CFBG 바이오매스 / 폐기물가스화기술 군산대학교재료화학공학부교수송병호 1. 기술개요 주입되는연료형태에유연성이매우좋은순환유동층을이용하여바이오매스, 석탄, RDF 를주연료로하고하수슬러지, 프라스틱등의쓰레기를동시에처리하여저열량연료가스를생산하는기술이다. ㅇ기술의특징 가스화는석탄 / 바이오매스 / 폐기물등의풍부한원료를 CO, CO2, H2, CH4, N2 로이루어진가스혼합물로변환시키는기술로연료가스나수소에너지를얻을수있을뿐만아니라 CO2 배출을감축시킬수있으므로소각에비해유리하다. 이러한가스화공정역시대형화가필요하므로 CFB 기술이적용될수있다. CFB 연소기술을통해알려진장점들이모두가스화에적용된다. 연료수용의다양성과반응기의균일한온도, 접착성이강한물질인경우에도응집을억제할수있는성질, 반응기내에서탈황이가능한점, 그리고중금속등의오염물배출이적다는점들이돋보인다. 물론이기술이적용되기위해서는타르의분해, 고온가스의세척, 고체잔류물의처리기술이특별한응용에맞추어개발되어야한다. CFBG (circulating fluid bed gasifier) 시스템은아주간단하다. 본체반응기에서가스화반응이일어나고싸이크론하나가가스로부터순환되는층물질을분리하여 return pipe를통해가스화반응기의하부로귀환된다. 상기구성성분들은모두내화벽돌처리한다. 싸이크론을빠져나온뜨거운생성가스는싸이크론하부에위치한공기예열기를통과하여흐른다. 고압의공기팬으로생성되는가스화공기는공기분산격자를통하여반응기하부로주입된다. 이가스화기체는충분히유속이높아서층입자들을유동화시키며, 이단계에서고체층은확장되어모든입자들이매우빠르게움직이게된다. 기체의유속은높아서많은층입자들은반응기밖으로나가고싸이크론으로향한다. 싸이크론에서는기체와고체가같은방향즉아래쪽으로움직이다가싸이크론하부에서별도로분리된다 (Fig. 1). 연료는가스화기의하부에서주입된다. 바이오연료인경우에는보통 20-60 % 수분이고, 연소분은 40-80 %, 회분이 1-2 % 정도이다. 조업온도는연료에따라보통 800-1000 C을유지한다. 연료가일단주입되면급격히건조되면서열분해가일어난다이때연료는가스, 타르가빠져나가고촤가된다. 촤의일부는반응기하부로흐르면서연소되면서 CO/CO2 를낸다. 앞서말한생성물들은반응기위로흐르면서 2차적인반응들이일어난다. 이반응들은촤가참여하는불균일반응이일어나고한편가스상물질들만서로반응하는균일반응이일어난다. 이러한일련의반응들을통하여가연성의연료가스가생성되는데
싸이크론을지나약간의미세분들과함께시스템을빠져나간다. 대부분의고체입자들은싸이크론에서분리되어가스화기의하부로되돌아간다. 이고체들에포함된촤는유동화공기와접촉하여연소되기도하여서상기한가스화반응에필요한열을공급한다. 순환되는고체들은하나의열매체로작용하여공정의온도를안정화시킨다. 굵은회재는가스화기의하부에축적되어서냉각장치가되어있는 bottom ash screw 를통해층하부로제거된다. 정상적인조업에서는연료의주입량이가스화기의용량을정의하게되며공기의주입량은가스화기의온도를조절하게된다. Biomass나석탄에폐기물을섞어서고온에서수증기와반응시키면값싸고깨끗한연소용연료가스를생산할수있다. 가스화는원료내의탄소분을 CO+H 2 혼합물로변환하는흡열반응이므로이에소요되는열은탄소를부분산화시켜서공급한다. 슬러지와같이탄소함량이부족한원료일경우에는석탄을보조연료로사용한다. 부분산화로생성되는 CO 2 양은소각의경우에비해미미하며, 공급가스중의과잉수증기혹은수성가스변환반응 (water gas shift reaction) 으로인해생성가스중에 H 2O가포함되므로생성가스의주요성분은 H 2, CO, CO 2, H 2O, N 2 가된다. 이외에원료의초기열분해과정에서 CH 4, H 2S, COS, NH 3 가소량생성될수있다. 폐기물내수은을제외한중금속은고체잔류물에안전하게잡아놓을수있다. ㅇ타산업과의연계및타산업에미치는영향 페기물소각로시장에영향을줄수있다. 폐기물처리시장에는최근들어소각중에 dioxin이발생하는것을원천적으로억제하기위하여 400-600 C에서열분해및가스화를우선수행하고생성되는연료가스를이용하여촤및회분을 1300'C 이상으로가열용융시켜슬래그로만들어처리하는가스화용융방식의처리공정이대두되고있다. 이중가스화쪽을 BFB에서수행하는공정도있으나, 이를 CFB로대치하는방안도고려해볼수있겠다. 2. 선진외국의해당분야산업동향및전망ㅇ시대별기술동향
Biomass gasification은 2000년미국의 DOE 에서 21세기산업체를위해필요한중점기술중하나로선정된바있으며, waste gasification 역시세계적으로개발중에있는공정 [9, 10] 이므로세계적인추세에동승하여신기술의국내기반기술을축적하기위해서는이에대한연구가필요하다. Foster Wheeler에서는상압의 CFB연소보일러기술에대한많은경험을바탕으로 1980년상반기에상압의 CFBG 기술 (biomass gasification) 을개발하였다. 첫번째상용화는 1983 년핀란드의 lime kiln에들어가는연료유를대체하는 35 MWth 용량의프렌트이었다. 이후스웨덴에두개의 pulp mill 공정에같은기술로 27 MWth 가세워졌고포루투칼에역시 mill 공정에 17 MW짜리 CFBG가건설되었다. 이프렌트들은 bark나 waste wood로부터킬른에들어가는연료를생산하고있으며일부가스는건조공정에이용되고있다 (Table 1). 최근핀란드의남쪽도시 Lahti에열과전기를공급하는 Kymijarvi의발전소에서는메인보일러 (240 MWth, 125 kg/sec steam) 에사용되는석탄및천연가스연료의약 30% 를근처지역에서얻을수있는값싼고체연료인 biofuels or refuse fuels (Table 2, 3 참조 ) 로대체하기위해서 Foster Wheeler와함께 demonstration project를수행하였다. 즉, 젖은 biofuels를직접가스화하여생성되는저열량의가스를현재존재하고있는석탄보일러에사용하는것이다. 1998-1999 년에걸친조업은매우성공적으로수행되었다.
유럽에서바이오매스가스화변환을위한상용보일러의설계, 제작을하고있는회사들은 : (1) Foster Wheeler가 1995년에 Alstrom Power의 CFB 보일러부분을사들였다. 이들은 biomass gasifiers or mesa kilns을제작하고있다. (2) Tampella ( 핀란드 ) + Götaverken ( 스웨덴 ) 는 1990년대에 Kvaerner pulping Co. 에흡수되었다. 이들은ꡒEnviropowerꡓ라고하는개발회사를가지고있었으며 pressurized gasifiers for biomass를제조하였다. 이회사는 1995년에문을닫았으나직원들은ꡒCarbonaꡓ라는회사에계속근무하고있다. (3) TPS, Studsrik ( 스웨덴 ) 은바이오매스를연료로하는상압의 gasifier를제작해오고있다. ㅇ기술개발추진실적및성과 ( 투자규모포함 ) 캐나다의 The University of British Columbia 화학공학과에 1996년정부의투자로가스화생성가스및잔류물의분석장치가완전하게갖추어진 1-5 kg/h 가압 CFB 가스화 Pilot plant가건설되었으며, 석탄을원료로하여조업된바있다. 이후에슬러지등을취급할수있도록원료공급시스템이수정되었으며, 여러가지쓰레기즉, 활성화슬러지, 탈색슬러지, 산업공정슬러지및폐프라스틱의가스화실험이수행되어오고있다. 최근독일의한프렌트에서석탄을보조연료로사용하거나하여서하수슬러지와폐플라스틱을그대로반응기에주입하여가스화하는공정이보고되었다 [1]. 영국 Northumbrian Water Ltd. 에서는 EC의공동프로젝트로소화되지않은하수슬러지 35,000 톤 / 년을처리할수있는 5 MWe 슬러지가스화발전프렌트를건설하고있다 [2]. 850 C 이상의온도에서가스화를한후수은의제거를위해활성탄필터를사용하여가스를세정한뒤, 생성된연료가스를연소하여 4.5 MWe의가스터빈을구동한다. 슬러지의건조에는천연가스대신가스터빈에서배출되는가스를사용한다. 슬러지내고형함유율은건조건 5% 에서건조후 93% 로설정되었다. 순수효율은 20% 이고, 투자비는 2680 ECU/kWe 으로알려졌다. 미국의 Thermogenics Inc. 에서는각종폐기물, 슬러지, 바이오매스로부터에너지를회수하여내부연소기관, 가스엔진, 스팀보일러등에직접공급할수있는가스화시스템의공정을개발하여수요에따라시스템을설계, 건설해주는사업을하고있다 [3]. 이시스템은
conveyor를사용한원료공급부, 하부로원료가공급되는이동층형식의가스화기, 전기집진기, tar-oil-water separator등으로구성되어있다. 미국의에너지성 (DOE) 에서는최근 EnerTech Environmental Inc. 와공동으로총연구비 $ 21 million을투자하여유기성폐기물을발전용연료로변환하여 greenhouse 오염가스를줄이고자 100 ton/day 용량의 SlurryCarb" 공정의 process development facility를건설하는데합의하였다 [4]. 이공정이성공적으로 27개월간조업되면, 곧상업화될예정으로있다. 이공정은하수슬러지와고체폐기물로부터전형적인오염물을화학적으로제거하며, 원료를물을포함한슬러리형태로사용하기때문에타공정에비해에너지나경제적으로큰장점이있다고주장하고있다. 이시스템은미분탄연소발전시스템이나유동층연소발전시스템에모두적용시켜사용할수있으며, 산업체의세멘트킬른이나제지 mill에도사용할수있는것으로알려졌다. 1. Anon, "Plastics Recycling Diminishing Returns", Chem. Eng., Dec., pp. 30-33 (1993) 2. www.nf-2000.org/secure/ec/s897.htm 3. www.thermogenics.com/waste.html 4. Wep site: www.fe.doe.gov/techline/tl_enertech.html ㅇ산업성장률및이용보급실적 1980년대부터핀란드및스웨덴에 biofuel을연료로하는 CFB gasifier가상용건설되기시작하였으나아직까지는보급실적이많지않은편이다. ㅇ미래의산업전망 발전소에서사용되는천연가스를부분적으로대체할수있는유망한공정이다. 바이오매스혹은 RDF 등의연료공급문제가해결될경우더욱유망하다. 한편새로운발전기술인 IGCC 공정에서주가스화기로적용될경우, 분류층가스화기에비해서에너지효율측면이나사용연료의유연성으로보아가압의순환유동층가스화기 (PCFBG) 가유리할수있다. 반응기공정의단순함과사용연료의다양성으로장차유력한가스화공정으로서발전해나갈수있는공정임. ㅇ해당분야육성전략 관계인력을양성할필요가있으며부분적으로는 biomass/waste gasification의관련연구를연구프로젝트의효율적인운영을통해지속적으로유지한다. 발전소의천연가스연료를대
체할수있도록목표를설정할수있다. CFB 보일러연소쪽에서개발된기술들을역시가스화쪽에사용될수있는부분이많다. 따라서 CFB pilot plant를건설하고운영하면서필요에따른요소기술을확보한다. ㅇ시사점 3. 그간의국내기술개발및이용보급산업현황 ㅇ시대별기술동향 국내에서는석탄의가스화반응에대한 kinetic 연구가주로수행되었다. 근래에는연료의다양성을위해볓짚이나폐타이어의가스화 kinetic 연구가시도되었다. 하수슬러지나폐프라스틱은주로열분해쪽의 kinetic 연구가이루어졌다. 가스화반응기에대한연구는주로 BFB (bubbling bed) 혹은 ICFB (internally circulating fluid bed), EB (entrained bed) 형태가연구되었으며 EB는 IGCC용주반응기로서 pilot plant 연구가진행되어왔다. 그러나 CFB (circulating fluid bed) 형태의가스화기는국내에서연구된바거의없는상황이다. 공정연구는유일하게 IGCC Entrained bed gasifier 연구가정부지원하에수행되었다. ㅇ기술개발추진실적및성과분석 1) 국내의경우 IGCC의공정개발을위한기초연구가고등기술연구소등의콘소시움에서수년간연구되어왔으나현재까지 pilot scale 연구로 demonstration까지는도달하지못하고있다. ICFB 가스화반응기에대한연구는 KAIST 및군산대학교에서수행된바있는데, 석탄으로부터저열량가스제조를위한내경 0.3 m pilot-scale 가스화기에대한연구가시도되었으나대학교단독의연구로더이상의진전이없었다. 최근 KAIST에서 CFB의 return 부, down draft 부분에서석탄의가스화연구가시도된바있다. 군산대학교에서는내경 0.15 m의 ICFB에서폐타이어와하수슬러지의가스화연구가수행된바있다. ㅇ관련업체수및산업성장률 현재국내에는비록자체기술은아니지만가스화기관련업체가 ( 주 ) 대우건설, ( 주 ) 효성에바라, 한라산업개발, 동부건설, 포스코건설등이있다. 가까운장래에환경오염에대한규제강화로인해특히쓰레기소각이쓰레기가스화및용융쪽으로공정형태가바뀌고있는추세이다. 따라서이러한환경변화로인해 CFB 가스화공정의개발이더필요하며역시산업성
장율도바이오매스및쓰레기의처리시장으로인해크게기대되고있다 4. 해당분야기술개발 / 보급및산업의성장애로부문ㅇ산업환경부문 특별한필요성이대두되지않았었음. 그러나근래에는쓰레기처리에대한환경규제및에너지가격의인상으로그필요성이크게대두되고있음. ㅇ인프라부문 연구소 / 대학 / 회사에서설계기술을확보하면, 국내중공업에서보일러제작이가능할것임. 산학연의교류가실제적으로필요한부분이고, 특히관련고급인력이많이회사로진출할필요가있음. ㅇ기술개발부문 예를들면쓰레기나바이오매스나사용하는경우, 이에대한데이터가전혀없다는것이다. 특히연료내의유해물질의 fate가규명되어야하며, 이를처리할수있는기술이함께개발되어야한다. 또바이오매스는석탄과는달리 CFB 연소시하단부의열교환표면에많은침적을야기하기도하는것으로알려져이에대한연구나데이터가필수적이자. 따라서관련연구의전반적인수준도함께올라와주어야하겠다. 각종사용가능한연료들의물리화학적조성에따른가스화성능테스트가필요하다. 이를위해서는적어도 10 MWth의 CFBG pilot plant가운영되어야한다. ㅇ이용보급부문 국내보일러업체들의자체기술확보에대한의지가부족함.
ㅇ설정목표 biomass나폐기물로부터값싸고깨끗한연료가스를생산하기위한순환유동층가스화프렌트를국내자체제작하기위해서는우선 100 MWth 의 CFBG plant의설계및제작기술을확보함을목표로할수있다. 차년도 목표 1,2 Bench-scale unit 설계및조업 3,4 10 MW pilot unit 설계제작및조업 바이오매스, 슬러지의가스화반응테이타확보슬러지공급기개발오염물처리공정개발 5,6 100 MW process 설계제작기술확보 7,8,9 100 MWth Demonstration unit 조업 ㅇ파급효과 ( 직 간접 ) 높은탄소전환율, 열효율, gas efficiency의 CFB 가스화공정기술이확보되면, 에너지절감효과가크며, 쓰레기등의새로운대체에너지자원의개발이기대된다. 현재수입된석탄의대부분은미분탄연소에의한발전에사용되고있는데, 석탄연료를대체할수있을뿐아니라쓰레기처리에도유망한기술이라하겠다. CFB 반응기기술은국제적으로확인되어세계각국에서에너지관련의각종공정에응용되고있는기술이지만, 국내에는관련연구인력및설계기술이아직도매우부족하다. 특히자체설계및제작을위한실증연구가필요하며이를통하여관련인력도양성되어국내중공업에인력문제가해결될것으로기대한다.