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문제 정의
- 본 연구에서는 음식물쓰레기를 이용한 분체연료제조와 연료로서의 특성을 분석하였으며 연소장치를 이용하여 연소특성을 관찰하였다.
제안 방법
- 음식물쓰레기 처리장에서 중간처리물 및 최종처리물을 수거하여 건조특성을 조사하였다. 13개의 시료를 105℃로 유지되는 건조기에 넣고 매 20분 간격으로 꺼내어 수분측정기(AND MX50)를 사용하여 함수율을 측정하였다. Fig.
- Pilot scale 실험장치인 에너지회수설비는 full 부하시 분체 연료를 200kg/hr 연소하여 보일러에서 5Kgf/cm2 스팀을 1 톤/시간 발생할 수 있는 규모로 설계, 제작하였다. 공정도는 Fig.
- 고형연료의 연소효율은 주입된 연료와 배출되는 회재 및 연소가스 중에 함유된 미연소분 사이 탄소량수지와 발열량수지를 기준으로 계산하는 방법이 있으며 본 연구에서는 발열량수지로 계산하였다.(6) 배출가스 중 가연성가스량은 거의 존재하지 않으므로 무시하였으며 연소효율은 아래 식 (1)에 의하여 계산하였다.
- 재생에너지원료로 활용하고자 음식물쓰레기로부터 이물질제거, 탈수 및 염분제거, 건조, 파쇄공정을 거쳐 분체연료를 제조하고 분체연료의 발열량, 원소 및 공업분석, 열중량분석등 연료로서의 특성을 조사하였다. 또한 에너지회수설비에 적용하기 위하여 분체연료를 버너에서 연소특성과 이에 수반되는 연소효율, 온도분포, 배가스조성, 회재특성등을 조사하였다.
- 분체연료에 포함되어있는 염분의 용융온도는 약 800℃이다. 보일러 입구온도를 염분의 용융온도 이하로하여 보일러에서의 fouling을 최소화하기 위하여 Fig. 6에서 보는 바와 같이 외부공기를 열교환기에서 연소배가스와 열교환시킨 후 보일러 전단에 공급하여 보일러 입구온도를 750℃로 낮추도록 설계하였다. 보일러를 지난 연소배가스는 백필터에서 분진을 제거하고 열교환기에서 연소배가스와 열교환하여 1차, 2차, 3차 연소용공기를 가열하며 I.
- 본 실험은 음식물쓰레기를 이용한 분체연료 제조와 분체연료의 연소특성을 조사하기 위하여 음식물쓰레기로부터 이물질제거, 탈수 및 염분제거, 건조(함수율 약 35%)가 된 중간처리물을 반입하여 분체연료제조, 200[Kg/hr]급 연소설비, 열회수설비, 배가스 처리설비가 갖추어진 pilot scale 에너지회수설비를 이용하여 실험하였다.
- 본 연구에서는 음식물쓰레기를 신.재생에너지원료로 활용하고자 음식물쓰레기로부터 이물질제거, 탈수 및 염분제거, 건조, 파쇄공정을 거쳐 분체연료를 제조하고 분체연료의 발열량, 원소 및 공업분석, 열중량분석등 연료로서의 특성을 조사하였다.
- 연소 후 연소효율을 측정하고 회재상태를 분석하기 위하여 연소로 하부에서 바닥재를 채취하고 백필터에서 비산재를 채취하여 공업분석 및 화학분석을 하였으며 결과는 Table 5와 같다. 공업분석은 도착시료 기준이며 원소 및 황분석은 건조시료 기준이다.
- 7에 각종센서의 배치를 나타내었다. 운전은 LPG를 이용하여 예열한 후 연소로 온도가 600℃를 넘으면 분체연료를 공급하고 800℃를 초과하면 LPG를 잠그고 분체연료만 연소하면서 장치를 운전하였다.
- 음식물쓰레기 처리시(특히 사료) 처리비용중 가장 많은 비중을 차지하는 것은 건조시 요구되는 에너지비용이다. 음식물쓰레기 처리장에서 중간처리물 및 최종처리물을 수거하여 건조특성을 조사하였다. 13개의 시료를 105℃로 유지되는 건조기에 넣고 매 20분 간격으로 꺼내어 수분측정기(AND MX50)를 사용하여 함수율을 측정하였다.
- 분체연료 연소시 중요한 물성 중 하나는 휘발및 착화온도이다. 이를 위하여 분체연료의 열중량분석을 하였다. 질소분위기하에서 승온속도를 10℃/min로 유지하면서 실험한 TGA 그래프는 Fig.
- 본 연구에서는 음식물쓰레기를 신.재생에너지원료로 활용하고자 음식물쓰레기로부터 이물질제거, 탈수 및 염분제거, 건조, 파쇄공정을 거쳐 분체연료를 제조하고 분체연료의 발열량, 원소 및 공업분석, 열중량분석등 연료로서의 특성을 조사하였다. 또한 에너지회수설비에 적용하기 위하여 분체연료를 버너에서 연소특성과 이에 수반되는 연소효율, 온도분포, 배가스조성, 회재특성등을 조사하였다.
- 6과 같다. 함수율이 약 35%인 음식물쓰레기 중간처리물을 반입하여 저장 yard에 저장하고 보일러에서 공급되는 스팀을 이용하여 건조기에서 함수율 13%이하로 건조한 다음hammer mill을 사용하여 평균입경 30mesh로 분쇄하여 분체연료를 제조하였다. 분체연료용 버너는 주로 미분탄 연소목적으로 개발되어왔다.
- 비산재는 로내 체류시간이 1-2초로 짧기 때문에 고운 분말형태로 존재하지만 바닥재는 로내에 체류하여 고온 영향으로 대부분이 용융된 상태로 존재함을 알 수 있다. 회재조성을 비교하기 위하여 비산재와 바닥재의 구성성분을 전자현미경에 부착되어있는 EDAX(Energy Dispersive Spectrometer)를 사용하여 조사하여 보았으며 결과는 Table 7과 같다.
- 회재특성을 조사하기 위하여 채취한 비산재와 바닥재의 전자주사현미경(SEM, Scanning Electron Microscope) 사진을 비교하여 보았다. Fig.
대상 데이터
- (3) 분체연료는 수도권지역에서 수거한 음식물쓰레기를 원료로 하였다. 분체연료 제조공정은 음식물쓰레기로부터 비닐등 이물질을 제거하고 압축탈수과정에서 탈수와 동시에 상당량의 염분이 제거되며 탈리액 중 고형분은 데칸타를 이용하여 분리한 다음 탈수케이크와 함께 건조기에서 함수율 13%이하로 건조한다.
- 56이었고 산소 12%로 환산한 CO는 72ppm, NOx는 64ppm이었다. 배가스분석장치는 Green Line 9000을 사용하였다. 대기오염공정시험방법 제3장 제2절 제5항 티오시안산제이수은법으로 측정한 HCl농도는 0.
- 음식물쓰레기로 제조한 분체연료의 원소분석 결과는 Table 1에 나타내었으며 건조시료기준이다. 분석에 사용한 기기는 TruSpec CHN Elemental Analyzer(LECO)와 SC-432DR Sulfur Analyzer(LECO)이다.
- 사용한 분석기기는 TGA-701 Thermogravimeter와 Parr 6320EF Calolimeter이다. 저위발열량은 약 4,000[Kcal/kg]으로 여러 가지 물질이 혼합되지 않은 단일성분이며 연소시 에너지회수시설에서 요구하는 3,000[Kcal/kg]을 만족하였다.
이론/모형
- 분체연료 발열량은 측정에 의하여 구할 수 있지만 비산재나 바닥재는 발열량이 너무 낮아 측정이 불가하다. 따라서 Table 6의 원소분석결과를 이용하여 Dulong식으로 계산하여 구하였다. 분체연료 중 회분은 Table 2에서 보는 바와 같이 11.
성능/효과
- (1) 음식물쓰레기를 주로 배출하는 곳은 일반가정이 70%, 음식점과 농수산물유통시장등이 30%를 차지하고 있다. 배출되는 음식물쓰레기의 53.
- 1%는 수분의 함량이 높은 채소류이고 그다음은 육류와 어패류 순이다.(2) 현재 음식물쓰레기 처리방안으로는 매립과 소각, 재활용등이 있는데 2차적인 환경문제를 야기하는 매립과 소각은 점차 줄어드는 추세인 반면 음식물쓰레기의 재활용은 그 중요성이 커져가고 있다. 재활용방법은 퇴비 및 사료 그리고 연료화이다.
- Table 4에 대기오염물질 배출허용기준을 나타내었다.(5) 연소실험 배가스의 산소 12%로 환산한 CO및 NOx농도, SO2농도, HCl농도는 가스상물질 배출허용기준(12% O2 기준)인 200ppm, 150ppm 또는 100ppm(RDF), 70ppm 또는 50ppm (RDF), 40ppm 또는 20ppm(RDF)을 만족하였다.
- 본 실험결과 음식물쓰레기를 원료로 제조한 분체연료는 고유가 시대에 새로운 청정에너지로 사용될 수 있음을 보여주었다.
- 공업분석은 도착시료 기준이며 원소 및 황분석은 건조시료 기준이다. 분석결과 회분이 비산재에서 96.48%, 바닥재에서 90.91%로 분체연료가 거의 연소되었음을 나타내었으며 바닥재에서는 휘발분의 비율이 다소 높았고 중금속성분은 거의 검출되지 않았다.
- 17로 휘발분이 많으며 열중량분석결과 착화온도가 460℃로 착화가 매우 용이하였다. 분체연료를 버너에서 연소실험한 결과 안정된 연소가 이루어졌으며 약 1,000℃ 온도구간에서, 과잉공기비 1.55일때 CO는 77-103ppm, NOx는 89-91ppm, SOx 2ppm, HCl 0.02ppm으로 가스상물질 배출허용기준치를 만족하였다. 연소효율은 99.
- 초기에는 연소로 온도가 낮기 때문에 과잉공기비를 높게 유지하였지만 온도가 상승하여 연소가 안정됨에 따라 점차 과잉공기비를 감소하였다. 연소로 온도가 증가함에 따라 산소 12% 농도로 보정한 CO 농도가 감소하여 완전연소에 접근하는 경향을 나타내었다. 연소로온도가 984-1050℃, 연료공급량 180kg/hr일때 산소농도가 8.
- 4%로 거의 대부분의 가연성물질이 연소되었다. 음식물쓰레기 제조공정인 압축탈수과정에서 상당량의 염분이 제거되지만 분체연료에 잔류한 염분에 의한 파울링을 방지하기 위하여 보일러 입구온도를 염분의 융점이하로 낮춘결과 파울링저감에 매우 효과적이었다.
- 음식물쓰레기는 시간에 따라 함수율이 직선적으로 감소하는 경향을 나타내었으며 함수율 47.62%인 시료가 함수율 4.43%로 감소하는데 40분의 시간이 소요되었다.
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