폐기물, 바이오매스, 석탄, 정유공장 부산물 등을 청정하면서 이용이 편리한 가스 형태인 합성가스로 변화시켜 발전과 화학원료 생산과 같은 고부가가치로 활용 가능한 가스화 기술은 최근 환경과 청정에너지 관점에서 국제적으로 관심이 높아져 사업 기회가 점점 증가하고 있다. 합성가스 이용 발전기술은 가스엔진, 연료전지, 가스터빈, 스팀터빈으로 분류되고 중･소규모 시설의 경우 현재 가스엔진 기술이 가장 일반적으로 적용되고 있다. 합성가스 이용 가스엔진 발전의 경우 공기 또는 산소부화 조건에서의 비용융 가스화가 일반적으로 적용되며 이때의 가스화기 반응온도는 900~1100℃이고, 합성가스 내 H2, CO 이외의 CH4, C2H4, C3H8 등의 탄화수소를 일부 포함하고 있으며, 발열량 900~1,600 kcal/kg정도이다. 본 연구에서는 폐기물 처리량 기준 8톤/일급 규모의 가스화 발전 파일럿 플랜트에서의 생활폐기물 비성형 고형연료로부터 생산된 합성가스를 이용하여 500 rpm 저속엔진을 이용한 합성가스 조성에 따른 발전특성과 연소특성을 파악하였다. 실험결과 본 연구에 사용된 저속 가스엔진을 통한 합성가스 내 탄화수소류의 연소율은 최대 100%를 보였으며, 동일 합성가스 발열량 기준 탄화수소류의 농도 변화는 가스엔진 발전량에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

신재생에너지의 적극적 활용은 전세계적인 추세이며, 국내에서도 가연성 폐자원의 효율적인 친환경적 처리, 에너지 회수를 위한 다양한 정책과 법규가 만들어져 진행되고 있다. 가연성 폐기물로부터 에너지를 회수하는 전통적인 방법인 소각과 비교하여 가스화 기술은 생산된 합성가스를 다양한 방법으로 활용할 수 있으며, 100톤미만의 폐기물 처리시 소각보다 월등히 높은 효율을 보이고 있다. 따라서 사용연한이 도래하는 국내 중소규모 소각시설의 대체 및 플랜트의 해외 수출 등을 위해 폐기물 고형연료의 가스화 기술의 개발이 진행중이다. 본 연구에서는 이러한 폐기물 고형연료 가스화 플랜트 기술의 개발을 위해 생활폐기물을 대상으로 비성형 고형연료를 제조하고, 제조된 고형연료를 공기사용 고정층 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 이를 직접 가스엔진 발전기에 도입함으로써 일정량의 전력을 생산하는 경우 가스엔진 발전기의 운전 특성에 대해 연구하였다. 가스엔진 발전기의 운전에서 중요한 운전인자는 무엇인지 확인하고, 이를 통해 안정적인 가스화 엔진발전을 위한 개선사항에 대해 알아보고자 하였다.

전체 매립지의 80%를 차지하고 있는 중소규모 매립지의 경우, 저농도 메탄의 소량 발생으로 인하여 연료 활용은 부대시설 비용 증가로 가격 경쟁력을 갖지 못하고 있다. 매립지가스의 주성분은 메탄과 이산화탄소로 이루어져 있으며, 그 외 미량의 불순물질인 수분, 황화수소, 암모니아, 할로겐 화합물, 실록산 등이 존재한다(Rasi et al., 2007). 이 매립지가스의 주성분인 이산화탄소와 메탄을 분리･정제 등 별도의 농축 없이 직접 사용할 수 있으므로 메탄 활용 공정의 단순화 및 고집적화가 필요하다. 현재, 상용화된 매립지가스 전처리 기술은 가스포집 후 냉각응축, 제습 장치 및 건조/가온 장치 등을 통한 다단계 수분 제거기술을 포함하고 있으며, 탈황 및 활성탄을 이용한 미량 유해성분 제거 기술을 활용하고 있다. 매립지가스의 자원화를 통한 온실가스 감축을 위해서는 이 불순물질을 제거하는 전처리 공정이 필요하다. 불순물질 중 황화수소는 자원화 설비를 부식시킬 수 있으며, 실록산의 경우 연소과정으로 생성된 이산화규소가 발전설비 내 스케일을 형성시켜 설비를 마모시킬 수 있다. 기존 공정에서는 황화수소와 실록산이 독립된 공정에서 제거되어 설비의 설치비 및 유지비가 증대되는 문제점이 있다. 본 연구에서는 매립지가스 중에 포함된 미량의 불순물질을 제거하기 위하여 미량의 수분 제거, 황화수소와 실록산의 동시에 제거할 수 있는 흡착공정을 적용하였다. 따라서, 본 연구에서는 매립지가스 중에 포함된 미량의 불순물질을 충분히 제거하고, 100kW급 가스엔진발전기를 통하여 발전하고, 이를 한전의 전력망에 계통연계하여 매립지에서 발생하는 온실가스를 감축하는 수단으로 활용하였다. 이와 같이 가스엔진발전을 통한 지자체 단위의 중소형 매립지에서 발생되는 온실가스를 감축하는데 적용하였으며, 이에 대한 온실가스 감축 사례에 대한 연구 결과를 도출하였다.

국내 중･소규모 지자체의 중･소규모 생활폐기물 소각시설은 에너지 이용을 할 수 없거나, 에너지 회수율이 낮게 활용되고 있다. 중･소규모 생활폐기물 소각시설의 폐열보일러에서는 품질이 낮은 스팀을 생산하므로 스팀터빈을 적용한 경우에는 발전효율이 매우 낮으며, 대부분 생산 스팀을 활용할 시설이 없는 실정이다. 이러한 미활용 되고 있는 중･소규모 지자체에 적합한 고효율발전이 가능하고 열풍 또는 온수 이용이 가능한 폐기물 가스화 발전시설을 보급 가능성을 검증하기 위해 생활폐기물이 1일 50톤 정도 발생하는 지자체에 공기사용 생활폐기물 가스화 가스엔진발전플랜트를 구축하여 성능검증을 수행하고 있다. 본 연구에서는 30톤/일급 상용규모 고정층 공기사용 가스화로에서 생산된 합성가스를 가스엔진 발전시스템에 의해 전력생산량과 50톤/일급 가스화용 생활폐기물 전처리시설 및 가스화발전 시설의 소내 사용전력을 고찰하였다. 반입기준의 생활폐기물 50톤/일급 전처리 및 30톤/일급 가스화 발전 시설의 판매 가능한 전력량을 운전결과를 통해 고찰하였다. 공기사용 고정층 가스화 Pilot 시스템을 이용한 연구에서는 가스엔진 발전이 가능한 합성가스 생산을 위해서는 폐기물의 저위발열량을 3,500 kcal/kg이상으로 전처리 해야 하는 설계조건으로 도출되었다. 본 연구에서 사용한 50톤/일급 전처리시설을 이용하여 파쇄, 선별 및 탈수를 진행하였고, 건조는 진행하지 않은 전처리된 생활폐기물을 공기사용 가스화를 통행 생산된 합성가스를 이용하여 가스엔진 발전시스템에서 생산한 전력량은 약 800 kWe 이상 생산 가능함을 확인하였다. 또한 전체 소내전력 사용량은 약 250 kWe으로 전력판매량은 약 550 kWe로 도출되었다. 폐기물 가스화 발전의 경우 가중치가 1.0이므로 3,960 REC/yr 확보가 가능한 것으로 산출되었다.

폐기물 에너지는 사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물을 가공처리하여 얻어지는 고체, 액체, 기체 형태의 연료와 이를 연소 또는 변환시켜서 발생되는 열, 온수, 증기, 전기 등과 같은 에너지를 의미하는데, 대부분의 폐기물에너지는 고형연료 및 소각에 의한 열, 온수 증기의 형태로 얻어진다. 이는 폐기물이라는 연료로서의 불균일성, 가공제품의 품질관리의 어려움에 기인된다. 한편 폐기물은 발생처가 널리 분포되어 있어 수집에 어려움과 지역 이기주의로 인해 발생처 처리가 최적 방법이다. 또한 에너지 자립섬 사업 및 분산형 발전에 연료로서 가연성폐기물의 사용 가능성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 전원망이 구축되지 못한 섬지역이나 개도국의 마을단위 또는 산업체에서 독립적으로 운영이 가능한 폐기물 발전 시스템의 개발이 주목적이었으며, 고정층 가스화 반응기 및 가스엔진을 채택 module화하였으며, 반응기 운전을 통해, 가스화 반응기 내부가 4개의 반응zone(Combustion, gasification, pyrolysis, drying)으로 운전될 때, 가스엔진 구동이 가능한 합성 가스가 생성되며, 반응 Zone의 형태 유지 방법에 따라 합성가스 조성이 달라진다. 휘발분이 10%이상 되는 목질계 바이오매스를 공기로 가스화 하였을 경우 1,200kcal/Nm3의 발열량을 갖는 합성가스를 생성할 수 있었으며, 가스엔진 구동에 의한 분산 발전 설비로의 이용이 가능하다. 또한 본 기술 개발에서 채택된 metal foam 촉매를 이용한 tar 제거 시스템은 합성가스의 가스엔진 구동을 가능하게 하여 30%정도의 효율을 나타냈다. 이러한 합성가스 엔진 발전 시스템은 가연성 폐기물로부터 분산형 발전 시스템에 적용 가능한 발전 방식임을 확인되었다.