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SUMMARY
Contents
목차
제1장 서론 21
제1절 기술개발 필요성 21
제2절 국내외 현황 23
제3절 기술 개요 29
제4절 개발 성과물의 활용 31
1. 해외 활용 31
2. 국내 활용 33
제2장 본론 36
제1절 바이오매스 회분 제거 기술 36
1. 바이오매스 회분 제거 장치 및 방법 36
2. 회분 제거 실험 결과 42
제2절 바이오매스 반탄화 기술 86
1. 20kg/hr 규모 COMBPy 반탄화 실험 86
제3절 반탄화 장치 유동 해석 및 선회건조기 설계 120
1. 입자형태에 따른 적정 건조방식 선정 120
2. 건조모델정립 121
3. 건조성능분석을 위한 해석적 연구 124
4. 반탄화 장치 Lab Scale 유동 해석 125
5. 반탄화 장치 Lab Scale 실험[원문불량;p.112] 132
6. 반탄화 장치 Pilot Scale 수치해석 133
7. 선회기류장치 실험적 연구 136
제4절 파일럿 플랜트(5톤/일) 설계 및 제작 139
1. 고온 연소기술이 결합된 torrefaction 공정의 설계(5톤/일 규모) 139
2. 5톤/일 파일럿 플랜트 건조/반탄화 설비 설계 및 설치 150
3. 50톤/일 상업 공정 PDP 작성 168
제5절 타르 리포밍 기술 182
1. 타르 처리 촉매 설계/제조 및 reforming test 182
제3장 결론 199
제1절 회분 제거기술 199
제2절 고형연료 생산 기술 200
제3절 사업화 진행 201
〈표 1-1〉 REC 가중치 선정 결과(2018.05) 25
〈표 2-1-1〉 일반적인 바이오매스 회분 특성 36
〈표 2-1-2〉 대표적인 이온교환수지 특성 비교 47
〈표 2-1-3〉 1톤/일 파일럿 규모 저회분 바이오매스 공정 운전 데이터 49
〈표 2-1-4〉 EFB의 연료 특성 50
〈표 2-1-5〉 Ashless EFB의 연료 특성 51
〈표 2-1-6〉 케이스별 보일러 노내 최대 온도 총괄 전산해석 결과 62
〈표 2-2-1〉 반탄화 실험에 사용한 원료 우드펠릿의 분석결과 90
〈표 2-2-2〉 파일럿 반탄화 설비를 이용한 우드펠릿 기초 운전실험 결과 92
〈표 2-2-3〉 일정 온도 및 유량에서 체류시간 변화에 따른 반탄화 실험결과 93
〈표 2-2-4〉 파일럿 반탄화 설비를 이용한 우드펠릿 기초 운전실험 결과 95
〈표 2-2-5〉 Test 14 운전조건에서 분류된 반탄화 연료의 분석결과 96
〈표 2-2-6〉 파일럿 반탄화 설비를 이용한 우드펠릿 기초 운전실험 결과 97
〈표 2-2-7〉 바이오매스 반탄화 연속운전 분석결과 97
〈표 2-2-8〉 Ashless EFB 반탄화 연료의 분석결과 100
〈표 2-2-10〉 PKS 반탄화 연료의 분석결과 102
〈표 2-2-11〉 6mm 및 8mm 펠릿 운전조건 선정위한 예비실험 104
〈표 2-2-12〉 100시간 운전의 원료 및 제품의 분석결과 104
〈표 2-2-13〉 반탄화 실험에 사용한 원료 우드펠릿의 분석결과 109
〈표 2-2-14〉 균질한 반탄화 제품을 얻기 위한 운전조건들 117
〈표 2-2-15〉 반탄화 연료 대상 겉보기 밀도 측정 결과 118
〈표 2-3-1〉 등온흡습모델 123
〈표 2-3-2〉 수분활성도의 수학적 모델 123
〈표 2-4-1〉 반탄화 공정에 대한 실험결과와 모사결과 비교 144
〈표 2-4-2〉 공정 모델링에 사용된 Biomass 조성 정보 144
〈표 2-4-3〉 COMBPy 상부 배가스 조성 145
〈표 2-4-4〉 고온 연소기에 투입되는 디젤유 조성 146
〈표 2-4-5〉 5톤/일 파일럿 플랜트 건조/반탄화 설비의 개요 150
〈표 2-4-6〉 파일럿 건조/반탄화 설비의 운전 방법 159
〈표 2-4-7〉 우드펠릿 반탄화 실험결과 163
〈표 2-4-8〉 호주 톱밥 대상 건조/반탄화 생성물의 분석 결과 166
〈표 2-4-9〉 호주 석탄 대상 건조 생성물의 분석 결과 166
〈표 2-4-10〉 바이오매스 반탄화 설비의 공정기술서 171
〈표 2-5-1〉 Torrefaction volatile composition experimental conditions and yields 184
〈표 2-5-2〉 Acetic acid steam reforming 문헌조사 185
〈표 2-5-3〉 Ni 촉매 지지체로 사용 된 Zeolite, OSM, Aluminat의 종류 188
〈표 2-5-4〉 Ni/Zeolite의 Acetic acid reforming 결과 189
〈표 2-5-5〉 Ni/OSM의 Acetic acid reforming 결과 190
〈표 2-5-6〉 Ni/Alumina의 Acetic acid reforming 결과 192
〈표 2-5-7〉 온도별 Acetic acid reforming 결과 194
〈표 2-5-8〉 활성탄 제조 방법 196
〈표 2-5-9〉 BET 결과 197
[그림 1-1] 반탄화 원료 및 제품 21
[그림 1-2] 미활용자원의 청정연료 생산 패키지 시스템 개요 23
[그림 1-3] IEA의 반탄와 설비에 대한 성능평가지표 24
[그림 1-4] IEA 성능평가지표에 따라 평가한 각 기술의 점수 비교 24
[그림 1-5] IEA 기준 반탄화 기술표준에 맞춘 COMB 기술의 평가 25
[그림 1-6] EU의 반탄화 프로젝트 SECTOR 26
[그림 1-7] 일본 Ube Industry가 216MW 석탄화력 발전소에 60,000... 26
[그림 1-8] 세계 목재펠릿 수요 전망(상)과 전통적인 목재 펠릿 외에... 27
[그림 1-9] 다양한 바이오매스 원료 중 반탄화를 거쳐야 연료로 사용가능한 종류 비교 28
[그림 1-10] 세계 농림부산물의 발생량 비교 29
[그림 1-11] 팜부산물의 종류 29
[그림 1-12] 바이오매스로부터 저온 회분 추출 공정 개요 30
[그림 1-13] COMB 컬럼(좌)과 공정도(우) 31
[그림 1-14] 인도네시아 낙후지역 전기 공급 정책인 1V-1M정책과 인도네시아 산림자원을 이용한... 32
[그림 1-15] 바이오매스 가스화와 태양광을 이용한 hybrid 중소형 분산발전 시스템(사례) 33
[그림 1-16] 국내 바이오매스 수요 예상 전망 34
[그림 1-17] 연구원의 연구역량 발전계획서와 부합하는 사업 35
[그림 2-1-1] 저회분 바이오매스 연료화 공정도 37
[그림 2-1-2] 1톤/일 파일럿 규모 저회분 바이오매스 생산 설비 39
[그림 2-1-3] 1톤/일 파일럿 규모 저회분 바이오매스 생산 P&ID 40
[그림 2-1-4] 1톤/일 파일럿 규모 저회분 바이오매스 생산 공정도(lay-out) 41
[그림 2-1-5] 고온조건 전처리 실험 결과 42
[그림 2-1-6] 저온조건 전처리 실험 결과 43
[그림 2-1-7] 2단계 저회분 바이오매스 제조 공정 44
[그림 2-1-8] 입자 사이즈에 따른 칼륨 제거효율 45
[그림 2-1-9] pH에 따른 칼륨 제거효율 및 촉매의 경제성 45
[그림 2-1-10] 처리수 처리공정 및 필터 46
[그림 2-1-11] 여과사이즈에 따른 불순물 제거 모습 46
[그림 2-1-12] 이온금속성분(K, Na, Cl 등) 제거를 위한 이온교환공정 47
[그림 2-1-13] 이온교환수지 실험 결과 48
[그림 2-1-14] 1톤/일 규모 펠릿 성형 장치 49
[그림 2-1-15] EFB 처리 후 회분 제거율 52
[그림 2-1-16] EFB 처리 후 고형물질 회수율 52
[그림 2-1-17] EFB의 처리 전·후 회융점 측정 결과 53
[그림 2-1-18] EFB 연소에 따른 금속의 부식 상태 변화 53
[그림 2-1-19] 국내·외 미활용 바이오매스 적용 회분 제거 결과 54
[그림 2-1-20] 처리 전·후 바이오매스의 회분 특성 55
[그림 2-1-21] 국내·외 미활용 바이오매스 적용 회융점, 슬래깅/파울링 지수 56
[그림 2-1-22] 저회분 바이오매스의 미세먼지 감축효과 56
[그림 2-1-23] 표준 500MW급 미분탄 보일러 모델 형상 57
[그림 2-1-24] 석탄 및 EFB 샘플의 전 버너에 공급 방식 58
[그림 2-1-25] 공급 위치에 따른 석탄 및 EFB 샘플 공급 방식 도시 58
[그림 2-1-26] 보일러 출구에서의 각 케이스별 미연분 & NOx 배출량 59
[그림 1-2-27] 보일러 내 가스 온도 분포 60
[그림 2-1-28] 보일러 높이에 따른 수직단면 평균 온도 63
[그림 2-1-29] 보일러 높이에 따른 수직단면 평균 산소 농도 분포 63
[그림 2-1-30] 보일러 높이에 따른 수직단면 평균 산소 농도 64
[그림 2-1-31] 보일러 높이에 따른 수직단면 평균 이산화탄소 농도 분포 65
[그림 2-1-32] 보일러 높이에 따른 수직단면 평균 CO₂ 66
[그림 2-1-33] 케이스별 보일러 출구에서의 CO₂ 농도 67
[그림 2-1-34] 보일러 높이에 따른 수직단면 평균 CO 67
[그림 2-1-35] 케이스별 보일러 출구에서의 SOx농도 68
[그림 2-1-36] 보일러 높이에 따른 수직단면 평균 질소산화물 농도 분포 69
[그림 2-1-37] 보일러 높이에 따른 평균 NOx 70
[그림 2-1-38] 보일러 출구에서의 각 케이스별 미연분 및 NOx 배출량 71
[그림 2-1-39] 케이스별 보일러 출구에서의 SOx농도 73
[그림 2-1-40] 석탄과 R.EFB 혼소 시 주입 위치에 따른 보일러 단면 온도 분포 75
[그림 2-1-41] 석탄과 A.EFB 혼소 시 주입 위치에 따른 보일러 단면 온도 분포 75
[그림 2-1-42] 석탄과 T.EFB 혼소 시 주입 위치에 따른 보일러 단면 온도 분포 76
[그림 2-1-43] 석탄과 A.T.EFB 혼소 시 주입 위치에 따른 보일러 단면 온도 분포 76
[그림 2-1-44] 석탄과 R.EFB 혼소 시 주입 위치에 따른 보일러 단면 산소 농도 분포 78
[그림 2-1-45] 석탄과 A.EFB 혼소 시 주입 위치에 따른 보일러 단면 산소 농도 분포 78
[그림 2-1-46] 석탄과 T.EFB 혼소 시 주입 위치에 따른 보일러 단면 산소 농도 분포 79
[그림 2-1-47] 석탄과 A.T.EFB 혼소 시 주입 위치에 따른 보일러 단면 산소 농도 분포 79
[그림 2-1-48] 분사위치별 R..EFB 10% 혼소 시 보일러 단면 NOx 농도 분포 81
[그림 2-1-49] 분사위치별 A.EFB 10% 혼소 시 보일러 단면 NOx 농도 분포 81
[그림 2-1-50] 분사위치별 T.EFB 10% 혼소 시 보일러 단면 NOx 농도 분포 82
[그림 2-1-51] 분사위치별 A.T.EFB 10% 혼소 시 보일러 단면 NOx 농도 분포 82
[그림 2-1-52] 분사위치별 R.EFB 10% 혼소 시 보일러 단면 burnout 분포 84
[그림 2-1-53] 분사위치별 A.EFB 10% 혼소 시 보일러 단면 burnout 분포 84
[그림 2-1-54] 분사위치별 T.EFB 10% 혼소 시 보일러 단면 burnout 분포 85
[그림 2-1-55] 분사위치별 A.T.EFB 10% 혼소 시 보일러 단면 burnout 분포 85
[그림 2-2-1] 파일럿 반탄화기의 장치 구성도 86
[그림 2-2-2] 파일럿 반탄화기의 배치도 87
[그림 2-2-3] 파일럿 반탄화 컬럼 구조 및 상세도 88
[그림 2-2-4] 파일럿 반탄화 설비의 설치 모습 89
[그림 2-2-5] 다양한 바이오매스 원료 유량범위 및 형상 90
[그림 2-2-6] Flat type Pelletizer 모습(30HP, 50kg/hr) 91
[그림 2-2-7] 회분제거된 EFB의 white pellet 제조 과정 91
[그림 2-2-8] 기초 운전조건에서 생산된 반탄화 연료의 모습 93
[그림 2-2-9] 체류시간 변화에 따라 배출된 반탄화 연료의 모습 94
[그림 2-2-10] Test 14 조건에서 생산된 반탄화 펠릿의 분류 96
[그림 2-2-11] COMBPy 50시간 반탄화 운전 온도 모니터링 결과 98
[그림 2-2-12] COMBPy 50시간 반탄화 운전 차압 및 유량 모니터링 결과 99
[그림 2-2-13] Column 하부 및 백필터의 모습 99
[그림 2-2-14] Ashless EFB 반탄화 연료의 분석 그래프 101
[그림 2-2-15] PKS 반탄화 연료의 분석 그래프 102
[그림 2-2-16] COMBPy 100시간 연속운전 온도 모니터링 결과 105
[그림 2-2-17] COMBPy 100시간 연속운전 유량 모니터링 결과 105
[그림 2-2-18] COMBPy 100시간 연속운전 차압 모니터링 결과 106
[그림 2-2-19] 반탄화된 우드펠릿의 수분재흡착 특성 평가 107
[그림 2-2-20] 우드펠릿과 반탄화 펠릿의 외부 방치 모습 107
[그림 2-2-21] 외부 방치된 우드펠릿과 반탄화펠릿의 수분함량 변화결과 108
[그림 2-2-22] 반탄화 펠릿의 Van Krevelen diagram 109
[그림 2-2-23] 반탄화 연료의 중량감소 110
[그림 2-2-24] 반탄화 연료의 DTG curve 111
[그림 2-2-25] 6mm 반탄화 펠릿의 공인성적서(발열량) 113
[그림 2-2-26] 8mm 반탄화 펠릿의 공인성적서(발열량) 114
[그림 2-2-27] 반탄화 연료의 분쇄도 평가 115
[그림 2-2-28] 반탄화 설비의 에너지효율 계산 black box 115
[그림 2-2-29] 반탄화 전후 white pellet과 black pellet 모습 118
[그림 2-2-30] 고품질 black pellet의 공인성적서 119
[그림 2-3-1] 다양한 입자 모양에 따른 항력계수 120
[그림 2-3-2] 입자밀도에 따른 항력변화 121
[그림 2-3-3] 건조 물질전달 메커니즘 122
[그림 2-3-4] 열풍의 물성과 건조와의 관계 124
[그림 2-3-5] Sherwood수 관계식 125
[그림 2-3-6] 열풍온도, 상대습도, 열풍속도에 따른 계산결과 125
[그림 2-3-7] COMB 개념도 및 장치 사진 126
[그림 2-3-8] 다중흐름판 막힘현상 시뮬레이션 결과 및 막힘 방지안 127
[그림 2-3-9] 수치해석 도메인(Reference case, Baffle-Flat)과 결과 127
[그림 2-3-10] 기존의 다중흐름판 형상 및 제안된 다중흐름판 형상 128
[그림 2-3-11] DEM 기법의 특징 및 지배방정식 129
[그림 2-3-13] V shape 다중흐름판 계산 결과 131
[그림 2-3-14] Wavy shape 다중흐름판 계산 결과 131
[그림 2-3-15] Lab Scale 실험 결과[원문불량;p.112] 132
[그림 2-3-16] Pilot Scale 계산 조건 133
[그림 2-3-17] Pilot Scale 계산 결과(속도장, 압력장) 134
[그림 2-3-18] 다중흐름판 변경 조건 134
[그림 2-3-19] 다중흐름판 개방유로 비율 변경에 따른 계산 결과 135
[그림 2-3-20] 상세 분석 결과 136
[그림 2-3-21] 선회기류 기초실험장치 및 점핑요철을 통한 선회 유도 137
[그림 2-3-22] 선회기류 장치 시작품 138
[그림 2-4-1] EFB를 대상으로 반탄화시켰을 때 배가스 내 조성 분석 139
[그림 2-4-2] 고온 연소기 연계 반탄화 공정의 Schematic Diagram 140
[그림 2-4-3] 온도에 따른 탈휘발물질의 실험결과와 모델링 결과 비교 142
[그림 2-4-4] Aspen Plus에서 가상장치와 COMBPy에 따른 물질 흐름 143
[그림 2-4-5] 반탄화 공정(5 tpd 규모)에 대한 Aspen Plus 기반 모델링 143
[그림 2-4-6] 고온 연소기 연계 반탄화 공정(5 tpd 규모)에 대한 Aspen Plus 기반 모델링 147
[그림 2-4-7] 고온 연소기가 결합된 Biomass 반탄화 공정(Biomass Feed 200kg/hr... 148
[그림 2-4-8] 공정 Simulation 결과를 기반으로 도출된 기본 설계 도면 149
[그림 2-4-9] 200kg/hr 파일럿 플랜트 건조반탄화 설비의 PFD 151
[그림 2-4-10] 200kg/hr 파일럿 플랜트 건조/반탄화 실험설비의 P&ID(1) 152
[그림 2-4-11] 200kg/hr 파일럿 플랜트 건조/반탄화 실험설비의 P&ID(2) 153
[그림 2-4-12] 200kg/hr 파일럿 플랜트 건조/반탄화 설비 배치도 154
[그림 2-4-13] 200kg/hr 파일럿 플랜트의 역흐름 다중 방해판 설계부 155
[그림 2-4-14] 5톤/일 파일럿 플랜트 156
[그림 2-4-15] 파일럿 건조/반탄화 설비 2차년도 제작 및 설치 157
[그림 2-4-16] 파일럿 건조/반탄화 설비 이전 및 최종 설치 모습 158
[그림 2-4-17] 건조/반탄화 설비의 feeder 공급량 곡선 158
[그림 2-4-18] 파일럿 건조/반탄화 설비의 시운전 모습 160
[그림 2-4-19] 싸이로 내부 교반기 설치 모습 160
[그림 2-4-20] 온도 모니터링 위치 161
[그림 2-4-21] 시운전시 온도 모니터링 결과 161
[그림 2-4-22] 파일럿 건조/반탄화시 사용 원료들 162
[그림 2-4-23] 우드펠릿 반탄화 실험시 온도 모니터링 결과 163
[그림 2-4-24] 반탄화된 우드펠릿의 모습 163
[그림 2-4-25] 호주 톱밥 대상 건조/반탄화 생성물의 모습 164
[그림 2-4-26] 호주 톱밥의 건조 실험시 온도 모니터링 결과 165
[그림 2-4-27] 톱밥 건조 생성물을 이용한 반탄화시 온도 모니터링 결과 165
[그림 2-4-28] 호주 고수분 석탄 건조 실험시 온도 모니터링 결과 167
[그림 2-4-29] 50톤/일 규모 상업 규모 반탄화 공정 Simulation Model 169
[그림 2-4-30] 50톤/일 규모 상업 규모 반탄화 공정 Heat & Material Balance Table 170
[그림 2-4-31] 50톤/일 규모 상업 규모 반탄화 공정 PFD 172
[그림 2-4-32] 50톤/일 규모 상업 규모 반탄화 공정 P&ID 173
[그림 2-4-33] 50톤/일 규모 상업 규모 반탄화 공정 System Configuration 174
[그림 2-4-34] 50톤/일 규모 상업 규모 반탄화 공정 Plot plan 175
[그림 2-4-35] 50톤/일 규모 상업 규모 반탄화 공정 주요 장치 Datasheet 176
[그림 2-4-36] 50톤/일 규모 상업 규모 반탄화 공정 Material Selection Diagram 177
[그림 2-4-37] 50톤/일 규모 상업 규모 반탄화 공정 Equipment List 178
[그림 2-4-38] 50톤/일 규모 상업 규모 반탄화 공정 Instrument List 179
[그림 2-4-39] 50톤/일 규모 상업 규모 반탄화 공정 Utility Summary 180
[그림 2-4-40] 50톤/일 규모 상업 규모 반탄화 공정 장치비 181
[그림 2-5-1] 바이오매스의 lignocellulose 함량 182
[그림 2-5-2] 온도에 따른 바이오매스 영향 183
[그림 2-5-3] 반탄화 공정에서 생성되는 물질 183
[그림 2-5-4] 바이오매스 반탄화의 mass and energy yield 184
[그림 2-5-5] Impregnation & Incipient Wetness Impregnation(IWI) method 186
[그림 2-5-6] 저등급석탄지지체를 이용하여 제조한 금속의 TEM images 186
[그림 2-5-7] Acetic acid steam reforming 결과, H₂ yield, C₁ 선택도 187
[그림 2-5-8] Ni/Zeolite의 H₂ yield, C₁ 선택도 결과 189
[그림 2-5-9] Ni/ZMAX T1의 TEM image 190
[그림 2-5-10] Ni/OSM의 H₂ yield, C₁ 선택도 결과 190
[그림 2-5-11] Ni/Z-3122(OSM)의 TEM image, EDAX 191
[그림 2-5-12] Ni/Alumina의 H₂ yield, C₁ 선택도 결과 193
[그림 2-5-13] 9-Ni/Puralox-SCFa-140-L3, 16-Ni/Siralox-5-155,... 193
[그림 2-5-14] 400-450-500℃ 온도 구간에서의 H₂ yield, C₁ 선택도 결과 194
[그림 2-5-15] a) 250℃에서 H₂ yield, b) Pd/Eco, Rh/Eco의 온도별 H₂ yield 195
[그림 2-5-16] Ni/AC CO₂ methanation 결과 및 BET 결과 198
[그림 2-5-17] Ni/AC CO₂ methanation 결과 및 Mesopore, Micropore ratio 198