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하룡 낭
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1 New & Renewable Energy Vol. 12, No. 4 ISSN [ BM-010] 바이오매스와 SRF 를이용한이중유동층가스화기의최적운전조건도출 윤형철 1) ㆍ조성호 1) ㆍ이덕진 1) ㆍ문고영 1) ㆍ조순행 2)* A Study on the Optimal Operating Condition of a Dual Fluidized-Bed (DFB) with Biomass and SRF Hyungchul Yoon 1) ㆍ Sungho Cho 1) ㆍ Dockjin Lee 1) ㆍ Goyoung Moon 1) ㆍ Soonhaing Cho 2)* Received 8 August 2016 Revised 11 December 2016 Accepted 13 December 2016 ABSTRACT This study has a focus on deriving the optimal operating conditions of biomass and waste plastic film SRF under dual fluidized bed gasification and on its domestic commercialization. From the analysis results, it was proven that the carbon conversion of biomass was optimized as 81% at 826 with 1,334 g/hr steam stream and 5.56 L/min air stream. On the other hand, that of waste plastic film SRF was 71% at 750 with 754 g/hr steam stream and 18.8 L/min air stream. In case of operation on waste plastic film SRF, temperature should be under 750 to prevent from agglomeration of bed materials. Key words Gasification( 가스화 ), Solid refuse fuel( 고형연료 ), Dual fluidezed-bed( 이중유동층 ), Syngas( 합성가스 ), Response surface methodology( 반응표면분석 ) Nomenclature E c : Cold gas efficiency, % S cv : Caloric value of syngas, kcal/hr F cv : Caloric value of fuel, kcal/kg F f : Feed rate of fuel, kg/hr C c : Carbon conversion, % F c : Carbon mass flow of fuel, kg/hr : Carbon gas flow in syngas, kg/hr S c 1) Green Energy Technology Institute, POSCO ENERGY 2) AJOU University sooncho@ajou.ac.kr Tel: Fax: subscript RSM : Response surface methodology SPA : Solid phase adsorption NDIR : Non-dispersive infrared analyzer GC-MS: Gas chromatograph-mass spectrometer 1. 서론국내에서발생되는가연성폐기물의 30% 는소각방식으로처리하고있다. 소각방식은에너지이용측면에서처리효율이낮고, 다이옥신, 황화합물, 질소화합물과같은대기오염물질을발생시키므로이를제어할수있는오염방지설 Copyright c2016 by the New & Renewable Energy This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

윤형철ㆍ조성호ㆍ이덕진ㆍ문고영ㆍ조순행 비가필수적이다. 또한온실가스인 CO 2 를발생시켜지구온난화에지대한영향을끼친다. 이러한문제점들을일부분해결할수있는폐기물처리기술중의하나로폐기물가스화 (Gasification) 를들수있다. 폐기물가스화기술은폐기물내탄소를가연성합성가스로전환시켜이를연소시대기오염물질과온실가스의발생을현저히낮출수있다.

사용한이중유동층가스화기는 1 원료와산화제를가스화기에주입 2 가스화기내부라이저에서가스화반응이진행 3 가스화기라이저상부의 Settling chamber 에서합성가스와고형물 ( 미반응연료, Char, 타르, 유동사등 ) 분리 4 Downcomer 를통해분리된고형물이가스화기하단의연소 Chamber 로회수 5 연소 Chamber

2 윤형철ㆍ조성호ㆍ이덕진ㆍ문고영ㆍ조순행 비가필수적이다. 또한온실가스인 CO 2 를발생시켜지구온난화에지대한영향을끼친다. 이러한문제점들을일부분해결할수있는폐기물처리기술중의하나로폐기물가스화 (Gasification) 를들수있다. 폐기물가스화기술은폐기물내탄소를가연성합성가스로전환시켜이를연소시대기오염물질과온실가스의발생을현저히낮출수있다. 가스화공정에서생산된합성가스는정제공정을거쳐전력, SNG, 메탄올등을생산할수있어다양한산업분야에활용이가능할것으로예상된다. 그러나국내에서는기술의안정성및경제성등이미흡하여이들산업분야에적용이미흡한실정이다. 따라서본연구에서는이중유동층가스화기의국내상용화를위해반응표면분석 (RSM) 을통해폐자원별가스화최적성능조건을도출함으로써국내상용화의기반을마련하고자하였다. 사용한이중유동층가스화기는 1 원료와산화제를가스화기에주입 2 가스화기내부라이저에서가스화반응이진행 3 가스화기라이저상부의 Settling chamber 에서합성가스와고형물 ( 미반응연료, Char, 타르, 유동사등 ) 분리 4 Downcomer 를통해분리된고형물이가스화기하단의연소 Chamber 로회수 5 연소 Chamber 에서공급공기와고형물접촉에의한연소반응을통해유동사를가열 6 가스화기하단의유동사유입부에서가열된유동사가내부관으로재투입되는 6단계로구성된다. 2. 실험장치및방법 2.1 이중유동층가스화시스템의제작 연료공급장치바이오매스와폐비닐 SRF를가스화기에투입하기위하여 Screw type의연료공급장치를제작하였다. Fig. 1은연료공급장치의구성도이다. 연료는연료벙커상부로투입되고, 벙커내연료는모터 (M1, M2) 에의해지속적으로혼합된다. 이와같이혼합된연료는스크류피더 (M3, M4) 를통해주연료공급관으로이동되고, 연료공급관의 M5와연결된스크류피더를통해가스화기로투입된다. Fig. 2. Dual fluidized bed gasifier Table 1에이중유동층가스화기의구동을위한설계사양과크기를정리하였다. 가스화기의안정적운전을위해바이오매스와폐비닐 SRF의투입속도는 5,000g/hr 이내, 가스화기연소 Chamber 의온도는 925 이내, 내부라이저의온도는 850 이내, 운전압력은 1.1bar 이하로운전하였다. 또한, 가스화기의초기온도상승을위해전기히터를사용하였으며, 온도가목표온도에도달하면안정적인온도유지를위해전기히터대신보조연료인메탄을일부공급하면서실험을진행하였다. Table 1. Specification and dimension of gasifier Fig. 1. Fuel supply system 이중유동층가스화기 Fig. 2는이중유동층가스화기의구조및운전원리를나타낸그림이다. 이중유동층가스화기는 2중관의형태로, 가스화반응이진행되는내부관과가스화후미반응된연료를연소시키는외부관으로구성되어있다. 본실험에서 Item value Riser diameter (m) Combustor diameter (m) 0.25 Feeding rate (g/h) 5,000 Velocity of the syngas in the riser (m/s) 6 Combustion temperature ( ) 925 Riser temperature ( ) 850 Operating pressure (bar) 1.1 Producer gas volume flow rate (m 3 /hr) 6 Residence time (sec) 6.9~ 신재생에너지

3 바이오매스와 SRF 를이용한이중유동층가스화기의최적운전조건도출 Table 2 는유동사인올리빈 (Olivine) 의특성및고체유 동속도이다. 타르성분을제어하기위해올리빈을사용하였 으며, 가스화기직경, 가스화온도, 올리빈의특성등을고 려하여고체유동속도를 150kg/hr 로운전함으로써유동사 의안정적인흐름을유지하고자하였다. Table 2. Characteristic of olivine and estimated circulation rate bed material Chemical characteristic Physical characteristic Item Value O (wt.%) 46.7 Mg (wt.%) 29.7 Si (wt.%) 17.5 Fe (wt.%) 6.1 Particle diameter (mm) 0.3 Particle density (kg/m 3 ) 3,200 Bulk density (kg/m 3 ) 1,700 Estimated circulation rate bed material (kg/hr) 150 Min. fluidization velocity in combustor (m/s) 타르포집시스템 Fig. 3 은타르포집시스템에대한개요도이다. 가스화기 에서생산된합성가스내에는타르성분이포함되어있는데, 이는가스엔진의실린더에응축되어고장을유발할수있기때문에가스화공정에서는반드시타르성분에대한분석이필요하다. 따라서본연구에서는합성가스내타르성분을분석하기위하여가스화기의합성가스토출라인에 SPA tube를연결한후, 실린지 Pump를통해합성가스내타르성분을포집할수있는시스템을구성하였다. 이를통해실시간으로타르를포집한후 GC-MS 로타르발생량을분석함으로써타르발생량을최소화할수있는최적운전조건을도출하고자하였다. 2.2 가스화성능실험방법 연료별특성분석 Table 3과 Table 4는바이오매스와폐비닐 SRF 의성분분석결과와그에따라설정된연료투입속도이다. 연료의특성분석을통해발열량을확인함으로써가스화성능실험시바이오매스와폐비닐 SRF의투입속도를선정하고자하였다. 원소및공업분석결과, 폐비닐 SRF는바이오매스에비해탄소와수소가높고, 수분이낮아바이오매스대비발열량이높은것으로확인되었으며, 가스화기의안정적인운전을위해상대적으로폐비닐 SRF의투입속도를낮출필요가있었다. 이에따라바이오매스와폐비닐 SRF의투입속도를 4kg/h와 2kg/h로설정하였다. Table 3. Composition of the feed material Component Biomass SRF Size (mm) 1.5~2 1.5~2 C Ultimate H analysis O (wt.%) N S Total Moisture Proximate Volatile analysis Ash (wt.%) Fixed carbon Total Net calorific value (kcal/kg) 4,340 6,475 Table 4. Feeding rate of feed material Item Biomass SRF Feeding rate (g/h) 4,000 2, 가스화성능실험을위한실험설계 Fig. 3. Tar sampling system 이중유동층가스화기의최적운전조건을도출하기위하여반응표면분석을실시하고자하였다. 파일럿크기의가스화기의경우, 규모가크기때문에한번의실험에최소하루이상의준비기간이필요하며, 그에따라 Lab scale처럼많은실험을실시하기어렵다. 이에따라최소한의실험회수로최적의조건을찾는방법이필요한데, 이에적합한방법이반응표면분석이다 Vol.12, No.4 79

4 윤형철ㆍ조성호ㆍ이덕진ㆍ문고영ㆍ조순행 일반적으로반응표면분석은최적조건을도출하기위해 2차다항식모형을추정하는데, 이때모형추정을위한실험이필요하며, 실험조건도출을위해실험설계를실시한다. 반응표면분석의주된분석은회귀분석이며, 반응성에영향을미치는독립변수의수가 K개이고 n개의데이터로구성되는시뮬레이션실험설계에서반응표면의값 y가식 (1) 의 2차회귀모형으로근사될수있다. (1) 보통반응표면분석을통한최적조건을도출하기위해실험설계를실시할경우, 가장먼저고려되는설계방법이요인배치법이다. 인자수가 n개이고수준수가 2수준인경우, 2 n 형요인배치법, 3수준인경우, 3 n 형요인배치법으로구분하는데, 여기서수준은실험을하기위한인자의조건을의미하며, n은실험에영향을주는요인 ( 인자 ) 수를의미한다. 그러나 2 n 형요인배치법으로는변수의수준변화에따라발생되는반응량에대한곡면적인변화를감지할수없고, 2차회귀모형에서의 x 2 i, β ii 등을추정할수없으며, 3 3 요인배치법은총 27회의실험을실시해야하기때문에시간과비용이많이드는단점이있다. 이와같은단점을해결하고실험의효율성을확보하고자, 중심합성설계를이용한실험설계를많이진행한다. Fig. 4는 2요인과 3요인일때중심합성설계법을설명하기위한모식도이다. 중심합성설계법은 3요인실험시 2차다항식모형구현을위한실험조건을모형의중심점 (6개), 축점 (6개), 상자점 (2 3 개 ) 으로구성함으로써요인배치법에비해실험횟수를감소시킬수있고, 일반적인실험계획법에비해인자별반응의곡면적인변화를감지할수있음에따라보다정확한최적조건을도출할수있다. 이에따라본연구에서는중심합성설계법을이용하여가스화성능실험조건을도출하였다. Fig. 4. Comparison with response surface methodology Table 5에가스화성능실험설계를위한주요인자와운전범위를정리하였다. 가스화성능실험의주요인자는합성가스생산에밀접한가스화온도, Steam/Fuel ratio, Air/Fuel ratio 로선정하였으며, 연료특성이고려된운전범위를설정하여실험설계를진행하였다. Table 5. Operating range of gasifier for experimental design Design factors Table 6. Experimental design of biomass and SRF Feed Biomass SRF Run ( C) Item Biomass SRF erature ( ) 650~ ~800 Steam/Fuel 0~0.33 0~0.72 Air/Fuel 0~0.29 0~0.79 Table 6은실험설계결과를나타낸표이다. Table 5의운전범위를고려하여실험계획법을통해바이오매스와폐비닐 SRF에대한실험설계를실시하였다. 그결과바이오매스와폐비닐 SRF 실험에대한 20회의가스화성능실험조건을도출하였으며, 이에따라가스화성능실험을실시하였다. Steam/ Fuel Air/ Fuel ( C) Steam/ Fuel Air/ Fuel 신재생에너지

5 바이오매스와 SRF 를이용한이중유동층가스화기의최적운전조건도출 가스화기의성능을검증하기위해주로사용되는방법은 Reimert [12] 가제안한냉가스효율과탄소전환율이다. 이들인자는투입원료가합성가스로전환되는상관관계를확인할수있는핵심인자로가스화실험시가장많이활용되고있다. 이에따라본연구에서는합성가스조성분석을통해냉가스효율, 탄소전환율등을확인하였으며, 이를토대로반응표면분석을통해바이오매스와폐비닐 SRF 투입시가스화기최적운전조건을도출하였다. 합성가스조성은합성가스토출라인에 Micro GC와비분산형적외선분석계 (NDIR) 를연결하여분석하였으며, 합성가스유량은 Ar가스를합성가스토출라인에투입하여 Micro GC로 Ar농도를측정후, 전체합성가스유량으로환산하였다. 또한, 타르발생량을확인하고자, SPA tube 에포집된타르를 GC-MS를통해분석하였다. 식 (2) 는냉가스효율에대한식을나타낸것이다. 냉가스효율은연료의발열량이합성가스의발열량으로얼마나전환되었는지를계산하였다. E c =S cv/(f f F cv) 100 (2) 식 (2) 에서 F f = Feed rate of fuel, kg/hr F cv = Caloric value of fuel, kcal/kg S cv = Caloric value of syngas, kcal/hr 탄소전환율은가스화기에투입된연료의탄소량이합성가스내탄소질량유속으로얼마나변화되는지를계산하였다. C c =S c /F c 100 (3) 식 (3) 에서 F c = Carbon mass flow of fuel, kg/hr S c = Carbon gas flow in syngas, kg/hr 3. 결과및고찰 3.1 가스화성능실험결과바이오매스와폐비닐 SRF 투입에따른이중유동층가스 화기의성능검증을위해가스화온도, Steam/Fuel ratio, Air/Fuel ratio 등을변화시키며총 20회의실험을수행하였으며, 합성가스생성농도, 냉가스효율, 탄소전환율, 타르발생량의분석을통해가스화기의최적운전조건을도출하였다. 일반적으로가스화온도와 Steam 투입량은가스화반응의주요인자로합성가스의발생량에영향을준다. 이를확인하기위하여가스화온도및 Steam/Fuel ratio에따른합성가스의생성을확인하였다. Fig. 5와 Fig. 6은바이오매스와폐비닐 SRF 투입시 Steam/Fuel ratio 변화에따른합성가스의생성결과이다. 바이오매스의경우, 가스화온도가증가할수록 H 2 는증가하고 CO는감소하는경향이나타났다. H 2/CO는반응온도와밀접한연관이있는데, 바이오매스가스화의경우, 반응온도가높을수록 H 2 /CO는높아진다. 이는가스화반응에서생성된 CO가 Water gas shift reaction(4) 을통해연료내수분또는산화제인 Steam 과의반응함으로써반응온도상승에따라 H 2 농도가증가하는것으로결론지을수있었다. 이는목질계바이오매스가스화연구를진행한 Nagvi [18], 서영훈 [19], 이정우 [20] 의논문에서도동일한결과가나타나는것으로확인되었다. CH 4 의경우온도가상승할수록낮아졌으나, 변화의폭은크지않은것으로나타났다. CO + H 2 O CO 2 +H 2-41[MJ/kmol] (4) 반면, 폐비닐 SRF의경우, 반응온도가증가할수록 H 2 와 CO 농도가증가되는것으로확인되어르샤를리에법칙과일치함을확인하였다. 이는높은가스화온도에서흡열반응은생성물방향으로이동이되는데, Water gas reaction(5), Boudouard reaction(6) 등의흡열반응에의해 H 2 와 CO 가증가된것으로보인다. 조민환 [21] 은폐비닐 SRF와유사원료인폐플라스틱가스화연구에서 온도가증가할수록 H 2 와 CO의농도는증가한다 고보고하였다. 이와관련하여 Table 7과 Table 8에연소온도에따른가스화온도와가스화온도에따른합성가스농도의절대값을나타내었다. C+H 20 CO + H [MJ/kmol] (5) C+CO 2 2CO 172[MJ/kmol] (6) Vol.12, No.4 81

6 윤형철ㆍ조성호ㆍ이덕진ㆍ문고영ㆍ조순행 Fig. 5. Result of gasification test with biomass Fig. 6. Result of gasification test with SRF Table 7. Gasification temperature according to combustion temperature Combustion ( C) Biomass Gasification ( C) Combustion ( C) SRF Gasification ( C) 가스효율과탄소전환율이증가하는것으로확인되었는데, 이는반응온도가증가함에따라합성가스내 H 2 와탄소성분가스의증가에기인된것으로판단된다. 또한, 냉가스효율과탄소전환율이일반가스화기에비해높은것으로확인되는데, 일반가스화기에서발생되는합성가스에는 40~50% 의 N 2 가합성가스내에포함되어있는반면, 이중유동층가스화기에는합성가스내 N 2 함유량이낮다. 이는연소영역과가스화영역이동시에존재하는단일반응기형태의일반가스화기의경우, 산화제로 Air를사용함에따라질소함유량이높을수밖에없다. 이에반해연소영역과가스화영역이각각의반응기로분리된이중유동층가스화기의경우, 가스화영역에는 Steam 을산화제로, 연소영역에는 Air를산화제로사용함으로써합성가스내질소비율이 3% 이하로낮게유지할수있다. 바이오매스에비해폐비닐 SRF의냉가스효율이높은것으로확인되었는데, SRF 투입시합성가스내 BTX(Benzene, Toluene, Xylene) 의비율이높아바이오매스보다상대적으로냉가스효율이높은것으로나타났다. 본연구결과중바이오매스합성가스부분은 850 이상에서바이오매스투입시, 냉가스효율 79~82%, 탄소전환율이 80% 이상이된다 는 Van der Meijden [10] 의연구결과와유사한결과를나타내고있다. Table 8. Syngas concentration according to temperature ( ) Biomass (%) SRF (%) H 2 CO CO 2 CH 4 ( ) H 2 CO CO 2 CH Fig. 7. Cold gas efficiency of gasification 합성가스의조성은냉가스효율과탄소전환율에중요한영향을미친다. Fig. 7과 Fig. 8에바이오매스와폐비닐 SRF 의냉가스효율과탄소전환율변화를나타내었으며, 이에대한절대값결과를 Table 9에나타내었다. 바이오매스와폐비닐 SRF 모두반응온도증가에따라냉 Fig. 8. Carbon conversion efficiency of gasification 82 신재생에너지

7 바이오매스와 SRF 를이용한이중유동층가스화기의최적운전조건도출 Table 9. Cold gas and carbon conversion efficiency according to temperature ( C) Biomass (%) SRF (%) Cold gas Carbon conversion ( C) Cold gas Carbon conversion 식 (7) 에서 B g = Cold gas efficiency(biomass), % X = erature, B c = X+1.96Y-1.40Z+3.06XY +1.47XZ-12.92X2+2.67Z2 (8) Fig. 9는바이오매스와폐비닐 SRF에대한타르발생량을나타낸결과이다. 바이오매스와폐비닐 SRF 모두, 750 를기점으로타르발생량이감소하는것으로확인되었는데, 이는가스화베드물질인올리빈에기인한것으로판단된다. Arena [9] 는 유동층가스화기의베드물질로올리빈을사용할경우, 올리빈입자내에존재하는마그네슘과철이타르형성의전구물질인탄화수소의분해반응을촉진시킨다 고발표하였으며, Van der Meijden [10] 의실험결과에서도유사한결과가보고되었다. 식 (8) 에서 B c = Carbon conversion(biomass), % X = erature, B t = 4.076e X+40640Y-79063Z -15,633XY+30,012XZ-31,910YZ-1.518e +005Y e+005 (9) 식 (9) 에서 B t = Amount of tar(biomass), % X = erature, Fig. 9. Tar concentration of gasification 3.2 가스화성능의반응표면분석 가스화성능모델검증가스화성능 ( 냉가스효율, 탄소전환율, 타르발생량 ) 과제어인자 ( 반응온도, Steam 주입량, Air주입량 ) 간의상관관계를 Design expert 를이용하여반응표면분석으로분석하였으며, 최적운전조건도출을위해 2차다항식모형을추정한후, 분산분석에따른반응표면모델식을도출하고모델의적합성을검정하였다. 가스화성능과제어인자간의반응표면모델식은다음과같다. B g = X+2.72Y-2.84Z+1.64XY X 2 (7) S g = X+4.92Y+0.88Z+2.48XZ -2.16YZ (10) 식 (10) 에서 S g = Energy conversion(srf), % X = erature, S c = X+5.30Y+4.90Z+2.48XZ -7.85X2-4.11Y2 (11) 식 (11) 에서 S c = Carbon conversion(srf), % X = erature, Vol.12, No.4 83

8 윤형철ㆍ조성호ㆍ이덕진ㆍ문고영ㆍ조순행 S t = 4.076e X+40640Y-79063Z -15,633XY+30,012XZ-31,910YZ-1.518e +005Y e+005 (12) 식 (12) 에서 S t = Amount of tar(srf), % X = erature, 반응표면모델의정합성확인을위해, 각모델식의예측값과실제실험값을비교하였다. Fig. 10부터 Fig. 12는바이오매스와폐비닐 SRF의냉가스효율, 탄소전환율, 타르발생량에대한반응표면모델정합성결과이다. 모델예측값과실제실험값이비교적일치하였으며, 이를통해모델식의신뢰성이높은것으로확인되었다. (a) Biomass (b) SRF Fig. 10. Verification of model equation for cold gas efficiency 가스화성능모델특성분석바이오매스와폐비닐 SRF 투입시운전제어인자가가스화성능에미치는영향을분석하기위하며반응표면모델식을통해도출된반응표면모델을분석하였다 냉가스효율과탄소전환율의 RSM모델 Fig. 13은바이오매스투입시냉가스효율과탄소전환율에관한반응표면모델이다. 냉가스효율모델을분석한결과, 반응온도와 Steam 투입량이높고, Air 투입량이낮을때냉가스효율이좋은것으로확인되었다. 이는 Air 투입에따른산화반응에기인한것으로판단된다. Air에의한산화반응은 N 2 와 CO 2 를증가시키기때문에합성가스발열량감소시킬수있고, 그영향에따라냉가스효율이떨어지게된다. 탄소전환율의경우, 반응표면모델분석결과냉가스효율과유사한모델이도출됨을확인하였다. 이는 Air에의한산화반응과 Water-gas shift reaction 반응에기인한것으로보인다. Air로인한합성가스의농도감소는탄소전환율에영향을미치는반면, 반응온도의증가는 Water-gas shift rectaion 반응에의해 H 2 와 CO 2 를증가시키기때문에탄소전환율이좋아지는것으로사료된다. 따라서이중유동층가스화기에바이오매스를연료로사용할경우, Air 투입량의최소화하여합성가스의품질향상을유도할필요가있다. (a) Biomass (b) SRF Fig. 11. Verification of model equation for carbon conversion (a) Cold gas efficiency (b) Carbon conversion Fig. 13. RSM model of biomass gasification (a) Biomass (b) SRF Fig. 12. Verification of model equation for tar 폐비닐 SRF 투입시냉가스효율과탄소전환율에대한반응표면모델을 Fig. 14에나타내었다. 냉가스효율과탄소전환율모델을분석한결과, 반응온도와 Steam 투입량높을때냉가스효율과탄소전환률이높아지는것으로나타났다. 폐비닐 SRF 경우, 바이오매스에비해휘발성분이높음에도불구하고주요성분인비닐류에 84 신재생에너지

바이오매스와 SRF 를이용한이중유동층가스화기의최적운전조건도출 산소원자가구조적으로포함되어있지않아열분해과정에서주로탄화반응이일어나게된다.

RSM model of SRF gasification 조건으로나타났다. 이때예측된가스화효율은냉가스효율 86%, 탄소전환율 68%, 타르발생량 49,690mg/m 3 로나타났다.

그결과, 750, Steam 투입량 754g/hr, Air 투입량 18.8L/min 일때최적운전조건으로확인되었다. 이때가스화성능은냉가스효율 78%, 탄소전환율 71%, 타르발생량이 93,152 mg/m 3 로예측되었다. 3.2.2.2 타르발생량의 RSM모델 Fig. 15는바이오매스와폐비닐 SRF 투입시타르발생량에대한반응표면모델이다.

9 바이오매스와 SRF 를이용한이중유동층가스화기의최적운전조건도출 산소원자가구조적으로포함되어있지않아열분해과정에서주로탄화반응이일어나게된다. 이에따라 Steam 의투입은부분산화를활성화하여 Char 생성량의감소와동시에휘발분의함량이증가시키고, Water-gas reaction과같은가스화반응에의해 H 2 와 CO농도를증가시킴에따라냉가스효율과탄소전환율이높아지는것으로판단된다. (a) Cold gas efficiency (b) Carbon conversion Fig. 14. RSM model of SRF gasification 조건으로나타났다. 이때예측된가스화효율은냉가스효율 86%, 탄소전환율 68%, 타르발생량 49,690mg/m 3 로나타났다. 그러나폐비닐 SRF는반응온도가 750 이상이될경우, 가스화기내 Agglomeration 현상으로인해합성가스토출라인에회분이누적되어가스화기의내부압력이증가되는운영상 Risk가존재하므로 750 이하에서운전하는것이안정적이다. 이에따라 Agglomeraton 현상을고려된 750 에서의최적운전조건을재도출하였다. 그결과, 750, Steam 투입량 754g/hr, Air 투입량 18.8L/min 일때최적운전조건으로확인되었다. 이때가스화성능은냉가스효율 78%, 탄소전환율 71%, 타르발생량이 93,152 mg/m 3 로예측되었다 타르발생량의 RSM모델 Fig. 15는바이오매스와폐비닐 SRF 투입시타르발생량에대한반응표면모델이다. 타르발생량분석결과, 바이오매스와폐비닐 SRF 모두 750 를기점으로다시낮아지는것으로나타났다. 이는가스화베드물질인올리빈에의해기인된것으로판단된다. (a) Biomass (b) SRF Fig. 15. Tar model of gasification 가스화기최적운전조건도출반응표면분석법을이용하여바이오매스와폐비닐 SRF 투입시이중유동층가스화기의최적운전조건을도출하였다. 바이오매스가스화의경우, 운전온도 826, Steam 투입량 1,334g/hr, Air 투입량이 5.56L/min 일때최적운전조건으로나타났다. 이때예측된가스화효율은, 냉가스효율 83%, 탄소전환율 81%, 타르발생량은 68,515mg/m 3 이었다. 폐비닐 SRF 가스화의경우, 운전온도 793, Steam 투입량 1,195g/hr, Air 투입량이 0.24L/min 일때최적운전 4. 결론본연구에서도출된결과는다음과같다. 바이오매스의 RSM모델분석결과, 반응온도가높고 Air투입량이낮을수록냉가스효율과탄소전환율이증가하는것으로나타났다. 반응온도의증가는 Water-gas shift 반응에따라가스화효율이좋아지는반면, Air 투입량의증가는산화반응을통해 N 2 와 CO 2 를증가시키기때문에합성가스발열량이감소될수있다. SRF의경우, 반응온도와 Steam 투입량높을때냉가스효율과탄소전환률이높아지는것으로나타났다. 이는폐비닐 SRF의주요성분인비닐류에산소원자가구조적으로포함되어있지않아열분해과정에서주로탄화반응이일어나게되는데, Steam 의투입의가스화기내부분산화의유도를통해휘발분의함량을증가시키고, Water-gas reaction 에의해 H 2 와 CO농도를증가시킴으로써가스화효율을증대할수있다. 이와같은결과를토대로반응표면분석을통한바이오매스와폐비닐 SRF의가스화최적운전조건을도출하였다. 바이오매스를투입할경우, 운전온도 826, Steam 투입량 1,334g/hr, Air 투입량이 5.56L/min 일때최적운전조건으로확인되었다. 폐비닐 SRF는반응온도가 750 보다높아지면폐비닐연소에따른 Agglomeration 현상으로인해가스화기의 Vol.12, No.4 85

10 윤형철ㆍ조성호ㆍ이덕진ㆍ문고영ㆍ조순행 내부압력이증가되기때문에안정성등을고려하여 750 이하로운전하는것이바람직하다. 이와같은현상을반영하여최적운전조건을도출한결과, 반응온도 750, Steam 투입량 754g/hr, Air 투입량이 18.8L/min 일때최적운전조건으로확인되었다. 감사의글본연구는에너지국제공동연구사업의일환으로수행되었습니다. References [1] Koppatz, S., Pfeifer, C., Hofvauer, H., 2011, Comparison of the performance behaviour of silica sand and olivine in a dual fluidised bed reactor system for steam gasification of biomass at pilot plant scale, Chemical engineering, 175, [2] Van der Meijden, C. M., Veringa, H. J., Rabou. L. P., 2010, The prodution of syngas natual gas(sng) : A comparison of three wood gasification systems for energy balance and overall efficiency, Biomass and bioenergy, 34, [3] Rabou, L., Box, L., 2012, High efficiency production of substitute natural gas from biomass, Applied catalysis B : Environmental, , [4] Van der Meijen, C. M., Veringa, H. J., Vreugdenhil. B. J., Van der Drift, A., 2009, Bioenergy II: Scale up of the Milena gasification process, International Journal of Chemical Reactor Engineering 7, A53. [5] Kumar, A., Jone, D. D., Hanna, M. A., 2009, Thermochemical biomass gasification : a review of the current status of the technology, Energies, 2, 556. [6] Molino, A., Chianese, S., Musmarra, D., 2016, Biomass gasification technology : The state of the art overview, Journal of Energy Chemistry, 25, [7] Patra, T. K., Sheth, P. N., 2015, Biomass gasification models for downdraft gasifier : A state-of-the-art review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 50, [8] Pinto, P., Andre, R. N., Carolino, C., Miranda, M., Abelha, P., Direito, D., Perdikaris, N., Boukis, I., 2014, Gasification improvement of a poor quality solid recovered fuel(srf). Effiect of using natural minerals and biomass wastes blends, Fuel, 117, [9] Arena, U., Gregorio, F. D., 2016, Fluidized bed gasification of industrial solid recovered fuels, Waste Management, 50, [10] Van der Meijden, C. M., 2010, Development of the MILENA gasification technology for the production of Bio-SNG. [11] Barisano, D., Canneto, G., Nanna, F., Alvine, E., Pinto, G., Villone, A., Carnervale, M., Valerio, V., Battafarano, A., Braccio, G., 2016, Steam/oxygen biomass gasification at pilot scale in an internally circulating bubbling fluidized bed reactor, Fuel processing Technology, 141, [12] Reimert, R., 1989, Gas Production, In Ullmann s Encyclopeia of Industrial Chemistry, [13] Pfeifer, C., Hofbauer, H., 2008, Development of catalytic tar decomposition downstream from a dual fluidized bed biomass steam gasifier, Power Technol, 180, [14] Silva, V., Rouboa, A., 2015, Combining a 2-D multiphase CFD model with a Response Surface Methodology to optimize the gasification of Portuguese biomasses, Energy Conversion and Management, 99, [15] Materazzi, M., Lettieri, P., Taylor, R., Chapman, C., 2016, Performance analysis of RDF gasification in a two stage fluidized bed-plasma process, Waste Management, 47, [16] Chehbouni, A., Chaouki, J., Guy, C., and Klavana, D., Characterization of the Flow Transition between Bubbling and Turbulent Fluidzation, Ind. Eng. Chem. Res., 33(8), [17] Shahbaz, M., Yusup, S., I, Abrar., Patrick, D., Pratama, A., 2014, Application of response surface methodology to investigate the effect of different variables on conversion of palm kernel shell in steam gasification using coal bottom ash, Applied Energy. [18] Naqvi, M., Yan, J., Danish., M., Farooq, U., Lu, S., 2016, An experimental study on hydroden enriched gas with reduced tar formation using pre-treated olivine in dual bed steam gasification of mixed biomass compost, 86 신재생에너지

11 바이오매스와 SRF 를이용한이중유동층가스화기의최적운전조건도출 International Journal of Hydrogen Energy, 41, [19] 서영훈, 2011, 목질계바이오매스의가스화를통한합성가스생산, 경희대학교학위논문, pp. 36. [20] 이정우, 2014, 이중유동층바이오매스가스화공정에관한실험및수치해석적연구, 과학기술연합대학원대학교학위논문, pp. 35. [21] 조민환, 2015, 이단가스화기를이용한혼합폐플라스틱의공기가스화로부터저타르, 고발열량의 producer gas 생산, 서울시립대학교학위논문, pp. 69. [22] 오세윤, 2009, 반응표면분석법을이용한후방동체- 핀 왜곡모형의보정, 영남대학교학위논문, pp. 18. [23] 이정우, 류태우, 방병열, 문지홍, 이재욱, 박상신, 김낙주, 2009, 파일러규모의폐기물다단열분해가스화시스템의운전특성, 한국신재생에너지학회학술대회논문집, pp [24] 손영일, 윤상준, 최영찬, 김용구, 라호원, 이재구, 2007, 하향류식가스화기를이용한바이오매스가스화시스템개발, 한국신재생에너지학회학술대회논문집, pp [25] 임용빈, 박성현, 안병진, 김영일, 2008, 실용적인실험계획법, 제1판, 자유아카데미. [26] 강영식, 2003, 현대통계학, 동화기술 Vol.12, No.4 87

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<30312DC1A4BAB8C5EBBDC5C7E0C1A4B9D7C1A4C3A52DC1A4BFB5C3B62E687770> Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering 한국정보통신학회논문지(J. Korea Inst. Inf. Commun. Eng.) Vol. 19, No. 2 : 258~264 Feb. 2015 ID3 알고리즘 기반의 귀납적 추론을 활용한 모바일 OS의 성공과 실패에 대한