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ISSN : 2093-2332(Print)
ISSN : 2287-5638(Online)
Journal of Korea Society of Waste Management Vol.29 No.8 pp.785-792
DOI : https://doi.org/10.9786/kswm.2012.29.8.785

MBT 공정개선에 따른 RDF 수율 및 특성변화에 관한 연구

조미현, 이병진*, 이재영
서울시립대학교 환경공학과, *(주)태영건설

Effect of Modified MBT Process on the RDF Yield and Characteristics

Jai-Young Lee, Mi-Hyun Jo, Byung-Jin Lee*
Department of Environmental Engineering, The University of Seoul
*Taeyoung Engineering & Construction Co., Ltd.
Received 31 October 2012 : Accepted 6 December 2012

Abstract

The refuse derived fuel (RDF) is available for renewable energy which can use alternative fuel to utilize recyclingmunicipal solid waste (MSW). The RDF plant where can produce 100 ton/month of RDF, the largest manufacturing plantin Korea so far, were investigated in this study. The actual operated RDF yield showed 21.7% that was lower than expectedyield; originally designed value was 25.0% in this plant. The cause of these results was that difference betweenphysicochemical properties of MSW applied this plant originally and actual incoming it. The MSW affected to makeseparation efficiency of MBT process decreasing. It led to reduce amount of combustible material which needed for RDFafter separating process. The each element of facilities was modified; decreasing width of the blade of a shadder from110 mm to 63 mm, reducing the size hool of trommel screen to possible separating under 40 mm of MSW, increasingheat capacity of dryer from 2,000 Gcal/hr to 2,500 Gcal/hr, and conveyor type changed to prevent path MSW away duringmoving into each process and so on. After modifying facilities, got more combustible materials which were once lostand RDF yield increased to 30.9%. Whereas, low heating value of RDF was 4,725 kcal/kg, 0.8% of chlorine on averageand other parameters were satisfied with domestic standard of RDF regardless of modifying MBT facilities.

29-8(12).pdf1.09MB

I. 서론

 최근, 기후협약에 의한 이산화탄소 규제, 지구온난화 등의 환경 문제로 신재생에너지의 중요성이 더욱 부각되고, 인구증가 및 산업화로 인한 폐기물 발생량 증가하였다. 또한, 반입폐기물 중 가연분의 함량이 증가하고 발열량이 높아지며 과거 저발열량 생활폐기물의 소각방식이 달라짐에 따라 폐기물 발열량 변화에 대한 대응능력이 요구되고 있다.

 폐기물 소각은 RDF(Refuse Derived Fuel; 폐기물 고형연료)1) 연소보다 더 낮은 발열량을 나타내 불완전연소로 인해 유독물질이 배출될 가능성이 더 크며, 잠재에너지를  효율적으로  회수하지  못한다2).  따라서 MBT(Mechanical Biological Treatment; 기계적-생물학적 처리공정을 결합시킨 시스템)시설3-4)을 도입하고, RDF를 제조함으로써 재활용 자원인 가연성폐기물을 신재생에너지원으로 적극 활용하는 것이다. 우리나라도 국내 폐기물 성상에 적합한 고형연료화 기술 개발과 RDF의 품질, 규격, 활용처, 관리방안 등에 관한 법률제도도 마련되어, RDF 관련 산업이 체계적으로 발전하고 있다.

 최근 유럽에서도 분리수거 시스템의 개선으로 과거생활폐기물과 혼합되어 반입되던 정원폐기물과 같은 유기성 폐기물이 분리되고, 플라스틱 및 비닐 함량이 높은 소규모 사업장의 사업장폐기물이 반입되어 RDF의 발열량이 높아졌다. 또한, 유럽 연합은 앞으로 각국가마다 원료와 공정에 따라 정의가 달라 RDF 품질표준화를 위해 RDF를 SRF(Solid Recovered Fuel; 에너지회수를 위해 사용되어질 수 있는 비유해성 폐기물에서 만들어진 연료)라 정하였다5-8). MBT시설의 반입폐기물을 생활폐기물로 한정하지 않고, 사업장폐기물 등으로 확대 폐기물로부터 고형연료를 생산하는 물질재활용 방법(Material Recycling)이 아닌 폐기물을 이용하여 열을 생산하는 방법(Energy Recovery)으로보며, 이는 폐기물의 연료9)로서의 가치를 좀 더 확보하기 위한 일환으로 보인다.

 2010년 우리나라 신재생에너지 공급량은 1차 에너지의 2.61%에 해당되며, 이 중 폐기물에너지는 70.9%로 신재생 에너지의 많은 비중을 차지하고 있다. 그러나 2030년까지 신재생에너지 보급 목표인 11%10)를 달성하기 위해서는 RDF 수율 증대에 대한 다양한 방면의 지속적인 연구가 필요하다. Vera et al.11)은 RDF 생산공정의 물질 흐름 분석을 통해 RDF 내 중금속 및 염소 함량 저감을 위한 연구를 수행하였고, Scoullos et al.12)은 기계적 선별 시설에서 생산된 RDF의 구성 성분과 화학적 특성에 대한 연구를 수행하며, 두 선행 연구 모두 수율을 언급하기는 하였지만 RDF 품질 향상에 대한 연구에 더 초점이 맞추어져 있어 MBT공정에 따른 RDF 생산량 및 수율 증대에 대한 연구는 미미한 실정이다.

 따라서 본 연구에서는 RDF 제조시설의 기계적전처리시설의 특성을 파악하고, 본 시설 설계 시 적용했던 폐기물의 특성과 실제 현장 반입폐기물의 성상 비교를 통해 전처리시설을 개선함에 따라 RDF 수율 변화 및 국내 고형연료 기준에 따른 RDF특성을 알아보고자한다.

II. 대상시설 및 연구방법

1. 대상시설

 본 연구를 수행한 RDF제조시설은 반입폐기물 처리량 200 ton/day, RDF 생산량은 100 ton/day(Max)으로 국내 정상가동 중인 시설 중 가장 많은 양을 처리하고 생산할 수 있다. 제조된 RDF는 제지공장의 연료로 전량공급하고 있다. Fig. 1은 RDF제조시설의 공정을 나타낸 것으로, 크게 반입→파봉 · 파쇄 → 선별 → 분쇄→건조→성형→반출 공정으로 구성되어 있다. 선별공정은 트로멜 스크린, 디스크스크린, 진동스크린, 유기물선별기, 풍력선별기, 광학선별기, 가연물 분쇄기, 비철금속 선별기 등 9여개의 설비로 입도선별, 비중선별, 자력선별, 광학선별을 거쳐 가연성폐기물을 선별한다. 이 중 광학선별기는 RDF 연소 시 다이옥신 발생 최소화를 위해 근적외선(Near-infrared)을 이용하여 폐기물 내 염소계 유기화합물을 선별한다. 선별 공정을 거쳐 분리된 가연성폐기물은 건조설비에 의해 함수율 10 wt% 이내로 건조되고, 가연물 저장조에 일시 저장된 후 고형연료 성형설비로 공급된다13). 성형기로 공급된 가연성폐기물은 소석회와 혼합되어 정량공급장치에 의해 RDF 성형기(Ring Dies Type)에 공급되어 직경 20 mm 이하, 길이 50 mm 이하로 성형된 후, RDF 냉각기로 유입되어 40℃(최대)로 냉각된다. Fig. 2는 동플랜트에서 제조된 RDF(Pellet type)의 모습이며, 평균길이는 45.1 mm, 직경은 18.2 mm이다.

Fig. 1. The flow chart of RDF Plant for this study.

Fig. 2. The shape of refuse derived fuel.

2.연구방법

 첫째, 일반적으로 RDF 수율은 RDF생산량/반입폐기물량의 비11-12) 로 표현되는데, 상기 플랜트 설계 시 기대수율과 현장 RDF 수율을 비교하였다.

 

 둘째, 기대값과 실제 현장 값의 차이가 나타나는 원인을 분석하기 위해 기계적전처리시설을 통해 입도선별, 비중선별, 광학선별 과정을 거치며 유기물 및 불연물 반출 암롤박스로 유실된 가연물 함유량을 조사하였다.

 셋째, RDF 제조시설 설계 시 적용됐던 폐기물의 물리·화학적 성상과 실제 현장의 반입폐기물 성상을 비교하고, 기계적전처리시설의 선별률, 건조기 성능 등의 분석을 통해 RDF수율 저하 요인을 해결할 수 있는 방안에 대해 모색하고 본 시설을 개선하였다.

 넷째, RDF 제조시설 개선 전 후 RDF 수율 및 품질비교를 위해 발열량(Parr 1261, Parr, USA), 염소는 Ion Chromatography(ICS-1000, Dionex, USA),  황은 Elemental Analyzer(Flash 2000, Thermo Fisher Scien-tific, UK), 삼성분(수분, 가연분, 회분), 중금속 12항목은 ICP-AES(Genesis, Spectro, USA)을 통해 분석을 수행하였다.

 실험 수행 기간은 약 12개월로 대부분 값은 개월 단위로 산정하였다. 또한, 본 연구는 실증화된 현장 중심의 실험으로서 RDF생산의 여러 변수를 고려한 전체의 RDF수율 변화를 고려하였다.

III. 결과 및 고찰

1. RDF 수율 비교

 RDF 제조 시설 설계 시 기대 수율과 실제 현장 운영 시 수율을 비교하였다. 기대 수율은 시설 준공 시 성능시험을 통해 반입폐기물 성상대비 RDF의 생산량을 측정하여 산출된 값으로 25.0%이다. 반면 실제 현장 운영 시 반입폐기물양은 2,592.0 ton/month, RDF생산량은 561.7 ton/month로 RDF 수율은 21.7%로, 기대수율보다 다소 낮은 수치를 나타냈다.

2. RDF수율 저하 문제점 및 인자 분석

2.1. 반입폐기물 성상변화에 따른 공정효율 저하

 RDF 기대 수율은 25.0%였으나, 실제 현장의 RDF수율은 21.7%로 나타났다. 수율이 다소 낮게 나타난 이유는 기존 수율 계산 시 적용된 반입폐기물의 성상과 실제 반입된 폐기물의 성장 차이에 인한 것으로 판단된다. Table 1과 같이 기존에 적용한 폐기물의 수분함량은 19.0%였으나 실제 반입폐기물의 수분 함량은 44.4%로 25.4% 더 높게 나타났다. 또한, 기존 적용된 겉보기 밀도는 129.0 kg/m3인데 반해 실제 반입폐기물의 겉보기 밀도는 232.3 kg/m3로 1.8배 더 높았으며, 습윤저위발열량은  기존  대비 60.5%  낮은  수치인 2,535 kcal/kg으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 설계상 적용했던 폐기물 성상과 실제 반입 폐기물 성상의 차이를 보이는데서 발생한 각 전처리 공정의 문제점을 파악하였다.

Table 1. The characteristics variation of municipal solid waste

 Fig. 3은 삼성분에 대한 차이를 나타낸 그래프로 본 연구 시설에 적용된 수치보다 회분 함량은 감소했으나 수분 함량이 크게 차이나며 가연물 함량이 14.7% 더 낮은 것으로 나타났다.

Fig. 3. The difference of characteristic between two municipal solid waste.

 또한, 종량제 봉투 내에 분리가 안 된 생활폐기물(black bag MSW)5)이 다량 포함되어 있으며, 함수율이 높고 겉보기 비중이 다소 높은 비닐류가 뭉쳐 적절히 파봉·파쇄 되지 않고 선별설비로 이송되어 입경 분리시에도 영향을 미쳤다고 판단된다.

2.2. 선별률 저하에 따른 가연성폐기물 유실

 Table 2는 입도 40 ~ 300 mm의 불연성 폐기물이 배출되는 불연물 컨테이너와 40 mm 이하의 유기성폐기물이 배출되는 유기물컨테이너에서 발견된 가연분의 함량을 나타낸 것으로, 불연물량 367.5 ton/month의 64.5%(237.2 ton/month)가 가연물로 측정되었으며, 유기물량은 598.8 ton/month으로 32.6%(194.9 ton/month)의 가연분이 포함되어 있었다. 선별 공정을 거친 후 건조 및 성형 공정으로 투입되어야할 가연성폐기물이 불연물, 유기물 컨테이너로 유실되며 RDF수율 저하에 영향을 미쳤다.

Table 2. Combustible material in each container (Unit : ton/month)

2.3. 함수율 변화에 따른 효율 저하

 기계적전처리설비에 의해 선별된 가연성폐기물은 건조기에서 함수율 10% 이내로 건조되는데, 실제 반입 폐기물의 함수율이 당초 기준 대비 약 2.3배 더 높아 건조기 성능에 영향을 미칠 것으로 사료되었다. 따라서 각기 다른 함수율의 폐기물의 건조 전 후 함수율을 비교해 본 결과, Table 3에 나타낸 바와 같이 함수율 30.9%, 49.0% 함수율인 폐기물의 건조 후 함수율은 각각 10.0%, 12.4%로 유사한 값을 나타내며 건조성능의 우수성을 보였다. 반면, 폐기물 처리량이 각각 8,099 kg/hr, 5,855 kg/hr로 나타나며 함수율이 높을 경우 열풍량 증대로 인한 건조기 과부하를 유발해 처리량이 감소함을 알 수 있었다.

Table 3. Efficiency of dryer

2.4. 전처리 시설에 따른 효율저하

 이송 컨베이어의 급격한 각도(약 37º)로 낮은 겉보기 밀도를 갖는 비닐류 및 기저귀류와 같은 원형폐기물이 미끄러져 컨베이어 외로 이탈되는 현상이 발생하였다. 또한, 풍력선별기 내부 컨베이어는 폭이 좁고, 바람출구와 컨베이어 벨트 간의 거리가 멀어 풍압에 의해 이송된 가연물이 풍력선별기 후단에 위치한 광학선별기로 제대로 이송되지 못하는 것으로 판단되었다.

3. 전처리시설개선에 따른 RDF수율 변화

 Table 4는 RDF수율을 증가시키기 위해 수행한 기계적전처리시설 개선 사항을 나타낸 것이다.

Table 4. Specification of modified MBT facilities

 Fig. 4는 전처리시설 개선 후 입도별 가연성폐기물 선별률 변화를 나타낸 것으로, 개선 전 입도 40 mm 이하의 가연성폐기물은 유기물 컨테이너로 배출되어 선별률이 64.5%였으나, 개선 후에는 유실되던 가연물이 회수되어 95.3%로 증가하였다. 또한, 40 ~ 300 mm 이하의 가연성폐기물은 불연물 컨테이너로 배출되며 선별률이 32.6%였으나, 개선 후 52.7%로 증가하였다.

Fig. 4. The comparison of separation ratio for combustible materials.

 이와 같이 기계적전처리공정에서 유실됐던 가연성폐기물을 회수하며 RDF 수율도 증가하였다. Fig. 5는 RDF 생산량과 수율 변화를 나타낸 것으로 개선 전 RDF 생산량은 561.7 ton/month, 수율 21.7%인데 반해 개선 후 RDF생산량은 800.6 ton/month, 수율은 30.9%로 증가하였다. Fig. 6은 개선 전 후 월별 반입폐기물 처리량과 RDF 생산량을 비교한 것이다. 개선 전 5월부터 9월까지 평균 반입폐기물 처리량은 1,958.4 ton인 반면 개선 후 10월 반입폐기물 처리량은 2,848.7 ton으로 약 1.5배 증가하였고, RDF생산량은 개선 전 평균 453.1 ton인 반면 개선 후 914.5 ton으로 약 2.0배 증가하였다.

Fig. 5. The variation of productivity and yield for refuse derived fuel.

Fig. 6. The trend on MSW & RDF amount after modification14).

4. RDF 특성 고찰

 기계적전처리시설 개선 전 후 제조된 RDF에 대해 물리화학적 특성 분석을 수행하였다. Table 5는「자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률 시행규칙」(별표 7)은 “고형연료제품에 대한 품질 및 등급기준”으로 이에 따른 만족여부를 확인한 결과, 개선 전 후 모두 주어진 품질 및 등급기준을 만족하는 것으로 나타났다. Table 6은 제조된 RDF의 물리화학적 특성을 나타낸 것으로서, 개선 전 길이는 45.1 mm, 개선 후는 42.2 mm로 거의 같은 값을 나타냈다. 개선 전 RDF의 평균 저위발열량은 4,692 kcal/kg, 개선 후는 4,758 kcal/kg로 유사한 값을 보였다. 염소와 황의 함량은 각각 0.8%, 0.1%를 나타냈고, RDF의 가연물 함량은 개선 전 후 각각 81.7%, 82.2%를 보였다. 따라서 본 연구 시설에서 제조된 RDF는 국내 규정에 따라 발열량 3등급, 염소 2등급에 만족함으로서 대기오염물질 발생 가능성을 최소화한 연료로서의 활용 가치를 확인하였다.

Table 5. Grade of RDF in the domestic15)

Table 6. The physicochemical properties of refuse derived fuel

 Fig. 7은 기계적전처리시설을 거쳐 RDF로 제조되는 과정 동안 함수율 변화를 나타낸 그래프로, 반입폐기물의 평균 함수율은 49.8%, 선별 공정을 거친 후에는 42.0%, 건조 후 9.4%, 성형 후 9.2%의 변화를 보였다. 이를 통해 반입된 폐기물은 선별 공정을 거치며 수분이 약 7.8% 유실되며, 건조 및 성형 공정에서는 함수율이 달리 변하지 않는다는 것을 알 수 있었다.

Fig 7. The moisture content variation between MSW and RDF.

 Table 7은 시설 개선 전 후 RDF의 중금속 함량을 나타낸 것으로, 수은은 각각 1.15 mg/kg, 0.08 mg/kg, 납은 39.52 mg/kg, 13.03 mg/kg, 카드뮴과 비소는 불검출로 나타나 RDF 품질 기준에 만족하였다.

Table 7. The results for heavy metal content in refuse derived fuel (Unit : mg/kg, dry basis)

IV.결론

 본 연구를 통해 RDF 수율 증대에 중요한 인자는 반입폐기물 중 가연성 폐기물의 최대 선별과 이를 위해 실제 현장 반입폐기물의 성상을 정확히 파악하여 전처리시설에 적용하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

 1. RDF의 현장 운영 수율이 설계 시 기대 수율보다 약 4% 낮게 나타난 원인은 기대 수율 계산 시 적용된 폐기물의 성상과 실제 반입폐기물의 성상 차이로 인한 것이라 판단되었다. 실제 현장의 반입 폐기물은 겉보기 밀도가 1.8배, 수분함량은 2.3배, 저위발열량은 1,655 kcal/kg 더 낮은 값을 나타냈다. 이러한 성상의 변화로 파봉·파쇄와 입도선별이 적절히 이루어지지 않았으며, 후 공정에도 연속적으로 영향을 미치며 건조기로 투입되어야 할 가연성 폐기물이 유실되었다고 판단된다.

 2. 파봉·파쇄기의 칼날 간 거리와 구조 및 회전속도변경, 트롬멜스크린 홀 사이즈 축소, 디스크스크린축 간 거리 축소, 이송 컨베이어 형태 변경, 풍력선별기 내 컨베이어 벨트 각도 하향 조절, 건조기의 체적 증대 등을 통해 선별공정에서 불연물 및 유기물 배출 컨테이너로 유실되던 가연물량이 감소하여 개선 전 RDF생산량 561.7 ton/month, 수율은 21.7%인데 반해 개선 후 RDF생산량은 800.6 ton/month, 수율은 30.9%로 증가하였다.

 3. RDF의 물리화학적 특성을 분석한 후「자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률 시행규칙」(별표 7)의 기준에 따른 만족여부를 확인한 결과, 개선 전저위발열량은 4,692 kcal/kg, 염소 함량 0.8%, 개선 후 발열량은 4,758 kcal/kg, 염소함량 0.7%로, 시설 개선에 따른 RDF 물리화학적 특성은 별다른 변화를 보이지 않았으며, 개선 전 후 모두 국내 품질기준에 만족하는 것으로 나타났다.

 따라서, 위와 같은 연구 결과를 통해 RDF의 수율 변화는 반입폐기물의 성상(겉보기밀도, 함수율 등)과 RDF 전처리시설의 기계적 장치가 지대한 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.

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