[논문]음식물 쓰레기와 제지슬러지를 이용한 고체연료 제조

김용렬; 손민일

doi:10.12925/jkocs.2010.27.4.7

음식물 쓰레기와 제지슬러지를 이용한 고체연료 제조
Manrfacturing Process of Solid Fuel Using Food Wastes and Paper Sludges 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.27 no.4, 2010년, pp.437 - 444

김용렬 (대진대학교 공과대학 화학공학과) , 손민일 (명지대학교 공과대학 화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Dry Process(natural drying, hot-air drying, oil fry drying), optimized mixture ratio and the condition of carbonization was carried out in order to improve the product durability develop eco-friendly solid fuel mixing food waste and paper sludge. As a result of the experiment, oil fry drying process was the fastest method for drying food waste and paper sludge mixture that contains 80% water inside, and the optimized mixture ratio to minimize the generating concentration of chlorine gas against caloric value of mixture ratio was 7:3. Additionally proper temperature of product carbonization was about $200^{\circ}C$ and shown increasing product durability through the carbonization. Therefore, the pelletized solid fuel be shaped diameter around 0.5cm, length 2cm under which was pulverized and molded using 7:3 mixture of food waste, and paper sludge was the eco-friendly solid fuel possible to be industrialized which is consist of chlorine concentration of below 2.0wt% and the lowest caloric value of over 5,000kcal/kg. In conclusion, this developing manufacturing process of the solid fuel can be interpreted to contribute alternative energy development in accordance with low carbon and green growth era.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 음식물 쓰레기와 제지슬러지를 혼합하여 저위 발열량이 3,500 kcal/kg 이상이고 연소가스 중 염소가스가 2.0 wt% 이하인 환경 친화적인 고체연료를 제조하였으며, 산업화가 가능한 고체 연료 제조 공정을 개발하여 발전소 등에서 연료로의 활용가능성에 대하여 연구하였다. 이를 위해 음식물 쓰레기와 제지슬러지의 건조방법(자연건조 열풍건조, 오일건조), 최적혼합비 그리고 고체연료로 제조시에 내구성 향상을 위하여 탄화 실험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다
본 연구에서는 음식물 쓰레기의 연료로 활용할 경우 발생되는 염소 가스를 억제하기 위하여 제지슬러지를 혼합하여 환경 친화적인 고체연료를 제조하고, 산업화가 가능한 제조공정을 개발하여 발전소 등의 연료로 활용 가능성을 조사하였다.
음식쓰레기와 제지슬러지에 대한 건조 특성을 알고자 자연건조, 열풍건조 그리고 오일(폐식용유)을 이용한 건조에 따른 특성을 알아보았다.

제안 방법

성분 실험은 화학시험 연구원에 의뢰하여 실시하였으며, 건조실험은 자연건조, 열풍건조 그리고 오일(식용유)을 이용한 중탕건조를 실시하여 비교하였다. 건조 실험 중 자연건조는 바람이 잘 통하고 햇볕이 없는 응달에서 실온 25℃, 습도 20～30%의 조건에서 7일 동안 제지 슬러지와 음식물 쓰레기 각각에 대하여 실시하였다.
이 때 발열량에 대한 측정방법은 KSE 3707 방법으로 그리고 염소에 대한 측정법은 ASTM D 2361 방법을 이용하여 측정하였다. 그리고 최적의 혼합비율을 선택하여 염소 이외의 연소가스에 대한 분석을 방재시험연구원에 의뢰하여 측정하였다.
또한 열풍건조와 오일을 이용한 건조 특성을 비교하기 위하여 제지 슬러지와 음식물 쓰레기를 같은 질량비율로 혼합한 시료를 사용하여 실험하였다. 이 때 열풍건조는 110℃에서 4시간 동안 2kW 열풍건조기를 이용하여 실시하였으며, 오일을 이용한 중탕건조의 경우 Fig.
5 cm, 길이 2 cm 이하인 펠렛(pellet)형태로 제조하여, 170℃, 200℃ 그리고 250℃의 온도에서 전기로(2kW, 1000℃)를 이용하여 30분간 탄화실험을 수행하였다. 또한 탄화전과 탄화 후의 내구성에 대한 실험을 수행하기 위하여 직경 3.15㎜의 체로 걸러진 펠렛 100g을 볼밀을 이용하여 분당 50 회전을 주어 500회전 후 시험을 수행한 후에 다시 직경 3.15㎜의 체로 거른 후, 체에 잔류하고 있는 펠렛의 무게를 측정하여 다음 계산식을 이용하여 계산하였다.
먼저 오일 혼합에 따른 영향을 알아 보기 위하여 오일 20%를 기준으로 음식물 쓰레기와 제지 슬러지의 조성을 달리하며 시료를 준비하였으며, 음식물 쓰레기에 대한 제지슬러지의 첨가에 따른 염소가스 배출 억제 영향을 알아보기 위하여 음식물 50g을 기준으로 제지슬러지의 혼합량을 증가시키며 음식물 쓰레기 기준으로 100%, 97%, 70%, 50%, 30%, 17%, 0%의 시료를 준비하여 발열량 및 방출 가스 중 염소에 대한 발생량(%)을 화학시험연구원에 의뢰하였다. 이 때 발열량에 대한 측정방법은 KSE 3707 방법으로 그리고 염소에 대한 측정법은 ASTM D 2361 방법을 이용하여 측정하였다.
본 연구에서는 K사의 제지 슬러지(PS)와 수도권지역에서 수거한 음식물 쓰레기(FW)를 원료로 하여 성분실험과 건조 실험을 수행하였다. 성분 실험은 화학시험 연구원에 의뢰하여 실시하였으며, 건조실험은 자연건조, 열풍건조 그리고 오일(식용유)을 이용한 중탕건조를 실시하여 비교하였다.
본 연구에서는 K사의 제지 슬러지(PS)와 수도권지역에서 수거한 음식물 쓰레기(FW)를 원료로 하여 성분실험과 건조 실험을 수행하였다. 성분 실험은 화학시험 연구원에 의뢰하여 실시하였으며, 건조실험은 자연건조, 열풍건조 그리고 오일(식용유)을 이용한 중탕건조를 실시하여 비교하였다. 건조 실험 중 자연건조는 바람이 잘 통하고 햇볕이 없는 응달에서 실온 25℃, 습도 20～30%의 조건에서 7일 동안 제지 슬러지와 음식물 쓰레기 각각에 대하여 실시하였다.
음식물 쓰레기(FW)와 제지 슬러지(PS)와의 혼합물에 대하여 온도에 따른 탄화의 영향을 알아보기 위하여 수분 조성이 10 wt%이하가 되도록 열풍 건조를 이용하여 건조된 음식물쓰레기와 제지슬러지를 가정용 믹서기로 분쇄하여 음식물대 슬러지의 혼합비를 2:8, 5:5, 8:2로 혼합 후 (주)셀텍사의 펠레기(5.5kW, 0.3ton/h)를 이용하여 직경 약 0.5 cm, 길이 2 cm 이하인 펠렛(pellet)형태로 제조하여, 170℃, 200℃ 그리고 250℃의 온도에서 전기로(2kW, 1000℃)를 이용하여 30분간 탄화실험을 수행하였다. 또한 탄화전과 탄화 후의 내구성에 대한 실험을 수행하기 위하여 직경 3.
음식물 쓰레기와 제지 슬러지와의 최적 혼합비, 오일 첨가에 대한 영향 그리고 제지슬러지첨가에 따른 염소 억제효과를 알아 보기 위하여, 음식물 쓰레기와 제지 슬러지 그리고 오일을 여러 조성에 따른 발열량(kcal/kg) 및 방출 가스 중 염소에 대한 발생량(%)을 분석하였으며, 그 결과는 Table 3과 Table 4와 같다.
또한 열풍건조와 오일을 이용한 건조 특성을 비교하기 위하여 제지 슬러지와 음식물 쓰레기를 같은 질량비율로 혼합한 시료를 사용하여 실험하였다. 이 때 열풍건조는 110℃에서 4시간 동안 2kW 열풍건조기를 이용하여 실시하였으며, 오일을 이용한 중탕건조의 경우 Fig. 1과 같은 장치를 이용하여 원료 대비 2.5배의 오일을 반응기에 넣고 110℃에서 4시간동안 시간에 따른 증발량을 측정하였다.
0 wt% 이하인 환경 친화적인 고체연료를 제조하였으며, 산업화가 가능한 고체 연료 제조 공정을 개발하여 발전소 등에서 연료로의 활용가능성에 대하여 연구하였다. 이를 위해 음식물 쓰레기와 제지슬러지의 건조방법(자연건조 열풍건조, 오일건조), 최적혼합비 그리고 고체연료로 제조시에 내구성 향상을 위하여 탄화 실험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다

이론/모형

먼저 오일 혼합에 따른 영향을 알아 보기 위하여 오일 20%를 기준으로 음식물 쓰레기와 제지 슬러지의 조성을 달리하며 시료를 준비하였으며, 음식물 쓰레기에 대한 제지슬러지의 첨가에 따른 염소가스 배출 억제 영향을 알아보기 위하여 음식물 50g을 기준으로 제지슬러지의 혼합량을 증가시키며 음식물 쓰레기 기준으로 100%, 97%, 70%, 50%, 30%, 17%, 0%의 시료를 준비하여 발열량 및 방출 가스 중 염소에 대한 발생량(%)을 화학시험연구원에 의뢰하였다. 이 때 발열량에 대한 측정방법은 KSE 3707 방법으로 그리고 염소에 대한 측정법은 ASTM D 2361 방법을 이용하여 측정하였다. 그리고 최적의 혼합비율을 선택하여 염소 이외의 연소가스에 대한 분석을 방재시험연구원에 의뢰하여 측정하였다.

성능/효과

1. 초기 약 80% 내외의 수분을 함유한 음식물쓰레기와 제지슬러지의 건조 방법은 오일을 이용한 건조가 가장 빨랐으며, 건조 속도가 빠르기 때문에 건조반응기를 소규모로 제작하더라도 상관없으므로 초기 건설비가 기존의 공정 보다 저렴할 것으로 판단된다.
2. 음식물 쓰레기와 제지슬러지의 혼합물이 발열량이 높으면서 염소가스 발생 농도를 최소화 할 수 있는 최적 혼합비(음식물 쓰레기: 제지슬러지)는 7:3 이었다.
3. 탄화의 적정 온도는 약 200 ℃가 최적의 조건임을 알았으며, 탄화에 의해 내구성이 증가됨을 알 수 있었다.
4. 음식물 쓰레기와 제지슬러지 7:3으로 혼합하여 오일 건조한 다음 분쇄 및 혼합하여 제조한 직경 약 0.5 cm, 길이 2 cm 이하인 pelllet형 고체연료는 염소 가스 농도가 2.0 wt% 이하이고, 저위발열량이 약 5,000 kcal/kg 이상인 환경친화적이고 산업화가 가능한 고체연료 이었다.
먼저 오일 첨가에 대한 영향은 Table 3에서와 같이 오일을 첨가 할수록 발열량이 증가하므로 오일을 이용한 중탕반응기를 이용하여 건조하는 경우 최종 건조물에 대한 오일의 농도를 조절하여 일정수준의 발열량을 갖는 연료를 제조하는데 유리하다고 판단된다.
온도가 증가 할수록 탄화에 따른 질량 감소는 증가 하였으며, 동시에 내구성 또한 증가하는 경항을 보였다. 그리고 적정한 탄화온도는 약 200 ℃가 적당하다고 판단되었다.

후속연구

따라서 개발한 고체연료 제조공정은 저탄소, 녹색성장 시대에 요구되는 대체에너지 개발에 크게 기여할 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2005년도 기준으로 생활 폐기물의 양은?	최근 국내의 폐기물 발생량은 매년 약 7% 정도 증가하는 추세에 있으며 이에 따라 매립에 의한 처리량도 해마다 증가하고 있는데,2005년도 기준으로 생활 폐기물은 하루 48,398톤, 산업 폐기물은 하루 112,419톤, 그리고 건설폐기물은 하루 129,000톤에 이르고 있으며, 이 중에서 폐기물의 11.5%는 주로 매립하고 5.
	2005년도 기준으로 산업 폐기물의 양은?	최근 국내의 폐기물 발생량은 매년 약 7% 정도 증가하는 추세에 있으며 이에 따라 매립에 의한 처리량도 해마다 증가하고 있는데,2005년도 기준으로 생활 폐기물은 하루 48,398톤, 산업 폐기물은 하루 112,419톤, 그리고 건설폐기물은 하루 129,000톤에 이르고 있으며, 이 중에서 폐기물의 11.5%는 주로 매립하고 5.
	국내의 경우 펄프 및 제지 슬러지의 활용방안으로 어떤 연구가 진행되어 왔는가?	세계적으로 매립과 소각에 의한 방법 이외의 제지공장 폐기물의 처리방법으로는 일본의 경우에 제지 슬러지로부터 제지원료로의 섬유소 회수, 비료화, 토양 개량재, 혐기발효를 통한 메탄 가스화, 건축용 텍스나 스레이트화, 그리고 지렁이 양식 등에 이용하는 것으로 밝혀졌으며[3,4], 미국의 경우에는 1968년부터 펄프 및 제지 슬러지의 활용방안을 소각에 의한 폐열이용과 소각재의 이용, 유연탄 보일러의 보조연료로의 이용, 토양에 직접사용 및 토양 안정제 등의 다양한 각도에서 연구하기 시작하였다[ 토6]. 국내의 경우에는 연료화, 퇴비화, 그리고 건축용 자재 등으로의 활용성에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔는데, 퇴비화는 숙성기간이 길고 퇴비화를 위한 공간이 마련되어야 하므로 연속적인 공정으로 퇴비화를 할 수 없다는 단점이 있다[2]. 또한 국내 생활쓰레기의 약 23%를 차지하고 있는 음식물쓰레기의 양은 2005년 기준으로 하루 평균 11,863톤이 배출되고 있다[1].

참고문헌 (12)

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B. D. Kim, S. C. C. H. P. Lee, H. T. Kim, and K. O. Yoo, Dry Removal of HCI in Flue Gas by Calcined Calcium, J. KSEE, 21(11), 215KSEE, 9).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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