KR101463789B1 - 슬러지­프리 조성물, 슬러지­프리 제조설비, 이를 이용한 바이오매스 에너지 생산용 펠릿 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐기물을 연료화하는 바이오매스(biomass) 에너지 생산에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 혐오물질로 인식되어 있을 뿐 아니라 간단한 공정으로는 처리가 어렵고 함수율이 높은 돈분과 음식물 쓰레기와 같은 고함수 바이오매스를 특정 수분 조절제의 사용으로 슬러지-프리 조성물로 제공할 뿐 아니라, 슬러지를 생성하지 않으면서 시설이 간단하며, 처리속도가 빠르고, 처리과정에서 유해성분이 거의 배출되지 않으며, 환경오염을 줄일 수 있는 고함수 바이오매스용 수분 조절제, 슬러지-프리 조성물, 슬러지-프리 제조설비, 이를 이용한 바이오매스 에너지 생산용 펠릿 및 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

슬러지­프리 조성물, 슬러지­프리 제조설비, 이를 이용한 바이오매스 에너지 생산용 펠릿 및 제조방법{SLUDGE-FREE COMPOSITION, SLUDGE-FREE MANUFACTURING SYSTEM, PELLETS FOR PRODUCING BIOMASS ENERGY, AND METHOD FOR PRODUCING BIOMASS ENERGY}
본 발명은 폐기물을 연료화하는 바이오매스(biomass) 에너지 생산에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 혐오물질로 인식되어 있을 뿐 아니라 간단한 공정으로는 처리가 어렵고 함수율이 높은 돈분과 음식물 쓰레기와 같은 고함수 바이오매스를 특정 수분 조절제의 사용으로 슬러지-프리 조성물로 제공할 뿐 아니라, 슬러지를 생성하지 않으면서 시설이 간단하며, 처리속도가 빠르고, 처리과정에서 유해성분이 거의 배출되지 않으며, 환경오염을 줄일 수 있는 슬러지-프리 조성물, 슬러지-프리 제조설비, 이를 이용한 바이오매스 에너지 생산용 펠릿 및 제조방법에 관한 것이다.
산업화와 생활환경의 향상으로 인하여 육류소비가 늘어남에 따라서, 그 수요를 충족시키기 위하여 가축사육 숫자가 기하급수적으로 늘어나고 있다. 이에 따라 돈분의 양도 기하급수적으로 증가하면서 돈분의 처리가 국내는 물론이고 세계적으로도 큰 문제가 되고 있다. 또한 외식사업의 확장으로 인하여 음식물 쓰레기도 갈수록 늘어나는 추세이다. 증가하는 돈분과 음식물 쓰레기가 사회적 문제로 크게 대두되고 있어, 정부와 학계는 물론이고 기업에서도 그 처리에 대한 연구개발에 몰두하고 있다.
돈분과 음식물 쓰레기는 85% 이상의 수분을 함유하고 있다. 이렇게 수분함량이 높기 때문에 이러한 수분을 처리하는데 많은 어려움이 있을 뿐 아니라, 처리시설이 복잡하고 까다로워 이를 시설하는데 많은 시설비가 소요된다. 또, 가동하는데도 전문지식이 요구되는 등 많은 문제가 야기되고 있어, 시설을 갖추고도 가동이 중단되는 사례가 많이 발생하고 있다. 또한 시설가동에 필요한 전문지식의 결여로 인하여 고장이 잦고 장비들이 대부분 해외에서 제작한 것이다 보니 부품이 필요할 때 제대로 공급이 되지 못하고, 또 수리비용이 고가여서 수리를 하지 못하고 가동을 중단하거나 일부만을 가동하고 있는 곳이 많은 실정이다. 또한 그 처리비용이 높은 반면 생산되는 퇴비와 사료의 품질이 떨어져 그에 대한 수요가 없어 일부 농가에 무상으로 공급하고 있지만, 이 역시 농가로부터 환영 받지 못하고 있다. 또 그 처리능력에 한계가 있고 경제성도 떨어져 일부에서만 제한적인 방법으로 처리하고 있는 실정이다.
한편, 돈분이나 음식물 쓰레기의 수분은 일반적인 수분과 달리 환경오염을 유발하는 물질이 다량 포함되어 있어 정화시키지 않고서는 배출할 수 없다. 이에 따라 세계적으로 배출원에 대한 기준을 정하고 있다. 우리 정부도 2012년부터 해양투기는 물론이고 강에 흘려보내는 것도 규제하기 위하여 강력한 법안을 만들어 시행하고 있다.
돈분의 처리방법으로서, 고형물과 슬러지를 분리하여 고형물은 발효시켜 퇴비화하고 슬러지도 발효시켜 액비로 활용하는 방법, 슬러지를 정화시켜 강물에 흘려보내는 방법 등의 다양한 방법이 모색되고 있다. 그러나, 고형물이나 슬러지를 발효시켜 퇴비나 액비로 사용하려면 발효기간이 길어 숙성하는데 장기간이 요구되고, 그 시설에는 넓은 면적과 막대한 시설비가 소요되며, 또 처리하는데 많은 경비가 소요되고 있어, 정부의 지원이 있어야만 시설이 가능한 실정이다.
음식물 쓰레기의 처리방법으로서 그 일부에 대해서 사료화와 퇴비화를 병행하여 실시하고 있다. 사료화의 경우 사료의 품질이 떨어지고 가공하는 과정이 복잡하고 까다로울 뿐 아니라, 사료 품질이 낮아 수요층이 제한적이며, 음식물 쓰레기의 특성으로 인하여 가공은 물론 보관 등에도 문제가 있고, 시설비용이 많다는 단점이 있다. 퇴비화의 경우는 극히 일부에 대해서만 실시되고 있지만 여전히 문제점을 안고 있다. 퇴비화에는 대부분 매립이 이용되고 있는데, 이는 일단 장기보관의 가능성이 있고 대량처리가 가능하며 부패한 폐기물을 비교적 빠른 시일 내에 안정화하는 장점이 있다. 그러나, 장기 숙성과정을 거침에 따라 시설부지가 많이 소요되고 악취제거가 곤란하여 시설부지 확보에 어려움이 초래될 뿐 아니라, 수분 및 염분 제거를 위한 부가제가 많이 소요되어 비용 상승의 문제를 발생시키는 단점이 있다. 또한 음식물 쓰레기를 이용한 퇴비에 대한 선호도가 낮아 그 수요처가 제한되어 있어 퇴비가 적체될 경우 그 처리문제가 발생할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 전 세계적으로 돈분과 음식물 쓰레기의 처리에 대해서 많은 연구진이 심혈을 기울여 왔지만, 기하급수적으로 증가하는 돈분과 음식물 쓰레기 처리에 꼭 맞는 처리방법이나 대책이 미미한 것이 현실이다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로서, 함수량이 높아 가연성 물질로 직접 사용하기 어려운 돈분과 음식물 쓰레기를 활용함과 동시에 시설이 간단하며, 처리속도가 빠르고, 처리과정에서 유해성분이 거의 배출되지 않으며, 폐식물체를 재활용함으로써 환경오염을 줄일 수 있는 슬러지-프리 조성물, 슬러지-프리 제조설비, 이를 이용한 바이오매스 에너지 생산용 펠릿 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 고함수 바이오매스용 수분 조절제는, 식물체 분쇄물과 황토 분말로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 의한 슬러지-프리(sludge-free) 조성물은, 돈분 및 음식물 쓰레기 중에서 1종 이상 선택된 고함수 바이오매스 100 중량부를 기준으로, 상술한 수분 조절제 30 내지 70 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리(SLUDGE-free) 펠릿 제조설비는, 상술한 슬러지-프리 조성물을 이용한 바이오매스 에너지 생산용 펠릿 제조설비로서,
고함수 바이오매스 저장탱크; 식물체 분쇄물 저장탱크; 황토 저장탱크; 이들 저장탱크로부터 각각 고함수 바이오매스, 식물체 분쇄물 및 황토 분말을 이송받아 혼합하는 혼합기; 혼합된 혼합물을 펠릿성형하는 펠릿성형기; 및 성형된 펠릿을 건조시키는 건조기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리 펠릿 제조방법은 슬러지-프리 펠릿 제조설비를 이용하여, 고함수 바이오매스, 식물체 분쇄물 및 황토 분말을 혼합하여, 혼합물의 수분 함량이 20~50체적%가 되도록 하는 단계; 혼합된 혼합물을 펠릿성형하는 단계; 및 성형된 펠릿을 건조시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 바이오매스 에너지 생산용 펠릿은 상기 제조방법으로 제조된다.
또한, 본 발명에 의한 바이오매스 에너지 생산설비는 고함수 바이오매스 저장탱크; 식물체 분쇄물 저장탱크; 이들 저장탱크로부터 각각 고함수 바이오매스, 식물체 분쇄물 및 황토 분말을 이송받아 혼합하는 혼합기; 혼합된 혼합물을 펠릿성형하는 펠릿성형기; 성형된 펠릿을 건조시키는 건조기; 및 건조된 펠릿을 연료로 하여 화력발전하고, 그 과정에서 발생하는 폐열을 상기 건조기에 공급하는 화력발전기;를 포함한다.
또한, 본 발명에 의한 바이오매스 에너지 생산방법은 고함수 바이오매스, 식물체 분쇄물 및 황토 분말을 혼합하는 단계; 혼합된 혼합물을 펠릿성형하는 단계; 성형된 펠릿을 건조시키는 단계; 및 건조된 펠릿을 연료로 하여 화력발전하고, 그 과정에서 발생하는 폐열을 상기 성형된 펠릿의 건조에 이용하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명에 의한 바이오매스 에너지 생산용 원료 제조설비는 고함수 바이오매스 저장탱크; 식물체 분쇄물 저장탱크; 이들 저장탱크로부터 각각 고함수 바이오매스, 식물체 분쇄물 및 황토 분말을 이송받아 혼합하는 혼합기; 및 혼합된 혼합물을 건조시키는 건조기;를 포함한다.
또한, 본 발명에 의한 바이오매스 에너지 생산용 원료 제조방법은 고함수 바이오매스, 식물체 분쇄물 및 황토 분말을 혼합하는 단계; 및 혼합된 혼합물을 건조시키는 단계;를 포함한다.
나아가, 본 발명에 의한 바이오매스 에너지 생산용 원료는 상기 제조방법으로 제조된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 고함수 바이오매스용 수분 조절제, 및 이를 이용한 슬러지-프리 조성물과 슬러지-프리 펠릿 제조 설비 및 제조방법을 제공하는데 기술적 특징을 갖는다.
특히, 본 발명에서 사용하는 용어 "고함수 바이오매스"란 달리 특정하지 않는 한, 함수율이 80% 이상인 유기 폐기물로서 수분 제거만 하면 추가 처리 없이 가연성 물질로 사용가능한 물질로서, 열량 또한 높은 물질을 지칭한다. 상기 고함수 바이오매스로는 일례로, 수분 함량이 85% 이상으로서 혐오물질로 인식되어 있을 뿐 아니라 간단한 공정으로는 처리가 어렵던 돈분, 및 음식물 쓰레기 중에서 1종 이상 선택될 수 있다.
또한, 용어 "슬러지-프리 조성물"은 달리 언급되지 않는 한 슬러지를 생성시키지 않는 조성물을, 그리고 "슬러지-프리 펠릿 제조"란 달리 언급되지 않는 한 슬러지를 생성시키지 않으면서 펠릿을 제조하는 기술을 지칭한다.
구체적으로, 본 발명에 의한 고함수 바이오매스용 수분 조절제는 식물체 분쇄물과 황토 분말로 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서 식물체란 나무류, 풀류 등 식물의 전부 또는 일부를 말한다. 따라서, 폐 목재를 포함하는 각종 목재, 수확후의 각종 작물 부산물(콩대, 고춧대, 깻대, 옥수숫대, 이들의 줄기, 잎 등), 잡풀, 나뭇잎 등 모든 식물의 전부 또는 일부가 이에 해당한다. 이러한 식물체를 채취, 수집하여 운반하기 편하게 현장에서 1차 가공하여 이송하고, 이송된 식물체는 건조과정을 거쳐서 다시 2차 가공단계에서 분쇄기로 분쇄하게 된다. 이때 분쇄 입도는 수분 흡수율과 분쇄 비용을 고려할 때 0.025~0.3mm 범위 내일 수 있다.
상기 황토 분말의 입도 또한 수분 흡수율과 식물체 분쇄물과의 병용성 측면을 고려할 때 0.025~0.3mm 범위 내일 수 있다.
상기 고함수 바이오매스용 수분 조절제는 일례로 식물체 분쇄물 67 내지 85 중량%, 그리고 황토 분말 33 내지 15 중량%로 구성된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 슬러지-프리(SLUDGE-free) 조성물은 돈분 및 음식물 쓰레기 중에서 1종 이상 선택된 고함수 바이오매스 100 중량부를 기준으로, 상술한 수분 조절제 30 내지 70 중량부, 혹은 45 내지 70 중량부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한 상기 고함수 바이오매스에는 돈분보다 수분 함량이 훨씬 낮아 이 기술분야에서 처리 및 에너지화하기 쉬운 우분, 계분 등을 필요에 따라 포함할 수 있다.
상기 슬러지-프리 조성물을 이용하여, 고함수 바이오매스 저장탱크; 식물체 분쇄물 저장탱크; 황토 저장탱크; 이들 저장탱크로부터 각각 고함수 바이오매스, 식물체 분쇄물 및 황토 분말을 이송받아 혼합하는 혼합기; 혼합된 혼합물을 펠릿성형하는 펠릿성형기; 및 성형된 펠릿을 건조시키는 건조기;를 포함하여 구성된 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리(SLUDGE-free) 펠릿 제조설비를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 고함수 바이오매스 저장탱크는 돈분 저장탱크 및 분쇄된 음식물 쓰레기 저장탱크 중에서 1종 이상 선택될 수 있다.
특히 상기 고함수 바이오매스 저장탱크는 슬러지 생성을 방지하도록 고형물의 침전을 막는 스크류 장치가 설치된 것일 수 있다.
또한 상기 혼합기는 물리적 혼합 방식에 의해 수득된 혼합물의 수분 함량이 20~50체적%이 되도록 하는 장치일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 돈분, 및 음식물 쓰레기 중에서 선택된 1종 이상을 수분 처리함에 있어 수분 처리 혹은 탈수용 설비/공정 등을 사용하지 않고도 효율적인 처리가 가능한 점에 기술적 특징을 갖는다.
도 1을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면, 돈분 저장탱크와 음식물 쓰레기 저장탱크는 각각 돈분과 음식물 쓰레기가 저장되는 곳이다. 음식물 쓰레기는 수거하여 입도 0.1 내지 1 mm, 0.2 내지 0.4 mm 혹은 0.3 mm 정도로 분쇄하여 음식물 쓰레기 저장탱크에 저장한다. 양 저장탱크에 있어서, 투입구와 배출구를 제외한 모든 공간을 완전 밀폐하고, 천장, 벽, 바닥을 완전 방수처리하여 오염원이 밖으로 새어나오지 못하게 한다. 양 저장탱크 내부에는 스크류 장치를 설치하여 돈분과 음식물 쓰레기의 슬러지가 가라앉지 않도록 주기적으로 혼합해 준다.
또한 식물체 분쇄물 저장탱크는 분쇄기로 분쇄된 식물체 분쇄물을 저장할 수 있는 탱크를 말한다. 여기서 분쇄기란 외부에서 1차 가공한 상태로 이송된 식물체를 분쇄하는 장치를 통칭한다.
상기한 돈분 저장탱크, 분쇄된 음식물 쓰레기 저장탱크, 식물체 분쇄물 저장탱크 및 황토 저장탱크에는 각각, 돈분, 분쇄된 음식물 쓰레기, 식물체 분쇄물, 및 황토를 후술하는 혼합기로 일정량 계량하여 자동이송할 수 있는 계량탱크가 설치된다.
또한 혼합기는 일정량 계량되어 이송된 돈분, 분쇄된 음식물 쓰레기, 식물체 분쇄물 및 황토를 혼합하기 위한 장치이다. 이 장치는 상기 돈분 저장탱크, 분쇄된 음식물 쓰레기 저장탱크, 식물체 분쇄물 저장탱크, 및 황토 저장탱크에 각각 설치된 계량탱크에 연결된다. 혼합기는 악취가 외부로 누출되지 않도록 하기 위해 완전 밀폐형으로 제작하는 것이 좋다. 또, 혼합시 수분이 필요할 수 있으니 물 공급 장치와 수분 측정기를 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 혼합기에서 혹시라도 유출될지 모르는 악취를 제거하기 위하여 제조설비 건물에 악취 제거 장치를 추가로 설치할 수도 있다. 혼합기에는 임시 저장탱크를 설치하여 완전히 혼합된 혼합물을 임시저장하고 후술하는 펠릿성형기로 자동 이송되도록 하는 것이 좋다.
참고로, 돈분 속에 함유되어 있는 소화되지 못하고 배출된 고형물에는 접착이 잘되는 여러 성분이 포함되어 있기 때문에, 돈분을 식물체 분쇄물 및 음식물 쓰레기와 혼합하면 다른 접착용 성분을 혼합하지 않아도 펠릿으로 성형하는데 문제가 없다. 그러나, 이들의 혼합물에 수분이 너무 적거나 많으면 펠릿으로 성형하기가 어려우므로, 수분 함량이 20~50체적% 혹은 30~40체적%이 되도록 조절하는 것이 바람직하다. 일례로 수분 함량이 너무 많게 되면 성형이 어려울 뿐만 아니라 이후의 건조단계에서 에너지가 많이 필요하게 된다.
상기 펠릿성형기는 혼합된 혼합물을 용도에 맞게 펠릿으로 성형하는 장치이다. 이 장치 역시 악취가 외부로 누출되지 않도록 하기 위해 완전 밀폐형으로 제작하는 것이 좋다.
또한 건조기는 성형된 펠릿을 건조시키는 장치이다. 성형된 펠릿은 상당량의 수분을 함유하고 있으므로 열과 바람으로 펠릿을 건조시키게 된다. 이 장치 역시 악취가 외부로 누출되지 않도록 하기 위해 완전 밀폐형으로 제작하는 것이 좋다.
이와 같이 하여 건조된 펠릿은 포장용 임시 저장탱크에 저장되고, 자동포장기를 이용하여 보통 20kg 단위로 포장하여 창고에 적재할 수 있다.
상술한 슬러지-프리 펠릿 제조설비를 이용하여, 고함수 바이오매스, 식물체 분쇄물 및 황토 분말을 혼합하여, 혼합물의 수분 함량이 20~50체적%가 되도록 하는 단계; 혼합된 혼합물을 펠릿성형하는 단계; 및 성형된 펠릿을 건조시키는 단계;를 포함하는 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리 펠릿 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 방법으로 제조된 바이오매스 에너지 생산용 펠릿을 제공한다.
나아가 상술한 슬러지-프리 펠릿 제조설비; 및 건조된 펠릿을 연료로 하여 화력발전하고, 그 과정에서 발생하는 폐열을 상기 건조기에 공급하는 화력발전기를 포함하는 바이오매스 에너지 생산설비를 제공할 수 있다.
구체적으로 도 2를 참조하여 살펴보면, 본 발명에 의한 돈분과 음식물 쓰레기를 이용한 바이오매스 에너지 생산설비는 돈분 저장탱크, 분쇄된 음식물 쓰레기 저장탱크, 식물체 분쇄물 저장탱크, 혼합기, 펠릿성형기, 건조기, 및 화력발전기를 포함한다.
상기 바이오매스 에너지 생산설비는 전술한 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리 펠릿 제조설비에 화력발전기를 추가한 것이다. 따라서 이하에서는 상기 건조기에 연결되는 화력발전기에 대해서만 설명한다.
건조기에서 건조된 펠릿은 화력발전의 연료로 사용하기 위해 보일러에 공급된다. 건조기와 보일러 사이에 펠릿 저장탱크를 설치하여 건조된 펠릿을 저장탱크에 저장한다. 이 저장탱크로부터 보일러로 펠릿이 공급되도록 하여 24시간 화력발전을 가능하게 하는 것이 좋다. 이렇게 하여 생산된 전기는 현지에서 사용하고 잉여 생산전기는 전력회사의 라인에 연결하여 판매한다. 보일러에서 발생하는 폐열은 건조기에 라인을 연결하여 펠릿 건조에 사용할 수 있게 하면 펠릿 건조를 위하여 열공급 장치를 추가로 설치하지 않아도 된다. 이때 잉여생산 펠릿은 전술한 슬러지-프리 펠릿 제조설비에서와 같이 포장하여 별도로 연료로서 판매할 수 있다.
또한, 상술한 슬러지-프리 펠릿 제조설비를 이용하여, 고함수 바이오매스, 식물체 분쇄물 및 황토 분말을 혼합하여, 혼합물의 수분 함량이 20~50체적%가 되도록 하는 단계; 혼합된 혼합물을 펠릿성형하는 단계; 및 성형된 펠릿을 건조시키는 단계; 및 건조된 펠릿을 연료로 하여 화력발전하고, 그 과정에서 발생하는 폐열을 상기 성형된 펠릿의 건조에 이용하는 단계;를 포함하는 바이오매스 에너지 슬러지-프리 생산방법을 제공할 수 있다.
상술한 슬러지-프리 펠릿 제조설비를 포함하는 바이오매스 에너지 생산용 원료 제조설비를 제공할 수도 있다.
구체적으로 도 3을 참조하여 살펴보면, 본 발명에 의한 돈분과 음식물 쓰레기를 이용한 바이오매스 에너지 생산용 원료 제조설비는 돈분 저장탱크, 분쇄된 음식물 쓰레기 저장탱크, 식물체 분쇄물 저장탱크, 혼합기, 및 건조기를 포함한다.
상기 바이오매스 에너지 생산용 원료 제조설비는 전술한 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리 펠릿 제조설비에서 펠릿성형기가 제외된 것이다. 즉 혼합기에서 3가지 원료가 혼합된 후 펠릿성형하지 않고 그대로 건조기에서 건조시키게 된다. 전술한 바이오메스 에너지 생산용 펠릿의 경우는 혼합물의 수분함량이 20~50체적%인 것이 바람직하였으나, 이 경우는 혼합물을 바로 건조시키게 되므로 혼합물의 수분함량이 적을수록 좋다.
이렇게 제조된 바이오매스 에너지 생산용 원료는 펠릿과 마찬가지로 각종 용도의 연료로 사용될 수 있다.
한편, 슬러지-프리 펠릿 제조설비를 이용하여, 고함수 바이오매스, 식물체 분쇄물 및 황토 분말을 혼합하는 단계; 혼합된 혼합물을 펠릿성형하는 단계; 및
성형된 펠릿을 건조시키는 단계; 를 포함하는 바이오매스 에너지 생산용 원료 제조방법을 제공할 수 있다.
나아가, 상기 방법으로 제조된 바이오매스 에너지 생산용 원료를 제공한다.
본 발명에 의해 생성된 바이오매스 에너지 생산용 펠릿의 경우는 연소시킬 때 펠릿과 펠릿 사이에 공극이 커서 산소공급이 원활하게 되어 연소가 잘 되고 이에 따라 강한 화력을 얻을 수 있게 된다.
본 발명에 의한 바이오매스 에너지 생산용 원료 또한 펠릿과 마찬가지로 각종 용도의 연료로 사용될 수 있는데, 바이오매스 에너지 생산용 원료의 경우는 원료입자들 사이에 공극이 작기 때문에 펠릿에 비해 화력이 떨어지는 점을 고려할 때 은근한 화력, 약한 화력이 요구되는 분야에 이용하기 좋다.
본 발명에 따르면, 혐오물질로 인식되어 있을 뿐 아니라 간단한 공정으로는 처리가 어렵고 함수율이 높은 돈분과 음식물 쓰레기와 같은 고함수 바이오매스를 특정 수분 조절제의 사용으로 슬러지-프리 조성물로 제공할 뿐 아니라, 슬러지를 생성하지 않으면서 시설이 간단하며, 처리속도가 빠르고, 처리과정에서 유해성분이 거의 배출되지 않으며, 환경오염을 줄일 수 있는 효과를 갖는다.
구체적으로는 본 발명은 처리시설이 간단하며 처리시설에 필요한 면적이나 시설비용도 아주 저렴하고 소규모 시설도 가능하여 일반농가에 직접 적용할 수도 있다.
또한 돈분과 음식물 쓰레기 처리과정에서 악취나 유해물질이 발생할 우려가 없어 주변으로부터 혐오시설로 인식되지 않기 때문에 지역에 관계없이 축산농가 단위의 소규모로도 시설이 가능한 장점도 있다.
또 중요한 것은 돈분과 음식물 쓰레기 처리과정이 단순하며, 처리하여 전기를 생산하는데까지 걸리는 시간이 1~2시간에 불과하기 때문에 처리비용도 아주 저렴할 뿐 아니라, 돈분과 음식물 쓰레기가 신재생 바이오매스 에너지 자원으로 재탄생하여 전기생산은 물론이고 난방연료로도 활용할 수 있게 되는 것이다.
관리측면에서도 전문적인 관리인이 없이 누구나 기본교육만 터득하면 운전이 가능하여 일반 축산농가에서 자비로 시설을 하여 운영하여도 경제성이 충분하게 된다.
또, 돈분과 음식물 쓰레기는 건조시켜 연료로 사용할 때 높은 열량을 발생하는 성분을 함유하고 있기 때문에, 본 발명의 펠릿은 최근에 나오고 있는 식물체만을 분쇄한 펠릿보다 더 높은 열량을 낸다.
한편, 본 발명에서는 폐목재, 수확후의 작물 부산물 등을 사용할 수 있으므로 환경오염도 예방하고, 이들의 수거를 위한 인력이 소요되므로 새로운 일자리가 창출되는 효과도 있다.
돈분과 음식물 쓰레기 처리는 이러한 처리에만 그치는 것이 아니라, 돈분과 음식물 쓰레기에서 자연발생하게 되는 메탄가스를 발생시키지 않게 되므로 탄소배출권을 획득할 수 있으며, 전기를 생산하면 전기 에너지의 생산에만 그치는 것이 아니라, 전기 에너지를 생산한 만큼의 탄소배출권을 또 획득할 수가 있고, 잉여 전기는 전력회사에 판매가 가능하고, 난방용으로 사용하면 그만큼의 탄소배출권을 또 획득할 수가 있게 되어 이중 삼중으로 탄소배출권을 획득하게 된다
여기서, 탄소배출권이란 지구 온난화의 주범인 탄소를 줄이거나 탄소를 회수하면, 줄이거나 회수한 만큼의 탄소량을 측정하여 그에 상응하는 경제적 가치를 주는 것으로서, 이 배출권은 금전으로 거래가 가능하여 부가 수익이 생기는 것이다.
탄소배출권 거래제는 온실가스 배출 권리를 사고 팔 수 있도록 한 제도로서, 각 국가가 부여받은 할당량 미만으로 온실가스를 배출할 경우, 그 여유분을 다른 국가에 팔 수 있고, 그 반대로 온실가스의 배출이 할당량을 초과할 경우에는 다른 국가에서 배출권을 사들일 수 있도록 한 것이다. 온실가스 배출 할당량은 국가별로 부여되지만 탄소배출권 거래는 대부분 기업들 사이에서 이뤄진다. 이산화탄소와 더불어 대표적인 온실가스인 메탄가스는 대기 중으로의 배출을 감축한 만큼 탄소배출권으로서 거래할 수 있다.
2011. 2. 14~18. 제59차 CDM(Clean Development Mechanism) 집행위원회 회의에서 가정/소규모 농장에서 발생하는 메탄가스의 회수와 퇴비화를 통한 메탄가스 발생 저감에 대해서도 탄소배출권을 인정한 바 있다.
지구 온난화의 주범인 탄소배출을 줄여주는 것은 지구 온난화를 막는 아주 중요한 일이며, 처리되지 못한 돈분과 음식물 쓰레기의 불법투기로 인하여 생태계가 파괴되어가는 것을 미연에 방지하는 중요한 역할을 하게 되는 것이다. 이미 파괴된 생태계도 더 이상 돈분과 음식물 쓰레기를 불법투기하지 않으면 인위적인 방법으로 복원하지 않아도 시간이 흐르면 자연 생태계의 환원능력에 의하여 서서히 환원되어 깨끗한 환경의 자연 생태계로 복원될 수 있다.
이와 같이, 본 발명을 이용하면 돈분과 음식물 쓰레기의 처리문제가 해결되고, 돈분과 음식물 쓰레기가 처리 곤란한 혐오물질이 아닌 바이오매스 에너지 자원으로 재탄생하여 전기생산은 물론이고, 난방연료로 사용이 가능하며, 돈분과 음식물 쓰레기에서 자연 발생하는 이산화탄소와 메탄가스를 발생하지 않게 하여 탄소배출권을 획득할 수 있는 자원으로서의 활용가치가 높아지게 되는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리 펠릿 제조설비를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 바이오매스 에너지 생산설비를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 바이오매스 에너지 생산용 원료 제조설비를 개략적으로 도시한 것이다.
이하 본 기재의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 기재를 예시하는 것일 뿐 본 기재의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
이하, 실험에서 사용한 물질을 다음과 같이 준비하였다:
식물체 분말: 폐 목재, 풀, 농가에서 수집한 곡물 잔여물로서 콩대, 고구마줄기, 고추대 등을 건조 및 분쇄하여 입경이 0.025 내지 0.3mm인 분말 타입으로 준비하였다.
황토 분말: 입경이 0.025 내지 0.3 mm인 국내산 황토를 준비하였다.
톱밥: 입경이 0.5 내지 3mm인 톱밥을 준비하였다.
우드칩: 입경이 30 내지 50 mm인 우드칩을 준비하였다.
돈분: 축사에서 수거된 것으로 별도의 건조 및 전처리를 거치지 않은채 준비하였다.
음식물 쓰레기: 가정 등에서 수거된 것으로 별도의 건조 및 전처리를 거치지 않은채 0.3 mm 정도로 분쇄하여 준비하였다.
[ 제조예 1 내지 4]
제조예 1 내지 4로서 하기 표 1에 나타낸 성분 및 함량에 따라 혼합하여 본 실험에 사용하는 수분 조절제로서 사용하였다.
구분 제조예 1 제조예 2 제조예 3 제조예 4
식물체분말 67g 85g - -
황토분말 33g 15g - -
톱밥 - - 100g -
우드칩 - - - 100g
상기 제조예 1 내지 4의 수분 조절제를 하기 표 2 에 나타낸 성분 및 함량에 따라 혼합하여 실시예 1-3 및 비교예 1-3의 각 조성물을 수득하였다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
고함수
바이오매스		 돈분
100g		 음식물
쓰레기
100g		 돈분 50g +
음식물 쓰레기
50g		 돈분
100g		 음식물
쓰레기
100g		 돈분 50g +
음식물 쓰레기 50g
수분 조절제 제조예 1
70g		 제조예 2
60g		 제조예 1 70g
+
제조예 2 60g		 제조예 3
80g		 제조예 4
80g		 제조예 3 40g +
제조예 4 40g
< 바이오매스 에너지 생산용 슬러지 - 프리 펠릿 제조설비 및 제조방법>
수득된 실시예 1 내지 3, 비교예 1-3의 조성물을 도 1에 제시한 흐름도에 따라 펠릿 제조설비에 투입하여 펠릿을 제조하였다.
상기 펠릿 제조설비는 고함수 바이오매스 저장탱크; 식물체 분쇄물 저장탱크; 황토 저장탱크; 이들 저장탱크로부터 각각 을 이송받아 혼합하는 혼합기; 혼합된 혼합물을 펠릿성형하는 펠릿성형기; 및 성형된 펠릿을 건조시키는 건조기;로 구성된 것이다.
도 1을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면, 돈분 저장탱크와 음식물 쓰레기 저장탱크는 각각 돈분과 음식물 쓰레기가 저장되는 곳으로, 음식물 쓰레기는 수거 후 입도 1 mm 정도로 분쇄하여 음식물 쓰레기 저장탱크에 저장한 것이다. 이들 저장탱크는 투입구와 배출구를 제외한 모든 공간을 완전 밀폐하고, 천장, 벽, 바닥을 완전 방수처리하였다. 또한, 이들 저장탱크 내부에는 스크류 장치를 설치하여 돈분과 음식물 쓰레기의 슬러지가 생성되지 않도록 주기적인 혼합을 수행하였다.
상기 돈분 저장탱크, 분쇄된 음식물 쓰레기 저장탱크, 식물체 분쇄물 저장탱크 및 황토 저장탱크에는 각각, 돈분, 분쇄된 음식물 쓰레기, 식물체 분쇄물, 및 황토를 후술하는 혼합기로 일정량 계량하여 자동 이송할 수 있는 계량탱크가 설치되어 있다.
상기 돈분 저장탱크, 분쇄된 음식물 쓰레기 저장탱크, 식물체 분쇄물 저장탱크, 및 황토 저장탱크에 각각 설치된 계량탱크에 혼합기가 연결되어 있으며, 이 또한 악취가 외부로 누출되지 않도록 하기 위해 완전 밀폐형으로 제작하였다.
상기 혼합기에는 혼합물을 단순 교반에 의해 혼합하여 수분 함량이 20~50체적%가 되도록 조절한 다음 임시 저장탱크를 구비하여 완전히 혼합된 혼합물을 임시저장하고 후술하는 펠릿성형기로 자동 이송되도록 하였다.
그런 다음 악취가 외부로 누출되지 않도록 하기 위해 완전 밀폐형으로 제작된 펠릿성형기에서 이송된 혼합물을 용도에 맞게 펠릿으로 성형하였다. 성형된 펠릿은 악취가 외부로 누출되지 않도록 하기 위해 완전 밀폐형으로 제작된 건조기에서 60℃ 정도의 열과 바람으로 건조시켰다.
여기서 수분 함량 20 내지 50체적% 범위 내로 건조시키는데 소요된 시간은 실시예 1내지 3의 경우에는 10분 내지 30분 이내로 측정된 반면, 비교예 1 내지 3의 경우에는 수분흡수율이 낮아 수분을 모두 흡수하지 못하였다.
이에 건조기 온도를 80℃ 정도까지 올려 건조시킨 결과, 건조까지 소요된 총 시간은 30분내지 1시간으로 고온 및 장시간을 필요로 하였다.
건조된 펠릿은 포장용 임시 저장탱크에 저장되고, 완전히 밀폐되는 재질의 포장지를 이용하여 보통 20kg 단위로 포장하여 창고에 적재하였다.
생성된 바이오매스 에너지 생산용 펠릿의 경우는 연소시 펠릿과 펠릿 사이에 공극이 커서 산소공급이 원활하게 되어 연소가 잘 되고 이에 따라 강한 화력을 얻을 수 있게 된다.
< 바이오매스 에너지 생산설비 및 생산 방법>
나아가 상기 건조된 펠릿은 바이오매스 에너지 생산 설비에 적용할 수 있는 것으로, 도 2의 흐름도를 참조하여 살펴보면, 건조된 펠릿을 연료로 하여 화력발전하고, 그 과정에서 발생하는 폐열을 상기 건조기에 공급하는 화력발전기를 포함하여 구성될 수 있다.
구체적으로 건조기에서 건조된 펠릿은 화력발전의 연료로 사용하기 위해 보일러에 공급되었고, 상기 건조기와 보일러 사이에 펠릿 저장탱크를 설치하여 건조된 펠릿을 저장탱크에 저장하게 된다. 이 같은 저장탱크로부터 보일러로 펠릿이 공급되도록 하여 24시간 화력발전을 가능하게 할 수 있다.
또한 보일러에서 발생하는 폐열은 건조기에 라인을 연결하여 펠릿 건조에 사용할 수 있도록 함으로써 펠릿 건조를 위한 열공급 장치를 추가로 설치할 필요가 없고, 잉여생산 펠릿은 앞서 제시한 바와 같이 포장하여 별도 연료로서 판매할 수 있다.
< 바이오매스 에너지 생산용 원료 제조설비 및 생산방법>
도 3의 바이오매스 에너지 생산용 원료 제조설비에 대한 흐름도를 참조하여 살펴보면, 상술한 도 1 관련 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리 펠릿 제조설비에서 펠릿성형기를 배제한 설비에 해당한다.
구체적으로는, 혼합기에서 3가지 원료가 혼합된 후 혼합물의 수분 함량은 20 체적% 이하가 되도록 낮춘 다음 펠릿 성형하지 않고 그대로 건조기에서 건조시켰다.
이렇게 제조된 바이오매스 에너지 생산용 원료는 펠릿과 마찬가지로 각종 용도의 연료로 사용될 수 있다. 바이오매스 에너지 생산용 원료의 경우는 원료입자들 사이에 공극이 작기 때문에 펠릿에 비해 화력이 떨어지는 점을 고려할 때 은근한 화력, 약한 화력이 요구되는 분야에 이용하기 좋다.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 돈분 및 음식물 쓰레기 중에서 1종 이상 선택된 고함수 바이오매스 100 중량부를 기준으로, 입도 0.025~0.3mm의 식물체 분쇄물 67 내지 85 중량%; 및 입도 0.025~0.3mm인 황토 분말 33 내지 15 중량%;로 구성된 수분 조절제를 45 내지 70 중량부 포함하는 것을 특징으로 하는, 슬러지-프리(SLUDGE-free) 조성물.
  6. 제5항의 슬러지-프리 조성물을 이용한 바이오매스 에너지 생산용 펠릿 제조설비로서,
    고함수 바이오매스 저장탱크; 식물체 분쇄물 저장탱크; 황토 저장탱크; 이들 저장탱크로부터 각각 고함수 바이오매스, 식물체 분쇄물 및 황토 분말을 이송받아 혼합하는 혼합기; 혼합된 혼합물을 펠릿성형하는 펠릿성형기; 및 성형된 펠릿을 건조시키는 건조기;로 순차 구성된 것을 특징으로 하는 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리(SLUDGE-free) 펠릿 제조설비.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고함수 바이오매스 저장탱크는 돈분 저장탱크 및 분쇄된 음식물 쓰레기 저장탱크 중에서 선택된 1종 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리 펠릿 제조설비.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 고함수 바이오매스 저장탱크는 고형물의 침전을 막는 스크류 장치가 설치된 것을 특징으로 하는 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리 펠릿 제조설비.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 혼합기는 물리적 혼합 방식에 의해 수득된 혼합물의 수분 함량이 20~50체적%이 되도록 하는 장치인 것을 특징으로 하는 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리 펠릿 제조설비.
  10. 제5항의 슬러지-프리 조성물로서 고함수 바이오매스, 식물체 분쇄물 및 황토 분말을 혼합하여, 혼합기에서 혼합물의 수분 함량이 20~50체적%가 되도록 하는 단계;
    혼합된 혼합물을 펠릿성형하는 단계; 및
    성형된 펠릿을 60 내지 80 ℃로 건조시키는 단계;를 포함하는 바이오매스 에너지 생산용 슬러지-프리 펠릿 제조방법.
  11. 제10항의 방법으로 제조된 바이오매스 에너지 생산용 펠릿.
  12. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 슬러지-프리 펠릿 제조설비; 및
    건조된 펠릿을 연료로 하여 화력발전하고, 그 과정에서 발생하는 폐열을 상기 건조기에 공급하는 화력발전기를 포함하는 바이오매스 에너지 생산설비.
  13. 삭제
  14. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 슬러지-프리 펠릿 제조설비를 포함하는 바이오매스 에너지 생산용 원료 제조설비.
  15. 삭제
  16. 삭제
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