하수슬러지 유동층 소각에서 유동매체가 N2O 발생에 미치는 영향에 관한 연구 A Study on the Effect of Fluidizing Media on the N2O Production in Fluidized Bed Incineration of Sewage Sludge원문보기
하수슬러지를 유동층 소각으로 처리할 때 유동매체가 $N_2O$ 발생에 미치는 영향을 고찰하였다. 유동매체로 zeolite 분말을 혼합하여 2 mm의 구형으로 제조하였다. 유동사의 평균크기 0.4 mm인 것을 유동매체로 사용할시 최소유동화속도($U_{mf}$)는 0.44 m/s로 나타났으나, 2 mm zeolite 유동매체를 사용하였을 경우, 최소유동화속도는 0.5 m/s로 다소 증가하는 것을 알 수 있었다. 유동층 소각로 내경에 대한 유동층 높이의 비(bed aspect ratio)를 1.4에서 3.1로 증가시켰을 때, 최소유동화속도는 0.5 m/s 에서 0.7 m/s로 다소 증가하는 것을 알 수 있었다. 과잉공기비가 1.79이고, 유동층 온도는 $909^{\circ}C$, 공탑속도는 약 1.65 m/s의 운전 조건에서, 유동매체 양의 증가에 따라 배가스 $O_2$ 농도는 다소 감소하였으며, $CO_2$의 농도는 다소 증가하는 것으로 나타났다. 유동매체의 양이 6 kg (bed aspect ratio 1.98) 이상일 때 $N_2O$의 농도가 크게 감소하였는데, 이러한 감소는 $N_2O$의 NOx로 전환이라기보다는 zeolite 유동매체에 의한 $N_2O$ 분해 반응에 의한 것으로 사료되었다. 한편, zeolite 유동매체를 유동사와 혼합하여, 유동층 높이를 일정하게 유지하고, zeolite 유동매체의 혼합 비율과 유동층 온도를 변화시켰을 때, $N_2O$의 발생농도는 혼합비율 보다 유동층 온도에 의해 크게 의존하였으며, 고온으로 갈수록 감소하는 것을 알 수 있었다. 소각 운전 온도를 고려하였을 때, zeolite 유동매체의 소성 온도는 $900^{\circ}C$에서 수행하는 것이 효과적인 것으로 판단되었다.
하수슬러지를 유동층 소각으로 처리할 때 유동매체가 $N_2O$ 발생에 미치는 영향을 고찰하였다. 유동매체로 zeolite 분말을 혼합하여 2 mm의 구형으로 제조하였다. 유동사의 평균크기 0.4 mm인 것을 유동매체로 사용할시 최소유동화속도($U_{mf}$)는 0.44 m/s로 나타났으나, 2 mm zeolite 유동매체를 사용하였을 경우, 최소유동화속도는 0.5 m/s로 다소 증가하는 것을 알 수 있었다. 유동층 소각로 내경에 대한 유동층 높이의 비(bed aspect ratio)를 1.4에서 3.1로 증가시켰을 때, 최소유동화속도는 0.5 m/s 에서 0.7 m/s로 다소 증가하는 것을 알 수 있었다. 과잉공기비가 1.79이고, 유동층 온도는 $909^{\circ}C$, 공탑속도는 약 1.65 m/s의 운전 조건에서, 유동매체 양의 증가에 따라 배가스 $O_2$ 농도는 다소 감소하였으며, $CO_2$의 농도는 다소 증가하는 것으로 나타났다. 유동매체의 양이 6 kg (bed aspect ratio 1.98) 이상일 때 $N_2O$의 농도가 크게 감소하였는데, 이러한 감소는 $N_2O$의 NOx로 전환이라기보다는 zeolite 유동매체에 의한 $N_2O$ 분해 반응에 의한 것으로 사료되었다. 한편, zeolite 유동매체를 유동사와 혼합하여, 유동층 높이를 일정하게 유지하고, zeolite 유동매체의 혼합 비율과 유동층 온도를 변화시켰을 때, $N_2O$의 발생농도는 혼합비율 보다 유동층 온도에 의해 크게 의존하였으며, 고온으로 갈수록 감소하는 것을 알 수 있었다. 소각 운전 온도를 고려하였을 때, zeolite 유동매체의 소성 온도는 $900^{\circ}C$에서 수행하는 것이 효과적인 것으로 판단되었다.
This study was performed to investigate the effects of fluidizing media on $N_2O$ production in fluidized bed incineration of sewage sludge. The fluidized media were prepared in a form of 2 mm bead by mixing zeolite powders in our lab. Sand having 0.4 mm of the mean size showed 0.44 m/s o...
This study was performed to investigate the effects of fluidizing media on $N_2O$ production in fluidized bed incineration of sewage sludge. The fluidized media were prepared in a form of 2 mm bead by mixing zeolite powders in our lab. Sand having 0.4 mm of the mean size showed 0.44 m/s of minimum fluidization velocity ($U_{mf}$), while the prepared zeolite media 0.5 m/s. When the ratio of fluidizing media height to the inside diameter of the incinerator (bed aspect ratio) increased from 1.4 to 3.1, it was found that $U_{mf}$ of the zeolite media was varied from 0.5 m/s to 0.7 m/s. Under the operation conditions in 1.79 of excess air ratio, $909^{\circ}C$ of bed temperature and ca. 1.65 m/s of superficial velocity, as the weight of fluidizing meadia was increased, $O_2$ concentration in the flue gas was slightly decreased, and $CO_2$ increased. Above 6 kg of fluidizing media weight (1.98 of bed aspect ratio), it was observed that $N_2O$ concentration was significantly reduced, which might result from the decomposition of $N_2O$ on the zeolite media rather than transformation of $N_2O$ to NOx. On the other hand, in a variation of the zeolite media mixing ratio to sand and bed temperature at a constant total bed height, significant difference was exhibited in $N_2O$ emission concentration according to the temperature. Considering the operation temperature in the incineration, the effective calcination temperature of the zeolite media was suggested to be around $900^{\circ}C$.
This study was performed to investigate the effects of fluidizing media on $N_2O$ production in fluidized bed incineration of sewage sludge. The fluidized media were prepared in a form of 2 mm bead by mixing zeolite powders in our lab. Sand having 0.4 mm of the mean size showed 0.44 m/s of minimum fluidization velocity ($U_{mf}$), while the prepared zeolite media 0.5 m/s. When the ratio of fluidizing media height to the inside diameter of the incinerator (bed aspect ratio) increased from 1.4 to 3.1, it was found that $U_{mf}$ of the zeolite media was varied from 0.5 m/s to 0.7 m/s. Under the operation conditions in 1.79 of excess air ratio, $909^{\circ}C$ of bed temperature and ca. 1.65 m/s of superficial velocity, as the weight of fluidizing meadia was increased, $O_2$ concentration in the flue gas was slightly decreased, and $CO_2$ increased. Above 6 kg of fluidizing media weight (1.98 of bed aspect ratio), it was observed that $N_2O$ concentration was significantly reduced, which might result from the decomposition of $N_2O$ on the zeolite media rather than transformation of $N_2O$ to NOx. On the other hand, in a variation of the zeolite media mixing ratio to sand and bed temperature at a constant total bed height, significant difference was exhibited in $N_2O$ emission concentration according to the temperature. Considering the operation temperature in the incineration, the effective calcination temperature of the zeolite media was suggested to be around $900^{\circ}C$.
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문제 정의
O의 저감을 위해서는 기존 소각장치에 추가적인 저감장치가 장착되어야 하므로, 추가적인 설치 비용과 공간의 문제가 발생한다. 따라서, 본 연구에서는 N2O를 분해할 수 있는 촉매 물질을 유동매체로 사용함으로써, 추가적인 저감장치의 설치 없이 하수슬러지 소각로 내부에서 N2O를 저감하고자 하였다. 이때 유동매체의 사용 조건에 따른 N2O의 발생량을 조사하였다.
따라서, 본 연구에서는 N2O를 분해할 수 있는 촉매 물질을 유동매체로 사용함으로써, 추가적인 저감장치의 설치 없이 하수슬러지 소각로 내부에서 N2O를 저감하고자 하였다. 이때 유동매체의 사용 조건에 따른 N2O의 발생량을 조사하였다. 또한 과잉공기비(실제 공기비/이론 공기량)와 소각온도 등을 변화 시키며 N2O 발생량의 변화를 조사하였다.
제안 방법
또한, 유동층의 zeolite 유동매체 비율에 따른 영향을 조사하였다. 2 mm zeolite 유동매체를 전체 유동층의 0.88, 0.82, 0.58 비율로 혼합하여, 소각로 내경에 대한 전체 유동층 높이의 aspect ratio를 2.2로 하였다. 공탑속도와 과잉공기비는 각각 약 1.
이때 유동매체의 사용 조건에 따른 N2O의 발생량을 조사하였다. 또한 과잉공기비(실제 공기비/이론 공기량)와 소각온도 등을 변화 시키며 N2O 발생량의 변화를 조사하였다.
또한, 유동층의 zeolite 유동매체 비율에 따른 영향을 조사하였다. 2 mm zeolite 유동매체를 전체 유동층의 0.
대상 데이터
소각에 사용된 건조하수슬러지는 N시의 하수처리장에서 디스크 건조기를 통과한 시료를 공급받았으며, 공업분석, 원소분석 및 고위발열량을 측정을 실시하였다. 결과는 Table 1과 같다.
유동매체의 양에 따른 영향을 조사하기 위하여, 유동매체로 유동사 3 kg과 2 mm zeolite 유동매체를 혼합하여 사용하였다. 유동층 높이를 조절하기 위해, 2 mm zeolite 유동매체를 4 kg, 6 kg, 7 kg, 8 kg으로 증가시켰으며, 이때 bed aspect ratio는 각각 1.
이론/모형
유동사와 제조된 구형 zeolite 유동매체의 유동화 특성을 파악하고자, cold mode test를 수행하였다. Cold mode test용 실험 장치는 실제 10 kg/h 하수슬러지 유동층 소각 실험 장치와 동일한 비율의 아크릴로 제작하였다.
성능/효과
1) 평균 입자의 크기가 0.4 mm인 유동사의 최소유동화속도는 0.44 m/s인 것에 비해 입자의 크기가 2 mm인 유동매체의 최소유동화속도는 0.5 m/s으로 다소 증가하는 것을 수 있었으며, 이는 유동매체의 평균 입자의 크기로 인한 것으로 사료된다.
2) 유동층 소각로에 사용된 유동매체의 양이 4 kg에서 6 kg (bed aspect ratio는 1.45에서 1.98)으로 증가함에 따라 CO2, CO, NOx의 농도는 큰 차이를 나타내지 않는 것을 알 수 있었으나, N2O의 농도는 크게 감소하는 것을 알 수 있었다. 한편, 사용량이 6 kg (bed aspect ratio 1.
3) Zeolite 유동매체가 유동층 높이를 차지하는 비율의 변화에 따라 발생하는 가스의 농도는 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 한편, 유동층의 온도가 올라갈수록 NOx의 농도는 150-300 ppm 범위에서 증가하였으며 N2O의 농도는 200-400 ppm의 범위에서 감소하는 것을 알 수 있다.
4) 유동매체의 소성 온도의 의한 변화는 온도가 증가함에 따라 다소 압축강도와 벌크밀도가 증가하였으나 유동층 운전에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보아 900 ℃ 온도에서의 소성이 유리할 것으로 사료되었다.
98)으로 증가함에 따라 CO2, CO, NOx의 농도는 큰 차이를 나타내지 않는 것을 알 수 있었으나, N2O의 농도는 크게 감소하는 것을 알 수 있었다. 한편, 사용량이 6 kg (bed aspect ratio 1.98)을 넘는 범위에서는 N2O의 농도가 크게 감소하지 않는 것으로 관찰됨에 따라 유동매체의 사용양은 bed aspect ratio 2.0 부근에서 운전하는 것이 적절할 것으로 판단되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소각 시 발생하는 질소산화물 농도를 조절해야 하는 환경적 이유는 무엇인가?
소각으로 인해 발생하는 배출가스 중 아산화질소(N2O)는 대표적인 온실가스중 하나이다. N2O가 지구 온난화에 미치는 영향은 CO2가 미치는 영향의 약 10% 정도지만 대기 중에서 매우 안정하기 때문에 150년 동안 체류하며, 지구온난화지수(global warming potential, GWP)가 CO2에 비해 310배나 높다[3-5].
N2O 분해반응의 각 단계는 어떻게 진행되는가?
촉매에서 일어나는 N2O 분해반응은 두 단계의 반응을 나눌 수 있다. 첫 번째 반응(1)은 1 mol의 N2O가 1 mol의 질소 분자와 촉매 사이에 흡착된 산소원자로 분해되는 반응이고, 두 번째 반응(2)은 율속단계로써 다른 1 mol의 N2O 분자가 흡착된 산소와 반응하여 각각 1 mol의 질소와 산소로 분해되는 반응이다[7].
N2O의 발생을 억제하기위한 현재 연구방안은 무엇이 있는가?
유동층 소각과 같이 고정 연소장치에서는 N2O의 발생을 억제하기 위하여 연소온도의 상승, 산소농도의 저하, 접촉입자와의 혼합 촉진 및 고압화(가압유동층 연소) 등이 연구되고 있다[6]. 이러한 방법의 문제로는 유동층연소에서 N2O 생성을 감소시키면 NOx의 생성이 증가하는 경우가 대부분이므로, 확실한 N2O 억제로 보기 어려운 것이 현실이다.
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