This paper was conducted experimental work to energy recovery and syngas production using a pilot scale fixed bed gasification process of solid waste. The temperature of gasifier bottom section was the highest at about 522 ~ 808oC. The syngas composition was contained CO 10.0 ~ 11.4%, H2 8.4 ~ 11.3%, CH4 3.7 ~ 3.9%, CnHm 3.3 ~ 4.3% with lower heating value 1,500 kcal/Nm3. About 68.8% of the waste and the air energy is converted to syngas. Approximately 8.4% is lost in heat of heat exchanger and cleaning process and about 0.8% of the heat energy is recycled into the gasifier in the form of preheated air. The electric power output rate was found to range 10.5 to 12.5 kW.

고정층 반응기에 산소를 산화제로 공급하는 고온 영역의 가스화 반응은 공기를 이용하는 가스화와는 달리 합성가스 중 질소가 존재하지 않기 때문에 70% 이상의 고농도 합성가스를 생산할 수 있다. 본 연구에서는 해외에서의 순산소 가스화 시스템의 운전 사례에서 합성가스의 조성과 가스상, 입자상 오염물질의 배출량을 확인하여 국내에서의 적용 가능성을 검토하였다. 독일의 THERMOSELECT社에서 이탈리아의 폰도토체(Fondotoce)에 설치한 100 톤/일급 가스화시스템의 사례를 검토하였으며 국내에서의 배출허용 기준과 비교하였다. 가스화 시스템에서 생산되는 합성가스의 조성과 가스상, 입자상 오염물질 뿐만 아니라 폐수, 슬래그, 비산재의 분석결과에 대한 분석을 수행하였다.

폐기물을 이용한 가스화 공정을 통해 생성되는 합성가스는 적용하고자 하는 후단공정에 따라 적합한 품질을 얻기 위해 다양한 정제 설비를 거쳐 정제된다. 가스터빈을 가스화 시스템 후단 공정으로 적용할 경우 터빈의 블레이드가 마모되지 않기 위해서 합성가스 내 입자상 물질의 입자사이즈는 5 μm 이하까지 제거되어야 한다. 따라서 합성가스 내 입자상 물질들을 제어하기 위해서는 각 정제 설비에서 발생하는 입자상물질 또는 정제설비에서 제거된 입자상물질들의 입자 사이즈에 대한 분석이 필요하다. 본 연구에서는 pilot scale의 폐기물 가스화 시스템 내의 세정 설비에서 발생하는 폐수 내 존재하는 입자상물질의 입자사이즈를 비교함으로써 각 세정설비의 특징을 파악하고, 더 나아가 각 설비에서 제거된 입자상물질의 입도 거동을 통해 상용규모 단계까지 scale-up 하였을 때 세정설비에 대한 성능을 예측할 수 있다. 가스화공정에서 발생한 합성가스 내 입자상 물질은 분진제거탑, 중화세정탑 그리고 습식전기집진기를 통과하여 대부분의 입도가 큰 물질은 제거되었다. 입도분석 결과 가스화로에서 발생한 입자상 물질의 입자사이즈는 24.0 μm 이며, 분진세정탑에서는 23.0 μm, 중화세정탑은 14.2 μm 그리고 습식전기집진기에서는 12.8 μm의 입자상 물질을 제거하는 것으로 분석되었다. 이러한 분석 결과를 바탕으로 pilot 규모의 폐기물 가스화 시스템에서 생성된 합성가스는 사이즈가 큰 입자상 오염물질이 대부분 제거되어 가스터빈이나, IC engine에 후단공정으로 활용이 가능함을 확인할 수 있다.

폐기물을 사용한 가스화 공정에서 발생되는 합성가스는 폐기물의 특성상 분진, 타르 외에도 HCl, HCN, NH3 등 다양한 종류의 가스상 물질을 함유하고 있어 이들 가스상 물질로 인해 생물체에 해를 주거나 환경의 정상적인 기능을 저해하는 대기오염문제를 야기할 수 있다. 따라서 폐기물 기반의 합성가스를 활용하기 위해 이러한 대기오염물질들을 제어할 수 있는 정제 과정이 필요하다. 본 연구에서는 폐기물에서 발생한 합성가스에서 가스상 대기오염물질을 포집하여 각 정제설비 후단에서의 농도를 확인하여 정제설비의 가스상 대기오염물질 제거 효율을 파악하였다. 본 연구에서의 합성가스 정제설비는 급속냉각탑, 벤츄리 스크러버, 중화세정탑, 탈황세정탑, 습식전기집진기를 사용하였으며, 가스상 대기오염물질은 가스화로 후단, 중화세정탑 후단, 습식전기집진기 후단에서 각각 포집하였다. 3종류(HCl, HCN, NH3)의 포집을 위해 HCl은 0.1 N-NaOH, HCN은 0.5 N-NaOH, NH3는 0.5wt%의 H3BO3을 사용하였으며, 분당 2L의 유량으로 20분간 포집하였다. 폐기물 기반 합성가스의 가스상 대기오염물질 정제설비의 총괄 제거 효율은 HCl이 98.58%, HCN은 87.30%, NH3 는 99.68%로 나타났다. 또한, 급속냉각탑, 벤츄리스크러버, 중화세정탑의 가스상 대기오염물질 제거 효율은 HCl 92.13%, HCN 66.02%, NH3 91.40%로 나타났다.

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.

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.

폐기물을 사용한 가스화용융 공정에서 발생되는 폐수와 슬랙은 폐기물의 특성상 납, 비소, 카드뮴, 수은, 구리, 크롬 등 다양한 종류의 중금속을 함유하고 있어 오염문제를 야기할 수 있다. 따라서 이러한 중금속들을 제어할 수 있는 정제 과정과 슬랙에서 배출되는 용출수의 중금속 분석이 필요하다. 본 연구에서는 Pilot 규모의 폐기물 가스화 공정에서 사용한 폐기물, 운전 시 사용한 폐수, 폐수를 여과 처리한 처리수, 생성된 슬랙 및 슬랙에서 나온 용출수의 중금속 함량을 비교함으로써 가스화 및 오염물질 정제 과정에서 관찰되는 중금속 물질의 거동을 확인하였다. 폐기물은 울산지역의 사업장폐기물과 용인지역의 사업장 폐기물 그리고 자동차파쇄잔재물(ASR)을 사용하였다. 폐기물 가스화 공정 중에 발생하는 바닥재는 용융되어 슬랙의 형태로 배출된다. 그리고 폐기물 가스화 공정 내 오염물질 정제 과정은 입자상물질 제거장치, 중화세정탑, 탈황세정탑 및 미세입자상물질 제거장치 순으로 진행된다. 각 시료의 중금속 함량 분석 결과 여과 처리를 거친 처리수의 경우 중금속 함량이 대부분 검출되지 않았으며, 구리 1.76mg/L, 니켈 0.46mg/L, 바륨 0.56mg/L로 환경부 배출 허용기준치에 미치지 못하는 극소량이 분석되었다. 또한 슬랙 내부에 대부분의 중금속이 포획되어 슬랙 용출수에서는 대부분 검출되지 않았으며 일부 중금속의 경우 0.1mg/kg 미만으로 분석되었다. 이러한 분석 결과를 바탕으로 Pilot 규모의 폐기물 가스화 공정을 거친 폐기물은 생명체에 치명적인 중금속 오염 문제를 야기하지 않음을 보여준다.

일반적으로 가스화는 고온에서 산소/공기 등을 이용하여 합성가스를 얻는다. 가스화로 후단에 위치한 정제공정에 의해 불순물이 제거된 합성가스는 메탄올의 합성 원료로 쓰이거나 터빈과 같은 발전시스템에 직접 이용되며, 더 나아가서는 연료전지에 이르기까지 다양한 범위에서 이용된다. 이러한 폐기물 가스화 기술은 폐기물을 에너지 자원으로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 매립지의 부족으로 인한 폐기물처리 방법에 대한 대응책이될 수 있다. 가스화 공정에서 발생하는 미립자 상태의 불순물 특히, 분진은 각 단위 공정 설비 내부에 파울링 현상을 발생시키기 때문에 여러 단계의 정제 공정을 통해 분진을 제거해야 한다. 따라서 분진의 제거 효율을 높이기 위해서는 벤츄리 스크러버, 중화세정탑, 탈황세정탑 그리고 습식전기집진기를 이용하여 분진을 제거하는 방법이 있다. 본 연구에서는 사업장폐기물과 ASR폐기물을 각각 원료로 하여 5단계의 정제설비 후단에서 분진의 거동을 판단하였다. pilot급 가스화로 후단에서 발생하는 분진의 평균 농도는 7,708 mg/m3, 34,038 mg/m3 으로 ASR 폐기물이 사업장폐기물에 비해 4배 이상의 분진이 배출되었다. 하지만 습식전기집진기를 통과한 두 폐기물의 합성가스 모두 분진이 검출되지 않아 제거 효율이 100.0%에 가까운 것으로 분석되었다. 따라서 폐기물을 이용한 순산소 가스화 공정에서 발생하는 분진은 이와 같은 정제 설비를 통해 효율적으로 제거가 가능한 것으로 판단된다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

폐기물, 바이오매스 가스화를 이용한 전기 생산 시스템은 화석연료 대체 및 CO₂ 배출량 감소를 위한 잠재성이 매우 뛰어난 것으로 평가되고 있다. 특히 폐기물, 바이오매스 가스화 발전 시스템은 전기의 이용 및 접근의 용이성이 뛰어나므로, 중･소규모 지역에서 이용할 수 있는 훌륭한 대안이라고 할 수 있다. 따라서 시스템을 효율적으로 이용하기 위해서는 폐기물, 바이오매스 가스화 발전시스템의 운전특성을 파악하여 성능을 개선시키는 것이 필요하다. 본 연구에서는 폐기물을 원료물질로 하고, 공기를 산화제로 이용한 가스화를 통해 생산된 합성가스를 이용하여 가스엔진과의 연계를 통해 전기를 생산하는 시스템을 개발하고자 한다. 폐기물은 가스화기 상부에서 투입되었고 산화제인 공기는 가스화기 측면에서 투입되었으며, 반응된 가스는 상부로 배출되는 고정층 방식의 반응기를 이용하였다. 발열량이 약 3,300, 3,900 kcal/kg인 폐기물을 이용하여 가스화 시스템의 합성가스 생산 특성을 파악하였다. 3,300 kcal/kg의 발열량을 가진 폐기물의 가스화 결과, 합성가스 조성이 CO 0.2~3.7%, H₂ 3.6~7.1%, CH₄ 0.9~2.3%으로 나타났으며, 안정적인 가스화가 진행되지 않았다. 3,900 kcal/kg의 발열량을 가진 폐기물의 가스화 결과, 합성가스 조성이 CO 7.9~12.1%, H₂ 7.1~8.2%, CH₄ 2.8~3.7%이며 냉가스 효율은 약 60.1%으로 안정적인 가스화가 진행되었다. 따라서 실험에 이용한 고정층 가스화기는 최소 3,300~3,900 kcal/kg이상의 열량을 가진 폐기물을 이용해야만 합성가스의 안정적인 생산이 가능하고 가스엔진 연계 발전이 가능한 것으로 도출되었다.

정부의 폐자원에너지화 정책에 따른 사업 추진이 활성화대고 있으며 폐기물의 연료화 및 가스화에 대한 국내외 기술개발 및 성장 잠재력이 확대되고 있으므로 시장대응에 필요한 기술개발이 필요하다. 국내의 경우 생활폐기물이 지자체에 의해 관리, 계획되고 있으며 지역주민들의 환경에 대한 관심 증대로 인해 친환경폐기물 처리 시설이 점차 요구되어 지고 있으나 소규모 지자체의 경우 경제적, 효율적으로 에너지 자원화를 통한 제도적, 기술적 지원 시책이 미비하고 경제성이 떨어져 사업추진이 곤란한 실정이다. 그러므로 에너지화 시설 설치가 어려운 지자체의 경우 중소규모 처리 시설을 대상으로 에너지 이용 효율이 높고 경제성 확보가 가능한 보급형 생활폐기물 가스화 시스템의 개발 및 적용이 필요하다고 할 수 있다. 생활 폐기물 가스화 기술은 폐기물 내의 탄소 및 수소 성분을 산화제인 공기와 반응시켜 CO 및 H₂가 주성분인 가연성 합성가스를 생산하는 기술로서 폐기물을 환경적으로 안정하게 처리할 수 있으며, 적절한 정제 공정을 통해 사용 목적에 따라 다양한 분야로 재활용이 가능하고 합성가스를 이용한 스팀생산, 고효율 가스엔진 발전 등을 통해 에너지 회수율을 높일 수 있다. 그러나 이와 같은 가스화를 통해 생산된 합성가스를 이용하여 연료로 사용하기 위해서는 합성가스 내 포함된 입자상 및 가스상 오염물질을 적절한 수준으로 정제하여야 하므로 본 연구에서는 가스화 발전시스템 적용을 위해 폐기물 특성과 합성가스 생산특성 주요 인자에 대한 운전 변수를 도출하기 위하여 Pilot급 생활폐기물 가스화 실험 설비를 이용하여 가스화 실험을 수행하였으며 공기가스화 조건에서 합성가스 생산 및 운전특성을 확인하였고 합성가스 생산 품질에 영향을 미치는 중요 인자인 미반응 탄소, 타르와 같은 오염물질 배출 특성을 파악하였다. 실험 결과 합성가스 주요 조성은 CO 5.0 ~ 11.2%, H₂ 5.1 ~ 8.5%, CH₄ 2.5 ~ 3.4%로 가연성 가스가 안정적으로 생산되었으며 정제설비 성능분석을 위해 정제설비 전･후단에서 합성가스 중 오염물질 농도를 분석한 결과 입자상 물질은 모두 제거가 가능하였으며, 가스상 오염물질은 95 ~ 97%의 제거 효율을 나타냄으로써 합성가스 엔진 유입 조건을 만족하는 것으로 나타났다.

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.