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.