폐기물은 이제 단순한 처리대상 물질이 아니라 에너지를 회수할 수 있는 하나의 자원으로 인식되고 있으며 이에 대한 효율성 증대와 상용화를 위해 정부의 주도 하에 다양한 정책들이 계획되어 진행되고 있다. 이러한 정책의 요점은 가까운 미래에 에너지의 확보가 국가차원의 생존 및 경쟁력에 문제점을 가져올 수 있으며 이에 대한 새로운 재생 가능한 에너지의 수급방법에 대한 기술력 확보가 필요하다는 것이다. 에너지관리공단에서 발간한 신재생에너지 보급통계를 보면 다양한 신재생 에너지의 확보 경로 중 폐자원을 이용한 1차에너지의 대체는 다른 매체를 통한 수급에 비하여 그 성장 속도가 빠르고 발전 잠재적 에너지량이 큰 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 N시에서 발생되는 생활폐기물이 전처리 시스템을 거쳐 폐자원으로 전환되는 과정의 Case Study 결과를 이용하여 공기를 이용한 고정층 가스화 공정모사를 수행하였다. 전처리 시스템의 Case는 불연물 제거효율과 전처리 후 폐자원의 함수율이며 각각의 Case에서 폐자원의 물리 화학적 조성을 예측하여 공기를 이용하는 고정층 가스화의 공정모사에 대한 연구를 수행하였다. 21개의 Case 중에서 전처리 시스템에서 생산된 폐자원의 습윤 저위발열량이 3,500 kcal/kg 이상인 조건에서 공정모사를 수행하였으며 가스화 시스템 공정모사 결과 합성가스(CO+H₂+CH₄)농도는 28.1 ~ 36.7 vol.%이며 합성가스의 습윤 저위발열량은 1,257 kcal/Nm³ ~ 1,648 kcal/Nm³로 분석되었다.

기존의 화석 연료를 대체할 에너지 확보의 중요성이 커짐에 따라, 폐기물도 하나의 자원으로 떠오르고 있다. 특히, 폐기물을 이용하여 가스화를 할 경우 화학연료 또는 발전에 이용할 수 있는 CO, H₂가 주성분인 합성가스를 생산할 수 있다. 그러나 폐기물 가스화의 경우 합성가스뿐만 아니라 미반응된 Carbon 분진과 폐기물에 함유된 성분으로 인해 가스상 오염물질 (HCl, HCN, NH₃ 등)이 발생하게 된다. 합성가스를 이용하기 위해서는 오염물질을 줄이고 합성가스의 순도를 높여야 한다. 그러므로 적절한 운전조건 도출과 최적의 정제 설비 구축이 요구되고, 이를 위해서는 폐기물 가스화를 통해 생성된 오염물질의 배출 특성을 파악할 필요가 있다. 본 연구에서는 폐기물 순산소 가스화를 통하여 생성되는 가스상 오염물질인 HCl, HCN, NH₃와 입자상 물질인 Carbon 분진의 배출량을 확인하였다. 분진의 시료 채취는 정제설비를 기준으로 정제설비 전단과 후단에서 3회 실시하여 분진의 배출량과 제거 효율을 살펴보았다. 가스상 오염물질의 시료채취는 분진과 같은 위치에서 2회 실시하여 비교하였다. 분진의 경우 정제설비 전단에서 평균 5,820 mg/Nm³을 나타내었으나, 정제설비 후단에서는 검출되지 않아, 정제설비를 통해 모두 제거되었음을 확인할 수 있었다. HCl, HCN, NH₃의 경우 정제설비 전단에서 각각 평균 24.87 ppm, 0.02 ppm, 2.19 ppm을 나타내었으며, 정제설비 후단에서 각각 평균 14.38 ppm, 0.01 ppm, 0.25 ppm을 나타내었다. 이들의 평균 제거효율은 42.20%, 52.96%, 88.81%임을 확인하였다. 연구 결과를 통해 입자상 물질인 분진의 경우, 정제설비를 통하여 발생량 대부분이 제거되었다. 그러나 가스상 오염물질 중 HCl의 경우, 제거효율 증가를 위해서 정제 설비에서 사용하는 가성소다의 액/기비 조절 등의 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.

세계적으로 화석에너지 자원 고갈 및 경제발전에 따른 산업화가 가속화되면서 폐기물의 발생량이 지속적으로 증가하여 폐기물 에너지 화 기술에 대한 관심이 급증하고 있다. 전통적인 폐기물 소각처리는 폐기물 감량화 측면에서는 효과적이지만 이산화탄소 및 다이옥신과 같은 오염물질이 발생하는 문제점이 있다. 따라서 에너지 전환효율이 높고 온실가스 감축효과가 높은 폐기물 가스화기술이 중요한 이슈로 떠오르고 있으며 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 폐기물 가스화를 통하여 폐기물 내 C, H 성분이 산소 혹은 스팀 등의 산화제와 환원성 분위기에서 반응하여 CO와 H₂가 주성분인 합성가스로 전환되어 메탄올, 합성석유 등 고품질 연료를 생산할 수 있다. 본 연구에서는 공정모델링 상용 프로그램인 ASPEN plus를 이용하여 생활폐기물 가스화 합성가스를 원료로하여 메탄올을 생산하는 시스템에 대한 전산해석 툴을 구축하여 공정 운전특성을 해석하였다. 전체 공정은 폐기물 가스화 공정, 합성가스 정제공정, H₂/CO 비를 조절하는 WGS(Water Gas Shift)공정 및 메탄올 합성 공정 등 네 가지 단위 공정으로 구성되었다. 생활 폐기물 가스화 합성가스를 이용한 메탄올 생산 공정 모델링은 실험에서 얻어진 결과 값과 비교하였을 크게 차이가 나지 않는 것으로 나타나 구축한 ASPEN plus 툴을 이용하여 실제 생활폐기물 가스화 메탄올 생산 공정 운전결과를 예측할 수 있음을 확인하였다.

에너지 소비량 증가 및 국제 유가 상승으로 인해 대체에너지 개발의 중요성이 더욱 증가하고 있으며 염색슬러지의 경우 육상 매립 금지 및 해양배출 규제 정책의 강화로 인해 새로운 처리방안이 요구되고 있으므로 이에 대한 해결책으로 가스화 기술 등을 적용할 수 있다. 해양투기가 금지되는 연간 50 만톤 가량 발생되는 염색슬러지를 가스화 원료로 활용할 경우 처리비 약 240억 원을 절약할 수 있고 연간 약 6만 TOE의 화석연료 대체 효과가 있다. 가스화 기술은 유기성 슬러지에 포함된 유기물질을 CO와 H₂가 주성분인 합성가스로 변환시키고 가스화를 통해 생성된 청정 합성가스는 고온고압화가 가능하기 때문에 폐압 터빈을 적용함으로써 수요처의 특성에 따라 전기 및 스팀을 생산 할 수 있다. 또한 염색슬러지의 경우 폐수처리 과정에서 응집제의 사용으로 인해 산화철 성분을 포함하고 있으므로 처리대상물질 자체가 함유하고 있는 촉매성 물질인 고농도 산화철을 회수하여 타르 개질 촉매로 활용함으로써 타르의 생성량을 저감시킬 수 있고 고가의 촉매를 대체함으로써 경제성을 확보할 수 있으며 합성가스 생산 품질에 영향을 미치는 중요 인자인 오염물질을 제거함으로써 가스화율을 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 염색슬러지와 왕겨 혼합물을 대상 시료로 하여 2톤/일급 가스화 설비를 이용하여 1단 버블유동층(BFBG)방식을 적용하여 가스화 실험을 수행하였으며 발생되는 합성가스 농도 측정 및 오염물질 분석을 통해 합성가스 생산 특성 및 오염물질 배출 특성을 파악하였다. 실험 결과 합성가스 조성별 평균 가스 농도는 H₂ 7.8%, O₂ 0.4%, N₂ 59.5%, CH₄ 2.1%, CO 11.4%, CO₂ 14.8%, C₂∼C₄ 2.1%로 나타났으며 평균 탄소전환율과 냉가스효율은 각각 72.6%와 49.8%로 나타났다. 또한 오염물질 제거 특성을 파악한 결과 타르 제거효율은 95.9%, 분진 제거효율은 99.7%로서 안정적인 연속운전이 가능하였다.

세계적으로 에너지 수요량의 증가하고, 화석연료 고갈 및 지구온난화 대응 등 문제로 바이오매스 가스화를 통한 에너지 자원 개발이 이슈화 되고 있다. 일반적으로 바이오매스 가스화 공정에서 발생하는 타르는 가스화기 후단 설비 혹은 배관에 부착되어 배관 폐쇄에 따른 운전 정지와 가스화 전체 시스템 효율 저하의 주요 원인이 되고 있다. 이와 같은 타르 부착문제를 해결하기 위한 타르 개질용 촉매 대부분은 귀금속계로 고가일 뿐만 아니라, 탄소 침적에 의한 불활성 문제가 있으나, 산화철은 가격이 저렴하고 탄소 석출량이 적으며 열화가 잘 일어나지 않는 유기물 분해 촉매로 주목받고 있다. 육상직매립 및 해양투기가 금지된 염색슬러지 회재 중 약 70%는 산화철 성분이여서 타르개질 촉매로 충분히 활용 가능한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 염색슬러지 혼합 유기자원 저온가스화 공정특성을 파악하고자 가스화 및 염색슬러지 내 철 촉매를 이용한 타르개질 공정 모사 모델을 구축하여 혼합 유기자원의 종류 및 운전조건 변화에 따른 합성가스 생산 특성을 고찰하였다. 왕겨, 타르 및 폐플라스틱을 염색슬러지와 각각 혼합한 시료의 가스화 공정 모사 결과 폐플라스틱을 혼합한 경우의 합성가스 발열량이 가장 높은 것으로 나타났다.

국내의 염색업계는 염색슬러지 육상매립 취소에 이어 런던협약으로 2012년부터 해양투기도 원천 봉쇄되자 염색슬러지 처리문제를 업계의 사활을 건 비상사태로 선언하고 대응방안 마련에 나서고 있다. 염색연합은 현재 전국 6개 공단에서 발생하는 연간 염색슬러지 규모가 30만 톤에 이르고 전국에 산재한 염색관련업체들의 폐기물 규모가 연간 50만 톤을 웃돈다는 판단 아래 슬러지 처리문제가 해결되지 않으면 염색업계가 큰 타격을 입을 것으로 전망하고 있다. 현재 염색업계는 염색슬러지의 다양한 처리방안을 모색 중이나 탈수슬러지 그대로 또는 단순 건조 후 시멘트소성로에서 위탁처리하고 있는 것이 현실이며 염색슬러지 처리와 함께 스팀 구매단가를 낮추는 새로운 개념의 처리방법을 모색하고 있다. 염색슬러지는 함수율이 70-80%로 아주 높고 저위발열량이 500 kcal/kg 이하로 아주 낮아 그 자체로는 가스화 연료로 적합하지 않다. 따라서 염색슬러지 자체에 함유된 산화철을 타르 개질 촉매로 이용하는 자체 촉매 가스화 기술을 개발함에 있어 염색슬러지의 함수율을 낮추고 발열량을 높여 건조 에너지 소비량을 줄이기 위한 혼합시료 펠렛화 기술 개발이 필요하다. 본 연구에서는 왕겨 또는 타르를 혼합하기 위한 혼합비, 펠렛제조 조건, 건조 조건을 도출하였다. 혼합시료의 저위발열량이 3,000 kcal/kg 이상이 되기 위해서는 건조 함수율 10% 기준으로 왕겨 혼합의 경우 혼합비 20% 이상, 타르 혼합의 경우 혼합비 5% 이상인 것으로 나타났다. 펠렛의 직경은 최소 6mm 이상이 되어야 성형기에 과부하가 걸리지 않았고, 타르 혼합비는 20% 이하로 하여야 다시 엉켜 붙는 현상이 발생하지 않았다.