초록 ▼

□ 핵심기술
◦ 바이오 공정에서 나오는 글리세롤을 이용하여 수소를 제조하는 수소생산 공정 및 제품 생산 기술
◦ 바이오 공정에서 나오는 다양한 부산물을 이용하여 고부가가치 물질을 생산하는 공정 및 제품 생산 기술

□ 최종목표
o 글리세롤 개질반응에 의한 수소 제조용 개질기 기술 개발
• 글리세롤로부터 수소 제조 촉매
• 글리세롤 개질용 구조 촉매 제조 공정 최적화
• 글리세롤 개질기 실증을 위한 기반 기술 확보 : 1Nm3/h
• 글리세롤 개질 반응 장기운전 데이터 확보 : > 20

□ 핵심기술
◦ 바이오 공정에서 나오는 글리세롤을 이용하여 수소를 제조하는 수소생산 공정 및 제품 생산 기술
◦ 바이오 공정에서 나오는 다양한 부산물을 이용하여 고부가가치 물질을 생산하는 공정 및 제품 생산 기술

□ 최종목표
o 글리세롤 개질반응에 의한 수소 제조용 개질기 기술 개발
• 글리세롤로부터 수소 제조 촉매
• 글리세롤 개질용 구조 촉매 제조 공정 최적화
• 글리세롤 개질기 실증을 위한 기반 기술 확보 : 1Nm3/h
• 글리세롤 개질 반응 장기운전 데이터 확보 : > 200h
• 글리세롤 개질기 열유동 해석
• 글리세롤 수소제조 공정 개질기 예비 기본설계
o 글리세롤 고부가가치 물질(1,2-PDO, GC) 제조공정 개발
• 1,2-PDO 제조공정 촉매계 개선
• 1,2-PDO 반응 수율 개선
• 1,2-PDO 제조공정 예비기본설계
• GC(Glycerol Carbonate)용 촉매 및 GC 분리
• 글리세롤 카보네이트 제조공정 예비기본설계

□ 개발내용 및 결과
◦ 알칼리 금속(Na, K) 및 알칼리 토금속(Ca, Sr)으로 개선된 구형 타입 Ni/γ-Al2O3 구조촉매를 이용한 Glycerol SR 반응결과(900℃)
◦ Ce 및 La으로 개선된 Perovskite계 촉매를 이용한 Glycerol SR반응 결과
저온 SR 반응조건에서도(<450℃) 높은 전환율과 수소 선택도를 보이는 고성능 촉매를 개발하였으며, 이를 기반으로 Scale-up을 위한 Structured Catalyst 개발 및 실증화 기초자료확보
◦ 글리세롤 개질반응에 의한 수소제조용 개질기 기술 개발
• 고성능 글리세롤 개질촉매개발 및 반응기 Scale-up 수행
1.0 Nm³/h 수소제조를 위해서 일반 건식 함침법 대신,Ni/Al₂O₃ 기반 촉매를 Extruder를 통해 압출 성형한 뒤, Marumerizer를 통해 4.2 mm의 구형으로 성형한 촉매를 반응기에 적용함
1. Lab Scale → 0.1 Nm³/h Scale → 1 Nm³/h Scale-up
2. Mini-Pilot plant 반응기를 통한 글리세롤 개질반응기 실증
2-1. Ni/Al₂O₃ 구조촉매를 통한 1 Nm³/h 실증
2-2. 구조촉매 성능
- 글리세롤 전환율 ≥ 87%
- 수소 선택도 ≥ 60%
- 글리세롤의 SR공정에 대한 데이터 축적
1) 1 Nm³/h의 수소 제조 반응 결과
가) Operation Condition
- Feed : 36 wt% glycerol solution
- Reaction condition : Temp ) 850℃ , Press ) 1 bar
- GHSV : 6,500 h^-1
- 반응시간 : 220 h
나) 제조 반응 결과
- 글리세롤 전환율 : 87%
- 선택도 : H₂(65.2%), CO(15.9%), CH₄(0%), CO₂(18.9%)
- Productivity : 1.21 Nm³/h H₂

◦ 니켈계 촉매 kinetics 연구
- 12~30 wt% 글리세롤 사용
- Kinetics 연구 결과 : 글리세롤의 반응차수 ) 0.33
활성화에너지 ) 40.81 kJ/mol

◦ 글리세롤 SR 반응기 열·유동 해석
1. 평판형 반응기 → Macro-Micro 채널형태 해석 수행
2. 설계 결과
2-1. 개질기 및 연소 버너 중 탈부착이 가능한 연소기 설계
2-2. 연소반응에 의한 열공급이 개질반응 목표온도까지 도달
2-3. 글리세롤 수소 제조공정 설계를 위한 데이터 축적
◦ Pilot급 글리세롤 개질기 기본 설계 및 100 Nm³/h급 수소제조장치 설계
◦ 공정 전체 steady & dynamic 단일 simulation 모델 완성
1-1. Equilibrium 반응기 적용 공정
본 결과를 통해reforming과 WGS를 별도로 나누어 운전하는 것이 효율적임을 확인함.
1-2. Plug Flow 반응기 적용 공정
반응기의 size는 KIST의 반응기 사이즈인 길이 500mm, 직경 22.4mm, 반응 조건은 3.8mL/min, 1atm, 800℃로 설정

1-3. 공정변수 별 case-study
1) 온도의 영향
2) 압력의 영향
도입부 공급물의 압력증가시 수소생산량이 줄어드는 경향을 보여, 다량의 공급물 전달시 공급물의 적당한 압력 고려.
2. 글리세롤 수소제조용 개질기의 CFD 해석
2-1. 3D-단일관 SR 반응기 CFD 해석 결과
2-2. 실험결과 및 시뮬레이션 결과비교
2-3. 경제성 평가 및 민감도 분석
1) 투자비 회수측면 :
- 이자율 적용 : 운전시작 후 5.5~7.1년
- 이자율 미적용 : 운전시작 후 6.3~9.0년
2) 다양한 변동 시나리오를 반영한 민감도 분석
주요 변동변수 : FCI, 수소 판매가, 소득세, 이자율, 원료값
◦ 글리세롤 고부가가치 물질생산 기술 개발
1. 글리세롤 수소화 반응에 의한 1,2-PDO 제조 촉매
2. 글리세롤 수소화 반응에 의한 1,2-PDO제조 실험결과
- 글리세롤로부터 1,2-PDO 제조용 개념설계
3. Glycerol Carbonate 제조용 촉매 및 공정개발
1)불균일계 Zn-based Hydrotalcite 촉매를 이용한 Glycerol Carbonate 합성 결과

Supersaturation법을 이용하여 Zn/(Zn+Al) 비율이 0.6인 HT를 제조한 후 음이온 치환한 촉매를 500℃로 5시간 동안 소성한 촉매를 사용하여 요소를 이용한 GC 합성 촉매로 사용한 결과 GC 선택도 >98%의 높은 선택성을 보임을 확인하였음.
음이온 치환에 의한 글리세롤 카보네이트 선택도와 글리세롤 전환율에 영향은 거의 없음이 확인되었음.
2) 글리세롤 카보네이트 제조 및 정제 공정 예비 설계

□ 기술개발 배경
◦ 바이오디젤의 생산공정에서 주요 부산물로 글리세롤이 약 10% 정도 발생되지만 특별한 용도가 없어 폐기되고 있는 실정임.
◦ 최근 국가적인 관심사인 녹색성장 산업 및 신 성장 동력사업의 성장을 위해서도 화학물질 재활용 및 부산물의 고부가가치화를 위한 산업원천기술 개발의 하나로서 처리 기술이 없는 바이오디젤 생산의 주된 부산물인 글리세롤의 재활용 및 고부가화 기술 개발이 필요함.
◦ 1,2-PDO은 폴리머, 폴리에스터, 화장품, 부동액, 세제, 농약, 의약품, 부동액 및 생리활성 물질과 같은 광학활성을 갖는 화합물 제조공정의 주요 원료로 사용 및 부가가치가 높은 물질임.

□ 핵심개발 기술의 의의
◦ 바이오디젤 생산 공정의 주요 부산물인 글리세롤의 효율적인 활용을 위한 수소 및 고부가 화학물질의 제조 공정으로, 추후 바이오디젤 대량 공급시 발생할 글리세롤의 과잉 생산으로 인한 문제를 고부가가치화로 해결할 수 있을 것으로 보임.

□ 적용 분야
◦ 기존 바이오디젤 생산공정에 글리세롤 수증기개질 및 1,2-PDO 및 글리세롤 카보네이트 생산 공정을 패키지로하여 판매할 수 있음.
◦ 글리세롤 수증기개질 공정은 대형 수소스테이션이나 소형 마이크로·매크로 개질기에 적용할 수 있음.
◦ 국내의 울산석유화학단지에 글리세롤의 개질반응을 이용한 합성가스 제조공정이 건설되면 수소나 합성가스를 필요로 하는 다양한 석유화학 및 정밀화학공정에 공급이 가능하고 수입에 의존하는 천연가스나 석유의 사용량을 줄일 수 있어 녹색성장에 기여함으로써 외화절약은 물론 에너지의 수입대체가 가능할 것으로 판단

( 출처: 최종보고서 초록 - 3. 개발결과 요약 4p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 21
• 목차 ... 39
• 제 1 장 서론 ... 40
• 제 1 절 과제의 개요 ... 40
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 42
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 42
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 44
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 45
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 60
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 61
• 제 3 장 결과 ... 62
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 62
• - 연구개발 추진 일정 ... 62
• - 연구개발 추진 실적 ... 64
• - 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 전체를 기재(최종적 정리) ... 181
• - 정량적 목표 대비 실적 ... 196
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 197
• - 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 ... 197
• 제 3 절 고용 창출 효과 ... 199
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 200
• 제 4 장 사업화 계획 ... 201
• 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 201
• 제 2 절 사업화 계획 ... 202
• - 사업화 소요기간, 예상 매출 규모, 시장 점유율, 마케팅 계획 등을 기재 ... 202
• 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 204
• 부 록 : 시험성적서, 도면, 설계도 ... 205
• 끝페이지 ... 222