KR20190115349A - 우분을 이용한 고체연료의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 우분을 이용한 고체연료의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 우분의 악취를 제거하기 위하여 우분에 부식산을 첨가하여 악취를 1차 감소시키는 단계; 우분에 왕겨, 호두껍질 분말 및 전분을 첨가하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물에 흑연분말, 산화제2철 및 수산화 마그네슘을 첨가하여 성형성을 제고하며 수분함량을 조절하고, 수분함량이 조절된 혼합물에 숯가루, 견운모, 제오라이트 및 송진을 첨가하고 혼합하여 악취를 2차 제거하며 성형에 적합한 점도로 조절하고, 점도가 조절된 혼합물을 성형하는 단계를 포함하는 우분을 이용한 고체 연료의 제조방법에 관한 것이다.

Description

우분을 이용한 고체연료의 제조방법 {MANUFACTURE METHOD FOR SOLID FUEL USING DUNG OF CATTLE}
본 발명은 우분을 이용한 고체연료의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 우분의 악취를 저감시키고, 성형성이 우수하며, 연소효율이 높은 고체연료의 제조방법에 관한 것이다.
최근 식생활문화의 변화로 인하여 육류 소비가 증가하고 있다. 축산농가에서 사육되는 가축두수는 2010년에 208,274,000두이었으나, 2015년에는 236,846,000두로 증가하였다. 이에 따른 가축분뇨 발생량은 135,653㎥/일 에서 173,304㎥/일 로 증가하였다. (환경부, 가축분뇨 처리통계)
축산농가에서 사육되는 가축으로부터 배설되는 분뇨는 상당한 양이며, 축산농가들은 분뇨의 처리에 많은 곤란을 겪고 있다. 또한, 가축분뇨는 수질오염원 중 가장 중요한 비점오염원으로 관리되고 있다. 그러나, 처리시설을 갖추지 않고 소규모의 전통방식으로 사육하는 가구는 무단 방출하여 환경을 오염시키고 있는 상태이다. 또한, 분뇨를 제대로 처리하지 않거나, 처리가 늦어지는 경우 심각한 악취가 발생되므로 축산농가들은 주변의 민원을 받고 있는 실정이다.
한편, 가축분뇨를 활용하기 위한 방법으로, 다양한 방법들이 시도되고 있다. 고형성분의 퇴비화처리, 액체성분의 정화처리 등은 이미 많이 이루어지고 있는 방법이다. 그러나 상기 방법은 시간 및 노력이 많이 수반되어야 하는 작업으로 해양배출 등에 의존하는 농가들도 있다.
그러나, 폐기물 해양배출 관련 국제협약에 의해 정부에서 폐기물 해양배출감소 정책을 고려하고 있어 더 이상 해양 배출이 어려움을 감안한다면 축사에서 발생되는 가축분뇨의 처리를 위한 새로운 방법이 필요하다.
이에 본 출원인은 본 발명을 통해 가축분뇨에 의한 수질오염을 줄이고, 양질의 고체연료를 제조함으로써 가축분뇨의 처리를 원활하게 하고자 한다. 다양한 축산 분뇨 중에서도 우분(牛糞)을 이용하여 고형연료를 제조하는 방법을 안출하였다.
이하, 선행기술을 살펴보면 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0031434호에는 돼지 분뇨를 이용한 바이오연료 제조장치에 대해 기재되어 있다. 돼지의 분과 뇨를 분리하여 돼지 분은 고체연료로 만들고, 돼지 뇨는 액상의 화석연료와 혼합하여 유화유로 생산하는 것에 대해서 기재되어 있다.
그러나, 우분(소의 분)과 돼지 분은 성분이 상이하고, 상기 선행기술에서 돼지 분을 고체연료로 만드는 방법에 대해서는 단순히 건조하여 성형하는 것에 대해서만 기재하고 있는 바, 축분을 고체연료로 제조하여 사용할 때, 고체연료의 효율을 높이기 위한 방법 및 악취를 제거하기 위한 방법이 요구된다.
1. 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0031434호 (2017.03.21.)
본 발명의 기술적 과제는 가축사육두수의 증가로 과도하게 발생되는 우분을 재활용하여 고체연료로 활용할 수 있는 우분을 이용한 고체연료의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 우분의 악취를 감소시켜 고체연료의 보관 및 활용이 용이한 고체연료의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 우분을 주재료로 이용하면서도 연소효율이 높은 고체연료의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 우분을 이용한 고체연료의 제조방법은, 우분을 수거하여 교반기에 투입하고 교반하는 단계; 교반기의 우분을 선별기로 이송한 후 협잡물을 분리하여 제거하는 단계; 협잡물이 제거된 우분에 부식산을 첨가하여 악취를 1차 감소시키는 단계; 악취가 감소된 우분에 왕겨, 호두껍질 분말 및 전분을 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물에 흑연분말, 산화제2철 및 수산화 마그네슘을 첨가하여 성형성을 제고하고 수분함량을 조절하는 단계; 수분함량이 조절된 혼합물에 숯가루, 견운모, 제오라이트 및 송진을 첨가하고 혼합하여 악취를 2차 제거하며 성형에 적합한 점도로 조절하는 단계; 및 점도가 조절된 혼합물을 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 혼합물은, 우분 70~100중량부, 왕겨 5~20중량부, 호두껍질 3~10중량부 및 전분 1~5중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 수분함량을 조절하는 단계는, 상기 혼합물 100중량부에 흑연분말 1~5중량부, 산화제2철 1~5중량부 및 수산화 마그네슘 0.1~1중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 성형에 적합한 점도로 조절하는 단계는, 상기 수분함량이 조절된 혼합물 100중량부에 숯가루 1~3중량부, 견운모 0.1~1중량부, 제오라이트 0.1~1중량부 및 송진 0.5~3중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 우분을 이용한 고체연료의 제조방법은 우분과 왕겨, 호두껍질과 같은 재활용 되기 어려운 소재들을 재활용하여 사용하되, 연소효율이 높은 고체연료를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 고체연료에서 분료의 악취가 나지 않고, 성형성이 우수하여 미분이 날리지 않으므로, 고체연료의 보관이 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 우분을 이용한 고체연료의 제조방법의 흐름도이다.
이하 본 발명을 도면과 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.
본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예, 참조예 및 도면에 기술된 사항은 본 발명의 가장 바람직한 일 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에서는 우분(牛糞)을 이용하여 고체연료로 제조하여, 처리되지 못한 우분의 과도한 발생에 따른 악취 및 수질오염 등을 해결할 수 있으며, 우분과 함께 왕겨 및 호두껍질 분말을 사용함으로써, 고체연료의 효율을 높이고 쌀을 수득하고 남은 왕겨와 호두를 수득하고 남은 껍질을 재활용하는 효과가 있다.
또한, 우분의 악취를 제거하는 방법으로 부식산을 사용하여 1차로 악취를 감소시킨 후, 호두껍질 분말, 숯가루, 견운모, 제오라이트 및 송진을 사용하여 고체연료 제조 후 우분에 의해 발생할 수 있는 악취를 제거함으로써 보관 및 사용이 용이한 고체연료를 제공할 수 있다.
실시예 1. 우분을 이용한 고체연료 제조방법
1) 우분을 수집하여 교반 및 협잡물을 분리하는 단계
축산 농가에서 발생한 우분을 수거하여 교반기에 넣고 교반하여, 덩어리지는 부분없이 수집된 우분이 고른 밀도를 갖도록 한다. 교반된 우분을 선별기로 이송하여 협잡물을 분리하고 제거한다.
2) 우분의 악취를 감소시키는 단계
협잡물이 제거된 우분에 부식산을 첨가하고 교반하여 우분의 악취를 감소시킨다. 부식산을 유기질 폐기물에 첨가하면 부족한 고정탄소를 보강함과 동시에 악취를 제거할 수 있다. 부식산은 유익미생물에 인산 및 탄소를 공급함으로써 미생물이 군집을 이룬 상태에서 활성을 증진시키도록 하여 짧은 시간에 미생물의 밀도를 증진시킬 수 있다. 부식산이 유익미생물을 증진 시키게되면 상기 유익미생물이 효소를 다량 증산하게 되는데, 다량 증산된 효소에 의해 악취발생 물질이 분해됨으로써 악취가 소멸되게 된다.
이때, 협잡물이 제거된 우분 100중량부에 첨가되는 부식산은 1~5중량부인 것이 바람직하다.
3) 우분의 혼합물을 제조하는 단계
악취가 감소된 우분에 왕겨, 호두껍질 분말 및 전분을 첨가하여 혼합물을 제조한다. 상기 혼합물은 우분 70~100중량부, 왕겨 5~20중량부, 호두껍질 3~10중량부 및 전분 1~5중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
왕겨와 호두껍질은 각각 쌀 및 호두를 수득하고 남은 부산물로 활용할 곳이 마땅치 않아 땅에 묻는 등 버려지는 물질로 우분과 함께 고체연료로 재활용하여 상고체연료의 발열량을 높이며, 우분의 함수량을 감소시킬 수 있다. 또한, 축산농가에서 구하기 쉬운 왕겨를 포함함으로써 안정된 발열량 및 경제성을 함께 확보할 수 있다.
호두껍질은 일반적인 나무에 비해 경도가 높은편이고, 고유의 향을 발생하므로 우분과 혼합시에 성형성을 제고하며 악취를 감소시키는 효과가 있다.
여기서 호두껍질은 껍질과 먹을 수 있는 알맹이를 분리한 순수한 껍질을 사용하며, 호두껍질 분말로 만들었을 때, 점성을 증가하기 위하여 이황화탄소로 반응하는 과정을 포함할 수 있다. 이때, 이황화탄소로 반응시킨 후, 상온에서 수산화나트륨 수용액으로 2~5회 세척하는 단계를 포함함으로써, 중화 및 탈황처리를 하여 이황화탄소의 잔류독성을 제거할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 호두껍질 분말은 50~100mesh로 분쇄하는 것이 바람직하다.
전분은 고체연료의 주재료인 우분과 왕겨 및 호두껍질의 결합에 접착력을 제공하여 응집성을 증진시킬 수 있으며, 우분의 함수율을 낮추는 역할을 한다.
4) 혼합물의 성형성을 제고하며 수분함량을 조절하는 단계
혼합물에 흑연분말, 산화제2철 및 수산화 마그네슘을 첨가하여 별도의 건조과정 없이도 수분함량을 성형에 적합하도록 한다.
바람직하게 혼합물 100중량부에 첨가되는 흑연분말 1~5중량부, 산화제2철 1~5중량부 및 수산화 마그네슘 0.1~1중량부인 것이 바람직하다.
또한, 흑연분말, 산화제2철 및 수산화 마그네슘은 분말타입으로 혼합물의 수분함량을 조절하는 기능뿐만 아니라, 흑연분말은 주요 구성성분이 탄소로 우분의 연소를 촉진할 수 있는 역할을 하며, 산화제2철은 교반기에 의해 혼합시 마찰열을 발생시켜 연소효율을 상승시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 수산화 마그네슘 또한 연소효율을 상승시킬 수 있다.
우분의 수분함량을 조절하고 연소효율을 높이기 위하여 흑연분말, 산화제2철 및 수산화 마그네슘을 포함하나 과도하게 포함될 경우 연소효율은 상승되나 경제적이지 못하게 되므로 적정량만을 포함하는 것이 바람직하다.
5) 혼합물의 악취를 제거하며 성형에 적합한 점도로 조절하는 단계
고체연료의 보관 및 사용이 용이하도록 혼합물에서 나는 악취를 온전히 제거하기 위하여 숯가루, 견운모, 제오라이트 및 송진을 첨가하고 교반하는 과정을 진행한다.
여기서, 송진은 악취를 제거할 뿐만 아니라 특유의 끈적끈적한 점도로 혼합물의 점도를 증가시킴으로써 성형을 용이하게 하며, 발열량을 높일 수 있는 효과가 있다. 또한, 악취를 감소하기 위해 첨가되는 분말들을 혼합물과 균일하게 결합될 수 있도록 하여 연소효율을 높일 수 있다.
숯가루는 숯을 100~300mesh로 분쇄한 것이며, 숯은 탈취효과가 있을 뿐만 아니라 본래 연료로 사용되던 것으로 연소시의 온도를 1200℃까지 올릴 수 있는 소재로 혼합물에 첨가하여 우분의 악취를 제거하고 고체연료의 효율성을 높이는데 도움이 될 수 있다.
견운모 및 제오라이트는 광물로 100~300mesh로 분쇄된 것을 사용하며, 견운모는 탈취기능을 가진 광물로 금속성분에 의한 유기성분의 악취를 분해하는 효과가 있다. 제오라이트는 혼합물에 포함된 질소를 제거하는 효과가 있다.
바람직하게 상기 수분함량이 조절된 혼합물 100중량부에 숯가루 1~3중량부, 견운모 0.1~1중량부, 제오라이트 0.1~1중량부 및 송진 0.5~3중량부를 첨가하고 교반한다.
6) 점도가 조절된 혼합물을 성형하는 단계
점도가 조절된 혼합물을 성형기를 이용하여 성형한다. 혼합물의 성형은 통상의 성형기를 사용할 수 있으며 바람직하게 압축 성형기를 사용할 수 있다. 또한, 압축성형은 70~80℃에서 수행할 수 있다. 이에 따라 성형 후 굳기가 단단하여 충격에 의해 미분이 발생하지 않아 보관이 편리한 고체연료를 제조할 수 있다.
성형 후의 고체연료의 형태는 브리켓(brquet) 및 펠릿(pellet)의 형태로 형성될 수 있다.
실험예 1. 연소효율 및 탈취효율 평가
본 발명의 실시예에 따른 고체연료의 효과를 확인하기 위하여 아래 표 1과 같은 비율로 각 구성성분을 이용하여 실시예 1에 기재된 방법에 따라 제조하였다. 표 1에서의 단위는 모두 중량부이다. (A 분말은 흑연분말, 산화제2철, 수산화 마그네슘이 각각 1:1:0.2 의 비율로 혼합된 것이며, B 분말은 숯가루, 견운모, 제오라이트가 각각 1:0.5:0.3 의 비율로 혼합된 것이다.)
우분 부식산 왕겨 전분 호두껍질분말 A
분말		 B
분말		 송진
실시예 1 80 5 12 5 5 3 2 1
비교예 1 80 - 12 5 5 3 2 1
비교예 2 80 5 12 5 - 3 2 1
비교예 3 80 5 12 5 5 - 2 1
비교예 4 80 5 12 5 5 3 - -
비교예 5 80 5 12 5 5 3 2 -
상기 표 1에 따라 제조된 각각의 고체연료에 대하여 연소효율 및 탈취효율을 평가하였다.
[연소효율 평가결과]
연소효율을 평가하기 위해, KS E 3707:2001에 따른 저위발열량을 측정하였다. 또한, 연소지속시간을 확인하기 위하여 고체연료가 착화된 때로부터 연소될 때까지의 시간을 측정하였다. 연소되는 시점은 연소로의 입구에서 50cm 떨어진 위치에 온도계를 두고 온도가 감소하는 시간을 연소되는 시점으로 설정하였다.
그 결과는 하기 표 2와 같으며, blank는 우분만으로 측정한 것이다.
연소지속시간(min/kg) 발열량(kJ/g)
blank 48 16.1
실시예 1 88 21.2
비교예 1 87 21.0
비교예 2 80 18.6
비교예 3 79 18.3
비교예 4 81 19.2
비교예 5 83 19.5
표 2를 살펴보면, 실시예 1에서 연소지속시간이 가장 길며 우분만을 연료로 사용하였을 때 보다 연소효율이 대폭 향상된 것을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 1 내지 5의 발열량이 18 내지 21kJ/g으로 높게 나타났으나, 호두분말을 포함하지 않은 비교예 2의 발열량이 실시예 1 보다는 낮게 나타났으며, 흑연분말, 산화제2철, 수산화 마그네슘이 포함되지 않은 비교예 2 및 숯가루, 견운모 제오라이트가 포함되지 않은 비교예 3도 실시예 1의 고체연료보다 발열량이 낮게 나타났다.
즉, 우분과 호두 분말, 흑연분말, 산화제2철, 수산화 마그네슘, 숯가루, 견운모, 제오라이트 및 송진이 함께 포함됨으로써 연소지속시간이 길어지고 발열량이 상승되는 것으로 판단된다.
[탈취효율 평가결과]
다음으로, 탈취효율을 평가하기 위해 1kg의 고체연료를 밀폐용기에 넣고 내부의 암모니아 농도를 측정하였다. 암모니아 농도의 측정은 5% 황산용액이 10ml 담긴 임핀저(impinger)와 실리카겔 100g이 담긴 트랩을 흡입펌프에 폴리에틸렌 재질의 흡입관으로 연결한 후 밀폐용기 내의 공기 시료를 채취하였다. 이때 흡입펌프의 유량은 18 내지 20ℓ/min이며, 시료 채취는 10 내지 20분 동안 실시하였다. 흡수액 내 형성된 암모늄 이온을 이온 크로마토그래피로 분석한 후 암모늄 이온 농도를 암모니아 농도로 환산하였다. 측정 시료는 0일, 5일, 10일, 20일, 30일에 채취하였으며, 그 결과는 표 3과 같다. 표 3에서 암모니아 농도의 단위는 ppm이며, blank는 우분만으로 측정한 결과이다.
0일 5일 10일 20일 30일
blank 1.3 13.5 18.1 28.1 39.2
실시예 1 0 1.1 1.7 1.9 1.9
비교예 1 0.9 5.4 6.4 7.2 8.3
비교예 2 0 2.2 2.5 2.5 2.6
비교예 3 0 1.2 1.8 2.0 2.1
비교예 4 0 2.1 2.3 2.4 2.5
비교예 5 0 1.5 1.9 2.1 2.3
표 3를 살펴보면, 실시예 1이 가장 우수한 탈취효능을 보유한 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 1과 동일하게 제조되었으나, 부식산을 첨가하여 악취를 감소시키는 과정을 수행하지 않은 비교예 1은 0일차에도 악취가 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 탈취기능을 위해 투입된 호두껍질 분말, B분말(숯가루, 견운모, 제오라이트) 및 송진이 포함된 비교예 3이 실시예 1에 가까운 탈취효능을 보유한 것을 알 수 있다.
즉, 부식산을 첨가하여 악취를 1차적으로 감소시키고, 호두껍질 분말, 숯가루, 견운모, 제오라이트 및 송진을 고체연료의 재료로 포함함으로써 우분의 악취를 제거한 고체연료를 제조할 수 있는 것을 알 수 있다.
한편, 송진이 포함되지 않은 비교예 4 및 5는 고체연료를 보관하고 이송시에 미분이 발생하여 보관에 어려움이 생기는 것으로 나타났다.
따라서, 우분을 이용한 고체연료 제작시 본 발명의 실시예와 같은 제조방법으로 제조하여 고체연료의 연소효율을 높이되, 우분에서 나는 냄새를 제거하고 이송시에 미분이 발생하지 않아 보관이 용이한 고체연료를 제조할 수 있다.

Claims (4)

  1. 우분을 수거하여 교반기에 투입하고 교반하는 단계;
    교반기의 우분을 선별기로 이송한 후 협잡물을 분리하여 제거하는 단계;
    협잡물이 제거된 우분에 부식산을 첨가하여 악취를 1차 감소시키는 단계;
    악취가 감소된 우분에 왕겨, 호두껍질 분말 및 전분을 첨가하여 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 혼합물에 흑연분말, 산화제2철 및 수산화 마그네슘을 첨가하여 성형성을 제고하고 수분함량을 조절하는 단계;
    수분함량이 조절된 혼합물에 숯가루, 견운모, 제오라이트 및 송진을 첨가하고 혼합하여 악취를 2차 제거하며 성형에 적합한 점도로 조절하는 단계; 및
    점도가 조절된 혼합물을 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 우분을 이용한 고체연료의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합물은,
    우분 70~100중량부, 왕겨 5~20중량부, 호두껍질 3~10중량부 및 전분 1~5중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 우분을 이용한 고체연료의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 수분함량을 조절하는 단계에서,
    상기 혼합물 100중량부에 흑연분말 1~5중량부, 산화제2철 1~5중량부 및 수산화 마그네슘 0.1~1중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는, 우분을 이용한 고체연료의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 성형에 적합한 점도로 조절하는 단계에서,
    상기 수분함량이 조절된 혼합물 100중량부에 숯가루 1~3중량부, 견운모 0.1~1중량부, 제오라이트 0.1~1중량부 및 송진 0.5~3중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는, 우분을 이용한 고체연료의 제조방법.

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