초록 ▼

저등급석탄을 원료로 습식 분류층 가스화 및 저온가스화 기술이 개발되었다. 가스화 기술은 석탄을 청정하게 사용하는 대표적 기술이다. 석탄가스화 중에서 습식 가스화는 장치가 간단하고 운전이 쉬워 현재 세계 가스화 시장의 50%를 점유하고 있으며 화학제품을 제조하는데 중요한 기술로 활용되고 있다. 또한 기존 분류층 가스화기술이 고온에서 운전되어 에너지의 손실이 크므로 장기적으로는 저온가스화가 중요한 기술로 대두되고 있다. 최근의 지속적인 고유가와 일본 후쿠시마 원전사고 이후 원자력 발전에 대한 재검토는 향후 단기적으로 석탄화학쪽으로의 자

저등급석탄을 원료로 습식 분류층 가스화 및 저온가스화 기술이 개발되었다. 가스화 기술은 석탄을 청정하게 사용하는 대표적 기술이다. 석탄가스화 중에서 습식 가스화는 장치가 간단하고 운전이 쉬워 현재 세계 가스화 시장의 50%를 점유하고 있으며 화학제품을 제조하는데 중요한 기술로 활용되고 있다. 또한 기존 분류층 가스화기술이 고온에서 운전되어 에너지의 손실이 크므로 장기적으로는 저온가스화가 중요한 기술로 대두되고 있다. 최근의 지속적인 고유가와 일본 후쿠시마 원전사고 이후 원자력 발전에 대한 재검토는 향후 단기적으로 석탄화학쪽으로의 자원 활용에 대한 이동이 이루어질 것으로 전망되며, 자원 빈국인 우리나라는 석탄 청정이용기술 관련 선진 기술 개발을 통해 다국적으로 원료 확보를 추진하여 에너지 안보 확보가 필수적인 상황이다. 이와 같은 상황을 고려하여 매장량이 풍부하고, 수급이 원활한 저급탄의 표면개질을 통해 하이브리드 석탄 제조를 위한 혁신 원천 기술을 확보하고자 하였다. 음식물쓰레기의 해양투기가 2013년부터 금지됨에 따라 이에 대한 처리가 시급한 문제임에도 불구하고 높은 함수율과 염분 등의 환경인자 저해 및 열화학적인 접근에 문제가 있어 유기성 폐기물의 효율적 처리가 어려운 실정이다. 기존의 유기성폐기물 처리와 관련된 연구과제는 생물, 촉매, 화학 등 단일 기술만이 적용되었으나, 본 연구에서 개발하고자 하는 기술은 생물학적 변환 기술을 기반으로 하여, 촉매기술과 융합함으로써 차량용 수송연료와 화학원료를 추가적으로 생산하는 것이다.

Abstract ▼

An entrained-flow wet gasification and a low temperature gasification for low rank coal was developed. A gasification technology is one of the leading clean coal technologies. Of the coal gasification methods, a wet gasifier is simple and easy to operate, therefore accounting for 50 % of the world m

An entrained-flow wet gasification and a low temperature gasification for low rank coal was developed. A gasification technology is one of the leading clean coal technologies. Of the coal gasification methods, a wet gasifier is simple and easy to operate, therefore accounting for 50 % of the world market and being actively utilized in manufacturing of chemical products. The existing entrained-flow gasifier bears low energy efficiency, which should be run at a high temperature gasification technology. Therefore, a low temperature gasification technology is becoming an important alternative as a long-term solution. Increase of the use of coal resources has been forecasted due to recent sustained high oil prices and Fukushima nuclear disaster. Especially in Korea, having poor resources, securing a supply of energy resources from other countries by developing clean coal utilization technology is an essential issue. The objective of this research is set to secure the innovative core technology of Hybrid coal by means of surface modification of low grade raw coal which is abundant in reserves and supplies. Due to the low reaction rate and economic feasibility, the current food waste recycling technologies including anaerobic digestion producing methane have problems for the practical application. In addition, high moisture content and salty characteristics of food waste is the obstacle for the application of thermo-chemical process. Therefore, in this research, a catalytic process was combined with biological process to obtain valuable gasoline-additives and chemical materials in addition to methane from food waste.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 11
• CONTENTS ... 17
• 목 차 ... 25
• 그 림 목 차 ... 35
• 표 목 차 ... 47
• 세부과제 Ⅰ 저등급석탄의 가스화 기술 개발 ... 51
• 제 1 장 서 론 ... 53
• 제 1 절 기술개요 ... 53
• 1. KIER-Model 가스화 플랜트 개발 ... 53
• 2. 저온가스화 기술개발 ... 54
• 제 2 절 기술개발의 필요성 ... 56
• 1. 기술적 측면 ... 56
• 2. 경제·산업적 측면 ... 57
• 3. 정책적 측면 ... 58
• 제 3 절 당해연도 목표 및 연구내용 ... 58
• 제 2 장 KIER model 가스화 plant ... 59
• 제 1 절 습식분류층 석탄가스화 plant ... 59
• 1. 저등급석탄 건조 ... 59
• 가. 다중방해판 석탄건조기 ... 60
• 나. 실험 ... 61
• 다. 실험결과 ... 65
• 라. 결론 ... 69
• 2. 저등급석탄 CWM 제조기술 ... 69
• 가. 이론 ... 69
• 나. 실험 ... 70
• 다. 결과 및 고찰 ... 71
• 라. 결론 ... 72
• 3. 습식 분류층 저등급 석탄 가스화 기술 ... 74
• 가. 이론 ... 74
• 1) 석탄 가스화 기술 개요 및 특징 ... 74
• 2) 국내 기술개발 현황 ... 85
• 3) 국외 기술개발 현황 ... 87
• 나. 실험 장치 및 실험 방법 ... 90
• 1) 습식 분류층 가스화 플랜트 ... 90
• 2) 슬랙탭 버너 화염 가시화 장치 설계 및 구축 ... 95
• 3) 슬랙탭 버너 개선 설계 및 제작 ... 99
• 다. 결과 및 고찰 ... 101
• 1) Coal Water Mixture 제조 실험 결과 ... 101
• 2) 석탄 가스화 실험 ... 106
• 3) 슬랙탭 버너 적용 화염특성 시험 ... 110
• 4) 버너의 보조연료/산화제 공급비에 따른 고압 운전특성 ... 121
• 5) 습식 스크러버 시스템 운전 조건 최적화 ... 125
• 라. 결론 ... 136
• 제 2 절 CO2 저감 가스화 기술 ... 137
• 1. 서 론 ... 137
• 가. 연구 배경 및 목적 ... 137
• 나. 국내외 선행 연구 ... 138
• 1) 국외 선행 연구 ... 138
• 2) 국내 선행 연구 ... 143
• 다. 연구개발 목표 및 내용 ... 145
• 1) 연구 개발 목표 ... 145
• 2) 연구 개발 내용 ... 145
• 2. 연구 개발 장치 및 방법 ... 148
• 가. 연구 개발 실험 장치 ... 148
• 1) Thermo-gravimetry Analyzer (TGA) ... 148
• 2) Pressurized Wire Heating Reactor (PWHR) ... 150
• 나. 연구 개발 실험 방법 및 조건 ... 152
• 1) Thermo-gravimetry Analyzer (TGA) ... 152
• 2) Pressurized Wire Heating Reactor (PWHR) ... 155
• 3. 연구 개발 결과 ... 158
• 가. 고정층 상태(Fixed condition)에서의 저등급탄 가스화 반응성 규명 ... 158
• 1) 온도에 따른 질량 감소 및 탄소 전환율 ... 158
• 2) 저등급탄에 따른 반응성 비교 ... 158
• 나. 고압에서의 저등급탄 가스화 반응성 규명 ... 162
• 1) 석탄 촤 샘플 준비 ... 162
• 2) 실험 절차 ... 162
• 3) 온도의 영향 ... 163
• 4. 결 론 ... 167
• 제 3 장 저온 가스화 기술 ... 168
• 제 1 절 촉매가스화 ... 168
• 1. 고정층 촉매가스화 ... 168
• 가. 수증기 가스화 ... 168
• 1) 실험 방법 ... 168
• 2) 실험 결과 및 토의 ... 172
• 3) Samhwa 원탄의 수증기 가스화 ... 179
• 4) Eco 원탄의 수증기 가스화 ... 187
• 5) Cyprus 원탄의 수증기 가스화 ... 192
• 6) Posco 원탄의 수증기 가스화 ... 193
• 7) Samhwa AFC의 수증기 가스화 ... 197
• 8) Eco AFC의 수증기 가스화 ... 200
• 9) Roto AFC의 수증기 가스화 ... 207
• 10) Cyprus AFC의 수증기 가스화 ... 214
• 11) Posco AFC의 수증기 가스화 ... 219
• 12) 탄종간의 반응성 비교 ... 221
• 2. 저급탄 석탄촉매가스화용 촉매개발 및 특성 규명 ... 227
• 가. 촉매 및 시료의 선정 ... 227
• 1) 촉매의 선정 ... 227
• 2) 시료의 선정 ... 228
• 나. 실험방법 ... 229
• 1) 가스화 특성 분석 ... 229
• 2) 합성가스 성분 분석 ... 229
• 다. 시료선정 결과 ... 231
• 라. CO2와 촉매에 의한 영향 ... 232
• 1) CO2 부피비에 따른 촉매 활성변화 분석 ... 232
• 2) 촉매별 CO2 활성변화 분석 ... 235
• 3) 농도와 촉매별 반응속도 비교 ... 238
• 4) 합성가스 분석 ... 239
• 마. Kinetic 모델 적용 ... 242
• 1) SCM ... 242
• 2) VRM ... 244
• 3) MVRM ... 244
• 바. Kinetic 모델 비교 ... 246
• 사. Kinetic 모델을 이용한 활성화에너지 ... 250
• 1) MVRM을 이용한 활성화에너지 ... 250
• 2) SCM과 VRM의 적용 ... 251
• 3) 촉매의 활성 ... 252
• 아. 결론 ... 254
• 3. 유동층 촉매가스화 ... 255
• 가. 연구배경 및 목적 ... 255
• 나. 유동층 가스화 ... 256
• 다. 연구 목적 ... 257
• 라. 가스화이론 및 용어정리 ... 258
• 마. 기포유동층 석탄가스화 장치 ... 259
• 바. 실험 방법 ... 263
• 사. 석탄 종류 및 층물질 ... 264
• 아. 실험 결과 ... 266
• 자. 요약 및 결론 ... 279
• 제 2 절 초임계수 가스화 ... 281
• 1. 초임계수 가스화 ... 281
• 가. 이론 ... 281
• 나. 실험 ... 285
• 다. 결과 및 고찰 ... 287
• 라. 결론 ... 292
• 제 4 장 결 론 ... 293
• 참고문헌 ... 296
• 세부과제 Ⅱ 저급탄의 표면개질(Coal Surface Modification)을 통한 연료생산 및 고부가가치화 기술 개발 ... 303
• 제 1 장 서 론 ... 305
• 제 1 절 기술개발의 개요 및 필요성 ... 305
• 1. 기술의 개요 ... 305
• 2. 개발기술의 이론 및 개요 ... 310
• 가. 석탄의 구조 ... 310
• 나. 석탄 열분해 ... 312
• 3. 기술개발의 필요성 ... 313
• 가. 기술적 측면 ... 313
• 나. 경제산업적 측면 ... 316
• 다. 정책적 측면 ... 319
• 4. 국내?외 관련기술 및 특허 현황 ... 320
• 가. 국내 기술개발 현황 ... 321
• 나. 국외 기술개발 현황 ... 323
• 제 2 장 당류를 이용한 하이브리드 석탄 개발 및 특성화 ... 326
• 제 1 절 연구 배경 ... 326
• 제 2 절 실험방법 ... 329
• 1. 하이브리드 석탄 제조 ... 329
• 2. 하이브리드 석탄 페이스트 건조공정 ... 331
• 가. 고정층 건조장치 ... 331
• 나. 로터리 킬른 건조장치 ... 331
• 3. 하이브리드 석탄 특성화 ... 332
• 4. 하이브리드 석탄의 수분 재흡착 실험 ... 333
• 제 3 절 실험결과 및 논의 ... 334
• 1. 하이브리드 석탄의 원리 ... 334
• 2. 하이브리드 석탄의 기공 구조 ... 335
• 3. 하이브리드 석탄의 공업, 원소, 발열량 분석결과 ... 335
• 4. 하이브리드 석탄의 저온 연소특성 ... 341
• 5. 하이브리드 석탄의 고온 연소특성 ... 346
• 6. 석탄 화력발전소에서 하이브리드 석탄에 의한 이산화탄소 저감 효과 ... 347
• 7. 하이브리드 석탄의 소수성 ... 350
• 제 3 장 하이브리드 석탄의 슬러리특성 평가 ... 352
• 제 1 절 연구 배경 ... 352
• 제 2 절 하이브리드 석탄 슬러리 제조 ... 353
• 제 3 절 하이브리드 석탄 슬러리 특성평가 ... 357
• 1. 시베오부 석탄을 이용하여 제조한 하이브리드 석탄의 슬러리 특성평가 ... 357
• 2. 인도네시아 석탄으로 제조한 하이브리드 석탄의 슬러리 특성평가 ... 361
• 3. 원탄 탄질에 따른 하이브리드 석탄의 슬러리 특성 비교 ... 365
• 제 4 장 저등급 석탄 및 hybrid 석탄의 특성 분석 및 화력발전 보일러 적용 기술 ... 368
• 제 1 절 고정층상태에서의 저등급탄 및 Hybrid 석탄 반응성 규명 ... 368
• 1. Thermo-gravimetry Analyzer (TGA) ... 368
• 가. 연구 실험 장치 설명 ... 368
• 나. 실험 방법 및 조건 ... 370
• 2. 온도에 따른 질량 감소 및 반응성 특성 ... 372
• 3. 탈휘발 및 촤산화 반응률 계수 도출 ... 373
• 제 2 절 분류층 상태에서의 저등급탄 및 Hybrid 석탄의 반응성 규명 ... 374
• 1. Drop Tube Furnace (DTF) ... 374
• 가. 실험 장치 설명 ... 374
• 나. 실험 방법 및 조건 ... 375
• 2. Laminar Flow Reactor (LFR) ... 375
• 가. 평판 화염 버너 및 반응기 ... 376
• 나. 석탄 입자 공급 장치 ... 377
• 다. Sampling probe ... 378
• 라. 가스 공급 장치 ... 379
• 마. 실험 방법 및 조건 ... 379
• 제 3 절 화력발전 보일러 시뮬레이션에서의 반응 특성 분석 ... 381
• 1. 저열량탄에 대한 버너 및 화로에서의 해석 기법 정립 ... 381
• 가. 촤 연소(char burnout) 과정 ... 381
• 나. 가스 연소(Gaseous combustion) ... 382
• 다. 저열량탄에 대한 버너 및 화로에서의 형상, 경계 및 초기 조건 ... 383
• 2. 온도 분포 및 산소 분포 ... 384
• 3. 각 탄에 따른 시뮬레이션 결과 값 ... 386
• 세부과제 Ⅲ 음식물쓰레기로부터 생물/촉매 복합기술에 의한 바이오연료 및 화학원료 생산 원천기술개발 ... 389
• 제 1 장 서 론 ... 391
• 제 1 절 기술개요 ... 391
• 제 2 절 기술 동향 ... 394
• 1. 국외 기술 동향 ... 394
• 가. 유산 ... 394
• 나. 바이오가스 ... 401
• 2. 국내 기술 동향 ... 404
• 가. 유산 ... 404
• 나. 바이오가스 ... 406
• 제 3 절 연구개발 목표 및 내용 ... 409
• 1. 연구개발 목표 ... 409
• 2. 연구개발 내용 ... 410
• 제 4 절 연구개발 파급효과 ... 412
• 1. 기술적 효과 ... 412
• 2. 경제산업적 효과 ... 412
• 3. 환경적 효과 ... 413
• 4. 기술개발결과 활용방안 ... 413
• 제 2 장 음식물쓰레기로부터 생물 복합기술에 의한 바이오연료생산 ... 414
• 제 1 절 음식물쓰레기를 이용한 유산발효 ... 414
• 1. 음식물쓰레기를 이용한 유산발효 최적화 ... 414
• 가. 연구의 개요 ... 414
• 나. 실험 방법 ... 415
• 다. 실험결과 ... 419
• 라. 결론 ... 428
• 2. 음식물쓰레기 유산발효 잔사를 이용한 바이오가스 잠재량 실험 ... 429
• 가. 연구 개요 ... 429
• 나. 실험방법 ... 429
• 다. 결과 및 고찰 ... 431
• 라. 결론 ... 435
• 제 2 절 포도당 이용 유산발효 최적화 ... 436
• 1. UASB 반응조를 이용한 유산발효 ... 436
• 가. 연구의 개요 ... 436
• 나. 실험방법 ... 436
• 다. 결과 및 고찰 ... 438
• 라. 결론 ... 443
• 제 3 장 촉매 복합기술에 의한 화학원료 생산 ... 444
• 제 1 절 저에너지소비 친환경 유산 추출/정제 ... 444
• 1. 탈염전기투석에 의한 유산의 회수 ... 444
• 가. 실험 장치 및 방법 ... 444
• 나. 결과 및 고찰 ... 445
• 2. 나노여과에 의한 유산의 회수 ... 449
• 가. 실험 장치 및 방법 ... 449
• 나. 결과 및 고찰 ... 451
• 3. 탈염전기투석공정과 나노여과공정의 비교 ... 454
• 가. 실험 장치 및 방법 ... 454
• 나. 실험 결과 및 고찰 ... 455
• 4. 물분해전기투석 공정 운전에 의한 유산 회수 ... 456
• 5. 일괄정제공정(나노여과 공정-물분해전기투석 공정)을 이용한 유산 회수 ... 457
• 제 2 절 유기산의 촉매 전환 반응에 의한 가솔린 첨가제 생산 ... 464
• 1. 귀금속 촉매 및 금속 산화물 촉매를 이용한 유산 탈산소 반응 ... 464
• 가. 실험 장치 및 방법 ... 464
• 나. 실험 결과 및 고찰 ... 464
• 2. 유산 칼슘염 열분해에 의한 가솔린 첨가제 생산 ... 468
• 가. 실험 장치 및 방법 ... 468
• 나. 시료 분석 ... 469
• 다. 실험 결과 및 고찰 ... 470
• 제 4 장 결 론 ... 473
• 참고문헌 ... 475
• 끝페이지 ... 479