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첨가제 펠릿을 이용한 목재 펠릿보일러의 타르 감소와 열효율 분석
주상연 ( Sang Yeon Joo ),정인선 ( In Seon Jeong ),김민준 ( Min Jun Kim ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),이상열 ( Sang Yeol Lee ),조라훈 ( La Hoon Cho ),박선용 ( Sun Yong Park ),이서현 ( Seo Hyeon Lee ),이충건 ( Chung Geon Lee ),김대현 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2
최근 화석에너지 사용 증가에 따른 환경오염과 자원고갈로 인한 대체에너지 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다. 목질계 바이오매스 중 목재펠릿은 ‘탄소중립(Carbon Neutral)’ 연료로써 온실가스 감축 의무에 대응 가능한 에너지원이다. 하지만 목질계 바이오매스 연소 시 발생되는 타르는 낮은 온도에서 연소실과 배기관에 응축 및 축적되어 열교환이 일어나는 표면의 열전달을 줄이고, 부식 및 침식을 일으켜 장비의 수명을 감소시킨다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 타르를 저감시키는 촉매 역할을 하는 첨가제를 펠릿에 혼합, 실험을 진행하였다. 적용된 첨가제는 백운석과 석회석으로써 바이오매스 가스화 시생성되는 타르 양을 감소시키는 효과적인 물질로 나타났고 상위 단계의 타르가 하위 단계의 타르로 분해되어 건조개질과 증기개질 반응을 촉진 시켜 재의 용융 온도를 높이고 생성되는 침전물, 슬래그 등을 감소시킨다. 실험을 위해 목제펠릿 제조 시 백운석 2%, 석회석2%, 백운석 석회석 각각 1% 의 첨가제를 첨가하여 제작되었다. 단위 시간별 동일한 외부환경(산화제량, 부하, 주변온도, 펠릿소비량)에서 실험을 진행하였으며, 고형 첨가제가 첨가된 펠릿으로 보일러의 타르 감소 및 열효율 성능 비교 실험이 실시되었다. 실험 결과 첨가제 펠릿의 열효율은 기존 목재펠릿대비 석회석2%와 석회석1%, 백운석1% 각각 1.79%, 5.02% 상승 된 것을 확인하였고 석회석1%, 백운석% 각각의 첨가제 펠릿이 목재펠릿 보일러의 열효율 증가를 위한 효과적인 첨가제로 판단되었다. 또한 석회석2%의 경우 단위면적당 타르의 양이 0.06 g/cm<sup>2</sup> 가장 적은 것으로 나타났다.
전산유체역학(CFD) 목재펠릿보일러 구조개선 전 · 후 타르생성에 따른 열효율 분석
주상연 ( Sang Yeon Joo ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),이상열 ( Sang Yeol Lee ),조라훈 ( La Hoon Cho ),박선용 ( Sun Yong Park ),이서현 ( Seo Hyeon Lee ),정인선 ( In Seon Jeong ),이충건 ( Chung Geon Lee ),김대현 ( Dae Hyun Kim ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1
목질계바이오매스 중 목재펠릿은 `탄소중립(Carbon Neutral)` 연료로써 온실가스 감축 의무에 대응 가능한 에너지원이다. 하지만 목질계바이오매스 연소 시 발생되는 타르는 보일러 내부에 누적되어 효율을 감소시킨다. 타르 및 연소 불꽃에 의한 효율 감소를 최소화하기 위해 반대측면에 내화재(Castable)를 적용하여 실험하였으며 시뮬레이션을 이용하여 구조변경 분석이 실시되었다. 적용된 내화재는 비중이 낮고 단열성이 우수하여 열손실을 막아 연료비 절감의 효과를 가져 오며, 연소실 내부 청소 면적 감소로 인한 경제적 효과도 기대 할 수 있다. 분석결과를 이용하여 최적화된 펠릿보일러가 제작되었으며, 실험을 통하여 200시간 가동 후 열효율 감소량이 나타났다. 단위시간별 동일한 외부환경(산화제량, 부하, 주변온도, 펠릿소비량)에서 실험이 진행 되었으며, 타르생성이전(Non-tar), 이후(Tar-existence) 보일러의 열효율 성능 비교실험이 실시되었다. 실험결과 타르생성이전 조건에서 구조변경 전 · 후 보일러의 열효율은 각각 91.87%, 90.73%로 확인되었으며, 타르생성이후 조건에서 각각 82.68%, 83.27%의 열효율을 확인하였다. 타르생성이전 대비 이후 조건에서 열효율 감소량은 각각 9.19%p, 7.46%p로 구조변경 전 대비 변경후 보일러의 열효율이 약 1.73%p 더 적게 감소됨을 확인되었으며, 시뮬레이션 결과 타르생성이전 조건에서 구조변겅 전 · 후 보일러의 효율은 각각 91.83%, 92.05%로 확인되었으며 타르 생성이후 조건에서 각각 85.25%, 87.43%의 열효율을 확인하였다. 타르생성이전 대비 이후 조건에서 열효율 감소량은 각각6.58%, 4.62%로 구조변경 전 대비 변경 후 보일러의 열효율이 약 1.96%p 더 적게 감소됨을 확인하였다.
첨가제 펠릿을 이용한 목재 펠릿보일러의 타르 감소와 열효율 분석
주상연(Sang Yeon Joo),이충건(Chung Geon Lee),정인선(In Seon Jeong),박선용(Sun Yong Park),오광철(Kwag Cheol Oh),조라훈(La Hoon Cho),이상열(Sang Yeol Lee),김민준(Min Jun Kim),김석준(Seok Jun Kim),김대현(Dae Hyun Kim) 한국신재생에너지학회 2019 신재생에너지 Vol.15 No.2
Wood pellets are ‘carbon natural’ fuels that contribute to greenhouse gas reduction regulation. On the other hand, the tar, generated from woody biomass combustion, condenses and accumulates in the combustion chamber resulting in a reduction of heat transfer on the surface where heat exchange takes place, which decreases the thermal efficiency and equipment life span. To solve these problems, an additive acting as a catalyst for a reforming reaction was mixed with the pellets to reduce tar formation in combustion. For the experiment, 2% of dolomite, 2% of limestone and 1% mixture of dolomite and limestone were added as catalysts to the wood pellets. The experiments were conducted in the same external environment and a comparison of the thermal efficiency and reduction of tar of boiler containing the solid additive was carried out. As a result, the thermal efficiency of the additive pellets was increased by 1.09% and 0.36% for dolomite 2%, limestone 1% and dolomite 1%, respectively, compared to conventional wood pellets, and decreased by 0.46 for 2% lime stone. Although the thermal efficiency of the dolomite 2% additive pellets was the highest, pellets with 1% dolomite and 1% limestone produced the best result.
목재펠릿보일러의 구조개선 전·후 타르생성에 따른 열효율 감소의 최소화를 위한 성능 연구
이상열 ( Sang Yeol Lee ),오광철 ( Kwang Cheol Oh ),이충건 ( Chung Geon Lee ),주상연 ( Sang Yeon Joo ),조라훈 ( La Hoon Cho ),박선용 ( Sun Yong Park ),이서현 ( Seo Hyeon Lee ),김대현 ( Dae Hyun Kim ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2
목질계바이오매스 중 목재펠릿은 ‘탄소중립(Carbon Neutral)` 연료로써 온실가스 감축 의무에대응 가능한 에너지원이다. 하지만 목질계바이오매스 연소 시 발생되는 타르는 보일러 내부에 누적되어 효율을 감소시킨다. 따라서 가정용 목재펠릿보일러의 보일러 1차 연소실에 전열면을 단열구조로 변경하여 목재펠릿 연소 시 발생되는 타르에 의한 열효율 감소를 최소화하기 위한 연구가 수행되었다. 단위시간별 동일한 외부환경(산화제량, 부하, 주변온도, 펠릿소비량)에서 실험이 진행되었으며, 타르생성이전(Non-tar), 이후(Tar-existence) 보일러의 열효율 성능 비교실험이 실시되었다. 실험결과 타르생성이전 조건에서 구조변경 전·후 보일러의 열효율은 각각 92.20%, 90.63%로 확인되었으며, 타르생성이후 조건에서 각각 85.57%, 84.59%의 열효율을 확인하였다. 타르생성이전 대비 이후 조건에서 열효율 감소량은 각각 6.63%p, 6.04%p로 구조변경 전 대비 변경 후 보일러의 열효율이 약 0.59%p 더 적게 감소됨을 확인되었으며, 이는 연관 구조변경으로 인한 타르생성에 따른 열효율 감소량을 기존 대비 최소화되었다고 판단된다.
전산유체역학을 이용한 바이오매스 반탄화(torrefaction) 모델 개발
오광철 ( Kwang Cheol Oh ),이상열 ( Sang Yeol Lee ),주상연 ( Sang Yeon Joo ),조라훈 ( La Hoon Cho ),박선용 ( Sun Yong Park ),이서현 ( Seo Hyeon Lee ),이충건 ( Chung Geon Lee ),김대현 ( Dae Hyun Kim ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2
목질계바이오매스는 오랜 세월 인류가 친숙하게 이용해온 열 에너지원이다. 하지만 화석연료가 발견되면서 바이오에너지를 있는 그대로 이용하는 농·임산연료의 사용량은 꾸준히 감소되었다. 이에 따라 2010년부터 본격적으로 농림에 잔재된 부산물을 우드 칩(Wood chip)과 목재펠릿(Wood pellet)으로 가공 후 보관 및 운송의 용의, 균질, 규격화를 통하여 효율적으로 활용하기 시작하였다. 하지만 에너지 이용과정에서 타르 및 미연소분으로 발생으로 인한 연소기기 고장 및 효율감소의 문제점을 지니고 있어 농업 및 임업부산물은 대부분 방치되거나 버려지고 있다. 따라서 본 연구에서는 반탄화(torrefaction) 공정을 이용한 효율적인 목질계바이오매스 활용방안을 제시하고자 한다. 반탄화 공정이란 산소가 희박하거나 없는 상태에서 비교적 짧은 시간(10 ~ 60분)동안 낮은온도(260 ~ 320℃)에서 바이오매스를 가열하는 전처리 단계이다. 반탄화시 고형 화석연료와 비슷한 수준의 H/C, O/C의 비율 변화로 발열량이 증대되며, 내수성 증대 및 중량감소를 통해 저장 및 운송에 이점을 가진다. 하지만 다양한 종류 및 넓게 산재된 발생량 특성을 지닌 농·임업부산물의 경우 일반적인 반탄화 공정을 통한 활용이 어렵다. 따라서 전산유체역학을 통하여 바이오매스의종류, 크기, 처리시간등의 조건에 따른 반탄화 공정의 예측모델을 개발을 통하여 최적의 이용방법을 제시하고자한다.