모델링에 의한 하수처리공정의 아산화질소(N2O) 배출량 비교분석: 기존산정방식 vs 모델링

안세영,김해림 대한환경공학회 2023 대한환경공학회지 Vol.45 No.8

This study examined the existing methodologies and the applicability of process modeling concerning the estimation of nitrous oxide (N2O) emissions from wastewater treatment processes. The method of extimating N2O emissions from wastewater occurring during biological nitrification and denitrification processes can be divided into those before and after legal nitrogen effluent quality enhancement for domestic wastewater treatment plant. Initial IPCC guidelines such as IPCC 1996 GL, GPG 2000, and IPCC 2006 GL, provided methods for estimating N2O emissions throughout domestic wastewater, while the revised version, IPCC 2019 RF, proposed methods for estimating each N2O emission by distinguishing wastewater treatment and effluent after the advancement of wastewater treatment plants. The National Greenhouse Gas Inventory Report (NIR) in Korea adopted the methodology of GPG 2000, and the Emissions Trading System (ETS) applies the estimation method of IPCC 2006 GL in the wastewater treatment plants. This study utilized process modeling to consider the process characteristics and operating conditions of wastewater treatment plants. IPCC, NIR, and ETS estimate N2O emissions based on nitrogen behavior activity data and emissions factors. On the other hand, process modeling estimates N2O emissions in each unit process of the wastewater treatment plant using a 4-step AOB nitrification/4-step denitrification model and a liquid/gas transfer model. The estimation results of N2O issions from modeling method were compared with the estimation results of IPCC, NIR, and ETS to analyze the suitability of the estimation method. Through this, it was evaluated how appropriate process modeling is for estimating N2O emissions in domestic wastewater treatment plants. 본 연구는 하수처리과정에서 배출되는 아산화질소(N2O)의 산출방법과 관련하여 기존 방법론을 분석하고 공정모델링의 적용성을 조사하였다. 생물학적 질산화 및 탈질화 과정에서 발생하는 하수의 N2O 배출량 산정방법은 하수처리 고도화 이전과 이후로 구분할 수 있는데, IPCC 초기 가이드라인인 IPCC 1996 GL, GPG 2000, IPCC 2006 GL은 하수 전반의 N2O 배출량 산정방법을 제시하였고, 개정된 버전인 IPCC 2019 RF는 하수처리장 고도화 이후 하수처리와 방류수를 구별하여 각 N2O 배출량 산정방법을 제안하고 있다. 국내 국가온실가스인벤토리보고서(NIR)는 GPG 2000의 방법론을 채택하였고, 배출권거래제(ETS)는 하수처리장 영역에서 IPCC 2006 GL의 산정방법을 적용하고 있다. IPCC, NIR, ETS는 질소 거동의 활동자료와 배출계수로 N2O 배출량을 산정한다. 반면에, 공정모델링은 하수처리장 각 단위공정에서 4단계 AOB 질산화 및 4단계 탈질화 모델과 액체/기체 가스전달 모델을 사용하여 N2O 배출량을 산출한다. 모델링에서 산출된 N2O 배출량 결과를 IPCC, NIR, ETS의 산정결과와 비교하여 모델링 산출방법의 적합성을 분석하였다. 이를 통해 공정모델링이 N2O 배출량 산정에 어느정도 적절성을 가지는지 평가하였다.

분젠 예혼합 화염을 활용한 아산화질소 처리기술에 관한 연구

진시영,서재근,김희재,신승환,남동현,김성민,김대해,윤성환 해양환경안전학회 2021 해양환경안전학회지 Vol.27 No.1

아산화질소(Nitrous oxide, N2O)는 지구온난화 물질의 하나로 이산화탄소에 비해 지구온난화효과가 310배 강하고 분해하는데 120년이 소요되기 때문에 오존층 파괴에 주범으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 N2O를 저감하기 위해 고온 열분해 기술을 적용하여 N2O 저감 공정에서 발생하는 NOx 배출 특성에 대해 조사하였다. 고온 유동장을 형성하기 위해 동축 분젠 예혼합 화염을 열원으로 채택하였으며 실험 변수로는 노즐출구속도, 동축류 속도 및 N2O 희석률로 설정하였다. 실험 결과, NO 생성률은 노즐출구속도 및 동축류 유량에 관계없이 N2O 희석률이 증가함에 따라 증가하였다. NO2의 경우에는 연소 불안정성(Kelvin Helmholtz 불안정)이 억제된 안정된 예혼합 화염에서 다량으로 배출되었는데, 이는 화염 면 부근에서 감소된 N2O의 체류시간으로 인해 열분해 시간이 충분하지 않기 때문인 것으로 사료 된다. 따라서 N2O의 저감 효율을 증진시키기 위해서는 K-H 불안정성이 발생되는 노즐출구속도를 선정하여 화염 면 부근에서 발생되는 와류(toroidal vortex) 형태의 유동 구조를 형성하는 것이 N2O의 체류시간을 증가시키는데 효과적인 것으로 판단된다. Nitrous oxide is a global warming substance and is known as the main cause of the destruction of the ozone layer because its global warming effect is 310 times stronger than carbon dioxide, and it takes 120 years to decompose. Therefore, in this study, we investigated the characteristics of NOx emission from N2O reduction by thermal decomposition of N2O. Bunsen premixed flames were adopted as a heat source to form a high-temperature flow field, and the experimental variables were nozzle exit velocity, co-axial velocity, and N2O dilution rate. NO production rates increased with increasing N2O dilution rates, regardless of nozzle exit velocities and co-axial flow rates. For NO2, large quantities were emitted from a stable premixed flame with suppressed combustion instability (Kelvin Helmholtz instability) because the thermal decomposition time is not sufficient with the relatively short residence time of N2O near the flame surface. Thus, to improve the reduction efficiency of N2O, it is considered effective to increase the residence time of N2O by selecting the nozzle exit velocities, where K-H instability is generated and formed a flow structure of toroidal vortex near the flame surface.

N2O 분해를 위한 γ-Al2O3 촉매에 관한 연구

이신근,김한성,이은한,김태우,변세기,서두원,황효정,백주은,정의순 한국청정기술학회 2023 청정기술 Vol.29 No.2

Direct catalytic decomposition is a promising method for controlling the emission of nitrous oxide (N2O) from the semiconductor and display industries. In this study, a γ-Al2O3 catalyst was developed to reduce N2O emissions by a catalytic decomposition reaction. The γ-Al2O3 catalyst was prepared by an extrusion method using boehmite powder, and a N2O decomposition test was performed using a catalyst reactor that was approximately 25.4 mm (1 in) in diameter packed with approximately 5 mm of catalysts. The N2O decomposition tests were carried out with approximately 1% N2O at 550 to 750 ℃, an ambient pressure, and a GHSV=1800-2000 h-1. To confirm the N2O decomposition properties and the effect of O2 and steam on the N2O decomposition, nitrogen, air, and air and steam were used as atmospheric gases. The catalytic decomposition tests showed that the 1% N2O had almost completely disappeared at 700 ℃ in an N2 atmosphere. However, air and steam decreased the conversion rate drastically. The long term stability test carried out under an N2 atmosphere at 700 ℃ for 350 h showed that the N2O conversion rate remained very stable, confirming no catalytic activity changes. From the results of the N2O decomposition tests and long-term stability test, it is expected that the prepared γ-Al2O3 catalyst can be used to reduce N2O emissions from several industries including the semiconductor, display, and nitric acid manufacturing industry. 직접촉매분해기술은 반도체 및 디스플레이 산업에서 아산화질소(N2O)의 배출을 완화할 수 있는 유망한 기술이다. 본 연구는7대 온실가스 중에 하나인 N2O 직접촉매분해를 위한 γ-Al2O3 촉매에 관한 것이다. 실험에 사용한 γ-Al2O3 촉매는 뵘석 분말을사용하여 압출 성형하여 제조하였으며, 반응은 직경 약 5 mm 크기로 분쇄한 촉매를 직경 25.4 mm (1인치) 반응기를 사용하여수행하였다. N2O 농도는 약 1%가 되도록 공급하였으며, 온도는 550-750 ℃, 압력은 상압, GHSV는 1800-2000 h-1에서 촉매반응 특성을 확인하였다. 분위기 가스로는 질소, 공기 그리고 공기+수분을 공급하여 N2O 분해 특성과 산소의 영향 및 스팀의 영향을 확인하였다. 촉매 내구성은 N2 분위기에서 수행하였는데, 700 ℃에서 350 시간 동안 연속 운전을 통해 확인하였다. 실험결과 불활성 분위기(N2)일 경우 700 ℃에서 N2O 분해율이 100%에 가까운 수준까지 도달함을 확인하였고, 공기와 수분을 공급할 경우 분해율이 낮아짐을 확인하였다. 내구성 실험 결과 350 시간동안 촉매성능저하는 없었다. 따라서 뵘석 분말로 제조한 γ-Al2O3 촉매는 N2O 분해 특성에 우수할 뿐만 아니라 내구성 또한 우수하여 전자 산업을 비롯하여 질산제조공정 등 산소와수분이 존재하는 경우에도 적용 가능할 것으로 기대한다.

반응온도 및 체류시간에 따른 아산화질소 열분해 효과

박주원,이태화,박대근,김승곤,윤성환 해양환경안전학회 2021 海洋環境安全學會誌 Vol.27 No.7

아산화질소(N2O, Nitrous Oxide)는 6대 온실가스 중 하나로 대기 중에서 적외선을 흡수하여 온실효과를 유발하는 것으로 알려져 있다. 특히 지구온난화지수(GWP)는 CO2에 비해 310배 높아 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 이슈화되고 있으며, 그에 따른 강력한 환경 규 제 강화법들이 발의되고 있다. N2O 저감 기술에는 물리적인 방식에 따라 농축회수, 촉매분해, 그리고 열분해로 구분할 수 있는데, 본 연구 에서는 그 중 가장 효과적인 열분해 처리방식에 대해 논의하고자 일반적인 연소 조건 내 고온 열분해 방식을 이용하여 비용 저감과 함께 질소산화물을 저감시키는 온도 조건 및 반응 시간에 대한 정보를 제공하고자 한다. 열분해 조건으로 선정된 고온 영역은 1073 K부터 1373 K 까지 100 K 간격을 두고 계산을 수행하였다. 1073 K과 1173 K의 온도조건에 경우, N2O 저감율과 일산화질소 농도가 체류시간에 따라 비례관 계를 이루는 것이 관측되었으며, 1273 K에 경우, 체류시간이 증가함에 따라 발생되는 역반응으로 인해 N2O 저감율이 감소되는 것이 관측되 었다. 특히 1373 K에 경우, 모든 체류시간에 대해 정반응과 역반응이 화학 평형상태에 도달하여 N2O 저감에 대한 반응진행율이 오히려 감 소하는 것으로 확인되었다. Nitrous oxide (N2O) is one of the six major greenhouse gases and is known to produce a greenhouse effect by absorbing infrared radiation in the atmosphere. In particular, its global warming potential (GWP) is 310 times higher than that of CO2, making N2O a global concern. Accordingly, strong environmental regulations are being proposed. N2O reduction technology can be classified into concentration recovery, catalytic decomposition, and pyrolysis according to physical methods. This study intends to provide information on temperature conditions and reaction time required to reduce nitrogen oxides with cost. The high-temperature ranges selected for pyrolysis conditions were calculated at intervals of 100 K from 1073 K to 1373 K. Under temperatures of 1073 K and 1173 K, the N2O reduction rate and nitrogen monoxide concentration were observed to be proportional to the residence time, and for 1273 K, the N2O reduction rate decreased due to generation of the reverse reaction as the residence time increased. Particularly for 1373 K, the positive and reverse reactions for all residence times reached chemical equilibrium, resulting in a rather reduced reaction progression to N2O reduction.

N2O 단일추진제 추력기 시스템의 설계

김진철,김태규 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

N2O 단일추진제 추력기 시스템을 설계하기 위해 N2O 촉매의 분해 특성연구와 촉매의 고온 내열특성연구를 수행하였고, N2O 단일추진제 촉매베드의 수치적 설계를 수행하였다. N2O 분해반응을 위해 Pt, Ir, Ru 촉매를 선정하였고, 각각의 촉매 전구체를 함침법을 이용하여 Al2O3 지지체에 담지하였다. 제조된 촉매는 관형반응기를 사용하여 공간속도와 반응온도에 따른 N2O 전환율을 가스분석을 통해 측정하였다. 반응실험을 통해 얻어진 반응속도를 이용하여 N2O 단일추진제 촉매베드의 수치적 설계를 수행하였다. 이 결과들을 바탕으로 N2O 단일추진제 추력기 시스템을 설계하였다. Characteristics of N2O catalytic decomposition and high heat-resistance of catalyst were studied, and numerical design of catalyst bed for N2O monopropellant decomposition was performed in order to N2O monopropellant thruster system. Pt, Ir and Ru catalysts were selected for the N2O decomposition reaction, each of the catalyst precursors were loaded in the Al2O3 support using wet impregnation method. The N2O conversion as a variation of space velocity and reaction temperature was measured using a tubular reactor. Numerical design of N2O monopropellant catalyst bed was performed using the reaction rate obtained by the reaction experiments. Based on the results N2O monopropellant thruster system was designed.

자발가압 성질을 가진 아산화질소의 2상유체 모델링을 통한 하이브리드 로켓 내탄도 해석 I

이정표(Jungpyo Lee),이선재(Sunjae Rhee),우경진(Kyoungjin Woo),오지성(Jisung Oh),정식항(Sikhang Jung),문희장(Heejang Moon),성홍계(Honggye Sung),김진곤(Jinkon Kim) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

자발가압 특성이 있는 N2O를 적용한 Blow-down 산화제 공급방식은 조절 시스템(Regulated system)에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 그러나 탱크 내에 N2O가 액체와 기체의 2상으로 공존하고, 유동이 배출되는 동안 탱크 안의 N2O의 물성치가 계속적으로 달라지기 때문에 배출 유량을 예측하는데 어려움이 있다. 본 논문에서는 N2O를 적용한 Blow-down 산화제 공급방식을 간단하게 해석 할 수 있는 방법을 연구했다. 포화상태 N2O의 물성치는 NIST 데이터베이스를 이용했으며, 인젝터 모델로 nonhomogeneous nonequilibrium(NHNE) 모델을 적용하였다. 하이브리드 로켓 연소기를 이용해 cold flow test를 수행하였으며, 두 결과가 잘 일치함을 확인했다. The blow-down oxidizer feed system with self-pressurizing N2O has more advantages than the regulated system. However, it is difficult to predict the exhaust flow rate because there exist two phases in the N2O tank - liquid phase and gas phase, and the properties of N2O in storage tank are varied continuously during blow-down. In this paper, a method that can analyse simply the blow-down oxidizer feed system is studied. The properties of saturated N2O are found from the NIST data base, and mass flow through the orifice is modeled as NHNE. Cold flow test with hybrid rocket combustor is performed for the comparison where the results should found from the good agreement.

N<SUB>2</SUB>O 추진제 분해 촉매의 고온 내열 특성 연구

백진오(Jinoh Baek),김태규(Taegu Kim) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.5

아산화질소를 추진제로 사용하기 위해 아산화질소의 촉매 분해 특성과 고온 하에서 내열성을 연구하였다. 기존의 Ru 촉매의 내열성을 개선하기 위해 추가적으로 Al2O3 지지체에 Si를 담지시킨 후 Ru을 담지하였다. 관형 반응기를 이용하여 반응온도에 따른 아산화질소의 전환율을 측정하고, Si 첨가에 의한 분해특성에 대해서 연구하였다. 반응온도가 높을수록 전환율이 우수했고, Ru/Al2O3-Si 촉매가 Ru/Al2O3 촉매보다 높은 전환율을 보였다. The characteristics of thermal-resistance catalyst for N2O propellant decomposition were studied in the present study. Si was added to the Al2O3 support to stabilize its surface area at high temperature (>1000℃). Ru was used as a catalyst for N2O decomposition. The prepared catalysts were characterized using SEM, EDS and XRD analysis, and N2O conversion was measured as reaction temperatures. The Ru/Al2O3-Si catalyst showed better performance than Ru/Al2O3 catalyst.

자발가압 성질을 가진 아산화질소의 2상유체 모델링을 통한 하이브리드 로켓 내탄도 해석 II

이선재(Sunjae Rhee),이정표(Jungpyo Lee),김학철(Hakchul Kim),문근환(Keunhwan Moon),최원준(Wonjun Choi),정식항(Sikhang Jung),성홍계(Honggye Sung),문희장(Heejang Moon),김진곤(Jingon Kim) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

본 연구는 산화제 N2O를 사용하는 하이브리드 로켓 내탄도 설계를 위해 Two-phase 모델을 이용해서 N2O의 2상 유체를 해석하였으며 하이브리드 지상 연소시험을 수행하여 내탄도 해석 결과와 비교·분석하였다. Two-phase 모델은 N2O와 같은 포화 압축성 유체를 적용한 Blow-down 산화제 방식에 적합한 유동 모델로서 Part 1에서 N2O산화제의 배출을 잘 모사함을 확인하였다. 하이브리드 지상 연소시험은 연료로 HDPE, 산화제로 N2O를 적용하였으며 평균추력 30 kgf, 산화제 탱크 압력 50 bar로 설계한 연소기를 사용하였다. 내탄도 해석 결과는 지상 연소시험의 추력, 산화제 탱크 및 연소실 압력 결과와 유사함을 확인하였다. This paper presents a two-phase model for hybrid rocket internal ballistics design using N2O as oxidizer The two-phase model results are compared with data obtained from static firing test. Two-phase model is suitable for blow-down type with saturated compressible fluid as N2O, presented the result by Part 1. HDPE as Fuel, and N2O as oxidizer were used during the static firing test. The combustor were designed for an average thrust of 30 kgf where oxidizer tank pressure in set to 50 bar. The numerical results of internal ballistic showed good agreements with static firing test results where thrust, oxidizer tank pressure and chamber pressure are compared.

아산화질소 촉매 분해 특성 연구

용승주(Sung Ju Yong),박대일(Dae Il Park),김태규(Taegyu Kim) 한국추진공학회 2009 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

추진제로써 아산화질소를 활용하기 위해 아산화질소의 촉매 분해 특성에 대한 연구를 수행하였다. 아산화질소를 분해하기 위해 Ru와 Pt 촉매를 Al2O3 지지체에 함침법을 이용하여 담지하였고, 관형 반응기를 사용하여 GHSV와 반응온도에 따른 아산화질소의 전환율을 측정하였다. GHSV는 낮을수록, 반응온도는 높을수록 전환율이 높았고, Ru/Al23O3 촉매가 Pt/Al2O3 촉매보다 우수한 성능을 보였다. The characteristics of nitrous oxide catalytic decomposition were studied to utilize the nitrous oxide as a propellant. The Ru and Pt were selected as nitrous oxide decomposition catalysts and loaded in the Al2O3 support using an impregnation method. The nitrous oxide conversions as a variation of GHSV and reaction temperature were measured in a tubular reactor. At the low GHSV and high temperature, the conversion was increased, and Ru/Al2O3 catalyst showed better performance than Pt/Al2O3 catalyst.

왕겨 바이오차와 유기농자재 혼합에 따른 주요 양분 용출 모델 적용 및 N2O 배출량 산정

이동건,최재이,심창기,남주희,윤석인,송종석,박도균,신중두 유기성자원학회 2023 유기물자원화 Vol.31 No.3

본 연구는 플라즈마 왕겨 바이오차와 왕겨 바이오차가 식물의 주요 영양소 용출과 온실가스 성분 중 N2O 배출에 미치는 영향을 구명하기 위해 수행하였다. 처리는 3 수준으로 바이오차를 넣지 않은 혼합물(Control), 왕겨바이오차를 넣은 혼합물(Rice hull biochar) 그리고 플라즈마 처리한 왕겨 바이오차를 넣은 혼합물(Plasma-treated rice hull biochar)로 구성되어 있다. 바이오차 처리에 따른 양분 누적 용출 농도를 살펴보면, NH4-N 누적 용출 농도는대조구에서 3673.5mg L-1 가장 높게 나타났으며, 플라즈마를 처리한 왕겨 바이오차 처리에서 3296.35mg L-1로 가장낮게 나타났다. 누적 인(PO4-P) 용출 농도는 대조구에서 681.0mg L-1로 가장 높게 나타났으며, 왕겨 바이오차 처리에서가장 낮게 나타났다. 누적 칼륨(K) 용출 농도는 플라즈마 처리한 왕겨 바이오차 처리에서 가장 높은 누적 용출농도를 보인 반면, 왕겨 바이오차 처리구에서 가장 낮은 누적 용출 농도를 나타났다. 식물의 주요 영양소 용출추정치는 수정된 Hyperbola 모델에 적합한 것으로 나타났다(p<0.0001). 각 N2O 온실가스 배출량의 경우, 플라즈마처리한 왕겨 바이오차(Plasma-treated rice hull biochar)가 혼합된 토양 중의 N2O 발생량은 대조구 보다 약 3배 이상감소하는 것으로 산정되었다. 기존 바이오차 보다 아산화 질소를 감축시키는 좋은 소재로 판단된다. 따라서, 향후왕겨 바이오차 처리 별 작물 생육 반응 구명이 필요한 것으로 판단된다. This batch experiment evaluated the impacts of major plant nutrient releases by applying the modified Hyperbola model on the leachates and N2O emissions from incorporated rice hull biochar with organic fertilizer materials. The treatments consisted of the control as incorporated with organic fertilizer materials, the incorporated rice hull biochar with organic fertilizer materials, and the incorporated plasma-activated rice hull biochar with organic fertilizer materials under redox conditions. The results indicated that the maximum release amount of NH4-N was 3486.3 mg L-1 in the control, and their reduction rates of NH4-N, NO3-N, PO4-P, and K were 8.0%, 17.5% 44.3.0% and 8.7%, respectively, relative to the control. In the control, the highest soluble amount of PO4-P was 681.0 mg L-1. The estimations for accumulated NH4-N, NO3-N, PO4-P, and K-releases in all the treatments were significantly (p<0.01) fitted with a modified Hyperbola model. For greenhouse gas emissions, the lowest cumulative N2O was 340.4 mg kg-1 in the soil incorporated with plasma-activated rice hull biochar, and the reduction rates were 27.8% and 86.4% in the rice hull biochar and plasma-activated rice hull biochar treatments, respectively, compared to the control. Therefore, it concluded that the incorporated rice hull biochar can be especially useful for controlling PO4-P release and N2O emissions for bio-fertilizer applications.