최근 석유연료의 과다 사용으로 인한 지구온난화와 환경오염 등의 문제가 심각하게 대두되고 있다. 이에 따라 탄소 중립적이며 잠재량이 풍부한 바이오매스를 활용하는 바이오에너지 생산기술 연구가 친환경 대체에너지로서 주목받고 있다. 특히 우리나라의 경우 목재 수요의 증가로 인해 폐목재는 꾸준히 발생하고 있으나 신재생에너지 중 바이오매스 에너지는 약 10%일정도로 생산 측면에서의 활용은 상당히 빈약한 상황이다. 따라서 본 연구는 이미 유렵과 북미 지역을 중심으로 활발히 연구 및 상용화가 진행되고 있는 열화학적 변환 공정 중 하나인 급속열분해 공정을 채택하였다. 급속열분해 공정은 무산소 조건에서 400~600℃의 반응온도로 간접 가열하여 바이오매스를 열적으로 분해하는 공정으로서, 2초 내외의 짧은 체류시간으로 에너지밀도가 높은 액상 생성물인 바이오오일의 수율을 극대화할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 본 실험에 사용된 원뿔형 분사층 반응기는 일반적으로 이용되고 있는 기포 유동층에 비하여 바이오매스 입자와 유동매질 간 열 및 물질전달 속도가 높고, 비교적 큰 시료 입자도 열분해 가능하기 때문에 입자 분쇄에 소요되는 에너지를 절감할 수 있으며, 내부에 분산판이 없어 압력강하량이 적은 장점을 가진다. 본 연구에서는 바이오매스의 급속열분해 운전 조건이 열분해 생성물에 미치는 영향을 확인하기 위한 폐목재의 급속열분해 실험을 수행하였다. 폐목재의 급속열분해 실험은 반응온도와 질소유량 그리고 시료의 투입속도 등 원뿔형 분사층 반응기 내부의 운전조건 변화를 통하여 진행하였으며, 실험을 통해 생산된 액상 생성물인 바이오 오일의 물리-화학적 특성을 분석하여 열분해 조건에 따른 급속열분해 특성을 고찰하였다.

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.

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.

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.

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.