KR101457402B1 - 바이오매스를 이용한 펠릿 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은,
폐목재, 헌옷, 폐휴지, 폐합성수지류를 10 cm 간격으로 절단 및 분쇄하고, 그 절단 및 분쇄된 폐기물을 전체 중량대비 10 % 중량부 비율로 준비하고, 상기 폐기물에 음식물 쓰레기, 분쇄된 뼈, 털, 분뇨를 전체 중량 대비 30 % 중량부의 비율로 혼합하는 1차 혼합 단계(S10)와, 상기 1차 혼합 단계에 의해 혼합된 1차 혼합물을 스팀가열기에서 80 ℃의 온도에서 가열하며 교반하는 1차 교반단계(S20)와, 상기 1차 교반단계에 의해 교반 된 1차 혼합물에 흑연을 전체 중량대비 50 % 중량부와, 황토 10% 중량부의 비율로 혼합하는 2차 혼합 단계(S30)와, 상기 2차 혼합 단계에 의해 혼합된 2차 혼합물과, 상기 1차 혼합물을 교반하는 2차 교반단계(S40)와, 상기 2차 교반단계를 거친 혼합물에 100 ℃의 아스팔트를 주입 혼합하는 아스팔트 주입 및 교반단계(S50)와, 상기 아스팔트 주입 및 교반단계를 거친 혼합물을 압출기를 이용하여 압출하되, 압출 다이 선단측으로 흑연과 아스팔트유를 혼합하여서 되는 탈아스팔트유를 도포하는 탈아스팔트유 도포 및 압출단계(S60)와, 상기 탈아스팔트유 도포 및 압출단계를 거쳐 고형화되는 펠릿을 절단하는 절단단계(S70)로 이루어지는 것을 특징으로 하여,
생활상에서 배출되는 음식물 쓰레기와 헌 옷, 목재류와 인분 및 동물로부터 배출되는 분뇨와, 톱밥, 왕겨, 폐목재류 등 산업폐기물들인 바이오매스를 이용하여, 연료화하기 위한 펠릿 형태의 고체 연료 제조가 가능하도록 하되, 이로부터 생산되는 고체 연료의 열효율성과 발화성을 높일 수 있으며, 연소 효율이 우수한 펠릿을 얻을 수 있는 효과를 갖는 바이오매스를 이용한 펠릿 제조방법에 관한 것이다.

Description

바이오매스를 이용한 펠릿 제조방법{Biomass pellet manufacturing method using}

본 발명은 일반 가정이나 식당 등에서 대량 방출되는 음식물 쓰레기와, 인분 및 가축동물로부터 발생되는 배설물 등의 분뇨와, 폐기 처분되는 목재류 등으로 구성되는 바이오매스를 이용하여 고체 연료인 펠릿을 제조하기 위한 펠릿 제조방법 에 관한 것이다.

에너지 및 환경 문제가 심화되면서 화석연료 자원을 대체할 수 있는 바이오매스(Biomass)에 대한 관심이 급부상 하고 있음은 주지된 바와 같다.

또한 지구 환경 문제의 심각성으로 인하여 기후 변동 범위 조약 제3회 체결국 회의(COP3)에서 채택된 교토 의정서가 발효되면서 온실 효과 가스의 삭감이나, 장래적으로 예측되고 있는 화석연료의 고갈을 파악하고, 일차 에너지 자원의 확보와 깨끗하고 재생 가능한 에너지의 개발이 급선무가 되고 있는 실정이며, 이러한 교토의정서가 발효되면서 온실가스 감축을 위해 각국 정부 및 기업들은 대체 기술 및 자원 확보에 더욱 발 빠른 행보를 보이고 있는 가운데 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 쓰레기나 곡물, 농업 부산물 등과 같은 바이오매스 자원이 에너지 및 환경 문제를 해결할 현실적 대안으로 부각되고 있다.

이러한 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.

이러한 바이오매스의 종류로는 미생물에서 동식물, 각종 인간 활동의 부산물 또는 쓰레기 등 매우 다양하며, 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, 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, 미가공 바이오매스는 소재 내부의 공극율이 매우 높기 때문에, 부피가 커져 수송 효율성이 떨어지고 발열량이 적다는 문제점을 갖고 있기 때문에 부가가치가 높은 것으로의 전환 기술 개발이 요망되고 있다.

이러한 바이오매스를 열 이용하기 위한 방법으로는 종래 널리 알려진 탄화물 소성 외에, 펠릿 제조기술, 오가라이트 제조기술 등을 들 수 있는데, 펠릿이나 오가라이트는 목질 내부에 함유된 자유수를 증발과정에 의해 탈수되어 수송성 및 연소성을 향상시킨 압밀 연료라 볼 수 있다.

그러나, 이들 종래 기술에 의한 목질계 바이오매스 고형 연료는, 석탄 코크스에 비하여 충분한 발열량을 갖고 있다고는 하기 어렵고, 또한 경도 성능에 대해서도 충분하지 않았기 때문에, 주물 제조나 제철에서 석탄 코크스와 혼합 연소할 때에 노 (爐) 내의 환경에 견디지 못하고 파괴/연소되어, 대체 코크스로서의 기능을 발휘하는 것은 곤란하였다.

또, 바이오매스 중에는, 목질계 바이오매스에 비해 수분량이 많고, 공극이 큰 등, 고형 연료로서의 이용에 그다지 적합하지 않아 이용하지 않은 채 처리되는 바이오매스, 예를 들어 초본계 바이오매스 (풀, 해바라기 등)나 식품 폐기물계 바이오매스 (비지, 왕겨 등) 가 존재하고 있고, 이러한 바이오매스를 유효하게 이용하기 위한 수법이 모색되고 있다.

본 발명은 생활상에서 배출되는 음식물 쓰레기, 인분, 동물의 분뇨, 왕겨나 톱밥, 폐목재류 등을 폐기처분하지 않고 펠릿화 되는 고체연료로 제조 하되 열효율성이 우수한 펠릿을 얻도록 하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

폐목재, 헌옷, 폐휴지, 폐합성수지류를 10 cm 간격으로 절단 및 분쇄하고, 그 절단된 폐기물을 전체 중량대비 10 % 중량부 비율로 준비하고, 상기 폐기물에 음식물 쓰레기, 뼈, 털, 인분, 분뇨를 전체 중량 대비 30 % 중량부의 비율로 혼합하는 1차 혼합 단계와,

상기 1차 혼합 단계에 의해 혼합된 1차 혼합물을 스팀가열기에서 80 ℃의 온도에서 가열하며 교반하는 1차 교반단계와,

상기 1차 교반단계에 의해 교반 된 1차 혼합물에 흑연을 전체 중량대비 50 % 중량부와, 황토 10% 중량부의 비율로 혼합하는 2차 혼합 단계와,

상기 2차 혼합 단계에 의해 혼합된 2차 혼합물과, 상기 1차 혼합물을 교반하는 2차 교반단계와,

상기 2차 교반단계를 거친 혼합물에 100 ℃의 아스팔트를 주입 혼합하는 아스팔트 주입 및 교반단계와,

상기 아스팔트 주입 및 교반단계를 거친 혼합물을 압출기를 이용하여 압출하되, 압출 다이 선단측으로 흑연과 탈아스팔트유를 혼합하여서 되는 탈아스팔트유를 도포하는 탈아스팔트유 도포 및 압출단계와,

상기 탈아스팔트유 도포 및 압출단계를 거쳐 고형화되는 펠릿을 절단하는 절단단계로 구성된다.

본 발명에 의하면, 생활상에서 배출되는 음식물 쓰레기와 헌 옷, 목재류와 인분 및 동물로부터 배출되는 분뇨와, 톱밥, 왕겨, 폐목재류 등 산업폐기물들인 바이오매스를 이용하여, 연료화하기 위한 펠릿 형태의 고체 연료 제조가 가능하도록 하되, 이로부터 생산되는 고체 연료의 열효율성과 발화성을 높일 수 있으며, 연소 효율이 우수한 펠릿을 얻을 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 공정 흐름도

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명은 도 1에서 보는 바와 같이, 1차 혼합단계(S10)와 1차 교반단계(S20), 2차 혼합단계(S30), 2차 교반단계(S40), 아스팔트 주입 및 교반단계(S50), 탈아스팔트유 도포 및 압출단계(S60), 절단단계(S70)으로 이루어진다.

상기 1차 혼합단계(S10)는, 폐목재, 헌옷, 폐휴지, 폐합성수지류(이하 본 발명에서는 폐기물이라 통칭한다)를 수집한 후 10 cm 간격으로 절단장치 등을 이용하여 절단하고 분쇄기 등을 통하여 분쇄하는 절단 및 분쇄과정을 거친 폐기물을 전체 중량대비 10% 중량부의 비율로 준비한다.

이어서, 상기 절단 및 분쇄된 폐기물에 음식물 쓰레기, 분쇄된 뼈, 털, 인분, 분뇨를 전체 중량 대비 30 % 중량부를 준비하여 혼합하게 되는 과정을 거친다.

상기 1차 교반단계(S20)는, 상기 1차 혼합 단계에 의해 혼합된 1차 혼합물을 스팀가열기에서 80 ℃의 온도에서 가열하며 교반하는 단계를 의미한다.

본 단계에서 스팀가열기를 통한 가열에 의해 교반과 동시에 1차 혼합물간 흡착이 잘 이루어질 수 있게 된다.

상기 2차 혼합단계(S30)는, 상기 1차 교반단계에 의해 교반 된 1차 혼합물에 흑연을 전체 중량대비 50 % 중량부와, 황토 10% 중량부의 비율로 혼합하는 2차 혼합하여 2차 혼합물을 준비하게 된다.

이러한 흑연과 황토의 혼합에 의해 상기 1차 교반단계에 의해 얻게 되는 1차 혼합물과 혼합 교반되어질 때 흡착 효율성을 증대 시킬 수 있게 된다.

상기 2차 교반단계(S40)는, 상기 2차 혼합 단계에 의해 혼합된 2차 혼합물과, 상기 1차 혼합물을 교반하는 단계로 상기 2차 교반단계(S40)에서도 스팀가열기를 이용하여 80 ℃ 이상의 온도를 유지하며 스팀 가열하는 것이 바람직할 것이다.

상기 아스팔트 주입 및 교반단계(S50)는, 상기 2차 교반단계를 거친 혼합물에 100 ℃의 아스팔트를 주입 혼합하는 단계를 말한다.

현재, 아스팔트 포장재료의 제조는 장황하고, 고가이며 액체 아스팔트를 가열하고 액체 아스팔트의 온도를 유지하기 위해 상당량의 에너지가 필요하다. HMA는 이의 점도를 감소시키기 위해 아스팔트 접합제를 가열하고 혼합전에 응집체로부터 수분을 제거하기 위해 가열하여 생산된다. 아스팔트가 고온으로 유지되지 않는 용기에 있을 때, 아스팔트는 경화되고 혼합가능한 굳기로 가열하기 위해 추가 에너지를 필요로 한다. 혼합은 일반적으로 순수 아스팔트의 경우 약 300℉(대략 150℃) 및 폴리머 변형 아스팔트의 경우 330℉(℃), 및 아스팔트 시멘트의 경우 200℉(95℃)에서 응집체와 수행된다. 포장과 압축은 아스팔트를 충분히 가열하면서 수행되어야 한다.

여기서 상기 아스팔트 포장재료는 주로 응집체 또는 충전제로서 곱게 분해된 물질들을 포함한다. 응집체 또는 충전제는 아스팔트 조성물의 임의의 형태로 사용될 수 있고 아스팔트 포장재료의 등급, 강도, 거칠기 및 안정성에 따라 선택 된다.

응집체는 모양과 크기가 다양한 여러 재료를 포함할 수 있는데, 응집체의 예들은 석회, 생석회, 모래, 자갈, 분쇄된 돌, 슬래그, 재생 콘크리트 등을 포함한다. 한 예는 혼합물의 밀도와 강도를 향상하기 위해, 핫 믹스 아스팔트와 같은 아스팔트에 첨가되는 매우 고운, 불활성 재료들인 미네랄 충전제이다. 미네랄 충전제의 예들은 바위가루, 슬래그 가루, 소석회, 수경성 시멘트, 플라이 애쉬, 섬유 등을 포함할 수 있을 것이다.

본 단계에서는 이러한 포장재료 등급 아스팔트를 이용하여, 2차 교반단계를 거친 혼합물에 주입하며 교반하는 과정을 거쳐 열량 효율성과 교반성을 증대시키게 된다.

상기 탈아스팔트유 도포 및 압출단계(S50)는, 상기 아스팔트 주입 및 교반단계를 거친 혼합물을 압출기를 이용하여 압출하되, 압출 다이 선단측으로 흑연과 탈아스팔트유를 혼합하여서 되는 탈아스팔트유를 도포하는 단계이다.

상기한 탈아스팔트유를 흑연과 혼합하게 되면, 탈아스팔트유와 흑연간 흡착이 이루어지면서 압출 다이 선단측으로 점성을 갖는 탈아스팔트유와 흑연 혼합물을 공급하게 되는데, 이 과정에서 압출 다이 선단측을 통해 고형화되며 압출되는 펠릿의 외표면으로 탈아스팔트유와 흑연이 공급, 펠릿 외표면을 도포 처리하며 완성된 고체연료인 펠릿을 얻을 수 있게 된다.

이와 같이 흑연과 탈아스팔트유가 혼합된 혼합물이 외표면에 도포 처리되며 압출 다이를 통해 배출되어진 후 적정 크기로 절단단계(S60)를 거쳐 완성된 펠릿을 얻을 수 있게 된다.

S10; 1차 혼합단계
S20; 1차 교반단계
S30; 2차 혼합단계
S40; 2차 교반단계
S50; 아스팔트 주입 및 교반단계
S60; 탈아스팔트유 도포 및 압출단계
S70; 절단단계

Claims (1)

1. 폐목재, 헌옷, 폐휴지, 폐합성수지류를 10 cm 간격으로 절단 및 분쇄하고, 그 절단 및 분쇄된 폐기물을 전체 중량대비 10 % 중량부 비율로 준비하고, 상기 폐기물에 음식물 쓰레기, 분쇄된 뼈, 털, 분뇨를 전체 중량 대비 30 % 중량부의 비율로 혼합하는 1차 혼합 단계(S10)와,
   상기 1차 혼합 단계에 의해 혼합된 1차 혼합물을 스팀가열기에서 80 ℃의 온도에서 가열하며 교반하는 1차 교반단계(S20)와,
   상기 1차 교반단계에 의해 교반 된 1차 혼합물에 흑연을 전체 중량대비 50 % 중량부와, 황토 10% 중량부의 비율로 혼합하는 2차 혼합 단계(S30)와,
   상기 2차 혼합 단계에 의해 혼합된 2차 혼합물과, 상기 1차 혼합물을 교반하는 2차 교반단계(S40)와,
   상기 2차 교반단계를 거친 혼합물에 100 ℃의 아스팔트를 주입 혼합하는 아스팔트 주입 및 교반단계(S50)와,
   상기 아스팔트 주입 및 교반단계를 거친 혼합물을 압출기를 이용하여 압출하되, 압출 다이 선단측으로 흑연과 아스팔트유를 혼합하여서 되는 탈아스팔트유를 도포하는 탈아스팔트유 도포 및 압출단계(S60)와,
   상기 탈아스팔트유 도포 및 압출단계를 거쳐 고형화되는 펠릿을 절단하는 절단단계(S70)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 바이오매스를 이용한 펠릿 제조방법.

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