열분해와 가스화 기술은 유기성 폐자원 또는 바이오매스로부터 에너지를 회수할 수 있는 유용한 기술로 생산된 생성가스는 연소기, 가스터빈, 엔진 등의 화석 대체연료, 연료전지 연료, 메탄올과 탄화수소의 생산, 수소 및 합성천연가스 생산 원료 등 다양한 분야에 적용이 가능하다. 그러나 열분해 및 가스화 시 발생되는 가스에는 중질 탄화수소로 이루어진 타르를 포함하고 있다. 타르는 생성가스를 이용하는 후속공정에서 해결해야 할 다양한 문제를 일으키는 요인이다. 그 대표적인 예로 가스 터빈 및 내연기관에 사용하기 전에 압축 과정을 필요한데 이 과정 중 생성가스에 포함된 타르 성분은 응축되어 관로의 막힘이나 엔진 및 터빈 내부의 손상을 가져온다. 그러므로 타르의 제거는 열분해/가스화 공정에서 필요한 가스 처리기술이다. 타르의 촉매 크래킹과 개질에 의한 생성가스 전환과 같은 고온 청정가스 기술은 가스화 공정에서 타르문제를 해결하는 가장 좋은 방법으로 알려져 있다. 귀금속 촉매는 촉매 활성이 상당히 우수하나 가격이 비싸고 탄화물 참착(coke deposition)에 의한 탈활성화(deactivation)에 대하여 매우 민감한 특성을 가지고 있어 대체 방안으로 활성탄, 석탄 촤, 바이오매스 촤 등의 탄화물이 타르 크래킹이나 개질 촉매 또는 그 지지체 적용에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 상용 활성탄을 마이크로웨이브 탄소 수용체로 하여 벤젠 전환 특성을 파악하기 위하여 크래킹 분해와 이산화탄소-수증기 혼합 또는 각각에 대한 개질 전환에 대하여 실험을 진행하였다. 또한, 탄소 수용체의 촉매 담체 특성을 파악하기 위해 활성탄에 니켈과 철을 함침 코팅한 후 건조하여 만들어진 탄소 수용체 촉매에 대한 타르전환과 생성가스 특성을 파악하였다. 벤젠 전환은 크래킹만 하였을 경우 99%로 가장 크고 이산화탄소만 공급된 경우 98.5% 그 다음이고 이어서 이산화탄소-수증기가 동시에 공급된 경우 95-97% 그리고 수증기만 공급된 경우 94%의 순으로 작은 값을 가졌다. 촉매 탄소 수용체의 벤젠 전환은 이산화탄소 개질의 경우 니켈과 철 촉매 모드 미세하게 증가되었으며 H2/CO비는 감소되었으나 발열량은 증가되었다. 반면 수증기 개질의 경우 두 촉매 모두 벤젠 전환율이 다소 감소되었으나 H2/CO비와 발열량이 증가되었다.

현대의 경제적인 번영과 함께 가축 및 유제품에 대한 전 세계적인 수요는 지속하여 증가해왔다. 이에 가축의 광대한 수요는 환경문제를 일으키지 않는 가축 분뇨 처리에 대한 많은 걱정을 불러 일으켰다. 가축 분뇨의 탄소 중립성 때문에 가축 분뇨가 재생 가능한 탄소 원으로서 고려할 때 바이오 연료의 원료로서 가축 분뇨를 이용하는 것은 친환경 적이고 에너지 회수에 있어 지속 가능한 방법이다. 그러므로 가축 분뇨를 처리하는 친환경적이고 효과적인 기술을 고안하는 것은 중요하다. 이러한 관점에서 이산화탄소를 이용한 바이오매스의 열분해가 연구되어져 왔고 이산화탄소가 바이오매스 열분해의 열효율을 증대시킨다는 것이 밝혀졌다. 본 연구는 에너지 회수 뿐 만 아니라 벤젠 유도체의 형성 저감의 관점에서 우분의 열적 분해 동안에 이산화탄소의 역할에 대한 이해에 대하여 주로 다루고 있다. 우선 우분의 열중량분석을 통해 질소와 이산화탄소 조건에서 열적 분해특성을 알아보기 위하여 수행되어졌다. 다음으로 반응 열화학 공정에서 매개체로서 이산화탄소의 도입은 질소대비 일산화탄소의 농도가 향상되었다. 이러한 결과는 이산화탄소에 의해 향상된 열분해로부터 유도되어진 휘발성 유기물질들과 이산화탄소의 직접 반응하는 열적 분해로부터 초래 되었다. 게다가 열분해로부터 발생되어진 타르에서 벤젠 유도체들의 양은 열분해 매개체로서 질소 대신에 이산화탄소를 사용할 때 감소되어졌다. 이러한 연구의 결과는 전통적인 열화학 공정들보다 더 향상된 에너지 회수를 보이고 더 적은 오염 물질들을 방출하는 새로운 방식의 지속가능한 가축 분뇨 처리 방법임을 제시한다.

Refuse plastic fuel (RPF) as materials for the recycling processes (Materiel Recycling) present difficulties with the mixing, the demolishing, the molding and the drying steps. While using RDF as a fuel by pyrolysis, accompanying tar and soot causes many problems like clogging, the corrosion and the erosion of the chloride channel. Using the intermittent pyrolysis equipment during the decomposition of the RPF gases H2, CH4, CO and among the by-products of Cl2 and HCl, Tar is produced in a large quantity. With understanding the by-products decomposition system of the Cl2, H2, Tar and the gases H2, CH4, CO we can understand the nature of the generation of the products. The experimental conditions were chosen according to the temperature of the decomposition (300 ~ 900oC), While varying RPF 2 g, pyrolysis temperature 700oC during a holding time of 32 min : the H2 gas 1.71%, CH4 2.54%, CO 4.63%, Cl2 12.86 ppm, HCl 30.2 ppm were composed. Also light tar benzene 18.45 g/m3, naphthalene 0.86 g/m3, anthracene 0.09 g/m3, pyrene 0.04 g/m3, gravimetric tar 31.8 g/m3, and char 0.45 g was formed.

바이오매스의 가스화 기술은 바이오매스를 합성가스로 변환하여 보일러, 엔진, 가스터빈 등에 직접적으로 활용하거나 화학적 변환을 통해 연료를 생산하는 등 에너지 밀도를 높이고 수송, 저장을 용이하게 할 수 있는 기술이다. 가스화 공정에서 바이오매스는 열분해 과정을 거치며 타르(다양한 종류의 탄화수소)와 가스가 생성된다. 이때, 타르는 약 350℃ 내외에서 응축되기 시작하며, 가스화기 등 각종 설비의 후단에 배관 막힘, 부식, 열전달 저하, 촉매 반응성 저하 등의 문제를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 가스화기 내부에서 일차적으로 타르를 저감하는 방법에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 저속 열분해를 통해 생성된 타르의 특성에 대해 파악하였으며, 반응기 내부에서 가스의 체류시간 및 반응에 사용되는 촤(char)의 유/무 및 종류에 따른 타르의 분해 특성에 대해 분석하였다. 실험에 사용된 바이오매스 샘플은 전나무이며, 입자 크기는 1 cm³ 이고, 수분함량은 7.8%, 회분 함량 0.6%, 휘발분/고정탄소 비는 4.65으로 나타났다. 타르의 분해를 위해 사용된 촤는 미세 표면적, 기공분포, 밀도가 서로 다른 3 종류의 바이오매스(Paddy straw, PKS, 전나무)를 대상으로 열분해(800℃)를 통해 생산하였으며, 입자 크기를 0.5-1 mm 크기로 분류하여 실험하였다. 본 연구에서는 저속 열분해와 타르 분해 실험(열적 분해/촤 촉매반응)으로 나누어 실험을 진행하였다. 두 실험에 사용되는 반응기는 서로 직렬로 연결되어 있어 저속 열분해에서 생성된 열분해 증기(타르, 가스)가 타르 분해 반응기를 통과한다. 열분해는 고정층 반응기를 사용하여 최종 온도 500℃까지 약 10℃/min으로 승온 하였으며, 퍼지 가스는 질소(1.5 l/min)를 사용하였다. 타르 분해 반응기의 온도는 800℃로 유지하였고, 열분해 증기의 체류시간을 1, 3, 5초로 나누었고, 3종류의 촤를 사용해 타르의 전환 특성을 파악하였다. 저속 열분해의 생성물 수율은 촤 26.0%, 가스 22.8%, 수분/타르 51.2%로 나타났다. 열적 분해만 일어나는 경우 체류시간이 1-5 초로 증가할수록 수분/타르의 수율은 36.2-32.7%로 감소하였다. 반면, 고온 분위기에서 타르가 분해되어 가스로 변환되면서 가스의 수율은 38.0-42.1%로 증가하였다. 열적 분해에 비해 촤 촉매반응의 경우 수분/타르의 수율은 체류시간 1초에서 25.7-32.3%, 3초에서 17.8-23.4%, 5초에서 18.2-21.3%로 감소하였다. 3종류의 촤를 체류시간 3초에 대해 비교하면 수분/타르의 수율은 샘플별로 Paddy straw 23.4%, PKS 17.8%, 전나무 21.2%로 나타났다. 촤 촉매반응의 경우 고온에서 촤와 수분이 반응하여 CO, H2로 변환(C(s)+H2O⟶CO+H2)되어 수분/타르의 수율이 낮게 나타났다. 또한, 반응기 상단의 촤 입자 표면에 분자량이 큰 타르가 흡착되는 것으로 나타났다. 촤 종류에 따라 수분/타르의 수율의 차이는 각각 촤의 특성(미세표면적, 기공분포)에 따라 다양하게 나타났다. 결론적으로, 타르는 고온의 분위기에서 일차적으로 분해되며, 체류시작이 길고 촤를 사용할 때 농도가 낮아지며 타르의 저감 특성도 촤에 따라 변화하는 것을 확인하였다. 이 결과는 고정층 가스화기의 타르 저감을 위한 설계 개선에 활용될 수 있다.