열천칭과 유동층 반응기에서 바이오매스 가스화 반응 특성

Abstract

톱밥 및 왕겨를 주 바이오매스 원으로 선정하여 열분해 동역학 특성을 고찰하였다. 열 중량 분석기를 이용하여 승온 속도를 달리하여 질소 분위기의 비 등온 조건에서 열분해 분석을 수행하였다. 시료의 열분해 반응은 holocellulose가 주 열분해 대상인 저온 반응 영역과 lignin이 열분해 대상이 되는 고온 반응 영역으로 구분되며 이를 2단계 연속 반응 모델을 사용하여 해석하였다. 각 영역에 따라 1st order reaction model과 3-way transport model을 적용하여 톱밥 및 왕겨의 활성화 에너지를 저온 영역에서 82.5 kJ/mol, 85.1 kJ/mol 그리고 고온 영역에서 19.7 kJ/mol, 22.0 kJ/mol로 결정하였다. 승온 속도를 달리하여 결정된 반응 속도 상수는 Gaur-Reed의 제안 식에 따라 kinetic compensation relation을 통해 해석할 수 있었으며 이를 통해 임의의 승온 속도에서의 열분해 속도 상수를 잘 예측할 수 있었다. 톱밥 촤와 왕겨 촤의 수증기 가스화 반응 특성에 대한 연구를 열천칭 반응기를 이용하여 600-900℃의 조건에서 수행하였다. 수축 핵 모델과 균일 반응 모델 그리고 수정 균일 반응 모델을 비교한 결과 수축 핵 모델이 실험 결과와 가장 잘 일치하였다. 활성화 에너지는 chemical reaction control regime 에서 톱밥 촤와 왕겨 촤 각각에 대하여 34.3 kJ/mol, 29.1 kJ/mol 으로 결정하였으며, diffusion control regime 의 경우 11.5 kJ/mol, 9.0 kJ/mol 으로 결정하였다. 이와 더불어 부분 산화를 동반하는 수증기 가스화 반응의 경우 활성화 에너지를 12.2 kJ/mol, 12.7 kJ/mol 으로 결정하였다. 발전용 저열량 가스 생산을 위해 소규모 pilot 상압 유동층 반응기 (0.1 m I.D x 1.6 m high)에서 공기와 수증기 혼합 가스를 통한 톱밥 가스화 반응을 수행하였다. 유동화 속도 $(2-5 U_{mf})$, 반응 온도(750-900℃) 그리고 산소/수증기 비(0.15-1.0)가 탄소 전환율, 생산 가스의 조성, 수율 및 발열량 그리고 cold gas efficiency 에 미치는 영향을 결정하였다. 생산 가스 내 모든 성분 $(H_2, CO, CO_2, CH_4)$ 이 유속의 증가에 따라 증가하였으며, 반응 온도가 증가할 수 록 $H_2$ 와 CO의 양은 증가하는 반면 $CO_2$ 의 양은 감소하였으며 $CH_4$ 의 양은 거의 일정하거나 약간 상승하는 경향을 보였다. 유동화 속도 및 반응 온도가 증가함에 따라 탄소 전환율(16-35%), 생산가스 수율 $(0.62-0.87 m^3/kg-biomass)$, 발열량 $(2612-5015 kJ/m^3)$ 그리고 cold gas efficiency (8.2-22.0%)가 증가하였다. 산소/수증기 비를 증가시키며 실험한 결과 열량 가스 $(H^2, CO, CH^4)$ 의 양은 감소하는 반면 $CO_2$ 의 양은 증가하였다. 그리고 탄소 전환율(13.7-29.2%), 가스 수율 $(0.4-1.1 m^3/kg-biomass)$ 그리고 cold gas efficiency (9.3-14.2%)는 증가하는 반면 열량 가스의 감소로 인해 발열량 $(5163-2642 kJ/m^3)$ 은 감소하였다.