KR20020064536A - 발열량 측정 기구 - Google Patents

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KR20020064536A
KR20020064536A KR1020010005098A KR20010005098A KR20020064536A KR 20020064536 A KR20020064536 A KR 20020064536A KR 1020010005098 A KR1020010005098 A KR 1020010005098A KR 20010005098 A KR20010005098 A KR 20010005098A KR 20020064536 A KR20020064536 A KR 20020064536A
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하대성
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김형만
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Abstract

본 발명은 폐기물 시료를 연소하여 발열량을 측정하는 기구에 있어서: 재킷(11), 버킷(12), 봄베(13)의 삼중 구조로 구성되고, 각각의 상부가 독립적으로 개폐 가능한 용기; 상기 버킷(12)에 충전되는 소정의 액체를 교반하도록 상기 재킷(11) 상에 설치되는 교반기(14); 상기 버킷(12)에 충전되는 소정의 액체의 온도를 검출하도록 상기 재킷(11) 상에 설치되는 서모커플(17); 및 상기 봄베(13)에 투입되는 시료를 연소시키도록 설치되는 연소수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
정확한 발열량 분석을 통하여 소각로 설계 및 조업조건을 결정하는 궁극적인 목적을 달성하는 효과가 있다.

Description

발열량 측정 기구{Device for Measuring Calorific Value}
본 발명은 발열량 측정 기구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정확한 발열량 분석을 통하여 소각로 설계 및 조업조건을 결정하는 궁극적인 목적을 달성하기 위한 발열량 측정 기구에 관한 것이다.
현재 우리 나라는 쓰레기의 분리수거를 강제하고 있으나 그 분리 정도가 낮아서 적정한 조건에서 폐기물 소각이 이루어지지 않고 있다. 따라서 각 지역마다 수거되는 폐기물의 발열량을 정확하게 아는 것이 폐기물 소각로의 효율적인 운전에 필수적이다.
그런데 현재 수입 사용되고 있는 발열량 측정장치는 측정 가능한 표본의 양이 1g 정도로 매우 작아 다양한 성분을 포함하는 폐기물의 발열량 값을 나타낼 수 없다. 특히 우리 나라의 폐기물은 외국에 비하여 수분을 많이 함유하고 있어 발열량 측정장치의 기능을 개선할 필요가 있다. 일예로 소각로의 발열량을 비교할 때 99년을 기준으로 전국평균이 1,511㎉/㎏인 반면 미국, 일본은 2,000㎉/㎏를 상회하여 소각로의 효율성이 매우 낮음을 알 수 있다.
따라서 발열량 측정의 문제점을 해결하여 소각로 운전의 최적화를 도모함은 물론, 기술경쟁력이 있는 소각로 제품을 개발함으로써 기업의 기술력 향상을 도모하는 것이 시급한 실정이다.
참고적으로, 발열량은 다음과 같이 구분된다.
(1) 발열량(Calorific Value): 연료(또한 폐기물)가 연소에 필요한 공기와 접하여 완전연소해서 연소생성물(수분, 재, 찌꺼기)이 최초의 온도까지 냉각되었을 경우, 외부에 방출한 열량을 의미하며, 보통 kcal/kg 또는 Btu/lb로 표시한다.
(2) 고위 발열량(Higher Calorific Value) 또는 총발열량(Total Calorific Value): 연료중의 수소(H)가 연소해서, 수증기(H2O)가 되는데, 이것이 전부 냉각해서 상온의 물이 되었을 때의 방출전열량을 말한다.
(3) 저위 발열량(Lower Calorific Value) 또는 참발열량(Net Calorific Value): 연소에 의해서 생성된 가스가 전부 기체인 경우의 방출전열량, 즉 연소생성수증기의 증발잠열을 고위발열에서 감한 것을 말한다.
발열량 측정 방법 및 원리를 크게 세가지의 카테고리로 설명한다.
(1) 열량계에 의한 방법
ⅰ) 봄베(Bomb) 열량계(고체 및 액체연료의 발열량 측정에 사용): 약 1g의 시료를 용기에 넣고 전기선에 의해 순수한 산소 약 20∼35기압(40기압이 넘으면 안됨) 분위기 하에서 점화시킨다. 점화된 시료의 연소에 의하여 발생된 열이 봄베를 둘러싼 물로 가열하게 된다. 물의 온도상승을 연속적으로 측정하여 이 온도 증가로부터 발열량을 계산할 수 있다. 이러한 과정을 거친 발열량은 고위 발열량이다.
ⅱ) 윤켈스식 유수형 열량계 : 약 1ℓ의 시료가스를 일정한 가스 압력 하에서 이것과 같은 온도의 공기와 함께 완전히 연소시켜 연소생성물을 최초의 가스 온도까지 냉각시켜, 생성된 수증기를 응축시켜, 발생한 열의 총량을 물로 흡수시킨다. 이때의 시료 가스량, 유수량 및 유수의 상승 온도로부터 열량을 구하고, 여기에 보정을 가하여 표준상태에 있어서의 건조가스 1m3의 발열량을 산출하여 kcal로 표시한 값을 고발열량으로 감는다. 저발열량은, 고발열량으로부터 응축수의 응축잠열을 감하여 산출한다.
ⅲ) 시그마 열량계 : 2중의 동심원에 배제된 금속제의 팽창체를 일정 조건의가스로 가열하여 팽창시키면, 온도의 변화에 따라서 상호의 위치가 달라진다. 그 정도를 확대하여 자기식으로 한 것이다.
참고적으로 한국산업규격(KS)에 있는 석탄류 및 코크스류의 측정방법에는 연연식 B형 열량계 또는 자동열량계가 사용된다.
(2) 원소분석에 의한 방법
i) 가연 3원소 발열량
가연 3원소의 연소열이 기본이 되는데, 문헌에 따라 다소 차이가 있다. 참고로 게재하면 [표 1]과 같다.
단 위 화학반응식 열관리 편람 기계공학 편람 화학공학 편람
Hh Hl Hh Hl Hh Hl
kcal/kg C + O2= CO2 8100 8100 8100 8100 8130 8130
H2+ 0.5(O2) = H2O 34000 28600 33910 28670 34200 28800
S + O2= SO2 2500 2500 2210 2210 2220 2220
kcal/Nm3 CO + 0.5(O2) = CO2 3035 3035 3020 3020 3045 3045
H2+ 0.5(O2) = H2O 3050 2570 3050 2570 3049 2571
ⅱ) 고체, 액체의 원소 성분에서 고위 발열량을 구하는 계산
▶Dulong식 kcal/kg▶Scheurer, Kestnertlr kcal/kg▶Steuer식 kcal/kg▶화학공학 편람 kcal/kg
ⅲ) 기체연료의 발열량 계산식
기체연료 내의 가연성분은 여러 종류가 있지만 일반적으로 공업용 연료에서는 일산화탄소(CO), 수소(H2), 포화탄화수소(CH4, C3H8등)와 불포화탄화수소(C2H4, C3H6등)이다.
▶ 계산식 H h = 3,050CO + 3,050H 2 + 9,530CH 4 + 15,280C 2 H 4 + 24,370C 3 H 8 + 32,010C 4 H 10 (kcal/Sm 3 ) H l = 3,035CO + 2,570H 2 + 8,570CH 4 + 14,320C 2 H 4 + 22,350C 3 H 8 + 29,610C 4 H 10 (kcal/Sm 3 )
(3) 공업분석에 의한 방법
이 방법은 폐기물의 3가지 성분[가연분(고장탄소+휘발분), 수분, 회분]의 조성비를 기준으로 하여 발열량을 추정하는 간이식으로써, 타방식에 비해 간편한 방법이기는 하지만, 연료가 폐기물과 같이 불균일한 물질인 경우와 수분을 50%이상 함유하고 있는 경우에는 상당한 오차가 발생하므로 반드시 단열 열량계에서 측정한 발열량과 비교 검토하여야 한다.
▶ 계산식(석탄)H h = 97 [81F + (96 - αW) (V + W)] kcal/kg(피치연탄)H h = 100 [81F + (96 - αW) (V + W)] kcal/kg(코크스)H h = 8100 (V + F) = 8100 (1 - A - W) kcal/kg여기서,F: 고정탄소(kg)V: 휘발분(kg)W: 수분(kg)A: 회분(kg)α는 수분에 관계되는 계수W〈 5.0% 이면α= 650W≥ 5.0% 이면α= 500
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 정확한 발열량 분석을통하여 소각로 설계 및 조업조건을 결정하는 궁극적인 목적을 달성하기 위한 발열량 측정 기구를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 기구의 주요부 조립 상태를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 기구의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 블록도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
11 : 재킷12 : 버킷
13 : 봄베14 : 교반기
15 : 교반익16 : 점화선
17 : 서모커플21 : 체크밸브
22 : 퍼지밸브23 : 점화단자
24 : 도선25 : 퓨즈
26 : 연료캡슐30 : 컨트롤러
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 폐기물 시료를 연소하여 발열량을 측정하는 기구에 있어서: 재킷(11), 버킷(12), 봄베(13)의 삼중 구조로 구성되고, 각각의 상부가 독립적으로 개폐 가능한 용기; 상기 버킷(12)에 충전되는 소정의 액체를 교반하도록 상기 재킷(11) 상에 설치되는 교반기(14); 상기 버킷(12)에 충전되는 소정의 액체의 온도를 검출하도록 상기 재킷(11) 상에 설치되는 서모커플(17); 및 상기 봄베(13)에 투입되는 시료를 연소시키도록 설치되는 연소수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징으로서, 상기 용기의 봄베(13)는 전열성과 기계적 강도가 우수한 소재를 사용하여 방폭구조로 성형된다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 연소수단은 산소를 투입하는 체크밸브(21)와, 배기를 배출하는 퍼지밸브(22)와, 전원을 인가하는 점화단자(23)와, 연소중 단선을 유발하는 퓨즈(25)와, 연료를 수용하는 연료캡슐(26)을 구비한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 기구의 주요부 조립 상태를 나타내는 구성도이다.
본 발명은 폐기물 시료를 연소하여 발열량을 측정하는 기구에 관련되며, 종래에 통용되는 기구의 기능을 분석하고 역설계를 통하여 예비설계 도면을 완성하고 적절한 사용재질을 선정한다. 또한 기능을 개선할 수 있는 작동 메커니즘을 보완하고 이론적 해석을 통해 정확하고 대량으로 발열량을 측정할 수 있는 방법을 고안한다.
우선, 본 발명에 따르면 재킷(11), 버킷(12), 봄베(13)의 삼중 구조로 구성되는 용기가 사용된다. 재킷(11) 내부에 버킷(12)이 수용되고, 버킷(12) 내부에 봄베(13)가 수용된다. 재킷(11), 버킷(12), 봄베(13)는 각각의 상부가 독립적으로 개폐 가능한데, 버킷(12)의 경우는 상시 개방 상태로 두어도 무방하다.
이때 상기 용기의 봄베(13)는 전열성과 기계적 강도가 우수한 소재를 사용하여 방폭구조로 성형된다. 재킷(11)은 플라스틱 소재를 사용할 수 있으며 이중의 벽면 구조로 하여 단열성을 높인다. 버킷(12)은 박판의 스테인레스 스틸 소재를 사용하고 재킷(11)에 거의 밀착되는 크기로 성형한다. 반면 봄베(13)는 연소가 진행되는 부분으로서 버킷(12)보다 후판의 스테인레스 스틸 소재를 사용하고, 그 상부의 커버는 실링을 개재하여 개폐시킨다.
또, 본 발명에 따르면 상기 버킷(12)에 충전되는 소정의 액체를 교반하도록 상기 재킷(11) 상에 교반기(14)가 설치된다. 교반기(14)는 모터, 벨트, 풀리, 교반익(15) 등으로 구성된다. 교반익(15)은 용기의 내측으로 버킷(12)의 중간 정도로 잠기도록 하고 용기의 외부에서 벨트와 풀리를 이용하여 모터에 연결한다.
또, 본 발명에 따르면 상기 버킷(12)에 충전되는 소정의 액체의 온도를 검출하도록 상기 재킷(11) 상에 서모커플(17)이 설치된다. 서모커플(17)의 하단은 교반익(15)과 동일한 버킷(12) 내에서 비슷한 깊이로 잠기도록 한다.
또, 본 발명에 따르면 상기 봄베(13)에 투입되는 시료를 연소시키도록 연소수단이 설치된다. 연소수단은 산소를 투입하는 체크밸브(21)와, 배기를 배출하는 퍼지밸브(22)와, 전원을 인가하는 점화단자(23)와, 연소중 단선을 유발하는 퓨즈(25)와, 연료를 수용하는 연료캡슐(26)을 구비한다. 체크밸브(21)와 퍼지밸브(22)는 재킷(11)을 거쳐 외부로 배관을 유도하는 구성도 가능하다. 점화단자(23)는 외부로 점화선(16)을 이용하여 컨트롤러(30)에 연결하고, 내부로 도선(24)과 퓨즈(25)를 이용하여 회로를 구성한다. 도선(24)은 Cu선을 사용하고 퓨즈(25)는 Ni-Cr선을 사용한다. 연료캡슐(26)은 스테인레스 스틸 소재로 성형하고 퓨즈(25)의 중간부분이 거치도록 한다.
상기와 같은 설계를 근거로 가능한 제작공정을 검토·설정하고 시제품을 제작하고 필요한 성능평가 시험을 거친다. 시제품은 재킷(11)의 크기 240×185×280 mm, 버킷(12)의 크기 170×115×214 mm, 연료캡슐(26)의 크기 직경 28.1mm ×깊이 14.85mm 로 하였다.
도 2는 본 발명에 따른 기구의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 블록도인 바, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 작동을 설명한다.
컨트롤러(30)에는 전원을 공급하는 수단과, 시간을 계측하는 타이머, 전원을 투입하는 점화 버튼 등이 구비된다.
1) 시료를 준비하여 봄베(13)내에 장입하고, 10cm 와이어의 퓨즈(25)를 양쪽의 도선(24)에 연결한 다음 봄베(13)의 뚜껑을 닫고 산소를 충진시킨다. 봄베(13)에 폭발성의 반응이 일어나는 시료 또는 다량의 시료를 과잉으로 충진하지 않는다. 또한 과다한 산소를 봄베(13)에 충진시키지 않으며 초기 충진 압력은 대략 40atm(590psig) 이하로 한다.
2) 물기가 완전히 제거된 버킷(12)에 증류수 2ℓ를 조용히 채운다.
3) 물을 채운 버킷(12)을 재킷(11)에 옮겨 고정시킨다.
4) 시료가 장입된 봄베(13)를 버킷(12)에 살며시 놓는다. 냉매가 없이 탁자 위에서 봄베(13)만을 놓고 착화시키지 않으며 통상 점화 중에 버킷(12)에 완전히 담겨야만 한다.
5) 교반기(14)의 작동이 원활한지 살핀 뒤 재킷(11)의 커버를 닫는다.
6) 교반기(14)의 벨트를 연결하고 모터를 작동한다.
7) 실험을 행하기 전에 시스템 온도를 평형시키기 위해 5분간 교반한다.
8) 타이머를 작동시켜 시간을 정확하게 읽고 그때의 온도를 읽는다.
9) 1분 간격으로 온도를 체크한다.
10) 점화 버튼을 5초 동안 누르고 재킷(11)에서 비켜난다. 점화선(16)을 봄베(13)의 점화단자(23)에 연결하기 전에는 절대로 점화 버튼을 누르지 않는다. 또한 물에 담긴 봄베(13)의 외면에서 어느 부위에서나 기포가 방출되면 점화하지 않도록 한다.
11) 점화 후 20초내에 온도가 상승하는데 몇 분 동안 상승속도가 대단히 빠르다. 온도 측정은 점화 후 30초 간격으로 정확하게 읽는다.
12) 점화 4∼5분 후 연속적으로 차이가 나지 않고 5분 동안 같은 온도가 계속적으로 나타날 때까지 1분 간격으로 읽는다.
13) 마지막으로 온도계를 읽은 후에 교반기(14)를 정지시켜 벨트를 풀고 재킷(11)의 커버를 연 후 온도계와 교반기(14)를 깨끗한 천으로 닦는다. 재킷(11)의 커버를 열어 탁자 위에 그냥 놓으면 온도계나 교반기(14)의 파손의 위험이 있으므로 별도의 스탠드 위에 올려놓는다.
14) 버킷(12)에서 봄베(13)를 들어올려 점화선(16)을 분리하고 깨끗한 천으로 봄베(13)를 닦는다.
15) 봄베(13)의 커버를 제거하기 전에 가스 압력을 낮추기 위해 퍼지밸브(22)를 열고 내용물이 튀어가지 않게 최소 1분 이상 천천히 가스를 배출시킨다.
16) 가스가 어느 정도 배출되고 나면 봄베(13)를 연다. 개방시 그을음이나 연소물 잔해가 있다면 다시 실험을 행한다.
17) 봄베(13)에 남아있는 퓨즈(25)의 길이를 측정하고 탄 부분의 길이를 계산하여 기록한다.
18) 비커에 담은 세척수를 스탠드 소디움 카보네이트(stand sodium carbonate)용액(0.0709N)으로 적정한다. 메틸 오린지(methyl orange) 또는 메틸 레드(methyl red)를 이용하여 포인트를 구분한다.
이때 발열량 측정 계산식은 다음과 같다.
계산식 t = tc- ta- r1(b-a) - r2(c-b)발열량 = t×W (bomb factor) - (e1+e2+e3) / m(시료의 무게)
여기서,
a = 점화 시간 (초기온도)
b = 총 상승의 60%에 온도가 도달할 때까지 시간 [a+(c-a)×0.6]
c = 온도 변화 속도가 일정하게 된 기간의 시작시의 시간 (온도 상승 후, 최고온도)
ta= 온도계 눈금 오차를 수정한 점화시간에서의 온도 (a값의 보정치)
tc= 온도계 눈금 오차를 수정한 상기 c에서의 온도 (c값의 보정치)
r1= 점화 전 5분 동안 온도 상승에 있어서의 비율 (분당 온도 단위, ℃/min, a값의 5분전)
r2= time c이후 5분 동안 온도 상승에 있어서의 비율 (℃/min, a값의 5분 후)
e1= 산 적정에 사용된 표준 알칼리 용액의 양 (㎖)
e2= 시수주의 황의 % [13.7×S(%)×m]
e3= 점화에 소비된 퓨즈(25)의 길이 (cm) [2.3×퓨즈 사용량]
parr 45C10 FUSE WIRE NI ALLOY 10cm를 사용할 때
[참고] ( 2.7 × wire 사용량 ) = No.34 B.& S. pageiron fuse wire를 사용할 때
W = 표준화(standardization)에서 측정된 열량계의 에너지 당량(energy equivalent)
m = 시료의 무게 (g)
폐기물 소각로를 설계함에 있어 로내 온도를 예측하는 것이 반드시 필요하다. 로내 온도가 낮을 경우에는 연소가 불완전하여 다이옥신 등의 오염물질이 많이 발생하고, 반면에 로내 온도가 높을 경우에는 로내 내화재료가 열화되어 수명이 단축되는 문제가 발생한다. 폐기물의 발열량에 따라 연소조건을 조절하여 소각로내 적정온도 850℃를 유지함이 필수적이고 이를 위해 열량계가 사용된다.
본 발명의 기구는 단일성분이 아니고 다양한 물질이 섞여 있는 폐기물의 발열량을 정확하게 측정하기 위해 표본을 채취하여 발열량을 측정하는 과정에서 표본 채취를 여러 번 수행하고 가능한 한 표본에 모든 성분을 포함시킬 수 있도록 측정량을 크게 유지할 수 있다.
이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 정확한 발열량 분석을 통하여 소각로 설계 및 조업조건을 결정하는 궁극적인 목적을 달성하는 효과가 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 폐기물 시료를 연소하여 발열량을 측정하는 기구에 있어서:
    재킷(11), 버킷(12), 봄베(13)의 삼중 구조로 구성되고, 각각의 상부가 독립적으로 개폐 가능한 용기;
    상기 버킷(12)에 충전되는 소정의 액체를 교반하도록 상기 재킷(11) 상에 설치되는 교반기(14);
    상기 버킷(12)에 충전되는 소정의 액체의 온도를 검출하도록 상기 재킷(11) 상에 설치되는 서모커플(17); 및
    상기 봄베(13)에 투입되는 시료를 연소시키도록 설치되는 연소수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발열량 측정 기구.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용기의 봄베(13)는
    전열성과 기계적 강도가 우수한 소재를 사용하여 방폭구조로 성형되는 것을 특징으로 하는 발열량 측정 기구.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 연소수단은
    산소를 투입하는 체크밸브(21)와, 배기를 배출하는 퍼지밸브(22)와, 전원을 인가하는 점화단자(23)와, 연소중 단선을 유발하는 퓨즈(25)와, 연료를 수용하는 연료캡슐(26)을 구비하는 것을 특징으로 하는 발열량 측정 기구.
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CN104076119A (zh) * 2014-06-18 2014-10-01 广州市建筑材料工业研究所有限公司 一种测定液体燃烧特性的装置和方法
CN112394084A (zh) * 2020-09-14 2021-02-23 万向一二三股份公司 一种有限空间内锂离子电池燃烧热值的测定装置及方法

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