중심합성설계법을 이용한 폐기물 가스화 특성 평가 및 공정 최적화
- 주제(키워드) 중심합성설계 , 폐기물 , 가스화
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 조순행
- 발행년도 2017
- 학위수여년월 2017. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 환경공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000025883
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
폐기물 가스화 기술은 우리나라에서 발생되는 폐기물의 처리 방법의 하나인 소각 방식을 대체 할 수 있는 친환경 기술이다. 가스화 기술은 폐기물의 성상이나 운전 조건에 따라 효율이 달라 최적 조건을 찾는 것이 중요하며 이를 위해 일반적으로 공정 시뮬레이터를 활용한다. 그러나 공정 시뮬레이터는 가격이 비싸고 적용 분야가 한정적인 단점이 있어 본 연구에서는 범용적이며 3요인(가스화 온도, 스팀, 공기) 실험을 경제적으로 분석할 수 있는 중심합성설계법을 이용하여 폐기물별 (목재 바이오매스, 폐비닐 SRF) 가스화 특성을 평가하고, 최적 조건을 도출하였다. 또한, pilot scale 가스화기를 활용한 scale up 성능 검증으로 본 연구의 신뢰성을 증명하였다. 목재 바이오매스의 가스화 특성을 평가한 결과, 가스화 온도 850℃에서 합성가스가 최대로 발생하였고 공기의 투입이 H2 조성을 감소시키는 것으로 나타나 공기가 H2 생성의 저해요인으로 결론지을 수 있었다. 폐비닐 SRF의 가스화 특성을 평가한 결과, 800℃의 온도에서 합성가스 발생량이 최대였고, 스팀 투입량이 최대일 경우 합성가스 내 CO 조성이 감소되는 것으로 확인되어 스팀의 과다 투입이 합성가스 저해요인이 될 수 있는 것으로 판단된다. 목재 바이오매스와 폐비닐 SRF 가스화 성능을 검증하기 위하여 냉가스효율, 탄소전환율, 타르발생량을 조사하였다. 목재 바이오매스 가스화에서는 가스화 온도 850℃에서 냉가스효율과 탄소전환율이 최대로 나타났고, 스팀을 최대로 투입할 때 냉가스효율과 탄소전환율이 증가하는 것으로 확인되어 스팀이 가스화 성능 향상에 기여하는 것으로 판단된다. 폐비닐 SRF 가스화에서는 가스화 온도 800℃에서 냉가스효율과 탄소전환율이 최대로 나타났고, 공기를 최대로 투입할 때 냉가스효율과 탄소전환율이 증가하는 것으로 확인되어, 공기의 투입이 가스화 성능 향상에 기여하는 것으로 판단된다. 목재 바이오매스 가스화 성능모형을 분석한 결과, 스팀 투입량이 최대이고 공기를 투입하지 않을 경우 냉가스효율과 탄소전환율이 가장 우수하였는 데, 이는 스팀의 투입으로 인해 H2와 CH4의 조성이 늘어나면서 가스화 성능이 향상되는 것으로 판단된다. 폐비닐 SRF 가스화 성능모형으로 분석한 결과, 스팀과 공기의 투입량이 최대일 경우 냉가스효율과 탄소전환율이 가장 우수하였는데, 이는 스팀과 공기의 투입으로 인해 H2와 CO의 조성이 늘어나면서 가스화 성능이 향상되는 것으로 판단되었다. 중심합성설계를 통해 최적화 조건을 도출하였으며, 타르발생량이 가장 적은 조건을 최적화 조건으로 선정하였는데 그 이유는 합성가스 내 타르물질이 많으면 에너지원으로 사용이 어렵기 때문이다. 최적화 조건 도출 결과, 목재 바이오매스 가스화에서는 가스화 온도 850℃에서 스팀 투입량은 최대(1,334g/hr), 공기 투입량은 8.28 NL/min일 때를 최적 조건으로 결정하였으며, 이때, 냉가스효율과 탄소전환율이 각각 85%와 83%, 타르발생량은 95,425 mg/㎥로 예측되었다. 폐비닐 SRF 가스화에서는 가스화 온도 750℃에서 공기 투입량은 최대(18.8 NL/min), 스팀 투입량은 1,037 g/hr일 때를 최적 조건으로 결정하였으며, 이때, 냉가스효율과 탄소전환율이 각각 78%와 72%, 타르발생량은 92,054 mg/㎥로 예측되었다. 폐기물 가스화 scale up 성능 검증 결과, 목재 바이오매스와 폐비닐 SRF 가스화의 냉가스효율이 각각 83%와 74%, 탄소전환율은 각각 81%와 71%로 분석되었으며, 이는 중심합성설계에서 예측한 가스화 성능과 유사한 것으로 확인되어, 중심합성설계법을 이용한 공정 최적화 방법의 신뢰성을 확보하였다.
more초록/요약
Waste gasification technology is an environmental friendly technique which can be substituted by incineration treatment of solid waste generated in Korea. It is important to define optimal conditions since the efficiency of gasification depends on the chemical compositions and operating conditions. To find these optimal operating conditions, the process simulator is frequently used. However, this process simulator is expensive and has limitation in application range. With this connection, the reliability of the central composite design was tested for the possibility of substituting process simulator. Optimal conditions and the characterizations of gasification were determined of wood biomass, waste vinyl solid refuse fuel(SRF). The results from analysis of wood biomass gasification showed that the maximum yield for producing syngas was achieved at 850℃. H2 gas concent was decreased by the input of air, which suggest air is the limiting factor of the H2 generation. The result from analysis of waste vinyl SRF showed that the maximum yield for producing syngas was achieved at 800℃ and that CO contents decreased with maximum input of steam,suggesting that the excessive input of steam might limit the generation of syngas. The gasification performances of wood biomass and waste vinyl SRF were also tested by cold gas efficiency, carbon conversion rate, and tar generation rate. It was shown that, in wood biomass gasification, the maximum cold gas efficiency and carbon conversion rate were achieved at 850℃ and that these values increased by maximum input of steam suggesting that steam is a contributing factor to gasification performance. It was also shown that, in waste vinyl SRF gasification, the maximum cold gas efficiency and carbon conversion rate were achieved at 850℃ and that these values were increased by maximum input of air, suggesting that air is a contributing factor to gasification performance. The analysis of wood biomass gasification performance model (central composite design), showed that the maximum cold gas efficiency and carbon conversion rate are achieved at the condition of maximum steam input and absence of air input. This suggests that the increase of H2 and CH4 composition was due to the steam input. The analysis of waste vinyl SRF gasification performance model (central composite design), showed that the maximum cold gas efficiency and carbon conversion rate are achieved at the condition of maximum steam and air input, suggesting the increase in contents of H2 and CO due to the input of air and steam. Base on the operating conditions of the lowest tar generation, the optimal conditions were determined by central composite design. The optimal conditions for wood biomass gasification were 850℃, 1,334 g/hr of steam input, and 8.28 NL/min air input. The predicted cold gas efficiency and carbon conversion rate at this condition were 85% and 83%, respectively, and tar generation was estimated to be 95,425 mg/㎥. The optimal conditions of waste vinyl SRF gasification were 750℃, maximum air input of 18.8 NL/min and 1,037 g/hr of steam input. The predicted cold gas efficiency and carbon conversion rate at these conditions were 78% and 72%, respectively, and tar generation was estimated to be 92,054 mg/㎥. The analysis of scale up performance of waste gasification showed that the cold gas efficiencies of wood biomass and waste vinyl SRF gasification were 83% and 74%, respectively. And the carbon conversion efficiencies were 81% and 71%, respectively. These results are similar to the results predicted by the central composite design. As a conclusion it confirms that the central composite design is a reliable tool which can used as optimization of gasification process.
more목차
제1장 서 론 1
제1절 연구배경 및 목적 1
제2절 연구내용 5
2.1 폐기물 가스화 특성 평가 5
2.2 중심합성설계법을 이용한 폐기물 가스화 최적화 조건 도출 5
2.3 폐기물 가스화 scale up 성능 검증 6
제2장 이론적 고찰 7
제1절 공정 최적화 분석방법 7
1.1 시뮬레이터를 이용한 공정 최적화 7
1.2 반응표면분석을 이용한 공정 최적화 10
제2절 폐기물 가스화 기술 17
2.1 가스화 이론 17
2.2 가스화 영향인자 18
2.3 가스화 성능지표 23
제3장 실험방법 및 장치 26
제1절 실험방법 26
1.1 폐기물 가스화 특성 평가 26
1.2 중심합성설계를 이용한 폐기물 가스화 최적화 조건 도출 36
1.3 폐기물 가스화 scale up 성능 검증 36
제2절 실험장치 38
2.1 Lab scale 이중유동층 가스화 시스템 38
2.2 Pilot scale 이중유동층 가스화기 46
2.3 타르 포집장치 48
제4장 실험 결과 및 고찰 50
제1절 폐기물 가스화 특성 평가 50
1.1 합성가스 50
1.2 냉가스효율과 탄소전환율 60
1.3 타르발생량 63
제2절 중심합성설계를 이용한 폐기물 가스화 최적화 조건 도출 66
2.1 폐기물 가스화 성능모형의 도출 66
2.2 폐기물 가스화 성능모형의 분석 76
2.3 폐기물 가스화 최적화 조건 88
제3절 폐기물 가스화 scale up 성능 검증 96
3.1 가스화 scale up 성능 결과 96
제5장 결론 99
향후 연구 방향 102
참고 문헌 103
Abstract 108
