KR20100102600A - 유동 소각로 및 이것을 이용한 오니의 유동 소각 방법 - Google Patents

유동 소각로 및 이것을 이용한 오니의 유동 소각 방법 Download PDF

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Abstract

오니가 투입되는 노체(1)의 내부를 높이 방향으로 분할하여, 하측 부분을 공기비가 1.1 이하인 유동용 공기를 연료와 함께 공급하여 연소시켜 오니를 유동시키면서 열분해하는 열분해존(3)으로 하고, 그 직상(直上) 부분을 공기비가 0.1∼0.3인 연소용 공기만을 공급함으로써, 국소 고온 지점을 형성하여 N2O를 분해하는 층상 연소존(4)으로 하며, 노체의 최상부를 미연분을 완전 연소시키는 완전 연소존(5)으로 한다. 보조 연료의 사용량을 종래의 소각 방법과 동등한 레벨로 유지하면서, 오니의 소각시에 발생하는 N2O의 양을 대폭 삭감할 수 있다. 또한, 열분해존(3)과 층상 연소존(4) 사이에 보조 연료만을 공급하여 N2O를 분해하는 보조 연료 반응존(10)을 형성하면, N2O의 발생량을 더 삭감할 수 있다.

Description

유동 소각로 및 이것을 이용한 오니의 유동 소각 방법{FLUIDIZED-BED INCINERATOR AND METHOD OF FLUIDIZED-BED INCINERATION OF SLUDGE WITH THE SAME}
본 발명은 온난화 가스인 N2O의 발생을 억제하면서 N 함량을 갖는 오니를 소각할 수 있는 유동 소각로 및 이것을 이용한 오니(sludge)의 유동 소각 방법에 관한 것이다.
하수 오니로 대표되는 오니 속에는 단백질에서 유래된 다량의 N 함량을 갖기 때문에, 소각에 의해 각종 질소 산화물이 생성되어 대기 중으로 방출되고 있다. 이들 질소 산화물 중에서도 특히 N2O(아산화질소)는 CO2에 비하여 310배의 온난화 효과를 나타내는 가스이기 때문에, 그 삭감이 특히 강하게 요구되고 있다.
종래부터 오니의 소각에는 다이옥신을 쉽게 발생시키지 않는 유동 소각로가 널리 사용되고 있고, 일반적으로 약 800℃에서 소각이 행해져 왔다. 그러나, 소각 온도를 850℃까지 높이면 N2O의 발생량이 수분의 일까지 감소하는 것을 알 수 있고, 이것을 「고온 소각법」이라 불러 N2O의 억제에 유효한 방법이라고 평가되고 있다.
그런데, 소각 온도를 850℃까지 높이기 위해서는 보조 연료의 사용량을 종래의 1.4∼1.6배까지 증가시킬 필요가 있어 에너지 절약의 관점에서 바람직하지 못하다. 또한, 연료비가 상승하고 있는 최근의 상황으로부터, 유지비의 대폭적인 증가를 초래하는 문제를 발생시킨다. 이와 같이 「고온 소각법」은 N2O의 억제에는 유효하지만, 실용상의 문제가 남겨져 있다.
이러한 N2O의 억제라고 하는 과제는, 도시 폐기물을 연료로 하는 유동층 연소 보일러에 있어서도 발생하고 있다. 따라서 특허문헌 1에는 유동층의 공기비를 0.9∼1.0으로 하여 N2O 및 NOX의 발생량을 억제하고, 그 상단(上段)에서 부가 연료와 그 연소용 공기를 공급하여 고온 연소시킴으로써 고온으로 N2O를 분해시키며, 최상단에서 충분한 양의 공기를 더 불어넣어 완전 연소시킨다고 하는 유동층 연소 보일러의 다단 연소 방법이 제안되어 있다.
그러나, 이 특허문헌 1의 다단 연소 방법은, 유동층의 상단에 부가 연료와 그 연소용 공기를 공급하고, N2O를 분해할 수 있는 고온 지점을 형성하기 위해서 다량의 보조 연료를 필요로 하고 있다. 무엇보다도 특허문헌 1의 다단 연소 방법은 보일러에 관한 것이기 때문에, 보조 연료의 열량을 회수할 수 있어 보조 연료의 사용량은 그다지 큰 문제는 아니다. 그러나, 이것을 그대로 오니 소각로에 적용한 경우에는, 보조 연료의 사용량이 문제가 되어 에너지 절약의 관점에서 만족할 수 없는 점이 있었다.
특허문헌 1 : 일본 특허 제3059995호 공보
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하여 N 함량을 갖는 오니를 소각할 때의 N2O의 발생량을 「고온 소각법」과 동등한 레벨까지 억제할 수 있고, 또한, 보조 연료의 사용량을 「고온 소각법」에 비하여 대폭 저하시킬 수 있는 유동 소각로 및 이것을 이용한 오니의 유동 소각 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 본 발명의 오니의 유동 소각로는, 오니가 투입되는 노체 내부를 높이 방향으로 분할하여 노체의 하측 부분을 공기비가 1.1 이하인 유동용 공기를 연료와 함께 공급하여 연소시켜 오니를 유동시키면서 열분해하는 열분해존으로 하고, 그 직상 부분을 공기비가 0.1∼0.3인 연소용 공기만을 공급함으로써, 국소 고온 지점을 형성하여 N2O를 분해하는 층상(層上) 연소존으로 하며, 노체의 최상부를 미연분(未燃分)을 완전 연소시키는 완전 연소존으로 한 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 청구항 2와 같이, 열분해존과 층상 연소존 사이에 보조 연료만을 공급하여 N2O를 분해하는 보조 연료 반응존을 형성할 수 있다. 또한, 청구항 3과 같이, 열분해존의 공기비를 0.7∼1.1, 온도를 550℃∼750℃, 층상 연소존의 온도를 850℃∼1000℃로 할 수 있다. 또한, 청구항 4와 같이, 유동 공기로서 공급되는 1차 공기와 층상 연소존에 공급되는 2차 공기의 합계의 공기비를 0.1∼0.3으로 하고, 청구항 5와 같이 전체적인 공기비를 1.5 이하, 바람직하게는 1.3 이하로 할 수 있다.
또한, 청구항 6에 기재한 본 발명의 오니의 유동 소각 방법은, 오니를 유동로(流動爐)에 투입하고, 공기비가 1.1 이하인 유동용 공기가 연료와 함께 공급되는 열분해존에서 오니를 유동시키면서 550℃∼750℃의 온도로 열분해하고, 그 직상 위치에서 열분해 가스에 공기비가 0.1∼0.3인 연소용 공기를 불어넣어 850℃∼1000℃의 국소 고온 지점을 형성함으로써 열분해 가스 속의 N2O를 분해하며, 최상부에서 공기를 더 불어넣어 미연분을 완전 연소시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 청구항 7에 기재한 본 발명의 오니의 유동 소각 방법은, 탈수 오니를 유동로에 직접 투입하고, 공기비가 1.1 이하인 유동용 공기가 연료와 함께 공급되는 열분해존에서 오니를 유동시키면서 550℃∼750℃의 온도로 열분해하고, 그 직상 위치에서 열분해 가스에 공기비가 0.1∼0.3인 연소용 공기를 불어넣어 850℃∼1000℃의 국소 고온 지점을 형성함으로써 열분해 가스 속의 N2O를 분해하며, 다음에, 그 상측의 보조 연료 반응존에서 보조 연료만을 공급하여 남은 N2O를 분해하고, 최상부에서 공기를 더 불어넣어 미연분을 완전 연소시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 오니를 유동로에 투입하고, 공기비가 1.1 이하인 유동용 공기가 연료와 함께 공급되는 열분해존에서 오니를 유동시키면서 열분해한다. 이 열분해존에서는 공기비가 1.1 이하로서 산소가 적기 때문에, N 함량의 산화가 진행되기 어려워 N2O의 생성이 억제된다. 이와는 관계없이 오니는 550℃∼750℃의 온도 영역에서 유동 매체에 의해 강하게 교반되어 오니 속의 가연분은 충분히 열분해된다.
또한, 본 발명에서는 그 직상 위치에서 열분해 가스에 공기비가 0.1∼0.3인 연소용 공기를 불어넣어 850℃∼1000℃의 국소 고온 지점을 형성하여 열분해 가스 속의 N2O를 분해시키고 있지만, 산소 농도가 낮은 부분에 공기만을 불어넣어 열분해 가스를 국소 연소시키고 있기 때문에, 층상 연소존에서는 보조 연료를 전혀 필요로 하지 않는다. 또한, N2O의 생성은 주로 모래층 직상부에서 행해지지만, 본 발명에서는 이 N2O의 생성 영역에 고온 지점을 형성하고 있기 때문에, 모래층 직상부(모래층∼노 높이의 1/3까지)에 2차 연소용 공기가 공급된다. 또한, 모래층 직상부에 2차 연소용 공기를 투입함으로써 방열이 억제되어 보다 국소 고온 지점을 형성하기 쉬워진다. 본 발명에서는, 열분해존에서 배출되는 열분해 가스량이 통상 연소에 있어서의 연소 배출 가스보다도 소량이어서 가온을 위한 필요 열량이 적고, 고온 지점이 국소적이며, 나아가서는 유동층부의 온도가 낮기 때문에, 보조 연료의 사용량을 「고온 소각법」에 비하여 대폭 저하시킬 수 있다. 그리고, 최상부에서 공기를 더 불어넣어 미연분을 완전 연소시키기 때문에, 배출 가스 속에 유해 성분은 함유되지 않는다.
또한, 열분해존은 공기비를 1.1 이하로 하여 운전되고 있지만, 공기비를 낮춰나감에 따라 모래층의 온도 유지가 점차 어려워진다고 하는 문제가 발생하고, 오니의 직접 투입에 의한 통상의 유동식 열분해로에서는 공기비를 0.8보다도 낮추는 것은 곤란하다. 그러나, 본 발명과 같이 그 직상 위치에서 국소 고온 지점을 형성하면, 그 복사열에 의해 모래층의 온도 유지를 도모하기 쉬워지고, 열분해존의 공기비를 0.7 정도까지 낮출 수 있게 된다. 또한, 이것에 따라, 유동로의 전체의 공기비도 낮출 수 있게 된다. 단, 열분해존의 공기비를 지나치게 낮추면 유동 불량이 되어 시안(cyanogen)이나 일산화탄소 등의 유독 가스가 생성될 우려가 있기 때문에, 0.7 정도가 하한이다.
또한, 청구항 7과 같이, 층상 연소존의 상측의 보조 연료 반응존에서 보조 연료만을 공급한 경우에는, 연료 속의 수소가 래디컬화하여 남은 N2O를 어택하여 분해시키기 때문에, N2O의 생성이 보다 확실하게 억제된다. 또한, 보조 연료의 공급량은 미량이어도 되기 때문에, 이 경우에도 보조 연료의 사용량은 「고온 소각법」에 비하여 대폭 저하시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태를 나타낸 단면도이다.
이하에 본 발명의 바람직한 실시형태를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태를 나타낸 단면도로서, 도면 부호 1은 유동 소각로의 노체, 도면 부호 2는 노체(1)의 측벽에 형성된 오니의 투입구이며, 오니는 이 투입구(2)로부터 직접 노체(1) 내에 투입된다. 오니는 하수 탈수 오니가 대표적인 것이지만, N 함량을 갖는 축산 오니, 공장 오니 등이어도 된다. 이 실시형태에서는, 노체(1)의 내부를 높이 방향으로 3개로 분할한다. 노체(1)의 하측에서부터 차례로 열분해존(3), 층상 연소존(4), 완전 연소존(5)이다.
열분해존(3)은 노체(1)의 가장 하측 부분에 형성되는 존으로서, 유동용 공기 공급관(6)과 연료 공급관(7)을 구비하고 있다. 유동용 공기 공급관(6)으로부터는 유동용 공기가 공급되고, 공지의 유동 매체와 함께 오니를 유동시키고 있다. 또한, 연료 공급관(7)으로부터는 보조 연료가 공급되며, 유동용 공기에 의해 연소되어 열분해존(3)의 온도를 550℃∼750℃로 유지하고 있다. 투입된 오니는 유동용 공기에 의해 강하게 교반되면서 가열된다. 보조 연료로서는 도시 가스나 프로판 가스와 같은 가스나, A 중유와 같은 연료유가 사용된다.
본 발명에 있어서, 유동용 공기의 공급량은 보조 연료 및 오니를 연소시키기 위해서 필요한 이론 공기량을 기준으로 하여 공기비가 1.1 이하, 바람직하게는 0.7∼1.1이 되도록 설정되어 있다. 이 때문에 오니는 열분해되지만, 공기비가 낮아 산소량이 불충분하기 때문에, 통상의 유동 연소를 행하는 경우에 비하여 N2O의 발생량을 억제할 수 있다. 다음에 설명하는 바와 같이, 본 발명에서는 열분해존(3)의 직상 위치에 국소 고온 지점을 형성하기 때문에, 그 복사열에 의해 모래층의 온도 유지를 도모하기 쉬워지고, 열분해존의 공기비를 0.7 정도까지 낮출 수 있게 된다. 또한, 공기비가 0.7 미만이면 유동층부에서의 부분 연소에 의한 발열량이 오니의 수분 증발열이나 열분해열, 방열 등의 출열량(出熱量)보다도 적어져 유동층부의 온도 유지가 곤란한 데다가, 시안이나 일산화탄소 등의 유독 가스가 생성될 우려가 있기 때문에, 0.7 이상 1.1 이하로 하는 것이 바람직하다.
열분해존(3)의 직상 위치에는, 층상 연소존(4)이 형성되어 있다. 이 층상 연소존(4)은, 연소용 공기 공급관(8)으로부터 공기비가 0.1∼0.3이 되는 양의 연소용 공기만을 공급하는 존이다. 열분해존(3)으로부터 상승하게 되는 열분해 가스가 이 공기와 접촉하여 연소되고, 온도가 850℃∼1000℃인 국소 고온 지점(핫 스팟)을 형성한다. 이 때문에 열분해 가스 속에 함유되는 N2O는 이 국소 고온 지점에서 분해되어 감소한다.
또한, 연소용 공기 공급관(8)으로부터 공급되는 공기비가 0.1 미만에서는 850℃∼1000℃의 국소 고온 지점을 형성할 수 없고, 0.3을 초과하면 공기량이 증가하며, 850℃∼1000℃의 국소 고온 지점을 형성하기 위해서는 보조 연료의 공급이 필요해지기 때문에, 공기비는 0.1∼0.3으로 할 필요가 있다. 이와 같이 본 발명에서는 환원 분위기 속에 소량의 공기만을 불어넣어 핫 스팟을 형성하고, N2O를 분해하는 점에 큰 특징이 있으며, 유동층의 온도 유지에 필요한 양 이상의 보조 연료를 사용할 필요가 없는 이점이 있다. 또한, 유동 공기로서 공급되는 1차 공기와 층상 연소존에 공급되는 2차 공기의 합계의 공기비를 1.0∼1.3으로 하는 것이 바람직하다.
노체(1)의 최상부는 미연분을 완전 연소시키는 완전 연소존(5)이다. 이 완전 연소존(5)에는 미연분 연소용 공기 공급관(9)이 배치되어 공기를 공급한다. 그 공급량은 공기비가 0.1∼0.3이 되는 양으로 한다. 이 완전 연소존(5)의 온도는 800℃∼850℃로서, 층상 연소존(4)에서 분해되지 않은 N2O는 더 분해되고, CO는 CO2로 산화되며, 노 밖으로 배출되어 통상의 배출 가스 처리가 행해진다.
또한, 상기한 유동용 공기 공급관(6)과 연소용 공기 공급관(8)과 미연분 연소용 공기 공급관(9)으로부터 공급되는 공기량의 합계는, 총 공기비가 1.5 이하, 바람직하게는 1.3 이하가 되도록 설정한다. 이와 같이 공기비를 조절하고, 또한, 보조 연료를 열분해존(3)의 연료 공급관(7)으로부터만 공급하도록 한 결과, 보조 연료의 사용량을 거의 종래 레벨로 하면서, N2O의 발생량을 종래보다도 대폭(실시예에서는 1/3)으로 삭감할 수 있었다. 또한, 본 발명에 따른 N2O의 억제 효과는 「고온 소각법」과 동일하거나 또는 그 이상이지만, 「고온 소각법」에서는 보조 연료의 사용량이 종래 레벨의 1.4∼1.6배가 된다. 이와 같이 본 발명에 따르면, N2O의 발생량을 「고온 소각법」과 동등한 레벨 이하까지 억제할 수 있고, 또한, 보조 연료의 사용량을 「고온 소각법」에 비하여 대폭 저하시킬 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태를 나타낸 단면도이다. 도 2에 있어서는, 열분해존(3)과 층상 연소존(4) 사이에 보조 연료만을 공급하여 N2O를 분해하는 보조 연료 반응존(10)이 형성된다. 이 때문에 노체(1)의 내부는 높이 방향으로 4분할되게 된다.
이 보조 연료 반응존(10)에는 제2 보조 연료 공급관(11)이 배치되어 있고, 극히 소량의 보조 연료가 첨가된다. 보조 연료의 탄화수소가 열분해되어 수소 라디칼이 발생하고, 오니의 열분해 가스 속에 함유되는 N2O를 어택하여 분해한다. 또한, 이 존에서는 보조 연료가 첨가됨으로써 보다 강한 환원 분위기가 형성되기 때문에, N2O의 생성이 억제된다.
이와 같이, 보조 연료 반응존(10)을 형성함으로써 상기한 실시형태의 경우에 비하여 N2O의 발생량은 더욱 억제된다(실시예에서는 종래의 1/4). 이 경우 상기한 실시형태보다도 보조 연료를 더 첨가하게 되지만, 실시예에 나타낸 바와 같이 미량으로 큰 효과를 얻을 수 있다.
(실시예 1)
실험용 유동로를 사용하여 조건을 변경하면서 오니의 소각 실험을 행하였다. 오니의 투입량은 전부 80 ㎏/h이며, 보조 연료로서는 A 중유를 사용하였다. 실험은 종래부터 행해지고 있는 통상의 유동 소각, 소각 온도를 높인 고온 소각, 본 발명의 도 1에 나타낸 방법, 본 발명의 도 2에 나타낸 방법의 4종류이다. 또한, 본 발명의 도 2에 나타낸 방법에서는, 보조 연료 공급관으로부터의 보조 연료로서 배출 가스량의 300 ppm에 해당하는 양의 프로판 가스를 사용하였다. 각각의 소각 방법에 대해서, 보조 연료 사용량(오니 1 ㎏당 보조 연료의 발열량으로 표시), 프리 보드부(free board part) 온도, 노 출구 온도, N2O를 함유하는 배출 가스 성분의 농도, 총 공기비를 측정하여 표 1에 나타내었다.
Figure pct00001
상기한 데이터로부터 밝혀진 바와 같이, 본 발명에 따르면 보조 연료의 사용량을 종래의 소각 방법과 동등한 레벨로 유지하면서, 오니의 소각시에 발생하는 N2O의 양을 대폭 삭감할 수 있는 이점이 있다.
(실시예 2)
실시예 1과 마찬가지로, 실험용 유동로를 사용하여 보조 연료의 사용량을 더욱 감소시키도록 조건을 변경하면서 오니의 소각 실험을 행하였다. 오니의 투입량은 전부 80 ㎏/h이며, 보조 연료로서는 A 중유를 사용하였다. 각각의 소각 방법에 대해서, 보조 연료 사용량(오니 1 ㎏당 보조 연료의 발열량으로 표시), 프리 보드부 온도, 노 출구 온도, N2O를 함유하는 배출 가스 성분의 농도, 총 공기비, 1차 공기비, 2차+3차 공기비를 측정하여 표 2에 나타내었다.
Figure pct00002
표 2에는 도 1의 방법에 있어서 총 공기비를 일정하게 유지하면서 1차 공기비를 1.2∼0.9까지 순차 저하시킨 데이터가 표시되어 있다. 본 발명과 같이 1차 공기비를 1.1 이하로 하면, 1.2로 한 경우에 비하여 배출 가스 속의 N2O 농도가 현저히 저하되는 것을 알 수 있다. 상기한 데이터로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 2에 있어서도 보조 연료의 사용량을 종래의 소각 방법과 동등한 레벨로 유지하면서, 오니의 소각시에 발생하는 N2O의 양을 대폭 삭감할 수 있는 이점이 있다.
1 : 유동 소각로의 노체
2 : 오니 투입구
3 : 열분해존
4 : 층상 연소존
5 : 완전 연소존
6 : 유동용 공기 공급관
7 : 연료 공급관
8 : 연소용 공기 공급관
9 : 미연분 연소용 공기 공급관
10 : 환원존
11 : 제2 보조 연료 공급관

Claims (7)

  1. 오니가 직접 투입되는 노체 내부를 높이 방향으로 분할하여, 노체의 하측 부분을 공기비가 1.1 이하인 유동용 공기를 연료와 함께 공급하여 오니를 유동시키면서 열분해하는 열분해존으로 하고, 그 직상(直上) 부분을 공기비가 0.1∼0.3인 2차 연소용 공기만을 공급함으로써, 국소 고온 지점을 형성하여 N2O를 분해하는 층상(層上) 연소존으로 하며, 노체의 최상부를 미연분을 완전 연소시키는 완전 연소존으로 한 것을 특징으로 하는 오니의 유동 소각로.
  2. 제1항에 있어서, 열분해존과 층상 연소존 사이에, 보조 연료만을 공급하여 N2O를 분해하는 보조 연료 반응존을 형성한 것을 특징으로 하는 오니의 유동 소각로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열분해존의 공기비를 0.7∼1.1로 하고, 온도를 550℃∼750℃로 하며, 층상 연소존의 온도를 850℃∼1000℃로 한 것을 특징으로 하는 오니의 유동 소각로.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 공기로서 공급되는 1차 공기와 층상 연소존에 공급되는 2차 공기의 합계의 공기비를 1.0∼1.3으로 한 것을 특징으로 하는 오니의 유동 소각로.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 완전 연소존에 공급되는 공기의 공기비를 0.1∼0.3으로 하고, 전체적인 공기비를 1.5 이하로 한 것을 특징으로 하는 오니의 유동 소각로.
  6. 오니를 유동로에 투입하고, 공기비가 1.1 이하인 유동용 공기가 연료와 함께 공급되는 열분해존에서 오니를 유동시키면서 550℃∼750℃의 온도로 열분해하고, 그 직상 위치에서 열분해 가스에 공기비가 0.1∼0.3인 연소용 공기를 불어넣어 850℃∼1000℃의 국소 고온 지점을 형성함으로써 열분해 가스 속의 N2O를 분해하며, 최상부에서 공기를 더 불어넣어 미연분을 완전 연소시키는 것을 특징으로 하는 오니의 유동 소각 방법.
  7. 오니를 유동로에 투입하고, 공기비가 1.1 이하인 유동용 공기가 연료와 함께 공급되는 열분해존에서 오니를 유동시키면서 550℃∼750℃의 온도로 열분해하고, 그 직상 위치에서 열분해 가스에 공기비가 0.1∼0.3인 연소용 공기를 불어넣어 850℃∼1000℃의 국소 고온 지점을 형성함으로써 열분해 가스 속의 N2O를 분해하며, 다음에 그 상측의 보조 연료 반응존에서 보조 연료만을 공급하여 남은 N2O를 분해하고, 최상부에서 공기를 더 불어넣어 미연분을 완전 연소시키는 것을 특징으로 하는 오니의 유동 소각 방법.
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