KR20010092979A

KR20010092979A - 톱밥고형연료

Info

Publication number: KR20010092979A
Application number: KR1020000015755A
Authority: KR
Inventors: 최철호
Original assignee: 최철호; 이석재
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2001-10-27

Abstract

본 발명은 목재 폐자재, 잡목, 간벌재 등 목재 부산물을 톱밥 제조기로 분쇄하여 톱밥 또는 나무조각(wood chips)을 제조한 후 연소촉매제, 응집제, 열량 증진제 등 여러 가지 첨가제를 혼합하여 형태 안정성이 우수하고 발열량이 높으며 지속적인 연소가 가능한 화석연료를 대체할 수 있는 난방용 고형연료의 제조에 관한 것이다.

톱밥과 나무조각 25∼45중량%를 조연제 또는 연소접착제로서 왁스 또는 고형 지방분 50∼65중량% 첨가하고 연소 촉매제로서 칼슘 아세테이트(Calcium Acetate; CA)를 0∼10중량%의 조성으로 섞어 70∼80℃에서 적절히 혼합하면서 가열 압착 성형하여 고형연료를 제조하였다. 혼합연료의 발열량 및 강도 시험 결과 최적에 이르는 조성점이 존재하였으며, 이러한 조성으로 혼합한 연료는 발열량이 연탄의 거의 2배에 이르고 성형성 및 강도도 뛰어나 우수한 연료로 사용할 수 있는 것으로 판명되었다. 칼슘 아세테이트를 첨가하여 제조한 톱밥연료는 거의 완전연소가 되어 연기가 별로 나지 않으며 열량도 높고 1∼2시간 동안 지속적으로 연소하므로 겨울철 난방용 또는 온실 등지의 온도조절용으로 사용할 수 있는 훌륭한 연료로 나타났다.

Description

톱밥고형연료 {Sawdust Solid Fuel}

우리나라에서 소비되는 목재는 연간 약 2천만m3에 이르며, 국민 1인당 약 0.5m3를 소비한다고 볼 수 있다. 특히 소비량의 약 2/3는 해외로부터의 수입에 의존하고 있는 실정이다. 이러한 수입 목재들을 가공하거나 건축자재로 사용 후 폐기되는 목재 부산물은 해마다 대량으로 발생하고 있으며 그 대부분은 소각하거나 쓰레기 매립장에 폐기하고 있어 부족한 쓰레기 매립장의 감소요인이 되고 있다. 또한 나무 수령이 20∼30년이 지난 수목은 정상적인 성장을 위해 간벌해 주어야 하며, 이 과정에서 발생하는 간벌재는 엄청난 양에 이르고 있으나 수송비용을 상쇄할 수 있는 적당한 사용용도를 찾지 못하여 그대로 방치해두고 있는 상황이다.

톱밥이나 나무껍질들은 흔히 퇴비업자들에 의해 소규모로 수거되어 퇴비숙성을 위한 수분조절제나 팽화제로 사용되고 있으며 그 외에도 축산농가의 분뇨수거용 흡습제나 토양 개량제 등으로 이용되고 있다. 그러나 이러한 용도로 사용된 제품들은 상품으로서의 부가가치가 낮고 전체적인 에너지 균형(energy balance; input energy vs output energy)이 맞지 않아 경제성이 별로 없다고 볼 수 있다. 그러나 목재 부산물의 조성 중에는 재생 가능한 각종 화합물이 풍부하기 때문에 화공약품이나 화장품, 염료 등 고부가 가치성 상품 생산의 원료로 재활용함으로서 경제성을 충족시킬 수 있다. 특히 목재 부산물들은 산업용 폐기물과는 달라 중금속이나 유독성 물질이 거의 없기 때문에 가공 과정에서 발생하는 폐자재, 톱밥, 목재조각 등 다량의 폐재들을 자원화 함으로서 쓰레기를 감량할 뿐 아니라 외화 낭비를 줄일 수 있다.

최근들어 한국에서는 IMF 구제금융 시대에 접어들어 미 달러환율이 급등함에 따라 화석연료의 가격이 상승하여 난방용 에너지나 농가의 작물생산용 연료수급에 큰 어려움을 겪고 있다. 더구나 나무연료의 사용이 증가하게 되면서 산림의 무분별한 벌채가 횡행하여 대체연료의 개발이 시급한 실정이다.

목재 폐자재, 잡목, 간벌재 등 목재 부산물을 톱밥제조기로 분쇄하게 되면 재활용이 가능한 톱밥 또는 나무조각이 생산된다. 여기에 응집작용과 발화효과를 동시에 향상시킬 수 있는 연소촉매제를 첨가한 후 압출기로 압축, 성형하여 고형연료를 제조한다. 이 고형연료는 한번 발화에 수시간 정도 연속적으로 타게 되므로 지속적으로 연료를 보급해야 하고 발열량이 적은 기존의 톱밥연료의 단점을 보강하게 되어 각 가정의 난방용, 농가 비닐하우스의 온도조절용 등으로 사용할 수 있다.

톱밥을 주원료로 하는 고형 연료는 크게 착화탄의 형태와 고발열성, 지속성 고체연료의 형태로 구분할 수 있다. 종래 대부분의 고형연료는 착화탄의 형태로서 무연탄분, 목탄분, 톱밥숯, 왕겨숯 등을 단독으로 또는 적당한 비율로 혼합하고 이에 점화제, 조연제 등의 첨가제를 가하여 착화를 쉽게 하고 고형연료의 열량을 높이거나 연소시간을 늘리려는 시도를 해왔다. 착화탄은 불쏘시게 용으로 그 사용이 대중화 되어있고 통상 그 원료는 톱밥 숯 및 기타 탄소분에 접착제 또는 접결제를 사용하여 가압 성형한 것으로 점화제로서 초산소다(초석)를 대량 배합한 것을 점화층으로 한 것이 사용되어 왔다. 그러나 이런 종류의 착화탄은 탄화된 톱밥 숯 또는 분말탄의 취급이 어렵고 분진이 많이 발생할 뿐만 아니라 성형 건조시 발화되기 쉬우며 착화탄을 발화시 유독가스가 다량 발생하고 흡습성이 높아 장기 보관상의 문제가 있는 등 품질상의 문제가 많았다.

요즈음은 이러한 문제점들을 개선하기 위해 점화층에는 조연제, 점화제로서 초산바륨, 초산칼륨에 환제로서 파라핀 왁스를 사용하고, 동체부에는 과망간산칼륨, 중크롬산칼륨, 초산칼륨, 제오라이트, 파라핀 왁스를 조연제 및 활제로 사용하여 혼합, 성형 가압하여 소형 연료를 제조하는 방법이 개발되어 있다. 이 경우 파라핀 왁스는 성형시 톱밥이 기계에 부착되는 것을 방지하는 활제의 역할을 하면서 연소조제의 역할을 하고 외형을 깨끗이 하여 톱밥 자체에서 용출되는 송진 등과 함께 외피를 이루어 외부 습기를 차단하고 장기보관을 용이하게 하여준다. 점화제로서 초산바륨과 초산칼륨을 소량 사용하여 분해 인화를 쉽게 하고, 동체부의 과망간산 칼륨은 연소가 활발히 진행되도록 산소를 발생 공급하며 중크롬산 칼륨, 초산칼륨등은 조연제로 사용된다. 제오라이트는 다공성으로 동체부에 산소를 공급하고 탈취효과를 가져온다.

톱밥이나 목탄분 등 연소기재에 결합성, 착화성, 유연성 및 성형안정성을 향상시키기 위해 점질 연소접착제 성분을 부가하는 경우도 있다. 이때에 사용되는 연소접착제로는 니트로셀룰로오스, 아세톤과 메탄올의 혼합물, 이소프로필알코올, 디알킬프탈레이트 등이 있다. 니트로셀룰로오스는 조성물에 접착성, 저온착화성 및 계속적 연소성을 부여하고 연소회를 소량 발생시키며 무연 연료를 가능하게 하는 작용을 하고 그 첨가량에 따라 불꽃 시간을 조절할 수 있다. 아세톤과 메탄올의 혼합 용제는 니트로셀룰로오스를 용해시키기 위해 첨가되고, 이소프로필알코올은 혼합용제의 용해력을 강화시키기 위하여 첨가된다. 알킬프탈레이트류는 고체연료에 피막을 형성시켜 습윤성을 유지하도록 함으로써 유연성 및 내구성을 향상시키고, 니트로셀룰로오스의 용해를 촉진시키며 또한 조성물의 접착력을 부여하기 위하여 첨가되는 것으로서, 디부틸프탈레이트, 디옥틸프탈레이트 또는 그 혼합물로 이루어지는 것이 바람직하다[참조: 대한민국 특허 공개번호 제 89-2833, 제 97-6467, 제 99-79973, 제 99-86570].

이상과 같이 톱밥을 주원료로 하는 고형 연료는 현재까지 착화탄의 형태로서 결합성, 착화성, 유연성 및 성형안정성을 향상시키기 위해 중점적으로 연구되어 왔으나 발열성이나 지속성을 향상시켜 화석연료를 대체할 수 있는 고형연료의 개발에는 미흡한 실정이다. 더구나 화석연료를 대체할 수 있는 대중 보급형 고형연료는 그 조성이 간단하여 가격이 저렴해야 하나 기존 착화탄 형태의 고형연료와 같이 여러 종류의 화학물질을 첨가하게 되면 가격 상승의 요인이 되며 대량 생산에도 큰 장애가 된다. 폐 임산자원이나 잉여 목재를 이용하여 톱밥 제조기로 톱밥을 대량생산한 후 연소를 지속시킬 수 있는 적절한 연소 보조제와 접착제를 섞어 압출기로 찍어내면 훌륭한 대체용 연료가 된다. 이 톱밥연료는 거의 완전연소가 되어 연기가 별로 나지 않으며 열량도 높고 수시간 동안 지속적으로 연소하므로 우수한 연료가 될 수 있다.

본 발명의 요지는 목재 폐자재, 잡목 등 목재 부산물을 톱밥제조기로 분쇄하여 생산된 톱밥 또는 나무조각에 연소 보조제 및 접착제로 왁스를 사용하여 성형성과 발열량을 향상시키고 완전 연소를 돕는 조연제로서 칼슘아세테이트를 첨가한 후 압출기로 압축, 성형하여 연기가 별로 나지 않으며 열량도 높고 수시간 동안 지속적으로 연소하는 우수한 고형 연료를 제조하는 방법이며, 기존에 존재하는 착화탄 형태의 고형연료가 지나치게 많은 화학물질을 첨가제로 사용함으로서 제조 원가가 상승하고 유독성 가스의 발생 우려가 있으므로 최소한의 화학물질 첨가제를 사용하여 2차 환경오염의 유발을 줄이고 단시간에 고형연료를 대량 생산하여 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 구체적인 내용을 살펴보면 다음과 같다. 목재 폐자재, 잡목, 간벌재 등 목재 부산물을 톱밥제조기로 분쇄한 후 적정한 입자 조성을 가진 톱밥 또는 나무조각을 제조한다. 톱밥과 나무조각에 응집용 발화제와 연소촉매제를 첨가하여 적절히 혼합한다. 응집용 발화제로는 파라핀왁스나 고형 지방분 등을 사용하여 응집효과와 열량증진 등을 동시에 향상시키도록 한다. 또한 연료의 완전연소를 위해 첨가되는 연소 촉매제로는 환경오염의 위험이 높은 중금속이나 유해물질 촉매를 지향하고 환경 친화적이고 연소 후 토양 영양제로 살포할 수 있는 칼슘아세테이트(CA), 마그네슘아세테이트(MA) 등을 부가한다. 혼합된 시료는 일정한 형태를 갖춘 압출기로 압축, 성형하여 고형연료를 생산한다.

하기 실시예에서 본 발명의 여러 공정상의 특징이 예시될 것이다.

[실시예 1]

제재소에서 발생하는 톱밥을 수거하여 실험실에서 7일간 자연 건조 시켰다. 건조된 톱밥 시료를 2mm 매쉬(mesh)의 채로 거른 후 70∼80℃에서 파라핀 왁스 및 연소촉매제를 첨가하여 적절히 혼합하면서 원료를 제조하고 SW(Sawdust with Wax)로 명명하였다. 연소 촉매제로는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 초산(Acetic acid)을 화학 조성 비율로 반응시켜 제조한 칼슘아세테이트(CA)를 사용하였다. 그 후 직경 5.5cm의 원형 몰드에 넣고 유압 압출기로 성형하여 일정 형태를 갖춘 고형 연료를 제조하였다. 압출기의 압력은 혼합원료의 왁스가 새어나오기 직전까지 가하였으며, 제조된 고형연료의 조성은 표 1과 같다.

제조된 고형연료 시료의 조성

시료구분	톱 밥(중량%)	왁 스(중량%)	CA(중량%)
SW-60SW-70SW-80SW-90SW-100SW-110	423836333029	585457606163	087798

[실시예 2]

일정한 조성 비율로 제조한 톱밥 연료의 발열량 시험과 연소 시험을 실시하였다. 칼로리미터(Parr1261 Calorimeter)를 사용하여 분석하였으며 그 원리는 다음과 같다. 먼저 1g의 시료를 용기에 넣고 산소와 혼합한 공기로 고압(약 30기압)을 만든 후 용기 안에 내재된 니크롬선을 전기로 가열하여 연소시킨다. 용기 주위에 약 1L의 물을 넣고 연소 시 발생되는 열량으로 상승된 물의 온도를 1cc의 물을 데우는데 필요한 열량으로 환산하여 계산한다. 표 2에 나타난 바와 같이 발열량 분석 결과 모든 시료가 7800∼8400 Kcal/g으로서 기존 연탄의 열량기준인 4500 Kcal/g을 70∼90% 정도 상회하여 훌륭한 연료가 될 수 있을 것으로 나타났다. 특히 SW-90 시료가 8430 Kcal/g 시료로서 가장 열량이 높았으며 성형성도 가장 뛰어났다.

고형연료를 5.5cm ID×7.0cm 길이로 제조하여 연소 시험한 결과 SW70 이하에비해 SW90 이상의 시료에서 연소 시간이 길어져 1시간 30분∼2시간 정도 연소하였으며, CA가 포함된 SW70 이상의 시료는 포함되지 않은 SW60에 비해 연기가 별로 나지 않고 완전연소 하는 것을 알 수 있었다.

고형연료 시료의 발열량 시험 결과

시료구분	발열량 (Kcal/g)
SW-60SW-70SW-80SW-90SW-100SW-110	823077808030843082107890

[실시예 3]

고형 연료가 운송 도중에 파손 가능성을 검사하기 위해 압축강도 시험을 실시하였다. 혼합된 고형연료 시료들을 5.5cm ID의 원형 틀에 넣고 압축기로 성형하여 11.0cm 길이로 제조하였다 (압축강도 측정기준, 지름 : 길이 = 1 : 2). 그후 성형된 몰드들을 전동식으로 된 일축압축강도기를 사용하여 압축강도를 측정하였다. 압축강도의 측정은 측정몰드의 변형율(ε)과 파괴점까지의 하중을 이용하여 아래와 같은 식에 의해서 측정하였으며 그 결과는 표 3에 나타난 바와 같다.

일축압축강도 실험 결과

Sample	변형률, ε(cm)	하 중(kg)
SW-60SW-70SW-80SW-90SW-100SW-110	0.170.210.270.280.290.28	194254295297301288

혼합 시료가 받는 하중은 SW80부터 급격히 증가하여 SW100에서 최고에 이르렀으며 이 결과를 근거로 압축응력을 계산한 결과가 표 4와 같다. 시료의 압축 강도는 조연제 CA가 첨가된 시료에서 높게 나타났으며, 왁스의 혼합 비율이 늘어날수록서서히 증가하여 SW80∼SW100에서 최고의 강도(약 50kg/cm2)를 보이다가 그 이상을 혼합하였을 때 다시 떨어지는 경향을 보여주었다. 이러한 강도는 포트랜드 시멘트로 28일 양생한 콘크리트의 최소 강도 기준인 140kg/cm2에 비해 약 36%에 달하는 수치로서 상당한 강도를 보여주어 운송 중 파손될 확율이 거의 없는 것으로 밝혀졌다.

혼합 연료의 압축 응력

	SW-60	SW-70	SW-80	SW-90	SW-100	SW-110
σ(압축응력)(kg/cm2)	32.6	42.7	49.5	49.9	50.53	48.34

제재소에서 목재 가공후 부산물로 발생하는 톱밥이나 나무조각, 목재가공이나 건축자재로 사용 후 폐기되는 목재 부산물 등은 적절한 전처리 과정을 거친 후 퇴비생산이나 토지개량제, 어류용 사료제조 등에 재이용하고 있다. 그러나 이러한 제품들은 부가가치가 낮아 효율적으로 재활용이 이루어지지 않고 있으며 부업으로서의 소득향상에도 도움이 되지 못하고 있다. 현재 세계적으로 UR 및 환경 라운드의 타결로 말미암아 환경 관련 제품의 개발에 심혈을 기울이고 있으며, 더구나 한국은 IMF 구제금융 시대에 접어들면서 화석연료의 가격이 상승하여 난방용 에너지나 농가의 작물생산용 연료수급에 큰 어려움을 겪고 있다. 목재 부산물을 분쇄하여 톱밥을 제조한 후 연소시간이 길고 열량이 우수한 대체연료를 개발하게 되면 값비싼 화석연료를 대체할 수 있어 에너지 절약에 기여할 수 있을 뿐 아니라, 폐기물을 자원화 하여 환경오염을 감소시키는 등 여러가지 기대효과를 가져올 수 있다.

Claims

목재 부산물로부터 제조한 톱밥 또는 나무조각 25∼45중량%, 조연 접착제로서 파라핀 왁스 또는 고형 지방분 50∼65중량%, 연소촉매제로서 칼슘아세테이트 0∼10중량%의 조성으로 된 원료를 70∼80℃에서 적절히 혼합하면서 가열 압착 성형하여 제조하는 고형연료 및 그 제조방법.
제1항에 있어서 목재 부산물로서 목재 폐자재, 잡목, 간벌재를 포함하는 재료를 톱밥제조기로 분쇄하여 톱밥 또는 나무조각을 제조하는 방법.