고발열량 연료 생산을 위한 우분 이용 Torrefaction 반응 특성 연구

남성방,임용택,구재회,남상익,박길주,오세천,Jeeban Poudel 한국열환경공학회 2015 열환경공학 Vol.12 No.2

볏짚 이용 Bio-SRF 활용을 위한 Torrefaction 반응 특성 연구

남성방,임용택,구재회,남상익,김윤명,오세천,Jeeban Poudel 한국열환경공학회 2015 열환경공학 Vol.12 No.2

C-38 : 염색슬러지 회분을 이용한 바이오매스 가스화 반응으로부터 생성된 타르의 수증기 개질 반응 Kinetic 연구

남성방,윤영식,박영수,구재회,성호진 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2013 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2013 No.-

바이오매스 가스화 반응으로부터 생성되는 타르는 가스화 효율을 낮추고 배관폐쇄에 의한 가스화 시스템의 연속운전에 대한 저해 요소로 작용한다. 효율적으로 합성가스 내 타르를 제거하기 위한 방안으로, 촉매를 활용한 수증기 개질 반응이 주목되고 있다. 특히, 수증기 개질 반응을 거친 타르는 합성가스 내 CO와 H2로 분리되어 더 높은 바이오매스 가스화 효율을 얻을 수 있다. 최근 Iron-based 촉매는 타르 분해 반응에 대한 효과가 보고되고 있으며, 열적 안정성이 우수하다고 알려져 있다. 본 연구에서는 Fe 성분을 함유하고 있는 염색슬러지의 회분을 이용하여 대표적인 타르 성분으로 알려진 벤젠의 수증기 개질 반응 특성에 대하여 알아보았다. 또한 최종적으로 촉매 활성을 잘 표현하는 Kinetic을 개발하였다. 염색슬러지 회분을 활용한 타르의 수증기 개질 반응은 weight hour space velocity(WHSV) 및 반응 온도에 대하여 수행 되었다. 염색슬러지 회분을 이용한 모사타르인 벤젠의 최대 분해 효율은 900℃ 조건에서 약 40%로 분석되었다. 상용 촉매에 비해 분해 효율은 낮지만 폐기물 유래 촉매로서 추가비용이 들지 않고 공급량이 충분하기 때문에 접촉 시간을 충분히 유지한다면 분해 효율은 더욱 증가할 것으로 기대된다. Kinetic 반응의 Power law model를 통해 측정된 벤젠과 수증기의 반응 차수는 각각 0.43과 0이었으며, 활성화 에너지는 187.6 kJ mol-1로 측정되었다.

바이오매스 및 폐기물 가스화 발생 합성가스 내 타르 제거를 위한 폐자원 내 산화철 활용 연구

남성방,성호진,박영수,윤영식,구재회 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2014 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2014 No.-

바이오매스 및 폐기물로부터의 합성가스 생산 기술 개발은 효율적인 에너지 생산 및 처리방법으로 각광받아 오고 있다. 특히, 가스화 반응으로부터 생산되는 타르는 가스화 효율을 낮추고, 배관폐쇄에 따른 가스화 시스템의 연속운전 저해 요소로 작용하고 있다. 효율적인 합성가스 내 타르 저감 방안으로, 촉매를 활용한 수증기 개질 연구가 이루어져 오고 있다. 주로 수증기 개질 반응용으로 사용되는 Ni 계열의 상용 촉매는 높은 가격 및 낮은 열적안정성으로 인해 중금속 계열의 Fe 활용 연구에 관한 연구 결과가 보고되고 있다. 특히, 제련공정으로부터 생산되는 제강슬래그와 염색 산업단지에서 발생되는 염색슬러지의 주성분은 Fe로, 상용 촉매 대체 적용가능 여부를 판단하기 위해 타르 스팀 개질 특성을 확인할 필요가 있다. 본 연구에서는 제강슬래그의 비표면적 향상을 위해 고온 알칼리 처리를 하였으며, 염색슬러지의 활용을 위해 고온 소성 처리를 수행하였다. 전처리를 거친 각각의 시료는 타르의 대표 성분인 벤젠을 이용하여 다양한 반응 온도 조건에서 촉매 성능 평가를 수행하였으며, 대조군으로 촉매가 없는 조건과 Fe계열의 상용촉매 상에서 수행을 하였다. 최대 활성을 나타내는 900℃에서 제강슬래그의 경우 상용촉매에 비해 약 15% 높은 촉매 활성을 나타내었으며, 염색슬러지의 경우 상용촉매와 동일한 활성을 나타내었다. 이를 통해, 상용 촉매를 대체 할 수 있는 폐자원을 활용한 타르 개질 공정에 적용함으로써 운전비용 절감과 자원재활용에 크게 기여할 것이라고 사료된다. 사사: 본 연구는 환경부의 폐자원에너지화 기술개발사업에서 지원받았습니다. (No. 2013001530001)

염색슬러지 회분을 이용한 바이오매스 가스화 반응으로부터 생성된 타르의 수증기 개질 반응 Kinetic 연구

남성방,윤영식,박영수,구재회,성호진 한국폐기물자원순환학회 2013 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2013 No.2

바이오매스 가스화 반응으로부터 생성되는 타르는 가스화 효율을 낮추고 배관폐쇄에 의한 가스화 시스템의 연속운전에 대한 저해 요소로 작용한다. 효율적으로 합성가스 내 타르를 제거하기 위한 방안으로, 촉매를 활용한 수증기 개질 반응이 주목되고 있다. 특히, 수증기 개질 반응을 거친 타르는 합성가스 내 CO와 H2로 분리되어 더 높은 바이오매스 가스화 효율을 얻을 수 있다. 최근 Iron-based 촉매는 타르 분해 반응에 대한 효과가 보고되고 있으며, 열적 안정성이 우수하다고 알려져 있다. 본 연구에서는 Fe 성분을 함유하고 있는 염색슬러지의 회분을 이용하여 대표적인 타르 성분으로 알려진 벤젠의 수증기 개질 반응 특성에 대하여 알아보았다. 또한 최종적으로 촉매 활성을 잘 표현하는 Kinetic을 개발하였다. 염색슬러지 회분을 활용한 타르의 수증기 개질 반응은 weight hour space velocity(WHSV) 및 반응 온도에 대하여 수행 되었다. 염색슬러지 회분을 이용한 모사타르인 벤젠의 최대 분해 효율은 900℃ 조건에서 약 40%로 분석되었다. 상용촉매에 비해 분해 효율은 낮지만 폐기물 유래 촉매로서 추가비용이 들지 않고 공급량이 충분하기 때문에 접촉시간을 충분히 유지한다면 분해 효율은 더욱 증가할 것으로 기대된다. Kinetic 반응의 Power law model를 통해 측정된 벤젠과 수증기의 반응 차수는 각각 0.43과 0이었으며, 활성화 에너지는 187.6 kJ mol-1로 측정되었다.

왕겨 및 볏짚 이용 발전용 고발열량 연료생산을 위한 반탄화 반응 특성 연구

남성방,임용택,박영수,구재회,남상익,이상준,박길주,김윤명,오세천,( Jeeban Poudel ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2015 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2015 No.-

석유화학원료의 공급 불안정 및 기후환경변화 대처가 절실한 상황으로 최근 신재생에너지 분야에 관한 관심이 증대 되고 있다. 더불어 2012년부터 발효된 RPS(Renewable Portfolio Standard) 규제에 따라 국내 발전사들의 신재생에너지원으로 부터의 전기 생산 의무가 본격화되고 있다. 특히 폐자원 및 폐바이오매스를 이용한 에너지 생산 분야는 원료의 안정적인 공급 가능성과 기존 처리 방법의 제한적 이용으로 열화학적 전환 기술을 이용한 에너지 생산기술이 각광받고 있다. 대표적인 열화학적 전환 기술들 중 열분해 기술은 폐바이오매스에 적용을 통하여 기존 석탄 에너지 전환 시설의 대체 자원으로의 이용이 가능하며, 원료의 수급성 측면 및 다양한 원료 특성에 대응하기 위해 반탄화(Torrefaction) 기술이 제시되고 있다. 반탄화 기술은 폐바이오매스를 에너지원으로 적극 활용하기 위한 전처리 공정으로, 무산소 조건에서 낮은 온도영역인 200~300℃에서 가열하여 원료 내 함유된 휘발분 및 수분 제거를 통해 연료로 전환된다. 생성된 반탄화물은 소수성 및 낮은 함수율에 따라 운송성이 확대되며, 고정탄소 성분의 증가로 인한 높은 에너지밀도로, 석탄과 유사한 특성을 지니게 된다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 발생되는 폐바이오매스의 에너지원으로의 적용성 평가를 위해 농산물에서 주로 발생되는 왕겨 및 볏짚을 이용한 반탄화 반응 특성을 분석하였다. 반탄화물은 특정 반응시간에서의 반응 온도에 따라 생성하였으며, 에너지수율 및 질량 수율을 고려한 최적의 반탄화 조건을 모색하였다. 본 실험 결과 왕겨 및 볏짚을 이용한 최적의 탄화물 생산조건은 반응 온도 250~300℃ 및 반응 시간 20~30분 경우로 나타났으나, 각각의 탄화물 수율 및 발열량의 차이가 확연하게 나타났다. 왕겨의 경우 약 73.5%의 탄화물 수율 및 약 4,320.0 kcal/kg의 탄화물 발열량이 분석되었으나, 볏짚의 경우의 탄화물의 수율 및 발열량은 각각 68.2% 및 약 4,547.7 kcal/kg으로 나타났다. 이러한 탄화물 생산 특성의 차이는 바이오매스 원료의 Lignocellulose 특성과 주로 관련된 것으로 예상되고 있으며, 이러한 연구 결과를 통해 폐바이오매스의 석탄발전 설비에서의 혼합 연소 방식으로 적용될 것으로 기대 된다. 사사: 본 연구는 2014년도 산업통상부의 재원으로 한국에너지 기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다. (No. 20143010101910)

전처리 방법에 따른 제강슬래그를 이용한 벤젠의 수증기 개질 반응 특성에 관한 연구

남성방,성호진,박영수,박혜정,김준석,김양진,전병준,구재회 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2014 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2014 No.-

폐기물 가스화시 발생되는 타르는 가스화 공정 시스템의 연속 운전 저해 요소로 이를 저감하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 오래전부터 타르의 저감과 가스화 효율 향상을 위해 촉매를 활용한 수증기 개질 연구가 이루어져 오고 있다. 기존에 사용되어지고 있던 Ni 계열의 상용 촉매는 높은 가격과 낮은 열적안정성으로 인해 Fe계열 촉매로 대체 되고 있는 추세다. 특히, 제련공정으로부터 연간 800만톤 생산되는 제강슬래그는 주성분이 Fe로, 대부분 매립재로 사용되고 있다. 따라서, 제강슬래그의 활용 가능 여부를 판단하기 위해 타르 스팀 개질 특성을 확인할 필요가 있다. 본 연구에서는 제강슬래그의 비표면적 향상을 위해 알카리열수처리법, 알칼리처리법 및 열수처리법과 같은 다양한 전처리 방법을 적용하여 촉매로서의 특성을 평가하였다. 각 전처리 방법을 통해 처리된 제강슬래그는 타르의 대표 성분인 벤젠을 이용하여 다양한 반응 온도 조건에서 촉매 성능 평가를 수행하였으며, 대조군으로 촉매가 없는 조건상에서도 수행을 하였다. 대체로 전처리 과정을 거친 제강슬래그는 무처리 된 제강슬래그에 비해 전체적인 온도 영역에서 촉매 활성이 향상 되었다. 알칼리처리를 한 제강슬래그의 경우, 가장 촉매 활성이 높게 일어나는 900℃ 영역에서 무처리 조건에 비해 약 20% 정도 활성이 증진 되었다. 이를 통해, 상용 촉매를 대체 할 수 있는 제강슬래그를 타르 개질 공정에 적용함으로써 운전비용 절감과 자원재활용에 크게 기여할 것이라고 사료된다.

폐목재 및 하수슬러지를 이용하여 Bio-SRF 활용을 위한 혼합비율에 따른 탄화물 특성에 관한 사례 연구

남성방,임용택,박영수,김동주,민재홍,구재회,오세천,Jeeban Poudel 한국폐기물자원순환학회 2015 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2015 No.11

폐바이오매스를 이용하여 Bio-SRF로 활용을 위해 제시되고 있는 반탄화(Torrefaction) 기술은 대표적인 신재생에너지 활용 방안으로, 원료의 공급 안정성 및 제한적 처리 방법으로 인해 각광받고 있다. 일찍부터 해외에서는 반탄화 기술을 통해 생성된 탄화물의 높은 적용성을 인지하여 상용규모의 기술 개발이 활성화 되어 있으며, 주로 활용 가능한 폐바이오매스가 많이 발생되는 유럽 및 북미 지역에서 활발하게 수행되고 있다. 반면 국내에서는 기존 폐바이오매스는 매립 위주로 처리되어오고 있으며, 최근에서야 폐바이오매스의 자원 인식 전환을 통해 적극적으로 기술개발사업에 노력을 기울이고 있는 추세이다. 이러한 생산된 반탄화물은 소수성 및 낮은 함수율로 인해 운송 용이성 확대와 더불어 고정탄소 성분의 증가에 따른 높은 에너지 밀도로 석탄발전 설비에서의 혼합 연소를 통한 활용이 기대되고 있다. 반탄화물은 무산소 조건 상에서 200~300℃의 반응 온도 영역에서 열분해 과정 중 폐바이오매스 내 함유된 수분 및 휘발분 제거를 통해 얻을 수 있다. 반면에 국내에서 시행되고 있는 Bio-SRF 기준은 탄화물을 에너지원으로 활용하는 측면에서 엄격하게 다뤄져 적용 가능한 폐바이오매스 종류가 한정적이다. 이러한 배경은 원료로 사용되고 있는 폐바이오매스 종류별 함유하고 있는 염소, 황분 및 회분 함량이 다양하며, 이러한 성분들은 향후 반탄화물이 적용 될 소각 및 가스화 시스템 내부 부식 등에 따른 연속운전 저해 요소로 작용이 가능하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 적용범위가 제한적인 폐바이오매스를 활용하여 Bio-SRF 규격을 충족시키는 반탄화물을 생산하기 위해 다수의 폐바이오매스의 혼합비율에 따른 반탄화물 특성을 검토하였다. 대상 원료로, 폐목재와 고품질 하수슬러지 및 저품질 하수슬러지별 반응 온도 및 반응 시간에 따라 생산된 반탄화물 특성 실험결과를 이용하여 Bio-SRF 기준을 충족시키는 원료의 최적 혼합비율을 도출하였다. 저품질 하수슬러지와 폐목재를 활용할 경우 습윤 기준 하수슬러지 60% 및 폐목재 40% 의 혼합비율이, 고품질 하수슬러지의 경우 습윤기준 하수슬러지 80% 및 폐목재 20%가 최적조건으로 도출되었다. 본 연구를 통해 처리 방법이 제한적인 폐바이오매스를 이용한 반탄화물 생산이 가능할 것으로 기대되며, 향후 폐바이오매스의 대상 범위를 확대를 통해 혼합 폐바이오매스를 이용한 반탄화물 기술 개발에 중요한 가이드라인으로 제시될 것으로 사료된다.

폐기물 가스화 합성가스로부터 액상연료 생산을 위한 산화철 촉매 이용 파일럿 규모 수성가스 전환 반응 특성 연구

남성방,임용택,김나랑,박수남,구재회,박찬혁 한국열환경공학회 2015 열환경공학 Vol.12 No.1

왕겨 및 볏짚 이용 발전용 고발열량 연료생산을 위한 반탄화 반응 특성 연구

남성방,임용택,박영수,남상익,구재회,이상준,박길주,김윤명,오세천,Jeeban Poudel 한국폐기물자원순환학회 2015 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2015 No.11

석유화학원료의 공급 불안정 및 기후환경변화 대처가 절실한 상황으로 최근 신재생에너지 분야에 관한 관심이 증대 되고 있다. 더불어 2012년부터 발효된 RPS(Renewable Portfolio Standard) 규제에 따라 국내 발전사들의 신재생에너지원으로 부터의 전기 생산 의무가 본격화되고 있다. 특히 폐자원 및 폐바이오매스를 이용한 에너지 생산 분야는 원료의 안정적인 공급 가능성과 기존 처리 방법의 제한적 이용으로 열화학적 전환 기술을 이용한 에너지 생산기술이 각광받고 있다. 대표적인 열화학적 전환 기술들 중 열분해 기술은 폐바이오매스에 적용을 통하여 기존 석탄 에너지 전환 시설의 대체 자원으로의 이용이 가능하며, 원료의 수급성 측면 및 다양한 원료 특성에 대응하기 위해 반탄화(Torrefaction) 기술이 제시되고 있다. 반탄화 기술은 폐바이오매스를 에너지원으로 적극 활용하기 위한 전처리 공정으로, 무산소 조건에서 낮은 온도영역인 200~300℃에서 가열하여 원료 내 함유된 휘발분 및 수분 제거를 통해 연료로 전환된다. 생성된 반탄화물은 소수성 및 낮은 함수율에 따라 운송성이 확대되며, 고정탄소 성분의 증가로 인한 높은 에너지밀도로, 석탄과 유사한 특성을 지니게 된다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 발생되는 폐바이오매스의 에너지원으로의 적용성 평가를 위해 농산물에서 주로 발생되는 왕겨 및 볏짚을 이용한 반탄화 반응 특성을 분석하였다. 반탄화물은 특정 반응시간에서의 반응 온도에 따라 생성하였으며, 에너지수율 및 질량 수율을 고려한 최적의 반탄화 조건을 모색하였다. 본 실험 결과 왕겨 및 볏짚을 이용한 최적의 탄화물 생산조건은 반응 온도 250~300℃ 및 반응 시간 20~30분 경우로 나타났으나, 각각의 탄화물 수율 및 발열량의 차이가 확연하게 나타났다. 왕겨의 경우 약 73.5%의 탄화물 수율 및 약 4,320.0 kcal/kg의 탄화물 발열량이 분석되었으나, 볏짚의 경우의 탄화물의 수율 및 발열량은 각각 68.2% 및 약 4,547.7 kcal/kg으로 나타났다. 이러한 탄화물 생산 특성의 차이는 바이오매스 원료의 Lignocellulose 특성과 주로 관련된 것으로 예상되고 있으며, 이러한 연구 결과를 통해 폐바이오매스의 석탄발전 설비에서의 혼합 연소 방식으로 적용될 것으로 기대 된다.