지난 10년간 신재생에너지 시장은 꾸준히 증가하고 있으며, 이와 더불어 폐기물 에너지화(WtE, Waste to Energy) 기술은 매년 5% 이상 꾸준히 성장할 것으로 예측된다. 폐기물 에너지화 기술은 폐기물 처리방식에 따라 물리적, 열화학적, 생물학적 기술로 분류되며 그중 하나인 폐기물 가스화 기술은 폐기물의 고부가가치 연료화 및 온실가스 감축 증대의 효과로 최근 더욱 각광받고 있다. 공급된 폐기물 내 탄소 및 수소 성분은 가스화 반응을 통해 CO, H2가 주성분인 합성가스로 전환되고 생산된 합성가스는 메탄올, 디젤류, DME 등 다양한 화학원료로 이용될 수 있으며 가스엔진 등 발전분야에 이용이 가능하다. 본 연구에서는 생활폐기물을 기반으로 제조된 비성형 고형연료를 대상으로 8 TPD급 고정층 가스화 반응기에서 합성가스의 생산특성에 대하여 연구하였다. 본 연구의 반응기는 가스화제 주입을 Down-draft 및 Up-draft의 방향으로 공급할 수 있도록 제작하였으며, 이와 더불어 가스화 반응 영역 후단에 Gas Chamber를 두어 추가적인 타르 크랙킹을 유도할 수 있도록 하였다. 기존 공기 가스화의 경우 공기 중의 대부분을 차지하는 비활성 물질인 질소의 공급량이 많아 생산가스 내 합성가스의 비율이 상대적으로 낮아 활용측면에서 발전부분에 국한 되는 한계가 있었다. 이에 반해 본 연구는 공기비(ER, Equivalent Ratio)와 더불어 순산소의 추가 공급으로 산소부화율을 제어하여 발생되는 합성가스의 주성분인 CO, H2의 비율을 30% 이상으로 높게 유지할 수 있었고 이를 통해 생산 가스의 열량 및 냉가스 효율 등 고품질의 합성가스를 생산할 수 있었다.

우리나와 같이 삼면이 바다인 지역은 연안 해역에서의 대규모 어업활동 및 산업화로 인하여 해상 및 해저의 침적 폐기물, 패각류, 퇴적 오염물 등 해양폐기물 발생량의 증가로 인하여 인류의 정화조라 표현되던 해양은 오염이 날로 심각한 상태에 이르고 있다. 본 연구는 해변에 밀려온 해안폐기물을 대상으로 고형연료 활용 가능성 및 활용 보관, 이동성을 확보하기 위한 펠렛 성형 조건을 분석하였다. 해안폐기물은 그물류, 목재류 등 높은 가연성 물질로 고에너지 고형연료 가능성이 높다. 이를 압축성형을 통한 펠렛 고형연료 생산을 위한 강도별 성형 특성을 분석하였으며, 특히, Polyethylene계 해안폐기물은 펠렛 성형, 형태의 유지 등의 평가를 통해 성형 가능성이 높은 반면 Nylon계 해안폐기물은 성형 형태 유지의 어려움이 있다고 판단된다. 해안폐기물이 고형연료 성형시, Polyethylene는 성형바인더 역할을 수행하여, 압축강도는 350 kg/cm² 이상에서 성형 및 형태 유지가 용이한 조건을 나타냈다. 이렇게 생산된 해안폐기물 고형연료는 높은 Carbon 함량 및 휘발분 함량 등으로 저위발열량은 7,000 kcal/kg이상을 나타냈다.

전 세계적으로 자원의 고갈과 온실가스로 인한 기후변화가 지구의 환경을 위협하는 요인으로 작용하고 있다. 이에 국내에서는 폐기물의 재활용을 촉진하고, 더 높은 부가가치를 부여하기 위한 기술･정책적 노력들이 이루어지고 있다. 그 중 하나로 생활폐기물을 기계적 선별공정과 생물학적 처리 공정이 결합된 MBT(Mechanical Biological Treatment) 시설이 도입되었다. 국내에서 발생되는 폐기물은 가연분 함량이 높아 SRF(Solid Refuse Fuel)로 생산할 경우 에너지 자원의 대체제로 사용 가능성이 크다고 판단된다. 이에 본 연구에서는 국내에서 생산되는 SRF에 대하여 기초특성분석을 실시하고 효율적인 열에너지 회수를 위해 연소실험을 진행하였다. 시료의 기초특성분석결과, 수분, 회분함량이 낮고 탄소성분과 발열량이 높게 나타났다. 연소 특성 및 오염 물질의 발생 특성을 파악하기 위하여 고정층 반응기에서 공기비 1.8~2.6 범위에서 실험을 진행하였다. 뿐만 아니라 각 공기비에서의 배가스 성분을 연소가스측정기(MK9000)를 이용해 그 특성을 알아보았으며 가스상 오염물질 배출특성을 알아보기 위하여 오염물질인 HCN, HCl 에 대해 분석을 실시하였다. 배가스 특성에서 CO의 농도가 거의 0%로 나타난 것으로 보아 완전연소가 잘 일어나고 있음을 판단 할 수 있었다. 또한 배출된 가스상 오염물질의 경우 배출 허용기준(HCl 15ppm, HCN 5ppm)을 모두 만족하는 것으로 나타났지만 NOx의 경우, 배출 허용 기준(80ppm)에 비해 약간 높은 값을 보였다. 모든 조건을 고려하였을 때 연소 반응이 활발히 일어나는 것을 알 수 있었지만 SRF를 연소공정에 적용시 추가적인 NOx 제어 시설이 필수적으로 설치되어야 할 것으로 판단된다.

범지구적인 산업활동으로 인하여 발생된 지구온난화에 대처하기 위하여, 기후변화협약 당사국총회에서는 신 기후변화체제 합의문인 파리 협정을 채택하였다. 이를 위해 대부분 국가가 다양한 에너지 정책을 펼치고 있으며, 우리나라는 2035년까지 신재생에너지 보급률 11 % 달성을 위하여 제4차 신재생에너지 기본계획을 수립, 발표하였다. 이러한 신재생에너지는 다양한 에너지원으로 구성되어 있으며, 이 중 폐기물 에너지화 기술로부터 생산된 폐기물에너지는 신재생에너지 보급량 중 63.5 %로 가장 높은 보급량을 차지하고 있다. 현재 폐기물의 효율적인 자원화 기술 중 하나인 고형연료(SRF, solid refuse fuel)를 이용한 발전 사업이 추진되고 있다. 국내에서 생산되는 SRF의 경우, 생활폐기물 속 재활용 자원을 최대한 회수함으로써 가연분 함량이 높아 대체 에너지로서의 가능성이 높게 평가받고 있으며, 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 반응기인 down draft fixed bed와 유동층 반응기인 bubbling fluidized bed의 가스화 특성을 알아보고자 하였다. 이뿐만 아니라 가스화 공정의 주요 운전 요인 중 하나인 ER(Equivalent Ratio)에 따른 합성가스 조성, 가스 수율, 고 탄화수소 물질인 C2-C6의 함량, 합성가스의 저위발열량 그리고 가스화 효율의 가장 중요한 지표라 할 수 있는 냉가스 효율과 탄소 전환율을 통해 최적 조건을 도출하고자 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.

생활폐기물 및 산업폐기물로부터 고형연료를 제조하는 과정에서 폐기물 반입량 대비 30 ~ 45%의 비율로 잔재물이 발생되어 매립되거나 일부는 소각장으로 반입되어 처리되고 있다. 이러한 잔재물은 함수율 40% 이상을 나타내어 그대로 매립되었을 경우 오염부하를 증가시킬 수 있으며, 매립에 의한 처분비용으로 전체 시설 운영비의 약 20%가 요구되는 실정이다. 이러한 잔재물은 양 및 질적인 측면에서 볼 때 추가 공정을 통하여 충분히 고형연료로 생산이 가능하다. Bio-drying 기술은 폐기물 내에 존재하는 생분해성 유기물질에 대한 미생물의 호기성 분해열을 이용하여 폐기물의 수분을 건조시키는 건조에너지 소모 및 설치/운영비를 최소화 할 수 있는 경제성이 우수한 기술이다. 본 연구에서는 고형연료화 시설에서 발생된 잔재물을 대상으로 Bio-drying 기술을 적용시켜 생산된 비성형 고형연료의 벤치규모 연소실험을 통해 연소 공기비에 따른 바닥재와 비산재의 발생 특성을 고찰하였다. 또한 기존 시중에 판매되고 있는 비성형 고형연료와의 연소특성 비교/분석을 통해서 Bio-dyring 고형연료의 연소특성을 파악하고 연소 조건의 최적화를 진행하였다. Bio-drying 고형연료와 판매용 고형연료의 연소 바닥재의 XRF 분석 결과 CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3가 주성분을 이루며 그 중에서 CaO 성분이 각각 36.6%와 48.6%로 가장 높게 나타났다.

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.

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. 폐기물로부터 합성가스를 생산하는 가스화 운전기술 최적화 도출은 효율적인 에너지 생산 및 재활용 기술 개발을 한 단계 더 나은 폐기물 처리방법으로 각광 받을 수 있다. 또한 가스화를 통한 양질의 합성가스는 스팀발전, 고효율 가스엔진 등의 연료로 사용 되어 에너지 회수효율을 높일 수 있다. 본 연구에서는 SRF pilot 가스화 플랜트 최적 운전 조건 도출을 위해 운전인자로는 공기비, 충진율, 산화제 분배율이 있으며, 성능지표로는 냉가스 효율, 탄소 전환율, 합성가스 생산량, 발열량, 조성 등을 지표로 정의하였다. 그리고 성능지표 기준 및 가중치를 설정 후 26조건의 SRF pilot 가스화 실험을 진행하였으며, 실험 결과를 분석하여 최적운전 조건을 도출하였다. 실험조건은 공기비 0.21~0.36, 가스화 반응기 SRF 충진율 35~65%, 산화제 분배율은 0~7.5%로 설정하여 실험을 진행하였으며, 공기비, 충진율이 증가할수록 냉가스효율 및 탄소전환율이 증가되었고, 산화제 분배율에서는 냉가스 효율은 2차 산화제 분배율이 3%에서 가장 좋은 결과를 보였으며, 탄소전화율은 2차 산화제의 공급비율이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 추후 공기비를 증가시킨 조건에서의 가스화 특성을 추가 파악 할 필요가 있음을 확인하였다.

최근 들어 화석연료 고갈 및 환경오염 등 다양한 이유로 인해 신재생 에너지 자원에 대한 관심이 증대되고 있으며 관련 연구의 분야도 다양해지고 있다. 국내 신재생 에너지 시장은 점차 증대될 전망이며, 이러한 신재생 에너지는 바이오매스, 폐기물, 태양광, 수력 등 다양한 에너지 자원을 지칭하며 본 연구에서는 폐기물을 이용하여 신재생 에너지 자원 활용을 하고자 한다. 폐기물은 다양한 기술을 통해 활용이 가능하며 국내 폐기물의 경우 종량제 실시 등 법적 제도 덕분에 타 국가에 비하여 재활용률이 높으며 이러한 특성은 폐기물이 신재생 에너지 자원으로 사용되는데 큰 장점으로 나타난다. 최근 들어 주목받고 있는 기술인 Solid Refuse Fuel (SRF) 기술은 파쇄, 선별, 건조 공정을 거쳐 가연분 함량을 높여 열처리 시설에 연료로 사용할 수 있게끔 하는 기술로 이전에는 성형 SRF가 이송 및 투입의 이점에 의해 주목 받았으나 최근 들어 경제적 측면을 고려하여 비성형 SRF가 각광받고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 비성형 SRF를 시료로 하여 8 ton/day 규모의 pilot급 가스화 시스템에 적용하였으며, 가스화 공정 중 발생하는 다양한 가스상 오염 물질에 대한 배출 특성을 파악하고자 하였다. 이 뿐만 아니라 일반적인 가스화 특성 지표로 알려진 냉가스 효율, 탄소 전환율, 합성가스 조성 파악 등에 대하여 결과 값을 정리하였다. 가스상 오염물질은 질소 화합물(HCN, NH3), 염소 화합물(HCl), 황 화합물(H2S)을 선정하여 분석을 진행하였으며, 습식 정제 시스템인 스크러버 및 습식 전기 집진기를 통과한 후 배출 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다.

기후변화가 가속되는 현 상황에서 신재생에너지의 적극적 활용은 전세계적인 추세이며, 국내에서도 가연성 폐자원의 효율적인 친환경적 처리, 에너지 회수를 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 관련정책과 법규가 만들어져 있다. 가연성 폐기물로부터 에너지를 회수할 수 있는 가스화 기술은 생산된 합성가스를 다양한 방법으로 활용할 수 있다. 합성가스가 가지고 있는 화학적 에너지를 활용하여 직접 엔진을 가동할 수 있으며, 가스화 방식에 따라 합성가스 내에 포함된 수소, 일산화탄소 등의 성분을 화학반응의 원료로 사용할 수도 있다. 따라서, 국내에서도 폐기물로부터 얻어진 합성가스를 다양한 방법으로 활용하기 위한 많은 연구들이 진행중에 있다. 본 연구에서는 폐기물 고형연료 가스화 플랜트 기술의 개발을 위해 생활폐기물을 대상으로 비성형 고형연료를 제조하고, 제조된 고형연료를 파일럿 규모의 고정층 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 이를 직접 가스엔진 발전기에 도입함에 있어서, 고정층 반응기에서 발생되는 합성가스의 생산특성에 대해 알아보고자 한다.

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.

폐기물로부터 에너지를 회수하고자 하는 노력은 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, 100톤 미만의 폐기물 처리시 소각보다 월등히 높은 효율을 보이고 있다. 따라서 사용연한이 다 되어가는 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 국내 한 지자체의 생활폐기물을 대상으로 비성형 고형연료를 제조하고, 제조된 고형연료를 공기사용 고정층 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 이를 직접 가스엔진 발전기에 도입함으로써 일정량의 전력을 생산할 수 있는 반응 특성에 대해 연구하였다. 실험 설비와는 다르게 파일럿 플랜트 이상의 실증시설은 강제로 온도를 유지할 수 없으므로, 공급하는 산화제에 의해 로내 온도가 변화되며, 최적 가스화 효율을 얻기위해 다양한 운전인자의 변화에 따른 가스화 특성에 대해 평가하였다.

신재생에너지원 중 가장 큰 비율을 차지하고 있는 폐기물은 소각, 매립 등으로 폐기되고 있다. 그러나 생활폐기물 에너지화에 대한 연구가 지속적으로 진행됨에 따라, 현재 생활폐기물 처리시설에서는 SRF생산 공정을 도입하고 있는 추세이다. SRF는 평균 3,500 kg/kcal의 발열량을 나타내며, 대체연료로써 주목을 받고 있다. 그러나 SRF는 성형을 위한 추가적인 비용이 필요하기 때문에, 비성형 폐기물의 에너지화 기술에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 폐기물 에너지화 기술 중 가스화는 고형시료를 합성가스로 전환하는 기술로 저급연로를 고 효율화를 기대할 수 있다. 본 연구는 8ton/day 용량 pilot-scale 비성형 고형연료 가스화 공정에서 수행되었으며, 대기오염 방지시설은 사이클론, 열교환기, 탈염/탈질/탈황 장비, 습식 전기집진기, 수분제거장치로 구성되어 있다. 위의 공정에서 최근 문제가 되고 있는 미세먼지를 다단입경분석기를 이용하여 채취하였다. 채취된 시료는 건조 및 무게측정을 통해 대기오염 방지시설 구간별 미세먼지 분포를 살펴보았고, 각 대기오염 방지시설별 제어효율을 도출하였다. 추가적으로 채취된 입도별 미세먼지 시료는 ICP-MS분석을 통해 K, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb에 대한 거동을 살펴보았다.

3 kg/hr급 소용량 down draft 방식의 고정층 가스화기에서의 산화제 공급방식에 따른 비성형 고형연료(SRF, Solid Refuse Fuel)의 공기가스화 특성을 파악하였다. 공기단독, 공기와 스팀 혼합 및 산소부화 세 조건에서의 산화제 종류에 따른 가스화 특성과 공기를 산화제로 하여 산화제 주입 위치에 따른 가스화 특성을 살펴보았다. 가스화 특성을 살펴보기 위한 지표로 합성가스 조성, 합성가스 발열량, 냉가스효율 및 탄소전환율을 산정하여 사용하였다. 산소부하 가스화의 경우 주입되는 산소량은 동일하고 상대적으로 질소량이 감소하기 때문에 합성가스에 포함된 질소함량의 감소로 합성가스 발열량은 증가하게 된다. 그리고 스팀을 혼합하여 사용할 경우 주입된 스팀과 탄화수소 가스의 수증기 개질반응(CnHm + H2O → H2 + CO)에 의해서 H2와 CO농도가 증가하고 합성가스 발열량도 증가하게 된다. 또한 탄화수소 계열인 타르와 반응함으로써 타르 제거 효과를 가지는 것으로 보고된다. 또한 보조산화제를 적절하게 사용할 경우 합성가스 품질을 유지한 상태에서 로내 타르 제거효과가 있는 것으로 보고된다. 공기가스화와 비교하여 산소부화 조건의 경우 합성가스 발열량은 증가되었지만 냉가스효율 및 탄소전환율은 감소된 결과를 보였다. 보조산화제를 사용한 경우 합성가스 유량과 H2, CH4, CO를 포함하는 가연성가스의 농도가 증가하였고 이로 인해 냉가스효율과 탄소전환율도 증가하는 결과를 보였다.