KR102482350B1 - 동애등에 분변토를 포함하는 연료용 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동애등에 분변토를 포함하는 연료용 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 연료용 조성물은 동애등에 분변토와 바이오 오일, 목재 폐기물 및 열대 과일 껍질을 이용함으로써 자원을 재활용하여 경제성을 높이고, 발열량이 증대되어 우수한 연료 품질을 나타내며, 인장강도 등 내구성이 우수하여 운반 및 보관 등의 편의성이 향상된 효과가 있다.

Description

동애등에 분변토를 포함하는 연료용 조성물{The fuel composition including the cast of black soldier fly}
본 발명은 동애등에 분변토를 포함하는 연료용 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고체 연료로서 난방 등에 사용될 수 있는 연료 조성물에 관한 것이다.
현재, 가정, 식당에서 배출되는 음식물 쓰레기, 산업현장에서 발생하는 유기성 폐기물, 축사에서 발생하는 축분 및 인분 등과 같은 유기성 폐기물은 처리 없이 배출되는 경우 토양과 하천 등에 심각한 환경문제를 발생 시킬 수 있다.
종래에는 특정 처리 과정을 통해서 유기성 폐기물을 가축의 사료 또는 퇴비로 재활용하는 방법, 일정 지역에 매립하거나 해양 투기하는 방법이 주로 사용되었으나, 이러한 경우 처리 장치의 설치비용과 유지비용 면에서 경제성이 낮은 문제점이 있다. 또한, 배출물을 사료로 사용하는 경우 괴질 발생 등 부작용이 크고, 퇴비화의 경우도 재발열 및 비효성 불균형과 같은 문제가 있다.
또한, 석유에 대한 에너지 의존도가 높은 우리나라의 경우, 최근 불안정한 국제 유가 시장으로 인해 국가적으로 많은 어려움을 겪고 있다. 이를 극복하기 위해 국가 정책적으로 그린에너지 및 신재생에너지 개발에 대한 정책들이 다수 발표되고 있으며, 이를 실현하기 위한 기업들의 노력 또한 시급한 상황이다.
관련 기술의 하나인 우드 펠렛은 고밀화로 인해 연소효율이 우수하고, 착화성 및 보존성이 뛰어나며, 크기가 작아 보관 및 운송이 매우 용이하고, 유황분과 회분이 적어 친환경적인 장점을 지니고 있다.
그러나, 우드 펠렛은 목재나 목재 부산물을 주원료로 사용하기 때문에, 목질 자원이 풍부하지 않은 우리나라에서는 우드 펠렛의 생산량 및 원가 경쟁력이 떨어지는 상황이며, 짚과 같은 건초를 이용하여 펠렛을 제조할 경우, 리그닌 함량이 낮아 펠렛의 내구성이 낮고, 추가적인 바인더 등을 사용해야 하는 단점이 있다.
이에, 대한민국 등록특허 제10-1771210호에서는 동애등에 분변토 및 유지등을 포함하는 연료용 조성물을 개시하고 있으나, 그 성능을 개선하기 위한 필요성이 존재한다.
대한민국 등록특허 제10-1771210호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 동애등에 분변토 및 연료의 성능을 향상시킬 수 있는 재활용 소재를 추가적으로 사용하여 성능이 개선된 연료용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은 동애등에 분변토 100 중량부에 대하여, 바이오 오일 1 ~ 30 중량부, 목재 폐기물 10 ~ 50 중량부 및 열대 과일 껍질 20 ~ 100 중량부를 포함하는 연료용 조성물을 제공한다.
상기 바이오 오일, 목재 폐기물 및 열대 과일 껍질은 1 : 1 ~ 5 : 2 ~ 10 의 중량비로 포함될 수 있다.
상기 동애등에 분변토는 동애등에가 유기성 폐기물을 처리하면서 얻어진 산물에서 동애등에를 제거한 것일 수 있다.
상기 바이오 오일은 곤충의 성충 또는 유충을 압착 착유하여 얻은 곤충 오일일 수 있다.
본 발명의 연료용 조성물은 동애등에 분변토와 바이오 오일, 목재 폐기물 및 열대 과일 껍질을 이용함으로써 자원을 재활용하여 경제성을 높이고, 발열량이 증대되어 우수한 연료 품질을 나타내며, 인장강도 등 내구성이 우수하여 운반 및 보관 등의 편의성이 향상된 효과가 있다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 동애등에 분변토, 바이오 오일, 목재 폐기물 및 열대 과일 껍질을 포함하는 연료용 조성물을 제공한다.
상기 동애등에 분변토는, 바람직하게는 동애등에로 유기성 폐기물을 처리하여 얻어진 것을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 동애등에 분변토는 동애등에 유충이 유기성 폐기물을 섭취·소화한 후 배설한 것을 의미할 수 있다.
상기 동애등에 분변토는 동애등에로 유기성 폐기물을 처리하여 얻어진 전체 산물일 수 있고, 상기 분변토 제조 이후에 분변토로부터 동애등에를 분리하여 동애등에를 제거한 산물일 수 있다.
일반적으로, 동애등에는 알에서 성충까지 자라는 기간이 37 내지 41일이며, 분해자 역할을 하는 유충상태의 기간은 14일 정도이다.
음식물 쓰레기 10kg에 동애등에 유충 5,000마리를 투입하면 약 5일 만에 음식물 쓰레기의 80 % 이상이 분해되며, 분해된 음식물 쓰레기는 유충 투입 전보다 부피는 약 42 % , 무게는 약 70 % 정도로 감소된다. 동애등에 유충은 유기성 폐자원을 분해할 수 있는 기간이 지렁이나 집파리보다 길기 때문에 동애등에를 유기성 폐기물의 처리할 경우 훨씬 더 효과적인 장점이 있다.
동애등에 유충은 대략 27℃ 미만의 온도에서는 살기가 어렵고, 30℃ 내지 42℃ 정도의 온도에서 활발하게 움직이면서 유기성 폐기물을 처리하여 분변토를 생산한다. 또한, 동애등에 유충은 유기성 폐기물을 분해할 수 있는 유충의 기간인 약 14일이 지나면 번데기가 되기 위해 건조한 장소를 찾으러 바깥으로 기어 나오는 습성이 있다.
상기 유기성 폐기물은 가축분뇨, 유기성 슬러지 및 음식물 쓰레기로 이루어진 군으로부터 선택된 어느하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 동애등에 분변토는 동애등에의 알, 유충, 또는 이들의 혼합물로 유기성 폐기물을 처리하여 얻어진 것일 수 있다.
상기 분변토는 함수율이 1 내지 20 % 일 수 있고, 바람직하게는 7 내지 15 % 일 수 있다.
상기 분변토의 함수율이 기재된 범위 미만일 경우 연소 효율면에서 유리하나 건조에 소요되는 시간 및 비용이 증가하고 성형 후 안정성이 저하되며, 상기 기재된 범위를 초과할 경우 성형 과정에서 발생하는 증기등에 의해 고형화된 연료 조성물에 결함 등이 발생할 수 있다.
한편, 동애등에 분변토 외에 다른 곤충의 분변토가 혼합될 수도 있으며, 예를 들어 굼벵이, 사슴벌레, 장수 풍뎅이, 기타 애완 곤충 등의 분변토가 추가적으로 사용될 수 있다.
또한, 상기 연료용 조성물 내 일 성분인 바이오 오일은, 유지를 포함하는 바이오매스나 동물, 식물 또는 미생물로부터 얻어지는 오일이라면 그 종류가 제한되지는 않으나, 바람직하게는 곤충으로부터 유래한 곤충 오일을 사용할 수 있다.
상기 바이오 오일은 성형 과정에서 윤활 역할을 하여 성형 압력을 낮출 수 있고, 고형화된 연료 조성물 내 결함을 줄이면서도 밀도를 높여 내구성 및 발열 요율을 증가시킬 수 있다.
상기 곤충 오일은 곤충의 성충 또는 유충을 건조 및 가열한 후 압착 착유하여 얻어질 수 있고, 상기 곤충으로는 동애등에, 갈색거저리(밀웜), 장수풍뎅이 , 사슴벌레, 굼벵이, 누에번데기, 흰점박이꽃무지 또는 귀뚜라미 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 동애등에 유충을 사용하는 것이 좋다. 동애등에의 분변토의 생산 과정에서 사용된 동애등에 유충을 건조 및 가열한 후 압착 착유하여 사용할 수 있으며, 이를 통해 경제성을 확보할 수 있다.
상기 바이오 오일은 동애등에 분변토 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부가 포함될 수 있고, 바람직하게는 5 내지 20 중량부, 가장 바람직하게는 10 내지 15 중량부가 포함될 수 있다.
또한, 상기 연료용 조성물 내 일 성분인 목재 폐기물은 톱밥, 우드칩, 펄프칩, 산림 부산물 등이 사용될 수 있으며, 분쇄물 또는 파쇄물의 형태로 연소가 용이하도록 포함되는 것이 바람직하다. 상기 목재 폐기물은 동애등에 분변토 100 중량부에 대하여 10 내지 50 중량부가 포함될 수 있고, 바람직하게는 20 내지 40 중량부, 가장 바람직하게는 25 내지 35 중량부가 포함될 수 있다.
또한, 상기 연료용 조성물 내 일 성분인 열대 과일 껍질은 야자, 파파야, 망고, 파인애플, 두리안, 리치 구아바, 아보카도 등의 껍질이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 야자 껍질, 파파야 껍질 또는 이의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 야자는 코코야자, 대추야자, 니파야자 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 코코야자 열매(코코넛)의 부산물을 규격화한 제품은 코코피트(cocopeat)로도 알려져 있다.
상기 열대 과일 껍질은 열매로부터 팜오일을 추출하고 남은 팜 부산물이 사용될 수 있다. 상기 열대 과일 껍질은 가공과정에서 버려지는 부산물이지만 성분의 대부분은 연소시 다량의 열량을 방출할 수 있는 섬유질로 이루어져 있어, 상기 연료용 조성물의 발열량을 보완하는 역할을 한다. 상기 열대 과일 껍질은 분쇄된 형태로 첨가될 수 있고, 탄화물의 또는 분말화된 탄화물의 형태로 첨가될 수 있다.
상기 열대 과일 껍질은 동애등에 분변토 100 중량부에 대하여 20 내지 100 중량부가 포함될 수 있고, 바람직하게는 30 내지 80 중량부, 가장 바람직하게는 40 내지 60 중량부가 포함될 수 있다.
상기 바이오 오일, 목재 폐기물 및 열대 과일 껍질은 1 : 1 ~ 5 : 2 ~ 10 의 중량비로 포함될 수 있고, 바람직하게는 1 : 2 ~ 4 : 3 ~ 8 의 중량비로 포함될 수 있으며, 가장 바람직하게는 1 : 2 ~ 3 : 4 ~ 6 의 중량비로 포함될 수 있다. 상기 비율 범위 내로 혼합되는 경우, 열대 과일 껍질 내 존재하는 매연 발생을 최소화하면서도 발열량을 높일 수 있고, 연료로서의 성형성도 확보할 수 있다.
상기 연료용 조성물은 소정의 형상을 갖도록 성형될 수 있고, 성형은 상기 연료 조성물을 그대로 사용하여 수행하거나 성형 바인더를 추가적으로 첨가하여 수행할 수 있다.
상기 성형시 가해지는 열에 의해 함수율이 줄어들게 되며, 열효율을 고려하여 성형 후 연료 조성물의 함수율은 1 내지 15 % 일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 10 % 일 수 있다.
상기 성형시, 강도 조절을 위해 전체 중량을 기준으로 성형 바인더를 0.5 내지 10 중량부로 사용할 수 있고, 바람직하게는 1 내지 5 중량부를 사용할 수 있으며, 성형 강도 및 연소 효율을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
상기 성형바인더는 구아검, 폴리비닐알코올(PVA) 및 폐당밀 중에서 선택된 1종 이상의 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 성형에는 원형 다이 방식 펠렛 성형기, 평판 다이 방식 펠렛 성형기 및 기타 펠렛 제조용으로 사용될 수 있는 종래의 압출 성형기들이 사용될 수 있다.
상기 연료 조성물은 펠렛, 칩, 또는 분말 형태로 성형될 수 있다.
상기 연료 조성물은 가정용 고체연료 또는 화력 발전소용 고체연료 일 수 있다.
또한, 본 발명은 동애등에로 유기성 폐기물을 처리하여 분변토를 제조하는 동애등에 분변토 제조단계;
상기 동애등에 분변토를 건조하여, 1 내지 20 % 의 함수율의 건조된 동애등에 분변토를 제조하는 단계;
상기 건조된 동애등에 분변토에 바이오 오일, 목재 폐기물 및 열대 과일 껍질을 첨가하여 동애등에 분변토 혼합물을 제조하는 단계; 및
상기 동애등에 분변토 혼합물을 성형하는 단계를 포함하는 동애등에 분변토 연료의 제조방법을 제공한다.
상기 동애등에 분변토 제조단계는 유기성 폐기물에 동애등에의 알, 유충 또는 이들의 혼합물을 첨가하고, 상기 동애등에를 사육하여 분변토를 얻는 단계로 수행될 수 있다.
상기 유기성 폐기물에 첨가되는 동애등에의 개체수는 유기성 폐기물 단위 중량 1 kg을 기준으로 100 내지 1,000 마리일 수 있으며, 상기 동애등에의 사육은 30℃ 내지 42℃ 온도에서 3 내지 14일간 수행될 수 있다.
상기 동애등에 분변토 연료의 제조방법은 상기 분변토 제조단계 이후, 분변토로부터 동애등에를 분리하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 건조된 동애등에 분변토를 제조하는 단계는, 동애등에 분변토를 150 내지 300℃의 온도로 1 내지 30분 동안 건조하여 수행될 수 있고, 바람직하게는 150 내지 300℃의 온도로 1 내지 20분 동안 건조하여 수행될 수 있으며, 보다 바람직하게는 150 내지 300℃의 온도로 1 내지 10분 동안 건조하여 수행될 수 있다.
상기 동애등에 분변토 혼합물을 제조하는 단계는 상기 건조된 동애등에 분변토 100 중량부에 대하여, 바이오 오일 1 내지 30 중량부, 목재 폐기물 1 내지 20 중량부 및 열대 과일 폐기물 1 내지 30 중량부를 포함하여 수행될 수 있다.
상기 혼합물을 성형하는 단계는, 동애등에 분변토 혼합물이 소정의 형상을 갖도록 하는 단계로 상기 혼합물을 그대로 사용하거나 성형 바인더를 추가적으로 첨가하여 수행될 수 있다.
상기 연료 조성물은 펠렛, 칩, 또는 분말 형태로 성형될 수 있고, 바람직하게는 펠렛 형태로 성형될 수 있다.
상기 성형시 가해지는 열에 의해 함수율은 줄어들게 되며, 열효율을 고려하여 성형 후 연료 조성물의 함수율은 1 내지 15 % 일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 10 % 일 수 있다.
상기 성형시, 강도 조절을 위해 동애등에 분변토 혼합물 100 중량부를 기준으로 성형 바인더를 0.5 내지 10 중량부로 사용할 수 있고, 바람직하게는 1 내지 5 중량부를 사용할 수 있으며, 성형 강도 및 연소 효율을 고려하여 적절히 선택할 수 있다.
상기 성형바인더는 구아검, 폴리비닐알코올(PVA) 및 폐당밀 중에서 선택된 1종 이상의 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 성형에는 원형 다이 방식 펠렛 성형기, 평판 다이 방식 펠렛 성형기 및 기타 펠렛 제조용으로 사용될 수 있는 종래의 압출 성형기들이 사용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
제조예 1 : 동애등에의 유충 생산
동애등에 산란장에 동애등에 성충을 투입 밀도 8,000 내지 12,000(cm3/두)로 투입하였다. 동애등에 산란장에 동애등에 성충을 투입한지 3일이 경과한 후,동애등에 산란장에 음식물쓰레기와 톱밥이 3:1로 혼합된 습도 20%인 유인 배지를 첨가하고, 목재에 3 내지 5 mm의 구멍을 뚫은 산란 유도 장치를 상기 유인 배지 위에 넣어주었다.
상기 산란 유도 장치의 구멍에 난괴가 산란된 후 수거하여 4일간 광조건을 14L:10D 를 유지시켜주었으며, 온도를 27℃, 습도 60%에서 보호하여 부화시켜 동애등에 유충을 수득하였다.
제조예 2 : 동애등에 분변토의 제조
음식물 쓰레기 10 kg을 준비하고, 상기 제조예 1에서 수득한 동애등에를 유충을 5000마리 투입하고, 온도를 30 ℃로 유지하며 동애등에 유충을 3일 동안 사육하였다. 사육하는 동안 동애등에 유충이 음식물 쓰레기를 섭취·소화한 후 배설한 동애등에 분변토를 3 kg을 수득하였다.
상기 얻어진 얻어진 분변토에 43 ℃ 온도를 가해주어 동애등에 유충이 동애등에 유충이 배설한 동애등에 분변토로부터 기어나오게 하여 동애등에 분변토로부터 동애등에를 분리하였다.
상기 동애등에가 분리된 분변토를 250℃의 온도의 건조 공기로 5분간 건조하여, 분변토의 함수율이 11% 인 건조된 동애등에 분변토를 수득하였다.
실시예 : 동애등에 분변토 연료 펠릿의 제조
먼저 동애등에 유충을 건조 및 가열한 후 압착 착유한 동애등에 유지를 제조하였다.
다음 야자 열매의 껍질을 압축 분쇄기를 이용하여 100 메쉬로 분쇄하였다.
동애등에 분변토 100 중량부, 동애등에 유지 10 중량부, 목재 폐기물(톱밥) 25 중량부, 야쟈 열매 껍질 50 중량부를 혼합하여 평판 다이 방식 펠릿 성형기에 투입하였다. 성형기의 온도 및 성형 압력을 약 85℃, 약 4,500kgf/cm2로 유지하면서 직경이 약 8mm이고, 길이가 약 30mm인 펠릿을 제조하였다.
실험예 : 연료 펠릿의 발열량 측정
상기 제조된 펠릿의 발열량은 건조된 시료 0.5 g을 열량계(Parr 6 calorimeter)에 넣고 산소를 충전하고 점화하여 연소 전, 후의 온도 변화로부터 발열량을 계산하였다.
그 결과 약 4,200 kcal/kg의 높은 발열량을 확인하였다. 또한, 발열 과정에서 발생하는 매연은 일반적으로 상용화된 목재 펠릿에 비하여 크게 감소하는 것을 육안으로 확인할 수 있었다.

Claims (4)

  1. 동애등에 분변토 100 중량부에 대하여,
    바이오 오일 10 ~ 15 중량부, 목재 폐기물 25 ~ 35 중량부 및 야자 열매 껍질 40 ~ 60 중량부를 포함하고,
    상기 바이오 오일, 목재 폐기물 및 야자 열매 껍질은 1 : 2 ~ 3 : 4 ~ 6 의 중량비로 포함되며,
    상기 바이오 오일은 동애등에 유충을 압착 착유하여 얻어진 것을 특징으로 하는 연료 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 동애등에 분변토는 동애등에가 유기성 폐기물을 처리하면서 얻어진 산물에서 동애등에를 제거한 것을 특징으로 하는 연료 조성물.
  4. 삭제
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블로그, 동애등에 분변토를 이용한 산업발전 우드펠릿 제작 (2014.10.15.)

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