KR102208973B1 - 바이오매스와 반탄화 재료를 혼용한 고형연료 및 완효성 퇴비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오매스를 함유한 고형연료 및 이를 포함한 완효성 비료에 관한 것으로 농 ㆍ임업 부산물과; 반탄화된 바이오매스와; 톱밥으로 구성되어 고형연료의 경우 발열량이 높고 탄소함량이 높을 뿐만 아니라 가공성과 저장성이 우수하고 퇴비의 경우 암모니아성 질소의 흡착 및 제거 효율성이 우수하고 탄소 격리 효과가 있다.

Description

바이오매스와 반탄화 재료를 혼용한 고형연료 및 완효성 퇴비 {A SOLID FUEL AND COMPOST CONTAING BIOMASS AND HALF-CARBONIZED MATERIALS}

본 발명은 바이오매스를 함유한 고형연료 및 이를 포함한 완효성 퇴비에 관한 것으로 보다 상세하게는 농ㆍ임업 부산물, 반탄화된 바이오매스 및 톱밥을 함유하여 함수율이 낮고, 탄소함량이 높을 뿐만 아니라 가공성과 저장성이 우수한 고형연료 및 암모니아성 질소의 흡착 및 제거 효율성이 우수하고 탄소 격리 효과가 있는 완효성 비료에 관한 것이다.

현재 우리나라 정부는 2030년까지 생산되는 에너지의 20%정도를 재생에너지로 한다는 정책목표를 설정하고 에너지 공급에 있어 신재생에너지 공급인증제(REC)를 실시하고 있다. 지금 논의되고 있는 사용가능한 신재생에너지에는 태양광,풍력, 바이오매스 등이 속하나, 경제성과 환경문제 등을을 고려한다면 이중 바이오매스가 가장 우수한 재생에너지 자원이라 할 수 있다.

상기한 바이오매스를 재생에너지화 하는 기술은 이미 많은 연구가 되어왔고 실용화된 것도 다수 있다. 특히 폐목재 등 농ㆍ임업부산물이나 축분을 고형연료화 한 기술에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 예를 들면 등록특허공보 10-1728233은 버섯재배 후의 폐배지 또는 폐목재를 이용하여 펠릿연료를 제조하는 방법에 관한 것인데, 상기 문헌은 분쇄된 폐배지 또는 폐목재에 리그닌을 첨가하는 단계; 상기 리그닌이 첨가된 폐배지 또는 폐목재를 가열압축하여 펠릿을 성형하는 단계; 및 상기 성형된 펠릿을 건조하는 단계; 를 포함하여 이루어지며, 상기 리그닌이 첨가되는 단계에서 리그닌은 소듐리그노술포네이트(sodium lignosulfonate) 또는 칼슘 리그노술포네이트(calcium lignosulfonate)이고, 리그닌이 녹아 있는 수용액을 스프레이 방식 또는 점적 방식으로 폐배지 또는 폐목재의 부숙 상태에 따라 리그닌의 첨가량을 조절하는 것을 특징으로 하고 있다.

한편 등록특허공보 10-1125020는 축분을 이용한 고형연료 제조시스템 및 방법에 관한 것으로 축분을 수거하여 20일 동안 저장하는 단계; 저장된 축분이 뭉치지 않도록 자동으로 축분를 뒤집어주는 단계; 상기 저장된 축분을 일정 시간동안 발효시키는 단계; 발효가 완료된 축분을 크기별로 선별하고, 선별된 축분에 포함된 중금속을 선별하는 단계; 상기 선별된 축분을 이송 컨베이어를 통해 성형부로 이송되어 일정 크기로 압축 성형하여 축분연료를 제조하는 단계; 상기 압축 성형이 완료된 축분연료를 열풍에 의해 건조시켜 고형연료화시키는 단계로; 구성되어 있다.

상기한 구성으로 인하여 폐목재나 축분을 바이오매스로 재활용한다는 긍정적인 효과가 기대된다. 그러나 등록특허공보 10-1728233의 경우 특정한 리그닌을 첨가하여야하기 때문에 기술적으로 쉽게 적용하기 힘들뿐만 아니라 리그닌 사용에 따를 환경오염의 문제가 발생될 우려가 있다. 또한 등록특허공보 10-1125020의 경우 저장부, 발효부, 선별부, 이송 컨베이어, 성형부, 포장부, 건조부 등의 구성을 요구하기 때문에 경제성에 있어서 그 효과가 매우 의문시 된다.

상기한 문제를 해결하기 위하여 최근에는 목질계 연료를 반탄화시키는 방법에 대한 연구도 진행되고 있다. 고형연료 중 우드 펠릿의 경우 일반 펠릿은 미세 분쇄된 우드칩 입자를 일정온도에서 가압과 함께 일정한 형태로 만들어진다. 이러한 반탄화 펠릿은 일반 우드 펠릿과 비교하여 낮은 흡습성과 함께 향상된 발열량과 연료 무게 감소 및 밀도가 강해져 보관 및 운송비용은 더욱 감소시킬 수 있어 지속적인 연구가 진행 중이다.

상기 목질계 연료를 반탄화 방법에 대한 기술로는 등록특허 10-1308397은 저온 반탄화법에 의한 고발열량 목질계 고형연료의 제조방법을 들 수 있는 데 이는 우드칩을 크기 100 내지 150㎜, 폭 10 내지 50㎜로 분쇄하고 이를 머플형 전기로에 넣고 100 내지 300℃에서 10 내지 60분 동안 가열처리하여 우드칩의 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌을 열분해시키는 것을 특징으로 한다.

그러나 상기 등록특허 10-1308397는 목질계 연료를 반탄화하는 기술로서 우분, 돈분, 계분 등과 같은 축분을 활용할 수 없다는 문제점이 있다. 따라서 축분을 포함한 바이오매스를 고형연료로 제조하거나 비료로 사용한다면 발열량이 높고, 가공성과 저장성이 우수한 고형연료를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 완효성 비료를 제공할 수도 있다.

상기한 완효성 비료란 비료의 효과가 천천히 나타나는 비료를 의미하는 것으로, 지효성 비료라고도 한다. 질소 또는 칼륨과 같은 속효성 비료와는 달리 완효성 비료는 비료 성분의 유실이 적어서 비료 효율을 높일 수 있는 장점 외에 1회 시비로 충분하므로 추비를 하는데서 오는 노동력을 절감할 수 있다.

이와 관련하여 한국 등록특허 제1188062호는 비료용출속도 제어가 가능한 완효성 비료복합체 및 이의 제조방법을 개시하고 있으며, 구체적으로 완효성 비료에 있어서, 목질계 바이오매스와 비료가 균일하게 함유되며, 상기 목질계 바이오매스에 함유된 리그닌이 가열가압에 의해 접착제가 되어 상기 바이오매스와 비료가 결합을 이룬 성형체인 것을 특징으로 하는 친환경의 완효성 비료복합체를 제공한다. 그러나 반탄화 목재를 사용한 완효성 비료에 대해서는 아직까지 개시된 바 없다.

등록특허공보 10-1308397 등록특허 10-1188062호

없음

본 발명은 바이오매스를 함유한 고형연료 및 완효성 퇴비를 제공하는 것을 목적으로 한다.

보다 상세하게 본 발명은 농ㆍ임업 부산물, 반탄화된 바이오매스 및 톱밥을 함유하여 함수율이 낮고, 탄소함량이 높을 뿐만 아니라 가공성과 저장성이 우수한 고형연료를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한 본 발명은 반탄화된 바이오매스(폐버섯배지 등)에 축분을 혼합하여 완효성 비료를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은

농 ㆍ임업 부산물 60중량%와; 반탄화된 바이오매스 30중량%와; 톱밥 중량10%로 이루어지는 것을 특징으로 한 고형연료를 과제를 해결하기 위한 수단으로 제공한다.

상기 농 ㆍ임업 부산물은 왕겨, 볏짚, 보리짚, 콩줄기, 폐목재로부터 선택되며, 상기 바이오매스는 우분, 돈분, 계분, 폐버섯 배지로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명은 상기한 과제를 더욱 효과적으로 해결하기 위하여 상기 반탄화는 온도는 220 - 240℃이고 체류시간은 30 - 60분의 조건하에서 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기한 제조방법에 의하여 제조된 반탄화된 바이오매스를 함유한 고형연료는 발열량이 4,000cal/g이상이고, 함수율이 10%이하이며, 압축강도가 1.6kgf/mm2이상인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기한 고형원료를 제조하기 위한 방법으로서

왕겨, 볏짚, 보리짚, 콩줄기, 폐목재로부터 선택되는 농 ㆍ임업 부산물의 중량60%와; 반탄화된 바이오매스 중량30%와; 톱밥 중량10%를 혼합하여 압축 성형한 후펠릿화하여 고형연료를 제조하는 방법을 제공한다.

상기 제조방법에 있어서 바이오매스는 우분, 돈분, 계분, 폐버섯 배지로부터 선택되며, 상기 반탄화는 220 - 240℃이고 체류시간은 30 - 60분의 조건하에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명은 농 ㆍ임업 부산물을 220 - 240℃에서 30 - 60분동안 반탄화하는 단계와;

반탄화된 농 ㆍ임업 부산물에 축분을 혼합하여 함수율이 50%이상인 퇴비 혼합물을 제조하는 단계;

상기 제조된 퇴비 혼합물에 물을 첨가하거나, 또는 질소, 인산 및 칼륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 용액을 첨가하는 단계;로 이루어지는 완효성 비료의 제조방법을 과제 해결을 위한 또 다른 수단으로 제공한다.

본 발명에 의하여 제조된 고형연료 및 완효성 비료는 제조방법이 간단하여 무척 경제적일 뿐만 아니라 왕겨, 버섯배지, 폐목재, 축분, 톱밥 등 농가에서 발생되는 폐기물을 사용함으로써 환경문제를 해결하는 데 기여할 수 있다. 뿐만 아니라 고형연료의 경우 발열량이 우수하고 함수율이 낮고, 탄소함량이 높고 가공성과 저장성이 우수한 장점이 있다. 퇴비의 경우 암모니아성 질소의 흡착 및 제거 효율성이 우수하고 탄소 격리 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 고형연료를 나타내는 사진이다.

이하 도면과 실시예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 실시예와 변형예를 포함할 수 있으므로 특별히 정의되지 않는한 본 발명에서 사용되는 용어나 수치 등은 본 발명에 대한 이해를 돕고 이를 보다 명확하게 설명하기 위하여 예시한 것으로 해석되어야지, 본 발명의 권리범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니된다. 예를 들면 함수율이 “5~10%”라는 표현이 실시예에 기재되어 있다고 해서 본 발명의 권리범위가 상기 함수율의 범위에 국한되는 것이 아님은 청구범위해석의 원칙상 명확하다. 뿐만 아니라 본 발명에서 주 원료로 사용된 농·임업 부산물은 왕겨, 볏짚, 보릿짚, 콩줄기 등이 이에 포함될 수 있으나, 반드시 이에 한정되지 않음은 물론이며 만일 본 발명의 청구범위가 상기 농·임업 부산물을 왕겨, 볏짚, 보릿짚, 콩줄기로 한정하여 기재되어 있다면 본 발명의 권리는 상기 왕겨, 볏짚, 보릿짚, 콩줄기뿐만 아니라 이와 동일한 효과를 나타낼 수 있는 균등한 수단까지 확대되어 해석되어야 한다.

본 발명의 반탄화된 바이오매스를 함유한 고형연료는 농 ㆍ임업 부산물과; 반탄화된 바이오매스와; 톱밥을 혼합하여 압축 성형한 후펠릿화하여 제조된다. 도 1은 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 고형연료를 나타내는 사진인데, 이를 참조하면 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 고형연료의 성상을 쉽게 확인할 수 있다.

상기 농 ㆍ임업 부산물은 왕겨, 볏짚, 보리짚, 콩줄기, 폐목재로부터 선택되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 당업자라면 본 발명의 목적와 효과에서 크게 벗어나지 않는 범위에서 적절히 농 ㆍ임업 부산물을 선택할 수 있다.

상기 농 ㆍ임업 부산물은 전체 고형연료의 중량대비 60%를 함유하는 것이바람직하다.

상기 바이오매스는 우분, 돈분, 계분등 축분 혼합물과 폐버섯 배지로부터 선택된다. 축분 혼합물은 우분, 돈분, 계분등으로부터 선택되거나 이의 혼합물일 수 있다. 축분 혼합물만을 단독으로 사용할 수 있고 여기에 폐버섯 배지를 혼합하여 바이오매스로 사용할 수도 있다.

상기한 바이오매스를 후술하는 반탄화단계를 거쳐 고형연료의 재료로 사용한다. 상기 반탄화된 바이오매스는 전체 고형연료의 중량대비 30%를 함유하는 것이바람직하다.

마지막으로 혼합되는 톱밥은 전체 고형연료의 중량대비 10%를 함유하는 것이바람직하다.

본 발명의 또 다른 목적인 완효성 비료인 경우 농 ㆍ임업 부산물을 220 - 240℃에서 30 - 60분동안 반탄화하는 단계와; 반탄화된 농 ㆍ임업 부산물에 축분을 혼합하여 함수율이 50%이상인 퇴비 혼합물을 제조하는 단계; 상기 제조된 퇴비 혼합물에 물을 첨가하거나, 또는 질소, 인산 및 칼륨 중 어느 하나 이상을 포함하는 용액을 첨가하는 단계; 상기 단계 의 혼합물을 펠렛(pellet) 형태로 제조하는 단계를 순차적으로 거쳐 제조된다.

이하 본 발명의 특징이라 할 수 있는 반탄화공정에 대하여 보다 상세히 설명하면 아래와 같다.

반탄화 공정은 바이오매스 원료를 200~300℃의 온도에서 산소가 없는 상태로 4~120분간 가열하는 전처리 방법이다. 이렇게 생산된 반탄화 펠릿은 소수성을 가지며, 함수율이 매우 낮아 미생물로 인한 부패나 뒤틀림 등 외형 변화가 적다. 또한, 고정탄소(Fixed carbon) 성분이 증가하여 장거리 운송 비용 절감, 취급과 저장 등 취급성 우수, 분쇄성 향상, 높은 에너지 밀도를 갖는 장점이 있다.

상기한 반탄화 방법에는 완속 열분해법, 건식 반탄화 처리법, 가스화 처리법, 수열탄화 처리법 등이 있다. 본 발명에서는 최종적으로 생산되는 고형연료의 목표하는 함수율과 성상 등을 고려하여 건식 반탄화 처리를 사용한다.

상기 건식 반탄화 처리법은 일반적으로 온도 200 - 300℃, 체류시간 3분에서 4시간사이에 질소 등과 같은 불활성 대기에서 바이오매스를 가열하면서 수행된다. 이 과정에서 약 30% 질량 및 10% 에너지가 손실되어, 비에너지밀도는 증대된다. 또한 함수율과 압축강도가 개선되어 바이오매스를 고형연료로 사용가능하게 된다.

[실시예 1~12: 반탄화된 바이오매스를 함유한 고형연료의 제조]

돈분 150g과 우분 80g에 폐버섯 배지70g을 혼합하여 바이오매스 원료 300g을 준비한 후, 이를 실험실 규모의 Batch식 반탄화 장치에 넣고, Regulator와 Flow meter를 설치하여 질소가스를 100 ㎖m/min이하의 유량으로 주입하면서 230℃의 온도에서 40분간 체류시켜 반탄화된 바이오매스 200g을 수득하였다. 그런 다음 상기 반탄화된 바이오매스를 왕겨 200g, 볏짚 200g 및 톱밥 67g과 혼합하여 압축 성형하여 펠릿화시켜 고형연료를 제조하였다.

상기 제조된 고형연료를 발열량계(Parr 6100Calorimeter)를 이용하여 발열량을 측정하였고, 함수율 측정을 위하여 Dry Oven을 이용하여 습시료를 105~100℃에서 건조시킨 후 건조 전후의 무게차를 이용하여 측정하였다. 또한 UTM(Torsee's Universal Testing Machine)을 이용하여 압축강도를 측정하였다. 그 후 바이오매스의 성분과 함량 및 왕겨와 볏짚(첨가제)의 함량을 변화시키면서 상기 실시예 1와 유사하게 실험을 실시하여 발열량, 함수율 및 압축강도를 측정하여 그 결과를 표 1을 통해 제시하였다.

표 1에서 나타난 바와 같이 대부분의 고형연료가 발열량이 4,000cal/g이상이고, 함수율이 10%이하이며, 압축강도가 1.6kgf/mm2 임을 확인할 수 있었다. 우분을 많이 함유할수록 고형연료의 전체적인 물성이 우수하나 그 차이는 그다지 크지 않은 것으로 나타났다.

[비교예 1: 반탄화 공정을 생략한 고형연료의 제조]

우분 등과 같은 축분을 탈수한 후 반탄화 공정을 생략하고 폐버섯 배지, 왕겨, 볏짚, 톱밥을 실시예 1에 기재된 방법과 동일하게 혼합하여 고형연료를 제조한 후 동일한 방법으로 발열량, 함수율, 압축강도를 측정하였다. 또한 바이오매스의 성분과 함량 및 왕겨와 볏짚(첨가제)의 함량을 변화시켜 가면서 발열량, 함수율 및 압축강도를 측정하여 그 결과를 표 2를 통해 제시하였다.

반탄화 공정을 생략하고 제조된 고형연료는 발열량이 2,600cal/g 이하, 함수율이 약 20%이며 압축강도 또한 0.68kgf/mm2 인 것으로 나타나 반탄화 공정을 거친 고형연료에 비하여 물성이 현저히 저하된 것으로 판명되었다.

[추가 실시예: 반탄화 온도와 시간을 달리한 고형연료의 제조]

실시예 1과 동일하게 실시하되, 반탄화 온도와 시간을 달리하여 고형연료를 제조하여 그 물성을 측정하였다. 그 결과를 표 3을 통해 제시하였다.

반탄화 온도가 높고 시간이 길수록 발열량과 함수율은 높아지고 압축강도는 다소 저하됨을 알 수 있었다. 특이한 점은 온도가 220℃일 때 발열량이 급격히 증가되며 240℃를 넘어서면 온도의 상승에 따른 발열량 증가의 효과가 미미하거나 오히려 감소한다는 점이다. 이를 통해 상기 반탄화 온도는 임계적 의미가 있는 것으로 확인되었다.

[제조예: 완효성 비료의 제조]

왕겨 500g을 Batch식 반탄화 장치에 넣고, Regulator와 Flow meter를 설치하여 질소가스를 100 ㎖m/min이하의 유량으로 주입하면서 230℃의 온도에서 40분간 체류시켜 반탄화된 왕겨 360g을 수득하였다. 그런 다음 아래의 표 4와 같이 돈분을 혼합한 후 요소(urea)를 물에 첨가하여 질소 포화 용액 (질소:물의 부피비 0.8:1)을 제조하였다.

상기 제조된 비료의 암모니아성 질소의 흡착효유을 측정하기 위하여 플라스틱 병에 제조예 1-1 내지 1-5에 따라 제조한 비료를 각각 10~20g을 넣고, 300ml 양의 증류수를 주입한 후, 왕복식 항온 진탕기(JP/NTS-3000, Eyela, Tokyo, Japan)를 이용하여 40℃에서 500 rpm으로 15시간 교반 후 여과하였다. 이때, 펠렛의 입자 크기를 5mm로 하였기 때문에, Whatman No.2 여과지를 이용하여 여과하였다. 이 침출액의 NH4-N 성분을 분석하여 각각의 펠렛에 대한 NH4-N의 흡착량 및 제거율을 산정하였다. 그 결과를 표 4를 통해 도시하였다.

그 결과 반탄화된 왕겨의 혼합비율이 증가함에 따라 암모니아성 질소 흡착 및 제거 효율이 증가함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 반탄화된 왕겨가 암모늄태 질소를 흡착하여 질산화 과정을 지연시킴으로써 온실가스인 아산화질소의 배출을 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다.

본 발명은 반탄화된 바이오매스를 함유한 고형연료 및 퇴비에 관한 것으로 신재생에너지 관련분야 및 비료관련 분야에 적용이 가능하다.

없슴

Claims (7)

1. 고형연료의 제조방법에 있어서,
   상기 제조방법은 돈분, 우분, 계분, 폐버섯 배지를 혼합하여 바이오매스 원료를 준비하는 단계와;
   상기 준비된 바이오매스 원료를 배치식 반탄화 장치에 넣고, 레귤레이터와와 플로우 미터를 설치하여 질소가스를 100 ㎖m/min이하의 유량으로 주입하면서 220~240℃의 온도에서 30~60분간 체류시켜 반탄화된 바이오매스를 수득하는 단계와;
   상기 수득된 반탄화된 바이오매스에 왕겨, 볏짚, 톱밥을 투입하고 압축 성형하여 펠릿화시키는 단계로; 이루어지며
   상기 고형연료는 발열량계(Parr 6100Calorimeter)를 이용하여 측정한 발열량 4,000~4,200cal/g, Dry Oven을 이용하여 습시료를 105~100℃에서 건조시켜 측정된 함수율이 9.5~10.5%, UTM(Torsee's Universal Testing Machine)을 이용하여 측정된 압축강도가 1.6~1.9kgf/mm² 인 것을 특징으로 한 고형연료의 제조방법
   
   
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