The emission of nitrogen oxides has a great environmental impact. It leads to Los Angeles type smog, and it recently has attracted attention as a source of ultrafine dust. The main sources of nitrogen oxides are internal combustion engines and industrial boilers. These emission sources are processes that are essential for human industrial activities, so the regulation of original use is impossible. Therefore, special control methods should be applied to reduce NOx emissions into the atmosphere. In this study, we investigated how the supply of ER and urea influences the removal of nitrogen oxides from SRF combustion boilers. Experimental results show that the removal efficiency of nitrogen oxides can be up to 80% under the conditions of ER 2.0 and a urea feed of 0.5 LPM.

폐기물은 발생원을 기준으로 생활폐기물, 사업장폐기물 및 건설폐기물로 구분된다. 폐기물 처리는 재활용을 우선적으로 정책이 이루어지고 있다. 그러나 폐기물을 재활용하기 위해서는 기술적인 한계성과 경제성 등이 해결되어야 하며 이러한 이슈가 극복되지 않으면 재활용에는 한계가 따른다. 국내에서 도입된 네가티브 재활용 제도가 다양한 기술을 재활용로서 적용될 수 있도록 하였으며, 그 중 폐기물 에너지화 기술로써만 인식되어온 폐기물 가스화 기술은 에너지회수 기술 뿐 만 아니라 원료를 대체할 수 있는 재활용 기술로도 적용될 수 있게 되었다. 폐기물의 재활용은 물질재활용 기술로서 3R기술 위주로 재활용되어 왔으나 화학전환 기술에 의한 재활용을 위해서는 가스화 기술이 많은 기여를 할 것으로 기대된다. 또한 폐기물의 에너지 회수기술은 소각에 의한 에너지회수 또는 고형연료를 생산하여 연소보일러에 의한 에너지회수 방법이 주로 이용되어 왔으며 이러한 기술은 열에너지를 회수하는 기술에 국한되어 있다. 그러나 폐기물 가스화 기술은 열에너지와 화학에너지의 생산이 가능하므로 다양한 에너지로의 회수 기술과 고효율 에너지 이용기술의 적용이 가능한 기술이다. 따라서 본 연구에서는 폐기물 가스화를 통한 에너지회수 기술과 화학전환 기술로서 원료대체를 통한 재활용 기술로서의 특성을 고찰하였다. 폐기물 가스화 기술은 가연성물질이 함유된 폐기물의 대부분을 대상으로 적용이 가능하지만 합성가스를 이용하는 기술에 따라서 합성가스의 생산품질을 만족하기 위해서는 폐기물의 적정 발열량이 확보되어야 된다. 폐기물의 종류에 따라 기준은 달리 적용되겠지만 저위발열량 기준으로 3,200 kcal/kg이상인 경우 안정적인 합성가스를 생산할 수 있다고 판단되며, 폐기물종류 및 이용기술에 따라서는 3,000 kcal/kg이상인 경우 합성가스 생산품질을 유지할 수 있다. 폐기물 가스화를 통해 생산된 합성가스를 에너지회수 기술로서는 스팀터빈, 가스터빈, 가스엔진, 연료전지 등의 기술을 적용할 수 있고, LNG, 경우, 석탄, LPG 등 화석연료를 대체하는 가스연료로 적용할 수도 있다. 또한 합성가스의 주요성분인 일산화탄소와 수소는 고순도 수소 및 고순도 일산화탄소 자체로도 원료대체가 가능하며, 화학촉매 또는 미생물촉매 전환 공정을 통해 다양한 화학원료로 대체하는 재활용기술로서의 적용이 가능한 특성을 가지고 있다.

지난 10년간 신재생에너지 시장은 꾸준히 증가하고 있으며, 이와 더불어 폐기물 에너지화(WtE, Waste to Energy) 기술은 매년 5% 이상 꾸준히 성장할 것으로 예측된다. 폐기물 에너지화 기술은 폐기물 처리방식에 따라 물리적, 열화학적, 생물학적 기술로 분류되며 그중 하나인 폐기물 가스화 기술은 폐기물의 고부가가치 연료화 및 온실가스 감축 증대의 효과로 최근 더욱 각광받고 있다. 공급된 폐기물 내 탄소 및 수소 성분은 가스화 반응을 통해 CO, H2가 주성분인 합성가스로 전환되고 생산된 합성가스는 메탄올, 디젤류, DME 등 다양한 화학원료로 이용될 수 있으며 가스엔진 등 발전분야에 이용이 가능하다. 본 연구에서는 생활폐기물을 기반으로 제조된 비성형 고형연료를 대상으로 8 TPD급 고정층 가스화 반응기에서 합성가스의 생산특성에 대하여 연구하였다. 본 연구의 반응기는 가스화제 주입을 Down-draft 및 Up-draft의 방향으로 공급할 수 있도록 제작하였으며, 이와 더불어 가스화 반응 영역 후단에 Gas Chamber를 두어 추가적인 타르 크랙킹을 유도할 수 있도록 하였다. 기존 공기 가스화의 경우 공기 중의 대부분을 차지하는 비활성 물질인 질소의 공급량이 많아 생산가스 내 합성가스의 비율이 상대적으로 낮아 활용측면에서 발전부분에 국한 되는 한계가 있었다. 이에 반해 본 연구는 공기비(ER, Equivalent Ratio)와 더불어 순산소의 추가 공급으로 산소부화율을 제어하여 발생되는 합성가스의 주성분인 CO, H2의 비율을 30% 이상으로 높게 유지할 수 있었고 이를 통해 생산 가스의 열량 및 냉가스 효율 등 고품질의 합성가스를 생산할 수 있었다.

폐기물 가스화 시스템은 폐기물을 원료로 하여 CO, H2 및 CH4이 주성분인 합성가스를 생산한다. 생산한 합성가스는 정제, 개질 공정을 통하여 발전, 연료, 화학원료 등으로 사용할 수 있다. 폐기물 가스화 시스템은 원료로 폐기물을 사용하고 복합 공정(전처리, 가스화, 정제, 개질, 합성가스 이용)으로 구성되어 있어 안정적으로 합성가스를 생산하기 위해서는 다양한 환경 및 운전변수를 고려한 고급 제어 기술이 필요하다. 일반적으로 폐기물 가스화 발전 시스템 제어는 PLC(Programmable Logic Controller)/DCS(Distributed Control System)와 연결된 HMI(Human Machine Interface)를 통하여 이루어진다. 오퍼레이터는 HMI를 통하여 폐기물 가스화 발전 시스템의 Equipment와 Instrument와 1:1로 매핑 된 정보를 확인하고 제어를 수행한다. 오퍼레이터가 이상 상태 발생 및 운전 조건 변경 상황에서 다양한 운전 변수들의 상관관계를 고려하여 제어하는 것은 불가능하다. 본 연구에서는 폐기물 가스화 발전 시스템의 운전 데이터를 실시간으로 모니터링하고 운전 변수들의 상관관계를 확인할 수 있는 시스템을 개발하였다. 폐기물 가스화 발전 운전 데이터 실시간 상관관계 모니터링 시스템은 운전 데이터를 데이터베이스에 저장하는 기능, 데이터베이스에 저장된 데이터를 조회하는 기능, 데이터베이스에 저장된 운전 데이터의 상관관계를 확인할 수 있는 기능, 조회된 데이터를 저장하는 기능 등으로 구성되어 있다. 운전 데이터를 데이터베이스에 저장하는 기능은 폐기물 가스화 발전 시스템을 제어하는 HMI에 스크립트로 처리하였으며, 다른 기능들은 시스템의 접근성 및 활용도를 고려하여 웹시스템으로 개발하였다.

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.

In this study, a lab-scale experiment was conducted to derive the optimal torrefaction conditions for upscaling food waste torrefaction to generate solid fuel. Basic characteristic analyses (a proximate analysis, elemental analysis, calorific value and thermogravimetric analysis) were conducted and further used to develop experimental conditions during upscaling. Based on the characteristics analysis, the experiments were conducted by varying the heating rates by 5, 10 and 15oC/min, varying the torrefaction temperature from 200 to 550oC at an interval of 50oC and varying the torrefaction residence time from 0 to 50 minutes at an interval of 10 minutes. The heating rates were varied and only carried out for the combustion experiments of the torrefied product at a temperature range of 50 to 800oC. The results show that the optimal torrefaction temperature and residence time of food waste torrefaction were 250 ~ 350oC and 30 ~ 40 minutes, respectively.

Bottom ash char, which is released and collected from a solid refuse fuel (SRF) gasification pilot plant, has been used as a feed material for one more step of the gasification process. This char contains higher unburned materials than the bottom ash collected from incineration plants. This could have sufficient potential for application to gasification technology. The lab-scale gasification experimental process consists of a downdraft gasifier, a cyclone, a scrubber, and a filtering system for the analysis of syngas. To find the optimal conditions and to decrease loss on ignition, the air equivalent ratio (ER) was adjusted from 0.1 to 0.5. The results of this experiment showed that 0.2 ER was the optimal condition, with 32.41% of cold gas efficiency and 40.41% of carbon conversion ratio. However, compared to the general gasification process, this efficiency and conversion ratio still seem to be low since the feedstock was the leftovers of the gasification process with a lower amount of volatile carbonaceous components. Furthermore, with increasing ER, the loss on ignition of the bottom ash in this experiment decreases due to the enhancement of the oxidation reaction. On average, it decreased by up to about 20% compared to the feedstock.

지구의 온도가 지속적으로 상승하는 기후 변화가 가속화되고 있는 현재 상황에서 신재생에너지의 활용을 적극적으로 검토하여 한다. 또한 1차 에너지원의 대부분을 수입하고 있는 국내의 현실을 감안하면 저급자원이고 필연적으로 발생하고 있는 폐기물 또는 바이오매스의 적극적인 활용에 관심을 기울여야 할 필요성이 강하다고 판단된다. 특히 SRF 가스화를 통하여 합성가스를 생산하여 활용할 경우 발전, CO/H2 생산 및 각종 화학물질생산 등 넓은 산업 분야에서 환경 친화적임과 동시에 고효율로 활용할 수 있으므로 전 세계적으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. SRF를 가스화할 때에 발생하는 합성가스의 조성 및 성능 예측을 통하여 미리 설계조건 또는 운전조건에 반영할 수 있다면 연구 개발 및 상업용 플랜트 설계 시에 유용하게 활용될 수 있다. 그러나 SRF 가스화의 경우 비교적 낮은 출구온도, 이에 따라 화학적 평형상태로 보기 어려운 점 등으로 인하여 조성 및 유량 등의 합성가스의 특성을 사전에 예측하기에 어려운 점이 있다. 이에 본 연구에서는 SRF 가스화 시의 합성가스 조성과 유량 계산, 성능 예측 및 운전조건 사전 설정 등을 가능하게 하여 연구 및 상업용 플랜트개발에 도움을 줄 수 있는 프로그램을 개발하고자 하였다. 우선 평형상태 계산으로부터 일반적인 SRF 가스화 운전조건에서 화학적 평형상태에서는 CH4, C2 이상 물질 및 타르 등이 생성되지 않으므로 이들 물질의 생성에 대한 관계식이 필요함을 알 수 있었으며, 이에 본 연구의 선행연구에서 진행된 각종 실험결과를 이용하여 관계식을 만들고, 합성가스 내에 가장 중요한 조성인 CO, CO2, H2, H2O에 대해서는 화학적 평형상태 계산을 수행할 수 있도록 하였다. 또한 가스화 시스템의 에너지 정산을 수행할 수 있는 각종 보조 수식을 적용하여 에너지정산을 수행하고, 합성가스 조성 계산과 에너지 정산이 완벽하게 맞게 되는 산소공급량을 반복계산법으로 구할 수 있도록 프로그램을 구성하였다. 개발된 프로그램을 활용하여 SRF의 발열량, 가스화기의 열손실 및 산소부화조건 등의 운전조건 변화에 따른 합성가스 조성 및 가스화 시스템의 성능 변화를 비교 및 고찰하였다. 열손실 및 탄소전환율이 가스화 시스템의 성능에 아주 큰 영향을 미치는 인자임을 알 수 있었다.

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.

생활폐기물 및 산업폐기물로부터 고형연료를 제조하는 과정에서 폐기물 반입량 대비 30 ~ 45%의 비율로 잔재물이 발생되어 매립되거나 일부는 소각장으로 반입되어 처리되고 있다. 이러한 잔재물은 함수율 40% 이상을 나타내어 그대로 매립되었을 경우 오염부하를 증가시킬 수 있으며, 매립에 의한 처분비용으로 전체 시설 운영비의 약 20%가 요구되는 실정이다. 이러한 잔재물은 양 및 질적인 측면에서 볼 때 추가 공정을 통하여 충분히 고형연료로 생산이 가능하다. Bio-drying 기술은 폐기물 내에 존재하는 생분해성 유기물질에 대한 미생물의 호기성 분해열을 이용하여 폐기물의 수분을 건조시키는 건조에너지 소모 및 설치/운영비를 최소화 할 수 있는 경제성이 우수한 기술이다. 본 연구에서는 고형연료화 시설에서 발생된 잔재물을 대상으로 Bio-drying 기술을 적용시켜 생산된 비성형 고형연료의 벤치규모 연소실험을 통해 연소 공기비에 따른 바닥재와 비산재의 발생 특성을 고찰하였다. 또한 기존 시중에 판매되고 있는 비성형 고형연료와의 연소특성 비교/분석을 통해서 Bio-dyring 고형연료의 연소특성을 파악하고 연소 조건의 최적화를 진행하였다. Bio-drying 고형연료와 판매용 고형연료의 연소 바닥재의 XRF 분석 결과 CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3가 주성분을 이루며 그 중에서 CaO 성분이 각각 36.6%와 48.6%로 가장 높게 나타났다.

폐기물, 바이오매스, 석탄, 정유공장 부산물 등을 청정하면서 이용이 편리한 가스 형태인 합성가스로 변화시켜 발전과 화학원료 생산과 같은 고부가가치로 활용 가능한 가스화 기술은 최근 환경과 청정에너지 관점에서 국제적으로 관심이 높아져 사업 기회가 점점 증가하고 있다. 합성가스 이용 발전기술은 가스엔진, 연료전지, 가스터빈, 스팀터빈으로 분류되고 중･소규모 시설의 경우 현재 가스엔진 기술이 가장 일반적으로 적용되고 있다. 합성가스 이용 가스엔진 발전의 경우 공기 또는 산소부화 조건에서의 비용융 가스화가 일반적으로 적용되며 이때의 가스화기 반응온도는 900~1100℃이고, 합성가스 내 H2, CO 이외의 CH4, C2H4, C3H8 등의 탄화수소를 일부 포함하고 있으며, 발열량 900~1,600 kcal/kg정도이다. 본 연구에서는 폐기물 처리량 기준 8톤/일급 규모의 가스화 발전 파일럿 플랜트에서의 생활폐기물 비성형 고형연료로부터 생산된 합성가스를 이용하여 500 rpm 저속엔진을 이용한 합성가스 조성에 따른 발전특성과 연소특성을 파악하였다. 실험결과 본 연구에 사용된 저속 가스엔진을 통한 합성가스 내 탄화수소류의 연소율은 최대 100%를 보였으며, 동일 합성가스 발열량 기준 탄화수소류의 농도 변화는 가스엔진 발전량에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

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. 폐기물로부터 합성가스를 생산하는 가스화 운전기술 최적화 도출은 효율적인 에너지 생산 및 재활용 기술 개발을 한 단계 더 나은 폐기물 처리방법으로 각광 받을 수 있다. 또한 가스화를 통한 양질의 합성가스는 스팀발전, 고효율 가스엔진 등의 연료로 사용 되어 에너지 회수효율을 높일 수 있다. 본 연구에서는 SRF pilot 가스화 플랜트 최적 운전 조건 도출을 위해 운전인자로는 공기비, 충진율, 산화제 분배율이 있으며, 성능지표로는 냉가스 효율, 탄소 전환율, 합성가스 생산량, 발열량, 조성 등을 지표로 정의하였다. 그리고 성능지표 기준 및 가중치를 설정 후 26조건의 SRF pilot 가스화 실험을 진행하였으며, 실험 결과를 분석하여 최적운전 조건을 도출하였다. 실험조건은 공기비 0.21~0.36, 가스화 반응기 SRF 충진율 35~65%, 산화제 분배율은 0~7.5%로 설정하여 실험을 진행하였으며, 공기비, 충진율이 증가할수록 냉가스효율 및 탄소전환율이 증가되었고, 산화제 분배율에서는 냉가스 효율은 2차 산화제 분배율이 3%에서 가장 좋은 결과를 보였으며, 탄소전화율은 2차 산화제의 공급비율이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 추후 공기비를 증가시킨 조건에서의 가스화 특성을 추가 파악 할 필요가 있음을 확인하였다.

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.

폐기물로부터 에너지를 회수하고자 하는 노력은 전세계적인 추세이며, 국내에서도 가연성 폐자원의 효율적인 친환경적 처리, 에너지 회수를 위한 다양한 정책과 법규가 만들어져 진행되고 있다. 가연성 폐기물로부터 에너지를 회수하는 전통적인 방법인 소각과 비교하여 가스화 기술은 생산된 합성가스를 다양한 방법으로 활용할 수 있다는 장점을 보유하고 있다. 합성가스가 가지고 있는 화학적 에너지를 활용하여 직접 엔진을 가동할 수 있으며, 가스화 방식에 따라 합성가스 내에 포함된 수소, 일산화탄소 등의 성분을 화학반응의 원료로 사용할 수도 있다. 따라서, 국내에서도 폐기물로부터 얻어진 합성가스를 다양한 방법으로 활용하기 위한 많은 연구들이 진행중에 있다. 본 연구에서는 국내 지자체에서 발생되는 생활폐기물의 비성형고형연료화 및 가스화 발전 기술을 적용하여 폐기물이 갖는 에너지를 회수하고자 비성형고형연료 8톤/일 규모의 하향식 고정층 가스화로와 세정설비, 가스엔진 발전을 통해 약 250kW이상의 전력을 생산하는 시스템을 설치 및 운영하였으며, 실증설비의 설계를 위한 다양한 인자에서의 결과를 알아보았다. 가스화 특성에 따른 발전 효율을 토대로 가스화 기술의 경제성을 평가함에 따라 상용공정으로의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.

기후변화가 가속되는 현 상황에서 신재생에너지의 적극적 활용은 전세계적인 추세이며, 국내에서도 가연성 폐자원의 효율적인 친환경적 처리, 에너지 회수를 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 관련정책과 법규가 만들어져 있다. 가연성 폐기물로부터 에너지를 회수할 수 있는 가스화 기술은 생산된 합성가스를 다양한 방법으로 활용할 수 있다. 합성가스가 가지고 있는 화학적 에너지를 활용하여 직접 엔진을 가동할 수 있으며, 가스화 방식에 따라 합성가스 내에 포함된 수소, 일산화탄소 등의 성분을 화학반응의 원료로 사용할 수도 있다. 따라서, 국내에서도 폐기물로부터 얻어진 합성가스를 다양한 방법으로 활용하기 위한 많은 연구들이 진행중에 있다. 본 연구에서는 폐기물 고형연료 가스화 플랜트 기술의 개발을 위해 생활폐기물을 대상으로 비성형 고형연료를 제조하고, 제조된 고형연료를 파일럿 규모의 고정층 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 이를 직접 가스엔진 발전기에 도입함에 있어서, 고정층 반응기에서 발생되는 합성가스의 생산특성에 대해 알아보고자 한다.

신재생에너지의 적극적 활용은 전세계적인 추세이며, 국내에서도 가연성 폐자원의 효율적인 친환경적 처리, 에너지 회수를 위한 다양한 정책과 법규가 만들어져 진행되고 있다. 가연성 폐기물로부터 에너지를 회수하는 전통적인 방법인 소각과 비교하여 가스화 기술은 생산된 합성가스를 다양한 방법으로 활용할 수 있으며, 100톤미만의 폐기물 처리시 소각보다 월등히 높은 효율을 보이고 있다. 따라서 사용연한이 도래하는 국내 중소규모 소각시설의 대체 및 플랜트의 해외 수출 등을 위해 폐기물 고형연료의 가스화 기술의 개발이 진행중이다. 본 연구에서는 이러한 폐기물 고형연료 가스화 플랜트 기술의 개발을 위해 생활폐기물을 대상으로 비성형 고형연료를 제조하고, 제조된 고형연료를 공기사용 고정층 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 이를 직접 가스엔진 발전기에 도입함으로써 일정량의 전력을 생산하는 경우 가스엔진 발전기의 운전 특성에 대해 연구하였다. 가스엔진 발전기의 운전에서 중요한 운전인자는 무엇인지 확인하고, 이를 통해 안정적인 가스화 엔진발전을 위한 개선사항에 대해 알아보고자 하였다.

폐기물로부터 에너지를 회수하고자 하는 노력은 전세계적인 추세이며, 국내에서도 가연성 폐자원의 효율적인 친환경적 처리, 에너지 회수를 위한 다양한 정책과 법규가 만들어져 진행되고 있다. 가연성 폐기물로부터 에너지를 회수하는 전통적인 방법인 소각과 비교하여 가스화 기술은 생산된 합성가스를 다양한 방법으로 활용할 수 있으며, 100톤 미만의 폐기물 처리시 소각보다 월등히 높은 효율을 보이고 있다. 따라서 사용연한이 다 되어가는 국내 중소규모 소각시설의 대체 및 플랜트의 해외 수출 등을 위해 폐기물 고형연료의 가스화 기술의 개발이 진행중이다. 본 연구에서는 이러한 폐기물 고형연료 가스화 플랜트 기술의 개발을 위해 국내 한 지자체의 생활폐기물을 대상으로 비성형 고형연료를 제조하고, 제조된 고형연료를 공기사용 고정층 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 이를 직접 가스엔진 발전기에 도입함으로써 일정량의 전력을 생산할 수 있는 반응 특성에 대해 연구하였다. 실험 설비와는 다르게 파일럿 플랜트 이상의 실증시설은 강제로 온도를 유지할 수 없으므로, 공급하는 산화제에 의해 로내 온도가 변화되며, 최적 가스화 효율을 얻기위해 다양한 운전인자의 변화에 따른 가스화 특성에 대해 평가하였다.

신재생에너지의 보급 확대로 인해 2001년 발전차액제도(FIT)에서 2012년 신재생에너지공급의무화제도(RPS)로 국내 신재생에너지 정책이 변화하였으며 이에 다양한 바이오매스 에너지원에 대한 활용방안이 검토 및 도입되고 있다. 바이오매스를 이용한 연료생산에는 선진기술개발이 요구되고 있으며, 최근 폐목재를 기반으로 한 Torrefaction 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 수분함량이 높고 발열량이 낮은 단독 폐바이오매스를 사용한 고형연료 생산 시, 투입되는 에너지 소비량이 높아 경제성이 낮으므로 발열량이 높은 폐바이오매스와 발열량이 낮은 폐바이오매스를 함께 사용한 혼합 폐바이오매스를 고형연료화함으로써 소요되는 에너지 소비량을 낮출 수 있다. 혼합 폐바이오매스를 이용한 Torrefaction을 통하여 고형연료 생산품질 기준에 적합한 적정 운전조건을 도출하는 것이 Scale-up 설계에서 중요하다. 본 연구에서는 Bench급 간접가열 로타리킬른 방식 Torrefaction reactor에서 폐목재 및 하수슬러지 혼합 폐바이오매스를 이용하여 반응온도 및 체류시간에 따른 고형연료 생산 특성을 조사하였다. 폐목재 단일 시료를 반탄화하여 고형연료 생산 시 발생되는 경제성 및 시료공급의 문제를 개선코자 하수슬러지를 혼합 후 공급하여 혼합 폐바이오매스를 제조하였으며 이를 활용하여 반탄화 고형연료를 생산하였다. Bench급 반탄화 시스템의 반응온도(230~270℃) 및 반응기 내 체류시간(20~40분) 변화에 따라 고체수율은 51~70wt%, 발열량은 5,420~6,070Kcal/kg (HHV 기준)로 고형연료가 생산되었다. 고형연료 수율은 반응온도가 증가할수록 고체수율이 감소하였으나 발열량 등 고형연료의 품질은 증가하여 기존 선행연구 된 실험실 규모의 연구 결과와 동일함을 알 수 있었다. 본 연구를 통한 운전조건에 따른 Torrefaction 결과를 포함하여 Pilot 급 Scale-up 설계인자로 활용하였다.

폐기물 가스화 시스템은 폐기물을 원료로 하여 CO, H2 및 CH4이 주성분인 합성가스를 생산하고, 생산한 합성가스는 발전, 가스연료, 수송용 연료 및 화학원료 등으로 사용할 수 있다. 폐기물 가스화 시스템의 공정은 폐기물을 원료로 하기 때문에 안정적으로 합성가스를 생산할 수 있도록 제어하는 기술이 필요하다. 특히 폐기물가스화 가스엔진 발전 연계 시스템은 합성가스 엔진으로 공급되는 합성가스의 조성과 발열량이 중요한 공정제어 인자이다. 일반적으로 폐기물 합성가스의 조성은 기기분석(NDIR 등)을 통하여 실시간으로 모니터링 할 수 있으나 주요 성분에 대한 분석만 가능하며 합성가스에 포함된 탄화수소계 연료에 대한 함량을 측정할 수 없음에 따라 합성가스 발열량 측정값 오차가 발생한다. 합성가스의 연료가스 성분을 보다 정확하게 측정하여 합성가스의 발열량을 확인하고 가스엔진 발전효율을 산출하기 위하여 GC 분석을 수행한다. GC 분석 데이터는 GC와 연계된 컴퓨터에서 확인할 수 있고 자체적으로 고유한 형식의 파일로 저장됨에 따라 분석된 데이터로부터 발열량을 확인하기 위해서는 추가적으로 계산을 수행해야 하므로 분석이 완료된 시점에서 실시간으로 발열량을 확인할 수 없다. 폐기물 가스화 발전 시스템의 보다 안정적인 운전을 위하여 GC분석 결과를 중앙제어실 운전자가 실시간 모니터링하여 제어하는 ICT 모니터링 제어 기술을 구축하는 것이 시스템의 제어 효율성을 높일 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 중앙제어실에서 폐기물 가스화 발전시스템을 효율적으로 제어하면서 실시간으로 GC분석 데이터와 자동으로 계산된 발열량을 확인할 수 있도록 모니터링 시스템을 개발하였다. GC 분석 데이터 실시간 모니터링 시스템은 Client/Server 구조로 개발하였으며, 모니터링 된 데이터는 데이터베이스로 저장하여 추가적인 분석이 가능하도록 하였다.