수평 압축식 고정층 폐기물 가스화 용융로의 최적 운전조건 도출
Determination of optimum operation conditions for horizontal compressed-type fixed-bed waste gasification and melting furnace
초록/요약
본 연구에서는 여러 가지 반응로 형식 중 고정층 방식의 가스화 용융로에 대하여 합성가스 생산 특성 적정 예측 방법 도출과 가스화 용융로의 최적 운전 조건 도출에 관한 연구를 목적으로 하였다. 또한 운전변수와 가스화 합성가스 생산 특성과의 상관성 비교 평가를 통하여 화상부하율과 화상체적부하율로부터 합성가스 유량변동비 예측할 수 있는 실험식과 합성가스내의 미세카본 분진농도를 예측하는 실험식을 제시하는 것을 그 다음 목적이다. 이러한 세가지 연구목적에 대한 연구결과를 요약하면 다음과 같다. 합성가스 생산특성 예측을 위해 가스화 반응식을 수성가스 변위반응, 화학평형 및 6가지 주요 가스화 반응식을 비교한 결과 수성가스 변위반응 조건으로 예측하는 것이 적합하였다. 상용 전산 해석 프로그램인 ASPEN PLUS 프로그램에 의한 합성가스 생산특성 예측결과와 수성가스 변위반응을 적용한 Excel 기반 프로그램의 예측결과를 비교한 결과 Excel 기반 프로그램이 타당하게 평가되었다. 수성가스 변위반응을 적용한 합성가스 유량 및 조성 예측결과와 Pilot plant 실험결과를 비교한 결과, 합성가스 유량 예측 오차율은 발열량 분석값 적용시 5.2%, Michel식 15.4%, Dulong식 17.6%, Boie식 18.3%, Verband식 19.0%로 합성가스 유량 예측 오차율은 발열량 분석값 적용 시 가장 낮았다. 합성가스의 조성(CO+H₂)에 대한 오차율은 Verband식 0.03%, Boie식 1.5%, Dulong식 4.2%, Michel식 9.0%, 발열량 분석값 적용 시 31.8%로 신뢰성이 떨어졌고 Verband식에 적용하였을 때 예측결과의 신뢰성이 가장 높았다. 합성가스 생산 유량 균질화를 위한 운전변수는 로내 운전압력과 화상부하율로서 합성가스 유량변동율을 최소화 하기 위한 최적 로내 운전압력은 0.3～0.4 kg/㎠G 이고 화상부하율의 최적 운전 범위는 504～545 kg/m2·hr로 도출되었다. 미세 카본 분진 배출농도 제어를 위한 운전변수로는 가스화 용융로의 로내 운전온도로서 가스화 용융로 중간층부인 Middle Section 운전온도에 따른 상관성이 높았으며 상관계수(R)는 0.9778이고 Middle Section 운전온도를 1,200℃에서 미세 카본 분진농도는 12,062 mg/N㎥으로 도출되어 로내운전온도는 1,200℃이상에서 운전하는 것이 최적 조건으로 판단된다. 다이옥신 배출 농도 제어를 위한 운전변수로는 로내 운전온도와 합성가스 내 산소농도로서 폐기물 가스화 용융로 출구온도를 900℃이상으로 유지하는 것이 최적조건으로 도출되었으며, 합성가스 내 산소농도는 0%를 유지하여야 다이옥신 생성이 0.1 ng-TEQ/N㎥ 이하로 발생되었다. 또한 다이옥신의 배출농도는 로내 운전온도 보다 합성가스내 산소 농도에 보다 상관성이 높은 것으로 나타났다. 합성가스내 산소농도 0.7%이하로 유지시 가스화 용융로에서 배출되는 다이옥신 농도를 0.1 ng-TEQ/N㎥ 이하로 유지할 수 있을 것으로 판단된다. 용융로 적정 운전온도는 가스화 용융로의 실제 운전온도와 시료의 용융점 분석에 의한 용유점(FFT, Free Flow Temperature)과의 비교를 통해 실험시 용융로의 운전온도를 측정된 회분 용유점에서 운전 시 슬랙이 안정적으로 배출되어 용유점온도 범위에서 운전하는 것이 최적 조건으로 판단되었다. 이는 용융로 운전온도를 용유점보다 높게 운전하여 슬랙의 안정적인 배출이 되는 최저 운전온도를 유지하는 것이 에너지 소모를 최소화 할 수 있기 때문이다. 따라서 회분의 용유점 분석결과와 가스화 용융로의 실험결과에서 도출된 운전온도는 용유점보다 5～40℃ 높게 유지하는 것이 최적 조건으로 나타났다. 용융로의 운전온도를 파악하기 위한 기준으로 회분의 화학조성을 이용하여 용융점을 예측하는 조성변수 중 염기도 R7=(CaO+MgO+K₂O+Na₂O)/(SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃)을 기준으로 용융온도를 예측하는 것이 가장 신뢰성이 높았다. 슬랙의 중금속 용출기준에 적합한 슬랙 화상부하율(kg/m2hr)은 슬랙의 중금속 용출 농도를 기준에 의해 137 kg/㎡hr까지 적정 운전범위로 평가되었다. 최적 운전조건 도출을 위하여 운전변수에 대한 가스화 성능과의 상관성을 고찰하였으며 가스화 성능과 가장 상관성이 높은 실험식을 다음과 같이 제시하였다. 생산되는 합성가스 발생에 의한 유량변동비를 예측 실험식은 Rq = -0.0145 Fs - 2.6732 Fv + 5.3193이며, 여기서 Rq는 유량변동비, Fs는 화상부하율, Fv는 화실체적부하율이다. 미세 카본 분진 발생농도 예측 실험식은 Ccd = 0.0307 T㎡ - 101.08 Tm + 88489이며, 여기서, Ccd는 미세카본 분진농도, T는 가스화 용융로의 middle section temperature이다.
more초록/요약
There are few data to predict gasification and melting characteristics of wastes and determine optimum conditions for a fixed bed waste gasification and melting furnace of a horizontal compressed type In this study, the objectives are to obtain optimum operation conditions of operation parameters which affect main performance of a gasification and melting furnace and to determine optimum prediction method of yield characteristics of syngas. Water gas shift reaction and chemical equilibrium and gasification reactions (6 cases) were compared to predict yield characteristics of syngas. As the results, water gas shift reaction was suitable to predict the characteristics. And the yield characteristics of syngas was predicted by the program based on Excel, which can alternate ASPEN PLUS.; so that the Excel program adapted water gas shift reaction can predict the characteristics. Flow and composition of syngas predicted and those of experiment from pilot plant were compared. As the result, the predicting errors of caloric value, Michel, Dulong, Boie and Verban equations were 5.2%, 15.4%, 17.6%, 18.3%, and 19.0%, respectively indicating that analysis of calorific value is most suitable in consentaneity to predict of syngas flow. Also, the errors of Verband, Boie, Dulong, Michel equations, and analysis of caloric value for main composition (CO+H2) in syngas were 0.03%, 1.5%, 4.2%, 9.0%, and 31.8, respectively. As a operation parameter, pressure drop and furnace loading rate of waste in the furnace were suggested to control of syngas yield fluctuation. Operation pressure was 0.3～0.4 kg/㎠G to minimize the fluctuation. Also, optimum furnace loading rate range was 504～545 kg/㎡·hr The amount of fine carbon dust was strongly related to operation temperature of middle section, and the regression coefficient (R) was 0.9778. Concentration of fine carbon dust was 12,062 mg/N㎥ at 1,200℃ in a middle section indicating that operation temperature of middle section has to be kept higher than 1,200℃. It is desirable for an exit temperature of gasification and melting furnace to be kept higher than 900℃, and to control the emission of dioxins the optimum oxygen concentration in syngas is 0 %. It is supposed that the oxygen concentration in syngas is higher than operation temperature in correlation of dioxins emission. When oxygen concentration is kept to be less than 0.7%, it is able to reduce to less than 0.1 ng-TEQ/N㎥. Operation temperature of the furnace is suggested by analysis of a free flow temperature (FFT) of waste. Generally, since an operation temperature is much higher than a free flow temperature to discharge molten slag fluently, high amount of energy is consumed. To reduce the energy, a free flow temperature of ash was analyzed. The optimum operation temperature was suggested to 5-40℃ higher than a free flow temperature. To estimate a free flow temperature with chemical composition of ash, basicity R7 = (CaO + MgO + K₂O + Na₂O) / (SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃) was suggested. Leachability of heavy metal in slag and melting state of slag depends on furnace discharge rate of slag(kg/㎡hr) of a melting furnace (horizontal type furnace). The optimum operation condition was maximum 137 kg/㎡hr in furnace discharge rate of slag. To determine the optimum conditions, operation parameters and gasification performance are evaluated and then experimental equations are suggested as follows: Experimental equation of flow fluctuation ratio by syngas production is [Rq= -0.0145Fs - 2.6732 Fv + 5.3193. Where, Rq = flow fluctuation ratio of waste, Fs = furnace loading rate. Fv = Furnace volume loading rate. Experimental equation of fine carbon dust is Ccd = 0.0307 T㎡ - 101.08 Tm + 88489. Where, Ccd= Concentration of fine carbon dust, Tm=middle section temperature.
more목차
제1장 서론 = 1
제1절 연구 배경 = 1
제1항 폐기물 가스화 용융 연구의 필요성 = 1
제2항 합성가스 생산 특성 예측 및 가스화 용융로의 운전조건 도출 필요성 = 3
제2절 연구 목적 = 7
제2장 이론적 고찰 및 문헌고찰 = 9
제1절 이론적 고찰 = 9
제1항 가스화 반응 이론 = 9
제2항 용융 반응 이론 = 14
제2절 문헌고찰 = 16
제1항 가스화 용융 기술 = 16
제2항 가스화 용융로 형식 = 20
제3항 가스화에 적용 가능한 폐기물 = 26
제4항 소각기술과 가스화용융기술 = 27
제5항 폐기물 가연물의 가스화에 영향을 미치는 인자 = 33
제6항 폐기물 불연물의 용융에 영향을 미치는 인자 = 40
제3장 실험장치 및 분석 방법 = 53
제1절 실험장치 = 53
제1항 폐기물 가스화 용융 공정 구성 = 53
제2항 폐기물 가스화 용융시스템 주요설비 = 54
제2절 분석방법 = 60
제1항 폐기물 및 슬랙 분석 방법 = 60
제2항 합성가스 및 다이옥신 분석 = 61
제4장 폐기물 가스화 용융 예측 및 실험결과 비교 = 64
제1절 가스화 용융로 합성가스 생산 특성 예측 = 64
제1항 가스화 용융 예측 방법 및 해석 범위 = 64
제2항 예측결과의 평가를 위한 기준 설정 = 70
제3항 가스화 용융로의 합성가스 생산 특성 적정 예측방법 도출 과정 = 72
제2절 가스화 용융로 예측 모델 해석 결과 = 74
제1항 가스화 반응모델 비교 결과 = 74
제2항 폐기물 발열량 적용값에 따른 모델 예측 결과 비교 = 76
제3절 모델 예측결과 및 실험결과 비교 = 77
제1항 예측결과 평가를 위한 가스화 용융로 실험결과 = 77
제2항 폐기물 가스화 예측결과 및 실험운전 결과 비교 = 81
제4절 가스화 용융로의 합성가스 유량 및 조성 최적 예측 방법 = 83
제5장 폐기물 가스화 용융로 최적 운전조건 도출 = 85
제1절 가스화 용융로의 최적 운전조건 도출 방법 = 85
제2절 폐기물 가스화 용융로의 최적 운전조건 = 89
제1항 가스화 합성가스 유량 균질화 운전조건 = 89
제2항 미세 카본분진 저감을 위한 운전조건 = 100
제3항 다이옥신 배출 농도에 영향을 미치는 운전조건 = 111
제4항 용융 슬랙의 안정적 배출을 위한 적정 운전조건 = 117
제5항 슬랙의 중금속 용출기준에 적합한 운전조건 = 125
제3절 폐기물 가스화 용융로 최적 운전조건 도출 결과 및 활용방법 = 129
제1항 합성가스 생산을 위한 최적 운전조건 및 활용방법 = 129
제2항 폐기물 용융을 위한 최적 운전조건 및 활용방법 = 131
제6장 결론 및 향후 연구방향 = 134
Appendix. 회분의 용융온도 측정 결과 = 137
참고문헌 = 146
Abstract = 152
