Ⅰ. 연소의 조건1. 산소(Oxygen)ㅇ 연소는 급격한 산화반응으로서 산소는 필수 불가결한 요소ㅇ 유기물을 완전 연소시키기 위한 이론적 산소요구량은 원소조성 분석을 통하여 계산가능ㅇ 충분한 산소를 공급시키지 않으면 불완전 연소 발생ㅇ 이론 산소량만으로 완전 연소는 불가능하므로 실제 연소시에는 여분의 공기를 주입하는데 이는 완전연소뿐만 아니라 연소기의 연소온도를 감소시키기 위한 목적ㅇ 공기의 공급은 1차 공기와 2차 공기로 공급하게 되는데 1차 공기는 건조대와 연소대의 화격자 하부에서 공급되는 공기로서 쓰레기의 건조 및 연소에 필요한 공기를 공급ㅇ 2차 공기는 1차 공기에 의하여 불완전 연소된 연소가스를 태워 완전연소를 이루기 위한 목적으로 공급되는 공기로서 주 연소대나 후 연소대 로벽에 노즐을 통하여 제트로 주입되는 공기2. 온도(Temperature)ㅇ 건조속도 향상, 연소효율 및 연소온도를 높이는데 가장 중요한 요소ㅇ 연소온도는 연소시키는 물질의 착화온도, 수분함량, 사용되는 공기량, 연소기의 모양에 따라 변하는데 도시 폐기물의 발화온도(Ignition Temperature)는 260～370℃ 가량이나 연소기의 최소온도는 650℃ 정도ㅇ 온도가 너무 높으면 NOx나 Ox가 형성되므로 과잉공기 주입량을 늘려 냉각시켜야 함ㅇ 온도가 낮으면 불완전 연소에 의한 HC, CO 등이 발생하며 악취가 발생ㅇ 에너지 회수 목적으로 스팀을 생산할 경우 연소온도를 870℃로 유지3. 시간(Time)ㅇ 연소물질의 입자가 클수록 연소시간이 길어지므로 연소시간 단축을 위하여 소각전 파쇄 등 전처리가 필요ㅇ 연소온도가 높으면 연소시간은 짧아지게 되나 체류시간이 너무 짧을 시 소각재가 연소가스와 함께 외부로 방출될 수 있으므로 소각재의 침전에 충분한 시간을 유지하여야 함ㅇ 연소가스의 체류시간은 필요한 반응시간이라기보다는 산소가 확산하여 불완전 연소가스에와 접촉하는데 필요한 시간인데 이는 산소와 가스의 접촉시 연소는 순식간에 이루어지기 때문이다.4. 교란(Turbulence)ㅇ 건조 연소물을 뒤집어 주어야 하며 전열경막 저하를 줄이기 위하여 필수 불가결한 요소ㅇ 연소반응에 대하여 보면 비교적 저온에서는 화학반응이 지배적이지만 온도상승과 수반하여 확산 지배영역으로 들어가므로 산소의 확산 도달계수를 크게 잡기 위하여는 교란에 의하여 물질표면을 많이 노출시켜야 함ㅇ 소각물의 연소에 의하여 생성된 재를 떨어냄에 따라 연속적 소각 가능ㅇ 연소공기 공급이나 Grate의 이동, 요동에 의하여 수행ㅇ 2차 공기의 제트 주입은 연소가스를 난류, 혼합시키고 폐기물 표면과의 접촉을 원활히 하여 완전연소에 도움을 줌Ⅱ. 연소과정1. 개요ㅇ 쓰레기의 연소는 시간의 경과에 따라 1건조, 2착화, 3연소, 4후연소, 5회분의 잔류 순으로 이루어진다.ㅇ 외부로부터의 열 공급에 의하여 쓰레기가 건조된 후 휘발분이 생성되며 온도가 상승되면서 휘발분이 착화되고 연소가 개시되는데 이 때의 온도가 착화온도이다.ㅇ 연소가 개시되면 불꽃이 이동하면서 인접 쓰레기를 연소시키고 고정탄소 분이 연소되면 모든 가연분의 연소가 완료된다.ㅇ 쓰레기의 건조가 일어나는 구역을 건조대, 휘발분 생성, 착화 및 불꽃이동연소가 일어나는 구역을 연소대, 고정탄소의 연소가 일어나는 구역을 후연소대라고 칭하나 실제의 소각과정은 보다 복잡하여 이러한 대역이 명확한 것은 아니다.2. 연소과정가. 건조ㅇ 우리나라의 쓰레기는 다량의 수분(40～60%)이 함유되어 있어 건조가 소각공정에 중요한 요소가 된다.ㅇ 쓰레기의 건조는 복사열 건조, 대류건조, 접촉건조, 고온 통기건조에 의하여 수행된다.1) 복사열 건조ㅇ 연소에 의하여 발생한 열이 로의 내화재 또는 불꽃으로부터의 복사열에 의하여 쓰레기가 건조되는 현상ㅇ 쓰레기 내부까지 열전달은 이루어지지 않고 표면만이 건조ㅇ 복사열 건조 효율을 높이기 위하여 Grate의 이송과 반전, 교반으로 폐기물의 표면을 변화시켜 주어야 한다.2) 대류건조ㅇ 연소에 의하여 발생한 고온의 연소가스가 이동하면서 인접한 쓰레기와 접촉하여 건조ㅇ 쓰레기의 이송방향과 연소가스의 흐름방향에 따복류식이 있다.- 역류식 : 수분이 많고 저위발열량이 낮은 쓰레기에 적합하나 후연소대의 온도저하 및 불완전 연소가 발생할 수 있다.- 병류식 : 수분이 적고 저위발열량이 높은 쓰레기에 적합하나 건조효율이 저하될 수 있다- 교류식 : 중간정도의 쓰레기 질에 적합- 복류식 : 쓰레기의 질이나 저위발열량의 변동이 심할 경우 사용하는데 댐퍼의 개폐로 역류식, 병류식, 교류식으로 조절3) 접촉건조ㅇ 화염이 인접 폐기물과 직접 접촉하여 전열함으로써 건조4) 고온 통기건조ㅇ 고온의 연소용 공기를 불어넣어 줌으로써 건조속도 향상나. 착화ㅇ 일반적으로 가연성 물질은 낮은 온도에서는 산화진행이 느리고 발생하는 산화열만으로 그 자체의 온도를 상승시킬 수 없으나 외부로부터 열을 받아 일정온도 이상이 되면 산화는 급속히 진행되면서 온도가 상승하는데 이 현상을 착화라고 한다.ㅇ 쓰레기의 연소에서 착화현상은 건조후 온도가 상승되면 휘발분이 생성되고 어느 온도에 달하면 더 가열하지 않아도 스스로 연소하게 되는데 이 때의 온도를 착화온도라 한다.ㅇ 착화온도는 연료의 종류, 형상, 주위의 여건에 따라 다르다.ㅇ 착화에는 상부착화(복사열), 하부착화(고온공기로 Grate 접촉면에서 착화), 접촉착화(연소열의 전열에 의하여 착화)가 있다.다. 연소1) 증발연소ㅇ 연료 자체가 증발하여 타는 경우이며 휘발유와 같이 끓는점이 낮은 기름의 연소나 왁스가 액화하여 다시 기화되어 연소하는 것2) 분해연소ㅇ 석탄, 목재 또는 고분자 가연성 물질의 열분해로 발생한 휘발성 가연성 가스가 연소하는 것으로 이 연소열로 다시 열분해 및 연소가 연속적으로 이루어진다.ㅇ 증발연소와 같이 불꽃을 발생하며, 기체연료의 연소와 비슷3) 표면연소ㅇ 코크스 또는 분해연소가 끝난 물질은 탄소가 주 성분으로서 고정탄소 자체가 연소하는 과정으로 적열하나 불꽃은 없다.4) 확산연소ㅇ 공기의 확산에 의한 불꽃이동 연소를 말한다.라. 재(회분)ㅇ 연소후에는 연소되지 않은 재가 8～15% 발생하는데 재에는 약 5～15%의 미 연소된 가연분이이라 한다.ㅇ 냉각후의 폐수는 경도가 매우 높고 pH가 낮은 부식성을 띠고 있다.3. 효율적인 연소의 조건ㅇ 공기와 연료의 비가 잘 맞아야 한다.ㅇ 공기와 연료의 혼합이 잘 되어야 하며 충분한 산소가 공급되어야 한다.ㅇ 완전연소를 위한 충분한 체류시간이 제공되어야 한다.ㅇ 일정한 연소온도가 유지되고 재의 방출이 최소가 될 수 있은 소각로의 형태가 요구된다.ㅇ 완전연소를 위하여 후연소대의 체류시간을 길게 할 필요가 있다.Ⅲ. 발열량1. 발열량의 정의ㅇ 연료의 단위량(기체 1S㎥, 고체, 액체 1kg)이 완전 연소할 때 발생하는 열량(kcal)으로서 kcal/kg or kcal/S㎥으로 표시2. 발열량의 종류가. 고위 발열량(HHV, Hh)ㅇ 고위 발열량은 열량계로 측정되며 총발열량이라고 한다.ㅇ 연소에 의하여 생성된 연소가스 중에는 수분이 포함되는데 이것은 연료중의 수소분이 타서 생성되는 것과 연료중에 함유된 수분이 가스로 배출되는 것이다.ㅇ 고위 발열량은 연료중의 수분 및 연소에 의하여 생성된 수분의 응축열(증발잠열, Hs)을 함유한 열량이다.ㅇ 실제 연소에서는 연소가스 중의 수분은 연소에 사용되지 않고 수증기 상태로 배출되기 때문에 응축열은 실제 연소에 이용되지 않는다.나. 저위 발열량(LHV, Hl)ㅇ 고위 발열량에서 수분의 응축열을 공제한 잔여 열량(진발열량)으로서 연소시 유효하게 이용되는 열량으로서 소각로 설계시 기초자료로 이용된다.ㅇ 연료중 수소와 수분의 중량을 각각 H, W라 하면 연료 1kg당 9H+W(kg)의 H2O가 생성된다.ㅇ 물 1kg의 발열량은 600kcal/kg이므로 Hl = Hh - 600(9H+W)이 된다.ㅇ 삼성분에 의한 저위 발열량Hl = 4500V - 600Wㅇ 단열열량계에 의한 저위발열량Hh = Hd×(1-W) (Hd : 건조쓰레기의 열량계 발열량)Hl = Hh - 600(9H+W)ㅇ 원소분석에 의한 저위발열량- Dulong 식Hl = 8,100C + 34,250(H-O/8) + 2,250S - 600(9H + W)Ⅳ.연료의 요구량{탄소의 연소수소의 연소황의 연소C + O2 → CO2H2 + 1/2 O2 → H2OS + O2 → SO212kg 32kg 44kg2kg 16kg 18kg32kg 32kg 64kg1kg 2.667kg 3.667kg1kg 8kg 9kg1kg 1kg 2kg22.4㎥ 22.4㎥ 22.4㎥22.4㎥ 11.2㎥ 22.4㎥22.4㎥ 22.4㎥ 22.4㎥1kg 1.867㎥ 1.867㎥1kg 5.6㎥ 5.6㎥1kg 0.7㎥ 0.7㎥ㅇ 위의 연소방정식에서 1kg의 탄소와 수소, 황을 연소시키는데 필요한 산소량은 각각 1.867㎥, 5.6㎥, 0.7㎥ 임을 알 수가 있다.ㅇ 따라서 폐기물의 화학적 조성 분석결과 탄소, 수소, 황의 함량을 알고 있으면 해당 폐기물의 이론적 산소요구량을 알 수 있다.ㅇ 산소요구량 Oo = 1.867C + 5.6H + 0.7SOo = 2.667C + 8H + S로 표시되는데 연료중의 산소가 수소와 8:1의 중량비로 결합수 상태로 연소과정에서 수증기(H2O)로 배출되기 때문에 실제연소시 수소는 (H-O/8)만큼이다. (유효수소)ㅇ 따라서 Oo = 1.867C + 5.6(H-O/8) + 0.7SOo = 2.667C + 8(H-O/8) + S2. 기체의 연소{CO + O2 → CO2CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O22.4㎥ 11.2㎥ 22.4㎥22.4㎥ 44.8㎥ 22.4㎥ 44.8㎥1㎥ 0.5㎥ 1㎥1㎥ 2㎥ 1㎥ 2㎥H2 + 1/2 O2 → H2OCmHn + (m+n/4)O2 → mCO2 + n/2 H2O22.4㎥ 11.2㎥ 22.4㎥22.4㎥ 22.4(m+n/4)㎥ 22.4m㎥ 22.4(n/2)㎥1㎥ 0.5㎥ 1㎥1㎥ m+n/4 ㎥ m㎥ n/2㎥o 산소요구량 Oo = [0.5(CO) + 0.5(H2) + 2(CH4) + (m+n/4)(CmHn)]이다3. 이론 공기량가. 정의ㅇ 연료가 완전 연소하는데 필요한 가장 적은 공기량* 공기조성- 중량 : 산소 23.2%, 질소 76.8%- 체적 : 산소 21%, 질소 79%나. 이론 공기량 산정 32 ]
