Solar-Powered Hydrothermal Carbonization of Mixed Rice Husk and Food Waste: Process Optimization for High-Efficiency Energy Yield

기술 요약: 혼합 쌀겨 및 음식물 쓰레기의 태양광 기반 수열 탄화 공정

문제 제기
음식물 쓰레기와 같은 음식물 쓰레기 및 농업 잔류물(쌀겨 등)의 급격한 유기성 폐기물 증가는 폐기물 관리 및 환경 지속 가능성에 중대한 과제를 제기한다. 높은 수분 함량을 특징으로 하는 음식물 쓰레기는 사전 건조를 위한 에너지 집약적인 과정이 필요하기 때문에 직접 연소나 건식 열분해와 같은 전통적인 열화학적 공정에는 비효식적이다. 반면, 쌀겨는 종종 저활용되거나 노천 소각되어 대기 오염을 유발하고 귀중한 탄소 및 실리카 자원을 낭비하게 만든다. 수열 탄화(Hydrothermal Carbonization, HTC)는 사전 건조 없이 젖은 바이오매스를 고체 바이오 연료(하이드로차)로 전환할 수 있는 유망한 경로를 제공하지만, 일반적으로 화석 연료 유래 보조 에너지를 사용하는 에너지 집약적인 공정이라는 한계가 있다. 또한, 에너지 회수와 연료 품질을 극대화하기 위해 혼합 원료의 공동 처리를 최적화하려면 원료 조성과 운전 매개변수 간의 상호작용에 대한 체계적인 조사가 필요하다.

연구 방법
본 연구는 혼합 쌀겨와 음식물 쓰레기의 공동 수열 탄화(co-HTC)를 평가하기 위해 체계적인 실험적 접근 방식을 채택하였다.

• 원료: 쌀겨(리그노셀룰로오스계)와 음식물 쓰레기(생분해성 유기물)를 각각 이란 마잔다란(Mazandaran)과 테헤란의 시설에서 조달하였으며, 균질성을 확보하기 위해 준비 과정을 거쳤다.
• 실험 설계: 반응 표면 분석법(RSM) 하의 박-벤켄 설계(Box–Behnken Design, BBD)를 사용하여 세 가지 독립 변수인 쌀겨 비율(0–100%), 반응 온도(150–250 °C), 체류 시간(30–90분)을 최적화하였다. 설계는 반복 중심점을 포함한 17회의 실험 실행으로 구성되었다.
• 공정 조건: 3L 스테인리스 스틸 배치형 반응기에서 실험을 수행하였다. 본 연구는 실용성과 비용 효율성을 고려하여 직접 태양열 방식 대신 태양광 발전(PV) 시스템을 선택한 태양광 구동 운영 프레임워크를 제안하였다. 두 가지 구성이 상세히 기술되었는데, 하나는 잉여 전력을 그리드로 공급하는 계통 연계형 시스템이고, 다른 하나는 안정성을 보장하기 위해 배터리 저장 장치를 활용하는 독립형 시스템이다.
• 분석: 하이드로차 수율(HY), 고위 발열량(HHV), 에너지 수율(EY)을 측정하였다. 원소 조성(C, H, N, S, O)은 원소 분석기를 통해 결정하였다. 통계적 모델링에는 2차 다항식 방정식, 분산 분석(ANOVA) 및 모델 신뢰성을 검증하기 위한 진단 플롯(잔차, 정규 확률도)이 사용되었다.

주요 결과

• 공정 성능: 하이드로차 수율은 31.77%에서 76.4 wt.% 범위, HHV는 10.3에서 23.65 MJ/kg, 에너지 수율(EY)은 49.03%에서 85.38% 범위로 나타났다.
• 매개변수 영향:
  • 온도: 수율(HY) 및 에너지 수율(EY)에 영향을 미치는 지배적인 요인으로 확인되었다. 높은 온도는 탈수 및 탈카르복실화를 통해 HHV를 높였으나, 가속화된 분해로 인해 질량 수율과 전체 에너지 수율을 크게 감소시켰다.
  • 원료 조성: 쌀겨 비율이 HHV의 주요 동인이었다. 쌀겨 함량이 증가함에 따라 탄소 농축과 리그노셀룰로오스 유래 구조의 형성이 강화되어 HHV가 상승하였다.
  • 체류 시간: 온도 및 조성에 비해 영향력이 약했으나, 시간이 길어질수록 일반적으로 수율이 감소하였다.
• 상승 효과: 공동 처리는 리그노셀룰로오스 물질을 젖은 음식물 쓰레기와 혼합함으로써 하이드로차의 특성을 조절할 수 있음을 입증하였다. 혼합 원료는 중간 단계의 거동을 보였으며, 특정 비율에서 순수 음식물 쓰레기보다 더 높은 탄화 효율을 나타냈다.
• 모델 검증: 개발된 2차 모델은 모든 응답(HY, HHV, EY)에 대해 $R^2$ 값이 0.99를 초과하여 강력한 예측 능력을 보여주었다. 적합 결여(Lack of Fit) 테스트는 유의미하지 않았으며, 최적 조건에서의 실험적 검증 결과 편차는 5% 미만이었다.
• 최적화:
  • 최대 HY (76.91%): 약 88.75% 쌀겨, 153.98 °C, 56.92분에서 달성됨.
  • 최대 HHV (23.65 MJ/kg): 약 99.98% 쌀겨, 249.18 °C, 51.94분에서 달성됨.
  • 최대 EY (85.94%): 약 51.88% 쌀겨, 153.90 °C, 76.65분에서 달성됨.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 혼합 유기성 폐기물의 지속 가능한 가치 제고를 위한 과학적 근거를 제공한다고 주장한다. 주요 기여는 다음과 같다:

1. 공정 최적화: 적절한 온도와 중간 단계의 혼합 비율을 결합하면 에너지 회수를 극대화할 수 있으며, 이는 질량 유지와 에너지 밀집화 사이의 상충 관계를 조절할 수 있음을 입증하였다.
2. 태양광 통합: 화석 연료 의존도를 낮추는 실용적인 태양광 구동 HTC 시스템(PV를 통한)을 제안하여, 태양 자원이 풍부한 지역에서 분산형 저탄소 폐기물 에너지화 솔루션의 배치를 지원한다.
3. 원료 시너지: 쌀겨와 음식물 쓰레기의 공동 수열 탄화가 단일 원료 시스템에 비해 연료 특성(특히 HHV)을 개선함을 검증하였으며, 이는 이질적인 폐기물 흐름을 관리하기 위한 실행 가능한 전략을 제공한다.
4. 신뢰성: 공정 결과를 정확하게 예측하는 견고한 통계 모델을 구축하여, 순환 바이오 경제 적용을 위한 HTC 시스템의 설계 및 규모 확장을 용이하게 한다.

본 연구는 연료 품질 측면에서는 원료 선택이 매우 중요하지만, 효율적인 에너지 회수를 위한 핵심 요구 사항은 정밀한 열 조건 제어임을 결론지었다. 이 연구는 폐기물 완화와 에너지 생성을 동시에 달고 있는 광범위한 바이오 리파이너리 개념에 HTC를 통합하는 것의 타당성을 뒷받침한다.