[논문]Pilot scale 유중건조 장비를 이용한 커피찌꺼기의 고형연료화 연구

권익범; 하진욱

doi:10.5762/kais.2019.20.2.443

Pilot scale 유중건조 장비를 이용한 커피찌꺼기의 고형연료화 연구
A Study on the RDF Manufacturing of Coffee grounds by using Pilot scale Oil-drying Equipment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.2, 2019년, pp.443 - 450

권익범 (순천향대학교 화학공학.환경공학과) , 하진욱 (순천향대학교 에너지환경공학과)

초록
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본 연구에서는 유중건조 공정으로 커피찌꺼기 고형연료를 제조하기 위한 최적 조건을 선정하는 연구를 수행하였다. 유중건조 장비를 실험실 규모에서 파일럿 규모로 확장하여 효율을 비교 분석하였으며, 최적 조건을 선정하기 위하여 커피찌꺼기와 기름의 비율 선정, 세팅 온도, 비율별 시간에 따른 온도변화 및 함수율을 측정하였다. 또한 연구결과물(커피찌꺼기 유중건조물)의 특성분석을 위하여 칼로리미터와 TGA, 연소 장비, 연소 가스 측정기를 이용하여 생산한 고형연료의 특성분석을 하였다. 그 결과 기름과 커피찌꺼기의 비율은 4:1이었고 세팅 온도 $300^{\circ}C$로 설정 시 20분 이내에 함수율 10wt.% 이하에 도달하였다. 또한 6,273kcal/kg의 높은 발열량을 보였으나 커피찌꺼기의 경우 목재와 비슷한 성분을 지니고 있어 높은 휘도를 보이며 연소 가스에서 많은 CO를 생성하였다. 이로 인하여 화력발전소, 캠핑용 연료로는 부적합하다고 판단되나 초기 착화속도가 빠르며 발열량이 높아 현재 사용 중인 불쏘시개용 연료를 대체할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

We studied to find the optimal manufacturing conditions of coffee grounds sludge RDF with oil drying method. We expanded the lab scale to pilot scale to compare the efficiency of the oil-drying equipment and The selection of the ratio of coffee grounds and oil, the setting temperature, and the temperature change and water content with time were measured. In order to analyze the characteristics of the research results, characteristics of solid fuels produced(Coffee grounds of oil-dried) by calorimeter, TGA, combustion equipment, and combustion gas measuring instrument were analyzed. As a result, the ratio of oil to coffee grounds was 4: 1, and when the setting temperature was set to $300^{\circ}C$, the water content reached 10wt.% or less within 20 minutes. ln addition, it showed high calorific value of 6,273kcal/kg. However, coffee grounds had a similar composition to wood and showed high luminance and produced a lot of CO in combustion gas. As a result, it is considered to be unsuitable for thermoelectric power plant and camping fuel, but the initial ignition speed is high and the heat generation is high, so it is considered that it can replace the fuels for current use.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Porous structure of coffee grounds by using quanta 3D microscope
그림 Fig. 2. Drying equipment (a) Oil-drying(Pilot scale) (b) Hot-Air drying
그림 Fig. 3. Sieve analysis test by particle size (a) 75㎛ (b) 106㎛ (c) 125㎛
그림 Fig. 4. Lab scale pelletizer
표 Table 1. Changes in drying temperature and moisture content at drying time by oil to coffee ratio
그림 Fig. 5. Fuel characteristics analysis equipment (a) IKA C1 Calorimeter (b)Combustion equipment (c) Testo 330-LL (d)TGA Q500 (e)Hot-air drying equipment
그림 Fig. 6. Ash after combustion of fuel by water content (a) Moisture content 15wt.% (b) Moisture content 1wt.%
그림 Fig. 7. Temperature calibration of pilot scale equipment
그림 Fig. 8. Changes in oil-drying temperature and moisture content at drying time by oil to coffee ratio
그림 Fig. 9. Changes in hot-air drying temperature and moisture content
그림 Fig. 10. Oil-dried coffee grounds deoiling by sieve test (a) 75㎛ (b) 106㎛ (c) 125㎛
표 Table 2. Changes in drying temperature and moisture content at drying time by oil to coffee ratio
표 Table 3. Proximate analysis by drying method of coffee grounds
표 Table 4. Changes in drying temperature and moisture content at drying time by oil to coffee ratio
그림 Fig. 11. Pelletized oil-dried coffee grounds (a) Moisture content 15wt.% (b) Moisture content 1wt.%
그림 Fig. 12. Pelletized hot-air dried coffee grounds (a) Moisture content 15wt.% (b) Moisture content 1wt.%
표 Table 5. Calorie & water content in varrious livestock manure sludges
표 Table 6. Proximate analysis by drying method of coffee grounds
그림 Fig. 12. The amount of carbon monoxide and the temperature inside of combustion equipment

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Lab scale의 유중건조 조건을 이용하여 Pilot scale의 최적 운전조건을 파악하고자 세팅 온도 및 내부온도 측정 연구, 기름과 커피찌꺼기의 최적 비율 실험, 유중건조시간 실험, Calorimeter와 연소장치를 이용한 커피 펠릿 성능 고찰, 추가적으로 시중에 유통되는 목재 펠릿과 성능 비교시험을 실시하였다. 유중건조는 190℃의 식물성 기름 조건에서 기름과 커피찌꺼기의 비율은 4:1로 20분간 유중건조 하는 것이 가장 적합한 것으로 나타났으며, 열풍건조에 비하여 약 5배 정도 빠른 건조시간을 보여주었다.
유중건조와 열풍건조와의 건조효율을 비교분석 하였으며, 위 두 방법으로 생산한 고형연료의 특성고찰을 수행하고자 하였다.

제안 방법

다음으로 열풍건조 장비의 온도를 190℃로 세팅 후 Stainless steel bowl에 절반인 0.6kg의 커피찌꺼기를 채워 넣고 온도와 함수율을 측정하였다.
또한 연소 가스 측정 장비를 연소장치의 배관 끝 쪽에 Probe를 결속시켜 CO, CO₂ 등 연소 가스를 분석하였다.
발열량은 IKA 사의 C1 Calorimeter를 이용하여 측정하였으며, 수분 함량은 열풍건조기를 이용하여 시료를 105 ± 2℃에서 항량에 도달할 때까지 건조하고 무게를 달아 슬러지의 무게 차이로 수분의 양(%)을 산출하였다.
본 연구에서는 Lab scale에서 얻은 자료를 바탕으로 Pilot scale 장비의 최적운전 조건을 확립하고 커피찌꺼기를 Pilot scale 장비로 유중건조시켜 함수율 10wt.% 이내의 고형연료 제조를 목표로 하였다.
본 연구에서는 약 500W/m²C 의 높은 열전달 계수를 갖는 유중건조 기술이 사용되었으며 Table 1.에 열풍건조 대비 에너지 소비율을 나타내었다.^[5]
수분 함량 측정이 완료된 건조 시료를 이용하여 공업 분석(휘발분, 고정탄소, 회분)을 수행하였으며 전 처리된 시료 약 1g을 취하여 상온에서부터 950℃까지 반응온도를 상승시키면서 수분(105℃)과 휘발분(105 ∼ 950℃)을 측정하였다.
앞의 실험에서 생산된 슬러지 고형연료의 성능을 고찰하기 위해 Fig. 5의 장비를 이용하여 연료의 발열량, 공업분석, 연소율 및 연소가스를 측정하였다.
위와 동일한 조건하에 외부 온도를 300℃로 세팅 후 내부온도(기름) 190℃에 도달하였을 때 기름과 슬러지를 4:1, 5:1, 6:1 비율(무게 비)로 슬러지를 넣고 시간에 따른 온도 및 함수율을 측정하였다.
유중건조물의 펠릿 성형 시 연료의 균질성을 높이기 위해 190℃ 식물성 기름 조건에서 기름과 슬러지 비율 4:1로 건조하였으며 탈유공정 거쳤다.
93g/cm³인 콩기름을 반응기 Capa.의 2분의 1(20L)을 따른 후, 가열 장치의 세팅 온도별(200℃, 300℃, 350℃) 시간에 따른 내부 기름 온도변화를 측정하였으며, 세팅 온도별 Calibration을 작성하였다.
자체 제작한 연소장치를 이용하여 연료의 함수율별 연소율 측정을 진행하였다.
측정온도는 세팅 온도에서 기름을 가열 시 내부온도가 증가하지 않고 30분 이상 유지되는 온도를 측정온도로 하였다.
회수율을 높이기 위하여 Fig. 3의 Particle size 75㎛, 106㎛, 125㎛ 등 3가지의 Sieve analysis test를 이용하여 원심탈유기의 여과막을 통과한 기름 350g을 정량하여 각각의 Sieve에 넣고 Sieve를 원심분리기에 결속한 후 2분간 탈유를 진행하여, 탈유 전후의 무게 차를 비교하였다.

이론/모형

KS M 0009의 방법으로 연소율을 산출하였으며, 측정법은 연료를 넣고 가스 토치로 점화시킨 다음 송풍기를 이용하여 공기를 공급하여 연료가 스스로 다 탈 때까지 실험을 진행하였으며 이때 온도계의 온도가 80℃에 도달하게 되면 연료의 연소가 완료된 것으로 보고 연소 잔존물을 수거했다.

성능/효과

기름과 커피찌꺼기의 비율을 3:1로 선정 할 시 함수율 10wt.% 이내로 도달하는 시간이 30분 이상이 걸렸으며, 커피찌꺼기의 양이 많아지면 배출구가 막히는 현상이 일어났다.
%보다 1wt.%의 강도가 더 강했으며 탈유가 더욱 잘될수록 즉, 기름의 양을 적게 함유할수록 강도가 더 강했다.
%의 함수율을 보유하였을 때 강도가 높았다. Pilot scale 최적 운전조건으로 생산한 연료는 6,273kcal/kg의 발열량을 보여 연료로서의 가능성을 보여주었고, 99%의 높은 연소율을 보였으며, CO의 경우 함수율이 낮을수록 고온의 안정된 연소를 보여 CO가 낮게 측정되었다. 공업분석 결과 목재 펠릿과 비슷한 높은 휘발분 보유로 인하여 화염의 휘도가 높아 목재 펠릿와 비슷한 CO의 양을 보여주었다.
Pilot scale 최적 운전조건으로 생산한 연료는 6,273kcal/kg의 발열량을 보여 연료로서의 가능성을 보여주었고, 99%의 높은 연소율을 보였으며, CO의 경우 함수율이 낮을수록 고온의 안정된 연소를 보여 CO가 낮게 측정되었다. 공업분석 결과 목재 펠릿과 비슷한 높은 휘발분 보유로 인하여 화염의 휘도가 높아 목재 펠릿와 비슷한 CO의 양을 보여주었다.
성형한 고형연료를 가지고 연소 테스트를 진행한 결과 제품 모두 연소율은 99% 이상을 보였다.
건조 전과 후의 측정한 발열량을 Table 5. 에 나타내었으며 열 건조로 수분을 날려 측정한 결과 현재 발전소에서 사용되고 있는 목재 펠릿의 원료인 Wood powder, Wood chip, 탄화슬러지 보다 높은 발열량을 보였으며, 이는 커피찌꺼기 내에 잔여 기름으로 인하여 높은 발열량을 보였다고 판단된다.
열풍건조와 비교하여 유중건조 후의 공업분석결과 휘발분이 증가한 것을 확인하였으며, 이는 커피슬러지 유중건조물에 콩기름이 스며들어 열분석 시에 스며든 콩기름의 질량만큼 휘발분의 양이 늘어난 것으로 판단된다.
본 연구에서는 Lab scale의 유중건조 조건을 이용하여 Pilot scale의 최적 운전조건을 파악하고자 세팅 온도 및 내부온도 측정 연구, 기름과 커피찌꺼기의 최적 비율 실험, 유중건조시간 실험, Calorimeter와 연소장치를 이용한 커피 펠릿 성능 고찰, 추가적으로 시중에 유통되는 목재 펠릿과 성능 비교시험을 실시하였다. 유중건조는 190℃의 식물성 기름 조건에서 기름과 커피찌꺼기의 비율은 4:1로 20분간 유중건조 하는 것이 가장 적합한 것으로 나타났으며, 열풍건조에 비하여 약 5배 정도 빠른 건조시간을 보여주었다.
% 이하의 함수율의 경우 성형이 되지 않았다. 이로써 수분이 어느 정도 함유되어 있어야 성형이 잘되는 것을 확인하였으며, 유중건조물의 경우 수분과 함께 유분도 있어 함수율이 10wt.% 이상일 경우 건조물 내의 기름과 수분이 많아 성형이 잘되지 않는 것으로 판단된다.
최적조건으로 최종 생산된 고형연료의 실제 발열량을 측정한 결과 유중건조 후의 발열량은 6,273kcal/kg으로 열풍건조보다 656kcal/kg이 높았다.
함수율별 성형강도는 유중건조의 경우 함수율이 낮을수록 강도가 높았으며, 열풍건조의 경우 10∼15wt.

후속연구

끝으로 연료로서의 가치는 높으나 많은 CO 발생과 화염의 높은 휘도로 인하여 화력발전, 캠핑용 연료로는 부적합하다고 판단되나 초기착화 속도가 빠르며 발열량이 높아 현재 사용 중인 불쏘시개용 연료를 대체할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	커피 슬러지 및 찌꺼기를 건조하는 방법과 특징은 무엇이 있는가?	슬러지 및 찌꺼기를 건조하는 방법에는 직접 및 간접 열 건조의 방법이 있다. 직접건조법은 슬러지에 직접적으로 열풍을 가하여 수분을 증발시키는 방식이다. 사용 실례가 많으며 사용이 간편하나 타 건조법에 비하여 열전도율 낮아 시간이 오래 걸리며 효율이 떨어진다. 간접 건조법은 열매체를 통해 열전도를 이용하여 슬러지를 건조하는 방식이다. 이 방식은 열효율이 높으나 진공 또는 감압을 사용하여 부대시설비용이 추가적으로 필요하다.
	커피찌꺼기란 무엇인가?	커피찌꺼기란 생두를 로스팅한 후 원두를 잘게 쪼개는 그라인딩 과정을 거쳐 커피를 추출한 후 남은 잔여물을 말한다. 유기물을 풍부하게 함유해 연료로서의 가치가 높은 대신 수분 함량이 약 60wt.
	함수율별 성형강도는 어떻게 나타났는가?	함수율별 성형강도는 유중건조의 경우 함수율이 낮을수록 강도가 높았으며, 열풍건조의 경우 10∼15wt.%의 함수율을 보유하였을 때 강도가 높았다. Pilot scale 최적 운전조건으로 생산한 연료는 6,273kcal/kg의 발열량을 보여 연료로서의 가능성을 보여주었고, 99%의 높은 연소율을 보였으며, CO의 경우 함수율이 낮을수록 고온의 안정된 연소를 보여 CO가 낮게 측정되었다.

참고문헌 (5)

"Coffee ground biomass" (as of 2014) LG Challenger from: https://www.lgchallengers.com/wp-content/themes/lg/images/global/PDS/sample_1.pdf (accessed Sep, 10, 2018)
"The annual consumption of coffee per capita in Korea adult is 377 cups" (as of 2017) Ministry of Agriculture. Food Industry Policy Division. Sung-Woo Park, from: http://www.mafra.go.kr/mafra/293/subview.do;jsessionidptxeoPi-fKyzHO9WlW3TrDv6.inst11?encZm5jdDF8QEB8JTJGYmJzJTJGbWFmcmElMkY2OCUyRjMxNDQ2MCUyRmFydGNsVmlldy5kbyUzRg%3D%3D (accessed dec, 01, 2018)
"Fuel Properities of Spent Coffee Bean by Torrefaction" (as of 2013) Suk-kyu Lee, Kwang- Hyung Lee (accessed dec, 01, 2018)
"Solid fuel composition using coffee wastes" (as of 2009) form: https://patentimages.storage.googleapis.com/c7/9e/f8/fd8fe9214be532/KR20090085382A.pdf (accessed Sep, 10, 2018)
"Solid fuel of livestock wastes (manure) using Oil evaporative drying technology" (as of 2010) Chungnam institute. Hanbat national university. Tae-in Ohm, from: https://www.cni.re.kr/common/publicDown.asp?gcdAC00 00003241&seq2 (accessed Sep, 10, 2018)

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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