액상폐기물 소각시 액적의 증발과 열적감량에 의한 연소성능평가

서용칠, 김우현*, 이성준, 김대환

연세대학교 산업환경학과, 한국기계연구원*

Combustion Performance Analysis using Evaporation of Liquid Droplet and Thermogravimetric Data at Liquid Waste Incinerators

Yong-Chil Seo, Woo-Hyun Kim*, Sung-Jun Lee, Dae-Hwan Kim

Dept. of Industrial Environment & Health, Yonsei University

Korea Institute of Machinery & Materials*

서 론

폐액 소각로의 성능 및 연소효율은 크게 분무액적의 증발율 및 유기물로서의 폐액의 분해 및 제거효율에 관한 함수라고 할 수 있다. 본 연구에서는 레이져 회절의 원리를 이용한 Malvern Particle Sizer를 이용하여 분무압력별 평균입경과 입도분포를 측정하여 증발요구시간 및 증발시간 즉, 체류시간에 따른 분해효율을 찾고자 하였다. 또한 이상과 같은 액적의 증기화를 무시한다면 로내에서의 분해 및 제거효율은 연소온도 및 체류시간과의 관계로 규명될 수 있다. 따라서, 대상 폐액의 열적감량실험을 통하여 반응속도 인자인 활성화에너지와 빈도인자값을 추정하여 폐액별 요구되는 분해 및 제거효율을 얻기 위해 요구되는 체류시간 및 온도와의 관계를 찾고자 하였다. 이러한 관계들을 대상 소각로의 구조에 대해서도 도출하였으며 이를 이용하여 로의 성능 및 연소효율을 평가하고자 하였다.

이론적 배경

분무 액적의 연소는 표면적에 따라 증발과 연소반응의 과정을 단계적으로 거쳐 연소(열적분해)된다고 볼 수 있다. 이 과정에서 연소는 증발에 비해 상대적으로 빠르게 진행되므로 증발이 전체 과정을 대표하는 율속단계(control step)로 가정할 수 있다. 따라서 증발속도를 예측할 수 있으면 이는 전체 연소 반응을 포함한 분해속도 또는 분해 및 제거효율(DRE)을 측정해 볼 수 있다.  관측 및 실험을 통해 증발율의 단순 추정식이 개발되었다.(1)

T=(D2-d2)/(S×106)                                           (1)

T = 증발요구 시간, 초

D = 초기 평균입자크기, □

d = 최종 입자크기, □

S = 증발율상수, mm2/초

여기에서 Fig. 1와 같은 Drop Size Distribution으로부터 분해효율이 유도될 수 있다. Fig. 1을 살펴보면 가로축은 각 입경범위별 직경을 나타내고 있으며 세로축은 각 입경범위의 입자들이 차지하고 있는 비율을 나타내고 있다. Dm-1과 Dm 사이의 점선은 초기평균입경 즉, F□ 이다. 여기에서 분무입자들의 분해 및 제거효율(DRE)은 액적의 증발율에 관계된다. 이러한 입도분포에서 각 입경범위에서 입경의 부피와 비율을 이용하여 반응에 유입되는 전체 입자의 부피(Vin), T시간후에 평균분무입경 이하의 입경을 지닌 입자들의 증발부피(E1), 평균분무입경보다 큰 입자들의 증발부피(E2), 및 증발되지 않은 액적의 부피(ER)를 계산할 수 있다.

Fig. 1  Droplet Size Distribution

이상과 같이 평균입경의 완전증발을 위한 시간을 기준으로 하여 증발율에 대한 계산식을 유도하였으며 이는 반응기에서의 분무액적들의 분해 및 제거효율(DRE)과 관계된 함수로 DRE는 다음과 같이 정리될 수 있다.

[eqn: DRE~=~ (1- { V_out} over {V_{i n}})~=~ (1- { E_R} over {V_{i n} })]                         (2)

[eqn: =~ (1- {V_{i n} - (E_1 +E_2 )} over {V_{i n} })][eqn: =~ ({ E_1 +E_2 } over {V_{i n} })]

폐액의 분해효율 및 체류시간과 온도와의 관계를 고찰하기 위해서 먼저 다음과 같은 폐액의 기본적인 열적분해식을 이용할 수 있다.

dC/dt = -kC                                                (3)

C = 시간 t에서 폐액의 무게(g)

k = 속도상수

이 식의 적분식과 속도상수(k)에 arrhenius 형태를 적용하면 폐액의 분해효율(N)은 다음과 같다.

N = 1- exp[-A×t×exp{-E/(R×T)}}                        (4)

온도(T)에 관하여 식(4)를 정리하면,

T=E/(R×{ln(t)-ln[-ln(1-N)]/A})                            (5)

N = 분해효율

A = 빈도상수(sec-1)

E = 활성화에너지(cal/g-mole)

R = 기체상수(1.987 cal/g-mole·K)

T = 소각로 온도(K)

빈도상수(A)와 활성화에너지(E)는 열적분해식으로부터 계산될 수 있으며 식(5)를 이용하여 폐액의 분해요율(N)을 달성하기 위한 소각로의 온도(T)를 유도할 수 있다.

또한, 로내에서 분해되는 유체의 평균체류시간 tA를 계산하기 위해 Plug-flow 모델을 적용한 후, 가스온도와 축거리의 관계를 가정하면 tA와 평균가스체류시간보다 더 빠른 경로로 로를 빠져나가는 가스흐름인 fast-path 체류시간 □(1/2 tA)는 각각 다음과 같이 표현될 수 있다.(2)

tA=27,600×V×ln(T/Tm)/{Q×(Te-Tm)}                         (6)

tA = 평균체류시간(sec),	V = 로 체적(ft3)

Q = 체적 유속(ft3/min),	T = 주어진 온도(R)

Tm= 로내의 최고온도 (R),  Te=로의 출구온도 (R)

□=138,00×V×ln(T/Tm)/{Q×(Te-Tm)}                        (7)

실험방법

분무입경측정을 위해 사용된 장치는 Malvern Particle Sizer 2600으로 평균입경은 분무 액적군의 표면적에 대한 체적의 비로 정의되는 SMD(Sauter Mean Diameter, □)를 취하였다.(3) 실험에 사용된 노즐은 스테인레스 스틸로 제작된 내부혼합식 이류체 노즐로써 최종 분무관의 지름은 3□이다. 실험조건은 축방향에 따라 액체 및 기체의 압력비를 1:1로 하여 2.5□f/□ ∼ 4.5□f/□ 범위에서 0.5□f/□ 간격으로 변화시켜 분무액적의 평균입경을 측정하였으며, 반경방향에서도 실험을 실시하여 전체적인 분무특성과 적정한 분무압력을 찾고자 하였다.

액상폐기물의 연소과정에 대한 열천칭분석실험을 위하여 가연성 폐액 중 대표적인 폐유, 혼합폐액, 폐페인트, 폐유기용제 등 총 4종 6개의 폐액을 선정하였다. 실험장치는 SEIKO사의 TG/DTA 6300을 사용하였으며 연소조건을 모사하기 위해 air를 100ml/min으로 주입하였다. 시료의 무게는 약 5sec 간격으로 측정하여 기록 보관되며 온도상승률은 10℃/min으로 900℃까지 실험하였다.

결과 및 토론

축방향 및 반경방향에 대한 실험을 종합해 볼 때 주입 액체와 기체의 1:1 압력비에서는 3.5□f/□의 압력이 가장 적정한 것으로 판단되었으며, 가시적으로도 이 압력이상이 되어야만 액주현상을 제거할 수 있었으며 안정된 분무화를 이룰 수 있었다. 따라서 적정분무압력인 3.5□f/□과 축방향 250□ 지점의 입경분포를 대상으로 반응시간에 따른 분해효율을 살펴본 결과 평균입경크기는 28.08□ 이였으며, 식(1)으로부터 평균크기의 입자들이 완전히 증발하기 위해 요구되는 시간은 0.002389초였으며, Vin, E1 및 E2값은 각각 24881689□3, 1407467.1□3, 10029921□3이였다. T(0.002389초) 시간을 기준으로 하여 반응시간 증가에 따른 액적으로 분해효율을 계산해본 결과 T시간에서는 45.97%의 분해 및 제거효율을 나타냈으며, 99% 이상의 DRE를 갖기 위해서는 0.018초, 99.9% 이상의 DRE를 얻기 위해서는 0.025초가 요구되는 것으로 나타났다(Fig. 2). 그림에서 보는 것처럼 DRE(%)가 증가될수록 요구되는 증발시간이 증가함을 볼 수 있었다.

Fig. 2  DRE vs Time to be required.

TGA 실험결과에서 폐액의 경우 여러 물질이 혼합되어있는 형태이므로 여러 단계의 열감량곡선이 나타났으며 각 단계별로 E와 A를 유도할 수 있었다. 이때, E와 A는 온도(T)에 관하여 함수관계에 있으므로 각각의 E와 A를 적용할 때 가장 높은 온도가 유도될 수 있는 값을 선택하여야 한다.(4,5) 이러한, 열감량 매개변수를(6,7,8) 식(5)에 대입함으로써 각 물질의 분해요율(N)을 얻기 위한 온도(T)를 유도할 수 있다.  Fig.3은 체류시간을 0.5-3sec로 유지하고 분해효율(N) 99.99%를 달성하기 위한 각 물질의 온도범위를 나타내고 있다. 체류시간 0.5sec에서 최대분해효율(99.99%)을 얻기 위한 폐액의 온도는 혼합액의 경우 가장 높았고 일부 폐유 및 폐페인트가 비교적 낮은 온도를 보였으며 약 700∼1280(K)의 범위를 나타내었다.

또한, 로체적 206ft3, 유속 3165ft3/min, 최대온도 1,200℃, 출구온도 1,100℃인 실제 운전되고 있는 폐액용 pilot plant의 제원을 식(6, 7)에 대입하여 평균체류시간(tA) 및 fast-path 체류시간(□)을 유도하고 Fig.3에 함께 나타내었다. 대상폐액의 온도 및 체류시간은 tA 곡선보다 아래에 존재하는 것으로 나타나 이것은 본 pilot plant가 요구하는 분해요율을 달성할 수 있다는 것을 알 수 있었으며, fast-path가 지배적일 경우 최대분해효율를 얻기 위해 약 1,200(K) 이상으로 운전되어야 한다는 것이다. 이러한 과정을 통하여 대상물질에 대한 소각로의 운전 조건 및 성능 등을 평가해 볼 수 있었다.

Fig.3 Temperature vs residence time         for 99.99% destruction criteria

참고문헌

1. Calvin R. Brunner, Hazardous Waste Incineration, McGraw-Hill, Inc., 329(1994).

2. Brunner, Calvin R., Handbook of Hazardous Waste Incineration, TAB Books Inc., 143(1988).

3. Malvern Instruments Ltd., System 2600 Instruction Manual, 1.1.

4. 서용칠 외, 산화 분위기에서의 다종 폐기물 성분의 열적감량 연구, 보건과학논집, 7, 7(1997).

5. 서용칠, 이성준, 산화 분위기에서의 단일 폐기물 성분과 혼합폐기물의 열적감량 연구, 한국폐기물학회지, 제15권, 5, 498(1998).

6. N. Regnier and C. Guibe, Methodology for multistage degradation of polyimide polymer, Elsevier Science Ltd., 165∼172(1996).

7. V. K. Rao and M. F. Bardon, Kinetic Parameters of Composite Propellants from Thermogravimetric Data, Combustion and Flame, 119(1995).

8. Carmen Albano and Eunica de Freitas, Thermogravimetric Evaluation of the Kinetics of Decomposition of Polyolefin Blends, Polymer Degradation and Stability 61, 289(1996).