산소부화 소각로의 2차원적 해석

박승열, 최진순, 김 철, 윤용승*, 김정국**

아주대학교 화학공학과, *고등기술연구원, **한국원자력연구소

Second Dimensional Analysis Of Oxygen Enriched Incineration

Seung-Yoll Park, Jin-Soon Choi, Chul Kim,

Yong-Seung Yun*, Jeong-Guk Kim**

Department of Chemical Engineering, Ajou University

*Institute for Advanced Engineering

**Korea Atomic Energy Research Institute

서 론

최근의 소각기술은 독성 및 유해 폐기물 처리뿐만 아니라 오염된 토양의 제염에도 이용되고 있다. 소각기술로 처리하는 대상폐기물이 확대되어감에 따라 더 효율이 높은 연소기술의 개발이 필요하며 소각 후 외부로 배출되는 소각재 및 배기체의 관리가 더욱 강화되고 있다.

이러한 문제점으로부터, 기존의 소각기술 보다 더 개선되어 독성 및 유해 폐기물 처리에도 충분히 적용이 가능한 기술이 요구된다. 그 중의 하나가 □산소부화 소각기술[1]□이다. 여기서 산소부화란 폐기물의 연소에 필요한 산소를 공기 중 산소의 구성비인 21% 이상으로 최고 100%의 순 산소까지 만든 것을 말한다. 산소부하를 이용한 연소는 금속 및 광물질 산업에서 연소효율을 증대시키기 위해 사용했던 기술인데 소각에의 적용은 유해성분을 보다 효율적으로 파괴하기 위한 필요성 때문에 최근에야 기술개발이 이루어지고 있다.

현재 기술개발이 진행되고 있는 대부분의 산소부화 소각기술은 기존의 소각시설의 공기 주입설비를 추가하는 방법으로 공기 보다 더 고농도의 산소분위기에서 연소가 이루어지도록 한 것이다. 그 결과 연소온도가 상승하여 유해성분이 완전히 파괴되고 소각처리용량의 증대 및 보조연료의 절감을 얻을 수 있고 또, 배기체 발생량이 적어지게 된다.

일반 도시 및 산업 폐기물의 경우와는 다르게 방사성폐기물은 소각 시 발생하는 모든 배기체가 잠재적인 확산 가능성을 가진 방사성 기체폐기물로 보고 처리해야한다. 따라서 산소부화기술을 적용함으로 배기체 발생량을 줄이는 것은 방사성폐기물 소각시설, 특히 보다 높은 수준의 알파핵종 누설방지가 필요한 알파폐기물 소각기술에 있어 매우 큰 장점이 될 것이다.

해석모델

그림 1은 본 연구에서 해석의 대상으로 하는 소각로의 개략도이다.

버너는 아직 고려하지 않았고 소각로 바닥의 화격자로부터 산소와 폐기물이 동시에 조성별로 들어가는 것으로 하였다. 연소반응에서 NOx는 고려하지 않았다.

이에, 소각로 내에서 일어나는 주된 화학반응은

[eqn: rm FUEL``+``4.199`O_2``->``5.354`C`O``+``2.975`H_2 ` O]

[eqn: rm FUEL`2``+``0.112`O_2``->``0.087`C`O_2``+``1.065`H_2`O]

[eqn: rm C`O``+``0.5``O_2``->``C`O_2]

이며[2], 발열량계산은 Du Long Equation을 사용[3]하였다.

수학적 해석을 위해 다음과 같은 가정들을 하였다.

1.  소각로는 recycle system이 아닌 batch 형태.

2. 화격자를 통해 들어오는 산소와 화격자 위에 쌓여있는 폐기물을 성분별          steady input으로, 균일하게 분포된 여러 격자를 하나의 큰 input 으로 간주.

4. material의 밀도는 incompressible-ideal-gas, Cp는 mixing-law로 그리고,         Thermal Conductivity, Viscosity, Absorption Coefficient, Scattering            Coefficient는constant 값으로 , Scattering Phase Function은 isotropic, Mass     Diffusivity는 constant-dilute-appx로 가정.

결 과

본 연구는 산소부화 소각로의 해석을 함에 있어서 가장 기본적인 형태인 이차원적 모델링으로부터 시작하였다(그림1). 또한, 폐기물의 방사성 효과를 고려하지 않았다.

inlet은 0.00379(m/s)의 속도로 300K의 온도를 가지고 그 조성은 FUEL,   FUEL2, 산소로 각각 0.2516, 0.02461, 0.71923의 비율로 설정하였다.

방정식들을 푸는데 있어서 Momentum, Energy, Turbulence Kinetic Energy,

Turbulence Dissipation Rate 등은 First Order Upwind를 사용했으며,           Pressure는 Standard로, Pressure-velocity Coupling은 SIMPLE를 이용하여      결과를 구했다.

이러한 설정으로부터 유출조성(그림2), 속도장(그림3), 밀도(그림4), 압력(그림5), 온도분포(그림6)를 모사하였다.

모사에 의하면 소각로 내의 최대온도는 소각로 좌측 하단부에서 3782K로 나왔으나(그림6), 모든 원소들이 동시에 완전연소 했을 때의 가정으로부터 나온 결과이고,  recycle을 고려하지 않았기 때문에 CO2의 계속적 유입을 고려하게 되면 온도가 훨씬 더 떨어질 것으로 보인다. 즉, 초기 모델링을 하여 얻은 결과이므로, 양론적 예상 (1500℃)에 근접하게 될지는 향후 remodeling을 통해 알아보고자 한다.

Oulet의 mole fraction H2O 42%, CO2 58%정도로 나왔으며, 이는 연소 후 물질의 대부분임을 고려하여, SOx와 NOx의 고려를 하지 않은 것이다. 이 역시 추후의 연구 계획에 포함된 내용이다. 또한, 완전연소 함으로써 CO가 발생하지 않았음을 내포하고 있다(그림2).

참고문헌

1. Shahani, G. H., et al.., "Oxygen enrichment for waste combustion", Proc.       of the 1994 International Incineration Conf., Houston, Texas US,

pp. 425-429(1994).

2. Irvin Glassman, "Combustion-third edition"., pp1-30, Academic Press, Inc.

3. Calvin R. Brunner, Handbook of Incineration Systems., pp.8.19, McGraw-Hill

4. J. F. Griffiths, J. A. Barnard, "Flame And Combustion", pp.1-9,               BLACKIE A&P.

5. Howard B. Palmer, J. M. Beer, "Combustion Technology", pp.1-27,             Academic P., (1974)