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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.52 No.6 pp.73-79
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2018.52.6.73

Development of a Torrefaction Unit for Food and Agricultural Wastes

Dae-Bin Song1*,Ki-Hyeon Lim2,Dae-Hong Jung2
1Dept. of Bio-Industrial Machinery Eng., Gyeongsang National Univ.(Institute 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
July 21, 2017 November 2, 2017 February 1, 2018

Abstract


In this study, a torrefaction unit with a capacity of 50 kg/hr was developed and experimented to produce of solid fuel by reuse of the food and agricultural wastes. Dried food wastes and agricultural wastes were used for the experiments and the heated-air torrefaction characteristics were investigated by the raw materials, torrefaction air temperature, and torrefaction time. For the dried agricultural wastes, measured torrefaction capacity and lower heating values were 55.35 kg/hr and 3,333 kcal/kg, respectively. As the lower heating values of the treated samples were greater, by around 7.8%, than those of the non-treated samples, torrefaction process was a very effective method to increase the heating value of the agricultural waste. In case of the dried food waste, torrefaction capacity and lower heating value was measured 88.27 kg/hr and 4,016 kcal/kg, respectively. As the lower heating value of treated ones showed around 9.0% higher than that of non treated ones, torrefaction process is very effective method to increase the heating value of the agricultural waste also. It will be assumed that the heating value shows more higher as increase the air temperature and decrease the moisture content of torrified matter.



음식물·농업폐기물 열분해장치 개발

송대빈1*,임기현2,정대홍2
1경상대학교 생물산업기계공학과(농업생명과학연구원), 2엔디티엔지니어링(주)

초록


본 연구에서는 고수분 음식물 및 농업 폐기물을 재활용한 고형연료 제조에 필요한 열분해장치를 개 발하고 실험을 통해 그 성능을 확인하고자 하였다. 연구를 위해 건조용량 50kg/hr인 실험실용 열분 해장치를 제작하였다. 건조 처리된 농업폐기물과 음식물 폐기물을 열분해처리용 실험 원료로 사용하 였다. 원료종류, 열분해 온도, 열분해 시간에 따른 농업폐기물과 음식물 폐기물의 열분해 특성을 파악 하였다. 농업폐기물 건조물의 열분해 처리 결과, 열분해 처리능력은 평균 55.35kg/hr, 저위발열량은 평균 3,333kcal/kg으로 측정되었다. 열분해처리 하지 않은 농업폐기물의 고위발열량은 3,400kcal/kg, 저위발열량은 3,090kcal/kg으로 측정되어 열분해처리로 발열량이 향상됨을 알 수 있었다. 음식물 폐기 물 건조물의 열분해 처리 결과, 열분해 처리능력은 평균 88.27kg/hr, 저위발열량은 평균 4,016kcal/kg 으로 측정되었다. 열분해처리 하지 않은 음식물 폐기물의 고위발열량은 4,040kcal/kg, 저위발열량은 3,686kcal/kg으로 측정되어 열분해처리로 발열량이 역시 향상됨을 알 수 있다. 열분해 처리능력은 연구목표치인 50kg/hr보다 높게 나타났으며, 저위발열량은 연구목표치인 4,000kcal/kg 보다 다소 높 게 나타났다. 다만 저위발열량 측정 기준 함수율이 습량기준으로 약 10%로 추정되는 바 5%로 조절하 고, 열분해 열풍온도를 상승시키면 발열량이 더욱 향상될 것으로 판단되었다.



    Ministry of Trade, Industry and Energy
    20153030101110

    서론

    2015년 국내 총 폐기물(지정폐기물 제외) 발생량 은 1일 당 404,812 톤으로 이 중 12.7%를 차지하는 생활폐기물 51,247 톤 중 음식물·채소류폐기물 발 생량은 1,120 톤으로 발생량의 70%는 사료 및 비료 로, 30%는 매립 처리되고 있다(ME·KECO, 2015). 2015년 국내 시설(비닐, 유리 온실)에서 재배되는 토 마토, 풋고추, 파프리카의 생산량은 총 705,506 톤 (MAFRA, 2016)으로 잎, 줄기 등 발생되는 폐기물 은 수확량의 약 30%에 해당되는 211,651 톤으로 추정된다. 발생된 폐기물은 대부분 노지에서 자연 건조 후 동절기에 소각 처리되는데 수집·운반 처 리비용을 약 50원/kg으로 가정할 경우 총 처리비 용 연간 약 300억원으로 추정된다.

    단순 소각 폐기되는 음식물폐기물, 시설농업폐기 물을 연소용 연료로 재활용할 경우 음식물폐기물은 (발열량 5,000kcal/kg, 함수율 80%, 1kWh=2,110kcal) 연 간 144,000,000kWh, 시설농업폐기물의 경우(발 열량 4,000kcal/kg, 함수율 80%, 1kWh=2,110kcal) 연 간 80,246,445kWh로 총 224,246,445kWh의 전력 생산이 가능하며 1kWh 당 전력판매금액을 100원으로 가정하여 금액으로 환산할 경우 연 간 약 224억원에 해당된다. 따라서 현재 사료 및 비료 제조, 매립, 단순 소각되는 시설농업폐기물을 연료화 하여 에너지원으로 재사용하면 연 간 약 524억원의 경제적 효과 및 시설농가의 운영비 절감 효과가 기 대된다. 시설농가의 경영비 중 난방비가 차지하는 비중은 약 19~58%로(Ryoo et al., 2012) 매우 높 고 특히 세계무역기구(WTO)의 개발도상국 농업수 출지원 중단 합의에 따라 수출용 품목의 물류비 지원이 중단되는 2023년 이후 시설농가에 대한 냉 난방비 부담에 대한 어려움은 더욱 가중될 것으로 예상되어 이에 대한 대책이 시급하다(Kim, 2017). 따라서 막대한 비용을 들여 단순 소각·폐기되는 시설농업폐기물을 연소용 연료로 재활용 하는 것이 매우 필요하다.

    열분해처리는 바이오매스의 발열량 증진을 위해 약 200~300℃의 비활성 온도 조건에서 행하는 열 화학적 처리공정으로 신재생에너지의 한 분야를 차 지한다(Acharya et al., 2012). 음식물 및 시설농업 폐기물은 함수율이 80% 이상으로 높고 발열량이 낮 아 연소용 고형연료로 활용하기 위해서는 함수율 저 감을 위한 건조(Kim et al., 2015)와 발열량 개선을 위한 열분해처리가 필요하다. Song & Kim(2013)은 농업 및 채소류 폐기물과 유사한 특성을 갖는 수생 식물인 부레옥잠을 활용한 고형연료 제조를 위해 소형전기로를 사용하여 열분해처리를 한 결과 처리 전에 비해 발열량이 약 8.18~30.04% 증가되는 것 을 확인 하였다. 그러나 열분해를 위한 에너지원이 전기에너지를 사용하는 전기히터로 열분해 온도가 히터가 설치된 곳을 중심으로 불균일하게 형성되는 문제점 및 고온에 의한 발화방지를 위해 질소가스 를 연속적으로 공급해야하는 공정구성상 어려움이 있다(Song et al., 2016)

    따라서 본 연구에서는 음식물 및 시설농업폐기물 의 고형연료제조를 위한 전단계로 발열량 향상을 위한 열풍통과형 열분해 장치를 개발하고 원료종 류, 열분해 온도, 열분해 시간에 따른 특성을 파악 하여 개발된 열분해장치의 적용가능성을 구명하고 자 하였다.

    재료 및 방법

    1 실험장치

    음식물 및 시설농업폐기물의 열분해 특성을 파 악하기 위해 Fig. 1 및 Fig. 2와 같은 처리 용량 50kg/hr인 열분해처리 장치를 제작하여 실험에 사 용하였다. 건조 장치는 원료 투입부, 열분해용 탱 크, 원료배출부, 열풍공급용 덕트, 열풍공급용 송 풍팬, 공기가열용 열풍기, 온도측정 센서, 공정감 시용 제어반으로 구성되었다. 상부로 투입된 원료 는 자중에 의해 열분해용 탱크 내부에 적재되고 열 풍기에 의해 가열된 공기가 탱크 내부에 설치된 덕 트를 통해 원료사이를 통과하여 상부로 배출되면서 원료가 열분해처리 된다. 열분해처리가 끝난 원료는 열분해용 탱크 하부에 설치된 원료배출부의 스크류 컨베이어에 의해 수평이송 되어 밖으로 배출된다. 열분해 공정 중 온도 측정을 위해 열분해탱크 내부 4개소, 열풍 투입부 1개소에 열전대(pt-100Ω)를 설 치하였다. 공기 가열을 위해 농업용 열풍기를 사용 하였고 송풍팬을 사용하여 열분해탱크로 공기를 공 급하였다.

    2 실험원료

    건조 처리된 음식물 및 농업폐기물을 실험원료로 사용하였다. 실험에 사용된 원료의 성상은 Fig. 3과 같다.

    3 음식물폐기물과 농업폐기물의 열분해 특성 조사

    원료종류, 열분해 온도, 열분해 시간에 따른 음식 물폐기물과 농업폐기물의 열분해 특성을 파악하였 다. 열분해 처리 전, 후의 함수율은 오븐법(100℃- 20시간)으로 측정하였으며, 농업폐기물 약 200g, 음식물폐기물 약 50g을 3회 반복 측정하여 그 평 균값을 함수율로 하였다. 열분해처리 전 후 원료의 발열량은 한국에너지기술평가원에 의뢰하여 측정하 였다. 공기 온도는 열전대(pt-100Ω)를 열풍 공급 부 1개소, 열분해 탱크내부 4개소에 설치하여 측정 하였다.

    결과 및 고찰

    1 농업폐기물의 열분해처리 특성

    투입량, 처리시간에 따른 농업폐기물 건조물의 열분해 처리조건 및 결과는 Table 1과 같다. 실험 결과 열분해 처리능력은 평균 55.35kg/hr, 고위 발열량은 평균 3,613kcal/kg, 저위발열량은 평균 3,333kcal/kg으로 측정되었다. 이는 Song & Kim (2013)이 발표한 200℃에서 열분해 처리한 부레옥 잠의 고위발열량 3,302kcal/kg와 비슷한 수치이다. 열분해처리 하지 않은 농업폐기물의 경우 고위발열 량은 3,400kcal/kg, 저위발열량은 3,090kcal/kg으 로 측정되어 열분해처리로 저위발열량 기준 약 7.8% 발열량이 향상됨을 알 수 있다. 2회 차 실험의 경 우 발열량이 낮게 측정된 것은 투입량이 25kg으로 작아 퇴적고가 불균일하여 열풍이 퇴적고가 낮은 곳으로 집중 배출되어서 전체적인 열분해가 충분히 진행되지 못했고, 열분해처리시간 역시 0.42시간으 로 짧았기 때문인 것으로 판단된다. 열분해 처리능 력은 연구목표치인 50kg/hr보다 높게 나타났으나, 저위발열량은 연구목표치인 3,500kcal/kg 보다 다 소 작게 나타났다. 농업폐기물 건조물은 건조과정 중에 발생되는 입자가 작은 분진을 포함하고 있어 열분해 공기온도가 약 200℃까지 상승하면 발화의 위험이 있어 적절한 열풍온도 제어가 필요하다. 다 만 저위발열량 측정 기준 함수율이 습량기준으로 약 10%로 추정되는 바 5%로 조절하면 발열량이 연 구목표치에 근접할 것으로 판단된다. 각 실험별 열 분해 처리 시간에 따른 투입공기 온도, 탱크내부 원료 온도변화는 Fig. 4와 같다.

    2 음식물 폐기물의 열분해 특성

    투입량, 처리시간에 따른 음식물 폐기물 건조물의 열분해 처리조건 및 결과는 Table 2와 같다. 표에서 열분해 처리능력은 평균 88.27kg/hr, 저위발열량은 평균 4,016kcal/kg으로 측정되었다. 음식물 폐기물을 단순 건조 처리한 경우 고위발열량은 4,040kcal/kg, 저위발열량은 3,686kcal/kg으로 측정되어 열분해처 리로 저위발열량 기준 약 9.0% 발열량이 향상됨을 알 수 있다. 열분해 처리능력은 연구목표치인 50kg/hr 보다 높게 나타났으며, 저위발열량 역시 연구목표 치인 4,000kcal/kg 보다 다소 높게 나타났다. 저위 발열량 기준으로 음식물 폐기물이 농업폐기물 보다 높게 나타난 것은 음식물 폐기물에 지방 및 단백질 등 열량이 높은 성분이 농업 폐기물보다 많이 함유 되어 있기 때문으로 판단된다. 농업폐기물의 경우와 달리 음식물 폐기물 건조물은 공기온도 200℃에서 발화가 어렵기 때문에 열풍온도를 200℃까지 상승 시키면 발열량이 훨씬 향상될 것으로 판단된다. 각 실험별 열분해 처리 시간에 따른 투입공기 온도, 탱 크내부 원료 온도변화는 Fig. 5와 같다.

    감사의 글

    본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지 기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과 제입니다(No. 20153030101110).

    Figure

    JALS-52-73_F1.gif

    By-sectional 3D drawing of the experimental torrefaction unit.

    JALS-52-73_F2.gif

    Photography of the experimental torrefaction unit. (A: Front view, B: Rear view)

    JALS-52-73_F3.gif

    Photography of the experimental material. (A: Agricultural waste, B: Food waste)

    JALS-52-73_F4.gif

    Internal air temperature change of the torrefaction tank for agricultural waste according to treatment time.

    JALS-52-73_F5.gif

    Internal air temperature change of the torrefaction tank for food waste according to treatment time.

    Table

    Torrefaction characteristics of the agricultural wastes

    Torrefaction characteristics of the food wastes

    Reference

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