초록 ▼

□ 개발 목적 및 필요성
- 우리나라는 온실가스 감축목표를 2020년 온실가스 배출전망치(BAU) 대비 30%로 설정하여 부분별 감축전략을 설정 중.
- 유기성 폐기물의 처리법이 단순 매립에서 혐기성소화 처리로 전환됨에 따라 다량의 바이오가스(메탄, 이산화탄소 주성분) 발생.
- 메탄은 지구온난화지수 21로 6대 주요 온실가스로 분류되며, 자원화를 통해 온실가스 저감과 신재생연료 확보 필요.
- 국내에서 운영 중인 가축분뇨 바이오가스화 시설은 주로 부가가치가 낮은 전력생산. 바이오가스 정제를 통한 연료화를 통해

□ 개발 목적 및 필요성
- 우리나라는 온실가스 감축목표를 2020년 온실가스 배출전망치(BAU) 대비 30%로 설정하여 부분별 감축전략을 설정 중.
- 유기성 폐기물의 처리법이 단순 매립에서 혐기성소화 처리로 전환됨에 따라 다량의 바이오가스(메탄, 이산화탄소 주성분) 발생.
- 메탄은 지구온난화지수 21로 6대 주요 온실가스로 분류되며, 자원화를 통해 온실가스 저감과 신재생연료 확보 필요.
- 국내에서 운영 중인 가축분뇨 바이오가스화 시설은 주로 부가가치가 낮은 전력생산. 바이오가스 정제를 통한 연료화를 통해 고부가가치의 바이오메탄 생산 필요

□ 연구개발 결과
1. 1차년도
- 막접촉기용 소수/다공성 중공사막 제조용 TIPS 설비를 신규 제작, 설치하고, 중 공사를 제조하였으며, 제조된 중공사는 젖음압(물에 대한 파과압력) 최대 15.1 bar, 세공율 최대 53%를 나타내었음.
- Lab-scale(0.1Nm³/hr) 규모의 막접촉기 시스템을 설계, 제작, 시험운전 하였음.

2. 2차년도
- 막접촉기용 소수/다공성 중공사막의 60% 이상의 높은 세공율과 젖음압(물에 대한 파과압력) 10 bar 이상의 중공사막을 제조하기 위하여 1차년도 연구결과를 바탕으로 제조 조건을 변화하여 중공사막을 제조하였음. 제조된 중공사 막은 젖음압 8.7 bar, 세공율 57%를 나타내었음.
- 다양한 흐름 패턴을 갖는 4가지 패턴의 2인치 분리막 모듈을 제작하고 시험하였으며, 모듈 상부, 하부에서 cross flow에 의한 혼합효과가 큰 패턴 D가 가장 우수한 분리막 모듈 형태임을 확인하였음.
- Lab-scale(0.1Nm²/hr) 규모의 막접촉기 시스템을 이용하여 CH₄/CO₂ 혼합기체를 대상으로 2인치 패턴 D 모듈에 대한 다양한 운전조건에서의 분리성능을 시험하였으며, 2인치 패턴 D 모듈의 결과를 바탕으로 3인치 패턴 D 모듈을 제작하여, 혼합기체 유량 2,250 sccm, 기체 압력, 2.5 bar, 액체 유량 4 L/min, 액체 압력 3.0 bar에서 잔류측 CO₂ 농도 3.3% (CH₄ 96.7%), 시스템 회수율 97%를 달성하였음.

3. 3차년도
- 국내 최대의 모듈 직경 8 inch/막면적 40 m² 막접촉기용 대형 모듈화 기술을 개발
- Lab-scale(0.2Nm³/hr) 규모의 막접촉기 시스템을 이용하여 CH₄ / CO₂ 혼합기체를 대상으로 최적 모듈 조합을 완성하였고 다양한 운전조건에서의 분리성능을 최적화하여 막접촉기 대형화할 수 있는 데이터(물질전달계수, 기체 투과량 등)를 확보하였음.
- Lab-scale 규모의 시스템에서 흡수액 온도에 따른 성능시험을 수행하였고 황화수소 / 암모니아를 포함한 모델가스를 적용하여 GC peak 상 황화수소 / 암모니아 성분이 검출되지 않았음.
- Lab-scale(0.2Nm³/hr) 막접촉기 시스템 테스트결과 혼합기체 유량 2000 sccm, 기체 압력 7.5 ~ 9.5 bar, 잔류측 CO₂ 농도 3.7%(CH₄ 96.3%), 시스템 회수율98.2%를 달성하였음.
- Demo-scale 메탄가스 포집∙회수용 고효율 막접촉기 시스템 (10 Nm³/hr)을 설계/제작할 수 있는 제반기술을 확보.
- Demo-scale 메탄가스 포집∙회수용 고효율 막접촉기 시스템 (10 Nm³/hr)을 설계/제작.

4. 4차년도
- Demo-scale 메탄가스 포집∙회수용 고효율 막접촉기 시스템 최적화 및 신뢰성을 확보하였음.
- 메탄가스 포집∙회수농도 : 97.2%, 회수율 : 98% 이상
- Scale-up(50 Nm³/hr) 메탄가스 포집∙회수용 고효율 막접촉기 시스템 기초설계자료 작성

□ 성능사양 및 기술개발 수준
- Lab-scale(0.1Nm³/hr) 막접촉기 시스템 : 혼합기체(CH₄/CO₂=43/57) 공급유량 2,250 sccm, 잔류측 CO₂ 농도 3.3%(CH₄ 96.7%), 시스템 CH₄ 회수율 97%
- Demo-scale(10Nm³/hr) 막접촉기 시스템 : 혼합기체(CH₄/CO₂=43/57) 공급유량 2,250 sccm, 잔류측 CO₂ 농도 2.0%(CH₄ 97.2%), 시스템 CH4 회수율 98%

□ 활용계획
- 바이오가스로부터 개발된 메탄 회수 및 전/후처리를 통합한 막접촉기 시스템을 축산분뇨 바이오가스 자원화 시설에 적용하여 발생되는 메탄을 회수시스템 사업화
- 국내 적용 사례를 발판으로 해외 바이오가스 플랜트의 메탄 고질화 부분에 개발된 막접촉기 시스템 적용

( 출처 : 요약서 4p )

Abstract ▼

Ⅳ. Results
1. 1^st year
- New TIPS system for manufacturing hydrophobic porous hollow fiber membrane was constructed and manufactured hollow fiber membrane showed 15.1 of water breakthrough pressure and 53% of porosity.
- Lab-scale(0.1Nm³/hr) membrane contactor system w

Ⅳ. Results
1. 1^st year
- New TIPS system for manufacturing hydrophobic porous hollow fiber membrane was constructed and manufactured hollow fiber membrane showed 15.1 of water breakthrough pressure and 53% of porosity.
- Lab-scale(0.1Nm³/hr) membrane contactor system was constructed and test run was carried out

2. 2^nd year
- Hollow fiber membrane manufacturing condition was tunned based on 1st year results and they showed 8.7 bar of water breakthrough pressure and 57% of porosity.
- 4 type of 2 inch membrane module was prepared and pattern D module showed best CO₂ removal efficiency.
- Lab-scale(0.1Nm³/hr) membrane contactor system was tested with CH₄/CO₂ mixture and 2 inch pattern D at various operation condition. 3 inch module was prepared based on results of 2 inch test. 3 inch pattern D module showed 96.7% of CH₄ purity and 97% of CH₄ recovery at feed gas flow rate of 2,250 sccm(2.5bar) and liquid flow rate of 4L/min(3.0bar).

3. 3^rd year
- Development of large modularization technology for membrane contactor(diameter of 8 inches/membrane area of 40 m² )
- The optimum module combination of CH₄/CO₂ mixed gas was accomplished using a lab-scale(0.2 Nm³/hr) membrane contactor system and data that can maximize the membrane contactor by optimizing the separation performance under various operating conditions(transmission coefficient, gas permeability, etc.).
- In the lab-scale (0.2 Nm³/hr) membrane contactor system test, the mixed gas flow rate was 2000 sccm, the gas pressure was 7.5 ~ 9.5 bar, the residual CO₂ concentration was 3.7% (CH₄ 96.3%) and the system recovery rate was 98.2%.
- Design and manufacture of high efficiency membrane contactor system (10 Nm³/hr) for demo-scale methane gas recovery.

4. 4^th year
- Optimization of high efficiency membrane contactor system (10 Nm³/hr) for demo-scale methane gas recovery (Methane gas recovery concentration: 97.2%, recovery rate: 98% over).
- Basic design preparation of large-scale system(50Nm³/hr) for high efficiency membrane contactor system.

( 출처 : SUMMARY 15p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 환경기술개발사업 최종보고서(제출서) ... 2
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 서 ... 4
• 요 약 문 ... 8
• SUMMARY ... 13
• 목차 ... 17
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 18
• 1-1. 연구개발 목적 ... 18
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 18
• 1-3. 연구개발 범위 ... 26
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 27
• 2-1. 국외 기술개발 현황 ... 27
• 2-2. 국내 기술개발 동향 ... 28
• 2-3. 현 기술개발의 기술적 의미 및 위치 ... 28
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 31
• 3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ... 31
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 35
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 102
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 103
• 4-1. 목표달성도 ... 103
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 104
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 105
• 5-1. 연구결과의 활용계획 ... 105
• 5-2. 사업화 계획 ... 106
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 106
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 106
• 8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 106
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 107
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 107
• 11. 기타사항 ... 108
• 12. 참고문헌 ... 108
• 끝페이지 ... 109