표제지 1
목차 5
요약 11
Section I. 서론 15
Section II. 바이오매스 당화 연구 및 시설 19
1. 당 생산 및 경제성 분석 연구 동향 19
2. 국내 바이오매스 활용 실증시설 비교 32
Section III. 공정별 설계 인자도출 및 기술·경제 분석 37
1. 공정별 조건 수립 및 물질 수지 분석 37
1) 목질계 바이오매스 준비 37
2) 목질계 당 생산 공정 44
3) 전처리 액상 가수분해물 활용 공정 52
2. 공정별 에너지 수지 분석 64
3. 공정 시뮬레이션 기법 개발 71
4. 공정 경제성 분석 및 당화액 가격 선정 96
Section IV. 100kg/day 규모 연속식 목질계 바이오매스 당화 공정 설계 105
1. 연속 공정 설계 인자 도출 105
2. 전공정 개념설계 107
시사점 117
감사의 글 118
참고문헌 119
국립산림과학원 연구보고 목록 132
판권기 146
뒷표지 148
표 1. 당 생산 경제성 분석 선행 연구 1 21
표 2. 당 생산 경제성 분석 선행 연구 2(국립산림과학원 포함) 21
표 3. 산 전처리 및 토지 이용에 따른 바이오매스 화학조성 및 당 전환율 23
표 4. 비료(영양소) 비용 및 기타 물류 매개변수 24
표 5. 장비 관련 비용 및 운영 데이터 25
표 6. 최적 혼합비율에 사용되는 다양한 조건 26
표 7. 기본 사례 시나리오에 대한 경제적 매개변수 가정 29
표 8. 당화 시설에 대한 기본 변수 예시 29
표 9. 당 생산 연간 운영비용(좌) 및 당 가격 최적화에 사용되는 변수(우) 30
표 10. 유사시설 비교항목 선정 32
표 11. 한국화학연구원 바이오슈가 파일롯 플랜트 개요 33
표 12. ㈜GS칼텍스 바이오부탄올 파일롯 플랜트 개요 33
표 13. ㈜바이올시스템즈 바이오슈가 파일롯 플랜트 개요 34
표 14. 국내 유사시설 비교대조표 34
표 15. 신갈나무, 미루나무, 낙엽송의 화학조성 분석 40
표 16. 선별 입자크기에 따른 선별 시료의 중량비 41
표 17. 입도별 화학조성의 합과 초기 신갈나무 화학조성 결과 비교 43
표 18. 전 공정 물질 수지 51
표 19. 신갈나무의 전처리 액상가수분해물의 화학적 조성 52
표 20. RSM 분석을 위해 선정된 반응조건 53
표 21. RSM 분석에 따라 선정된 반응조건 및 조건에 따른 푸르푸랄 수율 결과 55
표 22. 자일로오스 표준물질로부터 푸르푸랄 최적 조건 탐색을 위한 RSM 결과(모델 분석) 57
표 23. 추출용매별 자일로오스 표준물질 유래 푸르푸랄의 수율 변화 58
표 24. 자일로오스 표준물질, 신갈나무 액상 유래 푸르푸랄의 수율 및 5탄당 전환율 59
표 25. NaCl 첨가 후 자일로오스 표준물질, 신갈나무 액상으로부터 생산된 푸르푸랄 분리 60
표 26. 용매별 최적조건에서의 푸르푸랄 수율(톨루엔(상), MIBK(하) 62
표 27. 푸르푸랄 순도 개선 처리에 따른 화합물 함량 변화 63
표 28. 최적 조건에서의 푸르푸랄 전환 공정 물질 수지 분석 63
표 29. 전 공정 물질 수지 66
표 30. ABS 전환 반응액의 양이온성 수지 분리/정제를 위한 전력량 69
표 31. 에너지 수지 예측값 69
표 32. 난류 모델별 특성 74
표 33. 초임계수 당화 실험 조건 75
표 34. 초임계수 당화 장비를 이용한 경제성(에탄올 생산단가) 분석(시나리오 3, 최종) 98
표 35. 초임계수 당화 장비를 이용한 경제성(에탄올-푸르푸랄 생산) 분석 100
표 36. 실증규모 목질계 바이오화합물 생산시설 구축 사업 개요 109
표 37. 전처리 과정 주요장비와 세부기능 111
표 38. 분리/정제 과정 주요장비와 세부기능 112
표 39. 초임계 당화 과정 주요장비와 세부기능 112
표 40. 사업비 예상(안) 113
표 41. 초임계수 당화공정 시설도입 사업 운영비 책정(안) 114
표 42. 시설 운영비 산정(운영기간 10년 기준) 116
그림 1. 당 및 바이오연료 실증연구 보고서의 워드클라우드(A: NREL 보고서, B: USDA, C: GS칼텍스, D: 국립산림과학원) 20
그림 2. 당 최소 판매 가격 그래프 27
그림 3. 바이오매스의 기계적 전처리 흐름도 28
그림 4. 미국 포도당 시럽 및 원당 가격 30
그림 5. 목질계 바이오매스 분석용 및 실험용 시료 준비 39
그림 6. 체 진동 시간에 따른 바이오매스 중량 수율 40
그림 7. 바이오매스 입자크기별 화학조성 분석 42
그림 8. 목질계 당 생산 공정의 주요 전환 반응 모식도 45
그림 9. 전공정 모식도(A: 당 생산, B: 당-푸르푸랄 생산) 45
그림 10. 분쇄 및 미분쇄 공정 모식도 46
그림 11. 목질계 바이오매스 전처리 공정 47
그림 12. 실증규모 초임계수 가수분해 공정 48
그림 13. 반응기(1), 내부 반응기(2), 오일 수조(3)의 모습 54
그림 14. 자일로오스 표준물질 유래 푸르푸랄 생산 최적조건(농도 고정) 56
그림 15. 자일로오스 표준물질 유래 푸르푸랄 생산 최적조건(온도, 시간 고정) 56
그림 16. 용매별 최종 시료 58
그림 17. 톨루엔 이용 시 푸르푸랄 수율 변화(시간-온도, 산 농도-온도, 시간-산 농도) 61
그림 18. MIBK 이용 시 푸르푸랄 수율 변화(시간-온도, 산 농도-온도, 시간-산 농도) 61
그림 19. 푸르푸랄 순도 개선을 위한 분리 방법(활성탄(상-좌), 진공여과(상-우), 양이온성 레진(하) 62
그림 20. 전력량 측정기를 이용한 공정 소요에너지 측정 65
그림 21. 실증규모 초임계수 당화 장치 주반응 지점 개략도 71
그림 22. 실제장비를 바탕으로 한 CFD 해석 도메인 72
그림 23. 해석 도메인의 각 구간의 메쉬의 개수와 해석시간 73
그림 24. 난류 모델별 형상 73
그림 25. Y자관의 형상과 x-y 평면에서의 메쉬 형태 74
그림 26. Condition 2의 온도장(a), 바이오매스 입자의 온도(b), pathline(c), pathline 확대도(d) 76
그림 27. 바이오매스 입자의 최대온도측정 개략도 77
그림 28. 바이오매스 입자의 최대온도측정 추적 방법 78
그림 29. 바이오매스 입자 최대상승온도 추출 Matlab 순서도 78
그림 30. 최대상승온도 입자분포도 및 누적 입자분포도(Condition 2) 79
그림 31. Condition 2와 1의 바이오매스 입자온도(윗줄)와 유동온도장(아랫줄) 80
그림 32. Condition 2와 1의 바이오매스 입자 pathline 81
그림 33. 최대상승온도 입자분포도 및 누적 입자분포도(Condition 1, 2) 81
그림 34. Condition 2와 1의 바이오매스 속도벡터 82
그림 35. Condition 2와 3의 바이오매스 입자온도(윗줄)와 유동온도장(아랫줄) 83
그림 36. Condition 2와 3의 바이오매스 속도벡터 84
그림 37. 최대상승온도 입자분포도 및 누적 입자분포도(Condition 2, 3) 84
그림 38. Y자관 형상(왼쪽)과 노즐 제외한 Y자관 형상(오른쪽) 85
그림 39. Condition 2와 노즐이 없는 Y자관의 온도장 85
그림 40. 노즐 유무에 따른 최대상승온도 입자분포도 및 누적 입자분포도 86
그림 41. Condition 2에서 초임계수 유량 55kg/hr(왼쪽)와 40kg/hr(오른쪽) 86
그림 42. 초임계수 유량 55kg/hr 및 40kg/hr의 바이오매스 속도벡터 87
그림 43. 유량에 따른 최대상승온도 입자분포도 및 누적 입자분포도 87
그림 44. Condition 2에서 초임계수 유량 55kg/hr(왼쪽)와 70kg/hr(오른쪽) 88
그림 45. 초임계수 55kg/hr 및 70kg/hr의 바이오매스 입자온도(윗줄)와 속도벡터(아랫줄) 89
그림 46. 유량에 따른 최대상승온도 입자분포도 및 누적 입자분포도 89
그림 47. 초임계수 및 바이오매스 슬러리 투입각도에 따른 유동 변화 90
그림 48. 바이오매스 슬러리 관 노즐 모양에 따른 유동 변화 91
그림 49. 목분유입온도 증가에 따른 유동 변화 92
그림 50. 목분유입온도 증가에 따른 온도별 입자 분포 92
그림 51. 중력장 유무에 따른 유동 변화 및 온도별 입자 분포 93
그림 52. 중력장의 유동 간섭 영향을 최소화하기 위한 인자 조절 93
그림 53. 링 타입 반응기 형상 및 유동 변화 94
그림 54. 링 타입 반응기 형상에서의 입자 온도 분포 94
그림 55. 바이오매스 처리량, 글루코오스 회수율, 자일로오스 회수율에 따른 에탄올 가격 100
그림 56. 실증규모 바이오화합물 장비 구축을 통해 목표하는 선순환 체계 108
그림 57. As-is, How-to, To-be 분석 방법 110
그림 58. P&ID와 공정 흐름 111
그림 59. PEST 관점 연구시설 도입의 필요성 분석 115