저탄소 고로 제선 공정을 위한 PCI System에서의 바이오차 혼소 특성 평가 = Evaluation of Co-firing Characteristics of Biochar in the PCI System for Low-carbon Blast Furnace Ironmaking

국문 초록 (Abstract)

철강 산업의 CO₂ 배출량을 저감하기 위해 저탄소 제선 기술 개발의 중요성이 점점 강조되고 있다. 고로 PCI (Pulverized coal injection) 시스템에서 바이오차를 대체 연료 로 활용하는 것은 제선 공정에서의 탄소 배출을 줄일 수 있는 bridge technology 중 하나로 주목받고 있다. 본 연구에서는 PCI 시스템에서의 바이오차 적용 가능성을 실험 적으로 평가하였다. 이를 위해 300, 400, 500 ℃에서 전처리된 바이오차(BC300, BC400, BC500)를 대체 연료로 선정하였다. TGA (Thermogravimetric analyzer)를 이용 하여 연소 반응성을 평가하였으며, LFR (Laminar flow reactor)를 통해 화염 구조와 연소 메커니즘을 분석하였다. 또한 DTF (Drop-tube furnace)를 사용하여 연소성 및 혼소 특성을 평가하였다. TGA 결과에 따르면, 바이오차는 PCI coal보다 우수한 반응성을 보였으며, 특히 BC300은 휘발분에 기인한 뚜렷한 이중 피크가 나타났다. LFR 분석에서는 PCI coal과 마찬가지로 BC400과 BC500의 연소 과정에서 fragmentation이 확인되었다. DTF 혼소 실험에서 BC300은 10 wt%부터, BC400과 BC500은 5 wt%부터 연소성이 개 선되는 결과를 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To reduce CO₂ emissions in the iron and steel industry, the development of low-carbon ironmaking technologies has been increasingly emphasized. The application of biochar as an alternative fuel in the blast furnace PCI (Pulverized coal injection) system has attracted attention as one of the bridge technologies for reducing carbon emissions. In this study, the applicability of biochar in the PCI system was experimentally evaluated. Biochars pretreated at 300, 400, and 500 ℃ (denoted as BC300, BC400, and BC500, respectively) were selected as alternative fuels. The combustion reactivity was evaluated using a thermogravimetric analyzer (TGA), while the flame structure and combustion mechanism were elucidated through a laminar flow reactor (LFR). In addition, a drop-tube furnace (DTF) was used to assess the combustibility and co-firing characteristics. According to the TGA results, all biochars exhibited superior reactivity compared to PCI coal, with BC300 showing a distinct peak attributed to volatile matter. The LFR analysis confirmed that the fragmentation phenomenon occurred during the combustion of BC400 and BC500, similar to that observed in PCI coal. In the DTF co-firing experiments, the combustion performance improved from 10 wt% blending for BC300 and from 5 wt% blending for BC400 and BC500.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 가. 연구 배경 1
• 나. 선행 연구 4
• 다. 연구 목적 5
• 2. 실험 장치 및 방법 6
• 가. 시료 기초 물성 분석 6
• 나. Thermogravimetric analyzer (TGA) 9
• 다. Laminar flow reactor (LFR) and particle size analyzer 11
• 라. Drop-tube furnace (DTF) and scanning electron microscope (SEM) 17
• 마. Accelerator mass spectrometry (AMS) 21
• 3. 실험 결과 및 고찰 23
• 가. PCI coal 및 바이오차 기초 연료 특성 23
• 나. TGA 연소 실험을 통한 기초 연소 반응성 평가 27
• 다. LFR 가시화 실험을 통한 화염 구조 및 연소 메커니즘 분석 30
• 라. DTF 연소성 실험을 통한 단일 연소 특성 평가 36
• 마. 연소 반응성에 따른 연소 거동 특성 분석 41
• 바. DTF 연소성 실험을 통한 혼소 특성 평가 44
• 4. 결론 47
• 참고문헌 48
• Abstract 55