[논문]바이오매스 전처리 기술에 따른 혼소 특성에 관한 실험적 연구

김종호; 박경훈; 김경민; 박경원; 정태용; 이영주; 전충환

doi:10.7316/khnes.2018.29.1.81

[국내논문] 바이오매스 전처리 기술에 따른 혼소 특성에 관한 실험적 연구
The Biomass Pre-treatment Effect on the Combustion Characteristics of Coal and Biomass Blends 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.29 no.1, 2018년, pp.81 - 89

김종호 (부산대학교 기계공학부) , 박경훈 (부산대학교 기계공학부) , 김경민 (부산대학교 기계공학부) , 박경원 (부산대학교 기계공학부) , 정태용 (부산대학교 기계공학부) , 이영주 (한국에너지기술연구원 청정연료 연구실) , 전충환 (부산대학교 기계공학부)

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Fuel blend technique is one of the most effective way of using biomass to replace the coal. Many studies on combustion characteristics with coal and biomass blends have been conducted. In this study, char reactivity and emission characteristics of coal (Suek) and biomass (EFB) blends has been investigated by TGA and DTF to evaluate the applicability of the pre-treated (torrefaction, ash removal technology) EFB to pulverized coal boiler. In all blending cases, char reactivity improved as the blending ratio increases (10, 20, and 30%), especially torrefied EFB blended at 30%. Also, unburned carbon decreased as the blending ratio increases in all types of EFB. NOx emission showed the increase and decrease characteristics according to the content of fuel-N of raw EFB and torrefied EFB. But the amount of NOx emission at ashless EFB blends is greater than that of Suek despite of lower fuel-N. It indicated that co-firing effect of using the pretreatment biomass fuel is relatively better than those of the untreated biomass fuel about char reactivity and emission characteristics.

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문제 정의

따라서 미분탄 보일러에 전처리된 바이오매스 연료의 혼소 적용성에 대한 연구가 많이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 촤 반응성, NOx 및 미연탄소분의 배출특성을 통해 전처리된 바이오매스의 미분탄 보일러 적용성에 대해 살펴보고자 한다.
5까지 소요되는 시간에 반비례한다. 본 연구에서는 동일한 승온 속도인 경우 온도변화에 따른 탄소 전환율 그래프에서 기울기가 클수록 반응성이 큰 것을 의미한다. Fig.
본 연구는 바이오매스 전처리 기술에 따른 혼소 특성을 파악하기 위해 TGA와 DTF 실험 장치를 이용하여 촤 연소성 및 배기 배출 특성에 대해 분석한 내용이다. Suek 탄에 전처리되지 않은 R.

가설 설정

1) 각 EFB 단일 시료의 반응성은 T.EFB>R.EFB> A.EFB 순이다.

제안 방법

EFB) 총 4종의 시료를 사용하였다. 시료의 기초 물성을 파악하기 위하여 공업분석기(TGA-701, LECO Co.)와 원소분석기(TruSpec, LECO Co.)를 이용하여 ASTM D5142에 근거한 공업분석과 원소분석을 진행하였으며 공업분석은 도착기준(as received basis, AR), 원소분석은 무수무회기준(dry ash fee basis, DAF)으로 분석하였다. 그리고 시료의 발열량은 열량계(AC600, LECO Co.
바이오매스 전처리 기술 및 혼소율에 따른 촤 산화 반응성을 분석하기 위해 4종의 시료에 대한 촤 (char)를 제작하였다. 이는 TGA-701 장비를 이용하여 950℃ 및 비활성 분위기에서 시료를 담은 크루시블의 무게변화율이 0.
촤 산화 반응성 분석에 대한 본 실험은 DSC-TGA (Q 600, TA Inst.) 장비를 사용하였다. 이때, 시료는 실험당 15 mg을 투입하였고 100 mL/min 유량의 air를 산화제로 사용하였다.
NOx 및 미연탄소분 배출특성 분석을 위해서 drop tube furnace (DTF)를 사용하였다. DTF는 균일한 온도를 유지하며 다양한 온도 영역에서 실험을 할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다.
공급 시스템은 스크류(screw) 형태로 이루어져 있다. 실제 발전소에서 사용되는 공급 장치인 스크류 형태 공급기를 보다 간소하게 제작하였고 투입 시료를 미세정량 단위로 조절하기 위해 상단부에 질소 운송가스를 주입하였다. 기존의 진동 시스템이 없기 때문에 장비의 유지/ 보수가 보다 우수하며, 스크류 회전수와 수송 가스량을 조절하여 미세정량 단위로 연속적인 주입할 수 있게 하였다.
실험 장치는 실제 미분탄보일러의 연소 환경을 모사하기 위해 1,300℃에서 75-90 μm의 샘플을 0.3 g/min로 정량 공급하여 이론공연비(stoichiometric ratio) 1.16으로 실험을 진행하였고 실험조건을 Table 2에 나타냈다.
16으로 실험을 진행하였고 실험조건을 Table 2에 나타냈다. 사이클론을 이용해 분리된 가스를 gas analyzer (Green Line MK2, eurotron)로 포집하여 NOx 배출특성을 분석하였다. 또한 사이클론에서 연소 반응 후의 고체 입자를 포집하고 ash tracer method¹⁶⁾를 이용하여 미연탄소분을 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 석탄으로 Suek, 바이오매스로는 전처리 전의 raw EFB (R.EFB), 회분이 제거된 ashless EFB (A.EFB), 반탄화된 torrefied EFB (T.EFB) 총 4종의 시료를 사용하였다. 시료의 기초 물성을 파악하기 위하여 공업분석기(TGA-701, LECO Co.
이때, 시료는 실험당 15 mg을 투입하였고 100 mL/min 유량의 air를 산화제로 사용하였다. 최종적으로 상온부터 800℃ 까지 가열로를 승온시키며 온도에 따른 촤의 무게 감량 데이터를 얻었다. 실험은 4종의 촤 시료 전소와 Suek 촤에 각각 R.
최종적으로 상온부터 800℃ 까지 가열로를 승온시키며 온도에 따른 촤의 무게 감량 데이터를 얻었다. 실험은 4종의 촤 시료 전소와 Suek 촤에 각각 R.EFB, A.EFB 및 T.EFB 촤를 혼소율(10, 20, 30%)에 따라 혼소하여 총 13케이스로 이루어져 있다. 본 연구에서는 촤의 연소성을 평가하기 위해 Coats-Redfern method¹⁵⁾를 사용하였다.
실험 장치들은 각각 높은 온도에서 반응을 일으키기 위한 반응부분(reactor)과 석탄 및 바이오매스 입자 주입을 위한 공급부분(feeding), 샘플분석을 위한 포집부분으로 구성되어 있고 전체 장치는 Fig. 1을 통해 나타냈다. 반응로는 1,500℃까지 온도 상승이 가능한 Super-Kantal 히터를 사용하였다.

이론/모형

EFB 촤를 혼소율(10, 20, 30%)에 따라 혼소하여 총 13케이스로 이루어져 있다. 본 연구에서는 촤의 연소성을 평가하기 위해 Coats-Redfern method¹⁵⁾를 사용하였다. 이 방법은 비등온 방법 중에서 임의의 반응차수에 대하여 근사법을 활용하여 활성화 에너지를 구할 수 있다는 장점이 있다.
사이클론을 이용해 분리된 가스를 gas analyzer (Green Line MK2, eurotron)로 포집하여 NOx 배출특성을 분석하였다. 또한 사이클론에서 연소 반응 후의 고체 입자를 포집하고 ash tracer method¹⁶⁾를 이용하여 미연탄소분을 측정하였다.

성능/효과

또한 Agbor 등¹⁸⁾은 바이오매스 연료가 석탄보다 상대적으로 높은 휘발분에 의해 균일한(homogeneous) 반응을 하게 되며 바이오매스 연료의 C-O 및 C-H 결합 구조가 석탄의 C=C 결합 구조에 비하여 분해되기 쉽다고 보고하고 있다. 따라서 바이오매스 전처리 기술에 상관없이 모든 EFB 시료는 Suek보다 낮은 온도에서 촤 산화 반응이 발생하고 반응성이 큰 것을 확인할 수 있다.
본 그래프 추세선의 기울기 및 y절편을 이용하여 E, A값을 도출하였고 이를 Table 3에 나타냈다. 각 시료의 활성화 에너지를 확인한 결과 Suek은 97.86 kJ/mol로 가장 작고 R.EFB는 149.10 kJ/mol로 가장 높았으며 A.EFB와 T.EFB의 활성화 에너지는 각각 141.87, 106.11 kJ/mol이다.
. 그리고 Table 4를 통해 Surface area analyzer (TriStar Ⅱ 3020, Micromeritics Inst.)를 이용한 분석 결과를 나타내었으며 석탄인 Suek이 전처리 전의 바이오매스인 R.EFB보다 표면적은 5배, 기공 부피는 8배 큰 것을 확인할 수 있다. 큰 반응표면적과 기공 부피로 인해 기본적으로 석탄의 활성화 에너지가 바이오매스 보다 더 낮은 것으로 판단된다²⁰⁾.
또한, A.EFB와 T.EFB를 혼소할 경우 10% 혼소율에서 모두 R.EFB를 혼소하였을 때보다 반응성이 낮으며 20% 혼소율에서는 모두 R.EFB를 혼소할 경우와 비슷한 반응성을 가지는 것을 확인 할 수 있다.
EFB의 경우 혼소율이 증가함에 따라 활성화 에너지가 감소하는 것을 통해 위에 언급한 사항을 재차 확인할 수 있다. 결국 단일 시료의 반응성 분석 결과를 토대로 A.EFB보다 반응성이 더 높은 T.EFB를 혼소할 경우 혼소율이 증가함에 따라 점점 반응성이 증가하며 30%의 혼소율에서는 전처리 기술에 따라서 큰 차이를 보일 수 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 혼소율에 따른 NOx 배출은 R.EFB와 T.EFB의 경우 혼소율이 증가함에 따라서 Suek 단 탄의 NOx 배출 농도값에서 각 EFB 단일 시료의 배출 농도값에 가까워지는 경향을 확인할 수 있다. 하지만 A.
8에 나타냈다. Suek의 미연탄소분은 9.3%로 가장 높게 나타났고 각 EFB의 미연탄소분은 모두 1% 미만으로 낮게 측정되었다. 각 EFB의 미연탄소분을 비교하면 T.
EFB 순이며 Sathyanathan과 Mohammad²⁴⁾의 선행연구에 따르면 미연탄소분의 예측식을 통해 연료의 연료비 (FC/VM) 인자가 미연탄소분에 비례하는 것을 알 수 있으며 본 실험의 미연탄소분 결과는 이 경향에 따라 결과가 도출되었다. 그리고 모든 EFB 혼소 실험에서 혼소율이 증가함에 따라 미연탄소분이 감소 하는 경향은 각 EFB 단일 시료의 미연탄소분 대소와 유사한 것으로 확인할 수 있다.
EFB 혼소 실험보다 감소하였다. 전처리 과정에서 T.EFB는 시료의 구조 변화로 인해 반응성이 증가하였고 A.EFB는 촉매 역할을 하는 알칼리 성분의 제거로 인해 반응성이 감소한 것으로 이를 설명하였다.
2) NOx 배출 특성은 연료의 fuel-N 함량에 따라 그 증감의 경향을 나타냈으나 A.EFB를 혼소할 경우 Suek 단탄에 비해서 더 낮은 fuel-N을 가지고 있음에도 불구하고 10% 혼소율에서 NOx 배출 농도가 증가하였다가 혼소율 증가에 따라 NOx 배출이 감소하였다.
3) 미연탄소분 배출 특성은 바이오매스 전처리 유무에 관계없이 연료비(FC/VM)에 비례하여 혼소율이 증가함에 따라 감소하는 경향이 나타났으며 이는 바이오매스 연료의 혼소 특성에 기인한 것으로 확인되었다.
4) 바이오매스 연료의 전처리에 따른 혼소 실험 결과로부터 반탄화 및 회분제거 기법을 적용한 바이오매스 연료의 반응성 및 배출특성이 전처리되지 않은 바이오매스 연료의 혼소 특성보다 상대적으로 우수함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산림지역 중심의 바이오매스 원료로 산림부산물을 사용하기 위한 조건은 무엇인가?	바이오매스 활용의 경제성을 확보하기 위하여 산림부산물, 바이오순환림(에너지작물)과 농업부산물 등이 사용될 수 있다. 그중 산림부산물은 연료로서의 품질이 낮고, 수집 및 운송비용이 높아서 에너지원으로 적극 활용되지 못하고 주로 방치되거나, 임내에서 소각되었으나, 경제적인 수집·운송 방안이 모색되고, 연료가공 및 에너지화 기술이 적용될 경우에는 산림지역 중심의 바이오매스 원료로서 적절할 수 있을 것으로 보인다. 인도네시아는 4.
	반탄화(Torrefaction) 기술이 진행되는 온도와 시간은 어떠한가?	첫 번째 기술은 반탄화(Torrefaction)로서 바이오매스 연료 고품위화의 가장 대표적인 기술로 손꼽히고 있다. 이는 시료를 불활성 분위기에서 200-300℃의 온도로 30분에서 2시간 정도 반응시켜 바이오매스 연료의 발열량 및 분쇄성을 향상시키는 기술이다12). 두 번째 기술은 바이오매스의 회분을 제거하는 기술로서 회분 추출 공정을 통해 1% 이내의 회분 함량을 가지는 바이오매스를 얻어낸다.
	연료 혼소 기법은 무엇인가?	연료 혼소 기법은 바이오매스 및 폐기물 연료를 석탄과 혼합하여 사용하는 방법으로, 한정된 화석 연료인 석탄을 효율적인 사용하기 위한 방안 중 하나이다. 미분탄 보일러를 바이오매스 전소 및 혼소용으로 리트로핏(retrofit)하여 사용할 경우 경제적인 부담이 크고 설비 구조 변경의 어려움이 있기 때문에 기존의 미분탄 보일러에 바이오매스 혼소를 직접 적용하는 것에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다7-9).

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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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