2015-02 호 (2015.01.14) 국내고형연료화기술개발동향 - 1 -
- 목차 - Ⅰ. 개요 1 1 고형연료란? 1 2 고형연료제품의특성및규모 1 Ⅱ. 고형연료제조이용현황 2 1 생활폐기물고형연료제품 (RDF) 2 2 폐플라스틱고형연료제품 (RPF) 3 3 폐타이어고형연료제품 (TDF) 4 4 목재칩고형연료 (WCF) 4 5 슬러지고형연료 (SDF) 5 Ⅲ. 국내고형연료화기술개발동향 5 Ⅳ. 고형연료화기술개발대응과제 7 고형연료란가연성폐기물 ( 지정폐기물및감염성폐기물을제외한다 ) 을선별 파쇄 건조 성형을거쳐일정량이하의수분을함유한고체상의연료로제조한것을말하는데, 최근우리나라에서시행중인폐기물분리수거정책에의해생활폐기물계에서음식물류와재활용품의분리선별율은지속적으로증가하고있다. 고형연료는쓰레기의원천에따라생활폐기물고형연료 (RDF: Refuse Derived Fuel), 폐플라스틱고형연료 (RPF: Refuse Plastic Fuel), 폐타이어고형연료 (TDF: Tire Derived Fuel), 목재칩고형연료 (WCF: Wood Chip Fuel) 및슬러지고형연료 (SDF: Sludge Drying Fuel) 등으로각각구분한다. 우리나라는국토면적이작아매립할땅이부족하고, 소각또한대기오염문제로인해지양하고있는상황에서고형연료화사업은자원재활용측면과함께지속적인쓰레기처리대안으로인정받고있다. 또한화석연료인석유가생산되지않는국내사정을감안할때, 버려지는쓰레기를고형연료로만들어화석연료를대체할수있다면일석이조의효과를훌륭하게이룰수있다. 따라서고형연료화사업에더욱많은관심을갖고이를충분히발전시킬수있도록정부의과감한행정지원과함께정교한기술개발또한꾸준히이루어져야할것이다.
국내고형연료화기술개발동향 한국환경기술단 박성복대표기술사外 Ⅰ. 개요 1. 고형연료란? 고형연료란가연성폐기물 ( 지정폐기물및감염성폐기물을제외한다 ) 을선별 파쇄 건조 성형을거쳐일정량이하의수분을함유한고체상의연료로제조한것을말하는데, 최근우리나라에서시행중인폐기물분리수거정책에의해생활폐기물계에서음식물류와재활용품의분리선별율은지속적으로증가하고있다. 단독및집합주택에서배출되는쓰레기종량제봉투안에담겨있는생활폐기물의성상이고형연료화하기에적합한형태로계속변하고있기때문에앞으로는현재보다 RDF의품질과생산경제성이훨씬좋아질것으로예상된다. 고형연료는쓰레기의원천에따라생활폐기물고형연료 (RDF: Refuse Derived Fuel), 폐플라스틱고형연료 (RPF: Refuse Plastic Fuel), 폐타이어고형연료 (TDF: Tire Derived Fuel), 목재칩고형연료 (WCF: Wood Chip Fuel) 및슬러지고형연료 (SDF: Sludge Drying Fuel) 등으로각각구분할수있으며, 간략한설명은다음과같다. 생활폐기물고형연료제품 (RDF): 가연성생활폐기물을사용, 제조한고형연료제품 폐플라스틱고형연료제품 (RPF): 폐플라스틱을중량기준으로 60% 이상함유하여제조한고형연료제품 폐타이어고형연료제품 (TDF): 폐타이어를사용하여제조한고형연료제품 목재칩고형연료 (WCF): 목재칩을사용하여제조한고형연료제품 슬러지고형연료 (SDF): 하 폐수슬러지등을사용하여제조한고형연료제품 2. 고형연료제품의특성및규모 앞서설명한바와같이고형연료제품 (Solid Refuse Fuel, SRF) 은기존에단순 소각또는매립하던폐합성수지, 폐고무, 폐목재등을전처리해운반과저장, 연료 열량을향상시켜석탄열량 (4,000 5,000 kcal / kg ) 과유사한수준으로자원화한것이다. - 1 -
이중폐플라스틱과폐비닐류를소각하는연료로사용할수있도록만든고형연료가 RPF이고, 일반생활쓰레기를전처리해만든고형연료를 RDF라고부른다. 지난 2010년엔전국 103개업체에서연간 188,457t(2009년기준 ) 의고형연료제품을생산했지만, 2012년부터시행된신ㆍ재생에너지의무할당제 (RPS) 도입등으로 2013년현재고형연료제품제조업체수는 171개로늘어났다. Ⅱ. 고형연료제조이용현황 1. 생활폐기물고형연료제품 (RDF) 우리나라에서는 1980년대중반에 1,500톤 / 일규모의대형생활폐기물고형연료제품 (RDF) 제조플랜트가유럽에서최초도입된곳이시초라고하겠으나, 본플랜트의설치이후유럽과국내간배출생활폐기물내성상의차이로인해정상가동되지못하고실패하였다. 1990년대초반에는청주시에 40톤 / 일규모의고형연료제품 (RDF) 생산플랜트가건설되었고, 이후민간기업에서소규모로기술개발을시도하였으나공히원천기술미확보로정상가동되지못하였다. 다행히 1995년에국내에서쓰레기종량제가도입되고, 유예기간 1년후인 1996년부터본격시행됨에따라음식물폐기물도분리수거하여자원화함으로서쓰레기종량제봉투내불연물과수분의함량이급속히감소하게되었다. 2006년에환경부시설자금지원을통해 80톤 / 일규모의생활폐기물고형연료제품 (RDF) 실증플랜트가건설되어현재까지정상가동중이며, 현재국내생활폐기물고형연료제품 (RDF) 제조시설현황은다음과같다 ( 현황자료는 2013년 3월기준임 ). - 2 -
< 표 1> 국내생활폐기물고형연료제품 (RDF) 제조시설현황 자료 : 최연석, 국내폐기물고형연료제조산업현황및 RDF 제조경제성평가, 첨단환경기술지, 2013.3 월호 2. 폐플라스틱고형연료제품 (RPF) 정부는 2003년 8월에환경부고시제2003-127호를통해폐플라스틱고형연료제품의품질기준, 사용처등에관한기준을고시하였다. 이후 80개이상의 RPF 업체가탄생하였고, 현재까지수요처를중심으로지속적으로증가하고있다. 수요처를대략살펴보면, 시멘트제조업계가전체사용량의약 70% 정도를사용하고있고, 제지업계가약 20% 정도를차지하고있으며, 기타수요처에서 10% 정도를사용하고있다. * 참고 : 폐플라스틱고형연료제품 (RPF) 의법적근거 환경부고시제2003-127호 폐플라스틱고형연료제품의품질기준, 사용처등에관한기준 자원의절약과재활용촉진에관한법률 (2007.8.3. 개정 ) - 3 -
< 그림 1> 펠릿 (pellet) 형태로압축된폐플라스틱모습 3. 폐타이어고형연료제품 (TDF) 폐타이어의재활용방법은크게열이용, 가공이용, 원형이용등의 3가지방법으로구분할수있다. 첫째, 열이용방법은시멘트제조업체의유연탄대체연료로사용하고, 열병합발전소의고형연료제품제조용으로사용되고있다. 이밖에폐타이어를소각하여발생하는가스를열원으로이용하는건류소각용으로도사용하고있다. 둘째, 가공이용방법은폐타이어를분쇄하여고무매트에사용되는고무분말을생산하거나폐타이어를일정한크기로절단하여밧줄로생산하고있다. 마지막으로원형이용방법은폐타이어를결박하여매립장차수재용으로이용하거나재생또는재사용이가능한폐타이어를해외로수출하고있다. 4. 목재칩고형연료 (WCF) 최근국내여러사업장들이까다로운환경영향평가의규제에서다소자유로운목재칩고형연료제품을사용하는바이오매스열병합보일러로교체작업이이뤄지면서제지회사, 조폐공사, 시멘트제조회사, MDF사, 지역난방, 전력회사등 20여개사, 연간 80만톤이상규모로폐목재연료칩인 WCF의수요가지속적으로커지고있다. 목질폐기물의연료화실적은과거성형가공품의톱밥가공만이었으며, 톱밥가공품은톱밥이나수피를원료로하여생산되어주로가정용연료로서사용되어왔는데, 톱밥성형품과동일한원료로만든펠릿등도미국에서개발되기도하였다. 사람들은오래전부터나무등목질계바이오매스를땔감으로사용하였으며, 필요에의해숯, 왕겨탄등으로만들어연료로사용하였다. 특히임산자원이풍부한북유럽국가들은목재를잘게부수어칩이나펠릿으로가공하여지역난방연료로사용하거나석탄화력발전소에서석탄과함께펠릿을사용하는혼소기술을개발하여적용함으로써석탄의사용량을줄일뿐아니라온실가스발생량도줄이는효과를얻고있다. - 4 -
5. 슬러지고형연료 (SDF) 슬러지고형연료 (SDF) 는하 폐수슬러지등을사용하여제조한고형연료제품을말하는데, 슬러지 ( 오니 ) 는통상상수, 공업용수, 산업용폐수, 하수및분뇨의수처리과정에서발생되는최종산물로서폐기물관리법에서는슬러지를제품의제조공정에서발생되는 공정오니 와폐수의처리과정에서발생하는 폐수처리오니 로각각구분하고있다. 최근이슈가되는하수슬러지의연료화에있어, 하수슬러지는건조중량 1kg당 2,000~4,000kcal/kg의잠재발열량을가지고있으나탈수슬러지상태에서도 80% 정도의수분을함유하고있기때문에조연제를혼합하여소각하고있는상황으로현재의슬러지프로세스에서는슬러지를에너지자원으로유효하게이용하고있지못할뿐더러생산활동이이루어지지않으면서 CO 2 를배출하고있다. 따라서슬러지의연료화에서가장중요한문제는슬러지의함수율이매우높아서상대적으로유기물분의농도가낮아지게되어그열적가치를이용하기어려운점이다. 슬러지의연소열을이용하기위해서는자연연소가가능한발열량을가져야만하므로슬러지의함수율을효율적으로낮추는방안이무엇보다중요한데, 슬러지고형연료화 (SDF) 를위해탈수후다양한방식의건조를거쳐자연연소가가능한범위까지의발열량을확보한후이를생산시설에연료로서사용하도록하는것이필요하다. Ⅲ. 국내고형연료화기술개발동향 슬러지의연료화를수행하고있는국내가동실증플랜트를몇군데소개하면 다음과같다 ( 회사명은이니셜로기재함 ). 1. 고형연료화기술 (HS 개발 ) 슬러지에석탄분말을첨가-건조-성형하여고열량고품위고형연료를제조하는기술로서, 슬러지연료화과정에서탈수슬러지의물성에따라첨가제의양및구성성분비를조절하여자소성을향상시킨다. 주된사용처인시멘트회사, 화력발전소및농가보일러등의사용용도에맞게분말형태와펠릿형태의연료로생산한다. 슬러지의고형연료화는넓은의미에서건조기술의한분류로볼수있다. - 5 -
2. 고형연료화기술 (KM 산업 -KR System) 건조대상에기름 (C중유) 을첨가, 혼합, 가열하여증대시키고, 전열면으로부터균등한열전달이이루어지도록하고, 일정온도에도달하면기름과물의비점차이로진공도에상응한온도에서수분만을증발건조시키는기초적인물리적원리이다. 수분함량 75~80% 의하수슬러지를기름 ( 광물유 ) 과 1:0.8~1.1의비율로예열기 (Pre-Heater) 에투입시켜 75~85 의온도로가열교반한후밀폐된증발건조기로이송시켜진공도 50mmHg 이상, 가열온도 65~95 로간접가열하여수분을증발시킨다. 이때증발된수분은열교환기를통해냉각응축시키고응축수중에함유된미량의유분은유수분리기에서회수하고응축수는폐수처리장으로배출한다. 이미수분이증발된기름과글러지혼합물은원심분리기로분리시켜기름은회수시켜재사용하고, 슬러지는수분 2~3%, 기름 18~20% 가함유되어연료화가이루어진다. 3. 고체연료화기술 ( 폐플라스틱이용 -SS 엔지니어링 ) 서로다른두가지의폐기물인하수슬러지와폐플라스틱을활용하여성형연료를만들고, 다시이를이용하여슬러지건조및플라스틱용용, 성형연료제조시필요한에너지를생산해내는효과적인자원재활용시스템이다. 본기술은하수슬러지를환경친화적이고경제적으로처리하기위하여하수슬러지에폐플라스틱 (8,000~9,000kcal/kg) 을혼합성형시켜사용용도에따라과립, 펠릿, 브리켓형태의연료 ( 발열량 5,000~6,000kcal/kg) 를생산하는기술이다. 4. 액체연료화기술 ( 초심층습식산화시스템 -KS 기술 ) 1990년대미국에서실용화된기술로서, 1980년대부터축적된석유시추기술을이용하여지하에반응조를건설함으로서지상의거대한열교환기나에너지발생장치없이도지하의지열효과를최대한활용하여낮은발열량으로분해되기쉬운유기성폐기물을처리할수있다는원리에서출발한기술이다. - 6 -
Ⅳ. 고형연료화기술개발대응과제 앞서언급한바와같이 쓰레기로부터얻어지는연료 " 라는뜻으로리사이클에너지를얻는방법으로서큰주목을받고있는에너지회수시스템이 MBT 1) 와함께생활폐기물고형연료제품 (RDF) 생산방식이다. 이는석유등의화석연료고갈에따른장래공급불안, 지구환경문제, 자원의효율적이용의관점에서귀중한에너지공급의일익을담당하는것으로기대되고있으며, 새로운에너지도입측면에있어서도폐기물발전중에서 RDF 방식은효율적인수단으로서자리를차지하고있는실정이다. 우리나라는국토면적이작아매립할땅이부족하고, 소각또한대기오염문제로인해지양하고있는상황에서생활폐기물고형연료제품 (RDF) 생산외 RPF, WCF 등다양한고형연료화사업은자원재활용측면과함께지속적인쓰레기처리대안으로인정받고있다. 또한화석연료인석유가생산되지않는국내사정을감안할때, 버려지는쓰레기를고형연료로만들어화석연료를대체할수있다면일석이조의효과를훌륭하게이룰수있을것이다. 따라서고형연료화사업에더욱많은관심을갖고이를충분히발전시킬수있도록정부의과감한행정지원과함께정교한기술개발또한꾸준히이루어져야할것이다. * 1) MBT의정의 폐기물전처리시설 의약자로서, 폐기물의최종처분전기계적분리 선별및생물학적처리를거쳐재활용가치가있는물질을최대한회수하고환경부하를감소시키는시설을말한다. 분리된유기성분은퇴비화, 가연성분은 RDF발전등으로에너지를회수한다. MBT는독일연방환경부가폐기물전문기업과공동으로개발, 매립이나소각의전처리개념으로출발하였다. - 7 -
< 참고문헌 > 1. 박성복, 최신폐기물처리공학, 성안당, 2013년 8월초판, 2011년개정판 2. 첨단환경기술지, 폐기물소각열및연료화기술특집기사시리즈, 환경관리연구소 3. 환경부, 환경백서, 2010년 ~2013년 4. 박정철, RPF 기술동향및국내현황, 2008년도추계기술 WORKSHOP, 한국소각기술협의회, 2008년 11월 5. 부산광역시, 하수슬러지육상처리시설설치공사타당성조사및기본계획보고서, 2009년 10월 6. 환경부, 한국환경공단, 한국환경산업기술원홈페이지, 2014년 9월 - 8 -