2025년 환경플랜트 분야 연구 동향

2.1 연구 동향

비전통 에너지 자원인 오일샌드와 중질유는 점성이 매우 높아 생산 및 수송 과정에서 유동성 저하 문제가 발생하며, 이를 해결하기 위해 증기 중력 배수법(SAGD) 등이 적용됩니다. 이 과정에서 회수된 유체는 다량의 물을 포함하고 있어 초기 단계에서 효과적으로 분리하는 FWKO(Free Water Knock Out) 압력용기가 필수적입니다. 기존 연구들은 주로 내부 배플(baffle)의 형상이나 설치 위치에 집중해 왔으나, 유입 유체가 직접 충돌하는 입구 디플렉터(inlet deflector)의 형상 및 각도가 분리 효율에 미치는 영향에 대한 연구는 상대적으로 미미한 상황이다.

2.2 주요 연구 내용 및 결과

2025년에 발표된 김동현 등⁽¹⁾의 연구는 CFD(전산유체역학)를 활용하여 FWKO 내 디플렉터 각도 변화가 상분리 유동 특성과 분리 효율에 미치는 영향을 규명하였습니다. 디플렉터 기울기에 따른 세 가지 케이스를 비교 분석하였으며, VOF(Volume of Fluid) 기법과 벽면 부착 효과를 적용하여 다상 유동을 모사하였다.

최적 각도 도출 결과, 입구 쪽으로 30도 기울어진 Case 2가 가장 안정적인 상분리 구조를 형성하며 97.8%의 가장 높은 분리 효율을 기록하였다. 역방향 기울기는 벽면 막(wall film)을 넓고 균일하게 형성하여 계면 교란을 줄이고 체류 시간을 확보하는 데 유리한 것으로 확인되었다.

유동 안정화 메커니즘 측면에서 Case 2는 유입 에멀젼의 운동 에너지를 효과적으로 감쇠시켜 얇은 벽면 막을 형성하고 계면 교란을 완화하여 체류 시간을 확보하는 데 유리한 것으로 나타났다. 연구 결과 분리 성능은 Case 2(30°) > Case 1(0°) > Case 3(-30°) 순으로 우위를 확인하였다.

Fig. 1

Schematic of the FWKO model

Fig. 2

Comparison of phase separation flow fields for different inlet deflector angles (at t = 2)

3.1 연구 동향

바이오가스를 활용한 수소 생산 기술에서 기존 습식개질보다 에너지 효율이 우수한 건식개질(dry reforming) 기술이 각광받고 있습니다. 그러나 니켈(Ni) 기반 촉매의 표면에 탄소가 쌓이는 코킹(coking) 현상으로 인한 비활성화가 상용화의 주요 걸림돌로 지적되고 있다. 이를 극복하기 위해 코크의 생성 및 제거 경로를 포함한 반응 메커니즘을 상세히 수립하고 이론적으로 예측하려는 시도가 이어지고 있다.

3.2 주요 연구 내용 및 결과

2025년에 발표된 연구를 보면, 임연규 등⁽²⁾은 코킹에 의한 니켈계 촉매 비활성화 영향을 고려한 1차원 상세 수학적 모델을 개발하였다. 이 모델은 건식개질 및 역수성가스전환 반응뿐만 아니라 코크 생성 및 제거 반응(Boudouard 반응 등)을 모두 포함하여 구축되었다. 개발된 모델을 바탕으로 반응 온도(700-900℃), 공간속도(GHSV) 등 주요 운전 변수가 메탄 전환율과 수소 수율에 미치는 영향을 분석하였다.

연구결과. 모델의 정확성 검증에서 개발된 상세 모델(DM)은 실험 결과와의 상대 오차가 4% 미만으로 나타나 높은 예측 정확도를 입증하였다.

단순 모델과의 비교 결과 코킹을 고려하지 않은 단순 모델(LM)은 촉매 표면 피복률을 반영하지 못해 반응을 과대평가하며 약 36%의 큰 상대 오차를 보였다.

Fig. 3

Initial emulsion spreading patterns near the inlet deflector

Fig. 4

Schematic of a single catalyst pellet in the reactor and its control volume for mathematical modelling

Fig. 5

Effect of CO2/CH4 ratio (1.025 to 2.0) on the (a) methane conversion and (b) hydrogen yield. The symbol and line denote the experimental and simulation results, respectively

본 연구 결과는 건식개질 공정의 최적 운전 조건을 설계하고 촉매 수명을 예측하는 데 중요한 기초 자료로 활용될 수 있다.

4.1 연구 동향

글로벌 물산업 시장은 신흥 국가의 인프라 현대화와 산업 투자 확대로 지속 성장하고 있다. 특히 산업용 펌프 시장은 대형화, 고효율화와 함께 4차 산업혁명 기술인 IoT를 접목한 스마트 펌프 시장으로의 확대가 예상된다. 주요 글로벌 기업들은 전략적 계약과 신제품 출시를 통해 시장 점유율을 높이고 있다.

4.2 주요 연구 내용 및 결과

이상민⁽³⁾은 글로벌 펌프 시장의 성장 인자와 지역별⋅기업별 경쟁 환경을 분석하였다. 또한, 국내 펌프 업체의 기술력 수준을 진단하고 글로벌 트렌드에 대응하기 위한 국내 펌프 산업의 발전 방향을 제안하였다.

연구 내용은 3가지 측면에서 결과를 도출하였으며, 첫째, 기술력 격차 확인, 둘째, 글로벌 경쟁력 제고 전략, 마지막으로 방재 및 수출확대 방안이다.

기술력 격차 확인: 해외 선진 제작사는 90% 이상의 효율을 달성하고 있으나, 국내 중소업체는 약 85% 수준에 머물고 있어 품질 제고가 시급하다.

글로벌 경쟁력 제고 전략: 에너지 효율성 집중, 디지털화 및 스마트 펌프 시스템 구축, 신재생 에너지 확대 등 10가지 글로벌 트렌드에 대응할 필요가 있다.

방재 및 수출 확대: 기후 변화에 대비한 중대형 빗물 배수 펌프 시설 확충과 동남아 등 개발도상국 상하수도 시장 진출을 위한 민관 협의체 구성이 제안되었다.

5.1 연구 동향

에너지 절감을 위한 제습로터 기술은 주로 해외 수입에 의존하며, 유기용매 기반 공정과 고습 환경에서의 성능 저하 문제가 존재한다. 이를 해결하기 위해 SLA 방식의 3D 프린팅 기술과 친환경 코팅 공정을 적용하여 정밀한 미세 채널 구조를 구현하려는 연구가 진행되고 있다. 또한, 별도의 외부 재생 열원 의존도를 낮추기 위해 히트파이프를 활용한 에너지 순환형 시스템 개발이 주목받고 있다.

5.2 주요 연구 내용 및 결과

김윤경 등⁽⁴⁾은 SLA 3D 프린팅과 수계 기반 딥코팅 공정을 활용하여 제습량 1.5 kg/h급 제습로터를 제작하고 성능을 평가하였습니다. 로터 채널 형상으로 정현파 구조를 선정하고 최적의 점도와 코팅 공정을 도출하였습니다.

3D 프린팅 로터는 풍속 $4∼m/s$ 조건에서 목표 제습량인 1.5 kg/h를 성공적으로 충족하였다. 또한 제습 효율을 극대화하기 위한 최적 사이클은 제습 4분, 재생 1분으로 도출되었다.

김영득 등⁽⁵⁾은 히트파이프 기반의 흡착제 코팅 열교환기를 적용한 제습 시스템을 개발하였습니다. 흡착 과정의 열을 히트파이프를 통해 재생 과정으로 전달하는 구조를 구현하였다. 히트파이프 기반 시스템은 냉방 용량 50.7 W와 약 22의 성능계수(COP)를 나타내어 기존 시스템 대비 비약적인 에너지 소비 절감 가능성을 입증하였다.

6.1 연구 동향

물 부족 문제와 환경 규제 강화로 인해 폐수 무방류(ZLD) 시스템의 중요성이 커지고 있다. 기존의 역삼투법이나 증발법은 고농도에서 성능 저하와 부식 문제가 심각하므로, 저온 폐열을 활용하면서도 고농도 운전이 가능한 흡착식 수처리 기술과 다중효용 방식의 결합이 연구되고 있다.

6.2 주요 연구내용 및 결과

김준식 등⁽⁶⁾은 다중효용증발기와 강제순환분리기를 결합한 MEAWT 공정을 개발하였다. 수학적 모델링을 통해 에너지 및 질량 평형을 분석하였으며, 파일럿 시스템을 구축하여 구동 증기 압력과 온수 온도가 담수 생산 성능에 미치는 영향을 실험적으로 규명하였다.

연구결과, 최대 44 m³/tonne⋅day의 담수 생산량을 나타내었으며 해석 모델과 실험 결과가 5% 이내의 오차로 일치하는 생산효율을 확인하였다. 에너지 절감측면에서는 중온 폐열(150℃)을 활용할 경우 에너지 소비량을 최저 29.2 kWh/m³까지 낮출 수 있음을 입증하였다.

7.1 연구 동향

선회형 바이오매스 연소로는 바가스(Bagasse) 등 가용한 연료를 친환경적으로 연소시키는 장치이며, 연소 효율을 높이고 연소로 내벽의 손상을 방지하기 위해서는 공기 주입 각도를 최적으로 제어하여 온도 분포를 균일하게 만드는 것이 중요하다. 이를 위해 다중 목적 함수를 동시에 고려하는 유전 알고리즘이 활용되고 있다

7.2 주요 연구 내용 및 결과

김동현 등⁽⁷⁾은 연소로의 상⋅중⋅하단 공기 주입각을 설계 변수로 설정하고, 최대 내벽 온도와 온도 균일도 지표(PF)를 최적화 목표로 설정하였다. 복합 열전달(CHT) 모델을 사용하여 유동과 고체 벽면의 열 교환을 모사하였으며, 반응 표면법과 다목적 유전 알고리즘(MOGA)을 결합하여 최적의 각도 조합을 도출하였다.

연구결과, 최적각은 상단 29도, 중단 149도, 하단 0도의 각도에서 최적 성능을 보였다. 개선효과로는 기준 모델 대비 최대 벽면 온도를 5℃ 낮추고, 온도 균일도(PF)를 1.54% 향상시켜 장치의 내구성과 효율을 동시에 개선하였다.