국제사회의 움직임 아래서 우리나라가 목표로 설정한 온실가스 감축량을 달성하기 위해서는 주요 온실가스의 발생량 감축뿐만 아니라 적절한 처리 방법에 대한 연구가 수행되어야 할 것이다. 특히 6대 온실가스에 속하는 HFCs는 이산화탄소나 메탄 등에 비하여 발생량은 많지 않으나 GWP(Global Warming Potential)가 높고 대기 중 체류시간이 길며 주로 공조기기, 냉장고, 에어컨디셔너, 냉동설비 등에 사용되고 있다. 또한 이러한 가전제품이나 설비에는 주로 냉매 중 HFC-134a(CH2FCF3)가 사용되는 것으로 알려져 있으므로 이러한 물질의 처리 대한 자세한 연구가 이루어질 필요성이 있을 것이다. 폐냉매 회수 재생 방법이 파괴 방법에 비해 에너지소모와 온실가스 배출이 확연이 적기 때문에 폐냉매를 회수/정제하여 재이용하는 기술을 우선 적용하며, 정제 후 기술적/경제적인 한계 등으로 재활용 하는 것이 불가능한 경우 열적으로 파괴하여 HFCs의 대기 배출을 방지하는 것이 바람직한 방법이다. HFCs계열의 폐 냉매의 파괴기술로는 열분해법, 촉매산화법, 플라즈마분해법 등이 있는 것으로 알려져 있으며, 본 연구에서는 열적 파괴 기술 중 LNG-Burning 기술을 이용하여 폐냉매를 처리하고자 한다. C사에서 개발한 에너지 저소비형 이중구조 선회류 방식 전용 연소기는 원통형으로 연소기 하부에 폐냉매와 보조연료를 공급하는 버너가 설치되어 있고 원통형 연소기의 측벽은 내벽과 외벽의 이중구조로 이루어져 있다. 연소용 공기는 이중 구조 노벽을 통해 접선 방향으로 주입되어 연소실 내벽을 냉각하여 고온의 연소열로부터 연소기를 보호하는 내화물을 대체함과 동시에 연소공기를 예열하는 효과를 가진다. 그리고 연소기 하부에서 폐냉매와 보조연료(LNG)를 강한 선회류를 주면서 주입하여 연소실 중심에 강력한 나선를 형성하고 고온 고속으로 완전연소 시킨다. 이때 이중구조로 공급되어 연소용 공기도 연소실 내벽을 따라 회전 후 화염에 합류하고 폐냉매 연소과정에서 생성되는 산성가스가 연소기에 접촉하는 것을 원천적으로 억제하여 부식을 방지하는 효과를 가진다. 본 연구에서는 HFC를 감축하는 CDM 사업중 LNG를 연료로 사용하는 프로젝트에 적용된 기술과 비교하여 동일한 연소 조건에서 연소하여 C사가 개발한 장치의 효율 상승을 검토해 분석하였다.

불소는 다양한 산업 분야에서 주로 활용되고 있는 물질로, 불소를 사용하는 산업공정의 예로는 대표적으로 반도체, 전자 산업의 세정 공정뿐만 아니라 액정 디스플레이, 금속 산업, 유리･세라믹 산업, 냉매, 고분자 산업 등 국가 주력 산업을 다수 포함되어 있다. 불소를 함유하는 폐수는 이러한 산업공정에서 폐기물로서 다량 발생하며 또한 R-124a와 같은 폐 냉매제의 처리 과정에서도 상당량 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 불소는 일정량 이상이 인체에 유입이 되면 갑상선 장애, 신경 손상 등의 인체 손상을 일으킨다. 따라서 불소의 배출은 법률에 의해서 엄격하게 규제되고 있으며, 배출량을 제어하기 위한 적절한 처리 방법의 적용이 필수적으로 요구되고 있다. 더불어 불소의 원료물질인 형석(불화칼슘, CaF2)은 매장량이 한정적이며 점점 부가가치가 높아지고 있어, 불소 함유 폐수에서의 불소 회수 공법은 그 필요성이 점차 커지고 있는 실정이다. 불산 폐수의 처리 방법으로는 석회 침전법, 흡착법, 이온 교환법, 역삼투, 미세여과, 막분리 공정 등이 있으며 가장 일반적으로 사용되는 기술은 폐수 내의 불소를 난용성 CaF2으로 전환하여 제거하는 침전법이다. 침전법은 불소 함유 폐수에 칼슘염을 주입하여 용해도가 매우 낮은 CaF2를 생성하고 이를 침전시켜 제거하는 방법이다. 침전법의 다양한 문제점을 회피하기 위하여 유동층 반응기(fluidized bed reactor)를 이용한 결정화 방법을 고려해 볼 수 있다. 본 연구에서는 불소 재생을 위한 효율적인 유동층 반응기의 설계를 위하여 Seed 물질인 CaCO3 입자를 통해 반응기 내에 적절한 유동층을 형성하는 문제에 주안점을 두고, superficial velocity(SV, 공탑속도)와 유입구의 형상을 변수로 하여 최적의 유동화를 이룰 수 있는 주입방법 및 조건에 대한 수치 해석적 연구를 수행하였다.

Since 1987, the use of CFCs and HCFCs in various fields such as refrigerant of a refrigerator and a vehicle, a propellant for a spray, and a urethane foaming agent has been prohibited by Montreal protocol related to ozone depletion materials. Instead of the CFCs having a high ozone depletion potential (ODP), HFC-based refrigerants without a chlorine content were developed but determined as global warming materials. Therefore, to reduce greenhouse gas such as HFCs, including CFCs and HCFCs, having a global warming potential (GWP) of 150 or more, which is abandoned from the existing apparatus, it is required to develop a new eco-friendly, economic, and stable treatment technology. When the auxiliary fuel LPG was used at a flow of 1.0 kg/h with an air ratio of 1.1, the average temperature at the vertical section in the combustion chamber was 1,300 K, which is sufficient to destroy waste HFCs. In the waste refrigerant destruction test, the destruction ratio of waste HFCs was 100% when waste HFCs were injected at a flow of 2.8 kg/h.

HFC-134a는 에탄 파생 냉매 중 하나로서 대표적인 HFCs 의 하나이며 가정용 냉장고나 자동차의 냉매로 널리 사용되고 있는 물질이며 온난화지수는 1300이다. 이러한 HFCs 의 생산 및 사용에 대한 규제가 가속화되고 있으며, 대체물질 개발이나 폐 냉매에 대한 처리기술연구 또한 활발히 진행되고 있다. 이들 폐냉매에 대한 처리기술로는 일반적으로 열분해법, 촉매 산화법, 플라즈마를 이용한 공정 등이 알려져 있다. 열분해법은 고온의로에서 열적 분해를 도모하는 기술로서 대용량의 가스를 처리하는 경우에 유리하다. HFC-134a 프레온은 단순 열을 가열하는 경우 보통 3000℃이상의 고온에서만 효과적으로 분해되는 특성을 가진 것으로 알려져 있다. 그러나 만일 열원이 충분한 고로나 소성로와 같은 대형장치에서 800℃ 이상의 온도에서 수증기가 동시에 존재한다면 HFC-134a 냉매가 효과적으로 처리되는 것으로 실증 장치에서 제시되고 있다. C2H2F4+4H2O →4HF+3H2O+2CO2 (1) 이러한 현상에 대한 연구로서 튜브형 연소로에서 온도의 변화와 산소량과 유량 조절을 통해 HFC-134a 열적분해 성능 실험에 대한 검증을 전산해석적인 연구를 통하여 수행하였다. C, H, F 등으로 구성된 HFCs가 열원과 H2O에 의하여 HF, H2O 그리고 CO2로 잘 반응하는 결과에 기초할 때 HFC-134a 의 반응에 필요한 것이 첫째로 H와 O의 원소와 둘째로 반응에 요구되는 활성화 에너지임을 추정할 수 있다. 그러므로 수소와 산소가 당량비로 혼합된 물 전기분해 기체(H2 + 1/2 O2)를 사용하여 튜브 반응기에서 HFC-134a 의 열적 반응에 대한 가능성을 전산 해석적으로 검토하였다.

할로겐 화합물에 대한 연소는 화염억제 치원에서 화염현상에 대한 기본 연구(burning velocity 나 flammability limit 등)나 적은 양의 산업폐기물에 대한 thermal destruction을 위한 소각 연구가 주류를 이루었다. 그러나 최근 국내외적으로 오존층 파괴나 온난화지수가 높은 다양한 불화염화탄화수소에 대한 본격적인 열적처리 문제가 대두됨으로써 실제적인 연소로 규모에서 이 화합물에 대한 연소현상에 대한 관심이 높아지기 시작하였다. 본 연구에서는 이러한 불화염화탄소로 이루어진 다양한 연소특성을 가진 냉매에 대한 다양한 연료와의 혼소에 의한 보다 효율적인 열적처리를 위한 기초연구를 수행한 것이다. 본 연구 결과로 나타난 LNG와 CCl4의 화염특징은 주어진 메탄 양에 대하여 사염화탄소의 양이 증가할수록 화염의 온도는 높아졌으나 반응은 지연되어 화염의 형성이 후류 영역에서 형성되는 양상을 나타냈다. 이는 사염화탄소 주입에 따라 연료의 절대양은 증가하였으나 사염화탄소 연료의 낮은 발열량과 같은 연소 성능의 저하의 복합적인 결과로 판단되었다. 사염화탄소의 혼소양이 10% 이하일 경우 사염화탄소에 대한 99.99%의 효과적인 처리가 이루어졌으며 Deacon 반응을 고려한 계산 결과는 사염화탄소 혼소양이 10%인 경우에도 실질적인양의 Cl2가 생성될 수 있음을 시사하고 있다. 그러나 향후에 특히 난류반응모델에서 사염화탄소의 화염억제 작용이 가능한 영역에 대한 보정된 난류 반응 모델과 함께 Deacon 반응에 대한 화학반응속도 개념을 고려한 난류반응모델에 대한 보완이 추후의 연구로서 요구된다.

This paper attempted to estimate the emissions of HFC-134a from scrap passenger vehicles as a result of measuring the residual quantities of HFC-134a in scrap vehicles. We measured the residual amounts in the scrap passenger vehicles of 196 by applying commercial recover for refrigerants. The average residual rate is reported to be 61.2 ± 2.4% with a confidence interval of 95%. As expected, the higher residual rates are shown for recent models. Little variation, however, is made with vehicle size. The HFC-134a emission quantity from scrap passenger vehicles in 2011 is estimated to be 326,236.83 tCO2 eq that demonstrates 53% increase to compare with that in 2007. As the numbers of passenger vehicles have increased dramatically during the last two decades, the emissions of HFC-134a from scrap passenger vehicles would increase sharply in the next coming years. The chemical compositions of refrigerants from scrap passenger vehicles are quite similar to those of new refrigerants, suggesting that the refrigerants from scrap passenger vehicles could be reused.