KR101033212B1 - 커피박 펠릿 연료 제조방법 및 이에 의해 제조된 커피박 펠릿 - Google Patents

Abstract

본 발명은 커피박에 잔존하고 있는 질소와 유황의 성분을 제거 또는 감소시키는 커피박 유해성분 제거방법, 및 유해성분이 제거된 커피박을 이용한 펠릿연료의 제조방법 및 이에 따른 펠릿연료를 제공하는 것이다. 본 발명은, 커피박 분말을 제공하는 단계, 커피박 분말을 산 용액에 투입하는 단계, 산 처리된 응고 단백질을 제거하는 단계, 단백질이 제거된 커피박 분말을 수세하는 단계, 수세 커피박 분말을 건조하는 단계, 건조된 커피박 분말을 톱밥 및 생석회와 혼합하여 펠릿 혼합분말을 얻는 단계, 및 상기 혼합분말의 펠릿 제조 단계로 구성되는, 커피박 펠릿연료 제조방법으로 구성된다. 본 발명에 의하면, 커피생산 폐기물인 커피박을 이용하면서도 목재 펠릿 2등급 이내의 품질을 만족하는 펠릿연료를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 자원 재활용성을 높이면서 친환경적인 연료를 제공할 수 있는 것이다.

Description

커피박 펠릿 연료 제조방법 및 이에 의해 제조된 커피박 펠릿{A method for making coffee-meal pellets fuel and coffee-meal pellets thereby}

본 발명은 커피박 펠릿 연료에 관한 것으로 더욱 상세하게는 커피박에 포함된 질소 및 유황과 같은 유해성분들이 제거된 커피박과 목재톱밥을 펠릿화한 연료에 관한 것이다.

고체 바이오연료를 이용하여 열 또는 전기를 생산하는 바이오매스가 1990년대부터 관심을 받기 시작하여 최근 괄목한 성장을 거듭하고 있다. 현재 고체 바이오연료 시장은 대부분 목재칩이 차지하고 있으며, 그 수요량은 2006년 약 30,000 톤에서 2010년에는 611,000~3,570,000 톤으로 폭발적으로 증가할 것으로 예상하고 있다. 그러나 목재칩은 간단하게 제조할 수 있다는 장점이 있는 반면 고함수율 상태로 오랜 기간 저장함으로써 열량 손실이 매우 크며, 연료 공급 측면에 있어서 벌채 시기와 밀접한 관련성으로 계절적 제한과 저장 및 운송의 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 극복할 수 있는 방안으로 브리켓 또는 펠릿과 같이 고밀화시킨 고체 바이오연료에 대한 연구와 상용화가 북미 및 유럽에서 활발히 진행되고 있다. 예를 들면 목재를 원료로 제조한 펠릿이 최근 북미나 유럽에서 가정용의 자동화된 난로나 보일러 연료로 사용되고 있으며, 북유럽에서는 열병합발전소의 연료로도 많이 이용되고 있는 실정이다. 현재 대한민국 산림청에서는 목재펠릿의 품질규격을 1등급으로부터 4등급까지 규격화하였으며, 특히 가정용보일러를 사용하는 목재펠릿은 보일러를 장기간 사용이 가능하도록 2등급이내의 품질규격에 해당하는 목재펠릿만의 사용을 권장하고 있다.

본 발명자들은 고체 바이오연료의 원료로써 커피 생산 폐기물인 커피박에 주목하였다. 커피박은 지방성분을 다량 함유하여 발열량이 높으며, 리그닌 성분을 함유하고 있어 펠릿으로 제조하여도 펠릿 내구성이 우수한 재생에너지원으로 활용될 수 있다.

관련 선행기술로 대한민국 특허 공개번호 10-2010-0112802(커피찌꺼기를 이용한 신재생연료 및 그 제조방법)에 의하면, 커피가 추출된 커피찌꺼기를 함수율 12 % 내지 15 %를 가지도록 탈수 건조 후 오일용매를 분사 교반하여 오일용매가 혼합된 커피찌꺼기로부터 커피오일을 추출하는 커피찌꺼기를 이용한 재생연료가 제공된다. 또한, 상기 커피오일이 추출된 커피찌꺼기의 고형분을 펠릿의 고체연료로 압축 성형되는 커피찌꺼기를 이용한 재생연료가 개시된다. 상기 선행 제조기술로는 목재펠릿의 품질규격의 기타 항목(함수율, 회분, 내구성, 발열량) 등은 만족시킬 수 있으나, 커피박 자체에 함유된 유해성분들로 인하여 대한민국 목재펠릿 규격에 미달되는 문제점이 있다. 구체적으로는, 커피박에는 다량의 질소성분 (약 6.28%) 및 유황 성분 (약 1.52%)으로 인하여 1등급으로부터 4등급까지의 질소 품질규격(<0.3%), 유황 품질규격(<0.05%)과는 현격한 품질차이가 발생되어 4등급이내의 품질관리가 어려워 권장 목재펠릿 2등급 기준에 미달되고 품질이 현격히 저하되어 가정용 보일러 등에 적용할 경우 특히, SOx와 NOx 성분의 발생으로 인하여 가정용 보일러 사용연한이 떨어지는 문제점을 야기할 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은 커피박에 잔존하고 있는 질소와 유황의 성분을 제거 또는 감소시키는 커피박 유해성분 제거방법을 제안하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 유해성분이 제거된 커피박을 이용한 펠릿연료의 제조방법 및 이에 따른 펠릿연료를 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면, 커피생산 폐기물인 커피박을 이용하면서도 목재펠릿 2등급이내의 품질이 만족되는 펠릿연료를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 자원 재활용성을 높이면서 친환경적인 연료를 제공할 수 있는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 커피박 분말을 제공하는 단계, 커피박 분말을 대상으로 산으로 처리하는 단계, 산 처리된 응고 단백질을 제거하는 단계, 단백질이 제거된 커피박 분말을 수세하는 단계, 수세 커피박 분말을 건조하는 단계, 건조된 커피박 분말을 톱밥 및 특정 생석회와 혼합하여 펠릿 혼합분말을 얻는 단계, 상기 혼합분말의 펠릿화로 구성되는, 커피박 펠릿연료 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 질소 및 유황 성분 함량이 저감된 목재펠릿 2등급 기준에 도달하는 커피박 펠릿연료를 제공한다.

비-제한적으로 본 발명의 특성을 다음과 같다. 본 발명에 의한 커피박 펠릿연료 제조방법에서의 산 처리단계는, 커피박 분말이 산 용액에 투입되어 커피박 현탁액 pH가 4.5∼4.7 범위로 조절된다. 또한, 펠릿 혼합분말을 얻는 단계에서 적용되는 생석회는 탄소 잔류함량이 0.06%이하인 특급 생석회인 것을 특징으로 한다. 이때, 바람직하게는 톱밥 및 건조 커피박 분말의 혼합비율은 톱밥 40 ∼ 70중량% 내지 건조 커피박 분말 30 ∼ 60 중량%의 비율인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 방법에 의해 제조되는 가정용 보일러에 사용 가능한 등급인 질소 0.3% 미만 및 유황 0.05% 미만의 유해성분을 포함한 커피박 펠릿연료을 제공하는 것이다.

본 발명은, 커피생산 폐기물인 커피박을 이용하면서도 목재 펠릿 2등급 이내의 품질이 만족되는 펠릿연료를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 자원 재활용성을 높이면서 친환경적인 연료를 제공한다.

이하 본 발명을 구체적인 실시예로 기술하지만, 이는 예시적인 목적이고 이에 한정되는 것은 아니다. 먼저, 본원에서 사용되는 ‘커피박’은 원두커피를 가공하고 남은 찌꺼기를 의미하며, 특히 분말상태로 공급된다. 상기 커피박에는 질소성분들이 주로 단백질 및 카페인의 형태로 존재하며, 본 발명은 하기 상술되는 바와 같이, 커피박의 유해성분들인 질소 및 유황 성분을 제거하기 위한 단계들이 연속적으로 수행된다. 특히, 커피박 내의 질소성분 중 단백질 성분은 산 처리에 의해 응고 분리되며, 카페인 성분은 물에 용해 제거된다. 바람직하게는, 산 처리는 비용 및 취급 용이성에 따라 염산이 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 염산이 사용되는 경우 커피박과의 현탁액 pH가 4.5∼4.7범위에서 유지되도록 조절된다. 상기 범위를 벗어나는 pH에서는 커피박 펠릿 내에 잔류하는 질소 함량이 증가될 수 있다. 한편, 커피박의 유황 성분은 펠릿 제조 시 특정의 생석회를 부가하여 펠릿이 연소될 때 커피박 내의 유황 성분이 대부분 회분으로 잔류토록 하되, 적용되는 생석회는 탄소 잔존함량이 0.06중량% 이내의 것이 사용된다. 탄소 잔존함량이 상기 수치 이상인 생석회를 이용하여 펠릿을 제조하는 경우, 연소 시 발생되는 이산화황의 비율이 규격 범위를 초과할 수 있다.

실시예들 1-11

1) 커피박 분말 전처리 단계

상온(20℃ 내외)의 물 (1 L)이 들어있는 교반기에 커피메이커에서 공급되는 커피박 분말 (200g)을 투입하고 염산(0.1N)을 물 중량대비 0.1중량%를 투입하여 1 시간 교반하고, 정치시킨 후, 응고 침전된 단백질을 교반기 하부 출구로 분리 제거하였다. 산 처리된 커피박 분말을 탈수시키고, 탈수된 커피박을 상온 (20℃ 내외)의 물 (1 L)에 1시간 교반시켜, 수용성 질소성분 예를 들면 카페인을 제거한 후, 커피박 분말 탈수시켰다.

2) 펠릿 혼합분말 제조단계

수분함수율 4∼5중량% 범위의 건조 커피박 분말 및 수분함수율 9∼10중량% 낙엽송 톱밥을 무게 기준으로 표 1에 도시된 중량비 (0:100, 10:90, 20:80, 30:70, 40:60, 50:50, 40:60, 30:70, 20:80, 10:90, 0:100)로 혼합하되, 특급의 생석회를 상기 혼합물의 총 중량대비 1 중량%를 부가하였다. 사용된 특급 생석회는 생석회 잔존 탄소함량이 0.06 중량% 이하의 생석회를 의미한다.

3) 펠릿 제조단계

준비된 펠릿 혼합분말을 180℃의 온도 및 1,500 kgf/cm²의 압력으로 3분간 압축하여 피스톤 타입의 펠릿타이저(pelletizer)로 6.5mm 지름 및 15~25cm 길이의 펠릿들을 제조하였다.

비교예들 1-2

표 1에 보이는 비교 예들은 커피박 분말을 전처리하지 않고 사용한 경우 즉 공급받은 커피박 분말을 그대로 이용하여 특급 생석회를 첨가하지 않고 펠릿들을 제조한 예들이며, 비교예 1은 커피박 100중량%, 비교 예 2는 낙엽송 톱밥 50중량% 및 커피박 50중량% 비율로서 펠릿을 제조하였다.

실험예들

제조된 펠릿의 함수율, 회분량, 발열량, 겉보기 밀도와 내구성은 국립산림과학원에서 고시한 “목재펠릿품질규격“에 기술된 방법에 의거하여 측정하였다.

1) 내구성 측정 : 내구성은 펠릿의 강도를 나타내는 지수로 직경이 3.15mm의 체로 걸러진 50g의 펠릿 무게를 0.01g 수준까지 측정하여 내구성 시험기에 넣고 분당 50 회전을 주어 총 500 회전 텀블링 시험을 수행한 후, 체에 잔류하고 있는 펠릿의 무게를 측정하여 습량 기준 백분율로 표기하였다.

2) 발열량 측정: 각 시료의 발열량은 1g의 시료를 열량계 (6400 Automatic Isoperibol calorimeter, Parr Instrument Inc., Moline, Illinois)에 넣고 국립산림과학원에서 고시한 “목재펠릿품질규격“에 기술된 방법에 의거하여 측정하였다.

3) 원소분석 : 각 시료의 원소 분석 (Elementary Analysis)을 위하여 시료를 1,014℃의 온도에서 연소시켜 석영관의 구리층을 통과시키면서 조성 원소별로 분석에 용이한 기체분자 (CO₂, N₂, H₂O, SO₂)로 전환하였다. 상기 혼합가스들을 GC에 통과시키면서 각각을 분리한 후, 열전도검출기 (Thermal Conductivity Detector)에 의하여 전기신호로 정량적으로 변환하였다. 마지막으로 표준시료를 이용하여 검량곡선을 작성한 후, 각 시료별 질소, 탄소, 수소, 유황의 함유량을 측정하였다.

실시예들 1-11 및 비교예들 1-2의 주요연료특성이 제시된 표 1에는 산림청 고지 목재펠릿 1등급에서 4등급까지의 품질규격에 대한 주요연료특성을 병기하였다. 표 1의 실시예에서 알 수 있듯이 본 발명에 의해 전처리된 커피박을 적용하여 제조된 펠릿은 질소분(중량%) 및 유황분(중량%)은 전부 2등급펠릿의 품질규격에 부합하였으며, 단지 커피박의 중량함량 비율이 70%를 넘을 경우 내구성이 낮아져서 3 ∼4등급 또는 번외등급을 나타내었다. 따라서 본 발명의 바람직한 실시예 즉, 경제성 주요기준인 발열량을 종래 목재펠릿의 품질기준에 비하여 10%이상 고효율의 발열량(> 19.8MJ/kg)을 가지며, 커피박의 질소와 황화합물을 제거하여 산림청에서 추천하고 있는 2등급이상의 펠릿 품질규격에 부합하는 톱밥 및 커피박의 혼합비율은 톱밥 40 ∼ 70중량%와 커피박 30 ∼ 60 중량%의 선택이 바람직하다.

실시예들 12-14

실시예들 1-11에서 논의된 커피박 분말 전처리 단계에서 산 처리를 위하여 투입되는 염산 농도가 단백질 가수분해에 미치는 영향, 및 이로 인한 질소 성분 제거효율을 알아보기 위하여 염산 pH 범위를 달리하여 전처리를 실시하였다. 표 2는 커피박 현탁액 pH 조절에 따른 커피박 내의 잔류 질소 함량을 보인다. 표 2에 표기된 pH/희석이란 상응하는 pH로 1시간 커피박을 정치시킨 후 상온의 물로 다시 교반 후 탈수 처리한 것을 의미한다.

표 2의 실시 예들에서 알 수 있듯이, 예상과는 달리 소정의 pH 범위, 즉 4.5-4.7 범위에서 가장 질소 제거 효율이 우수하였다. 이는 상기 pH 범위에서 커피박 내의 단백질이 최적으로 제거될 수 있으며, 상기 범위를 벗어나는 pH에서는 단백질의 충분한 응고가 이루어지지 않아 분리가 되지 않음으로써 질소 제거효율은 낮아지는 것으로 보인다.

실시예들 15-17

실시예들 1-11에서 논의된 펠릿 혼합분말 제조 단계에서 부가되는 생석회 특성에 따른 유황 성분 제거효율을 알아보기 위하여 생석회에 잔존한 탄소함량이 다른 다양한 생석회를 첨가하여 펠릿들을 제조하였다. 다른 단계들은 실시예 1-11에서와 동일하게 수행되었다. 표 3은 커피박의 생석회 종류별로 제조된 펠릿의 유황 발생량을 보인다.

표 3의 실시 예들에서 알 수 있듯이, 생석회 활성이 높을수록 즉 생석회 잔존 탄소함량이 낮을수록 생석회는 다량의 유황 성분을 회분으로 남기고, 이산화황 발생을 낮추어 소망의 규격 범위에 이를 수 있는 것으로 보인다.

Claims (5)

1. 커피박 분말을 제공하는 단계, 커피박 분말을 산 용액에 투입하는 단계, 산 처리된 응고 단백질을 제거하는 단계, 단백질이 제거된 커피박 분말을 수세하는 단계, 수세 커피박 분말을 건조하는 단계, 건조된 커피박 분말을 톱밥 및 생석회와 혼합하여 펠릿 혼합분말을 얻는 단계, 및 상기 혼합분말의 펠릿 제조 단계로 구성되는, 커피박 펠릿연료 제조방법에 있어서, 커피박 분말이 산 용액에 투입되어 커피박 현탁액 pH가 4.5∼4.7 범위인 것을 특징으로 하는, 커피박 펠릿연료 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 혼합분말을 얻는 단계에서 적용되는 생석회는 탄소 잔류함량이 0.06%이하인 특급 생석회인 것을 특징으로 하는, 커피박 펠릿연료 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 톱밥 및 건조 커피박 분말의 혼합비율을 톱밥 40 ∼ 70중량% 내지 건조 커피박 분말 30 ∼ 60 중량%의 비율인 것을 특징으로 하는, 커피박 펠릿연료 제조방법.
5. 삭제