가스화공정 RDF Char를 이용한 CO2/CH4 개질반응의 합성가스 생성 특성 연구

Nguyen Thi Huong Nhai,여상구,이원준,윤재랑,동종인 한국폐기물자원순환학회 2016 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2016 No.11

매립지에서 발생하는 매립가스는 악취를 발생시켜 주변지역 대기환경을 저해하고 있다. 매립가스의 주성분은 온실가스인 이산화탄소(CO2)와 메탄가스(CH4)로 구성되어 있어, 바이오에너지와 같은 대체에너지 생산 기술 등의 연구에 활용되고 있다. 본 연구에서는 가스화 공정에서 발생하는 RDF char를 이용하여 CO2/CH4 개질 반응을 통해 생성되는 합성가스의 주성분인 CO, H2의 생성 특성에 대해 연구하였다. 1023∼1173K의 온도에서 CH4/CO2 ratio는 1.3으로 고정하여 혼합된 CO2와 CH4를 RDF char와 반응시켜 생성되는 H2와 CO의 변화를 측정하였다. 실험 결과에는 반응 온도가 1123K일 때 SUS bed의 CO2 전환율은 3.2%로 나타났으며, 반면 RDF char에서의 CO2 전환율은 81.7%로 나타났다. 이러한 실험결과로 RDF char는 CO2 개질반응에 촉매 역할을 하는 것으로 판단된다. 반응 후 RDF char 성분 분석 결과에 따라 함량이 높은 CaO는 반응전과 후 비슷한 결과를 나타났고 CO2 전환에 영향을 주지 않아 촉매 역할을 하는 Fe2O3나 TiO2에 의한 것으로 판단된다. 산소가 없는 경우에 RDF char에 의한 CO2와 CH4 개질 반응은 온도 증가에 따라 CO2 전환율은 45.3%(1023K)에서 83.16%(1173K)로 증가하였고 CH4 전환율은 10.2%(1023K)에서 27.0%(1173K)로 증가하였다. 또한 산소가 있는 경우는 산소 없는 경우보다 CH4 전환율은 1173K에서 27.0%에서 41.1%로 증가하고 발생가스의 H2 비율은 15.8%에서 22.3%로 증가한 것으로 나타났다. 이는 RDF char에 의해 메탄과 이산화탄소 개질 반응에 Reforming reaction과 Reverse WG shift reaction, Boudouard reaction, Reverse WG shift reaction에 의한 영향을 받는 것으로 판단된다.

NO_X Formation Characteristics Analysis of Low-NO_X Burner System using CFD Simulation

( Nguyen Thi Huong Nhai ),( Geun-su Na ),( Jae-rang Youn ),( Poong-mo Park ),( Jong-in Dong ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 심포지움 Vol.2017 No.1

In this study, the characteristics for the NO_X formation and combustion efficiency in the combustion process were investigated for an internal re-circulation-type low-NO_X burner. A pilot-scale test combustion facility was tested to analyze the characteristics of NO_X generation with variable operation conditions. In addition, the fluid dynamic commercial software, ANSYS FLUENT (Fluent V.13.0, ANSYS, USA) was used to perform the numerical interpretation for combustion behavior. The various burner types were applied to establish detailed fluid structure in three dimension model that is difficult to measure empirically the heat fluid and combustion characteristics for the internal flame formation. The fuel used in the experiment was the city gas (LNG) and the heat input was 300,000~400,000kcal/hr, same with the capacity of the pilot-scale burner. The concentration of NO_X at the exit of the combustion chamber was measured with the change of burner load (50, 75, 100%) and with the change of air ratio (1.0~1.5). The numerical interpretation was made for the case of actual facility-applied burner (LNB-5way), and LNB-8way burner with 8 units of fuel injection nozzle. By increasing air ratio, the NO_X concentration has shown increasing trend in certain air ratio range but decreased slightly at oxygen ratio 6%(approximately air ratio of 1.4). In addition, following the output change of the burner (50~100%), the NO_X level at the exit of the combustion system was measured to be higher as the burner output increased. As a result of the numerical interpretation for NO_X level generated from combustion chamber, the LNB-5way showed NO_X level of 4~25ppm while NO_X level of LNB-8way showed 3~13ppm. Consequently, it showed that LNB-8way burner formed the stable distribution of NO_X level more than LNB-5way burner. By increasing the number of fuel injection nozzle unit, the flow of internal re-circulation was formed uniformly by injecting fuel rapidly through cross-section area which is relatively narrow. Therefore, the highest temperature of flame dropped and a uniform temperature distribution could be maintained in the combustion chamber which is considered to control the generation of Thermal-NO_X. Through this numerical interpretation using Fluent, a model system could be established in three-dimension, which eventually made it possible to understand the characteristics of NO_X and the heat fluid behavior in the combustion chamber which is difficult to measure empirically.

가스화공정 RDF Char를 이용한 CO₂/CH₄ 개질반응의 합성가스 생성 특성 연구

( Nguyen Thi Huong Nhai ),여상구 ( Sang-gu Yeo ),이원준 ( Won-june Lee ),윤재랑 ( Jae-rang Youn ),동종인 ( Jong-in Dong ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2016 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2016 No.-

매립지에서 발생하는 매립가스는 악취를 발생시켜 주변지역 대기환경을 저해하고 있다. 매립가스의 주성분은 온실가스인 이산화탄소(CO₂)와 메탄가스(CH₄)로 구성되어 있어, 바이오에너지와 같은 대체에너지 생산 기술 등의 연구에 활용되고 있다. 본 연구에서는 가스화 공정에서 발생하는 RDF char를 이용하여 CO₂/CH₄ 개질 반응을 통해 생성되는 합성가스의 주성분인 CO, H₂의 생성 특성에 대해 연구하였다. 1023∼1173K의 온도에서 CH₄/CO₂ ratio는 1.3으로 고정하여 혼합된 CO₂와 CH₄를 RDF char와 반응시켜 생성되는 H₂와 CO의 변화를 측정하였다. 실험 결과에는 반응 온도가 1123K일 때 SUS bed의 CO₂ 전환율은 3.2%로 나타났으며, 반면 RDF char에서의 CO₂ 전환율은 81.7%로 나타났다. 이러한 실험결과로 RDF char는 CO₂ 개질반응에 촉매 역할을 하는 것으로 판단된다. 반응 후 RDF char 성분 분석 결과에 따라 함량이 높은 CaO는 반응전과 후 비슷한 결과를 나타났고 CO₂ 전환에 영향을 주지 않아 촉매 역할을 하는 Fe₂O₃나 TiO2에 의한 것으로 판단된다. 산소가 없는 경우에 RDF char에 의한 CO₂와 CH₄ 개질 반응은 온도 증가에 따라 CO₂ 전환율은 45.3% (1023K)에서 83.16%(1173K)로 증가하였고 CH₄ 전환율은 10.2%(1023K)에서 27.0%(1173K)로 증가하였다. 또한 산소가 있는 경우는 산소 없는 경우보다 CH₄ 전환율은 1173K에서 27.0%에서 41.1%로 증가하고 발생가스의 H₂ 비율은 15.8%에서 22.3%로 증가한 것으로 나타났다. 이는 RDF char에 의해 메탄과 이산화탄소 개질 반응에 Reforming reaction과 Reverse WG shift reaction, Boudouard reaction, Reverse WG shift reaction에 의한 영향을 받는 것으로 판단된다.

Non-CO2(N2O) 온실가스 배출량 산정 및 최적가용기술 조사

윤재랑,Nguyen Thi Huong Nhai,여상구,정의택,동종인 한국폐기물자원순환학회 2016 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2016 No.11

정부의 국가 중기 온실가스 감축목표를 대내외적으로 공표함에 따라 온실가스 감축에 대한 필요성이 절실해져 온실가스 감축을 위한 기술개발이 활발하지만, 정확한 Non-CO2 온실가스 배출량 파악이 어렵고 감축기술에 대한 조사가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 감축기술 적용이 가능한 Non-CO2(N2O) 온실가스 배출원을 파악하고 예상 감축량을 마련하는데 그 목적을 두었다. N2O는 대부분 경제 산업활동의 인위적 요소로 인해 발생하며 1970년 산업혁명 이후 꾸준히 증가하는 추세이다. N2O는 연료 연소(고정연소, 이동연소), 산업공정(질산 제조, 아디프산 제조 및 카프로락탐 제조), 폐기물소각공정에서 주로 발생되고 있다. N2O 온실가스 배출량은 IPCC 가이드라인의 기본 배출계수를 적용하여 산정하였고, 산정값들의 평균증가율을 적용하여 배출량을 2020년까지 전망하였는데, 연료 연소 중 고정연소의 2020년 N2O 배출량은 총 5,230,760 tCO2eq으로 전망되었고 이 중 에너지산업 부문의 배출량 전망치가 50% 이상을 차지하였다. 이동연소의 N2O 배출량은 2020년 기준으로 총 1,277,739 tCO2eq으로 전망되었고 총 배출량의 90% 이상이 도로수송의 배출량이 차지할 것으로 전망하였다. 폐기물소각과 미산정배출원(SCR/SNCR)의 N2O 배출량은 2020년 기준으로 각각 총 19,419 tCO2eq, 2,546,502 tCO2eq으로 전망되었다.

자원회수시설의 에너지 전환효율 개선방안 연구

이원준,정의택,( Nguyen Thi Huong Nhai ),윤재랑,동종인 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2016 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2016 No.-

폐기물자원회수시설은 폐기물을 850℃ 이상 1100℃의 고온으로 소각처리하고 소각 처리 시 생산되는 폐열(400℃)을 회수하여 전기를 생산한 후 120℃ 정도로 낮아진 고압증기는 자원회수시설 주변의 지역난방으로 공급함으로써 대체에너지로 활용하여 지역의 중요한 에너지원으로 담당하고 있다. 그러나 반입되는 폐기물의 양과 성상이 불균일하고, 계절별 성상변화와 난방 열수요가 큰 차이를 두고 있어 에너지자원으로의 활용도가 그다지 높지 않다. 따라서 본 연구에서는 폐기물 중간처리시설로서 자원회수시설들의 에너지 생산 및 활용실태를 파악하고 이를 효율적으로 이용하기 위한 기초자료를 확보하고자 한다. 수도권 소재 생활폐기물 자원회수시설 5곳을 대상으로 2011~2013년 월별 에너지 생산, 손실, 공급량 등을 조사하였으며, 회수율법, R1, 손실율법을 이용하여 에너지 전환효율을 산정하였다. 5개 시설의 에너지 전환효율을 산정한 결과 회수율법 69.8%, R1 80.9%, 손실율법 68.8%를 나타내어 산정방식별로 큰 차이를 나타내었다. 회수율법을 이용하여 각 시설별 평균 에너지회수효율을 산정한 결과 A시설 76.6%, B시설 69.3%, C시설 71.7%, D시설 64.6% E시설 61.0%로 시설규모가 가장 작은 E시설의 회수효율이 가장 낮음을 알 수 있었다. 계절별로는 하절기에 5개 시설 평균 63.4~68.9%의 회수효율을 나타낸 반면, 하절기를 제외한 연평균 회수효율은 71.2~76.1%를 나타내었는데, 이는 하절기에 열수요가 감소하여 생산된 에너지를 제대로 활용하지 못했기 때문으로 판단된다. 전기를 생산하는 시설은 2곳이었으며, 이들 시설은 하절기에 에너지 회수효율이 비교적 높게 나타나 에너지 회수방법을 다양화하였을 경우 그 효율도 높아짐을 확인할 수 있었다.

음식물 열분해-Char를 활용한 SCR공정에서 촉매로써 반응 특성 연구

윤재랑,여상구,이원준,( Nguyen Thi Huong Nhai ),동종인 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

선택적 촉매환원법(Selective Catalytic Reduction, SCR)에서는 V₂O₅ 주로 계열 촉매가 주로 상용되어 있으며 높은 NO_X 저감효율의 장점을 지님에도 불구하고 300~400℃의 좁은 활성범위를 가지고 있는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 최근 저온 SCR촉매에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 대표적인 카본류 중에서 비교적 가격이 저렴한 산업 및 농업 부산물을 열분해시켜 형성된 바이오매스 Char를 촉매로 활용하는 방안에 관한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 연소공정에서 주로 발생되는 대기오염물질 중 대표적인 물질인 질소산화물(NO_X)의 SCR공정에서 반응특성을 고찰하기 위해 Lab-scale 규모의 실험 장치를 구현하였다. 실험에 사용된 음식물 열분해-Char는 600℃ 4시간동안 열분해 후 SCR공정에서 촉매로 활용하여 전이금속담지유무, 온도, 수분유무 등의 실험 조건을 변화시켜 NOX를 효율적으로 처리할 수 있는 조건을 도출하였다. 대상시료의 물리·화학적 특성을 파악하기 위해 공업분석, 원소분석을 수행하였으며, 제조한 촉매의 특성은 질소 흡·탈착법, SEM, ICP, EDX 등을 이용하여 분석하였다. 실험에 사용된 Char의 비표면적은 400 m²/g 이상으로 활성화 전 비표면적보다 100배 이상 증가함을 나타냈다. 실험결과에 따라 전이금속인 Cu를 담지하였을 경우, 담지하지 않은 경우보다 높은 저감효율을 나타냈다. NO의 저감효율은 최고 효율을 보이는 350~400℃ 부근의 영역에서 60% 이상의 저감효율을 보였고 그 이후부터 온도가 증가할수록 감소되는 경향을 나타냈다. 수분을 투입하였을 경우 모든 온도 영역에서 NO 저감효율에 악영향을 미치는 것으로 확인되었으며, 최적 효율대비 약 20%의 차이를 나타내었다. 이는 수분과 NH³와의 경장흡착으로 인해 촉매표면에 NO와 반응에 필요한 NH3의 흡착종이 부족하므로 촉매 표면의 활성저하를 일으키기 때문으로 사료된다.

음식물 열분해-Char를 활용한 SCR공정에서 촉매로써 반응 특성 연구

윤재랑,여상구,이원준,Nguyen Thi Huong Nhai,동종인 한국폐기물자원순환학회 2017 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2017 No.05

선택적 촉매환원법(Selective Catalytic Reduction, SCR)에서는 V2O5 주로 계열 촉매가 주로 상용되어 있으며 높은 NOX 저감효율의 장점을 지님에도 불구하고 300~400℃의 좁은 활성범위를 가지고 있는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 최근 저온 SCR촉매에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 대표적인 카본류 중에서 비교적 가격이 저렴한 산업 및 농업 부산물을 열분해시켜 형성된 바이오매스 Char를 촉매로 활용하는 방안에 관한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 연소공정에서 주로 발생되는 대기오염물질 중 대표적인 물질인 질소산화물(NOX)의 SCR공정에서 반응특성을 고찰하기 위해 Lab-scale 규모의 실험 장치를 구현하였다. 실험에 사용된 음식물 열분해-Char는 600℃ 4시간동안 열분해 후 SCR공정에서 촉매로 활용하여 전이금속담지유무, 온도, 수분유무 등의 실험 조건을 변화시켜 NOX를 효율적으로 처리할 수 있는 조건을 도출하였다. 대상시료의 물리․화학적 특성을 파악하기 위해 공업분석, 원소분석을 수행하였으며, 제조한 촉매의 특성은 질소 흡․탈착법, SEM, ICP, EDX 등을 이용하여 분석하였다. 실험에 사용된 Char의 비표면적은 400 m²/g 이상으로 활성화 전 비표면적보다 100배 이상 증가함을 나타냈다. 실험결과에 따라 전이금속인 Cu를 담지하였을 경우, 담지하지 않은 경우보다 높은 저감효율을 나타냈다. NO의 저감효율은 최고 효율을 보이는 350~400℃ 부근의 영역에서 60% 이상의 저감효율을 보였고 그 이후부터 온도가 증가할수록 감소되는 경향을 나타냈다. 수분을 투입하였을 경우 모든 온도 영역에서 NO 저감효율에 악영향을 미치는 것으로 확인되었으며, 최적 효율대비 약 20%의 차이를 나타내었다. 이는 수분과 NH3와의 경장흡착으로 인해 촉매표면에 NO와 반응에 필요한 NH3의 흡착종이 부족하므로 촉매 표면의 활성저하를 일으키기 때문으로 사료된다.

Non-CO2(N2O) 온실가스 배출량 산정 및 최적가용기술 조사

윤재랑 ( Jai-rang Youn ),( Nguyen Thi Huong Nhai ),여상구 ( Sang-gu Yeo ),정의택 ( Eui-taek Jeong ),동종인 ( Jong-in Dong ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2016 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2016 No.-

정부의 국가 중기 온실가스 감축목표를 대내외적으로 공표함에 따라 온실가스 감축에 대한 필요성이 절실해져 온실가스 감축을 위한 기술개발이 활발하지만, 정확한 Non-CO₂ 온실가스 배출량 파악이 어렵고 감축기술에 대한 조사가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 감축기술 적용이 가능한 Non-CO₂(N₂O) 온실가스 배출원을 파악하고 예상 감축량을 마련하는데 그 목적을 두었다. N₂O는 대부분 경제 산업활동의 인위적 요소로 인해 발생하며 1970년 산업혁명 이후 꾸준히 증가하는 추세이다. N₂O는 연료 연소(고정연소, 이동연소), 산업공정(질산 제조, 아디프산 제조 및 카프로락탐 제조), 폐기물 소각공정에서 주로 발생되고 있다. N₂O 온실가스 배출량은 IPCC 가이드라인의 기본 배출계수를 적용하여 산정하였고, 산정값들의 평균증가율을 적용하여 배출량을 2020년까지 전망하였는데, 연료 연소 중 고정연소의 2020년 N₂O 배출량은 총 5,230,760 tCO₂eq으로 전망되었고 이 중 에너지산업 부문의 배출량 전망치가 50% 이상을 차지하였다. 이동연소의 N₂O 배출량은 2020년 기준으로 총 1,277,739 tCO₂eq으로 전망되었고 총 배출량의 90% 이상이 도로수송의 배출량이 차지할 것으로 전망하였다. 폐기물소각과 미산정배출원(SCR/SNCR)의 N₂O 배출량은 2020년 기준으로 각각 총 19,419 tCO₂eq, 2,546,502 tCO₂eq으로 전망되었다.

가축분뇨를 이용한 SNCR공정에서 NSR 비율에 따른 NOx 반응특성

여상구 ( Sang-gu Yeo ),박풍모 ( Poong-mo Park ),누엔티홍나이 ( Nguyen Thi Huong Nhai ),윤재랑 ( Jae-rang Yoon ),이지원 ( Ji-won Lee ),동종인 ( Jong-in Dong ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

런던협약에 따라 2012년부터 해양투기가 전면 금지 됨에 따라 가축사육과정에서 발생하는 가축분뇨 처리에 있어서 환경적, 경제적인 문제를 보완할 수 있는 효율적 처리기술이 필요하다. 최근 농가당 가축사육 머리수가 증가하고 있어 가축사육수는 급격하게 증가하며, 이로 인해 사육과정에서 발생되는 가축분뇨 발생량은 계속 증가할 전망이다. 가축분뇨는 가축사육 특성에 다라 저장·관리 방법에 따른 뇨와 분을 분리하여 발생하는 액상(Liquid Phase) 및 고상(Soild Phase)으로 구분되며, 분뇨가 세척수와 혼합된 상태로 발생하는 슬러리상(Slurry Phase)으로 구분하여 처리하고 있다. 처리하는 가축분뇨는 수분함량이 높은 경우 퇴비화 시 톱밥등의 수분조절재가 과다로 투입되어 경제성이 낮아지고, 수분함량이 낮은 경우에 액비화시 공정수의 추가 및 희석하는 공정을 별도로 설치해야 되는 경제적인 문제가 발생할 수 있다. 또한 환경공단 악취관리센터 보도자료(2016)에 의하면 2015년도 전국 악취 민원은 15,573건 발생하였으며, 이 중에 농축산시설의 악취민원수가 4,323건(28%)로 높은 비중을 차지하고 있다. 본 연구에서는 가축분뇨를 처리하기위해 환원제로 이용할 경우 실제 SNCR공정에서 상용되고 있는 환원제와 비교하여 NSR비에 따른 NOx의 특성을 알아보고자 하였다.