미신유
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.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ 1. 가스화기에 대한 연구
가스화기의 종류: 현재 상용화되어 사용하고 있는 바이오매스 가스화기는 연료와 유동화 가스의 접촉 방식, 열전달 방식, 연료의 가스화기 내부에서의 체류시간이라는 3가지 조건에 의해 분류된다. 연료와 유동화 가스의 접촉 방식에 의해 향류 흐름 (co-current), 역방향 흐름 (count-current), 병류 흐름 (cross current) 방식으로 나뉠 수 있다. 열전달 방식에 의해 분류하였을 때 가스화기 내부에서 열에너지를 직접 공급하는 자가열방식 (autothermal), 외부에서 열을 공급받는 등온방식 (allothermal)으로 나눌 수 있다. 마지막으로, 체류시간에 따라서 시간 기준 (static gasifier, rotary kiln), 분 기준 (fluidized bed)으로 나뉠 수 있다. 현재 바이오매스 가스화 공정에서 주로 사용되는 가스화기는 고정층 (fixed or moving bed), 유동층 (fluidized bed), 분류층 (entrained bed) 가스화기이다.
1-1. 고정층 가스화기 (fixed or moving bed gasifier)
고정층 가스화기는 소규모∙경제적으로 설치가 가능하다는 장점이 있어 가장 먼저 상용화 되었고 현재 가장 널리 사용되고 있는 가스화기이다. 하지만 대규모 (10MW 이상)의 가스화에 적합하지 않고 열전달이 일정하지 않아 생성가스의 조성이 일정하지 않다는 단점이 있어 근래에는 많이 사용되지 않는다. 고정층 가스화기는 가스화기 내에서 온도 분포에 따라 drying, pyrolysis, reduction, oxidation의 영역으로 나뉘어져 각 영역별로 주요한 반응이 일어난다. 연료의 투입 방향에 따라 updraft 방식과 downdraft 방식이 있다.
(1) Updraft gasifier (count-current gasifier)
Updraft gasifier는 연료를 상부에서 투입하고 가스를 반응기 하부에서 투입하여 연료와 가스가 반대 방향으로 접촉하는 형태의 가스화기이다. Updraft gasifier의 장점으로는 높은 열효율, 높은 수분 함량의 바이오매스에 적합, 용이한 건설이 있다. 단점으로는 producer gas가 상부로 배출되어 가스가 반응기를 통과할 때 pyrolysis 영역을 통과하기 때문에 producer gas내 열분해 되지 않은 tar 함량이 높아지고, drying 영역을 통과할 때 producer gas내 수분 함량이 많아진다는 것이 있다. 또한, 고정층의 일부가 폐색되어 가스 흐름이 원활하지 않게 되면 산소의 정체가 일어나서 열구배의 불균형이 발생할 수 있다.
(2) Downdraft gasifier (co-current gasifier)
Downdraft gasifier는 연료와 가스가 모두 하부로 이동하는 형태의 가스화기로 연료와 가스가 같은 방향으로 이동하기 때문에 co-current gasifier라고도 불린다. Downdraft gasifier에서는 Figure 2.6에서 확인할 수 있듯이 producer gas가 온도가 높은 reduction 영역을 통과하고 배출되기 때문에 tar cracking이 활발하게 일어나 producer gas 내의 tar함량이 매우 적다. 하지만, 반응기에 시료를 투입할 때 일정한 크기로 만들어야 하고 시료의 수분함량이 매우 낮아야 한다는 제약조건이 있다. 또한, ash가 다량 함유된 연료의 경우 slagging 현상이 일어날 수 있고 반응기의 크기를 키우면 온도를 균일하게 유지하는 것이 어려워 크기를 키우기 위해서는 높은 기술 수준이 요구된다.
1-2. 유동층 가스화기 (fluidized bed gasifier)
유동층 가스화기는 bed에 최소유동화속도 (umf)이상의 속도로 가스를 주입하여 반응기 내부를 유동상태로 만든 가스화기를 말한다. 이 상태에서 bed는 액체와 같은 상태가 되며 지속적으로 섞이면서 반응기 내를 균일한 조건으로 만들어준다. 유동층 가스화기는 열전달이 우수하고 반응기 내의 온도를 균일하게 유지할 수 있어서 가스화 반응이 안정적이고 효율이 좋다는 장점이 있다. 높은 탄소 전환율과 producer gas내 낮은 타르 함량 등의 강점이 있어 현재 바이오매스 가스화 공정에서 유동층 가스화기를 많이 사용한다. 유동층 가스화기는 반응기 내의 온도가 균일하기 때문에 drying, pyrolysis, reduction, oxidation 반응이 동시에 같은 공간에서 일어난다.
1-3. 분류층 가스화기 (entrained bed gasifier)
분류층 가스화기에서는 연료와 가스를 같은 방향으로 공급한다. 분류층 가스화기는 높은 온도 (1300~1500℃)와 높은 압력 (25~30 bar)에서 운전된다. 가스화기에 공급되는 시료는 매우 작은 입자형태로 변환해야 하므로 전처리 장치가 요구된다. 이 가스화기는 높은 탄소 전환율을 보이고, 장치의 크기를 키우는 것이 용이하며 반응기 내부의 온도를 조절하기 용이하다는 장점이 있지만, 낮은 냉가스효율을 보이고 반응기의 수명이 짧다는 단점이 있다. 또한, 바이오매스의 가스화에서는 높은 반응기 온도로 인해 ash가 녹는 현상이 일어나 사용이 부적합하다.
2. 가스화 반응 메커니즘
가스화 공정은 탄소를 포함한 화합물을 열적 분해 과정을 통해 H2, CO, CH4와 같은 물질을 얻는 공정이다. 이때, 가스화 공정의 반응기 내부에서는 크게 4가지로 구분되는 물리화학적 반응이 일어난다. 가스화공정의 내부에서 일어나는 반응을 drying, pyrolysis, oxidation, reduction으로 구분할 수 있는데, 이들 반응은 반응기 내부의 온도 분포에 따라 주로 일어나는 위치가 결정된다. 예를 들어, updraft gasifier에서 온도는 반응기의 하부로 내려갈수록 증가하는 경향을 보이기 때문에, 가상의 구역을 나눠 위에서부터 차례로 drying – pyrolysis – reduction – oxidation이 주로 일어난다고 하는 것은 일반적이다.
Main process of gasification (1) Drying (< 150℃) (endothermic) (2) Pyrolysis (150℃~700℃) (endothermic) (3) Reduction (700℃~1500℃) (endothermic) (4) Oxidation (800℃~1100℃) (exothermic)
가스화 공정의 주반응과 각각의 온도범위는 위와 같다. 가스화 공정이 진행되기 위해서는 건조, 열분해, 환원 과정에서 에너지가 필요한데, 이 중 일부를 산화과정에서 발생되는 열에너지로 공급 받는다. 유동층 가스화기에서는 반응기 내부의 온도가 균일하기 때문에 위의 4가지 반응들이 거의 동시에 같은 공간에서 일어난다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇플라즈마를 이용한 폐기물 가스화 처리장치 및 방법
(https://patents.google.com/patent/KR101546815B1/ko)
가스화 반응은 플라즈마와 같은 고온발생장치를 사용하여 2차 오염물질을 억제하는 공정의 개발에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 초고온의 플라즈마를 이용하여 일반 폐기물을 열분해하는 공정에서, 열원으로 사용되는 플라즈마는 기체, 액체, 고체 외에 특정 에너지에 의하여 전자가 여기되어 원자와 분리된 상태로 존재하는 상태로써 제 4의 물질이라 칭한다. 이러한 플라즈마 상태에 도달하면 매우 높은 에너지를 잠열로 보유하게 되지만 불안정한 상태에 놓이게 된다. 그러나 불안정한 상태를 유지시켜주는 계를 제거하거나 이 계에서 벗어날 경우는 국부적으로는 이온화되어 있어 전하를 띠지만 전체적으로는 전기적으로 중성상태에 놓이게 된다. 플라즈마의 온도는 불꽃의 내외부에서 크게 차이가 나지만 중심부의 온도는 1만에서 2만 °C 정도로 추정되며 외부의 온도는 3000 °C 내지 4000 °C정도로 추정된다.
이러한 플라즈마의 특성을 이용하여 반응로를 1200 °C 이상의 고온으로 유지시킴으로써 열분해를 일으켜, 이 온도영역에서 일산화탄소와 수소로 이루어진 합성가스를 형성시킬 수 있다. 또한 고온에서 발생이 억제되거나 또는 분해되는 특성이 있는 다이옥신, 퓨란 등의 2차 오염물질의 배출을 극소화시켜 2차적 환경오염 요인을 제거할 수 있다. 따라서 플라즈마 공정은 빠른 열분해속도와 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라 소각 후 잔류물은 유리화하여 안정하게 처리할 수 있고 재가 발생하지 않으며 소규모의 소각시설을 운영할 수 있어 폐기물 처리 및 연료원 확보에 유리하다.
특허 제 10-2012-0033682호의 경우, 가스화 반응에 필요한 외부 공급 에너지량을 최소화하여 에너지 효율을 증가시키는 플라즈마를 이용한 폐기물 가스화 처리장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 플라즈마 토치를 통해 가스화 반응이 수행된 고온의 가스에 두 번의 열교환을 수행하여 획득된 열을 1차 가스화 반응에 사용하여 가스화 반응에 필요한 열을 최소화할 수 있으며, 이에 따라 가스화 반응의 효율이 증가될 수 있다.
폐기물 가스화 처리장치의 구조는 폐기물투입부, 투입부를 통해 투입된 플라스틱 폐기물을 반응기체와 반응시켜 1차 폐기물 가스를 생산하는 1차 반응부, 2차적인 폐기물 가스를 생산하기 위한 2차 반응부, 2차 반응부에 열을 공급하는 플라즈마 토치, 2차 폐기물가스와 1차 반응부의 열교환을 수행하는 1차 열교환부, 1차 열교환부에서 열교환된 2차 폐기물가스와 열교환하며, 이렇게 교환된 반응기체를 상기 1차 반응부에 공급하기 위한 2차 열교환부, 열교환된 2차 폐기물가스에 포함된 유해물질을 제거하기 위한 후처리부를 포함한다. 후처리부의 경우, 열교환된 2차 폐기물가스에 포함된 유해가스를 제거하기 위한 분무건조식 흡수장치, 분진을 제거하기 위한 집진장치 및 질소산화물(NOx) 성분을 제거하기 위한 선택적 촉매환원장치를 포함할 수 있다. ◇ 폐기물 가스화처리장치
( https://patents.google.com/patent/KR20120126172A/ )
특허 제 10-2012-0126172호의 경우, 플라즈마 토치를 통해 가스화실내로 공급되는 폐플라스틱 등을 포함한 파쇄된 폐기물을 보다 용이하게 가스화할 수 있을 뿐만 아니라 상기 가스화실에서 배출되는 가스를 연소실내에서 2차적으로 완전연소시킨 후 완전연소시킨 가스를 CO, H2, CH4 등의 연료용 가스로써 사용할 수 있는 폐기물 가스화처리장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 파쇄된 폐기물이 저장되는 호퍼, 상기 호퍼에 저장된 파쇄된 폐
기물을 공급받는 가스화실, 상기 가스화실에 구비되며 상기 가스화실내의 파쇄된 폐기물을 가스화하는 플라즈마 토치, 상기 가스화실과 연통되고, 상기 가스화실에서 배출되는 가스를 연소시키는 연소실을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐기물 가스화처리장치를 포함한다.
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
◇연소 : 현재 재활용되지 않는 플라스틱은 연소를 통해 처리되고 있으며, 플라스틱 연소시에 CO2 , CO , HCl , HCN , O2 등의 물질이 생성된다. 이는 에너지로써의 가치가 없으며, 대기오염, 토양오염 등의 환경문제를 유발한다.
- 마케팅 전략 제시
◇플라스틱 가스화 SWOT 분석
Strengths: 기존에 소각과 매립을 통하여 폐플라스틱을 처리하는 방법은, 대기오염과 토양오염, 매립부지의 문제를 안고 있다. 가스화를 통한 폐플라스틱처리는 이러한 오염물질의 배출을 줄이고, 프로듀서가스를 생성하여 연료로 활용할 수 있다는 점에서 강점을 가짐.
Weeknesses: 가스화 과정에서 타르가 생성되며, 이 타르는 연료를 사용시 기기의 오작동이나 에너지 효율을 감소시킬 수 있음. 따라서 발생하는 타르를 저감하는 것이 중요한 목표임.
Opportunities: 기존 폐플라스틱의 처리과정보다 환경오염이 덜하고, 이를 에너지원으로 활용할 수 있다는 점에서, 상용화 된다면 정책적인 지원이나 투자유치를 기대할 수 있음.
Threats: 아직 실용화 되지 않은 기술이므로, 실제 플라스틱처리시에 장치설계나, 공정운전들에 있어서 정확한 설계가 요구됨.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
가. 기술적 기대효과 -최종성과물의 활용방안
(1) 수소 에너지 관련 분야 활용연료전지 자동차의 연료로 활용연료전지 발전소 의 연료로 활용배 및 잠수함의 동력원인 연료전지 연료로 활용열병합 발전소의 연료로 활용암모니아 합성화학 및 각종 산업체합성가스 (H2 및 CO)Fischer-Tropsch 합성: 메탄올이나 디젤 등의 hydrocarbons 생산전력 생산열병합 발전초산 등의 화학물질 생산
(2) 개발 가스화 장치 활용 방안
가스화를 통한 수소생산 이외에도, 생성가스로부터, 열에너지 회수, 전력생산, chemicals 및 연료 생산에 활용폐플라스틱 이외에도 바이오매스, 석탄의 가스화에 활용
(3) 미래원천기술 확보 방안
본 과제에 적용될 공정의 원천성에 의해 성공리 개발 시 원천기술 확보 가능특허 출원 및 등록을 통해 국내외 지적재산권 소유
(4) 실용화․제품화 신산업화 방안
국내에서는 기술미비로 인해 아직까지 가스화 시장이 형성되지 않고 있으며, 상용화 기술 확보를 위한 연구개발이 진행되고 있는 상황임.
가스화 시 가장 문제가 되는 타르 및 불순물들을 효과적으로 처리할 수 있는 시스템이 개발되면 국내 상용화 및 세계시장 진입이 가능할 것으로 예측됨.
가스화는 소각(또는 직접연소)과는 다른 기술로서 정부의 신재생에너지 발전사업 등 정부의 관련정책과 보조를 맞추어 사업화의 길로 들어가는 것이 실효성이 있을 것으로 판단됨.
특히 미세먼지와 관련 소각 보다는 친환경적인 가스화에 대한 지원이 이루어 질 때 이 분야의 신산업이 그 기반을 잡을 수 있을 것으로 예상됨.
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
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이론적 계산 및 시뮬레이션
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상세설계 내용
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결과 및 평가
완료 작품의 소개
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