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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.56 No.3 pp.105-111
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2022.56.3.105

Analysis of the Characteristics of Pellets Mixed with Kenaf (Hibiscus cannabinus L.) and Unused Wood Resources and Waste Wood Resources

Woo-Jun Park1, Myeong-Sin Kim2, Tae-Hyuck Sun3, Woon-Sung Jo3, Byeong-Eun Moon4, Seong-Gu Hong5, Hyuck-Joo Kim4*
1Smart Equipment Industry Center, Jeonnam Technopark, Bosung 59440, Republic of Korea
2Department of Convergent Biosystems Engineering, Sunchon National University, Suncheon 57922, Republic of Korea
3Department of Convergent Biosystems Engineering, Sunchon National University, Suncheon 57922, Republic of Korea
4Department of Convergent Biosystems Engineering, Sunchon National University, Suncheon 57922, Republic of Korea
5Department of Bioresources and Rural Systems Engineering, Hankyong National University, Anseong 17579, Republic of Korea
* Corresponding author: Hyuck-Joo Kim (Tel) +82-61-750-3268 (E-mail) agrihj@scnu.ac.kr
May 18, 2022 ; June 20, 2022 ; June 21, 2022

Abstract


Recently, efforts to utilize new and renewable energy for carbon neutrality were accelerated. In this study, in order to convert kenaf (Hibiscus cannabinus L.), one of the biomass crops, into fuel, pellets, which are solid fuels, were prepared by mixing unused wood resources and waste wood resources, and the quality was analyzed. In order to evaluate the quality, the standard of woody pellet, unused woody pellet and Bio-SRF. When compared the characteristics of pellets mixed with waste wood resources and pellets mixed with unused wood resources, it is judged that the mixed of waste wood resources affects nitrogen, ash and calorific value. When the quality standards were implemented based on the modeled pellets, most of the quality standards of wood pellets were satisfied under conditions of bulk density, moisture content, nitrogen, sulfur and calorific value. Since the calorific value was about 3,860 kcal/kg at the ratio of moisture content of 15% and mixed ratio of 2:8, it wasn’t satisfied with the quality standards of woody pellet. Exept for this, it seems that it could be used instead of woody pellets in view of the calorific value. Through this study, it is judged that there will be an effect of reducing the resources wasted through pellet modeled by mixing unused and waste wood resources.



케나프와 미이용 목재 자원 및 폐목 자원 혼합 펠릿 특성 분석

박 우준1, 김 명신2, 선 태혁3, 조 운성3, 문 병은4, 홍 성구5, 김 혁주4*
1전남테크노파크 스마트기자재산업센터, 연구원
2순천대학교 융합바이오시스템기계공학과, 대학원생
3순천대학교 융합바이오시스템기계공학과, 학부생
4순천대학교 융합바이오시스템기계공학과, 교수
5한경대학교 지역자원시스템공학전공, 교수

초록


최근 탄소 중립 정책에 따른 신재생에너지 활용을 위한 노력이 가속화되고 있다. 이를 위하여 본 연구에서는 바이오매스 작물 중 하나인 케나프 (Hibiscus cannabinus L.)를 연료화하기 위하여, 미이용 목재 자원과 폐목재 자원을 혼합하여 고형연료인 펠릿을 제조하고 품질을 분석하였다. 품질을 평가하기 위해 목재 펠릿, 비목재 펠릿과 Bio-SRF의 품질기준을 통해 성형한 펠릿의 품질을 파악하였다. 케나프 펠릿의 경우 겉보기밀도, 발열량 등에서는 목재 펠릿 품질기준을 만족하였으나 회분의 함량이 기준을 초과하였다. 이를 보완하기 위해 목재 자원인 폐목재를 혼합하여 제조한 펠릿의 특성을 조사한 결과, 질소 및 겉보기밀도, 회분, 발열량 등에서 오히려 품질을 저하시키는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 한편, 미이용 목재를 혼합하여 성형된 펠릿의 품질을 조사한 결과, 겉보기밀도, 함수율, 질소, 황, 발열량의 조건에서 대부분 목재 펠릿의 품질기준을 만족하였다. 다만 회분함량의 경우 비목재 펠릿 및 Bio-SRF의 15% 이하 기준을 만족하고 있지만, 목재 펠릿의 최저 기준인 B등급 2.0% 이하 기준의 경우 만족하는 경우와 만족하지 못하는 경우가 발생하였다. 함수율 15%(w.b.)에서 케나프와 미이용 목재의 혼합비가 2:8인 경우와 함수율 20%(w.b.)에서 케나프와 미이용 목재의 혼합비가 6:4 및 2:8인 경우에 기준을 만족하였고, 그 이외에는 기준을 만족하지 못하였다. 특히, 케나프만을 사용하거나 폐목을 섞은 경우는 모두 기준을 만족하지 못하므로, 목재 펠릿의 기준을 만족하는 연료 이용을 위해서는 케나프와 미이용 목재 자원을 혼합 활용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.



    서론

    최근 개발도상국 중심의 급속한 인구 증가와 산업화로 인한 화 석연료의 사용이 기하급수적으로 증가하고 있으며, 이로 인한 온실 가스 배출의 증가는 지구 온난화 등 기후변화 현상을 더욱 심화시 키고 있다(Yang et al., 2018). 온실가스 배출 저감 및 기후변화 대응을 위해 선진국을 중심으로 교토의정서 및 파리기후변화협약 등을 통해 지구 평균기온의 상승온도의 조절을 위해 온실가스 배출 량 감소 방안을 마련하고 있다. 우리나라는 2016년 파리협정을 체결하였고 2030년 온실가스 감축 목표를 수립 후 UN에 제출, 2050 탄소중립 추진전략을 제시하였다(Moon et al., 2016).

    온실가스 감축을 위해 여러 국가가 바이오매스 자원의 활용뿐 아니라 미이용 자원과 폐자원 활용에 관한 관심이 증가하고 있다. 특히 화석연료를 대체방안으로 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)에서 기후변화 대안 중 산림자원보다 바이오 에너지의 화석연료 대체를 권고하고 있다. 이에 산림청에서는 목재 펠릿 에너지 활용대책을 수립하여 2020년까지 농가주택 14만호, 시설원예 37%의 난방을 목재 펠릿으로 대체하고 숲가꾸기 산물의 수집 확대 등을 통해 국내재를 이용한 100만톤의 목재 펠릿을 생산 하여 공급할 계획으로 목재 펠릿의 국내 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상되고 있다(KFS, 2019). 국내에서는 다양한 폐기물이 발생하고 있는데, 미이용 산림자원은 물론, 음식물쓰레기, 유기성 슬러지(하수, 폐수, 분뇨), 동물성 잔재물, 축산분뇨, 농업부산물(볏 짚, 미곡, 과실전지) 등의 바이오매스 자원이 매년 65,000천톤 정 도가 배출되고 있으며 해당 자원들은 모두 탄소 중립을 위한 재활 용 가능한 자원이다(Yoon, 2014).

    현재 바이오매스 자원의 화석연료 대체를 위해 가스화 및 고형연 료화 연구가 지속해서 이루어지고 있으며, 그 일환으로 케나프를 원료로 하는 연구가 이루어지고 있다(Kang et al., 2018;Byun et al., 2020). 바이오매스 자원 중 케나프(Hibiscus cannabinus L.)는 공기 중의 이산화탄소의 흡수량이 일반적인 나무에 비해 2~10 배 높고 최대 생장까지 약 2~3개월이 소모되며 약 3,900 kcal/kg의 고위발열량을 가지고 있어 연료 자원으로 적합하다(Cleveland et al., 1999, Kim & Um, 2020). 또한, 케나프는 현재 우리나라에서 제주도에서 생육할 수 있으며, 전라북도에서 간척지에서 생육을 위한 연구와 보급을 위한 활동이 진행되고 있다(Kang et al., 2014). 아직 국내에서는 본격적인 케나프 펠릿 시장이 형성되지 않은 것으로 판단되지만, 최근 케나프 원료 수입 추진이 활발해짐에 따라 목재 펠릿과 함께 연료로서의 활용도 및 가치가 높아질 것으로 예상된다. 케나프를 고체 또는 가스화를 통하여 연료로서 효율적으로 활용하기 위해서는 펠릿으로 제조하여야 한다. 펠릿의 성형은 롤러의 회전과 원판형 금형 사이에서 시료의 투입을 통해 발생하는 마찰력에 의해 열과 압력이 발생하게 되며 이때 입자들은 고온에서 강한 힘으로 압축되어 서로 결합하여 펠릿의 형태로 만들어진다. 성형된 펠릿은 원료에 비해 높은 겉보기밀도와 낮은 함수율 등의 이점을 가지기 때문에 운반 및 기계투입 용이성 등 이점이 있다. 한편, 케나프 등의 바이오매스 자원의 활용은 탄소중립 실천을 위한 방안이며, 미이용 산림자원이나 폐목 등의 폐자원과 함께 활용된다면 더욱 활용성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

    따라서, 본 연구에서는 바이오매스 자원인 케나프를 기준으로 미이용 목재 자원과 폐목재 자원을 혼합하여 펠릿을 성형하고 펠릿 특성을 측정하였다. 경향성을 확인하기 위해 함수율과 혼합비의 조건을 달리하여 펠릿을 성형하였다. 성형된 펠릿은 바이오매스 자원인 케나프를 기준으로 성형한 펠릿이기 때문에 한국에너지기 기산업진흥회의 비목재 펠릿과 환경부 고시 Bio-SRF의 품질기준 을 바탕으로 연료 특성을 비교 분석하였으며 시중에 판매되는 목재 펠릿과 비교를 위해 국립산림과학원 고시 목재 펠릿 품질 및 규격 을 통해 성형된 펠릿의 품질을 측정하였다.

    재료 및 방법

    1. 공시재료

    본 실험에서는 케나프 줄기와 미이용 목재 자원 그리고 폐목 자원을 통해 펠릿을 성형하였다. 케나프 줄기는 제주도 하례마을에 서 제공받았으며 미이용 목재 자원은 ㈜나무애에서 원목 생산 과정 에서 이용되지 않은 부산물을 톱밥 형태로 공급받았다. 폐목재의 경우 순천대학교 내 목공실습실에서 발생하는 접착제가 묻은 폐목 재 자원을 사용하였다. 폐목재는 환경부 고시 기준 가공ㆍ처리ㆍ사 용과정에서 접착제 및 페인트, 기름, 콘크리트 등의 물질이 사용되 거나 묻은 목재가 폐목재 2등급으로 분류되어 있기 때문에 이를 폐목재로 판단하였다. 케나프는 국내에서 사료 및 자원화 용도 등 으로 생육하고 있으며 미이용 목재 자원 및 폐목재 자원의 경우, 목공 산업 분야에서 지속적으로 발생하기 때문에 향후에도 지속적 으로 수급 가능할 것으로 판단된다.

    펠릿을 성형하기 위해 원료의 톱밥화 과정이 필요하고 케나프 줄기와 폐목 자원은 분쇄기(Grinder, KUMKANG ENG, Korea) 를 이용하여 약 1~4 mm의 입자 크기로 준비하였다. 톱밥 형태로 준비된 시료들은 건조기(HN-502M, JEIO TECH, Korea)를 사용 하여 24시간 동안 105℃로 건조하였고 무게 비율로 하여 케나프 기준 2:8, 6:4, 10:0의 비율로 혼합하였으며 이후 함수율을 10, 15, 20%로 준비하였다.

    2. 펠릿 성형 공정

    펠릿 성형장치(SP-100, KUMKANG ENG, Korea)를 통해 펠 릿을 성형하였다. 장치 구성은 원판형 금형과 롤러가 구성되었고, 10마력 3상 모터가 동력원으로 작동되며 Fig. 1을 통해 형태를 확인할 수 있다. 원판형 금형에서 펠릿이 압출되는 구멍의 직경(D) 은 8 mm이며, 두께(L)는 40 mm로 구성되어 압축비(L/D)가 5이 며 펠릿을 성형하였다.

    선행연구에 따르면 펠릿 성형 시 성형장치 내부 온도가 100℃ 이상에서 겉보기밀도가 높고 함수율이 낮은 펠릿을 성형할 수 있다 는 연구가 진행되었다(Stelte et al., 2011). 위 조건을 위해 성형장 치 내부에 성형된 펠릿을 투입하여 성형장치 내부의 온도를 비접촉 식 적외선 온도 측정기(FLUKE-62MAX, Fluke co., USA)를 사 용하여 100℃ 이상에서 원료를 투입하여 펠릿을 성형하였다 (Moon et al., 2016).

    3. 연료 특성 및 분석 방법

    3.1 겉보기밀도

    겉보기밀도 측정은 제작된 펠릿을 1 L의 용기에 채워 높이 200~300 mm에서 3회 떨어뜨리면서 다진 다음 무게를 측정하여 용량으로 나누었다(NiFoS, 2009).

    3.2 미량원소분석

    성형한 펠릿의 원소 분석은 Micro elemental analyzer (Flash 2000, ThermoFisher, Italy)를 이용하여 C, H, N, S를 측정하였다.

    3.3 공업분석

    공업분석은 TGA 분석기(TGA Q50, TA INSTRUMENTS, America)를 사용하였다. 분위기 가스는 Air를 사용하였으며 온도 상승조건은 20℃/min, 최대온도 1,000℃의 온도를 기준으로 분석 하였다.

    3.4 고위발열량

    고위발열량 측정은 봄베형 열량계(6400, Parr, USA)를 사용하 여 펠릿 연소 시 온도의 상승을 측정하여 시료 1 g에 대한 열량을 구하여 발열량을 측정하였다.

    4. 펠릿 품질기준

    제조한 펠릿의 품질을 파악하기 위해 국립 산림과학원 고시 목 재 펠릿의 품질 및 규격을 통해 시중에서 판매되는 목재 펠릿의 품질과 비교하여 목재 펠릿 대신하여 사용여부를 파악하였다. 또 한, 본 연구에서 성형한 펠릿 모두 비목재 펠릿 또는 Bio-SRF로 분류되어 한국에너지기기산업진흥회의 비목재 펠릿 품질기준과 한국환경공단의 Bio-SRF (Bio Solid Refused Fuel) 품질기준에 맞춰 펠릿의 품질을 평가하였으며 그 기준은 Table 1에 명시하였 다(KEAA, 2018;K-eco, 2020).

    결과 및 고찰

    1. 펠릿 품질 분석

    1.1 겉보기밀도

    펠릿의 겉보기밀도는 운송과 포장에 큰 영향을 미치며 목재 펠 릿과 비목재 펠릿의 품질규격에 따르면 등급과 관계없이 겉보기밀 도가 600 kg/m3보다 크게 나타나야 하며 Bio-SRF의 경우 명시되 지 않았다. 펠릿의 형태는 Fig. 2로 나타내었으며 펠릿 품질 측정 결과는 Table 2에 나타냈다. 성형된 펠릿 모두 겉보기밀도가 600 kg/m3보다 크게 나타나 위 품질규격을 모두 만족하였다.

    Fig. 2에서는 케나프와 미이용 목재 및 폐목과의 혼합비에 따른 펠릿 결과 사진을 나타내고 있다. 케나프와 미이용 목재 또는 폐목 과의 혼합비가 6:4, 함수율은 15%(w.b.)로 성형된 펠릿은 펠릿 외부의 갈라짐 현상과 부스러기가 발생함을 확인할 수 있으며 이와 달리 혼합비 2:8 또는 10:0의 비율로 성형한 펠릿에서는 앞서 말한 현상이 감소하였다.

    Fig. 3에서는 케나프 펠릿을 함수율별로 나타낸 사진이다. 함수 율의 20%에서 외부의 갈라짐 현상과 부스러기가 발생하는 것을 확인하였으나, 함수율 10, 15%에서 위의 현상이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

    또한, Table 2에서 보았을 때 성형된 펠릿의 겉보기밀도를 수치 로 나타낸 것을 확인할 수 있으며, 케나프로만 제조한 펠릿에 비해 미이용 목재 자원과 폐목재 자원을 혼합할 때 6:4의 비율에서 가장 낮은 수치를 나타내었으며, 2:8과 10:0의 비율에서 높은 수치를 나타내었다. 이는 케나프가 초본계 작물이기 때문에 리그닌의 함량 이 많다는 연구보고(Nishimura et al., 2002)가 있었으며 타 원료 와 혼합하여 펠릿을 성형하였을 때 결합이 원활하게 이루어지지 않은 것으로 판단된다. 미이용 목재나 폐목의 경우도 단일 원료의 함량이 높을수록 밀도가 높아짐을 확인하였다. 따라서, 펠릿의 밀 도 측면에서는 가능하다면 단일 원료를 이용하고, 부원료의 함량은 낮게 유지하는 바람직할 것으로 판단된다.

    1.2 미량원소분석

    성형된 펠릿에서 미량원소분석을 통해 C, H, N, S의 구성비를 확인할 수 있으며 특히, 질소 및 황의 성분은 배기가스의 오염물 농도에 영향을 끼칠 수 있다. 질소의 경우, 목재 펠릿 품질기준에 따르면 등급별로 0.3, 0.5, 0.7% 이하의 수치를 나타내야 하며, 비목재 펠릿 품질기준에 따르면 A등급의 경우 1.5% 이하, B등급의 경우 2.0% 이하를 만족해야하며 Bio-SRF의 경우 기준이 명시되지 않았다. 황의 경우, 비목재 펠릿에서 A, B등급 모두 0.2% 이하로 나타나야 하며 Bio-SRF의 경우 0.6% 이하를 만족해야 한다.

    제조된 펠릿의 미량원소 측정 결과는 Table 3, 4를 통해 확인할 수 있다. 모든 조건에서 황은 불검출되었음을 확인할 수 있으며 질소의 경우 미이용 목재 자원을 혼합한 것에 비해 폐목재 자원의 혼합비율이 높아짐에 따라 질소의 함량이 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 폐목재 자원에 접착제와 같은 이물질로 인해 질소의 함량이 높아지는 것으로 추정된다.

    1.3 공업분석

    제조된 펠릿에 대해 공업분석을 통해 연소성 물질인 Fixed carbon, Volatile matter 함량과 비연소성 물질인 Moisture와 Ash를 측정하였으며, 결과는 Table 5, 6에 나타내었다.

    실험 결과, 함수율의 경우 성형된 펠릿의 함수율은 목재 펠릿의 경우 10% 이하여야 하며, 비목재 펠릿은 12, 15% 이하, Bio-SRF 의 경우 10% 이하를 충족하여야 하는데 성형된 펠릿 모두 함수율 의 조건을 만족하고 있다.

    회분의 경우는 비목재 펠릿 및 Bio-SRF의 15% 이하 기준을 만족하고 있다. 그러나 목재 펠릿의 최저 기준인 B등급 2.0% 이하 기준의 경우 만족하는 경우와 만족하지 못하는 경우가 발생하였다. 케나프만을 이용한 펠릿의 경우 전체 함수율 범위에서 회분의 비율 이 2.33∼3.38%로 기준을 초과하였는데, 이는 선행연구(Kang et al., 2018)의 결과인 4.9% 보다는 양호한 것으로 나타났다.

    전체적으로는, 함수율 15% (w.b.)에서 케나프와 미이용 목재의 혼합비가 2:8인 경우와 함수율 20% (w.b.)에서 케나프와 미이용 목재의 혼합비가 6:4 및 2:8인 경우에 기준을 만족하였고, 그 이외 에는 기준을 만족하지 못하였다. 특히, 케나프만을 사용하거나 폐 목을 섞은 경우는 모두 기준을 만족하지 못하므로, 목재 펠릿의 기준을 만족하는 연료 이용을 위해서는 케나프와 미이용 목재 자원 을 혼합 활용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

    1.4 발열량

    성형한 펠릿의 발열량 측정값은 Table 7, 8과 같다. 목재 및 비목재 펠릿의 품질기준에 따르면 등급과 관계없이 모두 3,940 kcal/kg 이상의 고위발열량을 보유하여야 한다. Bio-SRF의 경우 3,000 kcal/kg 이상의 고위발열량을 가지고 있어야 품질기준을 만 족한다.

    실험 결과, 성형된 펠릿 대부분 약 4,000 kcal/kg의 고위발열량 을 가지고 있는 것으로 나타났다. 이는 선행연구(Kang et al., 2018)의 결과인 4,350 kcal/kg의 고위발열량과 유사한 값인 것으 로 나타났다.

    혼합비의 차이에 따라 비교할 때, 미이용 목재 자원의 혼합비율 이 증가할수록 발열량이 점차 증가하는 경향이 나타났으나 폐목의 경우 혼합비율이 증가함에 따라 발열량이 감소하는 경향이 나타났 다. 이는 앞의 공업분석에서 나타났듯 회분의 함량이 폐목재 자원 을 혼합한 펠릿에서 미이용 목재 자원을 혼합한 펠릿과 비교하여 높은 수치를 나타냈기 때문에 이러한 결과가 발생한 것으로 판단된 다. 또한, 발열량의 경우 목재 펠릿의 품질기준 또한 만족하였기 때문에 발열량 측면에서 목재 펠릿을 대신하여 사용할 수 있을 것으로 확인할 수 있을 것으로 보인다.

    감사의 글

    본 결과물은 2021년도 교육부의 재원으로 한국연구재단 지원을 받아 수행된 지자체ㆍ대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다.

    Figures

    JALS-56-3-105_F1.gif

    Pelletizer machine.

    JALS-56-3-105_F2.gif

    Kenaf pellet mixed with unused wood and waste wood by mixed ratio;

    (a) Kenaf : Others, (b) Kenaf : Unused wood, (c) Kenaf : Waste wood, (d) Kenaf : Unused wood, (e) Kenaf : Waste wood.

    JALS-56-3-105_F3.gif

    Kenaf pellet by moisture content(w.b.); (a) 10%, (b) 15%, (c) 20%.

    Tables

    Standard of non woody pellet and Bio-SRF

    Bulk density of pellets

    Elemental analysis of pellets

    Elemental analysis of pellets

    Proximate analysis of pellets

    Proximate analysis of pellets

    Calorific value of pellets

    Calorific value of pellets (Waste wood)

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