열중량 및 시차주사열량 분석에 의한 RDF 열분해 특성

김홍기, 이세일, 김재호*, 이재구*

서남대학교 환경화학공학과, 한국에너지기술연구원 에너지환경연구부*

Characteristics of Refuse Derived Fuel(RDF) Pyrolysis

by a Thermogravimetric and Differential Scanning Calorimetric Analysis

Hong-Ki Kim, Se-Il Lee, Jae-Ho Kim*, Jae-Goo Lee*

Dept. of Environmental and Chemical Engineering, Seonam University

Energy Environmental Division, Korea Institute of Energy Research(KIER)*

서론

폐기물 처리를 대별하면 리사이클, 소각, 매립 등이 있다. 이 가운데 자원보호의 관점에서는 리사이클이 중시되었다. 최근 전까지만 해도 고체 폐기물은 단지 처리문제에 관해서만 고려되어 왔는데 산업폐기물은 에너지 재활용으로 가능케 하기 위하여 고형 연료화(RDF : Refuse Derived fuel)를 통해 물리적 특성이나 연소특성을 향상시키기 위해 기계적으로 분리 및 성형되어 제조된다. RDF가 MSW(Municipal Solid Waste)나 고형 폐기물에 비해 가지고 있는 장점은 연소의 균질성 확보와 운반 및 저장이 용이하고 부패와 변형이 없다는 것이다. RDF 특성을 정의하는데는 공업분석 및 원소분석을 이용하였다. RDF에서 여러가지 구성물의 실제 양은 아직까지는 정확하게 알 수 없는 점을 내포하고 있다. 따라서 RDF의 특성에 대해 파악할 필요가 있다. 그 이유는 특히, 플라스틱과 같은 key component의 일부분에서 연소특성과 관련된 변화가 일어날 수 있기 때문이다. RDF 주요한 두 가지 루트는 폐기물로부터 열에너지를 회수하기 위해서는 소각이나 가스화 기술이 이용될 수 있다. 소각 및 가스화 공정에서는 초기에 열분해 과정을 수반하므로 열분해 특성에 대한 올바른 분석은 매우 중요하다. 고정층 반응기에서 소각이나 가스화할 때 MSW는 휘발화 되지 못한 성분들이 많으며 가열속도가 느리고, 혼합이 불충분하거나 산소 농도가 낮은 요인으로 인한 특성이 있다. 따라서 본 연구는 RDF의 열분해 특성을 파악하기 위해 주요 구성물(key component)이 고려되었고 실험실적으로 제조된 것과 상업화 규모로 제조된 것를 이용하여 폐기물 열분해에 대해 기초적인 정보를 제공할 것이다. 따라서 3가지 RDF 및 주요 구성물에 대해 TGA 및 DSC 결과를 제시하였다.

실험

1) 시료

본 연구의 실험에 사용된 시료는 H사(H-RDF)와 T사(T-RDF)와 자체 제조한(E-RDF)를 포함한 3가지 RDF을 사용하였다. 이 RDF 중 T사와 자체 제조한 RDF는 사업장 폐기물을 대상으로 했고 H사의 RDF는 생활 폐기물을 대상으로 1차 분쇄, 2차 분쇄의 공정을 거쳐 200℃로 가열, 압축 공정에 따라 원기둥 형태로 제조되었다. 제조된 RDF는 TGA나 DSC에서 소량 시료로 사용되어야 하기 때문에 실험실에서 분말 형태로 다시 만들어졌다. 미세한 분말을 얻기 위해서 RDF 분쇄 시료를 이용한 이유는 작게 분쇄된 시료는 실험 자료의 재현성 증가 및 시료의 불균일성을 최소화하고, 열분해 과정에서 열 및 물질전달의 영향을 최소화할 수 있기 때문이다.

2) 실험 방법

□ TGA 실험

실험에 사용된 TGA(TG-2171, Thermo Chan)는 1700℃까지 온도상승이 가능한 고온 TG로서 중량측정은 최대 100g, 감도 0.1□까지이며 등온 및 비등온 실험이 가능하다. 온도계는 K-type TC를 사용하여 온도를 측정하였다. RDF 열분해는 순수한 질소 분위기하에서 TGA의 승온 프로그램에 따라 시료의 무게 손실 변화로부터 측정되었다. 승온속도 15℃/min을 유지하여 시료 50mg을 Qurartz 도가니에 넣고 실험 하였다. 열분해 생성물로부터 장치를 보호하기 위해 110ml/min의 질소가 상부로부터 공급되었고, 시료의 산화와 열분해 생성가스를 제거하거나 열분해 영역으로의 공기가 유입되는 것을 방지하기 위해 질소가 하부로 100ml/min로 공급되었다.

□ DSC 실험

TG  시차주사열량 분석기(DSC-550, Instrument Specialists, Inc)는 열분해 과정에서 발열 또는 흡열되는 양을 측정하기 위해서 이용하였다. DSC-550를 이용해서 10℃/min의 승온 프로그램으로 온도에 따른 열의 출입량을 측정했다. Purge gas는 질소를 사용했고 3종류의 RDF 분말과 종이, 섬유, 목재, 음식물, 그리고 플라스틱(PE)을 작은 discs에 압축해서 실험을 수행하였다.

결과 및 토론

3종류의 RDF와 key component 열분해 거동을 비교하기 위해서 본 연구에서는 다른 유사한 물질로서 잘 특성화될 수 있는 물질을 선택하였다. 그리고 각각의 RDF와 key component의 공업분석과 원소분석을 Table 1.과 Table 2.에 나타내었다. RDF는 출처나 구성물이 광범위하기 때문에 실제로 분석에서 난해한 점이 있지만 key component의 대표성을 이용해서 RDF를 분석할 수 있다. 플라스틱류(PET, PP, PS)는 RDF내에 포함되어 있는 물질이지만 그다지 많은 비율를 차지하지 않고 PE가 가장 많은 비중을 차지하고 있기 때문에 대표성이 주어졌다. RDF 열분해 거동을 해석하기 위해서 key component의 열분해 거동의 자료는 Fig 2.에서 보여주고 있다. 종이, 플라스틱, 목재와 같은 key component의 실제 비는 다소 불확실하고 그것을 알아내는데는 쉽지 않지만 RDF의 C/H/O의 비를 보게 되면 셀룰로오스와 유사하기 때문에 주로 셀룰로오스 물질로 구성되어 있다는 것을 알 수 있다.

Fig 1.과 Fig 2.에서는 RDF와 key component 대한 TGA 곡선이 얻어졌다. Fig 1.에서는 3가지 RDF는 정성적인 반응이 유사함을 알 수 있고 두 개의 뚜렷한  무게 손실 단계가 나타남이 특성이다. Fig 2.의 TG 결과는 (1)PE (2)종이 (3)섬유 (4)목재 (5)(6)음식물을 보여주고 있다. 자체 제조한 E-RDF의 RDF 곡선을 보면 첫번째 단계는180oC 부근에서 셀룰로오스 물질 분해됨을 Fig 2.와 비교함으로써 알 수 있다. 두번째 단계는 350-450℃ 사이에서 열분해가 일어나는데 이 단계는 플라스틱 분해 단계임을 알 수 있다. 따라서 셀룰로오스 물질(종이, 목재)과 플라스틱(PE) 물질이 일치됨을 알 수 있다. 또한 열분해 온도가 증가함에 따라 잔류량은 감소하게 되고 450℃ 보다 높은 온도에서 잔류량은 대부분 온도에 대해 독립적임을 알 수 있었다.

Fig 3.과 Fig 4.에 제시된 DSC 결과는 가열속도가 10℃/min의 순수한 질소에서 3종류 RDF와 key component에 대해 나타나 있다. Fig3.에서는 (1)T-RDF (2)H-RDF (3)E-RDF에 대해서 실험한 결과이고 Fig 4.는 (1)종이 (2)목재 (3)PE (4) 음식물 (5)섬유를 나타낸 결과이다. DSC곡선은 3개의 흡열 단계에 의해 특성화되었고 RDF 열분해 반응의 열적 영향을 나타낸 기록으로 열흐름은 상대적으로 낮다. DSC 곡선의 흡열 피크는 각각 플라스틱과 셀룰로오스 물질의 흡열과 Fig 2.의 TG 결과을 비교함으로써 Fig 1.에서의 열분해 물질을 알 수 있었다.

RDF 곡선의 첫번재 피크에 대한 열적 영향은  셀룰로오스와 비교한다면 거의 무시할만하다. 최종적으로 RDF의 DSC 결과에서 세번째 흡열 피크의 온도는 PE의 열분해와 일치한다.

Table 1. Proximate analysis of RDF and 'key components'

wt(%)	H-RDF	T-RDF	E-RDF	목재	종이	섬유	플라스틱 (PE)	음식물
수분	2.17	1.33	2.71	9.82	5.10	3.82	0.04	74.52
회분	14.37	13.43	12.91	0.31	4.49	0.31	0.17	1.09
휘발분	75.07	79.58	82.16	73.32	78.45	86.70	99.56	20.50
고정탄소	8.39	5.66	2.22	16.55	11.96	9.35	0.23	3.89
계	100	100	100	100	100	100	100	100

Table 2. Ultimate analysis of RDF and 'key components'

wt(%)	H-RDF	T-RDF	E-RDF	목재	종이	섬유	플라스틱 (PE)	음식물
C	51.6	57.00	56.77	50.59	47.20	45.60	90.20	51.45
H	8.15	8.58	7.60	6.25	6.03	6.42	9.34	6.91
O	24.96	19.4	21.95	41.98	42.02	47.69	-	37.02
N	0.80	1.51	0.62	0.49	0.20	0.15	0.29	3.53
S	0.12	0.08	0.15	0.02	0.06	0.006	0.007	0.25

Fig 1. TG curves for RDF	Fig 2. TG curves for RDF 'key components'

Fig 3. DSC curves for RDF	Fig 4. DSC curves for RDF 'key components'

참고문헌

[1] Valerio Cozzani, "Devolatilization and pyrolysis ofrefuse derived fuels", Fuel. Vol.      74, 903-911 (1995)

[2] Ozawa, T, A New Method of Analyzing Thermogravimetric Data, Bull. Chem.        Soc. Jpn., Vol. 38, 1881-1886 (1965)