폐기물, 바이오매스를 원료물질로 하여 전기를 생산하는 시스템은 화석연료를 대체하고, CO2 배출을 저감시킬 수 있는 기슬로 평가되고 있어, 기술의 적용에 대한 관심이 매우 집중되고 있다. 아직도 인도를 포함한 남부아시아 지역 국가에서 거주하는 인구의 40% 이상의 사람들에게는 전기 사용 접근이 제한되거나 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 폐기물, 바이오매스 가스화를 기반으로 하는 전기 생산 시스템은 이러한 국가의 지역사회에 전기를 공급할 수 있는 적절한 대안이 될 수 있는 것으로 평가되고 있다. 본 연구에서는 Pilot 규모에서 폐기물을 이용한 공기 가스화를 통해 생산된 합성가스를 연료로 이용하여 가스엔진과의 연계를 통해 전기를 생산하는 시스템을 개발하였다. 가스화기 상부에서 폐기물을 투입하고 산화제인 공기는 가스화기 측면에서 투입하였으며, 반응된 가스는 하부로 배출되는 하향식 고정층 방식의 장치를 이용하여 가스화에 의한 합성가스 생산하고 이를 가스엔진의 연료로 사용하였다. 합성가스 엔진은 주파수 60Hz, 회전수 1,200rpm, 최대출력 20kW급의 사양을 가진 것을 이용하였다. 가스엔진 운전 초기에는 원료 합성가스의 일부만을 유입하여 가동을 실시하였고, 안정하게 유지시 전량을 유입하여 가스엔진을 가동하였다. 합성가스의 조성은 CO 9.8 ~ 15.2%, H2 6.8 ~ 10.9%, CH4 3.4 ~ 4.7%으로 나타났으며, 30.2 ~ 34.6 Nm³/h의 합성가스를 유입하여 약 13.1 ~ 16.4 kW의 전기를 생산할 수 있었다.

국내 중･소규모 지자체의 중･소규모 생활폐기물 소각시설은 에너지 이용을 할 수 없거나, 에너지 회수율이 낮게 활용되고 있다. 중･소규모 생활폐기물 소각시설의 폐열보일러에서는 품질이 낮은 스팀을 생산하므로 스팀터빈을 적용한 경우에는 발전효율이 매우 낮으며, 대부분 생산 스팀을 활용할 시설이 없는 실정이다. 이러한 미활용 되고 있는 중･소규모 지자체에 적합한 고효율발전이 가능하고 열풍 또는 온수 이용이 가능한 폐기물 가스화 발전시설을 보급 가능성을 검증하기 위해 생활폐기물이 1일 50톤 정도 발생하는 지자체에 공기사용 생활폐기물 가스화 가스엔진발전플랜트를 구축하여 성능검증을 수행하고 있다. 본 연구에서는 30톤/일급 상용규모 고정층 공기사용 가스화로에서 생산된 합성가스를 가스엔진 발전시스템에 의해 전력생산량과 50톤/일급 가스화용 생활폐기물 전처리시설 및 가스화발전 시설의 소내 사용전력을 고찰하였다. 반입기준의 생활폐기물 50톤/일급 전처리 및 30톤/일급 가스화 발전 시설의 판매 가능한 전력량을 운전결과를 통해 고찰하였다. 공기사용 고정층 가스화 Pilot 시스템을 이용한 연구에서는 가스엔진 발전이 가능한 합성가스 생산을 위해서는 폐기물의 저위발열량을 3,500 kcal/kg이상으로 전처리 해야 하는 설계조건으로 도출되었다. 본 연구에서 사용한 50톤/일급 전처리시설을 이용하여 파쇄, 선별 및 탈수를 진행하였고, 건조는 진행하지 않은 전처리된 생활폐기물을 공기사용 가스화를 통행 생산된 합성가스를 이용하여 가스엔진 발전시스템에서 생산한 전력량은 약 800 kWe 이상 생산 가능함을 확인하였다. 또한 전체 소내전력 사용량은 약 250 kWe으로 전력판매량은 약 550 kWe로 도출되었다. 폐기물 가스화 발전의 경우 가중치가 1.0이므로 3,960 REC/yr 확보가 가능한 것으로 산출되었다.

This research performed the effects of the air ratio to produce the syngas from the fixed-bed gasifier for municipalsolid waste. At the inside of reactor, temperature depends on amount of the oxidant to classify four distinct process,combustion, reduction (gasification), pyrolysis and dry zone. As decreasing the air flow rate, the particulate matters hada tendency to decrease, proportionally. In this system, the producer gas needs the clean-up process over 98% efficiencyfor connecting the internal combustion engine to generate electric power. At the test 1 and 2, while the air ratio decreased,the LHV of syngas and CGE were increased. however, at the test 3, because the oxidizer had injected more less thandemanded, these showed a decreasing tendency.

폐기물을 사용한 가스화용융 공정에서 발생되는 폐수와 슬랙은 폐기물의 특성상 납, 비소, 카드뮴, 수은, 구리, 크롬 등 다양한 종류의 중금속을 함유하고 있어 오염문제를 야기할 수 있다. 따라서 이러한 중금속들을 제어할 수 있는 정제 과정과 슬랙에서 배출되는 용출수의 중금속 분석이 필요하다. 본 연구에서는 Pilot 규모의 폐기물 가스화 공정에서 사용한 폐기물, 운전 시 사용한 폐수, 폐수를 여과 처리한 처리수, 생성된 슬랙 및 슬랙에서 나온 용출수의 중금속 함량을 비교함으로써 가스화 및 오염물질 정제 과정에서 관찰되는 중금속 물질의 거동을 확인하였다. 폐기물은 울산지역의 사업장폐기물과 용인지역의 사업장 폐기물 그리고 자동차파쇄잔재물(ASR)을 사용하였다. 폐기물 가스화 공정 중에 발생하는 바닥재는 용융되어 슬랙의 형태로 배출된다. 그리고 폐기물 가스화 공정 내 오염물질 정제 과정은 입자상물질 제거장치, 중화세정탑, 탈황세정탑 및 미세입자상물질 제거장치 순으로 진행된다. 각 시료의 중금속 함량 분석 결과 여과 처리를 거친 처리수의 경우 중금속 함량이 대부분 검출되지 않았으며, 구리 1.76mg/L, 니켈 0.46mg/L, 바륨 0.56mg/L로 환경부 배출 허용기준치에 미치지 못하는 극소량이 분석되었다. 또한 슬랙 내부에 대부분의 중금속이 포획되어 슬랙 용출수에서는 대부분 검출되지 않았으며 일부 중금속의 경우 0.1mg/kg 미만으로 분석되었다. 이러한 분석 결과를 바탕으로 Pilot 규모의 폐기물 가스화 공정을 거친 폐기물은 생명체에 치명적인 중금속 오염 문제를 야기하지 않음을 보여준다.

바이오매스 및 폐기물로부터의 합성가스 생산 기술 개발은 효율적인 에너지 생산 및 처리방법으로 각광받아오고 있다. 특히, 가스화 반응으로부터 생산되는 타르는 가스화 효율을 낮추고, 배관폐쇄에 따른 가스화 시스템의 연속운전 저해 요소로 작용하고 있다. 효율적인 합성가스 내 타르 저감 방안으로, 촉매를 활용한 수증기 개질 연구가 이루어져 오고 있다. 주로 수증기 개질 반응용으로 사용되는 Ni 계열의 상용 촉매는 높은 가격 및 낮은 열적안정성으로 인해 중금속 계열의 Fe 활용 연구에 관한 연구 결과가 보고되고 있다. 특히, 제련공정으로부터 생산되는 제강슬래그와 염색 산업단지에서 발생되는 염색슬러지의 주성분은 Fe로, 상용 촉매 대체 적용가능 여부를 판단하기 위해 타르 스팀 개질 특성을 확인할 필요가 있다. 본 연구에서는 제강슬래그의 비표면적 향상을 위해 고온 알칼리 처리를 하였으며, 염색슬러지의 활용을 위해 고온 소성 처리를 수행하였다. 전처리를 거친 각각의 시료는 타르의 대표 성분인 벤젠을 이용하여 다양한 반응온도 조건에서 촉매 성능 평가를 수행하였으며, 대조군으로 촉매가 없는 조건과 Fe계열의 상용촉매 상에서 수행을 하였다. 최대 활성을 나타내는 900℃에서 제강슬래그의 경우 상용촉매에 비해 약 15% 높은 촉매 활성을 나타내었으며, 염색슬러지의 경우 상용촉매와 동일한 활성을 나타내었다. 이를 통해, 상용 촉매를 대체 할 수 있는 폐자원을 활용한 타르 개질 공정에 적용함으로써 운전비용 절감과 자원재활용에 크게 기여할 것이라고 사료된다.

일반적으로 가스화는 고온에서 산소/공기 등을 이용하여 합성가스를 얻는다. 가스화로 후단에 위치한 정제공정에 의해 불순물이 제거된 합성가스는 메탄올의 합성 원료로 쓰이거나 터빈과 같은 발전시스템에 직접 이용되며, 더 나아가서는 연료전지에 이르기까지 다양한 범위에서 이용된다. 이러한 폐기물 가스화 기술은 폐기물을 에너지 자원으로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 매립지의 부족으로 인한 폐기물처리 방법에 대한 대응책이될 수 있다. 가스화 공정에서 발생하는 미립자 상태의 불순물 특히, 분진은 각 단위 공정 설비 내부에 파울링 현상을 발생시키기 때문에 여러 단계의 정제 공정을 통해 분진을 제거해야 한다. 따라서 분진의 제거 효율을 높이기 위해서는 벤츄리 스크러버, 중화세정탑, 탈황세정탑 그리고 습식전기집진기를 이용하여 분진을 제거하는 방법이 있다. 본 연구에서는 사업장폐기물과 ASR폐기물을 각각 원료로 하여 5단계의 정제설비 후단에서 분진의 거동을 판단하였다. pilot급 가스화로 후단에서 발생하는 분진의 평균 농도는 7,708 mg/m3, 34,038 mg/m3 으로 ASR 폐기물이 사업장폐기물에 비해 4배 이상의 분진이 배출되었다. 하지만 습식전기집진기를 통과한 두 폐기물의 합성가스 모두 분진이 검출되지 않아 제거 효율이 100.0%에 가까운 것으로 분석되었다. 따라서 폐기물을 이용한 순산소 가스화 공정에서 발생하는 분진은 이와 같은 정제 설비를 통해 효율적으로 제거가 가능한 것으로 판단된다.

사업장에서 배출되는 폐기물은 음식물이 거의 없으며 액상의 경우 오니 또는 유기용제로 분류되어 지정폐기물로 따로 처리되고 있어 함수율이 비교적 낮다. 이러한 이유로 파쇄나 선별과 같은 비교적 간단한 전처리를 통해 효율적으로 재자원화가 가능하다. 이렇게 가공된 폐자원은 각종 산업설비의 보조연료로써 사용되기도 하며 기술적 선진국인 유럽과 일본에서는 전용 보일러가 도입된 발전시설의 연료로 사용될 수 있다. 최근에는 화석연료의 가격상승과 맞물려 화학원료의 생산단가 상승으로 이어지고 있으며 원가절감을 위한 화석연료의 대체에 폐자원의 활용이 효과적일 것으로 전망된다. 본 연구는 폐자동차를 재활용하고 남은 잔재물(ASR, Automobile Shredder Residue)과 폐기물 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel)를 제조하는 과정에서 발생되는 부산물을 가스화용융 시스템에 적용하였다. 폐기물의 종류와 투입 속도, 산화제 및 보조연료의 공급 조건의 변화에 따라 합성가스의 생산에 미치는 영향에 대해 고찰하였으며 사용된 폐기물의 발열량은 약 4,000 ~ 6,500 kcal/kg이었으며 가스화용융로의 반응 온도는 약 1,200 ~ 1,500℃의 범위에서 운전되었다.

This research performed physico-chemical analysis of MSW(municipal solid waste) for design and operation ofgasification generation system. The MSW sample was analyzed by proximate, ultimate, heat value method and sampledeach residential type classified apartment, house, urban and rural in by seasonal generation According to statistics of 2010MSW generation in Korea, On average, Namwon generated about 101.4 ton of trash and recycled almost 57.5 ton ofthis material per day, equivalent to a 56.7 percent recycling rate. It was recycled 0.73 kilograms out of individual wastegeneration of 1.29 kilograms per person per day. In 2011, On average, Namwon generated about 46.7 ton without recycledmaterial per day, and individual generation was 0.60 kilograms. It was virtually identical with statistics data in 2010. Inthe physico-chemical analysis results, it was composed of 84.1 percent of combustible and 15.9 percent of Non-combustible. On average, heat value was 2,529kcal per kilogram in condition of LHV and wet. The MSW sample wasincluded 32.0 percent of moisture, 21.9 percent of ash, 26.8 percent of carbon, 14.4 percent of oxygen, 3.7 percent ofhydrogen and 1.3 percent of others. Estimate of technical potential energy of MSW was 1,278 toe per year, equivalentto a 33.3 percent of total potential energy.

바이오매스 가스화 반응으로부터 생성되는 타르는 가스화 효율을 낮추고 배관폐쇄에 의한 가스화 시스템의 연속운전에 대한 저해 요소로 작용한다. 효율적으로 합성가스 내 타르를 제거하기 위한 방안으로, 촉매를 활용한 수증기 개질 반응이 주목되고 있다. 특히, 수증기 개질 반응을 거친 타르는 합성가스 내 CO와 H2로 분리되어 더 높은 바이오매스 가스화 효율을 얻을 수 있다. 최근 Iron-based 촉매는 타르 분해 반응에 대한 효과가 보고되고 있으며, 열적 안정성이 우수하다고 알려져 있다. 본 연구에서는 Fe 성분을 함유하고 있는 염색슬러지의 회분을 이용하여 대표적인 타르 성분으로 알려진 벤젠의 수증기 개질 반응 특성에 대하여 알아보았다. 또한 최종적으로 촉매 활성을 잘 표현하는 Kinetic을 개발하였다. 염색슬러지 회분을 활용한 타르의 수증기 개질 반응은 weight hour space velocity(WHSV) 및 반응 온도에 대하여 수행 되었다. 염색슬러지 회분을 이용한 모사타르인 벤젠의 최대 분해 효율은 900℃ 조건에서 약 40%로 분석되었다. 상용촉매에 비해 분해 효율은 낮지만 폐기물 유래 촉매로서 추가비용이 들지 않고 공급량이 충분하기 때문에 접촉시간을 충분히 유지한다면 분해 효율은 더욱 증가할 것으로 기대된다. Kinetic 반응의 Power law model를 통해 측정된 벤젠과 수증기의 반응 차수는 각각 0.43과 0이었으며, 활성화 에너지는 187.6 kJ mol-1로 측정되었다.

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. 에너지관리공단에서 발간한 신재생에너지 보급통계를 보면 다양한 신재생 에너지의 확보 경로 중 폐자원을 이용한 1차에너지의 대체는 다른 매체를 통한 수급에 비하여 그 성장 속도가 빠르고 발전 잠재적 에너지량이 큰 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 N시에서 발생되는 생활폐기물이 전처리 시스템을 거쳐 폐자원으로 전환되는 과정의 Case Study 결과를 이용하여 공기를 이용한 고정층 가스화 공정모사를 수행하였다. 전처리 시스템의 Case는 불연물 제거효율과 전처리 후 폐자원의 함수율이며 각각의 Case에서 폐자원의 물리 화학적 조성을 예측하여 공기를 이용하는 고정층 가스화의 공정모사에 대한 연구를 수행하였다. 21개의 Case 중에서 전처리 시스템에서 생산된 폐자원의 습윤 저위발열량이 3,500 kcal/kg 이상인 조건에서 공정모사를 수행하였으며 가스화 시스템 공정모사 결과 합성가스(CO+H₂+CH₄)농도는 28.1 ~ 36.7 vol.%이며 합성가스의 습윤 저위발열량은 1,257 kcal/Nm³ ~ 1,648 kcal/Nm³로 분석되었다.

기존의 화석 연료를 대체할 에너지 확보의 중요성이 커짐에 따라, 폐기물도 하나의 자원으로 떠오르고 있다. 특히, 폐기물을 이용하여 가스화를 할 경우 화학연료 또는 발전에 이용할 수 있는 CO, H₂가 주성분인 합성가스를 생산할 수 있다. 그러나 폐기물 가스화의 경우 합성가스뿐만 아니라 미반응된 Carbon 분진과 폐기물에 함유된 성분으로 인해 가스상 오염물질 (HCl, HCN, NH₃ 등)이 발생하게 된다. 합성가스를 이용하기 위해서는 오염물질을 줄이고 합성가스의 순도를 높여야 한다. 그러므로 적절한 운전조건 도출과 최적의 정제 설비 구축이 요구되고, 이를 위해서는 폐기물 가스화를 통해 생성된 오염물질의 배출 특성을 파악할 필요가 있다. 본 연구에서는 폐기물 순산소 가스화를 통하여 생성되는 가스상 오염물질인 HCl, HCN, NH₃와 입자상 물질인 Carbon 분진의 배출량을 확인하였다. 분진의 시료 채취는 정제설비를 기준으로 정제설비 전단과 후단에서 3회 실시하여 분진의 배출량과 제거 효율을 살펴보았다. 가스상 오염물질의 시료채취는 분진과 같은 위치에서 2회 실시하여 비교하였다. 분진의 경우 정제설비 전단에서 평균 5,820 mg/Nm³을 나타내었으나, 정제설비 후단에서는 검출되지 않아, 정제설비를 통해 모두 제거되었음을 확인할 수 있었다. HCl, HCN, NH₃의 경우 정제설비 전단에서 각각 평균 24.87 ppm, 0.02 ppm, 2.19 ppm을 나타내었으며, 정제설비 후단에서 각각 평균 14.38 ppm, 0.01 ppm, 0.25 ppm을 나타내었다. 이들의 평균 제거효율은 42.20%, 52.96%, 88.81%임을 확인하였다. 연구 결과를 통해 입자상 물질인 분진의 경우, 정제설비를 통하여 발생량 대부분이 제거되었다. 그러나 가스상 오염물질 중 HCl의 경우, 제거효율 증가를 위해서 정제 설비에서 사용하는 가성소다의 액/기비 조절 등의 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.

폐기물을 이용한 재활용제품은 자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률에 폐목제 고형연료(WCF), 폐플라스틱 고형연료(RPF), 폐타이어 고형연료(TDF), 생활폐기물 고형연료(RDF)로 규정되어 있다. 이중에서 폐플라스틱 고형연료(RDF)의 저위발열량은 6,000 kcal/kg 이상으로 명시되어 있다. 폐플라스틱 고형연료(RDF)의 제조과정에서 발생되는 잔류물은 일부가 공정으로 재투입되기도 하지만 경제성과 공정의 효율적인 운영을 이유로 대부분 폐기처분되고 있다. 이렇게 폐기처분되는 폐플라스틱 고형연료(RDF) 잔류물이 보유하고 있는 물리 화학적 에너지는 생활폐기물과 비교해도 손색이 없을 정도이다. 본 연구에서는 두 종류의 폐플라스틱 고형연료(RDF) 잔류물을 이용하여 운전 조건별로 생산되는 합성가스의 특성을 비교하였다. 실험에 사용된 폐기물 시료의 습윤 저위발열량은 각각 5,228 kcal/kg, 4,454 kcal/kg으로 분석되었다. 운전 조건으로는 폐기물 투입속도, 등가비(Φ), 반응영역의 온도이며 조건별로 Test #1부터 #3까지 구분하였다. 실험 결과 합성가스 조성(CO+H2)은 56.3% ~ 63.1%, 합성가스 유량은 124.2 Nm³/h ~ 138.8 Nm³/h, 냉가스효율은 57.4% ~ 63.9%로 나타났다. 등가비가 증가할수록 합성가스의 조성이 증가하였으며 반응영역의 온도가 감소하는 것으로 분석되었다.

폐기물을 이용한 가스화 공정은 이론적으로 요구되는 산화제의 양보다 적은 양의 공기를 이용하여 환원분위기에서 흡열반응에 의해 합성가스를 생산하며 이와 동시에 폐기물의 열적처리 개념도 포함된다. 가스화 공정에서 발생되는 각종 오염물질은 후단 공정에 구성된 정제설비에 의해 제거되며 고품질 합성가스의 생산을 위해 가스화 반응기 후단의 정제설비는 벤츄리스크러버, 중화세정탑, 탈황세정탑, 습식전기집진기, 활성탄흡착탑으로 구성되었다. 전체 정제설비의 총괄효율을 분석하기 위해 시료 가스는 가스화 반응기 후단과 활성탄흡착탑 후단에서 채취되어 분석되었으며 시료 채취방법은 대기오염공정시험방법을 참조하였다. 본 연구에서는 환원성 가스상 오염물질 중에서도 맹독성 물질인 HCN과 악취물질인 NH₃에 대한 정제설비에서의 제거 효율을 분석하였으며 대기배출허용기준 초과 여부를 판단하였다. HCN의 대기배출허용기준은 모든 시설에서 10 ppm 이하이며 본 실험에서의 제거 효율은 99%, 배출농도는 2.5 ppm으로 나타났다. NH₃의 대기배출허용기준은 30 톤/일급 설비를 기준으로 30(12) ppm이며 실험결과에서 제거효율은 95%, 배출농도는 8.90(12) ppm으로 분석되어 Pilot 설비에 구성된 정제설비는 HCN과 NH₃의 제거에 적합한 것으로 나타났다.

에너지 소비량 증가 및 국제 유가 상승으로 인해 대체에너지 개발의 중요성이 더욱 증가하고 있으며 염색슬러지의 경우 육상 매립 금지 및 해양배출 규제 정책의 강화로 인해 새로운 처리방안이 요구되고 있으므로 이에 대한 해결책으로 가스화 기술 등을 적용할 수 있다. 해양투기가 금지되는 연간 50 만톤 가량 발생되는 염색슬러지를 가스화 원료로 활용할 경우 처리비 약 240억 원을 절약할 수 있고 연간 약 6만 TOE의 화석연료 대체 효과가 있다. 가스화 기술은 유기성 슬러지에 포함된 유기물질을 CO와 H₂가 주성분인 합성가스로 변환시키고 가스화를 통해 생성된 청정 합성가스는 고온고압화가 가능하기 때문에 폐압 터빈을 적용함으로써 수요처의 특성에 따라 전기 및 스팀을 생산 할 수 있다. 또한 염색슬러지의 경우 폐수처리 과정에서 응집제의 사용으로 인해 산화철 성분을 포함하고 있으므로 처리대상물질 자체가 함유하고 있는 촉매성 물질인 고농도 산화철을 회수하여 타르 개질 촉매로 활용함으로써 타르의 생성량을 저감시킬 수 있고 고가의 촉매를 대체함으로써 경제성을 확보할 수 있으며 합성가스 생산 품질에 영향을 미치는 중요 인자인 오염물질을 제거함으로써 가스화율을 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 염색슬러지와 왕겨 혼합물을 대상 시료로 하여 2톤/일급 가스화 설비를 이용하여 1단 버블유동층(BFBG)방식을 적용하여 가스화 실험을 수행하였으며 발생되는 합성가스 농도 측정 및 오염물질 분석을 통해 합성가스 생산 특성 및 오염물질 배출 특성을 파악하였다. 실험 결과 합성가스 조성별 평균 가스 농도는 H₂ 7.8%, O₂ 0.4%, N₂ 59.5%, CH₄ 2.1%, CO 11.4%, CO₂ 14.8%, C₂∼C₄ 2.1%로 나타났으며 평균 탄소전환율과 냉가스효율은 각각 72.6%와 49.8%로 나타났다. 또한 오염물질 제거 특성을 파악한 결과 타르 제거효율은 95.9%, 분진 제거효율은 99.7%로서 안정적인 연속운전이 가능하였다.

정부의 폐자원에너지화 정책에 따른 사업 추진이 활성화대고 있으며 폐기물의 연료화 및 가스화에 대한 국내외 기술개발 및 성장 잠재력이 확대되고 있으므로 시장대응에 필요한 기술개발이 필요하다. 국내의 경우 생활폐기물이 지자체에 의해 관리, 계획되고 있으며 지역주민들의 환경에 대한 관심 증대로 인해 친환경폐기물 처리 시설이 점차 요구되어 지고 있으나 소규모 지자체의 경우 경제적, 효율적으로 에너지 자원화를 통한 제도적, 기술적 지원 시책이 미비하고 경제성이 떨어져 사업추진이 곤란한 실정이다. 그러므로 에너지화 시설 설치가 어려운 지자체의 경우 중소규모 처리 시설을 대상으로 에너지 이용 효율이 높고 경제성 확보가 가능한 보급형 생활폐기물 가스화 시스템의 개발 및 적용이 필요하다고 할 수 있다. 생활 폐기물 가스화 기술은 폐기물 내의 탄소 및 수소 성분을 산화제인 공기와 반응시켜 CO 및 H₂가 주성분인 가연성 합성가스를 생산하는 기술로서 폐기물을 환경적으로 안정하게 처리할 수 있으며, 적절한 정제 공정을 통해 사용 목적에 따라 다양한 분야로 재활용이 가능하고 합성가스를 이용한 스팀생산, 고효율 가스엔진 발전 등을 통해 에너지 회수율을 높일 수 있다. 그러나 이와 같은 가스화를 통해 생산된 합성가스를 이용하여 연료로 사용하기 위해서는 합성가스 내 포함된 입자상 및 가스상 오염물질을 적절한 수준으로 정제하여야 하므로 본 연구에서는 가스화 발전시스템 적용을 위해 폐기물 특성과 합성가스 생산특성 주요 인자에 대한 운전 변수를 도출하기 위하여 Pilot급 생활폐기물 가스화 실험 설비를 이용하여 가스화 실험을 수행하였으며 공기가스화 조건에서 합성가스 생산 및 운전특성을 확인하였고 합성가스 생산 품질에 영향을 미치는 중요 인자인 미반응 탄소, 타르와 같은 오염물질 배출 특성을 파악하였다. 실험 결과 합성가스 주요 조성은 CO 5.0 ~ 11.2%, H₂ 5.1 ~ 8.5%, CH₄ 2.5 ~ 3.4%로 가연성 가스가 안정적으로 생산되었으며 정제설비 성능분석을 위해 정제설비 전･후단에서 합성가스 중 오염물질 농도를 분석한 결과 입자상 물질은 모두 제거가 가능하였으며, 가스상 오염물질은 95 ~ 97%의 제거 효율을 나타냄으로써 합성가스 엔진 유입 조건을 만족하는 것으로 나타났다.

폐기물의 열적 처리기술에는 소각, 가스화(용융), 열분해가 있으며 가스화(용융) 기술은 반응기의 종류 및 특징에 따라 고정층, 유동층, 분류층 반응기로 구분된다. 본 연구의 Pilot 설비는 공기를 산화제로 이용하여 합성가스를 생산하는 고정층 반응기이며 다른 형태의 반응기에 비해 공정이 단순하여 운전에 용이하고 초기투자비용이 경제적이라는 장점이 있다. 또한 폐기물 특성상 일정하지 않은 물리 화학적 특성에도 적용이 가능하며 가스엔진과 연계한 중소규모 설비로써 국내 소각처리기술을 대체할 수 있다. 이러한 설비의 상용화를 위해서는 다양한 조건에서의 실험과 실측도 중요하지만 공정모사와 같은 모델링을 통해 이론적인 연구 결과의 검토는 제한적인 재원과 시간의 여건에서 효율적인 연구의 수행을 가능하도록 할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 취지에 의해 세 종류의 각기 다른 생활폐기물을 이용한 가스화 공정에서 생산되는 합성가스의 조성을 실측하고 이에 대한 유사조건에서의 공정모사를 동시에 수행하여 상호 보완하는 방법을 검토하였다. 실험에 사용된 폐기물은 폐기물 전처리 설비를 거치면서 투입에 적절하도록 분쇄되었으며 폐기물의 물리 화학적 특성을 알아보기 위해 삼성분 분석, 원소분석, 발열량 분석을 수행하였다. 실험에 사용된 시료의 습윤 저위발열량은 3,935 kcal/kg, 3,978 kcal/kg, 3,114 kcal/kg으로 분석되었으며 실측된 합성가스의 발열량은 1,490 kcal/Nm³, 1,205 kcal/Nm³, 1,133 kcal/Nm³, 이론적 합성가스의 발열량은 1,521 kcal/Nm³, 1,178 kcal/Nm³, 1,080 kcal/Nm³로 분석되었다.

세계적으로 에너지 수요량의 증가하고, 화석연료 고갈 및 지구온난화 대응 등 문제로 바이오매스 가스화를 통한 에너지 자원 개발이 이슈화 되고 있다. 일반적으로 바이오매스 가스화 공정에서 발생하는 타르는 가스화기 후단 설비 혹은 배관에 부착되어 배관 폐쇄에 따른 운전 정지와 가스화 전체 시스템 효율 저하의 주요 원인이 되고 있다. 이와 같은 타르 부착문제를 해결하기 위한 타르 개질용 촉매 대부분은 귀금속계로 고가일 뿐만 아니라, 탄소 침적에 의한 불활성 문제가 있으나, 산화철은 가격이 저렴하고 탄소 석출량이 적으며 열화가 잘 일어나지 않는 유기물 분해 촉매로 주목받고 있다. 육상직매립 및 해양투기가 금지된 염색슬러지 회재 중 약 70%는 산화철 성분이여서 타르개질 촉매로 충분히 활용 가능한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 염색슬러지 혼합 유기자원 저온가스화 공정특성을 파악하고자 가스화 및 염색슬러지 내 철 촉매를 이용한 타르개질 공정 모사 모델을 구축하여 혼합 유기자원의 종류 및 운전조건 변화에 따른 합성가스 생산 특성을 고찰하였다. 왕겨, 타르 및 폐플라스틱을 염색슬러지와 각각 혼합한 시료의 가스화 공정 모사 결과 폐플라스틱을 혼합한 경우의 합성가스 발열량이 가장 높은 것으로 나타났다.

국내의 염색업계는 염색슬러지 육상매립 취소에 이어 런던협약으로 2012년부터 해양투기도 원천 봉쇄되자 염색슬러지 처리문제를 업계의 사활을 건 비상사태로 선언하고 대응방안 마련에 나서고 있다. 염색연합은 현재 전국 6개 공단에서 발생하는 연간 염색슬러지 규모가 30만 톤에 이르고 전국에 산재한 염색관련업체들의 폐기물 규모가 연간 50만 톤을 웃돈다는 판단 아래 슬러지 처리문제가 해결되지 않으면 염색업계가 큰 타격을 입을 것으로 전망하고 있다. 현재 염색업계는 염색슬러지의 다양한 처리방안을 모색 중이나 탈수슬러지 그대로 또는 단순 건조 후 시멘트소성로에서 위탁처리하고 있는 것이 현실이며 염색슬러지 처리와 함께 스팀 구매단가를 낮추는 새로운 개념의 처리방법을 모색하고 있다. 염색슬러지는 함수율이 70-80%로 아주 높고 저위발열량이 500 kcal/kg 이하로 아주 낮아 그 자체로는 가스화 연료로 적합하지 않다. 따라서 염색슬러지 자체에 함유된 산화철을 타르 개질 촉매로 이용하는 자체 촉매 가스화 기술을 개발함에 있어 염색슬러지의 함수율을 낮추고 발열량을 높여 건조 에너지 소비량을 줄이기 위한 혼합시료 펠렛화 기술 개발이 필요하다. 본 연구에서는 왕겨 또는 타르를 혼합하기 위한 혼합비, 펠렛제조 조건, 건조 조건을 도출하였다. 혼합시료의 저위발열량이 3,000 kcal/kg 이상이 되기 위해서는 건조 함수율 10% 기준으로 왕겨 혼합의 경우 혼합비 20% 이상, 타르 혼합의 경우 혼합비 5% 이상인 것으로 나타났다. 펠렛의 직경은 최소 6mm 이상이 되어야 성형기에 과부하가 걸리지 않았고, 타르 혼합비는 20% 이하로 하여야 다시 엉켜 붙는 현상이 발생하지 않았다.