KR20180096188A - 우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연료용 기능성 펠렛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연료용 기능성 펠렛에 관한 것으로, 펠렛 가공시 발생되는 우드 칩 미분, 목재 가공 부산물, 야자수 등의 부산물, 생활 쓰레기 부산물(씽크대, 장롱 등 가구) 등의 부산물 폐기 처분하지 않고 연료용 펠렛의 재료로 사용하고, 그러면서도 첨가제를 통해 연소 효율을 높여 불완전연소에 의한 클링커의 발생량을 줄이고, 탈황의 최적화를 통해 환경오염도 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛 제조 방법은, 연료 가공 시 발생되는 3~10mm 입도인 가연성의 부산물을 준비하는 제1단계와; 소듐 실리케이트 100중량부에 대하여 과산화수소 5~15중량부, 수산화나트륨30~45중량부, 붕사 15~35중량부, 망간 5~10중량부, 글리세롤 2~5중량부, 지방산 에스테르 1~3중량부, 계면활성제 2~5중량부, 표면에 연소유도층이 코팅된 다공성의 촉매 볼 10~30중량부로 이루어진 연소 첨가제를 준비하는 제2단계와; 상기 제1단계를 통해 준비한 부산물과 상기 제2단계에서 준비한 연소 첨가제 및 펠렛용 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제3단계와; 상기 제3단계를 통해 혼합된 혼합물을 펠렛으로 성형하는 제4단계로 이루어진다.

Description

우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연료용 기능성 펠렛{METHOD FOR FUEL PELLET USING WASTE AND, FUEL PELLET MADE BY THIS SAME}

본 발명은 각종 부산물[펠렛 가공시 발생되는 우드 칩 미분, 목재 가공 부산물, 야자수 등의 부산물, 생활 쓰레기 부산물(씽크대, 장롱 등 가구) 등]을 이용한 기능성 펠렛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우드 펠렛의 가공시 발생되는 부산물로서 우드 칩 미분, 목재 가공시 발생되는 톱밥 등의 부산물, 가구 등의 폐기나 재활용을 위한 가공시 발생되는 부산물, 야자수 잎 등의 부산물을 연료로 재활용하며, 연소 효율을 높여 연료 사용량과 클링커의 발생량을 줄여주고 아울러 일산화탄소, 질소산화물, 황산화물과 미연소물의 발생을 억제하며, 각종 소각용 폐기물의 완전연소화를 실현하고 더불어 폐기물 소각시 발생하는 각종 유해가스 분진 매연 등 대기환경오염물질 저감 매립용 폐기물 생성을 저감하는 우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연료용 기능성 펠렛에 관한 것이다.

최근, 천연가스나 석유 생산국의 자원무기화 및 가격의 상승으로 재래식 에너지로 뒷전에 밀려있던 석탄의 사용에 대한 관심이 증가되어 석탄을 연료로 하는 보일러, 각종 가열로의 사용이 증가되고 있다.

그러나, 석탄은 중유와 비교할 때, 소량의 휘발성 물질과 많은 양의 고정탄소와 실리카, 알루미나, 티타니아 등의 회분을 함유하고 있어, 연소성이 낮고 연소시 많은 양의 연료의 재가 발생된다. 즉, 석탄과 같은 회분 함량이 많은 재료를 연소할 경우, 보일러나 각종 가열로의 벽이나 바닥에는 상당량의 연료의 재인 회분이 침적되기 쉬어 운전상의 많은 문제점에 노출되어 있고, 완전연소가 어려워 연소 중에 인체에 해로운 유독가스가 배출되고 대기 오염원인 미세먼지 등이 배출되는 각종 부작용이 증대되고 있는 실정이다.

따라서, 이러한 단점을 개선하기 위해 다양한 수단들이 연구되어 왔다. 예를 들어, 광물유의 경우에는 유기금속이나 계면활성제, 각종 유기용매의 혼합물을 연료에 혼합, 첨가하여 단순히 연소 효율 만을 증대시키는 기술이 공지되어 왔다. 하지만, 이러한 연료 첨가제로는 연소시, 연료의 재인 클링커(clinker)가 보일러나 연소로 내에서 엉켜서 굳게 되는 슬래깅(slgging)현상을 억제하지 못해 스케일이 장기간 퇴적되어 또 다른 공해상의 문제를 유발하고 있다.

또한, 고체연료 특히 석탄류의 활발한 수요로 인해 대기오염, 산성비, 지구온난화 등의 환경문제가 심각하게 대두되고 있으며, 이에 따라 화석연료의 사용에 교토 의정서와 같이 범세계적인 규제가 가해지고 있다. 이에 따라, 청정연료의 개발뿐만 아니라, 고체연료를 완전 연소시켜 오염물질의 배출을 방지하고 열효율을 높여 사용량을 감소시킬 수 있는 연료 첨가제제에 대한 관심이 높아지고 있다.

한편, 최근 들어 석탄의 고갈현상에 따라 석탄을 대체하는 고체연료에 대한 기술이 개발되고 있으며, 예를 들어 가축분뇨 펠렛, 음식물과 생활 슬러지 펠렛, 우드 펠렛 등이 시판되고 있다.

한편, 목재 등을 재료로 하여 연료용 우드 펠렛을 제조하고 있으며, 이 과정에서 작은 입도의 부산물이 파생되는데, 종래에는 이들 부산물을 폐기 처분하고 있다. 즉, 고체연료의 제조시 파생되는 잔여물의 폐기를 위한 비용이 발생하고 이들로 인한 환경파괴도 발생되는 문제점이 있다.

특허문헌(대한민국 등록특허 제10-1390926호)은 가축 분뇨를 펠렛으로 제조하여 사용하는 배경기술을 알 수 있는 것으로, 사각의 프레임 형태로 제작되어 펠렛 제조장치의 전체하중을 지지하며, 상부 일측에 결합된 전동기를 이용해 상부호퍼와 하부호퍼 측으로 구동력을 전달하는 본체와; 상기 본체의 상부 일측으로 상부케이스를 통해 결합되어 상기 상부케이스로 투입되는 원료를 하부호퍼 측으로 공급하는 상부호퍼와; 상기 본체 상에서 상기 상부호퍼 하단으로 하부케이스를 이용해 상부호퍼와 상호 연결되게 결합되며, 상기 상부호퍼를 통해 공급된 원료를 상기 하부케이스 하단에 결합된 성형커버 측으로 안내하는 하부호퍼와; 상기 상부호퍼와 하부호퍼의 중앙측에 결합된 상태에서 상기 전동기와 상호 연결되어 제자리 회전되며, 상기 하부호퍼 측으로 공급된 원료를 상기 성형커버 측으로 강제 이송시켜 상기 성형커버에 관통된 배출공을 통해 원료를 압입하는 이송스크류와; 상기 하부호퍼의 일측에서 하부케이스의 내부로 관통결합되며, 전측에 핀 형태로 형성된 교반부를 통해 강제 이송되는 원료를 분쇄 및 혼합하여 상기 성형커버 측으로 이송되는 원료의 흐름을 지연하는 보조교반수단으로 구성된다.

특허문헌(공개특허 제10-1999-0037945호)은 소나무나 참나무, 아카시아,밤나무, 버드나무 등의 나무를 선택적으로 사용하여 다음 미세분말에 가까운 정도로 분쇄하고, 분쇄된 분말을 믹싱기로 믹싱하고, 믹싱기에서 믹싱된 분말을 항상 일정온도가 유지되는 압출기에 투입하고 이를 다이스를 통하여 고압성형된 압출물을 밀어내도록 하고, 압출기에서 압출되는 압출물은 뚜께가 5-6mm, 길이가 10-20mm의 팰렛으로 절단하며, 절단된 팰렛을 건조기 등을 통하여 저온 건조하는 공정으로 이루어진 것으로, 천연 나무를 원료로 하는 펠렛의 제조방법일 뿐, 연소 효율이 높지 못하고 폐기물을 이용하는 것은 아니다.

대한민국 등록특허 제10-1390926호 대한민국 공개특허 제10-1999-0037945호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 각종 부산물[펠렛 가공시 발생되는 우드 칩 미분, 목재 가공 부산물, 야자수 등의 부산물, 생활 쓰레기 부산물(씽크대, 장롱 등 가구)]을 폐기 처분하지 않고 연료용 펠렛의 재료로 재활용하고, 연소첨가제를 통해 연소 효율을 높여 불완전연소에 의한 클링커의 발생량을 줄이고, 탈황의 최적화를 통해 환경오염도 방지하는 우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연료용 기능성 펠렛을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛 제조 방법은, 연료 가공 시 발생되는 3~10mm 입도인 가연성의 생활쓰레기 분말을 준비하는 제1단계와; 소듐 실리케이트 100중량부에 대하여 과산화수소 5~15중량부, 수산화나트륨30~45중량부, 붕사 15~35중량부, 망간 5~10중량부, 글리세롤 2~5중량부, 지방산 에스테르 1~3중량부, 계면활성제 2~5중량부, 표면에 연소유도층이 코팅된 다공성의 촉매 볼 10~30중량부로 이루어진 연소 첨가제를 준비하는 제2단계와; 상기 제1단계를 통해 준비한 생활쓰레기 분말과 상기 제2단계에서 준비한 연소 첨가제 및 펠렛용 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제3단계와; 상기 제3단계를 통해 혼합된 혼합물을 펠렛으로 성형하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 연료용 기능성 펠렛에 의하면, 펠렛 가공시 발생되는 우드 칩 미분, 목재 가공 부산물, 야자수 등의 부산물, 생활 쓰레기 부산물(씽크대, 장롱 등 가구)과 연소첨가제와의 혼합을 통해 고연소율의 펠렛을 제조하여 완전연소를 유도함으로써 보일러의 내구성을 향상함과 아울러 연료 사용량의 감소를 통해 비용을 절감하는 효과가 있고, 아황산산가스의 배기량을 줄여 대기 환경오염을 방지하는 효과도 있으며, 특히 종래 폐기 처분하던 우드 칩 미분 등의 각종 부산물의 재활용을 통해 폐기 처분을 위한 비용을 절감하고 환경오염을 줄이는 효과가 있다.

본 발명에 의한 우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛 제조 방법은 다음과 같다.

1. 재료 준비.

본 발명의 펠렛은 분말의 폐기 부산물, 연소 첨가제, 펠렛용 바인더를 재료로 한다. 바람직하게, 부산물은 미분으로 가공되어 사용된다.

가. 미분의 부산물.

미분의 폐기 부산물은 가연성인 부산물의 분쇄를 통해 얻어진다. 여기서 부산물은 펠렛 가공시 발생되는 우드 칩 미분, 목재 가공 부산물, 야자수 등의 부산물, 생활 쓰레기 부산물(씽크대, 장롱 등 가구)이다. 예를 들어 우드 칩 펠렛의 제조시 우드 칩 미분의 부산물이 발생되는데, 종래 이 우드 칩 미분은 폐기물이다. 즉, 본 발명은 종래 펠렛의 제조시 발생되는 부산물을 폐기하지 않고 이용하는 것이다.

부산물은 3 ~ 10mm 입도로 발생되고, 분쇄를 통해 미분의 부산물로 가공되는 것이다. 미분의 부산물은 70 마이크로미터 ~ 120 마이크로미터의 입도이다.

부산물을 그대로 사용하는 경우 고효율의 펠렛으로 제조하는 것이 어려우며, 본 발명은 부산물로 연소 효율이 높은 펠렛을 제조하기 위하여 부산물을 미분으로 가공한 것이다.

나. 연소 첨가제.

연소 첨가제는 소듐 실리케이트 100중량부에 대하여 과산화수소 5~15중량부, 수산화나트륨30~45중량부, 붕사 15~35중량부, 망간 5~10중량부, 글리세롤 2~5중량부, 지방산 에스테르 1~3중량부, 계면활성제 2~5중량부, 표면에 연소유도층이 코팅된 다공성의 촉매 볼 10~30중량부를 조성으로 한다.

소듐실리케이트는 실리카(SiO2 ： 60.08) 28.0~38.0% 및 산화나트륨(Na2O : 61.98) 9.0~19.0%를 함유하며, 알카리화합물 및 알콜계 유기화합물을 녹일 수 있으며, 열분해에 의해 물유리성분으로 변화되어 클링커의 발생을 감소 및 억제시킨다.

과산화수소는 연소 온도를 높여 미연소물을 극소화함과 아울러 산소를 방출하여 연소를 도와주며 5중량부 이하는 연소 온도 상승과 산소 방출양이 적어 연소 효과가 약하고 15중량부 이상은 연소 효과에 큰 변화가 없다.

수산화나트륨은 강염기로서 연소 촉진 역할을 하며 30중량부 이하는 연소 촉진의 효과가 없고 45중량부 이상은 연료의 융점이 낮아져 클링커 발생량이 증가한다.

붕사는 연소 온도를 높여 미연소물을 극소화함과 아울러 산소 방출을 통해 연소를 촉진하여 연소를 도와주며 또한 알칼리이온을 통해 황을 제거하는 것도 가능하고 1중량부 이하는 연소 촉진 효과와 탈황 효과가 미약하고 10중량부 이상은 융점을 낮춰 연소효과를 떨어뜨린다.

망간은 230~250메쉬 입도로서 연소 촉진과 황 제거 역할을 하며 5중량부 이하는 탈황효과가 미비하고 10중량부 이상은 융점을 낮춰 연소 효과를 떨어뜨린다.

산소수는 산소를 공급하여 연소 촉진을 통해 연소 효율을 높이며 10중량부 이하는 산소 공급량이 적어 연소 효율을 높이지 못하고 50중량부 이상은 다른 재료와의 불균형에 의해 탈황 등의 효과가 낮아진다. 산소수는 필수적으로 적용되지 않고 필요에 따라 선택적으로 사용된다.

글리세롤과 지방산 에스테르는 연소 촉진을 위하여 사용되며 상기 범위를 벗어나면 연소 촉진 효과가 낮다.

계면활성제는 고형분의 침전방지, 분산성 향상 및 균일한 혼합을 위하여 사용되며 상기 범위를 벗어나면 고형분의 침전과 분산성 효과가 떨어진다.

지방산 에스테르는 식물성 기름으로서 연소 효율을 높여주며 1~3중량의 범위를 통해 다른 재료와의 조화를 이루어 연소효율을 높여준다.

다공성의 촉매 볼은 연소 촉진과 지연 모두가 가능하도록 구성되며, 예를 들어 직경 5~10mm 입도(펠렛의 크기에 따라 달라질 수 있음)인 다공성의 제올라이트로 구성되는 볼 본체, 상기 볼 본체의 기공 안에 함침(표면에 막을 형성하는 것도 가능함)되는 식물성 유지, 상기 볼 본체의 표면(상기 촉매 볼 표면에 식물성 유지가 막을 형성한 경우 이 식물성 유지 막의 표면)에 막을 형성하여 식물성 유지를 보호함과 아울러 연소를 지연시키는 연소유도층으로 구성된다.

상기 볼 본체는 다공성의 제올라이트로서 내부의 기공 속에 식물성 유지가 함침되어 연소를 돕는다. 식물성 유지의 함침 방법은 상기 볼 본체를 식물성 유지에 담궈 식물성 유지가 침지되도록 하는 방법, 상기 볼 본체에 식물성 유지를 스프레이하는 방법 등이 가능하다.

상기 볼 본체는 제올라이트로 한정되지 아니하고 황토 등 세라믹도 가능하다.

상기 연소유도층은 보호연소층과 연소지연층으로 구분된다.

상기 보호연소층은 상기 볼 본체 함침된 식물성 유지의 탈리를 막아 보호하되, 일정 시간 후에는 자신이 연소되어 상기 볼 본체의 표면이 연소공간에 노출되도록 함으로써 상기 볼 본체가 연소되도록 하는 것이며, 따라서 석탄재(바닥재와 비산재 모두 가능)가 바람직하고, 상기 볼 본체의 표면에 예를 들어 0.5~1.0mm의 두께로 코팅되며 첨가제용 바인더(수용성)를 통해 코팅될 수 있다(석탄재 100중량부에 대하여 첨가제용 바인더 5~10중량부 혼합. 이와 같이 폐기물인 석탄재를 사용함으로써 폐기물의 처리 비용을 절감하고 석탄재에 의한 환경오염을 방지하는 효과가 있다.

상기 연소지연층은 통상의 연소 지연제가 사용되며 상기 보호연소층과 마찬가지로 첨가제용 바인더에 의해 코팅(예를 들어 0.5~1.0mm)으로 형성된다. 상기 연소지연층은 연소의 지연을 통해 상기 볼 본체가 다른 재료들이 연소되는 중에 연소가 시작되도록 함으로써 연소 시간을 길게 하는 효과가 있다.

여기서, 상기 연소 지연층에 의한 지연효과를 도모하면서도 상기 보호연소층의 연소가 가능하도록 상기 연소 지연층에는 하나 이상의 홀이 구비된다.

상기 홀은 상기 보호연소층과 연소공간이 통하도록 하는 공간이며, 따라서 화염이 상기 홀을 통해 상기 보호연소층에 전달되어 상기 보호연소층이 연소되므로 상기 연소 지연층에 의한 지연시간을 단축하는 효과가 있다.

상기 촉매 볼은 10~30중량부를 벗어나면 연소 촉진 등의 효과가 약하다.

다. 펠렛용 바인더.

펠렛용 바인더는 미분의 부산물과 연소첨가제를 바인딩하여 펠렛으로 제조하기 위한 것으로, 펠렛의 제조를 위하여 사용되고 있는 다양한 제품이 사용 가능하므로 구체적인 설명을 생략한다.

2. 재료 혼합.

미분의 부산물 100중량부에 대하여 연소 첨가제 0.1 ~ 5 중량부, 바인더 5 ~ 20중량부를 혼합한다.

연소 첨가제가 0.1 ~ 5 중량부를 벗어나면 연소효율이 떨어지거나 미분의 부산물과의 조화가 약하고, 바인더가 5 중량부보다 적으면 바인딩 효과가 약하여 펠렛의 강도가 떨어지는 한편 펠렛의 취급(보관, 운반 등) 과정에서 부서짐이 발생하고 20 중량부를 초과하면 작업성이 떨어진다.

3. 펠렛 성형.

혼합물을 공지의 펠렛 타이저에 넣고 펠렛을 성형한다. 펠렛의 성형시 소량의 산성수가 사용될 수 있다. 성형된 펠렛은 건조(90 ~ 110℃의 온도로 20 ~ 24시간의 강제 건조 또는 상온에서 1 ~ 2일 자연 건조) 후 냉각(예를 들어 상온에서 24시간)을 거쳐 보관된다.

<실시예>

1. 조성(중량비)

미분의 부산물(우드 칩 미분) 100 중량부, 연소 첨가제 3 중량부, 바인더 5 중량부를 조성으로 한다.

연소 첨가제의 조성은 다음과 같다.

연소 첨가제	소듐 실리케이트	과산화수소	수산화나트륨	붕사	망간	글리세롤	지방산에스테르	촉매볼
혼합비	100	10	30	10	5	3	3	5

2. 펠렛화.

미분의 부산물과 연소 첨가제 및 바인더를 혼합기에 넣어 혼합한 후 펠렛타이저에 투입하여 펠렛(6 ~ 12mm)으로 제조하였다.

본 실시예에 의한 펠렛과 기존 연료(우드 펠렛)를 사용한 비교예와 동일한 조건(동일 용량의 보일러, 동일 기간 )에서 연소 시험을 하였으며, 시험 결과 본 실시예는 4,500 ~ 5,000㎉/1㎏의 발열량으로 측정되었다(우드 펠렛의 발열량 4,500㎉/1㎏).

Claims (4)

1. 3~10mm 입도인 가연성의 부산물을 준비하는 제1단계와;
   소듐 실리케이트 100중량부에 대하여 과산화수소 5~15중량부, 수산화나트륨30~45중량부, 붕사 15~35중량부, 망간 5~10중량부, 글리세롤 2~5중량부, 지방산 에스테르 1~3중량부, 계면활성제 2~5중량부, 표면에 연소유도층이 코팅된 다공성의 촉매 볼 10~30중량부로 이루어진 연소 첨가제를 준비하는 제2단계와;
   상기 제1단계를 통해 준비한 부산물과 상기 제2단계에서 준비한 연소 첨가제 및 펠렛용 바인더를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제3단계와;
   상기 제3단계를 통해 혼합된 혼합물을 펠렛으로 성형하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1단계는 연료 가공 시 발생되는 3~10mm 입도의 부산물을 미분으로 분쇄하여 준비하는 것을 특징으로 하는 우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛 제조 방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 촉매 볼은 다공성의 제올라이트로서 내부의 기공에 식물성 유지가 함침된 볼 본체를 포함하고, 상기 연소유도층은 상기 볼 본체의 표면에 석탄재가 접착되어 이루어지며 상기 볼 본체에 함침된 식물성 유지를 보호하다가 연소되어 상기 볼 본체에서 제거되는 보호연소층 및 상기 보호연소층 표면에 연소 지연제의 코팅으로 형성되며 연소를 지연시키는 연소 지연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛 제조 방법
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 것을 우드 칩 미분을 포함하는 각종 폐기 부산물을 이용한 연료용 기능성 펠렛.