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하나 차
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1 Appl. Chem. Eng., Vol. 27, No. 6, December 2016, Article 최상규 *, ** 최연석 *, **, 김석준 *, ** 한소영 * * 한국기계연구원환경에너지기계연구본부, ** 과학기술연합대학원대학교환경에너지기계공학과 (2016 년 11 월 11 일접수, 2016 년 11 월 16 일심사, 2016 년 11 월 17 일채택 ) Numerical Study on the Evaporation Characteristics of Biocrude-oil Produced by Fast Pyrolysis Sang Kyu Choi*, **, Yeon Seok Choi*, **,, Seock Joon Kim*, **, and So Young Han* *Environmental and Energy Systems Research Division, Korea Institute of Machinery & Materials, Daejeon 34103, Republic of Korea **Department of Environment and Energy Mechanical Engineering, University of Science and Technology, Daejeon 34113, Republic of Korea (Received November 11, 2016; Revised November 16, 2016; Accepted November 17, 2016) 초록바이오매스는최근화석연료의고갈및지구온난화등의문제에대응하기위한신재생에너지원으로많은관심을받고있다. 바이오오일은폐목재, 농업및임업부산물등의바이오매스로부터급속열분해과정을통하여생산되는액체연료이다. 바이오오일은일반적인석유계통의연료에비하여점도가매우높고고체상의불순물을포함하고있어버너적용시스프레이분무특성이저하된다. 또한, 바이오오일은셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로부터유래되는수백종류의화학종들로이루어져있어일반적인액체연료와는액적의증발특성이뚜렷하게구분된다. 본연구에서는, 바이오오일의구성성분을아세트산, 레보글루코산, 페놀, 수분으로단순화하여액적의증발특성에관한수치해석적연구를수행하였다. 다양한주위공기온도, 액적의초기지름, 에탄올혼합비율에대하여액적의증발특성을비교하였다. 주위공기온도가높아질수록바이오오일액적의증발시간은짧아졌으며, 특히낮은온도범위에서는증발시간이공기온도에매우민감하였다. 또한액적의지름이감소할수록, 에탄올혼합비율이증가할수록증발시간이단축됨을알수있었다. Abstract Biomass is regarded as one of the promising energy sources to deal with the depletion of fossil fuels and the global warming issue. Biocrude-oil can be produced through the fast pyrolysis of biomass feedstocks such as wood, crops, agricultural and forestry residues. It has significantly higher viscosity than that of conventional petroleum fuel and contains solid residues, which can lower the spray and atomization characteristics when applied to the burner. In addition, biocrude-oil consists of hundreds of chemical species derived from cellulose, hemicellulose and lignin, and evaporation characteristics of the biocrude-oil droplet are distinct from the conventional fuels. In the present study, a numerical study was performed to investigate the evaporation characteristics of biocrude-oil droplet using a simplified composition of the model biocrude-oil which consists of acetic acid, levoglucosan, phenol, and water. The evaporation characteristics of droplets were compared at various surrounding air temperatures, initial droplet diameters, and ethanol mixing ratios. The evaporation time becomes shorter with increasing air temperature, and it is much sensitive to the air temperature particularly in low temperature ranges. It was also found that the biocrude-oil droplet evaporates faster in cases of the smaller initial droplet diameter and larger ethanol mixing ratio. Keywords: biocrude-oil, droplet, evaporation, simulation, ethanol 1)1. 서론 최근화석연료의고갈및환경문제등으로인하여신재생에너지의 Corresponding Author: Environmental and Energy Systems Research Division, Korea Institute of Machinery & Materials, 156 Gajeongbuk-Ro, Yuseong-Gu, Daejeon 34103, Republic of Korea Tel: yschoi@kimm.re.kr pissn: eissn: 2016 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry. All rights reserved. 생산및활용에관한연구가많은관심을받고있다. 특히, 바이오매스에너지는광합성으로고정된이산화탄소의양과연소시배출되는이산화탄소의양이평형을이루는탄소중립적인에너지원으로알려져있다. 급속열분해는바이오매스입자를온도 500 부근의무산소분위기에서열분해하여생성된열분해가스를응축하여액체상의오일로전환하는방법으로, 바이오매스를에너지원으로활용하는효율적인방법중하나이다 [1,2]. 바이오오일을생산하는급속열분해반응기로는기포유동층반응기, 순환유동층반응기, 회전콘반응기, 마 646

2 647 Table 1. Composition of Model Biocrude-oil Species name Chemical formula HHV (kcal/kg) LHV (kcal/kg) Mass fraction Acetic acid CH 3COOH 3,479 3, Levoglucosan C 6H 10O 5 4,173 3, Phenol C 6H 5OH 7,766 7, Water H 2O Total 3,745 3, 찰회전판식반응기, 경사하강식반응기등세계적으로많은연구가이루어지고있다 [3-7]. 바이오오일은일반적인화석연료인석유와는화학적, 물리적특성이상이하다. 바이오오일은주로셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌성분으로부터유래되는수백가지의화학종들로이루어져있으며, 15~30 wt% 가량의수분을포함하고있다. 저위발열량은일반적으로 14~18 MJ/kg이며, 부피당에너지밀도는석유의약 50~60% 정도이다 [2]. 또한, 점도가 40 에서 10~100 cp로높은편이며, 미세한고체상의입자도포함하고있다. 이러한차이점으로인하여바이오오일를실제버너에적용하기위해서는바이오오일의기본적인연소특성에관한연구가선행되어야한다. 액체연료의연소를위해서는연료가스프레이형태로미립화되어야하며, 연료스프레이를구성하는입자상의작은액체방울인액적이증발되어가연성기체가형성된다. 액체연료의액적증발로부터형성된가연성기체와공기중의산소가반응하여연소가이루어진다. 바이오오일액적의연소특성에관한연구들로부터 [8-10] 산업용보일러, 가스터빈, 디젤엔진에서의바이오오일적용에관한연구들이이루어져왔다 [11-16]. 액체연료의연소에는액적의증발과정이필수적이며, 이는화염안정성등의연소특성에대한중요제어인자이다. 바이오오일의연소특성에관한기존연구들로부터, 에탄올을혼합하여바이오오일의분무특성및휘발성을개선하고화염안정성을향상시킬수있음이알려져있다 [17-21]. 따라서본연구에서는, 바이오오일액적의증발특성에관한수치해석적연구를수행하였다. 목질계바이오매스의급속열분해로부터생성된바이오오일의성분중대표성분을선정하여수치해석을위한모델화합물로간략화하였고, 각성분의물성치를정리하여수치해석모델에적용하였다. 간략화된모델화합물에대하여바이오오일액적의크기및주위공기의온도변화, 에탄올혼합에따른증발특성을비교분석하였다. 2. 수치해석방법 바이오오일은수백가지의화학종들로이루어져있으므로, 이를대표적인성분으로간략화하여액적모델링에적용하였다. 바이오오일의주요성분으로는셀룰로오스및헤미셀룰로오스로부터생성되는유기산계통화합물및레보글루코산 (C 6H 10O 5), 리그닌으로부터생성되는페놀류화합물등이있으며, 상당량의수분도포함되어있다. 유기산성분으로는목질계바이오오일의 GC-MS 분석으로부터가장많이나타나는아세트산 (CH 3COOH) 을선정하였고, 페놀류화합물로는가장기본적인형태인페놀 (C 6H 5OH) 을선정하였다. 실제리그닌을분해하면페놀보다는구아이아콜 (C 6H 4OHOCH 3) 와같은알콕시페놀류가많이생성되고, 페놀의경우는보통리그닌오일을별도의촉매공정을통해추가적으로전환시켰을경우그양이증가한다. 본연구에서는페놀류화합물중비교적분자구조가간단하며포화증기압, 비열, 확산계수등의증발관련물성치가잘알려져있는페놀을대표물질로선정하였다. 본계산에사용된모델바이오오일의성분구성을 Table 1에나타내었다. 모델바이오오일의저위발열량 (LHV, Lower Heating Value) 은 3,471 kcal/kg이며, 이는목질계바이오오일의고위발열량 (HHV, Higher Heating Value) 측정값 (4,003 kcal/kg) 으로부터도출된저위발열량 (3,594 kcal/kg) 과오차범위약 3.5% 로거의유사함을알수있다 [22]. 바이오오일액적의증발과정은다성분액적의증발을모사할수있는 PROGRAM DROP[23] 을이용하여계산되었다. 이프로그램을이용한수치해석결과는수분액적증발에관한실험결과및헥산과옥탄으로이루어진다성분액적증발에관한이론식으로부터도출된결과와도잘일치하는것으로알려졌다 [23]. 다성분액적중 i번째성분의시간에따른증발률은다음과같은지배방정식으로표현될수있다. (1) 여기에서, 는 i번째성분의질량, 는 i번째성분의질량전달계수, 는액적의표면적, 는액적내 i번째성분의몰분율, 는 i번째성분의포화증기압, 는주위공기에서 i번째성분의증기압, 는 i번째성분의이상기체상수, 는막온도 (film temperature) 로서다음과같이정의된다. (2) 여기에서 는액적의온도, 는주위공기온도이다. 휘발성분의포화증기압 는 Clausius-Clapeyron 공식에의하여다음과같이계산된다. (3) 여기에서 는 i번째성분의증발잠열이다. 일반적으로증발잠열은온도에따른변화가상대적으로작기때문에, 온도에대한선형관계식으로다음과같이표현될수있다. (4) 식 (4) 를식 (3) 에대입하고적분하면, 다음과같은식을얻을수있다. Appl. Chem. Eng., Vol. 27, No. 6, 2016

3 648 최상규 최연석 김석준 한소영 Table 2. Coefficients for the Calculation of Biocrude-oil Droplet Evaporation Coefficient Acetic acid Levoglucosan Phenol Water ( ) E E E E (kg/m 3 ) exp (5) 여기에서 와 는각각 i번째성분의포화증기압을계산하기위한압력과온도의기본값을나타내며, 일반적으로화학종의끓는점에서의조건을기준으로하여 는 1기압, 는끓는점으로설정할수있다. 바이오오일각성분의,, 값을 Table 2에나타내었으며, 수치해석프로그램의입력값으로사용되었다. 식 (1) 에서질량전달계수 는 Ranz-Marshall 관계식 [24,25] 을이용하여다음과같이계산할수있다. 여기에서 Sherwood number 는다음과같이정의된다. (7) Reynolds number 와 Schmidt number 는다음과같이정의된다. (8) (9) 여기에서 는액적의지름, 는 i번째성분의확산계수, 는주위공기의밀도, 는액적의속도, 는공기의점성계수를나타낸다. 액적의표면적및질량전달계수를계산하기위한액적의지름은다음과같이액적의부피로부터계산된다. (10) 액적의부피는다음과같이액적에포함된모든화학종들의부피의합으로계산된다. (11) 여기에서, 는각각액적내에서 i번째성분의질량및증발하지않는불활성성분의질량을나타내고,, 는각각 i번째성분의밀도, 불활성성분의밀도를나타낸다. 본연구에서는액적의모든성 (6) 분이증발된다고가정하였으므로 이된다. 수치해석프로그램의입력값인 는 Table 2에정리하였다. 위의관계식들을이용하여액적의증발에관한지배방정식 (1) 은다음과같이표현될수있다. (12) 확산계수 는다음과같이온도의함수로나타낼수있다. (13) 각화학종에대한 와 의값은 Table 2에나타내었다. 액적증발과관련한물질전달및열전달등전체수식은참고문헌 (23) 에정리되어있다. 3. 결과및고찰 바이오오일액적의증발특성을액적주위의온도, 액적의크기, 에탄올혼합비율의변화에따라분석하였으며, 계산조건은 Table 3에정리하였다. 본연구에서적용하는모델바이오오일액적의증발특성에앞서, 우선모델바이오오일을구성하는각각의화학종의증발특성을알아보기위하여단일성분액적에대한계산을수행하였다. Figure 1은각각의화학종에대하여단일성분으로이루어진액적의시간에따른지름변화를나타낸다. 액적의지름은 100 µm, 액적의온도는 K이며주위공기의온도는 1000 K로고정하였고, 네가지구성성분이 Table 1과같은비율로혼합된바이오오일 (BCO100) 의지름변화도함께표시하였다. 단일성분의액적에서증발률은시간에따라빨라지는특성을보이며, 아세트산 (CH 3COOH) 의증발속도가가장빠르고페놀 (C 6H 5OH), 레보글루코산 (C 6H 10O 5), 물 (H 2O) 의순서로증발속도가느려진다. 특히물의경우지름 100 µm인액적이완전히증발하는데걸리는시간은 s로서, 증발시간이가장작은아세트산 ( s) 에비하여약 3.4배의시간이소요되는데이는물의증발잠열이 Table 2에서와같이다른성분에비하여가장크기때문이다. 바이오오일의증발곡선은단일성분의액적증발곡선들사이에위치하고있으며, 단일성분과는달리변곡점이존재하는데이는추후에논의될예정이다. Figure 2는같은조건에서시간에따른액적지름의제곱값 (D 2 ) 을나타낸다. 단일성분액적에서는시간에따른 D 2 의변화가거의선형적이며, 이러한경향은액적의증발에대해이론적으로알려진 D 2 -법칙[26] 과잘일치함을알수있다. 공업화학, 제 27 권제 6 호, 2016

4 649 Table 3. Conditions of the Droplet Evaporation Calculation Droplet diameter D (µm) Air temperature T a (K) Species mass fraction in droplet CH 3COOH C 6H 10O 5 C 6H 5OH H 2O C 2H 5OH Remarks Single component BCO100 effect of air temperature BCO100 effect of droplet diameter BCO10~ BCO90 effect of ethanol mixing Figure 1. Evaporation of single-component droplet of individual species for model biocrude-oil. Initial droplet diameter is D 0 = 100 µm, Air temperature T A = 1000 K, Droplet temperature T D = K. Figure 2. D-square value of single-component droplet of individual species for model biocrude-oil. Initial droplet diameter is D 0 = 100 µm, Air temperature T A = 1000 K, Droplet temperature T D = K. Appl. Chem. Eng., Vol. 27, No. 6, 2016

5 650 최상규 최연석 김석준 한소영 Figure 3. Evaporation of individual species of biocrude-oil. Initial droplet diameter is D 0 = 100 µm, Air temperature T A = 1000 K, Droplet temperature T D = K. Figure 5. Evaporation time of biocrude-oil droplet at various air temperatures. Initial droplet diameter is D 0 = 100 µm, Droplet temperature T D = K. Figure 4 D-square value of biocrude-oil droplet at various air temperatures. Initial droplet diameter is D 0 = 100 μm, Droplet temperature T D = K. Figure 6 Evaporation of biocrude-oil droplet at various initial diameters. Air temperature T A = 1000 K, Droplet temperature T D = K. 바이오오일액적이증발할때액적내부에서각각의구성성분의질량변화를 Figure 3에비교하였다. 물이가장빠르게증발하여약 0.02 s에서모두증발하고, 아세트산, 페놀, 레보글루코산순으로증발이완료됨을알수있다. Figures 1, 2에나타난단일성분액적증발에서는액적의초기지름및주위공기온도가동일한경우, 물의증발이가장느리게일어났으나혼합물안에서는물이무게비율로 20% 에불과하므로빠른증발이가능한것으로생각된다. 바이오오일중아세트산의비율이가장높지만페놀및레보글루코산보다빠르게증발하고, 레보글루코산은액적중질량분율이가장낮지만증발이가장느리게일어나서약 s 이전에는무게변화가거의없고, 다른화학종들이모두증발되고난 s 이후인바이오오일액적증발의후반부에는레보글루코산만이증발된다. 각성분이완전히증발하는시간은물, 아세트산, 페놀, 레보글루코산의순서로이루어지는데, 각각의끓는점은 100, , , 385 로서증발시간과끓는점순서가동일하여연관성이있음을유추할수있다. 그러나단일성분의액적에서증발시간은 Figure 1에서와같이아세트산, 페놀, 레보글루코산, 물의순서로끓는점순서와는다르다. 따라서다성분액적에서각성분의증발순서는액적성분의구성비에따라달라질수있기때문에, 증발순서와끓는점순서의상관관계는있으나모든구성비에서반드시일치한다고는볼수없다. 바이오오일액적내에서각성분의증발속도차이로인하여 Figures 1, 2에서와같이바이오오일증 발곡선에변곡점이존재하게된다. 주위공기온도 에따른바이오오일액적의증발특성을비교하기위하여, 다양한 에서시간에따른바이오오일액적지름의제곱값 (D 2 ) 의변화를 Figure 4에나타내었다. D 2 곡선의형상은모든온도에서유사하였으나, 액적의증발시간은온도가높아질수록감소하며특히낮은온도범위에서그변화가급격함을알수있었다. 이러한경향을정량적으로비교하기위하여, 온도에따른바이오오일액적의증발시간을 Figure 5에도시하였다. = 500 K인경우액적증발시간은 s이며, 이는 = 600 K에서의소요시간인 s의약 10배이다. 온도가증가하면서액적증발시간의감소율은작아지며, = 1200 K인경우액적증발시간은 s로서, = 1300 K에서의증발시간 ( s) 의약 1.18배이다. 즉, 주위공기온도가낮을경우에는바이오오일액적의증발시간은온도에매우민감하게변화함을알수있다. Figure 6은바이오오일액적의초기지름을변화시켰을때액적의증발특성을나타낸다. D 2 곡선의형상은유사하지만, 액적의크기가커질수록증발시간이증가하였다. 바이오오일액적의초기지름에대한증발시간을 Figure 7에비교하였다. 액적의지름이 100~400 µm 인범위에서는지름에따라증발시간의증가폭이약간커지고, 지름 400 µm 이상에서는증발시간이초기지름의증가에따라에거의선형적인경향을보인다. 공업화학, 제 27 권제 6 호, 2016

6 651 Figure 7. Evaporation time of biocrude-oil droplet at various initial diameters. Air temperature T A = 1000 K, Droplet temperature T D = K. Figure 9. Evaporation time of biocrude-oil droplet at various mixing ratios. Initial droplet diameter is D 0 = 100 µm, Air temperature T A = 1000 K, Droplet temperature T D = K. Figure 8 Evaporation of biocrude-oil and ethanol mixture at various mixing ratios. Initial droplet diameter is D 0 = 100 µm, Air temperature T A = 1000 K, Droplet temperature T D = K. 바이오오일의효율적인연소를위한주요인자는액적이신속히증발하여가스상의가연물질로전환되는것이므로, Figures 4~7에서의결과와같이주위공기온도를높이고초기액적의크기를감소시키는것이중요하다. 따라서실제바이오오일연료적용시연소실을충분히예열하고, 바이오오일분무를미세하게할수있는연료노즐을이용하여운전조건을최적화할필요가있다. 바이오오일의점도는경유등일반적인석유계통의연료에비하여매우높기때문에, 작은오리피스직경을가진일반적인연료노즐에서는분사가어렵고노즐이쉽게막히는단점이있다. 또한휘발성이좋지않아바이오오일단독으로는안정적인화염을유지하기가어렵다. 이러한단점을개선하기위한방안으로, 바이오오일에소량의에탄올을혼합하여점도를낮추고휘발성을향상시킬수있다 [17-21]. 바이오오일에에탄올을혼합하였을경우액적의증발특성을다양한혼합비율에대하여 Figure 8에비교하였다. 액적의초기직경은 D 0 = 100 µm, 주위공기온도는 T A = 1000 K로고정하였다. 혼합연료중바이오오일의부피비는 BCO10, 30, 50 등으로표시하였다. 즉, BCO10은액적중바이오오일이 10 vol%, 에탄올이 90 vol% 포함되어있음을나타내며, BCO100은액적이모두바이오오일로이루어져있음을나타낸다. 순수한에탄올은 Figure 2에나타낸단일성분의액적에서와같이시간에따른 D 2 의변화가선형적이다. 바이오오일의혼합비율이높아지면서 D 2 곡선에변곡점이나타나며, 액적이증발하는데소요되는시간도증가함을알수있다. Figure 9는바이오오 일-에탄올혼합연료중바이오오일혼합비에따른액적의증발시간을나타낸다. 초기직경 D 0 = 100 µm인순수한에탄올액적의증발시간은 s이며, 같은지름의에탄올이포함되지않은바이오오일액적의증발시간은 s로서약 1.54배의시간이소요된다. 액적의지름및주위공기온도등초기조건이같을경우에탄올혼합에따른증발시간의감소효과가현저히나타나지는않지만, 앞서서술된바와같이바이오오일은높은점성으로인하여미세한분무가어렵기때문에에탄올과동일한노즐및분사조건에서는초기액적의크기자체가에탄올에비하여매우클것으로예상되므로, 에탄올혼합이액적증발뿐만아니라스프레이형성에도효과적임을유추할수있다. 에탄올혼합에따른바이오오일의분무특성도추후흥미로운연구가될수있을것으로생각된다. 4. 결론 바이오오일의구성성분을아세트산, 레보글루코산, 페놀, 수분으로단순화하여액적의증발특성에대한수치해석적연구를수행하였다. 각각의구성성분에서, 단일성분액적의증발곡선은시간에따라지름의제곱값이선형적으로감소하였으며, 이는액적의증발에대해서일반적으로알려진 D 2 -법칙과잘일치하였다. 바이오오일액적의경우에는각성분들의증발특성차이로인하여증발곡선에변곡점이존재하게된다. 주위공기온도가높아지면바이오오일액적의증발시간이감소하는데, 특히주위공기온도가 500~600 K인비교적저온범위에서는온도증가에따라증발시간이급격하게감소하였다. 액적의초기지름이커질수록증발시간도증가하였으며, 지름 400 µm 이상에서는증발시간이지름에거의선형적인경향을보였다. 바이오오일에에탄올을혼합하였을경우액적의증발시간은감소하였다. 에탄올혼합은액적의증발시간단축뿐만아니라바이오오일의점도를낮춤으로써분무특성도개선하는효과가있으므로, 에탄올혼합에따른스프레이특성및액적형성에관한연구도향후필요할것으로생각된다. 감사 본연구는미래창조과학부에서지원하는한국기계연구원주요사업 바이오원유생산고도화활용기술개발 에의하여수행되었으며이에감사드립니다. Appl. Chem. Eng., Vol. 27, No. 6, 2016

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