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문제 정의
- 따라서 본 연구는 톱밥이 혼합된 우분을 적정하게 발효 및 건조시켜 성형기로 성형된 고형연료의 열 및 물리･화학적 특성을 분석하고자 하였다.
- 우분을 적정하게 발효시켜 건조한 후 성형하면 고형연료가 되고, 이를 직접연소 시키면 농가의 시설난방에 유용하게 사용할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구는 톱밥이 혼합된 우분을 적정하게 발효 및 건조시켜 성형기로 성형된 고형연료의 열 및 물리･화학적 특성을 성형 전 생우분과 비교 및 분석하였다. 주요 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- , Germany)를 사용하여 연소가스를 측정하였다. 건조 생우분 및 톱밥이 포함된 건조성형우분의 화학적 성분분석을 위해 전계 방사형 주사전자현미경(FE-SEM)(S4300, Chidach, Japan)을 이용하여 각 3개의 시료에 대한 원소분석을 수행하였다. 원소분석을 위한 시료는 일정 크기로 분쇄한 후 분쇄된 시료를 20 mesh 체를 이용하여 입도를 선별한 후 사용하였다.
- 건조 우분 시료의 열분해 특성은 SDT[Simultaneous, DTA(Differential Thermal Analyzer), TGA(Thermogravimetric Analyzer)]로 구성되어 있는 Thermal Analyzer(SDT-2960, TA Instrument, USA)를 사용하여 분석하였다. 여기서, 열분석을 위한 시료의 양은 5～10 mg을 취하였고, 분당 20℃로 승온시켜 질소 환경 하에서 0～600℃까지 열분해하면서 온도대별 누적 무게감소량(%)을 분석하였다.
- 건조에 따른 성형우분의 부피 감소 정도를 조사하기 위해 성형우분을 처음 채취한 시료(약 60% 함수율) 중에서 10개를 선별하여 각각의 높이와 반지름을 측정하였다. 측정한 재료는 80℃의 건조기에 24시간 건조시킨 후 건조된 10개 시료의 높이와 반지름을 다시 측정하여 건조에 따른 성형우분의 부피 감소율을 분석하였다.
- 5 cm로 가공하였다. 성형우 분의 압축강도는 만능시험기(SFM-20, United Calibration Corporation, USA)에 13,345 N(3,000 lbf)의 Load Cell을 장착하여 압축시험을 3번 반복 수행하여 분석되었다.
- 성형우분(약 10% 함수율)의 압축강도를 분석하기 위해 성형우분을 반지름 2.5 cm, 높이 4.5 cm로 가공하였다. 성형우 분의 압축강도는 만능시험기(SFM-20, United Calibration Corporation, USA)에 13,345 N(3,000 lbf)의 Load Cell을 장착하여 압축시험을 3번 반복 수행하여 분석되었다.
- 성형우분의 연소 시 발생되는 연소가스를 분석하기 위해 20 kg의 건조 성형우분을 지름 50 cm 및 높이 80 cm의 원통형 금속으로 제작된 연소로에서 연소시킨 후 5분 간격으로 가스분석기(Testo 350-XL, Testo co., Germany)를 사용하여 연소가스를 측정하였다. 건조 생우분 및 톱밥이 포함된 건조성형우분의 화학적 성분분석을 위해 전계 방사형 주사전자현미경(FE-SEM)(S4300, Chidach, Japan)을 이용하여 각 3개의 시료에 대한 원소분석을 수행하였다.
- 건조 우분 시료의 열분해 특성은 SDT[Simultaneous, DTA(Differential Thermal Analyzer), TGA(Thermogravimetric Analyzer)]로 구성되어 있는 Thermal Analyzer(SDT-2960, TA Instrument, USA)를 사용하여 분석하였다. 여기서, 열분석을 위한 시료의 양은 5～10 mg을 취하였고, 분당 20℃로 승온시켜 질소 환경 하에서 0～600℃까지 열분해하면서 온도대별 누적 무게감소량(%)을 분석하였다.
- 건조에 따른 성형우분의 부피 감소 정도를 조사하기 위해 성형우분을 처음 채취한 시료(약 60% 함수율) 중에서 10개를 선별하여 각각의 높이와 반지름을 측정하였다. 측정한 재료는 80℃의 건조기에 24시간 건조시킨 후 건조된 10개 시료의 높이와 반지름을 다시 측정하여 건조에 따른 성형우분의 부피 감소율을 분석하였다.
- 함수율별 성형우분의 발열량을 분석하기 위해 고형연료화 장치로부터 제조된 성형우분을 80℃의 건조기에서 건조하면서, 수시로 건조시간대별로 시료를 꺼내어 수분함량 및 발열량을 열량계(Model 1281, Parr Instrument Co., USA)를 이용하여 3반복 측정하였다.
대상 데이터
- 생우분 및 성형우분의 열 및 물리화학적 특성을 분석하기 위해 2008년 9월 26일 강원도 횡성군 청일면 축산농가의 축사저장 생우분(그림 1a) 시료를 채취하였고, (주)이레가 제작하여 축산농가에 설치한 우분 고형연료화 장치로부터 반지름 약 2.8 cm 및 높이 약 6 cm 크기로 제조된 성형우분(그림 1b)을 실험재료로 사용하였다.
- 건조 생우분 및 톱밥이 포함된 건조성형우분의 화학적 성분분석을 위해 전계 방사형 주사전자현미경(FE-SEM)(S4300, Chidach, Japan)을 이용하여 각 3개의 시료에 대한 원소분석을 수행하였다. 원소분석을 위한 시료는 일정 크기로 분쇄한 후 분쇄된 시료를 20 mesh 체를 이용하여 입도를 선별한 후 사용하였다.
성능/효과
- (1) 성형우분의 함수율별 발열량 분석결과 함수율이 0% 일 때 약 14,906 kJ/kg에서 함수율이35% 일 때 약 10,918 kJ/kg로 함수율이 증가할수록 발열량은 선형적으로 감소함을 나타내었다.
- (2) 우분의 열분해 반응 동안 108.1℃ 부근에서 1차 반응점을 보였으며, 2차 반응점 온도는 312.2℃로 최고 열분해 반응점을 나타냈다. 우분의 2차 열분해 동안 급속한 무게 감소를 보였으며, 고분자 유기물들이 열분해하는 3차 반응점 온도는 459.
- (3) 성형직후 성형우분의 건조에 따른 부피변화를 비교해 본 결과 평균적으로 약 61%의 부피가 감소함을 알 수 있었다.
- (4) 수분함량이 약 10% 정도로 건조된 성형우분의 최대 압축강도 분석결과 41,9150 N/m2 이었다.
- (5) 건조 성형우분의 연소가스 분석결과 대기오염원이 되고 있는 NOx(질소산화물) 외에도 SOx(황산화물) 등 유해가스가 다소 함유되어 있는 것으로 나타났다.
- (6) 건조 생우분 및 건조 성형우분의 원소분석 결과 건조 생우분 및 성형우분 모두 주성분은 C와 O로 구성되어 있으며, 소량의 Mg, Si, Ca 등의 원소가 포함되어 있는 것으로 나타났다.
- 건조 생우분 및 건조 성형우분의 원소분석 결과를 표 2에 나타내었다. 건조 생우분 및 성형우분 모두 주성분은 C 와 O로 구성되어 있으며, 생우분은 C가 48.66%, O가 42.48%로 구성되어 있고, 성형우분은 C가 47.55%, O가 37.57%로 구성되어 있어 생우분의 C와 O의 구성성분이 성형우분보다 다소 크게 나타났다. 생우분 및 성형우분 모두 C와 O외에도 소량의 Mg, Si, Ca 등의 원소가 포함되어 있는 것으로 나타났다.
- 부피 감소율={(건조전 부피-건조후 부피)/(건조전 부피)}×100 (1) 건조 성형우분의 연소가스 분석결과 표 1과 같이 가축분에는 질소가 다량 함유되어 있어 대기오염원이 되고 있는 NOx(질소산화물) 외에도 SOx(황산화물) 등 유해가스가 다소 함유되어 있는 것으로 나타났다.
- 57%로 구성되어 있어 생우분의 C와 O의 구성성분이 성형우분보다 다소 크게 나타났다. 생우분 및 성형우분 모두 C와 O외에도 소량의 Mg, Si, Ca 등의 원소가 포함되어 있는 것으로 나타났다. 그러나 원소분석결과 건조 생우분 및 건조 성형우분 모두 H를 포함하고 있지 않는 것으로 나타났으며, 이는 시료의 수분함량이 0%로 시료에 수분이 존재하지 않기 때문인 것으로 사료된다.
- 성형기로부터 성형 직후 약 60%의 함수율을 갖는 생 성형우분(함수율 약 60%)을 연료로 사용할 수 있게 건조한 후 건조에 따른 부피 감소율을 식 1에 의해 계산하였다. 성형우분의 건조에 따른 부피변화를 분석한 결과 평균적으로 전조 전의 부피 85.19 cm3에서 건조 후의 부피 33.19 cm3으로 약 61%의 부피가 감소함을 알 수 있었다. 수분함량이 약 10%정도로 건조된 성형우분의 압축강도 시험결과를 그림 4와 같이 하중-변형곡선으로 나타내었고, 최고 압축강도는 419,150 N/m2으로 나타났다.
- 성형우분의 함수율별 발열량 분석결과 함수율이 0% 일 때 약 14,906 kJ/kg, 16% 일 때 약 13,405 kJ/kg, 19% 일 때 약 13,132 kcal/kg, 32% 일 때 약 11,797 kJ/kg, 35% 일 때 약 10,918 kJ/kg으로 함수율이 증가할수록 발열량은 감소함을 알 수 있었다. 함수율에 따른 성형우분의 발열량 값은 결정계수(r2)가 0.
- 19 cm3으로 약 61%의 부피가 감소함을 알 수 있었다. 수분함량이 약 10%정도로 건조된 성형우분의 압축강도 시험결과를 그림 4와 같이 하중-변형곡선으로 나타내었고, 최고 압축강도는 419,150 N/m2으로 나타났다. 여기서 최고압축강도는 파괴점의 하중을 시료의 접촉단면적으로 나눈 값으로, 시료의 파괴가 일어나는 지점의 강도를 나타낸다.
후속연구
- 98로 선형적으로 잘 표현됨을 알 수 있으며, 그림 2에 나타내었다. 따라서 본 연구결과에서 얻어진 선형 식은 수분함량이 알려지면 우분의 발열량을 예측하는데 유용하게 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 경제성을 고려한다면 직접연소에 대한 고형연료로의 이용이 바람직하다 할 수 있다. 축산 농가에서 발효 퇴비화를 위해 사용하고 있는 톱밥은 자체 중량보다 2배 이상의 기름을 흡착 할 수 있는 특징이 있고, 악취물질의 분해 작용이 있어 가축분뇨와 같은 유기성 폐기물을 혼합 처리하면 수분조절제 역할과 함께 성형이 가능하여 고형연료로 유용하게 사용할 수 있을 것이다.
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