성형 및 비성형 폐기물 고형연료의 연소특성에 관한 연구
Nawaraj Sanjel⋅구재회*⋅권우택**⋅오세천
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공주대학교 환경공학과, *고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터, **한국세라믹기술원 그린세라믹본부 (2012년 3월 27일 접수, 2012년 4월 10일 심사, 2012년 4월 25일 채택)
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A Study on the Combustion Characteristics of Pelletized and Fluff RDF (Refuse Derived Fuel)
Nawaraj Sanjel, Jae-Hoi Gu*, Woo-Teck Kwon**, and Sea Cheon Oh
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Department of Environmental Engineering, Kongju National University, Chungnam 330-717, Korea
*Plant Engineering Center, IAE, Suwon 449-863, Korea
**Creen Ceramics Division, KICET, Seoul 153-801, Korea
(Received March 27, 2012; Revised April 10, 2012; Accepted April 25, 2012)
본 연구에서는 비성형 RDF의 에너지 활용성을 확인하기 위하여 실험실 연소로를 이용한 온도 변화에 의한 연소특성 연구를 하였다. 비성형 RDF 연소시 배출가스의 특성과 분진 및 잔류물을 분석하였으며 또한 그 결과를 성형 RDF의 연소실험 결과와 비교분석하였다. 본 연구로부터 비성형 RDF가 성형 RDF에 비교하여 연소속도가 빨라져서 급격히 산소량이 감소되어 불완전연소율이 증가함을 확인하였다. 또한 연소온도가 높아질수록 연소속도가 향상되었으며 산 소 소모량이 급격히 증가하였고, 이에 따른 불완전연소율이 증가하여 CO의 농도가 높아짐을 알 수 있었다. 따라서 비성형 RDF의 완전연소를 위한 운전조건의 설정에 매우 신중을 기해야 할 것으로 판단되었다.
To verify the utilization of fluff refuse derived fuel (RDF) as energy source, the combustion charateristic has been studied by an experimental combustion furnace under various temperatures. The characteristics of flue gas, dust and residue from fluff RDF combustion has been analyzed and compared with those of pelletized RDF. From this work, it was found that the incomplete combustion of fluff RDF was greater than that of pelletized RDF because the combustion reaction rate of fluff RDF was faster than that of pelletized RDF, and oxgen concentration in fluff RDF combustion decreased rapidly. It was also found that carbon monoxide concentration of flue gas from fluff RDF combustion increased with combustion temper- ature because the oxygen consumption and the incomplete combustion increased. Therefore, it is felt that the combustion oper- ation conditions of fluff RDF should be carefully determined.
Keywords: fluff RDF, pelletized RDF, combustion characteristic, flue gas
1. 서 론
1)
화석연료의 고갈 및 온실가스 저감계획에 따른 신재생에너지 자원의 확보는 전 세계적으로 가장 중요한 관심사의 하나가 되고 있으며 이 에 따라 우리나라 또한 태양에너지⋅바이오매스에너지⋅풍력에너지 및 폐기물에너지 등 대체에너지 개발에 많은 연구 및 사업화가 진행 중에 있다. 우리나라의 대체에너지 보급비율은 2009년 현재 2.5%이며 그 중에서 약 75%를 폐기물에너지가 차지하고 있어 여러 가지의 대 체에너지원 중에서 폐기물에너지가 차지하는 비중은 절대적인 것으 로 나타나고 있다. 그러나 폐기물로부터 에너지를 생산하는 대표적인 기술인 소각의 경우 유독물질인 다이옥신류의 배출 문제 등으로 폐기 물 처리라는 측면에서 기술적 진보의 필요성이 대두되고 있으며 따라 서 폐기물을 이용한 에너지회수기술의 경우 환경에 대한 영향을 최소
† 교신저자 (e-mail: [email protected])
화할 수 있는 기술개발이 매우 중요하다. 폐기물 에너지화 기술의 경우 현재 폐기물 고형연료화(refuse derived fuel, RDF) 기술 및 열분해 유 화를 통한 액상 연료유 회수기술 그리고 가스화를 통한 합성가스 회 수 기술 등으로 나뉘어 연구개발이 진행되고 있으나 열분해 유화의 경우 아직 기술적 신뢰성의 문제로 연구단계에 머무르고 있으며 가스 화의 경우 실증화 연구가 진행되고 있다[1-6]. 따라서 현재 소각 이외 에 폐기물에너지화 기술 중 상용화가 진행 중인 기술은 고형연료화 기술이며 특히 RDF는 양질의 가연성 폐기물만 선별하여 우수한 연소 성을 가지고 성형 시 저장과 운반이 손쉬워 대형 설비에서의 연소도 가능하며 친환경적 처리가 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 균질한 고 발열 연료로서의 기능을 가져 에너지 이용을 극대화할 수 있는 차세 대 대체에너지로 최근 많은 관심을 모으고 있다[7,8].
그러나 이러한 폐기물 고형연료화 기술은 근본적인 에너지원으로
폐기물을 활용한다는 점을 고려할 경우 에너지회수를 위한 기술적인
측면과 함께 폐기물처리라는 환경적인 측면을 모두 고려하여 조심스
1. Air bomb 2. Flow meter 3. Sample injection rod 4. Furnace 5. Quartz tube 6. Sample boat 7. Thermocouple 8. PID temperature controller
9. Dust sampler 10. Gas cooler 11. Gas chamber 12. Emission gas analyzer
Figure 1. Schematic diagram of combustion experimental system.
Table 1. Properties of RDF Samples Used in This Work
Item Weight fraction (%)
Fluff RDF Wonju pelletized RDF
Proximate analysis
Initial moisture 4.92 3.57
Volatile matter 80.70 60.84
Ash 6.51 23.56
Fixed carbon 7.87 12.03
Elemental analysis
Carbon 53.98 48.12
Hydrogen 7.98 5.04
Nitrogen 0.33 0.56
Sulfur 0.07 0.31
Oxygen 30.80 22.41
Chlorine 2.34 3.07
Others 4.50 20.49
Low heating value 5452 kcal.kg 4589 kcal.kg 하게 되었다. 그러나 이러한 비성형 RDF의 경우 특히 환경적인 측면
에서 연소특성에 관한 연구는 매우 중요하다고 할 수 있으며 일본의 경우 연소특성 뿐만이 아니라 성형 및 비성형 RDF에 대한 저장과정 에서 발생되는 가스발생 및 특성변화에 대한 연구 또한 활발히 진행 되고 있다[13-15]. 본 연구에서는 이러한 비성형 RDF의 활용을 위한 기초연구로서 연소조건 변화에 의하여 발생되는 배가스와 잔류물에 대한 특성연구를 수행하였으며, 또한 기존의 성형 RDF와 비교분석 함으로써 비성형 RDF의 에너지원으로서의 활용을 위한 고찰이 이루 어졌다.
2. 실 험
2.1. 시료
본 연구에서는 수원시내에서 발생된 생활폐기물을 대상으로 약 5000 g 의 생활폐기물을 수집한 후 수도권매립지관리공사의 건조대상 폐기물의 조성을 바탕으로 이와 유사한 조성의 비성형 RDF를 제조하 였다. 비성형 RDF의 연소특성을 성형 RDF와 비교분석하기 위하여 제조된 비성형 RDF를 이용하여 성형 RDF를 제조하였다. 성형 RDF 의 제조를 위하여 우선 비성형 RDF를 성형 RDF 제조기에 사용 가능 하도록 파쇄하였으며 이후 파쇄된 비성형 RDF를 성형 RDF 제조용 Hot Press에 주입한 후 성형 RDF를 제조하였다. 이때 성형기의 온도는 180 ℃까지 승온시켰으며 압력은 70∼80 kg f /cm 2 을 유지시켰다. 또한 본 연구에서는 성형 RDF의 연소특성에 있어서 기존의 상용화 제조공 정에 제조된 성형 RDF와의 비교실험을 위하여 원주 RDF 제조시설로 부터 제조된 성형 RDF를 대상으로 연소특성 실험을 병행하였다.
2.2. 실험방법
본 연구에 사용된 연소실험 장치의 개략도를 Figure 1에 나타내었 다. 연소반응기로 사용된 전기로의 최고 사용온도는 1600 ℃로 내부 Tube 의 규격은 직경 150 mm와 길이 600 mm이며 온도제어를 위하여 3 zone control을 적용하고 있다. 또한 본 연구에서는 연소온도에 도달 한 후 시료를 주입할 수 있도록 하기 위하여 전기로 전단부의 시료 주입부를 설치하였으며 온라인 배가스의 분석을 위하여 연소가스 냉 각기와 시료채취용 Chamber를 전기로 후단부에 각각 설치하였다. 연 소 배가스의 성분분석은 Chamber에 연결된 배가스 분석기(GreenLine 9000, Eurotron, Italy) 를 이용하여 측정하였으며 가스상의 성분측정과 함께 전기로 후단부에 설치된 분진측정 장치를 이용하여 배가스 내 분진의 농도를 함께 측정하였다. 연소실험에 있어서는 공기의 주입량은 20 L/min 의 일정하게 하였으며 이때 시료량은 3 g으로 하였다. 또한 연소온도에 따른 배가스의 발생특성을 비교 고찰하기 위하여 800 ℃, 850 ℃ 및 900 ℃의 연소반응 온도에서의 연소특성 실험을 수행하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 시료의 특성
본 연구에 사용된 성형 및 비성형 RDF와 원주 성형 RDF의 공업
및 원소분석 결과와 발열량 분석결과를 Table 1에 나타내었다. 비성형 RDF와의 연소특성 비교실험을 위하여 본 연구에서 제조한 성형 RDF 의 경우 비성형 RDF로부터 직접 제조하였으므로 비성형 RDF의 특성 과 같다. Table 1로부터 본 연구에서 제조한 RDF에 비하여 원주 성형 RDF 의 경우 회분성분이 보다 높게 나타남을 볼 수 있다. 이는 원주 성형 RDF의 경우 연소시 HCl의 발생량 저감을 위하여 첨가된 Ca(OH) 2 에 의한 것으로 판단되며 이에 따라 발열량 또한 낮게 나타남 을 확인할 수 있다.
또한 본 연구에 사용된 RDF 시료의 중금속 성분의 함유량 분석
결과를 Table 2에 나타내었다. Table 2로부터 비성형 RDF의 경우 납,
카드뮴 및 총 크롬 성분이 6.83, 0.84 및 5.21 mg/kg로 각각 검출되었
으며 그 이외의 성분은 검출되지 않았다. 원주 성형 RDF의 경우 비성형
RDF 에 비하여 구리성분이 추가로 검출되었으며 상대적으로 각 성분의
함유량이 비성형 RDF에 비하여 높게 나타났다. 따라서 RDF 시료에
있어서의 중금속 함유량은 폐기물의 발생지역에 따라 차이가 남을 확인
할 수 있었다.
Table 2. Heavy Metal Concentrations in RDF Samples Used in This Work
Element Fluff RDF Wonju pelletized RDF
Pb (mg/kg) 6.83 90.6
Cu (mg/kg) ND 41.6
As (mg/kg) ND ND
Hg (mg/kg) ND ND
Cd (mg/kg) 0.84 2.14
T-Cr (mg/kg) 5.21 43.8
Cr +6 (mg/kg) ND ND
Figure 2. O 2 emission characteristics of flue gas from various RDFs combustion.
Figure 3. CO 2 emission characteristics of flue gas from various RDFs combustion.
Figure 4. CO emission characteristics of flue gas from various RDFs combustion.
3.2. 연소 배가스 특성
Figure 2 에 각 연소온도에서 RDF 시료의 종류별 연소 배가스 중의 산소 농도변화를 나타내었다. Figure 2로부터 비성형 RDF의 경우 성 형이나 원주 성형 RDF에 비하여 산소농도의 변화가 보다 급격히 일 어남을 확인할 수 있으며 배가스 중의 산소농도의 최저값 또한 다른 두 경우에 비하여 낮음을 볼 수 있다. 반면에 성형 및 원주 성형 RDF 의 경우 비록 산소농도의 절대값에 있어서는 약간의 차이가 존재하였 으나 농도변화는 유사하게 나타남을 확인할 수 있다. 따라서 성형을 한 경우와 하지 않은 경우에 따라 연소속도가 뚜렷이 차이가 나며 비성형 RDF가 성형 RDF에 비하여 연소속도가 빠름을 확인할 수 있었다.
Figures 3 과 4에는 Figure 2와 같은 연소조건에서의 RDF 시료 종류
별 연소 배가스 중의 CO 2 와 CO의 농도변화를 나타내었다. Figure 3로 부터 CO 2 의 경우 연소반응 특성상 산소농도의 감소변화 만큼 증가하 는 관계로 Figure 2의 산소농도가 감소하는 만큼 같은 경향으로 증가 하고 있음을 확인할 수 있으며 따라서 비성형 RDF 내의 가연성 성분 이 보다 빠르게 연소반응에 의하여 CO 2 를 형성하고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 반응온도가 증가함에 따라 연소속도의 증가로 인하여 초기 CO 2 발생량 또한 증가함을 알 수 있었다. 또한 Figure 4로부터 비성형 RDF의 경우 성형 및 비성형 RDF에 비하여 연소과정에서 보 다 많은 양의 CO가 발생됨을 확인할 수 있었으며 이는 같은 연소조건 에서 비성형 RDF가 성형 RDF에 비하여 연소속도가 빨라 급격히 산 소량이 감소되어 불완전연소율이 증가하기 때문으로 판단된다.
연소 배가스 중의 NO x 의 농도변화를 Figure 5에 나타내었다. Figure 5 의 배가스 중 연소시간에 따른 NO x 의 농도변화를 보면 성형 RDF의 경우 본 연구에서 제조된 경우와 원주 성형 RDF가 유사한 경향을 나 타내는 반면에 비성형 RDF의 경우 성형 RDF에 비하여 발생량이 적 음을 알 수 있다. 연소과정에서 발생되는 NO x 의 경우 연료의 성분 중 에 함유되어 있는 질소성분에 의한 fuel NO x 와 연소온도의 변화에 영 향을 받는 thermal NO x 로 구분된다. 따라서 본 연구에 사용된 성형 RDF 의 경우 비성형 RDF로부터 제조한 것을 고려할 경우 시료의 종 류에 따른 배가스 중의 NO x 성분변화의 차이는 fuel NO x 보다는 ther- mal NO x 의 형성과정에 의한 영향일 것으로 판단된다. 이러한 thermal NO x 의 경우 연소온도와 함께 국부적으로 고온을 형성하는 화염온도 에 의하여 영향을 받으며 본 연구의 경우 설정된 각 연소온도(800∼
900 ℃)가 thermal NO x 의 생성에 영향을 주는 반응온도보다 낮음을
Figure 5. NO x emission characteristics of flue gas from various RDFs combustion.
Figure 6. SO 2 emission characteristics of flue gas from various RDFs combustion.
Figure 7. O 2 emission characteristics of flue gas according to combustion temperatures.
Figure 8. CO 2 emission characteristics of flue gas according to combustion temperatures.
고려할 경우 이러한 배가스 중의 NO x 성분변화의 차이는 화염온도의 차이에 의하여 발생한 것으로 판단된다. 비성형 RDF와 성형 RDF의 구동 화격자식 연소로에서의 연소실험에 대한 연구사례로부터 비성 형 RDF에 비하여 성형 RDF가 보다 연소온도가 높다는 연구결과가 보고된 바 있다[16]. 따라서 본 연구의 경우에 있어서도 비성형 RDF 의 경우에 비하여 에너지 밀도가 높은 성형 RDF의 화염온도가 보다 높을 것으로 판단되나, 보다 면밀한 검토를 위해서는 연료/공기비의 변화와 같은 연소조건의 변화에 대한 추가의 연구가 필요할 것으로 판단된다.
Figure 6은 시료의 종류별 연소 배가스 중의 SO 2 농도변화를 나타 내고 있다. 850 ℃에서 비성형 RDF의 경우 일부 SO 2 가 검출되기는 하였으나 900 ℃의 연소조건에서는 원주 성형 RDF를 제외한 나머지 RDF 시료에서 SO 2 는 거의 검출되지 않았다. 연소 배가스에 있어서 SO 2 의 경우 대부분 시료에 함유되어 있는 황성분에 의한 영향이 가장 크며 이는 Table 1의 RDF 시료의 특성분석에 나타낸 바와 같이 본
연구를 위하여 제조된 RDF 시료에 비하여 황성분의 함유량이 높은 원주 성형 RDF가 Figure 6에서와 같이 연소 배가스의 SO 2 농도가 높 게 나타나고 있는 것으로부터 또한 확인할 수 있었다. 따라서 성형 및 비성형 RDF의 연료 형태에 따른 SO 2 발생특성은 크게 영향이 없을 것으로 판단된다.
각 시료에 대한 연소온도별 배가스 특성을 비교분석하기 위하여 Figures 7 ∼11에 연소온도별 배가스 성분변화를 각각 나타내었다.
Figure 7 로부터 모든 시료의 경우 연소온도의 증가에 따른 연소속도 의 증가로 인하여 산소의 소모속도가 증가하여 배가스 중 산소농도가 감소함을 볼 수 있다. 다만 원주 성형 RDF의 경우 800 ℃의 연소온도 에서 초기에 급격한 산소농도의 감소현상이 나타나나 이는 주입과정 에서 시료가 파쇄되어 일부 초기에 급격한 연소가 일어났기 때문으로 판단된다.
Figure 8 은 연소온도별 연소 배가스 중의 CO 2 농도변화를 나타내고
있다. Figure 8로부터 모든 시료의 경우 연소온도가 증가함에 따른 가
Figure 9. CO emission characteristics of flue gas according to combustion temperatures.
Figure 10. NO x emission characteristics of flue gas according to combustion temperatures.
Figure 11. SO 2 emission characteristics of flue gas according to combustion temperatures.
Table 3. Dust and Residue from RDF Combustion
Fluff RDF Pellet RDF Wonju pelletized RDF
Particulate matter
800 ℃ 0.06 g 0.01 g 0.02 g
850 ℃ 0.02 g 0.01 g 0.01 g
900 ℃ 0.02 g 0.00 g 0.01 g
Combustion Residue
800 ℃ 0.35 g 0.32 g 1.60 g
850 ℃ 0.31 g 0.30 g 1.30 g
900 ℃ 0.16 g 0.17 g 1.21 g
연성 성분의 연소속도 증가로 인하여 CO 2 의 농도가 증가함을 볼 수 있다. 다만 앞에서 언급한 바와 같이 원주 성형 RDF의 경우 800 ℃의 연소온도에서 초기에 급격한 가연성 성분의 연소로 인하여 CO 2 농도 가 급격히 증가하였다.
Figure 9에는 연소온도별 배가스 중의 CO 농도변화를 나타내었다.
Figure 9 로부터 비성형 및 성형 RDF의 경우 연소온도의 증가에 따라 가연성 성분의 불완전연소율이 증가하여 CO의 농도가 증가함을 볼 수 있다. 이는 연소온도의 상승에 따른 연소속도의 증가로 인하여 산 소 소모량이 급격한 증가하여 불완전연소율이 증가하였기 때문으로 판단된다. 그러나 원주 성형 RDF의 경우 연소온도가 증가함에 따라 CO 의 농도가 오히려 감소함을 알 수 있으며 CO농도의 절대값 또한 비성형 및 성형 RDF에 비하여 낮음을 알 수 있다. 이는 본 연구의 연소 실험에 있어서 시료량(3 g) 및 공기주입량(20 L/min)을 동일조건에서 실험함에 따라 Table 1에 나타낸 바와 같이 원주 성형 RDF의 가연성 성분이 다른 두 시료의 경우에 비하여 낮기 때문에 주입된 공기량이 상대적으로 충분하였기 때문으로 판단되며 따라서 동일한 연소온도 및 공기주입속도에 대하여 원주 성형 RDF가 가장 완전연소에 가장 가깝게 연소된 것으로 판단된다.
Figures 10 ∼11에는 연소온도별 배가스 중의 NO x 와 SO 2 의 농도변 화를 나타내었다. Figures 10으로부터 NO x 의 경우 연소온도보다는 화 염온도에 영향을 주는 시료의 형태에 따른 영향이 큰 것으로 판단되 었으며 Figure 11로부터 SO 2 의 경우 또한 연소온도에 따라 거의 영향 이 없음을 확인하였다.
앞에서 언급한 각 연소실험에서 발생된 분진 및 잔류물의 분석실험
을 수행하였으며 그 결과를 Table 3에 나타내었다. Table 3으로부터 연소 잔류물의 경우 Table 1의 공업분석결과로부터 예측할 수 있듯이 원주성형 RDF의 회분함량이 높음에 따라 비성형 및 성형 RDF에 비 하여 원주 성형 RDF의 경우 보다 많은 연소 잔류물이 존재함을 알 수 있었다. 또한 분진량에 있어서는 비성형 RDF에 비하여 성형 RDF의 경우 보다 적은 분진이 발생되었으며 성형 RDF와 원주 성형 RDF는 거의 유사한 경향을 나타내었다. 따라서 분진 발생량의 경우 시료의 형태에 따라 영향이 있음을 확인하였다.
4. 결 론
