바이오매스와 폐기물 고형연료의 연소특성

(1)

Original article

바이오매스와 폐기물 고형연료의 연소특성

구재회*⋅오세천^†

공주대학교 환경공학과, *고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터 (2012년 6월 29일 접수, 2012년 7월 20일 심사, 2012년 7월 30일 채택)

Combustion Chracteristics of Biomass and Refuse Derived Fuel

Jae-Hoi Gu

*

and Sea Cheon Oh

^†

Department of Environmental Engineering, Kongju National University, Chungnam, Korea

*

Plant Engineering Center, IAE, San 5, Woncheondong, Suwon, Korea (Received June 29, 2012; Revised July 20, 2012; Accepted July 30, 2012)

본 연구에서는 바이오매스의 에너지 활용성을 확인하기 위하여 실험실 연소로를 이용한 등온 및 비등온 연소특성 연구를 수행하였으며 바이오매스의 시료로는 목재펠렛, 볏짚 및 왕겨를 사용하였다. 바이오매스의 연소시 배출가스의 특성과 분진 및 잔류물을 분석하였으며 그 결과를 RDF의 연소실험 결과와 비교분석하였다. 등온 연소특성 실험으로 부터 볏짚이 다른 시료에 비하여 연소속도가 빨라 급격히 산소량이 감소되어 불완전연소율이 증가함을 확인하였으며 목재펠렛의 경우 다른 시료에 비하여 가장 낮은 NO

x

배출농도를 나타내었다. 또한 비등온 연소특성 실험으로부터 모든 시료가 900 ℃의 연소온도에 도달하기 이전에 연소가 대부분 일어남을 확인할 수 있었으며 NO

x

의 경우 CO가 배출되는 범위와 유사한 온도범위에서 배출되는 반면에 SO

2

의 경우보다 고온에서 배출됨을 확인할 수 있었다.

To verify the utilization of biomass as energy, the combustion characteristic has been studied by an experimental combustion furnace under an isothermal and non-isothermal combustion. The wood pellet, rice straw and rice husk were used as biomass samples in this work. The characteristics of emission gases, dusts and residues from biomass combustion have been analyzed and compared with those of reuse derived fuel (RDF). From isothermal combustion experiments, it was found that the in- complete combustion of rice straw was greater that that of rice husk, wood pellet and RDF. This is due to the fact that the combustion reaction rate of the rice straw was faster than that of other samples, and the oxygen concentration in rice straw combustion was rapidly decreasing. It was also found that NO

_x

concentration of emission gas from wood pellet combus- tion was the lowest. From non-isothermal combustion experiments, it was found that all samples were burned before 900

℃. Also, the temperature range of NO

x

emission was similar to that of CO emission, on the other hand, SO

₂

was emitted at a higher temperature than that of CO emission.

Keywords: wood pellet, rice straw, rice husk, reuse derived fuel, combustion

1. 서 론

1)

최근 지구 온난화 방지를 위한 기후변화 협약준수 및 화석연료의 가격상승 등으로 인하여 전 세계적으로 신재생에너지의 개발 및 보급에 많은 노력이 진행되고 있으며 국내의 경우 또한 2011년의 신재생 대체 에너지 비율을 5%로 설정하고 있다[1]. 현재 국내의 대체에너지 비율 은 2010년을 기준으로 할 때 2.6%이며 그 중에서 약 75%를 폐기물에 너지가 차지하고 있다. 이러한 폐기물에너지는 비록 그 비중이 감소 하고는 있으나 장기적으로도 50% 이상의 비중이 유지될 것으로 전망

† Corresponding Author: Kongju National University Department of Environmental Engineering

Budae-dong, Chungnam 275, Cheonan 330-717, Korea Tel: 041-521-9423 e-mail: [email protected]

pISSN: 1225-0112 @ 2012 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry.

되며 따라서 아직까지 활용되지 않고 있는 폐기물에너지의 적극적인 활용여부가 대체에너지 정책 성공의 가장 중요한 요소로 작용할 것으로 판단된다. 폐기물에너지는 다른 신재생에너지원과는 달리 처리의 측면 에서 환경문제와 직접적으로 관계되어 있으므로 반드시 친환경적인 폐기물에너지 회수가 가능한 기술이 필요하다. 이와 같은 요구사항에 적합한 기술로서 선진국에서는 폐기물 고형연료(Refuse Derived Fuel, RDF) 화 기술이 가장 많이 이용되고 있으며 국내의 경우에 있어서도 1990 년대 후반부터 기술개발이 추진되어 상용 규모의 RDF 생산설비가 2006년부터 가동 중에 있다. 또한 유럽의 경우 가연성 폐기물의 회수를 위하여 매립기준을 엄격하게 적용하는 유럽공통 폐기물 매립지침[2]을 시행하고 있을 뿐만 아니라 RDF의 활성화를 위하여 품질규격을 제정 하여 적용하고 있다[3,4].

이러한 RDF의 활성화에 따라 현재 목재 등과 같은 바이오매스의

고형연료화를 위한 시도가 진행되고 있다. 그러나 가연성 물질을 고형

연료화 하는 경우 수분함량에 따른 발열량 저하 및 원료물질의 종류에

(2)

Table 1. Properties of Biomass and RDF Samples Used in This Work

Item Weight fraction (%)

Wood pellet Rice straw Rice husks RDF

Proximate analysis

Initial moisture 7.78 6.25 7.44 3.57

Volatile matter 73.83 63.35 62.13 60.84

Fixed carbon 1.10 8.74 13.47 12.03

Ash 17.29 21.66 16.96 23.56

Elemental analysis

Carbon 52.35 45.09 44.55 48.12

Hydrogen 6.63 6.14 5.80 5.04

Nitrogen 0.16 0.60 0.29 0.56

Sulfur 0.01 0.03 0.33 0.31

Oxygen 39.75 39.40 35.56 22.41

Chlorine 0.11 5.02 3.27 3.07

Others 0.99 3.72 10.20 20.49

Low heating value 4550 kcal/kg 3705 kcal/kg 3552 kcal/kg 4589 kcal/kg

Figure 1. Schematic diagram of combustion experimental system.

따른 연소 배가스 내의 유해가스 발생 등의 환경적인 문제가 뒤따를 것으로 예상되므로 반드시 연료별 연소특성에 대한 연구가 선행되어 야만 한다. 따라서 바이오매스의 고형연료 활용을 위한 연소특성에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다[5-9]. Sinkkonen[10] 등은 목재와 RDF 의 연소시 발생되는 다이옥신의 발생특성에 대하여 연구하였으며 특히 바이오매스의 경우 석탄과의 혼합연소에 대한 연구가 활발히 진행 되었다[11-13]. 본 연구에서는 가연성 고형연료제품의 활용 확대를 위 하여 소규모 보일러시설에서 사용 가능한 목재펠렛, 왕겨, 볏집 등과 같은 바이오매스의 연소특성연구를 RDF와 비교하여 수행하였다. 각 시료의 연소실험에 있어서는 실험실 규모의 전기로를 이용하였으며 전기로로부터 배출되는 배가스는 직접 가스 분석기를 연결하여 성분 분석을 하였다. 또한 연소 후 잔류물에 대한 정량 및 정성분석을 수행 하였다.

2. 실 험

2.1. 시료 특성

본 연구에서는 바이오매스의 연소특성을 위한 시료로 목재펠렛, 왕겨 및 볏짚을 사용하였으며 원주시의 고형연료 제조설비로부터 생산된 RDF를 연소특성의 비교실험을 위하여 함께 사용하였다. Table 1에 본 연구에 사용된 시료의 공업분석 및 원소분석과 발열량 분석결과를 나 타내었다. Table 1로부터 본 연구의 연소특성실험에 사용된 바이오매스 시료인 목재펠렛, 볏짚 및 왕겨의 경우 수분함량이 6.25∼7.78 %로 비 슷하였으며 RDF의 경우 3.57%로 가장 낮았다. 휘발분의 경우는 목재 펠렛이 73.83%로 가장 높았으며 회분함량의 경우 RDF가 23.56%로 가장 높게 나타났다. 또한 원소분석결과를 보면 탄소성분의 경우 목재 펠렛이 52.35%로 가장 높았으며 산소함량은 RDF가 가장 낮게 나타 났다. 배가스의 가스상 오염물 농도에 영향을 줄 수 있는 질소, 황 및 염소의 성분함량을 보면 질소성분의 경우 볏짚과 RDF가 높게 나타났 으며 황성분의 경우 왕겨와 RDF가 높게 나타남을 알 수 있었다. 또한 염소성분의 경우 목재펠렛이 가장 낮았으며 볏짚이 가장 높게 나타났 다. 따라서 원소분석결과만으로 볼 때 배가스의 가스상 오염물 측면 에서 목재펠렛이 가장 양호할 것으로 판단된다. 또한 발열량 분석결 과를 보면 목재펠렛과 RDF가 약 4500 kcal/kg으로 볏짚과 왕겨에 비 하여 높게 나타났으며 이는 목재펠렛과 RDF가 다른 시료에 비하여

상대적으로 탄소성분의 함량이 높기 때문으로 판단된다.

2.2. 실험장치

본 연구에 사용된 전기로를 Figure 1에 나타내었다. Figure 1의 시료 주입부는 등온연소실험을 위하여 실제 연소로와 같이 로 내의 온도가 일정한 연소온도에 도달한 이후 시료를 주입할 수 있도록 구성하였다.

전기로의 최고 사용온도는 1600 ℃로 내부 Tube의 규격은 직경 150 mm 와 길이 600 mm이며 온도제어를 위하여 3 Zone Control을 적용하였다.

또한 온라인 배가스의 분석을 위하여 전기로의 배가스 출구에 연소가스

냉각기와 시료채취용 Chamber를 각각 제작하여 설치하였으며 분진

측정을 위하여 냉각기에서 Chamber로 배출되는 과정에서 시료채취용

으로 별도의 배가스 흡입부를 설치하였다. 또한 배가스 분석에 있어서는

시료채취용 Chamber에 시료채취기를 주입하여 배가스 분석기를 이용한

온라인 배가스 분석을 수행하였다. 연소특성실험에 있어서 각 시료의

주입량은 배가스 분석기의 측정농도 상한 값에 문제가 없도록 하기

위하여 모두 2 g으로 일정하게 하였으며 공기의 주입량은 20 L/min로

하였다. 등온 연소특성 실험은 전기로의 전단부에 시료를 먼저 주입

한 후 전기로의 내부 온도가 설정된 반응온도에 도달한 후 전기로의

전단부에 주입되어 있던 시료를 시료 주입봉을 이용하여 전기로 내부

로 주입하여 수행하였으며 연소온도는 반응온도별 연소특성을 비교

(3)

Time(sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

O

2

(% )

12 14 16 18 20 22

Wood pellet Rice straw Rice husks RDF

800^oC

Time(sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

O

2

(% )

12 14 16 18 20 22

850^oC

Time (sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

O

2

(% )

10 12 14 16 18 20 22

900^oC Wood pellet Rice straw Rice husks RDF

Figure 2. O

₂

concentration in emission gas under isothermal combustion.

Time(sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

CO

2

(% )

0 1 2 3 4

800^oC

Time(sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

CO

2

(% )

0 1 2 3 4 5

850^oC

Time (sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

CO

2

(%)

0 1 2 3 4 5

Figure 3. CO

₂

concentration in emission gas under isothermal combustion.

분석 하기 위하여 800 ℃, 850 ℃ 및 900 ℃를 설정하여 각 연소온도 에서의 실험결과를 분석하였다. 또한 승온 연소특성 실험의 경우에 있어서는 전기로 내부에 시료를 주입한 후 승온과정에서의 각 시료의 연소특성을 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

Figure 2에 각 연소온도에서 시료의 종류별 연소 배가스 중의 산소 농도 변화를 나타내었다. Figure 2에서 산소농도의 변화가 시간에 따라 지연되는 현상은 시료별 연소특성에 의한 것이기 보다는 배가스의 온 라인 분석을 수행하는 과정에서 분석기의 가동시간 차이에 의하여 나 타나는 현상으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 최대 농도변화의 시간적 지연을 고찰하기 보다는 배가스 농도의 최대변화량과 농도변화 곡선의 기울기 등을 고찰하였다. Figure 2로부터 볏짚의 산소농도 변 화가 가장 급격히 일어남을 확인할 수 있으며 목재펠렛과 왕겨의 경우 는 유사한 반면에 RDF의 산소농도 변화가 가장 완만함을 볼 수 있다.

따라서 시료에 따라 연소속도의 차이가 뚜렷이 나타남을 확인할 수

있었으며 RDF의 연소속도가 가장 늦음을 알 수 있었다. 볏짚의 연소 속도가 가장 빠른 원인은 다른 시료들에 비하여 볏짚의 압축상태가 가장 낮아 연소반응에 필요로 하는 공기의 확산이 보다 용이하기 때문 으로 판단되며 또한 바이오매스 시료들에 비하여 RDF의 연소속도가 가장 늦은 원인은 본 연구에 사용된 RDF의 경우 도시 생활폐기물로 부터 가연성 성분을 분리한 후 압축 성형하여 제조된 관계로 매우 다 양한 가연성 폐기물이 혼합되어 있어 이러한 RDF 내에 바이오매스 성분보다 연소속도가 늦은 성분이 함유될 가능성이 높을 뿐만 아니라 압축된 시료의 형태로 인하여 연소반응에 필요한 공기의 확산속도가 낮기 때문으로 판단된다. 따라서 연소속도에 있어서 시료의 성분뿐만 아니라 시료의 형태에 따라서 또한 영향이 있음을 확인할 수 있었다.

또한 연소온도의 증가에 따른 산소농도의 감소현상에 있어서 볏짚의

경우 가장 농도변화가 크게 나타났으며 목재와 RDF의 경우 연소온도

의 증가에 따라 배가스의 산소농도가 다소 감소하였으나 왕겨의 경우

연소온도의 증가에 따른 산소농도의 변화가 가장 적게 나타났다. 따

라서 연소조건에 따른 연소속도의 변화에 있어서 또한 볏짚이 가장

크게 영향을 받음을 확인할 수 있었다.

(4)

Time(sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

CO( ppm )

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

800^oC

Time(sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

CO( ppm )

0 1000 2000 3000 4000 5000

850^oC

Time (sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

CO (pp m )

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000

Figure 4. CO concentration in emission gas under isothermal combustion.

Time(sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

SO

2

(p pm )

0 50 100 150 200 250 300 350

800^oC

Time(sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

SO

2

(p pm )

0 50 100 150 200 250 300

850^oC

Time (sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

SO

2

(pp m )

0 200 400 600 800 1000 1200

Figure 5. SO

₂

concentration in emission gas under isothermal combustion.

Figure 3에는 각 연소온도에서 시료의 종류별 연소 배가스 중의 CO

2

농도 변화를 나타내었다. CO

2

의 경우 연소반응 특성상 산소농도 의 감소변화 만큼 증가하는 관계로 Figure 2의 산소농도가 감소하는 만큼 같은 경향으로 증가하고 있음을 확인할 수 있었으며 따라서 연 소속도가 빠른 볏짚의 CO

2

농도 변화가 가장 급격히 일어남을 볼 수 있었다.

Figure 4 는 시료의 종류별 각 연소조건에서 불완전연소율을 확인할 수 있는 연소 배가스 중의 CO농도 변화를 보여주고 있다. Figure 4로 부터 볏짚 및 왕겨에 비하여 목재펠렛 및 RDF의 경우 CO가 거의 발생 하지 않음을 볼 수 있다. 또한 왕겨의 경우 연소온도에 따른 배가스의 CO 농도변화가 크게 변화지 않는 반면에 볏짚의 경우 연소온도가 증가 함에 따라 CO의 농도가 크게 증가함을 볼 수 있으며 이는 Figures 2와 3 에서 설명한 바와 같이 볏짚의 경우 연소온도의 증가에 따른 연소속 도의 변화가 가장 급격히 증가함에 따라 공기 주입량에 있어서 산소 소모량이 급격히 증가하는 관계로 불완전연소율이 증가하기 때문으로 판단된다. 또한 Figure 2의 산소농도 변화에 있어서는 왕겨와 목재펠 렛의 경우 거의 유사한 경향을 나타내고 있음에도 불구하고 Figure 4의 왕겨와 목재펠렛의 CO농도 변화에 있어서는 확연히 차이가 남을 볼 수 있다. 이는 배가스 중의 CO농도의 경우 ppm 단위로 측정되는 반 면에 산소농도의 경우 % 단위로 측정되어 CO농도의 변화가 산소농

도의 변화에는 크게 영향을 미치지 않았기 때문으로 판단되며 따라서 Figure 4 로부터 CO농도변화의 결과를 고찰하면 불완전연소율에 있어 서는 목재펠렛과 왕겨가 뚜렷이 차이가 남을 확인할 수 있었다. 왕겨 의 불완전연소율이 목재펠렛에 비하여 높은 원인은 목재펠렛의 경우 압축된 형태의 시료이며 따라서 왕겨의 경우 공기의 확산이 좀 더 용 이하여 본 연구에 적용된 일정한 공기 주입량에 대하여 산소 소모량 이 상대적으로 증가하였기 때문으로 판단된다. 따라서 압축과정을 거 치지 않은 볏짚과 왕겨의 경우 연소로에서 연소시키고자 하는 경우 공기 주입량과 같은 연소조건에 있어서 보다 신중을 기해야 할 것으 로 판단된다.

각 연소온도에서 시료의 종류별 연소 배가스 중의 SO

2

농도 변화를 Figure 5 에 나타내었다. 연소 배가스에 있어서 SO

2

의 농도는 연료의 황 함유량에 가장 크게 영향을 받는다. 이러한 측면에서 볼 때 Table 1 의 각 시료에 대한 원소분석결과로부터 왕겨와 RDF의 경우 SO

2

농도 가 가장 높게 나타날 것으로 예측할 수 있다. 그러나 Figure 5로부터 왕겨와 볏짚의 경우 SO

2

농도가 가장 높게 나타났으며 900 ℃의 경우 오히려 왕겨보다 볏짚의 경우 SO

2

농도가 보다 높게 나타남을 알 수 있다. 또한 목재펠렛의 경우 원소분석결과로부터 예측할 수 있는 바 와 같이 연소 배가스 중의 SO

2

농도가 가장 낮음을 확인할 수 있었다.

이는 본 연구에 사용된 시료의 상태와 각 실험에 사용된 2 g의 시료

(5)

Time(sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

NO

x

(ppm )

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Wood pellet Rice straw Rics husks RDF

800^oC

Time(sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

NO

x

(pp m )

0 20 40 60 80 100 120 140 160

850^oC

Time (sec)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

NO

x

(pp m )

0 20 40 60 80 100 120 140

900^oC Wood pellet Rice straw Rics husks RDF

Wood pellet Rice straw Rics husks RDF

Figure 6. NO

_x

concentration in emission gas under isothermal combustion.

Table 2. Particulate Matter and Combustion Residue

Item Temperature Wood pellet Rice straw Rice husks RDF

Particulate matter

800 ℃ 0.5% 1.0% 0.8% 0.7%

850 ℃ 0.5% 0.8% 0.5% 0.3%

900 ℃ 0.5% 0.5% 0.5% 0.3%

Combustion residue

800 ℃ 4.0% 10.3% 15.8% 53.3%

850 ℃ 3.2% 9.8% 15.1% 43.3%

900 ℃ 1.5% 8.5% 14.0% 40.3%

주입량을 고려하여 볼 때 볏짚의 경우 각 연소실험에서 시료의 대표 성을 가장 확보하기가 어려웠기 때문으로 판단되며 따라서 각 시료별 연소조건에 따른 SO

2

발생특성을 보다 정확히 고찰하기 위해서는 시 료의 대표성을 확보할 수 있을 만큼의 시료량에 대한 현장 실험이 필 요할 것으로 판단된다.

각 연소온도에서 시료의 종류별 연소 배가스 중의 NO

x

농도 변화를 Figure 6 에 나타내었다. 연소과정에서 발생되는 NO

x

의 경우 연료의 성분 중에 함유되어 있는 질소성분에 의한 Fuel NO

x

와 고온의 연소온도 에 영향을 받는 Thermal NO

x

로 구분된다. 본 실험에 적용한 연소온도와 Thermal NO

x

가 형성되는 온도를 고려하면 본 연구의 NO

x

농도의 경우 Fuel NO

x

의 영향이 Thermal NO

x

보다 크게 나타날 것으로 판단된다.

따라서 Table 1의 원소분석결과에서 질소함유량이 가장 적게 나타난 목재펠렛의 경우 다른 시료에 비하여 가장 낮은 NO

x

농도를 나타내었다.

그러나 나머지 시료에 대한 NO

x

농도 변화의 실험결과를 보면 Table 1 의 원소분석결과로부터 예측할 수 있는 Fuel NO

x

농도 변화와 다소 상 이한 결과가 나타남을 볼 수 있다. 같은 성분의 시료를 이용한 비성형 및 압축성형 RDF의 연소실험에 대한 연구사례로부터 비성형 RDF에 비하여 성형 RDF가 보다 연소온도가 높으며 에너지밀도가 높은 성형 RDF의 경우 국부적으로 고온을 형성하는 화염온도에 의하여 연소 배 가스 중의 NO

x

농도가 비성형 RDF 보다 높게 나타날 수 있다는 연구

결과가 보고된 바 있다[14,15]. 따라서 연소 배가스 중의 NO

x

농도를 고찰하기 위해서는 시료에 함유되어 있는 질소성분 뿐만 아니라 시료 의 성분 및 형태에 따른 화염온도의 변화를 고려해야 할 것으로 판단 되며 따라서 왕겨의 경우 원소분석결과로부터 RDF나 볏짚에 비하여 질소함량이 상대적으로 낮음에도 불구하고 두 시료의 경우와 유사하 거나 오히려 높은 NO

x

농도가 나타난 것은 이러한 화염온도에 의한 Thermal NO

x

에 기인한 것으로 판단되며 900 ℃의 연소온도에서 RDF의 경우 다른 시료에 비하여 가장 높은 NO

x

의 농도가 나타난 것 또한 연소 과정에서 형성되는 화염의 온도에 의한 영향으로 판단된다.

각 등온 연소실험에서 발생된 분진 및 잔류물의 발생량을 Table 2에 각각 나타내었다. Table 2으로부터 분진량의 경우 연소온도의 증가에 따라 감소하는 경향이 나타났으며 시료에 따라 뚜렷한 차이는 보이지 않았으나 볏짚의 분진발생량이 다소 다른 시료에 비하여 크게 나타났 다. 또한 연소 잔류물에 있어서는 목재펠렛의 경우 가장 적게 나타났 으며 이는 Table 1의 원소분석결과에서 알 수 있듯이 목재펠렛의 회 분함량이 가장 적기 때문으로 판단된다. RDF의 경우 다른 시료에 비 하여 보다 많은 연소 잔류물이 존재함을 알 수 있으며 이는 본 연구에 사용된 RDF 시료의 경우 원주 RDF 제조공정에서 HCl의 제어를 위하 여 첨가된 Ca(OH)

2

에 의하여 시료 자체에 회분의 함량이 높기 때문으 로 판단된다. 또한 Table 2로부터 연소온도가 증가함에 따라 연소 잔 류물이 감소함을 확인할 수 있었다.

Figures 7과 8에 비등온 연소실험과정에서의 연소 배가스 중 산소, CO, SO

2

및 NO

x

의 농도 변화를 각각 나타내었다. 비등온 연소특성실 험에 있어서 각 시료 및 공기주입량은 등온 연소특성실험의 경우와 같이 2 g과 20 L/min로 각각 설정하였다. 또한 전기로의 승온속도는 30 ℃/min으로 설정하였으며 900 ℃에 도달한 후 일정한 온도를 유지 하도록 조절하였다. Figure 7의 산소농도변화의 분석결과로부터 모든 시료가 900 ℃의 연소온도에 도달하기 이전에 연소가 대부분 일어남 을 확인할 수 있었으며 이에 따라 CO농도의 변화 또한 같은 온도범위 에서 대부분 배출되고 있음을 알 수 있었다. 또한 Figure 8의 연소 배 가스 중의 SO

2

및 NO

x

의 농도변화 결과로부터 NO

x

의 경우 CO가 배 출되는 온도범위와 유사한 온도범위에서 배출되는 반면에 SO

2

의 경 우 보다 고온에서 배출됨을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 바이오매스의 에너지 활용 가능성을 확인하기 위하여 목재펠렛, 볏짚 및 왕겨를 대상으로 실험실 연소로를 이용한 연소특성 연구를 수행하였으며 이로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

등온 연소특성실험의 산소농도변화에 대한 분석결과로부터 목재펠렛,

RDF 및 왕겨에 비하여 볏짚의 산소농도 변화가 보다 급격히 일어남을

확인할 수 있었으며 RDF의 산소농도 변화가 가장 완만함을 볼 수 있다.

(6)

Time(sec)

0 500 1000 1500 2000 2500

O2(%)

19.8 20.0 20.2 20.4 20.6 20.8 21.0 21.2

Temp(o C)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Time(sec)

0 500 1000 1500 2000 2500

CO(ppm)

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000

Temp(o C)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Temperature

Wood pellet Rice straw

Rice husks

RDF

Temperature

Rice husks Rice straw

Wood pellet RDF

Figure 7. O

₂

and CO concentration in emission gas under non-isothermal combustion.

Time(sec)

0 500 1000 1500 2000 2500

SO

2

(ppm )

0 5 10 15 20 25

Te m p(

o

C)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Time(sec)

0 500 1000 1500 2000 2500

NO

x

(ppm )

0 5 10 15 20 25

Te m p(

o

C)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Wood pellet Rice straw

Rice husks

RDF Temperature

Temperature Wood

RDF Rice straw

Rice husks

Figure 8. SO

₂

and NOx concentration in emission gas under non-isothermal combustion.

따라서 시료의 성분뿐만 아니라 연소반응에 필요로 하는 공기의 확산 속도에 영향을 미치는 시료의 형태에 따라 연소속도의 차이가 뚜렷이 나타남을 확인할 수 있었다. 또한 CO농도변화에 대한 분석결과로부터 시료의 압축상태가 낮아 공기의 확산이 용이한 볏짚과 왕겨의 경우 제한된 공기주입량에서 산소 소모량이 증가함에 따라 불완전연소율 이 증가함을 확인하였으며 따라서 볏짚과 왕겨를 연소로에서 연소시 키고자 하는 경우 공기주입량과 같은 연소조건에 보다 신중을 기해야 할 것으로 판단된다.

등온 연소특성실험의 NO

x

농도변화에 대한 분석결과로부터 원소분석 결과에서 질소함유량이 가장 적게 나타난 목재펠렛의 경우 다른 시료에 비하여 가장 낮은 NO

x

농도가 나타났으나 볏짚, 왕겨 및 RDF의 실험 결과로부터 연소 배가스 중의 NO

x

농도를 고찰하기 위해서는 Fuel NO

_x

에 영향을 미치는 시료 중의 질소성분 뿐만 아니라 시료의 성분 및 형태에 따라 Thermal NO

x

에 영향을 미치는 화염온도의 변화를 함께 고려해야 할 것으로 판단되었다.

각 등온 연소실험에서 발생된 분진 및 잔류물의 발생량 분석결과로 부터 목재펠렛, 볏짚 및 왕겨의 경우 RDF에 비하여 연소 잔류물이 매우 작음을 알 수 있었으며 이는 본 연구에 사용된 RDF 시료의 경우 원주 RDF 제조공정에서 HCl의 제어를 위하여 첨가된 Ca(OH)

2

에 의하여 시료 자체에 회분의 함량이 높기 때문으로 판단된다.

비등온 연소특성실험의 산소농도변화의 분석결과로부터 모든 시료 가 900 ℃의 연소온도에 도달하기 이전에 연소가 대부분 일어남을 확 인할 수 있었으며 이에 따라 CO농도의 변화 또한 같은 온도범위에서 대부분 배출되고 있음을 알 수 있었다. 또한 연소 배가스 중의 SO

2

및 NO

x

의 농도변화 결과로부터 Fuel NO

x

의 경우 CO가 배출되는 범위와 유사한 온도범위에서 배출되는 반면에 SO

2

의 경우 보다 고온에서 배 출됨을 확인할 수 있었다.

참 고 문 헌