반탄화(Torrefaction) 기술 동향_117 반탄화 (Torrefaction) 기술 동향 충남도립청양대학교 | 박상우 박사 Ⅰ. 개 요 ········································································119 Ⅱ. 동향 분석 ·································································120 1. 국내 동향 ································································120 2. 해외 동향 ································································121 Ⅲ. 향후 전망 ·································································125 <참고문헌> ·······································································126
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반탄화(Torrefaction) 기술 동향_117
반탄화 (Torrefaction) 기술 동향
충남도립청양대학교 | 박상우 박사
Ⅰ. 개 요 ········································································ 119
Ⅱ. 동향 분석 ································································· 120
1. 국내 동향 ································································ 120
2. 해외 동향 ································································ 121
Ⅲ. 향후 전망 ································································· 125
공급비율이 2012년 2%에서 2022년에 10%까지 증가할 전망이다. 또한 2012년부터 온실가스
목표관리제의 실시로 신재생에너지원 중 하나인 바이오매스에 한 관심이 증가하고 있다. 이로
인해 바이오매스를 이용한 연료 개발이 주요 이슈로 두되고 있지만 국내에는 바이오매스 자원이
풍부하지 않아 해외 수입에 의존할 것으로 전망된다. 바이오매스 자원을 해외에서 수입할 경우
운송 및 보관비용을 절감하기 위해서 에너지 밀도가 높은 바이오연료의 개발이 요구된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 최근 전처리 공정으로 반탄화(Torrefaction) 기술이 제안
되었다. 반탄화 기술은 바이오매스 원료를 200~300℃의 온도에서 산소가 없는 상태로 10~60분
간 가열하는 전처리 기술이다. 반탄화 기술을 이용하여 생산된 반탄화 펠릿(Pellet)은 소수성을
가지며, 함수율이 매우 낮아 미생물로 인한 부패나 뒤틀림 등 외형 변화가 적다. 또한, 고정탄소
(Fixed carbon) 성분이 증가하여 장거리 운송 비용 절감, 취급과 저장 등 취급성 우수, 분쇄성1)
향상, 높은 에너지 밀도를 가진다.
반탄화 조건 반탄화 온도별 형상 목질 성분별 반응영역
자료: Andreas Ohliger, Malte Förster, Reinhold Kneer, “Grindability of Torrefied Beechwood and Cofiring with Pulverized Lignite at Pilot Scale”, 2nd International Workshop on Cofiring Biomass with Coal, Copenhagen 2012 및 연구자 자료
<그림 1> 셀룰로오스계 바이오매스의 반탄화
1) 국내 석탄 전용발전시설 10곳 중 미분탄 보일러 방식은 9곳(보일러 48기)이며, 시설용량이 23,805 MW이다. 바이오
매스를 혼합연소하기 위해서는 분쇄성 지수(Hardgrove Grindability Index, HGI)가 클수록 좋다.
120_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)
구 분 목재칩 목재펠릿 반탄화 펠릿 목탄 석탄
형상
수분(wt.%) 30-55 7-10 1-5 1-5 10-15
저위발열량(MJ/kg)
7-12 15-17 18-24 30-32 23-28
휘발분(wt.%, db)
75- 84 75- 84 55- 65 10- 12 15- 30
고정탄소(wt.%, db)
16- 25 16- 25 22- 35 85- 87 50- 55
겉보기밀도(kg/㎥)
200- 300 550- 650 650- 800 180- 240 800- 850
에너지밀도(GJ/㎥)
1.4- 3.6 8- 11 12- 19 5.4- 7.7 18- 24
흡습성 친수성 친수성 소수성 소수성 소수성
생물 분해성 빠름 중간 없음 없음 없음
분쇄성 곤란함 곤란함 표준 표준 표준
운반비용 높음 중간 낮음 중간 낮음
<표 1> 각종 목질계 바이오매스 고형연료와 석탄의 특성 비교
자료 : Wolfgang Stelte, Jonas Dahl, Niels Peter K. Nielsen, Hans Ove Hansen, “Densification concepts for torrefied biomass”, Torrefaction workshop European Biomass Conference, Milano, 2012
Ⅱ. 동향 분석
1. 국내 동향
국내 반탄화 기술은 연구개발 단계로 유럽연합(EU)이나 북미(North-America)지역 국가들의
상용화 진입 단계에 비해 뒤처져 있다. 하지만 정부가 2012년부터 신재생에너지 공급의무화제도를
시행함에 따라 석탄발전 설비에서 바이오매스를 이용한 혼합연소(이하, 혼소) 방식이 활성화될
것으로 기 된다. 산림청은 국내외 임산물의 자원화를 촉진하기 위해서 고품질의 탄화펠릿 연료
생산 공정기술 개발 사업을 2010년부터 실시하였다. 산림청은 이 사업을 통해 저 등급 임산폐기물
로부터 탄화펠릿 연료를 생산하는 기술을 조기 국산화하고 특화된 탄화펠릿 연료 생산 공정기술을
개발할 계획이다. 국내 탄화펠릿 품질 목표는 발열량 5,500㎉/㎏, 밀도 825㎏/㎥, 함수율 2%
이하이다. 이후 신재생에너지 융합원천기술과 차세 에코이노베이션 기술개발 등의 사업을 통해
관련 기술개발과 상용화를 위한 파일럿 규모의 설비 개발에 노력을 기울이고 있다.
반탄화(Torrefaction) 기술 동향_121
<표 2> 국내 바이오매스 반탄화 기술개발 현황
구분 기술개발 과제명 (연구기간) 사업명
1탄화펠릿 생산을 위한 200kg/hr급 연료과농 무산소
반응형 Torrefaction 설비 상용화 개발 (’11-14)신재생에너지융합원천기술개발
2 고열량 고밀도의 바이오펠릿 개발 (’11-13) 차세대에코이노베이션기술개발사업
3 고효율 반탄화 바이오펠릿연료 제조기술 개발(’10-12) 신재생에너지융합원천기술개발
4
폐기물인 커피박을 에너지자원으로 재활용하기 위한 6,300kcal/kg이상, 저흡수성(흡수율 8%이하)을 갖는 목질계 고형연료용 탄화분말 및 열분해가스 재활용시스템 개발
(’11-13)
신재생에너지융합원천기술개발
5 고열량 탄화펠릿 생산기술 개발 (’10-11) 산림과학기술개발사업
6 볏짚을 이용한 초본계 bio coal 및 탄화펠릿 개발 (’11-12) 창업성장기술개발
7목질 탄화물 촉매가 첨가된 커피찌꺼기를 이용한 bio-coal
개발(’12-13)창업성장기술개발
자료: 국가과학기술지식정보서비스, www.ntis.go.kr, 2013. 4. 19.
2. 해외 동향
반탄화 기술개발은 유럽연합과 북미 지역에서 활발하게 이루어져왔으며, 이 중 가장 먼저
국가 연구기관에서 관련 연구를 수행한 국가는 네덜란드이다. 네덜란드의 신재생에너지 전문 정부
연구기관인 ECN(Energy Research Centre of the Netherlands)은 반탄화 기술에 관한 기초
연구를 수행하였으며, 이를 토 로 파일럿 설비 및 상용화하기 위한 기술개발이 활성화되었다.
본 보고서에서는 ECN의 기술개발 성과와 다른 국가(혹은 기업)에서의 기술개발 사례를 중심
으로 반탄화 기술개발 관련 해외 동향을 조사하였다. 또한, 최근 유럽연합이 진행하고 있는 반탄화
프로젝트(SECTOR)와 각종 반탄화 반응기에 해 정리하였다.
가. ECN(네덜란드)의 기술개발 성과
ECN은 반탄화 기술 연구의 선도적 기관으로 2003년 6월부터 2005년 1월까지 프로젝트
(Torrefaction for biomass co-firing in existing coal-fired power stations-BIOCOAL)를
통해 반탄화 기술로 생산한 제품의 특성을 연구하였다. 또한 반탄화와 펠릿 공정을 결합하여
생산한 반탄화 펠릿(제품명 : TOP pellets)을 이용해 연료의 특성을 조사하였으며, <그림 2>와
<그림 3>에 정리하였다.
반탄화 펠릿은 에너지 밀도가 다른 목질계 바이오매스에 비해 우수한 것으로 나타났다. 또한,
반탄화 온도에 따른 콜밴드2) 특성이 이탄(Peat)과 저 등급 석탄인 갈탄(Lignite) 영역으로 이동
하는 경향을 보였다. 한편 미분탄 보일러에서 혼소하기 위해서는 75㎛ 통과분이 많아야 하기
2) 콜밴드는 석탄화 정도를 판단하는 하나의 지표이다. 석탄화가 진행될수록 생물학적 변화와 가압건류에 의해 탈 탄산
및 탈수작용으로 인해 낮은 값을 보이며, 그 값이 낮을수록 고등급으로 평가한다.
122_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)
때문에 분쇄성 지수(HGI), 전력비용 및 시설용량이 중요한데 반탄화한 경우 양호한 결과를
나타내었다.
Properties Unit Wood Torrefiedbiomass Wood pellets TOP pellets
low high low high
Moisture content % wt 35 3 7 10 1 5
Calorific value (LHV)
dry MJ/kg 17.7 20.4 17.7 17.7 20.4 22.7
as received MJ/kg 10.5 19.9 15.6 16.2 19.9 21.6
Mass density (bulk) kg/m3 550 230 500 650 750 850
Energy density (bulk) GJ/m3 5.8 4.6 7.8 10.5 14.9 18.4
Pellet strength - - Good Very good
Dust formation Moderate High Limited Limited
Hygroscopic nature Water uptake HydrophobicSwelling / Water
uptakeLimited swelling /
Hydrophobic
Biological degradation Possible Impossible Possible Impossible
Seasonal influences(noticable for end-user)
High Poor Moderate Poor
Handling properties Normal Normal Good Good
자료 : Bergman P.C.A., Boersma A.R., Zwart R.W.R., Kiel J.H.A., “Torrefaction for biomass co- firing in existing coal- fired power stations-BIOCOAL”, Energy Research Centre of the Netherlands(ECN), 2005
<그림 2> TOP Pellets의 연료특성(左)과 반탄화한 목질바이오매스의 콜밴드 특성 변화(右)
자료 : Jaap Kiel, “Torrefaction for biomass upgrading into commodity fuels”, IEA Bioenergy Task 32 workshop “Fuel storage, handling and preparation and system analysis for biomass combustion technologies”, Berlin, May, 2007
<그림 3> 반탄화가 분쇄 전력량 감소(左)와 분쇄기 용량 증대(右)에 미치는 영향
ECN의 기술개발 이후 많은 국가(혹은 기업)에서 기술개발 및 상용화를 위한 단계에 진입한
것으로 확인되었으며, 조사 결과는 <표 3>에 나타내었다.
반탄화(Torrefaction) 기술 동향_123
<표 3> 국가 및 기업별 반탄화 기술 개발 및 상용화 사례
개발자 반응기 공급자 장소 생산용량 (t/a) 현 상태와 규모
Agri - Tech Producers LLC(US/SC) Belt
Kusters Zima Corporation
(US/SC)Unknown Unknown Pilot stage
Airex Cyclonic Bed Airex Laval, QC Unknown Pilot stageAirless systems Unknown Atmosclear Latvia 40,000 Out of business
Atmosclear SA(CH) Rotary drum CDS(UK) Latvia, New Zealnd, USA 50,000 Out of business
Bioenergy Development&Production Fluidised Bed
Bioenergy Development&
ProductionNova Scotia, CAN Unknown Pilot stage
Bio Energy Development North AB(SWE) Rotary drum Unknown O -vik(SWE) 25,000 -
BioLake B.V.(NL) Screw conveyor Unknown Eastern Europe 5,000~10,000 Pilot stageEarth Care Products Rotary drum Earth Care Products Kansas(USA) 20,000 Demo./Commercial
EBES AG(AT) Rotary drum Andritz(AT) Frohnleiten(AU) 10,000 1mt/hr pilot plant in commissioning
ECN(NL) Moving bed Andritz(AT) Standerup(DK) 10,000 ECN combines tech. with Andritz