KR20120119888A

KR20120119888A - 커피박을 이용한 저흡수성 연료용 분탄 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20120119888A
Application number: KR1020120103668A
Authority: KR
Inventors: 오도건
Original assignee: 주식회사 유니바이오
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2012-10-31
Also published as: KR101315522B1; CN103773538A

Abstract

본 발명은 커피박을 이용한 연료용 분탄 및 그 제조방법에 관한 것으로 본 발명의 목적은 커피박을 일정조건에서 커피박을 열분해 함으로써 발열량을 6,000kcal/kg 이상으로 제고시키고 저장성 및 분쇄용이성을 개선하는 방법을 제공하는 것에 있다. 상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 함수율 50~60%의 압축된 형태로 수거된 커피박을 습식분쇄기를 이용하여 분말형태로 다시 해체하고 분쇄단계에서 분말화 된 커피박을 기류식 건조기를 이용하여 함수율 10%이하로 건조한 후 가열판이 225~320℃의 온도로 가열된 교반식로스터에 건조된 커피박 분말을 투입한 후 10~40분동안 교반하면서 열분해하여 커피박에 함유되어 있는 흡습성분인 헤미셀룰로오스를 분해하여 흡습성을 감소시키는 한편, 진공이송기를 이용하여 교반식로스터 내의 열분해된 커피박을 밀폐된 이송라인을 통해 냉각탱크로 이송함으로써 커피박의 산소접촉으로 인한 착화를 방지함과 동시에 커피박의 온도를 100℃이하로 냉각하고 시판되는 분말포장기를 이용하여 일정량 단위로 밀봉함으로써 수분을 차단하고 운송을 용이하게 하는 것으로 이루어진다. 본 발명에 따르면 커피박을 225~320℃의 비교적 낮은 온도로 열분해 함으로써 중량손실은 최소화하면서 발열량은 6,000kcal/kg 이상으로 제고시키고 동시에 흡습성분인 헤미셀룰로오스를 분해하여 제거함으로써 에너지수율 80%이상, 발열량 6,000kcal/kg 이상, 흡습율 3.0%이하, 회분 4.4%이하의 고효율 연료용 분탄을 제조할 수 있다.

Description

커피박을 이용한 저흡수성 연료용 분탄 및 그 제조방법{METHOD OF MANUFACTURERING LOWLY ABSORBENT POWDER FUEL MADE FROM SPENT COFFEE BEAN}

본 발명은 커피박(커피원두로부터 커피를 추출하고 남은 잔사)을 이용한 연료용 분탄 및 그 제조방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 커피박을 분쇄 및 건조하고 교반형 열분해조를 이용하여 225~320℃의 온도에서 일정시간 열분해 한 후 진공이송기를 이용하여 이송함으로써 커피박의 착화를 방지하면서 냉각하여 커피박의 탄소비율은 증가시키고 흡습성분인 헤미셀룰로오스 구성비율은 낮춤으로써 발열량은 증가하고 흡습성은 감소된 커피박을 이용한 연료용 분탄 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 유기물은 열분해(thermal decomposition)를 통해 숯과 같은 탄소고체, 오일 또는 가연성 가스 등의 열분해 생성물이 된다. 예를 들어, 목재를 열분해하면 목초액, 나무 타르, 목탄 등을 제조할 수 있고, 석탄을 열분해 하여 석탄 가스, 타르, 코크스 등을 얻기도 한다. 특히, 최근에는 석탄, 석유 등의 화석 에너지를 대체할 수 있는 대체 에너지로써 상기 유기물을 이용하는 바이오매스(bio mass)에 관한 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 바이오매스를 연로로 이용하는 기술로는 바이오매스를 열분해하여 가연성 가스나 탄화물(바이오매스탄)을 제조해 연료로서 재이용하거나 일정시간 열분해 하여 바이오 오일을 제조하는 기술이 알려져 있으며,(예를들면, 특허문헌 1 참조) 최근에는 바이오매스를 압축, 성형하여 펠릿 형태의 연료를 제조하여 단위 부피당 발열량을 증가시키고 운송 및 보관을 용이하게 하는 바이오매스 펠릿연료 기술이 개발되어 유럽을 중심으로 이용량이 증가하고 있다.

커피박은 바이오매스의 한 종류로서 목재, 볏짚 등 일반적으로 고형 연료화 되고 있는 바이오매스와는 달리 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 이외에 유지성분이 16%이상 함유되어 있고 회분함유량 1.75%로 10%이상인 석탄에 비해 현저히 낮으며, 발열량 4,664kcal/kg으로 1급 목재펠릿 발열량 기준인 4,300kcal/kg을 상회하는 연료특성이 우수한 바이오매스 자원으로 커피박을 이용하여 연료를 제조하는 기존 방법으로는 커피박 분말을 제공하는 단계, 커피박 분말을 산 용액에 투입하는 단계, 산 처리된 응고 단백질을 제거하는 단계, 단백질이 제거된 커피박 분말을 수세하는 단계, 수세 커피박 분말을 건조하는 단계, 건조된 커피박 분말을 톱밥 및 생석회와 혼합하여 펠릿 혼합분말을 얻는 단계 및 상기 혼합분말의 펠릿 제조단계로 구성되는 커피박 펠릿연료 제조방법이 제시되어 있고(예를들면 특허문헌 2 참조) 바이오매스를 열분해 하여 연료화 하는 기술로는 Eucalyptus grandis WOOD를 산소 함유량 5%이하의 반응조에서 220~280℃의 온도로 60분동안 열분해하여 발열량 5,411kcal/kg, 에너지수율 92.76%의 바이오매스 연료를 제조하는 방법이 제시되고 있다(예를들면 비특허문헌 1 참조)

KR 10-1165073 등록특허 KR 10-1033212 등록특허

EFFECTS OF TORREFACTION ON ENERGY PROPERTIES OF Eucalyptus grandis WOOD, Cerne, Lavras, v.15,n.4,p.446-452, out./dez. 2009

바이오매스를 열분해하여 연료화하는 기존 기술인 바이오매스탄과 바이오오일의 경우 열분해온도가 400℃이상으로 에너지 투입비용이 높고 중량수율이 40% 내외로 중량수율에 발열량 제고분을 가중한 값인 에너지수율(energy yield)이 지나치게 낮아 투입에너지 총량 대비 산출에너지 총량이 오히려 감소하는 문제점이 있으며, 바이오매스를 펠릿형태의 연료로 제조하는 방법은 바이오매스 특유 성분인 헤미셀룰로오스(hemicellulose) 성분에 기인한 흡습성을 갖고 있어 저장이 어렵고 셀룰로오스 성분으로 인해 분쇄가 어려우며, 화석연료 대비 발열량이 지나치게 낮다는 문제점이 있으며, 커피박을 이용하여 펠릿연료를 제조하는 기술은 산 용액에 침지 및 수세하여 단백질을 제거함에 따른 비용 및 공정부담이 발생하는 한편, 펠릿화를 위해 생석회를 첨가함으로써 보일러 내부 융착율이 높은 Ca의 펠릿내 함유량을 높임으로써 보일러 내부에 클링커 발생율을 증가시키는 문제점이 있으며, 바이오매스를 300℃ 내외로 열분해하여 고형연료를 제조하는 기술은 목재자원을 이용하는 분야에 집중되어 있으며, 커피박을 열분해하여 연료용 분탄을 제조하기 위한 제조방법은 제시되고 있지 않다.

에너지수율(%) = 중량수율(%) × 발열량상승율(%)

따라서 본 발명의 목적은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하는 한편, 커피박을 이용하여 연료용 분탄을 제조하는 방법을 도출함으로써 커피박의 발열량을 6,000kcal/kg 이상으로 제고시켜 에너지수율을 개선하고 커피박을 헤미셀룰로오스 분해온도인 225~320℃에서 열분해 함으로써 흡습성분인 헤미셀룰로오스를 분해하여 저장성을 개선하는 한편, 셀룰로오스 조직을 파괴함으로써 분쇄용이성이 개선된 연료를 제조하는 방법을 제공하는 것에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 커피박을 이용하여 에너지수율이 제고되고 흡습성 및 분쇄용이성이 개선되며 리그닌 구성비율이 증가된 연료용 분탄을 제조하기 위한 방법에 있어서 수거된 커피박을 습식 분쇄기를 이용하여 분쇄하는 단계; 분쇄된 커피박을 건조하는 단계; 건조된 커피박을 225~320℃로 가열된 교반식 로스터에 투입하여 일정시간 이상 열분해 하는 열분해 단계와 진공이송기를 이용하여 열분해 된 커피박을 이송하여 냉각하는 냉각단계; 제조된 연료용 분탄을 포장하는 포장단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 커피박을 이용한 연료용 분탄 제조방법에 따르면 무처리군 발열량 4,973kcal/kg 대비 최대 6,900kcal/kg 까지 발열량을 제고시킴으로써 89.2%의 에너지수율을 얻을 수 있어 투입 바이오매스의 에너지손실을 최소화 할 수 있으며, 커피박의 흡습성분인 헤미셀룰로오스 함유율을 무처리군의 21.73%에서 0.1%까지 저감시킴으로써 바이오매스의 단점인 흡습성을 개선하여 저장성을 개선시킬 수 있고 열분해에 의해 셀룰로오스 조직을 파괴하여 분쇄용이성을 개선함으로써 분쇄비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 커피박을 이용한 연료용 분탄의 제조방법을 설명하기 위한 제조공정도이다.
도 2는 커피박 열분해를 위해 사용한 교반식 로스터이다.
도 3은 커피박을 이용한 연료용 분탄 사진이다.

이하에서는 본 발명에 따른 커피박을 이용한 연료용 분탄 제조방법을 실시예를 들어 상세하게 설명한다.

첨부된 도면 1은 본 발명에 따른 커피박을 이용한 연료용 분탄 제조방법을 설명하기 위한 제조공정도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 커피박을 이용한 연료용 분탄의 제조방법은 먼저 수거된 커피박을 분쇄하는 단계, 분쇄된 커피박을 건조하는 단계, 건조된 커피박을 260~290℃로 가열된 교반식 로스터에서 열분해 하는 단계, 열분해 된 커피박을 냉각하는 냉각단계, 제조된 연료용 분탄을 포장하는 포장단계를 포함하여 이루어진다.

이하에서 상기한 본 발명에 따른 커피박을 이용한 연료용 분탄의 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기한 분쇄단계는 차기 단계인 건조단계에서의 효율적이고 균일한 건조를 위해 함수율 50~60%의 압축된 형태로 수거된 커피박을 습식분쇄기를 이용하여 분말형태로 다시 해체하여 주는 단계이다. 일반적으로 커피 추출은 원두를 0.6mm 내외로 분쇄 한 후 열수를 첨가하여 커피를 추출하며 추출하는 단계에서 추출율을 높이기 위해 압축하여 탈수시키는 방법을 이용하기 때문에 커피추출후 발생하는 커피박은 원반형태로 압축되어 있어 건조효율을 높이기 위해서는 압축된 커피박을 다시 해체하는 공정이 반드시 필요하며 커피박의 함수율이 50%이상이므로 습식분쇄기를 이용하여 해체하는 것이 바람직 하다.

상기 건조단계는 분쇄된 커피박을 기류식 건조기를 이용하여 함수율 10%이하로 건조하는 단계이다. 커피추출후 수거된 커피박의 함수율은 50~60%로 이를 직접 교반식 로스터에 투입하여 열분해 하는 경우 로스터의 온도상승을 저해하여 열분해 시간이 지연되는 문제점이 발생하므로 함수율을 10%이하로 건조한 후 열분해 하는 것이 바람직 하며 건조기는 기류식건조기 외에 열풍식건조기, 유동층건조기 등이 사용될 수 있다.

상기한 열분해 단계는 커피박에 함유되어 있는 흡습성분인 헤미셀룰로오스를 분해하여 흡습성을 감소시키는 한편, 리그닌 및 커피박의 탄소함유량을 증가시킴으로써 발열량 및 열성형성을 제고시키는 단계로 가열판이 260~290℃의 온도로 가열된 교반식로스터에 건조된 커피박 분말을 투입한 후 커피박의 온도가 설정온도에 도달한 시점부터 10~40분동안 교반하면서 열분해하는 단계이다.

상기한 냉각단계는 진공이송기를 이용하여 교반식로스터 내의 열분해된 커피박을 밀폐된 이송라인을 통해 냉각시스템이 설치된 저장탱크로 이송하여 저장함으로써 커피박의 산소접촉으로 인한 착화를 방지함과 동시에 260~290℃인 커피박의 온도를 100℃이하로 냉각하는 단계로 이때 열분해공정에서의 커피박 온도는 260~290℃로 공기중에 노출되거나 산소 또는 기화성 가스에 노출되는 경우 쉽게 착화 되는 문제점이 발생하므로 공기와의 접촉을 차단하기 위하여 블로워가 아닌 진공이송기를 이용하여 이송하고 냉각시스템이 설치된 저장탱크에서 냉각하는 것이 바람직하다.

상기한 포장단계는 열분해후 냉각된 커피박을 시판되는 분말포장기를 이용하여 일정량 단위로 밀봉함으로써 수분을 차단하고 운송을 용이하게 하는 단계이다.

상기와 같은 제조방법을 통하여 제조된 커피박 연료용 분탄은 아래 표 1 및 2, 3, 4, 5와 같은 특성을 갖게 된다.

구분	무처리 커피박	260도 30분 열분해	270도 30분 열분해	280도 30분 열분해	290도 30분 열분해
헤미셀룰로오스(%)	21.73	6.32	0.43	0.12	0.10

구분	무처리 (탈지)	260도 30분 열분해	270도 30분 열분해	280도 30분 열분해	290도 30분 열분해	비고
흡습율(%)	5.123	3.599	3.700	2.971	2.758	전건후 상대습도 90%, 48시간 저장후 함수율 증가분

구분	무처리 (탈지)	280도 10분 열분해	280도 20분 열분해	280도 30분 열분해	280도 40분 열분해	비고
흡습율(%)	5.123	3.005	2.867	2.971	2.892	전건후 상대습도 90%, 48시간 저장후 함수율 증가분

구분	발열량 (kcal/kg)	회분 (%)	함수율 (%)	에너지수율 (%)
무처리 커피박	4973.5	1.57	59.6	100
260도 30분 열분해	6075.4	3.67	4.2	84.42
270도 30분 열분해	6451.9	4.03	3.0	80.50
280도 30분 열분해	6823.4	4.40	1.1	84.78
290도 30분 열분해	6969.5	4.18	1.0	76.52

구분	발열량 (kcal/kg)	회분 (%)	함수율 (%)	에너지수율 (%)
무처리 커피박	4973.5	1.57	59.6	100
280도 10분 열분해	6847.3	4.30	2.4	89.20
280도 20분 열분해	6873.3	3.79	1.8	82.40
280도 30분 열분해	6823.4	4.40	1.1	84.78
280도 40분 열분해	6900.6	4.11	1.6	78.03

상기 표 1, 2, 3에 나타난 바와 같이 커피박을 이용한 연료용 분탄은 커피박이 함유하고 있는 흡습성분인 헤미셀룰로오스가 분해, 제거되어 무처리군 21.73% 대비 290도 30분 처리군에서 0.1%까지 감소되었으며, 이러한 이유로 흡습율이 개선되어 무처리군의 흡수율 5.12% 대비 열분해온도 상승 및 반응시간 증가에 비례하여 감소하여 290도 30분 처리군에서 약 2.8%까지 감소하였다. 또한 상기 표 4와 5에 나타난 바와 같이 에너지수율은 280도 10분 처리군에서 89.2%로 가장 높은 에너지수율을 얻을 수 있었으며, 발열량은 무처리군 4,973kcal/kg 대비 290도 30분 처리군에서 최대 6,969kcal/kg까지 제고되었고 회분 함유량은 열분해온도 상승 및 반응시간 증가에 비례하여 상승하여 무처리군 1.57% 에서 최대 4.4%까지 증가하였으며, 함수율은 열분해온도 상승 및 반응시간 증가에 비례하여 감소하여 최대 1.0%까지 감소하였다.

한편, 상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 커피박을 이용하여 연료용 분탄을 제조하기 위한 방법에 대하여 설명하고 있으나 이에 한정된 것은 아니며, 사용연료로 분쇄된 목재자원, 볏짚, 보리짚, 밀짚, 그리고 유채박, 폐버섯배지 등 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌 등 세가지 성분의 중구성비가 70%이상을 구성하고 있는 모든 식물계 바이오매스를 사용할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정된 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않은 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims

커피박을 이용한 연료용 분탄 제조방법에 있어서 수거된 커피박을 분쇄하는 분쇄단계와;
상기 단계에 의해 분쇄된 커피박을 건조하는 건조단계와;
건조된 커피박을 교반식 로스터에서 열분해 하는 열분해 단계와;
열분해 된 커피박을 냉각하는 냉각단계와;
제조된 연료용 분탄을 포장하는 포장단계를;
포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 커피박을 이용한 연료용 분탄 제조방법
제1항에 있어서,
냉각단계시 열분해된 커피박을 진공이송기를 이용하여 이송하는 제조방법
제1항에 있어서,
열분해 단계시 커피박 온도 225~320℃에서 5~40분 동안 열분해 하는 제조방법