보고서 정보
주관연구기관 |
(주)신흥정공 |
연구책임자 |
박성배
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2020-08 |
과제시작연도 |
2019 |
주관부처 |
중소벤처기업부 Ministry of SMEs and Startups |
등록번호 |
TRKO202100022556 |
과제고유번호 |
1425137183 |
사업명 |
지역기업혁신성장지원(R&D) |
DB 구축일자 |
2021-11-06
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키워드 |
팜슬러지오일 추출.슬러지팜오일.추출.유수분리.수유분리.Palm sludge oil extract.Sludge palm oil.Extraction.Oil-water separation.Water-oil separation.
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초록
▼
3. 기술개발 결과요약
최종목표
○ 팜유 생산 공정에서 발생하는 분획물 내 팜슬러지오일 추출 시스템 개발
- 다량의 슬러지, 미세 슬러리(부유물질) 분리 가능한 시작품 설계·제작
- 유수분리 장치 개발
- 팜슬러지오일 추출 시스템 개발
- 공인시험
개발내용 및 결과
○ 물 기반의 처리를 위한 원심 분리기 고도화 개발
- 오일 정제 기반의 Self-powered 원심 분리기를 오염수 내 부유물질 분리/제거 용도로 적용함
- 다량의 불순물 분리/제거 목적으로 Self-
3. 기술개발 결과요약
최종목표
○ 팜유 생산 공정에서 발생하는 분획물 내 팜슬러지오일 추출 시스템 개발
- 다량의 슬러지, 미세 슬러리(부유물질) 분리 가능한 시작품 설계·제작
- 유수분리 장치 개발
- 팜슬러지오일 추출 시스템 개발
- 공인시험
개발내용 및 결과
○ 물 기반의 처리를 위한 원심 분리기 고도화 개발
- 오일 정제 기반의 Self-powered 원심 분리기를 오염수 내 부유물질 분리/제거 용도로 적용함
- 다량의 불순물 분리/제거 목적으로 Self-powered 원심 분리기를 직결 또는/그리고 병렬 운전 가능한 시스템 개발함
- 1차 설계 시 프로세스에 중점을 두고 모델링하였는데 검토 결과, 복잡한 구조로 사용상의 불편함을 감안하여 2차 설계 후 시작품을 제작함
∙ 명칭을 직병렬 장치로 정함
- 직렬운전은 오염수 내 불순물 양이 많아졌을 때 정제율을 높이기 위해 사용 가능하고, 병렬운전은 오염수를 짧은 시간에 정제하기 위한 목적으로 사용 가능함
- 하나의 시스템에서 오염수 상태에 따라 운전 모드를 선택할 수 있는 기술은 특허 출원함
○ 유수분리 장치 설계·제작
- 부직포 멤브레인을 입수하여 유수분리 가능성에 대해 비커 단위로 시험함
∙ 시험결과 폐수 안 부유물질이 많아서 초기에 멤브레인을 막는 문제점과 통과된 유체에서 오일이 배출되지 않음을 확인함
- Self-powered 원심 분리기 회전부에 세라믹 멤브레인을 적용하여 시험한 결과, 세라믹 멤브레인을 통과하는 양이 적고, 그 유량으로는 원심 분리기를 회전시키지 못하는 문제점, 토출량이 공급량보다 적어서 역류하는 현상, 물리적 교반에 의한 에멀젼 발생 등의 문제점이 있었음
- 유수분리 가능한 상용화된 멤브레인을 조사하기 위해 한국에너지기술연구원, 한국기계연구원 등 자문을 받았지만 수처리 분야의 멤브레인 정보만 얻음
- 유수분리 가능한 멤브레인 기술동향에 대해 3건의 논문과 1건의 신문기사로 조사되어 각 연구기관에 문의결과 실험실 비커 단위의 성능은 성공했지만 상용화 단계는 아니고, 사용하는 오일의 점도, 비중 등 특성에 따라 결과는 달라짐
∙ 사용환경이 동적인 상태에서는 안되고 정적인 조건에서 오일층과 물층구분이 명확하게 층분리 되어 있어야 유수분리가 가능함
∙ 또한, 유수분리 가능한 멤브레인의 제작단가, 유지비용을 고려하면 사업화 측면에서 부적합함
- 원심력을 이용하여 유수분리 기술개발하는 본 사업에서는 멤브레인 적용을 배제함
- 필터형 유수분리기는 유수분리 후 추출한 오일 내 잔류 물 함량을 낮추기 위한 목적으로 설계·제작함
∙ 1차 필터에서 부유물질 제거하고 2차 필터에서 물과 오일을 분리하는 구조 임
∙ 유체 흐름을 육안으로 확인하기 위해 필터 커버를 아크릴로 적용하였으나 설계에서 오류가 발생하여 누유 문제로 적용을 보류함
○ 팜슬러지오일 추출 시스템 설계·제작
- 팜슬러지오일 추출 시스템의 핵심은 물과 오일을 분리하는 것임
- 원심력을 이용하여 유수분리하기 위해 초기에는 Self-powered 방식을 검토하였으나 에멀젼 발생 문제로 모터 직결식 원심 분리기로 개발함
- Self-powered 원심 분리기는 유체의 압력이 3~7 bar로 유입되어 3,000 ~ 5,000 rpm 회전속도로 구동함
- 모터 직결식 원심 분리기는 초기에 1,500 rpm 기준으로 설계하였으나 유수분리 조건 최적화로 1,000 rpm 이하 저속 조건에서 구동하는 차이점이 있음
- 물(비중 1)과 팜유(비중 0.869)의 밀도 차이에 의한 분리를 빠르게 처리하기 위해 원심력을 사용하였으며 스토크스 법칙(Stoke’s law)에 근거하여 설계함
∙ 유체가 원심력을 받아 분리효율을 높이기 위해 변수(ηavg , r, w, d, t)를 조절하여 설계함
* ηavg : 평균점도, r : 반경(mm), w : 각속도, d : 입자 크기(mm), t : 체류시간
- 모터 직결식 원심 분리기 기본설계 후 부경대학교에 유동해석 의뢰하여 내부흐름 특성, 분리 효율 추정함(전문가 활용)
∙ 회전속도에 따른 오일 출구, 물 출구 배출량 특성을 확인함
∙ 회전체 내부에서 2상(물-오일) 분리가 일어남을 확인함
- 모터 직결식 원심 유수분리기를 설계, 제작, 모의시험을 수행하면서 개발함
∙ 기본설계 → 부경대학교 유동해석 → 혼합액 유입 방법, 커버 설계 → 누유문제, 유수분리가 되지 않고 에멀젼 배출 문제로 회전체 높이 연장 설계 → 회전체 내부 다공성 미디어 적용으로 유수분리 확인하여 유수분리 효율을 위해 디스크 적용 설계 → SUS소재 → AL소재 → 가공에서 규격 파이프 적용 설계 → 오일 출구, 물 출구 설계 → 오일 배출구 위치 수정, 회전체 내부 유체가 가득 찰 수 있도록 구조 설계 → 물 출구 위치 수정 설계 → 배출되는 오일 내 물 함량을 줄이기 위한 디스크 상부 가이드 적용 설계 → 처리량, 비율에 따라 유수분리 공간 조절이 가능한 구조 설계 → 유수분리 효율을 향상시키기 위한 water guide, oil guide 설계 → 물 출구, 오일 출구 위치 수정 설계 → 오일 출구 내경 설계 → 추출유 내 물 함량을 줄이기 위해 oil guide 폭 수정 설계 → 원심 유수분리기 진동 방지를 위한 브라켓 설계 → 최종시작품 제작
- 원심 오일 추출기는 원심 유수분리기에서 나온 추출유의 순도를 높이기 위해 설계·제작함
∙ 1차 구조는 원심 유수분리기와 동일하나 크기만 축소된 모델임
∙ 2차 시작품은 회전체 하부 베어링 실링을 위해 오일씰에서 메카니칼씰로 교체, 유지보수 시간을 줄이기 위한 부품 간 일체화로 설계, 제작함
○ 통합 시스템 최적화 구현
- 본 개발제품인 팜슬러지오일 추출 시스템의 성과로 원심 유수분리기, 원심 오일 추출기, 필터형 유수분리기, 직병렬 장치가 있음
∙ 유수분리하여 추출된 오일의 순도를 높이기 위해 개발 시작품의 구성을 검토하였음
- 최종 개발제품인 원심 유수분리기에서 성능 목표를 달성함
∙ 추가적으로 사업화 단계에서 고객 현장에 따라 개발 시작품의 구성은 맞춤형 전략으로 접근 가능함
○ 시험설비 제작
- 1차 모의 시험기를 설계 검토하여 운영상의 어려움, 제작 비용등의 문제로 2차 설계함
- 2차 시험기를 제작, 시험하면서 문제점들을 보완하여 팜슬러지오일 추출 시스템의 부속품인 3차 히팅탱크 장치를 설계, 제작함
- 물과 오일의 혼합 상태에서 1차적으로 물의 함량을 줄이기 위해 혼합액 탱크에 수면부상식 오일 스키머를 적용함
- 운전 및 시험 모니터링을 위한 장치를 설계, 제작함
- 배출된 물과 오일의 상태를 육안으로 확인 가능한 아크릴 탱크를 설계, 제작함
○ 모의시험 및 결과 분석
- 사업초기 2019년 6월 인도네시아에서 샘플수(폐수) 2드럼 수입함
∙ 폐기물 일반분석 결과 수은이 검출되었음
∙ 폐수 내 오일함량 분석을 한국화학융합시험연구원과 부경대학교 공업화학과 전문가 활용으로 의뢰함
∙ 한국화학융합시험연구원에서는 0.00117%, 부경대학교에서는 0.084%로 폐수 내 오일 함량이 1% 이하임을 확인함
- 원심 유수분리기 시작품 제작하여 시험을 수행함
∙ 설계 5차 시작품을 첫 제작하여 누유, 유수분리 안되는 문제, 에멀젼 발생 등을 확인함
∙ 시작품 구동시험에서는 유압작동유를 사용하여 확인함
∙ 혼합비율, 회전체 속도를 조절하면서 시험함
∙ 6차 시작품에서 회전체 내부 다공성 미디어를 적용한 시험으로 유수 분리가 되고 있음을 확인함
∙ 7차 시작품 시험부터 트레드키 정제 팜유, 롯데 정제 팜유를 사용함
∙ 오일 출구, 물 출구의 배출속도, 배출량과 관련된 시험으로 설계 최적화 함
∙ 7차 시작품 8차 시험에서 정상 가동함을 확인 후 3번 재연 시험으로 성능 목표 달성을 확인함
- 공인시험
∙ 성능 목표 중 오일 추출율(%), 처리량(L/h) 항목은 한국기계전기전자 시험연구원 입회시험을 수행하여 성적서를 발급받음
∙ 추출유 순도(%), 비누화가(mg KOH/g oil)는 한국기계전기전자시험연구원 입회시험 시 샘플채취하여 KOLAS 공인기관인 한국고분자시험연구소에서 분석결과 성적서 받음
∙ 추출유 순도 분석은 팜유가 분자량이 높아서 GPC(Gel permeation chromatography)로 분석하여 불순물 피크 AREA를 계산함
∙ 단, GPC에서 물은 분자량이 낮아 측정이 어려워 추가적으로 수분 함량 분석을 실시하여 추출유 내 불순물(수분) 함량을 확인함
기술개발배경
○ 사업 초기 전 세계적으로 팜유 소비가 늘어나 급증하면서 팜유 채취를 위해 팜나무 및 열매우림이 훼손되어 인도네시아와 말레이시아 등에서 190 종 이상의 멸종 위기종에 피해를 주고 있을 뿐만 아니라, 온실가스 배출 원인이 된다는 국제환경보호단체들의 주장이 있었음
○ 팜유 생산 공정에서 나오는 분획물 내 함유된 팜슬러지오일(PSO)를 추출하여 CPO(Crude palm oil) 생산량 증가로 OER(Oil Extract Rate) 향상
- 인도네시아에서는 팜유 정제율을 팜열매 전체 무게 대비 정제된 오일무게 비교로 환산함
○ 주관기관의 원심력을 이용한 정제 기술을 활용하여 버려지는 폐수 속 오일을 추출하는 기술개발로 고부가가치 제품을 창출할 수 있음
핵심기술개발의 의의
○ 모터 직결식 원심 유수분리기를 독자 설계, 제작함
○ 유수분리 효율 향상을 위한 회전체 내부 Disk, Water guide, Oil guide 구조가 특징임
○ 물과 오일의 혼합액 direct feed 방식으로 에멀젼 발생을 최소화함
○ 본 개발제품의 독자모델뿐만 아니라 주관기관의 기술개발 이전 보유기술과 본 개발제품의 융합 제품으로 신제품군 창출함
○ 고객에게 제공 가능한 제품 범위가 넓어져서 시장 확대 가능함
적용분야
○ 팜유 생산 공정 내 팜슬러지오일 추출 분야
○ 바이오디젤 제조 공장
○ 산업현장 세척수 내 오일, 그리스 제거 필요현장
○ 화학 공정, 항공/자동차/반도체 생산현장
○ 하·폐수 처리 및 정화시설
(출처 : 요약 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제출문 ... 2
- 보고서 요약(초록) ... 3
- 연구개발사업 주요 연구 성과 ... 15
- 목차 ... 19
- 제 1 장 서론 ... 21
- 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 21
- 1. 기술개발 개요 ... 21
- 2. 개발 필요성 ... 23
- 제 2 절 국내ㆍ외 관련 기술의 현황 ... 24
- 1. 국내 관련 기술 현황 ... 24
- 2. 국외 관련 기술 현황 ... 24
- 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적ㆍ경제적 파급 효과 ... 26
- 1. 기술적 파급효과 ... 26
- 2. 경제적 파급효과 ... 26
- 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 27
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 27
- 1. 최종 목표 ... 27
- 2. 기술개발 목표 및 평가 방법 ... 27
- 3. 변경 사항(개발기간 변경) ... 28
- 제 2 절 개발 내용 및 개발 범위 ... 31
- 1. 물 기반의 처리를 위한 원심 분리기 고도화 개발 ... 31
- 2. 팜슬러지오일 추출 시스템 개발 ... 36
- 3. 시험설비 제작 및 성능평가 ... 126
- 4. 결론 ... 194
- 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 195
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 195
- 1. 연구개발 추진 일정 ... 195
- 2. 연구개발 추진 실적 및 성과 ... 196
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 206
- 1. 추진 체계 ... 206
- 2. 추진 내역 ... 207
- 제 3 절 시장 현황 및 사업화 계획 ... 208
- 1. 기술개발 관련 시장 ... 208
- 2. 사업화 계획 및 마케팅 전략 ... 209
- 제 4 절 지역발전효과 ... 210
- 부록#1. 처리유량, 오일 추출율 시험성적서 ... 212
- 부록#2. 추출유 순도 시험성적서 ... 216
- 부록#3. 비누화가 시험성적서 ... 222
- 부록#4. 특허 출원번호통지서 ... 224
- 부록#5. 기술자료임치증 ... 226
- 별첨1. 성과활용현황 및 계획 ... 227
- 별첨2. 성실이행 서약서 ... 231
- 별첨3. 자체보안관리진단표 ... 232
- 끝페이지 ... 233
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