KR102010864B1 - 축분을 이용한 고형연료의 제조방법 및 그 고형연료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축분을 이용한 고형연료의 제조방법 및 그 고형연료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 축분의 발열 효율을 높이기 위한 첨가물을 일정중량비로 혼합하여 가공성형하여 완성되는 축분을 이용한 고형연료의 제조방법 및 그 고형연료에 관한 것이 개시된다.

Description

축분을 이용한 고형연료의 제조방법 및 그 고형연료{Method for manufacturing the solidity coal using livestock excrement and the solidity coal made thereby}

본 발명은 축분을 이용한 고형연료의 제조방법 및 그 고형연료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 축분의 발열 효율을 높이기 위한 첨가물을 일정중량비로 혼합하여 가공성형하여 완성되는 축분을 이용한 고형연료의 제조방법 및 그 고형연료에 관한 것이다.

현재, 축사 등에서 발생하는 축산분뇨가 하수의 오염 및 대기오염 등의 원인으로 알려지면서, 축산분뇨처리 기술의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히, 축산분뇨를 수집하여 가공처리하고 난 다음 발효과정을 거쳐 퇴비화 처리하는 기술의 개발이 활발히 이루어지고 있는 실정이다.

그러나, 축산분뇨를 퇴비화 처리하기 위한 시설을 갖추는데 많은 비용이 소요되어 제조원가가 상승하는 단점을 가지고 있다.

또한, 축분의 퇴비와 기술은 현재 많은 발전이 이루어져 있으며, 액비화기술도 현재 개발된 상태이다. 그러나, 축산분뇨의 퇴비화는 산업화에 많은 문제점을 안고 있는 것이 현실이다. 특히, 축산농가에서의 애로사항은 농업활동이 활발한 농번기에는 그 사용량이 많아 다량의 처리량을 가지고 있으나, 농번기가 지나고 난 후에는 수요가 없어 축산분뇨를 방출하지 못하고 그대로 저장하여야 하는 애로사항을 나타내고 있다.

이러한 문제들로 인하여 축산분뇨, 특히 축분(丑糞)의 경우 이를 활용하여 순환형 대체에너지 보급 차원에서 고형화 하여 건조우분을 만들고 이를 축분 전용 보일러나 온풍기보일러 등에 투입하여 연료로 사용하는 기술이 개발되어져 있다. 그러나, 상기 건조우분 기술은 기대이상의 열효율을 얻기 어려워 실제 농가에서 사용이 잘 이루어지지 않는 것이 현실이다.

따라서, 축분을 가공처리하여 대체에너지 보급품으로 고효율의 연료화 기술이 필요한 것이 현실이다.

1. 대한민국공개특허공보 제10-2010-0122627호(2010.11.23) "가축분뇨로 제조되는 고형탄" 2. 대한민국등록특허공보 제10-1122625호 "가축분뇨를 이용한 고형탄 제조방법"

본 발명에서는 종래의 축분을 이용한 건조우분의 열효율을 획기적으로 높인 축분을 이용한 고형연료의 제조방법 및 그 고형연료를 제공하는 것을 해결과제로 한다.

상기한 과제를 해결한 본 발명의 축분을 이용한 고형연료는 불순물을 제거하고 함수율 30~60%로 조정한 축분을 준비하고, 상기 축분에 카본파우더를 중량비로 1:0.1~1.0의 비율로 혼합한 후, 그 혼합물을 성형압출기에 공급하여 가온 및 가압 성형하여 함수율15%이하가 되도록 가압성형하여 된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여 소취제 0.1~0.3중량부, 또는 유용미생물을 함유하는 액비를 10~30중량부 더 첨가하여 성형된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여 톱밥, 왕겨, 볏짚, 건조된 음식물쓰레기 분쇄물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 5~30중량부 더 혼합하여 성형된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 고형연료는 그 표면에 발화재가 코팅된 발화코팅층이 더 형성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여 녹말가루 10~30중량부를 더 첨가하여 혼합한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 축분을 이용한 고형연료의 제조방법에 있어서,

축분을 이용한 고형연료의 제조방법은 축사에서 수집된 축분을 함수율 60%이하가 되도록 함수율을 조절하기위한 건조 단계;와 상기 건조단계의 축분을 혼합기에 투입한 다음, 카본파우더를 상기 축분 대비 1 : 0.1~1.0의 중량비로 투입하여 교반혼합하는 단계;와 상기 혼합물을 압출기에 공급하여 가온·가압하여 압출성형단계; 및 상기 압출하여 성형된 압출물을 일정크기로 절단한 다음, 건조하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 축분을 이용한 고형연료의 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 축분과 카본파우더의 교반혼합단계에서 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여 소취제, 유용 발효미생물을 포함하는 액비, 또는 톱밥, 왕겨, 볏짚, 건조된 음식물쓰레기 분쇄물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 첨가물 중 어느 하나 이상을 더 첨가하여 되며,

상기 소취제는 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여 소취제 0.1~0.3중량부를, 상기 유용 발효미생물을 포함하는 액비는 10~30중량부를, 상기 첨가물은 5~30중량부 더 투입하여 혼합하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제공되는 제조방법에 의해 제공되는 고형연료는 축분만을 사용하여 가공된 구형탄에 비해 열에너지량이 매우 높고, 열공급시간 즉, 탄화시간이 길어 열 효율이 높은 장법을 가진다.

또한, 본 발명에서 제공되는 고형탄은 종래의 축분을 이용한 고형탄에 비해 완전연소 후 잔존하는 탄화물(재)의 양이 10배이상 적은 양이 발생하여 친환경적인 고형탄의 제공이 가능하다.

또한, 본 발명에서 제공되는 고형연료는 그 자체에 유용미생물균군이 포함되어 있어, 자연발효가 이루어져 연료외에 토양개질제로도 사용가능한 장점이 있다.

도 1 은 본 발명의 축분을 이용한 고형연료의 제조방법의 일예를 도시한 블럭도이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 한우, 육우 또는 젖소 등 목초를 주식으로 하는 가축에서 발생되는 축분을 이용한 고형연료의 제조방법 및 그 고형연료에 관한 것으로, 이하에서 축분의 발열 효율을 높이기 위한 첨가물을 일정중량비로 혼합하여 가온·가압성형하여 구형탄 또는 펠렛과 같은 일정모양으로 성형후 건조하여 완성되는 축분을 이용한 고형연료의 제조방법 및 그 고형연료에 관한 것이 개시된다.

본 발명에 따른 축분을 이용한 고형연료의 제조방법은 첨부도면 도4를 참조하여 설명하면, 축사에서 수집된 축분을 불순물을 제거하고 함수율 60%이하가 되도록 건조하는 1차 건조단계(S10);와 상기 건조축분을 혼합기에 투입한 다음, 카본파우더를 상기 건조축분 대비 일정 중량비로 투입하여 교반혼합하는 단계(S20);와 상기 혼합물을 압출기에 공급하여 가온·가압하여 압출성형단계(S30); 및 상기 압출하여 성형된 압출물을 일정크기로 절단한 다음, 건조하는 단계(S40)를 포함하여 이루어진다.

바람직하게 상기 축분의 함수율은 30~60%가 되도록 건조하여 준비하는 것이 좋다. 만일 30% 미만일 경우에는 혼합되는 카본파우더가 고르게 분포되어 결합되지 않는 문제가 있을 수 있고, 또한 성형시 카본파우더와 축분의 융합이 잘 이루어지지 않아 고른 발열량을 가지는 품위의 고형연료를 얻기 어려운 단점이 있고, 60%를 초과할 경우에는 작업성이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 건조축분과 카본파우더 혼합단계에서 건조축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여 소취제 0.1~0.3중량부를 더 첨가할 수 있다. 이때, 사용되는 상기 소취제는 통상 사용되는 것을 사용할 수 있으며, 상기 소취제의 첨가량이 0.1중량부 미만일 경우에는 소취효과를 기대하기 어렵고, 0.3중량부를 초과할 경우에는 제조단가가 상승하고, 소취제로 인한 열효율의 저하가 우려되고, 그 이상을 초과하여도 소취효과의 상승을 기대하기 어려운 문제가 있다.

본 발명에 따르면, 상기 건조축분과 카본파우더 혼합단계에서 유용미생물균군을 포함하는 액비를 더 투입할 수 있다. 상기 액비는 축분, 돈분 등을 유용미생물로 발효시켜 정제된 것으로 유용미생물균군을 다량 함유하고 있어 최종 제조된 고형연료에 잔존하여 건조과정중에 미생물의 활성으로 발효가 이루어져 고형연료에서 발생될 수 있는 냄새를 제거하는 효과를 얻을 수 있다.

바람직하게는 상기 유용미생물균군은 혐기성 및 호기성 성질을 모두 만족하는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 특정 생육온도를 가지지 않으며, 극한 환경속에서 자연증식하는 성질을 가지는 미생물균군을 사용하는 것이 가장 좋다. 본 발명에서는 이를 만족하는 미생물균군을 찾아내어 사용하였고, 그 유용미생물군은 일본 북해도 토양에 자생하는 미생물을 한천배지에서 분리배양한 방선균을 사용하였다.

상기 분리배양된 방선균을 다양한 환경조건으로 배양한 결과, 영상, 영하를 불문하고 광폭적인 생육온도분포를 나타내었으며, 혐기성 환경과 호기성 환경에서 동시에 증식하는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에 따르면, 상기 액비의 투입량은 건조축분의 함수량을 70%를 초과하지 않는 범위내로 투입하는 것이 바람직하며, 그 투입량은 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여 10~20중량부를 첨가하는 것이 좋다. 만일 10중량부 미만으로 첨가되면 유용미생물균에 의한 냄새의 제거효과가 미미하고, 20중량부를 초과할 경우에는 냄새제거효과는 우수하나 별도의 건조시간이 필요하여 고형연료의 제조시간이 길어지는 단점이 있고, 제조원가가 상승하는 단점이 있을수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 건조축분과 카본파우더 혼합단계에서 상기 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여 톱밥, 왕겨, 볏짚, 건조된 음식물쓰레기 분쇄물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 5~30중량부 더 투입하여 혼합할 수 있다. 상기 첨가물들은 축분의 수분을 조절하는 기능과 함께 최종산물인 고형연료의 열량을 상승시키는 작용을 하게 된다. 또한, 축분외에 폐기물로 버려지는 것을 재활용할 수 있다는데 큰 의미가 있다.

본 발명에 따르면, 상기 건조축분과 카본파우더의 혼합비는 중량비로 1:0.1~1.0의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 건조축분 대비 카본파우더가 0.1 미만일 경우에는 발열효율을 기대하기 어려운 단점이 있고, 1.0을 초과할 경우에는 발열효율은 매우 높으나 연소과정에서 카본파우더가 연소되지 않고 다량 잔류하여 회분의 양이 증대되는 단점을 가지며, 또한 제조단가가 상승하는 문제점을 안고 있으며, 카본파우더가 고르게 분산되지 않고 성형시 결합력이 저하되어 크렉이 발생하는 문제가 있을 수 있다.

본 발명에서는 또한 상기 개시되는 제조방법에 의해 제조되며, 함수율 30~60%인 축분에 카본파우더를 일정중량비로 혼합한 후, 성형압출기로 가온 및 가압 성형하여 함수율15%이하가 되도록 건조하여 된 고형연료를 제공하게 된다. 이때, 상기 성형 형태는 크게 한정하지 않으며, 사용자의 요청에 따라 다양한 형태로 성형되어질 수 있다. 그러나, 가장 바람직한 형태는 펠릿상으로 성형하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 축분과 카본파우더는 중량비로 1:0.1~1.0의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하다. 이때, 사용되는 상기 카본파우더는 미분상태의 것을 사용하며, 보다 바람직하게는 입도분포 10~100㎛인 것이 바람직하다. 만일 10㎛미만일 경우에는 축분과 혼합시 고른분포로 혼합되지 않고 뭉침현상이 일어날 수 있으며, 100㎛를 초과할 경우에는 뭉침현상은 발생하지 않으나, 완전연소 후 그 분체가 다량 잔류하는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여 소취제 0.1~0.3중량부를 더 첨가하여 된다. 상기 소취제는 축분의 특성상 완전히 건조가 이루어진다 하더라도 역한 냄새가 남아 있을 수 있어 이를 제거하기 위하여 사용되어질 수 있는 것이다. 상기 소취제는 본 발명을 저해하지 않는 범위내에서 통상 사용되는 어느 것을 사용하여도 무방하다.

본 발명에 따르면, 상기 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여 유용미생물을 함유하는 액비를 10~30중량부 더 첨가하여 성형된 것이 좋다.

본 발명에 따르면, 상기 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여 톱밥, 왕겨, 볏짚, 건조된 음식물쓰레기 분쇄물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 5~30중량부 더 혼합하여 성형되어질 수 있다.

특히 상기 음식물쓰레기 분쇄물은 가정 또는 식당 등에서 수거된 음식물 쓰레기를 수분을 완전히 제거되도록 건조된 것을 입도0.1~1.0㎜의 크기가 되도록 분쇄하여 준비된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 음식물쓰레기에는 동물뼈 등은 완전히 제거된 상태에서 건조된 것을 사용하는 것이 매우 바람직하다. 즉, 음식물쓰레기중 과일껍질, 채소 등 섬유질이 주를 이루는 것의 경우에는 건조된 상태에서 섬유질만 존재함으로 고형연료로 사용할 수 있는 장점이 있기 때문이다.

본 발명에 따르면, 상기 고형연료는 그 표면에 발화재가 코팅된 발화코팅층이 더 형성될 수 있다. 상기 발화코팅층이 형성될 경우 초기 발화속도를 높여주는 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여 녹말가루 10~30중량부를 더 첨가하여 혼합할 수 있다. 상기 녹말가루는 축분과 카본파우더의 혼합물에 첨가함으로써 보다 견실한 고형화를 이룰수 있으며, 또한 녹말가루의 점착성으로 카본파우더의 결합력을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, 녹말가루는 천연물로 환경의 유해성이 전혀없는 친환경소재이다.

만일 그 첨가량이 10중량부 미만일 경우에는 점착성의 기대 효과가 미미한 단점이 있고, 30중량부를 초과할 경우에는 점착성은 우수하나 고형화시 흐물거리는 현상이 일어날 수 있고, 성형시 성형기의 표면에 들러붙어 제품의 품질을 저하시키고, 발열량의 저하를 초래할 수 있는 문제가 있다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 보다 상세히 설명하기로 한다. 단, 하기의 실시예로 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술자에 의해 얼마든지 변형가능한 것이다.

[실시예]

<재료>

축분: 축사에서 수집된 축분을 준비하고, 함수율 60%이하가 되도록 1차 건조한 다음, 금속물질 등과 같은 불순물을 제거하여 준비한다.

카본파우더: 입도분포 10~100㎛인 카본파우더를 준비한다.

소취제: 라우릴아민과 노닐페놀을 1:1의 중량비로 혼합한 혼합물을 준비한다.

액비: 유용미생물군으로 일본 북해도 토양에 자생하는 미생물을 한청배지에서 분리배양한 방선균을 사용하여 축산폐수를 발효시킨 다음 여과하여 얻어진 여액을 준비한다.

상기와 같이 준비된 재료를 하기 표1에 개시된 바와 같은 중량비로 혼합기에 투입하여 균질혼합하고, 그 혼합물을 압출기에 투입하여 가온·가압성형하여 첨부도면 도 2에 도시된 바와 같은 형상을 가지도록 절단한 다음, 함수율 10% 미만이 되도록 상온건조하여 고형연료를 준비한다.

상기 준비된 고형연료를 원소분석기를 이용하여 KS E 3707:2001의 시험법에 따라 저위발열량을 측정하였고, 시험법 KS M 0009:2010의 기준에 따라 회분의 양을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.

구 분	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6
축분	1	1	1	1	1	1
카본파우더	0.1	0.3	0.5	0.8	1	1
소취제	0.1	-	0.1	0.1	0.1	-
액비	20	10	-	10	10	-
녹말가루	-	-	-	15	20	10
첨가물	10	8	5	-	-	-

주) 1. 축분과 카본파우더는 혼합비(중량비)를 나타냄

2. 소취제와 액비는 그 단위는 중량부이고, 축분과 카본파우더의 혼합물 100중량부 대비 첨가량을 나타냄

3. 상기 소취제, 액비, 녹말가루 및 첨가물은 상기 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부를 기준으로 첨가한 양으로 단위는 중량부이다.

4. 상기 첨가물은 건조된 음식물 쓰레기를 분쇄한 분쇄물을 사용하였다.

시험항목	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6
저위발열량(습윤기준) (J/g)	18,060	18,790	19,890	20,240	20,760	20,980
회분(%)	10.5	10.7	11.2	11.7	12.8	10.7

주) 저위발열량 측정방법 : KS E 3707:2001

회분(105℃ 건조후 850℃) 측정방법: KS M 0009:2010

상기 표 2의 결과에서 저위발열량을 측정하여본 결과, Kcal로 환산할 경우 최저 약4,300Kcal ~ 5,010Kcal의 열량분포를 나타내고 있는 것으로 확인되었다.

이러한 결과는 갈탄 또는 무연탄의 발열량과 유사한 열효율을 나타내는 것으로 고형연료로서 활용가치가 매우 높다 할 것이다. 특히, 발전용 연료의 경우 4050Kcal이상의 저위발열량을 가지는 연료를 사용하며, 본 발명에 따른 고형연료는 4050Kcal이상의 저위발열량을 가지고 있어, 발전용 연료로서도 충분한 활용가치가 있는 것으로 판단된다.

한편, 상기 실시예 1 내지 6에서 가공된 고형연료를 완전건조된 상태에서 악취여부를 관능시험한 결과, 소취제 또는 액비를 혼합하지 않은 실시예 6의 경우 미세한 축분냄새가 잔존하는 것을 확인하였으나, 불쾌감을 느낄정도의 악취는 아니었다. 또한, 실시예1~6에서 준비된 고형연료를 연소시에 발생하는 냄새를 확인하였으나, 마른풀을 태울때 발생하는 냄새가 조금 날 뿐 연탄가스와 같은 유해가스냄새는 나지 않는 것으로 평가되었다.

이상 설명되는 상기 실시예 들은 본 발명을 바람직한 예를 들어 설명하기 위한 것으로, 상기 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명을 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술자가 얼마든지 변형가능한 것이다.

Claims (7)

1. 불순물을 제거하고 함수율 30~60%로 조정한 축분을 준비하고, 상기 축분을 성형압출기에 공급하여 가온 및 가압성형한 다음 함수율 15%가 되도록 건조하여 성형되는 축분을 이용한 고형연료에 있어서,
   상기 축분에 입도분포 10~100㎛인 카본파우더를 중량비로 1:0.1~1.0의 비율로 혼합한 후, 그 혼합물인 축분과 카본파우더 혼합물 100중량부에 대하여,
   톱밥, 왕겨, 볏짚, 건조된 음식물쓰레기 분쇄물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 5~30중량부; 녹말가루 10~30중량부; 냄새제거제로 유용미생물을 함유하는 액비를 10~20중량부를 첨가하여 혼합한 후, 그 혼합물을 성형압출기에 공급하여 가온 및 가압 성형하여 되며,
   상기 성형된 성형물의 표면에 발화재가 코팅된 발화코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 축분을 이용한 고형연료.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 축사에서 수집된 축분을 불순물을 제거하고, 함수율 60%이하가 되도록 함수율을 조절하기위한 1차 건조 단계;와, 상기 1차 건조단계의 축분을 혼합기에 투입한 다음, 첨가물을 투입하여 교반혼합하는 단계;와, 상기 혼합물을 압출기에 공급하여 가온·가압하여 압출성형단계; 및 상기 압출하여 성형된 압출물을 일정크기로 절단한 다음, 건조하는 단계를 포함하여 이루어지는 축분을 이용한 고형연료의 제조방법에 있어서,
   상기 교반혼합하는 단계의 첨가물은 입도분포 10~100㎛인 카본파우더; 유용 발효미생물을 포함하는 액비; 또는 톱밥, 왕겨, 볏짚, 건조된 음식물쓰레기 분쇄물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 첨가물 중 어느 하나 이상을 첨가하여 되며, 그 첨가비율은
   상기 축분과 카본파우더를 1 : 0.1~1.0의 중량비로 투입하여 교반혼합하고, 그 혼합물 100중량부에 대하여, 상기 유용 발효미생물을 포함하는 액비는 10~30중량부를, 상기 첨가물은 5~30중량부 투입하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 축분을 이용한 고형연료의 제조방법.
7. 삭제

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