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Van Quynh Nguyen(응웬 반 꾸잉),Yeon-seok Choi(최연석),Sang-kyu Choi(최상규),Yeon-woo Jeong(정연우),So-young Han(한소영) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7
In this study, coffee-ground was pyrolyzed with waste polystyrene foam in bubbling fluidized bed reactor using natural zeolite as a heat carrier with catalytic properties. This process was expected to improve the pyrolysis-oil properties due to both the presence of plastic and of the natural zeolite catalyst. The co-pyrolysis experiment was conducted under the following conditions: temperature of 500℃ which was chosen based on results from thermo-gravimetric analyses of coffee-grounds and waste polystyrene foam, nitrogen flow rate of 20~25 L/min, and feeding rate of 200 g/h. The yield, characteristics, and compositions of the pyrolysis oils were compared between two cases which were with and without catalyst. This process could be an attractive option to overcome the challenges of any biomass pyrolysis process in up-grading the pyrolysis-oil properties.
Plug Flow Reactor 모델을 이용한 폐플라스틱의 열분해 특성 해석
최상규(Sangkyu Choi),최연석(Yeonseok Choi),정연우(Yeonwoo Jeong),한소영(Soyoung Han),응웬 반 꾸잉(Quynh Van Nguyen) 한국신재생에너지학회 2022 신재생에너지 Vol.18 No.4
The pyrolysis characteristics of high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE), and polypropylene (PP) were analyzed numerically using a 1D plug flow reactor (PFR) model. A lumped kinetic model was selected to simplify the pyrolysis products as wax, oil, and gas. The simulation was performed in the 400-600°C range, and the plastic pyrolysis and product generation characteristics with respect to time were compared at various temperatures. It was found that plastic pyrolysis accelerates rapidly as the temperature rises. The amounts of the pyrolysis products wax and oil increase and then decrease with time, whereas theamount of gas produced increases continuously. In LDPE pyrolysis, the pyrolysis time was longer than that observed for other plastics at a specified temperature, and the amount of wax generated was the greatest. The maximum mass fraction of oil was obtained in the order of HDPE, PP, and LDPE at a specified temperature, and it decreased with temperature. Although the 1D model adopted in this study has a limitation in that it does not include material transport and heat transfer phenomena, the qualitative results presented herein could provide base data regarding various types of plastic pyrolysis to predict the product characteristics. These results can in turn be used when designing pyrolysis reactors.
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.
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.