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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 팜유 부산물로 발생하는 바이오매스인 EFB와 PKS를 목재목질자원 대체 펠릿 제조용 원료로서의 이용 가능성을 분석하여 펠릿 제조용 원료로 이용하고자 하였다. 이를 통해 목재는 펄프제지업계나 기타 부가가치를 보다 더 창출할 수 있는 용도로 사용될 수 있기를 기대하였다.
- 이러한 상황을 타개하기 위해서는 목재를 대체할 수 있는 다양한 리그노셀룰로오스계 바이오매스를 이용하여 펠릿을 제조하기 위한 연구가 이루어졌다.6-9) 하지만 펠릿용 원료의 수급 측면에서 안정적인 원료 확보가 중요하기 때문에 팜유를 추출하면서 발생하는 부산물 바이오매스에 대한 관심이 높아지고 있다.
제안 방법
- PKS와 EFB에 포함된 중금속의 함량을 알아보기 위하여 ICP spectrometer (Atomscan25, TJA)를 이용하여 분석하였다. 전처리 과정을 거치기 위하여 Wonder Blender (WB-08, Sanplatec corp.
- 발열량 측정은 자동 열량계 (Parr 6400, Germany)로 시료를 연소시켜 연소시키는 그 동안의 온도 상승을 측정하고, 시료 1 g에 대한 cal나 J (at 20℃) 값을 구하여 발열량을 측정하였다.
- 시료는 1 mm 금속망 체를 통과하는 크기로 조정한 후 발열량을 측정하였다. 저위 및 고위 발열량은 발열량, 수소 중량(%), 그리고 수분 중량(%)을 각각 측정한 후 아래의 식으로 계산하였다.
- 저울의 정확도는 1 ㎍이며 모든 조건에서 사용된 가스는 질소를 사용하였고, 그 유량은 100 mL/min으로 연소반응 시 확산저항 영역을 벗어날 수 있도록 충분히 공급하였다. 열중량 분석 시 승온 속도가 미치는 영향을 파악하기 위해 승온 속도 5℃/min 하에서 실험을 수행하였으며, 각 실험을 통해 온도에 따른 시료 무게 감량값 및 DTA (Differential Thermogravimetric Analysis, DTA) 값을 구하였다.
- 원료별 열분해 특성을 알아보기 위하여 열중량분석 (Thermal Gravimetric Analysis, TGA)을 하였다. 열중량분석기 (SDT Q600, TA, USA)는 반응기 내부 직경이 20 mm이다.
- 분석용 샘플에 포함되어 있는 C, H, N, S는 연소법에 의한 원소분석기(EA1110, CE Instruments)를 이용하였다. 원소 분석을 위해 사용된 시료들은 1 mm 금속망 체를 통과하는 크기로 잘게 부순 후 100 mg을 취하여 원소 분석기로 분석하였다. 원료의 산소 함량은 아래의 식을 사용하여 계산하였다.
- PKS와 EFB에 포함된 중금속의 함량을 알아보기 위하여 ICP spectrometer (Atomscan25, TJA)를 이용하여 분석하였다. 전처리 과정을 거치기 위하여 Wonder Blender (WB-08, Sanplatec corp., Japan)를 이용하여 20초간 분쇄한 시료 약 0.2 g을 습식분해액(HNO3: H2SO4:HClO4 = 10:1:4) 25 mL로 분해시킨 후 No.2 여과지를 이용하여 잔사를 분리하고 여액은 최종적으로 100 mL가 되게 희석하여 ICP spectrometer를 이용하여 함유된 원소의 함량을 정량하였다.
- 팜유를 추출하면서 발생되는 바이오매스 중에서 EFB와 PKS를 이용하여 펠릿 제조용 원료로 사용하기 위한 연소 특성을 분석하였다. PKS는 EFB와 비교하였을 때 회분 함량이 낮고 고정 탄소 함량이 더 높아 연소 특성이 EFB에 비하여 더 양호한 것으로 나타났다.
- 회분은 국립산림과학원의 “목재 펠릿 품질 규격”에 근거하여 분석하였다.
대상 데이터
- 인도네시아 팜유 추출 및 정제 공정에서 부산물로 발생하는 EFB와 PKS를 사용하였다(Fig. 1 참조). EFB는 함수율 약 10% 수준으로 자연 건조시킨 후 사용하였다.
이론/모형
- EFB와 PKS의 고유 수분, 고정탄소, 회분, 그리고 휘발분을 측정을 위해 한국산업규격 KS E 3705를 근거하여 분석하였다. 일반적으로 연소용 연료는 수분+회분+휘발분+고정탄소=100으로 계산되며, 수분, 회분, 그리고 휘발분의 분석 결과를 이용하여 고정탄소를 계산할 수 있다.
- 분석용 샘플에 포함되어 있는 C, H, N, S는 연소법에 의한 원소분석기(EA1110, CE Instruments)를 이용하였다. 원소 분석을 위해 사용된 시료들은 1 mm 금속망 체를 통과하는 크기로 잘게 부순 후 100 mg을 취하여 원소 분석기로 분석하였다.
성능/효과
- 95톤/일이 발생한다.10) PKS의 경우 공장의 보일러 연료, 활성탄, 브리켓 등의 제조에 이용되지만 EFB의 경우 다량의 수분이 함유되어 있어 그 활용이 쉽지 않아 공장 인근에 야적하고 있는 상황이다.11) 따라서 매일 발생하는 오일팜 부산물인 PKS와 EFB를 목재를 대체할 수 있는 원료로 이용할 수 있다면 국내 목재의 자급률 상승과 경제적·효율적 활용 측면에서 매우 유익할 것으로 판단 된다.
- 즉, 탄소 함량이 더 높게 되면 더 높은 발열량을 기대할 수 있음을 의미한다.13) 유연탄의 탄소 함량은 EFB와 PKS의 탄소 함량에 비하여 훨씬 높은 77.3% 수준으로 오일팜 바이오매스에 비해서 높은 발열량을 가질 것으로 쉽게 예측할 수 있다.
- 산소 함량은 두 종류의 오일팜 바이오매스 모두 유연탄 보다 높은 약 46% 수준의 높은 값을 나타내었고, 이는 외부 공기 중의 산소 없이도 수분의 흡탈착 및 저탄 시 축열 반응에 의한 발열반응 발생 시 발화가 발생할 가능성이 높음을 의미한다.14) EFB와 PKS는 연소 시 황산화물 (SOx)을 배출하고 보일러의 부식을 야기할 수 있는 황 성분은 거의 검출되지 않았다.
- 특히 PKS가 EFB에 비해서 조금 더 고온에서 무게 감량이 일어나기는 하지만 두오일팜 바이오매스 모두 유사한 연소 특성을 보이고 있다. EFB와 PKS 모두 100℃ 부근에서 열을 흡수하면서 탈수(수분 건조 단계) 및 흡열반응이 일어나기 시작하고, 250℃ 이상에서부터는 중량 감소가 가파르게 일어나면서 탈휘발화 반응과 고정 탄소의 산화 반응이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 보통 250-280℃에서 탈휘발화 반응이 시작되어 280-450℃ 구간에서 활발한 연소 반응을 보이며 500℃부근에서 고정 탄소의 산화 반응이 종료되는 것으로 나타났다.
- EFB와 PKS 모두 유사한 산소 함량을 보였고 두 원료 모두 약 46% 수준이었다. 반면에 탄소 함량에 있어서는 PKS가 EFB에 비하여 조금 높은 약 46% 수준을 보였는데, 이는 발열량과 상관관계가 있다.
- 팜유를 추출하면서 발생되는 바이오매스 중에서 EFB와 PKS를 이용하여 펠릿 제조용 원료로 사용하기 위한 연소 특성을 분석하였다. PKS는 EFB와 비교하였을 때 회분 함량이 낮고 고정 탄소 함량이 더 높아 연소 특성이 EFB에 비하여 더 양호한 것으로 나타났다. 특히 EFB의 경우 회분의 함량이 4.
- 결론적으로 PKS가 EFB에 비하여 더 나은 고정 탄소와 더 낮은 회분 함량을 제공하였다.
- 결론적으로 회분과 고정 탄소의 비율에 있어서 EFB는 PKS보다 더 많은 회분과 더 적은 고정 탄소를 가지기 때문에 발열량에 있어서 더 낮은 값을 보이게 된다. EFB의 발열량은 4,048 kcal/kg이고, PKS의 발열량은 4,258 kcal/kg이다.
- 고유 수분에 있어서 EFB에 비하여 더 큰 비율은 보였던 PKS는 고정 탄소의 비율에서 있어서는 약 3배 정도 더 많이 분석되었다. 하지만 휘발분에 있어서는 PKS가 약 66%로 EFB의 약 79%에 비하여 더 낮은 함량을 나타내었다.
- 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스의 비율이 더 크다는 것은 대기 중의 수분과 결합할 확률이 크기 때문에 원료의 함수율 증가에 영향을 미치게 된다. 따라서 섬유질이 많고 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스 함량이 더 많은 EFB가 더 큰 함수율을 나타내었다.
- 수소 성분에 있어서는 EFB와 PKS 모두 유사한 양을 나타내었지만 유연탄에 비해서는 조금 높은 값을 나타내었다. 산소 함량은 두 종류의 오일팜 바이오매스 모두 유연탄 보다 높은 약 46% 수준의 높은 값을 나타내었고, 이는 외부 공기 중의 산소 없이도 수분의 흡탈착 및 저탄 시 축열 반응에 의한 발열반응 발생 시 발화가 발생할 가능성이 높음을 의미한다.14) EFB와 PKS는 연소 시 황산화물 (SOx)을 배출하고 보일러의 부식을 야기할 수 있는 황 성분은 거의 검출되지 않았다.
- 수소 성분에 있어서는 EFB와 PKS 모두 유사한 양을 나타내었지만 유연탄에 비해서는 조금 높은 값을 나타내었다. 산소 함량은 두 종류의 오일팜 바이오매스 모두 유연탄 보다 높은 약 46% 수준의 높은 값을 나타내었고, 이는 외부 공기 중의 산소 없이도 수분의 흡탈착 및 저탄 시 축열 반응에 의한 발열반응 발생 시 발화가 발생할 가능성이 높음을 의미한다.
- 48%로 많아 EFB 단독으로 사용될 때에는 산업용 펠릿의 원료로 이용되어야 한다. 연소 특성의 경우 PKS가 EFB에 비하여 조금 더 높은 온도에서 연소가 이루어지기 시작하지만 두 바이오매스 모두 280℃이상의 온도에서 탈휘발 반응과 고정 탄소의 연소가 빠르게 일어나는 유사한 연소 반응을 나타냈고, 400℃ 이후의 구간에서는 리그닌과 char 연소에서부터 무게 감량이 서서히 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
- 따라서 고정 탄소와 휘발성분의 함량만을 비교하였을 때는 EFB가 조금 더 우수한 연소 연료라 판단되지만 회분 함량을 고려하였을 때는 달라질 수 있다. 즉, 오일팜 바이오매스에 함유된 회분 함량이 높을수록 발열량에 도움을 주지 못하고 재 형태로 남게 되는데, EFB가 PKS에 비해서 약 3배 더 많은 회분 함량을 보이고 있다.
- 질소 함량에 있어서는 EFB가 PKS에 비해서 더 높은 함량을 나타내었고, EFB의 질소 함량은 유연탄과 유사한 수준이었다. 일반적으로 펠릿의 질소 함량이 많으면 연소 시 발생하는 배출 가스 (NOx)로 인해 보일러의 부식 문제를 야기할 수 있다.
후속연구
- 11) 따라서 매일 발생하는 오일팜 부산물인 PKS와 EFB를 목재를 대체할 수 있는 원료로 이용할 수 있다면 국내 목재의 자급률 상승과 경제적·효율적 활용 측면에서 매우 유익할 것으로 판단 된다.
- 따라서 본 연구에서는 팜유 부산물로 발생하는 바이오매스인 EFB와 PKS를 목재목질자원 대체 펠릿 제조용 원료로서의 이용 가능성을 분석하여 펠릿 제조용 원료로 이용하고자 하였다. 이를 통해 목재는 펄프제지업계나 기타 부가가치를 보다 더 창출할 수 있는 용도로 사용될 수 있기를 기대하였다.
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