폐목재와 페PE Film을 이용한 목질계 연료개발

도 갑 수 ,   이 근 원

개요

1. 서론

① 우리나라의 폐기물에너지의 현황

② 폐목재와 폐pe film 혼합

2. 본론

① 폐목재와 폐pe film의 조사 및 실험

- 처리현황

- 특성조사

- 혼합연료 제조

3. 결과 및 고찰

① 폐목재와 폐pe film 발생 및 처리 현황

② 연료제조시 조성표

③ 단독연료와 혼합연료 각각 압력에 따른 성형여부 조사

④ 각종 혼합연료의 성질

⑤ 최적의 혼합연료 및 결론

1.서론

국토가 좁고 자원이 부족한 우리나라는 끊이없는 경제발전을 추구하며서 모든 분야에 괄목할 만한 발전을 보여 왔다. 지속적인 경제규모의 확대와 국민 생활수준의 향상으로 에너지 수요는 날로 증가하고 있으나, 지구상에 존재하는 에너지 자원은 한계가 있다. 특히 원유가 한방울도  나지 않ㅇ며 석탄의 질마저 저질화 되어가고 있으므로 대부분의 에너지 자원을 외국에 의존하고 있는 우리나라로서는 에너지의 다양화가 필요하며 여러분야에서 에너지의 효율적인 이용을 도모하기 위하여 대체 에너지의 개발이 절실한 실정이다.

대체에너지는 주종 에너지를 석유, 석탄, 원자력 및 천연가스로 볼때 이들을 대체할 수 있는 에너지원인(태양에너지, 바이오 에너지, 풍력 및 조력, 폐기물 에너지등이며, 현재 국내대체에너지 이용 이용량의 약 62.6%가 폐기물에너지가 차지하고 있다.

여기서는 폐목재와 폐PE film을 이용한 연료를 개발하고자 국내 폐목재와 폐PE film의 발생 및 처리현황을 추정하고 물리 및 화확적 특징을 조사하였다.

최근 미국에서는 심각한 폐기물 처리문제를 해결하기 위해 목재 폐기물을 연료로 사용한 발전소를 건설하였거나, 에너지 전환 시스템 개발에 주력하고 있다. 일본의 경우 1980년부터 고지현은 폐목재 대체에너지 개발 연구회를 설치하여 산, 학, 연 공동으로 폐목재를 이용한 연료개발 및 연소장치 개발에 착수하여 상당히 실용화 단계에 있다고 보고 되었다.

PE는 발열량(LHV)이 약 11,000kcal/kg으로 높아 소각시 로벽에 특수재료를 사용하여야 한고 공기공급이 과잉으로 요구되므로 이들의 조절이 곤란하며, 가벼우므로 원료공급구에 특수장치를 설계해야 하는등 소각장치 설계상의 많은 문제점이 있다.

폐목재는 발열량(LHV)이 약 4,500kcal/kg이 되나 수분함량이 약 20wt%로 높은 편이므로 단일 연료로는 만족하지 못한 점도 있다.

여기서 여러 가지 문제점을 보완하고 보다 값싸게 쉽게 얻을 수 있고, 저장 운반등이 우수한 폐목재와 폐PE를 혼합한 목질계연료(WDF)연료를 개발하였다.

2. 본론

1) 폐목재, 폐플라스틱 발생 및 처리현황 조사

목재의 발생량은 크게 제재소에서 목가공시 발생하는 톱밥과 목피, 그리고 임야에서 벌목으로 발생된 폐목재를 대상으로 하였다. 산림청자료를 토대로 하여 국내 목재공급량과 외국 원목 수입량을 얻고 5개의 국내 제재소를 탐방 문의하여 톱밥과 목피의 발생율을 얻어 제재소에서 발생하는 폐목재의 양을 추정하였다.

폐플라스틱 발생량은 소비량에 제품에 따를 수명을 이용하여 추정하였다.한편 농업용 폐플라스틱 발생량은 한국자원재생공사의 농업용 폐수지 발생량 조사보고서를 참고로 하였다.

2) 시료의 물리적 특성 및 화학적 성질

물리적 특성

시료의 겉보기 밀도는 시료의 무게와 부피를 측정하여 계산하였으며, 입도느 Tyler Sieve로서 Shaker(국산, 국제과학)을 통하여 10분간 요동시킨후 각채에 남아있는 시료의 무게를 측정하여 구하여 분석하였다. 입도분석은 폐목재의 경우만 실시하였고, 톱밥은 제재소에서 구입한 것을 처리없이 사용, 목피는 구입한 분쇄기로 1회 파쇄한후 사용 압축강도는 만능시험기을 사용하였고, 파열힘을 단면적으로 나누어 파열 강도를 계산하였다.

화학적 성질

시성분석,원소분석 및 열량분석(조사해라!!)으로 조사하였다. 시성분석은 환경오염공정 시험법 폐기물편에 의거 분석,원소분석은 시료중의 C, H, N의 중량%로 얻었으며 분석기기는 YAMAHA XT3OO으로 측정하였다.발열량 측정은 완전히 건조시킨 시료를 2-5mm 크기로 절단 후1g전후를 정평하여 측정하였다. 다음에 수분함량을 이용하여 습식 발열량을 계산하였다.

3) 폐목재와 폐 PE film 혼합연료 제조

① 원료

실험에 사용한 시료는 폐목재로는 톱밥(sawdust)와 목피(bark)이며, PE로는 흙이 붙은 폐PE film,세척한 PE film(fluffed), 재생 PE pellet, 폐PE bag이다.이들 연료의 기호와 겉보기밀도를 Table 1에 각각 나타내었다.

폐목재와 폐PE을 이용한 연료제조에 사용한 실험 기계는 파쇄기와 성형기이다.

수동식은 압력범위 0-1000psi, 온도 범위 0-200도이며 기계식은 압축 성형기는 성형압력과 조작온도를 자동적으로 조정토록 설계하였다.

혼합연료 제조에 사용한 연료를 table1의 만들고 table3에  고유번호를 나타내었다.

작용시간은 가능한 짧은 것이 좋으므로 예비 실험에서 얻은 성형시간은 10분으로 택하였다.

흙이 묻은 PE film은 오염정도를 확인하기 곤란하므로 실험에서 제외 시켰다.

3. 결과 및 고찰

1) 폐목재의 발생 및 처리현황

폐목재의 종류를 크게 제재소에서와 원목 가공과정에서 발생되는 톱밥(sawdust)과 목피(back)와 산림자원의 벌목에서 얻어지는 폐목재로 분류하였다. 톱밥과 목피의 발생비율은 5개 제재소의 탐방 문의 결과 5-10%, 목피 15-20%정도로 그 중간값으로 톱밥 7.5%, 목피 17.5% 택하여 추산하였으며, 벌목은 1년 국내 목재 공급량의 10%를 취하여 계산하였다.

table5에서 폐목재의 발생량을 나타내었다. 목재의 경우 비중0.5-0.9까지 다양하나 0.7로 택하고 발생량을 무게로 환산하면 1988년의 경우 1,586천톤이 발생하였다. 매년 5.6%의 증가율을 보이고 있다. 폐목재에 대하여 체계적으로 관리하는 기관이 없으므로 이에 대한 자료를 얻기 곤란하였으며, 본 조사를 토대로 폐목재 이용현황을 Fig 1에 나타내었다.

2) 폐PE Film의 발생 및 처리현황

국내 플라스틱 제품의 년도별 수요량과 소비량에 따른 수명을 이용하여 년도별 폐플라스틱 발생량을 추정하고 1988년기준 발생량이 989천톤이었고, PE, PVC, PP, PS순이었다. 발생원별로는  생활폐기물이 전체의 약 61%로 가장 많았고 산업폐기물이 약 17%, 농업용 폐pe이 약 13%순이다. 1998년의 경우 국내에서 생성된 폐플라스틱 양은 LDPE가 487.4톤으로 추정되고 있다.

이들중 1989년의 농업용 폐 film의 처리현황은 fig4와 같이 매각(재활용)이 72%로 가장 많았고, 소각이 4%, 야적량(보관)이 약 24%나 되었다. 따라서 수거되지 않은 많은 양을 감안하면 상당한 양이 방치 및 폐기되어 여러 가지 환경상의 문제가 야기되므로 처리 및 재활용등 적절한 대책이 요구된다.

*95년 자료는 추정치임 (단위 : 천톤/년)

3) 연료 제조

① 원료의 물리적 성질

실험에서 사용한 원료의 겉보기 분석하여 각 시료에 대한 입도 누적분포곡선을 Fig6에 각각 나타내었다. 톱밥의 경우 정상분포를 나타내주고 있으며, 모피의 경우도 파쇄가 원만하고 파쇄후의 입도 분포도 톱밥과는 다소 차이가 있으나 이를 이용하는데는 큰차이가 없을 것으로 판단되었다. 톱밥과 목피의 경우 평균직경은 각각 0.847mm, 1.223mm이었다.

② 화학적 성질

각 시료별 시성분석, 원소 분석 및 열량분석 결과를 Table 6에 나타내었다. 폐목재의 경우는 7-8%의 수분함량이나 실제 수집, 수송, 보관하는 사이에 상당히 건조되었다. 특히 흙이 묻은 PE의 경우에는 46%정도 포함하고 있었으며, 이는 PE에 붙어 있는 흙의 양이라 판단됨 그래서 이 분석물은 활용하는 것이 불가능 할것으로 판단된다.

발열량을 보면 톱밥이 4,500kcal/kg으로 목피보다 약간 놉으나, 평균으로 기존 자료와 비슷하며 PE의 경우는 상태에 따라 다소 차이가 있으나 대체로 깨끗한 경우에는 10,000kcal/kg 이상을 나타내었다.

③ 단독연료

톱밥을 사용하여 수동식 압축성형기로 제조하는 경우 작용압력별 겉보기 밀도를 측정한 결과는 150kg/까지는 상당히 큰 폭으로 압축이 되었으나 그 이후에는 압축정도가 둔화되었다. 톱밥과 파쇄한 목피를 사용하여 기계식 압축성형기로 제조할 경우 작용압력에 따라 겉보기 밀도의 변화를 Fig 8에 나타내었다.

이결과 일정한 압력에 의한 감량화도 어느정도 가능함을 알았다. Fig 8에 의하면 10kg/일 경우 0.68g/의 서형품을 만들 수 있어 수동식보다 기계식 성형기가 아주 우수함을 알았고, 두 경우 모두60kg/이상의 압력에서는 겉보기 밀도1g/이상의 성형품을 얻었다.

④ 혼합연료

i) 회분식 압축성형 혼합연료

폐목재와 폐 PE를 혼합하여 일정한 성형조건에서 압축성형기로 혼합여료를 성형하여 이들의 겉보기 밀도를 측정하여 혼합연료이 제조시 최적 조건을 얻고자 하였다.

원료성분조성, 작용온도 및 작용압력 변화에 따른 압축성형 혼합연료에 대한 각각의 겉보기 밀도를 측정하였으며, 그 결과 가운데 SG`시료의 경우만 Fig.9에 의하여 온도가 높을수록 혼합연료의 높이는 낮아지나, 압축과 동시에 수분이 증발하여 질량이 감소하므로 겉보기 밀도에는 큰 변화가 없음을 알았다.

보통 성형온도만 되면 무난하므로 120-140도 적합하다고 판단이 되었다.

조성에 따른 영향을 검토하기 위하여 동일조성의 시료를 여러온도에서 성형한 연료의 평균 겉보기 밀도를 Table 7 에 의하면 혼합연료의 종류에  톱밥보다 목피의 경우가 겉보기 밀도가 높았고, 폐 PE에 대하여는 fluff와 bag이 pellet보다 약간 높았다. 혼합연료는 제조가 가능하였으며, 폐 PE의 경우에는 pellet로 제조한 것보다는 fulff나 bag을 파쇄기로 파쇄한 것을 사용하는 것이 용융성형 상태가 양호하였고, 이는 제조공정이 오히려 간편하게 하는 이점이 있다. 사료된다.

⑤ 각종 혼합연료의 성질

압축성형 혼합연료의 경우 몇가지의 시료에 대하여 시성분석, 원소분석 및 열량분석을 실시하였으며 또 압축강도도 측정하였다.

여기 실험값에 보면 시료시스템에 관계없이 PE의 함량이 높을수록 휘발성 성분인

VS가 높게 나타났다. 원소분석의 경우에는 탄소(C)의 함량이 증가하였다.어느 겨웅에도 5,000kcal/kg 이상의 연료를 얻을 수 있었다. 시료의 압축강도도 350Kg/에서 660Kg/로 상당히 높았으며 시료시스템별로 큰 변화가 없으나 PE가 20%일때가 가장 높았다.

연속압축성형기로 만든 PE20-30% 첨가한 목질계 혼합연료는 외형, 물리 화학적 성질 및 연소상태가 양호하였다.

4) 결 론

① 폐 목재 발생량은 1998년기준으로 1,586천톤으로 추정되었으며 약 5.6%의 년평균 증가율을 보였다.

② 폐 플라스틱 발생량은 2,213천톤이었으며, 생활폐기물이 약 61%, 산업폐기물 이 17%, 농업용폐기물이 13%, 기타 8%이었다. 이중 농업용 폐 flim은 매각 72%, 소각4%, 야적24%이었으며 미수거량과 보관용에 대한 처리 및 재활용대책이 요구된다.

③ 톱밥과 파쇄한 목피를 기계식 압축성형길 성형, 압력변화에 따라 단독 연료를 성형 압력에서 성형이 이루어졌으며 두 경우 모두 60kg/cm이상의 압력에서느 겉보기 밀도 1g/cm의 성형품을 얻었다.

④ 폐목재와 폐 PE을 일정한 조성으로 혼합하여 혼합연료의 제조실험으 통하여 어느 경우나 혼합연료의 성형이 가능하고, 조작 온도는 조작 압력 10kg/cm일때 PE가 용융할 수 있는 120-140도가 적당하였고, PE의 조성은 20-30wt%일때 양호한 연료를 얻을 수 있었다.