[논문]바이오매스 가스화 공정의 생성가스 중 타르 및 입자 제거를 위한 pre-coating 기술 연구

김준엽; 최병권; 조영민; 김상범

doi:10.5762/kais.2019.20.12.804

바이오매스 가스화 공정의 생성가스 중 타르 및 입자 제거를 위한 pre-coating 기술 연구
Removal of tar and particulate from gasification process using pre-coating technology 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.12, 2019년, pp.804 - 815

김준엽 (한국생산기술연구원) , 최병권 (한국생산기술연구원) , 조영민 (경희대학교 환경응용과학과) , 김상범 (한국생산기술연구원)

초록
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화석연료의 고갈 및 지구 온난화 등 환경문제에 대응하기 위해 세계는 화석연료를 대신할 에너지에 대한 연구를 진행하였고, 그중 바이오매스가 대체에너지로써 주목받고 있다. 바이오매스는 재생 가능하고 탄소 중립(carbon neutral)적인 특성이 있으나 수분함량이 많고 낮은 에너지밀도를 가지므로 에너지 생산 시스템에 이용하기 위해서는 열화학적 변환 공정이 필요하다. 그중 하나인 가스화는 바이오매스로부터 수소, 일산화탄소, 메탄 등으로 구성된 합성가스(syngas)를 생성시켜 연료로써 이용할 수 있도록 해준다. 그러나 가스화 과정 중에 발생되는 타르와 입자상 물질은 배관, 연소 엔진, 발전 터빈 등에서 막힘 현상을 일으켜 공정 효율을 감소시키는 문제를 야기하므로 제거가 필요하다. 본 연구에서는 가스화 공정에서 발생되는 타르를 비롯한 입자물질에 대해 제거 효율이 뛰어난 필터를 사용하였으며, 타르로부터 필터 눈 막힘 현상을 방지하기 위해 pre-coating 기술을 적용하였다. pre-coating에 사용된 물질로써는 소석회와 활성탄(wood char)을 사용하였으며, 타르 및 입자에 대한 제거효율이 소석회 코팅의 경우 86 %, 활성탄(wood char)의 경우 80 %로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to the depletion and environmental problems of fossil fuel, biomass has arisen as an alternative energy source. Biomass is a renewable and carbon-neutral source. However, it is moister and has lower energy density. Therefore, biomass needs thermal chemical conversion processes like gasification, and it does not only produce a flammable gas, called 'syngas', which consists of CO, H2, and CH4, but also some unwanted byproducts such as tars and some particulates. These contaminants are condensed and foul in pipelines, combustion chamber and turbine, causing a deterioration in efficiency. Thus this work attempted to find a method to remove tars and particles from syngas with a filter which adopts a pre-coating technology for preventing blockage of the filter medium. Hydrated limestone powder and activated carbon(wood char) powder were used as the pre-coat materials. The removal efficiency of the tars was 86 % and 80 % with activated carbon(wood char) coating and hydrated limestone coating, respectively.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of experiment set-up
표 Table 1. Proximate and Ultimate analysis of Wood pellet
표 Table 2. Specification of filter mediums
그림 Fig. 2. Size distribution of particles
표 Table 3. Specification of pre-coat materials
표 Table 4. Component of fly ash
그림 Fig. 3. Filtration efficiency of pre-coat materials
그림 Fig. 4. Pre-coat material coating/loading (wt%) depending on pressure drop change (a) Ca(OH)₂ coating (b) activated carbon(coal) coating (c) activated carbon(wood char) coating
그림 Fig. 5. Removal efficiency of fly ash before and after using pre-coating
그림 Fig. 6. Pressure drop change during a filtration process (a) non-coating, (b) Ca(OH)₂ coating, (c) activated-carbon(wood char) coating (d) 6th filtration cycle
그림 Fig. 7. Residual pressure drop during 10 filtration cycles
그림 Fig. 8. Change of residual pressure drop during a 10 filtration cycles
그림 Fig. 9. Change of coating/loading (wt%) and pre-coat material loading weight on filter surface (g/㎡) over pressure drop change (a) Ca(OH)₂ coating, (b) activated carbon (wood char) coating
그림 Fig. 10. Removal efficiency of particulates from gasification process during 1st filtration cycle (a) Ca(OH)₂ coating, (b) activated carbon (wood char) coating
그림 Fig. 11. Pressure drop change of 1st filtration cycle (a) Ca(OH)₂ coating, (b) activated carbon (wood char) coating
그림 Fig. 12. Change of residual pressure drop during a 10 filtration cycles
그림 Fig. 13. Change of Removal efficiency with time during 1st filtration cycle
그림 Fig. 14. Residual pressure drop changing with 5 filtration cycles
그림 Fig. 15. Cross sectional FE-SEM image of a filter after pulse jet dedusting proceeded (a) non coating, (b) Ca(OH)₂ coating, (c) activated carbon (wood char) coating

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험은 가스화 생성 가스 중 타르를 비롯한 불순물을 제거하기 위해 pre-coating 기술을 적용한 필터를 사용하였을 때 효과가 있는지 알아보았으며, 전체 실험 장치 구성은 Fig. 1에 나타내었다.
Pre-coating 기술에 사용할 수 있는 pre-coat 물질로는 여러 가지가 있으나[18,21,22], 본 연구에서는 일반적으로 많이 사용되는 소석회(Ca(OH)₂) 분말과 타르 물질을 비롯한 VOC 물질을 흡착 및 제거가 가능한 활성탄 분말을 사용하여 필터 표면에 코팅을 진행 후 가스화 생성 가스 내 입자와 타르 물질을 제거하는 연구를 진행하였다[23,24].

제안 방법

마지막으로, 가스화 생성 가스 중 타르 및 입자의 제거에 사용한 pre-coat 물질의 재사용 가능여부를 판단하기 위한 pre-coat 물질 재사용 실험을 진행하였으며, 집진 장치의 호퍼(hopper)에 쌓인 pre-coat 물질을 수거하여 앞선 실험과 동일한 조건으로 pre-coating을 진행한 후 타르 및 입자 제거효율과 탈진 후 나타난 잔류차압을 측정하였다.
앞선 3.1 에서 선정된 PPS 필터에 2가지 pre-coat 물질인 소석회와 활성탄(wood char)을 사용하여 pre-coating을 진행한 후 플라이애시를 유입 시켜 제거 효율, 차압변화, 잔류차압 등을 측정하였다.
앞선 실험에서 선정한 pre-coat 물질과 필터로 플라이애시 입자 제거 실험을 진행하였고, 플라이애시 도입 전 pre-coat 물질을 통한 코팅 후 최고 차압인 100 mmH₂O에 도달 시 5 bar, 1~2 ms 간격으로 펄스 제트(pulse jet)를 발생 시켜 필터를 탈진시킨 후 재코팅을 하였다.
가스화로 생성된 가스는 여과속도가 1 m/min이 되도록 펌프로 유량을 조절해 집진장치로 유입되게 하였으며, 생성 가스를 유입시키기 전 pre-coating을 진행하고, 생성 가스 유입 후 필터에 걸리는 차압이 일정하게 유지될 때 펄스 제트로 필터를 완전히 탈진시킨 후 재코팅을 진행하였다. 탈진 진행 후의 필터 단면을 FE-SEM(JSM-6701F, JEOL, Japan)으로 분석을 진행하여 pre-coating 효과를 확인하였으며, 제거효율은 집진 장치 전단, 후단의 sample port에서 dust monitor로 측정한 후 집진 장치 전·후단 입자 수 차이로 계산하였다.
필터 종류와 pre-coat 물질에 따라 그 부착량과 여과효율을 측정하여 pre-coating 기술을 적용하기에 적합한 필터와 pre-coat 물질을 결정하였다. Pre-coat 물질은 스크류 피더를 이용하여 집진 장치 전단 투입구로 2~3 g/min씩 투입하였으며 여과속도는 1.
필터를 통한 가스화 후 생성 가스를 정제하기에 앞서 pre-coating에 사용할 필터와 pre-coat 물질 및 코팅 두께 선정 위한 실험을 진행하였다.

대상 데이터

Sascha 등 (2016)이 실험을 통해 pre-coat 물질을 재사용할 수 있다는 것을 보여준 것처럼, 본 실험에서도 한 번 사용한 pre-coat 물질을 회수 후 2회 재사용으로 pre-coat 물질을 총 3번 사용하였고, 필터 보호 효과가 좋게 나타난 소석회를 pre-coat 물질로 사용하였다. Fig.
가스화 생성 가스 중의 타르가 필터 표면에 부착되더라도 영향을 덜 받을 수 있도록 소유성(疏油性, oleophobic)재질을[27], pre-coating으로 필터 표면에 케이크 층이 형성되더라도 필터에 걸리는 차압이 낮게 유지되도록 통기도가 높은 필터인 PPS (Polyphenylenesulfide), P.P(Polypropylene), GF-PTFE (Glassfiber-Polytetrafluoroethylene, PTFE coated)을 선정하였다[23]. 필터는 ㈜창명산업으로부터 직경 10 cm, 높이 20 cm의 백(bag)형태로 제작하였다.
가스화 연료로 ㈜세종조합의 목재펠릿을 사용하였으며(직경 5 mm), 길이 10~20 mm 크기로 분쇄한 후 사용하였다. 물성분석을 위해 공업분석(proximate-analysis), 원소분석(ultimate-analysis)을 실시하였고, 각각 ELTRA와 EA112/FLASH2000으로 분석하였다.
필터 표면에 입자 층 형성을 위한 코팅 물질로써 분말 소석회(Ca(OH)₂), 석탄(coal)계 분말 활성탄, 목질계 분말 활성탄(wood char)을 사용하였으며, Table 3에는 pre-coat 물질 특성을 표시하였다. Pre-coat 물질은 스크류 피더를 통해 주입하며, air와 함께 집진장치로 유입된다.

데이터처리

가스화 연료로 ㈜세종조합의 목재펠릿을 사용하였으며(직경 5 mm), 길이 10~20 mm 크기로 분쇄한 후 사용하였다. 물성분석을 위해 공업분석(proximate-analysis), 원소분석(ultimate-analysis)을 실시하였고, 각각 ELTRA와 EA112/FLASH2000으로 분석하였다. 분석 결과는 Table 1과 같다.

이론/모형

유동화가 원활하게 진행될 수 있도록 Geldart particle classification에서 B 그룹에 속하는[26] 평균 입도 301 ㎛의 규사(SiO₂)로 선정하였으며, 겉보기 밀도(bulk density) 1290 kg/m³, 입자 밀도(app density) 2580 kg/m³, 공극율은 0.5 이다.

성능/효과

(1) 소석회, 활성탄(coal), 활성탄(wood char)의 3가지 pre-coating 물질에 대한 여과효율이 높고, 부착효율이 높았던 PPS가 pre-coating 기술 적용에 알맞은 필터인 것으로 나타났다.
(2) 소석회를 pre-coat 물질로 사용하였을 때 활성탄(wood char)보다 제거 효율이 높았고, 잔류 차압의 변화가 적은 것으로 나타났다.
(3) Pre-coating을 두께 0.7 mm으로 진행하였을 때, 충분히 좋은 부착효율을 유지하면서, 안정적인 보호층 역할을 수행하여 잔류차압 증가량이 적게 나타났다.
(4) Pre-coating을 적용함으로써 타르 및 입자에 대한 평균 제거효율이 소석회 코팅으로 86 %, 활성탄(wood char)으로 80 %로 나타났으며, 탈진을 통하여 필터를 재사용할 수 있었다.
(6) 소석회를 pre-coat 물질로 사용하였을 때 활성탄에 비해 오랜 시간 높은 효율 유지가 가능하였으므로, 필터를 사용한 가스화 생성 가스 중 타르 및 입자 제거 시에는 pre-coat 물질로써 소석회가 적절할 것으로 사료된다.
(7) Pre-coat 물질은 한 번 사용 후 폐기하는 것이 아니라 1~2회 재사용이 가능하였으며, 이를 통해 공정에 소모되는 pre-coat 물질의 양을 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
Pre-coat 물질별로는 소석회로 코팅한 경우(■)가 활성탄으로 코팅한 경우(▲)보다 잔류차압 변화가 적어 pre-coating을 통한 필터 보호 효과가 뛰어난 것으로 나타났는데, 소석회를 사용한 경우가 제거효율이 높았으며(Fig. 5), 이는 탈진 후 잔류차압에 영향을 주는 입자에 대한 제거가 잘 이루어져 여과 사이클에 따른 잔류차압의 증가량이 적었던 것으로 사료된다.
15에는 Pre-coating 적용 전(a)과 후(b,c), 펄스 제트 탈진 후의 필터 단면을 분석한 결과를 나타내었다. Pre-coating이 진행되지 않은 경우(a)에는 타르와 입자가 필터에 달라붙으면서 탈진 후에도 그대로 남아있었으나 Pre-coating 적용 후(b,c)에는 필터 표면을 제외하고 타르나 입자에 의해 오염되지 않음을 통해 코팅층의 필터 보호 효과를 확인 할 수 있었으며, 보호 효과가 더 뛰어났던 소석회 코팅(b)이 활성탄 코팅(c)보다 필터가 상대적으로 덜 오염되었음을 확인할 수 있었다.
6에는 pre-coating을 진행을 하지 않은 (a)와 pre-coating을 진행한 (b), (c)를 비교하였다. 실험 결과 pre-coating 적용 여부에 따른 차이가 5 번째 탈진 시행 이후부터 나타났으며, 5 번째 이전까지는 pre-coating의 적용으로 최고 차압인 100 mmH₂O 중에 절반 이상의 차압이 코팅으로 인한 것이기 때문에 처음 여과 개시로부터 몇 번의 탈진이 반복되는 동안은 코팅을 진행하지 않았을 경우 보다 오히려 여과 진행 시간이 짧게 나타났다. 그러나 pre-coating으로 인해 여과 진행 시간이 일정하게 유지되었기 때문에 (d)에 나타난 것처럼 5 번째 탈진 시행 이후로 pre-coating을 적용한 경우가 하지 않은 경우보다 더 긴 시간 동안 여과 진행이 가능한 것으로 나타났다[23,30].
입자 제거효율에 있어서 pre-coating 후 플라이 애시 0.3~10 ㎛ 입경에 대해 90 % 이상의 제거효율을 보였으며, 두께 차이에 따른 입자 제거효율의 차이는 거의 없었다. 하지만 잔류차압 변화에는 차이가 있었는데, Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Pre-coating 기술의 특징은 무엇인가?	Pre-coating 기술은 필터를 통한 여과 개시 전 pre-coat 물질을 투입하여 필터 표면에 mm 단위의 얇은 입자 층을 형성시켜 필터에 눈 막힘 등 문제를 야기하는 물질로부터 필터 표면을 보호할 뿐 아니라 필터를 통과하는 미세 입자를 사전에 생성시킨 입자 층에서 제거하므로 결과적으로는 필터 여과성능을 향상시켜준다[18,20].
	가스화 공정에 집진 장치를 적용시 사용하는 세라믹 필터의 한계점은 무엇인가?	세라믹 필터의 경우 그 비용이 상당하고, 기계적 특성이 약하기 때문에 [14,17], 세라믹 필터에 비해 저렴하면서, 동일하게 입자 제거 성능이 우수한 섬유 필터(fabric filter)를 적용한다면 개선이 가능하나, Hasler (1999)등이 실험을 통해 밝힌 바와 같이 타르에 의해 필터 여과기능이 저하되거나 상실되므로 [13], pre-coating 기술의 도입이 필요하다[18,19].
	타르의 정의는 무엇인가?	타르는 탄화수소의 복합체로써 그 종류가 다양하다. 연구자마다 내리는 정의가 다르긴 하나, 공통적으로 벤젠 이상의 분자량을 가지며 점착성이 있는 물질이라고 명시하고 있다[10,11].

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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