[논문]산업용 대마 목부를 이용한 고밀화 펠릿 연료 제조

신수정; 한규성; 심화섭; 안병국

산업용 대마 목부를 이용한 고밀화 펠릿 연료 제조
Densified Pellet Fuel from Woody Core of Industrial Hemp 원문보기

신수정 (충북대학교) , 한규성 (충북대학교) , 심화섭 (당진군농업기술센터) , 안병국 (신성대학)

We made densified wood pellet by hemp woody core as replacing wood resource. Hemp was separated into the bast fiber and the woody core by hot steaming treatment. The hemp woody core had a similar lignin content and carbohydrate composition with hardwood. Also, the hemp had a low ash content, which resulted in a low ash formation in pellet burning. Heating value of the hemp pellet had a very similar to the pellet made by hardwoods. The hemp woody core can replace hardwood for densified wood pelletmaking.

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문제 정의

본 연구에서는 산업용 대마 종자를 수확하고 버려지는 부분 중 인피섬유를 제거한 후 남아 있는 목부 바이오매스를 이용하여 고밀화된 제품을 만들어서 그 연료 특성을 분석하여 고체연료서의 가능성에 대하여 조사하였다.
열매 수확 후 버려지는 산업용 대마를 이용한 목질 펠릿 제조화 가능성과 펠릿의 특성을 살펴보았다. 산업용 대마의 성분 분석 결과 활엽수와 비슷한 리그닌 함량과 당 구성을 보였다.

가설 설정

대기 중에 있는 이산화탄소를 이용하여 광합성을 한 다음 그 자원을 다시 이용한다면 대기 중 이산화탄소의 농도 증가에 영향을 미치지 않을 것이다. 버려지는 땅에 급속생장이 가능한 목질계 바이오매스를 수확하여 이용한다면그런 목적을 달성할 수 있다.

제안 방법

8메쉬 표준체를 통과한 기건 상태의 톱밥을 피스톤 타입의 펠릿제조기 (그림 1)를 이용하여 소정의 온도와 압력 및 압축시간을 적용하여 펠릿을 제조하였다.
CE Instrument 사의Automatic Elemental Analyzer EA1110를 사용하여 원소분석을 실시 하였다 40 mesh이하로 분쇄된 시료 10mg을 1800℃에서 연소 시킨 후 발생하는 각각 원소의 기체를 GC(Gas Chromatography) 칼럼을 통과 시키면서 이동속도에 따라 분리한 후 열전도도 검출기로 검출하여 각 원소의 구성비율을 계산하였다.
단당류의 정량 분석을 위하여 arabinose, xylose, mannose, galactose, glucose 5종류의 단당류 표준물질로 표준 용액을 만들어 검량선을 구하였고 retention time에 따른 각 단당류 표준물질의 피크는 Fig.1과 같다.
무기물을 구성하고 있는 원소 구성을 추정하기 위하여 원소 분석을 실시 하였다. 대마 목부를 구성하고 있는 주요 무기물 원소로는 Ca가 1333.
무기물을 구성하고 있는 원소 성분을 정량 분석 하기 위하여 Shimadzu사의 Atomic Absorption Spectrophotometer Model AA-6401을 사용하여 측정하였다.
4%가 목부로 구성되어 있었다. 본 실험에서는 그 중 목부 부분으로 펠릿을 제조하였고 성분 분석을 하였다.
산업용 대마 목부를 이용하여 펠릿을 제조하였을 경우 생겨나는 재의 양을 추정하기 위하여 무기물 함량을 분석하였다 무기물 함량은 0.5%로 목부 분말이나 펠릿으로 제조하였을 경우 같은 함량을 보였다.
시료 1.00g을 연소로에 넣은 후 525℃까지 가열한 후 도달한 온도에서 10 시간 열 분해하여 유기물을 제거한 후 남아있는 회분의 양을 측정측정하였다.
연소할 때 발열량을 대략적으로 추정하기 위하여 C, H, O, N 원소의 함량을 유기 원소분석기를 이용하여 측정하였다.
전건 시료 을 열량계(Parr Instrument Co. 1341 Oxygen Bomb Calorimeter)에 넣고 산소를 충전한 후 점화하여 연소 전후의 온도변화에서 전건열량 (HHV, higher heating value) 을 계산하였다.
탄수화물의 구성당 분석은 Dionex High사의 Performance Anion-Exchange Chromatography(HPACE)을 분석하였다 사용한 컬럼은 CarbopacPA 10 (4 x 250cm)을 사용하였고, ED50 pulsed amperometric detecor를 사용하여 검출하였으며, flow rate (0.8 ml/min)로 측정하였다.

대상 데이터

무기물을 구성하고 있는 원소 성분을 정량 분석 하기 위하여 Shimadzu사의 Atomic Absorption Spectrophotometer Model AA-6401을 사용하여 측정하였다. 목질계 바이오매스에 널리 분포하는 Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na 6가지 원소에 대하여 분석하였다.
충남 당진군 농업기술센터의 지도로 산업용 대마를 재배하는 농가에서 7월 중순 파종하여 종자 생산을 위해 재배한 청삼의 종자 수확 후 들판에 남아 있는 산업용 대마 목부를 채취하여 이를 30cm로 크기로 자른 후 이를 120℃에서 30분간 증해한 후 인피섬유(bast fiber)와 목부(woodycore)를 분리하였다 분리한 목부를 파쇄한 후 펠릿 제조에 적당한 크기(8mesh 통과하고 20 mesh통과하지 못한 부분)를 체로 선별하였다.

이론/모형

2.2 목부 구성물의 리그닌 및 당 분석

분리된 목분을 분쇄한 후 리그닌 함량 Tappi Test Methods T222 om-88방법으로 분석하였다.

성능/효과

대마 바이오매스를 목부와 인피 섬유로 분리한 결과 20.6%가 인피 섬유 79.4%가 목부로 구성되어 있었다. 본 실험에서는 그 중 목부 부분으로 펠릿을 제조하였고 성분 분석을 하였다.
5%정도이어서 연료로 사용할 경우 재의 생산 양의 크지 않을 것이다. 원소분석 결과 대기 오염을 유발할 수 있는 질소와 황함량의 경우 황 성분은 전혀 포함하지 않고 있으면 약간의 질소 성분을 포함하고 있는데 현사시나무와 비슷한 수준이었다.

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