폐기물, 바이오매스, 석탄, 정유공장 부산물 등을 청정하면서 이용이 편리한 가스 형태인 합성가스로 변화시켜 발전과 화학원료 생산과 같은 고부가가치로 활용 가능한 가스화 기술은 최근 환경과 청정에너지 관점에서 국제적으로 관심이 높아져 사업 기회가 점점 증가하고 있다. 합성가스 이용 발전기술은 가스엔진, 연료전지, 가스터빈, 스팀터빈으로 분류되고 중･소규모 시설의 경우 현재 가스엔진 기술이 가장 일반적으로 적용되고 있다. 합성가스 이용 가스엔진 발전의 경우 공기 또는 산소부화 조건에서의 비용융 가스화가 일반적으로 적용되며 이때의 가스화기 반응온도는 900~1100℃이고, 합성가스 내 H2, CO 이외의 CH4, C2H4, C3H8 등의 탄화수소를 일부 포함하고 있으며, 발열량 900~1,600 kcal/kg정도이다. 본 연구에서는 폐기물 처리량 기준 8톤/일급 규모의 가스화 발전 파일럿 플랜트에서의 생활폐기물 비성형 고형연료로부터 생산된 합성가스를 이용하여 500 rpm 저속엔진을 이용한 합성가스 조성에 따른 발전특성과 연소특성을 파악하였다. 실험결과 본 연구에 사용된 저속 가스엔진을 통한 합성가스 내 탄화수소류의 연소율은 최대 100%를 보였으며, 동일 합성가스 발열량 기준 탄화수소류의 농도 변화는 가스엔진 발전량에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

폐기물은 이제 단순한 처리대상 물질이 아니라 에너지를 회수할 수 있는 하나의 자원으로 인식되고 있으며 이에 대한 효율성 증대와 상용화를 위해 정부의 주도 하에 다양한 정책들이 계획되어 진행되고 있다. 이러한 정책의 요점은 가까운 미래에 에너지의 확보가 국가차원의 생존 및 경쟁력에 문제점을 가져올 수 있으며 이에 대한 새로운 재생 가능한 에너지의 수급방법에 대한 기술력 확보가 필요하다는 것이다. 폐기물로부터 합성가스를 생산하는 가스화 운전기술 최적화 도출은 효율적인 에너지 생산 및 재활용 기술 개발을 한 단계 더 나은 폐기물 처리방법으로 각광 받을 수 있다. 또한 가스화를 통한 양질의 합성가스는 스팀발전, 고효율 가스엔진 등의 연료로 사용 되어 에너지 회수효율을 높일 수 있다. 본 연구에서는 SRF pilot 가스화 플랜트 최적 운전 조건 도출을 위해 운전인자로는 공기비, 충진율, 산화제 분배율이 있으며, 성능지표로는 냉가스 효율, 탄소 전환율, 합성가스 생산량, 발열량, 조성 등을 지표로 정의하였다. 그리고 성능지표 기준 및 가중치를 설정 후 26조건의 SRF pilot 가스화 실험을 진행하였으며, 실험 결과를 분석하여 최적운전 조건을 도출하였다. 실험조건은 공기비 0.21~0.36, 가스화 반응기 SRF 충진율 35~65%, 산화제 분배율은 0~7.5%로 설정하여 실험을 진행하였으며, 공기비, 충진율이 증가할수록 냉가스효율 및 탄소전환율이 증가되었고, 산화제 분배율에서는 냉가스 효율은 2차 산화제 분배율이 3%에서 가장 좋은 결과를 보였으며, 탄소전화율은 2차 산화제의 공급비율이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 추후 공기비를 증가시킨 조건에서의 가스화 특성을 추가 파악 할 필요가 있음을 확인하였다.

폐기물로부터 에너지를 회수하고자 하는 노력은 전세계적인 추세이며, 국내에서도 가연성 폐자원의 효율적인 친환경적 처리, 에너지 회수를 위한 다양한 정책과 법규가 만들어져 진행되고 있다. 가연성 폐기물로부터 에너지를 회수하는 전통적인 방법인 소각과 비교하여 가스화 기술은 생산된 합성가스를 다양한 방법으로 활용할 수 있다는 장점을 보유하고 있다. 합성가스가 가지고 있는 화학적 에너지를 활용하여 직접 엔진을 가동할 수 있으며, 가스화 방식에 따라 합성가스 내에 포함된 수소, 일산화탄소 등의 성분을 화학반응의 원료로 사용할 수도 있다. 따라서, 국내에서도 폐기물로부터 얻어진 합성가스를 다양한 방법으로 활용하기 위한 많은 연구들이 진행중에 있다. 본 연구에서는 국내 지자체에서 발생되는 생활폐기물의 비성형고형연료화 및 가스화 발전 기술을 적용하여 폐기물이 갖는 에너지를 회수하고자 비성형고형연료 8톤/일 규모의 하향식 고정층 가스화로와 세정설비, 가스엔진 발전을 통해 약 250kW이상의 전력을 생산하는 시스템을 설치 및 운영하였으며, 실증설비의 설계를 위한 다양한 인자에서의 결과를 알아보았다. 가스화 특성에 따른 발전 효율을 토대로 가스화 기술의 경제성을 평가함에 따라 상용공정으로의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

기후변화가 가속되는 현 상황에서 신재생에너지의 적극적 활용은 전세계적인 추세이며, 국내에서도 가연성 폐자원의 효율적인 친환경적 처리, 에너지 회수를 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 관련정책과 법규가 만들어져 있다. 가연성 폐기물로부터 에너지를 회수할 수 있는 가스화 기술은 생산된 합성가스를 다양한 방법으로 활용할 수 있다. 합성가스가 가지고 있는 화학적 에너지를 활용하여 직접 엔진을 가동할 수 있으며, 가스화 방식에 따라 합성가스 내에 포함된 수소, 일산화탄소 등의 성분을 화학반응의 원료로 사용할 수도 있다. 따라서, 국내에서도 폐기물로부터 얻어진 합성가스를 다양한 방법으로 활용하기 위한 많은 연구들이 진행중에 있다. 본 연구에서는 폐기물 고형연료 가스화 플랜트 기술의 개발을 위해 생활폐기물을 대상으로 비성형 고형연료를 제조하고, 제조된 고형연료를 파일럿 규모의 고정층 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 이를 직접 가스엔진 발전기에 도입함에 있어서, 고정층 반응기에서 발생되는 합성가스의 생산특성에 대해 알아보고자 한다.

신재생에너지의 적극적 활용은 전세계적인 추세이며, 국내에서도 가연성 폐자원의 효율적인 친환경적 처리, 에너지 회수를 위한 다양한 정책과 법규가 만들어져 진행되고 있다. 가연성 폐기물로부터 에너지를 회수하는 전통적인 방법인 소각과 비교하여 가스화 기술은 생산된 합성가스를 다양한 방법으로 활용할 수 있으며, 100톤미만의 폐기물 처리시 소각보다 월등히 높은 효율을 보이고 있다. 따라서 사용연한이 도래하는 국내 중소규모 소각시설의 대체 및 플랜트의 해외 수출 등을 위해 폐기물 고형연료의 가스화 기술의 개발이 진행중이다. 본 연구에서는 이러한 폐기물 고형연료 가스화 플랜트 기술의 개발을 위해 생활폐기물을 대상으로 비성형 고형연료를 제조하고, 제조된 고형연료를 공기사용 고정층 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 이를 직접 가스엔진 발전기에 도입함으로써 일정량의 전력을 생산하는 경우 가스엔진 발전기의 운전 특성에 대해 연구하였다. 가스엔진 발전기의 운전에서 중요한 운전인자는 무엇인지 확인하고, 이를 통해 안정적인 가스화 엔진발전을 위한 개선사항에 대해 알아보고자 하였다.

폐기물로부터 에너지를 회수하고자 하는 노력은 전세계적인 추세이며, 국내에서도 가연성 폐자원의 효율적인 친환경적 처리, 에너지 회수를 위한 다양한 정책과 법규가 만들어져 진행되고 있다. 가연성 폐기물로부터 에너지를 회수하는 전통적인 방법인 소각과 비교하여 가스화 기술은 생산된 합성가스를 다양한 방법으로 활용할 수 있으며, 100톤 미만의 폐기물 처리시 소각보다 월등히 높은 효율을 보이고 있다. 따라서 사용연한이 다 되어가는 국내 중소규모 소각시설의 대체 및 플랜트의 해외 수출 등을 위해 폐기물 고형연료의 가스화 기술의 개발이 진행중이다. 본 연구에서는 이러한 폐기물 고형연료 가스화 플랜트 기술의 개발을 위해 국내 한 지자체의 생활폐기물을 대상으로 비성형 고형연료를 제조하고, 제조된 고형연료를 공기사용 고정층 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 이를 직접 가스엔진 발전기에 도입함으로써 일정량의 전력을 생산할 수 있는 반응 특성에 대해 연구하였다. 실험 설비와는 다르게 파일럿 플랜트 이상의 실증시설은 강제로 온도를 유지할 수 없으므로, 공급하는 산화제에 의해 로내 온도가 변화되며, 최적 가스화 효율을 얻기위해 다양한 운전인자의 변화에 따른 가스화 특성에 대해 평가하였다.

비성형 SRF 제조공정은 대상지역의 특성과 계절 등 변동요인에 따라 제품품질의 큰 영향을 끼친다. 본 연구에서는 2016년 9월, Y시에 설치되어 있는 15톤/일급 Pilot 비성형 SRF 제조공정에 대하여 총량, 폐기물조성, 수분량 별로 물질수지를 세우고 그 결과를 분석하여 실증시설 설계반영에 반영하고자 하였다. 연속 정상운전 상태에서 각 공정별 시료채취는 3회씩 겉보기밀도, 물리적조성, 조성별 수분 분석을 하였고, 총괄수분 분석을 위한 시료채취는 공정별 각 5회씩 수행하였다. 1차 자력선별물, 2차 자력선별물, 비철선별에 대해서는 시료채취를 1회 하였다. 30mm미만 시료는 조성별 분리가 어렵기 때문에 협잡물로 가정하고 회분을 측정하여 가연분을 추정하였다. 물리적 조성은 3회 측정한 것을 총괄적으로 환산하여 평균으로 사용하였고 총량은 시스템의 최종 배출지점의 폐기물의 전체량을 측정한 결과로 분석하였다. 물질수지 분석결과 1차 파쇄 후 기준으로 고형연료제품 수율 74.90%, 잔재물 비율 22.66%, 선별물 비율 2.45%을 보였다. 누출량을 포함하여 계산하면 누출물의 비율 11.36%, 고형연료제품 수율 66.39%, 잔재물 비율 20.08%, 선별물 비율 22.17%로 큰 차이가 없었다.

3 kg/hr급 소용량 down draft 방식의 고정층 가스화기에서의 산화제 공급방식에 따른 비성형 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel)의 공기가스화 특성을 파악하였다. 공기단독, 공기와 스팀 혼합 및 산소부화 세 조건에서의 산화제 종류에 따른 가스화 특성과 공기를 산화제로 하여 산화제 주입 위치에 따른 가스화 특성을 살펴보았다. 가스화 특성을 살펴보기 위한 지표로 합성가스 조성, 합성가스 발열량, 냉가스효율 및 탄소전환율을 산정하여 사용하였다. 산소부하 가스화의 경우 주입되는 산소량은 동일하고 상대적으로 질소량이 감소하기 때문에 합성가스에 포함된 질소함량의 감소로 합성가스 발열량은 증가하게 된다. 그리고 스팀을 혼합하여 사용할 경우 주입된 스팀과 탄화수소 가스의 수증기 개질반응(CnHm + H2O → H2 + CO)에 의해서 H2와 CO농도가 증가하고 합성가스 발열량도 증가하게 된다. 또한 탄화수소 계열인 타르와 반응함으로써 타르 제거 효과를 가지는 것으로 보고된다. 또한 보조산화제를 적절하게 사용할 경우 합성가스 품질을 유지한 상태에서 로내 타르 제거효과가 있는 것으로 보고된다. 공기가스화와 비교하여 산소부화 조건의 경우 합성가스 발열량은 증가되었지만 냉가스효율 및 탄소전환율은 감소된 결과를 보였다. 보조산화제를 사용한 경우 합성가스 유량과 H2, CH4, CO를 포함하는 가연성가스의 농도가 증가하였고 이로 인해 냉가스효율과 탄소전환율도 증가하는 결과를 보였다.

국내 고형연료제품 제조시설은 대부분 비닐, 플라스틱 등이 주 성분인 사업장폐기물을 대상으로 운영되어왔지만, 최근 생활폐기물을 대상으로 고형연료제품을 생산하는 시설이 증가하고 있다. 생활폐기물은 사업장폐기물에 비해 물리적 조성이 불균일하고 계절별, 지역별 특성에 따라 그 성상이 다양하게 나타나기 때문에 다양한 전처리 단위공정을 통해 불연물을 최소화하고 양질의 연료를 생산하기 위한 노력을 필요로 한다. 본 연구에서는 이러한 관점에서 설치된 다양한 단위공정 중 파봉설비(1차 파쇄), 파쇄설비(2차 파쇄), 자력선별장치, 풍력선별장치에 대해 폐기물의 투입부하, 컨베이어 이송에 의한 투입속도 및 두께, 풍량 등의 변수가 단위공정에 미치는 영향에 대한 연구를 진행하고 이를 최적화하기 위한 방안을 제안하였다. 파봉설비의 경우 그 목적이 다양한 크기의 봉투체로 반입되는 폐기물의 파봉에 있는데 투입 시 폐기물의 부하량이 너무 적을 경우 단위투입량 당 파봉되지 않은 폐기물의 비율이 증가하는 것으로 확인되었으며, 입자의 크기를 작고 균일하게 하기 위한 2차 파쇄설비도 파봉설비와 마찬가지로 부하가 낮을 경우 설치목적에 부합하는 결과를 달성하기가 어려운 것으로 확인되었다. 자력선별장치는 철류 불연물을 분리하기 위한 목적으로 설치한 것인데 폐기물 이송 컨베이어의 속도가 느리고 폐기물의 두께(투입량)가 얇게 투입될수록 선별효율이 높아지는 것으로 나타났다. 풍력선별장치는 비중이 큰 폐기물을 선별하기 위한 공정인데, 일반적으로 비중이 크다는 것은 함수율이 높거나 불연물일 가능성이 높기 때문이며 결국 불연물을 분리하여 가연물의 비율을 높이면서 가연물을 최대한 회수하기 위한 목적으로 설치된 것이다. 풍력선별장치는 풍량과 폐기물 두께(투입량)에 따른 특성을 파악하기 위한 실험을 진행하였고, 풍량이 크고 투입폐기물의 두께가 얇게 투입될 수 있도록 운전하는 것이 가연물의 비율을 최대한 높일 수 있는 방법인 것으로 확인되었다. 하지만, 이러한 결과들은 해당 지역의 폐기물특성(비중, 함수율, 분리배출정도 등)에 따라 차이가 있을 수 있기 때문에 사전에 폐기물의 특성을 충분히 파악한 후에 적용해야 할 것이다.

각종 산업공정 및 생활과정에서 발생되는 폐기물을 처리하는 방법에는 다양한 방법이 존재하나 화석연료를 대체할 신재생에너지의 필요성이 확대되면서 폐기물도 처리되어야 할 대상에서 에너지원으로 다양한 활용방법이 제안되고 있다. 생활폐기물 고형연료제품 제조시설을 비롯한 전처리가 필요한 시설에서 중요한 것은 반입대상 폐기물의 물성이다. 본 연구는 전라남도 Y시의 생활폐기물의 물리화학적 특성을 파악하여 전처리 시설의 최적 설계 및 운영의 효율성을 증대시키기 위한 기초자료를 제공하고자 실시하였다. Y시 소각장 반입폐기물에 대한 물리적 성상조사는 폐기물 수집운반차량에 적재되어있는 폐기물 전량을 대상으로 실시하였다. 폐기물 전량을 방수포 위에 쏟아 부은 뒤에 4가지 기준(조대폐기물, 종량제봉투, 비종량제봉투, 파봉폐기물으로 분류하였다. 조대폐기물은 선별공정에 투입되었을 때 문제가 생길 수 있을 것으로 판단되는 500mm 이상 크기로 구분하고 폐기물을 분류한 뒤에 종량제 봉투와 비종량제 봉투를 구분하였다. 비종량제봉투는 일반비닐봉투나 마대자루등으로 밀봉되어 반입된 폐기물이며 파봉폐기물은 수집운반차량에서 조대폐기물 및 밀봉된 폐기물을 제외한 파봉된 상태로 수집된 폐기물로 구분하였다. 조사대상 폐기물의 수거지역은 공동주택지역(가-지역, 나-지역), 단독주택지역, 시외곽지역 및 재활용선별장(재활용 선별하고 남은 잔재물)으로 선정하였다. 반입되는 폐기물은 종량제폐기물이 22.07 wt%, 비종량제폐기물은 23.99 wt%, 파봉폐기물이 44.39 wt%, 조대폐기물의 발생량이 9.55 wt%로 확인되었다. 반입되는 폐기물 중 전처리 시설을 가동할 때 조대폐기물을 제거한다고 가정하여 조대폐기물을 제외한 시료를 대상으로 물리적 조성을 분석하였다. 분석 결과 가연성 물질은 85.66 wt%이고 그 중 비닐이 21.77 wt%로 가장 높게 나타났으며 음식물(18.14 wt%), 종이(17.47 wt%), 기저귀/생리대(6.83 wt%)순으로 발생 되었다. 삼성분 분석을 실시한 결과 평균 수분은 36.01wt%이며 폐기물의 습기준 저위발열량은 2,573kcal/kg으로 다소 낮은 것으로 확인되었는데, 이는 대상폐기물 중 수분함량이 높은 음식물의 양이 많아 발열량에 영향을 미친 것으로 판단된다.

최근 남극 과학기지의 건설에 대한 국민적 관심이 높아짐과 함께, 시베리아 및 알래스카 등지의 동토지역에 매장된 막대한 에너지 자원의 개발을 위한 건설 수요가 급격히 증가하고 있다. 하지만 극지방에 건설되는 건축물의 경우, 내부의 열이 바닥 기초를 통해 지반으로 전달됨에 따라 동토지반의 교란과 열의 불균형이 야기되어 건물의 부등침하가 발생될 수 있는 문제점을 가지고 있어 이러한 지반의 동결 및 융해로 인한 피해 사고를 방지하고자 동토지역 지반 안정화 기술의 일환으로 열사이폰(Thermosyphon)기술이 사용되고 있다. 또한 겨울철 산간지방에서는 열사이폰을 사용하여 얻어진 지열로 도로를 가열시키어 도로의 결빙을 방지할 수 있는 신기술의 적용이 가능하지만 우리나라는 아직 이에 대한 연구가 매우 미비한 실정이다. 본 연구에서는 CFD(computational fluid dynamics) 해석을 통하여 열사이폰의 작동을 모델링하였으며, 이를 위해 상용 유한체적해석 프로그램인 FLUENT를 이용하였다. 구축된 모델의 검증 결과, 다양한 내부의 합리적인 거동 모습들을 통해 수치적으로 구축된 열사이폰 모델이 실제의 가동 상황을 적절하게 모사하고 있음을 판단할 수 있었다. 또한 본 연구에서 구축된 수치모델은 추후 열사이폰의 정밀 설계에도 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.