1. 서 론
국내의 자동차 등록대수는 2008년 1,679만 대에서 2017년 2,253만 대로 약 34% 증가하였다. 이로 인해 발생되는 폐타이어 발생량은 2017년 기준 약 40만 톤 수준으로 승용차용, 트럭 및 버스용 순으로 많이 발생하고 있다. 폐타이어 재활용 현황을 보면 고무 분말 21.9%, 시멘트 킬른 32.8%, 고형연료 18.4%, 중고차 수출용 재장착 11.4% 등의 비율로 사용되고 있고, 미확인된 비율은 6.5% 수준이다. 참고로 미국에서는 2017년 기준 약 420만 톤의 폐타이어가 발생하였고, 이들 폐타이어는 시멘트 소성로 21%, 전력 설비 14%, 펄프제지 생산설비 11%, 산업용 보일러 8.5% 등과 같이 폐타이어를 재활용하여 열을 생산하는 분야에 상당 비율 이용되고 있고, 토목 공사용 11%, 바닥 완충제와 같은 가공제품 제조 13%, 수출 8.5% 등에 일부 사용되고 있다.1) 참고로 미국의 펄프제지공장에서는 2017년 기준 약 50만 톤(약 3천만 개) 정도의 폐타이어를 보일러 연료로 사용하였다.2,3)
높은 재활용률에도 불구하고 폐타이어는 환경오염의 주범으로 몰리고 있다. 폐타이어가 어린이용 놀이터의 우레탄 바닥재로 대량 사용되기 시작하면서 큰 인기를 누렸지만 일부 바닥재에서 납을 포함한 중금속이 검출되면서 폐타이어 처리업체들은 폐업 위기에 내몰려 있는 상황이다.
폐타이어의 재활용 용처가 줄어들면 이를 소각하거나 매립해야 되지만 매년 쏟아지는 약 3천만 개의 타이어를 단순 소각이나 매립으로 해결하기에는 큰 문제가 따를 수밖에 없다. 타이어의 자연 분해 과정 또한 100년 이상 소요되고 소각에 따른 환경오염 문제도 무시 못 할 인자가 되고 있다.
전 세계적으로도 폐타이어 재활용을 위한 다양한 연구가 진행되어 오고 있다. 폐타이어를 재활용하기 위한 기술은 크게 파쇄와 열분해로 나누는데 파쇄는 말 그대로 기계적으로 폐타이어를 분쇄하여 폐기하거나 분말로 만들어 건축자재 등으로 이용하는 방법이고, 열분해는 열, 압력, 촉매 등 다양한 화학적 처리를 통하여 폐타이어를 400-800℃의 온도에서 열분해한 후 오일을 회수하거나 재활용하는 방법이다.4,5) 열분해 방식의 경우 직접가열 시 발생하는 오일 증기로 인한 폭발 문제나 연소 공기로 인한 수분 혼입 문제가 발생하고, 간접가열 시 과량의 연료 소모 문제 등으로 경제성의 문제가 내재되어 범용적으로 사용되기 어려운 실정이다.5) 결국, 이러한 문제점으로 인하여 폐타이어의 대부분이 보일러를 이용한 에너지 자원으로 연소되고 있다. 하지만 폐타이어 자체를 연료로 이용할 경우 폐타이어에 다량 포함되어 황 성분으로 인하여 연소 후 SOx와 같은 대기오염원이 될 수 있어서 이에 대한 대책 또한 매우 필요하다.6) 뿐만 아니라 폐타이어를 소각할 경우 다이옥신과 같은 환경유해물질이 배출되는 것에 대하여 큰 우려가 있었고, 이를 불식시키기 위해서는 폐타이어 연소 시 발생되는 유해물질을 최소화시켜야 한다. 폐타이어만 연소할 경우 발열량은 약 8,000 kcal/kg 정도로 매우 우수한 발열량을 가지고 있고, 이것을 목질계 바이오매스와 혼합하여 고형연료의 일종인 펠릿으로 제조할 수 있다면 펠릿의 발열량 향상뿐만 아니라 운송이나 저장 면에서 매우 유리하게 이용할 수 있을 것으로 판단된다. 보통 목질계 바이오매스로 제조된 Bio-SRF(solid refusal fuel)의 발열량은 종류에 따라 차이가 있지만 3,000-4,000 kcal/kg 수준으로 상당히 낮은 편이므로 일반 화석연료의 발열량과 유사한 수준의 발열량을 얻기 위해서는 두 배 이상 연소시켜야 하는 단점을 안고 있다.
환경부의 2017년 “고형연료제품 제조·사용·수입 실적현황” 보고 자료에 따르면 2017년 약 380만 톤이 소비되었고 그 중 국내에서 제조된 SRF와 Bio-SRF는 각각 약 140만 톤이었고, 해외에서 수입된 Bio-SRF는 약 110만 톤이었다. 특히 SRF는 2016년 국내 생산량이 약 1백만 톤이었지만 2017년도에는 2016년과 비교해서 약 25%가 증가하였다. SRF는 생활폐기물, 폐합성수지, 폐합성섬유, 폐고무, 폐타이어 등을 사용하여 국내에서만 제조되고 있고, Bio-SRF는 폐지류, 농업폐기물, 폐목재, 식물성 잔재물, 초본류 등으로 제조되고 국내 제조와 외국 수입을 통해 공급되고 있다. 이러한 SRF들은 환경부의 “고형연료제품의 품질기준”에 부합되게 제조되어 유통·사용되어야 한다. 참고로 목재펠릿은 산림청의 “목재펠릿 품질규격”에 따라 1급-4급까지 분류되어 유통·사용되고 있다.
본 연구에서는 목질계 바이오매스로 펠릿을 제조할 때 폐타이어를 일부 혼합하였을 경우 연료로서의 특징에 어떠한 변화가 있는지를 알아보고자 하였다. 이를 통해 SRF 품질기준을 근거로 하여 목질계 바이오매스만으로 SRF 펠릿을 제조할 경우와 폐타이어만을 사용할 경우 그 차이점을 분석한 후 폐타이어를 효율적으로 재활용하면서 동시에 목질계 펠릿의 발열량을 개선할 수 있는 새로운 기초 자료로 활용하고자 하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
국내에서 수집된 폐타이어 분말을 Fig. 1과 같이 크기별로 분류한 후 미송(Tsuga heterophylla Sargent) 톱밥에 혼합하여 SRF 펠릿으로 제조하여 사용하였다. 미송 톱밥은 펠릿 성형장치의 다이 지름을 통과할 수 있도록 4 mesh 스크린을 통과하는 것들만 선별하여 사용하였다.
2.2 펠릿 제조
폐타이어와 톱밥을 혼합한 펠릿을 제조하기 위한 성형 장치는 Fig. 2와 같다. 경상대학교 펄프종이신소재연구실에서 주문제작한 펠릿 성형 장치는 평판 다이형(flat die type)으로 6 mm 지름의 펠릿을 80-120 kg/hr의 속도로 제조가 가능하다.
폐타이어와 톱밥을 혼합하여 펠릿을 제조할 때 펠릿 성형성과 발열량을 비교하기 위하여 폐타이어 분말과 미송 톱밥을 0:100, 50:50, 20:80, 10:90, 그리고 5:95로 혼합하였다. 이때 미송 톱밥의 함수율은 10-12%로 조절한 후 폐타이어 분말과 혼합하여 SRF 펠릿을 제조하였다.
2.3 펠릿 품질 특성 분석
2.3.1 공업분석
목재펠릿, 폐타이어 분말, 그리고 폐타이어 분말 5%가 첨가된 목질계 SRF 펠릿의 공업분석을 위하여 열중량분석기(Thermal Gravimetric Analyser, TGA701, Leco Co.)를 사용하였다. 일반적으로 연소용 연료는 수분+회분+휘발분+고정탄소=100으로 계산되며, 수분, 회분, 그리고 휘발분의 분석 결과를 이용하여 고정탄소를 계산할 수 있다. 4.5-5.0 mg의 시료를 60℃/min의 승온 속도와 질소 유량 30 mL/min로 조정한 후 50-110℃로 가열하였다. 그 후 110℃에서 5분간 등온 상태를 유지한 후 동일한 질소 유량에서 100℃/min의 승온 속도로 950℃까지 가열한 후 등온 상태에서 3분간 유지시켰다. 그 후 퍼지 가스(purge gas)를 질소에서 산소로 전환시키고 산소 유량 30 mL/min에서 15분 더 등온(950℃) 상태를 유지시켰다.
2.3.2 발열량 분석
펠릿의 발열량 측정은 자동 열량계(Parr 6400, Germany)로 시료를 연소시키는 동안의 온도 상승을 측정하고, 시료 1 g에 대한 cal나 J(at 20℃) 값을 구하여 발열량을 측정하였다. 시료는 1 mm 금속망 체를 통과하는 크기로 조정한 후 발열량을 측정하였다.
2.3.3 수은 분석
펠릿을 연소시킨 후 발생하는 회분에 포함된 수은 함량을 정량하기 위하여 ICP spectrometer(Atomscan25, TJA)를 이용하여 분석하였다. 전처리 과정을 거치기 위하여 Wonder Blender(WB-08, Sanplatec corp., Japan)를 이용하여 20초간 분쇄한 시료 약 0.2 g을 습식분해액(HNO3:H2SO4:HClO4=10:1:4) 25 mL로 분해시킨 후 No.2 여과지를 이용하여 잔사를 분리하고 여액은 최종적으로 100 mL가 되게 희석하여 ICP spectrometer를 이용하여 함유된 원소의 함량을 정량하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 폐타이어 혼합 비율별 펠릿 성형 특성
펠릿 성형에 사용된 폐타이어 분말은 1 mm 크기로 균일한 입자 분포를 갖는 것과, 2-4 mm로 입자 크기가 균일하지 않은 혼합 분말을 이용하였다. 2-4 mm 크기의 폐타이어 분말 5% 이상(건량 기준) 톱밥과 혼합하였을 때 성형이 불가능하였고, 5% 이하로 혼합되었을 때 펠릿 성형이 가능하였다. 하지만 Fig. 3과 같이 펠릿의 표면이 매우 거칠고 균일하지 못하며 균열이 많이 발생하여 펠릿의 내구성이나 미세분 함량에 부정적인 영향을 미칠 수 있었다.
따라서 균일한 입자로 구성된 1 mm 분말을 미송 톱밥과 혼합하여 펠릿을 성형하였고, 혼합 비율에 따른 성형 특성을 비교하기 위하여 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4의 (a), (b), 그리고 (c)와 같이 폐타이어 분말이 10-50% 비율로 톱밥과 혼합되어 펠릿을 제조하게 되면 폐타이어 분말과 톱밥 사이의 결합력이 현저히 떨어지면서 성형이 제대로 이루어지지 않거나 성형이 되더라도 표면이 거칠고 균일하지 않은 상태로 제조되었다. Fig. 4의 (d)와 같이 폐타이어 분말의 혼합 비율이 5% 수준일 경우에는 폐타이어 분말과 톱밥 사이의 결합력이 강화되어 우수한 성형 특성을 나타내었다.
따라서 폐타이어 분말을 톱밥과 혼합하여 펠릿을 성형할 때에는 폐타이어 분말 입자는 1 mm 이하로 가늘어야 하고 혼합 비율은 5% 이하가 되어야만 한다.
3.2 폐타이어 분말과 SRF 펠릿의 품질 특성
Fig. 5는 폐타이어 분말과 목재 톱밥의 혼합량 변화에 따른 SRF의 발열량을 비교한 그래프이다. 폐타이어 분말 자체의 저위 발열량은 Table 1에 나타난 바와 같이 8,398 kcal/kg(=35 MJ/kg)이지만 SRF 중 목재 톱밥의 혼합량이 증가할수록 발열량이 감소하였다. 반대로 목재 톱밥으로 제조된 목재펠릿의 저위 발열량은 Table 1에서 보는 바와 같이 3,110 kcal/kg(=13 MJ/kg)으로 매우 낮은 수준이지만 폐타이어 분말의 혼합량이 증가할수록 발열량이 지속적으로 증가하였고, 톱밥과 폐타이어 분말의 혼합량이 50%가 되었을 때 SRF의 저위 발열량은 목재펠릿의 발열량보다 두 배 정도 향상된 약 6,300 kcal/kg(=26 MJ/kg)까지 증가하였다. 타이어의 성분은 자동차와 트럭에 따라 다르지만 보통 부틸 고무(butyl rubber) 혹은 폴리이소프렌(polyisoprene) 계통의 고무 성분이 24-25%, 내구성 보완을 위한 카본블랙과 이산화규소가 23-24%, 황을 포함한 기타 첨가제가 32% 포함되어 있다. 고무 성분이 다량 함유되어 있는 폐타이어 분말의 혼합량을 증가시키면 SRF의 발열량이 증가하였지만, 펠릿형으로 제조할 때 성형성이 불량하여 운반이나 저장 시 내구성 불량이나 미세분 다량 발생 등으로 문제를 일으킬 수 있다. 그럼에도 불구하고 SRF 펠릿의 성형성이 가장 우수한 5% 폐타이어 분말과 95% 톱밥으로 제조된 SRF의 저위 발열량은 4,250 kcal/kg(=18 MJ/kg)으로 목재펠릿의 발열량보다 37% 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 결론적으로 타이어 분말은 목질계 바이오매스로 제조하는 SRF의 발열량 향상에 매우 큰 기여를 하였다. 참고로 SRF의 발열량 품질 요구조건을 보면 저위 발열량 3,500 kcal/kg 이상이 되어야 하는데 폐타이어 5%가 첨가된 목질계 SRF 펠릿의 발열량은 그 기준을 훨씬 넘어섰다.
Table 1.
Calorific values of different raw materials
| Wood pellet | 5%* SRF pellet | 100% tire powder | |
|---|---|---|---|
| Low calorific value (kcal/kg) (MJ/kg) | 3,110 (13) | 4,250 (18) | 8,398 (35) |
Table 2는 목재펠릿, 폐타이어 분말, 그리고 폐타이어 분말 5%가 첨가된 목질계 SRF 펠릿의 원소분석 결과를 나타낸 표이다. SRF의 품질기준에서 중요하게 고려해야 될 항목은 황 성분이다. SRF로 사용되기 위해서는 연료 중 황 성분이 0.6% 이하가 되어야 하지만 폐타이어 분말의 황 성분은 2.9%가 나와 SRF로서 사용이 불가하였다. 황 성분은 고무 성분의 가교에 사용되기 때문에 고무가 포함된 타이어에서는 불가피하게 과량 검출된다. 황 성분은 연소 중 대기 중으로 배출되어 SOx와 같은 대기오염의 주범이 되기 때문에 매우 엄격하게 관리되어야 한다. 다행히 폐타이어 분말이 5%가 포함된 목질계 SRF 펠릿은 황 성분이 기준치에 밑도는 0.4% 수준이 검출되어 SRF로서 사용이 가능하였다. 목재펠릿의 황 성분은 0.1% 수준이었다.
Table 2.
Elemental analyses of different fuels
| Elements | Wood pellet | Waste tire powder | 5%* SRF pellet |
|---|---|---|---|
| S (%) | 0.1 | 2.9 | 0.39 |
| N (%) | 0.06 | 0.5 | 0.07 |
| Cl (%) | 0.0 | 0.0 | 0.01 |
SRF의 품질 기준에는 질소 성분에 대한 기준이 별도로 제시되지 않았지만 질소 성분 역시 황 성분과 마찬가지로 대기 중으로 과량 배출될 시 NOx와 같은 대기오염의 원인이 되기 때문에 가급적이면 최소로 유지되어야 한다. 폐타이어 분말의 질소 성분은 0.5%로 소량 포함되어 있고, 폐타이어 분말 5%가 포함된 목질계 SRF 펠릿은 0.07%만 검출되어 목재펠릿과 유사한 수준을 나타내었다. 보일러 벽면에 클링커와 같은 문제를 일으킬 수 있는 염소 성분의 경우에는 목재펠릿, 폐타이어 분말, 그리고 폐타이어 분말 5%가 포함되어 있는 목질계 SRF 펠릿 모두 거의 검출되지 않았다.
Table 3은 목재펠릿, 페타이어 분말, 그리고 폐타이어 분말 5%가 첨가된 목질계 SRF 펠릿의 수은 함량을 비교한 표이다. SRF의 품질기준에 중금속 중에서 수은 함량만 제시하고 있는 수은은 1.0% 이하가 되어야 SRF로 사용이 가능하다. 목재펠릿은 수은이 검출되지 않았고 폐타이어 분말은 극미량의 수은이 검출되었다. 또한 폐타이어 분말 5%가 첨가된 목질계 SRF 펠릿은 0.04%의 수은이 검출되어 SRF의 품질기준을 만족하였다.
Table 3.
Mercury contents of different fuels
| Wood pellet | Waste tire powder | 5%* SRF pellet | |
|---|---|---|---|
| Hg (%) | 0.0 | 0.05 | 0.04 |
Table 4는 목재펠릿, 폐타이어 분말, 그리고 폐타이어 분말 5%가 첨가된 SRF의 공업분석 결과를 나타낸 것이다. 성형된 SRF의 함수율은 10% 이하가 되어야만 연료로서의 품질기준에 부합된다. 친수성 고분자인 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스를 다량 함유하고 있는 목재펠릿의 초기 함수율은 3.1%이고, 폐타이어 분말의 함수율은 0.6%로서 수분이 거의 포함되어 있지 않았다. 하지만 폐타이어 5%를 첨가하여 제조한 목질계 SRF 펠릿의 함수율은 소수성을 띠는 폐타이어 분말이 미량 포함되면서 목재펠릿보다 더 낮은 2.4%의 함수율을 나타내었다. 연소성 물질에 해당하는 휘발분과 고정탄소의 양을 비교하여 보면 목재펠릿은 96%, 폐타이어 분말은 93.1%, 그리고 5% 폐타이어 분말이 첨가된 목질계 SRF 펠릿은 96%인데 목재펠릿과 SRF가 폐타이어 분말보다 더 많은 양을 함유하고 있다. 하지만 이들 연료들 중에서 연소 시간과 관련되어 있는 고정탄소의 양을 비교하여 보면 폐타이어 분말이 목재펠릿과 목질계 SRF 펠릿에 비해서 더 많은 양의 고정탄소를 포함하고 있어 연료 가치로서만 보면 폐타이어 분말이 가장 우수하다고 할 수 있다. 그리고 폐타이어 분말 5% 첨가로 인하여 SRF의 고정탄소 비율이 증가함으로써 SRF가 목재펠릿에 비하여 더 우수한 연소 효과를 보일 것으로 쉽게 추정할 수 있다.
Table 4.
Proximate analysis of different fuels
| Wood pellet | Waste tire powder | 5%* mixed SRF pellet | |
|---|---|---|---|
| Initial moisture (%) | 3.1 | 0.6 | 2.4 |
| Volatile matter (%) | 79.1 | 67.3 | 76.7 |
| Fixed carbon (%) | 16.9 | 25.8 | 19.3 |
| Ash (%) | 0.9 | 6.3 | 1.6 |
SRF의 품질기준에 따르면 SRF의 회분은 20% 이하가 되어야 연료로서 사용가능하다. 목재펠릿의 회분은 1% 미만으로 회분이 극미량 발생하였지만 폐타이어 분말의 경우 6.3% 수준으로 목재펠릿에 비하여 매우 많은 양이 발생하였다. 하지만 폐타이어 분말 5%가 첨가된 목질계 SRF 펠릿의 경우에는 2% 이하의 회분이 발생하여 과량의 회분 발생으로 인한 문제를 줄일 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
4. 결 론
현대 사회에서 지속적으로 대량 발생하고 있는 폐타이어를 SRF 펠릿 제조용 연료로 활용하기 위하여 목재 톱밥과 혼합하여 펠릿을 제조한 후 연료 특성을 분석하였다. SRF 펠릿의 성형을 위해서는 폐타이어 분말이 1 mm 이하의 입도에서 우수한 성형 특성을 나타내었고, 1 mm 크기의 폐타이어 분말이 목재 톱밥에 5% 수준 첨가될 때 가장 우수한 펠릿 성형 특성을 나타내었다. 폐타이어 분말이 목재 톱밥에 첨가되는 비율이 증가할수록 SRF의 발열량은 가파르게 증가하였고, 폐타이어 분말이 50% 첨가되었을 때 목재펠릿의 발열량보다 두 배 이상 증가하였다. 폐타이어 분말이 5% 첨가된 목질계 SRF 펠릿은 황, 질소, 황 성분이 모두 SRF의 품질기준에 부합하는 결과를 얻을 수 있었다. 폐타이어 분말만을 사용할 경우 가교제로 사용된 황 성분이 과량 검출되어 SRF 품질 기준에 벗어났다. 폐타이어 분말 5%가 첨가된 목질계 SRF 펠릿은 유해 중금속 성분인 수은이 극미량 검출되어 SRF의 품질기준을 만족하였다. 공업분석의 경우 폐타이어 분말이 5% 첨가된 목질계 SRF 펠릿의 고정탄소 함량이 목재펠릿보다 증가함으로써 우수한 연료 특성을 나타내었고, 회분 함량의 경우에도 SRF의 품질기준을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
