KR20060080605A - 난분쇄성 섬유질 원료의 2단 분쇄 펠렛 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난분쇄 섬유질 원료의 2단 펠렛 성형방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 난분쇄성 섬유질 원료를 50㎜ 이하로 절단하는 단계; 상기 절단된 원료를 혼합기에 투입하고 고온의 생(生)증기를 공급하면서 혼합시키는 단계; 상기 원료를 1차 펠렛밀에 투입하여 분쇄 및 혼합과정을 거쳐 직경 10∼20㎜의 다이(die)를 통하여 배출시켜 1차 펠렛을 성형하는 단계; 및 상기 성형된 1차 펠렛을 2차 펠렛밀로 투입하여 분쇄 및 혼합과정을 거쳐 직경 3∼10㎜의 다이(die)를 통하여 배출시켜, 2차 펠렛을 성형하는 단계를 포함하는 난분쇄성 섬유질 원료의 2단 분쇄 펠렛 성형방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 난분쇄성 섬유질 원료를 2차 펠렛 가공하게 함으로써 별도의 바인더(점결제)의 첨가 없이도 견고한 입자상태를 유지할 수 있는 특성을 제공한다.

펠렛, 난분쇄, 섬유질, 성형, 비료, 사료

Description

난분쇄성 섬유질 원료의 2단 분쇄 펠렛 성형방법{Method for pelletizing the fibroid materials by two step}

도 1은 본 발명에 따른 공정을 개락적으로 나타낸 도면이다.

본 발명은 난분쇄 섬유질 원료의 2단 분쇄 펠렛 성형방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 톱밥, 나뭇잎, 사탕수수 줄기, 옥수수 줄기, 갈대, 왕겨, 볏집, 초근목피, 목초, 나뭇가지, 나무뿌리, 폐목 등의 난분쇄성 섬유질 원료를 2단계에 걸친 펠렛 가공으로 성형하는 방법에 관한 것이다.

톱밥, 나뭇잎, 사탕수수 줄기, 옥수수 줄기, 갈대, 왕겨, 볏집, 초근목피, 목초, 나뭇가지, 나무뿌리, 폐목 등의 난분쇄성 섬유질 원료들은 고압으로 압축하여 일정한 크기의 입자로 만들어 사용하면 보관 및 운반 등에 편리한 점이 많으나, 현재는 성형화가 잘 되지 않아서 천연상태 그대로 사료, 비료 또는 연료(땔감) 등의 용도로 사용되고 있다.

다시 말하면, 상기 원재료가 가지는 부피에 의한 처리 문제 때문에, 상기 원료들의 부피를 줄이기 위하여 강제로 압착하거나 분쇄시키는 등의 추가적인 공정이 요구된다. 즉, 상기 원료들은 천연 상태로는 섬유질이 많고, 점착성이 없기 때문에 그 자체로는 펠렛 성형이 되지 않는다. 상기 원료들을 펠렛밀로 성형화 시키려면 먼저 입자크기를 작고 균일하게 분쇄하여야 하고, 여기에 점착성 물질을 부원료로 섞어서 펠렛밀에서 성형하는 방법이 있다. 상기 점착성 물질은 전분액일 수 있고, 음식물 쓰레기 또는 분뇨와 같은 고 수분을 함유하는 원료일 수 있다.

예를 들어, 한국 등록특허 제443899호에서는 음식물쓰레기를 파쇄기를 통해 10㎜ 이내로 파쇄하고, 파쇄된 음식물쓰레기를 킬른형 건조기에 투입하여 수분함수량이 건조된 물질을 다시 3㎜ 이하로 미세하게 분쇄한 다음, 혼합기내에서 음식물쓰레기 분쇄물과 톱밥을 7:3의 비율로 혼합하고 혼합약품을 투입하며, 상기 혼합물을 펠렛압출기에 투입하여 압출성형한 다음, 압출성형물을 절단하고, 이를 건조로에서 약 50∼60℃의 간접열로 2차 건조하여 환경오염을 크게 줄일 수 있고 저연비로 고부가가치를 얻을 수 있는 방법을 개시하고 있다.

또한, 한국 특허출원 제2002-28770호에서는 10∼20 메쉬의 범위 내에서 분쇄된 왕겨분말과 가축분뇨를 50%∼70% : 30%∼50%로 혼합하고, 상기 혼합단계를 완료 후 혼합물들을 발효 탱크의 내측에 투입하여 50∼70℃의 온도 조건으로 20시간∼24시간 정도 발효시키며 균사의 발생정도를 조절한 다음, 상기 발효된 혼합물들을 상온에서 14일∼21일 동안 후숙하고, 상기 후숙후 혼합물들을 입자가 고운 분말 형태로 분쇄기를 통하여 인출시켜 펠렛으로 제조하며, 상기 펠렛을 구 형상으로 가공하는 가축 분뇨를 이용한 퇴비의 제조방법을 개시하고 있다.

그러나, 상기 방법에 의해 제조된 펠렛의 경우 1회 압출을 통하여 형성되기 때문에 펠렛의 조직이 쉽게 부서질 수 있는 문제로 인하여 저장중 수분이 쉽게 침투되고 사용시에는 부스러기 등이 발생하거나, 수분이 완전하게 마르지 않을 경우 서로 달라붙어 덩어리진 형태가 발생되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 문제점을 개선하여 바인더나 첨가물을 섞지 않은 섬유질로 이루어진 단일원료만 으로도 강도가 증대된 펠렛 형태의 제품을 생산하는 것에 목적을 두고 있다.

본 발명에서는 원재료의 함수율이 거의 없는 난분쇄성 섬유질 원료를 2단계에 걸친 펠렛 가공으로 성형하는 것을 특징으로 하고 있다. 최초 펠렛 가공될 원재료는 적당한 크기로 절단하여 펠렛밀에 투입하기 좋게 만든 다음, 고열의 생(生)증기를 공급하면서 혼합시켜서 적당한 수분을 가진 익혀진 섬유질로 만든 다음, 펠렛밀에서 압출되는 형태로써 다이를 통과시킴으로써 일차적으로 펠렛밀 안에서 굵은 원료가 잘게 분쇄되면서 강도와 결합도가 약간 떨어지는 1차 펠렛 제품이 생산되게 된다. 이렇게 배출된 펠렛제품을 다시 직경이 1차 펠렛밀의 다이(die)직경 보다 작은 소규경의 다이(die)를 통과시킴으로써 밀도와 결합도가 높아지고 강도가 증가된 최종제품을 얻게 된다.

또한, 2차 펠렛공정에서는 1차 펠렛공정보다 직경이 작은 다이를 통과하게 하여 고온고압의 압축열과 마찰열을 발생시켜서 섬유질원료의 연질화(젤라틴화) 효과를 나타내게 된다. 2차 펠렛 형태로 성형된 제품은 섬유질원료의 젤라틴화로 결합도가 증가하고 고온고압에 의한 성형으로 더욱 고강도의 펠렛 최종제품으로 성형 됨을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 난분쇄 섬유질 원료의 2단 분쇄 펠렛 성형방법은 난분쇄성 섬유질 원료를 50㎜ 이하로 절단하는 단계, 상기 절단된 원료에 고온의 생(生)증기를 공급하면서 혼합하여 섬유질을 익히고 수분을 첨가시키는 단계; 상기 원료를 1차 펠렛밀에서 직경 10∼20㎜의 다이(die)를 통하여 배출시켜 1차 펠렛을 성형하는 단계, 상기 성형된 1차 펠렛을 2차 펠렛밀에 투입하여 직경 3∼10㎜의 다이(die)를 통하여 배출시켜, 2차 펠렛을 성형하는 단계로 구성된다.

이하 본 발명의 펠렛 성형방법을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

일반적으로, 펠렛의 형태는 원료를 잘게 분쇄하고 이를 혼합하여 강제적으로 다이를 통하여 배출되는 형태로써 일정 간격으로 절단한 형태를 가지고 있다. 이는 가축용 배합사료 및 폐기물의 분쇄처리 등에 주로 사용되고 있는 방식으로써 널리 이용되고 있다. 그러나, 톱밥, 나뭇잎, 사탕수수 줄기, 사탕수수 잎, 옥수수 줄기, 옥수수 잎, 갈대, 왕겨, 볏집, 초근목피, 목초, 나뭇가지, 나무뿌리, 및/또는 폐목 등의 난분쇄성 섬유질 원료들은 잘게 분쇄하기도 어렵고 자체적인 점결력이 없어서 성형화가 잘 되지 않아 단일 원료 그 자체로 펠렛 성형된 예가 거의 없는 실정이다.

본 발명에서는 이러한 난분쇄성 섬유질 원료들을 성형화시키는 방법에 그 특징이 있다.

도 1은 본 발명의 공정을 개략적으로 나타낸 도면으로, 원료공급부터 포장까 지의 전체적인 공정을 개략적으로 잘 설명하고 있다.

도 1을 참조하면, 상기 난분쇄성 섬유질 원료를 절단기에 투입한 다음, 50㎜ 이하로 절단한다. 난분쇄성 섬유질원료는 섬유질의 질긴 성질 때문에 충격식 함마 분쇄기 등으로는 분쇄가 잘되지 않는 성질을 가지고 있기 때문에 2∼3㎜ 이하로 분쇄하는데 어려움이 있어서 절단을 하는 것이 좋다. 이와 같이, 본 발명에서는 고속 분쇄기를 사용하지 않고 절단기를 사용함으로써 장치가 간단하고, 시설비가 저렴하게 되므로 생산제품(사료, 비료 또는 연료 등)의 제조 원가가 낮아지는 효과가 있고, 그 크기를 50㎜ 이하로 함으로써 진동, 소음, 분진 발생이 현저히 감소하고, 분쇄기의 마모율이 떨어지며, 분쇄기 동력비용이 낮아지므로 전반적인 분쇄비용이 저렴하게 되는 효과가 있다.

선택적으로, 50㎜이하로 절단된 원재료를 분쇄기를 이용하여 2∼3㎜이하로 분쇄를 하면 성형율과 강도가 향상되므로 제품에 따라서 중간과정에 추가로 분쇄과정을 넣을 수 도 있다.

이렇게 절단된 원료를 리본식이나 패들식 등의 혼합기로 혼합을 하면서 고온의 생(生)증기, 바람직하게는 보일러 스팀을 공급하여 준다. 이때 증기에 포함된 수분과 고온 증기에 의하여 섬유질이 익혀져서 연질화(젤라틴화)가 되면서 원료 자체적으로 점결력이 발생한다. 본 발명에 있어서, 상기 고온의 증기와 별도로 공정중에 적절히 수분을 공급하여 원료의 적절한 함수량을 유지할 수 있다.

그 다음, 상기 난분쇄성 섬유질 원료를 1차 펠렛밀에 투입하는데, 이때 상기 난분쇄성 섬유질 원료의 함수율이 10∼20% 정도가 되도록 하는 것이 펠렛 성형율과 장기보관성 면에서 바람직하다. 상기 함수율이 10% 미만이면 제품강도는 강해지지만 소비동력이 많아지고, 20%를 초과하면 소비동력은 적어지지만 강도가 약해지며 건조해야할 수분이 많게 되므로 냉각기의 용량이 커지고 장기보관시 부패의 우려성이 증가하는 경향이 있다.

본 발명에 있어서, 상기 1차 펠렛밀의 직경은 10㎜∼20㎜이 바람직한데, 10㎜ 미만이면 분쇄입도는 작게되서 제품 성형률에 유리하지만 처리용량이 떨어지고, 소비동력이 상승하며, 20㎜를 초과하면 분쇄입도가 너무 크게되서 제품 성형률이 떨어지지만 처리용량은 증가하고 소비동력이 떨어지는 경향이 있다.

펠렛밀에 투입된 이들 재료들은 펠렛밀 내부에서 다시 한번 혼합과 분쇄의 복합과정을 거치면서 다이홀(die hole)로 강제적으로 압출된다. 펠렛은 압출되는 다이표면에서 일정한 크기로 절단시키는 형태로써 배출된다. 펠렛밀을 통해 배출되는 이들 펠렛 제품은 압출되면서 70∼80℃의 마찰열과 압축열이 발생하게 됨으로써, 그렇게 발생한 고열에 의하여 섬유질이 연질화(젤라틴화)되어 서로 달라붙는 특성을(점결력) 갖게 되어 배출된다. 또 이러한 고온은 제품중에 포함되어 있던 수분 중에서 일정부분(약 1∼3%)을 증발시키는 효과가 있게 되면서, 이렇게 1차 펠렛을 형성하는 단계가 마무리된다.

본 발명에 따르면, 1차 펠렛으로 성형된 원재료는 콘베어벨트나 기타 운송장치를 거쳐서 이송되어 2차 펠렛을 성형하기 위해 2차 펠렛밀 내측으로 공급되며, 2차 펠렛밀에서 다시 한번 강제적으로 압출이 이루어지게 된다. 이때, 선택적으로, 2차 펠렛밀에 투입되기전 혼합기에서 고온의 증기나 수분을 원료에 다시 공급할 수 있다. 이 2차 혼합과정은 상기 1차 혼합과정과 동일 또는 유사하게 수행된다.

본 발명에 따르면, 2차 펠렛밀의 직경은 3∼10㎜로써 1차 펠렛밀의 다이직경보다 감소된 것을 특징으로 하고 있다. 2차 펠렛은 1차 펠렛보다 직경이 작음으로써 압출될 때 다이직경과 분쇄된 조직간의 저항을 증대시킴으로써 약 80∼90℃의 열을 발생하게 하고 그 열기에 의해 수분 증발효과(약 1∼3%)를 발생함과 동시에, 배출되는 압력이 1차 펠렛에서 보다 훨씬 높기 때문에 펠렛 간의 조직이 치밀해지고 밀도가 상승하게 되어 더욱 단단한 형태로 2차 펠렛이 배출되는 단계가 마무리 된다.

본 발명에 따르면, 상기 2차 펠렛밀의 다이 직경은 3∼l0㎜가 바람직한데, 이는 수요자가 가장 많이 요구하는 제품의 일반적인 규격이기 때문이며, 3㎜ 미만이면 성형하기가 어렵고 동력이 많이 소요되며 단위시간당 생산량이 떨어지며, l0㎜를 초과하면 제품의 강도가 약해지고 비료살포기의 노즐이 막히거나 하는 등 다른 기계와의 호환성에 문제가 발생하는 경향이 있다. 또한 상기 2차 펠렛 성형단계에서 난분쇄성 섬유질 원료의 함수율이 15∼25% 정도가 되도록 하는 것이 펠렛 성형율과 장기보관성 면에서 바람직하다. 상기 함수율이 15% 미만이면 제품강도는 강해지지만 소비동력이 많아지고, 25%를 초과하면 소비동력은 적어지지만 강도가 약해지며 건조해야할 수분이 많게 되므로 냉각기의 용량이 커지고 장기 보관시 부패의 우려성이 증가하는 경향이 있다.

한편, 본 발명에 있어서, 상기 1차 및 2차 펠렛 성형단계에서 증기나수분과 함께 전분과 같은 바인더(점결제)나 맛과 향을 내기 위한 첨가제(예: 방향제)나 부 족한 영양소 물질 등을 더욱 첨가시킬 수 있다. 이렇게 바인더나 기타 첨가제를 첨가시킴으로써 펠렛의 결합력을 더욱 강화시키고 제품의 다양화와 차별화를 시켜서 상품성을 높일 수 있으며, 과량 첨가사용에 대한 특별한 제한은 없지만 값싸고 구하기 쉬운 섬유질원료보다 값비싼 첨가물질을 많이 섞으면 품질은 향상이 될 수 있을지 모르나 제품 값이 상승하여 수요자에게 부담되는 문제점이 있어서, 제품원가에 큰 상승 영향이 없을 정도의 양으로 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 공정을 거친 펠렛의 충격강도는 약 90㎏/㎤ 이상으로, 이 정도의 충격강도는 포장, 운반, 수송 및 보관 등의 취급을 하는데 충분한 강도이다.

이와 같이, 본 발명에 따라 제조된 펠렛 제품은 섬유질이 익혀진 상태로서 점착력이 증가되어 있기 때문에 자연 냉각 또는 선택적으로 냉각기에서 냉각시키면 식어지면서 더욱 단단하게 되어 보관 및 운반 등 취급 중에 부스러지는 경우가 거의 없고, 사료인 경우는 익혀진 섬유질은 맛이 있어서 동물들의 기호식품이 되며, 동물들이 소화시키기에 편하고, 고열에 의하여 살균이 되었으므로 위생적으로 안전하다. 비료인 경우에도 결합도가 증가되어 표면이 딱딱하여 바로 부서지지 않고 시비후에 천천히 토양으로 스며드는 완효성 비료에 적합하게 된다. 아울러, 연료로의 사용에도 단위체적당 발열량 증가, 연소시간의 연장, 운반 및 보관 면에서 바람직하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

먼저, 옥수수 잎과 줄기가 섞인 10,000㎏을 절단기에서 약 50㎜ 이하로 절단하고, 상기 원료의 함수율이 10%가 되도록 수분을 스프레이 분사식으로 500㎏을 공급하였다. 절단기에서 절단한 것들이 50㎜보다 큰 것들도 많아서 다시 한번 조쇄용 함마 분쇄기에 넣고 분쇄하여 30㎜이하 정도로 균일하게 분쇄를 다시 하였다. 이렇게 분쇄된 것들을 혼합기에 공급하면서 동시에 1,000㎏/시간 용량의 스팀보일러에 의해서 약 800㎏/시간의 생(生)증기를 원료에 직접 접촉 되도록 공급하여 원료의 함수율을 18%정도가 되도록 유지하면서 가열과 혼합을 하였다. 그 다음, 다이의 직경이 약 15㎜인 1차 펠렛밀에 투입하여 내부에서 자연적으로 다시 한번 분쇄와 혼합작용이 되도록 하면서 상기 분쇄물을 압출시켜 1차로 펠렛을 성형하였다.

그 다음, 1차 펠렛으로 성형된 원재료에 함수율을 20%이하로 유지시키도록 보일러의 생(生)증기를 200㎏/시간 되도록 공급하면서 2차 연속식 혼합기에서 가열하면서 혼합시킨 것을 직경이 약 6㎜인 2차 펠렛밀에 투입하여 압출시켜 2차로 펠렛을 성형하였다. 상기 2차 가공된 펠렛의 함수율은 약 20%이었고, 충격강도는 약 92㎏/㎤이었다. 이것을 다시 상온의 공기를 순환시키는 냉각기에서 냉각하였다. 그 결과, 수분함유량은 16%이고, 압축강도는 97㎏/㎤이었다.

실시예 2

옥수수 잎과 줄기가 섞인 10,000㎏을 절단기에서 약 50㎜ 이하로 절단하고, 상기 원료의 함수율이 10%가 되도록 수분을 스프레이 분사식으로 500㎏을 공급하였다. 절단기에서 절단한 것들이 50㎜보다 큰 것들도 많아서 다시 한번 조쇄용 함마 분쇄기에 넣고 분쇄하여 30㎜이하 정도로 균일하게 분쇄를 다시 하였다. 이렇게 분쇄된 것들을 혼합기에 공급하면서 동시에 1,000㎏/시간 용량의 스팀보일러에 의해서 약 800㎏/시간의 생(生)증기를 원료에 직접 접촉 되도록 공급하여 원료의 함수율을 18%정도가 되도록 유지하면서 가열과 혼합을 하였다. 그 다음, 다이의 직경이 약 15㎜인 1차 펠렛밀에 투입하여 내부에서 자연적으로 다시 한번 분쇄와 혼합작용이 되도록 하면서 상기 분쇄물을 압출시켜 1차로 펠렛을 성형하였다.

그 다음, 1차 펠렛으로 성형된 원재료를 직경이 약 6㎜인 2차 펠렛밀에 투입하여 압출시켜 2차로 펠렛을 성형하였다. 상기 2차 가공된 펠렛의 함수율은 약 20%이었고, 충격강도는 약 90㎏/㎤이었다. 이것을 다시 상온에 그대로 방치하여 자연 냉각시켰다. 그 결과, 수분함유량은 18%이고, 압축강도는 93㎏/㎤이었다.

본 발명은 보통의 분쇄기에 의해서 분쇄가 어렵고 펠렛밀에 의하여 성형이 잘 않되는 난분쇄성 섬유질원료를 절단기에 의하여 50㎜이하의 크기로 절단하여 혼합기에 넣고 생(生)증기를 공급하여 고열과 수분을 공급하여 섬유질을 익혀서 연질화를 시키고 적당한 점착력과 함수율이 되도록 전처리 한 다음, 1차 펠렛밀에 투입하여 압출되면서 펠렛성형 뿐만 아니라 부수적으로 분쇄와 혼합작용도 되면서 1차 펠렛제품을 생산하고, 2차 펠렛밀로 다시 한번 압출성형을 하여 2차 펠렛제품의 성형효과를 높이고, 부수적으로 압축성형시 발생하는 압축열과 마찰열에 의한 젤라틴 효과를 높이고 살균을 하여 펠렛의 강도를 높이고 위생적인 제품을 생산하는데 있다.

Claims (6)

1. 난분쇄성 섬유질 원료를 50㎜ 이하로 절단하는 단계;

   상기 절단된 원료를 혼합기에 투입하고 고온의 생(生)증기를 공급하면서 혼합시키는 단계;

   상기 원료를 1차 펠렛밀에 투입하여 분쇄 및 혼합과정을 거쳐 직경 10∼20㎜의 다이(die)를 통하여 배출시켜 1차 펠렛을 성형하는 단계; 및

   상기 성형된 1차 펠렛을 2차 펠렛밀로 투입하여 분쇄 및 혼합과정을 거쳐 직경 3∼10㎜의 다이(die)를 통하여 배출시켜, 2차 펠렛을 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 난분쇄성 섬유질 원료의 2단 분쇄 펠렛 성형방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 난분쇄성 섬유질 원료는 톱밥, 나뭇잎, 사탕수수 줄기, 사탕수수 잎, 옥수수 줄기, 옥수수 잎, 갈대, 왕겨, 볏집, 초근목피, 목초, 나뭇가지, 나무뿌리, 및 폐목으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 것을 특징으로 하는 난분쇄성 섬유질 원료의 2단 분쇄 펠렛 성형방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 1차 펠렛 성형단계에서, 상기 원료의 함수율이 10∼20%인 것을 특징으로 하는 난분쇄성 섬유질 원료의 2단 분쇄 펠렛 성형방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 방법은 1차 펠렛 성형단계 후에 상기 원료를 혼합기에 투입하고 고온의 생(生)증기를 공급하는 단계를 더욱 포함하며, 여기서 상기 원료의 함수율이 15∼25%의 범위인 것을 특징으로 하는 난분쇄성 섬유질 원료의 2단 분쇄 펠렛 성형방법.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 방법은 1차 및 2차 펠렛 성형단계에서, 상기 증기와 함께 바인더, 방향제, 영양소 물질 및 이들의 혼합물을 첨가시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 난분쇄성 섬유질 원료의 2단 분쇄 펠렛 성형방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 방법은 2차 펠렛 성형단계 이후에 냉각단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 난분쇄성 섬유질 원료의 2단 분쇄 펠렛 성형방법.

Images