범지구적인 기후변화에 대응하기 위해서 세계적으로 화석연료의 사용을 줄이고, 신재생에너지의 사용을 확대하는 추세이며, 이와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 신재생에너지 중 폐기물을 이용한 에너지 생산은 가장 높은 비율을 차지하고 있을 뿐만 아니라, 우리나라의 경우 국토면적이 좁아 매립이 용이하지 않고, 폐기물 발생량도 많아 폐기물을 통한 자원화에 대한 활발한 연구는 필수적이라 할 수 있다. 특히 이러한 폐기물 중 도시고형폐기물은 mechanical-biological treatment 처리법을 거쳐 40~50%가량 고형연료화 되고 있다. 하지만 고형연료로 선별 후 잔재물에도 종이, 비닐, 플라스틱 등 가연분이 다량 남아있어 연료화 가능성이 있다고 할 수 있다. 이러한 잔재물은 고형연료제조 시설의 반입 폐기물 중 40%에 육박하고 있는 것으로 나타났다. 하지만, 이러한 잔재물들은 함수율이 40% 이상으로서 수분이 다량 포함되어 있기 때문에 생물학적 처리공정이 결여된 일반 선별시설인 mechanical treatment 설비로는 처리가 불가능하다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 저품위 혼합 폐기물들을 생물학적 처리공법 중 하나인 bio drying으로 폐기물 내 수분을 효과적으로 제거하였으며 비성형 상태의 ‘저품위-SRF’의 연료로서의 가능성을 확인하고자 한다. 이에 ‘저품위-SRF’와 ‘일반-SRF’를 비교 분석 해보기 위해 다양한 기초특성분석(발열량 분석, 공업분석, 원소분석, 열중량 분석)을 진행하여 ‘저품위-SRF’의 연료로서 가치를 알아보고자 하였다.

19세기 이후 급격한 산업발전, 도시화 및 인구 증가로 인한 환경오염, 기후 변화 및 화석연료 고갈 등의 문제로 세계적으로 신재생 에너지에 대한 관심이 꾸준히 증가하고 있다. 특히, 화석연료의 매장량은 석탄 기준 70년 정도가 남아 있으며, 이에 따라 신재생 에너지에 관한 연구가 끊임 없이 진행되고 있다. 다양한 신재생에너지 자원 중 국내에서는 열회수 시설의 폐열 회수 등이 포함되어 폐기물을 이용한 신재생 에너지 보급률이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 최근 들어 폐기물의 효율적인 자원화 기술 중 하나인 고형연료(SRF, Solid refues fuel) 기술이 각광받고 있으며, 국내에서 생산되는 SRF의 경우, 가연분 함량이 높아 대체 에너지로서의 가능성이 높게 평가 받고 있다. 특히, 본 연구에서는 경제성을 확보하기 위해 성형 SRF가 아닌 비성형 SRF를 사용하여 연구를 진행하였다. 또한, 열 회수 및 합성가스(H2+CO) 생산을 위해 가스화 공정을 적용해보았으며, 고정층 반응기의 down draft 방식과 유동층 반응기 종류 중 하나인 bubbling fluidized bed 반응기의 특성을 알아보고자 하였다. 이 뿐만 아니라 가스화 공정의 주요 운전 요인 중 하나인 공기 당량비에 따른 합성가스조성, 합성가스의 부피, 고 탄화수소물질인 C2-C6의 함량 그리고 합성가스의 저위발열량을 계산식을 통해 계산하여 최적 조건을 도출하고자 한다.

급격한 도시화 및 산업화로 인하여 화석연료의 사용이 증가되고 이에 따라 기후 변화 문제가 급격히 대두되고 있다. 이에 따라 신재생에너지에 대한 관심이 증대되고 있으며, 이에 관한 많은 연구들이 진행되고 있다. 이러한 신재생에너지 중 국내에서는 신재생 에너지 중 폐기물 및 바이오매스를 이용한 신재생 에너지 보급 비율이 70% 이상을 차지하고 있는 실정이다. 하지만, 이러한 신재생 에너지 보급률은 폐기물 열처리 시설의 폐열이용까지 포함된 것으로 실질적인 보급률은 통계에 미치지 못하는 것으로 보인다. 따라서 본 연구에서는 바이오매스를 이용한 에너지화 기술에 대하여 연구를 진행하였으며, 에너지화 기술 중 합성가스 생산에 목적을 둔가스화 기술을 적용하였다. 사용된 바이오매스의 경우, 일반적인 바이오매스를 사용하기 위해 톱밥을 사용하였다. 하지만 바이오매스를 이용한 가스화 기술의 가장 큰 단점으로 바이오매스 내 높은 리그닌 성분에 의한 타르 발생을 꼽을 수 있으며, 이를 해소하기 위한 많은 연구들이 진행 되고 있다. 본 연구에서는 추가적인 타르 제어시설을 설치하지 않고 2차 산화제를 주입함에 따라 Thermal cracking의 효과로서 타르를 제어하고자 한다. 발생된 타르에 대해서는 활성탄을 이용하여 중량 변화 측정을 통해 정량 분석을 진행하였으며, Micro-GC를 통해 C2-C6의 탄화수소 물질의 거동을 살펴볼 수 있었다.

지속적인 화석 연료의 사용으로 인해 발생하는 환경오염 때문에 대체에너지를 찾는데 많은 연구가 진행되고 있다. 국내에서 발생되는 폐기물은 가연분 함량이 높아 폐기물 고형연료로 생산할 경우 화석원료의 대체제로 사용 가능성이 크다. 이러한 SRF는 최근 주목 받기 시작한 기술로 폐기물을 선별･파쇄 및 건조를 거쳐 생산되며, 국내 SRF의 발열량 기준은 약 3,500kcal/kg 으로 화석연료 및 바이오매스와 비교했을 때 연료로 사용하는데 문제가 없을 정도의 품질기준을 만족시키고 있다. 하지만 SRF의 생산 효율이 60%이하로 낮은 실정에 있어, 연료로 사용가능한 폐기물들이 버려지고 있다. 따라서 본 연구에서는 이를 극복하기 위한 방안으로 SRF를 생산하고 남은 잔재물(저품위 폐기물)을 다시 고형연료로 생산하여 열처리 시설에서 에너지 회수 시설에 적용하기 위한 실험의 하나로 저품위 폐기물의 기초특성분과 본 폐기물의 연소특성에 대해서 평가하였다. 실험결과 비록 MBT(Mechanical Biological Treatment) 처리를 거친 저품위 폐기물을 사용했지만 기존 SRF 연소특성과 비교했을 때 좋은 연소특성을 보였으며, 대기배출허용기준 또한 만족하였다. 본 연구에서는 SRF를 이용하여 에너지화 기술 중 하나인 가스화기술을 적용해 실험을 진행하였다. 실험조건으로는 고정층 반응기에서 공기 산화제를 사용하였으며 반응온도와 시료투입량을 900℃와 1g/min으로 고정하였다. 최적 ER(Equivalent ratio)을 찾기 위하여 0.2,0.4,0.6으로 변화를 주었다. 또한, 가스특성을 평가하기 위하여 Micro-GC를 통해 합성가스의 조성을 파악하였으며, 건조가스수율, 냉가스 효율, 탄소 전환율을 가스화특성 평가 인자로 사용하였다.

국내 RDF(Refuse Derived Fuel)와 관련한 ‘자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률이 2013년 1월 개정되면서 국내에서는 RDF가 SRF로 종류가 변경되었으며, 이와 더불어 종전 RPF(Refuse Plastic Fuel), RDF, TDF(Tire Derived Fuel), WCF(Wood Chip Fuel)로 구분되던 것이 SRF와 BIO-SRF로 개정되었으며, 고형연료 제품에서도 성형과 비성형제품으로 구분되게 되었다. 이에 따라 기존 성형SRF제품들에 비해서 비성형 SRF제품의 수분함량의 기준이 15%차이가 나게 되었다. 본 연구에서는 생활폐기물로 생산되는 비성형 SRF의 가스화 반응을 활용하여 고부가 가치의 연료 및 원료를 생산하기 위한 고정층 및 유동층에서의 가스화 특성을 파악하고자 한다. 실험조건은 운전온도 900℃, ER(Equivalent Ratio)조건 0.2, 0.4, 0.6에서의 가스화 반응을 실시하였으며, 고정층반응기에서는 ER비가 증가함에 따라 수소비율이 감소하는 것으로 나타났으나, 유동층반응기에서는 ER 0.4일 때 수소비율이 최저로 나타났다.

전 세계적으로 지속적인 천연자원의 사용으로 인해 고갈 시점이 다가옴에 따라 신재생에너지 및 신에너지 사용이 불가피한 상황에 이르렀다. 이러한 신재생 에너지 중에서 국내의 경우 약 70% 이상을 차지하는 폐기물에 대한 에너지화 기술 및 처리 기술 연구는 지속적으로 진행되고 있다. 본 연구에서는 ‘전기･전자제품의 재활용 및 자동차의 자원순환에 관한 법률’에 의해 관리되어 지고 있는 전기･전자 제품 중 주로 재활용되지 못하고 전량 위탁 소각되고 있는 폐 우레탄과 펠렛화를 통해 고형 연료로 만들어진 RPF 혼소 시 발생하는 배가스 특성에 대해 파악하고자한다. 혼소 대상 물질인 폐 우레탄과 RPF의 경우, 모두 고발열량 시료로써, 소각에 활용 시 높은 열 회수율을 기대 할 수 있다고 판단된다. 실험 조건의 경우, 고정층 반응기에서 실험을 진행하였으며, 혼소 비율은 각각 우레탄 30%, 50%, 100%로 하였다. 특히, 소각에서 가장 중요한 운전요인중 하나인 공기비는 기존 소각 시설에서 1.5에서 2.0사에서 운전되지만, 본 연구에서는 2.0과 3.0에서 진행하였다. 이것은 반응기 가 실험실 규모의 반응기로 산화제와 대상 시료간의 접촉이 원활히 일어나지 않는 이유에서 기존 소각 시설에서 운전되는 공기비 보다 높게 산정하였다. 배가스 조성의 경우에는 산소(O2), 일산화탄소(CO) 그리고 이산화탄소(CO2)를 실시간 가스 분석기를 사용하여 측정을 실시하였다. 마지막으로 가스상 오염물질은 폐 우레탄의 원소 분석 결과, 질소(N) 함유량이 높아 소각 및 열처리 공정에 적용시 질소화합물 배출이 많이 될 것으로 판단하여 질소화합물인 NOx, NH3, HCN에 대하여 분석을 실시하였다. 위 가스상 오염물질은 대기오염공정시험법을 참고하여 습식법으로 진행되었으며, 샘플링 된 흡수액은 IC(Ion Chromatography) 분석을 통해 농도 계산을 할 수 있었다.