[논문]반응속도 분석을 통한 돈분의 탄화 온도 적정범위 평가

최형진; 이승희

doi:10.7844/kirr.2017.26.2.25

반응속도 분석을 통한 돈분의 탄화 온도 적정범위 평가
Evaluation on Adequate Range of Carbonization Temperature using Swine Manure through Reaction Kinetics 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.26 no.2, 2017년, pp.25 - 32

최형진 (경기대학교 공과대학 환경에너지공학과) , 이승희 (경기대학교 공과대학 환경에너지공학과)

초록
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돈분 자체의 저위 발열량은 859~1,075 kcal/kg로 낮게 나타나 열처리 중 한 공정인 탄화공정에 의한 연료의 개질이 필요하다. 돈분의 탄화 공정에서 가장 중요한 인자는 탄화 온도이며 본 연구에서는 탄화온도에 대한 적정 범위의 평가가 돈분의 열적 특성과 돈분의 탄화 반응속도를 통하여 이루어졌다. 열적 특성 분석 결과, 적정 탄화 온도는 높은 수율과 흡열 반응이 일어나는 $240{\sim}320^{\circ}C$로 평가되었다. 돈분 탄화공정에서의 반응속도는 1차 반응식과 Arrhenius 식을 통하여 나타내었으며, 빈도인자(lnA)는 3.05~13.08, 활성화 에너지는 6.94~18.05 kcal/mol로 평가되었다. 돈분 탄화 공정의 높은 효율과 돈분 내부로의 충분한 열전달을 위하여 최적 탄화 시간을 5~20 min로 설정하였을 때, 적정 탄화 온도의 범위는 $260{\sim}300^{\circ}C$로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since the heating values of swine manures were very low at 859~1,075 kcal/kg, it was necessary to convert to carbonization residue by carbonization processes among thermal processes. The most important factor in the carbonization process of swine manure is the carbonization temperature, and it was evaluated the optimal range of carbonization temperature for swine manure in this study by the thermal characteristics and the reaction kinetics. The carbonization of swine manure could be described by the 1st order reaction and Arrhenius equation. The frequency factor (lnA) and the activation energy were estimated to be 3.05~13.08 and 6.94~18.05 kcal/mol, respectively. The range of optimal carbonization temperature range of swine manure was $260{\sim}300^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

돈분의 탄화공정에서 탄화 온도의 적절한 범위를 평가하기 위하여 돈분의 기초 특성(공업 분석, 발열량)과열적 특성(TGA, DSC) 분석을 수행하였다. 또한, 구체 적인 적정 탄화 온도의 범위를 도출하기 위하여 TGA 분석을 통한 비등온적 탄화 반응 속도를 고찰하였으며, 이에 대해 검토한 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

돈분의 탄화공정에서 탄화 온도의 적절한 범위를 평가하기 위하여 돈분의 기초 특성(공업 분석, 발열량)과열적 특성(TGA, DSC) 분석을 수행하였다. 또한, 구체 적인 적정 탄화 온도의 범위를 도출하기 위하여 TGA 분석을 통한 비등온적 탄화 반응 속도를 고찰하였으며, 이에 대해 검토한 결과를 요약하면 다음과 같다.
유기성 폐기물의 탄화공정에서 탄화 반응속도는 일반적으로 일차 반응식으로 표현하고 있으므로 본 연구에서 사용한 돈분의 탄화 전화율과 반응속도는 일차 반응식을 이용하여 해석하였다. 열중량법을 이용한 반응속도 평가는 크게 등온법(Isothermal thermo-gravimetry) 과 비등온법(Dynamic thermo-gravimetry)이 있다.
본 연구에서는 국내 가축분뇨 중 가장 많이 발생하는 돈분을 대상으로 하였다. 잡식성인 돼지의 경우, 사료의 특성 따라 돈분의 특성이 상이하므로 서로 다른 사료를 먹인 돼지의 돈분에 대해 적정 탄화 온도를 평가하였다. 적정 탄화 온도의 평가는 TGA (Thermogravimetric analysis)와 DSC (Differential scanning calorimetry) 분석을 이용하였으며, 탄화 반응에 따른 물질의 전환율을 일차 반응식과 Arrhenius식으로 해석하여 평가하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 돈분은 경기도 P시의 3개의 양돈 농장에서 채취한 돈분(A, B, C)을 사용하였다. A는 돼지 사료로 일반 사료를 사용하였을 때의 돈분이며, B는 돼지 사료로 음식물 사료와 일반사료를 1:1로 혼합한 복합 사료를 사용하였을 때의 돈분이다.

데이터처리

또한, 발열량의 경우 발열량계 (Bomb calorimeter, Parr, 6200)로 측정하여 고위 발열량과 저위 발열량으로 나타내었다. 돈분 시료의 열적 특성을 검토하기 위하여 TGA (Thermogravimetric analysis) 와 DSC (Differential scanning calorimetry) 곡선은 열중량 분석기(Netzsch STA 409 PC)를 이용하여 분석하였다. TGA와 DSC는 탄화 공정과 같은 환원분위기를 유지하기 위하여 N₂가스를 50 ml/min의 유량으로 일정하게 투입하였으며, 10℃/min의 승온 속도로 30~800℃범위에서 분석하였다.

성능/효과

1. TGA분석에서 돈분의 질량 감소는 200~500℃에서 발생하였으며, TGA의 일차 미분값인 DTG 곡선에서 높은 수율을 위한 DTG_max이하의 온도 조건과 DSC 곡선에서 흡열반응이 일어나는 온도 조건인 240~320℃가 탄화 반응을 평가하기 위한 조건으로 선정되었다.
2. 돈분의 탄화 반응 속도를 분석한 결과, 240~320℃구간에서 돈분의 활성화 에너지는 6.94~18.15 kcal/mol, 빈도인자는 3.05~13.08로 나타나 양돈 농가에서 사용하는 사료의 특성에 따라 다양한 것으로 나타났다.
3. 탄화 공정의 효율성 및 돈분 내부로의 충분한 열전달을 위하여 5~20 min을 적절한 탄화 시간으로 설정 하였을 때, 반응 속도를 통한 돈분 탄화의 최적 온도 범위는 260~300℃로 평가되었다.

후속연구

하지만 본고에서는 실제 탄화 공정에서는 돈분의 승온 속도가 TGA 분석에서의 승온 속도인 10℃/min보다 매우 빠르게 진행되므로 투입된 돈분 덩어리의 표면에서 탄화 반응이 진행되고 내부까지 열전달이 원활히 되지 않아 내부의 탄화 반응은 늦게 진행될 것이다. 실제 탄화 공정에서는 내부의 열전달을 위하여 이보다 높은 탄화 온도가 적절할 것으로판단되며 정확한 탄화 반응을 평가하기 위하여 탄화 공정에서 시료의 승온 속도에 대한 영향을 평가할 필요가 있다. 따라서 돈분 탄화의 적절한 온도 범위는 탄화 시간을 5분 이상, 20분 이하를 만족하는 260~300℃로 판단된다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄화 공정에서 가장 중요한 변수는 무엇인가?	열적처리를 통하여 가축분뇨를 에너지원으로 사용할 수 있는 기술은 탄화가 있으며 이에 대한 여러 연구가 필요하다. 탄화 공정에서 가장 중요한 변수는 탄화 시간과 탄화 온도이며, 두 변수의 조작에 따라 탄화물의 특성이 상이하게 된다. 이러한 변수는 반응속도 분석을 통하여 적정 범위를 도출할 수 있으므로 이에 대한 고찰이 필요하다.
	현재 가축분뇨의 육상처리는 어떻게 처리되고 있는가?	2006년 폐기물 및 기타물질의 투기에 의한 해양오염 방지에 관한 국제협약인 런던협약이 발효되고, 2012년부터 하수오니와 가축분뇨의 해양투기가 금지됨에 따라 가축분뇨에 대학 육상처리가 필요한 실정이다4). 현재 가축분뇨의 육상처리는 대부분 퇴비화 및 액비화, 혐기성 소화로 처리되고 있다. 한국농촌경제연구원이 분석한 자료에 의하면, 연간 토양으로 투입되는 양분의 양은 약 100만 톤이고 이중 가축분뇨의 퇴비화 및 액비 화가 약 35%를 차지하고 있다5) .
	신재생 에너지 기본계획을 이행하기 위하여 어떤 제도들을 도입하였는가?	국내에서도 국제적인 흐름에 발맞추어 2035년까지 1차 에너지 대비 11%의 신재생에너지를 공급하겠다는 신재생 에너지 기본계획을 발표하였다2). 이를 이행하기 위하여 수송용 화석연료에 바이오 연료를 일정 비율 이상으로 혼합하여 공급하는 RFS(Renewable Fuel Standard) 제도와 발전사업자에게 총발전량의 일정 비율 이상을 신재생에너지를 이용하여 공급토록 하는 RPS(Renewable Portfolio Standard) 제도 등을 도입하였다3). 특히, 발전 사업자들은 RPS 제도를 이행하기 위하여 국외에서 막대한 양의 우드펠릿, 팜 부산물 등을 수입하고 있어 국내 폐바이오매스를 이용한 고형연료 제조가 필요한 실정이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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