폐 바이오매스 급속열분해 분사층 반응기내 열전달 특성

김효성 ( Hyo Sung Kim ),박훈채 ( Hoon Chae Park ),유호성 ( Ho Seong Yoo ),이병규 ( Byeong Kyu Lee ),최항석 ( Hang Seok Choi ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2016 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2016 No.-

폐 바이오매스의 열 화학적 전환 공정 중 하나인 급속열분해 공정은 공정변수에 따라 열분해 생성물의 수율 및 특성이 변화한다. 급속 열분해 반응이 이루어지는 반응기는 전체 급속 열분해 공정의 핵심이며, 폐 바이오매스의 급속열분해 반응을 위해서는 1,000~10,000℃/s의 빠른 열전달 속도, 500℃의 열분해 반응온도, 1~2초이내의 열분해 생성물 체류시간이 요구된다. 따라서 이를 실현하기 위한 급속열분해 반응기 개발에 많은 연구가 진행되었다. 현재 개발되어 사용 중인 대표적인 급속열분해 반응기는 기포 유동층, 순환유동층, 분사층, Augur형, 융해열분해, 진공열분해 등의 반응기가 있다. 이중 분사층 반응기는 기체-고체 간의 열 및 물질전달이 우수하고, dilute spouted bed regime 에서는 반응기 내 열분해 가스의 체류시간이 짧아 오일의 수율을 기존 유동층 반응기 보다 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 분사층 급속열분해 반응기 내 폐 바이오매스의 급속 열분해 반응은 기체-고체간의 수력학적 특성과 열전달 특성에 영향을 받는다. 따라서 분사층 급속열분해 반응기의 최적 설계와 운전을 위해서는 반응기 내 수력학적 특성과 열전달 특성에 대한 정보가 필요하다. 그러나 현재까지 분사층의 운전조건에 따른 분사층 내 열전달 특성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 분사층 내 열전달 특성 연구를 위하여 열전달 센서를 설계/제작하였으며, 제작된 열전달 센서를 통하여 분사층내 기체-고체간의 열전달 특성을 측정하였다. 분사층 내 기체-고체간의 열전달 실험은 공탑 속도, Geldart 입자분류, bed 높이를 실험변수로 하여 실험을 수행하였으며, 실험을 통하여 실험변수에 따른 분사층 내 기체-고체간의 열전달 계수의 변화를 연구하였다.

폐 바이오매스 급속열분해 분사층 반응기내 열전달 특성

김효성,박훈채,유호성,이병규,최항석 한국폐기물자원순환학회 2016 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2016 No.11

폐 바이오매스의 열 화학적 전환 공정 중 하나인 급속열분해 공정은 공정변수에 따라 열분해 생성물의 수율 및 특성이 변화한다. 급속 열분해 반응이 이루어지는 반응기는 전체 급속 열분해 공정의 핵심이며, 폐 바이오매스의 급속열분해 반응을 위해서는 1,000~10,000℃/s의 빠른 열전달 속도, 500℃의 열분해 반응온도, 1~2초이내의 열분해 생성물 체류시간이 요구된다. 따라서 이를 실현하기 위한 급속열분해 반응기 개발에 많은 연구가 진행되었다. 현재 개발되어 사용 중인 대표적인 급속열분해 반응기는 기포 유동층, 순환유동층, 분사층, Augur형, 융해열분해, 진공열분해 등의 반응기가 있다. 이중 분사층 반응기는 기체-고체 간의 열 및 물질전달이 우수하고, dilute spouted bed regime 에서는 반응기 내 열분해 가스의 체류시간이 짧아 오일의 수율을 기존 유동층 반응기 보다 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 분사층 급속열분해 반응기 내 폐 바이오매스의 급속 열분해 반응은 기체-고체간의 수력학적 특성과 열전달 특성에 영향을 받는다. 따라서 분사층 급속열분해 반응기의 최적 설계와 운전을 위해서는 반응기 내 수력학적 특성과 열전달 특성에 대한 정보가 필요하다. 그러나 현재까지 분사층의 운전조건에 따른 분사층 내 열전달 특성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 분사층 내 열전달 특성 연구를 위하여 열전달 센서를 설계/제작하였으며, 제작된 열전달 센서를 통하여 분사층내 기체-고체간의 열전달 특성을 측정하였다. 분사층 내 기체-고체간의 열전달 실험은 공탑 속도, Geldart 입자분류, bed 높이를 실험변수로 하여 실험을 수행하였으며, 실험을 통하여 실험변수에 따른 분사층 내 기체-고체간의 열전달 계수의 변화를 연구하였다.

분사층 반응기의 원뿔각에 따른 Jatropha Curcas L. Seed Cake의 급속열분해 특성

박훈채,이병규,김효성,최항석,Park, Hoon Chae,Lee, Byeong-Kyu,Kim, Hyo Sung,Choi, Hang Seok 한국청정기술학회 2019 청정기술 Vol.25 No.2

바이오매스의 급속열분해를 위하여 지난 수십 년간 다양한 형태의 반응기가 개발되었다. 급속열분해 공정의 반응기는 유동층 반응기가 많이 사용되어 왔으며, 최근에는 분사층 반응기를 이용한 바이오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구가 다수의 연구자들에 의해 수행되고 있다. 분사층 반응기의 유동화 특성은 입자의 물리적 특성, 유체 제트의 속도, core와 annulus의 구조에 영향을 받으며, 반응기의 기하학적 구조는 분사층 내부의 core와 annulus 구조를 결정하는 주요 인자이다. 따라서 분사층 반응기의 최적설계를 위해서는 열분해 반응에 영향을 주는 인자에 대한 바이오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구가 수행되어야 한다. 하지만 분사층 반응기의 기하학적 구조에 의한 바이오매스의 급속열분해 특성은 자세히 연구되지 않았다. 본 연구에서는 분사층 반응기의 원뿔각과 반응 온도 변화에 따른 Jatropha curcas L. seed shell cake의 급속열분해 실험을 수행하여 분사층 반응기의 최적 형상과 반응 온도를 도출하였다. 실험결과, 열분해 오일의 에너지 수율은 반응 온도 $450^{\circ}C$, 분사층 반응기의 원뿔각 $44^{\circ}$에서 63.9%로 가장 높게 나타났다. 그리고 분사층 반응기 내 고체입자의 열전달과 기체상 열분해 생성물의 체류시간은 원뿔각의 영향을 받아 열분해 생성물의 수율 및 열분해 오일의 품질에 영향을 주는 것으로 나타났다. Several types of reactors have been used during the past decade to perform fast pyrolysis of biomass. Among the developed fast pyrolysis reactors, fluidized bed reactors have been widely used in the fast pyrolysis process. In recent years, experimental studies have been conducted on the characteristics of biomass fast pyrolysis in a spouted bed reactor. The fluidization characteristics of a spouted bed reactor are influenced by particle properties, fluid jet velocity, and the structure of the core and annulus. The geometry of the spouted bed reactor is the main factor determining the structure of the core and annulus. Accordingly, to optimize the design of a spouted bed reactor, it is necessary to study the pyrolysis characteristics of biomass. However, no detailed investigations have been made of the fast pyrolysis characteristics of biomass in accordance with the geometry of the spouted bed reactor. In this study, fast pyrolysis experiments using Jatropha curcas L. seed shell cake were conducted in a conical spouted bed reactor to study the effects of reaction temperature and reactor cone angle on the product yield and pyrolysis oil quality. The highest energy yield of pyrolysis oil obtained was 63.9% with a reaction temperature of $450^{\circ}C$ and reactor cone angle of $44^{\circ}$. The results showed that the reaction temperature and reactor cone angle affected the quality of the pyrolysis oil.

분사층 열중량 분석장치를 이용한 바이오매스의 열분해 반응모델 연구

박훈채,최항석 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2018 No.-

바이오매스의 급속열분해 공정을 통한 열분해 오일의 생산 기술은 반응기가 전체 공정의 핵심이며, 반응기의 종류 및 운전 조건에 따라 열분해 생성물의 물리-화학적 특성이 변화한다. 따라서 급속열분해 반응기의 설계 및 공정 최적화를 위해서는 반응기 내 바이오매스에 대한 열분해 kinetics와 반응 메커니즘의 규명이 선행되어야 한다. 이를 위해서는 바이오매스의 열분해 kinetics에 대한 정확한 해석이 필요하고, 신뢰성 있는 분석 방법 적용이 필요하다. 하지만, 바이오매스 시료의 열중량 분석에 많이 사용되고 있는 일반적인 열중량 분석 장치(Thermogravimetric analyzer;TGA)는 가열되는 시료의 온도가 불균일하고 heating rate 작으며, 미량의 시료를 사용하기 때문에 열중량 분석을 통한 정확한 열분해 kinetics 데이터를 얻을 수 없다는 문제점이 있다. 또한 반응온도까지 승온하여 열분해 kinetics 데이터를 측정하기 때문에 승온 구간에서 반응이 일부 진행되어 정확한 데이터 도출에 한계가 있다. 따라서 급속열분해 반응기 내 바이오매스 시료의 정확한 열분해 kinetics 데이터를 도출하기 위해서는 반응기 내 기체-고체 다상유동 환경과 동일한 열중량 분석 장치 및 그에 대한 분석 방법이 필요하다. 본 연구에서는 바이오매스의 열중량 분석이 가능한 분사층 열중량 분석장치를 제작하여 등온조건에서 바이오매스의 열중량 측정 실험을 수행하였다. 바이오매스의 열중량 측정 실험은 673, 723, 773, 823K의 등 온조건과 질소분위기에서 수행하였으며, 측정 결과를 바탕으로 기존 연구들에서 제시된 반응모델함수 중 바이오매스의 열분해 반응 특성에 가장 적합한 반응모델함수를 선정하였다. 반응모델함수 선정은 고체물질의 kinetics 분석에 널리 사용되고 있는 RTP(reduced time plot) 방법을 이용하였으며, 선정된 반응모델할수를 통하여 바이오매스의 열분해 kinetics에 대한 활성화에너지, 전지수인자를 도출하였다. 사사: 이 연구는 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임. (No.NRF-2017R1A2B4009340)

유동층 반응기 내 열교환기 설계 및 검증

신원식(Won-Sik Shin),양창원(Chang-Won Yang),이은도(Uen-Do Lee),정수화(Soo-Hwa Jeong) 한국열환경공학회 2019 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2019 No.춘계

유동층은 고체-고체 및 고체-기체의 높은 혼합 특성으로 인해 반응기 내 온도 분포의 편차가 낮고 열전달 및 물질 전달이 높은 장점이 있어 국내외 다양한 산업에서 널리 사용되고 있다. 유동층 반응기는 사용하는 연료의 반응에 따라서 발열반응이거나 흡열 반응이 발생하므로 반응기 내부에 열교환기를 설치하여 반응기 내 온도를 균일하게 제어하고 일정한 수율의 생성물을 생산해야 한다. 본 실험에서는 발열 반응인 생성물 합성 공정에서 유동층 반응기 내의 열교환기의 대류 및 전도에 의한 총 열전달 계수 (Overall heat transfer coefficient)를 측정 하고 모델링하여 결과 값을 비교하였다. 실험에 사용된 반응기의 직경은 0.16m 이고 높이는 1.5m의 기포 유동층 타입의 반응기를 사용하였다. 공기 100 LPM을 투입하여 실험을 수행하였으며, 열교환기 물 투입 조건에 따른 유동층 반응기 내 온도, 압력 변화 및 열교환기에서 흡수하는 열량 값을 측정하였고 각 실험에서 얻어진 결과를 비교 검토하여 유동층 반응기의 설계 및 최적 운전 조건 도출 방안에 대해 살펴보았다.

다단 CO₂ 포집공정용 열교환형 유동층 반응기 열설계

조형희,문호규,유환주,서휘민,박용기 한국공업화학회 2014 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2014 No.1

건식 흡수제를 사용하는 CO₂ 포집 공정을 위한 흡착-탈착 반응기는 보통 기체-고체 유동층 반응기를 사용한다. 특히 흡수제의 반응열을 재생열로 사용하는 ‘다단 에너지 교환 포집공정’ 구성을 위해서는 유동층 반응기간의 열교환이 매우 중요하다. 유동층 반응기간의 열교환은 유동층 반응기 내부의 작동 유체인 가스와 흡수제의 거동 즉, 기체와 고체 입자의 상호 작용에 의해 결정되기 때문에 단상 유동일 때와는 다른 열전달 양상을 나타낸다. 따라서 다단 에너지 교환 포집공정 구성을 위한 효과적인 ‘열교환형 유동층 반응기’ 설계를 위해서는 궁극적으로 유동화 가스 속도에 따른 유동층의 변화(fluidization regime transition)와 유동화 영역(fluidization regime)에 따른 기체-고체 2상 유동 열전달의 특성 변화를 고려 하여야 한다. 본 연구에서는, 실험실 규모의 다단 에너지 교환 포집공정용 열교환형 유동층 반응기에서의 열/유동 특성과 궁극적으로 층물질과 반응기 벽면과의 열전달 분포 특성을 분석 하고자 한다.

ECVT를 이용한 유동층 반응기내 기체-고체 다상유동 및 열전달 동시 측정 연구

최동혁 ( Dong Hyuk Choi ),박훈채 ( Hoon Chae Park ),황재규 ( Jae Gyu Hwang ),최명규 ( Myung Kyu Choi ),홍성완 ( Seong Wan Hong ),홍승현 ( Seung Hyun Hong ),최항석 ( Hang Seok Choi ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

유동화란 고체입자들이 액체나 기체에 의해서 부유하는 현상이다. 이때 유체 내에서 부유하는 고체입자들의 거동은 액체와 매우 유사한 거동을 나타내게 되어 고체-기체간 접촉효율이 뛰어나다. 유동층 반응기의 성능은 기포의 크기, 생성 frequency, 속도 및 거동 등과 같은 유동화 특성에 영향을 받는다. 그러므로 유동층 반응기의 수력학적 특성에 대한 연구는 반응기의 설계, scale-up, 운전 성능 향상을 위해서 필수적으로 요구된다. 또한 유동층 반응기 내 기체와 고체간의 열전달 및 반응속도는 열전달 특성에 영향을 받기 때문에 유동층 반응기의 최적설계 및 안정적인 운전 조건을 위하여 유동층 반응기의 수력학적 특성에 대한 정보뿐만 아니라 열전달특성에 대한 정보가 필요하다. 본 연구에서는 유동층 반응기의 수력학적 특성과 기체-고체 열전달 특성의 상관관계를 파악하기 위하여 높이 500mm의 투명 아크릴로 제작된 반응기에 Electrical Capacitance Volume Tomogrphy (ECVT)측정 장치와 열전달 센서를 이용하여 유동층의 기체-고체 다상유동장과 열 유동장을 동시에 측정하였다. 동시 측정 실험은 유동층 반응기의 공탑 속도를 변화하며 수행하였으며, 공탑 속도 변화에 따른 유동층 반응기의 고체입자 분포, 속도 분포, 열전달계수를 측정하여 유동층 반응기의 운전 성능 향상을 위한 최적 조건을 도출 하였다.

원료 형태가 폐비닐 열분해 반응에 미치는 영향 연구

전원진 ( Wonjin Jeon ),김영두 ( Young-doo Kim ),박성열 ( Sung-youl Park ),이경환 ( Kyong-hwan Lee ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-

반응물 형태가 폐비닐 열분해 반응에 미치는 영향을 알아보고자, 반회분식 반응시스템을 이용하여 폐비닐 열분해 반응을 수행하였다. 포장용 폐비닐을 묶음 형태와 분쇄 입자 형태로 가공하여, 400℃의 반응온도에서 90분 간 질소의 주입 유량을 변화시키며 실험을 진행하였다. 반응조건에 따라 얻어진 오일의 수율은 67.7-76.1% 였으며, 디젤 연료에 해당하는 성분(C11-C22)이 주요 생성물로 나타났다. 열분해 오일의 주요 성분은 n-파라핀 및 n-올레핀으로 나타났으며, 입자 형태의 반응물을 사용한 경우에 n-파라핀의 농도가 상대적으로 높게 나타났고 질소 유량이 증가함에 따라 그 농도가 증가함이 관찰되었다. 또한, 입자 형태의 반응물을 사용한 결과, 주요생성물인 디젤 분의 고위발열량(higher heating value, HHV)이 상대적으로 높게 나타났다. 이를 통해, 반응물의 형태 및 질소의 흐름에 따라 생성되는 열분해 오일의 조성이 제어될 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 입자형태의 폐비닐 원료는 연속식 반응물 공급 시스템에 적합한 원료의 형태이므로, 연속식 열분해 반응기 설계에도 유용한 정보를 제공한다고 할 수 있다.

열분해 반응조건에 따른 염화탄화수소 생성물 분포 특성

김용제(Yong-Je Kim),원양수(Yang-Soo Won) 한국청정기술학회 2010 청정기술 Vol.16 No.3

특별세션 2 : 폐자원에너지화 특성화 대학원사업 성과발표회 <학술논문 포스터 발표> ; PO33 : 폐바이오매스 급속 열분해 반응기 모델링에 관한 연구

이유리,최항석 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2013 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2013 No.4

국내에서 발생된 폐바이오매스 중 에너지화 가능한 폐바이오매스는 2007년 기준 약 1,167 톤이 발생하지만, 이 중 약 3.5%만이 에너지원으로 활용되고 있다. 여러 종류의 폐바이오매스 에너지화 방법 중 소각, 가스화 또는 열분해 같은 열화학적 전환방법은 높은 에너지 수율을 얻을 수 있다는 장점 덕분에 각광을 받고 있다. 이 중 급속 열분해는 높은 오일 수율을 얻을 수 있다는 장점과 액체연료가 갖는 장점 때문에 국내외에서 활발하게 연구되고 있다. 이에, 본 연구에서는 폐바이오매스를 이용한 급속 열분해 반응기 모델링이 수행되었다. 모델링된 반응기는 실험실 규모(1 kg/h)로 반응기 내 급속 열분해의 화학 반응 모사를 위해 two-stage semi global kinetic mechanism이 모델에 적용되었으며, 온도와 질량 분율 등의 함수로 모델링되었다. two-stage semi global kinetic mechanism은 폐바이오매스가 응축가스, 비응축가스 그리고 촤로 분해되는 1차반응과 폐바이오매스로부터 생성된 응축가스가 다시 비응축가스와 촤로 분해되는 2차반응으로 구성되어 있다. 먼저 각각의 반응온도에 따른 반응속도를 살펴보았으며, 반응기 출구에서의 급속 열분해 생성물의 수율을 살펴보았다. 모델링된 급속 열분해 반응기 출구에서의 온도변화에 따른 생성물의 수율은 실험값과 함께 비교, 평가되었다. 모델링을 통해 해석된 결과는 먼저, 응축가스의 경우 온도가 증가함에 따라 증가하다 최고 수율을 갖고 감소하였으며, 비응 축가스와 촤의 경우 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. 바이오오일 수율에 직접적인 영향을 미치는 응축가스 수율을 실험값과 비교하였을 때, 해석된 결과와 같은 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.