[논문]감압증류에 의한 굴참나무 바이오오일의 연료 특성 변화

채광석; 조태수; 이수민; 이형원; 박영권

doi:10.12925/jkocs.2016.33.1.75

초록
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급속열분해 기술은 바이오매스를 수송용 연료와 고품질의 석유화학 생산물로 업그레이드 할 수 있는 바이오오일을 만드는 유망한 수단으로 주목 받고 있다. 이러한 기대에도 불구하고 연료와 석유화학 생산물의 상업성은 바이오오일의 높고 잘 변하는 점도, 많은 수분과 산소 함량, 낮은 발열량 및 산성도와 같은 상당히 바람직하지 않은 특징 때문에 한계가 있다. 그래서 본 연구는 가압증류를 통해 바이오오일의 품질 개선을 목표로 수행하였다. 가압증류에 따른 바이오오일의 특성 변화를 알아보기 위하여 0.8~1.4 mm 크기의 굴참나무(Quercus variabilis) 시료 600 g을 $465^{\circ}C$에서 1.6초 동안 급속열분해하여 바이오오일을 제조하고, 감압증류(100hPa) 온도는 대조구, $40^{\circ}C$, 50, 60, 70 및 80에서 각각 30분간 처리하였다. 급속열분해를 통해 생산된 바이오오일, 바이오차 및 가스는 각각 62.6 wt%, 18.0 및 19.3으로 나타났다. 또한 온도별로 생성된 바이오오일은 수분함량 0.9~26.1 wt%, 점도 4.2~11.0 cSt, 발열량 3,893~5,230 kcal/kg 및 pH 2.6~3.0 수준으로 긍정적 효과가 나타났다. 이러한 바이오오일 품질개선에도 불구하고 점도는 반대로 증가했으며 여전히 높은 산소 함량, 낮은 발열량 및 산성도 때문에 바이오오일을 실용적인 연료로 사용하기 위해서는 지속적으로 품질 개선이 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

The technology of fast pyrolysis is regarded as a promising route to convert lignocellulose biomass into bio-oil which can be upgraded to transportable fuels and high quality chemical products. Despite these promises, commercialization of bio-oil for fuels and chemicals production is limited due to ...

The technology of fast pyrolysis is regarded as a promising route to convert lignocellulose biomass into bio-oil which can be upgraded to transportable fuels and high quality chemical products. Despite these promises, commercialization of bio-oil for fuels and chemicals production is limited due to its notoriously undesirable characteristics, such as high and changing viscosity, high water and oxygen contents, low heating value and high acidity. Therefore, in this study quality improvement of bio-oil through vaccum distillation had been targeted. A 600 g of cork oak(Quercus variabilis) which grounded 0.8~1.4 mm was processed into bio-oil via fast pyrolysis for 1.64 seconds at $465^{\circ}C$ and temperature of vaccum distillation(100hPa) was designed to control, $40^{\circ}C$, 50, 60, 70, and 80 for 30min. Bio-oil, biochar, and gas of pyrolytic product were produced to 62.6, 18.0 and 19.3 wt%, respectively. The water content, viscosity, HHV(Higher Heating Value) and pH of bio-oil were measured to 0.9~26.1 wt%, 4.2~11.0 cSt 3,893~5,230 kcal/kg and 2.6~3.0, respectively. Despite these quality improvement, production was still limited due to its notoriously undesirable characteristics, therefore continous quality improvement will be needed in order to use practical fuel of bio-oil.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

바이오오일이 저장과 이동 중 변하는 밀도, 산성도 및 점도 등의 특성은 수송용 연료를 포함한 모든 실제 적용에 대하여 가장 어려운 문제 중 하나다. 그래서 본 연구에서는 미래 수송용 바이오연료 생산에 기여하기 위해 국내에서 발생하는 목질계 바이오매스 중 하나인 굴참나무 목분을 급속 열분해하여 생성한 바이오오일의 품질 개선을 위해 가압증류 방법을 적용하여 물리 및 화학적 특성을 연구하였다. ;

제안 방법

본 연구에서는 굴참나무 목분 시료 0.8∼1.4 mm 크기의 굴참나무(Quercus variabilis) 시료600 g을 465℃에서 1.6초 동안 급속열분해하여 바이오오일을 제조하고, 품질 개선을 위해 30분동안 온도 변화(40∼80℃)에 따라 가압증류(100hPa)를 적용하여 물리 및 화학적 특성을 조사하였다. ;

대상 데이터

본 연구에 사용한 실험 재료로는 굴참나무(Quercus variabilis)를 사용하였으며, 분쇄기를 통해 목분시료를 만들고 진동선별기를 이용하여 0.8∼1.4 mm 크기로 분별하여 실험에 사용하였다. 분별한 시료는 105℃에서 항량이 될 때까지 건조한 후 사용하였다.

데이터처리

바이오오일로부터 제거한 물의 화학조성 분석은 Agilent 5975C MSD와 FID를 병렬로 연결한Agilent 7890A GC (USA)를 이용해 분석하였다. 분석용 칼럼으로 DB-5ms(30 m× 0.

성능/효과

급속열분해를 통해 생산된 바이오오일, 바이오차 및 가스는 각각 62.6 wt%, 18.0 및 19.3으로 나타났다. 또한 가압증류 온도에 따라 바이오오일의 물리 화학적 특성에 많은 변화가 나타나 수분함량은 대조구 26.
3으로 나타났다. 또한 가압증류 온도에 따라 바이오오일의 물리 화학적 특성에 많은 변화가 나타나 수분함량은 대조구 26.1%에서 가압증류 온도가 증가할수록 감소하여 80℃에서 0.9 wt%로 품질이 개선되었다. 또한 발열량도 수분이 감소함에 따라 대조구 3,893 kcal/kg에서 5,230로 30% 이상 증가하여 긍적적 효과가 나타났다.
9 wt%로 품질이 개선되었다. 또한 발열량도 수분이 감소함에 따라 대조구 3,893 kcal/kg에서 5,230로 30% 이상 증가하여 긍적적 효과가 나타났다. 반면에 바이오오일 잔류량(61.

후속연구

또한 발열량도 수분이 감소함에 따라 대조구 3,893 kcal/kg에서 5,230로 30% 이상 증가하여 긍적적 효과가 나타났다. 반면에 바이오오일 잔류량(61.1∼89.5%)이 감소했으며, 수송용 연료로서의 중요한 지표인 점도는 감압증류 온도가 증가하고 수분이 제거됨에 따라 급속도로 증가해 부정적 영향이 나타나 바이오오일을 실용적인 연료로 사용하기 위해서는 디젤과 같은 다른 석유계 연료로 에멀전, 또는 극성용매 첨가 등점도 감소를 유도하는 지속적인 연료적 성능 개선이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오오일이 대기 중으로 방출될 때 새로운 CO2를 발생시키지 않는 이유는 무엇인가?	바이오오일의 수율과 화학구성은 바이오매스의 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌의 분포에 의존하고 바이오매스와 비교하여 바이오오일은 높은 에너지 밀도와 빠른 수송과 저장을 할 수 있는 장점이 있다. 석탄 연료와 비교하여 바이오매스는 성장 과정에서 CO2가 소모되기 때문에 바이오오일은 대기 중으로 방출할 때 새로운 CO2를 발생하지 않는다. 또한 대부분의 바이오매스의 황과 질소의 양이 적기 때문에 바이오오일로부터 연소되는 SOx 와 NOx 기체는 미량으로 존재한다.
	현재 바이오오일에 관한 지속적 품질개선은 어떤 단점 때문인가?	그럼에도 불구하고 높은 수분함량, 고산소량, 낮은 발열량, 산성도 및 불안전성 때문에 품질개선이 지속적으로 필요하다. 바이오오일은 바이오매스의 급속 열분해와 빠른 냉각에 의해 액체로 응축되는 중간 생성물이고, 그 과정에서 열역학적 평형상태에 도달하지 않기 때문에 저장 및 수송 과정에서 물리 및 화학적 특성이 매우 불완전하다.
	바이오오일은 무엇인가?	그럼에도 불구하고 높은 수분함량, 고산소량, 낮은 발열량, 산성도 및 불안전성 때문에 품질개선이 지속적으로 필요하다. 바이오오일은 바이오매스의 급속 열분해와 빠른 냉각에 의해 액체로 응축되는 중간 생성물이고, 그 과정에서 열역학적 평형상태에 도달하지 않기 때문에 저장 및 수송 과정에서 물리 및 화학적 특성이 매우 불완전하다. 특히 바이오오일은 온도가 증가할수록 에이징 현상이 발생한다[4-6].

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