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문제 정의
- [3,4] 또한 음식물류폐기물 처리시설에서 생산된 제품 중 사료화는 72%, 퇴비화는 61%가 무상판매 되고 있는 실정이다.[5] 이러한 음식물류폐기물을 고형연료화 하여 에너지원로 사용하고자 한다. 하지만 기존 문언에 따르면 음식물류폐기물은 고정탄소 함량이 낮아 고형연료로써의 가치가 낮다.
- 하지만 기존 문언에 따르면 음식물류폐기물은 고정탄소 함량이 낮아 고형연료로써의 가치가 낮다. 이에 본 연구에서는 이러한 점을 보안하기 위하여 음식물류폐기물과 하수슬러지를 일정 비율로 혼합한 뒤 반탄화를 이용하여 고형연료화 된 생성물의 연료가치를 파악하고자 한다.
제안 방법
- Fig. 1은 실험실 규모의 회분식 반탄화 장치의 모식도를 나타낸 것으로 온도 조절 제어장치가 장착된 전기로(Electronic furnace)와 반응기(Reactor), 응축기(Condenser)로 구성되어 있으며, 테프론(Teflon)소재의 가스켓을 이용하여 반응기를 밀폐하였고, 반응기 내부 공기를 질소가스로 치환하여 실험하였다.
- 기초적인 특성 파악을 위해 공업분석은 ASTM D3172, D3174, D3175에 의해 실시하였으며, Leco AC 500(Leco korea)을 이용하여 발열량을 측정하였다. 또한 원소분석기(MACRO, Elementar, German)에 의해 C, H, N, S을 측정하였다.
- 기초적인 특성 파악을 위해 공업분석은 ASTM D3172, D3174, D3175에 의해 실시하였으며, Leco AC 500(Leco korea)을 이용하여 발열량을 측정하였다. 또한 원소분석기(MACRO, Elementar, German)에 의해 C, H, N, S을 측정하였다. 음식물류폐기물이 반탄화 반응을 통하여 화학적 구조가 변화하였는지 판단하기 위하여 FT-IR (is 10, Thermofisher scientific) 분석을 진행하였다.
- 시료는 서울특별시 S대학교 구내식당에서 발생 음식물류폐기물과 서울특별시 소재 J 물재생센터의 혐기성 소화슬러지의 탈수케이크를 대상으로 하였다. 음시물류폐기물은 균일한 조성을 가질 수 있도록 파쇄 하였으며, 부패에 의한 성상변화 방지를 위해 냉장보관을 하였다. 본 실험에 사용된 시료의 물리·화학적 특성은 다음과 같다.
- 음식물류폐기물, 음식물류폐기물과 하수슬러지를 8:2, 6:4, 5:5로 비율로 혼합한 뒤 반탄화 반응온도에 따른 생성물의 연료 가치를 파악하였으며 다음과 같은 연구결과를 얻을 수 있었다.
- 음식물류폐기물과 하수슬러지의 혼합 비율은 10:0, 8:2, 6:4, 5:5 로 중랑별 혼합하였고, 반탄화 온도는 180℃, 210℃, 240℃, 270℃ 충분한 반응이 일어 날 수 있도록 반응시간을 1시간으로 조절하여 실험하였다. 반응기 내부는 질소가스로 치환 한 뒤 반응기 온도는 전기로를 사용하여 승온속도 5℃/min으로 조절하였고, 최종온도에서 반응시간 동안 유지한 후 실험을 종료하였다.
- 또한 원소분석기(MACRO, Elementar, German)에 의해 C, H, N, S을 측정하였다. 음식물류폐기물이 반탄화 반응을 통하여 화학적 구조가 변화하였는지 판단하기 위하여 FT-IR (is 10, Thermofisher scientific) 분석을 진행하였다.
대상 데이터
- 시료는 서울특별시 S대학교 구내식당에서 발생 음식물류폐기물과 서울특별시 소재 J 물재생센터의 혐기성 소화슬러지의 탈수케이크를 대상으로 하였다. 음시물류폐기물은 균일한 조성을 가질 수 있도록 파쇄 하였으며, 부패에 의한 성상변화 방지를 위해 냉장보관을 하였다.
이론/모형
- 반탄화 반응온도에 따른 생성물의 O/C와 H/C의 원자수비 관계를 Van krevelen Diagram으로 나타내었다. 반탄화가 진행이 될수록 생성물의 석탄 밴드가 개선되어 초기 biomass그룹에서 Lignite 범위까지 탈수이동경로를 따라 이동하는 것을 확인 할 수 있었다.
성능/효과
- 1. 하수슬러지 혼합비율이 높을수록 낮은 온도에서 수분제거율이 낮았지만 반응온도 240℃이상에서는 혼합비율에 상관없이 수분함량이 10% 미만을 나타내었다. 이결과 하수슬러지를 혼합하여 반탄화 할 경우 최저 반응온도가 240℃임을 확인 할 수 있었다.
- 2. 고정탄소의 경우 반응온도가 높을수록 함량이 높았으며 음식물류폐기물은 20%, 하수슬러지를 혼합하였을 경우 36%까지 증가하였으며, biomass 중 Beech와 비슷한 값을 보였다. 원소분석 결과 반응온도가 높아질수록 탄소원소의 함량은 약 1.
- 3. 발열량의 경우 반응온도 240℃부터 고형연료제품기준인 3,000Kcal/Kg 이상에 만족하는 발열량을 나타내었으며, 초기시료보다 약 6배 정도 증가 한 6,400Kcal/kg, 5,600Kcal/kg, 5,000Kcal/kg, 4,400Kcal/kg의 값이 측정되었다.
- 4. 반탄화가 진행이 될수록 생성물의 석탄 밴드가 개선되어 초기 biomass그룹에서 Lignite 범위까지 탈수이동경로를 따라 이동하는 것을 확인할 수 있었으며, 혼합비율 6:4와 5:5, 반응온도 270℃에서 아역청탄에 해당되는 약 0.9의 연료비를 얻었을 수 있었다. 하수슬러지 혼합 비율이 높아질수록 발열량은 감소하지만, 고정탄소 함량 증가, 연료비 개선 등으로 음식물류폐기물만 단독 고형연료화 한 것 보다 연료로써의 품질이 좋아지는 것을 확인 할 수 있었다.
- 휘발분 함량은 석탕등급을 분류하는 하나의 지표로서 연소성(착화온도와 연소속도)에 영향을 준다.[10] 반응온도와 혼합비율이 증가할수록 휘발분의 함량이 낮아지는 것을 확인 할 수 있었으나, ASTM에 의한 석탄 부류기준에 따르면 역청탄의 휘발분 함량 14~31%, 갈탄 40%로 본 실험에서 측정된 생성물의 경우 Mix 6:4와 5:5는 갈탄과 비슷한 휘발분의 함량을 보이고있다.
- 반탄화과정을 통하여 수산기가 감소하였음을 확인 할 수 있었고 수산기의 감소는 바이오매스를 소수성 상태로 만들어 운반이나 저장에서 발생되는 문제점을 해결하게 한다.[12] FT-IR 그래프를 통하여 반탄화 반응이 단순한 수분 제거 반응이 아니라, 열적 반응에 의해 일부 화학적인 반응도 동시에 일어나는 것으로 판단된다.[13]
- 반응온도가 상승할수록 고정탄소와 회분의 함량이 증가하는 경향을 보였으며, 하수슬러지 비율이 높을수록 증가하는 비율이 더 높았다. 반응온도 270℃에서 고정탄소의 값이 모두 20%이상의 값이 측정 되었으며, 하수슬러지를 혼합한 시료 모두 30%이상의 값을 보였다. Woody biomass 중 Beech의 종류별 고정탄화 함량을 비교하면 Eucalyptus grandis 32.
- 반응온도가 상승 할수록 탄소원자의 비율은 상승하고, 산소원자의 비율은 감소하는 경향을 보였으며, 혼합비율에 상관없이 반응온도 270℃에서 가장 높은 탄소원소 함량을 보였다. 이명석(2013, 재인용)의 발표된 연구자료에 따르면 산소원자 비율이 낮아진 것은 반탄화가 진행이 됨에 따라 헤미셀룰로오스와 셀룰로오스가 CO와 CO2의 형태로 분해되어 산소원자가 배출되기 때문이다.
- 2에 혼합비율과 반탄화 반응온도에 따른 생성물의 기초특성을 나타내었다. 반응온도가 상승할수록 고정탄소와 회분의 함량이 증가하는 경향을 보였으며, 하수슬러지 비율이 높을수록 증가하는 비율이 더 높았다. 반응온도 270℃에서 고정탄소의 값이 모두 20%이상의 값이 측정 되었으며, 하수슬러지를 혼합한 시료 모두 30%이상의 값을 보였다.
- 반탄화 반응온도에 따른 생성물의 O/C와 H/C의 원자수비 관계를 Van krevelen Diagram으로 나타내었다. 반탄화가 진행이 될수록 생성물의 석탄 밴드가 개선되어 초기 biomass그룹에서 Lignite 범위까지 탈수이동경로를 따라 이동하는 것을 확인 할 수 있었다. 일반적으로 저등급 석탄의 H/C범위가 0.
- 고정탄소의 경우 반응온도가 높을수록 함량이 높았으며 음식물류폐기물은 20%, 하수슬러지를 혼합하였을 경우 36%까지 증가하였으며, biomass 중 Beech와 비슷한 값을 보였다. 원소분석 결과 반응온도가 높아질수록 탄소원소의 함량은 약 1.1~ 1.3배 증가하였으며, 산소원소의 경우 약 2.2~2.7배 감소하였다.
- 하수슬러지 혼합비율이 높을수록 낮은 온도에서 수분제거율이 낮았지만 반응온도 240℃이상에서는 혼합비율에 상관없이 수분함량이 10% 미만을 나타내었다. 이결과 하수슬러지를 혼합하여 반탄화 할 경우 최저 반응온도가 240℃임을 확인 할 수 있었다.
- 9의 연료비를 얻었을 수 있었다. 하수슬러지 혼합 비율이 높아질수록 발열량은 감소하지만, 고정탄소 함량 증가, 연료비 개선 등으로 음식물류폐기물만 단독 고형연료화 한 것 보다 연료로써의 품질이 좋아지는 것을 확인 할 수 있었다.
- 반응온도 270℃로 반응하였을 때 음식물류폐기물이 6,400Kcal/kg으로 가장 높은 발열량이 측정되었으며, 이는 초기시료보다 약 6배 증가한 수준이다. 혼합시료의 경우 각각 5,600Kcal/kg, 5,000Kcal/kg, 4,400Kcal/kg의 발열량을 나타냈으며, 하수슬러지 혼합 비율이 많아질수록 발열량이 낮으나 초기발열량 대비 반탄화 후 발열량 증가를 보면 모두 약 6배 정도의 증가를 보이고 있다.
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