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문제 정의
- 이러한 공정이 들어가게 되면 추가로 에너지 및 비용이 투입되기 때문에 바이오 오일 사용에 있어 경쟁력이 떨어질 수 있다. 본 연구에서는 자트로파 씨앗에서 압착을 통해 추출한 바이오 오일(pure plant oil, crude Jatropha oil)에 대한 연소 시험을 수행하였다. 자트로파 오일에 대해 에테르화 공정을 하지 않았기 때문에 비용적으로 장점이 있으며 연소 가능성 확인에 대한 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 자트로파 유에 대한 기초 연소 시험 및 보일러 내에서 연소특성 시험을 수행하였다. 연소 특성을 비교하기 위해 난방유와 피치에 대한 연소시험을 수행하여 그 결과를 비교하였으며 연소 특성을 보면 다음과 같다.
제안 방법
- 바이오 디젤의 경우 차량에 주로 사용하고 있으며 산업용 보일러에도 사용하고 있다. J.E. Batey는 BD20 (바이오 디젤 20%, 상용 경유 80%)을 상용 보일러에 사용한 직접 연소 연구를 수행하였다. 그는 BD20의 경우 NOx 생성을 약 20%정도 줄어들었다는 결과를 제시하였으며, SOx 또한 최대 83%까지 감소한다고 주장하였다.
- 배가스 중 O2, CO 및 NOx 농도를 측정하기 위해 가스 분석계(MK-II, Greenline)을 사용하였으며, 연료 공급량을 계측하기 위해 전자저울(Cas)를 사용하였다.
- 여기서 추출된 초기 바이오 디젤을 한번 더 정제하게 되면 피치와 바이오 디젤로 분리된다. 본 연구에서는 바이오 디젤로 변환되기 전의 바이오 오일을 사용하였으며, 그 연소 결과를 난방유와 비교하였다. 추출된 자트로파 유(crude Jatropha oil)에 대한 원소 분석결과 및 발열량 결과를 Table 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 자트로파 유에 대한 기초 연소 시험 및 보일러 내에서 연소특성 시험을 수행하였다. 연소 특성을 비교하기 위해 난방유와 피치에 대한 연소시험을 수행하여 그 결과를 비교하였으며 연소 특성을 보면 다음과 같다.
- 연소가 안정적으로 진행되어 자트로파 유 및 난방유에 대해 배가스 분석계를 사용하여 배기가스 분석을 수행하였다. 시험의 재현성을 위해 여러번 시험을 수행하였으며 Fig.
- 이러한 조건을 유지하기 위해 자트로파 유의 온도를 외부 가열장치를 사용하여 약 100℃정도로 유지하였다. 연소가 안정적으로 진행되어 자트로파유 및 난방유(등유:경유 5.5:4.5)에 대해 연소시험을 수행하였다. 보일러에 설치된 가시화창을 통해 연소 중 사진을 Table 3에 비교해 나타내었다.
- 이런 높은 점도를 가진 자트로파 유에 대해 상용 연소기에서 점화특성을 알아보기 위해 대기상태에서 연소를 시켜보았다. 외부 연료 가열 장치를 사용하여 연소기에 공급되는 온도를 제어 하였다. 자트로파 유 온도를 상온 (약 35℃)과 50 ~ 100 ℃에서 10℃간격으로 조절하여 시험을 수행하였다.
- 버너에 내장된 파일럿 연소 장치로부터 연소는 불가능하였으며, 점화를 시켰을 때에는 연소가 일어나지 않고 자트로파 유 액적만 분사되고 있는 것을 알 수 있다. 이 때 토치를 사용하여 강제적으로 연소를 유발시켜 보았다. 토치를 액적에 근접했을 때에는 토치 부근에서 연소가 부분적으로 발생하지만 토치를 제거하면 연소가 진행되지 않은 것을 확인하였다.
- 경유의 경우 상온에서 점도값이 5 cSt보다 낮은 값을 가지고 있지만, 착유된 자트로파 유의 경우 상온에서 약 36 cSt이며, 이러한 높은 점도로 인해 기존의 상용 연소기로는 연소가 일어나지 않을 것이다. 이런 높은 점도를 가진 자트로파 유에 대해 상용 연소기에서 점화특성을 알아보기 위해 대기상태에서 연소를 시켜보았다. 외부 연료 가열 장치를 사용하여 연소기에 공급되는 온도를 제어 하였다.
- 본 연구에서는 자트로파 씨앗에서 압착을 통해 추출한 바이오 오일(pure plant oil, crude Jatropha oil)에 대한 연소 시험을 수행하였다. 자트로파 오일에 대해 에테르화 공정을 하지 않았기 때문에 비용적으로 장점이 있으며 연소 가능성 확인에 대한 시험을 수행하였다.
- 외부 연료 가열 장치를 사용하여 연소기에 공급되는 온도를 제어 하였다. 자트로파 유 온도를 상온 (약 35℃)과 50 ~ 100 ℃에서 10℃간격으로 조절하여 시험을 수행하였다. 시험에 사용한 상용 연소기는 자체 파일롯 점화장치가 부착되어 있으며 대기시험을 수행할 때에는 보조적으로 가스 토치를 사용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 자트로파 씨앗을 Fig. 1에 나타내었다. 그림에서 보는 것과 같이 길이 10~20 mm정도의 땅콩과 유사한 모습을 가지고 있다.
- 자트로파 유에 대한 연소시험을 수행하기 위해 상용연소기와 보일러를 사용하였다. 시험에 사용된 보일러는 174 kW (150,000 kcal/h) 용량의 노통 연관식 증기(0.35 MPa) 보일러이며, 부착된 버너는 대기 연소시험에 사용한 140 kW (120,000 kcal/h) 상용 경유 버너이다. 보일러와 버너 사진을 Fig.
- 자트로파 유 온도를 상온 (약 35℃)과 50 ~ 100 ℃에서 10℃간격으로 조절하여 시험을 수행하였다. 시험에 사용한 상용 연소기는 자체 파일롯 점화장치가 부착되어 있으며 대기시험을 수행할 때에는 보조적으로 가스 토치를 사용하였다.
- 자트로파 유에 대한 연소시험을 수행하기 위해 상용연소기와 보일러를 사용하였다. 시험에 사용된 보일러는 174 kW (150,000 kcal/h) 용량의 노통 연관식 증기(0.
성능/효과
- (1) 자트로파 유 발열량은 39.3 MJ/kg으로 기존 경유보다 다소 높은 값을 가지고 있다.
- (2) 자트로파 유에 대한 기초 연소 시험결과 연소기로 공급되는 자트로파 유의 온도가 90℃이상일 때 안정적으로 연소되는 것을 확인하였다.
- (3) 자트로파 유의 보일러 연소 결과 CO의 경우 거의 발생하지 않았으며, NOx는 난방유 (80 ppm)에 비해 약 13% 증가한 80 ~ 100 ppm정도 발생하였다.
- (4) 배가스의 스모크 측정 결과 자트로파 유와 난방유 모두 바카라치 스모크 No. 1로 계측되었으며 실제 배기구에서 가시적인 미연분은 없었다.
- 이는 난방유에 비해 자트로파 연소시 공기비가 다소 낮은 결과라고 추측이 된다. 가시화 사진을 통해 자트로파 유의 연소가 어느 정도 안정적으로 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
- 는 1이었다. 난방유와 자트로파 유 연소에 대해 각각 미연분에 대한 스모크 발생이 거의 발생하지 않는 것을 뜻하며, 실제 배가스 출구에서 가시적인 미연분도 보이지 않았다.
- 실제 사용조건에서 바이오 디젤을 사용한 보일러는 경유를 사용한 보일러보다 운전효율이 높았으며, 사용중 큰 문제는 없었다고 하였다. 또한 결론으로 연료가격만이 바이오 디젤을 사용하는데 있어서 가장 중요한 문제라고 하였다.
- 다시 자트로파 유의 온도를 80℃로 올렸을 때에도 파일럿 연소로 연소가 진행되었으며 초기에는 연소가 불안정하다가 시간이 지나면서 연소가 안정화되는 것을 알 수 있었다. 자트로파 유의 온도가 90, 100℃일 때에는 파일럿 연소도 잘 되었으며 연소 후 바로 화염이 안정화되는 것을 확인하였다. 이러한 연소 특성을 Table 2에 요약해 보았다.
- 이 때 토치를 사용하여 강제적으로 연소를 유발시켜 보았다. 토치를 액적에 근접했을 때에는 토치 부근에서 연소가 부분적으로 발생하지만 토치를 제거하면 연소가 진행되지 않은 것을 확인하였다. 이는 자트로파 유가 60℃일 때까지 유사한 결과를 나타내고 있다.
- 자트로파 유의 온도를 70℃로 설정한 후 연소 시험을 진행하였을 때에는 버너 자체 내의 파일럿 연소 장치로 연소가 시작되었으며 연소 시작에 보조적으로 사용된 토치는 필요하지 않았다. 하지만 파일럿 연소 후 연소가 다소 불안정한 모습을 보이고 있으며, 연소는 지속되고 있음을 확인하였다. 한번 연소가 시작되면 연소로 인해 버너 출구의 온도가 증가하게 되고, 이러한 온도 증가로 인해 연료 온도가 다소 낮더라도 연소가 안정적으로 변하게 되었다.
후속연구
- (5) 본 연구를 통해 자트로파 유에 대한 연료 가능성을 확인하였으며, 향후 오랜 시간동안 연소를 하였을 때 발생할 수 있는 문제에 대한 연구가 진행되어야할 것이다.
- 자트로파 씨앗을 압착하게 되면 순수한 바이오 오일(pure plant oil, straight vegetable oil)과 부산물로 케익으로 분리된다. 케익 또한 고형의 연료로 사용할 수 있을 것이다. 추출된 바이오 오일은 상용 연료에 비해 점도가 다소 높으며 이러한 점도를 낮추기 위해 에테르화(transeterification precess)를 거치게 되면 점도가 아주 높은 글리세린과 초기 바이오 디젤로 분리할 수 있다.
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