This study measured the energy recovery rate of each municipal waste incineration facility according to the revised energy recovery rate estimation method, which targeted four municipal waste incineration facilities (Unit No. 7). The results calculated by the measuring instruments were used for each factor to estimate the recovery rate, and the available potential of available energy was examined by analyzing the energy production and valid consumption. As a result of the low heating value, 2,540 kcal/kg was calculated on average when the LHVw formula was applied, which is approximately 116 kcal/kg higher than the average design standard of 2,424 kcal/kg. The energy recovery rate was calculated as 96.9% on average based on production and 67.5% based on effective consumption, and the analysis shows that approximately 29.4% energy can be used.

Domestic automotive shredder residue (ASR) recycling facilities must comply with 60% of the energy recovery criteria calculated by the waste control act, based on resource circulation of electrical and electronic equipment and vehicles. The method of calculating energy recovery criteria was newly enacted on November 6, 2017, and it has been judged that it is necessary to consider applicability. In this study, the energy recovery efficiency of 7 units was calculated by past and present calculation methods. Furthermore, this study attempts to find applicability and a method of increasing the energy recovery efficiency by taking advantage of available potentials. An analysis of the calculation results showed that the average values calculated by past methods, present methods, and the method that includes available potentials are 76.35%, 70.68%, and 78.24%, respectively. Therefore, the new calculation method for energy recovery efficiency is also applicable to domestic automotive shredder residue recycling facilities.

소각시설에서의 폐기물 저위발열량은 소각로의 연소성능 및 특성 파악 측면에서 핵심적 요소로 작용하는 인자이다. 기존 저위발열량 측정 방법은 시료 채취를 통하여 발열량계 측정, 원소분석법 등을 적용하도록 규정하였으며, 소량의 시료를 바탕으로 함에 따라 폐기물의 불균질성 등을 충분히 반영하지 못하여 결과의 객관성이 부족한 문제점을 야기하여 왔다. 이에 환경부는 저위발열량 산정 관련 지침의 개정을 통하여 산정방법의 객관화를 추진하였다. 그러나 개정된 지침의 생활폐기물 저위발열량 산정식은 일반･고온 소각시설에 적용되는 산정 방법이다. 현재 국내에는 17개소의 열분해(가스화)･고온용융 소각시설이 운영되고 있으며 투입 보조연료, 연소로 운전 온도, 잔재물 배출 특성 등 일반소각방식과 달리 열분해･용융 처리방식의 공정 특성을 반영한 산정식의 필요성이 제기되었다. 이에 본 연구에서는 국내 열분해･고온용융 소각시설에서의 열정산을 통하여 열분해･고온용융 처리방식의 특성이 반영된 저위발열량 산정방법의 산정계수와 최종 산정식을 도출하였다. 또한 도출된 산정식을 바탕으로 대상 시설에서의 투입 폐기물에 대한 저위발열량을 산정･평가하였다. 입･출열 특성 분석결과 출열에너지 중 증기 흡수열이 약 77.1%로 가장 많은 비율을 차지하였으며, 배출가스 보유열은 약 15.3%, 그 밖의 기타 출열에너지는 약 7.6% 수준으로 나타났다. 이러한 열정산 결과를 바탕으로 저위발열량 산정식의 상수값과 최종 산정식을 도출하였으며, 미연 및 방열손실 계수(α)는 1.098, 부가 입열량 계수(β)는 1.189, 배출가스 열손실 계수(γ)는 0.002의 상수값을 도출하였다. 아울러 도출된 열분해･고온용융 시설 LHVw 산정식을 적용을 적용한 저위발열량 산정 결과 11개호기 평균 약 2,160.8 kcal/kg 수준으로 나타났다. 산정식 도출결과는 현재 운영 중인 시설에서의 실측데이터를 적용한 결과로, 국내 열분해･용융 시설에 적용가능한 객관적이고 정형화된 저위발열량 산정방법일 것으로 사료된다. 또한 본 연구의 결과는 향후 저위발열량 산정방법 개정 등을 위한 소각시설에서의 주요 모니터링 인자 도출 및 관리방안 마련을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

폐기물에너지는 폐기물을 변환시켜 연료 및 에너지를 생산하는 기술이며 고형연료제품이 이에 해당한다. 고형연료제품은 가연성 생활폐기물, 폐플라스틱, 폐타이어, 폐목재 등의 고체폐기물을 파쇄, 분리, 건조, 성형 등의 공정을 거쳐 제조한다. 고형연료제품 사용은 폐기물 발생을 최소화할 수 있고 폐기물 중 가용 자원의 재활용을 극대화 할 수 있는 장점이 있다. 하지만 고형연료제품은 소각을 통해 열에너지를 회수하므로 그 과정에서 오염물질이 발생하는 단점이 있다. 따라서 오염물질 발생을 줄이기 위해 고형연료제품의 품질기준에 적합한 제품을 사용해야 할 것이다. 고형연료제품의 품질기준 시험은 환경부고시 제 2014-135호 󰡔고형연료제품 품질 시험․분석방법󰡕을 기준으로 수행한다. 따라서 품질기준 적합성 여부를 판단하기 위해서는 고형연료제품 품질시험방법의 정확성이 요구된다. 하지만 현행 고형연료제품 품질시험방법은 국외 고형연료제품 품질시험방법과 폐기물공정시험기준을 참고하여 번역․제정하였고, 그 과정에서 국내 실정에 맞지 않거나 용어, 문장의 오류가 다수 발견되었다. 그러므로 현행 시험방법을 개선하고 오류를 수정하여 고형연료제품 품질시험방법을 개정해야 할 필요가 있다. 본 연구에서는 품질시험방법의 개정을 위해 고형연료제품 품질표시 시험기관의 의견을 수렴하였고 개정의견의 타당성은 전문가 회의, 적용성 시험을 통해 검토하였다. 적용성 시험은 고형연료제품 시료 운반 온도에 따른 성분 변화 분석, 회분시험 시료량의 변화에 따른 회분함량 분석, 마이크로파 전력 및 반응시간에 따른 고형 연료제품의 중금속 함량 변화 분석을 수행하였다.

우리나라는 자원이 부족하여 총 공급에너지의 95.8 %를 수입에 의존하고 있어 신재생에너지의 개발과 합리적인 이용방안이 절실하다. 폐기물 에너지는 재생에너지 종류 중 하나로 가정이나 사업장에서 배출되는 폐기물을 열분해를 통해 고형연료, 폐유 정제유, 플라스틱 열분해 연료유, 폐기물 소각열 등의 에너지를 생산할 수 있어 활용가치가 매우 높다. 그 중 고형연료는 ｢자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률｣에 따라 인정된 생활폐기물(음식물류 제외), 폐합성수지, 폐지 등 가연성물질만을 선별･분리하여 제조한 연료로 현재 SRF(Solid Refuse Fuels) 와 BioSRF(Biomass Solid Refuse fuel)로 관리되고 있다. 폐기물 연료는 화석연료뿐만 아니라 바이오매스도 포함하고 있기 때문에 부분적인 이산화탄소 중립연료로 간주될 수 있다. 특히 혼합된 폐기물연료를 소각하는 곳에서 배출되는 가스 중에는 바이오매스 기원물질을 제외 할 때에 비로소 순 온실가스 배출량을 산정할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 폐기물에너지 중 가연성폐기물을 원료로 한 고형연료제품 종류별 사용시설에서 배출되는 가스를 포집하여 CO2 중의 생물학적 기원물질의 바이오매스를 14C 방법으로 분석하였다. 또한 고형연료에 대한 분석을 SDM(Selective Dissolution Method)방법과 14C 방법으로 분석하여 비교하였고 배출가스에서의 측정․분석을 수행함으로서 폐기물에너지 사용시설에 적용 가능한 가장 적합한 측정․분석방법을 고찰해보았다.

국내 폐기물 소각시설의 에너지 회수효율 관련 규정으로는 ｢폐기물관리법 시행규칙｣ 제3조(에너지 회수 기준 등)에 명시되어 있으며, 에너지 회수효율 기준으로는 75 % 이상(생산량 기준) 회수된 열에너지를 스스로 이용하거나 다른 사람에게 공급할 것으로 규정하고 있다. 또한, 2016년 5월 제정된 ｢자원순환기본법｣ 내 제21조에서는 폐기물을 순환이용할 수 있음에도 불구하고 소각･매립방법으로 처분하는 경우 폐기물처분부담금을 부과하도록 명시하였으며, 동법 제24조에 따르면 소각열에너지를 50 % 이상 회수하여 이용하는 경우 폐기물처분부담금을 감면할 수 있도록 규정하고 있다. 그러나 현행 에너지 회수효율 기준은 생산에너지를 기준으로 산정하고 있어 실제 유효하게 이용된 에너지의 평가가 곤란하며, 에너지원으로는 전력에너지가 반영되지 못하여 에너지 회수효율 증진을 위한 유인방안이 부족한 실정이다. 국내의 폐기물 소각시설의 저위발열량 산정방법으로는 원소분석법(Dulong, Steuer 등), 단열 열량계(Bomb Calorimeter)를 이용하여 측정･분석하고 있으나 소량의 시료 채취를 통하여 폐기물의 대표성을 확보하기에는 많은 어려움이 따른다. 또한, 소각로에 투입되는 폐기물의 특성(성상의 다양성, 계절적 영향 등) 및 시설의 특성 등을 반영하지 못하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 지역적 특성 및 소각로･보일러의 형태(stoker, Rotary Kiln, FBC )등을 고려하여 현재 운영 중인 폐기물 소각시설(생활, 사업장) 11개소(17호기)를 대상시설로 선정하여 계측기 측정데이터 및 현장측정(배출가스 조성, 바닥재 배출온도 및 강열감량, 소각로 및 보일러 방열손실)을 통하여 해당 시설의 저위발열량 및 에너지 회수효율을 산정하였다. 이와 같은 산정결과를 바탕으로 향후 에너지 회수효율 향상 제고를 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

IEA의 에너지 전망 시나리오에 따르면 세계의 에너지 수요는 점차 증가할 것으로 나타나고 있다. 이에 따라 세계적으로 에너지 수요 증가에 따른 이산화탄소 배출량 증가를 제한하기 위한 에너지와 기후 정책이 시행 되고 있다. 파리협정은 2020년 만료 예정인 교토의정서를 대체하기 위해 2015년 채택 된 신기후체제로, 적극적인 온실가스 감축을 목표로 한다. 이에, 유럽에서는 이미 폐기물을 이용한 재생연료의 바이오매스 함량을 측정하여 이를 온실가스 배출량에서 차감하는 정책을 수행하고 있다. 국내에서도 신재생에너지를 사용하여 온실가스를 감축하기 위한 정책이 시행 중이다. 산업통상자원부의 제4차 신재생에너지 기본계획에 따르면, ‘35년까지 1차 에너지의 11.0%를 신재생에너지로 공급하여 전체 전력량의 13.4%를 신재생에너지로 공급하는 것이 목표이다. 신재생에너지로서 폐기물에너지의 정책 목표 비중은 14년 67%에서 25년 38.8%, 35년 29.2%로 점차 줄어들지만, 신재생에너지의 전체 공급 목표량이 증가하므로 폐기물에너지의 연평균 증가율은 2%를 목표로 하고 있다. 2016년 신재생에너지 백서에 따르면 폐기물에너지의 이론적 잠재량은 2013년 기준 13,977,173 toe/yr 에 이른다. 따라서 본 연구에서는 국내외의 신재생에너지로서 폐기물에너지의 가치를 평가하고 효과적인 활용을 위한 정책 개선 방향에 대하여 검토하였다.

우리나라의 폐기물 정책은 안정적 처리에서 자원순환으로의 변화를 추구함으로 선진화 기반을 마련하고 있다. ｢자원순환기본법｣에서는 자원순환사회로의 전환을 위한 기본사항들을 규정함으로써 물질재활용 뿐만 아니라 에너지재활용을 극대화하기 위한 정책을 제시하고 있다. 이처럼 폐기물을 처분 대상 물질이 아닌 순환자원으로 활용함으로써 천연 자원과 에너지 소비의 절감 및 온실가스 배출량 감축 등 국가차원의 정책 목표를 달성하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 소각처리는 폐기물 적정처분과 폐기물에너지를 열원 또는 전력으로 회수할 수 있는 중요한 역할을 담당하고 있으며, 소각시설에서의 에너지 회수효율은 국내 폐자원 에너지 활용 수준 파악과 개선방안 마련을 위한 척도 및 기초자료로 활용되고 있다. 최근 환경부에서는 소각시설에서의 에너지 회수효율 산정방법을 개정하였으며, 산정 방법 및 결과의 객관성과 타당성을 확보하고자 하였다. 개정된 산정방법에서는 소각시설에서 생산된 에너지 중 실제 유효하게 사용된 에너지만을 포함하도록 제시하고 있으며, 각 산정인자에 적용되는 데이터는 계측기기를 통한 객관적인 실측 자료를 적용하도록 규정하고 있다. 본 연구에서는 국내의 열분해･고온용융 소각시설을 대상으로 저위발열량 및 에너지 회수효율을 산정하였으며 잠재적 활용가능 에너지량을 파악하였다. 대상 시설은 총 7개소로 에너지 회수효율 산정결과 평균 약 40.5%의 결과를 나타냈으며, 투입에너지의 약 34.2%가 에너지 가용잠재량으로 파악되었다. 가용잠재량은 생산된 에너지 중 실제 사용되지 못하고 버려지는 에너지량으로 판단할 수 있으며, 외부 수요처 확대 및 소내 열에너지 공급을 통하여 에너지 회수효율을 증가시킬 수 있는 잠재량을 의미한다. 아울러 열분해･고온용융 소각방식은 연료를 생성하고 처리잔재물을 용융시킴으로써 다이옥신 등의 유해물질을 파괴하는 환경적으로 유리한 장점을 가진 방식이다. 향후 이와 같은 열분해･고온용융 소각방식의 친환경적 장점 등이 반영된 에너지 회수효율 세부 산정방법의 도출이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 실질적인 소각열 에너지 유효 사용량에 대한 정량적 분석･평가를 수행하였으며, 이러한 측면에서 본 연구의 결과는 향후 국가 수준의 에너지 회수효율 증진 방안 마련 및 기술개발 등을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

현재 정부에서는 폐자원 에너지의 회수･사용을 촉진하기 위해 정책적인 움직임을 보이고 있다. 폐기물 소각시설의 소각열에너지 회수･사용률 산정방법이 2015년에 확정되었고, 이를 반영한 자원순환기본법이 2018년 1월 1일부터 시행될 계획이다. 이에 따라, 국내 폐기물 소각시설의 에너지 회수･사용률을 증가시키기 위해 열에너지 회수를 통한 전기나 열원 생산의 효율을 측정하고 평가하는 것이 필요하다. 폐기물 소각시설 공정에서의 방열손실은 열에너지 회수의 효율을 저하시키는 원인 중 한가지이다. 이를 평가하기 위하여 소각시설의 벽면온도를 측정하여야 하며, 현재의 소각시설 벽면 온도 측정 방법은 환경부 고시 ‘폐기물 처리시설의 세부검사방법에 관한 규정’의 별표1 ‘폐기물 소각시설의 세부 검사방법’에 따른 지점측정 방식이다. 하지만 지점측정 방식의 온도 측정은 접촉식 온도계를 이용한 측정법으로, 대상의 접촉 지점에 따라 온도가 다르게 측정될 수 있으며 대상 시설의 평균 표면온도를 정확하게 측정하는 것에 한계를 가진다. 적외선 열화상 카메라는 대상의 넓은 면적을 동시에 촬영하여 온도를 측정하는 방식으로, 시설의 평균 표면온도를 비교적 정확하게 측정할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 실제 가동 중인 폐기물 소각시설의 벽면 온도를 비접촉 온도 측정 방식의 적외선 열화상 카메라를 이용하여 측정하고, 기존에 수행되었던 연구를 통해 정립된 방열손실 산정식을 이용하여 방열손실을 계산하였다. 또한 폐기물의 소각 온도, 소각 용량, 소각로 표면적 크기 등 여러 가지 요인에 의한 방열손실을 고려하기 위하여 소각시설의 입열과 출열 항목을 측정하여 투입된 에너지 대비 손실량인 방열손실률을 산정하여 평가하였다.

현행 폐기물 소각시설에서의 에너지회수 관련 규정으로는 ｢폐기물관리법 시행규칙｣ 제3조에 명시되어 있으며, 에너지 회수기준 및 검사방법, 검사기관 등에 대하여 규정하고 있다. 에너지 회수기준으로는 75 % 이상(생산량 기준)으로써 회수된 열에너지를 스스로 이용하거나 다른 사람에게 공급할 것으로 규정하고 있다. 그러나 현행 에너지회수 기준마련에 대한 근거가 미비하며, 생산된 에너지를 기준으로 산정하고 있어 실질적으로 유효이용에 대한 평가가 곤란하다. 또한, 폐기물 소각시설에서의 연소 성능 및 경제성에 가장 큰 영향을 미치는 저위발열량은 연료가 완전히 연소될 때 단위질량당 발생하는 열량(수증기 잠열 제외)으로써 에너지 시장에 대한 분석을 위해서는 기본적으로 필요하다. 저위발열량 산정방법으로는 원소분석에 의한 저위발열량, 단열열량계에 의한 저위발열량 등을 이용하여 측정하고 있으나 폐기물공정시험 기준에 따라 시료를 분할 채취하여 균일화하여도 폐기물의 대표성을 확보하기에는 어려움이 따른다. 또한 현행 산정방법으로는 지역적 특성 및 계절적 영향 등 소각로에 투입되는 폐기물의 특성을 반영하지 못하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 국내 생활폐기물 소각시설(4개소)에서의 폐기물 투입량, 증기 생산량 및 사용량 등의 실제 계측기 측정데이터와 배출가스 보유에너지, 방열손실, 바닥재 배출열 등의 현장측정 결과를 바탕으로 저위발열량(Lower Heating Value) 및 에너지 회수효율(Energy Recovery)을 산정하였다. 산정결과를 바탕으로 ｢자원순환기본법｣ 시행(2018년 1월 1일부터)에 앞서 생활폐기물 소각시설에서의 에너지 회수기준 및 산정방법에 대한 제도적 검토와 에너지회수율 기준 및 법적･제도적 정비 방향 등의 기초자료로 활용하고자 한다.

2016년 제정된 ｢자원순환기본법｣에서는 폐기물의 발생을 최대한 억제하고 발생된 폐기물을 순환이용 및 적정 처분하도록 하며, 자원순환사회로의 전환을 위한 기본적인 사항들을 규정하고 있다. 이에 따라 물질재활용 뿐만 아니라 에너지재활용을 극대화하기 위한 정책의 필요성이 부각되고 있으며, 폐기물 적정처리 및 에너지자원의 재활용 측면에서 소각처리 및 소각열 회수의 중요성이 더욱 대두되고 있다. 그러나 기존의 소각시설 에너지회수효율 산정 방법은 유효하게 사용된 에너지가 아닌 생산에너지를 기준으로 산정함으로써 에너지 회수율 증진을 위한 제도 도입 취지와 목적 구현에 한계를 나타냈다. 이에, 개정된 에너지 회수효율 산정방법에서는 에너지 회수를 위한 기술력 향상 및 회수 에너지 활용도 증진을 위하여 생산된 에너지 중 유효 사용량을 기준으로 산정하도록 제시하고 있다. 또한 에너지 회수효율 및 폐기물 저위발열량 산정을 위한 모든 인자를 계측장비를 통한 계측 데이터 및 현장 측정･분석 결과를 적용하도록 하여 데이터 및 산정 결과의 신뢰성과 객관성을 확보하도록 하였다. 이에, 본 연구에서는 개정된 에너지 회수효율 산정방법을 바탕으로 국내 사업장폐기물 소각시설에서의 폐기물 저위발열량과 에너지 회수효율을 산정하였다. 대상시설은 스토커소각로 5기, 로터리킬른-스토커 병합식 소각로 1기, 로터리킬른 소각로 2기, 유동층 소각로 2기로 선정하였으며 산정 인자는 업체 내 실제 계측기기 측정값과 현장 측정･분석 결과 값을 적용하였다. 폐기물 저위발열량 산정결과 평균 약 3,350.5kcal/kg의 저위발열량을 나타냈으며, 에너지 회수효율 산정결과 에너지 생산량 기준 평균 약 58.6%, 에너지 사용량 기준 평균 약 49.0%로 산정되었다. 에너지 유효 사용량 기준과 생산량 기준의 에너지 회수효율 산정 결과는 약 10%의 차이를 나타냈으며, 이는 외부 공급 및 공정 내유효 사용 등을 통하여 잠재적으로 활용 가능한 양으로 판단된다. 아울러 소각시설에서는 보다 높은 에너지 회수효율 제고를 위하여 안정적 운영･관리, 소내 사용 에너지 절감, 터빈 발전 방식의 개선 등 다양한 에너지 회수 방안을 강구할 필요가 있을 것으로 판단된다.

우리나라는 반도체, 철강, 자동차, 선박 등의 제조업을 토대로 경제규모를 성장시켜왔으며, 성장에 비례하여 에너지 수입 의존도 또한 증가했다. 현재 우리나라는 에너지의 95% 이상을 수입하여 사용하고 있는 에너지 다소비 국가로써 2013년 기준 제조업 원자재의 전체 수입량은 하루 평균 약 1조원에 이르는 것으로 집계되었다. 하지만 국내에서 발생되는 폐기물의 약 50% 이상이 에너지 회수에 이용될 수 있음에도 불구하고 단순히 소각 및 매립으로 처리가 되고 있어 에너지 다소비 국가의 현실과는 대조적인 폐기물처리가 이루어지고 있음을 알 수 있다. 이에 환경부는 ｢자원순환기본법(2018.01.01. 시행)｣을 마련하여 폐기물의 에너지화를 계획하고 있으며, 이와 관련해 소각으로부터 발생되는 열원, 온수, 증기 등의 에너지를 최대한 활용하여 그 효율에 따라 폐기물처분부담금을 감면해주는 방안을 구상하고 있다. 따라서 소각시설의 열에너지 회수효율 산정 및 산정을 위한 주요인자들의 과학적인 접근방법이 요구되었으며, 이에 본 연구에서는 열에너지 회수효율의 주요인자인 저위발열량 및 출열항목에 대하여 산정하고, 산정된 저위발열량 결과와 각 시설의 저위발열량 설계 값 및 발열량계측정값을 비교하여 타당성에 대하여 검토하고자 한다. 본 연구는 1차(2016.05.09.~2016.08.31.) 7개 시설(8호기), 2차(2016.09.05.~2016.10.30.) 4개 시설(9호기)로 진행하였으며, 대상 시설의 선정은 폐기물의 종류, 보일러의 설치형태, 소각로의 형태를 고려하여 선정하였다. 열에너지 회수효율의 산정을 위한 계측항목에 관련한 데이터를 일별로 수집하였으며, 계측 외 항목은 직접 측정하여 저위발열량 및 출열항목 등을 산정하였다. 대상 시설의 저위발열량 산정결과는 1차의 경우 2,776.6~3,881.4kcal/kg, 2차의 경우 1,921.5~5928.7kcal/kg으로 분포되는 것으로 나타났으며, 2차 대상시설 중 저위발열량 결과 값이 5928.7kcal/kg으로 산정된 시설의 경우 사업장폐기물 소각시설로 지정폐기물 투입비율이 100%인 것으로 나타났다. 연구결과, 지속적인 데이터 수집을 통해 출열항목을 산정하여 열에너지 회수효율을 극대화 시킬 방안을 마련해야 하며, 또한 과학적 근거를 수반한 저위발열량 산정방법을 마련해야 할 것으로 판단된다.

우리나라는 2030년까지 모든 경제분야에 걸쳐 온실가스 배출을 약 37% 감축할 계획을 UNFCCC에 제출하였으며 이에 따라 보다 정확한 온실가스 배출량을 산정하는 것이 중요하다. 국내 발생되는 폐기물의 매립 억제정책으로 인해 폐기물의 재활용율은 향상되고 있지만 소각비율 또한 증가될 수 있다. 따라서 소각시설에서 배출되는 가스물질의 안정적인 관리가 요구되는 실정이다. 본 연구에서는 국내 생활폐기물 소각시설 3개소(4호기) 및 사업장폐기물 소각시설 6개소(8호기)를 대상으로 연소 후 최종 배출되는 가스성분을 분석･포집하였다. 가스상 물질을 안정적으로 포집하기 위하여 가스샘플링장치를 설계･제작하여 적용하였으며, 보다 신뢰성 있는 시료채취를 위하여 3시간, 6시간, 24시간 단위로 각각 포집하여 결과값을 비교하였다. 분석대상 물질은 CO, NOx, SOx 그리고 CO2 였으며 포집한 기체시료 중 14C 분석을 통해 바이오매스량을 구하였다. 명확한 바이오매스량을 분석하기 위하여 탄소동위원소를 이용한 가속기 질량분석기(Accelerator Mass Spectrometry)를 이용하였으며 바이오매스량을 제외한 총 온실가스배출량을 구하였다.

Recently, domestic waste policy has focused on resource circulation. In accordance with Article 3, Paragraph 2 of the “Enforcement Rules of Wastes Control Act”, which is targeted at waste incineration facilities, we established and announced methods for calculating the recovery and utilization rates of incineration-sourced heat in 2015. The lower heating value is important to energy recovery and utilization rate calculations. Hence, the lower heating values of the waste incineration facilities were estimated using the thermal method from KS B 6205. Heat loss decreases the heat recovery efficiency, and should be measured and evaluated. The surface temperatures of the incinerator and boiler are required to determine heat loss. Presently, the contact point temperature method is used to measure the surface temperature. It is difficult to apply this method to the average surface temperature of an incineration facility. In this study, 20 Korean waste incineration facilities were selected for heat loss estimates based on waste incineration temperature, incinerator type, and incineration capacity. Infrared thermal cameras were used to measure the surface temperatures of the waste incineration facilities.

Various efforts have been made to increase use of renewable energy sources and reduce greenhouse gas emissions in Korea as economic and population growth have increased. Bio-energy is a renewable form of energy unlike fossil fuels and is not included in greenhouse gases because it is carbon neutral (sometimes referred to as “climate neutral”) and is exempted from total CO2 emissions. In this study, we determined the low heating value (kcal/kg) and elemental composition using the biogenic content of “wood” and a solid recovered fossil fuel “polyethylene product” to confirm the solid recovered fuel value. Biomass content was also determined using the selective dissolution method and 14C-method (AMS). Additionally, we developed a gas sampling system to collect gases emitted after combustion at 850oC to determine biomass content by AMS.

최근 급속한 경제 성장과 소비 수준의 상승으로 폐기물 배출량이 급격히 증가했고, 질적으로도 다양화 되고 있다. 우리나라 폐기물 처리정책의 주요내용은 자원을 효율적으로 이용함으로써 자연으로부터의 자원채취를 최소화함과 동시에 자연으로 되돌려지는 폐기물을 최소화함으로써 자연환경을 보호하고 사람의 건강을 보존하는 것이다. 선․후진국을 막론하고 폐기물관리정책의 변화과정은 비슷하다. 이러한 폐기물의 적정처리와 국가 에너지자원의 활용측면에 있어서 매우 중요한 역할을 담당하고 있는 소각시설은 현재 정부가 추진 중에 있는 ｢자원순환사회전환촉진법｣ 제정에 따라 적지 않은 변화가 있을 것으로 판단된다. ｢자원순환사회전환촉진법｣은 자원 및 에너지 소비량의 증가에 따라 계속적으로 폐기물 발생량이 증가하고 있는 국내의 사회적 구조를 고려할 때 폐기물의 발생억제 및 순환이용 촉진 등 자원순환사회 실현을 위한 기반 마련을 위하여 반드시 필요한 제도임에 틀림없다. 자원순환 성과관리제를 통하여 검토되고 있는 폐기물처분부담금(소각 또는 매립)은 에너지를 회수하지 않는 단순 소각시설의 경우 재활용비용에 버금가는 소각세를 부과한다. 그러나 일정기준 이상 에너지를 회수하여 사용하는 소각시설은 폐기물처분부담금의 감면혜택이 부여됨으로써 폐기물로부터 에너지를 회수하는 에너지회수시설과 단순 소각시설의 차별화가 뚜렷이 구분될 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 생활폐기물 소각처리 시설(2개소, 3호기)을 대상으로 2015년 ｢폐기물관리법｣ 시행규칙 제3조제2항에 따른 “폐자원에너지 회수･사용률 산정방법”에 따라 에너지회수율을 산정하였다. 각각의 저위발열량 및 에너지회수･사용률 산정인자(Ep, Ew, Ei, Ef)는 3개월 동안의 계측기 측정값과 현장측정(배출가스 조성, 방열손실, 바닥재 보유열 등)결과를 바탕으로 산출하였다. 폐자원에너지 회수･사용률 산정결과로는 A시설(1호기･2호기)의 경우 생산량 기준 98.6 %, 사용량 기준 26.9 %로 산정되었다. B시설(1호기)에서는 생산량 기준 99.0 %, 사용량 기준 81.9 %로서 생산량 및 사용량 모두 높은 비율을 나타났다. 반면, A시설에서는 생산량 대비 사용량 기준 27.3 %로서 낮은 유효사용률을 나타내었으며, 유효사용률을 높이기 위해서는 다양한 방안(소내 소비감소, 소각시설의 효율적 가동, 폐열보일러의 효율 향상, 안정적인 수요처 확보 등)을 강구할 필요가 있을 것으로 판단된다.

현재 국내의 주된 폐기물 처리 방식은 발생억제(Reduce), 재이용(Reuse), 재활용(Recycle)을 통한 물리적인 처리방식으로써 대량으로 발생하는 폐기물을 효율적으로 처리하기에는 한계가 있다. 이에 폐자원 에너지화(Recovery) 개념의 도입으로 폐기물의 단순한 처리가 아닌 효율적인 에너지 자원으로 활용함으로써 자원순환사회를 구축하기 위한 정책적 방안이 마련되었으며, 구체적인 방안의 하나로 2018년 1월 1일부터 시행되는 자원순환기본법을 통하여 소각시설에 발생되는 열에너지를 적극적으로 활용할 예정이다. 따라서 소각시설로부터 실질적으로 회수되어 사용되는 에너지의 정확한 수치화가 요구되었으며, 현재 국내에서 운영 중인 소각시설을 대상으로 시범사업을 진행하여 소각열에너지 회수･사용률의 실증에 노력을 기울이고 있다. 이에 본 연구에서는 폐자원에너지 회수･사용률 산정에서 가장 중요하게 작용되는 저위발열량을 도출하기 위한 핵심요소인 출열항목을 실측하여 소각열에너지 회수･사용률 산정을 위한 기초자료로 활용하고자 한다. 본 연구에서는 현재 운영 중인 생활폐기물 소각시설 2곳(A, B 소각시설)의 3개 호기와 사업장폐기물 소각시설 5곳(C, D, E, F, G 소각시설)의 5개 호기를 대상으로 5월부터 16주 동안 TMS 데이터 수집과 현장측정 및 시료분석을 병행하였으며, 종합적인 결과 값을 환경부 고시 제 2015-251호 폐자원에너지 회수･사용률 산정방법에 대입하여 소각로에서 발생되는 각각의 출열항목을 산출하였다. 또한 산출된 결과를 종합하여 생활폐기물 소각장과 사업장폐기물 소각장의 출열분포를 비교하여 보았다. 소각시설의 출열항목의 산정결과, 생활폐기물 소각시설 3개 호기의 출열 총합은 A시설 1호기가 13.54GJ/ton, 2호기가 14.12GJ/ton으로 산정되었으며, B시설 1호기는 12.72GJ/ton으로 산정되었다. 이 중 가장 높은 비율을 차지하는 출열항목은 증기 흡수열로 A시설 1호기는 9.57GJ/ton, 2호기는 9.82GJ/ton, B시설 1호기는 9.77GJ/ton을 차지하여 평균 72%의 분포를 보이는 것으로 나타났다. 또한 사업장폐기물 소각시설의 출열 총합은 C시설 16.65GJ/ton, D시설 15.48GJ/ton, E시설 13.35GJ/ton, F시설 12.49GJ/ton, G시설 11.79GJ/ton으로 산정되었으며, 사업장폐기물 소각시설 또한 생활폐기물 소각시설과 동일하게 증기 흡수열이 평균 65%의 분포를 보여 가장 높은 비율을 차지하는 것으로 나타났다. 연구결과, 지속적인 시범사업을 통해 실측값을 축적하여 소각열에너지 회수･사용률 제고를 위한 연구 등의 기초자료로 활용하여야 할 것으로 판단된다.

우리나라는 2030년 까지 모든 경제분야에 걸쳐 온실가스 배출을 약 37% 감축할 계획을 UNFCCC에 제출하였다. 이에 따라 온실가스 감축목표를 설정하고 부문별･업종별 배출권 할당량을 결정하고 있다. 따라서 보다 정확한 온실가스 배출량을 산정하는 것이 중요하며 현재는 배출활동별 온실가스 배출량 세부산정방법과 기준을 Tier 1, 2, 3, 4로 마련하여 관리하고 있다. 활동자료와 배출계수로 계산하는 Tier 1~3 기준에는 화석탄소함량(FCF)을 적용하여 폐기물에 포함된 바이오매스의 비율이 제외될 수 있는 반면, 소각시설에서 발생하는 배출가스 중의 온실가스를 직접적으로 측정하는 Tier 4(연속측정법)에서는 총 CO2만 측정 가능하기 때문에 온실가스 중의 바이오매스량을 제외하기 위해서는 화석연료 기원물질에 의한 배출량과 바이오매스 기원물질에 의한 배출량 구분이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 생활폐기물 소각시설과 사업장폐기물 소각시설 각각에서 연소 후 배출되는 가스를 가스샘플링장치를 이용하여 포집하였으며, 포집한 가스성분과 CO2 중의 바이오매스 기원물질량을 확인하였다. 기체시료 중의 바이오매스량을 측정분석하기 위해서 탄소동위원소를 이용한 가속기 질량분석기(Accelerator Mass Spectrometry)를 이용하였으며 보다 명확한 온실가스배출량 산정을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

현재 국내 폐기물은 발생억제(Reduce), 재이용(Reuse), 재활용(Recycle)의 3R 정책을 바탕으로 발생량 감축 및 재활용을 유도하고 있다. 하지만 재활용이 불가능한 상태의 폐기물과 재활용처리 후 발생하는 부산물 등은 최종적으로 소각과 매립을 통하여 처리되고 있다. 이처럼 소각처리 될 수밖에 없는 폐기물은 단순 소각처리 되는 양을 최소화하고 연소과정에서 발생되는 에너지를 회수(Recovery)하여 열 또는 전력에너지로 적극 활용해야 할 필요가 있다. 하지만 현행 에너지 회수기준의 회수율 산정 방법은 생산에너지를 기준으로 하여 생산 후 버려지는 에너지도 포함됨으로써 실질적인 회수로 판단하기에 한계가 존재한다. 즉, 현행 에너지 회수기준은 회수율 증진을 위한 기술개발 및 시설개선 등과 같은 도입취지와 목적을 충분히 반영하지 못하고 있는 실정이다. 또한 에너지회수율 산정의 핵심 매개변수인 폐기물 저위발열량에 대한 측정 및 분석 방법의 명확한 공통기준이 없어 객관성이 부족한 상황이다. 이에 2015년 ｢폐기물관리법｣ 시행규칙 제3조제2항 “폐자원에너지 회수･사용률 산정방법”에서는 폐기물 소각 처리를 통하여 회수되는 에너지 중 실제 사용되는 에너지의 비율을 바탕으로 하는 에너지 회수･사용률 산정방법과 투입 폐기물로부터 기원하는 정확한 투입에너지 산정을 위한 저위발열량 산정방법을 제정･고시하였다. 본 연구에서는 새로 제정된 “폐자원에너지 회수･사용률 산정방법”을 바탕으로 국내 사업장폐기물 소각시설에서의 폐기물 저위발열량과 에너지 회수･사용률을 산정하였다. 산정에 요구되는 데이터는 3개월간의 업체 내실제 계측데이터를 활용하였으며, 계측이 불가능한 항목은 현장 측정 결과를 적용하였다. 대상시설은 스토커소각로 3기(시설 A, B, C)와 로터리킬른-스토커 병합방식 소각로 1기(시설 D)로 하였으며, 주별･월별･분기별로 구분하여 산정 결과를 도출하였다. 분기별 산정결과 폐기물 저위발열량의 경우 시설 A, B, C, D 각각 3,684kcal/kg, 2,960kcal/kg, 3,081kcal/kg, 2,794kcal/kg로 산정되었으며, 에너지회수･사용률은 각각 54.2%, 54.6%, 64.7%, 52.1%로 산정되었다. 이러한 결과는 에너지생산량 기준의 에너지회수율 대비 약 5∼20% 차이를 나타냈으며, 에너지회수･사용률을 높이기 위해서는 생산된 에너지 중 판매량을 최대화 하는 것이 가장 중요하고 효과적일 것으로 판단된다. 또한 장기적으로 보조연료 투입량과 전력 사용량 감축을 위한 기술개발과 시설공정 및 운영방식의 개선이 필요할 것으로 사료된다.

‘전국 폐기물 발생 및 처리현황’(환경부, 2014)에 따르면, 국내의 전국 폐기물 총 발생량은 매년 증가하는 추세이다. 건설 폐기물을 포함한 ‘14년도 총 폐기물 발생량은 388,486톤/일에 달하며, 지정폐기물을 포함하면 폐기물 발생량은 더 증가한다. 이렇게 발생한 폐기물은 매립, 소각, 재활용, 해역배출로 처리되었다. 하지만 국내의 육상 폐기물 해역배출은 런던협약에 ‘16년부터는 전면 금지되었으며, 매립과 재활용을 통한 폐기물의 처리는 한계가 있다. 지속적으로 발생량이 증가하는 폐기물의 처리와 지정폐기물, 재활용 금지 및 제한대상 폐기물을 처리하기 위하여 폐기물의 소각처리가 필수적으로 요구된다. 국내에서는 정책적으로 폐기물 소각시설의 폐자원에너지 회수와 사용에 대해 집중하고 있으며, 2015년에 폐기물 소각시설의 소각열에너지 회수･사용률 산정방법을 확정하여 2018년 1월 1일부터 자원순환기본법을 통해 시행할 것을 예고하였다. 사업장폐기물 소각시설의 소각열에너지 회수･사용률 산정방법에 따르면 열정산법을 이용해 입열과 출열을 산출하여 소각시설의 효율을 계산한다. 소각로의 방열손실은 에너지의 회수 효율을 낮추는 출열 항목 중 한가지로 각 시설마다 측정하여 평가되어야 한다. 현재 방열손실 평가를 위한 소각로의 벽면 온도 측정은 지점측정법을 이용하여 실측되고 있다. 하지만 접촉식 온도 측정은 대상의 접촉 지점마다 온도가 다르게 측정 될 수 있으므로 대상 시설의 평균 표면온도를 정확하게 측정하는 것이 어렵다. 비접촉 방식으로 온도를 측정하는 적외선 열화상 카메라는 넓은 면적의 온도를 동시에 측정 가능하며 대상 시설의 평균 온도를 비교적 정확하게 측정 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 폐기물 소각시설의 출열 항목 중 방열손실의 측정 및 평가를 위해 적외선 열화상 카메라를 이용하였으며, 소각로 표면 온도 측정방법과 소각시설의 방열손실 산정 방법을 정립하였다.