산소부화 소각로의 연소특성

이재희, 이제근

부경대학교 환경공학과

김정국, 박근일, 김준형

한국원자력연구소 핵연료주기기술개발단

Oxygen-Enriched Combustion Characteristics

J. H. Lee, J. K. Lee

Pukyong National University, Department of Environmental Engineering,

Busan 608-737 Korea

J. G. Kim, K. I. Park, J. H. Kim

Nuclear Fuel Cycle R＊D Group, Korea Atomic Energy Research Institute,

Daejon 305-353 Korea

서론

폐기물 소각은 가연성 고체 폐기물의 대부분을 차지하는 유기성분을 화학적으로 분해하여 높은 감중(10:1 정도) 및 감용(100:1 정도) 효과를 얻을 수 있는 장점을 지니고 있으며(1), 열에 의한 화학반응을 통해 비반응성의 안정한 물질로 변하고 다음 관리단계(예 : 안정화, 수송, 저장, 처분)에서의 취급을 더 용이하게 해준다. 그러나 소각이 오랫동안 일반 도시 및 산업 폐기물 처리에 활용되어 널리 검증되었음에도 불구하고 방사성폐기물을 소각할 경우 여러 가지 문제로 인해 미세분진 및 가스상 물질로 인한 오염을 확산시키는 결과를 가져올 수 있다. 따라서 방사성 폐기물을 소각할 경우 연소방식을 개선하려는 노력과 함께 소각 배기체를 처리하는 기술에 대해 연구와 개발이 진행되고 있다.

기존의 소각기술보다 더 개선되어 독성 및 유해 폐기물 처리에도 충분히 적용 가능한 혁신적인 열처리 기술 10가지가 미국 환경청에 의해 선정되었으며, 그 중 하나가 □산소부화소각기술□이다(2). 현재 대부분의 산소부화소각기술은 기존의 소각시설에서 공기주입설비를 산소 또는 산소부화공기 공급설비로 대체하거나 산소주입설비를 추가하는 방법으로 고농도의 산소분위기에서 연소가 일어나도록 유도하고 있다(3,4). 그 결과 연소온도가 상승하여 유해 성분이 완전히 파괴되고 소각처리용량의 증대 및 보조연료의 절감을 얻을 수 있으며, 배기체 발생량을 감소시킨다. 일반 도시 및 산업 폐기물의 경우와는 다르게 방사성폐기물은 소각 시 발생하는 모든 배기체가 잠재적인 확산 가능성을 가진 방사성 기체폐기물이기 때문에 반드시 안전한 처리가 필요하다. 방사성폐기물 소각시설, 특히 보다 높은 수준의 알파 핵종 누출방지(Alpha tight)가 필요한 알파폐기물 소각기술에 있어 산소부화소각기술을 적용함으로 얻을 수 있는 배기체 발생량 감소는 매우 큰 장점이 된다.

본 연구에서는 배기체를 재순환하도록 구성한 소각공정에서 산소부화 소각공정의 운전안정성과 연소특성을 파악하고 공기를 이용한 일반소각과 비교하였다.

실험

산소부화 연소실험장치를 이용하여 연구소 내에서 구할 수 있는 폐지(A-4 크기의 일반 복사용지 및 도서가 주성분)와 (주) 유한킴벌리에서 제조된 제염휴지(L-300형)를 대상으로 연소특성실험을 수행하였으며 실험에 사용된 폐지와 제염지의 공업 및 원소분석자료와 실험조건을 표 1과 2에 나타내었다. 또한 실험장치를 그림 1에 보였다.

산소부화 연소실험장치는 산소/LPG 공급부, 소각로, 급냉기, 여과집진기, 유인송풍기, 응축기로 구성되어 있다. 산소저장 용기와 LPG 저장용기를 열어 설정 압력에 이르면 유인송풍기를 가동시킨 후 산소버너를 점화시키고 연소실의 온도가 예열기준 온도인 약 600℃에 이르도록 한다. 이 때 여과집진 설비에 설치된 세라믹 여과기가 고온에는 강하나 다량의 수분에는 매우 취약하여 쉽게 연결부가 손상되는 점을 감안하여 가능한 빠른 시간에 유입되는 연소기체의 온도를 적정 여과기 운전온도인 150℃ 이상에 이르게 해야 한다. 연소실 내부온도가 약 600℃에 이르면 외부 공기유입을 차단하고 대신 산소를 공급한다. 폐기물 투입은 연소실 상부에 위치한 상부 투입문을 열어 미리 준비된 포장물을 넣고 문을 닫은 후 하부의 공압식 슬라이딩 투입문을 작동시켜 연소실 내부로 투입시키고 다시 슬라이딩 투입문을 닫는다. 폐지 및 제염지를 대상으로 하는 연소실험에서는 약 1kg씩을 준비하여 이를 종이 포장용지에 담아 포장물을 만들었다. 예열단계 직후 연소실 출구온도가 소각기준온도에 이르기까지는 포장물을 연속으로 투입하고, 연소실 출구온도가 소각기준온도인 850℃ 이상에 이르면 이 온도를 기준으로 그 온도이하로 감소하는 순간마다 포장물을 하나씩 투입하였다. 소각운전이 안정한 상태에 이르면 산소버너의 가동을 중지시키고 폐기물만으로 연소가 진행되도록 한다. 연소실험이 진행되는 동안 연소실 내부(T1), 연소실 출구(T2) 및 증발 냉각기 출구(T3)의 온도를 매 2분마다 기록하고, 개개의 포장물을 투입함으로 인해 온도가 상승하여 연소실 출구온도가 가장 높은 지점의 시각과 온도를 기록하였다. 연소실험장치의 굴뚝을 통해 외부로 배출되는 배기체 중 산소, 황산화물, 질소산화물 및 일산화탄소의 농도는 배기체 자동 분석기인 TESTO-350(독일 Testo GmbH & Co. 제조)을 이용하여 측정하였으며, 공정을 흐르는 기체의 유량은 Hot Wire Anemometer(일본 Denshi Co., Ltd제조, 모델번호 V-02-AD500)를 이용하여 측정하였다.

결과 및 토론

산소부화 연소실험을 통해 얻은 연소실 내부(T1), 연소실 출구(T2) 및 증발 냉각기 후단(T3)의 온도변화와 실험결과를 표 3에 나타내었다.

1. 소각용량

연소특성 실험장치에 설치된 소각로는 (주)원전연료 발생 알파폐기물을 10kg/hr (열용량 350MJ/hr)로 소각할 수 있도록 설계하였다. 소각용량비교실험은 크게 공기/산소의 산화제 차이와 산소공급량에 따른 실험을 수행하였다. 소각기준온도 850℃에서 산소만으로 연소시킨 결과(O4102∼O4263)와 공기로 연소시킨 결과(A4133)를 비교하면 거의 25kg/hr 정도로 비슷한 소각용량을 보였다. 단위시간당 소각되는 폐기물 양으로는 설계용량에 비해 2.5배 증대되었지만 이를 열용량으로 환산하면 340MJ/hr로 설계용량과 비슷하게 나타났는데 이는 설계시의 발열량보다 제염지와 폐지의 발열량이 낮기 때문이다. 산화제가 공기인 A4134는 공기를 사용함으로 유입되는 비반응성의 질소를 850℃ 이상으로 유지하기 위해 보다 많은 열량, 즉 폐기물 공급이 필요하기 때문에 소각용량이 증가한 것으로 판단된다. 산소공급량 변화를 제염지와 폐지를 대상으로 소각실험을 행한 결과 제염지인 경우(O4032∼O4034) 산소공급량을 감소시키면 단위시간당 소각되는 폐기물의 양은 점차 감소하였다. 이에 비해 폐지소각(O4262∼O4265) 시 소각용량은 크게 변하지 않았다. 이러한 이유는 액체폐기물로 오염된 부분을 신속히 닦아내는데 사용되기 위해 많은 표면적을 만들어 흡수력을 크게 증진시킨 제염지는 연소반응에 있어 산소 확산에 따른 영향이 크지 않기 때문에 산소공급량이 감소함에 따라 연소반응이 느리게 진행되나 거의 완전연소가 이루어지는 반면, 폐지는 그 내부까지 산소 확산이 활발히 진행되지 않아 미연소가 일부 존재하기 때문이다. 이러한 결과는 배기체 중의 CO 농도가 매우 높게 나타나는 것으로 설명 가능하다.

2. 배기체 발생량

폐지를 산소부화소각 할 경우 굴뚝을 통해서 외부로 배출되는 배기체량은 산소공급량에 따라 큰 차이를 보였다. 표 3에 보면 거의 외부 배출이 없다고 할 수 있는 0.2Nm3/kg-waste(O4265)부터 2.0Nm3/kg-waste(O4102)까지 큰 변화를 보였는데, 배기체 중 CO 농도를 감안하여 산소버너를 가동한 상태에서 안정된 연소가 이루어지는 경우(O4101) 약 1.7Nm3/kg-waste, 버너를 가동하지 않고 폐기물만으로 연소반응을 진행시킬 경우(O4102) 약 2.0Nm3/kg-waste로 나타났다. 이에 비해 공기소각 시 안정된 연소가 일어날 경우(A4134) 약 7Nm3/kg-waste 정도의 배기체가 발생하고 있어 3배 이상의 차이를 보였다. 본 연구에서 사용된 실험장치는 폐기물 투입구로의 공기유입이 발생하기 때문에 이론적인 값보다 낮은 결과를 얻었다. 따라서 이러한 문제점을 개선함으로써 더 나은 성능을 기대할 수 있다.

3. 배기체 농도

소각 후 배기체 분석을 행한 결과 중 일산화탄소와 질소산화물 영향에 대해 알아보았다. 거의 동일한 성분의 폐기물을 소각한 본 연소실험을 통해 일산화탄소의 배출농도는 배기체 중 산소농도가 약 25% 이상의 조건으로 산소가 공급되는 경우 공기를 사용하는 일반소각에 비해 더 적게 발생하였다. 그러나 산소공급량이 적어 배기체 중 산소농도가 20% 이하로 유지되는 경우(O4263∼O4265)에는 CO 발생량도 크게 증가하였는데, 산소가 부족하게 공급된 것 외에도 운전조건의 변경 후 불완전 연소상태에서 배기체 농도를 측정한 것도 원인이라고 보인다. 산소부화 소각으로 얻을 수 있는 특징 중 하나는 공기를 산소로 대체함으로 질소의 유입이 없어서 Thermal NOx의 생성을 거의 무시할 수 있다는 것이다. 그러나 한편으로는 외부로부터 공기가 유입될 경우 고농도의 산소로 인해 전체적인 소각온도 상승으로 질소산화물 생성이 증가할 것으로 예측할 수 있다. 본 실험의 경우 질소산화물의 농도는 공기소각에 비해 약 3, 4배 높은 결과를 얻었다. 그러나 배기체 발생량을 고려하면 절대 발생량은 최소 20% 정도 감소하였다.

4. 감용/감중률

본 연소실험에서 폐기물의 감용, 감중률는 소각된 폐기물의 부피나 무게를 수거된 재의 부피나 무게로 나눈 비로 정의하여 구하였으며, 한번에 이루어진 여러 실험조건에서 모든 연소가 완료된 후 냉각에 필요한 충분한 시간(15시간 이상)이 흐른 후 재를 수거하여 그 부피 및 무게를 재어 결정하였다. 전반적으로 산소부화소각을 통한 제염지 및 폐지의 감용, 감중률은 공기 소각에 비해 비슷하거나 더 높은 값을 얻을 수 있었다.

5. 강열감량

본 실험에서 소각 후 얻은 바닥재를 분석한 결과 강열감량은 제염지의 경우 약 13% 정도이고, 폐지의 경우 산소부화 소각이 약 9% 정도로 공기소각에 비해 약 1% 정도 더 낮게 나타나 규정에서 정한 값을 만족하고 있다.

참고문헌

1.	W.R. Niessen, "Combustion and Incineration Processes, Application an	Environmental Engineering", Marcel Dekker Inc., N.Y., (1978)

2.	C.C. Lee et al., "Innovative Thermal Destruction Technologies", Pub. in CRC	Handbook of Incineration of Hazardous Wastes, (1991)

3.	P. Acharya, L.L. Schafer, "Consider Oxygen-Based Combustion for Waste	Incineration", Chem. Eng. Prog., (1995)

4.	T. Niehoff, R. Dudill, C.E. Baukal, "Oxygen Lancing to improve Municipal Solid	Waste Incineration", Proc. of the 1996 International Incineration Conf. on	Incineration and Thermal Treatment Tech., Savannah, Georgia, USA, (1996)

표 1 연소특성실험에 사용된 종이류 폐기물의 특성치

폐기물 종류	공 업 분 석 치				원 소 분 석 치							열량 (kcal/kg)
	수분	휘발분	고정탄소	회분	C	H	O	N	S	Cl	Etc.
폐지	0.061	0.733	0.060	0.146	0.324	0.051	0.468	0.001	0.000	0.001	0.155	3,224
제염지	0.083	0.809	0.101	0.007	0.410	0.059	0.522	0.000	0.000	0.001	0.008	3,717

표 2 연소특성실험 조건

실험번호 항목	O4031	O4032	O4033	O4034	O4101	O4102	O4262	O4263	O4264	O4265	A4132	A4133
산화제	순산소										공기
산화제유량 (Am3/hr)	20	25	15	10	20	20	20	15	12	10	40	40
폐기물	폐지	제염지			폐지
연소실출구온도, ℃	800				850				900		850
산소버너가동	ON	OFF			ON	OFF
연소실 압력, mmH2O	-20	-18			-16		-7	-8	-12	-12	-8
재순환비	0.5	0.5	0.5	0.7	0.5	0.7	0.5	0.7	0.9	0.9	0	0

표 3 연소특성실험 결과                                  주) NM : Not Measured

실험번호 항목			O4031	O4032	O4033	O4034	O4101	O4102	O4262	O4263	O4624	O4625	A4132	A4133
평균 온도, ℃	연소실 내부(T1)		971				1,035		996		1,017		968
	연소실 출구(T2)		827				882		890		909		877
	냉각기 후단(T3)		136				151		157		149		224
소각 용량		kg/hr	15	24	20	15	18	24	26	24	26	26	26	23
		MJ/hr	200	380	310	230	240	320	350	320	350	350	350	440
평균 감용률			50				27		NM				20
평균 감중률			11				8		NM				8
바닥재 강열감량			13.1				9.1		NM				10.2
유량	재순환량,Nm3/hr		32	32	30	31	29	31	24	33	32	33	0	0
	굴뚝배출량,Nm3/hr		NM	NM	NM	NM	33	48	37	13	8	6	146	230
배기체 농도		O2, %	36.3	37.3	27.5	20.5	26.7	25.7	22.8	21.0	18.2	18.3	10.9	14.2
		CO, ppm	NM	NM	40	40	120	70	8400	5000	2600	6000	2700	170
		SO2, ppm	NM	NM	6	4	180	40	90	120	80	100	130	80
		NOx, ppm	1600	80	70	50	170	130	180	140	100	120	70	40
외부배출 배기체량, Nm3/kg-waste			NM	NM	NM	NM	1.7	2.0	1.4	0.5	0.3	0.2	5.6	7.0

그림 1. 산소부화 연소실험장치 공정도.