바이오매스 가스화장치를 이용한합성가스 생산에 있어서 연료조건의 영향
Effects of Biomass Fuel Conditions on Biomass Gasification
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초록
반응부 직경 300 mm의 하향식 가스화장치를 제작하여 목편과 숯을 연료로 하여 가스화 반응특성에 대해 분석하였다. 반응부의 위치별 온도변화, 합성가스 중 CO와 CO2 농도 등을 살펴본 결과 기존 연구결과와 유사한 조성을 나타냈다. 단위중량 당 열량이 높은 숯을 연료로 하였을 때 합성가스의 생산이 조기에 안정적으로 이루어졌으며, 가스의 연소상태 또한 상대적으로 양호하였다. 목편 또는 목편과 숯을 혼합하였을 때에는 가스의 조성이나 온도 등을 기준으로 안정적인 가스화 반응이 일어날 때까지 20여분 이상의 시간이 소요되었다. 하향식 가스화장치에서 가스화 반응에 영향을 미치는 연료조건의 영향을 파악하기 위해 수행된 본 연구의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.목편이나 목편과 숯을 혼합한 연료를 가스화하는데 공급된 공기량은 연소에 필요한 이론적 공기 요구량의 24.9%와 32.6%로서, 점화가 이루어진 하단부에서 온도의 상승이 급격하게 이루어져 최고 550~650 까지 이르렀다.연료의 종류에 관계없이 안정적인 가스화 반응이 일어나는 시기에는 공기 주입부에 위치한 연소부 바로 아래에서의 온도가 가장 높게 나타났으며, 하단부에서는 흡열반응 및 열손실로 인해 가장 낮게 나타났다.단위중량당 열량이 높은 숯을 연료로 하였을 때 점화 후 10분 경에 가스화 반응이 안정적으로 이루어졌으며, 최고 온도는 700 까지 상승하였다.연료 입자의 크기는 동일한 송풍량 조건하에서도 연료 공극을 통과하는 가스의 속도에 영향을 미치는 것으로 나타났다.입도의 크기나 송풍량의 영향이 크지 않다고 가정하면 연료의 단위중량당 열량이 가스화 반응에 중요한 요인의 하나로 판단된다. 저위발열량을 기준으로 볼 때 함수비가 높은 연료는 단위중량당 열량이 낮으므로 불리하다는 것을 알 수 있다.합성가스의 조성은 기존 연구결과와 대등한 수준으로 나타났으나, 목편을 연료로 하였을 때 백황색의 합성가스가 얻어져 환원반응이 충분히 일어나지 않았다고 판단된다. 따라서 단위중량당 열량이 상대적으로 낮은 연료를 가스화할 때에는 반응부의 충분한 온도를 유지할 수 있도록 단열 등의 보완이 필요하다고 판단된다.가스화를 위한 바이오매스 연료의 입경이나 함수비 등은 가스화 반응에 영향을 미칠 뿐만 아니라 송풍량 등 운전조건과도 관계가 있으므로 가스화장치의 설계 또한 연료의 특성을 고려하여 이루어져야 한다.
Abstract
A downdraft gasifier was made of stainless steel for biomass gasification. Internal reactor had a 300 mm diameter and 8 air intakes. Three thermocouples were installed to measure the temperature inside the reactor. Three different biomass fuels were provided in the experiments to find out the effects of fuel conditions on gasification processes; charcoals, woodchips, and mixture of woodchip and charcoals. Two different experiments were conducted for charcoal experiments, small and larger sizes of charcoal fuels. It took about 10 minutes after ignition to generate combustible producer gas when charcoal was fed, but 20 or more minutes for woodchips. When the gasification was stabilized, the highest temperature was observed just below the combustion zone. The air flow rate for woodchip experiment was provided at 25% of a stoichiometric requirement of combustion, which was within the range of typical air flow rate for woody biomass gasification. Carbon monoxide concentrations were also within the values reported in the previous studies, ranging 20 to 30% depending on fuel types. It could be seen that fuel size and heating value were very important parameters in biomass gasification. These parameters should be taken into account in operating and designing biomass gasifiers.
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