에너지원과 화학물질의 원료로 사용되고 있는 화석 연료의 매장량은 한정되어 있어 멀지 않아 고갈될 것으로 예상되고 있다. 따라서 화석연료를 대체할 수 있는 수력, 풍력, 지열, 태양열 등의 대체에너지에 대한 연구가 많이 진행되고 있고, 탄소 중립적인 에너지원으로서 바이오매스의 할용에 대한 수요가 증가하고 있다.
바이오매스는 목질류(임산부산물, 우드펠릿, 폐목재), 농업부산물, 유기성 폐자원, 해조류 등 매우 다양하다. 바이오매스의 다양한 전환 방법 중 열분해 공정은 연료나 화학 원료 물질을 얻기 위해 사용된다. 본 연구에서는 Lab scale 반응기를 사용하여 300 ~ 600oC범위에서 저속 열분해 실험을 진행하였다. 실험 대상으로 한 바이오매스는 총 5종이며 원산지는 모두 인도네시아로 Palm kernel shell, Paddy straw, Tree stem, Cocopeat, Bagasse이다. 바이오매스 5종에 대한 기초 물성 분석 실험을 진행한 결과 각각의 특성은 다양하게 나타났다.
Palm kernel shell은 휘발분 함량 66.82 %, 탄소 함량 55.82 %, 발열량은 18.81 MJ/kg으로 가장 높다. Paddy straw는 회분 함량 20.94 %, 산소 함량 43.28 %로 가장 높고, 이로 인해 발열량은 13.74 MJ/kg로서 가장 낮다. Tree stem은 휘발분 함량 80.12 %, 산소 함량 43.44 %로 가장 높게 나타났다. Cocopeat은 수분 함량 20.95 %로 가장 높고, 휘발분 함량은 49.05 %로 가장 낮다.
바이오매스는 저속 열분해를 통하여 탄소로 이루어진 고체 물질(바이오촤), 다양한 탄화수소(바이오 오일, 열분해 가스)의 증기를 생산한다. 열분해 생성물의 수율은 바이오매스 샘플별로 다양한 범위로 나타난다. 하지만 열분해 온도가 300 ~ 500 oC로 상승할 때의 수율은 비슷한 경향이 나타난다. 바이오 오일의 수율은 300 ~ 500 oC로 상승할 때 증가하며 이후 500 ~ 600 oC의 온도에서의 변화량은 작다. 바이오 오일의 가장 높은 수율 결과를 나타낸 바이오매스는 59.53 %의 Tree stem이다. 바이오촤는 300 ~ 400 oC의 온도에서 수율 변화가 가장 크게 줄어들며 이후 온도 때에서는 서서히 감소한다. 바이오촤의 가장 높은 수율 결과를 나타낸 바이오매스는 39.96 %의 Paddy straw이다. 열분해 가스는 300 ~ 600 oC로 온도가 상승하면서 수율이 서서히 증가하는 경향을 나타낸다.
열분해 생성물 중 오일 발열량은 10 ~ 15 MJ/kg이었으며, 오일 내 고형물과 Ash 함량을 분석한 결과 0.1 wt%미만이었다. 일반적으로 바이오 오일은 주로 acetic acid, furfural, levoglucosan, phenolics등의 화합물로 구성 되어 있으며, 그 외 ketones와 aldehydes등이 포함 되어 있다. Acetic acid, furfural, levoglucosan, phenolics등의 화합물들은 추출과 정제를 통해 화학 원료 물질로서 사용이 가능하며 개질을 거친 후 연료로서의 사용이 가능하다.
생성 가스의 대부분 CO, CO2, CH4 기타 탄화 수소류들의 함량은 증가하였다. 생성 가스의 발열량은 약 7 ~ 10 MJ/kg로서 CO2농도가 높아 연료로서의 활용은 불가능 하지만 열분해 공정 시에 보조 에너지원으로 사용이 가능하다. Char는 대부분 탄소로 이루어져 있으며 활성탄 같은 흡착제나 비료에 섞어서 사용이 가능하다.
Raw 바이오매스 대비하여 열분해 생성물인 500 oC 바이오촤, 500 oC 바이오 오일, 그리고 500 oC에서의 바이오촤와 바이오 오일을 비율별로 혼합한 슬러리의 겉보기 밀도(Apparent density)를 측정하였다. Palm kernel shell은 Raw biomass와 대비하여 바이오촤 또는 바이오 오일과는 겉보기 밀도 차이가 적었고, Paddy straw는 Raw biomass와 대비하여 바이오촤의 겉보기 밀도가 오히려 더 작았으며 바이오 오일의 수율이 작으므로 다른 바이오매스에 비해 수송 비용 절감은 적다. Tree stem은 Raw biomass와 대비하여 겉보기 밀도가 바이오 오일이 2배가 더 컸고, 슬러리(1:1 비율)는 약 10배의 차이가 났다.
Cocopeat은 Raw biomass와 대비하여 겉보기 밀도가 약 6배정도 더 컸고, 슬러리(1:4 비율)의 경우 10배 가까운 차이가 났다. Bagasse는 Raw biomass와 대비하여 바이오 오일은 약 6배가 더 컸으며, 슬러리(1:2 비율)는 약 10배 가까운 차이를 확인할 수 있었다. Raw biomass와 대비하여 수송 비용의 절감이 큰 바이오매스는 Cocopeat과 Bagasse로 확인 하였다.