KR101494327B1

KR101494327B1 - 발효된 음식물쓰레기의 분말화 방법 및 이를 이용한 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법

Info

Publication number: KR101494327B1
Application number: KR20140025121A
Authority: KR
Inventors: 김정만
Original assignee: 김정만
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2015-03-02
Also published as: WO2015133780A1

Abstract

본 발명은 음식물쓰레기를 주원료로 하는 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 수거된 음식물쓰레기에서 이물질만 제거한 다음 물을 공급하여 수분함유율이 40-45%인 음식물슬러지를 생화학적 방법으로 미생물을 발효시켜서 분말화 한 분말을 주원료로 하고, 초본계 식물의 분말과 솜의형태로 보풀된 폐지 그리고 유제, 결합제, 안정제 등을 혼합하여 화석연료보다 저렴하면서 높은 발열량을 얻을 수 있도록 한 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법에 관한 것이다.

Description

발효된 음식물쓰레기의 분말화 방법 및 이를 이용한 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법{Method of pulverizing fermented food garbage and method of manufacturing environment-friendly biomass solid fuel using the food garbage}

본 발명은 음식물쓰레기를 발효시켜 분말화 하고 이를 주원료로 하는 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 수거된 음식물쓰레기에서 이물질만 제거한 다음 물을 보충공급하여 수분함유율이 40-45%인 음식물슬러지를 생화학적 방법으로 미생물을 발효시켜서 분말화한 분말을 주원료로 하고, 초본계 식물의 분말과 보풀된 폐지, 그리고 유제, 결합제, 안정제 등을 혼합하여 화석연료보다 저렴하면서 높은 발열량을 얻을 수 있는 발효된 음식물쓰레기를 이용한 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법에 관한 것이다.

현재 대한민국을 비롯한 선진 국가에서는 수거한 음식물쓰레기의 후처리에 대하여 많은 어려움을 겪고 있다.

2013년부터는 세계의 전 국가가 지구의 환경과 해양환경개선을 위하여 음식물쓰레기의 해양 투기가 전면 금지되었다. 우리나라의 경우 음식물쓰레기 배출량은 2013년 정부통계기준으로 4,841,433만 톤에 이르고 있는데 이 중에서 약 30% 정도가 퇴비로 사용되고 있으나 퇴비에 함유된 염분함유량으로 인하여 사용자들에게 환영받지 못하고 있는 실정이다.

그리고 그 나머지인 70%정도는 소각되거나 매각되고 있으며, 음식물쓰레기는 빠른시간내에 후처리가 이루어지지 아니하면 빠른시간 내에 부패 되기 때문에 악취와 파리, 모기 등의 벌레, 세균 등으로 인하여 환경오염을 일으키게 되고 침출수는 토양산성화 및 수질오염을 일으키고 있다.

상기한 바와 같이 세계의 전 국가들이 수거된 음식물쓰레기의 후처리로 인하여 많은 어려움을 겪고 있으나 이 엄청난 양의 음식물쓰레기를 잘 활용하면 산업자원이 될 수 있으므로 음식물쓰레기를 자원화하는 방법에 대하여 많은 연구를 하고 있다.

특히 음식물쓰레기를 원료로 하는 고체연료 제조방법의 연구가 활발히 진행되고 있는바, 그 중에서 음식물쓰레기에 목재 등의 쓰레기를 파쇄한 것과 숯가루, 풀을 혼합한 것을 소정크기로 압출성형하는 것(예를 들면 특허문헌 1)과, 음식물쓰레기와 폐합성수지를 분쇄한 것에 황토, 갈탄, 코크스의 첨가제를 혼합시킨 혼합물을 압출기에서 압출성형한 것(예를 들면 특허문헌 2)이 알려져 있다.

상기 특허문헌 1, 2에 의하여 알려진 음식물쓰레기를 원료로 한 고체연료 제조방법은 음식물쓰레기에 친환경성 원료로 사용하기 어려운 쓰레기 부산물을 혼합시켜서 고체연료를 제조하기 때문에 친환경적이지 못하고 높은 발열량을 갖는 고체연료를 기대할 수 없었다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 이물질이 제거된 음식물쓰레기를 파쇄, 탈수시키고, 부패방지제 또는 발화용 촉진제를 첨가하여 압축, 고형화시키는 공정으로 고체연료를 제조하는 것(예를 들면 특허문헌 3, 4)도 알려져 있다.

그러나 특허문헌 3, 4에 기재된 바와 같은 음식물쓰레기를 주원료로 한 고체연료 제조방법은 음식물쓰레기에서 발생 되는 오,폐수를 같이 활용하지 못하고 있기 때문에 그 오,폐수를 탈수하는 공정에서의 오,폐수 처리문제가 심각하였고, 음식물쓰레기에 첨가되는 첨가제의 가격이 저렴하지 못하였으며 친환경적이지 못하여 활성화하기 어려운 문제점들을 지니고 있다.

또한, 본 발명의 출원인은 폐기물 자원인 초본계 분말과 보풀된 폐지에 첨가제를 혼합하여 친환경 고형연료 및 그 제조방법을 국내 특허 제 10-1308869 호(특허문헌 5)로 등록받은 바 있는데 그 제조방법을 설명하면

건조된 볏짚을 세절고 분말화시키는 볏짚의 세절 및 분말 공정:

폐지, 폐박스를 세절하고 파쇄시켜 파쇄된 폐지의 표면에 보푸라기가 보풀되게 하는 폐지의 파쇄 및 보풀 공정:

80~200 메쉬 정도의 볏짚분말 500~1,000 중량부 및 표면이 보풀된 폐지 300~1,000 중량부에, 면실유, 올레산, 스테아르산 및 히드록시에틸셀룰로오스를 첨가하는 혼합 공정과 반죽기로 반죽하는 반죽 공정:

상기 반죽 공정을 거치면서 반죽이 이루어진 반죽 물질을 압축기를 이용해 일정한 모양으로 성형시키는 성형 공정: 및

상기 일정한 모양으로 성형된 물질을 건조기로 이송시켜 고형 연료를 제조하는 것인데, 이는 친환경적이고 발열량이 높은 이점은 있으나 주원료인 건조된 볏짚 등의 초본계 분말 및 폐지의 가격이 매년 상승되고 있어 제조단가가 비교적 높은 문제점이 있었다.

(특허문헌 1) 국내 특허 제 10-0582603 호 공보

"음식물 슬러지를 이용한 고체연료 제조방법"

(특허문헌 2) 국내 특허 제 10-0735543 호 공보

"음식물쓰레기와 폐합성수지를 이용한 고체연료의 제조방법과 그 장치"

(특허문헌 3) 국내 공개특허 특 2000-0012514 호 공보

"음식물쓰레기를 이용한 고체연료 제조방법"

(특허문헌 4) 국내 공개특허 제 10-2004-0079227 호 공보

"음식물쓰레기를 이용한 고체연료 제작공정"

(특허문헌 5) 국내 특허 제 10-1308869 호 공보

"초본계 분말과 보풀된 폐지를 주원료로 하는 친환경

고형연료 및 그 제조방법"

본 발명의 목적은 이물질을 제거시킨 음식물쓰레기에 있는 이물질만 제거한 후 오,폐수를 분리하지 아니한 음식물폐기물에 물을 더 보충시킨 음식물슬러지를 생화학적 방법으로 미생물을 발효시킨 것을 분말화 하여 이를 주원료로 하고 초본계 분말과 보풀된 폐지를 혼합시킨 다음 친환경 첨가제를 첨가시켜 압출, 성형한 바이오매스 고형연료를 저렴한 가격에 생산될 수 있도록 한 것으로 그 제조공정을 간단히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 주원료로 사용되는 음식물쓰레기를 아파트 등의 공동주택, 음식점, 학교 등의 집단 급식소 등에서 수거하고 이를 선별기를 이용하여 비닐류, 합성수지류, 조개껍질류, 금속류, 동물의 뼈 등의 이물질만 제거시키고 오,폐수는 제거하지 아니한 음식물폐기물에 물을 보충시켜 수분함유량이 40-45% 정도인 음식물슬러지를 미생물탱크내에 투입하고 발효제를 첨가시켜 적합한 열과 적합한 발효시간 동안 발효시키고 발효된 음식물 슬러지를 분말화하는 음식물슬러지의 분말화 공정;

볏짚, 밀짚, 보리짚, 왕겨, 옥수수대와 잎, 대두줄기와 잎, 땅콩대와 잎, 양파줄기, 고구마줄기 등의 초본계 작물 폐기물을 수거하여 세절화하고 분말화하는 초본계의 세절 및 분말화 공정;

폐지, 폐박스를 세절하고, 파쇄시키는 세절 및 파쇄공정:

상기 분말화 공정에서 얻은 100~200 메쉬 정도의 발효된 음식물슬러지의 분말 1,000~1,500 중량부에 100~200 메쉬 정도의 초본계 분말 150~200 중량부, 솜의 형태로 보풀된 폐지 100~150 중량부 및 인산1암모늄[Ammonium Phospate Monobasie: NH₄H₂PO₄], 인산2암모늄[Ammonium Phospate Dibasie: (NH₄)₂HPO₄],

a-아밀라아제[a-Amylase], 경유[Whale Oil], 아세트아세톤코발트(Ⅲ),

[Cobalt(Ⅲ)Acatylactonate;

]

폴리에틸렌옥시드[Polethylene Oxide], 시클로아밀로오스[Cyclomylose: C₁₆H₁₂O₆]를 첨가하는 혼합공정과 반죽기로 반죽하는 공정:

상기 반죽공정을 거치면서 반죽이 이루어진 반죽물질을 압축기를 이용하여 일정한 모양으로 성형시키는 성형공정 및

상기 일정한 모양으로 성형된 물질을 건조기로 이송시켜 바이오매스 고형 연료 완제품을 얻어내는 건조 공정으로 구성된다.

본 발명에 의한 음식물쓰레기 발효 분말화 방법 및 이를 주원료로 하는 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법은 우리의 생활환경에서 처리문제로 많은 문제점을 갖고있는 음식물쓰레기에서 오,폐수를 별도로 탈수처리하지 않고 오,폐수가 함유된 음식물폐기물에 물을 보충공급한 음식물슬러지를 생화학적 방법으로 미생물을 발효되게 하여 분말화 시킨 것을 주원료로 함으로서 음식물슬러지에 함유된 염분을 에너지화하고 연소시 발열량이 높고 발암물질 등의 유해물질이 전혀 배출되지 않도록 하기 위하여 초본계 분말과 솜형상의 보풀된 폐지를 같이 혼합하여 고형연료를 제조함으로써 연소 후의 남은 재도 비료로 활용할 수 있도록 하여 국가 에너지 산업에 크게 기여할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서 얻어지는 고형연료는 친환경적이며, 그 생산 가격이 화석연료 및 기타 목분을 주원료로 하는 펠릿 등에 비하여 매우 저렴하므로 경제적 이익이 크게 발생한다.

도 1은 본 발명의 제조 공정도
도 2는 본 발명에서 음식물쓰레기의 발효시간 경과에 따른 발효과정을 나타낸 사진
도 3은 폐지의 표면에 보푸라기가 솜의 형태로 보풀-보풀 나타나 있는 사진
도 4는 본 발명의 공정에 의하여 제조된 펠릿을 나타낸 사진

이하 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 친환경 고형 연료의 제조 공정을 나타낸 공정도이다.

도 2는 본 발명에서 음식물슬러지의 발효시간 경과에 따른 발효된 상태를 나타낸 사진이다.

도 3은 본 발명에서 폐지를 세절하고 파쇄하여 보풀된 폐지의 표면에 보푸라기가 솜의 형태로 보풀-보풀 나타나 있는 상태를 보여주는 사진이다.

도 4는 본 발명의 공정에 의하여 제조된 펠릿을 나타낸 사진이다.

본 발명의 음식물쓰레기를 주원료로 하는 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법은 도 1에 도시하고 있는 바와 같은 공정에 의하여 이루어진다.

제1공정: 음식물쓰레기에서 이물질을 제거시키고 오,폐수를 포함한 음식폐기물을 얻는 공정

수거한 음식물쓰레기를 선별기에서 비닐류, 플라스틱류, 조개껍질류, 금속류, 동물의 뼈 등의 이물질을 제거하되 오,폐수는 제거하지 아니한 상태의 음식폐기물을 얻는다.(이하에서 '음식폐기물'이라 함은 제1공정이 완료된 것으로서 비닐류 등의 이물질은 제거되고 음식물쓰레기에 오,폐수가 포함되어 있는 상태의 것을 말한다.)

제2공정: 음식폐기물의 수분 조절공정

제1공정에서 얻어진 음식폐기물에 별도의 물을 보충공급하여 수분의 함유량이 40-45%가 되는 음식물슬러지를 얻는다.

제3공정: 발효탱크내에 수분함유량이 조절된 음식슬러지와 첨가제를 투입하고 교반하여 발효시키는 공정

수분함유량이 40~45%로 조절된 음식물슬러지 2,000~3,500 중량부에 인산1암모늄 40-65 중량부, 인산2암모늄 20-40 중량부, a-아밀라아제 10-15 중량부를 발효탱크내에 투입하고 교반하되 발효탱크 내의 온도는 40-55℃ 정도를 유지케 하고 65-72시간 정도 발효시킨다.

이 과정에서 2,000~3,500 중량부 이었던 음식물슬러지의 중량은 발효탱크내에서 발효되고 건조되는 과정에서 1,050~1,825 중량부 정도가 감소되어 950~1,675 중량부의 발효되고 건조된 음식물슬러지를 얻을 수 있는데 발효탱크내에서 발효시간 경과에 따라 음식물슬러지가 발효되면서 발효되는 과정은 [도 2]의 사진에 나타난 바와 같다.

상기의 제3공정에서 발효작업이 진행될 경우 인산1암모늄, 인산2암모늄, a-아밀라아제의 첨가제로 인하여 발효되면서 미생물이 생성되는데, 여기에서 생성된 미생물은 엽록소가 없는 단세포로 이루어진 원형 또는 타원형으로 일군 균류가 발효작용을 일으키게 되고, 유기물이 산화되면서 암모니아를 생성하기 때문에 배출되는 기체는 대기오염물질이 없게 된다.

그리고 제3공정에서의 발효탱크는 가급적 열풍 내부순환형으로 제조하되 수분측정계, 습도계, 온도계, 진공측정계가 설치되어야 하고, 발효탱크내에는 스텐레스 스틸로 제조된 교반날개가 있는 것을 사용하는 것이 좋다.

제4공정: 제3공정의 음식물슬러지를 분쇄시키는 공정

그리고 제3공정의 발효공정이 완료된 음식슬러지는 건조된 상태이므로 이를 발효탱크내에서 또는 별도의 분쇄공정에 의하여 분쇄시키는데 분쇄된 분말은 가급적 100-200 메쉬 정도가 되도록 하는 것이 좋다.

이때 분말화 된 음식폐기물은 총중량이 1,050~1,825 중량부가 감소되어 950~1,675 중량부 정도이었는데 그 이유는 음식물쓰레기에 함유되었던 수분이 완전히 증발되었기 때문이다.

제5공정: 제3공정의 발효공정 완료 후 초본계 분말과 솜의 형태로 보풀된 폐지를 농축시키는 공정

제4공정에서 첨가제와 같이 혼합된 음식물슬러지 분말은 발효공정에서 탄수화물질이 생성되는데, 생성된 탄수화물질을 흡수시키기 위하여 초본계 분말로서 예를들자면 100-200 메쉬 정도의 볏짚분말을 150-200 중량부, 솜의 형태로 보풀된 폐지 100-150 중량부를 발효탱크내에 투입하고 교반하되 발효탱크 내의 온도를 55-62℃ 정도로 유지하면서 3-5시간 정도 농축시키면서 발효공정에서 생길 수 있는 세균 등을 박멸시킨다.

상기의 제5공정에서의 볏짚분말은 앞에서 기술한 타 종류의 초본계 분말을 사용할 수 있음은 물론이다. 그리고 솜의 형태로 보풀된 폐지는 본원 출원인이 선출원하여 선등록 받은 국내 특허 제 10-1308869 호에 기재한 바와 같이 사방 10~15cm 이내의 크기로 세절된 폐지를 파쇄시킴과 동시에 폐지의 표면에 보푸라기가 보풀되게 하여 마치 폐지의 표면이 솜을 튼 것처럼 부풀어져서 보푸라기 사이에 많은 공극이 있는 것을 사용하는 것이 효과적이다.

즉, 표면이 부풀어져서 생기는 보푸라기 사이에 공극이 많이 있는 솜형태로 보풀된 폐지를 사용하는 이유는 그 공극으로 발효된 음식물슬러지 분말과 탄수화물질을 흡수한 초본계 분말이 삽입되어 솜의 형태로 보풀된 폐지와 발효된 음식물슬러지 분말 및 탄수화물질을 흡수한 초본계 분말의 결합이 양호하게 이루어질 수 있기 때문에 솜의 형태로 보풀된 폐지를 사용하는 것이다.

제6공정: 제5공정에서 농축된 음식물슬러지를 건조시켜 분말화 하는 공정

제5공정에서 농축된 음식물슬러지를 물리적인 방법을 이용하여 발효탱크내에서 건조시키고 100-200 메쉬 정도로 분말화 시킨다.

농축된 음식물슬러지는 상기방법 이외에 별도의 건조공정과 분쇄공정을 거쳐 100-200 메쉬 정도로 분말화 시켜도 무방하다.

제7공정: 교반공정

제6공정에서 얻어진 음식물슬러지의 분말 1000~1500 중량부에 경화유 40-60 중량부, 아세틸아세톤 코발트(Ⅲ) 10-20 중량부, 폴리에틸렌옥시드 35~65 중량부, 시클로아빌로오스 30~50 중량부를 교반기내에 투입하고 교반하여 반죽물을 얻는다.

제8공정: 성형공정

제7공정에 의하여 얻어진 반죽물은 스텐레스스틸로 제작되고 150~200kgf/cm² 압력으로 배출시키는 압축기에 의하여 성형되고, 다이스를 통해 배출된 다음 세절기에 의해 세절되어 건조기로 이송된다.

이렇게 제조되는 고형연료를 펠릿으로 제조하는 경우 폭 8mm, 길이 32mm 정도로 하는 것이 일반적이다.

본 발명에서 주원료로 사용하는 음식물쓰레기는 광합성 작용으로 탄소, 수소, 산소 및 질소, 인산, 단백질을 만들어주는 유황과 탄수화물로 합성된 녹황색 식물이다.

또한, 음식물쓰레기는 단백질과 유기물이 산화되면서 곰팡이와 박테리아 세균 등의 부패균에 의하여 악취가 발생하게 되는데, 이는 부패된 유기물 특히 단백질이 유기균에 의하여 분해되면서 유해한 물질과 악취가 발생 되는 기체를 생성하는 변화라고 할 수 있다.

이에 반하여 발효는 효모나 세균 등 미생물이 에너지를 얻기 위하여 유기화합물을 분해하여 알코올류나 유기산류, 이산화탄소 등을 생성해가는 과정이라고 볼 수 있을 것이다.

상기에서와 같이 부패와 발효는 균에 의하여 만들어지고 균의 종류 중에서 유익균은 좋은 영양소로 사용되고 있다. 즉, 대한민국 국민이면 누구나 즐겨먹는 기호식품으로서의 다양한 종류의 김치는 우리나라의 대표적인 발효식품이요 반찬이라 하겠고 또한 간장, 된장, 청국장 등의 장 종류와 생선젓갈류, 막걸리, 맥주, 유산균 음료 등도 발효식품이라 할 것이다.

이에 반하여 부패균은 암모니아와 유화수소, 인돌, 아민 같은 유해물질을 생성한다.

상기한 바와 같은 유익한 물질과 유해한 물질로 변화될 수 있는 음식물쓰레기는 그 처리방법에 따라 국가에 유익한 자원으로 활용될 수 있지만, 쓰레기로 취급할 경우에는 유해한 폐기물이 되어 처리비용이 많이 필요하게 될 뿐만 아니라 환경을 오염시켜서 많은 문제점을 유발시키게 되는 것이다.

대부분의 국가들은 현재에 이르기까지 음식물쓰레기를 경제적 가치가 있는 주요한 자원이라 생각하지 않고, 가치가 없는 유해폐기물로 취급하고 있는 실정이므로 본원 발명자는 음식물쓰레기를 자원화하기 위하여 각종 연구와 실험을 한 결과 음식물쓰레기에서 미생물을 발효시켜 제조한 바이오매스 고형연료의 발열량을 측정한 결과 기대이상의 높은 발열량이 측정되었는데 이는 음식물쓰레기도 재활용의 경제적 가치가 있는 유용한 자원의 일종임이 입증된 것이라 하겠다.

이하에서는 본 발명에서 음식물쓰레기에 첨가하는 구성물질의 성상과 성분을 상세히 설명한다.

상기한 제3공정에서 첨가하는 인산1암모늄의 물질성상은 무색, 무취, 정방정계 결정 또는 백색결정성 분말이며, 비중:1.79, 공기 중에서 안정하며, 물에 용해된다. 알코올에는 약간 녹고, 초산에는 녹지 않는다.

이상과 같은 인산1암모늄은 주로 의약(충치예방제, 페니실린, 스트랩트마이신 배양지), 이스트 배양제 및 양조용(양조발효육성제)으로 사용되는데 이는 암모니아와 인산을 함유하므로 인산2암모늄과 함께 발효제품의 제조시 효소의 증식, 발효증진을 위해 사용되며, 발효식품에도 사용되고, 팽창제 원료로 사용되고 있다.

또한 상기의 인산2암모늄의 물질 성상은 백색단사정이며, 비중:1.610. 약간 암모니아 냄새가 있다. 공기 중에서는 서서히 분해되어 소실된다. 열에 분해되어 물에 용해되지만 에틸알코올에는 용해되지 않는다.

이상과 같은 인산2암모늄의 용도는 상기 기술한 인산1암모늄과 동일하게 암모니아와 인산을 함유하여 양조 발효에서 효모의 발육증진, 발육촉진을 위해 사용된다. 기타 발효식품의 성분으로서 또는 사당의 정제에도 사용된다.

상기한 바와 같은 인산1암모늄과 인산2암모늄을 선별된 음식폐기물에 첨가하는 이유는 미생물의 발효 증진과 발육촉진을 위해 첨가하는 발효제로서 환경유해물질이 아니다.

또한, 제3공정에서 첨가한 a-아밀라아제의 물질 성상은 세균 a-아밀라아제와 계상균 아밀라아제의 2종류가 있다. 일반적으로 액화효소라 불리우며, 녹말질을 액화시키는 작용이 있다. a-아밀라아제는 활성발현에 있어 칼슘을 필요로 한다. 세균 a-아밀라아제나 계상균 a-아밀라아제는 내열성, PH안정성, 최적 PH에 다소의 차이가 있지만, 성질은 거의 동일하다고 알려져 있다. 세균 a-아밀라아제의 내열성이 일반적으로 놓고, 특히 고온에 견딜 수 있는 효소로 녹말 글루코오스(Glucose: C₁₆H₁₂O₆) 및 최저 5개의 올리고당을 생성한다.

이상과 같은 a-아밀라아제는 주로 녹말질의 액화 (포도당의 생산, 양조), 소화제, 섬유질의 호발 등에 이용되고 있다.

상기한 바와 같이 a-아밀라아제를 첨가하는 이유는 음식물쓰레기 물질에 포함된 곡물을 액화당으로 발효시키고, 생선뼈를 산화시키기 위해 첨가하는 것으로 이 또한 환경유해물질이 아니다.

그리고 제6공정(교반공정)에서 첨가한 경화유의 물질 성상은 불건성유이고, 담황 또는 갈색이고, 약간 비린내가 난다. 고래의 종류에 따라 다소 성상이 다르다.

장수유:장수경유 지방산 조성=포화산으로는 C₁₄ 및 C₁₈을 주로 함유하며, C₁₈과 C₂₂ 등을 약 25% 함유하고 있다.

말향경유:60~65%의 지방산(이중의 81%가 액체포화산, 19%가 고체산이다), 32~42%의 고급1가 알코올[세틸알콜 (CH₃(CH₂)₁₄CH₂OH), 올래일알콜 (C₁₄H₃₅OH)이 주성분이다], 1.4~3.5%의 글리세린으로 되어있다. 물에는 녹지 않고, 알코올에는 녹는다.

경랍: 경랍은 말향경의 머리부분에 있는 랍질의 고형성분을 정제하여 얻는 랍이며, 주성분은 팔미트산 (C₁₅H₃₁COOH) 세틸에스테르이다.

이상과 같은 경화유는 주로 마아가린, 제약, 화장품, 경화분해 비누, 계면활성제, 등불 기름용으로 이용되고 있다.

상기한 바와 같은 경화유는 고래의 지방층을 보일러에서 부글 부글 끓이고 뜨는 기름을 채취한 것으로 경화유는 일반 계면활성제와는 달리, 음이온과 양이온성의 양면을 가지고 있고, 특히 식물성 섬유질과 밀접한 친화력을 가지고 있다. 또한 경화유는 요오드가 97~153으로 높다. 즉, 이는 유지 1g 중에 함유되어 있는 유리된 지방산을 중화하는데 필요한 산화칼륨의 ng량을 나타내는 것으로 산과 알칼리가 1g 당량식 중화할 때 발생되는 열량은 18℃에서 13.7칼로리의 열량을 나타내는 물이다. 요오드화는 할로켄족에 속하는 원소로서 옥화수소라고도 한다.

본 발명에서 상기한 바와 같은 경화유를 첨가하는 것은 음식물쓰레기를 발효시켜 분말화 한 음식폐기물의 분말에 볏짚 분말과 파쇄되어 표면이 보풀된 폐지를 결합시킨 물질만으로는 발열량이 높지 아니하여 상기한 경화유의 고유열량을 결합시켜 효과적인 발열량을 얻고자 첨가하는 것이다. 또한 첨가한 경화유는 상기 기술한 장수유, 말향경유, 경랍유의 혼합유를 이용하였다.

경화유 첨가에 따른 바이오매스 고형연료의 에너지 효과

＼구분 물질명	중량 (%)	수분 (M)	휘발분 (VA)	회분 (Ash)	고정탄소 (Fc)	고위발열량 (Kcal/kg)
경화유	40	7.5	61.25	15.21	6.35	3,900
	50	6.29	61.60	14.13	6.91	4,010
	60	5.76	61.89	12.47	7.31	4,180

상기 첨가한 경화유는 식품에 사용되는 물질로서 환경유해 물질이 아닌 이점이 있고, 음식폐기물을 발효시켜 분말화 한 분말 발열량 기준 3,367 kcal/kg 보다 813kcal/kg 증가한 4,180kcal/kg의 열량을 얻었으며, 회분 기준 17.06-4.59%를 감소시켰다.

그 다음 상기 반죽공정에서 첨가한 아세틸아세톤코발트(Ⅲ)의 물질 성상은 녹색결정성분말로서, 융점은 약 213℃이고 물에는 녹지 않는다.

이상과 같은 아세틸아세톤코발트(Ⅲ)은 주로 유기반응촉매, 연소촉매 첨가제로 이용되고 있다.

경화유와 아세틸아세톤코발트(Ⅲ) 첨가에 따른 바이오매스 고형 연료의 에너지 효과

＼구분 물질명	중량 (%)	수분 (M)	휘발분 (VA)	회분 (Ash)	고정탄소 (Fc)	고위발열량 (Kcal/kg)
1.경화유 / 2.아세틸아세톤코발트(Ⅲ)	40 / 5	4.81	68.91	11.14	7.81	3.988
	50 / 15	4.62	71.12	9.87	9.44	4.274
	60 / 20	4.20	75.41	9.41	9.90	4.309

본 발명의 목적은 음식물쓰레기를 이용하여 환경에 무해한 친환경 바이오매스 고형 연료를 제조하고자 수거한 음식물쓰레기 중에서 연소시 환경오염물질을 배출하는 비닐 등의 이물질을 선별기로 분리하고, 물을 보충공급한 음식물슬러지에 상기 기술한 바와 같이 인산1암모늄, 인산2암모늄, a-아밀라아제의 미생물 발효제를 첨가하여 생화학적 방법으로, 곡물류, 섬질류, 유기물류, 무기물류, 단백질류 물질 등을 탄수물 물질로 변화시켜, 여기에 초본계 볏짚분말과 표면이 보풀되어 솜의 형태로 제조된 폐지를 발효탱크내에 투입하고, 교반하여 탄수화 물질을 흡수시키면서 농축시켜 전도 분말화 한 분말에 상기 반죽공정에서 첨가한 고유 발열량을 가진 경화유와 연소시 화력의 효율성을 극대화시켜 고 발열량을 얻고자 아세틸아세톤코발트(Ⅲ)의 물질을 연소촉매제로 첨가하는 것이다.

상기 첨가한 경화유와 아세틸아세톤코발트(Ⅲ) 첨가에 따른 발열량은 음식물쓰레기를 발효시켜 분말화 한 분말 발열양 기준 3.367kcal/kg 보다 942kcal/kg 증가한 4.309kcal/kg의 열량을 얻었고, 회분 기준 17.06-9.41=7.65%를 감소시켰다. 또한 상기 첨가제는 환경유해물질이 아님을 참고로 밝혀둔다.

상기 표 1,2에 사용된 분석기는 TGA-701 열중량분석기(LECO Co, USA, Parr630EF)와 열량계 (PARRCo. USA)를 사용하였다.

그 다음 상기 반죽공정에서 첨가한 폴리에틸렌옥시드의 물질성상은 에틸옥시드 분자량 1만 내지 수십만 정도를 연결시켜서 얻어지는 고분자 중합체로서 OH(CH₂CH₂O)n CH₂CH₂의 일반식을 갖는 수용성 물질이다.

상기 기술한 분자식에서 n=0 일 때는 에틸렌글리콜, n= 이 200~300 정도까지는 통상 폴리에틸렌, 그 이상을 폴리에틸렌옥시드라고 부른다. 폴리에틸렌옥시드는 물에 완전용해되고 저농도에서 높은 점성과 유성이 있고, 고강도를 가지며 백색분말로서 분자량이 크며 결정성이 높고 보통 대기 중에서 흡식성이 적다.

상기와 같은 폴리에틸렌옥시드는 주로 제지공업, 직유공업, 수용성 섬유, 화장품, 접착제 등으로 널리 이용되고 있다.

상기한 바와 같이 제6공정(교반공정)에서 2차 발효된 음식물슬러지의 분말과 볏짚분말, 솜의형태로 보풀된 폐지를 혼합시킨 혼합물에 첨가한 경화유, 아세틸아세톤코발트(Ⅲ)들의 물질 결합을 돕고, 제조되는 고형 연료의 내구성 밀도를 높이기 위해 폴리에틸렌옥시드를 결합제로 첨가하는 것이다. 이 또한 환경유해물질이 아닌 이점이 있다.

또한, 제6공정(교반공정)에서 첨가한 시클로아밀로오스의 물질 성상은 투명하고 점조한 액체이며, 향기는 없고 맛은 달다. 시클로아밀로오스는 (C₆H₁₂O₆) 6-12개의 글루코오스 a-4, 4-클루코시드 결합에서 환상으로 결합한 왕관모양의 텍스트린의 일종으로, 대단히 결정이 우수한 고리모양의 올리고믹이며, 생성균의 효소로서 중저한 전분유를 당화하여 제조된다.

상기한 바와 같은 시클로아밀로오스는 주로 포장작용을 이용하여 의약품, 식품, 화장품, 그 밖의 공업약품으로 물질 산화방지제, 휘발방지제, 휴식방지제 등으로 이용되고 있다.

이상과 같은 시클로아밀로오스를 상기 발효공정과 반죽공정에서 첨가한 이유는 구성물질의 성분을 보호하고, 공기 중 습기의 침입을 방지하고자 첨가하는 것이다. 특히 상기의 시클로아밀로오스는 음식폐기물을 발효시켜 분말화 한 물질과 원질의 성분은 차이가 있으나, 같은 효소의 물질로서 밀접한 친화력을 가지고 있어, 제조한 고형 연료의 표면에 막을 형성케 하는데 있어, 환경유해성인 수지물질의 코팅제와는 달리, 환경에 무해한 형식의 코팅제라 할 수 있다.

상기에서 기술한 바와 같이 본 발명은 음식물쓰레기를 주원료로 이용하여, 여기에 인산1암모늄, 인산2암모늄, a-아밀라아제를 첨가하여 미생물을 발효시켜 분말화 한 분말에 볏짚분말과 솜의형태로 보풀된 폐지를 결합시키고, 환경에 무해한 경화유, 아세틸아세톤코발트(Ⅲ), 폴리에틸렌옥시드, 시클로아밀로오스를 첨가하고, 제조한 바이오매스 고형연료의 특징은 연소시 환경유해물질을 발생시키는 화석연료와는 달리, 친환경적이며, 석유화학연료 사용대비 저렴할 뿐만 아니라, 음식물쓰레기를 재활용하여 이를 생화학적 방법으로 미생물을 발효시켜 생성균의 효소 물질로 제조된 친환경 바이오매스 고형 연료로서 발열량을 4,309kcal/kg을 얻을 수 있어 경제적으로도 매우 유용한 가치가 있는 발명이다.

지금까지 한국을 비롯 선진 국가에서도 음식물쓰레기는 재활용의 가치가 없는 환경유해물 쓰레기로 취급하였지만 음식물쓰레기는 재활용의 경제적 가치가 있는 자원이라는 것이 입증되었으므로 특히 에너지 원료를 수입에 의존하는 국가들은 엄청난 양의 음식물쓰레기를 이용하여 국가에너지 자원으로 활용할 수 있고, 환경보호와 이산화탄소 배출량 감소에도 기여할 수 있는 경제적 가치가 큰 발명이라 하지 않을 수 없다.

이하에서 구성물질의 혼합공정을 실시예로 설명한다.

음식물쓰레기를 수거하여 이물질을 제거하고 수분 함유량 40~50%인 음식물슬러지 2,000~3,500 중량부에 인산1암모늄 40~60 중량부, 인산2암모늄 20~40 중량부, a-아밀라아제 10~15 중량부를 발효탱크내에 투입하고 교반하여 온도 43~55℃의 열로 65-72시간 미생물을 발효시켜 생성된 탄수화 물질을 흡수시키기 위해, 볏짚분말 150~200 중량부, 솜의형태로 보풀된 폐지 100~150 중량부를 발효탱크내에 투입하고, 교반하여 온도 55~62℃열로 3~5시간 정도 농축시켜 세균 등을 소멸시키고, 건조된 물질을 100~200 메쉬 정도로 분쇄시킨다.

상기 분말화 공정에서 얻어낸 분말 중량은 950~1,676 중량부이었는데 이는 최초의 음식폐기물 2,000~3,500 중량부보다 1,050~1,825 중량부가 감소되었는데, 그 이유는 발효시킨 음식물질을 농축시키는 과정에서 음식폐기물에 함유된 수분이 증발되었기 때문이다.

상기 농축 공정에서 온도 55~62℃열을 이용하여 고형분 대비 수분 밀도가 20~25% 될 때까지 농축시킨 다음, 온도 30℃열로 고정시켜 놓고, 상부 뚜껑을 개봉하고 발효탱크내에 교반날개를 저속으로 회전시키면서 나머지 수분을 증발시켜 건조 분말화 한다.

상기 농축 공정에서 열 온도와 수분 밀도가 일정하지 않으면 물질이 갈색으로 변화되어 기대의 고형연료를 얻을 수 없으므로 기압에 의해 열이 상승하면 온도 측정계에 의해 공기를 배출시키면서 농축하였다.

상기 공정을 거치면서 얻어낸 분말 1,000~1,500 중량부에 상기 기술한 경화유 40~60 중량부를 첨가하고 교반기에 10~15분간 교반하는 교반공정을 거친다.

상기 교반공정을 거치면서 이루어진 반죽물질에 아세틸아세톤코발트(Ⅲ) 10~20 중량부를 첨가하고 아세틸아세톤코발트(Ⅲ) 물질이 반죽물질에 잘 흡수되도록 15~20분간 가볍게 매질을 가하는 1차반죽 공정을 수행한다.

상기와 같이 1차 반죽공정에서 반죽 물질에 매질을 가한 후에는 폴리에틸렌옥시드 30~60 중량부를 온도 35~40℃ 온수 250~300 중량부에 넣고 혼화시켜 반죽물질에 첨가하고 10~15분간 가볍게 다시 매질을 2차 반죽공정을 수행한 후에는 최종적으로 시클로아밀로오스 25~40 중량부를 첨가하고 15~20분간 가볍게 다시 매질을 가하여 균일한 물리적 변화를 가진 반죽이 완성되도록 3차 반죽공정을 수행한다.

상기 반죽공정에서 음식물슬러지를 발효시켜 분말화 한 분말과 볏짚분말, 보풀된 폐지의 중량 대비 수분 함유량, 첨가 물질 비율이 접합하지 못하면 다음 공정이 순조롭지 못하고, 고열량을 가진 바이오매스 고형연료가 얻어지지 못한다.

또한 반죽공정에서 각각 첨가한 경화유, 아세틸아세톤코발트(Ⅲ), 폴리에틸렌옥시드, 시클로아밀로오스를 교반기에 넣고, 교반하여 이를 한꺼번에 첨가할 수도 있다. 그러나 균일화된 반죽을 얻기 위해서는 상기 기술한 바와 같은 순서대로 각각 첨가하고, 반죽하는 것이 바람직하다.

또한 상기 과정에서는 초본계로서 볏짚을 실시예로 하였으나 볏짚 이외의 다른 초본계 식물을 이용할 수 있음은 물론이다.

한편 상기 기술한 첨가물 이외에도 유당(Lactose: C₁₂H₂₂O₁₁H₂O),콜린인산염(Choline Phosphate: C₅H₁₆O₅NP), 파파인(Papnin), 아밀로글루코시다제(Amyloglucosidase), 인산1칼륨(Patassium Phosphate Monobasic: KH₂PO₄), 인산2칼륨(Potassium Phoshate Dibasic: C₂HPO),인산3칼륨(Potassium Phoshate Thibasic: K₃PO₄O~3H₂O),(K₃PO₄)로서, B-아밀라아제 (B-Amylase), 구연산나트륨(Sodium Citrate: C₆H₅Na₃O₇ㆍ2H₂O), 야자유(Coconut Oil), 팔미트산(Palmitic acid), 이상과 같은 물질을 첨가할 수도 있다.

상기 반죽공정을 거친 반죽은 스텐레스 스틸로 제작되고 150~200kgf/cm² 압력으로 물질을 압축시켜 배출시키는 압축기에 성형하고 다이스를 통해 배출된 다음 세절기에 의해 세절되어 터널식 건조기로 이송된다.

이렇게 제조되는 바이오매스 고형연료를 제조하는 경우를 실시예로 설명하면 다음과 같다.

즉 상기한 성형공정에 의해 성형된 고형연료의 폭은 8.3mm정도, 길이 32.7mm정도로 하는 것이 합리적인 크기라고 생각되고, 성형된 고형 연료는 배출된 후 폭과 길이의 변화가 약 1mm 정도의 팽창률이 발생된다.

상기 성형공정을 거치면서 성형된 반죽물질은 높이 1.500mm, 폭 1,000mm, 길이 12,000mm이고 온도 95~105℃인 터널식 건조기에 의해 건조되는 건조공정을 거치게 된다.

이때 상기 건조공정에서 고형연료의 폭과 길이의 편차는 약 0.4mm가 축소되어 고형연료 규격 폭 8mm, 길이 32mm의 음식물쓰레기를 재활용하여 생화학적 방법으로 미생물을 발효시켜 제조한 친환경 바이오매스 고형연료라 할 수 있는 물질이 완성된다.

건조 공정을 마친 바이오매스 고형연료의 성분 등

구분	폭 (mm)	길이 (mm)	겉보기 밀도 (kg/m2)	미세분 (%)	내구성 (%)	유황분 (%)	엽소분 (%)	질소분 (%)	합수률 (%)	회분 (%)	발열량 (kcal/kg)
구성비	8	32	750	0.2	94	0.06	0.09	0.08	1.57	9.7	4.309

상기의 제조방법에 의한 바이오매스 고형연료는 상기 표3과 같은 품질을 가진 친환경적이고 고 열량을 가진 바이오매스 고형연료가 되는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 친환경 바이오매스 고형연료는 음식물쓰레기가 경제적 가치가 있는 에너지자원이라는 것을 입증시킨 발명으로서, 국가 경제적 이익은 물론 에너지 산업과 환경개선에 기여할 수 있는 경제적 가치가 큰 발명인 것이다.

Claims

수거한 음식물쓰레기를 선별기에서 이물질을 제거하고, 오,폐수는 제거하지 아니한 음식폐기물을 얻는 제1공정;
제1공정의 오,폐수가 함유된 음식폐기물에 수분함유량이 40~45%가 되도록 물을 보충공급하여 음식물슬러지를 얻는 제2공정;
제2공정의 음식물슬러지 2,000~3,500 중량부에 인산1암모늄 40~65 중량부, 인산2암모늄 20~40 중량부, a-아밀라아제 10~15 중량부를 발효탱크내에 투입하고 교반하여 발효시키면서 건조시키는 제3공정;
제3공정의 발효공정이 완료되어 건조되고 발효된 음식물슬러지를 100-200 메쉬 정도로 분쇄시켜 발효된 음식물슬러지의 분말을 얻는 제4공정;으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발효된 음식물쓰레기의 분말화 방법.
제1항에 있어서, 제3공정에서의 발효탱크내의 온도는 40-55℃ 정도로 하고, 발효시간은 65-72시간 정도로 하는 것을 특징으로 하는 발효된 음식물쓰레기의 분말화 방법.
수거한 음식물쓰레기를 선별기에서 이물질을 제거하고, 오,폐수는 제거하지 아니한 음식폐기물을 얻는 제1공정;
제1공정의 오,폐수가 함유된 음식폐기물에 수분함유량이 40~45%가 되도록 물을 보충공급하여 음식물슬러지를 얻는 제2공정;
제2공정의 음식물슬러지 2,000~3,500 중량부에 인산1암모늄 40~65 중량부, 인산2암모늄 20~40 중량부, a-아밀라아제 10~15 중량부를 발효탱크내에 투입하고 교반하여 발효시키면서 건조시키는 제3공정;
제3공정의 발효공정이 완료되어 건조하고 발효된 음식물슬러지를 100-200 메쉬 정도로 분쇄시켜 발효된 음식물슬러지의 분말을 얻는 제4공정;
제4공정에서 얻은 발효된 음식물슬러지 분말 950~1675 중량부에, 100-200 메쉬의 초본계분말 150~200 중량부, 솜의 형태로 보풀된 폐지 100~150 중량부를 55-62℃가 유지되는 발효탱크내에 투입시키고 3-5시간 정도 2차 발효시키는 제5공정;
제5공정에서 2차 발효되어 농축된 음식물슬러지를 100-200 메쉬로 분쇄시키는 제6공정;
제6공정에서 얻어진 2차 발효된 음식물슬러지의 분말 1000~1500 중량부에 경화유 40~60 중량부, 아세틸아세톤코발트(Ⅲ) 10~20 중량부, 폴리에틸렌옥시드 35~65 중량부, 시클로아빌로오스 30~50 중량부를 교반기내에 투입하고 교반하여 반죽물을 얻는 제7공정;
제7공정에서 얻은 반죽물을 압축기에서 성형하고 다이스를 통하여 배출되는 것을 세절시켜 건조기로 이송시키는 제8공정;
으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발효된 음식물쓰레기를 이용한 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.
제3항에 있어서, 제3공정에서의 발효탱크내의 온도는 40-55℃ 정도이고, 발효시키는 시간은 65-72시간 정도인 것을 특징으로 하는 발효된 음식물쓰레기를 이용한 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.
제3항에 있어서, 제4공정에서의 초본계 분말은 볏짚, 밀짚, 보리짚, 왕겨, 옥수수대와 잎, 대두줄기와 잎, 땅콩대와 잎, 양파줄기, 고구마줄기에서 하나이상 혼합시킨 것을 특징으로 하는 발효된 음식물쓰레기를 이용한 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.
제3항에 있어서, 제2공정에서의 첨가물인 인산1암모늄, 인산2암모늄, a-아밀라아제는 순차적으로 첨가하여 혼합되는 것을 특징으로 하는 발효된 음식물쓰레기를 이용한 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.
제3항에 있어서, 제2공정에서의 첨가물인 인산1암모늄, 인산2암모늄, a-아밀라아제는 동시에 투입하여 혼합되는 것을 특징으로 하는 발효된 음식물쓰레기를 이용한 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.
제3항에 있어서, 제7공정에서 압축기에서 성형하고 다이스를 통하여 배출되는 것을 세절시킨 일정한 모양은 펠릿 형태인 것을 특징으로 하는 발효된 음식물쓰레기를 이용한 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.