Biomass as a renewable energy source has several limitations in terms of the potential for steady supply and its thermal characteristics. This study conducted a thermal weight change analysis and determined its kinetics to address this problem. Sawdust was chosen as the biomass, and PE and PP were the plastics used. Based on the result of thermogravimetric analysis (TGA), the kinetic characteristics were analyzed using Kissinger, Ozawa, and Friedman methods, which are the most common methods used to obtain reaction coefficients and activation energy. The methods used to determine the thermal degradation kinetics were considered feasible for evaluating the pyrolytic behavior of the materials tested. The experimental results of this study provided insights into mixed biomass/plastics pyrolysis kinetics and their optimal operation conditions.

런던협약에 따라 2012년부터 해양투기가 전면 금지 됨에 따라 가축사육과정에서 발생하는 가축분뇨 처리에 있어서 환경적, 경제적인 문제를 보완할 수 있는 효율적 처리기술이 필요하다. 최근 농가당 가축사육 머리수가 증가하고 있어 가축사육수는 급격하게 증가하며, 이로 인해 사육과정에서 발생되는 가축분뇨 발생량은 계속 증가할 전망이다. 가축분뇨는 가축사육 특성에 다라 저장･관리 방법에 따른 뇨와 분을 분리하여 발생하는 액상(Liquid Phase) 및 고상(Soild Phase)으로 구분되며, 분뇨가 세척수와 혼합된 상태로 발생하는 슬러리상(Slurry Phase)으로 구분하여 처리하고 있다. 처리하는 가축분뇨는 수분함량이 높은 경우 퇴비화 시 톱밥등의 수분조절재가 과다로 투입되어 경제성이 낮아지고, 수분함량이 낮은 경우에 액비화시 공정수의 추가 및 희석하는 공정을 별도로 설치해야 되는 경제적인 문제가 발생할 수 있다. 또한 환경공단 악취관리센터 보도자료(2016)에 의하면 2015년도 전국 악취 민원은 15,573건 발생하였으며, 이 중에 농축산시설의 악취민원수가 4,323건(28%)로 높은 비중을 차지하고 있다. 본 연구에서는 가축분뇨를 처리하기위해 환원제로 이용할 경우 실제 SNCR공정에서 상용되고 있는 환원제와 비교하여 NSR비에 따른 NOx의 특성을 알아보고자 하였다.

탄소기반의 유기화합물로 이루어져 있는 바이오매스(Biomass)는 차세대 에너지원으로서의 역할을 기대하고 있으며 풍부한 부존량과 탄소 중립적인 특징을 가지고 있다. 목질계 바이오매스의 구성성분 중 25~35%를 차지하고 있는 리그닌(Lignin)은 복잡하고 거대한 페놀축합물로 이루어져 있는 풍부한 천연 고분자이다. 본 연구에서는 리그닌을 에너지자원으로서 활용을 극대화하기 위하여 회전로상(Rotating bed) 열분해 공정을 구성하였고, 리그닌을 회전로상 열분해 공정에 적용하기 전에 고정층(Fixed bed) 열분해 실험을 실시하였다. 리그닌의 물리･화학적 특성, 열적특성을 분석하였고, 고정층 열분해 공정과 회전로상 열분해 공정을 적용하여 리그닌의 열분해 특성을 분석하였다. 리그닌은 휘발분(volatile matter) 62.9%와 고정탄소(fixed carbon) 32.6%가 주를 이루고 있었으며, 원소분석결과 탄소(C) 62.4%와 산소(O) 30.6%가 주를 이루고 있는 것을 알 수 있었다. 열중량분석(TGA) 결과 리그닌의 중량감소는 500℃의 온도범위 이후 반응이 종료됨을 확인 할 수 있었다. 회전로상 공정에서의 액상생성물은 약32.0%의 생산 수율을 보였으며, 고부가가치 성분인 monomeric phenolics 성분들이 주로 검출되었다. 발열량 측정 결과 약 7,000kcal/kg로 측정 되었고, 시판되고 있는 연료 및 연료보조제와 비교를 통해 연료로서의 수준을 나타내었다. 공정의 특성을 분석하기 위해 컴퓨터 프로그램 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics) 상용 Sofrware인 FLUENT를 사용하였다. 위의 실험과 시뮬레이션을 통해 회전로상 열분해의 액상생성물 특성 분석과 공정의 일반화 가능성을 보고자 하였다.

최근 화석연료의 고갈, 정부의 신재생에너지 보급정책에 맞추어 바이오매스에 대한 관심이 높아지고 있다. 바이오매스 가스화 공정은 대표적인 신재생연료의 하나인 바이오매스를 가스화반응을 통해 합성가스를 생산하는 친환경적, 탄소 중립적 열적처리 공정이다. 그러나 바이오매스만을 단독으로 가스화 하였을 경우 수급성 및 낮은 발열량으로 인해 문제점이 제기 되고 있다. 따라서 본 논문에서는 사회적으로 처리문제, 건강위해성 문제가 되고 있는 고발열량의 폐플라스틱을 함께 Co-gasification 함으로써 이를 보완하고자 하였다. 또한 본 연구에서는 반응이 용이한 톱밥형태의 목질계 바이오매스와 폐플라스틱 중 많은 비중을 차지하는 Polypropylene(PP), Polyethylene(PE)를 이용하여 여러 조건 변수에 따른 가스화반응 특성을 파악하고, 이러한 혼합원료를 에너지원으로 활용하는데 기초자료를 제공하고자 한다. 바이오매스와 폐플라스틱의 혼합원료 가스화 특성을 파악하기 위해 회분식 반응기를 이용하여 실험을 하였으며 실험 변수는 반응온도와 공기비, 시료의 혼합비율이 고려되었고, 촉매로써 활성탄, 돌로마이트, 올리바인을 사용하여 각각의 변화에 따른 최적의 반응조건을 도출하고 합성가스 조성 및 생성물의 분포특성을 비교 분석하였다. 주요 합성가스 생성물은 CO, H2, CH4로 실험결과 바이오매스와 폐플라스틱 혼합시료는 반응온도가 증가할수록 탄소가 부분 산화되어 일산화탄소가 생성되는 반응, 탄소가 완전 산화되는 반응, 그리고 탄소와 수분이 반응하여 일어나는 수성가스 반응 등의 영향으로 조성비가 증가하여 가스의 발열량이 증가하였다. 또한 PP, PE 혼합 시료의 경우 바이오매스 단독 시료의 가스화보다 생성물이 상대적으로 많이 발생되었음을 확인할 수 있었으며, 혼합비율이 증가할수록 액상생성물 및 타르성분, 왁스성분이 증가하여 가스 생성물의 양이 줄어드는 것을 확인하였다. 촉매의 경우 돌로마이트를 사용할 경우 H2의 생성율이 가장 높았고 올리바인 촉매의 경우 돌로마이트나 활성탄에 비해 크게 합성가스 조성에 긍정적인 영향을 미치지 못했다.

폐기물을 이용한 자원화 또는 재생 가능한 원료를 활용한 기술로 기존 원료비용을 절감하고 폐기물처리에 대한 환경영향을 줄이기 위한 방안이 필요하다. 그러나 국내에서 바이오매스를 이용한 에너지원 개발은 낮은 발열량의 문제 및 공급측면에서 한계를 가지고 있어, 바이오매스와 폐기물 혼합원료에 대한 연구가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 바이오매스와 폐플라스틱의 혼합원료(라디에타 소나무, 폴리프로필렌)의 동역학적 분해 특성을 비교분석하여 혼합가스화 등의 에너지원 개발에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다. 바이오매스(Sawdust), 폐플라스틱(폴리프로필렌) 단일시료 및 각각 1:1로 혼합한 시료에 대하여 Model- free Methods를 이용한 동역학적 특성을 파악하였다. 미분법인 Kissinger Method와 Friedman Method 적분법인 Ozawa Method를 통해 각기 다른 조건의 시료들의 활성화 에너지를 비교하였으며, air를 분위기 가스로 사용하고 승온속도가 20, 30, 40℃/min 일 때 각각 무게 감량이 최대가 되는 온도를 파악하여 분석의 기초자료로 사용하였다. 각각 시료의 활성화 에너지를 Kissinger Method를 이용하여 분석한 결과 톱밥의 경우 46.79kJ/mol으로 낮은 활성화 에너지를 나타냈으며 PP의 경우 75.67kJ/mol로 나타났고, 톱밥과 PP를 각각 1:1비율로 혼합하여 분석한 경우 58.83kJ/mol의 활성화 에너지가 산출되었다. Friedman Method를 이용하여 분석한 결과 톱밥의 경우 평균 29.19kJ/mol의 활성화 에너지를 나타냈으며 PP의 경우 평균값은 72.65kJ/mol 으로 나타났다. 혼합시료의 경우 평균 64.10kJ/mol의 값을 도출해낼 수 있었다. 마지막으로 적분법인 Ozawa Method로 분석한 결과 톱밥의 경우 평균 34.86kJ/mol 의 값을 나타냈으며 PP 단독시료의 경우 평균 69.53kJ/mol로 나타났고 혼합시료의 경우 평균 57.67kJ/mol로 활성화 에너지를 나타냈다. 각각 활성화 에너지를 산출하는 방법에 따라 값의 경향은 비슷하게 나타났으며 혼합한 시료에 대한 활성화가 단일 시료의 활성화 에너지보다 낮은 경향으로 나타났다. 이는 혼합한 시료에 대한 열적 분해시 필요한 에너지가 폐플라스틱의 단독 열적 분해시 보다 적은에너지가 필요하다고 판단되다.

기체연료를 사용하는 중대형 보일러 및 청정연료인 LNG를 사용하는 복합화력발전소에서 비정기적, 비연속적으로 입자상 오염물질이 상당량 배출되고 있다. 하지만 국내 환경오염 방지법규에서는 구체적인 배출제한 등의 규제가 없으며 문제의 심각성을 인지하지 못하고 있다. 입자상물질의 배출원인은 배열회수보일러 내부의 모듈, Pin tube 및 각종 철골 구조물들이 배기가스에 의한 열팽창 및 부식 등으로 인해 탈리되어 진다. 화력발전소의 경우 연료 중 황산화물 및 산가스에 의한 침식, 장기간 고온 노출에 의한 부식이 이루어지며, 특히 계획예방 정비 기간이 길어질수록 배출되는 철산화물의 양이 많아짐으로서 인근 지역의 피해가 커지고 있다. 그러나 실질적인 배출원 조사 및 주변 환경에 대한 영향평가, 적용 가능한 기술개발의 시도가 현재까지 전무한 실정이다. 현재, 계획예방 정비시 Air blowing, CO2 blasting을 통하여 일부 제거하고 있으나, 대부분의 입자상물질은 복합화력발전시설 인근의 건물과 도로에 낙진하여 지역주민의 건강과 재산상 피해를 주어 민원을 유발시키고 있다. 따라서 천연가스를 연료로 하는 복합화력 가스터빈의 계획예방 정비 후 첫 기동시(0~100% Load) 배출되는 입자상물질에 대한 기초조사를 실시하여 그 실태를 파악해 보고자 하였다. ‘A’ 복합화력발전소의 가스터빈을 대상으로 약 60일간의 계획예방 정비가 끝난 후 기동 시 3일 동안 연돌로 배출되는 먼지를 측정하였다. 그 결과 먼지의 배출량은 배기가스 배출가스량이 가장 많은 시점인 Base load에서 약 70~1,065mg/Sm³으로 가장 높았고, 이후 재 가동시에는 0.7~5.3mg/Sm³으로 미량 배출되었다. 또한 배열 회수보일러 내부에서 시료를 채취하여 체분석 및 EDX,　SEM 분석을 통해 입자상오염물질의 입경범위, 성분, 입자모양를 분석하였다. 분석결과 0~1,000μm 분포범위에서 1μm 이하 범위의 먼지는 10% 이하이며, 대부분의 먼지는 약 1~10μm 이상의 먼지가 차지하는 것으로 나타났다. 또한 먼지의 90% 이상이 Fe, O이었으며, 이를 통해 입자상의 오염물질이 철산화물인 것을 알 수 있었고 일부분 배출먼지에 황산화물이 검출되기도 하였다. SEM 분석결과 입자의 표면이 거칠고 모양과 크기가 모두 다양하였으며, 서로 다른 미세입자가 응집되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

폐기물들을 통해 자원화 및 재생 가능한 원료를 활용하여 원료비용 및 처리에 따른 비용절감을 통해 폐기물 축적에 대한 환경영향을 줄이기 위한 방안을 모색할 필요가 있다. 그러나 현재 바이오매스 및 폐기물 각각의 원료에 대한 가스화 연구는 많이 수행되고 있으나 혼합원료에 대한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 바이오매스와 폐플라스틱을 혼합한 신연료(라디에타 소나무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌)를 이용한 촉매･혼합가스화를 통해 에너지원으로 활용하는 데 기초자료를 제공하고자 한다. 바이오매스와 폐플라스틱의 촉매･혼합가스화 특성을 살펴보기 위해 배치반응기를 이용하여 실험을 수행하였다. 반응온도는 700~900℃, 공기비는 0.2, 바이오매스에 대한 플라스틱의 혼합비는 20%, 40%로 하였고, 활성탄, 돌로마이트, 올리빈 촉매를 이용하여 최적의 반응조건을 도출하였다. 실험결과 바이오매스와 폐 폴리프로필렌 혼합시료는 반응온도가 증가할수록 Boudouard reaction, Water gas reaction 등의 영향으로 H2, CO, CH4 등의 조성비가 증가하여 가스의 발열량이 증가하였다. 촉매를 이용한 가스화반응에서는 돌로마이트를 사용할 경우 H2 생성율(34.03~35.58%)이 가장 높았고, 그 외 CO 26.70~27.52%, C2H2 0.29~0.34% C2H4 7.85~11.56%가 생성되었다. 활성탄 역시 H2생성에 영향을 주었으나 다양한 크기의 세공들을 이용하여 흡착을 통한 촉매역할을 하는 활성탄보다 돌로마이트의 CaO, MgO가 Carbon formation reaction을 활발하게 진행시켜 고분자 물질들이 촉매분해를 통해 H2생성이 활발하게 진행된 것으로 사료된다. 올리빈의 경우 돌로마이트나 활성탄에 비해 크게 합성가스 조성의 긍정적인 역할을 하지 못하였다.

본 연구는 3개소의 소형 고형연료 사용시설의 대기 배출특성을 분석하였다. 고형연료 사용시설은 RPF 사용 시설과 RDF 사용시설로 구분하였으며, 고형연료 품질특성, 입자상물질 배출특성, 가스상물질 배출특성, 다이옥신 배출특성 및 대기오염물질 배출 상관성분석, 배출원단위 특성을 바탕으로 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 고형연료제품의 RPF제품의 30개 시료의 발열량은 6,004kcal/kg ~ 10,153kcal/kg의 큰 편차를 보이며, 평균 7,846kcal/kg으로 조사되었다. RDF제품의 경우 11개 시료에서 3,065kcal/kg ~ 5,694kcal/kg으로 평균 4,526kcal/kg으로 조사되어, 연소조건의 안정을 위해서는 제품생산의 균질화가 필요한 것을 확인할 수 있으며, 대상시설 반입연료의 품질기준은 만족하나 3개시설 반입고형연료제품 발열량 변화폭이 큰 것으로 확인 되어 고형연료(SRF)를 통합할 경우 연소조건 및 대기오염물질 배출 변동 폭은 더 클 것으로 예상된다. 2. 주요 대기오염물질 배출특성을 살펴본 결과, 입자상물질의 경우 발생되는 양이 방지시설 전단 RPF의 A시설 423.61mg/Sm³, B시설 1223.18mg/Sm³, RDF의 C시설 973.4mg/Sm³ 이며, 보일러 출구 온도의 경우 온도가 높을수록 영향을 크게 받는 것을 확인할 수 있었으며, 온도제어가 오염물질 발생량을 줄일수 있는 방안으로 사료되었다. 가스상 물질의 경우 염화수소와 황산화물 농도가 다른 가스상 물질보다 높은 배출경향을 보이며, 특히 RPF사용시설이 RDF사용시설보다 높은 배출농도 특성을 보이는 것으로 확인되었다. 이는 발열량에 기인한 발생가스량과 밀접한 관계를 시사하며, 완전연소가 되도록 온도, 체류시간, 난류, 산소농도(T.T.T.O)가 조절되어야 하나 소형고형연료사용시설의 운전원이 전문적인 관리자가 아니기 때문에 일시에 다량투입 하는 등 불완전연소를 초래하여 일산화탄소 농도가 주기적으로 높게 배출되는 경향을 나타내고 있다. 3. 배출원단위 특성 검토 결과, 먼지를 제외한 황산화물, 질소산화물, 염화수소의 배출원단위가 국내 종규모 산정 적용 배출원단위 보다 높은 값을 보여 유지관리기준 마련에 세밀한 검토가 필요할 것으로 보인다. 주요 대기오염물질 배출 상관성특성 분석 결과, 대기오염물질 사이의 낮은 상관성을 보이는 것으로 나타났다.