수열탄화 기술은 고온에서 반응이 발생하는 열분해 탄화기술의 단점을 보완하기 위한 방법으로 일정 온도조건(150~200oC)와 고압(10~20 kg/cm²)의 증기를 이용해 슬러지 내 미생물의 세포벽을 파괴함으로서 탈수성을 향상시키고 고액분리를 통해 액체생성물의 가용화 효율을 높이는 기술이다. 본 연구에서는 하수슬러지와 음식물폐기물을 혼합하여 수열탄화반응을 통해 생성된 고체생성물을 이용하여 최종적인 에너지원으로 사용하기 위한 건조실험을 진행하였다. 건조기는 0.9m²의 Lab 테스트용 디스크건조기를 사용하였고, 건조단계에서 많은 에너지가 소비되는 특성에 맞는 최적의 건조조건을 찾고자 하였다. 실험에 투입된 수열탄화물(함수율 57%)은 먼저 전처리(파쇄) 유무에 따라 각각 나누었으며, 건조열원은 스팀압력(1.2~3.7 kg/cm²G)로 초기온도에 따라 설정하였고 수열탄화물 투입량은 3.8~4.7 kg/batch, 디스크 회전속도는 약 15~19 rpm, 체류시간은 함수율 10wt%가 되었을 때까지 실험을 진행하였다. 본 실험을 통해 수열탄화물의 건조특성 곡선을 통해 건조효율을 종합적으로 평가하고, 최적의 설계인자를 확보하고자 하였다.

미세조류로부터 지질을 추출하고 바이오디젤로 전환하는 대체연료 생산 공정은 미세조류의 높은 성장속도, 바이오매스 생산에 사용되는 부지면적 확보의 경제성, 높은 지질함량, 그리고 배양 중 이산화탄소 흡수능력 등 다양한 장점을 갖는다. 하지만 지질 추출 이후 미세조류 찌꺼기는 해당 공정으로부터 불가피하게 발생되는 폐기물로서, 폐기물의 처리와 탄소원의 최대 활용 측면에서 적절한 처리 방법이 고려되어야 한다. 수열탄화는 일반적으로 유기성물질을 높은 온도(180-350℃)와 온도 상승에 따른 압력변화 조건(2-10 MPa)에서 열화학적분해 과정을 통해 차(Char) 형태의 고형물로 변환시키는 공정을 말한다. 수열탄화를 거쳐 생성된 차는 탄화과정을 통해 바이오매스 내부의 결합수가 제거되고 고정탄소의 비율이 증가됨에 따라 고형연료로서 활용 가치를 갖는 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 바이오디젤 생산 공정에서 발생되는 지질 추출 미세조류를 250℃ 이하의 온도(180, 200, 220, 240℃)에서 수열탄화 방법으로 탄화하여 차를 생산하였다. 생산된 차는 열중량분석(TGA, Thermogravimetric analysis)을 실시함으로써 연소형태를 통한 연료특성 개선효과를 평가하였다. 이와 함께 적외분광 분석 (FTIR, Fourier Transform Infrared Spectrometry)을 실시하고 수열탄화 처리에 따른 차 생성물 내 작용기의 변화를 관찰하였다. 연구결과 180과 200℃ 처리온도 조건에서 수열탄화를 실시한 경우 탈수능의 향상과 고정탄소의 상대적인 함량 증가에 따른 착화온도 상승효과가 관찰되었다. 반면 이를 초과하는 처리온도(220, 240℃)에서는 고정탄소 함량 감소와 휘발분 함량 증가로 인해 착화온도가 낮아지는 것이 관찰되었는데, 비교적 고온의 처리온도에서 재중합반응을 통한 휘발성 저분자 물질의 생성에 기인하는 결과로 판단된다. FTIR 분석 결과에서도 180과 200℃의 처리온도에서 수산화기(-OH)의 탈락으로 인한 탈수반응과 석탄화도 향상에 따른 고형연료로서의 특성 개선이 관찰되었다. 본 연구결과를 통해 지질 추출 미세조류의 특정 온도범위(180-200℃) 내에서 수열탄화를 통한 처리 시 생산되는 차는 연료특성 측면에서 고형연료로서의 활용 가치가 개선될 수 있음을 확인할 수 있었다.

This paper is containing two study. The one is a land treatment of sewage sludge reduction through the indirect heating method and the other verifies conversion possibility of sludge organic matter to auxiliary fuel, steel thermal insulation material, byproduct fertilizer compost and find the suitable recycling method for J city. It was confirmed that about 88 percent of weight reduction for transportation efficiency and method verification. The analysis result of the carbonized product component showed the average low heating value of about 2,850 kcal and the moisture content of 1.4% which means the sludge is suitable as a fuel.

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.

수열탄화 (HTC, Hydrothermal Carbonization)는 수분함량이 높은 바이오매스를 바로 적용하여 닫힌계에서(closed system)에서 승온 시키면 150℃∼250℃범위에서 열수(hot water)에 의하여 고형물의 유기물 일부가 분해되기 시작하여, 탈카르복실화(decarboxylation)와 탈수(dehydration)반응이 유도되며 O/C, H/C 비율을 낮추고 탄소고정을 통해 바이오매스 고형연료의 에너지밀도를 높여 연료로서의 특성이 향상된다. 또한 수열탄화 반응시 높은 수분함량을 건조하여 수분을 증발시키지 않고 물로 분리함으로서 수분 제거시 소비되는 에너지를 일반 건조기술 대비 50%이상 절감함으로서 하수슬러지 고형연료화의 경제성을 향상 시킬 수 있다. 이렇게 분리된 액체생성물에는 유기물 분해에 의해서 용해성 유기물이 다량 농축되어 혐기소화의 전처리 기술로도 적용되고 있다. 본 연구에서는 I시 하수슬러지를 1년간 매달 sampling하여 계절별 하수슬러지 물리화학적 특성 변화와 수열탄화 적용 시 반응 및 연료 특성 변화를 확인하였다. 따라서 상용화 수열탄화 기술을 적용시 계절에 상관없이 안정적인 고형연료 확보 가능성을 확인하였다.

폐기물 해양투기 방지를 위한 국제협약인 런던협약･의정서에 따라 2012년 가축분뇨의 해양배출이 전면금지 되었으며, 국내 가축분뇨 발생량은 2011년 128,621 ㎥/일에서 2014년 175,651 ㎥/일로 점차 증가하고 있는 실정이다. 또한 가축분뇨를 육상처리 시 발생하는 메탄가스로 인한 악취문제나 처리되지 못한 영양염류 및 고농도의 유기물이 하천으로 배출되어 부영양화를 일으키는 등의 문제가 대두되고 있다. Biochar는 혐기성 상태의 환경에서 분뇨와 같은 바이오매스를 열분해 시켜 생성한 고형물질이다. 최근 연구에 따르면 Biochar를 토양에 적용할 경우 주변의 이산화탄소를 장기간 저장하고 중금속을 흡착하며 토양 내 수분보유능력을 증가시키는 등 친환경 소재로써의 가치가 평가되고 있다. 따라서 본 연구에서는 수분함량이 높아 재활용이 어려운 가축분뇨를 열수가압탄화반응(Hydrothermal Cabonization, HTC)방법으로 Biochar를 제조하여, 중금속 흡착제로서의 사용가능성을 평가하고자 하였다. Biochar는 Stainless재질의 500 mL 용량의 반응기를 사용하였으며 온도, 반응시간, 입경에 따른 생성수율을 도출하고 각각의 원소분석, 삼성분 및 중금속 함량분석 등의 물리·화학적분석을 통한 특성분석을 수행하였다. 이 결과 원료와 비교하여 Biochar의 탄소성분은 약 25 % 증가했고 중금속 함량은 감소하는 경향을 보였다. 또한 흡착능력을 알아보기 위해 요오드 흡착성능을 분석한 결과, 원료 대비 약 52.4 %의 흡착성능 증가를 확인하였다.

우리나라는 런던협약 이행을 위하여 2012년부터 하수슬러지의 해양투기를 금지하고, 매립용 복토재, 발전소 보조연료, 바이오가스 생산 원료 등 하수슬러지를 다양한 재활용 물질로써 활용하기 위한 방법을 모색하여왔다. 이중 수열탄화(Hydrothermal carbonization)방법은 닫힌계에서 180℃~250℃온도조건과 이때 생성되는 반응기내 압력으로 운영되는 기술로, 기존 건조기술대비 에너지소비가 적은 연료화 기술이나 수열탄화 공정이후 다량으로 발생하는 탈리액의 처리가 필요하다. 이처럼 수열탄화 공정이후 고액분리된 액체생성물을 효과적으로 처리·활용하고자 본 연구는 하수슬러지 수열탄화 액체생성물의 단독 혐기소화 및 음폐수와의 혼합소화실험을 통하여 바이오가스 생산추이를 비롯한 혐기소화 특성변화를 관찰하였다. 실험은 유효용적 5L 규모의 혐기성소화조를 이용하였고, 35℃ 항온조건을 유지하기 위하여 water jacket형태로 반응기를 구성하였으며, 반응기 내부 균질화를 위하여 80rpm속도로 기계적 교반을 진행하였다. 유기물부하율(OLR)은 1g VS/L-day로 운영후 1.5g VS/L-day까지 증대시켰다. 실험 결과, OLR 1g VS/L-day 조건에서 하수슬러지 수열탄화 액체생성물의 경우 0.17L/g COD의 메탄전환율을 보였고, 음폐수혼합액의 경우 메탄전환율은 0.30L/g COD로 수열탄화 액체생성물 단독소화일 때 보다 높은 값을 보였다. OLR 1.5g VS/L-day 조건에서는 수열탄화액 액체생성물 단독처리시 OLR 1g VS/L-day 조건보다 메탄전환율이 크게 감소하는 경향을 보였고, 음폐수 혼합액은 OLR 1g VS/L-day 조건과 유사한 메탄전환율을 나타냈다.

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.

급속한 경제 성장과 함께 국내 하수처리 시설의 수는 증가하여 왔으며, 이로 인해 하수처리 시설로부터 발생되는 하수슬러지의 양도 꾸준히 증가하여 왔다. 2014년 기준 연간 발생량이 3,651,029 톤에 이르는 하수슬러지는 국제협약과 국내 법제도로 인해 해양투기와 직매립이 금지됨에 따라 이를 처리하기 위한 적절한 방법의 개발이 요구된다. 최근 하수슬러지 처리 방법을 살펴보면 전체 재활용되는 양의 43.8% (w/w)인 상당량의 하수슬러지가 건조 및 탄화의 방법을 통해 연료화 되고 있다. 하지만 슬러지의 경우 높은 함수율로 인해 건조 및 탄화 공정에 많은 양의 에너지가 소모되는 문제점이 있다. 이를 극복하기 위한 수단으로 슬러지에 함유되어 있는 수분을 열분해 반응에 이용할 수 있으며 비교적 낮은 온도에서 바이오매스의 탄화가 가능한 수열탄화가 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 슬러지의 수열탄화를 실시하고 생성된 바이오차를 이용하여 고형연료로서의 특성을 분석하는 한편 연료특성 개선을 위한 타 바이오매스와의 혼합처리 가능성을 확인하였다. 연구결과 180-270 ℃의 온도조건에서 생성된 바이오차는 모두 국내 바이오고형연료제품의 기준 발열량인 3,000 kcal/kg 보다 높은 4,000 kcal/kg 이상의 발열량을 보였다. 하지만 바이오고형연료제품 기준 중 회분함량에 대한 항목을 살펴보면 원시료 기준 29.11% (w/w)로 관련 기준인 15% (w/w)와 비교할 때 높았던 슬러지내 회분함량이 수열탄화 과정을 거치며 처리 온도에 따라 32.75-47.64% (w/w)로 오히려 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 슬러지를 고형연료로 사용하기 위해서는 회분함량 개선을 위한 혼합물의 투입이 필요할 것으로 판단되었다. 이를 위하여 최근 대량 생산이 용이하여 차세대 에너지원으로 주목받고 있는 미세조류와의 혼합을 통한 연료특성 개선 가능성을 확인하였다. 미세조류의 경우 슬러지와 동일한 조건에서 수열탄화를 통하여 처리될 경우 회분함량이 1.29-2.96% (w/w)로 현저히 낮고, 발열량 또한 6,740 kcal/kg으로 높은 값을 보였다. 따라서 적절한 비율로 혼합된 슬러지와 미세조류의 수열탄화를 통한 처리 시 생성된 바이오차는 국내 바이오고형연료제품 기준을 만족할 수 있을 것으로 판단된다.

고형연료는 사용되는 원료물질에 따라 크게 SRF(Solid Refuse Fuel)와 Bio-SRF로 구분될 수 있다. 또한 성형모양에 따라 Fluff 형태와 펠렛 형태로 나뉜다. 이렇듯 다양한 고형연료의 생산방식에 따라 고형연료를 사용하는 보일러와 관련된 기술은 기존의 보일러 기술에서 일부분을 개선하거나 새로운 아이디어를 추가하는 방식으로 개선되는 것이 일반적이다. 고형연료는 폐기물을 소각 또는 매립처리하면서 발생되었던 폐기물의 보관, 악취, 부산물에 의한 추가적인 오염과 같은 문제점들을 해결하는 많은 방법들 중 하나이다. SRF로 전환된 폐기물은 보관과 운송이 용이하며 일반적인 폐기물에 비해 높은 발열량과 연소효율의 장점이 있다. 런던협약에 의해 2013년부터 슬러지의 해양투기가 금지되었고 2016년에 개최된 파리협정의 신기후변화체제에 대응하기 위한 관련 기술의 개발이 요구되고 있다. 해양투기금지가 대두되었을 당시에는 탈수 후 매립하거나 탈수 후 건조하여 소각하는 방법이 주류를 이루었으며, 미생물을 이용한 바이오가스를 생산하는 기술이 개발되었다. 하지만 하수슬러지의 발생량이 증가하고 있으며 매립을 제외한 처리시설에서의 처리량에 한계가 있어 처리기술의 다변화가 필요하다. 본 연구에서는 Bio-SRF를 이용하는 보일러와 관련된 기술개발의 흐름과 신규기술 또는 개선기술에 대한 특허 출원을 목적으로 기술동향의 흐름을 분석하였다. Bio-SRF는 수열탄화 반응기에서 생산되며 연소보일러에서 발생되는 열에너지는 다시 수열탄화반응기의 반응에너지로 이용된다. 유사기술에 대한 특허출원의 동향을 분석하여 향후 기술개발 및 특허출원의 참고자료로 활용될 예정이다.

오늘날 인구밀도의 증가와 산업 활동의 증가로 하･폐수처리장이 급속하게 증가하였고, 이에 따라 하･폐수슬러지의 발생량이 많아지고 이를 감량 및 처리하기 위한 연구 및 개발도 증가하는 추세이다. 고함수(함수율 80%)의 특성을 가지고 있는 슬러지에 대한 처리 및 에너지화는 이전부터 많이 진행되고 있으나, 고형연료화에 있어서 높은 에너지 소비비용을 줄이기 위해 수열탄화의 공정에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 2012년부터 런던협약에 의해 유기성폐기물의 해양투기가 금지되면서 하수슬러지 뿐만 아니라 가축분뇨, 음식물류폐기물 등이 육상처리 및 에너지화의 방향으로 진행되어야 할 것이다. 이에 본 연구에서는 유기성폐기물 종류에 따른 수열탄화의 반응특성변화를 평가하고, 수열탄화 반응물의 탈수성, 고형연료 생산수율, 발열량, 탈리여액의 메탄포텐셜 등을 평가하여 종류별 최적의 수열탄화 반응온도를 평가해보았다. 또한, 유기성폐기물 종류별 수열탄화 적용에 따른 고형연료 생산성을 평가하여 유기성폐기물별 연료화 가치를 판단해 보았다.

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.

유기성폐기물 내 존재하는 질소를 회수하여 재이용 또는 재활용 하기 위하여 암모니아탈기 방법을 이용한 질소회수 효율 확보 방안을 연구하였다. 고농도 암모니아 함유 폐수에서(매립장 침출수, 식품폐수, 축산폐수 등) 목적으로 암모니아회수를 위한 탈기 기술 개발사례가 있으며 주로 탈기효율을 높임으로서 동력비용을 절감하는 목적으로 개발되었다. 따라서 암모니아 탈기 운영에서 60%이상을 차지하는 pH조절용 약품비용 절감을 위한 기술이 보급되어야 실질적인 상용화 및 보급이 활발해 질 것으로 판단된다. 암모니아 탈기 시 소요되는 공기는 입자성오염원이 존재할 경우 산소전달의 방해인자로 작용하기 때문에 이를 비교 평가하기 위해 고액분리 전･후를 비교 평가하여 이에 따른 탈기 효율 변화를 관찰하였으며 또한 pH에 따른 적정 NH3 /NH4 비율을 선정하여 pH조정용 약품비용 절감을 통해 경제성을 확보 하였다. 탈기 시 온도가 20℃일 때 소요되는 이론적 공기량은 2,400 L-air/L-water이나 70℃일 때는 이보다 약 10배 감소한 262 L-air/L-water 나타낸다. 이에 온도조건 변화를 통해 탈기 공정에서 대부분의 동력비를 소모하는 공기 주입량 절감을 위한 최적 방안을 도출하였다.

우리나라의 폐기물 정책 및 처리방법이 변화됨에 따라 매립지로 반입되는 폐기물들의 유기물함량이 점차 줄어들고 있으며, 매립장내 수분이 낮아져 매립지가 안정화되는데 오랜 시간이 소요되고 있다. 이러한 추세에 따라 매립장의 조기 안정화를 위하여 최근 국내에서는 매립지내 침출수 재순환에 관한 법제화가 이뤄졌다. 한편, 하수슬러지를 고형연료로 생산하기 위하여 수열탄화(Hydrothermal carbonization)공정을 도입시, 해당 공정에서 배출되는 고액분리된 액체생성물 발생량은 투입폐기물량의 80% 정도로 반드시 적정처리 또는 재활용이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 매립장의 조기안정화를 목표로 수열탄화액이 매립장 순환수로써 활용가능한지를 파악하기 위하여 수도권매립지로 반입되는 폐기물 조성을 반영한 폐기물과 수열탄화액 등을 serum bottle에 넣고 35℃ 항온 및 혐기적 조건에서 지속적으로 가스발생량 및 가스 조성을 측정하였다. 실험 결과, 수열탄화 반응후 고액분리된 액체생성물은 기존의 침출수 주입효과와 비교할 때 보다 우수한 메탄가스 발생경향을 확인할 수 있었다. 그러나 암모니아 탈기 후의 수열탄화액은 탈기과정에서 투입된 Na+의 영향으로 순환수를 투입하지 않은 경우보다도 낮은 바이오가스 및 메탄가스 발생량 등을 나타내 폐기물 분해에 긍정적인 영향을 주지 못하는 것으로 평가되었다.

수열탄화(HTC, HydroThermal Carbonization)는 수분함량이 높은 바이오매스를 바로 적용하여 닫힌계에서 (closed system)에서 승온시키면 150℃~250℃범위에서 열수(hot water)에 의하여 고형물의 유기물 일부가 분해되기 시작하여, 탈카르복실화(decarboxylation)와 탈수(dehydration)반응이 유도되며 O/C, H/C 비율을 낮추고 탄소고정을 통해 바이오매스 고형연료의 에너지밀도를 높여 연료로서의 특성이 향상된다. 또한 수열탄화 반응시 높은 수분함량을 건조하여 수분을 증발시키지 않고 물로 분리함으로서 수분 제거시 소비되는 에너지를 일반건조기술 대비 50%이상 절감함으로서 하수슬러지 고형연료화의 경제성을 향상 시킬 수 있다. 이렇게 분리된 액체생성물에는 유기물 분해에 의해서 용해성 유기물이 다량 농축되어 혐기소화의 전처리 기술로도 적용되고 있다. 본 연구에서는 Lab scale과 1ton/day pilot plant를 이용하여 수열탄화를 하수슬러지에 적용하여 반응특성 및 연료 효율 향상을 확인하였다. 반응온도별 각 반응생성물의 특성 파악을 통해서 최적의 반응조건을 도출하였다. 또한 수열탄화 반응물에서 후단의 혐기소화 공정의 저해인자 제거를 위한 질소회수 공정으로 생기는 pH 변화에 따른 탈수특성 변화와 원인을 확인하였다.

지속적인 경제 성장으로 인한 생활 패턴 및 소비구조의 변화에 의해 폐기물 발생량은 급격히 증가하였으며, 발생 및 특성에 따른 적정처리에 대한 어려움을 겪고 있다. 특히, 유기성 폐기물은 2012년 해양 투기의 전면금지에 따라서 대체할 수 있는 처리 방안에 대해 지속적으로 방법을 강구하고 있는 실정이다. 음식물 폐기물의 경우 높은 유기물 함량과 높은 수분함량으로 직접적인 연료화보다는 퇴비화 및 사료화 등으로 처리하고 있으나, 악취 및 폐수 처리문제 등이 야기되고 있다. 본 연구에서는 수열탄화를 이용하여 Biochar를 생산하고, 생산한 Biochar 특성변화에 대한 연구를 진행하였다. 수열탄화의 온도변화에 따라서 음식물퓨 폐기물의 유기물의 특성 변화 및 연료 특성 변화에 대한 상관관계와 적용성에 대한 평가하였으며, 실험조건은 180-240℃에서 1시간동안 반응하였다. Biochar의 특성분석을 위행원소분석, 공업분석, 발열량 및 유기물 변화 등을 분석하였다. 수열탄화를 통해 발열량이 증가하였으며, 탈수성이 향상되는 결과를 얻었다. 음식물의 유기물의 용해에 의해 Product yield는 낮아지는 결과를 보였다. 화학적으로는 탄소함량의 증가를 통해 발열량이 증가하였다고 판단되며, 높은 온도에서는 분해율이 높아서 고형물 및 탄소 함량이 낮아지는 결과를 알수있었다. 수열탄화를 통해 얻어진 Biochar는 국내 Bio-SRF 기준에 적합한 결과를 보였으며, 수열처리는 음식물류 폐기물 처리의 한 방법으로 제시가능하다고 판단된다.

전 세계적으로 에너지 수요증가와 유가 불안정 현상이 지속됨에 따라 이를 대체할 방안으로 신재생에너지 사용에 대한 관심이 높아지고 있으며 신재생 에너지의 수요가 늘어날 것으로 예측된다. 우리나라는 신재생에너지 공급의무화 제도(Renewable & Portfolio Standards; RPS)를 2012년부터 도입하여 50만kW 이상의 발전소는 총 발전량에 대한 신재생에너지를 사용한 전력공급율을 2012년 2%를 시작으로 2024년까지 10%로 실시할 계획이다. 최근 RPS 의무이행자인 발전사들의 신재생에너지발전원 중 바이오 비율이 70%에 이르며 이는 바이오매스 발전이 투자비 및 연료구매 비용이 낮고 운영효율성이 높아 RPS 이행이 쉽기 때문이다. 하지만 바이오매스로의 쏠림현상은 국내 목재시장의 유통구조에 악영향을 미치고 있으며 바이오매스발전 급증으로 폐목재 수요도 동반 증가하면서 재활용 가능한 목재까지 연료로 사용되고 있는 실정이다. 최근 팜오일 바이오매스는 인도네시아 산업을 이끌 잠재력 있는 자산으로 대두되어 왔으며, 2013년 기준 1억 4,200만 톤의 팜오일과 이에 따른 6,654만톤의 팜 부산물이 생산되고 있어 이를 연료화시 국내에서 거론되고 있는 바이오매스 문제를 해결할 수 있는 신재생에너지원으로써 확보가 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서 대상으로 하는 EFB는 팜오일 생산과정에서 발생되어 일부분만 비료로 사용되고 처리되지 못해 야적되어 있는 것을 사용하였다. 3ton/day급 Pilot급 일체형 다단건조 탄화기를 사용하여 고열량인 EFB(저위발열량 : 4,320 kcal/kg)를 반탄화 고형연료로 생산하기 위해 반탄화 온도(200~300℃)와 시간(30~60분)을 고려하여 고형연료 생산량 및 발열량에 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 반탄화 온도 변화에 따라 EFB의 저열량휘발성분의 감소와 탄소함량의 증가로 발열량(5,150 kcal/kg)이 증가하는 경향을 나타나는 것으로 분석되었다. 본 연구로 최적 EFB 반탄화 고형연료 생산인자를 도출함에 따라 경쟁력 있는 바이오매스 신재생에너지로 확보 될 것으로 전망된다.

In this study, hydrothermal carbonization is used to recover energy from sludge. This hydrothermal carbonization is a feasible sustainable energy conversion technology to produce biofuel for renewable energy. The experiments were conducted at 170oC up to 220oC for a 30-min holding period to determine the optimum conditions for hydrothermal carbonization in a lab-scale reactor to apply to a scale-up reactor (1 ton/day). The biochars from sludge were assessed in terms of dewaterability characteristics and fuel properties. The results showed that the optimum temperature of labscale hydrothermal carbonization was 190oC. The 1 ton/day hydrothermal carbonization pilot plant operated at 190oC. The biochar had higher energy content but the char yield sharply decreased. Therefore, an energy of about 49% could effectively be converted from sludge biomass. This sludge from municipal wastewater treatment is a potential energy resource because sludge is composed of organic substances.

Since sewage sludge has low heating value as an energy source, it is desirable that sewage sludge is mixed with woody waste to enhance energy potential. Among thermal methods for waste to energy, carbonization process is used in this study. In order to estimate reaction kinetics for carbonization process using mixture of woody waste and sewage sludge, the content of sewage sludge is varied from 10 ~ 30% in mixture of woody waste and sewage sludge in carbonization process. Carbonization time is changed from 10 min to 50 min and carbonization temperature is varied from 250oC to 350oC. The carbonization process for mixture of woody waste and sewage sludge was optimized at carbonization temperature of 300oC for 20 min, 20% of sewage sludge content. As increased carbonization temperature, reaction rate constant, frequency factor and degree of carbonization were increased. As increased the content of sewage sludge, conversion, ash content and degree of carbonization were decreased. At optimal conditions for carbonization process, frequency factor and activation energy in Arrhenius equation can be decided by 3.61 × 10−2 min−1, 7,101.8 kcal/kmol respectively.