1. 서 론
2. 실험 방법
2.1 연료 특성 분석
2.2 실험 장치
2.3 연료 분석 및 실험 조건
3. 결과 및 고찰
3.1 연료 기초특성 분석
3.2 연소 특성
3.3 회분 점착 특성
4. 결 론
1. 서 론
식량농업기구(Food and Agriculture Organization)에 따르면, 인간이 소비하기 위해 전 세계적으로 생산되는 식품의 약 3분의 1이 낭비되고 있다[1,2,3]. 앞으로 적절한 정책 변화가 시행되지 않으면 음식물류 폐기물의 비율은 2050년까지 두 배로 늘어날 것으로 예상된다[4]. 음식물 쓰레기가 분해되면 온실가스 배출, 식량 불안, 자원 낭비 등 심각한 환경적, 사회 경제적 문제를 야기한다. 이에 따라, 음식물 폐기물을 청정 고형 연료로 변환하여 에너지 생산까지 가능하도록 할 수 있는 다양한 연구들의 필요성이 늘어나고 있다[4,5].
음식물류 폐기물에는 다량의 수분이 함유되어 있기 때문에 연료화를 위해서는 전처리가 필수적이다. 음식물류 폐기물에 포함된 다량의 수분은 수분 손실을 증가시켜 보일러 효율을 저하시킬 수 있으며[6], 염소 함량이 높기 때문에 부식을 유발할 뿐만 아니라 다이옥신 및 다이옥신 유사 화합물이 부산물로 생성되어 심각한 건강상의 위험을 유발할 수 있다[7,8]. 이를 해결하기 위한 전처리 기술로 수열탄화(Hydro thermal carbonization)를 고려할 수 있다. 수열탄화는 수분함량이 높은 유기성 폐기물을 약 180~200°C 까지 승온시켜 탈수(Dehydration) 반응을 유도하는 기술이다. 이를 통해 기존 건조 방식에 비해 60% 이상의 에너지를 절감시켜 고형연료를 경제적으로 생산할 수 있다. 또한, 이들 고형연료는 석탄화력 발전소에 혼소되는 경우 그 비중이 크지 않을 때에 한하여 기존 보일러에서의 운전조건 변동이 크지 않은 채로 석탄화력에서 배출하는 온실가스를 감축하는 효과를 얻을 수 있다.
수열 탄화 및 열분해 등을 활용한 음식물 폐기물의 고형 연료화 및 이를 기존 연소 시스템에 혼소하는 기술에 대해 관련된 많은 연구가 진행 되고 있다[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]. Pahla 등[18]은 음식물류 폐기물을 반탄화하여 역청탄과 유사한 특성을 가진 바이오 촤로 변환하는 연구를 수행하였다. Chae 등[19]은 열화학적 처리된 하수슬러지와 미분탄을 혼소하여 연소 특성 및 발전소 적용성에 대한 연구를 수행하였다. Wei 등[20]은 도시 고형폐기물과 음식물 쓰레기 혼소시 연소 거동에 대한 연구를 수행하였으며, Unchaisri 등[21]은 유동층 반응기에서 다양한 바이오매스를 석탄에 혼소하여 회분 형성 및 퇴적 특성에 대한 연구를 수행하였다. 석탄과 다른 특성을 지닌 음식 폐기물 기반 고형 연료 혼소는 석탄 전소 대비 연소성과 회 용융성이 서로 다르기 때문에 보일러 운전에 많은 장애를 일으킬 가능성이 있다[22].
그러나, 음식물 폐기물에 기반한 고형연료를 석탄화력발전소에 혼소하는 경우의 연소특성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구는 음식 폐기물 기반 고형 연료를 미분탄과 혼합 연소하여 탈휘발 특성과 촤 연소 특성 차이를 정량적으로 확인하였고 회분 점착 경험적 지표를 적용해 미분탄과 해당 고형연료를 혼소하는 경우 회분의 점착 특성을 예측하고 실험을 통해 검증하고자하였다. 이를 위해 80 kWth 급의 미분탄 연소 시스템에서 석탄과 고형 연료 혼소 시 생성되는 연소가스 조성 변화를 분석하고 고형 연료 혼소비율에 따른 연소 특성 및 회분 점착 특성에 관한 연구를 진행하였다. 이를 통해 얻은 결과들은 미분탄 보일러에 음식물 폐기물 기반 고형 연료 혼소 적용 시 최적 조건을 도출하기 위한 기초 자료로써 사용 가능하다.
2. 실험 방법
2.1 연료 특성 분석
음식 폐기물 기반 고형 연료(FWSF: Food waste-based solid fuel)와 석탄, 두 연료의 탈 휘발 특성과 촤 연소 특성 차이를 정량적으로 확인하기 위해 Setaram사의 열중량 분석기(Labsys.Evo)와 Micromeritics사의 비표면적 분석기(Tristar ll)를 사용해 분석했다. 열중량 분석에 사용된 시편의 질량은 약 4 mg이며, 실험 온도 범위는 상온에서 800°C까지 일정한 승온속도로 증가하도록 설정하였다. 이때 승온속도는 10, 20, 30, 40°C/min으로 4가지 조건을 적용하였다. 주입 가스로는 불활성 기체인 N2를 사용하여 산화 반응을 고려하지 않고 열분해 과정을 해석하였다. 또한, 실험 결과의 정확성을 확보하기 위해 각 실험은 모두 3회 반복 수행하였다. 이와 같은 과정을 통해 열분해 반응에서의 열적 특성연구가 수행되었다. 반응 특성 검토에서 중요한 요소인 kinetic 상수, 빈도인자 및 활성화 에너지들은 Kissinger Method 방법을 적용하여 계산하였다[23]. Adaro19와 FWSF의 미네랄 성분은 X선 형광 분석법을 이용해 Table 2에 표현하였다. 회 성분 분석은 산성 산화물(Acid oxides)과 염기성 산화물(Basic oxides)로 나누어 분석할 수 있으며 이들은 각각 silica 계열의 SiO2, alumina 계열의 Al2O3 및 소량의 TiO2로 구성된 산성 산화물과 K, Na, Ca 등의 alkali- 혹은 alkali earth-metal 계열 및 SO3, P2O5, MnO와 Cl- 등으로 구성된 염기성 산화물로 세분화할 수 있다. 이러한 관점에서 본 연구를 위해 분석된 4종의 고체연료 샘플들은 산성 산화물이 70% 이상인 Adaro19와 염기성 산화물이 최소 90% 이상인 FWSF로 분류할 수 있다.
2.2 실험 장치
본 혼소 실험에서 사용된 장치는 80 kWth 미분탄 연소 시험로이며 Fig. 1에 개략도를 나타내었다. 연소로는 내경 600 mm, 높이 500 mm인 원통 형태의 로가 5단으로 설치되어 총 높이 2500 mm 이며, 로 벽면에는 프로브와 열전대 삽입을 위한 포트가 위치하고 있다. 로 벽면 온도 측정을 위해 연소로 축 방향으로 R 타입의 열전대를 10개 설치하였다. 연소로를 지나면 사이클론(Cyclone)과 회분 집진기(Bag filter)가 설치되어 연소 후 생성되는 회분을 포집할 수 있다. 사이클론 하단에는 실시간으로 바닥재를 포집할 수 있도록 설계되어 있다. 연소로 상단에는 혼소를 위해 로드셀(Load cell)이 장착된 피더(Feeder)가 2대 설치되어 있으며, 피더에서 각 연료의 발열량 기준으로 석탄과 바이오 촤의 투입량을 설정하게 된다. 투입량이 설정된 각 연료는 Feeder로 섞여 들어가 혼소용 버너를 통해 1차 공기와 함께 투입되어 연소된다. 버너의 중앙부에서 연료와 함께 1차 공기가 투입되고 옆면에서 2차 공기가 투입되어 연소에 필요한 산화제를 공급하여 선회류(Swirl)를 생성하게 된다. 연소로 3단에 프로브(Probe)를 투입해 혼소율 별 회분 점착량을 측정하였다.
2.3 연료 분석 및 실험 조건
연료를 미분탄 버너에 투입하기 위해 분쇄 과정을 거쳐 석탄의 경우 75 μm, FWSF의 경우 300 μm 이하의 입도로 미분하여 사용하였다. 혼소 시 고형 연료는 입열량 기준 혼소율 0, 10, 20, 30%까지 변경하여 저위 발열량 기준으로 연료 투입량을 결정해 혼소 실험을 수행하였다. Table 1에는 미분탄과 FWSF 혼소시 실험조건을 나타내었다. 저위 발열량 기준 석탄 100%, FWSF 혼소율 10%, 20%, 30% 조건으로 설정하였고 투입 공기 조건의 경우 과잉공기비를 20% 로 고정하였기에 혼소율이 증가할수록 산화제를 증가시켜 투입하였다. 1차 산화제, 2차 산화제, overfire air(OFA)의 비율은 모든 조건에서 15 : 60 : 25로 일정하게 설정해 실험을 진행했다. Table 2에는 본 연구에 사용된 연료인 석탄과 혼소 대상 고형 연료를 분석한 결과를 나타내었다. 석탄은 실제 상용 발전소에서 사용하는 연료 중 하나인 Adaro19를 사용하였고 FWSF는 음식 폐기물을 500°C에서 반탄화하여 성형한 것을 사용하였다. 석탄 분석결과를 살펴보면 일반적인 석탄보다 FWSF의 수분과 휘발분 함량이 적고 고정탄소 및 회분이 많이 함유되어있다. 석탄은 질소를 0.9%로 소량 포함하고 있지만 혼소 대상 FWSF의 경우 7.64%로 비교적 많이 포함하고 있다는 것이 중요한 차이이다. 이는 혼소 시 연소 생성물인 NOx가 석탄 전소 대비 많이 생성될 가능성이 높아질 수 있는 가능성을 내포하고 있다. 또한, 석탄의 경우 수분을 14.5% 포함하고 있지만, FWSF는 4.78%의 수분을 포함하고 있어 석탄에 비해 비교적 낮다.
Table 1.
Heat inputs, excess air ratio, and percentages of 1st, 2nd and overfire air for reference case and various co-firing rates
| Case | Ref |
Co 10% |
Co 20% |
Co 30% |
| Adaro19 (kW) | 80 | 72 | 64 | 56 |
| FWSF (kW) | 0 | 8 | 16 | 24 |
| Excess air ratio | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
| 1st oxidizer (%) | 15 | 15 | 15 | 15 |
| 2nd oxidizer (%) | 60 | 60 | 60 | 60 |
| OFA (%) | 25 | 25 | 25 | 25 |
Table 2.
Results of elemental, proximate, calorific and mineral analysis for the coal (Adaro19) and the FWSF used in this study
3. 결과 및 고찰
3.1 연료 기초특성 분석
Fig. 2는 Adaro19 및 FWSF의 열중량 분석결과를 온도에 따른 시료의 무게 전환율로 표현된 TG(Thermo gravimetric) 곡선과 온도에 따른 시료의 무게 전환 변화율 DTG(Derivative thermo gravimetric) 곡선으로 나타낸 것 이다. 열중량 분석 결과는 시료의 특정 온도 구간에서의 무게 변화 경향을 통해 수분 증발 시점과 탈 휘발 시점을 알 수 있다. Adaro19의 경우 두 개의 피크(Peak)가 형성 되었으며, 수분 증발 구간과 탈 휘발 반응 구간으로 판단된다. FWSF의 경우 세 개의 피크가 형성되었으며, 한 번의 수분 증발 구간과 두 번의 탈 휘발 반응 구간으로 판단된다. FWSF는 700°C부근 고온 영역에서 열분해 되는 현상을 보였는데 이는 FWSF의 탈 휘발 특성으로 보여 진다. Fig. 2에서 Adaro19는 수분 증발 구간에서 FWSF 보다 더 많은 수분을 함유하고 있어 비교적 높은 무게 변화율을 보였고, Adaro19는 초기 탈 휘발 구간(300~600°C)에서 FWSF보다 더 큰 무게 변화율을 보였다. Fig. 3은 kissinger Method를 통해 최대 반응 온도를 기준으로 도시하였다. 탈 휘발 특성을 계산하기 위해 초기 탈 휘발 구간에서의 전환율 20%의 값만 사용하였다. Table 3에서는 선형적인 관계의 기울기로부터 산출된 각 연료의 활성화에너지 및 빈도 인자를 나타낸 것이다. Adaro19의 활성화에너지는 176 kJ/mol이고 FWSF는 334.7 kJ/mol이다. FWSF의 활성화 에너지는 Adaro19보다 약 2배 높은 값을 가졌고, 더 높은 빈도 인자를 가졌다. 이를 Arrhenius equation 대입하여 최대 무게 전환 변화율을 가지는 온도에서의 속도계수를 구해 두 연료의 초기 탈휘발 반응성을 비교하였다. 그 결과 초기 탈 휘발 구간에서 Adaro19가 FWSF보다 더 빠른 탈 휘발 반응성을 보일 것으로 사료된다. Adaro19와 FWSF의 촤 연소 반응성을 보기위해 열 중량 분석을 통해 탈 휘발 성분을 제거한 각 촤 시료를 포집하여 비표면적 분석을 진행하였다. Table 4에서는 비표면적 분석을 사용하여 두 연료의 비표면적, 기공의 부피 및 크기를 나타내었다. Adaro19의 비표면적은 433.239 m2/g이고 FWSF는 17.532 m2/g이다. Adaro19 기공의 부피와 크기는 0.19284 cm3/g, 17.805 Å, FWSF 기공의 부피와 크기는 0.02037 cm3/g, 46.486 Å이다. 이는 FWSF가 Adaro19보다 기공의 크기가 크고 개수가 적은 촤 구조임을 알 수 있다. 그러므로 Adaro19가 FWSF보다 더 빠른 char 연소 반응성을 가질 거라 예상되며 80 kWth 미분탄 연소 시스템에서의 연소 실험을 통해 Adaro19와 FWSF의 연소 반응성을 확인하였다.
Table 3.
Kinetic parameters of Adaro19 and FWSF derived from the thermogravimetric analysis
| Adaro19 | FWSF | |
| R2 | 0.9592 | 0.9677 |
| Activation energy (kJ/mol) | 176.2 | 334.7 |
| Pre-exponential factor (s-1) | 1.457E+11 | 1.036E+22 |
Table 4.
Specific surface area of Adaro19 and FWSF using BET analysis
| Adaro19 | FWSF | |
|
Surface area (m2/g) | 433.239 | 17.5321 |
|
Pore volume (cm3/g) | 0.19284 | 0.02037 |
|
Pore size (Å) | 17.805 | 46.486 |
3.2 연소 특성
Table 5은 각 혼소율 별 연소가스 조성 중 O2, CO 농도, 미연탄소(Unburned carbon), 연소효율(Combustion efficiency)을 나타내었다. CO 농도는 연소 효율의 지표로 사용될 수 있다[24,25,26]. FWSF의 경우 반 탄화를 거치며 고정탄소가 많고 발열량이 높기 때문에 고품질의 석탄과 동일한 연소 분위기를 형성한다. 혼소율 10, 20, 30%에선 석탄 전소 대비 낮은 CO 농도로 보다 좋은 연소 분위기를 형성한 것으로 보인다. 발열량이 높은 연료는 연소 반응성이 좋기 때문에 연소 후 CO 생성량도 상대적으로 낮아지게 되어 나타나는 결과이다. 미연탄소의 경우 각 혼소율 별 사이클론 하단의 바닥재를 포집 후 미연탄소를 측정하여 연소효율을 계산하였다. 석탄 전소, FWSF 혼소 10%에서 미연탄소는 0.1%로 연소효율은 99% 이상으로 안정적인 연소가 이루어졌다. FWSF 혼소율 20, 30%의 경우 석탄 전소, FWSF 혼소 10%보다 비교적 연소효율이 낮은 걸 볼 수 있지만 안정적인 연소가 이루어진 수치로 볼 수 있다. Fig. 4는 버너 팁과의 거리가 0.17 m, 0.33 m 떨어진 연소로 상단부 열전대와 버너 팁과의 거리가 1.83 m, 2.17 m 떨어진 연소로 하단부 열전대의 실시간 온도 분포를 조건 별 평균하여 나타낸 그래프이다. 그래프에서 나타난 바와 같이 연소로 상단에 위치한 0.17 m, 0.33 m 열전대의 온도 측정값은 혼소율이 증가될수록 온도 측정값이 감소하는 경향을 보였다. 연소로 하단에 위치한 1.83 m, 2.17 m 열전대의 온도 측정값은 증가하는 경향을 보였다. 이러한 현상은 혼소율이 증가됨에 따라 화염이 상부에서 점차 하부로 내려가면서 형성된다는 것을 의미한다. 열중량 분석과 비표면적 분석 결과에서 FWSF의 탈휘발 속도가 Adaro19에 비해 낮고, 촤 연소 반응성 또한 낮기 때문에 FWSF의 혼소율이 증가할수록 화염이 석탄 전소에 비해 길게 형성되어 연소로 상단부 온도와 하단부 온도는 Trade-off 관계를 보였다고 사료된다. Fig. 5는 혼소율 변화에 따른 연소가스 조성 중 CO2, CO, O2, NO를 평균하여 나타낸 것이다. 혼소율에 관계없이 CO2 발생량은 석탄 전소와 유사하게 측정되는 것을 볼 수 있다. CO의 경우, 모든 조건에서 50 ppm 이하로 측정된 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 모든 조건에서 안정적인 연소 분위기가 형성되었음을 확인하였다. NO의 경우, 혼소율 10%에서는 석탄 전소에 비해 증가하지만, 20, 30% 혼소율이 증가할수록 석탄 전소 대비 감소하는 것을 볼 수 있다. FWSF의 경우 연료 내 N이 7.37%로 석탄에 포함된 N 0.9%에 비해 약 8배 이상 포함되어 있다. 석탄 전소를 기준으로 석탄에 포함 된 N의 함량 변화에 따라 연소가스 내 생성되는 NO는 평균 120~450 ppm 정도의 큰 측정편차를 보인다. 석탄에 N이 FWSF와 같이 과량 포함된 경우가 없어 직접적인 비교는 어려우나, 상당량의 Fuel NO가 생성 될 것을 예상할 수 있다. 그러나 본 연구에서는 석탄 전소조건에서 약 140 ppm의 NO가 측정되었고 FWSF 10% 혼소에서는 약 160 ppm, 20% 혼소 시 약 130 ppm, 30% 혼소 시 약 100 ppm이 측정되었다. 혼소율 10%에서는 FWSF에 포함된 N의 직접적인 영향으로 혼합된 연료에 N의 비중이 커지면서 NO 생성량이 증가하지만, 혼소율이 20, 30% 로 증가할수록 연료내 고정탄소 양의 증가와 탈휘발 속도 감소로 주 연소 영역이 길게 형성되어 연소로 내 환원 영역이 증가하여, NO 환원효과로 인해 NO 생성이 감소하게 되는 것으로 보여진다.
Table 5.
Combustion efficiency according to FWSF co-firing ratio
3.3 회분 점착 특성
Table 6는 회분 점착성을 판단하는 경험 지표와 실험 결과를 정리한 표이다. 일반적으로 석탄에 쓰이는 경험적 지표를 biomass 연료에 적용하면 기존 지표들 간에 일관되는 관계가 없는 경향을 보인다[27]. 이 중 석탄 회분 점착의 경험적 지표로 널리 쓰이는 Basic to acidic compounds ratio(B/A)와 Biomass의 회분 점착성의 경험적 지표로 가장 일치하는 두 개의 지표인 Bed agglomeration index (BAI), Fouling index(Fu)를 적용해 회분 점착 평가를 진행하였다. Table 5의 B/A 지표는 1.75가 넘어가면 회분 점착 가능성이 높다[28]. 적용 결과 Adaro19는 2.28, FWSF에선 28.72으로 두 연료에서 높은 회분 점착 지수이며 FWSF가 Adaro19보다 높은 B/A 지표 수치를 보였다. Fu 지표는 40이 넘어가면 회분 점착 가능성이 높다[29]. Fu 지표를 통해 회분 점착을 분석해보았을 때 Adaro19의 경우 7.99로 평범한 회분 점착 지수를 보이지만 FWSF에선 145.6으로 높은 회분 점착 지수를 보였다. BAI 지표는 0.15보다 작으면 회분 점착 가능성이 높다[30]. BAI 지표 적용 결과 Adaro19는 7.23, FWSF에선 0.79로 두 연료의 회분 점착 가능성은 높지 않았다. 하지만 FWSF의 BAI지표가 Adaro19에 비해 낮은 수치를 보여 회분 점착 가능성이 비교적 더 높다고 판단된다. 결과적으로 세 개의 경험적 지표에서 일관되게 FSWF의 회분 점착 가능성이 Adaro19 보다 더 높았다. Fig. 6에는 Ash deposition probe를 사용해 측정한 혼소율에 따른 실시간 회분 점착량을 나타내었다. 각 조건 별 측정은 2시간씩 진행되었으며, 실험이 종료 되면 프로브를 교체 후 신규 프로브를 사용하여 다른 조건의 실험을 진행 하였다. 기본 조건만 살펴보면 FSWF는 석탄 보다 회분 비중이 크다. 그러므로 혼소율이 증가할수록 회분의 투입량은 증가하게 된다. 미네랄 분석을 통해 알칼리 성분이 비교적 많은 FWSF의 회분 용융점이 낮기 때문에 혼소 시 회분의 용융점이 낮아져 회분 점착성이 크게 증가할 것으로 예측하였다. 혼소율이 증가할수록 회분 점착량은 FWSG 혼소 10%에선 석탄 전소 대비 15.2% 증가하였고, FWSF 혼소 20%에선 2.0% 증가하였다. 혼소율이 증가할수록 동일 측정 시간에서 점착량이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 Table 5의 회분 점착 경험 지표와 일치하는 결과로 B/A, BAI, Fu 지표는 미분탄과 음식 폐기물 기반 고형 연료 혼소시 회분 점착 평가 지표로 적용될 수 있음을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구는 80 kWth 미분탄 시험로를 사용해 음식 폐기물 기반 고형 연료와 미분탄을 혼소하였다. 이때 연소 특성, 연소 가스 배출 특성, 회분 점착에 대해 분석 평가를 진행하였다. 혼소율이 증가할수록 연소로 벽면 상부온도, 하부온도가 Trade-off 되며 화염영역이 길어지는 현상이 나타났다. 열중량 분석 및 비표면적 분석을 통해 본 실험에서 사용한 석탄 대비 FWSF의 느린 열분해 반응 및 낮은 촤 연소 반응성으로 주 연소 영역이 연소로 하단으로 이동하였다. 혼소율 10, 20%에서는 석탄 전소보다 더 낮은 CO가 측정되어 안정적인 연소가 이루어졌음을 확인하였으나 혼소율 30%에서는 CO가 석탄 전소 대비 상대적으로 높아졌으며, 불안정한 연소로 발전할 가능성이 일부 있음을 확인하였다. FWSF 혼소 10%의 경우, 연료 내 N의 증가로 석탄 전소에 비해 NO 생성량이 증가하는 경향을 나타내지만, 혼소율 20, 30%에선 NO 생성량이 석탄 전소시보다 감소하는 경향이 나타났다. 혼소율이 증가할수록 화염 영역이 길게 형성 되면서 주 연소 영역에서 환원 반응 시간이 증가하여 환원되는 NO의 양이 많아지기 때문이다.
혼소율 증가에 따른 회분 점착량 모니터링 결과 점착량은 석탄 전소 대비 증가되는 경향성을 확인하였다. 실험 결과 회분 점착 경험 지표와 일치하는 결과로 B/A, BAI, Fu 지표는 석탄과 음식 폐기물 기반 고형 연료 혼소시 회분 점착 평가 지표로 적용될 수 있음을 확인하였다. 결론적으로 FWSF 혼소율 20%까지는 연소, NO 배출, 회분 점착 특성 측면에서 연소 조건 수정 없이 석탄전소와 거의 유사한 성능을 나타낼 것으로 예상된다.
