최근 정부는 국가 온실가스를 효율적으로 감축시켜 국제적인 기후변화에 대응하기 위하여 여러 부문에서 기술개발을 진행 중에 있다. 이를 달성하기 위하여 정부는 화석연료를 대체하고 이산화탄소를 감축시키는 수단으로 바이오연료를 저탄소와 탄소중립자원으로 검토하고 있는 실정이다. 일반적으로, 목질계로부터 생산된 2세대 바이오연료는 수송부문에서 기존 화석연료를 대체하고 온실가스를 감축하는데 큰 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 이유로 정부는 목질계 기반 바이오매스 액화연료(biomass-to-liquid fuel)에 대해 파일럿 수준으로 기술개발 중에 있다. 따라서 본 연구에서는 바이오매스액화연료 생산을 위한 동일공정으로 합성된 F-T(Fischer-Tropsch) 디젤의 연료적 특성을 연구하였다. 합성 F-T 디젤은 자동차용 경유에 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있는 장점으로 인해 자동차용 경유엔진에 사용될 수 있다. 그 이유는 합성 F-T 디젤이 자동차용 경유와 비슷한 물리적 특성을 가지기 때문이다. 본 연구에 사용된 F-T 디젤은 Fischer-Tropsch (F-T) 공정을 이용하여 저온($240^{\circ}C$)에서 철 촉매를 가지고 합성되었다. 합성 F-T 디젤은 n-파라핀과 iso-파라핀을 함유하고, 등유와 경유 성분을 가진 $C_{12}{\sim}C_{23+}$ 분포로 이루어졌다. 합성 F-T 디젤은 합성 F-T 연료부터 증류를 통해 분리된 합성 F-T 디젤은 자동차용 경유에 비해 세탄가가 높으며, 방향족화합물은 매우 낮고, 황함량는 초저황(sulfur free) 수준으로 평가되었다. 또한 합성 F-T 디젤은 자동차용 경유와 비교하여 황과 방향족 화합물의 함량이 낮기 때문에 윤활성이 열악함을 보였다.
최근 정부는 국가 온실가스를 효율적으로 감축시켜 국제적인 기후변화에 대응하기 위하여 여러 부문에서 기술개발을 진행 중에 있다. 이를 달성하기 위하여 정부는 화석연료를 대체하고 이산화탄소를 감축시키는 수단으로 바이오연료를 저탄소와 탄소중립자원으로 검토하고 있는 실정이다. 일반적으로, 목질계로부터 생산된 2세대 바이오연료는 수송부문에서 기존 화석연료를 대체하고 온실가스를 감축하는데 큰 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 이유로 정부는 목질계 기반 바이오매스 액화연료(biomass-to-liquid fuel)에 대해 파일럿 수준으로 기술개발 중에 있다. 따라서 본 연구에서는 바이오매스액화연료 생산을 위한 동일공정으로 합성된 F-T(Fischer-Tropsch) 디젤의 연료적 특성을 연구하였다. 합성 F-T 디젤은 자동차용 경유에 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있는 장점으로 인해 자동차용 경유엔진에 사용될 수 있다. 그 이유는 합성 F-T 디젤이 자동차용 경유와 비슷한 물리적 특성을 가지기 때문이다. 본 연구에 사용된 F-T 디젤은 Fischer-Tropsch (F-T) 공정을 이용하여 저온($240^{\circ}C$)에서 철 촉매를 가지고 합성되었다. 합성 F-T 디젤은 n-파라핀과 iso-파라핀을 함유하고, 등유와 경유 성분을 가진 $C_{12}{\sim}C_{23+}$ 분포로 이루어졌다. 합성 F-T 디젤은 합성 F-T 연료부터 증류를 통해 분리된 합성 F-T 디젤은 자동차용 경유에 비해 세탄가가 높으며, 방향족화합물은 매우 낮고, 황함량는 초저황(sulfur free) 수준으로 평가되었다. 또한 합성 F-T 디젤은 자동차용 경유와 비교하여 황과 방향족 화합물의 함량이 낮기 때문에 윤활성이 열악함을 보였다.
In order to reduce the effects of greenhouse gas (GHG) emissions, the South Korean government has announced a special platform of technologies as part of an effort to minimize global climate change. To further this effort, the Korean government has pledged to increase low-carbon and carbon neutral r...
In order to reduce the effects of greenhouse gas (GHG) emissions, the South Korean government has announced a special platform of technologies as part of an effort to minimize global climate change. To further this effort, the Korean government has pledged to increase low-carbon and carbon neutral resources for biofuel derived from biomass to replace fossil and to decrease levels of carbon dioxide. In general, second generation biofuel produced form woody biomass is expected to be an effective avenue for reducing fossil fuel consumption and greenhouse gas (GHG) emissions in road transport. It is important that under the new Korean initiative, pilot scale studies evolve practices to produce biomass-to-liquid (BTL) fuel. This study reports the quality characteristics of F-T(Fischer-Tropsch) diesel for production of BTL fuel. Synthetic F-Tdiesel fuel can be used in automotive diesel engines, pure or blended with automotive diesel, due to its similar physical properties to diesel. F-T diesel fuel was synthesized by Fischer-Tropsch (F-T) process with syngas($H_2$/CO), Fe basedcatalyst in low temperature condition($240^{\circ}C$). Synthetic F-T diesel with diesel compositions after distillation process is consisted of $C_{12}{\sim}C_{23+}$ mixture as a kerosine, diesel compositions of n-paraffin and iso-paraffin compounds. Synthetic F-T diesel investigated a very high cetane number, low aromatic composition and sulfur free level compared to automotive diesel. Synthetic F-T diesel also show The wear scar of synthetic F-T diesel show poor lubricity due to low content of sulfur and aromatic compounds compared to automotive diesel.
In order to reduce the effects of greenhouse gas (GHG) emissions, the South Korean government has announced a special platform of technologies as part of an effort to minimize global climate change. To further this effort, the Korean government has pledged to increase low-carbon and carbon neutral resources for biofuel derived from biomass to replace fossil and to decrease levels of carbon dioxide. In general, second generation biofuel produced form woody biomass is expected to be an effective avenue for reducing fossil fuel consumption and greenhouse gas (GHG) emissions in road transport. It is important that under the new Korean initiative, pilot scale studies evolve practices to produce biomass-to-liquid (BTL) fuel. This study reports the quality characteristics of F-T(Fischer-Tropsch) diesel for production of BTL fuel. Synthetic F-Tdiesel fuel can be used in automotive diesel engines, pure or blended with automotive diesel, due to its similar physical properties to diesel. F-T diesel fuel was synthesized by Fischer-Tropsch (F-T) process with syngas($H_2$/CO), Fe basedcatalyst in low temperature condition($240^{\circ}C$). Synthetic F-T diesel with diesel compositions after distillation process is consisted of $C_{12}{\sim}C_{23+}$ mixture as a kerosine, diesel compositions of n-paraffin and iso-paraffin compounds. Synthetic F-T diesel investigated a very high cetane number, low aromatic composition and sulfur free level compared to automotive diesel. Synthetic F-T diesel also show The wear scar of synthetic F-T diesel show poor lubricity due to low content of sulfur and aromatic compounds compared to automotive diesel.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 국내에서 추진되고 있는 BTL 연료생산 기술의 기반으로 적용되고 있는 F-T 디젤의 연료적 특성을 연구하였다.
본 연구에서는 해외에서 적용되고 있는 F-T 디젤의 물성과 국내에서 개발되고 있는 BTL 연료 생산기반 기술의 기초되고 있는 F-T 디젤의 연료적 특성을 연구했다. 따라서 F-T 연료유로부터 분리 정제된 F-T 디젤의 차량 연료 사용을 위한 연료적 특성을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
2. 자동차용 경유에 혼합하여 사용 가능한 F-T 디젤을 얻기 위하여 합성된 F-T 연료를 증류하여 50%의 휘발유 성분을 제거 하고, 본 연구에 사용된 합성 F-T 디젤을 50% 비율로 얻었다. 합성 F-T 디젤은 탄소수 C12 ~ C23+ 분포의 탄화수소화합물 성분으로 구성되어 있었으며, 특히 파라핀 성분은 n-파라핀이 iso-파라핀 보다 많았다.
F-T 연료유로부터 분리된 F-T 디젤 연료는 0.1 배럴/일 규모의 BTL 생산을 위한 공정을 위하여 실험실에 최적화된 조건을 사용하였다. 사용된 반응가스는 H2/CO = 1 조건으로 촉매는 FeCu/Al2O3을 사용하여 실험실 수준에서 저온(240℃) F-T 반응조건으로 F-T 연료를 합성하였다.
F-T 연료유로부터 분리된 F-T 디젤의 연료적 품질특성에 대한 분석은 Table 1과 같이 국내 자동차용 경유 품질기준에 제시된 실험방법에 따라 9개 항목을 분석하였다[15]. F-T 연료유로부터 분리된 F-T 디젤은 기체 가스크로마토그래피 (Gas chromatography(GC)), 밀도, 황분, 다고리방향족, 총방향족 함량 및 저온특성(저온필터막힘점, 유동점, 담점), 윤활성 그리고 세탄가 등을 분석하여 연료적 특성을 살펴 보았다. 한편, 분리 정제된 F-T 디젤의 조성분석을 위해 GC (Agilent 6890N)를 이용하였으며, 검출기는 FID(350 ℃)를 사용하고, inlet 온도는 140 ℃(split ratio 300:1), 사용된 칼럼은 HP-1(methyl Siloxane 10 m⨉100 μm)이고, 이동상 기체는 헬륨(0.
Table 2는 분리 합성 F-T 디젤은 밀도, 황분, 다고리방향족 함량, 저온필터막힘점, 유동점, 담점 및 윤활성 등을 자동차용 경유와 비교하였다. Fig.
결론적으로 합성 후 F-T 연료는 약 50% 정도의 휘발유 성분과 50%의 등유, 디젤 성분을 포함하고 있다. 따라서 본 연구에서 합성된 F-T 연료에서 휘발유 성분을 증류에 의해 분리하여 일반 자동차용 경유와 품질을 비교하였다. Fig.
또한 방향족화합물 분석은 영린기기사 Acme 9000를 사용하였으며, 검출기는 RI(Refractive index)를 사용하고, 사용된 칼럼은 Macherey-Nagel (4.6 mm I.D × 250 mm NH2 3 μm)이며, 이동상 용매는 n-heptane으로 용매유속 0.9 mL/min 이었으며, 시료를 10 μL 주입하여 60분간 분석하였다.
합성 후 F-T 디젤은 GC 분석을 통하여 일반적인 성분을 자동차용 경유와 조성을 비교하였다. Fig.
대상 데이터
1. F-T 연료는 반응가스 H2/CO = 1의 조건으로 촉매는 Fe·Cu/Al2O3을 사용하여 실험실 수준에서 저온(240℃) F-T 반응조건으로 F-T 연료를 합성하였다.
1 배럴/일 규모의 BTL 생산을 위한 공정을 위하여 실험실에 최적화된 조건을 사용하였다. 사용된 반응가스는 H2/CO = 1 조건으로 촉매는 FeCu/Al2O3을 사용하여 실험실 수준에서 저온(240℃) F-T 반응조건으로 F-T 연료를 합성하였다. 또한 합성된 F-T 연료는 왁스분을 제거하고 최적화된 F-T 디젤을 얻기 위해 증류하였다.
이론/모형
F-T 연료유로부터 분리된 F-T 디젤의 연료적 품질특성에 대한 분석은 Table 1과 같이 국내 자동차용 경유 품질기준에 제시된 실험방법에 따라 9개 항목을 분석하였다[15]. F-T 연료유로부터 분리된 F-T 디젤은 기체 가스크로마토그래피 (Gas chromatography(GC)), 밀도, 황분, 다고리방향족, 총방향족 함량 및 저온특성(저온필터막힘점, 유동점, 담점), 윤활성 그리고 세탄가 등을 분석하여 연료적 특성을 살펴 보았다.
4 ml/min)을 사용하고, 오븐온도는 40 ℃(5 min)(30 ℃/min), 100 ℃(1 min)(30 ℃/min), 50 ℃(0 min)(30 ℃/min), 200 ℃(1 min)(30 ℃/min), 140 ℃(0 min)(30 ℃/min), 290 ℃(2 min) 순으로 조정되었다. 합성 F-T 디젤의 윤활성은 PCS instrument사의 HFRR(High frequency reciprocating rig)를 사용하였으며, KS M ISO 12156 방법에 따라 시료 2 mL를 60 ℃에서 75분 동안 50 Hz의 주파수와 200 g의 하중을 이용하여 금속원판(PCS Instrument사의 지름 1 cm 원판)과 시험구(PCS Instrument사의 외경 6 mm 금속구)를 왕복마찰에 의해 시험구에 생성된 마모흔(MWSD, Mean Wear Scar Diameter)을 현미경(MEJI TECHNO사의 Infinity1)을 사용하여 측정하였다. 또한 방향족화합물 분석은 영린기기사 Acme 9000를 사용하였으며, 검출기는 RI(Refractive index)를 사용하고, 사용된 칼럼은 Macherey-Nagel (4.
성능/효과
3. F-T 디젤의 황함량은 0.14 mg/kg으로 거의 sulfur free 수준으로 자동차용 경유(4.9 mg/kg)보다 낮았다. 또한 세탄가는 75로 기존 자동차 경유(56)보다 월등히 우수함을 보여주고 있는데 이는 합성 F-T 디젤이 n-파라핀을 많이 함유하고 있기 때문이다.
4. 반면, 합성 F-T 디젤은 황 함량과 방향족 화합물 함량이 낮아 윤활성이 열악하였고, n-파라핀성분 많아 일반 자동차용 경유 대비 저온특성(저온필터막힘점, 유동점, 담점)이 떨어지는 특성을 보여 주었다.
7은 증류 분리된 합성 F-T 디젤의 GC 분석 크로마토그램으로 등유성분과 C12 ~ C23+ 분포의 탄화수소 성분으로 구성되어 있음을 알 수 있다. GC 분석 시 크로마토그램이 단일피크는 n-파라핀, 다중피크는 iso-파라핀으로 분석되어 정량한 결과, n-파라핀 성분이 iso-파라핀 성분보다 많음을 알 수 있다. 이는 본 연구에서 사용된 F-T 디젤 합성공정의 촉매와 반응조건으로 n-파라핀이 iso-파란핀 보다 선택적으로 우세하게 형성 때문이다.
7은 합성 F-T 연료로부터 휘발유분을 분리하고 남은 유분을 GC로 분석한 결과, 일반적인 등유와 경유 성상을 지닌 것으로 분석되었다. 결론적으로 합성 후 F-T 연료는 약 50% 정도의 휘발유 성분과 50%의 등유, 디젤 성분을 포함하고 있다. 따라서 본 연구에서 합성된 F-T 연료에서 휘발유 성분을 증류에 의해 분리하여 일반 자동차용 경유와 품질을 비교하였다.
후속연구
따라서 국내에서 추진되고 있는 BTL 연료생산 기술의 기반으로 적용되고 있는 F-T 디젤의 차량연료로서 사용하기 위해서는 열악한 저온특성과 윤활성 등의 보완 및 경유 혼합 시 품질관리 방안 검토가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2세대 바이오디젤로 불리는 BTL은 어떻게 생산되는가?
이러한 장점으로 2세대 바이오디젤로 불리는 BTL은 섬유소계 바이오매스를 열분해하여 합성가스로 전환한 후 가스 정제 및 F-T(Fischer-Tropsch) 합성에 의해 생산된다(Fig. 1).
재생에너지의 중요성이 부각 되고 있는 이유는?
최근 석유자원 고갈과 기후변화 문제가 지속성장사회 실현에 주 장애요인으로 대두됨에 따라 이에 효과적으로 대응하기 위한 수단으로써 재생에너지의 중요성이 부각 되고 있다[1-7]. 이러한 배경에서 정부는 국가에너지기본계획을 통하여 2030년까지 탈 화석에너지화를 위해 석유 의존도 33%, 신·재생에너지 보급률 11% 목표를 수립하고 이를 달성하기 위한 에너지 정책을 추진하고 있다.
최근 정부는 국가 온실가스를 효율적으로 감축을 위하여 정부는 무엇을 검토하고 있는가?
최근 정부는 국가 온실가스를 효율적으로 감축시켜 국제적인 기후변화에 대응하기 위하여 여러 부문에서 기술개발을 진행 중에 있다. 이를 달성하기 위하여 정부는 화석연료를 대체하고 이산화탄소를 감축시키는 수단으로 바이오연료를 저탄소와 탄소중립자원으로 검토하고 있는 실정이다. 일반적으로, 목질계로부터 생산된 2세대 바이오연료는 수송부문에서 기존 화석연료를 대체하고 온실가스를 감축하는데 큰 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
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