[논문]F-T 공정으로 합성된 바이오항공유의 화학적 조성에 따른 점화특성 분석

강샛별

doi:10.7464/ksct.2020.26.3.204

F-T 공정으로 합성된 바이오항공유의 화학적 조성에 따른 점화특성 분석
Analysis on Ignition Characteristics According to the Chemical Composition of Bio Jet Fuel Synthesized by F-T Process 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.26 no.3, 2020년, pp.204 - 210

강샛별 (국방과학연구소)

초록
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본 연구에서는 F-T 공정을 통해 합성하여 제조한 바이오항공유(Bio-7629, Bio-5172)와 기존에 사용 중인 석유계항공유(Jet A-1)의 점화특성을 비교하여 분석하였다. Combustion research unit (CRU) 장비를 활용하여 각 항공유의 점화지연시간을 측정하였고, 그 결과를 연료의 물성 및 구성 화합물에 대한 분석을 통해 해석하고자 하였다. 점화지연시간은 Bio-5172가 가장 짧게 측정되었으며 Jet A-1이 가장 길게 측정되었다. 이는 물리적 점화지연시간에 영향을 줄 수 있는 연료의 물성 측면에서 Jet A-1이 가장 큰 표면장력을 가지며 Bio-5172가 가장 낮은 점도를 갖기 때문인 것으로 해석된다. 또한, 각 연료를 구성하는 화합물의 종류 및 비율에 대하여 분석한 결과, 실험 대상 바이오항공유에 없는 방향족화합물이 Jet A-1에는 약 22.8%의 비율로 존재함을 확인하였다. 이는 산화 과정 시에 비교적 반응성이 낮은 benzyl radical을 생성하여 점화지연시간이 길게 측정되는 데에 영향을 주는 것으로 판단된다. Bio-7629와 Bio-5172는 paraffin으로만 구성되어 있으며, n-/iso-의 값은 각각 0.06, 0.80으로 큰 차이를 보였다. 가지화 된 정도가 낮은 paraffin일수록 산화 시에 생성되는 peroxy radical의 이성질화가 빠르게 진행되어 점화의 전파속도 또한 빨라진다. 따라서 n-paraffin의 함량이 비교적 높은 Bio-5172의 경우에 점화지연시간 또한 짧게 측정된 것으로 해석된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the ignition characteristics of bio jet fuel (Bio-7629, Bio-5172) produced by F-T process and petroleum-based jet fuel (Jet A-1) were compared and analyzed. The ignition delay time of each fuel was measured by means of a combustion research unit (CRU) and the results were explained through an analysis of the properties and composition of the fuel. The ignition delay time of Bio-5172 was the shortest while that of Jet A-1 was the longest because Jet A-1 had the highest surface tension and Bio-5172 had the lowest viscosity in terms of fuel properties that could affect the physical ignition delay time. As a result of the analysis of the constituents' type and ratio, 22.8% aromatic compounds in Jet A-1 could generate benzyl radical, which had low reactivity during the oxidation reaction, affecting the increase of ignition delay time. Both Bio-7629 and Bio-5172 were composed of paraffin only, with the ratio of n-/iso- being 0.06 and 0.80, respectively. The lower the degree of branching is in paraffin, the faster the isomerization of peroxy radical is produced during oxidation, which could determine the propagation rate of the ignition. Therefore, Bio-5172, composed of more n-paraffin, possesses shorter ignition delay time compared with Bio-7629.

주제어

표/그림 (14)

그림 Figure 1. Overall F-T process scheme [4].
그림 Figure 2. Schematics of CRU.
그림 Figure 3. P-t curve obtained by using CRU (a) Definition of specific time, (b) Example of results.
그림 Figure 4. Surface tensions of various fuels.
표 Table 1. MCD of various fuels
표 Table 2. Kinematic viscosities of various fuels
그림 Figure 5. Dynamic viscosities of various fuels.
그림 Figure 6. Intensity peaks of various fuels by GC/MS analysis.
그림 Figure 8. Various resonance structures of benzyl radical [20].
그림 Figure 7. Reactions of radical: formation, isomerization, propagation [19].
표 Table 3. Results of GC/MS analysis
그림 Figure 9. BDE of C₇ compounds (a) n-heptane(paraffin), (b) toluene(aromatics) [23].
그림 Figure 10. Composition ratio of paraffins in various fuels.
표 Table 4. Results of GC/FID analysis

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국외에서 F-T 공정으로 제조한 2가지 바이오 항공유와 기존에 상용 중인 석유계항공유의 점화특성에 대하여 비교 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다. 온도 및 압력이 각각 590 ℃, 55 bar인 조건에서 Bio-5172의 점화지연시간이 가장 짧게 측정되었으며, Jet A-1의 점화지연시간이 가장 길게 측정되었다.

제안 방법

연료 분사 시작의 순간부터 완전 연소가 될 때까지의 압력 변화는 재현성의 확인을 위해 10번씩 측정하였으며, 기록된 MCD의 평균값을 결과로 사용하였다. 각 시료에 대한 측정이 끝난 후에는 methyl alcohol (DUKSAN, EP, Korea)를 사용하여 3초간 3번의 flushing을 통해 세척을 진행하였다.
각 연료를 구성하는 화합물에 대한 정성 및 정량적인 분석을 통해 점화특성을 추가적으로 해석하기 위해서 Gas Chromatography/ Mass Spectrometer (GC/MS) 분석을 수행하였으며, 검출시간에 따른 intensity peak 그래프를 Figure 6에 나타내었다.
각 연료의 점화특성을 비교하기 위해 CRU 장비를 이용하여 점화지연시간을 측정하였으며, 실험은 590 ℃, 55 bar에서 수행하였다. 그 결과, Table 1에 정리한 바와 같이 2가지 바이오 항공유의 점화지연시간은 석유계항공유인 Jet A-1의 경우보다 짧게 측정되었으며, 특히 Bio-5172가 Bio-7629 보다 점화지연시간이 짧은 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 바이오매스를 원료로 하여 제조된 syn gas를 이용해 F-T 공정으로 합성한 바이오항공유의 점화지연시간을 측정하여 분석하였다. 또한, 기존 시스템에의 적용 가능성을 검토하기 위하여 상용 중인 석유계항공유의 점화지연시간도 측정하여 함께 비교 분석하였다.
또한, 저온 동점도 측정기(LKV5000, Koehler)를 사용하여 –30 ℃부터 0 ℃까지 총 4가지 온도에서의 동점도를 측정하였으며, 마찬가지로 재현성 확보를 위해 3번의 측정을 통한 평균값을 구하였다.
본 연구에서는 바이오매스를 원료로 하여 제조된 syn gas를 이용해 F-T 공정으로 합성한 바이오항공유의 점화지연시간을 측정하여 분석하였다. 또한, 기존 시스템에의 적용 가능성을 검토하기 위하여 상용 중인 석유계항공유의 점화지연시간도 측정하여 함께 비교 분석하였다.
실험은 완전 연소 하는 데에 가장 높은 온도 및 압력이 요구되는 Bio-7629의 조건을 기준으로 하여 590 ℃, 55 bar에서 수행하였으며, 이때 봄베로 부터 공급되는 air의 압력은 60 bar, N2의 압력은 4 bar로 설정하여 각각 산화제 및 purging의 용도로 사용될 수 있게 하였다. 또한, 고온 고압의 조건에서 연소가 이루어지는 연소실 주위를 순환하는 항온수의 온도는 50 ℃로 설정하였다.
CRU 장비는 특정 온도 조건으로 설정된 일정한 부피의 연소실에 air를 주입하여 측정하고자 하는 압력 조건을 만들고, 이를 유지한 상태에서 injector를 통해 시료를 분사하여 시간이 지남에 따라 변화하는 압력을 측정한다. 이러한 과정을 통해 기록된 결과는 IP 541의 규정에 따라 Figure 3과 같이 나타낼 수 있으며, 본 연구에서는 연료의 완전 연소를 기준으로 기록된 최고 압력의 10%에 도달할 때 까지 걸린 시간인 main combustion delay (MCD) 값을 점화지연시간으로 정의하였다[13].
점화지연시간 측정 결과를 분석하기 위한 참고 데이터를 확보하기 위하여, 연료의 물리적 점화지연시간에 영향을 줄 수 있는 밀도와 표면장력을 각각 밀도 측정기(DM40 DeltaRange, METTLER TOLEDO)와 표면장력 측정기(force tensiometer-K11, KRÜSS)를 사용하여 측정하였다. 장비의 사양을 고려하여 0 ℃부터 100 ℃까지 총 6가지 온도에서의 물성을 상압의 조건에서 측정하였으며, 결과의 재현성을 확보하기 위해 5번의 측정을 통한 평균값을 구하였다. 또한, 저온 동점도 측정기(LKV5000, Koehler)를 사용하여 –30 ℃부터 0 ℃까지 총 4가지 온도에서의 동점도를 측정하였으며, 마찬가지로 재현성 확보를 위해 3번의 측정을 통한 평균값을 구하였다.
점화지연시간 측정 결과를 분석하기 위한 참고 데이터를 확보하기 위하여, 연료의 물리적 점화지연시간에 영향을 줄 수 있는 밀도와 표면장력을 각각 밀도 측정기(DM40 DeltaRange, METTLER TOLEDO)와 표면장력 측정기(force tensiometer-K11, KRÜSS)를 사용하여 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 Sasol사에서 syn gas를 이용하여 F-T 공정으로 제조한 11POSF7629 (이하 Bio-7629)와 Shell사에서 syn gas를 이용하여 동일한 공정으로 제조한 07POSF5172 (이하 Bio-5172)을 실험 대상으로 선정하였다. 또한, GS Caltex사에서 제조하여 상용 중인 석유계항공유(Jet A-1)를 비교 대상 연료로 선정하였다.
본 연구에서는 Sasol사에서 syn gas를 이용하여 F-T 공정으로 제조한 11POSF7629 (이하 Bio-7629)와 Shell사에서 syn gas를 이용하여 동일한 공정으로 제조한 07POSF5172 (이하 Bio-5172)을 실험 대상으로 선정하였다. 또한, GS Caltex사에서 제조하여 상용 중인 석유계항공유(Jet A-1)를 비교 대상 연료로 선정하였다.
실험 대상 바이오항공유는 paraffin으로만 구성되어 있는 반면에, Jet A-1에는 paraffin과 약 22.8%의 aromatics가 함께 존재하며, aromatics의 분해 과정에서 구조적으로 안정하여 반응성이 낮은 benzyl radical이 생성되므로 점화지연시간 또한 길게 나타나는 것으로 해석된다. 실험 대상 바이오항공유를 구성하는 n-paraffin과 iso-paraffin이 alkyl radical이 되어 산화 과정을 거쳐 생성하는 peroxy radical의 이성질화가 점화의 전파 속도를 결정하는 중요한 역할을 한다.

데이터처리

각 연료에 대한 정성 및 정량적인 분석을 위해 Gas Chromatography/Mass Spectrometer (GC/MS, Agilent 7890) 장비를 활용하여 결과를 확인하였으며, 신뢰성 확보를 위해 flame ionization detector (FID)를 통한 분석을 추가로 실시하여 각각의 결과를 비교하였다.
09 mL가 연소실에 분사되게 하였다. 연료 분사 시작의 순간부터 완전 연소가 될 때까지의 압력 변화는 재현성의 확인을 위해 10번씩 측정하였으며, 기록된 MCD의 평균값을 결과로 사용하였다. 각 시료에 대한 측정이 끝난 후에는 methyl alcohol (DUKSAN, EP, Korea)를 사용하여 3초간 3번의 flushing을 통해 세척을 진행하였다.

성능/효과

각 연료의 점화특성을 비교하기 위해 CRU 장비를 이용하여 점화지연시간을 측정하였으며, 실험은 590 ℃, 55 bar에서 수행하였다. 그 결과, Table 1에 정리한 바와 같이 2가지 바이오 항공유의 점화지연시간은 석유계항공유인 Jet A-1의 경우보다 짧게 측정되었으며, 특히 Bio-5172가 Bio-7629 보다 점화지연시간이 짧은 것으로 확인되었다.
연료의 점도 역시 물리적 점화지연시간에 영향을 줄 수 있으며, 점도가 낮을수록 점화 및 화학반응을 일으키기 위해 극복하여야 하는 유동 저항이 낮아 점화지연시간이 짧아진다[17,18]. 따라서 측정한 모든 온도에서 가장 낮은 점도를 갖는 Bio-5172가 점화지연시간 또한 가장 짧게 나타난 것으로 판단된다.
온도 및 압력이 각각 590 ℃, 55 bar인 조건에서 Bio-5172의 점화지연시간이 가장 짧게 측정되었으며, Jet A-1의 점화지연시간이 가장 길게 측정되었다. 모든 측정 온도 조건에서 가장 높은 표면장력을 갖는 Jet A-1이 가장 긴 점화지연시간을 가지며, 가장 낮은 점도를 갖는 Bio-5172가 가장 짧은 점화지연시간을 갖는 것을 확인할 수 있다.
분석 결과를 토대로 각 연료를 구성하는 화합물의 종류와 비율을 화학적 구조에 따라 분류하여 Table 3에 정리하였으며, 이를 통해 Bio-7629와 Bio-5172는 paraffin으로만 구성되어 있고 Jet A-1에는 paraffin 이외에도 olefin과 aromatics가 각각 약 2.4%, 22.8%의 비율로 함께 존재하는 것을 확인할 수 있다.
연료를 구성하는 주요화합물인 paraffin의 화학적 구조 및 탄소수에 따른 구성 비율을 FID 검출기를 사용하여 분석한 결과를 Figure 10과 Table 4에 정리하여 나타내었으며, 특히 Bio-7629와 Bio-5172의 경우에 n-paraffin과 iso-paraffin의 구성 비율(n-/iso-)이 각각 0.06, 0.80으로 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. Boot et al.
본 연구에서는 국외에서 F-T 공정으로 제조한 2가지 바이오 항공유와 기존에 상용 중인 석유계항공유의 점화특성에 대하여 비교 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다. 온도 및 압력이 각각 590 ℃, 55 bar인 조건에서 Bio-5172의 점화지연시간이 가장 짧게 측정되었으며, Jet A-1의 점화지연시간이 가장 길게 측정되었다. 모든 측정 온도 조건에서 가장 높은 표면장력을 갖는 Jet A-1이 가장 긴 점화지연시간을 가지며, 가장 낮은 점도를 갖는 Bio-5172가 가장 짧은 점화지연시간을 갖는 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	목재, 농작물, 유기성 폐기물 등을 원료로 하여 바이오항공유를 제조하는 공정 연구는 무엇이 있는가?	따라서 석유 기반의 연료의 주요 소비처인 항공 분야에서는 이를 대체하기 위한 기술의 개발을 위해 노력하고 있다[1]. 이러한 기술 중의 하나로서 목재, 농작물, 유기성 폐기물 등을 원료로 하여 바이오항공유를 제조하는 공정에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 여기에는 동식물성 유지를 원료로 하는 전환 공정인 hydroprocessed esters and fatty acids (HEFA), 석유대체 자원을 원료로 하여 액화를 통해 액체연료를 제조하는 열화학적 전환 공정인 Fischer-Tropsch synthesis (F-T), 바이오매스를 원료로 하는 생화학적 전환 공정인 synthesised iso-paraffinic fuels (SIP) 그리고 촉매를 사용하여 개질한 당 또는 탄수화물을 원료로 하는 열화학적 또는 생화학적 전환 공정인 alcohol to jet (ATJ) 등이 있다[2,3].
	F-T 공정은 무엇인가?	이중에서도 F-T 공정은 Fe, Co, Ru와 같은 촉매와의 반응을 통해 얻은 CO, H2를 up-grading하여 액체연료로 만드는 기술로서, 이에 대한 개략적인 내용을 Figure 1에 정리하여 나타내었다[4]. F-T 공정은 high temperature Fischer-Tropsch (HTFT)와 low temperature Fischer-Tropsch (LTFT)로 구분되며, 이러한 반응 온도 조건에 따라 생성되는 물질의 종류 및 비율이 달라질 수 있다.
	low temperature Fischer-Tropsch를 통해 생성되는 물질의 특성은?	F-T 공정은 high temperature Fischer-Tropsch (HTFT)와 low temperature Fischer-Tropsch (LTFT)로 구분되며, 이러한 반응 온도 조건에 따라 생성되는 물질의 종류 및 비율이 달라질 수 있다. 특히 LTFT를 통해 생성되는 물질은 주로 긴 사슬형태의 탄화수소로 이루어지며 aromatics가 거의 없는 특징을 갖는다[5,6].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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