KR102088772B1 - 케나프를 이용한 바이오 고형 연료 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 케나프를 주성분으로 함유하는 발전용 바이오 고형 연료 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 케나프 바이오 연료는 높은 발열량을 보이며 미세먼지 및 이산화탄소 배출 저감 효과를 보이므로, 환경 문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 바이오 연료로 활용될 수 있을 것이다.

Description

케나프를 이용한 바이오 고형 연료 및 이의 제조방법{Bio solid fuel using kenaf and production method thereof}

본 발명은 케나프를 이용한 바이오 고형 연료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

케나프(kenaf, 학명: Hibiscus Cannabinus L.)는 서부아프니카가 원산지인 무궁화과(Malvaceae)의 1년생 초본 식물로, 미농무부(USDA) 농업연구서비스(ARS)에서 1950년대부터 지구상의 500여종 식물을 대상으로 연구한 결과 펄프제지용 대체 비목재 섬유로 가장 적합한 식물로 지정받은 식물이다. 케나프는 씨앗을 파종한 후 4-5개월이 경과하면 4-5m 정도의 크기로 성장하여 제지 자원으로 이용할 수 있고, 척박한 건조 토양이나 습한 습지에서도 생존하며, 내염성, 내건성, 내중금속성 등을 지니고 있으며, 파종 후 초기 제초와 답수만으로 잘 자랄 정도로 손이 가지 않는 재배 편의성을 보유하고 있다. 또한, 단위 면적당 수확량이 많고, 아열대지역에서 재배되는 작물이어서 국내 재배에서는 종자 결실이 어려워 국내 생태환경교란의 위험성도 없다. 또한, 케나프는 재배 시 1본(本) 당 400g의 이산화탄소를 흡수하여 일반수목에 비해 이산화탄소 흡수 능력이 월등히 높으며, 잎 내 조단백 비율이 매우 높아 사료로써의 가치도 높다.

석탄 화력발전이 선호되는 것은 경제성 때문인데 지난해 기준 전력생산을 위한 유연탄의 구매단가는 78.05원/kWh로 100.09원/kWh인 액화천연가스(LNG)의 78% 수준에 불과한 것으로 확인되었다. 하지만 석탄발전 단가는 가스발전 단가의 78%에 불과하지만 초미세먼지 발생에 따른 환경비용을 감안하면 석탄발전 단가는 가스발전 단가의 34배가 넘는 것으로 분석된다. 그 외, 수력발전은 국내 내륙 수자원의 한계 때문에, 풍력과 태양력발전은 사계절이 뚜렷한 기후변수 때문에 공급안정성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 신재생에너지도 현재 국내의 기술력과 인프라가 부족하다보니 화력발전의 의존도를 낮추기가 쉽지 않은 상황이다. 원자력발전이 대안으로 꼽히지만 이 역시 일본 후쿠시마 원전 사고나 지난해 경주 지진 등을 겪으며 대형 재난에 대한 우려 등으로 인해 신설이 어려우며 정부는 점진적인 원전의 가동 중지 및 폐기 정책을 준비 중에 있다.

현재 5개 발전공기업들이 소유·운영하는 석탄화력 발전소들은 탄소 저감, 친환경설비 보완 계획에 따라 막대한 지출계획을 세우고 있다. 그러나 막대한 비용만큼 온실가스 저감에 실질적으로 기여할 지는 미지수이다. 제2차 국가에너지기본계획 상 2035년 신재생 설비 비중은 20.1%이지만, 설비 비중만 증가할 뿐 풍력과 태양광 등 자연에너지의 간헐성·단속성으로 인해 실제 전력 생산에의 기여도는 상당히 낮을 것으로 예상되고 있다. 정부는 발전공기업들에게 신재생에너지 의무할당제(RPS) 등의 규제를 확대하여 2017∼8년 사이 3.7조원을 투자하기로 공약하였으나, 신재생설비의 실효성 즉 가동률을 높이는 계획이 없다면 실효성 없는 투자가 될 수 있다. 한국수력원자력이 2024년 신재생에너지 공급의무량(1만2123GWh)의 약 30%를 바이오매스로 달성한다는 내부 계획을 수립하였고, 이를 위해 한국수력원자력은 전남 광양만권경제자유구역 황금산업단지에 2020년까지 110MW 우드칩발전소 2기를 건설·운영한다는 계획을 수립하였다. 바이오매스의 직접연소를 통한 발전연료로써의 이용(나무 원료 및 폐목의 재활용)은 이러한 제반 문제들의 환경적 대안을 고려하여 개발되었으며 석탄화력 발전의 큰 대안으로 자리매김할 것으로 보였으나 또 다른 문제가 발생하였다.

일반적으로 우드펠릿(wood pellet)은 침엽수나 활엽수 톱밥이나 임목폐목재를 분쇄한 것을 압축하여 제조한 것으로, 화석연료를 대체하는 신재생에너지 자원으로서 가정용 우드펠릿 보일러의 고체연료로 사용되거나 가축의 축사용이나 애완동물의 베딩용으로 널리 사용되고 있다.

한편, 한국등록특허 제1579930호에는 '저품위 폐목재를 이용한 바이오매스 발전용 우드펠릿의 제조방법'이 개시되어 있고, 한국등록특허 제1609696호에는 '표고버섯 폐톱밥을 이용한 우드펠릿 제조방법'이 개시되어 있으며, 한국등록특허 제1300605호에는 '연소효율이 우수한 우드칩의 제조방법'이 개시되어 있으나, 본 발명의 케나프를 이용한 바이오 고형 연료 및 이의 제조방법에 대해서는 기재된 바가 없다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명자들은 친환경적이면서도 기존 원료에 동등 이상의 효율을 보이며, 기존 발전 시스템에 추가 변경 또는 보완 없이 사용가능하고, 국내 자체 생산을 통해 수급불균형을 해소할 수 있는 발전용 바이오 연료를 공급하기 위해, 케나프를 이용한 우드펠릿 및 우드칩을 제조하였고, 상기 케나프 바이오 고형 연료가 우수한 발열량을 보이는 것을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 케나프를 주성분으로 함유하는 발전용 바이오 고형 연료를 제공한다.

또한, 본 발명은 케냐프의 함수율을 조절하는 단계를 포함하는 발열량이 증가된 케나프 우드펠릿의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 케나프 우드펠릿을 제공한다.

또한, 본 발명은 케냐프의 함수율을 조절하는 단계를 포함하는 발열량이 증가된 케나프 우드칩의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 케나프 우드칩을 제공한다.

본 발명의 케나프 우드펠릿 및 우드칩을 이용하면, 석탄 화력 발전의 바이오 매스 원료 전환을 통해 미세먼지 및 이산화탄소 배출 저감을 실현할 수 있다. 또한, 케나프는 에너지 작물이므로 환금성(liquidity)으로 인한 기존의 농경지 및 임야의 훼손이 없어 환경 보전에 기여할 수 있고, 짧은 생육기간 및 단위 면적당 높은 생산량의 특성이 있어 기존 목재 바이오매스 전소연료의 원료수급문제를 해결할 수 있어, 환경 문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 획기적인 방안을 제공할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 케나프 우드칩의 발열량을 분석한 결과이다.
도 2는 본 발명의 케나프 우드칩의 성분 분석 결과이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 케나프를 주성분으로 함유하는 발전용 바이오 고형 연료를 제공한다.

본 발명의 용어 "바이오 연료"는 바이오매스(biomass)에서 얻는 연료를 의미하는 것으로, 일반적으로 에너지로 이용할 수 있는 식물이나 생물을 의미하며, 신ㆍ재생에너지의 한 분야인 바이오에너지의 자원이라 할 수 있다. 바이오매스는 광역 분산형 자원이라는 특성상 지역 에너지원으로 주목받고 있으며, 에너지원으로써 장점은 재생이 가능하고, 물과 온도 조건만 맞으면 지구상 어느 곳에서나 얻을 수 있다는 것이다. 전 세계에 존재하고 있는 바이오매스 자원은 약 18,410 억톤 정도로 추정되고 있으며, 이중 약 90%가 산림에 축적되어 있다.

본 발명의 상기 발전용 바이오 고형 연료에 있어서, 주성분인 케나프는 줄기 조직 내에는 천공이 많아 흡수력과 응집력이 우수하며, 완전 연소에 가까운 연소특성을 나타낸다. 이에 따라, 본 발명의 상기 바이오 고형 연료는 건품 기준 4,600~4,700 kcal/kg, 함수품 기준 3,900~4,000 kcal/kg의 발열량을 보여 일반 우드칩 또는 우드펠릿에 비해 높은 발열량을 보이는 특성이 있다. 또한, 케나프는 빠른 생육 및 우수한 생산성을 보이므로, 수급 불균형 문제를 해소할 수 있고 안정적인 공급량이 확보될 수 있어 우수한 바이오매스 연료의 재료이다.

본 발명의 상기 바이오 고형 연료는 펠릿형, 우드칩형 또는 블럭형일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 펠릿형은 혼련공정, 싱글 압출 공정, 및 펠릿타이저 공정에 의해 수득될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 당업계의 통상의 방법에 의해 수득될 수 있다.

본 발명의 상기 바이오 고형 연료는 우수한 발열량을 보이는 특성이 있어 화력 발전용 연료로 활용될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 소규모 가정용 난방용 연료로도 활용될 수 있다.

본 발명은 또한,

케나프의 이물질을 제거하고 분쇄하는 단계;

상기 분쇄된 케나프 분말을 함수율이 7 중량% 이하가 되도록 30 내지 40℃의 조건에서 2~3일 동안 건조하는 단계; 및

상기 건조된 케나프 분말을 압축성형하는 단계;를 포함하는 발열량이 증가된 케나프 우드펠릿의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 발열량이 증가된 케나프 우드펠릿을 제공한다.

우드펠릿은 석유자원과는 다르게 조림(造林)과정에서 상시 발생하여 순환성이 매우 뛰어나면서도 화석연료에 비하여 오염물질의 발생량도 상대적으로 낮은 자원이다. 일반적으로 우드펠릿은 순수임목만을 사용하며, 발열량이 균등하고, 연료 단가가 높은 편이며, 직경 6~25mm, 길이 32mm 이하의 형상을 가지는 특성이 있다.

본 발명의 케나프 우드펠릿 제조방법은, 케나프의 함수율을 7% 이하가 되도록 조절하는 단계를 포함하는데, 이는 4~5개월 재배된 후의 케나프가 건조되지 않은 상태에서는 20%의 함수율을 보이므로, 함수율을 감소시켜 케나프 우드펠릿의 발열량 증가를 꾀하기 위함이다.

본 발명의 상기 우드펠릿의 제조방법은 통상 사용되는 우드펠릿 제조방법을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 펠릿제조기계를 이용하여 750 내지 1,000 kg/cm³ 압력으로 압출하여 작은 원통 형태로 우드펠릿을 성형할 수 있으며, 필요에 따라 제조된 우드펠릿의 크기나 중량은 조절될 수 있다.

본 발명은 또한,

케나프를 30 내지 40℃의 조건에서 2~3일 동안 건조하여 함수율이 7 중량% 이하가 되도록 조절하는 단계; 및

상기 건조된 케나프를 길이 5 내지 30mm, 폭 2 내지 10mm로 분쇄하는 단계;를 포함하는 발열량이 증가된 케나프 우드칩의 제조방법 및 상기 방법에 의해 제조된 발열량이 증가된 케나프 우드칩을 제공한다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

제조예 1. 케나프 우드칩의 제조

4~5개월 재배한 케나프를 30~40℃의 조건에서 2~3일 동안 건조한 후, 수분 측정기(Misture Analyzer)를 이용하여 함수율을 측정하였다. 함수율이 7% 이하인 건조된 케나프를 이용하여, 길이 5 내지 30mm, 폭 2 내지 10mm로 분쇄하여 우드칩을 제조하였다.

실시예 1. 제조된 케나프 우드칩의 특성 분석

한국산업기술시험원(KTL)에 의뢰하여 케나프 우드칩의 발열량을 분석한 결과, 케나프 우드칩의 발열량은 건품 기준 4,680 kcal/kg, 함수품 기준 3,980 kcal/kg로 확인되었다(도 1). 이는 일반 우드칩이 3,500 kcal/kg 정도의 발열량을 보이는 것과 비교할 때 케나프 우드칩의 발열량이 우수함을 의미하였다.

또한, 케나프 우드칩을 850℃에서 2시간 태운 후 남은 잔여물에 대하여 분석한 결과(도 2), 산화칼슘(CaO, 42.9%), 산화칼륨(K₂O, 37.1%), 이산화황(SO₂, 6.61%), 오산화인(P₂O₅, 6.31%), 산화마그네슘(MgO, 4.60%), 삼산화철(Fe₂O₃, 0.525%), 이산화규소(SiO₂, 0.538%), 산화스트론튬(SrO, 0.244%), 염소(Cl, 0.331)%, 산화아연(ZnO, 0.208%), 산화나트륨(Na₂O, 0.217%), 산화알루미늄(Al₂O₃, 0.178%), 산화망간(MnO, 0.090%), 산화구리(CuO, 0.084%), 산화루비디움(Rb₂O, 0.028%)로 측정되었다. 상기 결과는 2017년 한국산업기술시험원에서 분석된 결과로 바이오화력발전용으로 적합하다고 판정받았다. 특히 케나프 우드칩은 기존의 우드 칩이나 우드펠릿, 폐기물 고형화된 원료 등에 다량으로 존재하는 환경오염원이 되는 제반 중금속, 휘발성 유기 화합물(volatile organic compounds) 등이 존재하지 않으며, 발전소 설비 고장의 원인이 되는 실리카(SiO₂)의 잔류 발생량이 매우 적어 상대적으로 매우 경쟁력 있는 대체제로써 자리매김할 것으로 사료되었다.

Claims (8)

1. 케나프로 제조된 발전용 바이오 고형 연료로서,
   상기 발전용 바이오 고형 연료는,
   케나프의 이물질을 제거하고 분쇄하는 단계; 및
   상기 분쇄된 케나프 분말을 함수율이 7 중량% 이하가 되도록 30 내지 40℃의 조건에서 2~3일 동안 건조하는 단계;를 포함하는 제조방법으로 제조되며,
   건품 기준 4,600~4,700 kcal/kg, 함수품 기준 3,900~4,000 kcal/kg의 발열량을 나타내는 것을 특징으로 하는 발전용 바이오 고형 연료.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 바이오 고형 연료는 펠릿형, 우드칩형 또는 블럭형인 것을 특징으로 하는 발전용 바이오 고형 연료.
4. 제3항에 있어서, 상기 펠릿형은 혼련공정, 싱글 압출 공정, 및 펠릿타이저 공정에 의해 수득된 것을 특징으로 하는, 발전용 바이오 고형 연료.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

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