[논문]목질계 바이오매스 숯 생산 공정에서 발생하는 열분해가스 생산 특성

박수남; 구재회; 임용택; 허려화; 서용교; 이일규; 하후찬

목질계 바이오매스 숯 생산 공정에서 발생하는 열분해가스 생산 특성
Characteristics of pyrolysis gas production in charcoal production process of lignocelluloisic biomass 원문보기

박수남 (고등기술연구원) , 구재회 (고등기술연구원) , 임용택 (고등기술연구원) , 허려화 (고등기술연구원) , 서용교 ((주) 대원GSI) , 이일규 ((주) 대원GSI) , 하후찬 ((주) 대원GSI)

바이오매스 에너지라 함은 생물체를 구성하는 유기물을 이용하는 에너지이다. 바이오매스는 에너지 위기 및 $CO_2$에 의한 지구온난화 및 화석자원의 고갈이 진행되면서, 화석연료와 달리 재생이 가능하고 지속 가능한 자원으로 각광을 받고 있다. 그 중에서도 목질계 바이오매스는 다른 신재생에너지원에 비해 국내 잠재량이 가장 풍부한 에너지원 중의 하나이다. 바이오매스 에너지 기술로는 직접연소, 열화학적 변환, 생화학적 변환의 기술이 있다. 본 연구에서는 목재를 원료로 한 부분산화 조건의 숯 생산 공정에서 목재의 열분해 가스 생산특성을 고찰하였다. 열분해가스 중에 응축된 목초액의 pH는 3.58～3.92 정도로 분석 되었고, 산도는 시간이 경과 할수록 2.74에서 4.44%로 농도가 증가 되었다. 숯 생산 공정에서의 목재의 열분해는 초기부터 48시간까지는 열분해가스의 조성의 변화가 거의 없었고, 48시간 경과 후에는 열분해가스 중에 가연성가스인 $H_2$, CO, $CH_4$가 약 5%정도 배출되는 것을 알 수 있었다.

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문제 정의

그리고 목질 바이오매스자원을 에너지로 전환하기 위한 방법으로는 직접연소, 열분해, 부분산화에 의한 가스화, 미생물을 이용하여 발효시키는 매탄, 에탄올화, 직접 액화하는 방법 등이 있다.[2] 본 연구에서는 목재를 원료로 한 부분산화 조건의 숯 생산 공정에서 목재의 열분해 가스 생산특성을 고찰하였다.

제안 방법

이들의 생성 비율은 열분해 온도, 가열속도, 목재의 입경 등에 의존된다.[4] 본 연구에서는 숯가마 열분해가스 배출구에서 열분해 시간이 경과함에 따른 발생된 열분해 가스조성, 유량, 숯가마 배출가스의 온도를 측정하였다. 또한 목초액 응축기에서 응축된 목초액의 ph 및 산성도를 분석하였다.
본 연구에서 열분해가스의 생산특성 파악하기 위한 참나무의 분류는 참나무 껍질의 두께를 가지고 판단을 하였다. 같은 입경을 가진 참나무에서 껍질의 두께가 두꺼운 것은 1번, 얇은 것은 2번으로 분류하여 숯 생산에 필요한 참나무의 분석을 진행하였다. Proximate analysis의 경우 1번 참나무는 2번 참나무보다 외피에 수분이 더 많이 함유하고 있었고, 내피는 하급의 참나무가 더 많은 수분을 포함하고 있었다.
[4] 본 연구에서는 숯가마 열분해가스 배출구에서 열분해 시간이 경과함에 따른 발생된 열분해 가스조성, 유량, 숯가마 배출가스의 온도를 측정하였다. 또한 목초액 응축기에서 응축된 목초액의 ph 및 산성도를 분석하였다.
본 연구에서 열분해가스의 생산특성 파악하기 위한 참나무의 분류는 참나무 껍질의 두께를 가지고 판단을 하였다. 같은 입경을 가진 참나무에서 껍질의 두께가 두꺼운 것은 1번, 얇은 것은 2번으로 분류하여 숯 생산에 필요한 참나무의 분석을 진행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 숯가마는 국내 대구 소재에 한 배치 당 11 ton의 참나무가 들어가는 숯가마이다. 숯가마에서 열분해가 일어나기 위해서는 입구에 숯가마 내부로 유입되는 산화제 양을 조절하기위한 산화제 유입구가 필요하다.

성능/효과

본 연구에서는 목재를 원료로 한 부분산화 조건의 숯 생산 공정에서 목재의 열분해 가스 생산 특성을 고찰한 결과 열분해가스 중에 응축된 목초액의 pH는 3.58～3.92 정도로 분석 되었고, 산도는 시간이 경과 할수록 2.74에서4.44%로 농도가 증가 되었다. 숯 생산 공정에서의 목재의 열 분해는 초기부터 48시간까지는 열분해가스의 조성의 변화가 거의 없었고, 48시간 경과 후에는 열분해가스 중에 가연성가스인 H2, CO, CH₄가 약 5%정도 배출되는 것을 알 수 있었다.
숯 생산 공정에서 시간이 경과함에 따른 숯가마에서 생산된 열분해가스의 유량 및 온도를 보면, 초기의 5시간 동안은 참나무에 불을 지피는 구간으로 대기 중의 공기를 송풍기를 이용하여 공기를 불어 넣어줌으로써 목재를 연소시키기 때문에 유량과 온도는 증가 했다가 송풍기을 정지함과 동시에 감소하였다. 초기부터 5시간 후 가마의 입구를 황토로 막으면 참나무의 열분해가 진행되는 구간으로 유량은 약 350 Nm³/h의 열분해가스가 배출되었고, 배출되는 온도는 약 80℃의 온도를 유지하였으며 목초액 열교환 응축기 후단의 온도는 약 50℃ 정도로 냉각되어 배출되었다.
44%로 농도가 증가 되었다. 숯 생산 공정에서의 목재의 열 분해는 초기부터 48시간까지는 열분해가스의 조성의 변화가 거의 없었고, 48시간 경과 후에는 열분해가스 중에 가연성가스인 H2, CO, CH₄가 약 5%정도 배출되는 것을 알 수 있었다.
숯 생산 공정에서의 생산된 열분해가스는 가마에 불을 지핀 후 48시간 경과까지는 N₂, O₂가 대부분인 열분해 가스로 조성의 변화가 없다가 48시간 이후부터 활성화되어 열분해가스의 유량 및 열분해가스의 조성이 변하는 것을 알 수 있었다. 열분해가스 중에 H₂, CO, CH₄의 조성이 높아진 반면, N₂, O₂의 조성이 감소하였다.
열분해가 진행되면서 발생하였던 tar와 열분해 완료 후 생성된 soot는 저위발열량 7082 kcal/kg, 8005 kcal/kg로 각각 분석 결과가 나왔다. Table 1과 2에 숯 생산에 사용한 목재와 열분해 부산물인 tar 및 soot의 분석 결과를 나타내었다.
참나무가 열분해 반응을 하면서 발생한 열 분해가스 중에 응축된 목초액의 pH는 3.58～3.92 정도로 분석 되었고, 산도는 시간이 경과 할수록 2.74에서4.44%로 농도가 증가 되었다. Fig.
숯 생산 공정에서 시간이 경과함에 따른 숯가마에서 생산된 열분해가스의 유량 및 온도를 보면, 초기의 5시간 동안은 참나무에 불을 지피는 구간으로 대기 중의 공기를 송풍기를 이용하여 공기를 불어 넣어줌으로써 목재를 연소시키기 때문에 유량과 온도는 증가 했다가 송풍기을 정지함과 동시에 감소하였다. 초기부터 5시간 후 가마의 입구를 황토로 막으면 참나무의 열분해가 진행되는 구간으로 유량은 약 350 Nm³/h의 열분해가스가 배출되었고, 배출되는 온도는 약 80℃의 온도를 유지하였으며 목초액 열교환 응축기 후단의 온도는 약 50℃ 정도로 냉각되어 배출되었다. 그리고 45시간 후부터 열분해 유량이 감소하기 시작하였다.

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