온도 기반 프레임워크로 바이오매스 압출 펠릿 품질 예측 및 제어

초록

본 연구는 스팀 컨디셔닝 온도, 생산 속도, 다이 형상이 펠릿 품질에 미치는 상호작용을 체계적으로 실험하고, 입자 결합을 촉진하는 ‘점착 온도(T*)’ 개념을 도입한 온도‑시간 프레임워크를 제시한다. 펠릿 온도와 다이 체류 시간이 펠릿 내구성 지수(PDI)를 결정하는 핵심 변수이며, 이를 통해 에너지 소비를 최소화하면서 고품질 펠릿을 생산할 수 있는 실용적 가이드라인을 제공한다.

상세 분석

이 논문은 바이오매스 펠릿 제조 공정의 물리적 메커니즘을 정량화하려는 시도로, 기존 연구에서 제시된 ‘스팀 컨디셔닝’과 ‘압출 마찰’이라는 두 열원만을 고려하는 한계를 넘어, 세 변수(스팀 온도, 생산량, 다이 기하학)의 복합 효과를 ‘점착 온도(T*)’라는 경계값으로 통합한다. T*는 입자 간 엔탈피 반응이 시작되는 최소 온도로 정의되며, 스팀 증기의 잠열 전달과 다이 내부 마찰열이 결합해 달성된다. 실험에서는 동일한 다이(D=6 mm, L/D=12)와 일정한 생산량(≈250 kg h⁻¹)에서 여름·겨울 두 계절에 걸쳐 초기 혼합물 온도(T_bc)를 달리함으로써 절대 온도(T_aC)와 온도 상승(ΔT_C)의 구분 효과를 검증하였다. 결과는 ΔT_C가 35 °C 이상이면 초기 온도 차이가 PDI에 미치는 영향이 사라지고, 다이 내부 온도(T_aD)가 최종 품질을 좌우한다는 점을 보여준다.

다음으로, 다이 체류 시간(t_die)을 독립적인 제어 변수로 설정하고, 생산 속도(Q)와 다이 형상(L/D)의 상호작용을 분석하였다. 동일한 t_die을 유지하면 서로 다른 Q와 L/D 조합에서도 PDI가 일관되게 나타났으며, 이는 t_die이 ‘플라스틱 변형·열전달’의 총합을 반영하는 플랜트‑독립 지표임을 의미한다. 다이 구경이 클수록 표면‑대‑부피 비가 감소해 마찰열 발생이 억제되고, 에너지 효율이 향상된다.

에너지 측면에서는 ‘특정 기계적 에너지 소비(J kg⁻¹)’를 총 스팀 열(Q_s)와 기계적 입력(Q_p)의 비율로 정의하고, T* 도달에 필요한 최소 에너지 양을 정량화한다. 실험 데이터와 문헌(예: Skoch et al., 2020; Wecker et al., 2021)를 교차 검증한 결과, T*에 도달하는 데 필요한 ΔT_die는 생산 속도와 다이 길이의 함수이며, 이를 최적화하면 전체 공정 에너지 사용량을 15‑20 % 절감할 수 있다.

이 프레임워크는 원료 조성(예: 옥수수‑당무 펄프 50/50)와 관계없이 적용 가능하도록 설계되었으며, 원료의 수분 함량, 섬유소/단백질 비율 등에 따라 T가 변동될 수 있음을 인정한다. 따라서 현장 운영자는 실시간 온도 센서와 압력 데이터를 활용해 ‘목표 T’와 ‘목표 t_die’를 설정하고, 스팀 주입량(Q_s)과 압출 속도(Q)를 피드백 제어함으로써 품질과 에너지 효율을 동시에 최적화할 수 있다.

이러한 접근은 펠릿 제조의 에너지 집약성을 감소시키고, 탄소 배출량을 저감함으로써 순환경제 실현에 기여한다는 점에서 학문적·산업적 의미가 크다.