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Kookmin-New Energy Lab(K-NEL) ------ 국민대학교 신에너지 연구실 연구보고서

copyright@국민대학교 신에너지연구실, Email:[email protected]. tel:02-910-4818

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【별지 제35호서식】

□ 진 도 보 고 서□ 중 간

위탁연구과제명

(국문) 전산유체역학 및 실험을 통한 브라운가스 고온소각-용

융처리 시스템 설계인자 도출(영문) A study on design parameters of brown-gas high

temperature incinerating/melting system by computational

fluid dynamics and experiments

위탁연구기관 연세대학교 연구책임자 신동훈

당해연도 연구기간 2003.06.01-2004.05.31

당해연도 사업비

(천원)

정 부

출연금40,000

민 간

부담금0 계 40,000

참여기업

위탁기관 연구책임자

연구년차 1총 참여

연구원수(명)6

가. 연구의 진척도

세부사업내용사 업 기 간

진도율(%)6월 7월 8월 9월 10월 11월 12월 1월 2월 3월 4월 5월

기초 문헌 조사 100%

공정설계에 관한 조사 - 연구 100%

로터리 킬른 해석 수행 100%

2차 연소실 해석 수행 80%

파일롯 플랜트 실험계획 및 준비 80%

- - - - 당초계획

진 도

mailto:[email protected].



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나. 연구수행 내용 및 결과

(1) 기초문헌 조사

브라운 가스 고온소각-용융처리시스템의 최적설계를 위해서 다음과 같은 공학분야에 대한 정보를 수집하였으며 자세한 내용은 부록에 수록되어 있다.

1) 폐기물 열적 특성 [부록 1]

바이오매스(목재류, 주개류, 곡물류), 플라스틱류(LDPE, PET등), 폐고무류 등의 다양한 산업폐기물에 대한열적특성을 TGA(Thermo-Gravimetric Analysis)를 이용하여 분석한 자료들 수집하였다.

2) 폐기물 발생현황 및 재활용율 조사 [부록 2]

경제적 운전이 가능한 대상 폐기물 설정을 위한 국내 폐기물별 발생량, 재활용율, 재활용 제품 판매비용, 연락처 정보 수집하였다.

3) 국내외 열분해 용융로 종류의 조사 [부록 3]

기존의 국내외에서 상용화 또는 기초연구로 수행되고 있는 설비들에 대한 조사를 통해 설계안 검토에 활용하였다.

(2) 공정설계에 대한 조사연구

본 연구에서 핵심 시설은 로타리 킬른 열분해/가스화로, 2차연소로와 브라운가스 용융로이며, 수냉각기와 습식세정기가 배가스 처리설비로 구성되어 있다. 이에 적절한 공정을 해석하기 위하여 각 설비별 설계방안에대해 조사하였으며 [부록 4]에 정리하였다. 또한, 이러한 모델을 이용한 본 연구의 파일롯 플랜트 공정해석결과는 [부록 5]에 나타나 있다.

(3) 로타리 킬른 열분해/가스화로 및 2차 연소실 해석 수행

초기 계획에서 용융로 해석이 포함되어 있었지만, 과제진행과정에서 용융로 전산해석의 유용성이 부각되지않아서 전산해석이 중요한 영향을 미칠 수 있는 로타리 킬른 열분해/가스화로와 2차 연소로에 대한 전산해석을 수행하였다. 로타리 킬른 열분해/가스화로는 당량비 이하의 공기를 주입하여 폐기물을 열분해 가스화 시키는 설비이며 2차 연소로는 열분해 가스와 연소공기가 혼합하면서 반응하여 연소를 완성하는 설비이다. 설계 최종안에는 로타리 킬른 열분해/가스화로와 2차 연소실이 연결된 형태로 운영되는 것으로 작성되어 있으므로 하나의 전산해석 모델을 구축하여 해석을 수행하였으며 자세한 내용은 [부록 6]에 나타나 있다.

전산해석은 기본설계 기준조건과, 파일롯 플랜트 실험을 통해 실제 운전되는 상황을 해석하여 연소실 열유체및 연소 성능을 평가하였다.

(4) 파일롯 플랜트 실험

2004년 2월 건설이 완료된 2톤/일 규모의 폐타이어 처리용 파일롯 플랜트에서 3월 9일부터 16일까지 시운전을 진행하였다. 자세한 내용은 [부록 7][부록 8]에 나타나 있으며 수행 내용은 다음과 같다.

1) 개요

폐타이어 투입량 80 kg/hr 정도를 유지한 정상운전을 수행하며 산소농도는 6에서 10% 사이에서 운전하였




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다. 정상운전조건 도출 및 2차공기 노즐의 영향을 파악하는 것을 목적으로 하였다. 3월 11일에 정상운전 가능성 확인 및 정상운전조건을 확보하여 목표한 성능을 달성한 것을 확인하였다.

2) 킬른 출구 및 2차연소로 온도 측정

킬른 출구와 2차 연소로의 온도는 운전조건을 확인할 수 있는 주요 인자이다. 킬른 출구의 온도는 900에서1000 ℃를 유지하고 2차 연소로에서 900℃를 달성할 수 있는가를 실험을 통해 확인하였다.

3) 배가스 성상 측정

산소농도와 CO는 운전시 연소조건을 확인시켜주는 중요한 인자이다. 산소농도는 연소공기가 적절하게 들어가는지 여부를 확인케 하고, CO는 완전연소의 척도로서 활용된다. 산소농도는 6에서 8% 범위에서 유지되는것이 바람직하고, CO는 200 ppm 이하를 만족시키는 것이 필요하다. 또한, 미연 탄화수소류의 성분은 최대한적을 것이 필요하다. 이를 위해서 연소실 혼합을 증진시켜야 할 필요가 있으며, 2차공기 노즐이 그 역할을 담당한다.

본 연구에서 배가스는 이동식 가스 분석기와 가스크로마토그래프 기기를 이용하여 분석하였다. 이동식 가스분석기는 O2, CO, NO, NO2, CxHy 등을 측정하게 되며, 가스 크로마토그래프 기기는 미연 탄화수소 성분을정밀 측정한다.

다. 중요 연구변경사항

<해당사항 없음>

라. 연구수행에 따른 문제점 및 개선방향

<해당사항 없음>




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마. 사업비 집행내역

(단위 : 원)

구분

비목

계획서상의

당초계획

비목변경 후

계획*사용금액 증감 증감사유

총 계

1) 인건비

ㅇ 내부인건비 (10,800,000) (10,080,000)

ㅇ 외부인건비 24,000,000 24,000,000 18,149,995 0

2) 직접비

ㅇ 연구기자재 및 시설비 3,000,000 3,000,000 3,000,000 0

ㅇ 재료 및 전산처리․관리비 1,200,000 1,800,000 1,702,900 +600,000파 일 롯 실험 및 전산재료비

ㅇ 시작품제작비 0 0 0 0

ㅇ 여비 4,500,000 4,500,000 3,832,300 0

ㅇ 수용비 및 수수료 800,000 200,000 102,170 -600,000파 일 롯 실험 및 전산재료비

ㅇ 기술정보활동비 2,900,000 2,900,000 2,339,365 0

ㅇ 연구활동비 1,600,000 1,600,000 1,600,000 0

ㅇ 연구홍보비

ㅇ 환경기술평가비

3) 간접비

ㅇ 간접경비

ㅇ 연구개발준비금 2,000,000 2,000,000 2,000,000 0

ㅇ 산업재산권 출원․등록비

4) 위탁연구개발비

※ 1회이상 비목을 변경했을 경우 최종 승인된 예산을 기재

주1) 사업비 중 참여기업 현물출자분은 ( )내에 금액을 기재

2) 사업비 관리 통장사본(입․출금내역) 첨부

바. 연구성과(산업재산권, 기술이전, 기술실시계약, 국내외 전문학술지 게재, 학술회의 발표,공공․교육․제도개선․사회연구목적 활용 및 기타 활용실적 등의 현황)

사. 건의사항




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아. 기타 관련자료 첨부

부록 1. 폐기물 열적 반응 특성

부록 2. 산업폐기물 발생원 및 재활용 조사

부록 3. 국내외 열분해 용융소각로 조사

부록 4. 열분해 용융 소각로 단위 공정별 설계방안

부록 5. 기본설계를 위한 열 및 물질 정산 결과

부록 6. 열분해로 및 2차 연소로 전산해석

부록 7. 파일롯 플랜트 실험결과

부록 8. 파일롯 플랜트 측정 자료

2004 년 03 월 30 일

연구책임자 신동훈 (인)




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부록 1. 폐기물 열적 반응 특성

폐기물의 열적 특성 실험의 목적은 다양한 연료에 대한 물리 화학적 성상 및 반응 특성자료를 수집하고, 자료가 없는 일부 연료는 TGA, 원소분석 등의 실험적 방법을 동원하여 폐기물 열분해 및 연소특성 데이터베이스를 작성하는 것을 목적으로 한다. 현재까지 다양한 폐기물 관련 논문과 보고서들을 검토한 결과 각종 폐기물의 연소특성 자료를 수집하였다.

일반적으로 폐기물은 연료로서 최근 많은 관심을 받고 있으며 또한 활발하게 연료로서 활용할 수 있는 연구들이 국내외에서 진행되고 있다. 폐기물은 매우 다양한 화학적 성분을 갖고 있으며 그 형태 또한 다양하여예측이 불가능하다고 할 수 있다. 연료로서 재이용이 가능한 폐기물로는 다음과 같은 것들이 있다.

플라스틱(plastic) 계열

PE(polyethylene), PP(polypropylene), PS(polystyrene), PET(polyethylene terephthalate), PVC(polyvinyl chloride), EVA(ethyl-vinyl acetate), ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene)

셀룰로스(cellulose) 계열 폐지폐목재등

고무(rubber)계열 폐타이어 등

PE, PET는 음료수병 등 각종 병류, 포장봉지등에 사용되며, PS는 일회용 식기, 카셋트테이프 케이스, 산업용 포장 및 충진재, 파이프등에 사용되며, PVC는 첨가제에 따라 물성의 조절이 용이하기에 폐기물의 종류역시 다양하여, 가방, 장난감, 각종 호스나 덕트, 신발, 벽이나 창틀, 매트, 식품용기 등의 형태로 발생한다. 산업에서 많이 사용되는 PE, PP, PS는 3대 범용수지로 일컬어지고 PVC, PET를 포함해서 5대 범용수지로 일컬어진다. 국내 폐플라스틱 발생성분 비율을 보면 70% 이상이 3대 범용수지가 차지하고 있다. EVA는 신발바닥창에 주로 사용되며, ABS는 완구류, 자동차 플라스틱 재료로 많이 사용된다.

폐기물에 포함되어 있는 물질들의 성상은 매우 다양하며 이들의 열적 반응특성 역시 매우 다양할 것임을 예상할 수 있다. 각 성상들의 열분해 반응특성을 TGA (thermo-gravimetric analysis) 결과를 비교해 보면다음과 같다.

(1) 종이류

그림 1 복사지 (10 ℃/min, Air)[1]

그림 2 종이상자 (10 ℃/min, Air)[1]

(2) 나무류




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그림 3 나왕 (10 ℃/min, Air)[1]

그림 4 쌀 (10 ℃/min, Air)[1]

그림 5 식물성 섬유 (10 ℃/min, Air)[1]

(3) 플라스틱류

그림 6 LDPE(low density polyetylene)

(10 ℃/min, Air)[1]

그림 7 EVA (10 ℃/min)[2]




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그림 8 PE (20 ℃/min, N2)[3]

그림 9 PP (20 ℃/min, N2)[3]

그림 10 PET (20 ℃/min, N2)[3]




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그림 11 PVC (20 ℃/min, N2)[3]

(4) 고무류

그림 12 폐고무 (20 ℃/min)[2]

그림 13 연필 지우개 (10 ℃/min, Air)[1]

이상의 여러 연구자들의 연구결과를 비교해 보면 다양한 성상에 불구하고 세가지 그룹으로 나눌 수 있는 것을 알 수 있다. 첫째는 비교적 낮은 온도인 250-350℃ 영역에서 급격한 열분해가 진행되는 종이, 나무등 셀룰로스계열이고, 둘째는 종류는 다양하지만 대략 350-500 ℃ 영역에서 급격한 열분해가 진행되는 플라스틱계열이며 셋째는 반응영역이 300 ℃에서 800℃까지에 이르는 고무류이다. 한편 고무류의 경우 일반적으로플라스틱등 다른 이물질과 혼합된 형태로 사용되기 때문에 정확한 반응 특성을 알려면 좀더 많은 자료수집과측정 연구가 필요하다. 그림 24의 PVC의 경우 두 개의 피크를 보이고 있는데 고온부 피크는 PVC 고유의성질을 보이는 것이고 저온부 피크는 형질 변환을 위해서 PVC와 혼합된 셀룰로스계열의 반응으로 사료된다.따라서 문제의 단순화를 위하여 일반적인 산업 폐기물의 종류는 셀룰로스계열과 플라스틱 계열로 구분하거나 차후 고무류의 정확한 열적 반응 특성이 분석되고 플라스틱 계열과 다른 특성을 보일 경우 고무류를 세번째로 추가할 수 있을 것이다.

(5) RDF

아래 그림은 북부 이탈리아 도시폐기물을 원료로 생산된 RDF와 다양한 물질들의 TGA 결과를 비교한 그림이다[4]. 1번의 RDF의 열분해특성은 아래 그림과 같이 나무, 종이 등의 셀룰로스 계열과 PE 등의 플라스틱계열의 열분해 특성이 혼합된 형태를 보이고 있다. 이는 RDF의 구성요소가 셀룰로스 계열과 플라스틱 계열의혼합물이기 때문이다. 위에 국내 폐기물의 결과들과 비교하여 반응영역이 50 ℃정도 높은 것을 알 수 있다.이는 TGA 실험조건인 온도 상승률, 가스환경등의 영향에 의한 것으로 사료된다.




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그림 14 TGA 질량감소 측정결과 (10 ℃/min, N2)[4]

1: RDF, 2: Paper, 3: Wood, 4: PE, 5: α-cellulose

그림 15 TGA 질량감소율 (10 ℃/min, N2)[4]

1: RDF, 2: Paper, 3: Wood, 4: PE

산업 폐기물을 열분해하면 발생되는 물질은 가스와 액상, 그리고 고상 잔유물로 나눌 수 있다. 여기서 가스는상온에서 응축되지 않는 기체를 의미하며 열분해 생성물로는 CO, CO2, H2, CH4, C2H4, C2H2, C2H6,C3H6 등이 있다. 상온에서 액체가 되는 액상잔유물은 두가지로 나뉘는데, 첫째는 acids, ketone, aldehydes등의 저분자량이고 화학적 산소요구량(COD)이 높은 비교적 점도가 낮은 물질들이고 둘째는 일반적으로 tar라 불리우는 고분자량의 불규칙하고 그리고 그 종류도 매우 다양하며 상온에서는 왁스와 같이 굳어지는 물질이다. 일반적인 열분해 공정에는 tar를 파괴하여 저분자량의 물질로 전환하는 공정이 필요하다. 고상 잔유물은 일반적으로 char라 불리우는 탄소덩어리와 더 이상 반응하지 않는 재성분을 포함한다. char는 가스와 액상 물질이 빠져나가면서 다공성 물질이 되기 때문에 활성탄으로 가공하여 이용하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.

열분해 생성물의 발생비율은 원료의 성상, 열분해 조건의 영향을 받기 때문에 이들 조건들을 제대로 파악해야 할 필요가 있다. Lin[5] 등의 연구에 의하면 도시폐기물을 원료로 한 RDF의 500℃에서 열분해시 대략28%의 oils, 30%의 가스, 42%의 고체 잔류물질이 남는 것으로 보고하였다. Williams[6] 등은 720 ℃에서 촤29.4%, 타르 53.2%, 가스 17.6%가 발생하였다고 보고하였다. 한편, Cozzani[4]등은 좀더 다양한 실험을 통해RDF 열분해 특성을 규명하였다. 고정상에서 열분해 온도를 500-900℃로 변화시켜가며 실험한 결과, 온도가올라갈수록 가스발생량이 증가하며 촤와 액체성분인 타르의 발생량이 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 고온이 될수록 반응도가 높아져 작은 분자량 물질의 생성율이 높아지기 때문이다. 낮은 온도에서는 촤<가스<타르의 순으로 발생량이 높아지는 한편, 높은 온도에서는 촤<타르<가스의 순으로 발생량이 높아지는 것을




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보여주었다. 900℃의 경우를 500℃의 경우와 비교해 보면 가스발생량은 대략 100 % 가량 증가하고 타르는30%가량 감소, 촤는 20%가량 감소하는 것을 알 수 있다. 한편, 수분 발생량은 열분해되어 상당히 줄어드는것을 알 수 있다. 또한, 위의 Lin 및 Williams 등의 연구결과와도 생성물 발생율에서 큰 차이가 있는 것을알 수 있는데 이는 RDF 성상의 차이에서 기인한 것으로 판단된다. 따라서, RDF 열분해공정에 있어서 RDF의 성상과 열분해 조건을 어떻게 제어하는가가 목적하는 공정의 성능을 달성하는데 필요한 핵심 기술이 될것이다.

그림 16 RDF 고정층 열분해 생성물 분포[4]

(6) 참고문헌

[1] 유영준, 고형폐기물 연소특성의 실험적인 고찰, 한국과학기술원 석사학위논문, 1994

[2] 폐합성고분자 폐기물의 소각폐열회수를 위한 하향삭 건류소각기술 실용화 개발, 고려소각로 공업주식회사, 상공자원부 과제보고서, 1994

[3] 폐기물의 열분해에 의한 생성가스 및 TAR의 연소기술 개발, 한국에너지기술연구소, 과학기술처 과제보고서, 1993

[4] Cozzani, V., Nicolella, C., Rovatti, M., Tognotti, L., "Modeling and Experimental Verification ofPhysical and Chemical Processes During Pyrolysis of a Refuse-Derived Fuel," Industrial &Engineering Chemistry Research, Vol. 35, No.1, pp. 90-98 (1996 Jan)

[5] Lin K.S., Wnag, H.P., Liu, S.H., Chang, N.B., Huang, Y.J., Wang, H.C., "Pyrolysis Kinetics ofRefuse-Derived Fuel," Fuel Porcessing Techology, Vol. 60, No. 2, pp.79-84, (1999 Jan)

[6] Williams P.T., Besler, S., "The Pyrolysis of Municipal Solid-Waste," Journal of the Institute ofEnergy, Vol. 65, No. 465, pp. 192-200, (1992 Dec)




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부록 2. 산업폐기물 발생원 및 재활용 조사

'96 ~ '00 국내 폐타이어발생․회수 현황

(자료출처 : 대한타이어공업협회)

□ '96 ~ '00 폐타이어 종류별 발생현황(단위 : 천개)

구 분 ‘95년 ‘96년 ‘97년 ‘98년 ‘99년 '00년

대 형 1,599 1,620 1,713 1,727 2,052 1,555

중․소형 11,184 12,804 14,877 17,987 19,432 17,106

이륜차용 1,177 964 994 1,015 1,238 935

합 계 13,950 15,388 17,584 20,729 22,722 19,596

※ 1999년도 폐타이어 발생원을 보면 타이어판매․수리점에서 17,149천개(총발생량의 75.5%)이며, 폐차장에서 5,573천개(총발생량의 24.5%)

※ 2000년도 폐타이어 발생원을 보면 타이어판매․수리점에서 13,820천개(총발생량의 70.5%)이며, 폐차장에서 5,776천개(총발생량의 29.5%)

□ 국내 폐타이어 회수현황(단위 : 천개)

구 분 ‘96년 ‘97년 ‘98년 ‘99년 '00년

연간 발생량 15,388 17,584 20,729 22,722 19,596

회

수

량

대 형 2,767 1,862 1,805 1,313 1,273

중․소형 9,340 10,783 8,615 8,292 10,431

이륜차용 48 35 57 42 55

합 계 12,155 12,680 10,477 9,647 11,759

회수비율 79.0% 72.1% 50.5% 42.5% 60.0%

□ '96 ~ '00 지역별 폐타이어 발생․회수량(단위 : 천개)

구 분‘96년 ‘97년 ‘98년 ‘99년 ‘00년

발생량 회수량 발생량 회수량 발생량 회수량 발생량 회수량 발생량 회수량

경기강원권 7,863 6,226 8,875 6,558 10,344 5,385 11,247 5,026 9,608 6,007

대전충청권 1,508 1,183 1,730 1,433 2,114 1,078 2,340 992 2,049 991

대구경북권 1,877 654 2,158 714 2,529 660 2,773 452 2,367 814

부산경남권 2,431 2,772 2,812 2,807 3,317 2,490 3,636 2,376 3,151 2,717

광주전라권 1,508 1,289 1,780 1,168 2,156 785 2,408 679 2,138 1,044

제 주 201 32 229 - 269 79 318 122 283 186

합 계 15,388 12,156 17,584 12,680 20,729 10,477 22,722 9,647 19,596 11,759




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2001 전국 폐기물중간처리업(재활용전문) 허가 및 재활용신고 업체 현황,

한국자원재생공사, 2002

재활용 폐기물종류 가동업체수 재활용폐기물량(톤/년)판매량(톤/년

)판매총액(천원/년

)톤당판매액(천원/년)

총계 3,652 27,239,975 56,811,458 3,909,308,163 69

폐산 소계 71 682,133 751,832 53,960,667 72

폐염산 28 344,674 370,430 25,566,646 69

폐황산 26 89,556 108,543 10,298,094 95

폐질산 1 3,370 3,307 140,881 43

폐사진정착액 - - - - -

기타 16 244,533 269,552 17,955,047 67

폐알카리 소계 12 36,845 45,020 3,415,344 76

폐암모니아 - - - - -

폐가성소다 4 14,932 28,194 1,009,944 36

소석회 - - - - -

기타 8 21,913 16,826 2,405,401 143

폐유 소계 135 308,497 295,600 78,526,821 266

92 241,756 246,672 56,372,286 229

21 103,327 111,621 24,039,334 215

윤활유계 13 5,475 5,228 659,136 126

7 1,110 1,051 564,309 537

3 1,699 1,473 6,976,250 4,737

48 130,146 127,299 24,133,258 190

9 24,878 10,405 2,842,068 273

- - - - -

광물계 - - - - -

- - - - -

9 24,878 10,405 2,842,068 273

기름성분함유폐기물 1 1,162 1,046 1,168,540 1,117

33 40,701 37,478 18,143,928 484

28 26,558 24,515 13,063,575 533

동.식물폐유 3 2,143 1,468 508,742 347

2 12,000 11,495 4,571,611 398

폐유기용제 소계 85 285,417 124,183 25,922,550 209

할로겐족 30 11,223 9,801 3,048,202 311

비할로겐족 5 25,626 8,735 1,456,863 167

기타 50 248,568 105,646 21,417,486 203

폐합성고분자화합물 소계 1,211 812,676 821,633 300,695,742 366

폐합성수지 1,040 571,142 614,669 238,763,046 388

48 46,740 45,201 18,479,410 409

97 45,412 43,224 19,387,004 449

61 41,553 54,823 39,183,112 715

92 57,861 43,335 18,537,650 428




-14-

139 49,375 49,255 20,774,427 422

37 12,333 12,325 5,239,343 425

69 19,083 18,765 7,735,653 412

45 16,101 15,206 7,438,317 489

452 282,684 332,535 101,988,130 307

49 108,324 93,982 10,377,126 110

폐합성고무류 48 107,124 93,812 10,343,126 110

1 1,200 170 34,000 200

103 124,271 104,180 47,933,074 460

폐타이어 28 53,295 50,696 26,353,218 520

6 12,843 2,010 1,343,334 668

1 79 6 7,087 1,149

68 58,054 51,468 20,229,435 393

폐페인트.폐락카 19 8,939 8,802 3,622,496 412

폐석면 소계 2 44 44 20,398 459

제조공장발생석면 2 44 44 20,398 459

건축물발생석면 - - - - -

광재 소계 138 8,379,237 14,512,363 716,227,293 49

고로슬래그 14 1,927,728 2,229,434 121,053,985 54

제강슬래그 20 5,483,608 4,848,969 41,566,865 9

유해물질함유광재 15 235,666 6,578,954 481,351,101 73

불연소탄 - - - - -

기타광재류 89 732,234 855,007 72,255,341 85

분진 소계 84 710,270 731,922 23,119,971 32

집진dust 15 412,159 400,722 8,147,375 20

carbonblack 1 1,609 635 282,843 446

유해물질함유분진 11 34,680 31,896 848,722 27

기타분진 57 261,823 298,669 13,841,031 46

폐주물사및샌드블라스트폐사 소계 49 645,065 629,516 12,402,986 20

폐주물사 3 120,258 114,675 4,084,000 36

40 513,338 503,636 8,222,360 16

샌드블라스트폐사 6 11,469 11,205 96,626 9

폐내화물및도자기편류 소계 111 1,100,825 2,746,608 274,472,051 100

폐내화벽돌류 32 57,287 263,165 5,383,627 20

도자기편류 32 39,348 1,831,401 113,679,203 62

타일편류 4 416 154 19,529 127

폐유리 43 1,003,774 651,889 155,389,693 238

소각잔재물및연소재 소계 84 2,900,251 16,868,121 873,661,237 52

석탄재 15 295,529 2,198,667 153,617,348 70

Flyash 21 1,632,819 5,790,921 285,340,605 49

액체연료연소재 3 684,475 7,369,840 341,162,000 46

폐기물소각재 11 66,091 731,597 47,397,997 65

기타연소재 34 221,337 777,096 46,143,288 59




-15-

안정화처리물 - - - - -

폐촉매 폐촉매류 10 11,009 20,095 4,090,266 204

폐흡착제폐흡수제 소계 20 17,939 337,601 12,135,571 36

폐활성탄 12 6,264 3,757 6,450,766 1,717

기타 8 11,675 333,843 5,684,805 17

폐농약 - - - -

PCB함유폐기물 소계 - - - -

액상 - - - -

액상이아닌것 - - - -

오니류 소계 217 2,174,279 9,267,368 453,388,991 49

155 1,934,574 8,665,387 418,992,308 48

폐수처리오니 2 4,731 1,060,227 8,208,835 8

60 198,890 237,019 7,123,225 30

4 50,921 85,608 297,412 3

73 1,593,709 7,123,890 401,233,043 56

16 86,323 158,642 2,129,794 13

62 239,705 601,981 34,396,683 57

공정오니 19 11,244 11,256 4,832,242 429

43 228,461 590,725 29,564,440 50

폐섬유류 소계 164 133,876 135,806 88,229,616 650

20 12,950 11,585 8,220,662 710

천연섬유 8 7,263 6,306 4,037,565 640

- - - -

3 3,318 3,157 238,637 76

9 2,369 2,123 3,944,460 1,858

144 120,927 124,221 80,008,955 644

합성섬유 43 66,651 71,850 37,951,477 528

16 10,596 10,195 12,000,339 1,177

85 43,680 42,176 30,057,139 713

폐가죽류 소계 15 90,268 29,202 26,614,490 911

가죽스크랩 5 44,805 16,137 3,556,796 220

피혁가공잔재물 10 45,463 13,066 23,057,694 1,765

동물성잔재물 소계 226 1,257,873 1,144,375 123,974,443 108

동식물성잔재물 104 323,950 256,696 60,773,630 237

36 116,916 78,667 20,451,438 260

68 207,034 178,029 40,322,191 226

수산가공잔재 42 116,980 82,812 36,928,610 446

식물성잔재 80 816,943 804,867 26,272,204 33

폐석회류 소계 99 2,123,106 2,397,005 136,102,168 57

폐석회(CaO) 74 598,196 530,729 21,110,086 40

폐소석회 5 10,331 246,498 15,380,800 62

폐석고 20 1,514,578 1,619,778 99,611,283 61

폐전지 소계 81 104,278 85,740 44,534,130 519




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폐축전지 79 102,763 84,225 44,444,130 528

전지류(수은.리튬망간.알카리등) 2 1,515 1,515 90,000 59

기타화학물질 소계 1 3,954 3,954 711,720 180

유기화합물 - - - -

무기화합물 1 3,954 3,954 711,720 180

기타 - - - -

기타 180 123,289 395,720 64,519,777 163

건설폐재류 소계 90 2,676,873 2,963,244 5,123,361 2

토사 17 394,070 229,359 158,808 1

폐콘크리트 30 1,920,059 2,364,940 414,618 0

폐아스팔트콘크리트 28 304,306 307,490 4,526,406 15

폐벽돌 15 58,439 61,455 23,529 0

금속류 소계 291 1,428,974 1,495,230 518,232,719 347

철계금속 180 1,094,292 1,155,741 125,028,735 108

비철계금속 102 303,564 308,768 384,939,019 1,247

기타 9 31,119 30,722 8,264,964 269

폐지 140 651,063 638,936 46,683,118 73

폐목재 소계 73 365,277 218,154 9,343,034 43

나무조각 15 65,998 67,198 3,000,264 45

톱밥 22 188,006 45,620 1,150,634 25

기타 36 111,273 105,336 5,192,137 49

음식물쓰레기 63 216,656 152,185 13,199,697 87

기타 수집된 내용: 재활용 중간처리업 허가 및 신고업체 목록




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부록 3. 국내외 열분해 용융소각로 조사

열분해 용융 소각로는 1970년대 오일쇼크로 인하여 석탄 등 대체에너지 개발에 의해 발달한 저급연료의 고급연료화를 위한 열분해 기술과, 제철산업에서 사용하는 용융기술을 소각로 다이옥신 및 중금속 문제등을 해결하기 위해 결합하여 폐기물의 완전 무해화 처리를 목표로 하는 폐기물 처리기술이다. 최근 국내에서는 다이옥신 및 중금속 문제에 의한 소각로 민원이 거세짐에 따라, 열분해 용융 소각로가 기존 폐기물 소각로의대체기술로 부각되고 있다. 또한, NOx와 SOx를 비교적 쉽게 제거할 수 있는 장점이 있는 등 환경보호측면에서 폐기물 소각 및 에너지 회수를 위한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 여러 가지 기술들이 상용화를 위해검증단계를 거치고 있는데, 다양한 열분해용융 공정들이 국내에 소개되고 있으며 그중 활발히 기술도입을 추진하고 있는 업체와 공정들의 예가 다음 표에 나타나 있다.

기술제휴선/국내회사

열분해/가스화 방식 용융기작 2차 반응로 특징 비고

Thermoselect/대우건설 이동층식 촤+산소+LNG, 1600℃ 산소주입에 의한 가스화

완성

R-21/동부건설 회전킬른식 열분해가스+촤+공기,

1300~1350 ℃선회공기주입에 의한 완전소각 및 용융

Evara/효성

기포유동층식, 공기주입 부분산화

열분해가스+촤+공기1300~1350 ℃

선회공기주입에 의한 완전소각 및 용융

신일본제철/포스코건설 고로형 코크스+폐기물+공기 -

국내 도입 예정인 상용 열분해 용융로 기술

초기 폐기물 처리에 활용되기 시작한 플라즈마와 전기아크 용융 방식은 제작비가 비싸며, 에너지 소모율이높고, 또한, 공기와 고온의 열분해가스가 만나면서 NOx, SOx 생성이 많다는 단점이 있기에 최근에는 가연성 폐기물 처리에 사용되지 않고, 해외에서는 불연성 또는 위해 폐기물 처리에 사용된 사례가 있다. 근래에들어 에너지 측면을 고려한 열분해 용융로가 소개되고 있는데, 그중에는 R-21과 Evara 공정과 같이 보조열원 없이 폐기물 자체 발열에너지로 열분해 및 비산재 용융을 실현하는 공정들이 적용되고 있다. 그 외에, 제철소에서 사용하는 코크스를 보조열원으로 투입하는 고로형 용융로, 산소주입 및 LNG를 보조열원으로 하는Thermoselect 공정, 유동층 열분해 후 2차연소로에서 비산재를 용융시키는 기포 유동층 가스화 용융로 등이상용화에 성공하거나 근접한 공정으로 알려져 있다.

에바라 유동층 열분해 용융로 개요




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신일본제철 열분해 용융로

Thermoselect 열분해 용융로




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R-21 열분해 용융로




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부록 4. 열분해 용융 소각로 단위 공정별 설계방안

1. 열분해로 설계방안

열분해에 대한 연구는 1970년대부터 충분한 연구가 진행되어 왔으며, 각종 폐기물에 대한 열분해 특성들도보고되었다. 열분해는 무산소분위기에서 가열을 통한 순수 열분해, 산소를 당량비 이하로 주입하여 부분 연소에 의한 반응열을 이용한 열분해/가스화, 그리고 가열과 산소주입을 동시에 수행하는 복합적인 열분해/가스화로 구분할 수 있다. 열분해는 폐기물을 열분해 온도까지 가열하는데 에너지를 투입해야 하는 공정으로서수분 함량과 폐기물 조성에 따른 비열이 중요한 인자이며, 열분해로 성능에 따라 용융로 및 연소로에 영향을미치기 때문에 주의깊은 설계와 운전이 필요한 공정이다. 열분해 방식으로는 이동층 열분해, 회전킬른 열분해, 유동층 열분해로 구분할 수 있는데, 이동층 방식은 Thermoselect 방식이 대표적인 예로서 설비가 간단한 반면 열전달 효율이 떨어지는 점이 있으며, 회전킬른 열분해의 경우, R-21방식으로 혼합 및 열전달이 뛰어나지만, 원통의 회전에 의해 설비가 복잡해지고 적절한 외부공기 차단장치를 설치하지 않으면 외부공기의유입에 의한 반응을 일으킬 수 있다. 유동층 방식은 Evara 방식이 대표적인 예이며, 고온의 유동사와 직접적인 열교환으로 높은 열분해 성능을 갖는 시설이지만, 폐기물과 유동사가 혼합됨에 의해 비산재양이 많아지며유동사와 바닥재를 분리하는 시설이 필요한 점이 있다. 이상의 열분해 반응기작 및 방식의 선택은 폐기물의성상을 고려하여 선택해야 한다.

폐기물 종류 특징

폐타이어, 폐고무류

고발열량이며, 열분해는 650 ℃정도에서 가장 활발하고 350~800℃에 걸쳐 열분해가 발생한다. 열분해가 어렵지만 높은 발열량과 높은 카본 함유량으로 용융로 에너지원으로 사용된다.

슬러지류수분함량이 70%내외로 높기 때문에 발열에너지는 거의 없다. 수분증발후에는 바이오매스류와 유사한 열분해 특징을 갖는다. 한편, 재성분이 높기 때문에 용탕을 채울 용융물 생성에 사용된다.

종이, 목재, 바이오매스

열분해가 300℃ 주변에서 가장 활발하며 200 ℃에서 500 ℃에 걸쳐 열분해가 발생한다. 열분해 온도가 낮아서 쉽게 연소되는 특징이 있어서 초기 발화에 용이하다(3000~4000 kcal/kg).

플라스틱류최고 열분해율은 플라스틱 종류에 따라 400~530℃ 범위에서 보이며, 350~600℃에 걸쳐 열분해가 발생한다. 발열량(~9000 kcal/kg)도 높으며, 열분해 온도도 비교적 낮기 때문에 우수한 연료로 사용된다.

다양한 폐기물의 열분해 특성

최종 열분해 온도는 폐기물 종류에 따라 달라지는데, 폐기물 종류는 위 표와 같이 크게 4가지로 구분할 수있다. 폐기물 종류에 따라 최적의 열분해 온도는 큰 차이를 보이고 있는데, 종이, 목재등 바이오매스 계통 폐기물은 200~500℃의 낮은 온도에서 열분해가 발생되지만, 플라스틱류는 350~600 ℃, 폐타이어나 폐고무는350~800 ℃ 범위에서 열분해가 진행되는 등 열분해에 필요한 온도가 높은 편이다. 따라서, 열분해로 온도는폐기물 종류에 따라 적절하게 선정해야 할 것이다. 2001년 국내 생활폐기물은 음식물류, 종이, 목재류 등 열분해 온도가 낮은 물질이 60% 이상이며, 그다음으로 플라스틱류가 15% 정도로 구성되어 있으므로 열분해로출구 폐기물 온도는 대략 600℃ 내외가 적절하며, 이를 위하여 열분해로 가열 온도는 예상 폐기물 출구온도보다 높게 설계하는 것이 바람직하다. Thermoselect 방식의 경우, 열분해로 가열 가스가 600℃이상의 온도에서 주입되며 회전식킬른을 이용한 R-21의 경우, 열분해로 가열공기가 520~550 ℃에서 주입되고, Evara유동층 열분해로가 550~630℃의 온도를 유지하는 것은 이러한 도시 폐기물 성상을 고려한 설계라 하겠다.

일반적으로 폐기물은 수분, 회분 그리고 가연분의 삼성분으로 구분되며 세 물질은 열분해로에서 각각 다른물리적 특성과 변화과정을 보인다. 상온의 폐기물이 열분해로안으로 투입되어 가열되면서 수분증발과 탈휘발과정을 거치면서 소모하는 열에너지는 다음 표와 같이 수분증발에너지, 가연분 가열에너지, 휘발분 증발에너지, 회분 가열에너지로 구분되어 계산된다. 수분증발에 소요되는 에너지가 가장 높은 것을 알 수 있으며, 그다음으로 가연분 가열에너지, 회분가열에너지, 휘발분 증발에너지 순으로 계산된다. 수분 함량이 열분해 에너지에 절대적인 영향을 미치는 것을 알 수 있다.




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소요에너지 항목 소요에너지 계산식 20℃에서 600℃로 가열시 필요에너지

수분 증발에너지 Q water evapor ation =h out-h in 3620 kJ/kg

가연분 가열에너지

Q combustible heatup=C P combustibleΔT

C P combustible=3(R/a)g( 1200/T) (J/kgK)

R=8314.4 (J/kmole K)

a= 1C12 +H+ O

16 + N14 + S

32g(z)= e z/[ (e z-1)/z] 2

1409 kJ/kg

휘발분증발에너지 Q latent heat=80∼90kcal/kg 356 kJ/kg

회분가열에너지Q ash heatup=C P ash

ΔTC P=594+0.58 6T(J/kgK)

537 kJ/kg

대상폐기물 열분해에너지 Q=3620×0.2+1409×0.4+356×0.12+537×0.4 1545 kJ/kg (발열량대비 12%)

열분해 에너지 계산식

열분해 방식은 가열매체와 가열대상이 혼합되지 않는 간접식과 혼합되는 직접식이 있다. 간접식의 대표적인예가 Thermoselect, R-21 방식 등이며 직접식은 유동층 방식, 고로형 등이 있다. 간접식의 경우 전열면을통해 가열매체와 가열대상이 열전달을 발생시키며, 주로 열전도현상에 의해 전열된다. 직접식 열분해로의 대표적 예인 유동층 열분해로는 가열매체인 유동사가 폐기물과 직접 만나 다상유동 혼합대류현상을 보이면서열분해가 발생한다.




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다양한 열분해로의 특징 비교




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2. 용융로 설계 방안

열분해로를 통과한 폐기물은 휘발분은 거의 증발하고, 고정탄소(촤)와 재성분은 용융로로 유입되어 고정탄소는 CO나 CO2로 전환되어 연소되고, 재성분은 용융되어 슬래그로 배출된다. 용융로는 보조연료 및 외부에너지를 사용하는 방법, 순산소 또는 과잉 산소공기를 주입하여 용융로 온도를 높이는 방법, 그리고 공기주입과 폐기물 자체 연소열을 이용한 방법 등 크게 세가지로 구분할 수 있다. 보조연료 및 외부에너지를 이용한방법으로는 코크스층용융로, LNG버너용융로, 전기아크 용융로, 플라즈마 용융로, 브라운가스 용융로 등이해당한다. 순산소 또는 과잉산소공기를 이용한 방법은 Thermoselect가 대표적인 경우로 연소가스의 질소양을 줄임으로써 연소가스 온도를 올리고 산화반응율을 높여 고온의 분위기에서 폐기물을 소각용융시키는 방식이다. 폐기물 자체 연소열을 이용한 방식으로는 R-21 방식과 Evara 방식이 유사한 방법을 채택하고 있는데, 별도의 산화제 또는 에너지원을 필요로 하지 않고, 열분해 생성물인 열분해가스와 촤를 연료로 사용하는방법으로 에너지를 절감하는 장점이 있어 최근 일본 등지에서 상용화에 성공하고 있다.

재의 용융특성은 성분에 따라 크게 변하는데, 폐기물에 포함된 재성분은 일반적으로 SiO2, Al2O3, CaO가 주성분이고, 용융슬래그의 유동성 개선을 목표로 석회석을 주입하는 경우 CaO 가 가장 높은 비율을 차지하지만, 인공적으로 주입되는 CaO를 제외하면 SiO2가 가장 많고, 그 다음으로 Al2O3가 그다음으로 많은 비율을차지한다. 용융로 설계에 있어서 고려해야 하는 슬래그의 물성치는 융점과 용융잠열, 비열, 그리고 용융후 점성계수 등이다. 융점은 재의 성상에 따라 크게 달라지는데, 다음 표에 나타난 바와 같이 각 개별 분자의 융점은 매우 높은 반면, 여러 종류의 분자가 결합된 형태는 융점이 낮아지는 경향을 보인다. 융점과 점성계수는염기도에 영향을 받는데 염기도의 정의는 다음과 같이 염기성물질 대비 산성물질의 비로 정의한다.

Basicity= Basic/Acidic=Fe 2O 3+CaO+MgO+Na 2O+K 2O

SiO 2+Al 2O 3+TiO 2

or ≅ CaOSiO2

염기도가 1보다 작을수록 융점이 상승하며, 또한, 용융후 점성계수도 높아져 용융온도가 매우 높아져야 한다.염기도가 1에 가까울수록 용융온도와 점성계수가 낮아져 용융로 운전에 바람직하며, 염기도가 1보다 커지면점성은 낮아지지만 용융온도가 다시 높아지는 경향이 있다. 즉, 산성 물질과 염기성 물질이 조화된 것이 원활한 용융을 위해 중요하다. 참고로, 20℃에서 물의 점도는 1 poise(g/m・s) 이며, 용융철의 점도의 경우 용융온도조건인 1500~1550℃에서 거의 유사한 값을 나타낸다.

다음 그림은 염기도 1인 경우의 온도에 따른 용융물의 점도를 보여준다. 국내에 도입예정인 기술중 R-21,Evara 공정의 용융로 온도가 1350℃ 근처인 것은 용융물 점도를 100 poise 근처에서 운영하고자 하는 것임을 알 수 있으며, 운전시 염기도 조정이 중요할 것으로 사료된다. Thermoselect의 경우는 균질화로에서1600℃를 보이는데 이 온도에서는 염기도 조정이 불필요할 것으로 판단된다.




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염기도 1 에서 온도에 따른 점성계수

물질 (분자량) 비열 (cal/K mole) 융점(℃) 용융잠열 (kcal/kg)

SiO2( 60.06) 12.8+0.00447 T-302000/T2 1470 56.6

Al2O3 (101.94) 22.08+0.008971 T-522500/T2 2000 255.1

Fe2O3 (159.7) 24.72 +0.01604 T-423400/T2 1560 -

MgO (40.32) 10.86+0.001197 T-208700/T2 2642 458.8

CaO (56.08) 10+0.00484 T-108000/T2 2707 218.3

K2O (94.19) - (<1000) -

MnO (70.93) - 1650 -

Na2O (61.99) - - -

P2O5 (141.96) - 250 -

CaO.Al2O3.2SiO2 63.13+0.015 T-1537000/T2 1550 105.7

CaO.MgO.2SiO2 54.46+0.005746 T-1500000/T2 1392 84.1

CaO.SiO2 27.95+0.002056T-745600/T2(wollastonite)25.48+0.004132T-488100/T2(pseudowollastonite)

1512 115.4

1/2Na2O.1/2Al2O3.3SiO2 - 1107 50.2

Al2O3.Na2O.3SiO2 63.78+0.01171T-1678000/T2 1100 -

Al2O3.K2O.3SiO2 64.83+0.01438 T-1641000/T2 1150 -

평균(염기도 1인경우) 0.1957+0.00008037T-3477/T2 (kcal/kg K) 1150 137

슬래그의 물리적 성질

용융로의 온도를 유지하는 방법으로는 외부연료를 주입하는 방법과, 산소주입에 의한 연소열을 이용하는 방법, 고온 공기를 주입하는 방법, 그리고 공기비를 낮게 유지하는 방법 등이 고려될 수 있다. 경제적인 관점에서, 외부연료나 산소주입은 경비를 상승시킬 것이 예상되며, 고온공기를 주입하는 방법은 열교환기를 통한 공기온도 상승에 한계가 있다. 공기비를 당량비 1에 가깝게 운전하면 화염온도가 높아져서 용융온도를 유지하는데 용이하며 R-21과 Evara 방식이 이 방법을 이용한다. 용융로 온도 유지방법은 폐기물 조건에 따라 위네가지 방법을 적절하게 조합하는 것이 바람직하다.




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3. 연소실 열 및 물질 정산

연소실의 열 및 물질 정산은 어떤 물질과 에너지원이 얼마의 양만큼 들어가고 얼마만큼 나오는지 계산하는소각로의 기본설계에 필요한 기본적인 수순이다. 대상 폐기물의 특성에 따라 발열량 계산, 주입 공기량 계산,연소가스 발생량, 연소가스 비열등의 특성들을 계산하는 연소계산과정과 연소실내 열전달 현상을 고려한 열계산을 포함한다. 연소계산에 사용되는 기호들의 정의는 다음 표에 정리되어 있다.

기호 정의 단위 기호 정의단위

A 폐기물내 재성분 비율A' 전체주입 공기량Nm3/sA0 이론 공기량Nm3/kgA1 1차연소용 공기량 kg/sA2 2차연소용 공기량 kg/sAC 재의 열작감량ACross 연소실 단면적 m2

Ah 전열면적 m2

Ar 실제 공기량Nm3/kgAs 유효 열전달면적 m2

C 폐기물내 탄소성분 질량비율Cl 폐기물내 염소성분 질량비율Cm 공해물질 질량 농도kg/m3

Cp 연소가스 비열J/kg℃Cw 폐기물의 평균비열kJ/kg℃d 보일러 관 직경 mD 물질확산계수 m2/sff 파울링 팩터m2K/WF 폐기물내 가연성분 질량비율G 연소가스 체적 유량Nm3/sGm 연소가스 질량 유량 kg/sh 대류 열전달계수W/m2Khm 물질전달계수 m/sH 반응열kJ/kgH 폐기물내 수소성분 질량비율HHV 고위발열량kJ/kgk 전도열전달 계수W/mKL 매질의 두께 mLe 광학 평균 두께 m

LHV 저위발열량kJ/kgm 공기비mi 연소가스 성분별 질량분율mp 입자 질량 kgMi 공기내 수분 질량분율N 폐기물내 질소성분 질량비율O 폐기물내 산소성분 질량비율p 가스의 분압atmPr Prandtl Numberq 열전달율, Wqp 입자 대전율, CQ 연소가스 현열Re Reynoulds NumberS 폐기물내 황성분 질량비율t 시간, sec, hrT 온도 ℃Tw 투입되는 폐기물의 온도 ℃U 총열전달 계수 W/m2KV 속도m/sW 폐기물내 물성분 비율Wf 보조연료 투입량kg/sWt 폐기물 투입량kg/sx 화학종 몰분율

Greekα

ε 복사 열방사율ρ 밀도σ Stefan Boltzmann 상수

열 및 물질 정산에 사용되는 기호




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Incinerator(Reaction, mixing, transport)

Waste (fuel)Air (primary/secondary)

Waste waterAssistant burner fuelAssistant burner air

Radiation heat lossConvection heat lossAsh enthalpyIncomplete combustion lossFlue gas enthalpy

소각로내 열 및 물질 정산의 개념

위 그림에는 연소실에서 발생하는 열 및 물질 정산에 대한 개념도를 보여주고 있다. 투입되는 물질로는 주연료에 해당하는 폐기물과 연소용 공기, 폐기물 저장고에서 발생하는 오수, 폐기물의 발열량이 작아서 자체연소가 불가능할 경우에 투입되는 보조 연료 및 연소용 공기등이 있다. 투입된 물질들은 연소실에서 반응, 혼합, 열 및 물질전달현상을 거쳐서 에너지 방출 및 물질 전환이 발생하며 그 결과는 고온의 연소가스, 보일러및 주위로의 대류 및 복사 열전달, 그리고 재의 현열 또는 불완전 연소에 의한 열손실등으로 나타난다. 즉 이계산은 소각 연소실을 대상으로 한 0-차원 모델이라 할 수 있다. 각각의 계산인자들에 대한 계산방법은 다음과 같다.

물질 정산

(1) 연소용 공기주입량 계산

연소용 공기는 일반적인 공업연료의 경우, 이론공기량 즉 완전연소에 필요한 최소의 공기량의 1～1.2 배정도주입하지만 폐기물의 경우는 공기와 연료의 혼합이 원활하지 않으며 또한 연료가 수분을 함유하고 있기에 공기의 역할이 산화제 주입이외에도 연료의 수분 증발에도 사용되기 때문에 대략 1.5 ～ 2.5배 사이에서 주입하게 된다. 폐기물 구성원소별 연소에 필요한 이론공기량은 다음표와 같다. 폐기물에 포함된 산소는 산화제의 역할을 하므로 필요 공기량을 줄이는 영향을 준다.

명칭원소

기호원자량 완전 연소반응

이론산소량 이론공기량

Nm3/kmol kg/kg Nm3/kg Nm3/kmol kg/kg Nm3/kg탄소 C 12.01 C + O2 =CO2 22.41 2.664 1.866 106.7 11.48 8.890수소 H 1.008 H+1/4O2=1/2H2O 5.603 7.937 5.558 26.68 34.21 26.47황 S 32.06 S+O2=SO2 22.41 0.9981 0.6990 106.7 4.302 3.330산소 O 16.00 O=1/2O2 -22.41 -1 -0.7003 -106.7 -4.310 -3.336질소 N 14.01 N=1/2N2 0 0 0 0 0 0염소 Cl 35.46 --

폐기물 구성원소별 이론 연소용 공기량 계산식




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위 표에 나타나 있는 공식들로부터 1 kg의 폐기물 연소시 필요한 이론 공기량(A0)의 계산은 다음과 같이 할수 있다.

A 0=8.890C+2 6.47H+3.330S-3.336O [Nm³/kg]

실제 소각로내 주입되는 공기량은 이론공기량보다 많으며 산소농도를 6%이상 유지시키기 위해서는 공기비가 대략 1.4 이상이 되어야 한다. 따라서 실제 공기량 (Ar)은 다음의 식으로 계산된다.

Ar = m×A0 [Nm3/kg]

m≅ 0.210.21-[ O 2 ]

([O2] : 배가스 산소농도)

(2) 연소가스 발생량 계산

연소에 의해 발생되는 연소가스의 양은 연소실 체적결정 및 연소실 이후에 연소가스가 통과하게 되는 부대설비들의 용량을 결정하는데 필요하다. 그리고 산성가스 (SO2, HCl)의 양은 세정설비에 투입되는 약품의 양을계산하는데 필요하다. 각 원소의 완전 연소에 의한 연소가스 발생량은 다음표와 같다.

성 분 분자량 Nm3/kg kg/kg

CO2 44.01 22.41C/12.01 = 1.866C 3.664C (=분자량/22.41*좌측식)

H2O 18.0222.41H/2.016 + 22.41W/18.016

= 11.12H + 1.244W0.8037(11.12H + 1.244W)

N2 28.020.790mA0+22.41N/28.02

= 0.790mA0 + 0.800N1.2503(0.790mA0 + 0.800N)

O2 32.00 0.210(m-1)A0 1.4280·0.210(m-1)A0

SO2 64.06 22.41S/32.06 = 0.699S 1.9981S

HCl 36.47 22.41Cl/35.46 = 0.631Cl 1.0281Cl

폐기물 연소에 의한 연소가스 발생량

(3) 2차 오염물질의 예상 발생량

폐기물의 연소시 각종 연소가스와 함께 황성분과 염소성분은 황산가스 및 염화수소 가스로 전환되어 연소가스에 포함된다. 그리고 비산재도 발생하게 되는데 분진내 금속성분은 다이옥신, 퓨란 등의 독성 염화 유기물질 생성에 촉매역할을 한다. 황산 가스 및 염화수소 가스는 앞에서 기술한 연소가스 발생량 공식으로부터 계산할 수 있으나 비산재의 경우는 경험에 의한 방법에 의존하고 있다. 실제 소각 플랜트에서의 비산재 농도측정결과들은 0.3～5 g/mN3 의 범위로 보고되고 있다. 한편 불완전 연소에 의해 발생되는 일산화탄소 및 질소와 산소의 반응에 의해 발생되는 질산가스의 양은 연소기의 연소특성, 연소가스 혼합, 온도분포등의 다양한인자들의 영향을 받기 때문에 예측이 불가능하여 경험치에 의존하고 있다. 2차 오염물질 예상 발생량을 다음과 같이 경험에 의해 대략적으로 예측하고 있다. 그러나 이 예는 소각로 특성에 따라 다른 조건이 될 수 있으므로 단순 참조용으로 사용되야 할 것이다.

일산화 탄소 배출계수: 5 g/kg waste

질산가스(NO2) 배출계수: 1.5 g/kg waste

비산재 배출계수: 18.5 g/kg waste

열정산




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연소실 열정산은 연소실내 입열과 출열의 균형을 이루는 것으로 계산이 된다. 즉, 총 입열 = 총 출열이 되는것이다. 이 작업을 하기 전에 먼저 주지해야 할 사항이 있는데, 하나는 폐기물의 발열량을 파악하는 작업이고, 다른 하나는 연소가스의 비열에 대한 정보이다.

폐기물 발열량과 연소가스 비열

폐기물 발열량 계산

폐기물의 발열량 계산은 소각로의 열용량 계산과 열 및 물질정산에 필수적인 정보이다. 발열량은 고위 발열량과 저위발열량의 두가지로 나뉘어진다. 저위발열량은 고위발열량 수분의 응축에 의한 발열을 제외한 것으로서, 폐기물내 수분량과 수소성분의 연소에 의해 발생하는 수증기의 양을 고려한 값이다. 소각로 계산에 흔히 쓰이는 원소분석결과를 이용한 발열량 계산방식은 다음과 같다. Dulong식은 석탄에 대해 적용되어 왔던식이며, Boie식은 석탄, 나무, 기름등 다양한 연료에 대하여 3%이내의 오차를 보이는 계산이론으로서Dulong식보다 약간 높게 계산된다.

계산식 비고

Dulong LHV = 81C + 25S + 286H - 42.5O - 6W 석탄 고위발열량식

Boie LHV = 83.6C + 24.84S + 225.23H - 25.8O - 5.83W biomass 연료에 사용

Verband LHV = 81C + 25S + 290(H-O/8) - 5.83W

Steuer LHV = 81C + 25S + 291H - 30.56O - 6W

Scheurer LHV = 81C + 22.5S + 288.5H - 18O - 6W

화학공학편람 LHV = 81.3C + 22.2S + 288H - 42.75O - 6W

발열량 계산식 (단위 kcal/kg)

연소가스의 비열 및 현열

연소가스의 비열은 연소가스의 열용량 및 열전달 계산에 필요하며, 온도 및 연소가스 구성성분의 농도비율에따라 달라진다. 비열은 온도에 따라 변하기 때문에 공학적인 계산에서는 다음과 같은 방식으로 단순화하여비열 및 현열 계산에 이용한다.

연소가스의 평균비열( C p,g)= ∑N

i= 1a im i+T∑

N

i= 1b im i

연소가스의 평균현열= ∑N

i= 1m i⌠⌡T

T 0

C p, i dT≈ ( ∑N

i= 1a im i+

12 T∑

N

i= 1b im i)T

= aT+ 12 bT 2

성 분 a (J/kg℃) b (J/kg℃2)

CO2 839.07 0.4789

H20 1835.8 0.6220

N2 1034.6 0.2000

O2 914.12 0.2178

Air 987.28 0.2025

각 화학종별 비열 계수




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입열 계산

(1) 폐기물 발열

소각로를 움직이는 원동력은 바로 폐기물의 발열반응이라 할 수 있다. 폐기물 발열에 의한 입열은 간단히 폐기물의 저위발열량을 폐기물 투입량으로 곱하는 것으로 계산된다.

Ew=LHV×W t

(2) 보조버너 발열

보조버너는 운전 초기 온도상승과 운전중 급격한 폐기물 질의 변화에 따른 온도 제어의 필요성이 발생할 때사용하게 되며 정상적인 운전중에는 사용하지 않는 것이 원칙이다. 그러나 폐기물의 저위발열량이 낮아 온도유지가 어려운 경우에 사용할 수 있다. 마찬가지로, 다음과 같은 간단한 식으로 계산이 된다.

E f=LHV f×W f

(3) 폐기물 현열

폐기물 현열은 폐기물이 연소실에 투입될 때 갖고 들어오는 온도에 의한 상대 에너지로서 기본적으로 열 및물질정산에서는 0 ℃가 기준온도로 쓰인다. 따라서 폐기물 현열은 투입량, 폐기물 비열 그리고 폐기물 온도를 곱한 값이 된다.

Qw=W tCwTw

그런데 폐기물의 성상은 불규칙하여 비열값을 계산하기에 어려움이 있다. 이에 다음과 같은 공업분석 자료로부터 계산되는 공학식이 이용된다.

Cw=4.187(0.25(재비율+가연분비율)+수분비율) (kJ/kg ℃)

(4) 주연소용 공기 현열

폐기물 연소기에 주입되는 주연소용 공기는 대개 폐기물의 건조를 돕기 위하여 가열되어 주입된다. 가스의현열을 정확하게 계산하려면 비열이 온도에 따라 변하므로 온도에 따라 적분해주어야 하지만 공기의 비열이27℃에서 1005 J/kgK 이고 227도에서 1029 J/kgK로서 크게 변화가 없으며 열 및 물질 정산에 참여하는 비율이 높지 않아 다음과 같은 공학식이 이용된다.

A 1⌠⌡T

T 0

C pAir(T) dT ≈ A 1 C pAir

TAir

(5) 2차 연소공기 현열

2차 공기는 주로 연소가스의 혼합을 증진시키기 위하여 사용되는데 때때로 노내 온도제어를 위하여 사용되기도 한다. 앞에서와 마찬가지로 다음과 같은 공학식으로 계산한다.

A 2⌠⌡T

0C pAir

(T) dT ≈ A 2 C pAirTAir

출열계산

(1) 미연손실




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미연손실은 폐기물의 탄소성분이 반응 후 모두 이산화탄소(CO2)로 완전연소되지 못하고 일부가 불완전 연소물질인 일산화탄소(CO)로 전환됨에 따른 열손실을 의미한다. 물론 일산화탄소이외에도 메탄, 수소등의 다양한 불완전 연소물질들이 존재하지만 일산화탄소의 비율이 높기에 다른 화학종은 무시한다. 일산화탄소의 농도는 연소실 온도, 산소주입 그리고 혼합상태의 영향을 받기에 정확한 예측이 어렵지만 앞의 “2차 오염물질의 예상 발생량“ 부분에 나타난 경험치로 개략적인 예측을 하는 것이 일반적이다.

미연손실은 다음의 공식으로 계산된다.

Q ub=W t28C12

xCO

xCO+xCO 2

HCO [kJ/s]

여기서 HCO는 CO의 산화 반응열로서 10111 kJ/kg CO이다.

(2) 강열감량에 의한 열손실

미연손실은 불완전 연소물질이 연소가스에 포함되어 생기는 것이라면 강열감량에 의한 손실은 불완전 연소물질이 바닥재에 포함되어 방출되기에 발생하는 열손실이다. 강열감량은 연소기 운전방법에 의해 달라질 수있으나 설계시 3% 이하가 되도록 설계하는 것이 일반적이다.

Q cc=W t HC AAC

1-AC[kJ/s]

여기서 AC는 재의 미연탄소비율이고 A는 폐기물내 재의 질량비율이다. HC는 탄소 1kg이 완전 연소할 때 발생하는 에너지로서 33900 kJ/kg이다.

(3) 재의 현열에 의한 열손실

연소실에서 반응을 끝낸 바닥재는 호퍼를 통해 배출된다. 이때 바닥재의 온도는 대략 300℃ 정도로 고온이다. 호퍼를 통해 방출될 때 냉각되지만 재의 질량이 갖고 있는 현열은 열손실에 해당하게 된다. 재의 현열은다음과 같이 계산된다. 재의 비열은 대략 1 kJ/kg ℃ 정도로 선정한다.

Q ash=W tA

1-ACC pa T ash [kJ/s]

(4) 연소공기내 습기에 의한 열손실

연소공기에 포함되어 있는 습기는 여름의 경우 상당량이 될 수 있으며 반응에는 참여하지 않지만 연소가스내에 참여하게 되어 열을 흡수하게 된다. 이는 일종의 열손실로 구분이 되어 다음과 같은 식으로 계산한다.

Qmoi= A 1MA1(hA1, o-hA1, i)+A 2MA2(hA2,o-hA2, i)

여기서 MA1, MA2는 각각 주연소용공기와 2차연소용 공기의 습도로서 계절 등 환경의 영향을 받지만 대략0.0147 kg H2O/kg air로 주는 것이 일반적이다. 그리고 h는 수증기의 현열을 나타내며 이 식은 공기주입구와 연소실 출구의 온도변화에 따른 수증기의 엔탈피차를 열손실로 계산한 것이다.

(5) 대류에 의한 열손실

폐기물 연소반응으로 생성된 고온의 연소가스는 연소실 벽면과의 대류 및 복사열전달에 의해 열을 방출하게된다. 일반적으로 국내 소각로들은 1차연소실은 내화재로 단열하고 2차연소실은 보일러의 첫 번째 패스일 경우가 대부분이므로 2차 연소실에서의 열전달량의 예측이 필요하다. 간단하게 2차 연소실내 열유동을 일종의덕트흐름으로 가정하면 다음과 같은 열전달 식을 사용할 수 있다.

Q conv=h A h (T gas-Twall)

여기서 Ar은 열전달 면적이고 Tgas와 Twall은 각각 가스와 벽면의 온도를 나타낸다. h은 열전달 계수로서 다음과 같은 난류 덕트열전달 계수식으로 계산된다 .




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Nu d=hdk = 0.069 Re0.8

d Pr 0.4

여기서 d는 hydraulic diameter로서 다음과 같이 구해진다.

d=4A cross/P

Across와 P는 각각 단면적과 단면적의 주변길이를 나타낸다.

(6) 복사에 의한 열손실

연소가스의 온도가 올라갈수록 복사에 의한 열전달이 급격하게 증가하게 되며 보일러 수관벽이 노출되어 있는 2차 연소실에서는 지배적인 열전달 모드가 된다. 복사 열전달을 계산하기 위해서 다음과 같은 경험식이주로 사용된다.

Q rad=Aσεw+1

2[ε gT

4gas-αwT

4wall] ,when εw > 0.8

여기서 εw 는 열전달면의 방사계수이고 σ는 Stefan-Boltzmann 상수로 5.67×10-8 W/m2 K4 의 값을 갖는다. 여기서 온도는 절대온도 K로 바꾸어야 한다. εg 와 αw은 가스의 방사율과 벽면의 흡수율을 나타내며 다음의 식으로 계산된다.

ε g=

k (pL e - 0.015) n

T gas

αw=k (pL eTwall/T gas- 0.015) n

Twall

Le는 mean beam length로서 다음의 식으로 구해진다.

Le(m)=3.6×(화로체적/화로내부면적)

k 와 n값은 다음의 표에 의해 구해진다.

P H2O

P H2O+P CO 2

0.3 - 0.42 0.42 - 0.6 0.6 - 0.7 0.7 - 0.8

T(K) k n k n k n k n

100015002000

384448451

0.330.380.45

416495509

0.340.400.48

444540572

0.340.420.51

455548594

0.350.420.52

Hottel 방법에 의한 k 와 n 값

(7) 연소 가스의 현열

이상의 입열 및 출열이 결정되면 연소가스의 현열은 입열과 출열의 차이로 계산이 된다.

Q gas= ( EW+ QW+ QA1+ QA2 )- ( Q ub+ Q cc+ Q ash+ Qmoi+ Q conv+ Q rad )

그리고 구해진 현열로부터 가스의 온도를 구할 수 있다.

Q gas=Gm(aT+ 12 bT 2)




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T gas=- a+ 2H b/Gm+ a 2

b

여기서 a와 b는 연소가스의 평균 비열계수이고 Gm는 연소가스 유량(kg/s)이다. 한편 대류 열손실과 복사열손실은 연소가스 온도의 함수이므로 연소가스의 현열과 함께 Trial & Error의 방식으로 구해야 한다. 즉가스 출구온도 초기치를 가정하여 계산하고 그 값으로부터 에러를 계산하며 에러를 점차 줄이는 방향으로 반복 계산하여 에러가 0인 온도가 연소실 출구 온도가 된다.

연소실 출구 온도는 저온일 때는 불완전 연소생성물이 파괴되지 못할 위험이 있으므로 바람직하지 않으며 필요이상으로 고온일 때는 내화재의 수명이 짧아지고 thermal NOx 발생의 염려가 있으므로 대략 850~950℃사이에서 결정되도록 한다. 계산 결과 연소실 출구온도가 낮게 나올 때는 보조연료를 사용하거나, 공기 예열온도를 낮추거나, 과잉공기비를 더 낮추어서 온도를 조정하고, 높게 나올 때는 허용 가능 범위 내에서 반대의조작을 통하여 온도를 조정해야 한다.




-33-

부록 6. 파일롯 플랜트 열분해로 및 2차 연소로 전산해석

CFD를 이용한 연소 및 열유동 해석은 실제현상에 근접한 모사가 가능한 유용한 도구이지만, 복잡한 물리화학적 현상들에 대한 고도의 전공지식을 필요로 하며 계산모델 제작에 많은 노력을 기울여야 하는 어려운 점이 있다. 최근, CFD 프로그램들이 범용화되고 상용화되면서 전문적인 지식이 부족한 상태에서도 결과를 낼수 있는 수준이 되었지만, 현상에 대한 이해, 정확한 모델제작, 해석결과의 진위여부 판단 및 적절한 활용에는 전공지식을 충분히 이해하고 있는 전문인이 수행해야 할 필요가 있다.

1) 해석 대상 및 방법

본 연구는 파일롯 플랜트의 열분해로 및 2차 연소로내 연소 및 열유동 특성을 전산유체역학을 이용하여 정밀분석하는 것을 목적으로 한다. 해석 대상은 로타리 킬른 열분해로 및 2차 연소로이며, 해석 도구는 상용CFD 코드인 FLUENT 6.0을 이용하였다. 사용한 해석 모델은 다음 표와 같다.

물리화학적 현상 모델명 비고

복사열전달 Discrete Transfer Radiation Model WSGGM 모델 이용

난류 RNG k-e model

연소 Finite rate/eddy dissipation C3H8 + 3.5O2 -> 3CO + 4H2OCO + 0.5O2 -> CO2

다음 그림은 전산유체역학 해석을 위한 계산 격자로서, 2개의 1차공기 주입 노즐중 왼쪽 노즐은 상향 10도,오른쪽 노즐은 하향 10도로 기울여 킬른내부에서 선회류가 발생하도록 설계하였다. 2차공기 주입부는 노즐사이즈가 작기 때문에 정확한 해석을 위하여 노즐 근처에 계산점을 밀집시킨 격자형태를 보인다.

전체격자형상

1차공기 주입부

2차공기 주입부

연소로 출구




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2) 해석 결과

2-1) 기본설계조건

파일롯 플랜트의 기본 설계는 연료인 폐타이어의 발열량이 9086 kcal/kg, 공기비 2.2의 조건으로 설계되었는데, 이는 폐타이어가 로타리 킬른 열분해로에서 70%정도 연소하고 나머지 30%는 킬른에서 배출되는 고체상의 카본블랙과 가스상의 탄화수소가스가 브라운가스 용융로 및 2차 연소로에서 각각 연소되고, 이 반응에 의해 발생된 연소가스는 2차연소로에서 모여 배가스 처리시설로 이동하는 공정으로 설계된 것이다.

온도분포

위 그림의 온도 분포를 보면 킬른내 연소반응에 의해 온도가 고온으로 유지되는 것을 알 수 있는데, 킬른에서는 폐타이어류등 열분해가 어려운 물질이 열분해되므로 이정도 고온으로 유지해 줘야 할 필요가 있다. 온도제어는 1차 공기 유량을 조절하여 제어할 수 있다. 즉, 공기 유량을 줄이면 온도가 하강하며, 다시 증가시키면 높아지게 된다.




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열분해 가스 농도분포

위 그림의 열분해 가스 농도를 보면, 킬른내 혼합이 매우 원활하게 되고 있음을 알 수 있으며 2차 연소로내에서도 2차공기의 주입에 의한 혼합이 매우 양호함을 알 수 있다.

산소농도분포




-36-

위 그림의 산소농도는, 1차공기제트의 흐름을 잘 보여주는데, 선회류를 유도한 결과로 혼합이 매우 양호함을알 수 있다. 또한, 2차공기 주입이후 산소농도가 급격하게 변화하는 것은 2차공기 연소가스 혼합효과를 극명하게 보여주는 결과이다.

속도벡터

위 그림의 속도벡터를 검토해 보면 연소실내 열유동 형태가 매우 양호함을 보여준다. 킬른내에서 선회류를형성하며 또한, 2차 연소로에서 2차공기 주입에 의한 선회유발효과와 유동 균일화를 확인할 수 있다.

1차공기 및 가스 궤적 2차공기 및 가스 궤적




-37-

위 그림의 가스궤적과 2차공기 궤적은 연소가스와 공기가 어떻게 흘러가는지 보여준다. 1차연소로의 가스는선회류 효과에 의해 한바퀴정도 선회한 후에 2차연소로로 배출되며 2차연소로에서는 2바퀴 정도 선회한 후에 배출되는 것을 알 수 있다. 2차공기 궤적은 2차 연소로내 단면을 2차공기제트가 고르게 침투하여 혼합을극대화할 수 있음을 보여준다.




-38-

2-2) 브라운가스 버너 위치선정

한편, 본 과제에서 다음 그림들은 킬른 출구와 2차 연소로에서 브라운 가스 버너를 이용하여 연소가스내 불완전 연소물질을 완전파괴하여 다이옥신과 같은 공해물질을 제거하고자 하였다. 연소로내 브라운 가스버너의적정 위치를 산정하기 위하여 전산유체역학을 이용한 해석을 수행하였다.

다음 그림은 브라운 가스버너 위치를 산정하기 위하여 킬른과 2차 연소로내 불완전연소물질의 분포도를 보여준다. 킬른 출구에서부터 2차공기 노즐 바로 직전까지 넓은 범위에서 불완전연소물질인 탄화수소류가 존재함을 알 수 있다.

킬른 출구 및 2차연소로 입구 불완전연소물질 농도

열분해가스는 킬른을 빠져 나온 후 2차연소로에서 연소로내 선회류의 영향을 받아 오른쪽 상부를 향하여 이동하게 되며, 2차공기노즐쪽으로 이동하여 2차공기와 혼합된 후에 완전연소된다. 따라서, 브라운 가스버너를활용하여 열분해가스(또는 불완전 연소물질)를 파괴하기 위한 브라운 가스버너의 위치는 이러한 열분해가스의 궤적을 고려하여 열분해 가스와 브라운 가스 버너의 혼합을 극대화해야 한다.

그에 합당한 가장 좋은 위치는 2차연소로로 유입되기전 킬른 출구에서 주입하는 것이지만, 브라운가스 버너의 화염길이가 길어지면 반대편 내화재에 손상을 입힐 수 있으므로 브라운가스 버너의 화염길이가 짧을 수있도록 주입각도를 2차연소실 입구쪽으로 향하게 하여 내화재에 닫지 않도록 하거나, 또는, 버너유량을30%(15 m3/hr)정도로 줄여서 침투거리를 짧게 하는 방법의 두가지를 고려할 수 있다.

주입각도를 2차연소로 입구쪽으로 충분히 꺽으려면 대략 45도 정도를 꺽어야 하는데, 이는 제작상에 문제를발생시킬 수 있다. 따라서, 버너유량을 줄이고, 또한, 각도를 최대한 2차연소로쪽으로 꺽는 두가지 방법을 모두 사용하는 것이 바람직하다.

2차연소실 브라운가스 버너는 열분해가스의 흐름이 2차공기제트 하부로 모이는 열유동 특성상, 2차공기노즐바로 밑 20~30cm 하단에서 2차연소로 중심방향으로 하향 10도정도 기울여 투입하는 것이 바람직하다.

한편, 2차연소실 브라운가스 버너 4개는 모두를 동시에 이용할 필요는 없다. 연소실 조건(폐기물 발열량)에




-39-

따라 1개에서 4개까지 On/Off 하며 유동적으로 활용할 수 있도록 제작하는 것이 바람직하다.

킬른출구브라운가스버너 2개

10O10O

20cm

2차연소로브라운가스버너 4개

2차공기노즐

10O10O

킬른출구브라운가스버너 2개

10O10O

20cm

2차연소로브라운가스버너 4개

2차공기노즐

10O10O

브라운가스 버너 위치 및 주입방향 설정

브라운 가스 버너를 가동할 경우의 탄화수소류의 농도분포




-40-

위 그림은 불완전연소물질 농도구배와 브라운가스 버너의 궤적을 보여준다. 브라운가스 유량은 각 버너별로15 m3/hr 로 설정한 상태로서 총 90 m3/hr가 주입되는 경우이다. 브라운가스 버너의 효과로 불완전연소물질의 농도구배가 킬른 출구를 빠져나오자마자 빠른 속도로 파괴가 급속히 진행하는 것을 알 수 있다. 이러한결과는 브라운가스 주입으로 국부적인 온도상승에 의한 반응촉진 효과로 판단된다. 킬른 출구에 위치한 2개의 브라운가스버너의 영향이 제일 크고 그 다음으로 2차연소실의 네개의 브라운가스 버너가 잔류 불완전연소물질을 파괴하는 성능을 갖춘다.

위 결과는 폐타이어가 연료인 경우를 해석한 경우이며, 차후 해석예정인, 발열량이 낮은 폐기물에 대해서는브라운가스 버너의 유량이 차이가 있을 것이다. 이는 브라운가스 버너의 주입에 의한 온도상승효과가 있기때문이다.




-41-

2-3) 실제 운전조건(3월 11일 정상부하운전)

3월 11일에 진행된 파일롯 플랜트 운전은 기본설계조건과 다소 차이가 있는 운전조건인데 그 원인은 다음과같다.

(1) 기본설계조건의 폐기물 성상 설정치에 오류:

기본설계를 작성할 때 폐기물 성상은 여러 번 바뀌었는데, 최종적으로 주관기관이 제시한 자료는 삼성분이수분 0%, 회분 3.9%, 가연분 96.1%으로 저위발열량은 9000 kcal/kg 이상이었다. 그러나, 실제 운전에 사용된 페타이어는 수분 0.73%, 회분 15.6%, 가연분 83.67% 정도로 8000 kcal/kg 이하였다. 이에 따라, 전체적인 열물질흐름 해석이 기본설계와 실제 운전조건에는 차이가 발생하게 되었다.

(2) 용융로의 미사용

기본설계를 작성할 때는, 로타리킬른에서 발생된 열분해 생성물인 카본블랙과 재성분을 브라운가스 용융로에투입하여 완전 용융시킨 후에 발생된 배가스를 2차연소로로 투입하여 최종 처리하는 것으로 구상되었지만,실제 운전에서는 용융로를 가동하지 않고 로타리 킬른에서 발생된 카본 블랙과 재성분은 그대로 방출하여 저장하였기 때문에, 카본블랙 연소에 의한 산소소모 및 연소가스량 증가의 효과가 감소하게 되었다. 실험결과카본블랙의 양이 전체 폐기물양의 절반에 해당하는 결과를 보여주었다. 카본 블랙의 양이 많은 원인은 로타리 킬른에서의 고체 체류시간이 카본블랙이 충분히 연소되기에 부족하기 때문이다. 이 문제의 해결책으로는로타리 킬른의 수평각도를 더 작게 하거나, 킬른의 길이를 길게 해야 할 필요가 있다.

(3) 공기비의 저하

기본설계 작성시에 폐기물 연소에 의한 발열에너지가 매우 높게 책정되었기에 연소실 온도를 1100℃ 이하로유지하기 위하여 공기비를 2.2로 높게 책정하였는데, 실제 운전결과는 폐기물 연소에 의한 발열에너지의 상당부분이 로타리킬른 카본블랙으로 방출되기 때문에 온도저하가 발생하게 되었다. 따라서, 공기비를 낮게 유지해서 온도를 상승시켜야 할 필요가 있었으며 공기비 1.6 근처에서 운전하게 되었다.

이상의 세가지 주요 원인으로 인하여 부록 5에 나타난 바와 같이 실제 발생 연소가스량은 기본설계조건의1/3에도 미치지 못하는 결과를 보여주었다. 그 결과, 연소실 체류시간은 3배 이상 증가하였고 벽면 열손실,로타리킬른의 카본블랙 방출등의 에너지 손실효과로 연소실내 온도는 기본설계조건보다 낮게 나타났다.

온도분포(실제운전, 3월 11일)




-42-

위 그림은 3월 11일 정상부하운전 조건에서의 온도분포를 보여준다. 기본설계조건과 다른점은 연소가 로타리킬른에서 대부분 진행되며 2차연소로에서는 추가적인 연소 발열은 작고 2차공기 혼합효과에 의해 온도가 저하되는 것을 확인할 수 있다. 로터리 킬른 출구온도는 840 ℃, 2차연소로 출구 온도는 평균 823℃정도로 계산되었으며 이는 정상부하운전조건에서의 측정값과 유사하다.

열분해가스 농도분포

위 그림의 열분해가스의 농도분포는 로타리킬른에서 발생한 가스가 2차연소로에 들어오면서 빠른 속도로 연소되는 것을 확인할 수 있다.

산소농도 분포도




-43-

위 그림의 산소농도 분포도는 로터리 킬른에서 대부분의 산소가 소모된 이후에 2차연소실에서 2차공기 주입에 의해 부족한 산소가 공급되는 것을 보여준다. 기본설계와 다른 점은 로터리 킬른내에서 길이방향 산소구배가 기본설계보다 높으며, 2차연소로에서 혼합효과가 기본설계조건에 미치지 못하는 것을 알 수 있는데, 이는 1,2차 공기노즐 유속이 작음에 의해 난류 혼합성능이 떨어지기 때문이다. 이를 보완하기 위해서는 실제 유량에 적합하도록 형상을 변경해야 할 필요가 있다.

속도벡터

위 그림은 연소실내 연소가스의 속도벡터를 보여준다. 2차연소실에서의 유동균일화는 중요한데 2차공기 혾바효과에 의해 균일화가 진행되었지만 기본설계조건과 비교하면 연소가스 유량이 작기 때문에 전체적으로 완벽하게 균일화를 이룬 기본설계조건에 비해서 유동 균일화는 다소 떨어지는 경향을 보인다.

공기 및 연소가스 궤적




-44-

위 그림은 공기 및 연소가스의 궤적을 보여준다. 로터리 킬른안에서 연소가스는 대략 2번정도의 선회를 한이후에 2차연소실로 빠져나가고 2차연소실에서의 선회는 거의 보이지 않는데 이는 2차공기 유속이 5 m/s 정도로 작기 때문에 선회를 발생시키기는 부족하기 때문이다. 그렇지만, 유동장이 비교적 균일한 형태를 띠고있기에 연소성능에 문제는 없다. 연소가스 체류시간은 평균 17초정도가 되는데, 일반적인 소각 연소로에서가스 체류시간이 5에서 6초사이인 점을 감안하면, 연소가스량이 기본설계조건에 비해 1/3에 해당하는 것을알 수 있다.




-45-

부록 7. 파일롯 플랜트 실험

파일롯 플랜트 실험은 2004년 3월 9일부터 운전이 시작되었으며, 본 연구에서는 정상적인 운전이 수행된 3월11일의 운전자료를 검토하였다.

다름 그림은 로타리 킬른, 연소로 및 감온탑에서의 측정항목 및 측정위치를 보여준다. 로터리 킬른 출구에 온도센서로 로터리 킬른을 빠져나가는 연소가스의 온도를 측정하였으며, 2차연소로는 2차공기 주입구 상단1.15m에 위치한 4개의 측정포트를 통해 총 9개의 열전대(TCs, Thermo-couples)을 설치하여 2차연소로내평균온도를 구하였다. 2차연소로 출구에는 고정식으로 설치된 산소농도계가 배가스의 산소농도를 측정하며,감온탑 관측창에는 가스분석을 위한 가스 분석기와 가스크로마토 그래프 기기에서 정밀분석을 위한 샘플링장치를 설치하였고, 감온탑 출구의 연소가스 온도를 측정하였다.

TCs

O2

Gas AnalyzerGas Sampling

TC TC

S1S2

S3S4

M1 M2

M3M4

C

TCs

O2

Gas AnalyzerGas Sampling

TC TC

S1S2

S3S4

M1 M2

M3M4

C

운전은 다음과 같은 절차를 따라 운전되었다.

시간 운전특징

9:00 - 12:00 보조연료에 의한 승온, 400 ℃까지

12:00-13:00 폐기물 일부 투입 연소, 600℃까지 승온, 부하율 30%

13:00-14:00 점심식사

14:00-15:30 폐기물 투입과 승온, 850℃까지, 부하율 50%

15:30-16:30 바닥재 콘베어벨트 막힘현상/소음 발생, 수리후 운전, 부하율 60%

16:30-18:30정상부하 운전17시 40분 2차공기 각도 15도로 변경 18시 15분 2차공기 각도 10도로 변경




-46-

다음 그림은 시간별(15분 간격) 폐기물 투입량을 보여준다. 폐기물 투입이 시작된 12시 이후 16:30분까지 승온과정으로서 간헐적으로 투입하며 정상 작동여부를 파악하였으며 16:30분 이후부터 18:30분까지 정상부하운전인 시간당 80 kg/hr의 투입량으로 2시간동안 운전을 수행하였다. 13:00부터 14:00까지 폐기물이 투입되지 않은 이유는 운전원들의 점심식사 시간이었기 때문이다.

0

5

10

15

20

12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00

시간

폐기

물 투

입량

(kg)

다음 그림은 운전중 2차연소로와 감온탑 사이에 위치한 산소농도계의 산소농도 측정값이다. 승온중에는 산소농도가 불규칙하며 폐기물 투입이 중단된 13:00부터 14:00까지는 산소농도가 15%이상 20%이하로 높은 것을 알 수 있다. 폐기물이 투입되면 산소농도는 15% 이하에서 유지되며 정상운전이 진행된 16:30부터는 산소농도는 5에서 8% 범위에서 유지되는 것을 확인하였다.

0

5

10

15

20

25

12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00

시간

O2(%

)




-47-

다음 그림은 산소농도에 따른 공기비를 보여준다. 산소농도가 0%인 경우가 공기비 1이며 산소농도가 증가할수록 공기비는 증가하여 산소농도 11%에 이르면 공기비는 2가 된다. 그후 산소농도가 증가할 수록 공기비는급격하게 증가하는 것을 알 수 있다.

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25

산소농도(%)

공기

비

다음 그림은 주요 공정온도인 로타리 킬른 출구와 감온탑 출구 가스온도를 보여준다. 폐기물 투입이 시작되기전인 12:00 이전에는 로타리 킬른 온도를 보조버너로 400℃까지 3시간에 걸쳐 승온하였으며 12:00분부터13:00까지 폐기물을 소량 투입한 결과 로타리 킬른 온도는 급격히 상승하여 600℃에 이르는 것을 확인하였다. 그후, 13:00부터 14:00 까지 폐기물 투입을 잠시 중단한 결과로 로타리 킬른 온도는 600℃이하로 떨어졌고, 14:00 이후 재개한 이후 다시 로타리 킬른 온도는 폐기물 투입량이 증가하면 로타리 킬른 온도가 증가하는 것을 알 수 있다. 16:30이후 정상부하운전이 수행되면서 로타리 킬른 온도는 급격히 상승하며 정상부하운전 시작후 1시간후부터는 로타리 킬른 출구 온도는 950 ℃를 유지하는 것을 확인하였다.

감온탑 출구 가스온도는 200℃를 유지하면서 IDF에 고온에 의한 무리가 발생하지 않도록 온도가 유지되어감온탑의 성능을 확인하였다.




-48-

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00

시간

공정

온도

(C)

RK_Temp

Flue temp

다음 그림은 2차 연소로내 중간높이부분에 설치된 9개의 열전대에서 측정된 온도값을 보여준다. 열전대 위치별로 최대 20℃정도의 편차를 보이지만, 거의 일정한 값을 보여주는데, 이는 연소실내 균일한 온도분포가 유지되는 것을 알려준다. 정상부하운전이 진행된 17:00 이후에는 800℃에서 900℃범위에서 운전됨을 확인하였다.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00

시간

2차연

소로

온도

(oC

)

S1

S2

S3

S4

M1M2

M3

M4

C




-49-

다음 그림은 감온탑에서 측정된 연소가스의 CO농도를 보여준다. 폐기물을 투입하기 시작한 12:00부터 13:00까지 간헐적으로 CO 피크가 발생하는 것은 폐기물 투입에 의해 발생한 열분해가스가 연소가스 온도가 낮은영향(400-600℃)으로 불완전 연소되어 발생하는 일시적 현상이다. 폐기물 투입 중단후 재개한 14:00 이후의결과는 13:00 이전 자료보다 CO 발생량이 적은데 이는 연소가스 온도가 충분히 고온(550-850℃)이기 때문으로 온도가 올라갈 수록 CO 농도는 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 정상운전이 시작된 16:30이전에는 대략70%의 운전부하로 운전되었는데, CO 농도는 20 ppm 이하의 양호한 연소조건을 보였다. 그후 정상부하운전이 시작된 16:30후 17:00 까지는 CO 농도가 20 ppm근처로 유지되다가 산소농도가 7% 이하로 떨어진 17:00이후에는 CO 농도가 다소 상승하는 경향을 보여주지만 최대 200 ppm을 넘지 않는 양호한 운전결과를 보여준다.

CO

0

200

400

600

800

1000

1200

12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30

시간

공해

물질

농도

(ppm

)

CO

다음 그림은 NO와 NO2의 농도를 보여준다. 승온과정중인 14:00 이전에는 NOx 발생량이 높은데, 이는 고온의 보조버너를 사용하여 온도를 상승시키기 때문이다. 그 후 폐기물이 투입되고 공기가 투입됨에 의해 국부적으로 높았던 가스 온도가 낮아지면서 NOx 생성량은 줄어들고, 16:20부터 16:40까지 NOx 발생량이 급격히 줄어든 이유는 LP 버너를 제거한 결과이며 그후 16:40에 2차연소실에 보조버너를 삽입하여 NOx 발생량이 급격히 증가하였다. 보조버너 개수를 줄이고 운전이 안정화된 17:30 이후는 200 ppm 이하에서 운전되는 것을 확인할 수 있다.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30

시간

공해

물질

농도

(ppm

)

NO

NO2




-50-

다음 그림은 연소가스에 포함된 탄화수소의 농도를 나타낸다. 초기 승온시에는 LP 버너 사용 및 낮은 온도에의해 탄화수소 발생량이 비교적 높지만, 점차적으로 온도가 상승하고 운전이 안정화됨에 따라 탄화수소 농도는 0.1%정도로 안정화 되었다. 탄화수소가 존재하는 이유로는 열분해 가스의 불완전 연소와 LP 버너의 불완전 연소가 그 이유가 될 수 있으므로 최대한 줄이는 것이 바람직하다.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30

시간

탄화

수소

농도

(%

)

CxHy




-51-

다음 그림은 승온기간인 14:21 에 샘플백으로 샘플링한 가스를 가스 크로마토그래프 기기를 이용하여 분석한결과이다. 탄화수소중 카본(C)이 4개 포함된 Butane과 Butene 계열이 대부분을 차지하며 카본이 3개인Pentane 계열이 소량 포함된 것을 확인할 수 있다. 공기비가 높게 운전되어 산소농도가 15%정도로 높으며연소 생성물인 CO2의 농도는 1.41%정도로 낮게 나타났다.

신호 머무름 시간 [min] 유형 면적 [μV*s] 양/면적 양 [%] 이름

1 0.674 VP 43829.9423 0.00175 76.61036 N2

2 0.674 BB X 27107.2817 0.00005 1.41098 CO2

3 0.746 VB 7155.8047 0.00000 0.03334 n-Butane

3 0.915 PV 3.44617 0.00001 0.00003 trans-2-Butene

3 0.998 VV 3.24760 0.00001 0.00002 1-Butene

3 1.025 VP 1.98112 0.00002 0.00003 cis-2-Butene

3 1.224 BV 32.77484 0.00000 0.00005 iso-pentane

3 1.758 VB 25.65294 0.00000 0.00001 2-methyl-2-butene




-52-

다음 그림은 정상부하 운전기간인 16:01 에 샘플백으로 샘플링한 가스를 가스 크로마토그래프 기기를 이용하여 분석한 결과이다. 탄화수소중 카본(C)이 4개 포함된 Butane과 Butene, Butadiene 계열이 대부분을 차지하고 카본이 3개 포함된 Pentene 계열도 소량 포함된 것을 확인할 수 있다. CO의 농도는 101 ppm 정도로나타났다. 완전연소생성물인 CO2는 7.9%에 이르러 연소가 활발하게 진행됨을 확인할 수 있다.

신호머무름 시간

[min]유형 면적 [μV*s] 양/면적 양 [%] 이름

1 0.675 VP 44469.8214 0.00175 77.72880 N2

1 0.895 VV 6.04416 0.00168 0.01012 Co

2 0.671 BB X 151859.602 0.00005 7.90455 CO2

3 1.006 VV 32263.3838 0.00001 0.23117 1-Butene

3 1.289 PV 4.38700 0.00000 0.00001 n-pentane

3 1.329 VV 6.50859 0.00000 0.00001 1,3-butadiene

3 1.789 VV 10.20104 0.00000 0.00001 2-methyl-2-butene

3 1.837 VP 7.62288 0.00000 0.00001 1-pentene

3 1.99 VBA 1.08146 0.00000 0.00000 cis-2-pentene


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