Methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) are the components of gas produced by biomass pyrolysis gasification and biogas from bioreactor. These two gases are known as the main greenhouse gases that affect world climate change. This study has tried to investigate the characteristics of microwave heating reformation that seeks to convert the produced gas into valuable fuel energy. Through microwave reforming, a carbon receptor was used as two types of sludge char and commercial activated carbon. Regarding CH4 reformation, H2 was produced via thermal decomposition with generated carbon (C) that adsorbs on the active catalytic plate and reduces the active catalytic reaction. In the case of CO2 reformation, CO was produced via reaction with the carbon on the surface of the carbon receptor; this can solve the problem of removing the adsorbed carbon from the carbon receptor. Using the sludge char as the carbon receptor showed higher gas yields for H2 and CO than the commercial activated carbon receptor, while giving a comparatively higher heating value for the sludge char receptor. In addition, in the cases of lower temperature and residence time in the carbon captor, the CH4 and CO2 conversions and the reforming gas yields had lower values.

바이오매스 열분해･가스화 가스, 바이오 가스의 주성분인 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)는 온실가스로 이러한 가스를 양질의 연료로 전환하고 아울러 온실가스문제도 해결하고자하는 개질기술(reforming technology)에 대한 관심과 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 개질과정에서는 고온반응 조건이 되거나 적당한 촉매의 도움이 필요하며, 최근 다양한 종류의 탄소물질(carbon material)을 이용한 CH4-CO2개질에 대한 연구가 수행중이다. 본 연구에서는 하수처리장에서 발생된 탈수 슬러지를 열분해 처리하여 생성된 슬러지 촤를 마이크로웨이브 탄소 수용체(MCR; Microwave Carbon Receptor)로 하여 개질특성을 파악하였고, 개질 대상가스 가스성상, 수용체 탄화물 종류, 개질온도와 체류시간변화에 따른 개질가스 전환특성 파악에 대한 연구를 수행하였다. 온실가스인 메탄과 이산화탄소의 탄소 수용체 마이크로웨이브 가열 개질특성을 확인하기 위해 메탄과 이산화탄소를 각각 공급한 경우와 두 가스를 혼합하여 개질을 진행하였다. 일정시간이 지나면 탄소침착에 의해 전환율의 감소가 생기는 단독가스 개질실험과 달리 이산화탄소-메탄개질의 경우 메탄의 열적 분해 개질에 의해 클리닝이 되어 지속적으로 일정한 개질 전환이 유지 되었다. 활성탄을 비교 수용체로 하여 개질을 진행한 경우 상대적으로 낮은 촉매활성으로 수소와 일산화탄소 생성량이 슬러지 촤 탄소 수용체보다 작아 생성가스 발열량이 낮았다. 개질온도와 체류시간의 경우 온도가 높을수록, 배드 체류시간이 짧을수록 탄소 수용체에서 발생되는 국부 마이크로플라즈마(Microplasma) 증가로 인해 전환율과 생성가스 농도도 증가하는 결과를 나타냈다.

This paper assesses the feasibility of producing fuel energy from sewage sludge via four processes: microwave-induced pyrolysis/gasification and conventional pyrolysis/gasification. Both pyrolysis and gasification produced gas, char, and tar. The gas produced for the gasification contained mainly hydrogen and carbon monoxide with a small amount of methane and hydrocarbons (C2H4, C2H6, C3H8). However, the gasification produced higher carbon monoxide instead of the hydrogen. The microwave gasification generated higher heavy tar compared to other processes. As a light tar, benzene generated higher value for both the pyrolysis and gasification. The sludge char showed a vitreous-like texture for the microwave process and a deep crack shape for the conventional heating process. These results indicate that the gas produced from the microwave processes of wet sewage sludge might be usable as a fuel energy source, but this would require removal of the condensable PAH tars. The sludge char produced could also be used as a solid fuel or adsorbent.

산업화/도시화에 의해 물 사용량이 증가하여, 하수 및 폐수 처리 후 부산물로 발생하는 슬러지 또한 매년 증가하고 있다. 하지만 기존 처리방식 중 비중이 큰 해양투기는 2012년부터 런던협약에 의해 금지됨으로써, 육상에서 슬러지 처리하기 위한 적절한 대책이 필요한 상태이지만, 매립이나 소각처리 방식은 2차 오염이 발생되므로 한계를 가지고 있어 새로운 방식이 요구되고 있다. 폐기물 에너지화 관점에서 슬러지 폐기물의 유기성 성분을 오일과 가연성 가스로 전화하는 열분해 기술에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 따라서, 하수슬러지 열분해 특성을 파악하기 위하여 탈수슬러지와 건조슬러지의 열분해 특성을 파악하고자 한다. 슬러지 열분해 실험을 위한 실험 장치를 열분해로, 가스 및 냉각수 라인, 가스와 타르 포집 및 분석라인으로 구성된다. 열분해로는 반응관, 전기로, 전기로 콘트롤러(Model UP35A, Yokogawa), 가스 배출 관으로 구성하였다. 하수처리장에서 발생되는 슬러지의 열적 특성 파악하기 위해서 Ar 분위기 하에서 10℃/min 온도 증가율에서 측정한 TG-DTA 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 하수슬러지는 상온에서 200℃ 이하에서는 수분 증발에 의한 무게감량이 일어나고, 그 이후부터 탈휘구간이 형성된다. 200℃ ~ 400℃에서 급격한 무게감량이 보이며, 약 600℃까지의 무게감량은 유기물의 열분해에 의한 것이며, 600℃ 이상에서는 무기물 열분해에 의한 것이다. 하수슬러지 열분해 시 생성되는 타르, 가스, 촤의 중량비를 Fig. 2에 나타내었다.