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문제 정의
- 본 실험에서는 목재 펠릿 제조 시 식물성 기름 첨가에 따른 생산성을 조사하기 위하여 같은 펠릿 성형기에서 콩기름, 폐콩기름, 오존산화 콩기름, 오존산화 폐콩기름을 각각 3%씩 첨가하여 생산한 것과 무처리 톱밥으로 생산한 것과의 펠릿성형 효율을 조사하였다. 즉, 톱밥원료 1 kg에 각각의 기름을 무게대비 3%를 넣은 것과 무처리 톱밥을 원료로 하여 같은 펠릿 성형기로 펠릿을 제조하고, 제조된 펠릿을 미리 직경 3.
- 본 연구에서는 국내 대표 수종인 낙엽송 톱밥을 원료로 하여 목재 펠릿 제조 시 식물성 기름 첨가에 따른 생산성을 조사하기 위하여 같은 펠릿 성형기에서 콩기름, 폐콩기름, 오존산화 콩기름, 오존산화 폐콩기름을 각각 3%씩 첨가하여 생산한 것과 무처리 톱밥으로 생산한 것과의 생산성 및 품질특성을 조사하였다. 이에 대한 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 이에 본 연구에서는 이러한 단점들을 보완하기 위하여 식물성 기름을 첨가하여 펠릿을 제조하고, 그 품질적 특성을 조사하였다. 식물유는 바이오매스 물질로 현재 우리가 폭 넓게 사용하고 있으며 매년 재배에 의해 많은 양이 생산되므로 고갈의 위험이 없이 지속적인 생산이 가능하다.
- 제조된 목재펠릿의 흡습률은 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%, 온도20℃로 조정된 장치 속에서 24시간 및 5일 경과 후 무게변화에 의한 흡습률을 측정하여 비교하였다.
- 즉, 오늘의 세계문제가 직면하고 있는 경제문제와 환경문제를 동시에 해결하여 국가경쟁력을 강화하는 원동력인 저탄소 에너지 개발 ⋅ 이용을 활성화하기 위한 것이다.
제안 방법
- 21일)의 ‘목재펠릿품질규격’ 기준의 제5조(품질 및 품질시험 기준)에 의거 측정 분석하였다. 그 외 흡습률 및 펠릿의 원소측정을 실시하였다.
- 내구성 측정방법은 미리 직경 3.15 mm의 체(ISO 3310-2에 규정)로 걸러진 목재펠릿 500 ± 50 g을 0.01 g 수준까지 무게를 측정하여 내구성시험기(CEN/TS15210-1에 규정)에 넣고 분당 50 ± 2 회전을 주어 500회전 시험을 한 후, 직경 3.15 mm의 체로 걸러내어 체에 잔류하고 있는 목재펠릿의 무게를 측정하였다.
- 또한 식물유는 지구 온난화의 주범으로 생각되고 있는 이산화탄소 배출에 대한 기여도가 낮은 점, 그리고 벤젠고리 화합물을 포함하고 있지 않기 때문에 자연환경으로 유출시 생분해도가 높은 장점을 가지고 있다(유영삼 등, 2009). 따라서 국내 대표 수종인 낙엽송 톱밥을 원료로 하여 콩기름, 폐콩기름, 오존산화 콩기름, 오존산화 폐콩기름을 첨가한 펠릿을 제조하고 그 생산성 및 품질특성을 조사하였다.
- 제조된 목질펠릿의 열량적 특성에 대한 품질평가로서 발열량의 측정방법은 측정할 시료를 열풍건조기의 온도가 105 ± 3℃에서 항량에 도달할 때까지 건조한 후 데시케이터에서 상온으로 냉각시켰다. 발열량은 건조된 시료 0.5 g을 열량계(Parr 6 calorimeter)에 넣고 산소를 충전하고 점화하여 연소전후의 온도변화로부터 열량을 계산하였다.
- 식용유를 아세톤에 용해하고 교반기로 교반하면서 오존발생기(Model : Lab-2 (220 Vac, 60 Hz) OZONE-TECH사, 대전)를 사용하여 유량 0.5 LPM, 압력 1 kg/cm2의 조건, 즉, 오존농도 158.5∼158.8 g/cm3, 오존발생량 7.13∼7.14 g/hr으로 O3/O2 혼합기체를 흘려보내면서 3시간 오존산화 처리하였다.
- 오존산화 처리 후 반응액을 70℃에서 감압 농축하여 용매를 제거하고, 펠릿 제조용 원료로 사용하였다. 오존처리 조건은 오존발생기 제조회사에서 추천하는 범위에서 적용하였다.
- 오존산화 처리 후 반응액을 70℃에서 감압 농축하여 용매를 제거하고, 펠릿 제조용 원료로 사용하였다. 오존처리 조건은 오존발생기 제조회사에서 추천하는 범위에서 적용하였다.
- 원소 분석 측정은 펠릿의 샘플을 2.0 mg 내외로 하여 온도 1,100°C에서 Flash EA 1112 series/CE Instruments를 이용하여 측정하였다.
- 산에 의해 분해된 시료를 beaker에 넣고 증발시킨 후 산의 농도가 1∼5% 정도 되도록 한다. 이러한 시료를 무게 20.0000 g까지 무게를 단 후 ICP-OES (Model : JY Ultima2C(1.5 KW 40.68 MHz) Jobin Yvon, France)를 이용하여 분석하였다. 원소 분석 측정은 펠릿의 샘플을 2.
- 제조된 목질펠릿의 열량적 특성에 대한 품질평가로서 발열량의 측정방법은 측정할 시료를 열풍건조기의 온도가 105 ± 3℃에서 항량에 도달할 때까지 건조한 후 데시케이터에서 상온으로 냉각시켰다.
- 제조된 펠릿의 원소측정은 한국기초과학지원연구원에 의뢰하여 ICP-AES, 원소 분석기를 이용하여 측정 하였다. ICP-AES를 측정 시, 시료의 전처리를 위해 시료를 무게 0.
- 제조된 펠릿의 회분량을 측정하기 위하여 회화로를 사용하여 규정(목재펠릿품질규격 기준의 제5조)된 온도 스케줄에 의거 회분시험을 하였다.
- 공시 원료의 톱밥은 자연건조 후 함수율 15%로 조정하여 원료로 사용하였다. 준비된 낙엽송 톱밥에 콩기름, 폐콩기름, 오존산화 콩기름, 오존산화 폐콩기름을 무게대비 3% 첨가하여 수작업으로 혼합 후 펠릿을 제조하였으며, 대조구로 무처리 펠릿을 제조하였다. 펠릿제조를 위한 성형기는 생산용량 500kg/hr의 평다이(Flat dies type, hole 직경 6 mm, 2개 롤러, 30마력(1,800 rpm))를 사용하여 동일한 조건으로 성형하였다.
- 제조된 목재펠릿의 흡습률은 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%, 온도20℃로 조정된 장치 속에서 24시간 및 5일 경과 후 무게변화에 의한 흡습률을 측정하여 비교하였다. 흡습률 측정에 사용된 계산식은 [(기건무게-흡습후무게)/기건무게] ×100의 식에 따라 구하였다.
- 본 실험에서는 목재 펠릿 제조 시 식물성 기름 첨가에 따른 생산성을 조사하기 위하여 같은 펠릿 성형기에서 콩기름, 폐콩기름, 오존산화 콩기름, 오존산화 폐콩기름을 각각 3%씩 첨가하여 생산한 것과 무처리 톱밥으로 생산한 것과의 펠릿성형 효율을 조사하였다. 즉, 톱밥원료 1 kg에 각각의 기름을 무게대비 3%를 넣은 것과 무처리 톱밥을 원료로 하여 같은 펠릿 성형기로 펠릿을 제조하고, 제조된 펠릿을 미리 직경 3.15 mm체(ISO 3310-2에 규정)로 선별하여 체위에 남은 펠릿의 무게를 측정하여 생산효율로 정하였다.
- 펠릿성형기(Pelletizer)를 통과하여 성형된 목재펠릿은 지름 6 (-0.1~0.2) mm, 길이 10∼30 ± 2 mm이였고, 실험실 내에서 24시간 자연건조를 통한 목재펠릿의 안정을 유도한 후 각종 실험을 실시하였다.
- 제조된 목질펠릿의 함수율은 덮개가 있는 칭량병을 105 ± 3℃에서 건조 후 데시케이터에서 상온으로 냉각시켰다. 펠릿은 최소 20 g를 칭량병에 균일한 층으로 넣고 덮개를 포함하여 무게를 측정하였다. 그 후 덮개를 제거하고 105 ± 3℃의 온도에서 시료를 포함한 접시의 무게가 변화가 없을 때까지 건조한 후 오븐에서 덮개를 씌워 데시케이터에서 상온까지 냉각시켰다.
- 펠릿을 압축․성형시, 펠릿의 원료인 낙엽송 톱밥에 첨가제를 넣지 않았을 경우와 톱밥에 무게대비 3% 첨가제인 콩기름, 폐콩기름, 오존산화 콩기름, 오존산화 폐콩기름을 첨가 후 제조된 펠릿의 생산성을 비교하였다. 제조된 펠릿 중 대조구는 기름을 첨가한 펠릿보다 펠릿 성형을 이루지 못한 많은 양의 낙엽송 톱밥을 포함하고 있다.
- 펠릿을 용기의 상부 테두리로부터 200∼300 mm 떨어진 곳으로부터 부어 산을 이루게 한 후 이를 150 mm의 높이로부터 평평한 바닥 위에 놓여진 15 mm 두께의 나무판 위에 수직으로 떨어뜨려 3회 다지고, 용기 위에 남은 펠릿은 50 mm 정각재를 이용하여 제거한 후 무게를 측정하였다.
- 폐식용유를 아세톤에 용해하고 교반기로 교반하면서 오존발생기(Model : Lab-2 (220 Vac, 60 Hz) OZONETECH사, 대전)를 사용하여 유량 0.5 LPM, 압력 1 kg/cm2의 조건, 즉, 오존농도 158.5∼158.8 g/cm3, 오존발생량 7.13∼7.14 g/hr으로 O3/O2 혼합 기체를 흘려보내면서 3시간 오존산화 처리하였다.
- 회분 측정방법으로는 시료 1 g 정도를 탄화로(Furnace)에서 품질규격에 규정된 시험방법에서 정한 승온스케쥴(250℃에서 60분, 575℃에서 120분)에 의해 연소시험 후, 잔재의 무게를 측정하였다.
대상 데이터
- 펠릿제조에 사용된 원료인 폐식용유는 현재 시판되고 있는 C사의 식용유로 닭을 튀기고 남은 기름을 통닭집에서 구매하여 사용하였다. 구매된 폐식용유는 미세한 천(광목)을 사용하여 찌꺼기를 걸렀다.
- 펠릿제조용 공시 원재료는 국내산 낙엽송 수종의 톱밥을 사용하였다. 사용 된 톱밥은 W사의 제재공장에서 펠릿제조를 위한 원 재료로 분양받는다.
- 2) mm, 길이 10∼30 ± 2 mm이였고, 실험실 내에서 24시간 자연건조를 통한 목재펠릿의 안정을 유도한 후 각종 실험을 실시하였다. 제조된 목재펠릿 중 미리 직경 3.15 mm체(ISO 3310-2에 규정)위에 남는 것을 시험 분석용 샘플로 사용하였다.
- 펠릿제조에 사용된 원료인 식물성 기름은 현재 시판되고 있는 C사의 식용유인 콩기름(Soybean oil)을 사용하였다.
- 펠릿제조에 사용된 원료인 폐식용유는 현재 시판되고 있는 C사의 식용유로 닭을 튀기고 남은 기름을 통닭집에서 구매하여 사용하였다. 구매된 폐식용유는 미세한 천(광목)을 사용하여 찌꺼기를 걸렀다.
- 펠릿제조용 공시 원재료는 국내산 낙엽송 수종의 톱밥을 사용하였다. 사용 된 톱밥은 W사의 제재공장에서 펠릿제조를 위한 원 재료로 분양받는다.
이론/모형
- 제조된 목질펠릿의 함수율, 발열량, 회분, 겉보기 밀도, 내구성에 대한 측정방법은 국립산림과학원 고시 제2009-2호(2009.5.21일)의 ‘목재펠릿품질규격’ 기준의 제5조(품질 및 품질시험 기준)에 의거 측정 분석하였다.
- 흡습률 측정에 사용된 계산식은 [(기건무게-흡습후무게)/기건무게] ×100의 식에 따라 구하였다.
성능/효과
- 1) 펠릿 제조 시 무처리 톱밥에 의해 생산된 펠릿의 양보다 콩기름, 폐콩기름, 오존산화 콩기름, 오존 산화 폐콩기름을 첨가한 후 생산된 펠릿의 양이(1.33∼1.64배) 많은 것을 알 수 있었다.
- 2) 제조된 펠릿의 함수율은 평균 7.66~9.48%로 나타나 목재펠릿의 품질기준 1급 10% 이하를 만족시켰다.
- 3) 발열량은 모든 펠릿제품이 품질기준인 1등급 (4,300 kcal/kg)을 상회하였으며, 첨가제를 첨가한 펠릿이 무첨가 펠릿보다 높은 발열량을 나타났다.
- 4) 펠릿의 회분은 평균 0.34~0.42%로 품질규격 1급의 0.7% 미만의 범주에 속한 것으로 나타나 가정용으로 사용이 가능한 고품질의 펠릿으로 판단된다.
- 5) 제조된 펠릿 모두가 겉보기 밀도 품질기준 1급(640 kg/m3)을 만족시켰다. 대부분 첨가제를 첨가한 펠릿이 무첨가 펠릿보다 겉보기 밀도가 높게 나타났다.
- 6) 펠릿의 내구성은 콩기름을 첨가한 펠릿, 오존산화 폐콩기름을 첨가한 펠릿이 품질기준 1급(97.5%이상)을 만족하였다. 이 밖에 무첨가 펠릿, 폐콩기름을 첨가한 펠릿, 오존산화 콩기름을 첨가한 펠릿은 품질기준 3급(95% 이상)이 나왔으나, 전체적인 결과의 흐름을 보았을 때 첨가제를 첨가한 펠릿이 무첨가 펠릿보다 내구성이 좋게 나타났다.
- 7) 24시간 후 흡습률 시험에서 첨가제를 첨가한 펠릿이 무첨가 펠릿보다 낮은 흡습률을 나타냈으며, 5일 경과 후에도 무첨가 펠릿보다 첨가제를 첨가한 펠릿이 여전히 흡습률 감소 현상을 보였다.
- 8) 펠릿의 원소분석은 황의 함유량이 목재펠릿의 품질기준 1급(0.05%) 이하를 만족시켰고, 질소 함유량 역시 목재펠릿의 품질기준 1급(0.3%) 이하를 만족시켰다.
- 3%) 이하를 만족시켰다. 기름첨가에 따른 C와 H의 비율변화의 유의성을 확인하기 위하여 분산분석을 수행한 결과 유의수준 0.05에서 기름첨가가 C와 H의 비율에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 이 실험을 통하여 식물유와 오존산화 식물유를 톱밥에 첨가함으로써, 기름의 특수성이 펠릿 제조 시 펠릿 성형기의 윤활유 역할을 도와주고 이로 인해, 톱밥의 압축ㆍ성형이 용이하도록 하여 기계에 부하되는 고압력 해소 및 생산성 향상을 볼 수 있었다. 또한 식물유와 오존산화 식물유가 첨가된 펠릿의 흡습률이 대조구보다 낮게 나타나 펠릿의 흡습에 의한 함수율이 높아지는 것을 방지할 수 있어 발열량이 떨어지는 현상을 보완할 수 있다고 판단된다.
- 본 실험과정 전, 예비실험을 실시한 결과, 실험에 사용한 펠릿제조기에서 펠릿이 가장 잘 제조되는 시험조건은 톱밥함수율 15%가 가장 적절함을 알 수 있었다. 따라서 톱밥함수율은 15%로 조정하였다.
- 본 연구를 통해 대조구와 첨가제 종류별로 제조된 펠릿의 흡습률을 측정한 결과, 24시간 후 흡습률에서 첨가제를 첨가한 펠릿이 대조구 보다 낮은 흡습률을 나타냈으며, 5일 경과 후에도 대조구보다 첨가제를 첨가한 펠릿이 여전히 흡습률 감소 현상을 보이고 있다. 이는 첨가제 기름성분의 물리ㆍ화학적 특성이 수분에 대한 저항의 효과가 있는 것으로 판단된다.
- 5% 이상)을 만족하였다. 이 밖에 대조구(96.07%), 폐콩기름을 첨가한 펠릿(96.90%), 오존산화 콩기름을 첨가한 펠릿(96.73%)은 품질 기준 3급(95% 이상)이 나왔으나, 전체적인 결과의 흐름을 보았을 때 첨가제를 첨가한 펠릿이 대조구보다 내구성이 좋게 나왔음을 알 수 있다.
- 5%이상)을 만족하였다. 이 밖에 무첨가 펠릿, 폐콩기름을 첨가한 펠릿, 오존산화 콩기름을 첨가한 펠릿은 품질기준 3급(95% 이상)이 나왔으나, 전체적인 결과의 흐름을 보았을 때 첨가제를 첨가한 펠릿이 무첨가 펠릿보다 내구성이 좋게 나타났다.
- 이 실험을 통하여 식물유와 오존산화 식물유를 톱밥에 첨가함으로써, 기름의 특수성이 펠릿 제조 시 펠릿 성형기의 윤활유 역할을 도와주고 이로 인해, 톱밥의 압축ㆍ성형이 용이하도록 하여 기계에 부하되는 고압력 해소 및 생산성 향상을 볼 수 있었다. 또한 식물유와 오존산화 식물유가 첨가된 펠릿의 흡습률이 대조구보다 낮게 나타나 펠릿의 흡습에 의한 함수율이 높아지는 것을 방지할 수 있어 발열량이 떨어지는 현상을 보완할 수 있다고 판단된다.
- Table 6은 제조된 펠릿의 내구성을 조사한 결과이다. 제조된 펠릿의 내구성은 콩기름을 첨가한 펠릿(98.50%), 오존산화 폐콩기름을 첨가한 펠릿(97.56%)이 품질 기준1급(97.5% 이상)을 만족하였다. 이 밖에 대조구(96.
- 제조된 펠릿의 함수율은 제조 후 24시간 경과 후 측정하였으며, Table 2에서 보여 주듯이 평균 7.66∼9.48%로 나타나 목재펠릿의 품질기준 1급 10% 이하를 만족시켰다.
- 펠릿의 회분은 평균 0.34∼0.42%로 품질규격 1급의 0.7% 미만의 범주에 속한 것으로 나타나(Table 4), 가정용으로 사용이 가능한 고품질의 펠릿으로 판단되었다.
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