유준재 교수님 2팀
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 바이오매스-폐플라스틱 기반 e-SAF 생산: Gasification 및 Alcohol-to-Jet 경로 비교 설계
영문 : Design Comparison of Gasification and Alcohol-to-Jet Pathways for Biomass and Waste-Plastic Based e-SAF Production
과제 팀명
유준재교수님2팀
지도교수
000 교수님
개발기간
2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20203400** 채*기(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20193400** 서*호
서울시립대학교 화학공학과 20203400** 김*하
서울시립대학교 화학공학과 20203400** 김*찬
서울시립대학교 화학공학과 20203400** 황*한
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 본 과제는 바이오매스와 폐플라스틱을 혼합 원료로 활용하여, Gasification 및 Alcohol-to-Jet(AtJ) 경로를 통한 e-SAF(electro–Sustainable Aviation Fuel) 생산 시스템을 설계한다.
◇ 이후 두 경로의 에너지 효율, 환경성, 경제성을 비교·평가하여 최적의 e-SAF 생산 기술을 도출한다.
◇ Aspen Plus 기반의 공정 모델링 및 물질수지 분석을 수행하고, 원료 조성 변화(바이오매스:폐플라스틱 비율)에 따른 성능 차이를 정량적으로 검증한다.
◇ 이를 통해 혼합 폐자원의 고부가 전환과 항공연료 탈탄소화를 동시에 달성하는 지속가능형 e-SAF 공정 모델 제시한다.
개발 과제의 배경
◇ 국제민간항공기구(ICAO)는 2050년 탄소중립(CO₂ Net Zero)을 목표로 SAF(Sustainable Aviation Fuel) 상용화를 적극 추진하고 있다. 그러나 현재 상용화된 SAF의 대부분은 식물성 오일 기반 HEFA(Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) 공정에 의존하고 있어, 식량 자원과의 경쟁 및 원료 공급의 한계가 존재한다.
◇ 이에 따라 비식물성 원료 기반의 차세대 SAF 기술 개발이 필수적이며, 바이오매스와 폐플라스틱의 혼합 전환 공정은 탄소 저감과 폐기물 문제 해결을 동시에 달성할 수 있는 유망 대안으로 주목받고 있다.
◇ Gasification과 Alcohol-to-Jet 경로는 다양한 저급 원료를 고품질 항공유로 전환할 수 있는 기술적 잠재력을 보유하고 있으나, 국내에서는 양 경로의 통합 설계 및 성능 비교 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 본 과제는 혼합 원료 기반 e-SAF 생산 공정의 최적화와 상용화 가능성 검증을 통해 지속가능한 항공 연료 공급망 구축에 기여하고자 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 바이오매스·폐플라스틱 혼합 원료 기반 e-SAF 생산 시스템 설계
◇ Gasification 및 Alcohol-to-Jet 경로의 효율, 환경성, 경제성 비교 분석
◇ Alcohol-to-Jet 및 Gasification 경로 비교 분석
◇ 통합 e-SAF 생산 시스템 최적 설계안 도출
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
가. State of art
◇ Synthesis of sustainable aviation fuels via (co–)oligomerization of light olefins [1]
Figure 1. Simplified reaction network of the (co–)oligomerization of a C2-4 olefin mixture without nickel-catalyzed oligomerization reactions of ethylene.
메탄올-투-올레핀(MtO) 공정에서 생산되는 올레핀(C₂–C₄)을 이용해 지속가능 항공유(SAF)를 합성할 수 있다.. 연구진은 상용 실리카-알루미나(SIRALOX) 촉매를 사용하여, 니켈이 없는 촉매(40/0Ni)와 니켈이 2 wt% 담지된 촉매(40/2Ni)의 반응 특성을 비교했다. 반응은 120 °C, 32 bar에서 수행되었다. 프로필렌은 높은 전환율과 함께 케로신 범위(C₉–C₁₆) 탄화수소에 대한 선택도가 90 % 이상이었고, 1-부틸렌은 주로 옥텐(C₈)으로 이량화되어 케로신 선택도가 약 70 %로 낮았다. 니켈을 담지하면 에틸렌의 반응성이 높아지지만, 분지도가 줄어들어 연료의 냉유동성과 옥탄가가 저하되었다. Co-oligomerization 반응에서는 C₃ + C₄ 혼합 시 약 80 %의 케로신 선택도를 달성했으며, C₂ + C₃ + C₄ 혼합물(MtO 유사 조성)에서는 니켈이 없을 때 에틸렌이 반응하지 않았고, 니켈이 있을 때는 에틸렌 전환은 이루어졌으나 생성물이 짧아지고 품질이 낮아졌다. 이를 개선하기 위해 니켈 촉매층과 무니켈 산촉매층을 직렬로 배치한 결과, 에틸렌 전환과 높은 분지도(isoindex ≈ 1.97), 케로신 선택도(81 %)를 동시에 얻었다. 200 시간의 장기 실험에서도 촉매는 안정적으로 작동했으며, 평균 케로신 선택도는 63 %였다. 생성 연료는 ASTM D7566 기준 대부분을 충족했고(발열량 43.3 MJ/kg, 밀도 773 kg/m³), 어는점만 약간 높았다. 결론적으로, C₂–C₄ 올레핀의 Co-oligomerization는 지속가능 항공유 생산의 유망한 경로이며, 니켈-무니켈 촉매 조합을 통해 에틸렌 전환과 연료 품질을 동시에 개선할 수 있음을 입증했다.
◇ (Co-)Oligomerization of Olefins to Hydrocarbon Fuels: Influence of Feed Composition and Pressure [2]
Figure 2. Product distribution for different olefin feedstocks (reaction conditions: T = 120 C, pOlefins = 32 bar, ptotal = 40 bar, WHSV =4h–1).
이 연구는 메탄올로부터 유래한 C₂–C₄ 올레핀 혼합물을 니켈이 담지된 실리카-알루미나 촉매 위에서 co-oligomerization하여 휘발유 및 항공유 범위의 탄화수소 연료를 생산하는 과정을 다루었다. 반응은 120 °C의 온도에서 수행되었으며, 올레핀 조성(에틸렌, 프로필렌, 1-부틸렌의 혼합비)과 압력(16–32 bar)의 변화가 생성물 분포와 구조에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 단일 올레핀(예: 1-부틸렌)을 사용할 경우, C₈과 C₁₂ 등 특정 사슬길이의 올리고머가 우세하게 생성되며, C₈ 생성물이 약 55 wt%, C₁₂가 약 20 wt%를 차지했다. 그러나 두 종류 이상의 올레핀을 혼합하면 반응 경로가 다양해져 C₇~C₁₂ 범위의 탄화수소가 균등하게 분포하는 혼합연료가 형성되었다. 에틸렌, 프로필렌, 1-부틸렌을 40 : 40 : 20 mol%로 혼합한 경우에도 전체 선택성의 90 % 이상이 휘발유 및 항공유 범위(C₅–C₁₆) 탄화수소로 나타났다. 제품 구조를 보면, 생성된 C₈ 올리고머의 약 80 wt%가 double-branched 구조를 가지며, 이는 옥탄가(RON)가 70~80 수준으로 휘발유 블렌딩용으로 적합하다. 삼중 가지형은 2 wt% 이하로 소량 존재했다. 이는 프로필렌의 이성질화로 인해 2-부틸렌이 형성되고, 그 결과 이중 가지 구조의 옥텐이 주로 생성되기 때문으로 해석된다. 압력 변화에 따른 영향도 분석되었다. 올레핀 분압을 16 bar에서 32 bar로 높이면 프로필렌 전환율이 65 %에서 91 %로 증가하며, 액상 생성물 비율이 높아졌다. 그러나 반응 생성물은 짧은 사슬(C₉ 중심) 방향으로 약간 이동했으며, 고압에서는 고분자체(C₁₃ 이상) 생성이 억제되어 코크 형성 및 촉매 비활성화가 감소했다. 이러한 조건에서 촉매의 장기 안정성이 향상되고 재생 주기가 길어졌다. 가지침(branching)과 이성질화의 정도는 압력 변화에 크게 영향을 받지 않았으며, 모든 경우에서 이중 가지형 C₈ 성분이 우세했다. 결론적으로, 니켈/실리카-알루미나 촉매를 이용한 올레핀 co-oligomerization 공정은 메탄올로부터 유래한 재생가능한 올레핀을 고품질 휘발유·항공유로 전환할 수 있는 효율적 경로임이 확인되었다. 생산된 연료는 방향족을 포함하지 않아 입자상 배출을 줄일 수 있으며, 기존 연료 인프라에서도 그대로 사용할 수 있는 지속가능한 대체연료로서 높은 잠재력을 지닌다.
나. 논문조사
◇ Optimization of Sustainable Aviation Fuel Production through Experiment-Driven Modeling of Acid-Catalyzed Oligomerization [3].
Figure 3. Scheme of the oligomerization reaction network.
메탄올로부터 지속가능항공연료(SAF)를 생산하는 공정을 실험 기반 모델링을 통해 최적화할 수 있다. 메탄올을 올레핀으로 전환(MTO)하고, 이를 산 촉매 하에서 올리고머화하여 C8–C16 탄화수소(항공유 범위)를 만드는 과정을 다룬다. 연구진은 복잡한 반응 네트워크를 단순화해 총 7개의 반응속도 상수로 구성된 반응속도론적 모델을 Python으로 구축했다. 실험은 ASA-50(무정형 실리카-알루미나) 촉매를 이용한 유동식 고정층 반응기에서 수행되었으며, 50 bar, 423–603 K 범위에서 여러 C3–C7 올레핀 혼합물을 반응시켜 데이터를 확보했다. 모델은 플러그 플로우 반응기(PFR) 방정식을 기반으로 하며, 올리고머화는 2차 반응, 크래킹은 1차 반응으로 가정한다. 각 반응속도상수는 탄소수에 따라 지수함수적으로 변화한다고 설정해 반응물 탄소수의존성을 단순화했다. 차등진화 알고리즘을 이용해 모델을 실험 데이터에 회귀시켰고, 얻어진 매개변수는 데이터 세트에 무관하게 일관된 값을 보여 과적합이 없음을 확인했다. 모델로부터 올리고머화 활성화에너지는 39 kJ mol⁻¹, 크래킹은 121 kJ mol⁻¹로 계산되며, 모델이 실험결과를 ±0.2 g dm⁻³ 오차 내로 잘 재현한다. 이후 저자들은 SAF 생산성을 최대화하기 위한 평가함수(FUN)를 정의하여, C8–C16 생성량(JF_prod), C17+ 생성억제(Y_H), SAF 범위 내 균질성(S)을 동시에 고려해 최적조건을 탐색했다. 최적 조건은 C4·C5 올레핀이 주성분이고, 소량의 C3·C6·C7이 선택도 조절용으로 포함된 혼합원료였다. 이 조성에서 모델이 예측한 SAF 수율은 68%, 생산속도는 2.1 g_SAF g_cat⁻¹ h⁻¹로, 실험치(66%, 2.2)와 매우 유사했다. 결론적으로 C4–C5 올레핀이 SAF 생산에 가장 유리하며, 이는 MTO 공정의 목표 생성물 조성 설계에 직접 반영될 수 있다. 개발된 모델은 단순하지만 ASA 촉매의 반응성을 정량적으로 잘 예측하며, 향후 MTO–올리고머화 통합공정 시뮬레이션 및 공정 엔지니어링 최적화의 기초가 될 수 있다.
◇ Interstage coolin in absorber: Pilot test and process modification of CO2 chemical absorption for top gas recycling-oxygen blast furnace; Technological modifications in pilot research on CO [4, 5].
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- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
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결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
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포스터
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관련사업비 내역서
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완료작품의 평가
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향후계획
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특허 출원 내용
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