[논문]폐기물 소각시설 굴뚝의 배기가스를 이용한 유기랭킨사이클 시스템의 열역학적 해석

김선희; 성태홍; 김경천

doi:10.7842/kigas.2017.21.5.27

폐기물 소각시설 굴뚝의 배기가스를 이용한 유기랭킨사이클 시스템의 열역학적 해석
Thermodynamic Analysis on Organic Rankine Cycle Using Exhaust Gas of the Chimney in a Resource Recovery Facility 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.21 no.5, 2017년, pp.27 - 35

김선희 (부산대학교 기계공학부) , 성태홍 (부산대학교 기계공학부) , 김경천 (부산대학교 기계공학부)

초록
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폐기물 소각시설 굴뚝의 배기가스를 측정하여 활용 가능한 폐열의 양과 질을 확인한 바 그 양과 온도는 13.8kg/s, $176.6^{\circ}C$ 정도였다. 본 연구에서는 R-245fa를 작동유체로 하는 소각폐열회수 유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle: ORC) 발전시스템을 설계하고 다음과 같이 3가지 사례조건들을 시뮬레이션을 하였다. 기본 ORC 시스템에 따른 시뮬레이션에서는 출력과 총효율이 각각 96.56kW, 14.13% 임을 확인하였다. 과열기 추가에 따른 시뮬레이션에서는 작동유체 과열에 따른 엔탈피 증가로 0.09%의 출력상승을 얻을 수 있었으나, 작동유체의 감소로 16.58kW 만큼 적은 출력을 보였다. 그리고 공정열교환기 추가에 따른 시뮬레이션에서는 남은 배기가스의 열을 공정열수를 생산하여 총효율 38.51%까지 향상시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

The amount and quality of waste heat from a resource recovery facility were measured. The temperature of exhaust gas was $176.6^{\circ}C$ and the amount of that was 13.8 kg/s. This research designed a waste heat recovery system whose working fluid is R-245fa. It simulated three study cases as follows. In simulation of a basic ORC system, the turbine power output and thermal efficiency were respectively 96.56 kW, 14.3%. In simulation of a superheater connection, 0.09% of efficiency could be improved due to the increase of enthalpy by overheating of working fluid, but the obtained output was decreased with 16.58kW because of the decrease of working fluid mass. In simulation of a process heater connection, efficiency was increased up to 38.51%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그럼에도 불구하고 기존 연구들은 실제 소각시설 굴뚝의 배기가스를 측정하고 그에 따른 ORC 시스템에 따른 시뮬레이션한 결과는 아직도 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 폐기물 소각시설에서 그 재활용이 용이치 않아 거의 대부분 폐기되고 있는 굴뚝의 배기가스를 전기로 재활용 할 수 있는 방안을 확보하기 위함이다. 소각설비의 열원 구조에 대응하여 추가 전력을 생산하기 위해서 유기랭킨사이클의 냉매 중 비교적 효율이 높고, 안전성이 널리 알려진 R-245fa 냉매를 이용하여 소각폐열회수 유기랭킨사이클 발전시스템을 설계하였다[15].
본 연구논문에서는 폐기물 소각시설을 대상으로 실제 굴뚝의 배기가스를 측정하고 다양한 유기랭킨시스템의 성능특성을 시뮬레이션을 통하여 검토하여 다음과 같은 결론들을 얻었다.

가설 설정

이 때 모든 작동유체는 액체 상태로 변하게 된다. 냉각수의 온도는 수돗물을 공급받는 것으로서 20℃로 가정하였다.
증발기를 지난 기체 상태의 작동유체는 터빈으로 유입되어 출력을 발생시킨다. 터빈의 입구압력은 20.9bar, 출력압력은 2.2kPa로 압력비는 약 9.5 으로 가정하였으며, 터빈의 효율은 85%로 가정하였다. 터빈에서 나온 작동유체는 응축기를 지나며 36℃까지 냉각된다.
9bar까지 승압된다. 펌프의 효율은 85%로 가정하였다. 승압된 냉매는 예열기를 통과하며, 36℃에서 124.
폐기물 소각시설의 굴뚝에 열교환기인 증발기(Vaporizer)와 예열기(Preheater)에 배기가스를 공급한다고 가정하였다. 시스템의 구성은 Figure 3-(a)와 같다.

제안 방법

소각설비의 열원 구조에 대응하여 추가 전력을 생산하기 위해서 유기랭킨사이클의 냉매 중 비교적 효율이 높고, 안전성이 널리 알려진 R-245fa 냉매를 이용하여 소각폐열회수 유기랭킨사이클 발전시스템을 설계하였다[15]. 3가지 사례연구인 기본, 과열기 및 공정열 교환기 추가에 따른 특성을 Matlab 프로그램과 NITS사의 REFPROP 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 하였다. Matlab은 시스템 설계 및 공정 시뮬레이션에 널리 사용되는 프로그램이며, NITS사의 REFPROP은 냉매의 물성치 계산에 사용되는 프로그램이다.
굴뚝의 배기가스 동압과 온도는 디지털 마노메타인 madur사의 maPress로부터 계측하였다. 동일한 시간때 가스에서 수분 제거를 위한 전처리, 배기가스의 성분 분석을 위하여 madur사의 장비 PGD-100, PHOTON을 사용하였다.
4℃로 임의 지정하였다. 그리고 공정열수의 온도는 사용목적에 따라 변경이 가능하고 냉각수와 마찬가지로 수돗물을 공급받는 것으로 설계하였다.
기 제작한 200 kW급 ORC 터빈을 바탕으로 터빈입구/압력을 각각 20 bar, 2.2 bar 그리고 응축온도는 36℃로 고정된 조건에서 사이클을 해석하였다[10]. Fig 6는 유기랭킨사이클 시스템에 대하여 사례연구의 영향을 나타낸 것으로 Fig 6-(a)는 열교환기, 터빈의 엔탈피 그리고 Fig 6-(b)는 배기, R245fa의 유량을 나타내고 있다.
굴뚝의 배기가스 동압과 온도는 디지털 마노메타인 madur사의 maPress로부터 계측하였다. 동일한 시간때 가스에서 수분 제거를 위한 전처리, 배기가스의 성분 분석을 위하여 madur사의 장비 PGD-100, PHOTON을 사용하였다. Table 1에 계측 및 분석에 사용된 측정 장비 상세를 나타내었다.
비산재, 중금속 등 입자상 오염물질과 더불어 염화수소(HCI), 황산화물(SO_X) 및 다이옥신을 제거하는 설비와 질소산화물(NO_X)을 제거하는 설비로 구성된다. 비산재, 중금속, 염화수소, 황산화물 및 다이옥신을 제거하는 설비로는 전기집진기, 백필터, 습식 세정기를 채택하였고, 질소산화물을 제거하는 설비로는 선택적 촉매 반응탑을 설치하였다. 통풍설비는 연소된 배출가스를 배출시키는 유인 송풍기, 연소가스를 대기로 방출하는 굴뚝(연돌) 등이 있다.
따라서 본 연구에서는 폐기물 소각시설에서 그 재활용이 용이치 않아 거의 대부분 폐기되고 있는 굴뚝의 배기가스를 전기로 재활용 할 수 있는 방안을 확보하기 위함이다. 소각설비의 열원 구조에 대응하여 추가 전력을 생산하기 위해서 유기랭킨사이클의 냉매 중 비교적 효율이 높고, 안전성이 널리 알려진 R-245fa 냉매를 이용하여 소각폐열회수 유기랭킨사이클 발전시스템을 설계하였다[15]. 3가지 사례연구인 기본, 과열기 및 공정열 교환기 추가에 따른 특성을 Matlab 프로그램과 NITS사의 REFPROP 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 하였다.
폐기물 소각시설 굴뚝의 배기가스 측정은 2014년 6월 25일 오전 2시 승온 시작으로 오후 1시 폐기물을 투입 후 성능 시험하는 동안 진행되었다. Fig.

성능/효과

(1) 배기가스 유량 계산법에 의해 배기가스 온도(150~190℃)는 증가함에 따라 배기가스 유량이 감 소하나 온도의 영향이 커서 열교환기인 증발기와 예열기의 입력 및 터빈의 출력이 증가한다.
(2) 터빈 입구 압력(5~25bar)은 증가함에 따라 작동유체에 대한 열교환기의 엔탈피 변화 상승과 터빈의 출력이 커지면서 유기랭킨사이클 시스템의 총 효율(6.2~14.8%)에 상당한 영향을 미친다.
(3)기본 ORC 시스템에 따른 시뮬레이션에서는 출력과 총효율이 각각 96.56kW, 14.13%이다.
(4) 과열기 추가에 따른 유기랭킨사이클 시스템에 서는 안정성을 고려한 과열온도(124.4→ 132.5℃)의 미비한 상승으로 R245fa에 대한 열교 환기 엔탈피 변화는 약간 증가하지만, R245fa 유량의 감소 때문에 총효율 증가가 적다.
(5) 공정열교환기 추가에 따른 유기랭킨사이클 시 스템은 총효율이 38.51% 정도이며 기본 ORC 시스 템의 총효율을 2배 이상 개선시킨다.
따라서 배기가스 유량 계산법에 의해 배기가스 온도(150∼190℃)는 증가함에 따라 배기가스 유량이 감소하나 온도의 영향이 커서 열교환기인 증발기와 예열기의 입력 및 터빈의 출력이 모두 증가하고 총효율은 모두 14.13%로 나타난다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유기랭킨사이클의 장점은 무엇인가?	최근에는 다양한 범위의 산업 열을 기계 일로 효과적으로 변환하는 유망한 방안으로 유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle, ORC)이 주목 받고 있다[1-4]. 유기랭킨사이클에서는 작동 유체로 비등점이 낮은 유기 물질을 주로 사용하기 때문에 보다 낮은 열원 온도에서도 효과적으로 구동될 수 있다. 또한 작동 온도 및 압력이 비교적 낮아 터빈에 작용하는 열적, 기계적 스트레스가 적으며, 적절한 유기 냉매를 선택하면 터빈 내부에서 팽창이 기체 상태로만 이루어져 액체에 의한 터빈날개의 손상 위험이 없으므로 유지보수가 쉽고, 구동이 간단하여 시스템을 통제하기가 수월하다[5-6].
	R-245fa 냉매의 장점은 무엇인가?	따라서 본 연구에서는 폐기물 소각시설에서 그 재활용이 용이치 않아 거의 대부분 폐기되고 있는 굴뚝의 배기가스를 전기로 재활용 할 수 있는 방안을 확보하기 위함이다. 소각설비의 열원 구조에 대응하여 추가 전력을 생산하기 위해서 유기랭킨사이클의 냉매 중 비교적 효율이 높고, 안전성이 널리 알려진 R-245fa 냉매를 이용하여 소각폐열회수 유기랭킨사이클 발전시스템을 설계하였다[15]. 3가지 사례연구인 기본, 과열기 및 공정열 교환기 추가에 따른 특성을 Matlab 프로그램과 NITS사의 REFPROP 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 하였다.
	연소가스 냉각설비, 배출가스 처리설비는 무엇인가?	그리고 연소가스 처리계통은 크게 연소가스 냉각설비, 배출가스 처리설비, 통풍설비로 구성된다. 연소가스 냉각설비는 폐기물의 연소 과정에서 발생하는 고온의 연소가스를 적절한 온도로 냉각하기 위한 설비로서 폐열 보일러, 증기 발전기 등이 있다. 배출가스 처리설비는 배출가스내의 오염물질을 제거하여 안전한 상태로 배출하는 시설이다. 비산재, 중금속 등 입자상 오염물질과 더불어 염화수소(HCI), 황산화물(SOX) 및 다이옥신을 제거하는 설비와 질소산화물(NOX)을 제거하는 설비로 구성된다. 비산재, 중금속, 염화수소, 황산화물 및 다이옥신을 제거하는 설비로는 전기집진기, 백필터, 습식 세정기를 채택하였고, 질소산화물을 제거하는 설비로는 선택적 촉매 반응탑을 설치하였다.

참고문헌 (15)

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Kim, D.Y., Kang, H.K., Kim, Y.T., "The development of a preliminary designing program for ORC radial inflow turbines and the design of the radial inflow turbine for the OTEC", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 38, 3, 276-284, (2014)

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Saleh, B., Koglbauer, G., Wendland, J., and Fischer, J., "Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles", Energy, 32, 1210-1221, (2007)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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