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[국가R&D연구보고서] 고열량 폐기물 합성가스로부터 메탄올 회수 기술 개발 원문보기

보고서 정보
주관연구기관 고등기술연구원
Institute for Advanced Englineering
보고서유형최종보고서
발행국가대한민국
언어 한국어
발행년월2014-06
과제시작연도 2013
주관부처 산업통상자원부
Ministry of Trade, Industry and Energy
연구관리전문기관 한국에너지기술평가원
Korea Energy Technology Evaluation Institute
등록번호 TRKO201400017015
과제고유번호 1415131820
사업명 신재생에너지융합원천기술개발(에특)
DB 구축일자 2014-10-11
키워드 폐기물.가스화.합성가스.정제.분리.메탄올.

초록

최종목표
◦ 폐기물 가스화에 의한 합성가스로부터 메탄올 전환 연계시스템 개발
- 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 공정 개선 구축(기존 개발기술 이용)
- 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 공정 연계 기체/액체 연료회수 연계시스템 구축
․ 합성가스 고효율 정제기술 개발
․ 합성가스(CO) 분리 기술 개발
․ 합성가스 개질기술 및 메탄올 전환 기술 개발
◦ 10 TOE/일급 폐기물 가스화 및 기체/액체 연료생산 복합시스템 설계
개발내용 및 결과
◦ 폐기물 가스화 데이터베이스를 이용한 운

목차 Contents

  • 표지 ... 1
  • 제출문 ... 2
  • 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
  • <기술개발사업 주요 연구성과> ... 15
  • 목차 ... 30
  • 그림목차 ... 37
  • 표목차 ... 53
  • 제 1 장 서론 ... 61
  • 제 1 절 과제의 개요 ... 61
  • 1. 개발 대상 기술의 개요 ... 61
  • 2. 개발 대상 기술의 중요성과 파급효과 ... 62
  • 2.1. 개발 대상 기술의 중요성 ... 62
  • 2.2. 개발 대상 기술의 파급효과 ... 66
  • 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 70
  • 제 1 절 최종목표 및 평가방법 ... 70
  • 1. 최종목표 ... 70
  • 2. 최종 평가방법 ... 70
  • 제 2 절 연차별 개발목표 및 개발내용 ... 72
  • 1. 1차년도 ... 72
  • 2. 2차년도 ... 74
  • 3. 3차년도 ... 75
  • 제 3 절 수행결과의 보안등급 ... 76
  • 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 77
  • 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 78
  • 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 78
  • 1. 연구개발 추진 일정 ... 78
  • 2. 연구개발 추진 실적 ... 81
  • 3. 기술개발 결과 ... 84
  • 3.1. 기술개발 관련 기술조사 ... 84
  • 3.1.1. 폐기물 가스화 기술 ... 84
  • 가. 폐기물 가스화 기술의 특징 ... 84
  • 나. 폐기물 가스화 기술의 필요성 ... 86
  • 다. 폐기물 가스화 기술의 종류 ... 92
  • 라. 국내,외 관련기술 현황 ... 111
  • 3.1.2. 고효율 정제 기술 ... 115
  • 가. 고효율 정제 기술 개요 ... 115
  • 나. 고온정제공정 ... 117
  • 3.1.3. 합성가스 개질 기술 ... 123
  • 가. 합성가스 개질 기술 개요 ... 123
  • 가. 합성가스 개질용 촉매 ... 127
  • 3.1.4. 합성가스 메탄올 전환 기술 ... 134
  • 가. 국내 관련 기술의 현황 ... 134
  • 나. 국외 관련 기술의 현황 ... 134
  • 다. 메탄올 합성 공정 ... 135
  • 라. 메탄올 정제 공정 ... 149
  • 마. 메탄올 이용 기술 ... 149
  • 3.1.5. 합성가스 분리 기술 ... 150
  • 가. 국내.외 CO 분리기술 동향 ... 150
  • 가. 기체분리막 기술을 이용한 CO 분리공정 사례 ... 158
  • 3.2. 설계 프로그램 및 데이터베이스 프로그램 개발 ... 164
  • 3.2.1. 설계 프로그램 개발 ... 164
  • 3.2.2. 데이터베이스 프로그램 개발 ... 169
  • 가. 폐기물 가스화 운전 데이터베이스 구축 ... 169
  • 나. 폐기물 가스화 운전 데이터베이스 관리 프로그램 ... 171
  • 다. 폐기물 가스화 운전 데이터베이스 연계 수성가스 전환 반응 모사 프로그램 ... 177
  • 라. 폐기물 가스화 운전 데이터베이스 연계 수소분리 메탄올 합성 모사 프로그램 ... 178
  • 3.3. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 시스템 개선 및 운전조건 도출 ... 179
  • 3.3.1. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 시스템의 운전조건 도출 ... 179
  • 가. 폐기물 성상별 합성가스 생산 특성 ... 179
  • 나. 폐기물 합성가스 품질 향상 운전조건 및 가스화 시스템 운전인자 ... 180
  • 다. 합성가스의 오염물질 배출 특성 및 합성가스 연료 회수를 위한 정제조건 ... 181
  • 3.3.2. 대상 폐기물 선정 ... 183
  • 가. 고열량 폐기물의 선정 기준 ... 183
  • 나. 합성가스 생산이 가능한 고열량 폐기물의 선정 ... 183
  • 다. 국내 폐기물의 발생 현황 ... 184
  • 3.3.3. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 시스템 개선 ... 186
  • 가. 고온정제 연계 ... 187
  • 나. 폐기물 가스화기 시스템 개선 ... 188
  • 다. 폐기물 가스화 시스템 이전 ... 208
  • 라. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 시스템 재구축 ... 210
  • 3.3.4. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 시스템 공정모사 및 기본설계패키지 개발 ... 215
  • 가. 고열량 폐기물 합성가스 생산특성 공정모사 ... 215
  • 나. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 시스템 기본설계패키지 개발 ... 217
  • 다. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 공정 개념설계 ... 221
  • 3.4. 고온정제 기술 개발 ... 226
  • 3.4.1. 실험실 규모 탈황제 및 탈염제 성능평가를 위한 고온정제 장치 설계 및 제작 ... 226
  • 가. 실험실 규모 탈황제 및 탈염제 성능평가를 위한 반응기 장치 설계 ... 226
  • 나. 실험실 규모 탈황제 및 탈염제 성능평가를 위한 반응기 장치 제작 ... 228
  • 다. 실험실 규모 탈황제 및 탈염제 성능평가를 위한 실험 설계 ... 233
  • 라. 실험실 규모 탈황제 및 탈염제 적용 Sorbent 물성 분석 ... 235
  • 3.4.2. 고온정제공정 적용을 위한 탈황제 및 탈염제 스크리닝 연구 ... 237
  • 가. 탈황제 스크리닝 연구 ... 237
  • 나. 탈염제 스크리닝 연구 ... 237
  • 3.4.3. 고온정제공정 적용을 위한 탈황제 성능평가 ... 239
  • 가. 온도의 영향 ... 239
  • 나. 압력의 영향 ... 240
  • 다. 공간속도의 영향 ... 241
  • 라. 농도변화의 영향 ... 241
  • 마. 수분주입 시 영향 ... 242
  • 바. 반응 전·후 sorbent의 변화 ... 244
  • 3.4.4. 고온정제공정 적용을 위한 탈염제 성능평가 ... 246
  • 가. 온도의 영향 ... 246
  • 나. 압력과 공간속도의 영향 ... 247
  • 다. 반응 전·후 sorbent의 변화 ... 248
  • 3.4.5. 냉간실험과 유동해석을 이용한 백필터 운전기술개발 ... 249
  • 가. 세라믹 필터 및 반응기 구성 및 입자 분포 ... 249
  • 나. 입자 분포 ... 250
  • 다. 입자크기/상승속도별 입자 부착량평가(냉간실험) ... 250
  • 라. 전산유동해석을 통한 입자거동 분석 ... 251
  • 3.4.6. 평형모사기법을 이용한 고온정제 설계기술개발 ... 264
  • 가. 최적 탈황제 및 운전온도 확보 ... 264
  • 나. 최적 탈염제 및 운전온도 확보 ... 264
  • 다. 탈황제 주입 및 재생 조건 확보 ... 265
  • 라. 탈염제 주입 조건 확보 ... 268
  • 3.4.7. 백필터 반응기를 이용한 최적 운전 조건 확보 ... 271
  • 가. Sorbent 주입량별 차압특성변화 ... 271
  • 나. 차압별 H2S 제거특성평가 ... 272
  • 다. 차압별 HCl 제거특성평가 ... 273
  • 라. H2S/COS 동시제거특성 ... 274
  • 마. H2S/HCl 동시제거특성 ... 275
  • 바. 반응전·후의 세라믹필터 ... 276
  • 사. 흡착제 주입량 계산 ... 277
  • 3.4.8. 암모니아 고온정제를 위한 최적화 실험 ... 279
  • 가. 실험 반응기 공정도 및 구성 ... 279
  • 나. 고온 암모니아 처리를 위한 흡착제와 촉매의 선정 ... 281
  • 다. Catalytic Decomposition 기술에 의한 암모니아 제거 실험 ... 282
  • 라. Chemisorption 기술에 의한 암모니아 제거 실험 ... 285
  • 마. SCO 기술에 의한 암모니아 제거 실험 ... 289
  • 3.4.9. 경제성 향상을 위한 흡착제 최적화 실험 ... 291
  • 3.4.10. 백필터 반응기 최적 운전기술 개발 ... 294
  • 가. 촉매가 코팅된 세라믹필터를 이용한 암모니아 제거 ... 294
  • 나. 분말 흡착제 주입량과 순환주기 조건 도출 ... 294
  • 다. 분진 정제수준에 대한 이론적 검토 ... 296
  • 라. 분말 흡착제 및 비산재를 이용한 집진성능평가 ... 297
  • 3.5. 합성가스 개질 기술 개발 ... 299
  • 3.5.1. 실험실 규모 폐기물 가스화 합성가스 개질장치 설계 및 제작 ... 299
  • 가. 실험실 규모 WGS 촉매 반응 장치 구성 ... 299
  • 3.5.2. 폐기물 합성가스의 H2/CO 조성제어를 위한 WGS 촉매 스크리닝 연구 ... 303
  • 가. 촉매 제조 방법 ... 304
  • 나. 촉매 구성 성분 및 조성에 따른 촉매 성능 평가 결과 ... 305
  • 다. 촉매 구성 성분 및 조성에 따른 촉매 성능 평가 결론 ... 318
  • 3.5.3. 폐기물 합성가스의 H2/CO 조성제어를 위한 WGS 촉매 제조방법 최적화 ... 319
  • 가. 촉매 제조 방법 ... 319
  • 나. 촉매 제조 방법에 따른 촉매 성능 평가 결과 ... 320
  • 다. 촉매 제조 방법에 따른 촉매 성능 평가 결론 ... 335
  • 3.5.4. 폐기물 합성가스의 H2/CO 조성제어를 위한 WGS 촉매 제조량 Scale up 연구 ... 336
  • 가. 촉매 제조 방법(Fe-Al-Cu 촉매, 공침법) ... 336
  • 나. 촉매 제조량 Scalue up에 따른 촉매 성능 평가 결과 ... 336
  • 다. 촉매 제조량 Scalue up에 따른 촉매 성능 평가 결론 ... 340
  • 3.5.5. 0.5 TOE/일급 가스화 시스템의 적용을 위한 실험실 규모 촉매 특성 실험 ... 341
  • 가. 개발 촉매의 H2/CO 비 조절 연구 ... 341
  • 가. 개발 촉매의 Pellet 성형 가능성 검토 ... 344
  • 나. 개발 촉매와 상용 Fe-Cr 촉매의 성능 비교를 통한 Pilot plant 적용 인자 도출 연구 ... 345
  • 다. 개발 촉매의 안정성 테스트 ... 346
  • 라. 개발 촉매의 대용량 제조를 통한 Pilot plant 적용 인자 도출 연구 ... 347
  • 마. 개발 촉매의 0.5 TOE/일급 적용성 평가 결론 ... 349
  • 3.6. 메탄올 전환 기술 개발 ... 351
  • 3.6.1. 메탄올 전환 촉매 Screening ... 351
  • 가. 실험실 규모의 메탄올 합성 장치 구성 ... 351
  • 나. 실험조건 및 방법 ... 351
  • 다. 실험결과 ... 354
  • 3.6.2. 메탄올 합성 반응의 최적화 ... 358
  • 가. 상업용 메탄올 합성 촉매 동력학 문헌 조사 ... 358
  • 나. 메탄올 합성 반응의 최적화를 위한 특성 실험 ... 363
  • 3.6.3. 메탄올 합성에 미치는 피독물질의 영향 ... 369
  • 가. 실험조건 및 방법 ... 369
  • 가. 실험 결과 ... 370
  • 3.7. 합성가스 분리 기술 개발 ... 374
  • 3.7.1. CO 분리정제를 위한 기체분리막 공정개발 ... 374
  • 가. CO 기체분리막 시스템 제작 및 실험방법 ... 374
  • 나. 기체분리막 시스템을 이용한 CO 분리특성 실험 및 결과 ... 376
  • 3.7.2. CH4/CO2 기체분리막 분리실험 ... 394
  • 가. 혼합가스 농도가 CH4/CO2=50/50인 경우 조건 변화에 따른 CH4 분리특성 ... 395
  • 가. 주입 혼합가스의 농도변화 및 stage cut의 변화에 따른 CH4 분리특성 ... 404
  • 나. 운전조건별 CH4 분리특성의 주요 연구결과 ... 405
  • 3.7.3. CO2 분리를 위한 PSA 공정개발 ... 412
  • 가. CO2 PSA 시스템 제작 및 실험방법 ... 412
  • 나. PSA 시스템을 이용한 CO2 흡착실험 및 결과 ... 413
  • 다. PSA 시스템을 이용한 CO2 탈착실험 및 결과 ... 418
  • 3.7.4. 모사가스를 이용한 CO2 PSA 분리시스템과 CO 기체분리막 시스템의 연계시운전 ... 421
  • 가. 운전압력별 통합 연계시스템의 분리특성 실험 ... 421
  • 나. 유입유량별 통합 연계시스템의 분리특성 실험 ... 422
  • 3.7.5. 폐기물 합성가스를 이용한 CO2 PSA 및 CO 기체분리막 통합 연계 시스템의 분리특성 실험 ... 424
  • 3.7.6. 합성가스 통합 분리공정 설계 Package 개발지원(10 TOE/일급) ... 428
  • 가. CO2 PSA 시스템의 설계를 위한 엔지니어링 데이터 확보 실험 ... 428
  • 3.8. 단일폐기물 가스화 특성 실험 ... 437
  • 3.8.1. 사업장 폐기물 기초 특성 분석 ... 437
  • 가. 사업장 폐기물 기초 특성 ... 437
  • 가. 실험실 규모의 가스화 실험 ... 447
  • 나. Lab. 규모의 정제시스템 구축 ... 468
  • 다. 가스상 오염물질 채취 및 분석 ... 470
  • 3.9. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 설계, 제작 ... 477
  • 3.9.1. 합성가스 고온정제 공정 ... 477
  • 가. 합성가스 고온 정제공정 설계 ... 477
  • 가. 합성가스 고온 정제공정 제작 ... 479
  • 3.9.2. 합성가스 개질 공정 ... 484
  • 가. 합성가스 개질공정 설계 ... 484
  • 가. 합성가스 개질 공정 제작 ... 490
  • 3.9.3. 합성가스 메탄올 전환 공정 ... 496
  • 가. 공정 설계 ... 496
  • 가. 설비 제작 ... 501
  • 3.9.4. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 기본설계패키지 개발 ... 512
  • 가. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 열 및 물질수지 ... 512
  • 나. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 PDP 설계 ... 516
  • 3.10. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 실험 ... 534
  • 3.10.1. 폐기물 합성가스 생산 및 오염물질 특성 ... 534
  • 가. 폐기물 가스화 합성가스 생산 특성 실험 개요 ... 534
  • 나. 폐기물 특성 ... 534
  • 다. 폐기물 가스화 합성가스 생산특성 분석 ... 536
  • 라. 폐기물 가스화 합성가스를 이용한 전체시스템 연계 특성 평가 (Test 6∼Test 9) ... 541
  • 3.10.2. 폐기물 합성가스 정제 특성 ... 546
  • 가. 처리가스 및 운영특성 ... 546
  • 나. 백필터 운영특성 ... 549
  • 다. 고정층 반응기 연계운전 시 HCl, HCN, NH3 농도변화 ... 553
  • 라. 고정층 반응기 연계운전 시 H2S 농도변화 ... 555
  • 마. 분말 약제를 이용한 2차 백필터 연계운전 ... 556
  • 3.10.3. 폐기물 합성가스 개질 특성 ... 558
  • 가. 촉매 특성 ... 558
  • 나. 실험실 규모 합성가스 개질 반응기 성능평가 ... 560
  • 다. 0.5 TOE급 합성가스 개질 장치 성능평가 ... 561
  • 3.10.4. 폐기물 합성가스 메탄올 전환 특성 ... 575
  • 가. 메탄올 전환 촉매 ... 575
  • 나. 메탄올 전환 실험 결과 계산 ... 575
  • 다. 실험 결과 ... 576
  • 3.11. 10 TOE/일급 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 설계 ... 592
  • 3.11.1. 0.5 TOE/일급 메탄올 전환 시스템 Consequence Analysis ... 592
  • 가. Consequence analysis 개요 ... 592
  • 나. Consequence Analysis 평가조건 ... 592
  • 다. 화재 복사열 계산 방법 ... 593
  • 라. 폭발 과압 계산 방법 ... 594
  • 마. 확산 계산 방법 ... 595
  • 바. 시나리오 선정 ... 596
  • 사. 시나리오에 따른 결과 ... 598
  • 3.11.2. 0.5 TOE/일급 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 HAZOP Study ... 608
  • 가. HAZOP Study 목적 및 특징 ... 608
  • 나. HAZOP Study 절차 ... 610
  • 다. HAZOP Study 결과 ... 615
  • 3.11.3. 10 TOE/일급 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 설계 ... 618
  • 가. 10 TOE/일급 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 열 및 물질수지 ... 619
  • 나. 10 TOE/일급 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 열 및 물질수지(3단 반응기 메탄올 전환 공정 적용) ... 624
  • 다. 10 TOE/일급 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 PDP ... 628
  • 라. 10 TOE/일급 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 주요 공정 설계 ... 632
  • 3.11.4. 폐기물 가스화 연계 메탄올 전환 시스템 경제성 분석 ... 638
  • 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 641
  • 1. 기술개발 추진방법.전략 ... 641
  • 2. 기술개발 추진체계 ... 644
  • 제 3 절 시장현황 및 사업화 전망 ... 647
  • 제 4 절 고용 창출 효과 ... 650
  • 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 651
  • 제 6 절 참고문헌 ... 658
  • 1. 국내 참고문헌 ... 658
  • 2. 해외 참고문헌 ... 658
  • 3. 홈페이지 주소 ... 664
  • 끝페이지 ... 665

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