바이오오일 가스화 과정에 대한 전산 시뮬레이션 기법 연구

A Study on Numerical Simulation Method on Bio-oil Gasification Process

바이오연료는 인류의 지속 가능한 발전을 위한 신재생에너지원으로써 최근 각광을 받고 있다. 바이오연료 중 하나인 바이오오일은 바이오매스의 급속 열분해를 통해 생성된 액체상 물질이며, 바이오매스에 비해 에너지 밀도가 높고 저장과 수송에 편리한 이점을 가지고 있다. 또한 바이오오일을 가스화하여 생산된 합성 가스는 수소를 이용한 연료전지 발전과 화학 원료로 활용 가능하다. 바이오오일은 바이오매스의 직접 가스화에 비해 타르와 촤의 생성이 적기 때문에 가스화 공정을 통해 고품질의 합성가스를 생산할 수 있으며, 불순물의 양이 적기 때문에 합성가스 정화를 위한 후단 공정이 필수적이지 않은 장점을 가지고 있다. 실험을 통한 바이오오일 가스화 연구는 이미 여러 연구자들에 의해 수행되었지만, CFD 전산해석을 활용한 예는 찾아보기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 CFD 상용 프로그램인 Star-ccm+를 사용하여 분류층 가스화기(Entrained flow gasifier) 내 바이오오일의 가스화 특성을 알아보기 위한 전산해석 연구를 수행하였다. 먼저, 반응기 상부에 위치한 twin fluid atomizer nozzle에 의한 바이오오일의 분사 특성 연구가 선행되었으며, 반응기 내 액적 기화 모델과 가스화 반응 메커니즘이 고려되었다. 또한 가스화 반응 조건으로 반응 온도, 바이오오일에 따른 공기 당량비(equivalence ratio)를 설정하여 조건에 따른 반응기 내 다상 유동 흐름을 계산하였다. 최종적으로, 바이오오일 가스화 반응으로 인해 생성된 합성가스의 조성과 반응기 내 가스 분포를 알아보았으며, 그에 따른 냉-가스 효율, H2/CO 비율 등을 통해 바이오오일 가스화의 최적 조건을 도출하였다.