In this study, the combustion characteristics were investigated based on the biodrying solid recovered fuel (SRF) in a 5 Ton/day scale combustion boiler. The composition of the combustion gas containing the biodrying SRF was analyzed, the particulate matter, and its HCl content was determined with the air pollutant process test method. Mass balance, carbon balance, and combustion efficiency were calculated according to the equivalence ratio (ER) method; the energy recovery efficiency of the combustion boiler was also analyzed. The overall combustion efficiency of the biodrying SRF was 97.3 % and the energy recovery efficiency was 80.2%.

In the case of solid refuse fuel manufacturing facilities, residues, which are left-over from the process, are buried at a rate of 34% of incoming amount, and some are disposed of by combustion. The residues were upgraded by mechanical biological treatment and subject to attempts at combustion, and the bottom ash generated from combustion tests was applied to fabricate bricks for recycling. The brick was manufactured by substitutions of stone powder, cement, sand ranging from by 3 to 30% according to experimental conditions. These could be used as an interlocking block for the sidewalk or open spaces. The basic characteristics of the bottom ash and the water absorption, bending strength, compressive strength, and dimensions of the mixed bricks were tested. Results showed that 10% of the stone powder substitution was regarded as an optimal condition, and the brick quality was satisfactory under given standards, because the pozzolanic and hydration reactions occurred effectively.

기존 단순소각 및 매립방식의 전통적인 방법으로 처리되던 생활폐기물이 내포하고 있는 가연성 에너지 자원을 보다 효율적으로 재활용하기 위한해 고형연료화 처리하는 시설이 연구단계를 넘어 상용급 시설로 발돋움하고 있으나, 반입되는 생활폐기물 대비 30 ~ 45%의 저품위 잔재물이 발생하며 대부분이 매립을 통해 처리되고 있는 실정이다. 생분해성 유기물질에 의해 발생되는 미생물의 호기성 분해열을 이용하여 폐기물의 함수율을 감소시키는 Bio-drying 기술을 통해 고형연료 생산에서 발생한 잔재물을 고형연료 품질기준 수준으로 끌어올려 고형연료 생산수율을 향상시킴과 동시에 매립되는 비율을 최소화 할 수 있다. Bio-drying 기술을 통해 생산된 저품위 잔재물 기반 고형연료를 활용하여 열에너지를 회수하기 위해 0.1톤/일 Bench급 연소보일러에 적용한 선행연구를 진행하였다. 본 연구에서는 저품위 잔재물을 활용하여 Bio-drying 공정으로 생산한 Bio-drying 고형연료의 연소특성을 파악하기 위해 0.1톤/일 Bench급 연소보일러 테스트 결과를 바탕으로 5톤/일급 연소보일러 시스템을 구축하였다. 수냉 화격자 방식의 5톤/일급 연소보일러 시스템은 연소로, 에너지회수보일러, 열교환기, 건식세정탑, 백필터 구성되어 있다. 5톤/일급 연소보일러 시스템의 성능평가 및 Bio-drying 고형연료의 연소특성을 파악하기 위해 공기비(Equivalent Ratio, ER)에 따른 연소효율을 분석하였으며, 연소가스에 포함된 대기오염물질 분석을 수행하였다. 또한, 연소 후 발생한 바닥재의 강열감량, XRD 및 XRF 분석을 통해 바닥재 발생특성을 파악하였다.

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.

The use of mechanical treatment (MT) for preparing solid refuse fuel (SRF) using municipal solid waste has been growing in Korea. One of the problems with using this treatment measure is the generation of residual waste from the MT, which will not be contained in the SRF. Most of this waste will be dumped into landfill instead of being used for the production of SRF. Much of the waste will be organic portions originating from food and biodegradable wastes. Consequently, the organic portion dumped into the landfill generates methane gas, which is a strong greenhouse gas. In this paper, the waste from MT was investigated directly at the MT facility located at Su-Do-Kwon landfill site to develop proper treatment measures to avoid disposing of the MT waste in landfill, which is prohibited in Germany and England.

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.

최근 선진국을 중심으로 자원고갈 및 기후변화에 대응하기 위하여 폐기물을 이용한 에너지화 기술(WTE)이 주목을 받고 있으며, 국내에서도 폐자원을 활용한 자원순환형사회 구축을 위해 폐기물 연료화 시설(MBT, Mechanical Biological Treatment)로 고형연료 즉, SRF(Solid Refuse Fuels)를 생산하여 발전하는 시설이 도입되고 있다. 유럽에서는 1990년부터 최근까지 300개 이상의 MBT 시설이 설치 운영 중에 있으며, 초기에는 폐기물의 매립량 최소화 또는 매립지의 환경부하를 절감하기 위한 방법에서, 최근에는 SRF 생산 또는 에너지 생산에 주목적이 되고 있다. 국내에도 ‘16년 현재 부산광역시, 수도권매립지 등 약 20여개의 생활폐기물 연료화 시설이 가동 및 계획 중에 있으나, 생물학적 처리공정(BT, Biological Treatment)이 결여된 MT(Mechanical Treatment)위주의 공정으로 인해 고형연료로 회수할 수 있 수 있는 가연성물질이 상당부분 저품위 잔재물로 배출되어 매립 또는 소각처리 되고 있다. 이에 유럽을 중심으로 가연성폐기물을 대상으로 생물학적 처리(BT, Biological Treatment) 기술이 포함된 MBT 시설이 증가하고 있으며, 이 중 하나의 기술인 호기성 미생물의 활동으로 인해 발생되는 열을 이용하여 폐기물에 포함된 수분을 건조시키는 Bio-drying 공법이 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 국내 운영되고 있는 생활폐기물 연료화 시설에서 고형연료로 회수되지 못하고 배출되는 잔재물을 Bio-drying 공법을 이용하여 수분을 25%이하로 건조하고, 선별장치를 이용하여 고형연료 제품을 생산하는 공정에서 생산된 고형연료의 특성을 평가하고, 건조과정에서 발생되는 악취의 특성을 평가하여, 향후 Bio-drying 건조공정의 설계를 위한 자료로 활용하고자 한다.

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.

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.

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.

최근 연안 해역에서의 대규모 어업활동과 산업화로 인하여 해상 부유 폐기물 및 해저면의 침적 폐기물, 패각류, 퇴적 오염물 등 해양 폐기물 발생량의 증가로 인하여 해양 오염은 날로 심각한 상태에 이르고 있다. 해양폐기물은 해안으로 밀려오는 해안폐기물, 해수면에 떠다니는 부유폐기물, 바닥에 침적된 침적폐기물, 이렇게 세 종류로 분류할 수 있으며, 이들 해양폐기물은 약 60% 이상은 육상 등 해변에서 발생되어지는 해안폐기물이며 그물류를 포함한 플라스틱이 대부분을 차지하며, 기후 및 지역의 특성에 따라 생활폐기물과 하수, 산업 및 연안의 영향을 받아서 발생하는 폐기물의 특성이 크게 변화한다. 본 연구에서는 섬지역에 발생되는 해안폐기물의 특성을 비교 분석하였으며, 섬의 위치와 계절에 따른 해안폐기물의 발생 특성을 조사하였으며, 발생되어지는 해안페기물의 특성을 분석하여 고형연료 (SRF) 생산 및 활용에 대해 분석하였다. 해안폐기물 발생량은 겨울철 > 여름철 > 가을철 > 봄철 순으로 나타났으며, 그물류가 가장 높은 비율을 차지했으며, 목재류, 비닐플라스틱류, 고무류 등으로 분포하였으며, 이에 따라 발열량은 약 5,200kcal/kg으로 높은 수준이여 높은 질은 나타내고 있다. 지역에서 자연건조된 후 수거한 해안폐기물의 경우는 염소함량이 1.25%로 SRF 기준 2미만으로 나타났다. 단, 대부분의 해안폐기물이 높은 염분을 나타내고 있어 이에 따른 처리 방안은 고려되어야 할 것으로 보인다.

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.

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.

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.

전 세계적으로 지속적인 화석연료의 사용으로 인하여 화석 연료가 고갈되고 있을 뿐만 아니라 화석 연료를 사용하면서 발생하는 환경오염 때문에 대체에너지를 찾는데 많은 연구가 진행되고 있다. 이와 더불어 정부는 신재생에너지 보급을 늘리기 위하여 노력하고 있으며, 국내 연간 신재생에너지 생산량 중 폐기물 및 바이오매스에 의한 신재생 에너지 보급률이 약 70% 이상을 차지하고 있다. 특히, 국내에서 발생되는 폐기물은 높은 재활용률 덕분에 가연분 함량이 높아 열 회수 시설에 적용 시 화석원료의 대체제로 사용 가능성이 크다고 할 수 있다. 그러나 폐기물 고형 연료화 시설의 경우 반입량 대비 30 ~ 45%의 비율로 잔재물이 배출되어 매립되거나 일부는 소각시설에 의해 처리되고 있는 실정이다. 특히 이를 그대로 매립 하였을 경우 오염부하를 증가시킬 수 있으며, 매립에 의한 처분비용으로 전체 시설 운영비의 약 20%가 소요되는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구는 폐기물 고형 연료 잔재물을 이용한 소각 공정에서 적용하였으며 이러한 공정에서 발생한 바닥재를 보도나 광장의 포장에 사용되는 인터로킹 블록으로 활용하는 방안을 마련하였다. 이에 바닥재에 대한 기초특성분석을 하고 혼합된 벽돌의 흡수율, 휨강도, 압축강도, 치수 등을 분석하여 바닥재 혼합비에 따른 블록 특성 변화를 관찰하였다.

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.

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.