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지금까지 MSW (Municipal solid wastes)의 처리는 주로 소각방식에 의존하여 왔으며 처리과정에서 잉여 에너지를 회수하는 형태가 대부분이었으며 오랜 기간 경험과 축적된 기술로 안정적이고 위생적으로 폐기물을 대량 처리 할 수 있는 장점이 있어 대부분의 현장에 적용해 왔다. 그러나 SOx, NOx, HCl, PCDD/PCDFs 등의 유해배기가스의 다량배출과 폐수, Ash 등과 같은 오염된 잔재물이 발생되고 있어 제2의 환경오염은 물론이고 낮은 ...

지금까지 MSW (Municipal solid wastes)의 처리는 주로 소각방식에 의존하여 왔으며 처리과정에서 잉여 에너지를 회수하는 형태가 대부분이었으며 오랜 기간 경험과 축적된 기술로 안정적이고 위생적으로 폐기물을 대량 처리 할 수 있는 장점이 있어 대부분의 현장에 적용해 왔다. 그러나 SOx, NOx, HCl, PCDD/PCDFs 등의 유해배기가스의 다량배출과 폐수, Ash 등과 같은 오염된 잔재물이 발생되고 있어 제2의 환경오염은 물론이고 낮은 에너지 효율 및 생산한 단위 에너지량 대비 배출되는 많은 량의 온실가스가 문제점으로 지적되어 왔다. 본 연구에서는 소각등 기존의 대안기술로서 기존의 Coal 중심의 고온가스화 방식과는 다른 열분해 (Pyrolysis) 와 가스화 (Gasification)공법이 적용된 새로운 모델의 반응기와 공정을 제시하였다. 즉 두 가지 공법을 조합한 열분해-가스화 반응기와 합성가스 및 Char 연소공정 등으로 구성된 MSW 기준 일일 5톤 규모의 Demo-scale plant를 구축하였다. 실험용 원료는 MSW 로부터 제조한 Fluff RDF를 사용하였으며 열분해-가스화 온도는 기존 방식보다 낮은 약 550℃ 정도의 저온을 적용하였고 공기비 (ER : Equvalence ratio) 0.15의 조건에서 반응기의 운전성능, 에너지 회수효율 및 열역학 평형해석 등을 고찰하였다. TGA 사전실험 결과 Lignocellulosic biomass의 목질계 물질은 230℃, Plastic 등 합성수지계 물질은 430℃분해가 시작되어 각각 380℃, 500℃부근에서 열중량 감소가 최대치를 나타내면서 종료되었다. 실험을 위한 실증시설에는 열분해의 특징인 간접가열 (I : Indirect heated) 방식과 가스화의 특징인 직접가열 (D : Direct heated) 방식의 두 가지 기술이 조합된 직·간접 동시가열 방식 (D/I : Direct and Indirect heated type)을 적용하기 위하여 새로운 형태의 Dual-tube 형 Rotary kiln 반응기를 개발하였다. 반응기에서 생성된 Syngas와 Char는 후단의 Syngas combustor 와 Char furnace에서 연소 후 고온의 연소열을 반응기의 간접 열원으로 공급하였고 합성가스 연소열 대부분은 열(증기) 에너지로 회수하였다. 또한 Devolatilization 과 Char gasification 과정에서 Tar에 대한 GC-MS (Gas Chromatograph Mass Spectrometry) 분석결과 Tar는 700℃이상의 고온열분해와 비교할 때 Complex oxygenates, Phenols 등 저온에서 발생하는 많고 다양한 종류의 Tar가 발생하였으나 본 연구에서는 공정 후단의 기계장치의 부식 및 막힘 등의 문제점을 최소화하기 위하여 정제공정 대신에 합성가스를 직접 연소하는 방법을 채택하였다. 운전과정에서 미분해된 물질을 함유한 합성가스, 공기비, 연소 배기가스등에 대한 운전제어 상에 어려움이 있었으며 향후 Scale-up상에 필요한 추가적인 설계 및 운전인자의 도출이 필요하였음을 확인하였다. 반응기 냉가스 효율 (Cold gas efficiency)은 투입폐기물의 반응열을 기준하여 76.4%로 나타나 기존 고온의 유동층 가스화공정의 70%정도 보다 양호한 결과를 나타내었다. 또한 열분해와 가스화 반응을 위한 에너지 소요량이 D/I 방식이 I 방식에 비해 21% 적게 소모되었으며 열(증기)에너지 회수도 약 12% 높게 나타나 D/I 방식이 에너지 효율 측면에서 유리할 것으로 판단되며 기존의 소각, 열분해, 가스화 기술과 비교하여도 상대적으로 우수한 것으로 나타났다. 또한 본 연구의 가스화 반응의 경우 일반적인 가스화 반응에 비하여 저온임에 따라 가스화 반응에 대한 열역학 평형해석에 있어서 완전한 평형이론의 적용에는 한계가 있었으나 이론값과 실험값의 오차를 반영한 평형상수의 보정작업을 통하여 주요 합성가스의 조성을 예측할 수 있는 열역학 평형해석 방법을 개발하였다.

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