The emission of carbon dioxide from the burning of fossil fuels has been identified as a major contributor to green house emissions and subsequent global warming and climate changes. For these reasons, it is necessary to separate and recover CO2 gas. A new process based on gas hydrate crystallization is proposed for the CO2 separation/recovery of the gas mixture. In this study, gas hydrate from CO2/H2 gas mixtures was formed in a semi-batch stirred vessel at a constant pressure and temperature. This mixture is of interest to CO2 separation and recovery in Integrated Coal Gasification (IGCC) plants. The impact of tetrahydrofuran (THF) on hydrate formation from the CO2/H2 was observed. The addition of THF not only reduced the equilibrium formation conditions significantly but also helped ease the formation of hydrates. This study illustrates the concept and provides the basic operations of the separation/recovery of CO2 (pre-combustion capture) from a fuel gas (CO2/H2) mixture.

본 연구는 LNG를 연료로 사용하는 화력발전소 보일러에서 배출되는 1,000 Nm3/day의 연소 배가스에 포함된 8 ∼10%의 CO2를 대상으로 순도 99%, 회수율 90%로 회수할 수 있는 실증규모의 다단계 막분리 공정에 관한 운전 결과이다. 이를 위해 본 연구팀에서는 가소화 안정성이 우수한 폴리이서설폰 중공사막을 개발하고 CO2/N2의 분리특성을 연구한바 있 으며[1], 소형 모듈을 이용하여 압력 및 CO2의 조성 변화에 따른 투과 특성을 실험과 향류 방식의 전산 모사를 통하여 확인 하여 막분리에 의한 CO2의 회수 가능성을 확인한 바 있다[2-4]. 이러한 선행 연구결과를 바탕으로 pilot 규모의 다단계 막분 리 plant를 설계하여 제작, 설치, 운전하였으며 그 운전 결과를 다단계 공정의 수치 모사 결과와 비교하였다. 전체 공정은 크게 배출되는 배가스 내의 수분을 전단에서 제거하기 위한 제습 공정과 후단에 재순환이 가능한 4단계 막분리 공정으로 구성되어 있다. 4단 분리막 공정에서 배출되는 최종 CO2의 농도는 운전 조건에 따라 95∼99%의 CO2가 0.15∼0.2 ton/day 의 회수율 70∼95% 회수규모로 얻어졌다. 얻어진 실험 결과는 수치 모사 결과와 비교하였을 때 매우 잘 일치 하는 것을 알 수 있었으며 운전 중 전체 공정은 안정적으로 작동하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 다단계 막분리 공정을 통한 배가스에서 CO2를 성공적으로 분리할 수 있었다.

본 연구는 LNG를 연료로 하는 화력발전소의 보일러를 대상으로 여기에서 배출되는 8~15% 내외의 이산화탄소 배가스 1,000 Nm3/일로부터 이산화탄소를 회수율 90%, 농도 99%로 회수하기 위한 다단 막분리 공정을 설계 및 제작하기 위한 선행연구결과이다. 본 연구실에서 이산화탄소에 대한 가소화안정성 및 이산화탄소/질소의 분리특성이 탁월한 폴리이서술폰(PES)소재를 대상으로 비대칭구조의 중공사형 분리막 및 모듈이 개발되었다[1].. 개발된 중공사막을 대상으로 모듈의 투과현상을 전산모사 하였으며 이를 이용하여 막분리 공정의 최종 회수조건에 적합하게 하기 위해 재순환공정이 가능한 4단 막분리 공정을 전산모사 하였다. 설계된 다단계 막분리 공정의 타당성을 입증하기 위해 개발된 중공사막모듈을 대상으로 설계된 운전 압력(공급측의 압력 및 투과측의 압력)과 공급 농도의 변화에 따른 막분리 공정의 투과량 및 농도를 조사하였다. 얻어진 결과를 공정모사를 통하여 계산된 결과를 비교한 결과 운전조건에 따른 유량, 순도, 막 면적 등에서 이론치와 실험치가 매우 잘 일치함을 확인할 수 있었다.

전 세계적으로 에너지 소비가 급속하고 늘고 있는 추세이며, 화학연료를 이용한 전기 생산은 기후변화를 야기시키므로 새로운 형태의 친환경적인 발전 시스템의 개발이 매우 중요한 현안으로 떠오르고 있다. 전력수급의 많은 부분을 원자력과 화력발전에 의존하고 있는 우리나라의 경우 증가하는 전력 수요를 가스터빈을 이용한 복합발전이나 열병합 발전이 분담을 해야 하므로 가스터빈 관련 연구 개발은 매우 중요하다고 할 수 있다. 최근에는 분산발전에 대한 관심이 고조되면서 이에 적합한 동력원으로 고려되고 있는 마이크로 터빈 및 이에 대한 응용시스템 연구개발이 국내외에서 활발히 수행되고 있다. 마이크로 가스터빈은 중대형 가스터빈에 비해 개발기간이 짧고 개발비 규모가 작아 세계시장에서도 경쟁력있는 상품이 될수 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 60KW 출력의 마이크로 가스터빈을 대상으로 메탄/수소, 메탄/산소-수소 혼합기체를 혼합한 연료에 대한 연소 특성 및 내부 열유동을 수치해석적 연구를 통하여 검토하였다. 수소 및 산소-수소 혼합연료의 체적분율을 변화시켜 변수연구를 수행하였다. 연구 결과를 살펴보면 연료 중 수소 및 산소/수소 기체의 체적분율을 높일수록 연소기 내부의 primary zone의 화염온도가 현저히 상승하며 연소기 내부의 고온영역이 넓게 분포되는 것을 볼 수 있다.이는 수소나 산소-수소 기체로 대체했을 때 수소의 빠른 연소속도에 의해 단시간에 화염온도의 상승을 이룰수 있고 수소의 강한 반응성과 높은 열확산성으로 인하여 순신간에 가스터빈 내부의 연료와 공기의 난류혼합을 활발하게 하여 가스 터빈의 효율 향상에 일조한다는 것이다. 수소비율에 따라 가스터빈의 연소성능과 관련이 있는 primary zone의 평균온도, 출구의 평균온도, 출구에서의 온도의 편차비(pattern factor)와 같은 결과를 검토하여 의미있는 결과를 도출하였다. 향후 최적 운전을 위한 적절한 연료의 혼합비율은 가스터빈의 형상 및 규모 등 다양한 변수를 고려하여 도출하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

용수보급률 증가에 따른 용수 공급량의 증가로 인해 하폐수처리시설이 증가되어 슬러지의 발생량 또한 증가하고 있다. 반면, 슬러지 해양투기가 금지됨에 따라 슬러지의 육상처리 및 재활용 처리방법이 갈구되고 있다. 현재 슬러지는 주로 소각, 매립, 시멘트 원료로의 사용, 복토제로의 활용 등의 방법으로 처리되고 있고, 슬러지를 연료로써 활용하는 방법도 많은 연구가 이루어지고 있다. 슬러지를 건조시켰을 때 발열량은 3,000~4,500kcal/kg 정도로, 국내 무연탄과 비슷한 수준이기 때문에, 슬러지를 에너지화하는 것이 가능하다. 하지만 슬러지는 다량의 중금속 및 유해성분을 함유하고 있기 때문에 연소 또는 소각 시 가스상 오염물질 배출의 문제가 있다. 슬러지 연소 또는 소각 시 발생되는 오염물질은 슬러지에 포함된 중금속 성분은 배출원 종류 및 처리방법에 따라 차이가 있기 때문에, 충분한 연구를 통해 소각이나 연소 시 해당 슬러지에 대한 오염물질 배출 특성을 분석하여야 한다. 본 연구에서는 슬러지 연소 시 중금속 배출특성을 조사하기 위해 lab-scale drop tube furnace를 이용해 건조슬러지를 연소하였다. 수은은 입자상 수은과 배출가스 중 산화수은, 원소수은으로 구별해 조사하였으며, 수은을 제외한 중금속은 바닥재의 농도를 조사하였다.

우리나라는 2030년 까지 모든 경제분야에 걸쳐 온실가스 배출을 약 37% 감축할 계획을 UNFCCC에 제출하였다. 이에 따라 온실가스 감축목표를 설정하고 부문별･업종별 배출권 할당량을 결정하고 있다. 따라서 보다 정확한 온실가스 배출량을 산정하는 것이 중요하며 현재는 배출활동별 온실가스 배출량 세부산정방법과 기준을 Tier 1, 2, 3, 4로 마련하여 관리하고 있다. 활동자료와 배출계수로 계산하는 Tier 1~3 기준에는 화석탄소함량(FCF)을 적용하여 폐기물에 포함된 바이오매스의 비율이 제외될 수 있는 반면, 소각시설에서 발생하는 배출가스 중의 온실가스를 직접적으로 측정하는 Tier 4(연속측정법)에서는 총 CO2만 측정 가능하기 때문에 온실가스 중의 바이오매스량을 제외하기 위해서는 화석연료 기원물질에 의한 배출량과 바이오매스 기원물질에 의한 배출량 구분이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 생활폐기물 소각시설과 사업장폐기물 소각시설 각각에서 연소 후 배출되는 가스를 가스샘플링장치를 이용하여 포집하였으며, 포집한 가스성분과 CO2 중의 바이오매스 기원물질량을 확인하였다. 기체시료 중의 바이오매스량을 측정분석하기 위해서 탄소동위원소를 이용한 가속기 질량분석기(Accelerator Mass Spectrometry)를 이용하였으며 보다 명확한 온실가스배출량 산정을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

The synthetic gas obtained from the gasification of waste material becomes more important not only in waste reduction but also for the generation of clean energy directly applicable to industrial combustors firing LNG fuel without any major modification of the boiler system. Therefore, in this study, a systematic calculation was made for the turbulent reaction inside a conventional LNG combustor to determine the temperature distribution and fluid flow field. By doing this, the syngas obtained from gasification of combustible waste could be evaluated for the potential applicability of syngas as a substitute for LNG fuel in the industrial field. In this calculation, the ratio of the syngas amount to the LNG amount was fixed. That is, based on calorific value, 70% of the fuel was syngas and 30% was LNG. Since the calorific value of the syngas was different from that of LNG with a high energy density, the different volumetric flow rate was expected to give rise to a visible flow field change together with the local velocity. Thus, in this study, the swirl intensity and the inlet nozzle diameter were varied carefully in order to resolve the flow field and turbulence effects on the reaction characteristics of the co-burning flame. First of all, the calculation result of pure LNG combustion was made successfully as a reference and for evaluation of the code implementation. The results obtained from the numerical simulation of the burning of syngas in the LNG boiler could duplicate the combustion feature almost similar to that of 100% LNG fuels by changing the injection method of the syngas without any major change of the boiler system. The results suggested the high potential of syngas as an economic substitute for conventional LNG fuel.

Characteristics of the exhaust gas of a commercial scale (7.2 ton/day) municipal wastes incinerator with recirculation of its high temperature combustion gas were investigated. High temperature combustion gas made by incineration was entrained by an air jet and re-used for incineration. Air was preheated to 384-512oC and diluted to have an oxygen concentration of 16-17%. Incineration of municipal wastes with the preheated and diluted air made extremely uniform and stable flames. Concentrations of nitric oxide (NOx), carbon monoxide (CO), oxygen (O2), and carbon dioxide (CO2) in flue gas were measured at the boiler exit and the stack, simultaneously. Averaged concentrations of NOx and CO were reduced to 54.2 ppm and 3.1 ppm at the boiler exit and to 49.8 ppm and 6.0 ppm at the stack, respectively, at a reference oxygen concentration of 12% without any post treatment of NOx and when the averaged outlet temperature of the combustion chamber was 904oC. The measured NOx emission was only 29% of that of a conventional municipal incinerator. Simultaneous reduction of NOx and CO is significant. Averaged concentrations of O2 and CO2 were 9.7% and 8.6% at the boiler exit and 14.6% and 4.9% at the stack, respectively.

It is known that lowering of peak temperature of flame reduces NOx emission in combustion process. Low oxygenconcentration of diluted combustion air reduces peak flame temperature, but makes flame unstable. So increasing oftemperature of reactants is needed to enhance flame stability. Mixing of high temperature combustion gas with combustionair makes low oxygen concentration and increases air temperature simultaneously. Low oxygen concentration ofcombustion air reduces peak temperature of flame and increased air temperature makes flame stable by enhancement ofcombustion reaction. Special apparatus for recirculation of high temperature combustion gas should be needed, becausegeneral blower cannot be used to return the gas of almost 1,000oC. Air jet type recirculation apparatus has been developedand installed in a commercial scale of 7.2ton/day incinerator and estimated. Oxygen concentration and temperature ofair mixed with inhaled high temperature combustion gas by the apparatus are 16.24~17.78%, 384~512oC, respectively,in a steady state of incineration.

Characteristics of exhaust gas of solid refuse fuel (SRF) burning in a commercial scale of 12ton/day incinerator havebeen investigated. Combustion air for SRF burning is mixed with recirculated high temperature exhaust gas to diluteoxygen concentration and preheat itself. It is called high temperature EGR (Exhaust Gas Recirculation) combustion. Itis known that low oxygen concentration of diluted air reduces flame temperature and NOx emission, but also makes flameunstable. Highly heated air by mixing with high temperature exhaust gas makes flame stable by enhancement ofcombustion reaction. Concentrations of nitric oxide (NOx), carbon monoxide (CO), oxygen (O2) and carbon dioxide (CO2)in flue gas have been measured at stack. High temperature EGR incineration of SRF dramatically reduces nitric oxideemission and residual oxygen. Average concentrations of NOx, and CO are 71.5ppm and 86.6ppm especially at referenceoxygen concentration of 12% without any post treatment of NOx when the average outlet temperature of combustionchamber is 942oC. And average concentrations of O2 and CO2 are 9.59% and 8.3% especially.

연소기에서 연료 연소에 의해서 생성되는 것은 질소산화물의 대부분 NO와 NO2이며, 95%가 NO의 형태로 배출되고 이후 대기 중에 확산되어 공기 중의 산소와 결합하여 NO2가 된다. 질소산화물은 광화학 스모그의 원인으로 인체에 해를 끼칠 뿐 아니라 산성비의 원인이 되는 등 환경에 대한 심각한 문제를 야기하고 있기 때문에 실용 연소기에 대한 규제가 한층 강화되어 질소산화물 발생을 억제해야 하는 필요성이 점차 증대되고 있다. 최근에는 에너지 문제에 의해 폐기물 가스화에 의해 생성된 가스를 활용이 점차 증가하고 있으므로, 이에 대한 질소산화물의 저감 연구가 필요하다. 본 연구에서는 RPF 가스화 가스를 모사하여 연소시 발생되는 질소산화물을 저감시키기 위해 다단 연소와 음향가진 기술을 적용하였다. 이 때, 발생되는 질소산화물의 저감 특성을 파악하기 위하여 공기 다단 연소, 연료 다단 연소 그리고 외부가진을 주사하여 공기비 및 주파수 변화에 따른 변수별 연구를 수행하였다. Fig. 1은 공기 다단 연소를 적용하여 총공기비 변화에 따른 결과이다. 각각의 총공기비에 따른 주연소 영역의 공기비가 감소함에 따라 질소산화물 감소되는 경향을 보이며, 주연소총공기비 0.7에서 가장 낮은 값을 나타내었다. Fig. 2는 기존 조건에서 공기 다단 연소 및 외부가진을 적용하였을 때, 질소산화물과 중간생성물인 암모니아와 시안화수소를 나타낸 결과이다. 주연소 영역 공기비 0.7, 완전연소 영역 공기비 1.1, 체류시간 1.265 s 일 때 질소산화물 421 ppm으로 다단 연소 미적용한 경우에 비해 67% 저감되었다. 외부가진 적용시 400 Hz에서 273 ppm으로 다단 연소 및 외부가진 미적용하였을 때에 비해 79% 저감되었다.

Analyzing results of exhaust gas of solid fuel burning are investigated with measuring position in a pilot scale MILD(Moderate and Intense Low oxygen Dilution) combustor using high temperature exhaust gas recirculation. Flue gas hasbeen measured at exit of combustion chamber and stack, especially. Oxygen concentration measured at stack is higherand carbon dioxide concentration is lower than that measured at exit of combustion chamber, because air flows into theflue gas from the post-treatment facilities, such as gas cooler and bag filter, due to negative pressure caused by inducedblower. Low carbon dioxide concentration can cause an error which estimates higher air ratio than actual air flow rateneeded for complete combustion. Average calculated concentration of measured nitric oxide and carbon monoxide forreference concentration of 6% oxygen have no notable difference with measuring position. But, time resolution of thedata measured at exit of combustion chamber is better than that measured at stack. It is confirmed that MILD combustionof solid fuel of pulverized coal using high temperature exhaust gas recirculation can reduce dramatically nitric oxideemission.

폐기물의 에너지화는 경제, 산업, 공공정책 등 국가적으로 다양한 분야에 상당한 관심이 집중되어 있는 분야이다. 폐자원 에너지화 기술은 현재는 소각과 퇴비화에서 점차 소각+에너지회수, 가스화, RDF/RPF 등 고형연료화, 바이오 가스화 등으로 변화하고 있다. 그중 폐기물 가스화 기술은 폐기물을 이용한 다양한 에너지원으로 자원화 하는 기술로서 가스화를 통해 생산된 합성가스를 이용하는 산업과 밀접한 연관성을 갖고 있다. 가스화 공정은 석탄, 중질 잔사유, 석유코크스, 바이오매스, 폐기물 등의 탄소를 함유하는 모든 물질에서 H2와 CO의 합성가스를 생성하는 공정이다. 본 연구에서는 폐기물 가스화를 통하여 얻어진 합성가스를 기존의 LNG 연소로에 혼소하여 연소특성을 연구하고자 한다. 가스화 연료를 생산하여도 수요처가 없다면 경제성이 떨어지는 것에 착안하여 기존에 LNG 연료를 사용하는 연소로에 일부를 혼소시켜 열유동의 안정성도 어느 정도 확보하면서 상대적으로 가격이 저렴한 합성연료를 사용함으로써 연료비를 절감하는데 일조하고자 한다. 연구결과를 살펴보면 폐기물 가스화 합성연료를 사용함에 따라 전반적인 연소성능은 유사한 경향을 보였으나 화염의 형태가 ‘intensive’ 한 형상에서 좀 더 ‘broadening’ 해진 형상으로 전이되어 감을 확인하였다. 또한 LNG 연소로의 swirl버너에서 관찰되던 중앙재순환 영역(CTRZ:Central Toroidal Recirculation Zone)의 소멸과 화염의 부분적인 lift-off 현상이 관찰되었다. 그러나 전반적인 연소성능은 유사한 형태를 나타내어 향후 버너부근의 혼합강화를 위하여 운전조건을 변화시켜 연구를 지속적으로 수행한다면 LNG에 비해 상대적으로 발열량이 낮고 주입량이 많은 합성연료의 불리한 점을 충분히 보완할 수 있을 것으로 판단된다.

MILD (Moderate and Intense Low oxygen Dilution) combustion using high temperature exhaust gas recirculation is applied to solid fuels of dried sewage sludge and pulverized coal combustion to investigate the effect of reduction of NOx emission in a pilot scale combustor. High temperature exhaust gas recirculation is accomplished by entraining high temperature exhaust gas to air jets at just exit of the combustion chamber without a heat exchanger. High temperature exhaust gas recirculation makes the solid fuel flame stable and extremely uniform color and uniform temperature distribution. NOx concentration at the combustor exit was 62% and 40% less in the high temperature exhaust recirculation MILD combustion compared with the conventional combustion using air jet only for sewage sludge and pulverized coal respectively.

In the present study, MILD (Moderate and Intense Low oxygen Dilution) combustion technology is adopted as one of the most effective tool for reduction of NOx emission in solid fuel combustion. We tried to achieve MILD combustion using the high temperature exhaust recirculation without any heat exchanger for preheating air. High temperature exhaust recirculation is accomplished by entraining the high temperature exhaust gas to air jets at just exit of the combustion chamber. This high temperature exhaust recirculation could recirculate heat and inert exhaust gas simultaneously. MILD combustion using the recirculation of the high temperature exhaust gas is experimented to investigate the effect of low NOx emission for the recycled solid fuel of the dried sewage sludge and pulverized coal. NOx emission could be reduced drastically by using this advanced combustion technique. Maximum 68% and 57% of NOx reduction was achieved for sewage sludge and pulverized coal respectively, in the high temperature exhaust recirculation MILD combustion compared with the conventional combustion using air jet only. This type of MILD combustion makes the apparent flames of both solid fuels extremely uniform without high temperature flamelet.

2012년 11월 카타르 도하에서 열린 유엔 기후변화 당사국총회 COP18 장관급회의에서는 올해 말 그 시한이 종료되는 도쿄의정서를 대신할 ‘도하합의’를 도출하였다. 2020년까지 교토의정서를 연장하고, 모든 선진국과 개발도상국이 같이 적용받는 구속력 있는 온실가스 감축안을 2015년까지 만들기 위한 기반을 조성하자는 내용이 주요골자이다. 그간 우리나라는 2010년을 기준으로 세계 이산화탄소 배출량의 1.7%를 차지하고 세계에서 8번째로 이산화탄소를 많이 배출하는 국가가 되었다. 이에 2015년 합의될 온실가스 규제에서 우리도 상당부분 배출량감소를 요구받을 전망이다. 온실가스를 발생시키는 다양한 경로 중의 하나는 산불발생으로 생성되는 산림의 바이오매스 연소이다. 교토의정서 이후 각국은 산불발생으로 인해 유발되는 온실가스인 이산화탄소와 비이산화탄소의 정량적이고 과학적인 방법을 연구 개발하고 있다. IPCC(International Panel on Climate Change)는 접근방법과 기본자료를 이용하여 배출량을 분석하는 수준1과, 국가고유활동 자료나 배출계수를 이용하여 배출량을 분석하는 수준 2, 국가 고유자료와 방법 모두를 이용하는 수준3을 제시하는데 우리나라도 수준 2나 3의 단계로 진입하는 다각도의 노력을 벌이고 있다. 본 연구는 우리나라 고유 배출계수 개발을 위해, 수관화의 위험이 높은 소나무의 바이오매스 연소에 따른 CO2/non-CO2 배출량을 정량적으로 추정하기 위한 작업의 하나로 이루어졌다. 실험방법은 삼척소재 소나무를 대상으로 영급별로 생엽과 굵기 10mm이하의 가지를 채취하여 콘칼로리미터와 NDIR분석기로 연소 시 배출되는 CO2, CO, NO, CH4, N2O의 배출량을 분석하였다. 실험조건은 10cm×10cm×5cm의 방형틀을 채우는 생엽과 가지부분을 건조기에 건조하여 더 이상 중량변화가 없을 때까지 실험하여 얻은 값을 사용하였으며, 결과값은 3회 측정한 평균값이다.