For better and large utilization of rice husk, the production and consumption status, differences in chemical composition and heating value due to region and variety, and thermogravimetric characteristic of rice husk were studied. In addition, the differences in chemical composition due to region an...
For better and large utilization of rice husk, the production and consumption status, differences in chemical composition and heating value due to region and variety, and thermogravimetric characteristic of rice husk were studied. In addition, the differences in chemical composition due to region and variety and the crystallization characteristic of rice husk ash were also studied. Approximately 800,000 M/T of rice husk was produced per year in Korea, which is about $18\%$ of the paddy production by weight. Noticeable varietal and regional difference pattern in chemical composition was not found among the domestic rice husk samples. Their average ash content and higher heating value were $16.4\%$ and 16,660 kJ/kg by dry basis, respectively. A relation seemed to exist between the carbon content and higher heating value. Noticeable difference pattern in chemical composition was not found among the domestic rice husk ash samples. The $SiO_2$ contents were a little low, the maximum being $92.9\%,$ and the contents of major components such as CaO, MgO, and $K_2O$ were also lower compared with foreign rice husk ash due to the deficiency of compost matters in domestic soils. Thermogravimetry study showed the thermal decomposition of rice husk started at about $250^{\circ}C,$ followed by relatively fast combustion of combustible gas until the temperature rose to $350^{\circ}C.$ After $350^{\circ}C,$ combustion of the carbon component proceeded relatively slowly as the temperature increased. Therefore, the ignition temperature of the rice husk could be estimated around $300^{\circ}C$. Crystallization of $SiO_2$ in the rice husk ash was found from the combustion temperature of $750^{\circ}C$ and became distinctly when the combustion temperature exceeded $900^{\circ}C$. The ash became darker with $SiO_2$ crystallization.
For better and large utilization of rice husk, the production and consumption status, differences in chemical composition and heating value due to region and variety, and thermogravimetric characteristic of rice husk were studied. In addition, the differences in chemical composition due to region and variety and the crystallization characteristic of rice husk ash were also studied. Approximately 800,000 M/T of rice husk was produced per year in Korea, which is about $18\%$ of the paddy production by weight. Noticeable varietal and regional difference pattern in chemical composition was not found among the domestic rice husk samples. Their average ash content and higher heating value were $16.4\%$ and 16,660 kJ/kg by dry basis, respectively. A relation seemed to exist between the carbon content and higher heating value. Noticeable difference pattern in chemical composition was not found among the domestic rice husk ash samples. The $SiO_2$ contents were a little low, the maximum being $92.9\%,$ and the contents of major components such as CaO, MgO, and $K_2O$ were also lower compared with foreign rice husk ash due to the deficiency of compost matters in domestic soils. Thermogravimetry study showed the thermal decomposition of rice husk started at about $250^{\circ}C,$ followed by relatively fast combustion of combustible gas until the temperature rose to $350^{\circ}C.$ After $350^{\circ}C,$ combustion of the carbon component proceeded relatively slowly as the temperature increased. Therefore, the ignition temperature of the rice husk could be estimated around $300^{\circ}C$. Crystallization of $SiO_2$ in the rice husk ash was found from the combustion temperature of $750^{\circ}C$ and became distinctly when the combustion temperature exceeded $900^{\circ}C$. The ash became darker with $SiO_2$ crystallization.
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문제 정의
본 연구에서는 왕겨의 활용성 향상을 위한 기초연구로서 우리나라의 왕겨 생산 및 소비 실태를 조사하고, 지역별 일품 벼 품종을 중심으로 왕겨와 왕겨 재의 화학적 조성 성분 분석과 발열량을 측정하여 품종별 왕겨의 성분 특성을 구명하고자 하였으며, 왕겨 재의 결정화 특성 분석 그리고 왕겨의 열분해도를 통하여 왕겨의 열적 특성을 분석하고자 하였다.
제안 방법
왕겨의 화학적 조성은 원소분석기 (Elemental Analyzer, Flash EA 1112 series, 한국기초과학연구소 서울분소)를 이용하여 분석하였으며, 수분 함량은 105℃ 공기 오븐법을, 회분 함량은 600℃전기로에서 2시간 완전 연소시키는 방법을 이용하여 측정하였다. 발열량은 발열량계(Parr Instrument), 열분해도는 열중량 분석기(TGA, 한국기초과학연구소 서울분소)를 이용하여 측정하고 분석하였으며, 모든 자료는 3 ~5반복 측정하여 평균하였다. 왕겨 재의 화학적 조성은 원자흡수 분광광도계를 이용하여 분석하였으며, 왕겨 재의 실리카 결정화는 XRD 분석법을 이용하였다 (전북대학교 공동실험관).
그림4는 전기로에서 2시간 동안 연소시킬 때의 온도별로 회분의 SiO? 성분의 결정화 특성을 XRD(X-ray diffractometry) 로 분석하여 비교한 것인데, 그림에서 가로축은 X-선 조 사각 도 세로축은 X-선 강도(반사된 것)이다. 그림에서 어떤 각도에서든 뾰족하게 X-선 강도가 높은 것이 나타나면 결정화가 많이 진행된 것으로 해석한다.
왕겨의 화학적 조성은 원소분석기 (Elemental Analyzer, Flash EA 1112 series, 한국기초과학연구소 서울분소)를 이용하여 분석하였으며, 수분 함량은 105℃ 공기 오븐법을, 회분 함량은 600℃전기로에서 2시간 완전 연소시키는 방법을 이용하여 측정하였다. 발열량은 발열량계(Parr Instrument), 열분해도는 열중량 분석기(TGA, 한국기초과학연구소 서울분소)를 이용하여 측정하고 분석하였으며, 모든 자료는 3 ~5반복 측정하여 평균하였다.
대상 데이터
왕겨의 생산 및 소비 실태는 제주도를 제외한 8개 도에서 평야, 중간, 산간지로 개략적으로 구분하여 미곡종합처리장 67개소 일반 소규모 정미소 39개소 일반농가 57가구를 1996년 7월에 방문하여 설문과 서류조사를 통하여 자료를 수집하고 분석하였다. 설문 내용은 미곡종합처리장과 일반 정미소의 경우에는 전체적인 운영 관련 내용, 시설 및 기계기술 관련 내용, 부산물 처리 관련 내용 등이었으며, 일반 농가에서는 주로 왕겨의 소비실태에 관한 내용이었다.
왕겨의 성분 분석을 위하여 지역별 일품 벼를 중심으로 5 품 종(일반 벼 계통)을 선택하고, 지역별 편차 여부를 파악하기 위하여 평야지(전북 김제시, 경기 안산시), 중산간지(경남 함안군 군북면), 산간지역(경남 함양, 전북 남원군 운봉면)에서 시료를 구입하였다. 성분 분석 결과는 표3과 같은데 품종별, 지역별로 약간씩의 차이를 보이나 품종 간 지역 간에 있어서 특별한 경향은 찾기가 어렵다.
이론/모형
발열량은 발열량계(Parr Instrument), 열분해도는 열중량 분석기(TGA, 한국기초과학연구소 서울분소)를 이용하여 측정하고 분석하였으며, 모든 자료는 3 ~5반복 측정하여 평균하였다. 왕겨 재의 화학적 조성은 원자흡수 분광광도계를 이용하여 분석하였으며, 왕겨 재의 실리카 결정화는 XRD 분석법을 이용하였다 (전북대학교 공동실험관).
성능/효과
(1) 왕겨의 생산량은 약 80여만톤이며 벼에서 차지하는 왕겨의 중량 비율은 평균 18% 정도로 서 품종 간 지역 간 별 차이가 없으며, 이용처는 95% 정도가축사의 깔개로 이용된 다음 퇴비화되었고 5% 정도는 상토 혹은 철강 생산의 보온재 등으로 이용되고 있다. 분기별 왕겨 생산량은 1/4분기에만 약 21% 정도로 조금 낮고 2, 3, 4분기는 비슷한 수준으로 나타났으며 왕겨의 평균 판매단가는 톤당 21, 900원, 총판매액수는 약 177억7천만원 정도로 분 석되었다.
(2) 왕겨의 성분 분석 결과 품종 간 지역간에 있어서 특별한 경향은 없었으나 계화품종만 탄소 함량이 낮고 산소 함량이 높은 특성을 보였는데 이것이 발열량이 특히 낮은 원인으로 판단되었다. 또 동일한 동진 품종에서 평야지가 중산간지보다 약 7% 정도 발열량이 높게 나타났다.
(3) 왕겨 회분의 화학적 조성 성분은 품종 간 지역 간에 있어서 일정한 경향은 발견되지 않았으나 SiCh의 함량이 최대 92.92% 정도로서 대체로 낮은 편이었다. 또한 CaO, MgO 및 K2O 등의 주요 무기질 원소 함량도 세계 여러 다른 나라의 것에 비하여 낮은 특징을 나타냈다.
(4) 왕겨의 열분해 특성은 100℃가 되기 전에 수분 증발은 거의 완료가 되었으며, 250℃ 부근에서부터 열분해가 발생하기 시작하여 350℃까지 가연성 가스 연소가 비교적 빠르게 이루어지고, 350℃가 지나면서 탄소성분의 연소가 비교적 서서히 진행되는 것으로 분석되었다. 이것으로 판단할 때 왕겨의 점화 온도는 약 300℃ 정도로 추정된다.
(5) 왕겨 회분의 결정화 특성은 XRD 분석 결과, 연소온도가 750℃ 이상이 되면 발생하기 시작하여 900℃ 이상이 되면 결정화가 매우 심한 것으로 판단되었으며, 특히 결정화가 심해질수록 회분의 색깔도 검은색이 증가하는 것으로 분석되었다.
표1은 지역별 왕겨 생산량을 분석한 것이며, 표 2는 왕겨의 판매단가 및 판매 수익 그리고 왕겨의 이용처를 나타낸 것이다., 95년도 왕겨 생산량은 약 80여만 톤이며, 벼에서 차지하는 왕겨의 평균 중량 비율은 18% 정도로서 지역 간 품종간; 큰 차이는 없는 것으로 분석된다. 일반적으로 왕겨가벼에서 차지하는 무게가 통일계는 20%, 일반계는 15% 수준인 것을 감안하면 이것은 조사 품종이 통일계와 일반계의 중간 정도의 성질을 가지는 것으로 판단된다.
또 동일한 동진 품종에서 평야지가 중산간지보다 약 7% 정도 발열량이 높게 나타났다. 건량기준 중량비로서 회분의 함량은 평균 16.43%, 발열량은 16, 660 kJ/kg로 분석되었으며, 왕겨의 탄소성분 함량과 발열량 간에는 상당한 상관관계가 있는 것으로 분석되었다.
계화 품종은 탄소 함량이 낮고 산소 함량이 높은 특성을 보이고 있는데 이것이 발열량이 낮은 원인으로 판단된다. 왕겨의 성분 중에서 탄소의 성분이 많은 품종(I, Ⅱ, VⅢ)이 발열량도 높은 특징을 보이는 것으로 판단할 때 (탄소의 함량과 발열량 간에는 정비례의 경향을 보이고 있음) 회분의 함량보다 탄소의 함량이 발열량과 더 많은 상관관계를 가지는 것으로 생각된다. Shimizu 등(1978)은 회분 함량이 증가할수록 발열량은 감소한다고 보고하였는데, 본 연구의 결과와는 약간 상이한 결과이다.
일반적으로 왕겨가벼에서 차지하는 무게가 통일계는 20%, 일반계는 15% 수준인 것을 감안하면 이것은 조사 품종이 통일계와 일반계의 중간 정도의 성질을 가지는 것으로 판단된다. 왕겨의 이용처는 95% 이상이 축산시설의 깔개(사용 후퇴비화) 및 축분의 혼합재(퇴비화), 과수원의 잡초제거재(자연퇴비화) 등에 이용되고 나머지는 마늘이나 딸기 재배시의상토 철강재 생산시의 보온재 등에 이용되는 것으로 조사되었다 분기별 왕겨 생산량은 1/4분기에만 21.1% 수준으로 조금 낮고 2, 3, 4분기는 비슷한 수준으로 나타났으며, 왕겨의 평균 판매단가는 전라남도가 최고로서 톤당 44, 700원, 경상북도가 최저로서 톤당 10, 800원의 분포를 보이며 평균 판매단가는 톤당 21, 900원(양을 기준으로 환산할 경우, 도별 산술평균은 톤당 19, 450원)으로 분석되었고 총왕겨 판매액수는 약 177억7천만원 정도로 분석되었다. 제주도를 포함한 우리나라 전체를 고려하면 이보다 약 5% 정도 늘어날 것으로 생각된다.
또한 김지동 등(1981)의 열분해 특성과 비교할 때 약 50 ℃의 편차가 있을 뿐 경향은 유사한 것으로 생각된다 본 연구에서는 250~350℃에서, 김지동 등(1981)은 300~ 400℃에서 가연성 가스의 열분해가 진행되 었던 것은 분석기기의 정밀도 등에서 차이가 있었기 때문으로 판단된다. 탄소연소로 인한 중량 감소량은 약 37% 정도로 분석되는데, 이는 동진(김제)품종의 성분 분석 결과에서 나타난 탄소 함량 약 38%와 비교적 잘 일치하는 것으로 판단된다.
참고문헌 (6)
Beagle, E. C. 1978. Rice husk convention to energy. FAO Agricultural service bulletin
Kim, M. H., C. S. Kim and S. J. Park. 1997. Performance of a pilot-scale rice husk incinerator. J. of Korean Soc. Agric. Mach. 22(1):21-29
Shimizu, H., A. Kanno and Y. Nishiyama. 1978. Physical properties of rice hull as the fuel. J. of Japanese Soc. Agric. Mach. 39(4):477-481 (In Japanese)
Shimizu, H. and T. Kimura. 1985. Direct combustion properties of rice hull. J. of Japanese Soc. Agric. Mach. 46(1):633-638 (In Japanese)
김지동 외. 1981. 왕겨로부터 가연성 가스 제조에 관한 실험연구. 에너지 4(2):74-89
조명제, 박영재, 최경빈, 강점룡. 1981. 왕겨 연소 보일러 개발에 관한 연구. 에너지 4(2):65-73
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