KR101042619B1 - 음식물쓰레기를 이용한 압축성형 숯연료 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 음식물쓰레기를 이용한 숯연료 제조방법에 있어서, 음식물쓰레기를 수거후 전처리공정을 통해 건조된 음식물쓰레기를 무산소 및 저온 탄화시킨 후 분쇄하여 탄화분쇄물을 얻고, 탄화분쇄물을 접착제와 함께 교반한 후 압축성형하고 건조하여서 압축성형 숯연료를 얻으며, 필요에 따라서는 건조된 압축성형숯에 폐식용유를 포함하는 폐유를 첨가하여 침투되게 하여서 압축성형 숯연료를 얻게 함으로써, 음식물 쓰레기를 이용하여 친환경적이고 발열량이 높은 고효율의 연료 숯을 제조할 수 있으며, 매일 쏟아져 나오는 음식물 쓰레기를 대량처리도 할 수 있고 에너지 자원확보도 할 수 있게 해준다.

Description

음식물쓰레기를 이용한 압축성형 숯연료 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING COMPRESSED CHARCOAL USING FOOD WASTE}

본 발명은 음식물 쓰레기 재활용 방법에 관한 것으로, 특히 음폐수를 포함한 음식물 쓰레기를 이용하여 친환경적이고 발열량이 높은 고효율의 연료 숯을 제조하는 방법에 관한 것이다.

음식물쓰레기는 총 생활 폐기물의 30% 이상을 차지하고 있고, 2005년부터 법령으로 직매립을 금지하고 있는 실정이며 2013년부터는 음폐수의 해양 투기도 금지된다. 또 음폐수를 소각처리하거나 재활용하도록 폐기물 관리법에서 규정하고 있는바 자치단체별로 다양한 처리방법을 도입하고 있으나 대량의 처리와 아울러 경제성을 겸비한 방법이 아직까지 개발되지 못하고 있다.

지금까지의 음식물쓰레기 재활용 방안으로 퇴비나 건조 사료화 등을 목표로 개발되었으나 염분농도가 높아서 그 수요처가 저조한 형편이다.

기존 음폐수 연료화 방안에 대하여 살펴보면, 한국 특허공개 제2008-42060호 "음식물 쓰레기를 이용한 고체연료 제조방법", 한국 특허공개 제2007-76557호 "하수 슬러지와 음식물쓰레기 및 가연성 폐기물을 이용한 고체연료의 제조방법", 한국 특허공개 제2006-96392호 "음식물쓰레기와 폐합성수지를 이용한 고체연료의 제조방법과 그 장치", 한국 특허공개 제2005-91164호 "폐기물을 이용한 반고체 연료 제조방법", 한국 특허공개 제2005-41616호 "음식물쓰레기를 이용한 연료 제작방법", 한국 특허공개 제2005-32057호 "음식물 쓰레기를 숯 원료화 하는 방법에 불붙는 숯으로 변화시킬 수 있게 필요한 입자로 불붙는 숯 원료 제조방법", 한국 특허공개 제2005-29164호 "음식물 쓰레기를 원료화한 숯 원료를 숯으로 변화시켜 불붙는 연료 숯 제조방법", 한국 특허공개 제2005-14180호 "음식물 쓰레기 고형 연료화 압출장치", 한국 특허공개 제2005-1233호 "음식물 쓰레기를 이용한 숯 제조방법 및 장치", 한국 특허등록 제930055호 "음식물 쓰레기를 이용한 고체연료 제조방법", 한국특허등록 제512220호 "음식물 쓰레기 고형 연료화 압출장치", 한국 특허등록 제766137호 "음식물 쓰레기로부터 생성된 분체 연료 연소 장치", 한국 특허등록 제636807호 "음식물쓰레기를 이용한 연료 제작방법", 한국 특허등록 제527041호 "음식물쓰레기를 이용한 연료 제조방법 및 그 장치", 한국 특허등록 제417983호 "음식물쓰레기를 이용한 고체연료 제조방법", 한국 특허등록 제449517호 "곡물과 채소를 포함하는 음식물쓰레기, 종이와 플라스틱을포함하는 일반쓰레기 및 석탄을 포함하는 재활용 고형연료제조 방법", 한국 특허등록 제443899호 "음식물쓰레기를 이용한 고체연료 제조방법" 등은 고체 연료화 제조시에 첨가물로 폐합성수지 등 가연성 폐기물과 석탄, 코크스, 제오라이트 등 화석연료와 유독성 화학약품 등을 사용하여 고체 연료를 제작하는 것을 개시하고 있는데, 이러한 방안들은 2차 환경오염을 피할 수 없으며 폐합성수지 처리비용이나 첨가물 비용도 고가로 요구되기 때문에 그 효율성을 저해하는 요인이 되며, 또한 음폐수의 연료화한다고 해서 대량 처리가 자연스럽게 이루어지는 것이 아니다.

또 숯 제조 관련 종래기술의 특허로서 한국 특허등록 제729816호 "음식물 쓰레기를 이용한 고형 대체 연료 및 가탄제의 제조방법", 한국 특허등록 제557471호 "음식물 쓰레기를 이용한 숯 제조방법 및 장치", 한국 특허등록 제453878호 "음식물 쓰레기를 이용한 숯 제작장치 및 방법", 한국 특허등록 제418312호 "음식물 쓰레기를 이용한 난방연료 제작장치 및 방법" 등이 있는데, 이러한 종래기술에는 단순히 음식물쓰레기를 이용해 숯을 만드는 것에만 치중하고 있지 발열량을 높일 수 있는 구체적인 수단 강구는 없다. 그러므로 숯연료를 만들었다 해도 발열량이 저조한 것은 경제성 측면에서도 불리하므로 결국 수요가 적게 되고 대량 처리에도 문제가 있는 것이다.

한편 음식물쓰레기가 매일 엄청난 양으로 쏟아져 나오는 것을 모두 연료화시킬 수 있다 하여도 그 연료나 재활용품을 사용할 방도가 적절치 않다면 그 연료도 재고로 쌓여갈 뿐이며 재고부담에 처리비용이 이중으로 들 수밖에 없다.

그러므로 기존의 음식물쓰레기 연료화 및 재활용 방법은 효율적인 면에서 경제적이지 못해 수급의 균형이 맞지 않는 방법인 것이다. 또 매일같이 쏟아져 나오는 음폐수를 처리하기 위해서 단위 설비당 연료로 생산해야할 분량이 이미 정해져 있지만 음폐수 연료 및 재활용의 사용처는 많지 않으므로 음식물쓰레기를 대량으로 처리할 수 있는 충분한 해결책도 요망된다.

따라서 본 발명의 목적은 음식물 쓰레기를 이용하여 친환경적이고 발열량이 높은 고효율의 숯연료를 제조하는 방법을 제공하는데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 음식물 쓰레기를 이용한 에너지 자원확보와 대량처리가 가능케 해주는 압축성형 숯연료를 제조하는 방법을 제공하는데에 있다.

상기한 목적에 따라 본 발명은, 음식물쓰레기를 이용한 숯연료 제조방법에 있어서, 음식물쓰레기를 수거후 전처리공정을 통해 건조된 음식물쓰레기를 무산소 탄화와 함께 저온탄화 및 중온탄화중의 하나로 탄화시킨 후 분쇄하여 탄화분쇄물을 얻고, 탄화분쇄물을 접착제와 함께 교반한 후 압축성형하고 건조하여서 압축성형 숯연료를 얻음을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 음식물쓰레기를 이용한 숯연료 제조방법에 있어서, 음식물쓰레기를 수거후 전처리공정을 통해 건조된 음식물쓰레기를 무산소 및 저온 탄화시킨 후 분쇄하여 탄화분쇄물을 얻고, 탄화분쇄물을 접착제와 함께 교반한 후 압축성형하고 건조하여서 압축성형 숯을 얻고, 건조된 압축성형숯에 폐식용유를 포함하는 폐유를 첨가하여 침투되게 하여서 압축성형 숯연료를 얻음을 특징으로 한다.

또 본 발명에서의 무산소 탄화 및 저온 탄화는 밀폐식 외열탄화로 및 전기식 탄화로중 적어도 하나를 이용하여 수행함을 특징으로 한다.

또 본 발명에서의 탄화시킨 후 분쇄는 4mm 이하로 이루어지며, 압축성형시의 압축력은 1kg/㎠ ~ 30kg/㎠임을 특징으로 한다.

또 본 발명에서, 상기 전처리공정은 수거된 음식물쓰레기에 대한 탈수, 분쇄, 염분 희석, 건조하는 단계를 적어도 가짐을 특징으로 한다.

또 본 발명에서는, 탄화분쇄물을 얻은 후 미소각 및 미분쇄된 이물질을 걸러내고 탄화분쇄물을 접착제와 교반되게 함을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 음식물쓰레기를 이용한 숯연료 제조방법에 있어서, 초본류 폐기물, 임산류 폐기물, 폐목, 톱밥, 축산분뇨 중의 적어도 이상의 폐기물을 수거후 전처리공정을 통해 건조된 음식물쓰레기와 혼합하여 밀폐식 탄화로에 투입하는 과정과, 투입된 혼합물을 밀폐식 탄화로에서의 무산소 탄화와 함께 저온탄화 및 중온탄화 중의 하나로 탄화시킨 후 분쇄하여 탄화분쇄물을 얻는 과정과, 탄화분쇄물을 접착제와 함께 교반한 후 압축성형하고 건조하여서 압축성형 숯을 얻는 과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.

또 음식물쓰레기와 기타 폐기물이 혼합된 숯연료를 제조함에 있어, 상기 건조된 압축성형숯에 폐식용유를 포함하는 폐유를 첨가하여 침투되게 하여서 압축성형 숯연료를 얻는 과정을 더 가짐을 특징으로 한다.

본 발명은 음식물 쓰레기를 이용하여 친환경적이고 발열량이 높은 고효율의 연료 숯을 제조할 수 있으며, 매일 쏟아져 나오는 음식물 쓰레기를 대량처리도 할 수 있고 에너지 자원확보도 가능케 해준다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 압축성형 숯연료를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 음식물쓰레기를 이용하여 발열량이 높은 숯 연료를 제작할 수 있도록 구현한다. 즉 기존처럼 단순히 숯을 만들기 위한 방법이 아니라 음식물쓰레기를 자원으로 이용하여 보다 경제적이고 고효율의 숯 연료를 제조하기 위한 것이며, 본 발명에서 제조된 숯 연료가 높은 발열량을 갖도록 하기 위해서 하기와 같은 몇가지의 방안들을 강구한다.

첫 번째로는, 전처리된 음식물쓰레기를 탄화시킬 때 고온탄화 대신에 저온탄화를 시켜서 발열량을 높인다.

두 번째로는, 공기중 탄화 대신에 무산소 탄화를 시켜서 발열량을 높인다.

세 번째로는, 음식물쓰레기를 저온 및 무산소 탄화를 시키고 분쇄한 후 압축성형을 하여서 발열량을 높인다. 저온 및 무산소 탄화시키고 분쇄 후 압축 성형을 하게 되면 저온 및 무산소 탄화로 인해 다공질 속에 남아 있던 유해가스가 빠져나가게 되고 압축성형으로 인해 탄화물이 고밀도상태가 되어서 연소시간을 늘려주므로 일반적 탄화보다는 발열량을 더 높이게 된다.

네 번째로는, 탄화물 압축성형 후 폐식용유나 음폐수에서 분리시킨 분리유(油)와 같은 폐유를 압축성형 탄화물 내에 침투시켜서 발열량을 더욱 증대시킨다.

상기의 방안 강구 대책에 대해서 보다 상세히 설명한다.

일반 숯은 제조방식에 따라 백탄과 검탄(흑탄)으로 분류된다. 우리나라 전통방식은 숯가마를 이용하여 주로 백탄을 생산한다. 이에 반해 중국산은 대부분이 검탄이며, 검탄은 검탄 속의 유해가스가 배출되지 않은 채로 식혀서 만든 제품이라서 백탄에 비해서 저급으로 취급된다. 하지만 검탄은 백탄에 비해서 많이 채취할 수 있으므로 가격면에서 저렴한 장점이 있다. 예를 들면, 참나무 10톤[t]을 구우면 백탄은 500~600kg 정도를 얻을 수 있는 반면 검탄은 2500~3500kg을 얻을 수 있다. 하지만 검탄은 제조과정에서 검탄 속 기공에 남아있는 유해가스를 완전히 빼내지 못함으로 인해 최종 소비자가 집안 등에서 검탄을 태우면 검탄에 잔류된 유해가스가 분출됨으로 인해 호흡기나 두뇌에 좋지 않은 영향을 끼친다.

그러나 이러한 검탄은 자체 탄소성분이 많아서 불이 잘 붙으며 순간 화력이 좋아 보일러용 등과 같은 연료용으로는 적합한 것이다. 검탄의 제조방식은 400~600℃ 정도로 유지되는 불로 숯가마 내의 나무를 탄화시키고 그 후 숯가마의 불구멍(공기구멍)을 막은 채 대략 2주 동안 가마 안에서 식혀주어 숯을 만들어 내는 방식이다.

본 발명에서는 음식물쓰레기를 원료로 하여 압축성형 숯 연료를 제조시에 불이 잘 붙고 화력이 좋은 검탄의 제조방식의 일부를 활용한다. 즉 검탄 제조방식에서 사용하는 무산소 탄화기법을 활용하는 것이다. 그렇지만 탄화온도방식과 탄화장치를 달리하여서 검탄보다 숯 생산량이 훨씬 더 높고 착화력과 발열량을 높이며, 또 필요에 따라서는 검탄과는 다르게 잔류 유해가스를 상당히 제거하여 가정용으로 사용할 수 있도록 구현한다.

본 발명에서는 검탄 제조방식에서 사용된 400~600℃ 온도범위의 탄화방식이 아니라 저온 탄화방식을 바람직하게 취한다.

본 발명에서 언급하는 저온 탄화방식은 250~350℃ 정도로 유지되는 저온 불에서 탄화시키는 방식이고, 중온 탄화방식은 400~500℃ 정도로 유지되는 중온 불에서 탄화시키는 방식이며, 고온 탄화방식은 600~800℃ 정도로 유지되는 고온 불에서 탄화시키는 방식을 의미한다.

저온 탄화방식으로 탄화를 하면 고온 탄화시키는 것보다 아산화질소(N₂O)와 같은 유해가스 배출량이 현저하게 줄어든다. 더욱 중요한 것은 저온 탄화물에는 발열량에 비례 관계가 있는 탄소비율이 고온 탄화물이나 중온 탄화물보다 훨씬 높게 존재한다는 것이다.

본 발명에서는 250~350℃의 저온 탄화방식을 바람직하게 취하지만, 필요에 따라서는 중온 탄화방식(400~500℃)도 취할 수 있음을 이해하여야 한다.

나무 등과 같은 재료를 탄화시키면 탄화온도 상승에 따라 가연분은 감소하지만 탄화온도 350℃정도까지는 연료물 1kg당 발열량이 거의 감소하지 않아 연료로서의 가치가 높다. 이는 350℃정도까지의 온도영역에서는 가연성분 중에서 산소의 감소율이 적고 발열량을 높이게 하는 탄소의 비율은 상대적으로 높아지게 때문이다. 실험으로 얻은 탄화온도와 발열량의 관계로서, 저온 탄화에서의 발열량은 고온 탄화에 비해서 약 4배가 증가되고, 중온 탄화에 비해서는 2배가 증가 된다.

상기와 같은 이유로 본 발명에서는 유해가스 배출량은 검탄보다 훨씬 줄고 발열량은 중온탄화나 고온탄화에 비해서 높은 저온탄화방식을 바람직하게 택한다.

본 발명에서는 저온탄화방식을 취함과 동시에 숯 내부에 남아있을 수 있는 잡냄새나 유해가스가 거의 제거될 수 있도록 탄화시간을 일반적인 연료용 숯 제조시의 탄화시간(예컨대 60분 내외)보다 더 길게 설정할 수도 있다. 즉 저온 탄화방식과 상대적으로 긴 탄화시간으로 숯 내부에 남아있는 유분을 충분히 가열 분해시켜서 최종 소비자가 사용시 숯연료에서 잡냄새가 거의 소멸되게 할 수 있다.

잡냄새 및 숯내 유해가스를 제거하는 다른 방법으로는 발열량을 다소 줄이더라도 400~500℃의 중온 탄화방식을 취하는 것이다.

저온탄화방식과 동시에 상대적으로 긴 탄화시간을 갖도록 하거나 중온탄화방식을 취하는 탄화방법은, 그을음이나 잡냄새, 유해가스가 거의 나지 않는 것이 요구되는 고기구이용이나 취사 및 조리용 압축성형 숯연료로 제조될 시에 적합한 것이다.

또한, 본 발명에서는 검탄 제조방식시 이용한 숯가마를 활용하지 않고 외열 탄화로나 전기식 탄화로 등의 밀폐식 탄화로(爐)를 이용한다. 본 발명에서 사용 가능한 외열 탄화로의 일 예로는 외열 킬른형 탄화로가 있고 전기식 탄화로의 일 예로는 전기로가 있다.

밀폐식 탄화로를 사용하면 노의 내부가 밀폐되므로 분진이 비산 하는 것을 방지할 수 있어 제진 능력이 우수한 집진기를 사용해야되는 등의 추가 비용이 불필요하며, 본 발명과 같이 밀폐식 탄화로에서 무산소 탄화 및 저온탄화(250~350℃)를 하면 기존 검탄보다 숯의 생산량이 2배 이상 높고, 무산소 탄화에 의한 고탄질의 숯 연료를 생산하여서 착화력과 발열량을 상대적으로 더 높여준다.

또 통상 물질을 연소시킬 때 순간 발생열이 강해도 너무 짧은 시간에 집중적으로 발생 되는 열은 에너지 전달에 필요한 시간이 확보되지 않기 때문에 발열량이 떨어질 수밖에 없다. 그런데 숯은 그 특성상 무수히 많은 다공들이 존재하므로 넓은 비표면적을 갖게 되고 그에 따른 연소 속도는 그만큼 빨라진다. 일반적인 활성탄의 비표면적은 1g당 3,500㎡이다.

그러므로 숯을 발열량이 높은 연료로서 사용하기 위한 추가적인 강구가 요구되는데, 본 발명에서는 압축 성형을 수행하여 숯의 밀도를 높여줌으로써 단위 체적당 연소시간이 길어지게 한다.

본 발명에서의 탄화물 압축성형시 사용하는 압축력은 1kg/㎠ ~ 30kg/㎠이고, 더욱 바람직하게는 3kg/㎠ ~ 20kg/㎠이다.

본 발명에서는 음식물쓰레기 원료의 탄화물을 압축성형함에 있어서도 최종 사용용도에 따라서 1kg/㎠ ~ 30kg/㎠범위 내에서 그 성형 압력을 달리한다.

또 안정되고 고열량의 품질 좋은 압축성형을 위해서 압축성형 전에는 탄화로에서 탄화된 탄화물을 분쇄하는 것이 바람직하며, 또 압축성형시 탄화분쇄물이 잘 결합되도록 하기 위해서 탄화물 분쇄 후에는 접착제를 투입하여 교반해 주는 작업이 압축성형 이전에 선행된다. 탄화물의 분쇄는 다공질 속에 남아 있는 유해가스가 빠져나가게 해주는 효과와 아울러 압축 성형이 용이하도록 해주며, 탄화분쇄물을 접착제와 교반시 사용되는 접착제는 녹말풀 등과 수성 접착제이다. 수성 접착제는 숯연료 사용시 유해가스를 방출하지 않는다.

음식물쓰레기 탄화물을 압축성형함에 있어, 공장이나 보일러용과 같이 높은 발열량이 필요한 연료 숯은 탄화물을 1kg/㎠ ~ 30kg/㎠(바람직하게는 3kg/㎠ ~ 20kg/㎠의 압축성형 압력범위 내의 저압력으로 압축성형한다. 이는 발열량을 더욱 높일 수 있는 방편으로 사용되는 폐식용유와 같은 폐유가 압축 성형된 탄화물 속에 보다 쉽게 침투 흡수될 수 있도록 하기 위함이다.

수성접착제가 혼합된 탄화교반물이 압축성형된 후에는 압축성형숯의 수분함량이 10%이하로 충분히 건조되게 함으로써, 압축성형 숯연료로서 포장 출하될 수 있다.

또 필요에 따라서는 발열량을 추가로 높이기 위해서, 음식물쓰레기에서 나온 음폐수에서 분리한 분리유나 폐식용유 등과 같은 폐유를 충분히 건조된 압축성형 숯에 침투시킨다. 폐식용유 등이 침투된 압축성형 숯연료는 기름 흡수정도에 상응하여 화력을 증강시키므로 발열량이 높아지는 것이다. 더불어 폐식용유 등이 침투된 압축성형 숯연료는 숯에 착화력을 높여주며 숯 입자표면에 유막을 형성시켜줌으로써 방습효과를 가져와 숯연료의 장기간 보관도 가능케 해준다.

폐식용유 등과 같은 폐유를 첨가한 압축성형 숯연료는 안정적이고 고단위의 열량을 낼 수 있어서 포장출하되어 화력 발전이나 공장용이나 보일러용으로 사용될 수 있어 "인공석탄"이라 불릴 수 있으며, 이러한 본 발명의 인공석탄은 화석연료(석유나 석탄)가 연소되면서 발생하는 유해가스가 거의 없다는 장점을 가진다.

이제부터 본 발명의 실시 예에 따른 압축성형 숯연료를 제조하는 과정을 첨부된 도 1을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 압축성형 숯연료를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면으로서, 점선박스 A블록은 압축성형 숯 연료의 제조공정 중 전처리 공정 부분이고, 점선박스 B블록은 전처리된 후 음식물쓰레기로 본 발명의 압축성형 숯 연료를 만드는 본처리 공정 부분이다.

도 1을 참조하면, 각종 요식업체나 지역별로 수거된 다양한 종류의 음식물쓰레기가 가능한 한 고른 성분을 갖도록 하기 위해서 혼합기를 갖는 저장통체에 저장하고 혼합하는 단계를 거친다(도 1의 S10단계). 이렇게 혼합된 음폐수를 이송컨베이어나 이송스크류를 통해 이송되어 탈수기에서 1차 탈수를 한 후(S12단계), 1차 선별기에서 이물질을 선별한다(도 1의 S14단계). 1차 선별기는 하나 이상으로 구비하는 것이 바람직하며, 음식물쓰레기 내 이물질중 자력으로 분리해낼 수 있는 철 종류와 아울러 수작업 등으로 비닐, 플라스틱류 등을 선별해낸다.

이물질 선별을 수행한 후 1차 분쇄기에서 음식물쓰레기를 10mm 이하의 분쇄조각으로 분쇄하여서(도 1의 S16단계) 음식물쓰레기 내 염분을 탈염시키기 용이하도록 하며, 그 후 염분 희석탱크에 음식물 쓰레기를 투입한다(도 1의 S18단계).

음식물 쓰레기가 투입된 염분 희석탱크에는 염분이 없는 물이나 지하수 또는 공업용수를 유입시켜서 음식물 쓰레기에 남아 있는 염분농도를 충분히 희석시킨다(도 1의 S18단계). 이때 염분 희석용 물은 뜨거운 물로 사용하는 것이 음식물 쓰레기에 대한 살균작용과 기름을 녹여내는데에 유효하다. 따라서 염분 희석탱크에 뜨거운 물을 직접 주입하거나 아니면 염분 희석탱크를 가열하는 방식을 취할 수 있고, 또 염분 희석탱크에 고온스팀을 주입하는 방식도 취할 수 있다.

염분 희석탱크를 통해서 음식물 쓰레기의 염분농도를 충분히 희석시킨 후, 원심탈수기를 이용해서 음식물 쓰레기에 대한 2차 탈수를 수행하며(도 1의 S20단계), 2차 탈수에 의해서 생긴 음폐수는 물론이고 전처리공정에서의 음식물쓰레기 1차 탈수에 의해 생긴 음폐수는 그 음폐수가 식기 전에 유수분 분리기를 통과하면서 유분성분이 물로부터 분리되고(도 1의 S22단계), 유분성분이 분리된 물은 정화조를 거쳐서 정화 및 정수처리된다(도 1의 S24단계). 정화 및 정수처리된 물은 염분 희석탱크의 공급수로 사용될 수 있다.

한편 2차 탈수기에 의해서 2차 탈수를 마친 음식물 쓰레기는 1차 건조기에 의해 건조되고 배출됨으로써(도 1의 S26단계), 압축성형 숯연료를 제조하기 위한 전처리과정이 마무리된다.

전처리공정을 통해서 건조되어 나온 음식물쓰레기는 본처리공정을 통해서 압축성형 숯연료로 제품화된다.

보다 구체적으로 설명하면, 전처리공정을 통해서 최종 건조되어 나온 음식물쓰레기는 본처리공정의 첫 단계로 밀폐식 탄화로에서 탄화된다(도 1의 S28단계).

밀폐식 탄화로는 밀폐식 외열 탄화로(28a)와 밀폐식 전기 탄화로(28b)로 구분될 수 있으며, 본 발명에서는 두 방식의 탄화로가 함께 사용될 수도 있다.

밀폐식 외열 탄화로(28a)는 그 외열로서 본 발명에서 최종적으로 얻어지는 압축성형 숯연료를 이용할 수 있으며, 밀폐식 전기 탄화로(28b)는 전기를 이용하여 음식물 쓰레기를 저온 탄화 또는 중온 탄화시킨다. 그에 따라 음식물쓰레기 탄화물이 얻어진다.

밀폐식 탄화로를 운용함에 있어, 밀폐로 인한 무산소 환경 하에서 저온탄화나 중온 탄화를 하게 되면 불완전 연소로 인한 가연성 가스가 발생되며 그에 따라 탄화로가 팽창 압력을 받게 된다. 본 발명에서는 탄화로 내의 팽창압력이 일정 수준에 도달하면 이동 가스도관을 통해 전처리공정에 있는 1차 건조기나 본처리공정에 있는 2차 건조기로 가연성가스를 전달하여서 1차나 2차 건조기의 가열 에너지로 사용되게 하거나 외열 탄화로에서 사용할 수 있게 해준다. 밀폐식 탄화로에서 발생되는 가연성 가스는 유해성분을 함유하고 있으므로, 1차 및 2차 건조기에서는 에너지로 사용시 그 유해성분을 제거를 위해서 고온처리를 수행하여야 한다.

또 밀폐식 탄화로를 운용함에 있어 음식물쓰레기 탄화물에 유독가스나 잡냄새를 없애기 위해서는 저온탄화(250~350℃)시 탄화시간을 일반 숯제조를 위한 탄화시간(60분 내외)보다 길게 해야 한다. 다른 대체방법으로는 중온탄화시키는 것이다.

탄화로에서 탄화된 음식물쓰레기 탄화물은 숯을 분쇄할 수 있을 정도의 낮은 압력으로 2차 분쇄기에서 2차 분쇄를 행한다(도 1의 S30단계). 이렇게 2차 분쇄를 하는 이유는 저온 무산소 탄화로 인해 숯의 다공질 속에 남아 있는 소량의 유해가스를 최대한 외부로 배출시키기 위함이며 동시에 압축 성형을 용이하도록 하기 위함이다.

2차 분쇄기에 의해 2차 분쇄된 탄화분쇄물의 분쇄 사이즈는 4mm이하로 하는 것이 바람직하며, 2차 분쇄기에 의한 2차 분쇄가 이루어진 후 탄화분쇄물은 2차 선별기로 투입된다. 2차 선별기에서는 비철 금속 등 타지도 않고 분쇄되지도 않은 이물질을 걸러내는 2차 선별을 수행한다(도 1의 S32단계).

2차 선별기를 거친 탄화분쇄물은 접착제 교반기로 투입되며, 접착제 교반기에서는 수용성 접착제를 분사하고 수용성 접착제와 탄화분쇄물을 교반한 후 배출을 한다(도 1의 S34단계). 접착제 교반기에서 교반된 탄화교반물은 압축성형기에서 압축성형된다(도 1의 S36단계). 압축성형기에서의 성형압축력은 1kg/㎠ ~ 30kg/㎠범위 내에서 조절되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3kg/㎠ ~ 20kg/㎠ 범위 내에서 조절된다.

압축성형기에서 압축성형된 성형물은 압축성형 숯으로서 배출된다. 압축성형 시 성형물 모양은 조개탄 모양이나 원기둥형 중공탄 형태 등으로 그 사용처에 알맞은 형상으로 다양하게 성형될 수 있다.

압축성형기에서 압축성형을 수행 시, 화력발전용이나 공장 보일러용 등과 같이 높은 발열량이 필요한 연료 숯은 구이용이나 조리용보다 낮은 압축성형 압력을 가한다. 이는 연료 숯의 발열량을 높이는 방안 중의 하나로 폐식용유 등을 첨가하게 되는데 이때 폐식용유 등이 충분히 침투되어 내부에 수용되도록 하는 공간을 확보하기 위함이다.

압축성형기에서 성형되어진 압축성형숯은 2차 건조기에서 건조가 이루어지되(도 1의 S38단계), 압축성형숯의 수분함량이 10%이하로 충분히 건조되게 한다.

건조된 압축성형숯은 고기구이용이나 조리용으로 사용되어질 경우에는 도 1의 S40단계의 폐식용유 첨가단계를 거치지 않고 바로 포장출하된다(도 1의 S42단계).

고기구이용이나 조리용의 압축성형숯은 잡냄새나 유해가스가 거의 나지 않도록 저온탄화되고 그 탄화시간도 일반 탄화시간보다 길게 하여서 만들거나 중온탄화되어서 만들어진 것이다. 그러므로 고기구이용이나 조리용 압축성형숯은 폐식용유 등과 같은 폐유가 첨가되지 않고 저온 장시간 탄화나 중온 탄화로 발열량이 다소 줄어줄더라도 잡냄새나 유해가스, 그을음 등이 없는 청정에너지 역할을 담당한다.

한편 건조된 압축성형숯이 화력발전소용이나 공장 보일러용 등 높은 발열량을 필요로 하는 용도로 사용할 경우에는 폐식용유이나 분리유와 같은 폐유를 첨가하는 단계(도 1의 S40단계)를 거친 후 포장출하된다(도 1의 S42단계).

공장이나 보일러용과 같이 높은 발열량이 필요한 연료 숯은 탄화물을 1kg/㎠ ~ 30kg/㎠(바람직하게는 3kg/㎠ ~ 20kg/㎠)의 압축성형 압력범위 내의 저압력으로 압축성형한 것이며, 이렇게 압축 성형되고 건조된 후 압축성형숯 속에 폐식용유 등의 폐유를 침투시키면 압축성형숯에는 폐유를 쉽게 함유하게 되며 그 만큼의 화력을 더 가지게 된다. 또한 화력발전용이나 공장 보일러용도로 포장출하되는 압축성형 숯연료는 착화력이 높고 숯 입자표면에 형성된 유막으로 인해 방습효과를 나타내어 장기간 보관도 가능하다.

제조된 압축성형 숯연료를 포장 출하시, 화력발전소용이나 공장보일러용, 구이 및 조리용 등의 용도에 따라 차별되게 포장하는 것이 바람직하며, 상기한 전처리 및 본처리공정은 모두 밀폐구조 시스템에서 이루어지게 하는 것이 바람직하다. 특히 본처리공정의 탄화, 분쇄, 압축성형의 단계들은 더욱 더 밀폐구조 시스템으로 구현하여야 하며, 악취나 매진 등에 대한 공해방지 수단 등을 장치하여야 한다.

이미 각 지자체에서는 음식물쓰레기 재활용 시스템이 가동되고 있으며, 전처리된 탈수 케익형태의 고형화 음식물쓰레기를 쉽게 구할 수 있다. 이러한 경우에는 케익 형태의 고형화 음식물쓰레기를 분쇄한 후 상술한 본처리공정을 수행하면 본 발명의 압축성형 숯연료를 용이하게 제조할 수 있다.

지금까지 전술한 설명에서는 음식물쓰레기만을 원료로 이용하여서 본 발명의 압축성형 숯연료를 만드는 것을 실시 예로서 설명하였다.

본 발명에서는 다른 실시 예로서, 농산폐기물인 왕겨와 볏짚, 옥수수 껍질, 땅콩껍질 등 초본류와 임산류 폐기물이나 폐목, 톱밥 등이나 축산분뇨 등도 음식물쓰레기와 혼합하거나 음식물쓰레기 없이 독립적으로 사용하여서 압축성형 숯연료를 만들 수 있다. 이 때, 전처리된 혼합원료 또는 해당 독립 원료를 저온탄화, 무산소탄화, 압축성형, 및 폐유첨가 등을 수행하여서 기존 우드펠렛보다 발열량이 1,000kcal/kg 이상 높은 압축성형 숯연료를 만들 수도 있음을 이해하여야 한다.

숯은 나무에 따라 차이가 있지만 일반질의 나무에서 고급질인 참나무까지 현 재 시세로 톤당 대략 가격이 4~8만 원까지 분포 형성되며, 숯을 만들었을 때 일반 숯과 참 숯까지 가격이 kg당 대략 3~7천원 대이므로 고가의 연료로 간주된다. 그런데 본 발명에 따라 제조된 압축성형 숯 연료는 재료구입 비용이 아주 저렴하거나 수송비용만 들이면 될 정도이며 자체 생산된 압축성형 숯연료를 사용하여 또 숯을 구워낼 수도 있으니 대량 생산시 kg당 판매가는 300원 이하까지도 낮출 수 있다고 예상된다.

기존 음식물쓰레기 처리방식중 음식물쓰레기를 건조하여 RDF(Refuse Drived Fuel)로 제조함으로써 재활용하는 방식도 있으나 음식물쓰레기를 원료로 하는 RDF는 발열량이 저조할 뿐만 아니라 RDF자체의 냄새와 연소시 연기 및 유해가스로 인하여 일반적인 곳에서는 연료로 사용할 수 없어 수요자가 적을 수밖에 없으며, 결국 음식물쓰레기를 대량처리하는데에는 적합치 않는 것이다.

그런데, 본 발명의 압축성형 숯연료는 음식물쓰레기를 건조한 RDF보다 발열량이 뛰어나고 연료가 필요한 곳이면 일반 가정을 포함한 어느 곳에도 사용할 수 있으며, 저렴하고 공해가 없는 청정에너지이다. 또 많은 양의 음식물쓰레기를 압축 성형숯으로 제조하여서 연료로 사용하게 되면 완전연소에 의해 미량의 재만 남기 때문에 발생된 음식물쓰레기의 양 대비 1/30 이하까지 줄일 수 있으며 공해 없이 처리할 수 있기 때문에 대량처리가 가능한 장점이 있다.

본 발명에 따라 제조된 압축성형 숯연료를 다른 종류의 연료와 대비하되 발열량을 대비한 테이블은 하기 표 1과 같다.

종 류	발열량
폐플라스틱(RDF)	8,200∼9,000 kcal/kg
압축성형 숯연료	4,000∼6,000 kcal/kg
석 탄	6,000 kcal/kg
목재펠렛(RDF)	4,000∼4,300 kcal/kg
19공 연탄	4,250 kcal/kg
탄화 오니	2,000∼3,000kcal/kg

표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 압축성형 숯연료의 발열량은 4,000∼6,000kcal/kg으로서, 탄화오니에 비해서 훨씬 발열량이 높고 19공 연탄이나 석탄에 버금가는 발열량을 갖고 있음을 알 수 있다.

본 발명의 압축성형 숯연료는 연탄이나 석탄과는 달리 숯이다. 숯은 탄소질이 80%정도이고 나머지가 미네랄(Ca,Na,Fe,Mg,K,P 등)로 구성되어 있다. 특히 본 발명에서와 같이 음식물쓰레기를 원료로 하여 제조한 압축성형 숯에는 일반 목탄숯보다 생체 유지에 없어서는 아니 되는 필수 영양소인 무기질 성분이 상대적으로 많아서 다방면에서 효과적으로 활용할 가치가 높다.

예컨대, 원예나 채소 등 농작물 재배와 양식업 또는 양돈 양계 등 축산업에 음식물쓰레기 원료 압축성형 숯연료를 이용할 수 있다.

숯은 토양개량 효과가 매우 우수하여 과수농가 등 토양 3.3㎡당 1kg의 숯가루를 뿌리고 퇴비를 주면 수확량이 늘어나고 맛과 영양이 좋아진다고 하고, 가축사료에 1% 정도의 숯가루를 섞어서 먹이면 사료의 소모량이 10%정도 줄고 병이 없이 잘 자라며 분뇨에서 악취가 줄어든다고 한다. 또 고기의 육질이 좋으며 특히 달걀은 여름철에 100일이 지나도 잘 변질되지 않는다고 한다.

또 양식장을 만들 때 기초에 묻어 두거나 물고기 사료에 숯가루를 섞어 주면 홍조나 녹조현상이 없어지고 양식어의 맛이 자연산과 흡사해진다고 한다.

숯은 그 특성상 가루형태로 쉽게 만들 수 있으므로 상기와 같이 가루형태로 필요한 곳에도 음식물쓰레기원료 압축성형 숯연료를 가루로 공급하여서 저렴하게 사용할 수 있고, 그 결과 음식물쓰레기 대량처리에도 그 활용도를 넓힐 수 있다.

또한 음식물쓰레기 원료의 압축성형 숯연료나 재를 이용해서 건축자재로도 재활용하려는 개발단계에 놓여 있으므로 이용 가치가 점점 확대되어 경제적 가치도 높아지는 효과를 기대할 수 있다.

또 숯은 그 특성상 불을 피워 공기를 강하게 불어 넣어주면 매우 고온으로 올라가기 때문에 광석을 녹여 금속을 만들어내는 제련에도 이용되고 있다. 더욱이 본 발명의 압축성형 숯원료는 그 발열량이 일반 숯에 비해서 뛰어난 관계로 석탄이나 코크스 등과 병용하여 제련에 활용할 수 있는 것이다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지의 치환, 변형, 변경 및 수정이 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 및 그 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.

(S10)-- 저장 및 혼합 단계
(S12)-- 1차 탈수단계
(S14)-- 1차 선별단계
(S16)-- 1차 분쇄단계
(S18)-- 염분 희석단계
(S20)-- 2차 탈수단계
(S22)-- 유수분리 단계
(S24)-- 정화 및 정수단계
(S26)-- 1차 건조단계
(S28)-- 탄화 단계
(S30)-- 2차 분쇄단계
(S32)-- 2차 선별단계
(S34)-- 접착제 교반단계
(S36)-- 압축성형 단계
(S38)-- 2차 건조단계
(S40)-- 폐식용유 첨가단계
(S42)-- 포장출하 단계

Claims (8)

1. 음식물쓰레기를 이용한 숯연료 제조방법에 있어서,
   음식물쓰레기를 수거후 전처리공정을 통해 건조된 음식물쓰레기를 밀폐식 외열탄화로 및 전기식 탄화로중 적어도 하나로 된 밀폐식 탄화로를 이용하여 무산소 탄화와 동시에 250~350℃의 저온 탄화를 수행하되 일반 숯 제조를 위한 탄화시간보다 상대적으로 긴 탄화시간으로 탄화를 수행하여서 숯 내부에 남아 있는 유분을 가열 분해하며, 무산소 탄화 및 저온 탄화로 얻어진 탄화물을 4mm이하로 분쇄하여 무산소 탄화 및 저온 탄화로 숯의 다공질에 남아 있는 유해가스를 외부로 배출되게 한 후 탄화분쇄물을 수성 접착제와 함께 교반한 다음 1kg/㎠ ~ 30kg/㎠의 성형압축력과 사용처에 알맞는 성형형태로 압축성형하고 건조하여서 된 압축성형 숯을 얻고, 건조된 압축성형숯에 폐식용유가 함침되게 하여서 4,000∼6,000kcal/kg의 높은 발열량을 갖는 압축성형 숯연료를 얻음을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용한 압축성형 숯연료 제조방법.
   
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3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 전처리공정은 수거된 음식물쓰레기에 대한 탈수, 분쇄, 염분 희석, 건조하는 단계를 가지며, 염분 희석단계에서는 음식물쓰레기에 대한 살균작용과 기름을 녹여내는데에 유효하도록 염분 희석물로서 뜨거운 물을 사용하거나 염분희석 탱크 내에 고온스팀을 주입하는 방식을 사용함을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용한 압축성형 숯연료 제조방법.
   
6. 제1항에 있어서, 탄화분쇄물을 얻은 후 미소각 및 미분쇄된 이물질을 걸러내는 선별단계를 거친 후에 탄화분쇄물을 수성 접착제와 교반되게 함을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용한 압축성형 숯연료 제조방법.
   
7. 음식물쓰레기를 이용한 숯연료 제조방법에 있어서,
   초본류 폐기물, 임산류 폐기물, 폐목, 톱밥, 축산분뇨 중의 적어도 이상의 폐기물을 수거후 전처리공정을 통해 건조된 음식물쓰레기와 혼합하여 밀폐식 탄화로에 투입하는 과정과,
   투입된 혼합물을 밀폐식 탄화로에서의 무산소 탄화와 동시에 250~350℃의 저온 탄화를 수행하되 일반 숯 제조를 위한 탄화시간보다 상대적으로 긴 탄화시간으로 탄화를 수행하여 숯 내부에 남아 있는 유분을 가열 분해하며, 무산소 탄화 및 저온 탄화로 얻어진 탄화물을 4mm이하로 분쇄하여 무산소 탄화 및 저온 탄화로 숯의 다공질에 남아 있는 유해가스를 외부로 배출시킨 탄화분쇄물을 얻는 과정과,
   탄화분쇄물을 수성 접착제와 함께 교반한 후 1kg/㎠ ~ 30kg/㎠의 성형압축력과 사용처에 알맞는 성형형태로 압축성형하고 건조하여서 압축성형 숯을 얻는 과정과,
   건조된 압축성형숯에 폐식용유가 함침 되게 하여서 4,000∼6,000kcal/kg의 높은 발열량을 갖는 압축성형 숯연료를 얻는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 음식물쓰레기를 이용한 압축성형 숯연료 제조방법.
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