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2018년 12월 14일 (금) 02:12 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : HTC 공정을 이용한 가축사체 에너지화 영문 : The Energization of LiveStock Carcass Through HTC Process

과제 팀명

태만천일 팀

지도교수

홍성동 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부·과 2010890005 김**

서울시립대학교 환경공학부·과 2012890057 장**

서울시립대학교 환경공학부·과 2013890057 임**

서울시립대학교 환경공학부·과 2013890063 전**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

우리나라에서 가축사체를 처리할 때 소각, 매립 등의 방법으로 사용한다. 이때, 소각이나 매립과 같은 처리방법은 대기오염물질과 침출수 등을 발생시키는 단점이 있다. 이 때문에 2차환경오염이 없는 처리방법이 필요하다. 이때, 가축사체는 조성이 일정하기 때문에 바이오가스나 바이오디젤 등 에너지 생산 효율이 높기 때문에 바이오매스로써의 가치가 높다. 따라서 질병에 오염된 가축사체를 바이오에너지를 생산할 수 있는 HTC공정을 이용하여 안전하게 처리하기 위한 방안을 제시하려고 한다. 가축사체를 HTC공정으로 처리할 경우 회분함량이 높게 나타난다. 이 때문에 폐목제와 가축사체를 혼합하여 공정을 가동하였다. 최적의 혼합비는 가축사체와 폐목재를 3:1로 혼합하였을 때 이고 이때 생산된 바이오차는 고형연료제품품질기준을 모두 만족하였다.

개발 과제의 배경

구제역, 조류독감의 상황에서 발생하는 가축사체에 대한 올바른 처리를 개발하여 기존의 처리방법의 문제점을 해결해야 한다. 가축사체의 처리방법은 소각, 매립, 화학적 처리, 혐기성분해, 퇴비화 등이 있다. 기존의 처리방법들은 모두 나름의 장점을 가지고 있지만 2차적인 환경오염 문제를 가지고 있다. 소각시설은 많은 양의 가축사체를 처리할 수 있지만 NOx나 미세먼지와 같은 대기오염물질을 발생시키므로 2차적인 환경오염이 예상된다. 매립은 가장 많이 사용되는 가축사체 처리방법이다. 매립을 통한 처리는 빠른 시간에 많은 양의 사체를 처리함으로써 이동, 처리중의 2차적인 오염을 방지할 수 있다. 하지만 매립지역에서 침출수가 발생할 경우 침출수를 처리하는 처리시설을 고려해야할 뿐 아니라 침출수에 의한 2차적인 오염피해가 발생할 수 있다. 가축사체는 조성이 일정하기 때문에 바이오가스나 바이오디젤 등 에너지를 생산할 수 있는 잠재력이 높다. 이런 이유 때문에 열수탄화기술을 이용하여 바이오차를 생산할 경우 높은 효율성을 보일 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

목표

본 과제의 목적은 매립과 소각 등의 기존의 가축 사체 처리 방식의 문제점을 개선하여 환경에 안전하고 효율적인 가축 사체의 처리 방식을 개발·제안하는 데 있다. 기존의 처리 방식의 문제점인 대기오염물질의 발생, 침출수와 악취 발생의 문제가 발생하지 않는 기법들을 통해 가축사체를 자원화 하는 것을 목표로 한다.

개발 과제의 내용

바이오에너지란 유기체를 이용하여 석유에너지를 대체할 수 있는 에너지이다. 열화학적 변화법은 산소가 결핍된 상태에서 고온, 고압 하에서 가열하여 유기체를 탄화, 액화 및 가스화를 유도하는 방법이다. 이때 HTC기술은 다른 열화학적 변화 방법에 비하여 비교적 낮은 온도에서 공정을 운전할 수 있기 때문에 HTC기술을 이용한 처리방법을 만들려고 한다. HTC 기술은 유기성물질을 고온 및 고압에서 반응시켜 biochar를 얻어내는 기술로 biochar는 유기성물질을 수산화이온과 수소이온으로 추출한 후 재합성시켜 유기성물질을 새로운 고분자물질로 형성시킨 것이다. 이 biochar를 석탄과 같은 에너지 원료로 이용시켜 가축사체를 통해 에너지를 회수하는 효과를 이끌 수 있을 것이다.

바이오차 회수율

HTC 공정으로 유기체를 탄화물질로 환원시킬 수 있다. 바이오차를 회수하는데 있어서 공정에 원료로 쓰는 재료에 따라 회수율의 차이가 크다. 따라서 설계되는 공정의 완성도를 평가하는데 있어서 공정으로 얻어지는 바이오차의 회수율에 대하여 평가할 것이다. 본 과제에서는 설계되는 공정의 경제적인 면에서 좋은 효율을 보이기 위하여 바이오차의 회수율을 최소 50%이상 나타날 수 있도록 평가하려고 한다.

바이오 고형연료 제품 기준

HTC 공정으로 가축사체를 처리하여 생산되는 바이오차를 고형연료로 이용하기 위해서는 생산되는 바이오차의 성분이 고형연료 제품기준치를 만족해야 한다.

병인체 사멸

본 설계에서 원료로 이용할 가축사체는 대부분 AI나 구제역으로 병원균에 감염된 가축사체를 사용하게 될 것이다. 구제역과 A.I의 병인체 모두 열처리 시 사멸하는데 이때, 필요한 온도와 처리 시간은 70℃에서 30분 혹은 75℃에서 5분 정도이다. 본 과제에서 설계하는 HTC 공정은 180~250℃ 고온에서 비교적 장시간 운전하기 때문에 위험성이 큰 구제역과 A.I 바이러스는 대부분 제거 될 것으로 판단된다.

개념설계안

열수가압탄화(HTC) 공정

가축사체를 처리하는 HTC 공정은 원료로 주입 될 가축사체를 파쇄하는 전처리 설비와 유기체를 고온의 밀폐된 공간에서 반응하는 반응기로 이루어져 있다. 반응조에서 유기체가 고온, 고압 조건 하에서 가수분해, 응축 등 여러 가지 복합적인 반응으로 분해되어 탄화물질로 변형된다.

아이디어 설계

기본적인 HTC 공정을 설계했을 때 우리가 사용할 가축사체 중 닭, 오리 등의 조류계통 사체의 경우 단백질과 지방으로 이루어진 살코기와 같은 유기체 부분에 비하여 뼈의 함량이 높다. 이때 뼈는 고기에 비하여 Ca과 같은 미네랄 성분을 많이 함유하고 있다. 이러한 미네랄 성분이 과다한 물질이 HTC 공정을 통하여 처리될 경우 공정효율을 떨어뜨리는 경우가 통계적으로 많다. 또한 미네랄 성분이 높은 물질을 처리하면 회분함량이 높게 나올 가능성이 있다. 아래의 표는 고기와 뼈를 이용하여 HTC공정을 한 실험의 결과이다. 높은 회분함량의 문제를 해결하기 위한 아이디어로써 본 과제에서는 파쇄조에서 가축사체와 함께 폐목재를 첨가하여 HTC의 원료로 이용할 것이다. 폐목재를 이용하게 되면 중량대비 미네랄 함량을 낮출 수 있기 때문에 생성되는 탄화물질의 회분의 성분을 줄일 수 있을 것으로 예상된다.

바이오차 판매 전략

2012년부터 시행된 신재생에너지공급 의무할당제도(RPS)에 따르면 신재생에너지의 공급량은 전체 에너지 공급량의 2018년 현재 5% 이상의 비율로 공급되어야 한다. 신재생에너지의 의무할당량의 채우지 못했을 경우 과징금을 부과해야 한다. 또한 이러한 신재생에너지 공급비율은 계속해서 증가될 예정이다. 이처럼 신재생에너지 사용이 의무화되는 점 판매 전략으로 이용하여 지역난방공사나 한국전력공사 등 발전시설에 보조연료로 판매할 예정이다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

공업분석(Proximate analysis)

공업분석은 시료의 수분(Moisture), 회분(Ash), 고정탄소(Fixed Carbon), 휘발분 (Volatile Matter)을 각각의 비율로 분석하는 것을 말한다. 본 과제에서는 바이오 고형연료 기준 값인 수분함량과 회분함량을 고형연료제품 품질 시험·분석 방법에 따라서 분석을 진 행 하였다. 수분의 경우 ( 105 ± 2 ) ℃의 건조기에서 항량이 될 때까지 건조시킨 후 식 1에 따라 함량을 산출한다. 회분의 경우 Electric muffle furnace, C-MF(Chang shin science co., Korea)를 이용하여 분석하였으며 ( 550 ± 10 ) ℃의 강열로에서 최소 120분간 유지시켜 강열시킨 후 식 2에 따 라 함량을 산출한다.

원소분석(Elemental analysis)

각각의 혼합 비율을 통해 생성된 바이오 차의 원소 조성을 분석하기 위해 원소분석을 진행한다. Flash 2000 CHNS/O Analyzer(Thermo Scientific, USA)를 사용하여 분석하였으며 시료는 건조 상태의 시료를 이용하여 고형연료제품 품질 시험·분석 방법에 따라서 탄소 (C), 산소(O), 수소(H), 질소(N), 황(S)을 분석한다.

발열량 분석

발열량은 연료가 완전연소 했을 때 나타나는 열량으로 고위발열량과 저위발열량으로 나 타 낼 수 있다. 고위발열량은 열량계에 의한 측정값으로 시료 중 수분의 증발잠열을 함유 한 총 발열량을 말한다. ECO Bomb Calorimeter(CAL2K, South Africa)를 이용하여 고위발열 량을 측정하였으며 저위발열량은 수분에 의한 증발잠열을 제외한 값으로 식 3을 통해 계산할 수 있다.

상세설계 내용

HTC 공정을 통해 제조되는 바이오 차의 회분 함량을 낮출 수 있는 최적의 가축 사체와 목질계 폐기물의 비율을 찾기 위해 다양한 비율의 원료를 사용하여 HTC 공정을 반복 수행하여 각 원료로부터 생성된 바이오 차를 분석하여 수분함량, 삼성분, 구성 원소를 바이오 고형연료 기준과 비교할 계획이다.

실험 재료

가축 사체

가축 사체는 대용품으로 정육점에서 파는 생닭을 사용한다. 고기 성분과 뼈 성분을 고르게 만들기 위하여 믹서를 이용하여 잘게 갈아준 후 사용하였다.

목질계 폐기물

목질계 폐기물는 배봉산에서 발생하는 전정부산물을 수집하여 이용한다. 수집한 전정부산물은 특성을 고르게 하고 고기 원료와 잘 섞일 수 있도록 믹서로 잘게 간 후 4번체를 이용하여 체거름을 한 후 이용하였다.

실험 장치

바이오 차의 생성은 열수가압탄화반응(HTC) 공정을 이용하여 생성한다. 본 과제에서는 스테인리스 재질로 만들어진 반응기를 사용하였으며 용량은 약 600ml이다. 반응기는 본체와 반응기 조절 장치로 이루어져 있다.

실험 방법

바이오 차의 제조 공정

닭과 목질계 폐기물의 혼합 비율은 표 1에서 나타낸 것과 같이 0:1, 1:0, 3:1, 2:1, 1:1, 1:2 비율로 혼합하여 반응을 진행하였다. 반응 온도는 200℃에서 2시간 동안 반응 하였다. 반응에 사용된 시료의 양은 반응기의 안정성을 고려하여 50g으로 고정하였다. 반응이 완료된 후 반응기를 약 5분 동안 수냉시킨 후 가스를 제거하고 51번 정량 여과지를 이용하여 감압여과 하여 고액분리를 하였다. 분리된 바이오 차는 건조기를 이용하여 수분함량을 측정하고 건조하여 분석을 진행한다.

실험 결과

바이오 차의 회수율

바이오 차의 회수율은 무게 비율로 산정하였다. 건조된 바이오 차의 질량을 기준으로 계산하였으며 계산식은 식 4 같다. 바이오 차의 회수율은 23.98% ~ 90.48%의 결과를 보였다(그림 2). 닭 100%의 바이오매스의 경우 바이오 차의 회수율이 23.98%로 가장 낮은 값을 보였다. 이는 닭만으로 바이오매스를 제조하여 HTC 반응을 거쳤을 때 바이오 오일과 바이오 가스로의 전환이 많이 되었기 때문이다. 실제로 닭 100% 바이오매스의 반응 후 생성비율은 고형 생성물 23.98%, 액상 생성물 74.23%, 기상 생성물 1.79%로 액상 생성물이 가장 많이 생성되었다. 혼합 시료의 경우 1:1 비율로 혼합한 시료가 회수율 89.58%로 가장 높았으며 3:1 비율의 시료가 75.62%로 가장 낮았지만 최초에 목적하였던 회수율 50%는 모두 달성하였다.

공업분석 결과

수분함량

각 시료의 수분함량 결과는 19.02% ~ 51.81%의 결과를 보였다(그림 3). 1:2 혼합 비율의 시료만이 수분함량 19.02%로 바이오 고형연료 기준인 25%를 만족하였고 나머지 혼합 비율시료와 원재료 100% 시료는 기준을 만족하지 못 하였다. 측정 된 수분함량은 바이오 차가 생성된 직후의 수분함량이기 때문에 측정값이 높은 것으로 사료된다. 하지만 생성된 바이오 차가 고형연료로 사용되는 상태는 건조 된 상태이기 때문에 고형연료 제품으로서의 문제는 없다고 판단된다.

회분함량

각 시료의 회분함량 결과는 7.31% ~ 39.54%의 결과를 보였다(그림 4). 닭의 비율을 100%로 하였을 때 높은 회분함량 값을 보였다. 닭 100% 시료를 HTC 반응 시켰을 때 액체 생성물이 많이 발생하는 것을 확인 할 수 있었는데, 상당 부분의 가연분이 액체 부산물에 포함되어있을 것으로 판단된다. 한편, 목질계 폐기물 100%의 시료에서는 회분함량이 14.39%로 혼합 시료보다 높은 회분함량을 보인다. 이는 HTC공정을 통해 바이오 차에 고정될 수 있는 탄소 함량이 목질계 폐기물이 닭보다 적다는 것을 의미한다고 볼 수 있다. 따라서 각 시료를 혼합하여 사용할 경우, 닭으로부터 생성되는 액체 부산물로 유출되는 탄소가 목질계 폐기물을 통해서 더 많이 고정되었고 이에 따라서 가연분 함량이 높아졌기 때문에 각 혼합 시료의 회분함량이 줄었다고 판단된다.

원소분석 결과

각 시료의 원소분석 결과는 그림 5에 나타내었다. 탄소 함량이 가장 높게 측정된 값은 76.19%로 2:1 비율의 시료에서 측정되었다. 닭고기 원료의 탄소 함량이 약 30%인 것에 비해 최소 1.8배에서 최대 2.5배까지 탄화된 것을 확인할 수 있었다.

발열량 분석 결과

각 시료의 고위 발열량은 6400 ~ 7100 kcal/kg 정도로 측정되었으며 가장 높게 측정된 고위 발열량 값은 1:1 비율의 시료에서 나타났다. 고위 발열량 측정결과는 그림 6에 나타냈다. 저위 발열량은 고위 발열량에서 증발 잠열을 제외한 값으로 연료의 실제 발열량을 나타낸다. 저위 발열량은 5900 ~ 6400 kcal/kg 으로 계산되었으며 가장 높은 값은 고위 발열량과 마찬가지로 1:1 비율의 시료에서 나타났다. 저위 발열량의 측정결과는 그림 7에 나타냈다. 발열량 분석 결과 원재료를 혼합하였을 시 개별적으로 사용하는 것에 비하여 발열량이 증가된 결과를 보였다.(닭고기 시료 고위 발열량 약 4700 kcal/kg, 전정부산물 시료 고위 발열량 약 5800 kcal/kg)

결론

앞선 실험 결과를 토대로 닭과 목재의 비율을 선정해 보았다. 기준으로는 가축 사체 처리량, 회수율, 회분, 발열량을 사용하였다. 각 가중치는 처리량 50%, 회수율 30%, 회분 10%, 발열량 10% 순으로 하였다. 가중치를 위와 같이 판단한 근거는 본 과제가 가축사체를 처리하는 것을 가장 큰 목표로 하고 있기 때문이다. 총점은 각 항목 당 순위를 선정하여 1등은 5점, 2등은 3점, 3등은 1점을 부여하여 가중치를 곱하여 계산하였다. 그 결과는 다음과 같다.

또한, 실험 결과 고기의 비율이 증가할수록 액체 부산물의 생성이 증가하는 것을 알 수 있었다. 3:1의 결과 액체 생성물이 극소량 생성되었으나 이는 공정 효율에 크게 영향을 미치지 않는 정도였다. 하지만 3:1 이상으로 고기의 비율이 증가 할 경우 액체 부산물이 생성 비율이 증가하여 회수율 및 회분함량 등 공정 효율에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 따라서 적정 비율을 3:1로 선정하였다.

결과 및 평가

포스터

완료작품의 평가

향후계획

현재까지 우리나라에선 가축사체를 매립을 통하여 처리해왔다. 위생적으로 매립 처리하는 경우도 많지만 비위생적으로 가축사체를 매립 처리하는 경우도 있다. 비위생적으로 매립된 지역의 경우 침출수 발생 시 환경오염이 추가적인 피해를 발생시킬 수 있다. 이 지역에 매립된 가축사체를 위생적으로 처리할 수 있도록 HTC공정에 매립된 사체를 이용하는 방안을 마련하고자 한다. 이미 매립된 사체를 HTC공정에 사용하기 위해서는 사체와 함께 굴착될 흙과 같은 협잡물들을 처리하는 방안을 고려해야 할 것이다. 침출수로 오염된 토양이 HTC공정에서 처리되었을 때 어떠한 변화를 가질지 확인한다. 이때 긍정적인 처리결과가 나온다면 매립된 사체를 원료로 이용할 때 협잡물을 제거하는 사전 전처리 공정을 줄일 수 있을 것이다. 이처럼 최종적인 향후 계획으로는 이미 매립된 가축사체도 HTC공정으로 처리할 수 있도록 개선하는 것이다.

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 ===완료작품의 평가===
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 ===향후계획===
 현재까지 우리나라에선 가축사체를 매립을 통하여 처리해왔다. 위생적으로 매립 처리하는 경우도 많지만 비위생적으로 가축사체를 매립 처리하는 경우도 있다. 비위생적으로 매립된 지역의 경우 침출수 발생 시 환경오염이 추가적인 피해를 발생시킬 수 있다. 이 지역에 매립된 가축사체를 위생적으로 처리할 수 있도록 HTC공정에 매립된 사체를 이용하는 방안을 마련하고자 한다. 이미 매립된 사체를 HTC공정에 사용하기 위해서는 사체와 함께 굴착될 흙과 같은 협잡물들을 처리하는 방안을 고려해야 할 것이다. 침출수로 오염된 토양이 HTC공정에서 처리되었을 때 어떠한 변화를 가질지 확인한다. 이때 긍정적인 처리결과가 나온다면 매립된 사체를 원료로 이용할 때 협잡물을 제거하는 사전 전처리 공정을 줄일 수 있을 것이다. 이처럼 최종적인 향후 계획으로는 이미 매립된 가축사체도 HTC공정으로 처리할 수 있도록 개선하는 것이다.