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.

선택적 촉매환원법(Selective Catalytic Reduction, SCR)에서는 V2O5 주로 계열 촉매가 주로 상용되어 있으며 높은 NOX 저감효율의 장점을 지님에도 불구하고 300~400℃의 좁은 활성범위를 가지고 있는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 최근 저온 SCR촉매에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 대표적인 카본류 중에서 비교적 가격이 저렴한 산업 및 농업 부산물을 열분해시켜 형성된 바이오매스 Char를 촉매로 활용하는 방안에 관한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 연소공정에서 주로 발생되는 대기오염물질 중 대표적인 물질인 질소산화물(NOX)의 SCR공정에서 반응특성을 고찰하기 위해 Lab-scale 규모의 실험 장치를 구현하였다. 실험에 사용된 음식물 열분해-Char는 600℃ 4시간동안 열분해 후 SCR공정에서 촉매로 활용하여 전이금속담지유무, 온도, 수분유무 등의 실험 조건을 변화시켜 NOX를 효율적으로 처리할 수 있는 조건을 도출하였다. 대상시료의 물리․화학적 특성을 파악하기 위해 공업분석, 원소분석을 수행하였으며, 제조한 촉매의 특성은 질소 흡․탈착법, SEM, ICP, EDX 등을 이용하여 분석하였다. 실험에 사용된 Char의 비표면적은 400 m²/g 이상으로 활성화 전 비표면적보다 100배 이상 증가함을 나타냈다. 실험결과에 따라 전이금속인 Cu를 담지하였을 경우, 담지하지 않은 경우보다 높은 저감효율을 나타냈다. NO의 저감효율은 최고 효율을 보이는 350~400℃ 부근의 영역에서 60% 이상의 저감효율을 보였고 그 이후부터 온도가 증가할수록 감소되는 경향을 나타냈다. 수분을 투입하였을 경우 모든 온도 영역에서 NO 저감효율에 악영향을 미치는 것으로 확인되었으며, 최적 효율대비 약 20%의 차이를 나타내었다. 이는 수분과 NH3와의 경장흡착으로 인해 촉매표면에 NO와 반응에 필요한 NH3의 흡착종이 부족하므로 촉매 표면의 활성저하를 일으키기 때문으로 사료된다.

정부의 국가 중기 온실가스 감축목표를 대내외적으로 공표함에 따라 온실가스 감축에 대한 필요성이 절실해져 온실가스 감축을 위한 기술개발이 활발하지만, 정확한 Non-CO2 온실가스 배출량 파악이 어렵고 감축기술에 대한 조사가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 감축기술 적용이 가능한 Non-CO2(N2O) 온실가스 배출원을 파악하고 예상 감축량을 마련하는데 그 목적을 두었다. N2O는 대부분 경제 산업활동의 인위적 요소로 인해 발생하며 1970년 산업혁명 이후 꾸준히 증가하는 추세이다. N2O는 연료 연소(고정연소, 이동연소), 산업공정(질산 제조, 아디프산 제조 및 카프로락탐 제조), 폐기물소각공정에서 주로 발생되고 있다. N2O 온실가스 배출량은 IPCC 가이드라인의 기본 배출계수를 적용하여 산정하였고, 산정값들의 평균증가율을 적용하여 배출량을 2020년까지 전망하였는데, 연료 연소 중 고정연소의 2020년 N2O 배출량은 총 5,230,760 tCO2eq으로 전망되었고 이 중 에너지산업 부문의 배출량 전망치가 50％ 이상을 차지하였다. 이동연소의 N2O 배출량은 2020년 기준으로 총 1,277,739 tCO2eq으로 전망되었고 총 배출량의 90% 이상이 도로수송의 배출량이 차지할 것으로 전망하였다. 폐기물소각과 미산정배출원(SCR/SNCR)의 N2O 배출량은 2020년 기준으로 각각 총 19,419 tCO2eq, 2,546,502 tCO2eq으로 전망되었다.

매립지에서 발생하는 매립가스는 악취를 발생시켜 주변지역 대기환경을 저해하고 있다. 매립가스의 주성분은 온실가스인 이산화탄소(CO2)와 메탄가스(CH4)로 구성되어 있어, 바이오에너지와 같은 대체에너지 생산 기술 등의 연구에 활용되고 있다. 본 연구에서는 가스화 공정에서 발생하는 RDF char를 이용하여 CO2/CH4 개질 반응을 통해 생성되는 합성가스의 주성분인 CO, H2의 생성 특성에 대해 연구하였다. 1023∼1173K의 온도에서 CH4/CO2 ratio는 1.3으로 고정하여 혼합된 CO2와 CH4를 RDF char와 반응시켜 생성되는 H2와 CO의 변화를 측정하였다. 실험 결과에는 반응 온도가 1123K일 때 SUS bed의 CO2 전환율은 3.2%로 나타났으며, 반면 RDF char에서의 CO2 전환율은 81.7%로 나타났다. 이러한 실험결과로 RDF char는 CO2 개질반응에 촉매 역할을 하는 것으로 판단된다. 반응 후 RDF char 성분 분석 결과에 따라 함량이 높은 CaO는 반응전과 후 비슷한 결과를 나타났고 CO2 전환에 영향을 주지 않아 촉매 역할을 하는 Fe2O3나 TiO2에 의한 것으로 판단된다. 산소가 없는 경우에 RDF char에 의한 CO2와 CH4 개질 반응은 온도 증가에 따라 CO2 전환율은 45.3%(1023K)에서 83.16%(1173K)로 증가하였고 CH4 전환율은 10.2%(1023K)에서 27.0%(1173K)로 증가하였다. 또한 산소가 있는 경우는 산소 없는 경우보다 CH4 전환율은 1173K에서 27.0%에서 41.1%로 증가하고 발생가스의 H2 비율은 15.8%에서 22.3%로 증가한 것으로 나타났다. 이는 RDF char에 의해 메탄과 이산화탄소 개질 반응에 Reforming reaction과 Reverse WG shift reaction, Boudouard reaction, Reverse WG shift reaction에 의한 영향을 받는 것으로 판단된다.

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.

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.

고분자 합성기술의 발전에 따른 플라스틱의 생산율이 높아짐에 따라 배출되는 폐 플라스틱의 다양성에 따른 환경오염 문제의 관심사로 대두되면서 폐 플라스틱 처리의 해결 필요성이 높아지고 있다. 화석연료의 고갈로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있는 현재 폐기물을 대상으로 하는 가스화 공정은 환경문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 공정 중 하나이다. 가스화는 소각기술과는 달리 열화학적 변환기술로서 환원성분위기에서 반응이 진행되므로 폐기물 내의 탄소 및 수소 성분은 일산화탄소 및 수소가 주성분인 고부가 가치의 가스를 생산하여 활용성이 높은 재생에너지를 생산하는 기술이다. 생산된 합성가스는 CO, H₂가 주성분으로서 다양한 공정을 거쳐 합성하면 다양한 원료 물질의 제조가 가능하다. 또한 친환경적인 수소생산을 위해서는 원료선정에 있어서 자원화 및 재생 가능한 원료로 활용하는 것이 바람직하며 이러한 측면에서 수소를 생산하는 다양한 방법 중 폐자원인 바이오매스 및 폐기물을 이용한 가스화를 통해 수소생산방식이 유용하다고 할 수 있다. 폐자원을 자원화 하는 경우 원료 비용 및 처리에 따른 비용절감 효과를 이룰 수 있다. 국내외에서 바이오매스 및 폐기물 각각의 원료에 대한 가스화 실험은 많이 수행되었으나 혼합원료에 대한 연구는 매우 적은 상황이다. 본 연구에서는 목질계 바이오매스 중 반응이 용이한 톱밥과 폐플라스틱 중 많은 비중을 차지하는 polypropylene, polyethylene을 혼합비율에 따른 가스화 반응특성을 알아보는 연구를 수행하였다. 폐 플라스틱 가스화를 통하여 저 발열량을 가지는 물질과 함께 넣어줌으로써 고발열량의 생성물을 생성시켜 줄 것으로 사료된다. 이를 이용하여 합성가스 조성, 탄소전환율, 냉가스효율등의 가스화 효율을 연구하고자 한다. 혼합가스화의 변수별 가스화반응 특성을 알아보기 위해 회분식 가스화 반응기를 이용하여 실험을 수행하였으며 시료 입자크기에 따른 영향을 최소화하기 위해 입자크기를 균일하게 분쇄, 혼합하여 사용하였다. 가스화의 변수는 반응온도와 Equivalence Ratio, 시료혼합비율이며, 각각의 변화에 따른 합성가스 조성 및 수소수율, 일산화탄소 수율변화 등 실험적인 가스조성 변화의 영향을 파악하여 최적 원료 혼합조건을 파악하였다.