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문제 정의
- 또한 국내 발전사업자들의 RPS제도 이행 목표치의 상향 조정을 위하여 단순한 목재펠릿에만 의존한 혼소 방식을 지양하고 반탄화시켜 제조한 bio-coal의 사용을 위한 연구가 필요하다. 따라서 말레이시아와 인도네시아 등지를 중심으로 대량 발생하고 있는 팜유 부산물인 EFB와 PKS의 활용도를 높이고, 발전사업자들의 RPS제도 추가 이행에 도움이 될 수 있도록 EFP와 PKS에 대한 반탄화 기술 적용에 관한 연구를 수행하였다. 즉, 반탄화 처리를 통하여 오일팜 바이오매스의 발열량을 증가 시킴과 동시에 에너지 밀도를 높이기 위한 최적의 조건을 탐색하고자 하였다.
- 따라서 말레이시아와 인도네시아 등지를 중심으로 대량 발생하고 있는 팜유 부산물인 EFB와 PKS의 활용도를 높이고, 발전사업자들의 RPS제도 추가 이행에 도움이 될 수 있도록 EFP와 PKS에 대한 반탄화 기술 적용에 관한 연구를 수행하였다. 즉, 반탄화 처리를 통하여 오일팜 바이오매스의 발열량을 증가 시킴과 동시에 에너지 밀도를 높이기 위한 최적의 조건을 탐색하고자 하였다.
제안 방법
- EFB와 PKS를 반탄화시킨 후 반탄화 전후 연소 특성을 알아보기 위하여 열중량분석 (Thermal Gravimetric Analysis, TGA)을 하였다. 열중량분석기 (SDT Q600, TA, USA)는 반응기 내부 직경이 20 mm이다.
- EFB와 PKS를 반탄화시킨 후 반탄화 전후의 발열량 측정은 자동 열량계 (Parr 6400, Germany)로 시료를 연소시키는 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.
- 05 L/min되게 조절하였다. 반응조 내부의 승온 속도는 10℃/min이고, 반탄화 온도는 200, 250, 300℃까지 승온시킨 후 그 온도에서 각각 30분, 60분 동안 반탄화 시켰다.
- EFB와 PKS를 반탄화시킨 후 반탄화 전후의 발열량 측정은 자동 열량계 (Parr 6400, Germany)로 시료를 연소시키는 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.
- 반탄화 처리 시료의 원소분석은 원소분석기(Leco company Model CHNS-932)를 사용하였다. 시료를 1 mm 금속망 체를 통과하는 크기로 잘게 부순 후 100 mg 을 취하여 원소분석기를 이용하여 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 그리고 황(S) 함량을 측정하였다. 산소 함량은 아래의 식 (4)를 사용하여 계산하였다.
- 저울의 정확도는 1 ㎍이며 모든 조건에서 사용된 가스는 질소를 사용하였고, 그 유량은 100 mL/min으로 연소반응시 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 DSC (Differential Scanning Calorimetry, DSC) 값을 구하였다.
- 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.
- 활엽수 칩, EFB, 그리고 PKS를 반탄화시킨 후 반탄화 전후의 회분 분석은 국립산림과학원의 “목재펠릿 품질 규격”에 근거하여 분석하였다.
대상 데이터
- 경상대학교 펄프종이신소재연구실에서 제조한 반탄화 장치를 이용하여 준비된 시료들을 반탄화 시키는데 이용하였다(Fig. 2 참조). 반탄화 장치의 반응조 내부를 무산소 상태로 만들기 위해 사용된 불활성 가스는 질소를 사용하였고, 질소 가스가 반응조 내부로 통과시 유량은 0.
- 그리고 비교 실험을 위해 국내산 참나무(Quercus variabillis) 칩을 사용하여 반탄화 실험에 이용하였다.
- 반탄화 실험을 위해 인도네시아 팜유 추출 및 정제 공정에서 부산물로 발생하는 EFB와 PKS를 사용하였다(Fig. 1 참조). EFB는 변패로 인하여 고함수율 상태 (약 60% 이상)로 국내로 반입될 수 없기 때문에 함수율 약 10% 수준으로 자연 건조시켜 들여온 것을 사용하였다.
- 2 참조). 반탄화 장치의 반응조 내부를 무산소 상태로 만들기 위해 사용된 불활성 가스는 질소를 사용하였고, 질소 가스가 반응조 내부로 통과시 유량은 0.05 L/min되게 조절하였다. 반응조 내부의 승온 속도는 10℃/min이고, 반탄화 온도는 200, 250, 300℃까지 승온시킨 후 그 온도에서 각각 30분, 60분 동안 반탄화 시켰다.
이론/모형
- 반탄화 전후 EFB와 PKS의 고유 수분, 고정탄소, 회분, 그리고 휘발분을 측정을 위해 한국산업규격 KS E 3705를 근거하여 공업분석기(Leco company TGA701) 를 이용하여 분석하였다. 일반적으로 연소용 연료는 수분+회분+휘발분+고정탄소=100으로 계산되며, 수분, 회분, 그리고 휘발분의 분석 결과를 이용하여 고정 탄소를 계산할 수 있다.
성능/효과
- 반탄화 온도가 증가할수록 수소와 산소의 함량 감소는더 크게 일어났다. 결과적으로 H/C와 O/C와 같은 원소비(atomic ratio)가 온도 증가와 함께 감소하였다. 질소 함량은 예외적으로 큰 변화 없이 일정한 수준으로 유지되었다.
- 결론적으로 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 경우 질량수율이 에너지 수율에 비해서 더 크게 감소하기 때문에 효율적인 에너지원이 될 수 있는 것이다. 이와 같은 사실은 에너지 밀도(energy densification)의 계산을 통해서도 쉽게 알 수 있다.
- 7% 수준으로 증가하였다. 결론적으로 오일팜 바이오매스의 회분 함량은 반응시간 보다는 반응온도에 더 민감하게 영향을 받는 것으로 판단되었다.
- 반탄화 전후의 오일팜 바이오매스와 활엽수 칩의 고정탄소, 휘발분, 고유수분, 그리고 회분 함량의 변화를 측정하여 Table 2에 나타내었다. 공업분석의 결과를 통해 보면 활엽수 칩과는 달리 PKS와 EFB는 반탄화전과 비교하여 반탄화와 함께 회분 함량이 크게 증가하였다. PKS는 반탄화 온도와 반응시간에 따라 반탄화전 1.
- 반탄화 전후 활엽수 칩, EFB, 그리고 PKS의 원소분석 결과를 Table 1에 요약하였다. 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 종류에 관계없이 반탄화 진행되면서 탄소 함량은 증가하고 수소와 산소 함량은 감소하였다. 반탄화 온도가 증가할수록 수소와 산소의 함량 감소는더 크게 일어났다.
- 6은 200℃, 250℃, 그리고 300℃에서 30분과 60분 동안 반탄화를 시킨 활엽수 칩, PKS, 그리고 EFB 의 질량수율과 에너지 수율 변화를 보여 준다. 바이오매스의 종류와 관계없이 각각의 반탄화 온도와 시간별로 에너지 수율은 질량 수율보다 더 크게 나타났다. 특히 반탄화 온도가 높아질수록 질량수율과 에너지 수율의 차이는 더 크게 벌어지는 것을 확인할 수 있다.
- 특히 반탄화 온도가 높아질수록 질량수율과 에너지 수율의 차이는 더 크게 벌어지는 것을 확인할 수 있다. 반탄화 반응 시간이 30분에서 60분으로 증가하면 질량수율이나 에너지 수율에 있어서 큰 차이를 보이지 않았지만, 활엽수 칩의 경우 PKS와 EFB와는 달리 반응시간이 30분에서 60분으로 증가하였을 때 250℃이상의 온도에서 질량수율과 에너지 수율 모두에서 급격한 감소 현상이 발생하였다. 이는 질량 수율이 에너지 수율에 비례적으로 영향을 미치기 때문에 고온과 긴 반응시간이 활엽수 칩에 포함된 수분과 휘발성 물질, 그리고 헤미셀룰로오스의 과량 제거를 일으켜 급격한 감소를 초래한 것으로 사료된다.
- 반탄화 반응시간을 30분과 60분으로 달리하였을 때 발열량의 차이는 크게 나타나지 않았기 때문에 30분 정도의 반응 시간이면 반탄화 효과를 얻는데 충분한 시간인 것으로 판단되었다. 그리고 반탄화 온도의 경우 250℃에서 300℃로 높일지라도 발열량 상승효과가 거의 나타나지 않았다.
- 하지만 EFB는 반응온도 200℃에서부터 휘발성 물질이 빠르게 감소하는 경향을 보였는데, 이는 원료의 성상이 활엽수 칩과 PKS와는 달리 섬유상 형태로 되어 있기 때문인 것으로 보인다. 연료 효율성 면에서 본다면 EFB는 고정탄소와 회분 함량을 중심으로 비교하였을 때 250℃이상의 고온 상태에서 반탄화 시키기 보다는 200℃정도의 온도에서 30분 정도로 짧은 시간 안에 반탄화 시키는 것이 더 바람직한 것으로 판단되었다.
- 5는 활엽수 칩, EFB, 그리고 PKS를 30분과 60분 동안 각각 반탄화시킨 후 고위발열량 변화를 나타낸 그래프이다. 하지만 반탄화 과정을 거치면서 PKS와 EFB는 반탄화 온도 200℃에서부터 발열량이 23 MJ/kg(=5,500 kcal/kg) 이상으로 크게 상승하여 250℃와 300℃에서 반탄화 전 발열량에 비해 약 1.5배 이상 증가하였고, 활엽수 칩의 경우에는 250℃부터 발열량이 28 MJ/kg(=6,700 kcal/kg) 수준으로 크게 향상되었다. 참고로 아역청탄의 발열량은 19.
후속연구
- 결론적으로 용도가 너무나 다양한 목재의 활용도를 높이기 위해서는 펠릿 제조에 사용되는 목재의 사용량을 줄이고, 목재를 대체할 수 있는 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 사용이 매우 필요한 시점이다. 또한 국내 발전사업자들의 RPS제도 이행 목표치의 상향 조정을 위하여 단순한 목재펠릿에만 의존한 혼소 방식을 지양하고 반탄화시켜 제조한 bio-coal의 사용을 위한 연구가 필요하다.
- 결론적으로 용도가 너무나 다양한 목재의 활용도를 높이기 위해서는 펠릿 제조에 사용되는 목재의 사용량을 줄이고, 목재를 대체할 수 있는 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 사용이 매우 필요한 시점이다. 또한 국내 발전사업자들의 RPS제도 이행 목표치의 상향 조정을 위하여 단순한 목재펠릿에만 의존한 혼소 방식을 지양하고 반탄화시켜 제조한 bio-coal의 사용을 위한 연구가 필요하다. 따라서 말레이시아와 인도네시아 등지를 중심으로 대량 발생하고 있는 팜유 부산물인 EFB와 PKS의 활용도를 높이고, 발전사업자들의 RPS제도 추가 이행에 도움이 될 수 있도록 EFP와 PKS에 대한 반탄화 기술 적용에 관한 연구를 수행하였다.
- 4 참조)에서 살펴본 바와 같이 탄소 함량의 증가와 함께 산소 함량의 감소에 기인함을 알 수 있다. 오일팜 바이오매스에 대한 반탄화 처리는 RPS제도를 이행해야 하는 발전사업자들 입장에서 반탄화를 시키지 않은 목재펠릿만을 사용하는 것 보다 더 많은 신재생에너지를 사용할 수 있기 때문에 반탄화 처리에 드는 추가 비용을 상쇄하고도 영업적 이익을 올릴 수 있을 것으로 판단된다. Bergman 의 연구9)에 따르면 일반 펠릿과 반탄화된 톱밥으로 제조한 펠릿의 경제성을 비교하였을 때 초기 투자비용은 반탄화된 펠릿 제조에 더 많이 소요되지만 에너지 비용으로 환산하였을 경우 반탄화된 펠릿이 더 경제적이었다.
- 5 수준의 큰 에너지 밀도를 나타내었다. 이상의 결과로 볼 때 오일팜 바이오매스인 PKS와 EFB는 원료 그 자체로 사용하기 보다는 반탄화 처리를 하여 사용한다면 석탄과의 혼소량을 늘리는데 기여할 수 있을 뿐만 아니라 RPS제도 이행에도 큰 도움이 될 것으로 예상된다.
- Bergman 의 연구9)에 따르면 일반 펠릿과 반탄화된 톱밥으로 제조한 펠릿의 경제성을 비교하였을 때 초기 투자비용은 반탄화된 펠릿 제조에 더 많이 소요되지만 에너지 비용으로 환산하였을 경우 반탄화된 펠릿이 더 경제적이었다. 하지만 Bergman은 RPS 이행에 따른 추가적인 비용 절감 부분을 고려하지 않았기 때문에 원료 구입비용이 저렴하고 반탄화된 오일팜 바이오매스를 사용한다면 RPS 이행에 따른 경제적 이익과 함께 훨씬 더 경제적인 이익을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
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