This research analyzed the fuel characteristic change of spent coffee bean by torrefaction. The calorific value was increased from 4,974 kcal/kg to 6,075 kcal/kg ($260^{\circ}C$, 30min), 6,452 kcal/kg ($270^{\circ}C$, 30min), 6,823 kcal/kg ($280^{\circ}C$, 30min), 6,...
This research analyzed the fuel characteristic change of spent coffee bean by torrefaction. The calorific value was increased from 4,974 kcal/kg to 6,075 kcal/kg ($260^{\circ}C$, 30min), 6,452 kcal/kg ($270^{\circ}C$, 30min), 6,823 kcal/kg ($280^{\circ}C$, 30min), 6,970 kcal/kg ($260^{\circ}C$, 30min). The highest energy yield was obtained when the spent coffee bean were torrefied on the condition of $280^{\circ}C$, 30min. The moisture absorption rate was decreased from 5.12% to 2.76% when the spent coffee bean were torrefied on the condition of $290^{\circ}C$, 30min. Lignin was increased from 11.33% to 14.39% on the condition of $260^{\circ}C$ 30min. But it did not preferability to torrefy spent coffee bean at temperature of more than $270^{\circ}C$ because lignin decreases to the level that is hard to make pellet.
This research analyzed the fuel characteristic change of spent coffee bean by torrefaction. The calorific value was increased from 4,974 kcal/kg to 6,075 kcal/kg ($260^{\circ}C$, 30min), 6,452 kcal/kg ($270^{\circ}C$, 30min), 6,823 kcal/kg ($280^{\circ}C$, 30min), 6,970 kcal/kg ($260^{\circ}C$, 30min). The highest energy yield was obtained when the spent coffee bean were torrefied on the condition of $280^{\circ}C$, 30min. The moisture absorption rate was decreased from 5.12% to 2.76% when the spent coffee bean were torrefied on the condition of $290^{\circ}C$, 30min. Lignin was increased from 11.33% to 14.39% on the condition of $260^{\circ}C$ 30min. But it did not preferability to torrefy spent coffee bean at temperature of more than $270^{\circ}C$ because lignin decreases to the level that is hard to make pellet.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 국내에서 발생되는 커피박을 이용하여 반응온도와 시간에 따라 반탄화 처리를 수행하여 물리, 화학적 특징 및 연료로서 이용가능성을 조사하였으며, 중량감 소율과 에너지 수율을 고려한 최적의 반탄화 조건을 탐색하였다. 반탄화는 반응이 진행되는 동안 중량감소와 에너지 수율 감소를 가져오며, 헤미셀룰로오스 뿐만 아니라 일정비율의 셀룰로오스 및 펠릿성형시 접착제 역할을 하는 리그닌 감소도 수반하므로 과도한 반탄화는 바이오매스의 성형을 어렵게 만든다.
본 연구에서는 국내에서 발생되는 커피박을 이용하여 반탄화를 수행하였으며, 반탄화 조건에 따른 커피박의 에너지특성 변화를 탐색하여 최적 반탄화 조건을 도출하였다. 260, 270, 280, 290℃에서 30분 동안 반탄화를 수행한 결과 280℃ 30분 처리군의 발열량 상승률이 가장 높았으며, 에너지수율은 260, 270, 280℃ 처리군은 유사한 수준이었으나 290℃ 처리군의 에너지수율은 76.
제안 방법
반응온도 및 반응시간은 기존의 연구결과를 바탕으로 설정하였다.(9) 반응시간 동안 생성된 가스는 열교환기를 이용하여 냉각하여 1차 포집하고 스크러버를 이용하여 세척함으로써 악취를 제거하였으며, 스크러버를 통과한 비응축성 가스는 건조용 열원에 투입하여 소각하였다. 반응기간 동안 질소는 투입하지 않았으며, 1회 투입량은 20kg, 함수율은 5% 내외, 발생가스의 배출량은 1.
겉보기밀도와 미세 분발생량 및 내구성 측정은 Fig. 3의 링다이 펠릿타이저를 이용하여 260℃에서 30분 반탄화 시킨 커피박을 회전 Rotor의 속도를 각각 30, 60, 90, 120RPM으로 변화시켜 탄화펠릿을 성형한 후 “목재펠릿품질규격”에 기술된 방법에 의하여 측정하였다.
2와 같다. 교반식 로스터(동광유압, D-1692)를 예열하여 하부에 위치한 열판의 온도를 300℃에 도달하게 한 후 탈지된 커피박을 투입하고 커피박의 온도가 반탄화 목표온도(260, 270, 280, 290℃)에 도달한 후 30분간 반탄화 하였다. 반응이 종료된 후 진공이송기를 이용하여 저장탱크로 이송하여 100℃ 이하로 냉각시켰다.
반응이 종료된 후 진공이송기를 이용하여 저장탱크로 이송하여 100℃ 이하로 냉각시켰다. 반응온도 및 반응시간은 기존의 연구결과를 바탕으로 설정하였다.(9) 반응시간 동안 생성된 가스는 열교환기를 이용하여 냉각하여 1차 포집하고 스크러버를 이용하여 세척함으로써 악취를 제거하였으며, 스크러버를 통과한 비응축성 가스는 건조용 열원에 투입하여 소각하였다.
반탄화 커피박의 흡습율은 무처리 커피박과 260, 270, 280, 290℃에서 30분 동안 반탄화 된 커피박을 Mechanical oven(HB-502M)을 이용하여 105℃에서 4시간 건조한 후 상대습도 75±5% 항온항습기(한백과학, HB-105LP)에 48시간 동안 저장한 후 “포장용실리카겔건조제 흡습율 시험방법(KS T 1084 : 2008)”을 준용하여 측정하였다.
원소분석은 자동원소분석기(Vario MACRO/elementar)에 17mg 내외의 반탄화 커피박을 투입하여 C,H,N,S 구성비를 분석하였으며, 발열량은 폭발열량계(리코코리아, AC-350)에 0.3g의 시료를 투입하여 3회 고위발열량을 측정한 후 평균값을 사용하였다.
대상 데이터
커피박은 동서식품(주) 부평공장에서 수거하여 반탄화 처리전 105℃에서 24시간 건조하여 전건상태로 유지한 후 착유기(내쇼날이엔지, 오일러브프리미엄)를 이용하여 160℃에서 가열압착법에 의해 착유함으로써 커피박내 함유된 유지성분을 제거한 후 수거된 커피박을 30mesh 이하로 분쇄하여 사용하였다.
이론/모형
목질계 성분인 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스, 리그닌 변화를 분석하기 위하여 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스는 Van Soest법을 이용하여 정량하였고 리그닌은 72% 황산가수분해법(TAPPI method T222 om-88)에 의해 정량하였으며, Van Soest법에 의한 헤미셀룰로오스와 셀룰로오스는 다음의 식 (3)과 (4)를 이용하여 계산하였다. 회분함유량 분석은 “목재펠릿품질 규격”에 기술된 방법에 의하여 측정하였다.
에너지수율은 Rodrigues and Rousset가 제시한 방법(9)에 따라 다음의 식 (1)과 (2)를 이용하여 계산하였다.
회분함유량 분석은 “목재펠릿품질 규격”에 기술된 방법에 의하여 측정하였다.
성능/효과
(4) 우리나라의 2010년 커피박 발생량은 전건기준 약 14만톤에 이르며 연평균 8% 이상 수입규모가 급증하고 있으나 대부분 폐기되고 있다. 이는 2011년 보급계획인 목재펠릿 11만톤을 전량 대체할 수 있고 2010년 기준 열병합 발전소 수요량인 60만톤의 23%에 달하는 규모이다.
본 연구에서는 국내에서 발생되는 커피박을 이용하여 반탄화를 수행하였으며, 반탄화 조건에 따른 커피박의 에너지특성 변화를 탐색하여 최적 반탄화 조건을 도출하였다. 260, 270, 280, 290℃에서 30분 동안 반탄화를 수행한 결과 280℃ 30분 처리군의 발열량 상승률이 가장 높았으며, 에너지수율은 260, 270, 280℃ 처리군은 유사한 수준이었으나 290℃ 처리군의 에너지수율은 76.5%로 급감하였다. 회분함유량은 반탄화에 대한 대부분의 연구결과와 동일하게 온도상승에 비례하여 증가하였다.
02%까지 상승하였다. 260℃에서 30분 반탄화 시킨 커피박을 30rpm으로 성형한 펠릿의 내구성은 98.7%로 1급 wood pellet 규격인 97.5% 보다 높게 분석되었다.
5에 나타내었으며, 260℃ 30분 처리군의 펠릿타이저 Rotor 회전수에 따른 겉보 기밀도 및 미세분은 Table 3, 내구성 측정치는 Table 4에 나타내었다. 260℃와 270℃ 처리군의 흡습율은 유사하였으나 280℃ 이상에서는 반탄화 온도상승에 따라 감소하여 무처리군 5.12% 대비 290℃ 30분 처리군의 경우 2.76%까지 개선되어 헤미셀룰로오스가 일정부분 제거되었음을 검증할 수 있었다. 겉보기밀도는 펠릿타이저의 Rotor 속도가 증가함에 따라 감소하여 30rpm 749.
회분함유량은 반탄화에 대한 대부분의 연구결과와 동일하게 온도상승에 비례하여 증가하였다. 260℃와 270℃ 처리군의 흡습율은 유사하였으나 290℃ 30분 처리군의 경우 무처리군 5.12% 대비 2.76%까지 개선되어 헤미셀룰로오스가 일정부분 제거되었음을 검증할 수 있었다. 펠릿제조시 결착제 역할을 하는 리그닌 함유량은 260℃ 30분 처리군에서는 14.
76%까지 개선되어 헤미셀룰로오스가 일정부분 제거되었음을 검증할 수 있었다. 겉보기밀도는 펠릿타이저의 Rotor 속도가 증가함에 따라 감소하여 30rpm 749.36kg/m 3에서 120rpm 629.85kg/m3까지 감소하였으며, 미세분발생량은 Rotor 속도 증가에 따라 상승하여 30rpm 0.48%에서 120rpm 1.02%까지 상승하였다. 260℃에서 30분 반탄화 시킨 커피박을 30rpm으로 성형한 펠릿의 내구성은 98.
92%까지 감소하였다. 따라서 펠릿형태로 성형하지 않을 경우 커피박의 최적 반탄화 조건은 발열량 상승률, 에너지수율을 고려했을 때 280℃에서 30분 동안 반탄화 하는 것이 적절할 것으로 판단되나 270℃ 이상 반탄화 하는 경우 리그닌이 감소하는 것으로 분석됨에 따라 탄화펠릿 성형성을 고려한다면 260℃에서 30분 반탄화 하는 것이 적절한 반탄화 조건임을 확인하였다.
423% 까지 감소하였다. 발열량은 260℃ 6,075kcal/kg, 270℃ 6,452kcal/kg, 280℃ 6,823kcal/kg, 290℃ 6,970kcal/kg으로 반응온도 상승에 비례하여 상승하였으나 290℃에서는 발열량 상승률이 현저히 둔화되었으며, 280℃ 처리군의 발열량 제고율이 가장 높았다. 이와 같은 결과는 반탄화 온도 상승에 의해 발열량 및 탄소, 질소는 증가하고 수소는 감소한다는 Lee외 2인의 연구결과와 일치하였다.
601%까지 감소하였다. 질소는 온도상승에 비례하여 4.357%까지 증가하였으며, 황은 260℃ 처리군 에서는 무처리군 대비 다소 증가하였으나 270℃ 이상 에서는 온도상승에 따라 감소하여 290℃ 처리군에서 0.423% 까지 감소하였다. 발열량은 260℃ 6,075kcal/kg, 270℃ 6,452kcal/kg, 280℃ 6,823kcal/kg, 290℃ 6,970kcal/kg으로 반응온도 상승에 비례하여 상승하였으나 290℃에서는 발열량 상승률이 현저히 둔화되었으며, 280℃ 처리군의 발열량 제고율이 가장 높았다.
반탄화 전후의 커피박 원소분석 및 발열량 분석결과는 Table 1과 같다. 탄소는 온도상승에 비례하여 상승하여 무처리군 49.38%대비 290℃ 30분 처리군에서 64.55%까지 상승하였으나 290℃이상 처리군의 경우 상승률이 둔화되었고 수소는 온도상승에 따라 구성비가 감소하여 무처리군 5.725%에서 290℃ 30분 처리군에서 4.601%까지 감소하였다. 질소는 온도상승에 비례하여 4.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
목재 펠릿의 발열량과 공급에 관한 장점은 무엇인가?
산림 바이오매스 에너지화 부문에서 북미와 유럽을 중심으로 가장 활성화 되고 있는 분야가 미활용 목재 및 부산물을 이용한 목재펠릿연료 산업으로 2006년도 북미지역에서는 80개 이상의 제조업체들이 연간 230만톤의 목재펠릿을 생산하고 있으며, 유럽에서는 300개 이상의 업체가 연간 총 450만톤의 펠릿을 생산하고 있다.(1) 목재 펠릿은 제제 부산물 또는 숲가꾸기 산물 등을 톱밥으로 파쇄한 후 압축해 만든 목재연료를 지칭하는 것으로 기존 목재연료와 비교해 밀도를 약 3배정도 압축해 단위 부피당 발열량을 증가시키고 형태와 크기를 일정하게 해 정량공급이 가능한 장점이 있다. 또한 목재성분인 리그닌이 접착제 역할을 함으로써 별도의 첨가제를 사용하지 않고 석탄이나 무정형 목재연료 대비 일산화탄소 및 분진배출량이 적어 친환경 연료로 평가 받고 있으며, 연료비가 경유의 57%, 보일러 등유의 85% 수준인 대체 에너지이다.
목재 펠릿이란 무엇인가?
산림 바이오매스 에너지화 부문에서 북미와 유럽을 중심으로 가장 활성화 되고 있는 분야가 미활용 목재 및 부산물을 이용한 목재펠릿연료 산업으로 2006년도 북미지역에서는 80개 이상의 제조업체들이 연간 230만톤의 목재펠릿을 생산하고 있으며, 유럽에서는 300개 이상의 업체가 연간 총 450만톤의 펠릿을 생산하고 있다.(1) 목재 펠릿은 제제 부산물 또는 숲가꾸기 산물 등을 톱밥으로 파쇄한 후 압축해 만든 목재연료를 지칭하는 것으로 기존 목재연료와 비교해 밀도를 약 3배정도 압축해 단위 부피당 발열량을 증가시키고 형태와 크기를 일정하게 해 정량공급이 가능한 장점이 있다. 또한 목재성분인 리그닌이 접착제 역할을 함으로써 별도의 첨가제를 사용하지 않고 석탄이나 무정형 목재연료 대비 일산화탄소 및 분진배출량이 적어 친환경 연료로 평가 받고 있으며, 연료비가 경유의 57%, 보일러 등유의 85% 수준인 대체 에너지이다.
우리나라 2010년 커피박 발생량을 에너지로 산환한 경우 어느 정도 규모인가?
(4) 우리나라의 2010년 커피박 발생량은 전건기준 약 14만톤에 이르며 연평균 8% 이상 수입규모가 급증하고 있으나 대부분 폐기되고 있다. 이는 2011년 보급계획인 목재펠릿 11만톤을 전량 대체할 수 있고 2010년 기준 열병합 발전소 수요량인 60만톤의 23%에 달하는 규모이다.(5-7)
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