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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.53 No.5 pp.137-143
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2019.53.5.137

Development of Heated-Air Dryer for Agricultural Waste Using Waste Heat of Incineration Plant

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 E-mail: dbsong@gnu.ac.kr
April 11, 2019 June 13, 2019 July 16, 2019

Abstract


To manufacturing of solid fuel by reuse of the wastes, the drying unit which have 500 kg/hr of drying capacity was developed and experimentally evaluate the performance. The spinach grown in Nam-hae island were used for the experiments and investigated of the heated-air drying characteristics as the inlet amount of raw materials, raw material stirring status, conveying type and drying time. The drying air heated by the energy derived from the steam which is supplied from the incineration plant. The moisture contents of raw materials were measured 85.65%. The inlet flow rate of drying air made a difference as the depth of the raw materials loaded on the drying unit and temperature has showed 108~144°C. The drying speed of the mixed drying more than doubled as that of non mixed drying under the same drying type, inlet amount, drying time and drying air temperature. In each experiment, the drying capacity have showed over 500 kg/hr. A drying efficiency of the ratio of drying consumption energy to input energy was 33.46%, lower than the average of 57.76% for the 157 conventional dryers. Because developed dryer must have a drying time of less than one hour, it is considered that the dry efficiency has been reduced due to the loss of wind volume during drying. If waste heat from incineration plant is used as a direct heat source, the dry air temperature is expected to be at least 160°C, greatly improving the drying capacity.



소각장 폐열을 활용한 농업폐기물 열풍 건조장치 개발

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

초록


본 연구에서는 단순 폐기 되는 농업폐기물(토마토, 고추, 파프리카)을 고형연료로 재활용하기 위한 열 풍건조장치를 개발하고 실험을 통해 그 성능을 확인하고자 하였다. 연구를 위해 건조용량 500 kg/hr인 쓰레기소각장 폐열을 열원으로 사용하는 건조기를 제작하였다. 경상남도 진주시 농산물 시장에서 구입 한 남해산 시금치를 실험원료로 사용하였다. 열교환기에서 스팀 열교환에 의해 가열된 건조공기를 열풍 으로 사용하여 절단 원료 투입량(126, 250, 300 kg), 원료교반여부(수동 교반, 수동 비교반), 건조방식 (건조물 정치, 건조물 이송), 건조시간(0.25, 0.5, 0.6 hr)에 따른 건조특성을 파악하였다. 투입 원료의 함수율은 85.65%로 측정되었으며, 소각장 공급 스팀에 의해 열교환기에서 가열된 건조공기온도는 건조 기에 투입된 실험원료의 퇴적고에 따른 압력저항에 의해 다소 차이를 보였으며 약 108 내지 144°C로 측정되었다. 동일 건조방식, 투입량, 건조시간, 건조공기온도에서 상하층간 원료를 교반하는 하는 경우 가 그렇지 않은 경우에 비해 약 2배 정도의 높은 건조속도를 보였다. 각 실험에서 건조용량은 약 500 kg/hr으로 나타났다. 국내 농산물 건조기 157개의 농업실용화재단 검사성적서를 기준으로 투입 에너 지에 대한 건조 소요에너지 비를 나타내는 건조효율을 비교한 결과 국내 농산물 건조기 57.76%, 개발 된 농업폐기물 건조기 33.46%로 기존 농산물 건조기에 비해 낮게 나타났다. 개발된 농업폐기물 건조기 는 건조시간이 1시간 이내로 건조시간이 짧으며, 건조 중 많은 풍량이 손실되어 건조효율이 저하된 것 으로 판단되었다. 소각장 폐열을 직접 건조열원으로 사용하는 경우 건조공기온도는 최저 160°C 이상으 로 예상 되는 바 건조용량이 크게 향상될 것으로 예측된다.



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

    서론

    2017년 국내 원예시설(비닐, 유리 온실)에서 재 배되는 토마토, 풋고추, 파프리카의 생산량은 총 619,447톤(MAFRA, 2018)으로 잎, 줄기 등 발생 되는 폐기물은 수확량의 약 30%에 해당되는 185,834톤으로 추정되며 대부분 노지에 방치 유실 되거나, 소각 처리된다. 이처럼 대량으로 버려지는 농업폐기물은 시설에서 노지 등으로 운반하는데 막대한 비용이 발생되기 때문에 이를 연소용 연료 로 활용하는 경우 상당한 경제적 효과가 기대된다.

    Song et al. (2018b)은 이러한 농업폐기물을 연소 용 연료로 사용하기 위한 건조 장치를 개발하고 그 성능 및 적용가능성을 제시하였다. 다만 처리용량이 100 kg/hr로 작은 시작기용으로 경유를 열원으로 하는 온풍난방기를 사용하였기 때문에 실제 적용 시 경제적으로 효과가 크지 않을 것으로 판단된다.

    국내 원예시설에서 발생되는 농업폐기물(토마토, 고추, 파프리카)은 대부분이 초본계 식물로 발열량 이 3,000 kcal/kg 이하로 매우 낮기 때문에 이를 고형연료로 사용하기 위해서는 건조를 통한 단순 수분제거와 동시에 발열량을 개선시키는 작업이 반 드시 필요하다. Song & Kim(2013)은 초본계 식물 인 부레옥잠의 발열량 개선을 위한 열분해처리 작 업을 수행하여 발열량이 뚜렷하게 개선되었음을 보 고하였다. 또 고수분 음식물폐기물과 농업폐기물에 대해 건조 후 열분해처리를 한 결과 처리 전에 비 해 발열량이 크게 증가됨을 확인하였다(Song et al., 2018)a.

    이처럼 국내 원예시설에서 발생되는 초본계 식 물폐기물은 건조 및 열분해처리를 통하여 유용한 고형연료로 활용이 가능하다. 그러나 농업폐기물은 수확 시 초기함수율이 80% 이상으로 매우 높아 건 조처리에 많은 에너지가 필요하기 때문에 건조작 업에 많은 비용이 투입되어야한다. 따라서 건조작 업에 소요되는 에너지를 해결할 수 있는 방안이 선 행되어야 한다. 2017년 현재 국내에는 지역별로 발 생되는 각종 폐기물을 처리하는 총 395개소(자치단 체 198 개소)의 소각장이 운영되고 있으며, 소각 시 발생되는 열로 스팀을 생산하여 발전 또는 음식 물폐기물 건조작업에 사용하고 있다(Me·KECO, 2018). 특히 국내 소각장은 공해시설로 인식되어 대부분 농촌지역에 설치되어 있기 때문에 소각장 에서 발생되는 소각열 또는 스팀을 건조작업에 활 용하면 큰 비용의 투입 없이 효과적으로 고형연료 를 제조할 수 있을 것으로 기대된다.

    본 연구에서는 원예시설농업폐기물의 고형연료제 조를 위해 소각장에서 발생되는 스팀을 활용하는 건조시스템을 개발하고 실험을 통해 건조특성을 파 악하여 농업폐기물의 대규모 건조작업이 가능한지 여부 확인 및 기존 농산물건조기와의 성능 비교를 통해 실용화 가능성을 알아보고자 하였다.

    재료 및 방법

    1 실험장치

    본 연구를 위해 건조용량 500 kg/hr인 건조기를 제작하여 경남 거제시 소재 쓰레기소각장에 설치하 였다. 당초 1, 2단으로 구성된 건조 장치를 수직으 로 배치하고자 하였으나, 야외에 임시로 설치하여 실험을 수행해야 하는 관계로 건조장치 높이가 높 아짐으로 예상되는 안전사고의 우려로 수평방향으 로 건조기를 배치하였다. 건조기 상부에 투입된 원 료는 에이프런 컨베어장치 상부에 얹혀져 좌측으로 이송되고, 이때 송풍팬에 의해 투입되는 열풍이 원 료사이를 통과하면서 건조가 진행되어 우측하단부 로 건조된 원료가 배출되는 형태로 건조가 진행된 다. 에이프런 컨베어 체인구동용 전동기는 2.2 kW, 감속비는 1/3000, 원료투입부에서 건조구간을 이동하는데 소요되는 시간은 약 30분으로 설계하였 다. 건조시스템은 Fig. 1과 같이 소각장에서 공급 된 스팀을 열교환기로 공급하여 외부공기를 가열하 고 열교환된 스팀을 응축수 형태로 환수 한다. 열 교환기 출구와 각 건조기 사이에 건조공기 공급을 위한 덕트를 설치하고 송풍팬(원심식, 120 m3/min, 100 mmAq, 2.2 kW)을 사용하여 열교환기에서 발 생된 열풍을 1차 및 2차 건조기에 공급하였다. 실 험에 사용된 건조장치의 구성도는 Fig. 1과 같고 설치된 사진은 Fig. 2와 같다.

    2 실험원료

    원예시설에서 폐기된 토마토, 고추, 파프리카의 잎과 줄기를 실험원료로 사용해야 하나 실험 시기 가 동절기로 상기 폐기물을 원료로 사용하기 어려 워 물성이 비슷하고 동절기에 대량으로 구입이 가 능한 시금치를 실험원료로 하였다. 경상남도 진주 시 농산물시장에서 남해산 시금치를 구입한 원료를 전용 파쇄기를 사용하여 약 30~50 mm로 파쇄한 후 실험에 사용하였다. 건조기에 투입된 원료의 성 상은 Fig. 3과 같다.

    3 실험방법

    거제시 쓰레기소각장에 설치된 건조 장치의 송 풍량을 측정하였다. 먼저 건조기 가동 상태(단독, 동시가동)에 따른 공운전 시 풍량 및 원료 퇴적고 에 풍량을 측정하였다. 송풍량은 열선식 풍속계 (TA465-P, TSI Instruments Ltd, UK)를 사용하 여 송풍팬 흡입구 5개소의 유속을 측정하고 평균 유속에 흡입구 단면적을 곱하여 구하였다.

    열교환기에서 스팀 열교환에 의해 가열된 건조공 기를 열풍으로 사용하여 절단 원료 투입량, 원료교 반여부(수동 교반, 수동 비교반), 건조방식(건조물 정치, 건조물 이송)에 따른 원료의 건조특성을 파 악하였다. 건조 전 재료의 함수율은 오븐법(100℃ -20시간)으로 측정하였으며, 각 시료별 3회 반복 측정하여 그 평균값을 함수율로 하였다. 건조 후 재료의 함수율은 건조 처리된 재료의 중량을 측정 하여 함수율을 환산하였다. 건조공기 온도는 측온 저항식 열전대(pt-100Ω, 엔디티엔지니어링, 대한 민국)를 공기실 내부 정 중앙부에 1개소, 건조기 배출구에 2개소 설치하여 측정하였다.

    결과 및 고찰

    1 열교환 및 퇴적고에 따른 풍량

    소각장 스팀을 사용하여 열교환기에서 가열된 공 기를 건조기에 공급하는 풍량을 건조기 구동 상태, 건조물 퇴적고에 따라 측정한 결과는 Table 1과 같 다. 이론송풍량은 송풍팬의 정격 송풍량, 풍량은 건조기에 공급되는 풍량을 의미한다. 이론송풍량에 대한 풍량의 비을 풍량비로 나타냈다. 표에서 건조 물이 퇴적되지 않은 상태에서 열교환기 및 덕트에 서 발생되는 풍량 손실은 약 17~36%, 건조물이 퇴 적된 경우 약 40% 이상의 풍량 손실이 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서 소각장 스팀의 열교환을 통하여 공기를 가열하는 건조시스템에서는 건조소 요풍량 산정 시 건조물의 퇴적고에 따른 압력손실 외에 열교환기, 덕트에 따른 풍량 손실을 반드시 고려하여야 한다.

    2 건조 특성

    절단 원료 투입량, 원료교반여부(교반, 비교반), 건조방식(정치, 이송)에 따른 부산물 건조한 결과는 Table 2 및 Fig. 4와 같다. 투입 원료의 초기함수 율은 85.65%로 측정되었다. 건조시간에 따른 건조 기 투입부의 열풍온도변화는 Fig. 4와 같다. 1회 차와 3회 차 건조실험에서 건조공기온도가 떨어진 것은 1차 건조 후 손으로 건조기 바닥부의 원료와 상층부의 원료를 혼합하기 위해 열풍공급을 중단했 기 때문이다. 원료교반 없이 진행된 2회 차 및 4회 차 실험에서는 건조공기온도가 전 건조시간에 걸쳐 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 소각장 스팀에 의 해 열교환기에서 가열된 건조공기온도는 건조기에 투입된 실험원료의 퇴적고에 따른 압력저항에 의해 다소 차이를 보였으며 약 108~144℃로 측정되었 다. 이는 외부공기를 열교환 없이 직접 가열시켰을 경우 건조공기온도에 비해 낮은 값을 보였다. 동일 건조방식, 투입량, 건조시간, 건조공기온도에서 건 조한 2, 3회 차 실험 결과 상하층간 원료를 교반하 는 하는 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 건조속도 가 약 2배 이상 빠른 것을 알 수 있다. 각 건조실 험에서 건조용량은 약 500 kg/hr 정도를 보였다. 소각장 폐열을 건조열원으로 직접 사용하는 경우 건조공기온도는 최저 160℃ 이상으로 예상 되는 바 건조방식 및 형태에 관계없이 건조용량이 크게 향 상될 것으로 판단된다.

    농업부산물 건조기와 건조방식이 유사한 농산물 건조기 157개에 대한 농업실용화재단(Foundation of Agri. Tech. Commercialization and Transfer. FACT, 2018) 검사성적서를 기준으로 건조효율을 비교한 결과 투입 에너지에 대한 건조 소요에너지 비를 나타내는 건조효율은 Table 3과 같이 개발된 농업폐기물 건조기 33.46%, 기존 농산물 건조기 57.76%로 기존 농산물 건조기에 비해 낮게 나타났 다. 이러한 이유는 기존 농업부산물 건조기는 풍량 을 활용하는 방식이 아니고 전기를 열원으로 건조 시간이 약 28시간으로 장시간에 걸쳐 건조를 진행 시키는 방식으로 풍량에 의한 열손실이 거의 발생 하지 않으나, 개발된 농업폐기물 건조기는 건조시 간이 1시간 이내로 짧아야하기 때문에 건조과정에 서 발생되는 풍량 손실로 건조효율이 저하되는 것 으로 판단된다. 다만 건조처리량은 기존 농업부산 물 건조기에 비해 약 2.6배 많고, 건조속도는 57.2 배 빠른 것을 알 수 있다. 따라서 대량의 건조물을 신속하게 건조하는데 매우 효과적으로 사용될 것으 로 판단된다.

    감사의 글

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

    Figure

    JALS-53-5-137_F1.gif

    Drying flow & process chart of agricultural waste drying unit.

    JALS-53-5-137_F2.gif

    Photography of the agricultural waste drying unit.

    JALS-53-5-137_F3.gif

    Photography of the experimental materials.

    JALS-53-5-137_F4.gif

    Drying air temperature as the experiments.

    Table

    Flow rate of drying system

    Drying characteristics of the drying system

    Drying energy & efficiency comparison of the drying system

    Reference

    1. FACT.2018. Technical guidance test report for agricultural machinery. http://www.aminfo.or.kr/front/machinecatalog (2018. 8. 29).
    2. MAFRA.2018. 2017 The Status of Vegetable Grown in Facilities, Greenhouse and Vegetable Production.
    3. Me·KECO.2018. The status of production and evaluation of the waste.
    4. Song DB and Kim MS. 2013. Characteristic of torrefaction with water hyacinth. J. of Biosystems Eng. 38 (3): 180-184.
    5. Song DB , Lim KH and Jung DH. 2018a. Development of a torrefaction unit for food and agricultural wastes. J. Agric. & Life Sci. 52 (6): 73-79.
    6. Song DB , Lim KH and Jung DH. 2018b. Development of heated-air drying unit of agricultural wastes. J. Agric. & Life Sci. 52 (4): 121-128.
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