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본 연구에서 펠릿 제조를 위하여 주원료로 사용된 리기다소나무 및 신갈나무 목분은 산림조합중앙회 중부목재유통센터(경기, 여주)에서 공급받았다. 이 목분은 각 원목을 5 mm 및 7 mm 폭의 초경날이 부착된 초프밀(YM-450BM, ㈜유림기계, 경북 경산)로 파쇄한 후, 건조한 것으로 리기다소나무와 신갈나무 목분의 함수율은 각각 6.1%와 13.1%로 측정되었다. 이 목분을 4 mesh(<4.75 mm) 표준체로 선별하여 펠릿 제조용 원료로 사용하였으며, 펠릿 제조에 앞서 각 목분의 함수율을 조습과 건조를 통하여 10% 및 12%로 조절하였다.^[5]

첨가제의 사용량은 목분의 전건무게를 기준으로 2 또는 4 wt%로 조정하여 펠릿을 제조하였다. 첨가제로 사용된 율피차 부산물은 사용된 티백에 들어있는 것을 일정기간 기건시킨 후, 가정용 믹서로 파쇄한 것을 사용하였다. 이렇게 파쇄된 율피차 부산물은 추가적으로 6 ± 1%의 함수율까지 오븐에서 건조하였으며, 함수율이 조절된 율피차 부산물을 20 mesh(<1.27 mm) 및 40 mesh(<0.635 mm) 표준체로 선별하여 각각을 펠릿 제조를 위한 첨가제로 사용하였다. 피마자유의 경우, 일반적으로 피마자 종자 내에서 약 45% 함유된 것을 압착법으로 채유하여 얻는다. 본 연구에서는 이와 같은 방법으로 채유한 인도산 피마자유를 코리아씨밀락-윌터엔터프라이즈(경기, 하남)에서 리터당 600원에 구입하여 사용하였다.

피스톤식 펠릿 성형기를 이용한 펠릿 제조는 첨가제의 종류와 사용량, 목분의 함수율에 따른 품질 측정값의 오차를 최소화하기 위하여 목분과 바인더의 총 무게를 1.2 g으로 조절하여 성형기 투입구에 주입하였다. 목분과 첨가제의 혼합은 율피차 부산물의 경우 목분이 들어있는 50 리터의 플라스틱 통에 10회에 걸쳐 넣으면서 충분히 교반하였으며, 피마자유는 측정된 일정 중량과 약 1 cm의 높이로 분포시킨 목분 tray를 저울에 올려놓고 피마자유를 분무기로 정해진 양만큼 분사하여 적용하였다. 이렇게 바인더가 적용된 목분을 압력 1,500 kgf/cm²와 온도 180℃에서 3분간 성형하였다. 제조된 펠릿의 평균 직경과 길이는 7.4~7.5 mm와 17.5~18.0 mm로 측정되었다.

파일럿 규모의 평다이 펠릿 성형기를 이용한 펠릿 제조를 위하여 먼저 사용된 첨가제의 양은 목분의 전건무게를 기준으로 2 wt%로 조절하였으며, 이를 평다이 펠릿 성형기[㈜해표산업, 전남 담양군]에 넣고 펠릿을 제조하였다. 펠릿성형기는 다이 내에서 192개 홀의 길이/직경(L/D)비를 5.0으로 그리고 원료 투입량은 72 kg/h로 맞추었다. 이렇게 제조된 펠릿의 품질 평가는 30분간 생산된 펠릿을 10분 단위로 분리하여 모은 후, 무작위로 선정하여 측정하였다.

각 펠릿성형기에서 제조된 펠릿은 실험실 내에서 최소 24시간의 자연건조를 실시한 후, 국립산림과학원 고시 “목재펠릿 품질규격”에 기술된 방법에 따라 함수율, 발열량, 회분 함량, 내구성, 겉보기밀도를 측정하였다.^[7] 한편 제조된 목재펠릿의 내습성을 조사하기 위하여 무게가 측정된 펠릿을 25℃와 90%의 상대습도가 유지되는 항온항습기에 넣고, 3시간 후에 꺼내어 무게를 측정하였으며, 항온항습 전후의 펠릿 무게를 이용하여 내습성을 구하였다. 모든 품질 항목의 측정값은 3회 반복의 평균값으로 표시하였다.

목재 펠릿의 각 품질에 대한 개별 인자들의 영향은 분산분석을 통하여 조사하였으며, 통계학적으로 p<0.05 수준에서 영향을 받았을 경우 Fisher’s LSD(least significant different: 최소유의차) 검정을 위하여 다중비교 방법 중에 가장 많이 사용되는 Student t-test에 의해 각 평균값 간의 차이가 유의한지 추가적으로 분석하였다.

본 연구에서 펠릿 제조를 위하여 주원료로 사용된 리기다소나무(이하 PCP)와 신갈나무(이하 MOK)는 각각 0.4%와 0.9%의 회분을 함유한 것으로 측정되었다. MOK는 박피의 어려움으로 목분 내에 많은 양의 수피가 존재하는 것을 육안으로 확인하였다. 따라서 MOK의 높은 회분함량은 수피에서 기인한 것으로 생각한다. 발열량의 경우, PCP(20.6 MJ/kg)가 MOK(19.1 MJ/kg)보다 높았는데 이는 PCP가 발열량이 높은 리그닌 및 휘발성 추출물을 MOK보다 많이 함유하고 있는 관계로 나타난 결과라 생각한다.^[8]

첨가제로 사용된 율피차 부산물(이하 CSW)과 피마자유(이하 CSO)의 회분함량과 발열량은 각각 1.9%, 16.4 MJ/kg 및 <0.1%, 34.8 MJ/kg으로 분석되었다. CSO의 높은 발열량은 많은 양의 지방/오일의 함유에서 비롯된 결과라 생각한다.

파일럿 규모의 평다이 펠릿성형기를 이용하여 PCP 또는 MOK 목분에 첨가제로 CSW 및 CSO를 목분의 전건무게를 기준으로 2 wt% 첨가하여 펠릿을 제조하였으며, 이렇게 제조한 펠릿의 연료적 특성 측정결과는 Table 1과 같다. 본 연구에서 평다이 펠릿 성형기로 제조한 모든 펠릿의 함수율은 수종, 목분 함수율 그리고 첨가제의 사용 여부와 상관없이 모두 국립산림과학원 목재펠릿 주거용･소규모 상업용 A1 기준을 만족하였다.^[7]

내구성의 경우, PCP 목분으로 제조한 펠릿에서는 전반적으로 첨가제의 사용과 함께 증가하는 경향을 보였으며, 특히 10%의 PCP 목분 함수율에서 CSW를 첨가하여 제조한 펠릿은 국립산림과학원 목재펠릿 주거용･소규모 상업용 A1 기준을 만족하였다.^[7] 그러나 나머지 조건에서는 산업용 I2 또는 I3 기준을 만족하는 것으로 조사되었다. MOK 펠릿의 내구성은 10% 목분 함수율에서 첨가제의 사용에 따라 감소하거나 차이가 없었으나, 12% 목분 함수율에서는 증가하는 경향을 보였다. 특히 12% MOK 목분 함수율에서 CSW를 첨가하여 제조한 펠릿의 내구성은 A1 기준을 만족하였다. 이 결과로부터 MOK 목분을 이용한 펠릿 제조시 목분의 함수율을 12%로 조절하는 것이 필요할 것으로 생각한다.

한편 PCP 펠릿의 겉보기밀도는 10%의 목분 함수율에서 첨가제의 사용으로 증가하거나 차이가 없었으나, 12%의 목분 함수율에서 크게 감소하였다(Table 1). 이 결과는 PCP 목분에 함유되어 있는 추출물 성분이 목분 내의 수분 증발에 부정적인 영향을 미쳐 파열현상이 발생하였고, 결과적으로 압밀화 정도가 감소되어 나타난 결과라 생각한다. 이 추론은 12%의 목분 함수율에서 제조한 PCP 펠릿의 높은 함수율에서 추정한 것이다. MOK 펠릿의 겉보기밀도는 10% 목분 함수율에서 첨가제의 사용과 함께 감소하였으나, 12%의 목분 함수율에서는 증가하였다. 이러한 결과는 MOK의 비중이 높아 펠릿 성형과정에서 목분의 충분한 압밀화를 위하여 일정 수준 이상의 수분 첨가가 필요하다는 것을 의미한다.

평다이 펠릿성형기로 제조한 펠릿의 연료적 특성을 측정한 결과를 종합하면, PCP 및 MOK 펠릿은 20 mesh 크기의 CSW를 첨가제로 사용하고, 목분의 함수율은 각각 10% 및 12%로 조절하는 것이 최적의 펠릿 제조 조건이라 생각한다. 한편, CSO를 첨가제로 사용할 경우, 목분의 함수율은 12%로 적용시키는 것이 고품질의 펠릿을 얻을 수 있는 조건이지만, 내구성 측면에서 국립산림과학원 목재펠릿 주거용･소규모 상업용 기준을 만족하지 못하여 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다 판단된다.^[7]

파일럿 규모의 평다이 펠릿성형기를 이용하여 제조한 PCP 펠릿의 연료적 특성 분석 결과를 토대로 목분의 함수율을 10%로 고정하고 목분의 전건무게를 기준으로 2 wt%의 CSW와 추가적으로 CSO를 첨가제로 사용하여 펠릿을 제조하였으며, 이에 대한 내습성과 연료적 특성을 측정하였다.

첨가제로 CSW만을 사용하여 제조한 펠릿을 항온항습기(상대습도 90%, 온도 25℃)에 3시간 동안 보관한 후, 측정한 무게는 8.2%가 증가하였다. 한편 2, 4, 6, 8 wt%의 CSO를 추가적으로 첨가하여 제조한 펠릿의 무게 증가율은 각각 6.4%, 6.0%, 7.9%, 10.9%로 측정되어 2, 4, 6 wt%에서는 내습성이 증가하였으나, 8 wt%에서는 내습성이 감소하였다. 이와 같이 8 wt%의 CSO 첨가량에서 내습성이 감소하는 이유는 CSO에 존재하는 친수성의 hydroxyl기에 수분이 결합하여 발생한 것이라 추정된다.^[10] 한편, 각 조건에서 제조한 펠릿의 연료적 특성(함수율, 겉보기 밀도, 회분함량, 발열량 등)은 큰 변화가 없었다. 이 결과를 토대로 10% 함수율의 PCP 목분을 이용한 펠릿 제조에 있어 목분의 전건무게 기준으로 2 wt%의 CSW(크기: <20 mesh)와 2~6 wt%의 CSO를 첨가제로 사용하여 펠릿을 제조하는 것이 최적의 펠릿 제조 조건이라 생각한다.