화석연료의 고갈과 환경문제를 대응하기 위한 대체에너지 중 재생가능하고 탄소중립(Carbon-neutral)자원인 바이오매스 (Biomass)를 연료로 이용하는 연구가 진행되고 있다. 바이오매스를 사용하는 대부분의 에너지 생산 시스템은 열화학전환방법이 대표적이다. 이 가운데 가스화 기술을 이용해 합성가스 (syngas)를 생산해 보일러나 엔진 등에 적용하여 열과 전기를 생산한다. 하지만 합성가스 (syngas)를 생산하는 과정에서 타르 (tar)가 발생되며 낮은 온도에서 응축되기 때문에 배관 및 엔진 등에 막힘 현상을 일으켜 공정 효율을 감소시키는 문제를 야기한다. 타르를 제거하기 위해 대부분의 가스화 공정에서 물을 이용한 wet scrubber를 사용하고 있는데 효율이 낮은 문제점이 있다. 이에 본 연구에서는 물과 oily material (soybean oil, waste cooking oil, mineral oil)을 이용하여 제거효율이 높은 순으로 나타내자면 Soybean oil>Waste Cooking Oil>Mineral oil>Water 순서로 나타났고 제거효율은 각각 약 97%, 약 70%, 약 63%, 약 30%의 효율을 보여주었으며 식물성 오일 종류인 soybean oil을 사용하였을 때 타르 제거 효율이 가장 높았다.
화석연료의 고갈과 환경문제를 대응하기 위한 대체에너지 중 재생가능하고 탄소중립(Carbon-neutral)자원인 바이오매스 (Biomass)를 연료로 이용하는 연구가 진행되고 있다. 바이오매스를 사용하는 대부분의 에너지 생산 시스템은 열화학전환방법이 대표적이다. 이 가운데 가스화 기술을 이용해 합성가스 (syngas)를 생산해 보일러나 엔진 등에 적용하여 열과 전기를 생산한다. 하지만 합성가스 (syngas)를 생산하는 과정에서 타르 (tar)가 발생되며 낮은 온도에서 응축되기 때문에 배관 및 엔진 등에 막힘 현상을 일으켜 공정 효율을 감소시키는 문제를 야기한다. 타르를 제거하기 위해 대부분의 가스화 공정에서 물을 이용한 wet scrubber를 사용하고 있는데 효율이 낮은 문제점이 있다. 이에 본 연구에서는 물과 oily material (soybean oil, waste cooking oil, mineral oil)을 이용하여 제거효율이 높은 순으로 나타내자면 Soybean oil>Waste Cooking Oil>Mineral oil>Water 순서로 나타났고 제거효율은 각각 약 97%, 약 70%, 약 63%, 약 30%의 효율을 보여주었으며 식물성 오일 종류인 soybean oil을 사용하였을 때 타르 제거 효율이 가장 높았다.
Biomass, a carbon-neutral resource, is an alternative energy source for exhaustion of fossil fuel and environmental problems. Most of energy production systems using biomass operate with a thermal chemical conversion method. Amongst them, gasification generates syngas and applies to boilers or engin...
Biomass, a carbon-neutral resource, is an alternative energy source for exhaustion of fossil fuel and environmental problems. Most of energy production systems using biomass operate with a thermal chemical conversion method. Amongst them, gasification generates syngas and applies to boilers or engines for the production of heat and electricity. However, Tar could be formed during the production of syngas and it is condensed at low temperature which may cause to clog the pipelines and combustion chamber, ultimately resulting in decrease of process efficiency. Thus this work utilized water and oily materials such as soybean oil, waste cooking oil and mineral oil for scrubbing liquid. The removal efficiency of Tar appeared 97%, 70%, 63% and 30% for soybean oil, waste cooking oil, mineral oil and water respectively.
Biomass, a carbon-neutral resource, is an alternative energy source for exhaustion of fossil fuel and environmental problems. Most of energy production systems using biomass operate with a thermal chemical conversion method. Amongst them, gasification generates syngas and applies to boilers or engines for the production of heat and electricity. However, Tar could be formed during the production of syngas and it is condensed at low temperature which may cause to clog the pipelines and combustion chamber, ultimately resulting in decrease of process efficiency. Thus this work utilized water and oily materials such as soybean oil, waste cooking oil and mineral oil for scrubbing liquid. The removal efficiency of Tar appeared 97%, 70%, 63% and 30% for soybean oil, waste cooking oil, mineral oil and water respectively.
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문제 정의
본 실험은 타르를 제거하기 위해 oily material을 사용하여 제거효율을 알아보고자 하며 반응기 온도에 따른 ER을 결정하였다. 반응기 온도850℃와 ER(0.
제안 방법
연료로 사용되는 바이오매스는 ㈜세종산립조합에서 직경 5 mm, 길이 10∼20 mm크기의 pellet형태로 분쇄하여 시판중인 시료를 사용하였다. 바이오매스 시료의 물성을 확인하기 위하여 공업분석 (Proximate analysis), 원소분석(Ultimate analysis)을 실시하였고, 각각 ELTRA와 EA112/FLASH2000으로 분석하였다. 공업분석과 원소분석의 결과는 table 3과 같다.
반응기 온도 850℃에서 ER 변화에 따른 타르 수율과 저위발열량(LHV)를 측정 및 분석하여 최적의 가스화 조건을 도출한 뒤 이를 이용해 타르제거실험을 진행하였다. 타르제거실험에서 타르를 제거하기 위한 세정액으로는 비극성 특성을 갖는 oily material을 이용하여 타르를 제거하며 시중에서 쉽게 구할 수 있는 soybean oil과 가정, 식당 등에서 조리 후 배출되는 waste cooking oil의 식물성 오일 2종류와 식물성 오일과는 다른 성격을 갖는 동물성 오일 종류의 mineral oil을 scrubbing medium으로 사용하였다.
본 실험은 타르를 제거하기 위해 oily material을 사용하여 제거효율을 알아보고자 하며 반응기 온도에 따른 ER을 결정하였다. 반응기 온도850℃와 ER(0.25∼0.4) 사이의 타르 발생량과 저위발열량을 확인하며 선행연구자들의 연구결과 800℃ 이상에서 타르 수율이 감소한다는 결과[23]와 부합하는지 확인하기 위해 반응기 온도 850℃, ER=0.25로 결정하여 실험을 진행하였다. Air 유량은 ER(0.
0℃로 유지하며 impinger 1ea에 scrubbing medium 100ml씩 채워 타르 제거효율을 도출하였다. 실험시간은 30, 60, 90 min로 실험을 진행하였으며 각각 타르 제거 장치 전단과 후단의 가스를 테들라백으로 포집하여 table 2의 제원과 분석 조건을 갖는 GC-TCD/FID분석하였다
대상 데이터
Soybean oil과 wco는 식물성 오일류이고 mineral oil은 동물성 오일로 식물성과 동물성 오일의 제거효율 차이를 알아보고자 사용하였다. Mineral oil을 scrubbing medium으로 사용하여 타르 수율을 측정한 결과, 시간에 따라 4.
물을 이용한 wet scrubber는 대부분의 가스화 공정에서 설치공정이 쉽고 적은 비용으로 설치할 수 있기 때문에 사용하고 있으나[24] 물에 용해성이 적은 타르성분을 제거하기에는 부적절하므로 본 연구에서는 scrubbing medium으로 사용하는 oily material과의 비교 data로써 사용하였다. table 6은 시간 (30, 60, 90min)에 따른 가스 조성 (H2, N2, CO, CO2, CH4)과 타르 수율을 나타내었다.
반응기 내에서 원활한 유동화를 위해 Geldart Particle Classification에서 B그룹에 속하는 평균입도 약 242㎛의 규사 (SiO2)로 선정[21]하였으며, 층 물질의 물성을 Table 4에 나타내었다.
그러므로 oily material을 scrubbing medium으로 이용하여 제거하려는 연구가 진행되고 있다[20]. 본 연구에서 oily material로써 soybean oil, waste cooking oil (이하 WCO), mineraloil을 사용하였다. Soybean oil의 경우 비극성 특성을 갖기 때문에 비극성 성분이 대다수인 타르를 제거하기에 적합하다고 판단하여 사용하였고 WCO의 경우 조리 후배출시 환경오염의 문제점을 가지므로 세정액으로 사용하는 것은 환경오염을 최소화할 수 있다.
연료로 사용되는 바이오매스는 ㈜세종산립조합에서 직경 5 mm, 길이 10∼20 mm크기의 pellet형태로 분쇄하여 시판중인 시료를 사용하였다. 바이오매스 시료의 물성을 확인하기 위하여 공업분석 (Proximate analysis), 원소분석(Ultimate analysis)을 실시하였고, 각각 ELTRA와 EA112/FLASH2000으로 분석하였다.
0℃로 유지하였다. 타르가 함유된 가스를 제거장치에 주입시켰으며 impinger에 채워질 scrubbing medium으로는 water, soybean oil, WCO, mineral oil을 사용하였다.
반응기 온도 850℃에서 ER 변화에 따른 타르 수율과 저위발열량(LHV)를 측정 및 분석하여 최적의 가스화 조건을 도출한 뒤 이를 이용해 타르제거실험을 진행하였다. 타르제거실험에서 타르를 제거하기 위한 세정액으로는 비극성 특성을 갖는 oily material을 이용하여 타르를 제거하며 시중에서 쉽게 구할 수 있는 soybean oil과 가정, 식당 등에서 조리 후 배출되는 waste cooking oil의 식물성 오일 2종류와 식물성 오일과는 다른 성격을 갖는 동물성 오일 종류의 mineral oil을 scrubbing medium으로 사용하였다.
성능/효과
(3) Oily material의 제거효율 비교 시 제거효율이 높은 순으로 soybean oil > waste cooking oil > mineraloil순으로 나타낼 수 있으며 식물성 오일에 함유된 유기산(oleic acid, linoleic acid, lauric acid, myristic acid 등)이 타르 제거에 도움이 되어 동물성 오일에 비해 제거효율이 높게 측정되었다. WCO의 경우 고온(150∼400℃)에서 조리되어 산화, 열분해 및 가수분해 등의 화학반응에 의해 분자구조가 변하고 오염물질의 유입으로 인해 공극이 감소되어 제거효율이 soybean oil보다 낮게 측정된 것으로 판단된다.
반응기 온도 850℃에서 ER변화에 따른 타르 수율과 저위발열량을 확인하였고 table 5와 figure 3에 나타내었다. ER값이 증가함에 따라 타르 수율은 감소하는 것으로 나타냈고 저위발열량은 ER=0.25에서 6.49 kJ/g으로 가장 높게 측정되며 이를 기점으로 감소하는 경향을 보였다. ER이 증가함에 따라 완전연소 조건에 가까워지므로 타르 수율은 감소하는 경향을 보이지만 H2, CO, CH4 조성이 감소하므로 ER 조건은 0.
49 kJ/g으로 가장 높게 측정되며 이를 기점으로 감소하는 경향을 보였다. ER이 증가함에 따라 완전연소 조건에 가까워지므로 타르 수율은 감소하는 경향을 보이지만 H2, CO, CH4 조성이 감소하므로 ER 조건은 0.25가 적절한 것으로 사료된다.
Soybean oil과 wco는 식물성 오일류이고 mineral oil은 동물성 오일로 식물성과 동물성 오일의 제거효율 차이를 알아보고자 사용하였다. Mineral oil을 scrubbing medium으로 사용하여 타르 수율을 측정한 결과, 시간에 따라 4.37, 4.6,, 7.59 g/Nm3으로 나타났으며 제거효율은 63.9%, 61.9%, 37.27%로 식물성 오일 2종류보다 낮게 측정되었다. 동물성 오일의 경우 타르 제거에 도움이 되는 oleic acid, linoleic acid, lauric acid, myristic acid 등의 유기산 성분이 함유되어 있지 않아 타르 제거효율이 감소된 것으로 사료되며[1], 동물성 오일은 약 64%의 지방족 탄화수소, 약 35%의 방향족 탄화수소(C10∼C19)로 타르 성분과 유사한 구조의 탄화수소류가 상당부분 포함되어 있고 일부 첨가제에 의해 제거효율이 감소된것으로 사료된다[31,32].
본 연구에서 oily material로써 soybean oil, waste cooking oil (이하 WCO), mineraloil을 사용하였다. Soybean oil의 경우 비극성 특성을 갖기 때문에 비극성 성분이 대다수인 타르를 제거하기에 적합하다고 판단하여 사용하였고 WCO의 경우 조리 후배출시 환경오염의 문제점을 가지므로 세정액으로 사용하는 것은 환경오염을 최소화할 수 있다.
(2) 대부분의 가스화 공정에서 타르 제거 시스템으로 water를 이용한 wet scrubber를 많이 사용하고 있지만 타르를 제거하는데 제거효율이 낮은 문제점을 갖고 있다. 그러므로 oily material를 이용하여 타르를 제거하려는 연구를 진행했으며 실험 결과 soybean oil, waste cooking oil, mineral oil 모두 물보다 높은 제거효율을 보여주어 비극성 특성을 가진 oily material이 scrubbing medium으로 적합하다는 것을 보여주었다.
Table 8과 figure 6은 waste cooking oil을 scrubbing medium으로 사용했을 때 타르 수율을 나타냈다. 시간이 증가함 (30, 60, 90min)에 따라 각각 3.51g/Nm3, 4.47 g/Nm3, 4.59 g/Nm3으로 측정되었으며 제거효율은 70.9%, 63.0%, 62.0%로 soybean oil의 타르 제거효율보다 낮은 결과가 나타났다. 폐식용유의 경우 약 150∼450℃의 높은 온도에서 조리되어 산화, 가수분해,열분해 반응 등에 의해 폐식용유의 분자구조가 변하고 유효공극이 작아져 타르 제거효율이 감소된 것으로 사료된다[27,28,29].
실험시간이 경과함에 따라 타르 수율은 0.28 g/Nm3,1.47 g/Nm3, 1.69 g/Nm3으로 각각 97.7 %, 87.8 %,86.0 %의 높은 제거효율을 보여주었다. 이는 물에 비해 비극성 특성을 갖는 oily material이기 때문에 효율이 물보다 높게 나타났으며 특히 식물성 오일에 함유된 oleic acid, linoleic acid, lauric acid, myristic acid 성분이 타르를 제거하는데 도움이 되므로 효율이 높게 도출된 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오매스의 장점은 무엇이며 어떤 자원이라고 말할 수 있는가?
바이오매스의 탄소, 수소 및 산소 분자 사이의 결합이 소화, 연소 등에 의해 분해되면서 광합성에 의해 저장된 에너지가 방출되는 에너지자원으로 설명할 수 있다[6]. 바이오매스는 부존량이 크고, 지역적으로 편재가 없고 에너지로써 저장이 용이하다는 장점을 갖고 있으며 또한 화석연료를 사용하여 발생하는 CO2를 흡수하여 광합성을 하는 바이오매스를 사용하므로 CO2 농도 상쇄작용으로 인해 실질적으로 대기에 CO2농도를 증가시키지 않는 탄소중립 (carbon-neutral) 자원이다. 높은 에너지 밀도를 갖는 화석연료에 비해 바이오매스는 에너지 밀도가 낮아 화석연료를 이용하는 발전소 및 생산시스템에 직접 적용하기 어렵기 때문에 바이오매스를 합성가스 (syngas)형태로 만들어 이용해야한다[7].
바이오매스의 정의는?
바이오매스는 생물체가 갖고 있는 에너지량으로 설명할 수 있고 농업작물, 농임산 부산물 또는 유기성 폐기물 등으로 생물 또는 생물 기원의 모든 유기체 및 유기물을 포함고 태양에너지를 이용한 광합성을 통해 생장 및 성장하는 동·식물을 지칭한다[5]. 바이오매스의 탄소, 수소 및 산소 분자 사이의 결합이 소화, 연소 등에 의해 분해되면서 광합성에 의해 저장된 에너지가 방출되는 에너지자원으로 설명할 수 있다[6].
대체에너지로 신재생에너지 개발이 필요한 이유는 무엇인가?
바이오매스를 연료로 이용하여 활용하는 바이오매스 가스화는 화석연료의 고갈문제와 온실가스 배출에 대한 환경문제로 인해 주목 받기 시작한다[1]. 2014년 전 세계 1차 에너지 공급 비중 중 석유와 석탄이 각각 31.3%,28.6%로 전체 비중 중 절반 이상을 차지하고 있으며[2] 우리나라도 마찬가지로 2015년 1차 에너지 공급량은 석탄과 석유 각각 29.7%, 28.1%로 전체의 절반 이상을 차지하고 있다[3]. 석탄과 석유의 공급량이 전체 에너지의 대부분을 차지하기 때문에 이로 인한 온실가스 중 약 80%를 차지하는 이산화탄소를 저감하기 위해 1992년 기후변화협약 (United Nations Framework Convention on Climate Change)이 체결되었고 이후 1997년 교토 의정서가 채택되어 온실가스 저감에 노력을 기울이고 있다. 또한 ‘2℃ 목표’로 지구의 평균 온도가 2℃ 이상 상승되지 않도록 온실가스 배출량을 줄이자는 내용이 포함되어 있는 파리협정이 2015년 체결되었다[4]. 따라서 화석연료가 아닌 자연계에서 얻을 수 있는 대체에너지로 신재생에너지 개발이 필요하다.
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