[논문]하향류식 고정층 바이오매스 가스화기를 이용환 합성가스 생성특성 연구

윤상준; 최영찬; 김용구; 이재구

하향류식 고정층 바이오매스 가스화기를 이용환 합성가스 생성특성 연구
Syngas Production from Biomass Using a Downdraft Fixed-bed Gasifier 원문보기

윤상준 (한국에너지기술연구원) , 최영찬 (한국에너지기술연구원) , 김용구 (한국에너지기술연구원) , 이재구 (한국에너지기술연구원)

바이오매스를 이용한 분산형 발전 및 에너지화의 경우 기존의 연소법은 단순 열에너지의 이용과 스팀터빈을 이용하는 대규모 시설이 요구된다. 반면 가스화의 경우 가연성 합성가스 생성을 통하여 소규모 분산형 발전이 가능하며, 생성가스를 이용하여 다양한 응용이 가능하다. 기존 상향류식 가스화의 경우의 바이오매스 가스화시 목질계 내 리그닌 성분으로 인하여 다량의 타르가 발생하여 후단 처리 설비에 어려움이 있다. 본 연구에서는 하향류식 가스화 방법을 통하여 목질계 바이오매스의 가스화 특성을 알아보았다. 가스화기 하부로 배출되는 합성가스의 온도는 대략 1000$^{\cdot}C$까지 유지할 수 있었으며, 생성되는 합성가스의 발열량은 약 $1300kcal/Nm^3$의 수준으로 얻을 수 있었다. 또한 발생되는 타르는 $5{\sim}15ppm$ 정도로 기존 상향류식에 비해 매우 적은양의 타르가 발생함을 확인할 수 있었다.

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문제 정의

고온공기 가스화 연구는 이러한 맥락으로 수행되었으며, 타르 개질 조건을 추가실험을 통하여 도출하였다. Downdraft 가스화 장치는 합성가스 발열량이 다소 낮아지기는 하지만 타르가 고온의 연소영역을 통과함으로써 다른 방식보다 타르 발생량을 줄일 수 있는 장점이 있어서 분산용 발전에 적용하기 위한 실험을 수행하였다.(4)
본 연구에서는 공기와 연료가 위에서 아래의 같은 방향으로 흐르게 하여 저타르 발생을 유도하는 하향류식 고정층 가스화기를 이용하여 목질계 바이오매스의 가스화 특성을 살펴보았다. 가스화기의 온도는 1000℃ 내외로 운전이 가능하였으며, 공기량 공급비에 따라 다양한 합성가스 조성을 얻을 수 았었는데, 각각의 조성에 따른 합성가스 발열량을 계산하면 공기량이 증가함에 따라 가스화가 아닌 연소분위기로 인하여 CO₂ 의 생성량이 증가하여 발열량이 감소함을 확인하였다.

제안 방법

가스화기 .내부의 온도는 사iar 연소영역 및 휘발분 연소 영역에서 측정하였다. char 연소영역에서는 온도가 휘발분 연소영역에서 가스화되는 온도보다 다소 낮게 나타났다.
바이오매스 호퍼로부터 낙하하는 부위에서 연소영역을 형성시키되 이 부분에서 적절하게 종래대비 40-70% 수준의 좁은 가스화기 유로를 만들고 측면에서 가스화용 공기를 공기주입 노즐을 통해 공급하는 방식으로 균일한 혼합, 연소과정을 유도하였다. 바이오매스와 공기의 혼합비를 균일하게 유지하기 위하여 반응기에 직경이 작은 부분을 형성하게 하고 이 부분으로 공기를 유입 층}.

대상 데이터

실험용으로 3~5cm 크기의 선별된 우드칩을 연료로 사용하였다. 가스화 실험을 위해서 시료의 사전 전처리, 유틸리티 확인, 시스템 예열, 가스화 실험, 운전정지 순서로 이루진다.

성능/효과

가스화기의 온도는 1000℃ 내외로 운전이 가능하였으며, 공기량 공급비에 따라 다양한 합성가스 조성을 얻을 수 았었는데, 각각의 조성에 따른 합성가스 발열량을 계산하면 공기량이 증가함에 따라 가스화가 아닌 연소분위기로 인하여 CO₂ 의 생성량이 증가하여 발열량이 감소함을 확인하였다. 기존의 상향류식 바이오매스 가스화기에서 발생되는 10~30% 정도의 타르 발생량에 비하여 본 연구에서 적용된 하향류식 가스화기에서는 대략 5~15ppm 수준으로 가스화 전환율을 향상시켜 주었다.
가스화기의 온도는 1000℃ 내외로 운전이 가능하였으며, 공기량 공급비에 따라 다양한 합성가스 조성을 얻을 수 았었는데, 각각의 조성에 따른 합성가스 발열량을 계산하면 공기량이 증가함에 따라 가스화가 아닌 연소분위기로 인하여 CO₂ 의 생성량이 증가하여 발열량이 감소함을 확인하였다. 기존의 상향류식 바이오매스 가스화기에서 발생되는 10~30% 정도의 타르 발생량에 비하여 본 연구에서 적용된 하향류식 가스화기에서는 대략 5~15ppm 수준으로 가스화 전환율을 향상시켜 주었다.
본 가스화 장치에 의한 타르 발생량은 일반적인 목초 제조액 공정의 경우 10~30% 수준보다 훨씬 낮은 5'15ppm 수준으로 개질반응기나 정제과정에서 제거하면 가스엔진에서 이용이 가능한 수준임을 알 수 있었다.
가스화 반웅에 의해 남게 되는 재 (ash)성분은 그레이트를 통해 하부로 떨어져 물에 의해 직접 냉각되어진 후 회재 회수부를 통해 회수된다. 본 실험에서 수행된 실험조건은 공급량은 60kg/h, 온도는 연소부롤 기준시 1200 C 를 유지하였다.
char 연소영역에서는 온도가 휘발분 연소영역에서 가스화되는 온도보다 다소 낮게 나타났다. 본 실험에서는 가스화부 온도가 750~9000, 휘발분이 연소되는 가스 화부에서는 850^1, 100t 수준으로 나타났다.
반면 본 장치를 이용하는 경우 낮은 수분함량(<20%)을 갖는 바이오매스에만 적용이 가능하며, 생성가스는 반응기 하단부로 흐르게 되어 약 8002, 200℃에서 char와 반응하여 합성가스(CO+H₂)를 생성한다. 본 장치의 장점으로는 가스화중에 발생되는 타르의 99.9%를 제거할 수 있어 추가적인 가스정제공정이 필요치 않으며, 중금속의 경우 반응기 하단부에서 ash와 같이 처리되어 후단의 집진 설비의 부하를 줄일 수 았다는 것이다. 또한 updraft 가스화장치와 같이 공정이 단순하고 초기투자비가 적으며 잘 알려진 기술로 분류될 수 있다.

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