KR101098785B1 - 고체연료의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고체연료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오매스(예를 들어 곡물, 목재, 분뇨, 음식물 쓰레기 등)나 폐제지 등을 연료의 자원으로 재활용함은 물론, 출발원료로서 사용되는 상기 바이오매스나 폐제지의 수분함량(함수율)을 중탕, 가열을 통해 최소화함으로써, 제조공정이 개선되고, 강도가 향상되어 취급이 용이하며, 연소 시 발열량이 높은 고체연료의 제조방법에 관한 것이다.
고체연료, 바이오매스, 폐제지슬러지, 폐유, 중탕, 가열, 탄화, 펠렛
Description
본 발명은 고체연료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오매스(예를 들어 곡물, 목재, 분뇨, 음식물 쓰레기 등)나 폐제지 등을 연료의 자원으로 재활용함은 물론, 출발원료로서 사용되는 상기 바이오매스나 폐제지의 수분함량(함수율)을 중탕, 가열을 통해 최소화함으로써, 제조공정이 개선되고, 강도가 향상되어 취급이 용이하며, 연소 시 발열량이 높은 고체연료의 제조방법에 관한 것이다.
에너지 및 환경 문제가 심화되면서 화석연료 자원을 대체할 수 있는 바이오매스(Biomass)에 대한 관심이 급부상하고 있다. 특히, 교토의정서가 발효되면서 온실가스 감축을 위해 각국 정부 및 기업들은 대체 기술 및 자원 확보에 더욱 발 빠른 행보를 보이고 있다. 이러한 가운데 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 쓰레기나 곡물, 농업 부산물 등과 같은 바이오매스 자원이 에너지 및 환경 문제를 해결할 현실적 대안으로 부각되고 있다.
바이오매스는 자연계에 존재하는 유기물을 총칭한다. 바이오매스는 인류가 오랫동안 식량이나 에너지, 건축 자재, 생활 용품 등으로 사용해 온 대표적인 자원이다. 하지만, 이용이 편리하고 값싸게 각종 제품을 제조할 수 있는 석유와 같은 화석연료에 가려 그 가치를 제대로 평가받지 못해 왔다. 그러나 최근 몇 년 동안 상황이 빠르게 바뀌기 시작하였다. 이미 시장에서는 옥수수나 사탕수수에서 추출된 연료용 에탄올의 공급이 부족해지기 시작했고, 곡물의 씨앗이나 폐식용유를 가공하여 얻는 바이오디젤이 유럽을 중심으로 빠르게 성장하고 있다. 또한, 바이오매스는 재생 가능한 에너지로서 뿐만 아니라 각종 석유화학 기반의 제품을 대체할 수 있는 잠재력을 가진 것으로 평가되고 있다. 일부에서는 석유나 석탄과 같은 '지하자원'을 대체할 수 있는 거의 유일한 '지상 자원'으로 바이오매스 자원을 꼽을 정도이다.
바이오매스의 종류로는 미생물에서 동식물, 각종 인간 활동의 부산물 또는 쓰레기 등 매우 다양하다. 구체적인 예를 들어 곡물, 목재(폐목재, 벌목 등), 동물의 분뇨, 음식물 쓰레기, 유기성 하수/폐수 슬러지 등이 대표적인 바이오매스로 볼 수 있다. 이때, 폐목재 등은 주로 연료로 재활용되며, 분뇨나 음식물 쓰레기 등은 주로 비료로 재활용된다.
한편, 바이오매스와 대별되는 유기물 폐자원으로서, 폐제지슬러지와 폐유 등도 그 재활용에 대한 관심이 부각되고 있다.
예를 들어, 폐제지슬러지는 제지공장의 최종공정에서 수분함량(함수율) 70 ~ 85중량％의 탈수케익 형태로 발생되며, 수분을 제외한 고형분을 기준으로 적게는 30중량％, 많게는 70중량％ 이상의 유기물이 함유되어 있다. 이러한 유기물의 함 량으로 폐제지슬러지는 대략 2,000kcal/kg ~ 5,000kcal/kg 정도의 높은 열량을 가지고 있다. 이에 따라, 유기성 폐제지슬러지는 저급 탄소계 연료로 분류되고 있으며, 국내의 경우 약 650 만톤씩(2004년 기준) 발생하고 있다. 정부에서는 2011년 2월까지 폐제지슬러지의 해양투기를 금지하고, 재활용 등을 통한 육상처리 원칙을 발표한 바 있어, 폐제지슬러지에 대한 재활용 기술이 시도되고 있다.
폐제지슬러지의 재활용 기술은 화석연료(석탄이나 석유)의 대체연료로 활용하고자 하는 기술이 대표적이다. 그러나 폐제지슬러지는, 수분이 약 70중량％ 이상을 차지하고 있어 연료화에 큰 장애가 되고 있다. 아울러, 건조를 통해 수분함량을 감소시켜도 폐제지슬러지의 고형분은 연료로서의 물성을 결정하는 데 가장 중요한 휘발분의 함량과 고정탄소의 함량이 기존의 석탄계 화석연료와는 정반대의 비율로 구성되어 있어 기존의 연소 시스템에서는 연료로 활용하는 것에는 많은 제약이 따르고 있다.
또한, 폐유는 폐제지슬러지에 비하여 재활용율은 높으나 주로 정제를 이용한 방법으로 재활용되고 있어 이에 따른 에너지 비용이 많이 소모된다. 폐유의 정제법은 이온정제법, 감압증류법 및 고온 열분해법 등이 있다. 이온정제법은 폐유 중 수분과 침전물을 제거하고 약품처리를 통하여 중금속 등을 제거하여 자원화하는 방법이며, 감압증류법은 박막증류 또는 탑증류 방식으로 폐유 중의 수분과 침전물 등을 제거하는 전처리 과정을 거친 후, 진공 하에서 가열 증류하는 방법이다. 그리고 고온열분해법은 폐유를 450 ~ 500℃로 가열하여 라디칼반응에 의하여 고분자를 저분자화 하여 경질유를 얻는 방법이다. 그러나 이들 정제법은 많은 에너지가 소 모되어 공정 개선이 요구되고 있다.
위와 같은 폐제지슬러지와 폐유의 재활용과 관련하여, 최근에는 성형성을 높이기 위하여 점토나 모래를 섞어 기존의 연탄이나 조개탄 모형으로 연료를 제조하거나, 다량의 코크스 및 석탄류를 혼합하여 고형 연료화하는 사례들이 발표되고 있다.
예를 들어, 한국 공개특허 제10-1991-0001084호에는 펄프 제지슬러지를 파라핀왁스에 혼합한 후 헥사민과 과망간산칼륨을 첨가하여 제조된 고형연료가 제시되어 있으며, 한국 공개특허 제10-1994-0024040호에는 나무류, 폐지류, 제지슬러지 등의 폐기물에 탄산칼슘, 제오라이트 및 결합제를 혼합한 다음, 압축 성형기를 통하여 제조된 숯 고체연료가 제시되어 있다.
또한, 한국 공개특허 제10-2005-0015873호는 폐유(윤활유), 폐식용유 및 탄산가리 등을 교반하여 얻어진 결과물에 플라스틱 폐기물(폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리스틸렌 수지)을 소량씩 분할 투입하면서 용융시켜 콜로이드 수지로 만들고, 여기에 알루미늄분말 및 산화제2철 등을 혼합한 다음 냉동 건조하여 분말화하는 고체연료 제조용 열량 상승물질 제조방법이 제시되어 있다. 그리고 한국 공개특허 제10-2008-0056352호는 폐비닐이나 폐합성수지를 용융시켜 조성되는 제1연료조성물 50 ~ 60중량%와, 폐식용유와 자동차의 엔진오일 등의 폐유, 흑연, 석탄분말, 폐목재나 톱밥을 혼합 압출시켜 조성되는 제2연료조성물 20 ~ 30중량%, 그리고 결합제인 규산소다 10 ~ 15중량%로 혼합하여 구성한 고체연료가 제시되어 있다.
아울러, 일본 공개특허 소56-62891호에는 유기성 슬러지, 폐유 및 플라스틱 폐기물을 혼합, 성형한 다음, 열 건조를 통하여 수분함량을 낮춘 고체연료의 제조방법이 제시되어 있으며, 일본 공개특허 평2001-214173호에는 가열된 식물성 기름에 폐기 종이기저귀 등의 폐기물을 투입하여 수분을 증발시키고, 상기 폐기물에 함유된 염화수소 가스를 염화칼슘에 중화 제거한 후, 폐유를 첨가하여 제조한 액상 또는 과립상의 연료가 제시되어 있다.
그러나 상기 선행특허문헌들은 포함한 종래의 기술은 서로 상이한 물성의 재료가 섞여있어 연소의 최적 조건을 맞추기가 힘들뿐 아니라 발열량이 낮고, 불완전연소 등으로 인한 각종 유독물질(및 대기오염물질)이 배출되며, 불연성 재료가 첨가되어 있어 연소가 어렵다. 또한, 석탄분말이나 석유 코크스 분말을 열량보강재로 첨가하는 방법은 제지슬러지의 열량을 높이기 위하여 열량보강재를 제지슬러지 고형분에 대하여 적게는 1.25배, 많게는 45배 가까이 첨가하고 있어, 이는 열량보강재에 제지슬러지를 첨가하는 형태가 되어 폐제지슬러지의 활용도가 떨어지는 문제점이 있다. 아울러, 한국 공개특허 제10-2005-0015873호 및 일본 공개특허 소56-62891호 등에서와 같이 바인더로서 플라스틱 폐기물을 사용하는 경우, 연소 시 다이옥신, 염소, 황 등의 유독물질(및 대기오염물질)의 배출량이 많아 고체연료로서 갖춰야 할 조건(자원절약과 재활용 촉진에 관한 법률 제25조의3 제2항 관련)을 만족하지 못하는 문제점이 있다.
한편, 바이오매스(예컨대, 폐목재, 슬러지 등)와 폐제지슬러지 등에는 다량의 수분이 함유되어 있다. 예를 들어, 폐목재의 경우에는 20중량% 이상이 수분이며, 폐제지슬러지의 경우에는 전술한 바와 같이 70중량％ 이상이 수분이다. 이에 따라, 상기 폐목재나 폐제지슬러지 등을 고체연료로서 재활용하기 위해서는 분쇄과정은 물론 탈수과정을 거쳐야만 한다. 탈수는 탈수기에 의하거나, 열풍 건조(또는 자연 건조) 등에 의해 수행될 수 있으나, 이와 같은 방법은 함수율을 낮추는데 한계가 있으며, 그 시간 또한 오래 걸린다.
또한, 고체연료를 제조함에 있어서, 폐유와 수분(폐제지슬러지나 폐목재에 함유된 수분)이 혼합된 상태에서 성형 및 건조하는 경우, 증발된 수분이 폐유의 기름막을 통과하면서 엄청난 양의 기포를 발생시킨다. 구체적으로, 고체연료를 제조함에 있어서는, 압출(압축)을 통해 고체연료를 성형하는 성형공정과, 상기 성형된 고체연료는 건조하는 건조공정이 수반되고, 상기 성형공정 및 건조공정에서는 열이 공급되는데, 이때 열에 의해 수분이 증발되어 기포가 발생된다. 이에 따라, 압출(압축) 성형공정에서의 기포 발생에 의해 압출(압축)이 어렵고, 제품(고체연료)의 성형성(형태 유지성)이 떨어지며, 건조공정 후에는 기포에 의해 공극이 형성되어 강도 등의 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 그리고 강도 저하로 인하여 고체연료의 저장 및 운송 시 깨짐으로 인한 분진이 발생되고 취급이 어렵다. 따라서 상기 폐목재나 폐제지슬러지 등을 고체연료로서 재활용하기 위해서는, 무엇보다 성형공정 이전에 수분함량(함수율)을 가능한 한 최소화시켜야 한다.
상기한 바와 같이, 고체연료는 일반적으로 바이오매스(유기물 폐기물 등)와 폐유 등을 이용하여 제조하고 있는데, 종래 기술에 따른 고체연료는 연소 시 발열량이 낮고, 강도가 양호하지 못하여 보관 및 취급이 어려운 문제점이 있다.
또한, 종래 고체연료의 형태 유지를 위해 바인더(플라스틱 폐기물 등)의 사 용이 필수적인데, 이러한 바인더의 사용에 의해 공정이 복잡해지고 연소 시 유독성 물질 및 대기오염물질이 배출되는 문제점이 있다. 아울러, 원료로서 유기성 폐기물과 폐유 등을 사용함에 따라 필연적으로 악취가 심하게 발생되는 문제점이 있다. 특히, 성형공정 이전에 원료의 수분함량(함수율)을 가능한 한 최소화시켜야 하는 공정 개선이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 바이오매스(예를 들어 곡물, 목재, 분뇨, 음식물 쓰레기 등)나 폐제지슬러지 등을 연료의 자원으로 재활용함은 물론, 출발원료로서 사용되는 상기 바이오매스나 폐제지슬러지의 수분함량(함수율)을 중탕, 가열을 통해 최소화함으로써, 제조공정이 개선되고, 강도가 향상되어 취급이 용이하며, 연소 시 발열량이 높은 고체연료의 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
바이오매스 및 폐제지로부터 선택된 하나 이상의 유기물을 오일이 수용된 가열조에 투입하여 중탕, 가열하되, 수분 증발에 의해 생성된 기포가 억제되도록 상기 가열조에 기포억제제를 분무해가며 중탕, 가열하는 중탕/가열 단계;
상기 가열조에서 배출된 유기물로부터 오일을 분리하는 탈유단계; 및
상기 탈유된 유기물을 성형체로 성형하는 성형단계를 포함하는 고체연료의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
바이오매스 및 폐제지로부터 선택된 하나 이상의 유기물을 오일이 수용된 가열조에 투입하여 중탕, 가열하되, 수분 증발에 의해 생성된 기포가 억제되도록 상 기 가열조에 기포억제제를 분무해가며 중탕, 가열하는 중탕/가열 단계;
상기 가열조에서 배출된 유기물로부터 오일을 분리하는 탈유단계;
상기 탈유된 유기물에 바인더, 오일 및 유화제로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 혼합하여 혼합물을 형성하는 혼합단계; 및
상기 혼합물을 성형체로 성형하는 성형단계를 포함하는 고체연료의 제조방법을 제공한다.
아울러, 본 발명에 따른 고체연료의 제조방법은 상기 성형체를 탄화시키는 탄화단계를 더 포함하는 것이 좋다.
본 발명에 따르면, 원료로서 사용되는 바이오매스나 폐제지가 중탕, 가열을 통해 수분함량(함수율)이 최소화되어 제조공정이 개선되고, 강도가 향상되어 취급이 용이한 효과를 갖는다. 또한, 연소 시 발열량이 높은 고체연료를 제조할 수 있다. 부가적으로, 탄화단계가 더 진행되는 경우, 발열량 및 강도가 향상되면서 악취가 제거된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 고체연료의 제조공정도를 도시한 것으로서, 도 1은 본 발명의 예시적인 제1형태에 따른 제조공정도를 예시한 것이고, 도 2는 본 발명의 예시적인 제2형태에 따른 제조공정도를 예시한 것이다. 그리고 도 3은 본 발명에 사용되는 제조장치의 일례를 보인 요부 단면 구성도이고, 도 4는 본 발명에 사용되는 제조장치의 다른 예를 보인 요부 단면 구성도이다. 또한, 도 5는 본 발명에 사용되는 성형기의 예시적인 모습을 보인 단면도이고, 도 6은 본 발명에 사용되는 밀폐 저장조의 예시적인 모습을 보인 사시도이다.
본 발명에 따른 고체연료의 제조방법은, 본 발명의 제1형태에 따라서 다음의 3단계를 포함한다.
(1) 바이오매스 및 폐제지로부터 선택된 하나 이상의 유기물을 오일이 수용된 가열조(20)에 투입하여 중탕, 가열하되, 수분 증발에 의해 생성된 기포가 억제되도록 상기 가열조(20)에 기포억제제를 분무해가며 중탕, 가열하는 중탕/가열 단계
(2) 상기 가열조(20)에서 배출된 유기물(배출물)로부터 오일을 분리하는 탈유단계
(3) 상기 탈유된 유기물을 성형체로 성형하는 성형단계
본 발명에 따른 고체연료를 제조함에 있어서는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 분쇄기(10)(50), 가열조(20), 폐유저장조(30), 탈유기(40), 혼합기(50), 성형기(70) 및 건조기(80) 등이 설치된 제조설비를 사용할 수 있다. 이하, 각 단계별로 설명한다.
중탕/가열 단계
본 발명에 따른 고체연료는 구성 물질로서 유기물과 오일 성분을 포함한다. 즉, 본 발명에 따른 고체연료는 원료로서 유기물과 오일 성분이 사용된다. 이때, 상기 오일 성분은 중탕/가열 공정에서 포함된다. 또한, 오일 성분은 별도의 혼합에 의해 첨가 포함될 수 있다. 상기 유기물은 바이오매스 및 폐제지로부터 선택된 하나 이상이 사용된다. 여기서, 바이오매스와 폐제지는 아래에서 설명한 바와 같다.
상기 바이오매스는 일반적으로 통용되는 유기물을 총칭한다. 바이오매스는 동식물 및 인간 활동의 부산물 또는 쓰레기 등을 포함한다. 구체적으로, 바이오매스는 곡물, 목재, 동물(소, 돼지, 닭, 오리 등)의 분뇨, 가정이나 식당에서 버려지는 음식물 쓰레기 및 유기성 하수 슬러지 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 이때, 상기 목재는 건설현장 및 일반 산업현장 등에서 버려지는 폐목재, 산에서 채취한 벌목(큰 벌목 및 작은 벌목을 포함한다) 및 제재소나 목재 가공업체 등에서 발생된 목분(톱밥 등) 등을 포함한다.
상기 바이오매스는 수분함량이 80중량％인 이하인 것, 바람직하게는 탈수 및/또는 건조에 의해 수분함량이 30중량% 이하인 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바이오매스는 보다 구체적으로 수분함량이 0.1 ~ 30중량%인 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 바이오매스는 분쇄기(10)를 통하여 분쇄하여 사용하는 것이 좋다. 예를 들어, 바이오매스는 30 ~ 100 메쉬(mesh) 크기로 분쇄하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에서 상기 폐제지는 예를 들어 폐지 분말 및 폐제지슬러지 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 폐지 분말은 종이, 신문지, 화장지 및 기저귀 등의 펄프제품을 분쇄한 것을 예로 들 수 있다. 또한, 상기 폐제지슬러지는 제지공장에서 발생되는 것으로서, 제지공장에서 발생된 폐제지슬러지를 그대로 사용하거나, 바람직하게는 탈수되어 수분함량(함수율)이 80중량% 이하, 구체적으로는 수분함량이 30 ~ 80중량％인 폐제지슬러지를 사용할 수 있다. 또한, 상기 폐제지슬러지는 탈수 및 건조과정을 거쳐, 수분함량이 30중량% 이하, 구체적으로는 수분함량이 0.01 ~ 30중량%인 건조 폐제지슬러지를 사용할 수 있다. 아울러, 상기 폐제지슬러지는 수분함량이 50 ~ 80중량%인 폐제지슬러지와, 수분함량이 0.1 ~ 30중량%인 건조 폐제지슬러지를 혼합하여 사용하여도 좋다. 상기 폐제지, 즉 상기한 폐지 분말이나 폐제지슬러지는 분쇄기(10)를 통하여 분쇄하여 사용하는 것이 좋다. 예를 들어, 폐제지는 30 ~ 100 메쉬(mesh) 크기로 분쇄하여 사용하는 것이 좋으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 고체연료의 원료로서 사용되는 유기물은 이상에서 설명한 바와 같다. 원료로서의 유기물은, 바람직하게는 바이오매스와 폐제지를 모두 포함하면 좋다. 보다 구체적인 예를 들어, 원료로서의 유기물은 목분과 폐제지슬러지를 모두 포함하면 좋다. 이하, 원료로서의 유기물을 바이오매스와 폐제지슬러지 둘 모두를 사용하는 경우를 예를 들어 설명한다.
첨부된 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 바이오매스와 폐제지슬러지는 가열조(20)에 투입된다. 이때, 바이오매스와 폐제지슬러지는 혼합된 후 가열조(20)에 투입되거나, 또는 각각 별도로 투입될 수 있다. 상기 바이오매스와 폐제지슬러지는 수분을 함유하고 있는데, 이때 특별히 한정하는 것은 아니지만 건조중량 기준(수분을 제외한 고형분 기준)으로 40 ~ 90 : 60 ~ 10의 중량비로 투입될 수 있다. 즉, 가열조(20)에는 상기 바이오매스와 폐제지슬러지를 40 ~ 90 : 60 ~ 10의 중량비(건조중량 기준)로 투입하는 것이 좋다.
또한, 상기 가열조(20)에는 오일이 수용되어 있다. 상기 오일은 광물성유(석유, 등유, 경유 등의 연료유 등), 식물유 및 동물유 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 본 발명에서 오일은 폐유를 포함한다. 상기 오일은 보다 구체적으로 자동차유, 선박유, 절연유, 기어유, 터빈유 등의 (폐)광물성유; 콩기름, 포도씨유, 옥수수기름, 야자유, 해바라기유 등의 (폐)식물성유; 그리고 소, 돼지, 닭, 물고기 등의 (폐)동물성유 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 오일은, 상기 나열된 것들 중에서 바람직하게는 (폐)식용유, (폐)자동차유, (폐)선박유, (폐)절연유, (폐)기어유 및 (폐)터빈유 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 2 이상의 혼합을 사용하는 것이 좋다. 또한, 도 1에서 도시된 바와 같이 오일은, 폐유저장조(30)에서 공급될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 가열조(20)는 오일이 수용된 본체(21)와, 상기 본체(21)를 가열하는 열공급부(22)를 갖는다. 이때, 상기 열공급부(22)는 예를 들어 자켓형 또는 직화형으로서, 본체(21)에 수용된 오일을 가열할 수 있는 것이면 좋다. 예를 들어, 열공급부(22)에는 도 2에 도시된 바와 같은 가열 코일 등이 설치될 수 있다. 그리고 상기 가열조(20)를 구성하는 본체(21)의 상 단에는 원료(바이오매스와 폐제지슬러지)가 투입되는 호퍼(23)와, 가열에 의해 발생된 수증기가 외부로 배출되는 배출구(24)를 갖는다.
상기 가열조(20)에 투입된 원료, 즉 바이오매스와 폐제지슬러지는 중탕, 가열에 의해 수분이 제거된다. 즉, 가열된 오일(바람직하게는 폐유)에 의해 튀겨져 바이오매스와 폐제지슬러지에 함유된 수분은 순간적으로 최소화된다. 이와 같은 중탕, 가열 공정을 통해 원료, 즉 바이오매스와 폐제지슬러지는 수분이 제거되어, 수분함량 20중량% 이하, 구체적으로는 0.01 ~ 20중량%의 수분함량을 가질 수 있다. 상기 바이오매스와 폐제지슬러지는 중탕, 가열 공정에 의해 바람직하게는 10중량%이하, 구체적으로는 0.01 ~ 10중량%의 수분함량을 가질 수 있다. 이때, 가열조(20)에 수용된 오일의 온도는 100℃ 이상, 구체적으로는 100 ~ 180℃로 유지하는 것이 좋다. 오일의 온도가 100℃ 미만으로서 너무 낮으면 수분 제거율이 떨어질 수 있고, 180℃를 초과하여 너무 높으면 오일의 끓어오름이 심하여 바람직하지 않을 수 있다. 오일의 온도는, 바람직하게는 120 ~ 150℃가 좋다. 아울러, 상기 중탕, 가열 과정에서는 수분 제거와 함께 원료의 혼합이 진행될 수 있다.
또한, 상기 중탕, 가열 공정에 있어서, 가열을 통한 수분 증발에 의해 수증기가 발생되며, 발생된 수증기는 배출구(24)를 외부로 배출된다. 이때, 발생된 수증기에 의해 가열조(20)에는 다량의 기포가 생성되며, 생성된 기포는 중탕, 가열공정은 물론 후속공정에서 악영향을 끼친다. 즉, 가열조(20)에 수용된 오일의 계면(표면) 및 내부에는 수증기의 증발에 의해 다량의 기포가 생성되고, 생성된 기포는 배출구(24)를 막히게 하거나, 오일의 계면(표면)을 덮어 수증기의 증발을 방해할 수 있다. 또한, 생성된 기포는 후속하는 성형공정 등에서의 장애가 되며, 제품(고체연료)에 공극이 형성되게 하여 기계적 물성(강도)을 저하시킬 수 있다.
따라서 상기 중탕, 가열 공정을 진행함에 있어서, 기포 생성에 대한 문제가 선결되어야 한다. 이를 위해, 상기 중탕, 가열 공정을 진행함에 있어서는 원료(바이오매스와 폐제지슬러지)를 오일이 수용된 가열조(20)에 투입하여 중탕, 가열하되, 수분 증발에 의해 생성된 기포가 억제되도록 상기 가열조(20)에 기포억제제를 분무해가며 수행한다. 이때, 초음파 발생장치를 이용하여 가열조(20) 내에 초음파 진동을 부여해주면 더욱 좋다. 즉, 상기 가열조(20)에 기포억제제를 분무해줌과 동시에 초음파 진동을 부여해주며 중탕, 가열하는 것이 좋다. 이와 같이 초음파 진동을 부여해주는 경우, 기포 억제 효율이 증가되고, 이와 함께 원료의 혼합성이 증대될 수 있다. 상기 가열조(20) 내부의 상단에는 기포억제제를 분무하기 위한 분사구(25)가 설치된 구조를 갖는다. 기포억제제는 가열조(20)의 외부에 설치된 기포억제제 수용조(25-1)로부터 공급될 수 있으며, 분사구(25)를 통하여 적정 토출 압력으로 스프레이 분사될 수 있다. 또한, 가열조(20)의 용량이나 기포 생성량에 따라 다를 수 있지만, 상기 기포억제제는 0.2 ~ 5 mL/초(sec)의 유량으로 분무될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
따라서 본 발명에 따르면, 바이오매스와 폐제지슬러지에 함유되는 수분은 오일을 통한 중탕, 가열에 의해 순간적으로 제거되어 수분함량(함수율)이 최소화된다. 그리고 수분 증발에 의해 생성된 기포는 기포억제제의 분무에 의해 억제되어, 기포 생성에 의해 우려될 수 있는 배출구(24)의 막힘 현상이나 수증기 증발 방해를 미연에 예방할 수 있으며, 후속공정(성형공정 등)에서의 장애 요소 및 기계적 물성(강도) 저하를 방지할 수 있다. 이때, 배출구(24)로 배출된 수증기는 응축기를 통해 소량의 미응축 기체(예를 들어 소량의 오일성분)와 분리시켜 수증기는 액상으로 그리고 미응축 오일은 송풍기를 이용하여 직화로로 이송시켜 연소시킬 수 있다.
상기 기포억제제는 생성된 기포를 억제할 수 있는 것이면 사용 가능하며, 액상 또는 입자상을 포함한다. 기포억제제는, 바람직하게는 알코올을 포함하는 것이면 좋다. 예를 들어, 기포억제제는 저급 알코올을 포함하는 수용액을 사용할 수 있다. 이때, 상기 알코올은, 구체적인 예를 들어 메틸알코올, 에틸알코올, 프로필알코올 및 부틸알코올 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 2 이상의 혼합일 수 있다. 또한, 상기 기포억제제는 데카노익산(decanoic acid), 라우릭산(lauric acid), 마이리스틱산(myristic acid), 팔미틱산(palmitic acid), 스테아릭산(stearic acid), 올레익산(oleic acid), 미네랄오일(mineral oil), 옥시스테아린(oxystearine), 디메틸폴리실록산(dimethyl polysiloxane), 실리콘디옥사이드(silicon dioxide), 솔비탄모노스테아레이트(sorbitan monostearate), 실리콘수지(silicon resin) 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 2 이상의 혼합을 사용할 수 있다.
또한, 본 단계의 중탕, 가열 공정은 배치식 및 연속식을 포함하며, 바람직하게는 연속식이다. 이때, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 연속적인 공정이 가능하도록 가열조(20)의 내부에는 원료, 즉 바이오매스와 폐제지슬러지를 강제 이송시 키기 위한 강제이송수단(26)이 내설된 것이 좋다. 그리고 가열조(20)를 통해 중탕/가열된 배출물은 벨트 컨베이어(27)에 의해 탈유기(40)로 이송, 배출된다.
상기 강제이송수단(26)은 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 모터(도시하지 않음)에 의해 회전되는 스크류를 포함할 수 있다. 강제이송수단(26)은, 바람직하게는, 도 4에 도시된 바와 같이, 모터(도시하지 않음)에 회전되는 회전체(26a)와, 상기 회전체(26a)에 설치된 다수의 블레이드(26b, blade)를 포함할 수 있다. 이때, 블레이드(26b)는 회전체(26a)의 회전 방향으로 회전하면서, 가열조(20) 내의 중탕/가열된 유기물(배출물)을 토출구, 즉 벨트 컨베이어(27) 쪽으로 강제 이송시킨다.
탈유
단계
상기 중탕/가열단계를 거친 유기물(배출물)은 탈유기(40)로 이송되어 오일 성분을 분리(탈유), 제거되는 탈유 공정을 거친다. 이때, 탈유는 완전 탈유를 의미하는 것은 아니다. 구체적으로, 원료, 즉 바이오매스와 폐제지슬러지는 탈유 공정을 거친 후에도 소량의 오일 성분이 포함되어 있다. 원료에 포함된 오일 성분은 고체연료의 발열량을 증가시킬 수 있다.
상기 탈유기(40)는 가열조(20)에서 배출된 (유기물)배출물로부터 오일을 분리할 수 있으면 사용 가능하며, 예를 들어 중력 여과식(여과망), 원심 분리식, 롤 방식 등을 포함한다. 상기 탈유기(40)는 통상적인 탈수기, 예를 들어 원심 탈수기나 벨트 프레스(belt press) 등을 사용 할 수 있다. 특히, 상기 탈유 공정에서는 원심 탈수기의 경우 오일이 배출되는 부분(오일 배출 통로)이 작은 슬러지에 의해 막힐 수 있으므로, 고압으로 오일 성분을 짜내는 롤 방식의 착유기 등을 사용하는 것이 좋다. 이때, 원료(바이오매스와 폐제지슬러지)로부터 분리된 오일은, 폐유저장조(30)로 환류(return)되어, 중탕/가열을 위한 가열조(20)의 오일로 재사용될 수 있다.
성형 단계
상기와 같이 탈유된 유기물을 성형기(70)에 투입하여 고체 또는 반고체상태의 성형체로 성형한다. 이때, 탈유된 유기물에는 바이오매스와 폐제지슬러지는 물론 소량의 오일 성분이 포함되어 있다. 상기 성형체는 압출 성형 또는 사출 성형 등을 통해 다양한 형상을 가질 수 있다. 상기 성형체는 고체 또는 반고체상태로서, 예를 들어 구형, 원기둥형 및 다각기둥형(예를 들어, 삼각기둥형, 사각기둥형, 육각기둥형 등) 등의 형상을 가질 수 있다. 또한, 성형체는 통상의 연탄이나 조개탄 등의 형상을 가질 수 있다. 성형체는, 바람직하게는 펠렛(pellet) 형상을 가지는 것이 좋다. 즉, 본 발명에 따라 제조된 고체연료는, 바람직하게는 펠렛 형상을 가질 수 있다. 보다 구체적인 예를 들어, 상기 성형체는 직경이 3mm ~ 30mm이고, 길이가 10mm ~ 100mm인 원기둥형의 펠렛 형상을 가질 수 있다. 이때, 탈유된 유기물(원료)은, 예를 들어 도 4에 보인 펠렛 압출 성형기(70)로 공급되어 반고체상태의 펠렛 성형체로 성형될 수 있다.
도 5를 참조하여 설명하면, 상기 압출 성형기(70)는 압출수단(72)과 성형다 이(74)를 포함할 수 있다. 상기 압출수단(72)은 롤러나 스크류 등으로부터 선택될 수 있다. 도 5에서는 상기 압출수단(72)으로서 모터(도시하지 않음)에 의해 회전되는 롤러를 예시하였다. 또한, 상기 성형다이(74)는 도시된 바와 같이 다수 개 설치될 수 있으며, 이러한 성형다이(74)는 그의 단면이 원형 또는 다각형 등인 파이프 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 성형다이(74)는 회전플레이트(73)에 착설되어 회전될 수 있다. 이때, 상기 회전체(73)는 축(75)에 결합되어 어느 한 방향으로 회전된다. 원료 주입조(71)에 유입된 원료는 압출수단(72)의 압력에 의해 성형다이(74)로 압출된다. 도 5에 보인 압출 성형기(70)는 예시적인 것으로서, 본 발명에서 사용될 수 있는 압출 성형기(70)는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 압출수단(72)과 성형다이(74)를 포함하는 것이면 좋다.
아울러, 위와 같은 압출 성형기(70)를 통해 성형된 성형체는, 직경이 3mm ~ 30mm인 원기둥형의 펠렛 형상을 가질 수 있다. 또한, 성형체는 적정 길이로 절단될 수 있다. 예를 들어, 성형기(70)에서 압출된 성형체는 절단기를 통해 10mm ~ 100mm의 길이로 절단될 수 있다. 아울러, 상기 탈유된 유기물(원료)은 상기 성형기(70)로 공급되기 이전에 분쇄기(50)를 통해 분쇄될 수 있다. 탈유된 유기물(원료)은 분쇄기(50)를 통해 예를 들어 30 ~ 100 메쉬(mesh) 크기로 분쇄될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 고체연료의 제조방법은 혼합단계를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 고체연료의 제조방법은, 본 발명의 제2형태에 따라서 다음의 4단계를 포함한다.
(1) 바이오매스 및 폐제지로부터 선택된 하나 이상의 유기물을 오일이 수용된 가열조(20)에 투입하여 중탕, 가열하되, 수분 증발에 의해 생성된 기포가 억제되도록 상기 가열조(20)에 기포억제제를 분무해가며 중탕, 가열하는 중탕/가열 단계
(2) 상기 가열조(20)에서 배출된 유기물로부터 오일을 분리하는 탈유단계
(3) 상기 탈유된 유기물에 바인더, 오일 및 유화제로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 혼합하여 혼합물을 형성하는 혼합단계
(4) 상기 혼합물을 성형체로 성형하는 성형단계
또한, 본 발명의 다른 형태에 따라서, 상기 성형단계 이후에 진행되는 것으로서, 상기 성형체를 건조시키는 건조단계 또는 상기 성형체를 탄화시키는 탄화단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 중탕/가열단계, 탈유단계 및 성형단계는 전술한 바와 같다. 이하, 상기 혼합단계, 건조단계 및 탄화단계를 설명하면 다음과 같다.
혼합단계
혼합단계에서는 혼합기(60)를 통해 탈유된 유기물(원료)에 바인더, 오일 및 유화제로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상이 첨가 혼합된다. 이때, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 탈유된 유기물(원료)은 분쇄기(50)를 거쳐 분쇄된 후에 혼합기(60)에 공급될 수 있다.
상기 바인더는 원료, 즉 바이오매스와 폐제지슬러지 등을 결합시키기 위한 것으로서, 결합력(접착성)을 가지는 것이면 사용 가능하다. 상기 바인더는, 바람직하게는 연소 시 염소(Cl), 황(S) 등의 유독물질을 배출하지 않는 것을 사용하는 것이 좋다. 구체적인 예를 들어, 상기 바인더는 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate), 리그닌(lignin) 및 전분(starch) 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 2 이상의 혼합을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 리그닌(lignin)은 목재(펄프)로부터 추출된 순수 리그닌(virgin lignin) 및 목재를 가공하여 종이의 원료를 만들 때 부산물로 배출되는 폐리그닌(waste lignin)을 포함한다. 상기 폴리비닐아세테이트, 리그닌 및 전분은 연소 시 염소(Cl), 황(S) 등을 배출하지 않으면서 폐제지슬러지 및 오일 성분(폐유 등) 등과 혼화성도 양호하여 본 발명에 바람직하다. 상기 바인더는, 특별히 한정하는 것은 아니지만 유기물 100중량부(수분을 제외한 건조 중량 기준으로 바이오매스와 폐제지슬러지의 혼합 100중량부 기준)에 대하여 0.5 ~ 20중량부로 포함될 수 있다. 이때 바인더의 함량이 0.5중량부 미만이면 결합력이 약해져 성형성(제품의 형태 유지성) 및 강도 등이 떨어질 수 있으며, 20중량부를 초과하면 상대적으로 바이오매스와 폐제지슬러지 등의 함량이 작아져 재활용성 및 발열량 면에서 바람직하지 않을 수 있다.
또한, 상기 혼합단계에서 첨가되는 오일은 전술한 바와 같다. 구체적으로, 혼합단계에서의 오일은, 바람직하게는 폐유로서 폐식용유, 자동차유, 선박유, 절연유, 기어유 및 터빈유 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 2 이상의 혼합을 사용하는 것이 좋다. 이러한 오일은 발열량 증가를 위해 첨가되며, 바람직하게 는 폐유저장조(30)에서 공급될 수 있다. 이때, 오일은 성형체 전체 중량 기준으로 0.1 ~ 30.0중량부가 되도록 적정량 첨가하는 것이 좋다. 오일의 함량이 너무 작으면 발열량에서 다소 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 오일의 함량이 너무 많으면 강도 면에서 바람직하지 않고, 성형 단계에서 반고체 상태나 고체 상태의 성형체를 제조하기 어려울 수 있다.
아울러, 상기와 같이 혼합단계에서 오일이 첨가된 경우, 상기 오일은 폐제지슬러지 등과의 혼화성이 떨어질 수 있는데, 이때 상기 유화제는 이를 개선한다. 즉, 유화제의 첨가에 의해 오일은 폐제지슬러지 등과 혼합기(60)에서 균일하게 혼합될 수 있다. 이러한 유화제는 친유성 계면활성제, 친수성 유화안정제 및 친유성 유화안정제 중에서 선택된 하나 또는 둘 이상이 사용될 수 있다. 아울러, 후속하는 성형단계에서는 열이 수반되는데, 이때 열에 의해 증발된 수분이 폐유와 접촉하여 기포를 발생시킬 수 있다. 이러한 기포 발생을 방지할 수 있도록 상기 유화제는 알코올(메틸알코올, 에틸알코올 및 프로필알코올 등) 및 디메틸 폴리실록산(dimethyl polysiloxane)으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 이들의 혼합을 사용하는 것이 좋다. 즉, 유화제로서, 상기 알코올이나 디메틸 폴리실록산을 사용하는 경우, 폐유와 폐제지슬러지 등의 혼화성을 좋게 함은 물론 성형단계에서의 기포 발생을 방지할 수 있다. 상기 유화제는, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 유기물 100중량부(수분을 제외한 건조 중량 기준으로 바이오매스와 폐제지슬러지의 혼합 100중량부 기준)에 대하여 0.05 ~ 10중량부로 포함될 수 있다. 이때, 유화제의 함량이 0.05중량부 미만이면 이의 함유에 따른 유화 개선능 및 기포 방지능 등 이 양호하지 않을 수 있으며, 10중량부를 초과하는 경우 과잉 함유에 따른 상승효과가 그다지 크지 않을 수 있다.
또한, 상기 혼합단계에서는 각 원료들의 균일한 분산이 도모되도록 초음파를 부여할 수 있다. 즉, 혼합기(60) 내에서 각 원료들을 교반함과 동시에 초음파를 부여할 수 있다.
건조 단계
상기 성형단계를 통해 성형된 성형체는 건조될 수 있다. 성형체는, 바람직하게는 수분함량 10중량% 이하, 구체적으로는 수분함량이 0.01 ~ 10중량%가 되도록 건조될 수 있다. 건조에 의해 고체연료가 가져야 할 법제상의 함수율 조건(함수율 10중량% 이하)을 만족할 수 있다. 건조는 진공건조 또는 70 ~ 200℃(바람직하게는 80 ~ 180℃)에서 열풍 건조하는 방법으로 수행될 수 있다. 이러한, 건조 단계는 선택적인 것으로서, 상기 건조 단계는 생략되어도 좋다. 성형체는 건조를 거치지 않고 탄화 단계를 거치는 경우, 탄화와 함께 건조가 동시에 진행된다.
탄화 단계
탄화는 성형 단계 이후에, 또는 건조 단계 이후에 진행될 수 있다. 성형체는 바람직하게는 저온 탄화된다. 고체연료는 저온 탄화에 의해 발열량이 높아지고, 내구성(강도 등)이 향상된다. 즉, 본 발명에 따르면, 저온 탄화된 경우, 탄화되기 전보다 발열량 및 내구성(강도 등)이 증가된다. 아울러, 저온 탄화에 의해 악취가 제거되어, 악취가 거의 없다.
저온 탄화는 100℃ ~ 350℃의 온도 하에서 진행된다. 저온 탄화는 진공 또는 통기가 되지 않는 밀폐된 공간에서 진행되면 좋다. 이때, 상기 온도 범위는 본 발명의 목적 달성을 위한 중요한 기술적 수단으로 작용한다. 이때, 온도가 100℃ 미만이면 탄화가 일어나지 않아 발열량 및 내구성(강도 등) 향상을 도모하기 어려우며, 온도가 350℃를 초과하면 오히려 발열량 증가 대비 내구성 감소 정도가 더 증가할 수 있다. 이러한 탄화공정은 성형체를 적정 크기로 절단한 후, 100℃ ~ 350℃로 유지되는 진공 또는 밀폐 저장조(90, 도 6 참조)에 저장함으로써 진행될 수 있다. 또한, 상기 탄화공정은 대기압(1atm) 하에서, 예를 들어 성형다이(74, 도 5 참조)를 사용하는 경우에는 상기 성형다이(74) 100℃ ~ 350℃로 가온함으로써 진행될 수 있다. 탄화공정은 상기 방법 외에 다양한 방법으로 진행될 수 있다. 이때, 탄화 온도는 오일의 함량에 따라 상기 범위 내에서 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 오일의 함량이 2 내지 30중량부인 경우, 진공 또는 밀폐된 공간에서 100℃ ~ 200℃에서 탄화시키는 것이 좋다.
아울러, 탄화 시간은 온도에 따라 다를 수 있지만, 예를 들어 밀폐 저장조(90)에 저장하여 탄화시키는 경우 2분 내지 72시간동안 진행될 수 있다. 즉, 성형체를 100℃ ~ 350℃로 유지되는 진공 또는 밀폐 저장조(90)에 2분 내지 72시간동안 저장하여 탄화시킬 수 있다.
저온 탄화공정은, 바람직하게는 다음과 같은 방법이 선택될 수 있다.
먼저, 도 5를 참조하여 설명하면, 압출 성형기(70)의 성형다이(74)에서 토출 된 성형체는 고온이다. 즉, 압출수단(72)에 의해 가압되는 성형체와 성형다이(74)의 마찰에 의해 성형다이(74)로부터 토출된 성형체는 대략 130℃ 이상의 고온을 유지하고 있다. 이때, 상기 성형체를 밀폐 저장조(90)에 투입하여 밀폐 저장하면 자연 탄화될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 저장조(90)는 성형체가 수용되는 용기본체(92)와, 상기 용기본체(92)에 결합되어 밀폐시키는 뚜껑(94)을 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이 압출 성형기(70)에서 압출 토출된 성형체는 마찰에 의해 고온을 유지하고 있는데, 이를 밀폐 저장조(90)에 투입하여 밀폐 저장하면, 보온에 의해 100℃ ~ 350℃ 범위 내로 유지되어 성형체는 자연 탄화될 수 있다. 이때, 성형체는 밀폐 저장조(90)에서 2분 내지 72시간동안 저장될 수 있다. 또한, 마찰열이 부족하여 성형체의 온도가 낮은 경우, 전술한 바와 같이 성형다이(74)에 열을 가함으로써 성형체의 온도를 높일 수 있다. 아울러, 마찰열이 부족하여 성형체의 온도가 낮아 밀폐 저장조(90) 내의 온도가 너무 낮으면, 밀폐 저장조(90)를 가온하여 100℃ ~ 350℃가 유지되도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 저온 탄화공정에 의해 발열량 및 내구성이 증가되고, 악취가 제거된다. 또한, 별도의 건조공정을 진행하지 않아도 상기 탄화공정에 의해 수분함량 10중량% 이하로 건조된다. 아울러, 탄화공정에 의해 원료가 결집되어 바인더를 사용하지 않아도 고체연료는 그 형태를 유지한다. 이에 따라, 건조공정 및 바인더공정 등이 배제되어 제조공정이 단축될 수 있다.
이상의 공정을 통해 수득된 고체연료는 기타 통상적인 후처리 공정을 거칠 수 있으며, 후처리 공정은 예를 들어 표면에 묻어 있는 분진의 제거공정 및 포장공정 등을 들 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 원료로서 사용되는 바이오매스와 폐제지슬러지가 중탕, 가열에 의해 수분함량(함수율)이 최소화되어 제조공정이 개선된다. 구체적으로, 수분이 순식간에 최소화되어 건조공정이 간소화 된다. 또한, 압출(압축)이나 건조공정에서 기포 발생이 감소되어 공극 형성에 따른 물성 저하를 방지할 수 있으며, 제품 형태가 변하지 않아 성형성이 개선된다. 또한, 강도가 향상되어 취급이 용이하다. 그리고 바이오매스, 폐제지슬러지 및 폐유를 고체연료의 자원으로 재활용할 수 있음은 물론 연소 시 발열량이 높다.
아울러, 연소 시 수분을 제외한 배출물질의 중량기준으로 회분 20중량％이하, 염소(Cl) 2.0중량％이하, 황(S) 0.6중량％이하로서, 고체연료가 가져야 할 법제상의 조건(자원절약과 재활용 촉진에 관한 법률 제25조의3 제2항 관련)을 만족한다.
또한, 탄화공정이 진행되는 경우, 탄화전보다 발열량 및 내구성이 향상되고, 악취가 제거된다. 그리고, 건조공정이나 바인더 혼합공정이 배제되어 제조공정을 단축시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 예시적인 것으로서, 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 고체연료는 원료로서 폐유(오일)와 폐제지슬러지를 포함하는 것이 바람직한데, 이때 폐유의 종류에 따른 성분조사와, 각 제지회사별로 배출되는 폐제지슬러지의 특성 연구가 선행되어야 할 것이다. 하기 [표 1]은 폐유의 종류에 따른 성분조사 결과이고, [표 2]는 제지 생산 품목별 폐제지슬러지의 성분조사 결과이다.
| 항목 | 폐유의 종류 | |||||
| 자동차유 | 선박유 | 절연유 | 기어유 | 터빈유 | ||
| 잔류탄소(중량%) | 1.43 | 0.66 | 0.09 | 0.05 | 0.05 | |
| 수분 및 침전물(Vol%) | 0.04 | 8.0 | - | - | - | |
| 회분(중량%) | 0.664 | 0.603 | 0.09 | 0.044 | 0.044 | |
| 황분(중량%) | 0.26~0.35 | 0.81 | 0.54 | 0.032 | 0.004 | |
| 중금속(mg/kg) | Cd 및 그 화합물 | 1 | 1 | 1 | 1미만 | 1 |
| Pb 및 그 화합물 | 불검출 | 1미만 | 1 | 8 | 1 | |
| Cr 및 그 화합물 | 불검출 | 1 | 1 | 1미만 | 1 | |
| As 및 그 화합물 | 불검출 | 1미만 | 0.01미만 | 1미만 | 1미만 | |
상기 [표 1]에 보인 바와 같이, 폐유의 종류에 따라 황의 함량이 상이하므로, 고체연료가 가져야 법제상의 황 함량 조건(연소 시 수분을 제외한 배출물질 중 황의 중량 기준 : 0.6 중량％ 이하)이 되도록 폐유의 종류 및 폐유의 함량을 고려하여 혼합하여야 한다.
| 페이퍼 종류 |
슬러지함량 (중량%) |
고체(solid) (중량%) |
재(ash) (중량%) |
셀룰로오즈(cellulose) (중량%) |
| 페이퍼 (Paper) |
21.87 | 32.34 | 30.08 | 46.19 |
| 뉴스프린트페이퍼 (News print paper) |
28.60 | 28.92 | 31.92 | 40.62 |
| 크라프트페이퍼 (Kraft paper) |
14.86 | 28.45 | 15.45 | 61.20 |
| 우드프리페이퍼 (Woodfree paper) |
5.79 | 35.20 | 59.63 | 28.95 |
| 팃슈 (Tissues) |
31.70 | 34.93 | 36.58 | 39.37 |
| 기타 |
8.14 | 30.08 | 34.74 | 35.07 |
| 평균 |
20.75 | 31.04 | 32.11 | 43.44 |
폐제지슬러지의 고형분 함량은 탈수 정도를 나타내는바, 탈수가 많이 진행된 것일수록 운반 및 기타 후속처리 등이 용이하다. 또한 제지 공장에서의 배출된 폐제지슬러지의 회분은 종이의 제조 시 활석, 고령토, 탄산칼슘 등의 각종 광물질 충진제에 따라 다름을 알 수 있었다. 아울러, 제지슬러지의 수분에 관한 특성을 알아보기 위하여 함수율을 측정한 결과, 제지공장에서 배출된 제지슬러지에는 평균 27중량％의 순수 제지슬러지와 73중량％의 수분이 함유되어 있음을 알 수 있었다.
[실시예 1]
먼저, 수분함량이 약 42중량%인 목분(폐톱밥)과 우드프리페이퍼(Woodfree paper)를 주로 생산하는 공장에서 배출되는 것으로서 수분함량이 약 73중량%인 폐제지슬러지를 구입하였다. 그리고 상기 폐톱밥과 폐제지슬러지를 벨트 프레스로 탈수한 다음, 80℃에서 72시간 동안 건조시켜 수분함량이 약 12중량%가 되도록 한 후, 분쇄하였다. 그리고, 분쇄된 폐톱밥과 폐제지슬러지 분말을 2 : 1의 중량비로 혼합하고, 상기 혼합물을 폐유(자동차유)가 수용된 반응기에 투입하였다. 그리고 반응기를 130℃까지 승온시킨 후, 초음파 진동을 부여하면서 약 20분 동안 중탕, 가열하였다. 이때, 수증기 증발에 의한 기포가 발생하였는데, 프로필알코올 수용액을 분사해 본 결과 기포가 억제됨을 알 수 있었다.
다음으로, 여과막을 이용하여 폐유로부터 튀겨진 폐톱밥과 폐제지슬러지를 걸러내었다. 그리고 걸러낸 폐톱밥과 폐제지슬러지의 혼합물에 폐유(자동차유), 바인더 및 유화제를 첨가하되, 상기 폐제지슬러지 100중량부를 기준으로 폐유(자동차유) 20중량부, 바인더로서 폴리비닐아세테이트 7중량부 및 유화제로서 프로필알코올 0.5중량부를 첨가하여 혼합하였다. 그리고 상기 혼합물을 압출 성형기에 투입하여 펠렛 형상으로 성형 및 절단한 다음, 150℃에서 열풍 건조하여 직경 6 mm, 길이 20 mm의 펠렛(고체연료)을 제조하였다.
상기 제조된 펠렛(고체연료)에 대하여, 연소 시 발열량, 회분량, 염소 함유량, 황 함유량 등을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
| 시험항목 | 단위 | 결과치 | 시험방법 | |
| 고정탄소 | 중량% | 5.8 | ASTM D 5142 : 2002 | |
| 수분 | 중량% | 2.5 | ASTM D 5142 : 2002 | |
| 회분 | 중량% | 2.7 | ASTM D 5142 : 2002 | |
| 휘발분 | 중량% | 89.0 | ASTM D 5142 : 2002 | |
| 발열량 | kcal/kg | 6924 | KS E 3707 : 2001 | |
| 기체 |
Cl | 중량% | 0.06 | ASTM D 2361 : 2002 |
| S | 중량% | 0.04 | 한국환경자원공사(고형연료제품품질규격) | |
| 중금속 |
Hg | 중량% | 검출안됨 | 한국환경자원공사(고형연료제품품질규격) |
| Cd | 중량% | 검출안됨 | 한국환경자원공사(고형연료제품품질규격) | |
| Pb | mg/kg | 5.78 | 한국환경자원공사(고형연료제품품질규격) | |
| As | mg/kg | 0.8 | 한국환경자원공사(고형연료제품품질규격) | |
[실시예 2]
실시예 1과 동일하게 실시하되, 폐제지슬러지로서 뉴스프린트페이퍼(News print paper)를 주로 생산하는 공장의 폐제지슬러지를 구입하여 사용하였다. 그리고, 상기 폐제지슬러지를 벨트 프레스로 탈수한 다음, 80℃에서 72시간 동안 건조시켜 수분함량이 약 12중량%가 되도록 한 후, 분쇄하였다. 다음으로, 공장에서 구입한 폐제지슬러지(수분함량 73중량%)와 상기 분쇄된 폐제지슬러지 분말(수분함량 12중량%)을 혼합하였다. 그리고 폐톱밥과 상기 폐제지슬러지를 2 : 1로 혼합한 다음, 폐유(자동차유)가 수용된 반응기에 넣어 30분 동안 중탕, 가열하였다. 이때, 수증기 증발에 의해 기포가 발생하였는데, 디메틸폴리실록산을 분사해 본 결과 기포가 억제됨을 알 수 있었다.
다음으로, 여과막을 이용하여 폐유로부터 튀겨진 상기 폐톱밥과 폐제지슬러지를 걸러내었다. 그리고 걸러낸 폐톱밥과 폐제지슬러지의 혼합물에 폐유(자동차유), 바인더 및 유화제를 첨가하되, 상기 폐제지슬러지 100중량부를 기준으로 폐유(자동차유) 25중량부, 바인더로서 폴리비닐아세테이트 7중량부와 리그닌 3중량부, 및 유화제로서 프로필알코올 0.2중량부와 디메틸 폴리실록산 0.8중량부를 첨가하여 혼합하였다. 그리고 상기 혼합물을 압출 성형기에 투입하여 펠렛 형상으로 성형 및 절단한 다음, 150℃에서 열풍 건조하여 직경 6 mm, 길이 20 mm의 펠렛(고체연료)을 제조하였다.
상기 제조된 펠렛(고체연료)에 대하여, 연소 시 발열량, 회분량, 염소 함유량, 황 함유량 등을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 4]에 나타내었다.
| 시험항목 | 단위 | 결과치 | 시험방법 | |
| 고정탄소 | 중량% | 6.7 | ASTM D 5142 : 2002 | |
| 수분 | 중량% | 2.1 | ASTM D 5142 : 2002 | |
| 회분 | 중량% | 0.9 | ASTM D 5142 : 2002 | |
| 휘발분 | 중량% | 90.3 | ASTM D 5142 : 2002 | |
| 발열량 | kcal/kg | 6981 | KS E 3707 : 2001 | |
| 기체 |
Cl | 중량% | 0.07 | ASTM D 2361 : 2002 |
| S | 중량% | 0.09 | 한국환경자원공사(고형연료제품품질규격) | |
| 중금속 |
Hg | 중량% | 검출안됨 | 한국환경자원공사(고형연료제품품질규격) |
| Cd | 중량% | 검출안됨 | 한국환경자원공사(고형연료제품품질규격) | |
| Pb | mg/kg | 6.42 | 한국환경자원공사(고형연료제품품질규격) | |
| As | mg/kg | 1.14 | 한국환경자원공사(고형연료제품품질규격) | |
상기 [표 3] 및 [표 4]에 나타난 바와 같이, 제조된 고체연료는 발열량이 6,900 kcal/kg 이상으로서 매우 우수함을 알 수 있었으며, 또한 고체연료가 가져야 할 법제상의 조건(수분함량 10중량％ 이하, 연소 시 수분을 제외한 배출물질의 중량기준으로 회분 20중량％ 이하, 염소 2.0중량％ 이하, 황 0.6중량％ 이하)을 만족함을 알 수 있었다.
[비교예 1 및 2]
상기 실시예 2와 비교하여 중탕, 가열을 실시하지 않고, 바인더와 유화제의 성분 및 함량을 달리한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 구체적인 성분 및 함량은 하기 [표 5]와 같다.
| 비 고 | 실시예 1 (중량부) |
실시예 2 (중량부) |
비교예 1 (중량부) |
비교예 2 (중량부) |
|
| 폐톱밥 고형분 | 200 | 200 | 200 | 200 | |
| 폐제지슬러지 | 우드프리페이퍼 | 100 | - | 100 | 100 |
| 뉴스프린트페이퍼 | - | 100 | - | - | |
| 폐유 | 자동차유 | 20 | 25 | 25 | 25 |
| 바인더 | 폴리비닐아세테이트 | 7 | 7 | 7 | - |
| 리그닌 | - | 3 | - | - | |
| 전분 | - | - | - | 7 | |
| 유화제 | 프로필알코올 | 0.5 | 0.2 | - | - |
| 디메틸 폴리실록산 | - | 0.8 | - | - | |
| 중탕, 가열(130℃) | 20분 | 30분 | - | - | |
상기 실시예 및 비교예에 따른 고체연료(펠렛)에 대하여 압축강도를 평가하여 그 결과를 하기 [표 6]에 나타내었다. 압축강도는 제조된 고체연료(펠렛) 시료에 대하여 0.5kgf/㎠로 가압하여 시료가 파괴되었을 때의 최대하중으로 평가하되, 상대적 강도로서 실시예 1의 시료를 기준(실시예 1 = 1.00)으로 하여, 그 결과를 하기 [표 6]에 나타내었다.
| 비 고 |
실시예 1 | 실시예 2 | 비교예 1 | 비교예 2 |
| 상대적 강도 |
1.00 | 1.13 | 0.72 | 0.69 |
상기 [표 6]에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라서 중탕, 가열이 실시됨과 동시에 유화제가 사용된 경우, 그렇지 않은 비교예보다 우수한 강도를 가짐을 알 수 있었다. 그리고 중탕, 가열 시간 및 유화제의 첨가량이 증가할수록 강도가 증가함을 알 수 있었다.
이상의 실험예를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면 폐자원(바이오매스, 폐제지슬러지 및 폐유)을 고체연료로 재활용하되, 중탕 가열을 통해 수분함량이 최소화된 경우 강도가 향상됨을 알 수 있다. 또한, 제조된 고체연료는 법제상의 조건(수분함량, 회분함량, 염소 함량, 황 함량 등)을 만족함은 물론 발열량이 우수함을 알 수 있다.
한편, 탄화공정에 따른 발열량 및 내구성 증가를 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 실시하였다.
[실시예 3 ~ 11, 및 비교예 3 ~ 4]
수분함량이 약 42중량%인 목분(폐톱밥)과, 우드프리페이퍼(Woodfree paper)를 주로 생산하는 공장에서 배출되는 것으로서 수분함량이 약 73중량%인 폐제지슬러지를 구입하였다. 그리고 상기 폐톱밥과 폐제지슬러지를 벨트 프레스로 탈수한 다음, 80℃에서 72시간 동안 건조시켜 수분함량 12중량%가 되도록 한 후, 분쇄하였다. 그리고, 분쇄된 폐톱밥과 폐제지슬러지 분말을 2 : 1의 중량비로 혼합하고, 상기 혼합물을 폐유(폐식용유)가 수용된 반응기에 투입하였다. 그리고 반응기를 130℃까지 승온시킨 후, 초음파 진동을 부여하면서 약 20분 동안 중탕, 가열하였다. 이때, 수증기 증발에 의해 기포가 발생하였는데, 메틸알코올 수용액을 분사해 본 결과 기포가 억제됨을 알 수 있었다.
다음으로, 여과막을 이용하여 폐유로부터 튀겨진 폐톱밥과 폐제지슬러지를 걸러내었다. 그리고 상기 걸러낸 폐톱밥과 폐제지슬러지의 혼합물에 폐유(폐식용유)를 첨가 혼합하고, 이를 압출 성형기에 투입하여 펠렛 형상의 성형체로 성형한 다음 절단하였다.
또한, 상기 성형체의 제조과정에서 폐유(폐식용유)의 첨가량을 달리하였는데, 성형체 원료 전체(폐톱밥+폐제지슬러지+폐식용유) 중에 첨가되는 폐식용유의 함량이 2중량부, 5중량부, 10중량부, 20중량부 및 30중량부가 되도록 하였다.
상기와 같이 제조된 성형체를 전기로에 투입하여 밀폐시킨 다음, 열을 가하여 탄화시켰다. 이때, 각 조성별(폐식용유의 함량)로 변성(탄화)이 일어나는 시점의 온도(탄화 온도)와, 상기 온도에서 탄화가 완결될 때까지의 시간(탄화 완결 시간)을 측정하여 그 결과를 하기 [표 7]에 나타내었다.
아울러, 상기 과정에서 탄화 전과 탄화 후의 발열량(저위발열량), 내구성 및 악취를 측정하였으며, 그 결과를 하기 [표 7]에 나타내었다. 이때, 상기 발열량(저위발열량)은 KS E 3707(2001) 시험법에 따라 측정하였다. 또한, 내구성은 미리 직경 3.15nm의 체(ISO 3310-2에 규정)로 걸러진 펠렛 500± 50g을 0.01g 수준까지 무게를 측정하여 내구성시험기(CEN/TS 15210-1에 규정)에 넣고 분당 50± 2 회전을 주어 500회전 시험을 수행한 후에 다시 직경 3.15nm의 체로 거른 후, 체에 잔류 하고 있는 펠렛의 무게를 측정하여, 초기 질량에 대하여 남아 있는 펠렛의 질량비(%)로서, 하기 수학식을 통하여 구하였다. 그 결과는 하기 [표 7]에 나타내었다.
[수학식]
DU = (ma/me) x 100
DU : 내구성
ma : 내구성 시험 후, 체로 거른 후의 펠렛 무게
me : 내구성 시험 전, 체로 거른 후의 펠렛 무게
| 항 목 | 폐유함량 (중량부) |
탄화 온도(℃) |
탄화 완결 시간(분) |
발열량(kcal/kg) | 내구성(%) | 악취 | |||
| 탄화 전 | 탄화 후 | 탄화 전 | 탄화 후 | 탄화 전 | 탄화 후 | ||||
| 실시예3 |
2.0 | 170 | 15 | 4100 | 4350 | 87.73 | 99.37 | 있음 | 없음 |
| 실시예4 |
5.0 | 160 | 15 | 4650 | 4850 | 83.01 | 96.54 | 있음 | 없음 |
| 실시예5 |
10.0 | 155 | 15 | 5260 | 5423 | 77.36 | 91.03 | 있음 | 없음 |
| 실시예6 |
20.0 | 150 | 10 | 5805 | 5980 | 67.52 | 87.88 | 있음 | 없음 |
| 실시예7 |
30.0 | 140 | 8 | 6530 | 6710 | 56.87 | 85.79 | 있음 | 없음 |
또한, 상기 실시예4(오일함량 5중량부)와 동일하게 실시하되, 탄화온도를 달리하여 탄화시켰다. 구체적으로, 오일함량이 5중량부인 성형체를 전기로에 투입하여 밀폐시킨 다음, 열을 가하되, 하기 [표 8]에 보인 바와 같이 각 시편(실시예 8 ~ 11 및 비교예 3 ~ 4)에 따라 온도를 달리하여 15분 동안 탄화시켰다. 탄화 후의 발열량 및 내구성을 상기와 같은 방법으로 측정하고, 그 결과를 하기 [표 8]에 나타내었다.
| 비 고 | 탄화 전 | 탄화 후 | ||||||
| 실시예4 | 실시예8 | 실시예9 | 실시예10 | 실시예11 | 비교예3 | 비교예4 | ||
| 탄화온도 (℃) |
- | 160 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | 500 |
| 발열량 (kcal/kg) |
4650 | 4850 | 4903 | 4963 | 5029 | 5088 | 5052 | 5060 |
| 내구성 (%) |
83.01 | 96.54 | 96.92 | 97.38 | 95.24 | 93.52 | 87.37 | 83.33 |
상기 [표 7]에 나타낸 바와 같이, 폐유(오일)의 함량에 따라 발열량과 내구성이 달라짐을 알 수 있었다. 특히 본 발명에 따라서 저온 탄화된 경우 발열량과 내구성이 향상됨을 알 수 있었다. 즉, 탄화 된 경우(탄화 후)가 탄화 전보다 발열량 및 내구성이 증가됨을 알 수 있었다. 그리고 악취가 제거됨을 알 수 있었다. 또한, 상기 [표 8]의 비교예3 및 비교예4에서와 같이, 고온에서 탄화시킨 결과 발열량 증가 대비 내구성이 오히려 떨어짐을 알 수 있었다.
따라서 상기 실험예로부터 고체연료는 350℃ 이하의 온도에서 저온 탄화된 경우, 발열량이 높아지면서 양호한 내구성을 가짐을 알 수 있었다.
도 1은 본 발명의 예시적인 제1형태에 따른 고체연료의 제조공정도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 제2형태에 따른 제조공정도이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 제조장치의 일례를 보인 요부 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명에 사용되는 제조장치의 다른 예를 보인 요부 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명에 사용되는 성형기의 예시적인 모습을 보인 단면도이다.
도 6은 본 발명에 사용되는 밀폐 저장조의 예시적인 모습을 보인 사시도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10, 50 : 분쇄기 20 : 가열조
30 : 폐유저장조 40 : 탈유기
60 : 혼합기 70 : 성형기
80 : 건조기 90 : 밀폐 저장조
Claims (8)
- 바이오매스 및 폐제지로부터 선택된 하나 이상의 유기물을 오일이 수용된 가열조에 투입하여 중탕, 가열하되, 수분 증발에 의해 생성된 기포가 억제되도록 상기 가열조에 기포억제제를 분무해가며 중탕, 가열하는 중탕/가열 단계;상기 가열조에서 배출된 유기물로부터 오일을 분리하는 탈유단계; 및상기 탈유된 유기물을 성형체로 성형하는 성형단계를 포함하는 고체연료의 제조방법.
- 바이오매스 및 폐제지로부터 선택된 하나 이상의 유기물을 오일이 수용된 가열조에 투입하여 중탕, 가열하되, 수분 증발에 의해 생성된 기포가 억제되도록 상기 가열조에 기포억제제를 분무해가며 중탕, 가열하는 중탕/가열 단계;상기 가열조에서 배출된 유기물로부터 오일을 분리하는 탈유단계;상기 탈유된 유기물에 바인더, 오일 및 유화제로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 혼합하여 혼합물을 형성하는 혼합단계; 및상기 혼합물을 성형체로 성형하는 성형단계를 포함하는 고체연료의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 성형체를 탄화시키는 탄화단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 연료의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 중탕/가열단계는 가열조에 기포억제제를 분무해줌과 동시에 초음파 진동을 부여해주며 중탕, 가열하는 것을 특징으로 하는 고체연료의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 기포억제제는 알코올, 데카노익산(decanoic acid), 라우릭산(lauric acid), 마이리스틱산(myristic acid), 팔미틱산(palmitic acid), 스테아릭산(stearic acid), 올레익산(oleic acid), 미네랄오일(mineral oil), 옥시스테아린(oxystearine), 디메틸폴리실록산(dimethyl polysiloxane), 실리콘디옥사이드(silicon dioxide), 솔비탄모노스테아레이트(sorbitan monostearate) 및 실리콘수지(silicon resin)로 이루어진 군중에서 선택된 하나 또는 2 이상의 혼합인 것을 특징으로 하는 고체연료의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 바이오매스는 곡물, 목재, 동물의 분뇨, 음식물 쓰레기 및 하수 슬러지로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고체연료의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 폐제지는 종이, 신문지, 화장지, 기저귀 및 제지공장에서 배출된 폐제지슬러지로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고체연료의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 가열조는, 오일이 수용된 본체; 상기 본체를 가열하는 열공급부; 가열에 의해 발생된 수증기가 배출되는 배출구; 기포억제제를 분무하기 위한 분사구; 및 중탕/가열된 유기물을 토출시키기 위한 강제이송수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체연료의 제조방법.
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