소각로 내 공기 주입은 연소가스의 체류시간, 미연분 제거 및 출구가스 온도 제어 등의 많은 영향을 끼친다. 이에 따라 2차 연소용 공기량을 변화시켜 충분한 체류시간을 확보하고 $850^{\circ}C$ 이상의 출구가스 온도를 유지하며, 높은 turbulent를 관리함으로써 안정적인 소각로 운영이 되어야만 한다. 본 연구에서는 현재 운영 중인 소각장의 소각로를 설계하고, 평균 일일 소각량을 바탕으로 1차 공기량을 산정한 후 2차 공기량을 변화하여 CFD 프로그램(Fluent)을 통해 이론적인 공기유동을 규명하였다. 또한 산정된 공기량을 바탕으로 실제 운영 중인 소각장에 적용함으로써 최적의 연소조건을 도출하였다. CFD simulation 결과 1.2차 공기비는 75:25가 최적의 결과로 나타났으며, 2차 공기 분사노즐 전 후면 유속 비는 1:3에서 가장 우수한 결과로 나타났다. 또한, 실제 운영 중인 소각로에 적용한 결과 적절한 소각로 출구온도는 질소산화물 제거 효율 및 일산화탄소 발생농도에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
소각로 내 공기 주입은 연소가스의 체류시간, 미연분 제거 및 출구가스 온도 제어 등의 많은 영향을 끼친다. 이에 따라 2차 연소용 공기량을 변화시켜 충분한 체류시간을 확보하고 $850^{\circ}C$ 이상의 출구가스 온도를 유지하며, 높은 turbulent를 관리함으로써 안정적인 소각로 운영이 되어야만 한다. 본 연구에서는 현재 운영 중인 소각장의 소각로를 설계하고, 평균 일일 소각량을 바탕으로 1차 공기량을 산정한 후 2차 공기량을 변화하여 CFD 프로그램(Fluent)을 통해 이론적인 공기유동을 규명하였다. 또한 산정된 공기량을 바탕으로 실제 운영 중인 소각장에 적용함으로써 최적의 연소조건을 도출하였다. CFD simulation 결과 1.2차 공기비는 75:25가 최적의 결과로 나타났으며, 2차 공기 분사노즐 전 후면 유속 비는 1:3에서 가장 우수한 결과로 나타났다. 또한, 실제 운영 중인 소각로에 적용한 결과 적절한 소각로 출구온도는 질소산화물 제거 효율 및 일산화탄소 발생농도에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
The feed air to MSW incinerator influences on the residence time of combustion gas, removal of unburnt ash and exiting gas temperature. Thus the secondary air volume could present sufficient residence time which can maintain the exiting temperature over $850^{\circ}C$. The secondary air a...
The feed air to MSW incinerator influences on the residence time of combustion gas, removal of unburnt ash and exiting gas temperature. Thus the secondary air volume could present sufficient residence time which can maintain the exiting temperature over $850^{\circ}C$. The secondary air also relates directly with the turbulence in the inside of combustion chamber, which finally provide the stable combustion condition. The present study designed a modern incinerator for a field scale, and evaluation of the potential amount of primary air based on the daily combustible quantity. From the evaluated primary air volume, the secondary air flow rate could be estimated, and its dynamic behavior was verified. In addition, the obtained air volume enables to find an optimum operation condition of the combustion. As a result of the CFD simulation, the air ratio 75 : 25 between primary and secondary air amount was optimum ratio than design criteria 72 : 28. And the flow velocity ratio of front-back of secondary air jet nozzle was found excellent at 1 : 3. In addition, the result of applied to the plant, the removal efficiency of NOx and CO generation would concentration of CO.
The feed air to MSW incinerator influences on the residence time of combustion gas, removal of unburnt ash and exiting gas temperature. Thus the secondary air volume could present sufficient residence time which can maintain the exiting temperature over $850^{\circ}C$. The secondary air also relates directly with the turbulence in the inside of combustion chamber, which finally provide the stable combustion condition. The present study designed a modern incinerator for a field scale, and evaluation of the potential amount of primary air based on the daily combustible quantity. From the evaluated primary air volume, the secondary air flow rate could be estimated, and its dynamic behavior was verified. In addition, the obtained air volume enables to find an optimum operation condition of the combustion. As a result of the CFD simulation, the air ratio 75 : 25 between primary and secondary air amount was optimum ratio than design criteria 72 : 28. And the flow velocity ratio of front-back of secondary air jet nozzle was found excellent at 1 : 3. In addition, the result of applied to the plant, the removal efficiency of NOx and CO generation would concentration of CO.
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문제 정의
본 연구에서는 운영 중인 T(태백)시 소각장을 대상으로 소각로 내부에서 발생하는 연소공기의 유동현상을 수치해석모델을 적용하여 모사하였으며, 각각의 결과에 따른 세부 사항을 운영 중인 플랜트에 적용할 수 있도록 최적의 운전 조건을 도출하였다.
소각에 의한 폐기물 처리는 협소한 국토 면적에 따른 매립지 확보의 어려움을 극복하고, 소각에 의해 발생된 폐열 등을 이용한 에너지 회수의 목적도 있다. 그러나 소각으로 인해 발생되는 유해가스에 의해 지역 주민들과 끊임없는 마찰을 빚게 되고, 이러한 집단 이기주의인 NIMBY현상을 극복하기 위해 폐기물 완전 연소에 따라 배출되는 유해가스를 최소화 시키고, 친환경적인 소각 시설 개발에 많은 연구가 진행되고 있다.
제안 방법
1차 공기량은 평균 운전 data를 통해 산출된 4500 ㎥/hr로 설정하였으며, Fluent program을 이용한 화격자 상 고형폐기물 모사는 불가능 하므로[6], 폐기물 층의 연소현상을 폐기물 층 길이 방향으로 연소율을 가정한 후 열 및 물질정산을 통해 연소가스의 온도를 산출하였다. 1차 공급 공기량은 댐퍼를 통해 각각 화격자에 대한 공급이 제어되며, 소각로 화상 부하면적에 따른 1차 공기량을 산출하였으며, 각 화격자 하부의 압력 sensor에 의한 압력을 고려하여 각각의 화격자 하부로 투입되는 공급량 비율을 산출하였다.
1차 공기량은 평균 운전 data를 통해 산출된 4500 ㎥/hr로 설정하였으며, Fluent program을 이용한 화격자 상 고형폐기물 모사는 불가능 하므로[6], 폐기물 층의 연소현상을 폐기물 층 길이 방향으로 연소율을 가정한 후 열 및 물질정산을 통해 연소가스의 온도를 산출하였다. 1차 공급 공기량은 댐퍼를 통해 각각 화격자에 대한 공급이 제어되며, 소각로 화상 부하면적에 따른 1차 공기량을 산출하였으며, 각 화격자 하부의 압력 sensor에 의한 압력을 고려하여 각각의 화격자 하부로 투입되는 공급량 비율을 산출하였다.
따라서 운영중인 plant에 CFD simulation 결과 중 난류, 유속 및 체류시간에서 가장 우수한 결과를 나타낸 Case 1-2(1·2차 공기비=75:25, 전·후면 유속 비=1:3)를 적용하여 소각로 출구온도 890 ℃ ～ 970 ℃ 사이에서 각각의 온도 장에 따른 일산화탄소 농도, 질소산화물 발생량, 암모니아 slip 및 질소산화물 제거효율을 측정하였다.
본 연구에서는 설계기준 외 2가지 조건을 추가하여 3개의 공기비를 산정하였으며, 고정된 2차 공기 분사노즐 전단 댐퍼를 조정하여 전·후면 공급 유량 및 유속을 변화시켜 총 9개의 공기비를 산정하였다.
소각로에서 발생되는 유해가스 발생 억제 및 제거효율 상승을 위해 CFD simulation 연구를 이용한 실 Plant 적용 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
운영중인 plant 적용에 있어 1, 2차 공기량은 송풍기 유량변동을 고려하여 시간에 따른 유량 변동량인 ± 3 (%)의 평균 공기량을 적용하였으며, 지속적 폐기물 교반을 통해 균일한 폐기물 혼합을 유지하고, 각 화격자 상단의 폐기물 두께를 측정하여 두께 변화량인 ± 5 (%)를 고려하였다.
폐기물 소각량 32 tons/day을 기준으로 1차 공기량 4500 ㎥/hr로 적용하고, 1·2차 공기비 및 2차 공기 분사노즐 유속을 변화하여 총 9개의 조건을 선정 하였다.
대상 데이터
본 연구는 현재 운영 중인 T시 소각장을 대상으로, 폐기물 처리량은 50 ton/day로 3단형 계단식 화격자 소각로다. 생활폐기물은 폐기물 반입장으로 반입되며, 크레인을 통해 충분한 혼합과 교반을 거쳐 소각로에 투입된다.
본 연구대상 소각장으로 반입되는 소각물의 경우 국내 여타 소각장과 유사한 삼성분 조성을 가지고 있다. 가연분 원소함량도 탄소 비율이 31.
이론/모형
소각설비 연소로 내부는 일반적인 상변화 및 화학반응, 대류 및 복사에 의한 열전달과 층류 및 난류 등의 복합적인 변화를 내포하고 있어 이에 따른 적절한 방정식이 요구된다[8]. 따라서 상변화 및 화학 반응 예측을 위한 함수는 혼합분율/확률밀도 함수 (Mixture Fraction/Probability Density Funcion, PDF)를 사용하였으며, 유동장 및 온도해석을 위해 연속방정식, 운동량방정식, 에너지 방정식을 사용하였다.
본 연구에서는 SIMPLER method를 적용한 열유동 화학반응 해석코드 Fluent를 사용하였으며[7], 격자는 약 66만 개의 비정렬 격자로 구성하였다.
1차 연소용 공기량은 일일 평균 소각량을 바탕으로 4500 ㎥/hr로 산정하였으며, 화격자 상단의 폐기물량은 화격자 상부의 폐기물 두께 비에 의해 산정 하였다. 폐기물 발열량은 폐기물 성분 및 원소조성을 이용하여 Dulong식에 의해 산출하였으며, 각 화격자 상부 온도는 두께 비에 의한 폐기물량, 공급공기량, 습공기 비열을 이용하여 산출하였다.
성능/효과
8은 Case 3(1·2차 공기비 70:30)의 2차 연소실 내 평균 turbulent를 나타냈다. 2차 공기량이 증가 할수록 2차 공기 분사노즐 유속 증가로 인해 2차 연소실 내 turbulent가 증가 될 것으로 예상하였으나, 그와 반대의 결과로 나타났다. Case 3의 세 가지 조건 모두 2차 공기 분사노즐의 유속이 빠름에 따라 주입구 부근에서는 높은 값을 나타냈으나, 2차 연소실 내부에서는 가장 낮게 나타났다.
Simulation 결과 소각로 온도, 유속 및 난류 수치결과를 바탕으로 이론적 최적 조건은 1 : 2차 공기비 75 : 25, 2차 공기 분사노즐 전·후면 유속 비는 1:3이 가장 우수하게 나타났다.
Simulation 결과의 최적 조건을 이용한 온도범위 별 실 Plant 적용 결과, 비교적 낮은 온도(930℃ 이하)에서 온도에 의한 질소산화물 발생량은 저하되지만 제거효율이 감소하였으며, 높은 온도(940℃ 이상)에서는 발생량은 비교적 높으나 제거효율 또한 높게 나타났다. 일산화탄소는 낮은 온도에서 미연분에 의한 농도증가를 보였으나, 고온에서 완전연소 됨에 따라 배출농도 감소 현상이 나타났으며, 질소산화물 및 일산화탄소의 온도 의존성을 확인할 수 있었다.
본 연구대상 소각장으로 반입되는 소각물의 경우 국내 여타 소각장과 유사한 삼성분 조성을 가지고 있다. 가연분 원소함량도 탄소 비율이 31.19 %로 가장 높고, 기타 산소와 수소 등 발열량에 영향을 미치는 원소들로 구성되어 있으며, 소각물에 포함되어 있는 불연물 함량은 약 8.84%인 것으로 나타났다. 한편, 소각로에서 배출되는 가스의 조성은 표에서 볼 수 있듯이 질소산화물과 황산화물이 200 ppm씩 평균적으로 존재하고 있으며, 염화수소가 300 ppm으로 매우 높게 나타났다.
각 공기비 조건별 2차 연소공기 전·후면 노즐 유속비로는 3가지 공기비 조건 모두 1:3 비율이 가장 높게 나타났으며, 총 9개의 조건 중 Case 1-2가 0.59 m2/s2로 가장 높게 나타났다.
59 m2/s2로 가장 높게 나타났다. 따라서, CFD simulation 결과 3개의 공기비 중 온도, 유속 및 난류의 결과를 바탕으로 이론적인 최적 조건은 Case 1(1, 2차 공기비 75:25)로 나타났다. 또한 2차 공기 분사노즐 전·후면 유속 변화를 고려한 총 9개의 조건 중 Case 1-2가 가장 우수한 결과로 나타났다.
또한 2차 공기 분사노즐 전·후면 유속 변화를 고려한 총 9개의 조건 중 Case 1-2가 가장 우수한 결과로 나타났다.
일산화탄소 발생농도는 온도 상승에 따라 지속적인 감소로 나타났으며, 질소산화물 제거효율 증가 및 암모니아 Slip 농도 감소는 950℃ 이상의 온도에서 안정적인 결과를 나타냈다. 이에 따라, 일산화탄소 배출농도, 질소산화물 제거효율 및 암모니아 Slip 농도를 기준으로 볼 때 안정적인 소각로 출구온도는 960 ℃ ~ 970 ℃로 나타났다.
9는 일산화탄소, 질소산화물 제거효율 및 암모니아 Slip 농도를 도식화 하였다. 일산화탄소 발생농도는 온도 상승에 따라 지속적인 감소로 나타났으며, 질소산화물 제거효율 증가 및 암모니아 Slip 농도 감소는 950℃ 이상의 온도에서 안정적인 결과를 나타냈다. 이에 따라, 일산화탄소 배출농도, 질소산화물 제거효율 및 암모니아 Slip 농도를 기준으로 볼 때 안정적인 소각로 출구온도는 960 ℃ ~ 970 ℃로 나타났다.
일산화탄소 측정 결과 소각로 출구온도가 증가할수록 일산화탄소 배출농도는 감소추세로 나타났다. 출구온도 890 ℃에서 6.
Simulation 결과의 최적 조건을 이용한 온도범위 별 실 Plant 적용 결과, 비교적 낮은 온도(930℃ 이하)에서 온도에 의한 질소산화물 발생량은 저하되지만 제거효율이 감소하였으며, 높은 온도(940℃ 이상)에서는 발생량은 비교적 높으나 제거효율 또한 높게 나타났다. 일산화탄소는 낮은 온도에서 미연분에 의한 농도증가를 보였으나, 고온에서 완전연소 됨에 따라 배출농도 감소 현상이 나타났으며, 질소산화물 및 일산화탄소의 온도 의존성을 확인할 수 있었다.
질소산화물 측정 결과 제거 효율은 890 ℃에서 38.4 %, 910 ℃에서 48.5 %, 930 ℃에서 53.1%로 나타났으며, 940 ℃에서 69.2 %, 960 ℃에서 최대 효율인 73.8 %로 나타났다. 970 ℃에서는 960 ℃에서 유사한 73.
84%인 것으로 나타났다. 한편, 소각로에서 배출되는 가스의 조성은 표에서 볼 수 있듯이 질소산화물과 황산화물이 200 ppm씩 평균적으로 존재하고 있으며, 염화수소가 300 ppm으로 매우 높게 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소각에 의한 폐기물 처리법의 목적은?
소각에 의한 폐기물 처리는 협소한 국토 면적에 따른 매립지 확보의 어려움을 극복하고, 소각에 의해 발생된 폐열 등을 이용한 에너지 회수의 목적도 있다. 그러나 소각으로 인해 발생되는 유해가스에 의해 지역 주민들과 끊임없는 마찰을 빚게 되고, 이러한 집단 이기주의인 NIMBY현상을 극복하기 위해 폐기물 완전 연소에 따라 배출되는 유해가스를 최소화 시키고, 친환경적인 소각 시설 개발에 많은 연구가 진행되고 있다.
소각로 내 공기 주입은 어떤 영향을 주는가?
이에 따라 소각설비에서 발생되는 유해가스 제거를 위해 소각로 내부의 완전 연소를 꾀하고, 연소 제어, 공기주입에 따른 연소가스 영향을 미치는 인자와 공기유동에 관한 연구가 진행되고 있다[4]. 소각로 내 공기 주입은 연소가스의 체류시간, 불완전연소의 제거, 소각로 출구온도제어 등의 많은 영향을 미친다[5]. 이에 따라 소각로 부하에 따른 제한적인 1차 공기량을 제외한 2차 연소용 공기량을 변화시켜 충분한 체류 시간을 확보하고, 850 ℃ 이상의 출구 가스온도를 유지하여 지속적인 turbulent 관리로 불완전 연소를 방지해야 한다.
연소분야에서 전산유체역학의 이점과 한계점은?
연소분야에 있어 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)은 pilot test 또는 plant에서 직접 측정을 보완하는 역할 뿐만 아니라 연소로 설계 및 성능 예측에 이용되고 있다. 이는 난류, 반응, 복사 등에 세부모델로부터 지배방정식을 수치적으로 해석하여 온도 및 유속에 관한 유동장의 전체적인 정보를 제공해 주고 있으나, 해석에 따른 신뢰성에 대한 검증이 전제되어야 한다[1,2,3]. 이에 따라 소각설비에서 발생되는 유해가스 제거를 위해 소각로 내부의 완전 연소를 꾀하고, 연소 제어, 공기주입에 따른 연소가스 영향을 미치는 인자와 공기유동에 관한 연구가 진행되고 있다[4].
참고문헌 (9)
Santos, A. M, Study of MSW Incinerator Overall operation and on-site measurement over the grate STEV Project Report, Royal Institute Publishing Company, Sweden No. FBT-91/14, (2003)
V. Nasserazadeh et al., Three-Dimensional Modeling of The Convertry MSW Incinerator Using Computational Fluid Dynamics And Experiment Date, Trans IChemE (1993)
J. Swithenbank et al., Effect of High Speed Secondary Air Jets on the Overall Performance of a Large MSW Incinerator with a Vertial Shaft, Combust. Sci. and Tech, Vol. 92. p. 389-422 (1993)
T, Klasen and K. Gorner, Numerical Simulation and Optimisation of a Larg Municipal Solid Waste Incineration Plant, The 2nd Int. Symp. Incineration and Fuel Gas Treatment Technologies (2011)
Y. Kori, R. Takeya, Cross Jet Mixing and Its Effects on Combustion Performance in MSW Incinerators with Natural Gas Reburning, The 3rd Int. Symp. Incineration and Fuel Gas Treatment Technologies (1999)
V. Nasserazadeh, J. Swithenbank, and B. Jones, Design Opimization of a large municipal Solid Waste Incinerator, Waste Management, Vol.11, p. 249-261 (1991)
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