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문제 정의
- 그리하여, 본 연구에서는 범례적인 병충해피해목의 이용 및 촉진을 고려하여 주요병충해피해수종인 소나무와 졸참나무를 선정한 후 이들을 급속의 wood roasting방법을 통해 제작한 반탄화 목재칩과 정수기필터에서 용도폐기된 폐활성탄을 이용하여 각각의 연료적 특성을 분석하고 더 나아가 이들을 다양한 혼합비율로 혼합하여 새로운 개념의 복합연료로써 이용가능성을 연료적 특성 평가방식으로 검증하고자 한다.
제안 방법
- ) 펄프용 목재칩을 분양받아 이용하였다. Wood roasting공정은 Wood roaster (Fig. 1)를 이용하여 200℃의 온도에서 각각 300초, 450초, 600초간 처리하였으며, 처리 후 처리된 칩의 분쇄를 위해 Wood roaster의 부대시설인 분쇄기를 통해 20 mesh 이하의 목분형태로 제조하였다.
- 각각의 조건별 시료는 유기화합물(C,H,O,N)을 정량⋅정성분석을 위하여 원소분석기(Element Analyzer, 1112series, THERMO)를 이용하여 3반복 시험을 하였다.
- 본 연구에 이용된 발열량 측정시료의 제조조건은 20 mesh로 분급된 정수기용 폐활성탄과 Wood roasting 처리된 3가지 조건의 반탄화 목분 및 무처리 건조목분을 이용하여 중량대비기준(wt%)으로 하여 5 : 95, 10 : 90, 15 : 85, 20 : 80, 40 : 60, 60 : 40, 80 : 20 등 총 7가지의 비율로 단순 혼합하여 시료를 제조하였다. 이때, 시료는 전건처리 후 사용하였다.
- 각 수종 및 처리조건별로 발열량을 측정하기 위해 열량계(Parr 6400 Automatic Isoperibol Calorimeter, Parr instrument Inc.)를 사용하여 측정하였으며 이때, 모든 시료는 전건 후 사용하였다.
- 각 시료의 회분량의 측정을 위해 머플가마(Furnace, Muffle Furnace, CEBER CERAMIC FIB)를 이용하여 800℃에서 4시간 동안 3반복 조건으로 실험하였다.
- 3은 폐활성탄을 혼합한 혼합물에서 발생되는 회분함량을 나타내었다. 무처리군과 고 탄화도를 기대할 수 있는 조건인 200℃, 600초의 처리조건에서 제조된 시료와 폐활성탄 혼합 시 그 혼합비율 따른 회분함량의 경향을 비교하였다. 실험결과 무처리군의 경우 두 수종 모두 중량대비 20%의 폐활성탄을 혼합할 시 3.
대상 데이터
- 본 연구의 wood roasting공정에 이용된 재료는 대전 소재의 P사로부터 졸참나무(Quercus serrata Thunb. ex Murray), 소나무(Pinus densiflora Siebold & Zucc.) 펄프용 목재칩을 분양받아 이용하였다.
- 대전소재의 정수기형 활성탄 필터 제조사인 H사로부터 용도폐기된 정수기 필터용 활성탄 분쇄물을 분양받았으며 20 mesh 이하로 선별작업을 실시한 후 2차적으로 이들을 증류수에 침지시킨 후 표면의 이물질들을 제거한 후 강제송풍식 건조기를 이용해 105 ± 3℃에서 24시간 이상 건조하여 함수율 3% 미만으로 조정 후 공시재료로 이용하였다.
성능/효과
- 1. 동일시간, 온도 등의 wood roasting 처리조건에서 소나무가 졸참나무에 비해 탄소함량이 더 높았으며, 이는 낮은 온도와 짧은 시간에 최적탄화도를 나타냄으로 소나무가 효율적인 반탄화 작업이 가능함을 알 수 있다.
- 5. 또한 무처리 목분과 반탄화 목분에 폐활성탄을 혼합한 조건 중 무처리 목분에 폐활성탄을 혼합하는 조건이 총발열량의 증가율이 더 높게 나타났으며, 이러한 현상은 소나무보다는 졸참나무가 더 명확하게 나타났다. 최적 회분함량의 폐활성탄 첨가비율은 소나무 무처리목분에 총 중량대비 5% 이상, 10% 미만의 조건이며 이는 1급 펠릿에 해당되는 0.
- 또한 무처리 목분과 반탄화 목분에 폐활성탄을 혼합한 조건 중 무처리 목분에 폐활성탄을 혼합하는 조건이 총발열량의 증가율이 더 높게 나타났으며, 이러한 현상은 소나무보다는 졸참나무가 더 명확하게 나타났다. 최적 회분함량의 폐활성탄 첨가비율은 소나무 무처리목분에 총 중량대비 5% 이상, 10% 미만의 조건이며 이는 1급 펠릿에 해당되는 0.7% 미만의 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 64% 높은 것으로 나타났는데 이는 권 등(2010)에 의하면 소나무와 같은 침엽수재에 함유되어 있는 정유 및 수지성분에 기인하는 것으로 보고한 바 있다. 두 수종 모두 한국목재펠릿품질규격의 발열량 등급 중 1급펠릿에 해당되는 18.0 MJ/kg 이상의 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 반탄화 처리된 시료는 탄화시간이 길어질수록 발열량이 점진적으로 상승하는 것으로 나타났는데 이는 Bourgeois, J.
- 졸참나무의 경우, 무처리군에 비교해서 각 3가지 탄화조건에 대해 각 0.21%, 3.44%, 4.56%가 상승한 반면 소나무의 경우 4.12%, 3.23%, 6.52% 상승한 것으로 보아 동일처리조건에서 소나무의 탄화조건이 졸참나무의 조건보다 더 적합하다고 판단된다.
- 폐활성탄을 탄화처리 목분의 중량대비 각 비율(5%, 10%, 15%, 20%, 40%, 60%, 80%)에 따라 혼합한 혼합재료의 발열량을 측정한 결과, 폐활성탄의 비율이 높아질수록 급진적으로 상승하였으며 두 수종 모두 본 실험의 반탄화 처리조건 중 가장 높은 조건인 200℃, 600초 처리한 결과보다 무처리목분과 중량대비 5%의 폐활성탄을 혼합한 조건이 졸참나무의 경우 0.04%, 소나무의 경우 0.28% 가량 더 높은 것으로 나타났다. 따라서 결과적으로 반탄화 처리조건과 폐활성탄 혼합조건의 발열량 상승에 대한 관계는 폐활성탄 혼합처리 조건에 더 효과적으로 기인하는 것을 알 수 있다.
- 일반적인 국산 침엽수 펠릿의 평균적인 발열량이 18.84∼19.68 MJ/kg (4,500∼4,700 kcaℓ/g)인 점을 고려하였을 시 20.93 MJ/kg (5,000 kcaℓ/g)의 수준 이상의 발열량 값을 확보하기 위해서는 졸참나무의 경우 200℃, 600초의 wood roasting 조건으로 처리된 목분에 중량대비 5% 이상의 폐활성탄을 혼합하였을 시 가능한 것으로 나타났으며, 소나무의 경우 폐활성탄을 혼합하지 않고 200℃, 600초의 반탄화 처리만으로 도달할 수 있는 것으로 나타났다.
- 이에 대한 결과로써 두 가지 방법을 통한 결과 값은 서로 유사성을 가지는 것으로 나타났으나 폐활성탄 단독으로 측정 및 산출한 값은 다소 차이가 나는 것으로 나타났는데 이는 원소분석결과를 이용한 Dulong’s Formula Higher Heating Value 산출 식에 회분의 함량이 포함되는데 이에 회분함량이 다소 높은 것으로 나타났으며 이는 회분 실험 시 폐활성탄의 연소온도조건에 적합하지 못함으로 인해 발생한 것으로 판단된다.
- 0% 상승한 것으로 나타났다. 졸참나무의 수소함량은 무처리군에 비교 시 각 탄화조건에 대해 2.84%, 6.4%, 7.89% 감소한 것으로 나타났으며 소나무의 경우 6.8%, 8.46%, 7.35% 감소한 것으로 나타 났다. 산소함량의 경우 졸참나무는 무처리군에 비교 시 각 1.
- 35% 감소한 것으로 나타 났다. 산소함량의 경우 졸참나무는 무처리군에 비교 시 각 1.22%, 3.61%, 5.77% 감소하였으며 소나무는 각 6.3%, 7.54%, 10.67% 감소한 것으로 나타났다. 이는 종합적으로 탄소함량의 증가율과 수소 및 산소 함량의 증감율을 견주어 볼 때 소나무가 졸참나무에 비해 탄화조건이 더 적합하다는 결과를 뒷받침할 수 있으며 이와 같은 결과는 van Krevelen, D.
- 67% 감소한 것으로 나타났다. 이는 종합적으로 탄소함량의 증가율과 수소 및 산소 함량의 증감율을 견주어 볼 때 소나무가 졸참나무에 비해 탄화조건이 더 적합하다는 결과를 뒷받침할 수 있으며 이와 같은 결과는 van Krevelen, D.W. and Schuyer, J. (1957)가 석탄류를 포함한 모든 바이오매스 원료는 탄화가 많이 진행될수록 탄소함량이 높아짐과 동시에 산소와 수소함량이 낮아지며, 이를 통해 발열량이 상승되는 것으로 보고한바 있으며 이는 본 실험을 통한 두 수종 간의 원소분석결과와 일치하는 것으로 나타났다.
- 이에 대한 결과로써 두 가지 방법을 통한 결과 값은 서로 유사성을 가지는 것으로 나타났으나 폐활성탄 단독으로 측정 및 산출한 값은 다소 차이가 나는 것으로 나타났는데 이는 원소분석결과를 이용한 Dulong’s Formula Higher Heating Value 산출 식에 회분의 함량이 포함되는데 이에 회분함량이 다소 높은 것으로 나타났으며 이는 회분 실험 시 폐활성탄의 연소온도조건에 적합하지 못함으로 인해 발생한 것으로 판단된다. 그러나 본 실험을 통한 Bomb Calorimeter를 통해 얻은 고위발열량과 Elemental Analyzer를 통해 얻은 원소분석에 대한 결과간에는 높은 正의 상관관계를 나타내었다. (R = 0.
- 또한, Table 4는 원소분석 결과를 통해 산출한 Oxyzen/Carbon 및 Hydrozen/Carbon 비율을 나타낸 것이다. 결과에서 보는 바와 같이 졸참나무의 경우 O/C 비율은 무처리구에 비해 각 3가지의 탄화조건에 대해 각각 3.10%, 8.14%, 12.62%의 감소를 나타냈으며 H/C 비율 또한 5.08%, 11.48%, 14.46% 감소한 것으로 나타났다. 마찬가지로 소나무의 경우에도 O/C 비율은 각 13.
- 두 수종의 모든 처리조건 중 200℃, 600초 처리한 졸참나무의 회분함량을 제외하고 모두 한국목재펠릿품질규격의 회분함량 등급 중 1급펠릿에 해당되는 0.7% 미만 기준을 만족하는 것으로 나타났으며 이는 소나무의 회분함량이 졸참나무의 결과보다 현저히 낮아 더 우수한 것으로 나타났다.
- (1950)는 탄화가 진행된 물질일수록 O/C 및 H/C의 비율이 낮아진다고 보고한 바 있으며 이는 본 실험을 통한 결과와 일치되는 것으로 나타났다. 또한 두 수종간의 O/C 및 H/C 비율의 증감률을 비교해 볼 때 소나무가 졸참나무보다 현저히 감소하는 것으로 나타났으므로 이는 동일한 반탄화 처리조건에서도 활엽수종인 졸참나무 보다 침엽수종인 소나무가 본 연구의 탄화조건에 더 적합한 것으로 판단된다. 따라서, 졸참나무는 소나무와 유사성을 갖는 탄화도를 기대하기 위해 좀 더 높은 탄화온도 및 시간 등의 처리조건을 적용해야 탄화도를 높일 수 있다고 사료된다.
- 무처리군과 고 탄화도를 기대할 수 있는 조건인 200℃, 600초의 처리조건에서 제조된 시료와 폐활성탄 혼합 시 그 혼합비율 따른 회분함량의 경향을 비교하였다. 실험결과 무처리군의 경우 두 수종 모두 중량대비 20%의 폐활성탄을 혼합할 시 3.0% 미만 기준에 해당되는 3등급 제품의 기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 이외의 모든 기준은 4등급을 만족하거나 그 이하의 등급으로 나타났다. 그리고 200℃, 600초 반탄화 처리 목분에 중량대비 20%의 폐활성탄을 혼합할 경우, 두 수종 모두 6.
- 0% 미만 기준에 해당되는 3등급 제품의 기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 이외의 모든 기준은 4등급을 만족하거나 그 이하의 등급으로 나타났다. 그리고 200℃, 600초 반탄화 처리 목분에 중량대비 20%의 폐활성탄을 혼합할 경우, 두 수종 모두 6.0% 이하의 기준에 해당되는 4등급의 기준을 만족하였고, 폐활성탄의 혼합비율이 상승할수록 중량대비 40%의 졸참나무 조건을 제외한 모든 시료에서 모두 4등급의 기준에도 미치지 못했다.
- 회분의 함량이 펠릿품질규격 1등급 기준에 부합하지 않는 결과를 나타내어 추가적으로 Fig. 4와 같이 최소 회분함량의 경향을 보였던 무처리군의 소나무와 최대 회분함량 결과를 나타내었던 200℃, 600초 처리조건을 거친 졸참나무에 대해서 중량대비 각 5%, 10%, 15%씩 폐활성탄을 혼합한 혼합물의 회분함량을 측정한 결과, 5%와 10%의 무처리군 소나무 조건이 1등급 펠릿에 해당되는 0.7% 미만의 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 15%를 혼합하였을 경우에는 2등급 펠릿에 해당되는 1.
- 5% 이하의 기준을 만족한 것으로 나타났다. 그리고 200℃, 600초 처리조건의 졸참나무의 경우 모두 2급 펠릿에 해당되는 1.5% 이하의 기준을 만족한 것으로 나타났다.
- 2. 무처리 및 반탄화 목분에 폐활성탄 첨가율이 증가할수록 총발열량 값은 급격히 증가하지만 회분함량 또한 동시에 증가하는 문제점이 있다.
- 3. 또한 반탄화 목분과 무처리 목분에 폐활성탄을 혼합한 경우에는 두 조건 모두 첨가율에 따라 총발열량은 증가하지만 무처리 보다는 반탄화목분 그리고 졸참나무보다는 소나무가 더 높은 총발열량을 나타냈다.
- 4. 폐활성탄을 목분과 함께 혼합물의 원료로 사용하기 위해서는 800℃, 4시간 연소조건 이상의 고온연소조건이 필요할 것으로 판단된다. 이는 800℃, 4시간 연소조건에서도 완전연소가 되지 않고 회분상태로 잔류하는 함량이 매우 높기 때문이다.
- 6. 최종적으로 총발열량과 회분량을 고려해볼 때, 최적의 혼합물 구성비는 총 중량대비 폐활성탄 5∼10%의 혼합조건이 한국목재펠릿품질규격 중 회분함량 기준인 1∼2등급에 부합할 것으로 판단된다.
- 따라서 결과적으로 반탄화 처리조건과 폐활성탄 혼합조건의 발열량 상승에 대한 관계는 폐활성탄 혼합처리 조건에 더 효과적으로 기인하는 것을 알 수 있다.
- 공통적으로 두 수종 모두 탄화 처리시간 조건이 상승할수록 탄소의 함량이 높아지고 수소와 산소의 함량이 낮아지는 것으로 나타났는데 이 중 졸참나무의 탄소함량의 경우 무처리군에 비교 시 각 3가지 탄화조건에 대해 각 1.8%, 4.23%, 6.06% 가량 상승한 것으로 나타났으며 소나무의 경우 각 5.96%, 7.04%, 9.0% 상승한 것으로 나타났다. 졸참나무의 수소함량은 무처리군에 비교 시 각 탄화조건에 대해 2.
후속연구
- 국내 산림에 분포도가 가장 높은 범용 활엽수종인 졸참나무와 범용 침엽수종인 소나무 wood chip을 급속고온열처리의 특징을 가지는 wood roasting 방법 을 통해 얻어진 반탄화 분말과 정수기용 폐활성탄을 다양한 비율로 혼합한 혼합원료의 발열량측정, 원소분석, 회분시험 등을 통해 복합연료로서의 사용 가능성을 구명하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
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