열 통합 가스화를 위한 활엽수 바이오매스의 합성가스 특성 시뮬레이션 모델

이번 스터디를 통해 유니심 프로젝트에 대해 알아보는 시간을 가져보자.

 

열 통합 가스화를 위한 활엽수 바이오매스의 합성가스 특성 시뮬레이션 모델

1. 배경지식

-가스화는 바이오매스로부터 열 및 전력을 생산하는 기술이다. 바이오 매스를 건조 후 고온에서 열분해하면 가스가 생성되는데, 이것이 연료가스이며 이를 보일러, 엔진, 연소 터빈 등의 장비에 사용하여 열 및 전력을 생산할 수 있다.

 

-바이오 매스는 생물자원을 의미하며 다음 종류가 주로 바이오 매스로 사용된다. 이들을 펠릿, 칩 등으로 압축시켜 사용하게 된다.

 

에너지 작물 Energy crops

• 임목
• 옥수수
• 밀

 

동물성

• 동물의 지방과 기름: 고래기름
• 동물의 배설물

 

에너지 재활용 가능한 유기 폐기물 organic waste

• 농업 잔류물 agricultural residues: 쌀과 밀을 길러내고 남은 볏단 같은 것들이다.
• 어업 유기폐기물
• 축산 유기페기물
• 음식물 쓰레기

 

2.소개.

-바이오매스의 유용성

현재 전 세계적으로 재생 에너지 열풍이 불고 있는 가운데, 바이오매스는 재생에너지 생산을 위한 가장 접근하기 쉬운 자원 중 하나이다. 바이오매스를 열처리, 또는 혐기성 소화시키면 가연성 가스가 생성되는데, 이를 전기 생산과 난방에 사용할 수 있다. 바이오매스로부터 에너지를 생산하는 것은 화석연료에 대한 의존도를 줄이고 지구온난화 방지에 효과적인 기여를 할 수 있다.

 

-바이오매스의 가스화는 어떻게 진행되는가?

feedstock(공급 원료, 보통 바이오매스)를 통제된 조건 하에서 열분해하여 합성가스로 만든다. 이 합성가스에는 일산화탄소와 수소, 이산화탄소, 메탄이 포함되어 있다. (CO, H2, CO2, CH4). 또한 '타르'라고 알려진, 여러가지 다양한 화합물로 이루어진 복합체도 합성가스에 존재한다. 가스화 과정에서 합성가스는 필터와 정화장치를 통과하여 타르와 분리된다. 이후 먼지, 재, 기타 고체 불순물을 제거하기 위해 전기 기계 시스템을 통과하게 된다.

 

이렇게 생성된 합성 가스는 연소 엔진을 통과하여 에너지를 생산하게 된다. 이때, 연소 엔진에서는 타르 양이 적은 가스만 사용될 수 있으므로 합성가스에서 타르를 분리하는 과정이 필수이다. 다음 표는 다양한 유형의 엔진(가스를 사용하여 에너지를 생산하는 장치)에서 허용되는 타르양을 나타낸다.

따라서 바이오매스의 가스화를 통해 에너지를 생산하려면 합성가스의 정제가 필요한데, 이 비용이 상당히 높아 바이오매스 가스화 기술을 적용하려는 시도는 실패해왔다.

 

이번 논문에서는 이에 대한 대안으로 활엽수 바이오매스를 가스화시켜 사용하는 방안을 마련해본다. 이 연구는 서호주에서 생산되는 세 가지 경목 바이오매스(Cooktown Ironwood, Melville Island Bloodwood 및 Darwin Stringybark)의 잠재력을 분석하기 위한 사례 연구의 일부이다. 해당 위치의 현재 전기 비용은 kWh당 60센트이며, 활엽수 바이오매스가 대량으로 이용 가능하므로 저렴하게 전기를 생산할 수 있을 것으로 추정된다.

 

가스화 공정(gasification process)은 여러 단계로 진행된다.

1. 탈휘발화, 또는 열분해(de-volatilization or pyrolysis)

:바이오매스에 열을 가하여 숯과 휘발성 물질을 생성하는 초기 단계이다. 제한된 공기가 있는 상태에서 바이오매스를 부분적으로 연소하면 바이오매스 내의 휘발성 성분이 완전히 연소되지 않고 일부가 숯으로 변하게 된다. (숯은 안정된 고체 탄소 형태이므로 저장이 쉽고, 완전 연소 시에 발생하는 CO2와 같은 온실가스를 줄일 수 있어 부분 연소를 한다.) 이후 가스는 고온의 탄화층을 통과하여 상대적으로 타르 함량이 낮은 합성가스로 변환된다. 연구원들은 연소 엔진에 합성가스를 적용하려면 타르 함량이 특정 한도(10 mg/Nm 미만) 미만이어야 함을 발견했다.

 

제안된 가스화 시스템에는 두 가지 작동 시나리오가 있다. 하나하나씩 살펴보자.

시나리오 1:

이는 두 가지 단계로 진행되는데, 먼저 제한된 공기와 바이오매스가 저온에서 가스화를 거친 후, 고온 층을 통과하는 것이다. 저온 가스화 단계에서는 바이오매스가 열분해되어 숯과 타르 풍부 가스가 생성되는데, 이때 타르 풍부 가스는 숯층을 통과하여 일부 타르가 제거된다. 이후 고온탄화층을 통과하면서 타르는 더 단순한 화합물로 분해되고(이를 크래킹이라고 한다.) 타르가 거의 제거된 합성가스가 생성된다.

 

두번째 시나리오는 다음과 같다.

 

저온 가스화에서 발생하는 가스와 숯 중에서 가스는 다른 용도로 배출되고 숯만이 고온층으로 들어가게 된다. 이는 가스의 타르를 제거하지 못하므로, 엔진이나 연소용으로 적합하지 않으며 가스화 시스템의 하나로써 소개만 한 것이다.(바이오 오일 생산이나 화학물질을 추출하는 데 사용된다) 우리는 시나리오 1의 공정이 필요하다.'

 

시나리오 1:합성가스 생산 목적, 연소용

시나리오 2: 바이오 오일 생산이나 화학물질 추출용

 

두 시나리오 모두에서 화산재와 먼지가 가스에 포함되며 이를 제거하기 어렵다.

 

 

시나리오 1에 초점을 맞추어 공정을 이해해보자.

재설명) 저온 가스화 단계에서 공급된 바이오 매스는 숯과 타르 풍부 가스로 변환되어 고온 가스화 단계로 이동하고 공기와 반응하여 합성가스가 생성된다. 고온 가스화에서 방출되는 열의 일부는 저온 가스화 단계로 리사이클한다. 열은 벽을 통해 고온 가스화 단계에서 저온 가스화 단계로 이동한다. 저온 가스화 단계로 들어가는 공기 흐름은 유량계를 통해 제어한다.

 

전체 시스템은 단열로 모델링된다. 본 논문에서 제안된 설계의 개념은 기존의 가스화 시스템을 두 개의 서로 다른 단계로 분리하는 것이다. 첫 번째 단계는 숯과 타르가 풍부한 가스를 생성하기 위한 공급원료의 열분해이고 두 번째 단계는 첫 번째 단계의 숯을 가스화하는 것이 다. 두 번째 단계의 과잉 열은 첫 번째 단계로 전달되어 필요한 열을 보충한다.CO, H2, N2, CH4 가 합성가스에 포함되며 최종 조성은 조건에 따라 달라진다.

 

2.1. 수치 모델 및 검증

이번 논문의 목적은 다음과 같다.

In this paper, the thermally integrated gasification model is proposed for variable operation depending on the end application.

 

thermally integrated gasification model은 가스화 과정에서 발생하는 열적인 특성을 통합적으로 설명하는 모델을 의미하며, 다양한 파라미터를 조절하여 적용할 수 있도록 만드는 것이 목적이다. 이 모델을 Honeywell의 소프트웨어인 UniSim로 개발할 것이다. UniSim은 다양한 환경 조건에서 동적 및 정상 상태 시뮬레이션 모델을 구성할 수 있는 소프트웨어이다.

 

2.2. 모델 설명

모델은 fluid properties package Peng Robinson을 사용한다. PR 방정식은 기체 상태 해의 정확도를 유지하면서, 액체 상태, 특히 무극성 액체의 밀도 예측에 특화된 상태방정식이다. 거의 대부분의 물질에 사용할 수 있다. 상태방정식이란, 압력, 온도, 기체의 몰수, 부피 사이의 관계를 나타낸 수식으로, 세상에 수 많은 물질이 있고, 이들의 거동(P,V,T사이 관계)이 다 달라서 모든 기체에 적용할 수 있는 상태 방정식은 존재하지 않는다. 그러나 대부분의 물질에 실제와 비슷하게 들어맞는 식을 연구한 결과 여러가지 상태 방정식이 개발되었다. 그 중에서 PR 방정식이 가장 잘 맞는다.

모델에 고려되는 가정은 다음과 같다.

 

1. The biomass enters at 25 C and 1 atm, and a standard mass flow rate of 1 kg/h.

2. The gasification stages are modeled as adiabatic.

3.The heat loss into the atmosphere through the gas outlet stream or heat exchanger is assumed to be 20%, considered during the transfer from Stage 2 to Stage 1.

4. Air supplied to biomass (Gasifier-100; Pyrolysis) is at ambient condition.

5.Steam supplied for gasification (Gasifier-101) is superheated

 

재료로 사용되는 바이오매스의 조성은 다음과 같다고 가정한다.

또한 바이오매스를 제한된 공기에서 연소시에 다음 반응이 일어난다.

시뮬레이션을 위한 구성요소와 자세한 설명은 다음 표에 정리되어있다.

위 표 (조건)에서 주목할 만한 부분은 다음과 같다) 25도,1기압에서 증기가 200도의 과열증기로 공급되었다. 공기 유량은 15L/min이 최적이다.

 

이를 통해 제안된 실제 모델은 다음과 같다.

저온가스화와 고온가스화 섹션으로 분리되어 있다. 하나하나씩 차례로 살펴보자.

저온 가스화 섹션: 건조와 저온 가스화(바이오 매스가 분해되어 탄소, 수소 ,산소, 질소 및 일부 미량의 수증기를 생성) 과정이 포함됨

1) 바이오매스가 E-102로 공급된다. 이때 공급 조건은 25 C, 1 atm, 10 kg/h이다. 이는 상온 상압을 가정한 합리적인 조건이다.

2)E-102는 히터이다. 가열된 후 gasfire에 들어가는 이유는 무엇인가?

3)RCY-2는 리사이클을 의미하는 것 같다. 기능은??

4)공기 공급 조건은 Temperature = 25 C Pressure =1 atm Mass flow = 10 lmin, 15 l/min, 20 l/min