• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 추계학술대회 초록집
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• pp.107.1-107.1
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• 2011

최근 석유, 가스, 석탄을 비롯한 화석연료의 다량 사용으로 기후변화, 대기오염 등의 환경문제 및 자원 고갈의 우려 때문에 바이오매스는 중요한 화석연료 대체 에너지 자원으로써 큰 관심을 받고 있다. 바이오매스 자원을 에너지로 전환하는 방법 중 하나인 급속 열분해 공정은 산소가 없는 상태에서 바이오매스를 열적으로 분해하여 액상 상태의 생성물을 회수하는 공정으로, 증기상의 열분해 가스를 응축하여 회수하게 된다. 바이오매스의 급속 열분해에 관한 연구는 주로 바이오매스의 종류와 열분해 조건에 따라 회수되는 바이오 원유의 수율 및 물리 화학적 특성에 관한 연구가 수행되고 있으나, 열분해 가스의 응축에 관한 연구는 응축에 수반되는 복잡한 물리적 현상 때문에 미진하다. 따라서 본 연구에서는 바이오매스의 급속 열분해를 통해 생성되는 증기상의 열분해 가스의 응축 현상을 모사 할 수 있는 모델링 기법에 대해 연구하였다. 급속 열분해 공정을 통해 생성되는 바이오 원유는 수백개의 화합물로 구성되어 있으며, 동일한 바이오매스를 사용한 경우라도 공정조건에 따라 바이오 원유에 포함된 화합물은 달라진다. 따라서 본 연구에서는 바이오 원유의 주요 화합물인 water, propanal, butanal, pentanal, phenol, guaiacol, coniferyl alcohol, formic acid, acetic acid, propanoic acid, butanoid acid를 대상으로 열분해 가스의 응축을 모사하였다. 본 연구에서는 응축 모델링 기법의 검증을 위해 실험결과와 비교하여 정확성을 검증하였으며, 본 연구의 결과를 활용하여 응축 조건 변화에 따른 급속 열분해 가스의 응축률을 예측하고, 이를 이용한 응축 열교환기 설계에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

• 청정기술
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• 제24권4호
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• pp.357-364
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• 2018

미세조류 및 거대조류 등 3세대 바이오매스로부터 바이오가스를 생산하는 연구는 다양한 규모의 실험을 통해 수행된 바 있다. 이 논문에서는 3세대 바이오매스 중 거대조류, 즉 해조류 바이오매스로부터 유래된 바이오가스를 이용하는 복합 열병합 발전의 상용화 가능성을 살펴보았다. 이를 위해 고체산화물 연료전지와 가스터빈, 그리고 유기랭킨사이클로 이루어진 산업 스케일의 통합 열병합발전을 상용 공정모사기를 이용하여 설계, 모사하였고, 계산된 열 및 물질수지를 통해 장치의 가격을 추정하고 경제성을 분석하였다. 모사 결과 설계된 열병합발전 공정은 시간당 62.5톤의 건조 갈조류 원료로부터 생산된 36톤의 바이오가스를 이용하여 68.4 MW의 전력을 생산한다. 이 결과를 토대로 다양한 시나리오에 대해 경제적으로 평가하고 균둥화 발전비용(levelized electricity cost, LEC)을 계산하였는데, SOFC의 수명이 5년, 스택 가격이 $$225kW^{-1}$일 때 LEC는 12.26 ¢ $kWh^{-1}$로 기존의 고정 발전과 동등한 수준으로 나타났다.

• 대한환경공학회지
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• 제34권12호
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• pp.840-846
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• 2012

현재 이산화탄소에 의한 지구기후변화는 세계적으로 논의되고 있다. 화석연료를 대신할 수 있는 청정 연료를 찾고 있다. 에너지 생산을 위한 지속가능한 바이오가스 사용은 이산화탄소 배출에 기여하지 않아 온난화가스를 줄이는데 높은 잠재력을 가지고 있다. 모사 바이오가스(메탄 : 이산화탄소 = 60% : 40%)를 이용한 높은 수소 합성가스 생산을 위한 촉매 수증기 개질연구를 하였다. 표면연소의 3D 적외선 매트릭스 버너에 바이오가스를 적용하였다. 개질기에는 Ru 촉매를 이용하였다. 변수별 연구로 수증기/탄소 비, 바이오가스 성분비, 공간속도, 개질기 온도를 진행하였다. 수증기/탄소 비, 바이오가스 성분비, 공간속도, 개질기 온도가 각각 3.25, 60% : 40%, $14.7L/g{\cdot}hr$, $550^{\circ}C$일 때, 수소 농도, 메탄 전환율이 최대값을 나타내었다. 위 조건에서 수소 수율, 수소/일산화탄소 비, 일산화탄소 선택도, 에너지 효율은 0.65, 2.14, 0.59, 51.29%를 나타내었다.

• 청정기술
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• 제26권2호
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• pp.96-101
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• 2020

이 논문에서는 3세대 바이오매스 중 거대조류, 즉 해조류 바이오매스로부터 유래된 바이오가스를 연료로 사용하여 열, 전력 및 수소를 생산하는 삼중발전의 타당성 평가를 수행하였다. 이를 위해 3 MW급 고체산화물 연료전지와 가스터빈, 그리고 유기 랭킨 사이클로 이루어진 상용 규모의 열, 전력 및 수소 생산공정을 공정모사기를 사용하여 설계, 모사하였고, 공정모사로 부터 얻은 열 및 물질 수지를 통해 각 단위조작 장치의 가격을 추정하고 경제성을 분석하였다. 수소를 생산하기 위해 고체산화물 연료전지의 설계를 수정하였는데, 연료전지 내 애프터-버너를 제거하고 수성-가스 전환 반응기를 추가하였다. 공정모사 결과 설계된 삼중발전 공정은 시간당 3.47톤의 건조 갈조류 원료로부터 생산된 2톤의 바이오가스를 이용하여 2.3 MW의 전력과 50 kg hr^-1의 수소를 37%의 효율로 생산한다. 이 결과를 토대로 가장 현실적인 시나리오에 대해 경제적으로 평가하고 BESP (breakeven electricity selling price)를 계산하였는데, ¢10.45 kWh^-1로 기존의 고정 발전 대비 동등 이상의 수준으로 나타났다.

• 멤브레인
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• 제28권4호
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• pp.243-251
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• 2018

메탄은 중요한 온실가스 중의 하나이며, 바이오가스의 주 성분이다. 이러한 바이오가스로부터 메탄의 몰분율 농도를 0.95 이상으로 회수하기 위하여 폴리설폰 중공사 분리막 모듈을 3단으로 연결하여 회수율을 99% 이상으로 얻을 수 있도록 공정을 설계하고 전산 모사하였다. 수치 해석 시 이산화탄소 투과도와 선택도를 이산화탄소의 부분증기압 함수로 나타내어 전산 모사를 수행하여 정확도를 높이고자 하였다. 공급 기체 압력, 공급 기체 내 메탄 농도, 그리고 분리막 모듈 내 분리막 면적이 클수록, 생성물 내 메탄 몰분율 농도가 증가함을 알 수 있었다. 그러나 생성물 내 메탄 몰분율 농도를 0.95 이상, 동시에 메탄 회수율을 99% 이상 얻기 위해서는 분리막 모듈의 분리막 면적을 적절히 선택하여야 하며, 선정된 분리막 모듈을 다단 공정으로 구성함에도 불구하고 공급 기체 압력, 공급 기체 유속, 그리고 공급 기체 메탄 농도를 제한적 범위 내에서 조절하여야 함을 알 수 있었다.

• 한국가스학회지
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• 제28권1호
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• pp.44-52
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• 2024

본 연구에서는 유기성 폐기물로부터 생산되는 바이오가스를 이산화탄소 제거 없이 직접 이용하여 바이오가스 전처리 및 정제 공정 비용을 절감하여 수소를 생산하는 공정의 모델을 구축하고 열교환망 최적화를 통해 공정비용 최소화, 수소 생산량 및 최종 배가스 온도 최대화를 목표로 공정 모사를 진행하였다. 공정 최적화 결과 열교환기 개수 제한조건을 충족하면서 최종 배가스 온도를 최대화하는 공정모델이 가장 효율적임을 확인하였다. 본 연구의 결과는 바이오가스 직접 이용 수소 생산 공정의 상용개념설계에 활용되어 바이오가스의 청정수소 에너지 전환기술 확대에 기여 가능할 것으로 판단된다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제19권12호
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• pp.41-46
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• 2018

본 연구에서는 바이오가스 기반 예혼합 압축착화(Homogeneous charged compression ignition, HCCI) 엔진에 수소를 첨가하였을 때, 연소실 내부 압력, 온도 배출가스에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 자세히는 수소 첨가량과 과다공기량(${\lambda}$) 변화에 따른 연소실 압력 온도, 그리고 생성물로서의 NO, $CO_2$ 배출 특성을 화학 반응 해석 프로그램을 사용하여 고찰하였다. 대상의 엔진은 2300cc 바이오가스 엔진 발전기로서 압축비 13:1, 발전량 15kW 급이다. 과급압은 1.2bar 고정 조건이며, rpm은 1800rpm의 정속 조건이다. 엔진 연소 방식은 예혼합 압축 착화를 모사하였다. 본 연구를 진행하기에 앞서 바이오가스의 주요 조성인 메탄의 연소 및 산화 메커니즘에 대한 선행 연구에 대한 고찰을 통하여 연소반응 메커니즘을 규명하기 위한 반응 메커니즘 연구 기술의 경향을 살펴보고, 본 연구에 적용 가능한 반응 메커니즘을 선정하여 해석을 진행하였다. 수소를 첨가할 때 NO는 증가하는 반면, $CO_2$등의 배출량은 감소하였고 실린더 내부 압력이 상승하며, 상승 구간이 진각 됨을 알 수 있었다. 또한, 희박영역에서 수소 첨가가 가연 한계를 증가시켰다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제29권1호
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• pp.1-10
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• 2018

The amount of biogas increases as the amount of organic waste increases. Recently, biogas from organic waste have been made much efforts to utilize as a energy. In particular, the concentration of $CH_4$ and $CO_2$ generated from sewage sludge and livestock manure treatment are 60-70% and 30-35%, and $CH_4$ and $CO_2$ generated from food wastes are 60-80% and 20-40%. In case of landfill gas, $CH_4$ and $CO_2$ have a concentration of 40-60% and 40-60% respectively. Therefore, in order to use the biogas more widely, it is necessary to convert the biogas to methanol, LNG or DME. In this study, experiments were conducted to produce hydrogen and carbon monoxide through various biogas reforming reactions on $Ni/Ce-ZrO_2/Al2O3$ catalysts. The experiment of synthetic gas synthesis was carried out on a wide concentrations of methane and carbon dioxide, which were the major constituents of biogas from various organic wastes. The effect of $(O_2+CO_2)/CH_4$ (=R') on the yields of hydrogen and carbon monoxide, the conversion rate of methane and carbon dioxide was investigated. Also simulation for syngas synthesis on the $CO_2$ reforming of $CH_4$ was computed by employing total Gibbs free energy minimization method using PRO/II simulator, and compared with the experimental results on wet and dry reforming reaction of biogas.

• 한국가스학회지
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• 제16권5호
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• pp.14-20
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• 2012

바이오가스는 Biomass, 유기성 폐기물 등의 혐기소화 공정을 통해 얻을 수 있는 대표적인 신재생연료로 저발 열량에도 불구하고 탄소중립적인 특성이 있기 때문에 이를 엔진에 적용하여 에너지를 생산하고자 하는 노력이 계속되어왔다. 바이오가스는 원료의 종류 및 혐기소화 공정 조건에 따라 그 연료 조성이 달라질 수 있는데, 이러한 조성 변화는 엔진 성능에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 이에 대한 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 바이오가스 연료 내 불활성가스의 종류 및 비율을 변화시켜 모사하고 이를 이용하여 바이오가스 내 불활성가스 종류의 변화가 엔진 성능 및 배기 특성에 주는 영향을 파악하였다. 실험 결과로 각 불활성가스 종류 및 함량에 따른 최적 점화시기를 결정하였으며, 불활성 가스 조성 변화가 엔진 출력, 효율, 배기 성능에 미치는 영향을 제시하였다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제39권12호
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• pp.945-952
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• 2015

본 연구에서는 바이오매스 합성가스를 모사하여 합성가스의 주요성분에 따른 자착화 특성을 실험 및 수치적으로 고찰하였으며, 온도, 혼합물의 조성, 압력의 변화가 자착화 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 충격파관(Shock Tube)을 이용하여 모사 합성가스의 점화지연 시간을 측정하였고, 수치해석은 실험결과 검증과 연소과정 중 중간화학종 분석을 위해 상용프로그램인 CHEMKIN-PRO를 사용하였다. 모든 온도 조건에서 혼합물 내의 수소의 몰 비율이 증가함에 따라 점화지연 시간이 감소하는 현상을 확인할 수 있었다. 1150K 이상의 온도 조건에서 압력이 증가함에 따라 점화지연 시간이 감소하는 현상을 확인 할 수 있었다. 하지만 1150K 이하의 온도 조건에서는 압력이 증가함에 따라 점화지연 시간이 증가하는 현상을 확인할 수 있었다.