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바이오매스와 플라스틱의 촉매 공동열분해에서 HZSM-5와 열분해 온도가 열분해 산물에 미치는 영향
김현준 ( Xuanjun Jin ),최준원 ( Joon Weon Choi ) 한국목재공학회 2020 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2020 No.1
Pinewood sawdust was catalytically pyrolyzed with polyethylene (PE) using an analytical pyrolysis-GC/MS system to investigate HZSM-5 and pyrolysis temperature improving the quality of pyrolysis products. The analytical pyrolysis was performed at 400, 500, and 600℃, loading 3.0 mg of samples, and the pyrolytic vapor was directly injected into GC/MS to determine the chemical compounds of pyrolytic products. 35~50 chemical compounds were identified and classified into six groups: Monomeric Aromatic Hydrocarbon (MAH), Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH), Phenols, Furfurals, Alkenes, and Alkanes. The results showed that pine's catalytic co-pyrolysis with PE significantly decreased the oxygen content in the pyrolytic products from 23.4% (pine only) to 0.3% (pine+PE/ZSM-5), which increased the HHV of pyrolytic products from 25.9 MJ/kg to 34.4 MJ/kg. It also revealed that the ratio of pine and PE did not heavily influence the concentration of petrochemicals (aromatic hydrocarbons + alkenes (C≤15) + alkanes (C≤13)). However, a higher plastic ratio led to a higher wax production, which would be a critical reason for poor condensation performance of bio-oil capture in a condenser. Pinewood sawdust to PE ratio of 3:1 showed the best result of higher petrochemicals and lower wax formation. - 36
스크루형 반응기를 이용한 열분해 공정에서 열전달 매체가 열분해 산물 물성에 미치는 영향
김현준 ( Xuanjun Jin ),최준원 ( Joon Weon Choi ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.1
바이오매스는 자연에서 광합성 반응에 의해 직간접적으로 생성되는 생물학적 물질이다. 바이오매스는 성장 과정에서 공기 중의 CO<sub>2</sub>를 흡수하고 탄소를 고정하는 능력으로 인해 현재 탄소중립을 지향하는 글로벌 추세에 적합한 자원이다. 바이오매스의 전환공정을 통해 생산되는 바이오연료는 신재생에너지원 중 유일한 유기탄소 공급원으로 발전 외에도 화석연료를 대체하고 석유화학 산업에 활용할 수 있는 자원으로 주목받고 있다. 급속 열분해는 바이오매스의 열화학적 전환공정 중 액체 생성물인 바이오오일의 생산에 초점을 두고 무산소 조건에서 바이오매스를 짧은 시간 동안 400-600℃의 열로 분해하는 공정이다. 기존 사용되고 있는 유동층 열분해 반응기는 온도 제어, 열전달 효율, 바이오오일 수율 등 성능이 뛰어나 국내외에서 연구가 활발히 진행되었다. 하지만, 대용량 바이오매스를 사용하는 pilot scale로 사용하기에는 유동층 열분해 반응기의 복잡한 구조적 특성, 투입 시료의 입자크기 등 제한적인 요소가 많이 존재한다. 이러한 제한점을 극복하고자 본 연구진은 스크루형 열분해 반응기를 자체 설계 및 제작하고 국내산 소나무의 급속 열분해를 수행하였다. 이번 연구는 스크루형 반응기를 사용하여 5kg/h의 바이오매스 열분해를 선행연구에서 확인한 급속열분해 최적조건인 500℃에서 진행하였으며 생성된 액체, 고체의 바이오오일과 바이오촤의 물리화학적 물성을 평가 비교하였다. 또한, 바이오매스만 반응기에 투입할 때 바이오오일에서 층 분리가 발생하고 바이오오일 중 수분, 유기산 함량이 높은 단점을 극복하고자 시료를 열전달 매체인 달궈진 모래와 함께 반응기에 투입하였다. 스크루형 반응기를 사용한 급속 열분해 공정 중 열전달 매체의 사용은 주산물인 바이오오일의 수율 향상과 더불어 바이오오일의 함수량, 전산가, 발열량 등 연료로 사용에 있어 중요한 물리화학적 물성 개선에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
비목재 산림바이오매스의 고체 바이오 연료 활용 잠재력 평가
김현정 ( Hyeonjeong Kim ),김현준 ( Xuanjun Jin ),양인 ( In Yang ),최준원 ( Joon Weon Choi ) 한국목재공학회 2022 한국목재공학회 학술발표논문집 Vol.2022 No.1
목재 바이오매스는 2050 탄소 중립 실현에 기여하는 화석연료 대체자원으로서 인정받고 있다. 고체 바이오 연료로서 목재 바이오매스를 활용한 연구가 활발히 진행된 반면, 비목재 산림바이오매스는 상대적으로 각광 받지 못한 상황이다. 비목재 산림바이오매스는 목부를 포함하지 않은 모든 바이오매스와 이를 이용하여 생산된 부산물을 뜻한다. 따라서, 본 연구는 비목재 산림바이오매스 자원의 고체 바이오 연료 사용 잠재력을 평가하기 위해 우리나라에서 발생량이 많은 칡덩굴, 솔방울, 잣껍질을 시료로 선정하였다. 이를 위해 원소 분석, 미량 원소 및 금속 함량, 화학조성(홀로셀룰로스, 리그닌) 등 물리 화학적 특성과 회분 용융점, 발열량, 열분해 특성 등 연료적 특성을 분석하였다. 시료의 연료화 가능성을 평가하기 위해 목질계 바이오매스인 낙엽송을 대조구로 사용하였다. 잣껍질의 분석 결과를 대조구와 비교하였을 때, 모든 연료적 특성 항목에서 고체 바이오 연료의 원료로 사용 가능성을 확인할 수 있었다. 전반적으로 칡덩굴의 바이오 연료의 원료로서의 사용은 회분, 무기물, 질소, 황, 염소 함량을 대조구와 비교했을 때 매우 제한적인 것으로 나타났다. 솔방울은 회분, K 함량, 회분 용융점 등의 특성에서, 고체 바이오 연료의 원료로 한계가 있는 것으로 조사되었다. 본 연구에서는 세 가지의 비목재산림 바이오매스원료 자체에 대한 특성만을 분석하여 제시하였는데, 펠릿 또는 고체 바이오연료로 제조한 후 원료화 가능성 여부에 대한 평가가 추가로 필요하다.