Waste management has become a very crucial issue in many countries, due to the ever-increasing amount of waste material. Recent studies have focused on an innovative technology, gasification that has been demonstrated to be one of the most effective and environmentally friendly methods of solid waste treatment and energy utilization. In this study, a gasification process has been investigated systematically by numerical simulation, in order to obtain optimum design conditions for a commercial-scale facility of an updraft fixed-bed gasifier. Turbulent flow field was calculated with the incorporation of the proper flow model for turbulence and inertial resistance for the porous region of SRF loading. The calculated temperature and pressure drop (ΔP) at exit of the gasifier were in good agreement with measured values. Next, a detailed thermochemical model was employed to estimate the syngas composition by gasification. Results showed that a better plant solution depends on both the air-fuel ratio (AFR) and the steam and carbon mole ratio (S/C). In this study, the gasification efficiency was best at an AFR of 0.25-0.3 and an S/C below 0.5.

우리들의 일상생활에서 배출하는 쓰레기와 공장 등의 생산활동에 수반하여 발생하는 폐기물은 위생적인 환경을 유지하도록 최종처분 량 삭감을 목표로 하고 또한 환경에 대하여 유해한 영향이 미치지 않도록 처리가 요구되고 있다. 현재 주요 폐기물 처리기술인 소각이 완전산화 형 소각으로 감량과 열 이용을 목표로 하는데 반하여, 가스화는 열분해라는 다양한 이용가능성이 있는 가스를 빼내는 기술이다. 이때 얻어진 가스는 에너지로 이용하게 되지만 가스화만 으로는 이용 폭이 좁아 석유정제처럼 개질(reforming)을 하여 용도에 따라 유용한 가스로 변환･정제할 필요가 있다. 그런 까닭에 본 보고에서는 어떠한 방법으로 폐기물계 바이오매스로부터 유용한 성분을 효율적으로 빼 낼 것인가 혹은 그 반대로 불필요하고 지장이 되는 물질의 생성을 어떻게 억제할 것인가에 역점을 두었다. 그리고 가능한 한 저온에서 처리함으로써 에너지소비를 최대한 억제 할 필요가 있는데, 그것은 촉매이용이 가장 유효한 것으로 파악되고 있다.

석탄가스화 복합발전(IGCC)은 석탄을 고온 고압의 조건에서 산화제(산소 또는 공기) 또는 수증기와 반응시켜 합성가스(CO + H2)로 전환시키는 공정과 유해가스 정제공정 그리고 전력을 생산하는 발전 공정 등의 싸이클이 결합된 복합 시스템이다. 이러한 IGCC 발전방식에 의한 효율향상은 기존의 미분탄 발전방식에 비해 CO2 와 SOx와 NOx 발생을 현실적으로 저감시킬 수 있는 방법이며 기타 바이오매스나 폐기물 연료에도 적용이 가능한 기술로서 이에 대한 일련의 연구가 지속적으로 수행되어오고 있다. 분류층 가스화기는 고정층 가스화기와 같이 뚜렷하지는 않지만 일반적으로 열분해와 휘발화 물질 연소영역, 가스화와 연소가 동시에 발생하는 영역 그리고 순수한 가스화 영역 등 3개의 특성을 가진 영역으로 구분된다. 이렇게 다른 영역에서 석탄 입자나 검댕이 그리고 수증기를 포함하는 가스화기내의 온도분포는 당연히 다양한 입자 구성 매질특성 때문에 복사열전달에 큰 영향을 받는다. 이러한 복사 열전달의 효과는 본격적으로 온도가 상승하지 않은 미연지역보다는 온도가 높으며 검댕이(soot)와 CO2나 H2O와 같이 복사에 관여하는 물질이 많은 화염대 후류 영역에서 복사열전달이 더욱 중요한 인자가 되는 것으로 나타나고 있다. 본 연구에서는 습식 석탄가스화 장치에서 석탄입자의 크기분포에 따른 내부 열유동 분포 변화와 가스화 효율에 미치는 영향에 대한 상관관계를 살펴보았다. 석탄 가스화를 위한 수치해석은 가스와 입자의 2상 반응유동에 대한 많은 물리적인 모델들을 포함하고 있으며 모델검증에 필요한 석탄의 반응성과 실제 가스화기의 운전결과와 같은 방대한 실험적인 자료를 필요로 한다. 본 연구에서는 1.0ton/day 용량의 가스화기를 대상으로 석탄의 입도분포에 따른 전산해석을 수행하였다. 계산결과는 물리적으로 의미 있는 결과를 나타내었으며 특히 평균입도보다 큰 입자의 존재는 그 질량 분율이 크게 많지 않은 경우에도 가스화의 성능에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 나타나고 있다.

In order to ensure the high carbon conversion in a short residence time in a coal slurry entrained gasifier, the objectiveof this study lies in to investigate the effect of important variables to influence on the complex reacting flow and therebyto clarify the physical feature occurring inside the gasifier using a comprehensive gasifier computer program. To this end,the gasification process of a 1.0ton/day gasifier is numerically modeled using the code of Fluent and systematicallyinvestigated with the change of major design and operation parameters. Special emphasis is given on the effect of theparticle size distribution on the gasification process, since it is associated with various length and time scales via multi-phase and with complex reacting flows. Three different particle sizes are tested for a given coal mass flow rate, the firstis 70µm mean diameter with Rosin-Rammler distribution based on the actual measurement. But in the other two casestwo uniform mean particle diameters are employed, that is, very fine 1µm and 70µm with mean diameter itself. Thecalculation results of these three cases show quite different flow pattern, temperature and reacting flows probably causedby the different particle trajectory as well as reaction rate. However, the results obtained can be explained in a consistentmanner with particle size. Especially, it is noted that the presence of coal particle, the diameter of which is larger thanthat of mean diameter of Rosin-Rammler distribution, shows a significantly retarded gasification reaction in a gasifier,even if its mass fraction is less than 50%.

화석에너지의 고갈과 지구온난화 등 범지구적인 문제가 전 세계적인 당면과제로 떠오르면서 기존의 폐기물 처리･처분에 패러다임은 폐자원 에너지화라는 새로운 패러다임으로 변화하고 있다. 특히 우리나라의 경우 에너지 수입의존도가 높고, 국내 신재생에너지 보급 현황 중 폐기물 에너지가 차지하는 부분이 차지하는 비중에 가장 높기 때문에 그 중요성이 다른 나라에 비해 더욱 높다 할 수 있다. 폐기물 가스화 기술은 폐기물을 이용한 다양한 에너지원으로 자원화 하는 기술로서 가스화를 통해 생산된 합성가스를 이용하는 산업과 밀접한 연관성을 갖고 있다. 가스화 공정은 석탄, 중질 잔사유, 석유코크스, 바이오매스, 폐기물 등의 탄소를 함유하는 모든 물질에서 H₂와 CO의 합성가스를 생성하는 공정이다. 현재 대부분의 연구들이 석탄의 가스화 특성에 초점을 맞추고 있으나 본 연구에서는 가스화하는 연료의 범위를 폐기물, 즉 바이오매스인 wood, rice husk, saw dust 등으로 반응기 내 가스화 특성에 대하여 수치해석을 수행하고자 한다. 본 연구에서는 가스화 장치 중에서 고정층 가스화 장치에 대한 연구를 수행하였으며 가스화 장치의 다양한 형상 및 입출구 조건, 가연성 폐기물의 조건에 대하여 수치해석적인 연구방법을 통하여 다양한 변수연구를 수행하였다. 이전의 일련의 연구를 통하여 폐기물 연료 중 RPF를 사용한 경우 가스화 효율 향상을 위한 최적의 당량비와 S/C(steam/carbon)비에 대하여 의미 있는 결과를 도출하였으며 이런 기본적인 연구결과를 바탕으로 폐기물의 종류 및 스팀의 주입각, 고정층 가스화 장치의 형상 변화에 대한 연구를 수행하여 결과를 도출하였다. 장치의 형상 변화에 따라 내부 열유동 양상이 다르게 나타나므로 이것은 설치할 위치는 공간을 고려하여 각각 연구를 해야 하는 부분이라고 판단된다. 스팀의 주입각은 가스화제들의 혼합효율에 영향을 주어 혼합이 가장 양호하게 되는 90° 주입각을 가질 때 미분탄소의 양이 가장 적게 배출되면서 CO와 H₂의 발생량이 증가된 것으로 나타났다. 폐기물의 종류에 따른 연구는 폐타이어, 폐합성수지, 폐지, 폐목재에 대한 연구를 수행하였는데 각각의 폐기물마다 원소분석치가 다르기 때문에 상대적으로 탄소(C)성분이 적은 폐지와 폐목재의 경우 RPF에 비해 상대적으로 가스화반응과 관계가 있는 CO의 발생량이 감소한 것으로 나타났다.