Journal Archives

우리나라에서 발표된 보고서, 논문 등 문헌조사를 통해 고형폐기물의 성분별 원소분석 및 발열량 결과를 정리하였다. 자료 중, ‘강동 자원회수시설 건설 기본계획을 위한 폐기물 성상분석 업무 최종보고서’에서는 4계절 동안 강동구 15개소, 성동구 15개소에서 채취한 폐기물을 음식, 종이, 플라스틱, 섬유, 목재, 가죽･고무, 기타 가연으로 분류 후 원소분석을 실시하였다. 본 연구에서는 그 자료의 평균값을 이용하였다. 민달기 등은 원소분석을 실시한 곡류는 20 시료, 과일은 6 시료, 채소는 11 시료, 생선･육류는 13 시료(총 50 시료), 종이 20시료, 합성수지 15 시료, 목재 10 시료, 고무 3 시료, 가죽 3 시료, 그리고 섬유 9 시료로 밝히고 있다.^[8] ‘2001 전국폐기물통계조사’에서는 가정과 비가정 부문으로 구분하였으며, 가정을 다시 단독주택과 공동주택으로, 비가정은 시장상가, 교육, 음식점으로 구분하여 연평균 값을 정리･제시하고 있으며, 본 연구에서는 제시된 모든 자료를 정리･분석하였다.

문헌조사를 통해 얻은 각 성분별 원소분석의 평균값과 크리스탈 볼(Crystal ball, Oracle)을 이용하여 몬테카를로 방법(Monte Carlo Method)으로 구한 평균값을 대푯값으로 하여 비교하였다. 몬테카를로 방법은 입력변수 혹은 시스템의 확률적 특성으로 인하여 결과를 정확하게 예측할 수 없는 확률 모델에 수치적으로 일련의 난수(random number)를 반복적으로 발생시켜 해를 찾는다.^[9] 구현과정은 4단계로 구성된다. 첫째, 수학적 모델을 정의하고, 둘째, 각 입력 변수에 확률분포 함수를 부여(임의의 입력변수 생성)하며, 셋째, 입력변수 벡터를 모델에 넣어 출력변수를 계산하고, 둘째 및 셋째 과정을 N회 반복한다. 마지막으로 결과를 분석한다.^[10]

정리된 자료에서 탄소함량 50% 이상인 성분과 50% 미만인 성분으로 구분하여 Fig. 1에 나타내었다. 탄소함량 50% 이상인 성분으로는 플라스틱류, 고무류, 섬유류, 가죽류가 있었으며, 50% 미만인 성분으로는 목재류, 음식물류, 종이류 등이 있었다. 고형폐기물 성분별 주요 원소 함량은 탄소, 산소, 수소 순으로 나타났으며, 탄소함량이 50% 미만인 성분들은 탄소와 산소 함량이 유사한 정도의 값을 보였다. 탄소함량 50% 이상인 성분은, 염소를 비교적 높은 농도로 함유하고 있으며 대부분 열량이 높은 성분들임을 알 수 있다. 또한 탄소함량 50% 미만인 성분들보다 회분함량이 상대적으로 낮음을 알 수 있었다. 탄소함량 50% 이상의 성분에는 연소성 분율(fraction)이 높아 발열량이 높게 나타났음을 의미하며, 따라서 상대적으로 비연소성 분율(회분)이 낮아진 것으로 사료된다.

Fig. 1. 
Classification of components by carbon content (a) components above 50% of carbon content, (b) components below 50% of carbon content

고형폐기물 성분별 원소함량의 대푯값을 산출하기 위해 몬테카를로 방법을 이용하여 식 (1) 및 (2)와 같이 성분별 몰 질량 f(x)을 예측하고 각 원소에 대한 함량을 백분율 (C_i)로 산출하였다(실행횟수 10,000회). 확률변수로는 x_C, x_H, x_O, x_N, x_S, x_Cl로 각각 탄소, 수소, 산소, 질소, 황 및 염소의 몰 비율을 확률분포에 의해 정의된 값을 사용하였으며, 범위는 각각 원소의 최소 및 최대 몰 비율 값으로 하였다. 성분별 각 원소들의 몰 비율은 문헌조사를 통해 얻은 원소함량을 몰 질량으로 전환하여 산출하였다.

여기서,
f(x) : 고형 폐기물 조성 x의 몰 질량
i : 원소(C, H, O, N, S, CI)
M_i : i 원소의 몰 질량
x_i : 조성 x의 i 원소의 몰수
C_i : 조성 x의 i 성분의 함량, %

Table 1에 고형폐기물 중 음식물류, 종이류, 플라스틱류, 섬유류, 고무류 및 목재류에 대한 화학식 및 각 원소들의 몰수에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 크리스탈 볼에서 몬테카를로 방법을 통해 시뮬레이션을 하기 위해서는 최소 15개의 시료가 요구되나, 고형폐기물 성분 중 가죽류 등은 문헌조사를 통해 얻어진 데이터가 이 보다 적어 시뮬레이션을 실행할 수 없었다. 각 성분의 몰 질량은 다른 원소들보다 몰수가 월등히 많은 탄소, 산소, 수소에 의한 민감도가 높았다. 성분별 예측된 몰 질량은 종이류가 가장 컸으며 플라스틱류, 목재류, 고무류, 섬유류, 음식물류 순으로 낮아졌다. 탄소의 원자수는 플라스틱류가 가장 많았으며 종이류, 고무류, 목재류, 섬유류, 음식물류 순으로 나타났다. 산소의 몰수는 종이류가 가장 많았다. 염소의 경우 플라스틱류 및 고무류가 각각 2.11 및 2.04로 유효한 값을 나타냈다. 이와 같은 결과는 PVC를 포함시켜 플라스틱의 조성식을 구한 민달기 등의 연구에서도 확인할 수 있었다.^[8] 특히, 고무 표면의 매끄러움과 광택을 향상시키기 위한 염소 처리에 의해,^[11] 고무 중 염소 함량은 높을 수 있다. 고 염소함량의 쓰레기에서 열에너지를 회수하고자 하는 경우, 배기가스 중에 고 농도의 염화수소가 포함되어 연소로 및 사이클론의 금속 재질 등의 부식을 야기하며, 결과적으로 소각로의 수명단축 뿐만 아니라 운영경비도 증가하게 된다.^[3] 또한 염소 성분은 유기염소계 오염물질의 구성분으로서 다이옥신류와 같은 오염물질의 생성 농도를 증가시키는 것으로 알려져 있기에 염소 함량에 대한 주의가 필요하다.^[12]

Table 2에는 시뮬레이션을 통해 얻어진 고형폐기물 성분별 각 원소의 함량을 백분율로 나타내었으며, 문헌조사를 통해 정리한 고형폐기물 성분별 원소분석 평균값과 비교하였다. 전술한 바와 같이 고형폐기물 성분별 주요 구성원소는 탄소, 수소, 산소이며, 플라스틱류를 제외한 다른 조성에서는 탄소, 산소, 수소 순으로 함유되어 있는 것으로 나타났다. 음식물류, 종이류 및 목재류는 각각의 탄소, 수소, 산소의 함량이 유사한 정도의 값을 보였다. 음식물류 폐기물은 탄소와 산소가 약 89%를 차지하고 있으며 질소의 함량이 약 3%로 다른 조성과 비교하여 높은 것으로 나타났다. 종이류는 탄소와 산소의 함량이 각각 47.97 및 45.13%로 유사한 수준을 보이고 있으며, 두 원소가 전체의 93% 정도를 차지하고 있다. 목재류는 탄소 및 산소가 각각 51.10 및 41.80%가 함유되어 있는 것으로 나타났다. 플라스틱류 및 고무류는 탄소의 함량이 전체의 70% 이상을 차지하고 있으며, 특히 플라스틱류는 79.00%로 다른 조성과 비교하여 월등히 높은 수준을 보였다. 황 성분은 거의 관찰되지 않았으며, 염소 성분은 고무류, 플라스틱류 및 음식물류 폐기물에서 비율은 낮으나 소량 검출되었다.

몬테카를로 시뮬레이션을 통해 도출된 고형폐기물 성분별 원소함량 대푯값과 문헌조사를 통해 얻어진 원소함량 평균값을 검토한 결과, 음식물류 폐기물, 종이류, 목재류의 문헌조사에서 얻은 평균값은 시뮬레이션으로 구한 값의 5% 오차 범위 안에 있는 것으로 나타났다. 시뮬레이션으로 얻은 대푯값의 5% 오차 범위를 벗어난 항목은 섬유류의 탄소와 산소, 플라스틱류의 수소 및 산소, 고무류의 산소가 이에 해당된다. 오차 범위를 벗어난 항목들의 원소분석 값을 살펴보면, 다른 원소와 비교하여 산소의 표준편차가 컸으며, 이 값의 영향으로 시뮬레이션 대푯값과의 차이를 보이는 것으로 판단된다.

산술평균은 극단적인 값(이상값)의 유무에 따라 대푯값으로의 신뢰성에 영향을 받는다. 고형폐기물 원소분석은 소량의 시료를 이용하기 때문에 시료의 균질여부 및 분석자 등에 의한 실험오차가 발생할 우려가 있다. 이러한 값들을 극단값으로 인정, 제거 후 통계 분석을 실시할 때는 고형폐기물의 성상이 과소(대)평가 될 가능성이 높다. 반면, 유효한 값으로 인정, 통계 분석에 이용하였을 때는 대푯값에 대한 신뢰성이 낮아질 수 있다. 본 연구에서는 조사된 넓은 범위의 실측값들을 모두 이용하여 산술 평균값을 구하였으며, 실측값의 최소-최대값 범위에서 난수를 이용하여 시뮬레이션을 통해 고형폐기물의 화학식을 구하고, 이를 이용하여 원소분석의 함량을 산출하여, 각각의 값을 비교하였다. 실측값과 시뮬레이션 값 사이에 y=1.02x-0.58 (R²=0.996)의 관계를 보이며, 매우 높은 상관성을 보이는 선형 회귀모형을 얻을 수 있었다. 이 결과로부터 실측값의 산술 평균값이 대푯값으로 유의하며, 시뮬레이션을 통해 도출된 고형폐기물 성분별 원소함량의 값은 대푯값으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 2에는 시뮬레이션을 통해 얻은 조성별 원소들의 대푯값(Table 2)을 이용하여 듀롱 식(Dulong Eq., 식 (3)), 쉴러-케스트너 식(Scheurer-Kestner Eq., 식 (4))과 스튜어 식(Steuer Eq., 식 (5))으로 고위발열량을 산정하여 서로 비교하였다.^[13] 또한 ‘2. 연구재료 및 방법’에서 전술한 바와 같이, 민달기 등이 제시한 고형폐기물 7가지 성분(총 110 시료)의 Bomb 실측값과도 비교하였다.^[8]

Fig. 2. 
Comparison of HHV using the representative values and HHV by bomb calorimeter shown in Ref.8. The plastics HHV by bomb calorimeter is that of resin

고위발열량은 플라스틱류에서 가장 높은 값을 보이고 있으며, 고무류, 섬유류 순으로 낮아졌다. 듀롱 식, 쉴러-케스트너 식과 스튜어 식으로 계산한 결과를 보면, 쉴러-케스트너 식 > 스튜어 식 > 듀롱 식 ≒ Bomb 실측값 순이었다. 이런 결과는 폐기물의 경우 스튜어 식이 대체로 잘 맞는다^[6]는 일본의 결과와는 차이를 보이고 있었다.

가장 높은 추정값을 보이는 쉴러-케스트너 식의 결과를 제외하면, 음식물류 폐기물, 종이류, 목재류는 5,000kcal/kg 미만의 값을 보였다. 종이류의 경우 시뮬레이션에 의한 고위발열량과 기존 발표된 문헌의 값이 약 4,100kcal/kg로 거의 같은 수준을 보였다. 음식물류 폐기물 및 목재류는 각각 4,600-4,800kcal/kg 및 4,500-4,900kcal/kg로 고위발열량이 유사한 정도의 값을 갖는 것으로 나타났다. 플라스틱류, 섬유류 및 고무류의 고위발열량은 각 성분의 탄소 함량이 높고 산소 함량은 낮아, 시뮬레이션을 통해 산정된 고위발열량이 실측값보다 더 높은 것으로 나타났다. 그러나 이렇게 듀롱 식에 의해 산출된 고위발열량과 민달기 등이 제시한 실측값^[8]과는 표준오차 범위에 포함되는 것으로 나타났다. 민달기 등은 동일 성분이라 하더라도 시료의 차이에서 기인하는 오차를 줄이기 위해서 음식물류 폐기물을 곡류(20 시료), 과일(6 시료), 채소(11 시료), 생선･육류(13 시료)로 세분하여 분석하였으며, 종이 20 시료, 합성수지 15 시료, 목재 10 시료, 고무 3 시료, 가죽 3 시료, 그리고 섬유 9 시료와 같이 다수의 동일 성분을 분석하여 그 결과를 제시하였기에^[8], 본 연구의 결과값과의 좋은 비교 대상이라고 사료된다.

지역별, 시기별 변동이 심한 물리적 성분비의 대푯값을 구하는 것은 매우 어려우며, 구한다 하더라도 변동이 심해 의미 없는 값이 된다. 그러나 비교적 변동폭이 적은 물리적 성분별 구성원소의 함량을 표준화해 놓음으로써 에너지 함량 등을 손쉽게, 경제적으로 결정할 수 있다. 즉, 변동이 심한 물리적 성분비와 각 성분의 3성분을 현장 조사에 의해 구하고, 표준화 된 각 성분의 C, H, O, N, S, Cl과 같은 원소함량을 듀롱 식, 스튜어 식, 쉴러-케스트너 식 등에 대입해 에너지 함량을 구할 수 있다(Fig. 3).

Fig. 3. 
Final purpose of this study. The representative values deduction for energy content estimation