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문제 정의
- 본 연구에서 실시한 개량형 전통식 탄화로에서 발생되는 폐열회수시스템은 저자들이 보유하고 있는 특허(제10-0920741호 “탄화로의 폐열 에너지를 이용한 열교환장치”)기술로 제작하였다. 본 기술은 Fig. 1 에 나타낸 것과 같이 경제적으로 저렴하고 수급이 용이하며, 뛰어난 열회수율을 얻을 수 있는 물을 이용 하여 탄화로의 벽면을 따라 설치된 배관장치를 통해 탄화과정에서 발생하는 폐열과 내부를 흐르는 유체 간의 열교환을 가능하게 하는 원리이다. 이 때 폐열 회수용 열원인 물의 저장탱크에는 3,000 ℓ의 용량을 유지하도록 설계하였다.
- 본 연구는 제탄과정 중에 탄화로에서 발생되는 폐열을 회수하여 친환경 건조기의 에너지원으로 활용하기 위한 시스템의 특성에 대해서 검토하고, 친환경 건조시스템 설치가 목탄의 특성에 미치는 영향에 대해서 조사하였다. 친환경건조시스템의 열원으로 이용되는 유체는 3기의 탄화로에 서로 연결되어 폐열을 회수하고 있어 지속적으로 열원을 공급하고 있기 때문에 온도변화의 폭은 크지 않았다.
- 본 연구에서는 제탄과정 중에 탄화로에서 발생되는 폐열을 회수하여 농산물 건조의 에너지원으로 활용하기 위한 친환경건조시스템의 특성에 대해서 검토하고, 친환경건조시스템 설치가 목탄의 특성에 미치는 영향에 대해서 조사하였다.
가설 설정
- 폐열회수시스템을 통해 상승하는 유체의 온도가 다소 편차가 있기 때문에 평균 25°C정도 가정해서, 열용량을 계산하였다.
제안 방법
- Table 1은 친환경 건조시스템 설치 전과 설치 후탄화로에서 제탄된 목탄을 5회에 걸쳐 측정한 공업 분석결과로서 수분, 회분, 휘발분, 고정탄소를 중량 비율로 측정하였다. Abe (1988)에 의하면 목탄의 공업분석은 탄화온도의 추정과 품질평가에 중요한 분석수단이라고 하였다.
- 온도제어장치는 고온유체 배관의 유입측에 설치된 전자개폐밸브와 전기적으로 연결되도록 하였다. 따라서 건조기 내의 온도 조절은 온도제어장치에 의해 전자개폐밸브의 개폐 또는 배관으로 폐열에너지 집적장치에서 유입되는 고온 유체 양을 조절함으로써 가능해지도록 설계하였다.
- 21%였다. 또한 정련도, 경도, 발열량, pH, 단위중량당 발열량, 수탄율을 친환경건조시스템의 설치 전과 후를 비교한 결과. 친환경건조시스템의 설치가 목탄의 특성에 크게 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.
- 건조기 내에는 농·임산물을 건조 할 수 있는 8단의 건조틀을 설치하였고, 열풍을 균일하게 유동되도록 하기 위해 다공성 채반을 이용하였다. 또한, 제한된 공간에서 작업능률향상을 위해 채반을 슬라이드 방식으로 운영하도록 설계하였다(Fig. 3). 건조효율을 최대한 높이기 위해 열전달성능이 우수한 Heat pipe (Figs.
- 목탄을 각각 60mesh 정도의 시료로 제작하여 목탄에 함유된 수분(KS E ISO589 무연탄-총 수분 함량의 측정 참조), 회분(KS E ISO1171 고형광물 연료-재함량 측정 참조), 휘발분(KS E ISO562 무연탄과 코크스-휘발성 물질의 결정 참조), 고정탄소를 중량비율로 측정하였다.
- 목탄의 경도는 목탄경도계로 이용하여 측정하였다. 경도계는 납, 안티몬, 동, 아연, 주석, 강철 등을 소정 배합한 것으로, 경도의 차이로 20종류의 금속편이 이용되며 가장 무른 납만으로 된 금속편이 1번이고, 가장 단단한 강철의 금속편은 20번이다.
- 목탄의 물성은 목탄의 정련도, 경도, 발열량 등으로 분석한다. 목탄의 정련도는 목탄의 탄화 정도를 나타낸 것으로, 친환경 건조시스템 설치 전과 후 목탄의 정련도가 모두 낮은 전기저항 값을 보여주고 있어 탄화가 잘 되어 불순물이 적은 목탄으로 판단되었다.
- 발열량은 시료 0.5 g을 열량계(Parr 6300 calorimeter)에 넣고 산소를 충전하고 점화하여 연소전후의 온도변화로부터 열량을 계산하였다.
- 0 mm, 높이 300 mm, 폭 10 mm, 길이 244 mm로 제작 하여 탄화로의 둘레를 따라 일정간격으로 배치하였으며 각각의 배관장치는 연결 파이프를 통해 연속적으로 고온의 유체를 회수 가능하게 제작하였다. 배관 장치는 이전의 연구(권, 2011)에서 제탄과정에서 발생된 열에너지가 제탄후에도 탄화로 천장과 내벽에 상당한 양의 열에너지가 존재하고 있는 것으로 보고한 결과를 근거로 하여, 탄화로 천장 부위를 지지하고 있는 탄화로 벽 부분의 외측에 설치하였고, 그 바깥쪽은 흙으로 덮었다. 폐열 회수를 위한 배관장치는 탄화로의 벽 주위를 둘러싸는 형태로 설치되었다.
- 본 연구에서 이용되어진 친환경건조시스템은 폐열을 건조기의 열에너지원으로 이용하기 위한 폐열회수시스템과 농·임산물을 화석연료를 에너지원으로 활용하지 않는 친환경적으로 건조할 수 있는 건조기로 구성되어 있다.
- 폐열 회수를 위한 배관장치는 탄화로의 벽 주위를 둘러싸는 형태로 설치되었다. 열교환기를 통해 배출되는 유체의 온도를 측정하기 위해 열전대를 열교환기 입구와 출구에 부착하였다.
- 이에 목표온도 50, 40°C, 목표습도 30, 40%로 각각 설정하였다.
대상 데이터
- 건조기 내에는 농·임산물을 건조 할 수 있는 8단의 건조틀을 설치하였고, 열풍을 균일하게 유동되도록 하기 위해 다공성 채반을 이용하였다.
- 3). 건조효율을 최대한 높이기 위해 열전달성능이 우수한 Heat pipe (Figs. 3, 4)를 사용하였다. 이것은 건조기의 바닥에 일정간격을 두고 굴곡시켜 건조기 내에 열을 순환시킬 수 있도록 건조기 바닥에서 50 mm 정도 밑의 공간에 설치하였다.
- 본 실험에는 강원도 홍천군 화촌면 소재 (주)홍천 참숯에서 백탄을 주로 제탄하고 있는 개량형 탄화로를 이용하였다.
- 본 연구에서 실시한 개량형 전통식 탄화로에서 발생되는 폐열회수시스템은 저자들이 보유하고 있는 특허(제10-0920741호 “탄화로의 폐열 에너지를 이용한 열교환장치”)기술로 제작하였다.
- 5는 목탄 제탄과정동안 폐열회수용 유체의 온도변화를 경시적으로 측정한 결과이다. 본 연구에서 이용된 폐열회수용 유체보관용 탱크용량은 3,000 ℓ이다. Fig.
- 본 연구에서는 (주)홍천참숯에서 굴참나무(Quercus variabilis BLUME)를 사용하여 제탄된 백탄을 공시재료로 하였다.
- 2와 3은 본 연구에서 개발한 개량형 탄화로에서 발생하는 폐열 에너지를 이용한 친환경 건조시스 템이다. 이것은 가로 4,000 cm, 세로 3,000 cm, 높이 2,800 cm의 선반식 건조기로서 벽면은 외기 온도에 따른 건조기내의 온도변화를 최소화하도록 하기 위해 우레탄으로 충진하고 두께 15 cm의 판넬을 사용 하였다.
- 이 때 폐열 회수용 열원인 물의 저장탱크에는 3,000 ℓ의 용량을 유지하도록 설계하였다. 폐열 회수용 배관장치에 사용된 재질은 고내식성 스테인리스강으로 두께 3.0 mm, 높이 300 mm, 폭 10 mm, 길이 244 mm로 제작 하여 탄화로의 둘레를 따라 일정간격으로 배치하였으며 각각의 배관장치는 연결 파이프를 통해 연속적으로 고온의 유체를 회수 가능하게 제작하였다. 배관 장치는 이전의 연구(권, 2011)에서 제탄과정에서 발생된 열에너지가 제탄후에도 탄화로 천장과 내벽에 상당한 양의 열에너지가 존재하고 있는 것으로 보고한 결과를 근거로 하여, 탄화로 천장 부위를 지지하고 있는 탄화로 벽 부분의 외측에 설치하였고, 그 바깥쪽은 흙으로 덮었다.
이론/모형
-
3. 정련도 측정
정련도는 목탄정련계(三陽電機製作所製)를 이용해서 측정하였다
. 100～108 Ω/cm의 전기 저항을 측정하여 그 지수 0～8의 정련도로 그 이상의 것은 정련도 9로 나타낸다.
성능/효과
- 목탄의 물성은 목탄의 정련도, 경도, 발열량 등으로 분석한다. 목탄의 정련도는 목탄의 탄화 정도를 나타낸 것으로, 친환경 건조시스템 설치 전과 후 목탄의 정련도가 모두 낮은 전기저항 값을 보여주고 있어 탄화가 잘 되어 불순물이 적은 목탄으로 판단되었다. 목탄의 경도는 목탄의 단단한 정도를 나타내는 것으로, 친환경 건조시스템 설치 전과 후 목탄의 경도가 모두 12로 나타나 단단하게 제조된 백탄임을 알 수 있다.
- 목표온도 50, 40°C, 목표습도 30, 40%로 설정하여 친환경건조기 내의 온·습도 변화를 측정한 결과, 건조기를 가동시켜 목표온도까지 도달되는 시간은 약 15시간, 목표습도는 24시간이 소요되었으며 각 설정 온도에 따른 도달시간의 차이는 나타나지 않았다.
- 국립산림 과학원에서 고시한 목탄의 규격과 품질 기준(2007)에서 목탄의 발열량은 5,500 kcal/kg 이상으로 규정하고 있다. 본 연구에서 얻어진 목탄의 발열량은 목탄의 품질 기준보다 다소 낮았다.
- 본 연구의 폐열에너지를 에너지를 활용한 친환경 건조시스템은 제탄공정에서 발생하는 폐열을 회수하여 농ㆍ임산물의 건조를 위한 에너지 자원으로 활용하기 때문에 연료비에 대한 부담이 적어 고유가시대에 폐열을 이용한 연료비 절감으로 농가경영비를 줄여 농가소득증대에 크게 기여하는 것으로 생각된다. 또한 폐열을 고온의 유체로 변환하여 건조하기 때문에 건조기간 동안 유해물질이 전혀 발생하지 않고 등유나 전기 등에 의한 화제의 위험성이 없으므로 건조된 농산물 등에 대한 안전성을 확보할 수 있는 큰 이점을 지니고 있다.
- 설정온·습도 도달후, 건조기 내의 온도 및 습도의 변화폭은 목표 온·습도의 ± 2°C가 유지되는 것으로 조사되어 건조기내의 열손실이 거의 없고 열교환효율이 우수한 것으로 판단되었다(Figs. 6, 7).
- 열용량공식 Q = mcΔT식에서 Q = 3,000 kg × 4,190 J/kg°C × 25°C = 314,250,000 J(75,420 kcal)의 폐열회수효과를 얻을 수 있었다.
- 유체의 온도가 폐열회수시스템에 들어가기 전에 높은 이유는 폐열회수로 보관된 유체를 재이용하기 때문이다. 전체적으로 탄화과정동안 회수되는 유체의 온도변화는 크지 않는 것으로 나타났다. 이것은 본 연구의 폐열회수시스템은 각각 다른 제탄시간으로 운영되고 있는 3기의 탄화로에 연결되어 있는 상태에서 지속적으로 유체에 의해 폐열을 회수하기 때문에 폐열회수시스템 내의 유체 온도변화의 폭은 크지 않는 것으로 판단된다.
- Abe (1988)에 의하면 목탄의 공업분석은 탄화온도의 추정과 품질평가에 중요한 분석수단이라고 하였다. 친환경 건조시스템 설치 전 공시 탄화로에서 제탄된 목탄의 평균 수분은 3.29%, 회분 2.55%, 휘발분은 10.76%, 고정탄소 83.40%이었다. 친환경 건조시스템 설치 후 공시 탄화로에서 제탄된 목탄의 평균 수분은 3.
- 친환경 건조시스템 설치 전과 설치 후 탄화로에서 제탄된 목탄의 특성을 조사한 결과, 친환경 건조시스템 설치 전 공시 탄화로에서 제탄된 목탄의 평균 수분은 3.29%, 회분 2.55%, 휘발분은 10.76%, 고정탄소 83.40%였다. 친환경 건조시스템 설치 후 공시 탄화로에서 제탄된 목탄의 평균 수분은 3.
- 40%이었다. 친환경 건조시스템 설치 후 공시 탄화로에서 제탄된 목탄의 평균 수분은 3.34%, 회분 2.62%, 휘발분은 11.83%, 고정탄소 82.21%로 나타났다. 이전에 저자 등(2011)은 보고한 개량형탄화로에서 제탄된 목탄에 대한 공업분석 결과, 수분은 6.
- 40%였다. 친환경 건조시스템 설치 후 공시 탄화로에서 제탄된 목탄의 평균 수분은 3.34%, 회분 2.62%, 휘발분은 11.83%, 고정탄소 82.21%였다. 또한 정련도, 경도, 발열량, pH, 단위중량당 발열량, 수탄율을 친환경건조시스템의 설치 전과 후를 비교한 결과.
- 고급은 단위중량당 발열량 7,800 kcal/kg 이상, 일반은 7,000 kcal/kg 이상∼ 7,800 kcal/kg 미만, 7,000 kcal/kg 미만은 등급 외로 규정하고 있다. 친환경건조시스템 설치 전과 후 목탄의 단위 부피당 열량은 일반목탄의 등급으로 나타났으며, 설치 전과 후의 밀도는 평균 0.83 g/cm3였다.
후속연구
- 따라서 신재생 에너지를 복합적으로 활용할 수 있는 기술의 개발을 각 분야 전문가와 에너지 활용 기술에 대해 지속적인 연구를 수행하여 유가상승으로 인한 농·임업인들의 경제적 부담을 덜어 주어야 할 것이다.
- 따라서 버려지는 폐열을 회수하여 에너지로 활용한 친환경건조시스템은 목탄의 특성에 영향을 주지 않으면서 농·임산물의 건조를 위한 에너지 자원으로 활용할 수 있기 때문에 고유가시대에 연료비절감으로 농·임업인의 농업경영비를 줄여 농가소득증대에 크게 기여하는 친환경 건조시스템이라고 사료된다. 또한 유류 소비 절감에 따른 이산화탄소 배출 감소로 환경개선에 기여할 것으로 기대되며, 온실효과 감축에 따른 저탄소 녹색성장 기반 구축과 단순 목탄 제조시설이 아닌 에너지 회수시설 즉, 친환경에너지 시설로 전환할 수 있는 계기를 마련할 수 있을 것으로 기대된다.
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