The research aimed to develop a high-efficiency plate-type heat exchanger for exhaust gas using computational fluid dynamics (CFD) thermal analysis based on the plate shape, and to identify the optimal shape. Following this, a water/air plate heat exchanger was manufactured, and its characteristics were studied experimentally. As the Re number increases on the gas (or air) side, the heat transfer rate increases significantly, whereas an increase in the Re number on the water side leads to a smaller increase in heat transfer. This is attributed to the larger convective heat resistance on the gas side, causing a substantial reduction in gas-side heat resistance as gas velocity increases, resulting in a considerable overall reduction in heat resistance. The fluid flow pressure drop showed similar results between the CFD calculations and experimental outcomes.

20 여 가지의 형태의 제올라이트 중에서 8-membered ring (8 MR) 구조를 지닌 제올라이트를 다공성 지지층 위에 연속적인 분리막 형태로 제작하고자 한다. 이 때, 궁극적인 분리막의 사용처에 해당되는 배가스 및 바이오가스 조건에서 이산화탄소를 분리하는 데 적합하도록 설계한 제올라이트 분리막에 대해 기술하고자 한다. 특히, 10% 정도의 수분에 의한 악영향을 최소화할 수 있는 방법에 대해 발표하고자 한다.

CCS is not a recent issue. Efforts to reduce carbon dioxide since the 1990s have been around the world, and the carbon dioxide emitted from post-combustion flue-gases is still enormous. Membrane technology also has been widely considered as a good candidate to enrichment of CO2, but it has not been verified about the remarkable advantages compare to the other technologies; such as amine scrubbing or physical adsorption. Numerous membranes for CO2 separation with high selectivity and permeance have been developed, but the membrane process for those applications are much less. The industrial technology to concentrate and store the carbon source has not been proved enough for its massive emission and engineering issue. Moreover, membrane technology lacks database for large scale processes. In this talk, the membrane process for CCS industry will be introduced. The considerable factors for industrial application of membrane technology will be also announced.

본 연구에서는 배가스 내 존재하는 오염물질인 NO의 처리효율을 증대시키기 위하여 NO 산화 공정을 연구하였으며, 강력한 산화력의 건식산화제를 제조하는 방법으로 H2O2 촉매분해가 도입되었다. H2O2 분해공정 상에서 적용 가능한 K-Mn/Fe2O3 불균일계 촉매가 제조되었으며, 이들이 가지는 물리화학 적 특성이 H2O2 분해반응에 미치는 영향이 조사되었다. 제조된 건식산화제는 NO가 포함된 모사 배가스를 처리하기 위한 NO 산화공정에 적용되었으며, 다양한 모사 배가스의 유량(5, 10, 20 L/min)에서 약 100% 가까운 NO 전환율을 확인 하였다.

Membrane-based gas separation is one of the next generations’ gas separation technology for carbon capture and storage (CCS). Membrane process has the advantages of i) low energy consumption without a phase change during the separation, ii) small footprint and easy scale-up of membrane modules, and iii) clean process without any emission of harmful byproducts. However, the requirement of CO2 separation membrane for CCS has limited the application of gas separation membranes in the industrial field. Here, we demonstrate the strategies to approach to the current limitation by developing a high flux of polymeric hollow fiber membrane. The membrane performance in this work is 900 GPU (1 GPU = 10-6 cm3/cm2‧sec‧cmHg) of CO2 permeance. The CO2 capture pilot plant using multi-stage membrane processes at KDHC has been on-site tested.

분자체(molecular sieve)로 알려진 제올라이트 분리막 중에 8-membered ring 구조를 지닌 제올라이트를 연속적인 분리막 형태로 제작하고자 한다. 이를 통해 영구 기체 분자간의 크기 차이를 기반으로 한 분자체 역할을 할 수 있는 분리막으로 사용하고자 한다. 이렇게 얻은 연속적인 분리막을 이용하여 석탄기반의 화력발전소에서 발생하는 배가스 내에 존재하는 이산화탄소를 효과적으로 분리·포집하려고 한다. 도전적인 과제로서 수분이 존재하는 상황에서도 높은 이산화탄소/질소 분리 능력을 지닐 수 있도록 분리막을 제작하고자 한다. 이번 발표에서는 최근에 얻은 제올라이트 분리막 기반의 이산화탄소 포집 능력과 관련된 내용에 대해 발표하고자 한다.

본 연구는 중·소형 선박의 배가스에 포함되어 있는 황산화물 및 질소산화물을 처리하기 위한 습식 스크러버의 처리효율에 관한 내용이다. 실험은 질소산화물 기술문서(NOX Technical Code)의 E3 모드에 준해서 진행하였다. 엔진에서 황산화물을 배출하기 위해서, 연료로 사용되는 경유에 ditertiarybutyldusulfide를 혼합하여 황 함유량을 높인 연료로 실험을 진행하였다. 배가스 내의 질소산화 물의 대부분을 차지하는 NO가스는 NO2로 산화시켜 습식 스크러버로 흡수하였으며, 황산화물인 SO2는 세정액에 잘 흡수되어 100% 처리효율을 확인하였다.

분리막 및 다양한 CO2 포집공정들의 연구에 있어, 경제성 평가는 각 공정들을 비교 분석하며 개발된 기술의 경제적 타당성을 검토하는데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 분리막 기반의 CO2 포집공정에 대한 경제성 분석을 수행하여 그 결과를 살펴보았다. 분리막 공정의 전산모사와 최적화를 위하여 분리막 모델링 및 Aspen HYSYS®를 활용하였으며, 최적화 결과를 바탕으로 CAPEX 및 OPEX를 제시하여 분리막 공정의 경제성 평가를 진행하였다.

분리막 공정은 압력장치에 사용되는 전기 사용량이 많아 이를 줄이기 위한 다양한 공정 옵션이 연구되고 있다. 본 연구에서는 분리막 공정에서 막 모듈에 sweeping 기체를 permeate에 불어넣어 모듈의 구동력을 증가시키는 방법으로, 특별한 공정 장치 추가 없이도, 효율적인 CO2 분리가 되는 공정을 연구하였다. 분리막 공정은 주요 장치비용(분리막, 압축기 등)과 운영비용(전기, 스팀)을 평가 하였다. MATLABⓇ에서 분리막 모델을 개발하었으며, 분리막 공정에 가능한 모 든 구조들을 초구조로 경제성 평가 모델을 기준으로 평가되었다. 본 연구는 2014년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 (재)한국이산화탄소포집 및 처리연구개발센터의 지원을 받아 수행된 연구임(2014M1A8A1049305).

연소 후 생성되는 연소가스 중 CO2는 온실가스 기체중 하나로, CO2를 처리하기 하기 위해 CCS 기술 개발이 세계적으로 주목 받고 있다. 하지만 단일막을 이용한 CO2 포집 공정에서는 약 14%의 CO2를 포함한 연소 배기가스로부터 고 순도, 고회수율을 달성하기란 매우 어렵다. 본 연구에서는 다단막 공정 디자인 및 다양한 운전 변수를 통하여 14%의 CO2를 가지고 있는 혼합모사가스로부터 순도 73% 회수율 74%의 포집 효율을 얻을 수 있었다.

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 연구에서는 폴리올레핀산업에서 배출되는 배가스 내에 존재하는 미반응 올레핀 단량체를 분리·회수를 위한 막분리 공정 개발에 관한 연구로 중공사형 복합막의 개발에 관한 연구 결과이다. 중공사형 복합막의 제조를 위해 먼저 고분자 용액의 조성과 내부응고제의 조성을 변화시켜 다양한 구조와 투과도를 갖는 중공사 지지체를 제조하였으며, 그 위에 올레핀 단량체를 선택적으로 투과·분리시킬 수 있는 고무상 고분자(폴리디메틸실록산) 선택층을 코팅 용액의 농도를 조절하여 두께를 조절해 가며 중공사형 복합막을 제조하였다. 제조되어진 중공사 지지체와 복합막의 구조 및 코팅 두께는 전자주사현미경(SEM)을 통하여 확인하였으며, 올레핀(에틸렌, 프로필렌, 부텐) 및 질소 등의 기체에 대한 단일가스 투과도를 측정하여 그 분리성능을 평가하였다. 최적화된 중공사 복합막의 코팅 두께는 약 10;μm이였으며, 올레핀의 투과도는 에틸렌의 경우 75 GPU, 프로필렌과 부텐의 경우 각각 200과 1,120 GPU로 조사되었다. 그리고 질소대비 올레핀의 이상 선택도는 에틸렌/질소가 6.4, 프로필렌/질소, 부텐/질소가 각각 17과 97로 선택층으로 사용한 폴리디메틸실록산의 고유한 선택도와 유사한 값을 보였다. 이러한 결과로 보아 올레핀 배가스의 분리회수를 위한 새로운 중공사형 복합막이 성공적으로 제작되었음을 알 수 있었다.

현재 국내 생활폐기물 고형연료화 시설은 SRF 생산에 초점을 맞춰 생물할적 처리공정이 결여된 MT 시설의 형태로 도입되었는데 이로 인해 설계 운전범위보다 높은 함수율의 생활폐기물 반입시에 선별 효율 감소로 폐기물 반입량 대비 30~45%의 비율로 잔재물이 발생하고 있다. 이런 잔재물은 함수율 40% 이상을 보이고 있어 직매립시에서 오염부하를 증가시키고, 또한 매립에 따른 처분비용 발생으로 전체 시설 운영비의 약 20%를 차지하고 있는 실정이다. 매립지 부하 경감 및 고형연료화 시설의 운영비 저감을 위해 발생 잔재물을 재활용 할 필요가 있는데 양 및 질적인 측면을 볼 때, 함수율을 떨어뜨린 후 선별하게 되면 추가적인 SRF를 회수할 수 있다고 판단하여 잔재물의 함수율 저감을 위해 생물학적 처리공정인 Bio-drying을 적용하였다. 이는 폐기물 내 생분해성 유기물질이 미생물에 의해 호기성 분해시 발생하는 열을 이용해 폐기물의 수분을 건조시키는 방법으로 건조과정에서 자연건조 대비 다량의 배가스(악취 포함)를 배출하게 된다. 이에 본 연구에서는 생활폐기물 잔재물(저품위 혼합폐기물)에 대해 Bio-drying으로 건조하는 과정에서 발생하는 악취 특성 분석 및 해당 악취에 대해 약액세정과 활성탄이 적용된 복합 탈취설비의 성능을 확인하고자 하였다.

전 세계적으로 지속적인 천연자원의 사용으로 인해 고갈 시점이 다가옴에 따라 신재생에너지 및 신에너지 사용이 불가피한 상황에 이르렀다. 이러한 신재생 에너지 중에서 국내의 경우 약 70% 이상을 차지하는 폐기물에 대한 에너지화 기술 및 처리 기술 연구는 지속적으로 진행되고 있다. 본 연구에서는 ‘전기･전자제품의 재활용 및 자동차의 자원순환에 관한 법률’에 의해 관리되어 지고 있는 전기･전자 제품 중 주로 재활용되지 못하고 전량 위탁 소각되고 있는 폐 우레탄과 펠렛화를 통해 고형 연료로 만들어진 RPF 혼소 시 발생하는 배가스 특성에 대해 파악하고자한다. 혼소 대상 물질인 폐 우레탄과 RPF의 경우, 모두 고발열량 시료로써, 소각에 활용 시 높은 열 회수율을 기대 할 수 있다고 판단된다. 실험 조건의 경우, 고정층 반응기에서 실험을 진행하였으며, 혼소 비율은 각각 우레탄 30%, 50%, 100%로 하였다. 특히, 소각에서 가장 중요한 운전요인중 하나인 공기비는 기존 소각 시설에서 1.5에서 2.0사에서 운전되지만, 본 연구에서는 2.0과 3.0에서 진행하였다. 이것은 반응기 가 실험실 규모의 반응기로 산화제와 대상 시료간의 접촉이 원활히 일어나지 않는 이유에서 기존 소각 시설에서 운전되는 공기비 보다 높게 산정하였다. 배가스 조성의 경우에는 산소(O2), 일산화탄소(CO) 그리고 이산화탄소(CO2)를 실시간 가스 분석기를 사용하여 측정을 실시하였다. 마지막으로 가스상 오염물질은 폐 우레탄의 원소 분석 결과, 질소(N) 함유량이 높아 소각 및 열처리 공정에 적용시 질소화합물 배출이 많이 될 것으로 판단하여 질소화합물인 NOx, NH3, HCN에 대하여 분석을 실시하였다. 위 가스상 오염물질은 대기오염공정시험법을 참고하여 습식법으로 진행되었으며, 샘플링 된 흡수액은 IC(Ion Chromatography) 분석을 통해 농도 계산을 할 수 있었다.

매립지에서 발생하는 메탄은 6대 온실가스 중 하나로서 이산화탄소의 21배의 온실효과를 갖는다. 매립층에서 발생한 매립가스는 복토층을 통과할 때 Methanotrophs 박테리아에 의해 산화된다. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)는 10%의 산화율을 기본값으로 제시하고 있다. Chanton et al. (2009)는 40가지 이상의 측정 결과들을 종합하여 IPCC 가이드라인이 산화율을 과소 평가하고 있는 것으로 보고하였다. 또한 메탄의 산화는 기후, 복토재 등 현장 특이적 영향을 많이 받아 국가고유계수를 개발하여 사용하는 것이 바람직하다. 따라서 본 연구에서는 가스배제공과 지표면에서 매립가스 성상을 비교하여 산화율을 산정하였다. 매립가스 분석은 다섯 곳의 매립지에서 수행되었다. 비분산적외선(Non-dispersive Infrared, NDIR) 검출기를 이용해 메탄과 이산화탄소의 농도를 측정하였다. 지표면 매립가스 발산은 플럭스 챔버를 이용해 측정하였다. 산화율 산정 시 산화된 메탄은 모두 이산화탄소로 변화되며, 이산화탄소 농도의 증가는 메탄 산화에 따른 것으로 가정하였다. OX의 산정은 측정값의 평균, 중간값, 공간분석 적용 결과 세 가지를 이용해 산정하였다. 평균을 이용해 산화율을 산정했을 때 –67 ~ 93%로 극대값에 의해 굉장히 큰 오류가 나타났다. 중간값을 사용한 경우 산화율은 87 ~ 99%로 나타나 산화율이 과대 산정되었다. 공간보간법을 적용했을 때 산화율은 42 ~ 88%로 나타났다. 공간보간법을 사용했을 때 한 곳을 제외한 세 곳의 매립지의 산화율은 42 ~ 48%의 산화율을 보여 Chanton et al. (2009)가 발표한 36%와 유사한 결과를 도출하여 공간보간법을 적용하여 산화율을 산정하는 것이 합리적임을 알 수 있다. 따라서 본 연구 결과를 통해 산화율 산정 시 공간보간법을 적용해야하며, IPCC 가이드라인 기본값이 산화율을 과소평가하고 있음을 확인할 수 있었다.

Waste electrical and electronic equipment (WEEE) has been received much attention recently due to rapid changes in materials and shorter replacement of consumer products. Most of WEEEs are collected and recycled at the designated recycling centers in Korea, and final residues after recycling, sorting and shredding them to separate valuable and recyclable parts in series are left as forms of shredded plastic mixtures, which would be a problem to be resolved. By further plastics separation the polyurethane foams are mostly remained and becomes waste to be treated by appropriate methods. Gasification to produce syngas and incineration to recover energy for such polyurethane foam waste could be utilized instead landfill presently treated. In this study the experiment was conducted to evaluate such performance characteristics of thermal processes. Pelletized solid refuse fuel (SRF) was fabricated to feed into the test furnace even though it was light with low density. Thermogravimetric analysis, proximate analysis and higher heating value were made. During gasification and incineration, gas composition with gaseous pollutants were measured. Due to nitrogen content in polyurethane, nitrogen containing gaseous substances such as NH3 and HCN were observed with varying equivalent air ratios (ERs). The assessment of polyurethane waste foam to energy using incineration and gasification was made with finding out the optimal condition of air injection to emit less pollutants in both operations. Produced syngas could be utilized as energy fuels by lowering pollutants emission.