- 가축분뇨를 ‘바이오차’로 급속 전환, 탄소중립 실현과 초미세먼지 저감에 기여

- 축산 농가의 골칫거리인 가축분뇨를 하루 만에 처리하는 고효율∙친환경 기술

- 산학연 간 벽을 허무는 기술 융합으로 사회문제 해결의 실마리 제공

□ 초미세먼지와 온실가스를 유발하는 가축분뇨를 하루 만에 탄소 잡는 ‘흑색 금(Black gold)’으로 바꾸는 기술이 개발됐다.

[사진자료] 연구진이 COMB 건조장치에서 시료를 수집하고 있는 모습

■ 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 대기청정연구실 유지호 박사 연구진이 축산 농가 현장에서 가축분뇨를 바이오차*로 즉시 전환하는 공정을 개발했다. 연구진이 개발한 공정을 활용하면 일일 10톤 규모의 가축분뇨를 바이오차로 전환할 수 있다. 

* 바이오차(Biochar): 바이오매스(Biomass)와 숯(Charcoal)의 합성어로, 곡물의 줄기, 동물의 배설물, 음식물 찌꺼기 등의 유기물질을 350도(℃) 이상의 산소가 희박한 조건에서 열분해해 만든 물질. 바이오매스가 토양 미생물에 의해 분해되면 이산화탄소나 메탄의 형태로 대기 중에 배출되는데, 바이오매스를 바이오차로 만들면 바이오매스에 포함된 탄소의 80%를 바이오차 내에 가둘 수 있어 ‘탄소 감옥’으로 불림

□ 2022년 기준 우리나라의 연간 가축분뇨 발생량은 약 5천만 톤이다. 이 중 87%는 장기간 발효해 퇴비, 액비로 활용하는데, 발효되기까지 60일 이상이 소요되며 장기 처리 과정에서 이산화탄소보다 300배 강한 온실가스인 아산화질소(N2O)가 발생한다. 또, 초미세먼지와 악취의 원인인 암모니아(NH3)도 함께 배출되는데 총량은 국가 전체 배출량의 70%에 달한다. 이로 인한 악취 민원*은 축산농가의 고질적인 문제가 되고 있다.

* 2021년 전체 악취 민원 23,511건 중 축산 부문이 13,616건으로 전체의 58% 차지(환경부 악취 민원 통계)

□ 이를 극복하기 위한 대안으로 바이오차가 주목받고 있다. 가축분뇨를 바이오차로 전환하면 아산화질소와 암모니아 배출을 원천 차단할 뿐만 아니라, 공기 중의 탄소를 흡수하고 1,000년 이상 가둬놓을 수 있어 축산분야의 탄소중립을 실현하기 위한 수단으로도 활용된다. 이에 정부는 바이오차를 축산분야 탄소중립 핵심기술로 선정하고, ‘축산분야 2030 온실가스 감축 및 녹색성장 전략*’을 통해 축산농가의 분뇨처리 개선과 바이오차 이용을 확대할 계획이다.

* 축산분야 온실가스 배출 저감을 위해 농가에 저감 설비를 보급, 가축분뇨 정화 처리 비중과 에너지 시설을 확충해 2030년에는 축산분야 온실가스 배출량 예상치의 30% (320만 톤)저감 (농림축산식품부, 2024.01.03.)

■ 연구진이 개발한 MTB* 공정의 핵심은 축분이 지닌 수분을 20% 이하로 줄이기 위한 탈수 기술과 건조 기술이다. 연구진은 에너지연이 보유한 건조 공정, 한국기계연구원의 탈수 공정, ㈜두리테크의 전처리 공정, ㈜유기산업의 열분해 기술을 모두 모아 통합 시스템을 설계하고 제작해 최적의 성능을 발휘하도록 하는데 성공했다. 이를 이용하면 기존 로터리 킬른 방식* 대비 전체 에너지 소비량을 10분의 1 이하로 크게 줄일 수 있다.

* Manure To Biochar: 축산분뇨를 바이오차로 제조하는 탈수-전처리-건조-열분해 통합공정

* 로터리 킬른 방식: 원통을 기울게 설치해 천천히 회전시키면서 열풍이나 불을 통해 원료를 가열하는 방식으로 시멘트 공업, 알루미늄 제련 등에 활용됨

[그림자료] 이번 연구를 통해 개발한 통합된 MTB 공정 개념도

□ 공정은 한국기계연구원에서 개발한 스크류 유형의 고액 분리기부터 시작된다. 분리기는 탈수 역할을 하며 축분이 지니고 있는 수분을 60% 이하로 낮추는데, 이때 사용되는 에너지는 로터리 킬른 방식 등 열을 이용한 기존 공정 대비 1% 수준에 불과하다. 탈수를 거쳐 덩어리 모양으로 분리된 축분은 ㈜두리테크가 개발한 3단 블레이드 분쇄 장치에 의해 1cm 이하로 크기로 잘게 쪼개진다.

□ 이후 에너지연이 개발한 F-COMB* 건조 장치를 이용한다. 장치 상부에서는 축분이 떨어지고, 하부에서는 열풍이 투입되는 형태로, 축분이 지그재그로 떨어지게 해 열을 최대한 받을 수 있도록 설계됐다. 이를 통해 단 1분의 짧은 시간으로도 축분의 수분을 20%까지 줄일 수 있다. 건조된 축분은 ㈜유기산업이 상용화한 TLUD* 열분해 반응기를 이용해 바이오차로 전환된다.

* F-COMB(Flexible-Counter flOw Multi-Baffle): 역흐름 다중 유연 방해판 반응기로 다중의 지그재그로 배치된 방해판에 의해 고체와 역흐름 열풍의 접촉을 최대화함으로써 에너지 효율이 높은 건조/열분해 장치

* TLUD(Top Lid Up-Draft): 상부에서 착화하여 아래로 타면서 내려가게 만들고 연기는 위로 올라가는 방식. 건조된 축분의 온도는 350℃에 이르며, 열분해를 통해 바이오차를 생산

■ 해당 공정은 충남 청양군의 실증단지에서 일일 10톤의 가축분뇨를 처리할 수 있는 규모로 실증됐다. 연구진은 100시간의 공정 운전을 성공적으로 마쳐 상용화 가능성을 입증했다. 

[사진자료] 실증 현장에 설치된 MTB 전경

□ 특히 에너지연 연구진이 개발한 F-COMB 건조 장치는 에너지효율, 제작비용, 편의성에서 모두 높은 경쟁력을 갖추고 있어, 국내는 물론 중국, 호주, 인니 등 친환경적 폐기물 처리와 재활용을 추진하는 해외 수요까지 확보하고자 일일 100톤 이상의 처리 규모로 확대할 계획이다.

■ 연구책임자인 유지호 박사는 “국내 가축분뇨의 대부분은 퇴비화되고 있으며, 이때 발생하는 온실가스, 초미세먼지 원인물질을 저감시키는 방안이 부재하다.”며, 개발한 공정은 가축분뇨를 현장에서 바이오차로 즉시 전환할 수 있는 저비용, 고효율 공정으로 축산분야의 환경문제, 온실가스 배출을 방지할 수 있는 핵심 기술이다.”라고 말했다.

□ 이번 연구는 과학기술정보통신부 원천기술개발사업의 일환으로 한국기계연구원, ㈜두리테크, ㈜유기산업, 칠성에너지, 충남대학교와 공동으로 연구를 수행했다.