New & Renewable Energy 2016. 12 Vol. 12, No. 4 ISSN 1738-3935 http://dx.doi.org/10.7849/ksnre.2016.12.12.4.064 [2016-12-BM-008] 우분의고형연료화를위한특성분석 이성현 1)* ㆍ유병기 1) ㆍ주선이 1) ㆍ강연구 1) ㆍ정광화 2) Characteristics of Solid Fuel from Cattle Manure Sunghyoun Lee 1)* ㆍ Byeongkee Yu 1) ㆍ Sunyi Ju 1) ㆍ Yeongu Kang 1) ㆍ Gwangwha Jung 2) Received 7 July 2016 Revised 16 November 2016 Accepted 17 November 2016 ABSTRACT Cattle manure solids might have used in heating agricultural facilities. This study focused on the possibilities of using cattle manure as a solid fuel instead of composting it. The moisture content, ash content, volatile content, calorific value, TGA (thermogravimetric analysis) data, and elements in the cattle manure were analyzed. After dehydrating the manure completely in a drying oven, the calorific value and ash content were measured to be 3,538 kcal/kg and 11.3%, respectively, which satisfies the standard value of livestock solid fuel: heating value of 3,000 kcal/kg or above and ash content of 30% or below. In addition, when the chemical elements, such as C, H, O, N, S, and Cl in the cattle manure solids were analyzed, there was 35.72~45.68% carbon and 29.48~50.43% oxygen. There were cases in which the water content in the manure exceeded 80%, implying that the costs for dehydration would be expensive and the moisture content needs to be lowered to 20% before cattle manure can be used as an energy source. Therefore, minimizing the water content at the farm without any outside financial input will be the greatest task. Key words Cattle manure solids( 우분고형분 ), Solid fuel( 고형연료 ), Calorific value( 발열량 ), Ash contents( 회분함량 ) 1. 서론 가축분뇨는유기물자원으로써효율적으로관리하면서활용하면그이용가치가크지만그렇지않을때에는환경을오염시키는원인으로작용할수있다. 우리나라농경지면적은 2005년 1,824 천 ha로전체국토면적의 18.3% 를차지했지만그이후지속적으로줄어들어 2014년에는 1,691 천 ha로전체국토면적의 16.8% 차지하고있다. 이를토대로계산을해보면우리나라농경지면적이매년약 14,000ha 씩줄어들었음을알수있다. 한 ( 육 ) 우사육농가수및사육두수는 2005년 192천호 1,819천두에서 2014년 104천호 2,759천두로농가수는 46% 줄어들었으나사육두수는오 1) Department of Agricultural Engineering, National Institute of Agricultural Sciences E-mail: leesh428@korea.kr Tel: +82-63-238-4049 Fax: +82-63-238-4035 2) National Institute of Animal Science 히려 52% 가증가하였다. [1] 이는한 ( 육 ) 우사육농가호당사육두수가크게증가하였음을의미한다. 이와같이한 ( 육 ) 우축분을유기질퇴비등으로조제하여이용할농경지면적은지속적으로줄어들고한 ( 육 ) 우사육마릿수는지속적으로증가하다보니우분의발생량과이용량에수급불균형이발생하고있다. 따라서우분을유기질퇴비등으로의지속적인활용과함께에너지원으로활용하는것에대한관심이높아지고있으며, 최근가축분뇨고형분을연소하여에너지원으로활용하려는시도가활발하게이루어지고있다. [2,3,4,5] 김성중등은축산폐기물의고형연료화를위한시험분석결과축산농가에서발생되는축산분뇨는순수한자체성분만으로는낮은발열량으로인해연료화에어려움이있을것으로판단했다. [2] 손영목등은고농도축산폐수인가축 ( 소, 돼지, 닭등 ) 의분뇨를처리함에있어서기존의퇴비화방법과더불어화 Copyright c2016 by the New & Renewable Energy This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
우분의고형연료화를위한특성분석 훼단지, 축사등농가에서필요로하는저가의난방용연료로사용할수있는방법을검토한결과왕겨, 연탄등과혼합하여연소조건을개선하면지속적으로연소가가능하게되어난방용연료로서우수하다고하였다. [3] 이귀현은톱밥이혼합된우분을적정하게발효및건조시켜성형기로성형된고형연료의열및물리 화학적특성을성형전생우분과비교분석한결과성형우분의발열량이함수율 0% 일때약 3,560kcal/kg에서함수율이 35% 로올라가면약 2,607 kcal/kg으로함수율이증가할수록선형적으로감소한다고하였다. [4] Sweeten 등은우분고형분을이용한에너지생산을위해연소시험을수행하였다. 이때우분의함수율은 14~18% 이었고발열량은 2,961~3,570kcal/kg 으로조사되었다. [5] 강연구등은농림부산물을이용한펠릿의열적특성을분석한결과농업부산물및혼합펠릿은목재펠릿에비해발열량이 80~85% 수준으로다소떨어지기는하였지만연료화가가능한것으로제시하였다. [6] 구재회등은목재펠릿, 왕겨, 볏짚과고형연료제조설비로부터생산된 RDF (refused derived fuel) 등의연소특성분석을수행한결과모든시료가 900 의연소온도에도달하기전에연소가대부분일어남을확인할수있었다. [7] 류정석등은열병합발전소용목질계바이오매스의연소특성에관한연구를수행한결과석탄과비교하여연소반응속도가크게증가함을확인할수있었다. [8] 이원준은폐목재에해당되는 WCF(wood chip fuel) 와폐가구칩및순수목재에가까운목재칩, 왕겨, 왕겨펠릿등의연소특성을분석한결과종류에따라오염물질의배출이문제가될수있으므로주의가필요하다고하였다. [9] 이준표등은국내바이오매스자원의지리및기술적잠재량을산정한결과한 ( 육 ) 우축분의경우이론적에너지잠재량이연 671,309 TOE 라고제시하였으며, 또한한 ( 육 ) 우축분의경우한곳에서처리가이루어지기때문에에너지이용가능성이크다고하였다. [10] 노남선등은국내폐기물에너지의잠재량을분석하기위하여폐기물분류및종류별잠재량, 시군구별잠재량을분석하여제시하였다. [11] Adekiigbe는바이오매스열공급시스템의연료로써 5종의경제수종잔재물을분석한결과가정용, 공장용등다양한시설에연료로써이용가능성이있음을제시하였다. [12] 이처럼가축분뇨를다양한방법으로에너지원으로이용 하고자하는시도는꾸준히되어오고있지만그동안가축분뇨를에너지원으로이용할수있는제도적기준이없었기때문에주로퇴비화를통한처리에만크게의존하였다. 하지만퇴비화를통한가축분뇨의처리는지속적으로줄어들고있는경지면적을고려하면이를수용할만한농경지가점점부족해지고있는실정이다. 따라서가축분뇨의고형연료화는농경지로환원되는퇴비의절대량을줄일수있는하나의대안이되고있다. 2015년말가축분뇨의고형연료화기준이마련되었기때문에향후가축분뇨를이용한에너지획득에관한연구가크게늘어날것으로판단된다. 본연구에서는한 ( 육 ) 우농가에서발생하는다양한형태의우분고형분을수집하여에너지원으로서의활용가능성을분석하였다. 2. 재료및방법우분은전국의한 ( 육 ) 우농가에서수집하였다. 우분의형태는농가에따라한우생분, 한우생분 + 톱밥, 혐기발효한우분, 우분퇴비, 건조전우분퇴비, 건조후우분퇴비, 혐기발효젖소분, 젖소생분등다양하며총 70점을수집분석하였다. 수집한우분의수분함수율은 ASTM D2016-74의방법으로분석하였으며, 가연성휘발분은 ASTM D3175-89, 회분함량은 ASTM D3174-89 방법으로분석하였다. 수분분석및발열량분석을위한건조에사용된건조기는 Ds-80 이었으며, 회분을분석하기위하여사용한소각로는 MCT-350S 이었고, 우분의발열량을분석하기위하여 CALORIMETER SYSTEM C500(IKAR) 을사용하였다. 우분의발열량측정을위해서건조기에서더이상무게의변화가없을때까지완전히건조하여수분이배제된상태의우분을사용하였으며각각의계산식은 (1)~(3) 과같다. 건조우분의연소프로파일및연소속도특성분석을위하여 TGA701(LECO) 열중량분석기를사용하였으며, 분석은 ASTM D7582 MVA In Coal 방법으로수행하였다. 우분고형분의원소분석은환경부고시제2014-135호인고형연료제품품질시험 분석방법에의해수행하였으며원소중 C, H, O, N은 Elemental Analyzer EA2000 을사용하여분석을하였고, S, Cl은산소봄베법으로전처리를하고난후 Ion chromatography ICS-1100을이용하여분석하였다. 2016. 12 Vol.12, No.4 65
이성현ㆍ유병기ㆍ주선이ㆍ강연구ㆍ정광화 (1) 로 수분이 증발되거나 흡습되는 과정을 거치면서 처리하게 되거나 후리스톨 우사에서와 같이 소가 분뇨를 배설하여 바닥에 쌓이면 스크레이퍼를 이용해 한쪽으로 긁어내어 모 여기서, 은 후 고액분리기를 이용해 고형분과 액상분을 분리하여 % M.C. : percentage moisture content 고형분은 퇴비화하고 액상분은 액비화 하여 농경지에 살포 Ww : weight of the sample as received Wd : weight of the sample after oven-drying 유기질 비료로 활용하는 방법으로 처리된다. 따라서 농가 에서 채취한 우분 고형분의 수분함수율은 채취 장소에 따 라 20% 이하로 건조된 시료부터 소가 막 배설한 80% 이상 (2) 까지 광범위하게 분포되었다. 우분의 함수율은 분과 뇨가 배설직후 바로 분리가 이루어지면 고형분의 경우 80% 내외 여기서, 의 수분 분포를 가지지만 분과 뇨과 분리되지 않고 혼합되 % V.M. : percentage volatile matter 면 90% 이상의 수분을 유지하게 된다. 또한 우상 바닥에 Ms : mass of air dried sample 깔아준 톱밥, 왕겨 등과 혼합되면 수분함수율은 낮아지게 Mfd : mass of sample after 10 mins in furnace 되고, 건조한 기후조건에 오래 머물러 있게 되면 수분함수 율은 증발에 의해 낮아지는 것으로 나타났다. 후리스톨 우 at 900 사와 같이 분과 뇨가 한 장소에 섞이는 시설의 경우에는 슬 (3) 러리 상태로 분뇨가 관리되기 때문에 수분함수율이 매우 높아 고형연료화를 위해서는 1차적으로 고형분과 액상분을 분리해야 한다. 이때 액상분과 고형분의 분리효율이 높은 여기서, 고액분리기의 경우에도 분리된 고형분의 수분함수율은 약 % A : percentage ash content 70% 이상을 유지하는 것으로 나타났다. 따라서 우분의 효 Ms : mass of air dried sample 율적인 에너지 이용을 위해서는 축분 고형연료 함수율 기 Mar : mass of ash residue 준인 20% 이하로 건조시키는 것이 중요한 것으로 나타났으 며, 표 1은 우분 원료의 함수율에 따라 필요한 건조분 함수 율로 건조시키는데 소요되는 필요에너지를 분석 제시하였 3. 결과 및 고찰 3.1 우분의 수분함량 및 건조소요 에너지 농가에서 사육하는 한(육)우 시설의 분뇨 관리는 대부분 우상에 톱밥, 왕겨 등의 깔개를 깔아서 소가 배설을 하면 바닥에 있는 깔개에 흡수된 후 기상 상황에 따라 대기중으 Fig. 1. Picture of Solid manure of cattle feedlot 66 신재생에너지 다. 표 1에서 분석한 필요에너지는 이론적인 건조소요 에너 Table 1. Energy requirement for dehydrate of raw cattle feedlot manure in 1,000 kg (unit : 1,000 kcal) Moisture contents of raw material (%) Moisture contents of dried material(%) 40 35 30 25 20 15 10 80 359 373 385 395 404 412 419 75 314 332 347 359 70 270 290 308 323 337 349 359 371 380 389 65 225 249 270 287 303 317 60 180 207 231 252 270 285 299 55 135 166 193 216 50 90 124 154 180 202 222 240 45 45 83 116 144 168 190 210 41 77 108 135 159 180 40 329 236 254 270
우분의고형연료화를위한특성분석 지로건조되지않은우분의초기온도를 25 로가정하여, 25 의우분을 100 의우분으로가온하는데소요되는열 량과, 100 에서 1kg 의물이기화되는데필요한열량을 539kcal/kg 으로가정하여계산한건조에필요한이론적인 에너지값이다. 따라서우분을건조하기위한건조기의건 조효율에따라실제건조에필요한에너지는더커질수도있을것으로사료된다. 3.2 우분의연료적특성 표 2는우분의휘발분, 회분, 고정탄소를나타낸것이고, 그림 2는우분을수분의변화가없을때까지완전히건조시켰을때의고위발열량을나타낸것이다. 휘발분의경우중량비율로 56.6~68.7% 로나타났으며, 회분은 5.7~23.2% 로나타났고, 고정탄소는 9.7~17.6% 로나타났다. 우분을수분의변화가없을때까지완전히건조하여측정한발열량은 1,626~ 4,333kcal/kg 으로나타났으며, 평균발열량은약 3,500kcal/kg 이었다. 축분고형연료허용기준이저위발열량 3,000kcal/kg 이상, 회분 30% 이하임을감안하면우분의경우고형연료로써활용가능성이큰것으로나타났다. 하지만그림 2에서보는바와같이많은샘플에서 Fig. 2. Calorific value of dried cattle manure Table 2. Volatile content, ash content, fixed carbon and calorific value of cattle feedlot manure Volatile (%) Ash (%) Fixed carbon (%) Calorific value (kcal/kg) Maximum 68.70 23.20 17.60 4333.00 Minimum 56.60 5.70 9.70 1626.00 Average 63.30 11.33 14.38 3538.07 Standard deviation 3.92 5.44 2.69 458.73 발열량이 3,500kcal/kg 이하로나타났다. 이와같이발열량이낮게나타난샘플을분석해본결과주로우상바닥에흙등이물질이혼입된것, 혐기소화과정을통해유기물이분해되어가스화이용된것, 퇴비화과정에서질석등무기물을투입한것등에서발열량이낮게나타났다. 따라서우분을고형연료화하기위해서는우상의깔개재료로톱밥, 왕겨등유기물을적극활용하고흙등비가연성물질의유입을최소화하는것이중요할것으로판단되었다. 또한혐기소화과정을통해메탄가스화하고난잔재물은고형연료로서의활용가치가매우낮기때문에퇴비등으로활용하는것이좋을것으로사료되었다. 3.3 우분의원소특성 표 3은우분의원소분석결과를나타낸것으로탄소 35.72~45.68%, 수소 4.62~5.58%, 산소 29.48~50.43%, 질소 0.86~2.53%, 황 0.14~1.12%, 염소 0.09~1.76% 로나타났다. 표 3에서보는바와같이우분에함유된원소는대부분탄소와산소인것으로나타났다. 3.4 우분의열적감량특성 그림 3은우분의온도에따른연소프로파일의일례를나타낸것이다. 소의경우대부분볏짚, 건초등의조사료와옥수수등의곡물사료를주식으로한다. 그렇기때문에배설물의경우도섭취이용하고남은미소화영양분으로판단되고, 대부분이셀룰로오스, 헤미셀롤로오스, 리그닌등유기물일것으로판단된다. TGA 그래프를보면상온에서약 950 까지온도를올리면서열적감량을분석한결과류등이분석한목질계바이오매스의열적감량과유사한반응이일어나는것으로나타났다. [8] 연소프로파일은 250~280 에서탈휘발화반응이시작되어 400 구간에 Table 3. Element of cattle feedlot manure (unit : %) C H O N S Cl Maximum 45.68 5.58 50.43 2.53 1.12 1.76 Minimum 35.72 4.62 29.48 0.86 0.14 0.09 Average 43.31 5.33 43.42 1.49 0.36 0.67 Standard deviation 2.89 0.30 5.87 0.53 0.31 0.45 2016. 12 Vol.12, No.4 67
이성현ㆍ유병기ㆍ주선이ㆍ강연구ㆍ정광화 (a) (b) Fig. 3. Combustion profiles of cattle manure using TGA analysis; (a) TGA and (b) DTG thermogram 서가장활발한연소반응을보이며 600 부근에서고정탄 소의산화반응이종료되는것으로나타났다. 그림 3(a) 의 연소프로파일에서 950 까지온도가상승했다가온도가 600 까지떨어지면서무게감량이발생하는것은온도가 상승하면서연소되는과정에서미연소되었던유기물이재분해되는과정에서발생하는것으로사료된다. DTG 그래프의경우도 250~550 사이에서무게감량변화가큰것으로나타났으며, 400 전후에서가장큰무게감량변화가발생하는것으로나타났다. 4. 결론 본연구에서는한 ( 육 ) 우사육시발생되는축분을퇴비화방법이아닌고형연료로써의활용가능성을모색하기위하여우분의함수율, 회분, 가연성휘발분, 발열량, 열적감량및원소등을분석하였다. 분석결과대부분목질계바이 오매스의발열량약 4,000~4,500kcal/kg 에는미치지못하는것으로나타났다. 하지만우분을건조기에서수분의변화가없을때까지완전히건조시켜수분을배제한상태에서측정한결과발열량이평균 3,538kcal/kg, 회분은 11.3% 로나타나축분고형연료의품질기준인저위발열량 3,000kcal/kg 이상, 회분함량 30% 이하에는적합한것으로나타나에너지이용가능성이큰것으로판단되었다. 분석결과발열량이높게나타난것은주로우분, 우분 + 톱밥, 우분 + 왕겨의경우였고, 발열량이낮게나타난것은원료에흙등이물질이혼입된것, 혐기소화과정을거친것, 퇴비화할때질석등무기물을혼입한것등으로나타났다. 또한 C, H, O, N, S, Cl 등의원소를분석한결과탄소 35.72~45.68%, 산소 29.48~50.43% 로대부분이가연성물질로이루어진것으로분석되었다. 하지만농가현장에서수집한한 ( 육 ) 우고형분의함수율이많은경우 80% 를상회하여연소를통한에너지원으로활용하기위해서는수분함수율을축분고형연료함수율기준인 20% 이하로낮추어야하기때문에수분을증발시키기위한건조비용소요가클것으로판단되었다. 따라서한 ( 육 ) 우고형분을에너지원으로활용하기위해서는가능한한외부의비용투입없이농가현장에서수분을최대한낮출수있도록하는것이중요한과제가될것으로판단된다. 또한유류온풍난방기, 목질계펠릿온풍난방기, 한 ( 육 ) 우고형연료온풍난방기등에서연소할때발생하는연소가스분석을통해대기중으로배출되는오염물질함량이동등한수준이거나기존이용되는것에비해한 ( 육 ) 우고형연료연소시발생하는오염물질함량이낮다면농가현장에서우분고형연료가활발하게이용될수있을것으로판단된다. 감사의글본연구는농촌진흥청연구사업 ( 과제번호 PJ010948022016) 의지원에의해이루어진것입니다. References [1] 농림축산식품부, 2015, 농림축산식품주요통계, 농림축 68 신재생에너지
우분의고형연료화를위한특성분석 산식품부. [2] 김성중, 이제학, 2013, 축산폐기물의고형연료화가능성에관한연구, J. of KORRA, 21(2), 53~57. [3] 손영목, 김형만, 김무근, 2000, 축분혼합고형연료의연소성에관한실험적연구, 한국연소학회, 93~104. [4] 이귀현, 2010, 우분성형고형연료의열및물리화학적특성, 바이오시스템공학, 35(1), 64~68. [5] Sweeten, J. M., Korenberg, J., Lepori, W. A., Annamalai, K. and Parnell, C. B., 1986, Combustion of Cattle Feedlot Manure for Energy Production, Energy in Agriculture, 5, 55~72. [6] 강연구, 강금춘, 김종구, 김영화, 장재경, 유영선, 2011, 농림부산물을이용한펠릿의열적특성, Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, 53(2), 61~65. [7] 구재회, 오세천, 2012, 바이오매스와폐기물고형연료의 연소특성, Appl. Chem. Eng., 23(5), 456~461. [8] 류정석, 김기석, 박수진, 2011, 열병합발전소용목질계바이오매스의연소특성에관한연구, Appl. Chem. Eng., 22(3), 296~300. [9] 이원준, 2012, 바이오매스종류에따른연료성상및연소특성에관한비교연구, 한국폐기물자원학회지, 29(4), 421~430. [10] 이준표, 박순철, 2016, 바이오매스자원의지리및기술적잠재량, 신재생에너지, 12(S2), 53~58. [11] 노남선, 조상민, 소진영, 김광호, 김유미, 김현구, 강용혁, 2016, 국내폐기물에너지의잠재량분석 (1), 신재생에너지, 12(S2), 59~64. [12] Adekiigbe, A., 2012, Determination of Heating Value of Five Economic Trees Residue as a Fuel for Biomass Heating System, Nature and Science, 10(10), 26~29. 2016. 12 Vol.12, No.4 69