바이오오일은 고품질 화학물질로 이용이 가능하며 차세대 탄화수소 연료와 석유정제업 공급 원료로 사용할 수 있기 때문에 촉망받는 신재생에너지의 하나로 상당한 관심을 받고 있다. 또한 제올라이트는 급속열분해 과정에서 크래킹 반응을 효과적으로 촉진시켜 탈산소 반응을 증가 시키고 탄화수소가 많은 안정된 바이오오일을 만든다. 그래서 본 연구에서는 백합나무 바이오오일 품질개선을 위해 촉매열분해(Control, Blackcoal, Whitecoal, ZeoliteY 및 ZSM-5)를 적용하여 특성을 조사하였다. 바이오오일의 특성 변화를 알아보기 위하여 0.3～1.4 mm 크기의 백합나무 시료 500 g을 465℃에서 1.6초 동안 촉매열분해하여 바이오오일을 제조하였다. 촉매 조건 상태에서 바이오오일의 수율은 Control(54.0%)과 비교하여 Blackcoal(56.2%)를 제외하면, Whitecoal(53.5%), ZeoliteY (51.4%), 및 ZSM-5(52.0%)로 모두 감소했다. 수분 함량이 Control(37.4%)에서 촉매 처리후 37.4~45.2%로 증가함에 따라 발열량((High heating value)은 감소했다. 그러나 다른 다른 바이오오일 특성은 개선되었다. 촉매 적용 결과 바이오오일의 회분과 전산가(TAN)가 감소했고, 특히 수송연료로 중요한 특성인 점도는 Control cP(6,933) 에서 2,578 ~ 4,627 cP로 감소했다. 또한 ZeoliteY는 방향족탄화수소를 생산하고 점도를 개선시키는데 가장 효과적이였다.

본 논문에서는 바이오매스로부터 급속열분해를 통해 난방용, 발전용 및 수송용 연료로 사용하 기 위해 바이오오일을 생산하는 기술개발 현황을 나타내었다. 바이오매스를 작은 규모의 액체연료로 전 환하기 위해 가장 효율적인 방법 중 하나는 급속열분해이다. 급속열분해를 통한 바이오오일은 450 ℃ ~ 600 ℃ 온도에서 바이오매스가 신속히 열분해 되어 증기 급냉를 위해 외부 산소가 없는 조건에서 생산 된다. 이 바이오오일은 최초 건조 바이오매스 기준 최대 75 무게%까지 생산할 수 있지만, 일반적으로 60-75 무게% 수준이 적합하다. 본 연구에서는 바이오매스의 원료특성, 바이오오일 생산원리, 바이오오 일의 특성 및 활용분야에 대한 최근의 개발현황을 살펴보았다.

화석연료는 가격의 변동이 심하고 그 매장량이 한정되어 있고 지나친 화석연료의 사용은 환경적으로 심각한 악영향을 미칠 수 있다. 전 세계적으로 화석연료의 고갈과 더불어 지구온난화 등의 환경문제에 대한 대응방안으로 지속가능한 청정 에너지자원에 대한 필요성이 대두되고 있으며, 관련된 연구개발이 활발히 진행 중이다. 탄소 중립적 친환경에너지인 바이오에너지 분야는 최근 각광받는 신재생 에너지 분야 중 하나이다. 현재 국내 폐목재 발생량은 지속적으로 증가하여 처리 및 활용방안이 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 폐목재를 활용하여 생산 된 급속열분해 오일을 가스화하여 고품질 합성가스를 생산함으로써 기존의 바이오매스 직접 가스화의 단점을 극복하고자 하였다. 바이오매스를 이용한 가스화 공정은 원료인 바이오매스의 낮은 에너지 밀도로 인하여 가스화 플랜트와 바이오매스 원산지간 거리에 따라 경제성이 감소한다. 이러한 경제성 문제를 극복하기 위한 방안으로 바이오매스 원산지에서 바이오매스를 급속열분해 하여 생산된 고 에너지 밀도의 열분해오일을 가스화 플랜트로 이송하여 에너지를 생산하는 방안이 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 폐목재를 원료로하여 최적조건에서 생산 된 급속열분해 오일을 원통형 가스화기(0.1 m diameter × 1.4 m height)를 사용하여 E/R ratio, 반응온도 등을 운전변수로 하여 가스화 실험을 수행하였다. 생산되는 합성가스의 조성을 Micro GC를 이용하여 분석하여 고품질 합성가스를 생산할 수 있는 최적 조건에 대한 연구를 진행하였다.

To produce palm kernel shell (PKS) biocrude oil, a bubbling fluidized bed pyrolyzer was used with different sample sizes and reaction temperatures. The PKS sample sizes used were 0.1 ~ 0.4 mm, 0.4 ~ 1.0 mm, and 1.0 ~ 2.0 mm and the reaction temperature were 465oC, 490oC, 530oC, 560oC, and 590oC. The yield of PKS biocrude oil increased with decreasing the sample size. The maximum yield of PKS biocrude oil was 47.31% at 560oC with a PKS sample size of 0.1 ~ 0.4 mm. In addition, the maximum energy yield of PKS biocrude oil was 45.05% at 560oC and size 0.1 ~ 0.4 mm. Among the characteristics of PKS biocrude oil, the high heating values are from 15.98 MJ/Kg to 20.29 MJ/Kg, the moisture content is from 20.14wt.% to 31.57wt.%, and the viscosity ranges from 0.0117 N s/m2 to 0.0408 N s/m2. In addition, proximate analyses and elemental analysis of PKS biocrude oil were conducted.

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.

The large amount of waste oil sludge was generated from waste oil purification process, oil bunker, or the ocean plant. Although it has high calorific values, it should be treated as a designated waste. During the recycling process of construction and demolition wastes or the trimming process of woods, a lot of sawdust is produced. In this study, the feasibility of BOF (biomass and waste oil sludge fuel) as a renewable energy source was estimated. For manufacturing a BOF, a press type pelletizing was better than an extruder type and also 40 ~ 60% of mixing ratio in waste oil sludge was appropriate to produce a pellet. The pellet was 13 mm in diameter and 20 mm in length. There was no fixed carbon in waste oil sludge, and its carbon content and higher heating value were 63.90% and 9,110 kcal/kg, respectively. With an increse of mixing ratio of sawdust, the carbon content and heating value of the BOF were dropped, but fixed carbon content was increased. The heating value of BOF was in the range of 6,400 ~ 7,970 kcal/kg at the mixing ratio of 40 ~ 60% in waste oil sludge. It means that the BOF can be classified as the 1stgrade solid fuel. In TGA experiment carried out at heating rate of 10oC/min and under nitrogen atmosphere, thermal decomposition of sawdust was occurred in two steps, but waste oil sludge was destructed in one step. The initiated cracking temperature of sawdust and waste oil sludge was 300 and 280oC in respective and after 450oC the thermal decomposition process of sawdust was slowly progressed by 800oC in contrast to waste oil sludge. Thermal decomposition of waste oil sludge was finished around 600oC. It can be considered that this difference is due to the fixed carbon content. Thermal decomposition pattern for the pellet of mixing ratio over 50% in waste oil sludge was similar to that for waste oil sludge and thermal cracking was occurred between 300 and 350oC. As the mixing ratio of waste oil sludge in the pellet increased, the reaction of thermal cracking became fast.

신재생에너지의 종류에는 수소에너지, IGCC, 연료전지, 바이오에너지 등 여러 종류가 있지만, 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 에너지는 바이오매스가 유일하다. 바이오매스는 광합성 과정을 통해 체내 이산화탄소를 축적하므로 대기 중의 이산화탄소 농도를 변화시키지 않아 기후변화 완화에 기여를 하고 있다. 바이오오일은 수송용 연료로 사용이 가능하고 그 외에 다양한 화학물질들이 존재하여 화학시장의 새로운 플랫폼이 될 수 있는 자원으로 인식되고 있다. 바이오오일을 만드는 방법은 여러 가지가 있지만 열분해는 가장 간단하면서도 다양한 물질이 생성되어 그 활용가치가 매우 높다. 열분해 후에는 바이오촤, 바이오 오일, 바이오가스가 생성되는데 이번 연구에서는 바이오 촤와 바이오 오일의 분석에 집중하였다. 생성된 바이오오일은 탄화수소 계열 화학물질 외에 다양한 유기화합물이 존재하는데 화학산업의 기초가 되는 유기물질들이 다량 존재한다. 바이오촤는 활성탄으로 사용이 가능하고 석탄을 대체할 연료로 고려되고 있는 단계로 가치가 높게 받아들여지고 있다. 본 연구에서는 목재 펠릿 제조 후 남는 폐 톱밥을 이용하였고 화학 처리는 되지 않았다. ZSM-5 촉매를 사용하여 열분해를 진행하였고, Si/Al ratio가 다른 촉매를 이용하여 최적의 촉매와 조건을 찾아내었다. 촉매와 폐톱밥을 균질하게 섞어 촉매 반응이 원활하게 진행되도록 유도하였고 생성되는 바이오촤와 바이오 오일에 촉매의 영향이 있는지 확인하였다. 대조군으로 무촉매 조건을 두었는데 이 때 온도는 350, 400, 450, 500, 550℃로 변화를 주며 실험을 진행하였다. 촉매 조건에서는 400, 500℃로 실험을 진행하였다. 열분해하여 나오는 생성물을 성상별로 분류하여 고체와 액체 물질이 어느 촉매 조건에서 많이 나오는지 비교하였다. 바이오 촤는 질량비교와 원소분석을 이용하여 분석하였고 바이오 오일은 질량 비교와 GC-MS를 이용하여 분석하였다.

In this study those currently operating pyrolysis oil plant were selected for the investigation. The yield of the oil andfuel was assessed for its use as fuel and the char component analysis, and the reaction time to collect contaminantscollected and analyzed. As the result, about 40% of the oil was yielded and oil could be used as an alternative fuel. Char’sleaching test analysis result was satisfied with the landfill standard. And emission of Dioxin and pollutants was analyzed.The highest concentration of dioxin was 0.7347ng I-TEQ/Sm3. The result satisfied the requirement however the emissionconcentration was changed depending on the input Fuel. Therefore the appropriate pollution control facility should berequired.

에너지 수요의 증가와 환경문제에 대한 중요성을 인식하면서 신재생에너지에 대한 연구가 주목받고 있다. 정부의 지원 정책과 원유 가격 불안정성 등의 이유로 국내에서도 활발한 연구가 진행 중이다. 신재생에너지의 종류에는 태양광, 풍력, 수력, 연료전지 등의 다양한 분야가 있지만 우리가 사용하고 있는 수송용 연료를 대체할 에너지는 바이오 오일이다. 미국과 브라질, 중국 등의 식량 부국에서는 옥수수, 사탕수수 등의 식량을 화학적 처리과정을 거쳐 바이오 연료로 생산하고 있다. 하지만 식량자원 빈국에 대한 도덕적 문제를 야기하였고 폐셀룰로오스를 이용한 바이오연료 생산이 각광받고 활발하게 연구가 진행 중이다. 바이오오일을 만드는 방법은 여러 가지가 있으나 열분해를 통한 바이오오일 생산이 간단한 과정이고 시간이 오래 걸리지 않으며 많은 양을 만들어 낼 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 주변에서 쉽게 볼 수 있는 폐셀룰로오스의 하나인 톱밥을 이용하여 열분해를 진행하였고 수분의 제거를 위해 톱밥은 오븐에서 75℃로 하루 이상 건조하였다. 화학적 처리가 되지 않은 톱밥을 이용하였고 반응 온도를 400, 450, 500, 550℃로 달리하여 실험을 진행하였다. Carrier gas는 N₂를 사용하였고 150cc/min의 유량으로 흘려주어 가스가 컨덴서로 이동하게 하였다. 열분해하여 나오는 생성물을 성상별로 분류하여 액체 물질이 어느 온도 조건에서 많이 나오는지 비교하였다. 분석방법은 바이오오일을 GC(Gas Chromatography)와 Elemental analyzer로 분석하였고 어느 온도 조건에서 탄화수소와 유가물질들이 많이 나오는 지 분석하였다.