초록 ▼

○ 연구결과
- 농업부산물 바이오매스 부존특성을 조사하여 가용 자원에 대해 활용계획에 필요한 기초자료를 구축하고 수집계획에 대해 고찰하였음
- 하향식 가스로를 제작하여 합성가스를 생산하여 연료로서의 특성을 분석하였음
- 합성가스 중 가연성 기체는 CO와 H2로 구성되며, 실험결과 내연기관에 적용이 가능하나 출력저하가 초래되었음
- 바이오매스 연료조건 및 송기량 등의 조건을 달리하여 가스화장치를 구동하여 적정운전조건을 정립하였음
- 합성가스를 활용하는 방안으로서, 열이용, 열병합, 천연가스 혼합활용 등에 대

○ 연구결과
- 농업부산물 바이오매스 부존특성을 조사하여 가용 자원에 대해 활용계획에 필요한 기초자료를 구축하고 수집계획에 대해 고찰하였음
- 하향식 가스로를 제작하여 합성가스를 생산하여 연료로서의 특성을 분석하였음
- 합성가스 중 가연성 기체는 CO와 H2로 구성되며, 실험결과 내연기관에 적용이 가능하나 출력저하가 초래되었음
- 바이오매스 연료조건 및 송기량 등의 조건을 달리하여 가스화장치를 구동하여 적정운전조건을 정립하였음
- 합성가스를 활용하는 방안으로서, 열이용, 열병합, 천연가스 혼합활용 등에 대해서 검토하였으며, 농촌지역의 바이오매스 가용량과 대상지역의 에너지 수요특성을 고려하여 도입하는 것이 바람직한 것으로 평가됨
- 가스화/열병합설비를 도입하는 경우 농업부산물 바이오매스 부존량이 부족할 수 있으므로 인접한 산지에서 간벌목 등을 활용하면 경제적 타당성이 높아질 것으로 판단됨
- 소규모 가스화/합성가스활용설비는 해당 지역의 바이오매스 부존량에 따라 다르나 농촌지역에 대량으로 공급이 가능할 것으로 판단됨

Abstract ▼

Biomass is considered to be a major potential fuel and renewable resource for the future. In fact, there is high potential to produce significant amount of energy from biomass around the world. Tn spite of the potential, there are a few efforts in biomass utilization in this nation. In this study, e

Biomass is considered to be a major potential fuel and renewable resource for the future. In fact, there is high potential to produce significant amount of energy from biomass around the world. Tn spite of the potential, there are a few efforts in biomass utilization in this nation. In this study, effective utilization of agricultural biomass was proposed for rural applications. The study consists of the following four topics :
1) Survey on the amount and characteristics of agricultural biomass production
2) Drying and chipping for gasification
3) Development of a downdraft gasifier
4) Effective use of producer gas for rural applications
Survey on Agricultural Biomass Resources
The elemental biomass data collected from field surveys was obtained with respect to the amount and calorific values of agricultural residues. Rice straw and husks were not included in the evaluation due to their demand from alternative uses such as livestock feedings, bedding materials, and so forth. Dry basis high calorific values are about 4,500kcal/kg for all the agricultural residues investigated, similar to literature data. Energy densities or unit area energy value, from pepper and sesame were significant and comparable to those of woody biomass. Biomass production from non-paddy fields were about 0.3 kg/㎡, and those from orchards was 2.09 kg/㎡ based on the first year survey. Overall, biomass production from orchards ranged from 0.2 - 5 kg/㎡. Elemental analysis showed that carbon was about 45% and hydrogen was about 6%. Samples collected from the fields indicated that moisture contents were over 40% from orchards and less than 20% from non-paddy biomass. It suggested that wood biomass from orchard should be dried before their use.
Unit energy amount was calculated for planning. The highest unit energy, which was defined as a unit biomass production(kg/㎡) multiplied by higher calorofic values (kcal/kg), was over 6,000kcal/㎡, and the lowest was about 2,000 kcal/㎡. It is related with the amount of biomass production since differences among the calorific values of woody biomass are not big. Total energy that can be supplied from orchards was over 660,000 TOE. Agricultural biomass was produced mostly during the Winter season, especially on January and February.
When planning facilities using biomass, one should take into account the time period of biomass production. These elemental data for biomass resources will provide the background of planning and development of biomass energy program, which is getting more feasible along with advances in energy conversion technologies such as micro gas turbines.
The cost of collection and transportation was about 19.5 - 24.4 man-hr/10a, based on field investigations. The cost was expected to be lower when truck mounted with crane was used to loading and unloading.
Drying and Chipping for Gasification
The diameters of trimmed branches ranged from 0.5 to 10cm or more, depending on the year of growing. The lengths ranged from 50cm to 2m.
Biomass from non-paddy fields such as sesame and peppers were 60 - 120 cm in length, depending on the type. Water contents of branches from orchard were mostly over 50%, needing drying for gasification.
Downdraft gasifiers need strict fuel condition of biomass fuel. Whatever the gasifier types are, therefore, biomass chipping is required for normal operation. A small wood chipper was used to estimate the amount of fuel consumption for chipping. Gasoline of about 55-58L was estimated to chipping 1 ton of biomass.
When a large chipper or crusher is used, the fuel cost would be decreased.
Physical characteristics of wood chips were analyzed by a series of experiments. The continuous flow of biomass fuel should be guaranteed for successful operation of gasifiers. In some gasifier, an agitating device was used to secure uninterrupted flow of fuel. The experiments showed that so-called bridging was occurred as the moisture contents were high.
Carbonization of biomass is one of the fuel processing to reduce moisture contents. When the biomass is burned to char, it is easy to make them small-sized chips by crushing. In this case, only about 40% of total energy of biomass can be used for gasification since more than half of the energy is lost during the incineration or carbonization process. Another good aspect of carbonization is that the calorific value of char is much higher than normal biomass, resulting in better gasification and producing better quality of producer gas. The economic comparison was not made between chipping/drying and carbonization with respect to the cost of fuel processing. It might be more feasible than carbonization when the size of gasification system is large.
Development of a Downdraft Gasifier
Two test gasifiers out of thee were successful for preliminary studies for the configuration of gasifier/CHP systems. The other one with small neck was failed due to poor flow of biomass fuels, even though it showed a normal operation when biomass fuels with small enough was provided. The diameters of hearth zone were 100 and 300mm, respectively. Fuel consumptions were about 10kg/h and 1kg/h. Wood chips and char were fed into the gasifiers. Gas analysis results showed that CO and H2 were about 25-35% and 5% or more when char was used, comparable to the values from other previous studies
Since the gasifier was built with stainless steel without insulation, the temperature inside the reactor ranged from 600 to 700℃. The concentration of CO and hydrogen was measured using gas probes. The higher the temperature inside the reactor, the better gas quality in terms of the composition of combustible gases.
Gas quality was better when wood char was supplied rather than wood chips only. Flames were right blue color when char was fed, while yellow and red when wood chips or mixture of wood chips and charcoals were used. When wood chips or mixture of wood chips and charcoals were used, a significant amount of tar was included in the producer gas. It seemed that the combustion of tar resulted in yellowish red color.
Effective Use of Producer Gas for Rural Applications
Biomass can be used in various applications including heating by direct combustion or gasification, and heat and power. Combined heat and power application requires gasification for fueling engines or turbines. Heat can be recovered from flue gas. In small system configurations, initial cost could be too high for turbine or steam power-generation systems. Therefore, internal combustion engines(IC) would be desirable in the small systems.
When producer gas is used in the IC, dust and tar should be removed before fueling the engines. Tar which includes acids results in engine corrosion. A number of studies gives various techniques to remove tar and dusts. Another aspect in IC applications is lower calorific values of the producer gas, about 5MJ/Nm3 which is only a tenth of that of natural gas. Engine de-rating is inevitable. Although the air to fuel ratio is much lower than other gaseous fuels, the mixture of air and producer gas has less than 70% of calorific value of methane/air mixture.
As a report from World Bank indicated, heat gasifiers are more economic and practical. When producer gas from a gasifier is used in boiler, the gasifier is referred to as heat gasifier. Meanwhile the gasifier is referred to as power gasifier when the producer gas is used to fuel internal combustion engines to produce shaft power for generating electricity. Through the analysis of gasifiers with respect to its applications, heat gasifier is more competitive than power gasifier in that power gasifier requires more costs in both capital and operation.
Particularly, combined heat and power systems shows a good overall efficiency only when demand of heat to power ratio is big enough to maximize the use of heat. It means that a CHP system is too costly when heat from engine flue gas is not recovered. Therefore, heat gasifier would be a much better choice when heating requirement is dominant. Heating greenhouse using a gasifier is one of the cases. Almost all greenhouses require heating and have boilers. Replacement or modification of burner makes it possible to use the existing boilers. As mentioned in the previous section, no replacement or modification of burner may be needed when natural gas is mixed with the syngas.
When the syngas is used in boiler for heating, extensive cleaning of gas is not necessary as in the power gasifier systems. It is another merit that enable to reduce the cost of operation. In fact, syngas should be cleaned to remove tar and particulates to fuel engines. Additionally, properly operating a biomass gasification system requires training and experience. A skilled operating personnel should check a number of temperature and pressure meters and use the information in making decisions on additional fuel and many parts.
Even though recent rapid increase of oil price makes biomass gasification more and more positive, higher initial investment cost is still a big obstacle. One of operational strategies that make the renewable energy system more feasible is dual fuelling. Dual fuelling with natural gas is the case. Particularly, since the syngas produced by a gasifier has low calorific values, mixing syngas with natural gas improves fuel characteristics. Fossum and Beyer(1998) showed the mixture of syngas and natural gas has improvements with respect to heating values, flammability, Wobbe index, burning velocity, an so forth. In addition, mixing with natural gas does not require modification of burners in gas boilers. It suggests that gas engines can run without major modification of fuel systems when syngas is mixed with natural gas. Fossum and Beyer(1998) recommended the mixing ratio of syngas and natural gas be 75% and 25%. In the ratio, engine de-rating was only about 10%.
The government also provides incentives to those who have combined heat and power facilities with natural gas. When the system capacity is large, the area from which biomass is collected also increase, resulting dramatic increase in cost of biomass fuel. Therefore, natural gas could be able to substitute syngas or the amount of biomass required to fuel gas engines.
In this study, three gasifier/CHP systems of 60kWe, 100kWe, 300kWe were proposed for rural villages. Since average monthly power consumption is about 200kWh per household in rural area, power demand was assumed about 2kW per household. Therefore, the systems with the capacity of 60, 100, 300 kWe can supply 30, 50, 150 household, respectively. Heat from the plant can be used for heating in household or greenhouse facilities.
When the generation efficiency is assumed to be 25%, the energy required for unit power generation is 3,440 kcal/kWh(860kcal/kWh * 1/0.25). If a daily power demand is assumed to be about 10 hours per day, forest area required to supply the gasifier/CHP plants can be estimated based on the amount of biomass which is supplied from farmlands near the station. When additional biomass is supplied from forest land through thinning program, gasifier/CHP systems would more competitive.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 요약문 ... 2
• SUMMARY ... 14
• CONTENTS ... 20
• 목차 ... 22
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 29
• 제 1 절 연구개발의 필요성 ... 29
• 1. 연구개발의 필요성 ... 30
• 가. 기술적 측면 ... 30
• 나. 경제 · 산업적 측면 ... 31
• 다. 사회 · 문화적 측면 ... 32
• 2. 국내 · 외 관련기술의 현황과 문제점 ... 32
• 3. 앞으로 전망 ... 33
• 4. 기술도입의 타당성 ... 33
• 제 2 절 연구 목표 ... 34
• 제 3 절 연구 범위 ... 35
• 1. 연구개발 내용 및 범위 ... 35
• 가. 농촌지역 바이오매스 자원의 종류 및 부존 특성 조사 ... 35
• 나. 바이오매스 수집계획 기법 및 전처리공정 확립 ... 35
• 다. 가스화 장치의 개발 및 성능 평가 ... 35
• 라. 연료가스의 활용체계 수립 ... 35
• 2. 연차별 연구개발 내용 및 범위 ... 36
• 제 4 절 연구 방법 ... 39
• 1. 농촌지역 유효 바이오매스 자원의 종류 및 부존특성 조사 ... 39
• 가. 농촌지역 바이오매스 자원의 종류와 발생량 조사 분석 ... 39
• 나. 연구 대상지역의 바이오매스 부존특성 조사 ... 39
• 다. 바이오매스 종류별 에너지관련 특성조사 ... 39
• 2. 바이오매스 수집계획 기법 및 전처리공정 확립 ... 40
• 가. 적정 수집계획 기법의 정립 ... 40
• 나. 전처리공정의 확립 ... 40
• 3. 가스화 장치의 개발 및 성능 평가 ... 40
• 가. 기존 가스화 장치의 분석 ... 40
• 나. 고효율 가스화 장치의 설계인자 정립 ... 41
• 다. 가스화 장치의 설계 및 제작 ... 41
• 라. 가스화장치의 운전 및 성능평가 ... 41
• 마. 효율 제고를 위한 부속장치 활용방안 ... 41
• 4. 연료가스의 활용체계 수립 ... 41
• 가. 연료가스의 저장 및 정제 ... 41
• 나. 연료가스 활용방안 ... 41
• 제 5 절 연구개발 추진체계 ... 42
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 43
• 제 1 절 바이오매스 자원/에너지 이용 ... 43
• 제 2 절 열화학적 변환공정 ... 46
• 제 3 절 사용된 기술 및 제품 ... 50
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 52
• 제 1 절 바이오매스의 발생 및 이용현황 ... 52
• 1. 바이오매스 발생량 ... 52
• 2. 농촌지역 바이오매스의 이용현황 ... 55
• 가. 볏짚 ... 55
• 나. 왕겨 ... 56
• 다. 과수 부산물 ... 57
• 라. 밭작물 부산물 ... 58
• 마. 기타 바이오매스 ... 58
• 제 2 절 바이오매스 부존특성과 수집체계 ... 60
• 1. 농산 바이오매스 부존특성 ... 60
• 가. 바이오매스별 발생성상 및 함수비 평가 ... 60
• 나. 발열량 및 원소분석 ... 61
• 다. 단위면적당 에너지 및 부존량 ... 63
• 라. 바이오매스 에너지 시설규모의 산정 ... 65
• 마. 에너지 활용 ... 67
• 2. 부존특성을 고려한 수집체계 ... 68
• 가. 선정된 농업부산물 바이오매스의 발생 시기 및 특성 ... 68
• 1) 과수 ... 68
• 2) 유지작물 ... 69
• 3) 고추 ... 69
• 나. 수집, 운송을 위한 기초자료 ... 70
• 다. 수집계획 수립방안 정립 ... 72
• 1) 농업부산물 바이오매스 부존량 평가 ... 72
• 2) 수집 및 운반 체계의 정립 ... 72
• 제 3 절 가스화를 위한 바이오매스 전처리 ... 76
• 1. 가스화를 위한 연료조건 ... 76
• 가. 가스화를 위한 바이오매스 이용 조건 ... 76
• 나. 가스로의 종류와 바이오매스 원료 조건 및 특성 ... 77
• 1) 목질계 바이오매스 ... 78
• 2) 산림 폐기물 ... 78
• 3) 산업 분쇄 폐기물 ... 79
• 4) 도시 목재 폐기물 ... 79
• 5) 나무손질시 발생되는 폐기물 ... 80
• 6) 도시 고형 폐기물 ... 80
• 7) 자연 발생 폭풍우에 의한 목재 폐기물 ... 80
• 다. 바이오매스 성상 ... 82
• 2. 전처리공정 개요 ... 82
• 가. 가스로에 투입되는 연료의 전처리 공정과 관련된 바이오매스 특성 ... 82
• 1) 건조 ... 82
• 2) 회분 ... 82
• 3) 원소조성 ... 82
• 4) 밀도와 형상 ... 83
• 5) 입자의 크기 ... 83
• 나. 과수 바이오매스의 파쇄 ... 83
• 다. 과수 바이오매스의 탄화 ... 87
• 3. 가스로 유형별 전처리공정 ... 90
• 가. 상향식 공정베드시스템의 전처리공정 ... 91
• 나. 하향식 공정베드시스템의 전처리공정 ... 91
• 다. 가스로의 주변기기 ... 92
• 1) Initial Sizing Device ... 92
• 2) Drying System ... 92
• 3) Fuel-feeding system ... 93
• 제 4 절 가스로의 제작 및 운전 ... 94
• 1. 가스로 설계인자 ... 94
• 가. 가스화 장치(gasifier)의 종류 및 개발현황 ... 94
• 1) 고정상 가스화 장치 ... 95
• 2) 유동상 가스화장치 ... 102
• 나. 가스화 장치의 기본 설계인자 ... 103
• 다. 가스화 장치 공정 관련 설계인자 ... 104
• 1) 가열온도의 조절 ... 104
• 2) 가열비율의 조절 ... 104
• 3) 바이오매스의 가스화에서의 촉매의 사용 ... 104
• 2. 가스로의 제작 ... 105
• 가. 가스화 장치의 설계방향 ... 105
• 나. 가스로의 설계 및 제작 ... 111
• 1) 하향식 가스로 Version.1 ... 111
• 2) 하향식 가스로 Version.2 ... 112
• 3) 하향식 가스로 Version.3 ... 114
• 3. 가스로의 운전 및 평가 ... 116
• 가. 가스로 운전조건 ... 116
• 나. 가스로의 구동 ... 117
• 1) 숯(입도 2~3cm 이하) 연료조건 ... 117
• 2) 숯(입도 2~3cm 이상) 연료조건 ... 118
• 3) 목편(입도 3cm) 연료조건 ... 120
• 4) 목편과 숯 연료조건 ... 121
• 다. 합성가스의 성분분석 ... 124
• 1) 숯(입도 2~3cm 이하) 연료조건 ... 124
• 2) 숯(입도 2~3cm 이상) 연료조건 ... 125
• 3) 목편(입도 3cm) 연료조건 ... 125
• 4) 목편과 숯 연료조건 ... 126
• 4. 적정 운전조건 ... 126
• 제 5 절 합성연료가스 이용방안 ... 128
• 1. 합성연료가스 조성 및 발열량 ... 128
• 가. 화염온도 ... 129
• 나. 연소/폭발범위 ... 129
• 다. Wobbe 지수 ... 130
• 라. 층류연소속도 ... 130
• 2. 합성연료가스 활용 기관 및 설비 ... 131
• 가. 가스엔진 ... 131
• 나. 가스터빈 ... 132
• 다. 보일러 ... 132
• 라. 천연가스의 혼합이용 ... 133
• 3. 합성연료가스 활용전략 ... 134
• 가. 가스의 정제 ... 134
• 1) 합성 연료가스 중 타르 함량 ... 135
• 2) 타르의 측정 ... 135
• 3) 타르의 분해 ... 136
• 4) 물리적인 타르 제거방법 ... 137
• 5) 분진 및 입자성 물질 제거 ... 140
• 나. 합성연료가스 활용 방안 ... 142
• 1) 활용방안의 종류 및 검토 ... 142
• 2) 가스화설비의 경제성 및 신뢰성 ... 144
• 다. 소형열병합시스템 (손학식, 2005) ... 145
• 1) 열병합발전시스템 개요 ... 145
• 2) 가스엔진과 열량계산 ... 151
• 3) 가스엔진에서의 열회수 (손학식, 2005) ... 152
• 라. 바이오매스를 이용한 농가난방의 경제성 검토 ... 156
• 1) 분석 도구 및 기초 자료 ... 157
• 2) 바이오매스 수집 비용 ... 157
• 3) 지역 특성 및 설비관련 자료 ... 157
• 4) 제무관련 조건 ... 160
• 5) 평가결과 ... 161
• 마. 바이오매스 부존량 기준 합성가스활용 시스템 예 ... 165
• 1) 바이오매스 부존량 ... 165
• 2) 가스로 규모 ... 166
• 3) 합성연료가스 활용설비 ... 166
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 167
• 제 1 절 연구개발목표 달성도 및 관련분야 기여도 ... 167
• 제 2 절 평가 착안점 ... 170
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 171
• 제 1 절 기대효과 ... 171
• 1. 기술적 측면 ... 171
• 2. 경제 · 산업적 측면 ... 172
• 제 2 절 활용방안 ... 173
• 제 3 절 추가연구의 필요성 ... 174
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 175
• 제 7 장 참고문헌 ... 177
• 끝페이지 ... 182