Biomass as a renewable energy source has several limitations in terms of the potential for steady supply and its thermal characteristics. This study conducted a thermal weight change analysis and determined its kinetics to address this problem. Sawdust was chosen as the biomass, and PE and PP were the plastics used. Based on the result of thermogravimetric analysis (TGA), the kinetic characteristics were analyzed using Kissinger, Ozawa, and Friedman methods, which are the most common methods used to obtain reaction coefficients and activation energy. The methods used to determine the thermal degradation kinetics were considered feasible for evaluating the pyrolytic behavior of the materials tested. The experimental results of this study provided insights into mixed biomass/plastics pyrolysis kinetics and their optimal operation conditions.

최근 화석연료의 고갈, 정부의 신재생에너지 보급정책에 맞추어 바이오매스에 대한 관심이 높아지고 있다. 바이오매스 가스화 공정은 대표적인 신재생연료의 하나인 바이오매스를 가스화반응을 통해 합성가스를 생산하는 친환경적, 탄소 중립적 열적처리 공정이다. 그러나 바이오매스만을 단독으로 가스화 하였을 경우 수급성 및 낮은 발열량으로 인해 문제점이 제기 되고 있다. 따라서 본 논문에서는 사회적으로 처리문제, 건강위해성 문제가 되고 있는 고발열량의 폐플라스틱을 함께 Co-gasification 함으로써 이를 보완하고자 하였다. 또한 본 연구에서는 반응이 용이한 톱밥형태의 목질계 바이오매스와 폐플라스틱 중 많은 비중을 차지하는 Polypropylene(PP), Polyethylene(PE)를 이용하여 여러 조건 변수에 따른 가스화반응 특성을 파악하고, 이러한 혼합원료를 에너지원으로 활용하는데 기초자료를 제공하고자 한다. 바이오매스와 폐플라스틱의 혼합원료 가스화 특성을 파악하기 위해 회분식 반응기를 이용하여 실험을 하였으며 실험 변수는 반응온도와 공기비, 시료의 혼합비율이 고려되었고, 촉매로써 활성탄, 돌로마이트, 올리바인을 사용하여 각각의 변화에 따른 최적의 반응조건을 도출하고 합성가스 조성 및 생성물의 분포특성을 비교 분석하였다. 주요 합성가스 생성물은 CO, H2, CH4로 실험결과 바이오매스와 폐플라스틱 혼합시료는 반응온도가 증가할수록 탄소가 부분 산화되어 일산화탄소가 생성되는 반응, 탄소가 완전 산화되는 반응, 그리고 탄소와 수분이 반응하여 일어나는 수성가스 반응 등의 영향으로 조성비가 증가하여 가스의 발열량이 증가하였다. 또한 PP, PE 혼합 시료의 경우 바이오매스 단독 시료의 가스화보다 생성물이 상대적으로 많이 발생되었음을 확인할 수 있었으며, 혼합비율이 증가할수록 액상생성물 및 타르성분, 왁스성분이 증가하여 가스 생성물의 양이 줄어드는 것을 확인하였다. 촉매의 경우 돌로마이트를 사용할 경우 H2의 생성율이 가장 높았고 올리바인 촉매의 경우 돌로마이트나 활성탄에 비해 크게 합성가스 조성에 긍정적인 영향을 미치지 못했다.

폐기물을 이용한 자원화 또는 재생 가능한 원료를 활용한 기술로 기존 원료비용을 절감하고 폐기물처리에 대한 환경영향을 줄이기 위한 방안이 필요하다. 그러나 국내에서 바이오매스를 이용한 에너지원 개발은 낮은 발열량의 문제 및 공급측면에서 한계를 가지고 있어, 바이오매스와 폐기물 혼합원료에 대한 연구가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 바이오매스와 폐플라스틱의 혼합원료(라디에타 소나무, 폴리프로필렌)의 동역학적 분해 특성을 비교분석하여 혼합가스화 등의 에너지원 개발에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다. 바이오매스(Sawdust), 폐플라스틱(폴리프로필렌) 단일시료 및 각각 1:1로 혼합한 시료에 대하여 Model- free Methods를 이용한 동역학적 특성을 파악하였다. 미분법인 Kissinger Method와 Friedman Method 적분법인 Ozawa Method를 통해 각기 다른 조건의 시료들의 활성화 에너지를 비교하였으며, air를 분위기 가스로 사용하고 승온속도가 20, 30, 40℃/min 일 때 각각 무게 감량이 최대가 되는 온도를 파악하여 분석의 기초자료로 사용하였다. 각각 시료의 활성화 에너지를 Kissinger Method를 이용하여 분석한 결과 톱밥의 경우 46.79kJ/mol으로 낮은 활성화 에너지를 나타냈으며 PP의 경우 75.67kJ/mol로 나타났고, 톱밥과 PP를 각각 1:1비율로 혼합하여 분석한 경우 58.83kJ/mol의 활성화 에너지가 산출되었다. Friedman Method를 이용하여 분석한 결과 톱밥의 경우 평균 29.19kJ/mol의 활성화 에너지를 나타냈으며 PP의 경우 평균값은 72.65kJ/mol 으로 나타났다. 혼합시료의 경우 평균 64.10kJ/mol의 값을 도출해낼 수 있었다. 마지막으로 적분법인 Ozawa Method로 분석한 결과 톱밥의 경우 평균 34.86kJ/mol 의 값을 나타냈으며 PP 단독시료의 경우 평균 69.53kJ/mol로 나타났고 혼합시료의 경우 평균 57.67kJ/mol로 활성화 에너지를 나타냈다. 각각 활성화 에너지를 산출하는 방법에 따라 값의 경향은 비슷하게 나타났으며 혼합한 시료에 대한 활성화가 단일 시료의 활성화 에너지보다 낮은 경향으로 나타났다. 이는 혼합한 시료에 대한 열적 분해시 필요한 에너지가 폐플라스틱의 단독 열적 분해시 보다 적은에너지가 필요하다고 판단되다.

폐기물들을 통해 자원화 및 재생 가능한 원료를 활용하여 원료비용 및 처리에 따른 비용절감을 통해 폐기물 축적에 대한 환경영향을 줄이기 위한 방안을 모색할 필요가 있다. 그러나 현재 바이오매스 및 폐기물 각각의 원료에 대한 가스화 연구는 많이 수행되고 있으나 혼합원료에 대한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 바이오매스와 폐플라스틱을 혼합한 신연료(라디에타 소나무, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌)를 이용한 촉매･혼합가스화를 통해 에너지원으로 활용하는 데 기초자료를 제공하고자 한다. 바이오매스와 폐플라스틱의 촉매･혼합가스화 특성을 살펴보기 위해 배치반응기를 이용하여 실험을 수행하였다. 반응온도는 700~900℃, 공기비는 0.2, 바이오매스에 대한 플라스틱의 혼합비는 20%, 40%로 하였고, 활성탄, 돌로마이트, 올리빈 촉매를 이용하여 최적의 반응조건을 도출하였다. 실험결과 바이오매스와 폐 폴리프로필렌 혼합시료는 반응온도가 증가할수록 Boudouard reaction, Water gas reaction 등의 영향으로 H2, CO, CH4 등의 조성비가 증가하여 가스의 발열량이 증가하였다. 촉매를 이용한 가스화반응에서는 돌로마이트를 사용할 경우 H2 생성율(34.03~35.58%)이 가장 높았고, 그 외 CO 26.70~27.52%, C2H2 0.29~0.34% C2H4 7.85~11.56%가 생성되었다. 활성탄 역시 H2생성에 영향을 주었으나 다양한 크기의 세공들을 이용하여 흡착을 통한 촉매역할을 하는 활성탄보다 돌로마이트의 CaO, MgO가 Carbon formation reaction을 활발하게 진행시켜 고분자 물질들이 촉매분해를 통해 H2생성이 활발하게 진행된 것으로 사료된다. 올리빈의 경우 돌로마이트나 활성탄에 비해 크게 합성가스 조성의 긍정적인 역할을 하지 못하였다.

고분자 합성기술의 발전에 따른 플라스틱의 생산율이 높아짐에 따라 배출되는 폐 플라스틱의 다양성에 따른 환경오염 문제의 관심사로 대두되면서 폐 플라스틱 처리의 해결 필요성이 높아지고 있다. 화석연료의 고갈로 인하여 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있는 현재 폐기물을 대상으로 하는 가스화 공정은 환경문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 공정 중 하나이다. 가스화는 소각기술과는 달리 열화학적 변환기술로서 환원성분위기에서 반응이 진행되므로 폐기물 내의 탄소 및 수소 성분은 일산화탄소 및 수소가 주성분인 고부가 가치의 가스를 생산하여 활용성이 높은 재생에너지를 생산하는 기술이다. 생산된 합성가스는 CO, H₂가 주성분으로서 다양한 공정을 거쳐 합성하면 다양한 원료 물질의 제조가 가능하다. 또한 친환경적인 수소생산을 위해서는 원료선정에 있어서 자원화 및 재생 가능한 원료로 활용하는 것이 바람직하며 이러한 측면에서 수소를 생산하는 다양한 방법 중 폐자원인 바이오매스 및 폐기물을 이용한 가스화를 통해 수소생산방식이 유용하다고 할 수 있다. 폐자원을 자원화 하는 경우 원료 비용 및 처리에 따른 비용절감 효과를 이룰 수 있다. 국내외에서 바이오매스 및 폐기물 각각의 원료에 대한 가스화 실험은 많이 수행되었으나 혼합원료에 대한 연구는 매우 적은 상황이다. 본 연구에서는 목질계 바이오매스 중 반응이 용이한 톱밥과 폐플라스틱 중 많은 비중을 차지하는 polypropylene, polyethylene을 혼합비율에 따른 가스화 반응특성을 알아보는 연구를 수행하였다. 폐 플라스틱 가스화를 통하여 저 발열량을 가지는 물질과 함께 넣어줌으로써 고발열량의 생성물을 생성시켜 줄 것으로 사료된다. 이를 이용하여 합성가스 조성, 탄소전환율, 냉가스효율등의 가스화 효율을 연구하고자 한다. 혼합가스화의 변수별 가스화반응 특성을 알아보기 위해 회분식 가스화 반응기를 이용하여 실험을 수행하였으며 시료 입자크기에 따른 영향을 최소화하기 위해 입자크기를 균일하게 분쇄, 혼합하여 사용하였다. 가스화의 변수는 반응온도와 Equivalence Ratio, 시료혼합비율이며, 각각의 변화에 따른 합성가스 조성 및 수소수율, 일산화탄소 수율변화 등 실험적인 가스조성 변화의 영향을 파악하여 최적 원료 혼합조건을 파악하였다.