KR20220022787A - 바이오매스 반탄화 냉각방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피탄화품에 대한 블로우 온도의 유지 및 처리 시간을 제어 가능하게 함으로써, 목재를 포함한 바이오매스를 이용한 균일한 반탄화물을 얻을 수 있는 바이오매스의 반탄화 냉각방법에 관한 것으로 연소실로 생성된 열풍과 탄화실 내 공간 사이의 열교환 효율을 비약적으로 상승시키고 복사열로서의 열풍이 가지는 열에너지를 최대한 이용해 비교적 낮은 열에너지라도 단시간에 안정된 반탄화 처리를 실현하는 효과가 있다.

Description

바이오매스 반탄화 냉각방법{biomass torrefaction fuel cooling method}

본 발명은 유기질 바이오매스 원료, 특히 목질 바이오매스 원료를 반탄화 처리함으로써 바이오매스 연료를 냉각하는 방법에 관한 것이다.

가정 및 공장에서 발생하는 하수의 처리 시 발생하는 하수슬러지, 또는 일반 가정이나 음식점에서 배출되는 음식물쓰레기, 축산농가에서 배출되는 우분, 돈분, 계분 등의 축산분뇨 등의 유기성폐기물 처리는 사회적 문제로 대두되고 있다. 이는 하수슬러지, 음식물쓰레기 및 축산분뇨와 같은 유기성폐기물의 해양배출이 금지되고, 유기성폐기물을 이용한 퇴비나 연료 등의 활용도가 낮기 때문이다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 다양한 수단들이 제시되었으며, 예를 들면 하수 슬러지와 음식물쓰레기 및 가연성 폐기물을 이용한 고체연료의 제조방법이 개시되었다.

음식물 쓰레기와 가연성 폐기물을 이용한 고체연료 제조방법은, 하수 슬러지를 함수율 10~20% 이하로 건조시킨 다음 분쇄하는 과정과, 음식물쓰레기 70%(중량비)를 황토 10%(중량비):갈탄 10%(중량비): 코우크스 10%(중량비)의 첨가제와 혼합하는 과정과, 가연성 폐기물을 입도 30~50mm의 크기로 분쇄시키는 과정과, 건조시킨 하수 슬러지, 첨가제를 혼합한 음식물쓰레기, 분쇄시킨 가연성 폐기물을 하수 슬러지 30%(중량비): 음식물쓰레기 30%(중량비): 가연성 폐기물 40%(중량비)의 비율로 혼합하는 과정과, 혼합물을 수분함유율이 10% 이하가 되도록 건조시키는 과정과, 혼합과 건조가 이루어진 혼합물에 조연제를 첨가하여 일정 크기로 압출, 성형하는 과정으로 이루어진 것이다.

이러한 방법에 의하면, 하수 슬러지와 음식물 쓰레기 및 가연성 폐기물을 건조하고 혼합하고, 갈탄과 코우크스 등을 혼합한 후 일정한 크기로 압출 성형함으로써 음식물 쓰레기와 하수 슬러지 등을 재활용하여 사용할 수 있었다.

그러나, 이와 같은 종래기술에 의한 음식물 쓰레기를 이용한 고체연료 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있었다.

함수량이 높은 하수슬러지, 음식물쓰레기 및 축산분뇨의 함수량을 낮추기 위한 비용이 많이 소요되어, 하수 슬러지와 음식물 쓰레기를 건조시키는데 많은 에너지가 사용되는 문제점이 있었던 것이다.

또한, 전술한 방법에 의해 제조된 음식물 쓰레기와 하수 슬러지를 이용한 고체연료는, 음식물 쓰레기와 하수 슬러지 등은 연료로서 충분한 발열량을 내지 못했기 때문에 발열량을 높이기 위해서 갈탄이나 코우크스 등을 혼합함으로써, 발열량을 높이기 위한 비용이 증가하는 문제점이 있었던 것이다.

2016년 세계 경제 포럼(WEF : World Economic Forum)에서 처음 언급된 4차 산업혁명과 더불어 미래의 환경기술 및 환경문제에 대해 다양하게 논의되고 있다. 특히 환경정보화 발전방안으로 사물인터넷(IoT), 빅데이터, 인공지능(AI) 등의 발전방안이 이루어지고 있고, 환경문제와 관련해서 지능형 대기오염물질 관리예측, 가축분뇨 전자인계관리시스템 적용 등의 접근이 이루어지고 있으며 환경적인 문제에 대한 관심도 증가하고 있다.

대기, 수질, 생태계 등 다양한 환경문제 중 수질문제는 점오염원으로 생활오염원, 산업오폐수, 축산폐수 등이 있고, 비점오염원은 강수에 의한 유출로 넓은 면적에서 발생하는 특징을 가지고 있다. 특히 수질오염원 중 하수슬러지와 가축분뇨 등을 활용한 유기성 바이오매스는 과거 해양에 투기했지만 런던협약 발효로 더 이상 해양 배출이 불가능하게 됐다. 또한 유기성 바이오매스는 자원 재활용이 가능한 폐자원인 동시에 심각한 환경 오염원이기도 하다.

국가하수도정보시스템에 따르면 하수슬러지의 발생량은 하수시설 확충, 총인처리시설 설치 등에 따라 지속적으로 늘어나고, 이로 인해 악취의 문제도 가속화되고 있는 실정이다. 하수슬러지 발생량을 살펴보면 2007년 7,518 톤/일에서 2011년 8,438 톤/일로 증가하였고, 2020년 12,728 톤/일로 추정되며, 연평균 5.9%의 증가추세에 있다.

한편, 축산폐수는 유기물질 함량이 높아 발생량에 비해서 수질오염 부하량이 큰 특징을 가지고 있다. 국가의 축산진흥정책과 국민들의 육류 및 유제품 소비 증가 등 식생활 변화에 따라 과거 가내 축산농업에서 기업형 대규모로 변화하면서 가축분뇨의 배출량도 증가하였다. 농림축산식품부에 따르면 가축분뇨 발생량은 2013년 기준 약 47,232천 톤 정도가 배출되고 있으며, 처리현황은 퇴비화 80.7%, 액비화 8.5%, 개별농가 정화방류 3.3%, 공공처리 정화방류 5.3%, 기타(증발 등) 2.2%, 해양배출 0%로 나타났다.

환경부 발표 자료(가축분뇨공공처리시설 성능평가 및 운영기술지원, 2007)에 따르면 가축분뇨 배출량이 우리나라 전체 하·폐수 대비 0.6% 정도에 불과하지만 공공수역에 배출 시 미치는 오염물질 발생부하는 25.8%로 동일 유량 대비 '생활하수보다 67배(BOD 발생부하량 기준)가 많은 것으로 추정'할 만큼, 오염부하량이 높아 상수원 수질저하의 심각한 원인을 초래하고 있다.

특히 가축분뇨가 혐기 분해되는 과정에서 발생되는 메탄가스는 이산화탄소보다 20~25배 더 높은 온난화 효과가 있는 것으로 알려져 있어 이에 대한 처리가 시급한 상황이다. 또한 유기성 바이오매스는 화석연료를 대체하고 온실가스 발생을 줄여 기후변화에 대응하는 수단으로서 폐자원 에너지화 추진에 있어 2015년 12월 채택된 파리협정에서 이야기하는 기후변화 대응과 온실가스 감축 활동이 강조되고, UN에 제출한 기여방안(INDC)에 따라 2030년까지 배출전망치(BAU) 대비 37% 감축목표를 국제사회에 공표하면서 더욱 중요할 실정이다.

유럽·미국·일본 등은 지속가능 국가발전의 원동력을 "에너지 안보"로 규정하고 "경쟁력 있는 에너지 확보"라는 목표 아래 기후변화협약과 연계한 재생에너지 정책을 추진하고 있다. 특히 신재생에너지 분야에 대해 선진국은 에너지 안보 및 온실가스 감축정책의 핵심으로 신재생에너지 확보를 통해 Post-2020 신기후체제에 대응하고자 하고 있다. 독일은 1990년대부터 폐자원 에너지화사업을 추진하여 에너지화 기술 우월 선점 및 국가 성장동력으로 활용하고 있으며, 미국은 2001년 국가 에너지 정책을 수립하였고, 바이오에너지 확대 보급을 추진하고 있었다. 또한 일본은 2002년 바이오매스 일본 종합전략을 발표하고 바이오매스 에너지 정책을 추진하여, 2009년 바이오매스 기본법을 제정하였고, 2016년 현재 바이오매스 중 가축분뇨의 발생 및 이용 정도가 가장 높은 구조로 바이오매스에 대한 사업의 실효성을 제고하고 있었다.

또한, 우리나라에서도 2009년 환경부와 농식품부 등 관계부처합동으로 폐자원 및 바이오매스 에너지로 저탄소녹색성장을 선도하고자 폐자원 고형연료에 대한 연구 및 정책이 진행되었고, 하수슬러지, 가축분뇨, 음식물폐기물 등 유기성폐기물에 대한 활용방안과 재생에너지에 대한 논의가 지속되고 있는 실정이며, 최근 유기성 폐기물 발생량 증가 및 처리비용 상승에 대한 대책마련이 필요한 실정이다.

유기성 폐기물처리방법으로 열화학적 전환방법이 주목을 받고 있는데, 열화학적 전환 방법으로는 저속 열분해(Slow pyrolysis), 고속 연분해(Fast pyrolysis), 그리고 열수가압탄화반응(HTC : Hydrothermal carbonization)이 있다. 특히 열수가압탄화반응은 수분을 함유한 원재료를 상대적으로 저온(180 ℃ ~ 250 ℃)에서 탄화시키는 방법으로, 탄화 반응조건에 따라 Biogas, Bioliquid, 탄소격리체 등이 있다.

바이오매스를 산소가 차단된 상태에서 열분해하여 생산한 탄소격리체는 토양에 처리 시, 탄소격리, CEC 증진 및 산도 조절, 보수력 및 보비력 향상, 토양 미생물 활성 등 토양의 질을 개선하여 작물 생산성을 높여 준다(Atkinson et al., 2010; Lehmann et al., 2003). 또한 N2O와 같은 온실가스 배출을 저감시키며(Zhang et al., 2010), 오염원의 흡착 및 안정화(Beesley et al., 2011; Chen et al., 2011) 등 다양한 기능이 있다.

탄소격리체는 바이오매스 종류, 열분해 온도 등에 따라 매우 다른 특성을 지닌다(Lehmann, 2007b). 따라서 넓은 지역에 사용할 목적으로 탄소격리체를 생산하려면 주변 환경에서 쉽게 구할 수 있고, 대량 생산이 가능한 바이오매스를 선택해야 한다.

현재 하수슬러지 발생량은 매년 증가하고 높은 수분과 염분, 악취 등으로 처리에 어려움을 겪고 있고, 가축분뇨 발생량 중 가장 많은 비중을 차지하는 우분도 직접적인 퇴비화 및 액비화로 이용 시 악취발생 및 부숙기간이 필요하며 장거리 이송이 어렵고 살포 시에도 취급에 한계가 있다. 또한, 하수슬러지 및 가축분뇨 등은 하수처리장 연계처리에도 부담이 있으며, 하수슬러지는 탈수효율 감소 등 발생되는 슬러지 발생량 증가로 위탁처리비 증가, 연간 하수처리장 운영비 증가 등의 어려움이 있는 실정이다.

가축분뇨인 우분은 오염부하량이 매우 높은 고농도의 오염물질이기 때문에 유출될 시 수질 및 토양오염의 영향이 큰 반면에 작물생육에 필요한 성분인 질소, 인, 칼슘, 마그네슘, 나트륨 등과 같은 물질도 포함하고 있어 적절한 처리 과정을 거치면 토양개량제로서의 가치가 높아질 수 있다.

우리나라의 가축분뇨 처리방법으로 자원화, 정화방류, 해양투기 등으로 시행되고 있으며, 2012년 가축분뇨의 해양배출 금지로 전체 발생량 대비 해양투기의 비중이 2010년 약 2.3%에서 2012년 0%로 감소하였고, 자원화 비중은 2010년 약 86.6%에서 2012년 약 88.7%로 증가하여 가축분뇨의 자원화가 활발하게 적용되는 것을 알 수 있다.

가축분뇨의 자원화 방법으로 퇴비화, 액비화 등이 있으며, 퇴비화 처리기술은 요와 분에 따라 구분되어진다. 퇴비화는 일반적으로 유기물이 미생물에 의해 분해되어 안정화되는 과정을 의미한다. 이로 인해 발생되는 최종 물질이 환경에 악영향을 주지 않으며, 토양에 사용 가능하고, 저장하기에 충분한 부식토 상태의 물질로 변화시키는 생화학적 공정 또는 고체 유기성분을 인위적인 조건 하에서 연속적으로 생물학적 처리를 하는 것으로 정의된다. 퇴비화는 고형물 처리에 효과적이고 장거리 운송이 가능하다는 장점을 가진다. 또한 가축분으로 제조된 퇴비는 산업부산물로 제조되는 퇴비보다 품질이 우수하기 때문에 토양의 물리성, 화학성 및 미생물상이 개선되어 작물이 생육하기 좋은 환경을 만든다.

퇴비화의 방법으로는 퇴비사 처리, 깔짚우사의 퇴비사 처리, 통풍식 톱밥발효, 교반식 톱밥발효 등이 있다

액비화는 가축의 사육과정에서 발생되는 분, 요 및 청소수의 혼합물인 액상분뇨 또는 기타 가축분뇨 처리과정(혐기발효 폐액 등)에서 발생되는 물질을 비료로 활용할 목적으로 수집, 저장하고 일정기간 동안 부숙시켜 병원성 미생물, 충란, 잡초종자 등을 사멸시키고 난분해성 물질 등을 분해하여 환경에 노출되어도 위해성이 없고 경종적으로 안정화된 액상물을 말한다.

액비화의 처리방법은 혐기성 처리법과 호기성 처리법이 있으며, 일반적으로 호기성 처리법이 혐기성 처리법보다 부숙속도가 빠르나 우리나라에 설치되어 있는 액비 저장시설의 대부분은 주로 일정기간 저장하여 자연부숙시킨 후 토양으로 환원하는 혐기성 처리시설이다. 혐기적 처리시설은 악취발생이 심할 뿐 아니라, 긴 부숙기간 필요, 고형물의 침전, 병원성 미생물 발생 등의 문제점을 가지고 있다. 반면 호기성 처리시설은 저장조에 폭기 및 교반장치를 설치하여 공기가 액비 내에 공급되도록 하는 방법으로서 짧은 부숙기간, 악취저감, 병원성 미생물 발생 저감 등의 장점을 갖고 있다.

이러한 액비화는 가축분뇨를 액상 처리하여 부수적인 재료구입의 문제점을 최소화 할 수 있을 뿐 아니라, 부수적으로 대체연료를 생산하여 분뇨 처리비용을 퇴비화보다 크게 절감시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만 장거리 이송이 어렵고 살포시 취급이 퇴비보다 불리하다는 단점을 가지고 있다.

정화방류 처리방법은 가축분뇨를 별도 처리하는 단독처리방법과 관련 환경기초시설인 하수종말처리장 등에 연계하여 처리하는 방법이 있다.

단독처리의 경우 방류수질을 만족할 수 있는 처리시설을 계획하여야 하나, 투자비와 유지관리의 어려움 등이 있으며, 연계처리의 경우 처리시설이 단순하고 투자비가 저렴하며 유지관리가 다소 쉽다. 다만, 연계처리의 경우 "가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률 시행규칙 제21조"에 의거하여 「공공처리시설에서 중간 처리한 가축분뇨를 공공하수처리시설로 유입하는 기준은 1. 공공처리시설에서 유입되는 오염물질부하량은 공공하수처리시설의 운영에 지장을 주지 아니하는 정도일 것, 2. 공공처리시설로부터 유입되는 총 질소 및 총 인의 양은 공공하수처리시설에서 처리할 수 있는 질소와 인의 100분의 10 이내일 것」규정된 내용과 같이 하수종말처리시설의 처리능력을 검토하여 BOD, COD, SS, T-N, T-P의 연계가능수질을 검토해야 한다

본 발명은 본 출원인에 의해서 등록받은 대한민국 등록특허공보 제10-1860037호를 개량한 발명으로 이러한 종래의 석탄 등의 고형 연료는 고온 건조 시 일정 온도 이상의 고온의 열풍을 이용할 경우 휘발분이 증발하여 휘발가스가 발생하고, 미분이 발생되어 휘발분과 미분분진이 발화온도에 도달하면 내부에서 착화되어 연소하게 된다.

즉, 일반적인 열교환된 고온의 건공기(산소농도 21%)를 이용할 때, 건조는 빠르게 진행되지만, 가연성 물질은 발화가 일어나게 된다.

가연성 물질의 발화를 막기 위하여 지금까지의 가연성 물질의 건조는 아주 낮은 온도(60~80℃)의 건공기를 이용하여 건조하거나, 직접 고온의 열풍과 접촉하지 못하게 스팀튜브 등과 표면접촉을 간접적으로 하게 하여 건조하였다.

저온의 공기 또는 간접 전달열에 의한 건조는 시간이 오래 걸리고 장치 또한 매우 커지게 되는데, 이때 고온의 직접적인 열풍을 이용하지 못하므로 저온으로 건조해야 하는데, 저온 건조 시스템의 규모가 커지게 되고, 에너지를 과다 소비해야 한다는 문제점을 개선하기 위한 발명이다.

한국공개특허공보 특2000-0033294호 한국공개실용신안공보 1998-0005225호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 이러한 문제점을 감안해 피탄화품에 대한 블로우 온도의 유지 및 처리 시간을 제어 가능하게 함으로써, 목재를 포함한 바이오매스를 이용한 균일한 반탄화물을 얻을 수 있는 바이오매스의 반탄화 냉각방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 바이오매스를 투입구에 투입하는 1단계; 상기 바이오매스를 내부에 포함하고 회전 구동하는 로터리킬른 내에 열풍관을 축방향으로 삽입하고 상기 열풍관에서 복수의 지관을 분기시키고 상기 지관에서 상기 로터리킬른 내에서 산소가 매우 적은 150℃~550℃ 범위 내의 열풍을 음압 상태 하에서 분사하는 2단계; 상기 열풍으로 생성된 반탄화 바이오매스상에 물을 적용하고 그 결과적으로 분진 및 유기 휘발물을 수반하는 증기 및 물을 포함한 냉각된 반탄화 바이오매스를 제조하는 3단계; 상기 분진 및 유기 휘발물을 수반하는 증기를 응축시켜 상기 분진 및 유기 휘발물을 포함한 응축물을 형성하는 4단계; 및 상기 분진 및 유기 휘발물을 포함한 응축물을 1단계에 투입하는 5단계;를 포함하는 바이오매스의 반탄화 냉각방법 일 수 있다.

또한, 상기 2단계와 상기 3단계 사이에 상기 로터리킬른은 이중관 형태로 상기 이중관의 외측관 내에 형성된 육각형의 벌집구조의 2면 이상이 타공된 복수의 육각열유로층;과 선택적으로 상기 반탄화 처리된 상기 바이오매스와 건조 하수슬러지, 건조 축분 또는 건조 음식물쓰레기 중 어느 하나 또는 2 이상을 각각 분쇄해 혼련하고 그 후 가압 성형하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 육각열유로층은 상기 육각형의 벌집구조를 형성하는 유로판에 열전달핀 역할을 수행할 수 있다.

또한, 상기 유로판은 표면에 요철형상이 형성되거나 상기 유로판이 복수의 굴곡이 형성될 수 있다.

또한, 상기 건조 하수슬러지, 건조 축분 또는 건조 음식물쓰레기의 수분량은 10 내지 20wt%일 수 있다.

또한, 상기 혼련 시 추가로 이온성 액체를 전체 혼합량 기준 0.1 내지 5wt%를 공급하며, 상기 혼련에 참여하는 이온성 액체로는 이미다졸륨계 화합물로 1-에틸아크릴레이트-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 (1-ethylacrylate-3- methylimidazolium chloride), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 (1-buthyl- 3-methylimidazolium chloride), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluoro phosphate), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄설포네이트(1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트(1-ethyl-3-methylimidazolium acetate), 1-벤질-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-benzyl-3-methylimidazoliumchloride), 1,3-디메틸이미다졸륨 메틸설페이트(1,3-dimethylimidazolium methylsulfate), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트 등이 있을 수 있으며, 에틸메틸이미다졸리엄 클로라이드([EMIM]Cl), 에틸메틸이미다졸리엄 브로민([EMIM]Br), 에틸메틸이미다졸리엄 요오드([EMIM]I), 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨, 1-에틸 이미다졸륨 니트레이트, 1-에틸 이미다졸륨 브로마이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-이미다졸륨 클로라이드, 1,2,3-트리메틸 이미다졸륨 메틸 설페이트, 1-메틸 이미다졸륨 클로라이드, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 테트라클로로알루미네이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 테트라클로로알루미네이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 하이드로겐설페이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 하이드로겐설페이트, 메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 아세테이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 아세테이트, Tris-2(하이드록시 에틸) 메틸암모늄 메틸설페이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 에틸설페이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 메탄설포네이트, 메틸-트리-n-부틸암모늄 메틸설페이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 티오시아네이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 티오시아네이트, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨나이트레이트, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨아세테이트, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨테트라플로로보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨나이트레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨아세테이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨테트라플로로보레이트, 1-알리-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-알리-3-메틸이미다졸륨나이트레이트, 1-알리-3-메틸이미다졸륨아세테이트, 1-알리-3-메틸이미다졸륨테트라플로로보레이트가 있을 수 있다.

본 발명의 바이오매스의 반탄화 냉각방법에 의하면 반탄화 바이오매스가 물 분무를 사용함으로써 믹서용기 안에서 냉각될 경우, 형성된 증기는 유기 휘발물 이외에 반드시 분진을 포함하는 것이 관찰되었다. 증기, 휘발물 및 분진의 이 조합은 증기의 처리를 단순하게 해 특히 증기의 응축에 따른 분진의 퇴적에 의한 오손, 응축 프로세스의 미촉진, 설비의 막힘, 분진 손실에 의한 생성물 손실을 저감하여 고유지보수 및 저가동 시간을 확보할 수 있는 효과가 있다.

본 출원에서 포함한다, 가지다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

반탄화는 바이오매스에서 습기 및 산소 및 수소 풍부한 작용기를 내쫓는다. 결과적으로 반탄화된 바이오매스의 특성은 바이오매스 공급원에 관계없이 매우 닮고 있다. 또한 반탄화는 모든 생물 활성도 배제하기 때문에, 결과적으로 부패와 같은 생물 분해가 발생하지 않는다. 반탄화는 또한 자연 연소의 위험성도 배제한다. 결과적으로 얻어진 반탄화된 재료는 보다 무르고 이것은 더욱 양호한 분쇄성으로 연결되어 및 반탄화 바이오매스는 또한 소수성이며 이것은 개방 공기 하에서의 저장을 실현 가능하게 한다.

목질 바이오매스 원료는 통상 500℃ 이상의 열로 탄화를 수행해 결과적으로의 탄화물을 그대로 연료로서 사용하는 것을 중요한 기술 구성으로 하고 있지만, 본 발명에서는 탄화 처리 온도를 500℃보다 낮은 온도, 예를 들면 200~450℃ 적합하게는 250~300℃으로 탄화 처리를 한다.

보다 구체적으로는 200~450℃의 저탄화 온도 및 저산소 또는 무산소 환경조건 하에서 탄화 처리를 하면, 목질 바이오매스 원료의 주성분인 셀룰로오스나 리그닌, 헤미셀룰로오스 등의 섬유질이 열분해의 진행에 따라 탄소 성분이 증가함으로써 탄화물의 파쇄성이 향상됨과 동시에, 목질 바이오매스 원료 중의 수분이 증발해 수분 함유량이 저하함으로써 탄화물 단위질량당의 발열량이 증가한다.

또한 로터리킬른 내의 산소 농도를 감소시키기 위해 연소 배기가스를 열원으로서 사용함과 동시에, 증기를 발생시켜 피반탄화 처리물로의 분사 열풍을 소정의 온도까지 가열하는 것을 특징한다.

또한 피반탄화 처리물로서 펠릿형, 칩형, 분말형 목질부(고무의 나무, 팜 야자, 광엽수, 침엽수), EFB(팜 야자의 잔재물), 왕겨, 하수 슬러지, 가축의 대변 등의 바이오매스를 사용한 것을 특징한다.

반탄화 후, 바이오매스는 반응기 조건(200℃ 내지 320℃)에서 100℃ 미만까지 온도를 낮추기 위해 냉각해야 한다. 이것은 반탄화가 나타내는 분해 반응을 멈추어, 분쇄 및 고밀도화 등의 한층 더 업그레이드을 위해 반탄화된 생성물을 상태 조정한다. 냉각된 반탄화 바이오매스가 공기에 노출되었을 때 일어날 수 있는 잠재적 위험성은 자연발화이다. 특히 입자가 여전히 고온(50℃초과)에서 완전 건조하고 있을 경우에 일어날 수 있다.

생성물을 물로 직접적으로 냉각하는 것은, 온도를 급격하게 낮추어 상당한 양의 습기를 부여하는데 매우 효율적인 방법이다. 이 방법으로는 생성물 입자에 있어서의 높은 냉각 속도를 얻을 수 있고, 이것은 분해 반응을 정지시키고 냉각기 또는 추가로 하류에서의 입자로부터의 휘발물 방출을 감소시키기 위해 매력적이다. 이것은 화재의 위험성도 배제한다.

나아가서는 원료 조성 중에 일부 완전 탄화되지 않는 조직이 잔존하거나 열분해에 수반해 생성되는 유기 화합물 등의 가연성 성분이 일부 잔류함으로써 반탄화물의 착화성을 향상시킨다.

즉, 이러한 성과물로서의 저온 처리 탄화물을 본 발명에서는 반탄화물이라고 칭해, 본 발명의 요지는 이러한 반탄화물 상태에서 폐기용 합성수지와 혼련해 바이오매스 연료에 적합한 형상으로 성형화하는 데 있다.

또한 반탄화실 내에서는 목질 바이오매스 원료를 그물형 상방 개구의 상자형 탄화 트레이에 수납해 겹쳐 단적재해 반탄화실을 밀폐해 이젝터 기능에 의해 탄화실 내의 공기를 흡인해 무산소 상태로서 열 유로층으로부터의 500℃이하, 최적으로는 200℃~450℃의 범위 복사열에 의해 목질 바이오매스 원료를 가열해 탄화한다.

또한 반탄화 처리된 목질 바이오매스 원료와 혼련하는 건조 하수슬러지, 건조 축분 또는 건조 음식물쓰레기 중 어느 하나 또는 2 이상은 다양한 발생원으로부터 나오는 성분일 수 있으며 추가적으로 폐합성수지일 수 있으며 이는 농업용 폐기 폴리에틸렌 혹은 염화비닐이다.

또한 반탄화 처리된 목질 바이오매스 원료는 상기 혼련물과 약 3대 1의 중량 비율로 각각 분쇄해 혼련하고 있다.

추가적으로 이온성 액체를 전체 혼합량 기준 0.1 내지 5wt%를 공급하며, 상기 혼련에 참여하는 이온성 액체로는 이미다졸륨계 화합물로 1-에틸아크릴레이트-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 (1-ethylacrylate-3- methylimidazolium chloride), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 (1-buthyl- 3-methylimidazolium chloride), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluoro phosphate), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄설포네이트(1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트(1-ethyl-3-methylimidazolium acetate), 1-벤질-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-benzyl-3-methylimidazoliumchloride), 1,3-디메틸이미다졸륨 메틸설페이트(1,3-dimethylimidazolium methylsulfate), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트 등이 있을 수 있으며, 에틸메틸이미다졸리엄 클로라이드([EMIM]Cl), 에틸메틸이미다졸리엄 브로민([EMIM]Br), 에틸메틸이미다졸리엄 요오드([EMIM]I), 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨, 1-에틸 이미다졸륨 니트레이트, 1-에틸 이미다졸륨 브로마이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-이미다졸륨 클로라이드, 1,2,3-트리메틸 이미다졸륨 메틸 설페이트, 1-메틸 이미다졸륨 클로라이드, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 테트라클로로알루미네이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 테트라클로로알루미네이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 하이드로겐설페이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 하이드로겐설페이트, 메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 아세테이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 아세테이트, Tris-2(하이드록시 에틸) 메틸암모늄 메틸설페이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 에틸설페이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 메탄설포네이트, 메틸-트리-n-부틸암모늄 메틸설페이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 티오시아네이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 티오시아네이트, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨나이트레이트, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨아세테이트, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨테트라플로로보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨나이트레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨아세테이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨테트라플로로보레이트, 1-알리-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-알리-3-메틸이미다졸륨나이트레이트, 1-알리-3-메틸이미다졸륨아세테이트, 1-알리-3-메틸이미다졸륨테트라플로로보레이트 중 어느 하나가 투입될 수 있다. 상기 이온성 액체의 투입으로 그 혼련을 통한 연료 특성이 개선될 수 있음은 자명하다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.

Claims (6)

1. 바이오매스를 투입구에 투입하는 1단계;
   상기 바이오매스를 내부에 포함하고 회전 구동하는 로터리킬른 내에 열풍관을 축방향으로 삽입하고 상기 열풍관에서 복수의 지관을 분기시키고 상기 지관에서 상기 로터리킬른 내에서 산소가 매우 적은 150℃~550℃ 범위 내의 열풍을 음압 상태 하에서 분사하는 2단계;
   상기 열풍으로 생성된 반탄화 바이오매스상에 물을 적용하고 그 결과적으로 분진 및 유기 휘발물을 수반하는 증기 및 물을 포함한 냉각된 반탄화 바이오매스를 제조하는 3단계;
   상기 분진 및 유기 휘발물을 수반하는 증기를 응축시켜 상기 분진 및 유기 휘발물을 포함한 응축물을 형성하는 4단계;
   상기 분진 및 유기 휘발물을 포함한 응축물을 1단계에 투입하는 5단계;를 포함하는 바이오매스의 반탄화 냉각방법.
   
2. 청구항 제1항에 있어서,
   상기 2단계와 상기 3단계 사이에, 상기 로터리킬른은 이중관 형태로 상기 이중관의 외측관 내에 형성된 육각형의 벌집구조의 2면 이상이 타공된 복수의 육각열유로층;과
   선택적으로 상기 반탄화 처리된 상기 바이오매스와 건조 하수슬러지, 건조 축분 또는 건조 음식물쓰레기 중 어느 하나 또는 2 이상을 각각 분쇄해 혼련하고 그 후 가압 성형하는 단계;를 추가로 포함하는 바이오매스의 반탄화 냉각방법.
   
3. 청구항 제2항에 있어서,
   상기 육각열유로층은 상기 육각형의 벌집구조를 형성하는 유로판에 열전달핀 역할을 수행하는 바이오매스의 반탄화 냉각방법.
   
4. 청구항 제3항에 있어서
   상기 유로판은 표면에 요철형상이 형성되거나 상기 유로판이 복수의 굴곡이 형성되는 바이오매스의 반탄화 냉각방법.
   
5. 청구항 제2항에 있어서
   상기 건조 하수슬러지, 건조 축분 또는 건조 음식물쓰레기의 수분량은 10 내지 20wt%인 바이오매스의 반탄화 냉각방법.
   
6. 청구항 제2항에 있어서,
   상기 혼련시 추가로 이온성 액체를 전체 혼합량 기준 0.1 내지 5wt%를 공급하며, 상기 혼련에 참여하는 이온성 액체로는 이미다졸륨계 화합물로 1-에틸아크릴레이트-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 (1-ethylacrylate-3- methylimidazolium chloride), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 (1-buthyl- 3-methylimidazolium chloride), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluoro phosphate), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄설포네이트(1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트(1-ethyl-3-methylimidazolium acetate), 1-벤질-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(1-benzyl-3-methylimidazoliumchloride), 1,3-디메틸이미다졸륨 메틸설페이트(1,3-dimethylimidazolium methylsulfate), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트 등이 있을 수 있으며, 에틸메틸이미다졸리엄 클로라이드([EMIM]Cl), 에틸메틸이미다졸리엄 브로민([EMIM]Br), 에틸메틸이미다졸리엄 요오드([EMIM]I), 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨, 1-에틸 이미다졸륨 니트레이트, 1-에틸 이미다졸륨 브로마이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-이미다졸륨 클로라이드, 1,2,3-트리메틸 이미다졸륨 메틸 설페이트, 1-메틸 이미다졸륨 클로라이드, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 테트라클로로알루미네이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 테트라클로로알루미네이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 하이드로겐설페이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 하이드로겐설페이트, 메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 아세테이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 아세테이트, Tris-2(하이드록시 에틸) 메틸암모늄 메틸설페이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 에틸설페이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 메탄설포네이트, 메틸-트리-n-부틸암모늄 메틸설페이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸륨 티오시아네이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸륨 티오시아네이트, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨나이트레이트, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨아세테이트, 1-뷰틸-3-메틸이미다졸륨테트라플로로보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨나이트레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨아세테이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨테트라플로로보레이트, 1-알리-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-알리-3-메틸이미다졸륨나이트레이트, 1-알리-3-메틸이미다졸륨아세테이트, 1-알리-3-메틸이미다졸륨테트라플로로보레이트 중 어느 하나 인 바이오매스의 반탄화 냉각방법.