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커피찌꺼기 급속열분해를 위한 50톤/일 규모 실증플랜트의 열 및 물질수지 산정
최상규(Sangkyu Choi),최연석(Yeonseok Choi),정연우(Yeonwoo Jeong),한소영(Soyoung Han),응웬 반 꾸잉(Quynh van Nguyen) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7
국내 커피 소비량은 지속적으로 증가하는 추세이며, 이에 따라 커피찌꺼기 생성량도 증가하고 있다. 커피찌꺼기는 커피를 내린 후 발생하는 폐기물로, 그 활용 방인으로 펠렛 또는 퇴비화하여 사용하는 방법이 제안되었으나 그 성분의 특성상 펠릿 성형이 어렵고 퇴비로서의 가치가 크지 않기 때문에 대부분 매립 또는 소각하는 방식으로 처리되고 있다. 커피찌꺼기는 일반 생활폐기물과 비교하였을 때 건조기준으로 발열량이 매우 높기 때문에 연료로서의 가치가 충분하며 특히 파우더 형태로 배출되기 때문에 파쇄 및 분쇄 등의 전처리가 필요하지 않은 장점이 있다. 급속열분해는 바이오매스 등의 폐기물을 약 500℃의 무산소 분위기에서 열분해하고, 생성된 열분해가스를 응축하여 액체상의 오일로 전환하는 기술로서, 고체상의 바이오매스를 액상으로 변환할 경우 연료로서의 활용이 용이해지고, 고부가 화학물질 원료로도 활용 가능하므로 효과적인 폐기물 자원화 방안이 될 수 있다. 특히 커피찌꺼기의 급속열분해를 통하여 생성된 바이오원유의 발열량은 약 6,000 kcal/kg으로, 목질계 바이오매스로부터 생성된 바이오원유의 일반적인 발열량인 약 4,000 kcal/kg에 비하여 매우 높아 급속열분해 원료로서 우수한 특징을 가지고 있다. 한국기계연구원에서는 독자적인 방식의 경사슬라이드식 급속열분해 반응기를 개발하여 왔으며, 20 kg/hr 규모의 파일럿 플랜트를 기반으로 하여 200 kg/hr 규모의 실증 플랜트를 개발하였다. 본 연구에서는 현재 보유한 플랜트의 10배 규모인 50톤/일 규모의 실증플랜트 개발을 위한 물질 및 에너지수지를 산정하였고, 그 결과를 플랜트 설계의 기초자료로 활용할 예정이다.
바이오오일 생산을 위한 PFR 반응기에서 미세조류의 수열액화반응에 대한 수치해석
최상규(Sangkyu Choi),최연석(Yeonseok Choi),정연우(Yeonwoo Jeong),한소영(Soyoung Han) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.2
바이오매스는 탄소중립 실현을 위한 신재생에너지원 중 하나로서 최근 활발한 연구가 이루어지고 있다. 특히 정유 및 항공운송 분야에서 저탄소 바이오 연료 생산 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 바이오매스 원료물질 중에서 미세조류는 기존의 팜(palm) 에 비해 단위면적당 오일 생산량이 10~20배로 높아 차세대 바이오 연료로서의 가능성이 매우 크다고 할 수 있다. 미세조류로부터 바이오 연료 생산을 위한 방법으로는 당화, 추출, 에스테르교환, 열분해 , 수열액화 등의 방법이 있는데 이 중에서 수열액화(Hydrothermal Liquefaction, HTL)는 미세조류와 같이 높은 수분함량을 가지는 바이오매스에 대해서 가장 경제적인 방법으로 알려져 있다. 본 연구에서는 미세조류로부터 바이오오일 생산을 위한 연속 흐름 관형 반응기 (Plug Row Reactor, PFR)에서 수열액화반응에 대한 수치해석을 수행하고, 반응기 내 유동 및 반옹 특성을 분석하였다. 미세조류의 구성 성분은 protein, carbohydrate, lipid로 설정 하고, 수열 액 화 반응 생성물은 biocrude, aqueous phase, gas로 구분하였으며 선행 연구에서 제시된 1차 반응속도 상수를 이용하였다. PFR 반응기 내부의 온도 및 속도, 반응물 및 생성물의 분포를 비교 분석하였으며, 추후 다양한 미세조류의 구성 성분 및 운전 조건에서 해석을 수행할 예정이다.
Lab-scale 기포유동층 반응기에서 커피찌꺼기와 폐스티로폼 혼합열분해에 관한 CFD 해석
최상규(Sangkyu Choi),최연석(Yeonseok Choi),정연우(Yeonwoo Jeong),한소영(Soyoung Han),응웬 반 꾸잉(Quynh Van Nguyen) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7
최근 세계적으로 커피 소비량이 증가하고 있어 폐기물로 발생하는 커피찌꺼기를 효율적으로 처리하는 방법이 중요해지고 있다. 커피찌꺼기는 기존에 펠렛 또는 퇴비화하여 사용하는 방법이 제안되었으나 그 성분의 특성상 펠릿 성형이 어렵고 퇴비로서의 활용성도 제한적이므로 대부분 매립 또는 소각되고 있다. 또한 플라스틱 폐기물 중에서 폐스티로폼은 이물질이 없는 경우에만 재활용되고 있어 많은 부분이 버려지고 있다. 급속열분해는 바이오매스 등의 폐기물을 약 500℃의 무산소 분위기에서 열분해하고, 생성된 열분해가스를 응축하여 액체상의 오일로 전환하는 기술로서, 고체상의 바이오매스 및 폐기물을 액상으로 변환할 경우 연료로서의 활용이 용이해지고, 고부가 화학물질 원료로도 활용 가능하므로 효과적인 폐기물 자원화 방안이 될 수 있다. 커피찌꺼기를 단독으로 열분해하여 생성되는 바이오원유는 일반적인 목질계 바이오매스로부터 형성된 바이오원유에 비하여 발열량이 50% 정도 높은 장점이 있으나, 점도가 매우 높아 저장 및 이송이 어려워지는 단점이 있다. Lab-scale 기포유동층 반응기에서 커피찌꺼기에 폐스티로폼을 혼합하여 열분해오일을 제조한 선행 연구에서, 커피찌꺼기를 단독으로 사용한 바이오원유에 비하여 오일 수율 및 발열량이 높아지고 점도가 낮아지는 효과가 확인되었다. 본 연구에서는 기포유동층 반응기에서 커피찌꺼기와 폐스티로폼의 혼합열분해에 관한 CFD 해석을 수행하였다. CFD 해석은 다상 유동 해석이 가능한 오픈소스 소프트웨어인 MFiX(Multiphase Flow with Interphase eXchanges)를 이용하였으며, Eulerian-Eulerian model을 적용하였다. 커피찌꺼기의 구성 성분은 원소분석 결과를 기반으로 하여 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌, 지방산 등이 포함된 8종의 성분으로 표현하였고, 열분해반응은 22종의 고체 성분, 28종의 가스 성분을 포함하는 25단계의 1차 반응으로 구성되었다. 커피찌꺼기와 폐스티로폼의 다양한 혼합 비율에서 열분해오일의 수율을 도출하였고, 열분해오일의 주요 구성 성분을 실험 결과와 비교하였다.
실증규모 경사슬라이드식 급속열분해반응기에서 커피찌꺼기 바이오원유 제조실험
최상규(Sangkyu Choi),최연석(Yeonseok Choi),정연우(Yeonwoo Jeong),한소영(Soyoung Han),옹웬 반 꾸잉(Van Nguyen Quynh) 한국환경에너지공학회 2023 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2023 No.1
바이오매스는 지구온난화를 방지할 수 있는 신재생에너지원으로서 최근 활발한 연구가 이루어지고 있다. 바이오매스를 연료로 활용하는 방법으로는 직접 연소, 가스화, 액체연료화, 반탄화 둥이 있으며, 이 중에서 급속열분해는 바이오매스 입자를 500 °C 부근의 온도 및 무산소 분위기에서 2초 이내의 짧은 시간에 열분해하고, 생성된 열분해가스를 신속히 응축하여 액체상의 바이오원유를 생산하는 방법이다. 급속열분해 원료로는 다양한 바이오매스가 사용될 수 있는데, 특히 커피찌꺼기는 일반적인 목질계 또는 초본계 바이오매스에 비하여 높은 발열량을 가지는 장점이 있으며 커피찌꺼기는 폐기물로 배출되고 있으므로 폐기물 처리 측면에서도 급속열분해 원료로서 많은 장점을 가지고 있다. 급속열분해 반응기로는 기포유동층 반응기, 순환유동층 반웅기, 회전 콘 반웅기, 스크류 반웅기 둥 다양한 종류의 반응기가 개발되어 왔는데, 본 연구에서는 경사슬라이드식 급속열분해 반응기 (Tilted-Slide Fast Pyrolyzer)로 명명한 독자적인 모델을 개발하여 커피찌꺼기 바이오원유를 생산하였다. 건조 바이오매스 투입 200 kg/hr 용량의 실증규모 급속열분해 플랜트에서 연속운전 실험을 수행한 결과, 바이오원유 수율은 약 59 wt%, 고위발열량은 약 6339 kg/hr로 나타났다. 향후 농업부산물 둥 다양한 바이오매스에 대한 급속열분해 실험을 수행할 예정이다.