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유한요소법을 적용한 표면탄화 목재칩 질량감소 예측모델 개발 및 검증
김석준 ( Seokjun Kim ),오광철 ( Kwangcheol Oh ),박선용 ( Sunyong Park ),조라훈 ( Lahoon Cho ),이충건 ( Chunggeon Lee ),전영광 ( Young Kwang Jeon ),김대현 ( Daehyun Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2
화석연료는 난방, 발전, 운송 등 다양한 범위에 사용되고 있으며 화석연료의 지속적인 사용은 온실가스(CO2, CH4 등) 및 대기오염물질 방출, 지구온난화와 같은 문제를 초래한다. 화석연료 사용을 줄이기 위해 파리기후변화협정과 같이 전 세계적으로 공동 대응하고 있으며 우리나라는 2030년 온실가스 배출량을 2017년 대비 24.4% 감축 목표로 계획하였다. 또한, 전 세계적으로 화석연료를 대체할 대체에너지 자원개발의 필요성을 언급하며 연구가 활발히 진행되고 있다. 대체에너지 자원 중 재생에너지에 해당하는 목질계 바이오매스는 연소시 CO2 배출량이 화석연료에 비해 상대적으로 낮고 유한한 화석연료에 비해 재생산이 얼마든지 가능한 탄소중립 연료이다. 하지만 목질계 바이오매스는 친수성이 강하고 화석연료 대비 발열량이 낮아 연료특성 개선이 필요하며 이를 위해 선행연구를 통해 개발된 열화학적 전환방법인 표면탄화 공정을 적용하였다. 표면탄화 공정이란 300~500℃ 온도 범위에서 5분 이내로 열처리하는 공정으로 내수성이 증가하고 발열량이 증대되어 연료특성이 개선된다. 본 연구에서는 표면탄화 공정조건에 따라 다르게 나타나는 질량감소를 효율적으로 확인 및 제시하기 위해 유한요소법(FEM:Finte Element Method) 및 아레니우스 경험식을 적용한 표면탄화 질량감소예측모델을 개발하였다. 공시재료로는 벌도 후 발생하는 임목부산물을 파쇄한 침엽수 및 활엽수 목재칩을 활용하였으며 실험 및 시뮬레이션 간 비교ㆍ검증 결과 R2, RMSE는 각각 0.84, 2.15, 0.86, 0.69로 나타났다.
버너 시스템을 활용한 PM-NOx 저감 장치의 de-NOx 효율 개선
김길동(Gildong Kim),이경복(Kyoungbok Lee),원장혁(Janghyeok Won),오광철(Kwangcheol Oh) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
환경오염으로 인한 대기질 개선을 위해 배출가스 규제가 강화됨에 따라 디젤 차량의 경우 기존의 전처리 기술로는 현재의 환경규제를 만족시키는데 한계가 있으며, PM(입자상 물질) 및 NO<sub>x</sub>(질소산화물)를 허용배출량까지 낮추기 위해서는 후처리장치가 필수적으로 요구되고 있다. 선박 및 건설, 군용전술차량과 같이 특수 장비 및 차량의 경우 배출가스규제보다 특수한 목적을 중점으로 제작되어 현재 제작되는 장비 및 차량에 비해 높은 유해배출물질을 발생하므로 PM-NO<sub>x</sub> 저감장치의 장착을 필요로 한다. PM-NO<sub>x</sub> 저감 장치에서 버너는 저속·저부하 운전 조건에서 DPF 재생이 어려울 경우 버너를 이용하여 PM을 제거하는 목적으로 사용되지만, 배기온도가 200℃ 이하인 저온영역에서 버너를 연계·활용 시, 배기온도를 일정온도 수준으로 높여 SCR의 NO<sub>x</sub> 저감 효율을 향상시키고, 저온구간에서 SCR에 흡장되는 NH3양을 줄여 고온에서 방출되는 NH3 slip 발생량을 줄일 수 있다. 본 연구에서는 엔진 벤치에서 군용전술차량인 K-711차량의 12L급 엔진을 대상으로 PM-NO<sub>x</sub> 저감 장치를 적용하여 운전 특성 및 PM 저감 효율 확인하였으며, 배기온도가 낮은 저온영역에서 버너의 연계·활용유무에 따른 NO<sub>x</sub> 저감효율을 비교, 평가하였다.
표면탄화 공정을 통한 바이오매스의 원소 및 발열량변화 예측 시뮬레이션 모델 개발 및 검증
김석준 ( Seokjun Kim ),박선용 ( Sunyong Park ),조라훈 ( Lahoon Cho ),전영광 ( Young Kwang Jeon ),오광철 ( Kwangcheol Oh ),이충건 ( Chunggeon Lee ),김대현 ( Daehyun Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1
지속적인 화석연료 사용으로 온실가스(CO<sub>2</sub>, NO<sub>2</sub>...) 및 대기오염 물질 배출량 증가하고 있다. 이로 인해 지구온난화 가속화 및 이상기후가 빈번히 발생하고 있어 대체에너지 개발의 필요성이 대두되고 있다. 우리나라는 탈석탄 정책과 더불어 2030년 온실가스감축 목표(NDC)를 2018년대비 40%로 목표하였다. 재생에너지 자원 중 하나인 산림바이오매스 활용을 위해 벌도가 이루어지고 이후 발생하는 임목부산물은 뚜렷한 활용처 없이 버려지고 있다. 임목부산물 활용하기 위해서는 낮은 발열량과 친수성 성질 등 연료특성을 저하시키는 요인을 개선해야 한다. 이를 개선하기 위해 선행연구로 반탄화 열처리 공정의 단점을 개선한 표면탄화 공정을 개발하여 적용하였다. 표면탄화 공정이란 300~500°C온도 범위에서 5분 이내로 열처리 진행하는 방법으로 이를 통해 소수성 및 발열량 증대 등 연료특성이 개선되었다. 하지만 표면탄화 공정조건에 따라 발열량이 다르게 나타나기 때문에 실험을 통한 발열량 측정 및 확인하기까지 시간 및 비용이 다소 요구된다. 본 연구에서는 표면탄화 공정 동안 변화하는 탄소(C), 수소(H), 산소(O) 성분비율을 시뮬레이션을 통해 예측하여 이를 기존 문헌에 존재하는 여러 가지 발열량 예측식에 적용하여 발열량을 효율적으로 도출하고자 한다. 공시재료로 이태리포플러와 리기다소나무를 활용하였고 각각 목재칩 형태로 표면탄화 공정을 진행 후 실험 및 시뮬레이션을 통해 도출된 발열량을 비교ㆍ검증하였다.
유한요소법 및 열중량 분석결과를 적용한 목질계 바이오매스 질량감소모델 개발 및 검증
김석준 ( Seokjun Kim ),박선용 ( Sunyong Park ),조라훈 ( Lahoon Cho ),전영광 ( Young Kwang Jeon ),오광철 ( Kwangcheol Oh ),이충건 ( Chunggeon Lee ),김대현 ( Daehyun Kim ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.1
산업의 발달과 인구의 증가로 인해 화석연료 에너지 소비요구량이 증가하고 있다. 화석연료의 사용은 온실가스에 해당하는 CO2를 다량 배출한다. 따라서 전 세계적으로 화석연료 사용 감축을 위한 대체에너지 연구개발의 필요성을 언급하고 있다. 또한, 최근 우리나라는 탈석탄 정책 등을 통해 2030년까지 BAU 대비 온실가스 배출량을 37% 감축 목표로 신ㆍ재생에너지 개발연구가 활발히 진행되고 있다. 재생에너지 중 목질계 바이오매스는 연소 시 CO2 배출량이 석탄에 비해 상대적으로 적고 재생산이 얼마든지 가능한 탄소 중립 연료로서의 장점이 있다. 본 연구에서는 목질계 바이오매스의 연료특성을 개선할 수 있는 열화학적 변환방법인 표면탄화 공정 후 나타나는 질량감소를 효율적으로 제시하기 위해 유한요소법(FEM: finite element method) 및 열중량 분석결과를 적용한 시뮬레이션을 통해 구현하였다. 표면탄화 공정이란 300~500℃의 온도 범위에서 5분 이내로 열처리를 진행하는 공정방법으로 반탄화 공정 후 발생하는 질량수율 감소문제를 개선하기 위해 선행연구를 통해 개발한 공정방법이다. 표면탄화 공정을 통한 질량감소 시뮬레이션을 구현하기 위해서 아레니우스 경험식을 활용하였으며, 아레니우스 경험식을 통해 도출된 반응속도 상수는 표면탄화 공정동안 바이오매스 질량변화를 계산하여 제시한다. 반응속도 상수를 계산하기 위해서는 온도(T), 활성화에너지(Ea), 빈도인자(A)를 적용해야하며, 이는 FEM을 통한 표면탄화 공정 동안의 변화되는 바이오매스 온도(T), TGA 분석을 통해 활성화 에너지(Ea), 빈도인자(A)를 도출하였다.
유한요소법을 적용한 목질계 바이오매스 질량감소모델 개발 및 검증
김석준 ( Seokjun Kim ),박선용 ( Sunyong Park ),조라훈 ( Lahoon Cho ),전영광 ( Young Kwang Jeon ),오광철 ( Kwangcheol Oh ),이충건 ( Chunggeon Lee ),김대현 ( Daehyun Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
지속적인 산업발전과 인구증가로 인하여 화석자원 에너지소비량이 증가하고 있다. 화석자원 에너지소비량 증가로 인하여 CO2와 같이 온실가스 배출량이 증가하고 있다. 최근 우리나라는 탄소 절감을 위하여 탈원전 및 탈석탄 정책 등을 수립하였으며, 또한 2030년까지 재생에너지를 이용한 발전량 비중을 20% 달성 계획을 수립하였다. 이에 따라 대체에너지 개발의 필요성이 대두되고 있다. 재생에너지 중 목질계, 초본계 바이오매스를 에너지원으로 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 바이오매스는 연소 시 이산화탄소의 배출량이 석탄에 비해 적고 탄소 중립 연료로라는 장점이 있다. 본 연구에서는 목질계, 초본계 바이오매스의 연료특성을 개선할 수 있는 열화학적 변환방법인 표면탄화 공정을 유한요소법(FEM: finite element method)을 적용한 시뮬레이션을 통해 구현하였다. FEM을 통한 바이오매스의 질량감소를 도출하기 위하여 TGA 분석을 통해 도출된 활성화 에너지 (Ea), 빈도인자(A)를 아레니우스 경험식에 적용하였다. 선행연구에서 개발한 표면 탄화란 300~500℃의 온도 범위에서 5분 이내로 열처리를 진행하는 공정방법이다. 선행연구에서 표면탄화 실험을 통한 목재 펠릿의 표면탄화 최적 공정 조건은 300℃에서 각각 4분 30초, 5분으로 질량수율은 약 88.2%, 86.6%이며 시뮬레이션을 통한 질량수율은 각각 87.8%, 84.3%로 나타났다. 실험과 시뮬레이션의 질량 수율 비교결과 약 0.4%P, 2.3%P 차이가 나타났다. 이는 시뮬레이션에 적용된 승온속도가 실험에서 펠릿의 승온속도와 차이가 있을것으로 판단된다.
반탄화를 통한 고형 바이오 연료로서 대나무 칩의 연료 특성 확인
김선엽 ( Seonyeop Kim ),김하은 ( Haeun Kim ),남서연 ( Seoyeon Nam ),박선용 ( Sunyong Park ),김석준 ( Seokjun Kim ),오광철 ( Kwangcheol Oh ),조라훈 ( Lahoon Cho ),전영광 ( Youngkwang Jeon ),김대현 ( Daehyun Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2
지구온난화로 인해 이상기후 발생이 증가하고 있어 환경오염에 대한 우려가 높아지고 있다. 신재생에너지 에너지 의무화제도로 인해 목재펠릿에 수요가 급증했다. 하지만 국내 우드펠릿 자급률은 15.9%에 불과하다. 산림청은 대나무를 제조 원료로 포함하도록 목재펠릿 품질 기준을 개정한다고 발표했다. 하지만 대나무의 발열량은 화석연료 대비 낮다. 따라서 본 연구는 반탄화 공정을 통해 활용도가 낮은 대나무의 연료 품질을 향상시킨다. 경상남도 합천군의 업체에서 구입한 대나무칩을 230℃에서 310℃까지 다양한 온도에서 1시간 동안 반탄화 하였다. 반탄화 된 시료로 질량수율을 측정하였을 때, 32.37%에서 76.74% 범위였으며 발열량은 19.50MJ/kg~28.68MJ/kg으로 다양했다. 또한 원소 분석결과, 반탄화 공정 온도가 높을수록 탄소의 비율은 43.93%-74.14%로 증가하고 수소와 산소의 비율은 각각 46.87-22.35%, 8.06-5.33%로 낮아졌다. 반탄화를 위한 최적 조건의 온도는 270℃인 것으로 나타났다. 결론적으로 반탄화 공정을 거친 대나무는 고형연료로서 이용가능성이 높다고 판단된다.