바이오매스 열분해 반옹기 모델링을 통한 보일러 연계 바이오차 생산공정 설계인자 분석

Parametric study on biochar production process based on numerical modeling of biomass pyrolysis

본 연구에서는 바이오매스 열분해 시 생산되는 고부가가치 물질인 바이오차의 대량 생산을 위해 발전설비에서 발생한 배가스 일부를 추출하여 로터리 반웅기에서의 열분해 열원으로 활용하는 연계 공정을 제시하였다. 해당 공정은 바이오매스-가스 간직접 접촉을 통해 바이오매스를 열분해하며, 생성 타르는 보일러 내 재순환되어 연소되기 때문에 에너지 회수가 가능한 효율적인 공정이다. 로터리 열분해 반응기설계 인자를 도출하기 위해 반응기의 길이방향으로의 1차원 정상상태 해석모델을 수립하였다. 해당 모델은 바이오매스, 가스 및 벽면간의 열전달을 복합적으로 고려한다. 특히 바이오매스 3성분(헤미셀룰로오스, 셀룰로오스 및 리그닌)의 개별 반응속도 및 생성 열분해 증기의 산화반웅을 반영하였으며, 랩 스케일 스크류 반응기를 이용하여 타당성이 검토되었다. 수치해석 결과 78 t/h 의 바이오매스 투입 시 열분해를 위해 필요한 열원 가스의 온도는 350-500 'C, 유량은 5 - 15t/h이었으며, 배가스 내 잔류 산소와 열분해 시 생성된 열분해 증기의 산화반응으로 인한 가스의 온도 상승이 열분해 정도에 크게 기여하는 것으로 나타났다. 해당 배가스 유량 조건으로 운전 시, 연계 보일러는 산화반응 후 가스상에 잔류한 가연성분 재순환 및 재연소로 인해 투입 열량 대비 1.6~3.8 배의 열량을 회수할 수 있다.