KR20230150508A - 폐사료 및 축산분뇨 발효물을 포함하는 고형연료 조성물 및 그의 제조방법 - Google Patents

폐사료 및 축산분뇨 발효물을 포함하는 고형연료 조성물 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사료 제조과정에서 불량 등으로 버려지는 폐사료와 고속 발효과정을 거친 축산분뇨 발효물을 어떠한 흡착제나 부형제의 첨가 없이 고압에서 성형하여 우수한 열효율과 가공 특성을 갖는 고형연료 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 고형연료 조성물은 제철, 발전, 난방 산업에서 매우 유용한 에너지원으로 이용될 수 있다.

Description

폐사료 및 축산분뇨 발효물을 포함하는 고형연료 조성물 및 그의 제조방법{Composition of solid fuel comprising waste feed and fermented livestock manure and method of manufacturing the same}
본 발명은 폐사료 및 축산분뇨 발효물을 포함하는 고형연료 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사료 제조과정에서 불량 등으로 버려지는 폐사료와 고속 발효과정을 거친 축산분뇨 발효물을 어떠한 흡착제나 부형제의 첨가 없이 고압에서 성형하여 우수한 열효율과 가공 특성을 갖는 고형연료 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
축산분뇨는 가축이 섭취한 사료 중에서 소화, 흡수하지 못한 물질과 체내대사 과정에서 생성된 물질이 가축 체외로 배출된 것으로서 거의 대부분이 수분과 유기성 물질로 구성되어 있다. 따라서 축산분뇨는 재활용 가치가 높은 유기성 자원으로서, 그 발생량 또한 재활용이 가능한 유기성 물질 중 가장 많은 양을 차지하고 있다.
국내 축산분뇨의 발생량은 지난 2018년 말 기준으로 총 51,013천톤이었으며, 이 중 79.7%에 해당하는 40,647천톤의 축산분뇨가 퇴비화되어 농경지로 환원되었다. 그러나 최근 들어 점차 강화되고 있는 축산분뇨 관련 환경 제도와 수계지역 관리강화, 그리고 축산분뇨 퇴비의 최종 수용처인 농경지 면적이 감소하는 상황 등을 고려하면 축산분뇨를 친환경적인 방법으로 자원화할 수 있는 새로운 기술을 개발해야 할 필요가 있다.
축산분뇨의 자원화 방법은 비료 자원화 방법과 에너지 자원화 방법으로 대별 할 수 있다. 우리나라의 축산분뇨의 비료 자원화 기술 수준은 해외 축산선진국과 비교하여도 손색이 없을 정도로 잘 발달하여 있는 상태이지만, 앞으로는 환경적인 부담을 최소화하는 기술개발이 필요해질 것으로 판단된다.
반면에, 축산분뇨를 이용한 에너지 자원화 방법의 국내 기술 수준은 바이오 가스화 방법에 전적으로 의존하고 있어 자원화 방법을 더 다양화할 필요가 있다.
바이오 가스화 방법과 함께 축산분뇨 고형 연료화 방법이 현재 국내의 축산분뇨 에너지화 방법을 대표하고 있다. 국내의 고형연료 기술은 생활 폐기물이나 하수 슬러지 등을 대상으로 고형 연료화하여 사용할 수 있는 물질에 대한 가공 효과 및 연료적 특성 분석에 관한 연구가 진행되어 왔다(J Korea Soc Waste Man 26, 626-634. (2009); J Korea Soc Waste Man 25, 493-498, (2008)).
그러나, 축산분뇨의 고형 연료화 방법은 최근 들어서야 고형연료 원료의 특성 분석 및 열량가 분석 등의 연구가 수행되었다(New Renew Ene 12, 254-259, (2016)). 이는 축산분뇨 고형연료가 국내에 공식적으로 사용할 수 있는 관련 제도 정립이 최근에 이루어진 데에서 그 연유를 찾을 수 있다.
축산분뇨 고형연료를 연소하는 과정에서 연소 효율을 높이기 위해서 축산분뇨 펠릿 소형화 기술개발이 진행되기도 하였다(J Soli Groundwater Environ 22, 112-119 (2017)).
한편, 폐사료는 가축의 사료 제조과정에서 불완전한 조성, 제형의 파손, 포장 중 결손 등으로 파기되는 사료를 총칭하는 것으로서, 사료의 제조과정에서 발생하는 폐기물이다. 상기 폐사료는 일반사료와 같은 곡류, 두류, 동물성 원료, 유지 등의 성분들로 구성되기 떼문에, 유기물 자원으로 활용될 수 있다.
본 발명과 관련된 종래기술로는 돈분과 이탄을 주원료로 하는 고형연료 및 그 제조방법(대한민국 등록특허공보 제10-1347930호), 유기성 쓰레기와 가연성 폐기물을 이용한 고형 연료 및 그 제조방법(대한민국 등록특허공보 제10-1358836호), 축산분뇨를 이용한 고형 연료 제조장치 및 방법(대한민국 등록특허공보 제10-1396234호), 우분탄 조성물 및 이에 의한 우분탄, 그리고 이를 위한 우분탄 제조방법(대한민국 등록특허공보 제10-1454166호), 축분과 흡착제를 혼합하여 제조된 악취저감형 고형연료 및 그 제조방법(대한민국 등록특허공보 제10-1687352호), 축분 연료화 시스템(대한민국 등록특허공보 제10-1634977호), 축분을 이용한 고형연료 및 이의 제조방법(대한민국 등록특허공보 제10-1761653호), 우분을 이용한 고형연료의 제조방법(대한민국 등록특허공보 제10-2038692호), 축산분뇨의 고형 연료화 시스템(대한민국 등록특허공보 제10-2043053호), 축분 자원화 장치 및 그 방법(대한민국 등록특허공보 제10-2212866호), 축분을 주원료로 한 고형연료화 시스템 및 그 방법(대한민국 등록특허공보 제10-2205450호) 등이 개시되어 있다.
그러나, 상기 종래기술들은 유기성 쓰레기, 이탄, 톱밥 등의 목재 폐기물이나 폐타이어 등의 화학 물질 폐기물 등을 축분과 혼합하여 고형연료를 제조하였거나, 고형연료 제조를 위해 별도의 화학 첨가제들을 사용하였거나, 축분의 건조를 위해 별도의 가열 처리 공정을 도입하였거나, 이들로 고형연료를 제조하기 위한 기계 설비 등의 제작 등 시스템을 개발하였을 뿐, 고형연료 제조를 위해 사용한 주요 원료인 본 발명의 폐사료와는 상이하고, 첨가제 사용과 성형 방법에서 큰 차이가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1347930호 대한민국 등록특허공보 제10-1358836호 대한민국 등록특허공보 제10-1396234호 대한민국 등록특허공보 제10-1454166호 대한민국 등록특허공보 제10-1687352호 대한민국 등록특허공보 제10-1634977호 대한민국 등록특허공보 제10-1761653호 대한민국 등록특허공보 제10-2038692호 대한민국 등록특허공보 제10-2043053호 대한민국 등록특허공보 제10-2212866호 대한민국 등록특허공보 제10-2205450호
본 발명자들은 축산분뇨를 에너지 자원으로 이용할 수 있다는 정부 정책을 근거(축산분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률; 자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률)로 축산분뇨의 효과적인 가공 방법을 찾기 위해 노력하던 중, 축산분뇨의 고속 발효를 통해 악취와 불필요한 수분을 제거할 수 있었으나, 운송, 보관 등 취급 편의성을 고려하여 고형연료로 가공하기 위해서는 연료 효율을 갖는 부재료의 조합이 필요하였다.
그러나, 상기 부재료는 경제적이며, 환경친화적이고, 고형연료 제형 가공에 용이하여야 하기 때문에, 여러 가지 부재료를 찾던 중 설탕의 정제 가공 공정에서 사용하고 남는 재료인 폐사료를 발견하였고, 고형연료 제조 실험에서 어떠한 첨가제의 첨가 없이도 우수한 제형 적성과 연소효율을 나타냄을 발견하여, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 폐사료를 이용하여 축산분뇨의 고형연료를 제조함으로써, 종래에 알려지지 않은 폐사료와 축산분뇨를 주원료로 하는 고형연료 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래에 알려지지 않은 폐사료와 축산분뇨를 주원료로 하는 고형연료 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폐사료 및 축산분뇨를 포함하는 고형연료 조성물를 제공한다.
본 발명의 일 구현예로 상기 폐사료는 사료의 정제 과정에서 사용 후 폐기되는 불량품, 원료 및 반제품으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함
본 발명의 일 구현예로 상기 축산분뇨는 가축의 분뇨를 발효시킨 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 가축의 분뇨는 우분, 돈분, 계분 및 마분으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 축산분뇨는 분말, 또는 과립 제형일 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 조성물의 전체 중량 대비, 상기 폐사료 10 내지 90 중량% 및 상기 축산분뇨 10 내지 90 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 축산분뇨의 함량비가 낮고, 상기 폐사료의 함량비가 높을수록 상기 조성물의 저위발열량이 증가할 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 축산분뇨는 우분, 돈분, 계분 및 마분으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 발효시킨 것이고, 우분 > 마분 > 돈분 > 계분의 순으로 상기 조성물의 저위발열량이 높을 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 저위발열량은 상기 폐사료 및 축산분뇨의 함량비와 상관관계가 없을 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 조성물은 압출성형 또는 분말 형태일 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 조성물은 폐사료 및 축산분뇨 만으로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 축산분뇨를 수거하는 단계; (b) 상기 수거된 축산분뇨를 발효시켜 축산분뇨 발효물을 제조하는 단계; (c) 상기 제조된 축산분뇨 발효물과 폐사료를 혼합하는 단계; 및 (d) 상기 축산분뇨 발효물과 폐사료의 혼합물을 성형하는 단계를 포함하는 고형연료 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예로 상기 가축의 분뇨는 우분, 돈분, 계분 및 마분으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 발효는 60~80℃에서 15분당 1회전의 교반 속도로 5 내지 10일 동안 수행할 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 축산분뇨는 분말, 또는 과립 제형으로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 성형은 압출성형일 수 있다.
본 발명의 폐사료 및 축산분뇨를 포함하는 고형연료 조성물은 다양한 형태로 가공이 용이하고, 분뇨의 연소시 발생할 수 있는 악취 없이 우수한 열효율을 가지고 있어, 제철용 용광로의 연료, 전력생산을 위한 화력 발전용 연료, 산업용 및 가정용 난방 연료로 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐사료 및 축산분뇨(우분) 발효물을 포함하는 펠릿형의 고형연료 조성물을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐사료 및 축산분뇨 발효물을 포함하는 고형연료 조성물의 제조공정도를 나타낸 것이다.
본 발명의 제1 구현예는 사료의 제조과정에서 폐기되는 활성탄인 폐사료와 고속 발효과정을 거쳐 악취를 제거하고 수분을 감소시킨 축산분뇨 발효물을 주요 원료로 하여 고압으로 성형한 우수한 열효율을 갖는 고형연료 조성물에 관한 것이다.
본 발명에서, "폐사료“는 사료의 제조과정에서 발생하는 불량품으로 제품으로 사용할 수 없고 폐기해야 하는 것을 총칭하며, 이의 분말 형태나 입자 형태를 포함함은 물론이다. 또한, 상기 폐사료는 당업계에서 자명하고 본 발명의 축산분뇨와 혼합하여 고형연료를 제조하는 목적과 동일 또는 유사한 용도로 사용할 수 있는 사료 완제품 및 원료와 반제품들을 모두 포함한다.
상기 폐사료는 사료 제조과정에서 첨가되는 결착제와 부형제 등을 포함하고 있어 제형 작업 시에 우수한 제형 적성을 나타낸다.
본 발명에서 "축산분뇨" 또는 "축분"은 농장에서 사육되는 소, 돼지, 닭, 말 등의 가축에서 배설되는 배설물을 포함하는 배출물을 총칭한다. 가축의 배설물은 사육 환경에 따라 다양하게 처리될 수 있는데, 일반적으로 바닥에 깔아둔 깔 집과 함께 수거되어 배출한다. 축산분뇨는 축종별로 처리 방법이 다를 수 있는데, 대부분 탈수와 건조 등 수분을 제거하는 공정을 포함하고 있다. 수분이 제거된 축산분뇨는 바로 연료로 사용할 수도 있다.
본 발명에서 "발효물"은 형태 및 성질 등에 제한을 두지 않고, 축산분뇨의 발효과정 중 또는 발효과정이 완료된 후 얻어지는 생성물을 제한 없이 포함하는 것이다.
본 발명에서, "연소 열량"은 저위발열량으로서 고형연료 Kg 단위 무게당 Kcal의 에너지를 생산하는 값을 의미한다. "저위발열량"은 단위질량의 시료 중에서 존재하는 물 및 연소 중에 생성하는 물의 증발 잠열을 고위발열량에서 뺀 열량을 말하며, 단위는 보통 Kcal/Kg을 사용한다. "고위발열량"은 단위질량의 시료가 완전연소 될 때 발생하는 물의 증발 잠열을 포함한 열량으로, 단위는 보통 Joule/g을 사용한다.
본 발명의 "열량계의 열당량"은 열량계의 내통수의 온도를 1℃ 상승시키는데 필요한 열량으로, 열당량의 단위는 보통 국제단위(SI)인 J/℃를 사용하는데, 칼로리(cal)로 환산할 경우 1 cal = 4.18605 J로 나타낼 수 있다.
본 발명에서 "열량계"는 연소 봄베, 열량계 내통, 뚜껑, 교반기, 물, 온도 센서, 점화 또는 온도 측정이나 제어 회로에 포함된 열량계 내통으로 이어지는 커넥터로 구성되어 있다.
본 발명에서 "산소"는 봄베를 채우기 충분한 3 MPa 압력까지 99.5 %의 순도를 유지해야 하며 가연물을 포함하지 않는 것을 사용하였다.
본 발명에서 "벤조산"은 국제 열량 표준 벤조산을 사용하였다. 벤조산은 산소 봄베 열량기 교정에 권장되는 물질로 인증조건에 만족하는 펠릿의 형태로 연소하였다.
본 발명에서 "폐사료 및 축산분뇨 발효물을 포함하는 고형연료 조성물"은 고속 발효하여 얻은 축산분뇨 분말과 폐사료를 일정 비율로 혼합한 후 고압 성형한 고형연료를 의미할 수도 있다.
축산분뇨를 단순히 건조하여 사용할 경우, 연료로써 이용은 가능하지만, 강도가 떨어져 쉽게 부서지고, 분말로 제조하여 원하는 모양으로 성형을 하려고 해도 결착력이 없어 고형연료의 제형을 원하는 대로 제조할 수 없고, 불완전 연소로 인해 연료 효율이 낮고, 연소시킬 때 악취가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명자들은 이러한 문제점들을 극복하기 위해 노력하던 중 축산분뇨를 60~80℃, 바람직하게는 65~75℃, 보다 바람직하게는 70℃에서 15분당 1회전의 교반 속도로 5 내지 10일, 바람직하게는 6~8일, 보다 바람직하게는 7일 동안 발효시키면, 분말로 쉽게 제조할 수 있고, 발효과정 중 악취가 대부분 제거되는 것을 알아내고, 고속 발효 공정을 도입하였다.
고속 발효를 거친 축산분뇨 발효물은 분말 형태로 수거되어 원하는 모양으로 성형하기가 용이하였다. 그러나 고속 발효한 축산분뇨 분말만으로 고형연료를 제조하였을 때, 고형연료로서 가져야 할 물성이 낮아, 결착제 등 성형을 단단히 유지시키기 위한 첨가제의 첨가 등 물성을 단단히 할 방안의 마련이 필요하였다.
본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하고자 여러 가지 결착제들을 검토하였는데, 화학 결착제는 연소시 환경에 영향을 줄 수 있고, 전분이나 천연 결착제는 경제적으로 고비용이고 복잡한 제조 공정이 요구되는 단점을 발견하였다.
한편, 폐사료는 사료의 제조과정에서 폐기되는 불량품이나 원료 등으로 주로 구성분이 탄소 등 에너지원으로 구성되어 있어 연료로서의 가치가 높고, 사료의 제조과정에서 첨가하는 결착제나 부형제 등의 성분이 고속 발효를 거친 축산분뇨 분말과 혼합하여 고압으로 압출 성형하였을 때, 원하는 제형의 고형연료를 제조할 수 있게 도와주는 것을 발견하였다.
본 발명에 따른 폐사료와 축산분뇨 발효물을 주원료로 하는 고형연료 조성물은 축산분뇨를 고속발효기를 이용하여 발효시켜 제조할 수 있다. 축산분뇨는 높은 수분 함유량과 분뇨에서 발생하는 악취 등으로 인해, 농가에서 수거한 축산분뇨를 어떠한 처리 없이 고형연료로 사용하기는 사실상 불가능하다. 축산분뇨를 고속 발효하면 악취를 제거할 수 있고, 높은 수분 함유량이 발효과정 중에 증기로 빠져나가 약 4% 수준의 낮은 수분함량을 갖게 된다(표 2 참조).
고속 발효과정은 약 65%에서 80%의 수분함량을 갖는 축산분뇨를 발효조에 넣고 호기성 조건에서 교반하면서 상단층, 중간층, 하단층으로 단계별로 이동시키면서 호기성 발효를 진행시킨다. 이 중 발효는 중단층에서 진행이 되는데, 5~10일, 바람직하게는 6~8일, 보다 바람직하게는 7일 정도의 발효과정을 거치게 된다.
발효가 끝난 축산분뇨는 바람직하게는 분말 형태로 하단층(배출층)을 통하여 수득된다. 축산분뇨 중 우분의 경우 고속 발효 전 단위 무게 당 발열량이 약 2,600 Kcal/g이었으나, 고속 발효 후 약 3,700 Kcal/g으로 측정되어 고속 발효에 의한 수분의 제거로 단위 무게 당 에너지 효율이 증가하는 것을 알 수 있었다.
본 발명에 따른 폐사료와 축산분뇨 발효물을 주원료로 하는 고형연료 조성물은 고압 압출성형기를 이용하여 제품의 형태를 만들 수 있다. 선별과 파쇄를 끝마친 수분함량이 약 4-5% 정도인 폐사료와 축산분뇨 발효물을 압출성형기를 이용하여 원하는 모형으로 성형하고 냉각하여 고형연료를 제조하였다(도 1 참조).
본 발명의 일 실시예에서, 상기와 같은 폐사료는 본 발명의 조성물 총 중량 대비 10 내지 90 중량%의 범위로 함유할 수 있다. 폐사료는 높은 발열량을 제공할 수 있으나(표 2 참조), 10 중량% 미만일 경우 조성물의 결착력이 현저히 낮아 제품의 성형이 잘 만들어지지 않고, 90 중량%를 초과할 경우 본 발명의 목적인 축산분뇨를 고형연료의 주요 원료로 사용하지 못하여 축산분뇨를 대량으로 처리하지 못하는 단점이 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 조성물은 압출성형 형태일 수 있다. 상기 압출성형 조성물은 펠릿, 브리켓, 조개탄, 구멍탄의 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 조성물이 압출성형 형태인 경우, 유효성분인 폐사료와 축산분뇨 발효물 이외에, 고형연료 제조 시에 통상적으로 첨가되는 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 톱밥, 왕겨, 볏집, 유기물 쓰레기, 이탄, 폐사료, 가축의 내장 건조물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 조성물은 분말 형태 수 있다. 상기 분말 형태는 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 방법에 따라, 분말 입자의 크기를 조절하여 제조될 수 있다.
본 발명의 조성물은 제철용 용광로, 전력생산용 보일러, 산업용 내지 가정용 난방 연료로 사용할 수 있으며, 바람직하게는 제철용 용광로나 전력생산용 보일러에 적용될 수 있다.
본 발명의 조성물에 유효성분으로 포함되는 축산분뇨 발효물은 예컨대, (a) 농가에서 축산분뇨를 수거하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서 얻어진 축산분뇨를 고속발효기에서 발효시키는 단계를 포함하여 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 (a) 단계에서 축산분뇨는 축산농가에서 수거할 수 있는 우분, 돈분, 계분, 마분 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 우분이나 마분을 사용하는 것이 좋다. 돈분과 계분은 수분함량이 높아 고속 발효 후 최종 수율이 높지 못한 단점이 있다.
상기 (b) 단계는 축산분뇨를 고속발효기에서 발효시킬 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발효는 농가에서 수거한 축산분뇨를 집하장에서 1차 자연 건조하고, 고속발효기 상단층(투입층)에 넣어 온도가 낮고 수분 함유량이 많은 원료가 중단층(발효층)에서 올라오는 발효열에 의해 온도를 높여 발효 최적 온도를 조성하여 주고, 수분은 하단(중단층)으로 빠지게 하여 발효물의 적정 수분을 유지할 수 있게 하여 준다.
중단층(발효층)에서는 프로펠라를 이용하여 끊임없이 교반하여 공기를 공급해 주면서 상단층에서 인입된 발효물이 최적화된 수분 함유량과 발효 조건을 갖도록 한다. 온도가 약 70℃까지 상승하여 유해한 미생물과 바이러스 등이 사멸하게 된다. 회전수 120~180 rpm, 통기량 1.2~1.8vm 조건에서 5~7일간 배양할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발효가 끝난 축산분뇨는 하단층(배출층)으로 내려오고 냉각 후 축산분뇨 분말로 이용할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 시험예에 근거하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 하기의 실시예나 시험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<비교예 1 내지 비교예 5> 폐사료와 축산분뇨 발효물의 준비
폐사료는 사료 제조과정에서 폐기되는 불량품을 수거하여 음건한 후 분쇄기를 이용하여 입자의 크기가 약 1 mm에서 2 mm 정도 되게 분쇄하여 준비하였다. 이 폐사료를 비교예 1로 하여 하기 실험에 사용하였다.
축산분뇨 발효물은 우분, 돈분, 계분 및 마분을 농장에서 각각 수거하여 사용하였으며, 고속발효기에서 70℃, 15분당 1회전의 교반 조건으로 7일 동안 발효시킨 후, 분말로 제조한 분뇨 발효물을 하기 실험에 사용하였다.
우분 분말은 비교예 2, 돈분 분말은 비교예 3, 계분 분말은 비교예 4, 또한 마분 분말은 비교예 5로 하였다.
<실시예 1 내지 실시예 36> 고형연료 펠릿의 제조
고속발효기에서 70℃, 15분당 1회전의 교반 조건으로 7일 동안 발효시킨 후, 분말로 제조한 각각의 축산분뇨 발효물을 일정량의 폐사료와 혼합한 후, 300 마력 출력의 고압 압출성형기 (㈜JS산업(대한민국)에 직경 4.5 mm의 사출구를 장착하고, 2,206.5 Mpa의 사출압력으로 시간당 4톤의 생산 속도로 펠릿을 제조하였다. 축산분뇨와 폐사료의 혼합비는 하기 표 1과 같다.
구분 축산분뇨 (%) 폐사료 (%)
비교예 1 0 100
우분 (%) 폐사료 (%)
비교예 2 100 0
실시예 1 90 10
실시예 2 80 20
실시예 3 70 30
실시예 4 60 40
실시예 5 50 50
실시예 6 40 60
실시예 7 30 70
실시예 8 20 80
실시예 9 10 90
돈분 (%) 폐사료 (%)
비교예 3 100 0
실시예 10 90 10
실시예 11 80 20
실시예 12 70 30
실시예 13 60 40
실시예 14 50 50
실시예 15 40 60
실시예 16 30 70
실시예 17 20 80
실시예 18 10 90
계분 (%) 폐사료 (%)
비교예 4 100 0
실시예 19 90 10
실시예 20 80 20
실시예 21 70 30
실시예 22 60 40
실시예 23 50 50
실시예 24 40 60
실시예 25 30 70
실시예 26 20 80
실시예 27 10 90
마분 (%) 폐사료 (%)
비교예 5 100 0
실시예 28 90 10
실시예 29 80 20
실시예 30 70 30
실시예 31 60 40
실시예 32 50 50
실시예 33 40 60
실시예 34 30 70
실시예 35 20 80
실시예 36 10 90
<실험예>
1. 실험 방법
고형연료제품의 품질 시험·분석방법에 따른 고형연료제품의 품질검사 규정에 준하여 본 발명의 폐사료와 축산분뇨 발효물을 주요 원료로 하는 고형연료 시료의 수분과 발열량을 측정하였다(자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률 제25조의 5 및 시행규칙 제20조의 3).
실험을 위해 본 발명의 폐사료와 축산분뇨 발효물을 주요 원료로 하는 고형연료 시료를 분쇄하여 입자의 크기가 1 mm 이하가 되도록 준비하였다.
(1). 수분함량 측정
고형연료제품 품질 시험·분석방법 제8장 수분(Total Moisture) 시험방법을 준용하여 본 발명의 폐사료와 축산분뇨를 주요 원료로 하는 고형연료 시료의 수분함량을 측정하였다(DD CEN/TS 15414-1, 2010, Determination of total moisture by a reference method. SW-846; Test Method 9000, 2007, Determination of water in waste materials by Karl Fischer titration.; KS E ISO 579, 2017, 코크스-총수분 함량 측정).
이 방법은 시료의 수분을 105±2℃에서 항량에 도달할 때까지 건조하고 무게를 산출하는 방법으로 BET 단분자층에 존재하는 수분을 모두 제거하는 방법이다. 즉, 증발접시를 미리 105±2℃에서 1시간 건조시킨 다음, 즉시 무게를 측정한 후 시료 500 g을 취하여 증발접시와 시료의 무게를 정확히 칭량하였다.
105±2℃의 온도에서 건조기 안에서 6시간 건조시킨 다음 즉시 무게를 칭량하였다. 시료가 담긴 증발접시를 실리카겔이 담겨있는 데시케이터에 넣고 1시간 건조시킨 후 건조기에서 2시간 재건조를 시킨 후 무게를 칭량하였다. 수분함량은 동일한 측정으로 얻은 값들의 3회 평균을 결과 값으로 하였다. 증발접시의 무게로부터 하기 [식 1]에 따라 시료의 수분을 계산하였고, 소수점 이하 첫째 자릿수까지 표기하였다.
[식 1]
수분(%) =
M1 : 건조된 빈 트레이 또는 증발접시의 무게(g)
M2 : 트레이 또는 증발접시와 시료의 무게(g)
M3 : 트레이 또는 증발접시와 건조 후 시료의 무게(g)
(2). 연소 실험
고형연료제품 품질 시험·분석방법 제7장 발열량(Calorific value)을 준용하여 실시하였다(BS EN 15400, 2011, Solid recovered fuels-Determination of calorific value.; KS E 3707, 2016, 석탄류 및 코크스류의 발열량 측정 방법).
이 시험방법은 산소를 압입한 일정 용량의 봄베 내에서 시료를 연소시켜 연소 전, 후 물의 온도 차이로부터 발열량을 구하는 원리를 이용한 방법으로, 고형연료 제품 등의 발열량 시험방법에 관하여 규정하고 있다.
기준 온도에서 봄베 열량계를 사용하여 인증된 표준물질의 연소를 통해 교정하고 시료의 발열량을 구하게 된다. 결과 값의 오차를 최대한 줄이기 위해 시료에 붙어 있을 수 있는 눈에 보이는 이물질 등 간섭물질을 제거하고, 봄베 용기 벽에 부착하거나 바닥에 가라앉는 시료가 없도록 시료를 분취하였다.
시료의 회분 함량이 30% 미만으로 검출되어 별도의 연소 보조제를 사용하지 않았다. 발열량 측정은 동일한 조건에서 교정 기준 물질인 벤조산의 연소와 본 발명의 폐사료와 축산분뇨를 주요 원료로 하는 고형연료 시료를 연소시키는 두 가지 실험으로 진행하였다.
시료 약 1 g을 연소접시에서 0.1 ㎎까지 칭량하였다. 퓨즈를 점화선에 연결하고 연소 접시를 지지대에 올린 후 시료와 접촉시킨 후 0.5 g의 정제수를 봄베에 주입하였다. 정제수 양은 교정 및 측정 작업 모두 정확하게 유지하도록 하였다.
연소 봄베를 조립하고 3.0±0.2 MPa의 압력으로 30초간 산소를 천천히 주입하여 봄베에 산소가 충진되도록 한 천천히 밸브를 닫은 다음 봄베의 압력을 3.0±0.2 MPa으로 유지시켰다. 동일한 절차를 교정 및 측정 작업 시에도 모두 적용하였다. 열량계 내통에 0.5 g의 정제수를 채운 후 열량계 내통을 항온기에 설치한 후 연소 봄베를 위치시키고 상단까지 물이 차오르면 가스 누출이 없는지 확인하였다. 점화 회로를 연소 봄베에 연결시킨 후 기기를 가동시켰다.
연소를 완료한 후 얻어진 값을 이용하여 먼저 하기 [식 2]와 같이 고위발열량을 산출하였다.
[식 2]
d : 열량계의 지시값 (J)
e : 발열 보정 (J)
m 0 : 시료무게 (g)
이때, 포장지를 사용하지 않고 직접 시료를 투입하였기에 발열보정 값은 0으로 하였다.
고위발열량 값을 이용하여 하기 [식 3]과 같이 저위발열량 값을 산출하였다. 저위발열량으로 환산은 1.0 J/g 자리까지 산출하고 20.0 J/g의 단위로 끝맺음하였다. 저위발열량 값 환산식에서 사용하는 고위발열량, 수분 및 수소는 동일 조건으로 하였다.
시료의 수소 함량(%)은 원소분석기에서 얻어진 값을 이용하였다. 얻어진 값은 1.0 J = 1/4.18605 cal로 환산하여 1 Kcal/Kg으로 표시하였다. 발열량은 총 3회 시험하여 평균값으로 나타내었다.
[식 3]
2. 실험 결과
본 발명의 폐사료와 축산분뇨 발효물을 주요 원료로 하는 고형연료 조성물 시료의 수분함량과 저위발열량 측정값은 하기 표 2에 나타내었다.
구분 수분 함량 (%) 저위발열량 측정값
(Kcal/Kg)
비교예 1 9.6 4,200
비교예 2 4.0 3,710
실시예 1 8.0 3,450
실시예 2 8.1 3,525
실시예 3 8.2 3,600
실시예 4 8.4 3,666
실시예 5 8.6 3,731
실시예 6 8.9 3,786
실시예 7 9.2 3,840
실시예 8 9.5 3,893
실시예 9 9.8 3,945
비교예 3 4.4 3,396
실시예 10 8.3 3,213
실시예 11 8.5 3,304
실시예 12 8.6 3,402
실시예 13 8.8 3,491
실시예 14 8.9 3,588
실시예 15 9.1 3,675
실시예 16 9.3 3,762
실시예 17 9.6 3,838
실시예 18 9.8 3,922
비교예 4 4.2 3,265
실시예 19 7.9 3,103
실시예 20 8.1 3,212
실시예 21 8.4 3,311
실시예 22 8.6 3,416
실시예 23 8.8 3,521
실시예 24 9.1 3,615
실시예 25 9.4 3,231
실시예 26 9.6 3,808
실시예 27 9.9 3,897
비교예 5 4.4 3,868
실시예 28 8.0 3,345
실시예 29 8.2 3,424
실시예 30 8.4 3,502
실시예 31 8.5 3,588
실시예 32 8.7 3,665
실시예 33 8.9 3,741
실시예 34 9.0 3,852
실시예 35 9.1 3,950
실시예 36 9.0 3,992
폐사료(비교예 1)의 수분함량은 약 9.6%로 측정되었고, 고속발효를 거친 축산분뇨의 수분함량은 4%에서 4.4%의 범위로 나타났다. 축산분뇨 중 우분(비교예 2)은 4.0%, 돈분(비교예 3)은 4.4%, 계분(비교예 4)은 4.2%, 마분(비교예 5)은 4.2%이었다.
폐사료와 우분(실시예 1 내지 9)을 이용한 고형연료 조성물은 8.0%에서 9.8%의 수분함량을 나타내었고, 폐사료와 돈분(실시예 10 내지 18)을 이용한 고형연료 조성물의 수분함량은 8.3%에서 9.8% 수준으로 나타났다. 계분(실시예 19 내지 27)의 경우 7.9%에서 9.9%로 다른 세 가지 축분보다 다소 높은 수분함량을 나타내었고, 마분은 우분과 비슷하게 8.0%에서 9.1%의 수분함량을 나타냈다. 본 발명의 고형연료 조성물의 수분함량은 폐사료의 함량이 증가할수록 증가하는 것으로 나타나, 사료가 갖고 있는 흡습의 특성이 고형연료 조성물에서도 나타나는 것으로 사료된다.
폐사료(비교예 1)의 저위발열량은 수분함량이 9.6%일 때, 4,200 Kcal/Kg으로 높게 나타났다. 축산분뇨의 저위발열량 값은 우분(비교예 2)은 3,710 Kcal/Kg(수분함량 4.0%), 돈분(비교예 3)은 3,423 Kcal/Kg(수분함량4.4%), 계분(비교예 4)은 3,265 Kcal/Kg(수분함량 4.2%), 마분(비교예 5)은 3,868 Kcal/Kg(수분함량 4.2%)으로 마분이 가장 높게 나타났다.
고형연료 조성물의 저위발열량은 축산분뇨의 함량이 낮고 폐사료의 함량이 높을수록 증가하는 것으로 나타났다. 마분 10 중량%와 흑당박 90 중량%을 갖는 고형연료 조성물(실시예 9)에서 3,992 Kcal/Kg(수분함량 9.0%)로 시료들 중 가장 높은 발열량 값을 나타내었고, 계분 90 중량%와 흑당박 10 중량%를 갖는 고형연료 조성물(실시예 19)에서 3,108 Kcal/Kg(수분함량 7.9%)으로 가장 낮은 저위발열량을 나타내었다.
상기 표 2의 값을 절대적인 저위발열량 값으로 평가하기에는 수분함량 등의 환경요인으로 인해 무리인 것을 인식하였다.
일정한 농도의 수분함량을 갖는 고형연료 조성물의 하위발열량 값을 얻기 위하여, 이전 보고(Lee GH. 2010. Thermal and physicochemical characteristics of solid fuel extruded with cattle feedlot manure. J Biosystems Eng 35, 64-68.; 대한민국 특허등록공보 제10-1347930호)에서 사용한 보정식을 본 발명에서 얻은 실험 값에 대입하여 수분함량별 저위발열량 값을 산출하였다.
[식 4]
A = B + B×(C - D)*0.02
A (산출값) : 특정 수분함량에서 예측되는 저위발열량 값
B (실험측정값) : 실험 시료의 실험 결과 측정된 저위발열량 값
C (측정 시료의 수분함량) : 실험 시료의 실제 측정된 수분함량
D (예측 수분함량) : 시료의 예측 수분함량
0.02 (수분함량 결정계수) : 수분 1% 감소시 증가하는 열량 계수
이전 보고와 같이 고형연료의 수분 함수량에 따른 발열량과의 관계를 유추하여 수분 1% 감소 시 발열량이 0.02% 증가 됨에 따라 본 발명에서와 같이 특정 수분함량에서 측정된 저위발열량 값을 일정한 함수율을 갖는다고 가정하였을 때, 하기 표 3과 같이 본 발명의 폐사료와 축산분뇨 발효물을 주요 원료로 제조한 고형연료 조성물 시료의 수분함량에 따른 저위발열량의 변화 산출값을 예측할 수 있었다.
하기 표 3에서, 산출값은 상기 식 4를 사용하여 폐사료와 축산분뇨 발효물을 주요 원료로 함유하는 고형연료 조성물이 일정한 수분함량을 함유하였다고 가정하였을 때 예측되는 저위발열량 값을 나타낸다.
구분 일정 수분함량에서 저위발열량 산출값*
(Kcal/Kg)
0% 5% 10% 15% 20%
비교예 1 5,006 4,506 4,005 3,504 3,004
비교예 2 4,007 3,606 3,205 2,805 2,404
실시예 1 4,107 3,696 3,286 2,875 2,464
실시예 2 4,207 3,786 3,365 2,945 2,524
실시예 3 4,307 3,876 3,445 3,015 2,584
실시예 4 4,407 3,966 3,525 3,085 2,644
실시예 5 4,507 4,056 3,605 3,155 2,704
실시예 6 4,606 4,146 3,685 3,224 2,764
실시예 7 4,706 4,236 3,765 3,294 2,824
실시예 8 4,806 4,326 3,845 3,364 2,884
실시예 9 4,906 4,415 3,925 3,434 2,944
비교예 3 3,724 3,352 2,979 2,607 2,235
실시예 10 3,852 3,467 3,082 2,697 2,311
실시예 11 3,980 3,582 3,184 2,786 2,388
실시예 12 4,109 3,698 3,287 2,876 2,465
실시예 13 4,237 3,813 3,389 2,966 2,542
실시예 14 4,365 3,929 3,492 3,056 2,619
실시예 15 4,493 4,044 3,595 3,145 2,696
실시예 16 4,621 4,159 3,697 3,235 2,773
실시예 17 4,750 4,275 3,800 3,325 2,850
실시예 18 4,878 4,390 3,902 3,414 2,927
비교예 4 3,539 3,185 2,831 2,477 2,124
실시예 19 3,686 3,317 2,949 2,580 2,211
실시예 20 3,832 3,449 3,066 2,683 2,299
실시예 21 3,979 3,581 3,183 2,785 2,387
실시예 22 4,126 3,713 3,301 2,888 2,475
실시예 23 4,273 3,845 3,418 2,991 2,564
실시예 24 4,419 3,977 3,535 3,093 2,652
실시예 25 4,579 4,081 3,683 3,185 2,737
실시예 26 4,713 4,241 3,770 3,299 2,828
실시예 27 4,859 4,373 3,887 3,402 2,916
비교예 5 4,193 3,774 3,354 2,935 2,516
실시예 28 3,982 3,584 3,185 2,787 2,389
실시예 29 4,096 3,686 3,276 2,867 2,457
실시예 30 4,209 3,788 3,368 2,947 2,526
실시예 31 4,323 3,891 3,459 3,026 2,594
실시예 32 4,437 3,993 3,550 3,106 2,662
실시예 33 4,551 4,096 3,641 3,186 2,730
실시예 34 4,609 4,188 3,768 3,267 2,826
실시예 35 4,796 4,286 3,846 3,357 2,877
실시예 36 4,892 4,403 3,914 3,425 2,935
우분의 경우 50 중량%의 폐사료와 50 중량%의 우분을 주요 원료로 하는 고형연료 조성물은 상기 압출 성형 후 조성물이 8.6%의 수분을 함유한 상태(실시예 5)에서 얻어낸 발열량이 약 3,731 kcal/kg이므로 여기에 수분 함수량에 따라 발열량이 달라지므로 수분함량을 5%로 건조하게 되면 3,731+ 3,731×(8.6-5)×0.02 = 4,000 Kcal/Kg이 되고, 수분함량이 0%에서 산출된 절대값(이론치)인 4,056 Kcal/Kg와 1.4%의 오차를 나타내었다. 수분율이 15%를 갖는다면 본 발명의 고형연료 조성물은 3,731 + 3,731×(8.6-15)×0.02 = 3,253 kcal/kg의 발열량을 얻을 수 있다고 기대할 수 있고, 0% 수분함량 값을 기준으로 산출하였을 경우, 3,155 Kcal/Kg으로 0.5%의 오차를 나타내어 [식 4]의 산출 식이 실제 값에 매우 근접한 결과를 나타낸다는 것을 알 수 있었다.
상기 [식 4]에서 수분함량을 0%로 고정하였을 때, 폐사료와 축분의 함량 비에 관계없이 저위발열향은 우분>마분>돈분>계분의 순으로 높게 나타내어 우분과 마분을 이용한 폐사료와의 고형연료 조성물 제조가 가장 높은 저위발열량을 나타내는 것으로 나타나 우수한 고형연료를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.
상기와 같이, 본 발명의 폐사료와 축산분뇨 발효물을 포함하는 고형연료 조성물은 높은 에너지 효율을 가지고 있으며, 제형이 용이하여 다양한 형태의 고형연료로 제조할 수 있고, 축산분뇨에서 나타나는 악취가 없어 제철용, 화력발전용, 난반용 연료 등 산업적으로 넓게 활용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 폐사료 및 축산분뇨 발효물을 포함하는 고형연료 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폐사료는 사료의 정제 과정에서 사용 후 폐기되는 불량품, 원료 및 반제품으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 축산분뇨는 우분, 돈분, 계분 및 마분으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 축산분뇨 발효물은 분말, 또는 과립 제형인 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조성물의 전체 중량 대비, 상기 폐사료 10 내지 90 중량% 및 상기 축산분뇨 발효물 10 내지 90 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 축산분뇨 발효물의 함량비가 낮고, 상기 폐사료의 함량비가 높을수록 상기 조성물의 저위발열량이 증가하는 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 축산분뇨 발효물은 우분, 돈분, 계분 및 마분으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 발효시킨 것이고,
    우분 > 마분 > 돈분 > 계분의 순으로 상기 조성물의 저위발열량이 높은 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 저위발열량은 상기 폐사료 및 축산분뇨 발효물의 함량비와 상관관계가 없는 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 압출성형 또는 분말 형태인 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 폐사료 및 축산분뇨 발효물 만으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물.
  11. (a) 축산분뇨를 수거하는 단계;
    (b) 상기 수거된 축산분뇨를 발효시켜 축산분뇨 발효물을 제조하는 단계;
    (c) 상기 제조된 축산분뇨 발효물과 폐사료를 혼합하는 단계; 및
    (d) 상기 축산분뇨 발효물과 폐사료의 혼합물을 성형하는 단계를 포함하는 고형연료 조성물의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 축산분뇨는 우분, 돈분, 계분 및 마분으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 발효는 60~80℃에서 15분당 1회전의 교반 속도로 5 내지 10일 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 축산분뇨 발효물은 분말, 또는 과립 제형으로 제조되는 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 성형은 압출성형인 것을 특징으로 하는 고형연료 조성물의 제조방법.
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