반탄화 공정은 약 $250^{\circ}C$정도의 온도에서 진행되는 열화하적 반응으로, 본 반응에 의하여 바이오매스 중에 포함된 헤미세루로스가 분해되고, 휘발성 가스를 생성하여 분리되는 과정이 진행된다. 바이오매스를 반탄화하는 중요한 이유로는 반탄화에 의하여 에너지 집적도(바이오매스 단위 중량에 포함된 열량)가 증가하게 되어 수송 등에 필요한 열량이 감소하는 장점이 있는 반면, 반탄화의 결과로 생산된 반탄화물은 화재 및 분진 폭발의 위험이 높아지는 단점이 있다. 본 연구에서는 바이오매스 연료 중 목질류로서 자연 건조된 폐목재와 초본류로서는 볏짚을 대상으로 약 $200^{\circ}C{\sim}300^{\circ}C$범위의 온도에서 반탄화 실험을 실시하여 반탄화 후 결과물의 연료적 특성을 평가하였다. 특히 C/H(탄소와 수소 비) 및 C/O(탄소와 산소비)는 연료적 특성 중 생물학적 안정성 및 연소시 오염물질(특히 수트, Soot)과 관계되는 요소로서 중요하다. 실험 결과 반탄화에 의하여 C/H는 약 2배 증가하였으며, C/O는 약 3배 증가하였다. 이는 생물학적 안정성은 감소하여 자연적으로 분해(생분해)가 진행되는 어려운 상태로 변화되었으나, 연료 중 수소의 감소에 의하여 휘발성 가스의 생성은 감소할 수 있는 것을 나타낸다. 한편 탄화된 바이오매스의 TGA(Thermogravimetric Analysis)를 실시한 결과, 저온에서의 진행되는 열분해 부분이 상대적으로 감소하였으며, 이는 단순 바이오매스 연료에 비하여 석탄과 연소 특성이 유사할 수 있는 것으로 나타내었다.
반탄화 공정은 약 $250^{\circ}C$정도의 온도에서 진행되는 열화하적 반응으로, 본 반응에 의하여 바이오매스 중에 포함된 헤미세루로스가 분해되고, 휘발성 가스를 생성하여 분리되는 과정이 진행된다. 바이오매스를 반탄화하는 중요한 이유로는 반탄화에 의하여 에너지 집적도(바이오매스 단위 중량에 포함된 열량)가 증가하게 되어 수송 등에 필요한 열량이 감소하는 장점이 있는 반면, 반탄화의 결과로 생산된 반탄화물은 화재 및 분진 폭발의 위험이 높아지는 단점이 있다. 본 연구에서는 바이오매스 연료 중 목질류로서 자연 건조된 폐목재와 초본류로서는 볏짚을 대상으로 약 $200^{\circ}C{\sim}300^{\circ}C$범위의 온도에서 반탄화 실험을 실시하여 반탄화 후 결과물의 연료적 특성을 평가하였다. 특히 C/H(탄소와 수소 비) 및 C/O(탄소와 산소비)는 연료적 특성 중 생물학적 안정성 및 연소시 오염물질(특히 수트, Soot)과 관계되는 요소로서 중요하다. 실험 결과 반탄화에 의하여 C/H는 약 2배 증가하였으며, C/O는 약 3배 증가하였다. 이는 생물학적 안정성은 감소하여 자연적으로 분해(생분해)가 진행되는 어려운 상태로 변화되었으나, 연료 중 수소의 감소에 의하여 휘발성 가스의 생성은 감소할 수 있는 것을 나타낸다. 한편 탄화된 바이오매스의 TGA(Thermogravimetric Analysis)를 실시한 결과, 저온에서의 진행되는 열분해 부분이 상대적으로 감소하였으며, 이는 단순 바이오매스 연료에 비하여 석탄과 연소 특성이 유사할 수 있는 것으로 나타내었다.
Torrefaction is a thermochemical process proceeded at the temperature around $250^{\circ}C$ in an inert gas condition. By torrefaction, the hemicellulose portions contained in biomass are broken down to change into the volatile gas which is removed from biomass eventually. The main purpos...
Torrefaction is a thermochemical process proceeded at the temperature around $250^{\circ}C$ in an inert gas condition. By torrefaction, the hemicellulose portions contained in biomass are broken down to change into the volatile gas which is removed from biomass eventually. The main purpose of biomass torrefaction is to improve the energy density of the biomass to minimize the transport energy consumption, though the flammability can be elevated for transportation. In this study two types of solid biomass fuel, waste wood and rice straw, were torrefied at various temperature range from $200^{\circ}C$ to $300^{\circ}C$ to evaluate the torrefied biomass characteristics. In addition torrefied biomass were tested to evaluate the combustion characteristics using TGA (Thermogravimetric Analysis). After the torrefaction of biomass, the C/H (carbon to hydrogen ratio) and C/O (carbon to oxygen ratio) were measured for aquisition of bio-stability as well as combustion pattern. Generally C/H ratio implies the soot formation during combustion, and the C/O ratio for bio-stability. By torrefaction temperature at $300^{\circ}C$, C/H ratio and C/O ratio were increased by two times for C/H and three times for C/O. The torrefied biomass showed similar TGA pattern to coal compared to pure biomass; that is, less mass decrease at lower temperature range for torrefied biomass than the pure biomass.
Torrefaction is a thermochemical process proceeded at the temperature around $250^{\circ}C$ in an inert gas condition. By torrefaction, the hemicellulose portions contained in biomass are broken down to change into the volatile gas which is removed from biomass eventually. The main purpose of biomass torrefaction is to improve the energy density of the biomass to minimize the transport energy consumption, though the flammability can be elevated for transportation. In this study two types of solid biomass fuel, waste wood and rice straw, were torrefied at various temperature range from $200^{\circ}C$ to $300^{\circ}C$ to evaluate the torrefied biomass characteristics. In addition torrefied biomass were tested to evaluate the combustion characteristics using TGA (Thermogravimetric Analysis). After the torrefaction of biomass, the C/H (carbon to hydrogen ratio) and C/O (carbon to oxygen ratio) were measured for aquisition of bio-stability as well as combustion pattern. Generally C/H ratio implies the soot formation during combustion, and the C/O ratio for bio-stability. By torrefaction temperature at $300^{\circ}C$, C/H ratio and C/O ratio were increased by two times for C/H and three times for C/O. The torrefied biomass showed similar TGA pattern to coal compared to pure biomass; that is, less mass decrease at lower temperature range for torrefied biomass than the pure biomass.
본 연구에서는 국내에서 생산되는 폐바이오매스인 폐목재 및 볏짚을 온도 및 가열시간을 변화시켜가며 반탄화를 실시하여 생성물의 연료적 특성을 조사하였다. 또한 생산된 바이오매스 반탄화물의 연소적 특성을 조사하기 위하여, TGA(Thermogravimetric Analysis)를 실시하였으며, 결과를 석탄의 연소특성과 비교⋅검토하였다.
본 연구에서는 국내에서 생산되는 폐바이오매스인 폐목재 및 볏짚을 온도 및 가열시간을 변화시켜가며 반탄화를 실시하여 생성물의 연료적 특성을 조사하였다. 또한 생산된 바이오매스 반탄화물의 연소적 특성을 조사하기 위하여, TGA(Thermogravimetric Analysis)를 실시하였으며, 결과를 석탄의 연소특성과 비교⋅검토하였다.
제안 방법
각각의 반탄화 생성물은 TGA 실험을 실시하여 온도별 중량감소를 평가하였다. 본 방법은 20℃에서 약 1000℃까지 온도를 증가시켜가며, 대상 시료의 중량감소를 측정하는 방법으로 열분해를 통하여 휘발성 가스로 전환되는 비율 및 고형탄소로 전환되어 고온에서 고체연소가 진행되는 부분을 알 수 있게 한다.
위의 TGA(Thermogravimetric Analysis) 연소실험 장치는 본 실험을 위하여 시료의 량을 약 50 g까지 이용할 수 있도록 특별히 제작된 것으로, 본 연구에서는 약 20g∼30 g 정도의 시료로 실험을 실시하였다. 산화제로는 공기를 이용하였으며, 공기공급은 열분해⋅연소과정 중 연소가스 채취를 위한 흡입에 따라 연소로 내부에 발생되는 부압에 의하여 자연적으로 외부공기가 공급될 수 있도록 하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 반탄화를 위한 바이오매스로서 폐목재 및 볏짚을 이용하였으며, 각각의 3성분 및 원소분석결과는 [Table 2]에 나타나있다. 특히 자연건조의 상태의 폐목재는 일반목재와 비교하여 상대적으로 수분함유량이 낮았으며, 펠렛과 유사한 정도의 발열량 및 수분함유량(약 10%)을 나타내었다.
성능/효과
1. 반탄화는 바이오매스 중 헤미세루로스를 열분해하여 분리⋅배출시키는 열적처리방법으로, 초본류인 볏짚이 폐목재에 비하여 낮은 온도 및 짧은 가열시간에서 탄화가 진행되었다. 또한 목재류를 반탄화하기 위한 최소온도는 250℃이상이며, 300℃이상이 바람직하였으며, 전체적인 반탄화 반응은 가열시간보다 온도가 중요한 요소로 생각된다.
4. 반탄화된 바이오매스 연료의 경우, 반탄화 과정 중 휘발성 탄소가 감소하여 석탄과의 혼소에 유리하다는 장점을 나타낸다. 특히 목질류 바이오매스 연료의 경우 상대적으로 회분이 낮고, 반탄화 후 (300℃ 및 40분 이상) 석탄과 유사한 TGA 곡선 형태를 나타내므로, 기존 바이오매스의 석탄발전 혼소량에 비하여 많을 량을 혼합할 수 있다.
즉 반탄화 반응에서 가열온도의 조건이 가열시간보다 중요하다는 것을 나타내는 것으로 사료되었다. 즉 볏짚의 경우 반탄화 온도를 300℃로 하는 경우, 40분의 가열온도로도 이미 반탄화가 거의 완료된 상태로 사료되었으나, 폐목재의 경우는 300℃의 반탄화 온도에서 가열시간에 따른 휘발성 탄소 및 고정탄소의 변화가 관찰되었으며, 이는 추가적으로 높은 온도의 반탄화 또는 1시간이상의 가열시간이 바람직 할 수 있다는 것을 의미할 수 있다.
10) 석탄의 TGA 곡선은 초기에 휘발성 탄소에 의한 적은 중량감소가 진행된 후, 상대적으로 고온에서 고정탄소의 열분해가 진행된다. 즉 석탄의 TGA 곡선은 바이오매스의 TGA 곡선보다는 탄화된 바이오매스의 TGA 곡선과 유사한 것으로 생각되며, 석탄과 바이오매스를 혼소하는 경우, 바이오매스를 탄화하여 이용하는 것이 바람직하다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오매스를 반탄화하는 중요한 이유는 무엇인가?
반탄화 공정은 약 $250^{\circ}C$정도의 온도에서 진행되는 열화하적 반응으로, 본 반응에 의하여 바이오매스 중에 포함된 헤미세루로스가 분해되고, 휘발성 가스를 생성하여 분리되는 과정이 진행된다. 바이오매스를 반탄화하는 중요한 이유로는 반탄화에 의하여 에너지 집적도(바이오매스 단위 중량에 포함된 열량)가 증가하게 되어 수송 등에 필요한 열량이 감소하는 장점이 있는 반면, 반탄화의 결과로 생산된 반탄화물은 화재 및 분진 폭발의 위험이 높아지는 단점이 있다. 본 연구에서는 바이오매스 연료 중 목질류로서 자연 건조된 폐목재와 초본류로서는 볏짚을 대상으로 약 $200^{\circ}C{\sim}300^{\circ}C$범위의 온도에서 반탄화 실험을 실시하여 반탄화 후 결과물의 연료적 특성을 평가하였다.
반탄화 공정에 의해 무엇이 진행되는가?
반탄화 공정은 약 $250^{\circ}C$정도의 온도에서 진행되는 열화하적 반응으로, 본 반응에 의하여 바이오매스 중에 포함된 헤미세루로스가 분해되고, 휘발성 가스를 생성하여 분리되는 과정이 진행된다. 바이오매스를 반탄화하는 중요한 이유로는 반탄화에 의하여 에너지 집적도(바이오매스 단위 중량에 포함된 열량)가 증가하게 되어 수송 등에 필요한 열량이 감소하는 장점이 있는 반면, 반탄화의 결과로 생산된 반탄화물은 화재 및 분진 폭발의 위험이 높아지는 단점이 있다.
바이오매스 연료를 반탄화할 경우 어떤 단점이 있는가?
반탄화 공정은 약 $250^{\circ}C$정도의 온도에서 진행되는 열화하적 반응으로, 본 반응에 의하여 바이오매스 중에 포함된 헤미세루로스가 분해되고, 휘발성 가스를 생성하여 분리되는 과정이 진행된다. 바이오매스를 반탄화하는 중요한 이유로는 반탄화에 의하여 에너지 집적도(바이오매스 단위 중량에 포함된 열량)가 증가하게 되어 수송 등에 필요한 열량이 감소하는 장점이 있는 반면, 반탄화의 결과로 생산된 반탄화물은 화재 및 분진 폭발의 위험이 높아지는 단점이 있다. 본 연구에서는 바이오매스 연료 중 목질류로서 자연 건조된 폐목재와 초본류로서는 볏짚을 대상으로 약 $200^{\circ}C{\sim}300^{\circ}C$범위의 온도에서 반탄화 실험을 실시하여 반탄화 후 결과물의 연료적 특성을 평가하였다.
참고문헌 (10)
B. Schlamadinger, J. Spitzer, and G.H. Kohlmaier, "Carbon balance of bioenergy from logging residues", Biomass & Bioenergy, 8(4), pp. 221-234(1995).
David Tilman, Jason Hill, and Clarence Lehman, "Carbon-Negative Biofuels from Low-Input High-Diversity Grassland Biomass", Science, 314(5805), pp. 1598-1600. (2006).
Mark J. Prins, Krzysztof J. Ptasinski, Frans J.J.G. Janssen, "Torrefaction of wood: Part 1. - Weight loss kinetics", Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 77(1), pp. 28-34. (2006)
Mark J. Prins, Krzysztof J. Ptasinski, Frans J.J.G. Janssen, "A study of chemical structure of soft and hardwood and wood polymers by FTIR spectroscopy", Journal of Applied Polymer Science, 71(12), pp.1969-1975. (1999).
Zhou, H., Long, Y.Q, Meng, A.H., Li, Q.H., and Zhang, Y.G., "The pyrolysis simulation of five biomass species by hemi-cellulose, cellulose and lignin based on thermogravimetric curves", Thermochimica Acta, 566, pp. 36-43. (2013).
Levente C., Attila L. and Andrea W., "Sonochemically Modified Wheat Straw for Pulp and Papermaking to Increase Its Economical Performance and Reduce Environmental Issue", BioResource, 3(1), pp. 91-97. (2009).
George W. Huber, and Avelino Corma, "Synergies between Bio- and Oil Refineries for the Production of Fuels from Biomass", Angewandte Chemie International Edition, 46(38), pp. 7184-7201 (2007).
Dereca Watkins, Md. Nuruddin, Mahesh Hosur, Alfred Tcherbi-Narteh, and Shaik Jeelani, "Extraction and characterization of lignin from different biomass resource", Journal of Materials Research and Technology, 4(1), pp. 26-32. (2015).
Li, S. Whitely, N., Xu, W., and Pan, W.P., Characterization of Coal by Thermal Analysis MethodsThermal Analysis Laboratory, Materials Characterization Center, Western Kentucky University (1998).
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