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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.49 No.2 pp.137-144
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2015.49.2.137

Heated-Air Drying Characteristics of Water Hyacinth

Min-Soo Kim, Gi-Young Kweon, Dae-Bin Song*
Dept. of Bio-Industrial Machinery Eng., Gyeongsang National Univ.(Institute of Agric. & Life Sci.), Jinju, 660-701, Korea
Corresponding author: Dae-Bin Song Tel: +82-55-772-1895 Fax.: +82-55-772-1899 dbsong@gnu.ac.kr
October 6, 2014 April 10, 2015 April 16, 2015

Abstract

As worldwide concerns about global warming due to the emissions of CO2 and other greenhouse gas have increased, interest in using biomass for energy is on the rise. Water hyacinth(Eichhornia crassipes) is a perennial aquatic plant native to tropical and sub-tropical South America, and it takes between 6 and 28 days to double in weight, and between 4 and 58 days to double in numbers; 2 million plants per ha that weigh 270 ~ 400 tons. The plant grows so fast without any additional supply of nourishment at 20°C water, so it can be grown at the reservoirs from April to October in Korea. Thus, the water hyacinth can be a good substitute of wood in terms of price if the heating value is improved by torrefaction.

This study investigated the heated-air drying characteristics of water hyacinth for development of a dryer to reduce the moisture efficiently. Water hyacinth was dried with three levels of air temperature settings(26 ~ 28°C, 30 ~ 32°C, 34 ~ 37°C) and two air flow rate settings((33.53 m3/min, 42.58 m3/min) with cut and uncut materials. As a results, water hyacinth could be dried below 20% of moisture content under the condition of 5 %/hr of drying rate, 40°C of drying air temperature, and 1.05 m3/min-kg of specific airflow rate.


부레옥잠의 열풍건조 특성

김 민수, 권 기영, 송 대빈*
경상대학교 생물산업기계공학과(농업생명과학연구원)

초록

대량생산이 가능하여 바이오매스로서 활용가능이 큰 부레옥잠의 수확 후 건조 장치를 개발하기 위한 열풍건조 특성을 분석하였다. 수확 후 절단된 원료의 경우 수분과 원료 고형분이 혼합된 죽처럼 형상 화되어 공극이 불량하여 통풍건조가 불가능하였다. 절단하지 않은 원료는 공극이 비교적 잘 형성되어 통풍건조가 가능하였으며, 풍량 2 수준(33.53 m3/min, 42.58 m3/min) 건조공기 온도 3 수준(26 ~ 28°C, 30 ~ 32°C, 34 ~ 37°C)으로 건조실험을 수행한 결과 건조속도는 건조공기 온도에 많은 영향을 받았으며, 부레옥잠 열분해 처리를 위한 함수율을 약 20%로 가정할 경우, 가장 적합한 건조방식은 풍 량 42.58 m3/min, 건조공기온도 37°C, 풍량비 1.05 m3/min-kg인 열풍 Ⅱ 건조 방식임을 알 수 있다. 따라서 향 후 개발되는 부레옥잠 건조용 건조 장치를 설계하는 경우 건조공기온도 약 40°C 이상, 풍량 비 약 1.05 m3/min-kg 이상을 기준으로 송풍량과 공기가열 히터 용량을 결정하면 건조속도 5%/hr 이 상, 최종건조함수율 20% 이하로 부레옥잠을 건조하는 것이 가능할 것으로 판단되었다.


    Ministry of Trade, Industry and Energy

    Ⅰ서론

    국내의 최종 에너지 소비 중 많은 비중을 차지 하는 화석연료는 중동의 불안한 국제 상황으로 인 하여 원유가격의 폭등과 기후변화협약 의무이행 등 국가적으로 상당히 부담이 되고 있는 상황이다. 이러한 현상은 전 세계의 에너지 다소비 선진국이 모두 비슷한 상황에 처해 있으며 이들 국가는 1973년 오일쇼크 등 몇 차례에 걸친 에너지 파동 이후 꾸준하게 기술 개발된 신재생에너지 사용을 증가시키고 있는 추세이다(U. S. Dept. of Energy, 2008).

    부레옥잠은 아메리카대륙 열대지방이 원산지인 다년생 물옥잠과의 관상식물로 국내에서는 수질정 화용 식물로 잘 알려져 있다. 부레옥잠은 20℃ 이 상의 수온에서 별도의 양분 공급 없이 1개체의 수 가 752개 정도로 증식되는 번식력이 매우 빠른 식 물로 국내의 경우 4월부터 10월까지 저수지 등에서 재배가 가능하다. 2009년 용인에 소재한 저수지에 서 시험 재배한 결과 1 ha에서 약 500 톤(함수율 90%)의 부레옥잠 생산이 가능한 것을 확인 하였다. 따라서 저수지 등 수면을 적절히 이용하면 저렴한 비용으로 대량의 부레옥잠을 안정적으로 확보할 수 있기 때문에 열분해처리를 통해 발열량을 개선할 수 있다면 가격 면에서 목재를 대체하는 훌륭한 바 이오매스로 활용할 수 있다(Song & Kim, 2013).

    부레옥잠은 수질정화, 가축의 사료 및 유기질 비 료, 바이오매스 원료로 나눌 수 있다. 실제로 부레 옥잠은 유기물의 농도를 감소시켜 생활오수, 오물을 정화시켜 줄 수 있다는 보고가 있으며, 유기물의 제 거와 동시에 대장균을 제거할 수 있는 능력도 지니 고 있어 돈사폐수를 처리하는 방안으로도 이용되고 있다(Kim, et al., 1991; Lee, et al., 1994).

    부레옥잠에는 질소원 및 탄소원, 조단백질, 조섬 유질, NDF(neutral detergent fiber), ADF(acid detergent fiber) 이외에 여러 영양 염류들이 함유 되어 가축용 사료 및 사료첨가제, 비료 및 퇴비로 전환을 가능하게 한다(Gunnarsson and Petersen, 2007). 현재 국내외적으로 부레옥잠을 이용, 에탄 올, 메탄가스 등의 에너지를 생산하기 위해 전처 리, 효소처리 등에 관한 연구가 활발히 진행 중에 있으며, 실제로 다양한 미생물을 사용해 에너지를 생산하고 있는 실정이다(Hronich et al., 2008,; Aswathy et al., 2010; Mishima et al., 2008; Nigam, 2002; Girisuta et al., 2008; Mishima et al., 2006).

    이처럼 부레옥잠은 대량생산이 가능하고 사용 용 도가 다양하여 바이오매스로서의 활용가능성이 증대 되고 있으나, 초기 함수율이 90% 이상으로 높아 수 확 후 수분제거를 위한 건조장치의 개발이 반드시 필요하다. 따라서 본 연구에서는 부레옥잠의 열풍 건조기 개발을 위해 원료 상태, 건조공기 온도, 송 풍공기 풍량에 따른 건조속도 및 적정 풍량비를 구 명하고자 하였다.

    Ⅱ재료 및 방법

    2.1.공시재료

    건조 실험에 사용된 부레옥잠은 2012년 9월경 진 주시 금호지에서 재배한 부레옥잠을 사용하여 실험 을 진행 하였다. 수확 된 원료는 파쇄기를 사용하여 6 mm와 90 mm로 각 각 절단한 것과 절단하지 않 은 원료로 하여 건조 실험에 사용하였다(Fig. 1).

    2.2.실험장치

    부레옥잠의 상온 및 열풍 건조 특성을 파악하기 위해 아래와 같은 건조 장치를 제작하여 실험에 사 용하였다(Figs. 2-3). 건조 탱크의 크기는 약 1.2 m3(가로 1.2 m, 세로 1.0 m, 높이 1.0 m)으로 산물 밀도를 고려할 때 건조 투입중량 약 100 kg이 되도 록 제작하였다. 상부로 투입된 원료는 송풍팬에서 탱크 하부로 공급되는 공기에 의해 건조가 이루어진 후 하부에 설치 된 스크류콘베어에 의해 배출되는 구조로 되어 있다. 건조공기 가열과 온도 측정을 위 한 히터부 및 공정 감시를 위해 전기제어반, 원료 파쇄를 위한 파쇄기 등으로 구성되어 있다.

    2.3.실험방법

    부레옥잠의 초기 함수율 측정은 오븐법(100℃, 24 시간)을 이용하였다. 원료상태에 따른 건조특성 구 명을 위해 파쇄기를 이용하여 6 mm, 90 mm로 절 단한 원료와 절단하지 않은 원료의 3 수준으로 구분 하였다. 풍량은 송풍팬 흡입구에 부착된 풍량 조절 용 댐퍼의 열림 상태를 전개, 반개로 하여 조절하였 으며, 풍량은 송풍팬 흡입구 5개소(중앙, 위, 아래, 좌, 우)의 유속을 유속측정기(testo 410-1, testo AG, Germany)로 측정하여 평균유속을 계산한 후 흡입구 단면적을 곱하여 환산하였다. 건조공기 온도 는 건조 장치에 부착된 4개의 히터를 이용하여 상온 (히터 사용 안함), 중온(히터 2개 가동), 고온(히터 4개 가동)의 3 수준으로 선택하였다. 건조 실험은 건조시작 후 5 시간이 경과 한 다음 원료의 중량을 측정하고 다시 5 시간을 건조한 후 중량을 측정하여 함수율을 환산하였다.

    Ⅲ결과 및 고찰

    3.1.파쇄한 원료의 건조특성

    원료 크기(6, 90 mm), 건조방식(상온통풍, 열풍 건조)에 따른 건조실험 결과를 정리한 것을 Table 1 에 나타냈다. 파쇄기를 이용하여 부레옥잠을 파쇄한 경우는 절단 길이(6, 90 mm)에 관계없이 표면에 부 착된 수분과 부레옥잠 내부 수분(함수율 90% 이상) 의 영향으로 원료가 수분과 혼합 된 죽과 같은 형상 으로 나타났다. 상온통풍 건조의 경우 원료 크기에 따라 건조속도는 0.26, 0.09%/hr로 각각 측정되었 으며, 일반적으로 원료 크기가 큰 90 mm의 경우가 공극 형성에 유리하기 때문에 건조속도가 빠를 것으 로 예상되었으나 오히려 작게 나타났다. 이는 풍량 이 6 mm에 비해 적게 공급된 원인으로 풍량이 적 게 공급된 원인은 건조 투입중량이 298.66 kg으로 6 mm 보다 2배 이상 많아서 공극이 형성 되지 못 해 공기가 원활하게 공급되지 못했기 때문이라 판단 되어진다. 건조 원료 크기에 상관없이 상온통풍에 의한 건조속도는 매우 적게 나타남을 확인할 수 있 었다. 열풍건조의 경우 원료 크기에 따라 건조속도 는 2.06, 3.00%/hr로 상온통풍 건조 보다 비교적 크게 나타났다. 건조 초기에는 앞서 언급한 죽 형상 의 원료상태로 인해 건조가 지연되지만 열풍으로 인 해 수분이 증발되면서 공극이 형성돼 비교적 안정적 으로 건조가 진행됨을 확인할 수 있었다. 그러나 시 간이 지남에 따라 열풍이 통과하는 곳에서만 건조가 이루어져 열풍이 통과하지 않는 곳은 전혀 건조가 되지 않는 현상이 발생하였다.

    3.2.파쇄하지 않은 원료의 건조특성

    Table 2는 송풍팬의 풍량 조절용 댐퍼를 완전히 열고(전개) 파쇄하지 않은 원료의 건조특성을 건조 방식에 따라 정리한 것이다. 상온통풍은 건조기의 히터를 사용하지 않고 건조를 한 것이고, 열풍 Ⅰ은 히터 2개를 사용한 경우, 열풍 Ⅱ는 히터 4개를 모 두 사용한 경우를 나타내었다. 각 건조방식 별 건조 전 원료 중량은 약 40 kg이 되도록 조절하였으며 1 차 5시간 건조 후 시료의 중량을 측정하고 다시 5 시간 건조를 진행하여 중량을 측정하였다. 원료 투 입 시 초기함수율은 각 각 91.17, 88.45, 85.14%로 각각 측정되었으며 함수율 차이가 나는 것은 원료 수확 후 시간 경과에 따른 자연건조의 영향 때문인 것으로 판단되어진다. 표에서 상온통풍의 경우 건조 속도가 1차 건조 시 1.62%/hr, 2차 건조 시 1.59 %/hr로 앞선 파쇄 원료의 0.26, 0.09%/hr 보다 월 등히 향상된 것을 확인 할 수 있다. 이는 건조작업 시 원료 내부에 충분한 공극이 형성되어 건조공기가 원활하게 원료층을 통과했기 때문으로 이는 풍량이 파쇄 원료의 16.45, 14.70 m3/min에서 42.58 m3/min로 증가된 것으로 확인 할 수 있다. 건조속 도는 건조공기 온도에 따라 증가하는 경향을 보였으 며 히터를 4개 사용한 열풍건조의 경우가 히터를 2 개 사용한 경우보다 약 2배 이상의 높은 건조속도 를 보였다.

    Fig. 4는 각 건조 방식별 시간에 따른 함수율 변 화를 나타낸 것으로 건조 방식에 따른 건조속도를 동시에 비교할 수 있다. 그림에서 상온통풍과 열풍 Ⅰ 건조의 경우 2차 건조속도가 1차 건조속도에 비 해 눈에 띠게 느려지는 것을 알 수 있으며 열풍 Ⅱ 의 경우는 큰 차이를 보이지 않고 지속적으로 함수 율이 감소하는 것을 알 수 있다. 즉 건조초기 부레 옥잠 표면의 수분 이동 시에는 온도가 큰 영향을 미치지 않으나 그 이 후 건조 즉 내부 수분이 표면 으로 이동하는 과정에는 열에너지가 필요함을 보여 준다.

    Fig. 5는 각 건조 방식별 시간에 따른 함수율 변 화를 나타낸 것으로 건조 방식에 따른 건조속도를 동시에 비교할 수 있다. 그림에서 상온통풍 건조의 경우 2차 건조속도가 1차 건조속도에 비해 눈에 띠 게 느려지는 것을 알 수 있으며 열풍 Ⅰ과 열풍 Ⅱ 의 경우는 큰 차이를 보이지 않고 지속적으로 함수 율이 감소하는 것을 알 수 있다.

    송풍팬의 풍량 조절용 댐퍼를 반만 열고(반개) 파 쇄하지 않은 원료의 건조특성 실험조건은 건조방식 별 건조속도(전개)와 동일하게 진행 되었으며 원료 투입 시 초기함수율은 각 각 90.55, 87.35, 93.82% 로 측정되었다. 상온통풍의 경우 건조속도가 1차 건 조 시 1.32%/hr, 2차 건조 시 1.10%/hr로 앞선 파 쇄 원료의 0.26, 0.09%/hr 보다 월등히 향상된 것 을 알 수 있다. 이는 송풍팬 댐퍼를 완전히 열고 실 험 한 경우와 동일하게 건조작업 시 원료 내부에 충 분한 공극이 형성되어 건조공기가 원활하게 원료층 을 통과했기 때문으로 추측되어지며 이는 풍량이 16.45, 14.70 m3/min에서 33.53 m3/min로 증가된 것으로 확인 할 수 있다. 건조속도는 건조공기 온도 에 따라 증가하는 경향을 보였으며 히터를 4개 사용 한 열풍건조의 경우가 히터를 2개 사용한 경우보다 1차 건조 시 3.93, 4.86%/hr, 2차 건조 시 2.44, 2.54%/hr로 오히려 낮게 나타났다. 특히 열풍Ⅰ 건 조의 경우 송풍팬 댐퍼를 완전히 열어 건조한 경우 와 비교를 해도 건조속도가 1차 4.86, 3.76%/hr, 2 차 2.54, 1.68%/hr로 오히려 높게 나타났다. 일반 적으로 건조속도는 공기온도가 높을수록 송풍량이 많을수록 증가하는 것이 보통이나 여기서는 그와 반 대되는 현상이 나타났다. 이는 건조 초기에 송풍팬 을 통해 공급된 공기가 부레옥잠 층을 골고루 통과 하지 않고 벽면을 따라 흐르며 벽면 근처의 부레옥 잠을 건조시키고 건조가 진행됨에 따라 벽면과 부레 옥잠 사이에 간격이 벌어지면서 대부분의 공기가 이 곳을 통해 빠져나가는 현상이 발생했기 때문인 것으 로 판단되어진다. Fig. 6은 상온통풍 건조에서 송풍 팬 댐퍼를 완전히 열어 놓은 경우와 반만 열어 놓은 경우 즉 풍량에 따른 건조속도를 비교한 것으로 풍 량이 많은 경우가 전체적으로 건조속도가 빠른 것을 알 수 있다. 건조 시작 후 5시간 까지는 건조속도가 큰 차이를 보이지 않고 비슷하게 진행되다가 5시간 이 후 부터는 다소 차이를 나타내는 것을 알 수 있 다. 그러나 최종함수율이 약 75%로 열분해 처리 투 입 함수율 20% 정도까지 건조에는 적합하지 않은 것으로 나타났다.

    Fig. 7은 히터를 2개 사용한 열풍건조에서 송풍팬 댐퍼를 완전히 열어 놓은 경우와 반만 열어 놓은 경 우 즉 풍량에 따른 건조속도를 비교한 것이다. 이 경우는 앞서 언급한 것처럼 불균일 건조로 인해 풍 량이 적은 경우 건조속도가 오히려 빠른 것으로 나 타났다. 그러나 전체적으로 그 차이는 크지 않음을 알 수 있으며 건조진행 속도는 전체적으로 비슷한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 건조 시작 후 5시 간을 기준으로 건조속도가 다르게 나타나는 것을 볼 수 있다.

    Figure 8은 히터를 4개 사용한 열풍건조에서 송풍 팬 댐퍼를 완전히 열어 놓은 경우와 반만 열어 놓은 경우 즉 풍량에 따른 건조속도를 비교한 것으로 풍량 에 따라 건조속가 큰 차이를 나타내고 있다. 앞선 상 온통풍 건조와 히터를 2개 사용한 경우와는 달리 건 조초기에서부터 건조속도가 비교적 큰 차이를 보이며 이러한 경향은 5시간 이 후에서도 지속적으로 나타나 는 것을 알 수 있다. 최종함수율은 송풍량 33.53 m3/min 인 경우 약 60%, 송풍량 42.58 m3/min인 경우 약 25% 정도로 나타나 열분해 처리를 위한 적 합건조 조건으로 판단되었다.

    Table 3는 원료를 절단하지 않은 부레옥잠의 각 건조방식에 따른 송풍량, 건조공기온도, 건조투입중 량, 건조시간, 건조속도, 최종건조 함수율, 풍량비를 정리한 것이다. 풍량비는 피건조물의 중량 또는 체 적당 건조에 필요한 공기의 양으로 정의되는데 건조 장치설계 시 송풍량 산출의 기초자료로 반드시 알아 야만 하는 중요한 요소이다. 부레옥잠 열분해처리를 위한 원료의 함수율을 약 20%로 가정할 때 가장 적 합한 건조방식은 표에서 풍량 42.58 m3/min, 건조 공기온도 37℃, 풍량비 1.05 m3/min-kg인 열풍 Ⅱ 건조 방식임을 알 수 있다. 따라서 향후 개발되는 부레옥잠 건조용 건조장치를 설계하는 경우 건조공 기온도 약 40℃ 이상, 풍량비 1.05 m3/min-kg 이 상을 기준으로 송풍량과 공기가열 히터 용량을 생각 하면 건조속도 5 %/hr 이상, 최종건조함수율 20% 이하로 부레옥잠을 건조하는 것이 가능할 것으로 판 단된다.

    Figure

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    Photography of harvested Water Hyacinth.

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    Schematic diagram of the experimental drying unit.

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    Photography of the experimental drying unit.

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    Drying rate comparison as the drying air temperature(full-open).

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    Drying rate comparison as the drying air temperature(half open).

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    Drying rate comparison of ambient drying as the air flow rate.

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    Drying rate comparison of heat Ⅰ type drying as the air flow rate.

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    Drying rate comparison of heat Ⅱ type drying as the air flow rate.

    Table

    Drying characteristics of the cut materials

    Drying characteristics of uncut materials

    Drying characteristics and specific flow rate of Water Hyacinth

    Reference

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