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열천칭과 유동층 반응기에서 바이오매스 가스화 반응 특성 = Biomass gasification characteristics in a thermobalance and a fluidized bed reactor
서명 / 저자 열천칭과 유동층 반응기에서 바이오매스 가스화 반응 특성 = Biomass gasification characteristics in a thermobalance and a fluidized bed reactor / 박동규.
저자명 박동규 ; Park, Dong-Kyoo
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2007].
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초록정보

Pyrolysis characteristics of sawdust and rice husk as biomass resources in a thermogravimetric analyzer (TGA) were determined as a function of heating rate. Pyrolysis of the biomass can be classified as a lower temperature reaction zone where the major component of holocellulose is thermally decomposed and a high temperature reaction zone where lignin is thermally decomposed. The obtained data was analyzed by the two-step consecutive reaction model. Activation energies of sawdust and rice husk are found to be respectively 82.5 kJ/mol and 85.1 kJ/mol in the low temperature zone according to the first order reaction model and 19.7 kJ/mol, 22.0 kJ/mol in the high temperature zone according to the three-way transport model. The reaction kinetic parameters with variation of heating rate can be well predicted by the kinetic compensation relation and Gaur-Reed method. The steam gasification kinetics of sawdust char and rice husk char were examined under isothermal conditions in a thermobalance reactor (TBR) at 600-900℃. The shrinking core model, volumetric reaction and modified volumetric reaction models have been applied to interpret the conversion-time data. Among them, the shrinking core model gives the best agreement with the experimental data. The activation energies of sawdust char and rice husk char were found to be 34.3 kJ/mol and 29.1 kJ/mol in the chemical reaction control regime and 11.5 kJ/mol and 9.0 kJ/mol in the diffusion control regime, respectively. In addition, the steam gasification with partial oxidation was examined. The activation energies of sawdust char and rice husk char were found to be 12.2 kJ/mol and 12.7 kJ/mol, respectively. To investigate the biomass gasification characteristics and to produce the low calorific value gas in a small pilot scale fluidized bed gasifier (0.1 m I.D x 1.6 m high) at atmospheric pressure, sawdust has been gasified with air and steam. The effects of gas velocity $(2-5 U_{mf})$, reaction temperature (750-900℃) and oxygen/steam ratio (0.15-1.0) on gas composition, gas yield, cold gas efficiency, calorific value of the product gas and carbon conversion of sawdust have been determined. The contents of product gas $(H_2, CO, CO_2, CH_4)$ increase with increasing gas velocity. With increasing reaction temperature, $H_2$ and CO contents increase, but $CO_2$ content decreases, and $CH_4% content is almost constant or increases slightly. Carbon conversion (16-35%), gas yield (0.62-0.87 ㎥/kg-biomass), calorific value (2612-5015 kJ/㎥) and cold gas efficiency (8.2-22.0%) of the product gas increase with increasing gas velocity and the reaction temperature. The contents of $H_2$, CO and $CH_4% decrease, but $CO_2$ content increases with increasing oxygen/steam ratio. With increasing oxygen/steam ratio, carbon conversion (13.7-29.2%), gas yield (0.4-1.1 ㎥/kg-biomass) and cold gas efficiency (9.3-14.2%) of the product gas increase, but calorific value (5163-2642 kJ/㎥) of the product gas decreases due to the decreases of combustible gas contents.

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.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MCBE 07006
형태사항 x, 108 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Dong-Kyoo Park
지도교수의 한글표기 : 김상돈
지도교수의 영문표기 : Sang-Done Kim
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 참고문헌 : p. 102-108
주제 바이오매스
가스화
열분해
유동층
biomass
gasification
pyrolysis
fluidized bed
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