[논문]돈분, 계분 그리고 혼합물에 대한 연소특성

정영진

doi:10.14478/ace.2013.1076

돈분, 계분 그리고 혼합물에 대한 연소특성
Combustion Characteristics of Swine Manure, Poultry Manure and Mixtures 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.24 no.6, 2013년, pp.616 - 620

초록
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본 연구에서는 자원 재활용-에너지에 바탕을 둔 돈분, 계분, 혼합물의 연소특성에 대하여 고찰하였다. 시험편은 건조 오븐을 이용하여 항량까지 건조시킨 후에, 콘칼로리미터(ISO 5660-1)를 이용하여 연소성질을 시험하였다. 그 결과 돈분의 최대유효연소열(78.72 MJ/kg)은 계분(69.41 MJ/kg)과 비교하여 탄화수소의 많은 양 때문에 비교적 증가했다. 또한 돈분의 $CO_2$ 발생속도(0.1959 g/s)와 총연기발생률($419m^2/m^2$)도 각각에 대하여 계분보다 증가하였다. 반면에 계분의 CO 발생량(0.0996 kg/kg)과 CO 발생속도(0.0034 g/s)는 계분이 함유하고 있는 많은 무기물 함량 때문에 각각 돈분보다 높았다. 따라서 높은 연소 에너지는 탄화수소 함량에 의존하여 발생되는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, the combustive properties of the swine manure, poultry manure, and mixtures based on the resource recycling-energy were investigated. After the specimens were dried to a constant weight by dry oven, combustive properties were tested by the cone calorimeter (ISO 5660-1). It was found that the peak effective heat of combustion (PEHC) in the swine manure (78.72 MJ/kg) has risen due to more amount of the hydrocabon compared with poultry manure (69.41 MJ/kg), also the swine manure increased both of the higher $CO_2$ production rate (0.1959 g/s) and total smoke release rate (THRR) ($419m^2/m^2$) than those of the poultry manure. However, both of the CO production release (0.0996 kg/kg) and CO production rate (0034 g/s) in the poultry manure increased due to more amount of the inorganic contents compared with swine manure. Thus, the high combustion energy is expected to generate depend on the hydrocarbon content.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 우리나라 가축분뇨 중 돈분, 계분, 이들 혼합물의 연소특성을 콘칼로리미터(ISO 5660-1)[9]를 이용하여 열방출률, 질량감소율, 유효연소열, 일산화탄소, 이산화탄소, 총연기발생률 등을 측정하여 분석하였다

제안 방법

본 연구에서 선정된 시험편은 콘칼로리미터에 수평으로 설치하고 외부 점화장치를 부착한 상태로 50 kW/m²외부 열유 속에 수십분 동안 노출시켜 착화되는 시간과 착화된 시료로부터 열방출률 및 연기 관련 지수를 구하였다.
1 g 이상 차이가 나지 않았을 때 항량으로 하였다. 본 연구에서는 Sam Woo Scientific사의 Mechnical circulation oven을 이용하여 100 ℃에서 12 h 후에 무게의 변화가 둔화되어, 건조 후 4 h 간격으로 12 h 동안만 측정하였다[10].
시편홀더는 수평방향으로 위치시켰다. 시편의 체적밀도는 시험하기 전에 부피와 무게를 측정하여 계산하였다. 연소시험은 지속적인 불꽃 연소가 시작된 때부터 30 min 경과 후에 종료하였으며, 추가로 2 min 간의 데이터 수집시간을 부여하였다.
시험에 앞서 콘히터의 열량이 설정값 ± 2% 이내, 산소분석기의 산소농도가 20.95 ± 0.01%가 되도록 교정하고 배출유량을 0.024 ± 0.002 m³/s로 설정하였다.
전처리 과정을 거친 돈분, 계분, 혼합물(돈분 : 계분 = 1 : 1, 체적비) 의 3종 가축분뇨 시료는 100 ℃의 건조 오븐에서 건조시키면서 24 h 마다 측정했을 때 무게가 0.1 wt% 또는 0.1 g 이상 차이가 나지 않았을 때 항량으로 하였다. 본 연구에서는 Sam Woo Scientific사의 Mechnical circulation oven을 이용하여 100 ℃에서 12 h 후에 무게의 변화가 둔화되어, 건조 후 4 h 간격으로 12 h 동안만 측정하였다[10].
총열방출률은 각 실험에서 실험재료의 연소로 인해 방출된 열량으로서 시료 표면적당 시간에 대한 함수로 표현되는 열방출률을 주어진 시간으로 적분하여 계산하였다. Table 3에 보여준 바와 같이 무기물 함량이 많은 계분 시편(41.

대상 데이터

사용한 시험편의 두께는 10 mm, 크기는 100 × 100 mm #의 규격으로 제작하였으며, 시험조건은 온도 23 ± 2 ℃, 상대습도 50 ± 5%에서 항량이 될 때까지 유지한 다음 알루미늄 호일로 비노출면을 감싼다.
시험편은 단열재인 저밀도 유리섬유를 이용하여 높이를 조절하였으며, 시편 홀더로의 열손실을 감소시키기 위하여 전도도가 낮은 고밀도 세라믹판 재료로 절연시켰다. 시편홀더는 수평방향으로 위치시켰다.

이론/모형

돈분, 계분, 혼합물 시험편의 연소특성에 관한 실험을 ISO 5660-1 표준에 따른 콘칼로리미터를 이용하여 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
시료의 원소분석은 Rigaku사의 X-Ray Fluorescence Spectrometer (XRF, model : ZSX-100e)을 사용하여 측정된 값을 사용하였다. Table 1, 2는 돈분, 계분, 혼합물 각각의 원소분석을 나타내었다[10].

성능/효과

1) 50 kW/m²의 외부열원에서 시험한 결과 돈분 시험편의 최대유효 연소열(EHCpeak)은 78.72 MJ/kg로 나타났으며, 계분 시험편은 69.41 MJ/kg으로 나타났다.
2) COmean 발생량 및 CO 발생속도는 돈분 시험편에 대하여 각각 0.0827 kg/kg 및 0.0027∼0.0028 g/s에 비교하여, 계분 시험편은 각각 0.0996 kg/kg 및 0.0034 g/s으로 다소 증가하였다.
3) CO₂의 초기 발생속도는 계분 시험편의 0.1554 g/s에 비교하여 돈분 시험편은 0.1959 g/s로서 다소 증가하였다. 이것은 앞에서 언급한 최대유효연소열에 대한 설명과 같은 맥락으로 분뇨 조성 중 가연성 탄화수소의 함량에 의존하는 것으로 이해된다.
그리고 타지 않은 숯은 불꽃을 냉각시키는 원인이 되며 불꽃 영역으로부터 불완전연소를 만드는 연기로 된다[22]. 돈분 시편의 연기 생성 거동은 열방출 영역에서 연기가 생성되었으며, 열방출률이 높은 곳에서 연기 발생 속도가 초기 연기 생성 속도보다 5배 정도 증가하였다.
또 이것에 대하여 연소시간 측면에서 고려한 CO₂ 발생속도는 Figure 3에 보여준 바와 같다. 시험편의 착화 후 돈분 시험편은 13 s에서 급격한 상승의 CO₂ 발생속도(0.1959 g/s) 커브를 보였다. 계분 시험편은 14 s에서 0.

후속연구

4) 따라서 이러한 실험결과들은 축산분뇨 처리의 재활용에 의한 재생 에너지화에 유용하게 사용될 수 있으며, 이후 기타 다른 가연성 폐기물과의 혼합 연소에 의한 에너지 효율성에 대하여 확대 검토해야할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라의 온실가스 총 배출량 현황과 전망은 어떠한가?	우리나라의 경우 2005년 온실가스 총 배출량은 5.9억 ton으로 전세계 배출량의 1.7%를 차지하고 있으며 현재 1990년과 대비하여 배출량이 98.7% 증가하였고, 획기적인 감축노력이 없을 경우 2020년 배출량은 2005년 대비 37.7% 증가할 것이라고 보고된 바 있다[1]. 이와 관련 하여 국내에서도 지구 온난화에 대비하여 전 세계 온실가스의 배출량 중 18%를 차지하는 축산폐기물 처리에 관련된 법률을 제정하여 규제를 강화하고 있으나, 경제성장과 더불어 축산업이 동반성장 하면서 가축분뇨의 발생량이 매년 증가하는 추세로 이에 대한 대책이 시급한 실정이다.
	가축분뇨 자원화 사업과 관련된 선행 연구에는 어떤 것들이 있는가?	일찌기 이에 대한 선행 연구로 Boss는 다중 목적에 의한 지속 가능한 도시-환경 관리를 연구하였고[3], 국내에서는 국내여건에 적합한 가축분뇨 바이오가스 생산 최적시스템 연구를 하였고[4] 정부에서는 가축분뇨 자원화 및 효율적인 관리방안을 위해 노력해왔다[5]. 이어서 자원순환형 가축분뇨 에너지화 방안 등을 지속적으로 연구하여 왔다[6].
	콘칼로리미터법에 의한 열방출률 측정의 원리는 어떠한가?	많은 기술들이 발전되어 왔는데 그중의 하나가 콘칼로리미터(conecalorimeter)법이다[7]. 콘칼로리미터법에 의한 열방출률 측정은 대부 분의 유기재료가 연소 중에 산소 1 kg이 소비되면 약 13.1 MJ의 열이 방출되는 산소 소비 원리를 바탕으로 하고 있다[8].

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Y. J. Chung, Comparison of combustion properties of the pinus rigida, castanea savita, and zelkova serrata, J. Korean Instiute of Fire Sci. Eng., 23, 73 (2009).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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