KR20150019243A - 커피박을 포함한 폐기물을 이용한 고밀도 펠릿 또는 블럭 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 커피박을 포함한 폐기물을 이용한 펠릿 또는 블럭 제조방법에 관한 것이다.

Description

커피박을 포함한 폐기물을 이용한 고밀도 펠릿 또는 블럭 제조방법{Method for preparing high density pellet or block using waste including coffee waste}

본 발명은 커피박을 포함한 폐기물을 이용한 펠릿 또는 불럭 제조방법에 관한 것이다.

인류가 이룩한 문명으로 우리의 삶은 더욱 풍요로워 졌지만 이의 유지발전을 위한 수단으로 더욱 고도의 산업사회를 만들었고 이 산업사회는 자원의 고갈과 자연환경 오염의 악순환으로 이어지고 있다.

산업의 발전으로 필요한 에너지의 많은 부분을 화석연료에 의존하고 있으나 화석연료는 제한적이고 사용에 의한 각종 유해물질을 발생시키고 있으므로 화석연료를 대체할 수 있는 친환경적 에너지를 찾는데 많은 관심을 기울이고 있다.

또한 산업의 발전으로 각종 쓰레기 특히 산업폐기물이나 생활 폐기물의 발생량이 많아져 이를 처리하기 위해서 많은 비용을 소비하고 있다.

이에 폐기물을 이용하여 에너지를 생산할 수 있는 기술을 제공한다.

커피박은 커피제조시 생두를 로스팅한 후 0.1~2mm로 분쇄하여 열탕으로 커피액을 추출한 후 생산되는 부산물로 산업폐기물로 분류되어 있으나 발열량이 6,000-6500K cal/kg 로 석탄에 버금가는 발열량을 가진 에너지 자원이다.

이러한 중요한 자원임에도 불구하고 현재까지 에너지자원으로서의 이용가치를 인식하지 못한 점도 있었지만 에너지수율을 높일 수 있는 신통한 방법을 찾지 못했다. 그래서 일부에서는 펠릿으로 성형하여 연료로 사용하고자 하는 시도는 있으나 경제성 등의 문제로 실용화 되지 못하고 있고, 일부는 퇴비생산의 보충재료(약20%)로 사용하고 있지만 대부분의 커피박은 폐기물로 매립되고 있는 실정이다.

다른 폐기물들 역시 우리사회가 해결해야할 당면과제인 처리문제이다. 많은 예산으로 단순 소각하거나 정화처리하고 있는 산업폐기물, 축산폐기물, 생활폐기물 등 열량은 차이가 있지만 폐기물을 효율적으로 연소시켜서 제생에너지원으로서 사용함과 동시에 폐기물을 처리하는 일석이조의 효과를 얻을 수 있는 이용기술을 체계화 하였다.

커피박은 석탄에 버금가는 발열량을 가지고 있지만 가루상태인 커피박을 단일로 연소시키면 연소속도가 느리며 불꽃을 일으키지 못하며 연소속도의 지연으로 에너지 수율이 낮아서 산업적 이용가치가 없다. 그래서 커피박이 가지고 있는 열량을 최대로 이용할 수 있는, 즉, 에너지수율을 높이는 수단으로 커피박을 고밀도의 고체로 즉, 펠릿으로 만들어야 하지만 커피박은 고밀도의 펠릿을 얻을 수 없었다.

이러한 고밀도 펠릿을 얻을 수 없는 주된 원인은 로스팅한 원두는 20-30% 탄화된 상태이므로 고온.고압에서 결찰제 역할을 하는 리그닌의 기능부족 때문이다.

또한 높은 열수율을 요구하지 않으면서도 연소시간이 길어야하는 난방용 보일러나 난로의 연료로 사용하기 위하여 커피박과 위 폐기물들 중 하나 혹은 그 이상을 혼합하고 전분질을 추가하여 커피박 블럭 성형기로 성형하면 낮은 압력에서도 난방용으로 적합한 커피박 블럭을 성형할 수 있다.

[선행 특허문헌]

대한민국특허등록번호 제1010332120000

대한민국실용신안공개번호제2020130004173

본 발명은 상기의 필요성에 의하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 커피박을 재료로 하는 신재생에너지 생산 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 커피박을 포함하는 고밀도의 펠릿 또는 불럭을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 커피박에 동물의 분변을 혼합하여 성형하는 단계를 포함하는 펠릿 또는 불럭 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 동물의 분변은 우분, 돈분 또는 계분인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.

또 본 발명은 커피박에 폐기되는 전분질을 혼합하여 고온.고압으로 압축하는 단계를 포함하는 펠릿 또는 불럭 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 폐기되는 전분질은 곡류성 폐기물, 곡식을 주원료로 한 폐기처분된 제품 및 제품원료, 오염으로 폐기되는 동물사료, 및 제분 전후의 오염된 밀 또는 밀가루로 구성된 군으로부터 선택된 전분질인 것이 바람직하나 이에 한정되지 아니한다.

또 본 발명은 커피박을 우드칩,볏짚, 왕겨, 또는 건초 중 하나 또는 이상과 혼합하여 펠릿을 성형하는 단계를 포함하는 펠릿 또는 불럭 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 커피박을 석탄 및 가용성 하수 슬러지, 도계장 슬러지 중 하나 이상을 혼합하고 폐기되는 접착성 전분질을 첨가하여 펠릿을 성형하는 단계를 포함하는 펠릿 또는 불럭 제조방법을 제공한다.

또한 본 발명은 커피박의 수분함량이 20~60%에서 90℃이상에서 일정 압력을 가햐여 성형하는 단계를 포함하는 커피박 불럭 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 설명한다.

본 발명은 폐기물 중 열량이 높은 커피박을 주 연료로 하는 신재생에너지 생산 방법에 관한 기술이다. 더욱 상세하게는 산업폐기물인 커피박을 연소하여 에너지수율을 높일 수 있는 고체연료를 생산하는 기술로서 효율적인 열에너지를 발생시킬 수 있도록 하는 기술과 커피박과 다른 가연성 폐기물과 혼합하여 고밀도 펠릿을 만드는 기술과 커피박 펠릿의 열량 및 에너지수율을 높일 수 있도록 가연성 폐기물을 추가하는 기술과, 커피박과 석탄을 혼합하여 부피 단위당 열량을 높이는 기술이다.

커피박의 에너지수율을 높이기 위하여 가루상태인 커피박의 형태를 펠릿으로 성형하는 방법에서 커피박에 리그닌이 많이 함유되어 있는 우분(소똥)을 썩어서 성형하거나, 미생물과 미생물 영양물질인 음식물 폐기물을 추가 혼합하여 발효에 의한 지방분해 후 성형하거나, 폐기전분질을 혼합하여 성형함으로서 더욱 견고한 펠릿을 성형하는 방법에 관한 것이다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

커피박을 고밀도의 펠릿으로 성형하는 기술

고밀도의 커피박 펠릿을 성형하는데 장해가되는 커피박의 결점은 결찰제 역할을 하는 리그닌의 함량 기능이 낮은 점과 유지성분이 15-30%를 함유되어 있다는 점이다. 이를 극복하기 위해서는 다음과 같은 선행기술이 제공되어 있다.

(1) 리그닌을 보충하여 결찰력을 향상시키는 기술

커피박에서 부족한 리그닌을 보충하기 위하여 선행기술인 특허등록번호 10-1033212(커피박 펠릿연료제조방법 및 이에 의해 제조된 커피박 펠릿)에 의하면 리그닌 보충을 위하여 낙엽송 톱밥을 20%을 혼합하여 성형하고 있다.

이 기술은 낙엽송 나무로 제조된 톱밥을 사용함으로서 산업 자원인 낙엽송을 구입하여 별도의 공정으로 톱밥을 제조하여 사용함으로서 자원의 낭비와 비용이 증가되는 단점과 커피박의 유지성분에 의해 펠릿 성형과정에서 마찰계수의 저하로 고밀도의 펠릿을 형성하지 못함과 연속생산에 한계가 있다는 단점이 있다.

또한 톱밥 5톤 1차에 80만원의 고가이며 톱밥제조공장 혹은 수입산으로 사용하고 있다.

(2) 커피박의 유지성분를 탈지하는 과정을 거처서 결찰력 향상과 연속생산하는 기술

커피박의 고밀도 펠릿을 제조하기 위하여 커피박을 조분쇄하는 단계-->건조단계-->로스팅 단계를 거친 다음 탈지과정을 거처서 탈지된 커피박을 펠릿으로 성형하는 기술은 대한민국특허번호 20-2013-0004416(커피추출잔사를 이용한 펠릿연료 제조방법)에서 제공하고 있다.

(3) 커피박의 열분해와 흡습성분의 분해로 열수율을 향상시키는 기술

커피박을 건조 후 225~329℃로 가열하여 헤미셀룰로즈를 분해하여 제거함으로서 수분 흡수성을 감소시키고 중량손실을 최소화 하면서 발열량을 6,000cal/kg 이상으로 제고시키고 에너지 수율 80%이상을 유지하는 기술이다.

그러나 이 기술은 단순히 열분해로 흡성성분인 헤미셀룰로스를 분해함으로서 흡습성을 낮추는 기술로서 커피박의 연료로서의 단점을 해소하지 못하였다. 즉, 커피박의 연소시간이 길고 연소시 불꽃이 제대로 생기지 않아서 고온의 스팀을 생산하는 보일러의 연료로는 사용할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 선행기술의 문제점을 해결한 것으로서,

본 발명의 커피박을 고밀도의 펠릿으로 성형하는 기술은 하기와 같다.

고밀도 펠릿을 만드는 기술

2012년 1년동안 우리나라가 수입한 커피생두의 양은 12만톤으로 커피박 역시 12만톤이 배출되어 일부는 퇴비나 연료로 재활용 되었다고 생각하지만 대부분 매립하거나 쓰레기와 함께 버려졌다.

이렇게 버려지는 커피박의 열량은 6,000~6,500cal/kg 으로서 석탄 1kg의 열량과 비슷하다.

커피박은 커피액을 추출하여 생산되는 부산물로서 지금까지 산업폐기물로 분류되어 매립을하고 있다. 커피박은 생두를 복아서 가루로 만든 다음 열탕을 가하여 커피를 여과한 찌꺼기로서 높은 열량이지만 가루상태에서는 연소속도가 느리고 불꽃이 없어서 에너지수율이 매우 낮아서 산업적인 이용가치가 없다. 그러나 커피박을 펠릿과 같이 단단한 고형으로 성형하면 경도가 강하면 강할수록 불꽃이 크고 탄화시간이 짧아져서 열생산을 목적으로 하는 산업화에 효율적으로 이용할 수 있다.

커피박은 생두를 200~250℃에서 15~200분간 로스팅하여 원두로 만든 다음 이를 0.1~2mm로 분쇄한 후 온탕으로 커피를 추출하고 남은 부산물이다. 그래서 고온에서 로스팅하는 과정에서 원두의 탄화정도에 따라 맞과 향기가 변화하므로 로스팅 기술에 따라 탄화정도는 20~30%로 달라진다. 탄화의 정도가 심할수록 펠릿 성형시 고온.고압에 의해 결찰력에 관여하는 리그닌의 기능이 낮아지며 지방함량도 변화한다.

커피박은 석탄에 버금가는 발열량을 가지고 있지만 가루상태인 커피박은 탄화속도가 느리기 때문에 불꽃을 발생시키지 못하여 연소속도가 지연되어 열이용의 효율이 떨어지(에너지수율)는 단점을 보완하기 위한 선행기술은 이미 공개되어 있지만 제조과정이 복잡한 것에 비교하여 고밀도의 펠릿을 만들지 못하였고 제조시 생산성이 경제적이지 못하였다.

그래서 커피박 만으로 펠릿을 성형할 경우에는 밀도가 낮아서 에너지수율이 낮아지지만 고밀도로 성형한다면 에너지수율을 커피박이 가진 최대한의 에너지수율을 얻을 수 있다.

커피박을 고밀도의 펠릿으로 성형하기 위해서는 본 발명의 요체인 두가지 단점을 극복하면 일반 목제용 펠릿 성형기로 고밀도의 펠릿을 연속으로 생산할 수 있다.

1) 결찰력 향상

(1) 리그닌 보충으로 결찰력 향상 기술

원두는 어느정도 탄화된 것으로 생두가 가진 원래의 리그닌(lignin)의 기능이 탄화되어 리그닌의 기능이 떨어진 상태이다. 리그닌은 고온.고압에서 시맨트와 같이 결착제 역할을 하는 것으로 섬유소와 함께 식물세포막의 형성물질 중의 하나로 짚이나 목제 및 곡식 중에 셀룰로스나 헤미셀룰로스보다 많은양으로 분포하며, 목제에서는 연제에는 24~35%, 경제에는 17~25%를 함유하고 있어서 목제에는 리그닌을 많이 함유하고 있으므로 우드펠릿은 고밀도로 성형이 가능하다.

동물의 분변 특히 우분(소똥)에는 많은 양의 리그닌이 함유되어 있어서 폐기물인 커피박에 폐기물인 우분을 혼합하여 커피박의 단점인 리그닌 함량을 높여서 고밀도의 커피박 펠릿을 성형할 수 있다.

반추동물인 소는 단위동물과는 달리 섬유소를 먹어면 제1위내의 미생물이 섬유소를 분해하여 만들어낸 휘발성지방산(Free Faty Acide)을 흡수하여 에너지로 이용하며 전체 에너지 소모량의 75%를 여기에 의존하고 있다.

반추성 초식동물인 소가 풀을 통하여 섭취하는 소화성 섬유소인 셀룰루스, 헤미셀룰로스 보다 많은 양의 리그닌을 섭취하지만 제1위에서 미생물에 의해 셀룰루스와 헤미셀룰로스는 완전히 소화되지만 리그닌은 소화되지 않고 농축된 상태로 배설한다.

본 발명은 리그닌을 보충하기 위한 수단으로 동물의 분변 특히 우분(소똥)을 커피박과 혼합하여 펠릿을 성형함으로서 고밀도의 커피박 펠릿을 성형할 수 있다.

또한 리그닌을 많이 함유한 짚이나 왕겨 및 건초를 분쇄하여 그 중 하나 또는 그 이상을 커피박과 혼합하여 고밀도의 커피박 펠릿을 성형할 수 있다.

(2)전분질 혼합으로 결찰력 향상

단순한 리그닌 보충에 의한 결찰력을 향상시킬 수 있는 방법과는 별개로 폐기되는 전분질(곡류성 폐기물, 곡식을 주원료로 한 폐기처분된 제품 및 제품원료, 오염으로 폐기되는 동물사료, 제분 전후의 오염된 밀 또는 밀가루 등)을 혼합하여 고온.고압으로 압축함으로서 접착성 전분질과 곡류에 있는 리그닌이 결찰력을 높여주므로 매우 단단한 펠릿으로 형성할 수 있다.

(3)커피박을 우드칩과 혼합하여 펠릿을 성형할 때는 최대 80%까지 커피박을 혼합하여 펠릿을 성형한다. 커피박을 우드칩과 혼합하여 고밀도의 커피박 펠릿을 아래와 같은 공정으로 성형할 수 있다.

공정방법 : 폐기물인 커피박 수거--> 커피박 10내지 80% : 우드칩 20내지 90%의 비율로 혼합 --> 건조시킨 후 10mm의 체로 처서 불순물을 제거--> 드럼형, 기류식 열풍 건조기로 약 섭씨 150~200도로 2~3분 건조 --> 펠렛 압축을 위해 이송, 고온 압출로 펠렛 성형 압밀화, 섭씨 100~180도, 250~1000kgf/cm2, 2.5~10분 --> 성형된 펠렛을 상온의 바람으로 냉각, 7mm 체로 가루를 걸러낸 후 포장.

(4) 커피박을 석탄, 가용성 하수 슬러지, 음폐물, 동물의 분변 중 하나 혹은 그 이상으로 혼합하고 폐기되는 접착성 전분질(곡류성 제품 및 원재료,동물사료, 제분 등)으로 결찰력을 유지하여 고밀도의 커피박 혼합 펠릿을 아래와 같은 공정으로 성형할 수 있다.

공정방법 : 폐기물인 커피박 수거--> 건조 -->건조된 석탄 및 건조된 가연성 폐기물(하수 슬러지, 음폐물, 동물의 분변 중 하나 혹은 그 이상) 으로 혼합(혼합비율 : 건조커피박 10내지 80% : 석탄 또는 가연성 폐기물 20내지 90%의 비율로 혼합) --> 0.1내지 0.2mm 로 미분화 --> 미분화 된 혼합물 30내지 70% : 전분질 70내지 30%를 혼합 --> 드럼형, 기류식 열풍 건조기로 약 섭씨 150~200도로 2~3분 건조 --> 펠렛 압축을 위해 이송, 고온 압출로 펠렛 성형 압밀화, 섭씨 100~180도, 250~1000kgf/cm2, 2.5~10분 --> 성형된 펠렛을 상온의 바람으로 냉각, 7mm 체로 가루를 걸러낸 후 포장.

(5) 고열을 필요로하지 않은 난방용 연료로 사용할 수 있도록 커피박을 석탄, 가용성 하수 슬러지, 음폐물, 동물의 분변 중 하나 혹은 그 이상으로 혼합하고 폐기되는 접착성 전분질(곡류성 제품 및 원재료,동물사료, 제분 등)으로 결찰력을 유지하여 연탄과 같은 높은 밀도의 커피박 블록을 아래와 같은 공정으로 성형할 수 있다.

공정방법 : 폐기물인 커피박 수거--> 석탄 및 가연성 폐기물(하수 슬러지, 음폐물, 동물의 분변 중 하나 혹은 그 이상) 으로 혼합(혼합비율 : 건조커피박 10내지 80% : 석탄 또는 가연성 폐기물 20내지 90%의 비율로 혼합) --> 수분함량 20내지 60%로 조절 --> 위 혼합물 30내지 70% : 전분질 70내지 30%를 혼합 --> 90 이상의 이송관에서 3-5분동안 이송 --> 원형 성형틀에서 압축하여 가래떡과 같이 연속성형(성형기는 도면 참조) --> 150-200 원통형 건조라인에서 건조 --> 상온의 바람으로 냉각, 가루를 걸러낸 후 포장.

본 발명을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명을 통하여 고밀도의 커피박 펠릿을 제조할 수 있었다.

이하 비한정적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 의도로 기재된 것으로서 본 발명의 범위는 하기 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되지 아니한다.

본 발명에 사용하는 재료 ; 커피박, 음식물 폐기물(음폐물), 도축장폐기물 슬러지, 폐기전분질(오염사료, 곡류를 이용한 식품 폐기물 및 폐기제품, 곡류로 식용유를 추출한 후의 박류 ) 가축분뇨, 폐유(식용유 등) 등일 수 있으며,

커피박은 커피 제조시 커피 bean을 열탕한 후 커피액 추출후 생산되는 부산물이고, 음식물폐기물(음폐물)은 잔반의 불순물(비닐,뼈,돌,기타)을 제거한 후 탄수화물과 단백질로 된 죽과 같은 최종산물(돼지사료로 이용할 수 있음)이며,

도축장폐기물 슬러지는 도계장 혹은 소도축장의 폐기물의 슬러지로 동물성 지방과 단백질 및 기타잡물로 구성된 폐기물이고,

폐기전분질은 곡류를 원료로한 모든 제품과 곡류 중 요염 등으로 폐기되는 것으로 오염된 가축사료, 라면과 같은 폐기되는 제품 및 곡류로 식용유를 추출한 후 남은 찌꺼기(박)을 의미하고,

가축분뇨는 소, 돼지. 닭 등의 분뇨를 의미하며, 폐유(식용유)는 동물 또는 식물의 유지로서 폐기되는 유지를 의미한다.

Claims (8)

1. 커피박에 동물의 분변을 혼합하여 성형하는 단계를 포함하는 펠릿 또는 불럭제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 동물의 분변은 우분인 것을 특징으로 하는 펠릿 또는 불럭제조방법.
3. 커피박에 폐기되는 전분질을 혼합하여 고온.고압으로 압축하는 단계를 포함하는 펠릿 또는 불럭제조방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 폐기되는 전분질은
   곡류성 폐기물,
   곡식을 주원료로 한 폐기처분된 제품 및 제품원료,
   오염으로 폐기되는 동물사료, 곡류로 식용유를 추출한 후 남은 찌꺼기(박) 및
   제분 전후의 오염된 밀 또는 밀가루로 구성된 군으로부터 선택된 전분질인 것을 특징으로 하는 펠릿 또는 불럭제조방법.
5. 커피박을 우드칩과 혼합하여 펠릿을 성형하는 단계를 포함하는 펠릿 또는 불럭 제조방법.
6. 커피박을 석탄 및 가용성 하수 슬러지, 도계장 슬러지 중 하나 이상을 혼합하고 폐기되는 접착성 전분질을 첨가하여 펠릿을 성형하는 단계를 포함하는 펠릿 또는 불럭제조방법.
7. 커피박을 볏짚, 왕겨 및 건초 중 하나 이상과 혼합하여 펠릿 또는 블럭을 성형하는 단계를 포함하는 펠릿 또는 블럭 제조방법.
8. 커피박을 석탄 및 가용성 하수 슬러지 중 하나 이상을 혼합하고 폐기되는 접착성 전분질을 첨가하여 수분함량이 20-70%에서 80℃이상으로 가열하는 단계를 포함하는 커피박 블록 제조방법.