화석연료의 사용량이 증가함에 따라 전 세계적으로 환경오염문제에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 대한 해결책으로 신재생에너지에 대한 관심이 집중되고 있는 가운데 목질계 바이오매스의 연료화가 그 해결책의 하나로 떠오르고 있다. 따라서 본 연구에서는 목질계 바이오매스의 에너지 효율에 큰 영향을 미치는 수분증발 모델을 제시하고 반탄화 온도, 나무의 수분율, 그리고 바이오매스 종류에 따른 특성을 분석하였다. 그 결과, 반탄화 온도가 상승함에 따라 나무의 온도와 수분율은 빠르게 감소하였다. 그리고 반탄화 온도가 423K 이하인 경우에는 나무 수분율의 변화가 거의 나타나지 않았다. 또한 나무의 초기 수분율이 높을수록 숯(charcoal)이 더 느리게 생성될 뿐만 아니라, 아몬드쉘(almond shell)의 경우 가장 많은 숯이 생성되는 것을 확인하였다.
화석연료의 사용량이 증가함에 따라 전 세계적으로 환경오염문제에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 대한 해결책으로 신재생에너지에 대한 관심이 집중되고 있는 가운데 목질계 바이오매스의 연료화가 그 해결책의 하나로 떠오르고 있다. 따라서 본 연구에서는 목질계 바이오매스의 에너지 효율에 큰 영향을 미치는 수분증발 모델을 제시하고 반탄화 온도, 나무의 수분율, 그리고 바이오매스 종류에 따른 특성을 분석하였다. 그 결과, 반탄화 온도가 상승함에 따라 나무의 온도와 수분율은 빠르게 감소하였다. 그리고 반탄화 온도가 423K 이하인 경우에는 나무 수분율의 변화가 거의 나타나지 않았다. 또한 나무의 초기 수분율이 높을수록 숯(charcoal)이 더 느리게 생성될 뿐만 아니라, 아몬드쉘(almond shell)의 경우 가장 많은 숯이 생성되는 것을 확인하였다.
Owing to the Increasing use of fossil fuels, worldwide concerns over environmental pollution are increasing. As a solution, ligneous biomass has emerged as a promising alternative fuel in recent times. Therefore, in this study, a moisture evaporation model that largely influences the energy density ...
Owing to the Increasing use of fossil fuels, worldwide concerns over environmental pollution are increasing. As a solution, ligneous biomass has emerged as a promising alternative fuel in recent times. Therefore, in this study, a moisture evaporation model that largely influences the energy density and efficiency of ligneous biomass is studied using a numerical approach. Furthermore, the thermal characteristics are analyzed in terms of torrefaction temperature and moisture fractions in the wood, and the type of wood species. The results show that the temperature and moisture fractions of wood decrease with an increase in the torrefaction temperature. In particular, when the torrefaction temperature is lower than 423K, there were little changes in the moisture fraction in the wood. Furthermore, it was found that charcoal is produced more slowly as the moisture fraction in the wood increases.
Owing to the Increasing use of fossil fuels, worldwide concerns over environmental pollution are increasing. As a solution, ligneous biomass has emerged as a promising alternative fuel in recent times. Therefore, in this study, a moisture evaporation model that largely influences the energy density and efficiency of ligneous biomass is studied using a numerical approach. Furthermore, the thermal characteristics are analyzed in terms of torrefaction temperature and moisture fractions in the wood, and the type of wood species. The results show that the temperature and moisture fractions of wood decrease with an increase in the torrefaction temperature. In particular, when the torrefaction temperature is lower than 423K, there were little changes in the moisture fraction in the wood. Furthermore, it was found that charcoal is produced more slowly as the moisture fraction in the wood increases.
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문제 정의
그리고 중량 감소 모델을 적용한 목재의 중량감소, 그리고 목재의 열분해 해석 모델을 제시하였다. 또한 주위 환경변화에 따른 바이오매스 연료의 변화특성을 분석하기 위하여 반탄화 온도, 나무의 수분율에 따른 특성을 해석하였고 특히, 다양한 바이오매스(즉, Pinus, Oak, Almond shell, Beech) 종류에 따른 숯(charcoal)의 생성에 대한 연구를 수행하였다.
이 때 (1) 물질과 가스의 체류시간, (2) 챔버 내 가열 온도의 변화, (3) 챔버 내 초기 온도와 압력, (4) 물질의 물리적 성질(수분 함량과 입자의 크기), 그리고 (5) 물질의 화학적 조성 등을 다르게 하여 얻은 실험 결과들로부터 그 경향을 관찰하여 메커니즘을 유도할 수 있다. 물질의 수분증발을 모사하기 위해본 연구에서는 매우 간단한 반응식을 제시하였다. 목질계 바이오매스의 경우 물질의 열분해는 다음과 같은 반응으로 나타낼 수 있다.
본 연구에서는 반탄화 온도에 따른 영향을 알아보기 위하여 슬라브 모양의 펠릿에 대하여 r-방향에 대한 1차원 해석을 수행하였다.
가설 설정
(1) 열과 물질전달 현상은 1차원이다.
(2) 반탄화를 통한 기하학적 변화는 발생하지 않는다.
(5) 결합수(bound water)의 이동은 무시한다.
(6) 수증기의 재응결은 발생하지 않는다.
(8) 가스상에서의 저장된 에너지는 무시한다.
제안 방법
본 연구에서는 반탄화 기술과 관련하여 에너지 효율에 큰 영향을 미치는 수분증발을 모델링하기 위해 one-stage, multi-reaction model을 이용하였다. 그리고 weight loss kinetics를 적용한 목재의 중량감소, 그리고 목재의 열분해 해석 모델을 제시하였다. 또한 주위 환경변화에 따른 바이오매스 연료의 변화특성을 분석하기 위하여 반탄화 온도, 수분율, 그리고 바이오매스 종류에 따른 특성을 해석하였고 주요 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 반탄화 기술과 관련하여 에너지 효율에 큰 영향을 미치는 수분증발을 모델링하기 위해 Blasi(1)가 제시한 반응 메커니즘 중에 one-stage, multi-reaction model을 이용하였다. 그리고 중량 감소 모델을 적용한 목재의 중량감소, 그리고 목재의 열분해 해석 모델을 제시하였다. 또한 주위 환경변화에 따른 바이오매스 연료의 변화특성을 분석하기 위하여 반탄화 온도, 나무의 수분율에 따른 특성을 해석하였고 특히, 다양한 바이오매스(즉, Pinus, Oak, Almond shell, Beech) 종류에 따른 숯(charcoal)의 생성에 대한 연구를 수행하였다.
그리고 weight loss kinetics를 적용한 목재의 중량감소, 그리고 목재의 열분해 해석 모델을 제시하였다. 또한 주위 환경변화에 따른 바이오매스 연료의 변화특성을 분석하기 위하여 반탄화 온도, 수분율, 그리고 바이오매스 종류에 따른 특성을 해석하였고 주요 결과는 다음과 같다.
본 연구에 사용한 모델을 해석하기 위해서는 다음과 같은 고체 상태에서의 화학종, 그리고 에너지 보존 방정식을 풀어야 한다.
본 연구의 해석방법을 검증하기 위하여 Babu and Chaurasia(3)와 Jalan and Srivastava(9)의 해석모델, 그리고 Pyle and Zaror(10)의 실험결과와 비교하였다. 반탄화 온도는 643K, 나무의 초기밀도는 650kg/m3 으로 설정하였으며 각 반응에 관련된 물성치들은 Babu and Chaurasia(3)의 데이터를 참조하였다.
6은 나무(pinus)의 초기 온도가 300K이고 반탄화 온도가 573K일 때, 수분율의 변화에 따른 나무의 온도 변화를 보여주고 있다. 이 때, 나무의 초기 수분율에 따른 변화를 살펴보기 위하여 일반적인 펠릿(pellet)의 수분율 범위인 10~20%에서의 변화를 살펴보았다.
등(6)에 의해 제안된 스킴을 사용하여 건조과정에서 열분해와 동시에 발생하는 추가적인 화학반응을 고려하였다. 특히, 반탄화 반응은 가스(K1), 타르(K2), 그리고 숯(K3)의 3가지 반응을 고려하였다. 아레니우스 타입 (arrhenius-type) 방정식으로 정의된 증발률은 다음과 같이 표현된다.
대상 데이터
반탄화 온도는 643K, 나무의 초기밀도는 650kg/m3 으로 설정하였으며 각 반응에 관련된 물성치들은 Babu and Chaurasia(3)의 데이터를 참조하였다.
이론/모형
본 연구에서는 one stage, multi-reaction model을 사용하였다. 이 때, 단일반응의 형태로 나타낸 고체의 분해 메커니즘을 해석하기 위해 다음과 같은 가정을 사용하였다.
바이오매스의 수치 모사는 매우 복잡하고 화학적 공정으로부터 수학적 모델의 유도와 반응 및 물성 자료 확보의 어려움과 밀접하게 관련되어 있기 때문에 반응 메커니즘의 선택은 매우 중요하다. 본 연구에서는 반탄화 기술과 관련하여 에너지 효율에 큰 영향을 미치는 수분증발을 모델링하기 위해 Blasi(1)가 제시한 반응 메커니즘 중에 one-stage, multi-reaction model을 이용하였다. 그리고 중량 감소 모델을 적용한 목재의 중량감소, 그리고 목재의 열분해 해석 모델을 제시하였다.
본 연구에서는 반탄화 기술과 관련하여 에너지 효율에 큰 영향을 미치는 수분증발을 모델링하기 위해 one-stage, multi-reaction model을 이용하였다. 그리고 weight loss kinetics를 적용한 목재의 중량감소, 그리고 목재의 열분해 해석 모델을 제시하였다.
성능/효과
(1) 반탄화 온도가 상승함에 따라 나무의 온도및 수분율은 각각 빠르게 상승 및 감소한다.
(2) 반탄화 온도가 일정 온도 이하인 경우에는 나무의 수분율이 거의 감소하지 않고, 온도가 매우 높은 경우에는 나무의 밀도가 급격하게 감소한다. 또한, 숯은 반탄화 온도가 매우 높은 경우에 급격히 생성된다.
(3) 나무의 초기 수분율이 낮을수록 나무의 온도 변화가 더 빠르며 수분율은 0%까지 감소한다.
(3) 휘발(volatile)과 수증기는 고체상태에서 열평형 상태이다.
(4) 기공(pore) 안에서 화학종들의 확산 이동은 무시한다.
(4) 나무의 초기 수분율이 높을수록 시간이 지남에 따라 나무의 밀도는 더 천천히 감소하며 숯은 더 느리게 생성된다.
(5) 피너스와 비치의 경우, 시간이 지남에 따라 나무의 밀도가 제일 적게 감소한다.
(7) 고체 투과성은 압력차를 무시할 수 있을 정도로 높다.
나무의 초기 수분율이 10%, 15%, 그리고 20%인 경우 모두 나무의 온도가 500K에 거의 다다른 25초 전후부터 서서히 감소함을 보이고 있다. 25초 이후에는 나무의 온도가 매우 높아짐에 따라 나무의 밀도가 서서히 감소하기 시작하는데, 나무의 초기 수분율이 10%일 때, 나무의 초기 수분율이 15%, 그리고 20%인 경우에 비해 더 빠르게 나무의 밀도가 감소함을 보이고 있다. 마찬가지로 나무의 초기 수분율이 15%인 경우에는 나무의 초기 수분율이 20%인 경우보다 더 빠르게 나무의 밀도가 감소함을 보인다.
나무의 초기 수분율이 각각 10%, 15%, 그리고 20%인 경우, 약 20초 정도 까지는 나무의 온도가 급속도로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 나무의 온도가 증가함에 따라 반탄화 온도와 나무의 온도차가 감소하여 20초 이후에는 나무의 온도가 상당히 높아지게 되고, 온도가 증가하는 속도는 점점 감소하게 된다.
시간이 지남에 따라 아몬드쉘의 경우에는 매우 많은 양의 숯이 생성됨을 확인할 수 있다. 비치, 오크, 그리고 피너스는 각각 언급한 순서대로 많은 양의 숯이 생성되지만, 아몬드쉘에 비해 매우 적은 양의 숯이 생성되는 것을 확인할 수 있다.
이때부터, 나무의 높은 온도에 의해 나무의 열분해 현상에 의해 숯이 생성되기 시작한다. 약 25초 이후에는 매우 높은 나무의 온도에 의해 숯의 밀도가 서서히 증가하게 되고, 시간이 경과함에 따라 나무의 초기 수분율이 10%일 때, 나무의 초기 수분율이 15%, 그리고 20%인 경우에 비해 더 빠르게 숯의 밀도가 증가함을 보이고 있다. 마찬가지로 나무의 초기 수분율이 15%인 경우에는 나무의 초기 수분율이 20%인 경우보다 더 빠르게 숯의 밀도가 증가함을 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있는 배경은 무엇인가?
화석연료의 대대적인 사용으로 인해 발생하는 자연재해 및 환경오염이 심각한 문제로 대두됨에 따라 신재생에너지에 대한 관심이 전 세계적으로 높아지고 있다. 특히 환경문제에 대한 대책으로 바이오매스 에너지의 활용이 대두되고 있다.
환경문제에 대한 대책으로 활용이 대두되는 것은?
화석연료의 대대적인 사용으로 인해 발생하는 자연재해 및 환경오염이 심각한 문제로 대두됨에 따라 신재생에너지에 대한 관심이 전 세계적으로 높아지고 있다. 특히 환경문제에 대한 대책으로 바이오매스 에너지의 활용이 대두되고 있다. 하지만 목질계 바이오매스 연료의 경우 낮은 에너지 밀도, 타 연료 대비 경제성 제고 문제, 흡습으로 인한 저장 문제, 부족한 목재 자원 문제, 수종의 특성과 형상에 다른 성형 문제 등의 다양한 문제점들을 가지고 있다.
바이오매스 에너지 중 목질계 바이오매스 연료의 문제점은?
특히 환경문제에 대한 대책으로 바이오매스 에너지의 활용이 대두되고 있다. 하지만 목질계 바이오매스 연료의 경우 낮은 에너지 밀도, 타 연료 대비 경제성 제고 문제, 흡습으로 인한 저장 문제, 부족한 목재 자원 문제, 수종의 특성과 형상에 다른 성형 문제 등의 다양한 문제점들을 가지고 있다. 국외에서는 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 관련 연구가 활발하게 진행 중이다.
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