장래 화석연료의 고갈 및 지구온난화에 대비한 대체에너지의 개발･보급이 시급함에 따라, 이제 폐기물은 새로운 자원으로 인식되고 활용하는 단계에 이르렀다. 우리나라는 세계 10위의 에너지 소비국으로써 97%를 수입에 의존하고 있는 실정이다. 국내 폐기물 관리는 매립, 소각 등의 처리방식에서 폐기물을 자원화 할 수 있는 자원순환형 폐기물 관리로 변화되고 있으며, 이러한 상황에서 생활폐기물의 다양한 처리기술을 통해 고부가가치의 에너지로 활용이 가능하며, 이 중 폐기물 가스화 기술은 열적처리 기술 중 진보적인 기술이다. 본 연구에서는 전처리된 생활폐기물을 고정층 pilot 공기가스화 시스템에서 가스화하여 합성가스를 생산하였으며, 고부가가치 에너지로 활용하기 위해 습식정제 장치를 구축하여 실험을 진행하였으며, 실험에서 발생된 정제폐수를 채취하여 폐기물관리법과 수질 및 수생태계 관련 법률에서 명시하는 40종의 항목에 대한 분석을 진행하였다. 분석결과 배출 허용 기준에 근접하거나 초과되는 주요 분석 항목은 수소이온농도, 부유물질, COD, BOD, 노말핵산 추출물질, 페놀류, 시안, 총질소, 벤젠, 생태독성(TU), DEHP(디에틸헥실프탈레이트), 아크로니트릴이 있으며 이에 대한 화학적·생물학적 처리 방법의 검토가 필요할 것으로 예상된다.

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 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.

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.

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.