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2018년 12월 13일 (목) 18:41 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 플라스틱의 공기가스화를 이용한 친환경적 자원재생 시스템 설계

영문 : Designing the resources recycling system using gasification of plastics

과제 팀명

미신유조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018 년 9 월 ~ 2018년 12 월 (총 4 개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2012890002 강석범(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2012890005 고광덕

서울시립대학교 환경공학부 2012890024 박민호

서울시립대학교 환경공학부 2012890075 홍수락

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

가스화

- 가스화란 고온에서 유기물질의 연소반응에 필요한 이론적 산소량보다 적은 양의 산소를 공급하여 이루 어지는 부분산화 (partial oxidation) 공정으로, 가스화의 주 생산물은 H2, CO, CO2, CH4 및 소량의 분자량이 적은 탄화수소들이다. 가스화에서 필요한 산소는 공기, 순수산소, 스팀 또는 이산화탄소에 의해 공급되어질 수 있다. 이러한 산소를 보통 가스화에서는 가스화제 (gasifying agent), 산화제(oxidant) 또는 blast로 명명한다. 가스화를 통해 생성된 가스는 보일러 등에서 연소하여 에너지를 회수하거나 또는 가스엔진, 가스터빈 등을 이용하여 전기를 생산하는데 이용되어진다. 또한 생성가스 중수소를 분리하여 수소에너지로서 활용이 가능할 뿐만 아니라, 생성가스 속에 존재하는 H2 및 CO를 활용하여 메탄올 및 다양한 탄화수소류 합성의 원료로 이용되어진다.

개발 과제의 배경

◇ 가스화

- 가스화란 고온에서 유기물질의 연소반응에 필요한 이론적 산소량보다 적은 양의 산소를 공급하여 이루 어지는 부분산화 (partial oxidation) 공정으로, 가스화의 주 생산물은 H2, CO, CO2, CH4 및 소량의 분자량이 적은 탄화수소들이다. 가스화에서 필요한 산소는 공기, 순수산소, 스팀 또는 이산화탄소에 의해 공급되어질 수 있다. 이러한 산소를 보통 가스화에서는 가스화제 (gasifying agent), 산화제(oxidant) 또는 blast로 명명한다. 가스화를 통해 생성된 가스는 보일러 등에서 연소하여 에너지를 회수하거나 또는 가스엔진, 가스터빈 등을 이용하여 전기를 생산하는데 이용되어진다. 또한 생성가스 중수소를 분리하여 수소에너지로서 활용이 가능할 뿐만 아니라, 생성가스 속에 존재하는 H2 및 CO를 활용하여 메탄올 및 다양한 탄화수소류 합성의 원료로 이용되어진다.

개발 과제의 목표 및 내용

내용 현재 사용하고 배출된 플라스틱은 2016년 기준 연간 243만톤에 달하며 크게 재활용, 소각, 매립의 방법으로 처리되고 있다. 소각의 방법으로 처리되는 플라스틱은 다이옥신발생 등의 대기오염의 문제가 대두되며, 매립으로 처리되는 플라스틱은 공해물질의 발생은 거의 없지만, 분해속도가 매우 느리기 때문에 매립 부지의 문제, 토양내 미생물과 식물의 생장을 방해하는등의 환경문제가 발생한다. 대표적인 재활용방법인 Mechanical Recycling 통하여 다시 플라스틱을 만들어 사용하는 방법은 플라스틱의 지속적인 처리에 있어서 내구성의 한계가 존재한다. 플라스틱을 처리하는데에 있어서 이러한 기존 처리방식의 틀을 벗어서 Feedstock Recycling중 가스화를 이용한 처리방식을 고안하여 기존처리방식의 공해물질발생 등의 문제를 해결하고, 나아가 가스화를 통한 프로듀서가스를 생산하여 에너지원으로써 활용하는 전체적인 공정을 설계하는 것을 목표로 한다.

□폐플라스틱 -배출 및 처리현황 국내

’16년 플라스틱 배출현황(환경부)에 따르면 연간 배출량은 243만톤에 육박하며 이 중 14.6%의 매립, 43.1%의 재활용, 42.3%의 플라스틱이 소각으로 처리되었다. 2016년도 전국 폐기물 발생 및 처리현황, 환경부, 2017
재활용 통계는 재활용 외에도 물질회수, 에너지회수를 위한 자원회수 시설로의 유출량을 산정한 것으로 국내에서 플라스틱을 feedstock recycle로서 활용한 사례는 전무한 것으로 파악된다.

국외

전 세계 플라스틱 발생량은 ’67년 이후 급격하게 상승하여 ’17년 4억톤/년의 발생량을 돌파하였다. https://www.darrinqualman.com/global-plastics-production, Darrin Qualman, 
학자들의 예측에 따르면 발생량 증가곡선은 지속적으로 가파르게 증가할 것으로 보이며. 전세계의 폐플라스틱 처리현황은 ’00년 이후 지속적인 소각과 매립비중의 감축을 이뤘으며 물질회수 및 특히 에너지 회수의 비중을 늘림. 하지만 국외 또한 플라스틱을 feedstock recycle로서 자원회수의 비중은 낮은 편이다.

□수소에너지

-수소에너지 정의 및 특성

수소에너지는 청정하며 지속가능한 에너지담체로서 화석연료를 대체할 수 있는 미래 에너지이다. 수소에너지란 물, 유기물, 화석연료 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리, 생산해서 이용하는 기술로 수소의 생산, 분리정제, 저장을 포함하는 upstream기술과 수첨화학반응, 연료전지와 같이 수소를 이용하여 전기에너지 등으로 전환하는 downstream기술로 구분된다.

-수소에너지 생산기술 •수증기 개질법(steam reforming):천연가스, 오일/나프타를 고온의 수증기와 함께 니켈 촉매에서 반응시켜 수소를 회수하는 기술. 현재 전 세계에서 생산되는 수소의 80% 이상이 이 기술에 의해 생산됨.

•가스화(gasification):종래 석탄을 산소와 스팀을 넣어 부분 산화시켜 수소를 다랑 포함하는 합성가스를 생산함. 현시점 이 방법에 의해 생산되는 수소는 약 18%에 달함.

•전기분해:수소는 물의 전기분해로 가장 쉽게 제조할 수 있으나 입력에너지에 비해 생산되는 수소에너지의 경제성이 너무 낮으므로 대체전원 또는 촉매를 이용한 제조기술 연구되어 짐. 현시점 약 3.9%의 수소가 이 방법에 의해 생산됨.

이 이외에도 열화학분해법, 광생물학법 등에 의한 수소생산 연구가 진행되고 있음.

-가스화를 통한 수소생산의 중요성 및 현황

가스화를 통한 수소생산은 폐기물로부터 수소를 생산할 수 있는 것 또한 폐기물 처리와 연관하여 사회적으로 주요한 관심사이며 이를 통해 생성된 수소를 재생수소(renewable hydrogen) 또는 녹색 수소(green hydrogen)라 부른다.

화석연료의 의존성에서 벗어나기 위해 수증기 개질법에 치중한 현 수소발전의 형태에서 가스화로의 비중이 느는 것에 전망이 있는 것으로 보이나 가스화에서 가장 중요시 되는 타르제거 연구는 특히 바이오매스를 중심으로 국내외에서 집중적으로 연구되고 있으나 아직 의미있는 연구성과는 보고되고 있지 않다.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ====개발 과제의 목표 및 내용====
 내용
+현재 사용하고 배출된 플라스틱은 2016년 기준 연간 243만톤에 달하며 크게 재활용, 소각, 매립의 방법으로 처리되고 있다. 소각의 방법으로 처리되는 플라스틱은 다이옥신발생 등의 대기오염의 문제가 대두되며, 매립으로 처리되는 플라스틱은 공해물질의 발생은 거의 없지만, 분해속도가 매우 느리기 때문에 매립 부지의 문제, 토양내 미생물과 식물의 생장을 방해하는등의 환경문제가 발생한다. 대표적인 재활용방법인 Mechanical Recycling 통하여 다시 플라스틱을 만들어 사용하는 방법은 플라스틱의 지속적인 처리에 있어서 내구성의 한계가 존재한다. 플라스틱을 처리하는데에 있어서 이러한 기존 처리방식의 틀을 벗어서 Feedstock Recycling중 가스화를 이용한 처리방식을 고안하여 기존처리방식의 공해물질발생 등의 문제를 해결하고, 나아가 가스화를 통한 프로듀서가스를 생산하여 에너지원으로써 활용하는 전체적인 공정을 설계하는 것을 목표로 한다.
+□폐플라스틱
+-배출 및 처리현황
+국내
+ ’16년 플라스틱 배출현황(환경부)에 따르면 연간 배출량은 243만톤에 육박하며 이 중 14.6%의 매립, 43.1%의 재활용, 42.3%의 플라스틱이 소각으로 처리되었다. 2016년도 전국 폐기물 발생 및 처리현황, 환경부, 2017
+ 재활용 통계는 재활용 외에도 물질회수, 에너지회수를 위한 자원회수 시설로의 유출량을 산정한 것으로 국내에서 플라스틱을 feedstock recycle로서 활용한 사례는 전무한 것으로 파악된다.
+국외
+ 전 세계 플라스틱 발생량은 ’67년 이후 급격하게 상승하여 ’17년 4억톤/년의 발생량을 돌파하였다. https://www.darrinqualman.com/global-plastics-production, Darrin Qualman,
+ 학자들의 예측에 따르면 발생량 증가곡선은 지속적으로 가파르게 증가할 것으로 보이며. 전세계의 폐플라스틱 처리현황은 ’00년 이후 지속적인 소각과 매립비중의 감축을 이뤘으며 물질회수 및 특히 에너지 회수의 비중을 늘림. 하지만 국외 또한 플라스틱을 feedstock recycle로서 자원회수의 비중은 낮은 편이다.
+□수소에너지
+-수소에너지 정의 및 특성
+ 수소에너지는 청정하며 지속가능한 에너지담체로서 화석연료를 대체할 수 있는 미래 에너지이다. 수소에너지란 물, 유기물, 화석연료 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리, 생산해서 이용하는 기술로 수소의 생산, 분리정제, 저장을 포함하는 upstream기술과 수첨화학반응, 연료전지와 같이 수소를 이용하여 전기에너지 등으로 전환하는 downstream기술로 구분된다.
+-수소에너지 생산기술
+•수증기 개질법(steam reforming):천연가스, 오일/나프타를 고온의 수증기와 함께 니켈 촉매에서 반응시켜 수소를 회수하는 기술. 현재 전 세계에서 생산되는 수소의 80% 이상이 이 기술에 의해 생산됨.
+•가스화(gasification):종래 석탄을 산소와 스팀을 넣어 부분 산화시켜 수소를 다랑 포함하는 합성가스를 생산함. 현시점 이 방법에 의해 생산되는 수소는 약 18%에 달함.
+•전기분해:수소는 물의 전기분해로 가장 쉽게 제조할 수 있으나 입력에너지에 비해 생산되는 수소에너지의 경제성이 너무 낮으므로 대체전원 또는 촉매를 이용한 제조기술 연구되어 짐. 현시점 약 3.9%의 수소가 이 방법에 의해 생산됨.
+이 이외에도 열화학분해법, 광생물학법 등에 의한 수소생산 연구가 진행되고 있음.
+-가스화를 통한 수소생산의 중요성 및 현황
+ 가스화를 통한 수소생산은 폐기물로부터 수소를 생산할 수 있는 것 또한 폐기물 처리와 연관하여 사회적으로 주요한 관심사이며 이를 통해 생성된 수소를 재생수소(renewable hydrogen) 또는 녹색 수소(green hydrogen)라 부른다.
+ 화석연료의 의존성에서 벗어나기 위해 수증기 개질법에 치중한 현 수소발전의 형태에서 가스화로의 비중이 느는 것에 전망이 있는 것으로 보이나 가스화에서 가장 중요시 되는 타르제거 연구는 특히 바이오매스를 중심으로 국내외에서 집중적으로 연구되고 있으나 아직 의미있는 연구성과는 보고되고 있지 않다.
 ===관련 기술의 현황===