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문제 정의
- 본 연구에서는 폐합성수지, 폐지, 폐타이어, 폐목재 등 다양한 사업장 가연성 폐기물에 대한 고형연료 제조 가능성에 대해 검토하였고, 또한 제조된 RPF(Refuse Plastic Fuel)에 대한 고형연료로서의 성분 및 특성을 고찰하였다.
- 현재 전국적으로 사업장 폐기물을 이용하여 고형연료를 제조하는 곳은 대부분이 발열량이 높고 성형이 잘되는 필름류 플라스틱(PE계)을 사용하는 것으로 조사되었으며, PE를 이용한 콤파운드에 대한 연구도 수행되었다[7]. 본 연구에서는 폐합성수지, 폐지, 폐타이어, 폐목재 등 다양한 폐기물을 사용하여 고형연료 제조 가능성을 검토하였다. 폐기물 고형연료를 제조하기 위해 사용한 대상 폐기물을 그림 2에 나타내었다.
제안 방법
- 회분은 시료를 공기 중에서 815±10℃로 가열회화하고 잔류하는 재의 질량을 시료에 대한 질량 백분율로 계산하였다. 가연분은 시료 질량의 백분율에서 수분과 회분을 뺀 값에 대한 질량 백분율로 계산하였다.
- 표 8은 제조된 고형연료의 중금속 분석 결과를 나타낸 것이다. 분석 sample은 각 폐기물 100%로 만든 1, 2, 3과 모든 폐기물을 혼합하여 제조한 8번을 택하여 실시하였다. ‘자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률 시행규칙’ 에서 정한 RPF 품질기준 농도를 모두 만족하였다.
- 시료의 발열량 측정은 Parr사의 6200 calorimeter를 사용하였으며, 원소분석(C, H, O, N, S)을 위해 Elementar사의 Vario Macro 원소분석기를 사용하였다. 열량계로 측정한 값은 고위발열량이므로 원소분석기에서 측정한 수소 값을 이용하여 저위발열량을 측정하였다.
- 시료의 발열량 측정은 Parr사의 6200 calorimeter를 사용하였으며, 원소분석(C, H, O, N, S)을 위해 Elementar사의 Vario Macro 원소분석기를 사용하였다. 열량계로 측정한 값은 고위발열량이므로 원소분석기에서 측정한 수소 값을 이용하여 저위발열량을 측정하였다.
- 중금속 분석은 Perkin elmer사의 AAnalyst 800원자흡광분광기를 이용하였다.
- 파쇄기는 shredder 방식 보다는 연질의 폐기물이 많았기 때문에 hook breaker를 택하였으며, 성형기는 표 3처럼 고분자폐기물 처리와 대량 생산이 가능한 ring-dies type을 선택하였다. 하지만, 보다 단단한 폐기물에는 shredder 방식과 screw-dies type이 사용된다.
- 폐기물의 특성을 알아 보기위해 삼성분(수분, 회분, 가연분), 원소분석(C, H, O, N, S), 발열량, 중금속, 염소 등을 분석하였다. 모든 분석은 고형연료제품 품질시험·분석방법에 따라 실시하였다[9].
- 고형연료 제조를 위해 사용한 폐기물의 혼합비율은 표 4와 같다. 폐플라스틱(폐합성수지)이 중량 기준으로 60% 이상이 되어야 RPF(Refuse Plastic Fuel)의 조건을 만족시키기 때문에 폐합성수지의 혼합비율을 60% 이상으로 하여 고형연료를 제조하였다[8].
- 회분은 시료를 공기 중에서 815±10℃로 가열회화하고 잔류하는 재의 질량을 시료에 대한 질량 백분율로 계산하였다.
대상 데이터
- 사용한 폐기물은 폐합성수지, 폐지, 폐타이어, 폐목재이며 이들 폐기물을 선택한 이유는 슬러지를 제외하고 사업장에서 가장 많이 배출되고 있기 때문이다. 대부분이 사업장에서 배출되는 폐기물로 폐합성수지는 과자봉지나 라면봉지(PE), 음료수 용기(PET), 마대자루(PP) 등 PVC를 제외한 대부분의 합성수지를 사용하였으며, 폐지는 신문지, 박스 포장지 등 미처 분리 수거되지 않은 것을 사용하였다. 폐타이어는 건설 현장 등에서 사용된 후의 대형타이어로 고무의 함량이 72～77%, 보강재 및 CORD 함량이 23～28%정도로 이중에서 타이어 내의 철심을 제거하고 잘게 파쇄 된 fabric cord(섬유)를 주로 사용하였으며, 폐목재는 나무젓가락, 합판, 파레트 조각 등을 주로 이용하였다.
- 시료용액은 500mL, 시료를 넣지 않은 용액을 바탕시험액으로 하였다. 용량 분석용 표준물질인 염화나트륨을 이용하여 염화물 이온 표준용액을 만들어 사용하였다.
- 대부분이 사업장에서 배출되는 폐기물로 폐합성수지는 과자봉지나 라면봉지(PE), 음료수 용기(PET), 마대자루(PP) 등 PVC를 제외한 대부분의 합성수지를 사용하였으며, 폐지는 신문지, 박스 포장지 등 미처 분리 수거되지 않은 것을 사용하였다. 폐타이어는 건설 현장 등에서 사용된 후의 대형타이어로 고무의 함량이 72～77%, 보강재 및 CORD 함량이 23～28%정도로 이중에서 타이어 내의 철심을 제거하고 잘게 파쇄 된 fabric cord(섬유)를 주로 사용하였으며, 폐목재는 나무젓가락, 합판, 파레트 조각 등을 주로 이용하였다. 폐지, 폐목재는 현재 거래시장 형성이 고형연료로 사용하는 것보다는 재활용하는 것이 경제적이기 때문에 분리 수거되지 않은 양만큼을 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 모든 분석은 고형연료제품 품질시험·분석방법에 따라 실시하였다[9].
- 염소의 분석은 미리 물을 넣은 산소 봄베 속에 시료접시를 넣은 후 산소를 압입해서 연소시키는 산소봄베법에 따르고, 생성된 가스를 물에 흡입시켜서 이온크로마토그래프법에 따라서 염소를 구하였다. 주입한 시료의 양은 약 1g 으로 하였으며, 압력을 30～35kgf/㎠로 유지한 상태에서 점화를 시켜 시료를 연소하였다.
성능/효과
- 1) 폐합성수지와 폐타이어의 혼합비율이 높을수록 발열량 기준 1등급(6,500kcal/kg)을 만족하였으나, 폐지와 폐목재의 혼합비율이 증가할수록 고형연료의 발열량은 감소한다.
- 2) 폐지나 폐목재는 고형연료로 만드는 것보다 재활용 하는 것이 경제적으로 유리하기 때문에 고형연료 제조 시에는 20% 이상 혼합하는 것은 경제적이지 못하다.
- 4) 폐기물 고형연료는 원폐기물의 성상에 크게 좌우되지만 고형연료 제조 특성상 원폐기물과는 차이가 있는 고형연료가 제조될 수 있기 때문에 분석에 주의가 필요하다.
- 5) 연질의 폐기물에는 hook breaker type의 파쇄기와 ring-dies type의 성형기가 적합하다.
- 이는 저위발열량이 고위발열량에서 연소가스 중에 함유된 수증기의 증발열을 뺀 것을 말하기 때문에 수분이 낮을수록 탄소성분이 많을수록 저위발열량이 높아짐을 의미한다. 질소와 황은 거의 검출되지 않았는데 폐목재에서 질소가 0.12%, 폐타이에서 황이 0.2% 검출되었다. 명의 연구에서도 목재 중에 질소의 함량이 0.
- 폐기물에 대한 특성 분석 값을 표 5에 나타내었다. 폐합성수지와 폐타이어는 수분함유량이 낮고, 탄소성분이 높아 저위발열량이 높게 나타났다. 이는 저위발열량이 고위발열량에서 연소가스 중에 함유된 수증기의 증발열을 뺀 것을 말하기 때문에 수분이 낮을수록 탄소성분이 많을수록 저위발열량이 높아짐을 의미한다.
- 제조된 고형연료의 저위발열량을 그림 4에 나타내었다. 폐합성수지와 폐타이어를 이용하여 만든 고형연료는 비교적 발열량이 높게 나타났으며, 폐지와 폐목재의 혼합 비율이 증가함에 따라서 발열량은 감소하였다. 이는 폐지와 폐목재 자체의 저위발열량이 3,500kcal/kg으로 낮기 때문에 나타낸 결과이다.
후속연구
- 대부분이 플라스틱으로 이루어진 폐기물 고형연료는 연소로 투입장치 내에서 운송 중에 녹아서 투입관을 막아 공급 장애를 일으킬 수 있기 때문에 이에 대한 보완이 필요할 것이다.
- 이상의 결과를 바탕으로 폐합성수지와 폐타이어는 고형연료 제조를 위한 좋은 원료가 될 수 있고 발열량이 낮은 물질은 발열량이 높은 물질과 혼합하여 제조하면 충분한 경쟁력이 확보될 것이라고 판단된다.
- 따라서 현재의 방식으로는 고형연료 내에 포함될 수 있는 유해물질을 고려할 경우, 고형연료 전용 열병합 발전소나 고온소각장이 정도만이 고형연료 사용처가 될 수 있다. 향후 고형연료의 연소 실험을 통해 소각 시 발생되는 유해물질의 정도를 파악하여 이에 대한 문제점 및 해결방안을 모색하고자 한다.
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