고정층 반응기에 산소를 산화제로 공급하는 고온 영역의 가스화 반응은 공기를 이용하는 가스화와는 달리 합성가스 중 질소가 존재하지 않기 때문에 70% 이상의 고농도 합성가스를 생산할 수 있다. 본 연구에서는 해외에서의 순산소 가스화 시스템의 운전 사례에서 합성가스의 조성과 가스상, 입자상 오염물질의 배출량을 확인하여 국내에서의 적용 가능성을 검토하였다. 독일의 THERMOSELECT社에서 이탈리아의 폰도토체(Fondotoce)에 설치한 100 톤/일급 가스화시스템의 사례를 검토하였으며 국내에서의 배출허용 기준과 비교하였다. 가스화 시스템에서 생산되는 합성가스의 조성과 가스상, 입자상 오염물질 뿐만 아니라 폐수, 슬래그, 비산재의 분석결과에 대한 분석을 수행하였다.

일반적으로 가스화는 고온에서 산소/공기 등을 이용하여 합성가스를 얻는다. 가스화로 후단에 위치한 정제공정에 의해 불순물이 제거된 합성가스는 메탄올의 합성 원료로 쓰이거나 터빈과 같은 발전시스템에 직접 이용되며, 더 나아가서는 연료전지에 이르기까지 다양한 범위에서 이용된다. 이러한 폐기물 가스화 기술은 폐기물을 에너지 자원으로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 매립지의 부족으로 인한 폐기물처리 방법에 대한 대응책이될 수 있다. 가스화 공정에서 발생하는 미립자 상태의 불순물 특히, 분진은 각 단위 공정 설비 내부에 파울링 현상을 발생시키기 때문에 여러 단계의 정제 공정을 통해 분진을 제거해야 한다. 따라서 분진의 제거 효율을 높이기 위해서는 벤츄리 스크러버, 중화세정탑, 탈황세정탑 그리고 습식전기집진기를 이용하여 분진을 제거하는 방법이 있다. 본 연구에서는 사업장폐기물과 ASR폐기물을 각각 원료로 하여 5단계의 정제설비 후단에서 분진의 거동을 판단하였다. pilot급 가스화로 후단에서 발생하는 분진의 평균 농도는 7,708 mg/m3, 34,038 mg/m3 으로 ASR 폐기물이 사업장폐기물에 비해 4배 이상의 분진이 배출되었다. 하지만 습식전기집진기를 통과한 두 폐기물의 합성가스 모두 분진이 검출되지 않아 제거 효율이 100.0%에 가까운 것으로 분석되었다. 따라서 폐기물을 이용한 순산소 가스화 공정에서 발생하는 분진은 이와 같은 정제 설비를 통해 효율적으로 제거가 가능한 것으로 판단된다.

Fossil fuel combustion generates large amount of green house gas and it was considered major emission source causingglobal warming. For reducing green house gas, renewable energy resources have been emerged as an alternative energy.Among those resources, waste has been considered major resource as one of renewable energy, but it has been not utilizedsufficiently. In Korea, there are lots of efforts to utilize sewage sludge as one of renewable energy resources due to wasteto energy project of government. In this paper, sewage sludge was utilized as main fuel in order to recover heat energysource using oxy-fuel combustion in 30KWth circulating fluidized bed (CFB) pilot plant. Firstly, basic characteristics ofsewage sludge were analyzed and fuel feed rate was calculated by stoichiometry oxygen demand. For producing 30kwthermal energy in pilot plant, the feeding rate of sewage sludge was calculated as 13kg/hr. In oxy-fuel combustion, oxygeninjection rate was ranged from 21% to 40%. Fluidized material was more suitably circulated in which the rate of U/Umfwas calculated as 8 at 800oC. Secondly, Temperature and pressure gradients in circulation fluidized bed were comparedin case of oxy and air combustion. Temperature gradients was more uniformly depicted in case of 25% oxygen injectionwhen the value of excess oxygen was injected as 1.37. Combustion efficiency was greatest at the condition of 25% oxygeninjection rate. Also, the flue gas temperature was the highest at the condition of 25% oxygen injection rate. Lastly,combustion efficiency was presented in case of oxy and air combustion. Combustion efficiency was increased to 99.39%in case of 25% oxygen injection rate. In flue-gas composition from oxy-fuel combustion, nitrogen oxide was ranged from47ppm to 73ppm, and sulfur dioxide was ranged from 460ppm to 645ppm.

신재생에너지원 중 가장 큰 부분을 차지하고 있는 폐기물의 경우, 매립 등으로 폐기되고 있다. 특히 슬러지와 같은 저급연료는 에너지원으로 활용되지 못하고 70%이상 해양 투기되고 있으나 런던협약 이후 해양투기 금지로 인해 육상처리방안의 마련이 시급한 실정이다. 또한, 현재 유일한 온실가스 감축기술인 CCS(Carbon Capture and Storage)의 경우 연소공정의 후단에서 배출가스 내에 질산화물 등 다양한 오염물질의 혼입으로 회수되는 CO₂ 등의 순도가 낮아져 경제성의 확보가 어려운 실정이다. 따라서 연소공정에 투입되는 과잉공기 대신 순산소 연소(Oxy-fuel Combustion)를 시행하여 열원을 최대로 회수함과 동시에, FGR(Flue Gas Recirculation)을 통해 배출가스를 연소로 내로 재순환함으로 높은 농도의 CO₂흐름을 만들어 대기로 배출되는 CO₂를 분리하거나 고순도 저장이 가능한 CCS ready기술을 개발하여 국제적인 온실가스 감축의무화에 대비하기 위한 공정기술을 개발하고자 하였다. 본 연구에서는 연료로 적용할 슬러지와 혼합연료의 기초특성분석을 실시하였으며, Cold bed과 이론적인 계산을 통해 순환유동층을 형성하기 위한 유량을 도출하였고 이에 따른 연료 투입량을 산정하였다. Cold bed 실험을 통해서 최소유동화속도를 도출하였고, 유량과 유체의 성상 (Air, Oxy21%, Oxy25%, Oxy30%, Oxy40%) 따른 외부고체 순환률과 압력구배를 비교하였다. Hot bed를 통해서는 유체성상에 따른 온도구배를 비교하였고, 슬러지와 혼합연료 (30%, 50%, 70%)에 따른 온도구배와 주요 배가스 (CO₂, CO, O₂, NOx, SOx)를 비교하였다. 또한 FGR 운영을 통해 주요 배가스의 변화를 확인하였다. 하수슬러지의 기초특성분석결과 발열량은 약 3,000 kcal/kg, 원소분석은 탄소 28.64%, 수소 4.82%, 산소 18.94%, 질소 4.51%, 황 0.44%, 공업분석은 수분 7.32%, 휘발분 45.11%, 고정탄소 12.25%, 회분 35.32% 함량을 보였다. 펠렛의 기초특성분석결과 발열량은 약 4,200 kcal/kg, 원소분석은 탄소 48.59%, 수소 6.08%, 산소 42.03%, 공업분석은 수분 8.68%, 휘발분 74.16%, 고정탄소 16.83%, 회분 0.29% 함량을 보였다. 유속에 따른 Riser 층내 압력강하는 0.104 m/s에서 최소 유동화속도를 관측하였으며, 1.9 m/s 이상의 공탑속도에서 고속유동층으로 전이되는 것을 확인하였고, 2.4 m/s 이상의 공탑속도로 운전하는 것으로 판단하였다. 순환유동층 전이에 필요한 유량의 연료투입량은 13 kg이고, 연소 유체 성상에 따른 온도구배는 Oxy 비율이 높아질수록 배가스의 온도가 높게 유지되었다. 각 조건별 배가스 분석결과 고농도 CO₂ 농축가능성을 확인하였다.

기존의 화석 연료를 대체할 에너지 확보의 중요성이 커짐에 따라, 폐기물도 하나의 자원으로 떠오르고 있다. 특히, 폐기물을 이용하여 가스화를 할 경우 화학연료 또는 발전에 이용할 수 있는 CO, H₂가 주성분인 합성가스를 생산할 수 있다. 그러나 폐기물 가스화의 경우 합성가스뿐만 아니라 미반응된 Carbon 분진과 폐기물에 함유된 성분으로 인해 가스상 오염물질 (HCl, HCN, NH₃ 등)이 발생하게 된다. 합성가스를 이용하기 위해서는 오염물질을 줄이고 합성가스의 순도를 높여야 한다. 그러므로 적절한 운전조건 도출과 최적의 정제 설비 구축이 요구되고, 이를 위해서는 폐기물 가스화를 통해 생성된 오염물질의 배출 특성을 파악할 필요가 있다. 본 연구에서는 폐기물 순산소 가스화를 통하여 생성되는 가스상 오염물질인 HCl, HCN, NH₃와 입자상 물질인 Carbon 분진의 배출량을 확인하였다. 분진의 시료 채취는 정제설비를 기준으로 정제설비 전단과 후단에서 3회 실시하여 분진의 배출량과 제거 효율을 살펴보았다. 가스상 오염물질의 시료채취는 분진과 같은 위치에서 2회 실시하여 비교하였다. 분진의 경우 정제설비 전단에서 평균 5,820 mg/Nm³을 나타내었으나, 정제설비 후단에서는 검출되지 않아, 정제설비를 통해 모두 제거되었음을 확인할 수 있었다. HCl, HCN, NH₃의 경우 정제설비 전단에서 각각 평균 24.87 ppm, 0.02 ppm, 2.19 ppm을 나타내었으며, 정제설비 후단에서 각각 평균 14.38 ppm, 0.01 ppm, 0.25 ppm을 나타내었다. 이들의 평균 제거효율은 42.20%, 52.96%, 88.81%임을 확인하였다. 연구 결과를 통해 입자상 물질인 분진의 경우, 정제설비를 통하여 발생량 대부분이 제거되었다. 그러나 가스상 오염물질 중 HCl의 경우, 제거효율 증가를 위해서 정제 설비에서 사용하는 가성소다의 액/기비 조절 등의 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.

폐기물을 이용한 재활용제품은 자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률에 폐목제 고형연료(WCF), 폐플라스틱 고형연료(RPF), 폐타이어 고형연료(TDF), 생활폐기물 고형연료(RDF)로 규정되어 있다. 이중에서 폐플라스틱 고형연료(RDF)의 저위발열량은 6,000 kcal/kg 이상으로 명시되어 있다. 폐플라스틱 고형연료(RDF)의 제조과정에서 발생되는 잔류물은 일부가 공정으로 재투입되기도 하지만 경제성과 공정의 효율적인 운영을 이유로 대부분 폐기처분되고 있다. 이렇게 폐기처분되는 폐플라스틱 고형연료(RDF) 잔류물이 보유하고 있는 물리 화학적 에너지는 생활폐기물과 비교해도 손색이 없을 정도이다. 본 연구에서는 두 종류의 폐플라스틱 고형연료(RDF) 잔류물을 이용하여 운전 조건별로 생산되는 합성가스의 특성을 비교하였다. 실험에 사용된 폐기물 시료의 습윤 저위발열량은 각각 5,228 kcal/kg, 4,454 kcal/kg으로 분석되었다. 운전 조건으로는 폐기물 투입속도, 등가비(Φ), 반응영역의 온도이며 조건별로 Test #1부터 #3까지 구분하였다. 실험 결과 합성가스 조성(CO+H2)은 56.3% ~ 63.1%, 합성가스 유량은 124.2 Nm³/h ~ 138.8 Nm³/h, 냉가스효율은 57.4% ~ 63.9%로 나타났다. 등가비가 증가할수록 합성가스의 조성이 증가하였으며 반응영역의 온도가 감소하는 것으로 분석되었다.