*세라믹 부품 및 복합재 제조 기술 연구소, 슈투트가르트 대학교
소개
화석 연료의 가용성이 제한되어 있기 때문에 재생 가능한 원자재가 최근 주요 논의 주제가 되고 있습니다. 작물 수확량, 필요한 면적, 에너지 함량에 대한 질문이 가장 큰 관심사입니다. 화석 연료에 비해 재생 가능한 원료의 연소 거동은 기후 조건, 식물 부품 처리, 건조 및 저장과 관련된 수분 함량과 같은 매개변수의 영향을 훨씬 더 많이 받기 때문에 자연적인 변동이 더 큽니다. 그림 1은 바이오매스 및 에너지 플랜트로 분류할 수 있는 원료를 정리한 것입니다.
에너지 플랜트
화석 연료의 대안으로 에너지 플랜트를 사용하려면 조달 비용과 작물 수확량을 비교해야 합니다. 예를 들어, 보리 232kg은 난방유 100리터의 발열량[1]에 해당하며 2013년 9월 시장 가격 기준으로 41유로 더 저렴합니다. 독일의 단독주택 난방에 연간 3,000리터를 소비한다고 가정하면 연간 1,200유로를 절약할 수 있습니다. 다양한 종류의 곡물처럼 농작물은 먹을 수 없거나 품질이 좋지 않아 사람이 소비하기에 부적합한 경우에만 에너지 생산에 사용해야 하기 때문에 대체 에너지 식물이 집중적으로 검토되고 있습니다.
원유, 목재 펠릿 등의 가격 상승을 고려할 때, 에너지 플랜트는 이미 비용 효율적인 대안을 제시하고 있습니다. 농작물 짚, 목재 펠릿, 난방유의 평균 가격과 난방 가치는 표 1 [2]에서 비교하고 있습니다.
표 1: 다양한 에너지 캐리어의 난방 가치 및 비용
가격 | 난방 가치 | 비용 / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| 난방유 | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| 목재 펠릿 | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| 작물 짚 | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
표에서 볼 수 있듯이, 농작물 짚의 낮은 발열량은 상당히 낮은 구입 비용으로 상쇄되어 난방유보다 더 경제적입니다. 따라서 곡물 생산에서 나오는 짚과 같은 농업 폐기물은 거의 모든 종류의 토양에서 쉽게 자라는 다른 에너지 식물과 함께 대체 에너지원으로 면밀히 검토할 가치가 있습니다. 중국 은잔디(miscanthus sinensis)와 미스칸투스 기가테우스도 비교적 높은 발열량과 낮은 회분 함량을 나타내므로 추가 연구가 필요한 식물입니다. 미스칸투스는 에너지 사용을 위해 특별히 재배해야 하지만 유채 짚은 곡물 생산의 부산물로도 사용할 수 있습니다. 따라서 두 에너지원의 이점을 고려할 때 면적 제한을 고려해야 합니다.
열중력 측정
열 중량 측정법(TG)은 특히 연소 과정 조사에 적합합니다. 주로 고체 연료의 열 안정성을 신속하게 평가할 수 있습니다. 가연성 물질의 양(질량 손실)과 남은 재 함량(잔류물)을 쉽게 정량화할 수 있습니다. NETZSCH Thermokinetics 소프트웨어를 통해 분석된 연소 온도와 반응 속도는 재료의 연소 거동에 대한 중요한 동역학 정보를 제공합니다.
연소 반응 중 질량 손실과 불연성 광물회 함량도 정량화할 수 있습니다. 분해나 수분 또는 용매의 방출과 같은 다른 반응과 달리 연소는 고체 가스 반응입니다. 따라서 시료 표면, 퍼지 가스의 산소 농도 및 도가니 형상과 같은 파라미터가 매우 중요합니다.
이러한 중요한 파라미터는 에너지 플랜트의 연소를 위해 NETZSCH STA 409 C를 사용한 실험에서 최적화되었습니다.
연소 동작
이 애플리케이션 노트에서는 식물성 짚(미스캔서스 및 레페시드)과 이를 원료로 만든 펠릿의 연소 거동에 대한 조사 결과를 설명합니다. 조사된 물질은 그림 2와 3에 나와 있습니다.
재료의 연소 거동은 NETZSCH STA 409 C. 개방형 알루미나 도가니가 있는 DTA-TGA 샘플 홀더를 사용하여 조사했으며, 퍼지 가스는 유속 80ml/min의 합성 공기를 사용했습니다. 20 K/min의 가열 속도를 사용했을 때 연소 반응은 600°C까지 완료되었습니다(그림 4 및 5).
DTA 방법은 발열량과 발열 속도에 대한 정보를 제공하여 발열 연소 반응에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 펠릿화되지 않은 샘플은 질량 손실 프로파일이 비슷하더라도 더 높은 반응 열(더 큰 DTA 신호)을 나타냈다는 점에 유의해야 합니다. 느슨한 물질의 표면적이 높을수록 더 효율적인 연소 과정이 촉진됩니다. 또한 유채 짚 샘플은 미스칸서스 샘플과 유사한 연소 거동을 보였습니다. 잔여 질량(회분 함량)은 에너지 플랜트의 불활성 광물 성분에 해당합니다.
다공성 및 밀도 측정
수은 다공성 측정법(Porotec Pascal 140/440)을 사용하여 시료의 다공성과 밀도를 측정했습니다. 결과는 표 1에 요약되어 있습니다. 그림 6과 7은 다공성 및 상대 또는 비 밀도와 관련하여 두 재료와 그 가공 제품(펠릿) 간의 유의미한 차이를 보여줍니다. 유채 짚 샘플은 미스캔서스 샘플보다 밀도가 낮고 기공의 부피가 상당히 큰 것이 특징입니다(표 1). 이는 펠렛화되지 않은 유채 짚 샘플이 유채 짚 펠렛 샘플보다 상당히 낮은 온도에서 훨씬 더 높은 연소 속도를 보였기 때문에 연소 거동에 분명히 유리합니다(그림 5).
표 2: 네 가지 바이오매스 샘플의 분석 데이터 비교
| 속성 | 미스칸투스 | 미스칸투스 펠릿 | 유채 짚 | 유채 펠릿 |
|---|---|---|---|---|
| 총 다공성 [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| 계산된 기공 부피 [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| 특정 샘플 표면 [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| 평균 기공 반경 [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| 밀도1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| 겉보기 밀도2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1밀도: 고체 네트워크의 밀도(기공 및 부품 간 빈 공간 포함)
2피상 밀도: 닫힌 기공과 접근할 수 없는 기공을 포함한 재료의 밀도
가스 감지 및 동역학 분석
열무게 분석 과정에서 생성된 가스의 FT-IR 특성 분석 결과, 분해 속도 최고점(515°C)에서 생성된 가스는 주로CO2로 구성되어 있는 것으로 나타났습니다. 평평한 바닥과 충분히 높은 가스 유량(여기서는 160ml/min 산소)을 갖춘 도가니를 사용하면 반응 속도에 대한 경계 조건의 영향을 상당 부분 피할 수 있습니다. 이는 얻은 데이터를 심층적인 동역학 분석에 적용하기 위한 중요한 요건을 충족합니다. 1 ~ 5 K/min의 가열 속도에서 얻은 미스칸투스 펠릿 샘플의 열무게 측정 데이터의 열역학적 분석은 NETZSCH Thermokinetics 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다. 그림 9와 같이 실험 데이터에 가장 잘 맞는 두 개의 연속적인 n차 반응이 발견되었습니다.
결론
이러한 열 중량 측정 조사 결과 시료 준비 및 측정 조건이 결과에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 연소 거동과 관련하여 서로 다른 에너지 플랜트 샘플 간의 신뢰할 수 있는 비교는 유사한 포장 밀도와 형상을 가진 플랜트 샘플을 동일한 퍼지 가스 조건(예: 산소 농도 및 유량)에서 측정할 때만 수행할 수 있습니다.
서로 다른 에너지 플랜트의 연소 거동을 비교 조사하려면 시료 형상, 시료 수량, 퍼지 가스의 산소 농도, 퍼지 가스의 양뿐만 아니라 플랜트 부품의 크기 또는 시료의 포장 밀도와 같은 측정 파라미터가 결정적으로 중요하다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 외부 영향을 최소화하기 위해 STA 409 C의 모든 측정 파라미터는 이러한 경계 조건의 측정 가능한 영향이 결과에 영향을 미치지 않도록 조정되었습니다. 그래야만 비교 열무게 분석뿐만 아니라 측정 데이터의 동역학적 평가도 실현할 수 있습니다.
미스칸투스는 에너지 밀도가 높아 에너지원으로 매력적이지만, 특별한 재배가 필요하기 때문에 잠재적 가치가 낮습니다. 반면 유채는 곡물 생산 과정에서 쉽게 얻을 수 있는 부산물이며 좋은 에너지원이기도 합니다.