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왕겨 및 커피껍질의 반탄화 공정에 관한 연구
많은 연구에서 기후변화에 따른 화석연료의 문제점을 제시하고 있는 상황에서 신재생 에너지나 대체 에너지 필요성이 요구되고 있다. 바이오 에너지는 대체에너지로서 직접 사용 보다는 다른 공정을 거쳐 자원의 효율화를 높이는 게 중요하다. Torrefaction (반탄화)는 이러한 자원 효율성을 높이는데 효과적으로 하는 공정이다. 반탄화는 주로 200 to 300℃에서 무산소 조건에서 일어나는 공정으로서 열적화학적 전처리 과정이다. 이 공정을 통하여 수분 및 휘발성 유기물 중량을 감소시켜 에너지 밀도를 높일 수 있다. Bergman 등 (2005)은 반탄화 공정에서 온도를 높이면 C/O와 C/H 비율 증가로 인하여 에너지 밀도가 증가 한다고 하였으며 Basu 등 (2014)은 목재의 반탄화를 거친 후 고정 탄화가 증가한다는 연구 결과를 발표하였다. 본 연구의 목적은 왕겨와 커피껍질의 반탄화 과정을 온도변화는 200∼300℃, 체류시간은 20, 40, 60 min을 적용하여 조사하였다. 이를 위하여 반탄화 전 후 물리화학적 특성과 differential thermal analyses (DTA)을 분석하였다. 연구결과, 온도변화가 체류시간보다 더 반탄화에 더 영향을 주었다. 그리고 체류시간 40 min이 농업 부산물인 왕겨와 커피껍질의 재활용으로 적합한 반탄화 조건이었으며 화석연로로 대체하는데 효과적인 실험 결과를 보여 주었다. 물리화학적 특성에서는 휘발성 물질은 왕겨가 70.9%, 커피껍질이 72.2% 이었다. 왕겨와 커피껍질 원료의 발열량은 각각 21.3과 22.5 MJ/kg이었으며 60 min와 300℃에서 반탄화 후 발열량은 29.6과 27.5 MJ/kg이었다. 반탄화에 의한 질량증가는 온도변화와 체류시간, 바이오매스의 특성에 의한 고형물에 의해 결정되었다. Fig. 1은 체류시간 60 min에서 질량증가를 나타내는 그림이며 60 min와 300℃에서 왕겨와 커피껍질의 질량증가는 각각 39.7 wt.%, 32 wt.%이었다. 에너지 밀도는 반탄화 후 잔류탄소함량만으로 추정하였으며 질량증가와 같은 현상인 왕겨가 커피껍질에 비해 높았다. 왕겨와 커피껍질은 농업 부산물로서 커피껍질의 경우 60% 이상 감량화가 일어났음에도 불구하고 에너지밀도의 증가는 큰 차이는 없으나 커피껍질이 왕겨에 비해 상대적으로 에너지 밀도나 고발열량 증가율이 낮은 것은 mass yield와 고발열량 증가율이 적은 영향으로 사료된다. 커피껍질은 왕겨와 비교했을 때 상대적으로 에너지밀도의 증가가 적어 효과가 더 적은 것으로 생각된다.
