[논문]오일 스크러버 및 집진장치를 통한 바이오매스 가스화 공정 발생 타르 및 입자 제거 연구

김준엽; 조영민; 김상범

doi:10.14478/ace.2019.1076

오일 스크러버 및 집진장치를 통한 바이오매스 가스화 공정 발생 타르 및 입자 제거 연구
Simultaneous Treatment of Tar and Particles Using Oil Scrubber and Bag Filter in Biomass Gasification 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.30 no.6, 2019년, pp.712 - 718

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

초록
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가스화(gasification)는 바이오매스로부터 에너지를 얻을 수 있는 방법 중 하나로 열화학적 변환을 통해 수소, 일산화탄소, 메탄 등으로 조성된 가연성 가스인 'producer gas'를 생산할 수 있다. 하지만 producer gas와 함께 타르(tar)를 비롯한 ash 등의 입자상 물질이 함께 생성돼, 발전 터빈이나 연소 엔진 등에 유입되어 고장을 일으키거나 배관 등에 축적되어 막힘 현상 등을 야기하므로 제거가 필요하다. 본 연구에서는 producer gas 중 타르 및 입자 제거를 위해 오일 스크러버(oil scrubber)와 집진장치를 도입하였다. 흡수용매로써 타르를 효과적으로 제거가 가능한 대두유를 사용하였고, 스크러버의 용매 온도에 따라 제거효율이 어떻게 변화하는지 실험을 통해 관찰하였다. 집진장치에는 타르로 인한 필터 눈 막힘 현상 등의 문제를 방지하기 위해 pre-coating 기술을 도입하였다. Pre-coating에 사용할 물질로써 분말 소석회와 목탄계 활성탄(wood char)을 사용하였으며, 타르(tar)를 비롯한 입자 평균 제거 효율은 소석회를 pre-coating 물질로 사용 시 86%, 활성탄의 경우 80%로 나타났다. 스크러버와 집진장치를 동시에 사용한 경우에는 평균 제거효율이 소석회는 88%, 활성탄의 경우 83%로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

A combustible producer gas composed of H2, CO and CH4 could be obtained by the thermal-chemical conversion of biomass. However, a large amount of particulate matters including tar generated causes the mal-function of turbines and engines or the fouling of pipelines. In this study, a wet scrubber using the soybean oil and bag filter were installed, and the removal efficiency was investigated. Hydrate limestone and wood char base activated carbon were pre-coated on the filter medium to prevent clogging of open pores. The removal efficiencies by the bag filter were 86 and 80% for the hydrated limestone and activated carbon coating, respectively. Overall, the collection when using a series of oil scrubbers and bag filters were 88%, while 83% for the filter coating material.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. Schematic diagram of experimental set-up.
표 Table 1. Proximate and Ultimate Analysis of Wood Pellet
표 Table 2. Specification of Scrubbing Medium
표 Table 3. Specification of Pre-coat Materials
표 Table 4. Component of Fly Ash
그림 Figure 2. The number of penetrated particles, before and after pre-coating.
그림 Figure 3. Filtration time change according to pre-coat materials for 10 cycles.
그림 Figure 4. Residual pressure drop change depending on filtration cycle.
그림 Figure 5. Filtration time change (a) and residual pressure drop change (b) for 10 filtration cycles (coated with Ca(OH)₂).
그림 Figure 6. Removal efficiency with filtration time for (a) Ca(OH)₂ coating and (b) wood char coating.
그림 Figure 7. Pressure drop with filtration time for bag filter (a) Ca(OH)₂ coating and (b) wood char coating.
그림 Figure 8. Residual pressure drop with filtration time for (a) Ca(OH)₂ coating and (b) wood char coating.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 섬유재질 필터를 이용하여 타르를 비롯한 입자상물질을 제거하였으며, 필터 장치로 유입되는 타르의 양을 조절하기 위해 집진장치 전단에 스크러버를 도입하고, 그 유무에 따른 집진장치에서의 타르 및 입자에 대한 제거효율 변화를 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 섬유재질 필터를 이용하여 타르를 비롯한 입자상물질을 제거하였으며, 필터 장치로 유입되는 타르의 양을 조절하기 위해 집진장치 전단에 스크러버를 도입하고, 그 유무에 따른 집진장치에서의 타르 및 입자에 대한 제거효율 변화를 알아보고자 하였다. 스크러버에 사용되는 흡수용매로써 타르에 대한 흡수 효율이 좋은 대두유를 사용하였고[20], 집진장치에는 pre-coating 기술을 도입하여 producer gas 중 존재하는 타르로 인해 발생되는 필터 눈 막힘 현상 등을 방지하고자 하였다. Pre-coat 물질로는 점착성을 가진 입자 제거에 대하여 99% 이상의 제거효율을 보인 소석회[19]와 함께 타르를 비롯한 유기물질 흡착능력이 있는 활성탄을 선정하여[16,20], producer gas 중 tar 및 입자가 필터 표면에 형성된 pre-coating 층에서 제거가 될 수 있도록 하였다.

제안 방법

Figure 1의 ‘1’ 경로로 producer gas를 집진장치로 유입시키기 전 필터에 pre-coating을 진행하여 코팅 여부에 따른 타르 및 입자제거 효율 변화를 비교하였고, 제거효율 및 차압변화 측정은 fly ash 제거 실험과 동일하게 진행하는 한편, 차압변화가 일정하게 유지될 때 pulse-jet 탈진을 진행하였다.
스크러버에 사용되는 흡수용매로써 타르에 대한 흡수 효율이 좋은 대두유를 사용하였고[20], 집진장치에는 pre-coating 기술을 도입하여 producer gas 중 존재하는 타르로 인해 발생되는 필터 눈 막힘 현상 등을 방지하고자 하였다. Pre-coat 물질로는 점착성을 가진 입자 제거에 대하여 99% 이상의 제거효율을 보인 소석회[19]와 함께 타르를 비롯한 유기물질 흡착능력이 있는 활성탄을 선정하여[16,20], producer gas 중 tar 및 입자가 필터 표면에 형성된 pre-coating 층에서 제거가 될 수 있도록 하였다.
Pre-coating 진행 시 사용할 코팅 물질로서 분말 소석회, 목질계 분말 활성탄(wood-char)을 사용하였고, 여과 개시 전 screw feeder를 통해 일정량을 균일한 투입 속도로 주입하였으며, 집진장치 전단에 공기를 주입하면서 pre-coat 물질이 장치 내로 유입되어 필터 표면에 입자층이 형성되도록 하였다. Pre-coat 물질별 물리적 특성을 Table 3에 정리하였다.
SUS 재질로 직경 15 cm, 높이 30 cm의 흡수병(impinger) 형태로 제작하였으며, 이중관 형태의 구조로써 내부에는 흡수 용매를 채우고, 외부에는 냉매가 흐르도록 하여 일정 온도를 유지하였다. 스크러버 장치에 사용되는 흡수용매로서는 타르와 같이 비극성이면서 흡수율이 좋은 대두유(soybean oil)를 사용하였으며, 이에 대한 정보를 Table 2 에 나타내었다.
가스화 생성가스 중 타르 및 입자제거 실험에 앞서 소석회, 활성탄(wood char) 분말을 pre-coat 물질로 선정하여 필터 표면에 코팅을 진행한 뒤 1 m/min의 여과속도로 공기를 유입시키면서 screw feeder를 통해 fly ash를 분당 5 g 속도로 투입하고 grimm dust monitor (Dust spectrometer ver1.108, Grimm, Germany)로 백 필터 전 후단 입자개수를 비교하여 제거효율을 측정하였다. 실험이 진행되는 동안 10 s 간격 으로 차압변화를 기록하였으며, 차압이 100 mmH₂O에 도달하게 되면 5 bar, 1~2 ms 간격으로 pulse-jet 탈진을 진행하고 난 뒤, pre-coat 물질 투입으로 재 코팅을 진행하였다.
가스화에 사용된 연료로서 (주)세종 산림조합에서 시판중인 직경 5mm의 목재펠릿을 적용하였으며, 길이 10~20 mm 크기로 분쇄한 후사용하였다. 물성 분석을 위해 공업분석(proximate-analysis), 원소분석(ultimate analysis)을 진행하였고, 각각 ELTRA (TGA-Thermostep, GmbH, Germany)와 EA112/FLASH2000 (Flash-Smart EA, Thermo Fisher, USA)으로 분석하였다. 분석 결과는 Table 1과 같다.
이후 Figure 1의 ‘2’ 경로와 같이 집진장치 전단에 스크러버를 도입하여 타르 및 입자 제거효율의 변화를 관찰하였다. 스크러버의 경우 용매 온도를 상온과 저온으로 각각 유지하였을 때 타르 및 입자 제거효율 변화를 관찰하기 위해 용매 온도를 0과 20 ℃를 유지시키며 실험을 진행하였다.
108, Grimm, Germany)로 백 필터 전 후단 입자개수를 비교하여 제거효율을 측정하였다. 실험이 진행되는 동안 10 s 간격 으로 차압변화를 기록하였으며, 차압이 100 mmH₂O에 도달하게 되면 5 bar, 1~2 ms 간격으로 pulse-jet 탈진을 진행하고 난 뒤, pre-coat 물질 투입으로 재 코팅을 진행하였다. 적절한 코팅 두께를 선정하기 위해 필터에 걸리는 차압이 40, 60, 80 mmH₂O가 될 때까지 pre-coat 물질 투입으로 코팅을 진행한 후 코팅 전후 필터 무게 차이를 통해 부착량을 측정하고, pre-coat 물질의 밀도, 공극률을 기반으로 식 (2)를 통해 코팅 두께를 계산하였으며, 각 두께별로 fly ash 제거효율과 코팅 후 여과 진행시간, 잔류차압변화를 비교하였다.
실험이 진행되는 동안 10 s 간격 으로 차압변화를 기록하였으며, 차압이 100 mmH₂O에 도달하게 되면 5 bar, 1~2 ms 간격으로 pulse-jet 탈진을 진행하고 난 뒤, pre-coat 물질 투입으로 재 코팅을 진행하였다. 적절한 코팅 두께를 선정하기 위해 필터에 걸리는 차압이 40, 60, 80 mmH₂O가 될 때까지 pre-coat 물질 투입으로 코팅을 진행한 후 코팅 전후 필터 무게 차이를 통해 부착량을 측정하고, pre-coat 물질의 밀도, 공극률을 기반으로 식 (2)를 통해 코팅 두께를 계산하였으며, 각 두께별로 fly ash 제거효율과 코팅 후 여과 진행시간, 잔류차압변화를 비교하였다. 이렇게 선정된 코팅 두께로 pre-coating을 진행하였으며 producer gas 중 타르 및 입자 제거 실험에 적용하였다.
이때 여과 효율의 경우 Zhang 등[30]의 실험에서는 여과효율이 감소하였다가 초기 여과효율로 다시 회복하는 경향을 보였으나 본 실험 에서는 발견되지 않았는데, Gac 등[31]이 언급한 바와 같이 타르로 인하여 입자층의 구조가 변하였기 때문인 것으로 사료된다. 차압이 유지되는 구간에서는 입자층에서 흡수된 타르에 의해 필터가 오염되고, 탈진 후에도 필터표면에 남아있는 pre-coat 물질로 인해 잔류차압이 상승하여 다음 여과 진행에 영향을 주므로, 안정적으로 연속 운전을 하기 위해서는 압력이 일정하게 유지되는 시점에서 pulse jet 탈진을 진행하였다.

대상 데이터

가스화에 사용된 연료로서 (주)세종 산림조합에서 시판중인 직경 5mm의 목재펠릿을 적용하였으며, 길이 10~20 mm 크기로 분쇄한 후사용하였다. 물성 분석을 위해 공업분석(proximate-analysis), 원소분석(ultimate analysis)을 진행하였고, 각각 ELTRA (TGA-Thermostep, GmbH, Germany)와 EA112/FLASH2000 (Flash-Smart EA, Thermo Fisher, USA)으로 분석하였다.
당진 화력발전소의 fly ash를 사용하였으며, 성분 분석정보를 Table 4에 나타내었다.
반응기 내부에 유입되는 공기에 의해 유동하는 층 물질(bed material)의 존재로 반응기 내부 온도가 고르게 분포되고, 유지되며 연료가 투입되었을 때 효율적으로 반응이 진행되는 특성을 가지는 기포 유동층 반응기(bubbling fluidized bed)를 이용하였으며[21] 크기는 직경 10 cm, 높이 100 cm이다. Figure 1에 보이는 것처럼 반응기 상단에 설치된 screw feeder가 연료를 공급한다.
사전 실험을 통해 pre-coat 물질을 충분히 여과시켜주면서 부착되는 양이 많고, 필터에 걸리는 차압이 낮게 나타난 필터 재질로서 PPS (poly phenylene sulfide)를 사용하였으며, 필터는 (주)창명산업으로부터 직경 10 cm, 높이 20 cm인 백 형태로 제작하여 사용하였다.
SUS 재질로 직경 15 cm, 높이 30 cm의 흡수병(impinger) 형태로 제작하였으며, 이중관 형태의 구조로써 내부에는 흡수 용매를 채우고, 외부에는 냉매가 흐르도록 하여 일정 온도를 유지하였다. 스크러버 장치에 사용되는 흡수용매로서는 타르와 같이 비극성이면서 흡수율이 좋은 대두유(soybean oil)를 사용하였으며, 이에 대한 정보를 Table 2 에 나타내었다.
유동화가 잘 이루어질 수 있도록 geldart particle classification B 그룹에 속하는 입자를 선정하였으며[22], 평균입도 301 µm, 겉보기 밀도(bulk density) 1,290 kg/m3, 입자 밀도(apparent density)가 2,580 kg/m3인 규사를 사용하였다.
적절한 코팅 두께를 선정하기 위한 실험을 진행하였으며, 필터 표면 부착량이 활성탄에 비해 많았던 소석회를 pre-coat 물질로 사용하였다. 40, 60, 80 mmH₂O에서 나타난 코팅 두께는 각각 평균 0.

성능/효과

반면에, 활성탄 코팅의 경우, 상온일 때 약 2 min, 0 ℃일 때 2 min 30 s로 나타났으며, 평균 효율은 소석회 코팅이 상온에서 87%, 0 ℃일 때 88%, 활성탄은 상온에서 82%, 0 ℃일 때 83%로 집진장치만 사용한 결과와 유사하게 소석회 코팅이 더 좋은 성능을 보였다.
Fly ash 입자 제거효율에 있어서는 모든 두께에 대하여 0.3~10 µm 입자크기에 대해 90% 이상으로 나타났으며, 코팅 두께가 증가함에 따라 최고차압까지 도달하는 시간이 감소하였으나, 여과 cycle이 지속됨에 따라서는 0.7 mm 이상으로 코팅을 진행하였을 때(▲, ◆), 일정한 여과시간을 유지하는 경향을 보였다.
PPS 필터에 소석회, 활성탄의 두 가지 pre-coat 물질을 사용하여 pre-coating을 진행 후 fly ash 입자 제거 실험을 진행한 결과 pre-coat 물질로 생성시킨 입자층이 새로운 여과 및 보호기능을 함으로써 기존 PPS 필터를 통과하는 입자 수가 감소하였으며, 필터를 통과하는 입자 크기 또한 0.5~2 µm 범위에서 1 µm 이하로 줄었다.
그러나 pre-coating에 의해 필터 표면에 생성된 입자층이 타르입자로부터 필터를 보호함에 따라 평균 제거효율이 소석회 코팅에서 86%, 활성탄 코팅에서 80%로 나타났다.
총 10회의 여과 cycle 동안 여과 개시부터 탈진까지 걸린 시간을 측정하여 Figure 3에 나타내었다. 실험결과 6번째 여과 개시 이전까지는 pre-coat 물질을 통한 coating으로 여과가 일부 진행되었기 때문에 순수하게 fly ash만을 제거하는 여과시간이 pre-coating을 적용하지 않은 경우가 더 길게 나타나는 경향이 있었다. 그러나 6번째 이후부터 pre-coating을 적용한 경우(●, ▲)가 더 긴 시간 동안 여과 진행이 가능한 것으로 나타났다.

후속연구

Pre-coat 물질별 로는 소석회를 사용하였을 때 활성탄보다 적은 입자수가 통과되므로 소석회 코팅이 더 좋은 것으로 나타났으며, 여과 cycle별 잔류 차압변화 또한 소석회를 사용한 경우가 적었다. 가스화 생성가스 중 타르 및입자 제거실험에서도 fly ash 입자 제거실험과 동일하게 소석회를 pre-coat 물질로 사용했을 때 높은 제거효율을 보였고 더 긴 시간 타르 및 입자 제거 진행이 가능하였기에 가스화 공정에서도 소석회 코팅을 적용하는 것이 유리한 선택인 것으로 판단되며, 또한 집진장치 전단에 대두유를 용매로 사용하는 스크러버를 사용한다면 더 긴 시간 안정적인 집진이 가능할 것으로 사료된다. 스크러버에 사용되는 용매의 경우 온도가 낮을수록 타르 입자 평균 제거효율이 양호하였으나 경제성을 고려한다면 상온에서 진행하는 것이 보다 더 적절한 선택인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스화로 생성된 producer gas의 문제점은 무엇입니까?	가스화로 생성된 producer gas는 열 및 전기 생산, 연료전지의 연료, 액체연료 합성 등에 사용된다. 하지만 가스화 과정에서 타르(tar)를 비롯하여 ash, char 등의 입자상 물질이 생성되며, 이러한 불순물의 존재는 배관에 축적되어 막힘 현상을 일으키거나, 발전용 터빈을 손상시키는 문제를 야기하므로, 제거가 필요하다[7,9].
	가스화(gasification)란?	가스화(gasification)는 바이오매스로부터 에너지를 얻을 수 있는 방법 중 하나로 열화학적 변환을 통해 수소, 일산화탄소, 메탄 등으로 조성된 가연성 가스인 'producer gas'를 생산할 수 있다. 하지만 producer gas와 함께 타르(tar)를 비롯한 ash 등의 입자상 물질이 함께 생성돼, 발전 터빈이나 연소 엔진 등에 유입되어 고장을 일으키거나 배관 등에 축적되어 막힘 현상 등을 야기하므로 제거가 필요하다.
	바이오매스가 이산화탄소 배출량에 영향을 주지 않는 에너지원인 이유는 무엇입니까?	바이오매스는 동⋅식물을 비롯한 유기생명체의 총칭이며 넓게는 조류(algae), 유기성 폐기물인 분뇨, 하수 슬러지, 음식 폐기물도 포함하므로 손쉽게 얻을 수 있다[4]. 또한 바이오매스는 이산화탄소를 흡수하는 광합성을 통해 성장하고, 연소 시 흡수한 이산화탄소를 다시 배출시키는 탄소 중립적 특성(carbon neutral)이 있으므로[5] 이산화탄소 배출량에 영향을 주지 않는 에너지원 중 하나이다. 하지만 화석연료에 비해 수분함량이 많고 낮은 에너지 밀도를 가지고 있어 기존의 화석연료를 사용하는 발전 시스템에 그대로 적용하기 힘들다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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