KR101579930B1

KR101579930B1 - 저품위 폐목재를 이용한 바이오매스 발전용 우드펠릿의 제조방법

Info

Publication number: KR101579930B1
Application number: KR1020140180653A
Authority: KR
Inventors: 현 용 이; 김종식; 이동욱
Original assignee: 이현용; 김종식; 이동욱
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2015-12-28
Anticipated expiration: 2034-12-15

Abstract

본 발명은 저품위 폐목재를 이용한 바이오매스 발전용 우드펠릿의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 목질 속에 리그닌 성분이 거의 남아 있지 않은 산업화 임목 폐기물, 피해목, 산업 가공폐목, 건설 폐목재, 생활 폐목재, 물류 유통 폐목재 등과 같은 저품위 폐목재를 이용하여 바이오매스 발전용 우드펠릿을 제조하되, 코크스분말 등과 같은 탄소원을 첨가하여 발전용 연료로서 발열량과 바이오 에너지 밀도를 향상시키는 동시에 피치 등과 같은 바인더를 첨가하여 기존의 우드펠릿 성형조건보다 훨씬 낮은 온도 및 압력으로 성형할 수 있게 하여 가공시 에너지 소비량을 대폭 절감할 수 있게 함으로써, 원료조달이 용이하고 원료구입비용이 적은 저품위 폐목재를 이용하여 바이오매스 발전에 적합한 우드펠릿을 보다 저렴한 비용으로 대량생산할 수 있게 하여 바이오매스 발전의 상용화를 촉진할 수 있도록 할 뿐만 아니라 우드펠릿의 연소 후 배출되는 회분까지도 토양 활성제 및 비료로 활용할 수 있도록 한 것이다.

Description

저품위 폐목재를 이용한 바이오매스 발전용 우드펠릿의 제조방법{Manufacturing method of wood pellet for biomass generation using meagre waste wood}

일반적으로 우드펠릿(wood pellet)은 침엽수나 활엽수 톱밥이나 임목폐목재를 분쇄한 것을 압축하여 제조한 것으로, 화석연료를 대체하는 신재생에너지 자원으로서 가정용 우드펠릿 보일러의 고체연료로 사용되거나 가축의 축사용이나 애완동물의 베딩용으로 널리 사용되고 있다.

그러나, 국내에 유통되고 있는 우드펠릿은 대부분 러시아, 캐나다, 말레이시아 등에서 수입된 목재의 수피를 제거한 목질부분을 톱밥으로 파쇄한 후 성형하여 제조됨에 따라, 우드펠릿 보일러가 설치되어 있어야 사용이 가능한 가정용 위주로 활용이 되고 있어 발전용 연료로서 사용하기에는 한계가 있었다.

즉, 기존의 우드펠릿은 단순히 목재산업의 부산물인 톱밥으로만 성형하여 제조한 연료이므로, 원료로 사용되는 목재의 종류에 따라 현저한 발열량의 차이가 발생할 뿐만 아니라 열량 대비 도시가스와 비슷한 가격대를 형성하고 있어 경제성 측면에서 발전용으로 활용하기가 어려운 실정이었다.

또한, 기존의 우드펠릿은 원목에서 생산되는 톱밥을 약 300℃로 가열하여 목질부를 구성하는 리그닌(Lignin)이라는 성분이 녹아서 톱밥과 톱밥 사이를 채울 즈음에 약 1000kgf/㎠의 압력으로 압축 성형하여 제조하게 되는데, 이와 같이 목질 속에 포함된 리그닌의 접착성을 이용한 우드펠릿의 제조방식은 가열온도 및 성형압력 등과 같은 성형조건을 갖추어 작업해야 함에 따라 성형작업에 많은 시간과 비용이 소요됨으로 인해 대량생산이 용이하지 못한 문제점이 있었다.

아울러, 이러한 목질 속에 포함된 리그닌의 접착성을 이용하여 우드펠릿을 성형하는 기존의 우드펠릿 제조방식은 목질 속에 리그닌 성분이 거의 남아 있지 않은 산업화 임목 폐기물, 피해목, 산업 가공폐목, 건설 폐목재, 생활 폐목재, 물류 유통 폐목재 등과 같은 저품위 폐목재를 이용한 우드펠릿의 제조에는 적용이 불가능하다는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제1165710호

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 목질 속에 리그닌 성분이 거의 남아 있지 않은 산업화 임목 폐기물, 피해목, 산업 가공폐목, 건설 폐목재, 생활 폐목재, 물류 유통 폐목재 등과 같은 저품위 폐목재를 이용하여 바이오매스 발전용 우드펠릿을 제조하되, 코크스분말 등과 같은 탄소원을 첨가하여 발전용 연료로서 발열량과 바이오 에너지 밀도를 향상시키는 동시에 피치 등과 같은 바인더를 첨가하여 기존의 우드펠릿 성형조건보다 훨씬 낮은 온도 및 압력으로 성형할 수 있게 하여 가공시 에너지 소비량을 대폭 절감할 수 있게 함으로써, 원료조달이 용이하고 원료구입비용이 적은 저품위 폐목재를 이용하여 바이오매스 발전에 적합한 우드펠릿을 보다 저렴한 비용으로 대량생산할 수 있게 하여 바이오매스 발전의 상용화를 촉진할 수 있도록 할 뿐만 아니라 우드펠릿의 연소 후 배출되는 회분까지도 토양 활성제 및 비료로 활용할 수 있도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 바이오매스 발전용 우드펠릿의 원재료인 저품위 폐목재를 준비하는 원재료 준비단계와, 상기 원재료 준비단계에서 준비된 폐목재를 1, 2차에 걸쳐 파쇄하여 20 ~ 150메시의 우드칩을 형성하는 파쇄단계와, 상기 파쇄단계를 거쳐 형성된 우드칩을 터널식 건조로에 통과시켜 함수율 15 ~ 30%로 건조시키는 건조단계와, 상기 건조단계를 거쳐 건조된 우드칩 50 ~ 80중량%에 코크스분말, 코크스 더스트, 흑연, 활성탄, 카본블랙 중에서 선택된 하나 이상의 탄소원 첨가제 10 ~ 50중량%와 피치, 타르, 전분, 물유리, 플라스틱, 폐식용유 중에서 선택된 하나 이상의 바인더 5 ~ 10중량%를 배합하는 배합단계와, 상기 배합단계를 거쳐 형성된 배합물을 95 ~ 105℃로 가열하여 물렁한 반죽상태로 형성하는 가열단계와, 상기 가열단계를 거쳐 물렁한 반죽상태로 형성된 배합물을 스크류식 압출성형기에 투입하여 가래떡과 같은 형태로 성형하는 성형단계와, 상기 성형단계를 거쳐 가래떡 형태로 성형된 성형물을 냉각시켜 경화시킨 후 상온에서 소정의 길이로 절단하여 우드펠릿을 형성하는 냉각 및 절단단계와, 상기 냉각 및 절단단계를 거쳐 형성된 우드펠릿을 스크린 형태의 선별기에 투입하여 미분을 걸러낸 후 일정한 중량으로 포장하는 선별 및 포장단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 저품위 폐목재를 이용한 바이오매스 발전용 우드펠릿의 제조방법에 의하면, 목질 속에 리그닌 성분이 거의 남아 있지 않은 산업화 임목 폐기물, 피해목, 산업 가공폐목, 건설 폐목재, 생활 폐목재, 물류 유통 폐목재 등과 같은 저품위 폐목재를 이용하여 바이오매스 발전용 우드펠릿을 제조하되, 코크스분말 등과 같은 탄소원을 첨가하여 발열량과 바이오 에너지 밀도를 향상시키는 동시에 피치 등과 같은 바인더를 첨가하여 기존의 우드펠릿 성형조건보다 훨씬 낮은 온도 및 압력으로 성형할 수 있게 되어 가공시 에너지 소비량을 대폭 절감할 수 있게 됨으로써, 원료조달이 용이하고 원료구입비용이 적은 저품위 폐목재를 이용하여 바이오매스 발전에 적합한 우드펠릿을 보다 저렴한 비용으로 대량생산할 수 있게 되므로 바이오매스 발전의 상용화를 촉진할 수 있게 될 뿐만 아니라 우드펠릿의 연소 후 배출되는 회분까지도 토양 활성제 및 비료로 활용할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 저품위 폐목재를 이용한 바이오매스 발전용 우드펠릿의 제조공정을 나타내는 블록도.

이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 도 1을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 저품위 폐목재를 이용한 바이오매스 발전용 우드펠릿의 제조방법은 원재료 준비단계(1), 파쇄단계(2), 건조단계(3), 배합단계(4), 가열단계(5), 성형단계(6), 냉각 및 절단단계(7), 선별 및 포장단계(8)를 포함하여 구성된다.

상기 원재료 준비단계(1)는 바이오매스 발전용 우드펠릿의 원재료인 저품위 폐목재를 준비하는 단계로서, 본 발명에 의한 바이오매스 발전용 우드펠릿의 제조방법에서는 주로 수입에 의존하고 있는 고급 톱밥을 사용하지 않고, 목질 속에 리그닌 성분이 거의 남아 있지 않은 산업화 임목 폐기물, 피해목, 산업 가공폐목, 건설 폐목재, 생활 폐목재, 물류 유통 폐목재 등과 같은 저품위 폐목재를 원재료로 사용하게 된다.

본 발명에 의한 바이오매스 발전용 우드펠릿의 제조방법에서 폐목재로서도 등급이 낮은 저품위 폐목재를 원재료로 사용하는 이유는, 원료 조달이 쉬울 뿐만 아니라 물량도 비교적 많으므로 원료 구입비용을 대폭 절감할 수 있기 때문이다.

상기 파쇄단계(2)는 상기 원재료 준비단계(1)에서 준비된 폐목재를 파쇄하는 단계로서, 상기 원재료 준비단계(1)에서 준비된 원재료인 폐목재를 1차, 2차에 걸쳐 파쇄하여 입자 크기가 20 ~ 150메시 정도가 되는 우드칩을 형성하게 된다.

상기 파쇄단계(2)에서 폐목재를 파쇄할 경우 20메시 이하로 미세하게 분쇄하면 성형단계(6)에서 더 유리할 수 있으나, 바이오매스 발전용으로는 대량생산이 요구될 뿐만 아니라 바인더를 투입하여 성형하게 되므로 기존의 우드필렛을 제조할 때보다 입자를 10배 이상 크게 분쇄해도 무방함을 밝혀둔다.

상기 건조단계(3)는 상기 파쇄단계(2)를 거쳐 형성된 우드칩을 건조시키는 단계로서, 상기 파쇄단계(2)를 거쳐 형성된 우드칩을 터널식 건조로에 통과시켜 함수율 15 ~ 30%로 건조시키게 된다.

상기 건조단계(3)를 거친 우드칩의 함수율을 15 ~ 30%로 한정한 이유는, 함수율이 15% 미만일 경우 건조작업에 많은 에너지가 소요되어 가공 비용이 증대되며, 함수율이 30%을 초과할 경우 발열량과 내구성이 현저히 저하되기 때문이다.

상기 배합단계(4)는 상기 건조단계(3)를 거쳐 건조된 우드칩에 탄소원 첨가제와 바인더를 일정 비율로 첨가하여 배합하는 단계로서, 상기 건조단계(3)를 거쳐 건조된 우드칩 50 ~ 80중량%에 탄소원 첨가제 10 ~ 50중량%와 바인더 5 ~ 10중량%를 배합하게 된다.

저품위 폐목재로 형성된 우드칩은 기존의 우드펠릿의 원재료인 톱밥보다 발열량이 낮아 그 자체만으로는 바이오매스 발전에 필요한 발열량을 충족시키기 어려우므로 발열량을 증대시키기 위한 탄소원이 반드시 첨가되어야 하는데, 탄소원의 첨가량은 상기 우드칩의 발열량 및 함수율에 따라 조절된다.

그리고, 상기 탄소원을 우드칩에 첨가하게 되면, 발전용 연료로서 발열량과 바이오 에너지 밀도를 향상시킬 수 있게 될 뿐만 아니라, 우드펠릿의 연소 후 배출되는 회분까지도 토양 활성제 또는 가리질 성분을 보충하는 비료로 활용할 수 있게 된다.

상기 탄소원 첨가제로는 코크스분말, 코크스 더스트, 흑연, 활성탄, 카본블랙으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 탄소원이 사용된다.

코크스분말은 점결탄의 고온 건류에 의해서 생기는 다공질 고체연료인 코크스를 분말화한 것으로, 주로 철강회사에서 제철용, 정련용, 주물용으로 사용된다.

코크스 더스트는 코크스 생산과정에서 발생되어 집진기에 의해 포집된 0.1mm이하 크기의 미세한 분체로서, 고정탄소 비율이 85% 이상이며 그 나머지는 무기산화물들로 이루어진 회분이므로, 야금도가니 등 산업적으로 이용되는 탄소질 성형체의 골재로서 별도의 가공 없이 단순건조 등을 거쳐 그대로 이용될 수 있다.

흑연은 소량의 무기물과 유기물이 포함되어 있으면서 산화적 환경에 노출되지 않고 접촉 변성작용 또는 광역 변성작용을 받아 생성된 사암, 셰일, 석탄, 석회암 등의 암석으로, 연필의 재료, 화학 공정에서의 내식성 기구의 재료, 주형의 재료로 사용되며, 매끄러운 성질 때문에 윤활제, 감마제로도 사용된다.

활성탄은 흡착성이 강하고, 대부분 구성물질이 탄소질로 된 물질로, 흡착제로 기체나 습기를 흡수시키는 데 또는 흡착제로 사용된다.

카본블랙은 흑색의 미세한 탄소분말인데 이른바 그을음에 상당하는 것으로, 탄소계 화합물의 불완소 연소로 생성되며, 주로 고무용이나 흑색안료용으로 사용된다.

그리고, 상기 바인더는 우드펠릿의 성형성을 증대시키기 위해 첨가되는 것으로, 피치, 타르, 전분, 물유리, 플라스틱, 폐식용유로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질이 사용된다.

피치는 원유나 식물에서 추출한 점탄성을 가진 고형 중합체로서, 원유에서 추출한 피치는 비투멘이라고 하며, 타르를 증류하여 얻어지는 흑색으로 광택이 있는 끈적끈적한 고형물질이다. 식물에서 추출한 피치는 수지이며, 휘발 성분이 증발하고 남은 것은 송진이다.

타르는 소나무의 뿌리나 나무에서 분해 증류에 의해 주로 만들어지는 변형된 수지로서, 끈끈한 검정색의 액체이다.

전분은 식물의 종자나 뿌리에 많이 포함되어 있으며, 고등식물의 세포에 있는 녹말의 결정이나 그것을 추출한 것을 일반적으로 녹말이라고 한다.

물유리는 규산나트륨 또는 가용유리라고 불리며, 무색에서 백색이나 회백색에 이르는 다양한 색을 가지며 유리와 비슷하지만 물에 용해되어 시럽 상태의 액체를 형성하는 수정처럼 생긴 덩어리로서, 압력 하에서 물과 함께 가열할 때 가장 잘 용해된다.

플라스틱은 합성수지라고 하며 열과 압력을 가해 성형할 수 있는 고분자화합물로서, 많은 종류가 있으며 열을 가해서 재가공이 가능한지에 따라서 열가소성수지와 열경화성수지로 구분되는데, 대부분의 플라스틱은 100℃로 가열될 때 녹거나 분해된다.

폐식용유는 지방산의 오존 산화에 의한 접착제로서, 수산화나트품에 의해 폐식용유를 지방산과 글리세롤로 분리하고 이 지방산을 오존산화시킴으로써 다량의 OH기가 생성되어 pMDI와 오존산화 지방산이 적극적으로 반응함으로써 접착력을 향상시킨 무공해 신 접착제이다.

상기 우드칩의 배합비율을 50 ~ 80중량%로 한정한 이유는, 우드칩의 배합비율이 50중량% 미만일 경우 탄소원의 배합비율이 증대되어 제조원가의 상승을 초래하게 되며, 배합비율이 80중량%를 초과할 경우 탄소원의 배합비율이 너무 낮아 바이오매스 발전에 필요한 발열량이 충분히 확보되지 않기 때문이다.

상기 탄소원 첨가제의 배합비율을 10 ~ 50중량%로 한정한 이유는, 탄소원 첨가제의 배합비율이 10중량% 미만일 경우 우드펠릿에서 차지하는 탄소원의 배합비율이 너무 적어 바이오매스 발전에 필요한 발열량이 충분히 확보되지 않으며, 배합비율이 50중량%을 초과할 경우 탄소원의 첨가량이 너무 많아져 제조원가의 상승을 초래하게 되기 때문이다.

상기 바인더의 배합비율을 5 ~ 10중량%로 한정한 이유는, 바인더의 배합비율이 5중량% 미만일 경우 성형시 충분한 결합력이 형성되지 않아 내구성이 현저히 저하되며, 배합비율이 10중량%을 초과할 경우 불연소물질로 인해 발열량이 저하되기 때문이다.

상기 가열단계(5)는 상기 배합단계(4)를 거쳐 형성된 배합물을 가열하여 물렁한 반죽상태로 형성하는 단계로서, 상기 배합단계(4)를 거쳐 형성된 배합물을 95 ~ 105℃의 온도범위로 가열하여 물렁한 반죽상태로 형성하게 된다.

이 때, 상기 가열단계(5)에서의 가열온도를 95 ~ 105℃로 한정한 이유는 점결제로 사용되는 바인더가 대부분 100℃ 내외에서 용융상태가 되기 때문이다.

상기 성형단계(6)는 상기 가열단계(5)를 거쳐 물렁한 반죽상태로 형성된 배합물을 성형하는 단계로서, 상기 가열단계(5)를 거쳐 물렁한 반죽상태로 형성된 배합물을 스크류식 압출성형기에 투입하여 가래떡과 같은 형태로 성형하게 된다.

상기 냉각 및 절단단계(7)는 상기 성형단계(6)를 거쳐 가래떡 형태로 성형된 성형물을 냉각 및 절단하여 우드펠릿을 형성하는 단계로서, 상기 성형단계(6)를 거쳐 가래떡 형태로 성형된 성형물을 송풍기에 의해 냉각시켜 경화시킨 후 상온에서 소정의 길이로 절단하여 우드펠릿을 형성하게 된다.

상기 선별 및 포장단계(8)는 상기 냉각 및 절단단계(7)를 거쳐 형성된 우드펠릿을 선별하여 포장하는 단계로서, 상기 냉각 및 절단단계(7)를 거쳐 형성된 우드펠릿을 스크린 형태의 선별기에 투입하여 미분을 걸러낸 후 일정한 중량으로 포장하게 된다.

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 저품위 폐목재를 이용한 바이오매스 발전용 우드펠릿의 제조방법에 의하면, 목질 속에 리그닌 성분이 거의 남아 있지 않은 산업화 임목 폐기물, 피해목, 산업 가공폐목, 건설 폐목재, 생활 폐목재, 물류 유통 폐목재 등과 같은 저품위 폐목재를 이용하여 바이오매스 발전용 우드펠릿을 제조하되, 코크스분말 등과 같은 탄소원을 첨가하여 발열량과 바이오 에너지 밀도를 향상시키는 동시에 피치 등과 같은 바인더를 첨가하여 기존의 우드펠릿 성형조건보다 훨씬 낮은 온도 및 압력으로 성형할 수 있게 되어 가공시 에너지 소비량을 대폭 절감할 수 있게 됨으로써, 원료조달이 용이하고 원료구입비용이 적은 저품위 폐목재를 이용하여 바이오매스 발전에 적합한 우드펠릿을 보다 저렴한 비용으로 대량생산할 수 있게 되므로 바이오매스 발전의 상용화를 촉진할 수 있게 될 뿐만 아니라, 우드펠릿의 연소 후 배출되는 회분까지도 토양 활성제 및 비료로 활용할 수 있게 된다.

1 : 원재료 준비단계
2 : 파쇄단계
3 : 건조단계
4 : 배합단계
5 : 가열단계
6 : 성형단계
7 : 냉각 및 절단단계
8 : 선별 및 포장단계

Claims

바이오매스 발전용 우드펠릿의 원재료인 저품위 폐목재를 준비하는 원재료 준비단계와,
상기 원재료 준비단계에서 준비된 폐목재를 1, 2차에 걸쳐 파쇄하여 20 ~ 150메시의 우드칩을 형성하는 파쇄단계와,
상기 파쇄단계를 거쳐 형성된 우드칩을 터널식 건조로에 통과시켜 함수율 15 ~ 30%로 건조시키는 건조단계와,
상기 건조단계를 거쳐 건조된 우드칩 50 ~ 80중량%에 코크스분말, 코크스 더스트, 흑연, 활성탄, 카본블랙 중에서 선택된 하나 이상의 탄소원 첨가제 10 ~ 50중량%와 피치, 타르, 전분, 물유리, 플라스틱, 폐식용유 중에서 선택된 하나 이상의 바인더 5 ~ 10중량%를 배합하는 배합단계와,
상기 배합단계를 거쳐 형성된 배합물을 95 ~ 105℃로 가열하여 물렁한 반죽상태로 형성하는 가열단계와,
상기 가열단계를 거쳐 물렁한 반죽상태로 형성된 배합물을 스크류식 압출성형기에 투입하여 가래떡과 같은 형태로 성형하는 성형단계와,
상기 성형단계를 거쳐 가래떡 형태로 성형된 성형물을 냉각시켜 경화시킨 후 상온에서 소정의 길이로 절단하여 우드펠릿을 형성하는 냉각 및 절단단계와,
상기 냉각 및 절단단계를 거쳐 형성된 우드펠릿을 스크린 형태의 선별기에 투입하여 미분을 걸러낸 후 일정한 중량으로 포장하는 선별 및 포장단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저품위 폐목재를 이용한 바이오매스 발전용 우드펠릿의 제조방법.
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