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2022년 12월 12일 (월) 00:11 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 광산 폐슬러지를 촉매로 하는 이동형 폐기물 가스화 장치 설계

영문 : Design of Mobile Waste Gasification System using Mine Waste Sludge as Catalyst

과제 팀명

돈가스조

지도교수

오희경 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 임**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 김**

서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 김**

서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 이동 가능한 폐기물 가스화 장치 설계

 최근 다양한 분야에서의 폐기물 발생량이 급증하는데 이어 이를 처리하기 위한 공정 및 부지의 부재가 사회적 문제로 떠오르고 있다. 폐기물 입고량이 증가하면 이로 인해 입고처리비가 인상되고, 해당 원인으로 인해 다시 폐기물이 쌓이는 악순환이 벌어지고 있다. 본 연구에서는 이러한 폐기물 처리 문제를 해결하는데 기여하기 위하여 이동형 폐기물 가스화 장치를 설계할 것이다.

◇ 광산 폐슬러지 촉매

 광산 폐슬러지는 금속의 방출 및 이동으로 환경 오염을 유발하고, 지속적 화학적 전처리를 필요로하여 높은 비용을 요구하므로 처리가 곤란한 실정이다. 하지만 광산 폐슬러지는  Fe2O3의 형태로 높은 함량의 Fe를 함유하고 있어 가스화 공정에 효과적이고 새로운 촉매로 사용될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 광산 폐슬러지를 촉매로 사용하여 폐기물과 광산 폐슬러지를 동시에 처리하는 효과를 내고자 한다.  

◇ 슬러지 촉매 가스화 효율

 슬러지를 이용한 촉매 가스화의 효율은 생성 가스의 수율로 평가될 수 있다. 무촉매 가스화 실험, 기타 촉매를 사용한 가스화 시 가스 수율과 광산 폐슬러지를 촉매로 한 가스화 시 가스 수율을 비교하여 해당 실험의 가스화 효율을 비교분석하고 결정한다. 

◇ 연료 가치 평가

 가스화 결과로 생성된 가스의 연료 가치 평가의 주요 항목은 가스 내 H2 함유율이다. 현재 엔진 및 발전소 등에서 사용되고 있는 기존 연료 가스와 가스화 실험으로 얻은 가스의 H2 함유율을 비교하여 발생 가스의 산업 연료로써의 가치를 평가한다.     

◇ 최적 촉매량, 반응온도 및 압력 결정

 가스 수율 최대화 및 연료 가치, 즉 연료 내 H2 함유율을 최대화 할 수 있는 최적 촉매량과 반응온도, 압력 등을 실험을 통해 결정한다.  

◇ 촉매 재활용 가능성

 촉매에는 화학반응공정에서 사용 도중 이물질이 촉매 표면에 침적되는 등의 원인에 의해 성능이 점차 감소되는 현상이 나타난다. 이 경우 촉매에 특정 처리 공정을 통해 제 기능을 회복시켜 준 다음 다시 사용하게 되는데 이를 촉매의 재생이라고 한다. 재생처리를 하여도 촉매 기능이 회복되지 않는 경우 촉매를 교환하여야하고, 사용하였던 촉매는 폐기물, 즉 폐촉매로 발생된다. 따라서 본 실험에서 발생하는 폐촉매의 재활용 및 처리 방법에 대해서도 고찰이 가능하다.

개발 과제의 배경

 한국환경연구원(KEI)이 전국 만 19세 이상 70세 미만 성인 총 5050명을 상대로 조사한 ‘2021년 국민환경의식조사’에 따르면 응답자 중 65.7%는 우리나라가 직면한 중요한 환경 문제(3개 복수 응답)로 ‘쓰레기·폐기물 처리 문제’를 선택했다. 이는 최근 코로나19로 인해 과도하게 발생하는 폐기물 문제에 대한우려가 더 커진 것으로 분석할 수도 있다. 
 커져가는 경제규모에 비례해 폐기물의 발생량은 증가한다. 이에 처리 시설 용량, 규모 혹은 개수 역시 증가하여야만 하나, 주민의 반발로 인한 신규 매립지 부지확보의 어려움 등 현실적 문제에 가로막혀 그러지 못하는 추세이다. 폐기물 입고량이 증가하면 이로 인해 입고처리비가 인상되고, 해당 원인으로 인해 다시 폐기물이 쌓이는 악순환이 벌어지고 있다. 이러한 배경 아래 방치폐기물, 불법폐기물은 날로 늘어 전국의 ‘쓰레기산’이 400곳 가까이 생겨나는 실정이다. 폐기물 배출을 줄이기도 어렵고, 폐기물 처리를 위한 부지확보도 곤란하다면 폐기물 처리 장치를 이동형으로 설계하는 것이 최선의 방법이 될 수 있다고 생각하였다.
 광산 폐슬러지를 촉매로 이용한 이동형 폐기물 가스화 장치를 통해 폐기물을 처리한다면 폐기물의 처리와 동시에 광산 폐슬러지 역시 처리가 가능하다. 또한 가스화의 산물로 생성되는 가스는 수소가스를 함유하고 있어 연료로 재순환이 가능하여 경제성 측면에서도 긍정적 효과를 보일 것으로 예상된다.

개발 과제의 목표 및 내용

1) 폐기물 처리

 최근 코로나19 등 급변하는 사회적 상황들에 의해 다양한 분야에서의 폐기물 발생량이 급증하고 있다. 이에 이를 처리하기 위한 공정 및 부지의 부재가 사회적 문제로 떠오르고 있다. 폐기물 입고량이 증가하면 이로 인해 입고처리비가 인상되고, 해당 원인으로 인해 다시 폐기물이 쌓이는 악순환이 벌어지고 있는 실정이다. 이러한 사회적 상황을 극복하기 위하여 본 연구에서는 이동형 폐기물 가스화기를 설계하여 이러한 폐기물 처리 공정 및 부지의 부재 문제 해결에 기여하고자 한다.

2) 광산 폐슬러지 처리

 광산 폐슬러지는 금속(Fe, Al, Mn, Cu, Zn, As)의 방출 및 이동으로 환경오염을 유발한다. 또한, 슬러지의 저장 및 폐기는 높은 비용, 용량 제한 및 슬러지를 안정화하기 위한 지속적인 화학적 전처리의 필요성으로 인해 어려움을 겪고 있다. 하지만 광산 폐슬러지는 산화철 형태의 촉매로 가스화 공정에 사용될 수 있다. 따라서 광산 폐슬러지를 촉매로 폐기물을 가스화한다면 광산 폐슬러지와 폐기물을 동시에 처리할 수 있는 일거양득의 효과를 누릴 수 있다.

3) 바이오가스 및 오일의 생산 및 재사용

 바이오가스의 생산 및 재사용은 본 연구에서의 경제성을 크게 상승시키는 주된 내용 중 하나이다. 가스화 과정에서 생산된 수소 함유 가스를 전량 내부 순환하여 초기 연료 필요량을 제외하고는 추후 연료 필요량 중 상당 부분을 연료 재순환으로 채울 수 있다. 또한 바이오매스 오일의 경우 따로 판매하여 수익을 낼 수 있기 때문에 이러한 부분 역시 본 연구의 경제성을 향상시킬 수 있는 요인이다.

관련 기술의 현황

특허조사

특허전략

◇ 광산 폐슬러지 촉매

 가스화의 촉매로 현장에서 처리에 어려움을 겪고 있는 광산 폐슬러지를 이용함으로써 폐기물 처리와 광산 폐슬러지 처리를 동시에 진행

◇ 이동 가능한 가스화 장치 설계

 가스화 장치를 이동형으로 규격화하고 설계하여 최근 발생하는 폐기물 관련 문제들의 용이한 해결에 기여함

관련 시장에 대한 분석

선행연구 조사 비교

◇ 하수슬러지 가스화 반응 특성 및 촉매를 이용한 타르 저감

 전 세계적으로 화석연료 자원의 고갈문제와 증가하는 폐기물 중 하수슬러지를 이용한 에너지 회수연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 국내에서 발생하는 하수슬러지 가스화 반응 특성 및 여러 가지 촉매를 이용하여 발생하는 타르물질에 대한 저감연구를 통하여 하수슬러지의 자원화에 필요한 기초자료로 활용하고자 하였다.
하수슬러지의 가스화 반응 특성을 살펴보기 위해 간접가열방식의 lab-scale fixed bed형태인 내경 10mm,높이 200mm의 시료 반응기와 내경 10mm, 높이100mm의 촉매 반응기를 유리석영으로 제작하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 시료는 서울 J하수처리장에서 발생한 함수율 6%미만의 하수슬러지를 사용 하였다. 가스화가 이루어지는 환경을 ER은 0.2로 지정하여 온도(600°C∼800°C)에 변수를 주어 생성되는 타르물질과 액상생성물을 GC-Mass와 수분 측정 장치를 이용하여 분석하였고 가스상 물질의 조성을 분석하였다. 실험 결과 온도가 증가할수록 H2, CO, CH4의 수율이 증가하였으며 주된 타르물질은 톨루엔과 1-Heptene으로 나타났다. 이와 같은 결과에 의하여 가스화의 환경은 ER 0.2,온도는 800°C로 지정하여 촉매(돌로마이트,제강 슬래그,생석회)를 소성하여 촉매량(2g∼6g)과 촉매층 온도(500°C∼700°C)의 변수별 특성을 살펴본 결과 돌로마이트는 20%(4g),제강 슬래그와 소성석회는 각각 30%(6g)일 때 발생하는 타르량은 적고 생성가스의 수율은 증가하는 것으로 나타났다. 또한 촉매량을 지정하여 온도를 증가시켰을 때 돌로마이트는 열에 의하여 구조가 분해되면서 촉매로서의 역할을 하지 못하여 타르량이 증가하였으나 초기 반응시 미량의 타르를 전환함으로써 생성가스의 조성 중에서 H2의 조성비를 증가시키는 것으로 나타났다.30% 제강 슬래그(6g)와 30% 소성석회(6g)는 온도가 증가할수록 활성이 좋아지면서 생성물 중 탄화수소류의 구조를 크래킹하여 가스 조성비 중 H2와 CH4의 비율을 증가시켰다. 그러나 제강 슬래그의 경우 중화반응으로 인하여 수분이 많이 발생함으로써 가스 생성물의 수율을 감소시키는 것으로 나타났으며 소성석회의 경우는 주요 구성물질인 CaO가 탄화수소류를 분해하면서 생성가스 조성비 중 H2의 비율에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 촉매를 사용하였을 때 생성되는 타르물질에 대한 저감정도를 살펴본 결과 세 가지 촉매 중에서 30% 소성석회(6g)> 20% 돌로마이트(4g)> 30% 제강 슬래그(6g)의 순서로 톨루엔과 1-Heptene을 분해하여 보다 작은 질량의 탄화수소물질로 전환되는 것으로 나타났다. 
 이러한 결과들을 종합해 볼 때 본 연구에서 사용한 하수슬러지의 가스화 반응은 ER 0.2,온도 800°C일 때 적합한 결과가 나왔으며 사용한 세 가지 촉매 중에서 소성석회 > 돌로마이트 > 제강 슬래그의 순서로 타르물질을 저감시키고 생성가스 조성물 중 H2, CO, CH4의 비율을 증가시키는 것으로 나타났다.

◇ 고정층 가스화에 의한 나왕톱밥으로부터 수소제조특성

 바이오매스 폐기물로부터 수소를 생산하기 위하여 1 m 높이와 10.2 cm의 외경을 갖는 고정층 가스화 반응기를 이용하였다. 촉매를 첨가하지 않은 나왕톱밥과 촉매를 혼합한 나왕톱밥이 시료로 사용되었다. 고정층 가스화 실험 변수로써 온도와 촉매가 공정운전에 미치는 영향을 파악하였다. 반응온도가 400 ℃에서 700 ℃ 범위에서 온도변화에 따른 생성기체 조성의 변화는 온도증가에 따라 수소 생성량이 증가하였으며, 수소, 일산화탄소와 메탄의 생성분율은 탄산나트륨(Na2CO3)과 탄산칼륨(K2CO3) 촉매 사용에 의해서 증가하였다. 또한, 탄산나트륨 촉매는 탄산칼륨 촉매에 비하여 수소생산 효율에 보다 효과적인 것으로 판명되었다.

◇ 분리된 삼중층에서 Fe2O3/올리빈을 이용한 바이오매스 및 석탄 혼합물의 촉매 가스화

 소나무 톱밥과 유연탄 혼합물의 증기 공동 가스화는 Fe2O3/올리빈을 고체 열수송체와 현장 타르 균열/개질 촉매로 하는 열분해-개질-연소 탈수소 가스화(DTBG) 시스템에서 수행되었다. 촉매의 개질온도(RT)와 순환속도(CR)가 가스화 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 이러한 분리된 반응기들 사이의 연속적인 산화환원 사이클 동안 Fe2O3/올리빈 촉매의 특성을 밝히기 위해 X-선 회절(XRD) 및 온도 프로그램 환원(TPR)이 사용된다.
 실험결과 DTBG 시스템의 구성이 H2 수율을 향상시키기 위해 타르 균열/개질 반응을 선호한다는 것을 보여주었다. RT가 높을수록 가스 수율, 제품 가스의 H2 함량, 탄소 전환 및 공정의 냉간 가스 효율이 향되었다. 구체적으로, RT 850°C에서 0.66Nm3/kg의 가스 수율, 42.2 vol%의 H2 함량으로 4.87g/Nm3만큼 낮은 tar 함량이 얻어졌다. Fe2O3/올리빈은 타르 균열/개질에 촉매 효과가 있을 뿐만 아니라 산소 운반체가 연소기에서 개질기로 산소를 운반하는 역할도 한다는 것으로 판명되었다.
 

◇ 철광석을 촉매로 한 시너지 변환을 통한 소나무 톱밥의 가스화

 소나무 톱밥과 철광석의 시너지 전환을 통한 신가스 생산 방법이 제안되었다. 소나무 톱밥 가스화 전환에서 전환 온도, 철광석 용량 및 소성 시간의 역할을 조사하였다. 1000 ℃에서 20분 동안 철광석 용량 몰(C/Fe) = 0.6으로 환산한 소나무 톱밥을 CO 비율 54.0%의 syngas 수율 74.2%로 얻었다. 철광석은 소나무 톱밥의 열분해를 촉진하여 가연성 가스를 더 많이 발생시키는 촉매로 사용될 수 있을 뿐만 아니라(53.1% 증가) 소나무 톱밥의 탄소를 CO로 전환시키는 산소 공급자로도 사용될 수 있다(89.4% 증가).

마케팅 전략

 현재 우리나라의 폐기물 배출량은 가파른 증가세에 있다. 2014년 기준 4만9천915t이던 전국 일일 생활폐기물 배출량은 5년 만인 2019년 5만7천961t까지 늘었다. 공장이나 건설 현장 등에서 나오는 폐기물 등까지 합치면 일일 폐기물 총배출량은 같은 기간 40만2천t에서 49만7천t으로 23％ 급증했다. 이에 더해 2020년부터 코로나19로 인해 생활쓰레기 배출량은 더욱 큰 증가폭을 보였다. 

 폐기물 배출량의 증가 문제는 비단 그 자체만의 문제가 아니다. 폐기물 매립지,소각지의 경우 대표적인 주민 기피시설로써, 이를 확충하는 것이 매우 어렵다. 폐기물의 급증과 이러한 매립지 확충 곤란 문제가 결합한다면, 배출되는 폐기물을 제대로 처리하지 못하는 이른 바 ‘폐기물 대란’이 일어날 수 있다.  본 레포트에서 제시하는 이동형 폐기물 가스화기를 적용하여 이러한 문제점의 해결에 기여할 수 있는 방안을 고려하여 보았다. 
 가장 먼저 제시될 수 있는 본 연구의 마케팅 전략 측면의 장점은 ‘지속성’이라고 할 수 있다. 가스화의 재료로 사용되는 폐기물의 경우 인류의 생활에 필수불가결하게 배출되고, 촉매로 사용되는 광산 폐슬러지 역시 지속적으로 처리 소요가 있다. 따라서 지속성을 기반으로 다양한 사업 주체들과의 협력을 통해 경제적이고 환경 친화적인 폐기물 처리를 이끌어 낼 수 있을 것이다.  
 두 번째는 지자체와의 협업이다. 최근 불법 폐기물 배출과 관련된 문제들이 대두되고 있다. 초과된 폐기물 처리비용이 과도하다보니 이를 불법적으로 투기하는 경우가 생기는 것이다. 이러한 경우 중앙정부 및 지자체가 해당 주체에 범칙금 부여와 같은 법적 조치를 행하겠지만, 결국에는 이미 투기된 폐기물을 재처리하는 과정에서 비용과 인력이 소모된다. 따라서 이러한 경우에 지자체와의 협업을 통해 본고에서 제시하는 이동형 폐기물 가스화기를 유동적으로 현장에 적용할 수 있을 것이다. 가스화 공정의 경우 폐기물의 성상에 큰 구애를 받지 않고 다양한 폐기물을 처리할 수 있기 때문에 이처럼 불규칙적으로 발생하는 폐기물 처리에 가장 적합하다고 볼 수 있다.   
 세 번째는 폐기물 배출에 어려움을 겪고 있는 기업 및 현장과의 연계이다. 폐기물 처리 시설과 인접하지 않은 산업 현장의 경우 발생 폐기물들을 이동시키고 처리하는 데 비용이 과도하게 소요되어 실제 공정 진행 과정에서 큰 비용이 소모되는 경우가 비일비재할 것이다. 이러한 경우 본고에서 제안하는 장치가 보조적인 수단을 넘어 해당 현장의 폐기물 주처리 장비로써 활약할 수 있을것으로 기대된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 처리에 어려움을 겪고 있는 광산 폐슬러지를 가스화의 촉매로 사용하여 폐기물과 광산 폐슬러지를 동시에 처리

◇ 폐기물 가스화 장치를 이동형으로 구현하여 지자체 및 수요 현장에 유동적으로 폐기물 처리 프로세스를 공급하여 폐기물 문제 해결에 기여

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 가스화 반응 시료로 광산 폐슬러지를 사용하므로 폐슬러지 처리 비용과 촉매 비용이 절감

◇ 가스화의 산물로 발생하는 수소 함유 가스를 이동형 공정 내로 재순환할 수 있게 함으로써 초기 필요 연료량 공급 이후 연료의 경제성 비약적 상승

◇ 폐기물 단순 소각과 비교하여 경제적으로 폐기물 처리 가능

구성원 및 추진체계

◇ 김민창 : 개념설계, 시스템 데이터 수치화 및 상세 설계 도면 작성
◇ 김종윤 : 문헌 조사,데이터 수집 및 경제성 및 적용 가능성 분석
◇ 이영훈 : 개념설계, 시스템 데이터 수치화 및 상세 설계 도면 작성
◇ 임효석 : 문헌 조사,데이터 수집 및 경제성 및 적용 가능성 분석

설계

설계사양

제품의 요구사항

평가 내용

◇ 폐기물 전처리(분쇄) 공정

 이동식 장치로써 다양한 현장에 적용할 수 있게 폐기물을 전처리하는 과정이 필수적이다. 폐기물을 일정한 크기로 분쇄하여 반응기에 투입함으로써 더 많은 폐기물을 반응기에 넣을 수 있으며 가스화 효율을 높일 수 있다. 다양한 폐기물을 처리할 수 있는지 시간 당 얼마나 많은 폐기물을 처리할 수 있는지를 평가한다.

◇ 슬러지 촉매 가스화 효율

 슬러지를 이용한 촉매 가스화의 효율은 생성 가스의 수율 및 합성가스 조성으로 평가될 수 있다. 무촉매 가스화 실험, 기타 촉매를 사용한 가스화 시 가스 수율과 광산 폐슬러지를 촉매로 한 가스화 시 가스 수율을 비교하고 다양한 온도, ER 조건에서 실험을 진행하여 최적의 수율을 얻는 조건을 결정한다. 최적의 수율을 얻고 그 가스를 다시 재사용함으로써 더욱 경제적으로 폐기물처리와 동시에 광산 폐슬러지 처리를 할 수 있다.
 또한, 기존의 Fe계 촉매를 사용한 폐기물가스화의 결과와 비교하여 폐슬러지를 촉매로 한 폐기물가스화의 효율을 평가한다.

◇ 이동식 장치

 이동식 가스화 장치로써 다양한 현장에 대한 접근성을 평가한다. 

◇ 안전장치

 가스화 장치의 피폭 등 안전사고를 방지하기 위해 기계적 압력 및 온도게이지를 알려주는 장치 및 자동 압력 릴리프를 달아 과열 및 압력이 높아지는 현상을 방지한다. 또한 가연성 가스 역연 방지 장치를 설치하여 가스가 역류하여 압력이 높아지거나 장치 내에서 폭파하는 현상을 방지한다. 이러한 안전장치를 구비한 이동식 가스화장치의 안정성을 평가한다.
 

◇ 폐촉매 재활용

 촉매에는 화학반응공정에서 사용 도중 이물질이 촉매 표면에 침적되는 등의 원인에 의해 성능이 점차 감소되는 현상이 나타난다. 사용하였던 촉매는 폐기물, 즉 폐촉매로 발생된다. 산화철 폐촉매는 추후에 중금속 함유 폐수처리의 폐수 중화 및 중금속 흡착제거에 추가적으로 사용하여 처리한다. 따라서 Fe계 폐촉매의 재활용 및 처리 방법에 대해 평가한다.

목적 계통도

개념설계안

가. 공정모식도

나. 폐기물 전처리 공정

다. 가스화 공정

라. 광산슬러지 촉매

마. 가스화 실험 설계

실험 결과

공정 평가

가. 경제성 분석

나. 가스화 효율 평가

다. 기타 요소 평가

조립도

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

부록

참고문헌 및 참고사이트

멘토링 회의록