중심합성설계법을 이용한 폐기물 가스화 특성 평가 및 공정 최적화

Abstract

폐기물 가스화 기술은 우리나라에서 발생되는 폐기물의 처리 방법의 하나인 소각 방식을 대체 할 수 있는 친환경 기술이다. 가스화 기술은 폐기물의 성상이나 운전 조건에 따라 효율이 달라 최적 조건을 찾는 것이 중요하며 이를 위해 일반적으로 공정 시뮬레이터를 활용한다. 그러나 공정 시뮬레이터는 가격이 비싸고 적용 분야가 한정적인 단점이 있어 본 연구에서는 범용적이며 3요인(가스화 온도, 스팀, 공기) 실험을 경제적으로 분석할 수 있는 중심합성설계법을 이용하여 폐기물별 (목재 바이오매스, 폐비닐 SRF) 가스화 특성을 평가하고, 최적 조건을 도출하였다. 또한, pilot scale 가스화기를 활용한 scale up 성능 검증으로 본 연구의 신뢰성을 증명하였다. 목재 바이오매스의 가스화 특성을 평가한 결과, 가스화 온도 850℃에서 합성가스가 최대로 발생하였고 공기의 투입이 H2 조성을 감소시키는 것으로 나타나 공기가 H2 생성의 저해요인으로 결론지을 수 있었다. 폐비닐 SRF의 가스화 특성을 평가한 결과, 800℃의 온도에서 합성가스 발생량이 최대였고, 스팀 투입량이 최대일 경우 합성가스 내 CO 조성이 감소되는 것으로 확인되어 스팀의 과다 투입이 합성가스 저해요인이 될 수 있는 것으로 판단된다. 목재 바이오매스와 폐비닐 SRF 가스화 성능을 검증하기 위하여 냉가스효율, 탄소전환율, 타르발생량을 조사하였다. 목재 바이오매스 가스화에서는 가스화 온도 850℃에서 냉가스효율과 탄소전환율이 최대로 나타났고, 스팀을 최대로 투입할 때 냉가스효율과 탄소전환율이 증가하는 것으로 확인되어 스팀이 가스화 성능 향상에 기여하는 것으로 판단된다. 폐비닐 SRF 가스화에서는 가스화 온도 800℃에서 냉가스효율과 탄소전환율이 최대로 나타났고, 공기를 최대로 투입할 때 냉가스효율과 탄소전환율이 증가하는 것으로 확인되어, 공기의 투입이 가스화 성능 향상에 기여하는 것으로 판단된다. 목재 바이오매스 가스화 성능모형을 분석한 결과, 스팀 투입량이 최대이고 공기를 투입하지 않을 경우 냉가스효율과 탄소전환율이 가장 우수하였는 데, 이는 스팀의 투입으로 인해 H2와 CH4의 조성이 늘어나면서 가스화 성능이 향상되는 것으로 판단된다. 폐비닐 SRF 가스화 성능모형으로 분석한 결과, 스팀과 공기의 투입량이 최대일 경우 냉가스효율과 탄소전환율이 가장 우수하였는데, 이는 스팀과 공기의 투입으로 인해 H2와 CO의 조성이 늘어나면서 가스화 성능이 향상되는 것으로 판단되었다. 중심합성설계를 통해 최적화 조건을 도출하였으며, 타르발생량이 가장 적은 조건을 최적화 조건으로 선정하였는데 그 이유는 합성가스 내 타르물질이 많으면 에너지원으로 사용이 어렵기 때문이다. 최적화 조건 도출 결과, 목재 바이오매스 가스화에서는 가스화 온도 850℃에서 스팀 투입량은 최대(1,334g/hr), 공기 투입량은 8.28 NL/min일 때를 최적 조건으로 결정하였으며, 이때, 냉가스효율과 탄소전환율이 각각 85%와 83%, 타르발생량은 95,425 mg/㎥로 예측되었다. 폐비닐 SRF 가스화에서는 가스화 온도 750℃에서 공기 투입량은 최대(18.8 NL/min), 스팀 투입량은 1,037 g/hr일 때를 최적 조건으로 결정하였으며, 이때, 냉가스효율과 탄소전환율이 각각 78%와 72%, 타르발생량은 92,054 mg/㎥로 예측되었다. 폐기물 가스화 scale up 성능 검증 결과, 목재 바이오매스와 폐비닐 SRF 가스화의 냉가스효율이 각각 83%와 74%, 탄소전환율은 각각 81%와 71%로 분석되었으며, 이는 중심합성설계에서 예측한 가스화 성능과 유사한 것으로 확인되어, 중심합성설계법을 이용한 공정 최적화 방법의 신뢰성을 확보하였다.