻었다.

상기 고체 생산물의 사진을 도 3에 나타낸다.

실시예 2

본 발명에 따른 공정이 수행되었다. 바이오매스의 소스는 70중량% 캘리앤드라 캘로사이르서스, 10중량%의 아카시아 만기움, 10중량%의 유칼립투스 (알바지아 치넨시스) 및 10중량%의 고무 나무 (히비어 브라질리엔시스)였다. 상기 가열 단계의 온도는 0.5 내지 3.5 시간의 기간 동안 220℃ 내지 280℃이었고, 냉각되어 고체 바이오매스 연료를 얻었다.

실시예 3

본 발명에 따른 공정이 수행되었다. 바이오매스의 소스는 70중량%의 캘리앤드라 캘로사이르서스, 10중량%의 짚, 10중량%의 왕겨, 및 10중량%의 야자각이었다. 가열 단계의 온도는 0.5 내지 3.5 시간의 기간 동안 220℃ 내지 280℃이었고, 냉각되어 고체 바이오매스 연료를 얻었다.

실시예 4

본 발명에 따른 공정이 수행되었다. 상기 바이오매스의 소스는 40중량%의 짚, 10중량%의 왕겨, 및 50중량%의 야자각이었다. 가열 단계의 온도는 0.5 내지 3.5 시간의 기간 동안 220℃ 내지 280℃이었고, 냉각되어 고체 바이오매스 연료를 얻었다.

실시예 5

본 발명에 따른 공정이 수행되었다. 바이오매스의 소스는 30중량%의 아카시아 만기움, 30중량%의 알바지아 치넨시스 및 40중량%의 고무 나무(히비어 브라질리엔시스)이었다. 가열 단계의 온도는 0.5 내지 3.5 시간의 기간 동안 220℃ 내지 280℃이었고, 냉각되어 고체 바이오매스 연료를 얻었다.

실시예 1 내지 5에서 생산된 고체 바이오매스 연료의 특성

실시예 1 내지 5에서 생산된 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도(kg/L)를 도 4에 나타낸다. 벌크 밀도는 DIN EN 15103를 사용하여 측정되어 0.643 kg/L이었다.

실시예 1 내지 5에서 제조된 고체 바이오매스 연료의 내구성은 도 5에 나타내었다. 상기 내구성은 DIN EN 15210-1에 따라 결정되었다.

실시예 1 내지 5에서 제조된 고체 바이오매스 연료의 황 함량을 도 6에 나타낸다. 황 함량은 DIN EN 15289에 따라 결정된다.

실시예 1 내지 5에서 제조된 고체 바이오매스 연료의 산소 함량은 도 7에 나타낸다. 산소 함량은 DIN EN 15296에 따라 결정되었다.

실시예 1 내지 5에서 제조된 고체 바이오매스 연료의 탄소 함량은 도 8에 나타낸다. 탄소 함량은 DIN EN 15104에 따라 결정된다.

실시예 1 내지 5에서 제조된 고체 바이오매스 연료의 질소 함량은 도 9에 나타낸다. 질소 함량은 DIN EN 15104에 따라 결정된다.

실시예 1 내지 5에서 제조된 고체 바이오매스 연료의 고정 탄소 함량은 도 10에 나타낸다. 상기 고정 탄소 함량은 DIN EN 51734에 따라 결정된다.

실시예 1 내지 5에서 제조된 고체 바이오매스 연료의 회분은 도 11에 나타낸다. 상기 회분은 550 ℃에서 DIN EN 14775에 따라 결정되었다.

실시예 1 내지 5에서 제조된 고체 바이오매스 연료의 수분 함량은 도 12에 나타낸다. 물 함량은 DIN EN 14774-2에 따라 결정되었다.

실시예 1 내지 5에서 제조된 고체 바이오매스 연료의 휘발물 함량은 도 13에 나타낸다.

실시예 1 내지 5에서 제조된 고체 바이오매스 연료의 PM1.0 배출은 도 14에 나타낸다. 상기 PM1.0 배출은 German ECN 검사소의 표준 방법에 따라 결정되었다.

상기 도면에서, 실시예 1의 생산물은 A로 나타내고, 실시예 2의 생산물은 B로 나타내며, 실시예 3의 생산물은 C로 나타내고, 실시예 4의 생산물은 D로 나타내며, 실시예 5의 생산물은 E로 나타낸다.

실시예 6

실시예 1의 고체 바이오매스 연료가 인공 기후 실험에서 시험되었으며, 여기서 10일 동안 인공 기후 실험실에 노출되었다. 상기 시험은 바이오매스 연료 입자의 수분 함량을 검증하기 위한 ECN 표준 시험이다.

상기 시험의 결과를 도 15에 나타낸다. 도 15에서의 결과는 바이오매스 펠릿의 평균 수분 흡수량은 90%의 상대 습도 및 27 ℃에서의 약 14일의 노출 후 6 내지 7 wt%에서 안정화되었음을 나타낸다. 이는 바이오매스 배소된 펠릿 입자의 낮은 수분 함량이며, 바이오매스 펠릿이 종래에 공지된 바이오매스 공체 연료에 비해서 높은 소수성 및 높은 물 저항성을 가짐을 나타낸다.

기후 실험실 내에서의 제2의 실험에서, 상기 바이오매스 고체 연료는 27 ℃의 온도에서 15분 동안 물에 침지되었고 기후 실험실에 노출되었다. 물에 침지 후, 상기 샘플의 수분 함량은 90중량%였다. 기후 실험실에서 10일의 노출 후, 상기 연료의 수분 함량은 약 7.6%에서 안정화되었다. 결과를 도 16 및 18에 나타낸다. 상기 펠릿의 침지는 10일 후 다다르는 평형 수분 함량에 어떠한 영향도 미치지 않았다.

실시예 7

상기 기후 실험실 실험이 실시예 2 내지 5의 생산물에 대해서 반복되었다.

도 17은 실시예 1 내지 5의 생산물의 표면 수분 함량을 나타낸다. 바이오매스 펠릿의 표면 수분 및 실제 수분 함량이 매우 유사함을 알 수 있다.

도 15 내지 18에서, y-축 상의 값은 바이오매스 펠릿에서 수분의 중량%이다.

실시예 8

도 21 및 22는 본 발명의 고체 바이오매스 연료 펠릿의 다양한 물리적 그리고 화학적 성질을 나타낸다.

Claims

고체 바이오매스 연료의 생산공정으로서,
상기 공정은 다음의 단계들:
(i) 하나 이상의 바이오매스 소스를 분쇄하여 1000 ㎛ 내지 6000 ㎛의 평균 입경(D50)을 갖는 바이오매스 분말을 제공하는 단계;
(ii) 상기 바이오매스 분말을 몰딩하여 몰드된 바이오매스 생산물을 제공하는 단계; 및
(iii) 상기 몰드된 바이오매스 생산물을 0.25 내지 5 시간의 기간 동안 160℃ 내지 420℃의 온도에서 가열하여 고체 바이오매스 연료를 제공하는 단계를 포함하며,
상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 (i) 파바세애 과(Fabaceae family)의 종, (ii) 짚, 왕겨 및 야자각의 혼합물, 또는 (iii) 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스(albizia chinensis) 및 히비어 브라질리엔시스(hevea brasiliensis)의 혼합물을 포함하는, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
청구항 1에 있어서,
상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스 종(species calliandra calothyrsus)을 포함하며, 선택적으로 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스, 히비어 브라질리엔시스, 짚, 왕겨, 또는 야자각을 더욱 포함하는, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
청구항 2에 있어서,
상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 i) 캘리앤드라 캘로사이르서스, 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스 및 히비어 브라질리엔시스; 또는 ii) 캘리앤드라 캘로사이르서스, 짚, 왕겨, 및 야자각을 포함하거나, 이들로 필수적으로 이루어지거나 또는 이루어지는, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계는 0.5 내지 3 시간의 기간 동안 수행되며, 및/또는 상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계는 180 ℃ 내지 350 ℃, 선택적으로 210 ℃ 내지 280 ℃의 온도로 상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계를 포함하는, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계 (iii)는 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 배소(torrefaction)를 유도하는 조건 하에서 상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계를 포함하는, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공정은 상기 바이오매스 분말을 몰딩하기 전에 바이오매스 분말을 건조하여 몰드된 바이오매스 생산물을 제공하는 단계를 더욱 포함하며, 및/또는 상기 공정은 가열 단계 후 상기 고체 바이오매스 연료를 냉각하는 단계를 포함하는, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바이오매스 분말을 몰딩하는 단계 (ii)는 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 밀도가 제어되도록 상기 몰딩 단계를 맞추는 단계를 포함하며, 선택적으로 상기 몰드된 바이오매스 생산물의 밀도가 제어되도록 몰딩 단계를 맞추는 단계는 상기 몰딩 단계에서 사용된 몰드의 압축 비율을 제어하는 단계를 포함하는, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 몰드된 바이오매스 생산물을 가열하는 단계 (iii)는 상기 고체 바이오매스 연료의 균일성을 제어하도록 맞추며, 선택적으로 상기 고체 바이오매스 생산물의 균일성을 제어하도록 맞추는 단계 (iii)는 가열되는 중 상기 몰드된 바이오매스 생산물이 회전되는 장치에서 수행 단계 (iii)를 포함하며, 선택적으로 상기 고체 바이오매스 생산물의 균일성을 제어하도록 맞추는 단계 (iii)는 상기 고체 바이오매스 생산물의 회전의 방향 또는 속도를 제어하는 단계를 포함하며, 선택적으로 상기 몰드된 바이오매스 생산물은 장치에서 반시계 방향 및 시계 방향 모두에서 회전되는, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
DIN EN 15103에 따라 결정된 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 0.6 kg/l 내지 0.8 kg/l, 바람직하게는 0.6 kg/l 내지 0.75 kg/l, 가장 바람직하게는 0.6 내지 0.7 kg/l이며, 및/또는 DIN EN 15210-1에 따라 결정된 고체 바이오매스 연료의 기계적 내구성은 95% 이상, 96% 이상, 97% 이상, 또는 98% 이상인, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
(i) 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스를 포함하며, 상기 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 0.64 kg/L 내지 0.66 kg/L이며, 기계적 내구성은 96% 이상이며;
(ii) 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스, 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스 및 히비어 브라질리엔시스의 혼합물을 포함하며, 상기 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 0.67 kg/L 내지 0.69 kg/L이며, 기계적 내구성은 98% 이상이며;
(iii) 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 캘리앤드라 캘로사이르서스, 짚, 왕겨, 및 야자각의 혼합물을 포함하며, 상기 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 0.61 kg/L 내지 0.63 kg/L이며, 기계적 내구성은 95% 이상이며;
(iv) 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 짚, 왕겨 및 야자각의 혼합물을 포함하며, 상기 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 0.60 kg/L 내지 0.62 kg/L이며, 기계적 내구성은 95% 이상이며;
(v) 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스 및 히비어 브라질리엔시스의 혼합물을 포함하며, 상기 바이오매스 고체 연료의 벌크 밀도는 0.66 kg/l 내지 0.68 kg/l이며, 기계적 내구성은 97% 이상이며;
상기 벌크 밀도는 DIN EN 15103에 따라 결정되며, 상기 기계적 내구성은 DIN EN 15210-1에 따라 결정되는, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
(i) 상기 바이오매스 고체 연료의 총 건조 황 함량은 0.05 wt% 이하, 바람직하게는 0.03 wt% 이하, 가장 바람직하게는 0.02 wt% 이하이며, 상기 총 건조 황 함량은 DIN EN 15289에 따라 결정되며; (ii) 상기 바이오매스 고체 연료의 총 건조 수소 함량은 5 wt% 이상, 바람직하게는 5 wt% 내지 10 wt%, 좀 더 바람직하게는 5 wt% 내지 7 wt%이며, 상기 총 건조 수소 함량은 DIN EN 15104에 따라 결정되며; (iii) 상기 바이오매스 고체 연료의 총 건조 산소 함량은 34 wt% 이상, 바람직하게는 34 wt% 내지 40 wt%, 좀 더 바람직하게는 34 wt% 내지 38 wt%이며, 상기 총 건조 산소 함량은 DIN EN 15296에 따라 결정되며; (iv) 상기 바이오매스 고체 연료의 총 건조 탄소 함량은 50 wt% 이상, 바람직하게는 53 wt% 내지 60 wt%, 좀 더 바람직하게는 53 wt% 내지 58 wt%이며, 총 건조 탄소 함량은 DIN EN 15104에 따라 결정되며; 및/또는 (v) 상기 바이오매스 고체 연료의 총 건조 질소 함량은 0.3 wt% 미만, 바람직하게는 0.25 wt% 미만, 좀 더 바람직하게는 0.2 wt% 미만이며, 상기 총 건조 질소 함량은 DIN EN 15104에 따라 결정되는, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 바이오매스 연료는 최대 20일, 바람직하게는 최대 30일, 좀 더 바람직하게는 최대 40일 동안 방수성을 갖는, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
(i) 물에 침지되는 경우 상기 고체 바이오매스 연료의 화학적 산소 요구량 (COD)은 5000 ppm 이하, 바람직하게는 4000 ppm 이하, 가장 바람직하게는 3000 ppm 이하이며, 상기 화학적 산소 요구량은 GB/11914-89에 따라 결정되며; (ii) 상기 고체 바이오매스 연료의 고정 탄소 함량은 25 wt% 이상, 바람직하게는 25 wt% 내지 35 wt%, 좀 더 바람직하게는 25 wt% 내지 32 wt%이며; (iii) 상기 고체 바이오매스 연료의 회분(ash content)은 5 wt% 미만, 바람직하게는 2.5 wt% 미만, 가장 바람직하게는 2 wt% 미만이며; 및/또는 (iv) 상기 고체 바이오매스 연료의 휘발물 함량(volatile matter content)은 60 wt% 내지 80 wt%, 좀 더 바람직하게는 60 wt% 내지 70 wt%인, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 바이오매스 연료의 수분 함량은 5 wt% 미만, 바람직하게는 2.5 wt% 미만, 및 가장 바람직하게는 2 wt% 미만이며, 및/또는 상기 고체 바이오매스 연료의 열량은 5000 kcal/kg 건중량 내지 7000 kcal/kg 건중량인, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 몰드된 바이오매스 생산물의 벌크 밀도는 A이며, 상기 고체 바이오매스 연료의 벌크 밀도는 B이며, 여기서 B/A는 0.55 내지 1이며, 상기 벌크 밀도는 DIN EN 15103에 따라 결정되는, 고체 바이오매스 연료의 생산공정.
전술한 청구항 중 어느 하나의 공정에 따라 얻어지거나 또는 얻어질 수 있는 고체 바이오매스 연료.
고체 바이오매스 연료로서,
하나 이상의 바이오매스 소스로부터 유래되며, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 (i) 파바세애 과의 종, (ii) 짚, 왕겨 및 야자각의 혼합물, 또는 (iii) 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스 및 히비어 브라질리엔시스의 혼합물을 포함하는, 고체 바이오매스 연료.
청구항 17에 있어서,
상기 하나 이상의 바이오매스 소스 또는 고체 바이오매스 연료는 청구항 2, 3 또는 9 내지 15 중 어느 하나에서 정의된 바와 같은, 고체 바이오매스 연료.
에너지를 생산하도록 청구항 16 내지 18 중 어느 하나에 따른 고체 바이오매스 연료를 연소시키는 단계를 포함하는 연소 공정.
청구항 19에 있어서,
상기 고체 바이오매스 연료는 석탄과 같은 화석 연료와 함께 공-소성되고 연소되는, 연소 공정.
청구항 20에 있어서,
상기 공정의 PM1.0 배출은 175 mg/kg 미만, 바람직하게는 150 mg/kg 미만인, 연소 공정.
연소 공정에서 연료로서 청구항 16 내지 18 중 어느 한 항에 따른 고체 바이오매스 연료의 사용방법으로, 선택적으로 상기 연소 공정은 석탄과 같은 화석 연료와 함께 고체 바이오매스 연료를 공-소성하는 단계를 포함하는, 고체 바이오매스 연료의 사용방법.
청구항 22에 있어서,
상기 연소 공정의 PM1.0 배출은 175 mg/kg 미만, 바람직하게는 150 mg/kg 미만인, 고체 바이오매스 연료의 사용방법.
고체 바이오매스 연료를 생산하기 위한 하나 이상의 바이오매스 소스의 사용방법으로, 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 (i) 파바세애 과의 종, (ii) 짚, 왕겨 및 야자각의 혼합물, 또는 (iii) 아카시아 만기움, 알바지아 치넨시스 및 히비어 브라질리엔시스의 혼합물을 포함하며, 선택적으로 상기 하나 이상의 바이오매스 소스는 청구항 2 또는 3에서 정의된 바와 같은, 바이오매스 소스의 사용방법.
청구항 24에 있어서,
상기 사용방법은 청구항 1 내지 15 중 어느 하나에 따른 공정에서 하나 이상의 바이오매스 소스를 사용하는 단계를 포함하며, 및/또는 상기 고체 바이오매스 연료는 청구항 16 내지 18 중 어느 하나에서 정의된 바와 같은, 바이오매스 소스의 사용방법.