표제지
발간사 / 이창재
목차
I. 서론 15
II. 벌채부산물 에너지화를 위한 저비용 생산 및 운송체계 구축 19
1. 벌채부산물 수집가공 장비의 개량 및 성능 개선 21
1.1. 파쇄기 성능개선 21
1.2. 이동식 펠릿플렌트의 성능개선 22
2. 전목생산시스템의 벌채부산물 에너지화를 위한 저비용 생산시스템 구축 및 비용 분석 38
2.1. 대상지 개요 38
2.2. 모두베기 지역에서의 벌채부산물 기계화 생산시스템 구축 40
2.3. 모두베기 지역에서의 벌채부산물 기계화 생산시스템 생산성 분석 42
2.4. 모두베기 지역에서의 벌채부산물 기계화 생산시스템 비용 분석 47
2.5. 모두베기 지역에서의 현행 및 개선된 원목생산체계 생산성 및 비용 조사·분석 50
2.6. 개선된 벌채부산물 생산체계의 생산성 및 비용 조사·분석 54
2.7. 벌채부산물의 가공형태별 생산성 및 작업비용 조사·분석 58
3. 단목생산시스템의 벌채부산물 에너지화를 위한 저비용 생산시스템 구축 및 비용 분석 61
3.1. 모두베기 지역에서의 현행 벌채부산물 생산체계 생산성 및 비용 조사·분석 61
3.2. 모두베기 지역에서의 현행 및 개선된 벌채부산물 생산체계 공정별 생산성·비용분석 64
4. 전간생산시스템의 벌채부산물 에너지화를 위한 저비용 생산시스템 구축 및 비용 분석 69
4.1. 연구대상지 개요 69
4.2. 솎아베기 지역에서 현행 전간수확시스템의 공정별 생산성 조사·분석 71
4.3. 솎아베기 지역에서 현행 전간수확시스템의 공정별 작업비용 분석 72
III. 벌채부산물 펠릿 및 칩의 제조특성과 생산비용 및 에너지 수지 분석 73
1. 벌채부산물 목재펠릿의 가공특성과 파쇄장비별 칩 제조 특성 및 생산성 분석 75
2. 이동식 칩 제조기에서의 벌채부산물 형태별 파쇄 비용 분석 76
3. 벌채부산물 가공형태별 목재파쇄작업의 현장 생산성 및 생산비용 79
3.1. 벌채부산물 칩의 제조특성 82
3.2. 벌채부산물 목재펠릿의 제조특성 83
4. 벌채부산물 펠릿의 현장 제조특성과 생산비용 85
4.1. 벌채부산물 펠릿 제조 공정의 에너지 수지 85
4.2. 현장 펠릿 제조의 특성 조사·분석 87
5. 벌채부산물 종류별 가공 작업 시 연료소비량 및 투입에너지량 88
5.1. 시스템 생산성 및 비용분석 88
5.2. 연료소비량 및 투입에너지량 92
6. 벌채부산물 칩 생산성(톤/시간) 및 비용(원/톤) 94
6.1. 벌채부산물 칩 생산·공급 투입장비의 에너지 투입량 환산 및 에너지 수지 분석 97
6.2. 벌채부산물 칩의 물리적 특성 분석 : 입도분포, 함수율, 안식각 등 98
IV. 수종별 벌채부산물의 연료 및 연소특성에 따른 열에너지 이용 특성 및 에너지수지 모델링 101
1. 수종별 벌채부산물의 연소특성 규명 103
1.1. 공시재료 103
1.2. 결과 및 고찰 105
2. 가정용 펠릿 보일러에서의 수종별 벌채부산물 펠릿의 열에너지 이용 효율 분석 108
2.1. 가정용 펠릿 보일러의 연소모델링 110
2.2. 가정용 목재펠릿 보일러의 연관 내 열교환 모델링 114
3. 수종별 벌채부산물의 연소특성에 따른 열에너지 이용 특성 분석 118
3.1. 수종별 벌채부산물의 연소특성 규명 118
3.2. 가정용 펠릿 보일러에서의 수종별 벌채부산물 펠릿의 연소 및 열교환 모델링 120
3.3. 수종별 벌채부산물의 연소최적화 및 고효율버너 개발 123
3.4. 개량된 버너의 수종별 벌채부산물 펠릿의 연소특성 규명 125
3.5. 클링커 연속제거식 버너의 연소성능 및 내구성 128
3.6. 저급목재 펠릿용 보일러의 적정 연소실 규모 모델링 133
3.7. 클링커 제거식 개량형 펠릿버너 적용을 위한 주택용 보일러 구조 설계 및 제작 137
4. 벌채부산물 생산·공급 및 이용 시스템의 비용 예측 모델 개발 141
5. 벌채부산물 연료의 목재칩 보일러 구조 설계 및 제작 147
6. 벌채부산물 연료의 주택용 보일러 현장 적용성 시험 및 효율 분석 148
V. 결론 153
VI. 참고문헌 159
국립산림과학원 연구보고 목록 165
판권기 174
〈표 1〉 최종함수율에 기반 한 라인건조기의 성능비교 25
〈표 2〉 온도 변화에 따른 톱밥의 초기 함수율별 함수율 변화(기존 장치) 31
〈표 3〉 온도 변화에 따른 톱밥의 초기 함수율별 함수율 변화 (변경된 장치) 32
〈표 4〉 대상지의 지황 및 임황 40
〈표 5〉 벌도작업 생산성 42
〈표 6〉 전목집재작업 생산성 43
〈표 7〉 조재작업 생산성 44
〈표 8〉 압축·결속작업 생산성 45
〈표 9〉 작업 공정별 시스템 생산성 46
〈표 10〉 국·내외 전목작업 시스템 생산성 비교 46
〈표 11〉 국·내외 단목·전간작업 시스템 생산성 비교 47
〈표 12〉 전목·전간·단목작업 수확비용 49
〈표 13〉 개선된 목재수확시스템의 연구대상지 개요 51
〈표 14〉 원목생산체계 시스템 생산성 53
〈표 15〉 원목생산체계 시스템 작업비용 53
〈표 16〉 벌채부산물 생산체계 생산성 및 비용분석 55
〈표 17〉 목재파쇄기 칼날 마모율 58
〈표 18〉 벌채부산물 가공형태별 생산시스템 및 작업종 59
〈표 19〉 벌채부산물 가공형태별 밀도 60
〈표 20〉 벌채부산물 형태별 작업방법 및 이용 장비 60
〈표 21〉 벌채부산물 형태별 운송작업 비용 61
〈표 22〉 벌채부산물 수집 및 소운반 시스템 및 작업종 62
〈표 23〉 벌채부산물 수집 및 소운반 작업 대상지의 입목현황 62
〈표 24〉 현행 벌채부산물 수집·소운반 공정의 생산성 및 비용분석 63
〈표 25〉 개선된 벌채부산물 수집·소운반 공정의 생산성 및 비용분석 64
〈표 26〉 연구대상지 개요 65
〈표 27〉 현행 단목수확시스템의 생산성 산출 66
〈표 28〉 현행 단목수확시스템의 비용 산출 67
〈표 29〉 고성능 임업기계를 활용한 단목수확시스템의 생산성 산출 68
〈표 30〉 고성능 임업기계를 활용한 단목수확시스템의 원목생산 비용 산출 69
〈표 31〉 연구대상지 개요 70
〈표 32〉 현행 원목생산체계 전간시스템 생산 71
〈표 33〉 현행 원목생산체계 전간시스템 작업비용 72
〈표 34〉 파쇄기(MC-2000) 제원 78
〈표 35〉 벌채부산물 형태별 파쇄작업 생산성 분석 78
〈표 36〉 벌채부산물 형태별 파쇄작업 비용 분석 79
〈표 37〉 트랙터 부착식 목재파쇄기 제원 80
〈표 38〉 트랙터 부착식 목재파쇄기 기계비용 분석 81
〈표 39〉 목재펠릿 품질등급 기준 84
〈표 40〉 수종별 벌채부산물 목재펠릿의 공업·원소분석 85
〈표 41〉 현장 펠릿제조의 에너지 수지 분석 87
〈표 42〉 현장 제조 펠릿의 물리적 특성 87
〈표 43〉 현장 제조 펠릿의 공업·원소분석 88
〈표 44〉 벌채부산물 가공형태별 운송장비에 따른 요소작업별 생산성 및 비용분석 90
〈표 45〉 벌채부산물 종류별 현장가공과 상차 및 운송작업 시 사용장비의 연료소비량 92
〈표 46〉 벌채부산물 가공형태별 현장가공과 상차 및 운반작업 시 입력 대비 출력 에너지량 93
〈표 47〉 벌채부산물 칩 생산성 및 비용 95
〈표 48〉 벌채부산물 칩의 물리적 특성(함수율) 98
〈표 49〉 벌채부산물 칩의 물리적 특성(안식각) 99
〈표 50〉 공시재료의 공업분석 및 원소분석 결과 103
〈표 51〉 목재펠릿 보일러의 제원 110
〈표 52〉 목재펠릿의 분석 111
〈표 53〉 모델링에 사용된 목재펠릿 보일러 제원 114
〈표 54〉 시뮬레이션에 사용한 데이터 116
〈표 55〉 벌채부산물 펠릿의 공업분석 결과 및 고위발열량 119
〈표 56〉 타르두께에 따른 보일러의 특성변화 비교 121
〈표 57〉 펠릿 등급과 타르 존재 여부에 따른 보일러의 효율 비교 123
〈표 58〉 보일러 효율 실험과 시뮬레이션 결과 비교 123
〈표 59〉 개량된 연소버너의 성능시험(벌채부산물 수종별 펠릿(침엽수, 활엽수)) 130
〈표 60〉 연관 직경 증가 모델링 및 열효율 분석 134
〈표 61〉 내화재 두께에 따른 열효율 비교 및 분석 134
〈표 62〉 배플 길이에 따른 열효율 비교 분석 136
〈표 63〉 연관-배플 간격에 따른 열효율 비교 분석 137
〈표 64〉 내화재의 압축강도 시험 140
〈표 65〉 소운반 장비의 제원 142
〈표 66〉 소운반 장비별 주행시간 분석 144
〈표 67〉 상차횟수 및 원목개수와 상차시간 분석 144
〈표 68〉 평균 말구직경별 상차 가능한 원목개수와 중량 145
〈표 69〉 소운반장비별 유류소비량 분석 146
〈표 70〉 구조변경 전 목재펠릿 보일러의 열효율 149
〈표 71〉 구조변경 후 목재펠릿 보일러의 열효율 149
〈그림 1〉 기 개발 목재 파쇄기(디스크형) 21
〈그림 2〉 성능개선 된 목재파쇄기(투입 베드 추가 설계 제작) 21
〈그림 3〉 이동식 펠릿플랜트의 펠릿제조라인 도해도 22
〈그림 4〉 현재 적용된 라인건조기의 컴퓨터 모델링 23
〈그림 5〉 CFD를 이용한 라인건조기 내 속도, 온도, 수증기, 열공기의 밀도 예측결과 23
〈그림 6〉 버퍼 제원별 라인건조기(좌 : Buffer = 1.3D, 우 : Buffer = 2D) 24
〈그림 7〉 버퍼 제원별 라인건조기의 온도분포(상) 및 원료입자 중량감소(하) 결과... 24
〈그림 8〉 기존 이동식 펠릿 플랜트의 운송 과정 26
〈그림 9〉 성능개선 된 이동식 펠릿 플랜트의 암롤트럭 탑재 과정 26
〈그림 10〉 기존 시뮬레이션 적용 라인건조기 계략도 27
〈그림 11〉 기존 라인건조기 2배 직경의 버퍼가 설치된 건조라인 27
〈그림 12〉 이젝터의 형상 28
〈그림 13〉 Normal 노즐과 CE 노즐의 모형 29
〈그림 14〉 Normal 노즐에서 CE 노즐로 변경된... 29
〈그림 15〉 혼합실 직경(D)에 변경된 이젝터의... 29
〈그림 16〉 기존 라인건조기의 Geometry 30
〈그림 17〉 버퍼가 추가되고 이젝터가 수정된... 30
〈그림 18〉 기존 라인건조기의 격자(mesh) 30
〈그림 19〉 버퍼가 추가되고 이젝터가 수정된... 30
〈그림 20〉 초기 함수율 변화에 따른 온도 조건별 최종 함수율 변화 (기존 장치) 31
〈그림 21〉 초기 함수율 변화에 따른 온도 조건별 최종 함수율 변화 (변경된 장치) 32
〈그림 22〉 톱밥의 초기함수율 20%일 때의 온도 조건별 함수율 변화 32
〈그림 23〉 톱밥의 초기 함수율 30%일 때의... 33
〈그림 24〉 톱밥의 초기 함수율 40%일 때의... 33
〈그림 25〉 이동식 펠릿플랜트에 설치된 수분센서 및 계측실험 장비 구성 33
〈그림 26〉 톱밥의 함수율이 16.81%일 때의... 34
〈그림 27〉 톱밥의 함수율이 18.87%일 때의... 34
〈그림 28〉 톱밥의 함수율이 20.7%일 때의 센서... 35
〈그림 29〉 건조 전 함수율 센서 35
〈그림 30〉 톱밥의 함수율이 17.7%일 때의 센서... 35
〈그림 31〉 톱밥의 함수율이 22.42%일 때의... 35
〈그림 32〉 톱밥의 함수율이 23.32%일 때의... 36
〈그림 33〉 건조 후 함수율 센서 36
〈그림 34〉 건조 전 톱밥의 함수율 센서 출력 값 37
〈그림 35〉 건조 전 함수율 센서의 캘리브레이션 37
〈그림 36〉 건조 후 톱밥의 함수율 센서 출력 값 37
〈그림 37〉 건조 후 함수율 센서의 캘리브레이션 37
〈그림 38〉 모두베기 대상지 39
〈그림 39〉 지형 및 집재거리에 따른 장비 투입 기준 40
〈그림 40〉 투입장비 선정 결과(상향집재 시) 41
〈그림 41〉 벌채부산물 기계화 생산시스템 41
〈그림 42〉 벌도작업 42
〈그림 43〉 집재작업 43
〈그림 44〉 조재작업 44
〈그림 45〉 압축·결속작업 45
〈그림 46〉 연구대상지 50
〈그림 47〉 현행 원목생산체계 51
〈그림 48〉 개선된 원목생산체계(완경사지) 52
〈그림 49〉 개선된 원목생산체계(중·급경사지) 52
〈그림 50〉 벌채부산물의 생산체계 54
〈그림 51〉 목재파쇄기의 파쇄칼날 마모도 측정 56
〈그림 52〉 목재파쇄기의 파쇄칼날 마모도 측정(이미지 분석) 57
〈그림 53〉 목재파쇄기 칼날 재질종류별 마모율 57
〈그림 54〉 낙엽송 모두베기 수확지 65
〈그림 55〉 연구대상지의 경사분석 65
〈그림 56〉 현행시스템을 활용한 단목수확시스템의 원목 생산체계 66
〈그림 57〉 고성능 임업기계를 적용한 완경사지 목재 및 벌채부산물 생산체계 67
〈그림 58〉 솎아베기 대상지 70
〈그림 59〉 현행 원목생산체계(전간) 71
〈그림 60〉 파쇄기(왼쪽 : 디스크형, 오른쪽 : 그라인더형) 75
〈그림 61〉 로타리 스크린을 이용한 목재칩 선별기 76
〈그림 62〉 목재칩 입도분포(왼쪽 : 디스크형, 오른쪽 : 그라인더형) 76
〈그림 63〉 형태별 벌채부산물(왼쪽 : 번들형태, 오른쪽 : 벌크 한 형태) 77
〈그림 64〉 자주식 목재 파쇄기(MC-2000) 77
〈그림 65〉 트랙터 부착식 목재파쇄기(KESLA C645T) 80
〈그림 66〉 트랙터 부착식 목재파쇄기(드럼형) 82
〈그림 67〉 목재칩 입도분포(왼쪽 : 드럼형, 오른쪽 : 그라인더형) 83
〈그림 68〉 벌채부산물 펠릿 현장 생산 공정 조사에 사용된 이동식 펠릿 플렌트 86
〈그림 69〉 현장 제조 펠릿의 물리적 특성 조사에 사용된 시험기 87
〈그림 70〉 벌채부산물 가공형태별 운송장비에 따른 요소작업별 작업비용분석(운송거리 100km 기준) 91
〈그림 71〉 칩벤을 이용한 운송거리에 따른 벌채부산물 가공형태별 작업비용 91
〈그림 72〉 칩벤을 이용한 운송거리에 따른 벌채부산물 가공형태별 에너지 입·출력비 94
〈그림 73〉 벌채부산물의 파쇄작업 95
〈그림 74〉 벌채부산물 파쇄칩의 평균 생산성 및 스크린크기별 차이 검증 96
〈그림 75〉 벌채부산물 칩 생산·공급 시스템 97
〈그림 76〉 운송거리별 벌채부산물 칩 크기에 따른 생산·공급 에너지 수지 분석 97
〈그림 77〉 벌채부산물의 파쇄작업 후 샘플링 및 함수율 측정 98
〈그림 78〉 스크린 크기별 벌채부산물 칩의 물리적 특성(입도분포) 99
〈그림 79〉 스크린 크기별 벌채부산물 칩의 물리적 특성(안식각) 99
〈그림 80〉 연소시험에 사용된 입형 펠릿 보일러 및 연소시험용 버너형상 104
〈그림 81〉 연소시험용 계측장치 세팅(좌) 및 퍼지제어를 위한 람다센서(우) 105
〈그림 82〉 수종별 벌채부산물 펠릿의 연소 중 O₂농도 변화 및 평균 값 106
〈그림 83〉 수종별 벌채부산물 펠릿의 연소 중 CO농도 변화 및 평균 값 107
〈그림 84〉 수종별 벌채부산물 펠릿의 연소 중 NOx농도 변화 및 평균값 107
〈그림 85〉 수종별 벌채부산물 펠릿의 연소 중 연소온도 변화 및 평균 값 108
〈그림 86〉 3차원 연소실 형상 111
〈그림 87〉 2차원 연소실 단면도 111
〈그림 88〉 펠릿보일러 연소실 정상상태의 대칭면 온도, 속도분포 및 속도유선 112
〈그림 89〉 연소실 단면의 평균속도, O₂, CO, CO₂의 변화량 113
〈그림 90〉 목재펠릿 보일러의 개략도 114
〈그림 91〉 모델링에 사용된 연관삽입용 배플 115
〈그림 92〉 분석을 위한 펠릿보일러의 연관형태 115
〈그림 93〉 베플 조건의 가스 속도의 비교 117
〈그림 94〉 벌채부산물을 연료로한 펠릿 보일러 연소 후 발생한 클링커 118
〈그림 95〉 목재펠릿 보일러의 전산 모델 120
〈그림 96〉 목재펠릿 보일러의 타르생성에 따른 연소가스 온도분포... 121
〈그림 97〉 보일러 내부 전열면의 타르생성 122
〈그림 98〉 개발된 클링커 연속 제거식 가정용 목재펠릿 연소용 버너 124
〈그림 99〉 연소용 리그와 결합한 버너의 연소성능 시험장치 124
〈그림 100〉 클링커 연속 제거식 버너의 연소 성능 시험장치 125
〈그림 101〉 리기다소나무 펠릿의 연소 중 배기가스 농도 변화(O₂, CO, CO₂, NOx) 126
〈그림 102〉 잣나무 펠릿의 연소 중 배기가스 농도 변화(O₂, CO, CO₂, NOx) 127
〈그림 103〉 연속제거식 버너 형상 단계별 재 발생량 127
〈그림 104〉 리기다소나무의 재발생량 128
〈그림 105〉 잣나무의 재발생량 128
〈그림 106〉 개량형 펠릿 연소버너의 재설계(5만 kcal/h → 2만 kcal/h) 129
〈그림 107〉 개량형 펠릿 연소버너의 성능평가 시험 장치 129
〈그림 108〉 침엽수 벌채부산물 펠릿의 연소 중 연소가스 농도 변화 131
〈그림 109〉 침엽수 벌채부산물 펠릿의 연소 후 클링커 및 재발생량 131
〈그림 110〉 활엽수 벌채부산물 펠릿의 연소 중 연소가스 농도 변화 132
〈그림 111〉 활엽수 벌채부산물 펠릿의 연소 후 클링커 및 재발생량 132
〈그림 112〉 시뮬레이션에 적용된 펠릿용 보일러 구조 형상 133
〈그림 113〉 연관 위치에 따른 온도 분포 135
〈그림 114〉 목재 펠릿 보일러의 연소가스의 온도 분포 135
〈그림 115〉 목재펠릿 보일러의 연관 배플 길이 136
〈그림 116〉 주택용 보일러의 구조 설계 138
〈그림 117〉 목재펠릿 보일러의 설계된 연관 구조 139
〈그림 118〉 목재펠릿 보일러의 설계된 배플 구조 139
〈그림 119〉 자동 재 청소장치 구조 140
〈그림 120〉 제작된 주택용 보일러의 동체 141
〈그림 121〉 현장에서 활용되고 있는 소운반 장비 142
〈그림 122〉 주행시험 조사지의 임도 및 작업로 143
〈그림 123〉 소운반 작업의 요소작업 구분 143
〈그림 124〉 원목개수에 따른 상차시간 분석 144
〈그림 125〉 소운반작업의 거리에 따른 장비별 생산성 변화 145
〈그림 126〉 소운반작업의 거리에 따른 장비별 유류소비량 변화 146
〈그림 127〉 소운반작업의 거리에 따른 비용 변화 147
〈그림 128〉 벌채부산물 연료의 목재칩 보일러 구조 설계(보일러 동체) 148
〈그림 129〉 목재펠릿 보일러의 연소실 구조변경 전·후 148
〈그림 130〉 목재펠릿 보일러 구조변경 전·후의 펠릿 연소 시험 150
〈그림 131〉 목재펠릿 보일러 구조변경 전·후의 가동 시간에 따른 열효율 변화 150
〈그림 132〉 목재펠릿 보일러 구조변경 후 펠릿의 연소가스 농도 변화 151