열분해의 세 가지 단계는 무엇입니까? 폐기물을 바이오차, 바이오 오일 및 합성 가스로 전환

본질적으로 열분해는 산소가 없는 상태에서 고온으로 탄소 기반 물질을 분해하는 열분해 과정입니다. 이 과정은 수분을 제거하기 위한 건조, 물질을 분해하기 위한 주요 열분해 반응, 그리고 마지막으로 생성된 귀중한 제품을 응축 및 수집하는 세 가지 뚜렷한 단계로 구성됩니다.

열분해는 단일 사건이 아니라 제어되는 3단계 변형으로 이해하는 것이 가장 좋습니다. 이는 공급 원료를 고체(바이오차), 액체(바이오 오일), 기체(합성 가스)라는 세 가지 가치 있고 뚜렷한 제품 흐름으로 체계적으로 분해합니다.

1단계: 공급 원료 건조

목표: 수분 제거

첫 번째 단계는 주 반응을 위해 원료, 즉 공급 원료를 준비하는 것입니다. 주요 목표는 물을 제거하는 것입니다.

수분은 기화되기 위해 상당한 양의 에너지를 소비하며 최종 액체 제품의 품질을 저하시킬 수 있습니다. 효율적인 건조는 효율적인 공정으로 가는 첫 번째 단계입니다.

작동 방식

공급 원료는 물의 끓는점보다 약간 높은 온도, 일반적으로 100-150°C 사이로 가열됩니다. 이는 물질이 주요 반응 챔버에 들어가기 전에 자유수 또는 결합수를 증기로 날려 보냅니다.

2단계: 핵심 열분해 반응

목표: 열분해

이것이 실제 화학적 분해가 발생하는 중심 단계입니다. 목표는 공급 원료의 큰 유기 고분자를 더 작고 더 가치 있는 분자로 열적으로 파괴하는 것입니다.

작동 방식: 산소 없는 가열

건조된 공급 원료는 산소가 없는 환경에서 훨씬 더 높은 온도(일반적으로 400-800°C 이상)로 가열됩니다.

산소의 부재는 매우 중요합니다. 이는 물질이 연소(연소)되는 것을 방지하고 대신 강제로 분해되어 휘발성 증기와 고체, 탄소 함량이 높은 차르(char)의 혼합물을 생성합니다.

화학적 변환

이 강렬한 열은 바이오매스나 플라스틱과 같은 물질의 복잡한 화학 결합을 끊습니다. 그 결과 고체 잔류물(바이오차)과 뜨거운 열의 열분해 증기 흐름이 생성됩니다.

3단계: 제품 분리 및 수집

목표: 가치 포착

열분해 중에 생성된 뜨거운 가스 및 증기 혼합물은 귀중한 최종 제품을 포착하기 위해 분리되어야 합니다.

작동 방식: 냉각 및 응축

이 증기 흐름은 빠르게 냉각됩니다. 냉각되면서 증기의 상당 부분이 액체로 응축된 다음 수집됩니다.

세 가지 최종 제품 흐름

이 분리 공정은 열분해의 세 가지 특징적인 제품을 산출합니다:

• 고체(바이오차): 숯과 유사한 안정적인 탄소 함량이 높은 고체. 토양 건강 개선을 위한 농업, 필터(흡착제) 또는 고체 연료로 자주 사용됩니다.
• 액체(바이오 오일): 응축된 증기로 형성된 어둡고 밀도가 높은 액체. 산업용 연료로 사용하거나 운송 연료 및 특수 화학 물질로 추가 정제할 수 있습니다.
• 기체(합성 가스): 응축되지 않는 증기 부분. 이 가스는 수소와 일산화탄소가 풍부하며 높은 에너지 함량을 가집니다. 전체 열분해 공정에 필요한 열을 공급하기 위해 현장에서 재활용되는 경우가 거의 항상 있어 시스템이 에너지 효율이 매우 높습니다.

상충 관계 이해

이 세 가지 제품의 비율은 고정되어 있지 않습니다. 이는 공정 조건을 제어하여 의도적으로 조작될 수 있으며, 이는 시스템 설계에서 핵심적인 상충 관계를 나타냅니다.

온도 및 가열 속도의 영향

반응 속도와 온도는 최종 제품 수율을 결정하는 가장 중요한 변수입니다.

• 느린 열분해: 더 낮은 온도와 더 긴 반응 시간은 바이오차 생산에 유리합니다. 이것이 전통적인 숯 제조의 원리입니다.
• 빠른 열분해: 바이오 오일의 수율을 최대화하기 위해 매우 높은 온도와 극도로 짧은 반응 시간(종종 2초 미만)이 사용됩니다.

공급 원료의 과제

다른 공급 원료는 다른 결과를 생성합니다. 목재, 농업 폐기물 및 플라스틱은 모두 다양한 품질과 양의 차르, 오일 및 가스로 분해되므로 공정 조정이 필요합니다.

반응기 역할

사용되는 물리적 기계(예: 고정층, 유동층 또는 회전 가마 반응기)는 특정 공급 원료를 관리하고 바이오차 또는 바이오 오일 최대화와 같은 원하는 결과를 달성하기 위해 특별히 선택됩니다.

목표에 맞게 열분해 최적화

이 공정을 효과적으로 적용하려면 먼저 원하는 출력을 정의해야 합니다. 그런 다음 특정 목표를 달성하기 위해 작동 매개변수가 설정됩니다.

• 고체 탄소(바이오차) 생산에 중점을 둔 경우: 낮은 온도와 더 긴 물질 체류 시간을 사용하여 느린 열분해 공정을 사용해야 합니다.
• 액체 연료(바이오 오일) 생성에 중점을 둔 경우: 빠른 가열 속도와 효율적인 증기 급랭을 갖춘 빠른 열분해 공정을 구현해야 합니다.
• 에너지 자급자족에 중점을 둔 경우: 시스템 전체에 열을 공급하기 위해 합성 가스의 효율적인 포집 및 연소를 우선시하도록 설계를 구성해야 합니다.

이러한 단계와 제어 변수를 이해함으로써 다양한 공급 원료를 가치 있는 목표 제품으로 변환하기 위해 열분해 공정을 설계할 수 있습니다.

요약표:

단계	목표	주요 공정	일반적인 온도
1. 건조	공급 원료에서 수분 제거	물을 기화시키기 위해 100-150°C로 가열	100-150°C
2. 열분해 반응	물질 열분해	산소가 없는 환경에서 가열(400-800°C 이상)	400-800°C+
3. 제품 수집	최종 제품 분리 및 포집	증기를 바이오 오일, 바이오차, 합성 가스로 냉각 및 응축	변동

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