기체분리막을 이용한 바이오가스 및 천연가스 등의 CH4 고질화 공정은 타 공정에 비해 경제적이라는 장점이 있지만 필수적으로 CH4 손실이 발생하는 단점이 있다. 이는 CO2에 의한 가소화현상으로 CH4의 투과도가 증가하기 때문이다. 이러한 현상을 개선하고자 CO2 가소화에 대한 영향이 적은 Cellulose계열의 고분자를 이용하여 고선택도 멤브레인을 제막하였으며, 이를 이용하여 CH4 고질화를 위한 연구를 하였다. CO2, CH4, N2, O2 등 단일가스를 이용하여 CA기반의 8종의 고선택도 중공사막에 선택도와 투과도를 측정하였다. CO2/CH4 혼합가스 분리 테스트를 수행하였다.

CO2 분리막 기술은 화학 유해 물질 사용·배출이 없는 친환경 기술로, 규모나 위치, 적용처별 사업 다각화가 가능한 기술이다. 전력연구원에서는 저비용 분리막 대량 생산 기술을 확보하고, 적층 방식의 분리막 모듈 상용화를 추진 중에 있다. Lab-scale의 분리 모듈의 성능 평가 결과를 기반으로 96% 순도, 90% 포집률을 동시달성하는 분리막 공정의 설계를 완료하였다. 현재 ’17년 8월 준공을 목표로 세계 최대 규모인 1MW급 CO2 분리막 테스트 베드를 당진 화력에 건설진행 중이다.

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.

가축 사육형태가 규모화 됨에 따라 가축분뇨 발생량은 지속적으로 증가하고 있으며, 가축분뇨를 에 너지로 이용하고자 하는 자원화에 대한 요구가 점차 증가되고 있다. 국내에서 발생하는 가축분뇨 에너 지화의 경제적 효과는 4,777억원으로 기대되고 있다. 따라서, 축산분뇨를 원료로 하는 바이오가스 플 랜트에서 발생하는 가스의 이용에 관한 연구는 활발히 연구되고 있다. 본 연구에서는 가축분뇨를 원료 로 한 바이오가스 플랜트에서 발생하는 가스의 이용에 대한 다양화를 모색하고자, 바이오가스 내 개별 성분의 분리 및 정제 방법을 구명하였다. 그리고 바이오가스 내 대표적인 성분이 CH4, CO2가스의 분 리를 통하여 독립적인 활용 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 발생하는 가스의 분리를 행하였으며, 분리된 가스의 적정 이용을 위한 정밀분석을 하였다. 그 결과, CH4가스는 약 95%, CO2가스는 약 93.2%로 정제되었으며, 분리된 가스 속에는 황화수소의 경우 1ppm이하로 포함되어 있는 것을 확인하 였다. 정제 CO2가스의 정밀 분석 결과, 도시가스 품질 기준표와 비교하였을 때, 정제 CH4에 포함된 성분들이 품질 기준표에 적합한 농도를 나타내었다. 정제 CO2의 정밀 분석 결과, 농업시설 내의 작업 자와 작물에게 유해한 성분들의 함량이 매우 미세하게 나타났다.

DME 제조공정에서 발생하는 혼합가스 중, CO2를 제거하기 위하여 폴리술폰 고분자를 이용하여 지지체 중공사막을 제조하고, Hyflon AD를 코팅하여 복합막을 제조하였다. 제조된 중공사막을 이용하여 Flaring 모사가스에 대한 모듈의 성능을 측정하였다. 분리막 1단 평가 결과 1.2 MPa에서 Stage cut 0.24 이상의 CO2농도는 3% 이하이며, 동일조건에서 CO2 제거율 및 CH4 회수율은 각각 약 80%이다. 분리막 2단 평가결과 Product 가스의 CO2 농도를 5%로 고정하였을 때, stage cut 0.074에서 recycle 되는 CO2 농도는 공급가스와 같은 농도를 가지며, 이때 CH4의 회수율은 약 99%이다.

Biogas is a gaseous mixture produced from the microbial digestion of organic materials in the absence of oxygen. Raw biogas, depending upon organic materials, digestion time and process conditions, contains about 45 ~ 75% methane, 30 ~ 50% carbon dioxide, 0.1% hydrogen sulfide gas, and a fractional percentage of water vapor. To achieve the standard composition of the biogas, treatment techniques like absorption or membrane separation are performed for the resourcing of biogas. In this paper, the experiments are performed using biogas produced in an environmental digestion facility for food waste. The membrane module was imported from overseas, its membrane process has achieved up to 98% of the methane and 99% of the carbon dioxide separated, and it has manufactured and stored pressurized carbon dioxide. The effects of the feed pressures on the separation of CO2-CH4 by the membrane are investigated. A chelate was utilized to purify the methane from the H2S concentration of 0.1%.

제철산업은 대표적인 에너지 다소비업종으로 포스코는 국내 전체 에너지소비량의 10% 이상을 차지하고 있으며 연간 약 7,000만 톤가량의 이산화탄소(CO₂)를 배출하고 있다. 2015년부터 국내에서도 ‘온실가스 배출권 거래제’가 시행될 예정이어서 제철업체는 대내외적으로 온실가스 감축에 대한 요구를 지속적으로 받고 있다. 전 세계는 지금 온실가스인 CO₂ 를 줄이고자 노력하여 포집기술이 가시적인 성과를 보이고 있으나 기업의 입장에서는 환경적인 측면 뿐 아니라 경제적인 측면도 간과할 수는 없다. 산업체에서 나오는 이산화탄소가 포집/재활용되어 부가가치창출의 구조를 만든다면 향후 많은 기업의 자발적 포집과 재활용이 있을 것이다. 이는 환경규제에 앞서 대응함과 동시에 성장 신사업의 기회로서 적극 활용될 수 있으며, OCED 국가 중 탄소배출량 증가 속도가 가장 빠른 우리나라의 CO₂ 의무감축에도 기여하게 될 것이다. 고로부생가스(BFG : Blast Furnace GAS)는 고로에서 코크스가 연소해 철광석과 환원작용을 할 때 발생하는 무색무취의 유독성 가스로 공기보다 무거운 기체이다. 포스코는 철강 제조 공정에서 발생하는 BFG를 전량 회수해 공정 에너지원으로 바로 재사용하거나, 자가발전에 활용하고 있다. 본 연구에서는 고로부생가스(BFG)에서 분리된 CO₂를 재활용하기 위해 성분분석과 순도향상 process를 구축하고 CO₂ 용도 개발의 일환으로 드라이아이스 세정작업 적용 기술을 개발하였다.