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.

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.

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.

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.

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.

석유화학원료의 공급 불안정 및 기후환경변화 대처가 절실한 상황으로 최근 신재생에너지 분야에 관한 관심이 증대 되고 있다. 더불어 2012년부터 발효된 RPS(Renewable Portfolio Standard) 규제에 따라 국내 발전사들의 신재생에너지원으로 부터의 전기 생산 의무가 본격화되고 있다. 특히 폐자원 및 폐바이오매스를 이용한 에너지 생산 분야는 원료의 안정적인 공급 가능성과 기존 처리 방법의 제한적 이용으로 열화학적 전환 기술을 이용한 에너지 생산기술이 각광받고 있다. 대표적인 열화학적 전환 기술들 중 열분해 기술은 폐바이오매스에 적용을 통하여 기존 석탄 에너지 전환 시설의 대체 자원으로의 이용이 가능하며, 원료의 수급성 측면 및 다양한 원료 특성에 대응하기 위해 반탄화(Torrefaction) 기술이 제시되고 있다. 반탄화 기술은 폐바이오매스를 에너지원으로 적극 활용하기 위한 전처리 공정으로, 무산소 조건에서 낮은 온도영역인 200~300℃에서 가열하여 원료 내 함유된 휘발분 및 수분 제거를 통해 연료로 전환된다. 생성된 반탄화물은 소수성 및 낮은 함수율에 따라 운송성이 확대되며, 고정탄소 성분의 증가로 인한 높은 에너지밀도로, 석탄과 유사한 특성을 지니게 된다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 발생되는 폐바이오매스의 에너지원으로의 적용성 평가를 위해 농산물에서 주로 발생되는 왕겨 및 볏짚을 이용한 반탄화 반응 특성을 분석하였다. 반탄화물은 특정 반응시간에서의 반응 온도에 따라 생성하였으며, 에너지수율 및 질량 수율을 고려한 최적의 반탄화 조건을 모색하였다. 본 실험 결과 왕겨 및 볏짚을 이용한 최적의 탄화물 생산조건은 반응 온도 250~300℃ 및 반응 시간 20~30분 경우로 나타났으나, 각각의 탄화물 수율 및 발열량의 차이가 확연하게 나타났다. 왕겨의 경우 약 73.5%의 탄화물 수율 및 약 4,320.0 kcal/kg의 탄화물 발열량이 분석되었으나, 볏짚의 경우의 탄화물의 수율 및 발열량은 각각 68.2% 및 약 4,547.7 kcal/kg으로 나타났다. 이러한 탄화물 생산 특성의 차이는 바이오매스 원료의 Lignocellulose 특성과 주로 관련된 것으로 예상되고 있으며, 이러한 연구 결과를 통해 폐바이오매스의 석탄발전 설비에서의 혼합 연소 방식으로 적용될 것으로 기대 된다.

버섯 재배는 자동화된 공장처럼 관리되고 있다. 배지를 만들어 서 수확하는 1배치의 생명 주기가 2개월 안에 종료되며, 이러한 배 지를 만드는 작업이 보통 1일 2회 내지 3회 정도 농가별로 진행하고 있어서 3회 기준으로 볼 때 1년에 1,095(3배치 * 365일)배치를 반 복하는 것이다. 즉 1,095 배치에 대하여 각 배치당 생산량의 차이에 대한 원인을 분석하고, 많은 생산량을 가진 배치의 생장 환경을 기 준으로 하여 다른 배치의 생장 환경을 조정한다면 생산량의 확대를 가져올 것이다. 이러한 개념에 기반을 두어 진행한 것이 본 연구이 며 시스템 구축 사업을 통하여 개념을 실현하였다. 버섯 생장 환경 수집 대상은 온도, 습도, CO2 뿐만 아니라, 배지의 습도, 오염 정도 등이 있으며 수집 방법으로는 일부는 설치된 센서를 통하여 자동으 로, 일부는 작업일지를 통하여 수동(예를 들어, 오염 정도, 폐기량 등)으로 이루어진다. 수집된 데이터는 누적되어 보관되고 있으며, 결과적으로 볼 때 즉 최대 생산량을 가진 배치의 과거 수집된 생장 환경 정보를 분석하는 것이다. 분석 데이터의 보편성을 위하여 약 60회(임의로 설정) 이상의 배치를 분석하여 최종 판단하는 것이고 적합하다고 판단하였으며, 이를 기반으로 자동으로 자동 분석 정보 가 도출되며, 이를 기반으로 수동으로 담당 전문가(버섯 연구소 담 당자)가 분석한 결과에 최종 의견을 넣은 보고서를 작성하여 해당 농가에 제공하는 것(버섯생장분석시스템)으로 구성하였다. 이와 같은 시스템의 적용은 본 연구에서는 느타리와 새송이에 적용하였 지만 모든 버섯 생산에 적용할 수 있을 것이다.

GLOBALG.A.P는 FV 기준 총 234개의 체크리스트를 가진 표준 체계이다. 많은 항목에 대한 체계적 관리를 위하여 단체 또는 농가가 쉽게 접근할 수 있는 방법으로 체크리스트가 재 구성되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 관점에서 GLOBALG.A.P의 기준을 Fig. 4처럼 5개의 상위 수준 그룹과 각각에 대한 하위 그룹으로 재조정하였다. 이는 체크리스트를 궁극적으로 사용하는 기관의 관점으로 재조정한 모델인 것으로 다음과 같은 구조로 구성된다 : 기관관리(6개 하위 그룹), 농가관리(5개 하위 그룹), 분석평가(4개 하위 그룹), 생산관리(6개 하위 그룹), 유통관리(5개 하위 그룹). 또한 3종의 외부 연계 시스템과 연계되어 운영될 수 있게 하였으며, 농가나 단체가 본 시스템에서 요구하는 기준으로 등록을 한다면 GLOBAL G.A.P의 체크리스트를 전부 만족할 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 각 항목 내용에 대한 진실성은 본 시스템에서 관여하지 않는다. 개발하는 시스템으로 아직 본 시스템을 통하여 실제적으로 인증 받은 기관은 현재 없지만 시스템의 안정성과 활용성, 그리고 미비사항을 보완하기 위하여 제주하귀농업협동조합(감귤, 고문남 농가와 조매선 농가)과 경남 가야농업협동조합(파프리카, 전명권 농가, 영남영농조합법인 농가) 등 2개 단체에 대하여 테스트베드를 운영하였다. 현재 FV 기준으로 마련된 본 시스템은 타 작물로 확대되어야 하며, 장기적으로 모든 농가와 단체에서 사용하여 농가나 단체가 별도의 문서 관리 없이 본 시스템으로 대처하여 쉽게 인증 관리를 할 수 있을 것을 기대한다.