소각시설에서의 폐기물 저위발열량은 소각로의 연소성능 및 특성 파악 측면에서 핵심적 요소로 작용하는 인자이다. 기존 저위발열량 측정 방법은 시료 채취를 통하여 발열량계 측정, 원소분석법 등을 적용하도록 규정하였으며, 소량의 시료를 바탕으로 함에 따라 폐기물의 불균질성 등을 충분히 반영하지 못하여 결과의 객관성이 부족한 문제점을 야기하여 왔다. 이에 환경부는 저위발열량 산정 관련 지침의 개정을 통하여 산정방법의 객관화를 추진하였다. 그러나 개정된 지침의 생활폐기물 저위발열량 산정식은 일반･고온 소각시설에 적용되는 산정 방법이다. 현재 국내에는 17개소의 열분해(가스화)･고온용융 소각시설이 운영되고 있으며 투입 보조연료, 연소로 운전 온도, 잔재물 배출 특성 등 일반소각방식과 달리 열분해･용융 처리방식의 공정 특성을 반영한 산정식의 필요성이 제기되었다. 이에 본 연구에서는 국내 열분해･고온용융 소각시설에서의 열정산을 통하여 열분해･고온용융 처리방식의 특성이 반영된 저위발열량 산정방법의 산정계수와 최종 산정식을 도출하였다. 또한 도출된 산정식을 바탕으로 대상 시설에서의 투입 폐기물에 대한 저위발열량을 산정･평가하였다. 입･출열 특성 분석결과 출열에너지 중 증기 흡수열이 약 77.1%로 가장 많은 비율을 차지하였으며, 배출가스 보유열은 약 15.3%, 그 밖의 기타 출열에너지는 약 7.6% 수준으로 나타났다. 이러한 열정산 결과를 바탕으로 저위발열량 산정식의 상수값과 최종 산정식을 도출하였으며, 미연 및 방열손실 계수(α)는 1.098, 부가 입열량 계수(β)는 1.189, 배출가스 열손실 계수(γ)는 0.002의 상수값을 도출하였다. 아울러 도출된 열분해･고온용융 시설 LHVw 산정식을 적용을 적용한 저위발열량 산정 결과 11개호기 평균 약 2,160.8 kcal/kg 수준으로 나타났다. 산정식 도출결과는 현재 운영 중인 시설에서의 실측데이터를 적용한 결과로, 국내 열분해･용융 시설에 적용가능한 객관적이고 정형화된 저위발열량 산정방법일 것으로 사료된다. 또한 본 연구의 결과는 향후 저위발열량 산정방법 개정 등을 위한 소각시설에서의 주요 모니터링 인자 도출 및 관리방안 마련을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Recently, the concept of “sustainable resource circulation society” has become a global issue and a key part of waste management policy. For resource circulation, Korea has established the primary foundation via the enactment of the “Framework act on resource circulation.” Waste energy recovery is attracting considerable attention because of such policy changes, and efforts are being made to maximize the use of heat at incineration facilities. Moreover, to ensure the objectivity and validity of the estimation method’s results, the ministry of environment has recently revised the guidelines for the energy recovery rate estimation method and lower heating value (LHV) of waste at incineration facilities. In the revised guidelines, for estimating the LHV of waste, a formal formula is presented at general incineration facilities for municipal solid waste (MSW). However, generally, the LHV-formula at incineration facilities is difficult to apply to pyrolysis-melting facilities because it does not reflect characteristics of the pyrolysis-melting treatment method. Thus, in this study, the actual condition of pyrolysis-melting facilities was investigated, and the LHV-formula for pyrolysis-melting facilities was derived using the derivation method of the EU’s NCV-formula.

국내 폐기물 소각시설의 에너지 회수효율 관련 규정으로는 ｢폐기물관리법 시행규칙｣ 제3조(에너지 회수 기준 등)에 명시되어 있으며, 에너지 회수효율 기준으로는 75 % 이상(생산량 기준) 회수된 열에너지를 스스로 이용하거나 다른 사람에게 공급할 것으로 규정하고 있다. 또한, 2016년 5월 제정된 ｢자원순환기본법｣ 내 제21조에서는 폐기물을 순환이용할 수 있음에도 불구하고 소각･매립방법으로 처분하는 경우 폐기물처분부담금을 부과하도록 명시하였으며, 동법 제24조에 따르면 소각열에너지를 50 % 이상 회수하여 이용하는 경우 폐기물처분부담금을 감면할 수 있도록 규정하고 있다. 그러나 현행 에너지 회수효율 기준은 생산에너지를 기준으로 산정하고 있어 실제 유효하게 이용된 에너지의 평가가 곤란하며, 에너지원으로는 전력에너지가 반영되지 못하여 에너지 회수효율 증진을 위한 유인방안이 부족한 실정이다. 국내의 폐기물 소각시설의 저위발열량 산정방법으로는 원소분석법(Dulong, Steuer 등), 단열 열량계(Bomb Calorimeter)를 이용하여 측정･분석하고 있으나 소량의 시료 채취를 통하여 폐기물의 대표성을 확보하기에는 많은 어려움이 따른다. 또한, 소각로에 투입되는 폐기물의 특성(성상의 다양성, 계절적 영향 등) 및 시설의 특성 등을 반영하지 못하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 지역적 특성 및 소각로･보일러의 형태(stoker, Rotary Kiln, FBC )등을 고려하여 현재 운영 중인 폐기물 소각시설(생활, 사업장) 11개소(17호기)를 대상시설로 선정하여 계측기 측정데이터 및 현장측정(배출가스 조성, 바닥재 배출온도 및 강열감량, 소각로 및 보일러 방열손실)을 통하여 해당 시설의 저위발열량 및 에너지 회수효율을 산정하였다. 이와 같은 산정결과를 바탕으로 향후 에너지 회수효율 향상 제고를 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

우리나라는 반도체, 철강, 자동차, 선박 등의 제조업을 토대로 경제규모를 성장시켜왔으며, 성장에 비례하여 에너지 수입 의존도 또한 증가했다. 현재 우리나라는 에너지의 95% 이상을 수입하여 사용하고 있는 에너지 다소비 국가로써 2013년 기준 제조업 원자재의 전체 수입량은 하루 평균 약 1조원에 이르는 것으로 집계되었다. 하지만 국내에서 발생되는 폐기물의 약 50% 이상이 에너지 회수에 이용될 수 있음에도 불구하고 단순히 소각 및 매립으로 처리가 되고 있어 에너지 다소비 국가의 현실과는 대조적인 폐기물처리가 이루어지고 있음을 알 수 있다. 이에 환경부는 ｢자원순환기본법(2018.01.01. 시행)｣을 마련하여 폐기물의 에너지화를 계획하고 있으며, 이와 관련해 소각으로부터 발생되는 열원, 온수, 증기 등의 에너지를 최대한 활용하여 그 효율에 따라 폐기물처분부담금을 감면해주는 방안을 구상하고 있다. 따라서 소각시설의 열에너지 회수효율 산정 및 산정을 위한 주요인자들의 과학적인 접근방법이 요구되었으며, 이에 본 연구에서는 열에너지 회수효율의 주요인자인 저위발열량 및 출열항목에 대하여 산정하고, 산정된 저위발열량 결과와 각 시설의 저위발열량 설계 값 및 발열량계측정값을 비교하여 타당성에 대하여 검토하고자 한다. 본 연구는 1차(2016.05.09.~2016.08.31.) 7개 시설(8호기), 2차(2016.09.05.~2016.10.30.) 4개 시설(9호기)로 진행하였으며, 대상 시설의 선정은 폐기물의 종류, 보일러의 설치형태, 소각로의 형태를 고려하여 선정하였다. 열에너지 회수효율의 산정을 위한 계측항목에 관련한 데이터를 일별로 수집하였으며, 계측 외 항목은 직접 측정하여 저위발열량 및 출열항목 등을 산정하였다. 대상 시설의 저위발열량 산정결과는 1차의 경우 2,776.6~3,881.4kcal/kg, 2차의 경우 1,921.5~5928.7kcal/kg으로 분포되는 것으로 나타났으며, 2차 대상시설 중 저위발열량 결과 값이 5928.7kcal/kg으로 산정된 시설의 경우 사업장폐기물 소각시설로 지정폐기물 투입비율이 100%인 것으로 나타났다. 연구결과, 지속적인 데이터 수집을 통해 출열항목을 산정하여 열에너지 회수효율을 극대화 시킬 방안을 마련해야 하며, 또한 과학적 근거를 수반한 저위발열량 산정방법을 마련해야 할 것으로 판단된다.

Recently, the concept of “waste minimization and a sustainable resource circulation society” has become a global issue as the key term waste management policy, the effective use of waste, has been emphasized. Research that converts wastes from incinerators into energy is actively underway as a countermeasure for this issue. The most important factor, the lower heating value (LHV), is the amount of heat (excepting the latent heat of water vapor) generated when the fuel is completely burned, and it is necessary to analyze the combustion performance and economic efficiency of waste incineration facilities. The current LHV estimation methods of the Dulong equation and calorimeter through sampling cannot produce results that reflect the operation status of the incineration facility and the waste characteristics. Consequently, an objective and quantitative LHV formula (LHVKorea) was derived based on the operating data from the domestic municipal solid waste incineration facilities in this study. Additionally, by comparing LHVKorea and LHVEU, the error range of the two formulas is analyzed. The average result of LHVKorea is 2,318kcal/kg (1,788 ~ 2,734 kcal/kg), and an error range of 5% appears between LHVKorea and LHVEU.

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).