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2022년 6월 13일 (월) 22:00 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 00000000..

영문 : 00000000..

과제 팀명

00000..

지도교수

000 교수님

개발기간

2018년 3월 ~ 2018년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2011XXX0** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2011XXX0** 정**

서울시립대학교 환경공학부 2011XXX0** 조**

서울시립대학교 환경공학부 2011XXX0** 이**

서울시립대학교 환경공학부 2011XXX0** 남**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 현재 축산에서 발생하는 분뇨의 처리가 퇴·액비화가 주를 이루며 사용되고 있지만, 그곳에서 배출되는 암모니아로 인해 미세먼지가 발생하거나 악취가 발생하는 등 환경오염에 영향을 끼치고 있다. 또한 탄소 배출로 인한 환경오염 문제가 심화됨에 따라 정부는 친환경 에너지 개발에 힘을 쓰고 있다. 그 중, 수소에너지는 탄소가 발생하지 않고, 적은 양으로 많은 전기를 생산할 수 있는 에너지로 주목받으며 그 수요가 높아지고 있다. 따라서 우리는 암모니아의 최대 발생원인 축사에서 분뇨를 처리시설로 운반하여 암모니아의 분해를 통해 수소를 생성하는 공정을 설계하고 친환경 자원 순환형 사회를 구축하는데 기여하는 것을 목표로 한다.

개발 과제의 배경

 암모니아의 발생 및 문제점

◇ 대기오염물질 총 발생량(4,562,000톤) 중 암모니아 발생량은 288,000톤이며, 이 중 가축분뇨 발생 암모니아는 217,000톤으로 전체 암모니아 발생량의 75.3%를 차지하고 있음. 이에 따른 가축분뇨의 처리방법으로 유기성 폐자원의 바이오가스 생산기술 적용이 중요한 축으로 인식되어 가고 있음.

◇ 현재 국내 대부분의 바이오가스 시설에서는 혐기소화 후 발생하는 소화액은 정화처리나 액비화 방법 등에 의해 처리되고 있음. 액비화 방법이 주를 이루고 있으며, 향후 정화처리시설의 방류수 수질 기준이 더 강화되므로 액비화에 대한 선호도가 더욱 높아질 것으로 예상함. 그러나, 혐기소화 기술을 통해 발생하는 소화액은 그 투입량과 발생량이 거의 동량이므로 국내 여건과 같이 살포농지가 부족한 경우 액비로서의 활용성은 극히 제한적이며, 퇴·액비화된 형태로 논밭에 뿌려진 축산분뇨는 대기 중으로 암모니아를 배출하며, 이는 황산염, 질산염과 결합하여 미세먼지로 바뀌게 되어 대기오염을 일으킴.

 탈탄소를 위한 신에너지, 수소에너지

◇ 국제사회는 2015년 채택한 파리기후변화협정을 통해 기후위기 대응에 큰 걸음을 내딛고 있지만, 여전히 현재 사용되는 전기의 70~80%는 석유와 석탄 같은 화석연료에서 얻고 있음. 이에 세계가 주목하는 에너지 전환의 방안은 태양광, 풍력 등 자연의 힘을 이용하는 재생에너지와 수소에 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 수소에너지가 있음.

◇ 정부는 에너지 전환 가속화와 고탄소 산업구조 혁신 등의 내용을 담은 ‘2050년 탄소 중립 추진전략’을 발표함. 여기서 정부는 탄소 중립의 핵심으로 ‘수소에너지원’을 꼽고 저렴하고 안정적인 공급체계를 구축하겠다고 밝힘.

 암모니아에서의 수소 추출

◇ 암모니아 분해를 통해 수소를 생성하는 공정은 암모니아를 고온에서 질소·수소로 분해하고, 상온에서 미반응 잔류암모니아를 제거. 그리고 난 후 상온 PSA(압력변동흡착) 공정에서 수소를 분리해 99.97% 이상의 고순도 수소를 생산함.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 축산에서 발생하는 분뇨의 공공처리시설에 암모니아 포집장치를 설비하고, 암모니아에서의 수소 추출을 통해 수소에너지의 이용에 이바지하는 공정을 설계하고자 함.
◇ 분뇨의 소화과정에서 암모니아의 추출 순도 및 효율의 향상
◇ 열분해를 통한 암모니아에서 수소를 추출하는 과정에서 적정 온도 설정, 촉매제 선정, 부산물의 처리 방법.

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

제품의 요구사항을 목록으로 나타내었다. 각 요구사항은 D(Demand, 반드시 고려할 사항)와 W(Wish, 상황에 맞게 고려할 사항)로 구분하였으며, 중요도의 정도에 따라 대, 중, 소로 표기하였다.

1) 목표 암모니아 포집 효율(90%) 달성을 위한 적절한 방법 설정

본 공정은 축산시설의 분뇨 저장조에서 모인 축산 분뇨를 포집 시설로 운송하여 암모니아를 포집하는 방법으로부터 시작된다. 여러 암모니아 포집 방법 중 목표한 암모니아 포집 효율(90%)을 달성하면서 경제성이 좋은 적절한 방법을 선정한다.

2) 분뇨 저장조 내 악취 저감 장치 설치

축산 시설에서 발생하는 악취물질은 황화합물류, 휘발성 지방산류, 페놀류, 인돌류, 암모니아 및 휘발성 아민류로 분류되고 있다. 이 물질들은 가축의 소화기관 또는 가축 분뇨를 저장하거나 처리할 때 분뇨가 혐기 발효되면서 생성되므로, 분뇨 저장조 내의 악취 발생은 불가피하다. 따라서 포집 및 운송 시에 적절한 장치를 설치하여 악취 저감을 하는 방안이 요구된다.

3) 경제성 있는 운송 방식 선정

현존하는 운송 방식에는 여러 가지가 있는데, 그 중 경제성을 고려하여 가장 합리적인 운송 방식을 선정한다.

4) 목표 수소 전환율(85%) 달성을 위한 적절한 방식 채택

각 축산 시설에서 포집하여 운송된 축산 분뇨에서 추출한 암모니아를 수소로 전환할 때, 전기분해와 열분해 등 여러 분해 방식 중 경제성과 안정성을 고려한 적절한 전환 방식을 채택한다.

5) 전환된 수소 가스의 높은 순도

본 공정의 목적은 현재 어쩔 수 없이 가축 분뇨를 퇴액비화로 처리하는 방식에서 벗어나 현재 신에너지로 각광받는 수소 가스로 전환하는 것이다. 이를 통해 경제적 이익을 창출하며 친환경 에너지를 개발하여 환경오염 개선에 이바지할 수 있다. 따라서 전환된 수소 가스의 순도를 일정 수준 이상으로 설정하도록 한다.

위의 요구사항을 고려한 목적 계통도와 QFD는 다음과 같다.

평가 내용

1) 포집 효율

축산 분뇨에서 발생하는 암모니아를 100% 모두 포집할 수는 없다. 적절한 포집 방식을 선정하여 목표한 포집 효율을 달성할 수 있도록 한다. 이 때, 목표 포집 효율은 90%로 이를 달성할 수 있도록 한다.

2) 수소 전환율

본 공정을 통해 축산분뇨에서 포집된 암모니아를 수소로 전환하는데, 전환되는 정도를 평가한다. 목표 전환율은 85%로 이를 달성할 수 있도록 한다.

3) 전환된 수소의 순도

포집된 암모니아를 공정을 통해 수소로 전환한다. 하지만 전환된 수소의 순도가 떨어진다면 이는 경제적 가치가 없다. 따라서 전환된 수소는 일정 수준 이상의 순도를 만족하여야 한다. 목표한 순도를 달성할 수 있도록 한다.

4) 수소의 경제적 가치

시중에 유통되는 수소 가스의 가치를 참고하여 본 공정을 통해 전환된 수소의 가치를 평가한다.

5) 공정을 통한 이익

본 설계에서는 어쩔 수 없이 퇴·액비화로 처리하는 가축 분뇨를 수소 전환을 통해 경제적 가치 창출 및 환경오염 개선에 이바지하는 것을 목표하여 공정 운전 비용과 전환된 수소의 가치를 비교하여 수익을 평가한다.

개념설계안

가. 운송방법

본 공정에서는 축사에서 발생한 분뇨를 시설로 옮긴 후 암모니아 포집 및 수소의 추출을 진행할 것이다. 각 축사에서 암모니아 포집의 전 과정을 담당하는 것은 시설의 설치 및 유지관리 측면에서 불리할 것으로 예상한다. 또한, 경제적인 측면에서는 축사별로 멤브레인의 교체, 수거 용기의 관리 등이 어려워 그에 따른 인력과 비용이 많이 요구될 것이라고 생각된다. 따라서 두 측면을 고려했을 때, 축사에서 발생하는 분뇨를 수거하여 하나의 처리시설에서 암모니아 포집 과정 및 수소의 추출 과정을 진행하기로 했다.
이에 따른 운송방법은 현재 분뇨의 공공처리시설에서 수거하는 방식을 따를 것이다. 다만 시설마다 설치한 위치 및 담당하는 축사의 수 등을 좀 더 분석하여 합리적인 위치를 선정하여 운송방법을 최적화하는 부분을 진행해야 할 것이다. 대략적인 운송방법을 아래에 그림으로 시각화했다.

나. 암모니아 포집

 분뇨에서 암모니아의 포집 방법은 나노여과, 역삼투, 기체 멤브레인, 에어스트리핑, 제올라이트 이온교환, 화학 침전 등 6가지의 방법이 존재한다. 연구 결과에 따르면, 기체멤브레인 공정에 대한 에너지 소비량이 가장 낮았다. 특히 에어스트리핑 공정과의 비교를 진행한 결과, 기체 멤브레인의 에너지 소비는 에어스트리핑보다 18배 낮은 결과를 보였다. 따라서 기체 멤브레인 공정을 기반으로 암모니아 포집 공정을 운영하고자 한다. 다만 기체 멤브레인 공정을 채택하게 될 경우, 분뇨의 pH를 증가시키기 위해 알칼리 화학물질이 필요하다. 화학물질의 사용으로 인해 유지관리비의 단점이 존재한다는 것이다.
이를 보완하기 위해 폭기 공정을 추가하고자 한다. 다음의 식을 보면 분뇨의 폭기 과정에서 생성된 알칼리 물질이 NH4+와 결합하여 NH3를 생성하게 된다. 이를 통해 기존의 알칼리 화학물질의 사용을 대체하여 그 비용을 절감할 수 있다.

그럴 뿐만 아니라 그림을 통해 기체 멤브레인 공정에 저속 폭기를 추가하면 폭기를 하지 않는 시스템보다 약 5배 더 빠르게 NH4+를 제거하는 것을 확인할 수 있으며, 제거 효율 또한 높음을 알 수 있다.

다. 수소추출공정

 본 공정은 NH3에서 H2를 분리해내어 추출하는 방식으로 진행되는데, 분해하는 방법으로는 열분해 방식을 선택한다. 열분해를 통한 NH3의 분해 과정은 아래 식에 나타냈다. 아래 식에서 E열은 열분해 과정에서 들어가게 될 열에너지를 뜻한다.

이 과정에서 고려해야 할 점으로는 열분해의 효율을 상승시키기 위한 적절한 촉매의 선정, 경제성 및 순도 높은 H2의 추출 등이 있다.
촉매의 선택에 있어서 고려해야 할 점은 반응기의 작동온도이다. 조사한 문헌에 따르면 바람직한 반응기의 온도는 550~600이다. 이 온도에서 반응기를 제조하는 재료에 있어 표준 구조용 재료를 사용할 수 있게 한다. 만약 반응기의 온도가 더 높게 되면 위 반응식의 반응이 더 효율적으로 일어나지만, 850를 초과하는 온도에서 작동하는 반응기는 난용성 금속과 같은 독특한 재료로 제조되어야 한다.
연구에 자주 이용되는 촉매로는 루테늄, 니켈, 팔라듐, 백금 등의 다양한 촉매가 존재한다. 기존 촉매 중 루테늄 산화물이나 이리듐 산화물 촉매는 가격이 1kg당 7만 달러가 넘는 등 높은 가격을 가지고 있어 활용에 있어 경제적으로 문제가 많다. 따라서 가격이 비교적 저렴한 니켈 산화물을 촉매로 활용하기로 결정하였다. 다만 니켈을 이용하게 되면 고려해야 할 점은 다른 촉매에 비해 더욱 긴 체류 시간이 필요하다는 점이다.
이러한 단점을 보완하기위해, 루테늄과 같은 족의 물질인 La를 사용하고, La에 Ni를 담지하여 희토류 금속의 단점인 높은 가격을 보완하면서, Ni의 단점인 긴 체류시간을 보완한 촉매를 사용할 것이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

경제성분석

내용

조립도

내용

자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

포스터

완료작품의 평가

공정의 사업성

해당 항목의 평가를 위해 김주식 교수님께 1(매우 그렇지 않다) ~ 10(매우 그렇다) 사이의 값으로 수치적으로 사업성을 평가를 부탁드렸으며, 그 결과로 8점으로 사업성을 평가하셨다.
추가적으로 개발 공정은 축산 분뇨를 멤브레인 반응과 열분해를 통해 고부가가치 물질인 수소 가스를 생산할 수 있다. 다만 초기 투자비용이 크며, 수소 가스의 시세라는 외부요인에 크게 의존한다. 또한 축사가 많이 밀집해있지 않은 지역에서는 적용이 어려워 대상 시장이 작을 수 있으며, 설계에서는 암모니아 추출 시 pH가 기준 내에서 큰 변동이 없었지만, 실제로 적용했을 경우 별도의 pH 조절이 필요해질 수 있다. 이러한 점들로 미루어 보았을 때 발전시켜야 할 부분이 다수 존재하기에 사업성의 보완이 필요하다.

암모니아 추출 정도

암모니아 추출 효율은 96%를 얻어 개발 목표치인 90%를 달성하였다.

암모니아 수소 전환 정도

 앞서 이론적 계산을 통해 얻은 수소는 2주 기준 32,429,376mol을 얻었다. 전환 효율을 구하기 위해 이론적으로 얻을 수 있는 수소량을 구하였다.

이 값을 이용하여 구한 암모니아-수소 전환 효율은 다음과 같다.

생산된 수소

앞서 이론적 계산을 통해 하루 기준 4,188.65ton의 분뇨에서 약 4.6ton의 수소 가스를 얻을 수 있었다. 전국 대비 홍성군 내 돼지 사육 비중은 5%이며, 소 사육 비중이 2%인 것으로 미루어 볼 때, 해당 사업이 전국으로 확대된다면 이 값은 ‘21년도 연간 수소 사용량인 22만톤인 국내 수소 수요량을 충분히 만족할 것으로 판단된다.

경제성 평가

경제성 평가를 위해 B/C 분석을 진행했으며, 그 결과로 10년 후부터 B/C 값이 1을 넘겨 사업성이 있다고 판단된다. 다만 수소 가스 가격의 변동으로 인한 전체 공정 수익의 변동이 있다는 한계가 존재한다.

향후평가

현재 전 세계적으로 화석연료로 인한 환경오염에 주목하고 있으며, 이를 해결하기 위한 여러 가지 방안이 등장하고 있다. 이에 따라 화석연료를 대체하는 에너지 중 수소에너지도 주목을 받으며 그 수요가 더욱 증가하고 본 공정에 대한 수요 또한 증가할 것으로 예상한다. 다만 수소를 활용하는데 가장 큰 문제점이 운송이 힘들다는 것이다. 수소는 액체로 저장하는 것은 가능하지만 에너지가 많이 필요하며 장기간 저장에 어려움이 있다. 또한, 액화수소를 운송하기 위해서는 초기 투자비용이 매우 높고, 압축수소를 운반하는 것은 운송비용 자체가 높다. 따라서 본 공정에서 발생시킨 수소를 어떻게 활용하느냐가 가장 중요할 것이다.

발생시킨 수소를 활용하기 위한 방법으로 대규모의 온사이트 방식을 활용하여 공정내의 에너지 비용을 최소화하는 방식을 적용해야 할 것으로 생각된다. 온사이트 방식이란 생산한 가스에서 공기분리장치(ASU), 스팀 메탄 개질기(SMR) 등을 사용하여 원하는 높은 순도의 가스를 다시 발생시키고 이를 다시 공정으로 공급하여 에너지 비용을 절감하는 형태이다. 수소를 배송하지 않고 다시 이용하기 때문에 탄소 배출량을 크게 감소시킬 수 있어 배송에 대한 문제를 일부 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

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 ====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
 *전 세계적인 기술현황
+   ① 국외 기술 현황
+ 일본
+◇ 일본에서 주로 활용하고 있는 가축분뇨처리시설은 퇴비화 시설이다. 이런 퇴비화 시설은 퇴적 방식으로 대규모 축산농가가 많은 러시아와 유사한 시스템을 활용하고 있는 것이 특징이다. 특히 퇴비의 수분 처리와 이를 수집하여 유통하는 과정에서 멸균, 악취 제거, 오염 원인 물질 제거 등의 기술이 동시에 단계적으로 이루어질 수 있도록 하고 있다.
+◇ 미야자키 목장에서는 로터리식 자동 교반 장치에 의한 가축분뇨의 퇴비화를 실시하고 있다. 원료 저장소에 모인 분뇨(수분함량 약 70~85%)에 수분 조절재로서 SPF돼지 등의 배설물 건조물을 넣고 수분을 60~65% 수준으로 재조정 후 스윙을 실시하고 그 교반조에 투입하는 과정으로 이루어진다. 퇴비는 12개월에 걸쳐 교반되면서 발효 퇴비 및 건조(수분 40% 전후)를 실시하여 교반조 출구에 배출된다. 생산된 퇴비는 ⅰ) 포장 환원용 ⅱ) 수분 조정재용 ⅲ) 가축 깔개료 등 각각의 용도에 맞게 사용하고 있다.
+ 벨기에
+◇ 벨기에 플라망 지역에서는 가축분뇨 과다문제를 해결하기 위해 VLM이란 단체를 만들고 그 안에 가축분뇨 수급 및 컨설팅을 담당하는 분뇨은행(Manure Bank)을 두어 가축분뇨 액비로 인한 오염 부하를 최소화하고 있다.
+◇  분뇨은행은 EU의 지표수 질소 농도 기준인 50mg/L 이상 지역에서 생산되는 분뇨를 기준 이하 지역에서 액비로 이용할 수 있도록 가축 분뇨 수급과 농민들의 환경교육 업무를 담당하고 있다.
+◇  미생물로 처리된 액비는 플라망 지역의 조사료와 옥수수 밭에 환원시킨다. (공휴일에는 액비 살포가 금지되며, 지중 살포를 통해 악취 발생을 최소화함.)
+ 프랑스
+◇ 프랑스의 가축분뇨 처리방법은 크게 5가지 방법으로 최비, 호기처리법, 혐기성 소화, 물리적 화학처리, 기타 등으로 처리된다.
+◇ 이와 같이 5가지 방법으로 처리된 양은 프랑스에서 배출되는 연간 총량(1억 2천만 톤)의 11.3%를 차지하고 있다. 앞으로는 혐기성 소화 방식이 점점 더 비중이 커질 것으로 예상된다. 소의 분뇨 처리에 중점을 두고 2020년까지 약 1,000개의 혐기성 소화 방식의 가축분뇨 처리시설이 건설될 것으로 예상된다.
+◇ 프랑스의 가축분뇨 정책은 RDS(Departmental Health Regulations)와 ICPE(Classified Installations for Environmental Protection) 프로그램을 통해 관리하고 있다. 추가로 유럽연합에서 발의된 법률(Nitrates Directives, Water Frame Directive)에 의해 특정 지역에서는 가축분뇨를 토양에 퇴비로 사용되도록 요구받고 있다.
+  ② 국내 기술 현황
+◇  우리나라에서 주로 활용하고 있는 가축분뇨 처리기술은 ⅰ) 교반식 발효증발시스템 ⅱ) 버켓 엘리베이터 교반식 발효 시스템이 있다.
+가축분뇨 처리기술 종류
 내용
+교반식 발효증발시스템
+반 개방식 하우스 내에 기존의 교반식 축분 발효 시설에 깊이 0.8m~1.2m, 폭 4m, 길이 30~100m의 정도의 콘크리트 건조상 위에 rail을 깔아 교반기가 지나면서 퇴적 톱밥층에 돈사로부터 이송된 돈슬러리를 일정량 살포하고, 교반장치로 교반하면서 하부로부터 강제 송풍을 행하여 증발을 유도하는 방법.
+버켓 엘리베이터 교반식 발효 시스템
+버켓 엘리베이터 교반 방식을 적용하고, 발효상에 왕겨를 미리 충진시켜 둔 상태에서 매일 일정량씩 슬러리만을 살포하고, 6개월 후에 충진된 왕겨를 반출하여 부숙퇴비로 사용하는 시스템.
+표 1 국내 가축분뇨 처리기술
 *특허조사 및 특허 전략 분석
 내용