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한국폐기물자원순환학회 학술대회자료집
- 발행기관 한국폐기물자원순환학회
- 자료유형 학술대회
- 간기 부정기
- 수록기간 1984 ~ 2018
- 주제분류 공학 > 환경공학 공학 분류의 다른 간행물
- 십진분류KDC 539DDC 628
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2013년 추계학술발표회 논문집 (2013년 11월) 257건
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2013.11
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가스화는 산소가 불충분한 상태에서 폐기물, 바이오매스와 같은 원료물질에 열을 가하여 가연성 가스(합성가스)로 발생시키는 열화학적 전환 공정이다. 합성가스는 주로 CO, H₂ 성분이 혼합되어있다. 중･소규모의 폐기물, 바이오매스 가스화 시스템은 합성가스를 생산하여 열과 전기를 생산하는데 이용한다. 그러나 천연가스나 석탄을 이용한 합성가스 생산 공정에서는 이미 고부가가치의 액체 연료를 생산하는 공정이 상업운전 중에 있다. 국내에서도 납사 및 중유 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 초산, 수소 등의 고부가가치 물질을 생산 중에 있다. 본 연구에서는 초산 제조공정에서 원료물질로 이용하는 CO를 폐기물 가스화를 통한 합성가스 내의 CO로 대체하고자 하는 시스템을 개발하고자 한다. 고정층 방식의 가스화 용융로에 U지역 사업장 폐기물을 원료물질로 하고 산화제는 산소를 이용하여 가스화 실험을 실시하였다. 수분 14.6%, 가연분 58.4%, 회분 27.0%, 저위발열량 3,158 kcal/kg의 특성을 가지는 U지역 사업장 폐기물을 이용한 결과 합성가스의 CO+H₂의 농도가 60% 이상 안정적으로 생산되는 것을 확인할 수 있어, 가연성 가스를 고부가가치 화학원료로 이용할 수 있을 것으로 판단되었다
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2013.11
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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.
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2013.11
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순산소 가스화기로부터 발생한 합성가스는 분진, 황화합물, 염화수소 등의 오염물질을 포함하고 있기 때문에 후단공정에서 합성가스를 화학원료로 사용하기 위해서는 적절한 정제시스템을 통한 오염물질의 정제가 필요하다. 본 연구에서는 급속냉각탑, 분진세정탑, 중화세정탑 및 탈황세정탑으로 구성된 합성가스 정제설비로부터 발생한 합성가스 정제폐수의 적정 처리공정 구성을 위한 정제폐수의 여과, 응집, 침전 및 탈수 특성을 분석하였다. 본 연구에 사용된 합성가스 정제폐수는 다량의 부유물질(940 mg/L)을 함유하고 있으며, 이는 규조토코팅 여과를 통해서 2 mg/L 이하로 제거가 가능한 것이 확인되었다. Polymer, Alum, PAC, FeCl₃ 총 4가지의 응집제중 Polymer를 사용한 경우가 가장 높은 응집율을 보였으며, 또한 폐수 원액의 pH를 총 세 가지 조건으로 조절하여 침전특성을 분석한 결과 침전 시간 약 30분 경과 후 부유물질의 침전 상태를 확인할 수 있었다. 그리고 실험 조건별 규조토코팅 여과기에서 발생한 탈수 슬러지와 탈수액의 성분을 분석한 결과 탈수 슬러지의 경우는 철의 함량이 그리고 탈리액의 경우는 인의 함량이 높게 나타났다.
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2013.11
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산업화 이후 지속적으로 사용된 화석연료의 고갈에 따라 에너지 수급 등의 문제가 발생하고 있으며, 이에 고효율성을 갖는 새로운 방식의 에너지 기술들이 각광 받는 추세이다. 이 중 직접탄소 연료전지(DCFC)는 탄소연료를 이용하여 전기 에너지로 전환하는 과정 중 가장 효율이 뛰어나고, 오염물질의 발생이 적은 발전 방법으로 기대를 모으고 있으며, 또한 DCFC에 활용할 수 있는 탄소연료는 고등급부터 저등급까지 매우 다양하게 취급할 수 있을 것으로 전망되어진다. 본 연구에서는 직접탄소 연료전지의 연료로 적용 가능한 탄소원을 설정함에 있어 공업분석, CO₂ 반응성, 열적특성, 황화합물 분포 등의 여러가지 판단 기준 중 전기저항성을 이용한 직접탄소 연료전지(DCFC) 탄소연료 선택의 적용 가능성을 평가하였다. 원료물질의 온도 변화에 따른 전기저항성을 측정하기 위하여 ASTM C 611를 참고하였으며, 이 실험장치는 1300℃까지 승온이 가능한 전기로, 탄소시료 전류측정 홀더, DC Power Supply, Current Meter, Variable Resistor, Volt Meter 등으로 구성되었다. 시료의 전기적 특성 파악을 위하여 설계한 장치에 적합하도록 펠렛 형태로 가공하였다. 스테인레스 재질의 몰드에 압력을 가하여 성형을 하였으며, 성형이 안 될 경우에는 물 혹은 석유계 바인더를 사용하여 성형을 하였다. 펠렛 형태로 성형된 시료는 실험장치의 불활성 분위기내에서 상온에서 900℃까지 승온하며 시료에 대한 전기저항성 변화를 파악하였고, 고유저항의 계산은 일정한 저항과 전원상태에서 온도를 600 ~ 900℃까지의 승온하는 동안 탄소연료의 전압강하를 측정한 후, 성형한 펠렛의 길이와 단면적을 이용하여 각 탄소연료의 전기저항성을 계산하였다. 전기저항 측정을 위한 적정 전원은 일반적 탄소원인 흑연을 사용하여 5V, 7.5V, 10V로 측정하였다. 5V에서는 온도에 따른 변화를 파악하기 어려웠고, 7.5V와 10V는 유사한 경향성을 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 다른 두 시료 카본블랙과 역청탄 촤에 대해서도 5V와 10V로 각각 측정하였고, 카본블랙의 경우 두 전원에 대해 유사한 경향을 보였으나 역청탄 촤의 경우는 5V 보다 10V에서 더 전기저항성이 변화하는 경향을 더 잘 파악할 수 있었다. 탄소연료의 온도 변화에 따른 시료간의 전기저항성을 비교하기 위하여 전원을 10V로 유지하고 실험을 수행하였다. 그 결과 고등급의 탄소연료인 역청탄 촤의 고유저항이 시작 단계에서 고품위의 흑연, 카본블랙 보다 상당히 높았으나, 900℃ 상태에서 역청탄 촤의 고유저항이 흑연, 카본블랙의 수준까지 내려감을 확인하였고, 이는 직접탄소 연료전지 장치에서 설정하는 반응온도가 900℃ 이상이 되면 탄소연료간의 전기저항성 차이가 작아져서 다양한 탄소연료원을 선택하는데 용이할 것으로 사료된다.
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2013.11
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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.
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2013.11
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바이오매스의 활용 기술 중 열분해는 열적 분해를 통해 바이오촤, 타르(바이오오일, 열분해가스)를 생산할 수 있는 열처리 방법이다. 저속 열분해는 바이오촤 생산에 가장 이상적인 방법으로써 이를 통해 생산된 바이오촤는 토양에 활용할 경우 토양질 개량 및 온실가스를 반 영구적으로 격리할 수 있다. 또 다른 부산물인 바이오 오일과 가스를 연료 및 열원으로 사용하여 온실가스 저감효과와 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 본 연구는 인도네시아의 농업 부산물인 볏짚을 대상으로 저속 열분해 특성에 대해 분석하였다. 저속 열분해 실험 방법은 상온에서 300-700℃까지 약 10℃/min으로 승온하였다. 볏짚의 연료 특성은 수분함량이 7.3%, 회분의 함량은 20.9%, 휘발분/고정탄소(VM/FC)는 3.7으로 나타난다. 볏짚은 탄소 48.8 %daf, 수소 6.0 %daf, 산소 43.3 %daf 함량으로 나타나며, 발열량은 13.5 MJ/kg이다. 열분해 온도 조건 300-700℃에서 획득한 바이오촤의 수율은 열분해 온도가 상승함에 따라 57.0–39.1 wt.%로 감소한다. 바이오 오일과 열분해 가스의 수율은 각각 30.2-39.2, 12.9-21.7 wt.%로 증가한다. 열분해를 통해 생산된 바이오촤는 열분해 온도가 상승할수록 탈휘발되어 대부분 고정탄소로 이루어져있다. 또한, 수소(5.2-1.3 %daf)와 산소(22.8-7.0 %daf)의 함량이 낮아지며, 탄소(68.7-91.2 %daf)의 함량은 증가한다. 바이오매스 총 질량 대비 바이오촤의 탄소 수율은 97.3-102.9 %로 나타났다. 높은 탄소 함량의 바이오촤는 안정된 물질로써 산화 없이 토양내 장기간 존재하므로 탄소격리 효과를 얻을 수 있다. 2-50 nm 크기 기공의 비표면적은 600℃에서 약 85 m²/g으로 비교적 크지만, 그 이하 온도에서는 약 2-24 m²/g으로 낮게 나타났다. 기공체적 분석 결과, 100 nm-100 μm의 다양한 크기로 분포하였다. 바이오촤의 50 nm 이하의 기공에서는 토양내 영양분을 흡착하며, 5-40 μm에서는 공생미생물이 서식하여 작물의 성장 및 토양질 개선에 큰 이점이 있다. 열분해 오일은 분자량이 높은 탄화수소 성분으로 구성되어 검고 점도가 높은 Heavy phase와 수분의 함량이 높고 분자량이 낮은 탄화수소로 구성된 Aqueous phase로 나누어 분석하였다. Heavy phase의 수분함량은 약 7-16 %로 낮으며, Aqueous phase는 약 80-84 %로 높게 나타났다. 탄소함량은 약 25-29 %wet이며, 발열량은 약 11-13 MJ/kg으로 약 45 MJ/kg인 중유의 발열량에 비해 약 1/4로 나타난다. 바이오 오일의 에너지 수율은 바이오매스 열량 대비 31.9-41.7 %로 나타났다. 따라서, 연료로서 가치는 높지 않지만, 중유 및 다른 연료와 혼소하여 충분히 활용 가능하다. 또 다른 열분해 부산물 중 열분해 가스는 열분해 초기 온도에서는 CO와 CO₂가 발생하며, 약 450℃ 이후의 온도에서 소량의 CH₄와 H₂가 발생한다. 300, 400℃의 낮은 열분해 온도 조건에서 발열량은 3.3, 3.9 MJ/kg으로 낮지만, 500-700℃에서는 CH₄와 H₂의 영향으로 5.4-9.4 MJ/kg으로 증가하였다. 300-700℃의 온도에서 에너지수율은 바이오매스 열량 대비 3.2-15.3 %로 나타났다. 열분해 가스는 낮은 온도를 요구하는 열분해 공정의 열원으로 활용이 가능하다.
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2013.11
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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.
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2013.11
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세계적으로 석유의 사용량이 급증하면서 석유 에너지원의 고갈문제가 대두됨에 따라 잉여 에너지 자원으로 분류되었던 석탄의 사용 역시 새로운 에너지원으로 관심 받고 있다. 화석에너지 자원의 고갈을 해결할 수 있는 대체 에너지원 역할을 바이오매스 연료가 대체 할 수 있다고 믿어진다. 여기에 국내 하수슬러지의 해양투기가 금지됨에 따라 육상에서의 하수슬러지의 처리가 핵심문제로 부각되면서 국내 발생 하수슬러지의 에너지화는 반드시 필요한 숙제이다. 본 실험은 2stage 가스화기를 이용하여 하수슬러지, 석탄의 가스화를 수행하였다. 실험의 목표는 각각 또는 혼소 시료를 가지고 가스화 반응시켜 생성되는 producer gas의 성상을 비교하고, 활성탄의 사용 유무에 따른 producer gas 변화를 통해 활성탄의 역할을 연구하는 것에 있다. 유동층 물질로는 모래를 사용하였고 air flow late는 15L/min이다. 혼소 비율은 1:1이고 시료의 공급은 스크류식 피더를 사용하였다. 후단에서 채취한 발생 가스는 GC - TCD, FID를 통해 분석하였다. 활성탄 사용에 따라서 수소의 vol%가 급증하는 것을 확인 할 수 있었고 고분자 탄화수소류의 분해로 tar의 양 역시 감소하는 경향을 보였다.
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2013.11
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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.
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2013.11
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2011년 고함수 슬러지 발생량을 보면 폐수슬러지가 년간 306만톤, 하수슬러지가 230만톤 배출된다. 정부는 런던협약 준수와 해양 생태계 보호를 위해 2012년부터 유기성 하수슬러지, 2013년 음식폐기물과 축산분뇨 해양배출을 전면 금지하였고, 2014년부터는 유기성 폐수슬러지도 해양배출이 금지될 예정이다. 폐수슬러지와 하수슬러지는 80% 이상이 수분인 고함수 슬러지이다. 따라서 본격적인 처리에 앞서 이를 건조시키는 기술이 매우 중요하다. 유중건조기술은 고함수 슬러지에서 짧은 시간에 많은 양의 수분을 증발시키는 건조기술이다. 유중 건조된 슬러지는 창고에 적재하거나 장거리 이동시 수송기관에 적재한다. 이때 가장 문제가 되는 것은 자연발화현상이다. 실제로 자연발화 현상은 석탄 야적장에서 종종 관찰되는 현상이다. 유중건조 기술에 의해 건조 된 슬러지의 자연발화 실험결과를 Fig. 1에 나타내었다. 현재 국내외적으로 자연발화에 관한 구체적인 실험방법이 정해져있지 않기 때문에 각 연구기관에서 비공식적인 방법으로 자연발화 현상을 관찰하고 있다. 본 연구에서의 자연발화 실험은 측정하고자 하는 시료를 같은 크기로 분쇄하여 금속관에 투입 후 오븐에 수직으로 장착한 후 오븐의 온도를 일정하게 상승시키면서 시료가 채워진 금속관에 공기 및 질소를 주입하여 자연발화 현상을 관찰하는 방법이다. 슬러지 시료는 기름을 분리한 것과 분리하지 않은 것 2종류이다. 2종류 모두 오븐 온도보다 낮게 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서 시료의 온도가 200 ℃ 이내로 유지된다면 자연발화 현상이 일어나지 않는다.
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2013.11
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폐기물 고형연료(RDF : Refuse-Derived Fuel) 또는 고형연료제품(SRF : Solid Refuse Fuel)은 가연성 고체폐기물을 분쇄한 후에 선별 및 건조 과정을 거쳐서 제조되는 성형 또는 비성형 고체연료로서 회석연료의 대체에너지로 이용이 가능하고, 일반적인 소각 방법에 비하여 수송성, 저장성, 연소 안정성이 우수하여 소각시설의 열이용에 따르는 많은 문제점을 해소할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 RDF에 대한 연소 특성을 파악하기 위한 목적으로 실험실 규모의 연속식 및 회분식 연소 장치를 이용하여, RDF의 조성과 연소 조건에 따른 비교실험이 수행되었다. RDF 연소 특성실험에 사용되는 RDF 시료는 모두 6 종류의 원료와 실험실 규모의 압착 기구를 이용하여 3종류 형태(Powder, Chip, Plate)로 제조되었으며, RDF 연소 특성 비교 실험은 100 ~ 300 g-RDF/시간의 처리 용량을 가진 연속식의 실험실 규모 연소 장치와 길이가 600 mm인 연소로에 장착된 내경 70 mm의 석영 튜브를 이용하는 회분식의 RDF 연소 장치를 이용하여 수행하였다. 주요한 실험 결과를 살펴보면 우선 2 ~ 6 g/개 범위의 무게를 가진 RDF 시료는 대부분이 5 분 정도의 시간내에서 연소가 종료되었으며, CO는 100 ~ 300 ppm (12% O₂), NO는 200 ppm (12% O₂) 이하의 배출 농도를 나타냈다. RDF 제조용 원료로 사용된 PE 및 PP의 함량이 높아질수록 CO 배출 농도는 급격히 증가하며, O₂ 농도는 PE 및 PP의 함량이 증가할수록 감소하는 경향을 보인다. 또한 NO 및 CO₂의 경우는 PE 및 PP의 함량에 따른 배출농도의 변화가 상대적으로 작게 나타났으며, RDF 시료중의 염소 성분 함량이 일정한 조건에서는 흡수제로 사용되는 Ca(OH)₂의 투입량이 많아질수록 바닥회재 중의 염소 함량이 증가하였다.
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2013.11
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K시의 소각장은 2000년 5월 시험가동으로 2기(스토거방식) 처리시설로 400ton/day의 생활쓰레기를 처리하면, 계통도는 쓰레기 반입, 쓰레기크레인, 소각로, 페열보일러, 반건식반응탐, 백필터, 탈질설비, 증기터빈발전기, 연돌소각처리 등으로 처리 하며, 소각과정에서 생성되는 폐열을 회수, 증기를 발생시켜 이 증기를 이용해서 장내 열원 및 소비전력을 보충하는 설비시설을 갖추고 있다. 그러나 그림 1과같이 사용 후 4 ~ 5년 후 부터는 산소농도가 증가하여 최근 3년간 급격히 상승해지고 있는 추세이며 2호기의 산소농도가 1호기 보다 높아지고 있어 배기가스 중 CO, SOx, HCl, NOx의 농도는 증가 하는 것으로 나타나고 있다. 본 연구는 소각로의 적정공기량을 투입하여 산소농도를 낮추어 대기배출 농도를 저감하기 위한 연구이다. 산소농도가 너무 높거나 너무 낮아도 문제가 되며 산소농도가 너무 높을 경우 모든 측정항목에 영향을 줌으로서 세심한 관심이 필요하다. 산소농도만 제어를 잘하면 CO는 물론 다른 항목의 제어 관리도 빨리 대처를 할 수 있다. 운전 중 가장 안정적인 범위는 이론상으로는 7 ~ 9%이나, K시의 소각설비는 10년 이상 운영으로 그동안에 많은 변화가 있어 산소농도는 약 9 ~ 13%로 높게 분석되었다. 1차 연소공기는 연소과정에는 직접적으로 영향을 주지만 연소실 내부의 유동장에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 알려져 있고, 반면에 2차 연소공기는 불완전 연소물질의 2차 연소실에서의 연소를 촉진시키는 역할뿐만 아니라 연소실 내부의 유동형태를 크게 변화시키므로 미분입자의 이원방지, 화염높이의 적정유지, 연소가스 농도의 균일화 등 연소실내부의 연소상황을 제어하는 역할을 수행한다는 연구 문헌을 중심으로 본 연구 내용은 2차송풍량을 산소농도에 비례하여 송풍량이 자동으로 조절되어 소각로 내에 과잉송풍량이 들어가지 않고 산소농도에 맞게 송풍량을 주입하는 방법으로 DCS프로그램을 보완하였다. 그 결과 그림 2와 같이 대기배출 가스의 농도가 전년도에 비해 감소하였으며 약품사용량도 감소한 것으로 나타났다.
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2013.11
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우리나라의 하수슬러지 처리방법은 해양투기가 약 70%를 차지해왔으나, 런던협약으로 인해 해양투기 규제가 강화됨에 따라 소각 및 연료화 사례가 증가되고 있다. 그러나, 하수슬러지는 함수율이 높고 유기물함량이 상대적으로 낮기 때문에, 소각이나 연료화를 위해서는 건조전처리를 통해 함수율을 낮추는 과정이 반드시 필요하다. 슬러지 건조기는 열원의 접촉형태에 따라 직접건조방식과 간접건조방식으로 구분되며, 국내의 경우에는 소각로에서 발생한 폐열(폐스팀)을 이용하는 간접건조방식이 주로 적용된다. 슬러지는 유입원수, 소화･열처리 유무, 탈수보조제의 종류 등에 따라 건조속도가 차이가 발생하기 때문에, 건조기 용량 결정시에 대상슬러지의 건조특성을 사전에 실험을 통해 파악하는 것이 필요하다. 특히, 건조 과정중 함수율 50~70% 영역에서 점성이 높아지고, 슬러지가 건조기에 부착되어 건조효율을 저하시키기 때문에 주의가 요구된다. 본 연구는 동일한 타입의 건조기가 설치된 두 개의 하수처리장을 대상으로 진행되었다. 하수처리장에서는 각각 혐기소화슬러지와 호기성슬러지를 건조처리 중이었으며, 혐기성소화슬러지가 안정적으로 건조가 이루어지고 있는 반면 호기성슬러지는 설계용량의 50% 수준으로 운영되고 있었다. 운영중인 건조기에서 위치별로 슬러지 함수율을 측정하였으며, 혐기소화슬러지는 함수율 60~70% 수준에서 점성구간(Glue zone)을 형성된 반면, 호기성슬러지는 함수율 30% 까지 점성구간이 유지되는 것으로 확인되었다. 호기성슬러지는 넓은 함수율 범위에서 고점성을 유지하였으며, 건조기에 부착되어 건조효율이 저하된 것으로 판단된다. 실험실의 건조오븐을 이용하여 동일한 조건에서 건조속도를 비교한 결과, 혐기소화슬러지는 (초기함수율 82%) 목표 함수율 10% 이하로 건조하기 위해서 250분의 건조시간이 필요하였으나 호기성슬러지는 500분 이상의 건조시간이 필요한 것으로 나타났다. 또한 혐기소화슬러지는 건조과정에서 자연적으로 분말화가 진행되는 반면, 호기성슬러지는 입자끼리 뭉쳐져 있는 현상이 관찰되었다. 우리나라의 건조기 설계는 아직까지 제작사의 경험이나 기존의 설계사례에 의존하고 있는 실정이다. 그러나, 본 실험결과에서 나타난 바와 같이 슬러지는 성상에 따라 건조속도가 차이가 발생하므로, 건조기 설계에 앞서 슬러지 건조속도 등을 측정하여 반영할 필요가 있다. 특히, 호기성슬러지를 건조 처리하는 경우에는, 혐기소화슬러지에 비해 건조속도가 크게 차이가 날 수 있으므로 설계시 유의가 필요하다.
114.
2013.11
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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.
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2013.11
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바이오매스는 효과적으로 바이오 연료를 얻을수 있는 신재생에너지로서 대체에너지로 각광 받고 있다. 특히, 본 연구에서 사용된 팜 부산물(EFB)은 주로 말레이시아, 인도네시아 등에서 팜 오일 생산 공정의 부산물로, 팜열매로부터 증기를 이용해 팜 오일을 추출한 후에 발생되는 부산물로 알려져 있으며, 팜 열매의 약 20%가 EFB로 배출된다. EFB를 포함한 바이오매스에 대해 국내에서는 2030년까지 바이오에너지 공급을 전체 에너지의 3.4%로 그 목표를 설정 하였으나 국내에서는 바이오매스 수급이 어려운 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 이러한 바이오매스 수급 문제와 효율 증대를 해결하기 위해 이미 가스화 공정에 적용가능성이 입증된 화석 연료인 석탄과 바이오매스인 EFB를 혼소 가스화 연구를 진행하였으며, 혼소가스화의 효율성을 확인하기 위해 EFB가스화 공정과 특성을 비교하였다. 본 연구에서 사용된 반응기는 유동층 반응기로서 BFB(Bubbling Fludized Bed) 조건으로 진행 되었으며, EFB와 석탄의 혼소 가스화 적용 가능성을 평가하기 위해 EFB의 기초특성분석을 실시하였다. 기초특성분석에는 원소분석과 공업분석, 발열량 분석을 실시하였으며, 원소분석의 결과 탄소 41.81%, 수소 5.73%, 산소 37.36%, 질소 0.84% 로 분석 되었으며, 발열량(고위발열량 기준)은 3,930 kcal/kg 으로 나타났으며, 마지막으로 공업 분석의 결과 수분 9.03%, 휘발분 64.95%, 고정탄소 19.48%, 회분 5.94%의 함량을 보였다. EFB의 가스화의 각 조건의 합성가스 조성, 건조가스 수율, 냉가스 효율결과를 비교하였을 때, 최적 온도 조건은 900 ~ 1,000℃, ER비는 0.6 으로 나타났다. 이에 비해 혼소가스화의 최적 조건 도출의 경우에도 EFB 가스화 최적 조건 도출과 마찬가지로 비교하였을 때, 온도의 경우 EFB 가스화 반응에 비해 고온에서 최적조건을 보였으며, EFB와 석탄의 혼합비는 석탄의 비율을 10%, 20%, 30% 로 총 3가지 조건을 비교하였다. 이 결과 가장 경제적이며 효율이 있는 혼합비의 조건은 석탄 20% 혼합으로 나타났다. 이러한 결과를 토대로 바이오매스인 EFB와 화석연료 중하나인 석탄의 혼소 가스화 가능성을 판단할 수 있었으며, 최적 조건을 도출 할 수 있었다.
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2013.11
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2012년부터 실행된 유기성 슬러지의 해양배출 금지와 신재생에너지공급의무화제도(Renewable Portfolio Standard : RPS) 시행으로 인하여 유기성 슬러지의 건조 연료화 시설이 증가하고 있다. 슬러지 건조 기술로는 대표적으로 직접건조방식과 간접건조방식이 대표적이며, 이외에도 유온건조방식과 마이크로웨이브를 이용한 건조방식이 있다. 이러한 여러 가지 건조 방식에서 건조된 슬러지의 함수율은 10%이하를 나타내며, 이러한 건조슬러지는 저장․이송과정에서 자연발화로 인한 화재가 유발될 수 있는 것으로 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 건조 슬러지의 자연발화 가능성을 알아보기 위하여 유온감압증발장치를 이용하여 슬러지 성상에 따른 건조 슬러지의 열적특성을 비교하였다. 본 연구에서 사용된 하수슬러지는 서울시에 위치한 J하수처리장에서 발생되는 농축슬러지와 소화슬러지를 사용하였으며, 건조에 앞서 고분자응집제(C-310P)를 주입 후 원심분리기를 이용하여 탈수를 하였다. 탈수된 슬러지는 유온감압증발장치를 이용하여 폐식용유와 이온정제유를 첨가하여 온도 110℃, 압력 -450mmHg, 슬러지와 기름의 혼합비를 1:1로 조절하여 90분 동안 건조하였다. 건조 슬러지의 열적특성은 열분석장치(TA-50 Series, Shimadzu)를 이용하여 열중량분석과 시차열분석을 실시하였으며, 분석 조건은 10℃/min 의 승온 조건으로 1000℃ 까지 승온하여 air 조건에서 측정하였다. 농축 및 소화슬러지를 유온감압증발장치를 이용하여 건조한 후 열중량분석를 실시한 결과 농축 및 소화슬러지는 200 ~ 450℃ 구간에서 전체 질량의 30 ~ 60%가 감량하는 것으로 나타났으며, 이는 대부분이 슬러지내 휘발성분이 방출되었기 때문인 것으로 판단된다. 농축 건조슬러지와 소화 건조 슬러지의 시차열분석을 분석한 결과 2개의 피크가 나타났으며, 이는 갈탄의 시차열분석 결과 값과 유사한 경향을 나타내었다. 2개의 피크 중 첫 번째 피크는 휘발물질에 의해 발생하는 것이며, 두 번째 피크는 슬러지 내의 고정탄소 및 차르물질인 것으로 판단된다. 또한 혼합 기름의 종류에 따라 건조슬러지의 시차열분석 피크의 형태가 다르게 나타났다. 이온정제유를 혼합하여 건조한 슬러지의 경우 첫 번째 피크 값이 두 번째 피크 값보다 높은 것으로 나타났으며, 폐식용유를 혼합하여 건조한 슬지의 경우 두 번째 피크 값이 첫 번째 피크 값보다 높게 나타났다. 이를 통해 기름과 슬러지를 혼합하여 건조하는 과정에서 슬러지 내로 치환된 기름이 건조물의 열적특성에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 또한 하수슬러지 연료탄 기준에 따라 착화온도를 분석한 결과 폐식용유를 혼합한 경우 원슬러지에 비해 착화온도가 높아지는 것을 알 수 있었으며, 이와 반대로 이온정제유를 혼합한 경우 원슬러지에 비해 착화온도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 이상의 결과로부터 유온감압증발장치를 이용하여 건조한 슬러지는 혼합 기름의 종류에 따라 자연발화 온도가 다르게 나타나므로, 최소 370℃ 이하에서 건조슬러지를 저장 및 이송시 고려할 필요가 있는 것으로 판단된다.
117.
2013.11
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에너지 수요의 증가와 환경문제에 대한 중요성을 인식하면서 신재생에너지에 대한 연구가 주목받고 있다. 정부의 지원 정책과 원유 가격 불안정성 등의 이유로 국내에서도 활발한 연구가 진행 중이다. 신재생에너지의 종류에는 태양광, 풍력, 수력, 연료전지 등의 다양한 분야가 있지만 우리가 사용하고 있는 수송용 연료를 대체할 에너지는 바이오 오일이다. 미국과 브라질, 중국 등의 식량 부국에서는 옥수수, 사탕수수 등의 식량을 화학적 처리과정을 거쳐 바이오 연료로 생산하고 있다. 하지만 식량자원 빈국에 대한 도덕적 문제를 야기하였고 폐셀룰로오스를 이용한 바이오연료 생산이 각광받고 활발하게 연구가 진행 중이다. 바이오오일을 만드는 방법은 여러 가지가 있으나 열분해를 통한 바이오오일 생산이 간단한 과정이고 시간이 오래 걸리지 않으며 많은 양을 만들어 낼 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 주변에서 쉽게 볼 수 있는 폐셀룰로오스의 하나인 톱밥을 이용하여 열분해를 진행하였고 수분의 제거를 위해 톱밥은 오븐에서 75℃로 하루 이상 건조하였다. 화학적 처리가 되지 않은 톱밥을 이용하였고 반응 온도를 400, 450, 500, 550℃로 달리하여 실험을 진행하였다. Carrier gas는 N₂를 사용하였고 150cc/min의 유량으로 흘려주어 가스가 컨덴서로 이동하게 하였다. 열분해하여 나오는 생성물을 성상별로 분류하여 액체 물질이 어느 온도 조건에서 많이 나오는지 비교하였다. 분석방법은 바이오오일을 GC(Gas Chromatography)와 Elemental analyzer로 분석하였고 어느 온도 조건에서 탄화수소와 유가물질들이 많이 나오는 지 분석하였다.
118.
2013.11
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전 세계적으로 화석연료의 고갈에 대비함에 따라, 대체에너지의 개발을 위한 다양한 친환경 화학제품 및 에너지생산에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 국내에서는 저탄소 녹색성장이라는 슬로건 아래 출범한 정부를 시작으로 현재까지 대체에너지를 개발하기 위한 연구는 계속되고 있으며, 이에 따라 신재생에너지의 중요성이 인식되고 있다. 특히 국내의 경우, 신재생에너지의 약 80% 이상을 폐기물 및 바이오매스 에너지가 차지하고 있으며, 향후에도 더 많은 에너지공급을 위하여 활발한 연구가 진행될 것으로 예상된다. 그러나 국내에는 활용가능한 바이오매스 자원은 매우 한정적이며 2030년 바이오에너지 공급 계획 3.4%에 맞추기 위해서는 안정적인 바이오매스의 확보와 활용기술 개발이 필수적이다. 따라서, 기술개발 초기단계부터 풍부한 아열대성 기후 지역 국가로부터 저렴한 원료를 확보하여 개발하는 것이 필수적이라고 판단된다. 최근 팜 오일에 대한 수요가 급증함에 따라 말레이시아와 인도네시아를 중심으로 팜 오일 산업이 활성화되고 있으며, 이에 따라 팜 오일 생산공정으로부터 다양한 다량의 부산물이 발생하고 있는 실정이며, 본 산업은 지속적으로 증가하여 태국을 포함한 여러 나라에서도 팜 오일 생산을 늘리고 있다. 특히, 팜 열매인 fresh fruit bunch (이하 FFB)로부터 발생하는 부산물인 empty fruit bunch(이하 EFB)는 전체양의 20%를 차지할 정도로 다량발생되고 있으며, 현지에서도 이에 대한 적절한 처리방안이 없어 단순히 야적되거나 소각 또는 비료로써 처리되고 있기 때문에 이를 활용하면 바이오매스 자원이 부족한 우리나라의 경제적인 바이오매스 자원확보의 대안이 될 수 있다. 따라서 연구에서는 팜 오일 산업부산물 중 하나인 EFB를 목질계 바이오매스로써 활용하여 바이오 오일을 회수하고자 기초특성분석을 수행하여 열화학공정으로의 적용가능성에 대하여 평가하였다. 또한 이 결과를 바탕으로 목질계 바이오매스에 적절한 급속열분해를 선정하여 유동층 반응기에서의 열분해 특성을 연구하였다. 이는 TG 분석 결과를 바탕으로 온도범위를 400 ~ 650℃로 설정하여 각 온도구간 마다 바이오오일을 회수하여 수율을 측정하였고, 500℃ 부근에서 가장 높은 수율을 보였다. 또한 바이오오일에 대한 발열량, pH, 점도 등을 분석하여 연료로써의 가능성을 평가하였다.
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2013.11
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국내에서는 약 3,500천 톤 이상의 슬러지가 매년 배출되고 있다. 슬러지 처리 방법으로는 매립, 해양투기, 퇴비화, 소각 등의 방법이 있으며, 매립으로 인한 토양오염과 매립지 제한, 해양투기 금지로 인하여 소각에 의한 슬러지 처리가 빠르게 증가하고 있다. 슬러지 소각 기술은 다단로, 로터리 킬른, 순환 유동층 기술 등이 있으며, 이 중 순환 유동층 소각 기술은 슬러지를 연속적으로 투입하면서 소각이 가능하고 회분을 연속적으로 제거하면서 운전이 가능할 뿐만 아니라 유동층 내의 격렬한 혼합에 의한 열전달이 우수하기 때문에 유동층 소각에 의한 슬러지 처리 기술 개발이 많이 진행되고 있다. 국내의 경우 유동층 슬러지 소각시설의 수가 적고, 대부분의 소각 시설이 외국의 기술로 설계되어 있으며, 연구기관, 학교, 기업에서 연구를 수행하고 있으나 현재까지 유동층 소각 시설의 설계와 운전, scale-up 기술은 더 많은 연구가 필요한 상황이다. 순환 유동층 연소기의 최적설계와 운전을 위해서는 압력분포, 고체 체류시간, 고체 순환율, 고체 체류량 등 연소기 내 수력학적 특성에 대한 정보가 필요하며, 수력학적 특성에 따라 기체와 고체간의 물질전달 및 반응속도는 영향을 받는다. 본 연구에서는 순환 유동층 연소기의 cold bed 실험장치 및 CPFD(Computational Particle Fluid Dynamic)를 이용하여 운전 조건 변화에 따른 순환 유동층 내 기체-고체의 수력학적 특성을 연구하였다. 연구를 통하여 공탑속도, 우드펠렛과 슬러지의 투입비에 따른 순환 유동층 연소기 내 압력강하, 고체 체류시간, 고체 순환율 변화에 대하여 고찰하였으며, 전산해석 결과와 cold bed 실험 결과를 비교/평가하였다.
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2013.11
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화석연료 고갈 및 환경문제 해결을 위한 대체 에너지원 확보에 대한 연구가 여러 분야에서 활발히 진행되고 있다. EU의 경우 신재생에너지 보급률의 80% 정도를 바이오매스로 달성하고 있을 정도로, 바이오매스는 자원의 순환적 이용과 재생산 가능한 청정에너지원으로 주목을 받고 있다. 일반적인 바이오매스는 밀도가 낮고 함수율이 높기 때문에, 바이오매스를 펠렛화하여, 연료로 사용하는 방법이 주로 이용되고 있다. 물리적인 압축을 통해 밀도를 높인 펠렛의 발열량은 약 4,000kcal/kg 정도로, 일반연료유(휘발유)의 발열량인 8,000 kcal/kg의 약 50% 정도 수준으로, 에너지밀도가 높은 바이오매스 연료 생산이 필요하다. 반탄화(Torrfaction)는 반응온도 200~300℃ 범위에서 무산소 조건에서 일어나는 열화학적인 공정으로 부분적인 탈휘발화 반응 및 열분해 반응을 통하여 에너지 밀도가 높은 탄화물을 제조하기 위한 방법이다. 본 연구에서는 실험실 규모의 고정층 반응기를 이용하여 말레이시아에서 자생하는 바이오매스 중 Leucaena를 반응시간 30분인 조건에서 반응온도를 228, 266, 290, 315 및 350℃로 변화시켜 생성된 반탄화물에 대한 기초성분 및 SEM 분석 등을 통하여, 반응온도의 영향을 검토하였다.
