축산 및 가정 폐기물을 에너지로 전환하는 연구 사례 :: Today

축산 및 가정 폐기물을 에너지로 전환하는 연구 사례

가정에서 발생하는 쓰레기를 수증기나 CO2로 개질하여 합성 가스를 얻고 이를 연료전지에 적용하여 전력을 얻는 방법으로 전력 이외에 온수 또는 다른 형태의 열에너지 그리고 차량용 연료로 사용할 수 있는 수소도 만들 수 있다고 주장한다. 가정에서 발생하는 쓰레기 처리의 당면 목표는 우선 두 가지로 첫 번째는 쓰레기의 부피를 줄여야 한다는 점이다. 현재 어느 나라나 NIMBY 현상으로 적당한 쓰레기 매립지를 구하기 어렵기 때문에 쓰레기의 부피를 줄여야 한다. 이런 점에서 무기물만 남기고 유기질은 완전히 소진시키는 기기는 매우 유용한 수단을 제공할 것으로 생각된다.

두 번째 문제는 가정용 폐기물 내 유기질 함량이 발생하는 메탄 문제이다. 유기질이 산소 부족 상태에서 혐기성 분해를 하면 대부분 메탄으로 전환되는데 이는 유기질 쓰레기가 매립장에서 분해되는 과정에 발생하기도 하다. 이 메탄은 이산화탄소보다 지구 온난화 잠재력이 24배나 커 매립장의 메탄은 반드시 연소시켜 이산화탄소로 전환해야 한다. 그러나 100% 전환은 불가능하므로 근원적으로 유기질 매립의 최소화가 그 해결책이다. 더구나 분뇨 고형 폐기물의 처리에서 발생하는 메탄은 막대하다.

그러나 여기서 소개하는 가정에서 발생하는 소량의 쓰레기를 대상으로 하는 기기는 경제성을 확보하기가 매우 어렵다. 특히 분뇨의 고형 폐기물을가정에서 처리하기는 어려워 경제적으로 성공하기 어렵지만 기기의 특허 출원자는 미래의 이용 가능성을 목표로 법률적 청구범위를 확보하려는 시도로 이해된다. 더구나 압력 스윙 흡착 공정까지 관련되는 수소의 생산은 가정 단위에서 경제적일 수 없을 것이나 이도 청구범위를 확보하려는 장래를 위한 포석으로 이해된다. 다만 우리나라처럼 아파트 형태로 밀집 거주하는 사회에서 이 발명의 경제성은 상당히 커진다.

가축 폐기물에서 에너지를 회수하는 방법은 다양하게 연구되고 있다. 그중 한 방법으로 가축 분뇨의 체류시간을 짧게 하여 토지의 필요 면적과 처리해야 할 폐기물의 부피를 대폭 줄이는 과정에서 발생하는 에너지의 회수는 단순히 경제성 개선에 약간의 도움을 얻기 위한 것이다. 여기서 값비싼 촉매 등을 사용하면 효율을 개선할 수 있고 가스화에서도 공기 대신 산소를 매질로 하면 바이오가스의 질소로 인한 심한 희석을 회피할 수 있다. 그러나 이 경우 투자비가 크고 에너지 집약적인 공기분리 공장이 필요하다. 문제는 단독 농장으로는 규모의 경제를 만족하는 용량을 얻기가 어렵다는 점이다. 많은 사육장에서 폐기물을 수집하는 것도 에너지 밀도가 작은 바이오매스는 장거리 운반이 경제성을 희생시킨다는 점 때문에 제약을 받는다.

이렇게 생산되는 바이오 가스는 농장의 열원으로 사용되며 경우에 따라서는 동력을 생산하여 지역 전기회사에 판매도 가능하다. 그러나 현재의 전기 가격으로 혐기성 소화 등 기술에 의한 에너지 절약이 금전적 흑자를 보장하지 못하고 있는 실정이다. 따라서 생산자는 투자비 전부 또는 일부에대한 정부의 자금 지원이나 그 밖의 보조금 지원에 의지해야 하는 등 경제성의 문제도 있다. 그러나 점점 탄소 배출권 시장이 활성화되고 환경부담의 문제 등으로 인해 주목받는 기술이 될 것으로 전망된다. <편집자 주 : 본 원고는‘PCT 특허’와‘Bioresource Technology’에 실린 내용을 한국과학기술정보연구원 김재설 전문연구위원이 번역하고 전문가 의견을 제시한 것으로 ReSEAT(고경력 과학기술인 홈페이지)에서 발췌했다.>

Ⅰ 가정 폐기물을 에너지로 변환시키는 기구

1. 초록

가정 및 건축 폐기물을 파괴하여 수소가 풍부한 합성가스를제조하는 방법과 반응기 시스템을 기구로 형상화시켰다. 이 합성가스는 연료전지를 가동하여 전력을 발생시키거나 주거와 건물에서 사용하는 수증기와 난방 및 냉방에 사용함은 물론 차량의 수소 연료로 사용한다.수증기 개질의 흡열반응을 수행하는 폐기물 전환 반응기의열은 열이나 전기로 공급한다. 또는 천연가스 버너로 공급할수 있다. 이 반응기는 로터리 드럼으로 설계되어 정상적인 쓰
레기는 물론 변소의 고체 폐기물 자루를 집어넣게 되어 있다.유리와 금속은 이 드럼에서 녹지 않고 사이클이 완료되면 완전 살균되어 회수된다.

2. 발명의 배경

세계적으로 가정 폐기물의 에너지 함량은 엄청나다. 예를들면 미국에서 일인당 도시 고형 폐기물은 일일 대략 6kWh의 전력으로 전환될 수 있다. 미국에서 일인당 매일 평균 약7kWh를 소비하고 있음을 고려할 때 이는 실로 상당한 양이다. 단일 가족이나 소규모 연립주택에서 가정 폐기물을 유용하게 재순환하거나 에너지로 전환하는 기구는 없었다. 가장 가까운 기구는 쓰레기 압축기이다. 이 압축기는 쓰레기 부피를 줄여도 쓰레기 수집 비용이 현저히 절감되지 않아 성공적이지 않았다. 그 밖에도 운전상 문제도 많았다. 압축기 자루를 넣기가 어렵고, 심각한 악취를 피하기 위한 탄소 필터는소비품으로 수시로 대체해야 하며, 병과 깡통으로 고장이 잦고, 중심에 위치하지 않은 부피 큰 폐기물도 기계를 세우며, 쓰레기 중 날카로운 물체에 구멍이 난 자루는 불쾌한 냄새가 나는 생물학적 위험 액체를 누출하고 압축기를 정기적으로 사용해야 하며 기계 안의 부패하는 쓰레기를 회피하기 위하여 자루를 치워야 하는 필요성 등이다. 더구나 압축기는 에너지를 소비만 하고 생산하지 않는다.

3. 에너지 전환의 원리

에너지로 전환하는 기기는 세탁기/건조기 스택 같이 생긴폐기물 투입 모듈과 에너지 발생 모듈로 되어 있는 작고 간결한 기구로 가정 폐기물을 처리하는 새로운 방법이다. 본 기구는 배기, 전력, 가스, 하수와 물이 연결된다. 이 기구는 쓰레기의 무게를 크게 감소시키고 살균된 유리와 금속을 회수하여 쓰레기 매립장의 필요성을 일소하고 폐기물 중의 유기 화합물로 전력, 수증기와 열을 발생한다.쓰레기 투입 모듈은 수증기 개질의 흡열반응을 수행하며 폐열과 전력으로 가열된다. 이 모듈은 천연가스 버너로 가열될수도 있다. 이 모듈은 로터리 드럼이 있어 정상적인 쓰레기는물론 변소 고형 폐기물로 채운 자루를 넣는다. 이 드럼 안에서 유리와 금속은 녹지 않고 공정 사이클 후에 완전히 살균 회수된다. 보통 종이 또는 플라스틱 자루에 들어 있는 가정 폐기물은 건조기 같은 밀폐된 문을 통해 쓰레기 투입 모듈에 던져 넣는다. 문을 닫고‘on’단추를 누르면 쓰레기 처리가 시작된다. 자동적 사이클은 약 90분이다.

모든 유기질 쓰레기는 합성가스로 전환된다. 드럼에 남아 있는 살균된 유리와 금속은 냉각되어 가장 자리에서 수집 재순환된다. 쓰레기는 드럼 중앙의 뜨거운 가열기/수증기 개질기(SR :Steam reformer) 카트리지로 가열되면서 천천히 구르게 된다. 이 SR 중앙 실린더는 유도 가열 또는 천연가스로 가열된다. 가열된 쓰레기로부터의 증기는 SR 카트리지의 구멍 뚫린부분을 통하여 더 뜨거운 내부로 빨려 들어가 증기의 온도는약 1,050℃로 가열되고 쓰레기로부터의 수증기와 재순환된 합성가스와 반응한다. 카트리지를 떠나는 뜨거운 합성가스는 두 병렬 열교환기에서 70℃로 냉각되고 가스 세척층과 응축기를 통과한다. 여기서 분리된 물은 배수되거나 토양에 살포된다.

에너지 발생 모듈은 쓰레기 투입 모듈에서 생산된 합성가스를 받아들여 에너지 발생 모듈 안에 있는 연료전지가 전력, 수증기와 열로 전환한다. 특히 쓰레기 투입 모듈에서 세척된 가스를 송풍기가 빨아들여 연료전지의 음극으로 투입된다. 연료전지의 음극은 합성가스를 650℃의 CO2와 수증기로 전환하면서 합성가스 안의 H2와 CO로 전력을 생산한다. 이 뜨거운CO2와 수증기의 일부분은 쓰레기 전환 모듈의 드럼을 통하여SR 카트리지로 재순환하고 나머지는 열교환기를 통과하여 고온에서 열을 회수함으로써 가정용 온수를 생산한다.

연료전지의 양극( )에는 열교환기에서 뜨거운 합성가스로가열된 많은 양의 공기가 주입되어 그 중 산소가 전기화학적으로 연료전지의 촉매를 환원한다. 뜨거운 양극을 떠나는 약400℃의 질소는 수증기 발생, 난방, 냉방 또는 다른 용도로사용된다.

4. 본 발명의 선호되는 구현의 상세 설명

<그림> 스택으로 정렬된 가정 쓰레기를 에너지로 전환하는 기기

그림에서 쓰레기 투입 모듈 4는 위에 있다. 합성가스를 연료전지에 투입하여 전력, 수증기와 열 그리고 수소를 생산하는 에너지 발생 모듈은 하부에 위치한다. 쓰레기 투입 모듈 4는 밀폐 메커니즘, 회전축과 스윙 막대 8을 구비한 밀폐식 드럼 문 6을 장착한 쓰레기 처리 로터리 드럼 등의 조합으로 되어 있어 이 드럼 문을 여닫을 수 있다.외부 문 9는 드럼이 회전하여 쓰레기 처리가 진행될 때 돌려서 드럼을 닫는 드럼 문 핸들 위로 닫힌다. 에너지 발생 모듈 2는 연료전지와 열교환기, 송풍기, 밸브, 파이프 연결과 조정 기기를 함유한다. 이 두 모듈은 파이프 47로 연결되어 쓰레기 투입 모듈 4에서 생산된 합성가스를 에너지 발생 모듈 2에 주입한다. 파이프 50은 미반응 합성가스, 수증기와 이산화탄소를 에너지 발생 모듈 2에서 쓰레기 투입 모듈 4로 돌려보낸다.

드럼은 로터리 축과 공기를 배제하고 가스만 통과시키는 밀폐 장치를 중심으로 회전한다. 드럼 문 6은 회전하면서 동시에 드럼을 밀폐하도록 문 핸들 22가 밀폐 메커니즘을 가동한다. 핸들 22를 돌리면 축의 막대가 램프를 비켜서 드럼과 밀폐 장치의 압력을 배출하고 드럼을 열게 한다. 압력 감지기가있어 드럼이 돌아가고 열을 가하기 전에 드럼이 닫히고, 채워졌으며 압력이 밀폐되었음을 확인한다. 핸들 22는 스윙 막대8로 돌리기 때문에 안전상 외부 문 9로 보호할 필요가 있다.드럼의 외부 층은 몇 개의 층으로 단열되어 우수한 열효율을 보장한다. 모듈 2의 내벽도 완전하게 단열되어 있다.

외부벽은 또 유도 코일이 장착되어 있어 내부 가열이 가능하다.본 발명 구현의 한 형태는 쓰레기가 들어 있는 드럼을 유도코일로 가열한다. 쓰레기는 약 480℃로 가열되며 수증기 개질 반응이 시작된 다. 중앙 원통형 튜브 안에서 합성가스는약 1,100℃로 가열되며 수증기 그리고 CO2와 반응하여 매우뜨거운 합성가스를 형성하며 900℃ 로 합성가스 관 47을 통하여 중앙 카트리지를 나간다. 구멍이 뚫린 튜브에는 제거 가능한 필터 카트리지가 있어 따라들어 오는 고형 입자를 포획한다.매우 뜨거운 합성가스 47은 열 회수 교환기에서 CO2와 수증기를 함유한 650℃의 유체에 의해 700℃로 냉각된다. 공기는 송풍기에 의해 열교환기에서 가열된 후 연료전지의 양극으로 들어간다. 연료전지의 음극 배출 가스는 약간의 미 전환합성가스가 있는데 이는 다시 수증기 개질 드럼으로 재순환될 수 있다.

열교환기를 나온 가스는 약 850℃로 Brayton 사이클 터빈을 돌려 추가적 전력을 얻고 그 배기가스로 판매용수증기를 발생시키거나 다른 유용한 목적에 사용할 수 있다.그 중 하나는 압력 스윙 흡착기에 주입하여 수소를 생산한다.열교환기를 통과한 합성가스(열-교환 된 원래의 합성가스47)는 약 700℃의 온도로 제2의 열교환기에서 주입 공기와열 교환한다. 여기에도 제2의 코일이 들어 있다. 차가운 공기는 620℃의 온도로 가열되어 연료전지로 주입된다. 공기는 양극에서 전기적으로 환원되어 약 650℃의 질소가되는데 제3의 열교환기에서 130℃로 냉각되며 가정용 온수같은 유용한 열을 생산한다. 공기와 열 교환으로 80℃의 온도가 된 합성가스는 흡수 충전층에서 연료전지에 해로운 염소,황과 그 밖의 불순물을 제거한다. 여기서 생긴 응축수는 하수도로 나간다. 약 130℃의 세척된 합성가스는 송풍기에 의해 제3의 열교환기에서 650℃의 온도로 가열된 후 연료전지의음극으로 주입된다. 천연가스, 프로판 또는 다른 가스 연료로연료전지를 시동시킬 수 있다.

수증기 개질 카트리지는 동심원의 이중 환형 원통으로 되어있으며 로터리 드럼 벽에 고정되어 드럼이 회전할 때 로터리밀폐장치에 의해 밀폐된다. 발생된 가스는 카트리지의 외부환형 원통을 통과하며 가열되고 그 끝에서 더 뜨거운 내부 환형 원통을 거쳐 출구로 나간다. 튜브 내의 카트리지 중앙은매트릭스 버너에서 연소하는 연료가스의 복사열로 가열된다.이 버너의 연소 배기가스는 합성가스의 출구와는 다른 출구로 나간다. 중앙 가열기는 전기 저항 가열기, 유도 가열기 또는 열을 발생하는 다른 방법을 사용할 수 있다.

Ⅱ 바이오에너지 생산 자원으로 가축 폐기물

1. 서론
지난 몇 십 년 동안의 가축 밀집 사육의 확립은 축산업의 경제적 타당성과 환경 유지를 위한 최신 폐기물 관리 시스템을 필요하게 하였다. 더구나 에너지 가격의 상승과 석유 공급에 대한 우려는 가축 폐기물로 부터 바이오연료 생산에 대한 관심을 고조시키고 있다. 현재 미국에서 가축이 연간 3천 5백만톤(건조기준)의 바이오매스/분뇨를 생산하는데 이는 미국 농업분야가 생산하는 지속가능한 바이오매스 전체의 18%를 차지한다.

가축 폐기물에서 바이오에너지 전환은 연간 수입 창출, 농장 수입을 다변화시키는 이익 소재로 전환할 잠재력을 가졌다. 유기질 바이오매스 전환에는 생물화학적 공정과 열화학적 공정의 두 기본 공정이 있다. 이 공정으로 악취, 부피의 절감, 영양분의 회수, 오염의 절감은 물론 분뇨에서 에너지 회수 문제를 해결할 수 있다. 생화학적 전환이란 생물체 또는그 생성물을 연료로 전환하여 기체와 액체 연료를 생산하는것이다. 열화학적 공정은 고온을 이용한 바이오매스의 물리적 전환으로 유기물질의 결합을 파괴하여 합성가스, 탄화수소 연료 또는 잔여 숯으로 개질하는 것이다.

2. 생물학적 전환
생물학적 처리에 의한 폐기물에서 바이오에너지 전환 기술은 혐기성 소화가 대표적으로 가연성 바이오가스를 생산한다. 조류(藻類) 같은 광-생물학적 미생물 공정이나 바이오수소 생산 공정 같은 발효공정도 실험실 규모로 보고되고 있다. 그 보다도 덜 알려진 이산화탄소와 메탄의 효소 전환을 통한메탄올의 생물학적 생산이 있다.

?혐기성 소화 : 혐기성 소화(AD : Anaerobic Digestion)는 혐기성 미생물에 의하여 복잡한 유기질 폐기물이 파괴되고 주로 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)인 바이오가스가생산된다. AD 공정은 가수분해, 발효와 메탄화의 세 단계를 거친다. 가수분해는 화합물을 파괴하여 수용성 성분으로 만든다. 이들을 발효성 박테리아가 알코올, 아세트산, 그 밖의 휘발성 지방산(VFA : Volatile Fatty Acid)으로전환할 때 H2와 CO2를 함유한 가스가 발생한다. 이들 중 간생성물은 메탄 생성 균의 신진대사를 통하여 CH4(60~70%), CO2(30~40%)와 그 밖의 가스가 발생한다. 이 메탄 생산은 온도, 유기질 부하율(OLR : Organic Loading Rate)과 수력학적 체류 시간(HRT : Hydraulic Retention Time) 등에 민감하다.

ㆍ덮개 있는 연못 소화기(CLD: Covered LagoonDigester) : 개방된 혐기성 연못은 가장 고장과 보수가 적은 돼지와 젖소의 폐액 처리 시스템이다. 그러나 CO2, CH4 같은 GHG와 그 밖에 악취 나는 중간생성물(황화수소, 암모니아, 페놀 등)의 방출을 초래한다. 따라서 불 투과 덮개로 연못을 덮어 바이오가스를 수확할 필요가 있다. 수세식의 물 과잉 사용은 분뇨를 희석하여 OLR을0.05에서 0.2㎏ COD/㎥/일 범위로 감소시킨다. 이 폐수는 60일부터 1년까지 CLD에 남는다. 이 CLD 시스템의소화 온도는 주변의 계절적 온도에 따르므로 메탄 생산은 계절에 따라 변한다. 넓은 토지가 필요하고 덮개 보수와 지표수 오염 가능성이 CLD의 장애가 되고 있다.

ㆍ최근 노스캐롤라이나의 돼지 농장에 설치된 고밀도 폴리에틸렌 덮개를 가진 24,480㎥의 CLD는 배출수의 휘발성고체(VS : Volatile Solids) 농도와 COD를 각각 88.0%와 92.5% 절감하였는데 그 평균 OLR은 0.07㎏VS/㎥/일과3.80㎏COD/㎥/일이었다. 바이오가스 생산량은 겨울의 0.0194㎥/㎥/일로부터 여름에 0.0388㎥/㎥/일까지 계절
적으로 변하지만 CH4 농도는 63.7%로 일정하였다.

ㆍ완전 혼합 : AD의 바이오가스생산 성능은 일차적으로 체류시간 그리고 기질 입자와 박테리아의 접촉 정도에 결정된다. 내용물 혼합은 설치비와 운전비를 추가하지만 더 균일한 분뇨/박테리아 혼합으로 열전달과 고체의 현탁에 도움이 된다.Lusk(1998)의 연구에 따르면 소화기 내용물의 혼합은 HRT를 몇 개월에서 10에서 20일 범위로 대폭 줄이며 바이오가스 생산도 1.0에서 1.45㎥/㎥/일 범위로 현저히 개선한다.

ㆍ고정 필름 : 고정 필름 소화는 혐기성 미생물이 부착 성장하여 바이오 필름을 형성하는 비활성 매질로 채운 탱크를 사용한다. 이 필름을 통과하는 기질과 접촉하며 미생물이번성한다. 따라서 폐기물의 에너지는 하루에서 엿새 차원의 훨씬 짧은 체류시간으로 회수된다. 플로리다의 시범소화기는 VS와 COD가 각각 2,210과 3,530㎏/㎥의 가축 분뇨를 처리하는데 HRT 값 3에서 5일의 상온(27℃) 가동으로 80%의 CH4 함량인 0.45㎥/㎥/일의 바이오가스를생산한다.

ㆍ플러그-흐름 : 플러그-흐름 소화기는 정기적으로 미처리 분뇨의‘플러그’를 받고 반대쪽으로 소화된 폐기물을 내보내는 반연속적 비혼합 시스템이다. 보통 체류시간은 20일과 30일 사이이다. 플러그-흐름 소화기는 파이프를 순환하는 뜨거운 물로 중간 온도를 유지하는 지하의 정사각형 소화기에서 바이오가스를 생산한다. 그러나 모래나 목질깔개를 함유한 분뇨에는 적당하지 않다. 플러그-흐름 소화기는 HRT 21에서 40일 범위에서 CH4 함량 64%의 바이오가스를 0.367과 0.786㎥/㎥/일 범위에서 생산한다.

ㆍ바이오수소 생산 : 성숙한 기술인 혐기성 소화와 달리 생물학적 수소 생산은 새로운 연구 분야로서 현재 세 기본
공정이 있다.

ㆍ조류(藻類)의 광합성에 의한 H2 생산 : 조류는 광합성으로물 분자를 수소 이온(H )과 산소로 분리하는데 이 수소
이온은 뒤이어 수소화 효소에 의해 H2로 전환된다. 수소화 균은 산소가 활성을 억제함으로 조류 배양은 혐기성
조건이어야 한다. 이 공정은 두 단계를 거친다. 먼저 호기성 단계에서 조류가 광합성으로 성장한다. 둘째는 혐기성분위기에서 조류로부터 황을 박탈하여 수소의 생산을 촉진한다. Melis와 Happe(2001)는 이 방법으로 녹색조류
의 최대 이론적 H2 생산은 80㎏/에이커/일이라 밝혔다.

ㆍ광 발효에 의한 H2 생산 : 아세트산, 낙산(