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표제지

요약

목차

I. 서론 13

1. 연구의 배경 및 목적 13

II. 이론적 고찰 16

1. 바이오매스 16

1) 목질계 바이오매스 17

2. 바이오매스의 에너지 전환 기술 현황 22

1) 물리적 변환 공정 22

2) 생화학적 변환 공정 22

3) 열화학적 변환 공정 23

3. 폐기물 고형연료 24

1) 국내 고형연료 품질기준 26

2) 국외 고형연료 품질기준 28

3) 국내·외 고형연료제품 현황 31

4) 국내 고형연료 제조 및 사용시설 현황 32

4. 펠릿 36

1) 펠릿 성형기의 설계인자 37

2) 펠릿 성형 조건 및 품질 38

3) 목재펠릿 40

III. 실험 장치 및 실험방법 41

1. 왕겨의 고형연료 제조기술 개발 41

1) 실험 재료 42

2) 실험 방법 42

2) 분석 방법 46

2. 팽연왕겨의 펠릿화 기술 개발 50

1) 미세분 측정 51

2) 내구성 측정 51

3) 겉보기밀도 측정 52

IV. 실험 결과 및 고찰 53

1. 왕겨의 고형연료 제조기술 개발 53

1) 붕사 첨가를 통한 왕겨의 발열량 개선 58

2) 과산화수소 첨가를 통한 왕겨의 발열량 개선 59

3) 수산화나트륨 첨가를 통한 왕겨의 발열량 개선 60

4) 팽연화 기술을 통한 왕겨의 발열량 개선 61

5) 커피유 첨가를 통한 왕겨의 발열량 개선 67

2. 팽연왕겨의 펠릿화 기술 개발 70

3. 팽연왕겨의 펠릿 생산기술 개발 77

1) 압출다이 설계 및 제작 77

2) 성형조건 및 생산성 분석 81

3) 최적 펠릿 생산량 분석 85

4) 커피유 첨가 왕겨펠릿 성능평가 89

V. 결론 92

참고문헌 95

Abstract 100

표목차

Table 1.1. Primary energy supply by country(2019) 13

Table 1.2. Import amount of energy 13

Table 1.3. 에너지원별 1차 에너지 공급량 14

Table 2.1. Various lignocellulosic biomass chemical composition. 18

Table 2.2. 다양한 열화학적 변환공정에서 발생하는 열분해 생성물 수율. 23

Table 2.3. Definition of SRF and Bio-SRF fuels. 25

Table 2.4. Solid refuse fuel(Pellet/Fluff) quality standards. 26

Table 2.5. Biomass solid refuse fuel(Pellet/Fluff) quality standards. 27

Table 2.6. UNI EN 15359 characteristics of classification 28

Table 2.7. MBT processed RDF quality criteria 29

Table 2.8. Japan refused derived fuel technical report 30

Table 2.9. 국내 SRF 제조시설 현황 32

Table 2.10. 2018년 권역별 SRF 제조시설 현황 및 제조량 33

Table 2.11. 고형연료제품 종류별 사용시설 현황 34

Table 2.12. 2018년 권역별 SRF 사용시설 현황 및 사용량 35

Table 3.1. 연소촉진제 특성 41

Table 3.2. 함수율 분석 46

Table 3.3. 회분 분석 47

Table 3.4. 목재펠릿성형기 제원(에코로지, E-150) 50

Table 3.5. 성형펠릿의 미세분 측정 51

Table 3.6. 성형펠릿의 내구성 측정 51

Table 3.7. 성형펠릿의 미세분 측정 52

Table 4.1. 왕겨의 원소분석 및 발열량 분석 53

Table 4.2. 왕겨의 함수율 및 회분분석 54

Table 4.3. 왕겨의 염소함유량 분석결과 56

Table 4.4. 왕겨의 중금속 분석결과 56

Table 4.5. 왕겨의 바이오고형연료 및 목재펠릿규격 적합도 57

Table 4.6. 커피유 첨가율에 따른 팽연왕겨 예상 발열량 67

Table 4.7. 커피유 첨가율에 따른 팽연왕겨 발열량 69

Table 4.8. 목재펠릿압출다이 및 개발압축다이 규격 71

Table 4.9. 압출다이 변화에 따른 커피유 첨가 왕겨펠릿 특성 변화 73

Table 4.10. 함수율 변화에 따른 커피유 첨가 왕겨펠릿 특성 변화 75

Table 4.11. 총투입면적 및 압출구 수량 설계 규격 78

Table 4.12. 마찰면적 및 압출구 길이 설계 규격 78

Table 4.13. 압출다이 제작 규격 79

Table 4.14. 커피유 첨가 왕겨펠릿의 바이오고형연료 및 목재펠릿규격 적합도 89

그림목차

Fig. 2.1. Energy conversion technology of biomass 16

Fig. 2.2. Structure of cellulose. 19

Fig. 2.3. Structure of hemicellulose. 20

Fig. 2.4. Structure of lignin. 21

Fig. 2.5. Summary of factors affecting pellet binding mechanisms and friction... 38

Fig. 3.1. 팽연화에 의한 왕겨의 조직 변화 43

Fig. 3.2. 롤러형 팽연화장치 44

Fig. 3.3. 스크류형 팽연화장치 44

Fig. 3.4. 커피추출잔사(Jardin) 45

Fig. 3.5. 가열압착식 착유기 45

Fig. 3.6. 원소분석기(Vario macro cube) 48

Fig. 3.7. 자동열량계(AC 600) 48

Fig. 3.8. 열분석기(DTG) 49

Fig. 3.9. 목재펠릿성형기 50

Fig. 4.1. 친들벼 품종 왕겨 a)왕겨, b)SEM 분석(x500) 53

Fig. 4.2. 왕겨의 DTG 분석결과 55

Fig. 4.3. 목재펠릿(낙엽송)의 DTG 분석결과 55

Fig. 4.4. 붕사 첨가에 의한 왕겨의 발열량 변화 58

Fig. 4.5. 과산화수소 첨가에 의한 왕겨의 발열량 변화 59

Fig. 4.6. 수산화나트륨 첨가에 의한 왕겨의 발열량 변화 60

Fig. 4.7. 팽연화 방식에 따른 왕겨 조직구조 변화 a) Control, b) 스크류형... 61

Fig. 4.8. 팽연화 방법에 따른 왕겨의 발열량 변화 62

Fig. 4.9. 팽연화 방식에 따른 왕겨의 흡수율 변화 63

Fig. 4.10. 팽연왕겨 흡수율 실험 63

Fig. 4.11. 팽연화 후 왕겨 a) Screw type, b) Roller type 64

Fig. 4.12. 왕겨의 함수율에 따른 팽연화 생성물 발열량 변화 65

Fig. 4.13. 팽연화 온도에 따른 생성물 발열량 변화 65

Fig. 4.14. 팽연화 온도 변화에 따른 생성물의 염소함유량 변화 66

Fig. 4.15. 원심분리형 기름여과기 67

Fig. 4.16. 가열압착을 통해 생성된 커피유(함수율 8%, 탈지온도 120℃) 68

Fig. 4.17. 팽연왕겨 및 커피유 15% 혼합 68

Fig. 4.18. 커피유 첨가율에 따른 팽연왕겨 발열량 변화 69

Fig. 4.19. 바이오매스펠릿 성형원리 70

Fig. 4.20. 목재펠릿성형기를 이용한 커피유 첨가 팽연왕겨 시료의 성형 생성물 71

Fig. 4.21. 커피유 첨가 팽연왕겨 성형을 위한 압출다이 도면 71

Fig. 4.22. 목재펠릿성형기 압출다이 72

Fig. 4.23. 제작된 커피유 첨가 팽연왕겨 성형 압출다이 72

Fig. 4.24. 커피유 첨가 팽연왕겨펠릿(압출구 길이 50 mm) 73

Fig. 4.25. 커피유 첨가 팽연왕겨펠릿(압출구 길이 60 mm) 74

Fig. 4.26. 커피유 첨가 팽연왕겨펠릿... 75

Fig. 4.27. 커피유 첨가 팽연왕겨펠릿... 75

Fig. 4.28. 커피유 첨가 팽연왕겨펠릿... 76

Fig. 4.29. 커피유 첨가 팽연왕겨 pellet mill ring-type die 79

Fig. 4.30. 커피유 첨가 팽연왕겨 pellet bill ring-type die drawing sheet 80

Fig. 4.31. 펠릿 성형기 및 컨베이어 벨트 81

Fig. 4.32. 원료 함수율 9 wt%로 제작된 펠릿 82

Fig. 4.33. 원료 함수율 11 wt%로 제작된 펠릿 82

Fig. 4.34. 원료 함수율 13 wt%로 제작된 펠릿 83

Fig. 4.35. 투입원료 함수율 변화에 따른 생성 펠릿 겉보기밀도 변화 83

Fig. 4.36. 투입원료 함수율 변화에 따른 생성 펠릿 내구성 변화 84

Fig. 4.37. 투입원료 함수율 변화에 따른 생성 펠릿 함수율 변화 84

Fig. 4.38. 원료 투입 호퍼 85

Fig. 4.39. 원료 투입속도에 따른 왕겨 펠릿 수율 변화 86

Fig. 4.40. 원료 투입속도에 따른 왕겨 펠릿 겉보기밀도 변화 87

Fig. 4.41. 원료 투입속도에 따른 왕겨 펠릿 내구성 변화 87

Fig. 4.42. 원료 투입속도에 따른 왕겨 펠릿 함수율 변화 88

Fig. 4.43. 왕겨펠릿 연소특성분석 시스템 90

Fig. 4.44. 시간 경과에 따른 왕겨펠릿의 화염 크기 변화 91

Fig. 4.45. 왕겨펠릿의 fluegas 분석 91

초록보기

본 연구는 농업부산물로 생성되는 왕겨를 사용하여 목재펠릿난방용 고형연료 제작 기술을 개발하여 폐자원 바이오매스를 에너지원으로 전환하는 기술을 개발하고자 하였다.

왕겨를 고형연료로 제작하기 위해 특성분석을 진행하였다. 왕겨의 원소분석을 통해 C 43.4%, H 5.5%, N 0.3%, S 0.04%를 함유하는 것을 알 수 있었으며 함수율 14.5 wt%, 회분 10.7 wt%, 발열량 3,780 kcal/kg의 특성을 나타냈고 고형연료로 사용하기 위해서 발열량 개선이 필요하다 판단하였다.

왕겨의 발열량 개선 실험 진행 시 연소촉진제를 사용하여 발열량을 증가시키고자 하였으며 우선적으로 석탄연소촉진제로 널리 쓰이는 붕사, 과산화수소, 수산화나트륨을 첨가하여 왕겨의 발열량 개선 가능성을 알아보고자 하였다. 실험 진행 시 붕사, 과산화수소, 수산화나트륨을 왕겨에 1, 2, 3, 4 wt%를 혼합하여 발열량을 측정하였지만 개선점이 미비한 결과를 나타냈다. 석탄연소촉진제 이외의 연소촉진제를 모색하고자 하였다.

현대 사회에서 커피 소비의 증가로 인해 커피찌꺼기의 발생량이 증가하는 문제를 발견했으며 폐자원 바이오매스인 커피찌꺼기 처리 시 커피유가 발생되는 것을 알 수 있었다. 왕겨의 낮은 발열량 개선을 위해 연소촉진제로 커피유 사용 가능 여부를 판단하기 위해 커피유의 성상분석을 진행하였다. 커피유 분석 결과 발열량 9,116 kcal/kg, 인화점 206.5℃, 밀도 955.8 kg/㎥, 유동점 18℃, 전산가 17.8 mgKOH/g, 황분 0.13%, 잔류탄소분 3.81%로 분석되었다. 왕겨의 발열량과 커피유 발열량 혼합 시 발열량 5,000 kcal/kg 이상의 고형연료를 생산하기 위해 이론적으로 15% 이상의 커피유를 왕겨와 혼합해야 한다 판단하였다.

왕겨와 커피유 혼합 시 외피가 규소로 피복되어 있고 조직이 치밀한 왕겨의 특성으로 인해 연소촉진제 흡수율이 낮은 문제가 야기되어 흡수율 개선을 위해 팽연화 기술을 도입하여 흡수율을 증가시키고자 하였다. 반응온도를 80, 100 120℃로 진행하여 최적 팽연화 반응온도를 도출하고자 하였고 팽연화 진행 시 왕겨의 함수율을 30, 50, 70 wt%로 차이를 두어 실험을 진행하여 원료의 최적 함수율을 도출하고자 하였다. 실험결과 반응 온도 100℃에서 가장 높은 발열량 개선 결과를 얻을 수 있었으며 원료의 함수율 분석 시 50, 70 wt%의 차이가 미비하였지만 가수량이 적은 50 wt%의 함수율이 가장 적합하다 판단하여 본 연구 시 팽연화 조건은 반응온도 100℃, 원료 함수율 50 wt%로 고정하여 실험을 진행하였다.

팽연화된 왕겨에 커피유를 연소촉진제로 첨가할 시 커피유의 적정 혼합량을 도출하기 위해 5, 10, 15, 20, 25 wt%의 커피유를 왕겨에 혼합하여 발열량 개선 결과를 도출하였으며 실험결과 5% 4,424 kcal/kg, 10% 4,661 kcal/kg, 15% 4,949 kcal/kg, 20% 5,141 kcal/kg, 25% 5,383 kcal/kg의 생성물 발열량 개선결과를 도출할 수 있었다. 팽연왕겨에 커피유 혼합 후 펠릿화 공정에서 생성물의 함수율이 개선되는 점을 고려할 시 커피유 15 wt%를 첨가하는 것이 적절하다 판단하였다.

커피유가 혼합된 팽연왕겨의 펠릿 성형 시 목재펠릿성형기에 투입하여 성형성을 확인한 결과 함수율과 무관하게 모든 시료가 짧게 끊어지는 현상이 발견되었으며 이에 펠릿 성형을 위한 압출다이를 개발하고자 하였다. 압출다이 개발 시 펠릿 생산량 최대 1 ton/hr 용량의 다이를 설계하였으며 커피유가 첨가된 팽연왕겨의 함수율을 9, 11, 13 wt%로 조절하여 펠릿화 후 생성물 분석을 통해 압출다이 투입 시료의 최적 함수율을 도출하고자 하였다. 실험결과 커피유가 첨가된 팽연왕겨의 함수율 차이에 의해 겉보기 밀도는 함수율 9 wt% 674 kg/㎥, 11 wt% 681 kg/㎥, 13 wt% 702 kg/㎥을 나타냈으며 내구성 분석 시 함수율 별 9 wt% 88.9%, 11 wt% 95.1%, 13 wt% 97.7%로 나타났다. 펠릿 성형 시 커피유가 첨가된 팽연왕겨의 함수율은 13 wt%가 가장 적절할 것으로 판단하였다.

최적 펠릿 생산량 분석을 위해 압출다이의 생산량을 0.6, 0.8, 1.0 ton/hr으로 차이를 두어 왕겨펠릿을 제작하였다. 실험결과 0.6 ton/hr 조건에서 겉보기밀도 708 kg/㎥, 내구성 97.6%의 생성물을 얻을 수 있었으며 0.8 ton/hr 시 겉보기밀도 681 kg/㎥, 내구성 95.8%, 1.0 ton/hr 겉보기밀도 677 kg/㎥, 내구성 95.1%의 펠릿이 생성되는 결과를 얻을 수 있었다. 펠릿 생산 시 처리용량이 증가되면 압출 다이 내 시료의 체류시간이 짧아져 내구성이 감소하는 현상을 야기하였다. 따라서 펠릿화 진행 시 처리용량 산정이 펠릿의 내구성에 중요한 요인이라 판단되며 본 실험 결과 0.6 ton/hr의 처리용량에서 겉보기밀도 708 kg/㎥, 내구성 97.6%로 본 연구의 목표를 충족하는 결과를 나타냈다.

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