Fluidized-bed granulation of spray-dried skim milk powder encapsulating Lactobacillus rhamnosus GG

임동현 서울대학교 대학원 2020 국내석사

The intake of probiotics with health functionalities is now common in everyday life. However, the probiotics encapsulated powder produced by the spray-drying has a low flowability, form a lump at rehydration, and causes a caking at storage due to small particle size and strong cohesive force between particles. Thus, the attempts have been made to overcome these shortcomings by making spray-dried powder into granule using fluidized-bed granulator. But the granulation of spray-dried powder in the fluidized-bed granulator is difficult to proceed due to the strong cohesion between the particles. Furthermore, because the probiotics are encapsulated in powder, it must be run in low temperature to minimize the cell loss during the process. In this study, the objective is to produce granule of spray-dried microencapsulated powder by conventional fluidized-bed through mixing different powder and moisture-activated dry granulation processes. And measure the effect of granulation to evaluate how much shortcomings of powder has improved by comparing the changes in physicochemical properties of granule and primary powders. To prepare a spray-dried microencapsulating powder, Lactobacillus rhamsnosus GG (LGG) was incubated in the medium containing reconstituted skim milk 10% (w/w), glucose 2% (w/w), yeast extract 1% (w/w), then spray-dried after added more skim milk powder (SMP) to avoid stickiness. Since this spray-dried LGG encapsulated powder (LRP) was not fluidized due to cohesiveness in the fluidized-bed granulator, well-fluidizing SMP was mixed in 50% (w/w). That LRP-SMP mixture showed particle size increase, but particle size distribution was broad and yield was low to 42.8% (w/w). Thus, moisture-activated dry granulation and dehydration were carried out to create sintered bridges between particles of the LRP-SMP mixed in 50:50 (w/w). Through these serial processes, the particle size increased from 33.70 μm to 141.67 μm with almost mono-modal distribution, the cell survivability reached to 80.22%, and yield to 60.78% (w/w). Through scanning electron microscope (SEM), granule with grape grain shaped was also confirmed. To investigate the effect of granule formation on the change of physicochemical properties of the original particles, moisture content, water activity, dispersibility, flowability / cohesiveness, glass transition temperature, and sticky point temperature were studied. The SMP used as fluidization aid, was also analyzed to correlate its effect on properties of granule. As a result, the water content and water activity of granule did not increase significantly although water as binder sprayed for whole operation time (15-min, 24% of load mass). And dispersibility in water increased from 49.68% of LRP to 91.64% of granule. The flowability and cohesiveness of LRP were bad and high, respectively, but granule showed fair flowability and intermediate cohesiveness. As a result of the glass transition temperature measurement by differential scanning calorimetry (DSC), the glass transition temperature of granule (69.67 ℃) was higher than LRP (64.16 ℃). And the composition ratio of LRP and SMP in granule was confirmed by using the Couchmann and Karasz (1978) equation substituting the heat capacity change measured at the glass transition; SMP : LRP = 1.08 : 1. Consequently, LRP was granulated in the fluidized-bed granulator through serial processes of mixing with well-fluidizing SMP, moisture-activated dry granulation, dehydration. Granule resulted in increased yield with high survivability. In addition, granulation improved dispersibility, flowability, and decreased cohesiveness. It also led to an increase in glass transition and sticky point temperature which affects that caking phenomenon during storage. 현대인들은 다양한 건강기능성을 갖춘 프로바이오틱스를 일상에서 손쉽게 섭취하고있다. 하지만 이러한 섭취는 주로 액상이나 분말형태로 섭취하고있는데 이중 분말 형태는 다루기가 쉽고, 복용하기도 용이하며 장기간 보관이 가능하다는 장점을 지닌다. 그러나 이러한 분말은 주로 동결건조 방법으로 제작되다보니 시중에 판매되고 있는 프로바이오틱스의 단가는 비싼 편이다. 이에 단가를 낮추기위해 상대적으로 저렴한 분무건조방법이 많이 연구되었다. 하지만 분무건조 방식으로 생산되는 분말은 사이즈가 매우 작다보니 입자간의 응집력이 강해서 흐름성이 낮고, 재수화시 덩어리를 형성하며, 저장 중 케이킹 현상을 발생시킨다. 이러한 단점을 극복하기 위해 과립을 형성하는 방안이 많이 시도되어왔다. 과립화 방안 중에서 유동층 과립기의 경우 열 전도도가 높고 과립의 생성과 건조가 거의 동시에 이루어져 효율성이 높다는 장점을 지니고 있다. 하지만 이러한 유동층 과립기를 이용한 과립의 방법은 작은 입자를 지닌 분말의 경우 마찬가지로 응집력이 강해서 유동화가 어렵다는 단점이 있고 더욱이 프로바이오틱스가 포집된 분말의 경우 건조 온도를 높게 설정할 수 없다는 약점을 지니고 있다. 그래서 본 연구에서는 분무건조로 형성된 프로바이오틱스 분말을 유동층 과립기를 이용, 유동화를 위한 다른 분말과의 혼합 및 수분 활성 건조 과립 방법과 병행하여 과립화를 하고자하였다. 그리고 과립화를 통해 앞서 설명한 단점들이 얼마나 극복되었는지를 확인하기위해 입자의 물리화학적 변화를 추적하였다. 먼저 Lactobacillus rhamnosus GG가 포집된 분무건조 분말을 확보하기위해 탈지분유 10% (w/w), 포도당 2% (w/w), 효모추출물 1% (w/w)를 포함한 배지에 LGG 균을 배양한 후 분무건조를 위한 점착방지물 (탈지분유)을 일정부분 추가하여 분무건조를 실시하였다. 앞서 설명한대로 분무건조된 분말은 입자가 작고 응집성이 있기 때문에 유동층 과립기에서 유동화가 되지않아서 유동화가 잘 이루어지는 탈지분유를 10%, 30%, 40%, 50% (w/w) 비율로 혼합하여 유동층 건조기로 과립을 하고자하였다. 그 결과 50% 혼합한 혼합물의 입도크기 변화가 가장 크게 나타났으나 입도크기 분포가 넓고(사이즈가 다양), 수율이 42.8% (w/w)에 그쳤다. 이는 유동층 과립기 내에서 사이즈가 작고 밀도가 낮은 분말이 기류에 의해 공중으로 이송되면서 생기는 층 분리 현상 때문이다. 그래서 작은 입자의 이송을 감소시키기위해 수분 활성 건조 과립화 방법을 사용하였다. 이는 탈지분유 50%가 포함된 혼합물에 물 2.5% (w/w)를 분사한 후 임펠러로 혼합하는 방식으로 진행되었으며, 그 결과 입도분포에서 작은 사이즈를 지닌 입자 부피가 감소 (6.73%)하는 것을 확인하였다. 이렇게 형성된 수분 활성 건조 과립화된 혼합물은 유동층 과립기에서 과립화 결과 작은 입자의 경우 과립화가 지연되었는데 이는 입자 표면에 수분 부피가 증가되어 과립화에 방해요인으로 작용했기 때문이다. 그래서 입자 표면의 수분을 제거하기위해 유동층 과립기를 이용하여 건조공정을 진행하였으며 실험을 통해 5분 건조시 입자의 분열이나 셀의 손실을 방지할 수 있다고 결론내었다. 결국 탈지분유 50% (w/w) 혼합물은 수분 활성 건조 과립화 방법 및 건조 공정을 거쳐 유동층 과립기에서 과립화가 진행되었으며 공정시간 8-min과 15-min 동안 진행한 결과 과립화를 통한 입자 크기의 증가(33.70 μm에서 각각 85.82 μm, 141.67 μm)가 이루어졌으며 크기 증가는 공정시간에 비례하는 것을 확인하였다. 또한 입도크기 분포는 거의 단봉형으로 형성되었고 셀 생존율은 80.22%, 수율은 60.78% (w/w)로 상승하였다. 과립의 형성모양은 전자주사현미경을 통해 포도알과 같이 형성되었음을 확인하였다. 이러한 과립의 형성이 물리화학적으로 어떠한 변화를 유발하는 지를 확인하기 위해 수분함량, 수분활성도, 분산성, 흐름성 / 응집성, 유리전이온도, 점착온도를 측정하였다. 이 중에서 수분함량, 수분활성도는 생성된 직후에 측정하였으나, 나머지 척도는 수분의 영향을 배제하기위해 오산화인을 포함한 데시케이터에서 25도에서 수분활성도 0.0의 평형을 이룬 입자를 사용하여 측정하였다. 그 결과 수분함량과 수분활성도에서 과립은 유동층 과립기에서 15-min동안 수분이 분무 (중량의 24%)되었음에도 불구하고 대류건조가 동시에 발생하는 특성으로 인해 원물 (분무건조 분말, 탈지분유)에 비해 크게 증가되지않았다. 그리고 물에 분산성에 있어 분무건조 분말은 49.68%임에 반해 과립은 91.64%로 크게 증가하였는데 이는 과립의 구조로 인한 공극 크기의 증가와 함께 포함된 탈지분유의 분산성 (95.56%)에 기인한 것으로 판단된다. 흐름성과 응집성에 있어 분무건조 분말은 측정결과 흐름성이 나쁘고 응집성은 높게 측정되었는데 탈지분유는 둘다 양호로 측정되었다. 과립의 경우 흐름성과 응집성이 모두 보통으로 개선되었다. 이러한 과립의 개선은 입자의 크기가 증가됨에서 기인하였으나 탈지분유만큼의 개선이 이루어지지않은 것은 탈지분유는 둥근 모양을 지니고 있는데 반해, 과립은 무정형의 형태(전자주사현미경)이기때문으로 판단된다. 저장 중 케이킹을 형성하는데 중요한 요인인 유리전이온도 측정결과 과립은 분무건조 분말 (64.16 ℃)과 탈지분유 (75.06 ℃)의 중간지점인 69.76 ℃인 것으로 나타났으며 함께 측정된 유리전이시 열용량의 변화를 이용하여 코치만 및 카라즈 방정식을 이용하여 과립의 형성 분율을 계산하였다. 계산결과 과립에서 탈지분유와 분무건조 분말의 분율은 1.08:1로 나타났다. 점착온도의 경우 분무건조 분말, 탈지분유 및 과립에서 각각 83.15 ℃, 78.46 ℃, 85.98 ℃로 측정되었다. 과립의 점착온도는 분무건조 분말과 탈지분유의 그것 사이에 나타났으며, 기계적인 강제 교반에 의한 측정방식 및 분무건조 분말 및 탈지분유의 혼합으로 인해 편차가 크게 나타난 것으로 판단된다. 결과적으로 분무건조 분말은 탈지분유와 혼합할 경우 유동층 과립기에서 과립화가 가능하였으나 낮은 수율과 불규칙한 과립형성으로 인하 수분 활성 건조 과립화 및 건조 공정이 추가로 필요하였다. 하지만 이렇게 형성된 과립의 경우 향상된 수율과 높은 셀 생존율을 보였다. 게다가 분산성, 흐름성의 개선 및 응집성의 감소를 가져왔으며 유리 전이 및 접착점 온도도 상승시킬 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 LGG가 포집된 분무건조 탈지분유 분말의 경우 유동층 건조기에서 과립화가 가능하며 이러한 과립화를 통해 여러가지 단점을 극복할 수 있다고 판단된다.

Thermal-Fluid Design on Gas-Solid Fluidized Bed Reactor

Moon, Hokyu 연세대학교 일반대학원 2016 국내박사

流動層의 熱傳達機構에 關한 硏究

유경옥 漢陽大學校 大學院 1964 국내석사

Relationship between solid flow rate and pressure drop in the riser of a pressurized circulating fluidized bed

모하매드샤자드쿠람 건국대학교 대학원 2015 국내박사

As a first part of this study, transport velocity in an inclined fluidized bed was investigated with variations of bed angle from the horizontal plane (0o ~ 90o) and particle diameter (0.021 mm ~ 1.090 mm). The transport velocity for the vertical fluidized-bed (utr90) was revealed to increase with the aspect ratio of the fluidized-bed. The transport velocity decreased as the bed angle increased. The ratio of the transport velocity to that for the vertical bed (utr90) decreased with an increase of either the bed angle or the ratio of the particle diameter (dp) to the critical particle diameter (dp*), i.e., the maximum particle diameter at which the sum of the interparticle adhesion forces influenced dominantly in particle entrainment. Based on the literature and this study experimental data the following correlation for utr90 was proposed by incorporating the height to column diameter ratio. Re_tr90=0.458Ar^0.482 (H_t/D_t )^0.357 Correlations for Retri/Retr90 and Retri/Retr0 were proposed on the basis of the experimental data. These correlations incorporated with the new proposed correlation on utr90 could predict utri successfully. In the second part of this study a relationship between the solid circulation rate and pressure drop in the riser of a pressurized circulating fluidized bed (CFB) was investigated. The pressure drop of the riser was measured based on variations in the pressure (101 to 401 kPa-abs), gas velocity, solid flux (0 to 50 kg/m2s), and particle diameter with glass bead (54.5 μm to 646 μm) used as the bed material. The pressure drop of the riser was shown to decrease as the pressure increased. Under the gas flow conditions, the momentum per unit mass of the gas used to accelerate the solid particles was shown to be finite. The time required for the gas to accelerate a solid increased linearly with the solid circulation rate under the given gas flow conditions because the gas momentum shared by the unit mass of the particles decreased. Therefore, the pressure drop of the riser increased linearly with the solid circulation rate at the gas velocity. The slope of the linear relationship is related to the ratio of the momentum flux by gravity and buoyancy forces on solid to the gas momentum per unit mass of gas transferred from gas to solid. The transferred gas momentum per unit mass of the gas increased as the gas velocity increased or as the particle diameter or pressure decreased. The gas momentum shared by the unit mass of the solids decreased as either the particle density or diameter increased. A correlation was successfully proposed that represents the relationship between the pressure drop and solid circulation rate in the riser of the CFB. ?p_r=1.63x?10?^(-7) ?C_d^(-0.416) d?_p^0.2 u^(-1.42) ρ_g^(-0.485) G_s^0.658 ?(ρ_p-ρ_g)?^2.42 경사진 유동층에서 입자 수송속도에 관한 고찰을 수행 하였다. 수평면과 이루는 경사각(0o~90o)과 입자크기(0.021 mm ~ 1090 mm)를 변수로 사용하였다. 입자 수송 속도는 경사각이 증가함에 따라 감소하였다. 입자 수송속도/수직 관 입자 수송 속도(utr90)는 층의 기울기가 증가하거나 입경/임계 입경(입자 간 첩착력에 의한 최대 입경)이 증가할 경우 감소하였다. 즉, 임계 입경이 입자 비산의 지배적인 영향을 미쳤다. 선행 연구와 본 실험 결과를 통해 장치 높이/장치 직경을 고려한 새로운 utr90 Re_tr90=0.458Ar^0.482 (H_t/D_t )^0.357 관계식과 Retri/Retr?90 관계식을 제안하였다. 새롭게 제안된 utr90관계식은 utri를 잘 예측 하였다. 유동층의 수송관에서 압력강하와 고체순환속도와의 관계에 대하여 고찰하였다. 수송관의 압력, 기체 주입속도, 고체 순환량, 층 물질로 사용된 glass bead의 직경을 변수로 하여 수송관의 압력강하를 측정하였다. 동일한 조건에서 운전 압력이 증가할 수록 수송관의 압력강하는 감소하였다. 동일한 기체 유속에서 고체를 가속시키는 기체의 단위 질량당 운동량은 일정하다.따라서 일정한 기체 유속에서 고체 순환속도에 따라 고체를 가속시키는 시간은 선형적이며, 수송관의 압력강하가 선형적인 경향을 보이게 된다. 기울기는 고체가 받는 중력과 단위 질량의 기체가 고체에 전달하는 운동량에 따른 부력과의 관계를 나타낸다. 여기서 단위 질량의 기체가 고체로 전달하는 운동량은 기체의 유속이 증가하거나, 압력과 입자의 직경이 감소하면 증가하고, 입자의 밀도가 증가하면 감소한다. 제시된 상관관계식은 가압 순환유동층의 수송관에서 고체 순환속도에 따른 압력강하실험 결과와 잘 일치하였다. ?p_r=1.63x?10?^(-7) ?C_d^(-0.416) d?_p^0.2 u^(-1.42) ρ_g^(-0.485) G_s^0.658 ?(ρ_p-ρ_g)?^2.42

Fuel Characteristics of Dried Low-Rank Coal and Molasses-Impregnated Low-Rank Coal Produced in a Fluidized-bed System : 유동층 시스템에서 생산한 건조된 저등급 석탄과 당밀이 함침된 저등급 석탄의 연료 특성

Park, Jae Hyeok 연세대학교 일반대학원 2016 국내박사

Recently, low rank coal (LRC) has attracted tremendous attention due to its abundance and the lack of high-rank coal in world coal reserves. Although the fuel cost of LRC is cheap and it accounted for more than half of the total world coal reserves, there are still challenges in using LRC as a fuel in current power plants because of its disadvantages, such as low calorific value, costly transportation, spontaneous combustion, and operational difficulties. In particular, one of the most serious problems of LRC is the high probability of spontaneous combustion, resulting in devastating explosions and serious fires because it has a lot of active hydrophilic functional groups on its surface and in its pores. Thus, LRC should be upgraded or burned in alternative ways. This research explores the production of low-moisture, high-rank coal by using a lab-scale circulating fluidized bed dryer (CFBD) and a lab-scale bubbling fluidized bed dryer (BFBD) to dry LRC. Drying efficiency was calculated through the experiment containing different fluidization regime such as BFB and CFB. BFB type compared to the CFB type shows better contact between the gas and solid, as the flow regime is different in a fluidized bed because the BFB is a dense phase and the CFB is a dilute phase. These days, many power plants plan to build a CO2 capture and storage (CCS) process because regulations for greenhouse gas emissions have been increased. Many CCS process have been developed such as an absorption process with dry re-generable sorbent in the fluidized-bed system, a solvent scrubbing CO2 capture system and type of membrane CO2 capture system. Among the various CCS technologies, one of the advanced concepts for capturing CO2 is an absorption process with dry re-generable sorbents. This process discharges CO2/steam mixed gas around 150 oC of temperature after regeneration reactor. Therefore, we are to develop the FBD using the outlet gas from the CCS process as heat source for LRC drying. Also, if stored CO2 is used for direct drying gas, it has some advantages. The ignition of LRCs during the drying process can be basically prevented since the property of CO2 is inert gas. However, since the properties of coal pores are hydrophilic, the dried coal is still possible re-adsorption moisture at the atmosphere. Therefore, we investigated a top-spray fluidized-bed reactor to produce hybrid coals that have improved fuel characteristics in terms of heating value, moisture re-adsorption, and combustion patterns. A systematic study reveals that experimental parameters, such as a bed temperature, bioliquid spraying procedure and pre-carbonization temperature strongly influence the characteristics of the resulting hybrid coal, meaning that they have an important role in upgrading LRC. In particular, the hybrid coal prepared by a process of simultaneous drying and bioliquid spraying followed by pre-carbonization showed high contents of fixed carbon, an improved heating value, lower moisture adsorption, and single combustion patterns in which the characteristics were dramatically upgraded for practical use as a fuel in power plants. In addition, the simultaneous process using a fluidized-bed reactor has great potential because it can achieve process simplification, reduce manufacturing costs, and handle coal particles easily. 최근 유연탄과 같은 고등급 석탄의 가격 증가 및 수급 불안정으로 인해 화력 발전소에서는 저등급 석탄을 혼소하여 사용하고 있다. 저등급 석탄의 경우 과량의 수분함량 (30 ~ 50 wt.%)으로 인하여 고등급 석탄에 비해 낮은 발열량을 가지고 있다. 따라서 발전소의 발전 효율이 감소되며 이전과 동일한 발전량을 얻기 위해서는 더 많은 양의 저등급 석탄을 발전용 연료로 사용해야 한다. 또한 저등급 석탄의 경우 수분이 대기에 노출될 경우 대기 중 산소를 흡수하여 열이 증가하게 되며, 이 열이 축적되면 자연발화가 발생하여 장기간의 운송 및 보관에 많은 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 연구를 통하여 저등급 석탄의 단점인 낮은 발열량과 빈번한 자연발화의 문제를 해결하고자 한다. 저등급 석탄의 건조를 위하여 고체와 기체간의 열 전달과 혼합이 우수한 유동층 건조 시스템을 도입하였다. 최적의 유동화 방식을 선정하고자 기포 유동층과 순환 유동층에서 운전 조건의 변화를 통하여 각 유동화 방식에서 건조율을 확인하였다. 최근 탄소배출권 거래제와 같은 규제로 인하여 이산화탄소를 배출하는 공정에 CCS (Carbon dioxide Capture and Storage) 공정을 설치할 예정에 있으며, 이와 관련한 연구가 진행 중에 있다. 여러 CCS 기술 중 건식흡수제를 이용한 유동층 CCS 공정은 이산화탄소를 건식 흡수제를 이용하여 포집하고 포집된 이산화탄소를 재생하는 과정에서 150oC의 스팀과 이산화탄소의 혼합가스를 배출하게 된다. 이 때 발생하는 열을 건조에 사용하게 되면 열의 이용을 최적화할 수 있게 된다. 따라서 건조에 사용하는 열을 기존 발전소 폐열에서 CCS공정에서 배출되는 열을 사용하기 위한 방법을 연구하기 위하여 스팀 유동층 건조장치를 제작하였다. 실험은 건식 흡수제를 이용한 CCS공정에서 배출되는 가스의 조성과 동일한 모사 가스를 제조하여 열교환기로 주입하고 고체층과 열교환기가 접촉하여 간접적으로 건조 열원을 공급하게 된다. 혼합가스의 몰비, 압력, 유속을 변수로 하여 최적의 운전조건을 도출하였다. 또한 저장된 이산화탄소를 저등급 석탄 유동층 건조기의 유동화 가스로 사용할 경우, 이산화탄소는 불활성 가스이기 때문에 건조 중 발화를 원천적으로 방지한다는 장점이 있다. 건조된 석탄은 수분이 감소하여 고정탄소와 휘발분이 상대적으로 증가하였으며, 이로 인해 발열량이 증가하여 석탄의 품질이 개선된 것을 알 수 있었다. 하지만 건조된 저등급 석탄의 기공은 여전히 친수성의 성질로 인하여 대기에 장시간 노출되면 다시 수분이 재흡착되어 다시 자연발화를 일으킬 가능성이 높아지게 된다. 따라서 이를 방지하고자 하이브리드 석탄을 제조하였다. 하이브리드 석탄은 바이오매스로부터 유래된 인공 탄소/휘발분과 석탄의 복합체이며, 그 제조과정은 다음과 같다. 수분이 건조된 석탄의 기공에 사탕수수, 당밀 기반의 바이오매스를 함침시킨 후 탄화하여 친수성의 성질을 소수성으로 변화시켜 수분재흡착을 방지하게 된다. 또한 하이브리드 석탄은 기존의 화력발전소 공정을 그대로 이용하면서 저등급 석탄 이용의 문제 및 신재생에너지 의무 할당제와 같은 제도의 부담을 줄이기 위한 방안이 될 수 있다. 본 연구에서는 하이브리드석탄을 제조하기 위하여 유동층 공정을 사용하였으며, 제조된 하이브리드석탄은 수분재흡착율이 기존 건조된 석탄보다 현저하게 낮아졌으며, 연소 특성도 유사하여 발전용 연료로 사용할 수 있음을 보였다.

우드칩 유동층보일러의 Non-CO₂ 배출계수 개발

정재헌 세종대학교 2017 국내석사

우리나라의 경우, 고체연료 중 유연탄, 무연탄 등 석탄에 관한 CO2 배출계수 연구는 수행되었으나 우드칩 등 바이오매스의 온실가스 배출계수 개발에 관한 연구는 거의 수행된 적이 없다. 탄소중립효과로 인하여 바이오매스에서 배출되는 CO2의 경우에는 온실가스 배출에서 제외하고 있으므로, 모든 국가가 온실가스를 감축의무를 갖게 되는 신기후체제에서 바이오매스의 중요성이 더욱 커지고 있다. 바이오매스를 연료로 사용할 수 있는 연소시설 중 순환유동층보일러는 열용량이 크고, 다양한 연료를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 연소가 가능하다는 특징이 있다. 또한 대기오염물질의 발생량이 타 연소시설보다 적으며, 상대적으로 높은 연소효율을 가지고 있다. 온실가스 중 Non-CO2 배출계수는 연소가스 중의 농도를 측정하여 배출계수를 개발하여야 한다. 그런데, 연소시설에서 발생되는 Non-CO2 농도는 연소기술, 연소시설의 관리 및 연소조건 등에 따라 발생량이 달라진다. 본 연구에서는 바이오매스의 하나인 우드칩 고형연료(SRF)를 사용하는 유동층보일러에서 발생되는 온실가스 중 CH4, N2O 등 Non-CO2의 배출특성을 파악하고, 이들 온실가스의 배출량을 산정하기 위한 배출계수를 개발하고자 하였다. 우드칩 고형연료의 특성을 살펴보기 위하여, 발열량분석, 원소분석, 공업분석 등을 실시하였다. 또한, 우드칩을 연료로 사용하는 순환유동층보일러에서 연료 연소시 배출되는 배기가스를 간헐포집방식으로 포집하여 Non-CO2 농도분석을 실시하였다. CH4의 경우 GC-FID를 이용하여 농도를 분석하였으며, N2O는 GC-ECD로 농도를 분석하였다. 연료분석 결과와 배기가스 농도분석 결과를 이용하여, 순환유동층보일러의 Non-CO2의 배출계수를 산정하였다. 이렇게 개발된 배출계수를 국·내외 관련 자료 및 연구결과와 비교하였다. 본 연구는 총 4회에 걸쳐 실험을 진행하였는데, 본 연구에서 개발된 배출계수를 Sweden electric power company 및 핀란드 환경연구소 등에서 수행한 연구와 비교한 결과, CH4는 6.4배 작게 나타났으며, N2O 배출계수는 1.76배 크게 나타났다. 이러한 차이는 사용하는 우드칩의 성상, 연소시설의 운영 조건 그리고 배기가스 시료 채취방법 등에 따라 나타날 수 있으며, 우드칩 전소시설인지 우드칩과 폐플라스틱 혼소시설인지에 따라서도 달라질 수 있다. 본 연구결과는 우리나라의 온실가스 배출량 산정 및 보고의 정확성과 신뢰성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다. 대표성 높은 Non-CO2 배출계수를 개발하기 위해서는 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. In Korea, It has become common that using of coal such as bituminous coal and anthracite coal. so much research has been conducted on CO2 emission factor and Non-CO2 emission factor for coal. However, studies on the Non-CO2 of biomass such as wood chips are in short supply. Since fossil resources such as coal are getting various environmental problems - depleted, air pollution, and ozone layer destruction, woody biomass has recently emerged as a renewable energy source. Therefore, it should be accurately calculated that is considered the Non-CO2 generated in biomass burning. The circulating fluidized bed boilers can use wood chips as fuel Of the combustion have a considerable heat capacity and are characterized by the ability to burn various power generation fuels. also, SOx and NOx emissions are lower than those of other combustion facilities, and have high combustion efficiency and heat transfer rate. Due to the characteristics of the circulating fluidized bed boiler, it is considered that the amount of greenhouse gas generated when wood chips are burned in other combustion facilities will be different. Therefore, in this study will grasp the emission characteristics of Non-CO2 such as CH4 and N2O among the greenhouse gases generated by the combustion of wood chip SRF. And estimate emission factors to develop these greenhouse gas emissions and compare it with other studies. In this study, to estimate the Non-CO2 emission factor of Woodchip SRF, Carried out Calorific value analysis, elemental analysis, and industrial analysis by crushed the fuel used in a specific thermal power plant. And Non-CO2 concentrations were analyzed the exhaust gas collected by an intermittent collection method exhausted combustion wood chip by circulating fluidized-bed boiler. The concentration of CH4 was analyzed by GC-FID and the concentration of N2O was analyzed by GC-ECD. and calculateed The emission factors of Non-CO2 emissions from fuel combustion in the circulating fluidized bed boiler to Based on the results of fuel analysis and exhaust gas concentration analysis. Also the developed emission factors were compared with national and international studies. This study was enforced four times in total and emission factors were calculated from calorific value, elemental analysis, industrial analysis and GC analysis. In the case of CH4, average 0.22 kg/TJ was shown with 0.13 kg/TJ in the primary, 0.40 kg/TJ in the secondary, 0.16 kg/TJ in the tertiary and 0.20 kg/TJ in the fourth, and N2O, the average was 8.16 kg/TJ, the second was 5.22 kg/TJ, the third was 7.46 kg/TJ, and the fourth was 7.31 kg/TJ. As a result of comparing the emission factors developed in this study with other emission factor estimates, CH4 was 6.4 times and N2O emission factor was 1.76 times. This seems to be due to the difference in the characteristics of wood chip fuel used overseas and the wood chips used in the domestic market even if the same wood chip fuel is used. And it is judged that there is a difference depending on whether the experiment was conducted on the woodchip, or whether the woodchip or the waste plastics mixing plant was used. Also, in this study, we selected 'intermittent capture method' as the exhaust gas capture method, It has a concentration gradient between collected samples. So, it is judged that it may be slightly different from the value using the other exhaust gas collection method. In this study, It was developed that the Non-CO2 emission factor in the wood chip biomass fluidized bed boiler and compared with other studies. The results of this study are different from the emission factors analyzed in the existing domestic and international studies, so that it can be improved that the accuracy and reliability of domestic GHG emission estimation and reporting. However, this study focused on the circulating fluidized bed boiler of a specific thermal power plant, it will be necessary that continuous research on the development of Non-CO2 emission factor in the combustion of the circulating fluidized bed boiler at other facilities. Through the emission factor development data of this study suggest, it will be possible that the reliable Tier 2 emission estimates.

산업적 적용을 위한 나노현탁제의 유동층 과립화와 물성개선연구

허은지 인제대학교 2020 국내석사

The purpose of this study is to make nanosuspension granules (NSGs) with improving physical properties using fluidized-bed and to investigate the possibility of industrialization of NSGs through characterization. In general, there are spray drying and freeze drying methods for drying nanosuspension (NS). However, the NS powders obtained by these methods are difficult to develop into a tablet or capsule formulation due to its poor physical properties. Therefore, improved type of NS drying system is required. The fluidized-bed is a convenient system that can be blending with drying at the same time. In this study, NSG was prepared by fluidized-bed granulation, and the effects of stabilizers and matrix former on the properties of granules were investigated. The particle size, zeta potential, polydispersity (PDI) of NS and particle morphology, drug content, and flowability of the NSG were measured and their crystallinity, stability, dissolution rate, and pharmacokinetic study were evaluated. After preparation of the capsules with the NSGs, the formulation uniformity was examined to see if the fluidized-bed granulation of the NS has industrial applicability. SDS stabilized nanoparticles efficiently during the preparation of NS. To specify this, the particle size and absolute value of zeta potential were 249.9 ± 3.7 nm, 35.6 ± 1.2 mV, respectively. Mannitol, a matrix former, prevented the agglomeration of nanoparticles during the granulation process. The dissolution rate and flowability of the NSG were increased as the amount of mannitol increased. The dissolution rate of initial 5-minute and final were 260 and 18-fold higher than compound X. Pharmacokinetics experiments compared with market product showed that the AUC0-inf of the NSGs was about 1.32 times higher, resulting in improved bioavailability. The flowability of the NSGs was also significantly improved compared to compound X powder, and the capsule formulation prepared with NSG was satisfied with formulation uniformity. As a result, fluidized-bed granulation can be a method to improve the disadvantages of the conventional method of drying the NS, and has the possibility to be applied to industrialization. 본 연구의 목적은 유동층을 이용하여 물성이 개선된 나노현탁제 과립을 만들고, 특성 평가를 통해 나노현탁제 과립의 산업화 가능성을 보는 것이다. 일반적으로 나노현탁제를 건조하는데 쓰이는 방법에는 분무건조와 동결건조가 있다. 하지만 이 방법으로 얻은 나노현탁제 파우더는 물성이 좋지 않아 정제나 캡슐 제형으로 개발하기 힘들다. 또한 이를 해결하기 위해 후혼합을 진행해야 한다는 번거로움을 가지고 있어, 개선된 형태의 나노현탁제 건조 시스템이 요구된다. 유동층은 건조와 동시에 혼합이 가능한 간편한 시스템으로써, 이를 이용하여 나노현탁제 과립을 제조하였다. 또, 나노현탁제의 유동층 과립화 과정에서, 안정화제의 종류와 분산제의 양이 최종 과립 특성에 미치는 영향에 대해 확인하였다. 나노현탁제의 입자크기, 제타전위, 다분산도, 나노현탁제 과립의 입자형태, 약물함량, 흐름성을 측정하고 결정성, 안정성, 용출률, 약동학을 평가하였다. 제조된 과립으로 캡슐제를 제조한 뒤 제제균일성을 확인함으로써 나노현탁제의 유동층 과립화가 산업적 적용 가능성을 가지는지 살펴보았다. 안정화제 SDS는 나노현탁제의 제조과정에서 입자들을 효율적으로 안정시켰으며, 입자크기와 제타전위 절댓값은 각각 249.9 ± 3.7 nm, 35.6 ± 1.2 mV 였다. 분산제인 만니톨은 과립 공정 중 생기는 나노입자의 응집을 방지하였으며, 만니톨의 양이 증가할수록 과립의 용출률과 흐름성이 함께 높아졌다. 제조된 나노현탁제 과립은 원료의약품인 compound X와 비교했을 때, 초기 5분 용출률이 260배까지 증가하였으며 최종용출률이 18배 까지 개선되었다. 기존 시판제제와 비교한 약동학 실험 결과, 나노현탁제 과립의 AUC0-inf가 약 1.32배 높아 생체이용률이 개선되었음을 확인하였다. 나노현탁제 과립의 흐름성 또한 compound X 파우더에 비해 상당히 개선되었고, 이를 사용하여 제조한 캡슐제형은 제제균일성을 만족하였다. 결과적으로, 유동층 과립화는 기존 나노현탁제의 건조방법이 가지는 단점들을 개선시키는 방법이 될 수 있으며 나아가 산업화에 적용시킬 수 있는 가능성을 가진다.

Dynamic modeling for CO2 capture and sorption-enhanced processes in fluidized-bed with solid sorbent

주영산 Graduate School, Yonsei University 2019 국내박사

Various separation processes have been developed to capture CO2 in the effluent gas from many chemical plants or power generation plants; Post-combustion and pre-combustion CO2 capture processes with CO2 sorbents are frequently mentioned as promising technologies. In this study, a post-combustion CO2 capture process and a sorption-enhanced water-gas-shift (WGS) process with CO2 sorbent were investigated in a dual fluidized-bed system. The sorption-enhanced WGS process was suggested to generate hydrogen and separate CO2 from syngas. A dynamic model of the processes was developed, which includes a fast fluidized-bed reactor and a bubbling fluidized-bed regenerator. The validity of the developed model was confirmed by accurately predicting the experimental data. The CO2 capture model was used to investigate the dynamic behaviors and to conduct a sensitivity analysis on the performance. The performance was more sensitive to the operating variables than the physical properties of the sorbent. For the carbonator, the inlet velocity of feed gas was the most critical parameter for assessing the capture efficiency, and the CO2 content in feed gas was crucial for determining energy efficiency. A small variation in the regeneration conditions led to a change in the capture efficiency due to the repeated circulation of the used sorbent. To achieve the CO2 removal of over 78.5 %, a high capital cost or energy consumption was required in the regenerator. The sorption-enhanced process was studied using the developed fluidized-bed model. The sorption-enhanced WGS system showed higher CO conversion than the equilibrium one in the conventional WGS. At high catalyst to sorbent ratios, the CO conversion was improved up to 90 % at 400 ℃, at which temperature the equilibrium conversion is about 77 %. A regeneration property in the sorption-enhanced process was tested in a bubbling fluidized-bed regenerator. The CO conversion at the given condition deteriorated slightly with time from 91.5 to 91.0 %, owing to the recycling of the used sorbent. 많은 산업 공정의 배가스에서 이산화탄소를 포집 하기 위한 다양한 분리공정이 개발되었다. 본 연구에서는 연소 후 이산화탄소 포집 공정과 이산화탄소 흡수제를 사용한 회수증진 수성가스화 공정에 대한 연구를 진행하기 위하여 이에 대한 동적 모델들을 각각 개발하였다. 해당 공정은 고속 유동층 반응기와 기포 유동층 재생반응기로 이루어졌으며, 두 반응기 간의 반복적인 흡수제 순환을 통하여 연속 공정이 가능하게 하였다. 모델 검증을 위하여 실제 실험 결과와 모사 결과를 비교하였고, 개발된 모델은 여러 가지 운전 조건에서의 정상상태 성능을 잘 예측하였다. 이산화탄소 포집 공정 모델을 이용하여 반응기 내부 거동에 대해 살피고, 포집 성능에 대한 민감도 분석을 진행하였다. 포집 성능은 흡수제의 특성보다 운전 변수에 더 민감한 것으로 나타났다. 포집 반응기에서 공급 가스의 유속과 이산화탄소 함량이 각각 공정의 포집 효율과 에너지 효율에 큰 영향을 주었다. 재생 조건을 변화시키는 경우, 흡수제의 반복된 재생 및 사 용으로 인하여 포집 효율에 상대적으로 큰 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 앞서 개발된 유동층 모델을 이용하여 회수증진 수성가스화 공정에 대한 연구를 진행하였다. 해당 공정은 수성가스화 반응으로 생성된 이산화탄소를 흡수제로 제거하기 때문의 기존 반응기의 전환율(평형 전환율)보다 높은 성능을 보였다. 흡수제가 충분히 많이 사용되었을 때 400 ℃에서 일산화탄소 전환율은 91.5 %까지 향상되었다. 하지만 주어진 조건에서 일산화탄소 전환율은 흡수제가 순환함에 따라 정상상태일 때 91.0 %까지 감소하였다. 본 연구를 통하여 회수증진 수성가스화 공정의 일산화탄소 전환율이 기존 공정 대비 개선되었다는 것을 확인하였다. 그러나 동시에 이산화탄소 포집 효율, 에너지 효율, 수소 생산성 등과 같은 여러 성능 지표를 평가하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.

순환유동층 반응기내 운전조건에 따른 다상유동 열전달에 관한 전산해석

최동혁 연세대학교 대학원 2022 국내석사

유동층 연소로의 운전 조건 및 설계인자 결정

라승혁 연세대학교 대학원 2003 국내석사

최근 우리나라 뿐 아니라 세계적으로 인구 증가와 생활수준의 향상에 따라 하수 배출량이 증가하고 산업 발달에 따른 폐수 등이 증가하여 슬러지의 양이 급속도로 늘어나고 있다. 슬러지는 하수처리, 제지 공정, 농산물 가공 등의 정제 공정등 다양한 배출원이 있는데 처리방법은 매립과 해양 투기에 의해 주로 처리되었다. 그러나 전 세계적인 환경에 대한 관심과 규제 증대로 이러한 처리 방법은 중단되지 않으면 안 된다. 이러한 슬러지의 처리 방법으로 유동층 연소가 각광 받고 있는데 이는 소각에 의한 방법이 막대한 슬러지 양을 가장 크게 줄일 수 있는 방법이고, 특히 함수율이 높은 슬러지의 특성에 유동층 방식의 소각이 가장 적합하기 때문이다. 그러나 아직도 보조 연료의 사용, 건조 설비의 병행 설치 등으로 인해 비용 상승 및 연속운전 시 고장 등이 발생하고 있다. 본 연구에서는 제지 슬러지를 대상 연료로 하여 pilot 규모의 유동층 소각로에서의 연소 현상에 대해 연구하고자 하였다. 유동층 소각로에서의 슬러지 소각뿐만 아니라 실제 연소 현상에서 실제 연속 운전 시 연소 성능에 관계되는 인자들은 매우 유기적이다. 그러나 모든 인자를 고려할 수 없고, 슬러지 소각 시 슬러지의 함수율의 변화와 베드 높이의 변화가 유동층 소각로의 효율 및 운전 성능에 어떠한 영향을 미치는지 비료에 의해 유동층 연소로의 운전 및 설계에 실제적으로 필요한 연구를 수행하였다. 또한 기존에 소각로 설계시 경험적으로 이용되던 화상부하율과 화로 부하율의 유동층 소각로에 적용에 대해 재고하여 보았다. 연료는 제지 슬러지를 대상으로 하였고 함수율을 40, 50wt%로 변화시키면서 베드 높이가 0.2, 0.4m로 달라질 때 최대 소각량과 연소 효율이 어떻게 달라지는지 관찰하였다. 슬러지는 스크류 피더를 통하여 연속식으로 투입하여 15~40kg/hr로 증가 시켰고, 연료 투입에 따른 공기비는 연료의 주입에 따라 변하는 경우와 연료의 투입에 따라 유동화 공기를 증가시켜 공기비를 고정시키는 두 가지 방법을 택하였다. 본 실험 장치의 적정 소각량은 함수율과 베드 높이에 영향을 받았다. 함수율40wt% 슬러지에 대해 30kg/hr의 투입률이 적절한 것으로 나타났으며, 함수율50wt%, 베드 높이 0.2m에서 CO수치가 급격히 증가하는 현상을 보였다. 적정 소각량을 증가시키기 위해서 베드 높이만을 증가시키는 것은 송풍기 용량 등 소각로 운영비 증가와 관련되므로 베드높이, 함수율 등과 관련된 최적화된 운전 조건이 요구된다. In this paper, the effect of sand amount and water content in paper sludge on incineration capacity of fluidized bed combustor are experimentally studied. For fluidized-bed combustion, water content in sludge and bed height are important parameters to determine the capacity of fluidized bed combustor, maximum amount of sludge to be disposed. The sludge should be heated and mixed in the bed enough to evaporate its water content. Furthermore, the amount of bed material directly affects on thermal capacity of the bed. Combustion experiments were performed at 0.2, 0.3, 0.4m bed heights for various water contents of paper sludge, 40, 45, 50wt%. To monitor reliable combustion condition, flue gas and temperature are measured by a gas analyzer and four thermocouples respectively. A resonable disposal capacity is under 30kg/hr feeding rate for 40wt% sludge. When the water content increase over 30kg/hr feeding rate and around 50wt% water content, CO emission level shows a sudden increase. The amount of bed materials, which is bed height in this study, affect the capacity of fluidized bed combustor. The more bed material, the more sludge can be burnt. But the amount of bed materials, which related with fluidization air and blower capacity. Therefore, optimal design of operating condition, depending on required amount of sludge disposal and sludge water contents, is needed