고발열량폐기물 및 탈수슬러지 혼합가스화를 통해 생산된 합성가스 압축, 이송 운전 특성

박수남(Park, Soo-Nam),구재회(Ku, Jae-Hoi) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06

폐기물의 감량화 및 자원화 기술 중 가장 대표적인 기술로 폐기물의 가스화 용융 기술을 들 수 있다. 폐기물 가스화 용융 기술은 폐기물 내의 탄소 및 수소 성분은 가스화 하여 CO, H₂가 주성분인 합성가스(synthesis gas, syngas)로 전환하고, 불연물은 용융하여 환경적으로 무해한 슬래그 또는 금속으로 회수하는 기술이다. 본 연구에서는 고발열량폐기물과 탈수슬러지 혼합가스화를 통하여 생산된 합성가스를 합성가스 압축기를 통하여 유용한 원료물질을 제조하는 공정인 수성가스 전환 반응(water gas shift reaction)과 가스화 반응기의 보조연료로 투입하기 위한 합성가스 압축, 이송 시스템의 운전 특성을 고찰하였다. 그 결과 고발열량폐기물과 탈수슬러지 혼합가스화에서 합성가스는 안정적으로 발생하였으며, 합성가스 압축, 이송시스템을 위한 정제설비에서의 분진제거는 99.07 %의 효율을 얻었고, 또한 합성가스 재순환 장치의 성능시험을 통하여 대기 중의 산소가 유입이 안 되는 기밀성을 확인하였다. 합성가스 압축, 이송 공급 유량 제어 실험 결과로는 합성가스 압축기 기동 시 합성가스 압축압력과 공급유량은 비례적으로 증감하는 것을 알 수 있었다.

석탄 및 폐기물로부터 생산된 합성가스로부터 Dimethyl ether의 직접합성을 위한 상용촉매 스크린테스트

김은진(Kim, Eun-Jin),한기보(Han, Gi-Bo),박노국(Park, No-Kuk),류시옥(Ryu, Si-Ok),이태진(Lee, Tae-Jin) 한국신재생에너지학회 2005 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2005 No.11

2020년까지 전 세계 수송에너지의 수요가 현재의 2배까지 증가할 것으로 예상되면서 석유 자원의 안정적 공급이 어려워지기 이전에 이를 대체할 수 있는 에너지원 개발이 시급하다. 이러한 노력의 일환으로 최근 들어 대두되고 있는 가스화용융 기술은 석탄 폐기물 등으로부터 합성가스를 생산하는 고청정 고효율 기술이다. 여기에서 생산되는 합성가스는 천연가스를 대체하여 전기 및 화학원료를 생산하기 위한 원료로 이용 가능하다. 폐기물로부터 가스화용융기술을 통하여 생산되는 합성가스로부터 DME(dimethyl ether)를 생산할 수 있다. 가스화용융기술로부터 생산되는 합성가스는 자체의 일산화탄소와 수소의 조성비가 DME를 합성하는데 적당하다고 알려져 있다. DME는 에너지원의 다원화와 대기오염 물질의 저감, 지구온난화 대응 등과 아울러 제 4세대 수송 연료로 부각되고 있다. DME를 합성하는 방법은 합성가스로부터 메탄올의 합성 단계를 거친 후 DME를 합성하는 간접법과 단일단계의 반응에서 합성가스로부터 직접적으로 DME를 합성하는 직접법이 있다. 현재는 화학 평형적 측면 경제적 측면에서 이점을 가지고 있는 직접법에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. DME 직접합성법에서는 메탄올 합성 촉매와 메탄올 탈수촉매의 물리적 혼합에 의한 혼성촉매가 주로 이용되고 있는 것으로 알려져 있다 본 연구에서는 일산화탄소와 수소로 이루어진 합성 가스로부터 직접 DME를 생산할 수 있는 직접 합성 공정에 적용 가능한 고효율 촉매 기술을 개발하기 위해 상용촉매의 스크린 테스트를 수행하였다. 상용촉매로는 sud-chemi사에서 메탄을 합성 촉매와 탈수촉매를 각각 구입하였으며, 이들 촉매를 원하는 조성비로 물리적으로 혼합한 다음 반응온도 (250-290?C) 압력 (30-50 atm), H₂/CO 몰비 (0.5-2.0) 등의 다양한 반응조건 하에서 스크린 테스트를 수행하였다.

석탄 합성가스를 이용한 온도 및 압력변화에 대한 메탄화 반응 특성

김수현(Kim, Suhyun),유영돈(Yoo, Youngdon),류재홍(Ryu, Jaehong),변창대(Byun, Changdae),임효준(Lim, Hyojun),김형택(Kim, Hyungtaek) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

석탄가스화로부터 얻어진 합성가스는 CO, H₂가 주성분으로, 그 자체를 연료로 사용하여 발전을 하거나 또는 적절한 정제, 분리 및 합성을 통해 다양한 원료물질을 생산할 수 있다. 이러한 석탄의 청정 사용 기술은 최근의 에너지 분야에서 많은 관심을 불러일으키고 있는 고유가 현상 및 석유자원 고갈에 대비할 수 있는 현실적인 방법의 하나로 여겨지고 있다. 석유를 대체할 에너지원으로서 석탄을 이용하는 다양한 응용 방법 중의 하나로 가스화 반응을 통해 발생하는 합성가스를 이용한 SNG 제조 공정을 들 수 있는데, 이는 석탄 등의 고체 시료를 이용하여 메탄이 주성분인 연료가스를 생산하는 것이다. SNG(Synthesis Natural Gas 또는Substitute Natural Gas)는 합성천연가스 또는 대체천연가스로 불리어지는데 주로 석탄의 가스화를 통해 얻어진 합성가스(syngas 또는 synthesis gas)인 CO, H₂를 촉매에 의한 합성반응을 통해 얻을 수 있다. SNG 합성 반응(메탄화 반응)은 보통 수성가스 전환 공정과 가스 정제 공정을 거친 합성가스를 CH₄로 전환하는 것으로 석탄을 이용한 SNG 제조 공정에서 가장 핵심 공정인 메탄화 반응은 높은 발열반응으로 주로 니켈 촉매를 사용하며 250{sim}400?C에서 반응이 이루어진다. SNG 합성 반응은 공급되는 합성가스의 조성(H₂/CO 비), 공급되는 합성가스의 유량과 반응기에 충진된 촉매의 부피와의 관계를 나타낸 공간속도, 반응온도 등의 조건에 따라 반응 특성이 달라질 수 있다. 가스화 반응을 통해 생성되는 합성가스를 이용한 SNG 합성반응(메탄화 반응)의 특성을 파악하기 위하여 Lab-scale 규모의 고정층 반응기를 이용하여 Ni 함량이 다른 2종류의 촉매를 대상으로 반응온도 및 압력에 따른 CO 전환율, CH₄ 선택도, CH₄ 생산성 변화를 파악하였다. 실험 결과 반응기의 온도가 350도 이상의 조건에서 CO 전환율은 99.8%이상, CH₄ 선택도는 90.7%이상으로 나타났으며, 공간속도가 2,000 1/h 이상의 조건에서는 CH₄ 생산성이 500 ml/g-cat, h을 만족하였다.

열분해 합성가스의 간헐적 주입이 혐기성소화 효율에 미치는 영향

이종근(Jongkeun Lee),박영호(Youngho Park),박기영(Ki Young Park) 한국환경에너지공학회 2022 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2022 No.1

본 연구에서는 수소 함량이 높은 합성가스를 혐기성소화조로 직접 주입함으로써 in-situ 바이오가스 업그레이드 기술을 모사하는 회분식 혐기성소화조를 운영하고, 폐바이오매스 열분해 공정과의 연계 측면을 고려하여 열분해 합성가스의 조성과 주입 방식이 바이오가스 수율 변화에 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 선행연구를 통해 수소 함량이 높고 바이오가스 업그레이드에 유리한 슬러지 열분해 합성가스 생산 조건(800℃, 30 min)을 확인 후 실험 설계 기초자료로 활용하였으며, 이때 생산되는 열분해 합성가스 조성을 중심으로 주요 물질인 수소와 에틸렌 함량을 변화시키며 각각의 성분 함량과 간헐적 주입 여부가 혐기성 미생물 대사활동에 미치는 영향을 중점적으로 확인하였다. 실험 결과 합성가스에 포함된 수소는 바이오가스 중 메탄 함량 증가에 영향을 미쳤지만, 에틸렌의 경우 가역적으로 혐기성 미생물의 대사활동에 저해 요소로서 작용한 것을 함께 확인할 수 있었다. 결국 폐바이오매스 열분해를 통한 합성가스의 생산과 합성가스를 혐기성소화조로 주입하는 바이오가스 업그레이드 연계 공정의 설계가 가능할 것으로 판단되지만, 합성가스 중 포함될 수 있는 에틸렌이 바이오가스 수율 향상에 가역적인 저해요소로 작용할 수 있음을 반드시 고려할 필요가 있다.

고형연료 가스화에 의해 생산된 합성가스의 재순환에 따른 가스화기 운전 특성

이도연(Lee, Do-Yeon),구재회(Gu, Jea-Hoi),정우현(Jung, Woo-Hyun),박종진(Park, Jong-Jin) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06

고형원료인 폐기물의 감량화 및 자원화 기술 중 가장 대표적인 기술로 폐기물의 소각(incineration)기술과 가스화(gasification)용융기술을 들 수 있다. 폐기물 가스화 기술은 폐기물 내의 탄소, 수소 성분을 가스화하여 CO, H₂가 주성분인 합성가스(synthesis gas, syngas)로 전환하여 불연물은 용융되어 환경적으로 무해한 슬래그로 회수하는 기술이다. 폐기물 가스화 용융 시스템으로 발생된 합성가스를 재순환하여 사용하는 합성가스 재순환시스템을 통해 가스화에 필요한 열을 시스템 내에서 대체하여 사용하는 기술개발은 폐기물 가스화 용융기술의 경제성을 높일 수 있다. 본 연구에서는 고형 폐기물 가스화반응에 의해 발생되는 합성가스를 재순환하여 폐기물 가스화 용융 시스템내의 자체 에너지원으로 활용할 수 있도록 하는 합성가스 재순환 시스템 및 버너의 운전특성을 고찰하였다. 합성가스의 재순환 장치에서의 운전 압력 제어 및 유량제어를 통해서 안정적인 합성가스 재순환 성능과 재순환버너의 연소 성능을 유지할 수 있었다. 합성가스 재순환버너에 의한 16,800 kcal/Nm³ 조건 및 33,600 kcal/Nm³ 조건에서 운전시에도 가스화기의 운전온도는 안정적으로 유지됨에 따라 생산된 합성가스의 가스화기 보조연료 대체 및 에너지절감이 가능한 것으로 판단된다.

분류층 가스화 및 Fisher-Tropsch 공정을 이용한 석탄 간접 액화 운전 특성

라호원,윤성민,서명원,문태영,문지홍,윤상준,김재호,이재구,김용구,홍성준,천동현,이호태,정헌 한국공업화학회 2018 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2018 No.0

화석연료의 사용으로 대두되고 있는 지구온난화, 미세민지등의 환경문제를 해결하고 더 효율적이고 청정한 화석연료사용을 위해 다양한 기술 개발이 진행되고 있다. 여러가지 기술 중 가스화 기술은 고온 고압의 반응기를 통해 대표적인 화석연료인 석탄을 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스로 전환을 하게되고 합성가스중 소량의 불순물인 H₂S, CO₂ 등을 제거하는 공정을 거치게 된 후 정제된 합성가스를 이용하여 전력생산, 화학원료생산, 합성천연가스 생산등에 활용될 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 가스화를 통해 얻어진 합성가스를 Fisher-Tropsch공정을 거쳐 합성석유를 제조하는 석탄 간접액화공정에 대한 연구를 진행하였으며, 10ton/day급의 석탄 분류층 가스화기와 합성가스 정제 장치, Fisher-tropsch 공정이 통합된 석탄 간접액화 플랜트를 설계, 제작, 운전을 하였다. 석탄 간접액화 플랜트의 운전압력은 21bar로 운전이 되었으며, 이때 얻어진 합성가스의 조성은 37.8vol% H₂, 36.4 vol% CO, 23 vol% CO_2,4, 합성가스유량은 약 600N㎥/hr로 운전되었으며, 실험을 통해 약 6barrel/day 규모의 합성 석유를 얻을 수 있었다.

합성가스 조성이 고압축비 전기점화 엔진의 연소 및 배기배출물에 미치는 영향

이준순(Junsun Lee),박현욱(Hyunwook Park),잠스랑 나랑후(Narankhuu Jamsran),오승묵(Seungmook Oh),김창업(Changup Kim),이용규(Yonggyu Lee),강건용(Kernyong Kang) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

신재생에너지 기술로 분류되는 석탄 가스화 기술은 석탄을 주 원료로 고온-고압 상태의 가스화기에서 불완전 연소시켜 수소와 일산화탄소가 주성분인 합성가스를 생산한다. 석탄 가스화 기술은 사용되는 석탄의 종류와 반응 조건에 따라 합성가스의 성분이 달라지는 특징이 있다. 합성가스 연료는 가솔린, 천연가스 등 기존 전기점화 연료 대비 옥탄가가 높아 고압축비 적용을 통해 엔진 열효율 향상이 가능하다. 또한 합성가스의 낮은 최소점화에너지는 희박연소 운전에 유리하게 작용하여 희박연소 구현을 통한 추가적 열효율 향상이 가능하다. 본 연구에서는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소로 모사 합성가스를 구성하였으며, 각각의 가스 공급량 제어를 통해 모사 합성가스 조성에 따른 연소 및 배기배출물 특성에 관해 연구를 진행하였다. 직렬 6기통, 압축비 17.1, 디젤 엔진을 단기통화하고, 스로틀과 전기점화 제어 시스템을 적용하였다. 1800rpm 전부하 운전조건에서 연소 안정성 COV 5% 이내로 공연비와 점화시기를 제어하여 최적화하였다. 최대 부하는 이론 공연비 운전조건에서, 최고 효율은 희박 운전조건에서 달성 가능하였다. 합성가스의 수소와 일산화탄소 조성이 증가하고 이산화탄소 조성이 감소할수록 이론공연비 운전조건에서 최대 부하가 증가하였다. 또한, 희박 운전 영역이 확장되고, 최고 효율 운전조건은 상대적으로 높은 공기과잉률로 이동하는 특징을 보였다. 수소 30%, 일산화탄소 25%, 이산화탄소 45%의 조성에서 이론공연비 운전조건에서 nIMEP(Net indicated mean effective pressure) 0.73 MPa을 달성하였다. 또한, Lambda 1.9에서 nITE(Net indicated thermal efficiency) 41.91%로 가장 높은 효율 특성을 나타냈다. 모사 합성가스의 수소 30%의 높은 조성으로 인해 Lambda 3.1까지 COV 5% 이내로 안정적인 운전이 가능하였다.

중발열량 합성가스 생산을 위한 일체형 이중유동층 가스화 기술 연구

최재명(Jae-Myeong Choi),김재민(Jae-Min Kim),김성현(Sung-Hyun Kim),손양승(Yang-Seung Son),이동민(Dong-Min Lee),최진훈(Jin-Hoon Choi),박성열(Sung-Youl Park),김성수(Seong-Soo Kim) 한국청정기술학회 2013 청정기술 Vol.19 No.3

바이오매스 또는 가연성 폐기물로부터 중발열량(2,500-5,000 kcal/Nm³) 합성가스를 생산하기 위한 5 kg/hr 처리규모 일체형 이중유동층 가스화기를 제작하고 가스화 온도, 원료 투입량, 수증기/원료 무게비(S/F) 등의 운전조건이 가스화기의 거동에 미치는 영향을 조사하였다. 가스화 온도와 원료 공급량이 증가할수록 발생되는 합성가스 중 H₂와 CO 농도, 합성가스 유량, 냉가스 효율은 증가하였다. 반면에 수증기/원료 무게비가 실험범위 내에서 증가할수록 발생되는 합성가스 중 H2와 CO 농도, 합성가스 유량, 냉가스 효율은 감소하였다. 원료가 목분인 경우 H₂ 농도 41%, CO 농도 32%, 냉가스 효율 70.1%, 합성가스 저위발열량 3,428 kcal/Nm³이 가능하였다. 원료가 음식폐기물인 경우 H₂ 농도 37%, CO 농도 23.9%, 냉가스 효율 66.7%, 합성가스 저위 발열량 3,670 kcal/Nm³이 가능하였다. A 5 kg/hr scale integral dual fluidized-bed gasifier for producing medium heating value syngas from biomass or combustible wastes was manufactured. The effect of operating variables including gasification temperature, rate of feeding, and weight ratio of steam/feed on the behavior of the gasifier was investigated. The contents of H₂ and CO in syngas, flow rate of feeding, cold gas efficiency increased with the increased gasification temperature or rate of feeding, but decreased with the increased weight ratio of steam/feed within the experimental range. With wood powder as the feed, the concentrations of H₂ and CO in the syngas were as high as 41% and 32%, and the cold gas efficiency and lower heating value of the syngas were as high as 70.1% and 3,428 kcal/Nm³. With food wastes as the feed, the concentrations of H₂ and CO in the syngas were as high as 37% and 23.9%, and the cold gas efficiency and lower heating value of the syngas were as high as 66.7% and 3,670 kcal/Nm³.

합성가스의 LNG 연료 대체에 대한 수치해석적 연구

박민정,신미수,장동순 한국폐기물자원순환학회 2016 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2016 No.11

일반적으로 저급의 화석연료나 폐기물로부터 thermochemical conversion을 통해서 고급의 에너지를 얻는 전환기술은 열분해, 가스화, 액화, 연소 등을 들 수 있는데 이들 전환기술들은 반응 온도, 압력, 그리고 공급된 반응물 종류 및 유무에 따라 서로 다른 1차 생성물을 얻을 수 있으며 이들 1차 생성물들은 다시 사용 목적에 따라 여러 단계의 변환 공정을 통하여 최종적으로 유용한 생성물을 만들게 된다. 특히 폐기물을 대상으로 하는 가스화 공정은 환경문제와 에너지 효율을 동시에 접근할 수 있는 공정으로 각광을 받고 있다. 가연성 폐기물로부터 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성 가스를 얻기 위한 주된 반응은 환원 반응이다. 이반응은 흡열반응으로 연이어서 발생하는 연소반응에서 생성된 열을 이용한다. 연소반응으로 생성된 CO2와 H2O를 환원시켜 결과적으로 CO와 H2를 생성한다. CO2 + H2O → CO + H2 본 연구에서는 이러한 가스화 반응으로 얻어진 합성가스를 기존의 LNG 연소로에 적용할 때 내부 온도 및 유동의 변화를 해석하여 향후 가스화 공정으로부터 얻어진 합성가스의 산업 현장에의 적용가능성을 평가해 보고자 한다. 합성가스는 기체상 연료이므로 발열량의 차이는 존재하지만 기존의 LNG를 연료로 사용하고 있는 산업용 연소로에 버너의 큰 교체 없이 사용이 가능할 것으로 판단되며 내부 열유동에 큰 변화가 생기지 않는다면 가스화 장치로부터 얻어진 합성가스의 판로 개척에 일조를 할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 LNG를 연료로 사용하는 연소로를 대상으로 LNG의 70%를 합성가스 연료로 대체했을 때 연소로의 내부 열유동 해석 및 합성가스의 주입노즐 배치 및 주입 방법 등을 변화시켜 다양한 변수 연구를 수행하여 의미있는 결과를 도출하였다. 연구 결과 발열량 차이에 따라 주입량이 증가되므로 그 점을 감안하여 적절한 방법으로 주입하면 연소로 내부 열유동 분포의 큰 변화 없이 연료대체가 가능한 것으로 나타났다.

가스화를 이용한 에너지 전환공정에서 U지역 사업장폐기물의 합성가스 발생 특성

최상옥,추수태,김나랑,김문현,남성방,박수남,구재회 한국폐기물자원순환학회 2013 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2013 No.2

가스화는 산소가 불충분한 상태에서 폐기물, 바이오매스와 같은 원료물질에 열을 가하여 가연성 가스(합성가스)로 발생시키는 열화학적 전환 공정이다. 합성가스는 주로 CO, H₂ 성분이 혼합되어있다. 중・소규모의 폐기물, 바이오매스 가스화 시스템은 합성가스를 생산하여 열과 전기를 생산하는데 이용한다. 그러나 천연가스나 석탄을 이용한 합성가스 생산 공정에서는 이미 고부가가치의 액체 연료를 생산하는 공정이 상업운전 중에 있다. 국내에서도 납사 및 중유 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 초산, 수소 등의 고부가가치 물질을 생산 중에 있다. 본 연구에서는 초산 제조공정에서 원료물질로 이용하는 CO를 폐기물 가스화를 통한 합성가스 내의 CO로 대체하고자 하는 시스템을 개발하고자 한다. 고정층 방식의 가스화 용융로에 U지역 사업장 폐기물을 원료물질로 하고 산화제는 산소를 이용하여 가스화 실험을 실시하였다. 수분 14.6%, 가연분 58.4%, 회분 27.0%, 저위발열량 3,158 kcal/kg의 특성을 가지는 U지역 사업장 폐기물을 이용한 결과 합성가스의 CO+H₂의 농도가 60% 이상 안정적으로 생산되는 것을 확인할 수 있어, 가연성 가스를 고부가가치 화학원료로 이용할 수 있을 것으로 판단되었다