I. 제목
인천지역 가축사육 및 농업부산물을 이용한 바이오연료 전용 연소장치 시스템 개발
II. 연구의 목적 및 필요성
우리나라에서는 축산분뇨를 활용한 에너지 생산에 대한 시도가 선진국보다는 한참 뒤 떨어져 있다. 지금까지의 에너지의 주원료로 석유를 사용하고 있으나 이러한 화석연료 에너지원은 한정되어 있으며, 특히 해외 의존도가 높은 실정에 있다. 당연히 대응책이 필요하기 마련인데 이것이 바로 바이오매스 자원의 존재 이유이다. 기존 개념으로 생물현존량으로 보고 있으나 신개념으로 태양에너지를 생물이 고정하는 기능을 이용한 연료획득을 추가할 수가 있다. 바이오매스 자원의 특징으로는 재생이 가능한 영속적 자원이며, 대기오염이 적은 깨끗한 자원이며, 지역별 자급이 가능한 자원이 가능한 특징을 가지고 있다. 바이오매스의 자원에 포함되는 것들로는 목재, 농·축산 폐기물, 임지잔재, 식품가공 폐기물, 짚 등이 될 수 있으며 그 양은 18,410억 톤에 이르며 전 세계 석유매장량 1,049억 톤보다 그 수치가 훨씬 높음을 알 수 있다. 이린 이유로 바이오매스 자원을 성형 고체화하여 열효율을 극대화 하고, 경제적 부담을 완화시켜 미래의 대체 연료로서 사용 가능케 하는 것이 필요하다.
본 연구개발은 농촌에서 발생하는 가축분뇨를 이용하여 위생적이고 안정적으로 연료화 하는 시스템으로 가축분뇨를 처리하는 장치이다. 연료화 된 가축분뇨는 비닐하우스 및 축사 난방 등 다양한 연료로서 사용할 수 있으며 악취의 발생 및 기존 난방연료를 절감 할 수 있는 가축분뇨 연료 및 성형 시스템 개발을 현재 완료한 상태이다. 본 연구개발의 최종 목표는 가축분뇨를 이용한 고형연료를 전용으로 이용할 수 있는 연소장치를 개발하여 친환경 바이오연료 공급을 목표로 한다.
축산분뇨는 발효기(미생물을 발효하여 수분증발과 유기물을 분해 후 펠릿성형기(회전압축형식으로 성형하여 펠릿연료성형)를 통하여 연소(성형된 연료를 연소 비닐하우스 및 축사난방으로 이용)의 공정을 거쳐 비닐하우스 및 축사의 난방 연료(에너지 자립형 농가)로 사용하기 위한 인천지역 가축사육 및 농업부산을 이용한 바이오연료 전용 연소장치 시스템 개발을 목표로 한다.
III. 연구의 내용 및 범위
인천지역에서 발생하는 가축사육 및 농업부산물을 이용한 바이오 고형연료의 성분분석을 통한 연료로서의 적합성 여부를 파악하고 이에 적합한 연속연소장치를 개발하고자 하였으며, 연구 내용 및 범위는 다음과 같다.
· 가축분뇨를 이용한 고형연료의 원소성분 및 발열량 분석
· 고형연료의 연소과정에서 발생하는 배출가스의 농도 및 회분 분석.
· 가축분뇨 함수율 변화에 의한 연속 연소 시스템 설계
· 예상설계도 작성발열량에 맞는 연속 연소 시스템 설계
· 전락강도에 연속 연소 시스템 설계운영시스템개발 시제품 제작
· 인증실험효율성 및 타당성 분석
IV. 연구결과
축분연료에 대한 사료분석 결과, 생우분만을 사용할 경우 발열량이 낮기 때문에 축산폐기물인 왕겨, 톱밥 등을 혼합 성형하거나 보일러 연소시 우드펠릿과 같은 발열량이 높은 연료를 혼합하여 연소할 경우 발열량 및 초기점화성을 증대함으로써 고형연료로서의 가치를 높일 수 있을 것으로 판단된다. 또한 연소 후 남은 회분은 다량의 K, P, Ca와 같은 무기원소를 포함하고 있어 토양개량제로 회분의 처리가 가능할 것이다.
바이오고형연료는 연소시 SOx, NOx가 발생하므로 대기오염원으로 될 우려가 있기 때문에 연소장치 개발 시 SOx, NOx와 같은 유해가스를 저감하는 장치가 설치되어야 할 것으로 판단된다.
기존 연소장치의 경우 연소시 특정온도에서 Clinker를 생성하게 되어 연속연소가 이루어지는데 문제가 생기는 반면 개발한 연소장치의 경우 회분 자동 배출이 용이하며 연료의 적층이 이루어지지 않도록 하여 연속연소가 가능하도록 하였다.
시제품 연소장치의 연소실험 결과 축분과 톱밥을 혼합하여 성형한 펠릿연료를 연소시켰으며 연소용량은 시간당 50,000kcal의 연소가 가능하였으며, 이것은 실험을 위해 연소장치의 크기를 작게 만들었기 때문이며, 이후 제품 생산시 연소부 및 연료통의 크기, 연료 투입속도와 공기량 등을 조절하여 제품의 용량을 향상하여 생산할 경우 시간당 100,000kcal 이상의 연소가 가능할 것으로 예상된다.
V. 연구결과의 활용계획
본 연구개발은 최근 정부정책인 저탄소 녹색성장 비전에 발맞추어 농가에서 발생하는 유기성폐기물의 처리 효과 및 에너지 자립형 난방 시스템이 보급 가능할 것으로 보이며, 연료화 된 가축분뇨는 비닐하우스 및 축사 난방, 화훼농가 등에 다양한 연료로서 활용이 가능할 것으로 예상된다.
또한 지역 폐기물의 발생량에 따라 선택적으로 사용할 수 있도록 용량을 각각 다르게 대. 중. 소형으로 제작이 가능하여 작은 단위 지역농가에서도 시설비에 대한 부담없이 설치 가능하다. 또한 본 기술은 연소과정에서 얻어지는 회분은 K, Ca, P, N와 같은 무기원소가 함유되어 있어 토양개량제의 재활용이 가능하여, 농가의 제2의 소득원으로서의 역할 뿐만 아니라 폐기물을 재활용할 수 있는 효과가 있어 2012년 이후 해앙배출이 금지되는 가축분뇨의 처리 문제를 해결할 수 있을 것으로 예상된다.
본 연구 기술을 응용하여 지방자치단체의 경우 Scale-up을 통한 대형플랜트 설립이 가능할 뿐만 아니라 인천지역의 녹색마을 유치에 본 기술을 적용하여 적극적인 기술지원을 할 계획이다.