KR101722114B1 - 김 폐기물을 이용한 고체 연료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우리나라에 풍부한 해조류 중 하나인 김 폐기물을 이용하여 고체 연료를 제조하는 방법에 관한 것으로, 김 폐기물을 건조하는 단계; 상기 건조된 김 폐기물을 탄화시키는 단계; 상기 탄화된 김 폐기물을 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 김 폐기물을 바인더 및 유화제를 포함하는 연료 제조용 첨가제와 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및 상기 성형물을 수분 함량이 0.01~10 중량%로 되도록 건조하는 단계를 포함한다.

Description

김 폐기물을 이용한 고체 연료의 제조방법{Manufacturing method of solid fuel using laver waste}

본 발명은 폐기 처리되는 김을 이용한 고체 연료의 제조방법 및 그로부터 제조되는 고체 연료에 관한 것이다.

화석연료 자원의 고갈에 대비해 이를 대체할 수 있는 바이오매스(Biomass)에 대한 연구 개발이 증가하고 있다. 바이오매스는 에너지원으로 이용되는 식물, 미생물 등의 생물체를 이르는 말로, 예를 들면, 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 목재, 쓰레기, 곡물, 농업 부산물 등이 있다. 이와 같은 바이오매스 자원은 에너지 및 환경 문제를 해결할 현실적 대안으로 부각되고 있다.

이러한 바이오매스는 에너지원으로 사용하기 위해, 폐유, 폐제지 슬러지 등과 혼합하여 성형한 고체 연료 형태로 제조되고 있다. 종래 고체연료는 수분 함량이 높아서, 연소 시 발열량이 낮고, 내구성이 양호하지 못하여 보관 및 취급이 어려운 문제점이 있다. 또한, 원료로서 폐유 등을 사용함에 따라 필연적으로 악취가 심하게 발생하는 문제점이 있다.

[특허문헌 1] 한국공개특허 공보 제10-2009-0045161호 [특허문헌 2] 일본공개특허 공보 평2001-214173호

이에 본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 해조류인 김으로부터 유용한 성분을 추출한 후에 폐기되는 김을 재활용하여 고체 연료를 제조하는 방법 및 그에 의해 제조된 고체 연료를 제공하려고 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 고체연료의 원료인 김 폐기물을 건조하는 단계; 상기 건조된 김 폐기물을 탄화시키는 단계; 상기 탄화된 김 폐기물을 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 김 폐기물을 바인더 및 유화제를 포함하는 연료 제조용 첨가제와 혼합하여 원료 조성물을 제조하는 단계; 상기 원료 조성물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및 상기 성형물을 수분 함량이 0.01~10 중량%가 되도록 건조하는 단계를 포함하는 김 폐기물을 이용하여 고체 연료를 제조하는 방법을 제공한다.

바람직하게는, 원료로 사용되는 김 폐기물은 수분 함량이 0.1~80 중량% 이하이다.

바람직하게는, 탄화는 400~500℃의 온도로 직접 가열하여 실시한다.

바람직하게는, 원료 조성물은 분쇄된 김 폐기물:전분:세틸알콜:프로필렌 글리콜:톱밥을 3:2:0.8:0.2:0.5의 중량비로 이루어진 것이다.

바람직하게는, 성형물은 구형, 원기둥형, 다각기둥형, 연탄 형상, 조개탄 형상 또는 펠렛 형상이다.

본 발명은 화장료 원료로서 유용 성분을 추출한 후 버려지는 김 폐기물을 이용한 고체연료 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 자원 재활용의 효과가 있다.

본 발명에 따른 고체연료는 연소율 및 효율이 우수하며, 저위발열량은 5060kcal/kg으로, 고체연료가 가져야 할 법제상의 조건을 충족한다.

또한, 친환경 소재를 이용하여, 연소 시 배출되는 금속성분은 수은 0.0mg/kg, 비소 0.8mg/kg, 카드뮴 1.3mg/kg, 납 0.7mg/kg, 크롬 1.2mg/kg으로 고체연료가 가져야 할 법제상의 조건(수은 1.20mg/kg 이하, 비소 13.0mg/kg 이하, 카드뮴 9.0mg/kg 이하, 납 200.0mg/kg 이하, 크롬 30.0mg/kg 이하)을 용이하게 만족한다. 또한, 본 발명에 따른 고체연료는 염소농도 0.05%로 고형연료제품 염소농도 기준 1등급에 속한다.

도 1은 본 발명의 김 폐기물을 이용하여 고체 연료를 제조하는 방법을 간략하게 나타낸 공정 흐름도로, 김 폐기물을 건조, 탄화, 분쇄, 혼합, 성형 및 건조로 이어지는 공정을 통해 고체 연료로 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 김 펠렛 연료를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명에 따라 탄화 공정을 거친 경우(실험예 1)와 거치지 않은 경우(실험예 2)에 따른 고체 연료의 연소 지속성 실험 결과를 나타낸 온도 변화 그래프이다.
도 4는 실험예 3 ~ 7에서, 김 폐기물 원료를 포함하는 고체 연료의 원료 조성을 만족하는 경우와 만족하지 않는 경우에 따른 고체 연료의 연소 지속성 실험 결과를 나타낸 온도 변화 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 김 펠렛 연료와, 비교예로서 시중에 판매되는 숯(B사 제조 참숯)의 연소 지속성 실험 결과를 나타낸 온도 변화 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 김 펠렛 연료와 비교예인 시중에 판매되고 있는 숯의 연소 전후 상태를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 김 펠렛 연료의 품질을 평가하기 위해, 한국화학융합시험연구원장에 의뢰하여 연소 시 배출 성분 및 저위발열량 등에 대해 분석한 결과, 얻어진 시험성적서이다.

이하, 본 발명을 도면 및 실시예와 함께 상세히 설명한다.

본 발명은 고체 연료의 원료로 우리나라 해안에 풍부한 해조류 중 하나인 김을 이용한다. 김(Laver, Porphyra)은 단백질, 비타민B, 섬유질, 미네랄 등이 풍부하여 우수한 식재료로 활용되고 있다. 또한 피부에 영양을 주고 피부 트러블 예방을 위해 활용되며, 피부 컨디션 변화, 항산화 효과, 피부 세포 보호 등에 효과가 있는 천연물로서 보고되고 있다. 특히 김에 포함된 아미노산 중 타우린은 세포의 수분 공급과 단백질 합성을 촉진시켜 피부 회복력을 높이며, 또 다른 아미노산인 알라닌은 체내에서 카르노신 성분을 형성하여 미세순환과 새로운 혈관 생성을 촉진하므로 피부 항상성 유지를 위한 화장료 원료로도 이용되고 있다.

김으로부터 화장료 원료를 추출하는 과정에서 다량의 김이 폐기물로서 버려지게 된다. 따라서 본 발명은 이렇게 환경 폐기물로 버려지는 김을 유용한 자원으로 재활용할 수 있도록, 고체 연료로 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 고체 연료를 제조하는 방법은 김 폐기물을 건조하는 단계; 상기 건조된 김 폐기물을 탄화시키는 단계; 상기 탄화된 김 폐기물을 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 김 폐기물을 바인더 및 유화제를 포함하는 연료 제조용 첨가제와 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및 상기 성형물을 건조하는 단계를 포함한다.

각 단계에 대해 상세히 설명한다.

1. 건조 공정

김 가루를 증류수 중에서 중탕 및 가열하여 화장료로서 유용한 성분을 추출하고 남아 있는 김 폐기물을 수집한다. 건조 효율을 높이기 위해서, 탈수 장비를 이용하여 수집된 김 폐기물의 수분 함량을 80 중량% 이하로, 바람직하게는 30 중량% 이하로 조절하여 건조기에 공급한다. 건조는 김 폐기물의 수분 함량이 거의 0%로 되도록 완전히 건조하는 것이 바람직하다. 수분 함량이 낮을수록 다음 단계인 탄화 공정이 수월하게 이루어진다. 건조는 건조 시간을 단축하고, 탄화 공정의 용이성을 위해, 가급적 최대한 얇게 판상으로 펼친 후 건조시키는 것이 바람직하다. 건조는 진공 건조, 열풍건조, 자연건조 등의 다양한 방법으로 수행될 수 있다.

2. 탄화 공정

건조된 김 폐기물을 탄화시키는 공정이다. 탄화 공정은 크게 직접식과 간접식이 있다. 간접식은 탄화 공정 중에 탄화 대상에 직접 열을 가하지 않고, 탄화 대상이 이미 보유한 열을 이용하여 밀폐 저장조에서 자연탄화하는 방식으로, 이때 마찰열이 부족하면 열을 직접 가해주어야 하는데, 이러한 방법은 공정이 복잡해지고 비용이 증가하는 단점이 있다. 본 발명은 간접식이 아닌 직접식 탄화 공정으로 탄화시키는 것으로, 진공 또는 통기가 되지 않는 밀폐된 공간에서 직접 열을 가하여 탄화되게 하는 것이 바람직하다. 탄화 공정을 고체 연료로 성형하기 전의 원료 상태에서 직접식으로 실시하므로, 공정이 단순하고 적은 열로도 탄화가 가능한 장점이 있다. 탄화 온도는 400~500℃ 범위가 바람직하다.

탄화 공정을 거치게 되면, 원료의 수분 함량을 낮출 수 있고, 연료 무게를 저감할 수 있으며, 부분적인 탄소화에 의한 탄소 함량의 증가로 발열량이 증가하고, 또한, 김 폐기물에서 발산되는 악취가 감소하는 효과가 있다. 또, 이어지는 분쇄 공정을 용이하게 해준다. 분쇄 공정은 김 폐기물을 그대로 성형체로 제조하는 경우보다 균질한 성상의 성형체 제조가 가능하게 하여, 연소 효율을 높일 수 있다. 또한, 고체연료의 주 원료인 김 폐기물만을 미리 탄화시켜, 성형체를 탄화하는 경우에 비해 탄화 공정에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다.

3. 분쇄 공정

탄화된 판상의 김 폐기물을 분쇄기로 분쇄하여, 숯가루 형태의 김 폐기물(CP)을 제조한다. 분쇄는 통상의 분쇄기를 이용할 수 있으며, 가루의 입도는 크게 제한되지 않는다. 분쇄 공정은 김 폐기물을 그대로 성형체로 제조하는 경우에 비해 균질한 성상의 성형체를 제조할 수 있게 하여, 연소 효율을 향상할 수 있다.

4. 혼합 공정

분쇄된 김 폐기물을 고체 연료 제조를 위해 바인더, 유화제 등의 원료 조성물과 혼합한다. 본 발명에서는 연소로 인해 발생하는 유해 성분을 최소화할 수 있도록, 바인더로 전분, 유화제로 세틸알콜, 용제로 프로필렌글리콜, 성형성 및 에너지 효율 향상을 위해 톱밥을 혼합한다. 각 성분들의 혼합 비율은 김 폐기물:전분:세틸알콜:프로필렌글리콜:톱밥을 중량비로 3:2:0.8:0.2:0.5가 되게 하는 것이 바람직하다. 성형성을 높이기 위해 증류수(Distilled Water)를 첨가하고, 혼합기로 잘 혼합한다.

5. 성형 공정

상기와 같이 혼합된 혼합물을 성형기에 투입하여 고체 또는 반고체 상태의 성형체(도 1의 (A))로 성형한다. 상기 성형체는 압출 성형 또는 사출 성형 등을 통해 얻을 수 있으며, 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 구형, 원기둥형 및 삼각기둥형, 사각기둥형, 육각기둥형 등의 다각기둥형 형상을 가질 수 있다. 또한, 성형체는 통상의 연탄이나 조개탄 등의 형상을 가질 수도 있다. 또한, 성형체는 바람직하게는 고체 연료의 일반적 형상인 펠릿(pellet) 형상을 가진다.

6. 건조 공정

상기 성형단계를 통해 성형된 성형체(도 1의 (A))는 고체 연료(도 1의 (B))로서 완전하게 건조된 상태가 아니므로, 건조 공정을 더 거쳐 고체 연료로 제조된다. 건조 공정을 통해 성형체의 수분 함량을 전체 성형체 중량에 대해 10 중량% 이하, 구체적으로는 수분 함량이 0.01~10 중량%가 되도록 건조한다. 이를 통해서 고체 연료로서 요구되는 함수율을 만족할 수 있으며, 바람직한 발열량을 제공할 수 있다. 건조는 진공 건조, 열풍건조, 자연건조 등의 다양한 방법으로 수행될 수 있다.

실험예

본 발명에 따른 고체 연료 제조방법의 최적 조건을 검토하기 위해, 탄화 공정 유무에 따른 연소율 및 연료의 효율성 실험과, 고체 연료를 구성하는 조성 성분에 따른 연소율 및 연료의 효율성 실험을 실시하였다.

연소율은 고체 연료의 연소 전/후 질량의 변화량으로 평가하였다. 연료의 효율성을 평가하기 위해, 하기 방법으로 평가하였으며, 결과를 고체 연료의 질량당 발생한 열 에너지로 나타내었다.

<연료의 효율성 평가 방법>

연료에 의한 에너지가 모두 물을 가열시키는데 사용되었다고 한다면, 그 물이 받은 열에너지가 연료의 연소에 의해 발생한 에너지라고 할 수 있다. 따라서 열에너지와 연료의 에너지를 하기 식과 같이 계산하였다.

(1) 열에너지 Q[cal]=c·m·△t

c: 비열[cal/g·℃] → 물의 비열=1cal/g·℃=4186J/kg·℃

m: 질량[g] → 물의 밀도≒1.0g/ml ∴1g≒1ml

△t: 온도 변화량[℃]

(2) 연료의 에너지[cal/g]=열 에너지/연료의 질량

1. 탄화 공정 유무에 따른 연소율 및 연료 효율성 평가

건조, 탄화 및 분쇄 공정을 거친 김 폐기물과 전분을 3:2의 중량비로 혼합하여 김 펠렛 연료를 제조한 것과(실험예 1), 탄화 공정을 거치지 않은 김 폐기물과 전분을 실험예 1과 동일한 3:2의 중량비로 혼합하여 김 펠렛 연료를 제조한 것을(실험예 2) 비교 실험하였다.

실험예 1 및 실험예 2에서 각각 제조한 김 펠렛 연료 50g으로 물 200ml를 가열하여, 연소율 및 연료 효율성을 상기한 방법에 따라 평가하였다. 그 결과를 하기 표 1, 표 2 및 도 3에 나타내었다. 표 1 및 도 3은 연소 동안 물의 온도 변화를 나타낸 것으로, 탄화 공정을 거친 실험예 1의 김 펠렛 연료가 실험예 2의 연료에 비해, 물의 온도 상승량 및 상승 속도가 매우 높게 나타났으며, 결과적으로, 표 2에 나타낸 바와 같이 실험예 1의 탄화 공정을 거친 김 펠렛 연료가 실험예 2의 연료에 비해 연소율 대비 연료의 효율성이 월등히 우수한 것으로 나타났다. 본 명세서에서 '온도차'는 물의 최저 온도와 최고 온도의 차이를 의미한다.

2. 연료의 조성에 따른 연소율 및 연료 율성 평가

숯가루 형태의 김 폐기물(CP)과 혼합되는 원료 조성(하기 표 3 참조)을 달리하여, 연소율 및 연소 효율을 평가하고 그 결과를 하기 표 4~5 및 도 4에 나타내었다. 평가 실험은 각각의 실험예의 조성에 따라 제조된 김 펠렛 연료 50g으로 물 200ml를 가열하여, 연소율 및 연료 효율성을 상기한 방법에 따라 실시하였다.

결과에 따르면, 본 발명에 따른 조성 성분을 모두 포함하는 실험예 7의 경우 온도 상승 속도, 최고 온도, 최고 온도 유지시간 및 에너지 효율면에서 모두 가장 우수하게 나타난 것을 확인할 수 있다.

실시예

상기 실험예를 바탕으로 하여, 도 1에 나타낸 바와 같은 공정으로 펠렛 형상의 김 폐기물 함유 고체 연료를 제조하였다.

먼저 수집된 김 폐기물의 수분 함량 조절을 위해 자연 건조 후, 탄화 및 분쇄 공정을 거쳐 얻어진 숯가루 형태의 김 폐기물(CP) 약 46.15 중량부에, 전분 약 30.77 중량부, 세틸알콜 약 12.31 중량부, 프로필렌글리콜 약 3.07 중량부, 톱밥 약 7.69 중량부를 혼합하여 원료 조성물을 제조한 후, 증류수를 원료 조성물 전체 중량에 대해 약 45 중량%에 해당하는 양을 첨가하였다.

다음으로, 혼합기를 이용하여 원료 조성물을 고르게 혼합한 후, 성형 틀에 넣었다. 그 후 압착기를 이용하여 원기둥 모양의 고체 연료를 성형한 뒤, 자연 건조하여 고체 연료를 얻었다. 얻어진 고체 연료의 사진을 도 2에 나타내었다.

평가예 1: 시중에 유통되고 있는 숯과의 연소 지속성 비교

실시예에서 제조한 김 펠렛 연료와 비교예로 시중에 유통되는 숯의 연소 지속성을 평가하기 위해, 각각의 연료에 불을 붙이고 물이 담긴 용기를 가열하였다. 시간의 변화에 따른 물의 온도를 재고, 그 결과를 표 6 및 도 5에 나타내었다. 본 명세서에서 '연소 지속성'은 물의 온도가 최고 온도에 도달된 후 동일 온도가 유지되는 시간을 의미한다.

하기 표 6에 따르면, 김 펠렛 연료의 경우, 30min에 최고 온도 43℃에 도달 후 21min 동안 동일한 온도를 유지한 반면, 기존 숯 연료의 경우, 39min에 최고 온도 42℃에 도달 후 9min 동안 동일한 온도를 유지한 것을 알 수 있다. 즉 기존 숯에 비해, 김 펠렛 연료가 최고 온도에 더 빨리 도달하며, 최고 온도가 유지되는 시간도 2배 이상 길게 나타나, 동일 조건하에서 연소시 김 펠렛 연료의 연소 지속성이 훨씬 우수한 것으로 판단된다.

평가예 2: 시중에 유통되고 있는 숯과의 연소율 비교

실시예에서 제조된 펠렛 연료와 시중에 유통되는 숯에 대해 평가예 1에서 실시한 실험 결과를 바탕으로, 상기한 연소율 및 연소 효율성을 분석하였다. 그 결과를 하기 표 7 및 도 6에 나타내었다.

상기한 평가 결과에 따르면, 동일 조건하에서 연소시, 실시예에 따른 김 펠렛 연료가 기존 숯에 비해 연소율도 우수하고, 에너지 효율성도 우수한 것으로 나타났다. 본 발명의 김 펠렛 연료는 연소 시, 한 번 불이 붙으면 계속 유지가 되며, 불꽃과 함께 연소되다가 불꽃이 꺼진 후에도 계속 열기를 유지하면서 연소되었다. 기존 숯 연료의 경우는 불꽃이 잘 일어나지 않아 열기를 유지할 때까지 불을 붙여줘야 하는 번거로움이 있었다. 또한, 연소 전/후의 고체 연료 질량 변화를 비교한 결과, 김 펠렛 연료의 경우 기존 숯보다 효율적인 연소를 한다는 것을 확인할 수 있었다.

아울러, 실시예에서 제조된 고체 연료(고형 연료)의 품질을 평가하기 위해, 한국화학융합시험연구원장에 의뢰하여 연소 시 배출 성분 및 저위발열량 등에 대해 분석하였다. 분석 결과 얻어진 시험성적서를 도 7에 나타내었다. 이에 따르면, 연소 시 배출되는 금속 성분은 수은 0.0mg/kg, 비소 0.8mg/kg, 카드뮴 1.3mg/kg, 납 0.7mg/kg, 크롬 1.2mg/kg으로 고체연료가 가져야 할 법제상의 조건(수은 1.20mg/kg 이하일 것, 비소 13.0mg/kg 이하일 것, 카드뮴 9.0mg/kg 이하일 것, 납 200.0mg/kg이하일 것, 크롬 30.0mg/kg 이하일 것)을 만족한다. 또한, 염소 농도 0.05%로 고형연료제품 염소농도 기준 1등급에 속한다. 저위발열량은 5060kcal/kg로 이것도 고체연료가 가져야 할 법제상의 조건에 충족된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (6)

1. 원료인 김 폐기물을 건조하는 단계;
   상기 건조된 김 폐기물을 탄화시키는 단계;
   상기 탄화된 김 폐기물을 분쇄하는 단계:
   상기 분쇄된 김 폐기물에, 전분, 세틸알콜, 프로필렌 글리콜, 및 톱밥을 첨가하고 혼합하여 원료 조성물을 제조하는 단계;
   상기 원료 조성물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및
   상기 성형물을 수분 함량이 0.01~10 중량%로 되도록 건조하는 단계를 포함하는 김 폐기물을 이용하여 고체 연료를 제조하는 방법.
   
2. 제1항에서,
   상기 원료인 김 폐기물은 수분 함량이 0.1~80 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
   
3. 제1항에서,
   상기 탄화는 400~500℃의 온도로 직접 가열하는 공정인 것을 특징으로 하는 방법.
   
4. 제1항에서,
   상기 원료 조성물인 분쇄된 김 폐기물:전분:세틸알콜:프로필렌 글리콜:톱밥은 3:2:0.8:0.2:0.5의 중량비로 혼합한 것인 것을 특징으로 하는 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 성형물은 구형, 원기둥형, 다각기둥형, 연탄 형상, 조개탄 형상 또는 펠렛 형상인 것을 특징으로 하는 방법.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따라 제조된 김 폐기물, 전분, 세틸알콜, 프로필렌 글리콜 및 톱밥을 포함하는 고체 연료.

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