국가별 환경, 정채 흐름에 따라 상이하게 적용되어온 폐기물 에너지화 기술은 도시고형폐기물을 비롯한 폐자원을 증기, 열, 전력 등으로 전환하는 기술을 의미한다. 국내 ｢신재생에너지 개발･이용･보급촉진법｣에 의거하여 사업장에서 폐기물을 변환시켜 생산된 연료 및 소각 열에너지를 신재생에너지로 정의하고 있으며, ｢자원순환기본법｣의 소각처분부담금 감면을 위한 에너지 회수율 증진을 목적으로 폐기물 에너지화 기술이 주목을 받고 있다. 폐기물 에너지화 기술 중 열적처리의 시장 규모는 연간 190만 달러, 연평균 4.3%의 성장세를 보이고 있으나, 선진국 대비 국내 폐기물 에너지화 기술력은 50% 이하의 낮은 수준을 보유하고 있는 실정이다. 또한 국내 생활폐기물 소각시설의 평균 증기발전 효율이 10% 정도로 매우 낮으며, 사업장폐기물 소각시설은 주로 발전 보다 증기의 직접적 이용에 편향된 경향을 보이고 있다. 따라서 본 연구에서는 국내 사업장폐기물 소각시설 공정에 요소기술 적용 시 에너지 절감량을 열정산법에 따라 산정하여 에너지 고효율화 및 온실가스 감축 효과를 분석하고자 하였다. 소각시설에 적용한 요소기술은 증기 회수 및 활용을 중점으로 ①열 회수 능력강화(저온이코노마이저, 낮은 공기비 연소), ②증기의 효율적 이용(저온촉매탈질, 고효율 건식 배기가스 처리, 백연저감 미적용 또는 가동 중지, 배수폐쇄 시스템 미적용), ③증기터빈 시스템의 효율 향상(고온고압 보일러)으로 구분하여 결과를 정리하였다. 에너지 절감 및 온실가스 감축량 산정은 요소기술 적용 시 추가적으로 회수할 수 있는 증기량을 기준으로 보일러 배기가스량, 폐기물 저위발열량, 각 요소기술 변화 요인(과잉공기비, 출구온도 등), 국가고유 전력배출계수를 바탕으로 산정하였다.

In the past, the role of incineration facilities was mainly to reduce waste and stabilize disposed material. However, as a key aspect of waste management policy, the concept of “waste Minimization and sustainable resource circulation society” has become an issue, and the effective use of waste has been emphasized. As a result, to promote the recycling of wastes from January 1, 2018, the Framework Act on Resource Circulation has been implemented. In this study, estimation factors that can affect the increase of energy recovery are selected by reviewing the estimation method of industrial waste incineration facilities having a separate boiler; moreover, the effect of calculation factors on energy recovery was quantitatively evaluated. According to this study, when the heat loss, condensate temperature, and power consumption decrease by 10%, the energy recovery of the target facilities increase by 0.4% (0.22 ~ 0.63%), 1.09% (0.57 ~ 1.32%), and 1.16% (0.52 ~ 2.13%) on an average.

자원의 효율적 이용 및 폐기물의 자원화를 통해 천연자원의 소비를 감축하고자 환경부에서는 2018년 1월 1일부터 자원순환기본법이 시행된다. 기본원칙으로 폐기물의 발생을 최대한 억제하고 발생된 폐기물에 대해서는 재사용하고 재사용이 곤란한 경우 재생이용하고 둘 다 곤란한 경우에는 최대한 에너지를 회수⋅이용하여 열원(온수, 증기 등) 또는 전기 등의 에너지로 활용하고자한다. 이에 따라 소각시설에서 에너지 생산량에 기여하는 출열 분포의 중요성이 높아지고 있다. 따라서 본 연구에서는 사업장폐기물 소각시설을 대상으로 각각의 출열인자별 양을 산정하고 출열분포 특성에 대하여 고찰하고자 한다. 본 연구는 사업장폐기물 소각시설 7개 시설(10개 호기)를 대상으로 진행하였다. 대상시설의 출열항목은 폐열보일러의 설치형태(일체형, 분리형)에 따라 결정하였다. 소각로와 보일러가 붙은 경우를 일체형이라 하고 증기흡수열, 배출가스 보유열, 보일러 방열손실, 소각로 방열손실, 바닥재 배출열, 미연탄소분 열손실, 블로우다운 배출열의 총 7가지 출열항목을 산정하였으며, 소각로와 보일러가 분리되어 있는 경우를 분리형이라 하여 배출가스 보유열, 소각로 방열손실, 바닥재 배출열, 미연탄소분 열손실의 총 4가지 출열항목을 산정하였다. 이를 출열분포를 산정하기 위해 계측기를 이용하여 관련한 데이터를 일별로 수집하였으며, 계측이 되지 않는 항목에 대하여는 직접 측정하여 산정하였다. 출열분포 특성을 살펴본 결과 일체형 보일러를 설치한 소각시설의 경우 증기 흡수열이 출열분포가 큰 것으로 나타났으며, 분리형 보일러를 설치한 소각시설은 배출가스 보유열이 가장 많이 차지하는 것으로 나타났다.

Domestic industrial waste small-scale industrial incinerators produce less than 200 kg/hr; this study chose 13 of the 249 potential facilities. The target average emissions for air pollutants resulting from the facilities were SOx 13.56 ppm, NOx 82.74 ppm, NH3 19.95 ppm, HCl 54.33 ppm, HF 0.84 ppm, Hg N.D, As 0.1 ppm, H2S N.D. Dust and heavy metal analysis results for the facilities revealed Dust 32.51 mg/Sm3, Cd 0.04 mg/Sm3, Pb 0.20 mg/Sm3, Cr 0.08 mg/Sm3, and Cu 0.03 mg/Sm3. Combustion indicators were O2 11.58% and CO 271.20 ppm. Average PCDDs/DFs were 17.87 ng ITEQ/ ton. The target facilities were equipped with anti-pollution facilities. However, some items were found to exceed the emission standards. These results are even equipped with control facilities due to manual limitation actions of the management personnel. Therefore, it is determined that the emission control of contaminants is difficult.

2016년 제정된 ｢자원순환기본법｣에서는 폐기물의 발생을 최대한 억제하고 발생된 폐기물을 순환이용 및 적정 처분하도록 하며, 자원순환사회로의 전환을 위한 기본적인 사항들을 규정하고 있다. 이에 따라 물질재활용 뿐만 아니라 에너지재활용을 극대화하기 위한 정책의 필요성이 부각되고 있으며, 폐기물 적정처리 및 에너지자원의 재활용 측면에서 소각처리 및 소각열 회수의 중요성이 더욱 대두되고 있다. 그러나 기존의 소각시설 에너지회수효율 산정 방법은 유효하게 사용된 에너지가 아닌 생산에너지를 기준으로 산정함으로써 에너지 회수율 증진을 위한 제도 도입 취지와 목적 구현에 한계를 나타냈다. 이에, 개정된 에너지 회수효율 산정방법에서는 에너지 회수를 위한 기술력 향상 및 회수 에너지 활용도 증진을 위하여 생산된 에너지 중 유효 사용량을 기준으로 산정하도록 제시하고 있다. 또한 에너지 회수효율 및 폐기물 저위발열량 산정을 위한 모든 인자를 계측장비를 통한 계측 데이터 및 현장 측정･분석 결과를 적용하도록 하여 데이터 및 산정 결과의 신뢰성과 객관성을 확보하도록 하였다. 이에, 본 연구에서는 개정된 에너지 회수효율 산정방법을 바탕으로 국내 사업장폐기물 소각시설에서의 폐기물 저위발열량과 에너지 회수효율을 산정하였다. 대상시설은 스토커소각로 5기, 로터리킬른-스토커 병합식 소각로 1기, 로터리킬른 소각로 2기, 유동층 소각로 2기로 선정하였으며 산정 인자는 업체 내 실제 계측기기 측정값과 현장 측정･분석 결과 값을 적용하였다. 폐기물 저위발열량 산정결과 평균 약 3,350.5kcal/kg의 저위발열량을 나타냈으며, 에너지 회수효율 산정결과 에너지 생산량 기준 평균 약 58.6%, 에너지 사용량 기준 평균 약 49.0%로 산정되었다. 에너지 유효 사용량 기준과 생산량 기준의 에너지 회수효율 산정 결과는 약 10%의 차이를 나타냈으며, 이는 외부 공급 및 공정 내유효 사용 등을 통하여 잠재적으로 활용 가능한 양으로 판단된다. 아울러 소각시설에서는 보다 높은 에너지 회수효율 제고를 위하여 안정적 운영･관리, 소내 사용 에너지 절감, 터빈 발전 방식의 개선 등 다양한 에너지 회수 방안을 강구할 필요가 있을 것으로 판단된다.

현재 국내 폐기물은 발생억제(Reduce), 재이용(Reuse), 재활용(Recycle)의 3R 정책을 바탕으로 발생량 감축 및 재활용을 유도하고 있다. 하지만 재활용이 불가능한 상태의 폐기물과 재활용처리 후 발생하는 부산물 등은 최종적으로 소각과 매립을 통하여 처리되고 있다. 이처럼 소각처리 될 수밖에 없는 폐기물은 단순 소각처리 되는 양을 최소화하고 연소과정에서 발생되는 에너지를 회수(Recovery)하여 열 또는 전력에너지로 적극 활용해야 할 필요가 있다. 하지만 현행 에너지 회수기준의 회수율 산정 방법은 생산에너지를 기준으로 하여 생산 후 버려지는 에너지도 포함됨으로써 실질적인 회수로 판단하기에 한계가 존재한다. 즉, 현행 에너지 회수기준은 회수율 증진을 위한 기술개발 및 시설개선 등과 같은 도입취지와 목적을 충분히 반영하지 못하고 있는 실정이다. 또한 에너지회수율 산정의 핵심 매개변수인 폐기물 저위발열량에 대한 측정 및 분석 방법의 명확한 공통기준이 없어 객관성이 부족한 상황이다. 이에 2015년 ｢폐기물관리법｣ 시행규칙 제3조제2항 “폐자원에너지 회수･사용률 산정방법”에서는 폐기물 소각 처리를 통하여 회수되는 에너지 중 실제 사용되는 에너지의 비율을 바탕으로 하는 에너지 회수･사용률 산정방법과 투입 폐기물로부터 기원하는 정확한 투입에너지 산정을 위한 저위발열량 산정방법을 제정･고시하였다. 본 연구에서는 새로 제정된 “폐자원에너지 회수･사용률 산정방법”을 바탕으로 국내 사업장폐기물 소각시설에서의 폐기물 저위발열량과 에너지 회수･사용률을 산정하였다. 산정에 요구되는 데이터는 3개월간의 업체 내실제 계측데이터를 활용하였으며, 계측이 불가능한 항목은 현장 측정 결과를 적용하였다. 대상시설은 스토커소각로 3기(시설 A, B, C)와 로터리킬른-스토커 병합방식 소각로 1기(시설 D)로 하였으며, 주별･월별･분기별로 구분하여 산정 결과를 도출하였다. 분기별 산정결과 폐기물 저위발열량의 경우 시설 A, B, C, D 각각 3,684kcal/kg, 2,960kcal/kg, 3,081kcal/kg, 2,794kcal/kg로 산정되었으며, 에너지회수･사용률은 각각 54.2%, 54.6%, 64.7%, 52.1%로 산정되었다. 이러한 결과는 에너지생산량 기준의 에너지회수율 대비 약 5∼20% 차이를 나타냈으며, 에너지회수･사용률을 높이기 위해서는 생산된 에너지 중 판매량을 최대화 하는 것이 가장 중요하고 효과적일 것으로 판단된다. 또한 장기적으로 보조연료 투입량과 전력 사용량 감축을 위한 기술개발과 시설공정 및 운영방식의 개선이 필요할 것으로 사료된다.

The lower heating value is the basic unit to calculate annual energy in estimating an energy gain factor. Reliability of an energy gain factor depends on the accuracy of the lower heating value. However, the deviation of heating value is large, and there is no common standard. Thus, the present methods of estimating the lower heating value (calorimeter method, ultimate analysis method, etc.) are inferior in accuracy. Besides, the conventional estimation method cannot reflect the waste's inhomogenous properties or seasonal effect. Hence, this study estimated the lower heating value on the basis of relation between heat input and heat output in equilibrium state by using the law of conservation of energy and the first law of thermodynamics for industrial waste incineration facilities (57 facilities) currently in operation. In the case of self-contained boilers, the lower heating value was an average of kcal/kg (1,984-6,476 kcal/ kg), and in case of separable boilers, the lower heating value was estimated to be an average of 3,787 kcal/kg (1,621- 486 kcal/kg).

적외선 열화상 카메라는 피사체의 실물을 보여주는 것이 아닌 피사체의 표면으로부터 복사(방사)되는 전자파의 일종인 적외선 파장 형태의 에너지(열)을 검출, 피사체 표면 복사열의 강도를 측정하여 강도의 양에 따라 각각의 다른 색상(false or pseudo color)으로 표현하여 주는 카메라이다. 이는 대상물체 또는 임의의 범위에 존재하는 열의 차이(온도)를 비접촉 방식으로 측정이 가능하다. 현재 방열손실의 온도 측정은 KS법에 의한 지점별 온도측정을 하고 있으나, 이는 접촉하는 지점마다 온도가 달라 평균적인 온도를 구하는 데는 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해 공정별 표면온도를 고분해능 검지기를 이용한 적외선열화상카메라로 방열손실률을 측정 분석하고자 한다. 본 연구에서는 적외선 열화상 카메라 Laser Marker(-60℃ ~ 760℃)를 이용하여 Laser의 표면온도를 측정할 수 있는 미국제조회사인 FLIR社의 T650sc 모델을 이용하여 사업장 폐기물 소각시설의 소각로의 벽면의 온도를 측정하였다. 측정된 온도를 이용하여 복사 열 전달률을 구하기 위한 Stefan-Boltzmann법칙과 대류 열 전달율을 구하기 위한 Newton의 냉각 법칙과 소각로의 면적을 이용하여 로벽의 방열되는 손실을 계산해 보고자한다. 국내의 사업장 폐기물 소각시설 78개 호기 중 소각 방법별(일반소각, 고온소각), 소각로 타입별(Stoker, R/K + Stoker, R/K)로 나누어 대상 시설을 선정하여 현장실측을 진행하였다. 계산 시 사용되는 데이터는 1년간 자료를 이용하여 설문조사된 데이터를 바탕으로 계산되었으며 이를 이용하여 방열손실 계산에 적용하여 분석하였다.

This study attempted to find an optimum operation codition for co-incineration of food waste and industrial wastes, focusing on injection position and rate. As the result of analysis, during injection of food waste incineration facilities, atmospheric pollutant standard satisfied all requirement. However when injected into the primary combustion chamber, the dioxin exceeded emission standard. This result has been determined that contaminants generated as processing the more amount (150 ton/day) than the designed capacity (72 ton/day) emitted and exceeded not completely removed from the control facilities.