Some content of this application is unavailable at the moment.
If this situation persist, please contact us atFeedback&Contact
1. (WO2019050058) FUEL, COMPRISING PARCHMENT COFFEE AND WOOD, FOR REDUCING HARMFUL SUBSTANCES, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME
Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6   7   8  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

9  

과제 해결 수단

10   11   12   13   14   15   16   17  

발명의 효과

18   19   20  

도면의 간단한 설명

21   22   23   24   25   26   27   28   29   30  

발명의 실시를 위한 형태

31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77   78   79   80   81   82  

청구범위

1   2  

도면

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

명세서

발명의 명칭 : 커피 파치먼트와 목재를 포함하는 유해물질 저감 연료 및 그 제조방법

기술분야

[1]
본 발명은 커피 파치먼트와 목재를 포함하는 유해물질 저감 연료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 버려지는 커피 파치먼트를 목재와 혼합하여 중금속 등 유해물질 배출을 저감할 수 있는 연료 및 그 제조방법에 관한 것이다.

배경기술

[2]
일반적으로, 커피는 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이 외껍질(Outer skin)(1), 점액질(2), 파치먼트(Parchment)(3), 생두(Green bean)(5) 순으로 구성된 잘 익은 커피 체리(Coffee Cherry)를 내츄럴 프로세스(natural processing) 혹은 워시드 프로세스(washed processing) 등의 과정을 거쳐서 생두를 획득한 후, 볶아서 원두(Whole bean)로 만들어 사용한다.
[3]
이때, 상기 내츄럴 프로세스는 수확된 커피 체리를 그대로 건조 후 훌링(Hulling)하여 생두를 획득하는 것이고, 워시드 프로세스는 커피 체리를 수확 후 펄핑(Pulping)과정을 통해 외껍질을 제거하고, 파치먼트에 붙어있는 점액질(pectin layer, mucilage)을 물로 완전 제거한 후 파치먼트(Parchment)가 붙어있는 상태로 건조시켜 파치먼트를 훌링(Hulling)하여 생두(Green Bean)를 만드는 것이다.
[4]
그리고 상기 가공 방법 외에도 펄프드 내추럴 프로세스 등 외껍질을 벗긴 후 파치먼트 상태에서 건조하는 가공과정이 다수 있다.
[5]
이와 같이 생두를 얻는 과정에서 발생되는 커피 파치먼트는 도 3에 나타내는 바와 같이 아이보리색 또는 연노랑색으로, 단백질, 지방, 탄수화물 등의 성분을 포함하고, 커피 생두의 10% 정도의 부피를 차지함에도 불구하고 소각 또는 매립 등의 형태로 버려지고 있어서, 대기오염을 일으키거나 쉽게 썩지 않아 토양 오염 문제를 발생하고 있다.
[6]
이에 본 발명의 발명자는 파치먼트를 펠릿과 브리켓 형태의 연료로 재활용하는 기술을 출원중에 있으며, 대한민국 공개특허 10-2016-0056625호에서는 파치먼트를 수지와 혼합한 수지 및 그 제조방법을 제공하는 등 파치먼트를 활용하는 기술을 꾸준히 개발하고 있다.
[7]
[8]
한편, 화력발전소 등에서 사용되는 고체연료 중 대표적인 연료인 우드 펠릿은 목재 가공과정에서 발생하는 건조된 목재 잔재를 톱밥과 같은 작은 입자 형태로 분쇄 후 건조 압축하여 원통형의 작은 알갱이 모양으로 성형한 것으로, 4,000 kcal/kg 이상의 높은 발열량을 갖는 장점이 있으나, 수은, 납, 크롬 등 중금속과 염소, 황, 질소 등 유해성분이 포함되어 있어 환경오염 및 건강을 해치는 원인으로 작용하고 있으므로, 발열량은 유지하면서 유해성분은 저감시킨 연료의 개발이 요구되고 있다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[9]
상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 버려지는 커피 파치먼트를 재활용하고, 종래 목재를 사용한 우드칩의 중금속 등 유해물질 발생율을 저감시키며, 파치먼트의 유동성 부족 문제도 해결하여, 경제성이 높고 환경적으로도 유리한 유해물질 저감 연료 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

과제 해결 수단

[10]
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 수분 함량이 30% 이하이고 평균 입경이 5mm 이하로 분쇄된 커피 파치먼트 분쇄물 및 수분 함량이 30% 이하이고 평균 입경이 5mm 이하로 분쇄된 목재 분쇄물을 포함하여 구성되어 펠릿 또는 브리켓 형태로 성형된 커피 파치먼트와 목재를 포함하는 유해물질 저감 연료에 있다.
[11]
상기에서 커피 파치먼트와 목재는 중량비로 9 : 1 내지 1 : 9의 비율로 혼합하고, 상기 커피 파치먼트의 낮은 지방함량에 의하여 접착성 및 유동성이 낮은 문제점을 목재와의 혼합으로 해결함과 아울러 보다 개선된 유동성 효과를 위하여 상기 커피 파치먼트 및 목재 혼합물에 수분, 전분, 리그닌(lignin) 또는 황토 중에서 택일된 어느 하나 혹은 두 가지 이상의 혼합물로 구성된 유동성 증가 물질을 더 추가할 수 있다.
[12]
본 발명의 다른 특징은 커피 파치먼트와 목재를 포함하는 유해물질 저감 연료 제조방법으로서, 커피 체리의 외껍질을 제거하는 외껍질 제거 단계; 상기 외껍질이 제거된 커피를 건조하는 1차 건조 단계; 상기 1차 건조 단계를 거친 커피에서 파치먼트를 분리하는 파치먼트 분리 단계; 상기 분리된 파치먼트와 목재를 각각 입경 5 밀리미터(mm) 이하로 분쇄하는 분쇄 단계; 상기 분쇄 단계를 거친 파치먼트 및 목재를 혼합하여 압착하고 펠릿 또는 브리켓 형상으로 압착 성형하는 성형 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[13]
또한, 상기 분쇄 단계 후 상기 성형 단계 전에, 상기 파치먼트의 전체 중량 대비 수분 함량이 30% 이하가 되도록 건조하는 2차 건조 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
[14]
그리고 상기 성형 단계 전에, 상기 파치먼트와 목재 혼합물에 유동성 증가를 위한 수분, 전분, 리그닌(lignin) 또는 황토 중에서 택일된 어느 하나 혹은 두 가지 이상의 혼합물을 전체 중량 대비 0.5 내지 5 퍼센트(%) 첨가하는 유동성 증가 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
[15]
[16]
또한, 상기 파치먼트 분리 단계 후 상기 성형 단계 전에, 상기 파치먼트와 목재 혼합물에 접착 성분을 0.5 내지 5 퍼센트(%) 첨가하여 파치먼트 사이의 응집성을 높이는 응집성 증가 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
[17]
상기에서 유동성 증가 물질과 접착성분을 모두 첨가하는 경우 총 첨가량이 전체 중량 대비 1-5% 되도록 한다.

발명의 효과

[18]
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 의하면 커피 체리로부터 생두를 생산하는 과정에서 버려지는 커피 파치먼트를 재활용할 수 있고, 이를 바이오에너지를 위한 고형연료(solid refuse fuel)로 사용할 수 있게 되어, 커피생산과정에서 발생되는 환경오염뿐 아니라 최근 중금속 등의 원인으로 지목되고 있는 화력발전 등에 사용되는 연료를 대체할 수 있어, 환경오염을 방지하는 효과가 있다.
[19]
또한, 천연 성분인 커피 파치먼트 및 목재를 연료 팰릿 또는 브리켓으로 제조하여 환경호르몬이 검출되지 않는 효과가 있다.
[20]
그리고 접착성 및 유동성이 부족한 커피 파치먼트를 리그닌이 포함된 목재와 혼합하여 접착성 및 유동성 문제를 해결함으로써 성형과정 중에 금형을 쉽게 통과하여, 연속생산이 가능하게 되어 대규모 화력발전소 등에 적용이 가능한 정도의 대량생산을 할 수 있게 되는 효과가 있다.

도면의 간단한 설명

[21]
도 1은 커피 체리를 구성하는 요소인 외껍질, 파치먼트 및 생두를 나타내는 사진이다.
[22]
도 2는 커피 체리를 구성하는 요소인 외껍질, 파치먼트 및 생두를 나타내는 도면이다.
[23]
도 3은 커피 파치먼트를 나타내는 사진이다.
[24]
도 4 내지 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 커피 파치먼트를 포함하는 연료 펠릿에 사용되는 파치먼트의 성분을 도시한 표이다.
[25]
도 6 은 본 발명의 실시 예에 따른 연료의 성분을 나타내는 표이다.
[26]
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 커피 파치먼트를 포함하는 연료 펠릿 제조방법 과정을 도시한 순서도이다.
[27]
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 커피 파치먼트를 포함하는 연료 펠릿의 성능 판단의 기준이 되는 SRF 와 BIO SRF 기준표를 도시한 것이다.
[28]
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
[29]
1 : 외껍질 3 : 파치먼트
[30]
5 : 생두

발명의 실시를 위한 형태

[31]
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 이용하여 상세히 설명한다.
[32]
[33]
본 발명은 커피 파치먼트와 목재를 포함하는 유해물질 저감 연료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 주성분인 커피 파치먼트 및 목재의 성분에 대해 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
[34]
도 4 및 도 5는 커피 파치먼트의 성분을 도시한 표로서, 도 4는 생산된지 3년이 경과한 파치먼트이고, 도 5는 생산된지 1년이 경과되지 않은 커피 파치먼트로, 커피 파치먼트는 100g당 수분 7.9-8.2g, 지방 0.1-0.2g, 단백질 1.4-1.7g, 회분 0.3-0.7g, 탄수화물 89.5-90g 포함한다.
[35]
그리고 일반적으로 사용되고 있는 목재 또는 우드 펠릿의 경우, 도 6에 나타내는 바와 같이 황, 염소, 비소, 카드뮴, 크롬, 구리, 납, 수은, 니켈, 아연 등의 성분을 포함하고 있는데, 이러한 성분에 의하여 각종 질병이 유발되고 설비의 수명이 단축되는 문제점이 발생된다.
[36]
그 예로 염소는 매우 강한 살균성 및 자극성 원소로 알려져 있는데, 아토피성 피부염 등 각종 알러지 반응을 유발하고, 성장기 어린이의 두뇌기능 발달 저해, 피부 손상, 모발 손상 및 탈모촉진, 피부노화 가속화(지방산 산화), 장기간 노출시 각종 암(직장, 간, 방광) 유발 우려, 심장병(동맥경화, 혈관질환), 빈혈, 고혈압 유발 우려하며, 장기간 노출시 돌연변이 유발 우려가 있으며, 보일러 등 기계설비의 성능과 내구성을 감소시키는 작용을 한다.
[37]
그리고 수은, 카드뮴, 납, 크롬 등 중금속의 경우 체내에 축적되면서 만성적인 피해를 주게 되는데, 수은은 미나마타병, 카드뮴은 이타이이타이병 등 질병을 유발하고, 기타 금속 역시 인체에 유해하게 작용하는 문제점이 있었다.
[38]
도 6에서 '우드'로 표시된 부분은 목재와 우드 펠릿 등을 통합한 값이다.
[39]
[40]
이와 같이 본 발명은 유해금속을 거의 포함하지 않는 파치먼트와 우드 펠릿의 재료인 목재를 혼합하여 유해성이 최소화되면서 바이오연료로 사용가능한 고체연료를 제조하되, 파치먼트는 지질의 함량이 적어 유동성 부족 문제가 발생되므로 목재와의 혼합 등으로 이를 해결하고, 아울러 커피 파치먼트에는 접착제로서 중요한 역할을 하는 리그닌이 3. 21% 포함되어, 사과나무의 7.42%와 비교하여 매우 낮아 재료의 응집성이 크게 저하되어 생산성이 저하되지만 본 발명은 목재와 혼합함으로써 상기 커피 파치먼트에서 부족한 응집성이 증가되어 성형성이 우수해지는 효과가 있다.
[41]
이에 따라 본 발명은 화력발전소 등에 사용할 수 있는 정도의 대량 생산이 가능하도록 하여, 금속으로 인한 환경오염 및 건강악화를 개선한다.
[42]
[43]
이러한 특징을 갖는 본 발명의 커피 파치먼트와 목재를 포함하는 유해물질 저감 연료 제조방법에 대해 도 7 내지 도 9를 기초로 설명한다.
[44]
[45]
[실시예 1]
[46]
먼저, 도 7에 도시된 바와 같이 커피 체리의 외껍질을 제거한다(S110). 그리고 외껍질을 제거한 커피 체리를 1차로 건조한다(S120). 여기서 상기 건조과정을 수행하는 이유는 생두를 둘러싸고 있는 점액질을 효과적으로 제거하면서 추후 파치먼트를 효과적으로 분리하기 위함이다.
[47]
한편, 상기 건조과정을 수행하기 전에 물로 씻어서 점액질을 제거한 후 건조 과정을 수행할 수도 있다.
[48]
그리고 외껍질이 제거되고 건조된 커피 생두의 바깥쪽에 있는 파치먼트를 기계 또는 수작업을 통해서 분리한다(S130).
[49]
위 분리 과정에서 수득하는 파치먼트 및 건조된 목재(S140)를 소정의 크기로 분쇄한다(S150). 여기서 소정의 크기는 5mm이하가 될 수 있다. 이러한 크기는 추후 연료 펠릿 제조 과정에서 이송 및 압착이 잘 일어나도록 하면서 발열량을 높이기 위한 것이다.
[50]
이와 같이 분쇄한 커피 파치먼트 및 목재를 재차 건조(2차 건조)시킨다(S160). 파치먼트 및 목재를 재차 건조시키는 이 과정은 추후 압착 과정에서 필요한 파치먼트 내 수분 함량을 조절하기 위함이다.
[51]
바람직하게는 파치먼트 및 목재가 함유하는 수분의 양이 파치먼트 및 목재 혼합물 전체 중량의 30% 이하가 되도록 한다. 이는 추후 고온 압착될 때 물성 변화가 없도록 하고 양질의 연료 펠릿을 얻기 위함이다.
[52]
그런 다음, 파치먼트와 목재 혼합물을 압착하여 성형한다(S170). 이러한 성형 과정은 제조하고자 하는 펠릿의 크기에 맞게 소정의 금형 틀을 준비하고 금형 틀을 향해 고압으로 파치먼트를 밀어 넣는 과정을 통해 수행될 수 있다.
[53]
마지막으로, 상기 성형 과정을 거친 후 소정 크기의 연료 펠릿을 획득한다(S180).
[54]
[55]
[실시예 2]
[56]
도 8에 도시된 바와 같이 커피 체리의 외껍질을 제거하는 단계(S110), 1차 건조 단계(S120) 및 파치먼트 분리 단계(S130)는 실시예 1과 동일하게 수행한다.
[57]
이후, 상기 실시예 1의 분쇄 단계(S140) 및 2차 건조 단계(S150)를 거치지 않고, 파치먼트 분리 단계(S130) 수행 후 연료 펠릿을 생산하기 위한 압착 성형 전에 파치먼트 및 건조 목재(S140)의 유동성을 증가시키는 단계를 수행한다(S145).
[58]
이와 같이 유동성 증가 단계를 수행하는 이유는 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이 주로 사용되는 파치먼트의 지방성분이 매우 낮아 성형과정에서 금형 틀 내에서 쉽게 밀려나오지 못하게 되므로 이를 방지하기 위함이다.
[59]
이러한 유동성 증가 단계(S145)는 유동성 증가물질을 파치먼트와 목재 전체 중량 대비 0.5 내지 5 퍼센트(%)(바람직하게는 1-2%) 첨가하는 데, 상기 유동성 증가 물질로는 수분, 전분, 리그닌(lignin) 또는 황토 중에서 택일된 어느 하나 혹은 이들을 두 가지 이상 혼합한 혼합물이 사용되고, 이외에도 이와 동등한 효과를 낼 수 있는 다른 물질이 포함될 수 있음은 물론이다.
[60]
그리고 연료 펠릿을 생산하기 위한 압착 성형 전에, 파치먼트 사이에 응집력을 증가시키기 위한 응집성 증가 단계를 수행한다(S155).
[61]
이는 상기 커피 파치먼트에는 성형과정에서 접착제로서 중요한 역할을 하는 리그닌이 3. 21% 포함되어, 사과나무의 7.42%와 비교하여 매우 낮아 재료의 응집성이 크게 저하되기 때문으로, 응집성 증가를 위하여 분리된 파치먼트에 접착 성분(젤라틴 등)을 전체 중량 대비 0.5% 내지 5%(바람직하게는 1-2%)첨가하되, 상기 유동성 증가물질과 접착성분의 합이 총중량대비 1-5% (바람직하게는 2% 이하)가 되도록 첨가한다.
[62]
그런 다음, 파치먼트와 목재 분쇄물을 압착하여 성형한다(S160). 이러한 성형 과정은 소정의 금형 틀을 준비하고 금형 틀을 향해 고압으로 파치먼트와 목재 분쇄물을 밀어 넣는 과정을 통해 수행될 수 있다.
[63]
마지막으로, 상기 압착 과정을 거친 후 소정 크기의 연료 펠릿을 획득한다(S170).
[64]
[65]
[실시예 3]
[66]
도 9에 나타내는 바와 같이, 커피 체리의 외껍질을 제거하고(S110), 외껍질을 제거한 커피를 1차로 건조한 후(S120), 파치먼트를 분리한다(S130).
[67]
그리고 위 파치먼트 분리 과정에서 수득한 파치먼트와 건조 목재(S140)를 5mm 이하의 크기(바람직하게는 1mm이하)로 분쇄(S150)하여, 수분함량 10% 이하로 2차 건조한다(S160).
[68]
이 후, 커피 파치먼트에 응집성 증가를 위하여 젤라틴 등의 첩착성분을 총 중량대비 0.5-5%(바람직하게는 1-2%) 첨가하여 응집성 증가 단계를 수행한 후(S165), 압착 성형 단계를 수행한다(S160).
[69]
이러한 성형과정에서 상기 파치먼트는 유동성이 부족하므로, 상기 금형틀 내부에 수분을 분사함으로써 펠릿의 배출이 용이하도록 한다.
[70]
이러한 성형 과정을 거쳐 소정 크기의 연료 펠릿을 획득한다(S170).
[71]
[72]
[실시예 4]
[73]
상기 실시예1-3과 동일한 방법으로 성형하되, 성형물이 펠릿이 아닌 브리켓형으로 성형한다.
[74]
[75]
이와 같이 얻어진 연료 펠릿과 브리켓은 BIO SRF(Solid Refuse Fuel)로서 가치를 가지기 위해서 소정의 조건을 만족하여야 하는데 이에 대해서는 하기에서 상세히 설명한다.
[76]
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 커피 파치먼트를 포함하는 연료 펠릿의 성능 판단의 기준이 되는 SRF 기준표를 도시한 것으로, 자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률(이하 자촉법이라 한다)에 기준으로 제시된 SRF 및 BIO SRF(Bio Solid Refuse Fuel)의 허가 요건에 관한 것이다.
[77]
도 10에서 보듯이, 일반 SRF에 비해 BIO SRF는 회분(ashes)의 함량이 더 적어야 하고, 납 등의 중금속 성분 함량이 낮아야 하는 것을 알 수 있다.
[78]
본 발명의 실시예에 따른 커피 파치먼트와 목재를 이용한 연료 펠릿은 도 5에 나타내는 바와 같이 연소 후 회분 함량이 전체 중량 대비 15% 이하이고, 저위발열량은 최소기준인 3500kcal/kg를 초과하며, 기타 파치먼트에 중금속 등의 함량이 거의 없으므로 파치먼트와 목재를 혼합한 본 발명의 연료는 BIO SRF 연료에 해당한다고 할 것이다.
[79]
즉, 본 발명의 실시예에 따른 커피 파치먼트를 포함하는 연료 펠릿은 연료로서의 가치도 가지면서 환경적으로도 장점을 가지고 건강 유해성도 대폭 감소된다고 할 것이다.
[80]
[81]
한편, 상기한 본 발명의 실시예에서는 파치먼트와 목재를 중량비로 5:5와 8:2로 혼합한 것을 예로서 설명하였으나, 이외에도 9:1 내지 1:9 범위에서 모두 적용이 가능하며, 파치먼트에 금속성분 등 유해물질이 거의 포함되지 않으므로 연료에 상기 파치먼트를 첨가함으로써 목재와 혼합되더라도 연소시 배출되는 유해물질을 절감시킬 수 있다.
[82]
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

청구범위

[청구항 1]
외껍질(Outer skin)(1)과 점액질(2), 파치먼트(Parchment)(3), 생두(Green bean)(5)를 포함하여 구성된 커피 체리(Coffee Cherry)에서, 생두(5)를 얻는 과정에서 획득되며, 전체 중량 대비 수분 함량이 30% 이하이고 직경이 5mm이하인 커피 파치먼트 분쇄물;과 수분 함량이 30% 이하이고 직경이 5mm이하인 목재 분쇄물; 상기 커피 파치먼트와 목재 분쇄물 전체 중량 대비 0.5 내지 5 퍼센트(%) 첨가되고 수분, 전분, 리그닌(lignin) 또는 황토 중에서 택일된 어느 하나 혹은 두 가지 이상의 혼합물로 구성된 유동성 증가 물질; 을 포함하여 금형 틀에 고압으로 밀어넣어 펠릿 또는 브리켓 형태로 성형된 것을 특징으로 하는 커피 파치먼트와 목재를 포함하는 유해물질 저감 연료.
[청구항 2]
커피 체리의 외껍질을 제거하는 외껍질 제거 단계; 상기 외껍질이 제거된 커피를 건조하는 1차 건조 단계; 상기 1차 건조 단계를 거친 커피에서 파치먼트를 분리하는 파치먼트 분리 단계; 상기 분리된 파치먼트와 목재를 각각 입경 5 밀리미터(mm) 이하로 분쇄하는 분쇄 단계; 상기 분쇄 단계를 거친 파치먼트와 목재 분쇄물을 혼합하여 금형 틀에 고압으로 밀어넣어 펠릿 또는 브리켓 형상으로 압착 성형하되, 금형틀 내부에 수분을 분사하는 것을 특징으로 하는 커피 파치먼트와 목재를 포함하는 유해물질 저감 연료 제조 방법.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]

[도6]

[도7]

[도8]

[도9]

[도10]