KR101096650B1 - 식물질 성형탄의 제조방법 - Google Patents

Abstract

식물질 성형탄의 제조방법에 대한 발명이 개시된다. 개시된 식물질 성형탄의 제조방법은 수집된 가연성 식물 원자재를 1∼10㎜의 두께를 갖는 나무칩으로 만드는 파쇄단계;와, 상기 나무칩을 90∼110℃의 온도로 건조시키는 저온건조단계;와, 상기 건조된 나무칩을 0.1∼1㎜의 두께를 갖는 나무입자로 분쇄하는 분쇄단계; 및 상기 분쇄된 나무입자를 압축하여 고형체로 성형하는 압축성형단계;를 포함한다.

식물질 성형탄, 비경제성 식물원자재, 섬유질, 리그닌, 신재생에너지

Description

식물질 성형탄의 제조방법{Manufacturing method of briquette consisting of vegetable matter}

본 발명은 폐기처리될 비경제성 임목, 임목가지, 나뭇잎, 껍질, 뿌리 등의 식물질을 원재료로 이용하고, 건조과정과 분쇄과정을 거친 식물질을 별도의 접착물질의 첨가없이 고압으로 압축하여 성형함으로써 장시간 연소가 가능한 고열량의 식물질 성형탄을 제조하는 방법에 관한 것이다.

현재 원자재로서 경제적 가치가 매우 낮은 식물들, 이를테면 임목가지, 나뭇잎, 껍질, 뿌리 등과 같은 식물들은 대부분 이용되지 못하고 있으며, 비경제성 임목들은 벌목 또는 제거되어 산이나 들판에 그대로 방치되고 있는 실정이다. 이는 경제적 가치가 거의 없는 식물들을 별도로 수거하는 작업에 비용을 소모할만큼의 여유가 없기도 하거니와 수거된 식물들은 열량 자체가 낮기 때문에 연료로서의 가치도 거의 없어 폐기하는 것외에는 별다른 활용방안이 없기 때문이다. 그러나 임야에 그대로 방치된 식물들은 자연건조되어 막대한 경제적 손실을 가져오는 산불의 불쏘시개 역할만 할 뿐이기 때문에 이를 효율적으로 처리할 방안은 시급하게 요구되고 있다. 이러한 문제의 해결은 결국 방치되고 있는 식물들의 경제적 가치를 높임으로써 별도의 비용을 쓰더라도 수거하여 이용하는 것이 보다 이익이 되도록 만드는 것이 가장 근본적인 방안이 될 것이다.

산림에 방치되는 비경제적 식물들을 가공하여 연료로 사용할 수 있도록 함으로써 그 경제적 가치를 높이려는 시도가 없었던 것은 아니다. 이러한 시도의 예를 든다면, 한국공개특허 제2000-0040666호의 "고형연료"를 꼽을 수 있다. 상기 특허는 열풍건조하여 수분의 함량이 20% 이하인 생톱밥 30∼70중량%, 열풍건조하여 수분의 함량이 20% 이하인 분탄 20∼60중량%, 착화제 9중량%, 접착제 1중량% 로 구성되어지고, 생톱밥과 분탄을 혼합하여 성형한 표면에 착화제와 접착제를 혼합한 혼합물을 도포하고 자연건조시켜 고형연료를 제조하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 이 특허가 제시한 방안은 저열량인 톱밥의 부족한 열량을 보충하기 위하여 별도로 분탄을 넣어줘야 하고, 분말형태의 톱밥과 분탄을 고형으로 만들기 위한 접착제와 착화를 쉽게 하기 위한 착화제를 도포해야 한다는 한계를 가진다. 즉 분탄의 보충은 톱밥의 재활용을 저해하게 되고, 접착제나 착화제와 같은 화학물질의 첨가는 인체에 유해한 가스를 발생시킬 위험이 높다. 결국 한국공개특허 제2000-0040666호에서 제시한 고형연료는 비경제적 식물들의 경제성을 높이는데 그리 효과적이지 못하다.

최근에는 한국공개특허 제2000-0040666호에 개시된 발명으로서, 해양투기 하고 있는 산업폐기물인 감귤박을 이용하여 겨울철 시설재배 농가의 난방을 위해 사용할 수 있는 고형의 대체연료 제조방법이 제안된 바 있다. 이 특허는 감귤 복합처리 가공공장으로부터 제공되는 수분 80% 이상인 감귤박을 수분 60% 이하로 자연건조 혹은 인공적으로 1차 건조한 후, 제품(대체연료)의 고형화를 좀더 굳건히 유지하고 수분의 함량을 감소시키기 위하여 약간의 전분이나 혹은 톱밥, 우드칩, 볏짚 등 기타의 섬유질을 첨가할 수 있으며, 제품(대체연료)을 형상화하기 위하여 압출기 혹은 프레스성형을 통하여 형태를 갖춘 후, 다시 2차 건조시설에서 수분 10% 이하의 상태로 건조시켜 본 발명인 감귤박 고형 대체연료를 제조하는 것을 그 요지로 한다.

그런데 이 발명은 실제로 실용화되는 과정에서 건조에 걸리는 시간이 35시간으로 길기 때문에 막대한 에너지 비용이 소모되고, 더욱이 함수율 15%에서 가연휘발성이 없기 때문에 대체연료로서의 가치가 없어 결국 2008년 9월경에 실패한 사업으로 결론지어졌다.

이와 같이 현재까지 제안된 몇몇 기술의 예를 보더라도, 아직까지는 비경제성 식물원자재의 경제적 가치를 제고시킬만한 현실적인 기술이 나타나고 있지 않다. 따라서 비경제성 식물을 효율적으로 활용할 기술의 개발이 절실히 요구된다.

더욱이 현재 전세계는 에너지 전쟁이라고 할만큼 미래의 에너지원을 확보하는데 국가의 모든 역량을 집중시키고 있는 상황이고, 우리나라도 신재생에너지 사업에 막대한 예산을 투자하고 있다.

이에 따라 본 발명은 신재생에너지의 발굴과 저탄소 녹색에너지의 개발에 부합되는 대체연료를 제공하는 것을 목적으로 하며, 특히 종래 비경제성 식물로 평가받았던 식물자원을 이용한 고열량의 식물질 성형탄의 제조방법을 제안하고자 한다.

특히 본 발명은 식물질 성형탄의 제조할 때 식물질 재료 이외에 접착제나 착화제 또는 기타 열량보조재의 첨가가 전혀 없는 고효율, 친환경적 식물질 성형탄의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 식물질 성형탄의 제조방법은 수집된 가연성 식물 원자재를 1∼10㎜의 두께를 갖는 나무칩으로 만드는 파쇄단계;와, 상기 나무칩을 90∼110℃의 온도로 건조시키는 저온건조단계;와, 상기 건조된 나무칩을 0.1∼1㎜의 두께를 갖 는 나무입자로 분쇄하는 분쇄단계; 및 상기 분쇄된 나무입자를 압축하여 고형체로 성형하는 압축성형단계;를 포함한다.

여기에서 상기 저온건조단계는 90∼110℃로 그 표면이 가열된 건조로의 내부에서 상기 나무칩이 교반되면서 이루어지는 간접건조인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 저온건조단계를 거친 나무칩의 나무습도는 15% 이하이다.

한편 상기 분쇄단계는 상기 저온건조단계를 거친 나무칩이 상온으로 냉각되기 이전에 이루어지는 것이 바람직하다.

특히 상기 분쇄단계는 상기 나무칩에 대하여 비스듬하게 전단력을 가하는 칼날에 의하여 이루어지는 전단분쇄인 것을 특징으로 하고, 이때 상기 칼날이 상기 나무칩에 전단력을 가하는 각도는 30∼60°를 이루는 것이 바람직하다.

한편 상기 압축성형단계는 상기 나무입자를 1,000∼1,900N/㎠의 압력으로 가압하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 압축성형단계를 거친 나무입자의 고형체는 400∼1,040㎏/㎥의 밀도를 갖는다.

상기 압축성형단계는 형틀 안에 수용된 상기 나무입자를 가압하는 사출성형이거나, 또는 상기 고형체를 압출성형으로 연속적으로 형성한 후 사전에 정해진 길이로 절단하여 만들어지는 것이다.

본 발명은 종래 비경제성 식물로 평가받았던 식물자원을 이용하여 실질적인 대체연료로 사용이 가능한 고열량의 식물질 성형탄을 제조할 수 있는 방법을 제공한다는 효과가 있다.

특히 본 발명은 식물질 성형탄의 제조할 때 식물질 재료 이외에 접착제나 착화제 또는 기타 열량보조재의 첨가가 전혀 없기 때문에 고효율, 친환경적 식물질 성형탄의 제조방법을 제공한다는 장점을 가진다.

더불어 본 발명은 자연에서 계속 생산되어 반항구적으로 이용할 수 있는 비경제성 식물원자재를 활용하기 때문에, 국제유가에 영향을 받지 않는 신재생에너지로서의 가치가 크다는 장점이 있다.

이하 본 발명에 따른 식물질 성형탄의 제조방법에 관한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서 당업자가라면 자명하게 이해할 수 있 는 공지의 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않도록 생략될 것이다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능 또는 형상을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 식물질 성형탄의 제조방법의 각 단계를 개략적으로 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 파쇄단계를 거쳐서 나온 나무칩을 보여주는 사진이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 분쇄단계를 이루는 전단분쇄에 사용되는 분쇄기의 일례를 보여주는 단면도이고, 도 4는 전단분쇄에 의하여 만들어진 나무입자를 확대해서 보여주는 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 식물질 성형탄의 제조방법은 가연성 식물 원자재를 나무칩으로 만드는 파쇄단계와, 파쇄된 나무칩을 건조시키는 저온건조단계와, 건조된 나무칩을 보다 미세한 나무입자로 분쇄하는 분쇄단계와, 분쇄된 나무입자를 고압으로 압축하여 고형체인 성형탄으로 성형하는 압축성형단계를 포함한다.

상기 파쇄단계는 임야에 방치된 각종 비경제성 임목, 임목가지, 잡목, 나뭇잎, 나무껍질, 뿌리, 풀, 볏짚 등을 수거하여 준비된 가연성 식물 원자재를 작은 나무칩으로 잘게 분쇄하는 과정이다. 파쇄단계를 거친 식물 원자재는 대략 1∼10㎜의 두께를 가지고, 그 길이는 도 2에 나타난 것처럼 수 ㎝ 정도의 크기를 갖는 나무칩으로 가공된다. 가연성 식물 원자재라면 활엽수나 침엽수 등을 가리지 않고 모두 사용이 가능하다. 다만 본 발명은 청정 대체 에너지원을 개발한다는 목적을 가지고 있기 때문에, 각종 화학물질에 오염되어 있을 가능성이 높은 산업폐자재 등은 사용을 피하는 것이 바람직하다.

파쇄단계를 거쳐 만들어진 나무칩은 90∼110℃의 저온으로 건조되는 저온건조단계를 거친다. 저온건조단계를 거친 나무칩의 나무습도(wood moisture)는 15% 이하를 가져야하는데, 나무습도는 식물질 성형탄의 압축정도(즉, 밀도)와 열량에 큰 영향을 미치는 인자이기 때문에 세밀히 관리되어야 한다. 여기에서 나무습도에 대해 간략히 설명한다면, 나무습도란 벌목 또는 벌채된 나무가 자연적 또는 인공적으로 건조되었을 때 목재에 남아 있는 수분량을 표시할 때 사용하는 단위로서, 벌채된 직후의 나무에 포함된 수분량을 기준으로 하여 남아 있는 수분량을 백분율로 표시한 것이다. 즉 벌채된 직후의 나무습도는 100%이고, 건조된 이후의 나무습도가 65%라면 이는 벌채된 직후의 나무에 포함된 수분량 중 35%가 사라졌음을 나타낸다.

특히 본 발명의 저온건조단계는 성형탄의 제조 자체에도 중요한 역할을 하는 단계이다. 위에서 본 발명에 따른 식물질 성형탄의 제조방법의 구성을 보면, 본 발명에는 나무입자를 고형체로 뭉치기 위한 접착제가 일체 첨가되지 않은 것을 알 수 있다. 이는 90∼110℃의 온도에서 진행되는 저온건조단계는 식물세포를 파괴하지 않고 식물이 함유한 섬유질과 리그닌(lignin) 성분을 최대한 유지시킴으로써 이를 천연 접착제로서 사용할 수 있게 만들기 때문이다. 실제에 있어서 저온건조는 100±5℃의 범위에서 수행되는 것이 좋은데, 이는 90℃의 건조온도는 건조품질이 다소 떨어지고, 108℃의 건조온도에서는 나무 부스러기가 많이 생기기 때문이다.

본 발명의 실시예에서 상기 저온건조단계는 90∼110℃로 그 표면이 가열된 건조로의 내부에서 나무칩이 교반되면서 이루어지는 간접건조인 것이 바람직하다. 종래에 주로 사용되었던 건조방식은 고온으로 가열된 공기의 열풍과 목재를 직접 접촉시켜 건조작용을 일으키는 건식열풍의 직접건조방식인데, 이러한 직접건조방식은 건조대상인 나무칩이 건조되는 과정에서 메탄가스를 배출할 가능성을 내재하고 있기 때문에 건식열풍에 약간의 불꽃이 포함되어 있을 경우 화재로 직결되는 단점을 가지고 있다. 따라서 건식열풍의 직접건조방식은 안정적인 건조과정과 식물에 함유된 섬유질과 리그닌 성분의 보존을 고려할 때 본 발명에는 적합하지 않은 방식이다.

이러한 저온건조단계, 더욱 바람직하게는 간접 저온건조단계를 거친 나무칩은 이어지는 분쇄단계를 거치면서 0.1∼1㎜의 두께를 갖는 나무입자로 분쇄된다. 본 발명의 실시예에서 상기 분쇄단계는 저온건조단계를 거친 나무칩이 상온으로 냉각되기 이전에 적절한 열기를 유지한 상태에서 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 어느 정도의 열량이 있는 상태에서 분쇄될 때 식물에 함유된 섬유질과 리그닌 성분이 보다 많이 유지되기 때문이다.

특히 상기 분쇄단계는 나무칩에 대하여 비스듬하게 전단력을 가하여 보다 작은 크기의 나무입자로 분쇄시키는 이른바 전단분쇄로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 전단분쇄는 도 3에 일례로 도시된 전단분쇄기와 같이, 다수개의 칼날(10)과 상기 칼날(10)을 비스듬하게 고정시키는 칼날 고정대(20)와 상기 칼날(10)에 의하여 전단력을 받아 분쇄되는 나무칩(40)을 지지하는 나무칩 받침대(30)를 포함하는 장치에 의하여 수행될 수 있다. 도 3에 화살표로 표시된 바와 같이 칼날(10)과 나무칩(40)은 서로 반대방향의 상대운동을 하는데, 이러한 반대방향의 상대운동에 따라 칼날(10)은 나무칩(40)에 전단력을 가하여 분쇄작용을 일으키게 되고, 나무칩(40)이 분쇄된 결과물인 나무입자(50)는 서로 인접한 칼날(10)과 칼날 고정대(20)사이에 형성된 간극을 통하여 배출된다. 이러한 전단분쇄에 의하여 만들어진 나무입자(50)가 도 4에 나타나 있는데, 이처럼 전단분쇄를 거친 나무입자(50)의 표면은 거칠고 솜털과 같은 미세한 구조가 만들어지기 때문에 나무입자(50)들이 섬유질과 리그닌 성분에 의하여 쉽게 뭉쳐지게 된다.

실제에 있어서 회전하는 외통의 원주면을 칼날 고정대(20)로 하여 다수개의 칼날(10)들을 비스듬하게 이격되게 배열하고, 상기 외통과 동심을 이루면서 외통과는 반대방향으로 회전하는 내통의 원주면에 나무칩 받침대(30)를 부착시키는 구조로 전단분쇄기를 구성한다. 이러한 구조의 전단분쇄기는 내통 가운데 부분에 나무칩(40)을 공급하면 원심력에 의하여 나무칩(40)들은 내통의 바깥쪽으로 밀려 나무칩 받침대(30)에 걸리게 되고, 나무칩 받침대(30)에 지지된 나무칩(40)은 내통과는 반대방향으로 회전하는 외통에 비스듬하게 부착된 다수의 칼날(10)들에 의하여 전 단력을 받아 분쇄된다. 여기에서 칼날(10)과 칼날 고정대(20)의 저면 사이의 각도(α), 즉 칼날(10)이 나무칩 받침대(30)에 의하여 지지되는 나무칩(30)에 전단력을 가하는 각도는 30∼60°를 이루는 것이 바람직하다.

이와 같은 일련의 단계를 거쳐 만들어진 나무입자는 고압으로 압축되어 고형체인 식물질 성형탄으로 완성된다. 상기 압축성형단계에서 나무입자에 가해지는 압력은 1,000∼1,900N/㎠ 정도의 범위를 가진다. 그리고 이러한 고압을 받아 압축된 나무입자의 고형체는 400∼1,040㎏/㎥의 밀도를 가진다. 참고로 나무칩의 밀도는 대략 210∼250㎏/㎠ 의 값을 가진다.

압축성형단계는 식물질 성형탄 제조의 마무리 단계로서, 이 단계에서 제품화될 식물질 성형탄의 형태를 갖추게 된다. 제품화를 고려할 때 상기 압축성형단계는 형틀 안에 수용된 상기 나무입자를 가압하는 사출성형이거나, 또는 상기 고형체를 압출성형으로 연속적으로 형성한 후 사전에 정해진 길이로 절단하여 개개의 식물질 성형탄을 만드는 단계로 구성된다.

전술한 일련의 단계로 만들어진 식물질 성형탄을 실험해보면, 직경이 70㎜이고 길이가 20㎝ 인 원통형 식물질 성형탄은 대략 4,000∼4,900㎈/㎏의 열량을 가진다. 무연탄의 열량이 4,500∼6,000㎈/㎏인 것과 비교한다면, 대단한 고열량 연료라는 사실을 알 수 있다.

더욱이 본 발명의 식물질 성형탄은 점화가 빠르고 연소 중 연무의 발생이 거 의 없으며, 겉불은 약 1시간을 유지하고, 수종(樹種)과 함수율, 압축정도에 따라 속불은 약 5∼10시간을 유지하기 때문에 연료로서의 효용성이 대단히 높다는 것도 확인할 수 있었다.

본 발명에 따라 제조된 식물질 성형탄은 난방용, 산업용, 농업용, 원예용 등 다방면에 유용한 고열량의 저렴한 대체연료로서 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 식물질 성형탄의 제조방법의 각 단계를 개략적으로 나타낸 순서도.

도 2는 본 발명의 파쇄단계를 거쳐서 나온 나무칩을 보여주는 사진.

도 3은 본 발명의 바람직한 분쇄단계를 이루는 전단분쇄에 사용되는 분쇄기의 일례를 보여주는 단면도.

도 4는 전단분쇄에 의하여 만들어진 나무입자를 확대해서 보여주는 사진.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 칼날 20 : 칼날 고정대

30 : 나무칩 받침대 40 : 나무칩

50 : 나무입자

α : 칼날과 칼날 고정대의 저면이 이루는 각도

Claims (10)

1. 수집된 가연성 식물 원자재를 1∼10㎜의 두께를 갖는 나무칩으로 만드는 파쇄단계;

   상기 나무칩을 90∼110℃의 온도로 건조시키는 저온건조단계;

   상기 건조된 나무칩을 0.1∼1㎜의 두께를 갖는 나무입자로 분쇄하는 분쇄단계; 및

   상기 분쇄된 나무입자를 압축하여 고형체로 성형하는 압축성형단계;를 포함하며,

   상기 저온건조단계는 90∼110℃로 표면이 가열된 건조로의 내부에서 상기 나무칩이 교반되면서 이루어지는 간접 건조방식으로 진행되고,

   상기 분쇄단계는 상기 저온건조단계를 거친 나무칩이 상온으로 냉각되기 이전에 이루어지는 것을 특징으로 하는 식물질 성형탄의 제조방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 저온건조단계를 거친 나무칩의 나무습도는 15% 이하인 것을 특징으로 하는 식물질 성형탄의 제조방법.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 분쇄단계는 상기 나무칩에 대하여 비스듬하게 전단력을 가하는 칼날에 의하여 이루어지는 전단분쇄인 것을 특징으로 하는 식물질 성형탄의 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 칼날이 상기 나무칩에 전단력을 가하는 각도는 30∼60°를 이루는 것을 특징으로 하는 식물질 성형탄의 제조방법.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 압축성형단계는 상기 나무입자를 1,000∼1,900N/㎠의 압력으로 가압하는 것을 특징으로 하는 식물질 성형탄의 제조방법.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 압축성형단계를 거친 나무입자의 고형체는 400∼1,040㎏/㎥의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 식물질 성형탄의 제조방법.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 압축성형단계는 형틀 안에 수용된 상기 나무입자를 가압하는 사출성형인 것을 특징으로 하는 식물질 성형탄의 제조방법.
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 압축성형단계는 상기 고형체를 압출성형으로 연속적으로 형성한 후 사전에 정해진 길이로 절단하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 식물질 성형탄의 제조방법.

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