본 연구에서는 바이오매스 폐기물인 Corynebacterium glutamium을 Alg를 이용한 고정화와 PEI 표면개질 과정을 통하여 유해 미세조류인 Microcystis aeruginosa를 제거할 수 있는 흡착소재인 PEI-AlgBF를 개발하였다. 녹조의 발생단계에 상관없이 PEI-AlgBF는 수계로부터 M. aeruginosa를 성공적으로 제거할 수 있었으며 유해조류 제거과정에서 M. aeruginosa 세포의 파괴를 유발하지 않았다. 흡착소재의 표면적은 M. aeruginosa의 제거효율에 매우 큰 영향을 주는 주요인자로 확인할 수 있었다. PEI-AlgBF를 사용한 M. aeruginosa 흡착/제거 방식은 기존 기술에 비하여 환경영 향성이 낮기 때문에 보다 안전하고 안정적인 유해조류의 제어 방식이 될 것이다.

지난해 12월, 저탄소, 청정에너지 체제로의 전환에 역점을 두고 2030년까지 전체 발전량 중 재생에너지의 비중을 20%로 높이는 한편 신규 발전설비 중 95% 이상을 풍력, 태양광에너지로 공급하겠다는 목표를 구체화한 ‘재생에너지 3020 이행계획’을 정부에서 발표하였으나, 국내 자연환경 여건상 풍력, 태양광 에너지 생산 적합여부가 불분명하여 많은 우려를 낳고 있다. 따라서 폐기물, 바이오매스를 통한 에너지 생산기술 개발 시 보다 친환경적이며, 에너지 전환에 소요되는 에너지 소비량을 낮출 수 있는 기술개발이 필요한 실정이다. 고함수율, 저발열량의 하수슬러지와 같은 폐바이오매스를 단독으로 사용한 고형연료 생산에는 선진기술개발 및 다량의 에너지가 요구되고 있어 폐바이오매스를 활용한 고형연료 생산기술 개발 시 경제성 부족으로 어려움을 야기하고 있다. 상대적으로 낮은 함수율과 높은 발열량을 갖춘 폐바이오매스인 폐목재를 혼합하여 고형연료를 생산하는 경우, 소요되는 에너지 소비량을 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한, 폐바이오매스의 열적 고형연료화 반응 중 하나인 반탄화 기술을 활용하여 고형연료 생산수율과 고형연료 저장성 증가를 도모할 수 있다. 본 연구에서는 하수슬러지, 폐목재를 활용한 Bench급 혼합폐바이오매스 반탄화 시스템에서 도출한 운전인자 변수(반응온도, 혼합비에 따른 투입시료 함수율, 체류시간)를 통해 열수지 평형을 이용한 건조로, 반탄화반응로, 반응열 공급 연소로로 구성된 엑셀기반 혼합폐바이오매스 반탄화 공정모사해석툴을 구축하였다. 공정모사해석 결과를 바탕으로 혼합 폐바이오매스 반탄화 고형연료 생산 공정에서의 공정구성 및 운전조건의 최적 점을 분석하였다.

1997년 교토의정서를 시작으로 2016년 파리기후협약이 발효되며 온실가스 저감을 위한 세계적인 노력이 계속되고 있다. 국내에서는 ‘폐자원 및 바이오매스 에너지 대책’의 실행을 위해 폐자원의 고형연료화 등 각종 에너지화 시설의 확충을 장려하고 있으며, 이를 통해 2020년까지 1,169만톤/년의 폐자원 에너지화를 달성하고자 한다. 폐자원 및 바이오매스는 가용 잠재량이 풍부하며, 저렴한 비용으로 신재생에너지 공급의 조기 성과 창출 및 온실가스 감축의무를 이행할 수 있는 수단이다. 반탄화 기술은 취급과 저장이 용이하며, 높은 에너지 밀도를 갖는 고형 연료를 생산하는 기술로 낮은 발열량과 높은 함수율을 갖는 바이오매스의 전처리 과정으로 국내외에서 연구되어 왔다. 일반적인 반탄화 기술의 공정은 원료를 200~300℃의 저온에서 환원분위기를 유지하며 10분에서 60분 동안 열처리하는 기술을 말한다. 본 연구에서는 폐목재와 하수슬러지를 반탄화 기술에 적용하여 고형연료를 생산하는 기술 개발을 위한 0.1 ton/day 급 규모 설비의 운전 특성 파악을 위해 수행하였다. 실험에 쓰인 폐바이오매스는 일반 폐목재(40%)와 하수슬러지(60%)를 혼합하여 사용하였다. 반탄화 공정은 Rotary Kiln에서 반응 온도 250℃, 300℃, 체류시간 40분, 60분의 실험 조건에서 반탄화 실험을 실시하였다. 실험 결과 반탄화 반응을 통해 생성된 반탄화물은 반응 온도가 증가함에 따라 연료수율 및 연료비는 감소하는 경향을 나타냈으며, 연료수율이 70% 이상을 나타내는 반응 영역에서는 연료비가 2.5~3.0의 범위를 나타내었다. 발열량의 경우 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 반탄화물의 에너지 수율은 250℃부터 서서히 증가하다가 270℃ 부근에서 감소하는 경향을 나타내었다.

하수슬러지는 2006년 런던협약이후 해양투기 금지 대상물질로 지정되어 효율적인 처리에 대한 연구가 진행되고 있다. 이에 대한 방안으로 각광 받고 있는 반탄화 공정은 시료의 분쇄성을 높여 혼소에 용이하며, 처리 후 시료가 소수성을 띄기 때문에 미생물에 대한 오염이 적다. 또한 에너지밀도를 높일 수 있어 원시료에 비해 높은 발열량을 가진다. 하지만 다량의 수분을 함유하고 있어 그 이용이 제한적이다. 본 연구에서는 고 함수율 시료인 하수슬러지의 단점을 보완하고자 저 함수율 시료인 폐목재를 1:1로 혼합하여 lab규모 실험을 통해 반탄화 특성을 파악하였다. 반응시간 20분 조건에서 반응온도를 200 ℃에서 50 ℃ 간격으로 550 ℃까지 승온시켰으며, 반응온도 250 ℃, 300 ℃조건에서 반응시간 10분에서 10분 간격으로 50분까지 증가시켰다. 생성된 반탄화물에 대하여 공업분석, 원소분석 및 발열량분석을 진행하였으며, 이를 통해 에너지수율, 연료비, 탄소비 등 반탄화물의 특성을 파악하였다. 반탄화물의 공업분석결과 반응온도 및 반응시간이 증가할수록 가연분은 감소하였으며, 회분과 고정탄소는 증가하는 경향을 보였다. 발열량의 경우 반응온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이다가 반응온도 400 ℃에서 최대 값(5082.7 kcal/kg)을 보인 후, 감소하는 경향을 보였다. 또한 원소분석결과를 기반으로 석탄 종의 O/C와 H/C의 비(Van Krevelen Diagram)을 비교하였다. 수소 및 산소는 반응온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈으며, 탄소함량은 전반적으로 증가하는 경향을 보였다.

폐 바이오매스의 열 화학적 전환 공정 중 하나인 급속열분해 공정은 공정변수에 따라 열분해 생성물의 수율 및 특성이 변화한다. 급속 열분해 반응이 이루어지는 반응기는 전체 급속 열분해 공정의 핵심이며, 폐 바이오매스의 급속열분해 반응을 위해서는 1,000~10,000℃/s의 빠른 열전달 속도, 500℃의 열분해 반응온도, 1~2초이내의 열분해 생성물 체류시간이 요구된다. 따라서 이를 실현하기 위한 급속열분해 반응기 개발에 많은 연구가 진행되었다. 현재 개발되어 사용 중인 대표적인 급속열분해 반응기는 기포 유동층, 순환유동층, 분사층, Augur형, 융해열분해, 진공열분해 등의 반응기가 있다. 이중 분사층 반응기는 기체-고체 간의 열 및 물질전달이 우수하고, dilute spouted bed regime 에서는 반응기 내 열분해 가스의 체류시간이 짧아 오일의 수율을 기존 유동층 반응기 보다 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 분사층 급속열분해 반응기 내 폐 바이오매스의 급속 열분해 반응은 기체-고체간의 수력학적 특성과 열전달 특성에 영향을 받는다. 따라서 분사층 급속열분해 반응기의 최적 설계와 운전을 위해서는 반응기 내 수력학적 특성과 열전달 특성에 대한 정보가 필요하다. 그러나 현재까지 분사층의 운전조건에 따른 분사층 내 열전달 특성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 분사층 내 열전달 특성 연구를 위하여 열전달 센서를 설계/제작하였으며, 제작된 열전달 센서를 통하여 분사층내 기체-고체간의 열전달 특성을 측정하였다. 분사층 내 기체-고체간의 열전달 실험은 공탑 속도, Geldart 입자분류, bed 높이를 실험변수로 하여 실험을 수행하였으며, 실험을 통하여 실험변수에 따른 분사층 내 기체-고체간의 열전달 계수의 변화를 연구하였다.

석유화학원료의 공급 불안정 및 기후환경변화 대처가 절실한 상황으로 최근 신재생에너지 분야에 관한 관심이 증대 되고 있다. 더불어 2012년부터 발효된 RPS(Renewable Portfolio Standard) 규제에 따라 국내 발전사들의 신재생에너지원으로 부터의 전기 생산 의무가 본격화되고 있다. 특히 폐자원 및 폐바이오매스를 이용한 에너지 생산 분야는 원료의 안정적인 공급 가능성과 기존 처리 방법의 제한적 이용으로 열화학적 전환 기술을 이용한 에너지 생산기술이 각광받고 있다. 대표적인 열화학적 전환 기술들 중 열분해 기술은 폐바이오매스에 적용을 통하여 기존 석탄 에너지 전환 시설의 대체 자원으로의 이용이 가능하며, 원료의 수급성 측면 및 다양한 원료 특성에 대응하기 위해 반탄화(Torrefaction) 기술이 제시되고 있다. 반탄화 기술은 폐바이오매스를 에너지원으로 적극 활용하기 위한 전처리 공정으로, 무산소 조건에서 낮은 온도영역인 200~300℃에서 가열하여 원료 내 함유된 휘발분 및 수분 제거를 통해 연료로 전환된다. 생성된 반탄화물은 소수성 및 낮은 함수율에 따라 운송성이 확대되며, 고정탄소 성분의 증가로 인한 높은 에너지밀도로, 석탄과 유사한 특성을 지니게 된다. 따라서 본 연구에서는 국내에서 발생되는 폐바이오매스의 에너지원으로의 적용성 평가를 위해 농산물에서 주로 발생되는 왕겨 및 볏짚을 이용한 반탄화 반응 특성을 분석하였다. 반탄화물은 특정 반응시간에서의 반응 온도에 따라 생성하였으며, 에너지수율 및 질량 수율을 고려한 최적의 반탄화 조건을 모색하였다. 본 실험 결과 왕겨 및 볏짚을 이용한 최적의 탄화물 생산조건은 반응 온도 250~300℃ 및 반응 시간 20~30분 경우로 나타났으나, 각각의 탄화물 수율 및 발열량의 차이가 확연하게 나타났다. 왕겨의 경우 약 73.5%의 탄화물 수율 및 약 4,320.0 kcal/kg의 탄화물 발열량이 분석되었으나, 볏짚의 경우의 탄화물의 수율 및 발열량은 각각 68.2% 및 약 4,547.7 kcal/kg으로 나타났다. 이러한 탄화물 생산 특성의 차이는 바이오매스 원료의 Lignocellulose 특성과 주로 관련된 것으로 예상되고 있으며, 이러한 연구 결과를 통해 폐바이오매스의 석탄발전 설비에서의 혼합 연소 방식으로 적용될 것으로 기대 된다.

폐바이오매스를 이용하여 Bio-SRF로 활용을 위해 제시되고 있는 반탄화(Torrefaction) 기술은 대표적인 신재생에너지 활용 방안으로, 원료의 공급 안정성 및 제한적 처리 방법으로 인해 각광받고 있다. 일찍부터 해외에서는 반탄화 기술을 통해 생성된 탄화물의 높은 적용성을 인지하여 상용규모의 기술 개발이 활성화 되어 있으며, 주로 활용 가능한 폐바이오매스가 많이 발생되는 유럽 및 북미 지역에서 활발하게 수행되고 있다. 반면 국내에서는 기존 폐바이오매스는 매립 위주로 처리되어오고 있으며, 최근에서야 폐바이오매스의 자원 인식 전환을 통해 적극적으로 기술개발사업에 노력을 기울이고 있는 추세이다. 이러한 생산된 반탄화물은 소수성 및 낮은 함수율로 인해 운송 용이성 확대와 더불어 고정탄소 성분의 증가에 따른 높은 에너지 밀도로 석탄발전 설비에서의 혼합 연소를 통한 활용이 기대되고 있다. 반탄화물은 무산소 조건 상에서 200~300℃의 반응 온도 영역에서 열분해 과정 중 폐바이오매스 내 함유된 수분 및 휘발분 제거를 통해 얻을 수 있다. 반면에 국내에서 시행되고 있는 Bio-SRF 기준은 탄화물을 에너지원으로 활용하는 측면에서 엄격하게 다뤄져 적용 가능한 폐바이오매스 종류가 한정적이다. 이러한 배경은 원료로 사용되고 있는 폐바이오매스 종류별 함유하고 있는 염소, 황분 및 회분 함량이 다양하며, 이러한 성분들은 향후 반탄화물이 적용 될 소각 및 가스화 시스템 내부 부식 등에 따른 연속운전 저해 요소로 작용이 가능하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 적용범위가 제한적인 폐바이오매스를 활용하여 Bio-SRF 규격을 충족시키는 반탄화물을 생산하기 위해 다수의 폐바이오매스의 혼합비율에 따른 반탄화물 특성을 검토하였다. 대상 원료로, 폐목재와 고품질 하수슬러지 및 저품질 하수슬러지별 반응 온도 및 반응 시간에 따라 생산된 반탄화물 특성 실험결과를 이용하여 Bio-SRF 기준을 충족시키는 원료의 최적 혼합비율을 도출하였다. 저품질 하수슬러지와 폐목재를 활용할 경우 습윤 기준 하수슬러지 60% 및 폐목재 40% 의 혼합비율이, 고품질 하수슬러지의 경우 습윤기준 하수슬러지 80% 및 폐목재 20%가 최적조건으로 도출되었다. 본 연구를 통해 처리 방법이 제한적인 폐바이오매스를 이용한 반탄화물 생산이 가능할 것으로 기대되며, 향후 폐바이오매스의 대상 범위를 확대를 통해 혼합 폐바이오매스를 이용한 반탄화물 기술 개발에 중요한 가이드라인으로 제시될 것으로 사료된다.

농업 및 임업 부산물로부터 발생되는 폐바이오매스를 에너지 자원으로 전환하는 공정인 급속열분해 공정은 폐바이오매스를 무산소 조건에서 500℃ 정도의 온도와 1~2초 이내의 짧은 시간 동안 반응시킨 후 액상 연료로 변환하는 공정이다. 급속열분해 공정을 통해 생산되는 액상 연료인 바이오 오일은 발전용, 수송용 연료로 사용될 수 있으며, 화학소재 등으로 활용이 가능하기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 급속 열분해 반응기는 급속열분해 공정의 핵심이라 할 수 있으며, 반응기 종류 및 공정조건에 따라 급속열분해 생성물의 특성이 변화한다. 현재 개발된 반응기는 기포 유동층, 순환유동층, spouted bed, rotating cone, ablative, anger, vacuum moving bed 형태의 반응기가 있다. 다양한 반응기 중 conical spouted bed 반응기는 열 및 물질전달이 타 반응기에 비하여 우수하고, 유동층 반응기 보다 바이오매스의 입도가 큰 경우에도 운전이 가능하기 때문에 시료 분쇄에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다. 또한 유동층 반응기와 동일한 처리 용량일 경우 반응기 체적이 작고, 분산판이 필요하지 않기 때문에 반응기 제작 비용 및 압력강하로 인한 에너지 손실 및 운전비용을 절감할 수 있으며, diluted spouted bed regime 에서는 반응기 내 열분해 생성물의 체류시간이 짧기 때문에 바이오 오일의 수율이 유동층 반응기 보다 높은 장점이 있다. 이러한 conical spouted bed의 여러 장점 때문에 최근 conical spouted bed를 이용한 급속열분해 연구가 소수 연구자들에 의해 연구되고 있지만, 폐바이오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구는 미진한 상태이다. 바이오 오일의 수율 및 특성은 반응기 운전조건에 영향을 받기 때문에 conical spouted bed 급속열분해 반응기의 최적 운전조건 도출 및 안정적인 운전을 위해서는 반응기 내 폐바이오매스의 급속열분해 특성에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 conical spouted bed 급속열분해 실험장치를 이용하여 반응기 운전조건에 따른 폐바이오매스의 급속열분해 특성을 연구하였다. 연구를 통하여 공탑속도.유동사 입자 크기, bed 높이 변화에 따른 열분해 생성물의 수율 및 물리-화학적 특성을 분석하여 최적 운전 조건을 도출하였다.

본 연구에서는 폐바이오매스 급속열분해 공정해석을 통하여 반응온도에 따른 바이오오일의 수율을 살펴보고 급속열분해 반응모사를 위해 적용된 반응 메커니즘을 평가하였다. 폐바이오매스 급속열분해 공정은 바이오매스 투입기, 급속열분해 반응기, 사이클론, 응축기 그리고 전기집진기 등으로 구성되어있다. 공정 내 각각의 장치들은 온도, 질량분율 등의 함수로 모델링되어있다. 특히, 본 공정해석에 적용된 급속열분해 반응 메커니즘은 폐바이오매스의 주요 성분들인 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 그리고 리그닌의 함수로 이루워져있다. 즉, 여러 가지 폐바이오매스 특성에 따른 차이를 모사할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 억새, beechwood, switchgrass 총 3종의 폐바이오매스를 이용하여 공정해석을 수행하였다. 온도에 따른 바이오오일의 수율은 모든 폐바이오매스에서 반응온도가 증가함에 따라 증가하다가 최대 바이오오일 수율을 갖고 감소하는 경향을 나타낸다. 비응축가스의 수율은 온도가 증가함에 따라 증가하며, 촤의 수율은 감소한다. 해석된 결과들의 경향은 일반적인 급속열분해 실험결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 폐바이오매스 종류에 따른 바이오오일 수율은 억새나 switchgrass보다 밀도가 높은 beechwood에서 가장 큰 수율을 가진 것을 확인할 수 있었으며, 해석된 결과를 실험결과와 비교/평가를 하였다.

In order to obtain the optimal design of a char removal cyclone, the effect of the vortex finder height and inlet shapeon its performance are numerically carried out. The pressure drop and collection efficiency are calculated for four differentcyclones with different vortex finder heights and inlet shapes. To validate the present numerical process, the calculatedpressure drops for two types of cyclones are compared with experimental results and the results show a good agreementbetween experimental and numerical results. From the results, increasing the height of the vortex finder, the collectionefficiency is increased. As for cyclone inlet shapes, the tangential one is characterized by lower efficiency compared withthe volute counterpart. The current result can be used for the design of cyclones with high collection efficiency, especiallyfor removing tiny char which is generated during fast pyrolysis process of waste biomass.

In the present study, lab-scale fast pyrolysis reactor (1kg/hr) using lignocellulosic waste biomass was numerically modeledwith various reaction mechanism and the calculation results were compared. Three kinds of reaction mechanisms were appliedsuch as three-step mechanism, two-stage, semi global mechanism and Broido-Shafizadeh mechanism to simulate chemicalreactions in the fast pyrolysis reactor. The fast pyrolysis reactor was modeled as function of mass fraction and reactiontemperature following each reaction mechanism. Especially, the reaction temperature is one of important factors to determinebio-oil yield. Hence, in this study, reaction rates and yield of fast pyrolysis products were compared with varying reactiontemperature for the three kinds of reaction mechanism. The variation of reaction rate for two-stage, semi global mechanismand Broido-Shafizadeh mechanism showed very similar pattern but, three-step mechanism has different trend because theeffect of secondary reaction was missing. The yield of tar was increased before reaching maximum tar yield at 430oC and520oC for two-stage, semi global mechanism and Broido-Shafizadeh mechanism, respectively then decreased as temperaturerises more. But, the yield of tar was increased continuously for three-step mechanism as temperature rises. The yield of non-condensable gas and char was increased as temperature rises for three kinds of reaction mechanisms.

국내에서 발생된 폐바이오매스 중 에너지화 가능한 폐바이오매스는 2007년 기준 약 1,167 톤이 발생하지만, 이 중 약 3.5%만이 에너지원으로 활용되고 있다. 여러 종류의 폐바이오매스 에너지화 방법 중 소각, 가스화 또는 열분해 같은 열화학적 전환방법은 높은 에너지 수율을 얻을 수 있다는 장점 덕분에 각광을 받고 있다. 이중 급속 열분해는 높은 오일 수율을 얻을 수 있다는 장점과 액체연료가 갖는 장점 때문에 국내외에서 활발하게 연구되고 있다. 이에, 본 연구에서는 폐바이오매스를 이용한 급속 열분해 반응기 모델링이 수행되었다. 모델링된 반응기는 실험실 규모(1 kg/h)로 반응기 내 급속 열분해의 화학 반응 모사를 위해 two-stage semi global kinetic mechanism이 모델에 적용되었으며, 온도와 질량 분율 등의 함수로 모델링되었다. two-stage semi global kinetic mechanism은 폐바이오매스가 응축가스, 비응축가스 그리고 촤로 분해되는 1차반응과 폐바이오매스로 부터 생성된 응축가스가 다시 비응축가스와 촤로 분해되는 2차반응으로 구성되어 있다. 먼저 각각의 반응온도에 따른 반응속도를 살펴보았으며, 반응기 출구에서의 급속 열분해 생성물의 수율을 살펴보았다. 모델링된 급속 열분해 반응기 출구에서의 온도변화에 따른 생성물의 수율은 실험값과 함께 비교, 평가되었다. 모델링을 통해 해석된 결과는 먼저, 응축가스의 경우 온도가 증가함에 따라 증가하다 최고 수율을 갖고 감소하였으며, 비응축가스와 촤의 경우 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타냈다. 바이오오일 수율에 직접적인 영향을 미치는 응축가스 수율을 실험값과 비교하였을 때, 해석된 결과와 같은 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.