This study focuses on computational particle fluid dynamics (CPFD) modeling for the fast pyrolysis of biomass in a conical spouted bed reactor. The CPFD simulation was conducted to understand the hydrodynamics, heat transfer, and biomass fast pyrolysis reaction of the conical spouted bed reactor and the multiphase-particle in cell (MP-PIC) model was used to investigate the fast pyrolysis of biomass in a conical spouted bed reactor. A two-stage semi-global kinetics model was applied to model the fast pyrolysis reaction of biomass and the commercial code (Barracuda) was used in simulations. The temperature of solid particles in a conical spouted bed reactor showed a uniform temperature distribution along the reactor height. The yield of fast pyrolysis products from the simulation was compared with the experimental data; the yield of fast pyrolysis products was 74.1wt.% tar, 17.4wt.% gas, and 8.5wt.% char. The comparison of experimental measurements and model predictions shows the model’s accuracy. The CPFD simulation results had great potential to aid the future design and optimization of the fast pyrolysis process for biomass.

The optimum design and scale-up of a fast pyrolysis reactor require a fundamental understanding of its hydrodynamics characteristics. Extensive investigations have been carried out, both theoretically and experimentally, to understand the hydrodynamic characteristics of gas-solid two-phase flow in a pyrolysis reactor, such as velocity field, solids concentration, and pressure drop. Numerical simulation can provide a promising alternative for studying the hydrodynamics of gas-solid flows in the fast pyrolysis reactor. In this study, computational particle fluid dynamics (CPFD) was used to investigate the hydrodynamic characteristics of bubbling fluidized bed (BFB) and conical spouted bed (CSB) reactors. These characteristics were analyzed in terms of pressure drop, solid distribution, and solid circulation rate. The BFB reactor was found to have a lower efficiency than the CSB reactor. The pressure drop of the CSB reactor was 25% less than that of the BFB reactor. The solid circulation rate of the CSB reactor was 68% greater than that of the BFB reactor.

The development of renewable energy is currently strongly required to address environmental problems such as global warming. In particular, biomass is highlighted due to its advantages. When using biomass as an energy source, the conversion process is essential. Fast pyrolysis, which is a thermochemical conversion method, is a known method of producing bio-oil. Therefore, various studies were conducted with fast pyrolysis. Most studies were conducted under a lab-scale process. Hence, scaling up is required for commercialization. However, it is difficult to find studies that address the process analysis, even though this is essential for developing a scaled-up plant. Hence, the present study carries out the process analysis of biomass pyrolysis. The fast pyrolysis system includes a biomass feeder, fast pyrolyzer, cyclone, condenser, and electrostatic precipitator (ESP). A two-stage, semi-global reaction mechanism was applied to simulate the fast pyrolysis reaction and a circulating fluidized bed reactor was selected as the fast pyrolyzer. All the equipment in the process was modeled based on heat and mass balance equations. In this study, process analysis was conducted with various reaction temperatures and residence times. The two-stage, semi-global reaction mechanism for circulating fluidized-bed reactor can be applied to simulate a scaled-up plant.

This study aims to investigate the behavior characteristics of solid particles within conical spouted beds depending on the inlet gas velocity. Electrical capacitance volume tomography was applied to the measurements of the instantaneous gas-solid flow structures in a conical spouted bed. The effects of inlet gas velocity on the solid volume fraction and pressure were investigated. The different inlet gas velocities showed a certain influence on the gas?solid flow behaviors in the conical spouted bed. A symmetric core-annulus structure in the conical spouted bed was observed. Solid particles in the core and annulus areas were mixed at the ratio U/Ums = 1.6. It would be efficient to operate a fast pyrolysis reactor for the high heat and mass transfer of waste woods and sand particles.

해마다 증가하는 폐타이어의 발생 및 그에 따른 처리 문제가 대두되는 현 상황에서 폐타이어의 재생에너지화 기술개발 중요성이 날로 증대되고 있다. 특히, 국내에서 폐타이어 처리는 시멘트 킬른 및 단순소각에 의한 열원으로의 이용이 대부분을 차지하는데 이는 연소 시 발생되는 오염물질로 인한 2차 환경오염 또한 야기하는 문제이므로 폐타이어의 안정적인 처리를 통한 재생에너지원으로서의 경제성 향상 및 환경오염 저감 등의 해결책에 관한 기술개발 필요성이 촉구되고 있다. 폐타이어를 자원화하기 위한 열적처리 기술 중 열분해 공정은 무산소의 조건에서 500℃ 정도 온도 조건으로 간접 가열하여 1~2초 이내로 반응시킨 후 고분자 물질을 분해하여 연료로 변환하는 공정으로서 연소 반응과는 달리 오염물질이 발생하지 않는 친환경적인 처리 기술이며, 공정을 통하여 생산되는 열분해오일, 카본블랙, 철심 등과 같은 유용자원의 회수는 부가가치의 창출을 통하여 경제성 향상에 이바지 할 수 있는 이점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 폐타이어의 다양한 급속열분해 운전 조건을 통하여 재생에너지화 연구를 수행하였다. 실험에는 유동층 반응기에 비하여 시료와 유동매질 간 열 및 물질전달 속도가 높고, 비교적 큰 입자도 열분해 가능하며, 내부에 분산판이 없어 압력강하량이 적은 장점을 지닌 원뿔형 분사층 반응기를 사용하였다. 폐타이어 급속열분해 실험은 반응온도와 질소유량 및 시료의 투입속도 등 여러 인자를 변수로 두어 진행하였으며, 실험을 통하여 조건별로 생산된 열분해오일 및 카본블랙의 물리-화학적 특성을 분석하여 폐타이어의 급속열분해 반응 특성을 고찰하였다. 특히, 열분해 오일은 재생에너지원으로서 연료로서의 가치가 있는지에 대하여 알아보고자 하였다.

화석연료의 고갈문제와 더불어 지구온난화 등의 환경문제에 대한 대응방안으로 전 세계적으로 지속가능한 에너지자원의 확보에 대한 필요성과 관심이 높아지고 있다. 중국, 인도 등의 국가에서 경제 성장을 위한 화석연료 의존도가 계속 높아지고 있다. 그러나 화석연료는 가격의 변동이 심하고, 한정된 매장량을 지니기 때문에 지나친 화석연료의 사용은 환경적으로 심각한 악영향을 미칠 수 있다. 바이오매스 및 폐자원을 활용하여 에너지를 생산하는 바이오에너지 분야는 최근 각광받는 신재생 에너지 분야 중 하나이다. 바이오에너지는 바이오매스, 폐자원으로부터 전환된 에너지 사용 시 발생되는 이산화탄소가 순환을 통하여 바이오매스의 성장에 다시 쓰이게 되므로 탄소중립적인 친환경 에너지이며 바이오매스의 경작, 재배를 통하여 지속적으로 생산 할 수 있다는 장점을 가진다. 바이오매스는 열분해, 가스화, 연소 등의 열화학적 분해공정을 통하여 더욱 가치있는 에너지의 형태로 활용 가능하며, 그 중 급속열분해 공정은 무산소 조건, 약 500℃의 반응온도, 2초 이하의 짧은 기체체류시간을 반응조건으로 하여 생산된 타르를 응축과정을 통해 액상 생성물인 바이오원유로 회수하는 공정이며 바이오원유의 회수율을 가장 높일 수 있는 공정이다. 바이오오일의 수율 및 성상은 급속열분해 운전조건에 따라 영향을 받으며 그 중 반응온도가 가장 중요한 인자이다. 따라서 본 연구에서는 낙엽송 톱밥을 원료로 하여 400 - 550℃로 반응온도를 변화시켜가며 바이오원유를 생산하고 생산된 바이오원유의 수율 및 다양한 물리화학적 분석(고위발열량, 수분함량, 점도, pH 등)을 통하여 그 특성을 파악하는 연구를 진행하였다.

전세계적으로 자원고갈 및 기후변화에 대응하기 위하여 신재생에너지 분야에 많은 관심을 기울이고 있으며, 특히 폐기물을 에너지화하기 위한 연료화(MBT) 사업이 주목을 받고 있다. 국내에서는 부산광역시(900톤/일), 수도권매립지(200톤/일) 등 약 20여 곳의 생활폐기물 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuels) 제조시설이 가동 및 공사 중에 있다. 국내의 폐기물 연료화 시설은 최종 제품인 고형연료(SRF)의 함수율을 25%이하로 달성하기 위해서 건조설비를 설치 운영하고 있다. 건조설비의 형태는 드럼형, 유동상형 등 다양하며, 사용되는 에너지원에 따라 열풍건조, 스팀, 태양열, 초음파, 마이크로웨이브, 적외선 건조기 등 다양한 방법이 있다. 하지만, 현재 국내의 폐기물 연료화 시설에 설치된 대부분의 건조설비는 화석연료를 직접 연소시켜 건조열원으로 사용하는 열풍건조 방식을 채택하고 있어, 이를 운영하기 위해서 많은 에너지가 투입되어야 하기 때문에 전체 폐기물 연료화 공정의 경제성을 악화시키고 있는 실정이다. 본 연구에서는 폐기물 연료화 공정에서 발생되는 함수율 25%이상의 건조 대상 시료(중간물)의 특성 분석과 화석연료를 사용하지 않는 습도차 건조 공법을 이용한 건조 전･후의 고형연료(SRF) 특성을 비교 평가하고, 조건별 원단위 소요 풍량 등 설계인자를 확보하여 상용화 설비를 설계하기 위한 자료를 확보하고자 한다.

폐 바이오매스의 열 화학적 전환 공정 중 하나인 급속열분해 공정은 공정변수에 따라 열분해 생성물의 수율 및 특성이 변화한다. 급속 열분해 반응이 이루어지는 반응기는 전체 급속 열분해 공정의 핵심이며, 폐 바이오매스의 급속열분해 반응을 위해서는 1,000~10,000℃/s의 빠른 열전달 속도, 500℃의 열분해 반응온도, 1~2초이내의 열분해 생성물 체류시간이 요구된다. 따라서 이를 실현하기 위한 급속열분해 반응기 개발에 많은 연구가 진행되었다. 현재 개발되어 사용 중인 대표적인 급속열분해 반응기는 기포 유동층, 순환유동층, 분사층, Augur형, 융해열분해, 진공열분해 등의 반응기가 있다. 이중 분사층 반응기는 기체-고체 간의 열 및 물질전달이 우수하고, dilute spouted bed regime 에서는 반응기 내 열분해 가스의 체류시간이 짧아 오일의 수율을 기존 유동층 반응기 보다 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 분사층 급속열분해 반응기 내 폐 바이오매스의 급속 열분해 반응은 기체-고체간의 수력학적 특성과 열전달 특성에 영향을 받는다. 따라서 분사층 급속열분해 반응기의 최적 설계와 운전을 위해서는 반응기 내 수력학적 특성과 열전달 특성에 대한 정보가 필요하다. 그러나 현재까지 분사층의 운전조건에 따른 분사층 내 열전달 특성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 분사층 내 열전달 특성 연구를 위하여 열전달 센서를 설계/제작하였으며, 제작된 열전달 센서를 통하여 분사층내 기체-고체간의 열전달 특성을 측정하였다. 분사층 내 기체-고체간의 열전달 실험은 공탑 속도, Geldart 입자분류, bed 높이를 실험변수로 하여 실험을 수행하였으며, 실험을 통하여 실험변수에 따른 분사층 내 기체-고체간의 열전달 계수의 변화를 연구하였다.

자동차 산업 발달로 인하여 해마다 증가하는 폐타이어 발생과 그에 따른 처리에 관한 문제는 날로 심각해지고 있다. 폐타이어는 연소 시 오염물질 발생으로 인한 2차 환경오염을 야기하므로 보다 안정적으로 재생 에너지화 하는 폐기물 처리 방법에 대한 기술개발 중요성이 날로 증대되고 있다. 또한 국내 폐타이어의 주 이용 분야가 시멘트 킬른 또는 단순 소각에 의한 열원으로의 이용이 약 60%를 차지한다는 점에서 폐타이어의 재생에너지원으로서 경제성을 향상 시키는 요구가 나타나고 있다. 따라서 폐타이어 재생 에너지화의 경제성 문제를 해결하기 위하여 부가가치를 높이는 기술 개발이 절실히 요구되고 있다. 폐타이어를 자원화 하는 열분해 기술은 무산소 조건에서 400~600℃ 정도의 반응온도로 폐타이어를 가열하여 고분자 물질을 분해하는 친환경적인 공정으로, 열분해오일, 카본블랙, 철심과 같은 열분해 부산물의 회수를 통하여 경제성 또한 높일 수 있는 이점을 가지고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 폐타이어의 재생 에너지화 연구를 위하여 폐타이어의 열분해 특성 연구를 수행하였다. 폐타이어의 열분해는 기체-고체간 열 및 물질 전달이 우수한 원뿔형 분사층 반응기를 사용하여 실험을 수행하였다. 폐타이어 열분해 실험은 열분해 반응온도와 시료의 투입속도를 실험 변수로 선정하여 실험을 수행하였으며, 실험 조건별로 생산된 열분해 오일의 물리-화학적 특성을 분석하여 폐타이어 열분해 오일의 특성을 연구하였다.

우리나라는 국토의 약 64%가 산림으로 구성되어 있으며, 2011년 기준 국내 산림면적은 6,443천ha이다. 산림청 자료에 따르면 국내 산림 바이오매스 발생량은 총 704만 ㎥으로 발생량 중 약 45%인 319만㎥이 제재목, 펄프, 보드용, 축산깔개, 버섯재배, 열병합 발전 등에 이용된 것으로 추정된다. 발생량의 55%인 385 만㎥는 현재에도 미이용 상태로서 이러한 산림 바이오매스 에너지의 이용을 위한 경제성과 효율성 확보를 위한 기술 개발이 시급한 실정이다. 바이오매스를 에너지로 변화하는 열화학적 변환 공정은 연소, 가스화, 급속 열분해 공정이 있으며, 이중 급속열분해 공정은 산소가 없는 조건하에서 500℃ 내외의 고온에서 짧은 시간 동안 반응시킨 후 연료로 전환하는 공정이다. 급속열분해 과정을 거치면 바이오매스는 분자 간 결합뿐만 아니라 C-C 결합, C-O 결합의 해체 등 화학적 전환이 일어나게 되며 최종적으로 액상 연료인 바이오 오일과 고형분인 바이오탄, 가스형태의 비응축성 가스를 생성한다. 바이오 오일은 보일러․터빈 등 발전용 연료뿐만 아니라 수송용 연료와 화학소재 등으로 활용이 가능한 잠재력을 갖고 있다. 따라서 공정 후 최종 생성물의 수율을 최적화하는 것은 공정의 효율성과 바이오 오일의 활용 가능성을 높이는데 중요한 역할을 한다. 더불어 바이오 오일의 물리적․화학적 특성을 분석함으로써 연료로서의 특성을 평가하고 소재화 활용 방안을 구축할 뿐만 아니라 더 나아가 화석연료를 대체할 에너지원으로써의 가치 및 발전 가능성을 가늠할 수 있다. 바이오 오일의 수율과 물리적․화학적 특성에 영향을 미치는 요인으로는 크게 공정 조건과 원료 조건으로 나눌 수 있다. 공정 조건은 반응온도, 반응기내 체류시간이 있으며 원료 조건은 바이오매스 함수율, 입자 크기, 바이오매스 내 화학 조성 등이 있다. 본 연구에서는 공정조건, 원료 조건 변화에 따른 바이오 오일의 물리적․화학적 특성을 연구하기 위하여 분사층 급속열분해 실험장치를 이용하여 폐목재 톱밥 급속열분해 실험을 수행하였다. 급속열분해 실험은 공정 조건인 반응온도, 체류시간, 투입속도와 원료 조건인 바이오매스 입자 크기를 각각 변화하며 실험을 수행하였으며, 각 조건에서 생산된 바이오 오일의 원소분석, 발열량, 수분함량, 점도, pH, GC-MS 분석을 수행하였다. 그리고 실험 결과를 바탕으로 바이오 오일의 연료적 특성 평가 및 화학소재 활용 방안에 대하여 고찰하였다.

전 세계적으로 지속가능한 에너지자원의 확보에 대한 필요성과 관심이 높아지고 있다. 현재 화석연료의 의존도가 높으나, 화석연료의 가격의 변동이 심하고, 한정된 매장량을 지니며, 지나친 화석연료의 사용은 환경적으로 심각한 악영향을 미친다. 바이오매스 및 폐기물을 에너지원으로 하여 에너지를 생산하는 분야는 최근 각광받는 신･재생 에너지 분야 중 하나이다. 바이오 에너지는 바이오매스로부터 전환된 바이오 에너지를 사용할 때 발생되는 이산화탄소가 바이오매스의 성장에 다시 쓰이게 되므로 탄소중립적이며 바이오매스의 경작, 재배를 통하여 지속적으로 생산 할 수 있다는 장점을 가진다. 최근까지 옥수수, 사탕수수 등의 식량자원을 에너지원으로 사용하였지만 이러한 식량자원의 사용은 국제 곡물가 폭등 및 후진국의 식량파동을 야기하므로 비 식량에너지 작물개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 비 식량 바이오매스에 대한 연구의 일환으로 농촌진흥청 국립식량과학원에서 거대억새를 개발하였다. 거대억새는 국내에 자생하는 물억새의 일종으로 염색체수가 76개로 4배체이며 기존 물억새 대비 크기와 굵기가 2배 이상이기 때문에 수확량은 약 30 ton/ha 로 1.5배 가량 높다. 또한 셀룰로오스 함량이 44%로 많고 회분이 1.6%로 적기 때문에 에너지자원으로써의 잠재성을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 거대억새를 원료로 하여 bio-oil을 생산하는 연구를 진행하였다. 바이오매스는 열분해, 가스화, 연소 등의 열화학적 공정을 통하여 더욱 가치 있는 에너지의 형태로 변환될 수 있으며 그 중 급속열분해 공정은 무산소 분위기, 약 500℃의 반응온도, 2초 이하의 짧은 기체체류시간을 유지하여 액상생성물인 bio-oil의 수율을 극대화 하는 공정이다. Bio-oil의 수율과 품질은 급속열분해 운전조건에 영향을 받으며 그 중 반응온도는 가장 영향을 많이 미치는 인자이다. 본 연구에서는 1kg/h 급 사각형 유동층반응기를 이용, 기포유동층 영역에서 400-550℃의 온도범위로 거대억새를 급속열분해 하였고, 생성된 bio-oil의 발열량, 수분함량, 점도, GC/MS 등의 분석을 통하여 특성 및 품질분석을 실시하였다. 또한 타 목본계, 초본계 바이오매스들과의 비교를 통하여 거대억새 bio-oil의 연료로써 가치평가도 함께 실시하였다.

Fast pyrolysis is one of the most viable and commonly used thermochemical conversion technologies which can be applied to both fossil-based and bio-based wastes. The conical spouted bed reactor is an alternative to fluidized beds and has been proven to be a versatile reactor for waste biomass fast pyrolysis, which allows obtaining high bio-oil yields because of its high heat and mass transfer rates and very short residence times. Understanding of the stable hydrodynamic operation range of the conical spouted bed is important for operation of fast pyrolysis reactor. This study characterizes the hydrodynamics of conical spouted bed using the analysis of pressure fluctuation signals. Stable hydrodynamic operation rages were identified by evaluation of pressure drop curve and FFT analysis. The stable operation range of a conical spouted bed was maintained while dominant frequency is 10 Hz. This appears to be promising cost-effective tool for precess control especially in fast pyrolysis systems.

농업 및 임업 부산물로부터 발생되는 폐바이오매스를 에너지 자원으로 전환하는 공정인 급속열분해 공정은 폐바이오매스를 무산소 조건에서 500℃ 정도의 온도와 1~2초 이내의 짧은 시간 동안 반응시킨 후 액상 연료로 변환하는 공정이다. 급속열분해 공정을 통해 생산되는 액상 연료인 바이오 오일은 발전용, 수송용 연료로 사용될 수 있으며, 화학소재 등으로 활용이 가능하기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 급속 열분해 반응기는 급속열분해 공정의 핵심이라 할 수 있으며, 반응기 종류 및 공정조건에 따라 급속열분해 생성물의 특성이 변화한다. 현재 개발된 반응기는 기포 유동층, 순환유동층, spouted bed, rotating cone, ablative, anger, vacuum moving bed 형태의 반응기가 있다. 다양한 반응기 중 conical spouted bed 반응기는 열 및 물질전달이 타 반응기에 비하여 우수하고, 유동층 반응기 보다 바이오매스의 입도가 큰 경우에도 운전이 가능하기 때문에 시료 분쇄에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다. 또한 유동층 반응기와 동일한 처리 용량일 경우 반응기 체적이 작고, 분산판이 필요하지 않기 때문에 반응기 제작 비용 및 압력강하로 인한 에너지 손실 및 운전비용을 절감할 수 있으며, diluted spouted bed regime 에서는 반응기 내 열분해 생성물의 체류시간이 짧기 때문에 바이오 오일의 수율이 유동층 반응기 보다 높은 장점이 있다. 이러한 conical spouted bed의 여러 장점 때문에 최근 conical spouted bed를 이용한 급속열분해 연구가 소수 연구자들에 의해 연구되고 있지만, 폐바이오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구는 미진한 상태이다. 바이오 오일의 수율 및 특성은 반응기 운전조건에 영향을 받기 때문에 conical spouted bed 급속열분해 반응기의 최적 운전조건 도출 및 안정적인 운전을 위해서는 반응기 내 폐바이오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 conical spouted bed 급속열분해 실험장치를 이용하여 반응기 운전조건에 따른 폐바이오매스의 급속열분해 특성을 연구하였다. 연구를 통하여 공탑속도.유동사 입자 크기, bed 높이 변화에 따른 열분해 생성물의 수율 및 물리-화학적 특성을 분석하여 최적 운전 조건을 도출하였다.

최근 교토의정서 발효로 인한 이산화탄소 배출량 감축의무 등에 따라 세계 여러 나라에서는 바이오매스 및 폐기물에너지에 대한 투자와 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 바이오매스를 에너지로 전환하는 열화학적 전환공정으로는 연소, 가스화, 급속열분해 공정이 있으며, 이중 급속열분해 공정은 바이오매스를 액상 연료로 전환하는 공정으로, 공정을 통해 생산되는 bio-oil은 발전용, 수송용 연료, 화학소재 등 다양한 분야에 활용이 가능하기 때문에 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 농촌진흥청에서 국립식량과학원에서 개발한 에너지작물인 거대억새 1호는 국내에 자생하는 물억새 일종으로서 염색체 수가 76개인 4배체이다. 간장이 4m, 경태가 9.6mm로서 일반 물억새에 비해 2배 이상 크고 굵기 때문에 수확량이 30ton/hr 정도로 일반 물억새에 비해 50% 이상 많다. 줄기가 고사하면 줄기에 붙어 있는 잎집과 잎이 대부분 탈락되어 셀롤로오스 함량이 44%로 많고 회분 함량이 1.6%로 적기 때문에 bio-oil 제조용으로 좋은 연료이다. Bio-oil을 안정적으로 발전용, 수송용 연료로 사용하기 위해서는 고품질의 bio-oil을 생산할 수 있는 공정 기술이 기반이 되어야 한다. Bio-oil의 수율 및 품질은 급속열분해 운전조건에 영향을 받기 때문에 높은 수율의 고품질 bio-oil을 생산하기 위해서는 급속열 분해 공정의 최적운전 조건 도출 및 bio-oil의 물리-화학적 특성 변화에 대한 연구가 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 급속열분해 반응 온도가 거대억새 bio-oil의 물리-화학적 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해서 사각형 유동층 급속열분해 반응기를 이용하여 급속열분해 실험을 수행하였다. 급속열분해 실험은 400~550℃ 범위에서 수행되었으며, 급속열분해 반응온도에 따른 생성물의 수율을 측정하였다. 그리고 급속열분해 반응온도 변화에 따른 bio-oil의 수분 함량, 발열량, 점도 변화와 GC/MS 분석을 통하여 bio-oil 내 성분 변화를 살펴보았다.

전 세계적인 화석연료 사용의 증가로 인하여 기후변화, 대기오염과 같은 환경 문제와 자원 고갈로 인한 화석연료의 가격 상승과 같은 에너지안보 문제가 지속적으로 대두되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 화석연료를 대체할 여러 가지 연구가 지속적으로 이루어지고 있으며, 특히 바이오 에너지가 중요한 대체 에너지 자원으로서 각광받고 있다. 바이오연료의 한 종류인 Cashew nuts shell liquid(CNSL)는 견과류의 일종인 캐슈넛(Cashew nuts)을 수확하고 버려지는 견과 껍질 부분에서 추출한 식물성 오일이다. CNSL은 높은 발열량과 인화점을 가지므로 산업용 보일러 설비에 중유와 혼합하여 사용이 가능하다. 하지만 장시간 보관 시에 외부 요인에 의한 산화가 쉽게 일어나며, 안정적인 사용을 위하여 산화를 방지하기 위한 전처리가 필요하다. 본 연구에서는 CNSL의 산화안정도를 향상시키기 위한 전처리 기술로서 산화방지제를 사용하였다. 산화방지제의 종류와 혼합 비율을 변수로 두어 산화방지 효율 및 특성을 연구 하였으며, 산화방지제는 Butylated hydroxytoluene(BHT), Tert-butyl hydroquinone(TBHQ), Pyrogallol(PY), Propyl gallate(PG)를 사용하였다. 가속산화실험을 통하여 CNSL의 장기간 보관으로 인한 산화 환경을 설정하였으며, CNSL의 전산가 측정 시험을 통하여 산화안정성을 평가하였다.

본 연구에서는 폐바이오매스 급속열분해 공정해석을 통하여 반응온도에 따른 바이오오일의 수율을 살펴보고 급속열분해 반응모사를 위해 적용된 반응 메커니즘을 평가하였다. 폐바이오매스 급속열분해 공정은 바이오매스 투입기, 급속열분해 반응기, 사이클론, 응축기 그리고 전기집진기 등으로 구성되어있다. 공정 내 각각의 장치들은 온도, 질량분율 등의 함수로 모델링되어있다. 특히, 본 공정해석에 적용된 급속열분해 반응 메커니즘은 폐바이오매스의 주요 성분들인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 그리고 리그닌의 함수로 이루워져있다. 즉, 여러 가지 폐바이오매스 특성에 따른 차이를 모사할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 억새, beechwood, switchgrass 총 3종의 폐바이오매스를 이용하여 공정해석을 수행하였다. 온도에 따른 바이오오일의 수율은 모든 폐바이오매스에서 반응온도가 증가함에 따라 증가하다가 최대 바이오오일 수율을 갖고 감소하는 경향을 나타낸다. 비응축가스의 수율은 온도가 증가함에 따라 증가하며, 촤의 수율은 감소한다. 해석된 결과들의 경향은 일반적인 급속열분해 실험결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 폐바이오매스 종류에 따른 바이오오일 수율은 억새나 switchgrass보다 밀도가 높은 beechwood에서 가장 큰 수율을 가진 것을 확인할 수 있었으며, 해석된 결과를 실험결과와 비교/평가를 하였다.

현재 우리나라에서는 매년 약 67만대의 사용종료 자동차(End of Life Vehicles)가 발생하고 있다. 자원순환법에 따라 국내 자동차업계에서는 폐 자동차에 대하여 2014년까지 중량 대비 85%, 2015년부터 95%의 재활용율 목표를 달성하여야 하는데 이러한 재활용율 목표 달성을 위해서는 자동차 파쇄 잔재물(ASR)의 적정재활용이 관건이라고 할 수 있다. 폐 자동차 처리과정에서 최종 배출 되는 ASR은 연간 약 15만톤으로 승용차 1대당 약 15% 정도가 발생하고 있으며, 총 발생량의 극히 일부분만이 소각･매립 처리되고 있지만 물질 자체의 발열량이 높고 난연성이기 때문에 효율적으로 소각되지 못하고 특히 그중에 함유된 염소화합물이나 중금속류 등의 영향으로 유해 가스상 오염물질들을 다량으로 배출하기 때문에 처리에 어려움이 많은 실정이다. 금속 제련 용융 시설에서 열원으로 사용되는 Lump coal 대체 연료로써 처리 상용화가 실현 될 경우, ASR의 안정적인 처리와 열에너지 및 유가금속 회수를 통한 물질 재활용 등이 가능할 것으로 사료되며, 이에 따라 폐 자동차의 재활용율 또한 향상될 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 국내의 폐 자동차 파쇄 재활용 업체 1곳을 선정하여, 폐 자동차 파쇄 재활용 과정에서의 물질 수지 및 ASR 배출 공정(heavy fluff, light fluff, glass & soil)에 따라 각각의 발생량, 구성 물질, 입도, 발열량 분석, 원소 분석, 공업 분석, 열 중량 분석, 중금속 분석 등의 물리･화학적 특성 및 환경유해성 평가를 실시하여 ASR의 기초적인 특성을 파악하였으며, ASR의 최적용융조건 및 유가금속 회수 가능성을 도출하기 위하여 원 시료와 ASR의 배합비율, 용융온도 등의 조건을 설정하여 용융 가능성을 평가하였다. 또한, 용융 후, 혼합비율 별 발생된 용융 슬래그에서 black copper와 discard slag 분리 후 온도에 따른 구리함량을 측정하여 유가 금속 회수 가능성 및 2차 폐기물 발생 최소화를 위해 ASR 용융슬래그에 대한 특성 분석 후 콘크리트(인터로킹) 블록, 점토블록의 원료로 적용 가능성 여부 검증･평가해 보았다.

There have been a lot of efforts to increase recycling rate by more utilization of end of life vehicles (ELVs) in Korea.The target of recycling rate was set to 85% until 2014 and 95% after 2015 with including up to 10% of energy recovery,according to the law of “regulation about resource recycling of electrical and electronic products and automobiles”.Therefore, to achieve 95% of recycling rate by the year of 2015, the automobile and recycling industries should developan innovative technology to treat automobile shredder residues (ASRs) by efficient means of reduction or conversion toenergy, which were generated as final left-over after recovering all the valuables from ELVs. As one of the options toconvert to energy forms, the gasification of them was proposed. In this study the gasification experiment was performedusing ASRs at fixed-bed reactor with a capacity of 1kg/hr, at different temperatures of 800, 1,000 and 1,200oC, and atequivalence air ratios ranging from 0.1 to 0.5. The syngas (H2+CO) yield from ASR gasification experiment was obtainedup to 86% in maximum and about 40% in minimum in the experimental conditions given. There was a trend that theamount of syngas increased with elevated temperatures and the calorific value also showed similar trend with syngasproduction.

In order to obtain the optimal design of a char removal cyclone, the effect of the vortex finder height and inlet shapeon its performance are numerically carried out. The pressure drop and collection efficiency are calculated for four differentcyclones with different vortex finder heights and inlet shapes. To validate the present numerical process, the calculatedpressure drops for two types of cyclones are compared with experimental results and the results show a good agreementbetween experimental and numerical results. From the results, increasing the height of the vortex finder, the collectionefficiency is increased. As for cyclone inlet shapes, the tangential one is characterized by lower efficiency compared withthe volute counterpart. The current result can be used for the design of cyclones with high collection efficiency, especiallyfor removing tiny char which is generated during fast pyrolysis process of waste biomass.

In the present study, lab-scale fast pyrolysis reactor (1kg/hr) using lignocellulosic waste biomass was numerically modeledwith various reaction mechanism and the calculation results were compared. Three kinds of reaction mechanisms were appliedsuch as three-step mechanism, two-stage, semi global mechanism and Broido-Shafizadeh mechanism to simulate chemicalreactions in the fast pyrolysis reactor. The fast pyrolysis reactor was modeled as function of mass fraction and reactiontemperature following each reaction mechanism. Especially, the reaction temperature is one of important factors to determinebio-oil yield. Hence, in this study, reaction rates and yield of fast pyrolysis products were compared with varying reactiontemperature for the three kinds of reaction mechanism. The variation of reaction rate for two-stage, semi global mechanismand Broido-Shafizadeh mechanism showed very similar pattern but, three-step mechanism has different trend because theeffect of secondary reaction was missing. The yield of tar was increased before reaching maximum tar yield at 430oC and520oC for two-stage, semi global mechanism and Broido-Shafizadeh mechanism, respectively then decreased as temperaturerises more. But, the yield of tar was increased continuously for three-step mechanism as temperature rises. The yield of non-condensable gas and char was increased as temperature rises for three kinds of reaction mechanisms.