KR20170092383A

KR20170092383A - 음식물 쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법

Info

Publication number: KR20170092383A
Application number: KR1020160013646A
Authority: KR
Inventors: 김정만
Original assignee: 김정만
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2017-08-11

Abstract

본 발명은 오,폐수가 제거되지 아니한 음식물쓰레기를 건조, 교반탱크에 투입하여 물리화학적인 방법으로 탈취, 중화, 건조시킨 음식물슬러지를 분말화 시킨 것을 주원료로 하고 이에 건조된 초본계 식물의 분말과 보풀된 폐지, 커피찌꺼기, 결합체를 혼합하여 고형연료를 제조함으로서 화석연료 또는 목본계 고형연료보다 저렴하면서 높은 발열량을 얻을 수 있는 음식물쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 고형연료의 제조방법에 관한 것이다.

Description

음식물 쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법{Method of manufacturing low-carbon environment-friendly biomass solid fuel using food garbage}

본 발명은 음식물 쓰레기를 건조시켜 분말화하고 이를 주원료로 하는 바이오매스 고형연료의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 오ㆍ폐수 및 이물질을 제거하지 아니한 음식물쓰레기를 건조탱크 내에 투입하여 물리화학적인 방법으로 탈취, 중화, 건조시키고 건조된 음식물쓰레기를 선별기를 이용하여 환경에 유해되는 물질 및 연소에 적합하지 아니한 이물질을 제거한 다음 분말화 시켜서 그 분말을 주원료로 하고 건조된 초본계 식물의 분말과 보풀된 폐지, 커피찌꺼기, 결합제 등을 혼합하여 화석연료, 또는 목본계 고형연료보다 저렴하면서 높은 발열량을 얻을 수 있는 음식물쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 태양에너지를 받는 식물과 미생물의 광합성에 물리적변환을 이용하는 화학ㆍ생물ㆍ연료공학 등의 에너지를 의미하고 있는 바이오에너지로서의 연료는 농작물의 폐기물인 볏짚, 왕겨, 옥수수대, 대두줄기, 솔잎 등 초본계 식물을 이용한 것과 사탕수수나 사탕나무 등에서 당분을 추출한 후 발효시켜 알코올을 생산하거나, 가축분뇨를 혐기성 분해시켜 메탄을 생산하는 방법을 이용하고 있다.

최근에는 생활쓰레기의 매립지에서 생산이 되는 메탄가스, 음식물 쓰레기 등의 유기성 폐기물도 바이오에너지 자원으로 활용되고 있다.

따라서 전 세계의 국가들은 음식물쓰레기를 수거한 후 마땅한 처리방법이 없어 많은 어려움을 겪고 있는 가운데 음식물쓰레기를 연료로 활용화하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다.

즉, 이물질이 제거된 음식물쓰레기를 파쇄, 탈수시키고, 부패방지제 또는 발화용 촉진제를 첨가하여 압축, 고형화시키는 공정으로 고체연료를 제조하는 방법(예를 들면 특허문헌 1)이 알려져 있다.

그러나 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 음식물쓰레기를 주원료로 한 고체연료 제조방법은 음식물쓰레기에서 오,폐수를 탈수하는 공정에서의 오,폐수 처리문제가 심각하였고, 음식물쓰레기에 첨가되는 첨가제의 가격이 고가이면서도 친환경적이지 못하여 활성화하기 어려운 문제점들을 지니고 있다.

또한, 본원 출원인은 "발효된 음식물쓰레기의 분말화 방법 및 이를 이용한 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법"을 대한민국 특허 제1494327호(특허문헌 2)로 2015.02.11.등록받은 바 있는데 그 제조방법은 음식물쓰레기를 아파트 등의 공동주택, 음식점, 학교 등의 집단 급식소 등에서 수거하고 이를 선별기를 이용하여 비닐류, 합성수지류, 조개껍질류, 금속류, 동물의 뼈 등의 이물질을 제거시키고 오,폐수는 제거하지 아니한 음식물폐기물에 물을 보충시켜 수분함유량이 40-45% 정도인 음식물슬러지를 미생물탱크내에 투입하고 발효제를 첨가시켜 적합한 열과 적합한 발효시간 동안 발효시키고 발효된 음식물 슬러지를 분말화하는 음식물슬러지의 분말화 공정;

볏짚, 밀짚 등의 초본계 작물 폐기물을 수거하여 세절화하고 분말화하는 초본계의 세절 및 분말화 공정;

폐지, 폐박스를 세절하고, 파쇄시키는 세절 및 파쇄공정:

상기 분말화 공정에서 얻은 발효된 음식물슬러지의 분말과 초본계 분말, 솜의 형태로 보풀된 폐지에 인산1암모늄, 인산2암모늄, 인산2암모늄, a-아밀라아제, 경유, 아세트아세톤코발트(Ⅲ), 폴리에틸렌옥시드, 시클로아밀로오스를 첨가하는 혼합공정과 반죽기로 반죽하는 공정:

상기 반죽공정을 거치면서 반죽이 이루어진 반죽물질을 압축기를 이용하여 일정한 모양으로 성형시키는 성형공정 및

상기 일정한 모양으로 성형된 물질을 건조기로 이송시켜 바이오매스 고형 연료 완제품을 얻어내는 건조 공정으로 이루어진다.

상기한 특허문헌 2의 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법은 음식물쓰레기에서 오,폐수를 별도로 탈수처리하지 않고 오,폐수가 함유된 음식물폐기물에 물을 보충공급한 음식물슬러지를 생화학적 방법으로 미생물 발효되게 하여 분말화 시킨 것을 주원료로 함으로서 음식물슬러지에 함유된 염분을 에너지화하고 연소시 발열량이 높고 발암물질 등의 유해물질이 전혀 배출되지 않도록 하기 위하여 초본계 분말과 솜형상의 보풀된 폐지를 같이 혼합하여 고형연료를 제조함으로써 연소 후의 남은 재료도 비료로 활용할 수 있도록 하여 국가 에너지 산업에 크게 기여할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 특허문헌 2의 발명에서 얻어지는 고형연료는 친환경적이며, 그 생산 가격이 화석연료 및 기타 목분을 주원료로 하는 펠릿 등에 비하여 매우 저렴하므로 경제적 이익이 크게 발생하지만 오ㆍ폐수가 함유된 음식물쓰레기를 처리하는 여러 공정에서 발생되는 악취로 인하여 처리장 근처의 주민들로부터 많은 민원이 발생하게 되는 등의 문제점이 있었다.

(특허문헌 1) 대한민국 공개특허 특 2000-0012514 호 공보

"음식물쓰레기를 이용한 고체연료 제조방법"

(특허문헌 2) 국내 특허 제 10-1494327 호 공보

"발효된 음식물 쓰레기의 분말화 방법 및 이를 이용한 친환경

바이오매스의 고형연료 및 그 제조방법"

본 발명의 목적은 화석연료, 또는 목본계 고형연료보다 저렴하면서 높은 발열량을 얻을 수 있는 음식물쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 오ㆍ폐수를 제거하지 않은 음식물쓰레기를 건조탱크 내에 투입한 다음 일정량의 탈취제, 중화제, 증발제를 혼합시킨 것을 뚜껑이 열려있고 교반익이 저속으로 회전되는 건조탱크 내에 투입하여 교반하면서 음식물쓰레기에 함유된 수분을 증발 건조시키고, 농축된 음식물쓰레기로부터 환경에 유해하고 연소를 방해하는 비닐류, 합성수지류, 조개껍질류, 금속류, 동물의 뼈 등과 같은 이물질을 선별기에서 제거한 나머지 음식물 슬러지를 분말화 하는 공정;

상기 공정과 별도로 볏짚 등의 농작폐기물, 초본계 식물을 세절하고 분말화시키는 초본계 식물의 세절 및 분말화 공정;

폐지, 폐박스를 세절하고 솜의 형태로 보풀케하는 세절, 파쇄 및 보풀공정;

상기 공정에서 얻은 100~200메쉬 정도의 음식물슬러지 분말 1,500~2,000 중량부에 100~200메쉬 정도의 초본계 분말 200~250 중량부, 솜의 형태로 보풀된 폐지 200~250 중량부, 커피찌꺼기 분말 10~30 중량부를 뚜껑이 열려있고 교반익이 저속으로 회전되는 교반탱크 내에 투입하여 교반하고 여기에 트리데실알코올(Tridecy1 alcolhl), 동클로로필(Copper Chlorophyll; 동엽록소), 솔비톨[D-Sorbito1; C₆H₁₄O₆], 에탄올아민(Ethanolamine; H₂NCH₂CH₂OH), 경유(Whale oil), 테트라-n-부톡시티탄[Tetra-n-butoxytitanium; Ti(OC₄H₉)₄], 폴리비닐알코올[Polyvinylalkohol; (CH₂CHOH)n]을 첨가하는 공정과 반죽공정; 및

상기한 혼합공정 및 반죽공정을 거치면서 반죽이 이루어진 것을 통상의 압축기를 이용하여 일정한 모양으로 성형 및 건조시키는 공정으로 구성되는, 음식물 쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법을 통해 달성할 수 있다.

본 발명에 의한 음식물쓰레기를 이용한 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법은 음식물쓰레기 처리에 있어서 가장 큰 문제점인 오ㆍ폐수를 별도로 탈수하지 아니하고 이를 뚜껑이 열려있는 건조탱크 내에서 교반익을 이용하여 건조작업을 행할 때 환경에 무해한 탈취제, 중화제, 증발제를 같이 혼합하여 음식물쓰레기에 함유된 염분을 중화시키면서 증발시켜 건조, 농축된 음식물쓰레기를 사용하기 때문에 선별기를 이용하여 이물질을 제거할 때 환경에 유해하고 연소에 방해되는 이물질을 제거하는 작업이 순조롭고 용이하다.

즉, 음식물쓰레기는 악취가 많이 발생되고 오ㆍ폐수가 많이 섞여 있으므로 습식상태에서 이물질을 제거하는 작업이 용이하지 아니하였지만, 본 발명과 같이 음식물쓰레기를 탈취제, 중화제, 증발제와 같이 혼합하여 뚜껑이 열린 건조탱크 내에서 교반익을 통하여 교반시키면 염분이 중화되면서 증발되기 때문에 건조, 농축된 음식물쓰레기를 선별기에서 이물질 제거작업을 할 때 그 작업이 순조롭고 용이하게 된다.

상기 공정에서 얻어진 건조, 농축된 음식물쓰레기를 분말화시킨 것과 초본계 식물의 분말, 솜형태로 보풀된 폐지를 교반기에 투입하여 교반시키고 반죽공정에서 결착제 등을 첨가시킨 반죽물을 압축기로 압축시켜서 제조되는 바이오매스 고형연료는 저탄소 녹색에너지 산업에 크게 기여할 수 있게 되는 것이다.

도 1은 본 발명 실시예 1의 제조공정도
도 2는 본 발명 실시예 2의 제조공정도
도 3은 폐지의 표면에 보푸라기가 보풀형태로 보풀-보풀 나타나 있는 사진
도 4는 본 발명의 공정에 의하여 제조된 고체연료(펠릿)를 나타낸 사진

제1공정: 음식물쓰레기의 건조공정

오ㆍ폐수 및 이물질이 제거되지 아니한 음식물쓰레기 5,000~7,000 중량부를 상부 뚜껑이 개방되고 본체 내에서 교반날개가 저속으로 회동되는 건조탱크에 투입하고, 트리데실알코올 80~250 중량부, 동클로로필 40~70 중량부, 솔비톨 150~200 중량부, 에탄올아민 200~300 중량부를 투입하여 건조탱크 내의 온도가 60~65℃ 정도로 유지되도록 하면서 교반날개를 이용하여 5~7시간 정도 교반시키면 음식물쓰레기에 함유된 염분과 나트륨 성분이 중화되면서 음식물쓰레기는 건조, 농축된다.

제2공정: 건조, 농축된 음식물쓰레기에서 이물질 제거 공정

상기 제1공정에서 건조, 농축된 음식물쓰레기를 선별기를 이용하여 환경에 유해하고 연소에 방해가 되는 비닐류, 합성수지류, 조개껍질류, 금속류, 동물의 뼈, 가죽 등의 이물질 등을 제거시키고 남은 음식물슬러지 1,500~2,200 중량부를 얻는다.

제3공정: 이물질이 제거된 음식물슬러지를 분말화시키는 공정

제2공정에서 이물질이 제거된 음식물슬러지를 100~200메쉬 정도로 분말화시킨다.

이때 분말화된 음식물쓰레기의 총량은 1,500~2,200 중량부로 줄어들게 되는데 그 이유는 음식물쓰레기의 건조작업시 함유되는 수분이 증발되고, 음식물쓰레기와 같이 있던 이물질이 제거되었기 때문이다.

제4공정: 교반 및 반죽공정

제3공정에서 얻어진 음식물 슬러지의 분말 1,500~2,000 중량부, 초본계 분말 200~250 중량부, 솜의 형태로 보풀된 폐지 200~250 중량부, 커피찌꺼기 10~30 중량부를 교반 탱크 내에서 골고루 교반되게 한 다음 경화유 55~75 중량부, 테트라-n-부톡시티탄 20~30 중량부, 포발(poval: polyvinyl alcohol) 40~60 중량부를 교반탱크 내에 투입하여 교반시킴으로서 반죽물을 얻는다.

제4공정에서의 초본계 분말은 볏짚, 보리짚, 밀짚, 왕겨, 옥수수대와 잎, 대두줄기 및 콩깍지, 양파줄기, 고구마줄기, 솔잎 등 다양한 종류 중에서 저렴한 가격으로 쉽게 입수가 가능한 것으로 선택하여 분말화 시킨 것을 사용하고, 솜의 형태로 보풀된 폐지는 본원 출원인이 선등록 받은 국내 특허 제 10-1308869 호에 기재한 바와 같이 사방 10~15cm 이내의 크기로 세절된 폐지를 파쇄시킴과 동시에 폐지의 표면에 보푸라기가 보풀되게 하여 마치 폐지의 표면이 솜을 튼 것처럼 부풀어져서 보푸라기 사이에 많은 공극이 있는 것을 사용하는 것이 효과적이다.

즉, 표면이 부풀어져서 생기는 보푸라기 사이에 공극이 많이 있는 솜형태로 보풀된 폐지를 사용하는 이유는 그 공극으로 발효된 음식물슬러지 분말과 탄수화물 질을 흡수한 초본계 분말이 삽입되어 솜의 형태로 보풀된 폐지와 발효된 음식물슬러지 분말 및 탄수화물질을 흡수한 초본계 분말의 결합이 양호하게 이루어질 수 있기 때문에 솜의 형태로 보풀된 폐지를 사용하는 것이다.

제5공정: 성형공정

제4공정에서 얻어진 반죽물은 통상적인 압출기에 의하여 일정 형상으로 성형되어 다이스를 통하여 배출되면서 세절기에 의하여 세절되고 건조기로 이송시킨다.

이렇게 제조되는 고형연료를 펠릿으로 제조하는 경우 폭 8mm, 길이 32mm 정도의 원통형으로 하는 것이 일반적이다.

본 발명에서 주원료로 사용하는 음식물 쓰레기는 광합성 작용으로 탄소, 수소, 산소 및 질소, 인산, 단백질을 만들어주는 탄수화물로 합성된 녹황색 식물이다.

이와 같이 녹황색 식물로 제조되는 바이오매스 고형연료는 지구 온난화의 주범이라 할 수 있는 이산화탄소를 과다하게 배출하고 환경을 오염시키고 있는 화석에너지에 비하면 저탄소 친환경 바이오매스 연료이다.

대부분의 국가들은 현재에 이르기까지 음식물쓰레기를 경제적 가치가 있는 주요한 자원이라 생각하지 않고, 가치가 없는 유해폐기물로 취급하고 있는 실정이다.

그리고 음식물의 일부를 비료와 사료로 생산하고 있으나, 비료의 경유 비료에 함유된 염분으로 인하여 토지가 산성화되는 등의 문제점이 있어 사용자들이 기피하고 있는 실정이고, 사료의 경우는 사료에 함유된 염분성분과 변위성으로 인한 문제점을 지니고 있다.

이하에서는 음식물쓰레기에 첨가되는 구성물질의 성상과 성분을 상세히 설명한다.

ⓛ 제1공정에서 음식물쓰레기와 같이 건조탱크에 투입되는 트리데실알코올의 물질 성상은 약간 점막성이 있는 무색투명한 액체로서 유기용매에는 거의 녹지만 물에는 녹지 아니한다.

상기 트리데실알코올의 용도는 비이온, 음이온계 계면활성제(세정제, 윤활유, 분산제, 유화제) 등의 탈취제 원료로 사용되고 있다.

② 제1공정에서 음식물쓰레기와 같이 건조탱크에 투입되는 동(銅)클로로필( Copper Chlorophyll)의 물질 성상은 암갈색의 점조성 물질로 약간 아민과 같은 냄새가 있다. 물과 에틸알코올에는 녹지 않으나 알칼리 용액을 가하면 물에 쉽게 용해된다.

상기 동클로로필의 용도는 치약이나 구취를 제거할 목적의 탈취제 원료로 사용된다.

즉, 상기에서 트리데실알코올이나 동클로로필을 첨가하는 이유는 음식물쓰레기에서 발생하는 악취를 빠른 시간 내에 탈취시키기 위하여 첨가하는 것으로 그 어느 한 원료만 사용하여도 탈취효과는 있으나 가급적이면 두 가지 원료를 같이 사용하는 것이 탈취효과가 더욱 우수함을 발견하였다.

③ 제1공정에서 음식물쓰레기와 같이 건조탱크 내에 투입되는 에탄올아민의 물질성상은 실온에서 무색투명한 점조한 액체이며 저온에서는 백색결정성 고체로 된다. 또한, 에탄올아민은 흡수성이 양호하여 물과 알코올류에 잘 녹으며 특히 여러가지 산과 반응하여 에스테르를 만든다.

에탄올아민의 인화점은 93.9℃(개방식) 정도이고, 용도는 합성세제, 유화제, 화장품, 계면활성제, 방충첨가제, 중화제 등으로 사용된다.

상기에서 에탄올아민을 사용하는 이유는 음식물쓰레기에 함유된 염분성분이 고체연료 제조시 연소율을 저하시키게 되므로 염분성분에서 산성과 나트륨 성분을 중화시키기 위함이다.

④ 제1공정에서 음식물쓰레기와 같이 건조탱크 내에 투입되는 솔비톨은 육가의 직쇄 다가 알코올로서 해초류 등에서 추출할 수 있다.

순수한 것은 백색, 무취의 결정성분이고 단맛이 있으며 흡수성이 있는데 그 용액을 대기중에 방출하면 수분을 방출한다.

상기한 솔비톨의 용도는 물에 쉽게 녹고, 안정된 분자구조를 이용하여 식품, 의약품, 섬유공업 등에 널리 적용되고 또 유도체로서 계면활성제, 무기에스테르, 건조제 등에 사용된다.

본 발명에서 솔비톨을 사용하는 이유는 음식물쓰레기에 함유된 수분을 빠른 시간 내에 증발시켜 작업시간을 줄여서 에너지를 절약하기 위함이다.

⑤ 제4공정에서 교반작업시 첨가되는 커피찌꺼기의 물질 성상은 진한 갈색으로서 가루의 미세한 공극들이 수분을 흡수한다.

커피는 세계에서 1년에 약 700만톤이 생산되고, 대한민국에서만 약 12만톤이 소비되고 있는데 일반적으로 마시는 커피가 차지하는 비율은 0.02%에 불과하여 나머지 99.98%가 버려지고 있는 실정인데 버려지는 커피찌꺼기는 대기중의 수분을 흡수하여 곰팡이가 형성됨으로서 환경이 파괴되고 토양오염과 수질오염, 대기오염 및 생태계의 교란 등 여러 가지 환경문제를 일으키고 있다.

그러나 커피찌꺼기에는 단백질과 무기질이 다량 남아있고 냄새를 흡수하는 성질을 갖고 있으므로 이를 교반작업시 첨가하게 되면 음식물슬러지 분말과 초본계식물 분말, 솜의 형태로 제조된 폐지만으로는 높은 발열량을 기대할 수 없어 상기한 커피찌꺼기에 다량 함유되어 있는 다량의 질소분, 단백질분, 무기질을 결합시켜 [표 1]과 같이 발열량을 상승시킬 수 있는 것이다.

⑥ 제4공정(교반공정)에서 첨가한 경화유의 물질성상은 불건성유이고, 담황 또는 갈색이고, 약간 비린내가 난다. 고래의 종류에 따라 다소 성상이 다르다.

*장수유:장수경유 지방산 조성=포화산으로 C₁₄ 및 C₁₈을 주로 함유하며, C₁₈ 과 C₂₂ 등을 약 25% 함유하고 있다.

밀향경유:60~65%의 지방산(이중의 81%가 액체포화산, 19%가 고체산이다), 32~42%의 고급 1가 알코올[세틸알콜 (CH₃(CH₂)₁₄CH₂OH), 올레일알콜 (C₁₈H₃₅OH)이 주성분이다], 1.4~3.5%의 글리세린으로 되어있다. 물에는 녹지 않고, 알코올에는 녹는다.

경랍: 경랍은 말향경의 머리부분에 있는 랍질의 고형성분을 정제하여 얻는 랍이며, 주성분은 팔미트산 (C₁₅H₃₁COOH) 세틸에스테르이다.

이상과 같은 경화유는 주로 마아가린, 제약, 화장품, 경화분해 비누, 계면활성제, 등불 기름용으로 이용되고 있다.

상기한 바와 같은 경화유는 고래의 지방층을 보일러에서 부글부글 끓이고 뜨는 기름을 채취한 것으로 경화유는 일반 계면활성제와는 달리, 음이온과 양이온성의 양면을 가지고 있고, 특히 식물성 섬유질과 밀접한 친화력을 가지고 있다(또한 경화유는 요오드가 97~153으로 높다. 즉, 이는 유지 1g 중에 함유되어 있는 유리된 지방산을 중화하는데 필요한 산화칼륨의 ng량을 나타내는 것으로 산과 알칼리가 1g 당량식 중화할 때 발생되는 열량은 18℃에서 13.7칼로리의 열량을 나타내는 물이다. 요오드는 할로겐족에 속하는 원소로서 옥화수소라고도 한다).

본 발명에서 상기한 바와 같은 경화유를 첨가하는 것은 음식물쓰레기를 발효시켜 분말화한 음식폐기물의 분말에 볏짚 분말과 파쇄되어 표면이 보풀된 폐지를 결합시킨 물질만으로는 발열량이 높지 아니하여 상기한 경화유의 고유열량을 결합시켜 효과적인 발열량을 얻고자 첨가하는 것이다. 또한 첨가한 경화유는 상기 기술한 장수유, 말향경유, 경랍유의 혼합유를 이용하였다.

상기 첨가한 경화유는 식품에 사용되는 물질로서 환경유해 물질이 아닌 이점이 있고, 음식폐기물을 발효시켜 분말화한 분말 발열량 기준 3,365kcal/kg 보다 958kcal/kg 증가한 4,323kcal/kg의 열량을 얻었으며, 회분 기준 17.6~7.42%를 감소시켰다.

⑦ 제4공정인 반죽공정에서 첨가시키는 테트라-n-부톡시티탄의 물질성상은 담황색의 투명한 액체로서 순도; 99%, 비중; 0.995±0.03(25/4℃), 점도; 82cps(25℃), 비점; 120/206/10(℃mmHg), 응고점; -40℃이고 매우 빨리 가수분해한다.

상기한 테트라-n-부톡시티탄의 용도는 중합촉매, 에스테르 교환촉매, 가교제, 경화촉진제, 접착촉진제, 세라믹소결제 등으로 이용되고 있다.

상기 첨가한 커피찌꺼기, 경화유, 테트라-n-부톡시티탄 첨가에 따른 열량은 음식물슬러지를 분말화한 발열량 기준 3.365kcal/kg 보다 1,032kcal/kg 증가한 4,397kcal/kg의 열량을 얻었고, 회분 기준 17.06~6.26%를 감소시켰다. 또한 첨가한 테트라-n-부톡시티탄의 독성은 쥐에 대한 급성경구속성인 ALD(대략의 치사율) 7,500mg/kg 인데, 이 수치는 매우 낮은 수준으로 인간과 환경에 문제가 되지 않는다.

상기 표 1,2,3에 사용된 분석기는 TGA-701 열중량분석기(LECOCO, USA, Parr 630EF)와 열량계(PARRCO, USA)를 사용하였다.

본 발명의 목적은 음식물쓰레기를 이용하여 저탄소 환경친화적 바이오매스 고형연료를 제조하고자 오,폐수를 분리하지 아니한 음식물쓰레기를 건조탱크 내에 투입하고, 상기 기술한 트리데실알코올, 동클로로필, 솔비톨, 에탄올아민을 첨가하여 음식물쓰레기에서 발생되는 악취를 탈취하고, 염분성분을 중화, 증발시켜 건조 농축된 음식물쓰레기를 선별기를 이용하여 환경에 유해하고 연소에 방해가 되는 물질을 제거한 음식물슬러지를 100~200메쉬 정도로 분말화한 분말에, 별도의 공정에서 100~200정도로 분쇄된 초본계 분말과 표면이 보풀되어 솜의 형태로 제조된 폐지를 교반탱크 내에 투입하고 교반하여 제4공정에서 첨가한 경화유를 결합시키고, 혼합물질의 교착력을 높이기 위하여 포발을 투입하고 연소율을 극대화시키고 고발열량을 얻고자 테트라-n-부톡시티탄을 연소 촉매제로 첨가하였다.

⑧ 제4공정에서 첨가되는 포발(poval;polyvinyl alcohol)의 물질성상은 합성고분자 중에서 수용성인 특이한 성질을 가지고 있다.

백색분말로서 비중은 외관비중이 0.3~0.7이고 정비중은 1.259이다. 열안정성 및 열가소성이 양호하다.

100~140℃ 정도에서 단시간 가열으로는 외관의 변화가 없으나 150℃ 전후에서는 용해되고 냉수에서는 팽윤만 되는 난용성이다.

상기에서의 포발은 교착성, 침투성, 강혁성, 저장성이 좋아서 소수성이 큰 수용액을 종이 표면에 코팅하게 되면 표면특성 예를 들면 평활성 마모성, 통기성이 개선되므로 그 성질을 이용하여 접착제로 사용된다.

따라서 제4공정에서의 포발은 음식물슬러지 분말과 초본계 분말, 솜의 형태로 보풀된 폐지를 혼합시킨 것과 경화유, 테트라-n-부톡시티탄의 물질 결합을 양호하게 하고 향후 제조되어지는 고형연료의 밀도를 높이기 위해 교착제로 첨가하는 것이다.

그리고 포발은 환경유해물질이 아닌 이점도 지니고 있다.

앞에서 기술한 바와 같이 본 발명은 음식물쓰레기를 주원료로 이용하여 여기에 트리데실알코올, 솔비틀, 에탄올아민을 첨가하여 음식물쓰레기에서 발생되는 악취를 탈취시키고, 염분을 중화시켜 건조 농축된 음식물쓰레기를 선별기를 이용하여 환경과 연소에 장애가 되는 물질을 제거하고, 얻어낸 음식물슬러지를 분말화한 분말에 볏짚 분말과 솜의 형태로 보풀된 폐지를 교반기에 투입하고 교반하여, 상기에서 기술한 환경에 무해한 경화유, 테트라-n-부톡시티탄, 포발을 첨가하여 제조한 바이오매스 고형연료에 관한 것이며, 이는 연소시 환경유해물질을 발생시키지 않는 저탄소 친환경적이며, 석유화학연료 사용대비 저렴할 뿐만 아니라, 음식물쓰레기를 재활용하고 물리화학적 방법으로 발열량을 극대화시켜 제조된 바이오매스 고형연료로서 경제적 가치가 있는 유용한 발명이다.

즉, 본 발명에 의하여 음식물쓰레기는 재활용의 경제적 가치가 있는 지속가능한 자원이라는 것이 입증되었으므로, 에너지를 수입에 의존하는 국가는 자국에서 발생되는 엄청난 양의 음식물쓰레기를 이용하여 에너지 자원으로 활용함으로서 지구환경보호와 이산화탄소 감소에도 기여할 수 있는 경제적 가치가 큰 발명이라 하지 않을 수 없다.

이하에서는 음식물쓰레기를 건조시켜서 음식물슬러지를 얻는 공정을 실시예 1,2로 나누어 설명한다.

실시예 1은 오,폐수 및 이물질을 분리하지 아니한 상태의 음식물쓰레기로 음식물슬러지를 얻는 방법의 실시예이고, 실시예 2는 각 가정이나 음식물쓰레기 배출장소에서 음식물쓰레기에 포함되어 있는 비닐, 플라스틱, 동물의 뼈 등의 이물질은 제거하고 오,폐수를 제거하지 아니한 상태에서 별도의 음식물쓰레기 건조기로 건조시킨 건조된 상태의 음식물쓰레기로 음식물슬러지 분말을 얻는 방법의 실시예 이다.

[실시예 1]

음식물쓰레기를 수거하여 오,폐수와 이물질을 분리하지 아니한 음식물쓰레기 5,000~6,500 중량부를 건조탱크 내에 투입하고, 트리데실알코올 180~250 중량부, 동엽록소 40~70 중량부를 각각 투입하고, 상부 뚜껑을 개봉하고 탱크 내의 회전날개를 저속으로 회전시키면서 교반하여 50~70분간 탈취시키고, 에탄올아민 200~260 중량부, 솔비톨 150~200 중량부를 탱크 내에 투입하고, 건조탱크 내의 온도를 60~65℃ 정도로 유지케 하고, 탱크 내에 회전날개를 저속으로 회전시키면서 5~7시간 음식물쓰레기에 함유된 염분성분을 중화시키면서 세균 등을 소멸시키고 건조 농축시켜, 선별기를 이용하여 연소시 환경유해물질을 발생시키는 비닐, 플라스틱 등 이물질을 제거하고 얻어낸 음식물 슬러지 1,584~2,165 중량부를 100~200 메쉬 정도로 분말화 한다.

상기 분말화 공정에서 얻어낸 음식물슬러지의 분말 중량은 1,584~2,165 중량부이었는데, 이는 최초의 음식폐기물 5,000~6,500 중량보다 2,415~4,335 중량부가 감소된 것으로, 그 이유는 음식폐기물을 건조시키는 과정에서 음식폐기물 중에 함유된 수분이 완전히 증발되었고, 이물질을 제거시켰기 때문이다.

상기 건조공정에서 상기 기술한 트리데실알코올, 동엽록소를 탱크 내에 투입하고, 교반하여 상부 뚜껑을 개봉하고 탱크 내의 회전날개를 저속으로 회전시키면서 50~70분간 탈취시키고, 에탄올아민을 투입하고 교반하여 탱크 내의 온도 60~65℃열로 50~60분간 음식물쓰레기에 함유된 염분성분을 중화시킨 다음 솔비톨을 첨가하여 5~7시간 수분을 증발시켜 건조 농축된 물질을 선별기로 이물질을 제거하고 분말화 한다.

[실시예 2]

음식물쓰레기 집하장에서는 음식물쓰레기에 들어있는 비닐이나 플라스틱, 동물의 뼈 등의 이물질을 제거시킨 다음 이를 통상의 건조탱크 등의 시설에서 음식물쓰레기를 건조시킨 음식물슬러지를 비료 등의 원료로 소량 사용하고 있다.

따라서 본 발명자는 상기한 음식물쓰레기 집하장에서 이물질을 제거시키고 건조시킨 음식물슬러지를 100~200메쉬 정도로 분말화한 1,500~2,000 중량부의 음식물슬러지 분말을 교반탱크에 투입하고 트리데실알코올 180~250 중량부, 동엽록소 40~70 중량부, 에탄올아민 200~260 중량부, 솔비톨 150~200 중량부를 각각 투입하여 교반시켰다.

이때 교반탱크 내의 온도를 가급적 60~65℃를 유지케하고, 교반탱크내의 교반날개는 저속으로 회동시키면서 5~7시간 정도 교반시켰다.

상기한 실시예 1,2에서 얻어진 음식물슬러지 분말에는 염분이 다량 함유되어 있는데 이 염분은 제조하고자 하는 고형연료의 연소율을 저하시키기 때문에 염분 성분을 중화시키기 위해 에탄올아민을 첨가시키는 것이고, 물질에 함유되어 있는 수분을 빠른 시간 내에 증발시켜 건조시키기 위해 솔비톨을 첨가하는 것이다.

상기 건조공정에서 첨가되는 물질을 순서대로 투입하고, 탱크 내의 열 온도가 일정하지 않으면 음식물 폐기물이 진한 갈색으로 변질되며 고형연료의 연소율을 저하시킨다.

상기 공정을 거치면서 얻어낸 음식물 슬러지 분말 1,500~2,000 중량부에 초본계 분말 200~250 중량부, 솜의 형태로 보풀된 폐지 200~250 중량부, 커피찌꺼기 10~30 중량부를 교반탱크 내에 투입하고 교반하는 공정을 거친다.

상기 교반공정을 거치면서 얻어진 물질에 경화유 55~75 중량부, 테트라-n-부톡시티탄 10~30 중량부를 첨가하고, 첨가한 물질이 분말입자와 솜의 형태로 보풀된 물질에 잘 흡수되도록 1차 반죽 공정을 수행한다.

상기와 같이 1차 반죽공정에서 반죽 물질에 매질을 가한 후에는 포발 40~60 중량부를 온수 350~450 (열 68~75℃) 중량부에 넣고 혼화시켜 반죽물질에 첨가하고 가볍게 다시 매질을 가하여 균일한 물리적 변화를 가진 반죽이 완성되도록 2차 반죽공정을 수행한다.

상기 반죽공정에서 음식물쓰레기를 물리화학적 방법으로 탈취하고, 중화ㆍ건조시켜 환경에 유해하고 연소시 방해가 되는 이물질을 분리하여 얻어낸 음식물 슬러지를 분말화한 분말에 볏짚분말, 솜의 형태로 보풀된 폐지의 중량대비 수분 함유량, 첨가되는 구성물질의 비율이 적합하지 못하면 다음 공정이 순조롭지 못하고, 고 발열량을 가진 바이오매스 고형연료를 얻지 못한다.

또한 반죽공정에서 첨가한 경화유, 테트라-n-부톡시티탄, 포발을 한꺼번에 첨가할 수도 있다. 그러나 균일한 반죽을 얻기 위해서는 상기 기술한 바와 같이 순서대로 각각 첨가하고, 반죽하는 것이 바람직하다.

또한 상기 과정에서는 초본계로서 볏짚을 실시예로 하였으나 볏짚 이외의 다른 초본계 식물을 이용할 수도 있다.

한편 상기 기술한 첨가물 이외에도 동클로로필린나트륨(Sodium Copper Chlorophyllin), 초산나트륨(Sodium Acetate: CH₃COONaㆍ3H₂O), 차아염소산나트륨(Sodium Hypochlorite: NaOCl), 에틸렌글리콜디글리시딜에테르(Ethylene Glycol Diglcidyl Ether), 폴리에틸렌옥시드(Polyethylene Oxide), 야자류(Coconut Oil), 팔미트산(Palmitic acid) 이상과 같은 물질을 첨가할 수도 있다.

상기 반죽공정을 거친 반죽은 상기 기술한 바와 같이, 본원 출원인이 대한민국의 특허 제1308869호공보에 기재한 바와 같이, 스텐레스 스틸로 제작되고 150~200kg f/m² 압력으로 물질을 압착시켜 배출시키는 압축기에서 성형하고 다이스를 통해 배출된 다음 세절기에 의해 세절되어 터널식 건조기로 이송된다.

이상과 같이 제조되는 바이오매스 고형연료를 제조하는 경우를 실시예로 설명하면 다음과 같다.

즉 상기한 성형공정에 의해 성형된 고형연료의 폭은 8.3mm 정도, 길이 32.7mm 정도로 하는 것이 합리적인 크기라고 생각되고, 성형된 고형연료는 배출된 후 포고가 길이의 변화가 약 1mm 정도의 팽창률이 발생한다.

상기 성형공정을 거치면서 성형된 반죽물질을 높이 1,500mm, 폭 1,000mm, 길이 12,000mm이고 온도 95~105℃인 터널식 건조기에 의해 건조되는 건조공정을 거치게 된다.

이때 상기 건조공정에서 고형연료의 포고가 길이의 편차는 약 0,4mm가 축소되어 고형연료 규격 폭 8mm, 길이 32mm의 음식물쓰레기를 재활용하여 물리화학적 방법으로 제조한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료라 할 수 있는 물질이 완성된다.

상기의 제조방법에 의한 바이오매스 고형연료는 표 4와 같은 물질을 가진 저탄소 환경적이고 고 열량을 가진 바이오매스 고형연료가 되는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료는 음식물쓰레기가 경제적 가치가 있는 지속가능한 에너지자원이라는 것을 입증시킨 발명으로서, 국가의 경제적 이익은 물론 에너지 산업과 환경개선에 기여할 수 있는 경제적 가치가 큰 발명인 것이다.

Claims

오,폐수 및 이물질이 제거되지 아니한 음식물쓰레기 5,000~7,000 중량부와 트리데실알코올 80~250 중량부, 동클로로필 40~70 중량부, 솔비톨 150~200 중량부, 에탄올아민 200~300 중량부를 건조탱크 내에 투입하여 교반시켜 음식물쓰레기에 함유된 염분과 나트륨 성분을 중화시키면서 음식물쓰레기가 건조, 농축되는 제1공정;
제1공정에서 건조, 농축된 음식물쓰레기를 선별기에서 비닐류, 합성수지류, 조개껍질류, 금속류, 동물의 뼈 등의 이물질을 제거시켜 얻은 1,500~2,000 중량부의 음식물 슬러지를 얻는 제2공정;
제2공정에서 이물질이 제거된 1,500~2,000 중량부의 음식물 슬러지를 100~200 메쉬 정도로 분말화시키는 제3공정;
제3공정에서 얻어진 1,500~2,000 중량부의 음식물 슬러지 분말, 초본계 분말 200~250 중량부, 솜의 형태로 보풀된 폐지 200~250 중량부, 커피찌꺼기 10~30 중량부를 교반탱크 내에서 골고루 교반시킨 다음 경화유 55~75 중량부, 테트라-n-부톡시티탄 20~30 중량부, 포발 40~60 중량부를 교반탱크 내에 투입하여 교반시켜서 반죽물을 얻는 제4공정;
제4공정에서 얻은 반죽물을 압출기에서 일정형상으로 성형시켜 배출하면서 세절기로 절단시켜 건조기로 건조시키는 제5공정;
으로 이루어지는 음식물 쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제1공정에서의 건조탱크는 상부 뚜껑이 개방되고 건조탱크 본체 내에서 교반날개가 저속으로 회동되는 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제1공정에서의 건조탱크 내부의 온도는 60~65℃가 유지되도록 하고 교반시간은 5~7시간 정도인 것을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.
음식물 쓰레기 집하장에서 이물질은 제거시키고 건조시킨 음식물 슬러지를 100~200 메쉬 정도로 분말화한 1,500~2,000 중량부의 음식물 슬러지 분말과 트리데실알코올 80~250 중량부, 동클로로필 40~70 중량부, 솔비톨 150~200 중량부, 에탄올아민 200~300 중량부를 교반탱크 내에 투입하여 교반시켜 음식물 쓰레기에 함유된 염분과 나트륨 성분을 중화시키면서 음식물 쓰레기가 농축되어 음식물 슬러지를 얻는 제1공정;
제1공정에서 얻어진 1,500~2,000 중량부의 음식물 슬러지 분말, 초본계 분말 200~250 중량부, 솜의 형태로 보풀된 폐지 200~250 중량부, 커피찌꺼기 10~30 중량부를 교반탱크 내에서 골고루 교반시킨 다음 경화유 55~75 중량부, 테트라-n-부톡시티탄 20~30 중량부, 포발 40~60 중량부를 교반탱크 내에 투입하여 교반시켜서 반죽물을 얻는 제2공정;
제2공정에서 얻은 반죽물을 압출기에서 일정형상으로 성형시켜 배출되면서 세절기로 절단시켜 건조기로 건조시키는 제3공정;
으로 이루어지는 음식물 쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.
청구항 4에 있어서, 상기 제1공정에서의 교반탱크 내부의 온도는 60~65℃가 되도록 유지하고 교반시간은 5~7시간 정도인 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 상기 초본계 분말은 볏짚, 보리짚, 밀짚, 왕겨, 옥수수대와 잎, 대두줄기 및 콩깍지, 양파줄기, 고구마줄기, 솔잎에서 하나 이상 혼합시킨 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 압축기에서 성형하고 다이스에서 배출되어 세절기에서 세절시킨 일정한 모양은 펠릿 형태인 것을 특징으로 하는 음식물 쓰레기를 이용한 저탄소 친환경 바이오매스 고형연료의 제조방법.