[기계공학실험]바이오 매스(Biomass)

바이오 매스

바이오매스(Biomass)는 태양 에너지로 광합성을 하는 식물체, 미생물, 이를 먹고 살아가는 동물 유기체이며, 바이오 에너지를 생성하는 모든 매개체를 총칭한다.

1) 목질계 바이오매스(목재,볏짚 등의 농업 부산물)

가장 널리 이용되고있는 바이오매스이다. 가스화 하여 생성된 합성가스로 메탄올을 생성하거나 직접 연소시켜 난방 연료 등의 열원으로 사용한다. 또는 목재에서 나오는 톱밥같은 부산물을 압축,건조하여 만든 우드팰릿(wood pellet)을 발전 원료로 사용하기도 한다.

wood pellet

2) 전분계 바이오매스(옥수수,감자)

목질계 바이오매스와 함께 가장 상용화 되어있는 바이오매스이다. 탄수화물의 당화과정을 거쳐 생성된 당분에 알코올 발효를 시켜 차량연료에 이용되는 에탄올을 생성한다.

 

3) 당질계 바이오매스(사탕수수,사탕무)

전분계 바이오매스와 마찬가지로 효묘에 의해 당질을 알코올 발효시켜 에탄올을 생성한다.

 

4) 유지 작물계 바이오매스(대두유, 식용유, 유채유, 팜유 등의 식물성 기름)

유지 작물계 바이오매스의 식물성 기름과 알코올을 반응시킨 후 정제하여 바이오 디젤을 생성한다. 이는 경유의 대안물로 떠오르고 있는 대체 원료이다.

 

5) 유기성 폐기물계 바이오매스(가축 분뇨,음식물 쓰레기,유기성 폐수 등)

유기 폐기물 바이오매스를 미생물을 이용하여 분해, 혐기성 발효시키면 메탄가스가 생성되는데 이를 정제하여 열 또는 전기를 생산하는 연료로 이용한다. 환경 오염을 생각하여 가장 상용화가 시급한 바이오매스이다.

바이오 매스의 에너지화 방법

바이오매스를 에너지화 하는 방법은 크게 열화학적 변환과 생화학적 변환으로 나뉜다

 

1) 열화학적 변환

 

① 직접연소 : 바이오매스에 열을 가해 태우면 빠르게 산소와 결합하는데, 대부분의 연소반응은 발열반응이므로 바이오매스가 완전히 연소할 때 연소열이 발생된다. 이렇듯 목질계 바이오매스를 직접 연소시켜 난방 열원으로 쓴다. 발전소와 같은 대량 연소장비에서는 화석연료와 함께 연소시키기도 하는데, 이로인해 메탄가스 등의 유독가스 배출량을 줄이고 유한한 화석연료의 사용량을 절약할 수 있다.

 

② 탄화 : 바이오매스에 공기와의 접촉을 차단시키고, 열처리하여 에너지원인 탄소 물질로 전환하는 것. 탄소화라고도 한다. 석탄의 경우 코크스의 제조에 이용되었고, 목질계 바이오매스로 목탄(숯)을 생성하는 주된 방법이다. 탄화 원료의 성상에 따라 기상 탄화, 액상 탄화, 고상 탄화의 세 가지 방법이 있다. 기상 탄화에서는 1,000℃ 전후에서 유기물이 분해하여 탄소(열분해 탄소 등)를 석출한다. 액상 탄화에서는 용융상태의 유기물이 방향족화, 중축합을 거쳐 500℃ 전후에서 탄소를 생성하게된다. 고상 탄화에서는 불융성 유기물이 그대로 탄소가 된다.

 

③ 열분해/가스화 : 목질계 바이오매스에 탄화과정과 동일한 조건 하에, 연소되지 않고 여러 종류의 가스와 에너지원을 방출하며 목탄을 생성하는 방법. 목재와 같은 바이오매스는 순물질이 아닌 혼합물이므로 온도에 따라 선택적 분해가 일어난다. 생성되는 에너지의 크기는 가공열의 온도나 열 반응로나 가스화기의 운전형태 또는 반응 시 바이오매스의 체류시간에 따라 다르게 된다.

 

2) 생화학적 변환

 

① 생화학적 변환은 바이오매스의 화학적 성질을 변화시켜 메탄,에탄올등의 에너지원을 얻는 방법인데 주로 미생물의 ‘발효’를 이용한다. 전분계와 당질계 바이오매스는 알콜 발효를 통해 바이오에탄올을 생성하며 유기 폐기물 바이오매스는 혐기성 발효를 통해 메탄 가스를 생성한다.

바이오 매스 가스화 장치의 종류

바이오매스 가스화란 바이오매스를 고온의 가스화 장치에서 부분적으로 산화시켜 얻은 가스를 환원 반응으로 CO, H2, CH4 등의 합성가스로 전환하는 방식이며, 저급연료를 고급연료로 전환하는 공정이다. 바이오매스는 원료에 관계없이 모든 고체상태의 물질로부터 합성가스를 생성할 수 있고, 이를 원하는 형태로 사용할 수 있다. 바이오매스 가스화장치는 가스화기의 운전형태에 따라서 고정층(Fixed bed), 이동층 (Moving bed), 유동층(Fluidized bed), 분류층(Entrained bed) 등으로 나뉜다.

1) 상승형(Updraft Gasifier)	2) 하강형(Downdraft Gasifier)
3) 순환식유동형(Circulating Fluid Bed Gasifier)	4) 분류형(Entrained Flow Gasifier)

 

유동층 가스화 장치

실험 방법

1. 실험 과정

1) pellet등의 시료를 투입한다.

2) Gasifier : 가스화로에서 열분해 반응을 하여 가스와 고체 생산물(Char) 생성된다.

3) Gas cleaning : 사이클론을 이용 가스 내 먼지 제거 및 고체 생산물을 분리한다.

4) Gas cooling : 먼지가 제거된 가스를 냉각시키면 바이오 오일이 생성된다.

5) Gas Fired Boilers : 2차 가열하여 고체 생산물을 완전히 수집한다.

6) Gas Utilization : 미반응 가스를 배출한다.