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PFCs 가스의 고온열분해 처리를 위한 열 플라즈마 스크러버 시스템 개발
황상연(Sang Yeon Hwang),이동헌(Dong Hun Lee),엄성현(Sung Hyun Uhm),차우병(Woo Byoung Cha) 한국열환경공학회 2019 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2019 No.춘계
온실가스로 분류되는 PFCs는 불소가 함유된 화학물질로 식각, 화학기상증착 등과 같은 반도체 공정에서 주로 사용되고 있으며 배출 총량 기준으로는 CO2의 수천 분의 일에 불과하지만 지구온난화 지수가 수천에서 수만에 이르는 심각한 지구온난화 물질에 해당된다. 기존 PFCs 제거 기술은 2차 부산물(HF, NOx, SOx) 발생 및 열효율에 따른 성능 저하 문제가 있으며 PFCs 중 매우 안정한 물질인 CF4의 경우 고온에서 화학 반응장이 형성되어야 하므로 제거에 한계를 가지고 있다. 이로 인해 최근 플라즈마를 발생 전자와 기체 분자의 충돌에 의해 직접 분해하거나 열 플라즈마를 이용하여 고온 반응 조건에서 열분해 하는 기술이 개발되고 있다. 그러나 현재까지 개발된 열 플라즈마 스크러버의 경우 에너지 소모량 및 열손실이 높아 처리 효율을 높이면서 소비에너지를 절감 할 수 있는 시스템 최적화 기술 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서는 PFCs 가스를 열 플라즈마 고온영역에 직접 분사함으로써 고효율 처리가 가능하고 NOx 배출 최소화 및 부식성 가스와 파우더의 효과적인 제거가 가능한 스크러버 시스템을 개발하였으며, 실험을 통해 전원 공급 장치와 플라즈마 발생 장치의 매칭 안정성과 PFCs 가스의 제거 성능을 확인하였다.
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황재규(Jae Gyu Hwang),박훈채(Hoon Chae Park),최명규(Myung Kyu Choi),최동혁(Dong Hyuk Choi),최항석(Hang Seok Choi) 한국열환경공학회 2019 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2019 No.춘계
산업, 난방, 발전 및 수송용 에너지의 사용량이 증가함에 따라 석유자원의 고갈, 유가의 불안정 및 석유자원을 사용하면서 발생되는 환경문제가 대두되고 있다. 바이오매스를 이용한 바이오에너지 기술은 지구온난화와 환경오염 등의 문제를 야기하는 화석연료의 사용을 저감할 수 있는 친환경 에너지로 주목받고 있다. 본 연구에서는 폐목재를 급속열분해 하여 얻은 바이오원유를 가스화하여 고품질 합성가스를 생산함으로써 기존의 바이오매스 직접 가스화의 단점을 극복하고자 하였다. 가스화에는 바이오매스를 직접 이용하는 방법과 바이오매스의 급속열분해 공정 생성물인 액상의 바이오원유를 생산하여 이용하는 방법이 있다. 두 가지 공정 모두 공기 등을 산화제로 하여 시료를 가스화하여 생성되는 syngas를 가스터빈 등의 기존 연소기기에 혼소 또는 전소의 형태로 활용하여 전기 및 열에너지를 생산하는 기술이다. 따라서 본 연구에서는 국산재를 원료로 하여 최적의 급속 열분해 조건에서 생산 된 급속열분해 오일을 entrained-flow 가스화기(0.1 m diameter × 1.4 m height, cylindrical)를 사용하여 가스화 온도, E/R ratio, 산화제 등을 운전변수로 하여 가스화 하고 생산되는 syngas의 조성을 Micro GC를 이용하여 분석하여 고품질 syngas를 생산할 수 있는 최적 조건에 대한 연구를 진행하였다.
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박동규(Dong-Kyoo Park),김동주(Dong-Ju Kim),정법묵(Bup-Mook Jeong),구재회(Jae-Hoi Gu),노광두(Kwang-Du Noh),안중언(Joung-Eon An),김동철(Dong- Cheol Kim) 한국열환경공학회 2019 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2019 No.춘계
최근 에너지 수요 증가 및 화석연료 사용에 따른 환경 영향에 대한 우려로 신재생에너지 보급 확대 등 온실가스 감축과 에너지 효율 개선을 위한 많은 노력들이 진행 중에 있다. 이는 에너지 이용 기술뿐만 아니라 에너지 저장과 분배 시스템에서의 기술개발이 중요한 역할을 하며, 관련 분야가 크게 주목받고 있다. 열에너지저장(TES) 시스템은 에너지 저장 및 분배 시스템 개발의 주요 기술 중 하나로써 열 발생처와 수요처 간 공간적, 시간적, 질적 불일치를 완화 또는 해소할 수 있어 다양한 분야에 활용될 수 있다. 본 연구에서는 상변화물질(PCM)을 이용하는 잠열저장(LHTES) 시스템을 구성하였으며, 발전소 및 산업체에서 일반적으로 폐기처리 되는 저급 스팀을 대상으로 축열 및 방열 시험을 수행하였다. 축열대상소재로 유기계 PCM을 선정하였으며, 열 공급원 및 배출원으로 1에서 3 bar의 스팀과 상온의 공기를 이용하였다. 시험 결과 스팀 압력에 따라 1.1~1.3 GJ의 열량을 저장할 수 있었다. 스팀 압력에 따른 축/방열 특성과 더불어 PCM 및 구조물의 온도변화, 스팀 소비량 그리고 열풍 온도 및 유량을 통해 열수지를 구성할 수 있었으며, 이를 통해 열에너지저장 장치 설계 및 시스템 엔지니어링을 위한 주요 자료를 도출할 수 있었다.
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류창국(Changkook Ryu) 한국열환경공학회 2020 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2020 No.춘계
바이오매스 반탄화 기술은 200-300℃의 저온 열처리를 통해 헤미셀룰로스 및 리그닌 등 분자구조의 일부를 분해하는 기술이다. 이를 통해 발열량이 낮은 CO2, H2O, CO와 소량의 타르 성분이 방출되고, 반탄화된 바이오매스는 C 함량의 증가와 함께 발열량, 소수성, 분쇄성, 균일성이 향상되어 수송, 저장, 미분 등 연료 품질의 향상을 얻을 수 있다. 또한 석탄과의 혼소 시 미분기의 한계로 인해 5%(열용량 기준) 미만으로만 투입되는 비율을 대폭 향상시킬 수 있다. 일반 반탄화 기술은 열원 공급, 반탄화 증기의 열회수/처리를 위해 복잡한 공정이 필요하다. 최근 국내에서 진행 중인 화력발전 연계 반탄화 공정은 발전소의 배가스를 추출하여 열원으로 활용하고, 반탄화 증기는 배가스와 함께 보일러로 주입하여 효율적으로 연소 및 열회수를 달성하는 기술이다. 따라서 독립적인 공정에 비해 단순하고 에너지 효율이 높으며, 산소 농도가 낮은 배가스를 열원으로 활용하기 때문에 열전달이 빠른 직접 열교환이 가능하다는 장점이 있다. 현재 우드펠릿 전소 발전소인 영동화력 1호기(125 MWe 규모, 한국남동발전)를 대상으로 50 ton/day 규모의 반탄화 설비를 구축하여 시험 운전을 앞두고 있다. 본 논문에서는 우드펠릿 및 국내미활용 바이오매스를 대상으로 기초실험을 통한 반탄화 수율 및 특성 목표의 설정, 반탄화 공정의 열전달 및 반응 모델링을 통한 설계조건의 수립, 반탄화 증기의 보일러 투입시 영향에 대한 전산유동해석 결과를 소개하고자 한다.
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8kW급 SOFC 스택 오프가스 이용 열분배시스템 최적 설계
송형운(Hyoungwoon Song),정희숙(Heesuk Jung),윤종혁(Jonghyuk Yoon),정석우(Seokwoo Chung) 한국열환경공학회 2019 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2019 No.춘계
고체산화물연료전지(SOFC)는 높은 전기 생산 효율과 비귀금속계의 전극 사용 및 다양한 연료의 적용이 가능한 이점이 있다. 그러나 SOFC 시스템은 약 700℃ 내외의 운전 특성으로 오프가스의 폐열을 활용하기 위한 열분배시스템의 최적화가 필요하다. 본 연구에는 8 kW급 SOFC 시스템의 성능을 안정적으로 유지하기 위하여 스택에서 배출되는 고온에 오프가스의 폐열을 활용하는 열분배시스템을 최적 설계하고자 하였다. 특히, SOFC 스택에서 배출된 AOG(anode off gas)를 완전 산화시켜 발생하는 산화열과 AOG와 COG(cathode off gas)가 보유한 현열을 이용하고자 열교환기를 통해 열에너지를 회수하여 시스템내 재 이용함으로 에너지 효율 최적화를 도모하였다. 또한 2kW급 단위스택의 열분배시스템을 통해 얻어진 운전데이타를 기반으로 8kW급 시스템으로 용량을 스케일업하기 위하여 설계 영향인자를 도출하였다. 그리고 다중 스택 배열 및 매니폴드를 설계 제안하고 열유동 해석을 통해 스택 및 단열박스내에 열분배 특성을 파악하였다. 또한 열분배시스템의 공정 해석을 통해 물질 및 에너지 수지를 산출하고, 이를 기반으로 구성 요소의 설계 및 열적성능을 평가하였다.
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최수석,조임준,박현우,박동화 한국열환경공학회 2014 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2014 No.-
가스화 반응은 저급석탄, 바이오매스, 유기 폐기물 등으로부터 에너지 생산에 사용되 는 수소와 일산화탄소를 합성하는 환경기술이다. 유럽이나 일본과 같은 환경 선진국에 서 상용화된 가스화 공정은 널리 알려진 유동층 반응로에 기반한 시스템을 이용한 경 우가 대부분이다. 그러나 가스화 반응에서 이산화탄소나 탄화수소와 같이 원하지 않는 부산물의 생성을 억제하면서 냉기체 효율(Cold Gas Efficiency)를 향상시키기 위해서 는 초고온의 환경에서 원료물질과 수증기나 산소와 같은 반응성 물질간의 화학반응 및 탄화수소의 열분해에 의한 수소생산이 필수적이다. 따라서 가스화 반응 공정에서 초고 온의 열플라즈마를 이용하는 방법이 최근 연구되고 있다. 그러나 열플라즈마만을 열원 으로 이용할 경우, 전기에너지의 사용 및 플라즈마 토치의 운전에 필수적으로 사용되 는 냉각수에 의한 열손실로 인해 경제적인 가스화 공정을 실현하기 어렵게 된다. 따라 서 본 연구에서는 열플라즈마에 의한 에너지 손실을 줄이면서 가스화 반응을 향상시킬 수 있는 1차 열분해 반응기와 2차 플라즈마 반응기가 결합된 가스화 공정 시스템에 대 해 연구하였다. 적은 출력의 열플라즈마로도 초고온의 환경을 제공하여 가스화 반응 및 탄화수소의 분해가 가능한지 살펴보기 위하여 3 kW 급의 소형 질소 플라즈마 토치 에서 발생된 열플라즈마에 대해 자기유체역학 (MHD, Magnetohydrodynamics) 코드를 적 용하여 전산해석 하였다. 저전류-고전압으로 운전되는 전계방출형 질소 열플라마 토치 내부의 온도장 및 속도장을 전산모사 하여, 플라즈마 반응기에서 추가적인 가스화 반응에 기여할 수 있는지를 살펴보았다. 또한, 1차 열분해 반응기에서 넘어오는 기체 유 량에 대한 실험적 측정치의 평균값인 60 L/min에 대하여, 설계변수인 플라즈마 반응기 의 형상에 따라 반응기 내부 열유동의 온도 분포 및 반응기 내벽의 온도를 전산모사 함으로서 효과적인 가스화 반응을 일으키면서 시스템의 내구성을 확보 할 수 있는 조건에 대해 알아보았다.
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슬러지 마이크로파 열분해 온도에 따른 가스 조성의 영향
김가빈(Gabin Kim),박영호(Young Ho Park),김주형(Joohyeong Kim),김대기(Daegi Kim),박기영(Ki Young Park) 한국열환경공학회 2019 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2019 No.춘계
현재 화석연료에 대한 높은 의존도로 인해 지속가능한 에너지원의 구축이 필요하다. 이에 폐기물을 이용해 에너지를 생산하는 폐기물자원화 기술이 주목을 받고 있다. 폐기물 중 하수슬러지는 발생량이 많고 유기물 함량이 높아 에너지원으로 활용될 가능성이 높다. 다양한 자원화 방법 중 열분해는 고분자 유기물질을 열적 분해하여 고체, 액체, 기체상의 생성물로 회수할 수 있는 방법으로, 보다 환경적인 슬러지 처리가 가능하게 된다. 하지만 외부 열원을 에너지원으로 이용하는 기존 열분해 방법의 경우에는 온도 상승에 많은 시간이 소요되고 직접적인 내부 가열이 어렵다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 유전 가열을 통해 유기물의 내부를 직접적으로 분해하는 마이크로파 열분해 방법이 고안되었다. 마이크로파를 이용한 열분해는 기존 열분해와 비교 시 최종 온도에 도달하는 시간이 단축되며 높은 수소가스 성분 생성이 가능하다는 장점을 가진다. 본 연구에서는 하수슬러지의 효율적인 에너지화 공정으로 마이크로파 열분해 방법을 제시하고, 슬러지의 마이크로파 열분해 시 최종 온도 변화에 따른 가스 생성물의 조성을 관찰하였다. 마이크로파 열분해 온도는 각각 400, 600, 800, 1000℃로 설정하였다. 1시간동안 최종 온도를 유지하며 열분해 실험을 진행하였고, 생성되는 열분해 가스를 포집하였다. 온도 상승 추이와 가스 생성물 중 수소가스의 발생을 중점적으로 분석하여 슬러지 열분해에 있어서 마이크로파가 미치는 영향을 도출하였다.
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열중량분석법을 이용한 해안폐기물의 열분해 동역학 특성 연구
송은혜(Eunhye Song),장은석(Eun-suk Jang) 한국열환경공학회 2019 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2019 No.춘계
전 세계적으로 해양폐기물의 유입량이 해양생태계를 위협할 수준에 이르러 중요한 환경 현안으로 주목받고 있다. 유엔환경총회(UNEA)는 2014년과 2016년 해양폐기물에 관한 결의안을 채택하였고 유엔환경계획(UNEP)은 2025년까지 해양폐기물 예방, 저감을 위한 행동 촉구 및 국제적으로 구속력있는 조치방안을 마련할 계획이다. 국내에서는 해양환경공단 주관으로 해양폐기물 사업과 모니터링 등의 관리가 활발히 이루어지고 있는 실정이다. 따라서 해양폐기물을 자원 및 에너지화 할 수 있는 방안과 연구개발이 각광 받고 있다. 이에 본 연구에서는 대표적인 해안폐기물인 폐어구류 에서 그물, 로프, 부표 등의 플라스틱 및 목재 폐기물의 청정연료로서의 가치를 평가하기 위해 열중량분석법을 이용하여 열분해 특성을 분석하였다. 폐어구류를 구성하는 대표적인 3종의 플라스틱 폐기물 (폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 나일론)과 1종의 목재폐기물을 이용하였으며, 상온에서 800℃까지 비등온 조건에서 5, 10, 20℃/min으로 승온속도에 따른 열분해 특성을 비교하였다. 또한 global kinetic model을 이용하여 해안폐기물 열분해 동역학 특성을 분석하였다.
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