1. 서 론
2. 실험 방법
2.1 실험장치
2.2 연료 조성
2.3 실험 조건
3. 실험 결과
3.1 FGR 비율 증가 실험 결과
3.2 FGR 하부 투입 위치 변화 실험 결과
3.3 FGR 상부 투입 위치 변화 실험 결과
4. 결 론
1. 서 론
환경부에서 발표한 “2023년 전국 폐기물 발생 및 처리 현황”에 따르면, 2023년, 국내에서 발생한 생활계폐기물은 약 2,242 만 톤으로 대부분 매립, 소각 및 재활용을 통해 처리되고 있다. 그러나 매립지 부족 및 환경 보호 정책 강화로 인해 매립으로 처리되는 폐기물 양은 2018년에 비해 약 36 만 톤 감소한 반면, 소각 및 재활용을 통한 처리량은 각 각 55 만 톤, 48 만 톤이 증가하였다[1]. 이러한 폐기물 처리 방식의 변화로 소각 시설을 통한 처리 비중이 증가하고 있으며, 이에 따라 소각 효율을 높이고 환경 영향을 최소화할 수 있는 기술 개발의 필요성이 한층 더 부각되고 있다.
음식물 쓰레기 분리 배출 제도, 쓰레기 종량제 시행 등 다양한 폐기물 처리 정책이 시행됨에 따라 소각 처리되는 생활계 폐기물의 성상도 변화하였다[1,2,3]. 2023년, 국내에서 배출된 폐합성수지류의 양은 2018년 대비, 약 61만 톤 증가하였으나, 음식물 쓰레기는 대부분 분리 배출되어 배출되지 않았다. 이는 폐기물 내 휘발성 성분 함량이 증가시키고 수분 함량을 감소시키는 요인으로 작용하였다. 이에 따라 소각시설에 반입되는 생활계 폐기물의 평균 발열량은 1,945 kcal/kg(2002년)에서 4,025 kcal/kg(2022년)로 약 두 배 이상 증가하였다[4]. 그러나 2000년 이전에 건설된 폐기물 소각 시설의 대부분은 2,300 kcal/kg 이하의 발열량을 기준으로 설계되어, 현재의 고발열량 폐기물 특성에 대응하기 어려운 실정이다[5]. 또한, 폐기물 처리 정책의 변화는 폐기물의 연소 특성에도 큰 영향을 미쳤다. 특히 휘발성 성분 함량이 높은 폐합성수지류의 증가로 인해 폐기물의 연소 속도가 가속화되는 현상이 나타났다. 이로 인해 폐기물이 소각 시설 내에서 건조단, 주연소단, 후연소단을 순차적으로 이동하며 주연소단에서 대부분 연소되도록 설계된 의도와 달리, 폐기물이 투입 직후 연소되어 소각 시설의 초기 구간인 건조단에서 국부적인 고온 영역이 형성되는 문제가 발생하였다. 이러한 연소 특성의 변화는 소각로 초기 구간에서 열부하 증가로 인한 화격자 및 내화벽 손상, 클링커 형성, 대기오염물질 증가 등의 문제를 초래하였으며, 소각 능력 저하 및 가동률 감소로 이어졌다[6,7,8,9]. 최근 이러한 문제점에 대응하기 위해 연소가스 재순환 기술을 활용하여 moderate and intense low-oxygen dilution combustion(MILD) 연소 현상에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
Flue gas recirculation(FGR) 기술은 연소가스의 일부를 연소기로 재순환시켜 산소 농도를 낮추고 화염 온도를 제어함으로써 MILD 연소 환경을 형성할 수 있다[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19]. 이에 따라, 실제 연소 시스템에서 FGR 기술의 적용 가능성과 효과를 규명하기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔다. Baltasar 등[12]과 Lazic 등[13] 은 FGR 기술을 적용한 가스 연소에서 연소 효율 및 오염 물질 발생 농도 연구를 수행하여 FGR 기술은 연소 효율 증가 및 NOx 저감에 효과적임을 실험과 해석을 통해 입증했다. 또한, MILD 연소는 국부적인 연소 반응을 확장하여 연소기 내에서 균일한 온도 분포를 형성하고, 내부 최고 온도를 감소시켜 thermal-NOx 생성을 억제하는 특징을 가진 연소 기술이다[20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]. 이러한 MILD 연소 조건을 구현하기 위해 FGR을 활용하는 방안은 연료 연소 시 발생하는 국부적인 고온 형성 및 NOx 배출 문제를 동시에 해결할 수 있다[22,30]. Ha 등[22] 은 폐기물 소각로에서 연소가스 재순환을 활용한 MILD 연소를 구현하고, 연소가스 재순환 위치에 따른 유동 특성을 분석하여 최적의 연소가스 재순환 위치에 대한 해석적 연구를 수행했다. 그 결과, FGR 투입 위치를 변화함으로써 소각로 상부 자유공간 내 산화제 유동의 체류 특성과 온도 분포의 균일성을 확보할 수 있음을 확인하였다.
이러한 선행 연구들은 소각 시설에서 FGR 기술을 활용한 MILD 연소의 적용 가능성을 제시하였으나, 대부분 수치 해석 또는 실험실 규모의 조건에서 수행되어 실제 폐기물 연소 과정에서 나타나는 복합적인 열·물질 전달 및 연소 반응 특성을 충분히 반영하지 못하였다. 특히, 현존하는 폐기물 소각 설비와 유사한 pilot-scale의 실험 장치에서의 실증적 연구는 매우 제한적이며, FGR 기술을 활용한 MILD 연소 구현 및 그 성능을 실험적으로 검증한 사례는 부족한 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 180 kWth급 pilot-scale 폐기물 소각로를 대상으로 FGR 기술을 적용하여 MILD 연소를 구현하고, FGR과 공기의 혼합 비율 및 FGR 투입 위치에 따른 소각로 내 온도 분포 및 연소가스 조성의 변화를 분석하였다. 이를 통해 FGR 투입 조건 변화에 따른 폐기물 연소 특성을 정량적으로 평가하고, 고발열 폐기물의 연소 과정에서 발생할 수 있는 국부 고온 및 NOx 배출 문제에 대한 해결 방안을 제시하였다. 이는 향후 상용 소각로의 설계 및 운전 전략 수립에 기초 자료를 제공하는 데 의의가 있다.
2. 실험 방법
2.1 실험장치
본 실험에서 사용된 장치는 180 kWth 급 스토커식 소각로(stoker type incinerator) 설비로 Fig. 1(a)은 실험 설비의 개략도이다. 실험 설비는 소각실(combustion chamber), 사이클론(cyclone), 열교환기(heat exchanger), 백필터(bag filter), 유인 송풍기(ID fan) 그리고 링블로워(ring blower)으로 구성되어 있다. FGR 기술을 구현하기 위해, 링블로워와 유인 송풍기에 의해 연소가스가 재순환되고 재순환된 연소 가스는 혼합 탱크(mixing tank)에서 공기(air)와 혼합된 후, 1차 소각실 내 설치된 노즐을 통해 투입된다. 연소 가스 조성은 사이클론 후단에서 측정하였으며, 사용된 가스 분석기는 non-dispersive infrared gas analyzers (AO2000, ABB)을 사용하였다. Fig. 1(b)는 소각실 벽면 온도 측정 위치 및 FGR 투입 위치에 대해 명시한 그림이다. 실험 설비는 1차 소각실과 2차 소각실로 구성되어 있으며, 폐기물은 1차 소각실 상부에 설치된 폐기물 공급 장치(feeder)에 의해 투입된다. 투입된 폐기물은 1차 소각실 내 설치된 화격자(fire grate)에 의해 건조단(drying zone, DZ), 주연소단(main combustion zone, MCZ), 후연소단(post combustion zone, PCZ) 순으로 이동되며 연소된다. 생성된 연소가스는 2차 소각실에서 충분한 체류시간 가지면서 2차 소각실의 중단(y = 1500 mm)에 설치된 버너에 의해 완전 연소가 유도된다. 설치된 버너는 모든 실험 조건에서 동일하게 설정된 열량으로 가동되었다. FGR은 건조단 하부, 상부, 주연소단 하부, 상부에 설치된 노즐을 통해 투입되며 후연소단에는 공기만 투입하였다. 또한, 1차 소각실에 6개의 열전대, 2차 소각실에 3개의 열전대를 설치하여 소각실 벽면 온도를 측정하였으며, 1차 소각실 내 각 열전대의 높이는 화격자에 형성될 화염 높이를 고려하여 설치하였다.
2.2 연료 조성
실험에 사용된 연료는 SRF(solid refuse fuel)이며, SRF는 배출된 생활계 폐기물 중 비닐, 종이 및 목재 등 가연성 물질을 걸러내어 성형 과정을 거쳐 생성된 고체 코르크 형태의 연료이다. Table 1은 실험에서 사용된 연료의 조성을 나타낸 표로, 앞서 서론에서 언급한 바와 같이 생활계 폐기물은 주로 휘발분 성분으로 구성되어 있어 휘발분 함량은 72.09%로 높고, 수분 함량은 1.07%로 낮은 특징을 확인 할 수 있다. 이러한 연료 특성으로 인해 연소 시 소각실 내 국부적인 고온 영역을 형성하게 된다.
Table 1.
Ultimate and proximate analyses of fuel
| Ultimate analysis (wt%) | |
| C | 37.61 |
| H | 5.05 |
| O | 41.80 |
| N | 1.72 |
| S | 0.10 |
| Cl | 0.00 |
| Proximate analysis (wt%) | |
| FC | 14.14 |
| Volatiles | 72.09 |
| Moisture | 1.07 |
| Ash | 12.69 |
2.3 실험 조건
본 연구에서는 FGR 비율 변경 실험, FGR 투입 위치 변화 실험을 진행하였다. FGR 비율 변경 실험은 건조단 하부로 투입되는 산화제 내 FGR 비율(0%, 50%, 100%)을 변경하였고, FGR 투입 위치 변화 실험은 FGR 투입 위치를 건조단과 주연소단 하부 및 상부로 변경하며 실험을 진행하였다.
2.3.1 FGR 비율 증가 실험
Table 2는 FGR 비율 증가 실험 조건을 나타낸 표이다. 본 실험은 산화제 내 FGR 비율에 따른 벽면 온도 및 연소 가스 농도 특성을 알아보기 위한 실험이다. 1차 소각실의 건조단(DZ) 하부에 FGR과 공기가 일정 비율로 혼합된 산화제를 투입하였고, 주연소단(MCZ)에 투입되는 산화제는 일정 유량의 공기만을 투입하였다. 실험 조건으로 산화제 내 FGR 비율을 0%, 50%, 100%으로 설정하여 실험을 진행하였다.
Table 2.
Experiment conditions for increasing the FGR ratio (Unit : Nm3/hr)
| Case | Increased FGR ratio | ||
|
FGR 0% |
FGR 50% |
FGR 100% | |
| DZ lower air | 60 | 30 | 0 |
| DZ lower FGR | 0 | 30 | 60 |
| MCZ lower air | 60 | 60 | 60 |
| MCZ lower FGR | 0 | 0 | 0 |
| DZ upper FGR | 0 | 0 | 0 |
| MCZ upper FGR | 0 | 0 | 0 |
Table 3은 FGR 투입 위치 변화 실험 조건을 나타낸 표이다. 앞선 실험에서 산화제 내 FGR 비율이 100%인 조건에서 1차 소각실 벽면 온도가 크게 감소하는 결과를 보여, 이후 FGR 투입 위치 변화 실험에서는 FGR 비율이 100%인 산화제를 사용해 실험을 진행하였다. 이때, “DZ 100%”는 건조단 하부에 FGR 100% 산화제를 투입한 조건을, “MCZ 100%”는 주연소단 하부에 FGR 100%인 산화제를 투입한 실험 조건을 의미한다. 또한, 상부 투입 조건으로는 “DZ lower 50% + upper 50%”와 “DZ lower 50% + MCZ upper 50%”를 설정하였다. 전자는 FGR 100%인 산화제 투입량의 건조단 상부와 하부에 각 각 절반씩 나눠 투입한 조건이며, 후자는 건조단 하부와 주연소단 상부에 절반씩 분배하여 투입한 조건이다. 즉, 상부 투입 위치 변화 실험 조건에서 건조단 하부에 투입되는 산화제는 FGR 100% 산화제의 총 투입량의 50%를 고정하여 투입하고, 나머지 50%의 투입 위치를 건조단 상부 또는 주연소단 상부로 변화하여 실험 결과를 비교하였다.
Table 3.
Experiment conditions for changing the injection position (Unit : Nm3/hr)
3. 실험 결과
3.1 FGR 비율 증가 실험 결과
3.1.1 소각실 벽면 온도 변화
Fig. 2는 FGR 비율에 따른 1차 소각실 벽면의 평균 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 모든 실험 조건에서 형성된 온도는 건조단(DZ)에서 가장 높은 값이 관찰되었으며, 주연소단(MCZ), 후연소단(PCZ)에서는 점차 감소하는 결과를 보였다. 특히, FGR을 투입하지 않은 조건의 경우, 건조단에 약 1100℃ 이상의 형성되면서 연료가 공급된 직후 건조단에서 활발한 연소가 진행된 것을 확인할 수 있다. 이는 앞서 서론에서 언급한 바와 같이 연료가 대부분 휘발성 성분으로 구성되어 있어 나타난 결과로, 휘발성 성분에 의한 급격한 연소 반응에 인해 국부적인 고온 영역이 형성된 결과로 해석된다. 1차 소각실 내 영역 별로 형성된 온도를 살펴보면, 건조단 영역에선 970℃ ~ 1120℃의 온도가 형성되었다. FGR 0% 조건 대비, 최고 온도는 FGR 50% 조건에서 약 50℃정도 감소한 결과를 보이며, FGR 100% 조건에서는 약 130℃ 감소한 결과를 보여 산화제 내 FGR 비율이 증가할수록 건조단에 형성된 온도는 점차 감소하는 결과를 보였다. 이는 FGR 비율 증가로 인해 산화제 내 산소 농도가 점차 감소하고, 연소 가스의 일부가 연소 영역으로 재순환되면서 질소 및 CO2와 같은 비활성 기체의 농도가 증가하였기 때문으로 해석된다. 주연소단 영역에서는 660℃ ~ 890℃의 온도가 형성되었으며, FGR 비율이 증가할수록 형성된 온도가 점차 감소한 결과를 보인다. FGR 투입 비율 증가에 따른 온도 감소 효과는 건조단에 비해 상대적으로 작게 나타났다. 이는 FGR을 건조단에 투입했기 때문에 주연소단의 온도 분포는 FGR 비율 변화에 큰 영향을 받지 않는 것이다. 후연소단에서는 350℃ ~ 450℃의 온도가 형성되었으며, FGR 비율 변화에 따른 온도 변화는 거의 나타나지 않았다. 이는 후연소단 전단인 건조단, 주연소단에서 대부분 연소 반응이 진행되었기에 나타난 결과로 해석된다.
이러한 FGR 비율에 따른 건조단, 주연소단, 후연소단의 온도 분포는 FGR 투입에 따른 국부적인 고온 영역의 온도 감소 효과를 보이지만, 좁은 영역에서의 투입으로 소각실 전체의 온도를 균일하게 형성하는 것은 제한적인 것으로 나타났다.
Fig. 3은 FGR 비율에 따른 2차 소각실 벽면의 평균 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 2차 소각실의 중단(middle)에는 버너가 설치되어 있어 1차 소각실에서 발생된 연소가스 내 미연분의 완전 연소를 유도한다. 이에 따라 2차 소각실 내 중단 영역에서 가장 높은 온도가 형성되었다. 또한, FGR 비율이 증가할수록 2차 소각실 벽면 평균 온도가 상승하는 결과를 볼 수 있다. 이는 1차 소각실에서 완전 연소되지 못한 미연분이 2차 소각실에서 충분한 체류시간을 가지며 연소가 이루어진 것으로 FGR 비율이 증가할수록 1차 소각실에서 발생된 미연분이 증가한 것을 의미한다. 즉, Fig. 2에서 나타난 FGR 비율에 따른 건조단에서 온도 감소 결과와 2차 소각실에서 온도 증가 결과는 FGR 투입에 의해 낮아진 산소 농도를 가진 산화제가 연소에 이용됨에 따른 연소 지연 현상에 의한 것으로 해석된다. 이러한 결과는 FGR의 연소 지연 효과를 이용해 소각실 내 국부적인 고온 영역은 억제하고 넓은 영역에 걸쳐 연소가 진행되는 MILD 연소를 구현할 수 있음을 의미한다.
3.1.2 연소가스 조성 변화
Fig. 4는 FGR 비율 증가 실험의 연소가스 조성을 나타낸 그래프이다. NO의 경우, FGR 0% 조건과 FGR 50% 조건은 발생량이 유사하였으나, FGR 100% 조건에서는 약 10 ppm 감소한 결과를 보였다. 본 실험에서 소각로 내 온도는 thermal-NOx가 급격히 생성되는 1500℃ 이상[32]으로 형성되지 않았으므로, 전체 NOx 중 thermal-NOx의 기여도는 크지 않은 것으로 판단되며, FGR 투입 비율이 증가함에 따라 산화제 내 산소 농도가 감소하고 동일 구간에서 점차 fuel-rich 영역이 형성되어 fuel-NOx가 저감된 것으로 보인다. CO의 경우, FGR 비율 증가에 따라 점차 감소하는 결과를 보였다. CO는 불완전 연소로 발생되는 대표적인 물질로 CO의 감소는 완전 연소가 진행되었음을 의미한다. 이러한 결과는 산화제의 온도 증가에 의한 영향으로 FGR 0% 조건에서 산화제로 상온인 공기를 투입했으나, 고온의 연소가스가 재순환되는 FGR 비율이 증가할수록 산화제의 온도가 증가하는 예열 효과로 인해 연소 반응이 촉진되는 것으로 해석된다. 이는 FGR 비율이 증가할수록 CO2 발생량이 점차 증가하는 결과에서도 확인할 수 있으며, FGR 비율 증가에 따라 연소 효율이 증가한 해석을 뒷받침한다. O2 농도의 경우, FGR 비율 증가에 따라 8.9%에서 6.8%로 감소한 결과를 볼 수 있다. 이는 FGR 비율이 증가할수록 희석 효과로 인해 산화제 내 산소 농도 감소에 따른 결과이다.
3.2 FGR 하부 투입 위치 변화 실험 결과
3.2.1 소각실 벽면 온도 변화
Fig. 5은 FGR 하부 투입 위치 변화에 따른 1차 소각실 벽면 평균 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 건조단(DZ) 영역에서 DZ 100% 조건에서는 약 120℃, MCZ 100% 조건에서는 약 35℃의 온도가 감소되는 결과를 보이며, 소각실 초기 구간에서는 DZ 100% 조건에서 가장 낮은 온도가 형성되었다. 이는 연소가스가 재순환되면서 산화제 내 산소 농도 감소 효과로 초기 착화 반응을 지연되면서 건조단 영역에서 발열이 억제된 것으로 해석된다. 주연소단(MCZ) 영역에서는 FGR 0% 조건에 비해 FGR을 적용한 두 조건 모두 유사한 온도 분포를 보였다. 이는 주연소단에 FGR을 투입하지 않은 DZ 100% 조건에서도, 주연소단에 FGR을 투입한 MCZ 100% 조건과 유사한 온도 감소 효과가 나타났음을 의미한다. 이는 앞서 언급한 바와 같이, DZ 100% 조건에서 소각실 초기 구간인 건조단에 형성된 주연소 영역에서 온도 감소됨에 따라 연료의 초기 연소 반응이 지연되어 건조단 이후 영역인 주연소단에서도 온도 감소 효과를 보이는 것이다. 즉, 연소 초기 구간에서의 FGR 투입은 강한 온도 억제 작용으로 이후의 넓은 영역에 고온 형성을 효과적으로 완화할 수 있음을 시사한다. 반면, 주연소 영역 이후 구간에서의 FGR 투입은 국부적인 온도만 감소하는 결과를 보였다. 이는 FGR 투입 위치에 따라 온도 분포 제어 효과가 달라질 수 있음을 보여준다.
Fig. 6은 FGR 하부 투입 위치에 따른 2차 소각실 벽면의 평균 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 앞서 언급한 버너에 의한 완전 연소 유도로 중단에서 가장 높은 온도가 형성되었다. 2차 소각실 하단(bottom)에서 DZ 100% 조건이 가장 높은 온도를 보였고, FGR 0%와 MCZ 100% 조건은 유사한 온도를 형성하였다. 이는 앞서 언급한 바와 같이, 주연소 영역에 낮은 산소 농도의 산화제가 투입에 의한 연소 지연으로 연소 가스 내 미연분이 증가하였으며, 이러한 미연분이 2차 소각실에서 충분한 체류시간을 가지며 연소된 결과이다. Fig. 5의 결과에서 DZ 100% 조건이 1차 소각실 내 가장 많은 온도 감소 효과를 보여 이러한 해석을 뒷받침한다.
3.2.2 연소가스 조성 변화
Fig. 7은 FGR 하부 투입 위치 변화에 따른 연소가스 조성 그래프이다. NO의 경우, FGR을 투입한 두 조건의 발생량은 약 75 ppm으로 FGR 0% 조건에서 발생된 86 ppm보다 약 10 ppm 낮은 발생량을 보였다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 소각로 내 형성된 온도가 NOx 중 thermal-NOx가 지배적으로 발생하는 온도보다 낮기 때문에 산화제 내 낮은 산소 농도에 의한 fuel-NOx 감소로 해석된다. 이는 Fig. 5에서 볼 수 있듯이, FGR 0%와 MCZ 100% 조건에서 형성된 가장 높은 온도는 약 1100℃로 유사한 연소 환경이 형성되었음에도 불구하고, NO 발생량은 감소된 결과를 보여 이러한 해석을 뒷받침한다. CO의 경우, FGR을 사용한 두 조건 모두 FGR 0%인 조건보다 낮은 발생량을 보였으며, 특히 DZ 100%에선 가장 낮은 CO 발생량이 나타났다. 이는 고온의 연소 가스를 재순환하여 산화제를 투입한 DZ 100%, MCZ 100% 조건이 상온인 산화제를 사용한 FGR 0%보다 완전 연소에 가까운 연소 특성을 나타냈으며, 산화제 온도가 상승할수록 연소 효율이 향상됨을 시사한다. 또한, DZ 100% 조건에서 MCZ 100% 조건보다 더 낮은 CO 발생량 값을 보였는데 이는 주연소 영역인 건조단 영역에 고온의 산화제가 투입되어 이러한 효과가 극대화된 것으로 해석된다. CO2의 경우도 DZ 100%인 조건에서 가장 높은 발생량을 보여 이러한 해석을 뒷받침한다. O2의 경우, DZ 100%와 MCZ 100% 조건에서 O2 농도가 유사하게 나타난 것은 FGR 투입으로 인해 산화제 내 산소 농도가 희석되었기 때문이며, 주입 위치와 관계없이 전체 산소 공급량이 동일하게 감소하였음을 보여준다.
3.3 FGR 상부 투입 위치 변화 실험 결과
3.3.1 소각실 벽면 온도 변화
Fig. 8은 FGR 상부 투입 위치에 따른 1차 소각실 벽면의 평균 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 건조단(DZ) 영역의 경우, FGR을 투입하지 않은 조건과 상·하부에 투입한 조건에서 형성된 온도를 비교하였을 때, 건조단 상·하부에 나누어 투입한 조건에선 최대 430℃의 온도가 감소되었으며, 건조단 하부와 주연소단 상부에 나누어 투입한 조건에선 최대 500℃의 온도가 감소된 결과를 보였다. 반면, FGR을 하부에만 투입한 조건에선 최대 300℃ 온도 감소 효과를 보여 상·하부 투입 조건에서 더욱 뚜렷한 온도 감소 효과가 나타났다. 이는 재순환된 연소가스를 하부에 집중 투입할 경우 산화제와 연료의 혼합이 국부적으로만 이루어져 FGR 효과가 제한적으로 나타나기 때문이다. 반면, 상·하부에 분산 투입하면 연료와 혼합이 개선되어 FGR 효과가 더욱 극대화되는 것으로 해석된다. 주연소단(MCZ) 영역의 경우, 상·하부에 분산 투입한 조건과 FGR을 투입하지 않은 조건에서 형성된 온도를 비교하였을 때 x = 1000 ~ 1500 mm 구간에선 유사하거나 낮은 온도 값을 보였지만, x = 1500 ~ 2000 mm 구간에선 더 높은 온도 값을 보였다. 또한, 상·하부에 분산 투입한 두 조건 모두 건조단보다 주연소단에서 더 높은 온도가 형성되었다. 이러한 결과는 최고 온도가 형성되는 영역이 건조단에서 주연소단으로 변화된 것을 의미하며, FGR 투입으로 소각실 내 최고 온도를 억제하여 완만한 온도 분포를 보이는 MILD 연소의 특징이 나타나는 결과이다. 또한, 초기 영역에서 급격한 온도 감소에도 불구하고 주연소단에서 연소가 지속적으로 이루어지면서 상부 FGR 투입으로 인한 불안정한 연소 현상은 보이지 않았다. 후연소단(PCZ) 의 경우, x = 2500 ~ 3000 mm 구간에선 FGR 투입 위치 변화에도 유사한 온도를 보였으나, x = 2000 ~ 2500 mm 구간에선 건조단 상·하부에 투입하였을 때, 약 160℃ 정도 더 높은 온도가 형성되는 결과를 보였다. 이는 앞서 언급했던 바와 같이 FGR 투입에 의한 MILD 연소의 특징이 보이는 결과이며, 연소 영역이 건조단, 주연소단으로 제한적이었으나 FGR 투입으로 후연소단까지 확장된 것을 의미한다.
Fig. 9는 FGR 상부 투입 위치에 따른 2차 소각실 벽면의 평균 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 모든 구간에서 FGR을 투입한 조건이 투입하지 않은 조건보다 유사하거나 높은 온도를 형성하였다. 특히, y = 1500 mm와 y = 2000 mm에서 건조단 상·하부 FGR 투입 조건이 FGR 0% 조건과 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 상대적으로 1차 소각실과 가까운 y = 500 mm 지점은 앞서 언급한 연소 영역 확장의 영향을 받아 다른 FGR 투입 조건과 유사하게 높은 온도가 형성되었지만, 이후 영역인 y = 1500 mm와 y = 2000 mm에서는 유사한 값을 보인 것이다. 앞서 언급 했던 바와 같이, 2차 소각실은 1차 소각실에서 발생된 미연분을 충분한 체류시간과 버너를 이용하여 완전연소를 유도하였다. 즉, 2차 소각실에 형성된 온도가 높을수록 1차 소각실에서 발생된 미연분이 많다는 의미이다. 이러한 점을 고려하였을 때, 건조단 상·하부 FGR 투입 조건은 1차 소각실에서 발생한 미연분이 FGR을 투입하지 않은 조건과 유사하게 발생하였으며, 건조단 하부에만 투입한 조건보다도 적은 양이 발생한 것을 의미한다. 이는 FGR을 상·하부로 분산 투입함으로써 연료와 산화제의 접촉 면적이 확대되고 혼합이 개선되어, 미연분의 산화가 촉진된 결과이다. 즉, FGR 투입 조건의 위치 변화만으로도 연소 안정성에는 영향을 주지 않으면서 온도 분포를 조절할 수 있음을 의미하며, 적절한 주입 위치 선정이 더욱 균일하고 완전한 연소 환경을 형성하는 데 중요한 요인임을 보여준다.
3.3.2 연소가스 조성 변화
Fig. 10은 FGR 상부 투입 위치 변화에 따른 연소가스 조성 그래프이다. NO 발생량의 경우, FGR을 투입하지 않은 조건보다 FGR을 투입한 모든 조건에서 발생량이 감소하였다. 이는 FGR의 산화제 내 산소 농도 감소 효과에 의한 국부적인 fuel-rich한 영역 형성으로 fuel-NOx 생성이 억제된 결과로 해석된다. 특히, FGR을 건조단 하부에만 투입한 경우보다, 건조단 상·하부에 투입한 조건에서 더 낮은 NO 발생량을 보였는데, 이는 Fig. 8에서 FGR 상부 투입에 의해 주연소영역이 건조단에서 주연소단으로 이동한 결과와 관련이 있다. 일반적으로 주연소영역의 산소 농도는 NOx 배출 특성에 중요한 영향을 미치는데, FGR의 상부 투입 위치에 따라 주연소영역의 산소 농도가 변화한 것이다. 건조단 상·하부에 FGR을 투입한 조건(DZ bottom + DZ top)의 경우, 주연소영역이 아닌 건조단 영역에 산소 공급이 이루어졌고 이에 따라, 주연소영역이 형성된 주연소단에서 더욱 강한 Fuel-rich 환경이 형성된 것이다. 반면, 건조단 하부와 주연소단 상부 투입 조건(DZ bottom + MCZ top)에서는 연소가 가장 활발히 일어나는 주연소 영역에 산소가 공급되어 산화 분위기가 형성됨으로써 fuel-NOx가 증가하였다. 이러한 결과는, FGR의 투입 위치 변화만으로 소각실 내 균일한 온도분포 형성 효과와 NOx 감소 효과를 동시에 달성할 수 있음을 보여준다. 상부 투입 조건의 CO 발생량의 경우, 약 10 ppm 이하로 발생되었으며, 하부 투입 조건과 유사한 결과를 보였다. 이는 산화제 분산 투입에 의한 불완전 연소 현상은 발생하지 않았고, 오히려 산화제와 연료의 접촉 면적 증가로 인해 완전 연소가 유도된 것으로 판단된다. CO2는 약 13.7~14.5% 수준으로 나타났으며, 상부 투입 위치 변화에 따른 뚜렷한 차이는 보이지 않았다. 마찬가지로 O2도 약 6.0% 발생되었으며, 투입 위치 변화에 따른 영향은 크지 않았다.
4. 결 론
본 연구는 180 kWth 규모의 pilot-scale 소각로에서 FGR을 이용해 MILD 연소를 구현하기 위한 운전 조건을 실험적으로 규명하였다. FGR의 투입 비율 및 위치에 따른 폐기물의 연소 특성을 분석하여, 다음과 같은 주요 결론을 도출하였다.
1)산화제 내 FGR 비율 증가에 따라, 1차 소각실의 온도 분포는 감소하는 경향을 보였으며, 특히 건조단에서 뚜렷한 온도 감소 결과가 나타났다. 이는 산화제 내 산소 농도 감소와 질소 및 CO2와 같은 비활성 기체 농도 증가에 따른 연소 반응 억제로 해석된다. FGR 하부 투입 위치를 변화한 결과, 건조단에 FGR을 투입한 조건에서 뚜렷한 온도 감소 결과가 나타났다. 이는 고온이 집중적으로 형성되는 영역에 FGR을 투입할 경우, 고온 영역 완화에 보다 효과적임을 시사한다. FGR의 상부 투입 위치를 변화한 결과, 건조단의 온도 감소와 주연소단 온도 증가로 주연소 영역의 이동 현상을 확인되었으며, 이에 따라 1차 소각실 내 온도 분포가 균일해지는 MILD 연소 특성이 나타났다.
2)NO의 경우, FGR 비율이 증가함에 따라 발생량이 감소하는 경향을 보였으며, 하부 투입 위치 변화에 따른 차이는 크지 않았다. 그러나, 주연소단 상부에 FGR을 투입한 조건에서는 주연소 영역으로의 산소 추가 공급으로 인해 상대적으로 높은 발생량이 측정되었다. CO의 경우, FGR 비율 증가에 따라 점차 감소하였으며, 투입 위치 변화에 따른 뚜렷한 차이는 나타나지 않아 FGR에 의한 불완전 연소는 발생하지 않은 것으로 판단된다.
본 연구는 폐기물 소각 시설에서 FGR 투입으로 시설 유지 보수 및 연소 가스 배출 성능 측면의 효율적인 운전이 가능함을 실험적으로 확인하였다. 연구 결과를 바탕으로, 상업용 소각 시설에서 발생하는 문제점을 해결하기 위한 전략 제시가 가능하며, 이는 산업 현장에 적용 가능한 실질적인 시사점을 제공한다.
