지구온난화 완화를 위한 노력이 전 세계적으로 계속되고 있는 가운데 우리나라는 2030년 온실가스 배출량을 Business As Usual (BAU) 대비 37% 감축하는 목표를 설정하고 이산화탄소 순 배출 제로 달성을 목표로 하는 ‘2050탄소중립 시나리오’를 발표하였다. 이러한 상황에서 케나프 (Kenaf)는 높은 탄소흡수율과 빠른 성장으로 인해 대체 해결방안으로 제안된다. 시료선정에 대한 분석결과, 케나프 잎은 질소 함량이 높아 적합하지 않은 것으로 나타났고, 줄기와 잎-줄기 혼합 케나프는 Biomass-Solid Refuse Fuel (Bio-SRF) 등급을 충족했다. Bio-SRF 등급을 만족하였지만, Bio-SRF 등급으로 이용할 수 있는 활용처가 뚜렷하지 않다. 따라서 케나프의 연료품질을 반탄화 공정을 통해 개선하여 보다 효율적으로 활용하고자 한다. 반탄화 공정의 공시재료로 줄기만 사용하는 것보다 시료 이용률이 높은 잎-줄기 혼합 케나프를 선택하였다. 반탄화 공정은 여섯가지의 공정 온도 (200·210·220·230·240·250℃)와 다른 세 가지 공정 시간(20·30·40 min)에서 수행되었다. 반탄화 공정결과, 공정시간이 길수록 230℃, 240℃, 250℃ 온도에서 질량감소가 크기 때문에 에너지수율이 낮았다. 따라서 본 연구에서는 200℃·20 min, 200℃·30 min, 210℃·20 min, 220℃·20 min의 에너지 수율이 높고 질량감소가 작아 최적 반탄화 공정 조건으로 선정하였다.

본 논문은 유기성 폐자원의 하나인 가축분뇨(우분)를 사용하여 고형연료화 가능성을 연구하고자 하였으며 생성물 제작 시 반탄화 방법을 이용하였다. 우분의 낮은 발열량을 개선하기 위해 첨가물을 사용하였으며 첨가물은 임업부산물인 톱밥과 계설성 폐기물인 낙엽을 사용하여 폐기물을 자원화 하고자 하였다. 반탄화 실험 진행 시 반응온도는 200-260℃까지 20℃씩 차이를 두어 생성물을 제작하였으며 반응 시간은 15분, 30분, 45분으로 나누어 생성물을 제작 후 실험 조건이 반탄화 생성물에 미치는 영향을 알고 자 하였다. 첨가물은 우분 대비 9:1, 8:2(우분:첨가물)의 비율로 섞어 시료 제작 후 반응생성물을 제작하였다. 본 실험을 통해 우리나라 고형연료제품 기준인 3,500 kcal/kg에 준하는 생성물을 얻을 수 있었으며, 첨가물을 추가하여 개선된 생성물을 얻을 수 있었다.

음식물류폐기물의 에너지 잠재량은 2,206 천TOE 임에도 대부분 사료화와 퇴비화로 약 85.5%가 재활용 되고 있으며, 해당 시설에서 생산된 제품 중 사료화는 72%, 퇴비화는 61%가 무상판매 되고 있다. 이에 본 연구는 음식물류폐기물을 반탄화 반응을 이용하여 연료화하고자 한다. 하지만 음식 물류폐기물만 단독으로 연료화 할 경우 연료적 가치가 낮아짐을 예방하고자 하수슬러지를 일정 비율로 혼합하여 진행하였다. 음식물류폐기물과 하수슬러지의 혼합비율은 10:0, 8:2, 6:4, 5:5로 하였다. 실험 결과 혼합 비율에 상관없이 반응온도 240℃이상에서 함수율 10% 이하로 감소하는 것을 확인 할 수 있 었다. 고정탄소의 경우 반응온도가 높아질수록, 하수슬러지의 비율이 높아질수록 증가하였으며, 초기 1.1%에서 최대 약 36% 로(혼합비율 6:4, 반응온도 270℃) 측정 되었으며, 발열량의 경우 반응온도 24 0℃부터 고형연료제품기준인 3,000Kcal/Kg 이상에 만족하는 발열량을 나타내었으며, 초기시료보다 약 6 배 정도 증가한 발열량을 얻을 수 있었다. Van krevelen Diagram이 Lignite 범위까지 이동하였으며, 슬 러지 혼합비율이 높아질수록 높은 연료비와 5,500Kcal/kg 이하의 연소성지수를 얻을 수 있었다. 하수슬 러지 혼합 비율이 높아질수록 발열량은 감소하지만, 고정탄소 함량 증가, 연료비 개선 등으로 음식물류 폐기물만 단독 고형연료화 한 것 보다 연료로써의 품질이 좋아지는 것을 확인 할 수 있었다.

최근 세계적으로 신재생에너지에 대한 관심이 커지고 있으며, 국내의 경우 폐바이오매스를 이용하는 친환경적인 에너지원으로써 활용할 수 있는 연료화 기술이 각광받고 있다. 국내 폐바이오매스는 크게 식품폐기물, 축산폐기물, 농산부산물, 임산부산물 및 하수슬러지 등으로 구분할 수 있으며, 이를 에너지원으로 전환하는 공정은 생물학적, 열화학적 공정으로 크게 구분할 수 있다. 국내 하수슬러지의 경우, 해양투기가 금지된 이후 에너지로 전환하여 재활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 2014년 환경부에 따르면 전국 하수슬러지 처리시설은 98개 지자체에서 96개의 하수슬러지 처리시설이 운영되고 있고, 추가적으로 18개의 시설이 설계 및 건설되고 있다. 이 중 대부분의 시설은 고화 및 건조연료화를 통해 하수슬러지 처리량 저감을 하고 있으나, 고화 및 건조 연료화를 통한 하수슬러지 저감은 슬러지 자체의 높은 수분함량으로 인해 상대적으로 많은 에너지를 필요로 한다. 본 연구는 하수슬러지의 연료화를 위해 열화학적 공정 중 하나인 반탄화 공정을 이용하여 10 TPD급 폐바이오매스 반탄화 반응 시스템을 구성하였다. 원료물질인 하수슬러지의 높은 수분함량에 따른 열량 부족 문제를 극복하기 위해 폐목재를 혼합하여 사용하였으며, 반응온도(250-350℃)와 하수슬러지와 폐목재 혼합물의 혼합비(6:4, 4:6)에 대하여 운전 조건의 최적화 연구를 수행하였으며, 결과적으로 반탄화물 수율 70% 이상, 생성된 탄화물의 고위발열량 4,000 kcal/kg 이상의 운전조건을 도출할 수 있었다. 이와 더불어 생산된 반탄화물의 원소분석에 따른 C, H, O의 구성비는 저품위 석탄과 유사하게 나타남을 확인할 수 있었다.

지난해 12월, 저탄소, 청정에너지 체제로의 전환에 역점을 두고 2030년까지 전체 발전량 중 재생에너지의 비중을 20%로 높이는 한편 신규 발전설비 중 95% 이상을 풍력, 태양광에너지로 공급하겠다는 목표를 구체화한 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 정부에서 발표하였으나, 국내 자연환경 여건상 풍력, 태양광 에너지 생산 적합여부가 불분명하여 많은 우려를 낳고 있다. 따라서 폐기물, 바이오매스를 통한 에너지 생산기술 개발 시 보다 친환경적이며, 에너지 전환에 소요되는 에너지 소비량을 낮출 수 있는 기술개발이 필요한 실정이다. 고함수율, 저발열량의 하수슬러지와 같은 폐바이오매스를 단독으로 사용한 고형연료 생산에는 선진기술개발 및 다량의 에너지가 요구되고 있어 폐바이오매스를 활용한 고형연료 생산기술 개발 시 경제성 부족으로 어려움을 야기하고 있다. 상대적으로 낮은 함수율과 높은 발열량을 갖춘 폐바이오매스인 폐목재를 혼합하여 고형연료를 생산하는 경우, 소요되는 에너지 소비량을 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한, 폐바이오매스의 열적 고형연료화 반응 중 하나인 반탄화 기술을 활용하여 고형연료 생산수율과 고형연료 저장성 증가를 도모할 수 있다. 본 연구에서는 하수슬러지, 폐목재를 활용한 Bench급 혼합폐바이오매스 반탄화 시스템에서 도출한 운전인자 변수(반응온도, 혼합비에 따른 투입시료 함수율, 체류시간)를 통해 열수지 평형을 이용한 건조로, 반탄화반응로, 반응열 공급 연소로로 구성된 엑셀기반 혼합폐바이오매스 반탄화 공정모사해석툴을 구축하였다. 공정모사해석 결과를 바탕으로 혼합 폐바이오매스 반탄화 고형연료 생산 공정에서의 공정구성 및 운전조건의 최적 점을 분석하였다.

1997년 교토의정서를 시작으로 2016년 파리기후협약이 발효되며 온실가스 저감을 위한 세계적인 노력이 계속되고 있다. 국내에서는 ‘폐자원 및 바이오매스 에너지 대책’의 실행을 위해 폐자원의 고형연료화 등 각종 에너지화 시설의 확충을 장려하고 있으며, 이를 통해 2020년까지 1,169만톤/년의 폐자원 에너지화를 달성하고자 한다. 폐자원 및 바이오매스는 가용 잠재량이 풍부하며, 저렴한 비용으로 신재생에너지 공급의 조기 성과 창출 및 온실가스 감축의무를 이행할 수 있는 수단이다. 반탄화 기술은 취급과 저장이 용이하며, 높은 에너지 밀도를 갖는 고형 연료를 생산하는 기술로 낮은 발열량과 높은 함수율을 갖는 바이오매스의 전처리 과정으로 국내외에서 연구되어 왔다. 일반적인 반탄화 기술의 공정은 원료를 200~300℃의 저온에서 환원분위기를 유지하며 10분에서 60분 동안 열처리하는 기술을 말한다. 본 연구에서는 폐목재와 하수슬러지를 반탄화 기술에 적용하여 고형연료를 생산하는 기술 개발을 위한 0.1 ton/day 급 규모 설비의 운전 특성 파악을 위해 수행하였다. 실험에 쓰인 폐바이오매스는 일반 폐목재(40%)와 하수슬러지(60%)를 혼합하여 사용하였다. 반탄화 공정은 Rotary Kiln에서 반응 온도 250℃, 300℃, 체류시간 40분, 60분의 실험 조건에서 반탄화 실험을 실시하였다. 실험 결과 반탄화 반응을 통해 생성된 반탄화물은 반응 온도가 증가함에 따라 연료수율 및 연료비는 감소하는 경향을 나타냈으며, 연료수율이 70% 이상을 나타내는 반응 영역에서는 연료비가 2.5~3.0의 범위를 나타내었다. 발열량의 경우 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 반탄화물의 에너지 수율은 250℃부터 서서히 증가하다가 270℃ 부근에서 감소하는 경향을 나타내었다.

하수슬러지는 2006년 런던협약이후 해양투기 금지 대상물질로 지정되어 효율적인 처리에 대한 연구가 진행되고 있다. 이에 대한 방안으로 각광 받고 있는 반탄화 공정은 시료의 분쇄성을 높여 혼소에 용이하며, 처리 후 시료가 소수성을 띄기 때문에 미생물에 대한 오염이 적다. 또한 에너지밀도를 높일 수 있어 원시료에 비해 높은 발열량을 가진다. 하지만 다량의 수분을 함유하고 있어 그 이용이 제한적이다. 본 연구에서는 고 함수율 시료인 하수슬러지의 단점을 보완하고자 저 함수율 시료인 폐목재를 1:1로 혼합하여 lab규모 실험을 통해 반탄화 특성을 파악하였다. 반응시간 20분 조건에서 반응온도를 200 ℃에서 50 ℃ 간격으로 550 ℃까지 승온시켰으며, 반응온도 250 ℃, 300 ℃조건에서 반응시간 10분에서 10분 간격으로 50분까지 증가시켰다. 생성된 반탄화물에 대하여 공업분석, 원소분석 및 발열량분석을 진행하였으며, 이를 통해 에너지수율, 연료비, 탄소비 등 반탄화물의 특성을 파악하였다. 반탄화물의 공업분석결과 반응온도 및 반응시간이 증가할수록 가연분은 감소하였으며, 회분과 고정탄소는 증가하는 경향을 보였다. 발열량의 경우 반응온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이다가 반응온도 400 ℃에서 최대 값(5082.7 kcal/kg)을 보인 후, 감소하는 경향을 보였다. 또한 원소분석결과를 기반으로 석탄 종의 O/C와 H/C의 비(Van Krevelen Diagram)을 비교하였다. 수소 및 산소는 반응온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈으며, 탄소함량은 전반적으로 증가하는 경향을 보였다.

전 세계적으로 에너지 수요증가와 유가 불안정 현상이 지속됨에 따라 이를 대체할 방안으로 신재생에너지 사용에 대한 관심이 높아지고 있으며 신재생 에너지의 수요가 늘어날 것으로 예측된다. 우리나라는 신재생에너지 공급의무화 제도(Renewable & Portfolio Standards; RPS)를 2012년부터 도입하여 50만kW 이상의 발전소는 총 발전량에 대한 신재생에너지를 사용한 전력공급율을 2012년 2%를 시작으로 2024년까지 10%로 실시할 계획이다. 최근 RPS 의무이행자인 발전사들의 신재생에너지발전원 중 바이오 비율이 70%에 이르며 이는 바이오매스 발전이 투자비 및 연료구매 비용이 낮고 운영효율성이 높아 RPS 이행이 쉽기 때문이다. 하지만 바이오매스로의 쏠림현상은 국내 목재시장의 유통구조에 악영향을 미치고 있으며 바이오매스발전 급증으로 폐목재 수요도 동반 증가하면서 재활용 가능한 목재까지 연료로 사용되고 있는 실정이다. 최근 팜오일 바이오매스는 인도네시아 산업을 이끌 잠재력 있는 자산으로 대두되어 왔으며, 2013년 기준 1억 4,200만 톤의 팜오일과 이에 따른 6,654만톤의 팜 부산물이 생산되고 있어 이를 연료화시 국내에서 거론되고 있는 바이오매스 문제를 해결할 수 있는 신재생에너지원으로써 확보가 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서 대상으로 하는 EFB는 팜오일 생산과정에서 발생되어 일부분만 비료로 사용되고 처리되지 못해 야적되어 있는 것을 사용하였다. 3ton/day급 Pilot급 일체형 다단건조 탄화기를 사용하여 고열량인 EFB(저위발열량 : 4,320 kcal/kg)를 반탄화 고형연료로 생산하기 위해 반탄화 온도(200~300℃)와 시간(30~60분)을 고려하여 고형연료 생산량 및 발열량에 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 반탄화 온도 변화에 따라 EFB의 저열량휘발성분의 감소와 탄소함량의 증가로 발열량(5,150 kcal/kg)이 증가하는 경향을 나타나는 것으로 분석되었다. 본 연구로 최적 EFB 반탄화 고형연료 생산인자를 도출함에 따라 경쟁력 있는 바이오매스 신재생에너지로 확보 될 것으로 전망된다.

석유화학원료의 공급 불안정 및 기후환경변화 대처가 절실한 상황으로 최근 신재생에너지 분야에 관한 관심이 증대 되고 있다. 더불어 2012년부터 발효된 RPS(Renewable Portfolio Standard) 규제에 따라 국내 발전사들의 신재생에너지원으로 부터의 전기 생산 의무가 본격화되고 있다. 특히 폐자원 및 폐바이오매스를 이용한 에너지 생산 분야는 원료의 안정적인 공급 가능성과 기존 처리 방법의 제한적 이용으로 열화학적 전환 기술을 이용한 에너지 생산기술이 각광받고 있다. 대표적인 열화학적 전환 기술들 중 열분해 기술은 폐바이오매스에 적용을 통하여 기존 석탄 에너지 전환 시설의 대체 자원으로의 이용이 가능하며, 원료의 수급성 측면 및 다양한 원료 특성에 대응하기 위해 반탄화(Torrefaction) 기술이 제시되고 있다. 반탄화 기술은 폐바이오매스를 에너지원으로 적극 활용하기 위한 전처리 공정으로, 무산소 조건에서 낮은 온도영역인 200~300℃에서 가열하여 원료 내 함유된 휘발분 및 수분 제거를 통해 연료로 전환된다. 생성된 반탄화물은 소수성 및 낮은 함수율에 따라 운송성이 확대되며, 고정탄소 성분의 증가로 인한 높은 에너지밀도로, 석탄과 유사한 특성을 지니게 된다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 발생되는 폐바이오매스의 에너지원으로의 적용성 평가를 위해 농산물에서 주로 발생되는 왕겨 및 볏짚을 이용한 반탄화 반응 특성을 분석하였다. 반탄화물은 특정 반응시간에서의 반응 온도에 따라 생성하였으며, 에너지수율 및 질량 수율을 고려한 최적의 반탄화 조건을 모색하였다. 본 실험 결과 왕겨 및 볏짚을 이용한 최적의 탄화물 생산조건은 반응 온도 250~300℃ 및 반응 시간 20~30분 경우로 나타났으나, 각각의 탄화물 수율 및 발열량의 차이가 확연하게 나타났다. 왕겨의 경우 약 73.5%의 탄화물 수율 및 약 4,320.0 kcal/kg의 탄화물 발열량이 분석되었으나, 볏짚의 경우의 탄화물의 수율 및 발열량은 각각 68.2% 및 약 4,547.7 kcal/kg으로 나타났다. 이러한 탄화물 생산 특성의 차이는 바이오매스 원료의 Lignocellulose 특성과 주로 관련된 것으로 예상되고 있으며, 이러한 연구 결과를 통해 폐바이오매스의 석탄발전 설비에서의 혼합 연소 방식으로 적용될 것으로 기대 된다.

많은 연구에서 기후변화에 따른 화석연료의 문제점을 제시하고 있는 상황에서 신재생 에너지나 대체 에너지 필요성이 요구되고 있다. 바이오 에너지는 대체에너지로서 직접 사용 보다는 다른 공정을 거쳐 자원의 효율화를 높이는 게 중요하다. Torrefaction (반탄화)는 이러한 자원 효율성을 높이는데 효과적으로 하는 공정이다. 반탄화는 주로 200 to 300℃에서 무산소 조건에서 일어나는 공정으로서 열적화학적 전처리 과정이다. 이 공정을 통하여 수분 및 휘발성 유기물 중량을 감소시켜 에너지 밀도를 높일 수 있다. Bergman 등 (2005)은 반탄화 공정에서 온도를 높이면 C/O와 C/H 비율 증가로 인하여 에너지 밀도가 증가 한다고 하였으며 Basu 등 (2014)은 목재의 반탄화를 거친 후 고정 탄화가 증가한다는 연구 결과를 발표하였다. 본 연구의 목적은 왕겨와 커피껍질의 반탄화 과정을 온도변화는 200∼300℃, 체류시간은 20, 40, 60 min을 적용하여 조사하였다. 이를 위하여 반탄화 전 후 물리화학적 특성과 differential thermal analyses (DTA)을 분석하였다. 연구결과, 온도변화가 체류시간보다 더 반탄화에 더 영향을 주었다. 그리고 체류시간 40 min이 농업 부산물인 왕겨와 커피껍질의 재활용으로 적합한 반탄화 조건이었으며 화석연로로 대체하는데 효과적인 실험 결과를 보여 주었다. 물리화학적 특성에서는 휘발성 물질은 왕겨가 70.9%, 커피껍질이 72.2% 이었다. 왕겨와 커피껍질 원료의 발열량은 각각 21.3과 22.5 MJ/kg이었으며 60 min와 300℃에서 반탄화 후 발열량은 29.6과 27.5 MJ/kg이었다. 반탄화에 의한 질량증가는 온도변화와 체류시간, 바이오매스의 특성에 의한 고형물에 의해 결정되었다. Fig. 1은 체류시간 60 min에서 질량증가를 나타내는 그림이며 60 min와 300℃에서 왕겨와 커피껍질의 질량증가는 각각 39.7 wt.%, 32 wt.%이었다. 에너지 밀도는 반탄화 후 잔류탄소함량만으로 추정하였으며 질량증가와 같은 현상인 왕겨가 커피껍질에 비해 높았다. 왕겨와 커피껍질은 농업 부산물로서 커피껍질의 경우 60% 이상 감량화가 일어났음에도 불구하고 에너지밀도의 증가는 큰 차이는 없으나 커피껍질이 왕겨에 비해 상대적으로 에너지 밀도나 고발열량 증가율이 낮은 것은 mass yield와 고발열량 증가율이 적은 영향으로 사료된다. 커피껍질은 왕겨와 비교했을 때 상대적으로 에너지밀도의 증가가 적어 효과가 더 적은 것으로 생각된다.

현재 국내에서 은행나무(maidenhair tree)는 상당 부분의 가로수를 차지하고 있으며, 계절 특성상 늦가을을 중심으로 가지치기가 행하여진다. 이때 상당량의 잔재목이 발생되며, 이를 저장하여 4계절동안 사용하는 것이 방법이 고려되는 것이 필요하다. 또한 볏짚 역시 수확기인 가을에 대량으로 발생되는 특징을 갖는다. 이를 전부 비료화하여 이용하는 것은 어렵다고 생각된다. 따라서 계절적으로 다량으로 발생되는 잔재목 및 볏짚을 효율적으로 저장하기위한 방법으로 반탄화를 고려하였다. 물론 반탄화 이후 분진폭발 등의 고려가 필요하며, 물을 첨가하는 방법이 생각될 수 있다. 본 연구에서는 은행나무의 잔재목 및 볏짚을 반탄화하여 이용하는 경우의 중량 및 성상의 변화에 대하여 연구를 실시하였다. 반탄화는 세루로스(Cellulose) 및 리그닌(Lignin)에 비하여 상대적으로 열분해가 용이한 헤미세룰로스(Hemicellulose)를 가스화하여 발열량을 높이고, 적체적인 중량을 감소시키는 방법으로 보관 및 저장에 용이한 장점이 있다. 반탄화 온도는 약 200℃∼350℃범위에서 실시하였으며, 은행나무 및 볏짚의 반탄화물은 TGA (Thermogravimetric Analysis)를 실시하여 가열온도 구간에 따른 질량의 감소의 변화를 관찰하였다. 반탄화에 의한 중량 감소는 온도의 증가에 따라 증가하였으며, 발열량의 증가도 이와 같은 경향을 나타냈다. (은행나무의 경우 초기 2100 kcal/kg에서 반탄화 후 최고 4800kcal/kg) 이는 수분의 증발(목재의 경우는 초기가 약 27%에서 반탄화 후 3,2%) 및 목재 중 산소의 성분의 감소(원소분석 결과 산소는 약 28%∼32%)에 의한 것으로 사료되었다. 반면 탄소의 함유량 변화는 미미 하였으며, 수소의 감소량 역시 상대적으로 적었다. 따라서 C/H(탄소/수소)는 상대적으로 증가였다. 특히 볏짚의 경우가 상대적으로 C/H의 증가가 높았다. 반탄화화에 의한 중량 감소는 은행나무는 약 55%까지 볏짚의 경우 67%)까지 가능한 것으로 판단되었으며, 이에 따른 석탄발전소의 운반 및 이용이 용이할 것으로 사료된다.

본 연구에서는 음식물 폐기물을 이용한 반탄화물의 고형연료로서 에너지 잠재성 평가를 위하여 반탄화시 특성 및 탄화물의 연소 특성에 관한 결과를 고찰하였으며, 이를 위하여 온도(150~600℃) 조건에서 에너지 수율 및 발열량, 회분 및 가연분, 발생가스 측정을 통한 분석을 하였고, TGA (Thermaogravimetric Analyzer)를 이용하여 음식물 폐기물의 반탄화 반응에 따른 활성화 에너지 변화를 속도론적 해석을 통해 고찰하였다. 또한 탄화물로부터 펠릿을 성형 제조한 후 고형연료화 시설에서 생산된 고형연료(SRF)와 등온, 승온 연소하여 발생되는 가스의 성분을 비교 분석 하였다. 본 연구로부터 반탄화 온도의 증가함에 따라 발열량과 회분함량은 증가 하였으며, 가연분 및 에너지 수율은 감소하였다. 또한 연소 배가스 중 CO2, CO, HCl의 경우 고형연료(SRF) 보다 낮게 발생함을 확인할 수 있었다.

A RPS (Renewable Portfolio Standard) for South Korea became effective in 2012 with a beginning renewable electricity quota of 2% of total generation of capacities exceeding 500 MW, increasing to 10% by 2022. However, almost of all the coal-fired power plant are not designed to co-firing large amount of biomass with coal. In practice, the biomass cofiring rate is commonly 5 -10% of total heat input. In the case of biomass import, it will cost a great deal on the transshipment, transportation and storage of biomass. Therefore new research and development on the biomass fuel with high energy density in needed to reduce logistics cost on transportation of the biomass fuel. Torrefaction is a thermochemical treatment process of biomass at temperatures ranging between 200 and 300oC. During this process, 70% of the mass is retained as a solid product, and retain 90% of the initial energy content. The physical and chemical properties of torrefied biomass are similar to those of coal. Therefore co-firing torrefied biomass could increase the co-firing percentages much further to even 40%. This review paper looks into the torrefaction technologies of biomass, the technical characteristic of torrefaction reactors, the overview of torrefaction project and the future prospects of torrefaction.

바이오매스는 화석연료의 사용으로 인한 온실가스 및 에너지고갈 문제를 모두 해결 할 수 있는 탄소중립적인 에너지원으로서 주목을 받고 있다. 세계 2대 팜오일 생산국인 말레이시아의 경우 팜오일을 생산한 후 발생되는 농업부산물이 총 바이오매스의 85% 이상을 차지하는 것으로 알려져 있다. 2010년 말레이시아에서 발생되는 팜 바이오매스는 약 8,000만 톤이며, 2020년까지 약 1억1,000만 톤까지 늘어날 것으로 전망되고 있다. 하지만 발생량의 대부분은 소각 또는 매립이 되고 있는 실정이며, 일부만이 퇴비 및 펠렛으로 이용되고 있어 말레이시아 정부는 다각도로 활용방안을 모색 중이다. 국내의 경우, RPS(Renewable Portfolio Standard, 신재생에너지 공급의무화)제도의 시행으로 인한 대체에너지원 확보가 필요한 상황이지만, 국내 바이오매스는 지역 및 월별 발생량의 편차로 인하여 원료 수급 및 활용 등에 문제점을 가지고 있다. 해외로부터 낮은 밀도와 높은 함수율의 바이오매스를 수급할 경우 운송비가 전체비용의 40% 이상을 차지하므로, 에너지 밀도가 높은 바이오매스의 수급이 필요한 상황이다. 반탄화란 반응온도 200 ~ 300℃ 범위에서 무산소 조건에서 일어나는 열화학적인 공정이며, 부분적인 탈휘발화 반응 및 열분해 반응이 주반응인 공정으로, 바이오매스의 에너지 밀도를 증가시키는 공정이다. 본 연구에서는 간접가열방식의 1kg/h급 로타리킬른 반응기를 이용하여 EFB의 반탄화 특성에 대한 반응온도의 영향을 살펴보았다. 반응온도를 250, 270 및 300℃로 증가시킨 결과 가스와 액체 생성물의 수율은 증가하는 반면 고체생성물의 수율은 감소하는 것으로 나타났다.

2012년 RPS 제도 시행으로 현재 다양한 신재생에너지의 개발과 바이오매스 탄화 연구가 진행되고 있다. 그러나 혼소에 있어 바이오매스 부산물의 탄화(반탄화)물은 환경･경제성 분석을 통한 바이오매스 연료로써 활용 가능성 규명의 연구 및 분석자료 확보가 필요하나 다양한 바이오매스 원료에 대한 특성분석이 이루어지지 않아 이에 어려움을 겪고 있다. 따라서 탄화물에 대한 고형연료 가능성으로써 사용 가능한 탄화물의 연료범위, 분석방법, 환경･경제성, 정책적 타당성 등 전반적인 검토가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 목재류(국내) 및 농업부산물(국외) 등의 바이오매스를 탄화(반탄화) 공정을 통해 탄화물 연료로 만든 다음 공업분석, 원소분석, 함수율, 발열량, 비중, 회융점, 회성분 분석 및 중금속 분석을 실시하였다고 이를 통해 바이오매스 원료와 탄화물 고형연료의 특성을 파악하여 연소 특성과 설비영향을 예측하여 석탄화력 혼소연료 품질 기준을 마련하고자 하였다. 아래의 실험은 시료의 건조 후 5 ~ 15mm로 분쇄하여 체류시간 및 온도를 설정 후 반탄화 실험을 진행하여 탄화시간에 따른 온도별 EFB(Empty Fruit Bunches) & PKS(Palm Kernel Shells)의 발열량과 에너지 수율의 분석결과를 Fig. 1, Fig. 2에 나타내었다.

전 세계의 에너지 수요 증가로 인한 원유 가격의 상승과 화석연료 대체를 위한 신재생에너지 사용에 대한 각국의 인센티브 효과로 인하여 바이오매스와 같은 신재생 에너지의 수요가 상승할 것으로 예측된다. 국내의 경우 신재생에너지 공급의무화 제도인 RPS (Renewable & Portfolio Standards) 제도를 2012년부터 도입하여 500 MW 이상의 발전소는 총 발전량에 대한 신재생에너지를 사용한 전력공급율을 2012년 2%를 시작으로 2022년까지 10%로 실시할 계획이다. 현재 바이오매스 전소발전과 혼소발전에 대한 RPS 가중치가 각각 1.5와 1.0으로 해상풍력, 조력 및 연료전지 다음으로 높기 때문에 고열량이면서 에너지 밀도가 높은 바이오매스 연료의 개발이 요구된다. 반탄화는 반응온도 200 ~ 300℃ 범위의 무산소 조건에서 일어나는 바이오매스의 열화학적 전처리 공정으로 반탄화를 통해서 원래의 바이오매스가 지닌 질량의 70% 정도가 탄화물의 형태로 남고 이 탄화물은 초기 에너지량의 90%를 보유한다. 본 연구에서는 팜 오일 생산공정에서 발생하는 부산물중 하나인 EFB(Empty Fruit Bunch) 및 국내에서 생산된 왕겨를 사용하여 200 kg/hr급 Pilot 규모의 연속식 로타리 킬른 반응기에서의 반탄화 특성을 비교･분석하였다. 특히 사용 원료별 생성물의 수율 및 특성 분석을 통한 전체 시스템의 물질수지와 열수지 결과를 바탕으로 하여 전체 시스템의 에너지 이용 효율을 분석하였다.

The fuel characteristics, the combustion characteristics, and the kinetic study of sample that had been torrefied at 250 ~ 300oC were investigated for orange peel, rice husks, wood chips, and wood pellets. When higher torrefaction temperature was used, reduction of the yield, and increase in the fuel ratio, and decrease of volatile content were found. As a result, improvement of the fuel characteristics was confirmed. As parameters for the combustion characteristics, initial temperature (IT) was rised slightly because of the high torrefaction temperature of the wood chip, and burnout temperature (BT) showed lowered. The combustion time (tq) of torrefied wood chip (TC) is shorter than raw sample, and unburned carbon generation will be suppressed. The activation energy of the char combustion reaction (2nd) is reduction compared to the raw sample, and the pre-exponential factor was decreased. As a result, the combustion reaction rate constant (k) of the torrefied wood chips, should be determined considering the activation energy and the pre-exponential factor.

Korea has adopted a federal renewable electricity standard that begins at 2% in 2012 and requires companies to source 10% of their electricity from renewables by 2022. Therefore the interest in the use of biomass as a renewable energy resource is growing. By importing biomass, the Korea, which produces too little biomass of its own, can meet the needs of the renewable energy sectors. In the case of import biomass, it will cost a great deal on the transportation and logistics of biomass materials. Therefore new research and development on the biomass fuel with high energy density is needed to reduce logistics cost on transportation of the biomass fuel. Torrefaction is a thermochemical treatment process of biomass at temperatures ranging between 200 and 300oC. Typically, 70% of the mass is retained as a char product, containing 90% of the initial energy content. Torrefaction experiments on samples of EFB were performed in a fixed bed reactor to determine the effect of operation variables such as reaction temperature (205-310oC), reaction time (20-40 min) and air ratio (0-0.18) on char yield and characteristics. Increase of the torrefaction temperature led to a decrease of the yield of the char. The heating value of char increased with the increase of the reaction temperature, because the carbon content increased and hydrogen and oxygen content decreased. The yield of char decreased with increasing air ratio. This suggested that oxidation of EFB occurred during torrefaction in the presence of oxygen.