간행물
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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2015년 추계학술발표회 논문집 (2015년 11월) 173건
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2015.11
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폐기물 가스화 합성가스로부터 수소를 생산하기 위해 Cu/Fe2O3, Ni/Fe2O3, 그리고 CuNi/Fe2O3 촉매를 제조하고 고온 수성가스전이반응(High temperature water gas shift reaction, CO + H2O → CO2 + H2)에 적용하였다. 제조된 촉매중 CuNi/Fe2O3 촉매가 매우 높은 공간속도 101,000 h-1에서 가장 높은 CO 전환율 (85%)을 나타내었다. CuNi/Fe2O3 촉매의 뛰어난 활성은 격자변형(lattice strain)의 증가, 격자 산소의 결합에너지 감소, 그리고 촉매 표면에 CuNi 합금의 형성에 기인한 결과이다.
102.
2015.11
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적외선 열화상 카메라는 피사체의 실물을 보여주는 것이 아닌 피사체의 표면으로부터 복사(방사)되는 전자파의 일종인 적외선 파장 형태의 에너지(열)을 검출, 피사체 표면 복사열의 강도를 측정하여 강도의 양에 따라 각각의 다른 색상(false or pseudo color)으로 표현하여 주는 카메라이다. 이는 대상물체 또는 임의의 범위에 존재하는 열의 차이(온도)를 비접촉 방식으로 측정이 가능하다. 현재 방열손실의 온도 측정은 KS법에 의한 지점별 온도측정을 하고 있으나, 이는 접촉하는 지점마다 온도가 달라 평균적인 온도를 구하는 데는 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해 공정별 표면온도를 고분해능 검지기를 이용한 적외선열화상카메라로 방열손실률을 측정 분석하고자 한다. 본 연구에서는 적외선 열화상 카메라 Laser Marker(-60℃ ~ 760℃)를 이용하여 Laser의 표면온도를 측정할 수 있는 미국제조회사인 FLIR社의 T650sc 모델을 이용하여 사업장 폐기물 소각시설의 소각로의 벽면의 온도를 측정하였다. 측정된 온도를 이용하여 복사 열 전달률을 구하기 위한 Stefan-Boltzmann법칙과 대류 열 전달율을 구하기 위한 Newton의 냉각 법칙과 소각로의 면적을 이용하여 로벽의 방열되는 손실을 계산해 보고자한다. 국내의 사업장 폐기물 소각시설 78개 호기 중 소각 방법별(일반소각, 고온소각), 소각로 타입별(Stoker, R/K + Stoker, R/K)로 나누어 대상 시설을 선정하여 현장실측을 진행하였다. 계산 시 사용되는 데이터는 1년간 자료를 이용하여 설문조사된 데이터를 바탕으로 계산되었으며 이를 이용하여 방열손실 계산에 적용하여 분석하였다.
103.
2015.11
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폐기물 에너지는 사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물을 가공처리하여 얻어지는 고체, 액체, 기체 형태의 연료와 이를 연소 또는 변환시켜서 발생되는 열, 온수, 증기, 전기 등과 같은 에너지를 의미하는데, 대부분의 폐기물에너지는 고형연료 및 소각에 의한 열, 온수 증기의 형태로 얻어진다. 이는 폐기물이라는 연료로서의 불균일성, 가공제품의 품질관리의 어려움에 기인된다. 한편 폐기물은 발생처가 널리 분포되어 있어 수집에 어려움과 지역 이기주의로 인해 발생처 처리가 최적 방법이다. 또한 에너지 자립섬 사업 및 분산형 발전에 연료로서 가연성폐기물의 사용 가능성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 전원망이 구축되지 못한 섬지역이나 개도국의 마을단위 또는 산업체에서 독립적으로 운영이 가능한 폐기물 발전 시스템의 개발이 주목적이었으며, 고정층 가스화 반응기 및 가스엔진을 채택 module화하였으며, 반응기 운전을 통해, 가스화 반응기 내부가 4개의 반응zone(Combustion, gasification, pyrolysis, drying)으로 운전될 때, 가스엔진 구동이 가능한 합성 가스가 생성되며, 반응 Zone의 형태 유지 방법에 따라 합성가스 조성이 달라진다. 휘발분이 10%이상 되는 목질계 바이오매스를 공기로 가스화 하였을 경우 1,200kcal/Nm3의 발열량을 갖는 합성가스를 생성할 수 있었으며, 가스엔진 구동에 의한 분산 발전 설비로의 이용이 가능하다. 또한 본 기술 개발에서 채택된 metal foam 촉매를 이용한 tar 제거 시스템은 합성가스의 가스엔진 구동을 가능하게 하여 30%정도의 효율을 나타냈다. 이러한 합성가스 엔진 발전 시스템은 가연성 폐기물로부터 분산형 발전 시스템에 적용 가능한 발전 방식임을 확인되었다.
104.
2015.11
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전 세계적으로 지속적인 천연자원의 사용으로 인해 고갈 시점이 다가옴에 따라 신재생에너지 및 신에너지 사용이 불가피한 상황에 이르렀다. 이러한 신재생 에너지 중에서 국내의 경우 약 70% 이상을 차지하는 폐기물에 대한 에너지화 기술 및 처리 기술 연구는 지속적으로 진행되고 있다. 본 연구에서는 ‘전기･전자제품의 재활용 및 자동차의 자원순환에 관한 법률’에 의해 관리되어 지고 있는 전기･전자 제품 중 주로 재활용되지 못하고 전량 위탁 소각되고 있는 폐 우레탄과 펠렛화를 통해 고형 연료로 만들어진 RPF 혼소 시 발생하는 배가스 특성에 대해 파악하고자한다. 혼소 대상 물질인 폐 우레탄과 RPF의 경우, 모두 고발열량 시료로써, 소각에 활용 시 높은 열 회수율을 기대 할 수 있다고 판단된다. 실험 조건의 경우, 고정층 반응기에서 실험을 진행하였으며, 혼소 비율은 각각 우레탄 30%, 50%, 100%로 하였다. 특히, 소각에서 가장 중요한 운전요인중 하나인 공기비는 기존 소각 시설에서 1.5에서 2.0사에서 운전되지만, 본 연구에서는 2.0과 3.0에서 진행하였다. 이것은 반응기 가 실험실 규모의 반응기로 산화제와 대상 시료간의 접촉이 원활히 일어나지 않는 이유에서 기존 소각 시설에서 운전되는 공기비 보다 높게 산정하였다. 배가스 조성의 경우에는 산소(O2), 일산화탄소(CO) 그리고 이산화탄소(CO2)를 실시간 가스 분석기를 사용하여 측정을 실시하였다. 마지막으로 가스상 오염물질은 폐 우레탄의 원소 분석 결과, 질소(N) 함유량이 높아 소각 및 열처리 공정에 적용시 질소화합물 배출이 많이 될 것으로 판단하여 질소화합물인 NOx, NH3, HCN에 대하여 분석을 실시하였다. 위 가스상 오염물질은 대기오염공정시험법을 참고하여 습식법으로 진행되었으며, 샘플링 된 흡수액은 IC(Ion Chromatography) 분석을 통해 농도 계산을 할 수 있었다.
105.
2015.11
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전세계적으로 에너지 부족문제가 대두됨에 따라 신재생에너지의 필요성이 증가하고 있다. 신재생에너지 원별 생산량의 50% 이상이 폐기물을 통해 생산된다. 폐기물을 처리할 경우 발생되는 환경 문제를 최소화하면서 에너지를 생산한다는 장점이 있기 때문이다. 이와 동시에 최근 커피선호도가 지속적으로 증가하면서 커피전문점 점포수가 급격하게 증가하고 있다. 결과적으로 2014년 커피 원두의 수입량이 139천톤을 기록하였으나, 마시는데 사용되는 커피의 양은 커피 원두야 약 0.2%만을 차지하며 나머지는 커피찌꺼기의 형태이며 폐기물로 버려지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근 커피전문점에서는 커피찌꺼기를 활용할 수 있도록 소비자에게 배포하고, 재활용 방법을 알리고 있으나 이렇게 재사용되는 커피찌꺼기의 양은 발생되는 양에 비해 미비한 수치이다. 따라서 본 연구에서는 막대한 양이 발생하는 커피찌꺼기 폐기물을 이용하여 SRF(Solid Refuse Fuel) 연료를 생산하는 방법으로 수열탄화를 사용하였으며, 이 과정에서 적합한 처리온도를 찾고자 하였다. 수열탄화 방식은 열화학적 처리 방식으로 시료내의 물리 화학적 특성을 변화시켜 개선된 연료를 생산하는 방법이다. 이러한 방식으로 생산된 SRF는 원소분석, 공업분석, 발열량측정 등을 통해 분석한 결과, SRF의 특성이 저급석탄과 비슷하였다. 이러한 결과 수열탄화를 거친 SRF의 특성이 개선된 것으로 판단되었으며, 최종적으로 에너지 회수효율을 평가하였다. 그 결과 본 연구의 반응온도 범위(180℃-330℃)에서 가장 좋은 효율은 210℃에서 나타났다.
106.
2015.11
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우리들의 일상생활에서 배출하는 쓰레기와 공장 등의 생산활동에 수반하여 발생하는 폐기물은 위생적인 환경을 유지하도록 최종처분 량 삭감을 목표로 하고 또한 환경에 대하여 유해한 영향이 미치지 않도록 처리가 요구되고 있다. 현재 주요 폐기물 처리기술인 소각이 완전산화 형 소각으로 감량과 열 이용을 목표로 하는데 반하여, 가스화는 열분해라는 다양한 이용가능성이 있는 가스를 빼내는 기술이다. 이때 얻어진 가스는 에너지로 이용하게 되지만 가스화만 으로는 이용 폭이 좁아 석유정제처럼 개질(reforming)을 하여 용도에 따라 유용한 가스로 변환･정제할 필요가 있다. 그런 까닭에 본 보고에서는 어떠한 방법으로 폐기물계 바이오매스로부터 유용한 성분을 효율적으로 빼 낼 것인가 혹은 그 반대로 불필요하고 지장이 되는 물질의 생성을 어떻게 억제할 것인가에 역점을 두었다. 그리고 가능한 한 저온에서 처리함으로써 에너지소비를 최대한 억제 할 필요가 있는데, 그것은 촉매이용이 가장 유효한 것으로 파악되고 있다.
107.
2015.11
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대기 중의 이산화탄소(CO2) 농도는 지속적으로 상승하고 있으며 전세계적으로 지구온난화에 대한 관심이 매우 높은 상태이다. 또한 환경 기초시설의 곳곳에서도 온실가스를 방출하는 여러 공정들이 있으며 그중 환경 기초시설인 하폐수처리장 및 매립지 등에서도 메탄과 이산화탄소를 포함하는 다량의 온실가스가 배출되고 있으며 이를 분리 회수하기 위한 다양한 공정에 대한 연구들이 이루어지고 있는 실정이다. 바이오가스를 분리정제하는 공법에는 흡수법(absorption), 흡착법(adsorption), 심냉법(cryogenics) 그리고 막분리법(membrane) 등이 있다. 현재 사용되고 있는 대표적인 분리막은 다양한 재질로 사용하여 만든 가운데가 빈 가는 실과 같은 중공사막(hallow fiber membrane)이다. 이러한 막의 대표적인 직경은 100㎛, 즉 0.1mm이다. 이는 보통 가정에서 사용하는 실의 굵기의 1/10 정도로 매우 가는 것으로 이러한 실의 다발을 묶어서 모듈로 만들어 이산화탄소를 분리하는 기본 장치로 사용한다. 그러나 일반적으로 분리막을 통과하는 기체의 양이 많아지면 이산화탄소의 상대적인 분리도는 낮아지는 상충적(tradeoff) 경향을 나타낸다. 또한 기존의 가는 분리막은 모듈의 구성과 그 모듈을 이용한 시스템 설계라는 매우 어려운 난제를 해결해야 하고 그 후에도 오염물질에 대한 분리막 장치와 재질의 내구성 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 활용하고자 하는 튜브형 분리막은 기존의 분리막에 비해 100배 큰 1cm 크기의 직경을 갖고 있기 때문에 압력변화 및 유량변화 등에 탄력적으로 적용이 가능하여 투과량이나 분리도 설정과 조절에 용이하다는 점이 절대적으로 유리한 조건으로 작용한다. 본 연구는 다양한 환경기초 시설의 CO2 분리에 적용하기 위한 튜브형 분리막에 대한 기초연구로써 분리막에 대한 이론연구를 수행하고 분리막의 직경 변화 및 배기가스 유량 변화에 따른 압력강하에 대한 다양한 변수연구를 수행하고자 한다. 이러한 자료를 바탕으로 향후 운전조건에 따른 분리막의 투과량(P)와 분리도(S)에 대한 상관관계 및 최적 운전변수를 설정하는데 일조하고자 한다.
108.
2015.11
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국내 RDF(Refuse Derived Fuel)와 관련한 ‘자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률이 2013년 1월 개정되면서 국내에서는 RDF가 SRF로 종류가 변경되었으며, 이와 더불어 종전 RPF(Refuse Plastic Fuel), RDF, TDF(Tire Derived Fuel), WCF(Wood Chip Fuel)로 구분되던 것이 SRF와 BIO-SRF로 개정되었으며, 고형연료 제품에서도 성형과 비성형제품으로 구분되게 되었다. 이에 따라 기존 성형SRF제품들에 비해서 비성형 SRF제품의 수분함량의 기준이 15%차이가 나게 되었다. 본 연구에서는 생활폐기물로 생산되는 비성형 SRF의 가스화 반응을 활용하여 고부가 가치의 연료 및 원료를 생산하기 위한 고정층 및 유동층에서의 가스화 특성을 파악하고자 한다. 실험조건은 운전온도 900℃, ER(Equivalent Ratio)조건 0.2, 0.4, 0.6에서의 가스화 반응을 실시하였으며, 고정층반응기에서는 ER비가 증가함에 따라 수소비율이 감소하는 것으로 나타났으나, 유동층반응기에서는 ER 0.4일 때 수소비율이 최저로 나타났다.
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2015.11
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산업화/도시화에 의해 물 사용량이 증가하여, 하수 및 폐수 처리 후 부산물로 발생하는 슬러지 또한 매년 증가하고 있다. 하지만 기존 처리방식 중 비중이 큰 해양투기는 2012년부터 런던협약에 의해 금지됨으로써, 육상에서 슬러지 처리하기 위한 적절한 대책이 필요한 상태이지만, 매립이나 소각처리 방식은 2차 오염이 발생되므로 한계를 가지고 있어 새로운 방식이 요구되고 있다. 폐기물 에너지화 관점에서 슬러지 폐기물의 유기성 성분을 오일과 가연성 가스로 전화하는 열분해 기술에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 따라서, 하수슬러지 열분해 특성을 파악하기 위하여 탈수슬러지와 건조슬러지의 열분해 특성을 파악하고자 한다. 슬러지 열분해 실험을 위한 실험 장치를 열분해로, 가스 및 냉각수 라인, 가스와 타르 포집 및 분석라인으로 구성된다. 열분해로는 반응관, 전기로, 전기로 콘트롤러(Model UP35A, Yokogawa), 가스 배출 관으로 구성하였다. 하수처리장에서 발생되는 슬러지의 열적 특성 파악하기 위해서 Ar 분위기 하에서 10℃/min 온도 증가율에서 측정한 TG-DTA 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 하수슬러지는 상온에서 200℃ 이하에서는 수분 증발에 의한 무게감량이 일어나고, 그 이후부터 탈휘구간이 형성된다. 200℃ ~ 400℃에서 급격한 무게감량이 보이며, 약 600℃까지의 무게감량은 유기물의 열분해에 의한 것이며, 600℃ 이상에서는 무기물 열분해에 의한 것이다. 하수슬러지 열분해 시 생성되는 타르, 가스, 촤의 중량비를 Fig. 2에 나타내었다.
110.
2015.11
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섬유염색산업은 유기오염물질을 다량 함유한 배기가스로 인한 대기환경오염문제가 지속적으로 대두되고 있으며 사회적 문제와 산업공단 인근 주민들의 보건환경을 위협하고 있다. 지난 3월 보도된 환경부의 “○○염색산단 주변지역 주민건강영향조사 결과” 에 따르면 산업단지에서 배출되는 대기오염물질이 주변지역 환경과 주민의 인체노출에 영향을 미치고 있고, 호흡기계 증상 경험 및 유병율이 높은 경향이 있는 것으로 파악되어 대기 배출원에 대한 관리강화 등 대책 마련이 필요한 것으로 나타났다. 섬유염색산업의 대표적인 대기오염물질 유발시설로는 염색 후 가공공정 중에 하나인 텐터공정(열처리 가공 공정)으로 염색한 섬유원단을 단순 건조시키는 건조기(Dryer)와는 구별되며, 섬유유연제 및 광택제 등의 각종 섬유조제(기능성 약품)가 투입되고, 섬유의 세탁 시 발생되는 수축 및 이완까지 고려하여 작업이 진행되는 열처리 가공공정이다. 텐터공정은 보통 150~220℃ 범위에서 열처리가공을 진행하며 고온의 열에 의해 섬유에 포함된 방직유(직물무게의 약 4~8%), 섬유유연제, 체인오일 등이 기화되어 유증기(Oil mist) 형태로 배기가스에 포함되어 배출된다. 그리고 텐터공정은 열매체보일로 또는 직화버너를 이용하여 챔버(Chamber) 내부의 온도를 상승시키는데 연료의 사용량이 타 염색가공장치에 비해 많은 유틸리티 비용을 소모하게 되는데, 텐터공정 배기가스(130℃ 이상)에서 폐열을 회수하여 공정에 재이용한다면 기업의 경쟁력 확보에 많은 이점이 있으나 배기가스에 포함된 섬유분진 및 유적성분 등으로 인하여 많은 애로가 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 “무필터 유적회수형 폐열회수장치” 를 개발하여 배기가스 300 m³/min 규모의 텐터가공 장치에 적용하여, 폐열을 회수하여 공정에 재활용하는 동시에 배기가스에 함유된 섬유분진 및 유적성분을 제거함으로서 에너지 회수 및 오염물질 제거가 가능하였다. 텐터 가공설비 배기가스 열량은 837,000kcal/hr(150℃기준)였으며, 폐열회수에 의한 온도변화 30℃(입구온도) → 70℃(출구온도)로 40℃가 상승하는 효과를 나타내었으며, 이에 따른 폐열회수 열량은 223,200kcal/hr(26.7% 열에너지 회수)로 확인되었다. 아울러 폐열회수 과정에서 문제점으로 지적되는 섬유분진과 유적성분에 의한 열교환장치 내부의 폐색은 무인 청소가 가능한 Auto Scraper를 이용하여 제거하여 회수함으로서 문제점을 해결하는 동시에 부산물이 폐오일을 확보할 수 있었다.
111.
2015.11
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전 세계적으로 지속가능한 에너지자원의 확보에 대한 필요성과 관심이 높아지고 있다. 현재 화석연료의 의존도가 높으나, 화석연료의 가격의 변동이 심하고, 한정된 매장량을 지니며, 지나친 화석연료의 사용은 환경적으로 심각한 악영향을 미친다. 바이오매스 및 폐기물을 에너지원으로 하여 에너지를 생산하는 분야는 최근 각광받는 신･재생 에너지 분야 중 하나이다. 바이오 에너지는 바이오매스로부터 전환된 바이오 에너지를 사용할 때 발생되는 이산화탄소가 바이오매스의 성장에 다시 쓰이게 되므로 탄소중립적이며 바이오매스의 경작, 재배를 통하여 지속적으로 생산 할 수 있다는 장점을 가진다. 최근까지 옥수수, 사탕수수 등의 식량자원을 에너지원으로 사용하였지만 이러한 식량자원의 사용은 국제 곡물가 폭등 및 후진국의 식량파동을 야기하므로 비 식량에너지 작물개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 비 식량 바이오매스에 대한 연구의 일환으로 농촌진흥청 국립식량과학원에서 거대억새를 개발하였다. 거대억새는 국내에 자생하는 물억새의 일종으로 염색체수가 76개로 4배체이며 기존 물억새 대비 크기와 굵기가 2배 이상이기 때문에 수확량은 약 30 ton/ha 로 1.5배 가량 높다. 또한 셀룰로오스 함량이 44%로 많고 회분이 1.6%로 적기 때문에 에너지자원으로써의 잠재성을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 거대억새를 원료로 하여 bio-oil을 생산하는 연구를 진행하였다. 바이오매스는 열분해, 가스화, 연소 등의 열화학적 공정을 통하여 더욱 가치 있는 에너지의 형태로 변환될 수 있으며 그 중 급속열분해 공정은 무산소 분위기, 약 500℃의 반응온도, 2초 이하의 짧은 기체체류시간을 유지하여 액상생성물인 bio-oil의 수율을 극대화 하는 공정이다. Bio-oil의 수율과 품질은 급속열분해 운전조건에 영향을 받으며 그 중 반응온도는 가장 영향을 많이 미치는 인자이다. 본 연구에서는 1kg/h 급 사각형 유동층반응기를 이용, 기포유동층 영역에서 400-550℃의 온도범위로 거대억새를 급속열분해 하였고, 생성된 bio-oil의 발열량, 수분함량, 점도, GC/MS 등의 분석을 통하여 특성 및 품질분석을 실시하였다. 또한 타 목본계, 초본계 바이오매스들과의 비교를 통하여 거대억새 bio-oil의 연료로써 가치평가도 함께 실시하였다.
112.
2015.11
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폐바이오매스를 이용하여 Bio-SRF로 활용을 위해 제시되고 있는 반탄화(Torrefaction) 기술은 대표적인 신재생에너지 활용 방안으로, 원료의 공급 안정성 및 제한적 처리 방법으로 인해 각광받고 있다. 일찍부터 해외에서는 반탄화 기술을 통해 생성된 탄화물의 높은 적용성을 인지하여 상용규모의 기술 개발이 활성화 되어 있으며, 주로 활용 가능한 폐바이오매스가 많이 발생되는 유럽 및 북미 지역에서 활발하게 수행되고 있다. 반면 국내에서는 기존 폐바이오매스는 매립 위주로 처리되어오고 있으며, 최근에서야 폐바이오매스의 자원 인식 전환을 통해 적극적으로 기술개발사업에 노력을 기울이고 있는 추세이다. 이러한 생산된 반탄화물은 소수성 및 낮은 함수율로 인해 운송 용이성 확대와 더불어 고정탄소 성분의 증가에 따른 높은 에너지 밀도로 석탄발전 설비에서의 혼합 연소를 통한 활용이 기대되고 있다. 반탄화물은 무산소 조건 상에서 200~300℃의 반응 온도 영역에서 열분해 과정 중 폐바이오매스 내 함유된 수분 및 휘발분 제거를 통해 얻을 수 있다. 반면에 국내에서 시행되고 있는 Bio-SRF 기준은 탄화물을 에너지원으로 활용하는 측면에서 엄격하게 다뤄져 적용 가능한 폐바이오매스 종류가 한정적이다. 이러한 배경은 원료로 사용되고 있는 폐바이오매스 종류별 함유하고 있는 염소, 황분 및 회분 함량이 다양하며, 이러한 성분들은 향후 반탄화물이 적용 될 소각 및 가스화 시스템 내부 부식 등에 따른 연속운전 저해 요소로 작용이 가능하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 적용범위가 제한적인 폐바이오매스를 활용하여 Bio-SRF 규격을 충족시키는 반탄화물을 생산하기 위해 다수의 폐바이오매스의 혼합비율에 따른 반탄화물 특성을 검토하였다. 대상 원료로, 폐목재와 고품질 하수슬러지 및 저품질 하수슬러지별 반응 온도 및 반응 시간에 따라 생산된 반탄화물 특성 실험결과를 이용하여 Bio-SRF 기준을 충족시키는 원료의 최적 혼합비율을 도출하였다. 저품질 하수슬러지와 폐목재를 활용할 경우 습윤 기준 하수슬러지 60% 및 폐목재 40% 의 혼합비율이, 고품질 하수슬러지의 경우 습윤기준 하수슬러지 80% 및 폐목재 20%가 최적조건으로 도출되었다. 본 연구를 통해 처리 방법이 제한적인 폐바이오매스를 이용한 반탄화물 생산이 가능할 것으로 기대되며, 향후 폐바이오매스의 대상 범위를 확대를 통해 혼합 폐바이오매스를 이용한 반탄화물 기술 개발에 중요한 가이드라인으로 제시될 것으로 사료된다.
113.
2015.11
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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.
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2015.11
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우리나라는 국토의 약 64%가 산림으로 구성되어 있으며, 2011년 기준 국내 산림면적은 6,443천ha이다. 산림청 자료에 따르면 국내 산림 바이오매스 발생량은 총 704만 ㎥으로 발생량 중 약 45%인 319만㎥이 제재목, 펄프, 보드용, 축산깔개, 버섯재배, 열병합 발전 등에 이용된 것으로 추정된다. 발생량의 55%인 385 만㎥는 현재에도 미이용 상태로서 이러한 산림 바이오매스 에너지의 이용을 위한 경제성과 효율성 확보를 위한 기술 개발이 시급한 실정이다. 바이오매스를 에너지로 변화하는 열화학적 변환 공정은 연소, 가스화, 급속 열분해 공정이 있으며, 이중 급속열분해 공정은 산소가 없는 조건하에서 500℃ 내외의 고온에서 짧은 시간 동안 반응시킨 후 연료로 전환하는 공정이다. 급속열분해 과정을 거치면 바이오매스는 분자 간 결합뿐만 아니라 C-C 결합, C-O 결합의 해체 등 화학적 전환이 일어나게 되며 최종적으로 액상 연료인 바이오 오일과 고형분인 바이오탄, 가스형태의 비응축성 가스를 생성한다. 바이오 오일은 보일러․터빈 등 발전용 연료뿐만 아니라 수송용 연료와 화학소재 등으로 활용이 가능한 잠재력을 갖고 있다. 따라서 공정 후 최종 생성물의 수율을 최적화하는 것은 공정의 효율성과 바이오 오일의 활용 가능성을 높이는데 중요한 역할을 한다. 더불어 바이오 오일의 물리적․화학적 특성을 분석함으로써 연료로서의 특성을 평가하고 소재화 활용 방안을 구축할 뿐만 아니라 더 나아가 화석연료를 대체할 에너지원으로써의 가치 및 발전 가능성을 가늠할 수 있다. 바이오 오일의 수율과 물리적․화학적 특성에 영향을 미치는 요인으로는 크게 공정 조건과 원료 조건으로 나눌 수 있다. 공정 조건은 반응온도, 반응기내 체류시간이 있으며 원료 조건은 바이오매스 함수율, 입자 크기, 바이오매스 내 화학 조성 등이 있다. 본 연구에서는 공정조건, 원료 조건 변화에 따른 바이오 오일의 물리적․화학적 특성을 연구하기 위하여 분사층 급속열분해 실험장치를 이용하여 폐목재 톱밥 급속열분해 실험을 수행하였다. 급속열분해 실험은 공정 조건인 반응온도, 체류시간, 투입속도와 원료 조건인 바이오매스 입자 크기를 각각 변화하며 실험을 수행하였으며, 각 조건에서 생산된 바이오 오일의 원소분석, 발열량, 수분함량, 점도, pH, GC-MS 분석을 수행하였다. 그리고 실험 결과를 바탕으로 바이오 오일의 연료적 특성 평가 및 화학소재 활용 방안에 대하여 고찰하였다.
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2015.11
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HFC-134a는 에탄 파생 냉매 중 하나로서 대표적인 HFCs 의 하나이며 가정용 냉장고나 자동차의 냉매로 널리 사용되고 있는 물질이며 온난화지수는 1300이다. 이러한 HFCs 의 생산 및 사용에 대한 규제가 가속화되고 있으며, 대체물질 개발이나 폐 냉매에 대한 처리기술연구 또한 활발히 진행되고 있다. 이들 폐냉매에 대한 처리기술로는 일반적으로 열분해법, 촉매 산화법, 플라즈마를 이용한 공정 등이 알려져 있다. 열분해법은 고온의로에서 열적 분해를 도모하는 기술로서 대용량의 가스를 처리하는 경우에 유리하다. HFC-134a 프레온은 단순 열을 가열하는 경우 보통 3000℃이상의 고온에서만 효과적으로 분해되는 특성을 가진 것으로 알려져 있다. 그러나 만일 열원이 충분한 고로나 소성로와 같은 대형장치에서 800℃ 이상의 온도에서 수증기가 동시에 존재한다면 HFC-134a 냉매가 효과적으로 처리되는 것으로 실증 장치에서 제시되고 있다.
C2H2F4+4H2O →4HF+3H2O+2CO2 (1)
이러한 현상에 대한 연구로서 튜브형 연소로에서 온도의 변화와 산소량과 유량 조절을 통해 HFC-134a 열적분해 성능 실험에 대한 검증을 전산해석적인 연구를 통하여 수행하였다. C, H, F 등으로 구성된 HFCs가 열원과 H2O에 의하여 HF, H2O 그리고 CO2로 잘 반응하는 결과에 기초할 때 HFC-134a 의 반응에 필요한 것이 첫째로 H와 O의 원소와 둘째로 반응에 요구되는 활성화 에너지임을 추정할 수 있다. 그러므로 수소와 산소가 당량비로 혼합된 물 전기분해 기체(H2 + 1/2 O2)를 사용하여 튜브 반응기에서 HFC-134a 의 열적 반응에 대한 가능성을 전산 해석적으로 검토하였다.
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2015.11
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열풍건조 시스템의 열 및 물질전달은 기본적으로 수분과 온도 구배에 의해서 이루어지며, 이 과정은 수증기 압력의 변화로 인한 증기의 확산, 함수율에 따른 피건조물의 비열, 열전도 계수, 확산계수 등의 변화, 공기와의 접촉면에서 수분의 증발량과 증발열에 의한 에너지 손실 및 피건조물로부터 증발한 수분의 확산과 대류에 의한 공기 중으로의 물질 전달 등 복잡한 현상들이 포함되어 있으며 이러한 건조현상에 대한 열 및 물질전달 연구는 다양하게 추진되었다. 그러나 대부분의 건조분야 연구는 이들 건조현상들에 대한 해석을 통해 장치의 크기, 가열형태, 운전성 및 피건조물의 특성에 따른 형식 등의 측면에서만 그 중요성이 강조되어 왔으며, 에너지 이용효율 측면에서의 장치개발이나 폐열회수기술에 대한 연구는 미미한 실정이다. 따라서 본 연구는 기존의 직접열 건조방식의 여러 가지 단점을 개선한 연속 감압식 직･간접열 방식의 건조장치를 개발하고자 하는 것으로, 1ton/day용량의 연속식 벨트형 컨베이어 건조장치를 제작하여 고효율 열풍 건조 기술을 이용하여 발생되는 열원을 통하여 180℃ 이하의 온도에서 건조시킴으로서 대기오염물질 발생이나 2차 오염물질의 생성이 없다. 열풍 건조기의 운전조건 변화에 따른 피건조물의 특성 연구 결과는 시료의 투입량이 증가함에 따라 건조물의 함수율도 증가하는 경향을 나타내고 있으며 건조기의 RPM이 느릴수록 열풍공급 히터의 개수가 많을 경우 열전달이 더욱 촉진되어 수분 증발이 양호해져 건조물의 함수율이 낮게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 건조후 피건조물의 함수율이 약 12.4%에서 감압조건시 5.1%로 낮게 계측이 되어, 감압 조건하에서의 건조후 피건조물의 함수율이 상압하에 비하여 월등히 낮게 나타났고, 간접열 건조기의 특성상 건조기의 크기와 사용열량을 일정 비율 이하로 줄일 경우 그 비율이 비례적으로 줄어들지 않기 때문에 건조가 이루어지지 않을 수 있으므로 현실적으로는 20%까지 건조기의 크기가 감소하지는 않는다. 열풍 직･간접열 방식을 통한 적용 장비의 우수성을 확인하였으며 감압방식의 적용에 대한 건조성능의 향상을 확인하였다.
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2015.11
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유해폐기물의 고형화 처리는 폐기물에 의한 환경오염의 저감과 폐기물의 취급개선을 목적으로 하고 있으며 특히, 유해폐기물의 독성을 감소시키고 폐기물중의 유해물질이 자연환경으로 누출되는 것을 차단 또는 지연시키는데 그 목적이 있다. 최근 플라즈마의 고온 열을 이용해 폐기물 고화처리기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만 수분 함량이 높은 슬러지와 같은 폐기물을 처리하기 위해선 건조공정이 선행되어야 하고, 소각에 비하여 전력소모량 등 건설･운영비가 높다는 단점이 있다. 유도가열로는 수분이 많이 함유된 슬러지나 액체페기물, 가연성 잡고체를 처리하는데 적합하다. 플라즈마 용융로의 경우에는 수분이 많이 포함된 폐기물을 처리하기 어렵지만 금속이나 콘크리트와 같은 비가연성 잡고체를 처리하는데 적합하다. 따라서 본 연구에서는 유도가열로와 플라즈마 용융로가 복합적으로 고려된 폐기물 처리 시스템을 개념설계 하였다. 이 복합용융설비를 이용할 경우 폐기물의 특성에 따라 각각의 용융로 설비를 운전하거나 동시에 운전함으로써 다양한 종류의 폐기물을 동시에 처리할 수 있고, 폐기물 처리 속도를 높일 수 있다. 또한 배기가스 처리설비를 공유함으로서 비용절감이 가능하고 운전효율성 등을 높일 수 있다는 장점이 있다.
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2015.11
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VOCs의 배출원은 자연적 배출원과 인위적인 배출원으로 나뉘는데, 주로 페인트 공정이나 자동차에서 인위적으로 다량 발생하여 신경계 교란물질이나 발암성으로 인체에 직접적인 피해를 주고 있어 VOC 저감에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 플라즈마 기술은 높은 에너지에 의해 플라즈마가 형성되고, 이로 인해 자유전자가 생성되어 다양한 라디컬을 생성되어 유해성분들을 분해 저감시키고 화학적 반응을 가속화 시키는 원리를 이용하여 VOC 물질을 저감시킨다. 최근에는 제거 효율을 향상시키기 위해 플라즈마, 전자빔, 광촉매 등 여러 기술을 융복합하여 각 기술의 단점을 보완하여 이용되기도 한다. 본 연구에서는 VOC 제거 효율을 높이기 위해 3가지 기술이 융합된 플라즈마-덤프 연소기(PDC, plasma dump combustor)를 개발하였다. PDC 특성을 파악하기 위해 상부 공급 유량, VOC농도, 공급전력, AC/DC전원 공급에 대한 실험을 수행하였다. Fig. 1은 유량 변화 시 VOC 분해율과 배출되는 가스 성상 및 농도를 측정한 그래프이다. 그래프에서 나타나듯 유량이 증가 할수록 분해율이 떨어지는 모습을 볼 수 있다. 이는 플라즈마-덤프의 분해 원리인 캐비티 영역에서의 체류시간이 짧아지게 되어 처리율이 낮아지기 때문이다. 연소 후 배출가스인 CO2와 CO의 농도변화는 유량이 증가할수록 감소되는 추세를 보이고 있다. 이는 증가된 유량에 의해 공기비가 증가되어 연소율이 떨어지게 되어 CO2생성의 감소와 유량 증가에 의한 희석에 의해 CO농도도 감소하게 된다.
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2015.11
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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.
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2015.11
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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.
