KR101831607B1 - 커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법 - Google Patents

커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생성된 수소 또는 산소와 열분해에 의해 발화 및 연소가 원활하면서 안정적으로 이루어지도록 하는 커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법에 관한 것으로, 본 제조 방법은 함수율이 최대 20%보다 낮아지도록 수거된 커피박을 열풍 건조시켜 건조 커피박을 형성하는 커피박 건조 단계와; 상기 건조 커피박 중의 일부를 무산소 분위기의 밀폐된 열분해로에 넣고 200 내지 300℃의 온도로 가열하여 상기 건조 커피박을 열분해시켜 열분해 커피박을 형성하는 커피박 열분해 단계와; 상기 건조 커피박과 열분해 커피박을 1 : 2 내지 1 : 3의 중량 비율로 혼합하여 커피박 혼합물을 형성하는 커피박 혼합 단계와; 물 100g에 수소 또는 산소를 발생시키는 미생물 5 내지 10g의 중량 비율로 혼합하여, 미생물 혼합액을 준비하는 미생물 혼합액 준비 단계와; 상기 커피박 혼합물 100g에 상기 미생물 혼합액 5 내지 10g의 중량 비율로, 상기 커피박 혼합물을 넓게 펴고 상기 미생물 혼합액을 살포하여 상기 커피박 혼합물에 상기 미생물 혼합액을 첨가하는 미생물 첨가 단계와; 상기 미생물이 첨가된 커피박 혼합물을 펠릿 성형기에 넣고 펠릿 형태로 성형하는 펠릿 성형 단계를; 포함한다.

Description

커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF PELLETS FOR SOLID FUEL CONTAINING COFFEE GROUNDS}
본 발명은 커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생성된 수소 또는 산소와 열분해에 의해 발화 및 연소가 원활하면서 안정적으로 이루어지도록 하는 커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법에 관한 것이다.
산업의 발전으로 필요한 에너지의 많은 부분을 화석연료에 의존하고 있으나 화석연료는 제한적이고 사용시에 각종 유해물질을 발생시키고 있으므로 화석연료를 대체할 수 있는 친환경적 에너지를 찾는데 많은 관심을 기울이고 있다.
또한 산업의 발전으로 각종 쓰레기 특히 산업폐기물이나 생활 폐기물의 발생량이 많아져 이를 처리하기 위해서 많은 비용을 소비하고 있다. 이에 폐기물을 이용하여 에너지를 생산할 수 있는 기술이 개발되고 있다.
커피박(커피 찌꺼기)은 커피 제조시 생두를 로스팅한 후 0.1 내지 2mm로 분쇄하여 열탕으로 커피액을 추출한 뒤에 배출되는 부산물로 산업폐기물로 분류되어 있으나 발열량이 6,000 내지 6,500kcal/kg 로 석탄에 버금가는 발열량을 가진 에너지 자원이다.
이러한 중요한 에너지 자원임에도 불구하고 현재까지 에너지 자원으로서의 이용가치를 인식하지 못한 점도 있었지만 에너지수율을 높일 수 있는 적절한 방법을 찾지 못하고 있는 실정이다.
그래서 일부에서는 펠릿으로 성형하여 연료로 사용하고자하는 시도는 있으나 경제성 등의 문제로 실용화되지 못하고 있고, 일부는 퇴비생산의 보충재료(약 20%)로 사용하고 있지만 대부분의 커피박은 폐기물로 매립되고 있는 실정이다.
그런데, 커피박은 석탄에 버금가는 발열량을 가지고 있지만 가루상태나 펠릿 상태의 커피박을 단일로 연소시키면 연소속도가 느리고 불꽃을 일으키지 못하며 연소속도의 지연으로 에너지 수율이 낮아지는 문제점이 있었다.
등록특허 제1033212호 "커피박 펠릿 연료 제조방법 및 이에 의해 제조된 커피박 펠릿"(2007.02.23.)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 목적은, 생성된 수소 또는 산소와 열분해에 의해 발화 및 연소가 원활하면서 안정적으로 이루어지도록 하는 커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 "커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법"은, 함수율이 최대 20%보다 낮아지도록 수거된 커피박을 열풍 건조시켜 건조 커피박을 형성하는 커피박 건조 단계와; 상기 건조 커피박 중의 일부를 무산소 분위기의 밀폐된 열분해로에 넣고 200 내지 300℃의 온도로 가열하여 상기 건조 커피박을 열분해시켜 열분해 커피박을 형성하는 커피박 열분해 단계와; 상기 건조 커피박과 열분해 커피박을 1 : 2 내지 1 : 3의 중량 비율로 혼합하여 커피박 혼합물을 형성하는 커피박 혼합 단계와; 물 100g에 수소 또는 산소를 발생시키는 미생물 5 내지 10g의 중량 비율로 혼합하여, 미생물 혼합액을 준비하는 미생물 혼합액 준비 단계와; 상기 커피박 혼합물 100g에 상기 미생물 혼합액 5 내지 10g의 중량 비율로, 상기 커피박 혼합물을 넓게 펴고 상기 미생물 혼합액을 살포하여 상기 커피박 혼합물에 상기 미생물 혼합액을 첨가하는 미생물 첨가 단계와; 상기 미생물이 첨가된 커피박 혼합물을 펠릿 성형기에 넣고 펠릿 형태로 성형하는 펠릿 성형 단계를; 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 "커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법"의 상기 커피박 혼합 단계에서, 상기 커피박 혼합물 100g에 대해 전분 분말 또는 미강 분말 10 내지 20g의 중량 비율로, 상기 커피박 혼합물에 전분 분말 또는 미강 분말을 첨가하여 혼합하는 과정을, 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 "커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법"의 상기 전분 분말 또는 미강 분말의 첨가 과정은, 상기 전분 분말 또는 미강 분말에 파라핀 분말을 3 : 1의 중량 비율로 첨가하는 과정을, 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 "커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법"의 상기 미생물 혼합액 준비 단계에서, 상기 물은, 3% NaCl의 염분농도 이하의 pH 8 내지 12의 알칼리성을 띠는 물인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 "커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법"의 상기 커피박 열분해 단계에서, 상기 건조 커피박의 열분해 중에 생성되는 커피박 바이오디젤을 포집하는 과정을, 더 포함하고, 상기 고형 연료용 펠릿의 제조 방법은, 상기 펠릿 성형 단계의 다음으로, 성형된 펠릿에 상기 포집된 커피박 바이오디젤을 도포하여 코팅하는 커피박 바이오디젤 코팅 단계를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 생성된 수소 또는 산소와 열분해에 의해 발화 및 연소가 원활하면서 안정적으로 이루어지고, 그에 따라 에너지 수율이 현저히 높아지면서 발전소용 고형 연료로 원활히 사용할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 제조 방법을 보인 단계도,
도 2는 본 발명의 제조 방법에서 가열 온도에 대한 커피박의 열분해 수율을 보인 그래프,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따라 제조된 펠릿을 보인 사진.
이하 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시예에 제한되지 않음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 제조 방법을 보인 단계도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법은 수거된 커피박을 건조시키는 커피박 건조 단계(S10)와, 건조된 커피박 중의 일부를 열분해시키는 커피박 열분해 단계(S20)와, 건조된 커피박과 열분해된 커피박을 혼합하는 커피박 혼합 단계(S30)와, 미생물 혼합액을 준비하는 미생물 혼합액 준비 단계(S40)와, 혼합된 커피박에 미생물 혼합액을 살포하는 미생물 첨가 단계(S50)와, 미생물이 첨가된 혼합 커피박을 펠릿으로 성형하는 펠릿 성형 단계(S60)와, 펠릿의 외면에 커피박 바이오디젤을 코팅하는 커피박 바이오디젤 코팅 단계(S70)를 포함한다.
상기 커피박 건조 단계(S10)는 함수율이 최대 20%보다 낮아지도록 수거된 커피박을 열풍 건조시켜 건조 커피박을 형성하는 단계이다. 이 단계는 통상 65% 이상의 함수율을 가지는 수거된 커피박을 건조시켜 20% 이하의 함수율을 가지도록 하는 것이다.
상기 커피박 열분해 단계(S20)는 상기 건조 커피박 중의 일부를 무산소 분위기의 밀폐된 열분해로에 넣고 200 내지 300℃의 온도로 가열하여 상기 건조 커피박을 열분해시켜 열분해 커피박을 형성하는 단계이다. 이런 열분해 커피박은 커피박 유래 Biochar라고도 한다. 이 단계는 건조된 커피박을 열분해시켜 수분을 거의 제거함으로써 커피박의 발화와 연소가 원활히 이루어지도록 하기 위한 것이다.
이 단계에서 열분해 온도는 200 내지 300℃인 것이 바람직한데, 이는 열분해 온도가 200℃보다 낮으면 열분해가 잘 일어나지 않고, 300℃보다 높으면 열분해 후 생성된 커피박의 수율이 급격히 낮아지기 때문이다. 이는 건조 커피박의 열분해 실험을 통해 입증되었고, 실험 결과는 그래프로 도 2에 제시하였다.
이와 같은 상기 커피박 열분해 단계(S20)는 상기 건조 커피박의 열분해 중에 생성되는 커피박 바이오디젤을 포집하는 과정을 더 포함한다. 상기 과정으로 포집된 커피박 바이오디젤은 펠릿의 외면을 코팅하는데 사용된다. 여기서, 바이오디젤은 연료로 사용할 수 있는 식물성 기름을 말하고, 상기 커피박 바이오디젤은 커피박에서 추출된 바이오디젤을 말한다.
상기 커피박 혼합 단계(S30)는 상기 건조 커피박과 열분해 커피박(커피박 유래 Biochar)을 1 : 2 내지 1 : 3의 중량 비율로 혼합하여 커피박 혼합물을 형성하는 단계를 말한다. 이 단계는 건조 커피박과 열분해 커피박을 혼합하여 함수율 15% 이하의 커피박 혼합물을 형성하기 위한 것이다.
이와 같이 상기 커피박 혼합물은 적정한 수분을 가지고 있어 이후에 첨가되는 미생물이 보다 원활히 생육할 수 있게 되고, 아울러 상기 건조 커피박을 그대로 사용함으로써 20% 정도의 함수율을 가지는 상기 건조 커피박의 함수율을 더 낮추기 위해 필요한 에너지가 적절히 절감되고, 그에 따라 펠릿의 생산 단가가 저하된다.
상기 커피박 혼합 단계(S30)는 상기 커피박 혼합물 100g에 대해 전분 분말 또는 미강 분말 10 내지 20g의 중량 비율로, 상기 커피박 혼합물에 전분 분말 또는 미강 분말을 첨가하여 혼합하는 과정을 더 포함한다.
상기 전분 분말과 미강 분말은 상기 커피박 혼합물의 펠릿 성형시에 상기 커피박 혼합물을 상호 접착 및 점착시켜 성형성이 우수해지도록 하기 위한 것이다. 이렇게 상기 전분 분말을 첨가하여 제조된 펠릿은 도 3에 제시하였고, 상기 미강 분말을 첨가하여 제조된 펠릿은 도 4에 제시하였다.
아울러, 상기 전분 분말 또는 미강 분말의 첨가 과정은 상기 전분 분말 또는 미강 분말에 파라핀 분말을 3 : 1의 중량 비율로 첨가하는 과정을 더 포함하는 것이 바람직한데, 이는 파라핀을 통해 성형성이 보다 우수해지고 연소성이 좋아지면서 발열량이 보다 향상되도록 하기 위한 것이다.
상기 미생물 혼합액 준비 단계(S40)는 물 100g에 수소 또는 산소를 발생시키는 미생물 5 내지 10g의 중량 비율로 혼합하여, 미생물 혼합액을 준비하는 단계이다. 이 단계는 상기 커피박 혼합물에 살포할 미생물 혼합액을 제조하는 것으로, 미생물은 물과 하수오니를 먹이로 사용하여 수소 혹은 산소를 발생시킴으로써, 커피박의 발화와 연소에 상당한 도움을 주면서 연소 속도도 높이고 에너지 수율도 보다 높아지게 한다.
산소 발생 미생물은 유용 미생물군에 속하는 것 중에서 물과 커피박을 먹이로 하여 광합성 등의 작용에 의해 산소를 발생시키는 미생물을 말하는 것으로, 예를 들어 EM(Effective Micro-organisms), 광합성 세균, 산소발생 토양 미생물 등이 있다.
아울러, 수소 발생 미생물은 물과 커피박을 먹이로 하여 광합성 등의 작용으로 수소를 발생시키는 미생물을 말하는 것으로, 한국에너지연구원에서 보유하고 있는 Rhodobacter sphaeroides KD131 KCTC 12085와 광합성 세균 등을 예로 들 수 있다.
상기 미생물 혼합액 준비 단계(S40)에서 상기 물은 3% NaCl의 염분농도 이하 pH 8 내지 12의 알칼리성을 띠는 물인 것이 바람직한데, 이는 이후에 상기 미생물 혼합액이 커피박에 살포되어 혼합될 때 염분농도를 3% 이하로 낮춰 높은 염분농도에 의한 미생물의 체내외로 삼투압조절의 어려움이 해소되면서 산성을 띠는 커피박 혼합물을 알칼리로 중화시켜 미생물이 보다 적절히 생육할 수 있는 환경을 조성하기 위한 것이다.
상기 미생물 첨가 단계(S50)는 상기 커피박 혼합물 100g에 상기 미생물 혼합액 5 내지 10g의 중량 비율로, 상기 커피박 혼합물을 넓게 펴고 상기 미생물 혼합액을 살포하여 상기 커피박 혼합물에 상기 미생물 혼합액을 첨가하는 단계를 말한다. 이 단계는 상기 커피박 혼합물에 미생물 혼합액을 고르게 살포하여 상기 커피박에 미생물을 적절하게 첨가하게 되는 것이다.
상기 펠릿 성형 단계(S60)는 상기 미생물이 첨가된 커피박 혼합물을 펠릿 성형기에 넣고 펠릿 형태로 성형하는 단계를 말한다. 이렇게 펠릿으로 성형된 것은 도 3과 도 4에 사진으로 제시하였다.
상기 커피박 바이오디젤 코팅 단계(S70)는 성형된 펠릿에 열분해 시에 포집된 커피박 바이오디젤을 도포하여 코팅하는 단계를 말한다. 이 단계는 상기 펠릿의 외면에 커피박 바이오디젤을 코팅함으로써 펠릿 자체의 발열량이나 연소성을 높이면서 미생물에 의해 펠릿의 내부에서 생성된 산소나 수소가 펠릿의 외부로 유출되는 것을 저하시키거나 차단시키는 역할을 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함을 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다할 것이다.

Claims (6)

  1. 함수율이 최대 20%보다 낮아지도록 수거된 커피박을 열풍 건조시켜 건조 커피박을 형성하는 커피박 건조 단계(S10)와;
    상기 건조 커피박 중의 일부를 무산소 분위기의 밀폐된 열분해로에 넣고 200 내지 300℃의 온도로 가열하여 상기 건조 커피박을 열분해시켜 열분해 커피박을 형성하는 커피박 열분해 단계(S20)와;
    상기 건조 커피박과 열분해 커피박을 1 : 2 내지 1 : 3의 중량 비율로 혼합하여 커피박 혼합물을 형성하는 커피박 혼합 단계(S30)와;
    물 100g에 수소 또는 산소를 발생시키는 미생물 5 내지 10g의 중량 비율로 혼합하여, 미생물 혼합액을 준비하는 미생물 혼합액 준비 단계(S40)와;
    상기 커피박 혼합물 100g에 상기 미생물 혼합액 5 내지 10g의 중량 비율로, 상기 커피박 혼합물을 넓게 펴고 상기 미생물 혼합액을 살포하여 상기 커피박 혼합물에 상기 미생물 혼합액을 첨가하는 미생물 첨가 단계(S50)와;
    상기 미생물이 첨가된 커피박 혼합물을 펠릿 성형기에 넣고 펠릿 형태로 성형하는 펠릿 성형 단계(S60)를; 포함하고,
    상기 커피박 열분해 단계(S20)에서,
    상기 건조 커피박의 열분해 중에 생성되는 커피박 바이오디젤을 포집하는 과정을, 더 포함하고,
    상기 펠릿 성형 단계(S60)의 다음으로, 성형된 펠릿에 상기 포집된 커피박 바이오디젤을 도포하여 코팅하는 커피박 바이오디젤 코팅 단계(S70)를; 더 포함하는 것을 특징으로 하는 커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커피박 혼합 단계(S30)에서,
    상기 커피박 혼합물 100g에 대해 전분 분말 또는 미강 분말 10 내지 20g의 중량 비율로, 상기 커피박 혼합물에 전분 분말 또는 미강 분말을 첨가하여 혼합하는 과정을,
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전분 분말 또는 미강 분말의 첨가 과정은,
    상기 전분 분말 또는 미강 분말에 파라핀 분말을 3 : 1의 중량 비율로 첨가하는 과정을,
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미생물 혼합액 준비 단계(S40)에서,
    상기 물은, 3% NaCl의 염분농도의 pH 8 내지 12의 알칼리성을 띠는 물인 것을 특징으로 하는 커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿의 제조 방법.
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