유기질 상변화 물질을 이용한 0.1Gcal급 열저장 시스템의 운전 특성

정법묵 ( Bup-mook Jeong ),박동규 ( Dong-kyoo Park ),구재회 ( Jae-hoi Gu ),노광두 ( Kyang-du Noh ),안중언 ( Jung-eon Ahn ),김동철 ( Dong-chul Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2018 No.-

과도한 화석연료 의존에 따른 지구온난화, 오존층 파괴, 환경오염 등의 문제가 범세계적 공동대처과제로 대두되고 있다. 국내의 경우 총 에너지소비의 약 26%가 증기, 온수, 배기가스 형태의 폐열로 버려지고 있으며, 이러한 형태의 저품질폐열을 회수 및 이용함으로써 화석에너지 대체 및 그에 따른 환경영향을 개선할 수 있다. 최근 저품질폐열을 활용하기 위한 방안으로 폐열에너지를 저장, 변환 및 이용하는 축열시스템 개발연구가 각광받고 있으며, 미국, 독일 및 일본을 중심으로 개발되어 적용되고 있다. 그에 반해 국내에서는 아직 연구단계에 그치고 있으며, 실용화되지 못하고 있는 실정이다. 폐열을 회수하여 저장하는 축열 시스템은 크게 현열을 이용하는 시스템과 잠열을 이용하는 시스템으로 구분할 수 있다. 축열 물질의 상변화를 통한 잠열을 이용할 경우 현열 효과에 비해 더 많은 열량을 저장할 수 있고 에너지밀도가 높다는 특징을 가진다. 이에 다량의 폐열이 발생하는 석유 플랜트 및 발전 플랜트 등 다양한 공정 폐열에 적용할 수 있다. 이와 더불어 상변화 현상을 이용할 경우 열의 저장 및 활용에 있어 온도변화가 없다는 특징을 가진다. 이러한 온도를 일정하게 유지할 수 있다는 특징은 대형 플랜트 외, 전자장비 및 기기의 발열 방지용 냉각 분야, 항온에 의한 쾌적성 유지를 위한 직물, 섬유, 의류 분양 등과 같은 다양한 범위에 걸쳐 적용될 수 있다. 본 연구에서는 핀튜브 타입의 48개의 Mudule이 설치된 PCM 저장장치를 이용해 실험하였다. PCM 물질은 유기계 상변화 물질을 선정하여 사용하였으며 선정물질의 상변화 온도는 68 ~ 71℃로 나타났다. 축열 및 방열을 위한 열전달 매체로 저압 스팀 및 공기를 각각의 공정에 직접 사용하였으며 각각의 운전조건에서 내부 온도분포, 축/방열량 그리고 열전달 시간 및 효율 등 유기질 상변화 물질의 축열 및 방열 특성에 대하여 고찰하였다. 3 kgf/㎠의 포화 수증기를 축열 매체로 공급하였으며, 1.23시간 동안 총 0.173 Gcal의 열량을 축열할 수 있었다. 이때 PCM 물질에 의한 축열량은 전체 열량의 60.5%인 0.105 Gcal로 나타났으며, 그 외 0.068 Gcal는 시스템을 구성하는 구조물의 현열효과로 나타났다. 공기를 직접 이용하여 방열 운전한 결과, 일정 공기 유량 335 ㎥/hr 조건에서 출구 공기 온도 50℃ 기준으로 대략 42시간 동안 3,119 kcal/hr의 속도로 방열되어 축열량의 75%에 해당하는 0.1298 Gcal를 방열할 수 있었다. 이와 같은 결과를 토대로 축열에 소요되는 시간을 줄이고 방열효율을 높일 수 있는 성능 최적화에 대한 추가적인 연구가 진행 중에 있다. 사사: 본 연구는 2018년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 과제니다. (No.20162010104620)

폐바이오매스 반탄화물의 연소 특성 연구

정법묵 ( Bup-mook Jeong ),구재회 ( Jae-hoi Gu ),( Jeeban Poudel ),오세천 ( Sea-cheon Oh ) 한국폐기물자원순환학회 2018 젊은 연구자 학술연구발표회 Vol.16 No.0

가축 분뇨 혼합물의 반탄화 특성 연구

정법묵 ( Bup-mook Jeong ),김동주 ( Dong-ju Kim ),박동규 ( Dong-kyoo Park ),구재회 ( Jae-hoi Gu ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

반탄화 기술은 취급과 저장이 용이하며, 높은 에너지 밀도를 갖는 고형 연료를 생산하는 기술로 낮은 발열량과 높은 함수율을 갖는 바이오매스의 연료화 기술로 국내외에서 연구되어 왔다. 일반적인 반탄화 기술은 원료를 저온 환원분위기에서 일정시간 동안 열처리하는 기술을 말한다. 본 연구에서는 반탄화 기술을 가축 분뇨(우분, 돈분, 톱밥)에 적용하여 고형연료로써 사용하기 위한 기초 실험을 실시하였다. 가축 분뇨는 우분, 돈분, 톱밥을 50 : 25 : 25 로 혼합한 뒤 자연 건조하여 실험에 사용하였다. 가축 분뇨 혼합물의 온도에 따른 반탄화 특성을 파악하기 위해 Rotary Kiln 반응기를 이용하여 250℃, 300℃, 350℃에서 체류시간 별 실험을 수행하였다. 가축 분뇨 혼합물의 연료로써의 품질을 평가하기 위해 원소분석, 삼성분 분석, 발열량 분석을 실시하였다. 혼합 가축 분뇨의 반탄화 온도에 따른 반탄화 특성을 비교하기 위해 250℃, 300℃, 350℃에서 15분의 체류시간동안 반탄화한 반탄화물을 비교해 보았다. 반탄화물의 발열량은 300℃까지 증가하다가 350℃에서 감소하였다. 공업분석 결과 휘발분의 비율은 반응 온도가 증가함에 따라 감소하였으며, 고정탄소의 비율은 휘발분과는 반대로 증가하는 경향을 나타내었다. 반탄화물의 수율은 250℃에서 77.5%, 300℃에서 59.7%, 350℃ 50.2%로 나타났다. 250℃와 300℃에서 체류시간을 달리하여 가축 분뇨 혼합물의 반탄화 특성을 분석한 결과, 250℃에서 체류시간을 증가시켰을 때 휘발분의 비율은 큰 변화가 없었으나 고정탄소의 비율이 증가하는 경향을 나타내었으며, 300℃의 경우 휘발분은 감소하고 고정탄소는 증가하는 경향을 나타내었다. 250℃와 300℃에서 체류시간에 의한 수율의 변화는 크게 나타나지 않는 것으로 나타났다.

슬러지류의 염기도(CaO/SiO₂) 변화에 따른 용융 특성 연구

정법묵 ( Bup-mook Jeong ),윤영식 ( Young-sik Yoon ),김동주 ( Dong-ju Kim ),박영수 ( Yeong-su Park ) 한국폐기물자원순환학회 2019 젊은 연구자 학술연구발표회 Vol.17 No.0

Fin Tube 타입 열저장장치(Heat-ESS)에서의 상변화 물질(PCM) 용융 특성에 대한 수치해석적 연구

박동규(Dong Kyoo Park),정법묵(Bup-Mook Jeong),김동주(Dong-Ju Kim),이진욱(Jin-Wook Lee),구재회(Jae-Hoi Gu),김동철(Dong-Cheol Kim) 한국열환경공학회 2019 열환경공학 Vol.14 No.1

Recently, Heat-ESS, one of the key technologies to develop the energy storage and distribution system, is attracting attention because of its capability and usages in greenhouse gas reduction and energy efficiency improvement. In this study, transient numerical analysis was carried out on the thermal behavior of PCM in plain and internally finned tubes, which are the primary components of Heat-ESS system. The results show that the heat transfer via conduction is dominant initially and a thin layer of molten PCM was formed along the tube wall. As the layer expanded, circulating flow of the molten PCM occurred between the solid PCM and the tube wall, and natural convection plays important roles in the heat transfer. In order to evaluate the effects of the fin on the melting process, different length and number of fins were investigated. With increasing the length, the melting rate and heat flux increased, and showed maximum values of 0.0024 sec-1 and 7.14 kW/m2 at the length to radius ratio of 0.5, respectively. In addition, the melting rate increased with increasing the fin number. However, at the number of fins more than 8, heat flux began to decline, resulting in a decrease in heat transfer efficiency.

슬러지를 이용한 고형연료 생산조건에 따른 용류도 특성

박영수(Young-Su Park),정법묵(Bup-Mook Jeong),윤영식(Young-Sik Yoon) 한국열환경공학회 2019 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2019 No.춘계

폐수슬러지에 대한 해양투기가 2014년부터 원칙적으로 금지되었고 또한 2018년 자원순환기본법 시행에 따라 폐수슬러지의 적정 처분을 위한 슬러지 재활용 및 처리기술의 수요가 증가하고 있다. 폐수슬러지의 물리화학적 특성은 사업장의 업종 또는 폐수처리의 방식 및 처리 강도에 따라 상이하지만 대부분 중금속이나 유해화학물질을 함유하고 있다. 폐수슬러지 처리현황을 살펴보면 2016년 기준 유기성 폐수슬러지의 경우 재활용 68%, 매립 25%, 소각 7%이며, 무기성 폐수슬러지의 경우 재활용 69%, 매립 30%, 소각 2%이다. 재활용 기술 중 처리 단가가 저렴한 시멘트원료화의 비중이 현재 약 50%로 가장 높지만 폐기물을 원료로 사용한다는 측면에서 안정성 및 친환경성에 대한 의문이 지적되고 있다. 이러한 관점에서 최근 슬러지 재활용 기술 중 슬러지 내 중금속을 완전 무해화 하여 안정적으로 처리가 가능한 용융기술이 재부각 되고 있다. 특히, 고동도의 중금속을 함유한 폐수슬러지의 경우 중금속 종류와 농도편차가 커서 친환경적 처리기술 개발이 필요하다. 본 연구에서는 하수슬러지 1종과 폐수슬러지 2종에 대해 슬러지 + 첨가제(CaO or SiO2), 슬러지 + 톱밥, 슬러지 + 톱밥 + 첨가제(CaO or SiO2) 조건에 대해서 염기도에 따른 용류도 지수를 분석하였다. 분석결과 하수슬러지(67%)와 톱밥(33%)을 혼합한 시료의 경우 용융온도 1,290℃에서 별도의 염기도 조정없이 60% 이상의 용류도를 보여 용융처리에 적합한 것으로 나타났다.

저품위 스팀을 이용한 유기질 상변화 물질의 축열 및 방열 특성

김동주 ( Dong-ju Kim ),정법묵 ( Bup-mook Jeong ),박동규 ( Dong-kyoo Park ),구재회 ( Jae-hoi Gu ),노광두 ( Kyang-du Noh ),안중언 ( Jung-an Ahn ),김동철 ( Dong-chul Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2018 No.-

전 세계적으로 연료 및 발전단가의 상승으로 인해 미활용 산업 폐열의 이용기술에 대한 관심이 커지고 있다. 이와 함께 폐열회수 시장 역시 2017년에서 2021년까지 연평균 6.74%의 성장률로 성장할 전망이다. 하지만 발전소 및 산업체에서 발생되는 300℃ 이하 중ㆍ저온 폐열의 경우 기존 기술을 이용한 회수 및 활용에 경제성 및 수요처 부족의 한계가 있어 대부분 폐기되고 있는 실정이다. 국내 산업 폐기물 처리업체의 경우 발생되는 전체 폐열량의 이용율은 약 38% 수준에 그치고 있다. 이와 같이 대부분 폐기되는 저품위 폐열의 이용율을 높이기 위한 방안으로 유기랭킨 사이클 발전 및 열전발전 그리고 상변화 물질 또는 화학축열 기반의 열저장 시스템 개발 기술이 각광받고 있다. 상변화 물질 기반의 열저장 기술은 미국, 독일 및 일본을 중심으로 개발되어 적용되고 있으며 국내에서는 아직 실용화되지 못하고 있다. 본 연구에서는 Pin Tube 타입의 Single Module 축/방열 테스트 장치를 제작하여 내부 온도분포, 축/방열량 그리고 열전달 시간 및 효율 등 유기질 상변화 물질의 축열 및 방열 특성에 대하여 고찰하였다. 선정된 유기질 상변화 물질의 상변화 온도는 68~71℃로서 축열 및 방열을 위한 열전달 매체로 저압 스팀 및 공기를 각각의 공정에 직접 사용하였다. 스팀을 통한 축열의 경우 산업체에서 발생하는 대부분의 폐열이 스팀의 형태로 배출되고 있으며 별도의 열교환기 없이 배출되는 스팀을 직접 사용할 수 있어 폐열회수율을 높일 수 있다. 본 연구에서는 0.5~3.0 kgf/cm2의 포화 수증기를 이용하였으며, 3.0 kgf/cm2 조건에서 대략 4,114 kcal의 열량을 90분 이내로 축열할 수 있었다. 공기를 직접 이용하는 방열운전의 경우, 별도의 열교환기 없이 고온의 공기를 생산할 수 있으며, 이를 통해 시스템 효율 개선에 도움이 될 것으로 판단된다. 방열운전 결과, 공기 출구 온도 50℃ 및 40℃ 기준으로 각각 축열양의 66% 및 76%의 열량을 354 및 295 kcal/hr의 속도로 7시간 이상 방열할 수 있었다. 사사: 본 연구는 2018년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 과제입니다(No.20162010104620).

8 TPD급 고정층 반응기에서 비성형 고형연료의 가스화 특성

박동규 ( Dong-kyoo Park ),정법묵 ( Bup-mook Jeong ),김동주 ( Dong-ju Kim ),윤영식 ( Young-sik Yoon ),박수남 ( Soo-nam Park ),박영수 ( Yeong-su Park ),구재회 ( Jae-hoi Gu ),오종혁 ( Jong-hyeok Oh ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2018 No.-

지난 10년간 신재생에너지 시장은 꾸준히 증가하고 있으며, 이와 더불어 폐기물 에너지화(WtE, Waste to Energy) 기술은 매년 5% 이상 꾸준히 성장할 것으로 예측된다. 폐기물 에너지화 기술은 폐기물 처리방식에 따라 물리적, 열화학적, 생물학적 기술로 분류되며 그중 하나인 폐기물 가스화 기술은 폐기물의 고부가가치 연료화 및 온실가스 감축 증대의 효과로 최근 더욱 각광받고 있다. 공급된 폐기물 내 탄소 및 수소 성분은 가스화 반응을 통해 CO, H₂가 주성분인 합성가스로 전환되고 생산된 합성가스는 메탄올, 디젤류, DME 등 다양한 화학원료로 이용될 수 있으며 가스엔진 등 발전분야에 이용이 가능하다. 본 연구에서는 생활폐기물을 기반으로 제조된 비성형 고형연료를 대상으로 8 TPD급 고정층 가스화 반응기에서 합성가스의 생산특성에 대하여 연구하였다. 본 연구의 반응기는 가스화제 주입을 Down-draft 및 Up-draft의 방향으로 공급할 수 있도록 제작하였으며, 이와 더불어 가스화 반응 영역 후단에 Gas Chamber를 두어 추가적인 타르 크랙킹을 유도할 수 있도록 하였다. 기존 공기 가스화의 경우 공기 중의 대부분을 차지하는 비활성 물질인 질소의 공급량이 많아 생산가스 내 합성가스의 비율이 상대적으로 낮아 활용측면에서 발전부분에 국한되는 한계가 있었다. 이에 반해 본 연구는 공기비(ER, Equivalent Ratio)와 더불어 순산소의 추가 공급으로 산소부화율을 제어하여 발생되는 합성가스의 주성분인 CO, H₂의 비율을 30% 이상으로 높게 유지할 수 있었고 이를 통해 생산 가스의 열량 및 냉가스 효율 등 고품질의 합성가스를 생산할 수 있었다.

건조 가축분뇨 반탄화 특성 연구

김동주 ( Dong-ju Kim ),정법묵 ( Bup-mook Jeong ),박동규 ( Dong-kyoo Park ),구재회 ( Jae-hoi Gu ),이상필 ( Sang-feel Lee ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

축산물의 수요가 증가함에 따라 사육 규모가 커지고, 그로 인해 가축분뇨의 양이 해가 갈수록 증가하고 있는 추세이다. 또한, 축산업 분야 종사자들이 걱정하는 문제점 중 많은 비중을 차지하고 있는 부분이 가축분뇨로 인한 심각한 환경훼손 및 악취 발생으로 인한 민원 문제이다. 축산농가에서 배출되는 가축분뇨는 농작물의 거름, 퇴비로 활용되고 있으나 사용량 대비 배출량 증가로 인해 처리에 대한 대처방안 수립이 시급한 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 가축분뇨를 원료로 한 고형연료를 생산할 수 있는 반탄화 기술이 주목받고 있다. 반탄화 기술이란 무산소 분위기에서 200~300 ℃로 열을 가하여 석탄에 가까운 연료를 생산하는 기술로서 반탄화를 통해 생산된 고형연료는 단위부피 당 에너지밀도가 높으며, 분쇄성이 우수한 장점이 있다. 본 연구에서는 Bench 규모 반탄화 시스템을 통해 건조 가축분뇨를 반탄화하여 고형연료를 생산하였으며, 생산된 고형연료의 특성을 확인하였다. 건조 가축분뇨의 반탄화 반응 온도 200℃, 250℃, 300℃ 조건과 반응시간 10분, 15분, 20분 조건으로 실험을 진행하였으며, 반응온도, 반응시간에 관한 고형연료의 수율 및 연료로서의 특성을 분석하였다. 각 조건별 고형연료의 수율은 0.71~0.86 범위로 확인되었으며, 발열량은 원시료 대비 저위발열량 기준 1.2~1.3 수준으로 증가됨을 확인하였다.

10 TPD급 반응기에서 하수슬러지와 폐목재 혼합물의 반탄화 특성

박동규 ( Dong Kyoo Park ),정법묵 ( Bup-mook Jeong ),김동주 ( Dong-ju Kim ),윤영식 ( Young-sik Yoon ),박수남 ( Soo-nam Park ),구재회 ( Jae-hoi Gu ),박길주 ( Gil-ju Park ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2018 No.-

최근 세계적으로 신재생에너지에 대한 관심이 커지고 있으며, 국내의 경우 폐바이오매스를 이용하는 친환경 적인 에너지원으로써 활용할 수 있는 연료화 기술이 각광받고 있다. 국내 폐바이오매스는 크게 식품폐기물, 축산폐기물, 농산부산물, 임산부산물 및 하수슬러지 등으로 구분할 수 있으며, 이를 에너지원으로 전환하는 공정은 생물학적, 열화학적 공정으로 크게 구분할 수 있다. 국내 하수슬러지의 경우, 해양투기가 금지된 이후 에너지로 전환하여 재활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 2014년 환경부에 따르면 전국 하수슬러지 처리시설은 98개 지자체에서 96개의 하수슬러지 처리시설이 운영되고 있고, 추가적으로 18개의 시설이 설계 및 건설되고 있다. 이 중 대부분의 시설은 고화 및 건조연료화를 통해 하수슬러지 처리량 저감을 하고 있으나, 고화 및 건조 연료화를 통한 하수슬러지 저감은 슬러지 자체의 높은 수분함량으로 인해 상대적으로 많은 에너지를 필요로 한다. 본 연구는 하수슬러지의 연료화를 위해 열화학적 공정 중 하나인 반탄화 공정을 이용하여 10 TPD급 폐바이 오매스 반탄화 반응 시스템을 구성하였다. 원료물질인 하수슬러지의 높은 수분함량에 따른 열량 부족 문제를 극복하기 위해 폐목재를 혼합하여 사용하였으며, 반응온도(250-350℃)와 하수슬러지와 폐목재 혼합물의 혼합비(6:4, 4:6)에 대하여 운전 조건의 최적화 연구를 수행하였으며, 결과적으로 반탄화물 수율 70% 이상, 생성된 탄화물의 고위발열량 4,000 kcal/kg 이상의 운전조건을 도출할 수 있었다. 이와 더불어 생산된 반탄화물의 원소분석에 따른 C, H, O의 구성비는 저품위 석탄과 유사하게 나타남을 확인할 수 있었다.