KR101705612B1

KR101705612B1 - 커피부산물을 이용한 고형 연료의 제조방법

Info

Publication number: KR101705612B1
Application number: KR1020150142904A
Authority: KR
Inventors: 나용훈
Original assignee: 나용훈
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-02-10

Abstract

본 발명은 커피 부산물을 이용한 고형연료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 커피 부산물을 분쇄하여 커피 부산물 분말을 형성하는 단계; 상기 커피 부산물 분말을 건조하는 1차 건조단계; 상기 1차 건조된 커피 부산물 분말을 탄화시켜 탄화된 커피 부산물 분말을 형성하는 단계; 상기 탄화된 커피 부산물 분말에 바인더, 연소개시제 및 조향제를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 압축성형하여 압축성형물을 형성하는 단계; 및 상기 압축성형물을 건조하는 2차 건조단계;를 포함한다.

Description

커피부산물을 이용한 고형 연료의 제조방법{Method for manufacturing solid fuel using coffee by-products}

본 발명은 커피부산물을 이용한 고형 연료의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 구이용으로 사용되는 숯의 경우, 참숯과 성형탄으로 분류될 수 있는데, 상기 참숯은 나무 원목을 통째로 숯가마에 넣고 열분해를 통해 생산하고, 대부분 인테리어용이나 고급 식당, 호텔 등으로 판매되고 있으며, 상기 성형탄은 건설현장의 폐목이나 합판 등을 재활용 목적으로 톱밥으로 만들어 고온·고압으로 성형한 연료로서, 상기 성형탄의 낮은 품질을 보완하고자 중금속이나 유해물질이 함유된 화학약품을 첨가하여 제조하고 있다. 우리나라의 경우, 참숯의 공급 제한으로 인해 중국, 인도네시아 등지에서 수입한 저가의 성형탄을 주로 사용하는데, 수입산 성형탄의 경우 수입업자의 원산지 품목 표지만 관리되고, 제품 품질과 관련된 관리기준이 미흡하여 제도운영이 이루어지지 않고 있으며, 특히 폐목이나 합판에 함유된 비소, 수은, 납, 크롬, 안티몬, 바륨과 같은 유해중금속과 다이옥신이나 벤조피렌과 같은 유기성휘발물질(VOCs)은 성형탄 품질등급기준에조차 반영되지 못하는 상태여서 인체안전성이 매우 낮은 구이용 저질 성형탄이 전국에 유통되고 있는 실정이다.

한편, 종래 커피제조회사에서는 커피음료 등을 제조한 후 국내에서만도 연간 수십 만톤(ton) 이상의 커피 부산물이 발생하게 되는데, 상기 커피부산물은 식물세포 조직의 특성상 통기성이 뛰어나며, 입도분포가 균일하고, 15 ~ 25%의 커피오일이 함유되어 있으며, 그 고형분은 고열량을 가진 에너지 자원이나 일부만 유기질 비료의 원료로 사용되고 대부분은 일반 쓰레기와 같이 소각되거나 매립처리 되고 있는 실정이다.

이에 최근 들어 커피 부산물을 고형 연료로 이용하려는 시도가 이루어지고 있다. 하지만, 이미 알려져 있는 커피 부산물을 이용한 고형 연료의 경우 커피부산물을 건조시키고, 건조된 커피 부산물에 첨가제를 혼합한 후 압축성형하여 고형연료를 제조하고 있으나, 이렇게 제조된 고형연료는 커피 부산물 내에 함유된 수분, 특히 커피 부산물 입자 내부의 간극수까지 충분히 제거되지 않은 상태로 제조되기 때문에 대체 연료로서의 발열량을 기대할 수 있는 수준에 미치지 못하는 문제가 있다.

또한, 기존의 커피 부산물을 이용한 고형연료의 경우, 실제 연소 시 기대했던 만큼 커피향이 발산되지 않아, 연소시 커피향이 발산되는 고 부가가치의 프리미엄 고형연료 제품으로 판매할 정도에는 미치지 못하는 한계가 있다.

나아가, 기존의 커피 부산물을 이용한 고형연료는 장기간 보관할 경우 공기 중의 수분이 다공성의 연료 내로 유입되어 고형연료의 발열량이 점차적으로 떨어지게 되는 취약한 보존성을 보이고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 기존의 커피 부산물을 이용한 고형연료에 비해 발열량이 높으면서, 커피향이 강하게 발산되며, 보존성이 우수한 커피 부산물을 이용한 고형연료의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 커피 부산물을 이용한 고형연료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 커피 부산물을 분쇄하여 커피 부산물 분말을 형성하는 단계; 상기 커피 부산물 분말을 건조하는 1차 건조단계; 상기 1차 건조된 커피 부산물 분말을 탄화시켜 탄화된 커피 부산물 분말을 형성하는 단계; 상기 탄화된 커피 부산물 분말에 바인더, 연소개시제 및 조향제를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 압축성형하여 압축성형물을 형성하는 단계; 및 상기 압축성형물을 건조하는 2차 건조단계;를 포함한다.

본 발명에 의하면, 탄화 공정을 통해 커피 부산물 분말의 내부간극수까지 충분히 제거할 수 있기 때문에 기존의 커피 부산물을 이용한 고형연료에 비해 높은 발열량을 가지는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 커피 원두 분말을 첨가제로 첨가함으로써 커피향이 강하게 발산되며, 압축성형 후 2차 건조공정을 통해 고형연료 표면에 수분 차단 피막을 형성함으로써 우수한 보존성을 가지는 효과가 있다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명에서 상기 커피 부산물은 원두커피를 가공하고 남은 찌꺼기로서, 상기 커피 부산물은 식물성인 원두커피를 일정온도 이상으로 가열하고 잘게 파쇄한 분말에서 커피 원액을 추출하고 남은 찌꺼기이므로, 식물의 주성분인 리그린(lignin), 셀룰로즈(cellulose) 등을 포함하는 다공성 물질이다. 즉, 커피 부산물은 식물세포 조직의 특성상 통기성이 뛰어나고, 일정한 압축 성형을 통해 일정시간 이상 지속적인 발열이 가능하게 된다. 다만, 상기 커피 부산물은 커피음료 등을 제조하고 난 후 남는 찌꺼기이므로 약 80% 이상의 수분을 함유하고 있으며, 따라서 커피 부산물을 이용하여 고형연료를 제조하기 위해서는 상기 커피 부산물의 전체 수분함량을 10% 미만으로 낮추는 것이 중요하다.

본 발명에서 상기 커피 부산물 분말을 형성하는 단계는 수집된 커피 부산물을 분쇄하여 입경이 고른 분말 형태로 형성하는 단계로서, 일반적으로 커피 부산물은 덩어리 형태와 가루 형태가 혼재하고 있기 때문에, 후속 공정인 커피 부산물 입자의 내부간극수 제거를 위한 탄화 공정의 효율을 높이기 위해서는 수집된 커피 부산물을 분쇄하여 입자의 크기를 고르게 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 1차 건조단계는 분쇄과정을 거쳐 분말화 된 커피 부산물의 입자의 표면에 존재하는 표면수를 제거하는 단계로서, 상기 1차 건조단계의 건조 온도 및 건조 시간은 특별히 제한적인 것은 아니나, 100 내지 110℃의 온도에서 1 내지 4시간 동안 건조하는 것이 커피 부산물 분말 입자의 표면수의 효율적인 제거를 위해 바람직하다. 상기 1차 건조단계의 건조방법은 본 발명의 커피 부산물 입자에 적용가능한 통상적인 건조방법이라면 어떠한 방법이라도 가능하다.

본 발명에서 상기 탄화된 커피 부산물 분말을 형성하는 단계는 1차 건조된 커피 부산물 분말을 탄화시키는 단계로서, 커피 부산물의 경우 주요성분 중 셀룰로즈(cellulose)와 헤미셀룰로즈(hemicellurose)가 흡습성을 가지고 있기 때문에 커피 부산물 입자의 공극에 수분이 내부간극수 형태로 포함되어 있고, 이와 같이 내부간극수 형태로 존재하는 수분은 통상적인 건조 공정만으로는 제거가 잘 되지 않으며, 내부간극수의 제거가 충분히 이루어지지 않은 커피 부산물을 이용하여 고형연료를 제조하게 되면 열량이 현저히 저하되는 문제가 발생하기 때문에 본 발명에서는 이러한 커피 부산물 입자에 잔존하는 내부간극수를 제거하기 위해 건조 공정 이후에 탄화 처리를 추가로 하는 것을 특징으로 한다.

상기 탄화 공정은 폐쇄된 계(system)에서 고온과 무산소 상태의 환경에서 이루어진다.

본 발명에서 상기 1차 건조된 커피 부산물 분말은 탄화 과정을 거치면서, 커피 부산물 입자 내부의 간극수까지 제거되며, 뿐만 아니라 커피 부산물에 함유되어 있는 흡습성 성분인 셀룰로즈(cellulose)와 헤미셀룰로즈(hemicellurose)를 열분해하기 때문에 더 이상의 수분 흡수를 최소화할 수 있게 한다. 또한, 상기 커피 부산물에 함유되어 있는 산소 분자는 이 후 고형연료의 발열량을 낮추는 요인이 될 수 있으나, 본 발명에서는 상기의 탄화과정을 통해 커피 부산물 내의 산소를 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO₂)의 형태로 제거함으로써 탄소 성분의 증가와 고형연료의 발열량 상승효과 또한 기대할 수 있다.

본 발명에서 상기 탄화공정은 450 내지 700℃ 온도에서 0.5 내지 2 시간동안 진행되는 것이 바람직하다. 이는 상기 탄화공정이 450℃ 보다 낮은 온도에서 이루어지게되면 커피 부산물 입자에 함유된 셀룰로즈(cellulose)와 헤미셀룰로즈(hemicellurose)가 충분히 열 분해되지 않는 문제가 있고, 700℃ 보다 높은 온도에서 이루어지면 커피 부산물 내 포함된 리그닌 성분이 지나치게 많이 파괴되어 고형연료의 연소 효율이 지나치게 떨어지고, 고형연료 내 탄소 함량은 증가하는 대신 고형연료의 수율이 지나치게 낮아지는 문제가 발생하기 때문이다.

본 발명에서 상기 혼합물을 형성하는 단계는 탄화된 커피 부산물 분말에 기능성 첨가제를 혼합하는 단계로서, 본 발명에서는 상기 첨가제로 연소개시제, 바인더 및 조향제를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 첨가제 중 연소개시제는 탄화된 커피 부산물을 이용하는 본 발명의 고형연료의 경우 발화점이 높아 쉽게 발화되지 않는 문제가 있기 때문에 이를 보완하여 좀 더 발화가 용이하게 일어날 수 있도록 하기 위해 첨가하는 것으로, 상기 연소개시제로는 톱밥, 파쇄된 종이 및 알콜류 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.

상기 첨가제 중 바인더는 상기 연소개시제와 탄화된 커피 부산물을 균질하게 혼합하기 위해 필요한 것으로, 본 발명에서 사용될 수 있는 바인더의 종류로는 칼슘 파우더, 실리카 파우더 및 식물성 오일 중 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.

상기 첨가제 중 조향제는 본 발명의 고형연료를 연소시킬 때 커피향이 강하게 발산되도록 하기 위하여 첨가하는 것으로, 상기 조향제로는 커피 원두를 분쇄한 커피 원두 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 커피 원두는 아라비카, 로부스타 등 다양한 향을 가진 원두를 사용할 수 있으며, 사용되는 원두의 종류에 따라 고형연료에서 발산되는 향이 차이가 나게 되어, 사용자로 하여금 선호하는 향을 발산하는 고형연료 제품을 선택해서 사용할 수 있도록 할 수 있다.

삭제

본 발명에서 상기 압축성형물을 형성하는 단계는 상기 혼합물을 압축성형하여 고형연료의 형상으로 성형하는 단계로서, 압축 성형 시의 압력은 고형연료에 충분한 내구성을 부여하기 위하여 100 ~ 400 kg/cm²인 것이 바람직하며, 상기 압축성형물의 형상은 특별히 한정적이지 않으며, 구형, 원기둥 형, 사각기둥 형 등 다양한 형상이 가능하다.

본 발명에서 상기 2차 건조단계는 성형단계를 거친 압축성형물의 표면에 압축성형물에 함유되어 있는 바인더 중 일부가 피막을 형성하도록 유도하기 위한 것으로서, 본 발명의 고형연료는 상기 2차 건조단계를 거쳐 표면에 칼슘, 실리카, 식물성 오일 또는 이들의 혼합물로 이루어진 바인더 층의 피막이 형성되어 고형연료 내로 외부 수분 유입을 차단할 수 있으며, 이에 따라 제품의 보관성을 높일 수 있는 효과가 있다. 상기 2차 건조단계의 건조 조건은 특별히 제한적인 것은 아니나, 20 내지 60℃의 온도에서 2 내지 4시간 동안 건조하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 양태는 상기의 제조방법에 의해 제조되는 커피 부산물을 이용한 고형연료에 관한 것으로, 본 발명에 따른 커피 부산물을 이용한 고형연료는 기존의 커피 부산물을 이용한 고형연료에 비해 발열량이 높으면서, 커피향이 강하게 발산되며, 보존성이 우수하다.

이하, 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 설명하도록 한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 지나지 않으며 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.

실시예 : 커피 부산물을 이용한 고형연료의 제조

우선, 수집한 커피 부산물(아라비카종과 로브스타종이 7:3 비율로 혼합된 커피 찌꺼기 사용)을 분쇄기로 고르게 분쇄하여 커피 부산물 분말을 제조한 후, 상기 제조된 커피 부산물 분말을 100℃에서 3시간 동안 건조하여 커피 부산물 분말의 표면수를 충분히 제거해 주었다(1차 건조 단계).

다음으로, 상기 건조된 커피 부산물 분말을 탄화 장치의 탄화실에 투입한 후, 밀폐된 상태로 500℃에서 1시간 동안 탄화시켜 커피 부산물 분말 입자의 내부간극수가 제거된 탄화된 커피 부산물을 제조하였다.

다음으로, 상기 탄화된 커피 부산물 분말에 바인더, 연소개시제 및 조향제를 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 여기서 상기 바인더는 식물성 오일을, 상기 연소개시제는 톱밥을, 상기 조향제는 분쇄된 커피 원두 분말(아라비카 종)을 사용하였으며, 함량비율은 혼합물 전체 중량 대비 탄화된 커피 부산물 분말 92 중량%, 식물성 오일 6 중량%, 톱밥 1 중량% 및 커피 원두 분말 1 중량%로 하였다.

상기의 혼합물을 압축성형장치에 투입하여 300 kg/cm²의 압력으로 압축성형한 후, 50℃의 온도에서 3 시간 동안 건조하여 본 발명에 따른 고형연료를 제조하였다.

비교예 1

커피 부산물 분말을 1차 건조 후 탄화과정을 거치지 않는 것을 제외한 나머지 조건은 상기 실시예와 동일한 조건으로 하여 고형연료를 제조하였다.

비교예 2

탄화된 커피 부산물 분말에 커피 원두 분말을 첨가제로 넣지 않는 것을 제외한 나머지 조건은 상기 실시예와 동일한 조건으로 하여 고형연료를 제조하였다.

실험예 1 : 발열량 측정

상기 실시예 및 비교예 1의 고형연료에 대해 칼로리메터 (Calorimeter; LECO AC-350)를 사용하여 발열량을 측정하였으며, 측정 결과는 아래 표 1과 같다.

측정 대상	실시예	비교예 1
발열량 (Kcal/kg)	5270	4010

상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 고형연료는 탄화공정을 거치지 않은 비교예 1의 고형연료에 비해 발열량이 훨씬 높음을 알 수 있다.

실험예 2 : 커피 향 측정

상기 실시예 및 비교예 2의 고형연료를 연소시키면서, 일반인 20명을 대상으로 커피 향의 강도(5점: 매우 강함, 4점 : 약간 강함, 3점 : 보통, 2점 : 약함, 1점 : 매우 약함)에 대해 평가를 한 후 평균을 낸 결과 아래 표 2에 나타난 바와 같았다.

측정 대상	실시예	비교예 2
커피 향의 강도	4.25	1.5

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예가 커피 원두 분말을 첨가제로 첨가하지 않은 비교예 2에 비해 상대적으로 훨씬 강한 커피 향이 느껴지는 것을 알 수 있다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

커피 부산물을 분쇄하여 커피 부산물 분말을 형성하는 단계;
상기 커피 부산물 분말을 100 내지 110℃의 온도에서 1 내지 4시간 동안 건조하는 1차 건조단계;
상기 1차 건조된 커피 부산물 분말을 450 내지 700℃ 온도에서 0.5 내지 2 시간 동안 탄화시켜 탄화된 커피 부산물 분말을 형성하는 단계;
상기 탄화된 커피 부산물 분말에 칼슘 파우더, 실리카 파우더 및 식물성 오일 중 어느 하나 이상인 바인더,
톱밥, 파쇄된 종이 및 알콜류 중 어느 하나 이상인 연소개시제 및
커피 원두 분말인 조향제를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
상기 혼합물을 압축성형하여 압축성형물을 형성하는 단계; 및
상기 압축성형물을 20 내지 60℃의 온도에서 2 내지 4시간 동안 건조하는 2차 건조단계;를 포함하는 커피 부산물을 이용한 고형연료의 제조방법.
삭제
삭제
제 1항에 있어서,
상기 연소개시제는 톱밥, 파쇄된 종이 및 알콜류 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 커피 부산물을 이용한 고형연료의 제조방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 조향제는 커피 원두를 분쇄한 커피 원두 분말인 것을 특징으로 하는 커피 부산물을 이용한 고형연료의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 혼합물을 형성하는 단계는 혼합비율이 혼합물 전체 중량 대비 탄화된 커피 부산물 분말 92 중량%, 바인더 6 중량%, 연소개시제 1 중량%, 조향제 1 중량%인 것을 특징으로 하는 커피 부산물을 이용한 고형연료의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 압축성형물을 형성하는 단계는 100 ~ 400 kg/cm²의 압력으로 압축성형하는 것을 특징으로 하는 커피 부산물을 이용한 고형연료의 제조방법.
삭제
제 1항, 제4항, 제6항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는 커피 부산물을 이용한 고형연료.