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[국내논문] 사탕수수 부산물의 반탄화 특성에 관한 연구
Study on Torrefaction Characteristics of Baggase 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.52 no.5, 2014년, pp.672 - 677  

(공주대학교 기계자동차공학부) ,  김원태 (공주대학교 기계자동차공학부) ,  엄태인 (한밭대학교 건설환경공학과) ,  오세천 (공주대학교 환경공학과)

초록
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반탄화$200{\sim}300^{\circ}C$의 불활성분위기에서 바이오매스를 전처리하는 열처리공정이며 이러한 반탄화 공정은 바이오 매스에 함유된 섬유질성분의 분해온도에 크게 영향을 받은 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 사탕수수 부산물의 반탄화 특성에 관한 연구를 수행하였으며 반탄화 온도 및 반탄화 시간에 따른 에너지 수율, 발열량 및 발생가스 그리고 가연분과 회분의 관계에 중점을 두었다. 또한 본 연구에서는 TGA(Thermogravimetric Analyzer)를 이용한 사탕수수 부산물의 반탄화 반응에 대한 활성화 에너지의 변화도 함께 고찰하였다. 본 연구로부터 반탄화 온도에 따라 회분 및 발열량은 증가하였으나 가연분 및 에너지 수율은 감소하였으며 또한 산소성분을 함유한 일산화탄소가 탄화수소 화합물, $C_xH_y$ 보다 더 낮은 온도에서 분해되기 시작하는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Torrefaction is a thermal treatment process to pre-treat biomass at temperature of $200{\sim}300^{\circ}C$ under an inert atmosphere. It was known that torrefaction process strongly depended on the decomposition temperature of the lignocellulosic constituents in biomass. In this work, the...

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문제 정의

  • 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 비록 에너지밀도는 탄화물에 비하여 다소 낮으나 에너지수율이 상대적으로 높은 반탄화(Torrefaction) 기술이 제안되어 에너지수지, 반탄화물의 분쇄 및 연료특성에 관한 연구가 수행되었으며[6,7] 최근에는 석탄과 혼소를 통한 이용확대와 더불어 완전 탄화물의 생산과정에서 소비되는 에너지에 비하여 상대적으로 낮은 에너지가 소요되는 반탄화에 대한 관심 및 연구 개발이 확산되고 있다[8-15]. 따라서 본 연구에서는 사탕수수 부산물(Baggase)에 대한 반탄화 기술의 적용 가능성을 검토하기 위하여 반탄화 온도 및 시간에 따른 사탕수수 부산물의 반탄화 특성을 연구하였다. 이를 위하여 온도 및 시간에 따른 탄화물의 물성변화와 에너지수율의 변화 및 탄화과정에서 발생되는 가스 등을 분석하였으며 또한 TGA(Thermogravimetric Analyzer)를 이용한 반탄화 반응의 활성화 에너지의 변화도 함께 고찰하였다.
  • 2로부터 사탕수수 부산물의 주요 질량감소 범위를 확인할 수는 있었으나 탄화물의 에너지수율 측면을 고려할 때 너무 과도한 질량감소는 오히려 너무 낮은 에너지수율의 결과를 가져오게 됨으로 반탄화물의 성분 및 발열량 등을 고려하여 최적의 에너지수율을 얻기 위한 반탄화 조건을 결정하는 것이 필요하다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 각 시료의 전체 열분해 반응에 대한 질량감소 속도의 분석보다는 일반적으로 고려될 수 있는 반탄화 반응의 범위에서 활성화 에너지를 고찰하기 위하여 수분이 완전히 증발된 이후 30%의 질량감소율 범위에 한정하여 분석연구를 수행하였다. 탄화가 진행되는 열분해과정의 전화율에 대한 속도식은 Arrhenius 형태의 n 차식으로 가정하였을 때, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
  • 본 연구에서는 사탕수수 부산물의 탄화과정에서 발생되는 가스의 특성을 고찰하기 위하여 탄화온도에 따라 발생되는 가스성분을 분석하였으며 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 발생가스 분석에 있어서 본 연구에 사용된 가스 분석기의 경우 이산화탄소의 실시간 분석이 불가능하였다.
  • 발생가스 분석에 있어서 본 연구에 사용된 가스 분석기의 경우 이산화탄소의 실시간 분석이 불가능하였다. 따라서 본 연구에서는 산소성분이 함유된 가스성분의 발생특성을 고찰하기 위하여 이산화탄소를 대신하여 발생가스 중의 일산화탄소를 분석하였다. Fig.
  • 본 연구에서는 사탕수수 부산물에 대한 반탄화 기술의 적용 가능성을 검토하기 위하여 사탕수수 부산물의 반탄화 특성을 연구하였으며 이로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
해당 연구에서 사용된 사탕수수 부산물의 성분은 어떠하였는가? 본 연구에 사용된 사탕수수 부산물 시료의 특성을 Table 1에 나타내었다. Table 1로부터 사탕수수 부산물의 경우 탄소와 수소성분이 각각 약 44.8과 5.8%임을 확인할 수 있었으며 나머지 원소성분의 경우에있어서는일반바이오매스의경우와유사하게산소성분이대부분을 차지할 것으로 판단된다. 또한 수분의 경우 약 10.2% 그리고 가연분의 경우 약 88.9%가 함유되어 있는 것으로 나타났으며 회분은 매우 소량 함유되어 있는 것으로 나타났다.
반탄화(Torrefaction) 기술은 바이오 탄화물 활용에서 어떤 단점을 해결하기 위해 제안되었는가? 그러나 이러한 바이오 탄화물의 경우 탄화하는 과정에서 가연성 성분이 가스로 분해되어 감소됨에 따라 에너지손실이 적지 않게 발생하는 단점이 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 비록 에너지밀도는 탄화물에 비하여 다소 낮으나 에너지수율이 상대적으로 높은 반탄화(Torrefaction) 기술이 제안되어 에너지수지, 반탄화물의 분쇄 및 연료특성에 관한 연구가 수행되었으며[6,7] 최근에는 석탄과 혼소를 통한 이용확대와 더불어 완전 탄화물의 생산과정에서 소비되는 에너지에 비하여 상대적으로 낮은 에너지가 소요되는 반탄화에 대한 관심 및 연구 개발이 확산되고 있다[8-15].
석탄 화력발전소에서 바이오 탄화물의 사용은 어떤 이점을 지니는가? 그러나 해외로부터 바이오매스를 수입하기 위해서는 운송 및 보관비용의 부담이 적지 않으며 따라서 이러한 비용절감을 위하여 에너지 밀도가 높은 바이오매스 연료의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정에 있다. 기존의 석탄 화력발전소에서 이러한 바이오 탄화물을 사용하는데 있어서의 이점은 탄소평형을 이루는 재생에너지라는 측면과 함께 일반 바이오매스 연료에 비하여 상대적으로 높은 에너지밀도 그리고 석탄과 유사한 물리적 특성 및 일반 바이오매스에 비하여 품질관리가 용이하고 발수성 및 안정성으로 인한 보관이 용이하다는 점이다. 이와 같은 이유로 최근 선진국을 중심으로 바이오 탄화물의 이용에 대한 관심이 급증하고 있다.
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참고문헌 (17)

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