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ISSN : 2093-2332(Print)
ISSN : 2287-5638(Online)
Journal of Korea Society of Waste Management Vol.35 No.7 pp.600-605
DOI : https://doi.org/10.9786/kswm.2018.35.7.600

A Study on Combustion Characteristics of the Bio-drying SRF in 5 Ton/day Scale Combustion Boiler

Dong-Ju Kim, Young-Sik Yoon, Bup-Mook Jeong, Yeong Su Park†, Yong-Chil Seo*, Byung-Sun Lee**
Plant Engineering Center, Institute for Advanced Engineering
*Department of Environmental Engineering, Yonsei University
**Forcebel Co, Ltd.

First author : Dong-ju Kim, Researcher, Institute for Advanced Engineering

Co-author : Yonug-sik Yoon, Senior researcher, Institute for Advanced Engineering, Bup-mook Jeong, Researcher, Institute for Advanced Engineering, Yong-chil Seo, Prof., Yonsei University, Byung-sun Lee, Director of research, Forcebel Co, Ltd.
Corresponding author : Yeong-su Park, Principal researcher, Institute for Advanced Engineering, yspark@iae.re.kr, 031-330-7878
31/05/2018 29/08/2018 03/09/2018

Abstract


In this study, the combustion characteristics were investigated based on the biodrying solid recovered fuel (SRF) in a 5 Ton/day scale combustion boiler. The composition of the combustion gas containing the biodrying SRF was analyzed, the particulate matter, and its HCl content was determined with the air pollutant process test method. Mass balance, carbon balance, and combustion efficiency were calculated according to the equivalence ratio (ER) method; the energy recovery efficiency of the combustion boiler was also analyzed. The overall combustion efficiency of the biodrying SRF was 97.3 % and the energy recovery efficiency was 80.2%.:



5톤/일 규모의 연소보일러에서 Bio-drying 고형연료의 연소특성 연구

김 동주, 윤 영식, 정 법묵, 박 영수†, 서 용칠*, 이 병선**
고등기술연구원 플랜트엔지니어링본부
*연세대학교 환경공학부
**포스벨(주)

초록


    Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning
    20153010102020

    I. 서 론

    자원순환기본법이 시행되면서 기존 단순소각 및 매 립방식의 전통적인 방법으로 처리되던 생활폐기물의 가연성 에너지 자원을 보다 효율적으로 재활용하기 위 한 고형연료화 처리시설이 연구단계를 넘어 상용급 시 설로 발돋움하고 있다1-3). 그러나, 현존하는 폐기물의 연료화시설은 생물학적 처리공정(BT, Biological treatment) 없이 기계적 처리공정(MT, Mechanical treatment) 위주로 공정이 구성되어 있어 고형연료 생산 시 가연 성물질의 상당부분이 저품위 잔재물로 배출되어 매립 또는 소각되고 있는 실정이다4). 이러한 저품위 잔재물 에 생분해성 유기물질에 의해 발생하는 미생물의 호기 성 분해열을 이용하여 폐기물의 함수율을 감소시키는 Bio-drying 기술을 접목함으로써 폐기물의 연료화시설 에서 발생하는 저품위 잔재물을 고형연료 품질기준 수 준으로 끌어올릴 수 있다5-6). 이로 인해 폐기물 연료화 시설의 고형연료 생산수율을 향상시킬 수 있으며, 잔재 물의 매립 비율을 최소화할 수 있다.

    폐기물 또는 고형연료가 연료로 적용되는 연소보일 러에 대한 연구는 오랜 기간에 걸쳐 상당한 수준으로 진행되었으나7), Bio-drying 고형연료를 적용한 연소보 일러에 대한 연구는 전무한 실정이다. Bio-drying 고형 연료를 기존 고형연료 품질기준을 충족하는 고형연료 와의 혼소 또는 전소로 활용하기 위해서는 연소보일러 에서의 연소특성에 관한 연구가 필요하다.

    본 연구에서는 Bio-drying 기술을 적용하여 생산된 Bio-drying 비성형 고형연료를 사용하여 5톤/일 규모의 연소보일러에서의 연소특성을 파악하였다. Bio-drying 비성형 고형연료가 연소보일러에서 연소되며 배출되는 연소가스의 조성과 연소가스에 포함되어 있는 입자상 물질과 HCl을 대기오염물질공정시험법에 의해 측정 및 분석하였다. 또한, 연소보일러에서의 과잉공기비에 따른 물질수지, 탄소수지 및 연소효율을 산정하였으며, 보일러에서의 에너지회수효율을 분석하였다.

    II. 연구 내용 및 방법

    1. 파일럿급 연소보일러 구성 및 운전조건

    Bio-drying 비성형 고형연료를 처리할 수 있는 파일 럿급 수직원통형 화격자 타입의 연소보일러를 제작하 였으며, 고형연료 공급장치, 1차 연소로, 착화버너, 2차 연소로, 보조버너, 등유저장탱크, 열회수 보일러, 공기 예열기, 건식세정설비, 백필터로 구성하였다. 연소에 필요한 산화제는 공기를 사용하였으며, 공기예열기에 서 예열된 공기를 압입 송풍기를 통해 공급한다. 고형 연료 공급장치는 푸셔방식으로 칭량된 Bio-drying 비 성형 고형연료를 호퍼에서 연소로로 이송하며, 투입부 와 호퍼의 게이트를 이용해 이송 사이클이 완료될 때 까지 외기의 유입을 최소화한다. 착화버너와 보조버너 는 등유를 사용하며, 연소로 기동 시 예열과 2차 연소 로 온도 유지를 위해 가동된다. 바닥재의 배출은 1차 연소로 하부에서 이중 게이트 벨브에 의해 배출된다. Bio-drying 비성형 고형연료를 이용한 파일럿급 연소보 일러는 과잉공기비(ER, Equivalent ratio) 1.6, 1.8, 2.0 2.2 조건에서 운전하였다. 과잉공기비는 이론공기비 대 비 실제 공급된 공기의 량으로 책정하였다. Fig. 1에 파일럿급 연소보일러 구성을 나타내었다.

    2. Bio-drying 고형연료 특성

    본 연구에서는 생활폐기물 고형연료화 시설에서 배 출되는 저품위 잔재물을 Bio-drying 기술을 적용하여 생산한 Bio-drying 비성형 고형연료를 이용하였으며, 이를 연소보일러에 적용하여 연소특성을 파악하기 위 해 기본적인 물리화학적 특성(삼성분 분석, 원소분석, 발열량 분석)분석을 Table 1과 같이 수행하였다.

    3. 연소가스의 측정 및 분석

    파일럿급 연소보일러에서 배출되는 연소가스는 유인 송풍기 후단 연돌에서 측정하였으며, 연소가스 측정기 (MK-9000)를 사용하였다. 연소가스에 포함되어 있는 HCl과 분진을 대기오염공정시험법에 의해 채취 및 분 석하였으며, 연소가스의 유량을 확인하기 위해 열선타 입의 유속계(KANOMAX 6162)를 사용하여 연돌에서 의 연소가스 유속을 측정하였다.

    III. 결과 및 고찰

    1. 연소가스 조성

    Bio-drying 비성형 고형연료를 각 과잉공기비 조건에 따라 연소한 연소가스 조성을 Fig. 2에 나타내었다. 연 소보일러의 과잉공기비가 증가함에 따라 O2 농도가 증 가한데 반해 CO2의 농도는 감소하는 결과가 나타났다. 투입된 Bio-drying 비성형 고형연료 대비 공기공급량 이 증가할수록 잉여 O2가 연소가스에 포함되어 농도가 증가하였으며, 연소가스에 O2 농도가 증가함에 따라 연소가스가 희석되어 상대적으로 CO2 농도가 감소한 다. 연소가스에 포함된 일산화탄소의 농도는 0.18 ~ 1.49 ppm 수준이었으며, NOx는 18.62 ~ 59.44 ppm, SOx는 3.63 ~ 11.57 ppm으로 나타났으며, 이는 고형연 료 제품 사용량이 시간당 2톤 미만인 시설의 대기오염 물질의 배출허용기준을 충족하는 값으로 평가되었다.

    2. 대기오염물질 측정 결과

    연소가스에 포함되어 있는 입자상오염물질과 HCl을 대기오염공정시험기준에 의해 보일러 후단과 연돌에서 채취 및 분석을 진행하였으며, Fig. 3에 그 결과를 나 타내었다. HCl 분석 결과 보일러 후단에서 12.9 ~ 14.7 ppm, 연돌에서는 3.8 ppm 이하의 낮은 값으로 평가되 었다. 입자상 오염물질의 경우 과잉공기비 1.8 조건에 서 가장 높게 평가되었으며, 2.0 조건에서 다시 감소하 였으나 농도의 차이가 미비하여 과잉공기비에 따른 경 향성을 나타내지 않았다. 보일러 후단에서 분석된 입자 상 오염물질 대비 연돌에서 분석된 입자상 오염물질의 제거효율은 98.5%로 평가되었다.

    3. 물질 및 탄소수지

    과잉공기비 별 운전조건에 따른 투입된 Bio-drying 비성형 고형연료를 기준으로 한 연소배가스, 바닥재 및 비산재에 대한 물질수지와 각각의 생성물의 탄소함량 분석을 통한 탄소수지를 계산하였다. 물질수지 분석결 과 과잉공기비가 증가함에 따라 물질수지의 연소가스 의 비율이 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 Bio-drying 비성형 고형연료 대비 산화제 공급량이 증가하여 연소반응이 원활하게 진행된 결과로 사료된다. Biodrying 비성형 고형연료의 연소가스, 바닥재, 비산재에 대한 평균 수율은 각각 98.46, 1.15, 0.36wt.%로 나타 났다. 탄소수지의 경우 물질수지 결과와 동일하게 과잉 공기비가 증가할수록 탄소수지 중 연소가스의 비율이 증가하였다. 탄소수지의 평균수율은 각각 99.66, 0.28, 0.06wt.%로 나타났다. 물질수지 및 탄소수지 계산 결 과를 Fig. 4와 Fig. 5에 나타내었다.

    4. 연소효율 및 보일러 에너지회수효율

    바닥재와 비산회재 중의 미연 탄소분 및 불완전연소 (CO)에 의해서 발생되는 열손실을 기준으로 아래 식 (1)과 같이 파일럿급 연소보일러의 연소효율을 산정하 였다.

    η c o m b u s t i o n ( % ) = { 1 ( Q l o s s u n b u r n e d c a r b o n + Q l o s s i n c o m p l e t e c o m b u s t i o n Q s r f ) } × 100
    (1)

    여기서,

    • ηcombustion : 연소보일러 연소효율(%)

    • Qloss-unburned carbon : 미연탄소에 의한 열손실(kcal)

    • Qloss-incomplete combustion : 불완전 연소에 의한 열손실 (kcal)

    • Qsrf : Bio-drying SRF 공급열량(kcal, LHV기준)

    연소효율 산정 결과 과잉공기비가 증가할수록 연소 효율이 증가하는 경향이 나타났다. 이때 연소로 출구 온도는 보조버너의 사용 없이 평균 893°C를 유지하고 있었다. 이는 과잉공기비 1.6 ~ 2.2 조건의 범위에서는 과량 공급된 산화제에 의한 연소로 출구 배가스의 온 도가 다소 저하됨으로 열량손실이 소량 있으나, 과잉공 기비가 증가할수록 물질 및 탄소수지의 결과와 동일하 게 Bio-drying 비성형 고형연료의 연소반응이 활발히 일어난다고 판단된다. 과잉공기비에 따른 연소효율 계 산 결과를 Fig. 6과 Table 2에 나타내었다.

    본 연구에서 활용된 Pilot급 연소보일러는 연소로에 서 배출된 연소가스에 포함된 열에너지를 회수하기 위 한 분리형 보일러가 설치되어 있다, 과잉공기비에 따른 보일러 에너지회수효율을 파악하기 위해 각 조건에서 증기발생량, 증기배출온도, 압력과 보일러에 유입되는 연소가스의 온도, 유량을 측정하였으며 이를 바탕으로 식 (2)와 같이 보일러 에너지회수효율을 산정하였다.

    η e n e r g y r e cov e r y ( % ) = Q o u t s t e a m + Q i n w a t e r Q i n c o m b u s t i o n g a s × 100
    (2)

    여기서,

    • ηenergy-recovery : 보일러 에너지회수효율(%)

    • Qout-steam : 생산스팀총열량(kcal)

    • Qin-water : 보일러 유입수 총열량(kcal)

    • Qin-combustion gas : 보일러 유입연소가스 총열량(kcal)

    Fig. 7에 Bio-drying 비성형 고형연료를 적용한 파일 럿급 연소보일러의 보일러 에너지회수효율을 나타내었 다. 그림에서 보는바와 같이 보일러 에너지회수효율은 과잉공기비의 증가에 따른 경향성을 확인할 수 없었으 며, ER 1.6, 1.8구간과 ER 2.0, 2.2구간에서 보일러 에 너지회수효율이 차이가 나는 것은 실험 당시의 기온 등 외부 요인으로 판단된다. 연소보일러에 적용된 분리 형 보일러의 보일러 에너지회수효율은 과잉공기비 조 건 1.6 ~ 2.2 범위에서 76.8 ~ 83.5%로 나타났다.

    IV. 결 론

    파일럿급 연소보일러에서 Bio-drying 기술을 통해 저품위 혼합폐기물을 기반으로 생산된 Bio-drying 비 성형 고형연료의 연소특성을 분석하였으며, 다음과 같 은 결론을 얻었다.

    1. 파일럿급 연소보일러에서 Bio-drying 비성형 고형 연료를 연소하였을 시 발생하는 연소가스의 O2 농도는 과잉공기비가 증가할수록 증가하였으며, CO2 농도는 반대로 감소하는 경향을 나타내었으 며, 공급된 산화제가 증가하면서 잉여 산화제가 연 소가스에 포함되어 이와 같은 결과를 나타내었다.

    2. Bio-drying 비성형 고형연료의 연소 시 연소가스 에 포함되는 대기오염물질(입자상물질, CO, NOx, SOx)은 대기오염물질의 배출허용기준을 충 족함으로 Bio-drying 비성형 고형연료를 기존의 폐기물 기반 고형연료와 동일하게 에너지 활용에 적용할 수 있음을 확인하였다.

    3. 과잉공기비 1.6 ~ 2.2 기준의 범위에서 Bio-drying 비성형 고형연료의 연소보일러 적용 시 물질수지, 탄소수지, 연소효율을 평가하였으며, 과잉공기비 에 대한 같은 경향성을 나타냄을 알 수 있었다. 이를 통해 과잉공기비 1.6 ~ 2.2 범위에서는 연소 가스의 열량손실이 다소 있으나, Bio-drying 비성 형 고형연료를 효과적으로 연소할 수 있음을 확 인하였다.

    4. 연소보일러의 보일러에너지회수효율을 평가하였 으며, 과잉공기비와의 상관관계를 찾을 수는 없었 으나, 저품위의 혼합폐기물을 기반으로 한 Biodrying 비성형 고형연료를 적용하였음에도 불구하 고 비교적 높은 효율의 보일러에너지회수효율을 확인할 수 있었다.

    서론에서 언급한 바와 같이 기존 연소보일러에 관한 연구는 이미 상당한 기술수준을 보유하고 있으나, Biodrying 비성형 고형연료에 대한 연소보일러 적용 연구 는 미흡한 실정으로 추후 본 연구에서 확인한 과잉공 기비 조건 외 범위를 확대 적용한 연구가 필요하다.

    사 사

    본 연구는 2015년도 산업통상자원부의 재원으로 한 국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다(No. 20153010102020).

    Figure

    KSWM-35-600_F1.gif

    Schematic of pilot scale combustion boiler system.

    KSWM-35-600_F2.gif

    Concentration of combustion gas by ER.

    KSWM-35-600_F3.gif

    Concentration of HCl, Dust by ER.

    KSWM-35-600_F4.gif

    Result of mass balance calculate.

    KSWM-35-600_F5.gif

    Result of carbon balance calculate.

    KSWM-35-600_F6.gif

    Combustion efficiency.

    KSWM-35-600_F7.gif

    Energy recovery efficiency.

    Table

    Characteristics of bio-drying non-forming SRF

    Combustor exit average temperature and combustion efficiency

    Reference

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