본 연구에서는 가축전염병 발병 방지와 기존 처리 방법의 문제점이 발생하여 열처리 및 신개념의 처리 방안이 필요한 가축분뇨 중 전체 발생량의 99%를 차지하는 우분, 돈분, 계분을 선정하여 탄화공정에 적용하였다. 이를 위하여 가축분뇨의 기초특성과 열적특성을 파악하여 최적 탄화조건을 도출하였고 최적 탄화조건을 거쳐 생성된 가축분뇨 탄화물의 고형연료 활용방안에 대한 검토를 실시하였다.
가축분뇨 원료의 기초특성은 삼성분 분석, 겉보기밀도, 발열량, 그리고 원소 분석을 검토하여 알아보았으며, 가축분뇨 원료의 열적특성은 TGA /DTA 분석으로 검토하였고 TGA 분석에 의한 질량이 급속하게 감소하는 구간과 DTA 분석에 의한 흡열반응이 일어나는 조건을 선정하였다.
가축분뇨 원료의 삼성분 분석에 따르면 수분에 대해서는 81.27%로 나타난 계분이 가장 높았고, 건조 시료의 가연분에 대해서는 78.80%로 나타난 우분이 높았으며, 회분에 대해서는 24.45%로 나타난 계분이 가장 높았다. 가축분뇨의 원소 분석에 따르면 탄소에 대해서는 39.50%로 나타난 돈분이 높았으며, 수소에 대해서는 5.90%로 나타난 우분이 가장 높았다. 악취유발물질인 질소와 황에 대해서는 각각 돈분과 계분이 가장 높았으며, 염소에 대해서는 0.41%로 나타난 돈분이 가장 높게 평가되었다.
탄화 실험은 전처리한 가축분뇨를 탄화장치 내부에 넣고 질소를 80~100 mL/min의 유량으로 지속적으로 불어넣어 환원분위기를 조성하면서 진행하였다. 탄화온도와 탄화시간에 따른 가축분뇨 탄화물의 특성은 탄화온도를 250~400℃, 탄화시간을 5~30min에서 변화시켜 그에 따른 겉보기밀도, 저위 발열량, 수율, 총 발열량, 연료비, 연소성지수, 원소 분석을 검토하여 최적 탄화조건을 도출하였다.
가축분뇨 중 우분과 돈분의 최적 탄화조건은 300℃, 20min으로 나타났고, 계분의 최적 탄화조건은 350℃, 15min으로 나타났다. 최적 탄화조건에서 가축분뇨 탄화물의 저위발열량은 가축분뇨 원료의 저위발열량인 864kcal/kg에서 4,910kcal/kg으로 증가한 돈분이 가장 높았으며, 그 다음으로 402kcal/kg에서 4,378kcal/kg으로 증가한 우분이 높은 것으로 나타났다. 또한, 계분 탄화물의 저위발열량은 191kcal/kg에서 3,462kcal/kg으로 증가하였다. 가축분뇨 탄화물의 수율은 우분이 58.60%, 돈분이 61 .50%, 그리고 계분이 51.73%로 나타났으며, 저위발열량과 수율에 따른 총 발열량은 3,019kcal/kg로 나타난 돈분이 가장 높았고 그 다음은 우분, 계분의 순서로 나타났다. 최적 탄화조건에서 가축분뇨 탄화물의 연료비는 1.23으로 나타난 계분이 유연탄의 연료비와 가장 가깝게 평가되었으며, 연소성지수는 우분과 돈분이 각각 3,100kcal/kg과 3,624kcal/kg으로 나타나 3,000kcal/kg 이상으로 나타났으나 계분의 연소성지수는 2,523 kcal/kg으로 나타났다.
가축분뇨 탄화물은 고형연료로 활용하기 위하여 바이오고형연료제품 등급기준과 비교하였으며, 저위발열량은 기준인 3,000kcal/kg 이상을 모두 만족하였고 염소 함량도 기준인 0.5% 이하를 모두 만족하였다. 또한, 가축분뇨 탄화물의 황 함량은 검출되지 않았으므로 기준인 0.6% 이하를 모두 만족하였다. 그러나 가축분뇨 탄화물의 회분함량은 기준인 15% 이하를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 가축분뇨는 바이오고형연료제품으로 사용하기 위하여 회분함량의 감소가 필요하며 이를 위하여 목질계폐기물 및 음식물류폐기물 등과 혼합하는 원료개질이 필요한 것으로 판단된다.