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반탄화 환경변화에 따른 바이오매스의 수분증발에 관한 연구
Investigation of Water Evaporation from Biomass with Different Torrefaction Environments 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.10 = no.337, 2013년, pp.901 - 909  

고건영 (전북대학교 항공우주공학과) ,  김만영 (전북대학교 항공우주공학과) ,  이창엽 (한국생산기술연구원) ,  김세원 (한국생산기술연구원)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (10)

  1. Blasi, C., 1993, "Modeling and Simulation of Combustion Processes of Charring and Non-charring Solid Fules," Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 19, No. 5, pp. 71-104. 

  2. Blasi, C., 1996, "Heat, Momentum and Mass Transport Through a Shrinking Biomass Particle Exposed to Thermal Radiation," Chemical Engineering Science, Vol. 51, No. 7, pp. 1121-1132. 

  3. Babu, B. V. and Chaurasia, A. S., 2004, "Pyrolysis of Biomass: Improved Models for Simultaneous Kinetics and Transport of Heat, Mass and Momentum," Energy Conversion and Management, Vol. 45, Nos. 9-10, pp. 1297-1327. 

  4. Prins, M. J., Ptasinski, K. J. and Janssen, F. J. J. G., 2006, "Torrefaction of Wood. Part 1: Weight Loss Kinetics," Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Vol. 77, No. 1, pp. 28-34. 

  5. Turner, I., Rousset, P., Remond, R. and Perre, P., 2010, "An Experimental and Theoretical Investigation of the Thermal Treatment of Wood (Fagus Sylvatica L.) in the Range $200-260^{\circ}C$ ," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 53, No. 4, pp. 715-725. 

  6. Chan, W. C. R., Kelbon, M. and Krieger, B. B., 1985, "Modelling and Experimental Verification of Physical and Chemical Processes During Pyrolysis of a Large Biomass Particle," Fuel, Vol. 64, No. 11, pp. 1505-1513. 

  7. Felfli, F. F., Soler, P. B. and Rocha, J. D., 2004, "Mathmatical Modelling of Wood and Briquettes Torrefaction," Proceedings of the 5th Encontro de Energia no Meio Rural, Campinas, Spain, October 19-21. 

  8. Thurner, F. and Mann, U., 1981, "Kinetic Investigation of Wood Pyrolysis," Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, Vol. 20, No. 3, pp. 482-488. 

  9. Jalan, R. K. and Srivastava, V. K., 1999, "Studies on Pyrolysis of a Single Biomass Cylindrical Pellet-Kinetics and Heat Transfer Effects," Energy Conversion & Management, Vol. 40, No. 5, pp. 467-494. 

  10. Pyle, D. L. and Zaror, C. A., 1984, "Heat Transfer and Kinetics in the Low Temperature Pyrolysis of Solids," Chemical Engineering Science, Vol. 39, No. 1, pp. 147-158. 

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