본 연구에서는 반탄화 과정에서 바이오매스열분해 거동을 열중량 분석과 발생되는 기체분석으로 확인하였다. 반응온도는 $220{\sim}300^{\circ}C$, 승온속도 $10{\sim}30^{\circ}C/min$, 반응시간은 110분으로 고정하여 분석하였다. 백합나무 중량감소율은 $220^{\circ}C$에서 8.01~8.81%, $300^{\circ}C$에서 71.86~77.38%로 나타났으며, $240^{\circ}C$ 이상에서 급격하게 증가하였다. 반면 낙엽송 중량감소율은 $300^{\circ}C$에서 49.58~54.15%로 백합나무와 비교하여 낮았다. 백합나무에 대한 활성화 에너지는 87.32~91.24 kJ/mol으로 승온속도에 따라 큰 차이를 나타내지 않았으며, 낙엽송에 대한 활성화 에너지는 83.85~91.60 kJ/mol으로 나타났다. 반탄화 과정에서 발생하는 가스성분은 대부분 헤미셀룰로오스 유래 성분이었으며 반응온도가 증가하면서 성분의 종류 및 농도도 증가하였다. 백합나무에서는 furfural, acetic acid가 고농도로 검출되었다.
본 연구에서는 반탄화 과정에서 바이오매스 열분해 거동을 열중량 분석과 발생되는 기체분석으로 확인하였다. 반응온도는 $220{\sim}300^{\circ}C$, 승온속도 $10{\sim}30^{\circ}C/min$, 반응시간은 110분으로 고정하여 분석하였다. 백합나무 중량감소율은 $220^{\circ}C$에서 8.01~8.81%, $300^{\circ}C$에서 71.86~77.38%로 나타났으며, $240^{\circ}C$ 이상에서 급격하게 증가하였다. 반면 낙엽송 중량감소율은 $300^{\circ}C$에서 49.58~54.15%로 백합나무와 비교하여 낮았다. 백합나무에 대한 활성화 에너지는 87.32~91.24 kJ/mol으로 승온속도에 따라 큰 차이를 나타내지 않았으며, 낙엽송에 대한 활성화 에너지는 83.85~91.60 kJ/mol으로 나타났다. 반탄화 과정에서 발생하는 가스성분은 대부분 헤미셀룰로오스 유래 성분이었으며 반응온도가 증가하면서 성분의 종류 및 농도도 증가하였다. 백합나무에서는 furfural, acetic acid가 고농도로 검출되었다.
In this study, the thermal degradation behavior of biomass during torrefaction was studied by thermogravimetric and byproduct gas analysis. Torrefaction temperature, time, and heating rate were $220{\sim}300^{\circ}C$, 110 min, and $10{\sim}30^{\circ}C/min$, respectively. The d...
In this study, the thermal degradation behavior of biomass during torrefaction was studied by thermogravimetric and byproduct gas analysis. Torrefaction temperature, time, and heating rate were $220{\sim}300^{\circ}C$, 110 min, and $10{\sim}30^{\circ}C/min$, respectively. The degradation rate of yellow poplar was 8.01~8.81% at $220^{\circ}C$ and 71.86~77.38% at $300^{\circ}C$ depending on heating rate. The degradation rate significantly increased at temperature over $240^{\circ}C$. On the other hand, degradation rate of larch was relatively low as 49.58~54.15% at $300^{\circ}C$. The activation energy of yellow poplar was 87.32~91.24 kJ/mol; these values did not significantly change with heating rate. The activation energy of larch was 83.85~91.60 kJ/mol. The major components of the gas generated during torrefaction were derived from hemicellulose. The component types and concentrations increased with torrefaction severity. High concentrations of furfural and acetic acid were detected during torrefaction of yellow poplar.
In this study, the thermal degradation behavior of biomass during torrefaction was studied by thermogravimetric and byproduct gas analysis. Torrefaction temperature, time, and heating rate were $220{\sim}300^{\circ}C$, 110 min, and $10{\sim}30^{\circ}C/min$, respectively. The degradation rate of yellow poplar was 8.01~8.81% at $220^{\circ}C$ and 71.86~77.38% at $300^{\circ}C$ depending on heating rate. The degradation rate significantly increased at temperature over $240^{\circ}C$. On the other hand, degradation rate of larch was relatively low as 49.58~54.15% at $300^{\circ}C$. The activation energy of yellow poplar was 87.32~91.24 kJ/mol; these values did not significantly change with heating rate. The activation energy of larch was 83.85~91.60 kJ/mol. The major components of the gas generated during torrefaction were derived from hemicellulose. The component types and concentrations increased with torrefaction severity. High concentrations of furfural and acetic acid were detected during torrefaction of yellow poplar.
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문제 정의
헤미셀룰로오스가 분해된 바이오매스는 셀룰로오스와 리그닌으로 구성되어 있어 에너지밀도를 증가시키는 측면에서 미래 에너지원으로 관심이 집중되고 있다. 따라서 본 연구에서는 목질계 바이오매스에 대한 반탄화 기작의 이해를 돕고자 반탄화 온도와 승온속도에 따른 바이오매스의 열분해 거동 및 발생되는 가스성분을 분석하였으며 열중량 분석으로 반탄화 반응의 활성화 에너지를 분석하였다. 활성화 에너지는 반응을 일으키는데 필요한 최소의 에너지를 의미한다.
본 연구에서는 반탄화 과정에서 일어나는 바이오매스 열분해 거동을 반응동력학적으로 분석하였다. 바이오매스는 종류에 따라 서로 다른 열분해 특성을 가지며 이것은 에너지 수율과 밀접한 관계가 있다.
제안 방법
반탄화 조건에 대한 바이오매스 열분해 거동을 분석하기 위해 DTA/TGA 동시 분석기(Simultaneous DTA/TGA analyzer, TA instruments, USA)를 이용하였으며, 반탄화 온도 및 승온속도, 반응시간은 Table 1과 같이 설계하였다.
TE 분석온도는 반탄화 온도와 같게 정하고(Table 2) 상대습도 55 ± 10%에서 수행하였다.
바이오매스 5 ± 1 mg을 glass tube에 넣고 TE 내부에 설치한 후 일정한 유속으로 질소를 흘려보내면서 반탄화 과정에서 발생하는 가스를 포집하여 분석하였다.
반탄화 조건에 대한 바이오매스 열분해 거동을 분석하기 위해 DTA/TGA 동시 분석기(Simultaneous DTA/TGA analyzer, TA instruments, USA)를 이용하였으며, 반탄화 온도 및 승온속도, 반응시간은 Table 1과 같이 설계하였다. 2-4 mg의 시료에 100 mℓ/min으로 고순도 질소가스를 주입하였으며 실험조건에서 제시한 반응온도, 승온속도에 따라 열중량 분석을 실시하였다. 바이오매스에 포함된 수분을 제거하기 위해 TGA 분석과정 중 95℃에서 10분 동안 유지하는 과정을 포함하였다.
2-4 mg의 시료에 100 mℓ/min으로 고순도 질소가스를 주입하였으며 실험조건에서 제시한 반응온도, 승온속도에 따라 열중량 분석을 실시하였다. 바이오매스에 포함된 수분을 제거하기 위해 TGA 분석과정 중 95℃에서 10분 동안 유지하는 과정을 포함하였다.
바이오매스 반탄화 과정에서 발생하는 가스를 분석하기 위해 열추출 장치(Thermal extractor; TE, Gerstel,USA)를 이용하였다(Fig. 1). 바이오매스 5 ± 1 mg을 glass tube에 넣고 TE 내부에 설치한 후 일정한 유속으로 질소를 흘려보내면서 반탄화 과정에서 발생하는 가스를 포집하여 분석하였다.
TE 분석온도는 반탄화 온도와 같게 정하고(Table 2) 상대습도 55 ± 10%에서 수행하였다. 발생기체는 TD-GC/MSD로 분석하였다. TE 분석조건은 Table 2와 같다.
승온속도 10℃/min으로 하였을 경우 목표온도에 도달하는 시간은 약 30∼40분, 20℃/min, 30℃/min에서는 각각 20∼30분, 15∼25분이 소요되었다. 초기 바이오매스 함수율에 의한 중량감소율 차이를 줄이기 위해 열중량 분석 중 95℃에서 10분 동안 유지하는 과정을 포함하였다. 승온속도에 따라 5∼10분 사이에 95℃에 도달하였으며 이후 목표온도에 도달할 때까지 온도를 상승시켰다.
일반적으로 셀룰로오스의 열분해는 300℃이상의 온도가 요구되고 Broido-Shafizadeh model이 사용되어 왔다. 본 연구에서는 Arrehenius 속도식에 근거하여 열분해 거동을 분석하였다(식 1, 2).
대상 데이터
백합나무, 낙엽송 칩은 국립산림과학원 임산공학부로부터 제공받았으며 100 mesh를 통과한 목분은 열중량 및 가스분석에 사용하였다.
성능/효과
, 2012). 따라서 반탄화 과정에서 생산된 바이오매스를 압축 성형한다면 에너지밀도가 향상되어 수송비용을 최대 30% 이상 절감할 수 있을 것이다. 현재 목재펠릿 소비자 가격의 10% 이상을 수송비용이 차지하고 있는 실정이다.
활엽수의 대표적인 헤미셀룰로오스 분해산물인 acetic acid는 240℃, 10분 반응에서 소량 검출되었으며 반응온도 및 시간이 증가할수록 농도는 증가하였다. 반탄화 정도가 증가할수록 vanillin, phenol과 같은 리그닌 분해산물이 검출되었다.
따라서 중량감소 및 발열량을 고려한 반탄화 조건이 필요하다. 반탄화 과정 중 낙엽송 중량감소는 백합나무와 비교하여 상대적으로 낮았으며 활성화 에너지는 승온속도에 영향을 받지 않았다. 백합나무, 낙엽송 활성화 에너지는 헤미셀룰로오스 가수분해에서와 유사한 결과(44∼180 kJ/mol)를 나타냈다.
백합나무 반탄화 조건에서 발생하는 기체성분은 약 150종 이상의 물질이 검출되었으며 반탄화 조건에 따라 성분 및 농도의 차이를 나타냈다(Table 7, Fig. 4).
15%로 나타났다(Table 5). 중량감소율이 증가하는 경향은 승온속도에 비례하지 않았으며, 백합나무와 비교하여 중량감소율에 큰 차이를 나타냈다. 동일한 반탄화 조건에서 백합나무의 중량감소가 빠르게 진행되었으며 이와 같은 결과는 기존의 연구결과와 일치하였다(Lee and Lee, 2014).
후속연구
활성화 에너지는 반응을 일으키는데 필요한 최소의 에너지를 의미한다. 따라서 활성화 에너지를 분석하면 바이오매스에 따른 반탄화 반응속도를 예측할 수 있으며 이와 관련하여 활성화 에너지는 목질계 바이오매스의 반탄화 반응을 이해하는데 중요한 자료를 제공할 것이다.
이와 같은 기체성분은 발열량에 직접적으로 관여하는 것으로 반탄화 과정에서 유기성분의 열분해를 최소화하는 것이 중요하다. 따라서 바이오매스에 따른 열분해 거동의 이해는 반탄화 바이오매스를 연료로서 사용하는데 중요한 기초 자료를 제공할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반탄화 과정에서 바이오매스를 압축 성형함으로써 기대되는 효과는?
, 2012). 따라서 반탄화 과정에서 생산된 바이오매스를 압축 성형한다면 에너지밀도가 향상되어 수송비용을 최대 30% 이상 절감할 수 있을 것이다. 현재 목재펠릿 소비자 가격의 10% 이상을 수송비용이 차지하고 있는 실정이다.
바이오매스 반탄화에 의하여 바이오배스에는 어떤 변화가 생기는가?
바이오매스 반탄화는 열분해 과정의 하나로 무산소 상태, 비교적 낮은 온도(200∼300℃)에서 1시간 이내로 진행된다. 이러한 열처리 과정에서 바이오매스에 존재하는 수산기가 제거되고 바이오매스는 소수성의 성질을 가지며 상대적으로 발열량이 향상된다. 이것은 반탄화가 진행되면서 바이오매스의 구성성분에 포함된 산소를 CO, CO2의 형태로 제거하기 때문에 일어나는 현상으로 목재의 친수성을 소수성으로 변화시킨다.
바이오매스는 화석원료와 비교하여 어떤 단점이 있는가?
뿐만 아니라 정부의 신재생에너지의무할당제도(Renewable Portfolio Standards; RPS) 실시로 바이오매스 사용이 더욱 가속화되고 있다. 하지만 바이오매스는 화석연료와 비교하여 상대적으로 높은 함수율, 낮은 발열량을 나타내고 있어 연료 특성 측면에서 개선이 필요하다. 또한 국내 바이오매스 자원의 한계로 해외 자원의 활용에 대한 검토도 요구된다.
참고문헌 (15)
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