KR20200055380A - 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법에 관한 것으로, 음식물 쓰레기가 온도 180 내지 230 ℃ 및 10 내지 40 bar 및 반응시간 1 내지 6시간, 황산 0.5 내지 5 wt% 첨가 조건에서 수열탄화 공정을 거쳐, 저위 발열량이 높고, 염소(Cl-) 의 함량이 적은 고형연료를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 고형연료는 화력발전소 등의 연료로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법{Method of Manufacturing Solid Fuel using Food Waste}
본 발명은 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 음식물 쓰레기를 수열탄화 하여 고형연료를 제조하는 방법에 관한 것이다.
국민소득 증강에 의한 식생활이 향상된 결과 우리의 식탁이 풍성해져 이전과 같이 음식을 제대로 먹지 못하는 현상이 없어졌지만 풍성해진 식탁에서 불필요하게 남겨져서 쓰레기로 배출되는 음식물쓰레기의 양이 점차 늘어나고 있음은 이미 주지된 사실이다. 2016년 우리나라 음식물폐기물의 발생량은 15,680톤/일 이었다. 이는 전체 폐기물 발생량의 약 29% 에 해당하는 양으로(4인 가족이 1년간 버리는 음식물쓰레기 기준 718kWh 에너지 소요, 연간 가정소비 전력량 20% 차지) 8천억원 이상의 처리비용이 소요되며 매년 증가하는 추세를 보인다.
음식물 쓰레기는 통상적으로 그 종류가 다양하고 이물질이 혼입되는 경우가 많아 재활용이 어려우므로 매립처리 되고 있었으나, 폐기물 관리법 시행 규칙 개정으로 인해 매립이 금지되고, 근래에는 이를 자원화하기 위한 방안으로 사료화와 퇴비화 방법을 주로 사용하고 있다. 사료화의 경우 습식법과 건식법으로 나눌 수 있는데 건식법은 건조시 소요되는 연료비등 운전비용이 대단히 높아 경제성이 떨어지며, 습식법의 경우 염분문제, 유통과정에서 변질될 우려, 처리과정에서 악취문제 및 탈리액 처리 등 문제점이 많아 소규모처리장에 한정적으로 운전되고 있는 실정이다. 아울러, 건조 사료의 경우 건조에 소요되는 과도한 에너지 비용 때문에 경제성이 대단히 낮으며, 두 방법 모두 이물질혼입, 염분문제 및 가축질병감염 문제들 때문에 세계적으로 사료화는 금지되거나 기피되고 있다. 퇴비화하는 경우에도 퇴비의 염분함유량 문제, 협잡물 문제 때문에 보급에 어려움이 있으며, 전처리 선별공정을 거치지만, 비닐 및 협잡물 등이 포함되어 퇴비화에 어려움을 주고 있다.
한편, 상기와 같은 문제들로 인하여 음식물 쓰레기를 활용하여 대체에너지 보급 차원에서 고형화 하여 연료로 사용하는 기술이 개발되고 있다. 그러나, 음식물 쓰레기를 고형연료로 제조하기 위한 음식물쓰레기의 건조과정에서 음식물쓰레기가 골고루 건조되지 못하여 만들어진 고체연료의 소각 시 악취가 발생할 뿐 아니라, 발열량이 낮은 문제점이 있었다. 특히, 상기 고형연료를 화력발전소 연료로 사용하는 경우, 고형연료에 포함되는 염분(Cl-)이 발전소 보일러 재료의 부식을 유발할 수 있어, 화력발전소 등의 연료로는 사용할 수 없었다.
따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 음식물 쓰레기를 이용한 고체연료를 제조할 수 있는 방법 등이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1664119호
본 발명의 목적은 발열량이 높고, 염소의 함량이 적은 고형연료를 제조할 수 있는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서,
음식물 쓰레기를 수열탄화하여 탄화슬러리를 제조하는 단계;
제조된 탄화슬러리로부터 고체 생성물과 액체 탈리액을 분리하는 단계; 및
고체 생성물을 성형하여 고형연료를 생성하는 단계; 를 포함하며,
상기 탄화슬러리를 제조하는 단계는, 온도 180 내지 230 ℃ 및 압력 10 내지 40 bar 및 반응시간 1 내지 6 시간 조건에서 수행하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법에 따르면, 음식물 쓰레기가 온도 180 내지 230 ℃ 및 10 내지 40 bar 및 반응시간 1 내지 6 시간 조건에서 수열탄화 공정을 거쳐, 저위 발열량이 높고, 염소의 함량이 적은 고형연료를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 고형연료는 화력발전소 등의 연료로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시에에 따른 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법의 순서도를 나타낸 도면이다.
도 2는 수열탄화 반응기의 배출 시스템에 대한 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고형연료의 연속식 제조장치에 대한 전체 개념도이다.
도 4는 원료성상에 따른 타르(Tar)의 발생량을 나타내는 사진이다((a) 쌀류 90 %, (b) 채소류 90 %)
도 5는 실시예 6과 비교예 2에서 제조한 고형연료의 입자 표면을 전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다((a) 220 ℃, (b) 250 ℃).
도 6 (a), (b)는 각각 온도에 따른 리그닌 감소과 타르의 생성량을 나타낸 그래프이다
도 7(a) 는 아세톤 여과전 건조 탄화물, (b) 는 아세톤 여과 후 건조 탄화물, (c) 아세톤 여과 전 핸드프레스의 여지, (d) 아세톤 여과 후 핸드프레스의 여지를 보여주는 사진이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범우에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것을 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "수열탄화(HTC, hydrothermal carbonization)" 란, 저함수율을 갖는 재료와 물을 혼합한 재료 또는 고함수율을 갖는 재료를 폐쇄형 반응기에 넣어 가온시키고, 이러한 가온에 의해 물이 포화되어 수증기압이 발생되면서 수분 증발 없이 탄화 반응이 진행되는 공정을 의미한다. 특히, 이러한 수열탄화는 고함수 유기성폐기물 처리에 용이한 기술로, 증발잠열 없이, 반응 후 기계적 탈수만으로 수분을 제거할 수 있어, 건조에 비해 에너지가 적게 소비되는 이점이 있다.
한편, 음식물 쓰레기는 고함수율을 가지므로, 별도의 물을 공급하지 않아도, 수열탄화 반응기에서 탄화 반응이 일어날 수 있다. 구체적으로, 수열탄화 반응기에 열이 가해질수록, 수열탄화 반응기에 공급된 음식물 쓰레기의 수분 함량이 감소되면서 상대적으로 탄소가 고정될 수 있다. 다시 말해, 음식물 쓰레기(또는 음식물 슬러지)의 수분 함량의 감소에 의해 음식물 쓰레기의 산소 함량 및 수소 함량이 감소되고, 이에 따라 음식물 쓰레기의 탄소 함량은 상대적으로 증가하는 것이다.
본 발명에서, "저위 발열량(low calorific power)" 은 연료 중에 포함되어 있는 수증기의 열량을 고려하지 않은 열량으로, 실제 보일러에서 이용할 수 있는 열량을 의미한다. 즉, 저위 발열량은 총 발열량에서 수증기 잠열을 뺀 값을 의미할 수 있다.
본 발명은 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법에 관한 것이다.
종래, 음식물 쓰레기를 이용하여 제조되는 고형연료는, 음식물쓰레기의 건조과정에서 음식물쓰레기가 골고루 건조되지 못하여 고형연료의 소각 시 악취가 발생할 뿐 아니라, 발열량이 낮은 문제점이 있었다. 아울러, 상기 고형연료를 화력발전소 연료로 사용하는 경우, 고형연료에 포함되는 염분(예를 들어, Cl-)이 발전소 보일러 재료의 부식을 유발할 수 있어, 화력발전소 등의 연료로는 사용할 수 없었다.
이러한 문제점들을 극복하기 위하여, 본 발명은 음식물 쓰레기를 수열탄화 하여 고형연료를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법에 따르면, 음식물 쓰레기가 온도 180 내지 230 ℃ 및 10 내지 40 bar 및 반응시간 1 내지 6 시간 조건에서 수열탄화 공정을 거쳐, 저위 발열량이 높고, 염소의 함량이 적은 고형연료를 제조할 수 있다.
이렇게 제조된 고형연료는 화력발전소 등의 연료로 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은,
음식물 쓰레기를 수열탄화하여 탄화슬러리를 제조하는 단계;
제조된 탄화슬러리로부터 고체 생성물과 액체 탈리액을 분리하는 단계; 및
고체 생성물을 성형하여 고형연료를 생성하는 단계; 를 포함하며,
상기 탄화슬러리를 제조하는 단계는, 온도 180 내지 230 ℃ 및 압력 10 내지 40 bar 및 반응시간 1 내지 6 시간 조건에서 수행한다.
보다 구체적으로는, 본 발명에 따른 고형연료 제조방법은, 음식물 쓰레기를 수열탄화 반응기 내에서 수열탄화하여 탄화슬러리를 제조하는 단계; 탄화슬러리를 반응기로부터 저장조로 유체 이동하고, 탄화슬러리로부터 고체 생성물과 액체 탈리액을 분리하는 단계; 및 고체 생성물을 성형하여 고형연료를 생성하는 단계; 를 포함한다.
일실시예에서, 본 발명은,
음식물 쓰레기를 수열탄화 반응기 내에서 수열탄화하여 탄화슬러리를 제조하는 단계(S100);
탄화슬러리를 반응기로부터 저장조로 유체 이동하고, 탄화슬러리로부터 고체 생성물과 액체 탈리액을 분리하는 단계(S200); 및
고체 생성물을 성형하여 고형연료를 생성하는 단계(S300); 를 포함하며,
상기 탄화슬러리를 제조하는 단계는 온도 180 내지 230 ℃ 및 압력 10 내지 40 bar 및 반응시간 1 내지 6 시간 조건의 수열탄화 반응기에서 가열 및 가압하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법을 제공한다(도 1 참조).
수열탄화 반응기에 공급되는 음식물 쓰레기는 소비되고 남은 음식을 의미할 수 있으며, 곡류 및/또는 채소류 등을 포함하는 음식물 쓰레기일 수 있다. 특히, 상기 수열탄화 반응기에 공급되는 음식물 쓰레기는 고함수율을 갖는 음식물 쓰레기일 수 있으며, 구체적으로, 음식물 쓰레기의 함수율은 70 내지 90 %, 72 내지 88 %, 73 내지 86 % 또는 71 내지 84 % 일 수 있다.
예를 들면, 음식물 쓰레기는 상술한 범위의 함수율을 가지므로, 별도의 물을 공급하지 않아도, 수열탄화 반응기에서 탄화 반응이 일어날 수 있다. 구체적으로, 수열탄화 반응기에 열이 가해질수록, 수열탄화 반응기에 공급된 음식물 쓰레기의 수분 함량이 감소되면서 상대적으로 탄소가 고정될 수 있다. 한편, 음식물 쓰레기의 함수율이 상기 범위 미만인 경우, 원료 자체에 수분이 부족하여, 탄화 반응이 일어날 수 없다. 아울러, 상기 범위를 초과하는 경우, 탄화슬러리를 제조하기 위한 공정시간 또는 온도가 증가되어, 많은 에너지를 소비하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 고형연료 제조방법에서, 음식물 쓰레기를 수열탄화 반응기 내에서 수열탄화하여 탄화슬러리를 제조하는 단계는, 온도 180 내지 230 ℃ 및 압력 10 내지 40 bar 및 반응시간 1 내지 6 시간 조건, 또는 온도 190 내지 220 ℃ 및 압력 15 내지 35 bar 및 반응시간 2 내지 5 시간 조건일 수 있으며, 바람직하게는 190 내지 210 ℃ 및 압력 15 내지 30 bar 및 반응시간 2 내지 4 시간 조건일 수 있으며, 보다 바람직하게는 190 내지 200 ℃ 및 압력 15 내지 20 bar 및 반응시간 3 내지 4 시간 조건 또는 190 ℃ 및 압력 16 내지 19 bar 및 반응시간 4 시간 조건의 수열탄화 반응기에서 수행될 수 있다.
상기 온도 범위 및 압력에서, 반응물(음식물 쓰레기)의 함수율을 효과적으로 저하시킴과 동시에 우수한 발열량을 나타내는 고형연료를 제조할 수 있다. 예를 들면, 반응온도가 160 ℃ 및 반응시간 2 시간 미만인 경우, 반응물에 공급되는 열과 압력이 너무 낮아 탄화가 온전하게 이루어지지 않으며 탈수성이 떨어져 반응물의 수분 함량을 용이하게 감소시킬 수 없다. 반응온도 220 ℃, 압력 35 bar 및 반응시간 6 시간을 초과하는 경우, 반응에 필요한 에너지가 너무 높아 경제성이 떨어지며, 반응물(음식물 쓰레기)의 표면에 타르(Tar)가 생성될 수 있다. 타르의 발생은 반응물의 탈수성을 저하시킬 뿐만 아니라 탄화물의 연소효율을 저하시켜 고형연료로서 품질가치가 떨어지고, 작물의 생육을 저해하는 요소로 작용하여 토양개질제로 적용이 불가하다.
예를 들면, 타르는 유기물의 열분해에 의해서 생기는 흑색 또는 갈색의 점조성 기름상 역청 물질의 총칭으로, 유기성 물질로 이루어진 음식물 쓰레기를 고온 압착하면, 열화학적 반응을 통해 음식물류 폐기물 내 벤조피렌이 다환방향족탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon, PHA) 로 전환될 수 있으며, 그 비율에 따라 점조성의 역청질에 의한 입자가 결합현상을 발생시켜, 플랜트 설비수식 및 필터프레스를 이용한 슬러지 고액 분리시 어려움을 초래할 수 있다. 한편, 음식물 쓰레기에 함유된 원료 중 쌀류를 많이 포함하고 있을 때 보다 채소류를 더 많이 포함하고 있을 때, 타르의 발생량은 증가할 수 있다. 예를 들면, 상기 채소류는 리그닌의 함량이 높아 타르의 생성량이 더 많을 수 있다.
상기 탄화슬러리를 제조하는 단계는 상기 온도 및 압력 범위에서, 2 내지 5 시간, 2 내지 4 시간 또는 4 시간 동안 수행할 수 있다. 이는 상술한 바와 마찬가지로, 반응 온도가 2시간 미만인 경우, 반응물의 수분 함량을 용이하게 감소시키기 어려울 수 있으며, 반응 온도가 5 시간을 초과하는 경우, 너무 많은 에너지가 소비되는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 반응 조건에서 탄화슬러리를 제조할 때, 고형연료 내의 염분의 함량을 줄일 수 있음을 확인하였다. 예를 들어, 상기 염분의 함량은 염소 이온(Cl-)의 함량을 통해 산출 가능하다.
음식물 쓰레기를 온도 180 내지 230℃ 및 압력 10 내지 40 bar 및 반응시간 1 내지 6 시간 조건의 반응기 내에서 수열탄화하여 탄화 슬러리를 제조하는 단계에서, 음식물 쓰레기는 50~150℃ 온도로 예열된 상태로 반응기로 유입될 수 있다. 구체적으로는, 상기 음식물 쓰레기는 50 내지 110℃ 범위로 예열된 상태로 유입되며, 이는 반응기 내부의 급격한 온도 변화를 방지할 수 있다. 또는, 상기 음식물 쓰레기는 120 내지 150℃ 범위로 예열된 상태로 유입되며, 이 경우에는 상기 음식물 쓰레기가 예비 혹은 부분 탄화된다. 이를 통해 음식물 쓰레기의 탄화 효율을 높이는 효과가 있다.
상기 탄화 슬러리를 제조하는 단계에서, 필요에 따라 수열탄화 반응기에는 황산을 투입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 탄화 슬러리를 제조하는 단계에서, 음식물 쓰레기 100 중량%에 대하여 황산 0.5 내지 5 중량%를 투입하는 과정을 포함할 수 있다. 상기 탄화 슬러리를 제조하는 단계에서 황산은 촉매로서 작용하여, 반응시간을 단축시킬 수 있으며, 에너지 밀도 등을 증가시킬 수 있다. 또는, 제조되는 고형연료의 염소의 함량을 효과적으로 줄이며, 후단 고액분리 공정 시 탈수력을 향상시킬 수 있다.
이러한 경우, 상기 황산은, 음식물 쓰레기 전체 중량에 대하여, 0.5 내지 5 중량%, 1 내지 4 중량%, 1.5 내지 3 중량% 또는 2 중량% 수준으로 첨가될 수 있다. 황산 함량이 0.5 중량% 미만인 경우 염소 저감 효과가 미미하고, 5 중량%를 초과하는 경우, 고형연료 내 잔존하는 황의 함량이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
하나의 예에서, 상기 탄화 슬러리를 수열탄화 반응기로부터 저장조로 유체 이동하고, 상기 탄화 슬러리로부터 고체 생성물과 액상 탈리액을 분리하는 단계는, 액체 및 고체 성분으로부터 기체 성분을 분리하는 기체 분리 과정, 및 고체 생성물과 액상 탈리액을 분리하는 고액 분리 과정을 거쳐 수행 가능하다.
고액 분리 과정을 수행한 고체 생성물은 건조하여 고형연료를 제조할 수 있으며, 또는 이를 성형하는 단계를 거칠 수 있다. 예를 들면, 고형연료를 성형하는 단계에서는 펠릿 등으로 성형할 수 있으며, 직경 50 mm 및 길이 100 mm 이하의 크기로 성형할 수 있다.
아울러, 제조되는 고형연료는 수열탄화 직후의 탄화슬러리에 타르가 생성될 수 있다. 생성된 타르는 수열탄화 반응 직후 아세톤 세척을 통해 상기 타르 성분을 제거할 수 있다. 예를 들면, 탄화슬러리를 여과지에 놓고, 아세톤을 중력여과 방식으로 떨어뜨려 세척할 수 있다.
즉, 수열탄화 반응 직후의 탄화슬러리는 아세톤 세척을 통해 탄화물의 점성을 제거할 수 있으며, 점성질의 주원인인 슬러리 내에 타르성분을 제거할 수 있다. 다만, 아세톤은 폭발문제로 인한 현장적용의 어려움이 있어, 에탄올 계열 또는 식물성 유기용제로 대체할 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 고형연료는 저위 발열량이 7,000 kcal/kg 이상이며, 함수율이 10 wt% 이하이고, 염소(Cl-) 함량이 0.5 wt% 이하일 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따라 제조되는 고형연료는 저위 발열량이 7,000 kcal/kg 이상, 7,000 내지 10,000 kcal/kg 범위, 7,000 내지 9,000 kcal/kg 범위, 7,100 내지 8,000 kcal/kg 범위, 7,150 내지 7,600 kcal/kg 범위, 7,200 내지 7,550 kcal/kg 범위일 수 있다. 하나의 예로서, 상기 고형연료의 발열량은 Cl 칼로리미터 (Cl Calorimeter, IKA사) 를 사용하여 측정할 수 있다
본 발명에 따라 제조되는 고형연료는 7,000 kcal/kg 이상의 저위 발열량 만족함으로써, Bio-SRF 기준(3,000 kcal/kg 이상)과 발전소 혼소 기준(3,000 kacl/kg 이상) 기준을 모두 만족시킬 수 있다. 참고로, Bio-SRF(Biomass-Solid Refuse Fuel) 는 바이오매스를 포함한 가연성 고형 폐기물을 이용하여 생산된 고형연료를 지칭한다(자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률 시행규칙 별표 7, 환경부령 제745호).
뿐만 아니라, 이와 같이 저함수율을 갖는 고형연료는 수열탄화 및 고액 분리가 선행된 고체생성물로부터 수득되므로, 우수한 발열량 및 우수한 에너지 밀도를 가질 수 있다. 이는, 음식물 쓰레기가 수열탄화되는 과정에서 산소를 제외한 요소(탄소)의 함량이 증가하였가 때문이다.
아울러, 상기 제조되는 고형연료는 PXRF(Potable X-Ray Fluorescence) 으로 검출하였을 때, 염소(Cl-) 0.5 중량 % 미만일 수 있다. 구체적으로, 염소는 함량이 0.5 중량 % 미만일 수 있으며, 0.0001 내지 0.5 중량 % 범위, 0.001 내지 0.5 중량 % 범위, 0.01 내지 0.3 중량 % 범위, 0.1 내지 0.2 중량 % 범위일 수 있다. 이에 따라, 염소(Cl-) 의 함량이 적은 고형연료를 제조할 수 있으며, 결론적으로, 상기 고형연료를 화력발전소 등의 연료로 사용할 때, 부식유발 등의 문제를 해결할 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 고형연료는 중금속(염소, 수은, 카드뮴, 납, 비소, 크롬, 황) 이 불검출되거나, 매우 적은 적은 범위로 포함될 수 있다. 실질적으로 대부분의 중금속이 검출되지 않으며, 이에 따라 고형연료의 연소시 유해물질 및 환경오염 물질의 발생이 현저히 저하되는 효과를 나타낼 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 고형연료는 화력발전소 등의 연료로 유용하게 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 염소(Cl-) 의 함량이 낮아 토양개질제 등으로도 사용될 수 있다. 예를 들면, 고형연료는 유기물의 질소함량이 3.54 % 로 가축분뇨의 약 2 % 평균함량보다 높아 토양개질제로 적합할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조시 제조장치 및 공정에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
탄화슬러리를 제조하는 단계는 유입 라인 및 유출라인이 형성된 밀폐형 구조의 수열탄화 반응기에서 이뤄질 수 있다. 도 2는 수열탄화 반응기의 배출 시스템에 대한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 수열탄화 반응기(107)는 유입 라인을 통해 반응 원료가 유입되고, 유출 라인을 통해 반응이 완료된 반응물이 유출된다. 수열탄화 반응기(107) 유출 라인을 통해 유출된 반응물은 배출 부재(112)를 경유하여, 저장조(113a)로 이동된다. 상기 저장조(113a)는 내부에 교반수단이 구비된 구조일 수 있다. 저장조(113a)는 반응물로부터 기체 성분을 분리하는 기체 분리기(113a)이고, 후단에 고체 성분과 액체 성분을 분리하는 고액 분리기(115)가 순차 연결된다. 기체 분리기(113a)에서 분리된 기체 성분은 배기체 정화기(114)를 거쳐 배출된다. 고액 분리기(115)에서는 고체 성분과 액체 성분을 분리하여 배출한다. 여기서, 반응 원료는 음식물 쓰레기를 의미하며, 반응이 완료된 반응물은 탄화슬러리를 의미할 수 있다.
한편, 배출 부재(112)는 수열탄화 반응기(107)에서 반응이 완료된 반응물을 연속적으로 유출시키는 역할을 수행한다. 상기 배출 부재(112)는 부재 내부의 유체 흐름 방향을 따라 순차 혹은 연속적으로 압력이 감압되는 구간을 포함하 는 감압 수단이다. 상기 배출 부재(112)는 스크류가 회전하는 방향을 따라 반응물이 유출되는 구조일 수 있다. 또한, 상기 배출 부재(112)는, 예를 들어, 유체 흐름을 따라 내경이 순차 혹은 연속적으로 증가하는 구조이거나 유체 흐름을 따라 순차 또는 연속적으로 압력이 감소하는 구조로 설계된다.
도 3은 본 발명에 따른 고형연료의 연속식 제조장치에 대한 전체 개념도이다. 도 3을 참조하면, 반응 원료인 음식물 쓰레기가 저장조(101)에 유입되고, 저장조(101)에 수용된 음식물 쓰레기는 공급 부재(102)를 거쳐 수열탄화 반응기(107)로 유입된다. 상기 공급 부재(102)는 반응기 수위가 일정 수준 이상인 경우, 공급 부재의 작동을 멈추거나 공급 부재의 공급 유량을 저감한다. 이때, 상기 수열탄화 반응기(107)에는 내부의 수위를 측정하는 수위 센서가 형성된다.
상기 공급 부재(102)와 반응기(107)의 유체 흐름 상에는 보조 반응기(103a, 103b)가 위치한다. 필요에 따라서는, 상기 보조 반응기(103a, 103b)는 2개의 반응기가 병렬된 위치로 형성된 구조이다. 상기 보조 반응기(103a, 103b)에서는 음식물 쓰레기를 70 내지 80℃ 범위로 예열하거나 100 내지 110℃ 범위로 가열하여 예비 탄화를 수행한다.
보조 반응기(103a, 103b)를 거친 음식물 쓰레기는 10 내지 40 bar 범위의 압력으로 가압된 상태로 수열탄화 반응기(107)로 유입 된다. 또한, 약품 저장조(105)에 저장된 촉매가 약품 펌프(106)를 경유하여 수열탄화 반응기(107) 내로 첨가된다. 상기 촉매로는 황산을 사용한다. 필요에 따라서는, 수열탄화 반응기(107)의 일측에는 별도의 열매유 히터(108)가 구비된다. 상기 열매유 히터(108)를 통해, 수열탄화 반응기(107)를 가열하거나 온도를 유지한다. 상기 반응기(107) 내부는 180 내지 230 ℃ 및 10 내지 40 bar 및 반응시간 1 내지 6 시간 범위로 가열 및 가압된다. 상기 가열 및 가압 조건에서, 반응기(107) 내부의 음식물 쓰레기는 탄화과정을 거쳐 고체 생성물과 액상 탈리액을 함유하는 고액 슬러리로 전환된다.
수열탄화 반응기(107)의 유출 라인을 통해 반응물이 유출된다. 유출된 반응물은 제1 열교환기(109) 및 제2열교환기(110)를 거쳐 배출 부재(112)로 유입된다. 상기 제1 열교환기(109)는 반응기(107)에서 유출된 고온의 반응물에서 발생되는 열을 보조 반응기(103a, 103b)에 공급하게 된다. 필요에 따라서는 상기 제1 열교환기(109)는 열매유를 통해 보조 반응기(103a, 103b)에 열을 공급한다. 이 경우 제1 열교환기(109)와 보조 반응기(103a, 103b) 사이에는 열매유 펌프(104)가 위치한다. 또한, 상기 제2 열교환기(110)의 일측에는 별도의 냉각기(111)가 형성된 구조이다. 상기 제2 열교환기(110)를 통해, 배출 부재(112)로 유입되는 반응물의 온도를 60 내지 70℃ 범위로 냉각 한다.
배출 부재(112)로 유입된 반응물은, 배출 부재(112)를 통과하는 동안 감압되는 과정을 거치게 된다. 상기 배출 부재(112)를 통과하는 동안, 반응물의 압력은 20 내지 23 bar에서 대기압(약 1 bar) 수준으로 감압된다. 상기 배출 부재(112)는 반응물을 연속적으로 유출하며, 동시에 부재 내부의 유체 흐름 방향을 따라 반응물의 압력을 순차 적으로 또는 연속적으로 낮추게 된다. 상기 배출 부재(112)는 기체 분리기(113b)의 수위가 일정 수준 이상인 경우, 배출 부재의 작동을 멈추거나 배출 부재의 유출 유량을 저감한다. 이때, 상기 기체 분리기(113b)에는 내부의 수위를 측정하는 수위 센서가 형성된다.
배출 부재(112)를 경유한 반응물은, 반응물 내의 기체 성분을 분리하는 기체 분리기(113b)에 유입된다. 상기 기체 분리기(113b)를 거치면서 기체 성분이 분리된 반응물은, 다시 고액 분리기(115)로 유입된다. 상기 고체 분리기(115)에서 반응물은 고체 생성물과 액상 탈리액으로 분리된다. 상기 고체 생성물은 고체 연료 성형기에 도입되며 성형 과정을 거치게 되고, 상기 액상 탈리액은 배출 또는 재이용된다.
이로써, 건조 장치로부터 고형연료가 수득될 수 있다. 이때, 고형연료는 약 10 % 이하의 함수율을 가질 수 있으며, 가열 장치, 발전소, 고형연료 수요처 등에 공급될 수 있다.
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.
<실시예>
실시예 1.
고형연료 제조장치를 이용하여 음식물 쓰레기를 고형연료로 제조하였다. 구체적으로, 함수율이 75.6% 인 음식물 쓰레기 2kg 를 온도 220 ℃ 및 압력 30 bar 전후 조건의 반응기 내에서 4 시간 동안 가열 및 가압하여 수열탄화 하였다. 그리고, 이를 저장조로 유체이동시켜 고체 생성물과 액상 탈리액을 분리하여 고형연료를 제조하였다.
실시예 2.
음식물 쓰레기에 황산을 첨가한 것을 제외하곤, 실시예 1과 동일한 방법으로 고형연료를 제조하였다. 이때, 황산은 음식물 쓰레기 전체 중량에 대하여 2 중량 % 를 첨가하였다.
실시예 3.
함수율이 77.4% 인 음식물 쓰레기 2kg 를 온도 190 ℃ 및 압력 18 bar 전후 조건의 반응기 내에서 4 시간 동안 수열탄화 하였다. 그리고, 이를 저장조로 유체이동시켜 고체 생성물과 액상 탈리액을 분리하였다.
실시예 4.
음식물 쓰레기에 황산을 첨가한 것을 제외하곤, 실시예 1과 동일한 방법으로 고형연료를 제조하였다. 이때, 황산은 음식물 쓰레기 전체 중량에 대하여 2 중량 % 를 첨가하였다.
실시예 5.
반응 온도를 220 ℃ 로 설정한 것을 제외하곤, 실시예 3과 동일한 방법으로 고형연료를 제조하였다.
실시예 6.
음식물 쓰레기에 황산을 첨가한 것을 제외하곤, 실시예 5와 동일한 방법으로 고형연료를 제조하였다. 이때, 황산은 음식물 쓰레기 전체 중량에 대하여 2 중량 % 를 첨가하였다.
실시예 7.
함수율이 76.5 % 인 음식물 쓰레기를 시료로 사용하고, 열처리 온도를 190 ℃ 설정한 것을 제외하곤, 실시예 1과 동일한 방법으로 고형연료를 제조하였다.
실시예 8.
함수율이 74.8 % 인 음식물 쓰레기를 시료로 사용하고, 열처리 온도를 190 ℃ 설정한 것을 제외하곤, 실시예 1과 동일한 방법으로 고형연료를 제조하였다.
비교예 1.
반응 온도를 160 ℃ 로 설정한 것을 제외하고, 실시예 3과 동일한 방법으로 고형연료를 제조하였다.
비교예 2.
함수율이 78.1 % 인 음식물 쓰레기를 시료로 사용하고, 열처리 온도를 250 ℃ 설정한 것을 제외하곤, 실시예 1과 동일한 방법으로 고형연료를 제조하였다.
<실험예>
실험예 1. 고형연료의 성분 분석과 저위발열량 측정
실시예 1, 2에서 제조한 고형연료의 성분 분석과 저위 발열량을 측정하였다.
발열량 또한 기기를 이용한 분석이 일반적으로 사용되고 있으며, 봄베에 넣은 시료가 연소할 때 기기내 물에 열을 전달하고 이 물의 온도를 측정해서 발열량을 계산하는 원리이다. 기기 분석값은 건조고위발열량, 수증기 잠열을 고려하여 계산한 값을 습기준 고위발열량(총 발열량, Hh)이라 하며, 수증기의 잠열을 제외한 발열량을 습기준 저위발열량(참 발열량, Hl)이라 칭한다.
저위발열량은 원소분석기(Elemental Analyzer, Thermo Fisher Scientific사)를 사용하여 유기물 시료를 약 1000 ℃ 에서 촉매를 이용하여, 각각 CO2, H2O. NO2, SO2로 산화시키고, 그 발생가스를 GC컬럼을 이용하여 분리하여, TCD(Thermal conductive detector)를 이용하여 검출하는 원리로서 표준물질을 이용하여, 각 C, H, N, S의 검량곡선을 그리고, GC 크로마토그램으로부터 각 원소의 함량을 % 정량화하여 Dulong 공식을 이용하여 산출하였다.
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Figure pat00001
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Figure pat00002
여기에서, C : 탄소 (%), H : 수소 (%), O : 산소 (%), S : 황 (%), W : 수분 (%) 나타낸다.
항목 단위 Bio-SRF
기준		 발전소
혼소 기준		 실시예 1 실시예 2
온도 조건 - - - 220 ℃(황산 X) 220 ℃
(황산 O)
사이즈 직경 mm 50 - 100% 100%
길이 mm 100 40
수분 중량 % 10 10 2 1.8
저위발열량 kcal/kg 3,000이상 3,000이상 7,200 7,540
회분 wt % 15 35 3.3 8.2
염소 wt % 0.5 0.5 0.46 0.28
황분 wt % 0.6 2 0.3 1.04
금속
성분		 수은 mg/kg 0.6 1.2 불검출 불검출
카드뮴 mg/kg 5 9 0.15 불검출
납 mg/kg 100 200 불검출 불검출
비소 mg/kg 5 13 2.78 1.65
크롬 mg/kg 70 - 4.6 5.3
표 1을 참조하면, 실시예 1, 2는 Bio-SRF 기준 및 발전소 혼소 기준으로 의 저위발열량이 약 2배 정도 증가하였다.
아울러, 황산을 첨가하지 않은 실시예 1은 Bio-SRF 및 발전소 혼소 기준의 염소기준에 부합하였고, 황산을 첨가한 실시예 2는 Bio-SRF 기준으로 황산함량이 약 173 % 초과하였으나,"폐기물관리법 시행규칙(별표 5의 3, R-9-5)" 발전소 혼소 기준에는 부합하였다. 또한 황산 첨가에 의해서 탄화물의 염소함량을 약 39 % 감소시킬 수 있었다.
참고로, Bio-SRF(Biomass-Solid Refuse Fuel) 는 바이오매스를 포함한 가연성 고형 폐기물을 이용하여 생산된 고형연료를 지칭한다(자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률 시행규칙 별표 7, 환경부령 제745호). 특히, Bio-SRF 기준을 만족시켜야 Bio-SRF 로 인정한다.
실험예 2. 처리 온도에 따른 고형연료의 성분 분석과 저위발열량 측정
실시예 3 내지 6, 비교예 1에서 제조한 고형연료의 성분 분석과 저위발열량을 측정하였다. 그리고, 고형연료 내 중금속 및 오염물질을 분석하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
항목 단위 발전소
혼소 기준		 비교예 1 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6
온도 조건 - - 160 ℃(황산 X) 190 ℃
(황산 X)		 190 ℃
(황산 O)		 220 ℃
(황산 X)		 220 ℃
(황산 O)
사이즈 직경 mm - 100% 100% 100% 100% 100%
길이 mm 40
수분 % 10 1.2 2.5 2.5 2 1.8
저위발열량 kcal/kg 3,000이상 5,609 7,314 7,314 7,200 7,540
회분 wt % 35 6.5 6.2 6.2 3.3 8.2
염소 wt % 0.5 2.04 0.48 0.31 0.46 0.28
황분 wt % 2 0.45 0.32 0.32 0.3 1.04
금속
성분		 수은 mg/kg 1.2 불검출 불검출 불검출 불검출 불검출
카드뮴 mg/kg 9 0.31 불검출 불검출 0.15 불검출
납 mg/kg 200 불검출 불검출 불검출 불검출 불검출
비소 mg/kg 13 2.55 1.21 0.98 2.78 1.65
크롬 mg/kg - 3.12 1.73 2.89 4.6 5.3
원소
분석		 C % - 56.1 67.0 68.3 68.8 69.8
H % - 7.1 8.8 8.6 8.4 8.1
N % - 5.1 3.7 3.2 3.5 2.3
O % - 22.5 13.5 12.4 15 10.2
(고체)수득률 % - 71.37 62.7 54.7 51 44
표 2를 참조하면, 온도가 증가함에 따라 탈수성이 증가되어 고체 수득률은 감소한 것을 확인할 수 있었다. 또한 동일 온도에서는 황산 주입에 따라 탈수성이 증가하였다.
비교예 1 은 열처리 온도가 160 ℃ 조건에서 탄화반응이 완전하게 이뤄지지 않아서 탄소(C) 함량이 낮았으며, 산소(O) 함량이 높아 저위 발열량 값이 상대적으로 낮았다. 반면, 열처리 온도가 190 ℃와 220 ℃ 조건에서는 대부분의 값이 유사했으며, 에너지 소비 및 타르발생 정도를 고려하였을 때 낮은 온도인 190 ℃ 가 적합할 것으로 판단하였다.
실시예 3 내지 6은 모두 촉매여부와 관계없이 "폐기물관리법 시행규칙(별표 5의 3, R-9-5)" 발전소 혼소 기준에 부합하였으나 황산의 첨가 유무를 비교하였을 때, 실시예 3 및 실시예 5의 염소의 함량이 각각 0.48 및 0.46% 였으나, 황산을 첨가한 실시예 4 및 실시예 6의 염소의 함량은 각각 0.31 및 0.28 wt% 로서 염소의 함량을 황산 첨가에 의해 더욱 낮출 수가 있어서 발전소 혼소기준의 고형연료 품질 가치를 증대시킬 수 있었다.
실험예 3. 원료성상에 따른 타르(Tar) 발생량 비교
쌀류가 90 % 함유된 음식물 쓰레기와 채소류가 90 % 함유된 음식물 쓰레기를 수열탄화 시키고(220 ℃, 4hr) 수열탄화 반응 직후 탄화슬러리를 5~7 ㎛ 여과지를 통해 고액분리 하였다.
그리고, 타르의 발생량을 비교하기 위하여, 도 4에 나타내었다((a) 쌀류 90 %, 채소류 90 %). 그 결과, 쌀류가 대부분인 경우, 탄화물 색상이 갈색 빛으로 타르생성이 전혀 없었으나, 김치 및 채소류(B)가 대부분인 경우, 리그닌의 함량이 높아 동일조건보다 타르생성이 훨씬 많았다.
실험예 4. 처리 온도에 따른 고형연료의 타르(Tar) 생성 평가
실시예 6과 비교예 2에서 제조한 고형연료의 타르생성 평가를 하기 위하여 고형연료의 입자 표면을 전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope) 로 1,000 배 확대하여 관찰하였다.
도 5는 실시예 6과 비교예 2에서 제조한 고형연료의 입자 표면을 전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다((a) 220 ℃, (b) 250 ℃).
도 5를 참조하면, 열처리 온도가 250 ℃ 는 220 ℃ 와 비교하여 점성도가 매우 높았으며, 개별입자 전체가 기름류의 고형질(타르)로 덮혀 있어서 표면을 관찰하는 것이 불가능하였다.
한편, 타르는 유기물의 열분해에 의해서 생기는 흑색 또는 갈색의 점조성 기름상 역청 물질의 총칭으로, 유기성 물질로서 이루어진 음식물 폐기물을 고온·압착하면, 열화학적 반응을 통해 음식물류 폐기물 내 벤조피렌이 다환방향족탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon, PHA) 로 전환되며, 그 비율에 따라 점조성의 역청질에 의한 입자간 결합현상을 발생시켜, 플랜트 설비수식 및 필터프레스를 이용한 슬러지 고액 분리시 어려움을 초래할 수 있다.
도 6(a), (b)는 각각 온도에 따른 리그닌 감소과 타르의 생성량을 나타낸 그래프이다
도 6을 참조하면, 유기물의 수열탄화반응은 바이오매스 내 리그닌(Lignin) 성분의 분해온도 도달에 따라 일정량의 타르생성이 필연적으로 수반되며, 온도가 증가함에 따라 타르 전화량이 증가하는 것을 알 수 있다. 벤조피렌의 녹는점은 179 ℃ 로, 온도가 높을수록 액화형태로 전환되는 타르 생성량은 증가하였다.
탄화물 내 과량의 타르성분은 작물생육을 방해하는 저해 물질로 알려졌지만, 리그닌의 일정량 분해는 탄소함량 및 열량을 높이면서 "바이오차 가치" 와 부합하는 것으로서, 타르생성 기작을 고려하여 190 ℃ 전후가 수열탄화를 통한 음식물류 폐기물 처리의 최적온도로 판단하였다.
실험예 5. 고형연료의 타르(Tar) 처리 평가
실시예 7의 수열탄화 반응 직후 탄화슬러리를 5~7 ㎛ 여과지를 통해 고액분리 하였다. 이때, 슬러리 전체 중량 대비 40~60 중량 % 로 95 % 아세톤을 이용하여 타르성분을 처리하였다. 구체적으로, 약 120 g 의 슬러리를 5~7 ㎛ 여과지에 놓고, 순도 95 % 이상의 아세톤 약 50 ㎖ 를 떨어뜨려 중력여과 방식으로 세척하였다.
수열탄화 반응 직후의 탄화슬러리와 세척과정을 거친 아세톤 슬러리를 핸드프레스(1 kgf, 2 min) 를 이용하여 고형물 탈리 정도를 비교하였다. 이를 도 7에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 슬러리 내에 타르성분을 제거하여 건조 탄화물의 색상이 흑색에서 진갈색으로 변화한 것을 확인할 수 있었으며, 아세톤의 여과 후 슬러리가 여지상에 흔적으로 남기지 않고 깨끗하게 분리된 것을 확인할 수 있었다.
즉, 수열탄화 반응 직후의 탄화슬러리는 아세톤 세척을 통해 탄화물의 점성을 제거할 수 있으며, 점성질의 주원인인 슬러리 내에 타르성분을 제거할 수 있다.
필터프레스 공정시, 탄화물 분리의 어려움을 방지하기 위하여 아세톤을 이용하여 타르성분을 처리할 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 아세톤은 폭발문제로 인한 현장적용의 어려움이 있어, 에탄올 계열 또는 식물성 유기용제로 대체 가능할 것으로 판단된다.
실험예 6. 음식물류 폐기물의 수열탄화 후 비료적용 평가
실시예 8의 수열탄화 반응 직후 탄화슬러리의 성분을 분석하였다. 그리고, 이를 하기 표 3에 나타내었으며, 비료적용 평가를 하였다.
번호 항목 단위 비료공정
규격		 분석값 비고
1 비소 mg/kg 45 2.78 적합
2 카드뮴 mg/kg 5 0.15 적합
3 수은 mg/kg 2 불검출 적합
4 납 mg/kg 130 불검출 적합
5 크롬 mg/kg 200 4.6 적합
6 구리 mg/kg 360 3.1 적합
7 니켈 mg/kg 45 1.2 적합
8 아연 mg/kg 900 불검출 적합
9 유기물 중량 % 30이상 95.5 적합
10 염분 중량 % 2 1.65 적합
11 수분 중량 % 55 2 적합
12 염산불용해물 중량 % 25 0.2 적합
13 부숙도 - 콤백 적합 적합
종자발아
14 유기물 % 50 26.63
(유기물: 94.28, 질소: 3.54)		 적합
* 비료기준 “비료 공정규격설정 및 지정, 농촌진흥청 고시 제2017-18호”
그 결과, 유기물의 질소함량이 3.54 % 로 가축분뇨의 약 2 % 평균함량보다 높아 토양개질제로서 우수한 것으로 판단된다.
실시예 8의 수열탄화 반응 직후 탄화슬러리는 "비료 공정규격설정 및 지정별표 3"의 유기질 비료 조건에 부합하는 것으로 판단된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 모터 11: 구동축
12: 배출 부재 내 유로 20: 배출 부재 유입구
30: 배출 부재 유출구
101: 슬러지 저장조 102: 공급 부재
103a, 103b: 보조 반응기 104: 열매유 펌프
105: 약품저장조 106: 약품 펌프
107: 반응기 108: 열매유 히터
109: 제1 열교환기 110: 제2 열교환기
111: 냉각기 112: 배출 부재
113a: 저장조 또는 기체 분리기 113b: 기체 분리기
114: 배기체 정화기 115: 고/액 분리기

Claims (8)

  1. 음식물 쓰레기를 수열탄화하여 탄화슬러리를 제조하는 단계;
    제조된 탄화슬러리로부터 고체 생성물과 액체 탈리액을 분리하는 단계; 및
    고체 생성물을 성형하여 고형연료를 생성하는 단계; 를 포함하며,
    상기 탄화슬러리를 제조하는 단계는, 온도 180 내지 230 ℃ 및 압력 10 내지 40 bar 및 반응시간 1 내지 6 시간 조건에서 수행하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    수열탄화에 공급되는 음식물 쓰레기의 함수율은, 70 내지 90 % 인 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    탄화슬러리를 제조하는 단계는, 2 내지 5 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    음식물 쓰레기를 수열탄화하여 탄화슬러리를 제조하는 단계에서,
    음식물 쓰레기는 50 내지 150℃ 온도로 예열된 상태로 수열탄화 반응기에 공급되는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    탄화슬러리를 제조하는 단계에서,
    음식물 쓰레기 전체 중량에 대해, 황산 0.5 내지 5 중량%를 투입하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    탄화슬러리를 제조하는 단계는, 수열탄화 반응기에서 수행되며,
    제조된 탄화슬러리는, 상기 반응기로부터 유체 흐름 방향을 따라 순차적으로 또는 연속적으로 감압되는 구간을 경유하여 감압된 상태로 배출되는 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    제조된 고형연료는
    저위 발열량이 7,000 kcal/kg 이상인 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    제조된 고형연료는,
    함수율이 10 % 이하이고,
    염소(Cl-) 함량이 0.5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 고형연료의 제조방법.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102237796B1 (ko) * 2021-02-01 2021-04-12 주식회사 하이퍼솔루션 고감염성 동물 사체를 처리하여 연료를 제조하는 장치
KR102237795B1 (ko) * 2021-02-01 2021-04-12 주식회사 하이퍼솔루션 고감염성 동물 사체를 처리하여 연료를 제조하는 방법
KR102302186B1 (ko) * 2021-03-31 2021-09-15 주식회사 하이퍼솔루션 의료폐기물을 수열탄화 처리하여 연료를 제조하는 장치
KR102302185B1 (ko) * 2021-03-31 2021-09-15 주식회사 하이퍼솔루션 의료폐기물을 수열탄화 처리하여 연료를 제조하는 방법
KR102357549B1 (ko) * 2021-04-22 2022-02-09 (주)키나바 유기성 또는 무기성 폐기물의 수열탄화 반응을 이용하여 악취가 저감되는 고형연료의 제조방법 및 그 방법으로 제조된 고형연료
CN116042284A (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 西安交通大学 一种汽爆秸秆与餐饮垃圾滤液协同水热碳化制备人造煤的方法
KR102683863B1 (ko) * 2023-09-11 2024-07-09 구민규 음식물 쓰레기를 이용한 펠릿연료의 제조방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220124577A (ko) * 2021-03-03 2022-09-14 (주)키나바 염색슬러지를 이용한 친환경 바이오 고형연료의 제조 방법
KR102919993B1 (ko) 2025-06-27 2026-01-29 (주)키나바 가축분뇨의 수열탄화로 제조된 고열량 및 저염소 특성을 갖는 부식 저감형 고형연료

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040105933A (ko) * 2003-06-10 2004-12-17 주식회사 피엠그린 유기 폐기물의 효율적 처리 방법
JP2007023214A (ja) * 2005-07-20 2007-02-01 Hiroshima Univ バイオマスガス化方法及びシステム
KR20070084297A (ko) * 2004-11-10 2007-08-24 에너텍 인바이런멘털 인코퍼레이티드 슬러리 탈수 및 바이오고형물의 재생가능 연료로의 변환
US20100101142A1 (en) * 2007-03-22 2010-04-29 Fraunhofer=Gellschaft Zur Forderung Der Angewandten Forschung E. V Method for the wet-chemical transformation of biomass by hydrothermal carbonization
US20120291343A1 (en) * 2009-03-02 2012-11-22 Schendel Frederick J Synthetic coal and methods of producing synthetic coal from fermentation residue
KR101664119B1 (ko) 2015-02-10 2016-10-10 김정만 음식물 쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법
KR20170135480A (ko) * 2016-05-31 2017-12-08 강일 최 수열탄화반응을 이용한 하이브리드 바이오 석탄 생산방법
KR20180089048A (ko) * 2017-01-31 2018-08-08 고등기술연구원연구조합 도시기반 폐자원의 복합 처리 및 자원화 방법

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040105933A (ko) * 2003-06-10 2004-12-17 주식회사 피엠그린 유기 폐기물의 효율적 처리 방법
KR20070084297A (ko) * 2004-11-10 2007-08-24 에너텍 인바이런멘털 인코퍼레이티드 슬러리 탈수 및 바이오고형물의 재생가능 연료로의 변환
JP2007023214A (ja) * 2005-07-20 2007-02-01 Hiroshima Univ バイオマスガス化方法及びシステム
US20100101142A1 (en) * 2007-03-22 2010-04-29 Fraunhofer=Gellschaft Zur Forderung Der Angewandten Forschung E. V Method for the wet-chemical transformation of biomass by hydrothermal carbonization
US20120291343A1 (en) * 2009-03-02 2012-11-22 Schendel Frederick J Synthetic coal and methods of producing synthetic coal from fermentation residue
KR101664119B1 (ko) 2015-02-10 2016-10-10 김정만 음식물 쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법
KR20170135480A (ko) * 2016-05-31 2017-12-08 강일 최 수열탄화반응을 이용한 하이브리드 바이오 석탄 생산방법
KR20180089048A (ko) * 2017-01-31 2018-08-08 고등기술연구원연구조합 도시기반 폐자원의 복합 처리 및 자원화 방법

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102237796B1 (ko) * 2021-02-01 2021-04-12 주식회사 하이퍼솔루션 고감염성 동물 사체를 처리하여 연료를 제조하는 장치
KR102237795B1 (ko) * 2021-02-01 2021-04-12 주식회사 하이퍼솔루션 고감염성 동물 사체를 처리하여 연료를 제조하는 방법
KR102302186B1 (ko) * 2021-03-31 2021-09-15 주식회사 하이퍼솔루션 의료폐기물을 수열탄화 처리하여 연료를 제조하는 장치
KR102302185B1 (ko) * 2021-03-31 2021-09-15 주식회사 하이퍼솔루션 의료폐기물을 수열탄화 처리하여 연료를 제조하는 방법
KR102357549B1 (ko) * 2021-04-22 2022-02-09 (주)키나바 유기성 또는 무기성 폐기물의 수열탄화 반응을 이용하여 악취가 저감되는 고형연료의 제조방법 및 그 방법으로 제조된 고형연료
CN116042284A (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 西安交通大学 一种汽爆秸秆与餐饮垃圾滤液协同水热碳化制备人造煤的方法
KR102683863B1 (ko) * 2023-09-11 2024-07-09 구민규 음식물 쓰레기를 이용한 펠릿연료의 제조방법

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