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문제 정의
- 따라서 국내에서 안정적인 원료확보가 가능하지만, 성형이 어려운 리기다소나무와 신갈나무에 낙엽송의 수피와 건조폐액을 첨가제로 사용하여 다양한 원료 및 제조조건에서 펠릿을 제조하고 이에 대한 품질 분석을 통하여 고등급의 목재펠릿 생산을 위한 제조 조건과 낙엽송 수피와 건조폐액의 재활용 방안을 제공하고자 본 연구를 수행하였다.
- 국내외 여건상 목재펠릿의 수요가 향후 급증할 것으로 예상되는 상황에서 국내에서 펠릿 제조용 원료로 낙엽송 외에 타 수종에 대한 탐색이 절대적으로 필요한 실정이다. 따라서 국내에서 임목축적량이 높은 신갈나무, 리기다소나무의 목재펠릿 원료화에 대한 연구를 진행하였다.
제안 방법
- 상기 결과를 토대로 낙엽송 수피를 첨가제로 건조폐액과 함께 사용하는 방안을 고려하게 되었고, 따라서 수피를 목분의 전건무게를 기준으로 2 wt%를 첨가하고 건조폐액은 목분의 함수율을 12%로 조절하는 용도로 사용하여 펠릿을 제조하였다. 리기다소나무 펠릿의 경우, 펠릿 함수율과 내구성은 6.
- 선별된 수피는 오븐에서 건조를 통하여 함수율을 6 ± 1%로 조절하였다.
- 수종별 목분과 낙엽송 수피의 화학적 조성은 각각을 가정용믹서로 분쇄한 후, 60 mesh (0.42 mm)의 표준체로 선별한 것을 사용하여 측정하였다. 측정된 화학적 조성 항목은 전섬유소, 리그닌, 추출물, 회분 함량이었으며, Han 등(2012)의 연구에서 사용한 방법으로 측정하였다.
- 상기 결과를 토대로 첨가제로 낙엽송 수피를 전체 목분의 전건무게를 기준으로 2 wt%를 첨가하고 목분의 함수율 조절을 위하여 액상의 낙엽송 건조폐액을 사용하는 방안이 제기되었다. 이를 위하여 건조폐액을 전체 목분과 낙엽송 수피의 전건무게를 기준으로 12%의 함수율로 조절하였으며, 이를 이용하여 상기의 펠릿 제조 방법과 동일한 조건에서 피스톤형 펠릿성형기로 펠릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 펠릿을 실험실 내에서 최소 24시간의 자연 건조를 실시한 후, 펠릿의 함수율, 발열량, 내구성, 회분 함량을 국립산림과학원 고시 “목재제품의 규격과 품질기준”에 의거하여 실시하였다(NIFOS, 2016).
- 첨가제의 종류 및 양, 목분의 함수율에 따른 품질 측정값의 오차를 최소화하기 위하여 1.2 g의 목분 또는/그리고 첨가제를 피스톤형 펠릿성형기에 넣고 Lee 등(2011)의 방법과 같이 펠릿을 제조하였다. 이렇게 제조된 펠릿의 평균 직경과 길이는 7.
- 첨가제의 양은 목분의 전건무게를 기준으로 2 wt%로, 수피는 목분과 함께 혼합하였으며, 건조폐액은 분사기로 분사한 후, 펠릿 제조용 원료로 사용하였다. 품질 측정은 30분간 생산된 펠릿을 10분 단위로 분리하여 모은 후, 무작위로 선정하여 사용하였다.
- 피스톤형 펠릿성형기에서 제조된 펠릿의 품질 측정결과를 토대로 선정된 조건에서 파일럿 규모의 평다이 펠릿성형기[(주)해표산업, 전남 담양군]를 이용하여 펠릿을 제조하였는데, Kim 등(2015)의 펠릿 제조 조건과 동일하게 다이 내 홀의 길이/직경(L/D) 비를 5.0으로 그리고 원료 투입량은 72 kg/h로 맞추었다. 첨가제의 양은 목분의 전건무게를 기준으로 2 wt%로, 수피는 목분과 함께 혼합하였으며, 건조폐액은 분사기로 분사한 후, 펠릿 제조용 원료로 사용하였다.
- 펠릿 제조에 사용된 목분 및 첨가제로 사용된 수피와 건조폐액의 함수율 그리고 발열량은 국립산림과학원 고시 “목재제품의 규격과 품질기준”에 의거하여 실시하였다(NIFOS, 2016). 한편 건조폐액의 발열량은 오븐에서 전건시킨 분말을 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 각 수종별 목재펠릿의 내구성 향상을 위하여 낙엽송의 수피(LAB, 산림조합중앙회 충북지역본부, 충북, 청주) 및 인공건조시 발생하는 폐액(LDW, 산림조합중앙회 중부목재유통센터, 경기, 여주)을 첨가제로 사용하였다. 수피는 야외에 적재된 것을 공급받은 관계로 함수율이 높아 충분히 기건한 후, 가정용 믹서로 파쇄하고 20 mesh (< 1.
- 1%로 측정되었다. 각각은 분말 및 액상의 상태로 첨가제로 사용하였다.
- 선별된 수피는 오븐에서 건조를 통하여 함수율을 6 ± 1%로 조절하였다. 낙엽송 건조폐액은 액상상태로 공급받았으며, 고형분 함량은 0.1%로 측정되었다. 각각은 분말 및 액상의 상태로 첨가제로 사용하였다.
- 목재펠릿 제조를 위하여 주원료로 사용된 리기다소나무(PCP, 초기 함수율: 6.1%) 및 신갈나무(QUM, 초기 함수율: 13.1%) 목분은 산림조합중앙회 중부목재유통센터(경기, 여주)에서 공급받았다. 이 목분은 각 원목을 5 mm 및 7 mm 폭의 초경날이 부착된 초프밀(YM-450BM, (주)유림기계, 경북 경산)로 파쇄 및 건조한 것으로 제공받은 목분을 4 mesh (< 4.
- 수피는 야외에 적재된 것을 공급받은 관계로 함수율이 높아 충분히 기건한 후, 가정용 믹서로 파쇄하고 20 mesh (< 1.27 mm) 표준체로 선별하여 사용하였다.
- 이 목분은 각 원목을 5 mm 및 7 mm 폭의 초경날이 부착된 초프밀(YM-450BM, (주)유림기계, 경북 경산)로 파쇄 및 건조한 것으로 제공받은 목분을 4 mesh (< 4.75mm) 표준체로 선별하여 사용하였으며, 펠릿 제조에 앞서 각 목분의 함수율을 조습과 건조를 통하여 10% 및 12%로 조절하였다.
데이터처리
- 목재펠릿의 각 품질에 대한 개별 인자들의 영향은 분산분석을 통하여 조사하였으며, 통계학적으로 p <0.05 수준에서 영향을 받았을 경우 Fisher’s LSD (least significant different: 최소유의차) 검정을 위하여 다중비교 방법 중에 가장 많이 사용되는 Student t-test에 의해 각 평균값 간의 차이가 유의한지 추가적으로 분석하였다.
이론/모형
- 이렇게 제조된 펠릿을 실험실 내에서 최소 24시간의 자연 건조를 실시한 후, 펠릿의 함수율, 발열량, 내구성, 회분 함량을 국립산림과학원 고시 “목재제품의 규격과 품질기준”에 의거하여 실시하였다(NIFOS, 2016).
- 제조된 목재펠릿의 품질 항목은 함수율, 겉보기밀도, 내구성으로 국립산림과학원 고시 “목재제품의 규격과 품질기준”에 의거하여 실시하였다(NIFOS, 2016).
- 42 mm)의 표준체로 선별한 것을 사용하여 측정하였다. 측정된 화학적 조성 항목은 전섬유소, 리그닌, 추출물, 회분 함량이었으며, Han 등(2012)의 연구에서 사용한 방법으로 측정하였다. 한편 건조폐액은 액체이며, 낙엽송 원목에 대한 인공건조 과정에서 발생한 것으로 주요 성분은 대부분 당 성분이라 판단되어 화학적 조성을 조사하지 않았다.
- 펠릿 제조에 사용된 목분 및 첨가제로 사용된 수피와 건조폐액의 함수율 그리고 발열량은 국립산림과학원 고시 “목재제품의 규격과 품질기준”에 의거하여 실시하였다(NIFOS, 2016).
성능/효과
- 1과 같다. 10%의 목분 함수율에서 첨가제와 함께 제조한 리기다소나무 및 신갈나무 펠릿의 함수율은 감소하였으며, 특히 건조폐액을 사용하여 제조한 펠릿의 함수율은 가장 낮은 것으로 나타났다. 이와 같이 첨가제로 건조폐액의 사용에 따른 펠릿 함수율의 저하는 첨가제로 분말상이 아닌 액상을 사용하여 나타난 결과라 추정된다.
- 0%)으로 조사되었다. 그러나 10%의 목분 함수율에서 첨가제로 낙엽송의 수피 또는 건조폐액과 함께 제조한 리기다소나무 펠릿의 내구성은 1급 기준을 만족하였으며, 12% 함수율에서는 1급 기준에 접근하는 것으로 나타났다. 반면 신갈나무 펠릿의 내구성은 첨가제 없이 제조했을 경우 10%의 목분 함수율에서는 번외급으로 조사되었으나, 수피 또는 건조폐액을 첨가제로 사용하여 제조한 펠릿에서는 3급 기준(≧ 95.
- 그러나 수피 또는 건조폐액만을 첨가제로 사용하여 제조된 리기다소나무 펠릿의 함수율(수피: p = 0.03; 건조폐액: p = 0.04)과 내구성보다 낮은 것으로 나타났다(수피: p < 0.01; 건조폐액: p = 0.04).
- 낙엽송의 수피 또는 건조폐액을 첨가제로 사용하여 피스톤형 및 파일럿 규모의 평다이 펠릿성형기로 제조한 펠릿의 내구성 및 겉보기밀도는 첨가제 없이 제조한 펠릿과 비교하여 향상되는 것으로 나타났다. 이 결과를 토대로 리기다소나무 펠릿을 최적 제조 조건은 목분 함수율을 10%로 조절하고 첨가제로 수피나 건조폐액을 사용하는 것이 그리고 신갈나무의 경우 12%의 목분 함수율에 수피를 첨가제로 사용하는 것이 최적의 목재펠릿 제조 조건이라 생각한다.
- 따라서 본 실험의 결과로 첨가제의 사용에 따른 펠릿 함수율에 대한 영향을 명확하게 설명할 수 없었으나, 모든 제조 조건에서 국립산림과학원 고시 “목재제품의 규격과 품질기준”의 목재펠릿 1급 기준(≧ 10%)을 만족하는 것으로 나타나 펠릿 함수율에 대한 제조 조건의 영향은 무시하여도 상관없을 것으로 확신한다.
- 첨가제로 사용된 낙엽송 수피의 화학적 조성을 보면, 전섬유소 함량이 가장 높았으며, 리그닌 함량은 일반 목부보다 높았다(Table 1). 또한 추출물 함량은 신갈나무 및 리기다소나무 목분보다 낮았으며, 회분 함량은 높았다. 수피의 높은 회분 함량은 타 연구의화학적 조성 결과와 유사한 것으로 조사되었다.
- 반면 신갈나무 펠릿의 내구성은 첨가제 없이 제조했을 경우 10%의 목분 함수율에서는 번외급으로 조사되었으나, 수피 또는 건조폐액을 첨가제로 사용하여 제조한 펠릿에서는 3급 기준(≧ 95.0%)까지 만족하는 것으로 나타났다.
- 본 연구를 위하여 제조된 펠릿의 겉보기밀도는 첨가제를 사용하지 않고 12% 함수율의 리기다소나무 목분으로 제조한 경우를 제외하고 대부분의 조건에서 1급 기준(≧ 640 kg/m3)을 만족 또는 크게 상회하였다(Fig. 2).
- 상기 결과를 토대로 첨가제로 낙엽송 수피를 전체 목분의 전건무게를 기준으로 2 wt%를 첨가하고 목분의 함수율 조절을 위하여 액상의 낙엽송 건조폐액을 사용하는 방안이 제기되었다. 이를 위하여 건조폐액을 전체 목분과 낙엽송 수피의 전건무게를 기준으로 12%의 함수율로 조절하였으며, 이를 이용하여 상기의 펠릿 제조 방법과 동일한 조건에서 피스톤형 펠릿성형기로 펠릿을 제조하였다.
- 이 결과를 종합하면 첨가제로 수피와 건조폐액을 함께 사용하여 제조한 펠릿은 첨가제 없이 제조한 펠릿보다 함수율이 낮고 내구성은 차이가 없었으나,첨가제를 각각 사용하여 제조한 펠릿의 내구성보다 낮았다. 따라서 수피나 건조폐액을 각각 첨가제로 사용하는 것이 펠릿의 연료적 특성 측면에서 유리한 것으로 판단되나, 펠릿 제조를 위한 비용 측면에서 건조폐액은 폐수처리에 따른 수익이 가능한 관계로 수피와 건조폐액을 함께 펠릿 제조에 이용하는 방안도 고려할 필요가 있을 것으로 생각한다.
- 이 결과를 토대로 리기다소나무 펠릿을 최적 제조 조건은 목분 함수율을 10%로 조절하고 첨가제로 수피나 건조폐액을 사용하는 것이 그리고 신갈나무의 경우 12%의 목분 함수율에 수피를 첨가제로 사용하는 것이 최적의 목재펠릿 제조 조건이라 생각한다.
- 3%로 첨가제의 사용과 함께 증가하였다. 이와 같은 결과들은 첨가제의 발열량과 회분함량에서 기인한 결과라 판단되나, 첨가제없이 제조한 펠릿의 측정치와 통계학적으로 차이가 없었다(발열량 - 수피: p = 0.06, 건조폐액: p = 0.08; 회분함량 - 수피: p = 0.09, 건조폐액: p = 0.15).
- Table 1은 본 연구에서 공시재료로 사용된 리기다소나무, 신갈나무와 첨가제로 사용된 낙엽송 수피의 화학적 조성을 측정한 결과이다. 전섬유소 함량은 활엽수종인 신갈나무에서 침엽수인 리기다소나무보다 높았으며, 리그닌 함량은 반대로 신갈나무, 리기다소나무 순으로 측정되었다. 이와 같은 결과는 침엽수종이 활엽수종보다 lignin을 많이 포함하고 있어 나타난 것으로 생각한다.
- 첨가제로 사용된 낙엽송 수피의 화학적 조성을 보면, 전섬유소 함량이 가장 높았으며, 리그닌 함량은 일반 목부보다 높았다(Table 1). 또한 추출물 함량은 신갈나무 및 리기다소나무 목분보다 낮았으며, 회분 함량은 높았다.
- 파일럿 규모의 평다이 펠릿성형기로 제조한 리기다소나무 및 신갈나무 펠릿의 연료적 특성을 종합한 결과, 첨가제의 사용은 펠릿의 내구성을 향상시키는 것으로 분석되었으며, 리기다소나무의 경우 목분 함수율을 10%로 조절하고 첨가제로 수피나 건조폐액을 사용하는 것이 그리고 신갈나무의 경우 12%의 목분 함수율에 수피를 첨가제로 사용하는 것이 각각의 최적 목재펠릿 제조 조건이라 생각한다.
- 평다이 펠릿성형기로 제조한 펠릿의 함수율은 5.6 -9.3% 범위로 수종, 목분 함수율과 첨가제의 사용 여부에 따라 차이가 있었으나, 모두 국립산림과학원 고시 “목재제품의 규격과 품질기준”의 목재펠릿 1급 기준을 만족하는 것으로 조사되었다.
- 이와 같이 첨가제로 건조폐액의 사용에 따른 펠릿 함수율의 저하는 첨가제로 분말상이 아닌 액상을 사용하여 나타난 결과라 추정된다. 한편 12%의 목분 함수율에서 제조된 리기다소나무 펠릿의 함수율은 첨가제의 사용에 따른 영향을 받지 않았으나, 신갈나무 펠릿의 함수율은 첨가제의 사용과 함께 감소하였다. 일반적으로 펠릿 함수율은 펠릿에 대한 제조 조건 외에 보관 및 함수율 측정시 외부 온도 및 습도에 영향을 받는다.
- 한편, 신갈나무 목분만으로 제조한 펠릿의 발열량과 회분 함량은 19.06 ±0.07 MJ/kg과 0.9 ± 0.2%로 측정되었으며, 수피와 건조폐액을 첨가제로 사용하여 제조한 신갈나무 펠릿의 발열량과 회분함량은 19.77 ± 0.51 MJ/kg, 1.3 ± 0.3% 및 19.40 ± 0.24 MJ/kg, 1.2 ± 0.3%로 첨가제의 사용과 함께 증가하였다.
후속연구
- 이 결과를 토대로 리기다소나무 펠릿을 최적 제조 조건은 목분 함수율을 10%로 조절하고 첨가제로 수피나 건조폐액을 사용하는 것이 그리고 신갈나무의 경우 12%의 목분 함수율에 수피를 첨가제로 사용하는 것이 최적의 목재펠릿 제조 조건이라 생각한다. 결과를 종합하면, 제조된 펠릿의 연료적 특성, 제조비 및 건조폐액의 의한 수질 오염 가능성 등을 고려하여 국내에서 목재산업 폐기물로 발생하는 낙엽송수피와 건조폐액을 첨가제로 신갈나무와 리기다소나무 목분과 펠릿 제조에 이용하는 방안이 고려되어야 할 것으로 생각한다.
- 현재 재생에너지 가운데 폐기물, 풍력, 바이오매스, 태양광 등이 차지하는 비중이 많은 부분을 차지하고 있으며, 이에 대한 보급 목표치를 설정하고 온실가스 감축을 달성한다는 계획을 수립하였다. 결과적으로 바이오매스를 활용한 재생에너지의 생산도 계속 증가할 것으로 전망되는 가운데 국내 자원보유 현황을 토대로 목재펠릿이 차지하는 비중이 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.
- 현재까지 목재펠릿용 원료로서 소나무와 비교하여 가격이 저렴하고, 지속적 공급이 가능한 낙엽송이 주로 사용되고 있다. 그러나 향후 목재펠릿 수요량에 대한 전망치를 분석한 결과 낙엽송만으로는 충분한 원료 공급이 불가능할 것으로 판단되며, 따라서 낙엽송과 함께 펠릿제조용 원료로서 사용이 가능한 새로운 목재 원료에 대한 탐색이 필요한 실정이다. 이를 위하여 국내에서 임목축적량이 높은 참나무류의 신갈나무(50,000 m3)와 리기다소나무(10,000 m3)를 목재펠릿 제조용 원료로 이용하는 방안이 요구된다.
- 이 결과를 종합하면 첨가제로 수피와 건조폐액을 함께 사용하여 제조한 펠릿은 첨가제 없이 제조한 펠릿보다 함수율이 낮고 내구성은 차이가 없었으나,첨가제를 각각 사용하여 제조한 펠릿의 내구성보다 낮았다. 따라서 수피나 건조폐액을 각각 첨가제로 사용하는 것이 펠릿의 연료적 특성 측면에서 유리한 것으로 판단되나, 펠릿 제조를 위한 비용 측면에서 건조폐액은 폐수처리에 따른 수익이 가능한 관계로 수피와 건조폐액을 함께 펠릿 제조에 이용하는 방안도 고려할 필요가 있을 것으로 생각한다.
- 0%)을 만족하였다(NIFOS, 2016). 따라서 신갈나무를 고등급 펠릿 제조용 원료로 이용할 시, 목분 내에 수피가 포함되지 않도록 목분의 준비에 주의가 필요할 것으로 생각한다.
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