유동층 반응기에서 고체 및 액체 연료 가스화에 대한 실험적 연구 :An experimental study on solid and liquid fuel gasification in a fluidized bed reactor

김영두

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김영두 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

지도교수: 이은도

발행연도: 2017

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이용수9

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2017

유동층 반응기에서 고체 및 액체 연료 가스화에 대한 실험적 연구

김영두 대학교 2017.01 학위논문

2015

유동층 반응기에서 저급 오일을 이용한 연료 가스 생성 연구

김영두 , 양창원 , 정수화 외 3명 KOSCO SYMPOSIUM 논문집 2015.05 학술대회자료

2014

유동층 반응기에서 액상의 저급 연료 가스화 특성 실험 및 프로듀서 가스 생산을 위한 연구

김영두 , 정수화 , 정재용 외 2명 KOSCO SYMPOSIUM 논문집 2014.11 학술대회자료

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고체, 액체 성상의 폐기물 에너지로부터 발전에 이용되는 연료 가스를 생산하기 위하여 유동층 반응기를 이용한 가스화 연구를 수행하였다. 고체, 액체의 물리적 성상에서 비롯되는 연료 특성의 차이는 유동층 가스화를 통한 합성가스 생산에 있어 서로 다른 설계 요소와 반응 기술을 요구하고 이에 적합한 연구와 가스화 시스템이 필요하다.
연구 대상으로서 폐목질계 바이오매스와 폐식용유를 고체와 액체 성상의 대표적인 연료로 선택하였다. 폐목질계 바이오매스는 풍부한 자원 매장량과 탄소 중립적인 이점으로 인해 화석에너지를 대체 또는 보조 할 수 있는 장점을 가진 연료로 직간접적인 열화학적 전환에 의한 이용 기술이 많이 연구 되었다. 폐식용유는 대량 수급이 가능한 대표적인 액체 성상의 연료로 흑액, 열분해 오일, 글리세롤과 함께 저급 오일로 지칭 할 수 있다. 이러한 액체 성상의 폐기물 에너지원은 폐바이오매스에 비하여 에너지 밀도가 높고 보관과 수송이 쉬운 장점이 있어 이용 기술의 관심이 증대되고 있다.
가스화를 통한 합성가스 생산을 위해 연료 특성에 맞는 서로 다른 디자인의 기포유동층 반응기를 제작하였다. 고체 바이오매스를 연료로 사용한 경우 원통형 형상의 반응기를 제작하고 연료는 반응기의 상부에 투입하였다. 액체 오일의 경우 높이를 낮추고 반응기를 방사형으로 감싸는 개질층을 추가하였으며 연료는 층 물질내로 직접 투입하였다. 운전 조건에 따라 반응기 내부에 형성된 고온의 영역은 서로 다른 특성을 보였으며 이것은 체류 시간과 생산되는 합성 가스의 조성, 타르 함량에 영향을 미쳤다.
가스화 조건은 당량비 0.2-0.5와 온도 700-800℃범위가 시험되었다. 고체 바이오매스를 이용한 경우 최적화 조건에서 주요 가연성 가스 성분은 수소 16.5%, 일산화탄소 16.1%를 나타내었다. 액체 오일을 가스화한 경우 벤치 규모의 실험 설비 최적 조건에서 수소는 16.8%, 일산화탄소는 20.9%를 나타내었고 파일럿 규모에서 수소는 9.93%, 일산화탄소는 10.93%를 나타내었다. 액체 오일은 고체바이오매스 비하여 상대적으로 빠른 탈 휘발과 연소과정으로 인해 고온의 영역에서 체류 시간이 짧았고 이에 따라 연료는 수소, 일산화탄소, 메탄으로 완전히 전환되지 않고 C2-C4계열의 가스 상 물질로 전환되었다. 활성탄을 이용한 추가적인 개질을 통해 C2-C4계열의 가스는 수소, 일산화탄소, 메탄의 주요 가연성 가스 성분으로 전환 시킬 수 있었다.
각 연료의 가스화를 통해 생산된 합성가스의 저위 발열량은 ER 0.4이하 조건에서 대부분 1200kcal/Nm3 을 넘어 엔진 발전의 연료로서 발열량 조건을 충족하였다. 합성가스 내 Tar 성분은 <0.1g/Nm3 조건을 만족하지 못하였는데 오일 가스화의 경우 활성탄 개질층을 통과한 경우 약 60% 저감되는 효과를 확인하였다. 최적조건에서 생성된 합성가스를 엔진에 공급하고 발전 실험을 수행한 결과 20kWe 이상의 전력이 출력됨을 확인하여 고체, 액체 폐기물 에너지로부터 연료가스를 생산하고 전력을 발생 시키는 폐기물-가스화-발전 시스템의 기초를 구축 하였다.

A gasification study using a fluidized bed reactor was carried out to produce fuel gas for power generation from solid and liquid waste energy. Differences in fuel properties resulting from the physical properties of solids and liquids require different design elements, reaction techniques, appropriate research and gasification systems.
As a research subject, waste woody biomass and waste cooking oil were selected as fuel of solid and liquid, respectively. Waste woody biomass is a fuel that has the advantage of replace fossil fuels because of its abundant resource and carbon neutral characteristic. Waste cooking oil is a typical liquid-state fuel that can be supplied in large quantities and can be referred to low-grade oil with black liquor, pyrolysis oil and waste glycerol. The interests of utilization of this waste energy in increasing by high energy density and easy to store and transport advantages.
For the production of syngas by gasification, a different design of bubbling fluidized bed reactor was prepared. When solid biomass was used as a fuel, a cylindrical reactor was used and fuel was supplied into the upper part of the reactor. In the case of liquid oil, a reforming layer was added and radially wrap to reactor. Fuel was supplied directly into the bed material.
The gasification conditions were tested with an equivalence ratio of 0.2-0.5 and a temperature in the range of 700-800 ℃. In the case of using solid biomass, the major combustible gas components showed 16.5% of hydrogen and 16.1% of carbon monoxide under the optimized conditions. When the liquid oil was gasified, the pilot scale showed 9.93% of hydrogen and 10.93% of carbon monoxide. Liquid oil has short residence time in the high temperature range due to the rapid devolatilization and combustion process. Thus the fuel is converted into C2-C4 gas phase material without being completely converted to hydrogen, carbon monoxide or methane. Additional reforming with activated carbon could convert the C2-C4 material into a major flammable gas component like as hydrogen, carbon monoxide and methane.
The low calorific value of produced syngas exceeded 1200kcal/Nm3 under the 0.4 of ER condition. This is satisfied the calorific value for power engine operation. The Tar component in the syngas did not satisfy the condition of <0.1g/Nm3. But in the case of oil gasification with activated carbon layer reduce the 60% of tar components. The syngas produced at the optimum conditions was supplied to the engine and the power generation test was conducted. As a result, it was confirmed that the power of 20 kWe was generate successfully.

#바이오매스 #가스화 #유동층 #고체 액체 연료 #전력 생산

1. 서 론 1
1.1. 연구배경 1
1.2. 문헌 고찰 8
1.2.1. 유동층(Fluidized bed) 8
1.2.2. 열화학적 반응(Thermochemical reaction) 14
1.2.3. 타르(Tar) 16
1.3. 선행 연구 23
1.3.1. 저급 오일 가스화 연구 23
1.3.2. 활성탄을 이용한 타르 저감 연구 35
1.4. 연구 목표 36
2. 본론 38
2.1. 기포유동층에서 목질계 폐바이오매스의 가스화 및 이용 연구 38
2.1.1. 연구개요 38
2.1.2. 실험 장치 39
2.1.3. 실험 방법 42
2.1.4. 실험 조건 및 결과 43
2.2. 기포유동층에서 저급 오일 가스화 및 이용 연구 51
2.2.1. 연구개요 51
2.2.2. 저급 오일 특성 분석 54
2.2.2.1. 분석 방법 54
2.2.2.2. 저급 오일 기초 분석 55
2.2.2.3. 청정식용유 폐식용유 비교 분석 57
2.2.2.4. 폐식용유 비교 분석 62
2.2.2.5. 폐글리세롤 비교 분석 65
2.2.3. 벤치 규모 기포유동층 오일 가스화 연구 68
2.2.3.1. 실험 장치 68
2.2.3.2. 실험 조건 및 결과 71
2.2.3.3. 합성가스 생산 특성 72
2.2.3.4. 타르 분석 78
2.2.4. 파일럿 규모 기포유동층에서 저급 오일 가스화 및 이용 연구 81
2.2.4.1. 실험 장치 81
2.2.4.2. 파일럿 규모 오일 가스화기 수치 해석 연구 90
2.2.4.3. 실험 조건 및 결과 96
2.2.4.4. 합성가스 생산 특성 93
2.2.4.5. 연속 운전 108
2.2.4.6. 발전 시험 111
2.2.4.7. 효율 분석 113
2.3. 고체 바이오매스와 액체 오일 가스화 비교 연구 114
2.4. 연구 활용 방안 122
3. 결론 124
4. 참고문헌 128

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