화석에너지 부존자원이 부족하여 대부분의 연료를 외국에서 수입하는 우리나라는 안정적인 대체 에너지원확보를 위하여 신재생에너지 개발에 박차를 가하여 왔다. 그러나 신재생에너지 중 약 65%가 폐기물에너지로 높은 비중을 차지하고 있고 증가율이 높다. 폐기물 고형연료(SRF)는 재생에너지로 구분되어 생산량과 사용량이 증가하고 있지만 일부 사업장 폐기물을 주로 연소하는 사업장에서 공해물질 대량 배출과 악취 등의 문제로 인해 운전이 중지되거나 갈등이 발생하고 있다. 따라서 고발열량의 사업장 폐기물 기반의 고형연료 연소장치에 대한 저공해 연소기술 개발이 절실하다. 본 연구는 전산유체역학(CFD)을 이용하여 SRF을 연료로 사용하여 중온․중압 스팀으로 발전하는 화격자형 보일러의 2차 공기 주입각도와 공기비 변화에 따른 연소실내 유동흐름, 온도분포, 화염형성의 가시화를 통해 연소로 내 유동현상을 예측하고 최적의 연소조건을 유지할 수 있는 보일러를 설계 및 제작하는데 기초자료로 반영하고 그 유용성을 확인하고자 한다.

국내 전력난 해소 및 다양한 에너지공급 및 저장기술 포트폴리오를 구성하기 위해서는 차세대 에너지저장기술 개발이 필요하며, 기존의 화석연료를 사용하지 않고 전기-에너지원을 다양화 할 수 있는 기술 개발이 필요하다. 또한 다양한 신재생에너지원을 융합한 열 및 전기 생산 기술과 이를 이용하여 수소 생산 후 필요시 전기로 재공급할 수 있는 미래형 에너지저장 기술의 기저 에너지원으로 폐기물 자원을 활용할 신기술이 필요하다. 기존의 생활폐기물과 일부 가연성 산업폐기물을 소각하여 얻은 스팀은 대부분 180~250℃, 7~20bar로 발전효율이 10% 내외로 경제적으로 활용하는데 어려움이 있어 최근에서는 SRF 연소보일러를 개발하여 400℃, 40 bar 스팀을 생산하여 발전효율을 향상하는 연구가 수행되고 있다. 이와 같이 낮은 온도의 스팀은 소각로에서 생산한 후 2차적인 승온장치를 이용하여 초고온인 700℃ 이상의 스팀을 생산하여 양방향 수전해장치에서 수소-전기전환이 가능한 스팀으로 사용하고자 한다. 따라서 본 연구에서는 소각로에서 생산한 낮은 온도, 압력의 스팀을 초고온으로 승온할 수 있는 연소장치를 설계 및 제작하여 실험하고자 한다.

가열한 기름 속에서 비등에 의해 수분이 기화하는 유중증발 건조기술은 에너지 소비량이 약 680 kcal/kg-물로 다른 직･간접 접촉에 의한 건조기술과 비교하여 낮고 건조시간도 10분 정도이다. 그러나 건조물질의 높은 발열량이 건조한 물질에 기름 함유율이 25 % 정도인 것이 단점으로 지적되어 보급에 어려움을 겪고 있다. 한편 중금속이 포함된 산업폐수 슬러지는 건조 후 고형연료로 사용시 중금속 배출로 인한 공해문제를 유발하므로 현재는 친환경적인 처리가 어려운 실정이다. 현재까지 알려진 가장 친환경적인 중금속 함유 폐수슬러지 처리는 용융기술이나 다량의 에너지를 소비해야 한다. 따라서 유중건조 기술과 용융기술을 융합하면 각 기술의 단점이 상호 보완되어 시너지 효과를 극대화 할 수 있다. 하수슬러지, 축분 등은 협기성 소화와 더불어 건조 후 고형연료로 활용할 수 있는 다양한 처리방안이 마련되었으나, 산업폐수슬러지는 발생량이 하수슬러지 보다 많고, 특히 일부 폐수슬러지에는 다량의 중금속이 포함되어 있으나, 육상처리 기술은 하수슬러지와 유사하게 함수율을 줄인 후 매립이 허용되어 장기적으로 토양 및 지하수 오염이 우려된다. 본 연구는 용융로에서 유중증발 건조기술로 건조한 중금속을 함유한 고발열량의 폐수슬러지를 일부 보조연료를 활용하여 1,500 ℃ 정도 고온 열분해 용융로에서 용융 슬래그로 배출하여 유리화함으로써 중금속 성분 용출을 방지하고 폐열은 후단의 보일러에서 회수하여 폐수슬러지 건조용 열원으로 이용할 수 있는 기술이다. 실험결과 용융슬래그의 중금속 용출은 골재기준에 모두 만족하였고 폐열 회수도 효과적으로 할 수 있었다.

본 연구에서는 연료, 공기, 냉매, 수증기가 3중관으로 동시에 공급되는 버너를 개발하였다. 냉매 및 수증기가 화염을 방해하지 않으면서 고온 영역에서의 체류시간을 최대한 길게 유지할 수 있는 위치에서 공급하면, 폐 HFCs와 같이 안정된 물질을 고온에서 빠르게 파괴하여 보조연료 소비를 최소화 할 수 있다. 또한 폐HFCs 파괴에 필요한 수증기를 정량 공급하기 위하여 수증기 공급장치를 설치하여 수증기를 버너 팁과 소각로 몸체에 직접 공급하였다. 본 연구에서는 폐HFCs 전용 소각을 위한 소각로에서 폐HFCs 및 수증기 공급위치와 방법을 변경하면서 파괴실험을 수행하였다. 다양한 변수로 실험하여 소각장치 내부 온도측정 및 배기가스 농도측정, 폐HFCs 분해실험을 수행하였다.

범정부적으로 2016년부터 유기성 폐수슬러지 해양배출이 전면 금지되고 육상처리를 권장하고 있어 주로 산업체에서 배출하는 폐수슬러지 육상처리 비용이 지속적으로 증가할 것으로 예상되며 따라서 슬러지 처리의 어려움으로 산업체의 경쟁력을 저하할 것으로 예상된다. 산업폐수 및 일부 하수슬러지에는 다양한 중금속과 미생물 분해가 어려운 유기물이 다량 포함되어 있어 기존 기술로 처리가 곤란한 실정이다. 육상처리 기술 중에서 비용이 저렴한 방법은 주로 매립에 준하는 것이므로 슬러지에 포함된 유기물에 의해 지구온난화지수(GWP)가 이산화탄소보다 21배 높은 메탄을 다량 배출하고 있으며, 중금속에 의한 지하수와 토양 오염이 우려된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 중금속 함유 산업슬러지를 건조 후 용융로에서 보조연료와 열분해 가스로 1,500℃이상의 고온 화염을 형성하여 폐수슬러지에 포함된 회분과 중금속을 용융 슬래그로 배출․유리화함으로써 분진 발생 감소와 회분에 포함된 중금속성분의 용출을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 건조 폐수슬러지를 용융하기 위하여 용융로 및 2차버너를 제작하여 용융실험을 수행하였으며, 열 회수 장치를 설치하여 열 회수 실험 또한 수행하였다.

Since 1987, the use of CFCs and HCFCs in various fields such as refrigerant of a refrigerator and a vehicle, a propellant for a spray, and a urethane foaming agent has been prohibited by Montreal protocol related to ozone depletion materials. Instead of the CFCs having a high ozone depletion potential (ODP), HFC-based refrigerants without a chlorine content were developed but determined as global warming materials. Therefore, to reduce greenhouse gas such as HFCs, including CFCs and HCFCs, having a global warming potential (GWP) of 150 or more, which is abandoned from the existing apparatus, it is required to develop a new eco-friendly, economic, and stable treatment technology. When the auxiliary fuel LPG was used at a flow of 1.0 kg/h with an air ratio of 1.1, the average temperature at the vertical section in the combustion chamber was 1,300 K, which is sufficient to destroy waste HFCs. In the waste refrigerant destruction test, the destruction ratio of waste HFCs was 100% when waste HFCs were injected at a flow of 2.8 kg/h.

하수슬러지의 해양배출은 2005년 77%, 2009년 47%, 2013년 14%로 점점 감소했으며, 유기성 슬러지의 직매립 금지, 런던협약에 의한 2012년부터 하수처리 슬러지의 해양투기가 전면 금지됨에 따라 전면적으로 육상처리를 위해 공공처리시설 및 민간위탁 시설에서 재활용 및 소각 등으로 대응하고 있으나 처리에 한계가 있다. 에너지 가격 상승에 따라 슬러지 처리비용이 지속적으로 상승하고 있어 설치･운영비 절감을 위해서는 육상처리 시설의 조속한 확충과 더불어 발생원에서 슬러지 감량화, 슬러지 처리 신기술개발이 필요하다. 이를 대체 할 처리 방법으로 우리나라와 중국 등에서 건조연료화 기술이 개발되어 적용하고 있다. 본 연구에서는 각종 사업장 폐수처리시설에서 다양하게 배출되는 폐수슬러지의 적정처리 및 재이용을 위하여 유중증발 건조기술을 이용하여 슬러지를 처리한 후 건조 전･후의 공업분석, 원소분석, 중금속분석, 발열량 측정을 하고 반응시간, 반응온도와 같은 건조조건에 따른 슬러지의 함수율 변화를 측정하여 각 조건에 따른 특성을 분석하여 유중증발 건조기술에 의한 폐수슬러지의 안정적이고 효율적인 처리 방법을 고찰하고 각종 산업단지에서 배출되는 폐수슬러지 성분에 포함된 다량의 중금속 등을 처리, 처분 시 용출량을 최소한으로 줄이고, 처리된 용융 부산물의 품위에 따라서 재이용, 재활용을 하기 위해서 용융실험을 수행하여 폐수슬러지를 친환경적이고 경제적으로 활용할 수 있는 기술을 개발하고자 한다.

Hydrofluorocarbons (HFCs) emerged as alternative refrigerants after chloro fluorocarbons (CFCs) and hydro-chloro fluorocarbons (HCFCs) were identified as substances requiring control by the Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer. However, because the Kyoto Protocol considered HFCs as greenhouse gases, and their impact on climate change has been increasing, major developed countries have been strengthening the existing level of regulations related to the use of HFCs as refrigerants. In addition, South Korea has also passed various legislations relating to refrigerant management, in the form of policies such as the Wastes Control Act, the Act on Control etc. of the Manufacture of Specific Substances for the Protection of the Ozone Layer, the Clean Air Conservation Act, and the Act on Resource Circulation of Electrical and Electronic Equipment and Vehicles. However, reports indicate that these regulations have not been followed effectively due to the lack of a specific system relating to the phased management of production, use, and disposal of refrigerant materials. In order to identify and solve the problems relating to refrigerant management in South Korea, this study investigates the current state of refrigerant management in three separate phases: production, use, and disposal of refrigerants. Outstanding refrigerant management policies are also analyzed, using those enacted in the EU, United States, and Japan as examples, and these are then compared to regulations in Korea.

To carry out the Montreal Protocol, South Korea has completely prohibited the use of CFC which is a main refrigerant since 2010, and the use of HCFC is planned to be prohibited from 2040. Therefore, it is expected that dependency on HFC as an alternate substance of HCFC will be increased. Since HFC which is one of main substances causing global warming phenomenon may have a harmful influence on climate change, legal and institutional measures for totally managing HCFC and HFC are required. Therefore, in this study, the refrigerant management systems in EU, USA and Japan have been considered in three aspects, such as the legal system for refrigerant management, the management and regulation limits for products using refrigerant, and the reduction policies and trends, centering on HCFC and HFC which are international regulation and reduction objects. EU environmental law regulates over the entire process for ozone depletion substances, such as production, import, export, use, market release, recovery, landfill and decomposition thereof. The united states regulates forming agents, labeling agents or the like, pursuant to Article 608 of the Federal Clean Air Act (air conditioning and automobiles), and in the case of the state of California, PFC and SF6 including HFC are defined as high GWP, and separately classified and managed. Unlike EU and USA, Japan is characterized by applying the Freon recovery and decomposition law for totally managing the Freon-based gas such as CFC, HCFC and HFC, and regulations on the refrigerant recovery and decomposition for each product are also specified in separate law related to the recovery of End-Of-Life (EOL) home appliances and vehicles.

2012년 현재 우리나라 냉매 사용현황은 프레온류(CFCs, HCFCs, HFCs)는 연간 약 23,000톤으로 추정되며 HFCs 사용량은 1만 톤(R134a, 410a), CFCs, HCFCs 사용량은 1.3만 톤이다. 산업 분야별로는 자동차용이 4,000톤(R134a), 가정용･상업용이 7,000톤(R410a, R600), 산업용이 3,000톤(R22, R123, R134, NH3)이며 나머지 9천톤은 기타 유지보수용으로 사용되고 있으며, 이중 HFCs는 거의 대부분 자동차용 냉매로 사용되고 있다. 본 연구는 3단으로 구성된 연소장치에 배가스 재순환 기술과 2중관 선회식 연소공기 공급기술을 개발하고자 한다. 폐냉매 전용 소각을 위한 연소장치의 최적 설계를 위한 수치해석적 방법을 이용하여 설계인자를 도출하고 모델 연소로 성능 실험을 수행하고자 한다. Fig. 1에 2중관 선회식 연소장치 개발을 위한 수치해석용 연소장치와 연료로 사용한 메탄 연소반응 후 온도장을 나타내었다. 연소용 공기 주입은 연소장치 하단에서 주입되는 1차공기와 측면에서 공급되는 2차 공기로 구분되며, 2차 공기는 다시 주입위치에 따라 1단, 2단, 3단으로 구분된다. 2차 공기는 2중관 외부에서 예열되어 강력한 선회 유동으로 연소실 내부 각 단 상부에서 하부로 내부면을 선회하면서 공급된다.

In this study, an accelerated carbonation process was applied to stabilize hazardous heavy metals of industrial solid waste incineration (ISWI) bottom ash and fly ash, and to reduce CO2 emissions. The most commonly used method to stabilize heavy metals is accelerated carbonation using a high water-to-solid ratio including oxidation and carbonation reactions as well as neutralization of the pH, dissolution, and precipitation and sorption. This process has been recognized as having a significant effect on the leaching of heavy metals in alkaline materials such as ISWI ash. The accelerated carbonation process with CO2 absorption was investigated to confirm the leaching behavior of heavy metals contained in ISWI ash including fly and bottom ash. Only the temperature of the chamber at atmospheric pressure was varied and the CO2 concentration was kept constant at 99% while the water-to-solid ratio (L/S) was set at 0.3 and 3.0 dm3/kg. In the result, the concentration of leached heavy metals and pH value decreased with increasing carbonation reaction time whereas the bottom ash showed no effect. The mechanism of heavy metal stabilization is supported by two findings during the carbonation reaction. First, the carbonation reaction is sufficient to decrease the pH and to form an insoluble heavy metal-material that contributes to a reduction of the leaching. Second, the adsorbent compound in the bottom ash controls the leaching of heavy metals; the calcite formed by the carbonation reaction has high affinity of heavy metals. In addition, approximately 5 kg/ton and 27 kg/ton CO2 were sequestrated in ISWI bottom ash and fly ash after the carbonation reaction, respectively.

2011년 고함수 슬러지 발생량을 보면 폐수슬러지가 년간 306만톤, 하수슬러지가 230만톤 배출된다. 정부는 런던협약 준수와 해양 생태계 보호를 위해 2012년부터 유기성 하수슬러지, 2013년 음식폐기물과 축산분뇨 해양배출을 전면 금지하였고, 2014년부터는 유기성 폐수슬러지도 해양배출이 금지될 예정이다. 폐수슬러지와 하수슬러지는 80% 이상이 수분인 고함수 슬러지이다. 따라서 본격적인 처리에 앞서 이를 건조시키는 기술이 매우 중요하다. 유중건조기술은 고함수 슬러지에서 짧은 시간에 많은 양의 수분을 증발시키는 건조기술이다. 유중 건조된 슬러지는 창고에 적재하거나 장거리 이동시 수송기관에 적재한다. 이때 가장 문제가 되는 것은 자연발화현상이다. 실제로 자연발화 현상은 석탄 야적장에서 종종 관찰되는 현상이다. 유중건조 기술에 의해 건조 된 슬러지의 자연발화 실험결과를 Fig. 1에 나타내었다. 현재 국내외적으로 자연발화에 관한 구체적인 실험방법이 정해져있지 않기 때문에 각 연구기관에서 비공식적인 방법으로 자연발화 현상을 관찰하고 있다. 본 연구에서의 자연발화 실험은 측정하고자 하는 시료를 같은 크기로 분쇄하여 금속관에 투입 후 오븐에 수직으로 장착한 후 오븐의 온도를 일정하게 상승시키면서 시료가 채워진 금속관에 공기 및 질소를 주입하여 자연발화 현상을 관찰하는 방법이다. 슬러지 시료는 기름을 분리한 것과 분리하지 않은 것 2종류이다. 2종류 모두 오븐 온도보다 낮게 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서 시료의 온도가 200 ℃ 이내로 유지된다면 자연발화 현상이 일어나지 않는다.

2012년 RPS 제도 시행으로 현재 다양한 신재생에너지의 개발과 바이오매스 탄화 연구가 진행되고 있다. 그러나 혼소에 있어 바이오매스 부산물의 탄화(반탄화)물은 환경･경제성 분석을 통한 바이오매스 연료로써 활용 가능성 규명의 연구 및 분석자료 확보가 필요하나 다양한 바이오매스 원료에 대한 특성분석이 이루어지지 않아 이에 어려움을 겪고 있다. 따라서 탄화물에 대한 고형연료 가능성으로써 사용 가능한 탄화물의 연료범위, 분석방법, 환경･경제성, 정책적 타당성 등 전반적인 검토가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 목재류(국내) 및 농업부산물(국외) 등의 바이오매스를 탄화(반탄화) 공정을 통해 탄화물 연료로 만든 다음 공업분석, 원소분석, 함수율, 발열량, 비중, 회융점, 회성분 분석 및 중금속 분석을 실시하였다고 이를 통해 바이오매스 원료와 탄화물 고형연료의 특성을 파악하여 연소 특성과 설비영향을 예측하여 석탄화력 혼소연료 품질 기준을 마련하고자 하였다. 아래의 실험은 시료의 건조 후 5 ~ 15mm로 분쇄하여 체류시간 및 온도를 설정 후 반탄화 실험을 진행하여 탄화시간에 따른 온도별 EFB(Empty Fruit Bunches) & PKS(Palm Kernel Shells)의 발열량과 에너지 수율의 분석결과를 Fig. 1, Fig. 2에 나타내었다.