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문제 정의
- 본 연구에서는 국내 대표적 수종인 낙엽송을 이용하여 톱밥의 형태별로 분류하여 그에 따른 펠릿품질 특성을 연구하였다. 이에 대한 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 이에 본 연구에서는 국내 대표적 수종인 낙엽송을 선정하여 톱밥의 형태 및 유형별로 분류하여 압축성형 제조된 펠릿의 품질적 특성을 연구하였다.
- 제조된 목질펠릿의 흡습율은 생산제품의 보관 시 중요한 인자로서, 연소기에서 연소시 열효율성에 밀접한 관계가 되기 때문에 이에 대한 실험을 실시하였다. 즉, 보관 중 수분에 대한 저항성의 정도를 알아보기 위하여 목재의 흡습성 시험방법(KS F 2205, 2004)에 의거 상대습도 90%로 조정된 장치 속에서 24시간 및 5일 경과 후 무게변화에 의한 흡습율을 측정하여 비교하였다.
제안 방법
- 제조된 목질펠릿의 열량적 특성에 대한 품질평가로서 발열량의 측정방법은 측정할 시료를 열풍건조기의 온도가 105 ± 3°C에서 항량에 도달할 때까지 건조한 후 데시케이터에서 상온으로 냉각시킨 후, 무게를 측정하여 계산하였다. 발열량은 건조된 시료 0.5 g을 열량계(Parr 6 calorimeter)에 넣고 산소를 충전하고 점화하여 연소전후의 온도변화로부터 열량을 계산하였다.
- 펠릿제조용 공시 원재료는 국내산 낙엽송 수종의 톱밥을 사용하였다. 사용된 톱밥의 형태별 구성은 D사의 제재공장에서 발생되는 피죽톱밥, 제재톱밥, 대패톱밥, 혼합톱밥, 수피 등 펠릿제조를 위한 원재료로 분양받아 목질펠릿을 제조하여 성형된 펠릿의 특성차이를 규명하고자 하였다. 사용된 원료 톱밥의 특성 및 구분은 Table 1과 같다.
- 4) mm, 길이 10~30 ± 2 mm이였다. 일반적으로 공장에서 펠릿제조 시 요구되는 함수율은 12% 내외이나 본 연구에서는 실험에 사용한 펠릿제조기로 펠릿이 가장 잘 제조되는 실험조건에 맞게 원료물질에 따라 함수율을 조정하였다(Table 2 참조).
- 제조된 펠릿의 회분량을 측정하기 위하여 탄화로를 사용하여 규정된 온도 스케줄에 의거 탄화시험을 하였으며 기건상태에서 탄화전후 무게를 비교하여 회분량을 측정하고, 또한, 제품의 함수율을 조정하여 전건상태에서의 펠릿무게를 추정하여 회분량을 두 가지로 측정하였다. 전건상태의 펠릿을 기준으로 하는 것이 타당하나, 실제 연소기에 펠릿을 사용할 때는 기건상태에서 사용되기 때문에 이에 대한 자료를 제시하기 위하여 2가지 방법 모두 측정하여 제시하였다. 사용된 목분으로 제조된 펠릿의 회분은 평균 0.
- 제조된 목질펠릿의 밀도는 켈리퍼스에 의해 크기를 측정하거나 메스실린더에 의해 부피를 측정하여 밀도를 구하였으며, 두 가지 방법에 의해 계산된 밀도의 평균값으로 평가를 하였다.
- 제조된 목질펠릿의 열량적 특성에 대한 품질평가로서 발열량의 측정방법은 측정할 시료를 열풍건조기의 온도가 105 ± 3°C에서 항량에 도달할 때까지 건조한 후 데시케이터에서 상온으로 냉각시킨 후, 무게를 측정하여 계산하였다.
- 제조된 목질펠릿의 특성에 대한 분석항목은 사용된 톱밥 및 제조된 펠릿의 함수율, 밀도, 회분, 흡습율, 발열량을 측정하여 비교하였다.
- 제조된 펠릿의 회분량을 측정하기 위하여 탄화로를 사용하여 규정된 온도 스케줄에 의거 탄화시험을 하였으며 기건상태에서 탄화전후 무게를 비교하여 회분량을 측정하고, 또한, 제품의 함수율을 조정하여 전건상태에서의 펠릿무게를 추정하여 회분량을 두 가지로 측정하였다. 전건상태의 펠릿을 기준으로 하는 것이 타당하나, 실제 연소기에 펠릿을 사용할 때는 기건상태에서 사용되기 때문에 이에 대한 자료를 제시하기 위하여 2가지 방법 모두 측정하여 제시하였다.
- 제조된 목질펠릿의 흡습율은 생산제품의 보관 시 중요한 인자로서, 연소기에서 연소시 열효율성에 밀접한 관계가 되기 때문에 이에 대한 실험을 실시하였다. 즉, 보관 중 수분에 대한 저항성의 정도를 알아보기 위하여 목재의 흡습성 시험방법(KS F 2205, 2004)에 의거 상대습도 90%로 조정된 장치 속에서 24시간 및 5일 경과 후 무게변화에 의한 흡습율을 측정하여 비교하였다. 흡습율 측정에 사용된 계산식은 [(기건무게-흡습후무게)/기건무게] × 100의 식에 따라 구하였다.
- 펠릿제조를 위한 성형기는 생산 Capacity 500 kg/hr의 평다이(Flat dies type, hole 직경 6 mm, 2개 roller)를 사용하였다. 펠릿성형기(Pelletizer)를 통과하여 성형된 목질펠릿은 실험실 내에서 24시간 자연 건조를 통한 목재펠릿의 안정을 유도한 후 각종 실험을 실시하였다. 제조된 목질펠릿 중 길이 20~25 mm의 것을 선별하여 시험분석용 샘플로 사용하였다.
- 펠릿제조에 사용된 톱밥 함수율의 측정결과는 Table 2와 같으며, 원료 특성에 따라 실험하는 과정에서 펠릿성형에 적절한 함수율로 조정하여 펠릿이 정상적으로 압축⋅성형되는 상태의 톱밥 함수율을 측정하였다.
- 한편, 첨가제의 영향을 살펴보기 위하여 시판되는 제품인 소맥분을 본 시험에 사용된 원재료 중 공장혼합원료를 망사체(4 × 4 mm 망사)로 통과한 것(C)에 무게대비 2% 첨가하여 제조된 펠릿을 비교분석하였다.
- 회분 측정방법으로는 시료 1 g 정도를 탄화로(Furnace)에서 품질규격에 규정된 시험방법에서 정한 승온스케쥴(250°C에서 60분, 575°C에서 120분)에 의해 연소시험 후, 잔재의 무게를 측정하였다.
대상 데이터
- 펠릿성형기(Pelletizer)를 통과하여 성형된 목질펠릿은 실험실 내에서 24시간 자연 건조를 통한 목재펠릿의 안정을 유도한 후 각종 실험을 실시하였다. 제조된 목질펠릿 중 길이 20~25 mm의 것을 선별하여 시험분석용 샘플로 사용하였다. 한편, 첨가제의 영향을 살펴보기 위하여 시판되는 제품인 소맥분을 본 시험에 사용된 원재료 중 공장혼합원료를 망사체(4 × 4 mm 망사)로 통과한 것(C)에 무게대비 2% 첨가하여 제조된 펠릿을 비교분석하였다.
- 펠릿제조를 위한 성형기는 생산 Capacity 500 kg/hr의 평다이(Flat dies type, hole 직경 6 mm, 2개 roller)를 사용하였다. 펠릿성형기(Pelletizer)를 통과하여 성형된 목질펠릿은 실험실 내에서 24시간 자연 건조를 통한 목재펠릿의 안정을 유도한 후 각종 실험을 실시하였다.
- 펠릿제조용 공시 원재료는 국내산 낙엽송 수종의 톱밥을 사용하였다. 사용된 톱밥의 형태별 구성은 D사의 제재공장에서 발생되는 피죽톱밥, 제재톱밥, 대패톱밥, 혼합톱밥, 수피 등 펠릿제조를 위한 원재료로 분양받아 목질펠릿을 제조하여 성형된 펠릿의 특성차이를 규명하고자 하였다.
이론/모형
- 제조된 목질펠릿의 함수율, 발열량, 회분에 대한 측정방법은 국립산림과학원 고시 제 2009-2호(2009. 5.21일)의 ‘목재펠릿품질규격’ 기준의 제5조(품질 및 품질시험 기준)에 의거 측정 분석하였다.
- 흡습율 측정에 사용된 계산식은 [(기건무게-흡습후무게)/기건무게] × 100의 식에 따라 구하였다.
성능/효과
- 1) 펠릿 원료 형태에 따라 펠릿 제조 시 적정 함수율이 다르다는 것을 알 수 있었다.
- 2) 제조된 펠릿의 함수율은 6.4~7.31%로 나타나 목재펠릿의 품질기준 1급 10% 이하를 만족시켰다.
- 3) 대팻밥으로 제조한 펠릿의 밀도가 가장 높았고, 다른 펠릿의 밀도는 큰 차이가 없었으며, 품질규격 1급을 만족시켰다.
- 4) 제조된 펠릿의 회분은 0.2~0.424%로 품질규격 1급의 0.7% 미만의 범주에 속한 것으로 나타났으나, 수피만으로 제조된 펠릿의 회분량은 2.106%로 상당히 높은 값을 보여 2급 품질 기준인 1.5%를 상회하였다.
- 5) 흡습율은 수피를 사용한 경우 추출물성분에 의해 내흡습성의 효과가 있는 것으로 추정된다.
- 6) 제조된 모든 펠릿제품의 발열량 측정결과는 품질기준인 1등급(kcal/kg)을 상회하였다.
- 7) 낙엽송의 톱밥에 소맥분을 첨가하는 경우에 흡습률이나 회분량이 증가현상이 나타나 첨가 효과가 없는 것으로 나타났다.
- 그러나, 수피만으로 제조된 펠릿의 회분량은 평균 2.106%로 상당히 높은 값을 보이고 있고 품질규격기준의 1.5% (2급 수준)를 상회하고 있어 가정용으로는 부적당하고 산업용으로 사용되어야 할 것으로 사료되었다.
- 이 과정에서 목재가 가소화되면서 유동화되어 톱밥간에 결합이 이루어지고 수분이 증발되며, 또한 성형기 통과 후 대기노출이나 냉각과정을 거쳐 함수율이 증발된다. 따라서 일반적으로 목재펠릿 제품은 약 10% 미만의 함수율이 되며, 본 실험에서는 약 6% 내외가 대부분이나 수피를 사용한 경우에는 높은 함수율을 나타내었다.
- 본 연구를 통해 원료특성별 제조된 펠릿의 종류별로 흡습율을 측정한 결과(Table 6), 수피(F), 공장혼 합원료를 체를 통과한 톱밥(C)을 사용하여 제조한 펠릿은 24시간 경과 후 흡습율이 0으로 나타났다. 이는 수피펠릿의 경우에는 5일 경과 후에도 전혀 흡습하지 않는 것으로 보아 수피의 물리화학적 특성, 추출물 성분에 의해 수분에 대한 저항의 효과가 있는 것으로 판단되었다.
- 전건상태의 펠릿을 기준으로 하는 것이 타당하나, 실제 연소기에 펠릿을 사용할 때는 기건상태에서 사용되기 때문에 이에 대한 자료를 제시하기 위하여 2가지 방법 모두 측정하여 제시하였다. 사용된 목분으로 제조된 펠릿의 회분은 평균 0.2~0.424%로 품질규격 1급의 0.7% 미만의 범주에 속한 것으로 나타나(Table 5), 가정용으로 사용이 가능한 고품질의 펠릿으로 판단되었다.
- 제조된 펠릿의 개별 밀도는 펠릿의 무게와 켈리퍼스에 의해 측정된 외형 사이즈로 부피를 측정하는 방법과 무게와 메스실린더를 이용한 부피 측정에 의한 방법의 두 가지 방법으로 평균값을 구하였으며, 그 값은 평균 1.246~1.349의 범위로 나타났다(Table 4). 이는 품질기준 1급을 만족시키는 값이다.
- 제조된 펠릿의 함수율을 제조 후 24시간 경과 후 측정하였으며, Table 3에서 보여주듯이 평균 6.4~ 7.31%로 나타나 목재펠릿의 품질기준 1급 10% 이하를 만족시켰으나, 수피의 경우는 12.23%의 높은 함수율을 보여주고 있는데, 이는 성형과정에서 수피만을 사용할 경우 수피톱밥이 성형 로라에 의해 미세분말 발생량이 많아져 펠릿의 길이가 10 mm 미만으로 짧아지기 때문에 정상크기로 제조하기 위하여 투입 톱밥의 함수율을 18% 정도로 높게 조정하였기 때문으로 판단된다. 그러나 수피 펠릿도 제조 후 2일 후에는 10%정도의 함수율로 평형되었다.
- 제조된 펠릿제품의 발열량 측정결과는 품질기준인 1등급(kcal/kg)을 상회하였으며, 사용된 원료가 동일 수종이기 때문에 톱밥 특성에 의한 발열량의 차이는 크지 않았으며, 또한 첨가제에 의한 영향이 낮았 다. 이는 사용 수종이 동일하기 때문에 열량의 차이가 적은 것으로 판단된다.
후속연구
- 그러나 공장혼합원료(A)는 체를 통과하지 않은 톱밥(B)과 체를 통과한 톱밥(C)의 혼합이나 흡습율이 B, C보다 높게 나타나 원료크기가 큰 것과 작은 것이 혼합될 경우 입자간의 밀착효과가 더욱 커서 수분 흡습시 흡습률이 크게 나타난 것으로 사료된다. 이에 대한 자세한 연구는 추후 더 진행되어야 할 것으로 판단된다.
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