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Kafe 바로가기주관연구기관 | 고등기술연구원 Institute for Advanced Englineering |
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2013-08 |
과제시작연도 | 2011 |
주관부처 | 지식경제부 Ministry of Knowledge Economy |
등록번호 | TRKO201400010419 |
과제고유번호 | 1415120477 |
사업명 | 신재생에너지융합원천기술개발(에특) |
DB 구축일자 | 2014-06-21 |
키워드 | 혼합가스화.염색슬러지.바이오매스.산화철.촉매가스화.열병합발전. |
최종목표
◦ 염색슬러지 함유 폐금속을 이용한 혼합 유기자원의 고효율 가스화 및 에너지 이용 시스템 개발
개발내용 및 결과
◦ 함수율이 높고 발열량이 낮은 염색슬러지를 가스화에 적합한 시료로 제조하기 위하여 왕겨 또는 회수 타르의 혼합비 및 혼합시료의 건조 후 함수율 계산을 수행한 결과, 저위발열량 이 3,000 kcal/kg 이상이 되기 위해서는 왕겨 혼합의 경우 혼합비 40% 이상, 함수율 15% 이하였고, 타르 혼합의 경우 혼합비 5% 이상, 함수율 10% 이하인 것으로 나타남.
◦ 혼합시료의 이송 및 투입
최종목표
◦ 염색슬러지 함유 폐금속을 이용한 혼합 유기자원의 고효율 가스화 및 에너지 이용 시스템 개발
개발내용 및 결과
◦ 함수율이 높고 발열량이 낮은 염색슬러지를 가스화에 적합한 시료로 제조하기 위하여 왕겨 또는 회수 타르의 혼합비 및 혼합시료의 건조 후 함수율 계산을 수행한 결과, 저위발열량 이 3,000 kcal/kg 이상이 되기 위해서는 왕겨 혼합의 경우 혼합비 40% 이상, 함수율 15% 이하였고, 타르 혼합의 경우 혼합비 5% 이상, 함수율 10% 이하인 것으로 나타남.
◦ 혼합시료의 이송 및 투입의 편리성, 로내 비산방지를 도모하기 위하여 펠렛 성형 조건을 도출한 결과, 펠렛의 직경은 최소 6mm 이상이 되어야 성형기에 과부하가 걸리지 않았고, 왕겨 혼합의 경우 생왕겨를 그대로 사용하면 잘 부스러져서 분쇄왕겨를 사용할 필요가 있었고, 타르 혼합의 경우 혼합비 25%에서 펠렛이 다시 붙는 현상이 발생하여 타르 혼합비는 20% 이하로 조정할 필요가 있었으며, 성형기 주축 모터의 과부하를 방지하기 위해서는 인버터를 설치하여 주축모터를 19 Hz, 정량공급 스크류를 400 rpm이하로 운전할 필요성이 있음.
◦ 혼합시료를 건조하기 위하여 메쉬 벨트컨베어 방식의 건조기를 설계 및 제작하였고 건조열원으로써 스팀과 열풍을 이용한 건조실험을 수행한 결과, 건조효율은 스팀건조의 경우 50%, 열풍건조의 경우 78%로 열풍건조가 효율이 더 좋은 것으로 남.
◦ 염색슬러지 회재의 촉매로서의 활용 가능성을 파악하기 위하여 랩반응기에서 모사 합성가스를 사용하여 환원실험을 수행한 결과 초기 상태의 회재는 적갈색의 Fe2O3(Hematite)이었으나 체류시간 2분 이내에 촉매활성은 갖는 짙은 회색의 Fe3O4(Magnetite)로 전환되어 촉매로써의 활용이 가능한 것으로 파악됨.
◦ 염색슬러지에 함유된 산화철의 타르 개질 효과를 파악하기 위하여 Kinetic 반응기에서 벤젠의 수증기 개질 실험을 실시한 결과, 900℃에서 탄소전환율이 약 40%(WHSV 0.15-1, 체류시간 0. 3sec)인 것으로 파악되었고 접촉시간이 증가함에 따라 촉매 활성이 증진되는 것을 확인됨에 따라 반응기는 산화철량과 충분한 접촉시간을 확보할 수 있는 다단식 개질로 구조가 요구됨.
◦ 산화철 존재 유무에 따른 가스화 특성을 파악하기 위하여 무촉매, 염색슬러지 회재, 모래의 3가지 조건으로 왕겨펠렛의 스팀가스화를 수행한 결과, 염색슬러지 회재의 경우가 가스생성량이 가장 높고 탄소 잔존율, 타르 발생량이 가장 낮았으며, 냉가스효율, 탄소전환율 모두 가장 높은 것으로 파악됨.
◦ 산화철 존재 하에서 산화제에 따른 가스화 특성을 파악하기 위하여 열분해, 스팀, 공기의 3가지 조건으로 염색슬러지를 가스화한 결과, 공기조건에서 가스 생성량, 탄소전환율이 가장 높고 탄소 잔존율, 타르 발생량이 가장 낮은 것으로 파악됨.
◦ 연속조건에서 수증기비에 따른 가스화 특성을 파악하기 위하여 100 kg/d(탈수슬러지 기준)급 반응기에서 수증기비 0.3-0.5 조건으로 염색슬러지를 가스화한 결과, 수증기비가 증가할수록 타르제거 효율이 증가하였으나, 철에 의한 수성가스전환반응에 의해 H2가 증가하고 CO가 감소하면서 냉가스효율이 감소함.
◦ 2톤/일(탈수슬러지 기준)급 가스화 시스템을 독자적으로 설계하여 100% 국산제품으로 공급장치, 건조기, 가스화기, 급속냉각탑, 벤츄리 스크러버, 수분 제거장치, 합성가스 연소보일러, 배압터빈을 제작함.
◦ 가스화 시스템의 기본설계와 스케일업에 필요한 열 및 물질수지를 계산하기 위하여 산화제(공기, 스팀, 공기+스팀) 종류와 타르 개질 공정을 포함하는 엑셀기반의 전산모사 프로그램을 개발함.
◦ 가스화 공정에서 발생하는 폐열과 합성가스의 효율적인 활용을 위하여 공랭식과 수냉식 폐열회수, 합성가스 연소보일러에서의 고온 고압의 스팀제조, 폐압터빈을 이용한 전력생산으로 구성된 고효율 에너지 이용 시스템을 개발함.
◦ 산화철 촉매에 의한 타르 개질 효과를 극대화할 수 있는 반응기 방식을 선정하기 위하여 2톤/일급(탈수슬러지 기준) 가스화 시스템을 이용하여 1단 버블유동층, 2단 버블유동층, 순환유동층, 1단 버블유동층+개질로, 순환유동층+개질로 방식으로 가스화 실험을 수행한 결과, 가스화 특성은 2단 버블유동층이 가장 좋은 것으로 나타났으나 타르 및 분진 배출량이 많아 가스화 특성과 오염물질 배출특성을 종합적으로 판단하면 1단 버블유동층+개질로 방식이 더욱 적합한 것으로 나타남.
◦ 함수율을 낮추고 발열량을 높이기 위해 혼합된 왕겨를 대체하기 위해 타르를 일정량 혼합하여 가스화 실험을 수행한 결과, 왕겨 혼합의 경우보다 동등 이상의 가스화 특성을 나타냄에 따라 왕겨 대체 혼합물로서 충분한 가능성을 확인함.
◦ 알칼리성 염색폐수를 중화하는 데에 기존의 황산 대체물질로 합성가스 연소보일러 배가스 중의 CO2 활용 가능성을 확인하기 위하여 jet loop reactor 기-액 흡수반응기를 사용한 중화실험을 수행한 결과, 황산 중화와 동일한 pH 변화 경향을 나타냄에 따라 충분한 활용 가능성을 확인하였고, 이 때 폐수 1일 100톤 기준으로 연간 황산 절감량은 11.9톤, 연간 CO2 감축량은 15.3톤, CO2 이용률은 98.5%로 아주 높은 것으로 나타남.
◦ 본 연구에서 개발한 고효율 가스화시스템을 이용하여 염색슬러지에 왕겨, 폐플라스틱 또는 타르를 혼합한 혼합유기자원에 대한 경제성을 평가를 실시한 결과, 타르를 혼합한 경우(50톤/일 기준)가 투자비 회수기간이 가장 짧고 스팀제조 단가도 가장 저렴한 것으로 파악됨.
◦ 본 연구의 파일럿 설비는 한정된 예산으로 인해 자동 운전 및 제어 시스템과 탈황, 탈염, 타르 회수 등 장기 연속운전을 위한 관련 설비가 구축되어져 있지 않아 최대 18시간 정도 연속운전이 수행되었으며, 본 시스템의 안정성과 신뢰성을 확보하기 위해서는 전술한 설비들을 추가한 30톤/일급(탈수슬러지 기준)의 실증화 연구가 연계되어야 함.
기술개발 배경
◦ 슬러지, 왕겨와 같은 유기자원의 에너지 변환 방식은 직접연소, 열 화학적 변환, 생물화학적 변환 등으로 크게 분류할 수 있음.
◦ 바이오매스의 경우는 직접연소, 알코올 발효를 통한 에탄올 제조에 대한 연구가 많이 진행되어 지고 있으나, 고효율 열병합발전이 가능한 가스화에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있음.
◦ 슬러지류는 대부분 해양투기가 금지되어 처리비용을 부담하고 시멘트 소성로로 보내는 실정이고, 최근에는 슬러지 건조, 고체연료화, 탄화 등의 연구가 이루어지고 있으나, 수분제거에 소요되는 다량의 에너지 때문에 상업화의 장애요소가 되고 있음.
◦ 현재 국내외에서 진행 중인 유기자원 가스화 기술의 대부분은 고온 가스화 용융기술이고, 저온 가스화의 경우는 공기 가스화가 주로 이루어지고 있어 타르 발생에 따른 운전 장애 문제가 발생함.
◦ 타르 저감에 대한 연구로는 고가의 니켈계 촉매가 사용되고 있으나, 열화와 비용문제로 이용에 제한을 받고 있음.
◦ 또한, 타르 분해의 촉매 작용을 하는 산화철을 함유한 염색슬러지의 자가촉매 가스화에 대해서는 국내외적으로도 연구사례가 없고, 염색슬러지 함유 폐금속을 이용한 혼합 유기자원의 고효율 가스화 및 에너지이용 시스템이 개발될 경우, 충분한 경쟁력을 가지고 시장에 진입할 수 있을 것으로 예상됨.
핵심개발 기술의 의의
◦ 산화철은 타르의 분해 가능하고, 염색슬러지 회재 중에는 70%이상의 산화철이 함유되어 있어 별도의 촉매사용 없이 염색슬러지를 경제적이고 친환경적으로 가스화 처리가 가능함.
◦ 기존에는 염색슬러지가 시멘트소성로에서 위탁처리되고 염색공정에 필요한 스팀을 고가로 구매하였으나, 스팀제조에 염색 슬러지를 사용함으로써 처리비용을 절감하고 스팀제조 단가를 낮춰 산업경쟁력을 확보함.
◦ 슬러지에 왕겨 또는 타르를 혼합하여 고체연료를 제조하는 기술을 확보함으로써, 바이오매스뿐만 아니라, 폐합성수지류, 잔사유, 오일샌드, bitumen, 갈탄 등을 활용한 고체연료 제조에도 적용 가능함.
◦ 향후 염색슬러지 고효율 가스화 및 에너지이용 시스템에 대한 30 톤/일급 실증연구가 추진될 경우, 안정성 및 신뢰성 확보가 가능하여 국내외 시장의 선점이 가능함.
적용 분야
피혁/도금 등 중금속함유 폐수슬러지, 하수슬러지, 생활폐기물, 사업장폐기물, 잔사유, 오일샌드, bitumen, 갈탄 등의 가스화
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
과제기간(DetailSeriesProject) : | - |
총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
키워드(keyword) : | - |
과제수행기간(LeadAgency) : | - |
연구목표(Goal) : | - |
연구내용(Abstract) : | - |
기대효과(Effect) : | - |
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