우분을 원료로 하여 구 모양의 펠릿(Spherical pellet) 형태로 가공한 우분 고체연료에 대한 건조실험을 수행하였다. 제조한 구 형태의 우분 고체 연료를 선별기에 투입하여 각 크기별로 분리하였다. 건조방식으로는 대류형 열풍건조 방법과 적외선 조사 건조 방법. 그리고 과열증기 적용에 의한 건조방법을 적용하였다. 제조된 펠릿의 직경에 따라 5 mm, 10 mm, 20 mm 로 구분하여 각 입경별 우분 고체연료 가공품의 수분 감소효과를 분석하였다. 가공된 우분 펠릿의 건조에 소요된 시간은 대류형 열풍기 건조 > 적외선 건조 > 과열증기 건조 방법의 순이었다. 과열 증기 적용에 의한 건조방법의 경우 건조에 소요된 시간은 열풍과 적외선 방법에 비해 상대적으로 짧았다. 건조된 상태인 우분 펠릿의 겉보기 비중은 $250{\sim}350kg/m^3$ 수준이었으며, 건조된 우분 펠릿의 저위발열량은 가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률 시행규칙 별표 2에서 정한 가축분뇨 고체연료의 성분 등에 관한 기준에 규정된 3,000 kcal/kg 보다 높은 수준이었다. 우분 펠릿의 입자크기가 작을수록 모든 건조방법에서 건조에 필요한 시간이 짧게 소요되었다. 5 mm 크기의 우분 펠릿을 건조하였을 때 시료의 무게 변화가 1% 내외가 될 때까지 소요된 시간은 과열증기 적용 시 약 30분, 적외선 조사 시 약 108분, 대류형 열풍 적용 시 약 120분이 소요되었다. 동일한 건조조건일 경우에는 펠릿 입자의 크기를 작게 하는 것이 가축 분 고체연료의 건조시간을 단축하는 중요한 요소인 것으로 판단된다.
우분을 원료로 하여 구 모양의 펠릿(Spherical pellet) 형태로 가공한 우분 고체연료에 대한 건조실험을 수행하였다. 제조한 구 형태의 우분 고체 연료를 선별기에 투입하여 각 크기별로 분리하였다. 건조방식으로는 대류형 열풍건조 방법과 적외선 조사 건조 방법. 그리고 과열증기 적용에 의한 건조방법을 적용하였다. 제조된 펠릿의 직경에 따라 5 mm, 10 mm, 20 mm 로 구분하여 각 입경별 우분 고체연료 가공품의 수분 감소효과를 분석하였다. 가공된 우분 펠릿의 건조에 소요된 시간은 대류형 열풍기 건조 > 적외선 건조 > 과열증기 건조 방법의 순이었다. 과열 증기 적용에 의한 건조방법의 경우 건조에 소요된 시간은 열풍과 적외선 방법에 비해 상대적으로 짧았다. 건조된 상태인 우분 펠릿의 겉보기 비중은 $250{\sim}350kg/m^3$ 수준이었으며, 건조된 우분 펠릿의 저위발열량은 가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률 시행규칙 별표 2에서 정한 가축분뇨 고체연료의 성분 등에 관한 기준에 규정된 3,000 kcal/kg 보다 높은 수준이었다. 우분 펠릿의 입자크기가 작을수록 모든 건조방법에서 건조에 필요한 시간이 짧게 소요되었다. 5 mm 크기의 우분 펠릿을 건조하였을 때 시료의 무게 변화가 1% 내외가 될 때까지 소요된 시간은 과열증기 적용 시 약 30분, 적외선 조사 시 약 108분, 대류형 열풍 적용 시 약 120분이 소요되었다. 동일한 건조조건일 경우에는 펠릿 입자의 크기를 작게 하는 것이 가축 분 고체연료의 건조시간을 단축하는 중요한 요소인 것으로 판단된다.
The drying test was carried on the globular type cow manure pellet for use in solid fuel applications. The globular type cow manure pellet fuel was sorted according to size by rotatory sieves. The three kind of drying methods such as convection hot-air drying method, infrared ray drying method and s...
The drying test was carried on the globular type cow manure pellet for use in solid fuel applications. The globular type cow manure pellet fuel was sorted according to size by rotatory sieves. The three kind of drying methods such as convection hot-air drying method, infrared ray drying method and superheated steam method were used to dry the globular type cow manure pellet. Among the three kind of drying methods, superheated steam method of dry time was the shortest. The apparent specific gravity and low calorific value of dried cow manure pelltes was about $250{\sim}350kg/m^3$ and above 3,000 kcal/kg respectively. The smaller the particle size of cow manure pellets, the less drying time was required. The time was required very less for drying smaller particle size cow manure pellet when compared to larger size. In the case of the same drying condition, it has been found that reducing the particle size of cow manure fuel pellet is an important factor for shortening the drying time of the livestock manure pellet.
The drying test was carried on the globular type cow manure pellet for use in solid fuel applications. The globular type cow manure pellet fuel was sorted according to size by rotatory sieves. The three kind of drying methods such as convection hot-air drying method, infrared ray drying method and superheated steam method were used to dry the globular type cow manure pellet. Among the three kind of drying methods, superheated steam method of dry time was the shortest. The apparent specific gravity and low calorific value of dried cow manure pelltes was about $250{\sim}350kg/m^3$ and above 3,000 kcal/kg respectively. The smaller the particle size of cow manure pellets, the less drying time was required. The time was required very less for drying smaller particle size cow manure pellet when compared to larger size. In the case of the same drying condition, it has been found that reducing the particle size of cow manure fuel pellet is an important factor for shortening the drying time of the livestock manure pellet.
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문제 정의
가축분뇨 고체연료화 과정상 중요공정이면서 에너지 소요 정도가 높은 건조공정의 효율적인 방안을 설정하기 위한 목적으로 수행된 본 실험의 수행 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
적외선 건조는 파장 3∼5 ㎛의 증적외선이 방출되는 램프를 시료의 양측 상단에 설치하여 시료에 열을 가하였다. 건조가 진행되는 동안의 시료의무게변화는 건조 장치에 설치한 로드 셀을 이용하여 1분 단위로 측정하였다. 과열 증기는 시료 용기에 우분 펠릿을 담아 가열 공간 내에 넣고 회분식으로 건조하는 방식을 적용하였다.
본 연구에서는 우분을 원료로 하여 직경 5 mm, 10 mm 그리고 20 mm 크기의 구 모양으로 가공한 펠릿을 건조하는 실험을 수행하였다. 건조실험은 열풍과 적외선 그리고 과열증기를 적용한 건조방식을 적용하였다.
가공된 우분 펠릿을 건조하는 실험을 수행하기 위하여 열풍건조기, 적외선 건조기, 과열증기 건조기를 사용하였다. 건조실험은 펠릿화된 우분 시료를 건조용 시료용기에 2 cm 두께로 채운 뒤 회분식으로 건조 실험을 실시하였다. 각 건조장치에서 시료에 적용되는 건조온도는 180 ℃로 조절하였다.
우사에서 수거한 분뇨를 유압 프레스형 탈수장치로 압착 탈수한 다음 스크류형 균질기로 분쇄, 혼합 후 균질화를 하였다. 균질화된 우분을 직경 550mm, 길이 1,500 mm의 회전 원통형 가공장치를 이용하여 구 형태의 펠릿으로 가공한 후 선별장치에 유입시켜 5 mm, 10 mm, 20 mm 크기로 선별, 분리하였다. 본 실험을 위해 제작한 우분 펠릿화 장치는 Fig.
가축분뇨 고체 연료화 산업에 있어 펠릿 가공기술 못지않게 중요한 기술이 건조기술이다. 따라서 본 연구에서는 세 가지 입경으로 제조한 우분펠릿에 대해 열풍 건조, 적외선 건조 그리고 과열증기 건조방식을 각각 적용하였을 경우의 건조효과를 분석하였다.
가축분뇨를 고체 연료화 함에 있어 적용할 수 있는 건조 방식은 가공 전 건조와 가공 후 건조 방식으로 구분할 수 있다. 본 실험에서 우분을 이용하여 제조한 고체연료의 가공 후 건조특성을 분석하였다. 가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률 시행규칙별4의 2에 규정된 가축분뇨 고체연료 성분 등에 관한 기준에 따르면 가축분뇨 고체연료의 수분함량을 20% 이하로 건조해야 하는데 일반적으로 축사에서 배출되는 가축분뇨는 수분함량이 80% 내외에 이르는 경우가 흔하다.
이 방식은 가공된 고체연료의 입자크기가 고르지 않고 입자크기가 큰 덩어리가 형성되는 문제가 있다. 본 실험에서는 이 문제를 해소하는 방안으로서 원통 내부에 파쇄 장치를 장착하였다. Fig.
본 연구에서는 우분을 5∼20 mm 내외의 크기를 가진 구 형태의 펠릿형 고체연료로 가공한 후 열풍과 적외선 그리고 과열증기를 적용하였을 경우의 건조효과를 분석하였다.
열풍 건조장치는 실험실용 대류형 열풍건조기를 사용하였으며 온도는 180 ℃로 설정하고 편평한 시료 용기에 우분 펠릿을 담아서 건조실험을 실시하였다. 적외선 건조는 파장 3∼5 ㎛의 증적외선이 방출되는 램프를 시료의 양측 상단에 설치하여 시료에 열을 가하였다.
우분 고체연료 가공품을 대상으로 하여 과열증기 건조방식을 적용하였다. 김남찬 등7)은 과열증기는 포화온도 이상으로 가열된 증기를 말하며 복사열에 의한 직접적인 열전달이 이루어지기 때문에 일반 hot steam에 비하여 우수한 열전달과 열량을 가지게 된다고 과열증기의 가능성을 평가한 바 있다.
적외선을 조사하였을 때 조사시간에 따른 건조효과를 분석하기 위하여 5 mm와 10 mm 직경의 우분고체연료에 180 ℃의 적외선 열이 도달하도록 하였다. 우분 고체연료 건조실험을 위하여 적외선 발열 램프를 작동한 다음에 시간의 경과에 따른 수분이 감소하는 정도를 측정하였다. Fig.
적외선 건조는 파장 3∼5 ㎛의 증적외선이 방출되는 램프를 시료의 양측 상단에 설치하여 시료에 열을 가하였다.
적외선을 조사하였을 때 조사시간에 따른 건조효과를 분석하기 위하여 5 mm와 10 mm 직경의 우분고체연료에 180 ℃의 적외선 열이 도달하도록 하였다. 우분 고체연료 건조실험을 위하여 적외선 발열 램프를 작동한 다음에 시간의 경과에 따른 수분이 감소하는 정도를 측정하였다.
대상 데이터
가공된 우분 펠릿을 건조하는 실험을 수행하기 위하여 열풍건조기, 적외선 건조기, 과열증기 건조기를 사용하였다. 건조실험은 펠릿화된 우분 시료를 건조용 시료용기에 2 cm 두께로 채운 뒤 회분식으로 건조 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 우분을 원료로 하여 직경 5 mm, 10 mm 그리고 20 mm 크기의 구 모양으로 가공한 펠릿을 건조하는 실험을 수행하였다. 건조실험은 열풍과 적외선 그리고 과열증기를 적용한 건조방식을 적용하였다.
이론/모형
본 실험을 수행하는 과정에서 발생한 모든 시료의 분석은 AOAC(Official Methods of Analysis) 방법과 APHA(Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater) 시험법에 준하여 실시하였다2,3).
성능/효과
1) 건조된 상태인 우분 펠릿의 겉보기 밀도는 약 250∼350 kg/m3 수준이었으며, 건조된 우분 펠릿의 저위발열량은 3,000 kcal/kg 이상으로 높아 에너지 이용 가능성이 있는 것으로 평가되었다.
2) 제조된 우분 펠릿에 대해 과열증기 방식과 적외선 방식, 그리고 열풍건조 방식에 대한 건조 소요 시간 실험결과 과열증기 방식이 가장 짧게 나타나 시간적인 면에서 가장 적합한 방법으로 판단되었다. 건조방법별 건조 소요시간은 과열증기 방식이 가장 짧게 소요되었고 이어서 적외선과 열풍건조 방법 순이었다.
3) 제조된 우분 펠릿을 건조하는 경우, 펠릿의 입자크기가 작을수록 건조에 소요되는 시간이 단축되므로 입자크기를 작게 하는 것이 건조효율 측면에서 바람직할 것으로 판단된다.
가공 후에 수분함량 20% 수준으로 건조된 우분고체연료의 직경에 따른 겉보기 밀도를 측정한 결과 고체연료의 입자 직경이 작아지면 겉보기 비중이 증가하는 것으로 나타났다. 이 결과는 가공된 우분 고체연료의 입자가 작을수록 입자 간의 빈 공간이 줄어들기 때문에 겉보기 밀도가 증가하는 것으로 판단된다.
가공된 우분 고체연료 수분함량 수준을 가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률 시행규칙 별표 2에서 정한 가축분뇨 고체연료의 성분 등에 관한 기준에서 규정하고 있는 수분 수준인 20%로 조절하여 저위 발열량을 분석한 결과 우분의 경우 3,800kcal/kg 수준으로 분석되었다. 우분은 섬유소가 함유되어 있고 유기물 중의 탄소함량이 40%를 초과하며 3,000 kcal/kg 수준의 발열량을 가지므로 우분펠릿의 에너지화 가능성이 있는 것으로 평가할 수 있다.
2) 제조된 우분 펠릿에 대해 과열증기 방식과 적외선 방식, 그리고 열풍건조 방식에 대한 건조 소요 시간 실험결과 과열증기 방식이 가장 짧게 나타나 시간적인 면에서 가장 적합한 방법으로 판단되었다. 건조방법별 건조 소요시간은 과열증기 방식이 가장 짧게 소요되었고 이어서 적외선과 열풍건조 방법 순이었다.
본 실험에서 분석한 톱밥혼합 우분의 탄소함량은 48.4∼48.7% 수준으로서 축사에서 배출된 우분은 고체연료로서 이용할 수 있는 가치를 가진다.
본 실험에서 파쇄장치를 장착하여 가동한 결과직경 5 mm∼20 mm 크기를 가진 고체연료의 비율이 높아지는 결과를 보였다.
소는 볏짚이나 풀 사료 등 섬유소 함량이 높은 사료를 섭취하기 때문에 배설된 우분의 펠릿화 가공이 상대적으로 용이하고 발열량도 저위발열량 기준으로 3,000 kcal/kg 이상이 되므로 고체연료로서의 가치가 있는 것으로 나타났다. 그러나 가공품을 고체연료로 이용하기 위해서는 가축 분뇨 고체연료 품질기준에 따라 가공품의 수분함량을 20% 미만까지 건조시켜야 한다.
열풍건조에 따른 우분 고체연료의 중량변화를 분석한 결과, 우분 고체연료의 입자 크기와 건조에 소요되는 시간은 반비례하는 현상을 나타냈으며 입자크기가 작을수록 초기 중량감소가 큰 것으로 나타났다. 엄태규 등5)은 고체입자 지름이 작은 경우, 쉽게 유동화 되고 열전달 계수 및 표면적 증가로 인해 수분증발 및 열전달이 증진될 것이고 반대로 고체 입자 지름이 큰 경우, 상대적으로 유동화가 힘들고 수분증발 및 열전달효과 역시 감소할 것이라고 보고하였는데 본 실험 결과에서도 이와 유사한 결과를 보였다.
우분 펠릿의 입자크기별로 과열증기를 적용하였을 때 입자 크기가 작은 경우에 건조효과가 더 좋은 것으로 나타났다. 김옥신 등9)은 과열 증기 건조 방식은 대류를 이용한 직접 건조 방식으로서, 건조를 위한 열을 공급하고 증발된 수분을 운반하기 위한 건조 매체로 사용되던 기존의 열풍이나 연도 가스를 대신하여 과열 증기를 사용하여 피 건조물을 건조하는 방식이라고 하였고, 또한 과열 증기는 큰 열용량과 열전도도, 작은 비중 등의 독특한 물리적인 특성으로 인해 기존의 열풍 건조에 비해 건조 속도가 빠르고 건조 시간을 단축할 수 있기 때문에 건조기 용적을 줄일 수 있다고 하였는데 이는 본 실험에서 나타난 결과와 유사한 것으로 판단할 수 있다.
김옥신 등9)은 과열 증기 건조 방식은 대류를 이용한 직접 건조 방식으로서, 건조를 위한 열을 공급하고 증발된 수분을 운반하기 위한 건조 매체로 사용되던 기존의 열풍이나 연도 가스를 대신하여 과열 증기를 사용하여 피 건조물을 건조하는 방식이라고 하였고, 또한 과열 증기는 큰 열용량과 열전도도, 작은 비중 등의 독특한 물리적인 특성으로 인해 기존의 열풍 건조에 비해 건조 속도가 빠르고 건조 시간을 단축할 수 있기 때문에 건조기 용적을 줄일 수 있다고 하였는데 이는 본 실험에서 나타난 결과와 유사한 것으로 판단할 수 있다. 이상의 실험결과를 종합하면 제조된 우분 펠릿에 대해 과열증기 방식과 적외선 방식, 그리고 열풍건조 방식에 대한 건조 소요시간 실험결과 과열증기 방식이 가장 짧게 나타나 시간적인 면에서 가장 적합한 방법으로 나타났다. 우분펠릿을 건조하는 경우 펠릿의 입자크기가 작을수록 건조에 소요되는시간이 단축되므로 입자크기를 작게 하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
적외선을 조사한 결과 입자 크기 5 mm의 우분고체연료 가공품이 직경 10 mm 인 가공품에 비해 수분 감소속도가 20% 정도 단축되는 결과를 보였다. 이는 앞서 수록한 열풍건조 실험결과에서 나타난 입자직경이 작을수록 건조시간이 단축되는 결과와 유사한 경향을 나타낸 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률에 따르면 가축분뇨 고체연료의 수분을 20% 이하로 낮춰야 하는 이유는?
가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률 시행규칙 별표4의 2 가축분뇨 고체연료의 성분 등에 관한 기준에 의하면 가축분뇨 고체연료의 수분을 20% 이하로 하여야 한다. 수분함량이 낮으면 고체 연료의 저장과 운송 그리고 취급이 편리하게 된다. 따라서 가축분뇨 고체연료의 수분함량을 20% 수준까지 낮춰야 할 필요가 있다.
우분의 고형물 함량 중 휘발성 고형물이 차지하는 비율은?
이러한 노력의 일환으로 최근 들어 가축 분뇨 고체연료화에 대한 관심이 높아지고 있다. 소가 배설하는 우분은 총고형물 함량이 15∼20% 내외에 이르고 이 고형물 중에서 휘발성 고형물이 차지하는 비율이 약 85∼90% 내외에 달한다. 따라서 우분을 원료로 가공한 고체연료는 저위발열량이 3,000 kcal/kg을 초과한다.
소 사육 시, 바닥재로 사용하는 톱밥이 우분에 비해 분해속도가 느린 까닭은?
특히 우리나라에서 소를 사육하는 방식은 축사바닥에 톱밥 등의 깔짚재를 약 5∼10 cm 두께로 깔고 그 위에서 소를 사육하는 형태이므로 축사에서 배출되는 우분은 톱밥과 혼합된 상태가 된다. 통상적으로 깔짚으로 사용되는 톱밥은 우분과같은 신선분뇨에 비해 분해되는 속도가 더 느린데 이는 톱밥 중에 함유된 리그닌이나 셀룰로오스 등과 같은 분해가 느린 물질 때문인 것으로 볼 수 있다. Pham 등13)은 젖소 분뇨의 고형물중 13% 내외가 리그닌이라고 하였으며 김낙주 등8)은 폐 목재류는 리그노셀룰로오스 (cellulose, hemicellulose, lignin)로 구성되어 있으며 이 중 난분해성으로 알려진 리그닌은 수분 및 미생물 분해에 대한 저항성이 상당히 높아 완전한 분해가 진행되지 않는다고 보고하였다,.
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