1. 서 론
목재 펠릿은 바이오매스 연료 중 가장 보편적으로 이용되는 품목이며, 목재 펠릿 산업은 2000년대 이후 급속히 성장하고 있다. 세계 목재 펠릿 생산량은 2013년 2,392만 톤으로부터 2018년 5,570만 톤을 넘길 정도로 가파르게 성장해 왔다. 전 세계의 생산가능량도 8,000만 톤에 이를 정도로 큰 사업이 되었다. 목재 펠릿 소비량도 2013년 2,322만 톤으로부터 2018년 5,274만 톤에 이르렀으며, 2018년의 소비량은 2017년 대비 21%나 성장하였다.1) 우리나라에서는 2009년 처음으로 목재 펠릿이 이용되기 시작하여 국내 생산량이 8,470톤, 수입량은 12,043톤이었다. 이후 우리나라의 목재 펠릿 시장은 급격히 성장하여 2013년에는 국내 생산량이 65,606톤이었던 것이 2018년에는 국내 생산량이 187,746톤에 달하였다.2) 2018년은 우리나라 목재 펠릿 산업에 있어서 또 하나의 기념비적인 전환이 이루어진 해인데, 그동안 이용이 되지 못한 채 버려지던 산림 바이오매스의 이용과 보급을 촉진하기 위한 “산림 바이오매스 에너지의 이용·보급 촉진에 관한 규정”3)이 제정되어 새로운 정책으로서 시행되기에 이르렀다. 미이용 산림 바이오매스로는 다음의 산물이 규정되어 있다. 1) 수확, 수종갱신 및 산지개발을 위한 벌채를 통해 나온 원목 생산에 이용되지 않는 부산물, 2) 숲 가꾸기를 위한 벌채를 통해 나온 산물, 3) 산림 병해충 피해목 제거 등 방제 과정에서 나온 산물, 4) 가로수의 조성·관리를 위한 벌채 및 가지치기 과정에서 나온 산물, 5) 산불 피해목으로 원목 생산에 이용되지 않은 산물.
우리나라의 목재 펠릿 시장의 특징은 발전용으로 사용되는 목재 펠릿의 양이 폭발적으로 확대하고 있다는 점이다. 또한, 발전용 목재 펠릿은 전적으로 수입에 의존하고 있다는 점이다. 2012년 신재생에너지공급의무화제도(RPS)가 본격적으로 시행된 후, 2013년의 목재 펠릿 수입량은 484,668톤이었으나, 2018년에는 3,012,445톤으로 6배 이상 확대되었다. RPS 제도의 도입으로 목재 펠릿의 수요가 급속하게 확대되면서 수입산 목재 펠릿이 가격경쟁력과 공급 가능성을 모두 갖추었기 때문이다. 이들 목재 펠릿의 95% 이상은 동남아시아에서 생산된 것으로서, 이 중 65% 정도가 베트남으로부터 수입되고 있다. 이런 과정에서 우리나라의 기업들도 베트남 등의 동남아시아에 진출하여 목재 펠릿을 제조하기 시작하였다. 동남아시아에서 생산되는 목재 펠릿은 가구나 목질 보드 제조 시 발생하는 부산물을 원료로 사용하고 있어 그 수종을 특정하기가 매우 어렵다.
국내의 목재 펠릿 관련 연구는 주로 국내산 목재를 이용하는 제조 특성에 집중되어 있다.4-6) 동남아시아산 바이오매스와 관련해서는 Sung 등7,8)은 오일팜 바이오매스인 EFB(empty fruit bunch)와 PKS(palm kernel shell)를 이용하여 제조한 펠릿의 품질을 분석하였고, 오일팜 바이오매스를 반탄화한 후 목재 톱밥을 혼합하여 펠릿을 제조함으로써 오일팜 바이오매스의 연료로서의 이용 가능성을 높일 수 있다고 보고하였다. 국내에 수입된 동남아시아산 목재 펠릿의 품질과 관련해서 Yang 등9)은 수입 목재 펠릿의 경우 다수의 목재 펠릿의 질소, 황, 염소 및 중금속 함유량이 국립산림과학원의 목재 펠릿 품질 4급 기준을 초과하거나 ISO의 산업용 목재 펠릿 I3급 기준을 초과하였다고 보고하였다.
본 연구에서는 바이오매스 에너지 시장을 확대해 나가기 위한 바이오매스 탐색의 일환으로서, 동남아시아에서 속성수로 조림되고 있는 아카시아나무(특히 Acacia mangium)에 주목하였다. 이 나무는 주로 펄프용으로 조림되어 이용되어 왔으나, 최근에는 목재 펠릿 등의 고체 바이오 연료로 활용하고자 하는 움직임도 나타나고 있다.
따라서 원료 확보가 용이하고 대량생산이 단기간 내에 가능하다는 장점을 갖는 아카시아나무의 펠릿 제조 가능성과 연료 특성을 조사하였다. 아카시아나무로 제조한 펠릿의 품질 특성을 조사하기 위해 물리, 화학적 성질 조사, 발열량, 내구성 측정을 수행한 후, 현재 우리나라 목재 펠릿 시장에서 가장 널리 쓰이고 있는 낙엽송(Larix kaempferi) 톱밥으로 제조한 목재 펠릿을 대조구로 하여 비교 분석하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
원료로 사용된 아카시아(Acacia mangium) 목재는 베트남 Dak-Nong 지역에서 조림하여 벌채된 것으로서, Fig. 1과 같이 칩의 형태로 공급된 것을 ∅4 mm 금속판체를 장착한 해머밀 분쇄기(custom ordered, 3.7 kW, Sungchang Machinery, Korea)를 이용하여 분쇄하였다. 또한, 비교 분석을 위하여 낙엽송 톱밥을 대조구로 사용하였다.
2.2 해부학적 특성 분석
횡단면, 접선단면, 방사단면을 명확하게 구분하여 광학현미경 관찰용 절편을 제작하였다. 광학현미경(ECLIPS 80i, Nikon, Japan)을 사용하여 각 단면의 조직을 관찰하고 현미경용 사진기(DS-U2, Nikon)와 화상프로그램(NIS-Element BR 3.2, Nikon)으로 촬영하였다. 현미경관찰 기준은 IAWA List10)에 의하여 해부학적 특성을 조사하였다.
2.3 원소 분석
원소 분석(C, H, N, S)을 위하여 시료를 1,014℃의 온도에서 충분한 산소와 함께 연소시켜 석영관의 구리층을 통과시키면서 조성 원소별로 분석에 용이한 기체분자(CO2, N2, H2O, SO2)로 전환하였다. 이 혼합 가스들을 가스크로마토그래피 컬럼에 통과시키면서 각각을 분리한 후, 열전도검출기에 의하여 전기신호로 정량적으로 변환하였다. 표준시료를 이용하여 검량곡선을 작성한 후, 각 시료별 탄소, 수소, 질소, 황의 함유량을 측정하였다(Flash 2000 Organic Elemental Analyzer, Thermo Fisher Scientific, USA).
염소는 다음과 같이 측정하였다. 밀폐 용기 내에서 시료 1 g을 연소시킨 후 세척수를 이용하여 염소를 수집하였다. 세척수를 모은 후 이온 크로마토그래피법을 이용하여 염소의 양을 측정하였다.
2.4 회분 분석
회분 측정을 위하여 전건한 시료를 미리 전건한 도가니에 담아 회화로에서 다음과 같은 승온 스케줄을 이용하여 가열하였다. 회화로의 온도를 4-5℃/분의 속도로 250℃까지 승온하고, 60분간 방치하고 그 후에 회화로의 온도가 다음 60분간 575±25℃가 되도록 승온하고(5-6℃/min), 그 온도에서 최소 120분간 유지하였다. 회분 함량은 원시료의 무게에 대한 회분의 무게 비율로 계산하였다.
회분의 정성 분석은 국립산림과학원 고시의 목재 펠릿 품질·규격11)에 따라 수행하였다. 비소(As), 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 크로뮴(Cr), 수은(Hg), 니켈(Ni), 납(Pb), 아연(Zn)은 inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy(ICP-AES, Optima 4300 DV, Perkin Elmer, USA)로 분석하였다.
2.5 펠릿의 제조 및 물성 평가
시험용의 목재 펠릿을 제조하기 위하여 Fig. 2와 같은 파일럿 규모의 평다이 펠릿 성형기(custom ordered, 15 kW, Sun Brand Industrial Co., Korea)를 이용하였다. Kim 등5)의 펠릿제조 조건과 동일하게 다이 내 홀의 길이/직경(L/D)비를 5.0으로 그리고 원료 투입량은 72 kg/h로 맞추었다. 30분간 생산된 펠릿을 10분 단위로 분리하여 모은 후, 무작위로 선정하여 실험실(온도 20℃, 상대습도 50%) 내에서 최소 24시간 방치시킨 후 품질분석에 사용하였다.
펠릿의 함수율, 발열량 및 내구성은 국립산림과학원 고시의 목재 펠릿 품질·규격11)에 따라 수행하였다. 함수율 측정을 위해 1 g의 펠릿 시료를 칭량병에 균일한 층이 되도록 넣어 105±3℃의 온도에서 무게 변화가 없을 때까지 건조하였다. 함수율은 건조 전과 건조 후의 무게를 측정하여 습량 기준으로 계산하였다. 또한, 항온형열량계(6400 Automatic Isoperibol calorimeter, Parr Instrument Inc., USA)에 시험용 펠릿 1 g을 넣고 연소시켜 고위발열량을 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 해부학적 구조
본 연구에 사용된 목재의 수종을 명확하게 특정하기 위하여 해부학적 구조를 관찰한 결과, Acasia mangium으로 확인되었다(Fig. 3). 횡단면에서는 연륜 경계가 불명확하였으며, 관공은 고립관공과 2개의 방사복합관공이 이루며 산재하였다. 1 mm2당 관공의 개수는 4-7개였으며, 도관의 접선방향 직경은 주로 60-100 μm(최대 110 μm)이었다. 수반유조직은 주로 주위상이었고, 목섬유의 두께는 얇거나 보통이었다. 접선단면에서는 1-2열의 방사조직이 관찰되었다. 도관 상호 간 벽공은 교호상이며 벽공의 크기는 평균 7.8 μm이었다. 방사단면에서는 단열동성형 방사조직, 방사조직과 도관 상호 간 벽공은 유연벽공이 관찰되었다.
3.2 화학 조성
원소 조성을 분석한 결과(Table 1), 아카시아의 탄소 함량은 49.74%로 낙엽송에 비해 약간 높은 값을 나타냈는데, 이는 일반적인 목본류의 범주에 속하는 값이다. 아카시아의 질소 함량은 0.17%로 낙엽송에 비해 높은 값을 나타냈다. 이 값은 국내 목재 펠릿 1급 기준과 ISO의 발전용 목재 펠릿 I1 등급 기준인 0.3%를 만족하는 값이었다. 본 연구에 사용된 목재는 관리가 잘 된 조림지에서 수확 직후에 채취한 것이기 때문에 질소 함량이 낮은 것이라 판단된다. 동남아로부터의 수입산 목재 펠릿의 경우 질소 함량이 0.3%를 초과하는 경우가 있는데,9) 이는 벌채 후 오래 경과된 목재 또는 고무나무와 같이 질소 함량이 많은 목재이기 때문이다.
Table 1.
Elemental composition of Acacia mangium
| Species | Elemental composition (%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| C | H | N | S | Cl | |
| Acacia | 49.74 | 6.35 | 0.17 | 0.01 | 0.01 |
| Larch | 46.87 | 5.99 | 0.08 | 0.01 | 0.004 |
| 1st-grade Wood pelleta | - | - | ≤0.3 | ≤0.05 | ≤0.05 |
| I1-grade Wood pelletb | - | - | ≤0.3 | ≤0.05 | ≤0.03 |
아카시아의 황 함량은 낙엽송의 황 함량과 같은 0.01%로서, 국내외 기준을 만족하는 값이었다. 아카시아의 염소 함량도 0.01%로서 국내외 목재 펠릿의 품질 기준을 만족하는 값이었다. 연료 중의 황 및 염소 성분은 연소 중 연소 기기의 부식 또는 다이옥신 배출과 같은 문제점을 일으킬 수 있어서 주의가 필요한 항목이다. 동남아시아로부터 수입된 목재 펠릿 중에는 염소 함량이 기준치를 초과하는 경우가 간혹 있지만, 본 연구에서 사용된 아카시아는 펠릿 연료로 사용되어도 기준치(Table 1)의 국내 및 국제 규격 이내이어서 문제점이 없다고 판단된다.
아카시아의 전섬유소와 리그닌 함량은 각각 70.9%와 27.1%로 조사되었다.12) 한편 낙엽송의 전섬유소와 리그닌의 함량은 각각 66.9%와 30.7%로, 신갈나무의 전섬유소와 리그닌의 함량은 각각 75.5%와 24.1%로 조사되었다.6) 아카시아의 전섬유소와 리그닌 함량은 신갈나무(Quercus mongolica)와 낙엽송의 중간 범위에 해당한다. 이러한 아카시아의 전섬유소와 리그닌의 함량은 목재 펠릿의 품질 특성에 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단된다.
3.3 회분의 정성 분석
아카시아에 함유된 중금속 성분의 분석 결과는 Table 2에 나타냈다. 아카시아에 함유된 중금속 함량은 낙엽송과 거의 비슷한 수준으로서, 국내의 목재 펠릿 1급 기준 및 ISO의 I1 등급의 기준을 모두 만족하는 값이었다. 중금속 함량은 산지의 영향을 받을 수 있는데, 동남아시아산 목재의 경우 중금속 함량이 문제 되는 경우는 거의 없는 것으로 알려져 있다.9)
3.4 아카시아 펠릿의 물성
평다이 펠릿 성형기로 아카시아 펠릿을 제조한 결과, 외관은 광택이 높은 밝은 색을 띠고 있으며, 성형에 있어서 이상적인 특징은 없었다(Fig. 2). 우리나라에서 자란 낙엽송의 비중이 0.56인데, 본 연구에 사용된 아카시아의 비중은 생장이 빠른 만큼 0.4로 작은 편이다. 그럼에도 불구하고 아카시아의 외관상 펠릿 성형성은 매우 좋다고 판단된다. 이렇게 제조된 아카시아 펠릿의 함수율, 회분, 발열량, 겉보기밀도, 내구성을 조사한 결과는 Table 3과 같다.
Table 3.
Fuel characteristics of acacia pellets
아카시아 펠릿의 함수율은 모든 범위의 기준을 만족시키는 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 아카시아 펠릿의 발열량은 19.71 MJ/kg으로서 낙엽송 펠릿과 거의 비슷한 값을 나타냈으며, 국내외의 목재 펠릿의 기준을 상회하는 값을 나타냈다.
아카시아 펠릿의 회분은 0.66%로서 다소 높았으나 국내 1급 및 ISO I1 등급의 품질기준을 만족하였다. 그런데 수피가 붙어있는 원목으로부터 제조한 목재 칩을 원료로 사용할 경우 회분 함량은 2.44%로 높아져, ISO B 등급 기준인 2% 이하를 만족시키지 못하였다. 따라서 수피가 붙어있는 아카시아 원료를 사용할 시에는 회분 감량을 위한 공정 관리가 필요하다.
운송 및 저장 시의 공간과 관련된 겉보기밀도는 712 kg/m3으로서 매우 우수한 값을 나타냈다. 또한, 운송 또는 저장 시 펠릿의 강도를 나타내는 내구성은 98.0%로서 가정용 및 발전용 목재 펠릿의 품질 기준을 모두 만족시킬 정도의 우수한 값을 나타냈다. 겉보기밀도와 내구성 모두 좋은 결과를 나타낸 것은 아카시아의 펠릿 성형성이 우수하기 때문인 것으로 판단된다.
이처럼 아카시아는 펠릿으로의 성형성이 매우 우수할 뿐만 아니라 펠릿의 품질도 우수하여, 국내에서 가장 성형성이 좋고 품질이 우수한 낙엽송 펠릿과 거의 유사한 값을 나타냈다. 결론적으로 본 연구에서 사용한 아카시아(Acacia mangium)는 목재 펠릿용 조림 수종으로서 매우 적합하다고 판단된다.
