유기성 폐기물 가스화: 현황과 전망

Organic Waste Resource Gasification: Current Status and Perspectives

Article information

J Korean Soc Environ Eng. 2023;45(2):96-106

Publication date (electronic) : 2023 February 28

doi : https://doi.org/10.4491/KSEE.2023.45.2.96

, Sokhee P. Jung ^,

Department of Environment and Energy Engineering, Chonnam National University, Gwangju, Republic of Korea

손다혜

, 서강민

, 김윤환

, 이준형

, 정석희^,

전남대학교 환경에너지공학과 광주캠퍼스

^†Corresponding author E-mail: sokheejung@chonnam.ac.kr Tel: 062-530-1857 Fax: 062-530-1859

Received 2022 November 2; Revised 2023 January 17; Accepted 2023 February 2.

Abstract

한국은 많은 양의 에너지를 소비하는 국가이며 에너지의 수입 의존도 또한 높아 에너지 안보에 취약하다. 한국의 폐기물 발생량은 매년 증가하고 있다. 폐기물 처리 방법에 있어 재활용이 86.6%로 가장 높은 비율을 차지했지만, 이는 재활용 시설의 반입량을 기준으로 산정한 수치이다. 실제 많은 비율의 폐기물이 매립 또는 소각되고 있다. 폐기물의 매립과 소각은 여러 환경오염 문제를 발생시킨다. 폐기물을 에너지화 하며 환경적인 영향이 적은 혁신적이고 실제적인 기술이 필요하다. 폐자원 가스화 기술은 오염물질 배출도 적고 폐기물을 원료로 사용해 에너지도 생산할 수 있다는 점에서 현재 주목을 받고 있다. 본 총설에서는 가스화 공정의 원리와 특성을 간략하게 정리하였고, 국내와 해외에 있는 폐기물 가스화 공정 시설의 현황 및 한계, 그리고 기술과 제도적 측면에서 나가야 할 방향에 대해 다루었다.

Trans Abstract

Korea consumes a large amount of energy. Korea is vulnerable to energy security due to its high dependence on energy imports. The amount of waste generated in South Korea is increasing every year. Recycling accounted for the highest proportion of waste disposal methods at 86.6%, but this was calculated based on the amount brought into recycling facilities. In fact, large amounts of waste are landfilled or incinerated. Landfilling and incineration of waste causes various environmental pollution problems. We need innovative and practical technologies that convert waste into energy and have less impact on the environment. Waste gasification technology is currently attracting attention because it emits less pollutants and can produce energy using waste as a raw material. In this review, we briefly summarized the principles and characteristics of the gasification process, and discussed the current status and limitations of waste gasification process equipment in Japan and overseas, and the direction that should be taken from the technical and institutional aspects.

Keywords: Waste treatment; Waste gasification; Syngas; Waste to energy

Keywords: 폐기물 처리; 폐자원 가스화; 합성가스; 폐기물 에너지

1. 서 론

세계의 급속한 산업화로 인해 에너지에 대한 수요는 급증하고 있으며, 인류는 이전에 경험하지 못한 과도한 화석 연료를 사용하게 되었다. 화석 연료의 연소는 대기의 이산화탄소를 급격히 증가시켜, 2022년 5월 현재 산업혁명 초기의 280 ppm (0.0280%)에 비해 50% 증가한 421 ppm (0.0421%)에 이르고 있다. 현재 많은 주류 과학계와 국제 기구는 기후 변화를 막기 위해 화석 연료의 사용을 줄이고 이산화탄소를 배출하지 않는 에너지원 사용을 권장하고 있으며, 또한 각 사회 각 분야에서도 다양한 방법으로 탄소 배출을 저감하면서 발전을 도모하고 있다. 탄소 감축을 위하여 사회적으로 다방면의 시도가 이뤄지고 있으며, 특히 환경 및 에너지 분야에서도 은 공학적 시도가 이뤄지고 있다[1-9].

2020년 한국의 1차 에너지 공급량은 292,076천TOE로 세계 9위이며, 석유 소비와 전력 소비는 세계 7위이다. 한국은 의심할 여지 없이 에너지 다소비 국가이다. 1차 에너지는 97% 이상을 수입에 의존하고 있다. 코로나 확산 시기 때에 신재생에너지 이용 확대 및 저유가 여파로 2020년에 94.3%로 낮아졌지만 이 역시 높은 수입 의존도를 보여주고 있다[10]. 한국은 에너지 안보에 매우 취약한 구조를 가지고 있다. 에너지 안보 강화와 수입 의존도 감소를 위해 한국의 환경과 실정에 맞는 에너지 포트폴리오를 구축할 필요가 있다.

기후변화에 대응하기 위해 이산화탄소를 배출하지 않는 재생에너지 기술이 각광을 받고 있다. 이중 폐기물은 수입에 의존하지 않는 재생에너지 자원으로서, 효과적으로 처리한다면 폐기물의 처리와 에너지 자립의 두 목적을 달성하는데 도움이 될 수 있다.

일전에 폐기물이나 바이오 에너지는 변환 중에 이산화탄소가 발생하여 재생에너지가 아니라는 주장이 설파된 적이 있는데 이는 사실이 아니며, 현재의의 대기 중 이산화탄소가 변환된 유기성 물질은 탄소 중립적이라고 볼 수 있다[11,12]. 하지만 화석 연료 기반의 플라스틱과 같은 물질의 에너지화는 탄소 중립적이지 않다. 이들의 처리를 위해 재활용, 매립, 소각, 열분해 및 기타 기술 중 환경과 경제적 측면에서 가장 바람직한 처리 공법을 택할 필요가 있다. 재활용이나 재사용이 가장 좋은 방법일 수 있겠으나, 폐플라스틱의 경우 오염이 심화된 경우 재활용이나 재사용이 불가능한 경우가 있어 차선책이 필요한 경우도 있다.

폐기물은 자원 순환을 통해 에너지원이나 자원으로 쓰일 수 있지만, 그 이전에처리 해야만 하는 인간 활동의 부산물이다. 국토 면적이 적고 가용 면적 비율도 적은 한국은 효과적인 폐기물 처리가 매우 중요하다. 산업화에 따른 인구 증가로 인하여 폐기물 발생량은 매년 증가하고 있으며, 폐기물 발생량은 2019년도 기준 497,238톤/일로서, 전년 대비 약 11.5%가 증가하였다(Fig. 1).

Fig. 1.

Status by waste treatment method [13].

한국의 폐기물 처리 방법에 있어 2019년도 재활용이 86.6%로 가장 높은 비율을 차지했고, 두번째가 매립(6.1%), 그 다음이 소각(5.2%)이었다(Fig. 1). 폐기물 처리에 있어 통계상 재활용이 가장 높은 비중을 차지하지만, 이는 재활용 시설의 반입량을 기준으로 산정한 수치이다. 실제 재활용률과는 많은 차이가 있는데, 실상 많은 비율의 폐기물이 재활용이 안 되고 다시 매립 또는 소각되는 것이 현실이다.

폐기물의 처리에 있어 두번째와 세번째 순위를 차지하는 매립과 소각은 여러 환경오염 문제를 발생시킨다. 매립은 토양오염을 유발하며 매립에 있어 많은 부지가 소모되어 가용한 국토면적이 적은 한국에는 특히 좋지 않다. 소각은 폐기물에서 에너지를 회수하고 폐기물을 감량화하고 안정화할 수 있는 공정이지만, 2차 오염 물질인 연소 배기가스를 배출하여 대기오염을 유발한다는 단점이 있다.

기존의 폐기물 처리 방안들은 환경적인 문제점을 가지고 있다. 따라서 좀 더 경제적이고 혁신적인 폐기물 기술이 필요하다. 그 대안으로 유기성 폐자원 가스화 기술은 오염물질 배출도 적고 폐기물을 원료로 사용해 에너지도 생산할 수 있다는 점에서 현재 주목을 받고 있다.

이러한 배경에서 본 총설에서는 가스화 공정의 원리와 특성을 간략하게 정리하였고, 국내와 해외에 있는 폐기물 가스화 공정 시설의 현황 및 한계, 그리고 기술과 제도적 측면에서 나가야 할 방향에 대해 다루었다.

2. 가스화 공정 원리 및 특성

2.1. 가스화 원리

가스화는 폐기물 중 산림 바이오매스, 농업 부산물 바이오매스, 축산 폐기물 바이오매스, 가연성 도시 폐기물 등의 여러 바이오매스를 원료로 사용하여 H₂, CO, CH₄을 주 구성 성분으로 하는 기체 상태의 합성가스(synthesis gas or syngas)와 액체 상태의 타르(tar) 그리고 고체 상태의 숯(차, char)를 생산하는 공정이다. 가스화 공정은 부분 산화, 건조, 열분해, 환원의 4가지 과정으로 이루어진다. 합성 가스는 합성 천연 가스 생산의 중간체로서의 역사 때문에 그렇게 불린다.

2.1.1. 부분 산화

화학양론적으로 필요한 산화제 보다 더 적은 양을 투입하여 바이오매스를 부분 산화시키는 발열을 하는 과정이다. 산소, 공기, 증기가 산화제로 사용된다. 순수한 산소 사용에는 부가적인 공정이 필요하기 때문에, 주로 공기와 증기가 산화제로 사용한다. 부분 산화 공정은 연소와 유사하여 연소 시 발생하는 NO나 SO₂와 같은 물질이 발생할 수 있으나 그 양은 연소에 비해 적다. 그리고 부분 산화 시 투입되는 산화제의 양이 너무 많으면 완전연소로 인하여 가스의 성분이 이산화탄소와 H₂O가 주를 이루게 되므로 산화제 양을 적당하게 조절하는 것이 가스화 생성물의 성분과 관련된 가장 중요한 요소 중 하나이다.

2.1.2. 건조

건조는 원료에 포함된 수분이 제거되는 흡열 과정이다. 수분이 포함되면 열효율을 감소시킬 수 있기 때문에 반드시 필요하다. 대략 150℃에서 건조하면 바이오매스에 포함된 수분을 완전히 제거 가능하다.

2.1.3. 열분해

부분 산화 후 남아있는 탄소를 포함한 물질을 열화학적으로 분해시키는 공정이다. 열분해 공정을 통해 비활성 탄소와 재(ash)로 구성된 고체 상태의 숯, 비교적 낮은 온도에서 응축 가능한 액체 상태의 타르, H₂, CO, CO₂, CH₄를 포함한 가벼운 탄화수소들로 구성된 가스가 생성된다.

열분해 과정에서 온도는 합성 가스의 성상을 결정하는 중요한 인자로 바이오매스의 성분에 따라 적정 열분해 온도가 결정된다. 목재에 포함된 셀룰로오스의 경우에는 600~700℃ 사이의 온도가 적정 온도이며, 다른 성상의 바이오매스도 대부분이 적정 온도 900℃를 넘지 않는다.

2.1.4. 환원(가스화)

환원 과정은 합성 가스를 생성하는 과정으로서 가스화 과정이라고도 불린다. 열분해 과정에서 발생한 숯, 타르, 합성 가스 등이 산화 과정에서 발생한 CO2, 증기와 다시 반응하게 되어 숯과 타르를 구성하는 탄소가 CO나 CH₄, H₂성분으로 전환되며, 이를 통해 발열량이 높은 합성 가스가 생성된다. 환원 과정에서 높은 온도는 char 산화를 증가시키고 tar 형성을 감소시키므로 온도 조절은 가스화 공정을 통틀어 가장 중요한 인자 중 하나이며 현재 개발된 가스화 공정의 필요한 온도의 최대값은 800-1100℃ 정도이다.

2.2. 가스화 공정의 에너지 효율

폐자원 가스화는 열을 이용해 유기성 폐기물을 처리한다는 점에서 소각과 비슷한 성향을 띄고 있다. 따라서 폐자원 가스화를 기존의 폐기물 처리 방식인 소각과의 비교를 통하여 가스화가 가진 특성을 정리하면 다음과 같다.

합성가스의 일반적인 사용 방식은 가스엔진에서 가스 연료를 연소시켜 직접 엔진을 구동하는 것이다. 기존의 소각에서는 연소로 생성된 열에너지로 물을 끓여 그 증기로 증기터빈를 돌려 발전하는데, 가스 엔진은 가스로 직접 터빈을 돌리므로 에너지 변환 과정이 줄어 에너지 이용 효율을 극대화할 수 있다.

폐기물 발열량과 합성가스의 발열량을 이용하여 합성가스 생산의 에너지 효율을 살펴보면, 목재 바이오매스의 경우 최대 82%, 폐비닐 바이오매스의 경우 최대 86% 정도이다. 합성가스 생산의 에너지 효율은 공정의 산화제 투입 조건, 가스화 온도, 원료 물질의 성질과 같은 여러 인자에 인하여 결정된다[14]. 합성가스를 이용하는 가스 엔진은 전력과 열에너지를 동시에 생산할 수 있으며, 이를 통해 최대 38%정도의 발전효율과 42%의 열효율, 총합 80% 이상의 고효율을 낼 수 있다. 가스엔진의 종합효율과 합성가스 생산 효율을 곱하여 총 가스화 공정의 효율을 계산해 보면, 약 65%의 에너지 전환 효율을 가지는 것을 알 수 있다[15]. 참고로 소각공장의 에너지 효율은 21% ~76% 범위로서 평균 45%이라고 알려져 있다[16]. 소각은 발전 공정의 특성상 발전보다 열에너지 생산에 더욱 적합한 측면을 가지고 있다.

3. 가스화 공정 현황

폐자원 가스화 공정에 필요한 반응기는 운전방법에 따라 크게 고정층, 유동층, 분류층으로 구분된다. 고정층 반응기의 경우 연료와 산화제가 다른 방향으로 진행되며 열손실이 적고 반응시간이 길어 중소형 플랜트에 적합하다. 유동층 반응기의 경우 연료가 부유하여 진행하며 사용 가능한 연료의 종류가 다양하고 반응시간이 짧아 중대형 플랜트에 적합하다. 분류층 반응기의 경우 연료와 산화제가 같은 방향으로 진행되며 반응시간이 짧은 대신 연료의 전처리와 산화제로 순수한 산소가 필요해 폐자원 가스화 공정에는 불리하다.

따라서 현재 폐자원 가스화 공정 기술은 고정층과 유동층으로 개발이 진행 중이다. 각 반응기 종류를 좀 더 상세히 살펴보면 고정층은 상향식/하향식 시스템으로 분류 가능하고 온도는 1000℃ 이하에서 진행된다. 유동층은 순환 유동층과 이중 유동층으로 분류되고 온도는 마찬가지로 1000℃ 이하에서 진행된다는 특징을 가지고 있다[17].

3.1. 국내 폐자원 가스화 현황

국내 가스화 플랜트 기술 개발 현황을 보면 1990년대 후반부터 본격적으로 기술 개발이 추진되었으며 20년이 지난 지금에서야 파일럿 플랜트급 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있으나, 아직도 상업화를 위한 기술개발은 미흡한 실정이다(Table 1).

Table 1.

The current status of pyrolysis gasification power generation.

가스화기 종류별 현황은 중소형 가스화에 적합한 고정층 가스화기는 고등기술연구원과 한국 에너지기술연구원에서 많은 연구가 이뤄져 상용화를 위한 개발 단계에 있다. 중대형 가스화에 적합한 유동층 가스화기는 한국 에너지기술연구원, 한국생산성 기술연구원 등을 중심으로 파일럿 스케일 연구 완료 단계에 진입한 상태이다[13].

다음으로 폐자원 가스화 및 합성가스 활용기술의 연도별 국내 개발 과정은 아래와 같다[10].

∙ 2000년~2007년: 가연성 폐기물 대상의 민간주도 및 국가 주도 파일럿 규모(1~5톤/일) 가스화기 개발

∙ 2007년~2009년: 합성가스 활용 H₂/CO 생산비 제어기술 개발

∙ 2009년~2011년: 복합 폐기물 합성가스 이용 화학원료 회수 타당성 평가

∙ 2011년~2014년: 100 Nm³/h급 폐기물 합성가스로부터 메탄올 전환 기술 개발 완료(275℃, 60 bar)

∙ 2012년~2015년: 100T/D급 폐기물 합성가스 플랜트 설계 기술 개발

∙ 2015년~2017년: 폐기물 합성가스로부터 연료 회수 실증 플랜트 개발 및 사업화

이처럼 국내에서는 폐자원 가스화의 상용화를 위한 기술 개발을 꾸준히 진행하고 있지만, 아직은 파일럿 규모의 기술개발에 한정적이며 경남 해남군과 전남 강진군의 가스화 발전소 등의 일부 상용화 실적 또한 국외 기술에 의존하고 있는 실태이다.

3.2. 해외 폐자원 가스화 현황

해외의 경우 폐자원 가스화 기술은 유럽과 북미를 중심으로 발전해 왔고, 오랜 기간 연구개발을 통해 상용화에 필요한 기술적 장애요인을 대부분 극복한 것으로 보고되고 있다[13]. 나라별로 보면 미국, 독일, 캐나다, 일본 등이 폐자원 가스화의 상업화를 주도하고 있다. 현재는 중소형 플랜트에서 중대형 규모의 플랜트로 기술 개발을 확장하면서 많은 수의 가스화 플랜트가 운영, 건설 중인 추세이다(Fig. 2). 가스화 플랜트의 운영 및 건설은 기업에 의하여 주도되고 있는 점이 한국과의 큰 차이다. 국가는 제도를 만들고 그 안에서 민간 기업의 경쟁력을 이용하여 빠르게 기술을 발전하고 산업 경쟁력을 키우는 전략은 유기성 폐자원 기술에 있어서도 21세기의 선택이 아닌 필수임이 드러나는 대목이다.

Fig. 2.

The trend of waste synthetic gas production by size around the world.

3.2.1. 미국

유기성 폐기물의 가스화에 있어, Thermogenics, Beltran, 그리고 PRM energy이라는 회사가 있다. Thermogenics에서는 다양한 유기성 폐기물을 가스화하기 위한 공정개발을 시작하여 최근에 가연성 도시폐기물을 대상으로 150톤/일 규모의 가스화 시스템을 개발하였다. Beltran은 고정층 가스화 시스템을 개발하여 터키와 영국에 50톤/일급(2MW 발전) 가스화/가스엔진 발전시스템을 건설하여 상업운전 중이다. PRM energy는 이태리에 4MW 상용급 가스화/가스엔진 발전시스템을 건설하여 상업 운전 중에 있다[19].

3.2.2. 독일

Lurgi, Future Energy 등의 회사가 있다. Lurgi는 도시폐기물과 바이오매스, 석탄 등을 원료로 사용하는 330톤/일급 고정층 폐자원 가스화기를 상용화하여 100,000 Nm³/hr의 합성가스를 공급할 수 있게 되었다. Future Energy의 경우에는 각 지역별 바이오매스/폐기물을 전 처리한 후 환경처리 설비가 잘 구비된 대형 설비로 모아 에너지/수소를 생산하는 50MW 규모의 열분해 가스화 시설을 계획 중에 있다[19].

3.2.3. 캐나다

Enerkem사에서 캐나다 웨스트 버리에 폐목재와 도시폐기물을 원료로 한 40톤/일급 상업용 플랜트를 건설하여 메탄올과, 아세트산, 에탄올 등을 5106 L/yr 규모로 생산하고 있다. 마찬가지로 캐나다 에드먼턴에서는 도시폐기물을 원료로 300톤/일급 규모의 가스화 플랜트를 건설하여 36106 L/yr의 메탄올과 에탄올을 생산하고 있다[10].

3.2.4. 일본

JFE, Thermoselect, EBARA, UBE 등의 회사가 있다. JFE와 Thermoselect 기술과 제휴하여 전 세계 10여 곳에 폐자원 가스화 설비를 건설, 운영 중이다. 치바현 제철소 공장 내에 150톤/일급 2기 가스화 용융 플랜트를 건설하여 가동 중이며, 현재는 9-11기의 상용급 폐자원 가스화 플랜트가 가동 중에 있다. EBARA와 UBE는 쇼와덴코에 200톤/일급 폐자원 가스화 설비를 건설, 가동 중이다. 일본의 가스화와 용융방식을 통한 폐기물 처리 기술은 대부분 유럽에서 기술을 도입한 후에 그 기술에 대하여 추가적으로 별도의 연구를 수행해 상용화에 따르는 문제점을 해결해 새로운 기술로 발전시키는 방식으로 개발되어왔다. 일본은 건설한 가스화 설비의 경제성을 높이기 위해 최근에는 제철소 폐기물 뿐 아니라 산업폐기물을 대상으로도 가스화 시설을 운영하고 있다[19].

3.2.5. 아일랜드

EQTEC plc에서 광범위한 도시폐기물과 다양한 임업, 농업, 축산업 폐기물을 원료로 사용하여 바이오 에탄올과 합성 천연가스를 생성하는 기포 유동층 가스화 플랜트를 불가리아 스트로에 보 지역과 스페인 시우다드 레알 지역에 건설 운영 중이다. 스트르에보 지역에 건설된 가스화 플랜트는 축산 및 농업 폐기물을 가스화하여 3 MWe의 전력을 생산하며 시우다드 레알 지역에 건설된 가스화 플랜트는 시간당 4톤의 농업폐기물을 가스화하여 5.9 MWe의 전력을 생산할 수 있다[20].

3.3. 새로운 가스화 기술

3.3.1. 오스트레일리아

Renergi Pty Ltd의 첨단 바이오매스 가스화 기술은 CHP 응용 분야에서 다양한 바이오매스 스트림(예: 임업 폐기물 및 농업 폐기물)을 열 및 전력으로 변환하기 위해 개발되었다(Fig. 3). 이 기술은 임업 폐기물, 산림 폐기물 및 농경 폐기물과 같은 광범위한 바이오 매스 자원이 마이크로에서 센티미터에 이르는 광범위한 입자 크기로 공급 원료에 동일하게 사용될 수 있어서 바이오매스 원료 준비 비용을 절감할 수 있다. 휘발성 물질과 바이오 Char 사이의 상호 작용을 최소화함으로써, 대기압과 상대적으로 낮은 온도(850~1000℃)의 비교적 온화한 조건에서 빠른 가스화를 달성하고 90% 이상의 HHV 가스 효율을 달성할 수 있다고 한다.

Fig. 3.

Renergi Pty Ltd’s advanced biomass gasification technology [21].

3.3.2. 이탈리아

Endeavour Energia의 Endeavour 극초단파 가스화 기술은 쌀과 밀 껍질, 나무 바이오매스, 농장 폐기물에서 전기, 열, 바이오 Char을 생산한다(Fig. 4). 이 기술은 폐기가 필요한 폐기물을 생성하지 않는 공정 설정에서 단순 여과 시스템과 함께 마이크로파를 이용한 고온 가스화(1400℃ 이상)를 사용하는 것을 특징으로 한다.

Fig. 4.

A schematic of Endeavour microwave gasification technology [21].

공정의 첫 번째 단계는 건조로 시작된다. Syngas의 냉각으로부터 잔여 열은 바이오매스 공급 원료의 수분 함량을 10wt%로 줄이는 데 사용된다. 가스화는 고정층 반응기에서 일어난다. 극초단파를 가열제로 사용하면 고온(1400℃ 이상)에 빠르게 도달할 수 있다. 마이크로파 주입은 PLC PID 알고리즘에 의해 제어된다. Endeavour에 따르면 뜨거운 Syngas의 타르 함량은 5 mg/Nm³보다 낮은 것으로 밝혀졌으며, 이는 후속 필터링과 관련된 비용을 크게 절감한다.

3.3.3. 스웨덴

Meva Energy AB의 MEVA 기술은 소형 바이오 연료 열병합 발전 시스템으로, 압축된 펠릿과 톱밥을 가공하기 위해 설계된 가압식 사이클론 가스 공급기를 기반으로 제작되었다(Fig. 5). Meva Energy에 따르면 이 기술은 가스화를 위해 산소 대신 공기를 사용하는 것이 특징으로 운영비를 절감하며 사이드 스트림으로 바이오 Char의 생산과 함께 고품질의 안정적인 Syngas를 생산한다고 한다.

Fig. 5.

A schematic for MEVA Energy AB’s technology [21].

첫 번째 단계에서는 수분 함량이 낮은 펠릿과 같은 바이오 매스 공급 원료를 분쇄하고 공기와 혼합하여 두 개의 입구를 통해 사이클론 가스관에 지속적인 흐름으로 공급한다. 강한 나선운동은 바이오매스 입자를 사이클론의 바닥으로 떨어지게 한다. 가스 공급기는 800~1000℃에서 작동한다. 기체화는 나선 흐름에서 발생하며 유입 사이클론 설계에 따른 공급원료의 처리 시간이 짧기 때문에 부하 변화가 즉각 일어나 전력 균형을 유지하는 데 유리하다. 입자가 분쇄되고 상대적으로 건조한 성질은 초기 단계에서 남아 있는 수분을 방출하게 한다. 액화 및 열분해 반응에서 경탄화 수소와 중 탄화수소를 포함한 다양한 기체 화합물이 방출되어 무기 및 유기 성분으로 구성된 고체 잔여물이 남는다. 후자는 원자로 내부의 기체와 반응하는 반면, 전자는 궁극적으로 회수되어 재활용될 수 있는 재가 된다.

3.3.4. 오스트레일리아

Wildfire Energy’s Moving Injection Horizontal Gasification (MIHG) 기술은 처리되지 않은 바이오매스 및 폐기물 공급원료의 밀봉된 층이 bed를 통해 이동하는 산화물질에 의해 Syngas로 전환되는 공정을 기반으로 한다(Fig. 6). MIHG 기술은 제공된 연료와 사전 처리된 연료를 모두 처리할 수 있도록 설계되었다(Table 2). 원자로는 수평 고정식 반응기 형태를 취한다. 공급 원료의 부하가 완료되고 챔버가 밀봉되면, 공급 원료의 베드는 여러 지점에서 바이오매스와 접촉할 수 있도록 이동 가능한 주입 덕트 또는 일련의 노즐을 통해 산화제를 순차적으로 주입한다. 위 그림은 산화제 주입점의 이동과 그에 상응하는 기체화 과정의 진행을 나타낸다. 개발자에 따르면, 이와 같은 핵심 기술은 공급 원료 전처리 감소 또는 제로화, 가스 안정성 개선, 출구 가스 온도 감소, 타르/미립자 부하 감소 등 다양한 이점을 제공한다고 한다. 공기, 산소 또는 이들의 조합은 용도에 따라 산화제로 사용되지만, 아직 파일럿 규모의 테스트 단계이다.

Fig. 6.

A schematic for the MIHG technology in a dual-reactor biomass-to-electricity application [21].

Table 2.

Profile by technology.

3.4. 가스화 기술 이용 분야

폐자원 가스화 기술이 폐기물을 자원화하는 매우 유용한 공정이지만 활용방안이 마련되지 않으면 상업화되기는 힘들다. 따라서 가스화 공정의 가장 큰 산물인 합성가스의 정제 및 이용 방안에 대한 연구는 중요하다. 가스화 공정을 통해 생성된 합성가스는 가공하여 전기를 생산하거나 화학공업의 기초 원료로 이용할 수 있다. 활용 가능한 분야는 원료(폐기물)나 공정 온도, 산화제의 종류에 따라 생산하는 합성가스의 성분이 달라진다.

3.4.1. 전기 생산

가스화 공정에서 공기를 산화제로 사용해 생성된 합성가스는 이산화탄소와 질소가 혼합되어 있기 때문에 발열량이 3,000 kcal/Nm³ 이하인 저열량 가스가 생산되며 저열량 가스는 에너지 밀도가 낮아 수송에는 불리해 주로 발전용으로 사용된다. 전기 생산에 이용될 때에는 깨끗한 에너지로써 다용도로 사용가 능하다는 장점이 있지만 대규모 시설이 필요하고 저열량 가스터빈 기술이나 stirling 엔진 등의 추가 기술 필요하다. 소규모로 이용하기 위해서는 연료전지 등 신기술 개발이 필요한데 최근, 생산된 합성가스를 다시 수소가스로 바꾸고 연료전지를 이용하여 전기와 열을 생산하는 기술이 개발되고 있다[22].

3.4.2. 수소 생산

수소에너지가 활성화됨에 따라 수소의 수요를 맞추기 위해 부생 가스로부터의 수소생산과 더불어 폐플라스틱 활용 수소 생산 공정, 전기 분해에 의한 수소 생산 기술 개발 등이 이루어지고 있다. 현재 상업용 규모의 수소 제조 기술 중에서 가장 경제적인 방법으로는 천연가스의 성질을 개선시켜 CO와 H₂가 주성분인 합성가스를 만든 다음 수성가스로 전환하고 PSA(Pressure Swing Adsorption)통해 CO₂와 H₂를 분리하여 생산한다. 이와 관련하여 다양한 시료로부터 경제성을 확보하기 위한 수소 제조 방법을 검토하고 폐자원 가스화를 통해 얻어진 합성가스로부터 수소 제조 공정을 개발하고 상업화하는 연구가 진행되고 있다[23].

3.4.3. 화학 공업의 원료

산소와 수증기를 산화제로 사용해 생성된 합성가스는 질소가 없어 5,000~6,000 kcal/Nm³의 중열량 가스가 생산된다. 중열량 가스는 범용 공업 연료 및 화학 공업 원료로 이용될 수 있다[14]. 폐자원을 고온 순산소 가스화해서 만들어진 합성가스는 폐자원 특성에 따라 H₂/CO비 0.5~1.1 범위로 생산되며, 부분산화반응에 의한 이산화탄소도 함께 발생된다. 또한 합성가스는 입자상 및 기체상 오염물질을 함유하고 있어 정제과정을 거쳐 청정한 합성가스를 생산한다. 최종 생산하고자 하는 화학 공업 원료에 따라 CO를 수소로 전환하고 H₂/CO비의 구성비를 조절하여 수소와 일산화탄소를 합성해 화학 공업 원료(메탄올 등)를 생산하거나 고순도의 수소를 생산한다[24].

남아프리카의 Sasol 공정과 같이 고정층 반응기에서 Cu/Zn/Al 촉매를 이용하여 메탄올을 생산할 수 있고 유동층 반응기에서 철 촉매를 이용하여 휘발유를 생산할 수 있다. 합성가스를 이용한 휘발유 생산 공정은 생성되는 탄화수소의 비점범위가 광범위하여 생산된 탄화 수소를 정제하는 데에 많은 비용이 소요되며 생산원가에 있어서도 원유를 정제하는 휘발유보다 높은 것으로 알려져 있다. 이에 비해 메탄올 합성공정은 고압 반응으로 공정의 설계와 운영이 어렵다는 단점을 갖지만 생산되는 메탄올이 공정의 기초화학물질로 다양하게 활용될 수 있다는 장점을 가진다.

4. 폐자원 관련 제도 및 가스화의 한계

4.1. 폐자원 처리 관련 제도

한국을 포함한 세계 각국에서는 폐기물의 발생을 억제하고, 재사용하거나 물질 재활용 그리고 에너지 재활용을 통해 폐기물의 매립을 제로화하는 정책을 실시하고 있다. 한국은 2018년 자원순환 기본법과 최근 자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률을 시행하는 등 폐기물 발생을 근본적으로 감축시키고, 폐기물의 재활용과 친환경적 처리를 유도하는 제도를 점차 강화하고 있다[25]. 하지만 모든 폐기물을 자원으로 순환시키고 매립을 제로화하기 위해서는 폐기물의 소각은 불가피하다. 따라서 단순 소각처리가 아닌 소각을 통한 에너지 회수로 순환되지 못한 폐기물들을 처리하고 오염물질 배출도 최소화하여 매립을 제로화해야 한다[26].

2015년 채택된 파리협정과 2018년 IPCC 1.5℃ 특별 보고서에 의해 2100년까지 지구 평균온도 상승폭을 1.5℃ 이내로 제한하기 위해서는 전 지구적으로 2030년까지 이산화탄소 배출량을 2010년 대비 최소 45% 이상 감축하여야 하고, 2050년경에는 탄소중립(Netzero)을 달성하여야 한다[26]. 한국의 2050 탄소중립 시나리오를 보면 현재 에너지 생산량 중 가장 큰 부분을 차지하는 화력발전을 거의 중단하기 때문에 이를 대체할 신재생 에너지의 필요성은 더욱 증가되고 있다[25].

하지만 현재 REC 가중치와 관련하여 2019.10.1. 시행된 「신에너지 및 재생에너지 개발･이용･보급 촉진법」에서는 비재생 폐기물로부터 생산된 폐기물에너지는 재생에너지로 분류되지 않고 정책적 인센티브를 지원 중단한다는 내용을 담고 있다[27]. 현재 대부분의 폐기물은 비재생 폐기물이기 때문에 폐기물 소각을 통한 에너지 회수는 재생에너지로 분류가 안된다. 한국의 폐기물을 통한 열에너지 회수에 대한 인식은 여전히 환경에 무책임하다는 인식이 만연하고 있으며 님비현상과 소각을 부정적으로 인식하는 정책이 맞물려 소각 시설을 기피하는 현상이 더욱 심화되고 있어, 나주 고형 연료 열병합 발전 시설의 경우 준공 후 4년이 지난 현재도 정상적인 가동이 이뤄지지 않고 있다.

이러한 현상들로 보았을 때 현재 매립을 제로화하고 신재생 에너지를 확보해야 하는 한국의 상황에서 소각을 통한 열에너지 회수에 관하여 굉장히 모순적인 행보를 보이고 있다. 이러한 점을 종합해보면 현재 폐기물 처리 기준의 상향화는 매우 강경한 데에 반해 마땅한 해결책은 제시하지 못하고 지원도 부족한 것이 현 실정이다. 이에 오염물질 배출도 적고 에너지도 회수할 수 있는 폐자원 가스화 기술의 정책적인 지원 및 제도의 필요성이 대두되고 있다.

4.2. 폐자원 가스화 기술의 한계

폐자원 가스화 기술은 버려지는 유기성 폐기물을 재활용해 에너지원으로 전환시키는 기술인 만큼 이것이 가진 잠재성이 크다. 그러나 폐자원 가스화 기술이 가진 잠재성이 큰 만큼이 기술이 가진 한계점도 명확하다. 이 폐자원 가스화 기술이 한국에서 상용화되기 위해서는 기술적, 제도적 측면에서 몇가지 한계점을 극복해야 할 필요가 있다.

4.2.1. 폐기물 선별

폐자원 가스화 기술은 발열량이 큰 도시 고형폐기물, 산림 바이오매스, 농업부산물, 음식물 쓰레기 등 다양한 종류의 유기성 폐자원에 적용이 가능하다. 이 중 음식물 쓰레기는 생물학적 처리를 통해 재활용되고 폐목재들은 코크나 펠렛으로 가공되어 비료화나 연료로 사용되고 있다. 그러나 도시 고형폐기물은 대부분 매립이나 소각처리되는데 그 양도 많고 이 과정에서 발생하는 오염물질도 상당하다. 따라서 이 도시 고형폐기물을 가스화 기술을 사용한다면 오염물 발생도 줄이고 다시 자원으로 활용할 수 있어 매립이나 소각보다는 이상적인 처리가 가능하다. 하지만 여기서 문제는 도시 고형폐기물에는 녹는점이나 성분 등이 다른 다양한 성질의 폐기물이 혼합되어 있다는 점이다. 가스화 발전의 특성상 원료(폐기물)의 특성에 따라 공정 과정과 생산물 부분에서 큰 차이를 보인다. 따라서 설계된 가스화 발전소에 따라 도시 고형물 중 적합한 성분을 선별하는 과정을 거쳐야 하는데 만약 선별 과정에서 다른 성분의 폐기물이 섞여 들어간다면 이것이 불순물로 작용하여 응집물 형성이나 가스의 에너지 발열량을 낮추는 등 여러 문제점이 발생할 수 있다. 하지만 한국에서는 도시 고형폐기물의 경우 일반쓰레기로 종량제 봉투를 통해 한 번에 수거하기 때문에 이를 선별하려면 제도적 차원에서의 변화가 필요하다.

4.2.4. 경제성

폐자원 가스화는 부분산화, 건조, 열분해, 환원의 과정을 거쳐야 하기 때문에 기존의 소각시설이나 석탄발전소에서는 이를 수행할 수 없다. 따라서 가스화를 위한 새로운 발전소를 지어야 하는데 가스화는 공정의 복잡성으로 인해 초기 설치 비용이 많이 소모된다. 이렇게 비싼 비용을 들여 설치했기 때문에 이를 회수하기 위해서는 생산되는 원료의 가격이 비싸질 수밖에 없다. 그러나 생성된 합성가스는 이산화탄소 같은 불순물이 포함되어 있어 정제 과정을 거쳐야 되고 정제를 거치더라도 발열량이 4,000 kcal/Nm³ 정도로 기존 천연가스 10,400 kcal/Nm³ 비해 가치가 떨어진다[28]. 또한 발열량이 낮다는 점은 장거리 운송을 하는 데 있어 상당히 불리하게 작용되며 따라서 합성가스의 이용이 생산원 근처로 제한된다. 이러한 이유로 기업에서는 경쟁력이 떨어지는 폐자원 가스화 기술에 대한 투자가 꺼려지게 되며 자연스럽게 기술 개발 속도가 느려져 상용화 가능성은 낮아진다.

4.2.3. 기술적 한계

한국은 1990년도부터 폐자원 가스화 기술 개발을 시작해 파일럿 규모의 연구를 진행하고 있으며 아직 상용화를 위한 중대형 규모의 플랜트 기술은 미흡한 실정이다. 이는 폐자원 가스화 최고 기술 보유국과 비교했을 때 기술 수준이 대략 55.5% 밖에 안 되는 정도이다[19]. 한국은 폐자원 가스화 기술이 상용화되기 위해서는 기술적으로 해결해야 할 부분이 크다. 하지만 기술적 한계는 가스화 플랜트에 국한되는 문제가 아니다. 가스화 공정을 통해 생성되는 합성가스는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 등 다양한 성분이 포함되어 있는데 이 합성가스는 메탄올이나 에탄올과 같은 2차 생성물의 재료 또는 수소 원료 생산, 가스터빈을 통해 전기를 생산하는 등 다양한 방도로 사용 가능하다. 합성 가스의 사용 방도가 다양한 만큼 합성 기술이나 촉매 및 부수적인 기술 등 다양한 기술이 필요한데 한국은 이런 연계 기술이나 시스템에 대한 개발도 부족한 실정이다.

5. 결 론

기존의 폐기물 처리 방안들은 여러 문제점을 가지고 있고 이를 대체하기 위한 새로운 폐기물 처리 방식의 개발이 필요하다[29-38]. 대체 방안으로서 폐자원 가스화 기술은 오염물질 배출도 적고 폐기물을 원료로 사용해 에너지도 생산할 수 있다는 점을 통해 새로운 폐기물 처리 방안으로 적합하다고 판단된다. 따라서 현재 활발히 연구가 진행 중인 유기성 폐자원 가스화 기술과 현황을 분석해보았다.

가스화는 유기성 폐기물을 원료로 사용해 부분산화, 건조, 열분해, 환원 과정을 거쳐 최종 syngas라고 불리는 합성가스를 생성하는데 이 합성가스는 지역발전, 전기 생산, 수소생산, 공업용 연료 생산 등 자원으로서 다방면 한 활용 가능성을 가지고 있다[14]. 이는 기존 에너지 수입 의존도가 높고 국토 면적이 좁은 한국에서 매립으로 인한 부지 차지나 에너지 의존도 문제들을 완화시키기에 적합한 기술이라 판단된다.

가스화 기술의 현황을 알아보면 국내에서는 유동층 가스화기를 이용한 가스화 시스템의 파일럿 스케일 연구는 완료되었고 상용화 기술 개발의 초입 단계로 경남과 전남에 총 2대의 열분해 가스화 발전소를 운영 중이다[13]. 국외에서는 오랜 기간의 연구를 거쳐 상용화에 필요한 기술적 장애요인을 대부분 극복한 것으로 보고되며 미국, 캐나다, 독일, 일본, 아일랜드에서는 관련 기업들의 주도하에 여러 폐자원 가스화 발전소를 설치 운영 중이다[19].

이처럼 폐자원 가스화 기술은 발전하고 있고 발전소 또한 점점 늘고 있는 추세이지만 한국의 폐자원 가스화 기술의 상용화를 위해서는 아직 해결해야 할 여러 문제점을 가지고 있다. 첫 번째로 가스화 기술을 지원해 줄 제도적 장치가 부족하다. 현재 한국은 에너지 2030 계획을 내세우며 신재생에너지의 중요성을 강조하고 있지만 제도적 지원은 태양광과 풍력에너지 쪽에 치우쳐진 상태로 폐자원 가스화에 대한 지원이 미흡한 실정이다. 두 번째로 폐기물 선별 문제이다. 폐자원 가스화를 위해서는 공정마다 원료(폐자원)의 성분이 중요하다. 한국은 일반쓰레기로 종량제 봉투를 통해 한 번에 수거하기 때문에 폐자원 가스화를 위해서는 추가적인 폐기물 선별 시스템이 필요하다. 세 번째는 경제성 문제이다. 폐자원 가스화로 생성된 합성가스는 기존 저가 석유 원료에 비해 상당히 부대 비용이 비싸며 성능이 떨어진다. 따라서 폐자원 가스화는 자연스럽게 시장 경쟁력이 떨어지게 되고 기술 개발 투자가 힘들어져 개발 속도가 떨어지는 추세이다. 마지막 문제점은 기술적 한계이다. 현재 한국은 가스화 선진국에 비해 기술 개발 속도가 더딘 상황이며 뿐만 아니라 폐자원 가스화로 생성된 합성가스를 사용하는 연계적인 기술 또한 부족하다.

위와 같은 사항들을 종합해보면 폐자원 가스화가 가진 환경적, 자원적 이점들은 기술 개발의 필요성을 충분히 설명할 수 있지만 폐자원 가스화 기술의 상용화를 위해서는 앞서 설명한 여러 가지 문제점들을 극복해야 한다. 이를 극복하기 위해서는 정부적 차원에서의 지원과 관심이 필요하다.

Acknowledgements

이 연구는 대한민국 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업(NRF-2021R1A2C1013989)의 지원으로 수행되었습니다. 본 논문 내용은 https://youtu.be/c7IleABn5Qk에서 감상할 수 있습니다.

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

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Incineration method	Area	Incineration amount(ton)	Energy Generation(Gcal)
Pyrolysis gasification	[18] Haynam-gun, Gyeongnam	3,652	0
Pyrolysis gasification	[18] Gangjin-gun, Jeollanam-do	2,787	1,523
Subtotal	2 Places	6,439 (0.14%)	1,523 (0.02%)

[21] Developer	Renergi Pty Ltd. [Australia]	Endeavour Energia S. r. l. [Italy]	Meva Energy AB [Sweden]	Wildfire Energy [Australia]
Gasification Method	Two-stage gasification	Microwave-assisted fixed-bed ‘Imbert-type’ downdraft gasification	Entrained-flow cyclone	Moving Injection Fixed-Bed Gasification
Feeding System	Hooper with an agitator-equipped rotary feeder	Rotating helical screw coupled to a feedstock storage vessel	Air-assisted pulverized feeding	Batch feeding
Oxidant	Air, steam	Air	Air	Air, oxygen (potentially)
Principal Feedstock	Forestry wastes, woody plantations, and agricultural wastes	Rice and wheat husks, anaerobic digestion digestate, animal litter, woody biomass	Crushed pellets, sawdust	Agriculture & forestry waste, green (urban) waste, MSW
Principal Application	Heat & Power (CHP) by means of an ICE	Heat & Power (co-generation), biochar	Heat and power (co-generation), biochar (prospective)	Power, Hydrogen
Development status	Technical testing in demonstration scale; pending commercialization	Tested in demonstration scale; awaiting first-of-a-kind commercial plant	5 MWth (demonstration), 2.5-5 MWth (commercial offer)	Tested in pilot scale, integrated demo funded (2019)