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김석준 ( Seok-jun Kim ),박선용 ( Sun Yong Park ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),조라훈 ( La Hoon Cho ),김민준 ( Min Jun Kim ),정인선 ( In Seon Jeong ),이충건 ( Chung Geon Lee ),김대현 ( Dae Hyun Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1
최근 우리나라는 500MW 이상을 보유한 발전사업자는 재생에너지 공급의무화제도 (Renewable Energy Portfolio Standrd, RPS)를 이행해야 하며 미세먼지 저감을 위해 석탄을 이용한 화력발전의 규제가 대두되고 있다. 이로인해 화력 발전소에 이용 가능한 임업 및 농산바이오매스에 대한 관심이 증대되고 있다. 하지만 앞서 언급된 목질계 바이오매스의 경우 낮은 발령량, 높은 함수율, 운송 및 저장의 어려움 등의 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 반탄화 공정을 실시하였다. 반탄화 공정이란 산소가 희박하거나 거의없는 조건에서 200~300°C 온도내애서 1시간 내외로 열처리하는 공정 방법이다. 반탄화 공정후 바이오매스의 발열량이 높아지고 내수성이 증대되어 앞서 언급한 단점을 보완할 수 있다. 본 연구에서는 농산바이오매스중 고춧대를 공시재료로 이용하였으며 2.36mm이하의 일정 크기로 분쇄하여 200°C, 230°C, 270°C에서 20분에서 10분 간격으로 40분까지 실험을 진행하였다. 또한 공정 동안의 바이오매스 내부의 온도변화를 확인하기 위해 열전대 (Thermocouple)을 이용하였다. 시뮬레이션 검증을위해 질량감소량을 예측할 수 있는 아레니우스 경험식을 이용하였다. 아레니우스 경험식의 주요 인자인 활성화에너지, 빈도인자, 온도중 고춧대의 열 중량분석을 통해 활성화에너지, 빈도 인자를 도출하였고 시뮬레이션을 통해 공정동안 변하는 온도를 도출해 아레니우스 경험식에 대입하였으며 질량감소량을 예측하였다. 7.5°C/min 승온속도인 경우, 온도별 상관계수가 0.92이상으로 나타났고 평균 제곱근편차는 0.0163., 0.0203, 0.0230 으로 나타났다. 오차가 발생한 이유는 내부 응축가스의 발생, 바이오매스의 성분변화가 영향을 주었다고 판단된다. 차후 내부 응축가스 파악 및 분석, 바이오매스의 성분변화분석을 통해 모델 개선이 필요하다고 판단하였다.
표면탄화 공정개발 및 적용을 통한 미이용 농업부산물의 에너지원 활용가능성 연구
김석준(Seok Jun Kim),김대현(Dae Hyun Kim),박선용(Sun Yong Park),조라훈(La Hoon Cho),오광철(Kwang Cheol Oh) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7
최근 인구의 증가와 고도화된 산업발달로 인해 에너지 소비는 점차 증가하고 있는 실정이다. 이에 따라 화석연료의 사용이 증가되면서 온실가스 배출, 인사화탄소 배출 등으로 지구 온난화 현상과 환경오염이 증가하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 우리나라는 2015년 부터 2030년 까지 BAU 대비 온실가스를 37% 감축목표를 설정하였다. 또한 탈 원전 정책, 탈 석탄 정책으로 인해 대체에너지 개발의 필요성이 대두되고있다. 본 연구에서는 국내에서 볏짚과 왕겨 다음으로 큰 비중을 차지하는 고추대와 과수 전정가지등의 미이용 농업부산물을 에너지원으로 활용하고자한다. 하지만 이러한 미이용 농업부산물은 발열량이 낮고 함수율이 높으며 친수성 목질계 바이오매스 이기에 에너지원으로 바로 활용하기에는 어려움이있다. 이러한 목질계 바이오매스의 단점을 개선하기위해서 선행연구 중 반탄화 공정을 적용한 사례가 존재한다. 반탄화 공정이란 산소가 희박하며 200~300℃의 온도범위, 1시간 이내의 공정조건에서 열처리를 진행하는 공정이다. 반탄화 공정을 적용한 후 목질계 바이오매스의 발열량, 내수성 등 연료특성이 개선된다. 하지만 반탄화 공정 후 실질적으로 사용할 수 있는 바이오매스 중량감소가 단점으로 지적되고있다. 본 연구에서는 반탄화 공정의 단점을 개선하기위한 표면탄화 공정기술을 개발하여 미이용 농업부산물에 적용하였다. 표면탄화 공정이란 300~500℃ 온도범위에서 5분이내로 진행하는 열처리 공정이다. 선행 연구중 반탄화 공정을 통한 목재펠릿 및 고추대 펠릿의 최적조건과 본 연구에서 개발한 표면탄화 공정을 적용한 목재펠릿 및 고추대 펠릿의 최적조건을 비교하였다. 반탄화 선행연구에서 도출된 목재펠릿 및 고추대 펠릿의 최적조건은 각각 230℃, 40분 공정이었고 목재펠릿의 에너지수율, 질량수율은 91%,88% 였으며 고추대펠릿의 에너지수율과 질량수율은 86.4%, 81.4%로 나타났다. 발열량은 각각 약 20.6 MJ/kg, 19.7 MJ/kg으로 나타났다. 표면탄화 공정 후 목재펠릿 및 고추대 펠릿의 최적공정조건은 300℃, 4분 30초, 300℃, 5분으로 각각 두가지씩 도출되었다. 목재펠릿의 경우 에너지수율 및 질량수율이 89.5%, 88.2% 와 88.6%, 86.4%로 나타났고 발열량은 20.5 MJ/kg, 20.7 MJ/kg로 나타났다. 고추대 펠릿의 경우, 에너지수율과 질량수율이 각각 92.5%, 86.9% 와 91.9%, 82.8%로 나타났으며 발열량은 19.3 MJ/kg, 20.1 MJ/kg으로 나타났다. 목재펠릿의 비교결과 경우 반탄화 공정에서의 에너지수율이 표면탄화 에너지수율보다 약 1.5% 높게나타났고 고추대펠릿의 비교결과 경우 표면탄화 공정 후 에에너지수율이 반탄화 공정 후 에너지수율보다 약 5% 높게나타났다. 에너지수율을 고려하였을때 목재펠릿의 경우 반탄화 공정이 적합한 것으로 판단되며 농업부산물의 경우 표면탄화 공정이 적합한것으로 판단되었다.