화석연료 사용으로 인해 대기 중으로 배출되는 CO2를 흡수하여 광합성을 통해 에너지를 축적하는 바이오매스는 대기 중의 CO2 농도를 증가시키지 않는 탄소중립(carbon-neutral)자원이기 때문에 친환경적인 신·재생 에너지라 불린다. 바이오매스를 가스화하는 과정에서 부산물로 생성되는 타르는 응축성 있는 ...
화석연료 사용으로 인해 대기 중으로 배출되는 CO2를 흡수하여 광합성을 통해 에너지를 축적하는 바이오매스는 대기 중의 CO2 농도를 증가시키지 않는 탄소중립(carbon-neutral)자원이기 때문에 친환경적인 신·재생 에너지라 불린다. 바이오매스를 가스화하는 과정에서 부산물로 생성되는 타르는 응축성 있는 탄화수소로 이루어진 유기고분자 화합물질이기 때문에 가스화 반응기, 연료배관, 후속 장치 등에 점착되어 부식이나 막힘을 유발하여 상용화시 가장 큰 문제점을 일으킨다. 그러므로 본 연구에서는 바이오매스를 이용한 가스화의 최적 조건을 도출하고 이 과정에서 생성되는 타르를 oil 흡수제를 이용하여 효과적으로 제거하는 것을 목적으로 연구하였다. 최적 조건을 도출하기 위해 가스화기는 가스와 연료 간의 열 전달율이 좋고 반응기 전체를 균일하게 유지할 수 있는 기포유동층반응기를 사용하였고 750℃, 850℃의 반응기 온도 조건과 ER (0.2~0.4) 변화에 따른 가스화 최적 조건을 도출하였다. 도출된 최적 조건을 이용하여 기존 습식 스크러버의 가스와 세정액의 접촉효율 문제 등을 해결하기 위한 침강형 구조의 타르제거장치를 설계하여 타르 제거실험을 진행하였고 세정액으로는 식물성 오일2종(soybean oil, waste cooking oil), 동물성 오일 1종(mineral oil)을 사용하였다. 또한 타르가 제거된 producer gas의 저위발열량(LHV)과 타르가 포집된 오일 세정액의 발열량을 측정하여 에너지원으로 가능한지에 대한 여부를 판단하였다. 반응기 온도 750℃에서 ER (0.2~0.4)변화에 따른 가스 조성을 확인한 결과 H2(10.72, 9.15, 7.67, 6.36, 5.26 vol%), CO(19.38, 15.72, 14.72, 12.03, 10.58vol%), CH4(6.14, 4.88, 4.44, 3.61, 3.13vol%)은 ER이 증가할수록 감소하는 경향을 보여주었고 이산화탄소의 경우는 19.82, 20.94, 19.92, 21.69, 21.94 vol%)로 증가하는 경향을 보여주었다. 반응기 온도 750℃에서 생산된 producer gas의 저위열량의 경우 7.75에서 4.07 MJ/m3으로 감소, 타르 수율 역시 14.5에서 11.8 g/Nm3으로 감소하는 경향을 보여주었다. 850℃의 반응기 온도에서는 H2(10.41, 13.47, 10.56, 7.75, 7.75 vol%)로 ER 0.25에서 13.47vol%의 가장 높은 생성량을 주고 이를 기점으로 감소하는 경향을 보여주었다. CO(28.02, 22.27, 18.88, 16.03, 15.91 vol%), CH4(5.58, 5.44, 4.49, 4.17, 3.96 vol%)역시 ER이 증가할수록 감소하는 경향을 보여주었다. 이에 따라 저위발열량과 타르 수율 역시 감소하는 경향을 보여주었다. 결과적으로 높은 온도(850℃)에서 높은 저위발열량과 낮은 타르 수율을 보여주었고 ER=0.25에서 수소가 높은 생성량을 보여주어 850℃와 ER=0.25가 본 연구의 최적 가스화 조건으로 도출되었다. 이를 통해 타르 제거실험을 진행하였으며 기존 스크러버의 배가스와 세정액의 접촉 효율 문제 등의 문제점을 극복할 침강형 구조의 타르제거장치를 설계하고 impinger 개수(1~4ea)와 실험시간(30, 60, 90min)에 따라 실험을 진행하였다. 타르를 포집할 흡수제로 물을 비롯한 식물성 오일 2종(soybean oil, waste cooking oil)과 동물성 오일 1종(mineral oil)을 이용하여 타르 제거효율을 측정하고 타르가 제거된 producer gas의 저위발열량, 타르가 포집된 오일 흡수제의 발열량을 측정하여 에너지원 및 연료로 사용가능여부에 대해 판단하였다. 물을 비롯한 각 oil 흡수제를 통과한 producer gas를 포집하여 GC-TCD/FID로 가스 조성, 저위발열량(LHV), 타르 수율을 측정하였고 후단에 설치한 샘플링 장치를 통해 가스를 용매(IPA)로 포집하여 GC-MSD로 탄화수소류를 분석하였다. 모든 세정액의 타르제거효율은 impinger 4ea와 실험시간 30min에서 가장 높은 효율을 보였고 물, soybean oil, waste cooking oil, mineral oil의 효율은 각각 약 31%, 약 97%, 약 71%, 약 63%로 등급을 매기자면 soybean oil > waste cooking oil > mineral oil > water 순으로 soybean oil의 효율이 가장 높게 측정되었다. 물을 제외한 oil 흡수제를 통과하여 타르가 제거된 producer gas의 저위발열량(LHV)은 모두 약 7MJ/m3으로 발전엔진에 적용 가능한 5MJ/m3인 수준을 초과하여 충분히 에너지원으로 사용가능 할 것으로 판단된다. 타르를 포집한 oil 흡수제의 발열량을 측정한 결과 식물성 오일(soybena oil, waste cooking oil)은 약 9,000Kcal/kg, 동물성 오일인 mineral oil은 약 10,000Kcal/kg으로 기존 연료유 제품의 발열량인 8,000~10,000Kcal/kg과 유사하게 측정되어 적절한 정제공정을 거친 후 연료로써 사용가능할 것이라고 판단된다. 본 연구를 통해 기존 물을 세정액으로 이용한 타르 제거 방법은 적절치 않음을 보여주었고 이를 보완할 oil 흡수제 중 식물성 오일인 soybean oil의 효율이 가장 좋았으며 타르를 제거한 producer gas와 타르를 포집한 oil 흡수제는 충분히 에너지발전과 연료로써 사용할 수 있는 가능성을 나타냈다.
화석연료 사용으로 인해 대기 중으로 배출되는 CO2를 흡수하여 광합성을 통해 에너지를 축적하는 바이오매스는 대기 중의 CO2 농도를 증가시키지 않는 탄소중립(carbon-neutral)자원이기 때문에 친환경적인 신·재생 에너지라 불린다. 바이오매스를 가스화하는 과정에서 부산물로 생성되는 타르는 응축성 있는 탄화수소로 이루어진 유기고분자 화합물질이기 때문에 가스화 반응기, 연료배관, 후속 장치 등에 점착되어 부식이나 막힘을 유발하여 상용화시 가장 큰 문제점을 일으킨다. 그러므로 본 연구에서는 바이오매스를 이용한 가스화의 최적 조건을 도출하고 이 과정에서 생성되는 타르를 oil 흡수제를 이용하여 효과적으로 제거하는 것을 목적으로 연구하였다. 최적 조건을 도출하기 위해 가스화기는 가스와 연료 간의 열 전달율이 좋고 반응기 전체를 균일하게 유지할 수 있는 기포유동층반응기를 사용하였고 750℃, 850℃의 반응기 온도 조건과 ER (0.2~0.4) 변화에 따른 가스화 최적 조건을 도출하였다. 도출된 최적 조건을 이용하여 기존 습식 스크러버의 가스와 세정액의 접촉효율 문제 등을 해결하기 위한 침강형 구조의 타르제거장치를 설계하여 타르 제거실험을 진행하였고 세정액으로는 식물성 오일2종(soybean oil, waste cooking oil), 동물성 오일 1종(mineral oil)을 사용하였다. 또한 타르가 제거된 producer gas의 저위발열량(LHV)과 타르가 포집된 오일 세정액의 발열량을 측정하여 에너지원으로 가능한지에 대한 여부를 판단하였다. 반응기 온도 750℃에서 ER (0.2~0.4)변화에 따른 가스 조성을 확인한 결과 H2(10.72, 9.15, 7.67, 6.36, 5.26 vol%), CO(19.38, 15.72, 14.72, 12.03, 10.58vol%), CH4(6.14, 4.88, 4.44, 3.61, 3.13vol%)은 ER이 증가할수록 감소하는 경향을 보여주었고 이산화탄소의 경우는 19.82, 20.94, 19.92, 21.69, 21.94 vol%)로 증가하는 경향을 보여주었다. 반응기 온도 750℃에서 생산된 producer gas의 저위열량의 경우 7.75에서 4.07 MJ/m3으로 감소, 타르 수율 역시 14.5에서 11.8 g/Nm3으로 감소하는 경향을 보여주었다. 850℃의 반응기 온도에서는 H2(10.41, 13.47, 10.56, 7.75, 7.75 vol%)로 ER 0.25에서 13.47vol%의 가장 높은 생성량을 주고 이를 기점으로 감소하는 경향을 보여주었다. CO(28.02, 22.27, 18.88, 16.03, 15.91 vol%), CH4(5.58, 5.44, 4.49, 4.17, 3.96 vol%)역시 ER이 증가할수록 감소하는 경향을 보여주었다. 이에 따라 저위발열량과 타르 수율 역시 감소하는 경향을 보여주었다. 결과적으로 높은 온도(850℃)에서 높은 저위발열량과 낮은 타르 수율을 보여주었고 ER=0.25에서 수소가 높은 생성량을 보여주어 850℃와 ER=0.25가 본 연구의 최적 가스화 조건으로 도출되었다. 이를 통해 타르 제거실험을 진행하였으며 기존 스크러버의 배가스와 세정액의 접촉 효율 문제 등의 문제점을 극복할 침강형 구조의 타르제거장치를 설계하고 impinger 개수(1~4ea)와 실험시간(30, 60, 90min)에 따라 실험을 진행하였다. 타르를 포집할 흡수제로 물을 비롯한 식물성 오일 2종(soybean oil, waste cooking oil)과 동물성 오일 1종(mineral oil)을 이용하여 타르 제거효율을 측정하고 타르가 제거된 producer gas의 저위발열량, 타르가 포집된 오일 흡수제의 발열량을 측정하여 에너지원 및 연료로 사용가능여부에 대해 판단하였다. 물을 비롯한 각 oil 흡수제를 통과한 producer gas를 포집하여 GC-TCD/FID로 가스 조성, 저위발열량(LHV), 타르 수율을 측정하였고 후단에 설치한 샘플링 장치를 통해 가스를 용매(IPA)로 포집하여 GC-MSD로 탄화수소류를 분석하였다. 모든 세정액의 타르제거효율은 impinger 4ea와 실험시간 30min에서 가장 높은 효율을 보였고 물, soybean oil, waste cooking oil, mineral oil의 효율은 각각 약 31%, 약 97%, 약 71%, 약 63%로 등급을 매기자면 soybean oil > waste cooking oil > mineral oil > water 순으로 soybean oil의 효율이 가장 높게 측정되었다. 물을 제외한 oil 흡수제를 통과하여 타르가 제거된 producer gas의 저위발열량(LHV)은 모두 약 7MJ/m3으로 발전엔진에 적용 가능한 5MJ/m3인 수준을 초과하여 충분히 에너지원으로 사용가능 할 것으로 판단된다. 타르를 포집한 oil 흡수제의 발열량을 측정한 결과 식물성 오일(soybena oil, waste cooking oil)은 약 9,000Kcal/kg, 동물성 오일인 mineral oil은 약 10,000Kcal/kg으로 기존 연료유 제품의 발열량인 8,000~10,000Kcal/kg과 유사하게 측정되어 적절한 정제공정을 거친 후 연료로써 사용가능할 것이라고 판단된다. 본 연구를 통해 기존 물을 세정액으로 이용한 타르 제거 방법은 적절치 않음을 보여주었고 이를 보완할 oil 흡수제 중 식물성 오일인 soybean oil의 효율이 가장 좋았으며 타르를 제거한 producer gas와 타르를 포집한 oil 흡수제는 충분히 에너지발전과 연료로써 사용할 수 있는 가능성을 나타냈다.
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