본 연구는 억새 바이오매스로 성형한 연료펠릿의 실용화를 앞당기기 위해 소나무 톱밥 펠릿과 비교한 성형 단계별 물리적 특성 변화, 소요 전력 그리고 성형된 펠릿의 품질을 조사하고, 연소 특성 개선을 위해 석회혼합 비율별로 펠릿을 성형하여 회분 함량 등 연소특성을 조사하였다. 겉보기 밀도는 억새가 원료단계와 분쇄 후에 소나무 톱밥에 비해 낮았으나 펠릿 성형 후에는 소나무 톱밥과 비슷하였다. 수분함량은 억새가 원료 단계에서 소나무 톱밥에 비해 높았으나 분쇄 후에는 비슷하였고, 펠릿 성형 후에는 낮아졌다. 억새는 소나무 톱밥 펠릿성형 공정에 없는 밀도증가 단계가 있지만 총 소요 전력이 비슷하였고, 성형된 펠릿의 내구성과 성형율도 소나무 톱밥과 차이가 없었다. 억새 펠릿은 석회혼합 비율이 증가함에 따라 회분함량이 증가하고 고위 발열량이 다소 낮아졌으나, 회분 용융점이 높아지고 clinker 발생률은 감소하는 경향이었다.
본 연구는 억새 바이오매스로 성형한 연료펠릿의 실용화를 앞당기기 위해 소나무 톱밥 펠릿과 비교한 성형 단계별 물리적 특성 변화, 소요 전력 그리고 성형된 펠릿의 품질을 조사하고, 연소 특성 개선을 위해 석회혼합 비율별로 펠릿을 성형하여 회분 함량 등 연소특성을 조사하였다. 겉보기 밀도는 억새가 원료단계와 분쇄 후에 소나무 톱밥에 비해 낮았으나 펠릿 성형 후에는 소나무 톱밥과 비슷하였다. 수분함량은 억새가 원료 단계에서 소나무 톱밥에 비해 높았으나 분쇄 후에는 비슷하였고, 펠릿 성형 후에는 낮아졌다. 억새는 소나무 톱밥 펠릿성형 공정에 없는 밀도증가 단계가 있지만 총 소요 전력이 비슷하였고, 성형된 펠릿의 내구성과 성형율도 소나무 톱밥과 차이가 없었다. 억새 펠릿은 석회혼합 비율이 증가함에 따라 회분함량이 증가하고 고위 발열량이 다소 낮아졌으나, 회분 용융점이 높아지고 clinker 발생률은 감소하는 경향이었다.
In this study we made fuel pellet from miscanthus biomass and investigated changes of physiological characteristics and electricity consumption of pelletizing process in comparison with fuel pellet made of pine sawdust. We also examined combustion characteristics including ash content and clinker fo...
In this study we made fuel pellet from miscanthus biomass and investigated changes of physiological characteristics and electricity consumption of pelletizing process in comparison with fuel pellet made of pine sawdust. We also examined combustion characteristics including ash content and clinker forming ratio with fuel pellet made of mixing with micanthus biomass and lime powder. Bulk density of ground-miscanthus and pine sawdust were $158g\;L^{-1}$ and $187g\;L^{-1}$, respectively. Bulk density of ground miscanthus was lower than that of pine sawdust, but increased to $653g\;L^{-1}$ after pelletizing, which was similar to $656g\;L^{-1}$ of pine sawdust pellet. Moisture content in raw miscanthus and ground miscanthus were 17.0% and 11.8%, respectively. Moisture content in ground miscanthus was similar to that of pine saw dust and decreased to 6.73% after pelletizing, which was 7.7% lower than that of pine sawdust pellet. Although $27kWh\;ton^{-1}$ were required for compaction press that was an additional process in miscanthus pelleitizing, total required electricity was $193kWh\;ton^{-1}$ which was similar to $195kWh\;ton^{-1}$ of pine sawdust pellet pelleitizing. Pellet durability and pelletizing ratio of miscanthus were 98.0% and 99.7%, respectively, which were similar to 98.1% and 99.4% of pine sawdust pellet. When lime mixing ratio increased, ash melting degree and clinker forming ratio of miscanthus pellet increased. While higher heating value and clinker forming ratio of miscanthus pellet decreased.
In this study we made fuel pellet from miscanthus biomass and investigated changes of physiological characteristics and electricity consumption of pelletizing process in comparison with fuel pellet made of pine sawdust. We also examined combustion characteristics including ash content and clinker forming ratio with fuel pellet made of mixing with micanthus biomass and lime powder. Bulk density of ground-miscanthus and pine sawdust were $158g\;L^{-1}$ and $187g\;L^{-1}$, respectively. Bulk density of ground miscanthus was lower than that of pine sawdust, but increased to $653g\;L^{-1}$ after pelletizing, which was similar to $656g\;L^{-1}$ of pine sawdust pellet. Moisture content in raw miscanthus and ground miscanthus were 17.0% and 11.8%, respectively. Moisture content in ground miscanthus was similar to that of pine saw dust and decreased to 6.73% after pelletizing, which was 7.7% lower than that of pine sawdust pellet. Although $27kWh\;ton^{-1}$ were required for compaction press that was an additional process in miscanthus pelleitizing, total required electricity was $193kWh\;ton^{-1}$ which was similar to $195kWh\;ton^{-1}$ of pine sawdust pellet pelleitizing. Pellet durability and pelletizing ratio of miscanthus were 98.0% and 99.7%, respectively, which were similar to 98.1% and 99.4% of pine sawdust pellet. When lime mixing ratio increased, ash melting degree and clinker forming ratio of miscanthus pellet increased. While higher heating value and clinker forming ratio of miscanthus pellet decreased.
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문제 정의
그러나 초본류 펠릿은 목재 펠릿 버너에 연소 시 회분 용융으로 인한 clinker 발생으로 공기 공급을 차단하는 등 버너에 문제를 발생시킬 수 있다[10]. 따라서 본 연구는 억새 바이오매스로 성형한 연료펠릿의 실용화를 앞당기기 위해 소나무 톱밥 펠릿과 비교한 성형 단계별 물리적 특성 변화와 소요 전력 그리고 성형된 펠릿의 물리적 특성을 조사하고, 연소특성 개선을 위해 석회혼합 비율별로 펠릿을 성형하여 회분 함량 등 연소특성을 조사하였다.
제안 방법
, USA)를 가동중인 금형에 조사하여 측정하였다. 각 단계별 소요 전력은 원료 100 kg 처리 하는데 소비되는 전력을 전력량 측정기(WT230, Maxxis Korea, Korea)로 측정하여 환산하였는데, 분쇄 단계는 Figure 1에서 grinder, screw feeder, cyclone, hopper 가동 전력, 밀도증가 및 펠릿성형 단계는 각각 compaction press 및 pellet mill 가동 전력을 측정하였다.
펠릿 성형율은 원료 10 kg 투입 후 최종 성형된 펠릿의 무게를 측정하여 환산하였다. 고위 발열량(HHV) 은 calorimeter (PARR 6320EF model, Parr instrument, Co., USA)로 측정하였고, 회분 용융 정도는 시료 7 g을 도가니에 칭량 후 800, 850, 900, 950, 1,000 ℃ 회화로에 4시간 동안 회화시켜 12시간 후 꺼내어 데시케이터에서 24시간 냉각시킨 후 조사하였다. 용융 정도는 Figure 3과 같이 회분이 가루형태로 도가니 바닥에 흩어진 것을 0, 용융되어 응집이 시작된 것(0.
석회혼합 비율별 억새펠릿은 Figure 1의 grinder를 통과한 분쇄물에 입자의 직경이 11 µm 이하인 공업용 석회 분말을 무게 비율로 0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0%로 혼합하여 성형하였다.
억새로 성형한 연료펠릿의 실용화를 위해 소나무 톱밥 펠릿과 비교한 성형 단계별 물리적 특성 변화와 소요 전력 및 성형된 펠릿의 품질을 조사하고, 연소 특성 개선을 위해 석회 혼합 비율별로 펠릿을 성형하여 회분 함량, clinker 발생량 등을 조사한 결과는 다음과 같다.
, USA)로 측정하였고, 회분 용융 정도는 시료 7 g을 도가니에 칭량 후 800, 850, 900, 950, 1,000 ℃ 회화로에 4시간 동안 회화시켜 12시간 후 꺼내어 데시케이터에서 24시간 냉각시킨 후 조사하였다. 용융 정도는 Figure 3과 같이 회분이 가루형태로 도가니 바닥에 흩어진 것을 0, 용융되어 응집이 시작된 것(0.5 mm 이하 방울모양 관찰)을 1, 용융되어 중앙으로 응집되었으나 냉각 후 쉽게 부서지는 것을 3, 용융물이 중앙으로 응집되어 단단해진 것을 5로 하였다.
따라서 저자 등은 미리 성형한 펠릿을 성형기에 투입하여 예비 가동함으로서 금형의 온도를 100 ℃까지 높인 후 펠릿을 성형하였다. 이때 금형의 온도는 비 접촉식 적외선 온도 측정기(FLUKE-566, Fluke Co., USA)를 가동중인 금형에 조사하여 측정하였다. 각 단계별 소요 전력은 원료 100 kg 처리 하는데 소비되는 전력을 전력량 측정기(WT230, Maxxis Korea, Korea)로 측정하여 환산하였는데, 분쇄 단계는 Figure 1에서 grinder, screw feeder, cyclone, hopper 가동 전력, 밀도증가 및 펠릿성형 단계는 각각 compaction press 및 pellet mill 가동 전력을 측정하였다.
0%로 혼합하여 성형하였다. 즉, 분쇄물 10 kg을 수분함량 10%가 되도록 건조시킨 다음, 증류수 1 L에 석회 분말 50, 100, 150, 200 g을 현탁시켜 분쇄 물과 혼합 후 수분이 고루 퍼지도록 비닐로 밀봉하여 15 ℃ 냉암소에 1개월 동안 저장 후 Figure 1의 초본류 펠릿 공정 중 절단 및 분쇄 단계를 생략하고 밀도증가 및 펠릿성형 단계에 투입하여 성형하였다.
15 mm 체로 사별 후 잔류한 펠릿의 무게를 측정하여 환산하였다. 펠릿 성형율은 원료 10 kg 투입 후 최종 성형된 펠릿의 무게를 측정하여 환산하였다. 고위 발열량(HHV) 은 calorimeter (PARR 6320EF model, Parr instrument, Co.
펠릿은 ‘억새 등초본류 바이오매스 밀도를 증가시키는 장치 및 연료펠릿 제조 방법’에 따라 성형하였는데, 억새 펠릿은 Figure 1과 같이 원료 10 kg을 절단 → 분쇄 → 밀도증가 → 펠릿 성형 등의 단계를 거쳤고[9], 소나무 톱밥 펠릿은 억새펠릿 성형 공정 중밀도증가 단계를 생략하고 제조하였다.
수분함량은 시료 20 g을 칭량병에 넣고 105 ℃ 건조기(DE/UF160, Memmert, Korea)에 48시간 동안 건조 후 무게를 측정하여 백분율로 환산하였다. 펠릿의 내구성은 시료를 직경 3.15 mm 체로 체거름 하여 500 g 칭량 후 CEN/TS 15210-1 규정에 따라 제작한[12] 내구성 시험기(Sunbrand industrial Inc., Korea)에 넣어 10분 동안 500회전 후 다시 직경 3.15 mm 체로 사별 후 잔류한 펠릿의 무게를 측정하여 환산하였다. 펠릿 성형율은 원료 10 kg 투입 후 최종 성형된 펠릿의 무게를 측정하여 환산하였다.
대상 데이터
, Seoul, Korea)로 5 ~ 10 cm 길이로 절단하여 사용하였다. 소나무 톱밥은 전남 무안군 무안읍의 제재소에서 구입하여 유리온실 내에서 수분함량 15%로 건조하여 사용하였다. 펠릿은 ‘억새 등초본류 바이오매스 밀도를 증가시키는 장치 및 연료펠릿 제조 방법’에 따라 성형하였는데, 억새 펠릿은 Figure 1과 같이 원료 10 kg을 절단 → 분쇄 → 밀도증가 → 펠릿 성형 등의 단계를 거쳤고[9], 소나무 톱밥 펠릿은 억새펠릿 성형 공정 중밀도증가 단계를 생략하고 제조하였다.
시험 재료로 억새는 전북 익산시 용안면 석동리 소재 ‘거대 억새 생산단지’(36°14'34.55''N, 126°93'77.95''E)에서 재배한 거대1호(M. sacchariflorus cv. Geodae 1)를 수확하여 수분 17%정도로 건조 후 바이오매스 절단기(Tomotech Ltd., Seoul, Korea)로 5 ~ 10 cm 길이로 절단하여 사용하였다.
펠릿 성형기(Sunbrand Industrial, Inc., Korea)는 Figure 2와 같이 25마력 3상 모터로 구동되는 원판형 금형(flat die)과 롤러가 장착된 것을 사용하였다. 금형은 재질이 크롬-니켈 강철, 직경과 두께가 각각 255 mm, 30 mm였고 성형 구멍(hole) 의 길이와 직경이 각각 27 mm, 6 mm[길이/두께 비율(L/D) 4.
이론/모형
겉보기 밀도와 수분함량, 내구성 및 펠릿 성형율은 국립산림과학원의 목재펠릿 품질규격[12]에 따라 조사하였다. 겉보기 밀도는 는 1 L PVC 비이커에 시료를 채우고 높이 20 cm 에서 가볍게 3회 떨어뜨리면서 다진 다음 무게를 측정하여 용량으로 나누었다.
성능/효과
0% 혼합 펠릿은 950 ℃에서 용융이 시작되었고, 목재 펠릿은 1,000 ℃에서 용융이 시작되었다. clinker 발생률은 석회 0% 혼합 펠릿에서 2.56%로 많이 발생하였으나 혼합비율이 높을수록 낮아져 2.0% 혼합 펠릿은 1.86%로 유의적인 차이를 보였다. 억새는 석회를 2.
억새는 소나무 톱밥 펠릿 성형공정에 없는 밀도증가 단계에 전력이 27 kWh ton-1 소요되었으나, 총 소요 전력은 193 kWh ton-1로 소나무 톱밥 펠릿의 195 kWh ton-1 과 비슷하였다. 소나무 톱밥과 억새의 펠릿 내구성은 각각 98.1%, 98.0%, 펠릿 성형 율도 각각 99.4%, 99.7%로 차이가 없었다. 억새 펠릿은 석회 혼합 비율이 증가함에 따라 회분함량이 증가하고 고위 발열량은 낮아지는 등 연소 품질은 낮아졌다.
로 비슷하였다. 수분함량은 억새가 원료 단계에서 17%로 소나무 톱밥의 15%에 비해 높았으나 분쇄 후에는 11.8%로 소나무 톱밥의 12.2%와 비슷하였고, 펠릿 성형 후에는 6.73%로 소나무 톱밥의 7.7%에 비해 낮았다. 억새는 소나무 톱밥 펠릿 성형공정에 없는 밀도증가 단계에 전력이 27 kWh ton-1 소요되었으나, 총 소요 전력은 193 kWh ton-1로 소나무 톱밥 펠릿의 195 kWh ton-1 과 비슷하였다.
이는 밀도가 낮은 초본류도 펠릿 성형 후에는 겉보기 밀도가 목재펠릿과 거의 동일하다는 선행연구[9,13,14]와 비슷한 결과를 보여 주었다. 수분함량은 억새가 원료 단계에서 17.0%로 소나무 톱밥의 15.0%에 비해 높았으나 분쇄 후에는 11.8%로 소나무 톱밥의 12.2%와 비슷하였고, 펠릿 성형 후에는 6.73%로 소나무 톱밥의 7.70%에 비해 낮았다. 억새는 분쇄, 성형 단계에서 수분함량이 크게 낮아졌는데, 분쇄 단계에서 원료와 헤머밀의 충돌로 발생한 열로, 성형 단계에는 원료가 금형(die)의 성형 구멍(hole)을 통과하면서 발생한 마찰열로 원료에 함유된 수분이 증발하기 때문인 것으로 보여진다.
[16]의 결과와 동일하였다. 억새 펠릿의 회분함량은 석회를 혼합하지 않은 것에서는 2.88%이었 으나 혼합비율이 높을수록 증가하여 2.0% 혼합에서는 3.99%로 높아졌다. 고위 발열량도 석회혼합 비율이 높을수록 낮아져 혼합하지 않은 것에서는 4,300 kcal kg-1였으나 2.
후속연구
그러나 분쇄및 성형 단계 소요 전력이 각각 83 kWh ton-1, 85 kWh ton-1 로 소나무 톱밥의 90 kWh ton-1, 103 kWh ton-1 에 비해 적어 총 소요 전력은 193 kWh ton-1로 소나무 톱밥의 195 kWh ton-1과 차이가 없었다. 억새의 펠릿 성형 비용이 소나무 톱밥에 비해 많지 않다는 점에서 향후 실용생산 경제성을 판단하기 위한 중요한 지표가 될 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연료펠릿의 단점을 극복하기 위해 선진국에서 진행되고 있는 것은?
연료펠릿으로 목재펠릿이 가장 널리 사용되고 있지만 원료의 수집, 운반 및 건조 비용이 많이 소요되고, 임목이 생육속도가 느려 묘목 식재 후 수 년 경과하여야만 경제적인 벌채가 가능하여 원료 수급에 어려운 면이 있다[4]. 이러한 문제점을 해결하기 위해 선진국에서는 억새(Miscanthus species), 스위치그래스(Panicum virgatum), 갈대(Phragmites australis) 등 다년생 초본식물 중 친환경적이면서 바이오매스 수량이 많은 품종을 개발하고[5], 이를 활용한 펠릿성형 연구가 진행되고 있다[6]. 이 중 억새는 발열량이 높고 투입 에너지에 비해 건물수량이 많아 유망한 대체연료 자원이다[7].
연료펠릿의 특징은?
최근 온실가스 배출로 인한 지구 온난화와 불안정한 국제 원유가 등 범지구적 문제의 장기적 해결을 위하여 바이오에너지가 주목받고 있다[1]. 연료펠릿은 저렴한 가격, 취급 용이성 등으로 유럽과 북미에서 바이오매스 보일러용으로 생산과 이용이 증가하고[2], 우리나라에서도 산림지역에서 목재펠릿이 생산되어 온실 난방용으로 공급되고 있다[3]. 연료펠릿으로 목재펠릿이 가장 널리 사용되고 있지만 원료의 수집, 운반 및 건조 비용이 많이 소요되고, 임목이 생육속도가 느려 묘목 식재 후 수 년 경과하여야만 경제적인 벌채가 가능하여 원료 수급에 어려운 면이 있다[4].
연료펠릿의 단점은?
연료펠릿은 저렴한 가격, 취급 용이성 등으로 유럽과 북미에서 바이오매스 보일러용으로 생산과 이용이 증가하고[2], 우리나라에서도 산림지역에서 목재펠릿이 생산되어 온실 난방용으로 공급되고 있다[3]. 연료펠릿으로 목재펠릿이 가장 널리 사용되고 있지만 원료의 수집, 운반 및 건조 비용이 많이 소요되고, 임목이 생육속도가 느려 묘목 식재 후 수 년 경과하여야만 경제적인 벌채가 가능하여 원료 수급에 어려운 면이 있다[4]. 이러한 문제점을 해결하기 위해 선진국에서는 억새(Miscanthus species), 스위치그래스(Panicum virgatum), 갈대(Phragmites australis) 등 다년생 초본식물 중 친환경적이면서 바이오매스 수량이 많은 품종을 개발하고[5], 이를 활용한 펠릿성형 연구가 진행되고 있다[6].
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