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문제 정의
- 본 연구에서는 미세 조류의 대표적인 물질인 chlorella의 열분해, 부분산화(5%) 및 연소 특성을 열 천칭 반응기(Thermo-balance reactor)에서 살펴봄으로써 chlorella의 고온 반응특성을 살펴보고 kinetic을 결정하였다. 한편 chlorella의 수분 함유량을 실험 변수로 하여, 이에 따른 고온에서의 열분해, 부분산화(5%) 및 연소 특성을 관찰하였다.
제안 방법
- 수분 함유 chlorella 시료는 건조시료에 각각 0%, 20%, 40%, 60%의 물을 넣어 혼합, 제작하였다. 각각의 시료를 바스켓에 장착한 후, 열분해 반응 시에는 N2가스를, 연소 시에는 Air를, 부분 산화 (5%) 시에는 Air와 N2가스를 혼합 주입하여 온도 별(500 - 800 ℃)로 시간에 따른 무게 감량의 변화를 고찰하였다.
- 5 cm, 높이 1 m의 Sus304 파이프로 제작되었다. 반응기 가열을 위해 칸탈 열선을 반응기 외벽에 설치하였으며, 반응기의 내부온도는 시료 basket 아래 5 mm 위치에 설치된 k-type 열전대로 측정하여 비례조절 하였다. 반응기체의 혼합을 위해 반응기하부에는 rashing ring을 충전하였다.
- 시료는 열 및 물질 전달의 영향을 배제하기 위해 크기는 150μm 이하로, 무게는 1g으로 고정하였다. 수분 함유 chlorella 시료는 건조시료에 각각 0%, 20%, 40%, 60%의 물을 넣어 혼합, 제작하였다. 각각의 시료를 바스켓에 장착한 후, 열분해 반응 시에는 N2가스를, 연소 시에는 Air를, 부분 산화 (5%) 시에는 Air와 N2가스를 혼합 주입하여 온도 별(500 - 800 ℃)로 시간에 따른 무게 감량의 변화를 고찰하였다.
- 반응기체의 혼합을 위해 반응기하부에는 rashing ring을 충전하였다. 열분해 반응 및 연소반응으로 인한 시료의 무게 변화는 전자저울을 사용하여 2초 간격으로 측정되었고 연결된 PC로 저장하여 해석하였다. 시료는 열 및 물질 전달의 영향을 배제하기 위해 크기는 150μm 이하로, 무게는 1g으로 고정하였다.
- 열천칭 반응기를 이용하여 반응 온도 (500 -800℃), 수분 함량 (0-60wt.%) 등의 운전 조건에서 미세 조류인 chlorella의 열분해, 부분산화, 연소의 반응 특성을 고찰하였다. 실험 영역에서 반응온도 및 산소의 분압이 증가함에 따라 탄소 전환율이 증가하였으며 Shrinking-core model을 사용하여 반응 차수를 구하였다.
- 한편 chlorella의 수분 함유량을 실험 변수로 하여, 이에 따른 고온에서의 열분해, 부분산화(5%) 및 연소 특성을 관찰하였다.
대상 데이터
- 시료는 열 및 물질 전달의 영향을 배제하기 위해 크기는 150μm 이하로, 무게는 1g으로 고정하였다.
이론/모형
- %) 등의 운전 조건에서 미세 조류인 chlorella의 열분해, 부분산화, 연소의 반응 특성을 고찰하였다. 실험 영역에서 반응온도 및 산소의 분압이 증가함에 따라 탄소 전환율이 증가하였으며 Shrinking-core model을 사용하여 반응 차수를 구하였다. 가스화 영역인부분 산화 (5%) 조건에서의 activation energy와 frequency factor 값은 각각 19.
성능/효과
- 이 때, r 은 반응성을 의미하며, dW/dt는 반응율이 최대가 될 때까지의 평균적인 무게 감소율의 평균값을 의미한다. Chlorella의 열분해, 부분 산화 (5%), 연소 반응성은 수분 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 앞서 살펴본 탄소 전환율의 특징과 마찬가지로, 열분해의 경우 건조 시료 (수분 함량 0%)에 비하여 수분 함량이 늘어 남에 따라 반응성이 감소하였고 더 이상의 수분 함량 증가에도 일정한 반응성을 보였다.
- 21 atm)에 따른 chlorella의 탄소 전환율을 나타내었다. Thermo-balance reactor에 주입되는 산소의 분압이 증가함에 따라 탄소 전환율은 증가하였으며 평균 반응 속도를 나타내는 k 값 또한 증가하는 경향을 보였다. 하지만 그 증가폭이 온도에 따른 영향만큼 크지는 않았으며, 이는 목질계 바이오매스의 경우에서도 온도에 따른 영향이 분압에 의한 영향 보다 더 크다는 것과 같은 경향을 나타냈다9).
- 에 나타내었다. 공업분석 결과 휘발 성분 및 고정 탄소의 함량은 각각 71.5 %와 13.8 %로써, 목질 계 바이오매스인 톱밥(sawdust) 등과 비슷한 결과를 가짐을 확인할 수 있었다. 발열량은 5,370 kcal/kg으로 목질 계 바이오매스에 비하여 1,000 - 1,500 kcal/kg 정도 큰 값을 가짐을 확인하였다.
- 2에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이, 반응 온도가 증가함에 따라 반응 조건에 상관없이 전환율은 증가하였으며 반응 속도 또한 빨라짐을 확인할 수 있었다. 일반적으로 미세조류는 300-500℃ 사이에서 대부분이 열분해 되는 것으로 알려져 있다8).
- 모든 경우에서 수분 함량이 증가함에 따라 반응속도는 감소하는 경향이 발견되었다. 열분해의 경우, 건조 시료 (수분 함량 0%)에 비하여 수분 함량이 늘어남에 따라 전환율이 눈에 띄게 감소하였다.
- 열분해의 경우, 건조 시료 (수분 함량 0%)에 비하여 수분 함량이 늘어남에 따라 전환율이 눈에 띄게 감소하였다. 반면, 부분 산화(5%) 및 연소의 경우에는 건조 시료, 수분 함량 20, 40% 시료의 전환율은 거의 일정하였으나 수분 함량이 60%가 되면서 급격 하게 전환율이 감소하는 경향이 발견되었다. 특히 부분 산화(5%) 및 연소 특성을 살펴보면 전환율 0.
- 8 %로써, 목질 계 바이오매스인 톱밥(sawdust) 등과 비슷한 결과를 가짐을 확인할 수 있었다. 발열량은 5,370 kcal/kg으로 목질 계 바이오매스에 비하여 1,000 - 1,500 kcal/kg 정도 큰 값을 가짐을 확인하였다. 원소 분석 및 회재 분석 결과, chlorella에 함유된 단백질 성분으로 인하여 N의 함량이 큰 것으로 밝혀졌으며, 목질 계 바이오매스에서는 발견되지 않은 P2O5, MgO, Mo 등의 성분이 회재에 포함되어 있음을 확인하였다.
- 일반적으로 미세조류는 300-500℃ 사이에서 대부분이 열분해 되는 것으로 알려져 있다8). 본 실험의 반응온도 조건은 500℃ 이상이므로 chlorella의 구조가 모두 분해되나 석탄과 달리 일반 바이오매스처럼 최종 완료까지 많은 시간이 필요한 것으로 나타났다.
- 앞서 살펴본 탄소 전환율의 특징과 마찬가지로, 열분해의 경우 건조 시료 (수분 함량 0%)에 비하여 수분 함량이 늘어 남에 따라 반응성이 감소하였고 더 이상의 수분 함량 증가에도 일정한 반응성을 보였다. 부분 산화(5%) 및 연소의 경우에는 건조 시료, 수분 함량 20, 40% 시료의 반응성은 거의 일정하거나 감소하는 경향을 보였고, 수분 함량이 60%가 되면서 급격하게 반응성이 감소하는 경향이 발견되었다.
- 209 임을 확인하였다. 수분 함량에 따른 chlorella의 반응 특성을 살펴보면, 수분 함량이 증가함에 따라 탄소 전환율과 반응성이 감소하는 경향이 발견되었다. 열분해의 경우, 건조 시료 (수분 함량 0%)에 비하여 수분 함량이 늘어남에 따라 탄소 전환율과 반응성이 급격하게 감소하였다.
- 발열량은 5,370 kcal/kg으로 목질 계 바이오매스에 비하여 1,000 - 1,500 kcal/kg 정도 큰 값을 가짐을 확인하였다. 원소 분석 및 회재 분석 결과, chlorella에 함유된 단백질 성분으로 인하여 N의 함량이 큰 것으로 밝혀졌으며, 목질 계 바이오매스에서는 발견되지 않은 P2O5, MgO, Mo 등의 성분이 회재에 포함되어 있음을 확인하였다. P2O5는 오산화인으로써 고온에서 chlorella의 DNA 성분이 파괴됨에 따라 발생하는 것으로 알려져 있으며, MgO는 엽록소가 분해되면서 Mg 이온이 분리되어 연소됨에 따라 발생한 것으로 판단된다.
- 반면, 부분 산화(5%) 및 연소의 경우에는 건조 시료, 수분 함량 20, 40% 시료의 전환율은 거의 일정하였으나 수분 함량이 60%가 되면서 급격 하게 전환율이 감소하는 경향이 발견되었다. 특히 부분 산화(5%) 및 연소 특성을 살펴보면 전환율 0.5에 도달하는 시간을 살펴보면, 건조 시료, 수분 함량 20, 40% 시료의 경우 약 30초 정도가 소요되는 반면 수분 함량 60%인 시료는 약 70-80 초 정도가 소요되어 약 2배 이상의 시간동안 수분의 증발과 연소가 함께 일어나는 것을 확인할 수 있 었다. 일반적으로 열분해 및 연소의 반응성(reactivity)은 시간에 따른 반응 전환율의 변화로 다음과 같이 정의된다10).
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