Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association (유기물자원화)

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Study on Torrefaction Characteristics of Solid Biomass Fuel and Its Combustion Behavior

바이오매스 고형연료의 반탄화 특성 및 반탄화물의 연소특성에 관한 연구

  • Lee, Weon Joon (Department of Environmental System Engineering, Chonnam National University)
  • 이원준 (전남대학교 환경시스템공학과)
  • Received : 2015.11.30
  • Accepted : 2015.12.07
  • Published : 2015.12.30
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Abstract

Torrefaction is a thermochemical process proceeded at the temperature around $250^{\circ}C$ in an inert gas condition. By torrefaction, the hemicellulose portions contained in biomass are broken down to change into the volatile gas which is removed from biomass eventually. The main purpose of biomass torrefaction is to improve the energy density of the biomass to minimize the transport energy consumption, though the flammability can be elevated for transportation. In this study two types of solid biomass fuel, waste wood and rice straw, were torrefied at various temperature range from $200^{\circ}C$ to $300^{\circ}C$ to evaluate the torrefied biomass characteristics. In addition torrefied biomass were tested to evaluate the combustion characteristics using TGA (Thermogravimetric Analysis). After the torrefaction of biomass, the C/H (carbon to hydrogen ratio) and C/O (carbon to oxygen ratio) were measured for aquisition of bio-stability as well as combustion pattern. Generally C/H ratio implies the soot formation during combustion, and the C/O ratio for bio-stability. By torrefaction temperature at $300^{\circ}C$, C/H ratio and C/O ratio were increased by two times for C/H and three times for C/O. The torrefied biomass showed similar TGA pattern to coal compared to pure biomass; that is, less mass decrease at lower temperature range for torrefied biomass than the pure biomass.

반탄화 공정은 약 $250^{\circ}C$정도의 온도에서 진행되는 열화하적 반응으로, 본 반응에 의하여 바이오매스 중에 포함된 헤미세루로스가 분해되고, 휘발성 가스를 생성하여 분리되는 과정이 진행된다. 바이오매스를 반탄화하는 중요한 이유로는 반탄화에 의하여 에너지 집적도(바이오매스 단위 중량에 포함된 열량)가 증가하게 되어 수송 등에 필요한 열량이 감소하는 장점이 있는 반면, 반탄화의 결과로 생산된 반탄화물은 화재 및 분진 폭발의 위험이 높아지는 단점이 있다. 본 연구에서는 바이오매스 연료 중 목질류로서 자연 건조된 폐목재와 초본류로서는 볏짚을 대상으로 약 $200^{\circ}C{\sim}300^{\circ}C$범위의 온도에서 반탄화 실험을 실시하여 반탄화 후 결과물의 연료적 특성을 평가하였다. 특히 C/H(탄소와 수소 비) 및 C/O(탄소와 산소비)는 연료적 특성 중 생물학적 안정성 및 연소시 오염물질(특히 수트, Soot)과 관계되는 요소로서 중요하다. 실험 결과 반탄화에 의하여 C/H는 약 2배 증가하였으며, C/O는 약 3배 증가하였다. 이는 생물학적 안정성은 감소하여 자연적으로 분해(생분해)가 진행되는 어려운 상태로 변화되었으나, 연료 중 수소의 감소에 의하여 휘발성 가스의 생성은 감소할 수 있는 것을 나타낸다. 한편 탄화된 바이오매스의 TGA(Thermogravimetric Analysis)를 실시한 결과, 저온에서의 진행되는 열분해 부분이 상대적으로 감소하였으며, 이는 단순 바이오매스 연료에 비하여 석탄과 연소 특성이 유사할 수 있는 것으로 나타내었다.

Keywords

References

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