폐목재를 이용한 탄화물 제조장치{Apparatus for Manufacturing Carbide Using the Waste Wood}

본 발명은 폐목재를 이용하여 탄화물을 제조하기 위한 탄화물 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐목재를 탄화시키는 탄화로(Burning Furnace)를 구성함에 있어서, 보온성을 향상시켜 고온이 유지되도록 구성함으로써, 중금속 등의 유해물질을 분해, 제거할 수 있는 탄화물 제조장치에 관한 것이다.

착화탄은 연탄을 착화시키기 위하여 사용되거나, 육류 등을 구워먹는 용도로 사용되고 있다. 착화탄은 점화가 매우 용이함은 물론 일단 점화가 된 후에는 불이 꺼지지 않으며, 연소되는 동안 연기나 유해가스가 거의 발생되지 않는다.

일반적으로, 착화탄은 성형목탄에 착화물질이 도포되어 제조된다. 이때, 상기 성형목탄은 톱밥, 각목 등의 목재를 탄화시켜 얻은 탄화물(숯가루)을 이용하여 제조된다. 구체적으로, 탄화물(숯가루)을 바인더와 혼합하여 일정 형상(원반형 등)을 갖도록 성형한 다음 건조시켜 제조된다. 이와 같은 착화탄을 제조함에 있어 서, 목재는 탄화로에 투입되어 탄화된다. 이때, 탄화로에서는 고온의 연소열이 발생하는 데, 상기 연소열은 집열조에 포집된 다음, 성형목탄을 건조하기 위한 건조열로 이용되기도 한다.

도 1은 종래 기술에 따라서 탄화로(10)와 집열조(30)를 포함하는 화로의 구성도이고, 도 2는 상기 도 1의 내부 구조를 보인 측단면도이며, 도 3은 상기 도 1에 보인 집열조(30)의 종단면도를 나타낸 것이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 탄화로(10)는 목재(톱밥, 각목 등의 분쇄물)가 탄화되는 공간으로서, 일반적으로 내화벽돌(11)을 사각함체 형상으로 축조하여 구성된다. 탄화로(10)의 바닥에는 연소 시 발생되는 고온의 연소열이 사방으로 유동할 수 있도록 받침벽돌(33)이 격자형으로 띄엄띄엄 배치되어 있다. 이러한 받침벽돌(33)은 상부에 적층된 구들(34)과 함께 사방으로 연통된 연소열통로(32)를 형성한다. 또한, 탄화로(10)의 일측면에는 연도(20)가 설치되어 있으며, 상기 연도(20)는 열통공(21)에 의해 연소열통로(32)와 연통되어 있다. 연도(20)를 통과한 연소열은 집열조(30)에 모아진 후 굴뚝(35)을 통하여 배출된다. 또한, 집열조(30)에 포집된 연소열은 송풍기(40)에 의해 건조기(도시하지 않음)로 공급되어 성형목탄의 건조에 이용되기도 한다. 이때, 상기 집열조(30)는 일반적으로 내화벽돌(31)로 축조되고 있다.

착화탄을 제조함에 있어서, 위와 같이 성형목탄의 원료가 되는 탄화물을 일반 목재를 탄화시켜 사용할 경우 제조비용이 증가된다. 이에 따라, 최근에는 폐각목, 폐합판 등의 폐목재를 탄화시킨 탄화물을 착화탄(성형목탄)의 원료로 사용하고 있다. 소각, 매립에 의존하고 있는 폐목재를 위와 같이 탄화물의 원료로 재활용하는 것은 환경적 및 경제적인 면에서 바람직하다.

그러나 종래와 같은 탄화로(10)나 집열조(30)를 이용하여 폐목재를 탄화시키고, 수득된 탄화물로 착화탄 등을 제조한 경우, 중금속 등의 유해물질 함량이 많아 인체에 유해한 문제점이 있다. 일반적으로 대부분의 가정용 및 산업용 폐목재, 예를 들어 책상, 가구, 중밀도섬유판(MDF), 파티클보드(PB), 및 콘크리트 거푸집용으로 사용되는 합판 등의 폐목재는 에나멜(enamel), 페놀수지(phenol resin) 등을 주원료로 한 합성수지 조성물이나 데코필름, 그리고 안료, 페인트 등이 표면에 피복되어 있다. 이러한 안료, 페인트 등의 피복물에는 수은(Hg), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 크롬(Cr) 등과 같은 중금속 등의 유해물질이 함유되어 있는데, 종래 기술에 따라 제조된 폐목재 탄화물은 위와 같은 유해물질이 제거되지 못하여, 이로부터 제조된 착화탄은 연소 시 유해물질을 발생시키는 문제점이 있다. 구체적으로, 폐목재에 포함된 중금속 등의 유해물질은 고온의 열에 의해 분해, 제거될 수 있는데, 종래 기술에 따른 탄화로(10)나 집열조(30)는 내화벽돌(11)(31)로만 구성되어 보온성이 낮고, 고온으로 유지될 수 있는 수단이 강구되지 못하여 수득된 탄화물을 원료로 하여 제조된 착화탄은 연소 시 유해물질이 발생되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폐목재를 탄화시키는 탄화로를 구성함에 있어서, 보온성을 향상시켜 고온이 유지되도록 구성함으로써, 열분해를 통해 중금속 등의 유해물질을 제거/감소시킬 수 있는 탄화물 제조장치를 제공하는 데에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 탄화로와 함께 집열조도 보온성을 향상시켜 고온이 유지되도록 구성함으로써, 중금속 등의 유해물질을 보다 효과적으로 제거/감소시킬 수 있는 탄화물 제조장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

폐목재를 탄화시키는 탄화로; 및

상기 탄화로에서 발생된 연소열을 포집하는 집열조;를 포함하는 탄화물 제조장치에 있어서,

상기 탄화로는 외벽으로부터 콘크리트층, 세라크울층, 석고층, 콘크리트층, 세라크울층 및 콘크리트층을 적층시켜 축조된 탄화물 제조장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 집열조도 적층 구조를 가지되, 상기 집열조는 외벽으로부터 콘크리트층, 내화벽돌층, 세라크울층, 내화벽돌층, 세라크울층 및 내화벽돌층을 적층시켜 축조된 탄화물 제조장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 폐목재의 탄화과정에서 탄화로의 보온성이 향상되어 고온이 유지된다. 구체적으로, 본 발명에 따른 탄화로는 연소열을 효과적으로 보온하여 850℃ 이상의 고온으로 유지될 수 있다. 이에 따라, 수은(Hg), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 크롬(Cr) 등의 중금속 중에서 비교적 열분해 온도(휘발점)가 낮은 수은(Hg), 카드뮴(Cd) 등의 중금속은 분해, 제거되며, 열분해 온도가 높은 납(Pb), 크롬(Cr) 등의 중금속은 그의 함량이 감소된다. 따라서 본 발명에 따르면, 폐목재를 이용한 탄화물의 제조 시 중금속 등의 유해물질이 제거 또는 감량화되어, 이로부터 제조된 착화탄 등의 연소 시 유해물질의 발생을 방지/저감할 수 있는 효과를 갖는다.

이에 더하여, 본 발명은 집열조의 보온성이 향상되어 건조기로 공급되는 열의 재활용성이 높으며, 또한 집열조에서도 고온에 의해 유해물질의 제거/감소가 진행되어 성형목판(착화탄)의 건조 시 중금속 등의 유해물질이 포함되지 않게 건조시킬 수 있는 효과를 갖는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 탄화물 제조장치를 구성하는 탄화로의 종단면도이고, 도 5는 상기 도 4의 요부 확대도로서, 탄화로의 벽체 단면도이다. 그리고 도 6은 본 발명에 따른 탄화물 제조장치를 구성하는 집열조의 종단면도이고, 도 7은 상기 도 6의 요부 확대도로서, 집열조의 벽체 단면도이다.

본 발명에 따른 탄화물 제조장치는, 폐목재를 탄화시키는 탄화로(100)와, 상기 탄화로(100)에서 발생된 연소열을 모아 포집하는 집열조(300)를 적어도 포함한다.

상기 탄화로(100)는 폐목재가 탄화되는 내부 공간을 가지며, 사각함체나 원통체 등의 다양한 형상을 가질 수 있으나, 그 외부 형상에 있어서는 특별히 한정되지 않는다. 또한, 탄화로(100)의 바닥에는 폐목재의 연소 시 발생되는 고온의 연소열이 사방으로 유동할 수 있도록 받침벽돌(33)이 격자형으로 띄엄띄엄 배치될 수 있으며, 상기 받침벽돌(33)의 상부에는 구들(34)이 배치되어 사방으로 연통된 연소열통로(32)가 형성될 수 있다. 아울러, 탄화로(100)의 일측 벽체에는 연도(20, 도 1 및 도 2 참조)가 설치될 수 있으며, 상기 연도(20)는 열통공(21)에 의해 연소열통로(32)와 연통될 수 있다. 이때, 연도(20)는 집열조(300)와 연통되어, 탄화로(100)에서 발생된 연소열은 연도(20)를 통하여 집열조(300)에 포집된다.

본 발명에 따라서, 상기 탄화로(100)는 보온성을 향상시킬 수 있는 다층 구조의 벽체를 갖는다. 구체적으로, 상기 탄화로(100)는 도 4 및 도 5에 보인 바와 같이, 외벽으로부터 콘크리트층(101), 세라크울층(102), 석고층(103), 콘크리트층(104), 세라크울층(105) 및 콘크리트층(106)을 순차적으로 적층시켜 축조된 벽체를 갖는다.

상기 세라크울층(102)(105)을 구성하는 세라크울은 국내 (주)KCC가 개발하여 판매하고 있는 제품으로 Cerakwool로 표기되며, 이는 주로 건축분야에서 초고온 내화 단열재로 주로 사용되고 있다. 이러한 세라크울층(102)(105)은 탄화로(100)의 벽체를 구성하여 고온에 견딜 수 있도록 하면서, 단열성을 향상시켜 내부의 연소열을 효과적으로 보온하며 고온이 유지되도록 한다.

본 발명에 따르면, 탄화로(100)를 구성함에 있어서, 종래와 같이 내화벽돌로만 구성하는 경우보다, 본 발명에 따라서 위와 같이 2층의 세라크울층(102)(105)을 포함하는 다층 구조로 구성하는 경우 보온성이 향상되어 고온을 유지한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 탄화로(100)는 외측으로부터 콘크리트층(101), 세라크울층(102), 석고층(103), 콘크리트층(104), 세라크울층(105) 및 콘크리트층(106)이 순차적으로 적층된 다층 구조에 의해, 폐목재의 연소열을 효과적으로 보온하고 고온을 유지한다. 탄화로(100)는 800℃ 이상, 바람직하게는 850℃ 이상의 고온을 유지할 수 있다. 이에 따라, 폐목재에 피복된 유기물은 물론 중금속 등의 유해물질을 열분해하여 제거/감소시킨다. 예를 들어, 수은(Hg), 카드뮴(Cd), 납(Pb), 크롬(Cr) 등의 중금속 중에서 비교적 열분해 온도(휘발점)가 낮은 수은(Hg, 휘발점 : 약 356.8℃), 카드뮴(Cd, 휘발점 : 약 765℃) 등과 같은 중금속의 경우에는 열분해에 의해 휘발, 제거되며, 열분해 온도가 1000℃으로 높은 납(Pb), 크롬(Cr) 등과 같은 중금속의 경우는 그의 함량이 감소된다. 아울러, 위와 같이 열분해 온도가 높은 중금속 중에서 납(Pb) 등의 경우에는 탄화로(100) 내의 고온에 의해 용융(Pb 용융점 : 약 327.5℃)되는데, 이러한 용융물은 탄화로(100)의 바닥에 침적, 제거될 수 있다.

따라서 본 발명에 따르면, 폐목재를 이용한 탄화물의 제조 시 중금속 등의 유해물질이 제거 또는 감량화되어, 인체에 무해한 탄화물 제품, 예를 들어 착화탄(성형목탄)을 제조할 수 있으며, 이러한 착화탄 등의 연소 시 유해물질의 발생을 방지/저감할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 형태에 따라서, 상기 집열조(300)도 보온성을 향상시킬 수 있는 다층 구조의 벽체를 갖는다. 구체적으로, 상기 집열조(300)는 도 6 및 도 7에 보인 바와 같이, 외벽으로부터 콘크리트층(301), 내화벽돌층(302), 세라크울층(303), 내화벽돌층(304), 세라크울층(305) 및 내화벽돌층(306)을 순차적으로 적층시켜 축조된 벽체를 갖는다. 이때, 상기 집열조(300)는 탄화로(100)로부터 발생된 연소열이 연도(20)를 통하여 인입될 수 있도록 벽체에 열통공(21)이 형성된 구조를 갖는다.

본 발명에 따르면, 집열조(300)를 구성함에 있어서, 종래와 같이 내화벽돌로만 구성하는 경우보다, 본 발명에 따라서 위와 같이 2층의 세라크울층(303)(305)을 포함하는 다층 구조로 구성하는 경우 보온성이 향상되어 고온을 유지한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 집열조(300)는 외측으로부터 콘크리트층(301), 내화벽돌층(302), 세라크울층(303), 내화벽돌층(304), 세라크울층(305) 및 내화벽돌층(306)이 순차적으로 적층된 다층 구조에 의해, 탄화로(100)로부터 인입된 연소열을 손실함이 없이 효과적으로 보온하여 고온을 유지한다. 집열조(300)에 모아져 포집된 연소열은 성형목탄의 건조에 재활용될 수 있는 데, 이때 집열조(300)는 열손실 없이 보온성이 향상되어 건조기로 공급되는 열의 재활용성을 높인다. 또한, 집열 조(300)는 고온을 유지하여 탄화로(100)와 같이 중금속 등의 유해물질을 열분해하여 제거/감소시킨다. 이에 따라, 연소열을 건조기로 공급하여 성형목탄에 중금속 등의 유해물질이 포함되지 않게 건조시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 탄화물 제조장치는, 탄화로(100)에서 고온 용융에 의해 침적된 용융물(Pb 용융물 등)을 수거(收去)할 수 있는 수거조(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 아울러, 집열조(100)와 연통된 건조기(도시하지 않음) 및 집열조(100)에 포집된 연소열을 건조기로 강제 이송하기 위한 송풍기(40, 도 1 참조) 등을 더 포함할 수 있다.

아울러, 본 발명에서 탄화물 제조의 원료로 사용되는 폐목재는 가정이나 산업 현장 등에서 버려지는 폐목재이면 어떠한 것이든 사용 가능하며, 예를 들어 책상, 가구, 중밀도섬유판(MDF), 파티클보드(PB), 합판, 각목, 및 톱밥 등을 포함한다. 이들 중에서, 재활용이 곤란하여 매립, 소각 등으로 환경오염을 유발하는 폐MDF, 폐PB, 및 폐합판 등으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합을 유용하게 사용할 수 있다. 이때, 폐목재는 분쇄하여 사용하는 것이 바람직하며, 특별히 한정하는 것은 아니지만 3cm ~ 10cm, 바람직하게는 0.5cm ~ 3cm의 크기로 분쇄하여 사용하는 것이 좋다.

이하, 본 발명의 실시예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

1) 폐목재 분말 시료의 준비

국내, 용문산업(충청남도 금산군 추부면 용지리 581-1번지 소재)의 사업장 공장에 적재된 폐목재 더미로부터 폐MDF, 폐PB 및 폐합판을 분리 회수하였다.

상기 분리 회수된 폐목재를 분쇄기를 이용하여 평균 5cm 크기를 갖도록 1차 분쇄한 다음, 재분쇄하여 평균 1cm 크기를 갖도록 2차 분쇄하여 폐MDF, 폐PB 및 폐합판의 혼합 폐목재 분말 시료를 얻었다. 이때, 얻어진 폐목재 분말 시료에 대하여, 폐기물공정시험법에 따라 성분분석을 실시하여, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 하기 [표 1]에서 각 성분의 함량은 폐목재 분말 시료 1kg 중에 포함된 양(mg)이다.

2) 폐목재 탄화물 시료 제조

상기 얻어진 폐목재 분말 시료를 도 4 및 도 5에 보인 바와 같은 본 발명에 따른 탄화로(100)에 투입하였다. 구체적으로 외벽으로부터 콘크리트층(101), 세라크울층(102), 석고층(103), 콘크리트층(104), 세라크울층(105) 및 콘크리트층(106)을 순차적으로 적층시켜 축조된 벽체를 가지는 탄화로(100)에 투입하였다. 그리고 48시간 동안 탄화시켜 폐목재 탄화물 시료를 제조하였다. 이와 같이, 제조된 폐목재 탄화물 시료에 대하여 폐기물공정시험법에 따라 성분분석을 실시하여, 그 결과를 하기 [표 2]에 나타내었다. 하기 [표 2]에서 각 성분의 함량은 폐목재 탄화물 시료 1kg 중에 포함된 양(mg)이다.

상기 [표 2]에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라서 탄화로(100)의 보온성을 향상시켜 고온을 유지한 경우, 중금속 등의 유해물질을 제거/감소시킬 수 있음을 알 수 있었다. 구체적으로, 수은(Hg), 카드뮴(Cd) 등의 중금속은 열분해에 의해 효과적으로 휘발, 제거되며, 납(Pb), 크롬(Cr) 등과 같과 열분해 온도가 높은 중금속의 경우는 그의 함량이 감소됨을 알 수 있었다.

본 발명에 따라 제조된 탄화물은 성형목탄 등의 원료로 유용하게 사용될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 탄화로(100)에서 수득된 탄화물(숯가루)은 바인더 등과 혼합된 다음, 일정 형상(원반형 등)을 가지는 성형목탄 등으로 제조될 수 있다. 이때, 제조된 성형목탄은 그대로 각종 연료로 사용되거나, 표면에 착화물질이 도포되어 착화탄으로 제품화될 수 있다. 아울러, 본 발명에 따라 제조된 탄화물은 각종 산업 분야의 탄소자재 제품으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따라 제조된 탄화물은 알칼리 용액(수산화칼륨(KOH) 수용액 등)의 처리에 의해 활성화되어 활성탄으로 제품화될 수 있으며, 또는 탈취제나 여과제 등으로 이용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 탄화로(100)와 집열조(300)의 보온성 향상을 통한 고온의 유지로 인하여, 중금속 등의 유해물질을 효과적으로 열분해 제거/감소시킬 수 있어, 인체에 무해한 착화탄(성형목탄) 등의 탄소자재 제품을 공급할 수 있다. 또한, 본 발명은 소각, 매립되고 있는 폐목재를 유용한 자원으로 재활용할 수 있어 환경적 및 경제적 측면에 일조를 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 탄화로(10)와 집열조(30)를 포함하는 화로의 구성도이다.

도 2는 상기 도 1의 내부 구조를 보인 측단면도이다.

도 3은 상기 도 1에 보인 집열조의 종단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 탄화물 제조장치를 구성하는 탄화로의 종단면도이다.

도 5는 상기 도 4의 요부 확대도로서, 본 발명에 따른 탄화로의 벽체 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 탄화물 제조장치를 구성하는 집열조의 종단면도이다.

도 7은 상기 도 6의 요부 확대도로서, 본 발명에 다른 집열조의 벽체 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 탄화로 300 : 집열조

101,104,106,301,306 : 콘크리트층 102,105,303,305 : 세라크울층

103 : 석고층 302,304,306 : 내화벽돌층