하향식 가스화 시스템을 이용한 목질계 바이오매스 합성가스 및 전력생산 = Syngas production and power generation from woody biomass using down draft gasification system

국문 초록 (Abstract)

현대 급격한 산업발달로 인하여 화석연료가 점점 줄어들고 있어 신재생에너지의 필요성이 부각되는 가운데 목질계 바이오매스를 에너지화 하여 가스화를 통해 이용하는 것은 기존의 화석연료를 대체하는 환경 친화적인 재생에너지이다. 목질계 바이오매스를 에너지화 하여 엔진 발전의 연료인 합성가스를 생산하기 위해 가스화 방식을 선택하고 이를 실증규모로 구축하여 수행한 연구 결과이다.
가스화기 내부의 압력손실은 유속이 빠르고 적층높이가 클수록 증가하고 적층 높이가 깊어질수록 가스유속에 지배적이며 막힘(Bridging) 현상을 방지하기 위해서는 직경이 600mm이상이어야 할 것으로 판단되고 냉가스효율 및 탄소 전환율로 고려할 때 우드칩의 입자크기는 최소 2～3cm 이상의 크기를 갖는 것이 효율적일 것으로 판단된다. Steam을 산화제로 사용할 경우 CO 농도가 감소한 반면, H2와 CO2의 농도는 향상되어 수소농도의 향상으로 발열량의 증가가 예상되지만 상대적으로 CO가 감소하기 때문에 발열량에는 큰 차이가 없었다.
약 100가구 정도의 중․소규모 마을단위의 분산형 발전 시스템 적용을 위하여 하루에 20톤을 처리하여 약 500kW의 전력을 생산하는 가스화 발전 시스템을 구축하여 양질의 합성가스 생산을 통한 안정적인 엔진구동을 통하여 전력을 생산하고 이를 평가하였다. 가스화 시스템의 운전 특성을 분석하기 위하여 20톤/일급 가스화 실험을 진행하였으며 가스화기에서 소모되는 연료량, 합성가스 조성, 발열량, 냉가스효율, 탄소 전환율, 발전효율, 에너지효율 등을 측정한 결과 냉가스효율은 74.18%, 탄소 전환율은 76.56%로 산정되어 시스템의 효율이 매우 좋은 것으로 나타났고 타르 발생량은 매우 낮은 0.854g/Nm3 수준으로 나타났으며, 정제설비를 거친 최종 후단에서는 약 86mg/Nm3으로 측정되어 내연기관에 이용할 수 있는 타르 농도 허용치 범위 100mg/Nm3 (Milne & Evans, 1998) 보다 낮게 측정되어 가스엔진에 적용성이 충분히 확보되었다. 합성가스의 조성은 최대 H2 21.01%, CO 21.29%, CH4 1.42%, CO2 11.4%로 측정되었고, 저위발열량이 1,307kcal/m3, 고위발열량 1,421kcal/m3으로 양질의 합성가스를 생산하였다.
정상적인 가스화 시스템의 구동시 ER값이 약 0.27～0.38로 나타나 설계시보다 산화제가 약간 과잉공급된 것을 알 수 있었으며 이는 가스화 시스템의 설계에서 중요하게 고려해야 할 요소인 것으로 판단된다. 또한, 합성가스를 이용하여 엔진을 구동한 결과 최대 341kW의 출력을 보였고, 합성가스 공급 온도의 제어를 통한 질량유량을 증대하며, 합성가스 내 수분응축을 추가적으로 줄이고 최적 공연비 조건으로 구동한다면 발전기의 스펙만큼의 충분한 발전량을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
가스화 발전 시스템의 구축 및 운영비용을 분석한 결과 여열 이용 계산치를 제외하고도 약 7년의 자본회수기간이 산정되었으며, 설비 제작비용이 현재 400만원/kW인 것을 250만원/kW로 줄이고 연료수급이 저렴한 비용으로 확보된다면 경제성은 더욱 올라갈 것으로 판단되며, 최근(2018.06.26.)에 개정된 REC가중치(미이용 바이오매스 전소) 2.0으로 산정한다면 자본회수기간은 약 5년으로 줄어 투자가치가 향상될 것으로 판단된다.
목질계 바이오매스 가스화 발전 시스템의 효율향상을 위하여 연료의 고품위화 및 운전효율 향상에 대한 최적화 연구를 진행한 결과 고품위화의 최적운전 조건은 약 320℃, 유량 2.45CMM, 0.5ton/day수준의 투입속도가 적합한 것으로 측정되었다. 이때의 함수비는 1% 미만이었으며 발열량은 약 5,300kcal/kg으로 매우 높게 나타났다. 바이오매스는 친수성 특성을 갖고 있기 때문에 장기간의 저장이 어렵지만 본 연구에 반탄화 실험을 통해 생산된 반탄화 연료에 수분 재흡착을 살펴본 결과 친수성에서 소수성으로 특성이 전환됨을 확인할 수 있었다.
기존의 가스화 발전 시스템은 공정이 매우 복잡하고 어려우며, 여러 가지 요소설비로 인하여 많은 스텝의 공정으로 이루어져있고, 상대적으로 넓은 설치면적이 필요하다. 이와 같은 문제점을 보완하기 위하여 가스의 냉각과 정제에 관련된 요소기술들을 통합하여 간소화된 요소설비를 개발하였고 적용성을 검토한 결과 요소설비의 감소로 공정 스텝을 50% 줄였고(16step → 8step), 설치면적이 약 30%로 감소하여 시스템 구축비용을 줄이는데 크게 기여하였다. 또한 폐수발생량의 경우 기존 시스템에서는 약 10ton/day의 양으로 발생하던 폐수를 200kg/day수준으로 감소시킬 수 있었다. 이는 운전 중에 발생하는 비용을 감소시켜 운전비를 감소할 수 있는 중요한 요소이다.
공정 간소화와 설치면적감소를 통해서 운전비를 낮추었고 여기에 연료의 고품위화 방법인 반탄화를 연계하는 방안은 추가적인 설비 투입과 열풍발생장치로 인해 자본회수기간이 확보되지 않는다. 하지만 가스화기에서 발생하는 열을 반탄화기의 건조열풍으로 이용하는 것을 고려하고, 여기에 여열(폐열)을 이용하는 측면까지 고려한다면 효율향상 뿐만 아니라 자본회수기간 또한 확보될 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Renewable energy is emerging due to depletion of fossil fuel due to industrial development, and biomass is used as energy to replace environmentally friendly renewable energy. It is the result of research that the gasification method is selected to produce synthesis gas which is the fuel of engine power generation by energizing the woody biomass and constructed it on the demonstration scale.
The pressure loss inside the gasifier increases as the flow velocity fast and the lamination layer height increases, and as the Lamination layer height increases, the gas flow rate dominates. It is judged that the diameter should be 600 mm or more in order to prevent the bridging phenomenon, Considering the cold gas efficiency and the carbon conversion rate, it is considered that the particle size of wood chip should be at least 2～3cm or more. When steam is used as an oxidant, the concentration of CO is decreased while the concentration of H2 and CO2 is increased, so that the heating value is expected to be increased by increasing the hydrogen concentration. But, there was no significant difference in calorific value because CO was relatively decreased.
In order to apply the distributed power generation system of medium and small towns of about 100 households, built a gasification power generation system that produces about 500kW of power by processing 20ton/day. this thesis produced and evaluated power through stable engine operation through production of high quality syngas. In order to analyze the operating characteristics of the gasification system, a 20ton/day gasification experiment was conducted. As a result of measuring the amount of fuel consumed in the gasifier, syngas composition, calorific value, cold gas efficiency, carbon conversion rate, power generation efficiency and energy efficiency, the cooling gas efficiency was 74.18% and the carbon conversion rate was 76.56%, turned out to be good. The tar yield was 0.854g/Nm3, which was very low, and about 86mg/Nm3 at the final stage after refining. It was higher than the tar tolerance range of 100mg/Nm3 and the applicability to the gas engine was sufficiently secured. The composition of syngas was measured as H2 21.01%, CO 21.29%, CH4 1.42% and CO2 11.4%, and it produced high quality syngas with low calorific value of 1,307kcal/m3 and high calorific value of 1,421kcal/m3.
When the normal gasification system was operated, the ER value was about 0.27～0.38, indicating that the oxidant was slightly overproduced at the design stage, this is considered to be an important consideration in the design of the gasification system. In addition, when the engine was driven using syngas, the output was 341kW at maximum. If the mass flow rate is controlled by controlling the syngas supply temperature and the water condensation in the syngas is further reduced and driven at the optimum air-fuel ratio condition, sufficient power generation can be obtained as much as the specification of the generator.
As a result of analyzing the construction and operation cost of the gasification power generation system, the repayment period (investment payback period) of about 7 years was calculated excluding the calculation of the utilization rate of the remaining heat. If the equipment production cost is reduced from 4million won/kW to 2.5million won/kW and the fuel supply and demand is secured at a low cost, the economic efficiency will increase further. If we calculate REC(Unused biomass fired) 2.0 as revised recently (June 26, 2018), the investment payback period will be reduced to about 5 years, and economic efficiency will improve.
In order to improve the efficiency of the wood biomass gasification power generation system, the optimization study for the improvement of the fuel quality and the operation efficiency was carried out. As a result, the optimum operation condition of torrefaction was about 320 ℃, 2.45m3/min, 0.5ton/day speed was measured as appropriate. At this time, the water content was less than 1% and the calorific value was as high as about 5,300kcal/kg. biomass is hydrophilic, it is difficult to store for a long period of time. However, In this study, we investigated the moisture reabsorption on the torrefaction fuel produced by the torrefaction experiment. As a result, it was confirmed that the characteristics were changed from hydrophilic to hydrophobic.
Existing gasification power generation systems are very complicated and difficult to process, and they are made up of many step processes owing to various element facilities, and a relatively wide installation area is required. In order to overcome these problems, we have developed a simplified urea facility by integrating the elements related to gas cooling and refining. As a result of reviewing applicability, we have reduced the number of process facility by 50% (16steps → 8steps) and reduced the installation area by 30%. In case of wastewater generation, the amount of wastewater that was generated in the amount of 10ton/day could be reduced to 200kg/day in the existing system. This is an important factor that can reduce the running costs by reducing the costs incurred during operation.
The operation cost was lowered by simplifying the process and reducing the installation area. The way to connection the torrefaction facilities, which is a upgrading method of fuel, is not economical due to additional facility input and hot air generating device. However, considering the use of heat generated from the gasifier as the drying hot gas of torrefaction facilities. and considering the use of the remaining heat(waste heat), it is expected that efficiency improvement as well as economical efficiency will be secured.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅳ
• 그림목차 ⅵ
• 국문초록 ⅺ
• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구배경 1
• 제 2 절 연구목적 및 내용 5
• 제 2 장 연구사 10
• 제 1 절 바이오매스를 이용한 가스화 연구 10
• 제 2 절 반탄화 연료를 이용한 가스화 13
• 제 3 절 가스화의 반응기 형태분류 14
• 제 4 절 합성가스를 이용한 엔진 구동 17
• 제 3 장 목질계 바이오매스 가스화의 기초연구 19
• 제 1 절 가스화기 설계를 위한 연료의 특성 분석 19
• 1. 바이오매스 연료 특성 19
• 2. 압력손실 특성 20
• 3. 연료의 흐름 특성 23
• 제 2 절 가스화 특성 분석 24
• 1. 가스화 실험 24
• 2. 연료 종류별 가스화 특성 분석 27
• 3. 연료 크기별 가스화 특성 분석 28
• 4. 연료별 혼합에 따른 가스화 특성 분석 30
• 5. 스팀 산화제를 이용한 합성가스 생산 37
• 제 3 절 결 론 39
• 제 4 장 목질계 바이오매스 가스화 시스템 구축 및 운전특성 고찰 41
• 제 1 절 가스화 시스템 구축 41
• 1. 가스화기 설계 및 제작 41
• 2. 연료공급 장치 및 회재처리장치 설계 및 제작 46
• 3. 냉각, 정제 시스템의 설계 및 제작 48
• 4. 합성가스 엔진 발전기 선정 및 제작 53
• 제 2 절 가스화 시스템 운전 특성 분석 55
• 1. 가스화 시스템 운전 및 분석 방법 55
• 2. 가스화 시스템 운전 특성 고찰 68
• 3. 합성가스를 이용한 엔진구동 91
• 4. 가스화 시스템 효율분석 94
• 5. 가스화 시스템의 장기운전 99
• 제 3 절 가스화 발전 시스템의 구축 및 운영비용 102
• 1. CAPEX(Capital Expenditures) 102
• 2. OPEX(Operating Expenditures) 104
• 3. 시스템 운영 이익 106
• 제 4 절 결 론 109
• 제 5 장 가스화 시스템의 효율향상 113
• 제 1 절 가스화의 연료 전처리를 위한 반탄화 113
• 1. 탄화(Carbonization)의 정의 113
• 2. 반탄화(Torrefaction) 기술 113
• 3. Pilot 규모의 반탄화 설비 구축 116
• 4. 목질계 바이오매스의 반탄화 구동 결과 119
• 제 2 절 가스화 시스템의 공정 간소화를 통한 운전효율 향상 136
• 1. 기존 시스템의 문제점 136
• 2. 공정 간소화를 위한 요소설비 개발 137
• 3. 가스화 시스템 적용 및 효율분석 141
• 제 3 절 가스화 발전 시스템의 구축 및 운영비용 156
• 1. CAPEX(Capital Expenditures) 156
• 2. OPEX(Operating Expenditures) 158
• 3. 시스템 운영 이익 160
• 제 4 절 결 론 163
• 제 6 장 종합결론 166
• 제 1 절 요약 및 결론 166
• 제 2 절 향후 연구과제 171
• 참 고 문 헌 173
• ABSTRACT 186

참고문헌 (Reference)

1. 내연기관, 박종상, 이상문, 이찬규, 미전사이언스, , 2013

2. 바이오매스, 이상필, , 2002

3. 200kW ORC 터빈 개발 및 구성, 한상조, 서종범, 대한기계학회 논문 집 B권, Vol. 38, No. 12, pp. 1057-1064, , 2014

4. RDF와 바이오매스의 혼합 가스화, 김덕형, 조태성, 홍성구, 왕용, 한국 농공학회 학술대회논문집, pp. 186, , 2012

5. Coal Gasification Characteristics in a Fluidized Bed Reactor, 김용전, 김상돈, 이은재, 이종민, , 1997

6. 저 발열량 가스의 혼소엔진 적용에 관한 연구, 김창기, 이장희, 박철웅, 이선엽, 원상연, KIGAS 제 14권 1호, pp. 15-20, , 2010

7. 석탄과 반탄 화 바이오매스 혼합연료의 가스화, 라호원, 서명원, 문태영, 이재구, 윤상준, 오건웅, 장진영, 한국 수소 및 신에너지학회 논문 집, Vol. 28, No. 2, pp.190-199, , 2017

8. 바이오가스를 이용한 열병합 발전용 엔진 개 발, 주성호, 김영민, 이창희, 한국기계연구원, 제 30집, pp. 33-42, , 2000

9. 바이오매스 가스화에 의한 분선형 발전기술 개발, 이재구, 지식경 제부, , 2008

10. 미건조우드칩과 숯 혼합에 따른 가스화 특성 분석, 왕용, 홍성구, 이태호, 강구, 최선화, 한국농공학회논문집, 제 57집 5호, pp. 81-88, , 2015

11. 탄화공정에서 하수슬러지의 반응속도에 관한 연구, 이승희, 한국폐기 물자원순환학회지, Vol. 29, No. 1, pp. 86-92, , 2012

12. 목질계 바이오매스의 가스화를 통한 합성가스 생산, 서영훈, 경희대학 교 대학원 석사학위논문, , 2011

13. 목질계 바이오매스의 가스화를 통한 합성가스 생산, 김진수, 경희대학 교 대학원 석사학위 논문, , 2011

14. Tube furnace를 이용 한 바이오매스의 스팀 가스화 연구, 성연경, 류태우, 이은도, 방병열, 최인환, 유미정, 한국연소학회 추계학술대회 논문 집, pp. 255-258, , 2009

15. 목질계 연료를 이용한 바이오 부탄올 생산방안 연구, 조대행, 신수정, 박창선, 김용환, 남동현, 수도권매립지관리공사, , 2010

16. 50 kW급 인산형연료전지 발전시스템 의 장기 운전평가, 이창우, 안교상, 설진호, 임희천, 한국에너지공학회 논문집, Vol. 4, No. 3, pp. 315-323, , 1995

17. 환경․플랜트 연구소 WCI 발전전략 수립 연구(1차년도), 김원재, 황태문, 박재로, 한국건설기술연구원 년도 주요사업 보고서(특화전 략사업), 2015, , 2015

18. Co-Gasification of Solid Refuse Fuel and Coal with Efficient Tar Removal, 이장수, 연세대학교 대학원 공학박사학위논문, , 2016

19. 폐기물 에너지화를 위한 저온 열분해-가스화 실증연구, 이영만, 한양 대학교 대학원 박사학위 논문, , 2016

20. 반탄화 공정 변화에 따른 바이오매스 연료의 특성 연구, 김성희, 한밭 대학교 산업대학원 공학석사학위논문, , 2013

21. 바이오매스 및 폐플라스틱의 혼합가스화 반응 특성 연구, 현승민, 서 울시립대학교 대학원 공학석사학위논문, , 2014

22. 저 발열량 합성가스의 가스엔진 내 연소 특성에 대한 해석, 이찬, 조상목, Clean Technology, 12(2), pp. 78-86, , 2006

23. 반응기 종류에 따른 생활폐기물의 가스화 특성에 관한연구, 이강수, 창원대학교 대학원 박사학위 논문, , 2005

24. Conversion characteristics of MSW at various pyrolytic and oxidative conditions, 변경희, 윤균덕, 이용진, 동종인, 대한환경공학회지 Vol. 22 No. 11, , 2000

25. 폐기물 자원화를 위 한 soot 및 tar-free 가스연료 제조기술 개발, 라호원, 김용구, 최영찬, 이재구, 윤상준, 이시훈, 환경부, , 2008

26. 흑산도 내연 디젤발전기 엔진폐열 이용 ORC 시스템 실 증 연구, 정훈, 이상협, 대한기계학회 학술대회논문집, pp. 2830-2834, , 2017

27. 반탄화 농업부산물 가스화에 따른 합성 가스 조성과 열량비교, 이태호, 최선화, 강구, 홍성구, 한국농공학회 학술발표회 논문집, pp. 244, , 2015

28. 발전용 합성가스 엔진의 수소 혼합 비율에 따른 연소 특성 연구, 박철웅, 이선엽, 박승현, 김창기, 대한기계학회논문집 B권, 제 35집 7호, pp. 693-699, , 2011

29. 연소시스템 효율샹상을 위한 연소생성물 타르의 생성기작 규 명, 어승희, 강원대학교대학원 공학박사학위논문, , 2015

30. 유동층 반응기에서 고체 및 액체 연료 가스화 대한 실험적 연 구, 김영두, 과학기술연합대학원대학교 공학박사학위논문, , 2017

31. 수평 압축식 고정층 폐기물 가스화 용융로의 최적 운전조건 도 출, 구재회, 아주대학교 대학원 공학박사학위논문, , 2008

32. 바이오매스 합성가스 정제를 위한 습식전기집진기의 개발 및 평가, 윤여성, 한경대학교 대학원 공학석사논문, , 2018

33. 고형연료를 이용한 고 정층 down-draft 공기 가스화기의 운전조건 최적화, 박영수, 비성형, 구재희, 오종혁, 박수남, 이장근, 한국폐기물자원 순환학회 학술대회자료집, pp. 97, , 2017

34. 바이오매스 가스화발전 vs 직 접 연소 후 스팀터빈 발전의 경제성 비교, 이은도, 방병열, 이정우, 문지홍, 황의정, 한국연소학회 추계학술대 회 논문집, pp. 61-64, , 2010

35. 바이오매스 합성가스를 이용한 혼소식 디젤엔진 발전기의 적용성 평가, 윤여성, 서도현, 강구, 홍성구, 최선화, 한국농공학회 논문집, Vol. 59, No. 1, pp.109-116, , 2017

36. 바이오매스로부터 가스화에 의한 합성가스 제조 기술개발에 관한 연구, 김재호, 지식경제부, , 2008

37. 연료용 합성가스 생산을 위한 바이오매스와 폐플라스틱의 혼 합가스화, 홍성구, 한국농공학회 논문집, Vol. 54, No. 3, pp. 75-80, , 2012

38. 3MWth급 순환유동층 바이오매스 가 스화기의 운전에서 Equivalence ratio 영향, 이정우, 박성범, 송재헌, 박대원, 한국유화학회지 논문집, Vol. 34, No. 1, pp. 58-65, , 2017

39. 볏짚을 이용한 합성가스 생산과 혼소식 디젤엔진 발전기 구동 특성 분석, 서도현, 한경대학교 산업대학원 공학석사학위논문, , 2017

40. 하향류식 고정층 바이오매스 가스화 기를 이용한 합성가스 생성특성 연구, 윤상준, 이재구, 김용구, 최영찬, 한국신재생에너지학회 년 도 춘계 학술대회논문집, pp. 594-597, 2007, , 2007

41. 팜 EFB(Empty Fruit Bunch)의 반탄화와 반탄화 EFB의 급속 열분해 특성에 관한 연구, 유호성, 연세대학교대학원 공학석사학위논문, , 2016

42. 고농도 난분해성 폐수의 화학적/생물학적 고도처리 플 랜트 실용화 기술개발, 안광호, 김이태, 한국건설기술연구원 년도 주요사업 보고서 (강소형 전문연구소 특화전략사업-실용화), 2015, , 2015

43. 반탄화를 이용한 하수슬러지와 톱밥의 혼합비율에 따른 고형 연료화 가능성 연구, 문현하, 석사학위 논문, 서울과학기술대학교 에너지환경대학원, , 2017

44. 목질계 바이오매스의 에너지 활용 방안 ; 우드칩을 이용한 에너지 생산설비를 중심으로, 부경진, 배정환, 김진오, 산업자원부, , 2007

45. 저 타르 청정 프로듀서 가스 생산을 위한 다단 가스화기와 활 성탄 이용 건조 하수슬러지 가스화, 최영곤, 서울시립대학교 대학원 공학박사 학위논문, , 2017

46. 이단 가스화기를 이용한 혼합 폐플라스틱의 공기 가스화로부 터 저 타르, 고발열량의 Producer gas 생산, 조민환, 서울시립대학교 대학원 공학박사, , 2015

47. 바이오매스를 이용한 연료생산기술 개발, 바이오매스를 이용한 연료생산기술 개발 실습 연구 보고서, 이용호, 박대원, 유재민, SL공사, , 2016