KR20160112129A

KR20160112129A - 목재부산물을 이용한 연료용 복합펠릿의 제조방법

Info

Publication number: KR20160112129A
Application number: KR1020150037257A
Authority: KR
Inventors: 홍승회; 유영선
Original assignee: (주)제영산업
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2016-09-28
Also published as: KR101701248B1

Abstract

본 발명은 목재부산물을 이용한 연료용 복합펠릿의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 목재부산물 또는 바이오매스에 미립화된 폐플라스틱 또는 폐비닐 분말을 소정량 첨가하고 수분을 소량 분사한 다음 열 처리 및 초음파 처리를 동시에 인가함으로써, 톱밥 등 목재부산물 및 폐합성수지를 재활용하여 연소시 발열량이 높고, 결합력(결착력), 성형성 및 내구성이 우수하며, 운송, 보관 및 취급성 또한 뛰어난 연료펠릿을 효율적으로 성형/제조할 수 있는 목재부산물을 이용한 연료용 복합펠릿의 제조방법에 관한 것이다.

Description

목재부산물을 이용한 연료용 복합펠릿의 제조방법{PREPARATION METHOD OF COMPOSITE PELLETS FOR FUEL USING WOODEN BY―PRODUCTS}

최근 지구온난화에 의한 온실가스 감축이 전세계적인 화두가 되면서 화석연료를 대체하여 온실가스 발생량이 적은 목재칩, 목재펠릿 등 목재부산물 및 바이오매스 가공 연료를 사용하려는 움직임이 지속적으로 확대되고 있다.

구체적으로, 국내의 경우 2012년 신재생에너지 의무할당제(Renewable Energy Portfolio Standard; RPS)가 시행됨에 따라 화력발전소가 사용하는 연료의 일부를 폐자원 재활용 차원에서 목재펠릿 등으로 대체하도록 의무화되어 있다.

목재 자원의 재활용과 관련하여, 종래 톱밥, 잡목 등은 에너지원으로 활용되지 못하고 주로 폐기되거나 태워져 처리되었으나, 최근 들어 톱밥 등을 이용하여 연료용 목재펠릿을 성형하려는 기술들이 다양하게 연구, 개발되고 있다.

목재펠릿은 목재부산물 또는 숲가꾸기 산물 등을 수집하여 톱밥으로 제조한 후 고온, 고압에서 성형하여 제작한 목재연료로서 크기는 보통 0.6×1~4cm정도이다.

그러나, 기존의 목재펠릿은 연소시 단위 부피당 발열량이 낮아 막상 실제 현장에서 사용이 원활하게 이루어지지 않고 있고, 톱밥 등의 결합력(결착력)이 떨어져 성형시 하자가 발생하거나 견고한 펠릿으로 제조하기 어려운 단점이 있다. 아울러 목재펠릿은 부피가 크고 비중(약 100㎏/㎥)이 낮아 보관을 위해 많은 공간이 필요할 뿐만 아니라 운반비가 많이 소요되는 등 보관, 운송 및 취급 측면에서도 비경제적이다. 즉 톱밥 등을 이용한 기존의 목재펠릿은 가장 기본적인 요구특성인 발열량과 더불어 성형성, 보관 및 운송 용이성 등이 좋지 않아 연료로서 사용 및 취급하기에 사실상 한계를 드러내고 있다.

한편, 폐플라스틱 및 폐비닐 등을 포함한 폐합성수지는 일반 생활쓰레기를 비롯하여 각종 산업쓰레기로부터 대량 발생되고 있는데, 이들을 어떻게 효율적으로 처리할지는 오래 전부터 큰 문제로 대두되고 있다.

이에, 목재부산물, 바이오매스 및 폐플라스틱을 효율적으로 재활용하되, 이를 통해 높은 발열량, 우수한 결합력(결착력), 성형성 및 내구성, 용이하고 경제적인 보관, 운송 및 취급성을 동시에 구현할 수 있는 새로운 형태의 연료용 펠릿 제조방법에 대한 개발이 시급한 상황이다.

한국공개특허 제10-2012-0091524호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 폐자원을 재활용하여 발열량, 함수율, 밀도 및 내구성 등의 항목 모두가 1급 목재펠릿의 품질기준(국립산림과학원 고시 제2009-2호)을 충족하며, 결합력, 성형성, 보관 및 취급성 또한 우수한 고품질의 목재부산물 연료용 펠릿을 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하고자, 본 발명은 (a) 목재부산물 또는 바이오매스; 및 폐플라스틱 또는 폐비닐;을 80~300 메쉬의 미립자로 분쇄하여 분말화하는 단계; (b) 목재부산물 또는 바이오매스 분말; 및 폐플라스틱 또는 폐비닐 분말;을 70~80 중량% 및 20~30 중량%의 비율로 혼합하면서, 분말 총 중량 대비 1~5% 양의 수분을 분사하는 단계; (c) 얻어진 혼합물을 120~150℃의 온도로 가열함과 동시에 초음파 처리하여, 폐플라스틱 또는 폐비닐 분말을 매개로 목재부산물 또는 바이오매스 분말을 상호 결착시키고 분사된 수분이 목재부산물 또는 바이오매스 분말; 및 폐플라스틱 또는 폐비닐 분말;과 수소결합을 형성하도록 하는 단계; (d) 처리된 혼합물을 펠릿으로 압출성형하는 단계;를 포함하는 연료용 복합펠릿의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 목재부산물은 톱밥이고, 상기 바이오매스는 옥수수대, 코코넛 부산물, 거대억새, 땅콩대 및 팜찌꺼기 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 폐플라스틱 또는 폐비닐은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 (c) 단계를 거친 혼합물은 5% 이하의 함수율을 지니는 것을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 (d) 단계는 처리된 혼합물을 평판다이, 가압로울러 및 배출구를 포함하는 성형장치를 이용하여 2.0~2.5m/s(예컨대, 2.5m/s)의 저속 운전을 통해 펠릿으로 압출성형하는 것임을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 (d) 단계의 평판다이의 다이 구멍 상부는 구멍 외주부로부터 내측으로 깊이 2mm, 폭 1mm의 하향 경사부가 형성된 것임을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법을 제공한다.

또한, 제조된 연료용 복합펠릿은 저위발열량이 4300~6500kcal/kg, 함수율이 10% 이하, 겉보기밀도가 640~700kg/m³, 내구성이 97.5% 이상인 것을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 연료용 복합펠릿의 제조방법은 종래 대부분 단순 폐기되던 목재부산물 및 폐합성수지 등의 폐자원을 효율적으로 재활용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료용 복합펠릿의 제조방법은 목질원료에 높은 결합력(결착력)을 부여하는바 성형성이 우수해져 양호한 상태의 펠릿 형상을 얻을 수 있으며, 내구성이 향상된 견고한 펠릿을 제조할 수 있다.

특히, 본 발명에 따라 제조된 연료용 복합펠릿은 목재부산물(또는 바이오매스)만을 원료로 하여 제조된 종래의 펠릿보다 연소시 발열량이 크게 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 제조된 연료용 복합펠릿은 견고하고 밀도가 높아 보관, 운송 및 취급이 용이해진다.

나아가, 본 발명은 저속 운전 등 공정조건을 최적화함으로써, 제조되는 펠릿의 강도 등 펠릿의 품질을 보다 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료용 복합펠릿의 제조방법에 관한 공정을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 연료용 펠릿 제조방법에 사용되는 펠릿 성형기의 일 예를 나타낸 3D 입체도면이다.
도 3은 본 발명의 연료용 펠릿 제조방법에 사용되는 원재료의 저항력과 다이 구조의 상관관계를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 연료용 펠릿 제조방법에 사용되는 평판다이의 상면 구조를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 연료용 복합펠릿의 제조방법은,

(a) 목재부산물 또는 바이오매스; 및 폐플라스틱 또는 폐비닐;을 80~300 메쉬의 미립자로 분쇄하여 분말화하는 단계;

(b) 목재부산물 또는 바이오매스 분말; 및 폐플라스틱 또는 폐비닐 분말;을 70~80 중량% 및 20~30 중량%의 비율로 혼합하면서, 분말 총 중량 대비 1~5% 양의 수분을 분사하는 단계;

(c) 얻어진 혼합물을 120~150℃의 온도로 가열함과 동시에 초음파 처리하여, 폐플라스틱 또는 폐비닐 분말을 매개로 목재부산물 또는 바이오매스 분말을 상호 결착시키고 분사된 수분이 목재부산물 또는 바이오매스 분말; 및 폐플라스틱 또는 폐비닐 분말;과 수소결합을 형성하도록 하는 단계;

(d) 처리된 혼합물을 펠릿으로 압출성형하는 단계;를 포함한다(도 1 참조).

상기 (a) 단계는 본 발명에 따른 연료용 복합펠릿의 주원료인 목재부산물 또는 바이오매스와 부원료인 폐플라스틱 또는 폐비닐을 잘게 분쇄하여 분말로 형성하는 단계이다.

상기 목재부산물로는 목분, 목재칩, 및 목재로부터 생성될 수 있는 각종 부산물을 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 톱밥을 사용한다. 상기 톱밥으로는 당분야에서 통상적으로 사용되는 우드톱밥 등을 사용할 수 있으며, 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니다. 또한 분쇄 단계 전 회전선별기 및 자력선별기를 차례로 거쳐 톱밥으로부터 입자 굵기가 큰 톱밥(예컨대, 50㎜보다 큰 톱밥) 및 이물질(예컨대, 철 등 금속 물질)을 선별하는 전처리 과정을 수행할 수 있으며, 이를 통해 추후 사용되는 분쇄설비 또는 성형설비의 손상과 이물질에 의한 펠릿의 발열량 감소를 방지할 수 있다. 아울러 저장되어 있는 톱밥은 이를 이송하여 분쇄하기 전에 송풍 등 소정의 방법으로 건조 상태를 유지토록 함이 바람직한바, 이를 통해 저장조 내의 톱밥이 발효되거나 뭉치는 현상을 방지고 분쇄시 분쇄 성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 바이오매스로는 옥수수대, 코코넛 부산물, 거대억새, 땅콩대 및 팜찌꺼기 중에서 선택된 1종 이상의 식물체 바이오매스를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 목재부산물 또는 바이오매스는 소정의 분쇄기를 통해 1mm 이하의 크기(구체적으로, 80~300 메쉬)의 크기로 분쇄되어 분말로 형성된다. 그 크기가 80 메쉬 미만이면 미립자 평균입경이 100um 정도로 너무 커져 균일한 혼합을 이루기 어려워지고 입자간 결합력 및 성형성이 떨어지거나 최종제품의 밀도 내지 강도가 저하될 수 있으며, 300 메쉬를 초과하면 분쇄 공정에 너무 장시간이 소요되어 전체적인 생산성이 저하되고 제조비용이 상승하거나 나노 수준의 미립자가 상호간에 결합하려는 특성 때문에 식물체 바이오매스의 경우 분산성 측면에서 나쁜 영향을 미칠 수 있다.

이처럼 분쇄된 목재부산물 또는 바이오매스 분말에 대해서는 필요에 따라 가열 및 건조 공정이 추가적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 열풍공급장치 등 통상의 건조장치를 이용하여 50~150℃에서 가열 및 교반하면서 0.5~24시간 동안 건조하여 수분 함량을 10% 이하, 예컨대 8~10% 정도로 조절할 수 있다. 이때 건조온도가 50℃ 미만이면 충분한 건조가 되지 않거나 건조시간이 길어지는 문제가 생길 수 있으며, 150℃를 초과하면 식물체 바이오매스 등이 탄화할 가능성이 높아져 제품의 품질 저하를 유발할 수 있다. 또한 건조시간이 0.5시간 미만이면 건조가 충분치 못하여 완제품을 적용하여 제품을 생산할 때 다량의 수분 잔존에 의해 제품 품질이 저하되는 현상이 발생할 수 있으며, 24시간을 초과하면 추가적인 건조 효과 없이 에너지만 낭비되어 경제성이 떨어질 수 있다. 아울러 건조된 분쇄 원료의 수분 함량이 너무 낮으면 압축시키면서 펠릿으로 제조시 압출이 정상적으로 이루어지지 않을 수 있으며, 수분 함량이 지나치게 높으면 압출성형 후 쉽게 부스러지는 현상이 발생할 수 있다.

상기 폐플라스틱 또는 폐비닐은 주원료인 톱밥 등에 첨가되는 부원료로서, 목재부산물만으로는 부족한 발열량을 보완함과 더불어 원료 입자들간의 결합력을 증가시키고 펠릿의 성형성(제형성) 및 내구성을 개선하는 역할을 한다. 구체적으로, 본 발명자는 톱밥 등 목재부산물만으로 연료용 펠릿을 제조할 경우 저위발열량이 낮아 연료로서 사용하기에 부적절하고 제형에도 문제가 발생한 반면, 이에 소정량의 폐플라스틱 등을 미분쇄하여 첨가할 경우 저위발열량이 크게 증가하고 결합력 및 성형성 또한 좋아져 제형에도 문제가 발생하지 않음을 확인하였다.

상기 폐플라스틱 또는 폐비닐로는 각종 산업 현장에서 부산되는 폐합성수지를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 중에서 선택된 1종 이상의 열가소성 폐플라스틱을 사용한다.

본 단계에 있어서, 상기 폐플라스틱 또는 폐비닐은 80~300 메쉬의 매우 작은 크기로 분쇄되는바, 이를 통해 폐플라스틱 또는 폐비닐을 그 용융온도까지 고온 가열하지 않더라도 준용융상태가 형성되어 톱밥 등 주원료와 치밀하게 결착할 수 있는 장점이 있다.

상기 (b) 단계는 목재부산물(또는 바이오매스) 분말 및 폐플라스틱(또는 폐비닐) 분말을 각각 70~80 중량% 및 20~30 중량%의 최적 비율로 균질하게 배합함과 더불어, 이들 간의 결합력을 더욱 증대시켜주는 성분으로서 수분을 소량(원료 분말 총 중량 대비 1~5%) 골고루 스프레이하는 단계이다.

본 단계에서, 목재부산물(또는 바이오매스) 분말의 함량이 70 중량% 미만이면 화석연료를 목재 등 산림 바이오매스로 대체하기 위한 본 발명의 취지에 부합되지 않을 수 있으며, 80 중량%를 초과하면 폐플라스틱 등의 상대적 함량 감소로 발열량, 결합력, 성형성 및 내구성이 저하될 수 있다. 또한 폐플라스틱(또는 폐비닐) 분말의 함량이 20 중량% 미만이면 톱밥 등 목재부산물(또는 바이오매스)을 단독 사용한 경우 대비 발열량, 결합력 등 측면에서 유의적인 증대 효과를 거두기 어려워질 수 있으며, 30 중량%를 초과하면 연소시 유해 물질이 다량 발생될 수 있어 친환경적 측면에서 바람직하지 않다.

한편, 상기 수분은 원료 분말 총 중량 대비 1~5%의 소량으로 분사되는바, 그 분사량이 1% 미만이면 원료 분말과 수소결합을 이루기 위한 소스가 부족하여 결합력 및 결착력을 극대화할 수 없으며, 5%를 초과하면 결합력 및 결착력 극대화에 필요한 정도를 넘어 원료 조성물 내에 과량의 수분이 잔존할 수 있어 함수율 증가에 따른 불이익이 발생할 수 있다.

상기 (c) 단계는 (b) 단계에서 얻어진 혼합물을 120~150℃의 온도로 가열함과 동시에 초음파를 인가하여, 원료 분말이 치밀하게 결착되도록 결합력을 부여하고 이후 성형이 원활하게 이루어지도록 혼합물을 처리하는 단계이다.

구체적으로, 120~150℃ 온도의 가열을 통해 폐플라스틱(또는 폐비닐) 분말은 준용융상태로 되고 이러한 준용융상태의 폐플라스틱(또는 폐비닐) 분말이 주원료인 목재부산물(또는 바이오매스) 분말과 결착하여 주원료 상호간 또는 이와 부원료 간의 전체적인 결합력을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명에서는 히터 등에 의한 단순 가열 외에 초음파 처리를 필수적으로 병행하는바, 이를 통해 외부 가열로는 도달할 수 없는 내부까지 골고루 열을 인가할 수 있으며, 원료 고분자들을 파괴, 절단하여 더욱 원활하게 결합할 수 있는 조건을 형성할 수 있는 부수적 장점도 있다. 나아가 상기와 같은 가열 및 초음파 처리를 통해 (b) 단계에서 분사된 수분이 목재부산물(또는 바이오매스) 분말 및 폐플라스틱(또는 폐비닐) 분말 중 적어도 하나 이상과 수소결합을 형성하는바, 이러한 수소결합을 통해 원료 조성물의 결합력은 더욱 극대화된다.

또한, 본 단계의 처리를 거친 혼합물은 성형 전 5% 이하 정도의 함수율을 지니도록 제어되는바, 성형 대상인 혼합물의 함수율이 5%를 초과하여 너무 높으면 생산된 펠릿이 수직방향으로 트는 현상이 발생하거나 강도가 낮아질 수 있다. 아울러 이처럼 처리된 성형 대상 혼합물은 100℃ 이하에서 용해되지 않고, 50℃ 이상에서 굳지 않는 바람직한 열 분해 특성을 지니게 된다.

상기 (d) 단계는 (c) 단계를 거쳐 결합력이 크게 증대된 원료 조성물(혼합물)을 소정의 성형장치(도 2 참조)를 통해 압출성형하여 본 발명에 따른 연료용 복합펠릿을 최종적으로 제조하는 단계이다. 이러한 펠릿화 성형을 거치면 성형되지 않은 원료 대비 더욱 높은 열량의 연료를 제조할 수 있다.

일 구체예로, 본 단계는 얻어진 혼합물을 이축 압출기(트윈 익스트루더)를 이용하여 토출구를 통해 토출시키고, 토출된 스트랜드를 컨베이어 벨트를 통하여 이송하면서 송풍 건조 후 커팅 또는 다이페이스 핫커팅(Die-face hot-cutting)함으로써 수행될 수 있다.

또한, 상기 성형장치는 성형다이, 로울러 및 배출구 등을 부품으로 포함하는 펠릿용 성형기로서, 구체적으로 평판다이 및 저속 운전 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 평판다이 방식은 수평으로 설치된 다이 구멍을 통해 원재료들을 위에서 로울러를 이용해 아래로 눌러 구멍 아래로 성형하는 방식으로서, 고품질의 연료펠릿 제조에 적합하다.

상기 로울러는 일반 로울러의 경우 회전압축시 원자재가 로울러와 성형다이 사이로 투입되지 않고 외부로 밀리게 되어 올바른 펠릿 성형이 이루어지지 않는다. 이에, 일정 부분마다 홈을 주어 톱니바퀴처럼 원자재가 성형다이에 잘 맞물릴 수 있도록 설계된 가압로울러를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 성형다이 하부에는 절단기가 로울러 속도에 맞게 회전하면서 배출되는 펠릿을 일정 크기로 절단하도록 설계된다. 아울러 하부조정자를 두어 펠릿 성형기가 지면에 고정되도록 하여 성형과정에서 발생하는 소음 및 진동을 최소화하도록 설계하는 것이 바람직하다.

한편, 원료 혼합물의 펠릿화를 위해서는 조금 더 정교한 균형있는 운전조건을 필요로 한다. 가장 기본적이고 중요한 조절방법은 다이(구멍을 가진 금속판)를 교체하는 방법으로 다이에 있는 구멍을 원재료가 통과할 때 적당한 정도의 저항이 걸리도록 설계하는 것이다. 적당한 다이 저항력은 원재료에 열을 가해 부드럽게 만들어 주는바, 원하는 형태로 성형되게 하고 내구성을 높여준다. 다만 다이 저항력이 너무 높은 경우 펠릿화 과정에서 원재료가 타는 현상이 발생할 수 있으며, 다이 저항력이 너무 낮은 경우 원재료가 성형되지 않고 그대로 구멍을 통과하는 현상이 발생할 수 있다. 다이 저항력은 구멍의 크기나 구멍의 개수로 조절할 수 있으며, 일반적으로 구멍이 클수록, 구멍 개수가 많을수록 다이 저항력은 떨어진다(도 3 참조).

일 구체예에서, 상기 다이의 평판다이 구멍 상부는 구멍 외주부로부터 내측으로 깊이 2mm, 폭 1mm의 하향 경사부가 형성된 것일 수 있다(도 4 참조). 또한 다이 구멍의 길이(상기 경사부를 제외한 원통형 공간의 길이)가 너무 짧으면 펠릿의 강도가 저하되며, 너무 길면 생산성이 저하되는바 적절한 길이로 다이 구멍을 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 상기 성형장치의 가압로울러가 2.0~2.5m/s(바람직하게는, 2.5m/s)의 저속으로 구동되도록 회전수를 조절한 저속 운전을 통해 펠릿을 생산하는 것이 바람직하다. 이를 통해, 제조되는 펠릿의 강도 등 펠릿 품질을 보다 향상시킬 수 있다.

구체적으로, 생산속도가 빠를수록 제조된 펠릿의 강도는 낮아지며, 생산속도가 느릴수록 제조된 펠릿의 강도는 높아진다. 또한 저속 생산방식의 경우 생산속도는 다소 느리지만 펠릿의 절단면이 직각에 가까워져 펠릿 운반시 부스러기가 덜 발생하는 반면, 2.5m/s가 넘는 고속 생산방식의 경우 펠릿 절단면이 삐쭉빼쭉하여 운반시 부스러기 발생률이 높아지게 된다. 이러한 펠릿의 부스러기 발생률은 펠릿보일러 이송시스템 등에 문제를 일으킬 수 있다.

아울러, 본 발명에서는 상기 가압로울러로서 필요에 따라 가압부가 분리가능하도록 형성된 가압부 분리형 로울러를 사용할 수 있다. 이를 통해, 펠릿 성형용 원재료 및 성상 변화에 따른 다양한 용도의 펠릿 성형시, 가압로울러의 용이한 교체로 다양한 펠릿 성형이 가능하도록 하여 펠릿 성형장치의 활용성을 극대화할 수 있다.

상기 가압부 분리형 로울러를 적용하면 로울러축을 분리할 필요 없이 펠릿 성형시 실제 마모가 이루어지는 가압로울러의 가압부만을 분리하여 새로운 로울러로 교체하면 되는바, 사용의 편리성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 교체 및 유지보수에 소요되는 비용을 절감할 수 있다. 또한 펠릿 성형용 원재료의 물성이 변경되어 다른 타입으로 가압로울러를 변경해야 하는 경우에도 가압로울러의 외주연에 해당되는 가압부만 분리하거나 다수개 분할구성된 각각의 가압부를 분리하여 해당 가압부만을 교체하면 되는바, 가압부의 간단한 교체를 통해 작업성 및 생산성을 더욱 향상시킴은 물론 펠릿 성형장치의 활용성을 높일 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명에 사용가능한 펠릿 성형장치의 일 구체예를 하기 표 1에 나타내었다.

[표 1]

평판다이 방식의 펠릿 성형기 상세 스펙

* 함수율: 15%, 펠릿 크기: 직경 6~8mm(4~20mm 다변화 가능), 길이 50~80mm 기준

또한, 펠릿 성형기의 압축비율 및 압축각도비율의 조건과 관련하여, 혼합물의 구체적인 성분 종류 및 함량에 따라 달라질 수 있지만 통상적으로 압축비율은 3.0~5.5 정도, 압축각도비율은 0.6~1.2 정도가 적절하다.

* 압축비율 = 펠릿다이스길이(L) / 펠릿직경(d)

* 압축각도비율 = 너비압축길이(C) / 깊이압축길이(I)

<그림 1>

참고를 위해, 다양한 원료에 따른 적정 압축비율(압축강도)를 하기 표 2에 나타내었다.

[표 2]

각종 원료별 펠릿 압축비율 조건

한편, 본 발명에서는 상기 (d) 단계 이후에, 성형된 펠릿을 냉각하는 단계가 추가적으로 수행될 수 있다. 이러한 냉각 단계는 연료펠릿 제조시 성형압출기를 통과하는 중에 발생된 고열을 펠릿이 흡수하고 있는 상태에서, 즉 고열에 의해 원료의 성분이 가소화된 상태에서 고형으로 굳어지도록 자연풍 등을 이용하여 상온에서 냉각시키는 단계이다.

또한, 본 발명에서는 상기 (d) 단계 이후에, 성형탄을 분리 및 저장하는 단계가 추가적으로 수행될 수 있다. 성형탄을 분리하는 단계는 성형된 성형탄과 성형되지 못한 혼합물을 분리하여 성형되지 못한 혼합물을 다시 혼합과정으로 회수되도록 하는 단계이다. 또한 성형탄을 저장하는 단계에서는 성형탄의 훼손을 방지하고 저장되는 성형탄이 발화되지 않도록 불활성 가스인 질소를 주입하여 저장하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라 제조된 연료용 복합펠릿은 목재부산물(또는 바이오매스)에 폐플라스틱(또는 폐비닐)이 소정 함량으로 배합 및 성형된 혼합펠릿으로서, 국립산림과학원 고시 제2009-2호에 따른 1급 목재펠릿의 품질기준을 충족하는 것이다.

구체적으로, 본 발명에 따라 제조된 연료용 복합펠릿은 저위발열량 4300~6500kcal/kg, 함수율 10%(중량 기준) 이하, 겉보기밀도 640~700kg/m³, 내구성 97.5% 이상의 고품질 연료펠릿으로서 제공된다.

[표 3]

국내 목재펠릿 품질규격(국립산림과학원 고시 제2009-2호)

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

목재부산물로서 톱밥 75 중량%; 및 폐플라스틱으로서 폴리에틸렌 25 중량%;를 분쇄기를 통해 분말화(80~300 메쉬)한 다음 충분히 혼합하였다. 이때 원료 분말 총 중량 기준 3%에 해당하는 양의 수분을 혼합 중인 원료 분말에 골고루 스프레이하였다.

얻어진 혼합물을 히터를 통해 130℃로 가열함과 동시에 초음파를 인가하였다.

처리된 혼합물을 평판다이, 가압로울러 및 배출구를 포함하는 성형장치를 이용하여 2.5m/s의 저속 운전을 통해 펠릿(직경 6mm)으로 압출성형함으로써, 연료용 펠릿을 제조하였다.

비교예 1

원료로서 톱밥만을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 연료용 펠릿을 제조하였다.

비교예 2

원료로서 옥수수대만을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 연료용 펠릿을 제조하였다.

비교예 3

원료 분말 혼합 중 수분을 스프레이하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 연료용 펠릿을 제조하였다.

비교예 4

혼합물 가열시 초음파를 인가하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 연료용 펠릿을 제조하였다.

실험예

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 4에서 제조된 연료용 펠릿 성형품에 대하여, 목재펠릿 품질규격(국립산림과학원 고시 제2009-2호) 시험방법에 따라 저위발열량, 함수율, 겉보기밀도(5L 용기 사용) 및 내구성(3.15㎜의 체 사용하여 미세분 발생량 산정)을 측정하였다.

또한, 펠릿으로 성형시 제형에 문제가 있는지 여부를 관찰하여, 이상이 없는 것을 "O"로, 펠릿으로 성형이 안되거나 불량이 발생한 것을 "X"로 구분하였다.

이러한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

[표 4]

성형된 펠릿의 성능평가 결과

상기 표 4에서 보듯이, 본 발명에 따른 실시예 1의 경우 발열량, 함수율, 밀도 및 내구성이 모두 목재펠릿 품질규격 1급을 만족하였고, 특히 폐플라스틱을 혼합하지 않은 경우 대비 상대적으로 발열량이 매우 높았으며, 성형성이 우수하여 제형 불량도 발생하지 않았다. 이를 통해 본 발명에 따라 제조된 복합펠릿은 연료용으로 사용하기에 매우 적합함을 알 수 있다.

반면, 폐플라스틱이 혼합되지 않거나 수분이 스프레이되지 않거나 초음파 처리를 함께 수행하지 않은 것인 비교예 1 내지 비교예 4의 경우 발열량, 밀도, 내구성 및 성형성 중 어느 하나 이상의 항목이 품질규격 1급에 미치지 못하거나 불량하였다.

특히, 폐플라스틱을 혼합하지 않고 목재부산물 또는 바이오매스만을 단독으로 사용하여 제조된 비교예 1 및 비교예 2의 경우 실시예 1 대비 저위발열량이 상대적으로 매우 낮았으며, 제형에 있어서도 문제를 노출하였다.

본 발명에 따라 제조된 목재부산물을 이용한 연료용 복합펠릿은 폐자원을 효율적으로 재활용함은 물론, 연소시 발열량이 매우 높고, 결합력, 성형성, 내구성, 보관, 운송 및 취급성 또한 우수하다. 따라서 보일러 등 각종 연소장치에 매우 적합하게 적용될 수 있을 것이며, 장차 화력발전에 사용되는 석탄의 일정량을 대체할 수 있는 신규 에너지원으로서 큰 잠재력을 발휘할 것으로 예상된다.

Claims

(a) 목재부산물 또는 바이오매스; 및 폐플라스틱 또는 폐비닐;을 80~300 메쉬의 미립자로 분쇄하여 분말화하는 단계;
(b) 목재부산물 또는 바이오매스 분말; 및 폐플라스틱 또는 폐비닐 분말;을 70~80 중량% 및 20~30 중량%의 비율로 혼합하면서, 분말 총 중량 대비 1~5% 양의 수분을 분사하는 단계;
(c) 얻어진 혼합물을 120~150℃의 온도로 가열함과 동시에 초음파 처리하여, 폐플라스틱 또는 폐비닐 분말을 매개로 목재부산물 또는 바이오매스 분말을 상호 결착시키고 분사된 수분이 목재부산물 또는 바이오매스 분말; 및 폐플라스틱 또는 폐비닐 분말;과 수소결합을 형성하도록 하는 단계;
(d) 처리된 혼합물을 펠릿으로 압출성형하는 단계;
를 포함하는 연료용 복합펠릿의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 목재부산물은 톱밥인 것을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 바이오매스는 옥수수대, 코코넛 부산물, 거대억새, 땅콩대 및 팜찌꺼기 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 폐플라스틱 또는 폐비닐은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계를 거친 혼합물은 5% 이하의 함수율을 지니는 것을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계는 처리된 혼합물을 평판다이, 가압로울러 및 배출구를 포함하는 성형장치를 이용하여 2.0~2.5m/s의 저속 운전을 통해 펠릿으로 압출성형하는 것임을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 (d) 단계는 가압로울러를 2.5m/s의 속도로 구동하여 펠릿으로 압출성형하는 것임을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 (d) 단계의 평판다이의 다이 구멍 상부는 구멍 외주부로부터 내측으로 깊이 2mm, 폭 1mm의 하향 경사부가 형성된 것임을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법.
제1항에 있어서,
제조된 연료용 복합펠릿은 저위발열량이 4300~6500kcal/kg, 함수율이 10% 이하, 겉보기밀도가 640~700kg/m³, 내구성이 97.5% 이상인 것을 특징으로 하는 연료용 복합펠릿의 제조방법.