최근 세계적으로 에너지 소비량이 급격하게 증가하며 이로 인하여 필연적으로 환경오염 문제가 크게 나타나고 있다. 태양광- 열이나 풍력, 수력과 같은 신재생에너지는 이용에 제약조건이 많이 따른다. 목질계 바이오매스는 일반적으로 톱밥과 같은 작은 입자형태로 분쇄, 건조, 압축하여 작은 알갱이 형태로 성형한 펠릿으로 이용하고 있으며, 재료의 함수율과 크기 및 생산시간에 따른 효율증대를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그리고 환경부에서 실시한 온실가스 배출권의 할당 및 거래에 관한 법률의 탄소배출권에 관하여 이용이 자유로운 에너지원이다.
<h1>1. 서 론</h1> <p>최근 세계적으로 에너지 소비량이 급격하게 증가하며 이로 인하여 필연적으로 환경오염 문제가 크게 나타나고 있다. 따라서 자연친화적인 신재생에너지의 개발의 중요성이 증대되고 있다. 특히 대한민국의 에너지 공급구조는 수입이 크게 차지하고 있으며 수입의존도가 2013년 기준 \( 95.7 \% \) 를 나타내고 있다(에너지통계연보 에너지경제연구원, 2014). 이 규모는 전체 수입액의 약 \( 34.7 \% \) (한국무역협회, 2014) 로써 이런 문제점을 해결하기 위하여 국내 자체적으로 생산 및 이용 가능한 청정에너지의 개발이 요구되고 있다.</p> <h2>1.1 목재 펠릿의 장점</h2> <p>태양광- 열이나 풍력, 수력과 같은 신재생에너지는 이용에 제약조건이 많이 따른다. 하지만 목질계 바이오매스는 이와 다르게 기존 화석연료와 동일하게 저장 및 이용이 가능한 특성을 가지고 있으며, 석탄과 혼용으로 기존의 시설에 이용 및 적용 가능하여 신재생에너지 의무 할당제도 (Renewable Portfolio Standard, RPS)에 보다 쉽게 활용될 수 있는 이점이 있다. 또한 동일한 양의 에너지 이용 시 생성되는 이산화탄소의 양이 화석연료의 \( 1 / 12 \) 수준 \( { }^{[1]} \) 이며 이때 발생된 이산화탄소는 다시 새로운 바이오매스의 성장을 위한 광합성작용에 이용된다. 이런 특성을 바탕으로 \(2006\)년 유엔기후변화협약(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)에서 '탄소중립연료(Carbon Neutral)'로 인정되었으며, \(2015\)년 \(1\)월 \(2\) 일 국내 환경부에서 실시한 “온실가스 배출권의 할당 및 거래에 관한 법률"의 탄소배출권에 관하여 이용이 자유로운 에너지원이다.</p> <p>이러한 목질계 바이오매스는 대부분 톱밥과 같은 작은 입자형태로 분쇄, 건조, 압축하여 작은 알갱이 형태로 성형한 펠릿으로 이용하고 있으며, 재료의 함수율과 크기 및 생산시간에 따른 효율증대를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. \( { }^{[2,3]} \) 다른 한편, 최근 목질계 바이오매스의 고밀도 에너지화를 위한 반탄화 목재칩 생산을 위한 연구가 진행되었다. 하지만 생산에 투입되는 에너지 비용을 이용한 경제성분석 결과 펠릿으로의 성형방법에 대한 연구와 개발의 필요성을 언급하고 있다. \( { }^{[4]} \)</p> <h2>1.2 목재 펠릿의 이용 현황</h2> <p>국내 임지에서 발생되는 목질계 바이오매스를 그대로 사용하는 양은 꾸준히 감소되어 왔으며, \(2009\)년부터 대부분 우드 칩(Wood chip)과 목재펠릿(Wood pellet)으로 가공하여 이용하기 시작했다. 목재펠릿은 크게 부피의 축소(우드칩의 \(4\) 배)와 보관 및 운송의 용의, 균질, 규격화를 통하여 자동보일러까지 사용가능해지면서 소비량이 \(2009\)년 \(18\), \(216\) ton에서 \(2014\)년 \(1,940\),\(103\)ton으로 약 \(106\)배 증가되었으며, 이에 따라 수입량 또한 크게 증가되었다(Fig. \(1\)). 이러한 이용확대에도 불구하고 목재펠릿 이용기기들의 투입 공기와 연료의 양, 연료공급 및 고체연소특성으로 인한 효율감소 및 다양한 문제점에 발생됨에 따라 개발에 많은 시간과 비용이 소모되고 있다. 따라서 이를 보완하고 개발하는데 있어 해석 모델을 이용한 수치해석방법이 유용하게 활용될 수 있다. 본 연구에서는 목재펠릿의 연소현상 후 발생되는 생성물을 화학반응식을 이용한 \(1\) 차원분석과 전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 프로그램을 이용한 \(3\) 차원 해석모델을 이용하여 예측하였다. 또한 실제 사용하고 있는 가정용 목재펠릿보일러의 실험 결과와 앞서 예측한 시뮬레이션 결과를 비교하여 검증하였다.</p>