The aim of this project was to explore the potential of the torrefaction treatment for upgrading sewage sludge into valuable product. An ancillary investigation on the cold fluidization and the behavior of sewage sludge was analyzed. The effects of the main torrefaction variables, temperature and residence time, on the performance parameters such as fixed carbon, calorific value; molar ratios, ultimate and proximate analysis, chemical exergy etc. were investigated for torrefied sewage sludge. Results for both the reactors showed that the thermochemical transformations that sewage sludge underwent, as a results of the release of volatile matter due to thermal decomposition of its organic constituents, resulted in significant improvement of their chemical and physical properties. Results obtained from this study showed that despite the leverage that fluidized bed offers (heat and mass transfer) fixed bed configuration was more pronounced for torrefaction of sewage sludge. However, a decisive conclusion cannot be made at this stage as more detail study would be required to draw a definitive conclusion over the preference of reactor for torrefaction.

현재 국내 도시 생활쓰레기 및 산업쓰레기의 처리 시, 매립지 부족과 침출수 등으로 인한 2차 오염문제로 매립처리 방법은 우리나라에서는 적절치 않다. 하지만 쓰레기의 소각처리의 경우, 소각으로 인한 열작감량이 매우 크고 폐에너지 회수의 장점도 있기에 국내 쓰레기의 처리는 소각에 많이 의존하고 있다. 또한 국내 대체에너지의 목표치가 높아지는 상황에서 폐기물의 대체 에너지가 큰 역할을 해 주어야 한다. 폐기물 고형연료를 연소하는 과정 중에는 여러 문제점이 있는데, 설비의 고온 부식의 영향 및 연소로 내 국부적인 가열로 인한 설비의 파손, 연소로 내 불규칙적 유동현상으로 인한 연소 장애 등이 있다. 따라서 앞에서 말한 문제점들을 보안하며 보일러의 안정적인 운전 및 열효율 향상을 위해서는 기본적으로 연소로 내 유동현상을 정확히 예측할 수 있어야 한다. 이를 위해 우리는 상용화 되고 있는 50ton/day 이상 Stoker 보일러 현장 운전조건을 대입, Ansys CFD Fluent.18을 사용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 연소로 내 열의 유동해석, 배출가스의 흐름 등을 예측하여 연소장애의 원인을 찾아보고 이에 맞는 대안을 찾기 위한 연구를 하였다.

In this study, a lab-scale experiment was conducted to derive the optimal torrefaction conditions for upscaling food waste torrefaction to generate solid fuel. Basic characteristic analyses (a proximate analysis, elemental analysis, calorific value and thermogravimetric analysis) were conducted and further used to develop experimental conditions during upscaling. Based on the characteristics analysis, the experiments were conducted by varying the heating rates by 5, 10 and 15oC/min, varying the torrefaction temperature from 200 to 550oC at an interval of 50oC and varying the torrefaction residence time from 0 to 50 minutes at an interval of 10 minutes. The heating rates were varied and only carried out for the combustion experiments of the torrefied product at a temperature range of 50 to 800oC. The results show that the optimal torrefaction temperature and residence time of food waste torrefaction were 250 ~ 350oC and 30 ~ 40 minutes, respectively.

1997년 교토의정서를 시작으로 2016년 파리기후협약이 발효되며 온실가스 저감을 위한 세계적인 노력이 계속되고 있다. 국내에서는 ‘폐자원 및 바이오매스 에너지 대책’의 실행을 위해 폐자원의 고형연료화 등 각종 에너지화 시설의 확충을 장려하고 있으며, 이를 통해 2020년까지 1,169만톤/년의 폐자원 에너지화를 달성하고자 한다. 폐자원 및 바이오매스는 가용 잠재량이 풍부하며, 저렴한 비용으로 신재생에너지 공급의 조기 성과 창출 및 온실가스 감축의무를 이행할 수 있는 수단이다. 반탄화 기술은 취급과 저장이 용이하며, 높은 에너지 밀도를 갖는 고형 연료를 생산하는 기술로 낮은 발열량과 높은 함수율을 갖는 바이오매스의 전처리 과정으로 국내외에서 연구되어 왔다. 일반적인 반탄화 기술의 공정은 원료를 200~300℃의 저온에서 환원분위기를 유지하며 10분에서 60분 동안 열처리하는 기술을 말한다. 본 연구에서는 폐목재와 하수슬러지를 반탄화 기술에 적용하여 고형연료를 생산하는 기술 개발을 위한 0.1 ton/day 급 규모 설비의 운전 특성 파악을 위해 수행하였다. 실험에 쓰인 폐바이오매스는 일반 폐목재(40%)와 하수슬러지(60%)를 혼합하여 사용하였다. 반탄화 공정은 Rotary Kiln에서 반응 온도 250℃, 300℃, 체류시간 40분, 60분의 실험 조건에서 반탄화 실험을 실시하였다. 실험 결과 반탄화 반응을 통해 생성된 반탄화물은 반응 온도가 증가함에 따라 연료수율 및 연료비는 감소하는 경향을 나타냈으며, 연료수율이 70% 이상을 나타내는 반응 영역에서는 연료비가 2.5~3.0의 범위를 나타내었다. 발열량의 경우 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 반탄화물의 에너지 수율은 250℃부터 서서히 증가하다가 270℃ 부근에서 감소하는 경향을 나타내었다.

하수슬러지는 2006년 런던협약이후 해양투기 금지 대상물질로 지정되어 효율적인 처리에 대한 연구가 진행되고 있다. 이에 대한 방안으로 각광 받고 있는 반탄화 공정은 시료의 분쇄성을 높여 혼소에 용이하며, 처리 후 시료가 소수성을 띄기 때문에 미생물에 대한 오염이 적다. 또한 에너지밀도를 높일 수 있어 원시료에 비해 높은 발열량을 가진다. 하지만 다량의 수분을 함유하고 있어 그 이용이 제한적이다. 본 연구에서는 고 함수율 시료인 하수슬러지의 단점을 보완하고자 저 함수율 시료인 폐목재를 1:1로 혼합하여 lab규모 실험을 통해 반탄화 특성을 파악하였다. 반응시간 20분 조건에서 반응온도를 200 ℃에서 50 ℃ 간격으로 550 ℃까지 승온시켰으며, 반응온도 250 ℃, 300 ℃조건에서 반응시간 10분에서 10분 간격으로 50분까지 증가시켰다. 생성된 반탄화물에 대하여 공업분석, 원소분석 및 발열량분석을 진행하였으며, 이를 통해 에너지수율, 연료비, 탄소비 등 반탄화물의 특성을 파악하였다. 반탄화물의 공업분석결과 반응온도 및 반응시간이 증가할수록 가연분은 감소하였으며, 회분과 고정탄소는 증가하는 경향을 보였다. 발열량의 경우 반응온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이다가 반응온도 400 ℃에서 최대 값(5082.7 kcal/kg)을 보인 후, 감소하는 경향을 보였다. 또한 원소분석결과를 기반으로 석탄 종의 O/C와 H/C의 비(Van Krevelen Diagram)을 비교하였다. 수소 및 산소는 반응온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈으며, 탄소함량은 전반적으로 증가하는 경향을 보였다.

석유화학원료의 공급 불안정 및 기후환경변화 대처가 절실한 상황으로 최근 신재생에너지 분야에 관한 관심이 증대 되고 있다. 더불어 2012년부터 발효된 RPS(Renewable Portfolio Standard) 규제에 따라 국내 발전사들의 신재생에너지원으로 부터의 전기 생산 의무가 본격화되고 있다. 특히 폐자원 및 폐바이오매스를 이용한 에너지 생산 분야는 원료의 안정적인 공급 가능성과 기존 처리 방법의 제한적 이용으로 열화학적 전환 기술을 이용한 에너지 생산기술이 각광받고 있다. 대표적인 열화학적 전환 기술들 중 열분해 기술은 폐바이오매스에 적용을 통하여 기존 석탄 에너지 전환 시설의 대체 자원으로의 이용이 가능하며, 원료의 수급성 측면 및 다양한 원료 특성에 대응하기 위해 반탄화(Torrefaction) 기술이 제시되고 있다. 반탄화 기술은 폐바이오매스를 에너지원으로 적극 활용하기 위한 전처리 공정으로, 무산소 조건에서 낮은 온도영역인 200~300℃에서 가열하여 원료 내 함유된 휘발분 및 수분 제거를 통해 연료로 전환된다. 생성된 반탄화물은 소수성 및 낮은 함수율에 따라 운송성이 확대되며, 고정탄소 성분의 증가로 인한 높은 에너지밀도로, 석탄과 유사한 특성을 지니게 된다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 발생되는 폐바이오매스의 에너지원으로의 적용성 평가를 위해 농산물에서 주로 발생되는 왕겨 및 볏짚을 이용한 반탄화 반응 특성을 분석하였다. 반탄화물은 특정 반응시간에서의 반응 온도에 따라 생성하였으며, 에너지수율 및 질량 수율을 고려한 최적의 반탄화 조건을 모색하였다. 본 실험 결과 왕겨 및 볏짚을 이용한 최적의 탄화물 생산조건은 반응 온도 250~300℃ 및 반응 시간 20~30분 경우로 나타났으나, 각각의 탄화물 수율 및 발열량의 차이가 확연하게 나타났다. 왕겨의 경우 약 73.5%의 탄화물 수율 및 약 4,320.0 kcal/kg의 탄화물 발열량이 분석되었으나, 볏짚의 경우의 탄화물의 수율 및 발열량은 각각 68.2% 및 약 4,547.7 kcal/kg으로 나타났다. 이러한 탄화물 생산 특성의 차이는 바이오매스 원료의 Lignocellulose 특성과 주로 관련된 것으로 예상되고 있으며, 이러한 연구 결과를 통해 폐바이오매스의 석탄발전 설비에서의 혼합 연소 방식으로 적용될 것으로 기대 된다.

폐바이오매스를 이용하여 Bio-SRF로 활용을 위해 제시되고 있는 반탄화(Torrefaction) 기술은 대표적인 신재생에너지 활용 방안으로, 원료의 공급 안정성 및 제한적 처리 방법으로 인해 각광받고 있다. 일찍부터 해외에서는 반탄화 기술을 통해 생성된 탄화물의 높은 적용성을 인지하여 상용규모의 기술 개발이 활성화 되어 있으며, 주로 활용 가능한 폐바이오매스가 많이 발생되는 유럽 및 북미 지역에서 활발하게 수행되고 있다. 반면 국내에서는 기존 폐바이오매스는 매립 위주로 처리되어오고 있으며, 최근에서야 폐바이오매스의 자원 인식 전환을 통해 적극적으로 기술개발사업에 노력을 기울이고 있는 추세이다. 이러한 생산된 반탄화물은 소수성 및 낮은 함수율로 인해 운송 용이성 확대와 더불어 고정탄소 성분의 증가에 따른 높은 에너지 밀도로 석탄발전 설비에서의 혼합 연소를 통한 활용이 기대되고 있다. 반탄화물은 무산소 조건 상에서 200~300℃의 반응 온도 영역에서 열분해 과정 중 폐바이오매스 내 함유된 수분 및 휘발분 제거를 통해 얻을 수 있다. 반면에 국내에서 시행되고 있는 Bio-SRF 기준은 탄화물을 에너지원으로 활용하는 측면에서 엄격하게 다뤄져 적용 가능한 폐바이오매스 종류가 한정적이다. 이러한 배경은 원료로 사용되고 있는 폐바이오매스 종류별 함유하고 있는 염소, 황분 및 회분 함량이 다양하며, 이러한 성분들은 향후 반탄화물이 적용 될 소각 및 가스화 시스템 내부 부식 등에 따른 연속운전 저해 요소로 작용이 가능하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 적용범위가 제한적인 폐바이오매스를 활용하여 Bio-SRF 규격을 충족시키는 반탄화물을 생산하기 위해 다수의 폐바이오매스의 혼합비율에 따른 반탄화물 특성을 검토하였다. 대상 원료로, 폐목재와 고품질 하수슬러지 및 저품질 하수슬러지별 반응 온도 및 반응 시간에 따라 생산된 반탄화물 특성 실험결과를 이용하여 Bio-SRF 기준을 충족시키는 원료의 최적 혼합비율을 도출하였다. 저품질 하수슬러지와 폐목재를 활용할 경우 습윤 기준 하수슬러지 60% 및 폐목재 40% 의 혼합비율이, 고품질 하수슬러지의 경우 습윤기준 하수슬러지 80% 및 폐목재 20%가 최적조건으로 도출되었다. 본 연구를 통해 처리 방법이 제한적인 폐바이오매스를 이용한 반탄화물 생산이 가능할 것으로 기대되며, 향후 폐바이오매스의 대상 범위를 확대를 통해 혼합 폐바이오매스를 이용한 반탄화물 기술 개발에 중요한 가이드라인으로 제시될 것으로 사료된다.

본 연구에서는 음식물 폐기물을 이용한 반탄화물의 고형연료로서 에너지 잠재성 평가를 위하여 반탄화시 특성 및 탄화물의 연소 특성에 관한 결과를 고찰하였으며, 이를 위하여 온도(150~600℃) 조건에서 에너지 수율 및 발열량, 회분 및 가연분, 발생가스 측정을 통한 분석을 하였고, TGA (Thermaogravimetric Analyzer)를 이용하여 음식물 폐기물의 반탄화 반응에 따른 활성화 에너지 변화를 속도론적 해석을 통해 고찰하였다. 또한 탄화물로부터 펠릿을 성형 제조한 후 고형연료화 시설에서 생산된 고형연료(SRF)와 등온, 승온 연소하여 발생되는 가스의 성분을 비교 분석 하였다. 본 연구로부터 반탄화 온도의 증가함에 따라 발열량과 회분함량은 증가 하였으며, 가연분 및 에너지 수율은 감소하였다. 또한 연소 배가스 중 CO2, CO, HCl의 경우 고형연료(SRF) 보다 낮게 발생함을 확인할 수 있었다.

In this work, the separation characteristics of CO2 from CO2 and CH4 mixed gas was studied using pressure swingadsorption (PSA) process. Zeolite 13X was used as an adsorbent to adsorb CO2 from gaseous stream in a fixed-bed ofadsorbent. The adsorption experiments were performed with various gas flow rates, adsorption pressures and temperatures.The deactivation model was used to analyze the adsorption kinetics of CO2 using the experimental breakthrough data.From this work, it was found that the activation energies of adsorption and deactivation were 29.15 and 13.0 kJ/mol,respectively. And the experimental breakthrough curves were agree very well with the adsorption isotherm models basedon Freundlich equation.