KR20070035013A - 나무 재료를 이용한 고체 연료의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나무 재료를 이용한 고체 연료의 제조 방법에 관한 것으로, 휘발분을 포함하고 있는 열매 껍질 25 내지 35wt％와 폐나무 65 내지 75wt％를 배합하여 준비하고, 상기 준비된 배합물을 각 입자가 5 내지 10㎜의 크기를 가지도록 파쇄하며, 상기 파쇄물을 150 내지 200℃의 온도로 가지는 바람을 1시간 정도 불어 넣어 함수율을 30％ 내외로 가지도록 예열하며, 상기 예열된 파쇄물을 카보나이징 시스템을 통과시켜, 350℃의 환경 속에서 유해물질은 연소하고, 휘발분 함량이 적어도 9％를 가지고, 4％ 내외의 함수율, 고정탄소 80％ 이상을 포함하도록 탄화 과정을 거치며, 상기 카보나이징 작업을 거친 탄화물은 냉각기를 통과하여 급속 냉각을 거쳐서, 150 내지 200 메시로 분쇄하여 고체 연료로 생산되며, 이러한 고체 연료를 통해, 기존 고체 연료를 대체하여, 연소시 높은 칼로리를 얻을 수 있으면서도, 유해물질을 발생하지 않는 친환경적인 대체 에너지를 제공할 수 있는 것이다.

고체 연료, 탄화, 나무, 폐목, 야자, 코코넛, 열매 껍질, 탄화, 카보나이징

Description

나무 재료를 이용한 고체 연료의 제조 방법 { the manufacturing method of solid fuel using wood }

도 1은 본 발명에 따른 공정도.

본 발명은 나무 재료를 이용한 고체 연료의 제조 방법에 관한 것으로, 휘발분을 포함하고 있는 열매 껍질 25 내지 35wt％와 폐나무 65 내지 75wt％를 배합하여 준비하고, 상기 준비된 배합물을 2차에 걸쳐 파쇄하여 각 입자가 5 내지 10㎜의 크기를 가지도록 파쇄하며, 상기 파쇄물을 150 내지 200℃의 온도로 가지는 바람을 1시간 정도 불어 넣어 함수율을 30％ 내외로 가지도록 예열하며, 상기 예열된 파쇄물을 카보나이징 시스템을 통과시켜, 350℃의 환경 속에서 유해물질은 연소하고, 휘발분 함량 9％ 이상, 함수율 4％ 내외, 고정탄소 80％ 이상 포함하도록 탄화과정을 거치며, 상기 카보나이징 작업을 거친 탄화물은 냉각기를 통과하여 급속 냉각을 거쳐서, 150 내지 200 메시로 분쇄하여 고체 연료로 생산되며, 이러한 고체 연료를 통해, 기존 고체 연료를 대체하여, 연소시 유해물질을 발생하지 않는 친환경적인 대체 에너지를 제공할 수 있는 것이다.

일반적으로 사용되는 고체 연료로는 석탄 등을 가공하여 사용하고 있으나, 이러한 고체 연료는 매장된 것이 한정적일 뿐만 아니라, 그 고체 연료가 연소하면서 발생하는 가스는 인체에 해로움은, 물론 지구 온난화 문제를 유발하는데 지대한 영향을 끼치게 되므로 생태계에 많은 문제가 발생하게 된다.

따라서, 지구온난화를 막기 위해 2005년 발효된 교토의정서로 인하여, 각 국가들의 청정 대체 에너지의 개발은 선택의 문제가 아닌 필연적으로 해결되어야 하며, 특히, 대부분의 에너지원을 절대적으로 수입에 의존하는 우리는 에너지 10대 소비국가로써 국제 환경 등 외부적인 요인에 의해 국가경제의 장래마저 위협받고 있는 열악한 환경 속에서 살아가고 있다.

이러한 환경 전쟁 속에서 미국, 일본, 유럽연합국(EU) 등 선진국에서는 막대한 자금을 투입하여 새로운 대체에너지 개발에 박차를 가하고 있으며, 현재까지 개발된 대부분의 대체 에너지는 기존의 화석연료에 비해 가격이 비쌈에도, 청정대체 에너지 개발에 집중하는 것은 차후 막대한 비용을 들여 온실가스(이산화탄소 등) 배출권을 구입하여야 하는 점에서 효율적인 투자라고 판단하여 전력을 다하고 있다.

이러한 추세에 맞추어, 우리나라도 국제화된 규격에 맞춘, 친환경적인 대체에너지 개발이 필요하다.

따라서 본 발명은, 휘발분을 포함하고 있는 열매 껍질 30wt％와 폐나무 70wt％를 배합하여 준비하고, 상기 준비된 배합물을 2차에 걸쳐 파쇄하여 각 입자가 5 내지 10㎜의 크기를 가지도록 하며, 상기 파쇄물을 150 내지 200℃의 온도로 가지는 바람을 1시간 정도 불어 넣어 함수율을 30％ 내외로 가지도록 예열하며, 상기 예열된 파쇄물을 카보나이징 시스템을 통과시켜, 350℃의 환경 속에서 유해물질은 연소하도록 하고, 휘발분 함량 9％ 이상, 함수율 4％ 내외, 고정탄소 80％ 이상 가지도록 탄화과정을 거치며, 상기 카보나이징 작업을 거친 분쇄물은 냉각기를 통과하여 급속 냉각을 거쳐서, 150 내지 200 메시로 분쇄하여 고체 연료로 생산되며, 이러한 고체 연료를 통해, 기존 고체 연료를 대체하여, 연소시 유해물질을 발생하지 않는 친환경적인 대체 에너지를 제공할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

또한, 상기 고체 연료는, 야자, 코코넛 또는 팜유찌꺼기 등의 열매 껍질과; 폐목, 가지치기한 나뭇가지, 뿌리, 잎, 왕겨 등의 폐나무를 사용하여 자원을 재활용하고, 고체 연료를 연소한 재도 재활용 가능하므로 순환적인 재활용이 가능하며, 고체 연료에 포함된 유해물질을 최소화하여, 상기 고체 연료의 연소에도 유해가스의 발생이 허용 배출량보다 낮추도록 하는데 그 목적이 있다.

본본 발명은 나무 재료를 이용한 고체 연료의 제조 방법에 관한 것으로, 휘발분을 포함하고 있는 열매 껍질 25 내지 35wt％와 폐나무 65 내지 75wt％를 배합하여 준비하고, 상기 준비된 배합물을 각 입자가 5 내지 10㎜의 크기를 가지도록 파쇄하며, 상기 파쇄물을 150 내지 200℃의 온도로 가지는 바람을 1시간 정도 불어 넣어 함수율을 30％ 내외로 가지도록 예열하며, 상기 예열된 파쇄물을 카보나이징 시스템을 통과시켜, 350℃의 환경 속에서 유해물질은 연소하고, 휘발분 함량이 적어도 9％를 가지고, 4％ 내외의 함수율, 고정탄소 80％ 이상을 포함하도록 탄화 과정을 거치며, 상기 카보나이징 작업을 거친 탄화물은 냉각기를 통과하여 급속 냉각을 거쳐서, 150 내지 200 메시로 분쇄하여 고체 연료로 생산되며, 이러한 고체 연료를 통해, 기존 고체 연료를 대체하여, 연소시 높은 칼로리를 얻을 수 있으면서도, 유해물질을 발생하지 않는 친환경적인 대체 에너지를 제공할 수 있는 것이다.

이하 본 발명에 따른 고체 연료의 제조 방법을 첨부된 도1의 공정도의 순서에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 재료 선별 공정(S0)은 본 발명에 적절한 재료, 즉, 열매 껍질과 폐나무를 선별하는 공정으로, 열매 껍질은 휘발분이 다량 포함된 상태의 야자수 껍질, 코코넛 껍질, 팜유 찌꺼기(특히 말레이시아 산) 등이 적당하며, 폐나무로는 폐목 (벌목된 나무, 가로수 등의 가지치기 한 가지, 잎, 정리하면서 베어진 뿌리 등 광범위하게 사용된다), 목재 자투리, 폐기되는 나무 제품 등 나무 재질로 이루어지는 것이면 폐나무로 이용되며, 상기 폐나무로는 왕겨도 포함될 수 있다.

한편, 상기 재료 선별 공정(S0)에서는 비닐류(합성수지류)나 비철금속류는 포함되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

다음, 재료 배합 공정(S1)은, 상기 준비된 열매 껍질과 폐나무를 일정 배합하는 공정으로, 상기 준비된 25 내지 35wt％의 열매 껍질과 65 내지 75wt％의 폐나무로 구성되도록 하는데, 대략 30wt％의 열매 껍질과, 70wt％의 폐나무를 비율로 배합하여 준비한다.

이어지는 파쇄 공정(S2)은, 상기 준비한 배합물을 균일한 크기로 파쇄하는 공정으로, 한번에 원하는 크기로 파쇄하기보다는 1차로 30 내지 50㎜ 정도로 파쇄하고, 2차로 파쇄기를 통해 입자가 5 내지 10㎜의 크기로 파쇄한다.

다음으로, 예열 공정(S3)은, 상기 파쇄된 파쇄물을 예열하여 함수율이 30％ 내외를 가지도록 예열하는 것으로, 이러한 예열은 상기 고온 송풍이 이루어지는 예열기에 넣어, 150 내지 200℃의 바람을 불어 넣는데, 그 양에 따라 불어 넣는 시간은 조절되어야 하겠지만 약 1시간 정도로 바람을 불어 넣어, 분쇄물의 연소를 방지하면서 상기 파쇄물의 함수율을 30％ 내외로 유지하도록 한다.

그리고 탄화 공정(S4)은, 상기 예열된 분쇄물을 카보나이징 시스템을 통해 탄화하는 공정으로, 상기 카보나이징 시스템(Carbonizing System)은 지름 3m의 관이 30m 길이를 가지고, 그 내부가 350℃의 온도를 계속 유지하는 것으로, 상기 분쇄물이 카보나이징 시스템을 거치면서 탄화 과정을 거치게 되는데, 처음 10m를 통과하면서 분쇄물에 포함된 유해 물질, 즉, 황(S)과 질소(N) 등을 연소하여 분쇄물로 부터 분해한다.

또한, 카보나이징 시스템 나머지 구간을 이동하면서 탄화 작업이 유지되는데, 상기 카보나이징 시스템은 제어를 통해 분쇄물이 고정탄소가 80％ 내외를 유지하면서 탄화환원작용을 하도록 하며, 고온에 따른 휘발분의 증발은, 자동 회수 장치를 통해 최소화되어 최종적으로 휘발분의 함량은 적어도 9％가 되도록 유지하도록 하며, 함수율은 4％ 정도로 유지하도록 하는데, 작업 과정에서 함수율 및 고정탄소의 비율은 약간의 오차를 가질 수 있으므로 상기 수치에 근접하게 가지도록 한다.

이렇게 분쇄물은 상기 카보나이징 시스템을 통과하면서, 350℃의 온도에서 1시간 30분 정도의 시간을 거치면서 유해 물질이 제거되고, 80％ 이상의 고정 탄소(적어도 80％ 정도의 고정탄소를 가지도록 한다), 9％ 이상의 휘발분(적어도 80％ 정도의 고정탄소를 가지도록 한다)을 포함하며, 4％ 내외의 함수율을 가지게 되며, 기타 이물질과 재 등이 포함될 수 있는데, 실예로, 열매 껍질과 폐나무의 분쇄물 100의 재료가 상기 카보나이징 시스템을 통과하면서 20의 고체 연료가 발생하여, 7000㎉의 열량을 유지하는 탄화물이 생성이 된다.

다음으로, 냉각 공정(S5)은, 상기 카보나이징 시스템을 통과한 탄화물은 바로 냉각기를 통해 냉각을 하게 되는데, 상기 냉각기 내부는 5℃로 유지하고 있으며, 투입되는 탄화물에 따라 냉각하는 시간을 조절하되, 대략 30분 정도를 냉각하며, 이러한 급속 냉각을 통해 탄화물에 포함된 고정탄소와 휘발분이 빠져나가지 않고 유지되도록 한다.

그리고 분쇄 공정(S6)은 상기 냉각된 탄화물을 미분탄 입자로 분쇄하는 것으로 정밀 분쇄기를 통해, 입자의 크기가 150 내지 200 메시(mesh)를 가지도록 분쇄하여 고체 연료를 만들게 되며, 마지막으로, 포장 공정(S7)은, 상기 고체 연료를 일정량씩 포장하는 공정으로, 완전히 밀폐되도록 포장하여 내부의 성분이 유지되도록 한다.

한편, 상기와 같은 공정은 컨베이어로 이동시키면서 순차적으로 연속적으로 발생하도록 하여, 고체연료의 성분 손실이나 휘발 문제를 해결하도록 하는 것이 바람직하며, 순차적이고 설정된 값으로 자동으로 제어되는 생산 과정으로 생산성을 높인다.

이렇게 생산된 고체 연료는 바이오메스(biomess, 식물의 유기체를 활용하여 만든 에너지를 총체적으로 부르는 것으로, 그 완성된 형태에 따라서 액체, 기체 및 등으로 이루어지며, 통상 bio-디젤, bio-가스로 불리워진다.)의 원료로 사용되는데, 예를 들어, 화력 발전소에서 상기 고체연료를 스프레이형태로 분말·연소하여 에너지를 얻을 수 있으며, 이외에도 대형 열병합 발전 시스템에 적용하여 에너지를 얻을 수 있으며, 발전소에 이용되는 고체 연료는, 고체 연료를 단독으로 사용하거나, 상기 고체 연료와 분발화된 석탄을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기와 같은, 고체 연료의 구성 성분을, 한국화학시험센터와 태국 알앤디 센터(BY KOREA CHEMICAL TESTING CENTER AND THALAND R&D CENTER)에서 분석한 결과를 다음 [표1]에 나타내었다.

구분(SECTION)	측정값 (MEASUREMENT VALUE)
탄소(C)	82%
황(S)	0.02%
질소(N)	0.07%
재(ASH)	4%
휘발성 물질(VOLATILE MATERIAL)	9%
함수량(MOISTURE)	4%
크기 (SIZE)	150 ~ 200 MESH
점화 온도 (IGNITION TEMPERATURE)	350 ~ 400 ℃
밀도 (DENSITY)	1.31 ~ 1.41
칼로리 값 (CALORIC VALUE)	7,200Kcal/H

상기 [표1]에 의하면, 본 발명에 따른 고체 연료는, 크기는 150 ~ 200메시이고, 밀도는 1.31 ~ 1.41이며, 함수량은 4%이고, 350 ~ 400 ℃의 점화 온도를 가지는데, 황과 질소는 각각 0.02%와 0.07%로 아주 낮은 비율로 포함되어 있으며, 상기 예열 과정이나 탄화과정에서 발생한 재는 4% 정도 포함하고 있으며, 82%의 탄소와, 9%의 휘발성 물질이 포함되어 7,200Kcal/H의 칼로리 값을 가지는데, 상기 값은 일반적인 우드칩(wood chip)이 3000 내지 4000㎉ 정도를 가지는데 비해 높은 열량을 발생하는 특징이 있다.

참고로, 상기 휘발분의 함량은 고체 연료의 연소와 밀접한 관계를 가지는 것으로, 휘발분의 함량에 의해, 초기 점화 온도에 영향을 가지며, 상기 고체 연료가 사용되는 곳의 온도 유지 등에 상기 휘발류의 함량에 영향을 끼치게 되는데, 특히 석탄의 휘발분 비율이 약 18％를 가지는바, 상기 고체 연료의 휘발분의 비율을 가능한 석탄의 휘발분 비율과 비례하여 맞출 수 있도록 하며, 상기 고체 연료에 포함된 칼로리는 고체 연료에 포함된 휘발분, 불순물함량, 밀도 등에 끼치게 되므로, 상기 상술한 고체 연료의 조건을 갖추도록 하는 것이 바람직하다.

이에 더불어 상기 고체 연료가 연소하면서 발생하는 유해물질을 한국소각기술에서 시험한 결과를 다음 [표2]에 나타내었다.

오염물질	실제 배출량	허용 배출량	구분	단위
일산화탄소(CO)	213.1	300	적합	ppm
황산화물(Sox)	10.5	100	적합	ppm
질소산화물(Nox)	7.3	150	적합	ppm
염산(HCI)	0.0	50	적합	ppm

상기 [표2]에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 고체 연료는, 그 연소에 따라 발생하는 일산화 탄소, 황산화물, 질소산화물, 염산이 허용 배출량에 비해 훨씬 밑돌게 발생하거나 발생하지 않으므로, 환경 친화적임을 알 수 있다.

추가로, 상기와 같은 고체 연료는 연소시에 이산화탄소의 발생량도 ‘0’이므로 더욱 환경친화적이며, 그 원재료가 열매 껍질이나 폐나무로 일반적으로 버려지는 것들을 사용하게 되므로, 상기 열매 껍질이나 폐나무의 처리 비용이 감소하고, 열매 껍질이나 폐나무의 재활용 비율을 높이는 특징이 있다.

특히 상기 고체 연료가 연소한 뒤에 발생하는 재(ash)는 재처리를 통해, 건설 자재로 이용되는데, 그 재는 화학물질을 포함하고 있지 않으므로, 자연 전자파방지와 새집 증후군을 해소할 수 있는 특징이 있다.

다시 말하면, 상기 고체 연료는, 그 재료부터 버려지는 열매 껍질이나 폐나무를 사용하여 자원의 재활용할 수 있으며, 고체 연료를 연소한 재도 재활용 가능하므로 순환적인 재활용이 가능하며, 고체 연료에 포함된 유해물질이 적은바, 상기 고체 연료의 연소에도 유해가스의 발생이 허용 배출량에 비해 훨씬 밑도는 수치를 얻어 공기 오염을 최소화하며, 상기 고체 연료는 연소시, 일반적인 우드칩보다 높은 열량을 발생하므로 에너지 활용면에서 효율적이다.

따라서 본 발명은,휘발분을 포함하고 있는 열매 껍질 30wt％와 폐나무 70wt ％를 배합하여 준비하고, 상기 준비된 배합물을 2차에 걸쳐 파쇄하여 각 입자가 5 내지 10㎜의 크기를 가지도록 하며, 상기 파쇄물을 150 내지 200℃의 온도로 가지는 바람을 1시간 정도 불어 넣어 함수율을 30％ 내외로 가지도록 예열하며, 상기 예열된 파쇄물을 카보나이징 시스템을 통과시켜, 350℃의 환경 속에서 유해물질은 연소하도록 하고, 휘발분 함량 9％ 이상, 함수율 4％ 내외, 고정탄소 80％ 이상 가지도록 탄화과정을 거치며, 상기 카보나이징 작업을 거친 분쇄물은 냉각기를 통과하여 급속 냉각을 거쳐서, 150 내지 200 메시로 분쇄하여 고체 연료로 생산되며, 이러한 고체 연료를 통해, 기존 고체 연료를 대체하여, 연소시 유해물질을 발생하지 않는 친환경적인 대체 에너지를 제공할 수 있다.

또한, 상기 고체 연료는, 야자, 코코넛 또는 팜유찌꺼기 등의 열매 껍질과; 폐목, 가지치기한 나뭇가지, 뿌리, 잎, 왕겨 등의 폐나무를 사용하여 자원을 재활용하고, 고체 연료를 연소한 재도 재활용 가능하므로 순환적인 재활용이 가능하며, 고체 연료에 포함된 유해물질을 최소화하여, 상기 고체 연료의 연소에도 유해가스의 발생이 허용 배출량보다 낮추어, 친환경적이고, 공기 오염을 최소화하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 휘발분을 포함하고 있는 열매 껍질 25 내지 35wt％와, 폐나무 65 내지 75wt％를 배합하는 재료 배합 공정(S1); 상기 배합물의 각 입자가 5 내지 10㎜의 크기를 가지도록 파쇄하는 파쇄 공정(S2); 상기 파쇄물이 30％ 내외의 함수율을 가지도록 예열하는 예열 공정(S3); 상기 예열된 파쇄물을 카보나이징 시스템을 통과시켜, 함수율 4％ 내외, 고정탄소 80％ 이상을 가지도록 탄화하는 탄화 공정(S4); 상기 탄화물을 급속 냉각하는 냉각 공정(S5); 상기 냉각된 탄화물을 150 내지 200 메시로 분쇄하는 분쇄 공정(S6); 상기 분쇄된 탄화물을 포장하는 포장 공장(S7)으로, 고체 연료를 제조하여,

   자연친화적이고 칼로리 값이 높아 대체 에너지로 사용될 수 있음을 특징으로 하는 나무 재료를 이용한 고체 연료의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 탄화 공정(S4)에서는, 휘발분의 증발을 방지하는 자동 회수 장치를 통해 탄화물의 휘발분 함량이 적어도 9％를 가지도록 함을 특징으로 하는 나무 재료를 이용한 고체 연료의 제조 방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 예열 공정(S3)에서는, 150 내지 200℃의 온도의 바람을 1시간 내외로 불어 내는 송풍기를 통해 예열하여,

   분쇄물의 연소를 방지하면서 수분 함량을 낮출 수 있음을 특징으로 하는 나무 재료를 이용한 고체 연료의 제조 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 냉각 공정(S5)에서는, 내부에 5℃의 온도를 유지하는 냉각기에 30분 내외로 투입하여 탄화물을 급속 냉각을 하고, 상기 포장 공정(S7)에서는 분쇄한 탄화물을 완전히 밀폐하도록 포장하여,

   상기 탄화물의 급속 냉각과, 밀폐 포장으로 고체연료에 포함된 고정탄소와 휘발분의 손실을 막음을 특징으로 하는 고체 연료의 제조 방법.

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