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문제 정의
- 말레이시아와 인도네시아 등지를 중심으로 팜유 부산물인 EFB와 PKS의 발생이 급증하고 있고, 이를 활용한 펠릿 제조를 위한 연구가 매우 시급하다. 본 연구에서는 EFB와 PKS를 펠릿 제조용 원료로 사용하였을 때 연료로서의 가치를 분석하였고, 이를 통해 EFB와 PKS를 펠릿 제조용 원료로 사용하기 위한 기초 자료로 이용하고자 하였다.
제안 방법
- EFB와 PKS로 각각 제조된 펠릿의 품질 특성은 전분을 1-3% 첨가한 펠릿에 대해서만 측정하였다. 물론 전분이 포함되지 않은 EFB와 PKS의 경우 펠릿이 제조되긴 하지만 성형성이 좋지 않아 실제 펠릿 제조에는 적용하기 어렵기 때문에 보조 바인더인 옥수수 전분을 첨가하여 제조한 펠릿들에 대해서만 품질 특성을 분석하여 Table 2에 나타냈다.
- EFB와 PKS의 회분 함량 감소와 성형성 개선을 위해 목재 톱밥과 혼합하여 제조하였고, 만약 EFB와 PKS의 첨가로 인해 긍정적 효과가 얻어진다면 목재펠릿 제조에 사용되는 목재 톱밥의 양을 절감시킬 수 있을 것으로 기대하였다. EFB와 PKS을 이용하여 펠릿을 제조할 때 성형성 개선을 위해 부가적으로 옥수수 전분을 1-3% 첨가하였다.
- PKS와 EFB를 혼합하여 펠릿을 제조 할 때에는 PKS와 달리 섬유 형태의 EFB가 갖는 형태상의 차이로 인하여 균일한 혼합에 어려움이 있었다. EFB와 PKS혼합펠릿 제조 시에는 PKS의 함수율을 약 10% 수준으로 조절한 후 2-4 cm 정도 길이로 자른EFB와 무게비로 PKS:EFB = 7:3으로 혼합한 후 펠릿을 제조하였다. PKS와의 혼합에도 불구하고 섬유질 형태로 구성되어 있는 EFB가 포함될 경우 성형이 잘 되지 않았기 때문에 Fig.
- 1 mm 단위까지 측정 후 반올림하여 mm 단위로 기록하였다. 길이를 측정한 목재펠릿을 전자저울을 이용, 무게를 0.01 g수준에서 측정하였다. 적어도 2회 이상 측정을 실시하여, 소수점 둘째자리까지의 밀도 값을 구하여 g/cm3 로 표기하였다.
- 팜유를 추출하면서 발생되는 바이오매스 중에서 EFB와 PKS를 이용하여 펠릿을 제조한 후 품질 특성을 분석하였다. 또한 EFB와 PKS에 활엽수 톱밥을 일정 비율로 혼합한 후 펠릿을 제조한 후 그 품질 특성도 함께 분석하였다. EFB와 PKS를 이용하여 펠릿을 제조할 때에는 원료 자체의 함수율에 의해 펠릿 성형이 큰 영향을 받았고, 성형성 개선을 위해서는 전분과 같은 보조 바인더의 첨가가 도움이 되었다.
- 펠릿을 연소시킨 후 발생하는 회분에 포함된 중금속 함량을 정량하기 위하여 ICP spectrometer (Atomscan25, TJA)를 이용하여 분석하였다. 발생된 회분은 Wonder Blender(WB-08, Sanplatec corp., Japan)를 이용하여 20초간 분쇄하고, 각 시료 약 0.2 g을 습식분해액 (HNO3:H2SO4:HClO4 = 10:1:4) 25 mL로 분해시킨 후 No.2 여과지를 이용하여 잔사를 분리하고 여액은 최종적으로 100 mL가 되게 희석하여 ICP spectrometer를 이용하여 함유된 원소의 함량을 정량하였다.
- 시료 중 25개의 목재펠릿을 무작위로 채취한 후 버니어캘리퍼스를 이용하여 직경과 길이를 0.1 mm 단위까지 측정 후 반올림하여 mm 단위로 기록하였다. 길이를 측정한 목재펠릿을 전자저울을 이용, 무게를 0.
- 펠릿의 발열량 측정은 자동 열량계 (Parr 6400, Germany)로 시료를 연소시키는 동안의 온도 상승을 측정하고, 시료 1 g에 대한 cal나 J (at 20℃) 값을 구하여 발열량을 측정하였다. 시료는 1 mm 금속망 체를 통과하는 크기로 조정한 후 발열량을 측정하였다.
- 저울의 정확도는 1 ㎍이며 모든 조건에서 사용된 가스는 질소를 사용하였고, 그 유량은 100mL/min으로 연소반응 시 확산저항 영역을 벗어날 수 있도록 충분히 공급하였다. 열중량 분석 시 승온 속도가 미치는 영향을 파악하기 위해 승온 속도 5℃/min 하에서 실험을 수행하였으며, 각 실험을 통해 온도에 따른 시료 무게 감량값 및 DSC (Differential Scanning Calorimetry, DSC) 값을 구하였다.
- 팜유를 추출하면서 발생되는 바이오매스 중에서 EFB와 PKS를 이용하여 펠릿을 제조한 후 품질 특성을 분석하였다. 또한 EFB와 PKS에 활엽수 톱밥을 일정 비율로 혼합한 후 펠릿을 제조한 후 그 품질 특성도 함께 분석하였다.
- 펠릿의 염소, 질소, 유황의 함량 분석에는 원소 분석기 (EA1110, CE Instruments)를 사용하였다. 펠릿을 1 mm 금속망 체를 통과하는 크기로 잘게 부순 후, 100 mg을 취하여 원소 분석기로 분석하였다.
- 펠릿을 연소시킨 후 발생하는 회분에 포함된 중금속 함량을 정량하기 위하여 ICP spectrometer (Atomscan25, TJA)를 이용하여 분석하였다. 발생된 회분은 Wonder Blender(WB-08, Sanplatec corp.
- 01 g 수준까지 무게를 측정하였다. 펠릿을 유효면적이 250 cm2 이상인 직경 3.15 mm의 체 (ISO 3310-2에 규정)에 넣고, 진탕기에 장착하여 거른 후, 체에 잔류하고 있는 목재펠릿의 무게를 측정하며 진탕시간은 체를 통과하는 미세분의 양이 분당 0.3%를 넘지 않을 때까지 지속하였다. 적어도 2회 이상 측정을 실시하여 전체 목재펠릿 무게에 대한 체를 통과한 미세분의 무게를 %로 표기하였다.
- 펠릿의 발열량 측정은 자동 열량계 (Parr 6400, Germany)로 시료를 연소시키는 동안의 온도 상승을 측정하고, 시료 1 g에 대한 cal나 J (at 20℃) 값을 구하여 발열량을 측정하였다. 시료는 1 mm 금속망 체를 통과하는 크기로 조정한 후 발열량을 측정하였다.
- 펠릿의 연소 특성을 알아보기 위하여 열중량분석(Thermal Gravimetric Analysis, TGA)을 하였다. 열중량분석기 (SDT Q600, TA, USA)는 반응기 내부 직경이 20 mm이다.
- 펠릿의 염소, 질소, 유황의 함량 분석에는 원소 분석기 (EA1110, CE Instruments)를 사용하였다. 펠릿을 1 mm 금속망 체를 통과하는 크기로 잘게 부순 후, 100 mg을 취하여 원소 분석기로 분석하였다.
- 포장된 제품으로부터 적어도 50 g의 펠릿을 채취하여 0.01 g 수준까지 무게를 측정하였다. 펠릿을 유효면적이 250 cm2 이상인 직경 3.
- 활엽수 톱밥을 EFB와 PKS와 일정 비율로 각각 혼합하여 제조한 펠릿을 연소시켜 발생하는 회분으로부터 수은, 카드뮴, 납, 비소, 크롬 등과 같은 중금속 함량을 분석하였다. 회분에 포함된 중금속은 회분의 재활용을 방해하여 회분 재처리에 문제를 야기할 수 있다.
대상 데이터
- 인도네시아 팜유 추출 및 정제 공정에서 부산물로 발생하는 EFB와 PKS를 사용하였다(Fig. 1 참조). EFB는 함수율 약 10% 수준으로 자연 건조시킨 후 사용하였다.
이론/모형
- 펠릿의 회분은 국립산림과학원의 “목재 펠릿 품질규격”에 의거하여 분석하였다.
성능/효과
- 하지만 톱밥과 혼합하였을 때 회분 함량이 조금 감소는 하였지만 1등급 펠릿의 기준에는 미치지 못하였다. EFB, PKS, 그리고 톱밥을 혼합하여 제조한 펠릿이 연소될 때 흡열 및 탈수, 목재 주성분의 탈휘발, 그리고 잔류 리그닌과 숯의 연소와 같이 3단계로 연소되는 것을 확인할 수 있었고, EFB와 톱밥으로 제조된 펠릿이 PKS와 톱밥으로 제조된 펠릿에 비하여 연소가 조금 더 빠르게 종료되었다.
- PKS와 EFB로 제조된 펠릿에서는 펠릿 보일러의 수명에 치명적 영향을 줄 수 있는 유황분, 질소분, 그리고 염소분은 거의 검출되지 않았다. 이는 PKS와 EFB가 목재원료와 마찬가지로 청정 연료임을 입증하는 것이다.
- PKS와 EFB로 제조된 펠릿의 미세분 함량은 모두 약 0.32% 미만이 검출되어 1등급 펠릿의 기준인 1% 미만에 해당되었다. 이는 저장이나 운송 중에 펠릿 입자들 사이에 형성된 강한 결합력으로 펠릿이 쉽게 파손되지 않음을 의미한다.
- PKS와 EFB로 제조된 펠릿의 발열량은 Fig. 6에서 보는 바와 같이 1등급 펠릿의 발열량 기준인 4,300 kcal/kg을 초과하는 우수한 발열량이 측정되었다. 이는 PKS와 EFB가 펠릿용으로 사용되는 목재 자원을 일부 대체할 수 있는 유용한 바이오매스가 될 수 있음을 의미한다.
- 이와는 달리 우리나라에서는 1-4등급까지 분류하고 있고, 보통 3-4등급 펠릿을 산업용으로 취급한다. PKS와 EFB로 제조된 펠릿의 회분 함량은 모두 4등급 펠릿에 해당하는 3-6% 수준의 회분 함량이 검출되었다. 특히 EFB로 제조되거나 EFB가 많이 포함될수록 회분 함량은 증가하였다.
- 결론적으로 목재로부터 제조된 톱밥 사용량을 줄이고 대체 원료로 EFB와 PKS를 일부 혼합하여 사용하기 위해서는 오일팜 바이오매스와 톱밥과의 적정 함수율 조절과 균일한 혼합이 중요한 고려 요소들이라 할 수 있다.
- EFB와 톱밥을 혼합하여 제조한 혼합 펠릿의 경우 PKS와 혼합할 때와 같이 원료별 함수율을 각각 약 10% 수준으로 조절한 후 펠릿 제조에 이용하였다. 성형 특성 면에 있어서도 Fig. 4에서 보는 바와 같이 PKS와 마찬가지로 EFB의 혼합 비율이 증가할수록 펠릿의 성형성이 우수하였다. 하지만 보조 바인더 첨가 없이 PKS, EFB, 그리고 톱밥을 혼합하여 사용할 경우 일반 활엽수 펠릿에서 보는 바와 같이 강한 압력에 의해 밀려 나오면서 생성되는 펠릿 표면의 표면 광택이 많이 관찰되지 않았다.
- EFB와 PKS로 만든 펠릿 모두 4,500 kcal/kg 이상의 우수한 발열량을 나타냈지만 회분이 과다하게 발생하여 1등급 펠릿의 기준에는 미치지 못하였다. 펠릿 제조 시 목재 사용을 줄이기 위해 활엽수 톱밥을 EFB와 PKS에 각각 일정 비율씩 혼합하여 제조하였을 때 1등급 펠릿에 해당하는 우수한 발열량을 나타냈다. 하지만 톱밥과 혼합하였을 때 회분 함량이 조금 감소는 하였지만 1등급 펠릿의 기준에는 미치지 못하였다.
- 펠릿의 연소 특성은 펠릿 제조에 사용된 원료의 종류에 차이가 있었지만 목재 펠릿의 연소 거동6)을 따르는 것을 알 수 있었고, 섬유상 형태의 EFB가 많이 포함될수록 연소가 다른 원료에 비해 빨리 종료되는 것을 알 수 있었다.
- 펠릿제조 장치를 통하여 제조된 펠릿의 밀도는 전분첨가와 관계없이 모두 1등급 펠릿의 기준인 640 kg/m3 을 초과하는 밀도를 나타냈다. 이는 목재 칩의 밀도인 200 kg/m3보다도 훨씬 높은 수준으로 동일한 에너지를 발현하는데 필요한 저장 공간을 저밀도 연료에 비하여 보다 더 많이 줄일 수 있음을 의미하는 것이다.
- 7% 이하가 되어야만 1급 펠릿에 해당되지만 톱밥과의 혼합 비율에 관계없이 매우 높은 회분 함량을 나타냈다. 하지만 톱밥의 혼합비율이 높아질수록 회분 함량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 회분 함량이 높게 되면 발열량 감소되고, 펠릿 보일러에서 재(회분)로 인한 연소 불량을 야기할 수 있다.
- 혼합 펠릿의 발열량은 1급 펠릿의 발열량 기준인 4,300 kcal/kg을 넘어서는 수준이었고, 톱밥의 혼합 비율이 발열량에 부정적 영향을 나타내지는 않았다. 특히 EFB의 경우 PKS에 비해 톱밥 혼합으로 인한 발열량 변이가 크게 나타났을 뿐 아니라 발열량도 PKS와 톱밥을 혼합하여 제조한 펠릿에 비하여 100-200 kcal/kg 정도 낮게 측정되었다.
후속연구
- 3) 따라서 EFB의 적절한 활용도를 찾는다면 매우 경제적인 리그노셀룰로오스계 자원이 될 수 있을 것이다.
- 펠릿 제조를 위해 적용한 EFB, PKS 그리고 목재 톱밥(국내산 활엽수 혼합수종)의 배합비는 Table 1과 같다. EFB와 PKS의 회분 함량 감소와 성형성 개선을 위해 목재 톱밥과 혼합하여 제조하였고, 만약 EFB와 PKS의 첨가로 인해 긍정적 효과가 얻어진다면 목재펠릿 제조에 사용되는 목재 톱밥의 양을 절감시킬 수 있을 것으로 기대하였다. EFB와 PKS을 이용하여 펠릿을 제조할 때 성형성 개선을 위해 부가적으로 옥수수 전분을 1-3% 첨가하였다.
- 특히 PKS 펠릿의 경우 발열량이 5,000 kcal/kg 이상이 나오기 때문에 회분 기준에 대한 규제가 완화되어 있는 산업용에 사용하면 화석연료 대체 효과가 매우 우수할 것으로 판단된다. 동시에 회분 제거가 용이하게 설계되어 있는 가정용 펠릿 보일러에 EFB와 PKS로 제조된 펠릿을 사용한다면 경제적으로 상당한 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.
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