플래시 열분해에서 증기 체류 시간은 극도로 짧습니다. 일반적으로 0.5초에서 2초 사이입니다. 이 짧은 지속 시간은 공정의 가장 중요하고 결정적인 매개변수입니다. 이는 분해 증기가 뜨거운 반응기 구역에서 덜 가치 있는 생성물로 변질되기 전에 신속하게 제거하여 액체 바이오 오일 생산을 최대화하도록 의도적으로 설계되었습니다.
플래시 열분해의 2초 미만의 체류 시간은 임의의 매개변수가 아닙니다. 이는 초기 열분해 생성물을 가치 있는 액체 바이오 오일로 "동결"시켜 더 안정적이지만 덜 바람직한 숯과 응축되지 않는 가스를 형성하는 2차 반응을 방지하기 위한 의도적인 공학적 선택입니다.
체류 시간이 결정적인 요인인 이유
플래시 열분해를 이해하려면 시간을 제어하는 것이 주요 목표임을 이해해야 합니다. 전체 공정은 휘발성 화합물이 고온에서 보내는 시간을 최소화하도록 설계되었습니다.
목표: 액체 바이오 오일 최대화
플래시 열분해의 주요 목표는 고체 바이오매스를 액체 중간체로 전환하는 것입니다. 바이오 오일 또는 열분해 오일이라고 하는 이 액체는 저장, 운송 및 고급 바이오 연료 및 바이오 화학 물질로 업그레이드될 수 있습니다.
신속한 분해 메커니즘
적당한 온도(일반적으로 450-600 °C)에서 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌과 같은 바이오매스 구성 요소는 증기, 에어로졸 및 일부 고체 숯의 복잡한 혼합물로 분해됩니다. 이 초기 생성물군은 응축 가능한 유기 화합물이 풍부합니다.
2차 반응 방지
이것이 가장 중요한 개념입니다. 이러한 초기 증기가 뜨거운 반응기에 너무 오래(즉, 몇 초 이상) 남아 있으면 2차 반응을 겪습니다. 이러한 반응은 더 큰 가치 있는 유기 분자를 더 작은 응축되지 않는 가스(CO, CO2, H2, CH4)로 분해하거나 고체 숯으로 재중합되어 최종 액체 수율을 크게 감소시킵니다.
주요 공정 매개변수의 상호 작용
짧은 체류 시간은 단독으로는 의미가 없습니다. 이는 플래시 열분해 공정의 특징인 다른 두 가지 극단적인 조건과 협력할 때만 작동합니다.
높은 열전달 속도
짧은 체류 시간이 효과적이려면 바이오매스 입자가 거의 즉시 목표 온도까지 가열되어야 합니다. 플래시 열분해는 매우 높은 가열 속도(종종 >1000 °C/s)를 요구합니다. 이는 일반적으로 유동층 반응기와 같은 특수 반응기에서 매우 작은 바이오매스 입자(예: <2mm)를 사용하여 달성됩니다.
신속한 제품 담금질
가열이 빠른 것처럼 냉각도 매우 빨라야 합니다. 반응기를 빠져나온 후 뜨거운 증기와 에어로졸은 즉시 담금질(급속 냉각)됩니다. 이로 인해 화학 반응이 중단되고 증기가 액체 바이오 오일 생성물로 응축되어 높은 액체 수율이 고정됩니다.
절충점 이해
이러한 정확한 조건을 달성하는 것은 상당한 공학적 과제를 제기하며 고유한 제품 특성을 초래합니다.
공학적 복잡성
2초 미만의 체류 시간을 유지하려면 순환 유동층 또는 박리 반응기와 같은 정교하고 값비싼 반응기 설계가 필요합니다. 온도, 공급 원료 공급 속도 및 가스 흐름에 대한 정밀한 제어는 필수적이며 대규모에서 달성하기 어렵습니다.
제품 품질 대 수량
플래시 열분해는 액체의 양(무게 기준으로 최대 75% 수율 가능)을 최대화하지만, 원료 바이오 오일의 품질은 낮을 수 있습니다. 종종 산성이며, 부식성이 있고, 열적으로 불안정하며, 드롭인 연료로 사용되기 전에 상당하고 비용이 많이 드는 업그레이드가 필요한 다량의 물과 산소화 화합물을 포함합니다.
공급 원료 민감도
이 공정은 바이오매스 공급 원료의 물리적 특성에 매우 민감합니다. 필요한 빠른 열 전달을 보장하기 위해 광범위한 건조 및 매우 작은 입자 크기로 분쇄해야 하며, 이는 전체 에너지 소비와 운영 비용을 증가시킵니다.
목표에 맞는 공정
대상으로 하는 체류 시간은 원하는 주요 생성물과 근본적으로 연결되어 있습니다.
- 액체 바이오 오일 수율 극대화에 중점을 두는 경우: 고가열 속도 및 신속한 담금질과 결합하여 2초 미만의 체류 시간을 보장하는 플래시 열분해를 사용해야 합니다.
- 바이오 숯 생산에 중점을 두는 경우: 매우 긴 체류 시간(수 시간에서 수 일)을 낮은 온도에서 사용하여 안정적인 탄소 형성을 촉진하는 느린 열분해를 사용해야 합니다.
- 합성 가스 생산에 중점을 두는 경우: 모든 타르와 숯을 단순한 가스 분자로 분해하도록 특별히 고온 및 더 긴 체류 시간을 사용하는 가스화를 고려해야 합니다.
궁극적으로 체류 시간을 제어하는 것은 바이오매스 전환을 원하는 최종 제품으로 유도하는 근본적인 지렛대입니다.
요약표:
| 매개변수 | 플래시 열분해 특성 |
|---|---|
| 증기 체류 시간 | 0.5 - 2초 |
| 주요 목표 | 액체 바이오 오일 수율 최대화 |
| 일반적인 온도 | 450 - 600 °C |
| 주요 공학적 과제 | 신속한 가열 및 담금질 |
| 일반적인 액체 수율 | 최대 75 wt% |
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