초록 ▼

I. 제 목 미활용 가연성가스의 에너지자원화기술개발 (I) Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성 휘발성유기화합물(VOC)은 대기중에서 질소산화물과 함께 광화학반응을 일으켜 오존을 만들며 오존은 스모그를 형성의 원인이 되는 대표적인 공해물질로써 1998년부터 남동, 시화, 울산공단 등 대형공단을 중심으로 규제가 시작되어 2002년부터 전국으로 확산될 전망이다. 국립환경연구원의 VOC 배출량 조사에 따르면 총 배출량은 년간 50 만톤 규모로서 도장시설이 22만톤, 자동차가 13만톤을 배출하는 것으로 밝혀졌다. 휘발성 유기물질은

I. 제 목 미활용 가연성가스의 에너지자원화기술개발 (I) Ⅱ. 연구개발의 목적 및 중요성 휘발성유기화합물(VOC)은 대기중에서 질소산화물과 함께 광화학반응을 일으켜 오존을 만들며 오존은 스모그를 형성의 원인이 되는 대표적인 공해물질로써 1998년부터 남동, 시화, 울산공단 등 대형공단을 중심으로 규제가 시작되어 2002년부터 전국으로 확산될 전망이다. 국립환경연구원의 VOC 배출량 조사에 따르면 총 배출량은 년간 50 만톤 규모로서 도장시설이 22만톤, 자동차가 13만톤을 배출하는 것으로 밝혀졌다. 휘발성 유기물질은 배출원에 따라 차이가 있지만 근본적으로 저농도(100∼20,000 ppm)로 배출되고 있다. 휘발성 유기물질의 처리기술에서 에너지를 최소화하면서 나아가서는 이들 휘발성 유기물질을 농축 회수하여 재사용 하거나 자체 발열량을 이용하여 에너지로 활용하는 기술 개발이 필요하다. 따라서 휘발성 유기물질 처리기술에 대한 종합적인 진단과 기술개발이 병행되어야 할 것이며 본 VOC 농축회수 및 에너지화 기술개발연구의 목적이다. 이와 더불어 최근 청정에너지지원으로 각광을 받고 있는 매립지 가스(LFG, Landfill Gas)는 메탄가스 50% 이상의 양질의 연료로서 포집하여 에너지로 이용하면 양질의 청정 대체연료일뿐 아니라 온실가스로서 메탄가스의 대기중 방출을 근원적으로 봉쇄할 수 있다. 따라서, 당 연구에서는 매립지의 고속 순차적 안정화를 도모할 수 있는 공정의 기본개념을 개발하고 LFG이용에 필수 불가결한 LFG용 압축기의 기본설계를 개발하고자 하였다. 마지막으로 우리나라에서는 과기부의 온실가스사업과 산자부의 청정에너지사업에서 CO2 관련기술을 연구하고 있으나 아직까지 CO2 회수 및 처리기술에 대한 국제적인 연구동향과 연구 계획에 관하여 종합적으로 분석한 연구가 없고 우리나라의 기술 개발 전략이 정립되지 않았으므로 본 연구에서는 CO2 회수 및 처리 기술 현황을 파악한 후에 가장 효율적으로 CO2를 처리할 수 있는 핵심 요소기술의 국가적인 중장기 개발전략을 수립하여 기후변화협약에 대비한 참고 자료를 제공하고자 한다. Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위 1. VOC 농축회수 및 에너지화 기술개발 - 1,2-DCB(dichlorobenzene) 산화활성 측정 및 내활피독 촉매특성연구 - 20 m3/hr급 RRCO 촉매소각시스템의 제작 및 촉매 및 운전특성 분석 - RTO/RCO용 honeycomb 성형공정조건 확립 및 개발 - 소형 소각로 제작, 설치(100 Nm3/hr), CH3OH, C6H5CH3의 소각 기초시험 - 축열소각장치/축열촉매소각장치의 개념설계/제작 및 기초설계자료 도출 2. LFG 고속생산공정 및 정제압축기술개발 - 모사 매립지 (Lysimeter)에서의 침출수 환류 및 외부 혐기소화를 통한 매립지 분해촉진(고속 분해) 메카니즘 분석실험 - 최종 생성물(가스 및 침출수) 분석실험 및 조기안정화(LFG 고속생산)공정최적화 - LFG용 압축기 기본설계(설계 프로그램이용) 3. CO2 고효율 회수/자원화 요소기술 기반구축 및 기술개발 전략수립 - CO2 회수, 전환, 격리기술 현황 파악 - CO2 관련기술 개발전략 분석 - 국내에서 수행된 CO2 관련기술 분석 - 핵심요소기술 개발전략 수립 Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의 1) 연구개발결과 1. VOC 농축회수 및 에너지화 기술개발 톨루엔 소각을 위한 250℃ 이상의 조건에서 SO2 50ppm에 대한 내구성 확보 촉매조성 도출 및 o-Chlorobenzene에 대한 SO2 영향 완화(가역적 비활성화 진행) 조성 도출. 열저장 성능 및 촉매반응성이 이 뛰어난RTO 및 RCO용 Honeycomb형 축열체 및 촉매담체를 제조하여 1 차년도의 연구 목표를 달성하였음 (cell size: 30 mm X 30mm, lim thickness: 1 mm) 탄소분자체 막분리를 이용한 PFCs 농축·회수용 실험 장치 제작과 N2, C2F6, SF6의 투과도 측정 및 전산모사 및 온실가스인 PFCs 오염공기 처리용 막분리공정 개발 선회식 소각 시스템(100Nm3/hr)을 설치하여 톨루엔과 IPA를 대상으로 소각효율과 온도증가를 실험적으로 확인하였고 기본적 설계자료를 응용하여 기업에 적용, 실용화 농도, 유속 및 운전온도 변화에 따른 연소실 온도분포, 소요보조열량, 소각효율 및 폐열회수효율 변동특성 도출 5 m3/hr급 RRCO 촉매소각시스템의 벤젠류 소각특성 및 운전자료 확보 및 RCO 시스템(50Nm3/Hr) 운전변수 최적화 추진 2. LFG 고속생산공정 및 정제압축기술개발 LFG 고속생산을 위한 매립지 고속분해 및 순차 재활용 공정 개념 확립 매립지의 발효액 침출이 용이하게 하는 구조설계 가 필요 (적층밀도 500g/L 정도) 전체 매립지 수분함량을 82% 잔후로 하여야 초고속 분해 (3개월 이내)가 가능. 매립지의 초기접종 및 조기분해를 위하여 외부 메탄발효조 존치가 효과적임. 매립지/메탄발효조비 7:1에서 5개월내 매립지 조기안정화가 가능, 감량률은 20%임. 3. CO2 고효율 회수/자원화 요소기술 기반구축 및 기술개발 전략수립 CO2 회수 및 처리기술의 세계적인 연구 방향은 저비용이면서 환경친화적인 대규모 이산화탄소 포착 및 저장 (capture and secure storage of carbon) 기술을 중점 개발하면서 혁신적인 개념의 화학적, 생물학적 전환기술을 연구하고 있다. 현재의 기술로 CO2를 처리 (회수-이송-격리)하는데는 $100∼300/톤 정도의 고비용이 소요되므로 이를 획기적으로 줄이려는 (미국의 2015년 목표, $10/톤) 연구가 진행되고 있고, 전체 처리비용 중에서 CO2 분리에 3/4의 비용이 소요되므로 혁신적 개념의 분리기술 개발이 요구된다. 우리나라는 1992년부터 2000년까지 CO2 관련연구에 산자부, 과기부, 환경부, 민간에서 약 184억원 정도의 연구비가 지원되었고 정부가 77%, 민간이 약 23%의 연구비를 부담하고 있다. 대부분의 연구비가 CO2 회수 및 전환기술인 CO2의 촉매.화학적 처리기술 (43%)과 흡수분리 (26%), 흡착분리 (11%), 생물학적 처리기술 (7%)에 집중 투자되었는데, 앞으로는 이산화탄소 포착 및 저장 (capture and secure storage of carbon) 기술을 중점 개발하고, 화학적, 생물학적 전환기술은 소규모 장기적인 연구로 전환하는 것이 바람직하다. 2) 연구개발활용 1. VOC 농축회수 및 에너지화 기술개발 VOC 농축회수 및 에너지화 기술개발: 향후 VOC 처리기술개발에 대한 핵심기술기반으로 활용할 계획이며, 신소재/촉매 등에 관한 연구결과는 관련연구사업에 활용할 계획임. 또한 연구결과를 기반으로 과기부, 환경부, 산자부 사업에 적극 참여할 계획임. VOC 농축회수 및 에너지화 기술개발: 현재 국내 반도체 생산 회사에서 추진하고 있는 PFCs 저감 기술 개발 연구의 일부로 활용계획이며 RTO 시스템 연구결과를 액상폐기물의 소각에도 성공적으로 응용될 수 있어 이의 응용을 위한 사업을 추진중. 이미 현장에 적용하여 실용화한 선회식 연소기술은 관련 산업분야에 향후 확대 보급할 계획임. 2. LFG 고속생산공정 및 정제압축기술개발 LFG 고속생산공정 및 정제압축 기술개발: 연구결과를 기반으로 관련 산업체와 연계하여 국가주도 연구사업 및 실규모 시범적용사업에 적극 활용할 계획임. 3. CO2 고효율 회수/자원화 요소기술 기반구축 및 기술개발 전략수립 CO2 고효율 회수/자원화 요소기술 기반구축 및 기술개발 전략수립: 세부과제로 수행한 "CO2 원천분리 유동층 가스연소기술 및 개발전략수립" 연구는 우리연구원의 2001년도 기관고유 중점과제인 "매체순환식 NOx-free 천연가스 연소기술 개발"로 선정되었음. CO2 고효율 회수/자원화 요소기술 기반구축 및 기술개발 전략수립: 본 연구에서 수행한 "CO2 회수 및 처리기술 현황파악과 핵심요소기술 개발전략 수립"은 정부의 기후변화협약에 대비한 참고

Abstract ▼

I. Title Development of Renewable Energy & Resource Technology Utilizing Combustible Exhaust Gases (I) Ⅱ. Objectives and Significance Nation-wide strict regulation on the emission of volatile organic compound (VOC) will be in effect from 2002. VOC known as a precursor for the ozone to form severe

I. Title Development of Renewable Energy & Resource Technology Utilizing Combustible Exhaust Gases (I) Ⅱ. Objectives and Significance Nation-wide strict regulation on the emission of volatile organic compound (VOC) will be in effect from 2002. VOC known as a precursor for the ozone to form severe smog in urban area through the photochemical reaction became the major regulation item since the VOC emission was inhibited at first time 1988 in the large industrialized area such as Nam-dong, Seehwa, Ulsan etc. According to the survey of VOC emission, total a half million ton VOC was emitted. The major fraction come from the coating facility and mobile car. VOC emission ranges from 100 ppm to 20,000 ppm depending on the source. VOC as renewable energy has to be converted into additional energy source through the concentration and the purification for the further application. This lead us to the exploration of revitalization and improvement of VOC abatement technology. Thus, in the present work, we developed the technology for VOC abatement with the technical survey aiming at the concentration and rejuvenation of VOC. With ever increasing interest in Landfill gas (LFG) containing more than 50% methane, the utilization technology has been developed to prevent the emission of green house gas with the energy saving. Thus, in this work, the concept for the rapid stabilization technology of landfill bas to be devised with the development of basic design technology of highly efficient compressor. Finally we construct the roadmap of the national R&D plan for the reduction of green house gas since the systematic survey of the worldwide R&D trend is lack. Ⅲ. Contents and Scope of Project 1. Technology for Concentration of VOCs and Renewable Energy Conversion - Investigation of catalytic oxidation of 1,2-DCB(dichlorobenzene) 산 - Study of 20 m3/hr-class rotary type RCO system - Technology of honeycomb extrusion for RTO/RCO - Small incinerator (100 Nm3/hr) for the abatement of CH3OH and C6H5CH3 - Engineering research of overall VOC abatement technology (RCO/RTO) 2. Sequential batch bio-reactior and compressor development for enhanced degradation of landfills - Anlysis of high speed decomposition mechanism in Lysimeter - Process development of Landfill stabilization - Basic design of LFG compressor using simulation 3. Development strategy of CO2 capture and sequestration - Recovery and conversion of CO2 - Analysis of CO2 -related technology - Analysis of domestic CO2 -related technology - Roadmap of national R&D plan for green house gas Ⅳ. Result and Recommendations 1) Results 1. Technology for Concentration of VOCs and Renewable Energy Conversion The catalyst has been optimized for the toluene at 250 ℃ in the presence of SO2 with the long term durability. The honeycomb extrusion technology has been setup for RCO/RTO (cell size: 30 mm X 30mm, lim thickness: 1 mm) Membrane separation process for PFCs from semiconductor industry has been developed. Advanced cyclonic recuperative thermal oxidation has been successfully applied to the VOC abatement in the regeneration process of waste carbon adsorbent. Operation characteristics of RTO has been studied 50Nm3/Hr-class RCO system has been developed and its operation characteristics has been investigated. 2. Sequential batch bio-reactor and compressor development for enhanced degradation of landfills The process concept for rapid landfill stabilization has been developed. The characteristics of the landfill has been investigated and the basic design of compressor for LFG has been devised. 3. Development strategy of CO2 capture and sequestration Worldwide R&D trend in the recovery and treatment of CO2 has been making a progress to the low cost capture and secure storage of carbon with the development of innovative technological advancement of chemical, biological conversion method. Most research fund has been directed to the catalytic treatment of CO2 (43%), adsorption and separation (26%), and etc. In future, it has been suggested that the research focus put on more the technology of capture and secure storage of carbon with small long term funding. 2) Recommendations 1. Technology for Concentration of VOCs and Renewable Energy Conversion Technology developed in this work has been utilized to increase the basis for VOC research from diverse department and to prompt the further research for concentration of VOCs and renewable energy conversion. Also, the industrial practice of the developed technology has been encouraged with the aid of governmental fund. 2. Sequential batch bio-reactor and compressor development for enhanced degradation of landfills Same as above, the industrial practice of the developed technology has been encouraged with the aid of governmental fund. 3. Development strategy of CO2 capture and sequestration The information of the worldwide R&D trend in CO2 emission prevention has been utilized to give a basis for the further research program such as NOx-free fluidized bed combustion technology of natural gas. Also the information can be used as reference materials for worldwide regulation treaty like Kyoto summit.

목차 Contents

• I. VOC 농축회수 및 에너지화 기술개발...38
• 제 1 장 VOC 소각용 복합산화촉매개발...38
• 제 1 절연구개요...38
• 1. 연구의 필요성...38
• 2. 연구의 범위...39
• 3. 문헌고찰...40
• 제 2 절연구결과...44
• 1. 촉매제조실험...44
• 2. 촉매분석...45
• 3. 반응물 및 부생성물 분석...45
• 4. 실험장치 및 방법...46
• 5. HVOC 산화반응결과...48
• 가. HVOC 산화반응...48
• 나. 황화물의 영향...48
• 다. 내구성 test...49
• 6. VOC 산화반응...50
• 가. 벤젠 산화반응...50
• 나. 톨루엔 산화반응...51
• 다. 수분 및 SO2 영향...51
• 제 3 절결 론...62
• 참 고 문 헌...64
• 제 2 장 축열/촉매반응용 신소재 및 성형기술개발...66
• 제 1 절 연구개요...66
• 1. RTO 재료의 합성 및 제조...68
• 2. RCO 재료의 합성 및 제조...69
• 제 2 절 연구내용 및 결과...70
• 1. RTO 재료의 합성 및 제조...70
• 가. 축열재의 종류 및 특성...70
• 나. 외국제품의 수집 및 특성...73
• 다. MgO 축열체의 제조 및 특성실험...76
• 2. RCO 재료의 합성 및 제조...92
• 가. 주원료인 -Al2O3 분말 특성 평가...94
• 나. 축열촉매연소 시스템을 위한 honeycomb형 촉매담체용 원료분말 합성...96
• 다. 축열촉매연소 시스템을 위한 honeycomb형 촉매담체 제조...108
• 제 3 절 결론 맟 향후 계획...109
• 1. RTO 재료의 합성 및 제조...109
• 2. RCO 재료의 합성 및 제조...109
• 제 3 장 막분리 농축기술...110
• 제 1 절 서론...110
• 제 2 절 탄소분자체 멤브레인 공정...113
• 1. 탄소분자체 멤브레인 실험 장치 및 방법...113
• 2. 멤브레인 PERMEATOR에 대한 전산모사...127
• 제 3 절 결 론...133
• 참 고 문 헌...134
• 제 4 장 선회연소식 소각기술...135
• 제 1 절 연구개요...135
• 1. 휘발성 유기물질의 종류1-3)...135
• 2. 휘발성 유기물질의 배출원과 처리방법1-4)...136
• 3. 연구개요...140
• 제 2 절 연구내용 및 결과...143
• 1. Thermal oxidation 시스템 설계의 기본 규칙...143
• 2. 선회연소시스템의 구성 및 실험...147
• 3. 상용 시스템의 적용 및 설계...152
• 제 3 절 결론 및 향후 연구계획...160
• 1. 결 론...160
• 2. 향후 연구계획...161
• 제 5 장 RTO 기술 개발...162
• 제 1 절 서론...162
• 제 2 절 RTO 기술개발 현황...163
• 1. 기술동향...163
• 2. 3탑식 RTO (축열식 산화)...164
• 3. RTO 소형화 기술...166
• 제 3 절 축열식 소각실험...167
• 1. 실험 및 측정장치...167
• 2. 실험결과 및 고찰...173
• 제 4 절 결 론...180
• 참 고 문 헌...181
• 제 6 장 축열촉매소각개발...182
• 제 1 절 연구개요...182
• 1. 서 론...182
• 2. 촉매연소기술을 응용한 회전식 소각 장치...183
• 제 2 절 연구내용...186
• 1. 촉매 제조...186
• 2. 실험장치 구성...188
• 3. 결과 및 고찰...192
• 가. 벤젠류가 함유된 VOC의 소각 특성...193
• 나. 회전형 축열식 촉매 소각장치의 운전 특성 연구...200
• 다. 축열촉매소각(RCO) 공정 및 시스템 개발...205
• 제 3 절 결론...210
• 참 고 문 헌...211
• II. LFG고속생산공정 및 정제압축기술개발...212
• 제 1 장서론...212
• 제 2 장LFG 생산...215
• 제 1 절Lab-scale 구조 비교 실험...215
• 1. 기초실험...215
• 가. 실험장치 및 방법...215
• 나. 실험재료 및 분석방법...216
• 다. 실험결과 및 고찰...217
• 2. 발효조 형태 변경실험...220
• 가. 실험장치 및 방법...220
• 나. 실험재료 및 분석방법...220
• 다. 실험결과 및 고찰...221
• 제 2 절Pilot-scale 실험...229
• 1. 실험장치 및 방법...229
• 2. 실험재료 및 분석방법...230
• 3. 실험결과 및 고찰...233
• 제 3 장LFG 정제/압축 기술개발...239
• 제 1 절 연구개요...239
• 1. 연구개발의 최종목표...240
• 2. 연차별 연구개발목표 및 내용...240
• 3. 연구추진전략...240
• 4. 연구추진체계...241
• 5. 기대성과...242
• 6. 활용방안...242
• 제 2 절 국내외 기술개발 현황...243
• 1. 국내 연구개발현황...243
• 2. 국외 연구개발현황...243
• 제 3 절 LFG 발생량 추정...244
• 1. 가스발생 예측모델...244
• 가. Scholl Canyon 모델...244
• 나. Lo 값...248
• 다. 일반 반응상수 K값...248
• 2. 활용가능한 매립가스 추정...251
• 가. 김포매립장 발생가스량...251
• 나. 전국 위생매립장 발생가스량 추정...252
• 다. 연료비 환산량...254
• 제 4 절 연구개발 수행내용...255
• 1. 시스템 설계개요...255
• 2. 메탄(CH4)의 열역학적 유체역학적 성질...255
• 3. LFG용 압축기 설계...267
• 가. 압축기 설계이론...269
• 나. 설계...279
• 제 4 장 결론...300
• 참 고 문 헌...301
• III. CO2 고효율 회수/자원화 요소기술 기반구축 및 기술개발 전략수립...304
• 제 1 장서론...304
• 제 1 절개요...304
• 제 2 절국제동향...308
• 1. 국제기구...308
• 2. 미국...309
• 3. 일본...313
• 4. 기타국가...316
• 제 3 절국내의 대응 동향...319
• 1. CO2의 회수, 전환, 저장기술 연구개발 사업...319
• 2. 지금까지의 CO2관련 정책...326
• 제 2 장CO2 회수기술...330
• 제 1 절개 요...330
• 제 2 절흡수분리...331
• 1. 기술의 개요...331
• 2. 국외 현황...336
• 3. 국내 현황...337
• 제 3 절흡착분리...337
• 1. 기술의 개요...337
• 2. 국외 현황...338
• 3. 국내 현황...339
• 제 4 절막분리...340
• 1. 기술의 개요...340
• 2. 국외 현황...342
• 3. 국내 현황...344
• 제 5 절심냉분리...344
• 제 6 절CO2 원천분리 유동층 가스 연소...345
• 1. 기술의 개요...345
• 2. CO2 원천분리 유동층 가스연소기 산소 carrier 입자의 반응특성...347
• 3. CO2 원천분리 유동층 가스연소기의 경제성 검토...361
• 제 7 절새로운 개념의 분리...362
• 1. 혼성분리...362
• 2. 산소부화/배가스 순환 연소...362
• 3. 고온 CO2 분리...364
• 4. CO2 hydrate...366
• 제 3 장CO2 전환기술...368
• 제 1 절개 요...368
• 제 2 절화학적 전환...368
• 1. 기술의 개요...368
• 2. 촉매화학적 방법...369
• 3. 전기화학적 방법...373
• 4. 광화학적 방법...375
• 제 3 절생물학적 전환...376
• 1. 기술의 개요...376
• 2. 생물학적 CO2 고정화 기술 동향...379
• 제 4 장CO2 격리기술...384
• 제 1 절개 요...384
• 제 2 절해양저장...384
• 1.기술의 개요...384
• 2.기술 현황...387
• 제 3 절육지저장...389
• 1.난채굴 석탄층 저장...389
• 2.EOR...394
• 3.광물저장...397
• 4.대수층 저장...399
• 제 5 장우리나라의 CO2 회수 및 처리 기술 개발 전략...401
• 제 1 절기후변화협약 (UNFCCC) 전망...401
• 1.기후변화협약...401
• 2.미국의 계획...403
• 3.CO2 안정화...403
• 4.우리나라 상황...404
• 제 2 절우리나라의 온실가스 배출량 및 감축의무 부담량 예측...404
• 1.우리나라의 온실가스 배출량 전망...404
• 2.우리나라의 온실가스 감축 의무량 예측...405
• 제 3 절CO2 회수 및 처리기술 개발 전략...406
• 1.배경...406
• 2.발생원별 대책...407
• 3.연구 목표...408
• 4.개발 전략...408
• 참 고 문 헌...410