In South Korea, 25 % of annual agricultural residues (11.64 million tons) are unused. The hydrophilicity, low lower heating value (LHV), and low energy density of agricultural residues can be obstacles for efficient usage. Torrefaction, a low temperature pyrolysis process, can be a solution to overc...
In South Korea, 25 % of annual agricultural residues (11.64 million tons) are unused. The hydrophilicity, low lower heating value (LHV), and low energy density of agricultural residues can be obstacles for efficient usage. Torrefaction, a low temperature pyrolysis process, can be a solution to overcome these disadvantage of agricultural residues. In this study, agricultural residues such as bean stem, pepper stem, perilla stem, sorghum stem, acorn shell, and ginkgo shell are torrefied at 200, 230, and $250^{\circ}C$ and evaluated energy properties, respectively. The torrefaction can increase the LHV and energy density rate of agricultural residues from 3,331~4,444 kcal/kg to 4,166~5,830 kcal/kg and 20~30 %, respectively.
In South Korea, 25 % of annual agricultural residues (11.64 million tons) are unused. The hydrophilicity, low lower heating value (LHV), and low energy density of agricultural residues can be obstacles for efficient usage. Torrefaction, a low temperature pyrolysis process, can be a solution to overcome these disadvantage of agricultural residues. In this study, agricultural residues such as bean stem, pepper stem, perilla stem, sorghum stem, acorn shell, and ginkgo shell are torrefied at 200, 230, and $250^{\circ}C$ and evaluated energy properties, respectively. The torrefaction can increase the LHV and energy density rate of agricultural residues from 3,331~4,444 kcal/kg to 4,166~5,830 kcal/kg and 20~30 %, respectively.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 농가에서 버려지는 미활용 농업부산물 (콩대, 고춧대, 들깻대, 수숫대, 도토리껍질, 은행껍질)의 동일한 시간 조건에서 반탄화 온도 조건만을 달리하여 연료로서의 특성을 분석하였다. 열량, 질량 수율, 에너지 수율, 에너지 밀도 등 에너지 특성을 검토하고, 신재생에너지로서의 활용 가능성을 파악하였다.
따라서 본 연구에서는 농가에서 버려지는 미활용 농업부산물 (콩대, 고춧대, 들깻대, 수숫대, 도토리껍질, 은행껍질)의 동일한 시간 조건에서 반탄화 온도 조건만을 달리하여 연료로서의 특성을 분석하였다. 열량, 질량 수율, 에너지 수율, 에너지 밀도 등 에너지 특성을 검토하고, 신재생에너지로서의 활용 가능성을 파악하였다.
제안 방법
수집한 농업부산물 중 줄기류 농업부산물은 작두를 이용하여 5~7 cm의 길이로 절단하였고, 껍질류 농업부산물은 열매를 제외한 껍질만을 이용하였다. 모든 농업부산물은 방치되어있는 상태를 재현하기 위해 대기중에서 풍건한 후 실험을 진행하였다.
반탄화를 진행하기 전, 반응조 내에 농업부산물 10 g을 넣고, 무산소 상태로 만들기 위해 질소를 분당 1 L의 유량으로 퍼징 (Purging)하였다. 무산소 상태의 반응조는 muffle furnace에 투입하여 15 ℃/분의 속도로 온도 조건 (200, 230, 250 ℃)까지 승온시킨 후 45분간 반탄화를 진행하였다. 일반적으로 반탄화는 200~300 ℃에서 진행하지만, 농업부산물의 경우 목질계 바이오매스에 비해 고온 조건의 반탄화 과정에서 에너지 손실이 많기 때문에 (Deng et al.
반탄화 전후에 대한 농업부산물의 에너지 특성을 파악하기 위해 원소분석기 (Elemental analyzer 2400 series II, Perkin Elmer, USA)를 이용하여 탄소 (C), 수소 (H), 질소 (N), 황(S)의 함량을 측정하였고, 식 (1)을 이용하여 산소함량을 산출하였으며 (Matali et al., 2016; Li et al., 2016), 원소분석 결과를 토대로 식 (2)를 이용하여 농업부산물의 저위발열량을 산출하였다 (Kang et al., 2014).
1과 같이 실험을 진행하였다. 반탄화를 진행하기 전, 반응조 내에 농업부산물 10 g을 넣고, 무산소 상태로 만들기 위해 질소를 분당 1 L의 유량으로 퍼징 (Purging)하였다. 무산소 상태의 반응조는 muffle furnace에 투입하여 15 ℃/분의 속도로 온도 조건 (200, 230, 250 ℃)까지 승온시킨 후 45분간 반탄화를 진행하였다.
본 연구에서 사용한 농업부산물의 원소분석 결과를 Table 1에 나타내었으며, 농업부산물과 비교하기 위해 화력발전소에서 주로 사용되는 아역청탄 (Sub-bituminous coal)과 혼소에 사용되는 우드칩 (Woodchip)을 같이 제시하였다. 줄기류 농업부산물의 경우 탄소 42.
본 연구에서는 경기도 안성시 인근 농가에서 수집한 농업부산물 (콩대, 고춧대, 들깻대, 수숫대, 도토리껍질, 은행껍질)을 이용하여 반탄화를 수행하였으며, 반탄화 온도 (200, 230, 250 ℃)를 달리하여 에너지 특성 변화를 탐색하였다. 반탄화를 수행한 결과, 탄소함량이 증가하고, 산소함량이 감소하였으며, 3,331~4,444 kcal/kg 수준의 저위발열량이 4,166~5,830kcal/kg으로 증가하여 혼소 연료로서 주로 이용되는 우드칩을 상회하는 결과가 나타났다.
무산소 상태의 반응조는 muffle furnace에 투입하여 15 ℃/분의 속도로 온도 조건 (200, 230, 250 ℃)까지 승온시킨 후 45분간 반탄화를 진행하였다. 일반적으로 반탄화는 200~300 ℃에서 진행하지만, 농업부산물의 경우 목질계 바이오매스에 비해 고온 조건의 반탄화 과정에서 에너지 손실이 많기 때문에 (Deng et al., 2009), 본 연구에서는 250 ℃이하의 온도 조건에서 반탄화를 진행하였다
대상 데이터
본 연구에서 사용한 농업부산물은 경기도 안성시 인근 농가에서 직접 수집한 것으로, 줄기류 농업부산물 (콩대, 고춧대, 들깻대, 수숫대)과 껍질류 농업부산물 (도토리껍질, 은행껍질)을 이용하였다. 수집한 농업부산물 중 줄기류 농업부산물은 작두를 이용하여 5~7 cm의 길이로 절단하였고, 껍질류 농업부산물은 열매를 제외한 껍질만을 이용하였다.
본 연구에서 사용한 농업부산물은 경기도 안성시 인근 농가에서 직접 수집한 것으로, 줄기류 농업부산물 (콩대, 고춧대, 들깻대, 수숫대)과 껍질류 농업부산물 (도토리껍질, 은행껍질)을 이용하였다. 수집한 농업부산물 중 줄기류 농업부산물은 작두를 이용하여 5~7 cm의 길이로 절단하였고, 껍질류 농업부산물은 열매를 제외한 껍질만을 이용하였다. 모든 농업부산물은 방치되어있는 상태를 재현하기 위해 대기중에서 풍건한 후 실험을 진행하였다.
데이터처리
모든 실험은 동일한 시료를 이용하여 3반복 실험이 진행되었으며, 각 실험의 결과는 평균값으로 제시하였다.
성능/효과
23으로 나타났다. 250 ℃ 온도 조건에서의 에너지밀도비는 콩대 1.26, 고춧대 1.25, 들깻대 1.22, 수숫대 1.25, 도토리껍질 1.20, 은행껍질 1.31으로 1.30에 가깝게 나타나 반탄화 온도 조건이 증가할수록 에너지밀도비가 증가하는 경향의 결과가 나타났다. 이는 반탄화 온도가 증가할수록 에너지 수율과 질량 수율의 격차가 커지기 때문으로 판단된다 [식 (5)].
반탄화를 수행한 결과, 탄소함량이 증가하고, 산소함량이 감소하였으며, 3,331~4,444 kcal/kg 수준의 저위발열량이 4,166~5,830kcal/kg으로 증가하여 혼소 연료로서 주로 이용되는 우드칩을 상회하는 결과가 나타났다. 또한 에너지 밀도가 반탄화 과정 전과 비교해 볼 때 1.20~1.31배 높아졌으므로 석탄 혼소 시 연소의 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 결과들을 토대로 농업부산물 (콩대, 고춧대, 들깻대, 수숫대, 도토리껍질, 은행껍질)의 최적 반탄화 온도 조건은 250 ℃으로 판단되며, 반탄화 농업부산물은 연료로서 우드칩 이상의 가치를 가지므로, 화력발전소 혼소연료로서 이용할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 분야에서 고형연료로 활용이 가능하다.
2 kcal/kg으로 나타났다. 반탄화 온도 조건 200 ℃에서의 저위발열량은 콩대 4,231.3 kcal/kg, 고춧대 4,004.2 kcal/kg, 들깻대 4,293.6 kca/kg, 수숫대 3,724.6 kcal/kg, 도토리 껍질 4,639.1 kcal/kg, 은행껍질 4,969.8 kcal/kg로 나타났고, 230 ℃에서는 콩대 4,344.9kcal/kg, 고춧대 4,131.3 kcal/kg, 들깻대 4,473.4 kcal/kg, 수숫대 3,975.7 kcal/kg, 도토리껍질 4,812.6 kcal/kg, 은행껍질 5,474.7 kcal/kg로 나타났으며, 마지막으로 250 ℃에서는 콩대 4,690.9 kcal/kg, 고춧대 4,762.5 kcal/kg, 들깻대 4,577.1kcal/kg, 수숫대 4,165.6 kcal/kg, 도토리껍질 4,974.9 kcal/kg, 은행껍질 5,830.3 kcal/kg로 나타나 반탄화 온도가 증가함에 따라 저위발열량도 같이 증가하는 경향이 나타났다. 이러한 저위발열량의 증가는 탄소함량의 증가와 함께 산소함량의 감소에 기인한 것으로 보고되고 있다 (Cho et al.
, 1950) 상에 비교하여 나타낸 것이다. 반탄화 전 농업부산물 H/C, O/C비는 각각 1.55~1.73, 0.69~0.89로 나타났으며, 250 ℃, 45분 반탄화 과정을 통해 1.08~1.54, 0.42~0.65로 감소하여 반탄화를 통해 농업부산물의 화학적 성상이 아역청탄과 가까워지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 H/C 비의 감소는 혼소 시 불꽃의 안정성을 의미하고, O/C 비의 감소는 바이오매스의 미생물에 의한 분해 가능성의 감소를 의미한다 (Lee, 2015).
본 연구에서는 경기도 안성시 인근 농가에서 수집한 농업부산물 (콩대, 고춧대, 들깻대, 수숫대, 도토리껍질, 은행껍질)을 이용하여 반탄화를 수행하였으며, 반탄화 온도 (200, 230, 250 ℃)를 달리하여 에너지 특성 변화를 탐색하였다. 반탄화를 수행한 결과, 탄소함량이 증가하고, 산소함량이 감소하였으며, 3,331~4,444 kcal/kg 수준의 저위발열량이 4,166~5,830kcal/kg으로 증가하여 혼소 연료로서 주로 이용되는 우드칩을 상회하는 결과가 나타났다. 또한 에너지 밀도가 반탄화 과정 전과 비교해 볼 때 1.
, 2014). 아역청탄의 42.76~57.05 % 수준이었던 농업부산물의 저위발열량이 반탄화를 통해 53.47~74.84 % 수준으로 상승하였으며, 우드칩 (4,168.8 kcal/kg)을 상회하는 결과가 나타나 화력발전소의 혼소연료로서 우드칩을 대체하기 충분할 것으로 판단된다.
1 %로 나타났다. 줄기류 농업부산물의 경우 우드칩에 비해 낮은 탄소함량과 높은 산소 함량이 나타났으며, 껍질류 농업부산물은 상대적으로 비슷한 수준의 원소분석 결과가 나타났다. 농업부산물의 탄소함량은 아역청탄의 53.
본 연구에서 사용한 농업부산물의 원소분석 결과를 Table 1에 나타내었으며, 농업부산물과 비교하기 위해 화력발전소에서 주로 사용되는 아역청탄 (Sub-bituminous coal)과 혼소에 사용되는 우드칩 (Woodchip)을 같이 제시하였다. 줄기류 농업부산물의 경우 탄소 42.6~44.8 %, 수소 6.0~6.4 %, 질소 0.5~1.2 %, 산소 47.2~50.6 %의 함량으로 나타났으며, 껍질류 농업부산물의 경우 탄소, 수소, 질소, 산소가 각각 48.1~48.9 %, 6.2~6.9 %, 0.3~1.6 %, 43.9~44.1 %로 나타났다. 줄기류 농업부산물의 경우 우드칩에 비해 낮은 탄소함량과 높은 산소 함량이 나타났으며, 껍질류 농업부산물은 상대적으로 비슷한 수준의 원소분석 결과가 나타났다.
후속연구
, 2017). 반탄화를 통한 농업부산물의 열량, 생물학적 안정성, 그리고 혼소 시 연소의 안정성이 증가함에 따라 연료의 수송 및 저장이 용이해지기 때문에 활용 가치도 함께 증가할 것으로 판단된다.
31배 높아졌으므로 석탄 혼소 시 연소의 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 결과들을 토대로 농업부산물 (콩대, 고춧대, 들깻대, 수숫대, 도토리껍질, 은행껍질)의 최적 반탄화 온도 조건은 250 ℃으로 판단되며, 반탄화 농업부산물은 연료로서 우드칩 이상의 가치를 가지므로, 화력발전소 혼소연료로서 이용할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 분야에서 고형연료로 활용이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오매스란?
바이오매스는 태양에너지를 이용하는 식물의 광합성에 의해 생성되는 식물체와 이를 먹이로 이용하여 살아가는 동물체를 포함한 생물 유기체 전체를 일컬으며, 바이오매스 유래 에너지는 탄소 중립성, 지속 가능성, 광범위한 이용 가능성으로 인해 실현가능한 신재생에너지로 간주되고 있다 (Matali et al., 2016; Yu et al.
농업부산물 바이오매스의 단점은?
, 2013). 하지만 농업부산물 바이오매스는 일반적으로 에너지 밀도가 낮고, 생산 지역이 광범위하며, 발생 시기도 균일하지 않기 때문에 수집, 수송에 따른 비용이 많이 소요되는 특성이 있다. 또한 일반적으로 수분함량이 높고, 높은 흡습성으로 인해 발열량 저하와 원료의 변질을 유발 (Deng et al.
농업부산물 바이오매스를 연료로서 사용하기 어려운 이유는?
하지만 농업부산물 바이오매스는 일반적으로 에너지 밀도가 낮고, 생산 지역이 광범위하며, 발생 시기도 균일하지 않기 때문에 수집, 수송에 따른 비용이 많이 소요되는 특성이 있다. 또한 일반적으로 수분함량이 높고, 높은 흡습성으로 인해 발열량 저하와 원료의 변질을 유발 (Deng et al., 2009)하기 때문에 연료로서 이용하기에는 어려움이 많다.
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