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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.52 No.4 pp.121-128
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2018.52.4.121

Development of Heated-Air Drying Unit of Agricultural Wastes

Dae-Bin Song1*, Ki-Hyeon Lim2, Dae-Hong Jung2
1Dept. of Bio-Industrial Machinery Eng., Gyeongsang National Univ.(Insti. of Agric. & Life Sci.), Jinju, 52828, Korea
2NDT Engineering Co., Ltd., Changwon, 51343, Korea
Corresponding author: Dae-Bin Song Tel: +82-55-772-1895 Fax: +82-55-772-1899 E-mail: dbsong@gnu.ac.kr
July 20, 2017 December 7, 2017 December 13, 2017

Abstract


In 2015, the production of tomato, green pepper and paprika grown in facilities is 705,506 tons. The amount of wastes derived from the whole production is estimated 189,695 ton and most of the wastes is abandoned or burned. To manufacturing of solid fuel by reuse of the wastes, the drying unit which have 100 kg/hr of drying capacity was developed and experimented. The paprika, tomato, strawberry, eggplant and green pepper grown in facilities of Gyeongsangnam-do Agricultural Research & Extension Services were used for the experiments and investigated of the heated-air drying characteristics as the formation of raw materials, conveying type, flow rate, drying air temperature and drying time. As the drying result of the cut materials which was conveyed by drag type, the materials were not dried at all because the drying air could not pass through the inside of the materials which had no void. Especially, over 100°C of drying air condition, the dried wall made of outflow water from the cut materials have prohibited from drying. By the poor formation of the void inside of the cut materials, drying process could not be carried out effectively. To improve the void formation of the materials, the uncut raw materials were used for experiments. Drying speed and drying capacity of the uncut materials were varied with flow rates and drying air temperatures. In case of increasing the flow rate and static pressure, ununiform drying between upper and bottom drying layer was solved and it showed over 100 kg/hr of drying capacity and 60%/hr of drying speed. Below 150°C of drying air temperature, the drying capacity and speed can be accomplished by increasing the flow rate. The wastes grown in facilities with low bulk density can be dried continuously by conveyor type of material conveying in conclusion.



농업폐기물 열풍 건조장치 개발

송 대빈1*, 임 기현2, 정 대홍2
1경상대학교 생물산업기계공학과(농업생명과학연구원)
2엔디티엔지니어링(주)

초록


2013년 국내 시설(비닐, 유리 온실)에서 재배되는 토마토, 풋고추, 파프리카의 생산량은 총 632,315 톤으로 잎, 줄기 등 발생되는 폐기물은 수확량의 약 30%에 해당되는 189,695 톤으로 추정되며 대부분 노지에 방치 유실되거나 소각 처리된다. 본 연구에서는 이 처럼 단순 폐기되는 농업폐기물을 재활용한 고형연료 제조에 필요한 건조 장치를 개발하고 실험을 통해 그 성능을 확인하고자 하였다. 연구를 위해 건조용량 100kg/hr인 실험실용 건조기를 제작하였다. 경상남도 진주시 농업기술원 온실에서 재배되는 파프리카, 토마토, 딸기, 가지, 고추 등의 부산물을 실험원료로 사용하였다. 원료성상, 원료이송방식, 송풍량, 건조온도, 건조시간에 따른 부산물 건조특성을 파악하였다. 원료를 비교적 짧게 절단하고 열풍 이 배출되는 다공판위를 견인형 컨베이어로 이송시키는 형태의 경우 건조실험 결과 세절된 원료에서 추 출된 내부 수분이 외부로 유출되어 원료들 사이의 공극을 채워 건조공기가 원료 층을 통과하지 못하게 하고, 특히 100°C 이상 고온에 노출되는 경우 원료표면에 잔류하는 유출 수분이 건조되면서 막을 형성 하여 내부 원료들은 전혀 건조가 되지 못하는 현상이 관측되었다. 이러한 원료내부의 공극형성 불량으 로 국부적으로 공기가 통과되는 부분만 집중적으로 급격한 건조가 진행되고 공급된 건조공기 대부분이 이 부분으로 유출되어 효과적인 건조가 전혀 진행되지 못하였다. 피건조물 사이의 공극형성을 위해 원 료를 절단하지 않고 수행한 건조실험 결과 송풍량 및 온도에 따라 건조속도 및 처리용량이 다르게 나타 나는 것을 알 수 있었다. 특히 송풍량과 압력을 증가시킨 건조 실험결과 건조 상하층 간 불균일 건조 해소 및 건조속도, 건조능력에서 연구목표치인 100kg/hr, 60%/hr를 상회하는 결과를 보였다. 특히 건 조공기온도 150°C 이하에서도 송풍량을 증가시켜서 원하는 건조작업 수행이 가능함을 확인할 수 있었 다. 결론적으로 시설농업폐기물 같은 산물밀도가 작은 초본계 원료도 컨베이어형 원료이송 형태로 연속 식 열풍건조가 가능함을 확인하였다.



    Ministry of Trade, Industry and Energy
    20153030101110 Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning

    서론

    2015년 국내 시설(비닐, 유리 온실)에서 재배되는 토마토, 풋고추, 파프리카의 생산량은 총 705,506 톤(Mafra, 2016)으로 잎, 줄기 등 발생되는 폐기물 은 수확량의 약 30%에 해당되는 211,651 톤으로 추 정된다. 발생된 폐기물은 대부분 노지에서 자연건조 후 동절기에 소각 처리되는데 수집․운반 처리비용을 약 50원/kg으로 가정할 경우 총 처리비용 연간 약 300 억 원으로 추정된다.

    현재 단순 소각 폐기되는 시설농업폐기물을 연 소용 연료로 재활용할 경우(발열량 4,000kcal/kg, 함수율 80%, 1kwh=2,110kcal, 1kwh=150원) 연 간 80,246,445kwh의 전력 생산이 가능하며 이를 금액 으로 환산하면 연 간 약 120억 원에 해당된다. 따라 서 현재 단순 소각되는 시설농업폐기물을 연료화 하 여 에너지원으로 재사용하면 연 간 약 420억 원의 경제적 효과 및 시설농가의 운영비 절감 효과가 기 대된다.

    현재 시설농가의 경영비 중 난방비가 차지하는 비 중은 약 19∼58%로(Ryoo et al., 2012) 매우 높고 특히 세계무역기구(WTO)의 개발도상국 농업수출지원 중단 합의에 따라 수출용 품목의 물류비 지원이 중단 되는 2023년 이후 시설농가에 대한 냉난방비 부담에 대한 어려움은 더욱 가중될 것으로 예상되어 이에 대 한 대책이 시급하다(Kim, 2017). 따라서 막대한 비용 을 들여 단순 소각․폐기되는 시설농업폐기물을 연소 용 연료로 재활용 하는 것이 매우 필요하다.

    시설농업폐기물은 함수율이 80% 이상으로 높고 발열량이 낮아 연소용 고형연료로 활용하기 위해서 는 함수율 저감을 위한 건조와 발열량 개선을 위한 열분해처리가 필요하다(Song & Kim, 2013).

    현재 국내에서 사용 중인 농산물 건조기의 대부 분은 벼를 대상으로 한 곡류용과 버섯 및 약재를 대상으로 하는 다목적 농산물 건조기가 대부분이다. 곡류용 건조기는 원료 산물밀도가 약 400kg/m3 이 상으로 커서 자중에 의한 낙하 이송이 가능하여 연속식 형태의 건조가 가능하나, 시설농업폐기물과 같은 초본계 원료의 경우 산물밀도가 아주 작고 건 조가 진행됨에 따라 급속히 줄어들어 자중에 의한 낙하 이송이 불가능하여 연속식 건조가 불가능하다 (Kim et al., 2015).

    따라서 본 연구에서는 시설농업폐기물의 고형연료 제조를 위한 전 단계로 산물밀도가 낮고 함수율이 높은 시설농업폐기물의 열풍건조장치 개발을 위해 원료성상, 원료이송방식, 송풍량, 건조온도, 건조시 간에 따른 연속식 건조 가능성 여부 및 건조특성을 구명하고자 하였다.

    재료 및 방법

    1 실험장치

    시설농업폐기물의 열풍 건조 특성을 파악하기 위해 건조용량 100kg/hr인 건조 장치를 제작하여 실험에 사용하였다. 건조 장치는 원료 투입부, 건 조부, 원료이송부, 배출부, 열풍공급실, 열풍공급 용 송풍팬, 원료이송용 전동기, 공기가열용 열풍 기, 온도측정 센서, 공정감시용 제어반으로 구성 되었다. 좌측 상부로 투입된 원료는 Fig. 1과 같 이 투입원료를 타공판 위에 얹어서 이송시키는 컨베이어형과 Fig. 2와 같이 타공판 위에 저재된 투입원료를 판으로 끌고 가는 견인형의 2가지로 구성된 원료이송장치에 의해 우측으로 수평이송 된다. 이와 동시에 열풍기와 열풍공급용 송풍팬에 의해 하부 열풍공급실로 공급된 열풍이 투입원료 를 수직으로 통과하면서 건조가 이루어진 후 우 측 아래쪽으로 배출되는 구조로 건조가 진행된다. 열풍공급실 내부 3 개소와 건조부 상부 1 개소에 건조공기 온도 측정을 위한 온도센서를 설치하였 다. 제어반에는 인버터를 설치하여 원료이송속도 를 조절하였다. 실험에 사용된 건조장치의 사진은 Fig. 3과 같다.

    2 실험원료

    경상남도 진주시 농업기술원 온실에서 재배되는 파프리카, 토마토, 딸기, 가지, 고추 등의 폐기물을 실험원료로 사용하였다. 수집된 농업부산물의 성상 은 Fig. 4와 같다.

    3 실험방법

    원료성상, 원료이송방식(견인형, 컨베이어형), 송 풍량, 건조온도, 건조시간에 따른 부산물 건조특성을 파악하였다. 건조 장치 투입 전, 후의 함수율은 오븐 법(100℃-20시간)으로 측정하였으며, 각 시료별 3회 반복 측정하여 그 평균값을 함수율로 하였다. 건조 공기 온도는 열전대(pt-100Ω)를 열풍공급실 내부 3개소, 건조부 상부 1개소에 설치하여 측정하였다.

    결과 및 고찰

    1 절단 원료의 건조 특성

    원료를 비교적 짧게 절단하고 열풍이 배출되는 다공판 위를 견인형 컨베이어로 이송시키는 형태의 경우 건조실험 결과는 Table 1과 같다. Table 1에 서 1회 차 실험의 경우를 제외하고는 건조 후 함수 율이 30% 이상으로 매우 높게 나타났다. 1회 차 실 험의 경우도 2시간 이상 건조시간이 소요되는 것을 알 수 있다. 특히 5, 6회 차 실험의 경우 건조 바닥 층과 상부 층의 건조 후 함수율차가 약 40% 이상으 로 크게 나타났다. 이러한 이유는 세절된 원료에서 추출된 내부 수분이 외부로 유출되어 원료들 사이의 공극을 채워서 건조공기가 원료 층을 통과하지 못하 게 하고, 특히 100℃ 이상 고온에 노출되는 경우 원 료표면에 잔류하는 유출 수분이 건조되면서 막을 형 성하여 내부 원료들은 전혀 건조가 되지 못하는 현 상이 관측되었다. 이러한 원료내부의 공극형성 불량 으로 국부적으로 공기가 통과되는 부분만 집중적으 로 급격한 건조가 진행되고 공급된 건조공기 대부분 이 이 부분으로 유출되어 효과적인 건조가 전혀 진 행되지 못하였다.

    2 비절단 원료의 견인형 원료이송 형태의 건조 특성

    절단원료에서 발생되는 불균일 건조 현상을 해소 시키기 위해 농업부산물을 절단하지 않고, 원료이송 은 견인형 원료이송 형태로 건조실험을 수행한 결과 는 Table 2와 같다. 원료를 절단하지 않은 경우는 예상대로 충분한 공극이 형성되어 절단한 원료에 비 해 효과적인 건조가 진행되는 것을 알 수 있다. 건 조 상하층간 불균일 건조는 여전히 존재하는 것으로 나타났으나 이러한 현상은 2단 또는 3단 건조 시 반 전효과로 충분하게 해소할 수 있을 것으로 판단된 다. 원료 간 공극형성으로 건조효과는 개선되었으나 건조능력은 40kg/hr 이하로 여전히 낮게 나타났다. 이러한 이유는 다공판 위에 투입된 원료를 판으로 견인하는 과정에서 건조된 원료의 체적수축으로 공 급된 열풍이 원료 층을 통과하지 못하고 외부로 유 출되기 때문인 것으로 관찰되었다. 따라서 시설농업 폐기물처럼 산물밀도가 작은 초본계 원료의 경우 견 인형 컨베이어형태의 건조장치는 적용이 불가능함을 알 수 있다. 각 실험 조건에서 건조공기 온도 변화 는 Fig. 5와 같다.

    3 비절단 원료의 컨베이어형 원료이송 형태의 건조 특성

    견인형 컨베이어 원료이송 형태에서 발생되는 원 료수축에 의한 열풍 손실을 방지하기 위해 투입원료 를 다공판에 적재하여 직접 이송시키는 컨베이어형 원료이송 형태로 변경하여 건조실험을 수행한 결과 는 Table 3와 같다. Table 3에서 컨베이어형 원료 이송 형태로 건조한 결과 건조능력이 견인형에 비해 향상된 것을 알 수 있다. 그러나 여전히 건조 상하 층 간 불균일 건조가 해소되지 않고 건조능력과 건 조속도가 연구목표치인 100kg/hr, 60%/hr에 여전 히 못 미치고 있음을 보여준다.

    4, 5, 6회 차 실험 결과는 송풍량과 정압을 증가 시킨 건조 결과로 건조 상하층 간 불균일 건조 해 소 및 건조속도, 건조능력에서 연구목표 치를 상회 하는 결과를 보여준다. 특히 건조공기온도 150℃ 이하에서도 송풍량을 증가시켜서 연구목표치에 만 족시키는 건조작업 수행이 가능함을 확인할 수 있 었다. 각 실험 조건에서 건조공기 온도 변화는 아 래 Fig. 6과 같다.

    감사의 글

    본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너 지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20153030101110).

    Figure

    JALS-52-121_F1.gif

    By-sectional 3D drawing of the experimental drying unit(conveying type).

    JALS-52-121_F2.gif

    By-sectional 3D drawing of the experimental drying unit(dragging type).

    JALS-52-121_F3.gif

    Photography of the experimental drying unit.

    JALS-52-121_F4.gif

    Photography of the experimental material.

    JALS-52-121_F5.gif

    Drying air temperature as the experiments.

    JALS-52-121_F6.gif

    Drying air temperature as the experiments.

    Table

    Drying characteristics of the cut materials

    Drying characteristics of the uncut materials & drag type conveying

    Drying characteristics of the uncut materials & conveyor type conveying

    Reference

    1. KimIS . 2017. Sea exporting of fresh vegetables. http://www.kookje.co.kr(2017.3.17.)
    2. KimMS , KweonGY and SongDB . 2015. Heated-air drying characteristic of water hyacinth . J. Agric. Life Sci.49: 137-144.
    3. Mafra. 2016. 2015 The Status of Vegetable Grown in Facilities, Greenhouse and Vegetable Production.
    4. RyooYS , JooHJ , KimJW and ParkML . 2012. Economic analysis of cooling-heating system using ground source heat in horicultural greenhouse . Journal of the Korean Solar Energy Society.32: 60-67.
    5. SongDB and KimMS . 2013. Characteristic of torrefaction with water hyacinth . J. of Biosystems Eng.38: 180-184.
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