바이오매스가스화 공정을 위하여 내경이 0.1 m이고 높이가 1.2 m인 유동층 반응기에서 수증기 및 촉매의 첨가가 프로듀서가스(Producer gas)에 미치는 영향을 파악하였다. 가스화 장치는 유동층 반응기, 연료공급 장치, 사이클론, 2개의 냉각기, 수증기 발생장치 및 가스분석기로 구성하였다. 층물질 및 촉매물질로 평균입자크기 $380{\mu}m$의 비구형 silica sand 와 평균입자 $356{\mu}m$ 크기의 소성된 백운석을 사용하였다. 사용된 바이오매스는 국산 우드펠릿(Korea woody pellet) 및 동남아 팜 부산물인 EFB(empty fruit bunch)를 펠릿 형태로 가공하여 사용하였다. 실험 고정 변수로는 연료공급량 50 g/min(EFB), 38 g/min(KWP) 반응 온도 $800^{\circ}C$, ER(equivalence ratio) 0.25로 설정하였다. 조업 변수로 촉매인 소성된 백운석을 층물질 0~100 wt%의 혼합비로 사용하였다. 가스화매체로 공기 또는 Air-Steam을 사용하였다. 이때 수증기 첨가량은 SBR(steam to biomass ratio) 기준 0.3으로 하였다. 생성된 가스의 조성, 타르(Tar) 및 저위발열량을 측정하였다. 실험의 결과로 소성된 백운석은 모든 실험조건에서 프로듀서가스 타르의 함량을 감소시키며 최대 67.3 wt%의 감소율을 보였다. 저위발열량은 공기가스화에서 소성된 백운석 첨가량이 증가할수록 감소하였다. 하지만 Air-steam 가스화에서 저위발열량은 변화가 적거나 오히려 소폭 증가한 경향을 보였다.
바이오매스 가스화 공정을 위하여 내경이 0.1 m이고 높이가 1.2 m인 유동층 반응기에서 수증기 및 촉매의 첨가가 프로듀서가스(Producer gas)에 미치는 영향을 파악하였다. 가스화 장치는 유동층 반응기, 연료공급 장치, 사이클론, 2개의 냉각기, 수증기 발생장치 및 가스분석기로 구성하였다. 층물질 및 촉매물질로 평균입자크기 $380{\mu}m$의 비구형 silica sand 와 평균입자 $356{\mu}m$ 크기의 소성된 백운석을 사용하였다. 사용된 바이오매스는 국산 우드펠릿(Korea woody pellet) 및 동남아 팜 부산물인 EFB(empty fruit bunch)를 펠릿 형태로 가공하여 사용하였다. 실험 고정 변수로는 연료공급량 50 g/min(EFB), 38 g/min(KWP) 반응 온도 $800^{\circ}C$, ER(equivalence ratio) 0.25로 설정하였다. 조업 변수로 촉매인 소성된 백운석을 층물질 0~100 wt%의 혼합비로 사용하였다. 가스화매체로 공기 또는 Air-Steam을 사용하였다. 이때 수증기 첨가량은 SBR(steam to biomass ratio) 기준 0.3으로 하였다. 생성된 가스의 조성, 타르(Tar) 및 저위발열량을 측정하였다. 실험의 결과로 소성된 백운석은 모든 실험조건에서 프로듀서가스 타르의 함량을 감소시키며 최대 67.3 wt%의 감소율을 보였다. 저위발열량은 공기가스화에서 소성된 백운석 첨가량이 증가할수록 감소하였다. 하지만 Air-steam 가스화에서 저위발열량은 변화가 적거나 오히려 소폭 증가한 경향을 보였다.
A fluidized-bed reactor with an inside diameter of 0.1 m and a height of 1.2 m was used to study the effect of steam and catalyst additions to air-blown biomass gasification on the production of producer gas. The equipment consisted of a fluidized bed reactor, a fuel supply system, a cyclone, a cond...
A fluidized-bed reactor with an inside diameter of 0.1 m and a height of 1.2 m was used to study the effect of steam and catalyst additions to air-blown biomass gasification on the production of producer gas. The equipment consisted of a fluidized bed reactor, a fuel supply system, a cyclone, a condenser, two receivers, steam generator and gas analyzer. Silica sand with a mean particle diameter of $380{\mu}m$ was used as a bed material and calcined dolomite ($356{\mu}m$), which is effective in tar reduction and producer gas purification, was used as the catalyst. Both of Korea wood pellet (KWP) and a pellet form of EFB (empty fruit bunch) which is the byproduct of Southeast Asia palm oil extraction were examined as biomass feeds. In all the experiments, the feeding rates were 50 g/min for EFB and 38 g/min for KWP, respectively at the reaction temperature of $800^{\circ}C$ and an ER (equivalence ratio) of 0.25. The mixing ratio (0~100 wt%) of catalyst was applied to the bed material. Air or an air-steam mixture was used as the injection gas. The SBR (steam to biomass ratio) was 0.3. The composition, tar content, and lower heating value of the generated producer gas were measured. The addition of calcined dolomite decreased tar content in the producer gas with maximum reduction of 67.3 wt%. The addition of calcined dolomite in the air gasification reduced lower heating value of the producer gas. However The addition of calcined dolomite in the air-steam gasification slightly increased its lower heating value.
A fluidized-bed reactor with an inside diameter of 0.1 m and a height of 1.2 m was used to study the effect of steam and catalyst additions to air-blown biomass gasification on the production of producer gas. The equipment consisted of a fluidized bed reactor, a fuel supply system, a cyclone, a condenser, two receivers, steam generator and gas analyzer. Silica sand with a mean particle diameter of $380{\mu}m$ was used as a bed material and calcined dolomite ($356{\mu}m$), which is effective in tar reduction and producer gas purification, was used as the catalyst. Both of Korea wood pellet (KWP) and a pellet form of EFB (empty fruit bunch) which is the byproduct of Southeast Asia palm oil extraction were examined as biomass feeds. In all the experiments, the feeding rates were 50 g/min for EFB and 38 g/min for KWP, respectively at the reaction temperature of $800^{\circ}C$ and an ER (equivalence ratio) of 0.25. The mixing ratio (0~100 wt%) of catalyst was applied to the bed material. Air or an air-steam mixture was used as the injection gas. The SBR (steam to biomass ratio) was 0.3. The composition, tar content, and lower heating value of the generated producer gas were measured. The addition of calcined dolomite decreased tar content in the producer gas with maximum reduction of 67.3 wt%. The addition of calcined dolomite in the air gasification reduced lower heating value of the producer gas. However The addition of calcined dolomite in the air-steam gasification slightly increased its lower heating value.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
또한 바이오매스 가스화에서 소량의 수증기의 첨가는 프로듀서 가 스의 H2 및 CO 조성을 증가시키므로 1단계 촉매인 소성백운석과 같이 사용할 경우 낮은 타르 함량 및 높은 발열량을 가지는 프로듀 서가스를 얻을 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에서는 바이오매스 가스화 조업변수 중 가스화매체, 온도 및 ER을 결정하고 촉매인 소 성백운석의 첨가량 변화 및 수증기 첨가에 따른 프로듀서가스. 서 론
Bergman 등[12]은 Tar class에 따른 응축온도를 나타내었는데 Class 2, Class 4 및 Class 5는 0 o C에서 대부분 응축되고 Class 3으로 분류되는 Light aromatics 성분이 프로듀서가스 대부분의 타르를 구성한다고 보고하였다. 바이오매스 가스화에서 촉매의 역할은 타르의 효과적인 제거 및 CH4 개질에 따른 양질의 프로듀서가스를 얻기 위해서이다. 또한 촉 매 선택의기준으로는 촉매의 가격, 환원성및 Carbon fouling 그리고 소결현상(Sintering)으로인한촉매비활성화에대한저항성등으로 요 약 할 수 있다[13].
제안 방법
H2 조성의 증가는 소성백운석 의 표면을 덮은 탄소층 및 반응기 내부의 퇴적물의 형태로 존재하는 탄소들과수증기가반응하여 H2조성을향상시켰다고할수있다. EFBP 및 KWP를 시료로 촉매로써 소성백운석을 첨가하였을 때 프로듀서가스의 타르 함량에 있어서 소성백운석의 촉매로써의 효과 에 대해서 확인하였다. Silica sand 만을 사용한 조건에서 수증기첨 가에 따른 타르 함량은 수증기를 첨가하지 않은 조건보다 낮게 측 정되었다.
실시간 가스분석 및 GC 분석을 위한 가 스 포집은 Moisture trap 및 1 µm의 Pore size를 가지는 Filter를 사 용하여 정제한 후 포집하였다. Free board 압력조절을 위해서 후단에 블로워를 구성하여 일정한 압력을 유지하였다. 2-4.
입자의 포 집 및 냉각을 위한 Cyclone, Chiller, Condenser 그리고 수증기를 첨 가하기 위한 Steam generator를 사용하였다. 실시간 프로듀서가스 분석을 위한 Gas-analyzer (ABB CALDOS-27, URAS-26), 프로듀서가 스 및 타르 분석을 위해서 Gas-Chromatography(이하 GC, Agilent 6890, 7890)를 사용하였다. 실시간 가스분석 및 GC 분석을 위한 가 스 포집은 Moisture trap 및 1 µm의 Pore size를 가지는 Filter를 사 용하여 정제한 후 포집하였다.
2-4. 실험방법 본 실험은 소성백운석 및 수증기 첨가에 따른 영향을 알아보고자 다른 조업변수들을 선행연구자들의 결과를 통해서 결정하였다. Narvaéz 등[16]은 780-820 o C 범위에서 여러 선행연구자들의 BFB (Bubbling fluidized bed) 가스화반응기를 사용하여 ER 변화(0.
2 m-height), 가스화및유동매체의원활한공급을위해 MFC (Mass flow controller) 를 주입매체별로 N2 (5850E brooks), Air (5853s brooks) 그리고 H2O (LIQUI-FLOWTM series L30 bronkhorst)를 사용하였다. 안정 적인 연료공급을 위해서 Screw feeder를 설치하고 연료이송부에 가 스화매체의 역류를 막기 위해 N2 공급부를 설치하였다. 입자의 포 집 및 냉각을 위한 Cyclone, Chiller, Condenser 그리고 수증기를 첨 가하기 위한 Steam generator를 사용하였다.
안정 적인 연료공급을 위해서 Screw feeder를 설치하고 연료이송부에 가 스화매체의 역류를 막기 위해 N2 공급부를 설치하였다. 입자의 포 집 및 냉각을 위한 Cyclone, Chiller, Condenser 그리고 수증기를 첨 가하기 위한 Steam generator를 사용하였다. 실시간 프로듀서가스 분석을 위한 Gas-analyzer (ABB CALDOS-27, URAS-26), 프로듀서가 스 및 타르 분석을 위해서 Gas-Chromatography(이하 GC, Agilent 6890, 7890)를 사용하였다.
대상 데이터
장치는 크게 유동층 반응기(0.1 m-ID × 1.2 m-height), 가스화및유동매체의원활한공급을위해 MFC (Mass flow controller) 를 주입매체별로 N2 (5850E brooks), Air (5853s brooks) 그리고 H2O (LIQUI-FLOWTM series L30 bronkhorst)를 사용하였다.
성능/효과
결과적으로 수증기를 첨가한 조 건에서 H2 조성이 증가하고, 소성백운석의 첨가량이 증가할수록 프수증기첨가여부에관계없이혼합비 0 wt% 에서 즉 Silica sand 만을 층물질로 하였을 경우가 가장 높게 측정되 었다. Mixing ratio 25~100 wt% 까지 저위발열량은 수증기를 첨가 하지 않았을 경우에는 감소하는 경향을 보였다. 반면에 수증기를 첨 가한 경우에는 혼합비 25~100 wt% 까지 저위발열량은 큰 변화를 보이지 않았다.
이보다 높은 Mixing ratio에서는 프로듀서가스 주요 성분 조성에 있어서 큰 차이를 보이지 않았다. 결과적으로 소성백운석을 층물질과 혼합하여 사용할 때 25 wt% 에서도높은타르감소율(Air blown : 55.9 wt%, Air-steam : 44.8 wt%)을 보여주었다. 혼합비 50 wt% 이상의 실험조건에서는 가장 높은 타르 감소율(Air blown : 61.
Gonzalez 등[20]은 수증기 가스화에서 ZnCl2 및 소성백운석을 사용하였는데, 촉매를 사용하지 않은 조건과 소성백운석을 사용한 조건에서 H2 조성에 변 화를 보이지 않았다고 보고하였다. 결과적으로 수증기를 첨가한 조 건에서 H2 조성이 증가하고, 소성백운석의 첨가량이 증가할수록 프수증기첨가여부에관계없이혼합비 0 wt% 에서 즉 Silica sand 만을 층물질로 하였을 경우가 가장 높게 측정되 었다. Mixing ratio 25~100 wt% 까지 저위발열량은 수증기를 첨가 하지 않았을 경우에는 감소하는 경향을 보였다.
6 wt%)로 측정되었고, 이보다 높은 혼합비에서는 타르 함량에 있어서 큰 감소를 보이지 않았다. 따라서 H2, 저위발열량, 타르 함량을 고려했을 때 수증기를 첨가한 조건에서 혼합비 50 wt%에서 최적의 프로듀서가스를 얻었 다고 판단할 수 있다. 5.
타르는 앞에서도언급하다시피 바이오매스가스화공정 중단의 원인이 되므로 타르 함량 감소는 장기운전에 있어서 가장 중 요하다고할수있다. 소성백운석의첨가량증가는프로듀서가스의 타 르 함량감소에 있어서 긍정적인 효과를 보여주었다. 소성백운석 첨 가량이 가장 높은 520 g에서 수증기를 첨가한 경우 타르 함량이 1.
소성백운석 첨가에 따른 EFBP 및 KWP 가스화 실험 소성백운석을 첨가제로 사용한 실험들의 운전조건(Table 4 및 Table 5)에 따른 프로듀서가스 타르 함량, 조성 및 저위발열량을 Table 6 및 Table 7에 나타내었다. 실험 종료 후 분석한 프로듀서가 스의 주요 성분은 CO, CO2, N2, H2, CH4, C2H6 및 C2H4으로 그 외 의 탄화수소들은 미량으로 검출되었다. Fig.
8 wt%)을 보여주었다. 혼합비 50 wt% 이상의 실험조건에서는 가장 높은 타르 감소율(Air blown : 61.6 wt%, Air-steam : 57.6 wt%)로 측정되었고, 이보다 높은 혼합비에서는 타르 함량에 있어서 큰 감소를 보이지 않았다. 따라서 H2, 저위발열량, 타르 함량을 고려했을 때 수증기를 첨가한 조건에서 혼합비 50 wt%에서 최적의 프로듀서가스를 얻었 다고 판단할 수 있다.
후속연구
하지만 소성백운석을 1단계 촉매로 사용할 경우 프로듀서가스의 타르 함량 감소 및 추가적인 운전비용 이 필요치 않은 장점이 있으며 산업현장에서 바로 적용이 가능하다. 또한 바이오매스 가스화에서 소량의 수증기의 첨가는 프로듀서 가 스의 H2 및 CO 조성을 증가시키므로 1단계 촉매인 소성백운석과 같이 사용할 경우 낮은 타르 함량 및 높은 발열량을 가지는 프로듀 서가스를 얻을 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에서는 바이오매스 가스화 조업변수 중 가스화매체, 온도 및 ER을 결정하고 촉매인 소 성백운석의 첨가량 변화 및 수증기 첨가에 따른 프로듀서가스.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오매스 가스화의 단계는?
바이오매스 가스화는 다음과 같은 총 3단계의 과정을 통해 생성 된다. 첫번째로 바이오매스에서 수분이 빠져나가는 건조단계, 두 번 째로는 휘발분이 빠져나가면서 바이오매스 입자의 균열 및 수축이 일어나는 탈휘발화 단계(Devolatilization), 마지막으로 Char와 이론 적 요구량 이하의 O2 와 반응하여 CO 및 H2 가 주성분인 프로듀서가 스(producer gas)를 생성하는 가스화 단계로 구분된다[2,3]. 바이오매스 가스화에 있어서 조업변수는 크게 ER(Equivalence ratio), 가스화매체(Gasifying agent), 온도(Bed temperature), 수증기 (Steam) 및 촉매(Catalyst)의 첨가로 나눌 수 있다.
바이오매스 가스화에 있어서 조업변수는 어떻게 나눌 수 있는가?
첫번째로 바이오매스에서 수분이 빠져나가는 건조단계, 두 번 째로는 휘발분이 빠져나가면서 바이오매스 입자의 균열 및 수축이 일어나는 탈휘발화 단계(Devolatilization), 마지막으로 Char와 이론 적 요구량 이하의 O2 와 반응하여 CO 및 H2 가 주성분인 프로듀서가 스(producer gas)를 생성하는 가스화 단계로 구분된다[2,3]. 바이오매스 가스화에 있어서 조업변수는 크게 ER(Equivalence ratio), 가스화매체(Gasifying agent), 온도(Bed temperature), 수증기 (Steam) 및 촉매(Catalyst)의 첨가로 나눌 수 있다. 바이오매스 가스 화에서 가스화매체는 일반적으로 공기가스화 및 수증기 등이 많이 쓰이고 있는데, 수증기를 가스화매체로 사용한 경우에 반응기 내부 로의 지속적인 열공급이 필요하지만 공기가스화의 경우보다 높은 발열량의 프로듀서가스를 얻을 수 있다.
바이오매스 가스화 공정이 천연가스 수증기 개질을 통한 수소생산 공정과 경쟁이 불가능한 이유는?
바이오매스 가스화 공정으로 얻어진 프로듀서가스의 낮은 H2 함량으로 인해 천연가스 수증기 개질을 통한 수소생산 공정과는 경 쟁이 불가능하다. 하지만 수소가스와 함께 고부가가치의 화학물질 의 생산이 가능하다면 대체 에너지 자원으로 하나의 대안이 될 수 있다[1].
참고문헌 (22)
Haryanto, A., Sandun, F., Naveen, M. and Sushil, A., "Current Status of Hydrogen Production Techniques by Steam Reforming of Ethanol: a Review," Energy Fuels., 19(5), 2098-2106(2005).
Lange, J. P., Price, R., Ayoub, P. M., Louis, L., Petrus, L., Clarke, L. and Gosselink, H., "Valeric Biofuels: A Platform of Cellulosic Transportation Fuel," Angew. Chem. Int. Ed., 49, 4479-4483(2010).
Moon, J., Lee, J., Lee, U. and Hwanga, J., "Transient Behavior of Devolatilization and Char Reaction During Steam Gasification of Biomass," Bioresour. Technol., 133, 429-436(2013).
Gonzalez, J. F., Roman, S., Bragado, D. and Calderon, M., "Investigation on the Reactions Influencing Biomass Air and Air/steam Gasification for Hydrogen Production," Fuel Process. Technol., 89(8), 764-772(2008).
Franco, C., Pinto, F., Gulyurtlu, I. and Cabrita, I. "The Study of Reactions Influencing the Biomass Steam Gasification Process," Fuel., 82(7), 835-842(2003).
Nora, M., Tim, S., Christoph, A. U. and Sean, M. B., "Thermodynamics of Autothermal Wood Gasification," Environ. Prog. Sustainable Energy., 82(3), 347-354(2009).
Salaices, E., Serrano, B. and Lasa, H., "Biomass Catalytic Steam Gasification Thermodynamics Analysis and Reaction Experiments in a CREC Riser Simulator," Ind. Eng. Chem. Res., 49(15), 6834-6844(2010).
Mun, T.-Y., "Air Gasification of Dried Sewage Sludge: Tar Removal and the Improvement of Producer Gas Quality by the Application of Additives in a Two-stage Gasifier," Ph.D. Dissertation, University of Seoul, Republic of Korea, Seoul(2013).
Sousa, L. C. R., "Gasification of Wood, Urban Wastewood (Altholz) and Other Wastes in a Fluidised Bed Reactor," Ph.D. Dissertation, Federal Institute of Technology Zurich, Swiss, Zurich(2001).
Anna, P., Sylwester, K. and Wlodzimierz, B., "Effect of Operating Conditions on Tar and Gas Composition in High Temperature Air/steam Gasification (HTAG) of Plastic Containing Waste," Fuel Process Technol., 87(3), 223-233(2006).
Li, C. and Suzuki, K., "Tar Property, Analysis, Reforming Mechanism and Model for Biomass Gasification-An Overview," Renewable Sustainable Energy Rev., 13(3), 594-604(2009).
Bergman, P. C. A., Paasen, V. B. and Boerrigter, H., "The Novel "OLGA'' Technology for Complete Tar Removal from Biomass Producer Gas," Pyrolysis and Gasification of Biomass and Waste, Expert Meeting, October, Strasbourg(2002).
Sutton, D., Kelleher, B. and Ross, J. R. H., "Review of Literature on Catalysts for Biomass Gasification," Fuel Process. Technol., 73(3), 155-173(2001).
Devi, L., Ptasinski, K. J. and Janssen, F. J. J. G., "A Review of the Primary Measures for Tar Elimination in Biomass Gasification Processes," Biomass Bioenergy., 24(2), 125-140(2003).
Narvaez, I., Orio, A., Aznar, M. P. and Corella, J., "Biomass Gasification with Air in an Atmospheric Bubbling Fluidized Bed. Effect of Six Operational Variables on the Quality of the Produced Raw Gas," Ind. Eng. Chem. Res., 35(7), 2110-2120(1996).
Baker, E. G., Brown, M. D., Elliott, D. C. and Mudge, L. K., "Characterization and Treatment of Tars From Biomass Gasifier," AIChE National Meeting, August, Denver(1988).
Jess, A., "Mechanisms and Kinetics of Thermal Reactions of Aromatic Hydrocarbons from Pyrolysis of Solid Fuels," Fuel., 75(12), 1441-1448(1996).
Andres, J. M., Narros, A. and Rodriguez, M. E., "Behavior of Dolomite, Olivine and Alumina as Primary Catalysts in Air-steam Gasification of Sewage Sludge," Fuel., 90(2), 521-527(2011).
Gonzalez, J. F., Roman, S., Baragado, D. and Calderon, M., "Investigation on the Reactions Influencing Biomass Air and Air/steam Gasification for Hydrogen Production," Fuel., 89(8), 764-772(2008).
Kim, U. K., Son, S. M., Kang, S. H., Kang, Y., Kim, S. D. and Jumg, H., "Characteristics of Steam Gasification and Combustion of Naphtha Tar Pitch," Korean Chem. Eng. Res., 45(6), 604-610(2007).
Kim, D. W., Lee, J. M., Kim, J. S. and Seon, P. K., "Study on the Combustion Characteristics of Wood-pellet and Korean Anthracite Using TGA," Korean Chem. Eng. Res., 48(1), 58-67(2010).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.