신재생에너지 공급 의무화제도(Renewable Portfolio Standard(RPS))가 시행됨에 따라, 발전 사업자들은 의무공급량 이행을 위해 발전용 바이오중유를 사용하고 있다. 본 연구에서는 발전용 바이오중유의 원료물질별 물성과 원료 조성에 따른 발전용 바이오중유의 품질특성을 알아보았다. 발전용 바이오중유와 원료유지의 연료특성은 전산가, 동점도, 금속분 등 고시 상 품질기준 항목을 분석하였으며, 적외선 분광광도계와 고성능 액체크로마토그래피를 이용하여 조성분포를 분석하였다. 팜유계열의 저가의 고산가 유지는 유리지방산 함량이 높아 전산가가 높고, 금속분에 의한 회분함량이 높았으며, 바이오디젤 공정부산물은 점도가 높았다. 동점도, 전산가, 금속분과 같은 발전용 바이오중유의 연료특성은 원료물질 의 조성 및 혼합비와 관련이 깊다.
신재생에너지 공급 의무화제도(Renewable Portfolio Standard(RPS))가 시행됨에 따라, 발전 사업자들은 의무공급량 이행을 위해 발전용 바이오중유를 사용하고 있다. 본 연구에서는 발전용 바이오중유의 원료물질별 물성과 원료 조성에 따른 발전용 바이오중유의 품질특성을 알아보았다. 발전용 바이오중유와 원료유지의 연료특성은 전산가, 동점도, 금속분 등 고시 상 품질기준 항목을 분석하였으며, 적외선 분광광도계와 고성능 액체크로마토그래피를 이용하여 조성분포를 분석하였다. 팜유계열의 저가의 고산가 유지는 유리지방산 함량이 높아 전산가가 높고, 금속분에 의한 회분함량이 높았으며, 바이오디젤 공정부산물은 점도가 높았다. 동점도, 전산가, 금속분과 같은 발전용 바이오중유의 연료특성은 원료물질 의 조성 및 혼합비와 관련이 깊다.
As it carry out RPS(Renewable Portfolio Standards), power producers are using the power bio-fuel oil to meet their RPS quota. In this study, we test the quality characteristics of raw materials for power bio-fuel oil and the property changes of power bio-fuel oil by the kind of feedstocks. The power...
As it carry out RPS(Renewable Portfolio Standards), power producers are using the power bio-fuel oil to meet their RPS quota. In this study, we test the quality characteristics of raw materials for power bio-fuel oil and the property changes of power bio-fuel oil by the kind of feedstocks. The power bio-fuel oil and feedstocks were analyzed for item of quality standard such as acid number, viscosity and metal contents. And it was analyzed for composition distribution by FT-IT and HPLC. Such as low priced palm oil series has high acid number and ash contents due to high free-fatty acid and metal contents. And by-product of biodiesel have a tendency of high viscosity. The fuel properties of power bio-fuel oil, such as viscosity, acid number and metal contents are correlated with the constituent and the mixing ratio of the feedstocks.
As it carry out RPS(Renewable Portfolio Standards), power producers are using the power bio-fuel oil to meet their RPS quota. In this study, we test the quality characteristics of raw materials for power bio-fuel oil and the property changes of power bio-fuel oil by the kind of feedstocks. The power bio-fuel oil and feedstocks were analyzed for item of quality standard such as acid number, viscosity and metal contents. And it was analyzed for composition distribution by FT-IT and HPLC. Such as low priced palm oil series has high acid number and ash contents due to high free-fatty acid and metal contents. And by-product of biodiesel have a tendency of high viscosity. The fuel properties of power bio-fuel oil, such as viscosity, acid number and metal contents are correlated with the constituent and the mixing ratio of the feedstocks.
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문제 정의
유지 종류별로 지방산 조성이 다양하며 경제성 확보를 위해 저가의 고산가 유지나 공정 부산물을 원료로 사용하기 때문에 발전용 바이오중유의 품질특성은 원료물질의 종류에 따라 달라진다. 본 연구에서는 국내에서 시범보급 중인 발전용 바이오중유의 원료물질들 중에서 많이 사용되고 있는 팜유 계열 4종, 바이오디젤 계열 3종 및 동물성유지 1종에 대한 물성특성을 알아보았고 이들을 혼합하여 제조한 발전용 바이오중유의 품질특성에 대해 알아보았다.
본 연구에서는 신재생에너지 공급 의무화제도(RFS)와 관련하여 의무공급량 이행방안으로 시범보급 중인 발전용 바이오중유의 원료물질인 동․식물성 유지의 종류에 따른 물성특성을 평가하였다. 발전용 바이오중유의 원료물질 중 팜 원유(CPO), 정제팜유(RBDPO) 및 동물성 유지는 고시 상 품질기준을 모두 만족하였으나, 팜 부산물(PFAD), 팜 산유(PAO), 바이오디젤(BD) 및 바이오디젤 피치(BD pitch)는 항목에 따라 품질기준을 벗어났다.
발전용 바이오중유는 경제성을 확보하면서 고시 상 품질기준을 만족해야 하므로 대체로 고품질 정제유지와 저급유지를 2 ~ 4종 혼합하여 제조한다. 본 연구에서는 원료 유지에 따른 발전용 바이오중유의 품질특성을 평가하기 위하여 앞서 연구한 7종의 원료 유지들을 혼합하여 품질기준에 적합하도록 제조한 발전용 바이오중유의 품질특성을 평가하였다. 발전용 바이오중유 역시 Table 6에서 보는 바와 같이 『발전용 바이오중유 시범보급사업 추진에 관한 고시(산업부고시 2014-1호)』 상의 품질기준에 준하여 품질평가를 하였으며, 원소함량(C.
발전용 바이오중유 및 원료물질에 대한 연료적 품질특성은 『발전용 바이오중유 시범보급사업 추진에 관한 고시(산업부고시 2014-1호)』 상의 품질기준 항목에 대해 분석 하였으며, 본 실험에서 적용한 발전용 바이오중유 품질기준과 시험방법은 Table 3에 나타내었다.
본 연구에서는 원료 유지에 따른 발전용 바이오중유의 품질특성을 평가하기 위하여 앞서 연구한 7종의 원료 유지들을 혼합하여 품질기준에 적합하도록 제조한 발전용 바이오중유의 품질특성을 평가하였다. 발전용 바이오중유 역시 Table 6에서 보는 바와 같이 『발전용 바이오중유 시범보급사업 추진에 관한 고시(산업부고시 2014-1호)』 상의 품질기준에 준하여 품질평가를 하였으며, 원소함량(C. H, O)과 순발열량을 추가로 평가하였다.
발전용 바이오중유의 주요 원료물질인 팜 원유(CPO), 정제 팜유(RBDPO), 팜 부산물(PFAD), 팜 산유(PAO), 바이오디젤(BD), 바이오디젤 피치(BD pitch), 동물성유지에 대한 품질을 평가하였다. 원료 유지들은 Table 5에서 보는 바와 같이 『발전용 바이오중유 시범보급사업 추진에 관한 고시(산업부고시 2014-1호)』 상의 품질기준에 준하여 품질평가를 하였으며, 원소함량(C.
연료의 구성 원소(C, H, O) 분석을 위하여 원소분석기(Thermo社의 FLASH2000)를 이용하였으며, 원소분석 조건은 Table 4와 같다.
발전용 바이오중유의 주요 원료물질인 팜 원유(CPO), 정제 팜유(RBDPO), 팜 부산물(PFAD), 팜 산유(PAO), 바이오디젤(BD), 바이오디젤 피치(BD pitch), 동물성유지에 대한 품질을 평가하였다. 원료 유지들은 Table 5에서 보는 바와 같이 『발전용 바이오중유 시범보급사업 추진에 관한 고시(산업부고시 2014-1호)』 상의 품질기준에 준하여 품질평가를 하였으며, 원소함량(C. H, O)과 순발열량을 추가로 평가하였다.
원료물질별 조성분석을 위하여 적외선 분광광도계(Thermo社의 Nicolet 6700)와 고성능 액체 크로마토그래피(영린기기社)를 이용하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 발전용 바이오중유와 원료물질인 동․식물성 유지들은 국내 발전용 바이오중유 생산업체로부터 공급받았으며, C중유는 정유사에서 황 함량 0.3 무게% 규격으로 공급받았다. 동․식물성 유지들 중 팜 원유(CPO), 정제 팜유(RBDPO), 팜 부산물(PFAD), 팜 산유(PAO)는 동남아 지역의 수입제품이며, 바이오디젤, 피치, 동물성 유지는 국내 생산 제품이다.
성능/효과
HPLC를 이용한 발전용 바이오중유 조성분포 분석결과 바이오디젤 계열 원료물질 혼합은 식별이 가능하였으나 동·식물성 유지 원액의 종류별 혼합여부 식별은 불가능하였다(Fig.4).
전산가(acid number)란 시료 1g 중에 함유되어 있는 산성 성분을 적정하는데 소요되는 염기의 수량으로 시료 그램 당 수산화칼륨의 mg 단위로 표시되므로 전산가가 크면 산화된 물질이 많다는 것을 의미한다.[8] 팜 부산물(PFAD)과 팜 산유(PAO)가 발전용 바이오중유의 품질기준(25 mg KOH/g 이하)을 크게 벗어났는데, 두 원료는 유리지방산(FFA) 함량이 높으므로 전산가가 높다.
연료의 온도가 어느 온도이하로 떨어지면 굳어져 흐르지 않게 되어 저장, 수송, 취급에 지장을 주게 되는데 이 온도를 유동점이라고 한다.[8] 팜 부산물(PFAD)과 팜 산유(PAO)가 발전용 바이오중유의 품질기준(27.5℃ 이상)을 벗어났는데, 일반적으로 산성 물질이 많을수록 유동점은 높아진다.
인화점은 유지를 가열하여 유증기에 불꽃을 접근시켰을 때 발화하는 최소 온도로서 동․식물성 유지 원액은 주요성분인 트리글리세라이드가 글리세롤 1분자와 지방산 3분자가 결합한 고비점 물질이므로, 유지를 알코올과 에스테르화 반응시켜 지방산 메틸에스테르(FAME)로 전환한 바이오디젤 대비 인화점이 높았다. 그 중 유리지방산(FFA, Free Fatty Acid) 등의 불순물 함량이 낮은 정제 팜유(RBDPO)와 동물성유지의 인화점이 높았다.
금속분은 저급유지인(PFAD, PAO)를 사용한 발전용 바이오중유(C, D)의 금속분함량이 높았으며, 팜 산유(PAO)를 사용한 발전용 바이오중유(D)는 Si+Al+Fe 함량도 높았다. 저가의 유지들은 원액 자체가 금속분 함량이 높기 때문에 산 수세(acid cleaning) 등의 추가 공정을 통해 금속 성분들을 제거하여 고시 상 품질기준을 만족시킨다.
동점도는 바이오디젤 피치(BD pitch)가 혼합되거나 그 함량이 높은 발전용 바이오중유(A)의 동점도가 높았으며, 바이오디젤 함량이 높은 발전용 바이오중유(D)의 동점도가 낮았다. 윤활유의 경우 점도지수를 높여 온도에 따른 점도 변화를 줄여주기 위한 점도지수 향상제(viscosity index improver) 등을 첨가하기도 하나 경제성 등을 고려할 때 발전용 바이오중유는 동점도가 품질기준 보다 낮으면서 원료가격이 높은 바이오디젤의 함량을 조절하는 것이 적합하다.
밀도는 팜 원유(CPO), 바이오디젤 피치(BD pitch), 동물성유지로 구성된 발전용 바이오중유(A)의 밀도가 가장 높았으며, 밀도가 낮은 바이오디젤이 혼합된 발전용 바이오중유의 밀도가 가장 낮았다. 밀도는 원료 유지의 종류와 관계없이 특별한 추가공정 없이도 고시 상 품질기준을 만족하였다.
밀도(Density)는 단위부피당 질량으로서 연료성분의 탄화수소 구조 측정 시 활용하며, 불순물 함량이나 연료 분사량과 관련된 항목이다. 밀도는 탄화수소의 탄소수가 증가할수록, 포화 탄화수소일수록 증가하므로, 고비점 성분이 많은 바이오디젤 피치(BD Pitch)가 가장 높고, 상대적으로 탄소수가 적은 바이오디젤이 가장 낮았다.
밀도는 팜 원유(CPO), 바이오디젤 피치(BD pitch), 동물성유지로 구성된 발전용 바이오중유(A)의 밀도가 가장 높았으며, 밀도가 낮은 바이오디젤이 혼합된 발전용 바이오중유의 밀도가 가장 낮았다. 밀도는 원료 유지의 종류와 관계없이 특별한 추가공정 없이도 고시 상 품질기준을 만족하였다.
저가의 고산가 유지인 팜 부산물(PFAD)과 팜 산유(PAO)는 유리지방산(FFA) 함량이 높아 전산가가 높고, 유동점은 낮으며, 금속분에 의한 회분함량이 높았다. 바이오디젤은 동․식물성 유지의 주성분인 트리글리세라이드 한 분자를 촉매 존재 하에서 알코올과 에스테르화 반응 시켜 생산된 세 분자의 지방산메틸에스테르가 주요 성분이므로 유지 원액 기반인 발전용 바이오중유 품질기준 대비 점도가 낮았다. 반면, 바이오디젤 피치(BD pitch)는 바이오디젤 생산공정의 증류 잔사물로 고비점 성분들이 많으므로 품질기준 대비 점도가 높았다.
발전용 바이오중유의 수분은 생산공정에서 침전, 원심분리, 진공탈수 등의 수분제거설비를 통해 제거되므로, 원료에 관계없이 고시 상 품질기준을 만족하였다.
식물성 유지의 종류에 따른 물성특성을 평가하였다. 발전용 바이오중유의 원료물질 중 팜 원유(CPO), 정제팜유(RBDPO) 및 동물성 유지는 고시 상 품질기준을 모두 만족하였으나, 팜 부산물(PFAD), 팜 산유(PAO), 바이오디젤(BD) 및 바이오디젤 피치(BD pitch)는 항목에 따라 품질기준을 벗어났다. 저가의 고산가 유지인 팜 부산물(PFAD)과 팜 산유(PAO)는 유리지방산(FFA) 함량이 높아 전산가가 높고, 유동점은 낮으며, 금속분에 의한 회분함량이 높았다.
회분(ash)은 연료를 연소시켰을 때 남는 재 성분으로 고온 부식을 유발하는데, 주로 연료 중 금속분 성분들이 회분을 생성시킨다. 별도의 금속분 제거 공정 없이 생산되는 저가 유지인 팜(PAO)산유가 발전용 바이오중유의 품질기준(0.10 무게% 이하)을 벗어났다.
인화점은 정제 팜유(RBDPO)와 동물성유지를 원료로 하고 그 함량이 높을수록 발전용 바이오중유(A, B)의 인화점도 높았으며, 바이오디젤(BD)과 고산가유지(PAO, PFAD) 함량이 높을수록 인화점이 낮았다. 인화점은 원료 유지의 종류와 관계없이 특별한 추가공정 없이도 고시 상 품질기준을 만족하였다.
잔류탄소(carbon residue)는 규정조건에서 시료를 증발, 열분해 시켰을 때에 발생하는 코크스상 탄화물의 비율로 많을 경우 노즐이나 연소실 내에 카본이 퇴적되어 열손실이 커진다. 잔류탄소는 중질 유분일수록 그 값이 크므로 고비점 성분이 많은 바이오디젤 피치(BD Pitch)가 가장 높았다.
발전용 바이오중유의 원료물질 중 팜 원유(CPO), 정제팜유(RBDPO) 및 동물성 유지는 고시 상 품질기준을 모두 만족하였으나, 팜 부산물(PFAD), 팜 산유(PAO), 바이오디젤(BD) 및 바이오디젤 피치(BD pitch)는 항목에 따라 품질기준을 벗어났다. 저가의 고산가 유지인 팜 부산물(PFAD)과 팜 산유(PAO)는 유리지방산(FFA) 함량이 높아 전산가가 높고, 유동점은 낮으며, 금속분에 의한 회분함량이 높았다. 바이오디젤은 동․식물성 유지의 주성분인 트리글리세라이드 한 분자를 촉매 존재 하에서 알코올과 에스테르화 반응 시켜 생산된 세 분자의 지방산메틸에스테르가 주요 성분이므로 유지 원액 기반인 발전용 바이오중유 품질기준 대비 점도가 낮았다.
전산가는 고산가 유지(PFAD, PAO)를 사용한 발전용 바이오중유(C, D)가 높았다. 고산가 유지들은 원액자체를 발전용 바이오중유 원료로 사용하면 높은 산가로 인해 혼합량에 제한을 받기 때문에 중화(neutralization) 및 산 분리(acid splitting) 등의 추가 공정을 통해 산 성분들을 제거하여 고시 상 품질기준을 만족시킨다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
신재생에너지 공급 의무화제도는 무엇인가?
이 중, 신재생에너지 공급 의무화제도(RPS)란 일정규모(500MW) 이상의 발전설비를 보유한 발전사업자에게 총 발전량의 일정량 이상을 신재생에너지로 생산한 전력으로 공급하게 하는 의무화 제도이다. 국내에서 2012년부터 RPS 제도가 시행됨에 따라 발전사가 의무공급량 이행을 위한 다양한 에너지원을 고려하면서 발전부문에서의 바이오연료 보급필요성이 대두되었다.
동점도(viscosity)가 너무 높거나, 너무 낮을 경우 어떠한 문제가 있는가?
동점도(viscosity)는 유체의 끈끈한 정도를 나타내는 물리적 특성으로 중력 하에서 유체의 흐름에 대한 저항으로 표현된다. 동점도는 연료의 분무성에 관련된 항목으로 점도가 너무 높으면 분무입자가 커져 불완전연소가 되기 쉽고, 점도가 너무 낮으면 펌프 및 분무노즐이 마모되거나 펌핑 불량의 원인이 된다.[8] 동점도는 탄화수소의 탄소수가 증가할수록, 포화 탄화수소일수록 증가하는데, 원료 유지들 중 팜 부산물(PFAD), 바이오디젤(BD), 바이오디젤 피치(BD pitch)가 발전용 바이오중유의 품질기준(20~100 ㎟/s)을 벗어났다.
발전용 바이오중유란 무엇인가?
국내에서 시범보급 되고 있는 발전용 바이오중유란 동∙식물성 유지(폐식용유 제외) 원액이나 알코올을 유지와 반응시켜 만든 지방산에스테르, 또는 그 둘을 혼합․제조하여 품질기준에 맞게 생산한 연료를 말한다. Table 1과 같이 발전용 바이오중유는 주로 팜 열매에서 추출된 기름 또는 착유공정 부산물, 동식물성 유지, 바이오디젤 또는 공정 부산물 등 다양한 저가의 유지들이 원료로 사용되고 있다.
참고문헌 (25)
J. K. Kim, E. S, Yim and C. S. Jung, Study on comparison of global biofuels mandates policy in transport sector, New & Renewable Energy, 7, 18 (2011).
C. Felix, M. Emily, M. Jan and E. Ottmar. Climate polocies for road transport revised(I) : evaluation of the current frame work, Energy policy, 39, 2396(2011).
S. K. Hoekman, Biofuels in the US.-challenge and opportunities, Renewable Energy, 34, 14 (2010).
S. N. Naik, V. V. Goud, P, K. Rout and A. K Dalai, Production of first and second generation biofuels : A comprehensive review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14, 578 (2010).
J. K. Kim, E. S, Yim, C. H. Jeon, C, S, Jung and B. G. Han, Int. J. Automotives, Technology, 13, 293 (2011).
J. H. Ha, "Demonstration project of bio-fuel oil in power plant - Current Status and problem", KPetro Managine., 112, 80-83(2014).
Eun-Jung Jang, Jo-Yong Park, Kyung-il Min, Eui-Soon Yim, Jong-Han Ha, Bong-Hee Lee, A study on the quality characteristic of power bio-fuel oil for alternative fuel oil. J. of Korean Oil Chemists' Soc. 31 : 562-571 (2014).
Ishani Mukherjee, Benjamin K. Sovavool, Palm oil-based biofuels and sustainability in southeast Asia : A review of Indonesia, Malaysia, and Thailand, Renew. Sustain. Energy Rev. 37: 1-12 (2014).
Sheil d, Casson A, Meijaard E, Noordwijk Mv, Gaskell J, Sunderland-Groves J, et al. The impacts and opportunities of oil palm in Southoeast Asia: What do we know and what do we need to know? In: CIFOR, editor. Bogor; (2009).
Lim S, Teong LK. Recent trends, opportunities and challenges of viodiesel in Malaysia. Renew. Sustain. Energy Rev. 14: 938-954 (2010).
Yusoff s, Hansen SB. Feasibility of performing a life cycle assessment on crude palm oil production in Malaysia. Int J Life Cycle Assess. 12 : 50-58 (2007).
Wicke B, Sikkema R, Dornburg V, Faaij A. Exploring land use changes and the role of palm oil production in Indonesia and Malaysia. Land Use Policy : 28 (2011).
Obidzinsk K, Andriani R, Komarudin H, Andrianto A. Environmental and social impacts of oil palm plantations and their implications for biofuel production in Indonesia. Ecol Sco : 17 (2012).
Tan KT, Lee KT, Mohamed AR, Bhatia s. Palm oil : addressing issures and towards sustainable development. Renew. Sustain. Energy Rev. 13 : 420-427 (2009).
Weng CK. Soils management of sustainable oil palm cultivation. In : MPOB, editor. Advances in Oil Palm Research. Kuala Lumpur : Malaysia Palm Oil Board ; 371-410 (2000).
Ma AN. Treatment of palm oil effluent. In : singh G, Lim KH, Leng T, David LK, editors. OilPalm and the Environment : A Malaysian Perspective. Kuala Lumpur : Malaysia Oil Palm Growers Council ; (1999).
Ivana B. Bankovic-Ilic, Ivan J. Stojkovicm Olivera S. Stamenkovic, Vlada B. Veljkovic, Yung-Tse Hung. Waste animal fats as feedstocks for biodiesel production, Renew. Sustain. Energy Rev. 32 : 238-254 (2014).
Ertan Alptekin, Mustafa Canakci, Huseyin Sanli. Biodiesel production from vegetable oil and waste animal fats in a pilot plant, Waste Management. 34 : 2146-2154 (2014).
Jae-Kon Kim, Jo-Yong Park, Fuel properties of various biodiesel derived vegetable oil. J. of Korean Oil Chemists' Soc. 30: 45-48 (2013).
S.Kent, Amber Broch, Review of biodiesel composition, properties, and specifications. Renew. Sustain. Energy Rev. 16: 143-169 (2011).
M. Oguma, N. Chollacoop, EAS-ERIA, Biodiesel fuel trade handbook 2010, 27-62(2010).
Jae-Kon Kim, Jo Yong Park, Cheol Hwan Jeon, Kyung-Il Min, Eui-Soon Yim, choong-sub Jung, Jin-Hui Lee. Fuel properties of Various Biodiesels Derived Vegetable Oil. J. of Korean Oil Chemists' Soc. 30 : 35-48 (2013).
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