[논문]반탄화 기술을 이용한 가축분뇨의 고형연료화 가능성 연구

이용호; 어용 에르덴; 박대원

doi:10.12925/jkocs.2019.36.2.560

초록
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본 논문은 유기성 폐자원의 하나인 가축분뇨(우분)를 사용하여 고형연료화 가능성을 연구하고자 하였으며 생성물 제작 시 반탄화 방법을 이용하였다. 우분의 낮은 발열량을 개선하기 위해 첨가물을 사용하였으며 첨가물은 임업부산물인 톱밥과 계설성 폐기물인 낙엽을 사용하여 폐기물을 자원화 하고자 하였다. 반탄화 실험 진행 시 반응온도는 $200-260^{\circ}C$까지 $20^{\circ}C$씩 차이를 두어 생성물을 제작하였으며 반응시간은 15분, 30분, 45분으로 나누어 생성물을 제작 후 실험 조건이 반탄화 생성물에 미치는 영향을 알고자 하였다. 첨가물은 우분 대비 9:1, 8:2(우분:첨가물)의 비율로 섞어 시료 제작 후 반응생성물을 제작하였다. 본 실험을 통해 우리나라 고형연료제품 기준인 3,500 kcal/kg에 준하는 생성물을 얻을 수 있었으며, 첨가물을 추가하여 개선된 생성물을 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the study, used torrefaction method to make sample from organic waste of livestock manure for Biomass-solid refuse fuel feasibility study of torrefied materials. Fallen leaves and sawdust added in torrefaction methods with livestock manure, that additives were used to improve the lower calorific ...

In the study, used torrefaction method to make sample from organic waste of livestock manure for Biomass-solid refuse fuel feasibility study of torrefied materials. Fallen leaves and sawdust added in torrefaction methods with livestock manure, that additives were used to improve the lower calorific value of livestock manure. During the torrefaction experiment, the reaction temperature was varied from $200^{\circ}C$ to $260^{\circ}C$ and $20^{\circ}C$ to prepare a sample. The reaction time was divided into 15, 30 and 45min to determine the effect of the experimental conditions on the torrified products. The additives were mixed at a ratio of 9:1 and 8:2 (Cow manure: additive) relative to the livestock manure. Through this experiment, it was obtained 3,500 kcal/kg standard product of solid fuel produced in Korea and improved product was obtained by adding additives.

Keyword

표/그림 (17)

그림 Fig 1. Schematic diagram of torrefaction reactor.
표 Table 1. Physical and chemical composition of livestock manure
표 Table 2. Physical and chemical composition of sawdust
표 Table 3. Physical and chemical composition of fallen leaves
그림 Fig 2. Moisture analysis of torrefied products a) cow manure, b) cow manure and sawdust mixture(9:1), c) cow manure and fallen leaves mixture(9:1), d) cow manure and sawdust mixture(8:2), e) cow manure and fallen leaves mixture(8:2).
표 Table 4. Cow manure product MCA analysis
표 Table 5. Cow manure and sawdust(9:1) mixture product MCA analysis
표 Table 6. Cow manure and sawdust(8:2) mixture product MCA analysis
표 Table 7. Cow manure and fallen leaves(9:1) mixture product MCA analysis
표 Table 8. Cow manure and fallen leaves(8:2) mixture product MCA analysis
그림 Fig 3. High heating value(HHV) analysis of torrefied products a) cow manure, b) cow manure and sawdust mixture(9:1), c) cow manure and fallen leaves mixture(9:1), d) cow manure and sawdust mixture(8:2), e) cow manure and fallen leaves mixture(8:2).
표 Table 9. HHV and ultimate analysis of torrefied products from cow manure
표 Table 10. HHV and ultimate analysis of torrefied products from cow manure and sawdust mixture(9:1)
표 Table 11. HHV and ultimate analysis of torrefied products from cow manure and fallen leaves mixture(9:1)
표 Table 12. HHV and ultimate analysis of torrefied products from cow manure and sawdust mixture(8:2)
그림 Fig 4. FT-IR analysis of products a) Raw products, b) Torrefied products of torrefaction reaction in 260℃, 45min.
표 Table 13. HHV and ultimate analysis of torrefied products from cow manure and fallen leaves mixture(8:2)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 비교적 낮은 반응온도에서 이뤄지는 반탄화(torrefaction) 방법을 통해 원료의 손실을 최소화 하여 고형연료 가능성을 도출하고자 하였으며, 톱밥과 낙엽을 첨가제로 사용하여 폐자원 재활용과 더불어 원료의 낮은 발열량을 개선하여 고형연로써 사용 가능성을 도출하고자 하였다.

제안 방법

본 연구는 반탄화 반응을 통해 가축분뇨를 사용하여 고형연료 가능성을 도출하고자 하였으며, 반응물 생성 시 낮은 원료의 발열량 개선을 위해 임업부산물인 톱밥과 계절성 폐기물인 낙엽을 첨가제로 사용하여 생성물을 개선하고자 하였다. 실험 진행 시 열에너지는 전기적 회화로를 사용하여 공급하였으며 사용된 반응기는 Fig.
반탄화 생성물은 삼성분분석, 원소분석(vario macro cube, GmbH, Germany), 발열량분석(AC500, Leco, U.S.A), FT-IR(Nicolet iS10, Thermo scientific, U.S.A) 분석을 진행하였으며 이를 통해 고형연료로써 사용 가능성을 도출하고자 하였다.

대상 데이터

본 연구를 위해 가축분뇨(우분)는 경기도 안성에 위치한 한우농가에서 채취 후 사용하였으며 실험에 사용된 우분의 물리·화학적 조성은 Table1과 같다.
실험 진행 시 우분의 함수율과 낮은 발열량을 개선시키기 위해 첨가제(톱밥, 낙엽)를 추가하여 생성물을 제작하였다. 첨가제 중 톱밥은 서울시 노원구에 위치한 목공소에서 배출된 폐목재 재활용 1등급에 해당하는 부산물을 사용하였으며 물리·화학적 조성은 Table 2와 같다. 또한 서울시 노원구에 위치한 S대학의 캠퍼스 내 발생된 활엽수의 낙엽을 채취 후 파쇄 하여 실험을 진행하였으며, 사용된 낙엽의 물리·화학적 조성은 Table 3과 같다.

이론/모형

실험 진행 시 질소를 충전하여 무산소 상태의 조건으로 반응을 진행하였다. 생성물 제작 시 100 g을 투입하여 실험을 진행하였으며, 첨가제 추가 시 9:1, 8:2(우분:첨가제)의 wt%비율로 혼합 후 폐기물공정시험법 제 2항의 구획법을 이용하여 혼합시료 제작 후 실험을 진행하였다. ;

성능/효과

1. 반탄화 반응을 통해 생성물 제작 시 반응시간이 생성물 개선에 큰 영향을 미치지만 고온으로 반응온도가 상승 시 반응 시간이 생성물에 미치는 영향은 적어진다. ;
2. 가축분뇨를 사용하여 반탄화 반응을 통해 생성물 제작 시 첨가물을 통해 고형연료로써 개선이 가능하지만 첨가물에 의한 생성물 회분의 함량이 증가하는 현상을 야기한다.
3. 반탄화 생성물의 경우 석탄밴드의 개선과 생물학적 안정성과 연소 시 개선점을 보였으며 적정반응을 통해 우리나라 고형연료제품기준(3,500 kcal/kg)에 만족하는 생성물을 얻을 수 있다.
4. 생성물의 분석결과 단순 수분제거 뿐 아니라 화학적 구조 변화가 동반되기 때문에 반탄화 반응 이용 시 생성물의 수분 재흡수를 낮출 수 있을 것이라 사료된다. ;

후속연구

상기 결과를 통해 반탄화 반응을 이용하여 가축분뇨를 고형연료로 제작 시 첨가물을 통해 생성물의 개선을 이룰 수 있으며, 수분재흡수 및 생물학적 안정성이 높아지는 것을 알 수 있었다. 반탄화 생성물을 고형연료로 사용 시 ICP-MS 등을 사용하여 중금속 및 화학물질의 추가적인 분석과 생성물 제작 시 발생하는 가스, 침출수 등의 추가적인 분석이 필요할 것으로 사료된다. ;

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 가축분뇨를 에너지원으로 사용하고자 하는 시도의 한계는 무엇인가?	가축분뇨를 에너지원으로 사용하고자 하는 시도는 지속되어 왔지만 제도적 기준이 없었기 때문에 주로 퇴비화를 통한 처리에만 크게 의존하고 있다. 하지만 퇴비화를 통한 가축분뇨 처리시 도시화로 인해 농경지의 지속적인 감소율을 보이고 있는 우리나라 상황에서 수용의 한계를 보이고 있다[2,3]. 가축분뇨를 단독으로 사용해 고형연료화 시 원료의 낮은 발열량으로 인해 연료화의 어려움을 갖는다.
	반탄화 반응은 어떤 특징을 가지고 있는가?	탄화는 높은 반응온도로 인해 투입되는 에너지의 양이 많으며, 원료의 에너지 손실이 큰 단점을 갖는다. 반탄화는 탄화에 비해 높은 반응온도로 물리적 변화 뿐 아니라 화학적 변화를 일으켜 수분재흡수를 방지하고 탄화에 비해 원료의 에너지 손실이 적은 장점을 갖는다. 따라서 FT-IR 분석을 통해 본 실험을 통해 생성된 생성물의 O-H 결합(3,400-3,200 cm-1) 파장과 C-O 결합(1,200-1,000 cm-1) 파장을 분석하여 화학적 구조 변화를 알아보고자 하였고 수산기의 감소를 분석 하여 운반이나 저장 시 개선점을 분석하고자 하였다.
	가축분뇨를 단독으로 사용해 고형연료화의 문제점은 무엇인가?	하지만 퇴비화를 통한 가축분뇨 처리시 도시화로 인해 농경지의 지속적인 감소율을 보이고 있는 우리나라 상황에서 수용의 한계를 보이고 있다[2,3]. 가축분뇨를 단독으로 사용해 고형연료화 시 원료의 낮은 발열량으로 인해 연료화의 어려움을 갖는다. 따라서 임업부산물(톱밥) 등을 혼합 후 발효, 건조시켜 성형 시 고형연료로써 가치를 높일 수 있다[4-6].

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