KR20210119096A

KR20210119096A - 천연 섬유를 포함하는 펠렛 타입의 신재생연료 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20210119096A
Application number: KR1020200035533A
Authority: KR
Inventors: 안병로
Original assignee: 안병로
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-10-05

Abstract

천연 섬유를 포함하여 가정용 난방재료, 열병합발전용 연료, 상업용 건물의 사우나실 등 스팀발생용 연료로 사용할 수 있는 천연 섬유를 이용한 펠렛 타입의 신재생연료를 제공한다.

Description

천연 섬유를 포함하는 펠렛 타입의 신재생연료 및 이의 제조방법{PELLET TYPE NOVEL RECYCLED FUEL COMPRISING NATURAL FIBERS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 펠렛 타입의 신재생연료에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 천연 섬유를 포함하여 가정용 난방재료, 열병합발전용 연료, 상업용 건물의 사우나실 등 연료로 사용할 수 있는 천연 섬유를 이용한 펠렛 타입의 신재생연료에 관한 것이다.

오늘날 전 세계 에너지 소비는 석유 33.6%, 석탄 29.6%, 천연가스 23.8%, 원자력 5.2% 재생에너지 1.3%의 비중으로 구성되는데, 화석연료가 92.2%로 압도적이다. 화석연료는 지질시대에 땅속에 묻혀 화석같이 굳어져 오늘날 연료로 이용하는 물질이다. 대지나 바닷속에서 자라는 식물 대부분은 광합성 작용을 통해 포도당을 만들어 내고, 그렇게 만들어진 식물들이 먹이사슬을 통해 동물들의 살을 찌운다. 이러한 식물이나 동물들이 대량으로 땅속에 묻혀 탄화 과정을 거치면 석탄이나 석유가 되는 것이다. 인류는 짧게는 수천만 년, 길게는 수억 년에 걸쳐 만들어진 석유와 석탄을 아주 짧은 시간에 써 버리고 있다. 화석연료가 급격히 감소하는 것도 문제이지만, 화석연료가 기후변화에 영향을 미쳐 지구온난화가 가속화되는 등 환경문제를 일으키는 것도 매우 심각하다.

한편, 1970년대 석유파동 이후에는 적은 비용으로 고효율의 에너지를 얻을 수 있고 오염 물질 배출이 비교적 적은 원자력 에너지가 각광을 받았다. 하지만 체르노빌 원자력 발전소의 원자로 폭발 사고와 후쿠시마 원전 사고는 방사성 폐기물 처리 기술과 안정성의 문제를 야기시켜 원자력 에너지에 대한 회의를 품게 하였다.

결국 지속 가능한 에너지 생산과 소비를 위해서는 환경에 무해하고, 안전하면서도 재생이 가능한 에너지를 개발하는 데에 눈을 돌려야 한다. 그래서 오늘날 우리는 땅속에 갇힌 에너지가 아닌, 지구에서 실시간 만들어지는 에너지를 이용하려고 노력하고 있다. 거기에는 태양열과 태양광이 있으며, 수력, 풍력, 파력 등이 있다. 한편, 최근 목질계 원료를 분쇄하여 형성된 톱밥과 기름을 혼합하여 제조된 펠렛 타입의 신재생 연료는 에너지 보존 및 재활용에 있어서 매우 각광받고 있다.

그러나, 이러한 펠렛 타입의 신재생 연료는 화석연료를 대체하는 대체 연료로 사용되고는 있으나, CO₂, 메탄(CH₄)등의 온실 가스를 배출하여 2차 환경오염이 야기되는 문제가 있다.

한편, 펠렛의 주원료인 톱밥은 제재소, 건축공사장에서 발생·배출되는 목재, 합판, 폐가구 등 폐기물에 얻을 수 있어 에너지 보존 및 재활용이라는 관점에서 매우 유익한 수단이나, 현재 국내 펠렛 제조시 사용되는 톱밥 소비량의 약 2/3는 해외로부터의 수입에 의존하고 있는 실정이다. 이러한 수입 목재들을 가공하거나 건축자재로 사용 후 폐기되는 목재 부산물은 해마다 대량으로 발생하고 있으며 그 대부분은 소각하거나 쓰레기 매립장에 폐기하고 있어 부족한 쓰레기 매립장의 감소요인이 되고 있다. 또한 나무 수령이 20~30년이 지난 수목은 정상적인 성장을 위해 간벌해주어야 하며, 이 과정에서 발생하는 간벌재는 엄청난 양에 이르고 있으나 수송비용을 상쇄할 수 있는 적당한 사용용도를 찾지 못하여 그대로 방치해두고 있는 상황이다.

따라서, 본 발명의 상기한 실정을 고려하고 종래 기술들에서 야기되는 여러 가지 결점 및 문제점들을 해결하고자 하는 것으로서, 그 목적은 지금까지 펠렛 타입의 신재생연료에 적용되지 않던 천연 섬유를 사용하여, 톱밥을 대체하면서 동시에 온실 가스의 배출량을 줄여주는 친환경적인 펠렛 타입의 신재생연료를 제공함에 있다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르면, 톱밥, 천연섬유 및 첨가제를 포함하는 펠렛 타입의 신재생연료가 제공된다.

이때 일 실시예에 따라, 상기 톱밥은 목재, 목재 폐자재, 잡목 등의 목재 부산물로부터 제공된 것일 수 있으며, 목재의 종류는 연료로 적용할 수 있는 것이라면 제한없이 모두 사용할 수 있다.

또한, 상기 톱밥은 펠렛을 형성할 수 있는 입자 크기로 추가 분쇄 또는 응집하여 성형될 수 있으며, 이렇게 성형된 2차 톱밥은 유사한 사이즈를 갖는 입자끼리 조합하여 사용할 수 있으며, 상이한 사이즈를 갖는 입자끼리 조합하여 사용할 수 있다.

이때, 유사한 사이즈의 입자를 조합하는 경우 제조된 펠렛의 기공율이 증가하여 초기 고화력을 필요로 하는 곳에 사용하기 적합할 수 있다. 또한, 상이한 사이즈의 입자를 조합하는 경우 펠렛의 밀도가 증가하기 때문에 장시간의 열을 제공하는 곳에 사용할 수 있을 것이다. 아울러, 용도에 따라 최적의 입자 크기 및 입자 조합을 다양하게 적용할 수 있음은 물론이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 천연 섬유는 가연성을 지는 섬유는 제한없이 적용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 톱밥과 유사한 수준의 가연성을 제공하는 것일 수 있으며, 비제한적인 예로는 목화, 린넨, 모시, 면섬유, 실크, 모섬유 등을 사용할 수 있다.

이때, 상기 천연 섬유의 단면 직경 및 길이는 제한없이 적용될 수 있으며, 바람직하게는 함께 사용되는 톱밥 입자 크기 및 용도에 따라 다양하게 조절하여 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 첨가제는 응집용 발화제 및 연소 촉매제 중 적어도 하나일 수 있다.

이때, 상기 응집용 발화제는 응집효과와 열량 증진 등을 동시에 향상시킬 수 있는 물질은 제한없이 사용할 수 있으며, 비제한적인 예로는 고형 지방분, 기름, 파라핀 왁스 등을 사용할 수 있다.

아울러, 상기 연소 촉매제는 당해 기술분야에서 연료의 완전 연소를 위하여 첨가되는 물질은 제한없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 환경오염의 위험이 높은 중금속이나 유해물질 촉매를 지양하고, 환경 친화적이면서 동시에 토양 영양제로도 살포할 수 있는 칼슘아세테이트(CA), 마그네슘아세테이트(MA) 등을 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따라 톱밥 시료 준비단계(S10), 천연섬유 시료 준비단계(S20), 원료 혼합단계(S30) 및 압출 성형단계(S40)를 포함하는 펠렛 타입의 신재생연료의 제조방법이 제공된다.

이때, 상기 톱밥 시료 준비단계(S10)는 톱밥 시료를 건조시킨 후 기설정된 사이즈로 다양하게 제조하는 단계이다. 구체적으로 사이즈 조절은 톱밥을 소정의 직경을 갖는 매쉬의 채로 걸러서 수행할 수 있다.

상기 천연섬유 시료 준비단계(S20)는 천연 섬유를 기설정된 사이즈로 다양하게 제조된다는 단계이며, 구체적으로 사이즈 조절은 천연 섬유를 절단 한 후 소정의 직경을 갖는 매쉬의 채로 걸러서 수행할 수 있다.

한편, 상기 원료 혼합 단계(S30)는 상기 톱밥 시료, 천연 섬유 시료, 응집용 발화제 및 연소 촉매제룰 혼합하는 단계이며, 이때, 톱밥 시료 및 천연 섬유 시료의 입자 크기를 다양하게 적용하여, 밀도와 분말도가 큰 연료와 밀도가 작고 분말도가 낮은 연료를 선택적으로 제조할 수 있다. 또한, 톱밥 시료 및 천연 섬유 시료의 중량 비율을 조절하여 적용할 수 있으며, 이때 착화 온도가 낮은 톱밥 시료의 중량비율이 증가하면 점화 속도가 높은 연료를 얻을 수 있고, 착화 온도가 높은 천연 섬유 시료의 중량 비율이 증가하면 열 효율을 크게 증진시킬 수 있다.

아울러, 상기 압출 성형단계(S40)는 펠렛 제조 장치 등을 사용하여 수행될 수 있으며, 이때 사용되는 펠렛 제조장치는 당해 기술분야에서 사용하는 것은 제한없이 사용할 수 있다.

일 예로, 도 2는 압출 성형 단계(S40)에 사용되는 펠렛 제조 장치(10)이고, 도 2를 참조하면, 펠렛 제조 장치(10)의 일측 상부에 형성된 호퍼(11)을 통해 원료 혼합 단계(S30)에서 제조된 반죽형태의 혼합물을 투입하면, 스크루형태의 압출기(12)를 통해 혼합물이 압축되면서 펠렛제조장치(10) 타측으로 배출되는바, 가늘고 긴 가닥의 형태로 혼합물이 압출될 수 있다.

이때, 압출되는 가닥 형태의 혼합물은 펠렛제조장치(10)의 타측단에 설치된 커터(13)에 의해 짧은 원기둥 형태로 연속적으로 절단되어 펠렛이 제조되는 구성을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 천연 섬유를 포함하는 펠렛 타입의 신재생연료는 연소시 NO_x, SO₂, CO₂, 메탄(CH₄) 배출량의 현저한 저감효과를 가지는 것으로 분석되고 있어서 기후변화 대응 및 온실가스 감축의 유용한 수단으로 사용될 수 있는 이점이 있다.

한편, 천연 섬유가 톱밥을 대체함으로써 경제적이면서도 안정적인 원료의 수급이 가능한 이점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펠렛 타입의 신재생연료 제조방법의 순서도이다.
도 2는 압출 성형 단계(S40)에 사용되는 펠렛 제조 장치(10)의 정면도이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 실시예에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 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.

실시예 1

2mm 매쉬(mesh)의 채로 거른 톱밥 70 중량부와 직경이 2mm가 되도록 잘라 준비한 목화섬유 20중량부를 섞어 준비한다. 혼합된 톱밥 및 섬유 시료를 70

의 온도에서 폐기름 5중량부 및 연소촉매제 5 중량부를 첨가하여 적절히 혼합하면서 반죽물을 제조하였다, 이때, 연소촉매제로는 수산화칼슘(Ca(OH) 2 )과 초산(Acetic acid)을 화학 조성 비율로 반응시켜 제조한 칼슘아세테이트(CA)를 사용하였다. 그 후 직경 5.5cm의 원형 몰드에 넣고 유압 압출기로 성형하여 일정형태를 갖춘 펠렛 연료를 제조하였다. 압출기의 압력은 혼합원료의 왁스가 새어나오기 직전까지 가하였다.

실시예 2 내지 6

하기 표 1와 같이 톱밥과 목화 섬유의 중량비를 조절하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 펠렛 연료를 제조하였다.

구분	톱밥 중량비	목화섬유 중량비	폐기름 중량비	칼슘아세테이트 중량비
실시예 1	70	20	5	5
실시예 2	75	15	5	5
실시예 3	80	10	5	5
실시예 4	85	5	5	5
실시예 5	65	25	5	5
실시예 6	60	30	5	5

실시예 7

천연 섬유를 린넨을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 펠렛 연료를 제조하였다.

실시예 8

천연 섬유를 모시을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 펠렛 연료를 제조하였다.

실시예 9

천연 섬유를 면을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 펠렛 연료를 제조하였다.

실시예 10

천연 섬유를 양모를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 펠렛 연료를 제조하였다.

실시예 11 내지 15

하기 표 2와 같이 톱밥과 목화섬유의 직경을 다양하게 조절하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 펠렛 연료를 제조하였다.

구분	톱밥 직경(mm)	목화섬유 직경 (mm)
실시예 11	0.5	0.5
실시예 12	1	1
실시예 1	2	2
실시예 13	3	3
실시예 14	2	1
실시예 15	1	2

비교예 1

2mm 매쉬(mesh)의 채로 거른 톱밥 90를 70

성능평가 - 발열량 시험 및 연소 시험

일정한 조성 비율로 제조한 펠렛 연료 의 발열량 시험과 연소 시험을 실시하였다. 칼로리미터(Parr1261 Calorimeter)를 사용하여 분석하였으며 그 원리는 다음과 같다. 먼저 1g의 시료를 용기에 넣고 산소와 혼합한 공기로 고압(약 30기압)을 만든 후 용기 안에 내재된 니크롬선을 전기로 가열하여 연소시킨다. 용기 주위에 약 1L의 물을 넣고 연소 시 발생되는 열량으로 상승된 물의 온도를 1cc의 물을 데우는데 필요한 열량으로 환산하여 계산한다. 발열량 분석 결과 실시예 모든 시료가 7800∼8400 Kcal/g으로서 기존 연탄의 열량기준인 4500 Kcal/g을 70∼90% 정도상회하여 훌륭한 연료가 될 수 있을 것으로 나타났다. 특히 실시예 1의 시료가 8430 Kcal/g 시료로서 가장 열량이 높았으며 성형성도 가장 뛰어났다.

또한 펠렛 연료를 5.5cm ID×7.0cm 길이로 제조하여 연소 시험한 모든 실시예에서 연소 시간이 길어져 1시간 30분∼2시간 정도 연소하였으며, 연기가 별로 나지 않고 완전연소 하는 것을 알 수 있었다.

성능평가 - 압축강도 시험

펠렛 연료가 운송 도중에 파손 가능성을 검사하기 위해 압축강도 시험을 실시하였다. 혼합된 펠렛 연료 시료들을 5.5츠 ID의 원형 틀에 넣고 압축기로 성형하여 11.0cm 길이로 제조하였다 (압축강도 측정기준, 지름: 길이 = 1 :2). 그후 성형된 몰드들을 전동식으로 된 일축압축강도기를 사용하여 압축강도를 측정하였다. 압축강도의 측정은 측정몰드의 변형율(ε)과 파괴점까지의 하중을 이용하여 아래와 같은 식에 의해서 측정하였다,

본 발명의 실시예에 따른 펠렛 연료의 최고의 강도(약 50kg/cm2)를 보일 정도로 매우 우수한 강도를 나타내며, 이러한 강도는 포트랜드 시멘트로 28일 양생한 콘크리트의 최소 강도 기준인 140kg/cm2에 비해 약 36%에 달하는 수치로서 상당한 강도를 보여주어 운송 중 파손될 확률이 거의 없는 것으로 밝혀졌다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10: 펠렛제조장치
11: 호퍼
12: 압출기
13: 커터

Claims

톱밥, 천연섬유 및 첨가제를 포함하는 펠렛 타입의 신재생연료.