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환경기술개발사업 최종보고서(제출서)
제출문
요약서
요약문
SUMMARY
목차
최종보고서 수정·보완사항 요약문 31
1. 연구개발과제의 개요 33
1-1. 연구개발 목적 33
가. 연구개발 개요 33
나. 기술 및 공정 개념도 33
다. 핵심기술 34
1-2. 연구개발의 필요성 35
가. 산업의 발달에 따른 온실가스 배출량의 증가 35
나. 온실가스 감축 로드맵에 따른 온실가스 회수 및 효율 개선 기술 요구 37
다. Non-CO₂ 온실가스 배출 목표 달성 및 시장 창출 38
라. 기존의 Non-CO₂ 온실가스 저감 기술의 한계 39
마. 저에너지 고효율 비연소 처리 시스템 개발 필요성 41
1-3. 연구개발 범위 42
2. 국내외 기술개발 현황 43
2-1. 국내 기술 수준 및 시장 현황 43
가. 기술현황 43
나. 시장, 경쟁기관 및 지식재산권 현황 43
다. 표준화현황 및 기타현황 44
2-2. 국외 기술 수준 및 시장 현황 45
가. 기술현황 45
나. 시장, 경쟁기관 및 지식재산권 현황 45
3. 연구수행 내용 및 결과 50
3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 50
가. 연구개발의 최종목표 50
나. 연차별 개발목표 및 내용 50
3-2. 연구개발 결과 및 토의 53
가. 고효율 모듈 기술(KIER-모듈 설계 및 제작, 대구가톨릭대학교-모듈 설계 및 전산모사) 53
나. 공정설계 및 경제성 평가를 통한 공정최적화(KIER, 대구카톨릭대학교) 90
다. Reaction enhanced RCS 공정에 대한 경제성 평가 및 향상방안 도출 100
라. 고기능 고상환원제 성형기술(전남대학교) 125
마. 고형환원제 성능 및 물성측정(전남대학교) 132
바. 정부 R&D 특허전략지원 사업 138
사. 신기술 인증 143
아. 연구개발 목표 미비점 보완 계획 146
자. 정량적 성과계획 미비점 보완 계획 148
3-3. 연구개발 결과 요약 150
4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 152
4-1. 목표달성도 152
4-2. 관련분야 기여도 154
5. 연구결과의 활용계획 155
5-1. 연구개발결과의 활용방안 155
5-2. 사업화계획 및 효과 156
가. 사업화계획 156
나. 사업화 전략 158
다. 사업화를 위한 비즈니스 모델 158
6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 162
6-1. 해외 기술개발 현황 162
6-2. 국내 기술개발 현황 164
7. 연구개발결과의 보안등급 165
8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비현황 166
9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 167
10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 168
11. 기타사항 170
12. 참고문헌 171
연구개발성과활용 계획서 174
자체평가의견서(주관기관) 186
환경기술개발사업 최종보고서(제출서) 191
제출문 192
요약서 193
요약문 195
SUMMARY 198
목차 200
최종보고서 수정·보완사항 요약문 203
1. 연구개발과제의 개요 204
1.1. 연구개발 목적 204
1.2. 연구개발의 필요성 204
2. 연구개발 국내·외 현황 206
2.1. 해외 기술개발 동향 206
2.2. 국내 기술개발 동향 209
3. 연구수행내용 및 결과 211
3.1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 211
3.1.1. 연구개발의 최종목표 211
3.1.2. 연도별 연구개발의 목표 및 내용 211
3.1.3. 연도별 연구개발의 추진일정 212
3.1.4. 주요 연구계획 변경사항 212
3.1.5. 평가의 착안점 및 기준 212
3.1.6. 연구개발의 추진전략·체계 및 연구수행 방법 214
3.1.7. 연차별 연구수행 방법 216
3.1.8.기술의 차별성 217
3.2. 세부 개발내용 및 방법 220
3.2.1. 연구개요 220
3.2.2. 실험방법 220
3.2.3. 상용촉매의 비활성화 원인분석 223
3.2.4. 활성물질 적용을 통한 촉매의 성능개선 226
3.2.5. 내열성 증진 물질의 적용을 통한 촉매 개발 232
3.2.6. 촉매 양산 기술 및 강도 개선 240
3.2.7. 흡착제 적용 실험 245
3.3. 연구개발 결과 요약 248
4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 250
4.1. 목표달성도 250
4.2. 관련분야 기여도 251
5. 연구결과의 활용계획 252
6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 254
7. 연구개발결과의 보안등급 254
8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비현황 255
9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 255
10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 255
11. 기타사항 256
12. 참고문헌 256
연구개발성과 확약서 260
연구개발성과활용 계획서 261
자체평가의견서(주관기관) 273
〈표 1.2.1〉 온실가스의 종류 및 지구 온난화 지수 36
〈표 1.2.2〉 국내 F함유 가스(HFCs, PFCs, SF6)의 예측 배출량(이미지참조) 37
〈표 1.2.3〉 환경부 글로벌 탑 환경 기술 개발사업의 기술 분류표 39
〈표 1.2.4〉 불화가스 저감 기술들의 특징 40
〈표 2.1.1〉 국내 기업들의 시제품 및 기술 현황 44
〈표 2.1.2〉 국내 촉매분해 설비 기술 수준 45
〈표 2.1.3〉 불화가스 처리관련 미국특허 46
〈표 2.1.4〉 불화가스 처리관련 일본특허 47
〈표 2.1.5〉 불화가스 처리설비기술을 보유한 미국, 일본의 주요 기업들의 시제품 및 기술... 48
〈표 3.2.1〉 촉매, 고형환원제의 성능평가에 실시된 공정조건 61
〈표 3.2.2〉 3단 반응기 구성으로 조합된 Cat.+SiCaO의 성능 평가 62
〈표 3.2.3〉 도입된 Ca(OH)₂ 고형환원제의 성능평가에 실시된 공정조건 63
〈표 3.2.4〉 6단 고정층 반응기의 성능평가를 실시한 공정조건 66
〈표 3.2.5〉 3단 촉매/흡착제 다단 SF6 반응기의 반응온도에 따른 흡착제 XRF 분석 결과(이미지참조) 75
〈표 3.2.6〉 공정조건 대입에 따른 열 회수율과 에너지 소비량과의 상관관계 77
〈표 3.2.7〉 일체형 PFCs 처리장치를 구성하는 장비들의 위치와 역할 80
〈표 3.2.8〉 Lab. Scale과 On-site Scale에서의 공정조건 비교 81
〈표 3.2.9〉 On-site Scale의 2000SLM급 고상환원제 연속공급형 산성가스 환원장치의... 82
〈표 3.2.10〉 On-site Scale의 2000SLM급 고상환원제 연속공급형 산성가스 환원장치의... 82
〈표 3.2.11〉 원캔방식 촉매/흡착제 일체형 다단 반응기 성능평가 결과(2016. 06. 10) 85
〈표 3.2.12〉 촉매분해-산성가스 제거 일체형 다단 반응기 시험가동 일지 87
〈표 3.2.13〉 온실가스의 지구온난화지수(global warming potential, GWP) 수치 90
〈표 3.2.14〉 유입물 조건 93
〈표 3.2.15〉 Unisim Design Suite®를 사용하여 얻은 단일 반응기(single reactor) 결과(이미지참조) 94
〈표 3.2.16〉 단일 반응기 공정(750℃)과 다중 반응기 공정(500~700℃)에서의 결과 95
〈표 3.2.17〉 시뮬레이션을 통해 얻은 단일·다중 반응기 공정온도 비교 96
〈표 3.2.18〉 단일 반응기와 다중 반응기가 같은 전환율일 때, 필요로 하는 열량, 메탄 양 및... 98
〈표 3.2.19〉 경제성 평가의 분류 99
〈표 3.2.20〉 천연가스(NG) 양에 따른 평가 99
〈표 3.2.21〉 온도에 따른 CF₄(사불화탄소) 전환율 101
〈표 3.2.22〉 천연가스를 바탕으로 한 초기 경제성 평가 106
〈표 3.2.23〉 단일 반응기(1023K)과 다중 반응기(894.4K)에 대한 에너지 소비 비교 108
〈표 3.2.24〉 단일 반응기(973K)와 다중 반응기(862.6K)에 대한 에너지 소비 비교 108
〈표 3.2.25〉 CaO/SiO₂ 조성별 1, 2, 4, 8시간 소성 후 SSA, Total volume, Average pore... 128
〈표 3.2.26〉 CaO/SiO₂ 조성별 SSA, Total Volume, Average Pore diameter 130
〈표 3.2.27〉 유기바인더에 따른 고형환원제 강도 132
〈표 3.2.28〉 CaO/SiO₂ 고형환원제 SSA, Total Volume, Average Pore diameter 135
〈표 3.2.29〉 특허전략 지원사업을 진행하기 위한 최소 기술 요건 139
〈표 3.2.30〉 회의록 요약본 141
〈표 3.2.31〉 신기술 인증 진행 상황 및 결과 143
〈표 3.2.32〉 시스템 개선 일정 144
〈표 3.2.33〉 최종목표 대비 미달성 성능목표 목록 146
〈표 3.2.34〉 최종목표 대비 미달성 성능목표 목록 147
〈표 3.2.35〉 미달성 성능목표 달성 위한 계획 및 일정 148
〈표 3.2.36〉 최종목표 대비 미달성 정량적 목표 목록 149
〈표 5.2.1〉 연도별 사업화 계획 및 매출 목표 157
〈그림 1.1.1〉 기존 PFCs 처리공정의 문제점 및 해결 방안 33
〈그림 1.1.2〉 Reaction Enhanced RCS 개념도, 핵심 반응식 및 반응온도 저감 효과 33
〈그림 1.2.1〉 산업공정 분야(반도체 및 디스플레이) PFCs 배출량(1990~2012) 35
〈그림 1.2.2〉 온실가스의 주요 수단별 감축 목표 및 이행 로드맵 38
〈그림 1.2.3〉 Reaction Enhanced 고효율 RCS 41
〈그림 3.2.1〉 3단 PFC가스 처리장치 구성도 53
〈그림 3.2.2〉 싸이클론 환원장치 일체형 PFC분해 RCS 장치 구상도 54
〈그림 3.2.3〉 고정층 + 유동층 반응기 구상도 55
〈그림 3.2.4〉 고정층+고정층이 혼재된 Cascade 형태의 반응기 구상도 55
〈그림 3.2.5〉 고정층+유동층 반응기 구상도 56
〈그림 3.2.6〉 고상환원제 연속공급형 산성가스 환원장치 시스템의 초기 도안 56
〈그림 3.2.7〉 단일 CF₄ 촉매분해 반응기와 반응-분리 3단 구성의 RCS 성능 전산모사 결과 57
〈그림 3.2.8〉 촉매분해-싸이클론 환원장치의 이원으로 구성된 PFCs 처리 시스템 58
〈그림 3.2.9〉 연속공급 시스템에서의 PFCs 가스 흐름도 59
〈그림 3.2.10〉 CaO 연속 공급형 시스템의 구성도 60
〈그림 3.2.11〉 3단 반응/분리 효과를 유도하기 위한 다단 반응기 실험 구성도 61
〈그림 3.2.12〉 3단 반응/분리 효과를 유도함과 동시에 대체된 환원제를 평가하기 위한 다단... 63
〈그림 3.2.13〉 3단 반응기의 CF₄ 및 SF6 전환율 및 후단 배출가스 중 포함된 HF의 농도(이미지참조) 64
〈그림 3.2.14〉 실험 전후의 3단 반응기에 충진된 촉매(γ-Al₂O₃) 및 상환원제(Ca(OH)₂)에... 65
〈그림 3.2.15〉 6단 반응/분리 효과가 유도된 다단 반응기 실험 구성도 67
〈그림 3.2.16〉 6단 반응기에서의 CF₄ 전환율 67
〈그림 3.2.17〉 Lab-scale 촉매/흡착제 다단 반응실험 및 전산모사를 위한 다단반응기 구성도 68
〈그림 3.2.18〉 Le Chatelier의 원리에 의해 가속되는 CF₄ 가수분해반응의 모식도 69
〈그림 3.2.19〉 CF₄ 다단 반응 실험 및 전산모사 결과 70
〈그림 3.2.20〉 CF₄ 가수분해 반응 전·후 촉매 및 흡착제 SEM/XRD 분석 결과 70
〈그림 3.2.21〉 Lab-scale 촉매/흡착제 CF₄ 다단 반응실험 구성도 및 전산모사를 위한... 71
〈그림 3.2.22〉 2~8단으로 촉매/흡착제가 구성된 반응기의 반응 온도-다단반응 개수 별 실험... 71
〈그림 3.2.23〉 촉매/흡착제가 4단으로 구성된 반응기의 시간에 따른 Ca(OH)₂ 흡착제 내구성... 72
〈그림 3.2.24〉 Lab-scale 촉매/흡착제 CF₄ 다단 반응실험 구성도 및 전산모사를 위한... 73
〈그림 3.2.25〉 Le Chatelier의 원리에 의해 가속되는 SF6 가수분해반응의 모식도(이미지참조) 73
〈그림 3.2.26〉 SF6 가수분해 반응의 다단 반응 구성에 따른 CaF₂형성 경향(이미지참조) 74
〈그림 3.2.27〉 촉매/흡착제가 1~3단으로 구성된 반응기의 반응온도 및 시간에 따른... 74
〈그림 3.2.28〉 촉매/흡착제가 3단으로 구성된 반응기의 7시간 후 Ca(OH)₂ 흡착제 XRD 분석... 75
〈그림 3.2.29〉 에너지 저감률을 평가하기 위해 실시한 다중 반응기 전산모사의 공정조건 및... 78
〈그림 3.2.30〉 다단 반응기에서의 열 교환기의 효율에 따른 에너지 소비량 78
〈그림 3.2.31〉 촉매분해 및 연속식 산성가스 제거 일체형 PFCs 처리장치의 실제 사진 79
〈그림 3.2.33〉 일체형 PFCs 처리장치를 구성하는 반응기 및 습식 스크러버의 설치 과정 ;(a)... 80
〈그림 3.2.34〉 촉매/흡착제로 구성된 PFC 처리장치의 구성도 83
〈그림 3.2.35〉 촉매/흡착제 다단 반응기로 구성된 PFC 처리장치의 차기 장치 설계 도면 84
〈그림 3.2.35〉 원캔방식 촉매-흡착제 일체형 다단 반응기 제작 사진 및 위치별 기능 84
〈그림 3.2.36〉 원캔방식 촉매/흡착제 일체형 다단 반응기 제작 후 자체 성능 평가 85
〈그림 3.2.27〉 촉매분해-산성가스 제거 일체형 다단 반응기 설계 도면 86
〈그림 3.2.28〉 촉매분해-산성가스 제거 일체형 다단 반응기 모형 86
〈그림 3.2.39〉 촉매분해-산성가스 제거 일체형 다단 반응기 실제 사진 및 PFC 가스 처리... 87
〈그림 3.2.40〉 반응기 유로 개선 전·후 3D이미지 및 내부 유속 CFD 결과 88
〈그림 3.2.41〉 반응기 유로 개선 전 공인인증 평가 실시(수행기관 : 한국산업기술시험원... 89
〈그림 3.2.42〉 반응기 유로 개선 후 공인인증 평가 실시(수행기관 : 한국산업기술시험원... 89
〈그림 3.2.43〉 상업용 촉매의 실험 결과 92
〈그림 3.2.44〉 Unisim Design Suite®를 이용한 단일 반응기 공정 설계(이미지참조) 93
〈그림 3.2.45〉 단일 반응기 공정과 다중 반응기 공정설계도 95
〈그림 3.2.46〉 목표 온도를 찾기 위한 Unisim Design Suite® 모델 구성(이미지참조) 95
〈그림 3.2.47〉 반응 온도에 따라 단일 반응기와 다중 반응기의 CaF₂ 생산에 미치는 영향 97
〈그림 3.2.48〉 온도에 따른 CF₄(사불화탄소) 전환율 100
〈그림 3.2.49〉 Aspen HYSYS®를 이용한 단일 반응기 공정 설계(이미지참조) 101
〈그림 3.2.50〉 (a) 단일 반응기, (b) 2차 다중 반응기, (c) 3차 다중 반응기에 대한... 102
〈그림 3.2.51〉 Aspen HYSYS®를 이용한(a) 단일 반응기(S-1), (b) 2차 다중...(이미지참조) 103
〈그림 3.2.52〉 Aspen HYSYS®를 이용한(a) 2차(S-2), (b) 4차(S-4), (c) 6차(S-6),...(이미지참조) 104
〈그림 3.2.53〉 873K~1023K에서의 단일 반응기(S-1), 2차 다중 반응기(S-2), 3차 다중... 105
〈그림 3.2.54〉 (a) 단일 반응기와 (b) 다중 반응기에서의 열 회수 공정 107
〈그림 3.2.55〉 (a) 923K, (b) 973K, (c) 1023K에서의 공정모사 결과와 실험 결과에 대한... 109
〈그림 3.2.56〉 열원으로서 중앙에 heating tube를 가진 반응기 구조 113
〈그림 3.2.57〉 고정된 반응기 온도(923K)하에서 다양한 heating tube 온도(1023K,... 114
〈그림 3.2.58〉 고정된 반응기 온도(923K)하에서 다양한 heating tube 온도(1023K,... 114
〈그림 3.2.59〉 고정된 heating tube 온도(923K)에서의 다양한 반응기 온도(1023K, 1073K,... 115
〈그림 3.2.60〉 분리막 반응기 구조 116
〈그림 3.2.61〉 고정된 분리막 반응기 온도(923K)하에서 다양한 heating tube 온도(1023K,... 118
〈그림 3.2.62〉 고정된 분리막 반응기 온도(923K)하에서 다양한 heating tube 온도(1023K,... 120
〈그림 3.2.63〉 반응기에서의 몰농도 분포, 위에서 아래방향으로 heating tube의 온도는... 121
〈그림 3.2.64〉 사이클론 모형의 두 단면 122
〈그림 3.2.65〉 CaO/SiO₂ 혼합물 TEM image와 EDX spectra; (a)... 126
〈그림 3.2.66〉 CaO/SiO₂ 환원제의 CaO 비율별 XRD 그래프 126
〈그림 3.2.67〉 CaO/SiO₂ 조성별 소성 후 BET 및 Pore size distribution; ... 128
〈그림 3.2.68〉 비율별 CaO/SiO₂ 질소 흡착-탈착 등온선 그래프, Pore size... 130
〈그림 3.2.69〉 강도 측정 공인인증서 131
〈그림 3.2.71〉 고형환원제 단면 몰폴로지; (a) Ca(OH)₂-2MC and (b) CaO/SiO₂-2MC 132
〈그림 3.2.72〉 비율별 CaO/SiO₂ 질소 흡착-탈착 등온선 그래프, Pore size... 134
〈그림 3.2.73〉 HF 반응기 구조 및 구동 방법 136
〈그림 3.2.74〉 700℃에서 Lab scale용 HF 제거 반응기 실험 136
〈그림 3.2.75〉 CaF₂의 SEM 이미지와 EDX 그래프; (a) 50 wt% CaO/SiO₂ 고형환원제... 137
〈그림 3.2.76〉 CaF₂의 XRD 그래프 138
〈그림 3.2.77〉 특허전략 지원사업 진행도 139
〈그림 3.2.78〉 특허 분석에 따른 세부기술별·년도별 출원동향 및 주요 출원인별 세부기술... 142
〈그림 3.2.79〉 촉매분해-산성가스 제거 일체형 다단 불화가스 처리장치 공정도 145
〈그림 3.2.80〉 열교환기와 흡착제 연속 공급·배출 시스템이 적용된 촉매분해-산성가스... 145
〈그림 5.2.1〉 대용량 고효율 PFC 처리기술의 기술사업화 프로세스 156
〈그림 5.2.2〉 수요기업 특화형 비즈니스 모델 157
〈그림 5.2.3〉 PFC 처리기술의 주요 수요업체 160
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