바이오원유 제조를 위한 경사하강식 반응기에서 커피찌꺼기 급속열분해 CFD 해석 = CFD modeling of the fast pyrolysis of coffee grounds in a tilted-slide reactor for bio-crude oil production

국문 초록 (Abstract)

바이오매스는 현재 전 세계적으로 문제가 되는 환경문제를 해결하기 위해 주목을 받는 재생 에너지원이다. 그 중에서 바이오매스를 열분해하여 액체 상태의 오일인 바이오원유를 제조하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 액체상의 오일을 얻는 것에 많은 연구가 진행되는 이유는 액체 상태의 원유가 가지는 저장과 수송이 쉬운 장점 때문이다. 현재 많은 연구실에서 바이오매스의 열분해 실험이 진행되고 있지만, 많은 어려움이 있다. 가장 대표적으로 사용되는 기포 유동층 급속열분해 반응기는 바이오 매스와 열 교환을 하는 유동사 안정화의 어려움이 있고, 실험실 규모 이상의 반응기는 안정화는 물론 반응기의 설계와 제작, 반응기 운전을 위한 초기 조건 설정, 실험의 진행 및 후 처리 과정을 수행하면서 경제적 및 시간적인 소요가 커지게 된다. 이러한 어려움을 극복하기 위해서 바이오-매스의 급속 열분해 과정에 전산 유체해석을 적용하였다. 전산해석을 통해서 경제적인 손실을 줄이고 원하는 반응기의 설계를 위해 다양한 설계 조건을 즉각적으로 적용한 시뮬레이션이 가능하기 때문이다. 본 연구에서는 상용프로그램인 STAR-CCM+ v9.06를 사용하여 경사하강식 반응기에서 커피찌꺼기 바이오-매스의 급속 열분해 반응의 모델링을 수행하였다. 바이오-매스 입자의 탈 휘발화 과정은 다상유동의 해석 모델 중 라그랑지안 다상유동 모델을 적용하였다. 기체상 유동에 대해서는 k-ε 난류 모델과 RANS 방정식을 적용하였다. 전산 해석을 통한 수율 값은 400℃~650℃까지 50℃의 간격으로 가정하여 총 7번의 계산을 수행했다. 최대 예측 수율은 실제 실험에서 최대 수율을 얻은 550℃보다 38℃높은 588℃에서 최대 수율 64.94%의 값을 얻었다. 상대 오차를 비교하기 위해서 반응온도 550 에서의 예측값과 실제 값을 비교하였고, 상대오차는 8.52%이다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 1 서 론 1
• 1.1 바이오매스 1
• 1.2 바이오매스의 급속열분해 2
• 1.3 열분해 반응기 4
• 1.4 연구 목적 5
• 2 전산유체역학 7
• 2.1 지배방정식 7
• 2.1.1 질량 보존 방정식 8
• 2.1.2 운동량 보존 방정식 8
• 2.1.3 에너지 보존 방정식 10
• 2.1.4 화학종 보존 방정식 10
• 2.1.5 상태 방정식 11
• 2.2 유한 체적법 12
• 2.3 난류 유동 13
• 2.4 다상 유동 15
• 3 수치해석 모델링 16
• 3.1 바이오매스 성분 분석 16
• 3.2 경사 하강식 반응기의 형상 설계 20
• 3.3 물리 모델링 22
• 4 계산 결과 및 분석 28
• 4.1 반응영역 온도에 따른 수율 비교 28
• 4.2 반응기 내부의 급속 열분해 과정 30
• 4.2.1 반응영역 온도에 따른 주요 성분 분해율 31
• 4.2.2 바이오 매스 입자의 열분해 시간 및 위치 35
• 4.3 바이오 오일의 성분 예측 37
• 5 결 론 40
• 참고 문헌 42