세라믹·금속 촉매를 이용한 폐플라스틱 액체연료화 공정의 예비 연구

엄대현 울산대학교 대학원 2017 국내석사

플라스틱은 저렴한 소재로서 가볍고, 내구성이 좋고, 비교적 내화학성이 우수하여 폭넓게 활용될 수 있기 때문에 실생활에서 매우 많이 쓰이고 있다. 플라스틱 혼합 폐기물에는 HDPE (high density polyethylene), LDPE (low density polyethylene), PP (polypropylene), PS (polystyrene), PET(polyethylene terephthalate), PVC (polyvinyl chloride) 등 다양한 종류의 플라스틱 제품이 혼합되어 있으며, 이들 가운데 PE와 PS가 플라스틱 폐기물에서 가장 많은 비중을 차지하고 있다. 폐플라스틱의 재활용은 환경문제를 극복하기 위한 필수과제이며 이미 폐플라스틱의 재활용 기술이 개발, 이용되고 있다. 본 연구에서는 가열 시 다양한 파장을 방출하는 여러 종류의 세라믹‧금속 촉매를 이용하여 HDPE, LDPE, PP, PS와 혼합 폐플라스틱류를 상온 ~ 280℃의 온도구간을 갖는 5단계의 연속 반응로에서 경유급 액체연료와 잔재(숯)로 변환, 분해하는 기술의 재현과 기초연구를 통해 현재 이용되고 있는 플라스틱 고온 열분해 유화기술을 대체할 수 있는 새로운 기술을 활용한 결과를 제시하였다. 본 연구의 실험에서는 실제 공정에 사용되는 115개 세라믹 가운데 1개를 선택하여 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)와 XRD(X-ray Diffraction) 분석을 통해 조성과 성분을 분석하였으며, Spectrometer 분석을 이용하여 세라믹‧금속 촉매에서 방출되는 파장영역을 조사, 이를 HDPE, LDPE, PP, PS와 혼합 폐플라스틱 시료들이 촉매 반응로 안에서 열에 의해 어떤 영향을 받는지 분석하였다. 그 후, 촉매 분해를 통해 생성된 HDPE, LDPE, PP, PS 재생유와 폐비닐·플라스틱 혼합 폐기물의 재생유의 성분분석을 통해 기존 열분해를 통한 재생유와 어떤 차이점이 있는지 알아보았으며, 최종 결과를 토대로 새로운 연속 촉매반응을 이용한 폐플라스틱의 분해반응 적용 결과를 제시하였다. 실험을 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 첫 번째로, 세라믹‧금속 촉매를 첨가한 LPDE, PP의 TGA 실험 결과, 촉매를 첨가하지 않은 LDPE는 350℃ 근처에 이르러서야 온도부터 플라스틱의 유화 거동이 일어나는데 반하여, 촉매를 첨가한 LDPE 시료는 이보다 낮은 240℃ 부근에서부터 유화 거동이 활발하게 시작됨을 알 수 있었다. 촉매를 첨가하지 않은 PP 시료 또한 370℃에서 유화가 시작되었으나, 촉매 첨가 시에는 250℃ 근처에서 유화가 급격하게 시작되었다. 이는 세라믹‧금속 촉매가 플라스틱의 분해반응에 일부 참여하고 있다는 사실을 보여준다. 두 번째로, 세라믹‧금속 촉매를 이용한 플라스틱 분해 실험에서 순수 폴리머 펠렛(LDPE, HDPE, PP, PS)을 촉매 분해를 통하여 경유급 액체연료로 제조할 수 있음을 확인하였으며, LDPE는 투입시료 중 89wt%, HDPE는 96wt%, PP는 95%의 액체연료 변환 수율을 얻을 수 있었다. 또한 한국석유관리원에 특성분석을 의뢰한 결과, kg 당 10,600 Kcal를 갖는 고 발열량 액체연료라는 것을 확인하였고, 황분과 중금속의 함유량이 매우 낮아 경유급에 해당하는 액체연료임을 공인 받게 되었다. 마지막으로, 세라믹‧금속 촉매를 이용한 혼합 플라스틱의 촉매분해 실험을 통해, 세라믹‧금속 촉매조합과 적당한 열에너지의 조합을 갖춘 5단계의 연속 반응로에서 가연성 비닐‧플라스틱 폐기물을 친환경적으로 분해하고, 동시에 반응 부산물로서 경유급의 액체연료와 숯가루와 유사한 고체연료를 확보할 수 있는 새로운 친환경 플라스틱 폐기물 처리기술의 개발이 완료되었음을 확인하였다. Plastics are widely used in our lives due to their properties such as economic benefits, good durability, chemical resistance and light weight. In plastic wastes, various kinds of plastic products are mixed such as HDPE (high density polyethylene), LDPE (low density polyethylene), PP (poly propylene), PS (polystyrene), PET (polyethylene terephthalate) and PVC (polyvinyl chloride). PE and PS account for the largest proportion of the plastic waste. Recycling of the plastic waste is essential to solve environmental problems, and a number of recycling technologies of plastic waste have already been developed and used. In this study, it suggests a new technology to replace thermal pyrolysis of plastic waste through basic research and reproduction of technology which decomposes HDPE, LDPE, PP, PS and mixed plastic waste into diesel-like fuel and ash type of solid fuel by five-step continuous process steps at a temperature range of room temperature to 280℃ by using different kind of ceramic -metal catalysts that emit various wavelengths when heated. In the experiment of this study, composition of one ceramic catalyst among 115 ceramics and its component are analyzed by EDX (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) and XRD (X-ray Diffraction) analysis. The wavelength range emitted from the catalyst is measured with a spectro- meter to find an interaction between ceramic-metal catalyst and plastics. Thereafter, we component analysis of the regenerated diesel fuel sample is done to compare the oil obtained in thermal pyrolysis with each of the oil obtained in catalytic degradation of HDPE, LDPE, PP, PS and mixed plastic waste. The results of this ceramic-metal catalytic degradation process experiment are as follows: First, in the analysis of LPDE and PP using catalyst by TGA (thermo-gravimetric analysis) experiment, normal LDPE decomposes at a temperature of about 350°C whereas PE with the ceramic catalyst decomposes at lower temperature of about 240°C. The decomposition temperature of plastics by catalyst is more than 100°C lower that of the other plastics without catalyst. This result shows that ceramic-metal catalyst affects the decomposition reaction of plastics. Second, it is proved that production of diesel-like fuel is possible with pure plastic pellets by the ceramic-metal catalytic degradation process. Obtained liquid fuel conversion yields are 89 wt% in LDPE pellets, 96 wt% in HDPE and 95% in PP. As a result of request for characteristics analysis to the Korea Petroleum Authority, it is confirmed that this liquid fuel is equivalent to diesel because it has high calorific value with 10,600 kcal/kg, low sulfur contents, and low heavy metal contents. Finally, through catalytic degradation experiments of mixed plastics using ceramic-metal catalysts, it is confirmed that the development of a new eco-friendly plastic waste disposal technology has been completed which degrades combustible plastic waste to be environment-friendly in five-step continuous process steps using ceramic-metal catalyst and obtains diesel- like fuel and ash type of solid fuel as the by-product of reaction.

액체연료의 자발증발 및 연소에 관한 연구

송기종 인천대학교 일반대학원 2014 국내석사

횡단류에 수직 분사되는 액체연료의 분무 및 연소특성에 관한 연구

윤현진 경북대학교 대학원 2012 국내박사

In this study the spray and combustion characteristics were experimentally investigated under the operating conditions of real ramjet engine to secure ramjet engine design techniqe. First, it is important to control the air velocity and temperature in the experiment of ramjet engine under ground-test condition. This conditions has been realized by using vitiated air heater(VAH). In this study, vitiated air is well controlled by using advanced VAH to have same properties with operating conditions of real ramjet engine. Study on spray characteristics such as the penetration height was conducted. In the previous researches on jet in crossflow (JICF), more than 20 different correlations of jet penetration have been proposed by many investigators. In the proposed correlations, the relationship between jet penetration and the various flow parameters were defined. But, in most previous studies, the researches were carried out using the single orifice injector(SOI). In this study, to define interference effects of jet penetration of liquid jet in crossflow, double orifice injector(DOI) is adopted. First, changing of crossflow temperature with vitiated air heater, the jet penetration correlation in SOI is proposed. At the heated crossflow. jet penetration height is lower than the cold crossflow due to increase of crossflow velocity despite of reduced density. The jet penetration correlation of DOI is induced with the change of the injector orifice spacing. In the case of the DOI, since the front liquid jet is acting as a shield of the rear liquid jet, the jet penetration in DOI is higher than that of SOI. In the DOI, the rear jet penetration height is increased as the nozzle spacing is decreased. And, in the rear liquid jet of DOI, the correlation of jet penetration height was developed. Higher the nozzle spacing (Lh) decrease the jet penetration height, so a negative dependency on nozzle spacing(Lh) is expected. In this study spray, in addition, characteristics such as break-up positions, spray width, and SMD were experimentally investigated of the SOI. The break-up positions had the same tendency with the results of the previous researchers, and in this study, the new correlations of the break-up positions (break-up height and break-up distance) were derived. The combustion characteristics of a dump-type ram-combustor equipped with a bluff-body flame-holder were experimentally investigated. In the case of insufficient penetration, the flame in the ram-combustor was unstable, and vice versus given sufficient penetration. When the flame-holder was not equipped, the temperature at the center of the ram-combustor had a tendency to decrease due to the low penetration and insufficient mixing. Therefore, the temperature distribution was slanted to the low wall of the ram-combustor. These trends gradually disappeared as the length of the combustor became longer and the flame-holder was equipped. Combustion efficiency increased when the length of the combustor was long and the flame-holder was equipped.

A General Eulerian-Volume of Fraction Method for Atamization Simulation

승성표 Univ. of Alabama at Huntsville 1994 해외박사

액체로케트, 가스터빈엔진, 디젤엔진 등과 같이 액체연료를 사용하는 기기의 연소특성 및 성능해석에 있어, 액체연료 자유표면에서의 액적 형성, 주위가스와의 공기역학적 상호작용, 자유표면 불안정성으로 인한 액체연료 자유표면의 추적 및 거동, 액적과 연료기둥의 Breakup 특성 및 현상에 대한 해석은 매우 중요하다. 본 연구 논문에서는 액체연료 연소분무과정 해석에 필수적인 액체와 기체가 동시에 존재하는 유동장에서 시간적 공간적으로 다수 임의의 자유표면(액체와 기체의 경계층)을 추적하고, 이에 대한 거동해석을 할 수 있고, 일반적 Eulerian 방법과 Lagrangian 방법의 단점을 극복할 수 있는 효율적인 수치적 방법을 연구하였다. 본 논문에서는 원시유동변수, Non-staggered, General curvilinear 수치격자를 사용하였으며, 수치 알고리듬은 수치 해석시 시간 정확도를 갖는 Predictor, Multi-corrector의 Operating-splitting 알고리듬인 PISOC를 사용하였고, 정확하게 자유표면을 추적하기 위하여 체적분율(Volume of fraction)방법과 자유표면의 interface capturing을 위하여, Chakravarthy-Osher High Order Scheme을 사용하여 대류 유속항에서 발생하는 수치오차확산을 방지하였으며, 연속체 자유표면장력을 Pressure Jump 조건없이 연속체처럼 계산할 수 있는 CSF모델을 사용하였다. 본 수치방법을 검증하기 위하여 Dam Broken 문제와 Water Sloshing문제를 해석하였으며, 또한 액적거동과 액적 Break-up해석에 필요한 액적/액주거동을 해석하였으며, 분무과정해석을 위해 Liquid-jet Instability해석에 적용하였으며, 액체 로케트에서 사용하는 Coaxial Injector해석에 적용하였다. This dissertation investigates the role of the pioneer Korean christians in beginning indigenous Presbyterian churches in Korea and in translating the Gospels into the Korean vernacular. Protestant christianity was introduced in Korea at a time when traditional religions were in a state of decay. The peoples receptivity to Protestant Christianity was closely related to the religious climate, since they were looking for something new that would quench their religious thirst. They were quick to appreciate the gospel. In addition, the instability of the socio-political situation that wae created through a series of criese in the late nineteenth century encouraged people in Korea to turn to Protestant Christianity. Pioneer Korean Christians who came mainly from northwestern Korea established the first indigenous Presbyterian churches, beginning the first Protestant missions in the forbidden land in which bo missionary was allowed to work, Most of these indigenous churches were self-supporting and self-propagating from the beginning. The indigenous Christians also played a renarkable role in translating the Fospels into the Korean vernacular. They produced two indigenous versions of the Gospels, the Yesoo Shung-Kyo version in Manchuria and the Yi Soo-Chung version in Japan, before growth of Protestant Christianity in Korea, laying the biblical foundation for the Korean Protestant church. The foreign missionaries in Korea carried on their work in the indigenous Protestant churches. They did not claim to be the founders of the Protestan church in Korea, bur they played a remarkable role in training indigenous leadership the developing the soul-winning churches.

C1 액체연료전지를 위한 지속가능 전극촉매 개발 : Development of sustainable electrocatalysts for C1 organic molecules fuel cells

이재광 인하대학교 대학원 2008 국내박사

이 논문은 C1 액체연료전지의 성능에 영향을 주는 anode 및 cathode를 전기화학적 방법 및 화학적 방법을 활용하여 제조하고 이를 반쪽전지 및 단위전지에 적용한 후 결과에 대해 고찰하였다. 또한 산업폐수 등에 포함되어 있는 질산성 질소의 전기화학적 처리 방법에 대해서도 기술하였다. 우선 직접 개미산 연료전지에서 개미산의 산화반응을 향상시키고 성능을 유지할 수 있는 anode 촉매물질에 대해 연구하였다. 문헌 등의 고찰을 통해 bismuth, antimony, gold를 선택하였고 underpotential deposition과 화학적 합성법을 이용하여 촉매 전극을 제조한 후 Pt전극과 비교∙평가하였다. 이들 새롭게 제조된 촉매물질들은 개미산의 산화반응을 촉진하였고, 그 결과 높은 성능 향상을 나타냈다. 두번째 연구는 직접 메탄올 연료전지의 문제점인 메탄올 crossover에 의한 cathode전극의 피독 및 mixed potential에 의한 성능 저하를 감소시킬 수 있는cathode 물질 개발에 대해 연구하였다. 성능 저하를 막기 위한 전극물질로 PtCuOm을 제조하였고, 이를 전기화학적 방법과 단위전지 성능 측정을 통해 평가하였다. PtCuOm는 oxygen reduction reaction을 촉진시킬 뿐만 아니라 crossover된 메탄올의 산화반응을 억제하는 것을 확인할 수 있었다. 세번째 연구는 직접 개미산 연료전지 시스템을 제작하여 노트북을 구동하였다. 15장의 MEA가 들어간 연료전지 stack를 제작하였고, 이를 연료전지 시스템 적용한 후 노트북을 구동시키며 그 결과에 대해 고찰하였다. 제작된 시스템은50 wt% 개미산280 mL를 사용하여 150분 이상 노트북을 구동할 수 있었다. 세번째 연구는 폐수내에 포함되어 있는 질산성 질소를 제거하기 위한 전기화학적 방법에 대해 기술하였다. 여러 종류의 전극을 평가하였고, 그 결과 아연이 질산성 질소를 제거하는데 상당한 효과가 있음을 확인할 수 있었다. 또한 질산성 질소는 pH가 8이상이 되었을 때 제거 효율이 증가되었고, Ca(OH)2가 평가한 pH적정제 중 가장 우수한 결과를 나타냈다. 이 연구를 통해 폐수내의 질산성 질소를 95 %이상 제거할 수 있었다. This thesis describes the influence of anode and cathode catalysts, such as PtBi, PtSb, PtAu and PtCuOm, on the performance of C1 organic molecules fuel cells. The electrocatalysts for C1 organic molecules fuel cells were prepared by electrochemical method and chemical synthesis. Also, the electrochemical treatment technology for nitrate removal was investigated. In order to develop highly active and stable electrocatalysts for formic acid oxidation, PtBi and PtSb were prepared by underpotential deposition and PtAu was systhesized by borohydride reduction method. Compared with the unmodified Pt anode, the PtBi, PtSb and PtAu electrodes caused faster electrocatalytic oxidation of formic acid at the same value of the overpotential, and it resulted in the increase of power performance of direct formic acid fuel cells. To determine whether PtCuOm improves a performance of direct methanol fuel cells (DMFCs), we performed structural and morphological analysis of the cathode and measured current-potential profile and impedance spectroscopy. Comparing with an unmodified Pt cathode, we found that PtCuOm prepared by rf sputtering techniques induced higher oxygen reduction reaction rate and suppressed electrocatalytic oxidation of methanol at cathode, which is main reason of the mixed potential occurred at a cathode. Based on improvement of anode electrocataysts, the development of a prototypical hybrid direct formic acid fuel cell power supply for a laptop computer has been presented. A 15 MEA DFAFC stack capable of producing 30 W at 60 mW cm-2 was developed and its performance characteristics relevant to system integration were described. The hybrid system successfully operated a laptop computer for over 150 min using 280 mL of 50 wt.% formic acid. Zinc electrode is selected as the highly efficient electrocatalyst capable of selective removal of nitrate compounds in wastewater. It works more efficiently in alkaline condition and therefore acid wastewater is adjusted for high pH by using Ca(OH)2. Zinc electrode in high pH solution has more than 95 % removal efficiency in electrochemical treatment.

고온 공기 공급에 따른 액체연료의 연소특성에 관한 실험적 연구

姜載昊 명지대학교 2000 국내석사

본 연구에서는 예열된 고온공기를 산화제로 하여 연소 실험을 수행하였다. 현재 진행중인 많은 연구들에서 축열소각로 및 EGR 시스템과 같이 배기가스를 재순환 할 경우 산소농도가 희석됨에 따라 연소 안정성은 저하되지만 고온 공기를 이용한 연소의 경우 연소강도가 증가하게 되어 안정성이 증가하며 공기 속도가 증가하게 되어 화염 강도 및 연소 영역을 넓일 수 있다고 알려져 있다. 본 실험에서는 열선을 이용한 예열 공기를 산화제로 사용한 액체연료의 연소 특성을 알아보았다. 고온 공기를 공급하였을 경우, 화염 강도(Intensity)가 증가하여 실제 공기량이 이론 공기량 보다 적어도 안정된 고온 영역의 온도분포를 얻을 수 있었다. 공급공기 유량이 적고 공기 온도가 상온일 경우가 고온 공기에 비해서 화염온도는 높지만, 공기량이 증가하면서 화염온도는 상온 공기의 화염온도가 고온공기의 화염온도와 비슷하거나 낮은 경향을 나타내었다. 또한 공기량과 공기온도가 증가할수록, 화염 강도는 강해지는 것을 볼 수 있었다. 이는 고온에 의한 연료와 산화제의 화학반응이 촉진될 뿐만 아니라 고온공기에 의하여 액체연료의 증발이 촉진되어 나타나는 결과라 볼 수 있다. 또한 고온 공급 공기에 의하여 연소실을 적용하였을 경우, 연소실 내의 온도분포가 전체적으로 고온 균일하고 일산화탄소(CO)의 발생을 다량 억제할 수 있었다. 그러나 고온에서 발생하는 질소 산화물(NOx)의 발생은 비록 수치상 적은 양이지만, 상온에서의 화염일 경우에 비해 증가하였다. In this study, an experiment on the pre-heated air combustion with oil fuel is performed. According to many studies, it is known that when the emission gas is recirculated as in the regenerative furnaces and EGR systems, the stability of combustion is reduced due to the dilution of oxygen in the air. However, it is also known that, with the use of pre-heated air, the flame intensity and combustion region can be extended due to increase of the combustion intensity and the air flow velocity. This study examines characteristics of liquid fuel combustion with pre-heated air using a heating coil. With high-temperature air, although real air flow rates are less than stoichiometric air flow rates, stable distribution of high-temperature region is obtained by increase of flame intensity. The flame temperature of reference is higher than preheated air under small air flow rate but air flow rate is increased, flame temperature of pre-heated air is higher than reference. As the flow rates and air temperature is increased, the flame intensity is also increased since air pre-heating affects not only chemical responses of fuel and oxygen but also evaporation of liquid fuel. When pre-heated air is introduced in the chamber, the temperature distribution in the chamber is more uniform in a high level. CO emission is decreased, but NOx emission is increased compared to the flame in a reference temperature, although the amount is small.

液體燃料 液滴들의 亂流噴射燃燒에 대한 理論的 解析

민성기 高麗大學校 1991 국내박사

液體燃料 液滴群의 點火에 關한 硏究

박용렬 高麗大學校 1987 국내석사

증발튜브내 액체연료 액적들의 증발특성에 관한 이론적 연구

권혁성 고려대학교 1987 국내석사

고온의 예열공기를 이용한 액체연료의 분무연소특성에 관한 실험적 연구

박민철 부산대학교 2002 국내석사