WO2019194336A1 - 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템 - Google Patents

탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템 Download PDF

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WO2019194336A1
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WO
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ash
biomass
low temperature
dehydration
production system
Prior art date
Application number
PCT/KR2018/004055
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English (en)
French (fr)
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최영찬
김정근
이동욱
최종원
박세준
남궁훤
이영주
박주형
송규섭
Original Assignee
한국에너지기술연구원
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L5/00—Solid fuels
    • C10L5/02—Solid fuels such as briquettes consisting mainly of carbonaceous materials of mineral or non-mineral origin
    • C10L5/06—Methods of shaping, e.g. pelletizing or briquetting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L5/00—Solid fuels
    • C10L5/40—Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention relates to a fuel production system in which ash-induced components are removed from biomass under low temperature conditions in connection with a dehydration washing process. More specifically, fouling, slag, etc. during boiler operation from herbal, wood, and algae biomass
  • the ash-induced components that cause adverse effects on the reactor walls, heat exchangers, etc., such as gingham, high temperature corrosion, and clinker formation, are removed by physical and chemical methods, and after removal, the solid phase components are used for burning or mixing with solid fuel.
  • the present invention relates to a fuel production system in which ash-induced components are removed.
  • Energy sources that generate the most carbon dioxide and are inadequate for global warming are energy sources based on fossil fuels. Therefore, among the issues currently being issued globally as energy sources, the use and dissemination of new and renewable energy is possible, which reduces carbon dioxide emissions compared to conventional fossil fuels such as petroleum and coal, which can cope with global warming and climate change. Because it is an energy source.
  • the supply manger can purchase the renewable energy supply certificate to cover the mandatory supply.
  • Renewable Energy Certificate (REC) is applied to multiply the weight of renewable energy based on MWh supplied from the equipment subject to the supply certificate. The weight of each renewable energy is based on environment, technology development and industry. The government finances and reviews it every three years, taking into account the effects on vitalization, cost of power generation, potential losses, and greenhouse gas emission reduction.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2016-125030 discloses a solution obtained by dehydrating a plant by atomizing the plant, dipping the atomized plant in water at normal pressure, dehydrating the plant soaked in water at normal pressure, and using the dehydrated plant as a fuel.
  • a method of reforming a vegetable biofuel used as a fertilizer is disclosed.
  • Korean Patent No. 10-0476239 in the preparation of water-soluble and insoluble hemicellulose from rice husk, (1) a step of removing protein from chaff and washing chaff; (2) extracting chaff with a sodium hydroxide solution at a concentration of 0.5-1 M and filtering; (3) recovering hemicellulose by precipitation by adding phosphoric acid to the alkaline extraction solution obtained in step (2) to lower the pH of the solution; (4) further washing with phosphate or oxalic acid for the precipitate obtained in step (3) and then decolorizing through oxalate-potassium permanganate treatment; (5) It is possible to selectively separate the water-soluble and insoluble hemicellulose by adjusting the pH of the solution from the decolorized hemicellulose fraction obtained in the above step.
  • Korean Patent Publication No. 10-0413384 (i) removing starch and protein from corn husks; (ii) extracting the corn husk from which starch and protein have been removed with an alkaline solution and filtering with a filter cloth; (iii) reacting the alkaline extract obtained in step (ii) by treating cellulase and cellobiase; (iv) treating the enzyme reaction solution obtained in step (iii) with an adsorbent and obtaining a filtrate through membrane filtration; (v) Disclosed is a method for producing a water-soluble dietary fiber comprising the step of purifying the filtrate.
  • Korean Patent Publication No. 10-1457470 discloses a) extracting hemicellulose from biomass; b) precipitating and separating hemicellulose from the hemicellulose extract; And c) injecting the separated hemicellulose into a papermaking process.
  • the sludge dewatering method by two-stage concentrated dehydration includes a first step of introducing wastewater containing sludge into the rotor through the inner space of the main shaft; A second step of rotating the screw shaft positioned in the rotor with a screw to concentrate the sludge and water in the first step by centrifugal force from the wastewater introduced in the first step; A third step of discharging the water separated in the second step through the inner space of the screw shaft and discharging the sludge into the space between the rotor and the wedge wire screen by the action of the concentrated screw; A fourth step of compressing and dehydrating by the rotor together with the wedge wire screen for rotating the sludge discharged in the third step; Disclosed is a dewatering method and apparatus according to the fifth step, wherein the sludge cake compressed and dewatered in the fourth step is discharged through the slide gate valve, and the water discharged to the wedge wire screen is discharged to the drain pipe.
  • the present invention has been made in order to solve the above problems, from the herbaceous, wood-based, algae biomass, such as fouling, slagging, high temperature corrosion, clinker generation during boiler operation, reactor wall, heat exchanger, etc.
  • the ash-induced components that cause adverse effects on the heat-transfer surface are removed by physical and chemical methods, and after removal, the solid phase components are used for burning or mixing with solid fuel.
  • the liquid components containing ash-induced components are treated with acid, alkali, and hot water.
  • the present invention provides a fuel production system for a boiler from which ash-induced components are removed by a washing and dehydration process using a method of water treatment using a method including membrane filtration, ion exchange, flocculation, adsorption, and centrifugation.
  • the fuel production system may remove ash-induced components in biomass under low temperature conditions in connection with a dehydration washing process.
  • reaction body is a dehydration press 200 for pressing the raw material after the reaction; And a transfer press 300 for transferring the raw material after pressurization.
  • the metal ion separation device 600 for separating the metal ions in the dehydration discharged from the reaction base may include.
  • reaction base may be operated by aeration and agitation when the low-temperature catalyst water and / or the washing water supplied meet the predetermined reaction conditions with the raw material.
  • reaction base may be subjected to the primary dehydration to separate the raw material and the dehydration liquid by the dehydration press when a predetermined reaction completion condition is met.
  • the raw material from which the dehydration liquid is separated may be aerated stirred.
  • secondary dehydration may be performed to separate the washed raw material and the washing liquid.
  • the dehydration liquid that has passed through the metal ion separation device when the dehydration liquid that has passed through the metal ion separation device is less than a predetermined metal ion concentration, it may be supplied to the pH adjustment tank.
  • the metal ion concentration of the washing liquid is more than a predetermined concentration may be supplied to the metal ion separation device, when less than may be supplied to the wash water storage tank.
  • the mass ratio of the low temperature catalyst water and / or the wash water and the raw material supplied to the reaction base may be 1.05: 1 to 10: 1.
  • the metal ion separation device may separate the ionic components using an ion exchange resin and / or membrane.
  • the dehydration liquid may be supplied to an organic acid storage tank for generating an organic acid before being supplied to the pH adjustment tank.
  • the raw material is transferred to the transfer press fuel processing device (800); Can be supplied.
  • the dehydration liquid containing metal ions that did not pass through the metal ion separation apparatus may be supplied separately into a cation storage tank and an anion storage tank.
  • the raw material subjected to the secondary dehydration may have a water content of 15% or less.
  • the ash-induced components and the like are effectively and easily extracted and separated from herbaceous or wood-based biomass through low-temperature reaction conditions of a catalyst such as an acid or an alkali. It is possible to selectively secure raw materials for biomass burning and / or mixing in the boiler.
  • the acid and alkali treatment in the low temperature conditions in the present invention contributes to the simplification and cost reduction of the wastewater treatment process and has the effect of maximizing the dissolution of carbon-based components such as cellulose, hemicellulose, lignin.
  • liquid component (sugar mainly containing xylose) is an important cause of mixing and mixing only less than 3.5wt% of biomass into an existing power plant through a hybrid coal process in which carbon is impregnated after being impregnated with low-grade coal, which is a conventional technology. There is an effect that can use the existing coal atomization equipment without the biomass atomization device.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a fuel production system for a boiler removes the ash-induced components associated with the dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows the changes in the composition of the raw material before and after the fuel production system for boilers removed ash-induced components linked to the dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows the change in the mineral component of the raw material before and after the fuel production system for the boiler remove the ash-induced components linked to the dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows the ash removal rate according to the pH change in the alkaline liquid treatment conditions of the fuel production system for the boiler remove the ash-induced components linked to the dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 shows the ash removal rate according to the temperature change in the alkaline liquid treatment conditions of the fuel production system for the boiler remove the ash-induced components linked to the dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows the ash removal rate according to the change in residence time in the alkaline liquid treatment conditions of the fuel production system for the boiler to remove the ash-induced components linked to the dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 shows the ash removal rate according to the pH change in the acidic liquid treatment conditions of the fuel production system for the boiler remove the ash-induced components linked to the dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 shows the ash removal rate according to the temperature change in the acidic liquid treatment conditions of the fuel production system for the boiler remove the ash-induced components linked to the dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 shows the ash removal rate according to the residence time change in the acid solution treatment conditions of the boiler fuel production system to remove the ash-induced components linked to the dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 10 shows a biomass SEM picture before and after the fuel production system for boilers removed ash-induced components linked to the dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing the remaining amount of biomass combustible carbon compound powder according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating an operation of a fuel production system for a boiler in which ash-induced components are removed in connection with a dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a residence time of a solution in a column according to a pumping speed of a fuel production system for a boiler in which ash-induced components are removed in connection with a dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 illustrates BTW with a low temperature catalyst added per unit feedstock according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a flowchart illustrating a fuel production system for a boiler from which ash-induced components are removed according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel used in the present invention means any one or more selected from among the low-grade coal recognized in the art, such as coal used in the fuel for the boiler is peat, lignite, sub-bituminous coal, bituminous coal or anthracite coal.
  • the raw material may be biomass.
  • wood based and herbal based may be used.
  • Wood blocks include wood blocks, wood chips, logs, tree branches, wood chips, deciduous trees, woodcuts, sawdust, lignin, xylan, lignocellulose, palm trees, palm kernel shell (PKS), palm fibres, and empty fruit bunches (EFB).
  • FFB fresh fruit bunches
  • palm leaves palm mill residues, etc.
  • Herbs include corn stalks, rice straw, sorghum, sugar cane, grains (rice, sorghum, coffee, etc.), husks, sugar beets, vargas, millet, artichoke, molasses, flax, hemp, horses, cotton stems, tobacco stems, Biomass, such as corn, potatoes, cassava, wheat, barley, lymil, other starch-based processed residues, fruit avocados, jatropha, and processed residues thereof, may be used.
  • Algae may be used as a biomass raw material.
  • Green algae, Cyanobacteria, Diatoms, Diatoms, Red algae, Chlorella, Spirulina, Dunaliella, Porphyridium, Phaeodactylum may be used as the algae.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a fuel production system removing the ash-induced components in the biomass of low temperature conditions in conjunction with a dehydration washing process according to an embodiment of the present invention.
  • Reaction base 100 for treating with a low temperature catalyst so as to separate the ash-induced components of the supplied raw material to the maximum;
  • PH adjusting tank 400 for supplying a low temperature catalyst water to the reaction base;
  • Washing water storage tank 500 for supplying the washing water to the reaction base; It may be a fuel production system removing the ash-induced components in the biomass of low temperature conditions linked to the dehydration washing process including a; and a raw material injection device 700 for injecting the raw material to the reaction base.
  • the reactor body may include a reactor heat insulating material (101).
  • the heat insulating material is not limited to the material as long as it can have a heat insulating effect.
  • the reactor insulation may be any one or two or more of glass wool, rubber foam, PE foam, Perlite, urethane.
  • it may be a Hiplex of 0.05 [g / cm 3 ] and 0.035 [W / m ⁇ k]. More preferably, it may be a Hiplex having 0.05 [g / cm 3 ], 0.035 [W / m ⁇ k], mass ratio absorption of 3% or less, and 5 to 10 [ng / m 2 ⁇ s ⁇ Pa].
  • the low temperature catalyst can be supplied independently or in admixture with water.
  • the catalyst may be supplied to the warm catalyst water inlet 110.
  • the washing water may be introduced into the washing water inlet 120.
  • the wash water may be mixed and supplied to the catalyst.
  • the reaction main body may include a reaction warmer 130 for temperature control. It is obvious that the type of the reaction warmer is not limited as long as it can control the temperature of the reaction body.
  • the reaction temperature riser may have a temperature increase rate of 1 to 5 °C? / Min.
  • vent for maintaining the internal pressure condition of the reaction base may be performed through the vent 140.
  • It may include a high-pressure gas generator 150 to maintain the pressure conditions of the reaction base.
  • the high pressure gas generated through the high pressure gas generator may be formed with a first high-pressure gas injection unit for supplying to the dehydration place, and a second high-pressure gas injection unit may be formed at the reaction base.
  • the high pressure gas conditions may be 1 to 5 m 3 / min * 1 to 10 Kg / cm 2 . Outside the above conditions, sufficient pressure conditions cannot be obtained.
  • the high pressure gas supplied to the second high pressure gas injection unit also has an effect for aeration.
  • the high pressure gas may be any one or two or more of air, oxygen, nitrogen, and helium.
  • dehydration and washing process of the fuel may be discharged through a solid fuel discharge unit for discharging the fuel.
  • the pH adjusting tank is a device for supplying a catalyst for supplying the reaction base.
  • the pH adjusting tank may include a treatment water supply unit 210 for supplying water for mixing with the catalyst.
  • a catalyst storage tank 430 may be formed to supply the catalyst to the pH adjusting tank, and the catalyst may be supplied to the pH adjusting tank.
  • Catalyst supply unit 420 may be formed.
  • An organic acid storage tank 440 for forming an organic acid from dehydration and / or wash water of the raw material may be further formed.
  • the organic acid storage tank may be generated through overreaction with any one or two or more catalysts of cellulose, hemicellulose, lignin separated from the raw material.
  • the pH adjustment tank may be formed with a stirrer 401 for the internal catalyst mixing characteristics.
  • the stirrer may be rotated by stirring at 100 to 500rpm, when the capacity of the pH adjusting tank is 100L, preferably 350rpm.
  • the pH adjustment tank may include a temperature increaser 403 for temperature control. If the temperature increaser can control the temperature of the reaction body is obvious that the form of the temperature increaser is not limited.
  • the reaction temperature riser may have a temperature increase rate of 1 to 5 °C? / Min.
  • the pH adjustment tank may include a heat insulating material (402).
  • the heat insulating material is not limited to the material as long as it can have a heat insulating effect.
  • the insulation may be any one or two or more of glass wool, rubber foam, PE foam, Perlite, urethane.
  • it may be a Hiplex of 0.05 [g / cm 3 ] and 0.035 [W / m ⁇ k]. More preferably, it may be a Hiplex having 0.05 [g / cm 3 ], 0.035 [W / m ⁇ k], mass ratio absorption of 3% or less, and 5 to 10 [ng / m 2 ⁇ s ⁇ Pa].
  • a treatment water supply unit 410 may be formed to additionally supply water to the pH adjustment tank.
  • a warm catalyst water discharge part 460 for supplying the catalyst to the reaction base may be formed.
  • a pH adjusting tank drain portion 470 for discharging the excess catalyst water may be formed.
  • a washing water supply unit 510 for supplying water to the washing water storage tank may be formed.
  • a secondary dehydration supply unit 520 may be formed in the washing water storage tank to supply the washing water discharged through the washing from the reaction body.
  • a washing water discharge unit 530 may be formed to supply the washing water generated in the washing water storage tank to the reaction body.
  • a washing water drain unit 540 for discharging excess washing water of the washing water storage tank may be formed.
  • the reaction body, the pH adjustment tank, the washing water storage tank may be further formed with a level gauge to check the liquid level.
  • the raw material inlet device is a grinding unit for forming the biomass into a raw material of a predetermined size;
  • a hopper for storing the raw material; It may include; a raw material supply feeder for quantitatively supplying the raw material stored in the hopper to the rear end.
  • the biomass may be any one or two or more of a first generation biomass, a second generation biomass, and a third generation biomass.
  • it may be two or more of any one of silver grass, EFB (Empty Fruit Bunches), kenaf, corn stalk, rice husk, wild boar.
  • EFB Empty Fruit Bunches
  • kenaf corn stalk
  • rice husk wild boar
  • the predetermined size may be 500 mm or less.
  • it may be less than 20mm to 50mm.
  • the grinding cost is excessively consumed, or the removal efficiency of the ash-induced components may be lowered.
  • the grinding unit may perform crushing and / or grinding.
  • the grinding unit may use any one or more of physical properties such as compression, impact, friction, shear, bending, and can be used as long as it can achieve the purpose of reducing the size of the biomass such as cutting and widening the surface area.
  • the crushing unit is a jaw crusher, a gyre crusher, a roll crusher, an edge runner, a hammer crusher, a ball mill, a jet mill mill, a disk crusher may be any one.
  • the raw material supply feeder is not particularly limited as long as it is a device capable of supplying the raw material quantitatively at the rear end.
  • a screw feeder Preferably there is a screw feeder, a lock hopper.
  • the ash-induced components are physically and chemically attached to the surface of the reactor wall, the heat exchanger, and the exhaust gas treatment equipment at the rear stage of the reaction among the inorganic components included in the biomass used in the combustion reaction to generate fouling, slagging, corrosion, and clinker. It means a ash-induced component causing the back.
  • the ash-inducing component may be an alkali, an alkaline earth metal, or a halogen group element.
  • the temperature of the injection water for the hydrothermal treatment of the predetermined temperature may be 30 °C to 500 °C. Preferably it may be from 120 ° C to 300 ° C and more preferably from 30 ° C to 99 ° C.
  • the temperature of the low temperature catalyst water for the hydrothermal treatment of the predetermined temperature may be 40 °C to 60 °C.
  • the ash-inducing component is not sufficiently separated in the raw material.
  • the temperature condition may vary depending on the raw material.
  • the residence time of the feedstock in the reaction body may be 10 minutes to 10 hours. Preferably the residence time may be 20 minutes to 2 hours, more preferably the residence time may be 30 minutes to 1 hour. If the residence time is exceeded, the ash-inducing component is not sufficiently separated in the raw material.
  • the retention time condition may vary depending on the raw material.
  • the fuel treatment device may be carbonized or semi-carbonized through the hydrothermal treatment of the predetermined temperature.
  • the calorific value per unit fuel may increase.
  • the calorific value of the carbonized or semi-carbonized fuel may be 3,500 kcal / kg to 4,500 kcal / kg based on the low calorific value.
  • FIG. 16 illustrates BTW with a low temperature catalyst added per unit feedstock according to an embodiment of the present invention.
  • the amount of cold catalyst added per unit feedstock depends on the type of biomass and may be defined as BTW (Biomass to Water, kg / kg).
  • silver grass is 0.05 to 0.2, preferably 0.11 to 0.13, more preferably 0.125
  • kenaf is 0.05 to 0.2, preferably 0.14 to 0.18, more preferably 0.1667
  • corn cob 0.05 to 0.2, preferably 0.11 to 0.13, more preferably 0.125
  • Napier glass is 0.05 to 0.2, preferably 0.14 to 0.18, more preferably 0.1667
  • EFB is 0.1 to 0.4, preferably 0.15 to 0.25 , More preferably 0.2
  • PKS is 0.3 to 0.9, preferably 0.45 to 0.75, more preferably 0.6667
  • the cashew shell is 0.3 to 0.9, preferably 0.45 to 0.75, more preferably 0.5, coffee husk 0.2 to 0.6, preferably 0.35 to 0.45, more preferably 0.4
  • wood pellets are 0.05 to 0.2, preferably 0.14 to 0.
  • Water, acidic solution and basic solution for controlling separation efficiency may be injected at the front or rear end of the reaction base.
  • the water may be hot water, hot water, steam.
  • the acidic solution may be any one or two or more of acetic acid, nitric acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, formic acid.
  • the mixing condition may be 1wt% to 50wt% compared to the existing fossil fuel. Preferably it may be 3wt% to 40wt%, more preferably 5wt% to 30wt%.
  • the ash-inducing component may be included in the liquid component discharged from the reaction body.
  • the liquid component may be an aqueous solution containing a small amount of organic compounds and ash-induced components.
  • the organic compound may include carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, and sulfur as main components.
  • the liquid component may include hemicellulose, organic acid, furfural, 5-hydroxymethylfufural (5-HMF), and an inorganic substance.
  • the solid component discharged from the reaction base may include a combustible component from which the ash-inducing component is separated.
  • the combustible component may be an organic compound.
  • the combustible component may be composed of carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur components as main components.
  • the combustible component is characterized in that the carbon fraction in the carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur of the raw material per unit mass increases, and the hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur component decreases.
  • PH of the liquid component may be 6 or less.
  • the pH may be 2.5 to 4 or less.
  • the pH optimum condition of the liquid component may be three.
  • the pH of the liquid component has a technical feature that the pH is lowered by the organic acid in the raw material.
  • the organic acid may include acetic acid, formic acid, levulinic acid, 5-HMF, furfural, propanoic acid, 4-hydroxy-butanoic acid, 2-butenoic acid, and the like.
  • the organic acid may be in the form of one or more mixed with each other.
  • the concentration of the organic acid to maintain pH 3.11 may be 10 wt% of formic acid, 43.81 wt% of acetic acid, 4.58 wt% of levulinic acid, 0.91 wt% of 5-HMF, and 40.04 wt% of furfural. More preferably, the concentration of the corresponding organic acid comprises a form mixed with water to maintain pH 3.11.
  • acetic acid C 2 H 4 O 2
  • formic acid HCOOH
  • propanoic acid CH 3 CH 2 COOH
  • 4-hydroxy-butanoic acid 2-butenoic Acid
  • sulfuric acid H2SO4
  • hydrochloric acid HCl
  • nitric acid HNO3
  • phosphoric acid H3PO4
  • peracetic acid C2H4O3
  • acetic acid CH3COOH
  • oxalic acid C2H2O4
  • the addition amount of the acid solution may be 10wt% or more relative to the total amount of hot water input.
  • the pH by the addition of the acid solution may preferably be 4 or less.
  • the pH may be 2.5 to 4 or less.
  • An aqueous solution having a low pH at which the organic compound is separated from the liquid component may include recycling to the reaction base.
  • any one or more of centrifugation, aggregation, adsorption, filtration membrane, ion exchange resin may be applied.
  • the solid phase component of the raw material discharged after the reaction from the reaction base may be an organic compound.
  • the combustible component may be composed of carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur components as main components.
  • the combustible component is characterized in that the carbon fraction in the carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur of the raw material per unit mass increases, and the hydrogen, nitrogen, oxygen, sulfur component decreases.
  • the dehydration and / or wash water component discharged through dehydration and / or washing in the reaction base may be an aqueous solution containing a small amount of an organic compound and an inorganic substance.
  • the organic compound may include carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, and sulfur as main components.
  • the organic compound may be lignin.
  • the inorganic material may include any one or more of Al, Si, P, Ca, Ti, Mn, Fe.
  • the fuel processing apparatus may further include a molded fuel unit for manufacturing a molded fuel by applying the solid phase component.
  • a membrane filter unit may be further included to separate the ionic components of the liquid component.
  • the membrane filter unit may be any one or two or more of a micro filter, an ultra filter, a nano filter, and a reverse osmosis membrane.
  • the solid component in the liquid component may be separated by any one or more methods of water evaporation, centrifugation, precipitation, precipitation, aggregation, and adsorption at the front or rear ends of the membrane filter unit.
  • Hemicellulose in the liquid component can be used as a substitute for dietary fiber by purification.
  • the reaction base may be dewatered and / or washed.
  • the fuel may be a fuel produced in a fuel production system in which ash-induced components for biomass burning and / or mixing in the boiler are removed.
  • the biomass refers to herbal, wood-based biomass based on lignocellulosic, and is not limited if the material belongs to the biomass. It is also apparent that the first generation or third generation biomass can also be applied.
  • Cellulose a major component of lignocellulosic cellulose, is a polysaccharide with a stable structure in which glucose is connected by ⁇ -1,4 bonds. It is composed of a polymer of xylose, another major component, pentose sugar, and in addition, arabose, pentose, mannose, galactose, glucose, and rhamnose. It consists of a polymer of.
  • Glucan is a general term for polysaccharide composed of glucose, and there are various types according to the binding mode of D-glucose, and it is largely divided into ⁇ -glucan and ⁇ -glucan by the arrangement of sub-carbon atoms.
  • ⁇ -glucan contains amylose ( ⁇ -1,4 bond), amylopectin ( ⁇ -1,4 and ⁇ -1,6 bond), glycogen ( ⁇ -1,4 and ⁇ -1,6 bond), bacterial dextran ( ⁇ -1,6 bond) and the like.
  • Representatives of ⁇ -glucan include cellulose ( ⁇ -1,4 bond), laminaran of brown algae ( ⁇ -1,3 bond), lichenan ( ⁇ -1,3 and ⁇ -1,4 bond) of lichens, etc. have.
  • Liquid components containing xylan include xylan. Glucuronoxylan, arabinoxylan, glucomannan, xyloglucan, and the like.
  • the liquid component including xylan is not limited to the above-described components, and various components may be separated according to the components of the biomass to be added.
  • Sugars are not limited to the compounds described above, and can be produced in various ways depending on the type of second generation biomass. Therefore, depending on the number of carbons, it is classified into saccharides, pentoses, pentoses, pentoses, and hexasaccharides. Glycoaldehyde as a disaccharide, Glyceraldehyde as a trisaccharide, and dihydroxyacetone.
  • hexose may be glucose, glucose, fructose, fructose, galactose, mannose.
  • Disaccharides can be lactose, lactose, lactose, maltose, maltose, sugar, sucrose, trehalose, melibiose, and cellobiose.
  • Small sugars which are sugars that combine 2 to 10 molecules of sugar, are raffinose, melezitose and maltoriose as trisaccharides, and starch and strodose as tetrasaccharides.
  • oligosaccharides may include galactooligosaccharides, isomaltooligosaccharides and fructooligosaccharides.
  • polysaccharide a simple polysaccharide is pentosan, in which pentasan is combined, and may include xylan and araban.
  • Hexanes condensed with hexose include starch, starch and glucose polymers of amylose, dextrin, glycogen, cellulose, fructan and galactan. There may be galactan, mannan, etc.
  • Complex polysaccharides may include agar, alginic acid, carrageenan, chitin, hemicellulose, pectin, and the like.
  • Acids participating in the reaction include sulfuric acid (H 2 SO 4 ), hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO 3 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), peracetic acid (C 2 H 4 O 3 ), acetic acid (CH 3 COOH), oxalic acid (C 2 H 2 O 4 ), and the like.
  • the acid is not limited to the described acid, and any base that participates in the reaction may be sodium hydroxide, calcium hydroxide, urea, etc., as long as any acid decomposes hemicellulose and cellulose.
  • the base is not limited to the bases described, and any base may be used as long as it enhances reaction characteristics.
  • the ionic liquid participating in the reaction is an imidazolium compound, 1-ethylacrylate-3-methylimidazolium chloride, 1-butyl-3-methylimidazolium 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1-butyl-3-methylimidazolium chloride 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluoro phosphate, 1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate, 1-ethyl-3-methylimidazolium 1-3--3--3-methylimidazolium acetate, 1-benzyl-3-methylimidazolium chloride, 1,3-dimethylimidazolium methyl sulfate sulfate), 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1- Yl-3-methylimidazolium acetate, and the like, ethyl
  • the amount of one or two or more of enzymes, acids, alkalis and ionic liquids introduced into the reaction base may not be added depending on the reaction conditions.
  • a compound such as furfural may be produced while the solid phase participates in the high temperature and high pressure reaction through the reaction base.
  • the pressure condition of the reaction base may be 1 ⁇ 150atm, preferably 1 ⁇ 100atm may be more preferably 1 ⁇ 50atm.
  • the reaction base may be changed in pressure conditions depending on the raw material.
  • Such ash-induced fuels can be used in fluidized beds, grates, micronized boilers and gasifiers, and blockages such as clinker fouling due to inorganic components including metal elements in the fuel during combustion and gasification, and alkali systems. Corrosion caused by metals can be ruled out.
  • the metal ion separation device 600 for separating the low-temperature alkali and / or acidic dehydration metal ion component discharged from the reaction base may include.
  • the low temperature conditions in the reaction base may be less than 100 °C to exclude the latent heat loss of water.
  • Low temperature conditions may be 40 ° C. to 80 ° C. to exclude latent heat loss of water.
  • Low temperature conditions may be 60 °C.
  • the acid solution supplied to the reaction base may use the organic acid generated through the soaking treatment of a separate biomass.
  • the metal ion separation apparatus is not particularly limited as long as it can separate the ionic components using an ion exchange resin, an ion exchange membrane and / or a membrane, and can remove and separate the ions contained in the dehydration.
  • the ion exchange resin may include Ba 2+ , Pb 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ , Ni 2+ , Cd 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Tl + , Ag + , Cs + , Rb + It may be a cation exchange resin that can selectively separate any one or two or more cations of K + , NH 4 + , Na + , Li + .
  • the ion exchange resin is Citrate, SO 4 2-, Oxalate, I -, NO 3 -, CrO 4 2-, Br -, SCN -, Cl -, Formate, Acetate, F -, OH - or any one of 2 It may be an anion exchange resin that can selectively separate the above anions.
  • a strong acid cation exchange resin or a strong base anion exchange resin so that the anion exchange resin and the cation exchange resin can be used in a wide pH range.
  • the metal ion separation device may include a first cation exchange module 601, a first anion exchange module 602, a second cation exchange module 603, and a second anion exchange module 604.
  • the ion exchange module may form a plurality of cation and anion exchange module in parallel.
  • the ion exchange module can be operated in part or in whole.
  • a pump for supplying dehydration to the ion exchange module may be formed.
  • Dehydration passing through the cation and anion exchange resin of the ion exchange module may be supplied to the pH adjustment tank.
  • the ionic liquid separated from the cation and anion exchange resin may be supplied to the anion water storage tank 620 and the cation water storage tank 630.
  • a dehydration storage tank 610 may be formed that may be stored before the dehydration discharged from the reaction body is supplied to the metal ion separation device.
  • the membrane may be any one or two or more of a nanofiltration membrane, a reverse osmosis membrane capable of separating the cation and / or anionic substances contained in the dehydration.
  • glass wool is placed under a column (diameter 5 cm, length 24 cm, volume 471 cm 3) to prevent resin leakage, and a predetermined amount of ion exchange resin (cation exchange resin 402 g, Fill with 346g) of anion exchange resin and fill it with glass wool again.
  • ion exchange resin 402 g ion exchange resin 402 g, Fill with 346g
  • the mother solution was pumped to a column at a rate of 50rpm, 30rpm, 10rpm, the solution was sampled through the column, and a certain amount of the sampled solution was taken after a certain time to measure the concentration of each ion.
  • the residence time of the solution in the column according to the pumping speed is shown in Figure 13.
  • the metal ion concentration of the dehydration liquid discharged from the metal ion separator was analyzed by ICP.
  • the concentration change of K + , Na + , and Mg 2+ cations with time when the mixed bio solution discharged from the dehydration unit passes through the cation exchange resin column is shown in FIG. 14.
  • the mixed bio solution discharged from the dehydration unit shows the change in concentration of K + , Na + and Mg 2+ cations over time passing through the cation exchange resin column, and for K + ions, 3 minutes at the initial concentration of 457.092 ppm
  • the concentration decreased sharply to 6.474ppm afterwards, after 6.833ppm after 9min, and slowly decreased to 55809ppm at 55min.
  • Cl - anion is an anion exchange It can be seen that most of the ions are removed after 22 min through the resin column. In the case of Cl - ion, the adsorption amount increased rapidly from the initial 0 mg / g to 1.26 mg / g after 3 minutes, 1.28 mg / g after 9 minutes, and almost constant value of 1.31 mg / g after 22 minutes. It was found that the adsorption amount of Cl ⁇ ions for about 1 hour in the anion exchange resin was about 5.0 mg / g.
  • the ionized water discharged from the metal ion separation device may contain a variety of particulate matter, including ash-induced components, these materials reduce the ion exchange capacity of the cation exchange resin or anion exchange resin, and also between the ion exchange resin Close the voids.
  • the permeation performance may be drastically reduced due to the above-mentioned particulate matter.
  • the pretreatment unit may introduce a coagulation and / or precipitation process, or may remove the particulate matter in advance with a relatively large pore ultrafiltration membrane or microfiltration membrane and then supply the ion exchange resin, nanofiltration membrane, or reverse osmosis membrane.
  • dehydration from which the ionic component is separated in the metal ion separation device may be recycled to the reaction base.
  • the biomass may have a particle diameter of 10 ⁇ m to 1000 mm. Preferably it may be 10 ⁇ m to 100 mm, more preferably 10 ⁇ m to 10 mm. Deviation from the above conditions may reduce the efficiency of metal ion separation in the raw material.
  • a discharge unit may be further included at the rear end of the metal ion separation device.
  • the wastewater treatment unit may include an ion exchange resin, a separator, agglomeration, adsorption, and the like. Ionic materials removed and removed from the harvested wastewater treatment unit may be landfilled or incinerated through consignment treatment, and the treated water from which these substances have been removed may further include a discharge unit for discharging to the water system (river, river, etc.).
  • the discharge unit may be a pump.
  • the biomass feedstock is dried in an oven at 105 ° C. to remove moisture.
  • a portion of the dried sample e.g., EFB
  • EFB dried sample
  • the conditions are for EFB, the weight ratio of EFB to water is one to three.
  • 1 wt% of NaOH is added to the aqueous solution. Place the treatment liquid in the reactor and hold at 60 ° C for 10 minutes.
  • the stirrer is stirred at 10 to 1000 rpm.
  • the reaction time is 60 minutes at 60 °C temperature conditions 2 °C per minute.
  • the treated liquid is subjected to solid-liquid separation using a 1um filter.
  • the recovered solid is dried in a 105 ° C. oven. Stir at a ratio of 1 wt% of the sample recovered from the oven to 3 wt% of acetic acid aqueous solution (the ratio of the treatment solution and acetic acid is 1: 1).
  • the treatment solution is placed in the reactor and maintained at 60 ° C. for 10 minutes. Na ions contained in the treatment solution through the above process to remove acetic acid in the reactor.
  • the treatment solution in which the reaction is completed is separated into a solid solution by a 1um filter.
  • the residue is washed with distilled water.
  • the biomass is removed by drying in an oven at 105 °C to remove the gasoline-induced components in the biomass in which the ash-induced components in the biomass is removed.
  • the separated metal ions may be applied to secondary batteries, fuel cells, and supercapacitors.
  • the ESS (Energy Storage System) system using the separated metal ions in conjunction with a fuel production system in which ash-induced components are removed from the biomass under low temperature conditions in connection with a dehydration washing process may be configured.
  • the ESS system may be any one or more of secondary batteries, fuel cells, supercapacitors, and flow batteries.
  • it may be a power generation device using the potential difference of the ion solution.
  • the metal ions may be alkali, alkaline earth metal ions, preferably lithium, sodium, potassium, more preferably potassium.
  • Figure 2 shows the changes in the components of the raw material before and after the fuel production system for boilers removed ash component according to an embodiment of the present invention.
  • Biomass under consideration as a raw material is herbaceous, woody, algae (Algae), etc.
  • Figure 2 shows the fuel characteristics analysis results using the herbaceous biomass such as silver grass, corn stalk and wood-based pine.
  • the biomass from the ash-induced components removed through this process showed removal efficiency over 77 ⁇ 97% on a dry basis, and averaged about 10% heat generation.
  • the fuel NOx and SOx generating materials N and S of the fuel itself can be seen to be reduced by about 80%.
  • the low calorific value of ash and the effect of ash can be improved through this pretreatment process.
  • Figure 3 shows the change in the mineral component of the raw material before and after the fuel production system for the boiler remove the ash-induced components according to an embodiment of the present invention.
  • K 2 O which has the lowest melting point of 349 ° C, has a removal efficiency of over 99%
  • Na 2 O having a melting point of 1,132 ° C has a removal efficiency of 95%.
  • Figure 4 shows the ash removal rate according to the pH change in the alkaline liquid treatment conditions of the fuel production system for boilers removed ash ash component according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing the ash extraction rate and the recovery rate of the flammable material ALB in the alkaline region.
  • Fuel to remove the ash-induced components in the biomass to be developed in this patent is characterized in that to remove only the ash-induced components while maintaining the flammable material as a solid material.
  • the removal efficiency of ash-induced components decreases and the yield of ALB decreases. Therefore, ash extraction should be made in the region of pH 13.3 ⁇ 13.4, which is the most maximal condition.
  • Figure 5 shows the ash removal rate according to the temperature change in the alkaline liquid treatment conditions of the fuel production system for boilers removed ash ash component according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 considers the influence of temperature in a pH 13.4 condition based on the experimental results of FIG. 4. As the temperature increases, the ash extraction rate generally increases, and the maximum value can be seen in the 80 °C range. However, since the yield of ALB, which is a combustible material, is low, a suitable temperature range is 55-65 ° C. where the ash extraction rate and the flammability recovery rate are good.
  • Figure 6 shows the ash removal rate according to the change of residence time in the alkaline liquid treatment conditions of the fuel production system for boilers removed ash ash component according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 considers the effect of residence time in the region of pH 13.4, temperature 60 °C.
  • the extraction rate of ash is maximized under the influence of residence time of 10 minutes, and it can be seen that similar performance is maintained over time. Since the recovery rate gradually decreases over time, the residence time in the alkaline region is a meaningless condition for more than 10 minutes.
  • Figure 7 shows the ash removal rate according to the pH change in the acidic liquid treatment conditions of the fuel production system for boilers removed ash ash component according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the ash extraction rate and the recovery rate of the flammable material ALB in the acidic region.
  • Fuel to remove the ash-induced components in the biomass to be developed in this patent is characterized in that to remove only the ash-induced components while maintaining the flammable material as a solid material.
  • Figure 8 shows the ash removal rate according to the temperature change in the acidic liquid treatment conditions of the fuel production system for boilers removed ash ash component according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 considers the influence of temperature under the pH 1.76 condition based on the experimental results of FIG. 7. As the temperature increases, the ash extraction rate increases, but it can be seen that the ash extraction rate decreases at a temperature higher than 60 ° C. Thus, the optimum temperature conditions may be said to be an appropriate range of 50 ⁇ 60 °C region.
  • Figure 9 shows the ash removal rate according to the change in residence time in the acid solution treatment conditions of the fuel production system for boilers removed ash induction component according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 10 shows a biomass SEM picture before and after the fuel production system for the boiler remove the ash-induced components according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 compares the surface structure changes of SEM samples of untreated raw samples (pampulae) and pampas grass samples from which ash-induced components are removed.
  • the surface contains a large amount of mineral components in the form of irregular impurities, but in the case of the sample from which ash-induced components are removed, the surface shape of the clean state can be seen. It can be said that this process configuration is most appropriate to selectively remove only mineral components without causing structural change of the sample itself.
  • FIG. 11 is a graph showing the remaining amount of biomass combustible carbon compound powder according to an embodiment of the present invention.
  • the dehydration transfer device to the lower portion of the reaction body is raised to the reaction body under a hydraulic condition of 80 ⁇ 160 kg / cm2. Thereafter, 2.
  • the biomass raw material is supplied to the reaction base through the raw material injection device.
  • the low temperature catalyst water is then supplied through the pH adjustment tank. In this case, the mass ratio of the catalyst water / biomass at low temperature may be 1 to 10. 4.
  • air is supplied to the reaction base through the high pressure gas generator, aeration agitation may be performed.
  • the air pressure may be an air flow rate of 0.1 ⁇ 1 m3 / min in 3 ⁇ 5 kg / cm2. 5.
  • the biomass may be filtered through the high pressure gas generator through a predetermined time after a predetermined reaction time.
  • the air pressure may be an air flow rate of 0.5 to 2 m3 / min to 3 to 5 kg / cm2. 6.
  • the press of the dehydration device can be moved to the reaction base under hydraulic conditions of 80 ⁇ 160 kg / cm2. Thereafter, dehydration is performed by performing pressurization while introducing high pressure air through the high pressure gas generator to proceed with dehydration. 7.
  • the pressurized press moves to the top to finish dehydration.

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Abstract

본 발명은 연료에서 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초본계, 목질계, 조류(Algae) 바이오매스로부터 보일러 운전시 파울링, 슬래깅, 고온부식, 크링커 생성 등 반응기 벽면, 열교환기 등 전열면에 악영향을 발생하는 회분유발성분을 물리, 화학적 방법을 통하여 제거하고 제거 후 고상성분은 고형연료로 전소 또는 혼소에 활용되며, 회분유발성분을 포함하는 액상성분은 산처리, 알칼리, 열수처리, 막여과, 이온교환, 응집, 흡착, 원심분리를 포함하는 방법을 이용하여 수처리하는 방법을 적용한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템에 관한 것이다.

Description

탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템
본 발명은 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초본계, 목질계, 조류(Algae) 바이오매스로부터 보일러 운전시 파울링, 슬래깅, 고온부식, 크링커 생성 등 반응기 벽면, 열교환기 등 전열면에 악영향을 발생하는 회분유발성분을 물리, 화학적 방법을 통하여 제거하고 제거 후 고상성분은 고형연료로 전소 또는 혼소에 활용되며, 회분유발성분을 포함하는 액상성분은 산처리, 알칼리, 열수처리, 막여과, 이온교환, 응집, 흡착, 원심분리를 포함하는 방법을 이용하여 수처리하는 방법을 적용한 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템에 관한 것이다.
이산화탄소 발생량이 가장 많은 요인이며 지구 온난화 문제에 경쟁력이 취약한 에너지원이 화석연료에 기반한 에너지원이다. 따라서 현재 에너지원으로서 세계적으로 이슈화 되고 있는 것 중에 신재생 에너지의 이용 및 보급을 들 수 있으며, 이는 기존의 석유, 석탄 등 화석연료에 비하여 이산화탄소의 배출이 저감되어 지구온난화 및 기후변화에 대응할 수 있는 에너지원이기 때문이다.
국내에서는 화석연료의 고갈과 더불어 국제조약인 기후변화협약 대응에 따른 온실가스 감축이 대두되면서 일정규모(500MW) 이상의 발전설비(신재생에너지 설비는 제외)를 보유한 발전사업자(공급의무자)에게 총 발전량의 일정비율 이상을 신재생에너지를 이용하여 공급토록 의무화한 신재생 에너지공급의무화제도(Renewable Portfolio Standard; RPS)가 도입되었으며 이런 의무공급량 미이행분에 대해서는 공급인증서 평균거래가격의 150% 이내에서 불이행사유, 불이행 횟수 등을 고려하여 과징금을 부과할 수 있도록 법제화 하였다.
이에 따라 신재생에너지를 공급하여 인정받기 위하여 발전사업자가 신재생에너지 설비를 이용하여 전기를 생산공급하였음을 증명하는 인증서로 공급의무자는 의무공급량을 신재생에너지 공급인증서를 구매하여 충당할 수 있는 것으로 공급인증서 발급대상 설비에서 공급된 MWh기준의 신재생에너지 전력량에 대해 가중치를 곱하여 부여하는 신재생에너지 공급인증서(REC, Renewable Energy Certificate)를 실시하고 있고 신재생에너지 원별 가중치는 환경, 기술개발 및 산업활성화에 미치는 영향, 발전원가, 부존잠재량, 온실가스 배출저감에 미치는 효과 등을 고려하여 정부가 재정하고 3년마다 재검토하고 있다.
이에 따라 대규모 석탄화력 발전사에서는 이러한 신재생에너지 공급의무 비중을 달성하기 위하여 석탄의 이산화탄소 발생을 감축시키는 발전 플랜트 연계 및 개선방안으로 석탄 가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle; IGCC), 초초임계압(Ultra Supercritical, USC)기술, CO2 포집 및 저장기술 등의 청정 석탄 기술(Clean Coal Technology, CCT), 및 바이오매스(bio-mass) 혼소 등을 시도하고 있으나 근본적인 문제해결에는 개선 극복해야 할 부분이 다수 존재하고 있는 실정이다.
특히, 바이오매스 혼소의 경우에는 석탄에 비하여 상대적으로 낮은 발열량의 바이오매스를 연소함에 따라 발전효율이 저하된다는 문제점을 안고 있다.
또한, 혼소를 위해 투입되는 바이오매스와 석탄의 연소특성이 상이하여 석탄을 대상원료로 설계된 기존 발전 설비 내에서 다단연소가 발생하여 설비 운전에 문제점을 발생시킨다.
또한, 바이오매스 내에 포함된 금속성분을 포함하는 무기질 성분에 의한 클링커나 파울링이 발생하는 문제점도 안고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 선행 연구에서는 석탄에 오일계 바이오매스를 혼합시킨 연료를 적용하는 기술이 개발되었다. 이처럼 단순히 석탄과 오일계 바이오매스를 혼합시킨 연료의 경우, 석탄의 표면이 대체로 오일로 코팅되거나 기공 안으로 오일이 일부 함침하게 된다. 하지만 오일 자체의 낮은 표면장력과 오일계 바이오매스와 석탄 표면의 결합력이 부족하여, 석탄과 바이오매스는 각각 기존의 연소 특성을 유지하므로 결과적으로는 다른 연소 특징을 보이게 된다. 따라서 이를 발전소에 적용하면 버너 앞부분에서 오일의 저온 연소 패턴으로 인하여 산소가 우선적으로 과잉 소모하게 되고, 결국 석탄의 연소를 저해하여 미연 탄소(unburned carbon)의 양이 증가하게 되며 발전 효율을 감소시키게 된다.
또한, 바이오매스 내의 회분의 대표적인 응집현상은 미분탄 연소로에서 각각 연소로의 복사면 및 대류전달면에서 주로 발생되는 슬래깅(slagging)과 클링커(clinker), 파울링(fouling), 유동층 연소로에서의 회분 응집(agglomeration) 등이다.
발전플랜트의 과열기튜브 고온염소부식, 절탄기튜브 회막힘 현상에 의한 유속변화로 인해 발생되는 마모, 유동층 연소기의 유동사에 의한 튜브 마모, 슈트블로워의 기계적 마모가 예상되며, 연료성분내의 무기성분인 칼륨과 염소성분이 연소과정에 화학결합을 통해 KCl을 생성하면, KCl(용융온도 776℃)은 점성이 강한 물질로 부착이 잘되며 염소 반응 등에 의한 부식을 가속화 시킨다고 알려져 있다.
연소로에서 이러한 현상이 발생되면 공정의 효율을 감소시키는 주요 원인이 되고 있을 뿐만 아니라, 궁극적으로 이와 같은 현상이 심화되면 조업을 중단해야 하고, 이로 인해서 막대한 경제적 손실을 초래하게 된다. 회분의 응집현상은 일반적으로 회분 조성, 온도, 입도, 가스분위기, 조업조건 등에 의해서 영향을 받게 되며, 특히 고온에서 회분의 일부가 용융이 되면 이와 같은 현상이 가속화된다.
한편 상기와 같은 문제점들에 대응하기 위한 다수의 공지된 문헌들을 살펴보면 아래와 같다.
일본공개특허 특개2016-125030호에서는 식물을 미립화해, 미립화한 식물을 상압의 물에 담그어, 상압의 물에 담근 상기 식물을 탈수해, 탈수된 상기 식물을 연료로 이용해, 탈수에 의해 얻어진 용액을 비료로 이용하는 식물성 바이오 연료의 개질 방법이 개시되어 있다.
일본공개특허 특개평11-240902호에서는 수용성 헤미셀룰로오스를 포함한 원재료로부터 수용성 헤미셀룰로오스를 수성 매체로 추출하는 온도가 80이상, 140이하에서, pH값이 2 내지 7인 조건에서 추출한 후, 그 추출액을 1.5배이상 농축해, 그 다음에 불용성 물질을 제거하는 것을 특징으로 하는, 수용성 헤미셀룰로오스의 제조법이 개시되어 있다.
일본등록특허 제 2688509호에서는 밀기울을 수세해 수용성 물질을 제거한 후, 0.1~0.4 규정의 알칼리 수용액으로 처리해 헤미셀룰로오스로부터 주로 이루어지는 구분을 알칼리수용액 중에 용출시켜 한계 밖과 막 및 이온교환 수지를 이용해 순으로 정제하는 것을 특징으로 하는 헤미셀룰로오스의 추출정제법을 개시하고 있다.
한국등록특허 제10-0476239호에서는 왕겨로부터 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스를 제조하는데 있어서 (1) 왕겨에서 단백질 제거 및 왕겨를 세척하는 공정; (2) 왕겨를 0.5 내지 1M 농도의 수산화나트륨 용액으로 추출하고 여과하는 공정; (3) (2)단계에서 얻은 알칼리 추출용액에 인산을 가해 용액의 pH를 낮추어서 헤미셀룰로오스를 침전으로 회수하는 공정; (4) (3)단계에서 얻어진 침전에 대해 인산 또는 옥살산으로 추가 세척한 다음 oxalate-potassium permanganate처리를 통해 탈색하는 공정; (5) 상기단계에서 얻어진 탈색된 헤미셀룰로오스 분획으로부터 용액의 pH조절을 통해 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스의 선별적인 분리가 가능하되 수용성 헤미셀룰로오스를 회수하는데 있어서 인산을 가해 침전으로 회수하거나 또는 칼슘을 가해 불용성으로 전환한 다음 회수하는 공정; (6) 이와 같은 일련의 연속공정을 통해 얻은 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스를 자연건조 또는 분무건조하여 분말을 얻은 후, 밀링(milling)하고 적절한 크기의 체망을 통과하여 미세분말을 얻는 공정으로 이루어진 왕겨로부터의 수용성 및 불용성 헤미셀룰로오스의 제조방법 을 개시하고 있다.
한국특허공보 제10-0413384호에서는 (i) 옥수수껍질로부터 전분 및 단백질을 제거하는 공정; (ii) 전분 및 단백질이 제거된 옥수수껍질을 알칼리 용액으로 추출하고 여과포로 여과하는 공정; (iii) (ii) 단계에서 얻은 알칼리 추출액에 셀룰라제 및 셀로비아제를 처리하여 반응시키는 공정; (iv) (iii) 단계에서 얻은 효소 반응액에 흡착제를 처리하고 막여과를 통하여 여과액을 얻는 공정; (v) 상기 여과액을 정제하는 공정으로 이루어지는 수용성 식이섬유의 제조 방법을 개시하고 있다.
한국특허공보 제10-1457470호에서는 a) 헤미셀룰로오스를 바이오매스로부터 추출하는 단계; b) 헤미셀룰로오스 추출액으로부터 헤미셀룰로오스를 침전 및 분리하는 단계; 및 c) 상기 분리된 헤미셀룰로오스를 제지공정에 투입하는 단계;로 구성되는 건조 지력이 개선된 종이 제조 방법이 개시되어 있다.
한국특허공보 제10-0872358호에서는 2단 농축 탈수에 의한 슬러지 탈수 방법은 슬러지가 혼합되어 있는 폐수를 주축의 내부 공간을 통해서 로터의 내부로 유입시키는 제1단계; 스크류를 구비하여 로터 내부에 위치하는 스크루 샤프트를 회전시켜서 상기 제1단계에서 유입된 폐수에서 원심력으로 슬러지와 물을 1차 농축 분리하는 제2단계; 상기 제2단계에서 분리된 물을 다시 스크루 샤프트의 내부공간을 통하여 배출시키고, 슬러지는 농축 스크루의 작용으로 로터와 웨지 와이어 스크린 사이의 공간으로 배출시키는 제3단계; 상기 제3단계에서 배출된 슬러지를 회전하는 웨지 와이어 스크린과 함께 로터에 의하여 압축 탈수시키는 제4단계; 상기 제4단계에서 압축 탈수된 슬러지 케이크가 슬라이드 게이트 밸브를 통하여 배출되고, 웨지 와이어 스크린으로 배출되는 물이 배수관으로 배출되는 제5단계;에 따르는 탈수 방법과 장치이 개시되어 있다.
그러나 지금까지 알려진 종래기술들에서는 바이오매스로부터 리그닌을 제거하고 글루코스(glucose)가 주성분인 셀룰로오스와 자일로스(xylose)가 주성분인 헤미셀룰로오스를 추출하기 위해 물리 화학적인 처리를 적용하였으나 산 또는 알칼리와 같은 약품을 사용할 경우에는 약품비가 증가할 뿐만 아니라 사용된 약품을 회수하는 공정이 수반되어야 하므로 공정이 복잡하다는 문제점이 있으며 분리된 성분을 목적하는 원료에 적용하기 위해서는 순도가 높고 부반응물을 최대한 제거하여야 하는 조건이 수반되는 경우가 많았다. 또한, 100℃이상의 고온에서 처리 공정이 진행되므로 에너지 비용이 많이 소요되는 단점이 있었다.
따라서 신재생 에너지의 이용 및 보급을 촉진하고, 바이오매스 연료의 공급 안정성을 확보하기 위해서는, 회분에 기인하는 공정 문제를 근원적으로 배제하기 위한 저온조건에서 기존 탄소유래 바이오매스 성분은 최대한 유지하면서 바이오매스 내의 회분유발성분만을 선택적으로 제거하여 회분 함량이 낮은 연료 물질을 효과적으로 추출 및 분리하고 이를 활용한 탈수 및 세척공정이 연계된 보일러용 연료 생산 시스템에 관한 기술개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로, 초본계, 목질계, 조류(Algae) 바이오매스로부터 보일러 운전시 파울링, 슬래깅, 고온부식, 크링커 생성 등 반응기 벽면, 열교환기 등 전열면에 악영향을 발생하는 회분유발성분을 물리, 화학적 방법을 통하여 제거하고 제거 후 고상성분은 고형연료로 전소 또는 혼소에 활용되며, 회분유발성분을 포함하는 액상성분은 산처리, 알칼리, 열수처리, 막여과, 이온교환, 응집, 흡착, 원심분리를 포함하는 방법을 이용하여 수처리하는 방법을 적용한 세척 및 탈수공정이 연계된 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템을 제공하는 데 있다.
이를 위하여 본 발명에서는 공급된 원료의 회분유발성분이 최대로 분리되도록 저온의 촉매로 처리하는 반응기본체(100); 상기 반응기본체에 저온 촉매수를 공급하는 pH조정조(400); 상기 반응기본체에 세척수를 공급하는 세척수저장조(500); 및 상기 반응기본체에 원료를 주입하는 원료주입장치(700);를 포함하는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응기본체는 반응 후 상기 원료를 가압하는 탈수프레스(200); 및 가압 후 상기 원료를 이송하는 이송프레스(300);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응기본체에서 배출된 탈수내 금속이온을 분리하는 금속이온분리장치(600);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응기본체는 공급되는 상기 저온 촉매수 및/또는 상기 세척수가 상기 원료와의 소정의 반응 조건에 부합할 때 폭기 교반 운전될 수 있다.
또한, 상기 반응기본체는 소정의 반응 완료조건에 부합할 때 상기 탈수프레스로 상기 원료와 탈수액을 분리하는 1차 탈수를 수행될 수 있다.
또한, 상기 탈수액이 분리된 상기 원료를 폭기 교반 세척할 수 있다.
또한, 세척된 상기 원료 및 세척액을 분리하는 2차 탈수를 수행할 수 있다.
또한, 상기 금속이온분리장치를 통과한 상기 탈수액이 소정의 금속이온 농도 이하일 때, 상기 pH조정조로 공급될 수 있다.
또한, 상기 세척액의 금속이온농도가 소정 농도 이상일 때는 상기 금속이온분리장치로 공급하고, 미만일 때는 상기 세척수저장조로 공급될 수 있다.
또한, 상기 반응기본체에 공급되는 상기 저온 촉매수 및/또는 상기 세척수와 상기 원료의 질량비는 1.05:1 내지 10:1될 수 있다.
또한, 상기 금속이온분리장치는 이온 교환 수지 및/또는 막을 이용하여 이온성분을 분리할 수 있다.
또한, 상기 탈수액은 상기 pH조정조로 공급되기 전에 유기산을 생성하기 위한 유기산저장조로 공급될 수 있다.
또한, 상기 원료는 상기 이송프레스로 이송되어 연료처리장치(800); 공급될 수 있다.
또한, 상기 금속이온분리장치를 통과하지 못한 금속이온을 포함하는 탈수액은 양이온저장조 및 음이온저장조로 분리하여 공급될 수 있다.
또한, 상기 2차 탈수를 수행한 상기 원료는 함수율이 15% 이하일 수 있다.
본 발명의 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템에 따르면, 산이나 알칼리 등의 촉매의 저온 반응조건을 통하여 초본계 또는 목질계 바이오매스로부터 회분유발성분 등을 효과적이면서 쉽게 추출 분리할 수 있어 보일러내 바이오매스 전소 및/또는 혼소를 위한 원료를 선택적으로 확보할 수 있다.
또한, 발명에서 저온조건에서 산, 알칼리 처리함으로써 폐수처리공정이 단순화 및 비용 절감에 기여하며 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 등의 탄소계 성분의 용출을 최대한 배제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 바이오매스에 포함된 알칼리 및 알칼리토 금속, 할로겐족 원소 등의 회분유발성분을 효과적으로 제거하여 발전연료에 적용 시 연소시스템 운전 중 발생할 수 있는 클링커, 파울링 및 알칼리 부식 문제를 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 상기 액상성분(xylose가 대부분인 당)은 기존에 확보한 기술인 저등급 석탄에 함침 후 탄화시키는 하이브리드석탄 공정을 통하여 기존 발전소에 통상 3.5wt%이하의 바이오매스만을 투입 혼소 하는 중요한 원인인 별도의 바이오매스 미분화장치를 구비하지 않고 기존 석탄 미분화설비를 이용하여도 되는 효과가 있다.
또한, 회분유발성분이 제거된 바이오매스의 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌을 이용하여 성형연료 및 반탄화연료를 생산하므로 유동층 및 미분화 연소로 및 가스화로에 연소 및 가스화 후 바이오매스에 기인하는 회분으로부터 예상되는 클링커 파울링 및 고온부식의 문제를 근원적으로 배제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 이온교환 수지 및/또는 멤브레인필터링 공정을 적용하여 바이오매스의 액상성분 중의 회분유발성분을 효과적으로 분리함으로써 처리수를 재활용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 연료성분내의 질소 성분을 제거함으로써 연소 중 발생하는 Fuel NOx를 저감하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템 전 후의 원료의 성분 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템 전 후의 원료의 미네랄 성분 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 알칼리액 처리 조건에서 pH 변화에 따른 회분 제거율을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 알칼리액 처리 조건에서 온도 변화에 따른 회분 제거율을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 알칼리액 처리 조건에서 체류시간 변화에 따른 회분 제거율을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 산성액 처리 조건에서 pH 변화에 따른 회분 제거율을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 산성액 처리 조건에서 온도 변화에 따른 회분 제거율을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 산성액 처리 조건에서 체류시간 변화에 따른 회분 제거율을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템 전 후의 바이오매스 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오매스 연소가능한 탄소 화합물분의 잔존량을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 작동 순서도이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 펌핑속도에 따른 컬럼에서의 용액의 체류시간이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 탈수 유닛에서 배출된 혼합 바이오 용액이 양이온교환수지 컬럼을 통과하여 나오는 시간에 따른 양이온 농도 결과이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 탈수 유닛에서 배출된 혼합 바이오 용액이 음이온교환수지 컬럼을 통과하여 나오는 시간에 따른 음이온 농도 결과이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 단위공급원료 당 투입된느 저온촉매수와의 BTW를 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템을 나타낸 흐름도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한 본 발명에서 사용되는 연료는 보일러용 연료에 사용되는 석탄은 이탄, 갈탄, 아역청탄, 역청탄 또는 무연탄 등 이 기술분야에서 인식되는 저등급 석탄 중에서 선택된 어느 하나 이상의 것을 의미한다.
또한 상기 원료는 바이오매스일 수 있다. 상기 바이오 매스 원료로는 목질계와 초본계를 사용할 수 있다. 목질계로는 나무 블럭, 우드칩, 통나무, 나무 가지, 나무 부스러기, 낙엽, 목판, 톱밥, 리그닌, 자일란, 리그노셀룰로오스, 야자나무, PKS(palm kernel shell), 야자섬유질, EFB(empty fruit bunches), FFB(fresh fruit bunches), 야자잎, 야자제분찌꺼기 등을 이용할 수 있다. 초본계로는 옥수수대, 볏짚, 수수대, 사탕수수대, 곡물(쌀, 수수, 커피 등) 허스크, 사탕무잎, 바가스, 기장, 아티초크, 당밀, 아마, 대마, 양마, 면줄기, 담배줄기, 전분질계인 옥수수, 감자, 카사바, 밀, 보리, 라이밀, 기타 전분계 가공 잔재물, 과실류인 아보카도, 자트로파 및 이들의 가공 잔재물 등의 바이오 매스가 사용될 수 있다.
바이오 매스 원료로는 조류(algae)를 사용할 수 있다. 조류로는 녹조류(Green algae), 남조류(Cyanobacteria), 규조류(Diatom), 홍조류, Chlorella, Spirulina, Dunaliella, Porphyridium, Phaeodactylum 등이 사용될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템을 나타낸 흐름도이다.
공급된 원료의 회분유발성분이 최대로 분리되도록 저온의 촉매로 처리하는 반응기본체(100); 상기 반응기본체에 저온 촉매수를 공급하는 pH조정조(400); 상기 반응기본체에 세척수를 공급하는 세척수저장조(500); 및 상기 반응기본체에 원료를 주입하는 원료주입장치(700);를 포함하는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템일 수 있다.
상기 반응기 본체는 반응기보온재(101);을 포함할 수 있다. 상기 보온재는 보온효과를 갖을 수 있다면 그 재질에 한정되지 않는다.
상기 반응기보온재는 유리솜, 고무발포, PE폼, 퍼라이트(Perlite), 우레탄 중 어느 하나 또는 2 이상일 수 있다.
바람직하게는 0.05[g/cm3], 0.035[W/m·k]인 하이플렉스(Hiplex)일 수 있다. 더욱 바람직하게는 0.05[g/cm3], 0.035[W/m·k], 질량비 흡수율 3%이하, 5 내지 10 [ng/m2·s·Pa]인 하이플렉스(Hiplex)일 수 있다.
상기 조건을 벗어난다면 보온효과를 얻을 수 없다.
상기 저온의 촉매는 독립적 또는 물과 혼합되어 공급될 수 있다.
상기 촉매는 가온촉매수유입구(110)으로 공급될 수 있다.
상기 세척수는 세척수유입구(120)으로 유입될 수 있다. 상기 세척수는 상기 촉매에 혼합 공급될 수 있다.
상기 반응기본체는 온도조절을 위하여 반응승온기(130)을 포함할 수 있다. 상기 반응승온기는 상기 반응기본체의 온도를 제어할 수 있다면 반응승온기의 형태는 제한되지 않음은 자명하다. 상기 반응승온기는 1 내지 5℃?/min 의 승온속도를 가질 수 있다.
상기 조건을 벗어난다면 승온효과를 얻을 수 없다.
추가적으로 벤트부(140)을 통하여 상기 반응기본체의 내압 조건을 유지하기 위한 벤트가 수행될 수 있다.
상기 반응기본체의 압력조건을 유지하기 위하여 고압기체발생기(150)을 포함할 수 있다.
상기 고압기체발생기를 통하여 발생된 고압기체는 탈수플레스부로 공급되기 위한 고압기체제1주입부가 형성될 수 있으며, 상기 반응기본체에는 고압기체제2주입부가 형성될 수 있다.
상기 고압기체 조건은 1 내지 5 m3/min * 1 내지 10Kg/cm2일 수 있다. 상기 조건을 벗어나면 충분한 압력조건을 얻을 수 없다.
상기 고압기체제2주입부로 공급되는 고압기체는 폭기를 위한 효과도 있다. 상기 고압기체는 공기, 산소, 질소, 헬륨 중 어느 하나 또는 2 이상일 수 있다.
상기 연료의 금속이온제거 반응, 탈수 및 세척공정이후 연료를 배출하기 위한 고체 연료배출부를 통하여 배출될 수 있다.
상기 pH조정조는 상기 반응기본체에 공급하기 위한 촉매를 공급하기 위한 장치이다. 상기 pH조정조는 상기 촉매와 혼합을 위한 물을 공급하기 위한 처리수공급부(210)을 포함할 수 있다. 상기 pH조정조에 촉매를 공급하기 위한 촉매저장조(430)가 형성될 수 있으며 상기 촉매를 상기 pH조정조에 공급할 수 있다. 촉매공급부(420)이 형성될 수 있다. 상기 원료의 탈수 및/또는 세척수로부터 유기산을 형성하기 위한 유기산저장조(440)이 추가로 형성될 수 있다. 상기 유기산저장조는 상기 원료로부터 분리된 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 중 어느 하나 또는 2 이상의 촉매와의 과반응 통하여 생성될 수 있다. 상기 pH조정조는 내부 촉매 혼합특성을 위하여 교반기(401)이 형성될 수 있다. 상기 교반기는 상기 pH조정조의 용량이 100L일 때, 100 내지 500rpm으로 교반회전할 수 있으며, 바람직하게는 350rpm일 수 있다. 상기 pH조정조는 온도조절을 위하여 승온기(403)을 포함할 수 있다. 상기 승온기는 상기 반응기본체의 온도를 제어할 수 있다면 승온기의 형태는 제한되지 않음은 자명하다. 상기 반응승온기는 1 내지 5℃?/min 의 승온속도를 가질 수 있다.
상기 조건을 벗어난다면 승온효과를 얻을 수 없다.
상기 pH조정조는 보온재(402);을 포함할 수 있다. 상기 보온재는 보온효과를 갖을 수 있다면 그 재질에 한정되지 않는다.
상기 보온재는 유리솜, 고무발포, PE폼, 퍼라이트(Perlite), 우레탄 중 어느 하나 또는 2 이상일 수 있다.
바람직하게는 0.05[g/cm3], 0.035[W/m·k]인 하이플렉스(Hiplex)일 수 있다. 더욱 바람직하게는 0.05[g/cm3], 0.035[W/m·k], 질량비 흡수율 3%이하, 5 내지 10 [ng/m2·s·Pa]인 하이플렉스(Hiplex)일 수 있다.
상기 조건을 벗어난다면 보온효과를 얻을 수 없다.
상기 pH조정조에 추가적으로 물을 공급하기 위한 처리수공급부(410)가 형성될 수 있다.
상기 촉매를 상기 반응기본체로 공급하기 위한 가온촉매수배출부(460)가 형성될 수 있다.
상기 잉여 생성된 촉매수를 배출하기 위한 pH조정조드레인부(470)가 형성될 수 있다.
상기 세척수저장조에 물을 공급하기 위한 세척수공급부(510)가 형성될 수 있다. 상기 세척수저장조에 상기 반응기본체에서 세척을 통해 배출되는 세척수를 공급하기 위한 2차탈수공급부(520)가 형성될 수 있다. 상기 세척수저장조에서 생성된 세척수를 상기 반응기본체에 공급하기 위한 세척수배출부(530)이 형성될 수 있다. 상기 세척수저장조의 잉여 세척수를 배출하기 위한 세척수드레인부(540)이 형성될 수 있다.
상기 반응기본체, 상기 pH조정조, 상기 세척수저장조에는 액체 수위를 확인할 수 있는 수위 측정게이지가 추가로 형성될 수 있다.
상기 원료유입장치는 상기 바이오매스를 소정 크기의 원료로 형성하는 분쇄유닛; 상기 원료를 저장하는 호퍼; 상기 호퍼에 저장된 상기 원료를 후단에 정량 공급하는 원료공급피더;를 포함할 수 있다.
상기 바이오매스는 1세대 바이오매스, 2세대 바이오매스, 3세대 바이오매스 중 어느 하나 또는 2 이상일 수 있다.
바람직하게는 억새, EFB(Empty Fruit Bunches), 케나프, 옥수수대, 왕겨, 대나부 중 어느 하나 2 이상 일 수 있다.
상기 소정 크기는 500mm이하 일 수 있다.
바람직하게는 10㎛ 내지 300mm이하 일 수 있다.
더욱 바람직하게는 20mm 내지 50mm이하 일 수 있다.
상기 입자 사이즈를 벗어날 경우, 분쇄비용이 과다하게 소요되거나, 회분유발성분의 제거 효율이 낮아질 수 있다.
상기 분쇄유닛은 파쇄(crushing) 및/또는 분쇄(grinding)를 수행할 수 있다. 상기 분쇄유닛은 압축, 충격, 마찰, 전단, 굽힘 중 어느 하나 이상의 물리 특성을 이용할 수 있으며 절단 등 바이오매스의 크기를 줄이는 동시에 표면적을 넓히는 목적을 달성할 수 있다면 그 방법에 제한이 되지 않는다.
상기 분쇄유닛은 죠크러셔(Jaw crusher), 자이레토리크러셔(Gyratory crusher), 롤크러셔(Roll crusher), 에지러너(Edge runner), 햄머크러셔(Hammer crusher), 볼밀(Ball mill), 제트밀(Jet mill), 디스크크러셔(Disk crusher) 중 어느 하나 일 수 있다.
상기 원료공급피더는 후단에 정량적으로 상기 원료를 공급할 수 있는 장치라면 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게는 스크류피더, 락호퍼가 있다.
상기 회분유발성분이란 연소반응에 사용되는 바이오매스에 포함된 무기물 성분 중 반응 후단의 반응기 벽면, 열교환기, 후단 배가스 처리 설비의 표면에 물리, 화학적으로 부착되어 파울링, 슬래깅, 부식, 크링커 생성등을 유발하는 회분유발성분을 의미한다.
상기 회분유발성분은 알칼리, 알칼리토 금속, 할로겐족 원소일 수 있다.
바람직하게는 나트륨, 칼륨, 염소일 수 있다.
상기 소정 온도의 열수처리를 위한 주입수의 온도는 30℃ 내지 500℃일 수 있다. 바람직하게는 120℃ 내지 300℃일 수 있으며 더욱 바람직하게는 30℃ 내지 99℃일 수 있다. 상기 소정 온도의 열수처리를 위한 저온촉매수의 온도는 40℃ 내지 60℃일 수 있다.
상기 온도조건을 벗어나면 상기 원료중에 회분유발성분이 충분히 분리되지 않는다. 상기 온도조건은 원료에 따라 변화될 수 있다.
상기 공급원료가 상기 반응기본체내에 체류하는 시간은 10분 내지 10시간일 수 있다. 바람직하게는 체류하는 시간은 20분 내지 2시간일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 체류하는 시간은 30분 내지 1시간일 수 있다. 상기 체류하는 시간을 벗어나면 상기 원료중에 회분유발성분이 충분히 분리되지 않는다.
상기 체류하는 시간조건은 원료에 따라 변화될 수 있다.
상기 연료처리장치는 상기 소정 온도의 열수처리를 통하여 상기 연료는 탄화 또는 반탄화 될 수 있다.
상기 연료가 탄화 또는 반탄화되면서 단위 연료당 발열량은 상승할 수 있다.
상기 탄화 또는 반탄화 연료의 발열량은 저위발열량 기준 3,500kcal/kg 내지 4,500kcal/kg일 수 있다.
상기 온도 및 시간조건을 벗어나면 제거성분의 효율이 낮아지거나 공정 비용이 많이 소요된다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 단위공급원료 당 투입된느 저온촉매수와의 BTW를 나타낸 것이다.
상기 단위공급원료 당 투입되는 저온촉매수양은 바이오매스의 종류에 따라 달라지며, BTW(Biomass to Water, kg/kg)으로 정의될 수 있다. 바람직하게는 각각의 바이오매스에 대해 억새는 0.05 내지 0.2, 바람직하게는 0.11 내지 0.13, 더욱 바람직하게는 0.125, 케나프는 0.05 내지 0.2, 바람직하게는 0.14 내지 0.18, 더욱 바람직하게는 0.1667, 옥수수대는 0.05 내지 0.2, 바람직하게는 0.11 내지 0.13, 더욱 바람직하게는 0.125, 네피어글라스는 0.05 내지 0.2, 바람직하게는 0.14 내지 0.18, 더욱 바람직하게는 0.1667, EFB는 0.1 내지 0.4, 바람직하게는 0.15 내지 0.25, 더욱 바람직하게는 0.2, PKS는 0.3 내지 0.9, 바람직하게는 0.45 내지 0.75, 더욱 바람직하게는 0.6667, 케슈넛 쉘은 0.3 내지 0.9, 바람직하게는 0.45 내지 0.75, 더욱 바람직하게는 0.5, 커피허스크는 0.2 내지 0.6, 바람직하게는 0.35 내지 0.45, 더욱 바람직하게는 0.4, 우드펠릿는 0.05 내지 0.2, 바람직하게는 0.14 내지 0.18, 더욱 바람직하게는 0.1667, 소나무는 0.1 내지 0.4, 바람직하게는 0.15 내지 0.25, 더욱 바람직하게는 0.2, 임목부산물은 0.1 내지 0.4, 바람직하게는 0.15 내지 0.25, 더욱 바람직하게는 0.2 일 수 있으며, 매우 바람직하게는 각각의 바이오매스에 대해 ± 10 % 범위까지 허용될 수 있다.
상기 BTW비를 벗어나게 되면 유발성분의 분리 효율이 낮아지게 된다.
상기 반응기본체의 전단 또는 후단에 분리 효율 조절을 위한 물, 산성용액, 염기성용액을 주입할 수 있다.
상기 물은 온수, 열수, 증기일 수 있다.
상기 산성용액은 아세트산, 질산, 염산, 황산, 불산, 개미산 중 어느 하나 또는 2 이상일 수 있다.
상기 혼소 조건은 기존 화석연료 대비 1wt% 내지 50wt%일 수 있다. 바람직하게는 3wt% 내지 40wt%일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 5wt% 내지 30wt%일 수 있다.
상기 반응기본체에서 배출되는 액상성분에 상기 회분유발성분이 포함될 수 있다.
상기 액상성분은 소량의 유기화합물 및 회분유발성분을 포함하는 수용액일 수 있다. 상기 유기화합물은 탄소, 수소, 질소, 산소, 황 성분을 주요 구성성분으로 할 수 있다. 바람직하게는 상기 액상성분은 헤미셀룰로오스, 유기산, 푸르푸랄, 5-hydroxymethylfufural (5-HMF) 및 무기물을 포함할 수 있다.
상기 반응기본체에서 배출되는 고상성분은 상기 회분유발성분이 분리된 가연성 성분을 포함될 수 있다.
상기 가연성 성분은 유기화합물일 수 있다. 상기 가연성 성분은 탄소, 수소, 질소, 산소, 황 성분을 주요 구성성분으로 할 수 있다. 상기 가연성 성분은 상기 단위 질량당 원료의 탄소, 수소, 질소, 산소, 황에서 탄소 분율은 증가하고, 수소, 질소, 산소, 황 성분은 감소하는 것에 특징이 있다.
상기 액상성분의 pH는 6이하일 수 있다.
더욱 바람직하게는 pH는 2.5에서 4이하일 수 있다.
상기 액상성분의 pH 최적 조건은 3일 수 있다.
상기 액상성분의 pH는 상기 원료내의 유기산에 의해 pH가 낮아지는 것에 기술적 특징이 있다. 상기 유기산으로는 acetic acid, formic acid, levulinic acid, 5-HMF, Furfural, propanoic acid, 4-hydroxy-butanoic acid, 2-butenoic acid 등이 있다. 상기 유기산은 하나에서 하나 이상이 서로 혼합된 형태일 수 있다. 바람직하게, pH3.11을 유지하기 위한 유기산의 농도는 formic acid 10 wt%, acetic acid 43.81 wt%, levulinic acid 4.58 wt%, 5-HMF 0.91 wt%, furfural 40.04 wt% 가 될 수 있다. 더욱 바람직하게, 해당 유기산의 농도가 pH3.11을 유지하기 위해서 물과 서로 혼합된 형태를 포함한다.
추가적으로 회분유발성분 분리유닛의 반응성 향상을 위해 산액인 acetic acid(C2H4O2), formic acid(HCOOH), propanoic acid(CH3CH2COOH), 4-hydroxy-butanoic acid, 2-butenoic acid, 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 과초산(C2H4O3), 초산(CH3COOH), 옥살산(C2H2O4) 중 어느 하나 이상을 추가로 투입할 수 있다.
상기 산액의 첨가량은 전체 투입 열수량 대비 10wt% 이상 일 수 있다.
상기 산액의 첨가에 의한 pH는 바람직하게는 4이하 일 수 있다.
더욱 바람직하게는 pH는 2.5에서 4이하일 수 있다.
상기 액상성분 중 유기화합물을 분리한 pH가 낮은 수용액은 상기 반응기본체로 재순환 시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 액상성분 중 유기화합물을 제거하기 위해 원심분리, 응집, 흡착, 여과막, 이온교환수지 중 어느 하나 이상을 적용할 수 있다.
상기 반응기본체에서 반응후 배출되는 원료의 고상성분은 유기화합물일 수 있다. 상기 가연성 성분은 탄소, 수소, 질소, 산소, 황 성분을 주요 구성성분으로 할 수 있다. 상기 가연성 성분은 상기 단위 질량당 원료의 탄소, 수소, 질소, 산소, 황에서 탄소 분율은 증가하고, 수소, 질소, 산소, 황 성분은 감소하는 것에 특징이 있다.
상기 반응기본체에서 탈수 및/또는 세척을 통해 배출되는 탈수 및/또는 세척수성분은 소량의 유기화합물 및 무기물을 포함하는 수용액일 수 있다. 상기 유기화합물은 탄소, 수소, 질소, 산소, 황 성분을 주요 구성성분으로 할 수 있다. 바람직하게는 상기 유기화합물은 리그닌일 수 있다. 바람직하게는 상기 무기물은 Al, Si, P, Ca, Ti, Mn, Fe 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 연료처리장치는 상기 고상성분을 적용하여 성형연료를 제조하기 위한 성형연료유닛;을 추가로 포함할 수 있다.
상기 액상성분의 이온성분 분리를 위해 멤브레인필터 유닛을 추가로 포함할 수 있다.
상기 멤브레인필터유닛은 마이크로필터, 울트라필터, 나노필터, 역삼투막 중 어느 하나 또는 2이상일 수 있다. 또한, 상기 멤브레인필터유닛의 전단 또는 후단에 pH, 농도조절을 위한 물, 산성용액, 염기성용액을 주입할 수 있다. 또한, 상기 멤브레인필터유닛 전단 또는 후단에 수분증발, 원심분리, 석출, 침전, 응집, 흡착 중 어느 하나 이상의 방법을 이용하여 액상성분내 고체성분을 분리할 수 있다. 상기 액상성분내 헤미셀룰로오스는 정제분리하여 식이섬유 대용으로 사용할 수 있다.
상기 반응기본체는 탈수 및/또는 세척이 수행될 수 있다.
상기 보일러내 바이오매스 전소 및/또는 혼소를 위한 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템에서 생산된 연료일 수 있다.
또한, 상기 바이오매스는 리그노셀룰로오스 기반의 초본, 목질계 바이오매스를 의미하며 상기 바이오매스에 속하는 물질이라면 제한을 두지 않는다. 또한 제1세대 또는 3세대 바이오매스도 적용 가능함은 자명하다. 리그노셀룰로오스의 주요 성분인 셀룰로오스는 글루코오스(glucose)가 β-1,4 결합으로 연결된 안정된 구조의 다당류이다. 또 다른 주요 성분인 5탄당인 자일로스(xylose)의 중합체로 구성되고 그 외에도 5탄당인 아라비노스(arabinose), 6탄당인 만노스(mannose), 갈락토스(galactose), 글루코스, 람노스(rhamnose) 등의 중합체로 구성된다.
글루칸(glucan)은 포도당으로 구성되는 다당의 총칭으로 D-글루코오스 끼리의 결합양식에 따라 다양한 종류가 있으며, 부제탄소원자의 배치에 의해 크게 α-글루칸과 β-글루칸으로 나누어진다. α-글루칸에는 아밀로스(α-1,4결합), 아밀로펙틴(α-1,4와 α-1,6결합), 글리코겐(α-1,4와 α-1,6결합), 세균의 덱스트란(α-1,6결합) 등이 포함된다. β-글루칸의 대표적인 것으로는 셀룰로오스(β-1,4결합), 갈조류의 라미나란(β-1,3결합), 지의류의 리케난(β-1,3과 β-1,4 결합) 등이 있다.
자일란이 포함된 액상 성분에는 자일란(xylan). 글루쿠로노자일란(glucuronoxylan), 아라비노자일란(arabinoxylan), 글루코만난(glucomannan), 자일로글루칸(xyloglucan)등이 포함될 수 있다. 상기 기재된 성분으로 자일란이 포함된 액상 성분은 제한되는 것은 아니며, 투입되는 바이오매스의 성분에 따라 다양한 성분들이 분리될 수 있다.
당류는 상기 기재된 화합물에 한정되는 것이 아니며, 2세대 바이오매스의 종류에 따라 다양하게 생성이 가능하다. 따라서, 탄소수에 따라 2탄당, 3탄당, 4탄당, 5탄당, 6탄당으로 분류되며, 2탄당으로 글리코알데히드(Glycoaldehyde), 3탄당으로 글리세라알데히드(Glyceraldehyde), 디하드로시아세톤(Dihydroxyacetone), 4탄당으로 에리드로우즈(erythrose), 에리드루로우즈(erythrulose), 5탄당으로 리보우즈(ribose), 아라비노우즈(arabinose), 자일로스(xylose), 리부로우즈(ribulose), 자이루로우즈(xylulose), 6탄당으로 포도당, 글리코우즈(glucose), 과당, 프락토우즈(fructose), 갈락토우즈(galactose), 만노우즈(mannose)가 있을 수 있다.
단당류 2개가 결합한 것 이당류로는 젖당, 유당, 락토우즈, 엿당, 맥아당, 말토우즈, 설탕, 슈크로즈, 트레할로우즈(trehalose), 멜리보우즈(melibiose), 셀로비오즈가 있을 수 있다.
2~10분자의 당이 결합된 당인 소당류로는 3당류로 라피노우즈, 멜레지토우즈(melezitose), 말토리오즈(maltoriose)가, 4당류로는 스타치오즈, 스트로도우즈(schrodose)가 있으며 올리고당으로 갈락토올리고당, 이소말토올리고당, 프락토올리고당이 있을 수 있다.
다당류로는 단순다당류로 5탄당들이 결합된 펜토산(pentosan)으로 자이란(xylan), 아라반(araban) 등이 있을 수 있다.
6탄당들이 축합된 헥소산(hesoxan)으로는 전분, 녹말(starch), 글루코오스의 중합체로 아밀로우즈, 호정(dextrin), 글리코겐(glycogen), 섬유소(cellulose), 프록탄(fructan), 갈락탄(galactan), 만난(mannan) 등이 있을 수 있다.
복합다당류로는 한천(agar), 알긴산(alginic acid), 가라지난(carrageenan), 키틴(chitin), 헤미셀룰로오스(hemicellulose), 펙틴(pectin) 등이 있을 수 있다.
상기 반응에 참여하는 산으로는 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3), 인산(H3PO4), 과초산(C2H4O3), 초산(CH3COOH), 옥살산(C2H2O4) 등이 있을 수 있다. 상기 산은 기재된 산으로 한정되는 것이 아니며 헤미셀룰로오스와 셀룰로오스의 분해하는 산이라면 어느 것이든 사 상기 반응에 참여하는 염기로는 sodium hydroxide, calcium hydroxide, 우레아 등이 있을 수 있다. 상기 염기는 기재된 염기로 한정되는 것이 아니며 반응특성을 증진시키는 염기라면 어느 것이든 사용 가능하다.
상기 반응에 참여하는 이온성 액체로는 이미다졸리움계 화합물로 1-에틸아크릴레이트-3-메틸이미다졸리움 클로라이드 (1-ethylacrylate-3- methylimidazolium chloride), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드 (1-buthyl- 3-methylimidazolium chloride), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluoro phosphate), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 트리플루오로메탄술포네이트(1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate), 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 아세테이트(1-ethyl-3-methylimidazolium acetate), 1-벤질-3-메틸이미다졸리움 클로라이드(1-benzyl-3-methylimidazoliumchloride), 1,3-디메틸이미다졸리움메틸 술페이트(1,3-dimethylimidazoliummethyl sulfate), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 아세테이트 등이 있을 수 있으며, 에틸메틸이미다졸리엄 클로라이드([EMIM]Cl), 에틸메틸이미다졸리엄 브로민([EMIM]Br), 에틸메틸이미다졸리엄 요오드([EMIM]I), 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움, 1-에틸 이미다졸리움 니트레이트, 1-에틸 이미다졸리움 브로마이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 클로라이드, 1-에틸-이미다졸리움 클로라이드, 1,2,3-트리메틸 이미다졸리움 메틸 설페이트, 1-메틸 이미다졸리움 클로라이드, 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움, 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 테트라클로로알루미네이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 테트라클로로알루미네이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 하이드로겐설페이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 하이드로겐설페이트, 메틸이미다졸리움 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 아세테이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 아세테이트, Tris-2(하이드록시 에틸) 메틸암모늄 메틸설페이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 에틸설페이트, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 메탄설포네이트, 메틸-트리-n-부틸암모늄 메틸설페이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 클로라이드, 1-에틸-3-메틸 이미다졸리움 티오시아네이트, 1-부틸-3-메틸 이미다졸리움 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. 상기 이온성 액체는 기재된 이온성 액체로 한정되는 것이 아니며, 반응특성을 증진시키는 것이라면 어느 것이든 사용 가능하다.
상기 반응기본체에 투입되는 효소, 산, 알칼리, 이온성 액체 중 어느 하나 또는 2 이상이 투입되는 양은 반응조건에 따라 투입되지 않을 수도 있다.
또한, 상기 반응기본체을 통해 상기 고상성분이 고온고압 반응에 참여하면서 푸르푸랄(furfural)등의 화합물이 생성될 수 있다.
상기 반응기본체의 압력조건은 1~150atm일 수 있으며, 바람직하게는 1~100atm일 수 있으며 더욱 바람직하게는 1~50atm일 수 있다. 상기 반응기본체는 원료에 따라 압력조건이 변화할 수 있다.
상기 압력조건을 벗어나면 적절한 원료내 금속이온이 분리될 수 없다.
이러한 회분유발성분이 제거된 연료는 유동층, 화격자, 미분화 보일러 및 가스화기 등에 사용할 수 있으며, 연소 및 가스화 과정 중 연료중 금속원소를 포함하는 무기질 성분에 기인하는 클링커 파울링 등의 막힘현상 및 알칼리계 금속에 기인하는 부식현상을 근원적을 배제할 수 있다.
또한, 상기 반응기본체에서 배출되는 저온의 알칼리 및/또는 산성 탈수의 금속이온성분을 분리하는 금속이온분리장치(600);을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응기본체에서의 저온 조건은 물의 증발잠열 손실을 배제하기 위한 100℃ 미만일 수 있다. 저온 조건은 물의 증발잠열 손실을 배제하기 위한 40℃ 내지 80℃ 일 수 있다. 저온조건은 60℃일 수 있다.
또한, 상기 반응기본체에 공급되는 산성액은 별도의 바이오매스의 소킹(Soaking)처리를 통하여 생성된 유기산을 이용할 수 있다.
또한, 상기 금속이온분리장치는 이온 교환 수지, 이온교환막 및/또는 막을 이용하여 이온성분을 분리할 수 있고, 탈수에 포함된 이온을 제거 분리할 수 있다면 특별히 제한하지 않는다. 일예로 상기 이온교환 수지는 Ba2+, Pb2+, Sr2+, Ca2+, Ni2+, Cd2+, Cu2+, Zn2+, Tl+, Ag+, Cs+, Rb+, K+, NH4+, Na+, Li+ 중 어느 하나 또는 2 이상의 양이온을 선택적으로 분리할 수 있는 양이온교환수지 일 수 있다.
또한 상기 이온교환 수지는 Citrate, SO4 2-, Oxalate, I-, NO3 -, CrO4 2-, Br-, SCN-, Cl-, Formate, Acetate, F-, OH- 중 어느 하나 또는 2 이상의 음이온을 선택적으로 분리할 수 있는 음이온교환수지 일 수 있다.
여기서, 상기 음이온교환수지와 양이온교환수지는 넓은 pH 영역에서 사용이 가능하도록 강산성 양이온교환수지 또는 강염기성 음이온교환수지를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 금속이온분리장치는 제1양이온교환모듈(601), 제1음이온교환모듈(602), 제2양이온교환모듈(603), 제2음이온교환모듈(604)이 포함될 수 있다. 상기 이온교환모듈은 양이온 및 음이온교환모듈을 병렬로 복수로 형성할 수 있다. 상기 이온교환모듈은 부분적 또는 전체 모두 작동될 수 있다. 상기 이온교환모듈에 탈수를 공급하기 위한 펌프가 형성될 수 있다.
상기 이온교환모듈의 양이온 및 음이온교환수지를 통과한 탈수는 상기 pH조정조로 공급될 수 있다. 양이온 및 음이온교환수지에서 분리된 이온액은 음이온수저장조(620) 및 양이온수저장조(630)로 공급될 수 있다.
상기 반응기본체에서 배출되는 탈수가 상기 금속이온분리장치에 공급되지 전에 저장될 수 있는 탈수저장조(610)이 형성될 수 있다.
상기 막은 탈수 중에 포함되어 있는 양이온 및/또는 음이온 물질을 분리할 수 있는 나노여과막, 역삼투막 중 어느 하나 또는 2 이상일 수 있다.
(금속이온분리 실험)
탈수 중의 금속이온 분리 실험을 위하여 컬럼(지름 5cm, 길이 24cm, 체적 471cm3)의 아래에 수지의 누출을 방지하기 위해 글라스 울을 넣은 뒤, 그 위에 대상으로 하는 이온교환수지 일정량 (양이온교환수지 402g, 음이온교환수지 346g)을 채운 뒤 그 위에 다시 글라스 울로 채운다.
모사용액을 펌프로 50rpm, 30rpm, 10rpm의 속도로 컬럼에 보내주고, 컬럼을 통과하여 나오는 용액을 샘플링 하였고 일정 시간 뒤에 샘플링 된 용액을 일정 량 취하여 분석을 진행함으로서 각 이온의 농도를 측정하였다.
펌핑속도에 따른 컬럼에서의 용액의 체류시간은 그림 13과 같다. 상기 금속이온분리장치에서 배출된 탈수액의 금속이온농도를 ICP로 분석하였다.
탈수 유닛에서 배출된 혼합 바이오 용액이 양이온교환수지 컬럼을 통과하여 나오는 시간에 따른 K+, Na+, Mg2+ 양이온의 농도 변화는 도 14에 나타내었다. 탈수 유닛에서 배출된 혼합 바이오 용액이 양이온교환수지 컬럼을 통과하여 나오는 시간에 따른 K+, Na+, Mg2+ 양이온의 농도 변화를 나타내며, K+이온의 경우, 초기 457.092ppm의 농도에서 3분 뒤 6.474ppm으로 농도가 급격히 감소하였으며, 9분 뒤 6.833ppm을 보이고 서서히 감소하여 55분에서 5.809ppm의 값을 보였다. Mg2+이온의 경우, 초기 57.114ppm의 농도에서 3분 뒤 1.636ppm으로 농도가 급격히 감소하였으며, 9분 뒤 0.454ppm을 보이고 서서히 감소하여 55분에서 0.079ppm 값을 보였다. Na+이온의 경우, 초기 32.687ppm의 농도에서 3분 뒤 180.224ppm으로 농도가 급격히 증가하였으며, 9분 뒤 139.157ppm을 보이고, 22분에 75.739ppm을 보인 후 거의 일정한 값을 보였다. K+, Mg2+ 이온은 양이온교환수지 컬럼 통과 3min 후 대부분의 이온이 제거됨을 알 수 있다.
펌핑속도에 따른 컬럼에서의 용액 체류시간을 고려한 음이온의 시간에 따른 분리결과는 그림 15와 같다. 상기 금속이온분리장치에서 배출된 탈수액의 금속이온농도를 ICP로 분석하였다.
Cl-이온의 경우, 초기 1051.60ppm의 농도에서 3분 뒤 183.18ppm으로 농도가 급격히 감소하였으며, 9분 뒤 169.07ppm을 보이고, 22분 뒤 147.85ppm으로 거의 일정한 값을 보였으며 Cl- 음이온은 음이온교환수지 컬럼 통과 22min 후 대부분의 이온이 제거됨을 알 수 있다. Cl-이온의 경우, 초기 0 mg/g에서 3분 뒤 1.26 mg/g으로 흡착량이 급격히 증가하였으며, 9분 뒤부터 1.28 mg/g을 보이고, 22분 뒤 1.31 mg/g으로 거의 일정한 값을 보여 음이온교환수지의 1시간동안 Cl-이온의 흡착량은 약 5.0 mg/g의 값을 보임을 알 수 있었다.
한편, 상기 금속이온분리장치로부터 배출되는 이온수는 회분유발성분을 포함한 각종 입자상 물질이 함유될 수 있고, 이러한 물질들은 양이온교환수지 또는 음이온교환수지의 이온교환능력을 저하시키고, 게다가 이온교환수지 사이의 공극을 폐쇄시킨다. 또 나노여과막 또는 역삼투막을 사용하는 양이온 또는 음이온을 제거하고자 하는 경우, 상기한 입자상 물질로 인해 투과성능이 급격히 저하될 수 있으므로 적절한 전처리 유닛을 구비하는 것이 바람직하다.
일예로 상기 전처리 유닛은 응집 및/또는 침전공정을 도입하거나, 또는 비교적 기공이 큰 한외여과막이나 정밀여과막으로 입자상 물질을 사전에 제거한 후 이온교환수지, 나노여과막 또는 역삼투막에 공급할 수 있다.
또한, 상기 금속이온분리장치에서 이온성분이 분리된 탈수는 상기 반응기본체로 리사이클될 수 있다.
또한, 상기 바이오매스는 입경이 10 ㎛ ~ 1000 ㎜ 일 수 있다. 바람직하게는 10 ㎛ ~ 100 ㎜일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ ~ 10 ㎜일 수 있다. 상기 조건을 벗어나면 원료내 금속이온 분리효율이 저하될 수 있다.
또한, 상기 금속이온분리장치 후단에는 배출유닛이 추가로 포함될 수 있다.
폐수처리유닛에는 이온교환수지, 분리막, 응집, 흡착 등이 포함될 수 있음은 자명하다. 사익 폐수처리유닛으로부터 제거 분리된 이온물질들은 위탁처리 등을 통해 매립 또는 소각하고, 이들 물질이 제거된 처리수는 수계(하천, 강 등)로 방류하는 배출유닛이 추가로 포함될 수 있다. 상기 배출유닛은 펌프 일 수 있다.
(촉매 반응 실시예)
바이오매스 원시료를 105℃ 오븐에 건조시켜서 수분을 제거한다. 건조된 시료(예 EFB) 일부에 물을 넣어서 점도 5000cP이하로 유지한다. 상기 조건은 EFB의 경우, EFB 대 물의 중량비 1대 3이다. 상기 수용액에 NaOH 1wt%을 투입한다. 상기 처리액을 반응기에 넣고 60℃ 온도에서 10분 유지시킵니다. 교반기는 rpm 10 내지 1000으로 교반한다. 상기 60℃는 분당 2℃ 승온조건으로 반응시간은 40분이다.
반응 후, 처리액을 1um 필터를 이용해서 고액 분리를 진행한다. 회수된 고체는 105℃ 오븐에서 건조한다. 상기 오븐에서 회수한 시료 1wt% 대 acetic acid 수용액 3wt%의 비율 (처리액과 acetic acid의 비율은 1:1)로 교반한다.
상기 처리액을 상기 반응기에 넣고 60℃, 10분 유지시킨다. 상기 과정을 통해서 처리액에 포함된 Na 이온을 상기 반응기에서 acetic acid을 제거한다.
상기 반응이 종료된 처리액을 1um 필터로 고액분리한다. 잔여물은 증류수로 세척한다.
최종적으로 105℃ 오븐에서 건조시켜 바이오매스내 회분유발성분이 금속성분이 제거된 바이오매스내 휘발유발성분을 제거한 바이오매스가 배출된다.
상기 분리된 금속이온을 적용하여 이차전지, 연료전지, 슈퍼캐퍼시터에 적용할 수 있다.
바람직하게는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템과 연계한 상기 분리된 금속이온을 이용한 ESS(Energy Storage System)시스템을 구성할 수 있다.
상기 ESS시스템은 이차전지, 연료전지, 슈퍼캐퍼시터, 흐름전지(Flow battery) 중 어느 하나 이상의 형태 일 수 있다.
바람직하게는 이온용액의 전위차를 이용하는 발전장치 일 수 있다.
상기 금속이온은 알칼리, 알칼리토 금속이온일 수 있으며, 바람직하게는 리튬, 나트륨, 칼륨 일 수 있으며 더욱 바람직하게는 칼륨일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템 전 후의 원료의 성분 변화를 나타낸 것이다.
원료로 고려중인 바이오매스는 초본계, 목본계, 조류(Algae) 등이 있으며, 그 중 도 2에는 초본계 바이오매스인 억새, 옥수수대와 목본계인 소나무를 이용한 연료특성 분석결과를 나타내었다. 본 공정을 거쳐서 만들어진 회분 유발성분이 제거된 바이오매스는 dry basis 기준 77~97% 이상의 제거효율을 보였으며, 평균적으로 약 10%정도의 발열량 향상 효과를 가져왔다. 또한, 추가적으로 연료 자체의 Fuel NOx 생성물질과 SOx 생성 물질인 N과 S의 수치가 약 80%정도 저감된 것을 볼 수 있다. 석탄에 비해 바이오매스 연료가 가진 낮은 발열량이나 회분에 의한 영향을 본 전처리 공정을 통해 개선이 가능하다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템 전 후의 원료의 미네랄 성분 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 회분 유발성분이 제거된 연료의 회분특성을 나타내었다. Melting point가 349 ℃로 가장 낮게 형성되어 있는 K2O의 경우 제거효율이 99% 이상에 달하고 있으며, 1,132 ℃의 melting point을 가진 Na2O의 경우 제거효율이 95%에 달하고 있다. 이처럼 회분 유발성분을 제거함으로써 보일러 튜브나 벽면에 생성되는 슬래깅, 파울링, 클링커 등의 생성 유발물질을 사전에 차단하고 안정적인 보일러 가동율 유지가 가능하다. (일반적인 바이오매스 전소보일러의 경우 가동율 70% 미만)
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 알칼리액 처리 조건에서 pH 변화에 따른 회분 제거율을 나타낸 것이다.
도 4는 알카리영역에서의 회분추출율과 가연성물질인 ALB의 회수율을 나타낸 그래프이다. 본 특허에서 개발하고자 하는 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료는 고체물질인 가연성물질을 최대한 유지하면서 회분유발성분만 제거하는 것을 특징으로 잡고 있다. pH 13.4 이상의 영역에서는 회분유발성분의 제거효율이 감소함과 동시에 ALB의 수율도 감소함을 알 수 있다. 이에, 가장 극대화 조건인 pH 13.3 ~ 13.4 영역에서의 회분추출이 이루어져야한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 알칼리액 처리 조건에서 온도 변화에 따른 회분 제거율을 나타낸 것이다.
도 5는 앞선 도 4의 실험결과를 바탕으로 pH 13.4 조건에서 온도의 영향을 고려한 것이다. 온도가 증가함에 따라 대체적으로 회분 추출율은 증가하는 것을 알 수 있으며, 80 ℃ 영역에서 가장 극대화된 수치를 볼 수 있다. 하지만 가연성 물질인 ALB의 수율이 낮게 형성되어 있기 때문에 회분 추출율과 가연성 물질 회수율이 좋은 55~65 ℃ 영역이 적정 온도 범위라 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 알칼리액 처리 조건에서 체류시간 변화에 따른 회분 제거율을 나타낸 것이다.
도 6은 pH 13.4, 온도 60 ℃의 영역에서 체류시간에 따른 영향을 고려한 것이다. 체류시간 10분의 영향에서 회분 추출율이 가장 극대화를 보이고 있으며, 시간이 경과됨에 따라 비슷한 성능을 유지하는 것을 알 수 있다. 회수율의 경우 시간이 지남에 따라 점점 감소하기 때문에 알카리 영역에서의 체류시간은 10분 이상의 시간은 무의미한 조건이라 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 산성액 처리 조건에서 pH 변화에 따른 회분 제거율을 나타낸 것이다.
도 7은 산성영역에서의 회분추출율과 가연성물질인 ALB의 회수율을 나타낸 그래프이다. 본 특허에서 개발하고자 하는 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료는 고체물질인 가연성물질을 최대한 유지하면서 회분유발성분만 제거하는 것을 특징으로 잡고 있다. pH가 1.7로 증가하면서 회분 유발성분의 제거효율이 증가하나 1.8 이상이 되면 다시 감소하는 경향을 보이고 있다 이에, 가장 극대화 조건인 pH 1.7 ~ 1.8 영역에서의 회분추출이 이루어져야 한다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 산성액 처리 조건에서 온도 변화에 따른 회분 제거율을 나타낸 것이다.
도 8은 앞선 도 7의 실험결과를 바탕으로 pH 1.76 조건에서 온도의 영향을 고려한 것이다. 온도가 증가함에 따라 회분 추출율은 증가하나 60 ℃ 이상의 온도조건에서는 회분 추출율이 감소함을 알 수 있다. 이에, 최적 온도 조건은 50~60 ℃ 영역이 적정 범위라 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템의 산성액 처리 조건에서 체류시간 변화에 따른 회분 제거율을 나타낸 것이다.
도 9는 pH 1.76, 온도 60 ℃의 영역에서 체류시간에 따른 영향을 고려한 것이다. 체류시간 10분의 영향에서 회분 추출율이 가장 극대화를 보이고 있으며, 시간이 경과됨에 따라 비슷한 성능을 유지하는 것을 알 수 있다. 회수율의 경우 시간이 지남에 따라 점점 감소하기 때문에 산성 영역에서의 체류시간은 10분 이상의 시간은 무의미한 조건이라 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 회분유발성분을 제거한 보일러용 연료 생산 시스템 전 후의 바이오매스 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 10은 처리하지 않은 원 시료(억새)와 회분유발성분을 제거한 억새시료를 SEM을 이용하여 표면 구조 변화를 비교하였다. 원 시료의 경우 표면에 불규칙한 불순물 형태의 미네랄 성분이 다량 포함된 것을 볼 수 있으나, 회분유발성분을 제거한 시료의 경우 깨끗한 상태의 표면 형상을 볼 수 있다. 시료 자체의 구조적인 변화는 일으키지 않으면서, 미네랄성분만을 선택적으로 제거하기에는 본 공정 구성이 가장 적절하다고 볼 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오매스 연소가능한 탄소 화합물분의 잔존량을 나타낸 그래프이다.
도 11은 기존 바이오에탄올 공정의 전처리를 통한 바이오매스 처리의 경우, 약 20wt%정도의 탄소분만이 잔존하는 것으로 나타났으며, 본 발명의 일실시예에 따른 산 및/또는 염기 처리의 경우, 약 80 wt%이상의 탄소분이 잔존하는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템의 작동 순서이다.
상기 반응기 본체의 운전 절차는 1. 상기 반응기본체의 하부로 탈수이송장치가 80~160 kg/cm2의 유압조건으로 상기 반응기본체로 상승한다. 이후 2. 상기 원료주입장치를 통하여 바이오매스인 원료가 상기 반응기본체로 공급된다. 이후 3. 상기 pH조정조를 통하여 저온의 촉매수가 공급된다. 이때 저온의 촉매수/바이오매스의 질량비율은 1 내지 10일 수 있다. 이후 4. 상기 반응기본체에 상기 고압기체발생기를 통하여 공기가 공급되어 폭기 교반이 수행될 수 있다. 상기 공기 압력은 3~5 kg/cm2에 0.1~1 m3/min의 공기 유량일 수 있다. 이후 5. 소정의 반응시간 후 소정의 시간을 통하여 상기 고압기체발생기를 통하여 바이오매스를 여과시킬 수 있다. 상기 공기 압력은 3~5 kg/cm2에 0.5~2 m3/min의 공기 유량일 수 있다. 이후 6. 탈수가압장치의 프레스가 80~160 kg/cm2의 유압조건으로 상기 반응기본체로 이동할 수 있다. 이후 탈수를 진행하기 위하여 상기 고압기체발생기를 통하여 고압 공기를 인입하면서 프레스 가압을 수행하여 탈수를 진행한다. 이후 7. 가압프레스가 상부로 이동하여 탈수를 종료한다.
이후 8. 상기 바이오매스를 세척하기 위하여 상기 반응기본체에 상기 세척수저장조로부터 세척수가 투입될 수 있다. 이후 9. 상기 4. 내지 7.의 과정이 반복될 수 있다. 이후 10. 상기 탈수이송장치가 아래로 이동한 후 바이오매스 원료가 배출되어 상기 연료이송장치(810)을 통하여 연료처리장치(800)으로 전달될 수 있다.
1: 탈회분 반응기
100: 반응기본체
101: 반응기보온재
110: 가온촉매수유입부
120: 세척수유입부
130: 반응승온기
140: 벤트부
150: 고압기체발생기
151: 고압기체제1주입부
152: 고압기체제2주입부
160: 고체연료배출부
200: 탈수가압장치
210: 탈수프레스
300: 탈수이송장치
310: 이송프레스
320: 제2탈수배출부
330: 제1탈수배출부
340: 금속이온센서
400: pH조정조
401: 교반기
402: 보온재
403: 승온기
410: 처리수공급부
420: 촉매공급부
430: 촉매저장조
440: 유기산저장조
450: 1차μ수공급부
460: 가온촉매수배출부
470: pH조정조드레인부
500: 세척수저장조
510: 세척수공급부
520: 2차탈수공급부
530: 세척수배출부
540: 세척수드레인부
600: 금속이온분리장치
601: 제1양이온교환모듈
602: 제1음이온교환모듈
603: 제2양이온교환모듈
604: 제2음이온교환모듈
610: 탈수저장조
620: 음이온수저장조
630: 양이온수저장조
640: 탈수펌프
650: 금속이온센서
700: 원료주입장치
800: 연료처리장치
810: 연료이송장치
900: ESS
1000: 분쇄유닛
2000: 호퍼
2100: 원료공급피더
3000: 제1분리유닛
4000: 제2분리유닛
5000: 폐수처리유닛

Claims (31)

  1. 공급된 원료의 회분유발성분이 최대로 분리되도록 저온의 촉매로 처리하는 반응기본체(100);
    상기 반응기본체에 저온 촉매수를 공급하는 pH조정조(400);
    상기 반응기본체에 세척수를 공급하는 세척수저장조(500); 및
    상기 반응기본체에 원료를 주입하는 원료주입장치(700);를 포함하는
    탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기본체는 반응 후 상기 원료를 가압하는 탈수프레스(200); 및 가압 후 상기 원료를 이송하는 이송프레스(300);를 포함하는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응기본체에서 배출된 탈수내 금속이온을 분리하는 금속이온분리장치(600);를 포함하는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반응기본체는 공급되는 상기 저온 촉매수 및/또는 상기 세척수가 상기 원료와의 소정의 반응 조건에 부합할 때 폭기 교반 운전되는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 반응기본체는 소정의 반응 완료조건에 부합할 때 상기 탈수프레스로 상기 원료와 탈수액을 분리하는 1차 탈수를 수행하는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탈수액이 분리된 상기 원료를 폭기 교반 세척하는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    세척된 상기 원료 및 세척액을 분리하는 2차 탈수를 수행하는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 금속이온분리장치를 통과한 상기 탈수액이 소정의 금속이온 농도 이하일 때, 상기 pH조정조로 공급하는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 세척액의 금속이온농도가 소정 농도 이상일 때는 상기 금속이온분리장치로 공급하고, 미만일 때는 상기 세척수저장조로 공급하는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 반응기본체에 공급되는 상기 저온 촉매수 및/또는 상기 세척수와 상기 원료의 질량비는 1.05:1 내지 10:1인 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 금속이온분리장치는 이온 교환 수지 및/또는 막을 이용하여 이온성분을 분리하는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 탈수액은 상기 pH조정조로 공급되기 전에 유기산을 생성하기 위한 유기산저장조로 공급될 수 있는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 원료는 상기 이송프레스로 이송되어 연료처리장치(800); 공급되는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 금속이온분리장치를 통과하지 못한 금속이온을 포함하는 탈수액은 양이온저장조 및 음이온저장조로 분리하여 공급되는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 2차 탈수를 수행한 상기 원료는 함수율이 15% 이하인 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  16. 제3항에 있어서,
    상기 분리된 금속이온을 이용한 ESS(900) 시스템을 포함하는 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  17. 바이오매스를 소정 크기의 원료로 형성하는 분쇄유닛(1000);
    상기 원료를 저장하는 호퍼(2000);
    상기 호퍼에 저장된 상기 원료를 후단에 정량 공급하는 원료공급피더(2100);
    상기 원료공급피더로부터 공급된 원료의 회분유발성분이 최대로 분리되도록 저온의 알칼리 및/또는 산성액으로 처리하는 제1분리유닛(3000);을 포함하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1분리유닛에서 처리된 상기 원료를 저온의 알칼리 및/또는 산성액으로 처리하는 제2분리유닛(4000);을 포함하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1분리유닛 및 제2분리유닛에서 배출되는 저온의 알칼리 및/또는 산성 폐액의 이온성분을 분리하는 이온분리유닛(5000);을 포함하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1분리유닛 및 제2분리유닛에서의 저온 조건은 물의 증발잠열 손실을 배제하기 위한 100 미만인 것을 특징으로 하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제1분리유닛 및 제2분리유닛에서의 저온 조건은 물의 증발잠열 손실을 배제하기 위한 40 내지 80 인 것을 특징으로 하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 제1분리유닛 및 제2분리유닛에 공급되는 산성액은 별도의 바이오매스의 소킹(Soaking)처리를 통하여 생성된 유기산을 이용하는 것을 특징으로 하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  23. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 제1분리유닛 및 제2분리유닛에 공급되는 알칼리액은 수산화나트륨 1 wt% 인 것을 특징으로 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  24. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 제1분리유닛 및 제2분리유닛에 공급되는 산성액은 아세트산 50wt%인 것을 특징으로 하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  25. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 제1분리유닛 또는 제2분리유닛은 반응시간은 1분 내지 5시간인것을 특징으로 하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  26. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 제1분리유닛 및 제2분리유닛에 공급되는 산성액은 산대 물 질량비가 15 내지 4인 것을 특징으로 하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  27. 제19항에 있어서,
    상기 폐수처리유닛은 이온 교환 수지 및/또는 막을 이용하여 이온성분을 분리하는 것을 특징으로 하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  28. 제19항에 있어서,
    상기 제1분리유닛 및/또는 제2분리유닛을 통해 공급되는 처리액의 상기 폐수처리유닛으로의 공급을 위해 소정의 처리조건을 만족하기 위한 수처리유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 폐수처리유닛에서 이온성분이 분리된 염기성 또는 산성 폐액은 상기 제1분리유닛 및/또는 제2분리유닛으로 리사이클 되는 것을 특징으로 하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  30. 제17항에 있어서,
    상기 바이오매스는 입경이 10 ㎛ ~ 10 ㎜ 인 것을 특징으로 하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 폐수처리유닛 후단에는 배출유닛이 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템.
PCT/KR2018/004055 2018-04-06 2018-04-06 탈수 세척공정을 연계한 저온조건의 바이오매스내 회분유발성분을 제거한 연료 생산 시스템 WO2019194336A1 (ko)

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