KR0150624B1

KR0150624B1 - 유동상 소각반응기를 이용한 폐기물의 대용량 발열량 측정장치

Info

Publication number: KR0150624B1
Application number: KR1019950032448A
Authority: KR
Inventors: 구자공; 정재우; 윤오섭; 이익재
Original assignee: 윤덕용; 한국과학기술원
Priority date: 1995-09-28
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 1998-12-01

Abstract

본 발명은 폐기물의 열처리의 중요한 설계인자로서 중요한 요소 중의 하나인 발열랑을 측정하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 유동상 소각반응기를 이용한 폐기물의 대용량 발열량 측정장치는, 폐기물을 유량과 온도가 측정된 공기의 존재하에 유동사에 의해 연소시키는 유동상 소각반응기, 유량과 온도가 측정된 공기에 의해 전기 유동상 소각반응기로 부터 추출된 열의 온도를 측정하기 위한 열전대, 전기 유동상 소각반응기에서 발생하는 배기가스의 온도를 측정하기 위한 열전대, 전기 온도가 측정된 배기가스의 수분을 제거하는 여과기 및 조성을 분석하는 가스분석기를 포함한다. 본 발명의 유동상 소각반응기를 이용한 폐기물의 대용량 발열량 측정장치에 의하면, 모든 종류의 폐기물 및 시료에 적용하여 분석하고자 하는 물질을 대표할 수 있는 양의 시료를 분석할 수 있다.

Description

유동상 소각반응기를 이용한 폐기물의 대용량 발열량 측정장치

제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유동상 소각반응기를 이용한 대용량 발열량 측정장치의 개략적인 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 유동상 소각반응기 2 : 분산판

3, 3' : 공기주입기 4, 4' : 공기유량계

5 : 시료주입기 6 : 시료탱크

7 : 가스분석기 8 : 여과기

9 : 열선 10 : 유동사

T1∼T7 : 열전대

본 발명은 폐기물의 대용량 발열량 측정장치에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 유동상 소각반응기를 이용하여 폐기물의 열처리에 중요한 설계인자 중의 하나인 발열량을 측정하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로, '폐기물의 발열량'이라 함은 폐기물이 완전연소될때 발생되는 열량으로서, 구체적으로 연료(폐기물)의 단위량과 반응에 관여할 산소를 0℃로 하고, 완전연소를 행한 후 다시 0℃로 하는데 필요한 냉각열량으로서 정의될 수 있다.

연료(폐기물) 중에 수분 또는 수소분을 함유하는 경우에는 연소 생성물 중에 수증기 또는 수분을 갖게 되지만, 물의 경우가 수증기의 경우보다 수분의 증발열에 해당하는 것만큼 발열량이 높다. 그러므로, 연소 생성물(배기가스) 중의 수분이 액상일 때의 발열량을 '고위발열량'이라 하고, 수분이 증발(수증기 상태)할 때의 발열량을 '저위발열량'이라 한다. 이러한 발열량은 폐기물의 처리시설, 특히 폐기물 소각설비 등의 설계시에 소각시의 보조연료의 사용량, 소각로 내벽의 재질, 배기가스 제어장치의 배열 등을 결정하는 중요한 인자이다.

현재까지 발열량을 측정하는 방법으로는, Bomb calorimeter에 의한 고위발열량의 측정법과 각종 추산식에 의해 저위발열량을 측정하는 방법이 사용되어 왔다 : 이중, Bomb calorimeter에 의한 발열량을 측정하는 방법은 시료의 양이 약 1g정도이며, 일정한 압력의 산소를 넣어 전기적으로 점화시켜 완전연소에 의해 발열량을 측정하는 방법이다. 한편, 추산식에 의한 방법은 원소분석치나 공업분석치에 의해 발열량을 측정하는 방법으로, 일반적으로 널리 이용되는 방법으로는 원소분석치를 이용한 Dulong식, Scheurer-Kestner식, 공업분석치를 이용한 3성분식(시료의 조성을 가연분, 수분, 회분으로 나누어, 각각의 조성 %를 식에 대입하여 발열량 계산) 및 4성분식(가연분, 수분, 회분외에 플라스틱의 함량을 고려) 등이 있다.

전술한 발열량 측정방법은 박승조 등에 의해 지적된 바와 같이, Bomb calorimeter로 발열량을 측정할 경우, 시료의 양을 1g단위로 사용함으로 인하여 초대물질, 쓰레기 등과 같은 여러 성분이 섞여 있는 혼합물질의 발열량을 측정하는데는 시료의 대표성을 가질 수 없다는 한계점을 노출하였다(참조 : 박승근, 배성근, 폐기물학회지 3(1) : 71-84(1986)). 또한, 추산식의 경우는 특수한 목적을 위해 개발된 방식이므로(예를 들면, Dulong식의 경우는 석탄의 발열량을 측정하기 위해 개발됨) 적용분야에 있어서 제한적이며, 쓰레기 각 성분간의 작용에 의한 발열량의 변화를 알 수 없다는 문제점을 지니고 있었다.

한편, 이러한 선행기술의 문제점을 극복하기 위한 노력으로, 영국과 미국에서는 실험적인 소용량 발열량 측정장치보다는 현실적으로 실용화할 수 있는 대용량 발열량 측정장치에 대한 관심이 고조되어, 물속에 있는 반응기내에서의 연소를 통한 물의 온도변화를 측정하여 열수지를 세우는 접근 방식을 채용하기도 하였으나(참조 : Gordon R. Darbon et al., Conservation Recycling, 4 : 235-238(1981) ; M.L.Reilly et al., Resource and Conservation, 8 : 159-165(1982) ; P.A.Vesilind, Waste Management Research, 1 : 147-155(1983), 이러한 시도는 반응기의 운전조건을 맞추기 어려우며, 냉각수 온도측정의 어려움 등의 문제점으로 인해 실용화되지 못하였다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래의 폐기물의 열처리에 중요한 설계인자인 발열량 측정의 한계성을 극복하기 위한 것으로, 본 발명자들은 모든 종류의 폐기물 및 시료에 적용하여, 분석하고자 하는 물질을 대표할 수 있는 양의 시료를 분석할 수 있는 발열량 측정장치를 개발하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

결국, 본 발명의 주된 목적은 유동상 소각반응기를 이용하여 폐기물의 열처리에 중요한 설계인자 중의 하나인 발열량을 측정하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 유동상 소각반응기를 이용한 폐기물의 대용량 발열량 측정장치는, 폐기물의 유량과 온도가 측정된 공기의 존재하에 유동사에 의해 연소시키는 유동상 소각반응기 ; 유량과 온도가 측정된 공기에 의해 전기 유동상 소각반응기로 부터 추출된 열의 온도를 측정하기 위한 열전대 ; 전기 유동상 소각반응기에서 발생하는 배기가스의 온도를 측정하기 위한 열전대 ; 및, 전기 온도가 측정된 배기가스의 수분을 제거하는 여과기 및 조성을 분석하는 가스분석기를 포함한다.

이때, 폐기물은 시간당 투입량을 조절할 수 있는 회전식 시료주입기(rotary feeder)에 의해 연속적으로 주입된다. 본 발명의 발열량 측정장치에서 소각반응기는 유동상 소각방식을 채용하였는 바, 유동상 소각방식은 폐기물의 완전연소에 가까운 연소를 할 수 있고, 수분이 많은 폐기물에 대해서도 연소효율이 뛰어나다는 장점있으며, 바람직하게는, 2 내지 4kW의 열선(Kenthal line)을 전기 유동상 소각반응기의 하부 외벽에 감아서 사용한다. 아울러, 유동사의 하부에 전기 소각반응기로 유입되는 공기를 고르게 확산시키기 위한 삼각배치의 분산판을 분산구멍의 직경을 0.5 내지 2㎜, 갯수를 12 내지 15개로 조절하여 구비한다.

본 발명의 대용량 발열량 측정장치는 ㎏단위의 시료를 유동상 소각 반응기를 이용하여 연속적으로 연소시키면서, 소각반응기를 하나의 계(system)로 하고, 열 및 물질수지(heat mass balance)를 이용하여 폐기물의 발열량을 측정하는 장치로서, 후술하는 바와 같이 반응기내의 열손실 항목을 측정하여 열수지에 대입함으로써 폐기물의 발열량을 용이하게 구할 수 있다.

본 발명의 발열량 측정장치에서 계를 통해 유입되는 열량은

① 소각반응기 외부에 감겨진 열선(전기열선)에 의해 유입되는 열량

② 폐기물의 연소에 의해 발생되는 열량으로 구분될 수 있으며,

계를 통해 유출되는 열량은

① 냉각공기에 의해 추출되는 열량

② 배기가스가 가지고 나가는 열량

③ 소각반응기 외벽으로 손실되는 열량으로 구분될 수 있다.

이러한 유출·입 열량에 대해 질량보존의 법칙과 에너지보존의 법칙을 사용하여 열수지(heat balance)를 세우면 다음과 같다 :

상기 식에서, Q_base는 폐기물을 주입하기 이전의 소각반응기가 예열된 기저상태에서 측정한 예열된 공기열량(Q_air)으로 전기적 가열에 의해 유입된 열량을 의미하여, 소각반응기 외벽으로 빠져나가는 열량(Q_wall), 냉각 공기에 의해 유출되는 열량(Q_cair)의 합을 의미한다.

따라서, 상기 식(1)은 다음과 같이 정리될 수 있다 :

상기 식(2)에 Q_waste=M_wasteEHV를 대입하면 다음과 같이 될 수 있다 :

상기 식(3)에서 보는 바와 같이, 폐기물의 발열량(EHV)은 이동식 발열량계 내의 냉각공기에 의한 유출열량, 배기가스에 의한 유출열량, 소각반응기 외벽으로의 열손실량 및 기저상태에서의 소각반응기로의 유입열량을 측정함으로써 간단히 측정될 수 있다.

이러한 원리에 의해 발열량이 측정되므로, 발열량 측정계(system)에는 각 항목을 측정할 수 있는 장치가 구비되어야 하며, 구체적으로 필요한 측정항목은 다음과 같다 :

① 폐기물의 투입량

② 냉각공기에 의해 유출되는 열량(Q_cair)

③ 배기가스에 의해 유출되는 열량(Q_fiue)

④ 외벽에 의해 손실되는 열량(Q_wall)

⑤ 전기에 의해 유입되는 열량(Q_base)

본 발명의 발열량 측정장치에서, ①의 폐기물의 투입량은 시간당 투입량을 조절할 수 있는 회전식 시료주입기(rotary feeder)에 의해 주입되므로 쉽게 알 수 있으며 ; ②의 냉각공기에 의해 유출되는 열량(Q_cair)은 냉각 공기가 유입 및 유출되는 지점에 설치된 열전대(T2, T4) 및 유량계(4')에 의해 측정이 가능하고 ; ③의 배기가스에 의해 유출되는 열량(Q_fiue)은 가스분석기(7)에의해 발생되는 기체성분의 농도 및 각 성분의 비열을 측정함으로써 구할 수 있으며 ; ④의 외벽에 의해 손실되는 열량(Q_wall)은 소각 반응기 외벽에 설치된 열전대(T5, T6, T7)에 의해 각 지점의 온도를 측정하여, 하기 식(4)와 같이 표현되는 Simplified Nusselt Equation에 의해 구할 수 있고 ; ⑤의 전기에 의해 유입되는 열량은 폐기물의 투입전, 공기만에 의한 동일한 과정의 열수지에서 구할 수 있다.

한편, ④의 외벽에 의해 손실되는 열량(Q_wall)을 구하는 방법을 구체적으로 기술하면,

상기 식(4) 및 (5)에서, h는 자연대류에 의한 열전달계수 ;

L은 소각반응기 벽면길이 ; 및,

△ T는 소각반응기 외벽과 주위공기와의 대수평균 온도차(K)이다.

따라서, 상기에서 구한 열전달계수와 소각반응기와 주위대기와의 평균온도차를 전기 식(4)에 대입하여 소각반응기 외벽에서 손실되는 열량을 계산한다.

상기 식(6) 및 (7)에서, qn는 소각반응기 외벽에서의 열량손실(kcal) ; 및, An는 소각반응기 외벽의 표면적(㎡)을 각각 의미한다.

이하, 본 발명의 대용량 발열량 측정장치를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 실시예에 따른 유동상 소각반응기를 이용한 폐기물의 대용량 발열량 측정장치의 개략적인 구성도이다. 제1도에서 보듯이, 본 발명의 폐기물의 대용량 발열량 측정장치에서는, 시간당 투입량을 조절할 수 있는 분석시료를 시료탱크(6)에 저장하였다가 회전식 시료주입기(5)를 통해 유동상 소각반응기(1)로 주입되면, 공기주입기(3)와, 공기유량계(4) 및 열전대(T1)를 통과하면서 유량과 온도가 파악된 공기가 전기 유동상 소각반응기로 유입되며, 열선(9)으로 시료의 착화온도까지 가열되어 있는 유동사(10)와 전기 주입된 시료가 혼합되어 연소된다. 이때, 전기 유동상 소각반응기로 주입된 시료를 착화 및 연소시키기 위하여 전기 유동상 소각반응기의 하부 외벽은 열선(9, Kenthal line)을 감아서 사용하며, 소각반응기로 유입되는 공기를 고르게 확산시키기 위한 분산판(2)을 유동사(10)의 하부에 설치한다. 한편, 전기 유동상 소각반응기(1)를 둘러싸고 있는 상부 외벽의 손실되는 열량을 측정하기 위해서, 열전대(T5, T6, T7)를 설치하여 유동상 소각반응기 외벽의 온도를 측정한다.

연소시 소각반응기로 부터 발생한 열은, 공기주입기(3'), 공기유량계(4') 및 열전대(T2)를 통과하면서 유량 및 온도가 파악된 공기를 통해 소각반응기로 부터 추출된 다음, 열전대(T4)를 통해 온도를 측정하고 유출시킨다. 한편, 연소시 소각반응기(1)로 부터 발생한 배기가스는 열전대(T3)를 통해 온도를 측정한 후, 여과기(8)를 통과하여 수분을 제거하고, 가스분석기(7)를 거치면서 조성이 분석된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유동상 소각반응기를 이용한 대용량 발열량 측정장치의 작용효과를 보다 상세히 설명한다.

이들 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되는 것이 아니라는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

[실시예]

본 발명의 유동상 소각반응기를 이용한 대용량 발열량 측정장치를 가지고 HDPE(high density polyethylene), HDPE(50%)+주방폐기물(50%), HDPE(50%)+슬러지(50%), HDPE(25%)+주방폐기물(75%), HDPE(25%)+슬러지(75%)에 대해 발열량을 측정하여, 그 결과를 하기 표1에 나타내었다.

대전지역에서 발생한 일반도시 폐기물의 발열장치를 분석한 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 유동상 소각반 용기를 이용한 대용량 발열량 측정장치에 의해 측정된 발열량과 종래의 저위 발열량에 의한 발열량과 비교하면, 열손실에 의해 약 20 내지 30 kcal/㎏의 차이를 나타내고 있으나, 비교적 근접한 수치를 나타내고 있다.

Claims

시간당 투입량이 조절되는 폐기물을 유량계(4) 및 열전대(T1)에 의해 유량과 온도가 측정된 공기의 존재하에 유동사(10)에 의해 연소시키는 유동상 소각반응기(1) ; 유량계(4') 및 열전대(T2)에 의해 유량과 온도가 측정된 공기에 의해 전기 유동상 소각반응기로 부터 추출된 열의 온도를 측정하기 위한 열전대(T4) ; 전기 유동상 소각반응기에서 발생하는 배기가스의 온도를 측정하기 위한 열전대(T3) ; 및, 전기 온도가 측정된 배기가스의 수분을 제거하는 여과기(8) 및 조성을 분석하는 가스분석기(7)를 포함하는 폐기물의 대용량 발열량 측정장치.
제1항에 있어서, 폐기물은 회전식 시료주입기(5)에 의해 시간당 투입량이 조절되며 연속적으로 주입되는 것을 특징으로 하는 폐기물의 대용량 발열량 측정장치.
제1항에 있어서, 소각반응기는 유동상 소각형태이며, 2내지 4kW의 열선(9)을 하부 외벽에 감아서 사용하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 대용량 발열량 측정장치.
제1항에 있어서, 소각반응기는 외벽에 열전대(T5, T6, T7)를 설치하여 손실되는 열량을 측정하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 대용량 발열량 측정장치.
제1항에 있어서, 유동사의 하부에 전기 소각반응기로 유입되는 공기를 고르게 확산시키기 위한 분산판(2)이 구비된 것을 특징으로 하는 폐기물의 대용량 발열량 측정장치.