유동층 연소로에서 폐기물의 소각특성

김 정래

현대중공업(주) 기술개발본부 산업기술연구소

Incineration of Waste Materials in a Fluidized Bed Combustor

Jung-Rae Kim

Hyundai Industrial Research Institute, Hyundai Heavy Industries Co., Ltd.

1. 서 론

우리나라에 있어서 폐기물의 처리는 주로 매립에 의존하여 왔으나 환경적 측면과 발생량의 증가에 따른 처리의 곤란성 때문에 소각처리로의 전환을 강구하고 있다. 소각로는 피소각물의 성상, 처리량, 주위 여건, 환경 규제 정도에 따라 다양한 형태로 개발되어 왔는데 유동층 소각로는 다음과 같은 특징을 갖고있어 도시 및 산업폐기물 소각에 많이 적용되고 있다.

- 폐기물의 적용성이 넓다.

- 여러종류의 폐기물을 혼소 할 수 있다.

- 자체 연소가 불가능한 고함수율의 폐기물 경우 보조연료 사용량이 적다.

- 소각로 단위 면적당 처리량이 높다.

- 운전 제어가 용이하다.

그런데 유동층 소각로 내에서의 연소 특성은 피소각물의 물성에 따라 달라지며 그 특성에 맞는 설계가 요구되고 있어 각 폐기물별에 따른 경험적 자료 축적이 중요하다. 우리나라는 80년대 초부터 유동층 석탄 보일러가 도입되면서 유동층 연소로에 대한 연구가 연구소, 학교를 중심으로 시작되었으며 폐기물 소각으로의 응용은 80년대말 부터 극히 제한적으로 연구가 진행되어 왔지만 이는 소각 기술의 선진국에 비하여 개발 및 연구 기간이 짧기 때문에 현재까지는 기술적 자립을 이루지는 못한 실정이다. 본 연구에서는 피연소물에 따른 유동층 소각로의 운전조건, 연소관리 방법, scale-up 등과 관련된 설계시에 고려 사항들을 언급하고 당사 연구소에서 소각 실험을 수행했던 내용의 예를 제시해 보고자 한다.

2. 본 론

2-1. 운전조건

유동층 연소로에서 층물질은 주로 모래를 사용는데 로내 탈황을 위하여 lime 혹은 limestone이 사용되기도 한다. 층물질의 평균 입자 크기는 석탄 연소로의 경우 1mm, 소각로의 경우 0.7mm 정도를 사용한다. 폐기물의  함수율, 휘발분, 불균질성 때문에 석탄 연소로 보다 소각로의 경우 층높이가 높은 상태에서 운전하는 것이 일반적이다. 연소로내 프리보드의 압력은 운전중 노 외부로의 가스 유출 방지와 고온 가스에 의한 연료 투입구로의 역화 방지를 위하여 -150mmAq 정도의 부압이 유지되도록 흡인 송풍기에 의하여 조절된다. 과잉공기율은 석탄연소로의 경우 20-30% 정도이나 도시폐기물의 경우 다이옥신 생성억제등 프리보드에서의 완전 연소를 목적으로 50-100% 정도 높게 유지하며 산업폐기물의 경우는 발열량, 열회수 방법 등에 따라 30%에서 150% 이상을 유지하는 경우도 있다. 층온도는 피연소물의 물성과 성분에 따라 달리 운전된다. 석탄 연소로의 경우 연소 및 탈황 등의 효율에 따라 800-950℃ 범위에서 운전되나 도시폐기물을 적용할 경우 연소제어의 목적으로 600-700℃ 다소 낮은 온도 범위를 유지하며 산업폐기물의 경우 각폐기물별 특성에 따라 층내 연소온도를 달리하게 된다. 즉, 자체 연소가 불가능한 고함수율의 경우 보조 연료량의 최소화, 질소 성분이 다량 함유되거나, 고발열량 또는 회분내 알카리 금속 성분이 많은 폐기물의 경우 질소산화물 생성의 억제와 clinker 생성 방지 등을 고려하여 온도를 설정하게 된다.

2-2. 연소관리

소각로의 연소관리 개념은 광범위하게 사용되고 있는데 본 고에서는 연소온도, 배가스 조성의 관리 등에 대하여 알아보고자 한다. 층내 온도를 조절하는 방법으로는 다음과 같은 방법을 고려할 수 있다.

- 유동화공기의 증감

- 피연소물의 공급량 조절

- 층내 물분사

- 층내 냉공기(cold air) 또는 수증기 주입

한편, 유동층의 특징 중에서 피연소물로의 빠른 열전달과 연소속도는 도시 폐기물과 같이 비균질한 폐기물을 소각할 경우 불완전연소의 원인을 제공하기 때문에 주의를 필요로 한다. 이러한 물질을 소각할 경우 층내 유동화 속도를 반경 방향으로 차등을 주어 낮은 유속을 유지하는 지역 또는 층내에 이동층(moving bed)을 형성하는 지역을 두어 그 곳으로 폐기물이 유입되도록하여 연소 및 탈휘발 속도를 완만하게 유지하는 방법이 동원되며 층내 연소 온도를 낮게 유지하여 운전한다. 유동층 소각로에서 이차 연소 구간이라 할 수 있는 프리보드 부분의 온도는 750-950℃의 범위에서 운전되는데 하한치는 소각로내 악취 성분 유발  및 불완전 연소 방지를 위한 온도이며 상한치는 질소산화물 및 노벽면의 clinker 생성을 방지할 수 있는 온도이다. 한편 폐기물을 소각할 경우 폐기물의 저위발열량은 소각 시스템을 선정하는 개념설계에 있어서 중요한 정보를 제공하게 된다. 일반적으로 저위발열량이 900kcal/kg 보다 미만인 경우, 노내 온도 유지를 위하여 보조연료량이 필요하게되며 1500kcal/kg 이상인 경우, 과다한 연소열에 의한 층내 온도 상승을 억제하기 위한 냉각용 매체의 분사가 필요하게 되고 언급된 범위의 발열량을 갖는 폐기물인 경우 과잉공기율의 변화로 층 온도를 제어하게 된다. 한편 피연소물의 원소 성분중 황 및 염소의 양에 따라 배가스 처리 설비의 유무와 방법등이 설정되는데 질소산화물의 경우는 대부분의 피연소물을 유동층로에서 연소 시킬 경우 연소관리를 통하여 환경규제치를 만족시킬 수 있다. 피연소물의 특성을 제외한 질소산화물 제어를 위한 연소 관리 방법은 다음과 같다.

- 배가스내 산소 농도 조절

- 적절한 연소 온도의 선택

- 로 내에서의 배가스 고온 체류 시간

- 연소용 공기의 예열 온도

2-3. 설계 도출 항목

유동층 연소로를 설계하는데 있어서 피연소물의 물성은 전처리, 소각로 본체, 후처리 설비를 구성하는데 중요한 자료를 제공한다. 소각로 본체에 대한 기본설계시 필요한 도출 정보에 대하여 알아보고자 한다.  유동층 소각로에서 공기분배판을 통하여 층내로 유입되는 유동화 공기가 일차공기로 사용된다. 분배판 및 분산 노즐의 설계는 공기의 원할한 공급과 정체영역(dead zone)의 형성을 방지할 수 있도록 노즐의 배치 고려해야 하며 또한 층물질이 노즐을 통하여 유출되지 않도록 하여야 한다. 일반적으로 분배판에서의 압력 강하는 100-250mmAq 범위로 설계된다. 로의 크기, 층내 흡열관의 소요 면적, 이차 공기 투입비 등을 결정하기 위해서는 피연소물이 층내에서 연소되는 비율을 산정해야한다. 이는 폐기물의 휘발 성분량 및 연소 속도, 투입크기, 과잉공기량, 유동화속도, 층높이, 층물질의 입경에 따라 달라질 수 있다. 폐기물의 경우 그 성상이 매우 다양하고 또한 비균질하기 때문에 그의 종류에 따라 설계치를 달리해야 하는데 이론적으로 계산하기는 어렵고 실증 실험을 통하여 산출될 수 있다. 층내에서의 축방향 온도 분포는 층물질의 격렬한 혼합효과로 온도구배 없이 거의 일정한 값으로 나타나지만 층표면 상단에서는 휘발된 미연분의 양과 가스의 체류시간 정도에 따라 심한 온도 구배를 보이게 된다. 따라서 프리보드에서 온도 및 배가스 관리를 위한 이차공기와 냉각용 매체의 투입 위치 결정, 노의 총 높이 등을 결정하기 위해서는 축방향 온도 분포에 대한 자료가 필요하다. 당연구소에서 각종 폐기물에 대한 연소특성 실험 결과에 따르면 층내 온도, 과잉공기율, 유동화속도가 프리보드의 축방향 온도분포에 큰 인자로서 작용함을 확인할 수 있었으며 특히 휘발분이 많고 휘발속도가 빠른 물질인 경우 층 표면 상단 3m 이내에서 연소 특성 파악이 소각로의 설계에 매우 중요하였다. 층내에서의 반경 방향 온도 분포는 폐기물 투입구의 위치 및 방법, 투입구 갯수의 결정, 이차공기 투입 노즐의 배치를 결정하는데 중요하게 활용된다.

한편 연소로를 scale-up하기 위해서는 층내에서 유동화의 균일성, 피연소물의 층내 고른 분산으로 인한 연소열의 균일화, 급진량의 정량화 확보, 불연물이 많이 함유된 물질에 대해서는 이들이 노내에서 체류하지 않고 원할하게 배출될 수 있는 구조, 열회수의 고효율화 등에 대한 기술적 문제를 검토해야된다.

3. 결 론

폐기물은 형태와 조성에서 매우 다양한 특성을 갖고 있어 효과적인 소각 시스템과 소각로의 설계에 있어서는 실증 실험을 포함한 많은 경험적 자료가 요구되며 향후 유동층 소각 기술의 발전을 위하여 다음과 같은 항목이 연구 개발되어야 한다.

1) 장치의 대형화를 위한 제반 기술 구축,

2) 효율적인 연소 제어를 위한 방법과 제어논리의 개발,

3) 연소로의 고유모델 정립을 위한 형상별 유동해석,

4) 도시폐기물 소각로의 경우 효과적인 불연물 배출 기술

또한 최근 소각로 설치시 환경 문제로 대두되고 있는 다이옥신 저감 기술 대책을 위해서 우선 이들에 대한 분석 방법의 확립과 보급이 시급히 요망되고있다.

참고문헌

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