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문제 정의
- 따라서 본 연구는 고품질 목탄의 대량 생산 및 수율을 향상시키기 위해 제작된 개량형 탄화로를 이용하여 제탄과정에서 발생되는 폐열을 효율적으로 회수할 수 있는 방안을 모색하기 위해 개량형 탄화로의 구조와 제탄과정에서 탄화로 내·외벽 및 벽체의 온도변화, 제탄된 목탄의 특성을 조사․검토하였다.
- 본 연구에 이용된 개량형 탄화로는 고품질 목탄의 대량 생산과 수율향상을 위한 목적으로 내부공간을 크게 확장하여 제작하였다. 탄화로의 내부 바닥은 Fig.
- 본 연구에서 개량형 탄화로를 이용하여 제탄과정중 탄화로 내․외벽의 온도변화를 측정하고 제탄된 목탄의 특성을 분석하였다. 공시 탄화로의 탄화과정은 8일 정도 소요되었다.
제안 방법
- 공업분석은 목탄을 각각 60 mesh 정도의 시료로 제작하여 목탄에 함유된 수분(KS E ISO589 무연탄-총 수분 함량의 측정 참조), 회분(KS E ISO1171 고형광물 연료-재 함량 측정 참조), 휘발분(KS E ISO562 무연탄과 코크스-휘발성 물질의 결정 참조), 고정탄소를 중량비율로 측정하였다.
- 발열량은 시료 0.5 g을 열량계(Parr 6,300 calorimeter)에 넣고 산소를 충전하고 점화하여 연소전후의 온도변화로부터 열량을 계산하였다. 연료용 목탄의 단위부피당 열량은 국립산림과학원에서 고시한(국립산림과학원 2007-8호) 연료용 목탄의 단위부피량 열량 기준에 의거하여 다음과 같은 식으로 구하였다.
- 본 연구에서 이용되어진 탄화로는 내부규모가 크게 제작되었기 때문에 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 출 탄작업구를 하나 더 설치하여 원활한 출탄작업을 수행할 수 있게 제작하였다.
- 3). 온도기록은 측정용 센서와 연결된 자동기록계에 각각의 온도변화를 실시간으로 그래프용지에 기록하였으며, 2시간마다 온도를 숫자로 기록하게 설정하였다.
- 탄화종료시점의 온도는 탄화로 내부 온도 약 600℃, 연통 온도 450°C 정도가 되었다. 이후 연통에 나오는 연기가 무색을 띄는 시점에서 약 3시간 후 정련을 10～12시간 정도 실시하고 출탄작업을 하였다. 탄화로 내부 최고온도는 1,000℃의 범위였고, 연통온도는 750℃ 정도까지 상승하였다.
- 적외선 열화상 분석기(InfraTec Gmbh, DE/Varic CAM Basic 120)를 이용하여 개량형 탄화로의 내·외벽에서 발생되는 열의 분포를 측정하였다.
- 제탄되는 과정 중에 개량형 탄화로 내부 및 벽체의 온도변화를 측정하기 위하여 탄화로에 K형 열전자 센서(측정범위 : 1,200℃)를 설치하였다. 제탄과정 중의 탄화로 내부의 온도측정은 권 등(2008)이 전통식 탄화로의 온도변화를 측정하기 위해 설치한 위치와 같은 위치에 온도측정용 센서를 설치하여 측정하였다.
대상 데이터
- 1과 같이 진흙으로 약 20 cm 정도의 두께로 다졌고, 탄화로 내부의 가스를 잘 빨아내기 위해서 배 연구쪽이 탄화로 입구보다 약 3 cm 정도 낮게 제작 하였다. 배연구(Fig. 1)는 탄화로 내부의 연기가 나가는 구멍으로서 돌을 이용하여 바닥에 길이 27 cm, 폭 6 cm 정도로 제작하였고, 기존의 탄화로 보다 내부 공간이 커졌기 때문에 2개를 설치하였다.
- 본 실험에는 강원도 홍천군 화촌면에 소재 (주) 홍천참숯에서 개량형 탄화로를 제작하여 이용하였다.
- 정련도는 목탄정련계(삼양전기제작소 FA 56형, 일본)를 이용해서 측정하였다. 100～108 Ω/cm의 전기 저항을 측정하여 그 지수 0～8의 정련도로 그 이상의 것은 정련도 9로 나타낸다.
- 천장은 탄화로 중에서 가장 열을 많이 받는 곳으로 두꺼운 철망을 대고 그 위를 진흙으로 덮고, 철망을 굵은 빔으로 지탱하는 구조이다. 탄화로 내부는 중심부 높이 220 cm (Fig. 1), 가로 640 cm, 세로 290 cm의 크기(Fig. 3)로 제작하였다.
- 제탄과정 중의 탄화로 내부의 온도측정은 권 등(2008)이 전통식 탄화로의 온도변화를 측정하기 위해 설치한 위치와 같은 위치에 온도측정용 센서를 설치하여 측정하였다. 탄화로 벽체온도는 온도측정용 K-type 센서 (삼손하이테크, 한국)를 벽체 내부로 깊이 20 cm 정도 삽입하여 설치하였다(Fig. 3). 온도기록은 측정용 센서와 연결된 자동기록계에 각각의 온도변화를 실시간으로 그래프용지에 기록하였으며, 2시간마다 온도를 숫자로 기록하게 설정하였다.
- 탄화로 입구는 Fig. 2와 같이 높이 180 cm, 폭 65 cm로 제작하였다. 탄화로 내부 천장은 둥근 형태를 이루고 있으며, 탄화로 벽에 가까운 부분은 두껍게 하고 중심부로 갈수록 비교적 얇게 제작되었다.
이론/모형
- 목탄의 경도는 신목탄경도계(삼양전기제작소, 일본)로 이용하여 측정하였다. 경도계는 납, 안티몬, 동, 아연, 주석, 강철 등을 소정 배합한 것으로, 경도의 차이로 20종류의 금속편이 이용되며 가장 무른 납으로만 된 금속편이 1번이고, 가장 단단한 강철의 금속편은 20번이다.
- 5 g을 열량계(Parr 6,300 calorimeter)에 넣고 산소를 충전하고 점화하여 연소전후의 온도변화로부터 열량을 계산하였다. 연료용 목탄의 단위부피당 열량은 국립산림과학원에서 고시한(국립산림과학원 2007-8호) 연료용 목탄의 단위부피량 열량 기준에 의거하여 다음과 같은 식으로 구하였다.
- 제탄되는 과정 중에 개량형 탄화로 내부 및 벽체의 온도변화를 측정하기 위하여 탄화로에 K형 열전자 센서(측정범위 : 1,200℃)를 설치하였다. 제탄과정 중의 탄화로 내부의 온도측정은 권 등(2008)이 전통식 탄화로의 온도변화를 측정하기 위해 설치한 위치와 같은 위치에 온도측정용 센서를 설치하여 측정하였다. 탄화로 벽체온도는 온도측정용 K-type 센서 (삼손하이테크, 한국)를 벽체 내부로 깊이 20 cm 정도 삽입하여 설치하였다(Fig.
성능/효과
- 고온측정용 센서를 이용하여 제탄과정 중의 탄화로 벽체의 온도를 2곳(Fig. 5-Side 1, Side 2)에서 측정한 결과, 벽체의 온도변화는 제탄과정에서 탄화로 내부의 온도변화와 비슷한 경향을 보여주었다. 목탄 제탄과정에서 나타난 탄화로 벽체의 최고 온도는 500°C정도였다.
- 공시 개량형 탄화로의 연통부와 탄화로 상층부에 온도센서를 설치하여 제탄과정을 측정한 결과(Fig. 4), 탄화로에 탄재를 적재하여 아궁이에 불을 지핀후 탄화가 시작되어 가열을 멈출 때 온도는 탄화로 내부 온도 720℃, 연통 온도 90℃였다. 이것은 숙련자에 의한 제탄과정으로 온도변화를 측정한 결과, 탄 화로 내부의 온도는 670～800℃, 연통온도 80～90℃ 의 범위와 비슷한 결과를 보여주었다(권 등.
- 이상의 결과로부터 제탄과정에서 발생된 열에너지가 제탄 후에도 탄화로 천장 또는 내벽에 존재하고 있지만, 그대로 방치해서 버려지어 이것을 활용할 수있는 방안을 검토해야 할 것으로 사료된다. 또한 개량형 탄화로에서 제조된 목탄은 고품질이고, 수탄율도 기존 탄화로에 비해 약간 향상되었다.
- 또한 각 탄화로에 부착된 온도센서에 의한 제탄공정을 확립하여 목탄을 제탄하기 때문에 목탄의 특성의 차이는 크지 않는 것으로 생각된다. 목탄의 수탄율은 13.8% 정도로 기존의 탄화로에 얻어진 수탄율 9.8～12.3%에 비해 1.5% 정도 향상되었다.
- Brunner와 Roberts (1980) 는 저속탄화가 반응메카니즘의 차이로 인해 탄화물의 특성에 영향을 주고 수율도 증가한다고 보고하였다. 본 연구에 이용되어진 탄화로에서 제탄된 목탄 수율이 증가한 것은 이전 탄화로에 비해 탄화로의 규모가 2배 정도 크게 제작되어서 제탄과정에서 탄재의 탄화속도가 이전 탄화로에 비해 저속으로 행해지기 때문에 전체 수율이 향상된 것으로 생각된다.
- 발열량은 국립산림과학원에서 고시한 목탄의 규격과 품질 기준(2007)에서 발열량 5,500 kcal/kg 이상으로 규정하고 있다. 본 연구에서 제탄된 목탄의 발열량은 7,047～7,456 kcal/kg으로 기준 이상으로 높게 나타나 고품질 목탄으로 판단된다. 岸本(1990)는 1,000°C에서 제탄된 목탄의 열량이 약 7,600 kcal/kg라고 보고하고 있어, 본 연구에서 제탄된 목탄도 1,000°C정도의 고온에서 제탄된 것으로 사료된다.
- 적외선 열화상 카메라를 이용하여 제탄전 탄화로 내벽과 천장의 온도분포를 분석한 결과(Fig. 6-A, B), 탄화로 내벽 중간부분과 천장에는 80～90°C 정도의 고온의 열이 감지되었다.
- 적외선 열화상카메라를 이용하여 제탄전 탄화로의 내·외벽체의 온도분포를 측정한결과, 탄화내벽과 천장에는 80～90°C 정도의 고온의 열이 감지되었다.
후속연구
- 이상의 결과로부터 제탄과정에서 발생된 열에너지가 제탄 후에도 탄화로 천장 또는 내벽에 존재하고 있지만, 그대로 방치해서 버려지어 이것을 활용할 수있는 방안을 검토해야 할 것으로 사료된다. 또한 개량형 탄화로에서 제조된 목탄은 고품질이고, 수탄율도 기존 탄화로에 비해 약간 향상되었다.
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