초록 ▼

바이오매스로부터 전력생산을 위하여 스팀을 이용하는 방법이 아닌 합성가스를 생산하여 이용하는 소규모 분산형 발전기술을 개발하였다. 바이오매스로부터의 합성가스는 타르 함유가능성이 높으므로 이를 적게 배출하는 구조로 2T/D 규모의 가스화기를 개발하였다. 1차년도에는 고온공기를 사용하여 합성가스의 품질을 향상시키고자 하였다. 반응온도 1,000℃ 이상에서 스팀 주입시, 합성가스중에 함유되어 있는 타르 성분이 분해되어 합성가스의 수소 함량이 증가하였으나, 고온공기 제조과정에서 시스템의 간소화가 요구되었다. 2차년도에는 가스화 방식을 변경하

바이오매스로부터 전력생산을 위하여 스팀을 이용하는 방법이 아닌 합성가스를 생산하여 이용하는 소규모 분산형 발전기술을 개발하였다. 바이오매스로부터의 합성가스는 타르 함유가능성이 높으므로 이를 적게 배출하는 구조로 2T/D 규모의 가스화기를 개발하였다. 1차년도에는 고온공기를 사용하여 합성가스의 품질을 향상시키고자 하였다. 반응온도 1,000℃ 이상에서 스팀 주입시, 합성가스중에 함유되어 있는 타르 성분이 분해되어 합성가스의 수소 함량이 증가하였으나, 고온공기 제조과정에서 시스템의 간소화가 요구되었다. 2차년도에는 가스화 방식을 변경하여 고온에서 합성가스가 배출되는 구조로 개선하여, 우드칩, 왕겨, 펠렛등을 사용한 저타르 배출형 가스화기를 개발하였다. 합성가스의 발열량은 시료에 따라 차이가 있었으며, 발열량은 800~1,400kcal/N㎥ 수준으로 나타났다. 3차년도에는 가스엔진을 사용하여 저열량 가스를 이용한 10kWe 이하의 소형 전력 생산 특성 실험과 수치모사를 수행하였다. 가스화 발전 연계 시스템이 실험적으로 입증되었으며, 향후 소규모 진력 및 열이용을 위해 사용 가능한 것으로 파악되었다.
(출처 : 에너지·자원기술개발사업 최종보고서 초록)

Abstract ▼

IV. Results of Study and Suggestion for Applications
1. Results of Study
In this study KIER has performed the small distributed power plant by using not steam but syngas from biomass gasification. As there would be the high content tar evolution in the syngas form biomass gasification, 2T/D sc

IV. Results of Study and Suggestion for Applications
1. Results of Study
In this study KIER has performed the small distributed power plant by using not steam but syngas from biomass gasification. As there would be the high content tar evolution in the syngas form biomass gasification, 2T/D scale gasifier to produce syngas with low tar was developed.

- Investigate the reaction kinetics of biomass gasification
The gasification kinetic study was carried out by using the char produced from sawdust and rice husk. Experimental data from char- steam reaction showed good correlations with shrinking core model. It was shown that the activation energies of partial oxidations from sawdust and ricehusk char were 12.2kJ/mol and 12.7kJ/mol and those of steam reactions were 34.3kJ/mol and 29.0kJ/mol respectively.
- Design and experiment high temperature air gasification
High temperature air gasifier with steam reformer was used to enhance syngas quality to supply gas engine system. It was shown that the content of hydrogen from tar decomposition with steam reforming increased above 1,000℃. However, because there were lots of difficulties from system complexities due to high temperature air generation, system modifications were required.

- Develop new concept gasification system
It was difficult to maintain high temperature by external high temperature
generator for cracking tar in syngas. And a low tar generating gasifier was
developed by means of internal heating and cracking tar inside gasifier and
could be used for woodchip, rice husk and pellets. The calorific value of syngas
was different with feedstock and shown at the range of 800~1,400kcaI/N㎥.

- Develop internal circulating fluidized bed gasifier
The carbon conversion, gas yield, syngas heating value and cold gas efficiency increased in fluidized bed gasifier with fluidizing velocity and reaction temperature and syngas heating value was measured 2.6~5.0MJ/㎥. In internel circulating fluidized bed gasifier the gas compositions within gasification zone was shown H₂ 36.7~45.1%, CO 19.3~25.5%, CO₂ 15.4~13.4% and CH₄ 10.3~6.6%. Gas yield, carbon conversion and cold gas efficiency increased with temperature while syngas heating value was almost same due to the smaller content of CH₄.

- Develop low tar generating gasification technology
In this study, characteristics of syngas generation and biomass tar generation for biomass (Wood chip, Rice-Husk, Pellet) by utilizing the downdraft gasifier to induce generation of low tar were investigated. In case of wood chip, when the air ratio for gasificaon was 0.3-0.35, the high heating value of syngas was 1,100-1,200kcal/㎥N, and cold gas efficiency could be obtained at the level of 69~72%. In case of Rice-Husk, the high heating value of syngas was 1,084kcal/㎥N, and cold gas efficiency could be obtained at the level of 58%. In case of Rice-Husk, the high heating value of syngas was 875kcal/㎥N, and cold gas efficiency could be obtained at the level of 54%. Tar generation volume by this experiment was a level of 3.9-4.4g/㎥N that is much lower than a level of 10~30% in case of the other fixed-bed gasifier process. If it is eliminated in a reformer or purification process, it could be known that it can be used fully in gas engine.

- Perform the combustion modeling for gas engine
Numerical simulation for combustion in small scale gas engine be low 10kWe and experiments were performed to utilize low calorific syngas. And it can be seen that syngas was not completely reacted within combustion time in gas engine volume and unreacted CO gas was detected in engine exhaust gas When low calorific gas such as biomass syngas be applied in LPG gas engine, it should be carefully operated tunning conditions such as combustion chamber design and ignition time etc.

- Power generation system integrated with gasification
This research carries out integration test which is made by producing syngas for biomass gasification and feeding syngas to gas engine after cleaning. It was demonstrated that biomass syngas could be utilized for LPG engine if engine tunning could be well done. As a result, it was proven that the gas engine integrated with biomass gasifier can be utilized for small scale heat and power system in the future. The results from gas engine combustion showed that the exhaust gas was composed of HC 200ppm, CO 25,000ppm and NOx 30-40ppm. And it can be seen that additional catalytic combustor be needed for complete conversion of CO and HC in commercially utilization.

- In this study we obtained several patents as following.
. High temperature air generator for gasification of low grade hydrocarbon fuel, Patent No., 10-0726127
. High temperature air gasification method and its apparatus, Patent No.,10-0104718
. Biomass gasifier for low tar generation, Patent No., 10-0784851

2. Suggestion for Applications
In this study KIER have succeeded in the development of a 2T/D scale distributed power generation system integrated with biomass gasification. In order to commercialize this result additional support is required for system modification, easy operation and ensuring plant reliability. As the energy density of biomass is low, the cost of collection and transportation is not economic for long distance transportation. And the continuous support for application of small scale plant as the most effective system in the field is required in the future.
(출처 : SUMMARY)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 에너지·자원기술개발사업 최종보고서 초록 ... 5
• 요약문 ... 7
• SUMMARY ... 12
• 목차 ... 19
• 표목차 ... 23
• 그림목차 ... 25
• 제1장 서론 ... 31
• 제1절 연구배경 ... 31
• 제2절 가스화 이론 ... 34
• 1. 가스화 반응 ... 34
• 2. 가스화 운전조건 ... 37
• 제3절 국내외 기술개발 동향 ... 40
• 1. 가스화 장치 ... 40
• 가. 고정층 가스화 장치 ... 40
• 나. 유동층 가스화 장치 ... 43
• 2. 바이오매스 가스화장치 현황 ... 47
• 가. 운전조건 ... 47
• 나. 합성가스 조성 ... 49
• 다. 오염물질의 배출 ... 51
• 라. 초기투자 비용 ... 51
• 3. 가스정제 및 개질장치 ... 52
• 가. 고온수증기 개질반응 ... 54
• 나. 촉매수증기 개질반응 ... 57
• 제2장 연구의 필요성 및 목적 ... 59
• 제1절 연구의 필요성 ... 59
• 1. 기술적 측면 ... 59
• 2. 경제적 측면 ... 60
• 제2절 연구목적 ... 62
• 1. 최종목표 ... 62
• 2. 연도별 연구목표 ... 62
• 제3절 연도별 연구실적 요약 ... 62
• 1. 1차년도 주요연구실적 ... 62
• 가. 바이오매스 가스화 반응특성 규명 ... 62
• 나. 고온공기 가스화 시스템 설계 ... 63
• 다. 고온공기 가스화 시스템 운전에 의한 특성 파악 ... 63
• 라. 가스엔진에서의 연소 특성 모델링 ... 63
• 2. 2차년도 주요연구실적 ... 63
• 가. 신개념 가스화 시스템 개발 ... 63
• 나. 내부순환 유동층 가스화 시스템 개발 ... 63
• 다. 가스엔진 연소 모델링 ... 64
• 3. 3차년도 주요연구실적 ... 64
• 가. 가스화 및 발전 연계 시스템 ... 64
• 나. 합성가스 이용 가스 엔진 적용 ... 64
• 제3장 바이오매스 가스화에 의한 kinetics 특성 및 고온공기 개질 특성 ... 65
• 제1절 바이오매스 가스화 kinetics 특성 ... 65
• 1. 이론 ... 65
• 가. 열분해 반응 ... 65
• 나. 촤 가스화 반응 ... 66
• 2. 실험 ... 67
• 가. 실험시료 ... 67
• 나. 실험 장치 및 실험 방법 ... 68
• 3. 실험결과 및 고찰 ... 69
• 가. 열분해 실험 ... 69
• 나. 가스화 실험 ... 71
• 4. 결론 ... 74
• 제2절 고온공기 바이오매스 가스화 특성 ... 75
• 1. 고온수증기 개질반응 시스템 ... 75
• 2. 실험장치 및 방법 ... 76
• 가. 고온수증기에 의한 합성가스 개질 시스템 ... 76
• 나. 실험방법 ... 86
• 3. 실험결과 및 고찰 ... 88
• 가. 연료공급 특성 ... 88
• 나. 고온공기 및 수증기 공급 특성 ... 89
• 다. 고정층 가스화 운전 특성 ... 89
• 라. 개질 반응기 운전 특성 ... 91
• 마. 합성가스 제조 특성 ... 91
• 4. 결론 ... 94
• 제3절 결론 ... 95
• 제4장 저타르 발생형 바이오매스 가스화 기술 개발 ... 97
• 제1절 서론 ... 97
• 제2절 가스화 장치 및 실험방법 ... 98
• 1. 실험장치 및 방법 ... 98
• 가. 시료 ... 98
• 나. 실험장치 ... 99
• 다. 실험방법 ... 104
• 제3절 실험결과 및 고찰 ... 105
• 1. 우드칩 가스화 특성 ... 105
• 2. 왕겨 가스화 특성 ... 111
• 3. 옥수수대 펠렛 가스화 특성 ... 113
• 4. 시료종류에 따른 가스화 특성 ... 115
• 제4절 결론 ... 116
• 제5장 바이오매스 유동층가스화 특성연구 및 반응기 모델링 ... 117
• 제1절 바이오매스 유동층가스화 특성 ... 117
• 1. 유동층 반응기 ... 117
• 2. 내부순환유동층 반응기 ... 117
• 제2절 바이오매스 시료 ... 120
• 제3절 결과 및 고찰 ... 120
• 1. 유동층 반응기에서 바이오매스 가스화반응 ... 120
• 가. 유동화 속도의 영향 ... 120
• 나. 반응 온도의 영향 ... 121
• 다. 가스화제 조성의 영향 ... 126
• 2. 내부순환유동층에서 바이오매스 가스화반응 ... 129
• 가. 반응 온도의 영향 ... 129
• 나. 산소/바이오매스 비의 영향 ... 134
• 다. 수증기/바이오매스 비의 영향 ... 134
• 제4절 톱밥과 모래 혼합물의 유동 특성 ... 139
• 1. 서론 ... 139
• 2. 실험장치 및 실험방법 ... 139
• 가. 실험 장치 ... 139
• 나. 실험 방법 ... 141
• 다. 결과 및 고찰 ... 142
• 제5절 결론 ... 159
• 제6장 합성가스를 이용한 가스엔진발전 활용 ... 161
• 제1절 서론 ... 161
• 제2절 가스 엔진의 합성가스 연소 해석 ... 163
• 1. 열화학 평행 해석 ... 163
• 2. 전산유체 해석 ... 168
• 제3절 가스엔진의 시험 장치 및 방법 ... 174
• 1. 바이오매스 가스화연료 발전기 ... 174
• 2. 시험방법 및 결과 ... 175
• 3. 실제 합성가스 발전 특성 ... 184
• 제4절 결론 ... 188
• 제7장 결론 ... 191
• Reference ... 195
• 끝페이지 ... 202