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분사층 반응기의 원뿔각에 따른 Jatropha Curcas L. Seed Cake의 급속열분해 특성
Fast Pyrolysis Characteristics of Jatropha Curcas L. Seed Cake with Respect to Cone Angle of Spouted Bed Reactor 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.25 no.2, 2019년, pp.161 - 167  

박훈채 (연세대학교 환경공학과) ,  이병규 (연세대학교 환경공학과) ,  김효성 (연세대학교 환경공학과) ,  최항석 (연세대학교 환경공학과)

초록
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바이오매스의 급속열분해를 위하여 지난 수십 년간 다양한 형태의 반응기가 개발되었다. 급속열분해 공정의 반응기는 유동층 반응기가 많이 사용되어 왔으며, 최근에는 분사층 반응기를 이용한 바이오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구가 다수의 연구자들에 의해 수행되고 있다. 분사층 반응기의 유동화 특성은 입자의 물리적 특성, 유체 제트의 속도, core와 annulus의 구조에 영향을 받으며, 반응기의 기하학적 구조는 분사층 내부의 core와 annulus 구조를 결정하는 주요 인자이다. 따라서 분사층 반응기의 최적설계를 위해서는 열분해 반응에 영향을 주는 인자에 대한 바이오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구가 수행되어야 한다. 하지만 분사층 반응기의 기하학적 구조에 의한 바이오매스의 급속열분해 특성은 자세히 연구되지 않았다. 본 연구에서는 분사층 반응기의 원뿔각과 반응 온도 변화에 따른 Jatropha curcas L. seed shell cake의 급속열분해 실험을 수행하여 분사층 반응기의 최적 형상과 반응 온도를 도출하였다. 실험결과, 열분해 오일의 에너지 수율은 반응 온도 $450^{\circ}C$, 분사층 반응기의 원뿔각 $44^{\circ}$에서 63.9%로 가장 높게 나타났다. 그리고 분사층 반응기 내 고체입자의 열전달과 기체상 열분해 생성물의 체류시간은 원뿔각의 영향을 받아 열분해 생성물의 수율 및 열분해 오일의 품질에 영향을 주는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Several types of reactors have been used during the past decade to perform fast pyrolysis of biomass. Among the developed fast pyrolysis reactors, fluidized bed reactors have been widely used in the fast pyrolysis process. In recent years, experimental studies have been conducted on the characterist...

주제어

#급속열분해   #분사층 반응기   #자트로파  

표/그림 (10)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 분사층 반응기의 최적설계와 안정적인 운전을 위해서는 분사층 반응기 내 고체입자의 유동화에 영향을 주는 인자에 대한 바이오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구가 수행되어야 한다. 본 연구에서는 앞서 설명한 분사층 내부의 core와 annulus 구조와 고체입자의 유동화를 결정하는 주요 인자인 반응기의 기하학적 구조와 열분해 반응에 영향을 주는 반응 온도를 변화하며 바이오매스의 급속열분해 특성을 연구하였다. 연구를 통하여 분사층 반응기의 기하학적 구조와 반응 온도에 따른 바이오매스의 급속열분해 생성물들의 수율 및 특성을 분석하여 최적의 분사층 반응기 구조와 반응 온도를 도출하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
급속열분해 공정이란? 화석연료의 사용으로 인한 환경오염 및 지구 온난화 문제를 해결하기 위하여 바이오매스를 이용한 바이오연료 생산에 대한 연구가 지속적으로 수행되고 있다[1-3]. 바이오매스의 열화학적 전환 공정 중 하나인 급속열분해 공정은 바이오매스를 열분해 하여 액체 연료를 생산하는 공정으로, 해당 공정에서 생산되는 액체 연료인 열분해 오일은 발전용 연료로 사용이 가능하고 개질 공정을 통해 수송용 연료 및 화학소재 등으로 활용이 가능하다[4]. 이러한 바이오매스의 급속열분해 반응을 위해서는 산화제가 없는 500 ℃의 반응 조건과 바이오매스 입자의 급속한 열전달 속도(1,000 ~ 10,000 ℃ s-1)그리고 증기상 생성물의 짧은 체류시간(1 ~ 2 s 이내)이 요구된다[5].
급속열분해 공정에서 생성되는 것은? 화석연료의 사용으로 인한 환경오염 및 지구 온난화 문제를 해결하기 위하여 바이오매스를 이용한 바이오연료 생산에 대한 연구가 지속적으로 수행되고 있다[1-3]. 바이오매스의 열화학적 전환 공정 중 하나인 급속열분해 공정은 바이오매스를 열분해 하여 액체 연료를 생산하는 공정으로, 해당 공정에서 생산되는 액체 연료인 열분해 오일은 발전용 연료로 사용이 가능하고 개질 공정을 통해 수송용 연료 및 화학소재 등으로 활용이 가능하다[4]. 이러한 바이오매스의 급속열분해 반응을 위해서는 산화제가 없는 500 ℃의 반응 조건과 바이오매스 입자의 급속한 열전달 속도(1,000 ~ 10,000 ℃ s-1)그리고 증기상 생성물의 짧은 체류시간(1 ~ 2 s 이내)이 요구된다[5].
기포유동층과 순환유동층 반응기의 단점을 극복하기 위해 연구되고 있는 것은? 이중 상용화 급속열분해 공정에 많이 사용되고 있는 기포유동층과 순환유동층 반응기는 내부에 설치된 노즐의 분산판(distributor)으로 인하여 압력손실이 크게 발생하고, 바이오매스의 빠른 열전달을 위해 1 mm 이하의 입자를 사용하기 때문에 입자 분쇄에 많은 에너지가 소요된다. 따라서 기포유동층과 순환유동층 반응기의 대안으로 분사층 반응기를 이용한 바이오매스의 급속열분해 연구가 최근 다수의 연구자들에 의해 수행되고 있다[10-13]. 분사층 반응기는 내부에 분사판이 설치되어 있지 않아 유동층 반응기보다 압력 손실이 적으며, 열 및 물질전달이 우수하여 바이오매스의 입도가 큰 경우에도 운전이 가능하기 때문에 입자 분쇄에 소요되는 에너지를 절감 할 수 있다[14].
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참고문헌 (19)

  1. Oh, C., and Lee, J. H., "Effect of the Recycling of Non-condensable Gases on the Process of Fast Pyrolysis for Palm Wastes," Clean Technol., 24(3), 233-238 (2018). 

  2. Choi, J.-W., Son, D., Suh, D. J., Kim, H, and Lee, Y. W., "Characteristics of Pyrolysis Oils from Saccharina Japonica in an Auger Reactor," Clean Technol., 24(1), 70-76 (2018). 

  3. Brigljevic, B., Woo, H. C., and Liu J., "Process Design and Simulation of Fast Pyrolysis of Brown Seaweed," Clean Technol., 23(4), 435-440 (2017). 

  4. Czernik, A., and Bridgwater, A. V., "Overview of Applications of Biomass Fast Pyrolysis oil," Energ. Fuel., 18, 560-598 (2004). 

  5. Venderbosch, R. H., and Prins, W., "Fast Pyrolysis Technology Development," Biofuels, Biopro. Biorefin., 4, 178-208 (2010). 

  6. Bridgwater, A. V., "Review of Fast Pyrolysis of Biomass and Product Upgrading," Biomass Bioenergy, 38, 68-94 (2012). 

    상세보기

  7. Butler, E., Devlin, G., Meier, D., and McDonnell, K., "A Review of Recent Laboratory Research and Commercial Developments in Fast Pyrolysis and Upgrading," Renew. Sustain. Energy Rev., 15, 4171-4186 (2011). 

  8. Miguel, G. S., Makibar, J., and Fernandez-Akarregi, A. R., "New Advances in the Fast Pyrolysis of Biomass," J. Biobased Mater. Bioenergy., 6, 193-203 (2012). 

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  9. Aguado, R., Olazar, M., San Jose, M. J., Aguirre, G., and Bilbao, J., "Pyrolysis of Sawdust in a Conical Spouted Bed Reactor. Yields and Product Composition," Ind. Eng. Chem. Res., 39, 1925-1933 (2000). 

    상세보기 crossref

  10. Du, S., Sun, Y., Gamliel, D. P., Valla, J. A., and Bollas, G. M., "Catalytic Pyrolysis of Miscanthus $\times$ Giganteus in a Spouted Bed Reactor," Bioresour. Technol., 169, 188-197 (2014). 

  11. Alvarez, J., Amutio, M., Lopez, G., Bilbao, J., and Olazar, M., "Fast Co-pyrolysis of Sewage Sludge and Lignocellulosic Biomass in a Conical Spouted Bed Reactor," Fuel, 159, 810-818 (2015). 

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  12. Amutio, M., Lopez, G., Alvarez, J., Olazar, M., and Bilbao, J., "Fast Pyrolysis of Eucalyptus Waste in a Conical Spouted Bed Reactor," Bioresour. Technol., 194, 225-232 (2015). 

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  13. Alvarez, J., Lopez, G., Amutio, M., Artetxe, M., Barbarias, I., Arregi, A., Bilbao, J., and Olazar, M., "Characterization of the Bio-oil Obtained by Fast Pyrolysis of Sewage Sludge in a Conical Spouted Bed Reactor," Fuel Process. Technol., 149, 169-175 (2016). 

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  14. Kaushal, P., and Tyagi, R., "Steam Assisted Biomass Gasification-an overview," Can. J. Chem. Eng., 90, 1043-1058 (2012). 

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  15. Epstein, N., and Grace, J. R., "Spouted and Spout-fluid Beds Fundamentals and Applications., Cambridge University Press, New York (2011). 

  16. Park, H. C., Lee, B. K., Yoo, H. S., and Choi, H. S., "[TC2015] Fast Pyrolysis Characteristics of Biomass in a Conical Spouted Bed Reactor," Environ. Prog. Sustain., 36, 685-689 (2017). 

    상세보기 crossref

  17. Vamvuka, D., Kakaras, E., Kastanaki, E., and Grammelis, P., "Pyrolysis Characteristics and Kinetics of Biomass Residuals Mixtures with Lignite," Fuel., 82, 1949-1960 (2003). 

    상세보기

  18. Bridgwater, A. V., Meier, D., and Radlein, D., "An Overview of Fast Pyrolysis of Biomass," Org. Geochem., 30, 1479-1493 (1999). 

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  19. Akhtar, J., and Saidina Amin, N., "A Review on Operating Parameters for Optimum Liquid Oil Yield in Biomass Pyrolysis," Renew. Sustain. Energy Rev., 16, 5101-5109 (2012). 

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