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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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국내에서 발생된 폐바이오매스 중 에너지화 가능한 폐바이오매스는 2007년 기준 약 1,167 톤이 발생하지만, 이 중 약 3.5%만이 에너지원으로 활용되고 있다. 여러 종류의 폐바이오매스 에너지화 방법 중 소각, 가스화 또는 열분해 같은 열화학적 전환방법은 높은 에너지 수율을 얻을 수 있다는 장점 덕분에 각광을 받고 있다. 이중 급속 열분해는 높은 오일 수율을 얻을 수 있다는 장점과 액체연료가 갖는 장점 때문에 국내외에서 활발하게 연구되고 있다. 이에, 본 연구에서는 폐바이오매스를 이용한 급속 열분해 반응기 모델링이 수행되었다. 모델링된 반응기는 실험실 규모(1 kg/h)로 반응기 내 급속 열분해의 화학 반응 모사를 위해 two-stage semi global kinetic mechanism이 모델에 적용되었으며, 온도와 질량 분율 등의 함수로 모델링되었다. two-stage semi global kinetic mechanism은 폐바이오매스가 응축가스, 비응축가스 그리고 촤로 분해되는 1차반응과 폐바이오매스로 부터 생성된 응축가스가 다시 비응축가스와 촤로 분해되는 2차반응으로 구성되어 있다. 먼저 각각의 반응온도에 따른 반응속도를 살펴보았으며, 반응기 출구에서의 급속 열분해 생성물의 수율을 살펴보았다. 모델링된 급속 열분해 반응기 출구에서의 온도변화에 따른 생성물의 수율은 실험값과 함께 비교, 평가되었다. 모델링을 통해 해석된 결과는 먼저, 응축가스의 경우 온도가 증가함에 따라 증가하다 최고 수율을 갖고 감소하였으며, 비응축가스와 촤의 경우 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. 바이오오일 수율에 직접적인 영향을 미치는 응축가스 수율을 실험값과 비교하였을 때, 해석된 결과와 같은 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
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2013.11
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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.
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2013.11
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우리나라는 해양투기제도 시행 첫 해인 1988년에 55만톤의 폐기물을 해양 투기한 이래로 2011년까지 총 1억 2천만톤 이상의 폐기물을 대한민국 EEZ 경계에 위치한 3개의 지정해역에 투기하였다. 그러나 2011년 말 전체 해양투기량의 약 절반을 차지하던 하수오니 및 가축분뇨의 해양투기를 2012년부터 금지시키고 2013년도부터는 2012년도 전체 투기량의 절반을 차지하고 있는 음폐수의 해양투기를 금지하기로 이미 법제화한 바 있다. 이에 따라 국내 축산농가를 중심으로 연간 약 4700만톤(‘10년 기준) 대량으로 발생하고 있는 축산분뇨의 처리방안에 대한 다양한 방안이 검토 및 연구되고 있다. 이러한 축산분뇨 처리 방안 중 하나로 축분에 한 연료화 검토가 진행 중이며, 현재까지는 주로 소형의 보일러 연료로 활용이 대부분이나 최근 화석연료인 석탄을 대량으로 소비하며 이산화탄소 대량 배출원의 하나인 석탄화력발전소에 혼합연료로 활용하는 방안이 검토 중에 있다. 축분을 석탄화력발전소의 혼합연료로 사용할 경우 폐기물인 축분의 대용량 처리가 가능하고, 또한 향후 축분연료가 대용량 발전소의 연료로 고시될 경우 발전회사의 RPS(신재생에너지공급의무제; Renewable Portfolio Standard) 달성에 기여할 수 있기 때문에 축분연료의 발전용 석탄과의 혼합연소 가능성에 대한 관심이 크게 증가하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 국내화력발전소의 RPS 대응방안의 일환으로 검토 중인 축분연료의 석탄과의 혼합비율에 따른 연소특성 평가를 통해 축산폐기물의 연료화 가능성을 검토하였다.
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2013.11
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화석연료는 현재 가장 많이 이용되는 에너지 수단이다. 그러나 화석연료는 매장량이 한정되어 있고 사용하면서 배출되는 배출가스는 지구온난화와 여러 가지 환경문제를 일으키고 있다. 이러한 화석연료의 대체할 에너지로 자연 에너지로서 재생 가능하여 반영구적으로 사용이 가능한 재생가능에너지(Renewable energy)가 주목되어지고 있다. 바이오매스는 다른 재생가능에너지와는 다른 탄소계의 에너지 자원이고 전기에너지 이외에 고체, 액체, 기체연료나 화학연료 및 원료로 변환 할 수 있다는 장점이 있다. 또한 지역적으로 편재되어 있지 않고 carbon neutral 에너지로 지구온난화 문제에서도 자유로운 장점으로 인해서 현재 기술적, 경제적 관점에서 가장 현실적인 대체에너지라 할 수 있다. 그러나 이러한 바이오매스도 에너지밀도가 낮고 분산되어 있어 수집, 저장 및 운반비용이 크고 기후의 영향을 받으며, 다양성으로 인한 불균일성으로 인해서 사용 측면에서 어려움이 있다. 따라서 이러한 바이오매스의 단점을 극복하기 위한 방법으로 열수탄화 방법을 이용한 고형연료 생산기술이 주목을 받고 있다. 본 연구는 실험실 규모의 압력반응기로 바이오매스 중에서 폐목재를 이용하여 열수탄화 반응 특성을 반응조건별로 확인하였다. 생성된 고체생성물의 고형연료 특성과 액체생성물의 특성을 평가하였다. 반응온도와 반응 시간은 증가할수록 발열량은 증가하고 수득율은 감소한다. 또한 휘발분의 함량은 감소하고 고정탄소의 함량은 증가한다. 물과 폐목재의 혼합비율도 반응에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 액체생성물은 반응온도와 시간이 증가할수록 COD와 유기산의 농도는 증가하고 총질소와 총인의 농도에는 변화가 없었다. 열수탄화 전후의 수분 재흡수성을 비교하면 반응 후 고체생성물의 수분 재흡수성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한 기존의 반탄화(torrefaction) 고체생성물보다 성형성이 좋은 것으로 확인되었다.
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2013.11
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대부분의 국가에서는 수은이 함유된 제품이나 각종 산업공정에서 사용되는 수은은 단계적으로 제거해 나가고 있으며 특히 선진국에서는 수은의 독성, 생물농축 및 환경에의 유해성으로 인하여 수은이 함유된 제품이나 수은을 사용하는 산업공정을 대체하기 위하여 노력하고 있다. 그러나 여전히 수은이나 수은을 함유한 제품은 특정 공정이나 오래된 공정에서 사용되고 있으며 지금까지는 수은 함유 폐기물을 재활용하거나 처리하는 것은 폐기물 관리 분야에서 주요 관심사가 아니었다. 수은의 국제적 규약 및 관리 동향이 1차적으로는 대기배출 수은에 치중되어 왔으나 배출원에서의 제어 및 회수된 수은이 부산물과 폐수 중에 남게 되면서 선진국에서는 이를 안정화하며 회수 저장하는 문제와 수은의 매체 간 통합적인 관리로의 접근이 시도되고 있어 우리나라도 이에 대한 방안 마련이 필요한 상황이다. 2013년 2월 제5차 INC (Intergovernmental Nagotiating Committee)의 결정에 따라 국제수은협약의 주요 조항으로 수은함유 폐기물의 관리 강화 및 환경친화적 수은 저장 능력 증대가 포함됨에 따라 향후 국제적인 규제 조치 시행이 예상되고 있다. EU는 수은화합물 수출 금지 및 수은 저장 의무화 규제 시행 (‘11.3.15 발효, Regulation (EC) No 1102/2008, 22 Oct. 2008)하여 원자재 수은을 폐기물로 규정하고, 클로랄-알칼리 분야, 비철금속 채광 및 제련, 천연가스 정제 및 금채광시설의 수은 회수 및 저장을 의무화하였다. 미국 또한 금속 수은 및 특정 수은화합물의 수출금지 법안을 발표하였으며, 미국 DNSC (Defense National Stockpile Center)는 1970년대 부터 4,400 톤 이상의 원자재용 수은을 보관해왔으며, 이를 영구저장시설로의 이전 사업이 추진 중이다. US EPA에서는 LDR 기준을 통해 수은 함유 폐기물 중 260 ppm 이상의 폐기물의 경우 일반 매립지로 갈 수 없으며 특수 설계 매립지를 통해 매립을 하거나 수은 저감 처리방법을 통해 수은 함유 농도 저감을 해야 한다고 규정하였다. 따라서 본 연구에서는 실험실 규모의 반응기를 구축하여 국내 고수은함유 폐기물을 대상으로 열적처리를 통한 수은 감량 특성을 연구하였다. 이는 TG 분석 결과를 바탕으로 온도범위를 700 ~ 800 ℃로 설정하여 각 온도조건에서 체류시간에 따를 수은 감량 특성을 평가하였으며, 각 조건 별로 수은 증기를 냉각시켜 수은 회수율을 평가하였다.
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2013.11
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자원 고갈로 인해 원자재 가격 상승과 고유가 문제를 해결하기 위한 대안 중 하나로 저가의 고유황 석탄의 사용이 고려되고 있다. 생산공정에서 고유황 석탄의 사용은 원가절감의 큰 효과를 얻을 수 있다. 하지만 높은 황함량에 따른 다량의 황화합물의 배출로 대기오염 및 설비의 부식에 대한 문제가 예상된다. 그렇기 때문에 최근 고유황 석탄으로부터 발생되는 화합물에 대한 특성을 파악하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 고유황 석탄의 유기황, 무기황의 분포를 파악하였다. 일반적으로 석탄에 함유된 황성분은 크게 무기질과 유기질의 두가지 형태로 나눌 수가 있다. 무기황 성분은 대부분 pyrite 형태로 존재하고, 유기황 성분은 크게 thiols, sulfides, disulfides, thiopenes의 혼합형태로 존재하게 된다. 이와 같이 다양한 화합물의 혼합형태로 석탄에 함유된 황성분은 석탄전환 과정에서 분해 및 화학반응을 거치게 된다. 석탄이 고온에서 열분해가 일어나면 석탄중에 함유된 무기질 및 유기질 황성분이 분해를 시작하여 H₂S, COS, CS₂ 등으로 변환되어 각 반응기 내에서 고체물질과 반응하여 순환된다. 여기서 저가 고유황 석탄의 사용량을 증가시킬 경우에 수처리 설비 및 가스 청정계에 부하를 더 심화될 수 있다. 따라서 저가 고유황 석탄의 열전환과정에서 석탄으로부터 방출되는 황화합물에 대한 특성 연구를 통하여 황의 반응특성 해석 및 순환과정을 정량적으로 파악할 수 있어야 한다. 석탄의 황 형태별 분포 비율을 알기 위해서 총 황함량과 무기황의 함량을 분석해야 한다. 이때 무기황의 분석은 아래와 같은 4단계의 과정을 거쳐서 진행이 된다. 석탄 시료를 묽은 염산 및 질산 환류 용액 내에서 황산염과 황철광의 용해도 차이를 이용하여 용액 내에서 연속적으로 취하고 직접 정량한다. 1단계는 황산염 및 황산철의 황 성분 분리 단계, 2단계는 황산염 황 정량 단계, 3단계는 황철광 황의 정량 단계, 4단계는 유기황의 정량 단계로 구분이 된다. 고유황 역청탄의 실험결과 총 황함량은 2.82wt.% 이고, pyritic sulfur 함량은 1.186wt.%, sulfate sulfur 함량은 0.026wt.%, 유기황 함량은 1.608wt.% 이다. 총 황함량 중에서 황 형태별 분포 비율을 보면 유기황 함량 비율이 57.09%, pyritic sulfur 함량 비율이 42.2%, sulfate sulfur 함량 비율이 1.06%로 총 황함량 중에서 유기황 함량 비율이 약 57%로 무기황 함량 비율보다 약간 높음을 알 수가 있다. 또한 무기황과 유기황의 비율(Inorganic S/Organic S)은 0.754, pyritic sulfur와 유기황의 비율(Pyritic S/Organic S)은 0.738을 나타내었다.
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2013.11
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화석연료의 환경오염문제와 자원고갈에 의한 에너지 수급 문제는 폐기물 에너지를 신재생에너지로 사용하는 패러다임의 변화를 가져왔으며 2005년부터 시행된 쓰레기 종량제의 시행은 폐기물 성상에 많은 변화를 가져왔다. 본 연구 대상지역은 소각로 용량(100Ton/day)에 비하여 소각시설로 반입되는 생활폐기물 양이 부족하여 이에 대한 해결방안으로 폐목재, 폐가구등의 대형폐기물 혼합소각에 대한 연구를 하였다. 생활폐기물 소각시설에 반입되는 생활폐기물과 폐목재, 폐가구등의 대형폐기물의 조성 및 삼성분 발열량을 분석하고, 생활폐기물과 대형폐기물 혼합비율을 각각 무게기준 0%, 10%, 20%, 30%로 하여 소각 후 발생되는 연소가스를 분석하였다. 생활폐기물 발열량은 약 3477 Kcal/kg이고, 삼성분 분석 결과 수분 26.45%, 가연분 64.61%, 회분 8.94%으로 나타났으며, 대형폐기물 분석결과 발열량 4595.47 Kcal/kg, 수분 26.83%로 나타났다. 각각의 시료들을 반건식 반응탑, 여과집진기와 SCR(Selective Catalytic Reduction)의 연소가스 처리설비를 갖춘 소각시설에 소각 후 연소가스를 분석한 결과 Dust, NOx, CO, SOx는 큰 변화가 없었던 반면 HCl은 배출허용기준을 근접하는 것으로 나타났다. HCl의 경우 대형폐기물을 30% 혼합 소각하였을 때 최고 18.4ppm의 배출농도를 나타내어 현행 배출허용기준(20ppm)에 근접함으로써 혼합소각이 적합하지 않음을 알 수 있었다. 그러나 대형폐기물을 20% 혼합소각 하였을 때는 생활폐기물만 소각할 때와 비교하여 약 2ppm 증가하는 수준에 그쳐 별도의 대기오염방지설비의 추가 없이도 20%까지 충분히 혼합소각이 가능할 것으로 판단되었다. 현재 운영 중인 생활폐기물 소각시설에서 대형폐기물을 혼합 소각할 경우, 혼합비율에 따라 소각특성과 Dust, SOx, NOx, CO, HCl 등의 대기오염물질 발생량과 농도에 변화가 있었으나 대형폐기물을 무게기준 20%까지 혼합 소각할 경우에는 현재 운영되고 있는 연소가스처리시설 만으로도 충분히 현행 대기오염물질 배출허용기준을 만족시킬 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구결과 생활폐기물 소각시설에서 폐기물 부족현상을 해소하고 대형폐기물의 에너지화의 가능성을 알수 있었으며 유사도시의 소각시설 설치시 특성자료로 제공 하고자 하였다.
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2013.11
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폐활성탄의 재생방법은 가열재생법, 약품처리 재생법, 산화분해법, 미생물분해법등이 있다. 본 연구에서는 가열재생방법에 의하여 대기 및 수질용 활성탄을 재생하였다. 가열재생방법으로 다단로(multiple hearth furnace) 또는 로타리 킬른(rotary kiln)이 사용되어 왔으나 본 연구에서는 원통드럼 내부를 다수(보통 5-7개)의 구역으로 나누어 투입물이 순차적으로 각 구역을 통과하게 함으로써 투입물의 체류시간 증가, 장치의 소형화 및 열손실 감소를 특징으로 하는 방사형 다단 회전로(radial multi-pass rotary furnace)를 사용하였다. 실험대상 폐활성탄은 직경 4mm 성형탄, 4x8(4 mesh통과 8 mesh걸림)탄으로 용도는 대기용이며, 수질용은 8x30탄을 사용하였다. 재생처리는 가열재생만 하였으며 활성화과정은 거치지 않았다. 방사형 다단 회전로는 직경이 2.15m, 길이가 3m이며 투입량은 대기용 활성탄은 600[kg/hr], 수질용 활성탄은 400[kg/hr]이고 체류시간은 대기용이 약 40분 수질용은 약 60분이다. 대기용 활성탄은 휘발성유기화합물을 흡착하여 포화된 상태이므로 예열 후 열재생시 휘발분의 탈착 및 자연발화에 의하여 400,000[Kcal/hr] 버너(노즐1: 250,000, 노즐 2: 150,000) off 상태에서의 운전 또는 노즐2의 주기적인 on-off 상태하에서 운전하였다. 수질용 활성탄은 함수율이 높고 휘발분 흡착량이 적으므로 2개의 노즐이 상시적으로 on 상태에서 운전하였다. 처리전 대기용 폐활성탄 함수율이 6.4-7.3% 이었으며 수질용 폐활성탄은 30.3%이었다. 승온속도 10℃/min, 최대온도 1,000℃, 질소분위기하에서 열중량분석 결과 600℃에서 감량은 대기용이 12.5-17.6%, 수질용이 33.4%이었으며 1,000℃에서는 대기용이 16.6-26.3%, 수질용이 42.7%이었다. 재생한 대기용활성탄의 요오드흡착력은 800-950[mg/g]이었으며 수질용은 939-1,086[mg/g]이었다. 폐활성탄의 가열재생 후 공업분석 결과 휘발분이 대기용활성탄은 평균 55.7%감소하였으며 수질용활성탄은 34.3%가 감소하였다. 폐활성탄의 가열재생 결과 고정탄소 함량은 68.01 → 85.30%, 72.53 → 84.03%로 증가하였으며, 수질용은 57.73 → 84.18%로 증가하였다. 원소분석결과 탄소함량은 대기용이 82.6 → 92.85%로 증가함을 보였다. 방사형다단 회전로는 내통과, 외통, shell로 구성된다. 내통과 외통을 일체형으로 제작하여 장시간(2년)을 운전한 결과 내통과 외통부의 온도차에 의하여 내통과 외통의 접합부에 발생한 열응력에 의하여 마이크로크랙이 생기고 또한 점차 성장하여 파손부위가 확대됨을 관찰하였다. 파손은 온도차이가 심한 중간부가 가장 심하였다. 내통과 외통을 별도로 제작하고 체결방식을 개선하여 6개월 연속운전한 결과 육안에 의한 파손은 관찰되지 않았다.
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2013.11
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폐자원에너지화 정책수행을 위한 고형연료, 유기성폐가스 등 폐기물 에너지자원의 품질 및 관리기준 설정에 따라 국가 공정시험기준이 마련이 시급하며, 국내 폐기물 고형연료 품질기준이 ‘13년도에 개정 중으로 신규 분류체계에 따른 공정시험기준 검토가 필요하다. 본 연구에서는 선진국의 국제적인 시험방법을 정리하였고 국내 정도관리와 검사의 법적체계의 근거가 되는 환경부의 관련법령 및 KS 기준을 비교 검토 하였다. 국외 기준과 비교 시 삼성분, 원소분석, 발열량 항목은 시료량, 시간 및 온도에서 약간의 차이를 보이고 있어 국내 적용에 큰 문제가 없을 것으로 나타났으나, 중금속, 시료채취 부분은 국내․외 시험법의 비교 실험을 통해 시험법간 차이를 보정해야 할 것으로 보인다. 또한 바이오매스, 겉보기 비중과 같은 국내 미 개정 항목은 국외 시험법을 통해 국내 실정과 호환이 가능한 표준시험방법을 마련해야 할 것으로 보인다. 본 연구가 향후 국내 폐자원에너지화 정책마련의 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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2013.11
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현재 발생되는 폐기물의 재활용률이 약 84% 수준까지 지속적으로 증가하였으나, 나머지 16%는 3R(Reduce, Reuse, Recycle)에 의존할 수 없는 폐기물로서 최종 배출되어 매립･소각･해양배출 등의 방식으로 처리되고 있는 실정이다. 하지만 런던협약에 따라 폐기물의 해양배출이 금지되고, 국내 기존 폐기물 처리방식이 한계에 도달하여 폐기물 제로화 및 오염물질 배출 제로화를 해결할 수 있는 새로운 대안이 요구되는 상황이다. 또한 좁은 국토면적으로 인한 매립방식의 근본적 한계를 지녔고, 기후변화에 따른 온실가스 문제 도출, 신 고유가 시대의 도래 및 이에 따른 에너지확보 경쟁 심화 등으로 폐기물 에너지화 기술 개발이 중요시 되고 있다. 여러 에너지화 기술 중 폐기물 가스화는 고온의 환원조건에서 가스화반응을 통해 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 주성분인 합성가스를 생산하는 기술로서 가스화 물질의 전처리 및 공급기술, 가스화 시스템 설계 및 운전기술, 합성가스 정제 및 활용기술, 용융 Slag 처리 및 배출기술 등이 포함된다. 본 연구 과제에서는 사업장폐기물 중 고열량 폐기물 가스화를 통한 합성가스를 활용하여 고부가 가치의 연료 및 원료 생산하는 것으로서 합성가스 정제기술, 합성가스의 생산 비율 제어 기술, 합성가스 분리공정, 합성가스의 메탄올 전환기술이 핵심 부분이다. 그 중 본 연구실에서는 Lab. 규모의 고정층 반응기에서 다양한 폐기물을 이용하여 ER의 변화에 따른 생성가스 특성 및 가스화 효율 특성 분석을 하였고, 이를 정제 및 생산 비율 제어하는 연구를 하였다. 합성가스의 주성분은 H2, CO, CH4, CO2이며, C2H6와 C3H8의 농도는 매우 낮았으며, ER이 증가함에 따라 가스화 반응 후 탄소를 포함하고 있는 타르 등의 잔류물 양이 감소하였다.
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2013.11
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현재 우리나라에서는 2010년을 기준으로 약 1,700만대의 자동차가 등록되어 있으며, 매년 약 67만대의 사용 종료 자동차(End of Life Vehicles)가 발생하고 있다. 자원순환법에 따라 국내 자동차업계에서는 폐 자동차에 대하여 2014년까지 중량 대비 85%, 2015년부터 95%의 재활용율 목표를 달성하여야 하는데 이러한 재활용율 목표 달성을 위해서는 자동차 파쇄 잔재물(ASR)의 적정재활용이 관건이라고 할 수 있다. 폐 자동차 처리과정에서 최종 배출 되는 ASR은 연간 약 15만톤으로 승용차 1대당 약 15% 정도가 발생하고 있으며, 총 발생량의 극히 일부분만이 소각･매립 처리되고 있지만 물질 자체의 발열량이 높고 난연성이기 때문에 효율적으로 소각되지 못하고 특히 그중에 함유된 염소화합물이나 중금속류 등의 영향으로 유해 가스상 오염물질들을 다량으로 배출하기 때문에 처리에 어려움이 많은 실정이다. 금속 제련 용융 시설에서 열원으로 사용되는 Lump coal 대체 연료로써 처리 상용화가 실현 될 경우, ASR의 안정적인 처리와 열에너지 및 유가금속 회수를 통한 물질 재활용 등이 가능할 것으로 사료되며, 이에 따라 폐 자동차의 재활용율 또한 향상 될 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 국내의 폐 자동차 파쇄 재활용 업체 1곳을 선정하여, 폐 자동차 파쇄 재활용 과정에서의 물질 수지 및 ASR 배출 공정에 따른 각각의 발생량, 구성 물질, 입도, 발열량 분석, 원소 분석, 공업 분석, 열 중량 분석, 중금속 분석 등의 물리･화학적 특성 및 환경유해성 평가를 실시하여 ASR의 기초적인 특성을 파악하였으며, ASR의 용융 출탕조건 및 유가금속 회수 가능성을 도출하기 위하여 ASR의 염기도 및 용융온도에 따른 용류도를 측정하였다. 또한, 용류도 측정 결과를 바탕으로 원 시료와 ASR의 배합비율, 용융온도 등의 조건 설정 후 각 조건에서의 슬래그 내 구리 함량을 측정하여 유가 금속 회수 가능성을 평가하였다. 연구결과, 기존 공정 시료에 포함되는 lump coal의 양이 미량이기 때문에 기존 공정 시료의 용류도 측정값과 거의 유사하였으며, 이러한 실험 결과로 보아 기존 동 제련 설비에서 lump coal을 ASR로 대체할 경우, 염기도 및 용융온도 조건을 적절히 조절한다면 용융물의 흐름성에는 거의 영향을 미치지 않을 것으로 사료된다.
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2013.11
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인구의 증가, 화석연료의 고갈 등으로 인한 고유가 현상과 함께 기후변화협약에 따른 온실가스 배출 제제안의 발의는 신재생에너지에 대한 관심을 증가시키고 있다. 신재생에너지 중 바이오가스는 온실가스 감축이라는 과제와 함께 유기성폐기물의 처리에 대한 어려움도 함께 해결이 가능해 정부에서는 관련 법령의 개정 등의 노력을 기울이고 있다. 이러한 이유로 바이오가스를 발전설비 에너지원으로 활용하는 시설이 점차 증가하는 추세이다. 바이오가스를 에너지자원으로 활용하기 위해서는 수분, 황화수소, 실록산(Siloxane) 등의 자원화에 부정적인 영향을 미치는 물질을 제거해야 한다. 그 중 실록산은 바이오가스의 연소설비 내에서 이산화규소로(SiO2)전환되어 흰색 침적물을 형성하는데 이로 인해 가스엔진 내 열교환기, 피스톤 등의 마모 및 손상과, 출력저하를 일으켜 효율저하 및 부품교체, 세척에 대한 비용 상승의 원인이 되고 있다. 따라서 바이오가스 자원화시설의 효율적인 운영 및 전처리 기술의 개발을 위해서는 실록산 전처리 설비는 필수적이다. 실록산 전처리 설비를 설계하기 위해서는 바이오가스 중의 실록산 농도에 대한 정확한 데이터를 얻을 수 있어야한다. 이에 실록산의 채취 및 분석방법에 대해 많은 연구가 이루어지고 있지만 규정화된 방법은 세계적으로도 정립되어있지 않은 실정이다. 문헌에 따라 다르지만 일반적으로 실록산 채취에 사용되는 방법으로는 용매 흡수법, 직접채취법, 고체흡착법 등이 알려져 있으며 용매흡수법이 모든 종류의 Siloxanes에 대해여 비교적 낮은 검출한계에서 정량적인 분석이 가능하다는 장점으로 인해 가장 자주 활용되고 있다. 용매흡수법은 임핀저(Impinger)에 채워진 용매 바이오가스를 통과시켜 실록산을 흡수한 후 분석하는 방법이다. 임핀저 내의 빠른 공기유속으로 인해 실록산이 메탄올에 100%용해되기 어려우므로 연구자에 따라 다르지만 1단의 임핀저 만으로는 실록산의 채취율을 보장할 수 없으므로, 보통 3단의 임핀저를 활용하고 있다. 이 과정에서 임핀저와 임핀저 사이를 연결할 수 있는 튜브(Tube)가 필요한데, 앞서 언급한 바와 마찬가지로 이에 대한 규정은 없는 상황이다. 하지만 튜브에 흡착되는 실록산에 의한 오차를 줄이고 현장 측정의 편리성을 확보하기 위해서는 적절한 재질의 튜브선정이 반드시 이루어져야 한다. 튜브가 지니고 있어야할 성질로서 우선 바이오가스 중의 실록산에 가급적 흡착이 덜 되어야 하며, 산성가스로 인한 튜브의 변질을 방지하기 위해 화학적으로 안정한 재질이 좋다. 또한 임핀저 간의 연결이 용이하도록 유연성이 좋은 재질이면 더욱 좋다. 이에 본 연구에서는 용매흡수법을 이용한 실록산 시료 채취 시에 사용되는 최적 Tube를 선정하기 위하여 실험을 진행하였다. 실험은 농도를 알고 있는 표준가스를 제조하여 3단 임핀저 흡수장치를 구성한 후 튜브의 재질별 실록산 회 수율을 평가하였다. 실록산의 회수율은 흡수법으로 측정한 실록산 농도를 표준가스의 실록산 농도로 나누어 산정하였으며, 회수율이 높은 튜브를 최적 튜브재질로 결정하였다. 실험에 사용된 튜브는 Silicon tube, Teflon tube, Tygon tube 총 3가지로 재질, 유연성, 화학적 안정성 등을 고려하여 선정하였다. 실험에 사용된 실록산 표준가스는 바이오가스 중에서 가장 높은 농도로 검출되는 D4(Octamethyl Cyclotetrasiloxane)를 이용하여 제조하였고, 용매로는 메탄올을 이용하였다. 실록산 농도는 질량분석기가 장착된 가스크로마토그래프(Gas Chromatograph/Mass Spectrometer, QP2010, Shimazu)로 분석하였다.
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2013.11
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신재생에너지원 중 가장 큰 부분을 차지하고 있는 폐기물의 경우, 매립 등으로 폐기되고 있다. 특히 슬러지와 같은 저급연료는 에너지원으로 활용되지 못하고 70%이상 해양 투기되고 있으나 런던협약 이후 해양투기 금지로 인해 육상처리방안의 마련이 시급한 실정이다. 또한, 현재 유일한 온실가스 감축기술인 CCS(Carbon Capture and Storage)의 경우 연소공정의 후단에서 배출가스 내에 질산화물 등 다양한 오염물질의 혼입으로 회수되는 CO₂ 등의 순도가 낮아져 경제성의 확보가 어려운 실정이다. 따라서 연소공정에 투입되는 과잉공기 대신 순산소 연소(Oxy-fuel Combustion)를 시행하여 열원을 최대로 회수함과 동시에, FGR(Flue Gas Recirculation)을 통해 배출가스를 연소로 내로 재순환함으로 높은 농도의 CO₂흐름을 만들어 대기로 배출되는 CO₂를 분리하거나 고순도 저장이 가능한 CCS ready기술을 개발하여 국제적인 온실가스 감축의무화에 대비하기 위한 공정기술을 개발하고자 하였다. 본 연구에서는 연료로 적용할 슬러지와 혼합연료의 기초특성분석을 실시하였으며, Cold bed과 이론적인 계산을 통해 순환유동층을 형성하기 위한 유량을 도출하였고 이에 따른 연료 투입량을 산정하였다. Cold bed 실험을 통해서 최소유동화속도를 도출하였고, 유량과 유체의 성상 (Air, Oxy21%, Oxy25%, Oxy30%, Oxy40%) 따른 외부고체 순환률과 압력구배를 비교하였다. Hot bed를 통해서는 유체성상에 따른 온도구배를 비교하였고, 슬러지와 혼합연료 (30%, 50%, 70%)에 따른 온도구배와 주요 배가스 (CO₂, CO, O₂, NOx, SOx)를 비교하였다. 또한 FGR 운영을 통해 주요 배가스의 변화를 확인하였다. 하수슬러지의 기초특성분석결과 발열량은 약 3,000 kcal/kg, 원소분석은 탄소 28.64%, 수소 4.82%, 산소 18.94%, 질소 4.51%, 황 0.44%, 공업분석은 수분 7.32%, 휘발분 45.11%, 고정탄소 12.25%, 회분 35.32% 함량을 보였다. 펠렛의 기초특성분석결과 발열량은 약 4,200 kcal/kg, 원소분석은 탄소 48.59%, 수소 6.08%, 산소 42.03%, 공업분석은 수분 8.68%, 휘발분 74.16%, 고정탄소 16.83%, 회분 0.29% 함량을 보였다. 유속에 따른 Riser 층내 압력강하는 0.104 m/s에서 최소 유동화속도를 관측하였으며, 1.9 m/s 이상의 공탑속도에서 고속유동층으로 전이되는 것을 확인하였고, 2.4 m/s 이상의 공탑속도로 운전하는 것으로 판단하였다. 순환유동층 전이에 필요한 유량의 연료투입량은 13 kg이고, 연소 유체 성상에 따른 온도구배는 Oxy 비율이 높아질수록 배가스의 온도가 높게 유지되었다. 각 조건별 배가스 분석결과 고농도 CO₂ 농축가능성을 확인하였다.
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2013.11
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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.
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2013.11
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가스화로에서 생산되는 합성가스를 이용한 메탄올 생산 공정은 고부가가치 연료화 기술로서 각광 받고 있다. 특히, 메탄올 생산에 적합한 H₂/CO비를 안정적으로 제공하기 위한 water gas shift(WGS) 반응은 합성가스내의 CO와 외부에서 공급된 증기와의 반응으로 인해 H₂와 CO₂의 농도가 증가하게 된다. 따라서 본 연구에서는 고발열량 폐기물 가스화를 통해 얻어진 합성가스를 WGS 반응을 통해 H₂/CO조성 제어를 함으로써 메탄올 전환 공정에 적용 가능한 운전조건을 도출해보았다. 본 연구에 사용된 WGS 촉매는 Fe₂O₃-Cr₂O₃을 구성성분으로 하고 있는 상용 촉매를 사용하였으며, 15 Nm3/h급 WGS 반응 장치를 이용하여 가스화로부터 발생된 합성가스를 활용한 WGS 반응 실험을 수행 하였다. 사용한 WGS 상용촉매는 H₂-TPR를 이용하여 400℃에서 환원에 의한 H₂흡수를 통해 환원 온도를 설정할 수 있었다. 본 실험 장치로부터 수행하여 얻어진 각 온도에 따른 CO 전환율은 대체로 실험실 규모 장치에서 수행한 WGS 반응 결과와 유사함을 알 수 있었다. 발열반응을 수반하는 WGS 반응 특성으로 인하여 안정적인 운용 및 최대 활성을 얻기 위한 반응 온도영역이 400~450℃임을 알 수 있었다. 최종적으로, 메탄올 전환 공정 조건인 H₂/CO조성이 2.0을 충족시키는 바이패스 비율은 0.23임을 도출 할 수 있었다.
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2013.11
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국내 가전제품 시장은 매우 크게 형성되어 있고, 소비자의 문화수준 향상 및 신제품 교체주기의 단축에 따라 제품성능의 향상 또한 급격히 발전하고 있는 추세이며, 이러한 동향에 따라 폐 가전제품의 발생량 또한 증가하고 있다. 발생된 폐 가전제품은 생산자의 효율적인 회수사업을 통하여 권역별 리사이클링센터로 반입되어 품목별로 친환경적인 공정을 통하여 적정하게 재활용 되고 있다. 한편, 최근 생산되는 냉장고에는 내부 단열재로 사용되는 폴리우레탄의 양을 줄이고, 상대적으로 두께가 얇은 진공단열재(Vacuum Insulation Panel)를 대체 사용하는 추세에 있다. 진공단열재는 외피재, 심재, 내피재로 구성되어 있고, 위생적이며 기존 단열재 대비 8배 이상 높은 단열성으로 에너지 절감 및 공간 활용성 등이 우수하다. 진공단열재의 냉장고 적용 시 소비전력이 20%이상 절감되며 용적율이 30% 이상 증가함으로써 각 제조사의 주력 제품인 800리터 이상 급의 대용량 냉장고에는 이미 대부분 진공단열재를 채택하고 있는 것으로 조사되었다. 그러나 생산 및 소비과정에서의 진공단열재는 매우 유용한 단열재이긴 하나, 현 리사이클링센터 재활용공정에서는 진공단열재 심재(Getter)에 의한 화재위험, 불연성으로 인한 처리곤란 등이 예상되고, 또한 현재 단열재 제조공정에서 진공단열재가 내피, 외피 사이에서 우레탄과 함께 발포, 접착되어 있어 현재 공정에서 별도 분리작업은 어려움이 있으며 별도 해체 공정이 필요한 상태이다. 따라서, 본 연구에서는 향 후 진공단열재 적용 냉장고 모델의 배출로 인한 문제점을 개선하기 위하여 현 리사이클링 공정에서 발생할 수 있는 문제점 분석 및 냉장고 진공단열재 해체, 선별 자동화 공정 도출, 더 나아가 해체, 선별된 진공단열재의 재활용 방안에 대하여 기술 조사를 실시하였다.
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2013.11
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국내 생활폐기물 가연성연료화사업은 시범사업의 단계를 지나 폐기물사업의 중요한 축으로 자리잡고 있다. 본 공정은 그동안 국내에 주로 적용되오던 MT(Mechanical pre-Treatment)공정의 고질적인 문제인 미파쇄 물질로 인한 SRF 수율저하, 발열량감소, 함수율 증가 등 주요문제점을 선행 사업의 문제점을 검토하고 이에 대한 대안 공정을 제시하고자 한다. 본 연구는 실제 적용한 공정을 계획하면서 그동안 타 SRF 시설의 문제점을 파악하고 이에대한 대비책을 검토하였다. 파쇄기는 기존의 200mm 이하의 파쇄물질의 문제점인 끈, 비닐류, 기져기류 등 미파쇄 물질로 인하여 후속 공정인 트롬멜 스크린, 발리스틱 등에서 나타나는 문제점을 해소하고자 새로운 Cutting 형식의 파쇄기를 도입하였다. 반입물질의 성상차이에서 오는 여러 가지 문제점을 해소하고자 공정구성을 최대한 간단하게 하였으며 이에 따라 가연성물질이 유실되어 생산수율이 낮아지는 문제점을 보완하였다. 후단에 건조기를 배치하여 계절별차이에서 발생하는 고함수율 폐기물 반입시를 대비하였다. 3단 풍력선별기를 건조기 전단에 배치하여 경량물은 미건조하고 함수율이 높은 중간물만 선별하여 건조기에서 처리하도록 공정구성하여 건조대상 물질의 양을 최소화하여 효율적인 연료사용이 가능하도록 구성하였다. 기대되는 SRF 수율은 반입폐기물 함수율이 40% 이상되는 저질반입시에도 55% 이상 SRF수율이 확보되도록 계획하고 있으며, 시범사업시 문제가 발생된 배기가스 중 CO에 대해서도 대처가능하록 공정구성하였다.
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2013.11
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석탄은 풍부한 매장량과 공급원의 안정성 등으로 화력발전의 근간이 되는 연료광물이다. 에너지를 생산하기 위한 과정에서 지속적으로 석탄회가 발생되는데, 석탄의 연소과정에서 발생되는 석탄회의 발생량은 약 840만톤에 달한다. 석탄의 연소과정에서 발생되는 석탄회는 포집되는 장소에 따라 플라이애쉬, 신더애쉬, 바텀애쉬로 구분되어진다. 바텀애쉬의 경우 보일러 노벽, 과열기, 재열기 등에 부착해 있다가 자중에 의해 보일러 바닥에 떨어진 애쉬로서 플라이애쉬에 비해 입도가 굵으며 총 석탄회 발생량의 약 10 ~ 15%를 차지하고 있으나 발생량에 비해 이를 처리하기 위한 매립지나 처리시설의 확보가 어려워 바텀애쉬의 처리에 대한 문제가 크게 대두되고 있으며, 선진국의 경우 바텀애쉬를 활용하기 위한 연구가 활발한 반면에 국내의 경우에는 이에 대한 체계적인 연구가 미흡한 실정이다. 또한 석탄회 중 약 75 ~ 80%를 차지하는 플라이애쉬는 시멘트와 포졸란 반응의 효과로 콘크리트 혼화재로 재활용이 되고 있지만 바텀애쉬는 단순 매립용 자재로만 활용되고 나머지는 전량 매립되고 있어 이를 활용하기 위한 연구가 절실히 요구되고 있다. 본 연구는 바텀애쉬를 부가가치향상을 시키기 위한 기초연구로서 화력발전소 바텀애쉬 시료의 물리적 특성을 연구하였다. 입도분석결과, 50*100 mesh 입도구간에 무게비 21.60%로 가장 많이 분포하고 있었으며, 100mesh이상이 약 85%였고, 평균입경(D50)은 약 535 μm로 나타났다. XRF 분석결과, 대부분의 입도 구간에서 Fe₂O₃의 함량이 높게 나타났고, 입도가 큰 구간(4*8, 10*16 mesh)의 CaO 함량이 입도가 작은 구간(50*100, 100*170, 270*325 mesh)에 비해 CaO의 함량이 더 높은 것을 확인할 수 있었다. XRD 분석 결과, 석영, 방해석, 트리디마이트, 크리스토발라이트, 명반석, 마그네타이트, 헤마타이트가 주요 구성광물로 나타났다.
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2013.11
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국내 최대 중석광산으로 개발되어진 상동광산의 광물찌꺼기의 경우, 구폐재댐에 400만톤, 신폐재댐에 800만톤이 적치되어 있다. 이러한 광물찌꺼기에는 다량의 중금속이 함유되어 있어 우수나 비산 등에 의해 인근 마을로 유입되어 주민들이 호흡기 질환을 호소하는 것으로 보고되어졌고 주변 수계 및 토양, 농경지로 유입됨에 따라 농작물에서 As가 검출되어 국민 건강 및 사회에 큰 위협이 되고 있다. 그리고 최근 상동광산 재개발로 인해 광물찌꺼기가 대량으로 발생할 것으로 예상되어지고 이를 적치할 광미댐이 필요한 실정이다. 따라서 기존에 적치되어 있는 광물찌꺼기와 재개발로 인해 다량으로 발생하는 광물찌꺼기 처리의 문제점을 해결하고 이를 효율적으로 재활용을 하기 위한 목적으로 본 연구자들은 광물찌꺼기를 이용한 건축용 불연성 단열 및 흡음용 무소성 경량기포콘크리트를 개발하는 연구를 진행하였다. 그 기초 연구로 적정 배합비를 선정하기 위한 flow 실험을 실시하였고, 그 결과 W/C는 70%, S.D.S의 경우 시멘트 양의 0.3%, Al분말은 시멘트 양의 0.1%, 멜라민은 0.4%, 광물찌꺼기 함량은 시멘트 양의 120%를 적정 배합비로 선정하였다.
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2013.11
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지구온난화가 전 세계적인 이슈로 대두되고 있음에 따라 대표적인 이산화탄소 배출 산업인 시멘트 산업에서도 기술혁신의 압박을 받고 있는 것이 현실이다. 유럽에서는 1990년대 후반 이후 석회석 혼합 시멘트 사용이 지속적으로 증가하고 있다고 보고되고 있다. 이탈리아의 경우 전체 시장의 약 60% 이상이 석회석 혼합 시멘트가 차지하고 있으며, 전 세계 25개 이상의 나라에서 보통 포틀랜드 시멘트에 1 ~ 5%까지 석회석 미분말을 첨가할 수 있도록 규정하고 있다. 현재 국내 포틀랜드 시멘트는 고로슬래그, 플라이애시 및 포졸란 재료를 5%이하 첨가하도록 규정하고 있으나 해외에서 많이 사용되고 있는 석회석을 시멘트에 첨가재로 사용한다면 클링커 생산량이 감소하여 이산화탄소 배출량을 감축하는데 효과적일 것이다. 따라서 이 연구에서는 보통 포틀랜드 시멘트에 석회석 미분말을 5% 및 10% 혼입하여 시멘트를 제조하였으며 콘크리트 시험체를 제작하여 탄산화 시험을 수행하고자 하였다. 촉진 탄산화 시험은 KS F 2584 콘크리트의 촉진 탄산화 시험 방법에 준하여 시험을 수행하였으며 100 mm × 100 mm × 400 mm의 각주형 공시체를 각 배합별로 3개 제작하였다. 몰드 탈형 후 온도 20±1℃의 수중에서 28일간 양생 후 온도 20±1℃, 상대습도 60±1℃의 항온 항습기에 28일간 보존하였으며 공시체의 타설면, 저면, 양단면을 에폭시로 도포하였다. 실험조건은 온도 20℃ 상대습도 60%로 설정하였고, 촉진 시험 후 탄산화 깊이의 측정은 촉진 개시부터 7, 28일에 측정하였다. 탄산화 측정은 시험체를 절단 후 1% 페놀프탈레인 용액을 분무하여 측정하였으며, 탄산화 깊이의 계산은 3개의 공시체에 대하여 6면 30개소의 탄산화 깊이 평균 값을 취하였다. 촉진 탄산화 시험 결과, 석회석 미분말을 5% 치환한 시험체의 7일, 28일 탄산화 깊이는 8.6 mm, 12.4 mm로 측정이 되었으며, 10% 치환한 시험체의 7일, 28일 탄산화 깊이는 8.5 mm, 13.5 mm로 측정되었다. 7일 기준 탄산화 깊이는 10% 치환 시험체가 0.1 mm 작게 측정되었고, 28일 기준 탄산화 깊이는 0.9 mm 크게 측정되었으나 거의 동일한 값을 나타내었다. 따라서, 콘크리트에 석회석 미분말을 10% 까지 치환하여 혼입하여도 탄산화 깊이에 의미있는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
