Python-Based Process Modelling and Optimisation of Pyrolysis Valorisation of Palm Kernel Shells and Empty Fruit Bunches for Biochar Production: A Circular Economy Assessment

가나의 팜유 산업 중심부에서는 매일 엄청난 양의 폐기물이 발생합니다. 과일 1톤을 수확할 때마다, 그 과정은 두 가지 뚜렷한 유형의 잔여물을 남깁니다. 바로 핵에서 나온 단단한 껍질 형태의 파편과, 한때 과일을 담고 있었던 커다란 섬유질 다발입니다. 현재 이 물질의 대부분은 야외에 방치되어 부패하거나 태워지는데, 이러한 관행은 대기 중으로 연기와 온실가스를 배출하며 귀중한 자원을 낭비하는 결과를 초래합니다. 과학자들은 오래전부터 이 부산물들이 열분해(pyrolysis)라고 불리는 과정을 통해 유용한 무언가로 변형될 수 있다는 사실을 알고 있었습니다. 열분해는 산소가 없는 상태에서 바이오매스를 가열하여, 고체 형태의 탄소가 풍부한 물질인 바이오차(biochar)와 가스 및 오일로 분해하는 방법입니다. 바이오차는 토양의 건강을 개선하고, 물을 정화하며, 지구를 따뜻하게 만들 수 있는 탄소를 가두어 둘 수 있는 다재다능한 물질입니다. 그러나 이러한 잠재력을 신뢰할 수 있는 현실로 바꾸기 위해서는 공정을 정확히 어떻게 운영해야 하는지 아는 것이 필수적입니다. 온도와 재료를 가열하는 시간은 매우 중요하지만, 실험실에서의 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸리는 시행착오 실험 없이 이 특정 가나의 잔여물들에 대한 완벽한 균형점을 찾는 것은 어려웠습니다.

가나의 대학교 연구진들은 이 문제를 해결하기 위해 컴퓨터 모델링의 힘을 사용하는 다른 접근 방식을 취했습니다. 물리적인 실험실에서 수천 톤의 껍질과 다발을 직접 태우는 대신, 그들은 과학적 작업에 널리 쓰이는 프로그래밍 언어인 파이썬(Python)을 사용하여 상세한 디지털 시뮬레이션을 구축했습니다. 그들은 팜 폐기물의 각 구성 성분인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌이 가열될 때 어떻게 반응하는지를 모사하는 가상 모델을 만들었습니다. 기존의 과학 문헌에서 얻은 데이터를 이 모델에 입력함으로써, 그들은 다양한 조건 하에서 얼마나 많은 바이오차가 생산될지를 예측할 수 있었습니다. 예측의 견고함을 보장하기 위해, 그들은 폐기물의 조성과 운영 조건에 작은 무작위 변화를 도입하여 수천 번의 시뮬레이션 시나리오를 실행했습니다. 이를 통해 그들은 단 하나의 결과만이 아니라, 실제 농업 현장에서 발견되는 자연스러운 불일치를 고려한 일련의 가능한 결과 범위를 확인할 수 있었습니다. 그런 다음 그들은 탄소 함량에 대한 엄격한 품질 기준을 충족하면서도 바이오차 생산량을 극대화할 수 있는 단 하나의 최적의 조건 세트를 찾기 위해 고급 수학적 기법을 사용했습니다.

시뮬레이션 결과는 명확하고 일관된 방향을 제시했습니다. 연구진은 최종 생성물의 품질이 공정을 제한하는 가장 중요한 요소임을 발견했습니다. 고부가가치 시장과 탄소 배�권 제도에 적합한 프리미엄 등급의 바이오차를 생산하려면, 물질이 최소 60%의 고정 탄소를 포함해야 합니다. 이 요구 사항 때문에 공정은 약 섭씨 393도의 특정 온도에서 작동해야 합니다. 온도가 너무 낮으면 바이오차가 너무 불순해지고, 온도가 너무 높으면 고체 물질이 가스로 분해되어 전체 생산량이 줄어듭니다. 모델은 이 최적의 온도에서 팜 커넬 껍질(palm kernel shells)은 약 50분 동안 가열되어야 하며, 빈 과일 다발(empty fruit bunches)은 약 57분으로 조금 더 긴 시간이 필요하다는 것을 결정했습니다. 이러한 정밀한 조건 하에서, 공정은 껍질로부터 42.2%, 다발로부터 38.5%의 바이오차 수율을 냅니다. 또한 분석 결과, 리그닌의 양이 불확실성의 가장 큰 원인임이 밝혀졌습니다. 리그닌은 식물 성분 중 가장 내열성이 강한 부분이기 때문에, 리그닌 함량의 변화가 최종 생산량에 가장 큰 영향을 미칩니다.

연구진이 이러한 결과들을 전형적인 가나의 팜유 밀에 적용했을 때, 경제적 및 환경적 그림은 매우 명확해졌습니다. 시간당 10톤의 과일 다발을 처리하는 표준 밀(mill)은 연간 5,500톤 이상의 바이오차를 생산할 수 있는 충분한 폐기물을 생성합니다. 이것은 단순히 이론적인 숫자가 아닙니다. 이는 폐기물 관리에서 자원 창출로의 실질적인 전환을 의미합니다. 연구는 이 밀이 야외 소각 대신 열분해 방식을 채택함으로써 매년 약 31,854톤의 이산화탄소 상당량을 배출하는 것을 방지할 수 있다고 계산했습니다. 이 혜택은 두 가지 원천에서 옵니다. 하나는 바이오차에 영구적으로 갇힌 탄소이고, 다른 하나는 폐기물을 야외에서 태울 때 발생하는 배출을 피함으로써 얻는 것입니다. 재무적인 전망 또한 똑같이 유망합니다. 바이오차 판매가가 낮고 탄소 배출권 가격이 낮은 보수적인 시장 가정 하에서도, 이 운영은 순이익을 창출합니다. 더 유리한 시장 상황에서는 연간 수익이 300만 달로 이상에 달할 수 있습니다. 껍질보다 훨씬 더 풍부한 빈 과일 다발이 이 경제적 가치의 대부분을 주도하며, 밀 현장에서 순환 경제를 위한 주요 엔진 역할을 합니다.

본 연구는 이 계산적 프레임워크가 서아프리카의 팜유 폐기물로부터 바이오차 상업화를 위한 신뢰할 수 있는 청사진을 제공한다고 결론짓습니다. 연구진은 철저한 물리적 실험을 먼저 수행하지 않고도 수익성 있고 환경적으로 유익한 공정에 필요한 정확한 운영 조건을 식별하는 것이 가능하다는 것을 입증했습니다. 유일한 주요 제약 조건은 국제 표준에서 요구하는 높은 탄소 품질을 유지해야 한다는 점이며, 이는 온도와 시간을 결정짓습니다. 컴퓨터 모델이 강력한 기초를 제공하지만, 저자들은 향-후 연구에서 현지 운영 조건 하에서 이러한 결과를 확인하기 위한 가나에서의 파일럿 규모 테스트와 기술의 전체 수명 주기에 대한 분석이 포함되어야 한다고 언급했습니다. 현재로서는, 이 시뮬레이션은 한때 골칫거리였던 폐기물이 어떻게 귀중한 자산으로 변모할 수 있는지를 증명하며, 심각한 환경적 부채를 깨끗한 에너지, 토양 개선, 그리고 경제 성장이라는 원천으로 바꾸어 놓았습니다.