대기 오염, 기후 변화 등 환경 문제와 자원 고갈로 인해 화석 연료를 대체할 에너지에 많은 관심이 집중되고 있다. 폐바이오매스의 에너지화 분야에서도 다양한 연구가 이루어지고 있다. 폐목질계 바이오매스의 급속열분해는 바이오매스 에너지화 기술 중 하나로 액상 연료를 생산할 수 있다. 바이오매스의 급속열분해에는 주로 기포유동층 반응기가 쓰이고 있으며, 기포유동층 급속열분해 반응기에서는 반응물에 열을 효과적으로 전달하기 위하여 고체입자의 유동매체를 이용한다. 이러한 기포유동층 반응기에서 유동층 내 고체 입자의 움직임과 혼합은 기포의 거동에 영향을 받는다. 이로 인해 열전달 현상이 달라지고 결과적으로는 폐목질계 바이오매스의 급속열분해 반응 속도가 변한다. 따라서 본 연구에서는 기포유동층 반응기 내부의 수력학적 특성과 폐목질계 바이오매스 급속열분해 반응에 관한 연구를 수행하였다. 반응기내의 기체-고체 유동에 대해 Eulerian-Granular 방법을 사용하여 반응기를 시뮬레이션 하였으며, two-stage semi-global reaction model로 폐바이오매스의 급속 열분해반응을 모사하였다. 결과를 살펴보면, 유동층 내에서 기포들이 생성되고 상승하면서 크기가 증가한다. 이러한 기포의 거동에 의해 기포 주위의 고체 입자는 여러 방향으로 움직이게 된다. 고체 입자상의 활발한 움직임으로 바이오매스 입자가 유동층에 골고루 퍼져 일차 반응이 유동층 전반에서 일어난다. 그리고 일차 반응 중 타르가 생성되는 반응 속도가 가장 높게 나타난다. 그 결과 기체상 생성물 중 타르가 약 66 wt.%로 가장 많이 발생한다. 반면 이차 반응은 유동층에서보다 freeboard에서 더 많이 일어난다. 따라서 기포의 거동이나 입자의 움직임에 의한 영향은 일차 반응보다 상대적으로 적을 것으로 판단된다.
대기 오염, 기후 변화 등 환경 문제와 자원 고갈로 인해 화석 연료를 대체할 에너지에 많은 관심이 집중되고 있다. 폐바이오매스의 에너지화 분야에서도 다양한 연구가 이루어지고 있다. 폐목질계 바이오매스의 급속열분해는 바이오매스 에너지화 기술 중 하나로 액상 연료를 생산할 수 있다. 바이오매스의 급속열분해에는 주로 기포유동층 반응기가 쓰이고 있으며, 기포유동층 급속열분해 반응기에서는 반응물에 열을 효과적으로 전달하기 위하여 고체입자의 유동매체를 이용한다. 이러한 기포유동층 반응기에서 유동층 내 고체 입자의 움직임과 혼합은 기포의 거동에 영향을 받는다. 이로 인해 열전달 현상이 달라지고 결과적으로는 폐목질계 바이오매스의 급속열분해 반응 속도가 변한다. 따라서 본 연구에서는 기포유동층 반응기 내부의 수력학적 특성과 폐목질계 바이오매스 급속열분해 반응에 관한 연구를 수행하였다. 반응기내의 기체-고체 유동에 대해 Eulerian-Granular 방법을 사용하여 반응기를 시뮬레이션 하였으며, two-stage semi-global reaction model로 폐바이오매스의 급속 열분해반응을 모사하였다. 결과를 살펴보면, 유동층 내에서 기포들이 생성되고 상승하면서 크기가 증가한다. 이러한 기포의 거동에 의해 기포 주위의 고체 입자는 여러 방향으로 움직이게 된다. 고체 입자상의 활발한 움직임으로 바이오매스 입자가 유동층에 골고루 퍼져 일차 반응이 유동층 전반에서 일어난다. 그리고 일차 반응 중 타르가 생성되는 반응 속도가 가장 높게 나타난다. 그 결과 기체상 생성물 중 타르가 약 66 wt.%로 가장 많이 발생한다. 반면 이차 반응은 유동층에서보다 freeboard에서 더 많이 일어난다. 따라서 기포의 거동이나 입자의 움직임에 의한 영향은 일차 반응보다 상대적으로 적을 것으로 판단된다.
New and renewable energy sources have drawn attention because of climate change. Many studies have been carried out in waste-to-energy field. Fast pyrolysis of waste lignocelluosic biomass is one of the waste-to-energy technologies. Bubbling fluidized bed (BFB) reactor is widely used for fast pyroly...
New and renewable energy sources have drawn attention because of climate change. Many studies have been carried out in waste-to-energy field. Fast pyrolysis of waste lignocelluosic biomass is one of the waste-to-energy technologies. Bubbling fluidized bed (BFB) reactor is widely used for fast pyrolysis of the biomass. In BFB pyrolyzer, bubble behavior influences on the chemical reaction. Accordingly, in the present study, hydrodynamic characteristics and fast pyrolysis reaction of waste lignocellulosic biomass occurring in a BFB pyrolyzer are scrutinized. The computational fluid dynamics (CFD) simulation of the fast pyrolysis reactor is carried out by using Eulerian-Granular approach. And two-stage semi-global kinetics is applied for modeling the fast pyrolysis reaction of waste lignocellulosic biomass. To summarize, generation and ascendant motion of bubbles in the bed affect particle behavior. Thus biomass particles are well mixed with hot sand and consequent rapid heat transfer occurs from sand to biomass particles. As a result, primary reaction is observed throughout the bed. And reaction rate of tar formation is the highest. Consequently, tar accounts for 66wt.% of the product gas. However, secondary reaction occurs mostly in the freeboard. Therefore, it is considered that bubble behavior and particle motions hardly influences on the secondary reaction.
New and renewable energy sources have drawn attention because of climate change. Many studies have been carried out in waste-to-energy field. Fast pyrolysis of waste lignocelluosic biomass is one of the waste-to-energy technologies. Bubbling fluidized bed (BFB) reactor is widely used for fast pyrolysis of the biomass. In BFB pyrolyzer, bubble behavior influences on the chemical reaction. Accordingly, in the present study, hydrodynamic characteristics and fast pyrolysis reaction of waste lignocellulosic biomass occurring in a BFB pyrolyzer are scrutinized. The computational fluid dynamics (CFD) simulation of the fast pyrolysis reactor is carried out by using Eulerian-Granular approach. And two-stage semi-global kinetics is applied for modeling the fast pyrolysis reaction of waste lignocellulosic biomass. To summarize, generation and ascendant motion of bubbles in the bed affect particle behavior. Thus biomass particles are well mixed with hot sand and consequent rapid heat transfer occurs from sand to biomass particles. As a result, primary reaction is observed throughout the bed. And reaction rate of tar formation is the highest. Consequently, tar accounts for 66wt.% of the product gas. However, secondary reaction occurs mostly in the freeboard. Therefore, it is considered that bubble behavior and particle motions hardly influences on the secondary reaction.
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문제 정의
이러한 기포유동층 반응기를 사용한 바이오매스의 급속열분해에 대해 다양한 연구가 진행되어 왔으나7~11) 여전히 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 전산유체역학(CFD)을 이용한 시뮬레이션을 통해 기포유동층 반응기 내 기체상과 고체상의 수력학적 특성과 이에 따른 폐목 질계 바이오매스의 급속열분해 반응 특성을 연구하였다. 이러한 기체-고체의 반응유동장을 해석하기 위하여, Eulerian-Granular 방법을 사용하였으며, 폐목질계 바이오매스의 급속 열분해반응을 two-stage semi-global reaction 모델로 모사하였다.
본 연구에서는 기포유동층 반응기에서 기포의 발생 및 거동이 고체 입자의 움직임과 입자간의 혼합에 미치는 영향 그리고 폐목질계 바이오매스의 급속열분해 특성을 살펴보기 위해 전산 시뮬레이션을 이용하여 연구를 수행하였다. 계산 결과를 정리해보면, 기포유동층 반응기의 바닥면에서 기포가 생성되고 위로 상승하면서 그 크기가 증가한다.
제안 방법
기포유동층이 완전히 발달하여 반응기 운전이 안정화된 상태(steady state)에 도달한 이후 일정한 시간 동안의 계산 결과를 살펴보았다.
대상 데이터
그리고 고상의 급속 열분해 생성물인 촤1, 2는 반응기 내에 잔존하게 된다. 계산을 위해 0.5 cm 정육면체를 사용하여 총 40,000개의 계산 격자를 구성하였다.
이론/모형
13) 여기서 비응축가스와 촤를 생성되는 반응 단계에 따라 구분해주기 위해 해당하는 반응 차수를 뒤에 붙여 표시하였다. Arrhenius반응식, Ki = Aiexp (-Ei/RuT),를 사용하여 폐목질계 바이오매스의 급속 열분해 반응을 계산하였고 식에 사용된 계수 Ai와 Ei는 Table 2에 나타내었다. 생성물 중 기체상인 타르와 비응축가스1, 2는 질소와 함께 반응기 윗면의 출구를 통해서 빠져나간다.
기체-고체 다상 유동에 대한 지배방정식은 Wachem12)의 식을 따랐으며 다음과 같다.
이렇게 유입된 바이오매스는 반응기 내부에서 급속 열분해 된다. 본 연구에서는 폐목질계 바이오매스의 급속 열분해를 Fig. 2와 같이 two-stage semi-global reaction model로 모사하였다. 폐목질계 바이오매스는 일차 반응에 의해 타르(tar), 비응축가스1(NCG1), 촤1(Char1)로 분해된다.
따라서 본 연구에서는 전산유체역학(CFD)을 이용한 시뮬레이션을 통해 기포유동층 반응기 내 기체상과 고체상의 수력학적 특성과 이에 따른 폐목 질계 바이오매스의 급속열분해 반응 특성을 연구하였다. 이러한 기체-고체의 반응유동장을 해석하기 위하여, Eulerian-Granular 방법을 사용하였으며, 폐목질계 바이오매스의 급속 열분해반응을 two-stage semi-global reaction 모델로 모사하였다.
성능/효과
본 연구에서는 기포유동층 반응기에서 기포의 발생 및 거동이 고체 입자의 움직임과 입자간의 혼합에 미치는 영향 그리고 폐목질계 바이오매스의 급속열분해 특성을 살펴보기 위해 전산 시뮬레이션을 이용하여 연구를 수행하였다. 계산 결과를 정리해보면, 기포유동층 반응기의 바닥면에서 기포가 생성되고 위로 상승하면서 그 크기가 증가한다. 이러한 기포의 거동에 의해 기포 주위의 고체 입자는 여러 방향으로 움직이게 된다.
%의 값을 가졌다. 따라서 폐목질계 바이오매스 열분해반응을 통해서 타르가 가장 많이 생성되며, 전체적인 수율은 다른 문헌들에서 나타난 실험값과 유사하게 나타났다.7) 하지만, 이차반응에 의한 비응축가스 및 촤의 생성을 감소시키면 상대적으로 타르의 수율이 증가하므로, 바이오 오일의 수율을 증가시키려면 효과적으로 이차반응을 감소시키기 위한 추가적인 연구가 필요하다.
후속연구
따라서 폐목질계 바이오매스 열분해반응을 통해서 타르가 가장 많이 생성되며, 전체적인 수율은 다른 문헌들에서 나타난 실험값과 유사하게 나타났다.7) 하지만, 이차반응에 의한 비응축가스 및 촤의 생성을 감소시키면 상대적으로 타르의 수율이 증가하므로, 바이오 오일의 수율을 증가시키려면 효과적으로 이차반응을 감소시키기 위한 추가적인 연구가 필요하다.
또한 비응축가스2와 촤2는 타르의 분해 반응에 의해 생성되기 때문에 그 발생량을 더 줄일 수 있으면 bio-oil의 수율을 증가시킬 수 있으므로 이러한 반응을 최소화할 수 있는 최적 설계 및 운전 조건을 찾아야 한다. 따라서 본 연구에서 확립한 CFD해석이 반응기의 최적설계 및 운전조건 예측에 매우 유용하리라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 국내 신재생에너지 총생산량 중 폐기물 에너지가 차지하는 비중은 얼마인가?
‘신에너지 및 재생에너지 개발․이용․보급촉진법’에서는 폐기물 에너지를 사업장 또는 가정에서 발생하는 가연성 폐기물을 다양한 방법으로 가공․처리하여 생산하는 연료와 이를 태우거나 변환시켜서 발생되는 에너지로 정의하고 있다. 현재 국내 신재생에너지 총생산량 중 폐기물 에너지가 전체의 약 70~80%로 매우 높은 비중을 차지하고 있으며 앞으로도 신․재생에너지 공급량 확대에 주요한 역할을 할 것으로 보인다.1)
‘신에너지 및 재생에너지 개발․이용․보급촉진법’에서 폐기물 에너지를 무엇으로 정의하는가?
그 중에서도 폐기물을 자원으로 인식하여 환경적으로 처리함과 동시에 에너지를 생산하여 경제적으로 이익을 창출할 수 있는 폐기물 에너지 분야가 주목을 받고 있다. ‘신에너지 및 재생에너지 개발․이용․보급촉진법’에서는 폐기물 에너지를 사업장 또는 가정에서 발생하는 가연성 폐기물을 다양한 방법으로 가공․처리하여 생산하는 연료와 이를 태우거나 변환시켜서 발생되는 에너지로 정의하고 있다. 현재 국내 신재생에너지 총생산량 중 폐기물 에너지가 전체의 약 70~80%로 매우 높은 비중을 차지하고 있으며 앞으로도 신․재생에너지 공급량 확대에 주요한 역할을 할 것으로 보인다.
충분히 활용되지 못하는 폐목질계 바이오매스의 에너지화 위한 다양한 노력이 필요한 이유는 무엇인가?
또한 대량으로 발생하는 건설폐목재 등은 효과적인 재생에너지원으로 공급할 수 있는 장점이 있다. 그러나 폐목질계 바이오매스 발생량은 매 해 꾸준히 증가하는 추세를 보이고 있는 반면 재활용율은 40% 수준에도 미치지 못하여 상대적으로 낮다. 따라서 충분히 활용되지 못하는 폐목질계 바이오매스의 에너지화를 위한 다양한 노력이 필요하다.
참고문헌 (13)
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