KR20130008664A - Method for heat treating biomass used for combustion with high thermal efficiency and method for preparing combustable pellet using the biomass - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연소용 바이오매스의 열효율을 향상시키기 위한 바이오매스의 열처리 방법 및 열처리된 바이오매스를 사용하여 연소용 펠릿을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 목재 등의 천연재료를 열처리하여 열분해함으로써 발열량이 향상된 연소용 바이오매스 및 그 펠릿의 제조방법을 제공한다. The present invention relates to a heat treatment method of biomass for improving thermal efficiency of combustion biomass and a method for producing combustion pellets using heat treated biomass, and more specifically, pyrolysis by heat treatment of natural materials such as wood. The present invention provides a combustion biomass and a method for producing the pellets having improved calorific value.
종래 천연재료의 바이오매스를 사용한 펠릿으로는, 주로 톱밥 등의 목재로 된 원료를 펠릿화하여 사용하여 왔으며, 이들을 보일러 등의 연소용으로 사용하고 있다. 상기와 같은 목재를 이용한 펠릿은 질소, 황 및 회분의 함량이 낮은 청정 연료로 알려져 있다. 그러나, 일반적으로 이와 같은 목재로 된 펠릿의 발열량은 대략 4200-500㎉/㎏으로서, 석탄이나 석유계 연료보다 열효율이 상대적으로 많이 낮다. 또한, 열적으로 불안정하여 보일러 등의 가스화 장치(gasifier)에서 농축 타르(tar)를 형성시켜 배관 막힘을 유도하고, 이로 인해 유체 흐름을 방해하는 등의 문제를 야기한다. 나아가, 이러한 목재 펠릿은 건조한 후에도 약 10% 정도의 높은 함수율을 가지고 있어, 연소용 원료로 사용하는 데는 한계가 있다.
Conventionally, as a pellet using biomass of natural materials, wood raw materials, such as sawdust, have been pelletized and used, and these are used for combustion, such as a boiler. Pellet using such wood is known as a clean fuel with a low content of nitrogen, sulfur and ash. However, in general, the calorific value of such wood pellets is approximately 4200-500 kW / kg, which is relatively lower in thermal efficiency than coal or petroleum fuels. In addition, thermally unstable to form a concentrated tar (tar) in the gasifier (gasifier) such as a boiler to induce pipe blockage, thereby causing problems such as obstruct the fluid flow. Furthermore, these wood pellets have a high water content of about 10% even after drying, and there is a limit to using them as raw materials for combustion.
이러한 단점에도 불구하고, 이러한 바이오매스 펠릿은 발열량 대비 단가가 화석연료에 비하여 약 50% 정도에 지나지 않으며, 또, 최근 화석연료의 가격 급등 등으로 인해, 관심이 급증하고 있는 실정이다.
Despite these shortcomings, the cost of biomass pellets is only about 50% of the calorific value compared to fossil fuels, and due to the recent surge in the price of fossil fuels, interest is increasing rapidly.
한편, 우리나라의 목재 자급률은 약 10% 수준에 불과하기 때문에 목재를 자원으로 한 연소용 펠릿의 원료 수급에는 상당한 한계가 있는 실정이다. 따라서 연소용 펠릿의 자원을 다변화할 필요가 있다. 이와 함께, 이들로부터 얻어진 펠릿의 연소 효율을 향상시킴으로써 시장의 요구에 부응할 필요가 있다.
On the other hand, since Korea's self-sufficiency rate of wood is only about 10%, there is a significant limitation in the supply and demand of raw materials for combustion pellets based on wood. Therefore, it is necessary to diversify the resources of the combustion pellets. In addition, it is necessary to meet the market demand by improving the combustion efficiency of the pellets obtained from these.
종래의 목재를 이용한 연료로는 생 목재를 별도의 처리없이 펠릿화하거나, 또는 900℃ 정도의 온도에서 목재를 탄화하여 숯을 제조한 후 이를 그대로 사용하거나 펠릿화하였다. 그러나, 별도의 처리없이 펠릿화하는 경우에는 목재에 포함된 수분에 의해 열 효율이 낮은 문제가 있으며, 숯을 만든 후 펠릿화한 경우에는 회분이 많이 발생하며, 900℃의 고온이 요구되어 제조 중의 에너지 소모가 많고, 또, 얻어진 펠릿이 수분을 흡수하기 쉬워 바람직하지 않다.As a fuel using conventional wood, raw wood is pelleted without additional treatment, or carbonized wood at a temperature of about 900 ° C. to produce charcoal, and then used or pelletized as it is. However, when pelletizing without a separate treatment, there is a problem of low thermal efficiency due to moisture contained in the wood, and when pelletized after making charcoal, a lot of ash is generated and a high temperature of 900 ° C is required during manufacturing. Energy consumption is large, and the obtained pellets are easy to absorb moisture, which is not preferable.
본 발명자들은 연소용 펠릿의 자원을 다변화할 필요가 있으며, 이와 함께 이러한 천연 재료로 된 연료의 발열량을 개선하기 위한 기술의 개발이 절실히 요구되는바, 본 발명은 셀룰로오스계 바이오매스를 열처리하여 열분해함으로써 소수성을 갖도록 개질하여 발열량을 향상시키고자 한다.
The present inventors need to diversify the resources of the combustion pellets, and together with this, there is an urgent need for the development of a technology for improving the calorific value of fuels made of such natural materials, and the present invention is thermally decomposed by heat treatment of cellulose-based biomass. It is intended to improve the calorific value by modifying to have hydrophobicity.
나아가, 이와 같은 개질 처리된 바이오매스를 사용하여 연소용 펠릿을 제조하는 방법을 제공한다.Furthermore, the present invention provides a method for producing combustion pellets using the modified biomass.
본 발명은 리그노셀룰로오스계 바이오 매스를 열처리 장치에 공급하는 단계 및 상기 열처리 장치에서 상기 바이오매스에 가해지는 온도를 60℃에서 500℃로 상승시켜 상기 바이오매스로부터 순차적으로 건조하여 수분을 제거하고, 휘발성 유기 화합물을 휘발 제거하고, 그리고 열분해시켜 소수화하는 단계를 포함하는 바이오매스를 열처리하는 방법을 제공한다.
The present invention comprises the steps of supplying the lignocellulosic biomass to the heat treatment apparatus and the temperature applied to the biomass in the heat treatment apparatus from 60 ℃ to 500 ℃ by sequentially drying from the biomass to remove moisture, A method of heat treating a biomass comprising volatilizing off a volatile organic compound and pyrolyzing to hydrophobize is provided.
이때, 상기 열처리장치에서의 배기가스를 바이오매스 공급부측으로 배출하고, 상기 배출된 배기가스를 300 내지 500℃로 가열하여 열교환기를 거쳐 상기 열처리장치의 바이오매스 배출부측으로 공급함으로써 열처리를 위한 에너지 소모를 줄일 수 있다.
At this time, the exhaust gas from the heat treatment apparatus is discharged to the biomass supply unit side, and the exhaust gas is heated to 300 to 500 ° C. and supplied to the biomass discharge unit side of the heat treatment apparatus by heating through the heat exchanger to reduce energy consumption for heat treatment. Can be reduced.
상기와 같은 방법에 의해 얻어진 열처리된 바이오매스를 분쇄하여 펠릿화하는 단계를 포함하는 연소용 바이오매스 펠릿 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing biomass pellets for combustion comprising the step of pulverizing the heat-treated biomass obtained by the method as described above.
본 발명에 의해, 펠릿용 원료를 열처리에 의해 개질함으로써 물리·화학적 성상이 소수성으로 전환되기 때문에 저장 중 펠릿의 수분 흡수로 인한 연소 효율을 극대화할 수 있다.
According to the present invention, since the physical and chemical properties are converted into hydrophobic properties by modifying the raw material for pellets by heat treatment, it is possible to maximize the combustion efficiency due to moisture absorption of the pellets during storage.
또한, 바이오매스의 개질처리에 있어서 열처리과정 중에 발생하는 열을 순환시켜 열처리에 필요한 열원으로 공급함으로써 열처리시 에너지 사용을 줄일 수 있다.
In addition, in the reforming treatment of the biomass, the heat generated during the heat treatment may be circulated to supply the heat source required for the heat treatment, thereby reducing energy use during the heat treatment.
나아가, 본 발명에 의해 목재를 비롯한 다양한 천연자원의 바이오매스를 연소용 펠릿 제조에 활용할 수 있어 국내의 원료 자급률을 높일 수 있다. Furthermore, according to the present invention, biomass of various natural resources including wood can be utilized to manufacture pellets for combustion, thereby increasing domestic raw material self-sufficiency.
도 1은 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 열분해 공정도이다.
도 2는 진공 열처리 장치 내부에서의 리그노셀룰로오스계 바이오 매스의 열분해 과정을 보여주는 개략적 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열분해 장치의 구조 및 공정 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.1 is a pyrolysis process chart of lignocellulosic biomass.
2 is a schematic diagram showing a pyrolysis process of lignocellulosic biomass in a vacuum heat treatment apparatus.
3 is a view schematically showing a structure and a process flow of a pyrolysis apparatus according to the present invention.
본 발명은 열효율이 우수한 연소용 펠릿을 제조하는데 사용되는 원료인 바이오매스를 열분해함으로써 수분과 휘발성 유기화합물을 제거하여 열효율이 우수한 연소용 펠릿을 얻는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for obtaining combustion pellets having excellent thermal efficiency by removing water and volatile organic compounds by thermally decomposing biomass, which is a raw material used to prepare combustion pellets having excellent thermal efficiency.
이하, 도면을 들어, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 1은 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 열분해 공정도를 나타내는 도면이고, 도 2는 상기 열분해 공정 중 진공 열분해 장치 내부에서의 리그노셀룰로오스계 바이오 매스의 열분해 과정을 보다 상세하게 보여주는 개략적 모식도이며, 도 3은 본 발명에 따른 열분해 장치의 구조 및 공정 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
1 is a view showing a pyrolysis process diagram of lignocellulosic biomass, FIG. 2 is a schematic diagram showing in detail the pyrolysis process of lignocellulosic biomass inside a vacuum pyrolysis apparatus during the pyrolysis process, and FIG. 3. Is a view schematically showing a structure and a process flow of a pyrolysis apparatus according to the present invention.
본 발명은 연소용 원료로서 종래 일반적으로 사용되던 목재 이외에 다양한 천연 재료를 연소용 원료로서 제공하여 자원 활용을 극대화하고자 한다. 이에 본 발명에서 사용할 수 있는 바이오매스로는 리그노셀룰로오스계 원료라면 특별히 제한하지 않는다. 구체적으로는 통상적으로 연소용 펠릿 제조에 사용되는 목재를 비롯하여, 농업 부산물, 즉, 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면, 볏짚, 팜 껍질, 팜 섬유, 코코넛, 칡 줄기 및 뿌리, 수수대, 콩대, 고추대, 낙엽 등을 들 수 있다.
The present invention is to maximize the utilization of resources by providing a variety of natural materials as a raw material for combustion in addition to wood generally used as a raw material for combustion. The biomass that can be used in the present invention is not particularly limited as long as it is a lignocellulosic material. Specifically, agricultural by-products, including but not limited to wood, which are typically used for the production of combustion pellets, include, for example, rice straw, palm bark, palm fibers, coconut, stalks and roots, sorghum, soybeans, Red pepper leaves and fallen leaves.
상기와 같은 목재 등의 셀룰로오스계 바이오매스는 질소, 황 및 회분의 함량이 낮은 청정 연료이다. 그러나, 열적으로는 불안정하여 가스화 장치(gasifier)에서 농축 타르(tar)를 형성시켜 배관 막힘 및 이로 인한 유체 흐름 방해 등의 문제를 야기한다. 특히, 이러한 바이오매스는 건조한 후에도 약 10% 정도의 높은 함수율을 가지고 있어, 에너지 밀도가 약 18 MJ/㎏(=4,300 ㎉/㎏) 정도로 낮다.
Cellulose-based biomass such as wood is a clean fuel having a low content of nitrogen, sulfur and ash. However, it is thermally unstable to form concentrated tar in a gasifier, causing problems such as clogged pipes and resulting fluid flow obstruction. In particular, such a biomass has a high water content of about 10% even after drying, and has a low energy density of about 18 MJ / kg (= 4,300 kW / kg).
본 발명자들은 이러한 문제를 인식하고, 연구를 거듭한 결과, 이를 해결하기 위해서는 목재를 구성하는 O/C의 비율을 낮추는 것이 요구되고, 이를 위한 가장 효과적인 방법이 바로 열분해 처리임을 발견하였다. 본 발명의 방법은 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 일정한 크기로 분쇄한 후, 스크루 등의 공급장치를 통해 열분해장치로 공급하여 열분해함으로써, 수분 제거 및 소수화 처리에 의해 열효율이 향상된 바이오매스를 얻을 수 있다.
The present inventors have recognized this problem, and have studied and found that in order to solve the problem, it is required to lower the ratio of O / C constituting wood, and the most effective method for this is pyrolysis treatment. In the method of the present invention, the lignocellulosic biomass is pulverized to a predetermined size, and then supplied to a pyrolysis device through a feeder such as a screw and pyrolyzed to obtain a biomass having improved thermal efficiency by water removal and hydrophobization treatment. .
본 발명의 연소용 바이오 매스 펠릿 제조방법은 리그노셀룰로오스 함유 바이오 매스를 열처리 장치에 공급하여 연속적으로 바이오매스를 건조하고, 상기 건조된 바이오매스로부터 휘발성 유기화합물을 제거하고, 그리고 바이오매스를 열분해함으로써 바이오매스를 소수화시키는 단계를 포함한다. 나아가, 상기 열처리 장치는 60 내지 500℃ 범위에서 증가하도록 제어된다.
Combustion biomass pellet production method of the present invention by supplying the lignocellulosic-containing biomass to the heat treatment device to continuously dry the biomass, remove the volatile organic compounds from the dried biomass, and thermally decomposes the biomass Hydrophobizing the biomass. Furthermore, the heat treatment apparatus is controlled to increase in the range of 60 to 500 ° C.
본 발명에서 펠릿 제조의 원료로 사용되는 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 통상 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 포함하는데, 진공 열분해 장치 안에서 리그노셀룰로오스계 바이오매스 원료들에 포함된 상기 각 성분들은 열에 대해 각각 상이한 거동을 보인다. 먼저 셀룰로오스는 결정 구조와 비결정 구조를 동시에 갖기 때문에 200℃ 정도에서 건조 과정을 거치게 되고, 200-300℃의 범위에서 셀룰로오스의 해중합(depolymerization)과 재축합(recondensation) 과정이 부분적으로 일어나고 이와 동시에 휘발성 유기화합물이 제거된다. 한편, 헤미셀룰로오스는 비결정 영역으로 이루어져 있기 때문에 상기 셀룰로오스와는 달리 반응성이 매우 좋아서, 150℃ 이하의 온도에서도 쉽게 건조되고, 150-200℃에서는 해중합 및 축합과정을 거치고, 200-250℃ 범위에서 제한된 수준으로 휘발성 유기화합물의 제거와 탄화과정이 발생되고, 250℃ 이상에서 완전 탄화와 함께 휘발성 유기화합물의 제거가 광범위하게 일어난다. 또한, 리그닌은 150℃ 이하의 온도에서 유리전이와 연화 현상이 동시에 일어나고, 150-240℃의 범위에서 해중합 및 재축합이 발생하고, 그 이상의 온도에서 탄화와 함께 휘발성 유기화합물이 제거된다.
The lignocellulosic biomass used as a raw material for pellet production in the present invention generally includes cellulose, hemicellulose, and lignin, and each of the components included in the lignocellulosic biomass raw materials in the vacuum pyrolysis apparatus is different for heat. Show behavior First, since cellulose has a crystal structure and an amorphous structure at the same time, the cellulose is dried at about 200 ° C., and in the range of 200-300 ° C., depolymerization and recondensation of cellulose partially occurs and at the same time volatile organic The compound is removed. On the other hand, hemicellulose is very reactive unlike the cellulose because it is composed of an amorphous region, it is easily dried even at a temperature below 150 ℃, depolymerization and condensation process at 150-200 ℃, limited level in the range of 200-250 ℃ As a result, the removal and carbonization of volatile organic compounds occurs, and the complete removal of volatile organic compounds occurs with complete carbonization above 250 ° C. In addition, lignin has a glass transition and softening phenomenon simultaneously at a temperature of 150 ° C. or lower, depolymerization and recondensation occur in a range of 150-240 ° C., and volatile organic compounds are removed together with carbonization at higher temperatures.
또한, 셀룰로오스계 바이오매스는 천연 고분자로서, 다량의 산소 및 수소를 포함하고 있다. 예를 들어, 생재로 들여오는 목재에는 통상 20-35중량% 정도의 함수율을 나타낸다. 이와 같은 함수율을 갖는 목재를 종래와 같이 별도의 처리 없이 펠릿화하여 연소원으로 사용하는 경우, 발열량이 약 3,700 ㎉/㎏ 정도로, 화석 연료에 비해 낮은 발열량을 나타낸다. 이는 바이오 매스에 함유된 산소 또는 수소가 대기 중의 수분과 쉽게 수소결합을 하기 때문에 탄소에 비해 상대적으로 열효율 손실이 크다.
In addition, the cellulose-based biomass is a natural polymer and contains a large amount of oxygen and hydrogen. For example, timber imported as raw materials typically has a water content of 20-35% by weight. When the wood having such a water content is pelletized without a separate treatment as in the prior art and used as a combustion source, the calorific value is about 3,700 mW / kg, which is lower than that of fossil fuel. This is because the oxygen or hydrogen contained in the biomass easily hydrogen bonds with the moisture in the atmosphere, so the thermal efficiency loss is relatively large compared to carbon.
따라서, 이러한 산소와 수소는 가능한 한 제거되는 것이 바람직하며, 이에 본 발명은 먼저 바이오매스 원료를 건조하는 단계를 포함한다. 상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 일정한 크기로 분쇄한 후, 스크루 등의 공급장치를 통해 열분해 장치로 공급하는데, 상기 열분해 장치는 건조부를 갖는다. 상기 건조부 내에서 셀룰로오스계 바이오매스에 포함된 산소 및 수소가 제거된다. 상기 바이오매스를 건조하는 단계는 60 내지 200℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
Accordingly, such oxygen and hydrogen are preferably removed as much as possible, and thus the present invention first includes drying the biomass raw material. 1 and 2, the lignocellulosic biomass is pulverized to a predetermined size and then supplied to a pyrolysis device through a supply device such as a screw. The pyrolysis device has a drying unit. Oxygen and hydrogen contained in the cellulose-based biomass are removed in the drying unit. Drying the biomass may be performed at a temperature in the range of 60 to 200 ℃.
상기 건조부에서 건조된 바이오매스는 수증기를 비롯하여 초산, 퓨란, 메탄, 이산화탄소, 일산화탄소와 같은 휘발성 유기화합물을 제거하는 단계를 포함한다. 수증기와 휘발성 유기화합물은 물과 쉽게 반응할 수 있는 상당히 많은 양의 산소를 포함하고 있기 때문에 열분해 초기 단계에서 제거되어야 한다. 이와 같은 상기 휘발성 유기화합물의 제거는 200 내지 300℃ 범위의 온도에서 수행된다. 이때는 휘발성 유기 화합물의 제거와 함께 상기 건조 과정에서 제거되지 않고 잔존하는 수분이 함께 제거된다.
The biomass dried in the drying unit includes removing volatile organic compounds such as acetic acid, furan, methane, carbon dioxide, and carbon monoxide. Water vapor and volatile organic compounds contain significant amounts of oxygen that can easily react with water and must be removed in the early stages of pyrolysis. Such removal of the volatile organic compounds is carried out at a temperature in the range of 200 to 300 ℃. At this time, the remaining moisture is removed together with the removal of the volatile organic compound without being removed in the drying process.
나아가, 본 발명의 방법은 열분해하는 단계를 포함한다. 상기 열분해는 산소가 없는 상태에서 일어나는 바이오매스의 열적 분해를 의미하며, 바이오매스의 완전 또는 부분적인 산화를 거치면서 항상 연소와 가스화가 일어난다. 열분해 동안에는 수소와, 수증기 등과 함께 메탄과 같은 유기성 화합물이 모두 방출되고, 탄소가 다량 잔류하는 산물이 만들어진다. 일반적으로 목재의 경우에는 200-300℃에서 열분해가 시작된다. 리그노셀룰로오스를 구성하는 성분 중, 셀룰로오스는 보통 305-375℃에서 분해되고, 헤미셀룰로오스는 225-325℃에서 분해되며, 리그닌은 250-500℃의 온도 범위에서 점차적으로 분해된다.
Furthermore, the process of the present invention includes the step of pyrolysis. The thermal decomposition means thermal decomposition of the biomass in the absence of oxygen, and combustion and gasification always occur during the complete or partial oxidation of the biomass. During pyrolysis, all organic compounds such as methane are released together with hydrogen, water vapor and the like, and a product with a large amount of carbon remaining is produced. In the case of wood, pyrolysis starts at 200-300 ° C. Among the components constituting lignocellulosic, cellulose is usually degraded at 305-375 ° C, hemicellulose is degraded at 225-325 ° C, and lignin is gradually degraded in the temperature range of 250-500 ° C.
따라서, 본 발명의 방법에 사용되는 열처리장치는 바이오매스 공급부에서 배출부 방향으로 60 내지 500℃ 범위에서 증가하도록 제어된다. 상기 온도범위는 열처리 장치 내의 온도를 소정 속도로 가열하여 승온시킬 수 있고, 바이오매스가 연속적으로 진행하는 장치 내에서 진행방향에 따라 온도가 증가하도록 구성될 수도 있다. 이와 같은 장치의 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
Thus, the heat treatment apparatus used in the method of the present invention is controlled to increase in the range from 60 to 500 ° C. in the direction from the biomass supply to the discharge. The temperature range may be heated by heating the temperature in the heat treatment apparatus at a predetermined rate, and may be configured to increase the temperature along the traveling direction in the apparatus in which the biomass proceeds continuously. The configuration of such a device will be readily understood by those skilled in the art.
상기 열처리는 연소용 펠릿용 리그노셀룰로오스계 원료를 무산소 상태, 즉, 불활성 분위기의 대기압 또는 그 이하의 압력 하에서 수행하는 것이 바람직하다.
The heat treatment is preferably carried out under the oxygen-free state, that is, under atmospheric pressure of an inert atmosphere or lower than the lignocellulosic raw material for combustion pellets.
열분해 장치 안에서 바이오매스는 5 내지 50℃/min의 온도 증가 속도로 15분 내지 90분 동안 체류하는 것이 수분 건조 및 휘발성 유기화합물 제거 관점에서 바람직하다. 나아가, 이 중, 열분해 장치 안에서 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 열분해 시간은 200 내지 500℃의 온도에서 3분 내지 30분 동안 행하는 것이 바람직하다. 상기 범위 미만으로 행하는 경우에는 열분해가 충분하지 않아 바이오매스의 소수화가 충분하지 않으며, 이로 인해 저장 또는 유통 중에 수분을 흡수하기 쉬워져 열효율 저하를 초래할 우려가 있어 바람직하지 않다. 나아가, 바이오매스의 열분해 온도에서는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 또는 리그닌 성분의 일부 탄화가 일어나게 되는데, 상기 범위를 초과하여 지나치게 장시간 열분해하는 경우에는 용인할 수 있는 범위 이상으로 산화가 일어나 바이오매스의 탄화가 과도하게 되는바 바람직하지 않다. 따라서, 상기 열분해 조건을 만족하는 것이 바람직하다
It is preferable from the viewpoint of moisture drying and removal of volatile organic compounds that the biomass stays in the pyrolysis apparatus for 15 to 90 minutes at a rate of temperature increase of 5 to 50 ° C./min. Further, among these, the pyrolysis time of the lignocellulosic biomass in the pyrolysis device is preferably performed for 3 to 30 minutes at a temperature of 200 to 500 ° C. When the temperature is less than the above range, thermal decomposition is not sufficient, so that hydrophobization of the biomass is not sufficient, which is easy to absorb moisture during storage or distribution, which may cause thermal efficiency deterioration. Further, at the pyrolysis temperature of the biomass, some carbonization of cellulose, hemicellulose, or lignin occurs, but if the pyrolysis is over too long for a long time, oxidation occurs over an acceptable range and excessive carbonization of the biomass occurs. Bar is not desirable. Therefore, it is preferable to satisfy the thermal decomposition conditions.
이와 같이 열처리함으로써 리그노셀룰로오스계 원료의 바이오매스에 포함된 수분과 휘발성 유기화합물이 제거되고, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 그리고 리그닌이 부분적으로 분해되어 검은 고형분으로 변환된다. 이에 의해 얻어진 열분해된 바이오매스는 열처리 장치에 투입하기 전의 바이오매스 중량의 약 20% 정도를 차지하는 수분과 휘발성 유기화합물의 상당 부분이 제거되고, 나아가 셀룰로오스나 헤미셀룰로오스에 포함된 수산기(-OH)가 열분해 과정에서 파괴되기 때문에 얻어지는 바이오매스는 소수성을 띄게 된다.
This heat treatment removes the water and volatile organic compounds contained in the biomass of lignocellulosic raw materials, and partially decomposes the cellulose, hemicellulose, and lignin into black solids. The resulting pyrolyzed biomass removes much of the water and volatile organic compounds, which account for about 20% of the weight of the biomass before it is introduced into the heat treatment apparatus, and furthermore, the hydroxyl group (-OH) contained in cellulose or hemicellulose is pyrolyzed. The biomass obtained is hydrophobic because it is destroyed in the process.
나아가, 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 약간의 질량손실과 함께 화학적 변화 과정을 거치게 되고, 이때 비극성을 띈 불포화 구조로 바뀌게 된다. 본 발명에 의해 개질 처리된 리그노셀룰로오스계 원료들은 발열량이 일반 열처리를 거치지 않은 목재를 사용한 펠릿에 비하여 발열량이 약 두 배 정도 향상된다.
Furthermore, the lignocellulosic biomass undergoes a chemical change process with a slight loss of mass, whereby it is converted into a nonpolar, unsaturated structure. The lignocellulosic raw materials modified by the present invention have a calorific value about twice that of the calorific value compared to pellets using wood which has not undergone a general heat treatment.
따라서, 일반적인 목재 펠렛을 사용하여 동일한 발열량을 얻기 위해서는 본 발명에 따른 열분해된 펠릿을 사용하는 경우에 비해 두 배 이상 많은 양의 물류 비용과 저장 공간이 필요하게 된다. 따라서, 운송 및 보관 등의 물류비용 측면에서도 본 발명의 펠렛이 보다 더 효과적이라 할 것이다. 이는 보다 적은 양으로도 일반 펠렛보다 현저히 향상된 발열량을 얻을 수 있기 때문에, 동일한 발열량을 내기 위한 펠렛에 대하여 요구되는 저장공간을 줄일 수 있으며, 운송시에도 동일한 양을 운송하거나 혹은 보다 적은 양을 운송하더라도 동등 내지는 더 큰 발열량을 얻을 수 있기 때문에 물류 비용 측면에서도 훨씬 더 유리한 측면이 있다.
Therefore, to obtain the same calorific value using general wood pellets requires more than twice the amount of logistics costs and storage space as compared to the case of using the pyrolyzed pellets according to the present invention. Therefore, the pellet of the present invention will be more effective in terms of logistics costs such as transportation and storage. This results in a significantly improved calorific value than ordinary pellets, which reduces the storage space required for pellets to produce the same calorific value, even when transporting the same amount or even less. There is an even more favorable aspect in terms of logistics costs since equal or greater calorific value can be obtained.
한편, 본 발명의 열처리 장치에서 제거된 수분 및 휘발성 유기화합물 등의 가스들을 재순환시켜 본 발명의 열분해장치에 사용되는 에너지원으로 공급할 수 있다. 에너지원으로 공급하기 전에 먼저 상기 열처리 장치에서 생성된 가스들에 포함된 물 분자들을 제거하기 위한 건조 과정과 가스에 포함된 미세 입자들과 탄화수소, 기타 용존 물질들을 제거하기 위한 세척 과정을 행한 후, 세척된 가스를 농축 후 300-500℃의 온도로 가열한 후 열교환기를 거침으로써 열분해 장치의 에너지 원으로 사용할 수 있다.
On the other hand, it is possible to recycle the gas, such as water and volatile organic compounds removed in the heat treatment apparatus of the present invention can be supplied to the energy source used in the pyrolysis apparatus of the present invention. Before supplying to an energy source, a drying process for removing water molecules contained in the gases generated by the heat treatment apparatus and a washing process for removing fine particles, hydrocarbons, and other dissolved substances contained in the gas are performed. The washed gas can be concentrated and heated to a temperature of 300-500 ° C. and then passed through a heat exchanger to be used as an energy source for the pyrolysis device.
이와 같은 단계에 의해 얻어진 상기 고온의 가스들을 본 발명의 열처리 장치로 재투입함으로써 리그노셀룰로오스계 원료를 건조하여 수분을 제거하고, 휘발성 유기 화합물을 제거하며, 그리고 열분해시키는데 활용할 수 있다. 이로 인해, 열처리 장치에 들어가는 열에너지는 초기 가동시를 제외하고는 열분해 장치로부터 발생되는 가스를 재활용하여 사용할 수 있기 때문에, 바이오매스를 열처리하는데 소요되는 에너지의 사용을 절감할 수 있다.
By re-injecting the hot gases obtained by such a step into the heat treatment apparatus of the present invention, the lignocellulosic material may be dried to remove moisture, volatile organic compounds, and thermal decomposition. For this reason, since the heat energy entering the heat treatment apparatus can be used by recycling the gas generated from the pyrolysis apparatus except for the initial operation, it is possible to reduce the use of energy required to heat the biomass.
상기와 같은 열처리 후에 얻어진 열처리된 바이오매스를 분쇄기 등의 분쇄장치를 사용하여 고운 입자상으로 분쇄한 후, 펠릿 성형장치로 보내어 높은 에너지 효율을 갖는 리그노셀룰로오스계 펠릿으로 제조한다. 펠릿 제조방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적으로 사용되는 방법이라면 어떠한 것을 사용하여도 좋은 것으로서, 그 방법은 본 발명의 기술분야에서는 자명한 사항이므로, 여기서는 구체적으로 설명하지 않는다.
The heat-treated biomass obtained after the heat treatment as described above is pulverized into fine particles using a pulverizer such as a pulverizer, and then sent to a pellet forming apparatus to produce lignocellulosic pellets having high energy efficiency. The pellet manufacturing method may be used as long as it is a method generally used in the technical field to which the present invention belongs, and the method is obvious in the technical field of the present invention, and thus will not be described in detail herein.
다만, 열처리되어 나오는 바이오매스는 고온상태이므로, 그대로 분쇄하면 접착제를 사용하는 등의 별도의 처리없이 펠릿이나 브리켓(briquette))으로 제조할 수 있다.
However, since the biomass that is heat-treated is in a high temperature state, it may be manufactured into pellets or briquettes without additional treatment such as using an adhesive when pulverized as it is.
본 발명의 바이오매스의 열처리에 사용되는 열처리 장치는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 실린더형이나 다각형 구조를 가질 수 있으며, 그 재질은 열전도율이 우수한 연철(mild steel)로 제조될 수 있다.
The heat treatment apparatus used for heat treatment of the biomass of the present invention is not particularly limited, but may have a cylindrical or polygonal structure, and the material may be made of mild steel having excellent thermal conductivity.
상기 열처리 장치의 내부에는 스크루를 포함하여 연속적으로 바이오매스를 열처리할 수 있다. 상기 스크루에 의해 연소 원료인 바이오매스를 일정한 속도로 공급 및 이송하면서 균일하게 섞어주는 한편, 이동방향에 따라 열처리 장치 내부의 온도가 점차 상승하도록 구성하여 단계별로 건조, 휘발성 유기 화합물의 휘발제거 및 열분해가 일어나게 할 수 있다. 이때, 열분해 장치의 좌우에는 바이오매스 투입부와 바이오매스 배출부가 폐쇄식 관으로 연결되어 있으며, 열분해 장치의 길이, 내부 지름 및 바이오매스의 투입 속도는 실린더의 용량에 따라 조절할 수 있는 것으로서, 여기서는 특별히 한정하지 않는다.
The heat treatment apparatus may include a screw to continuously heat the biomass. While mixing and uniformly supplying and transporting the biomass, which is a combustion raw material, by the screw at a constant speed, the temperature inside the heat treatment apparatus is gradually increased according to the moving direction, thereby drying step by step, removing volatilization and pyrolysis of volatile organic compounds. Can make it happen. At this time, the left and right sides of the pyrolysis apparatus are connected to the biomass input unit and the biomass discharge unit by a closed tube, and the length, the inner diameter and the biomass input speed of the pyrolysis apparatus can be adjusted according to the capacity of the cylinder. It is not limited.
또한, 상기 열처리 장치는 스크루를 포함하지 않고 열처리 장치 내에 바이오매스를 장입한 후, 소정 시간 동안 소정 온도를 가하여 건조, 휘발성 유기 화합물의 휘발 제거 및 열분해를 수행할 수도 있다.
In addition, the heat treatment apparatus may be charged with a predetermined temperature for a predetermined time after charging the biomass into the heat treatment apparatus without a screw, to perform drying, volatilization removal of volatile organic compounds and pyrolysis.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명은 이하의 실시예만으로 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, it should be noted that the present invention is not limited only to the following examples.
실시예Example
실시예Example 1 One
참나무 목재, 목재 펠릿, 팜 껍질 및 볏짚에 대한 함수율(%), 발열량(㎉/㎏), 회분량(%), 펠릿 강도, 미세먼지 발생정도, 흡습 특성 및 생물학적 열화 정도(부패 정도)에 대하여 측정 내지 관찰할 후 이를 표 1에 나타내었다.
Water content (%), calorific value (㎉ / ㎏), ash content (%), pellet strength, fine dust generation, hygroscopic properties and degree of biological degradation (decay) for oak wood, wood pellets, palm bark and rice straw It is shown in Table 1 after measurement or observation.
바이오매스의 열분해 과정을 나타내는 도 1과 같이, 리그노셀룰로오스계 바이오매스로서, 일정한 크기를 갖는 목재, 팜 껍질 및 볏짚 각각을 사일로에 공급하고, 스크루를 통해 바이오매스를 50kg을 길이 10m이고, 지름이 750mm인 연철(mild steel) 재질의 실린더형 열처리 장치에 공급하였다. 열처리 장치에 열을 가하여 내부 온도를 180℃로 상승시킨 후 15분간 유지하여 건조시키고, 이어서 열처리 장치 내부 온도를 250℃로 상승시켜 20분간 유지시켰다. 다음으로 400℃로 서서히 상승시킨 후 15분간 유지하여 열처리를 완료하여, 검은색의 바이오매스를 얻었다.
As shown in FIG. 1 illustrating a pyrolysis process of biomass, as a lignocellulosic biomass, wood, palm bark and rice straw each having a predetermined size are supplied to a silo, and 50 kg of the biomass is 10 m long and 10 mm in diameter through a screw. It was supplied to a cylindrical heat treatment apparatus of 750 mm mild steel. Heat was applied to the heat treatment apparatus to raise the internal temperature to 180 ° C., and then maintained for 15 minutes to dry. Then, the internal temperature of the heat treatment apparatus was raised to 250 ° C. and maintained for 20 minutes. Next, after gradually raising to 400 ° C., the heat treatment was completed by maintaining for 15 minutes to obtain a black biomass.
상기 얻어진 열처리된 바이오매스를 실린더로부터 배출한 후, 분쇄기에 공급하여 바이오매스를 분쇄하였다. 분쇄된 바이오매스의 온도는 120℃ 정도였으며, 이러한 고온 상태에서 펠릿 제조장치를 통해 펠릿을 제조하였다. 별도의 바인더는 사용하지 않았다.
The obtained heat treated biomass was discharged from the cylinder, and then fed to a grinder to grind the biomass. The temperature of the pulverized biomass was about 120 ° C., and pellets were prepared through a pellet manufacturing apparatus at such a high temperature. No separate binder was used.
상기 펠릿 강도는 펠릿 성형기를 통과하여 나온 펠릿의 상태를 육안으로 평가하였을 때 담배 필터형상으로 나오는지 여부로 판단하고, 펠릿 제조 공간에서 미세먼지 발생 상태로 판단하였다. 생물학적 열화의 판단 기준은 보관 중 미생물에 의한 오염 여부 등으로 판단하였다.
The strength of the pellets was determined by whether the pellets passed through the pellet forming machine were visually evaluated in the form of a cigarette filter, and was determined as the state of generating fine dust in the pellet production space. The criterion of biological deterioration was determined by contamination by microorganisms during storage.
열처리된 목재 및 각각의 바이오매스로부터 얻어진 펠릿에 대하여 함수율(%), 발열량(㎉/㎏), 회분량(%), 펠릿 강도, 미세먼지 발생정도, 흡습 특성 및 생물학적 열화 정도(부패 정도)에 대하여 측정 내지 관찰할 후 이를 표 1에 나타내었다. Water content (%), calorific value (㎉ / ㎏), ash content (%), pellet strength, fine dust generation, hygroscopic properties and biological deterioration (corrosion) of heat-treated wood and pellets from each biomass. It is shown in Table 1 after measuring or observing.
펠릿wood
Pellet
펠릿Straw
Pellet
(㎉/㎏)Calorific value
(Kg / kg)
3,7032,200-
3,703
4,7003,810-
4,700
4,8904,750-
4,890
5,4204,820-
5,420
발생part
Occur
발생part
Occur
발생part
Occur
발생part
Occur
발생much
Occur
열화Biological
Deterioration
발생Limited
Occur
열분해 장치를 통과한 리그노셀룰로오스계 바이오매스는 표 1과 같은 특성을 나타내었다. 생재로 들여온 목재의 함수율은 20-35% 수준으로 다른 리그노셀룰로오스계 바이오매스에 비해 매우 높은 함수율을 가지고 있기 때문에 그 자체를 연소원으로 쓸 경우 발열량이 약 3,700 kcal 미만으로 매우 낮음을 알 수 있다. 한편, 목재 펠릿의 경우에는 함수율이 약 10% 수준으로 생재 함수율에 비하여 매우 낮고, 고밀화된 형태로 제조되기 때문에 발열량이 3,800-4,700 kcal 수준으로 생재에 비해 상당히 개선됨을 확인할 수 있었다.
The lignocellulosic biomass that passed through the pyrolysis device exhibited the characteristics shown in Table 1. The moisture content of wood imported as raw materials is 20-35%, which has a very high water content compared to other lignocellulosic biomass. Therefore, when used as a combustion source, the calorific value is very low, less than about 3,700 kcal. . On the other hand, in the case of wood pellets, the moisture content is about 10%, which is very low compared to the moisture content of the raw material, and because it is manufactured in a densified form, it was confirmed that the calorific value is significantly improved compared to the raw material at the level of 3,800-4,700 kcal.
그러나 목재를 열분해시키면 발열량은 4,700-4,900 kcal/kg 수준으로, 목재 펠릿보다 상당히 개선되었음을 확인할 수 있으며, 나아가, 이러한 열분해된 목재를 이용하여 제조된 펠릿의 경우에는 발열량이 4,800-5,400 kcal/kg까지 증가하여 열분해 처리가 리그노셀룰로오스계 펠릿의 발열량에 개선에 상당한 기여를 하는 것을 확인할 수 있었다.
However, when pyrolyzing wood, the calorific value is 4,700-4,900 kcal / kg, which is a significant improvement over wood pellets. Furthermore, in the case of pellets manufactured using such pyrolyzed wood, the calorific value is 4,800-5,400 kcal / kg. Increasingly, it was confirmed that the pyrolysis treatment contributed significantly to the calorific value of the lignocellulosic pellets.
이와 같은 경향은 팜 껍질 및 볏짚에 있어서도 동일한 경향을 나타내었다. 팜 껍질의 경우 본 발명에 따른 열분해를 함으로써 발열량이 5,000kcal/kg에서 6,280kcal/kg으로 증가하여 석탄의 발열량인 6,978 kcal/kg에 근접한 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 나아가, 볏짚의 경우, 열분해 이전보다 향상된 발열량을 가짐을 확인할 수 있었다. 다만, 회분의 함량이 목재나 팜 껍질에 비해서 다소 높았다.
This same trend was observed in palm bark and rice straw. In the case of the palm shell, the pyrolysis according to the present invention increased the calorific value from 5,000kcal / kg to 6,280kcal / kg, and thus it was confirmed that the palm shell had a value close to the calorific value of 6,978 kcal / kg. Furthermore, in the case of rice straw, it could be confirmed that it has an improved calorific value than before pyrolysis. However, ash content was somewhat higher than wood or palm bark.
상기와 같은 결과로부터, 열분해된 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 함수율이 열분해 이전보다 현저히 낮아짐을 확인할 수 있다. 열분해 이전의 팜 껍질과 볏짚의 함수율은 대략 8-9.5%이었으며, 특히 목재의 경우 생재로 들여왔을 때의 함수율이 약 20% 정도이었다. 최초 함수율이 과다할 경우 최적 연소 효율을 얻는데 매우 큰 방해 요인이 되고, 원료 저장시 생물학적 열화 요인의 원인으로 작용한다. 그러나, 본 발명에 따라 열분해처리(torrefaction)를 수행하면 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 구성 성분인 셀룰로오스 헤미셀룰로오스 및 리그닌이 소수성으로 변하면서 연료의 함수율이 5% 이하로 급격하게 낮아지게 되고, 이로 인해 바이오매스 원료의 발열량의 증가와 함께 생물학적 열화를 방지할 수 있다. 또한 펠릿의 함수율이 낮기 때문에 펠릿 수송비용도 절감할 수 있는 부수적으로 이점도 있다.
From the above results, it can be seen that the water content of the pyrolyzed lignocellulosic biomass is significantly lower than before pyrolysis. The moisture content of palm bark and rice straw before pyrolysis was about 8-9.5%, especially about 20% when it was brought into raw materials. If the initial moisture content is excessive, it is a very big obstacle to obtaining the optimum combustion efficiency, and it causes a biological deterioration factor in the storage of raw materials. However, when the pyrolysis treatment (torrefaction) according to the present invention changes the hydrophobic cellulose hemicellulose and lignin components of the lignocellulosic biomass, the water content of the fuel is drastically lowered to 5% or less, thereby the bio Biological deterioration can be prevented with an increase in the calorific value of the mass raw material. In addition, due to the low water content of the pellets there is a side advantage that can also reduce the cost of pellet transport.
실시예Example 2 2
실시예 1에 있어서 초기의 목재의 열처리시에 열을 가한 후에 열 공급을 차단한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 목재를 열처리 장치로 공급하여 목재의 열분해를 수행하였다.
In Example 1, except that the heat supply was cut off after heat was applied during the initial heat treatment of wood, the wood was thermally decomposed by supplying wood to the heat treatment apparatus in the same manner as in Example 1.
이때, 열처리 장치에서 바이오매스의 열처리에 의해 배출되는 고온의 가스(H2O, CO2, H2 등)를 수집하고, 수집된 이를 건조 및 세척한 후, 컨덴서를 통해 중성 가스를 응축하고, 이를 서머 챔버를 통해 약 450℃의 온도로 가열하고, 이를 상기 열처리 장치로 순환시켰다. 상기 순환되는 가스는 열처리 장치의 바이오매스 배출구의 측면으로 공급하였다. 공급된 고온의 가스는 열처리 장치 내의 바이오매스 이동 방향과 반대방향으로 이동하여 바이오 매스 유입구측 상단을 통해 배출하였다. 이때, 가스 배출구측에서의 가스의 온도를 측정하였는바, 대략 180℃임을 확인할 수 있었다.
At this time, by collecting the hot gas (H 2 O, CO 2 , H 2, etc.) discharged by the heat treatment of the biomass in the heat treatment apparatus, drying and washing the collected, condensed neutral gas through a condenser, It was heated to a temperature of about 450 ° C. through the summer chamber, which was circulated to the heat treatment apparatus. The circulated gas was supplied to the side of the biomass outlet of the heat treatment apparatus. The supplied hot gas was moved in a direction opposite to the direction of biomass movement in the heat treatment apparatus and discharged through the upper end of the biomass inlet side. At this time, the temperature of the gas at the gas outlet side was measured, and it was confirmed that the temperature was about 180 ° C.
상기와 같이 별도의 열을 공급하지 않고, 배출가스를 활용하여 얻어진 목재에 대하여 열분해 여부를 확인하기 위해 실시예 1과 동일한 항목에 대해 관찰하였는바, 열분해된 목재에서 나타낸 바와 거의 동일한 상태임을 확인할 수 있었다. As described above, the same items as in Example 1 were observed to determine whether or not the thermal decomposition of the wood obtained by using the exhaust gas without supplying additional heat as described above. there was.
Claims (3)
상기 열처리 장치에서 상기 바이오매스에 가해지는 온도를 60℃에서 500℃로 상승시켜 상기 바이오매스로부터 순차적으로 건조하여 수분을 제거하고, 휘발성 유기 화합물을 휘발 제거하고, 그리고 열분해시켜 소수화하는 단계를 포함하는 바이오매스를 열처리하는 방법.
Supplying lignocellulosic biomass to the heat treatment apparatus
Increasing the temperature applied to the biomass in the heat treatment apparatus from 60 ° C. to 500 ° C. to sequentially dry the biomass to remove water, and to volatilize and remove volatile organic compounds, and pyrolyze to hydrophobize. Method of heat treating biomass.
The method of claim 1, wherein the exhaust gas from the heat treatment apparatus is discharged to the biomass supply unit side, and the exhaust gas is heated to 300 to 500 ° C and supplied to the biomass discharge unit side of the heat treatment apparatus through a heat exchanger. Method of heat treating the biomass.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110062668A KR20130008664A (en) | 2011-06-28 | 2011-06-28 | Method for heat treating biomass used for combustion with high thermal efficiency and method for preparing combustable pellet using the biomass |
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Publications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110184082A (en) * | 2019-06-17 | 2019-08-30 | 绍兴图雅电子科技有限公司 | A kind of pollution-free charcoal production equipment |
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2011
- 2011-06-28 KR KR1020110062668A patent/KR20130008664A/en not_active Abandoned
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| CN110184082A (en) * | 2019-06-17 | 2019-08-30 | 绍兴图雅电子科技有限公司 | A kind of pollution-free charcoal production equipment |
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