[논문]갈조류 급속열분해 공정의 모사와 설계

우희철; 유준

doi:10.7464/ksct.2017.23.4.435

[국내논문] 갈조류 급속열분해 공정의 모사와 설계
Process Design and Simulation of Fast Pyrolysis of Brown Seaweed 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.23 no.4, 2017년, pp.435 - 440

(부경대학교 화학공학과) , 우희철 (부경대학교 화학공학과) , 유준 (부경대학교 화학공학과)

초록
AI-Helper

바이오 연료 생산을 위한 3세대 바이오매스, 즉 미세조류 및 거대조류의 급속 열분해는 최근 1 세대 및 2 세대 바이오매스와 비교하여 실험적으로 연구된 바 있다. 하지만 거대조류의 경우 스케일업을 위한 공정모사 및 공정설계 연구는 거의 전무한 실정이다. 이 연구에서는 갈조류 급속 열분해의 벤치 스케일 실험 데이터에 근거하여 갈조류로부터 최종적으로 디젤을 생산하는 산업 규모의 공정을 상용 공정모사기를 이용하여 설계하고 모사하였다. 이때 육상 바이오매스 대비 갈조류의 조성 차이를 수용하기 위해 공정 설계에 특별한 주의를 기울였다. 연간 380,000톤의 건조 갈조류 원료를 바이오 디젤로 전환하는 전체 공정을 경제적으로 평가하고 최소 (디젤) 판매 가격 또한 산정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Fast pyrolysis of third generation biomass, including micro- and macroalgae for biofuel production has recently been studied and compared experimentally to first- and second-generation biomass. Compared to microalgae, however, process design and simulation study of macroalgae for scale-up has been rare in literature. In this study, we designed and simulated an industrial scale process for producing diesel range biofuel from brown algae based on bench scale experimental data of fast pyrolysis using a commercial process simulator. During process design, special attention was paid to the process design to accommodate the differences in composition of brown algae compared to terrestrial biomass. The entire process of converting 380,000 tonnes of dry brown algae per year into diesel range biofuel was economically evaluated and the minimum (diesel) selling price was also estimated through techno-economic analysis.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

해양 바이오매스는 경작을 위한 토지가 필요 없고 재배 가능 면적이 훨씬 넓다는 이점 외에도, 육상 바이오매스보다 더 많은 양의 이산화탄소 흡수가 가능하다[6]. 이러한 장점들을 고려하여, 이 논문은 수생 바이오매스 중 거대 조류, 특히 한국의 대표적인 갈색 조류인 다시마를 바이오 연료의 생산을 위한 잠재적인 원료로서 검토 할 것이다.
이 연구는 상용 공정모사기인 Aspen Plus를 사용하여 갈조류의 급속 열분해 전환경로와 이후의 바이오 연료 생산을 산업 규모(380,000 ton yr^-1, 건조 원료 기준)에서 모사하고 평가하는 것을 목표로 한다. 공정 모사는 갈조류인 다시마의 간접 가열식, 비촉매 급속 열분해 공정과 후속의 업그레이딩 공정의 벤치 스케일 실험 데이터를 토대로 하였다.

제안 방법

이 연구에서는 거대 조류 중 갈조류를 원료로 사용하는 산업 규모의 급속 열분해 및 바이오 연료 생산 공장을 위해 공정 설계, 공정 모사 및 기술-경제성 평가가 이루어졌다. 공정 설계와 모사는 다시마의 급속 열분해 벤치 스케일 실험 데이터를 기반으로 이루어졌다.
산업 규모의 해조류 급속 열분해의 전체 공정을 다음과 같이 6개의 구역으로 나누었다(Figure 1): (i) 전처리, (ii) 열분해, (iii) 열 및 전력 생산, (iv) 상 분리, (v) 업그레이딩, 및 (vi) 수소 생산. 전처리 구역에서는 먼저 분쇄기를 사용하여 307 ton h-¹의 원료(수분 85% 함유)의 크기를 줄인다.

대상 데이터

, 건조 원료 기준)에서 모사하고 평가하는 것을 목표로 한다. 공정 모사는 갈조류인 다시마의 간접 가열식, 비촉매 급속 열분해 공정과 후속의 업그레이딩 공정의 벤치 스케일 실험 데이터를 토대로 하였다.
이 연구를 위해 공업분석과 원소분석은 다음의 두 가지 다시마 시료 - (i) 전처리 전 시료, (ii) 산세척 후 건조 시료 - 에 대해 실시하였으며 그 결과는 Table 1과 같다.

이론/모형

공정모사기는 이 정보를 사용하여 일련의 상관관계 기반 모델을 사용하여 엔탈피와 밀도를 계산한다. 이 연구에서 갈조류의 열용량 및 밀도 결정을 위해 사용한 상관관계 기반 모델은 각각 HCOALGEN와 DCOALIGT이다. 또한 공정모사기는 비전통적인 고체와의 평형 계산을 수행할 수 없기 때문에 모든 화학 반응과 변화(건조)와 관련된 물리적 과정은 FORTRAN 서브루틴에 의해 정의되어야 한다.

성능/효과

98 MW이며 Table 6에서 알 수 있듯이 수소 생산(스팀 개질 및 압력전환흡착)이 가장 전력을 많이 소비한다. 최종적으로 프로세스의 순 전력생산은 655 kW이다. 반면에 전처리 구역은 총 162 GJ h^-1 발생열량 중 75 GJ h^-1을 필요로 하는 것을 알 수 있다(Table 7).
공정 설계와 모사는 다시마의 급속 열분해 벤치 스케일 실험 데이터를 기반으로 이루어졌다. 연간 380,000톤의 건조 다시마를 처리하기 위해 모사된 공정은 30.8 백만 리터의 디젤과 유사한 바이오 연료를 생산한다. 이 용량에서의 다양한 바이오매스원료 가격에 대한 예상 MPSP 범위는 목질계 바이오매스를 사용하는 유사한 공정에 비해 상대적으로 더 크다.
8 백만 리터의 디젤과 유사한 바이오 연료를 생산한다. 이 용량에서의 다양한 바이오매스원료 가격에 대한 예상 MPSP 범위는 목질계 바이오매스를 사용하는 유사한 공정에 비해 상대적으로 더 크다. 본 연구에서 설계한 공정을 보다 경제적으로 만들 수 있는 조치들은 다음과 같이 예상된다: (i) 열분해 장치를 간접 가열식에서 유동층식으로 변경하여 제품 수율을 높인다.

후속연구

이 용량에서의 다양한 바이오매스원료 가격에 대한 예상 MPSP 범위는 목질계 바이오매스를 사용하는 유사한 공정에 비해 상대적으로 더 크다. 본 연구에서 설계한 공정을 보다 경제적으로 만들 수 있는 조치들은 다음과 같이 예상된다: (i) 열분해 장치를 간접 가열식에서 유동층식으로 변경하여 제품 수율을 높인다. (ii) 자체 수소 생산 대신 수소를 구입하여 업그레이딩에 사용한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	갈조류의 화학적 구성이 열화학적 전환에 적합하다고 보는 이유는?	거대 조류는 또한 높은 수준의 질소, 유황 등을 포함한다[8-10]. 또한 많은 갈조류 종들이 높은 탄수화물 함량을 가지고 있다고 널리 보고되었기 때문에 갈조류의 화학적 구성은 Ross 등에 의해 관찰된 바와 같이 열화학적 전환에 적합하다[11]. 마지막으로, 거대 조류를 바이오 연료 원료로 사용할 때 화학 성분의 계절적 변화를 신중하게 고려해야 한다.
	21세기의 기술 발전의 특징은 무엇인가?	21세기의 기술 발전은 이미 세계 인구의 증가와 더불어 가속화 되고 있으며, 이에 따라 선진국은 물론 개발도상국에서도 에너지 안보가 중요한 지정학적 요인의 하나로 부상하였다. 따라서 에너지 수요와 공급 간의 긴장이 심화되고 있으며 결과적으로 모든 에너지 분야에서 혁신과 개선을 위한 노력 또한 강화되고 있다.
	바이오 연료가 원유를 대체할 수 있는 물질에 가장 근접해 있는 이유는 무엇인가?	새로운 에너지 운반체는 궁극적으로 원유와 원유에서 파생 된 유도체를 대체해야 하므로 원유와 유사한 물리적 및 열화 학적 성질을 가질 뿐만 아니라, 가능한 작은 탄소 발자국(carbon footprint)도 가져야 한다. 이러한 이유로 바이오 연료는 원유를 대체할 수 있는 물질에 가장 근접해 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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