* Corresponding author: (E-mail) [email protected]
※ 본 연구는 산림청 ‘임업기술연구개발사업(과제번호 : S210707L010130)’의 지원으로 수행되었음.
목질계 바이오에너지자원의 연료화를 위한 기초연구(I)
- 목재칲의 물리적 특성 -
황진성1 ･ 오재헌2 ･ 김남훈1 ･ 차두송1*
1강원대학교 산림환경과학대학, 2국립산림과학원 산림생산기술연구소
Preliminary Study on the Fuel Processing with Woody Biomass (I)
- Physical Properties of Wood Chip -
Jin Sung Hwang1, Jae Heun Oh2, Nam-Hun Kim1, and Du Song Cha1*
1College of Forest & Environmental Sciences, Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea
2Forest Practice Research Center, Korea Forest Research Institute, Pocheon 487-821, Korea
ABSTRACT : This study was conducted to investigate the physical properties of wood chip for fuel processing with woody biomass.
Seven species are selected and processed for testing physical properties by 3-type wood chippers which are commonly used in Korea. Wood chips produced by self-propelled drum chipper and fixed type wood chipper equipped with separator were uniform in size and shape. It was shown that the bulk density of produced wood chips was decreased with increasing the wood chip layer thickness, and oak chips prepared by self-propelled drum chipper and fixed type wood chipper showed the highest bulk density.
Keywords : Wood chip, Biomass, Wood chipper, Fuel
서 론
지구온난화의 주범으로 알려지고 있는 과도한 화석연료 의 사용을 줄이기 위해서는 에너지 사용체계를 순환적으로 사용할 수 있는 사회 시스템을 구축하는 것이 필요하며, 또 한 21세기 사회패러다임으로 ‘지속가능한 순환형 사회건 설’이 자리매김함으로써 경제성장과 더불어 환경성과 사회 성이 강조되고 있다(차두송 등 2005). 이런 현실 속에서 신․
재생에너지는 자원의 고갈 및 공해나 대기오염, 방사능 폐 기물 문제 등에 자유롭고, 특히 개도국에 전력공급이 가능 하여 경제 성장동력, 친환경성, 사회형평성향상이라는 측면 에서 지속가능성을 제고할 수 있다. 이와 같은 측면에서 세 계 여러 국가들은 에너지 R&D 중 상당부분을 신․재생에너 지의 개발 및 보급을 위해 투자하고 있으며, 각종 신․재생에 너지 국제 협회 및 회의들이 활발하게 진행 중이다. 이중에 서 재생 가능하며, 지속적으로 이용 가능한 에너지원으로서
바이오매스(Biomass)에 대한 관심이 높아지고 있다(오재 헌, 2003; 차두송 등, 2004).
국내와 같이 대부분의 국토가 산으로 이루어진 조건에서 는 바이오매스 에너지원이 화석연료를 대체할 수 있는 매우 유망한 에너지 자원이 될 것으로 판단되고 있으며(Hall and Scrase, 1998; 차두송 등, 2005), 바이오매스 자원 중에서도 특히 목질계 바이오매스에 대한 관심이 높아지고 있다. 목 질계 바이오매스가 주목받는 이유는 그 자원량이 풍부할 뿐 만 아니라, 목질계 바이오매스 에너지의 이용이 오랜 기간 불황이 지속되고 있는 임업․임산업을 기반으로 하는 농산촌 지역의 활성화와 간벌이 늦어지고 있는 인공림의 시업을 촉 진하여 산림의 공익적 기능에 기여하는 것을 기대할 수 있 기 때문이다(차두송 등, 2002; 한국임정연구회. 2003). 특히 목질계 바이매스자원의 활용 방법 중에서 연료용 목재칲의 가공 기술은 바이오매스를 발생원으로부터 수거하여 적절 한 성상의 연료로 제조하여 연소로에 투입하는 일련의 과정
그림 1. 목재칲의 산물밀도 측정장치.
그림 2. 산물밀도 측정방법.
을 거쳐야 한다. 이러한 일련의 과정중에서 목재칲의 크기 및 성상, 그리고 밀도에 대한 정보는 연소 특성 및 저장 용 량을 결정할 뿐만 아니라 전공정의 경제성에도 크게 영향을 미치는 중요한 인자이므로, 이에 대한 특성파악이 필요한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 목재파쇄기에 따른 목재칲의 종류 별 물리적 특성 및 산물밀도를 측정하여 목질계 바이오에너 지 자원의 활용에 대한 기초 자료로서 활용하고자 하였다.
재료 및 방법 실험재료
국내에서 유통되는 목재파쇄기 중 가장 많이 보급되어있 는 자주식(세림쵸프밀), 고정식(pallmann), 공장형 고정식 (홍천 신우임산) 총 3종류의 목재파쇄기를 사용하여 7개 수 종(신갈나무, 현사시, 리기다 소나무, 낙엽송, 굴참나무, 잣 나무, 소나무)에 대하여 수목의 수간 및 가지로 목재칲을 생 산하여 실험에 사용하였다.
실험방법
1) 목재칲의 입도분포 특성
입도분석에는 신갈나무, 현사시, 리기다 소나무, 낙엽송, 굴참나무, 잣나무, 소나무의 수간으로 제조된 목재칲을 사 용하였으며, 입도분포 특성은 체분석을 통하여 실시하였다.
사용된 체의 크기는 자주식(세림쵸프밀) 목재파쇄기의 경우 는 목재칲의 입자가 작기 때문에 19.10 mm, 9.52 mm, 5.60 mm, 5.00 mm, 4.75 mm, 4.00 mm, 3.35 mm의 것을 사용 하였으며, 고정식(pallmann)과 공장형 고정식(홍천 신우임 산) 목재파쇄기의 경우는 비교적 입자가 크기 때문에 76.20
mm, 50.80 mm, 38.10 mm, 25.40 mm, 19.10 mm, 9.52 mm, 5.60 mm의 체를 사용하였다.
2) 목재칲의 산물밀도 특성
silo 저장시 목재칲의 산물밀도 특성을 파악하기 위해 그 림 1과 같은 산물밀도 특성 실험 장치를 제작하여 7개 수종 (신갈나무, 현사시, 리기다 소나무, 낙엽송, 굴참나무, 잣나 무, 소나무) 목재칲의 산물밀도를 측정하였다.
3) 목재칲의 산물밀도
일반적인 농산물의 산물밀도 측정은 ASTM에 규정된 장 치를 이용하여 측정하고 있다. 본 연구에서 고려되는 목재 칲의 산물밀도도 농산물의 산물밀도 측정원리와 같은 형태 로 측정 분석하였다. 측정방법은 200(mm) × 200(mm) × 215(mm)의 크기에 부피가 0.0086 m3인 상자를 아크릴 판 으로 제작하여 목재칩을 일정 높이에서 상자 안으로 자유낙 하 시켜 자중에 의해 압밀되도록 하고 상자 위로 넘칠 때까
지 쌓이게 하였다. 상자 위로 쌓인 목재칲은 상자높이까지 제거하고 상자 그대로 무게측정 저울에 올려놓았다. 무게는 전체 무게에서 상자의 무게를 뺀 수치를 목재칲만의 무게로 산정하였다. 산정된 무게를 상자 안의 부피로 나누어 목재 칲의 산물밀도를 측정하였다. 실험은 수종별, 부위별, 목재 칲의 형태별로 각각 나누어 실험하였다.
결과 및 고찰 1. 목재칲의 입도분포 특성
1) 목재 파쇄기별 목재칲의 형상
자주식(세림쵸프밀) 파쇄기는 목재 파쇄에 소요되는 에 너지원과 별도로 자체 구동력을 가진 장비로서 원하는 장소 까지 이동하여 목재를 파쇄 할 수 있는 기종이다. 그러나, 단점은 파쇄된 목재 입자의 크기가 작아 연소효율은 높일 수 있지만 연료의 이송 및 취급이 불편하다. 또한 파쇄중 목 재의 끝부분이 파쇄될 경우에는 처음과 같이 일정한 크기의 목재칲 형태를 유지하지 못하고 큰 조각의 형태로 토출되 어, 별도의 장치에 의해 선별하여 분리하거나, 폐기해야 되 는 불편함이 있다.
그림 4에서와 같이 고정식으로 목재칲을 대량으로 생산 하는 공장에서 적합한 장비로 판단되나 투입되는 목재의 직 경이 작고, 생산되는 목재칲의 형태가 일정치 않아 목재칲 보일러의 연료로서는 다소 부적합한 것으로 판단된다.
그림 5에서와 같이 공장형 고정식(홍천 신우임산) 목재 파쇄기는 펄프재의 목재칲을 펄프공장에 납품하는 곳으로 목재칲의 크기와 형태도 비교적 일정하고 안정적으로 목재 칲을 공급할 수 있다는 장점이 있다.
2) 목재칲의 입도분포 특성
이전에 언급한 총 3종류의 목재 파쇄기의 목재칲에 대해 서 입도분포 특성을 조사 하였다.
자주식(세림 쵸프밀) 목재파쇄기에서 만들어진 목재칲의 경우 그림 6의 입도분포곡선에서 볼 수 있듯이 5 mm이하 의 목재칲이 약 50%정도를 차지하고 있어 입도분포가 불 량한 것으로 나타났다.
고정식(pallmann) 목재파쇄기의 입도분포는 그림 7에서 보듯이 각 직경별 입도분포가 골고루 분포되어 있어 입도분 포가 비교적 양호한 것으로 나타났다. 이는 연료의 크기가 일정치 않아 연료로서의 가치는 떨어지는 것으로 판단된다.
공장형 고정식(홍천 신우임산) 목재파쇄기의 입도분포는 19.10 mm에서 9.52 mm 직경의 목재칲이 50%이상을 차지 하여 입도분포가 불량한 것으로 나타났다.
입도분석결과 고정식(pallmann) 목재파쇄기의 입도분포 는 비교적 양호하였으며 자주식(세림 쵸프밀) 목재파쇄기와 공장식 고정형(홍천 신우임산) 목재파쇄기에서 생산된 목재 칲이 비교적 입도 분포가 불량하여 연료로서의 가치가 높을 것으로 판단되었다. 그러나 자주식(세림 쵸프밀) 목재파쇄 기의 목재칲의 경우 목재 입자의 크기가 작아 연소효율은 높일 수 있지만 연료의 이송 및 취급이 불편할 것으로 사료 된다.
2. 목재칲의 산물밀도 특성
산물밀도의 측정은 7개(신갈나무, 현사시, 리기다 소나 무, 낙엽송, 굴참나무, 잣나무, 소나무)수종 모두 가지와 수 간으로 분리하여 측정하였으며 그 결과는 그림 9~그림 11 과 같다. 특히 공장형(홍천 신우임산) 목재파쇄기의 경우에 는 수간만을 사용하여 산물밀도를 측정하였다. 자주식(세림 쵸프밀) 목재파쇄기에서 생산된 목재칲은 그림 9와 같이 산 물밀도가 200 kg/m3 ~ 250 kg/m3로 산출되어 가지와 수간, 수종간의 차이는 크게 나타나지 않았다.
고정식(pallmann) 목재파쇄기의 경우 굴참나무와 신갈나 무의 산물밀도에 있어서, 가지의 산물밀도에서는 굴참나무 의 산물밀도가 360 kg/m3로 가장 높게 산출되었고 신갈나 무가 약 300 kg/m3로 산출되었다. 수간의 경우에는 굴참나 무, 신갈나무, 잣나무가 250 kg/m3 ~ 300 kg/m3로 비슷한 경향은 나타내었고 현사시, 리기다 소나무, 낙엽송, 소나무 가 약 200 kg/m3로 비슷한 경향을 나타내었다.
공장형 고정식(홍천 신우임산) 목재파쇄기에서 생산된 목재칲은 굴참나무와 신갈나무가 290 kg/m3 ~ 310 kg/m3 으로 가장 높은 산물밀도를 나타내었고, 그 외의 현사시, 리 기다 소나무, 잣나무, 소나무는 약 250 kg/m3으로 비슷한 경향을 보였다.
결론적으로 수간을 기준으로 하였을 때 고정식과 공장형 고정식(홍천 신우임산) 목재파쇄기의 목재칲이 200 kg/m3
~ 310 kg/m3으로 180 kg/m3 ~ 240 kg/m3인 자주식(세림 쵸프밀)보다 산물밀도가 더 큰 것으로 나타났는데 일정공간에 더욱 많은 양의 목재칲이 들어갈 수 있어 고정식(pallmann) 목재파쇄기에서 생산된 목재칲이 연료로서의 가치가 높은 것으로 판단된다.
그림 3. 자주식(세림쵸프밀) 목재 파쇄기와 생성 목재칲의 형태.
그림 4. 고정식(pallmann) 목재 파쇄기와 생성 목재칲의 형태.
그림 5. 공장형 고정식(홍천 신우임산) 목재 파쇄기와 생성 목재칲 형상.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm)
통과백분율(%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm) 통과백분율(%)
(a) 신갈 수간 (b) 낙엽송 수간
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm)
통과백분율(%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm) 통과백분율(%)
(c) 잣나무 수간 (d) 리기다소나무 수간
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm)
통과백분율(%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm) 통과백분율(%)
(e) 현사시 수간 (f) 굴참 수간
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm) 통과백분율(%)
(g) 소나무 수간
그림 6. 자주식(세림 쵸프밀) 목재파쇄기의 수종별 입도분석 결과.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm) 통과백분율(%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm) 통과백분율(%)
(a) 신갈 수간 (b) 낙엽송 수간
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm) 통과백분율(%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm) 통과백분율(%)
(c) 잣나무 수간 (d) 리기다소나무 수간
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm) 통과백분율(%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm)
통과백분율(%)
(e) 현사시 수간 (f) 굴참 수간
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm) 통과백분율(%)
(g) 소나무 수간
그림 7. 고정식(pallmann) 목재파쇄기의 수종별 입도분석 결과.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm)
통과백분율(%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm)
통과백분율(%)
(a) 신갈 수간 (b) 낙엽송 수간
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm)
통과백분율(%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm)
통과백분율(%)
(c) 잣나무 수간 (d) 리기다 소나무 수간
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm)
통과백분율(%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm)
통과백분율(%)
(e) 현사시 수간 (f) 굴참 수간
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1.00 10.00 100.00
입경(mm) 통과백분율(%)
(g) 소나무 수간
그림 8. 공장형 고정식(홍천 신우임산) 목재파쇄기의 수종별 입도분석 결과.
그림 9. 자주식(세림 쵸프밀) 목재파쇄기 목재칲의 수종별 산물밀도
그림 10. 고정식(pallmann) 목재파쇄기 목재칲의 수종별 산물밀도.
그림 11. 공장형 고정식(홍천 신우임산) 목재파쇄기 목재칲의 수종별 산물밀도.
또한 저장보관시의 저장높이에 따른 목재칲의 용량을 검 토하기 위하여 목재칲의 형상별･수종별(신갈나무, 현사시, 리기다 소나무, 낙엽송, 굴참나무, 잣나무, 소나무)에 따른 산물밀도를 측정하였다. 수종별로는 활엽수인 참나무류가
100 cm를 기준으로 하였을 때 5~5.5 kg으로 4~5 kg인 침 엽수 수종보다 밀도가 높은 것으로 분석되었다. 특히 실험 한 수종모두 목재칲의 높이가 높아질수록 산물밀도는 작아 지는 것으로 분석 되었으며 이러한 이유는 목재칲과 산물밀
(a)신갈 수간 (b)낙엽송 수간
(c)잣나무 수간 (d)리기다소나무 수간
(e)현사시 수간 (f)굴참 수간
(g)소나무 수간
그림 12. 수종별, 목재칲 형태별 산물밀도 변화.
도 실험장치 간의 재료 마찰력이 압밀에 의한 밀도 변화폭 을 능가하는 것으로 판단된다.
목재칲 형태별로는 공장형(홍천 신우임산) 목재파쇄기의 목재칲이 가장 밀도가 높은 것으로 나타났으며 입자가 작은 자주식(세림 쵸프밀) 목재파쇄기의 목재칲이 같은 부피일 때 좀더 밀도가 낮은 것으로 분석 되었는데, 이는 목재칲의 쌓임새와 분급, 입자형태 등의 요인으로 공극률이 크기 때 문인 것으로 판단된다. 그러나 리기다 목재칲에선 고정식 (pallmann) 목재파쇄기의 목재칲이 자주식(세림 쵸프밀) 목 재파쇄기의 목재칲보다 밀도가 낮은 것으로 나타났다.
결 론
목재파쇄기에 따른 목재칲의 종류별 물리적 특성 및 수 종별 목재칲의 산물밀도 특성파악을 통해 목질계 바이오에 너지 자원의 활용에 대한 기초 자료로서 활용하고자 국내에 서 유통되는 목재파쇄기 3종류로 7개 수종에 대하여 수목 의 부위별로 파쇄하여 목재의 물리적 특성을 검토하였다.
목재칲의 목질계 바이오에너지 자원으로의 활용을 위해서 는 안정된 공급과 저장을 위해 적절한 형태와 크기로 목재칲 을 생산할 수 있는 생산기반시설이 갖추어져야 할 것이다. 또한 공급과 저장만을 위한 물리적 특성만이 아니라 친
환경적이고 고효율 연료로서의 목재칲을 생산하기 위해선 건조와 연소시의 여러 가지 특성에 관련된 연구들이 함께 이루어져야 할 것이며, 고유가시대에 에너지이용 비용절감 과 농산촌지역의 활성화, 간벌이 늦어지고 있는 인공림의 시업을 촉진하기 위해 운반과 수집시스템까지도 고려되어 야 할 것이다.
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