KR20180055359A

KR20180055359A - 파래 기반 고체연료 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20180055359A
Application number: KR1020160153139A
Authority: KR
Inventors: 한태준; 이호준; 박지혜
Original assignee: 박지혜
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2018-05-25
Also published as: KR101897546B1; WO2018093054A1

Abstract

본 발명의 일 예는 탄화된 파래 분말, 바인더, 유화제 및 연소 향상제를 포함하는 성형체로 이루어지는 파래 기반 고체연료를 제공한다. 본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료는 친환경적이고 동시에 단위 무게당 열 에너지 또는 연소율이 우수하여 종래의 고체연료인 백탄, 열탄, 목재 기반 숯을 대체할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료는 파래의 고부가 가치화를 통해 파래 제거에 드는 비용을 현저하게 줄일 수 있고 어촌의 경제 발전에 이바지할 수 있다.

Description

파래 기반 고체연료 및 이의 제조방법{Green laver-based solid fuel and manufacturing method thereof}

본 발명은 고체연료 등에 관한 것으로서, 더 상세하게는 무한한 해양자원인 파래를 기반으로 하여 친환경적이고 동시에 단위 무게당 열 에너지 또는 연소율이 우수한 고체연료 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

고체연료는 장작, 숯, 석탄, 연탄, 코크스 등과 같이 고체로 된 연료로서 광의의 화석연료에 포함된다. 전 세계적으로 화석연료 자원 공급을 위해 무차별적인 벌목이 행해지고, 이에 따른 생태계 파괴 문제 및 산림의 황폐화 문제가 심각하다. 또한, 화석연료 연소로부터 배출되는 온실가스로 인해 지구 온난화가 가속화되고 있다. 또한, 최근, 숯불구이용 숯에서 인체에 유해한 질산바륨이 함유되어 호흡곤란, 발작 및 부정맥 등의 질병에 노출될 가능성이 크다는 사실이 보고된 바 있고, 이미 수차례 숯과 성형 착화탄에서 포름알데히드와 같은 발암 물질이 배출된다는 사실이 연구되어 인체에 유해한 성분이 적은 친환경적인 숯의 필요성이 강조되고 있다. 이러한 문제점에도 불구하고, 개발도상국 대부분은 여전히 화석연료 바탕의 에너지 소비를 하고 있으며, 심지어 국민의 80%가 수목 및 숯과 같은 화석연료에 의존하는 국가도 있다. 그러나 대부분의 개발도상국의 산림은 이미 오래전에 훼손되어 수목연료마저 얻기 힘든 실정으로, 대부분 에너지원을 수입에 의존한다. 최근, 개발도상국 중 한 국가에서는 기존 나무 숯을 대체할 수 있는 연료로 코코넛 껍질을 활용한 숯 제조기술을 개발하였으나, 코코넛 껍질의 가격이 상승하면서 상용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서, 이를 해결하기 위해 폐자원을 이용한 고체연료의 제조에 관한 연구가 진행되었다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2010-0109005호에는 식물성 부산물과 식물성 열량보충물을 혼합하고, 분쇄기와 건조기에서 분쇄 및 1차 건조하고, 당밀을 첨가한 후 성형기에서 성형하고, 다시 2차 건조한 후 식물성 경화유지를 도포한 것을 특징으로 하는 식물성 부산물을 이용한 친환경 고체 연료가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허 제10-1143373호에는 왕겨초액 및 천연타르가 흡착된 폐활성탄 35~45 중량%, 왕겨숯 45~55 중량% 및 톱밥 5~15 중량%를 포함하는 고체연료용 조성물이 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허 제10-1272889호에는 폐목재 60~85 중량%, 왕겨 10~20 중량%, 바인더 4~20 중량% 및 첨가제 1~5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오매스 고체성형연료가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허 제10-1345624호에는 팜 열매의 부산물 내 수분을 건조시키는 건조단계; 상기 건조단계를 거친 팜 열매의 부산물을 파쇄하는 파쇄단계; 상기 파쇄단계를 거친 팜 열매의 부산물과 물 및 전분을 혼합 탱크에 넣고 교반하여 섞는 혼합단계; 상기 혼합단계에서 혼합된 재료를 가압기에서 1차적으로 가압하는 가압단계; 및 상기 가압단계를 거친 재료를 금형에 투입하고 성형 프레스로 압축하여 고체 바이오 연료로 성형하는 압축 성형단계를 포함하는 팜 열매 부산물을 이용한 고체 바이오연료 제조방법이 개시되어 있다.

한편, 여름철 해수의 수온이 상승함에 따라 갈파래류(Ulva sp.)나 파래류(Enteromorpha sp.)와 같은 기회성 해조류가 급속도로 번식하여 자연경관을 해치고 악취가 나는 등 큰 피해가 발생하고 있다. 파래는 늦겨울에서 봄까지 짧은 기간에 급속한 생장률을 나타내어 다수 해조류의 생육 공간을 선점하고, 두터운 매트를 형성할 경우 그 밑에 생육하는 소형 해조류의 광합성을 저해하거나 하중을 가하여 피해를 줄 수 있다. 또한, 파래는 어패류의 서식처 및 산란처가 되는 해초(seagrass)의 표면에 착생 및 번성하여 이들의 성장을 저해하고 먹이 생물의 분포에 영향을 주어 궁극적으로 중-대형 저서동물 군집구조에 변화를 야기 시킬 수 있다. 따라서, 국내 및 국외에서는 대량으로 발생한 파래를 제거하기 위해 노력하고 있으나, 파래의 제거에는 큰 비용이 발생하고 있다.

본 발명은 종래의 기술적 배경하에서 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 파래를 기반으로 하여 친환경적이고 동시에 단위 무게당 열 에너지 또는 연소율이 우수한 고체연료 및 이의 제조방법을 제공하는데에 있다.

상기 목적을 해결하기 위하여 본 발명의 일 예는 탄화된 파래 분말, 바인더, 유화제 및 연소 향상제를 포함하는 성형체로 이루어지는 파래 기반 고체연료를 제공한다.

상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 예는 (a) 건조된 파래를 탄화시키고 분쇄하여 탄화된 파래 분말을 수득하는 단계; (b) 상기 탄화된 파래 분말, 바인더, 유화제, 연소 향상제, 유기 용제 및 물(water)을 포함하는 고체연료 성형용 조성물을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 고체연료 성형용 조성물을 소정의 형상으로 성형하여 고체연료 프리폼(preform)을 제조하는 단계를 포함하는 파래 기반 고체연료의 제조방법을 제공한다. 상기 파래 기반 고체연료의 제조방법은 바람직하게는 (d) 상기 고체연료 프리폼(preform)을 건조하여 최종 고체연료를 수득하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료는 친환경적이고 동시에 단위 무게당 열 에너지 또는 연소율이 우수하여 종래의 고체연료인 백탄, 열탄, 목재 기반 숯을 대체할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료는 파래의 고부가 가치화를 통해 파래 제거에 드는 비용을 현저하게 줄일 수 있고 어촌의 경제 발전에 이바지할 수 있다.

도 1은 제조예 1에서 제조한 파래 기반 고체연료의 이미지이다.

본 발명에서 사용되는 용어인 "파래"는 녹조식물 울로트릭스목 파래과에 속하는 녹조식물이라면 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 구멍갈파래, 모란갈파래, 초록갈파래, 갈파래, 가시파래, 납작파래, 창자파래, 격자파래, 잎파래, 매생이를 포함한다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 일 측면은 친환경적이고 동시에 단위 무게당 열 에너지 또는 연소율이 우수한 파래 기반 고체연료에 관한 것이다. 본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료는 탄화된 파래 분말, 바인더, 유화제 및 연소 향상제를 포함하는 성형체로 이루어지진다. 이하, 본 발명의 일 예에 따른 고체연료를 구성요소별로 나누어 설명한다.

탄화된 파래 분말

본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료를 구성하는 일 성분인 탄화된 파래 분말을 해안가에서 수거한 파래를 물로 세척하여 염분기를 제거하고 소정의 소건에서 탄화시키고 분쇄하여 제조된 것이다. 본 발명에서 사용되는 용어인 "탄화"는 진공 상태 또는 공기가 차단된 밀폐된 상태에서 가열함으로써 열분해를 일으켜 탄소분을 많이 포함한 물질로 변화시키는 것을 나타낸다. 일반적으로 숯은 셀룰로오스 등을 주성분으로 하는 수목으로부터 제조되는 고체연료인데, 파래는 셀룰로오스가 다량 함유되어 있어서 고체연료로서의 활용도가 매우 높다. 또한, 파래는 약 11~19.25 중량%의 회분을 가지는데, 파래의 회분 함량은 미역(26.50 중량%), 톳(25.35 중량%), 다시마(24.95 중량%)를 포함하는 대부분의 해조류 회분 함량보다 낮으며 식용인 김(19.15 중량%)과 비슷하거나 낮다. 일반적으로 해조류에 함유된 회분 함량과 연소시의 발열량은 반비례의 관계를 갖는 것으로 여겨지므로 파래는 다른 해조류보다 고체연료로서의 이용 가능성이 더욱 높다.

바인더

본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료를 구성하는 일 성분인 바인더는 고체연료를 소정의 형상으로 성형할 때 구성성분들을 결착시키는 역할을 한다. 본 발명에서 사용되는 바인더는 통상의 압출 성형 또는 사출 성형 분야에서 바인더로 사용되는 것이라면 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 친환경성 등을 고려할 때 전분, 변성전분, 덱스트린, 셀룰로오스, 변성셀룰로오스, 알긴산, 천연 검류, 천연 고무, 밀랍(beeswax), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 또는 폐당밀(Molasses)에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하고, 전분인 것이 더 바람직하다.

상기 전분은 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 옥수수전분, 찰옥수수전분, 타피오카전분, 감자전분, 고구마전분, 쌀전분, 밀전분 등을 포함한다. 상기 변성전분은 화학적,처리, 열 처리, 또는 효소 처리에 의한 분해, 에테르화, 에스테르화, 가교화 등을 통해 통상적인 전분 제조 공정으로부터 수득되는 비변성 전분의 물성(점성, 열 안정성, 냉해동 안정성)을 변화시킨 것으로서, 예를 들어, 산 처리 전분, 효소 처리 전분, 산화 전분, 아세틸아디핀산 이전분, 아세틸인산 이전분, 옥테닐호박산 전분, 인산 이전분, 인산 일전분, 인산화인산 이전분, 아세트산 전분, 하이드록시프로필인산 이전분, 하이드록시프로필 전분 등이 있다. 상기 변성셀룰로오스는 에테르화 또는 에스테르화를 통해 셀룰로오스의 물성을 변화시킨 것으로서, 예를 들어, 카르복시메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC), 메틸 셀룰로오스(Methyl cellulose), 하이드록시프로필 셀룰로오스(Hydroxypropyl cellulose), 메틸에틸 셀룰로오스(Methyl ethyl cellulose) 등이 있다. 상기 천연 검류의 구체적인 예로는 구아검(Guar gum) 등이 있고, 상기 천연 고무의 구체적인 예로는 아라비아 고무 등이 있다.

유화제

본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료를 구성하는 일 성분인 유화제는 고체연료를 성형할 때 구성성분들을 균일하게 분산시키는 역할을 한다. 상기 유화제는 일반적으로 계면활성제로 사용되는 것이라면 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 세틸 알코올, 스테아릴 알코올, 세토스테아릴 알코올, 올레일 알코올 등과 같은 지방 알코올; Octaethylene glycol monododecyl ether, Pentaethylene glycol monododecyl ether 등과 같은 Polyethylene glycol alkyl ethers; Polypropylene glycol alkyl ethers; Decyl glucoside, Lauryl glucoside, Octyl glucoside 등과 같은 Glucoside alkyl ethers; Triton X-100 등과 같은 Polyethylene glycol octylphenyl ethers; Nonoxynol-9 등과 같은 Polyethylene glycol alkylphenyl ethers; Glyceryl laurate 등과 같은 Glycerol alkyl esters; Polysorbate 등과 같은 Polyoxyethylene glycol sorbitan alkyl esters; Spans 등과 같은 Sorbitan alkyl esters; Cocamide MEA, cocamide DEA; Dodecyldimethylamine oxide; Poloxamers 등과 같은 polyethylene glycol과 polypropylene glycol의 블록 공중합체; Polyethoxylated tallow amine (POEA) 등이 있다. 또한, 본 발명에서 유화제는 탄소 수가 12 내지 30인 고급 지방 알코올(higher fatty alcohol)에서 선택되는 것이 바람직하고, 세틸 알코올, 세토스테아릴 알코올, 스테아릴 알코올, 이소스테아릴 알코올, 라우릴 알코올, 미리스틸 알코올, 팔미틸 알코올, 올레일 알코올, 리노레일 알코올, 아라키딜 알코올 또는 베헤닐 알코올에서 선택되는 1종 이상의 고급 지방 알코올(higher fatty alcohol)로 구성되는 것이 더 바람직하며, 세틸 알코올, 세토스테아릴 알코올, 스테아릴 알코올에서 선택되는 것이 가장 바람직하다.

연소 향상제

본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료를 구성하는 일 성분인 연소 향상제는 탄화된 파래 분말의 연소 효율을 향상시키는 역할을 한다. 상기 연소 향상제는 고체연료 제조시 통상적으로 사용되는 탄소 함유 성분에서 선택될 수 있고, 예를 들어, 톱밥, 벼 껍질, 밀 껍질, 보리 껍질, 쌀겨, 밀겨, 보리겨, 깻묵, 대두박, 볏짚 펠렛, 밀짚 펠렛, 보리짚 펠렛, 우드 펠렛 또는 이들의 분쇄물에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하고, 톱밥인 것이 더 바람직하다.

기타 성분

본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료는 탄화된 파래 분말, 바인더, 유화제 및 연소 향상제 외에 유기 용제를 더 포함할 수 있다. 상기 유기 용제는 파래 기반 고체연료의 성형 과정 또는 건조 과정에서 제거되는 성분이지만, 일부 제거되지 않아 남아 있을 수 있으며, 탄소 함유 성분이기 때문에 연료로 이용될 수 있다.

고체연료 구성성분들의 배합 관계

본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료는 탄화된 파래 분말, 바인더, 유화제 및 연소 향상제를 포함하는 조성물 형태의 성형체로 이루어지며, 바람직하게는 탄화된 파래 분말 100 중량부 당 바인더 55~75 중량부, 유화제 15~35 중량부 및 연소 향상제 5~25 중량부를 포함하는 조성물 형태의 성형체로 이루어지며, 더 바람직하게는 탄화된 파래 분말 100 중량부 당 바인더 60~70 중량부, 유화제 20~30 중량부 및 연소 향상제 10~20 중량부를 포함하는 조성물 형태의 성형체로 이루어진다. 또한, 본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료는 탄화된 파래 분말 100 중량부 당 바인더 60~70 중량부, 유화제 20~30 중량부, 연소 향상제 10~20 중량부 및 유기 용제 2~10 중량부를 포함하는 조성물 형태의 성형체로 이루어질 수도 있다.

본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료는 바람직하게는 전체 건조중량을 기준으로 탄화된 파래 분말 40~60 중량%, 바인더 20~40 중량%, 유화제 5~20 중량% 및 연소 향상제 2~15 중량%를 포함하는 조성물 형태의 성형체로 이루어며, 더 바람직하게는 전체 건조중량을 기준으로 탄화된 파래 분말 41~53 중량%, 바인더 26~37 중량%, 유화제 7~18 중량% 및 연소 향상제 2~13 중량%를 포함하는 조성물 형태의 성형체로 이루어진다. 또한, 본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료는 전체 건조중량을 기준으로 탄화된 파래 분말 41~51 중량%, 바인더 26~36 중량%, 유화제 7~17 중량%, 연소 향상제 2~12 중량% 및 유기 용제 1~6 중량%를 포함하는 조성물 형태의 성형체로 이루어질 수도 있다.

고체연료의 수분 함량

본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료는 전체 중량을 기준으로 수분 함량이 15 중량% 이하인 것이 바람직하고 10 중량% 이하(예를 들어 0.1~10 중량%)인 것이 더 바람직하다.

본 발명의 다른 측면은 파래 기반 고체연료의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료의 제조방법은 탄화된 파래 분말을 수득하는 단계, 고체연료 성형용 조성물을 제조하는 단계 및 고체연료 프리폼(preform)을 제조하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 다른 예에 따른 파래 기반 고체연료의 제조방법은 바람직하게는 탄화된 파래 분말을 수득하는 단계, 고체연료 성형용 조성물을 제조하는 단계, 고체연료 프리폼(preform)을 제조하는 단계 및 최종 고체연료를 수득하는 단계를 포함할 수 있다. 이하, 본 발명의 다른 예에 따른 파래 기반 고체연료의 제조방법을 각 단계별로 나누어 설명한다.

탄화된 파래 분말을 수득하는 단계

본 발명의 다른 예에 따른 파래 기반 고체연료의 제조방법에서 상기 탄화된 파래 분말을 수득하는 단계는 건조된 파래를 탄화시키고 분쇄하는 것으로 구성된다.

상기 건조된 파래는 바람직하게는 수거한 파래를 물로 세척하여 염분기를 제거하고 전체 중량을 기준으로 수분 함량이 30 중량% 이하가 되도록 건조한 것이다. 상기 건조된 파래의 수분 함량은 전체 중량을 기준으로 20 중량% 이하인 것이 바람직하고 15 중량% 이하(예를 들어 0.1~15 중량%)인 것이 더 바람직하다. 건조된 파래의 수분 함량이 낮을수록 이후의 탄화 공정을 원활하게 수행할 수 있다. 상기 파래의 건조 방법은 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 진공 건조, 열풍 건조, 자연 건조 등에서 선택될 수 있다.

상기 건조된 파래의 탄화는 진공 상태 또는 공기가 차단된 밀폐된 상태에서 건조된 파래를 소정의 온도로 소정의 시간 동안 가열하여 탄소분을 많이 포함한 물질로 변화시키는 과정이다. 상기 건조된 파래의 탄화 과정시 탄화 온도는 400~500℃인 것이 바람직하고, 420~480℃인 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 건조된 파래의 탄화 과정시 탄화 시간은 5~30분인 것이 바람직하고, 5~20분인 것이 더 바람직하다. 건조된 파래는 탄화를 통해 수분 함량이 감소하고 탄소 함량이 증가한다. 본 발명의 일 예에 따른 파래 기반 고체연료에서 파래는 소정의 성형체로 제조된 후 탄화될 수도 있으나, 성형 과정의 용이성 및 탄화 과정에 소용되는 에너지의 절감을 고려할 때 소정의 성형체로 제조되기 전에 탄화되는 것이 바람직하다.

상기 탄화된 파래는 판상 형태를 가지며 이를 통상의 분쇄기를 이용하여 분쇄하는 것이 바람직하다. 상기 탄화된 파래는 분쇄를 통해 분말의 형태를 가지며, 탄화된 파래 분말의 입도는 크게 제한되지 않는다. 탄화된 파래를 분쇄한 후 성형하면 균질한 성형체를 제조할 수 있고, 성형체의 연소 효율이 향상된다.

고체연료 성형용 조성물을 제조하는 단계

본 발명의 다른 예에 따른 파래 기반 고체연료의 제조방법에서 상기 고체연료 성형용 조성물을 제조하는 단계는 탄화된 파래 분말, 바인더, 유화제, 연소 향상제, 유기 용제 및 물(water)을 혼합하는 것으로 구성된다.

상기 고체연료 성형용 조성물을 구성하는 일 성분인 바인더는 전분, 에테르화 변성전분, 에스테르화 변성전분, 덱스트린, 셀룰로오스, 에테르화 변성셀룰로오스, 알긴산, 천연 검류, 천연 고무, 밀랍(beeswax), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 또는 폐당밀(Molasses)에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 고체연료 성형용 조성물을 구성하는 일 성분인 유화제는 탄소 수가 12 내지 30인 고급 지방 알코올(higher fatty alcohol)에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 고체연료 성형용 조성물을 구성하는 일 성분인 연소 향상제는 톱밥, 벼 껍질, 밀 껍질, 보리 껍질, 쌀겨, 밀겨, 보리겨, 깻묵, 대두박, 볏짚 펠렛, 밀짚 펠렛, 보리짚 펠렛, 우드 펠렛 또는 이들의 분쇄물에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 고체연료 성형용 조성물을 구성하는 성분들인 파래 분말, 바인더, 유화제 및 연소 향상제에 대해서는 파래 기반 고체연료 부분에서 설명한 내용을 참조한다.

상기 고체연료 성형용 조성물을 구성하는 일 성분인 유기 용제는 고체연료 성형용 조성물을 구성하는 성분들의 혼합을 용이하게 하고 고체연료 성형용 조성물을 성형에 적합하도록 희석하는 역할을 한다. 상기 유기 용제는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 다이에틸렌글리콜, 다이프로필렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 헥실렌글리콜, 1,5-펜탄디올, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 다이에틸렌글리콜모노메틸에테르, 다이에틸렌글리콜모노에틸에테르, 다이에틸렌글리콜모노부틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노에틸에테르, 프로필렌글리콜모노부틸에테르, 다이프로필렌글리콜모노메틸에테르, 다이프로필렌글리콜모노에틸에테르, 다이프로필렌글리콜모노부틸에테르, 다이에틸렌글리콜다이메틸에테르, 다이프로필렌글리콜다이메틸에테르, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소프로필케톤, 메틸이소에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 사이클로헥사논, 펜탄, 헥산, 도데칸, 테트라데칸, 벤젠, 트리메틸벤젠, 부틸 벤조에이트, 도데실 벤젠, 크실렌, 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, 1,4-다이옥세인 및 테트라하이드로퓨란, 1,3-다이옥살레인, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올(Isopropyl alcohol), n-부탄올, 헥산올, 노난올, 사이클로헥산올, 벤질알코올, 2-메톡시-에탄올, 2-부톡시-에탄올, α-테르핀올, 벤질알코올, 2-헥실데칸올, 3-메톡시프로판올, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브, 메틸카르비톨, 부틸카르비톨, 헥실카르비톨, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 에틸락테이트, n-프로필아세테이트, 이소프로필아세테이트, 에틸프로피오네이트, 부틸아세테이트(Butyl acetate), 이소부틸아세테이트(Isobutyl acetate), 다이에틸아디페이트, 다이에틸프탈레이트, 다이에틸렌글리콜모노부틸아세테이트, 에틸렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 에틸렌글리콜모노이소프로필에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜모노에틸에테르아세테이트 및 3-메톡시프로필아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하고 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 다이에틸렌글리콜, 다이프로필렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 헥실렌글리콜, 1,5-펜탄디올 등에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것이 더 바람직하다.

상기 고체연료 성형용 조성물을 구성하는 일 성분인 물(water)은 고체연료 성형용 조성물의 성형성을 향상시키기 위한 것이다.

상기 고체연료 성형용 조성물은 탄화된 파래 분말 100 중량부 당 바인더 55~75 중량부, 유화제 15~35 중량부, 연소 향상제 5~25 중량부, 유기 용제 2~12 중량부 및 물 100~250 중량부를 포함하는 것이 바람직하고 탄화된 파래 분말 100 중량부 당 바인더 60~70 중량부, 유화제 20~30 중량부, 연소 향상제 10~20 중량부, 유기 용제 4~10 중량부 및 물 180~220 중량부를 포함하는 것이 더 바람직하다.

상기 고체연료 성형용 조성물은 전체 중량을 기준으로 탄화된 파래 분말 15~35 중량%, 바인더 10~25 중량%, 유화제 3~15 중량%, 연소 향상제 1~10 중량%, 유기 용제 0.5~6 중량% 및 물 30~55 중량%를 포함하는 것이 바람직하고, 탄화된 파래 분말 20~30 중량%, 바인더 10~20 중량%, 유화제 3~12 중량%, 연소 향상제 2~8 중량%, 유기 용제 1~4 중량% 및 물 42~52 중량%를 포함하는 것이 더 바람직하다.

고체연료 프리폼(preform)을 제조하는 단계

본 발명의 다른 예에 따른 파래 기반 고체연료의 제조방법에서 상기 고체연료 프리폼(preform)을 제조하는 단계는 고체연료 성형용 조성물을 소정의 형상으로 성형하는 것으로 구성된다. 상기 고체연료 프리폼은 고체 또는 반고체 상태의 성형체로서 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 고체연료 프리폼은 펠렛 형상,; 구형; 원기둥형, 중공 원기둥형; 삼각기둥형, 사각기둥형, 육각 기둥형 등의 다각 기둥형; 연탄, 조개탄 등의 상업적 제품 형상 등을 가질 수 있다. 상기 고체연료 프리폼(preform)을 제조하는 단계에서 고체연료 성형용 조성물의 성형 방법은 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 사출 성형, 압출 성형 등이 있다.

최종 고체연료를 수득하는 단계

본 발명의 다른 예에 따른 파래 기반 고체연료의 제조방법에서 상기 최종 고체연료를 수득하는 단계는 고체연료 프리폼(preform)을 건조하는 것으로 구성된다. 상기 최종 고체연료를 수득하는 단계에서 고체연료 프리폼의 건조는 자연 건조, 열풍 건조, 진공 건조, 마이크로파 처리 등 다양한 건조 방법을 통해 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 예에 따른 파래 기반 고체연료의 제조방법에서 상기 최종 고체연료를 수득하는 단계는 고체연료 프리폼(preform)을 자연 건조 후 마이크로파 처리하는 것으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 고체연료 프리폼(preform)의 건조가 자연 건조 및 마이크로파 처리의 조합으로 구성되는 경우 자연 건조 시간은 1일 내지 4일인 것이 바람직하고, 1.5~2.5일인 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 고체연료 프리폼(preform)의 건조가 자연 건조 및 마이크로파 처리의 조합으로 구성되는 경우 마이크로파 처리 시간은 1분 내지 5분인 것이 바람직하고, 1.5분 내지 3분인 것이 더 바람직하다.

발명의 다른 예에 따른 파래 기반 고체연료의 제조방법에서 고체연료 프리폼(preform)을 건조하여 수득한 최종 고체연료의 수분 함량은 전체 중량을 기준으로 15 중량% 이하인 것이 바람직하고, 10 중량% 이하(예를 들어 0.1~10 중량%)인 것이 더 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 기술적 특징을 명확하게 예시하기 위한 것 일뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.

1. 파래 기반 고체연료의 제조

제조예 1.

대량으로 발생한 파래를 해안가로부터 수거하고 물로 세척하여 염분기를 제거하였다. 이후, 파래를 열풍 건조기에 넣고 60℃에서 10시간 동안 건조하여 수분 함량을 약 15 중량%로 조정하였다. 이후, 건조된 파래 300g을 통기가 되지 않는 밀폐된 상태에서 약 450℃로 약 10분 동안 가열하여 탄화시켰다. 이후, 탄화된 판상의 파래를 분쇄기로 분쇄하여 숯가루 형태의 탄화된 파래 분말을 수득하였다. 이후, 탄화된 파래 분말 23.1g, 전분 15.4g, 세틸 알코올 6.15g, 프로필렌글리콜 1.54g, 톱밥 3.85g 및 증류수 30g을 혼합하여 고체연료 성형용 조성물을 제조하였다. 상기 전분은 바인더로 작용하고, 세틸 알코올은 유화제로 작용하고, 상기 프로필렌글리콜은 용제로 작용하고, 상기 톱밥은 성형성 및 에너지 효율 향상을 위해 첨가된 것이다. 또한, 상기 증류수는 성형성을 향상시키기 위해 첨가한 것이다. 이후, 상기 고체연료 성형용 조성물을 사출성형기에 투입하고 중공 원기둥 형태를 가진 고체연료 프리폼(preform)으로 성형하였다. 이후, 고체연료 프리폼(preform)을 직사광선이 비추지 않는 장소에서 약 7일 동안 자연 건조하여 중공의 원기둥 형태를 가진 최종 고체연료를 수득하였다. 최종 고체연료의 수분 함량은 중량 기준으로 약 6.6% 이었고, 수분을 제외한 건조 무게는 약 50g 이었다. 도 1은 제조예 1에서 제조한 파래 기반 고체연료의 이미지이다.

제조예 2.

탄화된 파래 분말 23.1g, 전분 15.4g, 세틸 알코올 6.15g, 프로필렌글리콜 1.54g, 톱밥 3.85g 및 증류수 35g을 혼합하여 고체연료 성형용 조성물을 제조한 점을 제외하고는 제조예 1과 동일한 조건 및 동일한 방법을 사용하여 중공의 원기둥 형태를 가진 최종 고체연료를 수득하였다. 최종 고체연료의 수분 함량은 중량 기준으로 약 7.7% 이었고, 수분을 제외한 건조 무게는 약 50g 이었다.

제조예 3.

탄화된 파래 분말 23.1g, 전분 15.4g, 세틸 알코올 6.15g, 프로필렌글리콜 1.54g, 톱밥 3.85g 및 증류수 40g을 혼합하여 고체연료 성형용 조성물을 제조한 점을 제외하고는 제조예 1과 동일한 조건 및 동일한 방법을 사용하여 중공의 원기둥 형태를 가진 최종 고체연료를 수득하였다. 최종 고체연료의 수분 함량은 중량 기준으로 약 8.8% 이었고, 수분을 제외한 건조 무게는 약 50g 이었다.

제조예 4.

탄화된 파래 분말 23.1g, 전분 15.4g, 세틸 알코올 6.15g, 프로필렌글리콜 1.54g, 톱밥 3.85g 및 증류수 45g을 혼합하여 고체연료 성형용 조성물을 제조한 점을 제외하고는 제조예 1과 동일한 조건 및 동일한 방법을 사용하여 중공의 원기둥 형태를 가진 최종 고체연료를 수득하였다. 최종 고체연료의 수분 함량은 중량 기준으로 약 9.0% 이었고, 수분을 제외한 건조 무게는 약 50g 이었다.

제조예 5.

탄화된 파래 분말 23.1g, 전분 15.4g, 세틸 알코올 6.15g, 프로필렌글리콜 1.54g, 톱밥 3.85g 및 증류수 50g을 혼합하여 고체연료 성형용 조성물을 제조한 점을 제외하고는 제조예 1과 동일한 조건 및 동일한 방법을 사용하여 중공의 원기둥 형태를 가진 최종 고체연료를 수득하였다. 최종 고체연료의 수분 함량은 중량 기준으로 약 11.0% 이었고, 수분을 제외한 건조 무게는 약 50g 이었다.

제조예 6.

대량으로 발생한 파래를 해안가로부터 수거하고 물로 세척하여 염분기를 제거하였다. 이후, 파래를 열풍 건조기에 넣고 60℃에서 10시간 동안 건조하여 수분 함량을 약 15 중량%로 조정하였다. 이후, 건조된 파래 300g을 통기가 되지 않는 밀폐된 상태에서 약 450℃로 약 10분 동안 가열하여 탄화시켰다. 이후, 탄화된 판상의 파래를 분쇄기로 분쇄하여 숯가루 형태의 탄화된 파래 분말을 수득하였다. 이후, 탄화된 파래 분말 23.1g, 전분 15.4g, 세틸 알코올 6.15g, 프로필렌글리콜 1.54g, 톱밥 3.85g 및 증류수 45g을 혼합하여 고체연료 성형용 조성물을 제조하였다. 상기 전분은 바인더로 작용하고, 세틸 알코올은 유화제로 작용하고, 상기 프로필렌글리콜은 용제로 작용하고, 상기 톱밥은 성형성 및 에너지 효율 향상을 위해 첨가된 것이다. 또한, 상기 증류수는 성형성을 향상시키기 위해 첨가한 것이다. 이후, 상기 고체연료 성형용 조성물을 사출성형기에 투입하고 중공 원기둥 형태를 가진 고체연료 프리폼(preform)으로 성형하였다. 이후, 고체연료 프리폼(preform)을 직사광선이 비추지 않는 장소에서 약 2일 동안 자연 건조하고 700W 용량의 마이크로파로 2분 동안 처리하여 중공의 원기둥 형태를 가진 최종 고체연료를 수득하였다. 최종 고체연료의 수분 함량은 중량 기준으로 약 7% 이었고, 수분을 제외한 건조 무게는 약 50g 이었다.

제조예 7.

대량으로 발생한 파래를 해안가로부터 수거하고 물로 세척하여 염분기를 제거하였다. 이후, 파래를 열풍 건조기에 넣고 60℃에서 10시간 동안 건조하여 수분 함량을 약 15 중량%로 조정하였다. 이후, 건조된 파래 300g을 통기가 되지 않는 밀폐된 상태에서 약 450℃로 약 10분 동안 가열하여 탄화시켰다. 이후, 탄화된 판상의 파래를 분쇄기로 분쇄하여 숯가루 형태의 탄화된 파래 분말을 수득하였다. 이후, 탄화된 파래 분말 23.1g, 전분 15.4g, 세틸 알코올 6.15g, 프로필렌글리콜 1.54g, 톱밥 3.85g 및 증류수 45g을 혼합하여 고체연료 성형용 조성물을 제조하였다. 상기 전분은 바인더로 작용하고, 세틸 알코올은 유화제로 작용하고, 상기 프로필렌글리콜은 용제로 작용하고, 상기 톱밥은 성형성 및 에너지 효율 향상을 위해 첨가된 것이다. 또한, 상기 증류수는 성형성을 향상시키기 위해 첨가한 것이다. 이후, 상기 고체연료 성형용 조성물을 사출성형기에 투입하고 중공 원기둥 형태를 가진 고체연료 프리폼(preform)으로 성형하였다. 이후, 고체연료 프리폼(preform)을 직사광선이 비추지 않는 장소에서 약 2일 동안 자연 건조하고 700W 용량의 마이크로파로 2분 30초 동안 처리하여 중공의 원기둥 형태를 가진 최종 고체연료를 수득하였다. 최종 고체연료의 수분 함량은 중량 기준으로 약 2.7% 이었고, 수분을 제외한 건조 무게는 약 50g 이었다.

2. 파래 기반 고체연료의 연소 효율 평가

(1) 실험 방법

제조예 1 내지 제조예 7에서 제조한 최종 고체연료를 연소시켜 물 200㎖를 가열하고, 물의 온도 변화를 3분 간격으로 측정하였다. 고체연료의 연소가 끝날 때까지 물이 받은 열 에너지를 물의 온도 변화로부터 계산하고, 이를 고체연료의 열 에너지로 간주하였다. 또한, 고체연료의 연소가 끝났을 때의 무게를 측정하고 연소 전의 고체연료 무게와 비교하여 연소율을 계산하였다. 하기 수식은 고체연료의 단위 무게당 열 에너지 및 고체연료의 연소율을 계산하는 식이다.

또한, 제조예 1 내지 제조예 8에서 제조한 최종 고체연료를 상업적인 고체연료와 비교하기 위해 시중에서 유통되고 있는 고체연료인 백탄, 흑탄, 천연목재 숯에 대해서도 동일한 연소시험을 진행하였다.

하기 표 1에 제조예 1 내지 제조예 8에서 제조한 최종 고체연료, 시중에서 유통되고 있는 고체연료인 백탄, 흑탄, 천연목재 숯의 연소시험 결과를 나타내었다.

고체연료 구분	단위 무게당 열 에너지(㎈/g)	연소율(%)
제조예 1	21.3	74.3
제조예 2	22.5	72.8
제조예 3	22.0	78.6
제조예 4	74.7	73.0
제조예 5	37.3	51.8
제조예 6	167.7	71.5
제조예 7	81.5	72.1
백탄	31.2	13.6
흑탄	185.6	78.6
천연목재 숯	205.0	69.8

상기 표 1에서 보이는 바와 같이 제조예 6에서 제조한 파래 기반 고체연료는 흑탄과 유사한 열 에너지 및 연소율을 보였다.

이상에서와 같이 본 발명을 상기의 실시예를 통해 설명하였지만 본 발명이 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 본 발명에 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

탄화된 파래 분말, 바인더, 유화제 및 연소 향상제를 포함하는 성형체로 이루어지는 파래 기반 고체연료.
제1항에 있어서, 상기 바인더는 전분, 변성전분, 덱스트린, 셀룰로오스, 변성셀룰로오스, 알긴산, 천연 검류, 천연 고무, 밀랍(beeswax), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 또는 폐당밀(Molasses)에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 파래 기반 고체연료.
제1항에 있어서, 상기 유화제는 탄소 수가 12 내지 30인 고급 지방 알코올(higher fatty alcohol)에서 선택되는 것을 특징으로 하는 파래 기반 고체연료.
제3항에 있어서, 상기 유화제는 세틸 알코올, 세토스테아릴 알코올, 스테아릴 알코올, 이소스테아릴 알코올, 라우릴 알코올, 미리스틸 알코올, 팔미틸 알코올, 올레일 알코올, 리노레일 알코올, 아라키딜 알코올 또는 베헤닐 알코올에서 선택되는 1종 이상의 고급 지방 알코올(higher fatty alcohol)로 구성되는 것을 특지으로 하는 파래 기반 고체연료.
제1항에 있어서, 상기 연소 향상제는 톱밥, 벼 껍질, 밀 껍질, 보리 껍질, 쌀겨, 밀겨, 보리겨, 깻묵, 대두박, 볏짚 펠렛, 밀짚 펠렛, 보리짚 펠렛, 우드 펠렛 또는 이들의 분쇄물에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 파래 기반 고체연료.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 탄화된 파래 분말 100 중량부 당 바인더 55~75 중량부, 유화제 15~35 중량부 및 연소 향상제 5~25 중량부를 포함하는 성형체로 이루어지는 파래 기반 고체연료.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전체 건조중량을 기준으로 탄화된 파래 분말 40~60 중량%, 바인더 20~40 중량%, 유화제 5~20 중량% 및 연소 향상제 2~15 중량%를 포함하는 성형체로 이루어지는 파래 기반 고체연료.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전체 중량을 기준으로 수분 함량이 15 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 파래 기반 고체연료.
(a) 건조된 파래를 탄화시키고 분쇄하여 탄화된 파래 분말을 수득하는 단계;
(b) 상기 탄화된 파래 분말, 바인더, 유화제, 연소 향상제, 유기 용제 및 물(water)을 포함하는 고체연료 성형용 조성물을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 고체연료 성형용 조성물을 소정의 형상으로 성형하여 고체연료 프리폼(preform)을 제조하는 단계를 포함하는 파래 기반 고체연료의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 (a) 단계의 건조된 파래는 수거한 파래를 물로 세척하여 염분기를 제거하고 전체 중량을 기준으로 수분 함량이 30 중량% 이하가 되도록 건조한 것인, 파래 기반 고체연료의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 (a) 단계의 탄화 온도는 400~500℃이고 탄화 시간은 5~30분인 것을 특징으로 하는 파래 기반 고체연료의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 바인더는 전분, 변성전분, 덱스트린, 셀룰로오스, 변성셀룰로오스, 알긴산, 천연 검류, 천연 고무, 밀랍(beeswax), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 또는 폐당밀(Molasses)에서 선택되는 1종 이상으로 구성되고,
상기 유화제는 탄소 수가 12 내지 30인 고급 지방 알코올(higher fatty alcohol)에서 선택되고,
상기 연소 향상제는 톱밥, 벼 껍질, 밀 껍질, 보리 껍질, 쌀겨, 밀겨, 보리겨, 깻묵, 대두박, 볏짚 펠렛, 밀짚 펠렛, 보리짚 펠렛, 우드 펠렛 또는 이들의 분쇄물에서 선택되는 1종 이상으로 구성되고,
상기 유기 용제는 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 다이에틸렌글리콜, 다이프로필렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 헥실렌글리콜, 1,5-펜탄디올, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 다이에틸렌글리콜모노메틸에테르, 다이에틸렌글리콜모노에틸에테르, 다이에틸렌글리콜모노부틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노에틸에테르, 프로필렌글리콜모노부틸에테르, 다이프로필렌글리콜모노메틸에테르, 다이프로필렌글리콜모노에틸에테르, 다이프로필렌글리콜모노부틸에테르, 다이에틸렌글리콜다이메틸에테르, 다이프로필렌글리콜다이메틸에테르, 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소프로필케톤, 메틸이소에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 사이클로헥사논, 펜탄, 헥산, 도데칸, 테트라데칸, 벤젠, 트리메틸벤젠, 부틸 벤조에이트, 도데실 벤젠, 크실렌, 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, 1,4-다이옥세인 및 테트라하이드로퓨란, 1,3-다이옥살레인, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소프로판올(Isopropyl alcohol), n-부탄올, 헥산올, 노난올, 사이클로헥산올, 벤질알코올, 2-메톡시-에탄올, 2-부톡시-에탄올, α-테르핀올, 벤질알코올, 2-헥실데칸올, 3-메톡시프로판올, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브, 메틸카르비톨, 부틸카르비톨, 헥실카르비톨, 메틸아세테이트, 에틸아세테이트, 에틸락테이트, n-프로필아세테이트, 이소프로필아세테이트, 에틸프로피오네이트, 부틸아세테이트(Butyl acetate), 이소부틸아세테이트(Isobutyl acetate), 다이에틸아디페이트, 다이에틸프탈레이트, 다이에틸렌글리콜모노부틸아세테이트, 에틸렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 에틸렌글리콜모노이소프로필에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 프로필렌글리콜모노에틸에테르아세테이트 및 3-메톡시프로필아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 파래 기반 고체연료의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 고체연료 성형용 조성물은 탄화된 파래 분말 100 중량부 당 바인더 55~75 중량부, 유화제 15~35 중량부, 연소 향상제 5~25 중량부, 유기 용제 2~12 중량부 및 물 100~250 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파래 기반 고체연료의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 고체연료 성형용 조성물은 전체 중량을 기준으로 탄화된 파래 분말 15~35 중량%, 바인더 10~25 중량%, 유화제 3~15 중량%, 연소 향상제 1~10 중량%, 유기 용제 0.5~6 중량% 및 물 30~55 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 파래 기반 고체연료의 제조방법.
제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, (d) 상기 고체연료 프리폼(preform)을 건조하여 최종 고체연료를 수득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파래 기반 고체연료의 제조방법.
제15항에 있어서, 상기 (d) 단계는 고체연료 프리폼(preform)을 자연 건조 후 마이크로파 처리하는 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 파래 기반 고체연료의 제조방법.
제16항에 있어서, 상기 자연 건조 시간은 1일 내지 4일이고 마이크로파 처리 시간은 1분 내지 5분인 것을 특징으로 하는 파래 기반 고체연료의 제조방법.
제15항에 있어서, 상기 최종 고체연료의 수분 함량은 전체 중량을 기준으로 15 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 파래 기반 고체연료의 제조방법.