A 바이오매스 가스화기 나무조각, 왕겨, 농업폐기물 등 고체 유기물질을 저산소 환경에서 부분 연소를 통해 생성가스(또는 합성가스)라는 가연성 가스 혼합물로 변환하는 반응기입니다. 바이오매스를 완전히 태우는 대신 가스화기는 산소 공급을 대략적으로 제한합니다. 완전 연소에 필요한 양의 20-40% 이로 인해 물질이 일산화탄소, 수소, 메탄 및 기타 가스로 분해되어 엔진, 터빈 또는 버너에서 연소될 수 있습니다.
이는 산업 및 농촌 시설이 농작물 잔재물이나 목재 폐기물과 같이 폐기될 수 있는 폐기물을 사용 가능한 열이나 전기로 전환할 수 있기 때문에 실질적으로 중요합니다. 마른 목재 칩에서 작동하는 잘 설계된 하강 기류 가스화기는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있습니다. 70-85%의 차가운 가스 효율 이는 바이오매스의 원래 에너지 함량 대부분이 변환 중에 열로 손실되지 않고 출력 가스에서 사용될 수 있음을 의미합니다.
가스화기 내부에서 바이오매스는 반응기를 하강하거나 통과할 때 4개의 서로 다른 열화학 구역을 통해 이동합니다. 이러한 단계를 이해하면 공급원료의 수분과 입자 크기가 전체 성능에 그토록 중요한 이유를 알 수 있습니다.
100~200°C에서는 화학적 분해가 시작되기 전에 바이오매스에 갇힌 수분이 증발합니다. 수분이 25%를 넘는 공급원료는 가스화기가 재료를 건조하는 데에 열의 불균형한 몫을 소비하게 하여 사용 가능한 가스 출력을 낮춥니다.
200~600°C 사이에서 건조된 바이오매스는 산소 없이 열분해되어 휘발성 가스를 방출하고 숯을 남깁니다. 이 단계에서는 나중에 가스 정화 시스템에서 관리해야 하는 대부분의 타르 화합물이 생성됩니다.
여기에 주입된 제한된 공기는 숯과 휘발성 물질의 일부를 연소시켜 다음과 같은 온도를 생성합니다. 1,000-1,200°C 바로 아래에서 일어나는 흡열 환원 반응을 유도합니다.
700~900°C에서 이산화탄소와 수증기는 남은 숯과 반응하여 생성자에게 연료 가치의 대부분을 제공하는 두 가지 가스인 일산화탄소와 수소를 형성합니다.
가스화기는 주로 공기와 연료가 원자로를 통해 서로 상대적으로 이동하는 방식에 따라 분류됩니다. 각 설계에는 타르 생산량, 규모 적합성 및 공급 원료 허용 오차가 뚜렷하게 상충됩니다.
| 가스화기 유형 | 타르 출력 | 최고의 규모 |
|---|---|---|
| 상승 기류 | 높음(10-150g/Nm³) | 직접 열, 대형 산업 |
| 하강 기류 | 낮음(0.1-3g/Nm³) | 중소형 발전 |
| 교차 초안 | 중간(1~3g/Nm³) | 소규모 숯 공급원료 |
| 유동층 | 중간(1-15g/Nm³) | 대규모 산업용, 가변 공급원료 |
엔진을 통한 전기생산을 위해서는, 하강 기류 가스화 장치는 가장 널리 배포되는 설계입니다. 타르 배출량이 낮아 가스 청소 장비의 부하를 줄이고 엔진 부품이 오염되는 것을 방지하기 때문입니다.
모든 바이오매스가 가스화기 내부에서 동일하게 작동하는 것은 아닙니다. 수분 함량, 회분 함량 및 발열량은 함께 특정 공급원료가 생산할 수 있는 사용 가능한 가스의 양을 결정합니다.
| 공급원료 | 수분 함량 | 발열량 |
|---|---|---|
| 우드칩(건조) | 10-20% | 15-18MJ/kg |
| 왕겨 | 8-12% | 13-15MJ/kg |
| 사탕수수 사탕수수 | 15-25% | 14-16MJ/kg |
| 코코넛 껍질 | 8-15% | 18-20MJ/kg |
실무상 원칙적으로 공급원료는 다음 온도까지 건조되어야 합니다. 수분 함량 20% 대부분의 하강 기류 가스화기에 들어가기 전에, 더 습한 물질은 가스 발열량을 낮추고 작동 중에 연소 구역을 완전히 끌 수 있기 때문입니다.
바이오매스 가스화기에서 나오는 가스는 가연성 성분과 불활성 성분의 혼합물입니다. 정확한 비율은 공급원료와 가스화기 설계에 따라 다르지만 일반적인 하향 기류 출력은 상당히 일관된 범위 내에 있습니다.
| 구성 요소 | 일반적인 점유율 |
|---|---|
| 일산화탄소(CO) | 17-22% |
| 수소(H2) | 15-20% |
| 메탄(CH4) | 1-3% |
| 이산화탄소(CO2) | 10-15% |
| 질소(N2) | 45-50% |
이 구성은 생성 가스에 대략적인 발열량을 제공합니다. 4.5-5.5MJ/Nm3 이는 천연 가스보다 훨씬 낮지만 올바른 공연비로 공급될 때 불꽃 점화 엔진을 작동하기에 충분하며 일반적으로 엔진의 정격 천연 가스 출력에 비해 20-30% 감소해야 합니다.
바이오매스 가스화기의 생성 가스는 시설의 규모와 최종 목표에 따라 여러 가지 독특한 방식으로 사용될 수 있습니다.
이들 중에서 100kW~1MW 범위의 분산 발전은 가장 일반적인 상업적 배치로 남아 있으며, 특히 이미 현장에서 부산물로 바이오매스 폐기물을 생성하는 정미소나 제재소와 같은 시설의 경우 더욱 그렇습니다.
가스화기 시스템이나 공급업체를 비교할 때 몇 가지 지표를 통해 특정 설계가 이상적인 실험실 설정이 아닌 실제 작동 조건에서 안정적으로 작동하는지 여부를 알 수 있습니다.
이는 냉각되고 정화된 생산 가스에 포함되는 바이오매스 에너지 함량의 비율을 측정합니다. 잘 설계된 하강 기류 시스템이 도달합니다. 70-85% 반면, 단열이 잘 안되거나 크기가 너무 큰 장치는 60% 미만으로 떨어질 수 있습니다.
반응기 단면적 제곱미터당 시간당 소비되는 바이오매스 kg으로 표현되며, 이는 일반적으로 100-300kg/h/m² 범위의 특정 전력 출력에 대해 가스화기가 얼마나 컴팩트할 수 있는지를 결정합니다.
이는 안정적인 가스화를 유지하면서 최대 용량에서 생산량을 얼마나 줄일 수 있는지를 나타냅니다. 대부분의 고정층 설계는 3:1 ~ 4:1 턴다운 비율 가스 품질이 저하되기 전에.
대부분의 가스화기 저조한 성능은 몇 가지 반복되는 운영 문제로 거슬러 올라가며, 각 문제에는 잘 정립된 완화 접근 방식이 있습니다.
적절한 가스 청소 과정을 건너뛰는 시설에서는 엔진 유지 관리 간격이 일반적인 수준보다 줄어들고 있다고 보고합니다. 4,000~6,000시간의 작동 시간을 1,000시간 미만으로 단축 , 청소 시스템은 전체 설정에서 가장 높은 가치의 투자 중 하나입니다.
가스화기, 가스 정화 트레인, 엔진 발전기 세트를 포함한 전체 바이오매스 가스화 전력 시스템에 대한 자본 비용은 일반적으로 다음과 같습니다. kW당 $800~$1,500 고정된 장비 오버헤드로 인해 더 작은 시스템의 kW당 비용이 높아집니다.
폐기물 바이오매스가 현장에서 사용되는 경우 운영 비용은 공급원료 자체보다는 공급원료 처리 및 준비에 의해 좌우됩니다. 이는 건조, 치핑 및 운송이 지속적인 비용의 대부분을 차지하면서 재료가 사실상 자유로울 수 있기 때문입니다. 디젤 발전을 대체하는 시설의 경우 투자 회수 기간은 2~4년 디젤 비용이 리터당 0.80달러를 초과하고 안정적인 바이오매스 폐기물 흐름이 이미 이용 가능한 경우 일반적으로 보고됩니다.
적절한 시스템을 선택하는 것은 용량만을 기준으로 선택하는 것이 아니라 사용 가능한 공급원료 및 최종 용도에 맞는 가스화기 설계 및 규모에 따라 달라집니다.
가스화기 성능은 대부분의 다른 화력 발전 기술보다 연료 품질에 훨씬 더 민감하기 때문에 처음부터 공급원료 특성에 정확하게 크기를 맞추고 일치하는 시스템은 용량 수치만으로 선택된 시스템보다 지속적으로 성능이 뛰어납니다.
