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SUMMARY
목차
1. 연구개발과제의 개요[내용누락;p.1] 31
1-1. 연구개발 목적[내용누락;p.1] 31
1-2. 연구개발의 필요성[내용누락;p.3] 31
가. 국내 가축분뇨의 발생량 및 처리현황[내용누락;p.3] 31
나. 신재생에너지원으로서 가축분뇨의 가치 34
다. 가축분뇨의 고체연료로서의 이용특성 및 가치 36
1-3. 연구개발 범위 38
2. 국내외 기술개발 현황 41
2-1. 해외 기술개발 동향 41
2-2. 국내 기술개발 동향 44
3. 연구수행 내용 및 결과 47
3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 47
가. 연구개발 최종목표 47
나. 연차별 개발목표 및 내용 48
다. 연차별 연구수행 목표 및 방법 49
라. 연구개발 추진전략 및 추진체계 56
3-2. 연구개발 결과 및 토의 58
가. 1차년도 연구개발 결과 58
나. 2차년도 연구개발 결과 163
3-3. 연구개발 결과 요약 230
4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 235
4-1. 목표달성도 235
4-2. 관련분야 기여도 239
5. 연구결과의 활용계획 240
6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 242
7. 연구개발결과의 보안등급 243
8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 244
9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 245
10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 246
11. 기타사항 247
12. 참고문헌 248
부록 : 유지관리지침서 251
[표 1.1] 국내 가축분뇨 처리 현황 33
[표 1.2] 가축분뇨 공공처리 슬러지 부존 잠재량 추산 37
[표 2.1] 미국의 주요 바이오가스 선도기업 현황 41
[표 2.2] 일본의 주요 바이오가스 선도기업 현황 43
[표 2.3] 국내 고체연료 관련 기술 개발 현황 46
[표 3.1] 국내 가축분뇨 공공처리시설 운영현황(환경부, 2013) 및 고체연료 생산가능량 예측... 59
[표 3.2] 경상남도 지역 가축분뇨 공공처리시설 현황 63
[표 3.3] 데칸터 탈수 돈분슬러지의 성상 및 발열량 68
[표 3.4] 탈수에 미치는 주요 영향인자 76
[표 3.5] 탈수보조제의 종류 및 첨가량 81
[표 3.6] 탈수 보조제 첨가에 따른 탈수 효율 평가 결과 81
[표 3.7] 첨가제 농도에 따른 탈수 효율 평가 결과 82
[표 3.8] 탈수보조제 혼합 시간에 따른 탈수 효율 평가 결과 85
[표 3.9] 여과포 직조방식에 따른 여과거동 86
[표 3.10] 여과포 특성 87
[표 3.11] 여과포 종류에 따른 탈수 효율 평가 결과 88
[표 3.12] 공급 압력에 따른 탈수 효율 평가 실험 조건 91
[표 3.13] 공급 압력에 따른 탈수 효율 평가 결과 92
[표 3.14] 여과 챔버 두께에 따른 탈수 효율 평가 실험 조건 93
[표 3.15] 여과 챔버 두께에 따른 탈수 효율 평가 결과 94
[표 3.16] 탈수 시간에 따른 탈수 효율 변화 실험 조건 95
[표 3.17] 탈수시간에 따른 탈수 효율 결과 95
[표 3.18] 돈분슬러지의 Filter Press 가압탈수 조건 96
[표 3.19] 돈분슬러지 가압탈수 Pilot Test 결과 요약 97
[표 3.20] 건조방식에 따른 특징 100
[표 3.21] 돈분케이크의 진공건조 기초실험 결과 110
[표 3.22] 가축분뇨 고체연료의 품질 기준 115
[표 3.23] 돈분 탈수케이크 삼성분, 발열량 분석 결과 116
[표 3.24] 탈수공정 돈분 시료별 삼성분, 발열량 분석 결과 117
[표 3.25] 탈수+건조공정 돈분 시료별 삼성분, 발열량 분석 결과 118
[표 3.26] 건조시간에 따른 수분변화 분석실험 대상 시료 119
[표 3.27] 돈분 건조 시간에 따른 수분 변화 120
[표 3.28] Lab Scale 압축성형 실험장치 사양 122
[표 3.29] 0.3톤/시 급 성형장치 사양 125
[표 3.30] 돈분 성형 펠렛 삼성분, 발열량 분석 결과 128
[표 3.31] 생산성을 고려한 10톤/일 급 고체연료 성형장치 주요 설계인자 129
[표 3.32] 구조적 안정성을 고려한 10톤/일 급 고체연료 성형장치 설계인자 130
[표 3.33] 경상남도 내 가축분뇨 공공처리시설 운영현황 및 유입수질 135
[표 3.34] 경상남도 내 가축분뇨 공공처리시설 처리공법, 방류수질 및 방류하천 136
[표 3.35] 경상남도 내 가축분뇨 공공처리시설에서 생산 가능한 고체연료의 양 138
[표 3.36] 김해공동자원화시설 내 유입원수, 고/액 분리액, 액비, 탈수케이크 및 고체연료 생산... 140
[표 3.37] 김해공동자원화시설 내 유입원수, 고/액 분리액, 액비, 고체연료 생산시설의 탈수여액,... 141
[표 3.38] 건조장치 응축수 성분 및 플라즈마 처리수 성상 변화 145
[표 3.39] 본 연구에서 사용된 슬래그 여재의 성분 및 함량 148
[표 3.40] 본 연구에서 사용된 슬래그 여재의 흡착등온상수 150
[표 3.41] 김해 공동자원화시설 부지 내 악취 현황(2016) 155
[표 3.42] 실증화시설 부지 내 악취(2017) 156
[표 3.43] 지정악취물질의 오존 반응 메커니즘 157
[표 3.44] Test-bed 위치 변경에 따른 사항 163
[표 3.45] 시운전 시 생산된 돈분 펠렛의 삼성분, 발열량 분석 결과 199
[표 3.46] 성형장치 운전시 주요 문제점 200
[표 3.47] 고압착 필터프레스 탈수장치 운전 Sequence Diagram 211
[표 3.48] 가축분뇨 고체연료의 품질 기준 215
[표 3.49] 돈분 시료 삼성분, 발열량 분석 결과 DB(자체 분석) 216
[표 3.50] 최종 생산 펠렛 품질 분석 결과(KTR 분석) 217
[표 3.51] N사 바인더 검토용 물질 분석 결과(인터텍 분석) 218
[표 3.52] 바인더 혼합 돈분 고체연료 분석 결과(KTR 분석) 219
[표 3.53] 돈분 고체연료 분석결과(KTR 분석) 222
[표 3.54] 시설 가동 상황 별 플라즈마에 의한 악취 측정 224
[표 3.55] 경제성 평가 228
〈그림 1.1〉 가축분뇨 고체연료화 공정 개략도(안)[내용누락;p.2] 31
〈그림 1.2〉 최근 5년간(2007~2013년) 국내 가축 사육 두수 및 가축분뇨 발생량 변화[내용누락;p.3] 31
〈그림 1.3〉 가축분뇨 종류별 발생량[내용누락;p.3] 31
〈그림 1.4〉 국내 시, 도별 가축분뇨 발생량 32
〈그림 1.5〉 연구개발 목표 및 범위 40
〈그림 2.1〉 Process Development Unit 42
〈그림 2.2〉 SlrryCarb Process 42
〈그림 2.3〉 우분을 이용한 고체연료 생산 공정 45
〈그림 3.1〉 가축분뇨 고체연료화 통합 연구체계 50
〈그림 3.2〉 가축분뇨 고체연료 성형장치 개발 체계 51
〈그림 3.3〉 가축분뇨 고체연료 생산 중 발생하는 탈수여액 및 응축액의 처리 방안 모색도 51
〈그림 3.4〉 가축분뇨 고체연료 생산 중 발생하는 악취의 처리 방안 모색도 52
〈그림 3.5〉 실증화 설비의 구성 및 Process Flow Diagram 52
〈그림 3.6〉 실증화 설비의 기계 배치도 53
〈그림 3.7〉 가축분뇨(돈분뇨) 고체연료 10톤/일 생산을 위한 물질 및 에너지수지 예시(도) 54
〈그림 3.8〉 10톤/일 급 고체연료 성형장치 시운전 및 평가 55
〈그림 3.9〉 가축분뇨 고체연료 기술개발 총괄 추진전략 57
〈그림 3.10〉 기술개발 추진체계 57
〈그림 3.11〉 김해시양돈영농조합법인 공동자원화센터 공정도 64
〈그림 3.12〉 김해시 가축분뇨 공공처리시설 공정도 64
〈그림 3.13〉 산청 가축분뇨 공공처리시설 공정도 65
〈그림 3.14〉 함안 가축분뇨 공공처리시설 공정도 66
〈그림 3.15〉 합천군 가축분뇨 공공처리시설 공정도 66
〈그림 3.16〉 현장방문 및 가축분뇨 처리현황조사 67
〈그림 3.17〉 Test-bed 구축 MOU 68
〈그림 3.18〉 함수율에 따른 돈분의 발열량 69
〈그림 3.19〉 Test-bed 처리계통도(예시) 69
〈그림 3.20〉 Test-bed 설치계획 부지 70
〈그림 3.21〉 Test-bed 기계배치 계획도(예시) 70
〈그림 3.22〉 Filtration mechanism 73
〈그림 3.23〉 슬러지내 입자표면의 액체 분포 76
〈그림 3.24〉 슬러지내 입자표면의 액체 부착 특성 메카니즘 77
〈그림 3.25〉 탈수메카니즘 및 여과포에 부착된 입자의 형상 77
〈그림 3.26〉 탈수장치 여과포 및 여과포에 부착된 슬러지 입자의 형상 78
〈그림 3.27〉 Cylinder Filter Press 개요도(a) 및 모습(b) 80
〈그림 3.28〉 탈수보조제 종류에 따른 탈수 여액 배출속도 82
〈그림 3.29〉 탈수보조제 첨가량에 따른 탈수 여액 배출속도 83
〈그림 3.30〉 탈수보조제와 돈분슬러지 혼합 Pilot 실험장치 83
〈그림 3.31〉 Pilot Mixer 혼합하는 모습 84
〈그림 3.32〉 돈분슬러지와 탈수보조제의 혼합 시간에 따른 탈수여액 배출 85
〈그림 3.33〉 여과포 직조방식 86
〈그림 3.34〉 여과포 직조방식에 따른 형상 87
〈그림 3.35〉 돈분슬러지 탈수를 위한 Filter Press 탈수장치 89
〈그림 3.36〉 Filter Press 돈분슬러지 탈수공정 89
〈그림 3.37〉 Filter Press 탈수 영향인자 90
〈그림 3.38〉 탈수케이크 형상 및 탈수케이크 박리 후 여과포 상태 92
〈그림 3.39〉 여과포 자동세정 장치 99
〈그림 3.40〉 건조특성곡선 101
〈그림 3.41〉 슬러지내 수분분포 102
〈그림 3.42〉 슬러지 건조시 건조속도와 함수율의 관계 103
〈그림 3.43〉 물의 삼태 곡선 104
〈그림 3.44〉 Rotary Vacuum Paddle Dryer 장치 도면 및 제작사진 106
〈그림 3.45〉 진공건조 시스템 구성 사진 107
〈그림 3.46〉 돈분슬러지 탈수 및 건조 과정 107
〈그림 3.47〉 돈분케이크 진공건조기(RVPD) 운전자료(진공도 200 Torr) 111
〈그림 3.48〉 돈분 탈수케이크(원시료) 115
〈그림 3.49〉 돈분 탈수케이크의 함수율에 따른 발열량 변화 116
〈그림 3.50〉 건조 시간에 따른 수분 변화 120
〈그림 3.51〉 Lab Scale 압축성형 실험장치(Mounting Press) 121
〈그림 3.52〉 돈분 Lab Scale 압축성형 실험 결과 123
〈그림 3.53〉 0.3톤/시 급 성형장치 및 개념도 124
〈그림 3.54〉 돈분 성형 펠렛 126
〈그림 3.55〉 돈분 시료 보유 수분에 의한 시료 뭉침 현상 126
〈그림 3.56〉 성형실험 전/후 돈분 수분 변화 127
〈그림 3.57〉 생산성을 고려한 10톤/일 급 고체연료 성형장치 주요 설계인자 128
〈그림 3.58〉 10톤/일 급 돈분 성형장치 설계도면 131
〈그림 3.59〉 10톤/일 급 돈분 성형장치 제작 132
〈그림 3.60〉 10톤/일 급 돈분 성형장치(압축롤러 및 고정대) 132
〈그림 3.61〉 10톤/일 급 돈분 성형장치(다이스 및 가이드 베인) 133
〈그림 3.62〉 10톤/일 급 돈분 성형장치(구동축) 133
〈그림 3.63〉 10톤/일 급 돈분 성형장치(구동모터 / 감속기) 134
〈그림 3.64〉 10톤/일 급 돈분 성형장치(PLC control panel) 134
〈그림 3.65〉 김해 공동자원화센터 돈분 처리 공정도 137
〈그림 3.66〉 가축분뇨 고체연료 생산 중 발생하는 탈수여액 및 응축액의 처리 방안 모색도 142
〈그림 3.67〉 가축분뇨 고체연료 생산 중 발생하는 탈수여액 및 응축액 이송 배관 142
〈그림 3.68〉 저온플라즈마에 의한 유기물 제거 메커니즘 143
〈그림 3.69〉 폐수처리(유기물 및 질소처리) 용 파일럿 플라즈마 장치 144
〈그림 3.70〉 플라즈마 응축수 처리 공정도 145
〈그림 3.71〉 응축수 처리 전 후 유기물 (A), 질소성분 (B) 및 인 성분 (C) 농도변화 146
〈그림 3.72〉 본 연구에 사용된 철강슬래그 147
〈그림 3.73〉 철강슬래그에 의한 인 제거 실험 148
〈그림 3.74〉 반응성 슬래그 여재에 의한 인 제거 성능 테스트 149
〈그림 3.75〉 흡착제로 Uncoated slag와 CNT-coated slag를 이용 시... 152
〈그림 3.76〉 CNT-coated slag 반응조에서의 인, 아연 및 구리의 농도 변화 153
〈그림 3.77〉 고체연료 생산시설의 탈수여액, 응축액의 처리 공정안 154
〈그림 3.78〉 응축수 처리 공정 154
〈그림 3.79〉 오존과 악취물질의 산화 반응 157
〈그림 3.80〉 플라즈마 발생장치를 통한 악취처리 공정(안) 158
〈그림 3.81〉 플라즈마 발생장치를 기계실 내부에 설치하여 악취를 처리하는 공정(안) 159
〈그림 3.82〉 가축분뇨 고체연료 생산을 위한 물질수지도 160
〈그림 3.83〉 돈분의 고체연료 생산 물질 및 에너지수지도 162
〈그림 3.84〉 실증화 설비 구성도 164
〈그림 3.85〉 고압착 필터프레스 탈수장치 도면 168
〈그림 3.86〉 고압착 필터프레스 탈수장치 제작 169
〈그림 3.87〉 고압착 필터프레스 탈수장치 설치 170
〈그림 3.88〉 돈분슬러지 혼합장치 도면 171
〈그림 3.89〉 돈분슬러지 혼합장치 제작 172
〈그림 3.90〉 돈분슬러지 혼합장치 설치 173
〈그림 3.91〉 진공 건조장치 도면 174
〈그림 3.92〉 진공 건조장치 제작 175
〈그림 3.93〉 진공 건조장치 설치 176
〈그림 3.94〉 진공장치 도면 177
〈그림 3.95〉 진공장치 설치 178
〈그림 3.96〉 응축장치 도면 179
〈그림 3.97〉 응축장치 제작 180
〈그림 3.98〉 응축장치 설치 181
〈그림 3.99〉 스팀 보일러 설치 182
〈그림 3.100〉 쿨링타워 설치 183
〈그림 3.101〉 성형장치 조립도 184
〈그림 3.102〉 성형 냉각장치 도면 184
〈그림 3.103〉 성형장치 설치 185
〈그림 3.104〉 플라즈마 악취제거 장치 도면 186
〈그림 3.105〉 플라즈마 악취제거 장치 설치 187
〈그림 3.106〉 실증화 시설의 P&ID 188
〈그림 3.107〉 평면계획 189
〈그림 3.108〉 단면계획 189
〈그림 3.109〉 3D 배치도 190
〈그림 3.110〉 Test-bed 건축허가 및 준공승인 191
〈그림 3.111〉 Test-bed 기초 토목공사 작업 192
〈그림 3.112〉 실증화 장치 설치 사진 193
〈그림 3.113〉 실증화 장치 설치 전경 194
〈그림 3.114〉 Test-bed 철골 및 외벽 판넬 설치 작업 195
〈그림 3.115〉 테스트베드 외부 전경 196
〈그림 3.116〉 배관 설치 작업 197
〈그림 3.117〉 보온 작업 197
〈그림 3.118〉 10톤/일 급 성형장치 시운전 계획 198
〈그림 3.119〉 톤/일 급 가축분뇨 고체연료 성형장치 시운전 198
〈그림 3.120〉 생산성을 고려한 10톤/일 급 고체연료 성형장치 주요 설계인자 200
〈그림 3.121〉 성형장치 운전 시 발생된 문제점 201
〈그림 3.122〉 성형장치 보완 201
〈그림 3.123〉 사일로식 냉각장치 설계 202
〈그림 3.124〉 사일로식 냉각장치 203
〈그림 3.125〉 성형-냉각장치 설치도 204
〈그림 3.126〉 성형-냉각장치 배가스 라인 ISO 도면 204
〈그림 3.127〉 성형-냉각장치 배가스 라인 detail 도면 205
〈그림 3.128〉 실증화 공정 모니터링 HMI 화면 207
〈그림 3.129〉 건조기 철거 및 Shell 변형모습 208
〈그림 3.130〉 돈분슬러지 혼합장치 투입(a) 및 함수율(b), 탈수보조제 혼합모습 209
〈그림 3.131〉 고압착 필터프레스 탈수케이크(a), 케이크 무게(b), 케이크 함수율(c) 212
〈그림 3.132〉 건조물 형상 및 함수율 213
〈그림 3.133〉 건조물 이송을 위한 스크류 이송장치 도면 214
〈그림 3.134〉 10톤/일 급 가축분뇨 고체연료 성형실험 215
〈그림 3.135〉 바인더 혼합 돈분 성형실험 218
〈그림 3.136〉 TGA 분석 조건 220
〈그림 3.137〉 DTA 분석 조건 220
〈그림 3.138〉 돈분 고체연료 TGA, DTA 분석 결과 221
〈그림 3.139〉 악취처리용 파일럿 플라즈마 장치 223
〈그림 3.140〉 유량에 따른 NH₃, H₂S 제거율 226
〈그림 3.141〉 돈분 고체연료 생산 Process Flow Diagram 227
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