돈가스조

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** 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.