KR101995756B1 - 목재 폐기물을 이용한 연탄 및 이의 제조방법. - Google Patents

Abstract

본 발명은 목재 폐기물을 이용한 연탄의 제조방법에 관한 것으로서, 황토 분말을 분급하여 0.1 내지 50㎜의 크기의 황토 분말을 준비하는 단계; 목재 폐기물을 분쇄하여 0.1 내지 50㎜의 크기의 목재 분말을 준비하는 단계; 패각(貝殼)을 분쇄하여 1 내지 50㎜의 크기의 패각 분말을 준비하는 단계; 상기 목재 분말을 열분해하여 열분해 목재 분말을 제조하는 단계; 상기 열분해 목재 분말에 목초액, 황토 분말 및 패각 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 가압 성형하여 연탄을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

목재 폐기물을 이용한 연탄 및 이의 제조방법.{Wood Briquet Using Wooden Wastes and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 목재 폐기물을 이용한 연탄 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수목의 가지, 잎, 뿌리, 감염목, 벌목 잔여물 등의 목재 폐기물을 주원료로 하여 제조된 연탄 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 목재를 이용한 다양한 친환경 연료가 개발되고 있으며, 대표적인 예로는 목재 펠릿을 들 수 있다. 목재 펠릿은 원목을 수집하여 톱밥으로 제조한 후 고온, 고압에서 성형하여 제작한 목재연료로서 크기는 0.6×1~4㎝ 정도이다.

이러한 목재 펠릿에 대해서는 대한민국 공개특허공보 10-2011-0030738호, 10-2011-0080568호 등을 들 수 있다.

그러나 목재펠릿은 벌채 주기가 대개 25~50년의 입목을 벌목, 간벌재를 주로 이용하므로 원료 수급에 상당한 기간이 소요되어 경제성이 낮은 문제점이 있으며, 최근 사용량이 증가하고 있음에도 국내생산량의 부족에 따른 수입 펠릿 가격의 상승으로 그 사용이 용이하지 않은 문제점이 있다.

한편, 연탄은 난방용 등으로 사용되는 가공된 무연탄으로서, 한국산업표준규격 KS E 3731:1989에 무연탄을 주원료로 하여 만드는 구멍탄(holed coal briquette)으로 하기 표 1과 같이 5종류를 규정하고 있다. 보통 가정에서 많이 사용되는 연탄은 2호이다. 발열량은 4,500kcal/kg 정도이다.

이러한 연탄은 연료로서 널리 사용되어 왔으나 연소시 유독성 가스가 발생하고, 타고 남은 재의 폐기물 처리 등으로 인하여 사용이 감소되는 추세로 현재에는 농업용 또는 산업용에 한정하여 사용되고 있는 실정이다.

본 발명자는 이러한 종래기술들을 감안하여 목재 폐기물을 재활용하여 우드탄을 제조하는 방법을 개발한 바 있다.

즉, 대한민국 공개특허공보 10-2016-0135050호 및 10-2016-0098622호에서는 목재의 탄화물 또는 반탄화물과 황토, 패각을 혼합하여 제조한 우드탄이 환경 오염의 문제가 없으며 연소효율, 착화시간, 연소시간에서 우수한 효과를 나타내는 점이 기재되어 있다.

이러한 우드탄은 2㎜ 이하 크기로 분쇄된 수목의 탄화물 또는 반탄화물을 주원료로 가압성형함으로써 제조되고 있으며 입자의 크기를 미분화함으로써 연소효율을 높이고 있다. 그러나 이러한 제조방법에서는 미분화하여 입도를 조절해야 하기 때문에 공정 조건을 유지하기가 어려우며 특히 다양한 수목 재료를 동일한 크기로 입도 조절하기 어렵기 때문에 공정 조건을 최적화하기 곤란한 문제가 있다.

또한, 성형된 우드탄은 미분으로 이루어진 것으로 사용 전 분말이 떨어져 나와 미세먼지로 인한 공기 오염을 유발하는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 10-2016-0135050호 대한민국 공개특허공보 10-2016-0098622호 대한민국 공개특허공보 10-2011-0030738호 대한민국 공개특허공보 10-2011-0080568호

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 제조공정이 간편하면서도 최적화가 용이하고 우드탄과 대비하여 연소효율이 더 우수한 목재 폐기물을 이용한 연탄 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 성형된 연탄을 보관 및 사용할 때 미분이 발생하지 않고 연소 후에도 미분 발생을 최소화하면서 회수가 가능한 목재 폐기물을 이용한 연탄 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 다양한 목재 폐기물을 엄밀한 입도 조절 없이 미분으로 분쇄하여 넓은 입도 분포를 가지는 분말을 사용하더라도 연소효율이 높은 목재 폐기물을 이용한 연탄 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 목재 폐기물을 이용한 연탄은 종래의 우드탄과 달리 입도 분포가 큰 분말을 사용하면서도 연소효율은 우수한 연탄으로서, 황토 분말을 분급하여 0.1 내지 50㎜의 크기의 황토 분말을 준비하는 단계; 목재 폐기물을 분쇄하여 0.1 내지 50㎜의 크기의 목재 분말을 준비하는 단계; 패각(貝殼)을 분쇄하여 1 내지 50㎜의 크기의 패각 분말을 준비하는 단계; 상기 목재 분말을 열분해하여 열분해 목재 분말을 제조하는 단계; 상기 열분해 목재 분말에 목초액, 황토 분말 및 패각 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 가압 성형하여 연탄을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열분해는 공기 유입을 제어한 조건에서 150 내지 300℃의 온도에서 20 내지 60분 동안 열처리하는 반탄화 공정일 수 있고, 400 내지 600℃의 온도에서 2 내지 4시간 동안 열처리하는 탄화 공정일 수도 있다.

또한, 상기 혼합물을 제조하는 단계에 앞서, 패각 분말에 목초액을 가하고 1 내지 2시간 혼련한 후 3 내지 4시간 정치하여 목초액을 흡수시키는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 목재 폐기물을 이용한 연탄은 0.1 내지 50㎜ 크기의 열분해 목재 분말, 0.1 내지 50㎜의 크기로 분쇄된 황토 분말, 1 내지 50㎜의 크기로 분쇄된 패각 분말 및 목초액으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 목재 폐기물을 이용한 연탄 및 이의 제조방법은 제조공정이 간편하면서도 최적화가 용이하고 우드탄과 대비하여 연소효율이 더 우수한 목재 폐기물을 이용한 연탄 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 성형된 연탄을 보관 및 사용할 때 미분이 발생하지 않고 연소 후에도 미분 발생을 최소화하면서 회수가 가능한 효과를 나타낸다.

또한, 다양한 목재 폐기물을 엄밀한 입도 조절 없이 미분으로 분쇄하여 넓은 입도 분포를 가진 입자로 사용하기 때문에 공정효율이 높으면서도 제조된 연탄의 연소효율이 높은 연탄을 제공할 수 있다.

또한, 연소효율 향상을 위해 목초액을 사용하되 목초액 연소시 발생하는 유해가스를 저감시킬 수 있는 연탄 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연탄의 제조 공정을 도시한 공정도이다.

이하, 본 발명에 따른 목재 폐기물을 이용한 연탄 및 이의 제조방법을 상세히 설명한다.

본 발명에서 ‘분말’은 종래기술인 대한민국 공개특허공보 10-2016-0135050호나 10-2016-0098622호에서와는 달리 입도 분포를 엄밀히 제어한 미분과는 다른 것으로서 목재를 절단하고 통상적인 분쇄기로 분쇄하여 분말화한 것으로서 입도 분포가 넓고 다양한 크기의 입자를 함유하는 것을 가리키는 것이다.

본 발명에서 ‘목재 폐기물’은 소나무, 잣나무, 전나무, 분비나무, 가문비나무, 종비나무, 잎갈나무, 은행나무 등의 침엽수 및 참나무, 떡갈나무, 단풍나무, 동백나무 등의 활엽수 등의 목본식물로부터 발생되는 각종 폐기물로서 가지, 잎, 뿌리, 감염목, 벌목 잔여물 등이 혼합된 크기와 형태가 다양한 폐기물을 가리키는 것이다.

본 발명에서 ‘열분해’는 목재를 탄화 또는 반탄화하는 공정을 가리키는 용어로서 공기 유입을 제어한 조건에서 수행하는 것이며, 반탄화의 경우 150 내지 300℃의 온도에서 20 내지 60분 동안 열처리하는 것이고, 탄화의 경우 400 내지 600℃의 온도에서 2 내지 4시간 동안 열처리하는 것이다.

본 발명에서 ‘패각(貝殼)’은 다양한 조개류의 껍질을 의미하는 것으로서 주로 굴 껍질을 사용하며, 담치, 피조개, 고막, 대합, 바지락, 전복, 소라 등의 껍질을 사용할 수도 있다.

본 발명에서 ‘황토 분말’은 이물질이 제거된 황토 분말로서 연탄 제조시 혼합함으로써 성형을 용이하게 하며 연소 후 형태를 유지할 수 있도록 하여 회수가 용이하게 하기 위하여 사용되는 것이다.

본 발명에 있어서 ‘목초액’은 본 발명의 목재 폐기물을 열분해할 때 발생하는 연기가 외부 공기와 접촉하면서 액화되어 발생하는 것으로서 이를 채취하여 성형 공정 시 종래기술에서 사용하던 물 대신 사용하는 것이다. 또한, 상기 목초액은 그 자체로 사용할 수도 있지만 필요에 따라 물에 희석하여 사용할 수도 있다. 물에 희석하여 사용하는 경우 50 내지 70 부피%로 희석하여 사용하는 것이 연소효율의 면에서 바람직한 것으로 나타났다.

본 발명에서 상기 연탄은 발열하는 다양한 형태의 성형체로서 구공탄, 조개탄, 우드탄 등의 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 상기 열분해 목재 분말, 황토 분말, 패각 분말, 및 목초액으로 이루어지는 것인데, 상기 분말의 크기는 열분해 목재 분말 및 황토 분말이 0.1 내지 50㎜ 크기이고 패각 분말은 1 내지 50㎜의 크기인 것이 바람직하며 일반적인 분쇄기로 분쇄하여 분말화하기 때문에 입도 분포는 일정하지 않다.

상기 열분해 목재 분말과 황토 분말은 2~5:1의 중량비, 바람직하게는 4~5:1의 중량비로 혼합된다. 연탄에서 발열 현상을 일으키는 열분해 목재 분말의 함량이 지나치게 적으면 원하는 만큼의 발열량을 얻을 수 없고, 지나치게 많으면 황토 분말의 양이 적어 연소 후 연탄이 쉽게 부서지므로 회수가 곤란한 문제가 있다.

본 발명에서 상기 연탄은 성형의 용이성을 위하여 종래에 사용하던 물을 대신하여 목재 폐기물의 열분해시 발생하는 목초액을 재활용함으로써 연소 효율을 더 높이고 성형성을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 상기 목초액은 물에 희석한 수용액으로도 사용할 수 있는데 사용량은 연탄의 성형이 가능할 정도로 소량 함유되므로 목초액 자체로 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 목초액은 열분해 목재 분말 및 황토 분말을 100 중량부로 할 때 2 내지 10중량부, 바람직하게는 3 내지 9중량부, 보다 바람직하게는 4 내지 8중량부로 혼합할 수 있다.

본 발명의 상기 연탄은 열분해 목재 분말이 5,000 ~ 6,000 kcal/kg으로 가장 우수하며, 상기 열분해 목재 분말 외에 추가로 혼합되는 패각이 포함될 경우 포함되지 않은 경우에 비하여 최소 20% 이상의 향상된 발열량의 증가 효과를 나타내다. 또한, 물 대신 목초액을 사용함으로써 10% 이상의 발열량 증가 효과를 나타낸다. 따라서 본 발명에 따른 연탄은 종래의 목재펠릿이나 종래기술의 우드탄에 비해서도 열량이 우수한 효과가 있다.

또한, 패각 분말을 분말화한 후 NaOH 수용액에 1 내지 4시간 침지 처리한 후 수세 및 건조한 패각 분말을 사용하면 발열량이 5 내지 10% 이상 더 증가하는 것으로 나타났다. 이는 염기성 수용액의 처리로 인해 패각 분말의 표면적이 넓어져 연소 효율이 증가하기 때문으로 판단되었다.

또한, 본 발명의 상기 연탄은 착화시간이 10 내지 20분으로서 석탄을 원료로 하는 연탄에 비하여 최소 10분 이상 단축되며, 연소시간이 11 내지 17시간으로 종래 연탄에 비하여 최소 4시간 이상 증가하여 효율적인 대체 에너지원으로서 사용 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 연탄은 연소 시 발생하는 유해가스의 발생량이 연탄 연소에 비하여 현저히 감소하였는 바, 연탄에 비해 안전하게 사용할 수 있는 효과가 있다.

일반적으로 목초액이 연소될 때 발생하는 일산화탄소와 같은 유해가스가 발생하기 때문에 연료의 재료로 목초액을 사용하는 것은 바람직하지 않은 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는 목초액을 물에 희석하여 사용할 수도 있고 목초액 그 자체를 사용할 수 있기 때문에 이러한 목초액 연소시 유해가스의 발생의 문제가 있다.

따라서 상기 목초액을 상기 열분해 목재 분말과 혼합하기에 앞서 목초액과 패각 분말을 먼저 혼합하여 패각 분말에 목초액을 흡수시키는 공정을 추가적으로 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 공정을 통해 목초액이 다공성의 패각 분말에 다량 흡수되기 때문에 연소 시 초기 유해가스 발생이 저감되는 것으로 나타나 연료로서 사용하는데 문제가 없는 것을 확인하였다. 이와 달리 목초액을 패각분말에 흡수시키는 과정 없이 바로 배합하여 연탄을 제조하는 경우 초기 연소 단계에서 유해가스의 발생량이 더 많은 것으로 나타났다.

이외에도, 본 발명에 따른 연탄은 패각과 황토를 함유하는 것이므로 연소 후 남은 재를 토양개질제 또는 비료로서 산성 토양을 알칼리화 하는 데에도 유용하게 사용할 수 있다.

또한, 제조된 연탄의 표면에 황토 분말에 의한 코팅층을 형성함으로써 연탄의 보관 및 사용 시 비산되는 미분의 발생을 억제할 수 있고, 사용 후 회수 시에도 부숴지는 현상을 억제할 수 있는 효과를 얻게 된다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 연탄을 제조하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

(1) 준비단계(S100)

준비단계(S100)는 목재 폐기물, 조개류의 패각, 황토 및 목초액을 각각 필요에 따라 준비하는 단계이며, 특히, 입수된 황토를 분급하여 원하는 크기의 황토 분말을 선별하는 단계이다.

목재 폐기물은 가지, 잎, 뿌리, 감염목, 벌목 잔여물 등이 혼합된 크기와 형태가 다양한 폐기물을 모두 포함하는데, 이러한 목재 폐기물은 숲 가꾸기나 벌목 후 산에 잔존, 방치되어 산불의 불쏘시개 역할을 하며, 여름철 집중호우로 인한 하천의 범람을 유발하는 원인이 된다. 따라서 산과 들에 잔존하는 가지, 잎, 뿌리, 줄기 등을 산림청, 지방자치단체, 산림사업법인, 원목생산협회 등과 협력하여 이를 수집, 운반하여 준비한다.

또 어촌 및 식당에서 폐기되고 있는 조개류의 패각을 어촌계 또는 폐기물수거업체와 공동 협력하여 수집, 운반하여 준비한다.

목초액은 목재 폐기물을 열분해할 때 발생되는 액화 성분을 회수하여 사용하며, 패각 분말은 물에 용해하여 준비한다.

황토 분말은 황토채취업체 등으로부터 매입하여 이물질을 제거하고 준비한다. 황토 분말은 분급을 통해 0.1 내지 50㎜의 크기의 입자만 선별하여 사용한다. 이는 혼합되는 목재 분말 및 패각 분말과의 크기의 균일성을 확보하여 고르게 혼합되면서도 양호한 성형성을 확보하기 위해서이다.

(2) 분쇄단계(S200)

상기 준비단계(S100)에서 준비된 목재 폐기물과 패각을 분쇄하는 단계이다.

상기 목재 폐기물을 바로 분쇄하기에는 크기와 형태가 다양하기 때문에 세절기를 사용하여 1차 절단한 후 분쇄할 수도 있고 입수된 목재 폐기물의 종류에 따라 곧바로 분쇄할 수도 있다.

절단 및 분쇄의 목적은 열분해 효율의 향상과 연탄으로 성형을 용이하게 하기 위해서이다.

목재 폐기물은 0.1 내지 50㎜의 크기로 분쇄하는데 분쇄한 입자의 크기가 너무 크면 균일하게 열분해하기 곤란하기 때문에 적어도 50㎜ 이하의 크기로 분쇄하는 것이 매우 중요하다.

특히, 종래기술에서와 같이 목재 분말의 크기를 엄밀하게 조절할 필요가 없기 때문에 통상의 분쇄기로 분쇄하여 열분해나 성형이 곤란할 정도로 지나치게 큰 입자가 생성되지 않는 조건이라면 어떠한 분쇄 조건으로도 분쇄가 가능하기 때문에 분말 제조 공정이 매우 간편화될 수 있다.

또한, 패각을 1 내지 50㎜의 크기로 분쇄하는데 50㎜를 초과하는 크기로 패각을 절단한 경우 이하의 성형단계(S600)에서 성형이 불완전하게 되는 문제점이 있고, 목재 폐기물과 동일한 분쇄기로 분쇄할 경우 패각의 특성상 1㎜ 이하의 입자로 분쇄하기는 어렵기 때문에 상기 범위로 분쇄하여 분말을 제조한다.

또한, 분쇄한 분말을 0.5 내지 1N의 NaOH 수용액에 1 내지 4시간 동안 침지한 후 수거하여 수세 및 열풍 건조함으로써 표면 처리를 수행하였다.

(3) 열분해단계(S300)

상기 분쇄단계(S200)에서 분쇄된 목재 분말을 열분해하여 반탄화 또는 탄화시키는 단계이다.

반탄화의 경우, 상기 목재 분말(가지, 잎, 뿌리, 줄기 등)을 용기에 넣고 골고루 열이 전달될 수 있도록 회전시키면서 300℃ 이하, 바람직하게는 150 내지 300℃에서 20분 내지 1시간 동안, 바람직하게는 30분 내지 1시간 동안 동안 가열하여 반탄화시킨다.

탄화의 경우, 상기 목재 분말(가지, 잎, 뿌리, 줄기 등)을 용기에 넣고 골고루 열이 전달될 수 있도록 회전시키면서 400℃ 이상, 바람직하게는 400 내지 600℃에서 2시간 이상, 바람직하게는 2 내지 5시간, 보다 바람직하게는 2 내지 4시간 동안 가열하여 탄화시킨다.

이러한 반탄화 또는 탄화에 의한 열분해를 통해 목재 분말의 발열량을 증가시키고 연소 과정에서의 열량 손실을 줄일 수 있다.

(4) 혼합단계(S400)

상기 열분해 목재 분말에 목초액, 황토 분말 및 패각 분말을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계이다.

즉, 상기 열분해 목재 분말과 황토 분말, 패각 분말에 목초액을 일정 중량비로 혼합하는 단계로서 상기 혼합 비율은, 열분해 목재 분말과 황토 분말의 경우, 1 내지 5:1의 중량비, 바람직하게는 2 내지 5:1의 중량비, 보다 바람직하게는 2 내지 4: 1의 중량비로 혼합하며, 패각 분말을 열분해 목재 분말과 황토의 전체 100중량부를 기준으로 2 내지 7 중량부, 바람직하게는 2 내지 6중량부, 보다 바람직하게는 3 내지 6중량부로 혼합한다.

상기 혼합 중량비의 범위를 벗어나는 경우 연탄의 성형이 제대로 되지 않고, 성형하더라도 건조 과정 중 균열이 발생할 수 있으며, 충분한 발열량을 얻을 수 없는 문제점이 있다.

특히, 본 발명에 있어서, 상기 열분해 목재 분말에 패각 분말과 목초액을 혼합하는 이유는 석회질로 이뤄진 패각에 열을 가했을 때 열량이 상승하여 유지되는 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 또한, 각각의 분말은 혼련하더라도 균일하게 섞이기 어렵기 때문에 액상 물질인 목초액을 배합함으로써 균일한 혼합이 가능하게 된다.

목초액을 배합하는데 있어 상기 혼합 공정을 수행하기 전에 상기 패각 분말에 목초액을 가하고 1 내지 2시간 혼련한 후 3 내지 4시간 정치하는 공정을 추가적으로 수행하는 것이 더욱 바람직한 것으로 나타났다. 이러한 과정을 통해 목초액이 상기 패각 분말의 세공에 흡수되어 연탄의 초기발화시 다량의 유해가스가 발생하는 종래의 연탄의 문제점이 나타나지 않는 것으로 파악되었다.

(5) 성형단계(S500)

상기 혼합단계(S400)에서 혼합된 혼합물을 고압압착기 또는 윤전기 등을 이용하여 고압으로 압착하여 연탄과 같은 일정 크기를 가진 원통형의 우드탄으로 성형하는 성형하는 단계이다.

일반적으로 성형된 연탄은 복수의 공기구멍이 형성된 원통형 성형체인데, 상기 공기구멍은 원통과 연직방향으로 뚫려있다. 이러한 공기구멍은 연탄 내부로 공기의 원활한 흐름을 유발하여 연소 및 발열의 효과를 얻기 위한 것이다.

본 발명에서는 이러한 종래의 공기구멍을 개량하여 테이퍼 형태로 공기구멍을 천공하게 된다. 테이퍼 형태로 공기구멍을 형성하게 되면 공기의 흐름을 통한 연소 효율은 그대로 유지하면서도 공기의 유입구나 배출구 중 어느 한 쪽을 좁게 함으로써 연소 유지 시간을 연장할 수 있는 효과를 얻게 된다.

상기 공기구멍은 일면의 구멍 직경과 타면의 구멍 직경이 20 내지 40% 차이가 나는 것이 바람직한데, 구멍 직경의 차이가 20% 미만이면 통상의 공기구멍에서와 연소효율의 차이가 없는 것으로 나타났고, 40%를 초과하면 공기구명을 통한 연통이 원활하지 못해 연소 성능이 오히려 감소하는 것으로 나타났다.

동일한 연탄에서 공기구멍을 종래의 원통구멍으로 한 경우에 대비하여 본 발명에서와 같이 테이퍼 형태로 형성한 경우 연소 유지 시간이 20% 이상 증가하는 것으로 나타났다. 석탄을 원료로 한 종래의 연탄은 이러한 테이퍼 형태의 공기구멍이 연소 유지 시간을 늘이는 효과는 있으나 발열량이 부족하여 충분한 연소열을 얻을 수 없는 단점이 있으나, 본 발명의 목재 폐기물을 이용한 연탄은 발열량이 높아 공기의 유통량이 다소 감소하더라도 충분한 연소열을 얻을 수 있는 것으로 나타났다.

(6) 코팅단계(S600)

상기 성형단계(S500)에서 성형된 연탄의 표면에 황토 분말을 분무하여 코팅층을 형성하는 단계로서, 연탄의 품질 향상을 위하여 상기 코팅단계(S600)을 추가할 수 있다.

즉, 황토 분말을 물에 희석하여 황토액으로 제조한 후 이를 분무장치를 통해 분무하게 된다. 이러한 분무 과정을 통해 성형된 연탄의 외부 표면에 황토 분말의 코팅층이 형성되는데 건조 과정을 거치면 황토 분말이 굳게 되어 연탄의 표면에서 발생하는 미분을 대폭 억제할 수 있게 된다. 또한, 표면에 형성된 황토 분말의 코팅층은 연탄의 초기 발화 시 발생하는 유해가스를 저감시켜 사용의 편의성을 증대시키는 효과를 나타내게 된다.

상기 황토액은 물 100 중량부에 대하여 상기 분쇄된 황토 분말을 10 내지 30 중량부 혼합하여 제조한 황토액이 적합하다. 황토 분말의 함량이 지나치게 많으면 건조 후 표면에서 황토 분말이 석출되거나 비산되는 문제가 발생하며 황토 분말의 양이 너무 적으면 코팅의 효과를 얻을 수 없기 때문에 상기 범위에서 사용하는 것이 적합하다.

(7) 건조단계(S700)

상기 코팅단계(S600)를 통해 황토 분말이 코팅된 연탄을 건조하는 단계이다.

상기 건조는 수분함량이 5 내지 15%, 바람직하게는 8 내지 12%가 되도록 70℃ 이하의 온도, 바람직하게는 60℃ 이하의 온도에서 3 내지 10분, 바람직하게는 4 내지 8분 동안 이루어진다. 또한, 이러한 통상적인 건조 방법, 예를 들어 열풍 건조기에서 이루어질 수 있다.

상기 건조에 의하여 상기 성형된 연탄의 경도 및 강도를 증가시킬 수 있어 파손에 의한 연탄의 손실을 방지할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따라 제조된 목재 폐기물을 이용한 연탄은 다음과 같은 장점을 가진다.

첫째, 본 발명에 따른 연탄은 원목이 아닌 벌채지, 산림 등에 방치되어 활용할 수 없는 목재 폐기물을 별도의 선별과정 없이 가지, 잎, 뿌리, 줄기 등의 모든 부위를 재활용하며, 어촌이나 해산물 가공 공정에서 폐기되는 패각을 수거하여 재활용하여 자원화 할 수 있다.

둘째, 본 발명에 따른 연탄은 연탄 또는 번개탄과 동일한 원통형으로서 동일한 직경을 가지면서 무게가 훨씬 가볍기 때문에 기존의 연탄을 사용하는 소비자가 쉽게 사용할 수 있으면서도 유독가스에 노출되지 않고, 또 연탄보일러 및 난로의 특별한 구조변경도 없이 연탄의 대체연료로써 곧바로 사용할 수 있어 매우 실용적이다.

셋째, 본 발명에 따른 연탄은 종래의 목재펠릿, 우드칩 및 연탄에 비하여 발열량, 착화시간 및 연소 시간이 우수하며, 종래의 우드탄에 비해서도 공정이 간단하며 미분 발생이 적고 사용 후 회수가 용이한 장점이 있다.

통상적으로 시중에 판매되고 있는 우드칩의 경우 1 ㎏당 2,300 ~ 2,700 ㎏의 발열량을 나타내며, 목재펠릿의 경우 l ㎏당 약 4,000 ㎉이고, 연탄의 경우 1 ㎏ 당 약 4,400 ~ 4,600 ㎉인데 반하여, 종래기술에 따른 우드탄 1 ㎏은 이들 우드칩, 목재펠릿 및 연탄보다 우수한 발열량인 1 ㎏당 3,000 ~ 6,000 ㎉ 정도를 나타낸다. 이에 대하여, 본 발명에 따른 연탄은 종래의 우드탄과 동일하거나 다소 높은 발열량을 나타낸다.

넷째, 패각이 함유된 연탄의 경우 연소가 끝난 후 숯과 석회질, 황토 성분으로 남게 된다. 숯의 경우 종래 경제적인 면에서 비료로 사용하기엔 부담스러우나, 목재 폐기물을 이용한 연탄의 경우 연소물을 이용하면 토양의 물리성이나 개량측면에서 우수한 효과를 볼 수 있다. 또한, 석회질의 경우 오랜 비료 사용으로 인해 산성화된 토양을 알칼리화하여 지력을 상승시키는 효과가 있다. 황토의 경우에도 토양 내의 유익한 미생물을 배양하여 토양을 개량하는데 우수한 효과를 가지고 있다. 따라서 본 발명에 따른 연탄은 연소 후에는 토양개질제 또는 친환경 비료로서 재활용될 수 있다.

다섯째, 본 발명에 따른 연탄은 제조 과정 중 바인더 및 연소제 등의 화학 물질이 전혀 혼합되지 않기 때문에 화학 물질의 연소에 따른 공해 물질이 전혀 배출되지 않는다. 또한, 종래의 우드탄에 비해 공정이 단순화되면서도 연소효율에서 우수한 특성을 나타낸다.

여섯째, 본 발명에 따른 연탄은 연소 효율의 향상을 위해 목초액을 부가하더라도 초기발화시 목초액으로 인해 발생하는 유해가스를 저감시킬 수 있어 연탄의 품질을 향상시킬 수 있는 특성을 나타낸다.

따라서 본 발명에 따른 연탄은 최종연소 후에도 재활용됨으로써 환경에 유해하지 않은 유익한 효과를 가져 친환경 연료로서의 장점을 완전히 갖췄다고 할 수 있다.

또한, 상기 건조단계(S700) 이후에 본 발명에 따른 우드탄의 점화력을 향상시키기 위하여 길이 및 두께가 1 ㎜ 이하인 톱밥을 상기 우드탄의 상면 또는 하면 중의 어느 하나 이상에 부착시키는 톱밥부착단계(S800)를 선택적으로 추가할 수 있다. 상기 톱밥을 부착할 경우, 상기 톱밥을 목초액에 침지한 후 건조하는 처리 공정을 통해 톱밥 자체로 얻어지는 점화력보다 더 높은 점화력을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 연탄의 제조방법의 효과에 대하여 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다.

[제조예 1]

전라남도 순천시 서면지역에 벌목 후 방치되어 있는 목재 폐기물(가지, 잎 등)을 250톤을 수집하여 30±20㎜의 크기로 분쇄(분쇄기명: 듀라텍 3010T, 미국) 하였다.

또한, 여수시 돌산읍 금봉리일대 어촌에서 굴 패각을 입수하고 전남 해남군에서 황토를 인수하여 이물질을 제거하고 30±20㎜의 크기로 분쇄하였으며, 분쇄된 폐각 분말은 0.5 NaOH 수용액에 3시간 동안 침지한 후 수세하고 열풍건조하여 분말을 제조하였다. 또한, 목초액은 참나무 목초액 원액을 구입하여 희석하지 않고 그대로 사용하였다.

열분해 목재 분말을 제조하기 위하여, 1톤의 목재 폐기물 분말을 임펠러가 장착된 밀폐용기에 넣고 250 내지 300℃에서 30분 동안 가열하면서 혼련하여 열분해된 목재 분말을 얻었다. 열분해에 의해 목재 분말의 무게가 약 1/3 정도 감소하였다. 수득된 열분해 목재 분말을 윤전기(선두이엔지, 한국)에 넣고 분쇄하여 평균 직경이 1±0.5㎜가 되도록 분쇄하였다.

상기 패각 분말을 반응용기에 투입하고 상기 패각 분말 100 중량부에 대하여 10 중량부의 목초액을 투입하였다. 이후 상기 반응용기에 설치된 교반기로 실온에서 1시간 교반한 후 3시간 정치하여 목초액이 패각 분말에 흡수되도록 하였다.

다음으로 열분해 목재 분말 1㎏과 황토 분말 0.5㎏ 및 목초액이 흡수된 패각 분말 75g 및 물 200㎖를 넣고 혼합하여 혼합물을 제조한 후 윤전기 성형틀에 넣고 200t/㎡의 압력으로 가압하여 지름 150㎜, 높이 142㎜ 크기의 연탄으로 성형하였다.

상기 윤전기 성형틀은 종래의 원통구멍을 형성하기 위한 원주형상이 아니라 테이퍼진 원주형상의 것으로서 상기 성형틀에서 찍어낸 연탄의 일면의 구멍 직경과 타면의 구멍 직경은 30% 차이가 났다.

이후 물에 대하여 15 중량%의 황토가 함유된 황토액을 제조하여 이를 성형된 연탄의 표면에 고르게 분무하여 코팅층을 형성하였다. 코팅층이 형성된 연탄은 60℃의 오븐에 투입되어 1시간 동안 건조 과정을 거쳤다.

[제조예 2]

비교실험을 위하여 제조예 1과 동일한 방법으로 연탄을 제조하되 폐각 분말에 목초액을 흡수시키는 공정 없이 목초액 처리를 하지 않은 폐각 분말을 사용하여 연탄을 제조하였다.

[제조예 3]

비교실험을 위하여 제조예 1과 동일한 방법으로 연탄을 제조하되 황토액을 코팅하는 공정 없이 성형된 연탄을 60℃의 오븐에 투입하고 10분간 건조하여 연탄을 제조하였다.

[제조예 4]

비교실험을 위하여 제조예 1과 동일한 방법으로 연탄을 제조하되 연탄의 공기구멍을 종래의 원통구멍 형태로 하여 성형하였다.

[제조예 5]

비교실험을 위하여 대한민국 공개특허공보 10-2016-0098622호의 제조예 1에 기재된 방법에 따라 반탄화 목재 분쇄물, 굴껍질 분말, 황토 분말을 원료로 한 연탄을 제조하였다.

[제조예 6]

비교실험을 위하여 제조예 1과 동일한 방법으로 연탄을 제조하되 목초액이 흡수된 패각 분말을 150g으로 하여 혼합물을 제조하였다.

[시험결과]

제조예 6에서는 패각 분말이 열분해 목재 분말과 황토의 전체에 대해 10 중량부가 되는 것인데 이 경우 성형된 연탄의 파손이 관찰되어 연소실험에 사용할 수 없었다. 따라서 연소실험은 제조예 1 내지 5의 연탄에 대해 수행되었다.

연소시간을 측정하기 위하여 제조예 1 내지 5의 연탄을 통상의 연탄보일러에 넣고 연소가 종료될 때까지의 시간을 측정하였다.

또한, 초기 유해가스 발생 정도를 측정하기 위하여 상기 연탄보일러를 가동하고 5분이 경과했을 때의 연통의 배기가스를 수집하여 일산화탄소 농도를 측정하였다. 발열량은 한국광해관리공단에 의뢰하여 측정하였다.

또한, 연탄의 연소실험 전 연탄을 2m 높이에서 떨어뜨려 연탄이 파괴될 때 발생하는 미분의 발생 정도를 관찰하였다.

그 결과는 표 1과 같다.

	발열량(㎉/㎏)	연소시간(시간)	CO 농도(ppm)	미분발생
제조예1	5,940	7.2	15	없음
제조예2	5,230	7.0	28	없음
제조예3	5,840	7.2	21	다량발생
제조예4	5,910	6.0	16	없음
제조예5	5,850	5.5	16	다량발생

표 1의 결과를 살펴보면, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 제조예 1과 대비할 때 폐각 분말에 목초액을 흡수시키지 않은 제조예 2에서는 초기 연소에서 일산화탄소가 다량 발생하는 것으로 나타났으며, 이는 목초액의 연소에 따른 유해가스 때문인 것으로 파악되었다.

또한, 제조예 3에 따른 황토액을 코팅하지 않은 연탄이나 제조예 5에 따른 연탄의 경우 연소 전에도 충격 실험에 의해 미분이 다량 발생하고 있다. 즉, 황토액을 표면에 코팅하는 공정은 연탄의 미분 발생을 억제하는 효과가 있음을 시사하는 결과이다. 특히 종래기술에 따른 제조예 5에서는 원료 분말을 조밀하게 분쇄하여 사용하고 있으므로 연탄에 충격이 가해질 때 미분이 다량 발생하는 것으로 파악되었다. 특히, 연소 후 연탄을 연탄보일러에서 꺼낼 때 다량의 미분이 발생하여 비산되는 것을 확인하였다. 이에 대하여 제조예 3에 따른 연탄은 황토액을 코팅하지 않아 미분이 발생하기는 하나 분말 자체의 입도분포가 커서 입도가 작은 입자를 소량 포함하고 있으므로 제조예 5에 따른 연탄에 비해 미분의 발생량이 많지 않은 것으로 나타났다.

또한, 제조예 4에서 연탄의 공기구멍을 종래의 원통형상으로 한 경우 본 발명의 연탄에 비해 연소 유지 시간이 짧은 것으로 나타나 본 발명의 연탄에서 공기구멍의 형상을 일부 변경함에 따라 연소 효율이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (5)

1. 황토 입자를 분급하여 0.1 내지 50㎜의 크기의 황토 입자를 준비하는 단계;
   목재 폐기물을 분쇄하여 0.1 내지 50㎜의 크기의 목재 입자를 준비하는 단계;
   패각(貝殼)을 분쇄하여 1 내지 50㎜의 크기의 패각 입자를 준비하고 상기 패각 입자를 0.5 내지 1N의 NaOH 수용액에 1 내지 4시간 동안 침지한 후 수거하여 수세 및 열풍건조함으로써 표면 처리를 수행하는 단계;
   상기 목재 입자를 열분해하여 열분해 목재 입자를 제조하는 단계;
   상기 열분해 목재 입자에 목초액, 황토 입자 및 패각 입자을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
   상기 혼합물을 윤전기 성형틀에 넣고 200t/㎡의 압력으로 가압 성형하여 연탄을 제조하는 단계;
   상기 연탄의 표면에 황토 입자을 분무하여 코팅하는 단계;
   를 포함하며,
   상기 혼합물을 제조하는 단계에 앞서, 패각 입자에 목초액을 가하고 1 내지 2시간 혼련한 후 3 내지 4시간 정치하여 목초액을 흡수시키는 단계를 수행하며,
   상기 열분해 목재 입자와 황토 입자는 2 내지 4 : 1의 중량비로 혼합하며,
   상기 패각 입자는 상기 열분해 목재 입자 및 황토 입자의 전체 100 중량부를 기준으로 3 내지 6 중량부 혼합하며,
   상기 목초액은 황토 입자 100 중량부에 대해 4 내지 8 중량부 혼합하는 것을 특징으로 하는 목재 폐기물을 이용한 연탄의 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 열분해는 150 내지 300℃의 온도에서 20 내지 60분 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 목재 폐기물을 이용한 연탄의 제조방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 열분해는 400 내지 600℃의 온도에서 2 내지 4시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 목재 폐기물을 이용한 연탄의 제조방법.
   
4. 삭제
5. 삭제

Images