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가스화시스템 분석 프레임워크를 이용한 폐기물 가스화 시스템 분석.평가
김나랑(Kim, NaRang),구재회(Gu, JaeHoi),김수현(Kim, SuHyun),박수남(Park, SooNam),성호진(Sung, HoJin) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06
최근 정부의 녹색성장 정책, 고유가시대 도래, 온실가스 감축 의무화, 폐기물 해양배출 강화 등으로 인해 폐기물의 자원화에 대한 관심이 고조되고 있다. 국내에서 발생되는 가연성폐기물을 기존의 감량처리 대신 가스화 공정을 적용하여 합성가스로 전환할 경우 환경친화적이고 고효율의 에너지 회수가 가능하게 된다. 폐기물 가스화를 통해 얻어진 합성가스는 난방, 가스엔진 및 연료전지를 이용한 전기생산과 DME, SNG등의 합성연료유 제조에 활용될 수 있으며, WGS 반응 및 PSA 방법에 의해 수소를 얻을 수 있다. 이와 더불어 최근에는 메탄올과 CO의 합성을 통해 얻어지는 초산제조 공정에서의 원료로서 폐기물 가스화를 통한 합성가스 내의 CO를 활용하는 방안이 연구되고 있다. 이는 기존 초산 제조공정에서 CO를 생산하기 위해 소모되는 고가의 석유계(납사, 중질유) 원료를 절감할 수 있어 경제적으로 장점을 가지고 있다. 이를 위해서는 폐기물 가스화에서 발생된 합성가스 내에 포함된 금속성분, 분진등의 오염물질의 농도가 후단공정에 영향을 주지 않아야 하며, 초산제조공정의 안정적인 운전을 위해 합성가스의 CO, H₂ 조성 변화폭이 {pm}5%이하로 유지되어야 하는 기술적인 문제를 해결해야 한다. 따라서 본 연구에서는 폐기물 가스화 시스템의 운전특성을 통해 환경성, 기술성, 경제성을 분석 평가 할 수 있도록 구성된 분석 프레임워크를 이용하여, 초산제조공정에 적용하기위한 상용급 폐기물 가스화 시스템의 특성을 비교 분석하였다.
시스템공학 개념을 적용한 폐기물 가스화 시스템 분석 프레임워크 개발
임용택(Lim, Yongtaek),구재회(Gu, Jaehoi),김나랑(Kim, Narang),이재천(Lee, Jaechon) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06
폐기물 가스화는 생산된 합성가스를 이용하여 발전 등 직접적인 에너지원으로 이용할 수 있으며, 고부가가치 화합물의 원료 공급원으로도 이용할 수 있다. 폐기물 가스화를 이용한 고부가가치 화합물 제조의 경우 기존 화합물 제조공정에 폐기물 가스화 공정이 연계되어, 하나의 복합시스템으로 운영이 된다. 따라서 기존 공정과 최적으로 연계될 수 있는 폐기물 가스화 시스템의 개발 또는 선정이 필요하며, 이를 위하여 폐기물 가스화 시스템에 대한 분석 평가가 적절하게 이루어져야 한다. 본 연구에서는 시스템공학 개념을 적용하여 폐기물 가스화 시스템의 체계적인 분석 평가를 위한 프레임워크를 개발하였다. 시스템공학은 요건분석, 기능분석, 합성(통합), 분석/관리 프로세스를 통하여 시스템을 성공적으로 구현하기 위한 다학제적인 접근방법이다. 이러한 시스템공학의 개념 및 기본 프로세스를 적용 조정하여 폐기물 가스화 분석 평가 프레임워크를 개발하였으며, 개발된 프레임워크는 계층구조로 표현이 된다. 계층구조는 분석관점, 분석항목, 분석지표로 구성이 되며 분석된 데이터에 대한 평가는 AHP를 통하여 계산된 가중치를 적용하여 이루어진다.
복합폐기물 가스화를 통해 발생된 합성가스 내 CO의 초산제조 원료 활용 적용성 평가
김수현(Kim, Suhyun),구재회(Gu, Jaehoi),김나랑(Kim, Narang),성호진(Sung, Hojin),박수남(Park, Sunam),임용택(Lim, Youngtaek),추수태(Choo, Sootae) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06
국내에서 발생하는 생활폐기물 발열량이 최근 3,000 kcal/kg 정도를 웃돌고 있고 사업장 폐기물의 경우는 4,000~7,000 kcal/kg 정도로 높아 이러한 가연성 폐기물 들은 자원화하여 에너지원으로 사용가능하다. 폐기물 자원화 기술의 하나인 가스화 기술을 적용하면 폐기물 내의 가연분은 CO, H₂가 주성분인 합성가스로 전환되어 화학원료 또는 발전원료로서 활용이 가능하다. 본 연구에서는 합성가스의 다양한 활용분야 중에서도 메탄올과 CO의 합성을 통해 얻어지는 초산제조 공정에서 폐기물의 가스화를 통해 발생되는 합성가스 내의 CO를 적용하여 기존 초산제조공정에서 필요한 CO를 생산하기 위해 소모되는 고가의 납사 원료를 절감하고자 하는 방안이 검토되고 있다. 초산은 CO와 메탄올(CH₃OH)을 금속이온계 귀금속촉매 상에서 메탄올카본닐레이션(Methanol carbonylation)반응으로부터 합성되는 것으로, 초산에스테르, 염료, 안료, 의약품 등의 원료로 사용되는 화학원료이다. 일반적으로 초산을 제조하기 위해 사용되는 CO를 생산하기 위하여 납사(Naptha)를 가스화하는 부분산화공정을 이용하거나 촉매를 사용한 Steam reforming공정을 적용하고 있는데, 가스화 및 Steam reforming의 원료가 되는 납사가 고가이고, 원유가가 상승하면 납사의 가격도 상승할 수 있고, 결국 초산제조 비용의 상승을 초래할 수 있다. 폐기물의 가스화를 통해 발생하는 합성가스 내의 CO를 활용하여 초산제조의 원료로 사용할 수 있다면 초산제조 공정에서의 CO 제조 비용 절감 및 폐기물 자원화의 효과를 동시에 달성할 수 있을 것으로 생각된다. 본 연구에서는 초산제조의 원료로 폐기물의 가스화를 통해 발생한 합성가스 내의 CO를 적용가능성을 검토하기 위하여 사업장 폐기물 및 사업장폐기물과 폐유, 건조슬러지 등을 혼합한 복합폐기물의 가스화를 통해 CO의 발생 특성을 분석하였다.
전산해석을 통한 초본계 농업부산물의 합성가스 생산 특성
김수현(Kim, Suhyun),구재회(Gu, Jaehoi),박용철(Park, Yongcheol) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06
현재 농업부산 폐자원은 퇴비, 가축사료 등의 단순 활용이 대부분을 차지하고 있어, 열분해 가스화를 통한 고효율 에너지 이용 시스템 개발로 기존 단순 활용에 그치던 농업부산 폐자원의 고부가가치 이용이 절실히 필요한 실정이다. 본 연구에서는 초본계 농업부산물인 왕겨를 이용한 열분해 가스화 시스템에 대한 특성 파악 및 초본계 농업부산물을 이용한 에너지자원화 및 고효율 에너지 이용을 위한 방안을 모색하고자 다양한 조건에서 전산해석을 수행하였다. 공정해석에 사용된 왕겨는 수분함량 11.33%, 회분함량 10.66%, 가연분 함량, 78.01%의 조성으로, 발열량은 LHV 기준으로 3,729 kcal/kg 였다. 상용해석 프로그램을 사용하여 열분해로의 열손실, 투입되는 시료의 가스화 반응 비율 변화, 열분해 가스화 반응의 산화제로 사용되는 공기의 유량 변화에 따른 발생되는 가스의 유량, 성상, 온도 특성을 파악하였다.
초본계 농업부산물 가스화기에서 발생된 합성가스 공급시스템 운전특성
박수남(Park, Soonam),구재회(Gu, Jaehoi),성호진(Sung, Hojin),김나랑(Kim, Narang),임용택(Lim, Yongtaek),서용교(Seo, Youngyo),박용철(Park, Youngchul) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06
바이오매스는 에너지 위기 및 CO₂에 의한 지구온난화 및 화석자원의 고갈이 진행되면서, 화석연료와 달리 재생이 가능하고 지속 가능한 자원으로 각광을 받고 있다. 바이오매스를 이용하는 신재생에너지 기술로는 직접연소, 열화학적 변환, 생화학적 변환 기술 등이 있다. 열화학적 변환 기술에는 바이오매스를 열분해 가스화하여 발생된 합성가스를 이용하는 기술이 포함된다. 농업부산물은 청정에너지원으로서의 가능성이 높은 것으로 알려져 있으나, 현재는 퇴비, 가축사료 등의 단순 활용이 대부분을 차지하고 있다. 농업부산물을 이용하여 고부가가치를 창출하기 위한 하나의 방안으로 열분해 가스화를 통해 고효율 에너지원으로의 사용을 고려해 볼 수 있다. 본 연구에서는 초본계 농업부산물인 왕겨를 이용한 열분해 가스화기에서 발생한 합성가스를 정제시스템을 통하여 정제한 후, 가스엔진으로 정량적으로 공급하기위한 합성가스 공급시스템의 운전 특성을 고찰하였다. 그 결과 왕겨를 이용한 가스화기에서 합성가스는 안정적으로 발생하였으며, 정제시스템에서는 90%이상의 효율을 얻었다. 또한 20 kW급 가스엔진에서 필요로 하는 합성가스 공급유량 테스트는 약 80Nm³/h, 200 mmAq 조건에서 가스 누입, 누출 없이 안정적으로 공급되었다.
바이오 폐기물 고형연료(Bio-SRF)의 내구성 및 저장성 평가
김동주 ( Dongju Kim ),구재회 ( Jaehoi Gu ),박영수 ( Yeongsu Park ),홍동욱 ( Donguk Hong ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2020 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2020 No.-
바이오 폐기물 고형연료(Bio-SRF)는 폐지류, 농업폐기물, 폐목재류, 식물성 잔재물, 초본류 폐기물 등 환경부 장관이 고시하는 바이오매스 폐기물을 이용하여 제조한 고형연료를 말한다. 국내 Bio-SRF의 전소 및 혼소를 이용한 발전량은 지난 5년간 5배 이상 증가하여 2018년 기준 1,782,965 MWh로써 바이오 에너지 총 발전량의 약 20%를 차지하였다. 이와 같은 수요증가세는 향후에도 유지될 것으로 예상되며 2022년 대략 2,671 MW (36개소)로 전망된다. Bio-SRF를 이용한 발전은 주로 목재펠릿과 목재칩이 사용되나 국내산 목재펠릿 생산량 및 경제성 부족으로 대부분 수입산을 사용하는 실정이며 수입 우드펠릿을 대체하기 위한 바이오 자원 개발이 요구된다. 최근에는 정부의 미이용 산림바이오매스에 대한 REC 가중치 및 혼소설비에 대한 REC 정산비용 상향 조정 등에 효과로 경제성을 확보할 수 있으며 하수슬러지의 직매립 및 해양투기가 금지됨에 따라 이를 이용한 Bio-SRF 생산이 대안으로 제안되고 있다. 이러한 바이오 폐기물 고형연료 사용량이 증가함에 따라 제품의 품질에 대한 요구가 증가하고 있으나, 수요처에서 고형연료를 사용하는데 직간접적 영향을 미치는 고형연료의 내구성 및 저장성에 대한 품질 연구는 미비한 실정이다. 고형연료의 내구성이 부족한 경우 운반 및 이송과정에서 분진 발생 및 설비에 부하를 줄 수 있어 중요한 인자 중에 하나이나 현존하는 고형연료 품질기준에는 내구성에 대한 지표가 명시되어 있지 않으며, 산림청에서 고시한 목재펠릿 품질기준에만 내구성 및 미세분에 대한 기준을 언급하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 바이오매스 기반 고형연료 제품 품질의 지표가 되는 내구성 및 저장특성을 확인하기 위해 우드펠릿과 미이용산림 바이오매스 펠릿, 하수슬러지 연료탄 및 Biodrying 하수슬러지 고형연료를 대상으로 하였으며, 내구성 시험을 위해 EN/TS 15210-1 기준 내구성 시험기를 제작하였으며, 목재펠릿 내구성 분석법에 따라 상기 고형연료들의 내구성을 평가하였다. 고형연료 제품의 저장 특성을 파악하기 위해 건조 오븐을 사용하여 수분 함침량 별 고형연료의 부패에 따른 가스 발생량을 GC를 사용하여 측정하였다. 또한, 옥외 저장 테스트 장치에 대상 고형연료를 비치하여 장시간 수분 및 발열량의 변화 추이 분석을 진행하였다.