정확히 말하자면, 열분해는 연소가 아닌 열분해(thermal decomposition) 과정입니다. 따라서 굴뚝이 배출하는 방식으로는 "배출물"을 생성하지 않습니다. 대신, 단일 투입 재료를 고체, 액체, 기체라는 세 가지 별개의 가치 있는 제품 범주로 변환합니다. 이러한 산출물의 정확한 구성은 초기 재료와 사용된 특정 공정 조건에 전적으로 달려 있습니다.
핵심적인 오해는 열분해 산출물을 폐기물 배출물로 생각하는 것입니다. 적절하게 제어되는 시스템에서는 산출물이 엔지니어링된 제품, 즉 고체(바이오 숯과 같은), 액체(바이오 오일과 같은), 기체(합성 가스와 같은)이며 각각 특정 산업 또는 에너지 응용 분야를 가집니다.
열분해 제품의 세 가지 상태
열분해는 산소가 부족한 환경에서 유기 물질이나 탄화수소를 분해합니다. 이는 연소를 방지하고 대신 재료를 구성 요소로 분해한 다음 별도의 제품 흐름으로 포집합니다.
고체 제품 (바이오 숯 및 코크스)
주요 고체 산출물은 바이오 숯(바이오매스로부터) 또는 코크스라고 하는 탄소 함량이 높은 물질입니다.
이 고체는 대부분의 휘발성 성분이 기화된 후 남은 것입니다. 주성분은 안정적인 고체 탄소입니다.
일반적으로 400–500 °C 정도의 낮은 열분해 온도는 농업, 여과 또는 에너지 브리켓팅 응용 분야를 위해 이 고체 제품의 수율을 최대화하는 데 사용됩니다.
액체 제품 (바이오 오일 및 타르)
공정 온도가 증가함에 따라 응축 가능한 가스의 복잡한 혼합물이 형성됩니다. 이 증기를 냉각하면 액체 제품이 됩니다.
이 액체는 종종 열분해 오일(또는 바이오 오일)이라고 불리지만, 원료에 따라 목초 식초 또는 타르와 같은 분획을 포함할 수도 있습니다.
이 오일은 대체 산업 연료로 사용되거나 바이오디젤과 같은 고품질 제품으로 추가 정제될 수 있습니다.
기체 제품 (열분해 가스)
액체가 분리된 후 남은 비응축성 가스는 세 번째 제품 흐름을 형성하며, 종종 열분해 가스 또는 합성 가스라고 불립니다.
이 가스는 수소(H2), 메탄(CH4), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 기타 다양한 탄화수소를 포함할 수 있는 혼합물입니다.
중요한 점은 이 가스가 상당한 에너지 가치를 지닌다는 것입니다. 대부분의 현대적인 열분해 플랜트에서는 이 가스를 포집하여 열분해 반응을 유지하는 데 필요한 열을 공급하는 데 사용되어 시스템의 에너지 효율을 높입니다.
열분해 산출물이 일률적이지 않은 이유
고체, 액체 및 기체 제품의 특정 비율과 화학적 구성은 고정되어 있지 않습니다. 이들은 두 가지 주요 변수를 제어하여 의도적으로 조작됩니다.
투입 재료 (원료)의 역할
시작 재료는 잠재적인 산출물을 근본적으로 결정합니다. 목재를 열분해하여 얻은 제품은 다른 재료의 제품과 현저하게 다릅니다.
예를 들어, 폐플라스틱의 열분해는 다른 오일과 왁스를 생성합니다. 메탄의 열분해는 두 가지 청정 제품인 고체 탄소와 기체 수소를 생산하도록 설계된 전문 공정입니다.
공정 조건의 영향
온도는 가장 중요한 제어 레버입니다. 일반적인 원칙으로, 작업자는 목표에 따라 산출물 비율을 조정할 수 있습니다.
더 낮은 온도(400–500 °C)는 고체 바이오 숯 생산을 선호합니다.
더 높은 온도(700 °C 이상)는 재료를 더 완전히 "균열"시켜 액체 및 기체 연료의 수율을 높이는 데 유리합니다.
트레이드오프 이해하기: 제품 대 비산 배출물
제어된 열분해 시스템이 투입물을 제품으로 변환하는 동안, 주요 환경적 관심사는 제어되지 않거나 비산 배출물(fugitive emissions)이 발생할 가능성입니다.
폐쇄 루프 시스템이 필수적입니다
잘 설계된 열분해 시설의 목표는 폐쇄 루프 시스템이 되는 것입니다. 고체, 액체, 기체라는 세 가지 산출물 흐름은 모두 포함되어 수집 또는 사용을 위해 지시됩니다.
시스템의 모든 누출은 휘발성 유기 화합물(VOC) 또는 기타 처리되지 않은 가스를 방출할 수 있으며, 이는 유해 배출물로 간주됩니다. 따라서 장비의 무결성이 매우 중요합니다.
다운스트림 배출물도 중요합니다
열분해 제품 자체가 에너지를 위해 사용될 때 배출물 프로필을 가진다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.
바이오 오일이나 합성 가스를 에너지로 연소하면 다른 연료와 유사한 CO2와 같은 배출물이 발생합니다. 환경적 이점은 폐기물을 유용한 연료로 전환하는 것과 같은 원료에 뿌리를 두고 있습니다.
목표에 맞는 올바른 선택하기
열분해의 "배출물"은 엔지니어링된 산출물로 이해하는 것이 가장 좋습니다. 이 공정은 원하는 최종 제품에 따라 선택되어야 합니다.
- 탄소 격리 또는 토양 개량이 주된 관심사인 경우: 안정적인 고체 바이오 숯의 산출량을 최대화하기 위해 바이오매스의 저온 열분해를 활용해야 합니다.
- 폐기물로부터 에너지 생산이 주된 관심사인 경우: 에너지 밀도가 높은 바이오 오일 및 가연성 합성 가스의 수율을 최대화하기 위해 고온 열분해를 활용해야 합니다.
- 청정 수소 생산이 주된 관심사인 경우: 천연 가스를 고체 탄소와 수소 가스로 분리하도록 특별히 설계된 특수 메탄 열분해를 찾아봐야 합니다.
궁극적으로 열분해 산출물을 이해하는 것은 폐기물이 아닌 가치를 창출하기 위해 강력한 변환 프로세스를 제어하는 것입니다.
요약표:
| 제품 흐름 | 일반적인 이름 | 주요 용도/응용 분야 |
|---|---|---|
| 고체 | 바이오 숯 (바이오매스로부터) / 코크스 | 토양 개량제, 여과, 에너지 브리켓팅 |
| 액체 | 바이오 오일 / 타르 | 산업용 연료, 바이오디젤로 정제 |
| 기체 | 합성 가스 / 열분해 가스 | 공정용 현장 에너지원, 연료 |
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