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초임계 유체 기반 액화공정에 의한 바이오연료 생산 기술 원문보기

기계저널 : 大韓機械學會誌, v.55 no.7, 2015년, pp.32 - 36  

김재훈 (성균관대학교 기계공학부 & 성균나노과학기술연구원)

초록
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최근 화석 연료의 과다 사용에 따른 에너지 자원 고갈 및 환경오염에 대한 우려가 증가함에 따라 비화석연료 기반의 재생가능하고 지속가능하며, 환경친화성이 높은 에너지에 대한 관심이 급증하고 있다. 농산폐기물, 폐목재, 에너지작물, 도시고형폐기물, 미세조류, 거대조류 등 육상 및 해상에서 발생하는 바이오매스는 재생가능한 에너지원으로서 화석원료와는 달리 사용 후 발생하는 이산화탄소를 다시 흡수하는 탄소중립(carbon-nutral)의 특성을 갖고 있어 전세계적으로 많은 주목을 받고 있다. 바이오연료 중 당질계원료를 이용하는 바이오에탄올 및 식물성유지를 이용하는 바이오디젤은 현재 상업적인 생산이 이루어지고 있으나, 이들 1세대 바이오연료는 식량자원과의 경쟁이라는 원천적인 한계를 가지고 있고, 분자구조식에 산소를 포함하고 있기 때문에 기존 화석원료에서 출발하는 가솔린, 항공유 및 디젤과 비교하였을 때 에너지 함량이 낮은 단점이 있다. 따라서 기존 1세대 바이오연료에서 탈피하여, 식량자원과 경쟁이 없으며, 또한 분자구조식에 산소를 적게 포함하거나 아예 포함하지 않는 바이오연료("drop-in" 바이오연료) 생산에 많은 관심이 집중되고 있다. 이 글에서는 최근 그린공정으로 대표되는 초임계 유체를 이용한 "drop-in" 바이오연료를 제조하기 위한 바이오매스 액화의 기술동향을 소개하고자 한다.

AI 본문요약
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제안 방법

  • 1997-2000년“HTU Process Develop Project”에 정부 및 Shell, Stork E&C, TNO, BTG, Biofuel의 민간부분에서 총 137억 원을 투자하여 200kg/day급 pilot-scale 연속 HTU 공정을 개발하였다.
  • 켓릭 공정은 2006년부터 덴마크의 SFC technologies 사, Aarhus 대학 및 Aalborg 대학에 의해 개발되기 시작하였으며 2007년 덴마크 Herlev지역에 100kg/h급 pilotscale 공정을 구축하였다. 개발 초기에 이 공정은 바이오에탄올 공정과 연계되어 에탄올 증류공정 부산물을 280-370℃ 및 18-25MPa의 아임계수에서 K2CO2/KOH 또는 ZrO2를 촉매로 이용하여 전환하는 연구를 수행하였다. 생산된 바이오오일의 발열량은 33-38 MJ/kg, 산소함량은 2-12wt%이었으며, 전 공정의 에너지 효율은 70-90%로 매우 높았다.
  • 열전환 공정은 1998년 미국 필라델피아의 Naval Business Center에서 7ton/day급 파일럿 규모 공정을 설치하여 운영하는 것으로 시작하였다. 주로 동물성 유지 및 도시 고형 폐기물로부터 수송용 연료를 생산하는 연구를 수행하였다. 이후 2000년 Renewable Energy Solution 사에서 이 공정을 인수하여 240억 원을 투자하여 미국 미주리 지역에 250ton/day 처리규모의 상용 공장을 설립하여 약 500배럴/일 규모의 재생 디젤을 생산한 경험이 있다.

대상 데이터

  • 이후 2002-2004년에는 “HTU Process Application Project”에 TNO-MEP, Biofuel BV, Waste and Energy Enterprise of the City of Amsterdam (AEB), Shell 및 the Dutch Energy Agency가 참여하여 파일럿 규모의 연속 HTU 공정 상업화 기술을 개발하였다. HTU 공정은 아임계수를 용매로 이용하여 목질계 바이오매스로부터 300-350℃ 및 10-18MPa의 조건에서 저위발열량이 30-35MJ/kg이고, 산소함량이 12-20wt%인 바이오오일을 45wt%의 수율로 제조하였고, 전 공정의 에너지효율은 약 75%이었다. 2005-2007년 Alkmaar, TOTAL 및 Biofuel이 컨소시엄을 구성하여 유기성폐기물을 HTU 공정으로 전환하는 파일럿 규모 연구를 수행하였고 이를 바탕으로 약 300억 원을 투자하여 70ton/day급 상용규모 HTU 플랜트를 건설할 예정에 있다.
  • 퍼크(PERC: Pittsburgh Energy Research Center) 공정은 1979년 미국 오레곤주 알버니 지역에 100kg/h급 pilot-scale로 운영되었으며, 주로 목질계 바이오매스를 아임계수에서 전환하는 공정을 개발하는 데 활용되었다. Na2CO3를 촉매로 이용하였고, 330-370℃ 및 20MPa조건에서 바이오오일을 제조하였다. 바이오오일의 수율은 45-55wt%이고, 산소함량은 12-14wt%로 낮았으며, 발열량은 37MJ/kg이었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열화학적 전환방법은 어떻게 나뉠수 있는가? 바이오매스를 발전용 및 수송용 연료로 전환하기 위하여 크게 생물학적 전환방법 및 열화학적 전환방법이 연구되어 오고 있다. 이 중 열화학적 전환방법은 공정의 온도, 압력, 및 반응 매질에 따라 다시 탄화(carbonization), 반탄화(torrefaction), 저속열분해(slow pyrolysis), 급속열분해(fast pyrolysis), 초임계수 가스화(supercritical water gasification), 가스화(gasification), 초임계수산화(supercritical water oxidation), 액화(liquefaction) 및 연소(combustion)로 나뉠 수 있다. 이 중 발전용 및 수송용 액상 바이오연료 제조에 적합한 공정은 급속열분해와 액화이다.
급속열분해를 이용하여 제조되는 바이오오일의 여러 문제를 해결하기 위한 방안은? 급속열분해를 이용하여 제조되는 바이오오일의 경우 높은 산소함유량 및 낮은 발열량, 열분해 리그닌으로 인한 바이오오일의 고분자화, 높은 물함량, 금속을 부식시키는 산성물질(개미산, 아세트산 등) 형성, 열 및 화학적인 불안전성, 석유계 연료와 비혼화성 등으로 인해 반응기부식, 펌핑문제, 장기보관성, 연소특성 악화, 보일러·엔진·터빈 등 침착 등 여러 문제가 존재하여 바이오오일을 직접 활용하는 것이 불가능하다. 따라서 이를 극복하기 위하여 고온여과법·촉매열분해법·수첨탈산소법 등의 방법으로 바이오오일을 업그레이딩하는 것이 불가피하여 전체적인 공정 비용이 상승하는 문제점이 존재한다. 하지만, 액화 공정으로 제조되는 바이오오일은 급속열분해와 비교하였을 때 물의 함량이 낮고, 산소함량이 낮으며, 또한 발열량이 높다.
고온여과법·촉매열분해법·수첨탈산소법 등의 방법으로 바이오오일을 업그레이딩 하는 것의 문제점은? 급속열분해를 이용하여 제조되는 바이오오일의 경우 높은 산소함유량 및 낮은 발열량, 열분해 리그닌으로 인한 바이오오일의 고분자화, 높은 물함량, 금속을 부식시키는 산성물질(개미산, 아세트산 등) 형성, 열 및 화학적인 불안전성, 석유계 연료와 비혼화성 등으로 인해 반응기부식, 펌핑문제, 장기보관성, 연소특성 악화, 보일러·엔진·터빈 등 침착 등 여러 문제가 존재하여 바이오오일을 직접 활용하는 것이 불가능하다. 따라서 이를 극복하기 위하여 고온여과법·촉매열분해법·수첨탈산소법 등의 방법으로 바이오오일을 업그레이딩하는 것이 불가피하여 전체적인 공정 비용이 상승하는 문제점이 존재한다. 하지만, 액화 공정으로 제조되는 바이오오일은 급속열분해와 비교하였을 때 물의 함량이 낮고, 산소함량이 낮으며, 또한 발열량이 높다.
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