Chap 1. 폐기물 열분해로 설계...

Kookmin-New Energy Lab(K-NEL) ------------ 국민대학교 신에너지 연구실 연구보고서 차세대 핵심 환경기술개발사업 환경친화적 폐기물 자원순환 (2003.6~2004.5) 연세대학교 청정기술연구단

축열식 고온용융 소각로 개발 고온용융소각로 해석 및 설계인자 도출

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

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Chap 1. 폐기물 열분해로 설계 연구

1.1 기초 문헌 조사

폐기물의 열적 특성 실험의 목적은 다양한 연료에 대한 물리 화학적 성상 및 반응 특성자료를 수집

하고, 자료가 없는 일부 연료는 TGA, 원소분석 등의 실험적 방법을 동원하여 폐기물 열분해 및 연

소특성 데이터베이스를 작성하는 것을 목적으로 한다. 현재까지 다양한 폐기물 관련 논문과 보고서

들을 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 형

태 또한 다양하여 예측이 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

표 1 폐기물중 가연분 종류

PE, PET는 음료수병 등 각종 병류, 포장봉지등에 사용되며, PS는 일회용 식기, 카셋트테이프 케

이스, 산업용 포장 및 충진재, 파이프등에 사용되며, PVC는 첨가제에 따라 물성의 조절이 용이하

기에 폐기물의 종류 역시 다양하여, 가방, 장난감, 각종 호스나 덕트, 신발, 벽이나 창틀, 매트, 식

품용기 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 신발 바닥창에 주로 사용되며, ABS는 완구류, 자

동차 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 보면 다음과 같다.

mailto:[email protected].




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(1) 종이류

그림 3 복사지 (10 ℃/min, Air)[1]

그림 4 종이상자 (10 ℃/min, Air)[1]

( 2 ) 나 무 류

그림 5 나왕 (10 ℃/min, Air)[1]

그림 6 쌀 (10 ℃/min, Air)[1]

그림 7 식물성 섬유 (10 ℃/min, Air)[1]

(3 ) 플 라 스 틱 류





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그림 8 LDPE(low density polyetylene)

(10 ℃/min, Air)[1]

그림 9 EVA (10 ℃/min)[2]

그림 10 PE (20 ℃/min, N2)[3]

그림 11 PP (20 ℃/min, N2)[3]





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그림 12 PET (20 ℃/min, N2)[3]

그림 13 PVC (20 ℃/min, N2)[3]

(4 ) 고 무 류

그림 14 폐고무 (20 ℃/min)[2]

그림 15 연필 지우개 (10 ℃/min, Air)[1]

이상의 여러 연구자들의 연구결과를 비교해 보면 다양한 성상에 불구하고 세가지 그룹으로 나눌





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수 있는 것을 알 수 있다. 첫째는 비교적 낮은 온도인 250-350℃ 영역에서 급격한 열분해가 진행

되는 종이, 나무등 셀룰로스 계열이고, 둘째는 종류는 다양하지만 대략 350-500 ℃ 영역에서 급

격한 열분해가 진행되는 플라스틱 계열이며 셋째는 반응영역이 300 ℃에서 800℃까지에 이르는

고무류이다. 한편 고무류의 경우 일반적으로 플라스틱등 다른 이물질과 혼합된 형태로 사용되기 때

문에 정확한 반응 특성을 알려면 좀더 많은 자료수집과 측정 연구가 필요하다. 그림 24의 PVC의

경우 두 개의 피크를 보이고 있는데 고온부 피크는 PVC 고유의 성질을 보이는 것이고 저온부 피

크는 형질 변환을 위해서 PVC와 혼합된 셀룰로스계열의 반응으로 사료된다. 따라서 문제의 단순

화를 위하여 일반적인 산업 폐기물의 종류는 셀룰로스계열과 플라스틱 계열로 구분하거나 차후 고

무류의 정확한 열적 반응 특성이 분석되고 플라스틱 계열과 다른 특성을 보일 경우 고무류를 세 번

째로 추가할 수 있을 것이다.

(5) RDF

아래 그림은 북부 이탈리아 도시폐기물을 원료로 생산된 RDF와 다양한 물질들의 TGA 결과를 비

교한 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 셀

룰로스 계열과 플라스틱 계열의 혼합물이기 때문이다. 위에 국내 폐기물의 결과들과 비교하여 반응

영역이 50 ℃정도 높은 것을 알 수 있다. 이는 TGA 실험조건인 온도 상승률, 가스환경등의 영향

에 의한 것으로 사료된다.

그림 16 TGA 질량감소 측정결과 (10 ℃/min, N2)[4]

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





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그림 17 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. 여

기서 가스는 상온에서 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, aldehydes 등의 저분자량이고 화학적 산소요구량(COD)이 높은 비교적

점도가 낮은 물질들이고 둘째는 일반적으로 tar 라 불리우는 고분자량의 불규칙하고 그리고 그 종

류도 매우 다양하며 상온에서는 왁스와 같이 굳어지는 물질이다. 일반적인 열분해 공정에는 tar를

파괴하여 저분자량의 물질로 전환하는 공정이 필요하다. 고상 잔유물은 일반적으로 char라 불리우

는 탄소덩어리와 더 이상 반응하지 않는 재성분을 포함한다. char는 가스와 액상 물질이 빠져나가

면서 다공성 물질이 되기 때문에 활성탄으로 가공하여 이용하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있

다.

열분해 생성물의 발생비율은 원료의 성상, 열분해 조건의 영향을 받기 때문에 이들 조건들을 제대

로 파악해야 할 필요가 있다. Lin[5] 등의 연구에 의하면 도시폐기물을 원료로 한 RDF의 500℃

에서 열분해시 대략 28%의 oils, 30%의 가스, 42%의 고체 잔류물질이 남는 것으로 보고하였다.

Williams[6] 등은 720 ℃에서 촤 29.4%, 타르 53.2%, 가스 17.6%가 발생하였다고 보고하였

다. 한편, Cozzani[4]등은 좀더 다양한 실험을 통해 RDF 열분해 특성을 규명하였다. 고정상에서

열분해 온도를 500-900℃로 변화시켜가며 실험한 결과, 온도가 올라갈수록 가스발생량이 증가하

며 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 보여주

었다. 900℃의 경우를 500℃의 경우와 비교해 보면 가스발생량은 대략 100 % 가량 증가하고 타

르는 30%가량 감소, 촤는 20%가량 감소하는 것을 알 수 있다. 한편, 수분 발생량은 열분해되어

상당히 줄어드는 것을 알 수 있다. 또한, 위의 Lin 및 Williams 등의 연구결과와도 생성물 발생율

에서 큰 차이가 있는 것을 알 수 있는데 이는 RDF 성상의 차이에서 기인한 것으로 판단된다. 따라

서, RDF 열분해공정에 있어서 RDF의 성상과 열분해 조건을 어떻게 제어하는가가 목적하는 공정

의 성능을 달성하는데 필요한 핵심 기술이 될 것이다.





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그림 18 RDF 고정층 열분해 생성물 분포[4]





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1.2 열분해로 설계방안

열분해에 대한 연구는 1970년대부터 충분한 연구가 진행되어 왔으며, 각종 폐기물에 대한 열분해

특성들도 보고되었다. 열분해는 무산소분위기에서 가열을 통한 순수 열분해, 산소를 당량비 이하로

주입하여 부분 연소에 의한 반응열을 이용한 열분해/가스화, 그리고 가열과 산소주입을 동시에 수

행하는 복합적인 열분해/가스화로 구분할 수 있다. 열분해는 폐기물을 열분해 온도까지 가열하는데

에너지를 투입해야 하는 공정으로서 수분 함량과 폐기물 조성에 따른 비열이 중요한 인자이며, 열

분해로 성능에 따라 용융로 및 연소로에 영향을 미치기 때문에 주의깊은 설계와 운전이 필요한 공

정이다. 열분해 방식으로는 이동층 열분해, 회전킬른 열분해, 유동층 열분해로 구분할 수 있는데,

이동층 방식은 Thermoselect 방식이 대표적인 예로서 설비가 간단한 반면 열전달 효율이 떨어지

는 점이 있으며, 회전킬른 열분해의 경우, R-21방식으로 혼합 및 열전달이 뛰어나지만, 원통의 회

전에 의해 설비가 복잡해지고 적절한 외부공기 차단장치를 설치하지 않으면 외부공기의 유입에 의

한 반응을 일으킬 수 있다. 유동층 방식은 Evara 방식이 대표적인 예이며, 고온의 유동사와 직접

적인 열교환으로 높은 열분해 성능을 갖는 시설이지만, 폐기물과 유동사가 혼합됨에 의해 비산재양

이 많아지며 유동사와 바닥재를 분리하는 시설이 필요한 점이 있다. 이상의 열분해 반응기작 및 방

식의 선택은 폐기물의 성상을 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.

표 2 다양한 폐기물의 열분해 특성

최종 열분해 온도는 폐기물 종류에 따라 달라지는데, 폐기물 종류는 위 표와 같이 크게 4가지로 구

분할 수 있다. 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 폐고무는 350~800 ℃ 범위에서 열분해가 진행되는 등 열분해에 필요

한 온도가 높은 편이다. 따라서, 열분해로 온도는 폐기물 종류에 따라 적절하게 선정해야 할 것이

다. 2001년 국내 생활폐기물은 음식물류, 종이, 목재류 등 열분해 온도가 낮은 물질이 60% 이상

이며, 그다음으로 플라스틱류가 15% 정도로 구성되어 있으므로 열분해로 출구 폐기물 온도는 대





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략 600℃ 내외가 적절하며, 이를 위하여 열분해로 가열 온도는 예상 폐기물 출구온도보다 높게 설

계하는 것이 바람직하다. Thermoselect 방식의 경우, 열분해로 가열 가스가 600℃이상의 온도

에서 주입되며 회전식킬른을 이용한 R-21의 경우, 열분해로 가열공기가 520~550 ℃에서 주입

되고, Evara 유동층 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 각

각 다른 물리적 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 에너

지가 가장 높은 것을 알 수 있으며, 그 다음으로 가연분 가열에너지, 회분가열에너지, 휘발분 증발

에너지 순으로 계산된다. 수분 함량이 열분해 에너지에 절대적인 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

소요에너지 항목 소요에너지 계산식20℃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%)

표 3 열분해 에너지 계산식

열분해 방식은 가열매체와 가열대상이 혼합되지 않는 간접식과 혼합되는 직접식이 있다. 간접식의

대표적인 예가 Thermoselect, R-21 방식 등이며 직접식은 유동층 방식, 고로형 등이 있다. 간접

식의 경우 전열면을 통해 가열매체와 가열대상이 열전달을 발생시키며, 주로 열전도현상에 의해 전





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열된다. 직접식 열분해로의 대표적 예인 유동층 열분해로는 가열매체인 유동사가 폐기물과 직접 만

나 다상유동 혼합대류현상을 보이면서 열분해가 발생한다.

그림 19 다양한 열분해로의 특징 비교





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1.3 폐기물 열분해로 전산 해석

본 연구의 이동층 방식 열분해로의 경우 가열대상인 폐기물은 형태를 유지하면서 폐기물층 가장자

리의 가열매체로부터 유입되는 열에너지를 폐기물 내부에서 전도 열전달 현상에 의해 폐기물층 중

심부까지 열분해시키는 방식으로서, 폐기물층내 열전도계수, 폐기물 밀도 등이 성능을 지배하게 된

다. 이에 따라 폐기물층 두께가 커지면, 내부까지 전열되는데 걸리는 시간이 그에 비례해서 길어진

다. 다음 그림들은 이동층 열분해로내 열 및 반응 기작 개요와 열분해로 폐기물 층내 온도 및 반응

거동을 Shin & Choi 의 폐기물 층 반응 모델을 이용하여 해석한 결과이다[7].

열분해로 해석을 위해 설정한 열분해로 조건은 표 4과 같다. 열분해로는 원통형이며, 길이는 3m,

열분해로내 이동 속도는 1 m/hr 로 고정하였으며, 열분해의 중요 인자인 원통직경은 0.1과 0.2

m, 폐기물 밀도는 500 kg/m3, 1000 kg/m3, 1500 kg/m3 의 총 6가지를 대상으로 해석을 수행

하였다.

그림 20 폐기물 이동층 열분해 개념

항목 세부항목 단위 값

열분해로

직경 m 0.1, 0.2

길이 m 3

이동속도 m/hr 1

폐기물

밀도 kg/m3 500, 1000, 1500

삼성분

수분 % 20

회분 % 10

목재류 % 60

플라스틱류 % 10

발열량 kcal/kg 3033

가열공기

입구온도 ℃ 600

출구온도 ℃ 600

열전달 계수 w/m2 K 30

표 4 폐기물층 열분해 해석 조건





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(1) 직경 0.1m, 밀도 500 kg/m3, 투입량 4 kg/hr

다음 그림들은 열분해로 직경 0.1m, 밀도를 500 kg/m3의 조건을 대상으로 열분해 해석을 수행한

결과이다. 직경이 작고 밀도가 낮은 관계로 빠른 속도로 열분해되는 것을 보여준다. 대략 30분이

경과하면 모든 영역에서 열분해가 종료되고 빠른 속도로 공기온도인 600℃까지 올라가는 것을 확

인할 수 있다. 그림 19의 폐기물 층내 온도분포는 표면에서 시작한 열분해는 거의 선형적으로 폐

기물 층내로 침투하여 30분이 지나면 중심부까지 온도가 600℃로 균일해지는 것을 확인할 수 있

다. 그림20에서 그림 23까지의 수분과 가연분중 바이오매스류와 플라스틱류, 열분해촤의 분포역시

온도와 유사한 그림을 보여주는데, 밀도가 낮으며 열분해로 직경이 작은 관계로 열분해가 빠른 속

도로 진행된다.

그림 21 폐기물 층내 온도분포 (직경 0.1m, 밀도 500 kg/m3, 투입량 4 kg/hr)

그림 22 수분분포(직경 0.1m, 밀도 500 kg/m3, 투입량 4 kg/hr)





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그림 23 가연분중 목재류 분포(직경 0.1m, 밀도 500 kg/m3, 투입량 4 kg/hr)

그림 24 플라스틱류 분포(직경 0.1m, 밀도 500 kg/m3, 투입량 4 kg/hr)

그림 25 열분해촤 분포(직경 0.1m, 밀도 500 kg/m3, 투입량 4 kg/hr)





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그림 24과 25는 체류시간별 열분해로 평균온도와 폐기물 구성물질의 변화를 보여준다. 체류시간

40분까지 거의 선형적으로 온도가 증가하다가 30분 이후는 600℃로 균일한 것을 확인할 수 있다.

이에 따라 그림 25의 폐기물 구성성분 그림도 30분을 기준으로 수분증발과 열분해, 촤생성이 진행

되는 것을 확인할 수 있다.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Residence Time (min)

Ave

rage

Tem

pera

ture

(C)

그림 26 체류시간에 따른 폐기물층 평균온도(직경 0.1m, 밀도 500 kg/m3, 투입량 4

kg/hr)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Residenc Time (min)

Mas

s Fr

actio

n

수분

나무

플라스틱

촤

그림 27 체류시간에 따른 폐기물층 물질 분포 변화(직경 0.1m, 밀도 500 kg/m3,

투입량 4 kg/hr)





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(2) 직경 0.1 m, 폐기물 밀도 1000 kg/m3, 투입량 8 kg/hr

폐기물 밀도를 1000 kg/m3으로 압축하여 열분해 시키는 경우는 이송속도는 1 m/hr로 일정하기

때문에 시간당 투입량은 폐기물 밀도에 비례하여 증가한다. 투입량이 많아지므로 열분해가 늦어질

것으로 단순예측할 수 있지만, 밀도가 높아지면 열전도에 방해가 되는 공극이 줄어들기에 열전도율

이 밀도에 비례하여 증가하므로 체류시간에 따른 열분해는 폐기물 밀도에 영향을 받는다.

다음 그림 26에서 그림 30까지는 체류시간에 따른 폐기물층내 온도분포와 폐기물 구성성분의 분

포를 보여준다. 열분해 종료시점이 대략 40 분정도로 밀도 500 kg/m3의 경우에 비해 10분정도

늦어지는 경향을 보인다. 폐기물 밀도가 증가하면 체적당 열분해에 필요한 에너지가 증가하지만,

열전도계수도 역시 증가하여, 에너지 전달율이 충분하면 열분해에 소요되는 시간은 폐기물 층밀도

와 층내 공극율을 고려한 해석이 되어야 한다.

그림 28 체류시간에 따른 폐기물층내 온도분포(직경 0.1m, 밀도 1000 kg/m3, 투입량 8 kg/hr)

그림 29 수분 분포(직경 0.1m, 밀도 1000 kg/m3, 투입량 8 kg/hr)





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그림 31 가연분중 플라스틱류 분포(직경 0.1m, 밀도 1000 kg/m3, 투입량 8 kg/hr)

그림 32 열분해 촤 분포(직경 0.1m, 밀도 1000 kg/m3, 투입량 8 kg/hr)





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다음 그림은 체류시간에 따른 폐기물층 평균온도를 보여준다. 40분이 경과하면 열분해가 완료되는

것으로 나타났다.

0

100

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0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200


Ave

rage

Tem

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(C)


kg/hr)

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Residenc Time (min)

Mas

s Fr

actio

n

수분

나무

플라스틱

촤


투입량 8 kg/hr)





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(3) 직경 0.1 m, 폐기물 밀도 1500 kg/m3, 투입량 12 kg/hr

다음 그림들은 폐기물 밀도를 1500 kg/m3까지 압축한 경우의 해석결과들이다. 열분해 완료시간

은 대략 50분정도 소요되는 것으로 계산되어 폐기물 밀도 1000 kg/m3의 경우보다 10분정도 더

걸리는 것으로 예상된다.







-19-


그

그림 38 플라스틱류 분포(직경 0.1m, 밀도 1500 kg/m3, 투입량 12 kg/hr)

그림 39 열분해촤 분포(직경 0.1m, 밀도 1500 kg/m3, 투입량 12 kg/hr)





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0

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0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200


Ave

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Tem

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kg/hr)

0

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1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Residenc Time (min)

Mas

s Fr

actio

n

수분

나무

플라스틱

촤


투입량 12 kg/hr)





-21-


다음 그림들은 직경을 0.2 m인 열분해로를 대상으로 밀도 500 kg/m3, 투입량 16 kg/hr의 조

건을 해석한 결과들이다. 직경이 0.1 m,인 경우에 비해 열분해가 매우 지연되는 것을 알 수 있

다. 이는 직경이 커지면, 폐기물 유량은 직경의 제곱에 비례하여 증가하고, 또한, 폐기물층 자체

가 단열재 기능을 갖기에 열분해가 늦어지는 결과를 가져온다. 열분해 완료까지 대략 5배정도 오

래걸리는 것으로 예측된다.







-22-








-23-

다음 그림은 체류시간별 폐기물층 평균온도 계산 결과이다. 반경방향으로 온도구배가 있지만 대략

80분정도에 온도는 300 ℃에 이르며 수분은 75%가 감소하고 열분해는 대략 50%정도 진행되는

것으로 예측된다.

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200


Ave

rage

Tem

pera

ture

(C)


kg/hr)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Residenc Time (min)

Mas

s Fr

actio

n

수분

나무

플라스틱

촤


투입량 8 kg/hr)





-24-

(5) 직경 0.2 m, 밀도 1000 kg/m3, 투입량 31.5 kg/hr

다음은 직경 0.2m의 열분해로에 폐기물 밀도를 1000 kg/m3로 높인 경우이다. 밀도 증가에 의

한 투입량 증가로 인하여 열분해에 소요되는 시간이 증가하였는데, 체류시간 180분이후에도 열

분해로 중심에는 수분이 증발하지 않고 존재하며 열분해가 완료되지 않는 것으로 예상된다.

그림 49 폐기물 층내 온도분포 (직경 0.2m, 밀도 1500 kg/m3, 투입량 31.5 kg/hr)

그림 50 수분 분포(직경 0.2m, 밀도 1000 kg/m3, 투입량 31.5 kg/hr)





-25-

그림 51 가연분중 목재류 분포(직경 0.2m, 밀도 1000 kg/m3, 투입량 31.5 kg/hr)

그림 52 가연분중 플라스틱류 분포(직경 0.2m, 밀도 1000 kg/m3, 투입량 31.5 kg/hr)

그림 53 열분해 촤 분포(직경 0.2m, 밀도 1000 kg/m3, 투입량 31.5 kg/hr)





-26-

다음 그림은 체류시간에 따른 평균온도 계산결과이다. 체류시간 90분정도에 폐기물층 온도는 평

균 250℃정도이며 수분은 대략 70%정도 증발하였으며 열분해촤는 50%정도로 열분해정도가

45%정도 진행될 것으로 예상된다.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200


Ave

rage

Tem

pera

ture

(C)

그림 54 체류시간에 따른 폐기물층 평균온도(직경 0.2m, 밀도 1000 kg/m3, 투입량

31.5 kg/hr)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Residenc Time (min)

Mas

s Fr

actio

n

수분

나무

플라스틱

촤


투입량 31.5 kg/hr)





-27-


다음은 밀도를 1500 kg/m3으로 상승시킨 경우의 계산결과들이다. 열분해에 소요되는 시간은

더욱 길어지는 것으로 예상되며 180분을 지나도 상당량의 폐기물이 반응하지 않고 남아있는 것

으로 예상된다.







-28-








-29-

0

50

100

150

200

250

300

350

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200


Ave

rage

Tem

pera

ture

(C)


kg/hr)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Residenc Time (min)

Mas

s Fr

actio

n

수분

나무

플라스틱

촤


투입량 46 kg/hr)





-30-

참고문헌

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

[2] 폐합성고분자 폐기물의 소각폐열회수를 위한 하향식 건류소각기술 실용화 개발, 고려소각로

공업주식회사, 상공자원부 과제보고서, 1994

[3] 폐기물의 열분해에 의한 생성가스 및 TAR의 연소기술 개발, 한국에너지기술연구소, 과학기술

처 과제보고서, 1993

[4] Cozzani, V., Nicolella, C., Rovatti, M., Tognotti, L., "Modeling and Experimental

Verification of Physical 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 of Refuse-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 of Energy, Vol. 65, No. 465, pp. 192-200, (1992 Dec)

[7] D.Shin, S.Choi, "The Combustion of Simulated Waste Particles in a Fixed Bed,"

Combust. Flame, Vol. 121, pp. 167-180, 2000





-31-

Chap 2. 용융로 설계, 전산해석 및 실험

2.1 상용 열분해 용융로

열분해 용융 소각로는 1970년대 오일쇼크로 인하여 석탄 등 대체에너지 개발에 의해 발달한 저급

연료의 고급연료화를 위한 열분해 기술과, 제철산업에서 사용하는 용융기술을 소각로 다이옥신 및

중금속 문제등을 해결하기 위해 결합하여 폐기물의 완전 무해화 처리를 목표로 하는 폐기물 처리

기술이다. 최근 국내에서는 다이옥신 및 중금속 문제에 의한 소각로 민원이 거세짐에 따라, 열분해

용융 소각로가 기존 폐기물 소각로의 대체기술로 부각되고 있다. 또한, NOx와 SOx를 비교적 쉽

게 제거할 수 있는 장점이 있는 등 환경보호측면에서 폐기물 소각 및 에너지 회수를 위한 많은 연

구가 진행되어 왔으며, 여러 가지 기술들이 상용화를 위해 검증단계를 거치고 있는데, 다양한 열분

해용융 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 -

표 5 국내 도입 예정인 상용 열분해 용융로 기술

초기 폐기물 처리에 활용되기 시작한 플라즈마와 전기아크 용융 방식은 제작비가 비싸며, 에너지

소모율이 높고, 또한, 공기와 고온의 열분해가스가 만나면서 NOx, SOx 생성이 많다는 단점이 있

기에 최근에는 가연성 폐기물 처리에 사용되지 않고, 해외에서는 불연성 또는 위해 폐기물 처리에

사용된 사례가 있다. 근래에 들어 에너지 측면을 고려한 열분해 용융로가 소개되고 있는데, 그중에

는 R-21과 Evara 공정과 같이 보조열원 없이 폐기물 자체 발열에너지로 열분해 및 비산재 용융

을 실현하는 공정들이 적용되고 있다. 그 외에, 제철소에서 사용하는 코크스를 보조열원으로 투입

하는 고로형 용융로, 산소주입 및 LNG를 보조열원으로 하는 Thermoselect 공정, 유동층 열분해

후 2차연소로에서 비산재를 용융시키는 기포 유동층 가스화 용융로 등이 상용화에 성공하거나 근

접한 공정으로 알려져 있다.





-32-

그림 65 에바라 유동층 열분해 용융로 개요

그림 66 신일본제철 열분해 용융로





-33-

그림 67 Thermoselect 열분해 용융로

그림 68 R-21 열분해 용융로





-34-

2.2 용융로 설계방안

열분해로를 통과한 폐기물은 휘발분은 거의 증발하고, 고정탄소(촤)와 재성분은 용융로로 유입되

어 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 이용한 방법으로는 코크스층용융로, LNG버너용융로, 전기아크

용융로, 플라즈마 용융로, 브라운가스 용융로 등이 해당한다. 순산소 또는 과잉산소공기를 이용한

방법은 Thermoselect가 대표적인 경우로 연소가스의 질소양을 줄임으로써 연소가스 온도를 올리

고 산화반응율을 높여 고온의 분위기에서 폐기물을 소각용융시키는 방식이다. 폐기물 자체 연소열

을 이용한 방식으로는 R-21 방식과 Evara 방식이 유사한 방법을 채택하고 있는데, 별도의 산화

제 또는 에너지원을 필요로 하지 않고, 열분해 생성물인 열분해가스와 촤를 연료로 사용하는 방법

으로 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 높

은 비율을 차지하지만, 인공적으로 주입되는 CaO를 제외하면 SiO2가 가장 많고, 그 다음으로

Al2O3가 그다음으로 많은 비율을 차지한다. 용융로 설계에 있어서 고려해야 하는 슬래그의 물성치

는 융점과 용융잠열, 비열, 그리고 용융후 점성계수 등이다. 융점은 재의 성상에 따라 크게 달라지

는데, 다음 표에 나타난 바와 같이 각 개별 분자의 융점은 매우 높은 반면, 여러 종류의 분자가 결

합된 형태는 융점이 낮아지는 경향을 보인다. 융점과 점성계수는 염기도에 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 높아

져야 한다. 염기도가 1에 가까울수록 용융온도와 점성계수가 낮아져 용융로 운전에 바람직하며, 염

기도가 1보다 커지면 점성은 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 값

을 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 운

영하고자 하는 것임을 알 수 있으며, 운전시 염기도 조정이 중요할 것으로 사료된다.

Thermoselect의 경우는 균질화로에서 1600℃를 보이는데 이 온도에서는 염기도 조정이 불필요





-35-

할 것으로 판단된다.

그림 69 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

표 6 슬래그의 물리적 성질

용융로의 온도를 유지하는 방법으로는 외부연료를 주입하는 방법과, 산소주입에 의한 연소열을 이

용하는 방법, 고온 공기를 주입하는 방법, 그리고 공기비를 낮게 유지하는 방법 등이 고려될 수 있

다. 경제적인 관점에서, 외부연료나 산소주입은 경비를 상승시킬 것이 예상되며, 고온공기를 주입

하는 방법은 열교환기를 통한 공기온도 상승에 한계가 있다. 공기비를 당량비 1에 가깝게 운전하면

화염온도가 높아져서 용융온도를 유지하는데 용이하며 R-21과 Evara 방식이 이 방법을 이용한

다. 용융로 온도 유지방법은 폐기물 조건에 따라 위 네가지 방법을 적절하게 조합하는 것이 바람직

하다.





-36-

2.3 용융로 용탕거동 모사 실험

(1) 실험 목적

과잉 산소를 이용한 열분해 용융 소각로 제작에 있어서 가장 중요한 요소 중 하나가 용융로 내부의

현상을 파악하여 최적의 효율을 가지는 용융로를 제작하는 것이다. 과잉 산소를 이용한 열분해 용

융 소각로는 기존의 폐기물 소각로와는 달리 고온에서 폐기물을 용융하는 용융로를 가지고 있어서

과잉 산소 공급으로 인하여 발생되는 용융로 내부의 현상들을 파악하는 것이 아주 중요하다.

이러한 용융로 내부에서 발생하는 현상들은 용융로 내부에 공급되는 산소의 유속 및 방향에 따라

서 각기 다르기 때문에 이에 대한 특성을 파악해야 한다. 특히 용융로 내부로 공급되는 산소의 유

속에 따른 버블의 침투 깊이를 파악하는 것이 아주 중요하다. 뿐만 아니라 용융로에서 발생한 고온

의 용융 물질이 소각로 벽면에서 공기와 접촉하여 냉각되면서 소각로 벽면에 슬래그를 발생하게

된다. 이렇게 발생한 슬래그는 소각로 벽면에 단열효과를 주어 고온의 용융 물질로부터 소각로 벽

면을 보호하는 역할을 한다. 이렇게 발생되는 슬래그의 형상은 용융로 내부로 공급되는 산소의 유

속에 및 방향에 따라서 차이가 있으며 소각로를 냉각하기 위하여 공급되는 공기의 유량에 따라서

많은 영향을 받는다. 이러한 많은 실험 변수들을 하나씩 적용하여 실험을 한다는 것이 쉽지 않으며

특히 고온의 용융로 내부의 현상을 파악하는 것이 쉽지 않다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 소형의 용융로를 제작하여 용융로 내부로 공급되는 산소의 유

속 및 방향에 따른 버블의 침투 깊이 및 슬래그의 형상을 파악하여 실제의 용융로에 적용하고자 하

는 것이 이 실험의 목적이라 할 수 있다.

(2) 실험 방법

[실험장치 구성]

그림 6은 소형용융로 실험장치 계략도이다. 실험에 사용되는 용융물로는 파라핀을 사용하고자 한

다. 실험장치에 사용되는 용융로의 열원으로는 내부에 히터를 설치하여 파라핀을 용융 할 수 있도

록 하였다. 또한 용융로 내부로 과잉산소를 공급하기 위하여 4개의 유로를 설치하고 용융로에 90°

방향으로 4개의 공기 주입구를 뚫어 4개의 노즐을 설치하였다. 이러한 4개의 노즐에 들어가는 공

기의 출입을 제어하기 위하여 각각 4개의 밸브를 설치하였다. 공기의 유량을 측정하기 위하여 공기

입구에 각각 30ℓ/min~330ℓ/min 범위를 가지는 2개의 유량계를 설치하였으며 공기 입구 온도 측

정을 위해 유량계 입구에 Thermocouple을 설치하였다. 용융로의 냉각방식은 수냉식으로 냉각을

위하여 물을 공급하게 된다. 물이 유입되는 입구에는 2ℓ/min ~ 26ℓ/min 범위를 가지는 유량계를

설치하여 공급되는 물의 유량을 측정하며 공급되는 물의 온도를 측정하기 위하여 입구에

Thermocouple을 설치하였으며 출구 또한 Thermocouple을 설치하여 출구 온도를 측정하고자

한다. 그림 7는 실험장치사진이며 공기 유로는 동관을 사용하였으며 용융로 냉각에 사용되는 물은

SUS 관을 통하여 공급된다. 실험은 아래와 같은 순서에 의하여 수행하고자 한다.





-37-

[실험 순서]

1) Heater의 온도를 130℃로 유지하며 파라핀을 소형 용융로에 넣어 녹인다.

2) Heater에 의해 녹은 파라핀이 소형 용융로 바닥에서 300㎜ 높이까지 오게 한다.

3) 파라핀의 온도가 120℃를 유지하여 정상상태가 되도록 한다.

4) 4개의 공기 노즐에 연결된 밸브 중에 하나만 개방하여 노즐에 공기를 공급한다.

5) 노즐에 공급되는 공기의 유량을 35, 50, 100, 150ℓ/min으로 변화 시켜가면서 용융로 내부의

현상을 관찰한다.

6) 노즐에 연결된 밸브를 하나씩 개방하여 공기의 유량을 5)와 같이 변화 시켜가면서 실험을 수행

한다.

7) 노즐과 연결된 밸브 4개를 전부 개방하여 공기의 유량에 따른 용융로 내부의 현상을 관찰한다.

8) 용융로를 냉각하기 위하여 수조 내부에 물을 공급하면서 용융로 벽면의 슬래그 발생을 관찰한

다.

9) 수조내로 공급되는 물을 유량을 4~24ℓ/min 까지 4ℓ/min 씩 증가시켜 가면서 실험을 수행한

다.

10) 수조내부에 공급되는 유량의 변화에 따라 5)~7)을 반복하면서 용융로 벽면에 발생하는 슬래

그의 형상을 관찰한다.





-38-

그림 70 : 실험 장치 계략도

그림 2 용융로 실험 장치





-39-

(3) 실험 결과

[용융로에 공급되는 공기의 유속에 따른 침투 깊이 실험 결과]

공기 유속에 따른 용융로의 침투 깊이 실험은 용융 물질인 파라핀이 아닌 가시화가 잘 되는 물을

이용하여 실험을 수행 하였다. 실험은 공기 유속 5m/s ~ 30m/s 까지 5m/s 간격을 두고 수행하

였다. 실험 결과에 따르면 유속이 증가 할수록 침투 깊이는 깊어지는 것을 알 수 있으며 공기 유속

이 25m/s 일 때 노즐에서 약 5㎝ 까지 침투하는 것을 알 수 있었다. 아래 사진은 유속에 따른 침

투 깊이를 나타낸 것이다.

유속 5m/s일 경우






[용융된 파라핀이 있는 용융로에 공급되는 과잉 산소의 유속에 따른 실험 결과]





-40-

120℃의 파라핀이 들어 있는 용융로에 과잉산소를 3.5m/s, 5m/s, 10m/s 15m/s, 20m/s를 투

입 하여 파라핀의 온도 및 용융로 내부의 공기 온도를 측정하고 유속에 따른 파라핀의 유동 높이를

측정 하였다. 실험 결과에 따르면 유속이 증가 하면 파라핀의 온도는 하강하지만 용융로 내부의 공

기온도는 상승하는 것으로 나타났으며 또한 파라핀의 유동 높이가 상승한다는 것을 알 수 있었다.

표 3은 용융로에 공급되는 과잉 산소의 유속에 따른 파라핀 및 공기의 온도 변화와 파라핀의 유동

높이 변화를 나타낸 것이다. Tp는 파라핀의 온도이고 Tair는 용융로 내부의 공기 온도를 나타내며

는 유동 높이를 각각 나타낸다. 그림 14와 그림 15는 표 3를 이용하여 그린 것이다.

V,공기 유속 (m/s) Tp,파라핀 온도(K) Tair,공기온도 (K) H,라핀유동높이 (H)

3.5 339 343 340

5 339 353 360

10 380 357 410

15 378 363 430

20 377 365 450

표 7 과잉공기 유속에 따른 파라핀 온도 및 공기온도 및 유동 변화

340

350

360

370

380

390

400

0 10 20 30

V 공기유속(m/s)

온도

(K)

Tp (K)

Tair ( K)

그림 78 공기유속에 따른 파라핀 및 용융로 내부온도변화





-41-

0

100

200

300

400

500

0 5 10 15 20 25

V 공기유속(m/s)

H 상

승 높

이(m

m)

그림 79 공기유속에 따른 파라핀 버블의 상승 높이 변화

유속 3.5m/s일 경우




위에 사진은 유속에 따른 파라핀의 유동을 가시화 해 놓은 것이다. 보이는 것과 같이 유속이 증가

할수록 유동의 변화가 심하고 버블이 잘 형상되는 것을 알 수 있다. 특히 유속이 30m/s일 경우 용

융로 내부에 있는 파라핀이 넘쳐서 외부로 흘러나오는 것을 볼 수 있다.





-42-

[수조내부에 물을 공급하여 용융로를 냉각하였을 경우의 실험 결과]

수조내부에 물을 공급하였을 경우에 버블이 발생하지 않는 노즐 아래에서 슬래그가 처음 발생 하

였으며 노즐에서 나오는 과잉 산소에 의하여 발생한 버블이 용융로 벽면과 접촉하여 용융로 위쪽

벽 부근에 슬래그가 발생하였다. 하지만 노즐에서 나오는 과잉 산소로 인하여 버블이 활발하게 일

어나는 노즐 주변에서는 슬래그가 발생하지 않는 것을 알 수 있었다. 이것은 용융로를 냉각시켜주

는 물의 유입과 출입이 활발하지 않아 수조내부로 흐르는 물과 용융로 벽 사이에 열전달이 잘 되지

않기 때문에 발생하는 것으로 판단된다. 아래 그림은 수조에 물을 공급하여 용융로를 냉각 시켰을

경우에 발생하는 현상을 가시화 한 것이다. 왼쪽 사진은 처음 물이 공급 되면서 노즐 아래 부분이

냉각되면서 슬래그가 형성되는 것을 나타내고 있으며 오른쪽 사진은 노즐에서 나오는 과잉 산소에

의하여 발생하는 버블에 의하여 벽면에 부착된 슬래그를 나타낸 것이다.

버블에 의한 용융로의 슬래그 형성

노즐 아래 부분 슬래그 형성





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2.4 용융로 전산해석

용융로는 본 과제의 핵심부분이며 열분해로, 연소로 등은 기존의 방식을 성능개선으로 개발할 수

있지만, 용융로는 복잡한 유동화 특성으로 아직까지 설계에 응용할 수 있을 정도의 원리가 밝혀져

있지 않다. 따라서, 용융로의 유동화 거동의 이해와 설계이론 도출은 본 과제의 핵심 부분중 하나

이다.

본 연구에서는 상용 전산유체역학 프로그램인 FLUENT 6.12 버전을 이용하여 용탕의 유동특성

을 해석하였다. 사용한 해석 모델은 Volume of Fluid 모델을 이용하여 30 kg/hr 급 실험로와

200 kg/hr급 파일롯 플랜트의 용융된 슬래그와 유동화 가스의 상호관계를 해석하였다.





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(1) 30 kg/hr 급 실험로 용융로 해석결과





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(2) 200 kg/hr 급 용융로 해석 결과





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Chap. 3 연소실 설계 및 전산해석

3.1 연소실 열물질 정산

연소실의 열 및 물질 정산은 어떤 물질과 에너지원이 얼마의 양만큼 들어가고 얼마만큼 나오는지

계산하는 소각로의 기본설계에 필요한 기본적인 수순이다. 대상 폐기물의 특성에 따라 발열량 계

산, 주입 공기량 계산, 연소가스 발생량, 연소가스 비열등의 특성들을 계산하는 연소계산과정과 연

소실내 열전달 현상을 고려한 열 계산을 포함한다.

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 물질

로는 주 연료에 해당하는 폐기물과 연소용 공기, 폐기물 저장고에서 발생하는 오수, 폐기물의 발열

량이 작아서 자체 연소가 불가능할 경우에 투입되는 보조 연료 및 연소용 공기등이 있다. 투입된

물질들은 연소실에서 반응, 혼합, 열 및 물질전달현상을 거쳐서 에너지 방출 및 물질 전환이 발생

하며 그 결과는 고온의 연소가스, 보일러 및 주위로의 대류 및 복사 열전달, 그리고 재의 현열 또는

불완전 연소에 의한 열손실등으로 나타난다. 즉 이 계산은 소각 연소실을 대상으로 한 0-차원 모

델이라 할 수 있다.





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(1) 처리량 30 kg/hr급 실험로 열물질 정산





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(2) 처리량 200 kg/hr 급 파일롯 열물질정산





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3.2 연소로 연소 및 열유동 전산해석

CFD를 이용한 연소 및 열유동 해석은 실제에 근접한 모사가 가능한 유용한 도구이지만, 복잡한

물리화학적 현상들에 대한 고도의 전공지식을 필요로 하며 계산모델링 제작에 많은 노력을 기울여

야 하는 어려운 점이 있다. 최근, CFD 프로그램들이 범용화되고 상용화되면서 전문적인 지식이 부

족한 상태에서도 결과를 낼 수 있는 수준이 되었지만, 현상에 대한 이해, 정확한 모델제작, 해석결

과의 진위여부 판단 및 적절한 활용에는 전공지식을 충분히 이해하고 있는 전문인이 수행해야 할

필요가 있다.

(1) 해석 대상 및 방법

본 연구는 열분해 용융 소각로의 2차 연소로내 연소 및 열유동 특성을 전산유체역학을 이용하여

정밀분석 하는 것을 목적으로 한다. 해석 대상은 2차 연소로이며, 해석 도구는 상용 CFD 코드인

FLUENT 6.1을 이용하였다. 사용한 해석 모델은 다음과 같다.

물리화학적 현상 사용모델

난류 RNG k-e

복사 열전달 DTRM

연소 Methane-air 2 step reactionFinite-Rate/Eddy Dissipation

다음 그림은 전산유체역학 해석을 위한 계산격자로서, 연소로 중앙 아래 부분에 위치한 2차공기 노

즐은 총 2단으로 설계하였으며 각 단은 3개의 노즐로 되어있고 총 6개의 노즐이 위치한다.





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<Thermal stack>

<2차공기 주입부>

<전체격자형상>

2차 공기 주입부의 노즐은 사이즈가 작기 때문에 정확한 해석을 위하여 노즐 근처에 계산점을 밀

집시킨 격자 형태를 보인다. 2차 공기는 연소로내 혼합을 증진시키고 열유동 형태를 제어하는 중요

한 인자이다. 본 연구에서는 2차 공기 노즐의 주입각도에 따른 Swirl Number 변형을 분석대상으

로 하였다.

각도 5° 10° 20° 30°

Swirl Number 5.448 10.87 21.42 31.31





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(2) 해석결과

[각도 5도로 주입한 경우]

열분해 용융 소각로의 기본 설계는 열분해로에서 70%정도 연소하고 나머지 30%는 열분해로에서

배출되는 고체상의 카본블랙과 가스상의 탄화수소가스가 용융로 및 2차 연소로에서 각각 연소되

고, 이반응에 의해 발생된 연소가스는 2차 연소로에서 모여 배가스 처리시설로 이동하는 공정으로

설계된 것이다. 2차공기의 주입조건은, 주입속도 30m/s이고 주입 각도는 각각 5도, 10도, 20도,

30도로 하여 연소로 내부에 선회류가 발생하도록 하였다.

그림 114 각도 5도의 경우 속도 벡터와 Y 방향 속도

위 그림은 연소로 내부의 유동을 보여주고 있는데 형태가 비교적 양호함을 보여준다. 2차공기 주입

에 의해 연소로 내부에 선회류가 형성되고 유동의 균일화가 이루어짐을 알 수 있다.





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그림 115 각도 5도의 경우 온도분포

위 그림의 온도분포를 보면 2차공기의 주입으로 주입부 부근의 온도가 고온을 띄지만 선회류의 영

향으로 바로 균일해지는걸 알 수 있다.

그림 116 각도 5도의 경우 산소농도 분포 및 2차공기노즐 근처의 산소농도 분포





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위 그림의 2차공기 주입 이후 산소농도가 급격하게 변하는 걸 볼 수 있는데 이는 선회류를 유도한

결과로 2차공기 연소가스 혼합효과를 극명하게 보여주는 결과이다.

그림 117 각도 5도의 경우 CO 농도 분포 및 2차공기 노즐근처의 CO 농도

위 그림의 CO가스의 농도 분포를 보면 2차 연소로에서의 2차공기 주입에 의한 혼합이 매우 양호

함을 알 수 있다.





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그림 118 연소로내부의 공기

및 가스 궤적 (주입부각도 5°)

위 그림의 가스궤적과 2차공기의 궤적은 연소가스 와 공기가 어떻게 흘러가는지를 보여준다. 용융

로와 열분해로에서 나온 가스는 연소로에서 2차공기와 만나 2~3바퀴 정도 선회한 후 배출되는 것

을 알 수 있다. 2차공기 궤적은 2차 연소로내 단면을 2차공기제트가 고르게 침투하여 혼합을 극대

화 할 수 있음을 보여준다. 그림의 좌측 테이블을 보면 연소로내 가스의 체류시간이 약 2~3초가

됨을 알 수 있다.





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[각도 10 도의 경우]

그림 20 Velocity Vector(주입각도10°)

위 그림은 2차 공기 주입부 노즐의 각도를 10°로 변화한 것인데 2차 공기 주입으로 인해 연소로

내부에 선회류가 형성되어 유동의 균일화가 이루어지고 비교적 양호한 혼합을 보여주고 있으나 주

입부 바로 윗부분에서 국지적인 Dead Zone 이 형성 되는걸 볼 수 있다.

그림 21 온도 분포 (주입각도 10°)





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그림 22 산소 농도 분포(주입각도10°)

그림 23 CO 농도 분포(주입각도10°)

위 그림들은 각각 2차공기 주입부 각도 10°에서의 온도, 산소농도, CO농도를 보여준다. 2차공기

를 주입하여 선회류를 유도한 결과로 비교적 빠르고 양호한 혼합 상태를 보이고 있다.





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그림 24 연소로내부의 공기 및 가스 궤적 (주입부각도 10°)





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[각도 20 도의 경우]

2차공기 주입부 각도의 변화로 선회류 효과가 좀더 강해졌으며 체류시간이 주입부 각도 5°일때보

다 약간 길어진걸 알 수 있다.

그림 25 속도 벡터 (주입부각도 20°)


내부에 강한 선회류가 형성되어 Dead Zone 영역이 커지고 유동의 균일화가 이루어지지 않아 불

규칙한 혼합이 이루어지고 있음을 짐작할 수 있다.





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위 그림들은 각각 2차공기 주입부 각도 20°에서의 온도, 산소농도, CO농도를 보여준다. 비교적 각

도가 커짐으로서 강한 선회류가 발생하여 Dead Zone 영역이 커지고 유동의 균일화가 이루어지지

않아 불규칙한 혼합이 이루어지고 있음을 짐작할 수 있다. 특히 산소 농도분포를 보면 혼합이 제

대로 이루어 지지 않아 완전연소하지 못함을 알 수 있다.






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위 그림은 2차공기 주입부 각도의 변화로 선회류 효과가 강해졌으며 체류시간이 주입부 각도 5°일

때보다도 짧아진걸 알 수 있다. 이 는 강한 선회류로 인해 Dead Zone영역이 증가하므로 실제 혼

합 및 연소가 가능한 부분의 체적이 줄어 가스의 유속이 증가해 체류시간이 짧아짐을 알 수 있다.

또, 강한 선회류는 가스의 궤적을 5바퀴 이상 선회하게 만든 것을 알 수 있다.





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[2차공기 주입각도 30도의 경우]

그림 30 속도 벡터 (주입부각도 30°)






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내부에 매우 강한 선회류가 형성되어 거의 대부분이 Dead Zone 영역으로 되어있어 유동의 균일

화를 기대하기 어렵다. 또한 강한 선회류는 연소로의 중요한 조건 중 하나인 체류시간을 짧게 하므

로 완전연소가 이루어질 수 없다.







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위 그림들은 각각 2차공기 주입부 각도 30°에서의 온도, 산소농도, CO농도를 보여준다. 주입부 각

도가 커짐으로서 매우 강한 선회류가 발생하여 Dead Zone 영역이 대부분을 차지하고 유동의 균

일화가 이루어지지 않아 불규칙한 혼합이 이루어지고 있음을 짐작할 수 있다. 또한 이와 같은 상태

에선 가스의 혼합이 제대로 이루어 지지 않아 완전연소하지 못함을 알 수 있다.


위 그림은 2차공기 주입부 각도의 변화로 선회류 효과가 매우 강해졌으며 체류시간이 비교 대상중

가장 짧아진걸 알 수 있다. 이 는 강한 선회류로 인해 Dead Zone영역이 증가하므로 실제 혼합 및

연소가 가능한 부분의 체적이 줄어 가스의 유속이 증가해 체류시간이 짧아짐을 알 수 있다. 또, 강

한 선회류는 가스의 궤적을 6바퀴 이상 선회하게 만든 것을 알 수 있다.


Chap 1. 폐기물 열분해로 설계...

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