(1) 고형바이오매스의 종류와 특징
고형 바이오매스는 보일러의 연료로 사용될 수 있는 다양한 종류가 있습니다. 이들은 주로 식물성 물질로 이루어져 있으며, 재생 가능한 에너지원으로 간주됩니다. 고형 바이오매스의 주요 종류는 다음과 같습니다:
1. 목재 바이오매스
목재 칩: 나무를 작은 조각으로 잘게 자른 것으로, 보일러 연료로 널리 사용됩니다.
펠릿(Pellets): 목재를 고압으로 압축하여 작은 원통형으로 만든 것으로, 연소 효율이 높고 저장 및 운반이 용이합니다.
나무 조각: 큰 나무 조각으로, 주로 산업용 보일러에서 사용됩니다.
톱밥: 목재 가공 과정에서 나오는 부산물로, 연소 효율이 높습니다.
2. 농업 부산물
짚: 벼, 밀, 보리 등의 농작물 수확 후 남은 줄기로, 연료로 사용될 수 있습니다.
옥수수 대: 옥수수 수확 후 남은 줄기로, 연소 효율이 높습니다.
사탕수수 바가스: 사탕수수 가공 과정에서 남은 섬유질 부산물로, 열병합 발전소에서 널리 사용됩니다.
면화 줄기: 면화 수확 후 남은 줄기로, 연료로 사용될 수 있습니다.
3. 에너지 작물
스위치그래스: 빠르게 자라는 다년생 식물로, 고체 연료로 사용됩니다.
미스캔서스: 높은 바이오매스 생산량을 가진 풀 종류로, 연료로 적합합니다.
버드나무: 빠르게 자라는 나무로, 단기간에 많은 바이오매스를 생산할 수 있습니다.
4. 유기성 폐기물
가축 분뇨: 건조시켜 연료로 사용할 수 있으며, 특히 소똥 등이 사용됩니다.
음식물 쓰레기: 건조 및 처리 과정을 거쳐 연료로 사용될 수 있습니다.
종이 및 판지 폐기물: 재활용이 어려운 종이류를 연료로 사용할 수 있습니다.
5. 기타 고형 바이오매스
코코넛 껍질: 코코넛 가공 과정에서 나오는 껍질로, 연소 효율이 높습니다.
올리브 케이크: 올리브 오일 추출 후 남은 부산물로, 연료로 사용됩니다.
커피 껍질: 커피 가공 과정에서 나오는 껍질로, 연소 효율이 높습니다.
고형 바이오매스의 장점
재생 가능성: 식물성 물질로 이루어져 있어 지속 가능한 에너지원입니다.
탄소 중립: 연소 시 배출되는 CO₂는 식물이 성장하면서 흡수한 CO₂와 균형을 이룹니다.
폐기물 활용: 농업 및 산업 부산물을 활용하여 폐기물 처리 문제를 해결할 수 있습니다.
고려 사항
수분 함량: 수분 함량이 높을 경우 연소 효율이 떨어질 수 있으므로 건조 과정이 필요합니다.
재 처리: 연소 후 남은 재는 적절히 처리해야 하며, 일부는 비료로 재활용될 수 있습니다.
(2) 부산물을활용한 고형바이오매스 제조에 필요한 과정
부산물들을 활용해서 고형바이오매스 연료로 만들어 산업용 보일러의 열원으로 사용하여 에너지를 생산하기 위해 필요한 것들이 있습니다.
농산물 가공 부산물을 고형 바이오매스 연료로 전환하여 산업용 보일러의 열원으로 사용하기 위해서는 여러 단계의 과정과 필요한 장비, 기술이 필요합니다. 아래는 이 과정에 필요한 주요 요소들을 설명한 것입니다:
1. 부산물 수집 및 전처리
수집 시스템: 농산물 가공 공장에서 부산물을 효율적으로 수집할 수 있는 시스템이 필요합니다. 이는 컨베이어 벨트, 집진기, 저장 탱크 등으로 구성될 수 있습니다.
분쇄 및 건조: 부산물을 적절한 크기로 분쇄하고 수분 함량을 줄이기 위해 건조 과정이 필요합니다. 분쇄기는 부산물을 작은 조각으로 만드는 데 사용되며, 건조기는 수분 함량을 낮추어 연소 효율을 높입니다.
2. 압축 및 성형
펠릿 제조기: 분쇄 및 건조된 부산물을 고압으로 압축하여 펠릿(pellets) 또는 브리켓(briquettes)으로 성형합니다. 이 과정은 연료의 밀도를 높이고, 저장 및 운반을 용이하게 합니다.
바인더 추가: 일부 부산물은 압축 시 바인더(결합제)가 필요할 수 있습니다. 천연 바인더나 합성 바인더를 사용하여 펠릿의 강도를 높일 수 있습니다.
3. 저장 및 운반
저장 시설: 생산된 고형 바이오매스 연료를 보관할 저장 시설이 필요합니다. 이 시설은 습기와 먼지로부터 연료를 보호할 수 있어야 합니다.
운반 시스템: 저장 시설에서 보일러까지 연료를 운반할 수 있는 시스템이 필요합니다. 이는 컨베이어 벨트, 덤프 트럭, 파이프라인 등으로 구성될 수 있습니다.
4. 연소 시스템
보일러 설계: 고형 바이오매스 연료를 연소할 수 있도록 설계된 보일러가 필요합니다. 이 보일러는 연료의 특성에 맞게 조정되어야 하며, 고효율 연소를 위해 적절한 공기 공급 시스템을 갖추어야 합니다.
연소 챔버: 연료를 연소시킬 연소 챔버는 고온과 압력을 견딜 수 있는 재료로 만들어져야 합니다.
공기 공급 시스템: 연소 과정에 필요한 공기를 공급할 수 있는 시스템이 필요합니다. 이는 연소 효율을 높이고, 유해 가스 배출을 줄이는 데 중요합니다.
5. 배기 가스 처리
필터 시스템: 연소 과정에서 발생하는 먼지와 미세 입자를 걸러내기 위한 필터 시스템이 필요합니다. 이는 배기 가스의 청정도를 높이고, 환경 오염을 줄이는 데 중요합니다.
스크러버: 배기 가스 중의 유해 가스(예: SO₂, NOx)를 제거하기 위한 스크러버 시스템이 필요합니다. 이는 화학적 또는 물리적 방법으로 유해 가스를 제거합니다.
6. 에너지 회수 및 활용
열교환기: 연소 과정에서 발생한 열을 효율적으로 회수하기 위한 열교환기가 필요합니다. 이 열은 공정 열, 난방, 또는 전기 생산에 사용될 수 있습니다.
터빈 및 발전기: 열을 이용하여 증기를 생성하고, 이 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산할 수 있습니다. 이는 열병합 발전(CHP) 시스템의 일부로 활용될 수 있습니다.
7. 모니터링 및 제어 시스템
자동 제어 시스템: 연소 과정을 자동으로 제어하고 모니터링할 수 있는 시스템이 필요합니다. 이는 연소 효율을 최적화하고, 안전성을 높이는 데 중요합니다.
센서 및 계측기: 온도, 압력, 공기 흐름 등을 측정할 수 있는 센서와 계측기가 필요합니다. 이 데이터는 자동 제어 시스템에 입력되어 실시간으로 연소 과정을 조정합니다.
8. 환경 규제 준수
배출 기준 준수: 지역 및 국가의 환경 규제를 준수하기 위해 배출 가스의 농도를 지속적으로 모니터링하고, 필요한 경우 추가적인 처리 과정을 거쳐야 합니다.
폐기물 처리: 연소 후 남은 재(ash)를 적절히 처리해야 합니다. 이 재는 비료로 재활용되거나, 안전하게 매립될 수 있습니다.
9. 경제성 분석 및 지원
초기 투자 비용: 고형 바이오매스 연료 생산 및 연소 시스템을 구축하기 위한 초기 투자 비용을 분석해야 합니다.
운영 비용: 시스템의 운영 및 유지보수 비용을 고려해야 합니다.
정부 지원 및 인센티브: 재생 가능 에너지 프로젝트에 대한 정부 지원 및 인센티브를 활용할 수 있습니다.
이러한 요소들을 고려하여 농산물 가공 부산물을 고형 바이오매스 연료로 전환하고, 이를 산업용 보일러의 열원으로 사용하면 지속 가능한 에너지 생산이 가능해집니다. 이는 환경 보호와 경제적 이익을 동시에 달성할 수 있는 효과적인 방법입니다.
(3) 사과즙을 짜고남은 찌꺼기의 예
사과즙을 짜고 남은 찌꺼기의 함수율은 일반적으로 70%에서 85% 사이입니다. 이는 사과의 품종, 가공 방법, 저장 조건 등에 따라 달라질 수 있습니다. 사과 자체가 수분을 많이 포함하고 있기 때문에, 찌꺼기 역시 높은 함수율을 가지는 것이 일반적입니다.
함수율의 중요성
연료로서의 활용: 고형 바이오매스 연료로 사용하기 위해서는 함수율을 낮추는 것이 중요합니다. 높은 함수율은 연소 효율을 떨어뜨리고, 연소 과정에서 추가적인 에너지가 필요할 수 있습니다.
건조 과정: 찌꺼기를 연료로 사용하기 전에 건조 과정을 거쳐 함수율을 약 10%에서 20% 수준으로 낮추는 것이 일반적입니다. 이는 연소 효율을 높이고, 저장 및 운반을 용이하게 합니다.
건조 방법
자연 건조: 햇빛과 바람을 이용하여 천연적으로 건조시키는 방법입니다. 비용이 저렴하지만 시간이 오래 걸리고, 날씨에 영향을 받습니다.
기계적 건조: 열풍 건조기나 회전식 드럼 건조기 등을 사용하여 빠르게 건조시키는 방법입니다. 초기 투자 비용이 높지만, 시간과 공간을 절약할 수 있습니다.
추가 활용
펠릿 제조: 건조된 사과 찌꺼기는 펠릿 제조기에 의해 고압으로 압축되어 펠릿으로 만들 수 있습니다. 이는 연료로서의 밀도를 높이고, 저장 및 운반을 용이하게 합니다.
비료 및 사료: 건조된 찌꺼기는 비료나 사료로도 활용될 수 있습니다. 이는 유기물과 영양분이 풍부하기 때문에 농업 및 축산업에서 유용하게 사용될 수 있습니다.
경제적 및 환경적 이점
폐기물 감소: 사과 찌꺼기를 연료나 다른 용도로 재활용하면 폐기물 처리 비용을 줄일 수 있습니다.
에너지 생산: 고형 바이오매스 연료로 사용하여 에너지를 생산하면, 화석 연료의 사용을 줄이고 탄소 배출을 감소시킬 수 있습니다.
사과 찌꺼기의 높은 함수율은 초기 처리 과정에서 추가적인 에너지와 비용이 필요할 수 있지만, 적절한 건조 및 처리 과정을 거치면 매우 유용한 자원으로 변모할 수 있습니다.
(4) 커피음료 생산공장에서 발생하는 커피박의 고형화 연료 예
커피 음료 생산 공장에서 발생하는 커피박(커피 찌꺼기)의 함수율은 일반적으로 50%에서 70% 사이입니다. 이는 커피 추출 과정에서 사용되는 물의 양, 추출 방법, 커피 원두의 종류 등에 따라 달라질 수 있습니다. 커피박은 높은 함수율을 가지고 있기 때문에, 이를 고형 바이오매스 연료나 다른 용도로 활용하기 위해서는 건조 과정이 필요합니다.
함수율의 중요성
연료로서의 활용: 고형 바이오매스 연료로 사용하기 위해서는 함수율을 낮추는 것이 중요합니다. 높은 함수율은 연소 효율을 떨어뜨리고, 연소 과정에서 추가적인 에너지가 필요할 수 있습니다.
건조 과정: 커피박을 연료로 사용하기 전에 건조 과정을 거쳐 함수율을 약 10%에서 20% 수준으로 낮추는 것이 일반적입니다. 이는 연소 효율을 높이고, 저장 및 운반을 용이하게 합니다.
건조 방법
자연 건조: 햇빛과 바람을 이용하여 천연적으로 건조시키는 방법입니다. 비용이 저렴하지만 시간이 오래 걸리고, 날씨에 영향을 받습니다.
기계적 건조: 열풍 건조기나 회전식 드럼 건조기 등을 사용하여 빠르게 건조시키는 방법입니다. 초기 투자 비용이 높지만, 시간과 공간을 절약할 수 있습니다.
추가 활용
펠릿 제조: 건조된 커피박은 펠릿 제조기에 의해 고압으로 압축되어 펠릿으로 만들 수 있습니다. 이는 연료로서의 밀도를 높이고, 저장 및 운반을 용이하게 합니다.
비료 및 퇴비: 커피박은 유기물과 영양분이 풍부하기 때문에 비료나 퇴비로 활용될 수 있습니다. 이는 농업에서 토양 개량제로 유용하게 사용될 수 있습니다.
바이오가스 생산: 커피박은 혐기성 소화 과정을 통해 바이오가스를 생산하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 메탄을 포함한 가스를 생산하여 에너지원으로 활용할 수 있습니다.
경제적 및 환경적 이점
폐기물 감소: 커피박을 연료나 다른 용도로 재활용하면 폐기물 처리 비용을 줄일 수 있습니다.
에너지 생산: 고형 바이오매스 연료로 사용하여 에너지를 생산하면, 화석 연료의 사용을 줄이고 탄소 배출을 감소시킬 수 있습니다.
순환 경제: 커피박을 재활용함으로써 순환 경제 모델을 구축할 수 있으며, 이는 지속 가능한 자원 관리에 기여합니다.
커피박의 높은 함수율은 초기 처리 과정에서 추가적인 에너지와 비용이 필요할 수 있지만, 적절한 건조 및 처리 과정을 거치면 매우 유용한 자원으로 변모할 수 있습니다. 이를 통해 환경 보호와 경제적 이익을 동시에 달성할 수 있습니다.
(5) 축분펠릿과 다른 바이오매스 혼합 고형연료
축분펠릿 연소 2차 테스트 보고서_20250225.pdf
축분펠릿 연소 테스트(1차) 보고서_20250128.pdf
축분과 다른 바이오매스를 혼합하여 고형바이오매스를 만들때 혼합하는 다른바이오매스 종류별로 제조상 특성과 연료로 사용시 연료로서 특성은 많은 차이점이 있을수 있습니다.
축분(우분)과 다른 바이오매스를 혼합하여 고형바이오매스 연료를 제조할 때, 각 바이오매스의 특성에 따라 제조 과정과 연료로서의 특성이 달라집니다.
(6) 주요 바이오매스 종류별로 제조상의 특성과 연료로서의 특성
1. 목재 펠릿
제조상 특성:
원료: 목재 펠릿은 주로 목재 가공 과정에서 발생하는 톱밥, 나무 조각, 목재 부산물 등을 사용합니다.
건조: 목재 펠릿은 일반적으로 낮은 함수율(8~12%)을 유지하기 위해 건조 과정이 필수적입니다.
압축: 건조된 목재 부산물을 고압으로 압축하여 펠릿 형태로 만듭니다. 이 과정에서 바인더가 필요하지 않을 수 있습니다.
규격: 직경 6~10mm, 길이 10~30mm 정도의 규격화된 크기로 제조됩니다.
연료로서의 특성:
열량: 약 4,000~4,500 kcal/kg로 높은 열량을 가집니다.
연소 효율: 낮은 함수율로 인해 점화 및 연소가 빠르고 완전 연소가 잘 이루어집니다.
배출물: NOx와 SOx 배출이 상대적으로 낮으며, 미세먼지(PM) 발생도 적습니다.
재 발생량: 재 발생량이 적고, 슬래그(slag) 및 크링커(clinker) 형성이 적습니다.
2. 왕겨 펠릿
제조상 특성:
원료: 왕겨는 벼의 겨로, 농업 부산물 중 하나입니다.
건조: 왕겨는 자연적으로 건조된 상태이지만, 추가적인 건조 과정을 통해 함수율을 낮출 수 있습니다.
압축: 왕겨를 고압으로 압축하여 펠릿 형태로 만듭니다. 바인더가 필요할 수 있습니다.
규격: 직경 6~10mm, 길이 10~30mm 정도의 규격화된 크기로 제조됩니다.
연료로서의 특성:
열량: 약 3,000~3,500 kcal/kg로 목재 펠릿보다는 낮지만 여전히 높은 열량을 가집니다.
연소 효율: 낮은 함수율로 인해 점화 및 연소가 빠르지만, 목재 펠릿보다는 연소 효율이 약간 낮을 수 있습니다.
배출물: NOx와 SOx 배출이 적지만, 미세먼지(PM) 발생이 다소 높을 수 있습니다.
재 발생량: 재 발생량이 다소 많고, 슬래그 및 크링커 형성이 있을 수 있습니다.
3. 커피박 펠릿
제조상 특성:
원료: 커피박은 커피 추출 후 남은 찌꺼기로, 유기물이 풍부합니다.
건조: 커피박은 높은 함수율(50~70%)을 가지므로, 건조 과정이 필수적입니다.
압축: 건조된 커피박을 고압으로 압축하여 펠릿 형태로 만듭니다. 바인더가 필요할 수 있습니다.
규격: 직경 6~10mm, 길이 10~30mm 정도의 규격화된 크기로 제조됩니다.
연료로서의 특성:
열량: 약 3,500~4,000 kcal/kg로 높은 열량을 가집니다.
연소 효율: 낮은 함수율로 인해 점화 및 연소가 빠르지만, 커피박 내의 유기물 성분으로 인해 연소 과정에서 타르(tar)가 발생할 수 있습니다.
배출물: NOx와 SOx 배출이 적지만, 미세먼지(PM) 발생이 다소 높을 수 있습니다.
재 발생량: 재 발생량이 다소 많고, 슬래그 및 크링커 형성이 있을 수 있습니다.
4. 톱밥 펠릿
제조상 특성:
원료: 톱밥은 목재 가공 과정에서 발생하는 미세한 나무 조각입니다.
건조: 톱밥은 자연적으로 건조된 상태이지만, 추가적인 건조 과정을 통해 함수율을 낮출 수 있습니다.
압축: 톱밥을 고압으로 압축하여 펠릿 형태로 만듭니다. 바인더가 필요하지 않을 수 있습니다.
규격: 직경 6~10mm, 길이 10~30mm 정도의 규격화된 크기로 제조됩니다.
연료로서의 특성:
열량: 약 4,000~4,500 kcal/kg로 높은 열량을 가집니다.
연소 효율: 낮은 함수율로 인해 점화 및 연소가 빠르고 완전 연소가 잘 이루어집니다.
배출물: NOx와 SOx 배출이 적으며, 미세먼지(PM) 발생도 적습니다.
재 발생량: 재 발생량이 적고, 슬래그 및 크링커 형성이 적습니다.
5. 버섯배지 펠릿
제조상 특성:
원료: 버섯배지는 버섯 재배 후 남은 배지로, 유기물이 풍부합니다.
건조: 버섯배지는 높은 함수율을 가지므로, 건조 과정이 필수적입니다.
압축: 건조된 버섯배지를 고압으로 압축하여 펠릿 형태로 만듭니다. 바인더가 필요할 수 있습니다.
규격: 직경 6~10mm, 길이 10~30mm 정도의 규격화된 크기로 제조됩니다.
연료로서의 특성:
열량: 약 3,000~3,500 kcal/kg로 목재 펠릿보다는 낮지만 여전히 높은 열량을 가집니다.
연소 효율: 낮은 함수율로 인해 점화 및 연소가 빠르지만, 버섯배지 내의 유기물 성분으로 인해 연소 과정에서 타르(tar)가 발생할 수 있습니다.
배출물: NOx와 SOx 배출이 적지만, 미세먼지(PM) 발생이 다소 높을 수 있습니다.
재 발생량: 재 발생량이 다소 많고, 슬래그 및 크링커 형성이 있을 수 있습니다.
6. 왕겨와 목재 펠릿 혼합
제조상 특성:
원료: 왕겨와 목재 펠릿을 일정 비율로 혼합합니다.
건조: 두 원료 모두 낮은 함수율을 유지하기 위해 건조 과정이 필요합니다.
압축: 혼합된 원료를 고압으로 압축하여 펠릿 형태로 만듭니다. 바인더가 필요할 수 있습니다.
규격: 직경 6~10mm, 길이 10~30mm 정도의 규격화된 크기로 제조됩니다.
연료로서의 특성:
열량: 약 3,500~4,000 kcal/kg로 높은 열량을 가집니다.
연소 효율: 낮은 함수율로 인해 점화 및 연소가 빠르고, 목재 펠릿의 높은 열량과 왕겨의 경제성을 결합한 효율적인 연소가 가능합니다.
배출물: NOx와 SOx 배출이 적으며, 미세먼지(PM) 발생도 적습니다.
재 발생량: 재 발생량이 적고, 슬래그 및 크링커 형성이 적습니다.
7. 축분과 커피박 혼합
제조상 특성:
원료: 축분(우분)과 커피박을 일정 비율로 혼합합니다.
건조: 두 원료 모두 높은 함수율을 가지므로, 건조 과정이 필수적입니다.
압축: 혼합된 원료를 고압으로 압축하여 펠릿 형태로 만듭니다. 바인더가 필요할 수 있습니다.
규격: 직경 6~10mm, 길이 10~30mm 정도의 규격화된 크기로 제조됩니다.
연료로서의 특성:
열량: 약 3,500~4,000 kcal/kg로 높은 열량을 가집니다.
연소 효율: 낮은 함수율로 인해 점화 및 연소가 빠르지만, 축분 내의 질소 성분으로 인해 NOx 배출이 다소 높을 수 있습니다.
배출물: NOx 배출이 다소 높을 수 있지만, SOx 배출은 적습니다. 미세먼지(PM) 발생도 다소 높을 수 있습니다.
재 발생량: 재 발생량이 다소 많고, 슬래그 및 크링커 형성이 있을 수 있습니다.
결론
각 바이오매스는 고유의 특성을 가지고 있으며, 이를 혼합하여 고형바이오매스 연료를 제조할 때는 각 원료의 함수율, 열량, 배출물 특성 등을 고려해야 합니다. 특히, 축분과 다른 바이오매스를 혼합할 경우, 함수율을 낮추고 연소 효율을 높이는 것이 중요합니다. 이를 통해 환경 오염을 최소화하면서도 높은 에너지 효율을 달성할 수 있습니다.