유동층 소각로에서 불연물의 배출특성

김규종, 김을현, 배한진, 이채석, 김정래

현대중공업(주) 산업기술연구소

Discharge Characteristics of Incombustibles in a Fluidized Bed

K. J. Kim, E. H. Kim, H. J. Bae, C. S. Lee, J. R. Kim

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

1. 서론

유동층은 발열량에 대한 수용 폭이 넓고, 높은 연소효율 및 NOx, SOx등 공해방지특성이 우수하기 때문에 폐기물처리에 있어서도 일반폐기물로부터 유해폐기물의 소각에 이르기까지 광범위하게 적용되고 있다.  그러나 도시쓰레기 소각에 있어서는 생활쓰레기 속에 포함되어 있는 불연물들이 층내에 축적되어 비유동화 및 운전장애를 일으키기 때문에 이들을 층 밖으로 연속적으로 배출하여야만 한다.  불연물의 배출은 분산판, 분산노즐, 그리고 공기상자 등을 포함한 노하부의 기하학적 구조 및 총괄유량, 공기분배비, 불연물의 밀도 및 농도 등의 운전조건에 영향을 받게 되지만 이들에 대한 구체적인 보고는 거의 없다[1, 2, 3].

본 연구는 이러한 도시쓰레기 소각에 유동층 적용의 최대 난점인 불연물들로 인한 유동층의 기능저하를 막고 불연물을 효과적으로 층밖으로 배출할 수 있는 불연물 배출기술을 확립하기 위하여, 유동화공기가 분배되어 공급되는 상온 이차원 유동층(1.5mL×0.2mW×3mH)에서 총괄유속, 공기분배비의 변화에 따른 불연물의 종류별 배출특성을 파악하고 최적 배출조건을 도출하고자 하였다.

2. 실험장치 및 방법

Fig. 1은 본 연구에 사용된 실험장치를 나타낸다.  유동층은 가로 1.5m, 세로 0.2m, 높이 3m이며 층내 유동상태 및 불연물의 거동을 관찰하기 위하여 투명아크릴 및 강화유리로 제작되었다.  유동층의 중앙에 불연물 배출구(0.2m)를 설치하였으며 분산판은 불연물들이 분산판에서 정체되는 것을 방지하기 위하여 10°의 경사를 주었다.  오리피스 직경이 15A인 ㄱ자형의 노즐을 개구비 1.7%가 되게 삼각피치로 배치하였으며 노즐의 Air 분출방향을 층중심을 향하게 하였다.  내화물 대용으로 석고를 사용하여 노즐이 부분적으로 돌출하지 않도록 평평하게 채웠다.  Air chamber는 층내에 유동화공기를 대, 중, 소로 분배하여 공급할 수 있도록 0.4×0.4×0.4m의 크기로 3Sets를 제작하였다.  분산판과의 해체조립 및 제작의 편이성을 위하여 분산판과 분리하였으며 각각의 chamber당 노즐 12개를 배치하여 flexible hose로 분산노즐과 연결하였다.  불연물 배출관은 불연물 및 유동사의 배출을 위하여 변속이 가능한 불연물배출 Screw feeder와 연결되었으며 연속적으로 불연물 및 모래를 배출할 수 있도록 하였다.

실험방법은 먼저 평균입경 0.7mm의 모래입자를 층높이 0.6m로 채운 다음 유동화 공기를 주입하여 모래를 유동화 시킨 다음 실험변수에 맞게 대, 중, 소로 유량을 분배하였다.  압력분포를 측정한 후, 무게비로 너트 46.76%, 시멘트 27.55%, 자갈 19.53%, 캔 6.16%로 구성된 불연물을 투입하여 층내 불연물 농도가 4.47%가 되게 하였다.  초기 불연물 투입시간을 기록한 다음, 일정시간(10분)간격마다 불연물배출 Screw feeder를 작동시켜 일정량(18kg)을 배출하였으며 배출시간을 기록하였다.  배출된 양만큼의 모래를 층내로 재투입하였으며, 이때 초기 층내 불연물 농도와 같은 농도로 유지하기 위해 각각의 불연물을 일정량 투입하였다.  불연물이 함유된 배출모래를 체로 쳐 불연물을 분리하였으며 배출된 불연물 각각의 무게를 측정하였다.  배출 불연물 농도가 일정해지면 모래의 순환 및 불연물 투입을 중단하고 층내 고정층 높이를 측정한 다음 층내 모래를 모두 배출하여 층내에 남아 있는 불연물의 분포 및 무게를 측정하였다.

실험변수로는 공기분배비((Q1:Q2:Q3):(1:1.2:1.5), (1:1.2:2), (1:1.2:2.5), (1:1.2:3), (1:1.2:4))와 총괄유량(750, 900Nm3/hr)과 불연물의 밀도(캔:200kg/m3, 시멘트:1800kg/m3, 자갈:1700kg/m3, 너트:3000kg/m3)가 고려되었으며 특성값으로는 층내 압력분포와 불연물 배출농도가 측정되었다.  불연물의 배출효율은 다음 식으로 계산되었다.

[eqn: Discharge~efficiency ~=~{Total~ weight~ of ~discharged ~i n combustibles}over{Total~weight ~of~i ncombustibles~fed~into~the~bed}]

3. 결과 및 고찰

3.1 층의 압력강하

Fig. 2는 총괄유량 750Nm3/hr일 때 각 분배비 조건에서 분산판위에서의 압력강하를 나타낸다.  경사분산판에서 층의 압력강하는 경사면을 따라 배출구쪽으로 갈수록 층깊이가 증가하므로 그 높이 만큼 증가하였으나 배출구에서는 층높이가 0.8m임에도 불구하고 압력강하는 약 550mmH2O로 가장 낮게 측정되었다.  이는 중앙배출구에서 모래입자의 유동형태가 유동화상태가 아닌 기체와 모래입자의 흐름이 모두하향, 혹은 고체하향, 기체상향흐름을 갖는 이동층(moving bed)이 형성됨을 의미한다.  총괄유량이 같은 조건에서 유량분배비가 증가할수록 층의 중앙부위에 더 많은 유량이 공급되므로 크고 왕성한 기포의 형성에 의하여 층내 모래입자의 순환흐름의 세기가 증가하고 층 벽면에 설치한 압력 탭의 압력변동의 차이가 크게 증가함을 관찰할 수 있었다.

3.2 유량분배비의 영향

불연물의 배출효율은 운전초기에 많은 양의 불연물이 배출되어 배출효율이 급격하게 증가하였으며 시간이 지남에 따라 배출량이 감소하고 배출효율은 일정한 경향을 나타내었다.  Fig. 3은 총괄유량 750Nm3/hr일 때, 각 분배비 조건에서 시간에 따른 불연물의 총괄배출효율을 나타내는데 분배비가 (1:1.2:2)로 낮을 때에는 28%의 배출효율을 나타내었으며 분배비가 증가함에 따라 50%(1:1.2:2.5), 62%(1:1.2:3), 70%(1:1.2:4)로 증가하는 경향을 나타내었다.  이는 총괄유량이 같은 조건에서 유량분배비의 증가는 상대적으로 층의 중앙부위에 다량의 공기가 주입되고 층 중앙에 왕성한 기포의 형성에 의한 밀도 차에 의하여 순환류의 강도를 증가시키기 때문인 것으로 판단된다.

3.3 총괄유량의 영향

Fig. 4는 각 유량분배비 조건에서 배출효율에 대한 총괄유량의 영향을 나타낸다.  그림에서 보는 바와 같이 각 분배비 조건에서 총괄유량이 증가할수록 불연물 배출효율이 증가하였으며 총괄유량 900Nm3/hr, 분배비 (1:1.2:3)에서 최대효율 80%를 얻을 수 있었다.  총괄유량이 낮은 조건에서는 총괄유량의 영향보다는 공기분배비의 영향이 더 큰 것으로 나타났으나 총괄유량이 증가할수록 공기분배비의 영향은 감소하였다.  이는 총괄유량이 증가할수록 층 전반에 걸쳐 다량의 공기가 주입되어 난류흐름의 강도를 증가시키기 때문인 것으로 사료된다.

3.4 불연물 밀도의 영향

Fig. 5는 총괄유량 900Nm3/hr, 유량분배비 (1:1.2:3)인 조건에서 불연물의 밀도별 배출효율을 나타낸다.  너트, 시멘트, 자갈은 배출경향이 비슷하였으며 밀도가 낮은 캔은 운전초기에는 배출되지 않다가 시간이 지남에 따라 배출이 증가하는 경향을 나타내었다.  이는 다양한 밀도를 갖는 실린더를 가지고 층내 분리현상을 실험한 Masson 등[4]의 실험 결과와 유사하다.  모래보다 밀도가 큰 물질은 층하부로 빨리 가라 않은 후 경사분산판을 따라 배출구 쪽으로 모여 배출관을 통하여 배출되며 캔과 같이 겉보기 밀도가 작은 물질(200∼400kg/m3)은 투입초기에 층표면에 주로 위치하며 시간이 지남에 따라 캔 속이 유동매체로 채워져 밀도가 200kg/m3에서부터 1900kg/m3까지 변화하는 과정을 거치게 된다.  따라서 캔 속이 모래로 채워져 모래의 밀도(1450kg/m3)보다 커지기 전까지는 층표면 및 상단부위에 분포하게 되며 모래의 밀도보다 커지게 되면 층하부로 가라앉게 된다.  반대로 통 속이 빈 채로 막혀 있는 경우에는 배출이 곤란하게 된다

4. 결론

본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다.

1) 불연물 배출효율은 공기분배비가 증가할수록 총괄유량이 증가할수록 증가하였다.

2) 불연물의 거동 및 배출특성은 불연물의 밀도와 깊게 관련되었다.  층물질(모래입자)보다 무거운 불연물(너트, 시멘트, 자갈)은 층 바닥에 분포하며 비슷한 배출경향을 보였으나 밀도가 가벼운 불연물(캔)은 층위에 떠 있으며 잘 배출되지 않았다.

3) 분산판 및 노즐 형태는 불연물 배출효율 증가에 중요한 인자이다

References

김규종, 김정래 : □유동층에서 불연물배출기술□, 한국폐기물학회지, 제13권, 6호, 811(1996).

Tsuboi, H., Noto,  T., Kawakami, M., Yamagishi, M., Yokoyama, T., and Suzuki, Y. : "Development of Fluidized Bed Municipal Incinerator", NKK Engineering Reports, No. 133, 49(1990).

Asaido, T., Takeshida, S., and Okamodo, W. : "Fluidized Bed Incineration System", R&D Bobe Steel Engineering Reports, Vol. 29, No. 2, 52(1979).

Masson, H. A., Rios, G. M.,  Dang, Tran K., and Bourtembourg : "Shape and density effects on the behaviour of a large isolated body in a gas solid fluid bed", in Fluidization Ⅳ, D. Kunii and R. Toei, eds., 185(1983).

Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

Fig. 2 Pressure drop  in the direction of transverse above distributor

Fig. 3 Discharge efficiency according to sectional air flow rate

Fig. 4 Effect of overall air flow rate on discharge efficiency

Fig. 5 Discharge efficiency of incombustible species