본 논문에서는 목질계 바이오매스에 공급되는 산화제 온도변화에 따른 연소현상의 변화를 관찰하였으며 화학량론으로 1차원분석을 먼저 진행하였다. 연구에서의 시뮬레이션은 첫째로 목재펠릿의 성분을 하나의 평균값으로 적용하여 분석하였고, 두번째로 연소반응을 통해 생성된 열이 보일러의 물집이나 열교환기로의 흐름에 있어서 외부로의 열손실은 없으며, 마지막 세번째로는 입력 공기는 건공기로 가정하는 식의 순서를 통하여 분석을 진행하였다. 본 실험에서 사용한 화학량론 연소분석 방식에서는 반응물과 생성물의 상대적 질량의 계산을 위해 화학반응식을 이용하였다.
<h1>2. 이론적 고찰</h1> <p>목질계 바이오매스에 공급되는 산화제 온도변화에 따른 연소현상의 변화를 고찰하였으며, 먼저 화학량론(Stoichiometry) 을 이용하여 1차원분석(One-dimension, 1-D)을 진행하였다.</p> <h2>2.1 목질계 바이오 매스의 연소</h2> <p>목질계 바이오매스의 연소반응은 외부에서 공급되는 열 에너지로 인하여 온도가 증가되어 흡열반응(Endothermic Reaction)으로 수분 증발이 일어난다. 이후 수분함량 \(0\)(Zero)을 지나 계속 에너지를 흡수하면 분해연소(Pyrolytic Combusiton)가 일어나 휘발분(Volatile)이 발생되며 나머지는 숯(Charcoal)으로 변환된다. 또한 분해연소로 생성된 물질들은 발열반응(Exothermic Reaction)으로 숯의 일부가 표면연소(Surface Combustion)를 통하여 연소가스 (Combustion Gas)로 변환되고 타지 못한 물질은 비연소물질(Non Burning Material)로 남는다. 마지막 단계로 휘발분의 경우 가스상 반응(Gas Phase Combustion)을 통하여 연소가스로 변화되며 특히 휘발분의 수소(H)성분은 산소 (O)와 결합하여 수분으로 발생된다(Fig. \(2\)). 이와 같은 화학적 에너지 전환단계는 목재의 종류, 밀도, 함수율, 열 침투성, 열적특성과 같은 많은 변수들의 함수로써 실제 현상에서는 상기 반응들이 복합적으로 발생하며 이 모든 현상을 시뮬레이션을 통하여 \( 100 \% \) 모사하는 것은 불가능하다. \( { }^{[6,7]} \) 따라서 본 연구에서 이루어진 시뮬레이션은 다음과 같은 가정을 통하여 분석을 진행하였다. 첫째, 목재펠릿의 제조공정이나 소재에 따라 변화되는 목재펠릿의 성분을 하나의 평균값으로 적용하여 분석하였다. 둘째, 연소반응을 통해 생성된 열이 보일러의 물집이나 열교환기로의 흐름에 있어서 외부로의 열손실은 없다. 셋째 입력 공기는 건공기로 가정하였다.</p> <h2>2.2 1-D 연소분석방법</h2> <p>반응에 수반되는 반응물과 생성물의 상대적인 질량을 계산하기 위하여 화학반응식을 이용하는 과정을 화학량론 (Stoichiometry)이라 하며, 이를 이용하여 연소분석을 진행하였다. 연소에 의해 다량의 열을 발생하는 성분은 주로 수소 \( (\mathrm{H}) \), 탄소 \( (\mathrm{C}) \), 황 \( (\mathrm{S}) \) 으로써, 일반적으로 발열에 대하여 고려할 경우 이 3 원소에 대하여 분석한다. 이들 가연 원소의 연소에 대한 기본적인 화학 방정식은 식 (\(15\))와 같다.</p> <p>\( C+O_{2}=C O_{2}+407 \mathrm{MJ} / \mathrm{kmol} \)<caption>(1)</caption></p> <p>\( C+\frac{1}{2} O_{2}=C O+123 \mathrm{MJ} / \mathrm{kmol} \)<caption>(2)</caption></p> <p>\( \mathrm{H}_{2}+\frac{1}{2} \mathrm{O}_{2}=\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{g})+241 \mathrm{MJ} / \mathrm{kmol} \)<caption>(3)</caption></p> <p>\( \mathrm{H}_{2}+\frac{1}{2} O_{2}=\mathrm{H}_{2} O(l)+286 \mathrm{MJ} / \mathrm{kmol} \)<caption>(4)</caption></p> <p>\( S+O_{2}=S O_{2}+297 \mathrm{MJ} / \mathrm{kmol} \)<caption>(5)</caption></p> <p>현재 우리 주위에서 사용되고 있는 화석연료의 주성분은 탄 소와 수소이다. 이와 같은 탄화수소를 공기를 산화제로 이용 하여 완전연소 시키기 위한 일반 반응식은 식 (6)과 같다. \( { }^{[8]} \)</p> <p>\( C_{x} H_{y}+\left(x+\frac{y}{4}\right) O_{2} \rightarrow x C_{2}+\frac{y}{2} H_{2} O+ \) Heat<caption>(6)</caption></p>