KR102212866B1

KR102212866B1 - 축분 자원화 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR102212866B1
Application number: KR1020200114982A
Authority: KR
Inventors: 이영무; 김진홍
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2040-09-08

Abstract

본 발명은 축분 자원화 장치 및 그 방법에 관한 것으로 상기 축분 자원화 장치는 축분을 교반하며 침전되는 불순물을 제거하는 교반부 원심분리를 통해 소정의 고형물 크기를 기준으로 교반부로부터 공급된 축분을 축분셀룰로오스 성분 및 유기질 성분으로 분리하는 고액분리부 및 축분셀룰로오스 성분을 펠렛성형하여 축분셀룰로오스 성분의 펠렛 고체연료를 제조하는 혼합성형부를 포함하며, 본 발명에 따르면 축분으로부터 유기질 성분을 제거함으로써 회분 발생을 줄여 연소효율이 균일하고 우수한 펠렛 연료를 얻을 수 있다.

Description

축분 자원화 장치 및 그 방법{MANURE OF LIVESTOCK RESOURCEIZATION DEVICE AND METHOD}

본 발명은 축분 자원화 장치 및 그 방법에 관한 것으로 구체적으로 축분으로부터 추출한 셀룰로오스를 펠렛으로 제조하는 기술에 관한 것이다.

최근 축산업의 발달과 함께 축산농가의 대형화가 지속되고 있으며, 이로 인하여 다량의 축산분뇨(축분)가 발생하고 이로 인한 환경오염 및 악취문제가 사회적인 문제로 대두되고 있다.

상술한 축분 문제의 대다수를 차지하는 우분은 소의 축산분뇨인데 소는 먹이로 다양한 초본 식물을 섭취한 후, 대부분 우분으로 배설하게 되며 우분의 40%는 유기질성분으로 단백질, 지방, 무기질로 구성되어 있다. 여기서 유기질 성분은 토양 및 수질 오염의 주원인이 되며, 특히 축분의 해양배출을 금지하는 해양오염방지법이 실시된 후, 축분의 유기질 성분을 퇴비화하는 등 축분 자원화 시도로 문제를 해결하고자 하였다.

그러나 우분의 대다수인 약 60%는 미소화 상태로 배설된 초본식물이며 이중 80%는 섬유질인 셀룰로오스 성분이나 퇴비로는 활용되기 어려워 위의 축분 자원화 시도에는 한계가 있었다. 따라서, 이러한 상당한 양의 셀룰로오스를 활용하는 방법으로 이를 펠렛 형태로 고형화하여 고체연료로 사용하는 방법이 제시되었다. 다만, 축분으로 고체연료를 제조하는 종래기술(KR 10-1024527)의 경우, 축분 중 유기질 성분이 연소하지 않고 회분의 형태로 남아 일정한 연소열을 나타내지 못하거나 충분한 발열량을 얻지 못하여 실질적으로 고체연료로 사용하는데 어려움이 있는 문제가 있었다.

본 발명은 축분으로부터 유기질 성분을 분리하고 분리된 셀룰로오스 성분을 원료로 한 펠렛 고체연료를 제조하는 방법을 개시한다.

본 발명에 따른 일실시예인 축분 자원화 장치는 축분을 교반하며 침전되는 불순물을 제거하는 교반부; 원심분리를 통해 소정의 고형물 크기를 기준으로 상기 교반부로부터 공급된 축분을 축분셀룰로오스 성분 및 유기질 성분으로 분리하는 고액분리부; 및 상기 축분셀룰로오스 성분을 펠렛성형하여 축분셀룰로오스 성분의 펠렛 고체연료를 제조하는 혼합성형부;를 포함한다.

상기 유기질 성분을 퇴비화하는 퇴비화부를 더 포함할 수 있다.

상기 축분을 건조하여 상기 교반부에 공급하는 제1건조부를 더 포함할 수 있다.

상기 소정의 고형물 크기는 200 Mesh일 수 있다.

상기 축분을 분쇄하고, 분쇄된 축분을 스크린 필터로 불순물을 제거하여 상기 교반부에 공급하는 전처리부를 더 포함할 수 있다.

상기 교반부는 상기 축분에 물을 첨가한 혼합물에 대하여 교반 동작 및 정지 동작을 수행하며, 정지 동작 중에 침전되는 불순물을 상기 혼합물로부터 제거하는 것일 수 있다.

상기 혼합물에 계면활성제를 첨가하는 것일 수 있다.

상기 혼합물은 상기 축분 중량부 100 기준으로 상기 물은 300 초과 내지 1000 미만 중량부일 수 있다.

상기 축분셀룰로오스 성분을 건조하는 제2건조부를 더 포함하고, 상기 혼합성형부는, 상기 제2건조부로부터 건조된 축분셀룰로오스 성분을 펠렛성형하는 것일 수 있다.

상기 건조된 축분셀룰로오스 성분은 수분 함량이 20% 이하일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예인 축분 자원화 방법은 건조된 축분을 분쇄하고, 스크린 필터로 분순물을 제거하는 전처리 단계; 상기 전처리 단계를 거친 축분을 교반하면서 침전되는 불순물을 제거하는 교반 단계; 상기 교반 단계를 거친 축분을 원심분리를 통해 소정의 고형물 크기를 기준으로 축분셀룰로오스 성분 및 유기질 성분으로 분리하는 고액분리단계; 및 상기 축분셀룰로오스 성분을 펠렛성형하는 혼합성형단계;를 포함한다.

상기 유기질 성분을 퇴비화하는 퇴비화 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 축분으로부터 유기질 성분을 제거함으로써 회분 발생을 줄여 연소효율이 균일하고 우수한 펠렛 연료를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 축분 자원화 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 축분 자원화 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 축분셀룰로오스 성분의 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 건조된 축분셀룰로오스 성분의 사진이다.
도 5은 본 발명에 따른 축분셀룰로오스 성분의 펠렛 고체연료의 사진이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지된 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.

도 1에서 보이는 바와 같이 본 발명인 축분 자원화 장치는 교반부(300), 고액분리부(400) 및 혼합성형부(600)를 포함한다.

교반부(300)는 축분을 교반하여 침전되는 불순물을 제거한다. 구체적으로 교반부(300)는 축분에 물을 첨가한 혼합물에 대하여 교반을 수행하며, 물은 공급된 축분 중량부 100 대비 약 300 초과 내지 1000 미만 중량부일 수 있다. 교반부(300)는, 예를 들어, 30 분 간 교반 동작 후 1 시간 동안 멈추는 정지 동작에 이르는 과정을 3 회 반복할 수 있다. 교반 동작 중에는 축분에 포함된 축분셀룰로오스 성분 및 유기질 성분이 일부 분리될 수 있고, 정지 동작 중에는 축분에 포함되어 있을 수 있는 모래, 흙 내지 금속조각 등의 고중량의 불순물이 침전될 수 있다. 한편, 가벼운 중량의 불순물은 혼합물에 부유하고 있을 수 있다. 교반부(300)에 포함될 수 있는 불순물을 제거하는 제거장치를 통해, 침전된 불순물이나 부유하는 불순물이 제거될 수 있다.

바람직하게는 상기 혼합물에는 적절한 양의 계면활성제가 첨가되어 축분셀룰로오스 성분과 유기질 성분의 분리를 용이하게 할 수 있다.

교반부(300)에 공급되기 전에 축분은 미리 일반적인 축사 보관 처리 방법에 따라 건조되거나 별도로 제1건조부(100)에 의하여 건조된 것일 수 있다. 상기 건조된 축분은 수분 함량이 약 40중량% 미만 정도로 수분이 손에 묻어나지 않는 것이 바람직하다.

또한, 교반부(300)에 공급되기 전에 전처리부(200)를 통해 축분을 미리 분쇄된 다음 스크린 필터로 일반적인 흙덩어리, 금속 및 플라스틱 조각 등의 불순물을 제거하여 전처리할 수 있다. 상기 스크린 필터는 5 내지 20 mm의 필터 공극을 가지는 것으로 20 mm 이상의 불순물을 축분으로부터 제거할 수 있다.

고액분리부(400)는 원심분리 원리를 통해 축분에 포함된 축분셀룰로오스 성분, 유기질 성분, 물 등을 분리해낼 수 있다. 고액분리부(400)는 구체적으로 교반부(300)를 거친 혼합물을 기계적 원심력을 이용하여 비중차이를 갖는 고체와 액제로 분리시킬 수 있다. 그 결과, 고액분리부(400) 내표면에는 고체 형태의 고형물이 있을 수 있으며 고액분리부(400)는 추가로 200 Mesh 의 스크린을 통하여 고형물을 구분할 수 있다. 이때 상기 고형물 중에서 200 Mesh 이상인 경우는 유기질 성분이 제거되어진 축분셀룰로오스 성분으로 볼 수 있고, 200 Mesh 미만인 경우, 축분셀룰로오스 성분 및 유기질 성분을 혼합된 것으로 볼 수 있다.

여기서 200 Mesh 미만의 축분셀룰로오스 성분 및 유기질 성분은 일반적인 퇴비화 공정을 수행하는 퇴비화부(700)를 통해 퇴비로 제조되는 원료로 이용될 수 있다.

한편, 축분셀룰로오스 성분의 경우, 건조된 다음 펠렛 형태로 성형되어 고체연료화되거나, 가압펄핑을 통해 펄프로 자원화될 수 있으며, 이를 구체적으로 설명한다.

< 축분셀룰로오스 성분의 펠렛 제조에 관한 설명>

먼저, 도 2를 참조하여 축분셀룰로오스 성분을 펠렛 성형하여 고체연료화하는 방법을 설명한다.

혼합성형부(600)는 축분셀룰로오스 성분을 펠렛성형한다.

바람직하게는 혼합성형부(600)에 공급되는 축분셀룰로오스 성분은 제2건조부(500)를 통하여 수분이 약 20% 미만으로 건조될 수 있다. 건조의 방법에는 특별한 제한이 없고, 약 100 ℃ 내지 120 ℃ 의 건조로에서 약 1 내지 2시간 건조시키거나, 통풍이 용이한 장소에서 햇빛으로 약 1일 내지 3일 정도 건조하는 방법이 가능할 수 있다.

일반적으로 축분셀룰로오스 성분에 잔존하는 유기질 성분 등을 이유로 곰팡이 발생 가능성이 높은데 제2건조부(500)를 통한 건조 및 상기 첨가제에 의하여 곰팡이가 발생할 가능성이 현저히 줄어들 수 있다. 또한 기존 축분셀룰로오스 펠렛은 기존에 연소시 잔존 유기질 성분 등을 이유로 냄새가 나고 유해물질이 발생하였다.

또한, 유기질 성분이 연소함에 따라 발생하는 회분에 의하여 펠렛의 열량이 낮아지는데, 우분마다 유기질 성분 함량이 달라 펠렛 열량의 차이가 나타나 일정한 열량을 낼 수 없는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에 따른 축분셀룰로오스 펠렛은 이러한 유기질 성분이 제거된 축분셀룰로오스만을 원료로 하여 냄새와 유해물질 발생을 줄일 수 있고, 발열량에 악영향을 미치는 회분을 제거하는 효과가 나타난다.

위와 같은 장점에 더불어 축분셀룰로오스 펠렛은 기존 우드펠렛에 비하여 원재료를 손쉽게 소비장소 부근에서 얻을 수 있으므로 우드펠렛을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

< 축분셀룰로오스 성분의 펄프 제조에 관한 설명>

다음으로 축분셀룰로오스 성분을 가압펄핑을 통해 펄프로 자원화하는 방법을 설명한다.

일반적으로 펄프의 제조 공정은 원료에서 리그닌를 제거하는 펄프화 단계, 펄프 중에 잔유하는 불순물을 선택적으로 제거하는 펄프표백 및 정제 단계로 구성된다. 펄프화 단계는 상압펄핑방법, 가압펄핑방법 등이 있는데 상압펄핑방법은 축분셀룰로오스 성분 내에 포함된 섬유질이 충분히 증해되지 못해 종이가 잘 떠지지 않고, 실험과정에서 증해 약품이 상당량 손실되기도 하여 바람직하지 않다.

따라서, 축분셀룰로오스 성분을 원료로 하는 펄프 제조공정은 크래프트 펄핑, 설파이트 펄핑, 알칼라인 설파이트 펄핑 또는 소다 펄핑법 등을 포함하는 가압펄핑방법이 바람직하다. 상기 가압펄핑방법 4 가지는 각각 반응성 시약 수용액에서 차이를 보이는데 크래프트 펄핑법은 NaOH, Na₂O 수용액을 사용하고, 설파이트 펄핑법은 Na₂SO₃ _,Na₂CO₃수용액을 사용한다. 알칼라인 설파이트 펄핑법은 NaOH, Na₂SO₃ _,Na₂CO₃수용액을 사용하고 소다 펄핑법은 NaOH만 사용하여 펄핑하는 방법이다.

가압증해법의 반응시간은 약 1.5 내지 4 시간이 바람직하며 반응온도는 약 120 내지 200 ℃, 증해공정에 사용된 반응성 시약의 수용액과 펄프 재료의 액비(Wt/Wt)는 약 10:1 내지 3:1 이 바람직하다. 반응성 시약 수용액과 펄프 재료의 액비는 종이의 강도와 관련이 있다. 액비가 높을수록 약품 처리가 강해서 섬세한 축분셀룰로오스 성분이 대부분 녹고, 거친 축분셀룰로오스 성분만 남아 종이의 강도가 증가할 수 있다.

가압증해법 이후 필요에 따라 목재펄프의 표백공정과 유사한 표백처리를 할 수 있다.

본 발명에 따른 축분 자원화 장치는 상술한 가압증해법에 의하여 펄프 제조공정을 수행하는 펄프화부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

< 실시예 1. 축분셀룰로오스 성분의 펠렛 고체연료 제조>

먼저, 소의 축분(우분)을 제1건조부(100)에 의하여 건조하였다(S0). 건조된 축분셀룰로오스의 수분 함량은 40 중량%였다.

상기 건조된 축분을 전처리부(200)에 의하여 분쇄하고, 스크린 필터로 분순물을 제거하였다(S1).

이후 상기 분순물이 제거된 축분을 교반부(300)에 의하여 교반하면서 침전되거나 부유하는 불순물을 제거한다(S2).

상기 교반 단계를 거친 축분을 고액분리부(400)로 원심분리를 통해 액체와 분리된 고형물을 200 Mesh크기를 기준으로 축분셀룰로오스 성분 및 유기질 성분으로 분리한다(S3).

분리된 축분셀룰로오스 성분은 도 3의 사진에서 보이는 바와 같다. 200 Mesh 크기 이상의 축분셀룰로오스 성분의 수분 함량은 40중량% 였으나, 제2건조부(500)에서 100 ℃ 이상에서 1시간 건조시켰고(S4), 수분 함량을 약 15중량% 내지 20중량%로 감소시켰으며, 이는 도 4의 사진에서 보이는 바와 같다.

위 건조된 축불셀룰로오스 성분에 약 750 내지 1000 kg/cm³ 의 압력을 가하여 도 5에서 보이는 바와 같이 약 2g 정도이며, 0.6cm*2.0cm 면적의 원통 형태의 소형 펠렛형태로 성형하여 축분셀룰로오스 성분의 펠렛 고체연료를 제조한다(S5).

얻어진 축분셀롤루로오스 성분의 펠렛 고체연료의 발열량을 측정하였다. 측정된 발열량은 저위발열량 3220 kcal/kg 정도였다.

한편, 분리된 유기질 성분은 퇴비화부(700)로 퇴비화하였다(S6).

< 실시예 2. 축분셀룰로오스 성분의 펄프 제조>

먼저, 소의 축분(우분)을 제1건조부(100)에 의하여 건조하였다. 건조된 축분셀룰로오스의 수분 함량은 40 중량%였다.

상기 건조된 축분을 전처리부(200)에 의하여 분쇄하고, 스크린 필터로 분순물을 제거하였다.

상기 분순물이 제거된 축분을 교반부(300)에 의하여 교반하면서 침전되거나 부유하는 불순물을 제거한다.

상기 교반 단계를 거친 축분을 고액분리부(400)로 원심분리를 통해 액체와 분리된 고형물을 200 Mesh크기를 기준으로 축분셀룰로오스 성분 및 유기질 성분으로 분리한다.

200 Mesh 크기 이상의 축분셀룰로오스 성분의 수분 함량은 40중량% 였으나, 제2건조부(500)에서 100 ℃ 이상에서 3시간 건조시켰고, 수분 함량을 약 1중량% 내지 10중량%로 감소시켰다.

가성소다 증해법을 이용하여 NaOH 수용액을 사용하고, 표백용 시약으로 Hydrogen peroxide 를 이용하였으며, 표백용시약 안정제로 Sodium silicate를 사용하였다.

축분셀룰로오스 성분 10g에 NaOH 수용액 100g으로 혼합하여 40 ℃ 항온조에서 2시간 동안 팽윤을 실시한 후 하기 표 1과 같은 조건으로 증해하였다.

Condition	Contents
NaOH Dosage (%, on dry pulp)	0.42
Liquor to Fiber ratio	10:1
Cooking Temp(도)	100
Heating time to Cooking Temp.(분)	20
Cooking time at Cooking Temp.(분)	100
Cooking time to Ordinary Temp(분)	20

제조된 시료의 형태를 만들기 위해, 건조면 주름의 방지를 위해 사용된 두터운 부직포와 밀게롤러로 그리고 이원주체 형태의 기구를 사용하였다.

제조된 축분셀롤루오스 성분의 펄프의 물성측정은 TAPPI T230 om94 (Viscosity of Pulp (capillary viscometer methods)에의해서 측정하여 다음 표 2와 같은 결과를 얻었다. 점도는 25 ℃ 항온조에서 측정하였다.

	실험결과				비고
	점도(cps)	백색도(%)	섬유길이mm)	미분함량	비고
결과치	11 ~37	55 ~ 62	0.61 ~ 0.62	28~33

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형, 균등 내지 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 제1건조부
200: 전처리부
300: 교반부
400: 고액분리부
500: 제2건조부
600: 혼합성형부
700: 퇴비화부

Claims

축분을 교반하며 침전되는 불순물을 제거하는 교반부;
원심분리를 통해 소정의 고형물 크기를 기준으로 상기 교반부로부터 공급된 축분을 축분셀룰로오스 성분 및 유기질 성분으로 분리하는 고액분리부; 및
상기 축분셀룰로오스 성분을 펠렛성형하여 축분셀룰로오스 성분의 펠렛 고체연료를 제조하는 혼합성형부;를 포함하고,
상기 교반부는 상기 축분에 물과 계면활성제를 첨가한 혼합물에 대하여 교반 동작 및 정지 동작을 수행하며, 정지 동작 중에 침전되는 불순물을 상기 혼합물로부터 제거하는,
축분 자원화 장치.
제1항에 있어서,
상기 유기질 성분을 퇴비화하는 퇴비화부를 더 포함하는,
축분 자원화 장치.
제1항에 있어서,
상기 축분을 건조하여 상기 교반부에 공급하는 제1건조부를 더 포함하는,
축분 자원화 장치.
제1항에 있어서,
상기 소정의 고형물 크기는 200 Mesh인 것을 특징으로 하는,
축분 자원화 장치.
제1항에 있어서,
상기 축분을 분쇄하고, 분쇄된 축분을 스크린 필터로 불순물을 제거하여 상기 교반부에 공급하는 전처리부를 더 포함하는,
축분 자원화 장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 혼합물은 상기 축분 중량부 100 기준으로 상기 물은 300 초과 내지 1000 미만 중량부인 것을 특징으로 하는,
축분 자원화 장치.
제1항에 있어서,
상기 축분셀룰로오스 성분을 건조하는 제2건조부를 더 포함하고,
상기 혼합성형부는, 상기 제2건조부로부터 건조된 축분셀룰로오스 성분을 펠렛성형하는 것을 특징으로 하는,
축분 자원화 장치.
제9항에 있어서,
상기 건조된 축분셀룰로오스 성분은 수분 함량이 20중량% 이하인 것을 특징으로 하는,
축분 자원화 장치.
건조된 축분을 분쇄하고, 스크린 필터로 분순물을 제거하는 전처리 단계;
상기 전처리 단계를 거친 축분을 교반하면서 침전되는 불순물을 제거하는 교반 단계;
상기 교반 단계를 거친 축분을 원심분리를 통해 소정의 고형물 크기를 기준으로 축분셀룰로오스 성분 및 유기질 성분으로 분리하는 고액분리단계; 및
상기 축분셀룰로오스 성분을 펠렛성형하는 혼합성형단계;를 포함하고,
상기 교반 단계는 상기 축분에 물과 계면활성제를 첨가한 혼합물에 대하여 교반 동작 및 정지 동작을 수행하며, 정지 동작 중에 침전되는 불순물을 상기 혼합물로부터 제거하는,
축분 자원화 방법.
제11항에 있어서,
상기 유기질 성분을 퇴비화하는 퇴비화 단계를 더 포함하는,
축분 자원화 방법.