KR20220017916A - 과립 생산을 위한 증기-분해된 바이오매스 및 리그닌의 혼합물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오매스 개선 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 과립화된 가연성 생성물을 제조하기 위한 증기-분해 단계를 포함하고 상기 과립화 단계 전에 바이오매스의 증기 분해로부터 결과된 중간 미분 생성물과 높은 리그닌 함량을 갖는 미분 물질을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

과립 생산을 위한 증기-분해된 바이오매스 및 리그닌의 혼합물

본 발명은 특히 높은 발열량을 갖는 "검은 펠릿(black pellet)" 유형의 연료의 생산을 위한 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 개발 분야에 관한 것이다.

기술 분야

리그노셀룰로오스계 바이오매스(목재, 농업 폐기물, 농업 및 농업 산업의 부산물)의 에너지 밀도가 높고, 운송가능하며 쉽게 저장할 수 있는 화합물로의 변환은 고정 에너지 산업 부문(바이오연료 오일과 대조적으로 가정에서 고정된 지점에서 사용되는 바이오연료)을 개발 및 강화하고, 환경 영향(CO₂ 화석 배출, 비료 또는 식물위생제가 없는 바이오매스)을 감소시킬 수 있다.

검은 펠릿들은 습기에 의한 열화에 저항성이 있는 원통들로 길이는 1 내지 3 cm 이며 우수한 기계적 저항성을 가져 탄소와 유사한 보관 및 취급이 가능하다. 이것들의 연소는 재를 거의 생성하지 않으며, 18 내지 20 줄(joule)/건조 물질의 그램(gram)에 가까운 보다 낮은 발열량(lower calorific value, LCV)를 갖는다.

검은 팰릿들은 열처리 후 펠릿 또는 콤팩트의 생산을 위해 성형될 때 방수가 되는 물질의 제공을 가능하게 하는 급격한 감압을 거친 리그노셀룰로오스계 바이오매스로부터 생산된다. 실제로 제1 물질은 증기에 노출되어 보다 미세한 입자들을 방출하여 물질이 응집 또는 성형 단계에서 상당한 응집력을 나타내도록 한다.

선행기술

유럽 특허 EP2373767B1은 리그닌 함유 물질로부터 검은 팰릿들을 생산하기 위한 불연속 방법을 설명하는 선행기술로 알려져 있다.

이 방법은 다음으로 구성된 단계들을 포함한다:

(a) 0 내지 20 중량%의 상대 습도 함량을 갖는 리그닌 함유 물질을 반응기로 통과시키는 단계;

(b) 반응기로 증기를 주입하여 상기 리그닌 함유 물질을 180 내지 235℃로 가열하는 단계;

(c) 상기 물질을 연화시키고 리그닌을 방출시키기 위해 상기 물질을 반응기 내에서 1 내지 12 분 동안 도달된 온도로 유지하는 단계;

(d) 적어도 하나의 단계에서 반응기 내의 압력을 감소시키는 단계; 및

(e) 정제 또는 콤팩트를 형성하기 위해 처리된 물질을 성형하는 단계.

리그닌 함유 물질은 25 mm 길이의 부스러기 형태인 목재, 대나무, 버개스(bagasse), 짚 또는 풀을 포함하는 물질인 리그노셀룰로오스계 물질이다. 반응기의 최종 압력 감소는 증기 폭발에 의해 급작스럽게 발생하여 상기 물질이 섬유 분리된다.

국제 특허 WO2019/054913A1은 목재로부터 연료 정제 또는 콤팩트의 생산을 가능하게 하는 펄프 생산 방법을 설명한다. 상기 방법은 펠릿화하기 전에 증기를 사용하여 높은 압력 및 온도에서 나무껍질의 연속적인 열처리를 포함한다. 열처리는 5 내지 30 bar, 또는 바람직하게는 15 내지 15 bar의 압력에서 수행될 수 있으며 150 내지 240℃의 온도에서 수행될 수 있다. 이는 25분 미만 또는 보다 바람직하게는 15분 미만에 걸쳐 수행될 수 있다.

미국 특허 US 2015/361367A1은 또한 증기-분해 단계를 포함하는 농축 하위 시스템으로부터 유래하는 비변환 바이오매스와 펠릿화 하위 시스템으로부터 유래하는 변환 바이오매스 모두로 형성된 바이오매스부터 펠릿들을 제조하는 방법을 설명한다.

마지막으로, 미국 특허 US2018/334630A1은 가공되지 않은 바이오매스로부터 조작된 토양을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 증기를 사용하여 물질을 농축하는 단계 및 그 후 증기 분해하는 단계를 포함한다.

선행기술의 단점

검은 펠릿들을 제조하기 위한 선행기술의 해결책들은 유망하다. 그러나, 그들은, 특히 펠릿의 부피 당 제공되는 에너지의 양에서 한계를 가지며, 이는 막대 형태 또는 백색 펠릿 형태의 바이오매스보다 크지만 여전히 동일한 부피 또는 무게의 탄소보다 30 내지 40% 적다.

또한, 리그닌 농축은 상이한 방법들의 단계로부터 유래한 바이오매스, 또는 심지어 증기-분해 단계 후 처리된 바이오매스로부터 유래하지 않은 리그닌을 혼합하는 것을 통해 선행기술로부터 공지되어 있다.

본 발명에 의해 제공된 해결책

이러한 단점들을 극복하기 위해, 본 발명은, 가장 일반적인 의미에 따라, 바이오매스 개발 방법으로서, 상기 방법은 펠릿화된 연료 생성물을 생산하기 위한 증기 분해하는 단계를 포함하고, 상기 펠릿화 단계 전에 상기 바이오매스의 증기-분해로부터 유래하는 중간 미분 생성물 및 높은 리그닌 함량을 갖는 미분 물질을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법에 관한 것이다.

상기 바이오매스 개발 방법은 유리하게는 중간 미분 생성물을 생성하기 위한 증기-분해 단계를 포함하고, 상기 방법은 다음을 포함하는 것을 특징으로 한다:

- 한편으로는 화학적 또는 생화학적 화합물을 생성하고 다른 한편으로는 리그닌을 생성하기 위한 증기-분해로부터 유래하는 상기 중간 생성물의 제1 화학적 또는 생화학적 처리

- 상기 중간 생성물 및 상기 제1 처리에 의해 적어도 부분적으로 얻어진 리그닌을 혼합하는 것에 의한 제2 처리

- 상기 제2 처리의 종료시 혼합물을 펠릿화하는 펠릿화 단계.

따라서, 본 발명은 바이오매스 개발 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 펠릿화된 연료 생성물을 생성하기 위한 증기-분해 단계를 포함하고, 상기 펠릿화 단계 전에 바이오매스의 증기-분해로부터 유래하는 중간 미분 생성물 및 높은 리그닌 함량을 갖는 미분 물질을 혼합하는 단계를 포함하고, 중간 미분 생성물을 생성하기 위한 증기-분해를 단계를 포함하는 것 및 다음을 포함하는 것을 특징으로 한다:

- 증기-분해된 바이오매스를 생성하기 위한 증기-분해 단계로서, 이의 적어도 50 중량%가 상기 증기-분해된 바이오매스의 잔류 부분의 화학적 또는 생화학적 처리에 의해 수득된 목질 부분과 혼합되는 단계.

- 상기 혼합물을 펠릿화하기 위한 펠릿화 단계.

본 발명의 바람직한 구현예는 제1 처리 전 증기-분해로부터 유래하는 리그닌을 사용하는 것으로 구성된다.

이 해결책은 바이오매스에 자연적으로 존재하는 부산물, 즉, 이의 질량의 20% 내지 30%를 나타내는 리그닌을 사용하는 것으로 구성되며, 이는 초기 바이오매스보다 50% 초과 보다 더 많은 단위 발열량, 및 바이오매스에 추가적인 에너지 성분을 추가하지 않고 검은 펠릿을 풍부하게 하기 위한 다수의 소수성 및 응집 특성을 갖는다.

본 발명의 의미 내에서, "높은 리그닌 함량을 갖는 물질"은 적어도 50% 리그닌을 함유하는 물질을 의미한다.

상기 방법은 유리하게는 상기 펠릿화 단계 전 증기-분해된 리그닌 물질 및 제2 처리로부터 유래하는 높은 리그닌 함량을 갖는 물질을 혼합하는 단계를 포함한다.

일 구현예에 따르면, 높은 리그닌 함량을 갖는 상기 물질은 바이오매스에 함유된 리그닌의 수준 보다 더 많은 함량을 갖는 고체 부산물이다. 이러한 종류의 물질은 예를 들어 초기 바이오매스의 발열량보다 10%이상 더 큰 발열량을 가질 수 있다.

특정 구현예에 따르면, 상기 높은 함량 물질은 제지 산업에서 흑액 처리의 리그닌 부산물이다.

바람직하게는, 높은 리그닌 함량을 갖는 물질의 2 내지 30%는 증기-분해된 바이오매스의 추가량과 혼합된다.

따라서, 본 발명에 따른 펠릿화된 연료 생성물은 리그닌의 농축, 리그닌의 구조를 변형시키는 증기 분해의 장점에 의해 달성되는 두 유형의 미분 생성물들 사이의 응집력으로 인해 증가된 발열량을 가진다.

또한 본 발명은 바이오매스 개발을 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 증기 분해기, 펠릿화 스테이션, 및 리그닌 생성을 위해 상기 증기-분해된 생성물의 일부를 변형시키기 위한 변형 스테이션으로 구성되고, 상기 변형 스테이션에 의해 생성된 증기-분해된 생성물의 일부 및 리그닌의 적어도 일부를 상기 펠릿화 스테이션에 공급하기 위한 공급 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 비제한적인 구현예의 상세한 설명

본 발명은 다음의 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 비제한적인 구현예의 다음의 상세한 설명을 읽으면 보다 명확하게 이해될 것이다:

- [도 1] 도 1은 본 발명의 개략도이다.

본 발명의 일반적 원리

도 1은 본 발명을 구현하기 위한 장치의 흐름도이다.

그것은 다음으로 구성된 단계들을 포함하는 리그닌을 함유하는 바이오매스로부터 정제들 또는 콤팩트들("검은 펠릿"이라고도 함)을 제조하는 방법을 구현한다:

(a) 먼지, 톱밥, 부스러기들, 파편들, 셀룰로오스 부스러기들, 조각들, 트리밍들(trimmings) 또는 찌거기들의 형태를 얻기 위해, 수 입방 센티미터의 입자들의 감소를 수행하고 선택적으로 부분 건조를 수행하기 위한 장치(10)에서 바이오매스(1)를 전처리하는 것.

(b) 반응기(20)로 증기(21)를 주입하여 바이오매스의 입자들을 180 내지 235℃의 온도로 가열하기 위해 전처리된 바이오매스를 반응기(20)로 통과시키는 단계. 제1 공급 챔버 (22)는 무한 스크류를 포함하거나 중력의 영향하에 통과를 허용하는 반응 챔버(20)를 향해 바이오매스를 운반하고, 물질을 연화하고 리그닌을 방출하기 위해 밸브(24)가 있는 출구 구역(23)까지 1 내지 12분 사이에 도달된 온도에서 가수분해된 물질을 반응기로 운반하여 저압 구역으로 통과한 후 증기-분해된 바이오매스의 추출을 가능하게 한다.

선택적으로, 폐가스(25)의 일부는 추가 개발을 위해 회수된다.

상기 반응기(20)의 출구에서 분리가 수행되고 증기-분해된 바이오매스의 일부는 부가가치를 갖는 화합물들, 예를 들어 고분자 당들(셀룰로오스 및 헤미셀룰로오스) 또는 글루코스 또는 자일로스와 같은 당들 및 나아가 리그닌이 풍부한 부산물을 추출하기 위한 처리를 보장하는 제2 반응기(30)로 도입된다.

상기 리그닌이 풍부한 부산물은 믹서(40)에서 증기-분해된 바이오매스와 혼합되고 그 후 리그닌이 풍부한 연료 펠릿들을 형성하기 위해 펠릿화 프레스(50)에서 압축된다.

증기 분해 처리의 효과는 바이오매스 섬유 매트릭스를 비구조화하여 발효성 단당류들의 보다 쉬운 방출을 가능하게 하는 것이다.

그것은 섬유질 구조 내에 큰 기공을 생성하여 가수분해 반응을 초래함으로써 셀룰로오스 부분의 접근성을 증가시키는 것을 가능하게 하는 헤미셀룰로오스 부분의 분리를 초래한다. 또한 그것은 셀룰로오스의 결정화도 감소를 촉진한다. 다양한 연구들은 열화학 처리들이 셀룰로오스 부분의 결정도 지수를 증가시켜 기질의 접근성을 감소시키는 경향이 있음을 보여준다.

최종적으로, 셀룰로오스 섬유들에 대한 접근은 셀룰로오스 부분을 둘러싸고 있는 매트릭스인 리그닌의 존재에 의해 크게 제한된다. 상기 리그닌의 제거는 가수분해 작업을 수행하기 위해 필수적이다.

또한 상기 장치는 리그닌을 포함하는 증기-분해된 물질을 풍부하게 하기 위해 원격 생산 현장으로부터 유래하는 리그닌을 믹서(40)에 도입할 가능성을 제공한다.

목표는 5000 kWh/ton의 초기 바이오매스에 대해 5300 kWh/ton이상의 발열량을 갖는 펠릿화된 연료들을 생산하는 것이다.

증기 분해는 발열량을 산술적으로 증가시키는 고체 잔류물로부터 저에너지 휘발성 산소화된 분자들을 추출하여 상기 발열량을 증가시켜 허용 가능한 경제적 조건들에서 5200 내지 5400 kWh/ton에 도달한다. 제2 반응의 부산물에서 유래하고 7500 kWh/ton의 발열량을 갖는 리그닌을 대략 2 중량% 내지 30 중량% 수준으로 첨가하는 것은 펠릿들의 품질을 향샹시키는 것을 가능하게 한다.

흑액의 리그닌 부산물의 첨가

이로운 변형에 따르면, 증기 분해된 바이오매스에 혼합된 리그닌은 액체 리그닌 상을 형성하기 위해 제지 산업에서 생산된 흑액의 처리의 부산물로부터 회수된다.

종이 제조에 사용되는 흑액으로부터 리그닌을 회수하는 세 가지 방법이 통상적으로 사용된다. 1940년대 찰스턴(사우스 캐롤라이나)에 위치한 호스트 크라프트 공장 근처에서 시행된 첫 번째 방법은 분말화된 리그닌을 생산할 수 있으며 높은 염 함량의 단점을 갖는다. 염은 가마에서의 높은 농도의 재들의 문제를 야기한다. 더욱이 높은 함량의 재들은 리그닌을 함유하는 녹색 화학 적용의 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이 리그닌의 2 내지 5%와 증기 분해의 결과의 혼합물은 큰 단점 없이 발열량을 풍부하게 할 수 있다.

1990년대 이후에 개발된 두 번째 방법은 플리머스(노스 캐롤라이나)의 호스트 펄프 공장에서 사용된다. 이 두 번째 방법은 낮은 염 함량을 갖는 리그닌을 생산하며 이는 연료로서 사용될 수 있다. 지난 10년에 걸쳐 개발된 세 번째 방법은 앨버타주 힌턴의 종이 펄프 공장에 생산 장치로 시작된다.

이 세 가지 기술들은 강산으로서 황산을 사용하며 이는 염수 흐름의 형태로 상당한 수준의 황산나트륨을 생성한다. 나트륨을 회수하기 위해 황산나트륨은 충전물에 황을 가함으로써 제지 회수 시스템으로 통합되어야 한다. 제지 과정에서 황을 첨가하지 않기 위해서는 리그닌 추출 공정이 필요하다.

흑액으로부터 리그닌의 부분(최대 30%)를 제거하는 것은 회수 보일러의 최대 생산량에 도달한 펄프 및 종이 공장이 증기 분해된 바이오매스의 발열량 품질을 개선하기 위해 믹서(40)로 배출 및 주입되는 동일한 리그닌 부분의 생산을 증가시키는 것을 허용한다.

Claims (5)

1. 바이오매스 개발 방법으로서,
   상기 방법은 펠릿화된 연료 생성물을 생산하기 위한 증기-분해 단계를 포함하고, 상기 펠릿화 단계 전 상기 바이오매스의 증기-분해로부터 유래하는 중간 미분 생성물 및 높은 리그닌 함량을 갖는 미분 물질을 혼합하는 단계를 포함하고,
   상기 방법은 중간 미분 생성물을 생성하기 위한 증기-분해 단계를 포함하고 다음을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
   - 증기-분해된 바이오매스를 생성하기 위해 증기-분해하는 단계로서, 이의 적어도 50 중량%가 상기 증기-분해된 바이오매스의 잔류 부분의 화학적 또는 생화학적 처리에 의해 수득된 목질 부분과 혼합되는 단계,
   - 상기 혼합물을 펠릿화하기 위한 펠릿화 단계.
2. 초기 바이오매스의 10% 초과 보다 큰 단위 발열량을 갖는 펠릿의 제조 방법으로서,
   상기 방법은 증기 분해에 의해 분말을 제조한 후 펠릿화하는 단계를 포함하고,
   상기 방법은 상기 펠릿화하는 단계 전에 증기-분해된 미분 물질 및 제2 처리로부터 유래하는 적어도 50% 리그닌을 포함하는 물질을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 방법은 적어도 50% 리그닌을 포함하는 상기 물질이 바이오매스 내에 함유된 리그닌의 수준보다 더 큰 함량을 갖는 고체 부산물인 것을 특징으로 하는, 초기 바이오매스의 10% 초과 보다 큰 단위 발열량을 갖는 펠릿의 제조 방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 방법은 적어도 50%의 리그닌을 포함하는 물질의 2 내지 30%가 증기-분해된 바이오매스의 추가량과 혼합되는 것을 특징으로 하는, 초기 바이오매스의 10% 초과 보다 큰 단위 발열량을 갖는 펠릿의 제조 방법.
5. 바이오매스 개발을 위한 장치로서,
   상기 장치는 리그닌 생산을 위해 증기 분해기(20), 펠릿화 스테이션(50) 및 상기 증기-분해된 생성물의 일부를 변형시키기 위한 변형 스테이션(30)에 의해 형성되고,
   상기 장치는 상기 변형 스테이션(30)에 의해 생성된 증기-분해된 생성물의 일부 및 리그닌의 적어도 일부를 상기 펠릿화 스테이션(50)에 공급하기 위한 공급 수단(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.

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