초록 ▼

○ 연구결과
1. 농업부산물 펠릿제조를 위한 원료 건조시스템 개발
- 회분 함량이 높은 농업부산물을 원료로 사용한 사이클릭 연소장치를 기본원리로 연소로 시제작
- 아그로 원료의 회 분량을 감안하여 연소로 하부에 자동재처리 시설 구비
- 초기 연소 및 보조열원으로 사용 가능한 오일 타입의 버너 부착
- 연소로 및 덕트류의 온도 감지로 제어가 용이함
- 대용량의 건조방식으로 건조효율을 높이기 위해 내부형식을 3pass로 구성된 건조로 제작
- 원료 건 조 후배출전 사이클론에 레벨센서를 감지하여 수분

○ 연구결과
1. 농업부산물 펠릿제조를 위한 원료 건조시스템 개발
- 회분 함량이 높은 농업부산물을 원료로 사용한 사이클릭 연소장치를 기본원리로 연소로 시제작
- 아그로 원료의 회 분량을 감안하여 연소로 하부에 자동재처리 시설 구비
- 초기 연소 및 보조열원으로 사용 가능한 오일 타입의 버너 부착
- 연소로 및 덕트류의 온도 감지로 제어가 용이함
- 대용량의 건조방식으로 건조효율을 높이기 위해 내부형식을 3pass로 구성된 건조로 제작
- 원료 건 조 후배출전 사이클론에 레벨센서를 감지하여 수분측정이 효율적으로 이루어지도 구성됨
- 곡물의 함수율에 따라 유전율이 달라지는 원리를 이용한 고주파 방식으로 원료 수분측정
- 연소로 내부온도를 450~500℃ 건조기 출구온도는 아그로 원료에 따라 다르나 40~70℃ 일 경우 안정적인 건조가 이루어짐
- 아 그로 원료에 따라 원료 투입 속도, 건조기 회전수, 송풍량을 인버터로 조절하며 건조하여야 됨
- 건조용량 증가 및 고수분에서 건조하기 위해서는 사이클론, 로타리밸브 용량 증가등 일부 추가 실험이 필요함
2. 시설원예용 고효율 중형급 펠릿 보일러 개발
- 회분 성분이 높은 아그로펠릿 연소에 있어 클링커 발생 최소화 및 자동제거장치고안, 부착이 용이한 하부 투입방식이 안정적임
- 연소부인 고정로스톨을 회전하는 장치에 별도 클링커 제거 장치 부착후 회전운동 시 덩어리화된 클링커를 제거하는 장치 고안 및 추가 설계하여 크랭크를 하부로 낙하시켜 연소효율 향상될 것으로 판단됨
- 난방능력을 조절하고자 이송량 제어를 인버터로 조절 및 ,시간대별 외기온도에 대응코져 4단 변온 프로그램 설정
- 원예농가 특성 고려하여 불꽃유지기능(최소연료 불씨 유지)을 추가하여 초기 점화 후 장기간 보일러 온도 유지할 수 있는 기능으로 안정적인 운전유지
- 원예농가의 하우스 내부온도가 가장 중요하여 보일러의 안전장치를 강화하여 역화감지,미착화 감지, 온도센서 이상, 보일러 이상 고온 및 저온, 연료 없음, 온수 끓음방지, 온수 동결 방지, 모터 안전 장치 기능을 추가하여 안전성이 강화됨
- 목질 펠릿연료량(79 ~ 155㎏/h)에 따른 난방능력 실험시277,000~474,000㎉/h이었으며, 난방능력 증가시 열효율은 감소하는 경향을 보임
- 일산화탄소(CO)배출량은 볏짚 / 왕겨의 공급량이 많을수록 배출량이 많은 것으로 나타났고, 세라크울로 연소실 내부를 단열할 경우 일산화탄소 배출량이 감소하는 경향을 보였으며,목재 펠릿 연소 시 배출되는 일산화탄소(CO)량보다 농업 부산물 펠릿 연소시 배출되는 일산화탄소(CO)량적
은 경향을 보임
- 농업 부산물 펠릿의 열효율은 목재 펠릿보다 약 8~29% 정도 낮은 경향을 나타내었고, 볏짚 펠릿의 경우 열효율이 약 70~75%로서 다른 농업 부산물 펠릿의 열효율과 비교하여 높은 것으로 나타남
- 농업 부산물 펠릿 연소용 고효율 보일러의 최대발열량은 농업 부산물인 볏짚 펠릿의 연소에서 약 200,000 kcal / hr로 나타남
- 농업 부산물 펠릿연소용 고효율 보일러의 열효율을 향상시키기 위해서는 배기구로 배출되는 폐열을 재순환하여 급수되는 물과 열교환이 이루어져야 필요할 것으로 판단됨
- 연소실 내부를 단열함으로써 일산화탄소 감소와 열효율을 높일 수 있는 가능성 확인
3. 농업부산물을 이용한 중형급 펠릿 제조장치 개발
- 투입롤러에 의한 원료의 미끄럼 방지, 롤러속도조절에 의한 원료 투입량 조절, 유압에 의한 원료 과다 투입 조절 등이 가능한 파쇄 장치로 농업부산물의 용이한 파쇄는 가능하나, 산지 수집형태에 따라 원료 투입방식이 결정되어야 함
- 투입호퍼內이송스크류에 의해 투입된 원료를 햄머와 충돌 후 분쇄시키고, 분쇄물은 임펠러에 의해 사이클론 집진 장치로 이송하는 분쇄 장치로서 펠릿생산에 적합한 입도로 분쇄가능
- 분쇄 장치의 스크린 타공망 크기 변경으로 원료용 또는 연료용으로 농업부산물 분쇄가능
- 혼합 장치 내 이 송장치의 Hz조정을 통해 원재료와 부재료의 적정량 혼합이 가능하며, 연소효율을 고려한 재료별 혼합이 가능함
- 사전조사 및 시험에 의해 농업부산물의 펠릿 공정은 원료-파쇄(집진) - 분쇄-집진이 송-압축-펠릿성형-냉각-선별-계량-포장의 공정을 거쳐야 하며, 공정에 따른 설계 및 시제작 완료
- 펠릿생산방식에 대한 사전 검토결과 농업부산물에 적합한 Flat-type 방식의 펠릿성형기 결정과 그에 따른 헬리컬감속기 및 하우징 설계, 풀리에 의한 축 회전속도의 조절이 가능한 펠릿성형기 설계 제작
- 펠릿성형기 투입 전 원료의 입도는 최대 3mm미만이며, 분쇄 과정 중 발생하는 미분쇄된 입자를 백필터로 집진했을 때 집진효율이 증대됨
- 펠릿생산시 발생하는 마찰열을 常溫수준으로 냉각시키는 공정이 반드시 필요하며, 냉각장치의 공기 유량은 15m³/min이며, 30분간 냉각장치內체류했을 때 냉각효율이 가장 좋은 것으로 나타남
- 최적 펠릿성형을 위한 Dies의 재질은 크롬 합금강의 일종인 sus 420j2가 가장 적합하며, 홀의 개수는 360개 줄 수는 6줄, L/Dratio는 4:1, 롤러의 폭은 30mm가 가장 적합한 것으로 나타남
- 펠릿 생산 전 분쇄물의 밀도가 높을수록펠릿 생산후 펠릿의 겉보기밀도가 상승했으며, 압축밀도가 280g/L일 때 목재펠릿 1등급 겉보기 밀도인 650g/L를 상회하며, 내구성 측정결과도 평균 98%로서 매우 양호한 것으로 나타남
- 분쇄물을 압착시킬때 소요 암페어는 10A미만으로 펠릿 품질 및 생산성에 비해서 밀도상승장치의 동력소모는 매우 낮아 경제성 있는 것으로 판단됨
- 연료용으로 사용되는 펠릿의 함수율은 10%미만일 때 열효율이 증대되는데,공기중 노출되는 펠릿은 흡습작용으로 함수율이 상승되므로 공기가 통하지 않는 비닐 씰링을 통해 저장보관 되어야 되는데 비닐 씰링으로 포장 후 저장했을때 보관시간과 관계없이 초기함수율을 유지하지만, 노출
시에는 펠릿함수율이 지속적으로 상승했음
4. 농업부산물의 성형성과 연소효율 개선을 위한 전처리 기술개발
- 활용 가능한 농업부산물(볏짚, 고춧대, 옥수숫대, 담뱃대 등)에 대한 물성, 열량, 가용물량 등 조사하여 화학 조성, 원소 조성분 등의 기초자료 구축
- 농업부산물의 연소효율 개선을 위한 전처리 방법으로 노지에서 약 5주정도 건조후 펠릿 성형화 작업 시 회분 감량, 발열량 증대 등의 효과가 있음
- 농업부산물의 펠릿 제조를 위한 최적 조건으로는 농업부산물마다 차이는 발생하나 피스톤식 펠릿성형기아그로펠릿 내구성 향상방안으로는 성형 온도 150℃ 정도에서 성형성 개선,중앙부 부러짐이 가장 양호하였으며, 플랫다 이 방식 펠릿성형기 : 아 그로펠릿 내구성 향상방안으로는
다이의 온도(최 외각)는 75℃, 20A 내외의 전류 상태에서 양호하였음
- 농업부산물을 활용한 연료 공급화를 위한 전처리로 목재원료로 시설원예 현장적용 실험실시
- 타 연료와의 비교 및 경제성분석
• 아그로펠릿의 경우 원료의 수집 및 구매조건에 따라 펠릿의 가격이 결정
• 아그로펠릿의 발열량은 목재펠릿보다 20-30% 정도 낮으므로 가격은 목재펠릿보다 적어도 30% 이상 낮아야 함
• 볏짚의 경우 500kg/롤의 가격이 50,000-55,000원에 이르고 있어 목재의 가격보다 높거나 같아 가격경쟁력이 없음
• 아그로 펠릿의 경제성 확보를 위해서는 농업 및 축산업 분야와 경쟁이 되지 않는 원료 탐색 또는 연료가 아닌 축산분야로 부가가치 모색

Abstract ▼

Chapter 1. Development of a drying-system for agricultural residues in the manufacturing process of a gropellets In general, agricultural residues, such as rice straw, barley straw, wheat straw, corn stalk and pepper stalk, have been used as a manure or feed. In addition, utilization of the agricult

Chapter 1. Development of a drying-system for agricultural residues in the manufacturing process of a gropellets In general, agricultural residues, such as rice straw, barley straw, wheat straw, corn stalk and pepper stalk, have been used as a manure or feed. In addition, utilization of the agricultural residues as a fuel material also has been increased steadily.
Drying system developed in this study largely consisted of six parts. First part was a injection equipment that agricultural residues collected from the cultivating areas of each agricultural product were fragmented into small size which are able to producepellets, stored in this equipment, and discharged to next process. Second part was a rotating drum that the fragmented agricultural resid uesprovided from theinjection equipment were carried to a3-way drying equipment, dried in the equipment, and discharged to next process. Third part was a combustionfurnace which providesheattopelletizablematerials with the connection of acyclic-combustion equipment. Fourth part was acyclone, whichseparatespelletizing materials, connecting to theoutle to frotating drum. Fif thpart was asecondary combustionfan, which transferspelletizablematerial sbystrongair, connecting to the cyclone. Sixth part was aoutletcontroller, which dischargesonlypelletizablematerial swithless than12% moisture content, connecting to bottom section of cyclone. In addition, moisture sensor and level sensor were attached to the outlet controller. According to the sensors, the dried pelletizable materials were discharged normally or unusually by two-way motor.
From this system, a gricultural residues might be dried to a propermoisturecontent, which can be used as a pelletizable material. This system mightal so be applicable to a dry ing system for wooden materials as well as for the manufacture scale
Chapter 2. Development of high-efficiencyboilers for the combustion of a gropellets This study was conducted to develop ahigh-efficiencyboiler for the combustion of agropellets. This boilerconsisted of sixparts. Firstonewas astorage part, whichstores agropellets. Secondonewas a combustion part, which burnsagropelletstransferred from
storage part. Thestorage and combustion parts wereconnected mutually. Thirdonewasa fuel-transferring part, whichisinstalled betweenthestorage and combustion parts. Inthis part, a gropellets aretransferred fromstorage part to combustion part by themassweight of theagropelletsitself. Fourthonewasaheatexchanging part, which heat swaterby steamprovided fromacombustion part. Fif thonewas a combustionfan, which provides outsideairto combustagropellets in the combustion part. Sixthonewas a secondary combustionfan, which dischargesinsideairin the heatexchanging part. Inparticular, this boilerwas designed toincrease the combustionefficiency of a gropellets produced withrice strawand husks.
Although wood pelletscan be used by various combustion equipments,use of combustionequipments for agropelletsorwastesolid-fuelshas beenrestrictedowing to its intricateness of combustion. Interestingly, a gricultural residuessuchas ricestrawand huskscaneasily obtainin largequantities fromrice paddy, resulting initslow cost of securing rawmaterials. However, utilization rate of theagricultural residues as araw material of solid fuelshas beenextremely low, and most of theagricultural residues are used as arawmaterial forthe production of compost. Littleamount of theagricultural residuestorrefied has beenused as a fuelandridging.
Agricultural residueshave hardlybeenused as arawmaterial of solid fuels ofar. The reasonsareas follows. At first, a gricultural residues, suchas ricestrawand husks, have a higher combustiontemperature thansolid logorsaw dust because of theirchemical
compositioncomparing to wood. Secondly, whenagricultural residues areused as a fuel, muchclinkerin the burning furnace is produced due to theirincomplete combustion and high contents of carbonizationgas andash. Thirty-five percentage of the carbonization gas, whichis formedduring the pyrolysis of a gricultural residues, consisted of pyroligneous liquorand tar. During the combusting process, the pyroligneousliquorand tarareattache don the funnel offuel-transferring part, resulting in reducing the fuelsupply.
Non-condensationgasconsisting 20% of the carbonizationgashadhigh quantity of heat. but noxiousgassuchascarbon monoxide isemitted from theincompletecombustion of agricultural residues. Therefore, it is required to prepare the safety wayagainstharm ful gases whentheagricultural residues areused as a fuelin the closed spacelike a green house.
Therefore, in thisstudy, it wasconfirmed that combustionequipments foragropellets wasneeded improving the combustion characteristics of a gricultural residues andremoving ashefficiently.
Chapter 3. Development of mid-size pelletizer for the production of a gropellets
Inpresent, utilization of renew ableenergy has beenincreased steadily with surging the interestandapplication of biomassover the world. Particularly, pelletizerfor wooden material swassuccessfully deployedona commercial scale. However, pelletizerfor
agricultural residuesisstillin the beginning stages becauseagricultural residueshave several problems, suchas the unique characteristics, high collection costandother utilization, to be used as arawmaterial of solid bio-fuels. Additionally, a gricultural
residues, suchas ricestraw, barleystrawand wheatstraw, arenecessary to be densified forusingefficiently as arawmaterial of solid bio-fuels, al though bedifferent depending uponitscollectionand transportationtypeand characteristics.
This study was conducted to investigate the variables affecting on the fuel characteristics of a gropellets, whichweremade withricestraw.Basedon theresults, pelletizing process forricestrawweredetermined, and the processes areas follows. First one wasachipping process thatricestraw of circular-bailedorsquare-bundletypewas smashedintochip. Secondonewas a grinding process that thechip- sizericestrawwas groundintoparticles, which have a propersizeforthe production of pellets. Thirdonewas acollecting process that the groundricestrawwastransferred by strong wind, screened toremove finedust, and collectedinalargeroom. Fourthonewas a conditioning process that the collected particles wereadjusted to propermoisturecontent forpelletizing. Fifth onewas a density-increasing process thatagricultural residues, which havealowspecific gravity, were densified to a properlevel resultinginimproving the formability of the pellets. Sixthonewas a pelletizing process that the particles of a gricultural residues were densified by the pressure ofatleast 650kg/㎥with the mutualinteraction ofrollerand dice. Seventhonewas a cooling process that the pellets produced from the pelletizing
processwerecooled to thelevelo froom temperature. Eightonewas ascreening process that dustorfine producedduring the processes of pelletizing, coolingand transferring was removed. Nin thonewasameasuring process that thescreened pellets weremeasured by the unit of 20kg. Finalonewasavinyl-sealing process that the pellets of 20kg were packaged to prevent themmoistureabsorption.
From thisstudy, it wasconfirmed thatagropellets fabricated withagricultural residues can beused commercially. Additionally, herbaceous plant, suchas reed and silvergrass, might beused as arawmaterial of a gropellets.
Chapter 4. Development of pretreatmenttechnique for improving the formability and combustion efficiency of a gricultural residues Forthe production of solid bio fuel, newalternatives areneeded toreducereliance on wood, whichiscurrently the predominant biomass combustionfuel. Thisstudy was conducted toidentify the potential of ricestraw(RS) and husk(RH) as arawmaterial for pellet productions. RS and RH could be easilydried compared to woody biomass, but contained significantlevels of a sh. Higher heating values of theair-oroven-dried RS and RH were slightly lower than commercial wood pellets. RS and RH contained quitemore Ca and K than larch saw dust. Theoutdoorexposure of RS for certain period reducedits as hand moisture contents effectively. The durability of RS and RH pellets improved steadily with increasing pelletizing temperature and time. These results suggested that RS and RH presentasuitablealternativedue to its availability, relatively high calorific value and low moisture content. Pelletizationunderappropriateconditionsalsoenabled the durability and bulk density of RS and RH to beimproved,enhancingitspotentialas an alternative combustion fuel. In particular, significantreductionoccurredinashand moisture contents of RS during 15-week exposure on-rice paddy.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 6
• CONTENTS ... 11
• 목 차 ... 15
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 18
• 제 1절 연구개발의 목적 ... 18
• 제 2절 연구개발의 필요성 ... 18
• 제 3절 연구개발의 내용 및 범위 ... 19
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 21
• 제 1절 농업부산물 펠릿 보일러 ... 21
• 제 2절 농업부산물 펠릿 제조장치 ... 22
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 23
• 제 1절 농업부산물 펠릿 제조를 위한 원료건조시스템 개발 ... 23
• 1. 농업부산물 펠릿 제조를 위한 원료 건조시스템 개발 ... 23
• 가. 시설원예용 보일러 시장 조사 ... 23
• 나. 건조시스템 Layout ... 25
• 다. 건조시스템 주요사양 ... 27
• 라. 건조시스템 세부설계내역 ... 28
• 마. 건조시스템 구성내역 ... 35
• 바. 고주파 센서를 이용한 수분측정 시스템 ... 38
• 사. 건조시스템 실험내역 및 결과 ... 39
• 제 2절 농업부산물 펠릿 연소용 고효율 보일러 개발 ... 45
• 1. 농업부산물에 최적화된 연소장치 개발 ... 45
• 가. 연소방식별(하부,상부투입,버너방식등)연소특성 분석 ... 45
• 나. Ash함량이 높은 고체연료 연소시 슬래그 방지 최소화 기술개발 ... 47
• 2. 농업부산물 펠릿용 고효율 열교환기 개발 ... 48
• 가. 보급형 보일러 시스템 Layout ... 49
• 나. 보일러 개발사양 ... 50
• 다. 펠릿보일러 사양결정 ... 51
• 라. 펠릿보일러 설계내역 ... 55
• 마. 펠릿보일러 기초실험 ... 66
• 3. 내구성,안정성,사용편리성 향상을 위한 기술개발 ... 70
• 가. 자동재처리 및 청소 용이한 구조 ... 70
• 나. 역화방지 장치 ... 72
• 다. 사이클론 성능파악 ... 74
• 4. 고효율 펠릿 보일러 보완 설계,제작 ... 74
• 가. 보일러 시스템 Layout ... 74
• 나. 보일러 성능시험 ... 78
• 다. 보일러 제어부 ... 112
• 5. 현장적용 및 실험분석 ... 114
• 가. 시설원예 현장적용 실험 및 안정성 및 성능분석 ... 114
• 제 3절 농업부산물을 이용한 중형급 펠릿제조장치 개발 ... 117
• 1. 농업부산물 파쇄장치개발 ... 117
• 가. 파쇄장치(파일롯) ... 117
• 나. 분쇄장치개발 (파일롯) ... 120
• 다. 혼합장치(파일롯) ... 125
• 2. 농업부산물을 이용한 중형급 펠릿제조장치 개발 ... 126
• 가. 펠릿성형방식별(Ring-Type,Flat-Type,Screw-Type)특성 분석 ... 126
• 나. 펠릿성형 System lay-out ... 129
• 3. 농업부산물을 이용한 펠릿제조 최적조건 구명 ... 144
• 가. 최적 펠릿성형 다이스 개발 ... 144
• 나. 분쇄물 밀도별 펠릿의 물리적 특성 ... 148
• 다. 비닐씰링을 통한 펠릿 함수율 제어 ... 151
• 제 4절 농업부산물의 성형성과 연소효율 개선을 위한 전처리 기술 개발 ... 153
• 1. 농업부산물 펠릿 제조를 위한 기초조사 및 물성평가 ... 153
• 가. 서 론 ... 153
• 나. 아그로펠릿 산업 동향 ... 154
• 다. 실험방법 ... 158
• 라. 결과 및 고찰 ... 161
• 마. 결 론 ... 170
• 2. 농업부산물의 성형성과 연소효율 개선을 위한 전처리 기술 개발 ... 171
• 가. 서 론 ... 171
• 나. 실험방법 ... 179
• 다. 결과 및 고찰 ... 184
• 3. 시설원예 현장적용실험 및 경제성 분석 ... 194
• 가. 서론 ... 194
• 나. 실험방법 ... 206
• 다. 결과 및 고찰 ... 207
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 220
• 제 1절 1차년도 ... 220
• 제 2절 2차년도 ... 221
• 제 3절 3차년도 ... 222
• 제 5 장 연구개발 성과 및 성과활용 계획 ... 223
• 제 1절 실용화, 산업화 계획 ... 223
• 제 2절 교육·지도·홍보 등 기술확산 계획 ... 224
• 제 3절 특허,품종,논문 등 지식재산권 확보계획 ... 224
• 제 4절 추가연구, 타연구 활용 계획 ... 225
• 제 6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 227
• 제 1절 아그로 원료 건조시스템 연구 동향 ... 227
• 제 2절 고효율 펠릿보일러 연구 동향 ... 231
• 제 3절 펠릿 제조 장치 연구 동향 ... 231
• 제 7 장 연구시설·장비 현황 ... 233
• 제 8 장 참고문헌 ... 234
• 연구개발보고서 초록 ... 239
• 끝페이지 ... 244