KR20220124576A - 축산분뇨를 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법 - Google Patents

축산분뇨를 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축산분뇨를 이용한 바이오 고형연료의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 원료를 반응조에 공급하는 단계; 물과 촉매를 상기 반응조에 공급하여 상기 원료와 혼합교반하는 단계; 기 원료의 탄화수소를 탄화물로 바꿔주는 수열탄화 공정을 진행하는 단계; 상기 수열탄화 공정으로 생성된 바이오 고형분말을 펠렛 형태의 고형연료로 만드는 성형 공정을 진행하는 단계; 상기 펠렛 형태의 고형연료 표면에 남아 있는 수분을 제거하는 건조 공정을 진행하는 단계를 포함하며, 상기 촉매는 과산화수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨를 이용한 바이오 고형연료의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 기존의 수열탄화 공정으로 바이오 고형연료 기준치에 적합한 고형연료 생산이 불가능하였던 가축분뇨를 기준치에 적합하며 고품질 고형연료(발열량 증진 및 유해물질 저감)로 생산이 가능하다.

Description

축산분뇨를 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법 {A method for manufacturing eco-friendly bio-solid fuel using livestock manure}
본 발명은 축산분뇨를 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 축산폐기물(가축분뇨)을 수열탄화(Hydrothermal carbonization)반응을 통해 바이오 고형연료를 제조시에, 촉매를 첨가하여 고형연료의 발열량을 증진시키고 유해성분을 저감시킬 수 있는, 축산분뇨의 수열탄화반응 및 촉매기술을 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명과 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
일반적으로 가축분뇨를 에너지화하는 주된 방법은 고형연료로 제조하는 방법이 있다.
고형연료를 제조하는 방법에는 탄화(Torrefection), 반탄화 공정, 건조 공정, 수열탄화 공정 등이 있다.
탄화(Torrefection), 반탄화 공정은 반응물의 수분을 제거해야하고, 반응로에 불활성 기체(아르곤, 질소, 헬륨 등)를 주입하여 산소가 차단된 분위기를 조성해야하는 단점이 있다.
또한, 건조 공정은 열원만 있으면 수행할 수 있는 가장 간단한 방법으로 고형연료를 제조하기 위해 수행되고 있는 가장 일반적인 방법이다.
가축분뇨는 평균적으로 함수율이 약 60~80중량%이기 때문에 축산분뇨를 건조하는 과정은 투입되는 열에너지를 고려하면 경제성이 크지 않다.
또한 건조 시 발생되는 유해가스는 환경오염을 야기할 수 있다.
하지만, 수열탄화과정은 건조가 필요 없는 습식공정이기 때문에 1차 건조과정이 불필요하며 기존 건조공정으로부터 생산된 고형연료보다 높은 발열량을 나타내면서 유해성분을 저감할 수 있는 기술이다.
일반적으로 건조된 우분과 돈분의 고위발열량은 3,500~4,500 kcal/kg으로 환경부가 정한 바이오 고형연료의 발열량 기준(저위발열량 3,000 kcal/kg)에 적합하지만 건조된 계분의 고위발열량은 2,000~2,500 kcal/kg으로 그 기준에 미치지 못한다.
따라서, 계분으로부터 바이오 고형연료를 제조할 경우 발열량이 높은 다른 원료를 혼합해야 하는 번거로움이 있다.
대한민국공개특허공보 10-2012-0131601호 대한민국공개특허공보 10-2013-0124429호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가축분뇨로 고형연료를 제조하는 기존의 건조공정에서 투입되는 에너지를 절약하면서도 높은 발열량과 유해물질 저감에 기여할 수 있는 수열탄화공정 및 촉매기술을 통해 바이오 고형연료를 생산하는, 축산분뇨의 수열탄화반응 및 촉매기술을 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명을 통해 달성한 바이오 고형연료 제조 방법은,
원료(가축분뇨)를 반응조에 공급하는 단계;
물과 촉매를 상기 반응조에 공급하여 상기 원료와 혼합교반하는 단계;
상기 원료의 탄화수소를 탄화물로 바꿔주는 수열탄화 공정을 진행하는 단계;
상기 수열탄화 공정으로 생성된 바이오 고형분말을 펠렛 형태의 고형연료로 만드는 성형 공정을 진행하는 단계;
상기 펠렛 형태의 고형연료 표면에 남아 있는 수분을 제거하는 건조 공정을 진행하는 단계를 포함하며,
상기 촉매는 과산화수소를 포함하는 것을 특징으로 한다.
수열탄화 과정에 공급되는 촉매로는 균일계 및 불균일계 촉매를 포함하며 액상 촉매로써 과산화수소(H2O2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 촉매는 아세트산(CH3COOH)을 더욱 포함할 수 있다.
수열탄화 과정에 공급되는 촉매로는 균일계 및 불균일계 촉매를 포함하며 염화제일철(FeCl2), 염화제이철(FeCl3), 인산철(FePO4) 및 제이산화철(Fe2O3)로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 철(Ion) 기반 고체 촉매가 하나 이상이 공급되는 것을 특징으로 한다.
수열탄화 과정에 공급되는 촉매로는 균일계 및 불균일계 촉매를 포함하며 염화알루미늄(AlCl3), 염화아연(ZnCl2)과 같은 염소(Chloride) 기반 고체 촉매가 하나 이상이 공급되는 것을 특징으로 한다.
수열탄화 과정에 공급되는 촉매로는 균일계 및 불균일계 촉매를 포함하며 산화알루미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO2)과 같은 산화물(Oxide) 기반 고체 촉매가 하나 이상이 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명을 통해 달성한 바이오 고형연료 제조 장치는,
원료(가축분뇨)를 공급하기 위한 원료 공급기;
물과 촉매를 공급하기 위한 급수탱크;
상기 원료와 상기 물과 촉매를 혼합교반하면서, 상기 원료의 탄화수소를 탄화물로 바꿔주는 수열탄화 공정을 진행하는 반응조;
상기 반응조의 수열탄화 공정으로 생성된 바이오 고형분말을 탈수하면서 펠렛 형태의 고형연료로 만드는 성형 공정을 진행하는 성형 탈수기;
상기 펠렛 형태의 고형연료 표면에 남아 있는 수분을 제거하는 건조기를 포함한다.
상기 성형 탈수기에서 출력되는 물을 정수처리하여 상기 급수탱크로 피드백하는 정수처리장치를 더 포함한다.
상기 촉매는 과산화수소(H2O2)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 축산분뇨를 이용한 바이오 고형연료의 제조 방법에 의하여 제조된 바이오 고형연료를 제공한다.
본 발명의 실시예에서 바이오 고형연료는 바이오매스와 석탄의 혼소 시 나타나는 연소 성상의 분리 문제를 해결하여 연소의 안정성을 이루었다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 수열탄화공정과 촉매기술을 적용할 경우, 계분만으로도 3,600 kcal/kg의 고위발열량을 갖는 바이오 고형연료를 제조할 수 있다.
또한 실시예에서는 수열탄화공정의 장점(열이 많이 들어가는 건조 과정이 필요 없음)과 촉매기술의 장점(고형연료 품질 증가, 유해성분 저감)으로부터 높은 효율을 가지면서 친환경적으로 가축분뇨를 이용하여 바이오 고형연료를 제조할 수 있다.
동시에 화석연료 규제를 위해 적용중인 신재생에너지의무할당규정(Renewable Portfolio Standard)에 적합한 근본적인 해결 방안을 제시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 축산분뇨의 수열탄화반응 및 촉매기술을 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 축산분뇨의 수열탄화반응 및 촉매기술을 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 가축분뇨 별 발열량 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 축산분뇨의 수열탄화반응 및 촉매기술을 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법에 따라 공정 별로 생산된 바이오 고형연료의 발열량 및 수율 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 축산분뇨의 수열탄화반응 및 촉매기술을 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 축산분뇨의 수열탄화반응 및 촉매기술을 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 가축분뇨 별 발열량 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 축산분뇨의 수열탄화반응 및 촉매기술을 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법에 따라 공정 별로 생산된 바이오 고형연료의 발열량 및 수율 그래프이다.
본 발명에서 가축분뇨라 함은 돈분, 우분(한우, 젖소), 가금류분(닭, 오리 등 기타 가금류) 외에도 말, 양, 사슴, 개 등의 분뇨를 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 축산분뇨의 수열탄화반응 및 촉매기술을 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 장치는,
원료(가축분뇨)를 공급하기 위한 원료 공급기(15);
물과 촉매를 공급하기 위한 급수탱크(30);
상기 원료와 상기 물과 촉매를 혼합교반하면서, 상기 원료의 탄화수소를 탄화물로 바꿔주는 수열탄화 공정을 진행하는 반응조(45);
상기 반응조(45)의 수열탄화 공정으로 생성된 바이오 고형분말을 탈수하면서 펠렛 형태의 고형연료로 만드는 성형 공정을 진행하는 성형 탈수기(60);
상기 펠렛 형태의 고형연료 표면에 남아 있는 수분을 제거하는 건조기(90)를 포함한다.
상기 성형 탈수기(60)에서 출력되는 물을 정수처리하여 상기 급수탱크(30)로 피드백하는 정수처리장치(75)를 더 포함한다.
반응조(45) 안에는 혼합이 잘되도록 교반기가 구비되어 있으며 반응조(45)는 최대 30bar, 240℃를 견딜 수 있는 압력용기로 만들어지고, 상부와 하부에는 개폐할 수 있는 게이트를 설치하여 상부로 공급되는 원료의 주입이 가능하도록 한다.
또한 생산량을 증진을 목적으로 두 개 이상의 반응조(45)를 배치하여 운전할 수 있으며 수열탄화 과정이 종료된 후 아직 남아 있는 폐열을 다른 반응조(45)에서 활용할 수 있는 방식으로 연결을 한다.
반응조(45) 하부는 반응물이 성형탈수기(60)로 갈 수 있도록 하며 수열반응의 핵심이 될 반응조(45)에는 급수 탱크(30)를 연결하여 필요한 물을 고형원료에 비해 무게기준으로 2~3배 정도 공급한다.
성형탈수기(60)는 필터 프레스 방식을 사용하고 폐수 처리는 활성슬러지법이나 역삼투압법에 의해 정수과정(75)을 통해 정수 후 급수 탱크(30)로 보내져서 재활용한다.
성형탈수기(60)와 정수기는 필요에 따라 다른 방식으로 구현할 수 있다. 성형탈수기(60)를 통해 성형이 된 반응물은 건조기(90)에서 저온 건조를 통해 건조한 후 최종 바이오 고형연료(100)로 생산이 되면 저장조로 옮겨지게 된다.
이 모든 과정은 배치 생산방식을 기본으로 하는 구상이지만 공급되는 연료가 정형화되고 게이트의 개폐 등 공정을 자동화하여 연속운전 방식으로 구성할 수 있다.
촉매는 균일계(Homogeneous) 및 불균일계(Heterogeneous) 촉매를 모두 일컫는다.
원료는 수급 효율성을 위해 한 종류의 가축분뇨를 수열탄화 반응조(45)에 공급한다.
물은 수열탄화 반응조(45)의 용량과 총 함수율을 고려하여 공급하며 아임계수 조건에서 이온성이 최대가 되게 한다.
촉매 첨가량은 건조한 가축분뇨의 무게를 고려하여 첨가한다.
공정 중에 반응물들(가축분뇨, 물, 촉매)이 잘 혼합되도록 교반을 해준다.
수열탄화 공정의 온도와 압력은 200~250℃, 20-30bar의 조건이며 이상의 압력을 견딜 수 있는 용기 안에서 1~2시간 정도 공정시간을 두어 습식탄화시키는 것을 특징으로 한다.
가축분뇨의 수열탄화 공정을 통해 생산된 고형연료는 환경부의 Bio-SRF 품질기준 즉, 저위발열량 3,000kcal/kg 이상의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.
성형 제조된 바이오 고형연료는 필요에 따라 자연건조 또는 열풍건조를 할 수 있다. 분자구조 내의 수분은 제거가 된 상태이기 때문에 100℃ 이하의 저온 건조로 짧은 시간 안에 충분히 건조 시킬 수 있다.
석탄화도는 원소분석에 의해 얻어진 연료의 수소 대 탄소 원자수의 비 혹은 산소 대 탄소 원자수의 비로 나타낸다.
수소 대 탄소 원자비에 의한 석탄화도의 경우 단순 건조된 가축분뇨는 0.2~0.8이지만 촉매를 첨가한 수열탄화 과정을 통해 생성된 바이오 고형연료는 최대 2배 이상 석탄화가 진행된다.
가축분뇨, 물(증류수 혹은 순수) 그리고 촉매를 혼합하여 교반기가 갖춰진 밀폐 압력 용기 안에 원료를 공급하고 온도범위 200~250℃, 압력범위 20~30bar, 반응시간 1~2시간의 습식 조건에서 수열탄화 과정 후 성형 및 건조 공정을 거친다.
가축분뇨와 물은 공급 무게비를 기준으로 3:1 내지 2:1이며, 촉매는 공급되는 물의 무게비를 기준(물:촉매)으로 10:0.2 내지 10:0.4의 비율로 혼합한다.
필요에 따라 가축분뇨 간의 비율을 바꿀 수 있고 기타 원료 간(물, 촉매)의 비율도 바꿀 수 있다.
가축분뇨는 1종을 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.
수열탄화 과정에 공급되는 촉매로는 균일계 및 불균일계 촉매를 포함하며, 액상 촉매로써 과산화수소(H2O2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 촉매는 아세트산(CH3COOH)을 더욱 포함할 수 있다. 이 경우 상기 아세트산(CH3COOH)은 상기 과산화수소(H2O2) 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부의 양으로 혼합할 수 있다.
또한 상기 촉매는 균일계 및 불균일계 촉매를 포함하며 염화제일철(FeCl2), 염화제이철(FeCl3), 인산철(FePO4) 및 제이산화철(Fe2O3)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 철(Ion) 기반 고체 촉매가 하나 이상이 더욱 공급되는 것을 특징으로 한다. 이 경우 상기 철 기반 고체 촉매는 상기 과산화수소(H2O2) 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부의 양으로 혼합할 수 있다.
또한 상기 촉매로는 균일계 및 불균일계 촉매를 포함하며 염화알루미늄(AlCl3), 염화아연(ZnCl2)과 같은 염소(Chloride) 기반 고체 촉매가 하나 이상이 더욱 공급되는 것을 특징으로 한다. 이 경우 상기 염소 기반 고체 촉매는 상기 과산화수소(H2O2) 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부의 양으로 혼합할 수 있다.
또한 상기 수열탄화 과정에 공급되는 촉매로는 균일계 및 불균일계 촉매를 포함하며 산화알루미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO2)과 같은 산화물(Oxide) 기반 고체 촉매가 하나 이상이 더욱 공급되는 것을 특징으로 한다. 이 경우 상기 산화물 기반 고체 촉매는 상기 과산화수소(H2O2) 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부의 양으로 혼합할 수 있다.
본 발명은 가축분뇨의 수열탄화공정 및 촉매기술 적용을 통해 고품질 친환경 바이오 고형연료를 제조하려는 목적을 가지고 기존 건조공정으로부터 생산이 불가능한 계분을 이용하면서도 에너지화(친환경 바이오 고형연료 생산) 할 수 있다.
수열탄화 공정이라 함은 물의 초임계 조건(374℃, 221.1bar) 이하의 압력과 온도에서 증기(고온중압) 혹은 물(중온고압)의 형태일 때 이온성이 최대가 되고 유전율이 감소하는 성질을 이용하여 수열을 가하여 유기물을 가수분해 및 탈카르복실화 반응을 일으켜 수소와 산소의 양을 줄여주고 탄소의 양을 늘려줘서, 결국, 휘발성 물질의 양은 낮춰주고 고정탄소의 양은 높여, 최종적으로 생성 연료의 열량을 높여줄 수 있는 반응이다. 이때, 반응을 위한 중요 조건은 온도와 압력 그리고 반응시간인데 촉매를 사용할 경우, 온도와 압력 그리고 반응시간을 줄여 줄 수 있다.
기존의 수열탄화 촉매는 강산계 촉매를 사용하는데 비해, 본 발명에서 적용된 촉매기술은 생성물의 pH가 중성 범위(7.0~8.0)로 조절 가능하여 폐수처리를 최소화하고 유해물질이 저감되는 효과가 있음을 확인하였다.
전체 생성과정의 안정화를 위해서 촉매 없이 온도와 압력 그리고 반응시간을 최적화하는 친환경 생산과정을 통해 독특한 신·재생에너지 고형연료를 생산하는 방법을 채택하였다.
이러한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 축산분뇨의 수열탄화반응 및 촉매기술을 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법은 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 축산분뇨의 수열탄화반응 및 촉매기술을 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법은,
원료(가축분뇨)를 반응조(45)에 공급하는 단계(S210);
물과 촉매를 상기 반응조(45)에 공급하여 상기 원료와 혼합교반하는 단계(S220);
상기 원료의 탄화수소를 탄화물로 바꿔주는 수열탄화 공정을 진행하는 단계(S230);
상기 수열탄화 공정으로 생성된 바이오 고형분말을 펠렛 형태의 고형연료로 만드는 성형 공정을 진행하는 단계(S240);
상기 펠렛 형태의 고형연료 표면에 남아 있는 수분을 제거하는 건조 공정을 진행하는 단계(S250)를 포함한다.
먼저, 원료(가축분뇨)를 반응조(45)에 공급하고, 물과 촉매를 상기 반응조(45)에 공급하여 상기 원료와 혼합교반한다.
이때, 반응조(45) 안에는 혼합이 잘되도록 교반기가 구비되어 있으며 반응조(45)는 최대 30bar, 240℃를 견딜 수 있는 압력용기로 만들어지고 상부와 하부에는 개폐할 수 있는 게이트를 설치하여 상부로 공급되는 원료의 주입이 가능하도록 한다.
상기 촉매는 액상 촉매로써 과산화수소(H2O2) 및 아세트산(CH3COOH), 고체 촉매로써 염화제일철(FeCl2), 염화제이철(FeCl3), 인산철(FePO4), 제이산화철(Fe2O3)과 같은 철(Ion) 기반 고체 촉매, 염화알루미늄(AlCl3), 염화아연(ZnCl2)과 같은 염소(Chloride) 기반 촉매, 산화알루미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO2)과 같은 산화물(Oxide) 기반 촉매가 사용되는 것이 바람직하다.
그러면, 상기 원료에 포함된 탄화수소를 탄화물로 바꿔주는 수열탄화 공정이 진행된다.
그리고 나서, 성형탈수기(60)는 필터 프레스 방식으로 상기 수열탄화 공정으로 생성된 바이오 고형분말을 펠렛 형태의 고형연료로 만드는 성형 공정을 진행한다. 이때, 폐수 처리는 활성슬러지법이나 역삼투압법에 의해 정수과정(75)을 통해 정수 후 급수 탱크(30)로 보내져서 재활용한다.
성형탈수기(60)를 통해 성형이 된 반응물은 건조기(90)에서 저온 건조를 통해 건조한 후 최종 바이오 고형연료로 생산이 되면 저장조(100)로 옮겨지게 된다.
이 모든 과정은 배치 생산방식을 기본으로 하는 구상이지만 공급되는 연료가 정형화되고 게이트의 개폐 등 공정을 자동화하여 연속운전 방식으로 구성할 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것으로 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[참고예 1]
채취한 가축분뇨(돈분, 우분, 계분)을 건조 공정으로부터 바이오 고형연료를 제조하는 실험을 아래와 같은 방법으로 수행하였다.
도 3을 참조하면, 채취한 각각의 가축분뇨를 강제 순환 건조기(90)에서 90℃, 24시간 조건으로 건조하여 고형연료를 생산하였으며 Bomb Calorimeter(Parr 6200 Isoperibol Oxygen Bomb Calorimeter)를 통해 고위발열량을 측정하고 원소분석기(Elementar Analysensysteme GmbH), ICP-OES(Agilent Technologies 700 ICP-OES), Ion Chromatograph(Metrohm MIC-7 Advanced/Metrohm ICFLEX 930) 등의 장비를 사용하여 연료 특성을 분석하였다.
아래의 표 1은 가축분뇨에 따른 고위발열량과 원소분석 및 유해성분 분석 결과를 나타낸 표이며, 고위발열량은 돈분(4,193 kcal/kg)>우분(3,458 kcal/kg)>계분(2,038 kcal/kg) 순서였고 돈분과 우분은 건조 공정으로부터 바이오 고형연료를 제조하였을 때, 발열량 기준(저위발열량 3,000 kcal/kg)을 만족하지만 계분의 경우는 건조 공정을 거치더라도 기준에 못 미친다는 것을 알 수 있다.
우분 돈분 계분
고위발열량 (kcal/kg) 3,458 4,193 2,038
[비교예 1]
채취한 계분과 물을 본 발명의 바이오 고형연료 제조장치를 이용하여 고형연료를 제조하였다. 촉매는 사용하지 않았다.
[실시예 1]
채취한 계분과 물 및 촉매를 본 발명의 바이오 고형연료 제조장치를 이용하여 고형연료를 제조하였다. 촉매로 과산화수소를 사용하였다.
도 4를 참조하면, 비교예 1의 경우 채취한 계분과 물을 중량기준으로 3:1 비율로 혼합하고, 실시예 1의 경우, 계분:물:촉매의 공급 비율은 중량기준으로 3:1:0.04로 혼합하여 공급하여 1L 반응조(45)에 공급하고 220℃까지 승온하여 1.5시간 동안 수열탄화 과정을 수행하였다.
반응 후, 생성물의 고액분리는 Watman#1 여과지로 진공 분리하였고 고형물은 90℃에서 12시간 동안 강제 순환 건조기(90)에 건조한 후 참고예 1과 같은 방법으로 고형연료의 특성을 분석하였다.
아래의 표 2는 고형연료화 및 촉매기술 적용에 따른 연료 특성을 비교한 표이다.
위의 발명의 효과에서 언급한 바와 같이, 가축분뇨 중 가장 낮은 발열량을 가지며 기존의 건조 공정으로부터 생산이 불가능한 계분에 수열탄화 및 촉매 기술을 적용함으로써 바이오 고형연료 기준에 적합한(발열량 증진, 유해성분 저감) 친환경 바이오 고형연료를 생산하였다.
고형연료화 기술 구분 건조 비교예 1 실시예 1
고위발열량 (kcal/kg) 2,038 2,613 3,643
[실시예 2]
상기 실시예 1에 촉매로서 아세트산을 사용된 과산화수소의 10 중량부가 되도록 더욱 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 대등한 방법으로 친환경 바이오 고형연료를 생산하였다.
[실시예 3]
상기 실시예 2에 촉매로서 철기반 고체촉매를 사용된 과산화수소의 10 중량부가 되도록 더욱 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 대등한 방법으로 친환경 바이오 고형연료를 생산하였다.
[실시예 4]
상기 실시예 2에 촉매로서 염소 기반 고체촉매를 사용된 과산화수소의 10 중량부가 되도록 더욱 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 대등한 방법으로 친환경 바이오 고형연료를 생산하였다.
[실시예 5]
상기 실시예 2에 촉매로서 산화물 기반 고체촉매를 사용된 과산화수소의 10 중량부가 되도록 더욱 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 대등한 방법으로 친환경 바이오 고형연료를 생산하였다.
반응 후, 생성물의 고액분리는 Watman#1 여과지로 진공 분리하였고 고형물은 90℃에서 12시간 동안 강제 순환 건조기(90)에 건조한 후 참고예 1과 같은 방법으로 고형연료의 특성을 분석하였다.
아래의 표 2는 고형연료화 및 촉매기술 적용에 따른 연료 특성을 비교한 표이다.
위의 발명의 효과에서 언급한 바와 같이, 가축분뇨 중 가장 낮은 발열량을 가지며 기존의 건조 공정으로부터 생산이 불가능한 계분에 수열탄화 및 촉매 기술을 적용함으로써 바이오 고형연료 기준에 적합한(발열량 증진, 유해성분 저감) 친환경 바이오 고형연료를 생산하였다.
고형연료화 기술 구분 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
고위발열량 (kcal/kg) 3,672 3,695 3,687 3,691
상기 표 3에 나타나는 바와 같이 실시예 2 내지 5의 경우도 계분에 수열탄화 및 촉매 기술을 적용함으로써 바이오 고형연료 기준에 적합한(발열량 증진, 유해성분 저감) 친환경 바이오 고형연료를 생산하는 것이 가능하며, 과산화수소만을 사용하는 것보다 다른 촉매를 혼합하여 사용하는 것이 효과가 더욱 우수함을 확인할 수 있다.

Claims (8)

  1. 원료를 반응조에 공급하는 단계;
    물과 촉매를 상기 반응조에 공급하여 상기 원료와 혼합교반하는 단계;
    상기 원료의 탄화수소를 탄화물로 바꿔주는 수열탄화 공정을 진행하는 단계;
    상기 수열탄화 공정으로 생성된 바이오 고형분말을 펠렛 형태의 고형연료로 만드는 성형 공정을 진행하는 단계;
    상기 펠렛 형태의 고형연료 표면에 남아 있는 수분을 제거하는 건조 공정을 진행하는 단계를 포함하며,
    상기 촉매는 과산화수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨를 이용한 바이오 고형연료의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 아세트산(CH3COOH)을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨를 이용한 바이오 고형연료의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매는 균일계 및 불균일계 촉매를 포함하며, 염화제일철(FeCl2), 염화제이철(FeCl3), 인산철(FePO4) 및 제이산화철(Fe2O3)로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 선택되는 철(Ion) 기반 고체 촉매가 하나 이상이 더욱 공급되는 것을 특징으로 하는 축산분뇨를 이용한 바이오 고형연료의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 촉매는 균일계 및 불균일계 촉매를 포함하며, 염화알루미늄(AlCl3) 또는 염화아연(ZnCl2)의 염소(Chloride) 기반 고체 촉매가 하나 이상 더욱 공급되는 것을 특징으로 하는 축산분뇨를 이용한 바이오 고형연료의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 균일계 및 불균일계 촉매를 포함하며, 산화알루미늄(Al2O3) 또는 산화아연(ZnO2)의 산화물(Oxide) 기반 고체 촉매가 하나 이상 공급되는 것을 특징으로 하는 축산분뇨를 이용한 바이오 고형연료의 제조 방법.
  6. 원료를 공급하기 위한 원료 공급기;
    물과 촉매를 공급하기 위한 급수탱크;
    상기 원료와 상기 물과 촉매를 혼합교반하면서, 상기 원료의 탄화수소를 탄화물로 바꿔주는 수열탄화 공정을 진행하는 반응조;
    상기 반응조의 수열탄화 공정으로 생성된 바이오 고형분말을 탈수하면서 펠렛 형태의 고형연료로 만드는 성형 공정을 진행하는 성형 탈수기;
    상기 펠렛 형태의 고형연료 표면에 남아 있는 수분을 제거하는 건조기를 포함하는 축산분뇨를 이용한 바이오 고형연료의 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 성형 탈수기에서 출력되는 물을 정수처리하여 상기 급수탱크로 피드백하는 정수처리장치를 더 포함하는 축산분뇨를 이용한 바이오 고형연료의 제조 장치.
  8. 제1항 기재의 축산분뇨를 이용한 바이오 고형연료의 제조 방법에 의하여 제조된 바이오 고형연료.
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