목재 펠릿(pellet)을 활용하는 휴대용 펠릿 난로의 연소 효율 향상과 일산화탄소(CO) 배출 저감을 위한 연소기 개발

민경순,임대은 대한토목학회 2020 대한토목학회논문집 Vol.40 No.3

Pellets are manufactured using wood by-products. The combustion efficiency of pellets depends on the pellet manufacturing process,the types of materials mixed while manufacturing and the wood pellet stoves themselves. In this study, we developed a multi-layercombustor to be used in a wood pellet stove, for the purpose of reducing environmental pollution and energy waste due to incompletecombustion. The multi-layer combustor was designed to compensate for the shortcomings of existing combustors. A CAD (ComputerAided Design) model was verified using a 3D printer and a prototype was developed. The combustion experiments were conducted oncommercial and proposed combustors using pellets of the same brand, manufacturing date, place and specifications. From theexperiments, it was found that the proposed combustor produced the lowest carbon monoxide (CO) emission and highest thermalefficiency. 목재 부산물 등을 활용하여 제조되는 목재펠릿(pellet)은 가공되는 방식과 추가되는 부산물의 종류, 목재펠릿난로의 종류에 따라 완전연소가 아닌 불완전연소가 일어나는 경우가 있다. 이에 본 연구에서는 불완전연소로 인한 환경오염과 에너지 낭비를 줄이기 위해 목재펠릿난로 연소 작용의 핵심부인 연소기를 개발하였다. 현재 시중에서 유통되고 있는 목재펠릿난로의 연소 작용을 담당하고 있는 연소기의 한계점을 넘기 위해 다층구조(Multi Layer)방식이라 명명하는 새로운 구조의 연소기 방식을 창안하고, CAD (Computer Aided Design) program으로 설계 후 3D 프린터를 활용하여 실현 가능성을 검증하였다. 검증된 데이터를 바탕으로 다층구조(Mulit Layer)방식의 목재펠릿난로의 연소 작용을 담당하는연소기의 시제품(Prototype)을 설계, 제작하여 실험을 진행하였다. 실험의 신뢰도를 위해 동일한 날짜, 장소, 연료를 사용하여 현재 시중에서 유통되어 판매되고 있는 목재펠릿난로의 연소기와 본 연구에서 개발한 목재펠릿난로의 연소기를 비교실험하였다. 실험의 결과로 환경적인 측면에서 일산화탄소(Carbon Monoxide) 배출량의 감소를 확인하였고, 에너지 효율면에서 상대적으로 높은 열효율 결과를 도출하여 긍정적인 결과를 나타냈다.

복합펠릿 제조 및 활용에 따른 온실가스 산정 연구

이기완 ( Ki-wan Lee ),한정구 ( Jung-koo Han ),김우중 ( Woo-jung Kim ),국아현 ( Ah-hyun Kuk ) 한국환경기술학회 2016 한국환경기술학회지 Vol.17 No.4

본 연구는 특정 조건에서의 복합펠릿의 제조 및 활용에 따른 온실가스 배출량을 산정하여, 목재펠릿/고체 화석연료/활성탄과의 배출량을 비교 분석하기 위함이다. 제조과정에서는 온실가스 배출량 산정을 수행하였고, 연소과정에서는 목재펠릿뿐만 아니라 고체 화석연료의 배출량까지 산정하여 비교하였다. 흡착제 활용 부문을 비교하기 위해 야자수활성탄 제조시 배출되는 온실가스 양을 산정하였으며, 모든 제조과정의 온실가스 배출량은 원단위 기준으로 산정하였다. 제조과정에서 복합펠릿은 목재펠릿의 0.0013794 tCO_2eq/kg에 비해 0.0002759 tCO_2eq/kg 적게 온실가스를 발생하였으며, 연소과정에서 고체연료로서의 효율은 별 차이가 없지만 목재펠릿, 국산 무연탄, 수입무연탄, 연료용 유연탄보다 각각 0.00012 tCO_2eq, 0.000132 tCO_2eq, 0.000232 tCO_2eq, 0.000398 tCO_2eq의 온실가스를 적게 배출하였다. 또한, 흡착제 용도로 활용시 복합펠릿은 0.0011035 tCO_2eq을, 야자수활성탄은 0.003071 tCO_2eq을 배출함이 확인되었다. 따라서, 복합펠릿을 단계별로 이중 활용할 경우, 기존에 사용되던 각각의 연료·흡착제 활용방식보다 온실가스 배출량 감축에 유리할 것으로 판단되었다. This study has calculated the greenhouse gas(GHG) emission for manufacturing and using of mixing pellet under certain conditions and then, compared and analyzed wood pellet/solid fossil fuel/activated carbon. GHG was calculated from part of process for manufacturing mixing pellet and wood pellet. In the process of combustion, GHG was calculated to wood pellet and solid fossil fuel. GHG from manufacturing palm tree activated carbon was computed to compare utilizing of an absorbent. Emission calculation about all of the manufacturing process was proceeded on basic unit, and about combustion process was conducted based on using 1 kg of fuel. Consequently, Mixing pellet was less GHG of 0.0002759 tCO_2eq during manufacturing process. In the combustion process, while efficiency of mixing pellet as solid fuel was no significant odds, GHG was created much less than 0.00012 tCO_2eq, 0.000132 tCO_2eq, 0.000232 tCO_2eq, 0.000398 tCO_2eq than wood pellet, domestic anthracite, imported anthracite, Bituminous coal respectively. GHG was released just by 0.0011035 tCO_2eq using mixing pellet as an absorbent and 0.003071 tCO_2eq using palm tree activated carbon. Through this result, GHG emission by double using of mixing pellet is expected to be emitted less than using fuel and absorbent respectively.

목재펠릿과 관련한 안전사고의 발생원인 및 예방책 - 연소 전을 중심으로

양인,이재정,안병준 한국신·재생에너지학회 2019 신재생에너지 Vol.15 No.3

Over the last decade, the consumption and production of wood pellets have increased greatly both domestically and globally. Therefore, several safety concerns by producers and consumers, as well as environmental concerns have been brought steadily. This paper reviews the accidents from the safety issues and the potential human/environmental harm, and suggests precautions to prevent accidents or harm. In regard to the safety of wood pellets themselves, various dangerous situations or accidents, such as self-heating, off gassing, fire, explosion, mold/micro-toxins, and drifting-blowing dust, can occur. For example, three casualties from toxic gas, fire and explosion during the consumption and production of wood pellets in the European Union, have been reported since 2010. Therefore, an international meeting concerning the safety issues of wood pellets and its solutions was held for the first time in Austria in 2013. In South Korea, no casualties from the consumption and production of wood pellets have been reported, but the potential for casualties from the use of wood pellets increases. Therefore, it is important to manage wood pellets properly to minimize wood pellet-related accidents.

국제경제 환경의 변화가 국내 난방용 목재펠릿 시장에 미치는 영향

김동현,김기동,최현임,김의경 한국산림경제학회 2023 산림경제연구 Vol.30 No.1

Supply Shocks of wood pellets for heating occurred in 2015, 2018 and 2022. This supply shock was attributed to the war in Ukraine and the resulting global economic environment. The purpose of this study is to analyze the causes of supply shock in the wood pellet market for heating and their economic impact. To this end, elasticity was analyzed using the elasticity of demand and supply and the substitute elasticity of wood pellets for heating. As a result of the analysis, under regular trend, the equilibrium of supply and demand in the wood pellet market for heating could be controlled by domestic production and producers’ inventories. However, rapid changes in the global economic environment, such as the war in Ukraine, created an mismatch between supply and demand, and even if stockpiling was used to stabilize the market, the effect of reducing the equilibrium price was not significant. The implication of this study is that it is preferable to use the stockpile supply as a means of preventing price rise rather than market price decline. 난방용 목재펠릿의 공급파동은 2015년, 2018년 그리고 2022년에 발생하였다. 이번 공급파동은 우크라이나 전쟁과 그것에 따른 국제경제 환경에 기인한 것으로 나타났다. 본 연구의 목적은 난방용 목재펠릿 시장의 공급파동의 원인과 그에 따른 경제적 영향을 분석하는 것이다. 이를 위해 난방용 목재펠릿의 수요와공급 탄성치, 대체재 가격 탄성치를 이용하여 탄력성 분석을 하였다. 분석 결과, 일반적인 상황에서 난방용 목재펠릿 시장의 수급균형은 국내 생산량과 생산자의 재고량으로 수급 조절이 가능했다. 그러나 우크라이나 전쟁과 같은 급격한 국제경제 환경의 변화는 수급 불균형을 발생시켰고 시장 안정을 위한 재고 비축량을 투입하여도 균형가격이 감소하는 효과는 크지 않았다. 본 연구의 시사점은 재고 비축량 공급이 시장 가격의 하락보다는 가격 상승을 저지하는 수단으로의 사용이 바람직하다는 것이다.

초본계 펠릿 보일러 보급 및 확산을 위한 초본계 펠릿과 목재 펠릿 열분해 특성 비교 연구

오정석,강새별,이현희,최규성 대한기계학회 2020 대한기계학회 논문집 C. 기술과 교육 Vol.8 No.2

A 200 kW industrial boiler for rice husk pellet combustion is under developing in the Korea Institute of Energy Research (KIER) with a pellet boiler company. In the current study, the pyrolysis characteristics of rice husk pellets was investigated as a fundamental research and compared with that of wood pellets. A thermogravimetric analyser (TGA) was used to heat up rice husk pellets to 500 ℃ in nitrogen atmosphere. Experimental results were plotted in the Van Kravelen diagram and analyzed as a form of combustability index (CI), derivative thermogravimetric analysis (DTA), and gradient in activation energy (Ea) plot. 한국에너지기술연구원에서는 바이오 자원 중의 하나인 농업 생산 부산물을 활용할 수 있는200kWth급 초본계 펠릿(rice husk pellet including farming wastes) 보일러를 산업계와 함께 연구 개발하고 있다. 본 논문에서는 펠릿 보일러를 연구 개발하는 과정에서 도출된 초본계 펠릿 열분해 특성 실험 결과를 소개하고자 한다. 실험 장치로 초본계 시료를 질소 분위기에서 500℃까지 열분해할 수 있는 열중량 분석기(TGA)를 사용하였다. 또한 연료로서 시료의 특성을 분석하기 위해 공업 분석(proximate analysis)과 원소 분석(ultimate analysis)을 수행하였다. 실험 결과로 원소 분석, 열중량 분석 이외에도 반 크라벨렌 선도(Van Kravelen diagram), 연소성 지수(CI : Combustability Index), 온도 증가에 따른 질량 감소율(DTA : Derivative Thermogravimetric Analysis), 활성화 에너지 선도 기울기를 구하였고 이를 목재 펠릿과 비교 분석하였다.

100 kW급 산업용 목재펠릿 보일러에서 공기비 제어에 따른 배기가스 특성 연구

이현희,강새별 대한설비공학회 2024 설비공학 논문집 Vol.36 No.5

본 연구에서는 국내 100 kW급 산업용 목재 보일러에서 배기가스 공기비를 제어하지 않았을 때와 제어하였을 때 배출가스 농도 변화를 비교하였다. 배기가스 공기비를 제어하기 위해 기존 목재 보일러 연도에 람다센서를 설치하였고, 람다센서 출력을 PID 제어를 통해 연소공기를 공급하는 송풍기를 제어하였다. 보일러 배기가스 공기비 제어 유무에 따른 시험을 수행하였고 그 결과는 아래와 같다. (1)목재 보일러 배기가스 공기비 제어를 위해 1) 산소농도를 측정하는 람다센서, 2) 람다센서 결과를 제어하기 위한 PID 제어기, 3) PID 제어기에서 출력되는 제어신호(전류 또는 전압)로 송풍기 출력을 조절하는 인버터 등이 필요하다. (2)공기비 제어 유무에 따른 시험을 수행하였으며, 각각 배기가스 산소농도를 12.5% 내외로 조절하였으며 이 때 CO 등 배기가스 농도가 낮게 유지되었다. (3)공기비 제어를 하지 않았을 때에는 배기가스 중 산소농도, CO 농도 변화가 큰 것을 확인하였다. 이는 고체 연료 공급 특성상 일정 기간 연료를 공급하고 일정기간 연료 공급을 멈추는 방식 때문으로 판단된다. 이러한 주기적인 연료공급으로 인해 화염이 불안정하여 CO 농도가 높았다. 공기비 제어를 하였을 때에는 CO 농도가 공기비 제어를 하지 않았을 때에 비해 약 24% 수준으로 낮아졌고, 농도 변화도 낮아진 것을 확인하였다. 이는 연소에 필요한 연소공기를 적정량 제어하며 공급하기 때문이라고 판단된다. In Korea, renewable energy development and distribution have focused on solar, wind, and geothermal energy. Globally, the use of wood fuel is expanding to increase the proportion of renewable energy. Biomass energy, which utilizes wood fuel (wood chips or wood pellets), is a representative renewable energy source recognized by the International Energy Agency (IEA), along with solar, wind, and geothermal energy. In Korea, 20 kW class residential wood pellet boilers are widely used, and 100 kW to 10 MW wood pellet boilers are used for industrial purposes. Usually, industrial wood pellet boilers supply a constant amount of fuel, and the blower delivers the appropriate amount of air according to the amount of fuel. Thus, it is difficult to achieve optimal combustion with changes in the calorific value or amount of fuel. We conducted an experimental study of emission characteristics with and without air-fuel control for a 100 kW industrial wood pellet boiler. To control the air-fuel ratio of the boiler, we used a lambda sensor, a PID controller, and an inverter to control blower. Without an air-fuel control system, O2 concentrations tended to increase slightly over time due to inadequate combustion air supply. In particular, CO emissions reduced to 24% compared to the system without air-fuel control.

표면탄화 공정개발 및 적용을 통한 미이용 농업부산물의 에너지원 활용가능성 연구

김석준(Seok Jun Kim),김대현(Dae Hyun Kim),박선용(Sun Yong Park),조라훈(La Hoon Cho),오광철(Kwang Cheol Oh) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7

최근 인구의 증가와 고도화된 산업발달로 인해 에너지 소비는 점차 증가하고 있는 실정이다. 이에 따라 화석연료의 사용이 증가되면서 온실가스 배출, 인사화탄소 배출 등으로 지구 온난화 현상과 환경오염이 증가하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 우리나라는 2015년 부터 2030년 까지 BAU 대비 온실가스를 37% 감축목표를 설정하였다. 또한 탈 원전 정책, 탈 석탄 정책으로 인해 대체에너지 개발의 필요성이 대두되고있다. 본 연구에서는 국내에서 볏짚과 왕겨 다음으로 큰 비중을 차지하는 고추대와 과수 전정가지등의 미이용 농업부산물을 에너지원으로 활용하고자한다. 하지만 이러한 미이용 농업부산물은 발열량이 낮고 함수율이 높으며 친수성 목질계 바이오매스 이기에 에너지원으로 바로 활용하기에는 어려움이있다. 이러한 목질계 바이오매스의 단점을 개선하기위해서 선행연구 중 반탄화 공정을 적용한 사례가 존재한다. 반탄화 공정이란 산소가 희박하며 200~300℃의 온도범위, 1시간 이내의 공정조건에서 열처리를 진행하는 공정이다. 반탄화 공정을 적용한 후 목질계 바이오매스의 발열량, 내수성 등 연료특성이 개선된다. 하지만 반탄화 공정 후 실질적으로 사용할 수 있는 바이오매스 중량감소가 단점으로 지적되고있다. 본 연구에서는 반탄화 공정의 단점을 개선하기위한 표면탄화 공정기술을 개발하여 미이용 농업부산물에 적용하였다. 표면탄화 공정이란 300~500℃ 온도범위에서 5분이내로 진행하는 열처리 공정이다. 선행 연구중 반탄화 공정을 통한 목재펠릿 및 고추대 펠릿의 최적조건과 본 연구에서 개발한 표면탄화 공정을 적용한 목재펠릿 및 고추대 펠릿의 최적조건을 비교하였다. 반탄화 선행연구에서 도출된 목재펠릿 및 고추대 펠릿의 최적조건은 각각 230℃, 40분 공정이었고 목재펠릿의 에너지수율, 질량수율은 91%,88% 였으며 고추대펠릿의 에너지수율과 질량수율은 86.4%, 81.4%로 나타났다. 발열량은 각각 약 20.6 MJ/kg, 19.7 MJ/kg으로 나타났다. 표면탄화 공정 후 목재펠릿 및 고추대 펠릿의 최적공정조건은 300℃, 4분 30초, 300℃, 5분으로 각각 두가지씩 도출되었다. 목재펠릿의 경우 에너지수율 및 질량수율이 89.5%, 88.2% 와 88.6%, 86.4%로 나타났고 발열량은 20.5 MJ/kg, 20.7 MJ/kg로 나타났다. 고추대 펠릿의 경우, 에너지수율과 질량수율이 각각 92.5%, 86.9% 와 91.9%, 82.8%로 나타났으며 발열량은 19.3 MJ/kg, 20.1 MJ/kg으로 나타났다. 목재펠릿의 비교결과 경우 반탄화 공정에서의 에너지수율이 표면탄화 에너지수율보다 약 1.5% 높게나타났고 고추대펠릿의 비교결과 경우 표면탄화 공정 후 에에너지수율이 반탄화 공정 후 에너지수율보다 약 5% 높게나타났다. 에너지수율을 고려하였을때 목재펠릿의 경우 반탄화 공정이 적합한 것으로 판단되며 농업부산물의 경우 표면탄화 공정이 적합한것으로 판단되었다.

첨가제로서 율피차 부산물과 피마자유가 리기다소나무 및 신갈나무 펠릿의 연료적 특성에 미치는 영향

김현정 ( Hyeonjeong Kim ),양인 ( In Yang ),한규성 ( Gyu-seong Han ) 한국신·재생에너지학회 2022 신재생에너지 Vol.18 No.2

This study aimed to determine the optimal conditions for fabricating pitch pine (PCP) and Mongolian oak (MOK) pellets using chestnut-shell tea waste (CSW) and castor oil (CSO) as additives. For pellets fabricated using a pilot-scale flat-die pellet mill, all moisture content (MC) was in line with A1 wood pellet standards for residential and small-scale commercial uses designated by the National Institute of Forest Science at the Republic of Korea (NIFOS), regardless of fabricating conditions; the durability of PCP pellets prepared using PCP particles with 10% MC, and CSW addition also satisfied these criteria. The moisture tolerance of PCP pellets improved with combination of 2 wt% CSW and 2-6 wt% CSO. Overall, use of 20 mesh CSW as an additive, PCP with 10% MC, and MOK with 12% MC was found to be optimal. Moreover, using CSO as an additive, high-quality PCP and MOK pellets can be fabricated by adjusting the particles to 12% MC. However, the durability of PCP and MOK pellets prepared using these conditions did not meet the wood pellet standards for residential and small-scale commercial use. Therefore, further research is needed to improve the durability of these pellets.

목재 펠릿의 연소 특성

심봉석(Bong Seok Sim),김혁주(Hyouck Ju Kim),박화춘(Hwa Choon Park),김종진(Jong Jin Kim),최규성(Kyu Sung Choi),강새별(Sae Byul Kang) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.11

We investigated a combustion characteristics of wood pellet in a combustion test equipment that can burn a single wood pellet. The test equipment can supply flue gas with constant temperature up to 850 ℃ and can control O2 concentration. The higher heating value of the wood pellet (dry base) is 19.1 MJ/㎏ (4 550 ㎉/㎏) and water content as received is 8.28 %. The results show that there are 3 modes of wood pellet combustion, 1) Gasification (including pyrolysis), 2) Flame burning and 3) Charcoal burning. We measured the time duration of each mode. In order to shorten the ignition time, the duration time of gasification (mode 1) should be reduced. The minimum temperature for ignition of a wood pellet is 500 ℃. The mass reduction rate was measured. During gasification mode (mode 1), the mass reduction is about 20 ~ 30 %. The mass reduction during flame combustion is about 55 ~ 70 %.

안전성이 높은 산업용 목재펠릿 보일러 개발

정찬홍(Chan Hong Chung),박민철(Min Cheol Park),이성영(Seong Young Lee) 한국신뢰성학회 2013 신뢰성응용연구 Vol.13 No.1

Recently, due to the high rise of energy costs and environmental problem issues, much attention has been paid to wood pellets. Wood pellets are produced by compressing woody biomass into cylindrical form. Wood pellets are suitable for use at various scales in industrial furnaces for heat production to replace conventional fossil fuel energy sources since the use of wood pellet that is carbon neutral can alleviate global warming. This study presents the result of developing two industrial wood pellet boilers with high safety having capacities of 290kW and 440kW. Efficiency has been improved by using a rotating screw bar grate burner. Special attention has been paid to the improvement of the safety of the wood pellet boilers from backfire by adopting a triple protecting system composed of a rotary feeder, an air curtain, and a backfire protecting DC-fan.