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절삭슬러지중 SiC 분리회수를 위한 상승분리기의 전산해석
김나랑,주지선,정우현 한국화학공학회 2007 화학공학의이론과응용 Vol.10 No.1
반도체 웨이퍼제조공정에서는 실리콘 단결정으로 이루어진 잉곳을 절단할때 wire-saw 방식을 사용하고 있다. 이때 발생되는 폐기물에는 절삭제, 절삭유, 그리고 Si 분말과 절삭파편이 포함된 불순물이 함유되어 있다. 이러한 폐기물내에서 절삭제인 SiC 분말을 회수하여 재활용하는 방법으로는 원심분리법이나 압축기를 이용한 분리방식이 많이 사용되고 있으나, 이러한 처리방식은 여전히 회수 불가능한다량의 슬러지를 배출하는 문제점이 있다. 본 연구에서는 반도체 웨이퍼제조과정 발생하는 SiC, 절삭유 그리고 Si 불순물이 혼합된 절삭액중의 SiC 분리회수를 위하여 밀도차를 이용하는 상승분리기를 적용하였다. 상승분리기는 분리층의 길이, 유입구의 형상, 투입위치등에 따라 분리효율이 다르게 나타날 수 있는데, 본 연구에서는 상승분리기내에 발생하는 유동특성을 전산유체역학적인 방법을 이용하여 모델링하고, 그 해석결과를 상승분리기 형상설계에 적용하고자하였다. 상용 CFD code 인 CFX5.6을 이용하여 수학적인 계산을 실행하였다. 개발된 전산해석모델을 활용하면 짧은 시간과 적은 처리비용으로 SiC 분리장치내의 발생현상을 예측하고, 이를 통하여 대상폐기물의 재활용시스템 최적설계에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
Pilot 규모 폐기물 가스화 합성가스 연료의 가스엔진 적용 특성 연구
김나랑,윤영식,남성방,박수남,구재회 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2015 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2015 No.-
폐기물, 바이오매스를 원료물질로 하여 전기를 생산하는 시스템은 화석연료를 대체하고, CO<sub>2</sub> 배출을 저감시킬 수 있는 기슬로 평가되고 있어, 기술의 적용에 대한 관심이 매우 집중되고 있다. 아직도 인도를 포함한 남부아시아 지역 국가에서 거주하는 인구의 40% 이상의 사람들에게는 전기 사용 접근이 제한되거나 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 폐기물, 바이오매스 가스화를 기반으로 하는 전기 생산 시스템은 이러한 국가의 지역사회에 전기를 공급할 수 있는 적절한 대안이 될 수 있는 것으로 평가되고 있다. 본 연구에서는 Pilot 규모에서 폐기물을 이용한 공기 가스화를 통해 생산된 합성가스를 연료로 이용하여 가스엔진과의 연계를 통해 전기를 생산하는 시스템을 개발하였다. 가스화기 상부에서 폐기물을 투입하고 산화제인 공기는 가스화기 측면에서 투입하였으며, 반응된 가스는 하부로 배출되는 하향식 고정층 방식의 장치를 이용하여 가스화에 의한 합성가스 생산하고 이를 가스엔진의 연료로 사용하였다. 합성가스 엔진은 주파수 60Hz, 회전수 1,200rpm, 최대출력 20kW급의 사양을 가진 것을 이용하였다. 가스엔진 운전 초기에는 원료 합성가스의 일부만을 유입하여 가동을 실시하였고, 안정하게 유지시 전량을 유입하여 가스엔진을 가동하였다. 합성가스의 조성은 CO 9.8 ~ 15.2%, H<sub>2</sub> 6.8 ~ 10.9%, CH<sub>4</sub> 3.4 ~ 4.7%으로 나타났으며, 30.2 ~ 34.6 N㎥/h의 합성가스를 유입하여 약 13.1 ~ 16.4 kW의 전기를 생산할 수 있었다. 사사: 본 연구는 환경부 ECO-Star Project “폐자원 에너지화ㆍNon-CO<sub>2</sub> 온실가스 사업단” 에 의해 지원되었습니다. (No. 10-02-011)
폐기물의 열량에 따른 고정층 가스화기의 운전 조건 도출
김나랑,박영수,박혜정,성호진,구재회,민지홍 한국폐기물자원순환학회 2013 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2013 No.2
폐기물, 바이오매스 가스화를 이용한 전기 생산 시스템은 화석연료 대체 및 CO₂ 배출량 감소를 위한 잠재성이 매우 뛰어난 것으로 평가되고 있다. 특히 폐기물, 바이오매스 가스화 발전 시스템은 전기의 이용 및 접근의 용이성이 뛰어나므로, 중・소규모 지역에서 이용할 수 있는 훌륭한 대안이라고 할 수 있다. 따라서 시스템을 효율적으로 이용하기 위해서는 폐기물, 바이오매스 가스화 발전시스템의 운전특성을 파악하여 성능을 개선시키는 것이 필요하다. 본 연구에서는 폐기물을 원료물질로 하고, 공기를 산화제로 이용한 가스화를 통해 생산된 합성가스를 이용하여 가스엔진과의 연계를 통해 전기를 생산하는 시스템을 개발하고자 한다. 폐기물은 가스화기 상부에서 투입되었고 산화제인 공기는 가스화기 측면에서 투입되었으며, 반응된 가스는 상부로 배출되는 고정층 방식의 반응기를 이용하였다. 발열량이 약 3,300, 3,900 kcal/kg인 폐기물을 이용하여 가스화 시스템의 합성가스 생산 특성을 파악하였다. 3,300 kcal/kg의 발열량을 가진 폐기물의 가스화 결과, 합성가스 조성이 CO 0.2~3.7%, H₂ 3.6~7.1%, CH₄ 0.9~2.3%으로 나타났으며, 안정적인 가스화가 진행되지 않았다. 3,900 kcal/kg의 발열량을 가진 폐기물의 가스화 결과, 합성가스 조성이 CO 7.9~12.1%, H₂ 7.1~8.2%, CH₄ 2.8~3.7%이며 냉가스 효율은 약 60.1%으로 안정적인 가스화가 진행되었다. 따라서 실험에 이용한 고정층 가스화기는 최소 3,300~3,900 kcal/kg이상의 열량을 가진 폐기물을 이용해야만 합성가스의 안정적인 생산이 가능하고 가스엔진 연계 발전이 가능한 것으로 도출되었다.
전기 생산을 위한 파일럿 규모 폐기물 가스화 시스템의 운전 특성
김나랑,박수남,구재회,김형택 한국폐기물자원순환학회 2016 한국폐기물자원순환학회지 Vol.33 No.2
This paper was conducted experimental work to energy recovery and syngas production using a pilot scale fixed bedgasification process of solid waste. The temperature of gasifier bottom section was the highest at about 522 ~ 808oC. Thesyngas composition was contained CO 10.0 ~ 11.4%, H2 8.4 ~ 11.3%, CH4 3.7 ~ 3.9%, CnHm 3.3 ~ 4.3% with lowerheating value 1,500 kcal/Nm3. About 68.8% of the waste and the air energy is converted to syngas. Approximately 8.4%is lost in heat of heat exchanger and cleaning process and about 0.8% of the heat energy is recycled into the gasifier inthe form of preheated air. The electric power output rate was found to range 10.5 to 12.5 kW.
ASR 가스화 공정 정제폐수의 발생 특성 및 규조토 여과장치를 이용한 처리 특성 연구
김나랑,전병준,박영수,구재회,최상옥,추수태,이우홍,김준석 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2014 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2014 No.-
폐기물 가스화의 합성가스를 이용하기 위해서는 합성가스 내의 주요 성분 이외에 발생되는 분진, 질소화합물, 염소화합물, 황화합물의 정제가 필수적이다. 합성가스 내 오염물질을 제거하는 방법으로는 크게 저온습식법과 고온건식법으로 나눠질 수 있는데, 고온 건식 정제공정은 아직 상용화가 이루어지지 않고 연구 개발중인 기술이며 저온 습식 정제공정은 오염물질의 제거가 용이하여 상업적으로 널리 이용하고 있는 기술이다. 본 연구에서는 가스화기에서 발생한 합성가스의 오염물질의 제거를 위해 급속냉각탑, 벤츄리스크러버, 중화세정탑, 탈황세정탑으로 저온습식법을 이용한 정제공정을 구성하였다. 각각의 정제공정에서는 합성가스 내의 분진, 염소화합물, 황화합물등을 적절하게 처리하기 위해 수용액을 분사하게 되고, 이 과정에서 정제 폐수가 발생하게 된다. 발생하는 정제폐수를 처리하여 공정 내에 재순환하거나 방류수로 배출하기위해 정제 폐수의 특성을 파악하고, 규조토 여과장치를 이용하여 처리 특성을 살펴보았다. 정제폐수의 생물학적 산소요구량은 1.5 mg/L이하로 낮게 발생되었으며, 화학적 산소요구량과 부유물질은 각각 162~305mg/L, 660~2,320 mg/L으로 높게 나타났다. 또한 CN 0.19~22 mg/L, Zn 9.1~22.8 mg/L, Cu 4.2~4.4 mg/L, Pb 4.5~7.0 mg/L, 총 질소 128~213 mg/L가 배출 허용 기준(“가” 지역)보다 높아 처리가 필요한 것으로 파악되었다. 규조토 여과장치를 이용한 처리수에서 부유물질은 약 12 mg/L로 99%의 매우 높은 처리 효율을 나타내었고, 대부분의 오염물질 또한 배출 허용 기준 이하로 처리 가능하였다. 그러나 처리수 내 CN과 총 질소의 농도는 배출 허용 기준보다 높은 것으로 나타나, 방류수로 배출하기위해서는 추가적인 처리가 필요한 것으로 파악되었다.
C-05 : 가스화를 이용한 에너지 전환공정에서 U지역 사업장폐기물의 합성가스 발생 특성
김나랑,김문현,남성방,박수남,구재회,최상옥,추수태 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2013 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2013 No.-
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 판단 되었다.