A Study on Thermal Decomposition and Fire Properties of Wood Pellets

성찬 김

doi:10.7731/KIFSE.c7cd27af

요 약

목재펠릿의 화재특성을 파악하기 위한 기초연구로서 열중량분석과 콘칼로리미터 시험을 통해 열적조건에 따른 열분해 특성과 화재물성을 정량화한다. 열중량분석은 10 °C/min의 승온조건하에서 700 °C까지의 열분해 특성을 파악하였으며 온도에 따른 반응율의 피크값은 317 °C와 392 °C에서 관측되었다. 콘칼로리미터 시험을 통해 열유속조건에 따른 열방출율, 질량감소율, 점화시간 등이 측정되었으며 최대 HRRPUA와 평균 MLRPUA는 열유속 증가에 따라 증가하는 경향을 보였으나 유효연소열은 열유속 조건에 크게 영향을 받지 않고 비교적 일정한 값을 보였다. 본 연구는 목재펠릿의 열적 및 화재특성을 파악하여 연료의 활용성을 확대하고 안전성을 확보하는데 기여할 것으로 기대된다.

ABSTRACT

As a preliminary study to understand the fire characteristics of wood pellets, we quantitatively analyzed their pyrolysis behavior and fire properties under thermal conditions using thermogravimetric analysis and cone calorimeter tests. Thermogravimetric analysis (TGA) was conducted at a heating rate of 10 °C/min up to 700 °C to identify the pyrolysis characteristics and reveal the peak reaction rates at 317 and 392 °C. The cone calorimeter tests were used to measure parameters such as the heat release rate, mass loss rate, and ignition time under various heat flux conditions. The heat release rate per unit area (HRRPUA) and mass loss rate per unit area (MLRPUA) increased with increasing heat flux, whereas the effective heat of combustion remained relatively constant. This study is expected to contribute to the enhanced utilization and improved safety of wood pellets by providing foundational data on their thermal and fire behaviors.

KeyWords: Wood pellet, Heat release rate, Pyrolysis, Ignition time, Effective heat of combustion

1. 서 론

국내의 경우 산림바이오매스는 목재펠릿, 목재칩, 바이오에탄올 등 다양한 형태로 사용되고 있으며 이중 목재펠릿은 화석연료에 대한 의존도를 줄이기 위한 수단으로 주로 난방용이나 발전용으로 널리 활용되고 있다(1). 목재펠릿의 생산, 저장, 사용 과정에서 화재, 폭발 등의 사고위험이 꾸준히 보고되고 있으며 목재연료의 특성상 불완전 연소로 인한 질식사고 우려가 상대적으로 높다. 따라서 목재펠릿의 안전하고 효율적인 활용을 위해 열분해 특성과 연소과정에서 발생하는 화재특성을 파악하는 연구가 선행되어야 한다.

Kim 등(2)은 목재펠릿, 바닥재(bottom ash), 반탄화된 시료 등에 대한 TGA 분석을 통해 목재펠릿의 열분해 특성을 파악하였으며 drop tube furnace (DTF)실험을 통해 연소과정에서 NOx 배출과 미연탄소(unburned carbon) 발생량을 비교분석하였다. Seo 등(3)은 건축 및 가구용으로 적용되는 목재류에 대한 TGA실험과 ISO-5660-1 콘칼로리미터 실험을 통해 가열과정의 최대반응온도와 반응율, 연소과정의 최대열방출율(peak heat release rate)과 총발열량(total heat release), 연소가스 생성 등의 화재물성을 제공하였다. Kim 등(4)은 발전소에서 사용되는 목재펠릿의 저장량에 따른 자연발화특성을 파악하기 위해 시료변화량과 가열조건에 따른 자연발화온도와 발화유도시간을 측정하였으며 발화한계온도로부터 겉보기 활성화에너지등의 물성을 정량화하였다.

친환경 및 재활용 연료로서 가정용 난방이나 캠핑용 간이난로 등에서 목재펠릿연료의 사용이 증가하고 있으나 발열특성이나 화염연소 및 훈소과정의 연소생성물에 대한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 뿐만아니라 최근 산불로 인한 비산화염(firebrand)를 모사하는데 있어 정형화된 목재칩이나 목재펠릿이 활용되고 있으며 화재위험성을 평가하기 위해서는 비산화염의 개별요소에 대한 화재특성을 정량화하는 과정이 필요하다(5,6).

본 연구에서는 목재펠릿의 화재특성을 파악하기 위한 기초연구로서 열중량분석과 콘칼로리미터 시험을 수행하여 열적 조건에 따른 반응특성과 기본적인 화재물성을 평가하고자 한다.

2. 실 험

2.1 목재펠릿

시험대상은 뉴질랜드산 라디에타 소나무(pinus radiata)를 가공하여 만든 천연 단일목재펠릿으로 시중에서 구하기 쉽고 물성이 비교적 명확한 장점이 있다. Figure 1과 같이 원통형 펠릿의 직경은 6 mm 정도로 일정하지만 길이는 5～20 mm로 다양하며 겉보기 밀도는 680 kg/m³ 정도이다. 열중량분석에서는 임의로 선택된 3개 부분에서 약 30 mg정도 샘플링하였으며 콘칼로리미터 실험에서는 잘 섞은 목재펠릿으로부터 240 g을 임의로 추출하여 정사각 샘플용기(100 mm × 100 mm)에 담아 화재실험을 진행하였다.

Figure 1

A photograph of the wood pallets used for testing.

2.2 열중량분석

열중량분석은 LINSEIS사의 STA PT-1000을 이용하였으며 장치의 최대가열온도는 1000 °C, 온도와 질량측정의 정확도는 0.2% 이내이다. 시편의 승온율(heating rate, β)은 10 °C/min이며 가열온도범위 20～700 °C 사이의 열분해과정을 파악하였다. 1차 열분해 과정의 반응율과 반응상수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(1)

dxdt=k(x−μ)

(2)

k=A exp(−Ea/RT)

x는 질량분율(mass fraction, g/g), μ는 잔존물의 질량분율, k는 반응상수(rate constant), A는 선지수인자(pre-exponential factor), E_a는 활성화에너지(activation energy), R은 기체상수(gas constant)를 의미한다. 고체연료의 열분해 반응특성은 Arrhenius식에 의해 결정되며 FDS에서는 Lyon 등(7)이 제시한 바와 같이 일정한 승온율하에서 Figure 2와 같이 최대 반응율이 일어나는 온도에서의 반응율 변화가 0이 되는 조건으로부터 A와 Ea를 결정하는 single point method (SPM)을 적용하고 있다.

(3)

Ea=x′max(1−μ)eRTp2β

(4)

A=e x′max(1−μ)eEa/RTp

Figure 2

Determination of temperature at maximum pyrolysis rate by the single point method.

2.3 화재실험

화재실험은 콘칼로리미터를 이용하여 수행하였으며 콘히터를 이용하여 시편을 가열하고 자연점화를 유도하였다. 콘히터의 최하단부와 시편용기의 최상단 거리는 25 mm이며 배기유량은 표준시험조건인 0.024 m³/s로 설정하였다. 연료표면에 가해지는 열유속은 Hukesflux사의 Schmidt-Boelter형의 열유속계인 SBG04모델이며 최대 측정열유속은 100 kW/m² , 시야각은 180°이다. 제조사에서 제공하는 보정상수는 5.0 kW/m²mV이며 보정상수의 오차는 ± 5.5%로 제공된다. 콘히터의 열유속은 전원공급장치를 통해 제어되며 열유속 조건은 15~40 kW/m² 범위에서 수행되었다. Figure 3은 콘히터의 최하단에서 거리에 따라 측정된 열유속을 나타낸다. 표준시험에서 적용되는 거리인 25 mm 근처에서 열유속은 최대값을 보였으며 설정 열유속값에 따라 차이는 있으나 25 mm를 기준으로 ± 5 mm 높이에서 열유속의 차이는 2% 이내로 나타났다.

칼로리미터의 열방출율(heat release rate, HRR)은 산소소모법을 적용하여 측정하였으며 배기유량과 산소소모지수를 기초로 다음과 같이 계산된다.

(5)

q˙chem=EO2ϕm˙e1+ϕ(α−1)(1−XH2Oo)XO2oMWO2MWa

Figure 3

Heat flux profiles measured along the centerline beneath the cone heater.

여기서, EO2는 산소의 단위질량당 방출에너지(kJ/kg), m˙_e배기질량유량(kg/s), 산소소모계수(oxygen depletion factor, φ), α는 화학적 팽창계수, MW는 분자량(g/mol), 하첨자 a는 공기, 상첨자 ^o는 외기조건을 의미한다.

화재시험중 목재펠릿의 질량감소는 로드셀을 이용하여 측정되며 시편의 감소 질량이 작은 관계로 kg 대신 g단위를 적용하였다. 측정된 질량으로부터 구간별 평균 질량감소율(mass loss rate)을 산정하였다.

(6)

m˙f,i=mt+Δt−mtΔti

열유속 조건하의 유효연소열(effective heat of combustion, HoC)은 측정된 열방출율과 연료의 질량감소율을 기초로 다음과 같이 계산된다.

(7)

ΔH¯c,eff=q˙chem,im˙f,i

실험의 진행과정은 콘히터의 전원공급장치를 조정하여 열유속 값이 준정상상태에 도달하고 10 min 이상 경과한 후에 열유속계를 제거하고 측정위치에서의 시편을 설치하여 점화를 유도하였다. 점화 후 연소가 진행되는 동안 콘히터의 전원공급은 지속되며 최소 6 min 이상 경과후 콘히터를 제거하였다.

3. 실험결과

Figure 4는 시험대상 목재펠릿 시편의 열중량분석결과를 나타낸다. 온도증가에 따라 100 °C 근처의 질량감소는 수분증발에 의한 것이며 수분함량은 약 7% 정도로 추정된다. 목재연료의 주성분인 헤미셀룰로스(hemicellulose)는 약 220～315 °C, 셀룰로스(cellulose)는 300～400 °C, 리그닌(lignin)은 150～900 °C의 광범위한 온도범위에서 열분해가 일어나는 것으로 알려져 있다(8).

Figure 4

Mass fraction and reaction rate from the TGA result for the wood pallets.

200 °C 이상에서 점진적인 반응율 증가는 헤미셀룰로스에 의한 것으로 보이며 반응율의 1차 피크점은 317 °C 정도에서 일어나며 주로 셀룰로스의 열분해과정에 기인한 것으로 판단된다. 반응율의 2차 피크점은 392 °C 정도에서 리그닌의 분해 과정에서 발생하는 것으로 판단되며 반응율은 셀룰로스의 약 1/3정도로 나타났다. 500 °C 이상에서의 반응은 미미하며 잔존물의 질량분율은 2.5% 정도로 일정하게 유지된다.

Figure 5는 콘히터의 열유속이 29 kW/m²인 경우와 37 kW/m²인 조건에 대한 가열 이후의 단위면적당 열방출율(heat release rate per unit area, HRRPUA) 변화를 나타낸다. 가열이 시작된 이후 목재펠릿으로부터 헤미셀룰로스, 셀룰로스의 열분해에 따라 가연성 증기의 생성이 증가하고 점화순간 증발된 가연성증기의 연소로 인해 열방출율은 급격히 증가한다. 점화 이후 목재펠릿으로부터 생성되는 연료증기의 양이 감소함에 따라 열방출율은 지속적으로 감소하며 콘히터가 제거되는 순간 열방출율은 급격히 감소하며 약 1 min 경과후 화염연소는 중단되고 훈소과정이 진행된다. 외부에서 가해지는 열유속이 높을수록 점화시간은 짧아지고 점화 이후의 최대열방출율은 높게 나타난다.

Figure 5

The time history of the measured HRRPUA under different incident heat flux conditions.

Figure 6은 열유속조건에 따른 점화 직후 최대 HRRPUA를 나타낸다. 초기 점화이후의 최대 열방출율은 점화 직전에 증발되는 가연성 증기의 증발량에 크게 의존하는데 열유속 증가에 따른 열방출율은 선형적으로 증가하는 것으로 알려져 있으며(9,10) 본 연구의 목재펠릿과 같이 입자로 채워진 다공성 연료에 대해서도 열유속 증가에 따른 최대 열방출율의 증가가 비교적 좋은 선형성을 보이고 있다.

Figure 6

The peak HRRPUA measured under different incident heat flux conditions.

Figure 7은 열유속 조건이 37 kW/m²인 경우 가열이후 단위면적당 질량감소율(mass loss rate per unit area, MLRPUA)과 유효연소열(effective heat of combustion, ΔH_c,eff)을 나타낸다.

(8)

m˙″ f=m˙fA

Figure 7

Time history of MLRPUA and effective heat of combustion under incident heat flux of 37 kW/m².

점화이후 콘히터에 의한 가열이 중단되는 시간(Δt_b)까지의 감소된 질량은 약 90 g이며 이 시간동안의 총괄 MLRPUA는 14.28 g/m²s로 계산된다. 매 20 s 간격으로 평균된 MLRPUA는 Figure 5의 열방출율 곡선과 매우 잘 일치하고 있으며 최대 MLRPUA는 21.9 g/m²s이나Δt_b시간 동안의 평균값은 14.66 g/m²s로서 총괄 MLRPUA값과 잘 일치된 결과를 보인다. 한편 Δt_b시간동안 유효연소열은 12.72 ± 0.49 kJ/g으로 비교적 일정한 값을 보였으나 히터에 의한 열유속이 제거된 이후에는 12.85 ± 2.1 kJ/g로서 평균값은 유사하나 편차는 크게 증가하는 경향을 보였다. HRRPUA와 MLRPUA 측정의 섭동은 가연물의 불규칙한 연소특성 이외에 샘플링간격이나 계측장치의 노이즈 등에 의해서 발생하는 것으로 생각된다.

Figure 8은 열유속조건에 따른 MLRPUA와 유효연소열의 변화를 나타낸다. MLRPUA는 콘히터로부터 연료표면으로 가해지는 열유속이 증가함에 따라 Figure 6의 최대 HRRPUA와 마찬가지로 지속적으로 증가하는 경향을 보이지만 유효연소열은 열유속 조건에 대한 의존성이 낮고 거의 일정한 경향을 보인다. 목재 원목의 유효연소열은 목재의 종류 따라 차이는 있으나 10.6～14.2 kJ/g정도로 보고 되고 있으며(11) 본 연구에서 측정된 목재펠릿의 유효연소열의 평균값은 11.58 ± 0.65 kJ/g정도로 기존 물성값 범위에 있다.

Figure 8

MLRPUA and heat of combustion under different incident heat flux conditions.

열적으로 두꺼운(thermally thick) 재료의 경우 열유속에 따른 점화시간은 다음과 같이 나타낼 수 있다(12).

(9)

tign=FTP(q˙″e−q˙″cr)n FTP=π4kρcp(Tign−T∞)

(10)

tign−1/n=FTP−1/nq˙″e−FTP−1/nq˙″cr

여기서 FTP는 flux time product를 의미한다. k는 열전도율(W/mK), ρ는 재료의 밀도(kg/m³), c_p는 비열(kJ/kgK), 하첨자 e는 외부, cr은 임계값을 의미한다.

점화시간과 열유속은 이론적으로 n = 2의 관계를 가지나 많은 이전연구에서 다양한 n값이 제시되고 있다(13,14). 본 연구에서는 Chen(12)이 제시한 n = 1을 적용하여 임계열유속을 계산하였다.

Figure 9는 열유속조건에 따른 1/t_ign의 관계를 나타낸다. 열유속 증가에 따라 1/t_ign은 증가하는 경향을 보이고 있으나 25 kW/m²와 29 kW/m²의 열유속 조건에 대해 점화시간이 상대적으로 오래 소요되었기 때문에 전체적인 선형성은 다소 떨어지는 경향을 보인다. 이는 기존 연구에서 사용된 평판 시편과 달리 목재펠릿은 고형입자의 다공성형태로 시험용기에 채워져 있다. 따라서 열유속 조건마다 연료표면에서의 목재펠릿의 크기와 배치구조가 상이하기 때문에 점화시간이 영향을 받는 것으로 판단된다. 식(10)의 열유속과 1/t_ign의 선형관계로부터 기울기와 Y절편을 도출하고 이를 통해 얻어진 임계열유속은 약 14 kW/m²로 평가되었다.

Figure 9

The reciprocal of the ignition time (1/t_ign) under different incident heat flux conditions.

4. 결 론

본 연구에서는 연료나 화재시험용으로 활용도가 증가하는 목재펠릿연료에 대한 열적물성과 화재특성을 파악하기 위한 기초연구로서 열중량분석과 콘칼로리미터 실험을 통해 열분해 반응특성과 열적조건에 따른 화재 물성을 파악하였다.

• 열중량분석을 통해 셀룰로스와 리그닌의 열분해과정중의 기준온도와 기준반응율을 평가하였으며 전체 반응에서 셀룰로오스의 열분해 반응이 지배적이며 500 °C 이상에서의 반응은 거의 없고 잔존물 양은 2.5%정도로 나타났다.
• 최대 열방출율은 점화 직후에 관측되었으며 이후 연소가 진행됨에 따라 열방출율은 감소하는 경향을 보였다. 열유속 조건에 따른 최대 HRRPUA와 평균 MLRPUA는 열유속 증가에 따라 증가하는 경향을 보였으나 유효연소열은 열유속 조건에 크게 영향을 받지 않고 비교적 일정한 값을 보였다.
• 열유속조건에 따른 1/t_ign의 관계는 전체적으로 선형성을 보이고 있으나 연료표면에서의 목재펠릿 입자의 크기와 배치구조가 다르기 때문에 선형성은 상대적으로 떨어진다.
• 본 연구의 시험대상 목재펠릿(라디에타소나무)연료의 열분해 및 화재물성의 측정값을 정리하면 Table 1과 같다.

Table 1

Fire Properties of Tested Wood Pellets

Parameter	Value
Reference Temperature	317 °C	392 °C
Reference Reaction Rate	0.0103 s^-1	0.00368 s^-1
HRRPUA	218~267 kW/m²
MLRPUA	17.9~21.9 g/m²s
Eff. Heat of Combustion	11.58 ± 0.65 kJ/g
Critical Heat Flux	14 kW/m²

본 연구는 목재펠릿연료의 열적 특성에 초점을 두고 화재물성을 정량화하였으며 추가적으로 화염연소 및 훈소과정중의 생성물의 특성에 대한 연구를 통해 목재펠릿연료의 생산, 저장, 이용 과정에서 발생할 수 있는 화재위험성을 평가하고 이를 바탕으로 화재안전설계에 활용될 수 있다.