| 초록 |
□ 세부과제 Ⅰ 가스화 요소 기술 및 시스템 핵심 기술 개발 Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의 당해연도에는 2차년도에 설계/제작된 가압/정량 공급 장치의 운전 결과를 바탕으로 가압정량 공급장치의 주요 부품을 신규로 제작하여 시운전을 실시하였다. 기계 가공을 통해 가압 정량 공급장치를 제작할 경우, 무게가 약 1126.5kg 수준이었으나, 주물 가공을 통해 제작했을 때 무게가 약 478kg으로 약 1/3가량 무게가 감소되는 것을 확인하였다. 설계를 통해 제작된 가압 정량 공급장치의 부품수는 약 116개로 구성되어 있으며, 주요 부품으로는 Screw, Wheel, Chute, Motor로 구성이 되어 있다. 또한 가압 정량 공급장치 시운전시 가압정량 공급 장치와 Load Cell 간의 간섭으로 인한 측정오류를 개선하고자 구동부와 측정부의 설비를 분리하여 설치하였다. 이를 통해 안정적이고 재현성 있는 실험 결과를 확보할수 있었다. 가압 정량 공급장치의 석탄 Hopper의 경우 Mechanical seal을 없애는 방향으로 하여 Hopper의 배출부 각도를 80도로 설계 제작하였다. 이는 기존 Agitator방식에서 회전시 석탄 압착으로 인한 배출이 안 되는 문제점을 해소하고, Mechanical seal 적용부분 삭제로 인한 제작 비용 절감 효과를 극대화 하며, 질소 퍼징 밸브 설치로 Bridge 발생시 대응 가능하도록 설계하였다. 가압 정량 공급 장치 중량 감소 및 제작 비용 절감을 위해 Wheel 부품의 설계 변경을 하였다. 이를 통해 전체적인 무게 감소와 가공용이성 확보, 제품 생산 가격 절감을 확인하였다. Wheel의 형태는 홈수를 10개로 유지 하면서 면적을 370mm 2 으로 축소하여 설계 변경 및 테스트를 진행 하였다. Screw Volume 변화에 따른 공급량 변화를 측정한 결과, Screw의 volume이 약 5L일 경우,약 Motor Speed 38Hz에서 1.0ton/day급의 공급량을 확인하였으며, Screw의 volume이 약 12L일 경우, 약 Motor Speed 14.2Hz에서 1.0ton/day급의 공급량을 확인하였다. Screw의 volume에 따라 정량 공급 특성이 선형적으로 변화하는 것을 실험을 통해 확인하였다. 가스화 공정과 연계된 가압 정량 공급 장치 운전을 통해, 석탄 공급량 1.0ton/day, 9.9bar 조건에서 안정적인 운전 결과를 확인하였으며, 이러한 가압 정량 공급 장치의 제작에 필요한 제작 비용을 산출해 본 결과, 기존 Pneumatic Transport 방식 대비해서 약 70∼80% 수준의 제작 비용 절감을 기대할 수 있을 것으로 보인다. 본 기술개발을 통해 국내/외 기술이전 2건을 달성하였으며, 향후 석탄 가스화 분야에 건설 비용 절감 및 효율 향상에 기여할 수 있을뿐만 아니라, 다양한 분체 공급 관련 분야에 정량 공급장치로 활용이 가능할 것으로 판단된다. (출처 : 요약문 8p) □ 세부과제 Ⅱ 합성가스로부터 초고부가 LAO(Linear α-Olefins) 생산기술 개발 Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의 금년도에는 실험실급(Stage 2: TRL 4)에서 LAO 고생산성/고선택성 피셔-트롭쉬 합성반응용 촉매개발에 성공하였고, 이를 바탕으로 Stage 3로의 Gate 평가를 통과하였다. 이는 당초의 계획보다 2년 앞당겨 얻는 결과라는 점에서 큰 의미가 있다고 할 수 있다. 금년도에 얻어진 결과는 차년도의 연구에서 벤치급(Stage 3: TRL 5)으로의 Scale-Up 및 실증에 활용할 계획이다. (출처 : 요약문 37p) □ 세부과제 Ⅲ 리그닌 고부가가치화 원천기술 개발 Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의 바닐린 및 방향족 모노머 생산을 위하여 리그닌의 산화반응을 수행하였으며, 배치반응기 형태의 비연속식 반응시스템을 이용하여 촉매개발 및 반응조건을 최적화 한 후, 관형 촉매층반응기형태의 연속식 반응시스템 설계인자로 활용하였다. 촉매로는 Cu와 Mn 금속을 이용한 단일 또는 복합산화물 구조체를, 산화제로는 과산화수소 및 공기를 사용하였다. 비연속식 반응실험에서 Cu와 Mn의 혼합산화물 형태의 촉매가 높은 활성을 나타냈는데, 그 중 Cu와 Mn의 혼합 몰비율이 1:3인 촉매를 사용한 경우에 6.4 wt%의 최대 바닐린 수율과 함께 14.2 wt%의 방향족 산화물 수율을 얻었다. 연속식 반응시스템에서는 촉매층 내부의 효과적인 물질전달을 위하여, Cu와 Mn의 혼합조성을 갖는 펠렛형태의 촉매를 제조하였다. 알루미늄 산화물 펠렛에 Cu와 Mn을 1:1의 질량비로 담지한 촉매와 공기를 산화제로 사용한 경우, 6.1 wt%의 최대 바닐린 수율과 함께 8.4 wt%의 방향족 산화물 수율을 얻었다. 공기와 메탄올-물 혼합물을 각각 산화제 및 반응용매로 사용한 경우, 과산화수소와 물을 사용한 결과에 비하여 바닐린에 대한 선택도가 탁월하게 향상됨을 확인하였다. 바이오매스의 리그닌을 먼저 활용하는 접근으로써 여러 목질계 및 초본계 바이오매스를 방향족 알데하이드류를 생산하기 위한 촉매적 산화반응에 활용하여 보았다. 거대억새를 사용했을 때, 최대 24% 수준의 방향족 모노머 수율에 8.5 wt% 바닐린 수율을 달성하였고, 산화반응후 잔류물 내 존재하는 탄수화물 함량을 측정하여 기존 거대억새 대비 최대 41 wt% 수준의 탄수화물이 바이오에탄올 생산공정에 활용할 수 있음을 확인하였다. 또한, 바이오에탄올 공정 및 펄프공정 부산물로 얻어지는 흑액과 리그닌을 활용하여 방향족 알데하이드류를 생산해 보았을 때, 바이오에탄올 공정 부산물 (흑액 & 리그닌)로부터 최대 수율 17.8%의 방향족 모노머를 생산할 수 있었으나, 펄프공정 부산물 (흑액)로부터 최대 11.0 wt% 수준에 그치는 방향족 모노머 수율을 얻을 수 있었다. 특별한 점은 두 공정의 부산물로써 흑액을 활용했을 때,40 wt% 이상의 유기산 수율을 얻을 수 있었다. 따라서, 본 방향족 알데하이드류 생산 기술을 기존 바이오에탄올 생산공정과 펄프공정에 접목시키는 한편, 추가적으로 생성되는 유기산의 분리회수 방안을 모색하여 공정의 경제성을 극대화시키는 방향으로 활용될 수 있을 것이다. 촉매산화 반응 외에도 리그닌 산화를 위해 전기화학반응을 적용하였다. Kraft 리그닌의 전기화학적 산화반응으로부터 4.5 wt% 바닐린 수율을 확보하였다. 전극의 특성에 따라 리그닌의 산화반응 거동이 크게 다른 것으로 나타났다. Ti 전극에서 리그닌의 전환율은 다소 낮지만, 바닐린의 수율이 반응시간동안 유지되는 것으로 나타났다. 이는 생성된 바닐린의 과도한 산화 반응 진행이 Ti 전극에서 억제되는 것으로 예상되었다. 그러나, 속도론적 해석에 의하면,바닐린의 생성이 아닌 부생성물의 반응속도가 상대적으로 빨라, 바닐린의 선택도가 낮아지는 것으로 파악되었다. 이를 개선하기 위해, Ti 전극에 Ni 성분을 추가하여 합금형태로 전극을 사용하였으나, 조사된 1.5 wt.% 범위 이하의 Ni 함량에서는 바닐린 수율이 크게 향상되지않았다. 따라서, 향후 전극의 개선을 위해서는 금속 나노입자를 이용한 전극 표면의 개질에 대한 연구가 필요할 것으로 사료되었다. (출처 : 요약문 57p) □ 세부과제 Ⅳ 광주 바이오에너지 연구센터 활성화를 위한 기반 연구 (Ⅱ) Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의 ○ 이차전지 재사용 핵심기술 개발 [기술적 측면] - 본 과제에서 개발하는 폐전지 열화진단 기술은 열화원인을 규명하고 재사용 전지 등급 판정 정합성을 높일 수 있음 - 폐배터리 복원 기술을 적용하여 재사용 배터리의 상품성 개선이 가능함 [산업·경제적 측면] - 2020년 기준 전세계 전기차 폐전지 누적 수량은 200GWh1)로 예상되며 적극적 재사용을 통해 당해연도 ESS 시스템 설비 용량 (29GW2))을 감당할 수 있을 것으로 예상됨. (2030년 전기차용 페전지 누적 수량 1,000 GWh 예상1)) - 동 사업의 성공적인 기술개발을 통해 이차전지 재사용 사업화에 중요한 핵심 원천 기술 (열화분석 및 배터리복원)을 확보할 수 있으며 향후 기술이전을 통해 국내 기업이 2030년 기준 448조 규모3)의 ESS 시장을 선도하는데 기여할 수 있을 것으로 보임. 1) BEE, “Second Life-batteries as Flexible Storage For Renewable Energies“, '16.4 2) 산업통상자원부, “에너지 |
