[논문]석탄과 보조제로 바이오매스를 사용한 바이오 고형연료의 혼소 특성

현완수; 진용균; 조은지; 한현구; 민선웅; 여운호

doi:10.17137/korrae.2020.28.2.49

초록
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하수 슬러지는 수분 함량이 높고, 발열량이 낮아 하수 슬러지를 에너지원으로 사용하는데 어려움이 있다. 이런 하수 슬러지 특성을 개선하고, 화석 연료를 대체하기 위해 하수 슬러지와 목질계 바이오매스를 혼합한 바이오 고형연료를 생산하는 연구를 행하였다. 열중량 분석은 석탄과 5%, 10%, 15%의 바이오 고형연료를 각각 혼합하여 혼소할 경우 발생되는 특징을 연구하는 데에 활용되었다. 이 분석은 10℃/min씩 25℃에서 900℃까지 내부 온도를 올리는 비등온 조건하에서 수행되었다. 석탄 단일 시료를 석탄과 바이오 고형연료가 혼합된 시료와 비교하였을 경우 연소개시온도는 약간 변화가 일어났다. 하지만, 연소최대온도와 연소종료개시온도는 변화가 거의 없었다. 연소개시는 200 ~ 315 ℃에서 이뤄졌으며, 중량변화가 급격히 일어나는 열분해는 350 ~ 700 ℃에서 이뤄졌다. 혼소 반응속도 분석 결과 활성화 에너지는 혼합율이 높아질수록 낮아졌다. 그러므로 화력발전소에서 석탄과 바이오 고형연료를 혼소하는 것이 가능할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to the sewage sludge's characteristics of high water content and low calorific value, it is hard to use sewage sludge as an energy source. In this study, we investigated production of bio-solid fuel which is mixed both sewage sludge and woody biomass in order to improve the sewage sludge's chara...

Due to the sewage sludge's characteristics of high water content and low calorific value, it is hard to use sewage sludge as an energy source. In this study, we investigated production of bio-solid fuel which is mixed both sewage sludge and woody biomass in order to improve the sewage sludge's characteristics and replace fossil fuels. A thermogravimetric analysis was used to investigate the co-combustion characteristics of the mixed coal and bio-solid fuel of 5%, 10%, 15%, respectively. The analysis was carried out under non-isothermal conditions by raising the internal temperature of 25℃ to 900℃ with an increment of 10℃/min. In the case of comparing single coal sample and mixture sample of coal and bio-solid fuel, the initiation combustion temperature has slightly changed. However, both the maximum combustion temperature and the termination start combustion temperature were hardly noticeable. The initiation combustion was occurred between 200~315℃ and the thermal decomposition causing a significant weight change occurred between 350~700℃. As a result of the kinetic analysis of the co-combustion, the activation energy was decreased as the mixing rate was higher. Therefore, it is able to co-combust the mixed coal and bio-solid fuel in power plants.

Keyword

표/그림 (6)

표 Table 1. Results of Proximate Analysis, Ultimate Analysis and Calorific Value for Coal and Bio-Solid Fuel
그림 Fig. 1. TGA thermograms for coal, bio-solid fuel and bio-solid fuel/coal mixtures.
그림 Fig. 2. DTG curves for coal, bio-solid fuel and bio-solid fuel/coal mixtures.
표 Table 2. Temperatures Obtained from TGA and DTG Combustion Profiles for Coal, Bio-Solid Fuel and Bio-Solid Fuel/Coal Mixtures
그림 Fig. 3. Kinetic curves for coal, bio-solid fuel and bio-solid fuel/coal mixtures.
표 Table 3. Activation Energy and Frequency Factor Obtained by Coats and Redfern Function

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 하수슬러지와 보조제인 바이오매스를 혼합하여 생산한 바이오 고형연료를 석탄과 혼소할 경우 나타날 수 있는 특징들을 열중량 분석법^7~11) 및 연소반응 속도론을¹²⁾ 이용해 분석 연구하여 바이오 고형연료와 석탄 혼소 가능성 등을 확인하므로 하수슬러지 처리는 물론 화석연료 대체제를 찾고자 한다³⁾.
본 연구에서 화석연료 대체에너지원으로 활발히 연구되는 목질계 폐바이오매스를 보조제로 사용하여 제조한 하수슬러지 고형연료인 바이오 고형연료와 석탄을 혼소하였을 경우 나타나는 특성에 관한 연구를 진행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

1은 각각의 단일 시료와 혼합시료에 대하여 10℃/min의 승온 속도로 가열하면서 구한 TGA 곡선을 나타낸 것이다^13,14). 석탄과 바이오 고형연료 각각 단일 시료 연소는 큰 차이를 보인다. 바이오 고형 연료가 석탄보다 연소개시온도, 연소 최대온도, 연소 종료개시온도 모두 약 200℃정도 낮은 상태에서 나타났다.

제안 방법

습량기준 저위발열량은 석탄이 5,997kcal/kg, 바이오 고형연료가 3,561kcal/kg으로 나타났다. 혼소를 하기 위해 바이오 고형연료를 200℃에서 건조하여 수분을 제거한 후 5%, 10%, 15%의 중량비로 석탄에 첨가 혼합하여 실험 재료로 활용하였다³⁾.
따라서 본 연구에서는 1차적인 물리 화학적 변화와 총괄 반응속도 분석연구가 필요하기에 열중량 분석법을 사용하였으며, 연소 프로파일은 승온속도 10℃/min으로 25℃에서 900℃ 까지 내부 온도를 비등온 가열시켜 실험하였다^13,14). 시료는 분쇄 후 150μm 통과 분을 대상으로 약 10mg 이용하였으며, 온도상승에 따른 중량 감소율을 표시한 DTG(Differential Thermogravimetry) 커브는 TGA 곡선을 미분하여 작성하였고, DTG를 활용해 시료 별 연소 프로파일을 구하여 연소 특성을 비교하였다. DTG커브에서 수분 증발 후 중량감소율이 증가 되는 시점의 온도를 연소개시온도, 중량 감소율이 최대일 때의 온도를 연소 최대온도, 중량감소율이 감소되는 시점의 온도를 연소종료개시온도라 하였다⁷⁾.

대상 데이터

본 실험에서는 신재생에너지원으로 하수슬러지를 고형연료화할 경우 문제점으로 제시되는 높은 함수율과 낮은 발열량을 개선하기 위해 수분 함량은 낮고, 발열량은 상대적으로 높은 보조제로 목질계 폐바이오매스(톱밥, 캐슈넛쉘)를 선택하였다³⁾. 이를 하수슬러지와 혼합하여 바이오 고형연료(하수 슬러지 : 톱밥 : 캐슈넛쉘 = 55 : 40 : 5)를 생산하여 사용하였고, 화석 연료로는 석탄화력발전소에서 사용하는 설계탄 범위의 호주산 역청탄을 사용하였다.
. 이를 하수슬러지와 혼합하여 바이오 고형연료(하수 슬러지 : 톱밥 : 캐슈넛쉘 = 55 : 40 : 5)를 생산하여 사용하였고, 화석 연료로는 석탄화력발전소에서 사용하는 설계탄 범위의 호주산 역청탄을 사용하였다. 이들의 물성은 Table 1과 같으며, 공업분석에서 석탄은 고정탄소가 50.

이론/모형

열중량 분석법은 산화분위기에서 관찰하는 온도변화에 따른 대상 시료의 연속적인 중량변화를 측정하는 방법으로 시료의 1차적인 물리 화학적 변화를 확인할 수 있으며, 총괄 반응속도 연구를 위해 많은 곳에 사용되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 1차적인 물리 화학적 변화와 총괄 반응속도 분석연구가 필요하기에 열중량 분석법을 사용하였으며, 연소 프로파일은 승온속도 10℃/min으로 25℃에서 900℃ 까지 내부 온도를 비등온 가열시켜 실험하였다^13,14). 시료는 분쇄 후 150μm 통과 분을 대상으로 약 10mg 이용하였으며, 온도상승에 따른 중량 감소율을 표시한 DTG(Differential Thermogravimetry) 커브는 TGA 곡선을 미분하여 작성하였고, DTG를 활용해 시료 별 연소 프로파일을 구하여 연소 특성을 비교하였다.

성능/효과

석탄과 바이오 고형연료 각각 단일 시료 연소는 큰 차이를 보인다. 바이오 고형 연료가 석탄보다 연소개시온도, 연소 최대온도, 연소 종료개시온도 모두 약 200℃정도 낮은 상태에서 나타났다. 하지만 혼합을 하여 혼소하는 경우 그 차이는 줄어든다.
0%로 높은 값을 나타내어 고정탄소가 주된 열원으로 작용함을 알 수 있었다. 바이오 고형연료는 휘발성분 이 64.8%로 매우 큰 비중을 나타내고 있으며, 고정 탄소는 13.7%로 석탄의 고정탄소와 비교 시 낮은 비중을 나타내고 있으며, 휘발성분이 주된 열원으로 작용함을 알 수 있었다. 따라서 혼소 시 연소 초기는 휘발성분이 주로 분해되며, 연소 후기에는 고정탄소가 주로 분해되기에 연소 초기에는 바이오 고형연료, 연소 후기에는 석탄이 주된 열원이 됨을 알 수 있다.
여기서, 특별한 점은 바이오 고형연료의 혼합율이 증가할수록 피크점의 형태가 바뀐다는 것이다. 5%에서는 바이오 고형연료의 특성이 미치는 영향이 크지 않아 하나의 피크점을 형성하였지만, 바이오 고형연료의 혼합량이 증가할수록 피크점이 분리되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 바이오 고형연료와 석탄이 독립적으로 연소가 이뤄지며, 연소 초기에는 휘발성분이 많은 바이오 고형연료의 연소가 주로 이뤄지고, 연소 후기에는 휘발성분이 적고 고정탄소량이 많은 석탄의 연소가 주로 이뤄지기 때문에 발생되는 것으로 판단된다.
분석을 진행한 결과, 석탄과 바이오 고형연료를 혼소할 경우 석탄 단일 연소에 비해 활성화 에너지가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 연소 시작에 필요한 에너지양이 줄어든다는 것을 의미한다.
1. DTG를 분석한 결과 바이오 고형연료의 혼합량이 증가할수록 연소개시온도가 낮아짐을 확인하였다. 반면에 연소 최대온도와 연소종료개시 온도에는 큰 변화가 없이 석탄의 특징과 거의 유사하였다.
2. 바이오 고형연료의 혼합량이 증가할수록 피크 점이 분리되는 것을 확인할 수 있는데 이는 바이오 고형연료와 석탄이 독립적으로 연소가 이뤄지며, 연소 초기에는 휘발성분이 많은 바이오 고형연료의 연소가 이뤄지고, 연소 후기에는 휘발성분이 적고 고정탄소량이 많은 석탄의 연소가 이뤄지기 때문에 발생되는 것으로 판단되므로 이와 같은 변화를 줄이려면 바이오 고형연료의 휘발성분 제어가 필요할 것으로 보인다.
3. TGA/DTG 곡선의 속도론적 해석 결과, 바이오 고형연료의 혼합은 활성화 에너지를 감소시켜 연소 초기 연소 환경조건이 개선될 것으로 보인다. 이는 바이오 고형연료 혼소가 연소를 촉진시키는 것을 의미한다.
4. 하수슬러지를 고형연료화 할 경우 제기되는 높은 함수율과 낮은 발열량 문제점을 개선하기 위해 톱밥이나 캐슈넛셀 등 폐바이오매스를 보조제로 혼합 사용하여 바이오 고형연료를 제조할 경우 하수슬러지 처리 비용을 절감함은 물론 저렴하게 화석연료 대체 에너지원을 확보할 수 있음을 확인하였다.
2%로 바이오 고형연료 휘발성 분의 영향을 받아 연소개시온도가 변화되는 특징을 관찰할 수 있었다. 하지만 연소 후기 바이오 고형연료 고정탄소는 13.7%, 석탄의 고정탄소는 50.0%로 석탄의 고정탄소가 바이오 고형연료의 고정탄소 보 다 거의 4배 가까이 많고, 5%, 10%, 15%의 바이오 고형연료를 석탄과 혼소하였기에 혼소 연료 중 바이 오 고형연료 비중이 크지 않았으며, 혼소 시 주 열원인 C성분이 석탄은 70.98%, 바이오 고형연료는 38.09% 로 석탄의 탄소 성분비가 2배 가까이 클 뿐만 아니라 습량기준 저위발열량은 석탄 5,997kcal/kg, 바이오 고형연료 3,561kcal/kg이므로 연소 후기에 관찰되는 연소최대온도 및 연소종료개시온도는 석탄의 특징과 거의 유사하게 나타나고 있음을 알 수 있었다.

후속연구

따라서 본 연구는 향후 석탄과 보조제로 바이오 매스를 사용한 바이오 고형연료의 혼소 시 중요한 기초 자료가 될 것으로 생각된다. 하지만 활성화 에너지 등 수치적 해석과 다양한 시료에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
따라서 본 연구는 향후 석탄과 보조제로 바이오 매스를 사용한 바이오 고형연료의 혼소 시 중요한 기초 자료가 될 것으로 생각된다. 하지만 활성화 에너지 등 수치적 해석과 다양한 시료에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연소 온도란?	연소 온도는 연소 반응을 확인할 수 있는 가장 대표적인 지표이다. 단일시료와 혼합시료의 연소 온도를 확인하기 위해 TGA를 사용하여 연소개시온도, 연소 최대온도, 연소종료개시온도를 관찰하여 연소 특성을 분석하므로 석탄과 바이오 고형연료의 혼소에 대한 연소반응 특성을 확인할 수 있다3,7).
	하수 슬러지를 에너지원으로 사용하는데 어려움이 있는 이유는?	하수 슬러지는 수분 함량이 높고, 발열량이 낮아 하수 슬러지를 에너지원으로 사용하는데 어려움이 있다. 이런 하수 슬러지 특성을 개선하고, 화석 연료를 대체하기 위해 하수 슬러지와 목질계 바이오매스를 혼합한 바이오 고형연료를 생산하는 연구를 행하였다.
	5%에서는 바이오 고형연료의 특성이 미치는 영향이 크지 않아 하나의 피크점을 형성하였지만, 바이오 고형연료의 혼합량이 증가할수록 피크점이 분리되는 이유는?	5%에서는 바이오 고형연료의 특성이 미치는 영향이 크지 않아 하나의 피크점을 형성하였지만, 바이오 고형연료의 혼합량이 증가할수록 피크점이 분리되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 바이오 고형연료와 석탄이 독립적으로 연소가 이뤄지며, 연소 초기에는 휘발성분이 많은 바이오 고형연료의 연소가 주로 이뤄지고, 연소 후기에는 휘발성분이 적고 고정탄소량이 많은 석탄의 연소가 주로 이뤄지기 때문에 발생되는 것으로 판단된다. 따라서 석탄의 단일 연소에 비해 혼소를 할 경우 이와 같은 변화를 줄이려면 바이오 고형연료의 휘발성분 제어를 할 필요가 있는 것으로 판단 된다3).

참고문헌 (16)

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[박성현, 회귀분석학, 2판, 민영사] Park, S. H., Regression Analysis, 2nd ed., Minyoungsa, (1993).

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