[폐기물] 소각 및 열분해

Q. 다음 중 이론 연소온도를 상승시키기 위한 방법과 가장 거리가 먼 것은?

① 연소효율을 높게 유지 시킨다.

② 연료 또는 공기를 예열시킨다.

∨③ 과잉공기량을 높게 유지 시킨다.

④ 발열량이 높은 연료를 사용한다.

 

Q. 고체연료의 연소방법 중 유동층 연소법에 관한 설명으로 틀린 것은?

① 유동층 매체를 석회석으로 하여 탈황을 실현할 수 있다.

∨② 미연탄소나 재의 방출이 최소화된다.

③ 다양한 특성의 연료의 적용이 가능하다

④ 유동층의 연소온도는 비활성층물질의 용융온도보다 낮아야 한다.

 

Q. 다음의 설명에 해당하는 소각로는?

- 연속적인 소각운전 가능

- 현재 대부분 대규모 도시쓰레기 소각시설에 채용

- 플라스틱과 같은 열에 연화, 용해되는 것은 부적합

- 교반력이 약하여 국부가열의 우려가 있다.

 

답 : 화격자소각로

 

Q. 다음의 설명에 해당하는 소각로는 무엇인가?

- 간헐운전이 가능하다.

- 기계적 구동부분이 적어 고장율이 낮다.

- 반응시간이 빨라 소각시간이 짧다.

- 분진발생량이 많고 투입 시 파쇄가 필수적이다.

 

답: 유동층상 소각로

 

Q. 다음 소각로 형식과 설명에 관한 것으로 틀린 것은?

∨① 로타리 킬른 방식은 짧은 체류시간으로 소각효율이 크지만, 수분이 함유된 폐기물의 처리가 쉽지 않은 측면이 있다.

② 습식산화법은 슬러지의 탈수성 개선이나, 액상폐기물의 무해화를 위하여 쓰일 수 있다.

③ 스토커방식은 현재 도시의 대형 폐기물 소각시설에 가장 널리 쓰이고 있으며, 많은 건설실적으로 공법에 안정성이 확보된 상태이다.

④ 유동상식 소각로는 큰 강열감량치를 나타낸다.

 

Q. 다음 중 소각로에 대한 설명으로 틀린 것은?

① 화격자소각로는 연속적 소각과 배출이 가능하다.

② 화격자소각로로 플라스틱과 같은 열에 열화되는 것을 소각할때는 Gratet이 막힐 위험이 있다.

③ 유동층상소각로는 유동매체의 열용량이 큰 장점이 있으나 파쇄등의 전처리를 해주어야 한다.

∨④ 로터리킬른 소각로는 열효율이 높고 먼지발생량이 적다.

⑤ 다다로식 소각로는 수분이 많고 발열량이 낮은 폐기물에 적합하다..

---

1. 슬러지 소각

- 슬러지에 열을 가함으로써 산화 가능한 유기물질을 이산화탄소와 수분으로 전환시 켜 제거하는 것으로 슬러지 처분량의 감소 및 안정화를 도모하는 것

1) 장점

① 위생적으로 안전하다(병원균이나 기생충 알의 사멸).

② 부패성이 없다.

③ 탈수케익에 비하여 혐오감이 적다.

④ 슬러지 용적이 1/50～1/100로 감소된다.

⑤ 다른 처리법에 비해 소요 부지면적이 적다.

 

2) 단점

① 대기오염방지를 위한 대책이 필요하다.

② 유지관리비가 상당히 높다.

③ 주변환경에 영향을 줄 수 있다.

-> 2차 오염 우려가 있고 배출물질로 인한 건강상 염려로 민원의 소지가 있다

④ 소각장을 건설할 경우 처리장의 입지조건을 충분히 검토하여야 한다

 

3) 소각로 종류

(1) 소각기능에 따른 분류

① 회분식 소각로

② 기계화 회분식

③ 연속식

④ 준연속식 

 

(2) 연소방법에 따른 분류 

① 화격자식 소각로 

- 화격자식 소각로는 대형 생활폐기물의 소각에 국내.외에서 널리 사용되고 있으며 세계적으로 약 90% 정도를 이 방식의 소각로로 처리하고 있다.

- 불균일한 폐기물층이 건조, 열분해, 고정탄소 연소과정이 순차적으로 일어나 분완전 연소에 의한 공해물질 발생이 적다

- 소각로 온도, 연소속도 등의 조절이 비교적 용이하다.

- 화격자를 통하여 외기 공기가 직접 폐기물과 접촉하므로 화격자에 접촉한 페기물의 온도 상승에 어려움이 있고 화격자의 틈으로 폐기물에 배출되는 문제점이 있다.

- 화격자 소각은 폐기물과 공기의 상대적인 움직임 및 열과 연소생성물의 흐름의 관점으로부터 병류식, 역류식, 중간류식 소각로로 분류되고 있다.

 

② 회전로식(로터리킬른Rotary Kiln) 소각로

- 형태가 원통형으로 폐기물의 종류와 성상에 관계없이 거의 모든 폐기물을 소각할 수 있다.

- 회전로식 소각로는 회전로에 의해 폐기물의 혼합이 양호하고 체류시간 조절이 용이하여 난연성, 유해폐기물의 소각에 널리 사용 되고 있으며 된다.

- 감염성 폐기물을 비롯하여 열가소성 플라스틱 폐기물 소각에 사용된다

- 일반적인 생활 폐기물 소각에는 적용되는 경우가 적으나 최근 열분해 용융식 폐기물 소각에 사용되고 있다.

- 회전로식 소각로는 회전로의 수평축을 기준으로 2~5도 정도 기울어진 원통형 용기와 이를 지지하고 회전 운동으로 구동하는 롤러가 핵심 구성 요소이다. 회전로 내부로 투입된 폐기물은 회전하면서 중력에 의해 혼합과 전진이 동시에 일어나 출구로 이송된다. 회전로식 소각로 안의 고체 물질의 체류시간은 원 통형 용기(vessel)의 수평각과 회전속도에 의해 결정되며 양호한 폐기물 완전연소 를 위해 보통 30~90분의 체류시간이 요구된다

 

- 장점

• 고체, 액체, 가스상 폐기물 및 슬러지를 각각 소각할 수도 있고 경우에 따라서는 이들 폐기물을 혼합하여 소각도 가능하다.
• 온도와 체류시간을 적절히 조절 가능하다
• 점착성 슬러지 처리가 가능하다 
• 수분이 많은 슬러지나 점성이 있는 슬러지의 소각에 사용할 수 있고 일반적으로 범용성을 가진다.
• 구조가 간단하고 취급이 용이하다.
• 동력비 및 운전비가 적게 소요된다.
• 소각재를 소결(燒結)시킬 수 있다.

- 단점 

• 설비를 위해 비교적 넓은 부지가 필요하다.
• 탈수성이 나쁜 케익을 사용하면 덩어리가 생겨 건조가 불충분하여지기 쉽다.
• 투자비에 비해 소각능력이 다소 떨어진다.
• 열방사에 의한 외부 열손실이 상대적으로 크다.
• 주입되는 슬러지나 건조고형물농도의 변화에 능동적으로 대처하기 어렵다.
• 악취발생의 소지가 있으며 배기가스를 통제하기 위하여 사이클론과 제거장치가 필요하다.
• 노에서 회수되는 회분이 매우 불균질하다.
  
  
  

③ 유동상(유동층)식 소각로

- 유동상 소각로는 입자가 비교적 적고 균일한 폐기물 또는 유기성 슬러지류와 같이 미세한 입자의 폐기물을 소각하는데 널리 이용되어 왔다.

- 주로 수직 원통 형태의 내벽이 주 연소실이고 하단 부분에서는 폐기물과 유동매질을 지지하는 분배판이 위치하고 분배판 하단에서 공급되는 압축공기에 의해 페기물과 불연성의 유동매질(모래나 재 등)의 층을 이루면서 유동화되어 연소된다.

- 이 소각로에 서는 폐기물이 유동층 내부로 주입되어 가열된 유동매질과 연소중인 폐기물과 신속 히 혼합되고 유동 공기에 의해 연소반응이 일어난다.

- 장점

• 유동매체의 열용량이 매우 크기 때문에 액상슬러지나 건상슬러지에 관계없이 연소가 가능하며 소각시간이 매우 짧고 소각로가 콤팩트하다.
• 연소효율이 높고 소각되지 않는 양이 매우 적기 때문에 로 잔사매립에 의한 2차 공해가 없다.
• 소량의 과잉공기(20～25%)를 사용하기 때문에 보조연료비가 절감되며 배출가스량도 적다.
• 로 내에 기계적 가동부분이 없기 때문에 유지관리가 용이하다.
• 로 내 온도의 자동제어 및 열회수가 용이하다.
• 로의 배기가스 온도를 탈취 한계온도 이상으로 제어할 수 있기 때문에 탈취를 위해서 추가적인 시설을 하지 않아도 된다. 즉, 배기가스 중의 악취문제를 해결할 수 있다.
• 유동매체에 석회, 돌로마이트 등을 혼합함으로써 로 내에서 탈황, 탈염소가 가능하다. 실측 예에 의하면 850℃에서 운전되는 유동층소각로에서 탈황률은 97%, 탈염소율은 92% 정도가 가능하다.
• 유동매체의 축열량이 크기 때문에 단기적인 가동이나 간헐적인 가동에도 유리하며 운전정지 후 재가동 시에도 유리하다.

 

- 단점

• 다단소각로 및 회전소각로 등에서는 소각재의 대략 90% 이상이 노하부에서 제거되지만 유동층에서는 모두 상부에서 배기가스와 함께 가스 상태로 배출되며 유동매체와 슬러지의 충돌에 의한 작은 입자상 물질이 추가적으로 발생할 소지가 크다.
• 소각 시 효율을 높이기 위해서 전처리로서 슬러지 분쇄과정이 수행되어야 한다.
• 유동매체로 규소 등을 사용할 때에 손실이 발생하므로 손실보충을 연속적으로 하여야 한다. 따라서, 마모가 적은 유동매체의 사용 및 추가적인 개발이 필요하다.

 

④ 스토커식 소각로

-  스토커 타입(연소방법)에 따른 분류

• 순송식

: 폐기물이 투입되면 상당한 높이에서 낙하하여 소각로의 화격자상에 연소하도록 된 것으로 고온의 연소가스는
폐기물하락 부위를 통과하여 폐기물 건조효과를 얻도록 한 전진식(Von Roll)과 일열은 고정시키고 다른 일열은 왕복운동을 해서 일정량의 폐기물이 이송되도록한 계단-전진식( L & C Steinmuller GmbH) 과 단계이동식(EVT)로 구분된다.

 

• 역송식

- Martin사가 개발한 소각로로 화격자가 윗부분으로 움직이므로 안쪽의 화근(불씨)은 위쪽으로 밀면서 겉부분의 미연소된 폐기물을 뒤섞이게하여 하부로 굴러 내려가도록 설계한 특이한 구동방법이라 하겠다.
= 이 때의 연소현상은 상부측에서는 건조와 착화 그리고 주연소의 과정이 이루어지고 있으며 후연소 과정이 일어나고 있어전체화격자의 길이는 건조, 연소, 후연소의 3부위가 분명히 구분되는 전진형 화격자 소각로인 경우보다 짧게 설계할 수 있는 점과 착화하기 힘든 폐기물과 수분량이 많은 저발열량의 폐기물 연소시에 적합한 소각로라 볼 수 있다. 

- 고발열량 폐기물인 경우 소각후 얻어지는 연소가스는 열과 많은 미연소성분 그리고 2차 공해물질이 함유될 수 있음에 유념해야 한다. 즉 건조부나 건조에 필요한 시간이 적을 때 습한 염기성 물질을 포함한 폐기물은 주입과 동시에 연소과정에 돌입하여 저산소하에서 저온으로 불완전, 불안정연소가 발생하여 CO, 다이옥신류 등이 발생하며, 보일러벽 등을 심하게 부식시키는 원인이 되고 있다.

 

• 원통회전식

- 대개의 겨우 6개의 원통상 화격자가 20∼30°경사로 위치해 있으며 서서히 각각 회전하면서 소각시키는 방법

- 각 로의 크기는 적용페기물량에 따라 결정되나 화격자는 원통직경 1.5m와 길이 약 5m인 경우 1000여개의 막대형 부품으로 조립되어 있어 부분손상시 쉽게 교체할 수 있다.

- 폐기물 주입은 약 75∼80Cm 두께로 골고루 주입시키고 있는데 이 때 사용되는 장치는 피터로써 유압을 이용하는 것이
보통이다. 연소 상태에 따라 각 화격자의 회전속도가 잘 조절되어야 하며 주연소용 공기의 배분도 중요하다.

 

- 연소가스 흐름방향에 따른 분류

연소실 내에서 연소 가스와 폐기물의 흐름에 따라 아래와 같은 조작방법이 있다.

• 향류식 

- 향류식은 폐기물의 이송 방향과 연소 가스의 흐름 방향이 반대로 향하고 있는 형식

- 복사열의 이송방향과 연소 가스의 흐름 방향이 반대로 향하고 있는 형식으로 복사열에 의한 건조에 유리하고 폐기물의 질이 나쁜 경우에 적당한 형식이다.

 

• 병류식

- 병류식은 폐김물의 이송 방향과 연소 가스의 흐름 방향이 같은 형식

- 폐기물의 발열량이 상당히 높은 경우에 적당한 형식이다.

 

• 교류식

- 교류식은 양자의 흐름이 교차하는 향류식과 병류식의 중간적인 형식
- 중간 정도의 발열량을 가지는 폐기물에 적합하며, 두 흐름이 교차하는 점을 중심으로 비교적 발열량이 높은 폐기물에 있어서는 후연소 화격자에 오게 하고 발열량이 낮은 폐기물에 있어서는 건조 화격자에 오게 하는 것이 일반적이다.

 

• 2회류식 

- 2회류식은 2개의 연도를 갖고 한쪽 방향의 연도에 설치된 댐퍼(damper)의 조작에 의해 향류식·병류식 또는 양자의 중간 형태를 얻을 수 있는 형식이다.

 

⑤ 다단로식 소각로

 

- 종류 

• 입형원통형 다단로
• 회전디스크형 다단로
• 각형 다단로
• 열분해형 다단로

- 장점 

• 단순히 습식세정을 사용해도 배출되는 가스중 입자상 물질이 매우 적다.
• 유량의 변화에 민감하지 않고 고형물의 노내 체류시간이 3～4시간 정도로 안정되어 있다. 또한, 중앙부에서 차가운 공기를 재순환시킴으로써 열수지의 유지가 가능하며, 역류로 운전되므로 스모크에 의한 열손실이 줄어든다.
• 정상적인 부하보다 낮은 상태에서도 안정적인 운전이 가능하다.
• 상대적으로 에너지 소비량이 합리적이다.
• 소각로를 운전하는데 별 어려움이 없으며, 슬러지 주입이 용이하다.

- 단점 

• 노가 상당히 많은 열적비활성물질을 포함하고 있어 운전 시작 시 많은 양의 보조열이 필요하다.
  따라서, 연속적으로 가동하는 것이 유리하며 가급적 간헐적 운전 및 운전중지는 피하는 것이 좋다.
• 50～80% 정도에 이르는 많은 잉여공기량이 필요하다.
• 400℃ 정도의 낮은 온도로 운전할 경우 열회수가 어렵고 회수시에도 특별한 장치가 필요하다.
• 대기 중으로 악취를 발산할 우려가 있다.

 

2. 열분해 

- 폐기물을 무산소 상태에서 400~800℃의 열을 가하면 폐기물에 포함된 유기물이 화학반응하여 합성가스를 발생시키고, 가스화 반응을 하지 않은 Char나 Ash는 1,300℃이상의 고온에서 용융을 하여 무해화는 친환 경적인 폐기물처리 기술이다.

- 이때 생성된 Syngas(합성가스)에는 CO, H2가 포함되어 있기 때문에 연소하여 스팀이나 전기를 생성할 수 있고, 이를 합성하여 DME, SNG, 에탄올 등 원유를 대체할 수 있는 연료를 생산할 수 있다.

- 합성가스의 성분 중 수소를 이용하면 수소연료전지를 가동할 수 있으며, 이 경우에는 합성가스 중 CO와 물을 반응시켜 수소를 증대하는 수성가스전이반응(WGS : Water Gas Shift reaction; CO + H2O → CO2 + H2)를 통해 수소의 분율을 높이게 된다

- 유해물질(산성가스, 미연분, 먼지, 극미량의 다이옥신, 중금속 등 극독물)의 제거 및 정제 공정을 용융·열분해로와 최종 제품화 처리공정 사이에 배치한다.
- 유해물질의 제거·정제 공정에는 건식 중화 흡착법, 습식 중화 흡착법, 고도 흡착법의 3단계 공정을 거치게 한다.

1) 장단점 

- 장점

• 저장수송이 가능한 연료를 회수할 수 있다
• 배기가스량이 적어 가스처리장치가 소형이어도 된다
• 3가크롬이 6가크롬으로 전환되지 않는다
• 황 및 중금속이 회분 속 고정되는 비율이 소각보다 크다

 

- 단점

• 반응이 활발하지 못해 대용량이 필요하다
• 흡열반응이므로 외부에서 열을 공급시켜야 한다
• 반응성이 적어 파쇄, 선별 등 전처리가 필요하다
• 반응생성물을 연료로 이용하기 위해 별도의 정제장치가 필요

 

2) 종류

- 습식산화법

- 저온 열분해법

- 고온 열분해법 

 

3) 열분해 영향인자

(1) 반응온도

- 온도가 증가될수록 H2, CO 등이 증가, CO2감소, Tar와 Char 감소

 

(2) 가열속도

- 가열속도가 증가할수록 수분과 액상 유기물이 감소한다

 

(3) 수분함량

- 수분함량이 많을수록 운전온도까지 올리는데 소요시간이 많이 필요하다

 

(4) 압력 증가

- 압력이 증가할수록 char 가소

- 분자량이 적은 탄화수소 증가

- 체류시간 감소

 

(5) 반응물의 크기

- 반응물 크기가 작을수록 분해반응이 촉진된다 

 

 

출처

https://www.konetic.or.kr/

http://kfem.or.kr/?p=20261

https://www.konetic.or.kr