이상적인 조건에서, 바이오매스의 고속 열분해는 공급원료의 상당 부분을 바이오 오일로 알려진 액체 제품으로 전환할 수 있습니다. 잘 최적화된 공정은 일반적으로 중량 기준으로 최대 75%의 바이오 오일을 생산하며, 나머지는 바이오 숯(약 15%)과 비응축성 합성가스(약 10%)로 전환됩니다. 그러나 이 수율의 실제 가치는 생성되는 오일의 품질에 전적으로 좌우됩니다.
고속 열분해의 핵심 과제는 높은 액체 수율을 달성하는 것이 아니라, 원유 바이오 오일의 불안정하고 부식성 있는 특성을 관리하는 것입니다. 초기 높은 수율은 실행 가능한 연료를 만들기 위한 필수적이고 에너지 집약적인 업그레이드 공정의 시작점일 뿐입니다.
고속 열분해의 목표
고속 열분해는 바이오매스로부터 액체 제품을 최대화하기 위해 고안된 열화학적 전환 공정입니다. 몇 가지 핵심 원리에 따라 작동합니다.
고온, 무산소
이 공정은 산소가 전혀 없는 상태에서 바이오매스를 약 500°C의 온도로 가열하는 것을 포함합니다. 이는 연소를 방지하고 대신 복잡한 유기 고분자(셀룰로스 및 리그닌 등)가 더 작은 휘발성 분자로 분해되도록 합니다.
극도로 빠른 가열 및 급냉
액체 수율을 최대화하려면 바이오매스 입자의 가열이 엄청나게 빨라야 합니다. 마찬가지로 중요한 것은 생성된 뜨거운 증기를 빠르게 냉각하거나 "급냉"하는 것입니다. 이는 분자들이 더 이상 비응축성 가스로 분해되기 전에 바이오 오일로 액체 상태를 유지하도록 합니다.
높은 수율이 높은 가치와 같지 않은 이유
75%의 액체 수율을 달성하는 것은 인상적인 화학 공학적 성과이지만, 생산된 원유 바이오 오일은 기존 석유 원유와 근본적으로 다릅니다. 그 고유한 특성은 상당한 기술적 및 경제적 장애물을 제시합니다.
낮은 에너지 밀도
원유 바이오 오일의 발열량은 전통적인 석유 기반 연료의 약 절반에 불과합니다. 이는 주로 연소에 기여하지 않는 높은 산소(35-40%) 및 수분(15-30%) 함량 때문입니다.
부식성 특성
바이오 오일은 유기산(예: 아세트산 및 포름산)의 존재로 인해 매우 산성이며, 종종 pH가 2에서 3 사이입니다. 이는 탄소강과 같은 일반적인 건축 금속에 매우 부식성이 있습니다.
화학적 불안정성
시간이 지남에 따라 바이오 오일 내의 반응성 화합물은 계속 중합되어 점도 증가, 상 분리 및 고형물 형성을 초래할 수 있습니다. 이는 장기 보관 및 운송에 큰 어려움을 줍니다.
오염 물질 존재
바이오 오일에는 원래 바이오매스에서 유래한 숯 입자 및 알칼리 금속을 포함한 다양한 오염 물질이 포함될 수 있습니다. 이러한 오염 물질은 오일이 엔진이나 정유 공장에서 사용되기 전에 제거되어야 합니다. 그렇지 않으면 오염 및 장비 손상을 유발할 수 있습니다.
트레이드오프 이해: 업그레이드의 필요성
원유 상태의 고수율 바이오 오일은 초기 상태에서 거의 사용할 수 없습니다. 실행 가능한 "드롭인(drop-in)" 연료가 되려면 상당하고 비용이 많이 드는 처리를 거쳐야 합니다.
업그레이드 공정
업그레이드 기술은 오일을 안정화하고 그 특성을 개선하도록 설계되었습니다. 가장 일반적인 방법은 수소화 처리(hydroprocessing)(또는 수소화)로, 촉매와 고압 수소를 사용하여 산소를 제거하고 산도를 줄이며 에너지 밀도를 높입니다.
순수율에 미치는 영향
업그레이드는 필수적이지만 비용이 듭니다. 이 공정은 상당한 양의 에너지와 값비싼 수소를 소비합니다. 더 중요한 것은 산소 및 기타 원자를 제거하면 최종 사용 가능한 연료의 최종 부피가 줄어들어 최종 제품의 순수율이 초기 75% 수치보다 훨씬 낮아진다는 것입니다.
목표에 맞는 올바른 선택
고속 열분해로부터 바이오 오일 수율을 평가하려면 초기 수치를 넘어 전체 생산 체인을 고려해야 합니다.
- 주요 초점이 학술 연구인 경우: 초기 액체 수율을 최대화하는 것은 유효한 목표이지만, 구성 및 업그레이드 가능성을 이해하기 위한 상세한 화학 분석과 함께 이루어져야 합니다.
- 주요 초점이 상업적 생산인 경우: 안정적이고 사양을 준수하는 연료의 최종, 업그레이드 후 수율만이 경제적 타당성을 위한 유일한 지표입니다.
- 주요 초점이 에너지 균형인 경우: 바이오매스 건조, 열분해, 특히 업그레이드에 필요한 수소 생산 및 압축 과정에서 소비되는 에너지를 고려해야 합니다.
궁극적으로 고속 열분해의 성공은 높은 초기 수율을 안정적이고 에너지 밀도가 높으며 경제적으로 경쟁력 있는 최종 제품으로 효율적으로 전환하는 능력에 달려 있습니다.
요약표:
| 요인 | 일반적인 값/특성 |
|---|---|
| 최대 바이오 오일 수율 | 중량 기준 최대 75% |
| 바이오 숯 수율 | ~15% |
| 합성가스 수율 | ~10% |
| 원유 바이오 오일 품질 | 낮은 에너지 밀도, 산성, 불안정 |
| 주요 과제 | 안정성 및 연료 호환성을 위한 업그레이드 |
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