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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 산업단지에서 발생하는 부존자원(실제 산업폐기물 액상폐기물 중 폐유, 폐유기용제 등)에 대한 기초물성, 성상 및 발열량을 조사하고 0.3 ton/day 급 처리장치를 제작 설치하여 1,200℃ 이상의 고온에서 액상폐기물의 연소특성 및 운전조건에 따른 유해가스 발생특성을 조사하여 부존자원 에너지화 공정 기술 개발의 기초 자료로 활용하고자 한다.
- 또한 폐유와 폐유기용제를 혼합한 시료를 투입했을 때 반응기의 3지점에서의 온도의 변화는 비교적 안정적으로 유지됨을 확인 할 수 있었다. 이는 실제 산업폐기물처리업체에 반입되는 대부분의 액상폐기물들이 다양한 종류의 액상물질들이 (폐유, 폐유기용제 등) 혼합되어 있으므로 이에 대한 영향을 파악하고자 테스트한 결과이다.
제안 방법
- 초기 실험조건을 안정화하기 위해 반응기를 LPG를 연소시켜 48시간 이상예열하였으며 반응기 온도는 약 1,200～1,500℃를 유지하도록 하였다. 본 연구에서 사용할 시료는 액상폐기물 공급용 버너를 통해 반응기 내부로 고압으로 분무시켜주입하였다[4]. 산화제의 공급은 질량유량계(MFC)를 이용하여 정량적으로 공급하였으며 반응기 내의 체류시간은 3～4초를 유지하도록 조업하였다.
- 본 연구의 대상 액상시료인 폐유와 폐유기용제의 고온에서의 연소 특성을 살펴보기 위해 0.3 ton/day급 고온 처리 시스템을 그림 1과 같이 구성하였다. 주요 설비는 액상폐기물 공급장치, utility 공급설비, 연소반응기, 배출가스 냉각장치, 자동압력조절밸브, 후처리장치로 그리고 계측 및 제어설비로 구성되어 있다.
- 본 연구의 대상 액상폐기물(폐유, 폐유기용제 혼합)에 대하여 삼성분, 원소분석, 발열량을 분석하였다. 1:1로 혼합한 액상폐기물의 삼성분 분석 결과 수분 49.
- 본 연구에서 사용할 시료는 액상폐기물 공급용 버너를 통해 반응기 내부로 고압으로 분무시켜주입하였다[4]. 산화제의 공급은 질량유량계(MFC)를 이용하여 정량적으로 공급하였으며 반응기 내의 체류시간은 3～4초를 유지하도록 조업하였다. 연소반응을 마친 고온의 배가스는 열교환기에서 1차 감온시킨 후 급속냉각기에서 물을 분사하여 냉각시키고 후처리장치(정전식 집진장치 등)를 통해 처리된다.
- 연소반응시 운전 온도는 1200～1500℃, 압력은 상압에서 진행되었다. 실험 진행시 반응기에서 배출되는 오염물질의 농도를 분석하기 위해 압력조절밸브 후단에서 tedlar bag으로 가스상 오염물질을 포집한 후 한국화학시험연구원에 의뢰하여 GC-MS로 분석하였으며, 실험 조건은 표 3과 같다.
- 실험에 사용한 시료는 일반적으로 산업단지에서 많이 발생하고 폐기물 처리 업체에 반입되는 액상폐기물 중에서 소각 시 다량의 유해가스를 발생시키는 것으로 알려진 폐유와 폐유기용제를 사용하였으며 각각의 시료와 혼합형태의 시료(폐유와 폐유기용제를 1:1로 혼합)를 단계별로 주입하여 연소특성실험을 수행하였다.
- 액상폐기물 폐유와 폐유기용제의 분해 성능을 파악하기 위해 고온 반응기에 액상폐기물의 공급량을 18～27.8 kg/hr로 유지해 투입하였고, 운전조건에 따른 각 지점별 온도 곡선을 그림 2에 나타내었다.
- 연소반응을 마친 고온의 배가스는 열교환기에서 1차 감온시킨 후 급속냉각기에서 물을 분사하여 냉각시키고 후처리장치(정전식 집진장치 등)를 통해 처리된다. 연소반응장치의 반응 조건은 시료의 투입량 변화와 산화제/연료비 변화 등 주요 운전변수에 따라 액상폐기물 및 산화제의 양을 조절하면서 투입하였다.
- 전체 처리 시스템 중에서 처리 성능을 평가하기 위해 액상폐기물 처리 실험 시 발생하는 가스를 그림 1에 나타낸 샘플링 지점에서 가스상 물질을 포집하였으며, 샘플링 시간은 상압에서 액상폐기물 투입 후 반응기 내의 온도 분포가 안정화 되는 시점으로 정하였다. 초기 실험조건을 안정화하기 위해 반응기를 LPG를 연소시켜 48시간 이상예열하였으며 반응기 온도는 약 1,200～1,500℃를 유지하도록 하였다.
- 전체 처리 시스템 중에서 처리 성능을 평가하기 위해 액상폐기물 처리 실험 시 발생하는 가스를 그림 1에 나타낸 샘플링 지점에서 가스상 물질을 포집하였으며, 샘플링 시간은 상압에서 액상폐기물 투입 후 반응기 내의 온도 분포가 안정화 되는 시점으로 정하였다. 초기 실험조건을 안정화하기 위해 반응기를 LPG를 연소시켜 48시간 이상예열하였으며 반응기 온도는 약 1,200～1,500℃를 유지하도록 하였다. 본 연구에서 사용할 시료는 액상폐기물 공급용 버너를 통해 반응기 내부로 고압으로 분무시켜주입하였다[4].
- 현재 운영중인 산업폐기물 처리시설로 반입되는 액상 폐기물을 대상으로 연소가스 특성과 유해물질 분해정도를 비교하기 위해 반응온도 1,250～1,400℃, 상압에서 반응기로 주입되는 액상폐기물의 연소가스 농도와 VOCs의 농도를 분석하였다.
대상 데이터
- 주요 설비는 액상폐기물 공급장치, utility 공급설비, 연소반응기, 배출가스 냉각장치, 자동압력조절밸브, 후처리장치로 그리고 계측 및 제어설비로 구성되어 있다. 본 실험의 대상 액상폐기물인 폐유와 폐유기용제는 연소반응장치에 버너를 이용하여 정량적으로 공급되고, 산화제로는 공기와 순산소를 이용하였으며 실험 초기 반응기의 온도를 조절하기 위하여 보조연료로 LPG가스를 사용하였다. 반응에 의해 발생된 배출가스는 후속 설비의 보호를 위해 급속냉각탑에서 냉각되고 후처리 설비에서 제거된다.
- 31%로 거의 없었으며 대부분 수분이나 휘발분 상태로 존재하고 있다. 시료 1은 C, H가 각각 86.32%, 11.58%이었고 발열량(HHV)은 10,909 kcal/kg이 었다. 시료 2는 C, H가 각각 2.
- 58%이었고 발열량(HHV)은 10,909 kcal/kg이 었다. 시료 2는 C, H가 각각 2.38%, 0.43%이었고 고위발열량이 629kcal/kg이었으며 실험 중에는 시료 1과 2를 각각 및 혼합한 상태로 주입하였다. 각각의 물성과 혼합시 평균 물성을 표 2에 나타내었다.
- 실험에 사용한 폐유 및 유기용제 함유 액상폐기물은 회분이 0.00%와 0.31%로 거의 없었으며 대부분 수분이나 휘발분 상태로 존재하고 있다. 시료 1은 C, H가 각각 86.
성능/효과
- 본 연구의 대상 액상폐기물(폐유, 폐유기용제 혼합)에 대하여 삼성분, 원소분석, 발열량을 분석하였다. 1:1로 혼합한 액상폐기물의 삼성분 분석 결과 수분 49.35%, 회분 0.16%, 가연분 51.05%이었으며, 탄소 43.05%, 수소 5.83%, 산소 1.03%, 질소 0.70%, 황 0.04%이었다. 또한 평균 저위발열량은 4.
- H2와 CO의 경우 산소가 과잉 공급되는 지점부터 O2/waste 비가 1.54가 되는 지점까지는 전혀 생성되지 않다가 O2/waste 비가 1.53을 지나는 지점부터 급격히 발생량이 늘어나 1.52가 되는 지점에서는 H2, CO 배출가스량이 각각 7.64～11.09%, 8.05～10.09% 로 배출되고 있는 것으로 나타났다. 이는 동일공간 내에서 과잉 산화제 공급이 없어진 무산소 상태에서 액상폐기물이 1,250～1,400℃의 고온에서 열분해 후 syngas로 전환되어 H2, CO 가스의 발생 농도가 높아지는 것으로 사료된다.
- HCl, HF, HCHO는 각각 최대 2.13 ppm, 10.24 ppm, 2.79 ppm으로 미량 검출되었으며 물에 잘 흡수되는 물성을 가지고 있어 SDR, 습식세정기와 같은 후처리 설비를 거칠 경우 효과적으로 제거할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 미량가스 분석결과 H2S, CS2, C6H5OH, HCN, Br2가스는 검지되지 않아 연소처리가 적절하게 되었다고 볼 수 있다[11].
- O2/waste 비가 1.53이하에서 반응기 반응이 산화분위기에서 환원분위기로 전환되면서 연소가tm는 NOx 배출량이 감소되고 합성가스의 발생량이 증가하였고 배출가스중의 BTEX류는 99.99% 이상 분해되었으며 미량 오염물질의 배출농도 또한 낮은 수치로 분석되거나 일반적인 후처리공정을 통해 제어가 가능한 것으로 나타나 본 고온반응기 시스템으로 VOCs가 포함된 액상폐기물의 적절한 처리가 이루어졌고 발생한 합성가스는 에너지화하여 활용 가능할 것으로 사료된다.
- 대상 폐기물인 폐유, 폐유기용제를 각각 투입한 경우 반응기의 온도는 순수 산소와 공기의 사용량을 조절하여 제어하였는데 발열량이 높은 폐유기용제를 투입했을 때 반응기 온도가 1,620～1,720℃, 출구에서 1,480℃ 이상으로 상승하였으며 폐유를 투입한 직후 온도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 그림 2는 상압조건하에서 반응기의 3지점에서의 폐유와 폐유기용제를 각각 투입했을 때의 온도변화를 분석한 것이다. 또한 폐유와 폐유기용제를 혼합한 시료를 투입했을 때 반응기의 3지점에서의 온도의 변화는 비교적 안정적으로 유지됨을 확인 할 수 있었다. 이는 실제 산업폐기물처리업체에 반입되는 대부분의 액상폐기물들이 다양한 종류의 액상물질들이 (폐유, 폐유기용제 등) 혼합되어 있으므로 이에 대한 영향을 파악하고자 테스트한 결과이다.
- 폐유와 폐유기용제를 혼합한 시료를 주입했을 때 반응기 온도는 최고온부에서 1,350～1,400℃, 출구에서 1,250℃ 정도로 안정되게 유지되는 것을 확인할 수 있었으며, 단일물질 투입과 혼합물질 투입에서의 온도의 변화는 약간의 차이가 있었다. 반응기 상태는 반응가스의 온도가 일정하게 배출됨에 따라 반응기 전체의 온도가 비교적 안정적인 범위 내에서 운전됨을 확인할 수 있었다.
- 이는 동일공간 내에서 과잉 산화제 공급이 없어진 무산소 상태에서 액상폐기물이 1,250～1,400℃의 고온에서 열분해 후 syngas로 전환되어 H2, CO 가스의 발생 농도가 높아지는 것으로 사료된다. 운전 조건을 O2/waste 비가 1.52로 변화했을 때 각각 11.09%, 10.09% 이상이 발생하는 CO, H2 가스는 연료로서의 가치가 있어 배출가스를 포집 및 정제하여 에너지원으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 폐유와 폐유기용제를 혼합한 시료를 주입했을 때 반응기 온도는 최고온부에서 1,350～1,400℃, 출구에서 1,250℃ 정도로 안정되게 유지되는 것을 확인할 수 있었으며, 단일물질 투입과 혼합물질 투입에서의 온도의 변화는 약간의 차이가 있었다. 반응기 상태는 반응가스의 온도가 일정하게 배출됨에 따라 반응기 전체의 온도가 비교적 안정적인 범위 내에서 운전됨을 확인할 수 있었다.
- 톨루엔이나 벤젠과 같은 방향족 탄화수소의 경우 지방족 탄화수소에 비해 상대적으로 매우 안정하기 때문에 연소로 내에서도 높은 농도로 존재하게 되므로 많은 연구자들이 연료 및 화학공정에서 널리 사용되며 인체에 유해한 톨루엔, 벤젠과 같은 방향족 탄화수소의 연소 현상을 설명 하기 위해 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다[7,8]. 표 5에서 볼 수 있듯이 배출되는 오염물질 중에 toluene과 ethyl benzene의 함량이 매우 낮게 나왔으며 각 물질의 효율을 나타내면 toluene, ethylbenzene, m,p-xylene 그리고 o-xylene 가 모두 99.99%로 매우 높게 나타나 유해물질 중 VOCs 물질이 적절히 분해됨을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 그리고 미량가스 분석결과 H2S, CS2, C6H5OH, HCN, Br2가스는 검지되지 않아 연소처리가 적절하게 되었다고 볼 수 있다[11]. 또한 대부분의 오염물질 농도가 매우 낮게 나타나거나 일반적인 배가스 처리장치를 거쳤을 때 제어가 가능한 것으로 나타나 효과적으로 액상폐기물(폐유, 폐유기용제)을 처리할 수 있을 것으로 판단된다.
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