폐기물 고형연료(Waste Solid Fuel)

과학(Science)/산업 (Industry)

폐기물 고형연료(Waste Solid Fuel)

SURPRISER - Tistory 2023. 8. 23. 02:06

0. 목차

신재생에너지 활성화의 필요성
'폐기물 에너지'란?
'폐기물 고형연료'란?
'폐기물 고형연료' 시장의 수요 증가
'폐기물 고형연료' 기술
'폐기물 고형연료' 산업 동향
'폐기물 고형연료' 관련 기업

1. 신재생에너지 활성화의 필요성

2023년 기준, 한국은 에너지의 96%를 수입에 의존하고 있다. 이에 1차 에너지를 대체할 수 있는 신재생에너지 확대·보급을 통하여 수입 의존도를 낮추는 것이 필요하다. '폐기물 에너지(Waste Energy)'의 생산단가는 태양광의 10%, 풍력의 60% 수준으로 매우 저렴하다. 따라서 폐기물을 통한 에너지 생산은 폐기물을 감소시키는 처리 방법인 동시에 비용 측면에서 신재생에너지를 가장 효과적으로 활성화할 수 있는 방안이다. 한국에너지공단의 2019년 신재생에너지 보급 통계 조사에 따르면, 폐기물 에너지는 전체 신재생에너지의 48.7%를 차지하고 있어, 태양광이나 풍력 등 다른 에너지원에 비해 높은 비중을 차지하고 있다.

폐기물의 에너지화는 에너지 문제를 해결하는 동시에 폐기물의 효율적인 처리 방안이 될 수 있어, 폐기물 적정처리의 극대화 효과를 기대할 수 있다. 또한 '메탄(Methane)'을 연료로 사용하는 경우, '지구온난화 지수(Global Warming Potential)'가 이산화탄소에 비해 21배인 메탄의 발생을 억제할 수 있어, '바이오디젤(Bio-Diesel)'과 '바이오 에탄올(Bio-Ethanol)'보다 큰 온실가스 저감효과를 기대할 수 있다. 정부의 2020년 '제5차 신재생에너지 기본계획'에 따르면 2030년까지 1차 에너지의 14.3%, 발전량 중 21.6%를 신재생에너지로 보급하는 것을 목표로 하고 있다. 보급 목표를 달성하는 경우, 2014년에서 2030년까지 누적된 온실가스 이산화탄소를 9.9억 톤 감축할 수 있을 것으로 전망된다.

'폐기물 에너지' 및 관련 기술의 고도화를 위해서는 '에너지 회수율 제고', '폐기물 에너지 전환 설비 가동률 제고', '폐기물 에너지 고부가가치 창출 방안 마련', '환경 문제 등의 이슈' 등을 해결해야 한다. 폐기물 에너지화는 국가 신재생 에너지원의 확보와 기후변화에 대응할 수 있는 매우 유용한 수단이다. 이를 위한 관련 기술 개발이 확대되어야 하고, 이를 통하여 확보된 기술과 제품이 에너지 산업에 잘 적용되어야 한다.

1-1. 급증하는 폐기물 발생량

'경제성장', '1인 가구 증가', '온라인쇼핑 확대' 등으로 인해 폐기물 발생량이 지속적으로 증가하고 있다. 한편, 배출되는 폐기물들은 대부분 복합재질이기 때문에 재활용하기 어렵고, 재활용 분리배출 역시 잘 지켜지지 않고 있어 재활용 비율이 떨어지는 문제가 발생하고 있다. 또한 '2018년 중국의 폐기물 수입 중단', '유가 하락' 등으로 민간 재활용업체의 수익성이 악화되자, 2018년 4월 수도권에서는 '폐플라스틱', '폐비닐' 수거를 거부하는 일이 발생하기도 하였다.

특히 2020년에는 코로나 19라는 펜데믹이 지구와 인류의 건강을 덮쳤다. 그리고 코로나 19는 의료 위기 뿐만 아니라, 환경오염의 위기까지 초래하였다. 코로나 19로 인해 '마스크', '의료복' 등의 일일 의료 쓰레기가 기하급수적으로 늘어나면서, 수도권 매립지가 점점 포화상태에 이른 것이다. 실제 배달음식을 주문하는 횟수가 증가하면서 택배 상자, 포장지, 플라스틱 용기가 급속히 쌓여갔다. 2020년 9월 환경부 보도자료에 따르면, 2020년 1월 16.6%에 그쳤던 전년 동월 대비 증가율이, 2019년 2월에는 21.1%, 2020년 6월에는 25.1%까지 늘어났다. 여기에 '언택트(Untact)' 문화까지 겹치며 택배 플랫폼 서비스 이용이 증가하였다. 2021년 가정용 쓰레기는 2020년 대비 약 30% 정도 증가하여, 수도권 매립지의 매립 가용량이 한계에 다다르는 위기를 맞았다.

서울시는 지난 2015년에 24만 5000 톤의 생활폐기물을 수도권 매립지에 매립했다. 하지만 2017년에는 27만 4천 톤을, 2018년에는 34만 6천 톤의 생활폐기물을 매립하여, 4년 사이 매립량이 41.2% 증가하였다. 반면 서울시 자체 소각량은 2015년 75만 8천 톤으로 시작해, 2017년에는 73만 2천 톤, 2019년에는 71만 3천 톤으로, 같은 기간 동안 5.9% 감소한 것으로 나타났다.

2020년 10월, 수도권 매립지의 관할 행정청인 인천시는 2025년 매립장의 매립 종료 후에 더 이상 쓰레기를 받지 않겠다고 선언하였다. 인천시의 강경한 입장 속에 환경부와 서울, 경기는 대체 매립지를 찾기 위해 2500억 원의 특별지원금을 내걸고 매립지 유치 희망 지자체를 공모했으나, 신청한 지자체는 없었다. 쓰레기 매립장 건설은 주민의 동의를 얻는데만 수년이 걸리며 평균 건설 기간이 7년이 넘는다는 점을 고려했을 때 남은 시간은 넉넉하지 않다. 결국 서울과 경기가 후속 대체 매립지나 자체 매립지를 확보하지 못하면, 2025년에는 쓰레기 대란이 현실화될 것이라는 우려가 점점 커지고 있다.

2. '폐기물 에너지'란?

폐기물 에너지화 기술은 '가연성 폐기물', '고함수율 폐기물', '매립가스', '산업 폐가스'를 열화학적 및 생물학적인 방법으로 열 또는 전력 등 에너지화하는 기술이다. 폐기물은 사업장 또는 가정에서 발생하는 것으로, 폐기물 에너지화 기술은 이러한 폐기물을 연료 및 에너지로 변환하는 기술이다. 즉 '가연성 폐기물' 중 고에너지 함량의 폐기물에 대해 열분해를 통해 오일화시키거나 '고체연료를 제조하는 기술', '가스화에 의한 가연성 가스 제조 기술', '소각에 의한 열회수 기술' 등 가공·처리 방법을 통해 고체·액체·기체 형태의 '연료', '폐열' 등을 생산하고, 이를 산업 생산활동에 필요한 에너지로 이용할 수 있는 재생에너지를 생산하는 기술 등을 의미한다.

'폐기물 에너지(Waste Energy)'의 범위는 크게 '고형 연료(SRF: Solid Refuse Fuel)', '열분해 가스화', '열분해 유화', '소각 폐열' 4가지로 구분된다.

고형 연료(SRF: Solid Refuse Fuel): '고형 연료'는 '폐합성수지류', '폐목재류' 등의 가연성 폐기물'을 건조·파쇄·분쇄·성형 등의 가공 설비를 이용하여 연료로 사용할 수 있도록 고형 상태로 제품화한 것이다. 원료에 따라 '일반 고형연료(SRF)'와 '바이오 고형연료(Bio-SRF)'로 구분된다. '고형연료'는 산업용·발전용 화석연료의 대체 연료로 활용하여 '전기', '열'을 생산하는 데 사용된다.
열분해(Thermal Decomposition): '열분해'는 무산소 조건에서 '폐플라스틱', '폐합성 섬유' 등의 고분자 폐기물에 열을 가해 합성가스 또는 액상의 연료유와 같은 에너지원을 생산하는 것으로, 공정의 운전 조건 및 생산 에너지원에 따라 '가스화'와 '유화'로 구분된다. '가스화'로 생산된 합성가스는 원료로써 합성, 전력 및 증기 생산에 활용된다. 한편 '유화'를 통해 생산된 액상 연료유는 산업용 석유의 대체연료로 이용 가능하다.
소각(Incineration): '소각'은 폐기물 에너지 중 가장 널리 적용되고 있는 기술이다. '가연성 폐기물'을 소각하는 과정에서 발생하는 폐열을 이용하여 '스팀(Steam)'이나 '온수'로 회수, 열원으로 공급하거나 전기를 생산하는 것을 말한다.

3. '폐기물 고형연료'란?

'폐기물 고형연료'는 '고체 상태의 가연성 쓰레기 연료'를 의미한다. '폐기물 고형연료'는 폐기물의 특성상 '발생량', '성상 및 형상', '발열량' 등이 발생원과 시간 등에 따라 변동이 심해 원형 상태로는 연료로 사용하기 어렵다. '폐기물 고형연료'는 원재료에 따라 '생활폐기물(RDF: Refuse Derived Fuel)', '폐플라스틱(RPF: Refuse Plastic Fuel)', '폐타이어(Tire Derived Fuel)', '폐목재(Wood Chip Fuel)'로 분류되었으나, 정부는 2013년 고형연료제품의 종류 및 품질기준 등을 개정하여, 고형연료 제품의 종류를 '일반 고형연료(SRF: Solid Refuse Feul)'와 성분 중 바이오매스가 95% 이상으로 구성된 '바이오 고형연료(Bio-SRF: Biomass-Solid Refuse Fuel)'로 변경하여 구분하였다.

'일반 고형연료(SRF: Solid Refuse Feul)'는 '생활폐기물(음식폐기물 제외)', '폐합성수지류(자동차 파쇄잔재물 제외)', '폐섬유류(Waste Fibers)', '폐고무류(Waste Rubber)', '폐타이어(Waste Tire)' 등 가연성 폐기물을 이용하여 제조된 고형 연료로, 발열량이 3500kcal/kg 이상인 제품을 의미한다. '바이오 고형연료(Bio-SRF: Biomass-Solid Refuse Fuel)'는 '폐지류', '농업폐기물(왕겨와 쌀겨 등)', '폐목재류', '식물성 잔재물', '초봄류 폐기물' 등 바이오매스 폐기물로 제조된 고형연료로, 바이오매스 함량이 95% 이상이고 발열량이 300kcal/kg 이상인 제품을 의미한다.

폐기물 고형 연료는 최종 제품의 가공 형태에 따라 '펠렛(Pellet)' 형태의 '성형된 제품' 및 '성형하지 않은 비성형 제품'으로 분류된다. 고형연료의 처리 비용은 소각처리 시설보다 고가이지만, 열원으로 재이용 가능하여 에너지 회수율을 높임으로써 극복 가능하다. 아래의 표는 '폐기물 고형 연료'의 특징을 정리한 것이다.

측면	폐기물 고형 연료의 특성
환경	모든 가연성 폐기물이 열원으로 재이용할 수 있어 유효 이용성이 높음
	발열량 변동이 적어 완전연소 및 연소로 내 온도의 관이가 용이
	염화비닐 수지 등 유기 염소 재질의 선별 제거가 가능하고, 소석회를 첨가 가능하여 염화수소 및 다이옥신의 발생 농도가 낮음
	연료 중의 수분이 10% 이하로 배연가스 내 수분이 적어 백연 발생이 적음
	연료 전용 연소 보일러에서의 매연발생 농도가 낮아 집진장치의 부하가 경감됨
에너지	발열량 및 형태가 일정하여 연소에 필요한 공기량과 열전도도가 균일
	열 회수를 목적으로 한 전용 보일러를 활용하여 에너지 회수율이 높음
	기존의 보일러·발전소에 석탄과 혼소가 가능
	일반폐기물과 비교하여 발전 시스템에서 효율이 높음
문제점	소각시설의 부식 발생으로 수명이 단축될 수 있음
	SOX 발생은 상대적으로 적으나 염소, 분진 등에 의한 대기오염 발생가능
	연료 공급에 대한 신뢰성 문제가 발생 가능함
	시설비가 고가이고 숙련된 기술이 필요

4. '폐기물 고형연료' 시장의 수요 증가

정부는 현재와 같은 대량소비 및 폐기형 경제사회 구조로는 지속성장에 한계가 있음을 인식하였다. 이에 따라 정부는 '자원순환기본법'에 의해 재활용 극대화 및 매립 제로화 실현 기반을 마련하였다. 폐비닐과 폐플라스틱 등의 폐기물은 물질 재활용이 최선의 방법이나 코로나 발생 이후 포장재 등 폐기물 발생량이 급증하고, 국내 재활용 및 해외 수출량은 급감하였다. 또한 재활용산업의 수익성 악화로 적체 폐기물은 2020년 1월 3만 700톤에서 2020녀 5월 3만 9200톤으로 증가하였고, 2019년 환경부 보도자료에 따르면 불법 폐기물량은 120만 톤으로 추정되었다.

폐기물 고형연료는 '수송성', '저장성', '연소 안정성'이 우수하여 소각로에서 폐기물 처분과 폐열 활용 시 저효율과 대기오염물질 배출량 등 상술한 여러 문제점을 해소할 수 있을 것으로 보인다. '폐기물 고형연료'는 '물리적 처리' 또는 '일반적인 가공'에 의해 제조되므로 제조공정이 비교적 간단하고, 석탄과 연료 특성이 유사하여 기존 화석연료를 대체하거나 '혼소(2종류 이상의 연료를 동시에 또는 단독으로 전환하여 연소시키는 것)'하여 사용 가능하여 연료 전환이 용이하다. 또한, 소각열 회수에 의한 에너지 회수는 효율이 낮고 대기오염 공해문제가 있으며, 폐기물 가스화 및 열분화는 고온의 화학반응 공정이 포함되어 있으므로, 기술 수준이 높고 투자비가 큰 단점이 있다.

폐기물 고형연료 산업은 고형연료를 사용하여 전력 또는 열에너지를 생산·공급하는 '유틸리티 산업계', 유틸리티 생산 설비를 설계 시공하는 '엔지니어링과 '플랜트' 산업이 전방에 위치한다. 폐기물 고형연료는 석탄 등 기존의 화석연료를 대체하거나 기존 연료와 혼합되어 전력 또는 증기 및 온수 생산용 연료로 직접 사용될 수 있다. 특히 '열병합 발전소', '화력발전소', '지역에너지 산업' 등 유틸리티 산업계에서는 보일러 연료로 고형연료를 사용하여 열 또는 전력을 생산하고 이를 자체 소비하거나 외부로 판매하고 있다. 특히 최근에는 '폐플라스틱 고형연료'를 가스화하여 합성가스 또는 수소로 제조하거나, 화학공장의 화학원료로 사용하려는 청정연료화 및 고부가가치화 제품 제조에도 관심이 증가하고 있는 추세이다.

5. '폐기물 고형연료' 기술

'폐기물 고형연료' 기술은 크게 '고형연료 제조 기술'과 '고형연료 이용 기술'로 구분된다. '고형연료 제조 산업'은 연소성을 향상시켜 연료 품질기준에 적합하게 가공하는 기술이 가장 중요하다. '고형연료를 활용한 에너지 전환 산업'은 기존의 화석연료를 대체·혼합하여 전력 또는 증기, 온수 생산용 연료로 사용할 수 있는 이점이 있다. '고형연료 제조 기술'은 가연성 폐기물은 원료로 수분과 불연성 성분들을 제거하고 '파쇄·분쇄', '건조', '이물질 선별', '탈취', '성형' 등의 공정을 거쳐 생산하는 것이다. 반면 '고형연료 이용 기술'은 고형 연료를 전기와 열을 생산하기 위해 '연소', '전용 및 혼소' 등에 이용하는 기술이다.

구분	기술 분류	설비
고형연료 제조 기술	파쇄, 분쇄	절단날, 스크린, 과부하 방지장치 등
	건조	열정산 설계, 디스크 건조기, 열풍 공급기, 비산 장치 등
	이물질 선별	풍력, 자력, 진동력, 트롬멜(Trommel), 광학 등
	탈취	열분해, 흡착 등
	성형	링다이스, 휠밀, 휠다이스, 압출성형 등
고형연료 이용 기술	연소	스토커 연소로, 유동층 연소로, 로타리 킬른 연소로 등
	전용 및 혼소	열병합발전시설, 지역난방시설, 산업용 보일러 등
	기타 이용	가스화 이용시설 등

5-1. '폐기물 고형연료'의 제조 공정

'폐기물 고형연료'의 제조공정은 대상 폐기물의 종류와 최종 생산물의 형태에 따라 다소 상이하다. 하지만 일반적으로 불연성 폐기물의 '선별', '패쇄', '건조', '성형' 등의 과정을 거친다.

선별 공정: '선별 공정'은 원료로 사용되는 폐기물을 고형연료 생산에 알맞게 하고, 사용목적에 지장을 두지 않도록 유리·금속 등의 불연물을 풍력이나 자력 또는 인력 등으로 선별하는 공정이다.
파쇄 공정: '파쇄 공정'은 건조와 성형이 잘될 수 있도록, 원료의 크기를 균일하고 작게 파쇄 혹은 분쇄하는 공정이다.
건조 공정: '건조 공정'은 열풍과 같은 고온의 열원으로 가열하여 원료 속의 수분을 증발시키는 공정이다.
성형 고정: '성형 공정'은 이동하거나 저장하기 편리한 가연물질을 가공 성형하는 공정이다.

양질의 SRF를 제조하기 위해서는 선별공정에서의 불연성 물질 제거가 특히 중요하다. 생활 폐기물 고형연료는 불연성 폐기물을 선별한다고 하더라도 발열량의 변동성이 클 뿐만 아니라, 불완전 연소 등에 의한 2차 오염의 우려가 있다. 따라서 안정된 연소를 담보할 수 있는 기술 및 품질관리가 중요하다. Bio-SRF 중 하나인 '하수슬러지 고형연료 제조 공정'은 '하수슬러지(Sewage Sludge)'의 특성인 약 70~80% 정도의 높은 함수율을 낮추기 위해 슬러지 내 수분을 증발·제거하는 '건조 공정' 및 '고형화 공정'이 중요하다. '하수슬러지(Sewage Sludge)'란 하수 처리장의 유입수 내 부유 물질이 침전 시설에서 응집제와 반응하거나, 활성화된 미생물에 의하여 침강하여 농축된 슬러지를 말한다.

또한 '폐기물 고형연료'를 이용하여 전기 또는 열을 생산하는 '연소 공정'은 가연성 폐기물의 소각과정과 유사하다. 하지만 폐기물에 비해 높은 발열량을 갖는 '폐기물 고형연료'의 연소에 대한 '적합 여부 파악', '에너지 회수 효율'이 높은 연소로의 선정 및 연소기술이 중요하다.

5-2. '폐기물 고형연료' 전처리 기술

폐기물 전처리 공정은 폐기물을 물리적 또는 기계적으로 조작하여 에너지 밀도를 높이고 연소성을 향상시켜 연료 품질기준에 적합하도록 가공하는 기술이다. '전처리 공정'에는 '트롬멜 선별기(Trommel Screen)', '풍력 선별기', '유기물 선별기', '비철금속 선별기', '광학 선별기'와 건조기가 필요하다.

트롬멜 선별기(Trommel Screen): '트롬멜 선별기'는 입자 크기에 따라 원료를 분류할 수 있으며, 회전 원통에 의해 Mesh의 눈 크기에 따라 원료를 분류한다.
풍력 선별기: '풍력 선별기'는 비중차를 이용한 '풍력 선별', '발리스틱 선별'로 경량물과 중량물을 분류한다. 특히 '발리스틱 선별'은 진동 스크린을 사용하여 물체의 비중을 이용해 가벼운 비닐류는 위로, 무거운 플라스틱과 알루미늄 캔은 아래로 분리하는 자동선별기술을 의미한다.
유기물 선별기: '유기물 선별기'를 사용하여 유기물을 육안 선별할 수 있다.
비철금속 선별기: '비철금속 선별기'를 사용하여 철금속, 폐기물, 비철금속 3가지 또는 폐기물 중 비철금속을 선별할 수 있다.
광학 선별기: '광학 선별기'는 근적외선을 이용하여 플라스틱 표면의 고유 파장을 분석하여 입자를 선별하는 기술이다. 이를 사용하여 플라스틱을 종류별로 분류할 수 있고, '염소(Cl)' 성분을 포함한 물질을 제거할 수 있다.

5-3. '폐기물 고형연료' 성형 기술

'폐기물 고형연료'의 성형기술은 원료를 고온에서 일정한 모양으로 압축하여 절단하는 것이다. 폐기물 고형연료 성형 기술은 '링다이스(Rig Dies)', '휠밀(Wheel Mill)', '휠다이스(Wheel Dies)', '압출성형(Extruding-Briquetting)' 방법이 있다.

링다이스(Rig Dies): '링다이스' 성형은 '다이(Die)'와 다이 안쪽에 설치된 '롤러'가 회전 운동을 하면서 '다이'와 '롤러' 사이의 투입물의 이동을 유도해 원료를 '펠렛(Pellet)' 형태로 압출 성형하는 기술이다. 구동 롤러의 공간으로 압축된 원료를 1200개의 구멍으로 토출하여 원료를 펠렛 형태로 성형시킬 수 있다. '링다이스'는 외부열을 사용하지 않아도 되며, 함수율에 민감하고 운전조건이 복잡한 특징이 있다. 링다이스 방식에 의해 사용된 고형연료는 원료를 강한 압력을 가하여, 인위적으로 성형기에 압축시키는 방식으로 비교적 작고 단단하다.
휠밀(Wheel Mill): '휠밀' 성형은 압출을 하여 원료를 성형하는 것이 아니라, 원료의 표면을 녹여 성형하는 기술이다. 휠밀은 수직형 맷돌 타입으로, 토출구에 열을 가하여 원료의 표면을 포장한다. '링다이스(Rig Dies)'와는 달리 외부열을 사용하고, 성형되어 제조되는 성형물의 비중이 낮은 편이며, 함수율의 영향이 적다.
휠다이스(Wheel Dies): '휠다이스'는 링다이스와 휠밀을 혼합한 성형 방식이다. 휠다이스 방식의 성형기는 링다이스 방식에 비해 먼지와 소음이 적게 발생한다. 또한 회전으로 인한 열이 발생하지 않아, 자연발화 위험이 감소되는 이점이 있다. 아울러 유지 보수 비용이 적게 들고, 폐기물이 열선을 지나므로 수분이 일부 증발하여 건조시설의 사용이 줄어 전력 또는 가스 사용량 및 이산화탄소 발생량이 감소한다는 이점이 있다. 휠다이스 방식은 열선을 지나면서 녹은 원료가 성형틀에 투입되는 방식이다. 따라서 성형 지름이 크고 단단하지 않은 고형연료가 생산된다는 특징이 있다.
압출성형(Extruding-Briquetting): '압출성형' 방식은 가열된 원료를 다이스를 통해 토출한 후, 조개탄 형상으로 원료를 합착하는 Briquetting 기술이다. 압출성형 방식은 폐기물의 원료외 '스크류(Screw)'의 마찰열에 의하여 폴리올레핀계의 플라스틱이 다이스 통과가 용이한 조건 정도로 용융하여 토출한다. 압출성형 방식은 전력비용이 높으며, 운전조건이 용이하고 함수율 영향이 최저인 특징이 있다.

5-4. MBT 기술

'MBT(Mechanical biological Treatment)' 공정 기술은 폐기물을 기계적이고 생물학적으로 처리하여, 폐기물을 자원화하는 기술을 말한다. 생활 폐기물계 원료는 자동화 선별·분류하는 기술이다. 'MBT 공정'은 '유기성 폐기물'과 '일반 가연성 폐기물'이 혼합되어 있는 것을 기계적으로 분리하고, 유기성 폐기물의 경우 생물학적 처리를 통해 재활용 가능한 폐기물 자원으로 생산하고, 나머지는 폐기물 고형연료로 만드는 공정을 말한다. 이 공정은 독일 등 유럽 국가를 중심으로 '고형연료 제조' 및 '폐기물 재활용'을 위해 가장 많이 사용되는 공정이다. MBT 프로세스에 의해 생산되는 것들로는 '바이오가스(Bio Gas)', '퇴비(Compost)', '고형 연료(Solid Fuels)', '기타 재활용품' 등이 있다.

MBT 공정과 고형연료 제조와의 관계는 아래의 그림과 같으며, BMT 공정에 사용되는 '물리적 공정'과 '생물학적 공정'은 아래의 표와 같다.

공정단계	가능한 공정 요소기술
물리적 공정	트롬멜(Trommel, 이물질 제거)
	자석
	수선별
	적외선 선별
	스크린 - 고정형, 진동형
	와전류(Eddy Current)
	공기 선별
생물학적 공정	개방된 둑 모양 퇴비화
	터널형 퇴비화
	혐기성 소화
	생물학적 건조
	실내 퇴비화
	용기 내 퇴비화
	여과(Filtration)

5-5. '폐기물 고형연료'를 이용한 에너지 생산 기술

'폐기물 고형연료'를 사용하여 에너지를 생산하는 설비에는 연소 효율이 높은 유동층 기술이 주도적으로 적용되고 있다. 구체적으로는 '스토커 연소로', '로터리킬른 연소로', '유동층 연소로', '순환유동층 연소로' 등의 연소 기술이 있다.

스토커 연소: '스토커 연소' 방식은 스토커의 움직임에 의해, 고형연료를 교반하고 반송시켜 스토커 하부로부터 연소 공기를 주어 연소시키는 방법이다.
로터리 킬른 연소: '로터리 킬른 연소' 방식은 '킬른(통 모양의 로체)'을 회전시키면서 고형연료를 반송, 교반하면서 연소시키는 방식이다.
유동층 연소: '유동층 연소' 방식은 세로형의 원통 용기 바닥 부분에 다공의 공기 분산판을 설치하고, 노 내부에는 모래와 같은 불활성 매체 등의 유동 매체로 하여 열풍으로 유동층 내 소각 물질을 공급하고 700~1000℃ 온도 범위 내에서 건조·분쇄·소각하는 방식이다. 유동층 연소 방식은 구조가 간단하고 고장이 적으며, 노 내의 온도를 제어하기 쉬워 균일한 유지가 가능하다. 또 고형연료를 순간적으로 연소할 수 있어 열효율이 좋다.
순환유동층 연소: 특히 '순환유동층 연소'로는 연소로 내에서 800~900℃ 정도의 비교적 낮은 온도로 가열된 유동 매체가 유동 및 순환하면서 열을 전달해 주는 연소 방식이다. '순환유동층 연소' 방식은 화석연료의 혼소 없이 목질계 고형연료만을 발전연료로 사용한다. 또한 기체 및 고체의 접촉 방식을 통해 높은 탈황 효과와 낮은 연소온도 및 단계 연소방식을 통해 탈질화 효과를 유도할 수 있다.

이 외에도 에너지 생산을 위해 '시멘트 소성로', '열병합 발전 시설', '지역난방 시설', '화력발전 시설', '산업용 보일러' 등에 폐기물 고형연료를 활용하는 전용 및 혼소 시설도 있다. '가스화 이용시설', '제철소 환원로'와 같은 기타 이용시설에도 폐기물 고형연료과 활용되고 있는 실정이다.

6. '폐기물 고형연료' 산업 동향

6-1. ESG 경영의 본격화로 인한 폐기물 처리 산업의 수혜 예상

2021년 1월 금융위원회는 상장사들의 'ESG(Environmental, Social, Governance)' 공시를 단계적으로 의무화하는 방안을 발표하였다. ESG는 기업의 비재무적인 요소인 '환경(Environment)', '사회(Social)', '지배 구조(Governance)'를 고려한 경영활동을 의미한다. 대부분의 기업들은 윤리·환경보다는 재무적인 성과만을 추구하여 영리활동을 진행해왔으나, 현재 많은 기업들은 ESG에 대한 노력이 궁극적으로 회사 인식의 개선을 통해 기업의 재무적인 성과뿐 아니라, 지속 가능한 경영을 가능하게 한다는 것을 깨닫고 있다. 국가 차원에서 ESG 경영을 의무화하는 만큼 해당 분야에 대한 중요성이 부각될 것으로 전망된다.

ESG 경영 중 환경 요소는 기업들의 영리활동 과정에서 탄소 배출 등 환경 오염을 최소화하려는 움직임으로 해석된다. '환경 요소'의 세부적 평가요소로는 '탄소 전환', '기후 변화', '수자원 관리', '폐기물·공해', '자연 자본' 등이 있다. 이러한 ESG 경영으로 폐기물처리 산업이 큰 수혜를 입을 것으로 예상된다. 2021년 중소기업 기술 로드맵에 따르면, 특히 폐기물 처리 산업은 대체적으로 연평균 1.5% 정도의 성장이 예상되며, 국내에서는 '이커머스 성장', '중국의 폐기물 수입 금지', '2021년 주택 공급 확대' 등으로 폐기물 배출량이 증가하여 성장률이 더 확대될 것으로 예상된다.

6-2. '폐기물 고형연료' 산업의 시장 전망

2023년 현재, 국내 폐자원의 처리는 대부분 '소각'을 통해 이루어지고 있다. 소각 과정에서 발생하는 열에너지를 인근 사업체에 공급함으로써 대체 에너지원으로 사용하고 있다. 일례로 울산에 위치한 폐기물 소각 시설의 경우, 소각 과정에서 발생하는 열원을 인접한 제지 업체에 공급함과 동시에 폐수처리 시설에 공급 후 폐수 건조 시 발생하는 폐증기를 다시 소각하는 '스팀 네트워크(Steam Network)'를 구성하고 있다.

2021년 기준, 한국의 폐기물 배출량은 OEDC 국가 중 4위를 차지하고, 에너지의 경우 97%를 수입에 의존하고 있다. 하지만 재활용이 가능한 자원 중 50% 이상이 매립 또는 소각되는 등 자원순환이 제대로 이루어지지 않고 있다. 이 때문에 버려지는 폐기물을 자원화하여 연료로 바꾸는 '슬러지의 자원화', '한국형 바이오가스 정제기술', '바이오리엑터 실증연구', '소각여열 회수' 등과 같은 기술이 개발되고 있다. 아울러 발전 시설 연계 처리로 에너지 자립화를 실현하기 위한 R&D 연구가 활발하게 실시되고 있다. 다만, 지금까지 폐기물 관리법은 재활용에 대한 폐기물 종류·처리 방법이 시행규칙에 명시되어 있지 않다는 이유로 신기술 개발에 한계가 있었다. 그러나 2019년 10월 폐기물 관리법의 개정안이 통과되었다. 이에 따라 유독물 활용이나 사람, 환경에 위해를 끼치지 않는다면, 국민 누구든지 자유롭게 신기술 적용으로 폐기물 에너지 사업을 할 수 있는 길이 열렸다.

이로 인하여 중고품과 폐기된 부품을 재활용하는 '재제조(Remanufacturing)' 산업이 각광받고 있다. 재제조 산업은 천연자원이 부족한 한국에서 효율적인 자원순환의 방법으로 인정받을 수 있다. '안정적인 폐기물 처리', '자원순환 사회의 구축', '기후 변화 대응', '친환경 에너지 확보' 분야와 같은 미래 환경에 대한 가치 창출은 친환경 에너지 활용과 기후 변화에 대한 대응이 달려있다.

6-3. 국내외 법·제도적 환경 조성 현황

유럽: 유럽은 재활용 불가능한 폐기물의 국가 간 이동은 폐기물 에너지의 최적화에 도움이 될 수 있음을 인식하고, 회원국 간 폐기물 수출을 허용하도록 하였다. 회원국 간 폐기물 수출은 폐기물 재활용률 제고 달성의 인프라 장벽을 해소하는데 중요한 요인이 될 것으로 판단된다. '유럽 표준화 위원회(European Committee for Standardizatin)'는 산업폐기물과 도시폐기물의 바이오 성분도 '바이오매스(Biomass)'로 인정함으로써 '폐기물 고형연료(Waste Solid Fuel)' 시장을 지원하고 있다. 또한 ISO와 협력하여 ISO/TC 300 Sold Recovered Fuels 위원회를 발촉하여 재활용 지수를 정의하고 측정 방법과 같은 관련 세부규정을 개발 중이다.
중국: 중국은 정부의 신재생에너지 산업 육성 강화 정책에 의해 도시 고형폐기물과 다양한 농업폐기물을 이용한 대규모 발전사업을 수행 중이다. 중국 고형연료 발전 기업들은 정부 지원금 부족과 프로젝트 실패 다수로 자금 조달의 어려움이 있었다. 그러나 2020년부터는 다양한 지원 정책이 발표되어 자금 부족 문제를 해결할 수 있을 것으로 보인다. 고형연료 발전 기업들의 50% 이상은 도심의 인구가 많은 '산둥', '광둥', '저쟝', '장쑤', '안후이' 지역에 집중되어 있다. 산림 바이오매스 발전 비중은 '산둥성', 폐기물 발전은 '광둥성'이 선두하고 있다.
일본: 일본은 2018년에 발표한 '5차 에너지기본계획'을 통해 후쿠시마 사태 이후 '원전 대체 발전 개발을 위한 '신재생에너지 에너지 보급 확대 제도(FIT)'를 실시하고 있다.
한국: 한국은 2018년 1월, '자원순환기본법' 시행으로 미활용 폐비닐 및 폐플라스틱을 단순 소각이나 매립하는 것을 금지하고 재활용 에너지로 적극 회수하는 정책을 발표했다. 폐기물을 재활용하지 않고 단순 소각하거나 매립하는 경우, 재활용 비용에 버금가는 폐기물 처분 부담금을 부과하는 제도이다. 미활용 폐비닐 및 폐플라스틱과 같은 가용성 폐기물은 매립이나 소각을 방지하고 에너지 전환을 극대화하여, 유용한 자원으로 활용할 수 있도록 하고 있다.

7. '폐기물 고형연료' 관련 기업

온실가스 감축의무와 폐기물의 직매립 금지 등과 관련하여, 세계적으로 폐기물 에너지 산업의 지속적인 성장이 예상되고 있다. 현재 가장 주된 '폐기물 고형연료' 시장은 유럽이며, 향우에는 아시아 태평양 지역의 성장 가능성이 높아질 것으로 전망된다. 특히 '아시아', '태평양' 지역에서 중국, 인도, 동남아 국가 등은 '인구 증가', '폐기물 발생량 증가', '활발한 경제 활동'을 고려할 때 높은 성장 가능성을 지닌 국가로 평가되고 있다.

특히 '폐기물 고형연료'를 이용한 에너지 생산 기술은 유럽·미국·일본을 중심으로 이루어지고 있다. 일본에서는 고형연료를 이용한 보일러의 고효율화 노력이 지속적으로 이루어질 것으로 전망된다. 현재 400℃/bar의 고효율 고형연료 전용 열병한 발전소가 가동되고 있는 추세이다. 해외 선진 기업들은 폐기물 연소열을 회수하여 고품질 증기 생산이 가능한 보일러를 가동하는 데 있어, 전연멸의 부식과 파울링를 가장 큰 문제로 인식하고 있다. 이에 지속적인 보일러 소재 및 공정제어 기술을 개발하여, 고형연료의 에너지 전환 효율을 개선해가고 있다.

7-1. 포스코에너지(POSCO ENERGY)

국적: 한국
특징: 국내 최초 폐기물 고형연료 발전소 설립

'포스코에너지(POSCO ENERGY)'가 2013년에 설립한 '부산 생곡 폐기물 매립장'은 국내 최초의 '통합형(연료화 및 발전)' 생활폐기물 연료화 발전소이다. 부산 생곡지구 진입로에 조성된 66000m²의 고형연료 발전 시설은 부산시에서 발생하는 하루 4000톤의 생활폐기물 중 900톤의 폐기물을 수집하고, 이 중 가연성 폐기물 500톤을 연료화하여, 연간 57000가구가 사용할 수 있는 19만 MWh의 전력을 생산할 수 있다. 이를 통해 천연가스 7000만 Nm³/년 대체효과 및 온실가스 17만 4000tCO₂/년 감축 효과를 기대할 수 있을 것으로 보인다.

생곡 폐기물 매립장은 생활폐기물을 직접 처리한 뒤 고형연료로 제조하는 시설까지 갖추고 있어, '쓰레기 처리'부터 '전력 생산'까지 모두 한곳에서 이루어진다. 이를 통해, 쓰레기 소각장과 매립장 부족으로 인해 골머리를 앓던 부산시가 원활한 전력 공급과 쓰레기 문제 해결이라는 '일석이조(一石二鳥)'의 혜택을 누릴 수 있을 것으로 기대된다.

7-2. 두산에너빌리티(Doosan Enerbility)'

국적: 한국
특징: 폴란드 폐자원에너지화 플랜트 시장 선점

'두산중공업'은 2022년 3월에 '두산 에너빌리티(Doosan Enerbility)'로 사명을 변경하였다. '두산중공업'는 2020년 8월에 독일 자회사인 '두산렌체스'와 컨소시엄으로 폴란드에서 '폐기물 에너지화(WtE: Waste to Energy)' 플랜트 건설 사업을 수주하였다. '두산중공업'이 신규 수주한 플랜트는 하루 3000여 톤의 생활 폐기물을 에너지로 전환해, 12MW 규모의 전력과 열을 지역 사회에 공급할 수 있다. 이 시설은 폴라드 수도 바르샤바에서 북쪽으로 약 200km 떨어진 올슈틴 지역에서 생산된 최대 11만 톤의 폐기물 고형연료를 처리할 수 있게 된다.

두산에너빌리티-두산렌체스 컨소시엄은 '설계', '기자재 조달', '시공'까지 일괄 수행하는 'EPC(Engineering, Procurement, Construction)' 방식이다. '두산에너빌리티'는 전체 프로젝트 관리를, '두산렌체스'는 소각요 보일러와 환경 설비 공급을 포함해 기계 및 전기 시공 등을 수행할 계획이다. 또한 '두산에너빌리티'의 체코 자회사인 '두산스코다파워'도 프로젝트에 참여하여 12MW급 소형 산업용 증기터빈을 공급할 예정이다. '폐기물 에너지화 플랜트(WtE Plant)'를 건설하는 폴란트 '올슈틴(Olsztyn)' 시에서 다른 지자체에 경험을 공유하고, 플랜트에 건설을 유도하고 있다. 두산에너빌리티의 폴란드 '폐기물 에너지화 플랜트(WtE Plant)' 시장 선점 가능성이 점차 높아질 것으로 전망된다.

'폐기물 에너지화 플랜트(WtE Plant)'는 산업현장이나 가정에서 발생하는 각종 가연성 폐자원을 '가스화', '소각', '열분해' 등의 과정으로 에너지화할 수 있는 시설이다. 전력과 열을 공급할 뿐만 아니라, 쓰레기 매립지를 최소화함으로써, 환경 오염을 줄일 수 있으므로 최근 각광받는 시설이다. 특히 유럽 '폐기물 에너지화 플랜트(WtE Plant)' 시장은 노후 플랜트 교체 수요가 늘어가는 가운데, 폐기물 매립지 제한 정책으로 인해 신규 발주가 증가하는 추세이다.

7-3. 태영건설

국적: 한국
특징: 폐기물 발생 회사에서 폐기물 처리 회사로

'태영건설'은 1973년에 '태영개발'이라는 상호로 설립된 토목건축공사업을 주된 목적으로 하고 있는 건설사이다. 그동안 건설업계에는 폐기물 시장에서 대부분의 비중을 차지하는 쓰레기를 발생시켜왔지만, 이제는 새로운 성장 동력 마련의 일환으로 폐기물과 하수처리 시장에 뛰어들고 있다. 태영건설 역시 이와 같은 추세에 합류하여, '신재생 폐기물'을 처리하는 '환경 플랜트(Environmental Plant)' 사업으로도 영역을 확대하고 있다.

'태영건설'이 운영하는 '폐기물 연료화(MT: Mechanical Treatment)' 시설은 폐기물을 파쇄하고 선별하여 고형연료를 생산하는 시설이다 시설로 반입되어 파쇄된 폐기물은 '입도', '자력', '광학', '진동', '복합 풍력' 등 다양한 선별 공정과 건조 공정을 거쳐 염소 등 유해물질을 저감하고, 발열량을 증가시켜 열병합발전소에서 활용 가능한 고형연료로 생산된다. '태영건설'이 운영 중인 폐기물 연료화 시설은 인천 수도권 매립지와 충남시에 도입되어 발생된 생활폐기물을 성형된 고형연료로 제조하는데 활용되고 있다. 폐기물 연료화 사업을 통해 폐기물 감량으로 인한 매립장 수명 연장 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다. 아울러 고형연료 생산을 통한 에너지원 공급 시설로, 소각시설의 대체효과를 기대할 수 있을 것으로 보인다. 발전사업자에게 발전량의 일정 비율 이상은 신재생에너지로 이용하도록 하는 '신재생에너지 공급의무화(RPS: Renewable Energy Protfolio Standard)' 제도의 도입에 따른 수요 증대로 '태영건설'의 성장 가능성이 증가할 것으로 전망된다.

7-4. 이엠코리아(EM Korea)

국적: 한국
설립: 1987년

'이엠코리아(EM Korea)'는 1987년 설립된 발전설비산업 관련 기계 부품을 가공 조립·생산하는 기업이다. 'ISO 9001', 'ISO 14001', '이노비즈', 'AS9100 Rev.C' 등 다양한 인증을 획득하였다. 또한 일본의 JTSC사, 스페인의 CESA사 등 해외의 다양한 기업과 '공동생산 협약' 체역을 지속하고 있다.

'이엠코리아(EM Korea)'는 특허기반기술 '진공 감압 농축 기술 및 저온증발 원리를 적용한 진공기술'을 '건조 플랜트 시스템(Drying Plant System)'에 적용하였다. 이 '건조 플랜트 시스템'은 진공 감압에 의한 증발 기술을 적용하여 건조시간을 단축하고 저온 건조 열량을 소모시킨다. 아울러 유기성 폐기물 100% 자원화 및 감량화로 '친환경 생산체계'를 확보할 수 있다. '이엠코리아'의 '건조 플랜트 시스템'을 통해 재활용된 유기성 폐기물의 잔여물은 폐기물 고형연료로 재활용되고 있다. 생산된 '폐기물 고형연료(Waste Solid Fuel)'는 국가공인 수질·대기 측정분석 관리 대행 기관 등에서 유해 성분의 분석 검증이 완료된 상태이다.

7-5. KG ETS

국적: 한국

KG ETS는 1999년 10월에 지정 외 폐기물 처리업을 목적으로 설립되어, 2013년에 코스닥에 상장된 기업이다. KG ETS는 프랑스의 폐기물 처리 업체인 '베올리아(Veolia)'사의 투자로 설립되었으며, 2010년 KG가 Veolia와 Teris의 지분율 100%를 인수하면서 KG 그룹에 편입되었다.

KG ETS'는 '현대모비스', 스위스의 'W&E'사와 합작으로 제조한 국내 최초의 '로터리 킬른(Rotary Kiln)' 타입의 소각로에서 지정산업폐기물을 처리하고 있다. 이는 국내 산업 폐기물 처리 분야에서 최초로 완벽한 전처리 공정을 거쳐 지정폐기물에서 발생할 수 있는 유해 물질이 선별 소각될 수 있도록 설계되어 있다는 특징을 가지고 있다. 또한 소각 후 발생한 연소재를 슬래그화하여 노반재 및 벽돌 등을 제조할 수 있는 원료로 재활용할 수 있다. 아울러 연소과정에서 발생하는 열을 이용하여, 신재생에너지를 생산하여 에너지 절감에 기여하고 있다.

KG ETS는 2016년 전주지역 소각장 물량 공급 개시와 동시에 SRF 원료 공급사업으로 폐기물 공급사업을 시작했다. 2021년에는 경기도 시흥시의 폐기물 소각열 에너지화 사업의 우선 협상자로 선정되었다. 이에 따라 향후 10년간 발전사업자로서 폐기물 소각열을 활용한 발전 및 에너지화 사업을 맡아 친환경 사업을 확대할 것으로 전망된다.

7-6. 비디아이(BDI)

국적: 한국
설립: 1992년

'비디아이(BDI)'는 '환경설비(Environmental Facilities)', '폐기물 처리설비' 등의 실시설계를 수행하고 있는 기업이다. '비디아이'는 '신재생 소각', '재활용', '음식물 자원화', 'MBT 및 RDF 발전 관련 폐기물 처리 설치' 등의 사업을 수행하고 있다. '비디아이'는 2008년에 'ISO 9001 인증', 2013년에 '이노비즈 인증'을 획득하였다. '비디아이'는 2018년 덕천 에너지와 폐기물 고형연료 유화 발전소 설치 공사를 계약하였다. 이외에도 '풍력', '육상 및 수상 태양광', '연료전지(Fuel Cell)' 등 다양한 신재생 에너지 사업에 대해 활발한 사업 활동을 펼치고 있다.

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