목재공학 1) 41(4): 346 357, 2013 J. Korean Wood Sci. & Tech. 41(4): 346 357, 2013 http://dx.doi.org/doi : 10.5658/WOOD.2013.41.4.346 국내숲가꾸기산물을이용한목재펠릿의제조와품질 * 1 안병준 * 2 김용식 * 2 이오규 * 2 조성택 * 2 최돈하 * 3 이수민 * 2,4 Wood Pellet Production using Domestic Forest Thinning Residues and their Quality Characteristics* 1 Byoung-Jun Ahn* 2 Yong Sik Kim* 2 Oh-Kyu Lee* 2 Sung-Taig Cho* 2 Don Ha Choi* 3 Soo Min Lee* 2,4 요약 본연구에서는국내숲가꾸기산물을이용하여목재펠릿을제조하고품질을분석하였다. 원료는일본잎갈나무 (Larix kaempferi C.) 와활엽수혼합수종을사용하였으며, 말구직경 6 cm 를기준으로침엽수와활엽수로구분하였다. 분쇄후건조된원료를이용하여목재펠릿을제조하였다. 분쇄와건조공정을동일조건에서수행하였음에도불구하고, 원료의물리 화학적차이에따라생산되는목재펠릿의품질에차이가발생하였다. 활엽수혼합수종으로제조한목재펠릿은회분이 1.6% 이상으로분석되었으며, 일본잎갈나무의경우에는직경 6 cm 이하의소경목에서회분이 1.0% 를초과하였다. 목재펠릿을제조하기이전의원료상태에서와비교하여제조후에회분함량이 0.01~0.1% 정도상승하는것을확인하였다. 발열량에서는일본잎갈나무가활엽수혼합원료에비해약 198 kcal/kg 정도높았으며, 모든시료에서 4,300 kcal/kg 이상으로목재펠릿원료로적합한것으로분석되었다. 또한, 원료상태보다목재펠릿제조후발열량이일부상승하는것을확인하였다. 원료에포함된주요무기물은수종및분류에관계없이 Ca, K, Mg, Mn, Fe 등이었으며, 장기연속운전을위해서는연소기내클링커형성을억제할수있는연소방법의개발이요구된다. 동일한펠릿제조조건에서원료에의해제품간의품질편차가크게발생할수있으며, 이를극복하고생산성및품질향상을위해서는원료에따른공정최적화가중요한요소임을확인하였다. * 1 접수 2013 년 5 월 20 일, 채택 2013 년 7 월 16 일 * 2 국립산림과학원화학미생물과. Division of Wood Chemistry & Microbiology, Korea Forest Research Institute, Seoul 130-712, Korea * 3 국립산림과학원재료공학과. Division of Wood Engineering, Korea Forest Research Institute, Seoul 130-712, Korea * 4 국제임업연구센터. Center for International Forestry Research, Bogor 16115, Indonesia 교신저자 (corresponding author) : 이수민 (e-mail: l.soomin@cgiar.org) - 346 -
국내숲가꾸기산물을이용한목재펠릿의제조와품질 ABSTRACT In this study, it was conducted to produce wood pellets using domestic forest thinning residues and examine their quality according to Korean pellet quality standard. Raw materials were composed of larch and mixed broad leaves species. Based on the small-end diameter (6 cm), they were classified into four different types of raw materials such as LM (larch with middle diameter), LS (larch with small diameter), MM (mixed broadleaf with middle diameter), and MS (mixed broadleaf with small diameter). After crushing and drying process, wood pellets were produced by a ring-die type pelletizer using each raw material. Wood pellets made from four different types of raw materials were tested for their quality such as calorific value, moisture content, ash content, inorganic matters and so on. As results of quality analysis, the calorific values of all wood pellets were higher than 198 kcal/kg, and satisfied with the first grade of Korea wood pellet standard. The ash content was slightly increased after pelletizing. Mechanical durability of wood pellets was highly dependent on the types of raw materials. The quality differences among wood pellets were turned out due to different physical and chemical characteristics of raw materials even though the same pelletizing condition was applied. Keywords : larch, mixed broadleaf, wood pellet, forest thining residues, quality standard, ring-die pelletizer 1. 서론 기후변화와지구온난화에따른자연재해의증가와생태계변화등에대한세계각국의우려가증가하고있으며, 이러한원인의중심에는과도한화석연료의사용으로인한온실가스배출이증가하였기때문인것으로분석되고있다. 화석연료의이용을줄이면서, 인류의생산활동을영위하기위한에너지개발이시급한과제로대두되고있다. 이러한대안은국제회의에서지속적으로제기되고있으며, 일부선진국에서는적극적으로실행하기위한시스템을개발하고있다 (EU, 2009). 우리나라에서도 2008년저탄소녹색성장을주요모티브로삼아신 재생에너지보급을확대하기위한정책이적극적으로도입되어추진중에있으며, 현재 2.4% 보급수준인국내신 재생에너지보급비율을 2030년까지 11% 로확대하는것을목표로하고있다 ( 지식경제부, 2008). 또한 2012년부터시행되고있는신 재생에너지공급의무화제도 (Renewable Portfolio Standard, RPS) 는바이오매스의에너지이용활성화에촉매역할을할것으로판단되며, 국내최대바이오매스자원생산및이용산업인임업및임산업에새로운활력을제공하여산업의활성화와성장을위한시발점이될것이다. 인류에게가장친숙한에너지자원이었던바이오매스의현대적이용기술에서는목재펠릿이중요한위치를자리잡고있다 (USDA, 2011). 목재펠릿은톱밥, 대패밥과같이목재를가공하는과정에서발생하는부산물을고온에서압축하여생산하는연료자원이며, 대표적인탄소중립바이오매스자원인목재를이용하기때문에온실가스배출을저감할수있다 ( 국립산림과학원, 2009). 또한, 작은크기로균일한형태를유지하기때문에연소시스템의자동화를가져올수있으며, 목재칩이나장작에비해상대적으로작은공간에연료를저장할수있는장점이있다. 목재부산물의압축은운송등의물류시스템에서도편리성을제공하기때문에장거리운송에서도물류비용을저감하는장점을지니고있 - 347 -
안병준 김용식 이오규 조성택 최돈하 이수민 다 (Hansen and Jein, 2009). 목재펠릿시장은 2000 년대초반에유럽을중심으로폭발적으로성장하기시작하였으며, FAO 에서는세계목재펠릿시장이연간 30% 씩성장하고있는것으로보고한바있다 (Peska-Blanchard et al., 2008). 2012년세계목재펠릿생산설비용량은 3천 2백만톤을넘어서는것으로분석되어향후열및전기에너지공급분야에서중요한재생에너지자원으로서역할을수행할것으로판단되고있다. 산림청에서는국내소비시장확대를위해목재펠릿보급사업을 2009년부터시행해오고있으며, 2011 년산업용목재펠릿보일러보급시범사업을성공적으로마치고 2012년부터산업용보일러보급사업을진행중에있다. 이러한정부의적극적인정책시행과유류값급등등의환경적요인, 소비자들의재생에너지이용에대한긍정적인인식변화등은시장이성장하는데뒷받침이되고있으며, 국내시장은 2011년연간 6만톤규모의목재펠릿시장이안정적으로형성되었으며, 2012년이후에는크게확대될것으로전망하였다 ( 한규성등, 2010). 실제로 2012년 RPS제도의본격적인시행에따라발전사등대규모수요처에서목재펠릿을사용하기시작하면서국내시장규모가 170,000톤을상회하였다. 국립산림과학원에서는국내목재펠릿시장의안정적인확대를도모하기위해 2009년목재펠릿품질기준을통해품질규격을고시하였다. 품질기준에서는목재펠릿을 12가지항목의품질특성에맞추어 4개등급으로구분하였으며, 고품질의목재펠릿은가정용으로사용하고, 회분이다량포함된제품등품질이낮은경우에는산업용으로이용하도록권고하고있다. 국내목재펠릿시장형성초기에는목재펠릿품질에대한의구심과연소기제작기술의미흡등으로인하여시장에서불만이제기되기도하였으며, 품질관리에대한지속적인정책시행으로현재는시장에서제품의품질안정화가진행되는과정에있다. 목재펠릿시장확대와품질에대한중요성이높아가면서, 목재펠릿제조원료에대한연구와품질영향에대한연구들이지속적으로진행되어오고있다. 숲가꾸기산물및산불발생지역잔존고사수목을 이용한목재펠릿제조가능성에대한연구와목재가공공장에서생산된톱밥등의부산물을이용한목재펠릿의제조및품질특성관찰등의제조원료에대한연구가이루어져왔으며, 품질향상을위한친환경첨가제에대한연구도수행된바있다 ( 권등, 2007 & 2010; 류등, 2010; 이등, 2011). 목재펠릿은임업부산물을물리적으로가공하여생산하는제품이기때문에원료의특성이최종제품의품질에미치는영향이크다. 특히, 우리나라에서사용될수있는주요목재펠릿제조원료는산림작업을통해생산하는바이오매스중산업적가치가상대적으로낮은숲가꾸기사업의부산물이나벌채부산물등이많이이용될것으로예상된다. 따라서, 이러한원료를이용하여목재펠릿을제조하고그특성을분석하는연구가필요하다. 본연구에서는국내목재펠릿산업발전에기여하고자, 국내목재펠릿생산의주원료인숲가꾸기사업을통해발생하는주요산림부산물들을비교적산업공정과유사하게별도의선별공정없이이용하여목재펠릿을제조하고품질을비교하였다. 2.1. 공시재료 2. 재료및방법 본연구수행을위한침엽수공시재료는춘천국유림관리소의숲가꾸기사업 ( 춘천덕두원지역 ) 에서발생한일본잎갈나무를이용하였다. 활엽수는국립산림과학원산림생산기술연구소에서 2008년숲가꾸기 ( 포천음현리 ) 로부터발생한활엽수로참나무류, 자작나무, 벚나무등을포함한여러수종의활엽수종이혼합된상태로공급을받았으며, 국내산림여건을고려하여수종별로별도구분하지않고혼합하여목재펠릿제조원료로이용하였다. 국내숲가꾸기산물은크기와직경이일정하지않기때문에, Table 1과같이말구직경을기준으로시료를구분하고공시재료로이용하였다. - 348 -
국내숲가꾸기산물을이용한목재펠릿의제조와품질 Table 1. Definition and classification of raw materials Raw material Small-end diameter (cm) Abbreviation Larch Mixed broad leaf Medium Between 6 and 18 LM Small Under 6 LS Medium Between 6 and 18 MM Small Under 6 MS Table 2. Instrument specification of pelletizer used in this study Item Unit Value No. of roller ea 2 Horse power of motor hp 15 2 Voltage of motor V 380 Rotation per minute of die rpm 350 Inner diameter of ring die m 0.3 No. of pressure hole ea 270 Length of pressure hole mm 36 2.2. 목재펠릿제조원료준비 목재펠릿원료를제조하기위해숲가꾸기산물의수피를제거하지않은상태에서톱밥제조기 ( 국립산림과학원보유 ) 를이용하여톱밥을제조하고, 직경 12 cm 이상의목재는톱밥제조기에직접투입되지않아 1차제재를통해직경의크기를 10 cm 이하로제재한후톱밥을제조하였다. 제조된톱밥의건조는컨베이어벨트방식의톱밥건조기 (2톤/ 시간, 건조기술 ) 를임차하여수행하였으며, 건조된원료는습기에노출되지않도록내부가플라스틱비닐로코팅된자루에투입원료별로구분하여포장한후운송하였다. 제조된원료의크기는체진동기 (Analysette 3 Pro, Fritzch, Germany) 를이용하여 40 mesh, 60 mesh 및 100 mesh 의체를이용하여입자분포를분석하였다. 2.3. 목재펠릿의제조 본연구에사용된목재펠릿은국립산림과학원이 Fig. 1. Image of ring-die type pelletizer used for the pellet production in this study. 보유하고있는 DEP-500 (( 주 ) 건조기술 ) 을이용하여제조하였다. DEP-500 의기본적인구조는링 (Ring) 형태의다이스로구성된목재펠릿성형기로 15 kw 용량의모터두개가다이스를분당 350 rpm 의속도로회전시켜목재펠릿을생산하였다. 성형기의다이스크기는안쪽지름 300 mm, 폭 180 mm로, 직경 6 mm의구멍이 1열에 3개씩배열되어있으며, 총다이스내홀의수는 270개다. 펠릿이성형되는부분인 pressure hole 의길이는 36 mm - 349 -
안병준 김용식 이오규 조성택 최돈하 이수민 로펠릿직경과 pressure hole 길이의비율은 1:6으로하였다. 펠릿제조원료는성형기상단의호퍼에투입되면 1차연료공급장치, 2차혼합기를통해성형기내부로공급된다. 생산공정은시간당 30 kg 의원료를공급하고, 원료의공급속도를 0.5~1.0 kg에서조정하였다. 수분공급량은 0~0.8 l/min. 에서적당한수분이공급될수있도록조정하였으며, 생산되는펠릿의육안검사로품질을구분하였다. 목재펠릿의생산시발생하는미세분과성형된펠릿을구분하기위해생산직후에 1 mm 크기의체를이용하여미분을제거하고중량을비교하여최종수율을측정하였다. 2.4. 목재펠릿품질분석 제조된목재펠릿의품질은목재펠릿품질규격 ( 국립산림과학원, 2009) 에따라직경및길이, 겉보기밀도, 내구성등의물리적특성분석과함수율, 발열량, 회분등의연료특성분석과질소, 유황, 염소분석등을수행하였다. 2.4.1 직경및길이 생산된목재펠릿의직경과길이를측정하기위해시험생산한목재펠릿으로부터 100 g을채취하였으며, 25개의목재펠릿을무작위로채취한후버니어캘리퍼스를이용하여직경과길이를 0.1 mm 단위까지측정하였다. 목재펠릿품질기준의시험방법에서는정확도를구하기위해소수점둘째자리까지측정하여기록하였다. 2.4.2. 겉보기밀도 겉보기밀도는 1 m 3 의부피에저장할수있는목재펠릿의무게를나타내는값이다. D ad : 습량기준펠릿의겉보기밀도 M ad : 습량기준펠릿의함수율 (1) m 1 : 빈용기의무게 m 2 : 펠릿을채운용기의무게 V : 용기의부피 2.4.3. 내구성 내구성시험은국립산림과학원목재펠릿품질기준 ( 국립산림과학원, 2009) 을준용하여수행하였다. 목재펠릿 500 ± 50 g을 0.01 g 수준까지무게를측정하고, 내구성시험기 (tumbling tester) 를이용하여 10분간 500회전시험을수행하였다. 측정후 ISO 3310-2에서규정하고있는직경 3.15 mm의원형체로거른후무게를측정하고다음의공식을이용하여내구성을분석하였다. (2) DU : 내구성 m a : 내구성시험후, 체로거른후의펠릿무게 m e : 내구성시험전, 체로거른후의펠릿무게 2.4.4. 회분 시료 2 g을도가니에넣고적당한승온시간을거쳐서온도를 575 ± 25 C까지상승시킨후, 목재펠릿이완전히연소될때까지반응시킨다음 4시간반응시켜생성된회의무게를측정하였다. 도가니내에잔류물과같은불완전연소를확인하고무게를 0.01 mg 단위까지측정한후, 건조중량에대한회분함량을다음의식을이용하여계산하였다. A dm : 전건펠릿의회분 ( 건량기준 ) m 1 : 도가니의무게 m 2 : 도가니 + 시료의무게 m 3 : 도가니 + 회분의무게 M ad : 펠릿의함수율 ( 습량기준 ) (3) - 350 -
국내숲가꾸기산물을이용한목재펠릿의제조와품질 Table 3. Bark content of raw materials (Unit : %) LM LS MM MS Average 10.31 23.45 27.69 29.97 SD ± 0.76 ± 6.81 ± 3.53 ± 11.99 2.4.5. 발열량목재펠릿의발열량은이중봄베형열량계 (Parr 1281, USA) 를이용하여측정하였다. 점화선에해당하는열량은측정치에서자동으로삭감되도록프로그램을조정하였으며, 약 0.5 g의시료를이용하여산소분위기에서실험을수행하였다. 분석을수행하기전에 benzoic acid 펠릿을이용하여장비를검증하였다. 산출된결과는함수율을고려하여건조된바이오매스기준고위발열량으로표시하였다. 모든실험은 3회이상반복하여평균값을발열량으로분석하였다. 2.4.6. 원소분석 TCD (Thermal Conductivity Detector) 방식의원소분석기 (EA 1112A, Thermo, USA) 를이용하여목재펠릿의질소, 탄소, 수소, 황의성분을분석하였다. 유황함량은장비의검출한계로인하여결과로채택하지않았으며, 무기물분석시총황함량을별도로측정하였다. 원소분석에서는 BBOT (2,5-(Bis (5-tert-butyl-2-benzo-oxazol-2-yl)thiophene) 를표준물질로사용하였으며, 측정에사용된시료는 1.5 ± 0.25 mg이되도록하였다. 2.5. 목재펠릿의무기물분석목재펠릿내에포함된무기물의함량을분석하기위해임업진흥원이보유하고있는 ICP-AES (Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry) 를이용하여 EN 15290 (EN, 2011) 과 EN 15297 (EN, 2011) 에서제시하는분석방법을준용하여분석하고, 건조된바이오매스무게대비 ppm으로표시하였다. 3. 결과및고찰 3.1. 목재펠릿제조원료의특성분석 본연구에서사용된일본잎갈나무와활엽수혼합수종의목재펠릿원료들은 Table 1에서제시한것과같이말구직경에따라분류하고분쇄하여제조하였다. 3.1.1. 원료별수피율수피가목재펠릿제조에미치는영향을검토하기위해수피율을측정한결과는 Table 3과같다. 임지로부터수집된숲가꾸기산물의수피율은모두 10% 이상으로분석되었다. LM과 LS에서는수피율이각각 10.31%, 23.45% 로, 목재펠릿품질에많은차이가있을것으로판단되었다. MM과 MS에서는상대적으로말구직경에서의편차가크지않아수피율에서 LS와 LM 사이의차이가크지않은것으로나타났다. 국내숲가꾸기산물을이용하여목재펠릿을제조하는경우, 목재펠릿품질규격에서구분하고있는수피함량이 5% 이하인목부펠릿의생산은어려울것으로판단되나, 수피의함량이 50% 이하인일반펠릿의제조가가능한것으로분석되었다. 3.1.2. 원료별입자크기분쇄후건조된원료의입자크기분포는 Table 4 와같다. 일본잎갈나무와활엽수혼합, 두종류의시료모두에서 40 mesh (0.425 mm) 이상의입자가 70 % 이상구성하고있었으며, 상대적으로활엽수혼합원료가일본잎갈나무에비해높은구성비율을차지하고있다. 최종 100 mesh 이하의미세분은두종류의원료에서모두유사하게분석되었으나, MS에서는상대적으로큰입자들이많이분포하고있음을 - 351 -
안병준 김용식 이오규 조성택 최돈하 이수민 Table 4. Particle size distribution of raw materials after drying (Unit : %) Particle rage (mesh) LM LS MM MS Above 40 76.71 80.25 72.28 87.97 40 60 14.76 12.93 13.40 7.14 60 100 6.09 4.78 7.81 2.95 Under 100 2.44 2.03 6.51 1.93 Table 5. Moisture content, ash and calorific value of raw materials Item (unit) LM LS MM MS Moisture content (wt%) 7.78 ± 0.42 6.76 ± 0.87 5.94 ± 2.52 4.38 ± 1.01 Ash (wt%) 0.39 ± 0.04 1.09 ± 0.12 1.69 ± 0.03 1.63 ± 0.08 Calorific value (kcal/kg, dry basis) 4,775 ± 23 4,834 ± 32 4,570 ± 81 4,613 ± 55 Fig. 2. Classification of wood pellet by visual inspection. 확인하였다. 무로 제조한 원료인 LM과 LS의 발열량이 활엽수 혼 합 원료에 비해 약 200 kcal/kg가 높은 것으로 분석 3.1.3. 원료별 함수율, 회분, 발열량 되었으며, 이 등(2011), 권 등(2007)이 보고한 자료 바이오매스 원료의 기초 자료를 확인하기 위해 함 와 유사한 결과를 얻었다. 수율, 발열량 및 회분을 분석하였으며, 그 결과는 Table 5와 같다. 건조된 원료의 함수율은 4.38%에 3.2. 목재펠릿 생산 수율 서 최대 7.78% 수준으로 분석되었으며, 활엽수 혼 목재펠릿 제조 시 원료 공급 속도는 시간당 30 kg 합 원료(MM, MS)가 일본잎갈나무(LM, LS)에 비해 낮은 함수율을 나타내는 것으로 분석되었다. 회분함 을 유지하도록 공급 속도를 조절하였다. 생산된 목 량은 활엽수와 침엽수 간의 차이가 명확히 나타나는 재펠릿은 육안 상으로 확인하여, 시판되는 상업용 것을 확인할 수 있었다. LM에서 0.39%였으나, MM 제품과 유사한 수준의 목재펠릿(정상펠릿), 형태는 에서는 1.69%로 크게 증가하였으며, 이는 침 활엽 갖추고 있으나 외관이 불량한 목재펠릿(불량펠릿) 수의 수종 특성에 따른 회분 차이와 더불어 원료의 및 펠릿의 형태를 유지하고 있으나 가루형태인 목재 운반, 저장 시 토양으로 인한 오염이 발생하여 회분 펠릿(가루펠릿)으로 구분하였다(Fig. 2). 이 증가하는 것으로 사료된다. 발열량은 일본잎갈나 352
국내숲가꾸기산물을이용한목재펠릿의제조와품질 Table 6. Ratio of normal wood pellet classified by visual inspection (Unit : %) LMp LSp MMp MSp Average 36.29 79.70 65.34 67.05 SD ± 10.59 ± 4.92 ± 9.60 ± 17.02 Fig. 3. Difference of production yield of wood pellet by raw material. 정상적인목재펠릿의비율은원료에따라차이가있었는데, LS에서 79.7% 로가장높았으나, 동일한생산조건에서동일한수종을적용한 LM의경우에는 36.29% 로낮은비율을차지하였다. MM과 MS에서는각각 65.34% 와 67.05% 를나타냈다 (Table 6). 목재펠릿의생산수율은공급된톱밥의무게와성형된목재펠릿의무게를측정하여산출하였다. 원료에따라목재펠릿의생산수율은차이를보였다. 가장높은생산수율은 LS로수율은 98.33% 로분석되었다. MS에서도 95% 이상의높은수율을보이는반면 MM 경우에는생산수율이매우낮았다. 활엽수와침엽수의생산수율비교에서는침엽수인 LM과 LS가 89% 에서 98% 의생산수율을보였으나, 활엽수혼합원료인 MM과 MS에서는 82% 에서 95% 로나타나상대적으로낮은생산수율을나타냈다 (Fig. 3). 공급되는원료의부위에따라서도생산수율의차이가발생하는것으로조사되었다. 활엽수와침엽수모두가지부에서생산수율이증가하는것으로확인되었으며, 이러한차이는생산설비에공급되는원료의종류와특성을분석하여공정을최적화하는것이중요하다는것을시사한다. Fig. 4. Length of wood pellet by raw material. 3.3. 목재펠릿품질분석결과 3.3.1. 직경및길이생산된목재펠릿중정상펠릿의직경과길이를측정하였다. 목재펠릿품질규격에서는직경은 6~ 8 mm, 길이는 32 mm 이하로규정하고있다 ( 국립산림과학원, 2009). 생산된목재펠릿의직경과길이를측정하기위해시험생산한목재펠릿으로부터 100 g을채취하였으며, 25개의목재펠릿을무작위로채취한후버니어캘리퍼스를이용하여직경과길이를 0.1 mm 단위까지측정하였다. 품질시험에서는반올림하여 mm 단위로기록하나본연구에서는정확도를구하기위해소수점둘째자리까지측정하여기록하였다. Fig. 4 에제시한바와같이, 일본잎갈나무를원료로사용한 LM과 LS이활엽수혼합원료인 MM과 MS 목재펠릿에비해길이가다소긴것으로확인되었다. Table 5에서제시된바와같이 MM과 MS의초기함수율이 LM과 LS에비해상대적으로낮아펠릿성형시에길이가짧아지는효과가있었을것으로추정되지만, 침엽수와활엽수의물리 화학적특성차이가펠릿의길이에영향을미치는지에대한결과는보다 - 353 -
안병준 김용식 이오규 조성택 최돈하 이수민 심층적인연구가필요할것으로판단된다. 3.3.2. 목재펠릿의함수율, 발열량, 회분, 겉보기밀도, 내구성분석 Table 7에서는제조된목재펠릿의주요품질특성을분석한결과를제시하였다. 제조된목재펠릿의함수율은 LM에서 8.8%, LS에서 12.1% 로분석되었으나, MM과 MS에서는 10% 수준으로유사하게평가되었다. 목재펠릿품질규격 ( 국립산림과학원, 2009) 에서는함수율이 10% 이하일경우 1등급또는 2등급펠릿으로, 15% 이하일경우 3등급또는 4등급의펠릿으로구분된다. 생산된숲가꾸기산물을이용한목재펠릿의함수율은다양하게평가되었는데공정상에서투입되는원료조건의균일화및공급되는수분량의최적화를통해 10% 이하의함수율을유지하는것이충분히가능할것으로판단되었다. Table 5에서언급한원료의함수율과비교하면, 약 1.03% 에서 5.36% 가증가한것으로분석되었는데, 원료의전처리과정에서투입되는수분의양과직접적인관계가있는것으로사료된다. Clara 등 (2011) 은함수율 8% 이하의원료를사용하였을경우, 펠릿제조에실패하였다고보고한바있다. 한편, 본연구에서의원료함수율은일반적으로제시되는최적함수율에비해크게낮았으나, 펠릿성형에서별다른문제는발생하지않았다. LM과 LS를원료로사용한펠릿의회분은 0.50% 와 1.18% 로 LM과 LS의회분 0.39% 와 1.09% 에비해각각 0.11% 포인트, 0.09% 포인트증가하였다. 이는성형기내부에서원료와다이스간의마찰에의해발생하는것으로추정되나, 원료의성형기내체류시간과회분비율의변화관계와같은원료의물리적열처리부분은추가적인연구가수행되어야할부분이다. 목재펠릿이 1급에이르기위해서는목재펠릿의회분이 0.7% 이하를유지하여야한다. 침엽수에서는목부부분이많이존재하는 LM의회분은 0.7% 이하를유지하였으나, LS는 2등급으로낮아졌다. MM 과 MS에서는그경향을알기어려웠으나, 모두 3.0% 이하인 3등급수준을유지하여가정용으로사 용하는것에는한계가있는것으로분석되었다. LM와 LS을이용한펠릿의발열량은 4,800~4,900 kcal/kg 으로 MM와 MS를이용한펠릿의발열량 4,650~4,740 kcal/kg 에비해약 150~200 kcal/kg 정도높게평가되었다 (Table 7). 이러한차이는 1톤의목재펠릿을이용할때에는 150,000~200,000 kcal 의열량차이를만들어내는것으로목재펠릿의양으로변환하면, 약 40 kg의목재펠릿에해당한다. 따라서침엽수를이용한목재펠릿의생산이에너지량이높다는것을확인할수있다. 본연구에서이용된국내숲가꾸기산물들은모두 4,500 kcal/kg 이상의발열량을얻어숲가꾸기산물이목재펠릿제조를위한우수한자원임을확인하였다. 그러나목재펠릿성형기작의정확한해석을위해서는생산시성형기의온도, 미분의발생량, 롤러와다이스사이의간격등여러가지생산조건과의연계분석이요구된다. 앞에서확인된바와같이, 정상펠릿생산량이가장높은 LS를이용한펠릿의겉보기밀도가 675 kg/ m 3 으로가장높았으나, 정상펠릿의비율이낮은 LM 을이용한펠릿의겉보기밀도도 666 kg/m 3 를나타냈다. MM와 MS를이용한펠릿에서도 665 kg/m 3 수준의겉보기밀도가확인되었다 (Table 7). 목재펠릿품질규격에서는 1급펠릿의겉보기밀도를 640 kg/ m 3 이상으로규정하고있어, 본연구에서생산된목재펠릿은 1급수준의품질을확보할수있었다. 생산된목재펠릿의내구성시험에서는 LS를이용한펠릿이 1등급기준 (> 97.5%) 을확보하였으나, MM와 MM를이용한펠릿에서는 96.2% 와 96.7% 를나타내어 3, 4등급수준인것으로조사되었다. 리그닌이목재펠릿성형시에결합제로서의역할을수행한다는일반적인이론과는달리 Table 6에서제시된바와같이, 정상적인형태의목재펠릿구성비율이낮은 LM을이용한펠릿의내구성은 95.0% 미만으로등급외품질인것으로분석되었다. 이러한차이는생산공정의최적화가요구되는부분으로불균일한원료를이용한목재펠릿의반복생산시조건에따라목재펠릿의내구성에서편차가크게발생하는것으로분석되었으며, 투입되는원료의상태가목재펠릿성형기내부에서성형조건변화로인해균일한 - 354 -
국내숲가꾸기산물을이용한목재펠릿의제조와품질 Table 7. Comparison of moisture, ash and calorific value of wood pellet Analysis item (unit) LMp LSp MMp MSp Moisture content (%w/w) 8.81 ± 0.76 12.12 ± 0.71 10.16 ± 3.20 10.01 ± 0.85 Ash content (%, dry basis) 0.50 ± 0.01 1.18 ± 0.02 1.70 ± 0.02 1.64 ± 0.03 Calorific value (kcal/kg) 4,816 ± 17 4,930 ± 7 4,739 ± 43 4,734 ± 10 Bulk density (kg/m 3 ) 666 ± 23 675 ± 7 652 ± 11 665 ± 14 Durability (%) 93.66 ± 2.26 98.43 ± 0.69 96.20 ± 2.58 96.66 ± 1.63 Table 8. Elemental analysis of wood pellet (Unit : %, dry basis) Element LMp LSp MMp MSp Nitrogen 0.09 0.17 0.16 0.09 Carbon 50.80 51.88 49.66 50.02 Hydrogen 5.97 5.93 5.98 5.95 Sulfur 1) 0.01 0.01 0.01 0.02 Oxygen 2) 42.62 40.84 42.48 42.32 1) Sulfur content is determined by ICP-AES. 2) Oxygen calculated by difference. 품질의목재펠릿을지속적으로생산하는데문제를유발시킬수있다는것을예측할수있다. 바이오매스의종류및구성요건변화가펠릿의내구성에미치는영향에관한연구는지속적으로추진되고있으나, 명확한결론을도출하기는용이하지않을것으로판단된다. Kaliyan과 Morey (2009) 는펠릿의성형과정에서물리 화학적특성이복합적으로목재펠릿결합및내구성에영향을미친다고보고한바있다. 3.3.3. 원소분석결과생산된목재펠릿의질소, 탄소, 수소, 황등의주요구성원소분석결과를 Table 8에제시하였다. 목재펠릿의품질등급기준에서는질소, 황그리고염소에대한함유량을제시하고있는데, 이것은목재펠릿연소시에발행하는황산화물 (SOx) 과질소산화물 (NOx) 등이주요대기오염물질이기때문이며, 염소는설비의부식과연관되기때문이다. 원료의질소함량은수종및부위에따라차이가 있었으나, 목재펠릿품질규격에서제시하고있는상한선인 0.3% 에비해서는낮은수치를보여목재펠릿의원료로서는이상이없는것으로분석되었다. 황함량은 0.01~0.02% 로목재펠릿품질규격에서제시하는 0.05% 에비해많이낮은것으로분석되어국내숲가꾸기산물이목재펠릿제조원료로서화학적으로적합한것으로분석되었다. 탄소함량은일본잎갈나무를대상으로한 LM와 LS를이용한펠릿의탄소함량이 MM와 MS를이용한펠릿의탄소함량보다높았으며발열량과유사한관계를보이는것으로분석되었다. 3.4. 주요무기물함량분석 본연구에서는칼슘, 칼륨, 마그네슘, 망간, 철등 9개의주요무기물농도를분석하였다 (Table 9). 무기물의농도는목재펠릿의연소후에생성되는회분 ( 재 ) 의성분구성에영향을미치며, 고온에서회분 - 355 -
안병준 김용식 이오규 조성택 최돈하 이수민 Table 9. Inorganic matters of samples (Unit : ppm) Inorganic matter LMp LSp MMp MSp Ca 7,097.33 8,205.88 4,143.14 4,084.9 K 494.73 572.26 864.72 809.95 Mg 163.18 187.31 158.21 246.24 Mn 102.57 110.41 43.89 91.75 P 98.22 72.74 69.75 100.72 Si 33.85 45.02 49.41 46.06 Fe 96.65 41.85 67.75 91.23 Al 31.53 34.04 33.81 47.57 Na 3.93 13.99 10.28 9.71 Cl- 102.8 92.1 36.6 41.8 의용융및응고에의해클링커 (clinker) 와같은문제를발생시킬수있다. 클링커발생시에는연소기의장기적인연속사용에문제를일으키기때문에회분의융점은최근유럽을중심으로연구가활발히진행되고있다. 모든원료에서칼슘 (Ca) 은가장많은구성물을차지하고있었으며, 주요무기물의종류는칼슘 (Ca), 칼륨 (K), 마그네슘 (Mg), 망간 (Mn), 철 (Fe), 규소 (Si), 알루미늄 (Al) 등의순으로분석되었다. LM와 LS를이용한펠릿의칼함량이 MM와 MS를이용하여제조한펠릿에비해약 2배정도높은것으로분석되었으나, 칼륨함량은 MM와 MS를이용하여제조한펠릿에서높게분석되어대조를이루었다. Filbakk 등 (2011) 이연소후재의주요무기물형태를분석한결과에서는주요무기물들의산화물형태가같이존재하며, Olander 와 Steenari 등 (1995) 제시한것과같이칼슘, 칼륨, 마그네슘, 철, 규소등의복합고온화학반응으로클링커가다량생성될수있음을제시한바있다. 향후에국내바이오매스의에너지분야활용확대를위하여연소시산화반응에서생성된무기물들의형태를분석하는연구와회분의융점을예측하는연구등이국내목재펠릿연소기기술개발에중요한요인이될수있을것으로사료된다. 목재펠릿내의염소이온은연소반응중에금속성분의부식과연관되어있어원료내의염소농도가엄격히제한되고있다. 국내숲가꾸기산물을이용한목재펠릿 4종에서는염소농도가목재펠릿품질기준에서제시하고있는염소농도 (< 0.05%) 는충족하는것으로분석되었다. 4. 결론 본연구에서는국내에서발생한주요숲가꾸기산물인일본잎갈나무와활엽수혼합수종을말구직경에따라분류한후분쇄와건조를통해목재펠릿을제조하고원료의기본적인특성과제조한펠릿의물리 화학적특성을분석한결과다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 동일조건에서분쇄와건조를수행하였으나, 원료의물리 화학적차이에의해생산되는목재펠릿의품질에차이가발생하였다. 2) 원료의회분은활엽수혼합원료가 1.6% 이상으로높게분석되었으며, 일본잎갈나무의경우에는직경 6 cm 이하의소경목에서회분이 1.0% 를초과하였다. 목재펠릿제조후에회분은 0.01~ 0.1% 정도상승하는것을확인하였다. 3) 일본잎갈나무원료의발열량은활엽수혼합 - 356 -
국내숲가꾸기산물을이용한목재펠릿의제조와품질 원료에비해약 198 kcal/kg 정도높은것으로분석되었으나, 모든원료에서 4,300 kcal/kg 이상으로목재펠릿원료로적합한것으로분석되었다. 원료상태와비교하여목재펠릿으로제조한후에발열량이일부상승하는것으로조사되었다. 4) 국내숲가꾸기산물을이용하여제조한목재펠릿에서질소, 유황, 염소등의성분은목재펠릿품질기준에서제시하는기준내에포함되어목재펠릿으로자원이용이가능하나, 회분이상대적으로높아가정용목재펠릿보일러에적용하기위해서는연소기술개발을위한심층적인연구가필요하다. 5) 본연구에이용된목재펠릿제조원료의주요무기물은칼슘, 칼륨, 마그네슘, 망간, 철등으로장기연속운전시에연소기내에서클링커를형성할수있는물질들이며, 클링커형성을억제할수있는연소방법의개발이필요하다. 6) 동일한조건에서다양한원료를이용하여목재펠릿을생산할때에는제품간의품질편차가크게발생할수있으며, 생산성및품질향상을위해서는원료에따른공정최적화가중요한요소임을확인하였다. 사사 무기물분석을위해수고하여주신임업진흥원의강승모팀장께감사드립니다. 참고문헌 1. European Commission. 2009. Directive 2009/28 EC of the European Parliament and of the Council of 23 April on the promotion of the promotion of the use of energy from renewable sources and amending. 2. 지식경제부. 2008. 제3차신 재생에너지기술개발및이용 보급기본계획. 지식경제부 13~16. 3. Roos, J. A. and A. M. Brackley. 2012. The Asian Wood Pellet Markets. PNW-GTR-861, Pacific Northwest Research Station, USDA Forest Service. 4. 이수민, 안병준, 이오규, 최석환, 조성택. 2009. 저탄소녹색성장시대청정에너지목재펠릿품질규격. 산림과 학속보 09~17. 5. Hansen, M. T. and A. R. Jein. 2009. English handbook for wood pellet combustion. National Energy Foundation, Denmark. 6. 류재윤, 강찬영, 이응수, 서준원, 이현종, 박헌. 2010. 국내산낙엽송의톱밥유형에따른펠릿특성에관한연구. 목재공학. 38(1): 49~55. 7. 권구중, 권성민, 차두송, 김남훈. 2010. 목타르와톱밥을혼합하여제조한펠릿의특성. 목재공학. 38(1): 36~42. 8. Peska-Blanchard, M., P. Dolzan, J. Heinimo, M. Junginger, T. Ranta, and A. Walter. 2007. Global wood pellets markets and Industry: Policy drivers, market status and raw material potential. IEA Bioenergy task 40: 17~20. 9. 한규성등. 2010. 목재펠릿의이용실태분석및안정적수급방안. 산림청 53~67. 10. 국립산림과학원. 2009. 목질펠릿품질규격. 국립산림과학원고시제 2009-2호. 11. European Committee for Standards. 2011. EN 15290. Solid biofuels-determination of major elements. Al, Ca, Fe, Mg, P. K, Si, Na and Ti. 12. European Committee for Standards. 2011. EN 15297. Solid biofuels-determination of minor elements. As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, V and Zn. 13. Clara, S., M. Esperanza, L. Margin, and P. Henar. 2011. Effect of moisture content, particle size and fine addition on quality parameters of barley pellets. Fuel Processing Technology 92(3): 699~706. 14. 이수민, 최돈하, 조성택, 남태현, 한규성, 양인. 2011. 낙엽송및백합나무톱밥으로제조한펠릿의내구성에미치는영향인자. 목재공학 39(3): 258~268. 15. 권성민, 조재현, 이성재, 권구중, 황병호, 이귀현, 한규성, 차두송, 김남훈. 2007. 산불피해소나무재의목질펠릿으로의이용가능성평가. 목재공학 35(4): 14~20. 16. Kaliyan, N. and R. Morey. 2009. Factors affecting strength and durability of densified biomass products. Biomass and Bioenergy 33: 337~359. 17. Olanders, B. and B-M. Steenari. 1995. Characterization of ahses from wood and straw. Biomass and Bioenergy 8(2): 105~113. 18. Filbakk, T., R. Jiris, J. Nurmi, and O. Høibø. 2011. The effect of bark content on quality parameters of Scots pine (Pinus sylvestris L.) pellets. Biomass and Bioenergy 35: 3342~3349. - 357 -