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문제 정의
- 한편 우리나라의 대표 수종인 소나무와 주요 조림수종인 리기다소나무를 원료로 사용한 목재펠릿 연구가 매우 제한적이다. 이에 본 연구는 국내의 침엽수림의 약 70%를 차지하고 있는 소나무와 리기다소나무의 톱밥을 이용하여 목재펠릿을 제조하고, 그 품질특성을 비교하고자 한다.
제안 방법
- 소나무와 리기다소나무 목재펠릿의 전건밀도를 외형치수법에 따라 측정하였다. 각 수종별로 20번 반복하여 전건밀도를 측정하고 그 평균값을 구하였다.
- 제조된 목재펠릿의 함수율, 발열량, 회분량, 겉보기밀도, 내구성 등에 대하여 국립산림과학원 고시 제 2013-5호 ‘목재펠릿 규격⋅품질기준’의 품질 및 품질시험 기준(제5조)에 의거하여 분석하였다. 그 외에 목재펠릿의 밀도 및 원소분석을 실시하였다.
- 목재펠릿의 밀도는 켈리퍼스를 사용하여 목재펠릿의 외형치수와 무게를 측정하여 구하였다. 또한 목재펠릿의 원소분석은 소나무와 리기다소나무의 원소조성과 발열량의 관계를 대략적으로 추정하기 위해 한국기초과학지원연구원에 의뢰하였으며, C, H, O, N 원소의 함량을 Elemental Analyzer (EA 1112 , CE Instrument)를 사용하여 원소분석을 실시하였다.
- 목재펠릿의 밀도는 켈리퍼스를 사용하여 목재펠릿의 외형치수와 무게를 측정하여 구하였다. 또한 목재펠릿의 원소분석은 소나무와 리기다소나무의 원소조성과 발열량의 관계를 대략적으로 추정하기 위해 한국기초과학지원연구원에 의뢰하였으며, C, H, O, N 원소의 함량을 Elemental Analyzer (EA 1112 , CE Instrument)를 사용하여 원소분석을 실시하였다.
- 본 연구에 사용되는 톱밥의 함수율은 15%로 조절하여 목재펠릿을 제조하고자 하였다. 이는 시험용 목재펠릿 제조기에서 사용된 톱밥 함수율이 15%에서 목재펠릿의 성형성이 좋은 것을 보고(Ryu et al.
- 제조된 목재펠릿의 회분량을 측정하기 위하여 탄화로를 사용하여 규정(목재펠릿품질규격 기준의 제5조)된 온도 스케줄에 의거 탄화시험을 하였다. 회분량은 목재펠릿을 사용하는 보일러 등의 연소기기에 미치는 영향으로 주기적인 연소실 청소, 연소실 내 슬러지와 침지물 형성과 분진 오염의 증가를 초래하는 것으로 알려져 있다(Paik et al.
- 펠릿 성형기를 통과하여 성형된 목재펠릿은 지름 6 (± 0.1∼0.2) mm, 길이 10∼30 ± 2 mm였고, 실험실 내에서 24시간 자연건조를 통한 목재펠릿의 안정을 유도한 후 각종 품질실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 목재펠릿제조용 공시재료는 국내산 소나무(Pinus densiflora S. et Z.)와 리기다소나무(Pinus rigida Mill.) 수종의 톱밥을 사용하였다. 소나무 톱밥은 국립산림과학원에서, 리기다소나무 톱밥은 S사의 펠릿 공장에서 펠릿제조를 위한 원 재료를 분양받아 사용하였다.
- ) 수종의 톱밥을 사용하였다. 소나무 톱밥은 국립산림과학원에서, 리기다소나무 톱밥은 S사의 펠릿 공장에서 펠릿제조를 위한 원 재료를 분양받아 사용하였다.
- 2) mm, 길이 10∼30 ± 2 mm였고, 실험실 내에서 24시간 자연건조를 통한 목재펠릿의 안정을 유도한 후 각종 품질실험을 실시하였다. 제조된 목재펠릿 중 미리 직경 3.15 mm 체(ISO 3310-2에 규정) 위에 남은 것을 시험분석용 샘플로 사용하였다.
이론/모형
- 소나무와 리기다소나무 목재펠릿의 전건밀도를 외형치수법에 따라 측정하였다. 각 수종별로 20번 반복하여 전건밀도를 측정하고 그 평균값을 구하였다.
- 제조된 목재펠릿의 함수율, 발열량, 회분량, 겉보기밀도, 내구성 등에 대하여 국립산림과학원 고시 제 2013-5호 ‘목재펠릿 규격⋅품질기준’의 품질 및 품질시험 기준(제5조)에 의거하여 분석하였다.
성능/효과
- 1. 소나무와 리기다소나무 목재펠릿의 원소분석의 결과 탄소, 수소, 산소 및 질소의 경우 각각 61.42%와 61.03%, 5.56%와 5.96%, 32.87%와 32.83%, 0.15%와 0.18%로 나타났다.
- 2. 발열량은 약 19 MJ/kg로서 기존의 연구들과 유사한 결과를 보여주었으며, 품질규격 1급(≥18.0 MJ/kg)을 만족시켰다.
- 3. 회분량의 경우 소나무가 0.50%, 리기다소나무가 0.53%로 양자 간의 차이가 거의 없었으며, 품질규격 1급(≤ 0.7%)을 만족시켰다.
- 4. 겉보기밀도의 경우 소나무 목재펠릿의 경우 648 kg/m3으로 품질규격 1급(≥ 640 kg/m3)을만족시켰으나, 리기다소나무의 경우 622 kg/m3으로 품질규격 2급(≥ 600 kg/m3)을 만족시켰다.
- 5. 함수율의 경우 두 수종 모두 품질규격 1급(≤10%)을 만족시켰다.
- 6. 내구성의 경우 두 수종이 원료의 밀도에 반비례하고 제조된 목재펠릿의 밀도에 비례하는 것으로 판단되었고, 소나무 목재펠릿은 품질규격 3급(≥ 95%)을 만족시켰으나 리기다소나무의 경우 품질규격을 만족시키지 못하였다.
- Table 7은 제조된 목재펠릿의 내구성을 조사한 결과이다. 각 시료에 따른 내구성은 소나무가 95.0, 리기다소나무가 93.9로 나타났으며, 소나무는 품질규격 3급을 만족시켰으나 리기다소나무는 품질규격 4급을 만족시키지 못하였다.
- 각 시료의 회분량은 소나무와 리기다소나무가 각각 0.50, 0.53으로 나타났다. Han et al.
- 국내 침엽수림의 70%를 차지하고 있는 소나무와 리기다소나무를 사용하여 목재펠릿를 제조한 결과, 발열량, 회분량, 함수율에서는 두 수종의 펠릿 간에 큰 차이가 나타나지 않았다. 다만 겉보기 밀도는 소나무가 1급, 리기다 소나무는 2급으로 나타났으며, 내구성의 경우 소나무는 3급, 리기다 소나무는 품질 규격을 만족시키지 못하였다.
- 내구성의 경우 두 수종이 원료의 밀도에 반비례하고 제조된 목재펠릿의 밀도에 비례하는 것으로 판단되었고, 소나무 목재펠릿은 품질규격 3급(≥ 95%)을 만족시켰으나 리기다소나무의 경우 품질규격을 만족시키지 못하였다. 두 수종 모두 소나무과의 침엽수로서 리그닌 함량은 유사할 것으로 판단되며, 원료의 함수율도 동일하게 조정되었다. 따라서 원료의 형상과 밀도의 차이에 따른 목재펠릿의 내구성에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서 겉보기 밀도 역시 두 수종이 가지는 밀도(소나무 전건밀도 0.44, 리기다소나무 전건밀도 0.49)에 대한 목재펠릿의 밀도(소나무 목재펠릿 밀도 1.3241, 리기다소나무 목재펠릿 밀도 1.2497) 즉, 압축도에 더 큰 소나무(압축도 3.0)가 리기다소나무(압축도 2.55)보다 겉보기 밀도가 높은 것으로 생각된다. 일반적으로 겉보기 밀도가 높을수록 운반과 저장비용, 보관저장 등이 유리하고, 많은 양을 보관할 수 있는 것으로 알려져 있다(Paik et al.
- 다만 겉보기 밀도는 소나무가 1급, 리기다 소나무는 2급으로 나타났으며, 내구성의 경우 소나무는 3급, 리기다 소나무는 품질 규격을 만족시키지 못하였다. 따라서 소나무가 리기다소나무보다 다소 유리할 것으로 판단되지만 그 차이는 미미한 것으로 판단된다. 리기다 소나무의 경우, 내구성 개선에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 소나무와 리기다소나무의 리그닌 함량은 유사할 것으로 판단되고, 원료의 함수율 또한 15%로 동일하게 조정되어 내구성에 미치는 영향이 유사할 것으로 판단된다. 따라서 원료의 밀도에 반비례하고, 제조된 목재펠릿의 밀도에 비례하여 내구성이 증가하는 경향이 나타난 것으로 판단된다. 한편 Wilson(2010)은 내구성이 원료의 리그닌함량보다는 원료의 형상에 영향을 받는다고 보고하였다.
- C, H, O, N 원소의 조성은 두 수종 모두 비슷하게 나타났다. 또한 발열량에 긍정적인 영향을 미치는 탄소의 함량과 부정적인 영향을 미치는 산소의 함량은 두 수종 모두 큰 차이가 없었다. 연소과정에서 질소 산화물을 발생시킬 수 있는 유기 질소 함량은 각각 소나무 목재펠릿 0.
- 또한 연소 시 화석연료 연소에 비해 NOx와 SO2 배출량이 1/12 저감될 뿐만 아니라 CO2 배출량은 약 1/27의 저감효과를 가지는 것으로 나타났다. 또한 목재펠릿의 이산화탄소 배출량이 30 g/kWh로 경유 350 g/kWh 보다 약 1/12 수준이며, 단위 무게당 열량은 경유의 1/2 수준이다(Kim et al.
- 2011)된 것을 참고로 하였다. 사용되는 톱밥이 대기 중에서 이동 및 보관하는 과정에서 공기 중의 수분을 흡습하여 함수율이 15%보다 높았다. 따라서 펠릿 제조에 적합한 15%의 함수율을 만들기 위해 자연 건조하여 함수율을 15%로 조절 후 펠릿 제조에 사용하였다.
- 연소과정에서 질소 산화물을 발생시킬 수 있는 유기 질소 함량은 각각 소나무 목재펠릿 0.15, 리기다소나무 목재펠릿 0.18로 품질규격 1급(< 0.3)을 만족시켰다.
- 제조된 목재펠릿의 함수율은 제조 후 24시간 경과 후 측정하였으며, Table 4와 같이 나타나 목재펠릿의 품질기준 1급 10% 이하를 만족시켰다.
후속연구
- 한편 Wilson(2010)은 내구성이 원료의 리그닌함량보다는 원료의 형상에 영향을 받는다고 보고하였다. 따라서 앞으로 원재료의 함수율, 형상, 밀도 등을 고려한 목재펠릿의 내구성에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 두 수종 모두 소나무과의 침엽수로서 리그닌 함량은 유사할 것으로 판단되며, 원료의 함수율도 동일하게 조정되었다. 따라서 원료의 형상과 밀도의 차이에 따른 목재펠릿의 내구성에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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