KR101308397B1 - 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동층 화력발전용 원료로 사용하기 위하여 임목부산물에 의해 얻어지는 우드칩의 발열량을 향상시키기 위하여 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법에 관한 것으로서, 상기와 같은 본 발명에 따르면, 저온 반탄화 공정과 단순 분쇄 공정을 통하여 높은 탄소함량을 포함하며 입자 크기가 15 mm 이하로 조절된 목질계 고형연료을 제조할 수 있다.

Description

저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법{Preparation method of wood solid-fuel having high heating value by semi-carbonization at low temperature}

본 발명은 유동층 화력발전용 원료로 사용하기 위하여 임목부산물에 의해 얻어지는 우드칩의 발열량을 향상시키기 위하여 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 간단한 공정의 반탄화법과 분쇄 공정을 통하여 석탄의 대체 연료로 사용될 수 있는 고연소 효율 및 고발열량을 갖는 유동층 화력발전 연료용 목질계 고형연료의 제조방법에 관한 것이다.

최근 전세계적으로 화석연료의 고갈과 함께 에너지 절약에 대한 중요성을 인식되고 있으며, 이에 대한 대안으로 바이오매스와 같은 신재생 에너지원의 개발을 위하여 많은 노력이 이루어지고 있다. 다양한 신재생 에너지원 중 하나인 목질계 바이오매스는 광합성에 의한 이산화탄소 흡수효과로 탄소중립적(Carbon neutral)이며, 연소 시 이산화탄소 발생량이 30g/kWh 정도로 화석연료의 1/10 이하이고, 이산화황(SO_x) 발생량이 매우 적은 청정연료로서 기존의 석탄 및 석유와 같은 화석연료의 대체뿐만 아니라 기후변화 대응 및 온실가스 감축의 유용한 수단으로 주목받고 있다. 따라서 쿄토 의정서(1997)에 의해 규제되는 이산화탄소 배출문제를 해결할 수 있는 친환경적 에너지원으로 목재, 초목뿐만 아니라, 폐목재, 식물찌꺼기, 폐기물까지 광범위한 바이오매스의 활용이 기대된다.

바이오매스에 관한 연구는 1980년대부터 지금까지 유럽ㆍ캐나다ㆍ일본 등 삼림이 풍부한 국가를 중심으로 진행되어 왔다. 이에 비해 국토의 약 70%가 산지에 달하는 우리나라는 환경보전 요구의 급증 등으로 친환경적 측면이 강조되면서 최근에 이르러 바이오매스의 재활용 기술에 대한 관심이 증가하고 있다. 폐목재를 비롯한 농업 및 임업 유기성 부산물, 및 다양한 바이오매스들은 큰 노력 없이 획득가능하며 자연적이고 지속적으로 재생되어지는 장점을 지닌 화학원료물질의 공급원(Chemical feedstock)으로서 훌륭한 대체자원이 될 수 있다.

바이오매스를 이용한 난방시설(5~20g)의 경우 난방유(120g)나 LPG(100g), LNG(82g) 등에 비해 온실가스(Green house gases) 저감 효과가 탁월한 것으로 평가되며, 탄화수소(THC), SO_x, 질산화합물(NO_x)의 경우에는 바이오매스 난방이 천연가스 또는 난방유를 포함한 기타 난방방식에 비해서 환경적 편익이 적은 것으로 나타난다.

또한, 정책적으로는 최근 신재생에너지 의무할당제의 시행과 함께 목질계 바이오매스가 가장 큰 대안으로 여겨지며 우드 펠릿과 우드칩에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 신재생에너지원인 목질계 바이오매스를 연소해 전력을 생산하면 1.5의 높은 가중치를 부여 받기 때문에 석탄 등과 섞어서 혼소 연료로 사용할 수 있어 그 수요는 지속적으로 크게 증가할 것으로 예상된다.

목질계 연료로서 우드칩은 임목부산물 또는 폐목재 등을 연료 생산을 목적으로 목질칩 파쇄기를 이용하여 잘게 절삭한 목재조각을 의미한다. 크기는 담배 크기에서 작은 성냥갑 정도(5~150mm)로, 가공비 및 가공 시 에너지 소비가 적은 장점을 갖는다. 그러나 벌목재 및 임목폐기물 목질칩의 경우, 폐목재 목질칩과 달리 수분함량이 높기 때문에 양질의 목질칩을 생산하는데 한계가 있다.

반면에 우드 펠릿은 목재 가공과정에서 발생하는 건조된 목재 잔재 또는 미세 파쇄를 통해 얻어진 톱밥을 압축하여 생산하는 작은 원통모양의 표준화된 목질계 연료를 말한다. 함수율은 목질칩에 비해 낮아서 약 10wt% 수준이며, 다른 형태의 목질계 연료에 비해 에너지밀도가 높으며 운반이 용이하다. 하지만 우드칩과 비교하여 단위 무게당 가격이 높은 단점을 갖는다.

최근에는 목질계 연료 중 반탄화 펠릿이 많은 관심을 받고 있다. 일반 펠릿은 미세 분쇄된 우드칩 입자를 일정 온도에서 가압과 함께 일정한 형태로 만들어 진다. 일반 우드 펠릿과 비교하여 반탄화 펠릿은 미세분쇄된 우드칩을 200℃ 이상의 고온 조건하에 가압과 함께 만들어지지만 일반 우드 펠릿 대비 가격이 비싼 단점을 갖는다. 따라서 단위 열량기준 대비 구입 가격을 일반 우드 펠릿과 동일하게 맞춘다면 낮은 흡습성과 함께 향상된 발열량과 연료 무게 감소 및 밀도가 강해져 보관 및 운송비용은 더욱 감소시킬 수 있어 지속적인 연구가 진행 중이다. 현재 네덜란드, 프랑스 등 선진국에서 반탄화 펠릿 생산을 위한 설비 개발이 이루어진 상태이며 상용화 단계인 것으로 알려져 있다. 유럽 내 몇몇 기업들은 만톤 단위의 공장을 건설해 실증에 들어간 상태이며, 경제성 부분에서 가능성 있는 결과를 도출한 상태이다. 하지만 우드 펠릿의 경우 일반 우드칩과 비교하여 가압 및 미세분쇄 공정 등 추가적인 공정이 필요하여 원가 절감에 대한 노력이 더욱 필요한 실정이다.

이에 본 발명자들은 임목부산물을 재활용하여 유동층 열병합발전소용 고순도 및 높은 연소효율과 발열량을 갖는 목질계 고형원료를 제조하기 위하여, 저온 반탄화 공정과 간단한 분쇄 공정을 거쳤을 때 낮은 불순물 함량과 우드칩의 주성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 열분해를 통하여 우드칩 내 탄소 함량이 높아지고 연료의 밀도가 크게 낮아지며, 우수한 연소효율과 높은 발열을 갖는 것을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 임목부산물로부터 얻어진 우드칩을 파쇄 한 후 저온 반탄화법을 이용하여 불순물과 저온 휘발성분을 제거하고, 우드칩 주성분의 열분해에 의해 탄소함량을 증가시켜 높은 연소율과 발열량을 갖으며 유동층 연소장치에 적합한 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 고발열량 목질계 고형연료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 임목부산물로부터 얻어진 우드칩을 파쇄 한 후 저온 반탄화법을 이용하여 불순물과 저온 휘발성분을 제거하고, 우드칩 주성분의 열분해에 의해 탄소함량을 증가시켜 높은 연소율과 발열량을 갖으며 유동층 연소장치에 적합한 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 임목부산물로부터 얻어진 우드칩은 100 내지 150mm의 크기로 파쇄하고, 파쇄된 우드칩은 100 내지 300℃에서 10 내지 60분 동안 열처리 되는 저온 반탄화법을 이용하여 우드칩의 주성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 열분해에 의한 탄소함량을 증가시키고, 이로인한 연료의 고밀도화를 유도하는 유동층 연소장치에 적합한 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 고발열량 목질계 고형연료를 제공한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 저온 반탄화 공정과 단순 분쇄 공정을 통하여 높은 탄소함량을 포함하며 입자 크기가 15 mm 이하로 조절된 목질계 고형연료을 제조할 수 있다.

또한, 제조된 우드칩은 대기조건하에 연소 시 연소율이 90% 이상을 나타낼 수 있다.

또한, 저온 반탄화 온도의 변화에 따라 우드칩의 발열량을 쉽게 조절할 수 있고, 목질의 주성분 중 하나인 헤미셀룰로오스의 분해온도(200℃)에서 열처리 시 열분해와 함께 탄소함량이 증가하여 우드칩은 5,000 kcal/kg 이상의 높은 발열량을 갖을 수 있다.

이로부터 상대적으로 낮은 온도에서 열처리와 단순 분쇄 공정을 통하여 유동층 발전기용 원료로서 입자크기가 조절되고 밀도가 낮아 연료 운송 및 보관성이 우수하며, 고순도 및 고효율의 목질계 고형연료를 제조할 수 있다.

도 1 은 반탄화전 우드칩의 형태를 나타내는 것이다.
도 2 는 반탄화 목질계 연료의 제조공정을 나타내는 것이다.
도 3 은 반탄화 온도에 따른 우드칩을 나타내는 것이다.
도 4 는 반탄화 온도에 따른 우드칩의 연소거동을 나타내는 것이다.
도 5 는 반탄화 온도에 따른 우드칩의 발열량을 나타내는 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 임목부산물로부터 얻어진 우드칩의 1차 파쇄 후 저온 반탄화법을 이용하여 불순물과 저온 휘발성분을 제거하고, 우드칩 주성분의 열분해에 의해 탄소함량을 증가시켜 높은 연소율과 발열량을 갖으며 유동층 연소장치에 적합한 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법을 제공한다.

상기 임목부산물로부터 얻어진 우드칩은 저온 반탄화를 최적화하기 위하여 분쇄기를 이용하여 크기 100 내지 150mm, 폭 10 내지 50mm로 파쇄하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 파쇄된 우드칩은 저온 반탄화법을 이용하여 머플형 전기로에 넣고 100 내지 300℃에서 10 내지 60분 동안 열처리하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 공정동안 우드칩내 불순 물 및 저온 휘발성분이 제거되고 우드칩의 주성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 열분해에 의하여 우드칩 내 탄소함량은 30 내지 80%로 증가하고 연료의 밀도는 감소한다. 또한, 상기 저온 반탄화 공정은 추가적인 공기주입 없이 대기조건 하에 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열처리 된 우드칩은 반탄화를 위해서 10 내지 60분 동안 머플 퍼니스 내에서 가열 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열처리 된 우드칩은 유동층 연소 장비를 이용한 연소시험에 적합한 크기 5 내지 15mm, 폭 1 내지 10mm로 파쇄하는 것을 더 포함한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 고발열량 목질계 고형연료를 제공한다.

또한, 상기 목질계 고형연료는 3,000 내지 7,000kcal/kg의 고발열량을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 각각의 특성 값들은 다음 방법에 의하여 측정하였다.

측정예 1. 우드칩의 수분측정

반탄화 공정에 의해 제조된 우드칩의 수분 함량은 할로겐 램프를 이용한 수분 측정기 (Moisture Analyzer; CMB25, CAS)를 이용하여 측정하였다.

측정예 2. 우드칩의 성분분석

반탄화 공정에 의해 제조된 우드칩의 성분분석은 원소분석기 (Elemental Analyzer; Flash EA1112, Thermo Electron Corporation)를 이용하여 측정하였다.

측정예 3. 우드칩 발열량 측정

반탄화된 우드칩의 발열량 측정을 위하여 자동 타입 칼로리메터 (Calorimeter; LECO AC-350)를 이용하여 측정하였다.

측정예 4. 우드칩의 연소시험

반탄화된 우드칩의 연소시험은 전기 노(Furnace)를 이용하여, 5℃/min의 승온 속도로 공기 분위기 하에서 850℃에서 측정하였다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

비교예 1.

임목부산물로부터 얻어진 우드칩을 크기 100 내지 150 mm, 폭 10 내지 50 mm 정도로 분쇄 후 80 ℃에서 30분 건조하고, 건조된 우드칩을 분쇄기를 이용하여 크기 5 내지 15 mm, 폭 1 내지 10 mm 정도로 분쇄하여 850℃로 5℃/min으로 승온시키며 전기노를 이용하여 대기 조건하에 30분간 연소시험을 실시하였고 동일한 샘플은 칼로리메터를 이용하여 발열량을 측정하였다.

실시예 1.

상기 비교예 1과 동일한 조건하에 우드칩을 100℃에서 열처리하고, 건조된 우드칩을 분쇄기를 이용하여 크기 5 내지 10 mm, 폭 1 내지 10 mm 정도로 분쇄하여 850℃로 5℃/min으로 승온시키며 전기노를 이용하여 대기 조건하에 30분간 연소시험을 실시하였고 동일한 샘플은 칼로리메터를 이용하여 발열량을 측정하였다.

실시예 2.

상기 비교예 1과 동일한 조건하에 우드칩을 150℃에서 열처리하고, 건조된 우드칩을 분쇄기를 이용하여 크기 5 내지 10 mm, 폭 1 내지 10 mm 정도로 분쇄하여 850℃로 5℃/min으로 승온시키며 전기노를 이용하여 대기 조건하에 30분간 연소시험을 실시하였고 동일한 샘플은 칼로리메터를 이용하여 발열량을 측정하였다.

실시예 3.

상기 비교예 1과 동일한 조건하에 우드칩을 200 ℃에서 열처리하고, 건조된 우드칩을 분쇄기를 이용하여 크기 5 내지 10 mm, 폭 1 내지 10 mm 정도로 분쇄하여 850℃로 5℃/min으로 승온시키며 전기노를 이용하여 대기 조건하에 30분간 연소시험을 실시하였고 동일한 샘플은 칼로리메터를 이용하여 발열량을 측정하였다.

실시예 4.

상기 비교예 1과 동일한 조건하에 우드칩을 250 ℃에서 열처리하고, 건조된 우드칩을 분쇄기를 이용하여 크기 5 내지 15 mm, 폭 1 내지 10 mm 정도로 분쇄하여 850℃로 5℃/min으로 승온시키며 전기노를 이용하여 대기 조건하에 30분간 연소시험을 실시하였고 동일한 샘플은 칼로리메터를 이용하여 발열량을 측정하였다.

실시예 5.

상기 비교예 1과 동일한 조건하에 우드칩을 300 ℃에서 열처리하고, 건조된 우드칩을 분쇄기를 이용하여 크기 5 내지 15 mm, 폭 1 내지 10 mm 정도로 분쇄하여 850℃로 5℃/min으로 승온시키며 전기노를 이용하여 대기 조건하에 30분간 연소시험을 실시하였고 동일한 샘플은 칼로리메터를 이용하여 발열량을 측정하였다.

우드칩의 저온 반탄화 온도에 따른 함수율과 무게 감량율을 표 1에 나타내었고, 건조 온도에 따른 우드칩 연소효율과 성분을 표 2와 3에 각각 나타내었다. 그리고 반탄화 온도에 따라 제조된 목질계 고형연료의 발열량을 도 5에 나타내었다.

[표 1] 저온 반탄화 온도에 따른 우드칩의 함수율과 무게변화

[표 2]저온 반탄화 온도에 따라 제조된 우드칩의 연소율

[표 3]저온 반탄화 온도에 따라 제조된 우드칩의 성분

상기 표 1에서 나타난 바와 같이, 건조 및 반탄화 온도 증가에 따라 목질계 연료의 함수율은 5 내지 15 wt%의 낮은 함수율을 보이는 것을 확인하였다.

또한, 헤미셀룰로오스의 분해온도 (약 180 ℃ 이상) 이상에서 열처리 시 (200 ℃ 이상) 열분해가 일어나 열처리 후 잔존량은 크게 감소하는 것을 확인하였고, 이는 우드칩 내에 탄소함량의 증가를 나타낸다. 이는 반탄화 온도에 따른 열분해 거동을 나타낸 도 4에서도 마찬가지로 확인할 수 있었다.

반탄화 후 2차 분쇄를 통하여 크기가 조절된 목질계 연료의 연소시험결과, 모두 99% 이상의 높은 연소율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 5로부터 순수 건조 우드칩(비교예 1)과 비교하여 저온 반탄화 공정을 거친 목질계 연료의 발열량은 열처리 온도의 증가에 따라 크게 증가하는 것을 확인하였다. 이는 우드칩의 열처리에 따른 불순물과 저온 휘발성 물질의 제거로 인하여 고순도의 우드칩이 제조되고, 열처리 온도에 따라 쉽게 우드칩내 탄소함량을 조절할 수 있어 저온 반탄화법과 단순 분쇄 공정에 의해 낮은 밀도, 높은 발열량 및 입자 크기가 제어된 고효율의 유도층 연소용 목질계 고형연료의 제조가 가능함을 알 수 있었다.

이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (9)

1. (a) 우드칩을 크기 100 내지 150㎜, 폭 10 내지 50㎜로 분쇄하는 단계;
   (b) 상기 분쇄된 우드칩을 저온 반탄화법으로 가열하는 단계;
   (c) 상기 가열된 우드칩을 가열 유지하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 (b) 단계의 분쇄된 우드칩은 머플형 전기로에 넣고 100 내지 300℃에서 10 내지 60분 동안 가열처리하는 것을 특징으로 하는 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법.
   
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 (b)단계의 저온 반탄화법에 의한 가열처리 공정은 우드칩의 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 열분해시키는 것을 특징으로 하는 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 (b)단계의 저온 반탄화법에 의한 가열처리 공정은 대기조건 하에 실시하는 것을 특징으로 하는 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 (c) 단계의 가열 유지는 반탄화를 위해서 10 내지 60분 동안 머플 퍼니스 내에서 가열 유지하는 것을 특징으로 하는 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법.
   
7. 삭제
8. 제1항의 제조방법으로 제조된 고발열량 목질계 고형연료.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 목질계 고형연료는 3,000 내지 7,000kcal/kg의 발열량을 갖는 것을 특징으로 하는 고발열량 목질계 고형연료.

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