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문제 정의
- 본 논문에서는 반탄화 온도 조건에 따른 발전용 바이오매스(WP, EFB, PKS)의 구성성분과 발열량에 관련된 특성을 분석하여 최적의 반탄화 온도조건을 찾아보았다. 그리고 반탄화 공정에 따른 염소 방출 특성을 알아보기 위해 이온 크로마토그래피 방법을 이용하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 WP, EFB, PKS의 반탄화 온도 조건(220℃, 250℃, 280℃)에 따른 특성을 분석하고, 최적의 반탄화 온도 조건을 결정하였다. 또한 230℃, 300℃의 두 가지 온도 조건에서 EFB, PKS 시료를 반탄화하고, 이온 크로마토그래피(ion chromatography)를 이용하여 원료(raw biomass) 대비 염소 성분 함량 변화를 측정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 WP, EFB, PKS의 반탄화 온도 조건(220℃, 250℃, 280℃)에 따른 특성을 분석하고, 최적의 반탄화 온도 조건을 결정하였다. 또한 230℃, 300℃의 두 가지 온도 조건에서 EFB, PKS 시료를 반탄화하고, 이온 크로마토그래피(ion chromatography)를 이용하여 원료(raw biomass) 대비 염소 성분 함량 변화를 측정하였다. 그리고 온도별로 비교 분석하였다.
- 또한 230℃, 300℃의 두 가지 온도 조건에서 EFB, PKS 시료를 반탄화하고, 이온 크로마토그래피(ion chromatography)를 이용하여 원료(raw biomass) 대비 염소 성분 함량 변화를 측정하였다. 그리고 온도별로 비교 분석하였다.
- 이때, 반탄화 온도에 따른 바이오매스 연료의 발열량 변화, 질량 수율･에너지 수율 변화, 고정 탄소량과 휘발분의 변화를 알아보기 위해 온도 조건을 30℃ 간격으로 설정하였다. 고온에서 반탄화를 할수록 에너지 밀도가 증가한다는 측면에서 200℃는 반탄화를 하는 의미가 작고, 300℃에서는 질량 수율 측면에서 경제성이 좋지 않기 때문에 실험 조건에서 제외하였다.
- 그리고 염소 함량 분석을 위한 온도 조건은 반탄화 공정에서 염소 방출 여부를 알아보는 것이 목적이므로 반탄화 특성 분석에서의 온도 조건과 연관성을 두지 않고 설정하였다. 선행 연구 결과에 따르면 고온에서 반탄화한 바이오매스에서 더 많은 염소가 방출되었으므로 반탄화 온도 구간에서 가장 높은 온도인 300℃와 이에 대한 비교를 위하여 230℃ 반탄화 조건에 대해 실험하였다10,11).
- LECO사의 TGA 701모델을 사용하여 반탄화를 진행하였다. 석영 재질의 도가니(crucible)에 준비된 시료를 넣고 질소 분위기를 형성하였다. 1회 실험시 도가니 당 1 g의 시료를 사용하였다.
- WP･EFB･PKS의 반탄화 전후의 발열량은 칼로리미터(5E-C5500)로 측정하였다. 시료 1 g을 연소시키는 동안의 온도 상승 및 고위발열량(higher heating value, HHV)을 측정하였다.
- WP･EFB･PKS의 반탄화 전후의 발열량은 칼로리미터(5E-C5500)로 측정하였다. 시료 1 g을 연소시키는 동안의 온도 상승 및 고위발열량(higher heating value, HHV)을 측정하였다.
- LECO사의 공업분석기(TGA701)를 ASTM D5142에 근거하여 반탄화 전후 WP･EFB･PKS의 수분, 휘발분, 회분 그리고 고정 탄소를 측정하였다. 본 연구는 기건식(air dry basis)에서 진행되므로, 공업분석의 결과는 수분+휘발분+회분+고정탄소=100으로 간주한다.
- Metrohm사의 이온 크로마토그래피(ICFLEX 930)를 이용하여 EFB･PKS의 반탄화 전후의 염소 방출을 관찰하였다.
- 0 mm×250 mm, 5 µm이며, 온도는 35℃로 유지된다. 초음파를 이용하여 잔류 기포를 제거하기 위해 30분간 전처리 과정을 거친 후 시료의 염소 함유량을 측정하였다.
- 우드펠릿은 EFB, PKS에 비하여 상대적으로 원료에 염소가 많지 않으므로 염소 함량 분석을 하지 않았다.
- 본 논문에서는 반탄화 온도 조건에 따른 발전용 바이오매스(WP, EFB, PKS)의 구성성분과 발열량에 관련된 특성을 분석하여 최적의 반탄화 온도조건을 찾아보았다. 그리고 반탄화 공정에 따른 염소 방출 특성을 알아보기 위해 이온 크로마토그래피 방법을 이용하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 그리고 염소 함량 분석을 위한 온도 조건은 반탄화 공정에서 염소 방출 여부를 알아보는 것이 목적이므로 반탄화 특성 분석에서의 온도 조건과 연관성을 두지 않고 설정하였다. 선행 연구 결과에 따르면 고온에서 반탄화한 바이오매스에서 더 많은 염소가 방출되었으므로 반탄화 온도 구간에서 가장 높은 온도인 300℃와 이에 대한 비교를 위하여 230℃ 반탄화 조건에 대해 실험하였다10,11).
- 바이오매스의 반탄화 과정을 통해서 만들어진 연료가 석탄을 대체할 수 있는 발열량을 가지는지 확인하기 위해서 반탄화 전후의 발열량을 측정하여 Fig. 3에서 비교하였다.
대상 데이터
- 반탄화 공정에서 사용되는 WP･EFB･PKS는 HSIANGTAI사의 Grinder로 분쇄하였고 입도는 1-5 mm 사이로 하였다.
- 석영 재질의 도가니(crucible)에 준비된 시료를 넣고 질소 분위기를 형성하였다. 1회 실험시 도가니 당 1 g의 시료를 사용하였다.
이론/모형
- LECO사의 TGA 701모델을 사용하여 반탄화를 진행하였다. 석영 재질의 도가니(crucible)에 준비된 시료를 넣고 질소 분위기를 형성하였다.
성능/효과
- 반탄화 전후 공업 분석을 통하여 WP･EFB･PKS의 수분, 휘발분, 회분 그리고 고정탄소를 Table 4에 나타내었다. 반탄화 분위기와 공업 분석 분위기에 따라 약간의 차이가 있지만, 반탄화 이후 수분이 5-10% 정도로 크게 줄어드는 것을 확인하였다. 이것은 바이오매스에 포함된 수산기 감소에 의한 결과이며, 수산기의 감소는 반탄화된 바이오매스가 소수성 성질을 가지게 한다12).
- 둘째, 본 연구에서는 20분 안에 목표 온도에 도달하였고 30분간 유지하였으나, 선행 연구에서는 60분 동안 가열하여 목표 온도에 도달하였으며 15분을 유지하였다. 따라서 본 연구에서는 짧은 가열 시간으로 인해 반탄화 공정 중에 방출된 염소가 바이오매스에 재흡수될 수 있는 시간이 상대적으로 적었고, 그에 따라 염소 방출률이 커진 것으로 볼 수 있다.
- 둘째, 본 연구에서는 20분 안에 목표 온도에 도달하였고 30분간 유지하였으나, 선행 연구에서는 60분 동안 가열하여 목표 온도에 도달하였으며 15분을 유지하였다. 따라서 본 연구에서는 짧은 가열 시간으로 인해 반탄화 공정 중에 방출된 염소가 바이오매스에 재흡수될 수 있는 시간이 상대적으로 적었고, 그에 따라 염소 방출률이 커진 것으로 볼 수 있다.
- 1) 고온에서 반탄화를 할수록 바이오매스의 에너지 밀도가 증가한다. 그러나 질량수율과 에너지수율을 고려한 최적의 반탄화 온도는 WP의 경우 250-280℃, EFB와 PKS는 220-250℃이다.
- 2) 반탄화를 하면 바이오매스에 함유된 염소 함량을 감소시킬 수 있다. 고온에서 반탄화를 하면 염소가 더 많이 방출되는데 300℃에서 반탄화 한 EFB는 원료 대비 97.
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