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<679호에서 이어짐>
분리(Cracking)
분리과정은 여러가지 복잡한 화합물로 이루어진 타르가스를 열에 노출시켜 보다 가벼운 기체로 분리하는 과정을 말한다. 열분해로 생성된 타르가스의 경우 점도가 매우 높은 가스이기 때문에 내연기관에서 연소 시킬 경우 엔진에 많은 문제를 일으키기 때문에 가스화 과정에서도 매우 중요한 과정이다. 분리과정은 또한 가연성의 기체가 완전연소를 하기 위해서는 산소와 완전히 결합되어야 하기 때문에 필요한 과정이다. 분리는 바이오매스의 연소과정에서 생기는 고열에 타르 분자를 통과시켜 분리를 하는 과정이다.
환원(Reduction)
환원과정은 탄화수소 연소된 화합물에서 산소를 제거하여 화합물을 다시 가연성으로 만드는 과정을 말한다. 결국 환원은 연소의 역반응을 말하는 것이다. 연소과정에 가연성 가스와 산소가 결합하여 열과 수증기와 이산화탄소를 부산물로 만들어 내는 과정이며, 환원은 이 부산물들에 고운을 가하여 산소를 제거하여 다시 가연성의 가스로 만드는 과정을 말한다. 연소와 환원은 역반응이기도 하면서 같은 반응이기도 하다. 실제도 연소발생시에는 이 두 화학반응은 동시에 일어나며, 두 과정을 서로 교환해 가면서 동적평형을 이루기도 한다.
가스화장치에서 환원반응은 이산화탄소와 수증기가 열에 의해 달구어 진 베드를 통과할 때 일어난다. 달구어 진 목탄속의 탄소는 산소와 반응성이 매우 높아지므로, 수증기와 이산화탄소에 있는 산소를 분리하여 반응하고, 가능한 한 많은 단열 결합 부위에 재분배 하게 된다. 산소는 일반적으로 그 자체보다 탄소결합 부위에 더 끌리게 되어, 자유산소는 일반적인 이원자 형태의 산소형태로 존재할 수 없다. 반응 가능한 모든 산소는 산소가 없어질 때까지 사용가능한 탄소와 개별적으로 결합하게 되며, 더 이상 반응가능한 산소가 없을 경우 환원반응이 중지되게 된다.
이 과정을 통해 이산화탄소는 환원되어 2개의 일산화탄소를 생성하며, 수증기는 수소 및 이산화탄소를 생성하게 되며, 이 가스들은 가연성 가스로 다시 여러 용도로 사용할 수 있게 된다. 해당 반응의 화학반응식은 다음과 같다.
CO2 + C => 2 CO
H2O + C => CO + H2
연소와 건조(Combustion and Drying)
연소와 건조는 가스화의 5단계중 가장 이해하기 쉬운 것으로, 여기에서는 일반적인 연소와 건조가 아닌 열분해과정에서의 연소와 건조에 재해 알아본다.
연소는 가스화의 5단계중 유일한 발열반응이다. 결과적으로 말해서 건조, 열분해 및 환원반응을 유발하는 모든 열은 연소를 통해 직접 얻거나, 가스화기의 열 교환 프로세스를 통해 간접적으로 회수하여 사용하게 된다. 연소의 원료는 열분해 과정에서 생기는 타르가스나 목탄을 사용한다. 반응기 종류에 따라 둘 중 하나를 사용하거나 둘을 동시에 사용하기도 한다. 하향식 가스화기에서는 열분해 과정에 생긴 타르가스를 연소시켜 열을 발생시켜 환원반응을 일으키며, 이산화탄소 및 수증기도 환원시키게 된다. 하향식 가스화기에서의 연소의 목적은 타르가스가 잘 혼합되고, 높은 온도에서 연소되어 분리되게 하는 것이다. 목탄층과 환원반응은 타르가 분리되는 데에는 거의 기여하지 않으며, 타르를 분리하는 것은 연소층에서는 타르분리 반응에서 일어나게 된다.
건조는 열분해과정에 들어가지 전에 바이오매스 내의 수분을 제거하는 과정을 말한다. 모든 수분은 100°C 이상의 온도에서 반응이 되기 전에 제거되야 한다. 바이오매스 내의 수분은 고온의 공정에 투입되면서 어느 시점의 공정에서 기화되게 된다. 하지만 이것이 언제 어느 시점에서 기화되는지에 대해서는 성공적인 가스화를 위해 해결해야 하는 주요 문제중의 하나이다. 수분 함량이 높은 연료 및 투입원료 내부의 수분을 제대로 처리하지 못하는 경우 생산된 합성가스의 품질에 문제가 발생하는 경우가 있다.
쉽게 이해할 수 있게 가스화는 성냥에 불을 붙이는 과정과 비교해 볼 수 있다. 성냥 불길위에는 우리 눈에는 보이지 않지만 투명한 가스가 날아가고 있다. 가스화는 이 투명한 가스를 파이프에 포집하여, 충분한 산소와 결합하지 못하게 하여 완전연소를 막게하는 것이 결국 가스화의 원리인 것이다. 가끔 지나가다 차량을 개조하여 엄청난 굉음과 화염을 내뿜는 차량을 본적이 있을 것이다. 이는 연료가 완전 연소되지 못하도록 하여, 가연성의 기체가 차량배관을 통해 나오면서 불이 붙게 되는 현상을 이용한 것이다. 결과적으로 그 운전자는 대기와 소음에는 악영향을 주지만, 가스화를 제대로(?) 이용하는 것으로 볼 수 있다. /나무신문
