pissn eissn J. of Korea Society of Waste Management, Vol. 31, No. 2, pp , March

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경준 나
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1 pissn eissn J. of Korea Society of Waste Management, Vol. 31, No. 2, pp , March Review Paper 도시폐기물의에너지회수 : 고효율소각기술동향 박상우 *, ** * 저탄소자원순환연구소 ** 충남도립청양대학환경보건과 (2013년 3월 11일접수, 2014년 1월 7일수정, 2014년 1월 14일채택 ) Energy Recovery of Municipal Solid Waste: High-Efficiency Incineration Technology Sang-Woo Park*, ** *Low-Carbon & Resource Cycle Research Institute **Department of Environmental Health Science, Chungnam Provincial Cheongyang College (Received 28 November 2013 : Revised 7 January 2014 : Accepted 14 January 2014) Abstract This study describes the design and corrosion-resistant materials for a high-efficiency waste-to-energy (WtE) plant. WtE technology is one of the most robust and effective alternative energy options to reduce CO 2 emissions and to conserve limited fossil fuel resources, which are used by traditional power plants. The recently published 3 rd edition of the CEWEP (confederation of european waste-to-energy plants) energy efficiency report demonstrated the energy efficiency criterion (R1 formula) that was introduced in the waste framework directive and has proven to be an incentive for WtE plants in Europe to improve their energy efficiency. The design combines the optimal use of the corrosion resistant properties of inconel with an efficient boiler design (Amsterdam) and turbine layout. It uses a steam-steam reheater to realize this efficiency as well as high availability and low maintenance. The high-efficiency WtE plant is an economical choice that makes a very positive contribution to sustainable electricity production. Key Words : MSW, Waste-to-Energy, Energy Recovery, High Efficiency I. 서론 환경부는 2015 년까지매립 소각부담금제를도입하고 2020 년까지직매립제로화를목표로하는전략을실현할예정이다. 이로인해매립율이 17.2%(2011 년기준 ) 에서 2.0% 로현저히떨어지는반면에에너지화는 17% 까지상승할예정이다. 도시폐기물의에너지회수는지자체단위로폐기물소각을연속적으로가동하기에발전등과같이에너지를생산하는경우안정공급과분산형전원이가능하다. 특히분산형전원으로서의기능은제 2 차국가에너지기본계획 (2013 ~ 2035) 초안 Corresponding author bigsw21@gmail.com Tel : 에서공개한 2035 년기준발전량 15% 이상을분산형으로공급하고자하는계획에기여할수있다. 또한, 기후나경제상황에좌우되지않고각각의지역에의존하므로지역에너지원으로서역할도기대된다. 하지만현재운영되고있는소각시설은기대에미치지못하는실정이다. 지역별운영되고있는소각시설이집단에너지사업법의지역냉난방사업 ( 자가소비량제외열생산용량이시간당 5Gcal 이상의열또는열과전기를냉 난방등으로공급하는사업 ) 을진행하고있으나에너지회수와공급율이낮고회수하는에너지원도열에만의존하고있는실정이다. 또한, 소각시설에따라서는시설규모대비에너지회수율이낮은사례도있는데설치당시에너지회수보다는감량화와안정화처분이우선시되었기때문이다. 125

126 박상우 반면에유럽연합 (EU) 은소각시설에서에너지회수뿐만아니라효율증진을위해노력해오고있다. 일예로 2008 년 Waste Framework Directive(WFD, Directive 2008/98/EC) 1) 에의하면폐기물소각시설에에너지회수효율 (R1) 을도입하여회수와처분시설로구분하여고효율화를유도하고있다.

2 126 박상우 반면에유럽연합 (EU) 은소각시설에서에너지회수뿐만아니라효율증진을위해노력해오고있다. 일예로 2008 년 Waste Framework Directive(WFD, Directive 2008/98/EC) 1) 에의하면폐기물소각시설에에너지회수효율 (R1) 을도입하여회수와처분시설로구분하여고효율화를유도하고있다 년에는재생에너지촉진법령 (2009/28/EC) 2) 을공표하여도시폐기물의에너지화가재생에너지생산비중에서중요한역할을하게되었다. 일본도 2012 년까지폐기물소각시설의발전용량을약 2,500 MW 로증가시키는것을목표로 2009 년부터고효율폐기물발전시설에대해적극적인지원과 2012 년 7 월부터고정가격매입제도 (FIT) 를실시하고있다. 미국은지역별매립부담금에따라에너지회수시설도입이다른결과를보였으며, 자율적인의무할당제 (RPS) 가실시되고있다. 이와같이도시폐기물의관리정책변화는단순히처분의목적에서벗어나온실가스감축과재생에너지원으로서그기능이부가되어왔다. 향후증진될것으로예상되는도시폐기물의에너지 ( 열과전력 ) 회수에있어고효율화와생산에너지원의다양화가필요한시점이다. 이에소각기술선진국인 EU, 일본등을중심으로발전효율증진 ( 이하, 고효율소각 ) 에관한기술및정책동향을고찰하였다. Table 1. Status of municipal waste disposal by countries (%, 2011) 4-7) Country Incineration Landfill Recycling KR * JP US EU ** DE NL SE BE DK AT FR IT UK ES * Containing to energy 17%, ** Average value II. 도시폐기물관리및에너지회수 1. 폐기물관리현황 국가별도시폐기물처분현황을 Table 1 에나타내었다. 국가명은국제표준화기구 (ISO) 가정한국가별코드를이용하였다. Table 1 에나타낸바와같이독일 (DE), 네덜란드 (NL), 스웨덴 (SE), 벨기에 (BE), 일본 (JP) 은매립율이 1% 정도, 덴마크 (DK), 오스트리아 (AT) 는 3% 로매우낮은것을확인할수있다. EU 는매립을줄이기위해목표치를설정한 Landfill Directive(1999/31/EC) 3) 시행이후 2001 년기준재활용 28%, 소각 16%, 매립 56% 이었던것이 2011 년기준각각 40%, 23%, 37% 로변화가있었다. 10 년사이에매립은 19% 감소, 재활용과소각은각각 12%, 7% 증가한것으로나타났다. 일본은 2002 년과 2011 년사이재활용은 17.3% 에서 19.3%, 매립은 4.3% 에서 1.4%, 소각은 78.4% 에서 79.3% 로변화하였다. 미국 (US) 은 2000 년과 2011 년사이재활용은 28.6% 에서 34.7%, 매립은 57.6% 에서 53.6%, 소각은 13.8% 에서 11.7% 로각각변화하였다. 모든국가에서재활용과소각은증가하는추세이지만미국만소각율이감소하였다. 미국의소각시설은 1980 년대에서 90 Fig. 1. Energy production of municipal waste in Korea. 년대에걸쳐급속히확대하였으나그이후변화가거의없는것을확인하였다 8). 국내 (KR) 는 2020 년목표로생활폐기물직매립제로화를통해매립율을 17.2% 에서 2.0% 로낮추고소각율은 23.7% 에서 38.0%( 에너지회수 17.0% 를포함 ) 로높일계획이다. 향후국내폐기물관리정책은 EU 와유사하게전개될것으로예상된다. 2. 에너지회수현황 2.1. 국내 2011 년기준도시폐기물소각시설 (30 톤 / 일이상 ) 의에너지생산량 9) 은 Fig. 1 과같다. 전국적으로 40 개소 (72 기 ) 가존재하며에너지회수형

도시폐기물의 에너지 회수: 고효율 소각기술 동향 Fig. 2. Electricity generation per ton of municipal waste. 태는 열과 열+전력(열병합발전시설, CHP)이 주류를 이루고 있어 단순 처분에서 에너지 회수시설로서의 기 능을 갖추고 있다.

도시폐기물 1톤당 평균 전력생산량은 77 kwh, 열 생산량은 2,317 Mcal를 보였다. 열과 전력 의 판매대금을 환산하면 1 Gcal당 열은 19,142원이고 전력은 24,943원으로 판매 가치는 전력이 큰 것으로 나타났다. 한국과 일본에서 폐기물 1톤당 전력생산량 상위 5순 위를 파악하여 Fig.

kwh / t = 1,000kg 발전효율 1kWh - LHV kcal ----------- -------------------- (1) ------------------------ ------------------ kg t 100 860kcal 식 (1)과 같이 발전량은 폐기물의 저위발열량(LHV) 이 동일하다는 전제에서는 발전효율에 의해 결정된다.

3 도시폐기물의 에너지 회수: 고효율 소각기술 동향 Fig. 2. Electricity generation per ton of municipal waste. 태는 열과 열+전력(열병합발전시설, CHP)이 주류를 이루고 있어 단순 처분에서 에너지 회수시설로서의 기 능을 갖추고 있다. 하지만 열 생산량은 이론적 생산량 의 81%에 해당하며, 이용 현황을 보면 지역난방이나 열병합발전 시설로의 열 공급이 50%, 전력생산이 16%이고 기타(34%)는 이용하지 못하는 실정이다. 특 히 전력생산에 이용된 열에너지중 전력으로 생산된 250 GWh중 판매된 전력은 33.5%로 매우 낮은 결과를 보이고 있다. 도시폐기물 1톤당 평균 전력생산량은 77 kwh, 열 생산량은 2,317 Mcal를 보였다. 열과 전력 의 판매대금을 환산하면 1 Gcal당 열은 19,142원이고 전력은 24,943원으로 판매 가치는 전력이 큰 것으로 나타났다. 한국과 일본에서 폐기물 1톤당 전력생산량 상위 5순 위를 파악하여 Fig. 2에 나타내었다4,9). Fig. 2에 나타낸 바와 같이 상위 5순위에 해당하는 전력생산량은 일본의 경우 612 ~ 560 kwh/t이었으나 국내는 250 ~ 207 kwh/t를 보여 에너지(전력)회수 효율 이 매우 낮은 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 발전량 은 다음과 같다. kwh / t = 1,000kg 발전효율 1kWh - LHV kcal (1) kg t kcal 식 (1)과 같이 발전량은 폐기물의 저위발열량(LHV) 이 동일하다는 전제에서는 발전효율에 의해 결정된다. 발전효율을 증진하기 위해서는 일반적으로 증기의 고 온고압화가 필요하다. 비교적 최근(2009년)에 건설된 국내 C시설(4순위에 해당)의 증기조건이 265oC/22.5 bar인 것에 비해 일본은 400oC/40 bar, 네덜란드(암스테 127 Fig. 3. Electricity generation and sale ratio on plant capacity. Fig. 4. Gross electricity and heat production from renewable municipal waste in the EU in 르담)은 440oC/125 bar인 것으로 파악되었다10-11). 한편 소각시설의 규모별 전력생산과 판매가능 비율을 Fig. 3 에 나타내었다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 100톤/일인 경우 약 290 kwh/t 생산에 40%가 판매 가능하고, 400톤/일은 약 450 kwh/t 생산에 70%가 판매(외부송전)가능한 것으 로 보고한 바 있다12) 해외 2011년 기준 EU의 재생 가능한 도시폐기물의 에너 지 회수 현황은 Fig. 4와 같다. Fig. 4에 나타낸 전력과 열 에너지양은 도시폐기물중 바이오매스로 부터 생산된 재생에너지이며, 1차 에너 지 기준으로 8.25 Mtoe이다. 재생에너지로서 인정된 전력 생산량은 18,209 GWh로 독일이 26%로 가장 많 은 생산량을 보였다. EU 전체로는 전력생산 운영형태 가 CHP와 전력만 생산하는 비율이 50 : 50 정도를 보 였다. 반면에 열 생산량(2,041.9 ktoe)은 74%가 CHP에 의해 생산되는 것으로 나타났다13).

128 박상우 네덜란드가가장큰 341.67 GWh 이었다. 이상과같이국내외에너지회수현황을고찰한바와같이효율을증진하기위해서는시설규모의대형화와더불어증기의고온고압화를위한노력이요구된다. 3. 선진국의에너지회수관련정책 Fig. 5. Average incineration plant capacity by countries. Table 2.

4 128 박상우 네덜란드가가장큰 GWh 이었다. 이상과같이국내외에너지회수현황을고찰한바와같이효율을증진하기위해서는시설규모의대형화와더불어증기의고온고압화를위한노력이요구된다. 3. 선진국의에너지회수관련정책 Fig. 5. Average incineration plant capacity by countries. Table 2. Average electricity generation per incineration plant (2011) Country Electricity generation (GWh) Plant number (No.) Average generation (GWh/No.) KR JP 7, DE * 8, NL * 4, US 15, * in 2010 (total generation) 도시폐기물의에너지회수를위한정책은국가별로다르지만직 간접적으로구분할수있다. 직접적으로는 EU 와같이가입국가별최종에너지소비에서일정비율의재생에너지사용을의무적으로하는것이다. 간접적으로는매립금지나매립부담금, 탄소배출권거래제, 고정가격매입 (FIT), 의무할당제 (RPS), 인센티브등을통해유도하는것이다. 미국은자발적인 RPS 제도와매립부담금을도입하고있다. 매립부담금은북동지역이다른지역에비해커서에너지회수시설을도입한사례가많다 16). 일본은 2003 년부터 RPS 제도가도입되었으나 2012 년 7 월부터 FIT 제도로변경되어진행중에있다. 또한, 순환형사회형성추진교부금 ( 고효율폐기물발전시설의정비촉진사업 ) 을통해발전효율을만족하는시설에설치비용을지원하는제도를도입하고있다 년부터폐기물발전의고도화지원사업이실시되고있다. 한편 EU 는재생에너지촉진법령을도입하여의무화하도록하였고, 폐기물소각시설에도효율을증진하기위한관련법령을개정하였다. 자세한내용은다음과같다. 미국은 23 개주 ( 대부분북동지역 ) 에서 85 개의소각시설이운영되며 15,000 GWh( 총발전량이며, EU 의바이오매스만산정하는방식과다름 ) 의전력을생산하였다 5) 년 4 월 15 일기준으로 31 개주와 2 지역에서도시폐기물에너지를신재생에너지로규정하고있다 14). 반면에일본은총 1,211 개소각시설중발전가능한 314 개소각시설에서 7,487 GWh 의전력을생산하였다 4). 한편 ISWA(International Solid Waste Association) 의자료에의하면 EU 와미국의평균소각시설용량은 Fig. 5 와같다 15). Fig. 5 에의하면소각시설의평균용량이 40 t/h 이상인국가는 6 개국이며이중소각시설수가 10 개이상인국가는독일 (79 개 ), 네덜란드 (13 개 ), 미국 (85 개 ) 이다. 반면에국내는 40 개이지만 7.7 t/h 으로 Fig. 5 의모든국가보다낮은규모임을알수있다. 대표 5 개국가를대상으로발전가능한소각시설 1 곳당평균전력생산량을조사하여 Table 2 에나타내었다 4-6,9). Table 2 에의하면발전가능한시설 1 곳당평균전력생산량이가장낮은국가는국내로서 GWh 이고 3.1. 재생에너지촉진법령 (Directives) EU 는 2020 년온실가스배출량을 1990 년대비 20% 감축하기위한방안으로최종에너지소비에서차지하는재생에너지비율을 20% 로목표하였다. 이를명시한것이재생에너지촉진법령 (2009/28/EC) 이다. 재생에너지촉진법령은목표달성을위해 EU 가입국에국가재생에너지행동계획 (National Renewable Energy Action Plan, NREAP) 을작성하여유럽위원회에제출하도록의무화하고있다. Fig. 6 은 NREAP 보고서에나타난 2020 년재생에너지생산량이며전력부문 (RES-E) 과열부문 (RES-H) 를조사한바에의하면바이오매스에의한비중이높은것을보여주고있다 17). 참고로 2010 년과 2011 년기준고형바이오매스에의한전력생산량은 88,189 와 91,009 GWh 이다 18). 이중도시폐기물소각에의한전력생산량 ( 바이오매스에한함 ) 13) 은 17,217 와 18,209 GWh 로 19.5% 와 20.0% 를차지하는것으로나타났다. 이와같이도시폐기물의에너지화는재생에너지생산비중에서중요한역할을담당하고있다.

도시폐기물의 에너지 회수: 고효율 소각기술 동향 129 Fig. 7. Comparison of R1 factors of investigated WtE plants. 낮은 경우는 처분시설로 구분하고 있다. R1 조사는 CEWEP(Confederation of European Waste-to-Energy Fig. 6.

EP ( Ef + Ei ) 에너지효율지표(R1) = -------------------------------------0.97 ( E w + E f ) (2) EP: 생산된 에너지의 연간 총량[GJ/yr] 단, 전기는 2.6, 열은 1.1를 곱한다. Ew: 처리폐기물의 에너지의 연간 총량[GJ/yr] 단, 저위발열량으로 계산한다.

5 도시폐기물의 에너지 회수: 고효율 소각기술 동향 129 Fig. 7. Comparison of R1 factors of investigated WtE plants. 낮은 경우는 처분시설로 구분하고 있다. R1 조사는 CEWEP(Confederation of European Waste-to-Energy Fig. 6. Production of renewable energy in EU27 (2020) 에너지 회수 효율 가이드라인(R1) 2008년 WFD(2008/98/EC)에서는 폐기물 소각시설 의 에너지 회수 효율(R1)에 따라 회수와 처분시설로 구분하고 있다. WFD에 명시된 R1은 아래 식으로 나 타낸다1). EP ( Ef + Ei ) 에너지효율지표(R1) = ( E w + E f ) (2) EP: 생산된 에너지의 연간 총량[GJ/yr] 단, 전기는 2.6, 열은 1.1를 곱한다. Ew: 처리폐기물의 에너지의 연간 총량[GJ/yr] 단, 저위발열량으로 계산한다. Ef : 증기생산에 기여한 폐기물이외의 연료에서 시스 템에 입력에너지 연간 총량[GJ/yr] Ei: Ew 및 Ef 이외의 반입에너지 연간 총량[GJ/yr] 0.97: 방열 등의 여러 손실을 3%로 전망 신설: 2008년 12월 31일 이후로 나타낸다. 식 (2)를 통해 R1이 0.65(신설)와 0.60(기존)보다 큰 경우는 회수시설, R1이 0.65(신설)와 0.60(기존)보다 Plants)가 수행하고 있으며, 최근 발표한 Energy Report III(대상: 314개의 소각(WtE)시설, )의 조사 결과는 Fig. 7과 같다19). Fig. 7에 나타낸 바와 같이 R1 적용 이전(Report II) 에 비해 에너지 회수효율이 개선된 것을 확인할 수 있 다. R1 > 0.60을 만족하는 시설은 총 314시설중 65.6% 인 206시설로 나타났다. 한편, 에너지 회수는 CHP가 184시설로 가장 많으며 이중 77.2%인 142시설이 R1을 만족하는 것으로 나타났다. 반면에 전력만 생산하는 시 설은 37.3%(31시설)만 만족하는 것으로 나타났다. 전체적으로는 전력 < 열 < CHP 순으로 에너지 회수 효율이 큰 것을 확인할 수 있다. 이상과 같이 재생에너 지 촉진법령과 WFD법령(R1)이 소각시설의 에너지 회 수효율을 증진하게 하는 정책임을 확인할 수 있다. III. 고효율 소각기술 동향 및 사례 1. 고효율 소각기술 동향 석탄 화력발전의 증기조건은 아임계에서 초임계 그 리고 초초임계압(USC)까지 개선되어 왔다20). USC의 주증기가 600oC/255 bar로서 송전단 효율은 42%이다. 더욱이 주증기를 700oC/350 bar로 하고 재열증기 온도 도 700oC 초반(720 ~ 750oC)을 목표로 송전단 효율을 46% 이상(A-USC)으로 달성할 계획이다. 반면에 도시 폐기물 소각발전은 Fig. 8과 같은 변천을 보여 왔다21). Fig. 8과 같이 독일은 1960년대 소각시설에서 고온 고압(예, 만하임 525oC/120 bar, 뒤셀도르프 495oC/90

6 130 박상우 Fig. 8. Changes of steam temperature in waste power generation boilers. Fig. 9. Configuration of hybrid dual-fuel cycle. bar, 프랑크푸르트 500 o C/60 bar, 슈투트가르트 525 o C/ 74 bar) 조건 15) 의발전시설을운영하였으나부식으로인해시설의가동중단이많았다. 이후신설되는소각시설의증기온도를 400 ~ 450 o C 로낮추는계기가되었다. 미국은 1970 년대초반이후증기온도가상승하여 80 년대중반이후 450 o C 정도로안정화하는것을확인할수있다. 반면에일본은보일러과열기의부식을피하고안정운전확보를위해 200 ~ 300 o C/20 ~ 22 bar 의증기조건이오랜기간지속되어왔다. 하지만폐기물조성변화로고발열량화, 폐열유효이용, 온실가스저감등재생에너지로서의기능을요구하게되었다. 이로인해 1991 년부터 2003 년까지폐기물고효율발전기술을 3 단계 [(Mass-burn, 가스화용융, 가스화 ( 개질 엔진 )] 에걸쳐진행해왔다 22). 가장역점을두고진행한것이 Massburn 형태이며크게 3 가지가제안되어실용화되었다. 첫번째보일러과열기의고온고압형, 두번째외부독립과열기고온고압형, 세번째가스터빈복합형으로분류할수있다 23). 고온고효율형플랜트중다카하마시, 사카이시, 기타큐슈시, 치바시등에설치된것은세번째형태인가스터빈 (GT) 발전과의복합화에의한소위슈퍼쓰레기발전방식으로 Fig. 9 와같다 24). 이방식은연료 ( 천연가스, NG) 가필요하고가스터빈배기가스에의한재열기전의증기조건은종래수준과큰차이가없다. 한편오무타시, 후쿠야마시등에서는폐기물을 RDF 화및광역이동후대형화한플랜트에서에너지회수하는기술이다. 하지만 RDF 화에수반한경비상승이문제로제기되고있다. 이에비해 RDF 방식이아니고 Mass-burn 방식에서의고온고효율화플랜트기술인첫번째형태는고온고압의과열증기를폐열보일러에서얻은후전량을증기터빈에도입하여전력 Fig. 10. Corrosion sensitive areas in waste-to-energy (WtE) boilers. 공급에이용하는방식이지만고온부식문제해결이우선되어야한다. 2. 보일러설계및고내식성재료개발 석탄화력보일러에서는 650 ~ 700 o C 급의과열증기를이용하기에인장강도나크리프 (creep) 저항성을설계의기본사양으로한다. 또한, 고온부식성에관해서도황화 - 산화반응주체의내환경특성을보증하는것이요구된다. 이에비해폐기물소각폐열보일러에서는과열증기조건이최대 500 o C/100 bar 정도이하로낮기때문에내력혹은인장강도가보통 ( 탄소 ) 강에서도충분히통용되는조건이다 21,23). 하지만폐기물연소특유의매우가혹한부식환경에서장시간운영되는보일러에서는과열기재료의내용수명이부식에의해결정되는데그현상을 Fig. 10 에나타내었다.

7 도시폐기물의에너지회수 : 고효율소각기술동향 131 Fig. 10 에나타난바와같이연소가스중에폭로된재료표면에는고농도의알칼리 ( 혹은알칼리토류, 중금속 ) 염화물이나황산염을포함한입자가부착 퇴적하여대략 300 ~ 550 o C 에서재의일부가용융하여과열기등의고온부재에서급격히부식을일으킨다 21,25). 또가스온도가높은보일러입구부증발관에서는연소변동에의해저산소조건에서 CO, HC 등의환원분위기가형성되기쉽고표면으로의고농도염화물부착이촉진되기때문에염화반응을주체로한부식손상이가끔발생한다. 이로인해고내식성합금이필요하게되는데개발현황은후술하겠다. 가혹한복합부식환경때문에 500 o C 정도의과열증기온도를목표로한고효율폐기물발전에서는단순히고내식성재료의개발만으로해결되지않는다. 때문에종합적인부식방지책을강구할필요가있다. 크게두가지측면에서접근하면부식발생억제 ( 보일러구조와연소제어에의한가스분위기조건개선 ) 와사후대책으로고내식성재료의선택으로구분할수있다 11,21,23,26). 보일러구조설계를개선하여부식환경을완화하는방안중하나는연소가스흐름의수평화와 Tail-end 형보일러의채용이다. 현재채용되고있는방식과비교한것을 Fig. 11 에나타내었다. Tail-end type 은현재채용되고있는 integral type 보다고온영역에서연소가스흐름과과열증기의평행류화가이뤄져고온부식발생을저감화할수있으며재료선택의여지가넓다. 기타방안으로굴뚝의직경을키워연소가스의유속을저감 ( 약 3~5m/s 이하 ), 과열 기입구에서 620 ~ 650 o C 이하로유지, 연소가스흐름의정류화 ( 정류판설치 ) 등이있다. 또한, 열교환기등의튜브에퇴적한회분을제거하기위한시스템을최적화하는방안도있다. 한편연소제어에의한가스분위기조건을개선 (S 분압의증가 ) 하여열화학적으로안정한고상황산염을생성하므로용융염화물로야기되는부식을방지한다. 고온고압보일러는폐기물소각가스에대응하기위해과열기의고내식성재료개발이필요함은앞서설명하였다. 현재 400 ~ 500 o C 급과열증기의과열기재료로서개발하고있는내열강 내열합금을정리하면 Table 3 과같다. Table 3 에의하면 450 o C 이하의과열증기용과열기 Fig. 11. Schematic view of different configurations of boiler designs used in WtE. Table 3. Corrosion-resistant materials of steam temperature Item Principal Alloy chemistry (mass %) SUS 310 Fe-24Cr-20Ni HR 3C(SUS310J1) * Fe-25Cr-20Ni-0.4Nb-N NF709R(SUS310J2) * Fe-22Cr-25Ni-1.5Mo-0.15Nb-N-lowC QSX 5 * Fe-25Cr-23Ni-3Si-1.2Mo-Nb-N-lowC 400 ~ 450 o C QSX 3 * Fe-25Cr-23Ni-3Si-Nb-N-lowC YUS170(SUS309J1) * Fe-25Cr-13Ni-1Mo-N-lowC HR 2M(SUS309J2) * Fe-22Cr-14Ni-1.5Mo-N-lowC HR 30M * Fe-28.5Cr-30Ni-1Mo-N-lowC HR 11N * Fe-28.5Cr-40Ni-1Mo-N-lowC Alloy 825 Fe-22Cr-42Ni-3Mo-3Cu-0.8Ti Alloy 625 Ni-21Cr-9Mo-4Nb-3.5Fe Alloy C22 Ni-22Cr-13Mo-3W-2.5Co-4Fe 500 o C JHN 24 * Ni-20Cr-18Mo-0.7Nb-2.5Fe MAC-N * Ni-26Cr-3.5Si-0.3Nb-11Fe MAC-F * Fe-38Ni-23Cr-3.8Si-0.3Nb * Steel and Alloys newly developed in Japan

132 박상우 Fig. 12. Sketch boiler design of plant in Amsterdam. 재료로서는보일러설계에큰문제가없다면 SUS 310 급의스테인레스강으로도적용가능하다. 하지만증기온도가 500 o C 가되면크롬 (Cr) 을 20% 이상함유하는니켈 (Ni) 기합금이기본적으로필요하다.

8 132 박상우 Fig. 12. Sketch boiler design of plant in Amsterdam. 재료로서는보일러설계에큰문제가없다면 SUS 310 급의스테인레스강으로도적용가능하다. 하지만증기온도가 500 o C 가되면크롬 (Cr) 을 20% 이상함유하는니켈 (Ni) 기합금이기본적으로필요하다. 따라서이온도영역에서적용가능하고비용면에서우수한고내식성내열강 내열합금개발과실용화가이뤄져야한다. 3. 고효율소각기술적용사례 고효율소각기술을위해가스화 ( 가스화용융포함 ) 가적용되고있으나적용사례는 Mass-burn 에한정하였다. 또한, 안정적으로가동하고발전효율이가장높은것으로알려진시설을대상으로하였다. 대표적인시설이네덜란드의암스테르담소각시설이다. 발열량이 2,400 ~ 2,900 kcal/ kg 인폐기물을대상으로 1,600 톤 / 일 (800 톤 / 일 2) 을처분하고있다. 기존소각시설 (700 톤 / 일 4) 의증기조건은 410 ~ 420 o C/40 ~ 42 bar 로송전단효율이 22% 를나타내고있다. 그러나신규시설은송전단효율 30% 이상의발전효율을달성하기위해증기조건을 440 o C/125 bar 로설정하였다. 폐열보일러구조를나타낸설계도를 Fig. 12 에나타내었다. Fig. 12 에의하면보일러수관의재질은부식방지대책으로서열부하가높은부분에인코넬 (Alloy 625) 외부코팅법을채용하고있다. 인코넬코팅부분은연소실상부수관벽및증기과열기의배기가스상류부분이다. 8,000 시간사용후 0.1~0.3mm 부식이일어난것으로알려져있으며예상수명이 5~10 년정도일것으로추정하고있다 27). 한편보일러출구온도가 180 o C 로절탄기에서파울링발생이최소화된다. 기타수냉식화격자와 NOx 제어방법으로 SNCR 를선택하였다. 총 Fig. 13. Outline steam reheating of plant in Amsterdam. 공기주입량의 25% 를배기가스재순환에의해공급하고과잉공기비 (m) 는 1.4 정도로운전하고있다. 뿐만아니라재열사이클을채용하고있는데 Fig. 13 에나타내었다. Fig. 13(a) 에서와같이주증기가고압터빈 (HP) 를통과하여 190 o C/40 bar 로떨어진증기를재열사이클을통해 320 o C/13.5 bar 로변환하는것을확인할수있다. 이는최신형석탄보일러인 A-USC 의전력생산방식 (Fig. 13(b)) 과유사하다. 배기가스흐름에따라 3 단계에걸쳐절탄기를설치하여최대한의에너지회수를실시하고있다. 이와같이적극적으로에너지를회수하는이유로는전력판매가격외에보너스제도가있기때문이다. 발전효율에따라증가하는데 22% 이상의경우 0.15 센트 /kwh, 30% 이상이되면 1.8 센트 /kwh 의보너스가추가된다. IV. 결 론 에너지의안정공급과분산형전원이가능한도시폐기물의에너지회수는매립제로화등과같은폐기물관리정책변화에대응하는대안이될것이다. 그역할

9 도시폐기물의에너지회수 : 고효율소각기술동향 133 을담당하기위해서는에너지회수효율을증진하기위한정책과기술개발이필요하다. 이를정리하면다음과같다. 첫번째 EU 와같이효율증진을위한 R1 가이드라인을설정하여보다적극적인에너지회수정책이필요하다. 두번째에너지회수효율증진을위한플랜트구조및내식성재료개발등이체계적이고지속적인연구가필요하다. 세번째회수에너지에대한고정가격매입제도 (FIT) 적용과인센티브제도가필요하다. 끝으로본고찰이국내도시폐기물의에너지회수와관련한정책과기술개발을위한기초자료로활용되길기대한다. References 1. EU : DIRECTIVE 2008/98/EC (2008) 2. EU : DIRECTIVE 2009/28/EC (2009) 3. EU : DIRECTIVE 1999/31/EC (1999) 4. Ministry of Environment : 2011 Status of waste generation and treatment (2012) 5. Ministry of the Environment of Japan : Waste Treatment in Japan (2013) 6. EPA : Municipal Solid Waste Generation, Recycling, and Disposal in the United States: Facts and Figures for 2011 (2013) 7. CEWEP : A decade of Waste-to-Energy in Europe (2012) 8. Michaels, T. : The 2010 ERC Directory of Waste-to- Energy Plants, Energy Recovery Council (2010) 9. Ministry of Environment, The operation status of resource recovery facility of MSW in 2011 (2013) 10. Sung, B. N. : Understanding of the next generation of municipal waste incineration plants, The Magazine of the Society of Air-conditioning and Refrigeration Engineering of Korea, Vol. 38, No. 10, pp (2009) 11. Berlo, M. A. J. and Simoes, P. : High-Efficiency Waste-to-Energy: Amsterdam s experiences after four years of operation, Proceedings Sardinia 2011, Thirteenth International Waste Management and Landfill Symposium S. Margherita di Pula, Cagliari, Italy; October 3-7 (2011) 12. Kakuta, Y. : FIT and promotion of waste power generation, wide-area treatment, Japan Waste Management & 3Rs Research Foundation, No. 83 (2012) 13. EurObserv ER : Renewable municipal waste barometer (2012) 14. Energy Recovery Council : FACT SHEET:Waste-to- Energy and State Renewable Statutes (2013), SheetState.pdf (2013) 15. ISWA : Waste to Energy State of the Art Report; Statistics 6th Edition (2012) 16. Williams, M. : Waste-to-energy success factors in Sweden and The United States, org/wp-content/uploads/2012/04/wte-in-swedenand-the-us-matt-williams..pdf (2013) 17. Beurskens, L. W. M., Hekkenberg, M. and Vethman, P. : Renewable Energy Projections as Published in the National Renewable Energy Action Plans of the European Member States, ECN-E , European Environment Agency (2011) 18. EurObserv ER : Solid biomass barometer (2012) 19. Reimann, D. O. : CEWEP Energy report III-Status , Confederation of European waste-to- Energy plants (2012) 20. Park, S. W. and Jang, C. H. : Study on Power Generation Facility as a High Efficiency Facility of Waste Solid Fuel, Journal of Korea Society of Waste Mangement, Vol. 27, No. 3, pp (2010) 21. Kawahara, Y. : Recent Trends and Future Subjects on High Temperature Corrosion Prevention Technologies in High Efficiency Waste-to-energy Plants, Zairyoto-Kankyo, Vol. 54, pp (2005) 22. Naramoto, H. : Overview of high efficiency waste power generation technology (2002), nedo.go.jp/content/ pdf (2013) 23. Yoshida, M. : State-of-Art about Material Development for waste treatment plant-function and subjects as foothold for supplying energy, Electric Furnace Steel, Vol. 83, No. 1, pp (2012) 24. Udomsri, S., Martin, A. R. and Fransson, T. H. : Economic assessment and energy model scenarios of municipal solid waste incineration and gas turbine hybrid dual-fueled cycles in Thailand, Waste Management, Vol. 30, pp (2010) 25. Lee, S. H., Themelis, N. J. and Castaldi, M. J. : High- Temperature Corrosion in Waste-to-Energy Boilers, Journal of Thermal Spray Technology, Vol. 16, No. 1, pp. 1-7 (2007) 26. Ministry of the Environment of Japan : High efficiency waste power generation facility maintenance manual (2010) 27. Berlo, M. A. J. : Energy-Efficient Waste Management (2012), what-we-do/publications/ (2013)

폐기물 소각시설 에너지 회수실태 조사 및 모니터링시스템 구축방안 연구.hwp

폐기물 소각시설 에너지 회수실태 조사 및 모니터링시스템 구축방안 연구.hwp 2009 년도연구용역보고서 폐기물소각시설에너지회수실태조사및 모니터링시스템구축방안연구 - 2009. 12.- 이연구는국회예산정책처의연구용역사업으로수행된것으로서, 보고서의내용은연구용역사업을수행한연구자의개인의견이며, 국회예산정책처의공식견해가아님을알려드립니다. 연구책임자 ( 사 ) 한국폐자원에너지기술협의회회장김석준 제출문 본보고서를귀국회예산정책처의정책연구과제 폐기물소각시설에너지회수실태조사및모니터링시스템구축방안