생활환경 관련자료

쓰레기 소각시설의 종류 및 특성


쓰레기 소각시설의 종류 및 특성
A. 스토커
방식 소각로

1) 소각원리

화격자 위에 태우고자 하는 폐기물을 놓고 불을 붙여 태울 수 있는 장치를 말한
다. 폐기물을 연소시키기 위해서 우선
화격자 위에 폐기물이 탈 수 있도록 쌓여져야 한다. 이렇게 화격자 위에 쌓인 폐
기물을 연료상(Fuel Bed)라 하며
일단 연료상에 불이 붙어 타들어가기 시작하여 연료상을 구성한 폐기물이 타고 있
는 상태가 되면 이 연료상을 화상(Fire
Bed)이라 부르게 된다. 보통 소각시 연료상은 그 표면부터 타서 내부로 타 들어가
게 된다. 따라서 타고 있는 연료상의
표면을 소각표층(Ignition front), 그 내부를 표층하(Below the front)라 부른
다. 일반적으로
고체상 폐기물의 소각기전은 우선 폐기물이 화격자상에 장입(Charging)되고, 불
이 붙으면 소각표층이 형성되어 표층하로
연소가 전파되어 내려간다. 이 때 표하층에서는 소각표층에서 일어나고 있는 연소
반응 결과 발생하는 열에너지가 전달되어
표층하의 폐기물에 함유되어 있는 수분이 증발·건조됨으로서 연소는 표층하로 계
속 진행되게 된다. 연소에는 반드시 연소공기가
필요하며 고상물질 연소에는 소각표층을 통해서 공급되는 상급연소공기(Overfire
Combustion Air)와 화격자
아래서 표층하 연료상 내부로 공급되는 하급 연소공기(Underfire Combustion Air)
가 있다.
따라서 고상폐기물 소각로는 이런 조건을 만족시킬 수 있도록 건조, 점화 및 연소
시키며 화격자는 폐기물을 받쳐주는 역할,
다양한 폐기물의 원활한 이송, 혼합분산, 건조용이, 폐기물의 균질화, 고온의 균
일가열, 공기예열을 잘 되게 하는 등의
특징을 가지고 있다.

2) 스토커 타입(연소방법)에 따른 분류

아래 표는 소각로의 형식 (연소방법)에 따른 분류를 나타내고 있다.

표 1-4> 소각로의 형식에 따른 분류

형 식 제 작 사 국 내 적 용
순송식 Von Roll(스), DBA/VKW
(독),
EVT(독), Steinmuller(독),
Volund(덴)
국내 대다수의 소각장
역송식 Martin(독), EVT(독) 일산, 수원, 해운대 소각장
원통회전식 DBA/VKW(독)
노원,
성남 소각장

①순 송 식 : 폐기물이 투입되면 상당한 높이에서 낙하하여 소각로의 화격자상에 연
소하도록 된 것으로 고온의 연소가스는
폐기물하락 부위를 통과하여 폐기물 건조효과를 얻도록 한 전진식(Von Roll)과 일열
은 고정시키고 다른 일열은 왕복운동을
해서 일정량의 폐기물이 이송되도록한 계단-전진식( L & C Steinmuller GmbH)
과 단계이동식(EVT)로
구분된다.

②역 송 식 : Martin사가 개발한 소각로로 화격자가 윗부분으로 움직이므로 안쪽
의 화근(불씨)은 위쪽으로 밀면서
겉부분의 미연소된 폐기물을 뒤섞이게하여 하부로 굴러 내려가도록 설계한 특이
한 구동방법이라 하겠다.
이 때의 연소현상은 상부측에서는 건조와 착화 그리고 주연소의 과정이 이루어지
고 있으며 후연소 과정이 일어나고 있어
전체화격자의 길이는 건조, 연소, 후연소의 3부위가 분명히 구분되는 전진형 화격
자 소각로인 경우보다 짧게 설계할 수
있는 점과 착화하기 힘든 폐기물과 수분량이 많은 저발열량의 폐기물 연소시에 적
합한 소각로라 볼 수 있다. 그러나 고발열량
폐기물인 경우 소각후 얻어지는 연소가스는 열과 많은 미연소성분 그리고 2차 공
해물질이 함유될 수 있음에 유념해야 한다.
즉 건조부나 건조에 필요한 시간이 적을 때 습한 염기성 물질을 포함한 폐기물은
주입과 동시에 연소과정에 돌입하여 저산소하에서
저온으로 불완전, 불안정연소가 발생하여 CO, 다이옥신류 등이 발생하며, 보일러
벽등을 심하게 부식시키는 원인이 되고
있다.

③원통회전식 : 대개의 겨우 6개의 원통상 화격자가 20∼30°경사로 위치해 있으
며 서서히 각각 회전하면서 소각시키는
방법으로 각 로의 크기는 적용페기물량에 따라 결정되나 화격자는 원통직경 1.5m
와 길이 약 5m인 경우 1000여개의
막대형 부품으로 조립되어 있어 부분손상시 쉽게 교체할 수 있다.
폐기물 주입은 약 75∼80Cm 두께로 골고루 주입시키고 있는데 이 때 사용되는 장
치는 피터로써 유압을 이용하는 것이
보통이다. 연소 상태에 따라 각 화격자의 회전속도가 잘 조절되어야 하며 주연소
용 공기의 배분도 중요하다.

3) 연소가스 흐름방향에 따른 분류

연소실 내에서 연소 가스와 폐기물의 흐름에 따라 아래와 같은 조작방법이 있
다.

① 향류식 : 향류식은 폐기물의 이송 방향과 연소 가스의 흐름 방향이 반대로 향
하고 있는 형식으로 복사열의 이송
방향과 연소 가스의 흐름 방향이 반대로 향하고 있는 형식으로 복사열에 의한 건
조에 유리하고 폐기물의 질이 나쁜 경우에
적당한 형식이다.

② 병류식 : 병류식은 폐김물의 이송 방향과 연소 가스의 흐름 방향이 같은 형식
으로 폐기물의 발열량이 상당히 높은
경우에 적당한 형식이다.

③ 교류식 : 교류식은 양자의 흐름이 교차하는 향류식과 병류식의 중간적인 형식
으로 중간 정도의 발열량을 가지는 폐기물에
적합하며, 두 흐름이 교차하는 점을 중심으로 비교적 발열량이 높은 폐기물에 있
어서는 후연소 화격자에 오게 하고 발열량이
낮은 폐기물에 있어서는 건조 화격자에 오게 하는 것이 일반적이다.

④ 2회류식 : 2회류식은 2개의 연도를 갖고 한쪽 방향의 연도에 설치된 댐퍼
(damper)의 조작에 의해 향류식·병류식
또는 양자의 중간 형태를 얻을 수 있는 형식이다.

B. 유동상식 소각로(FLUIDIZED BED
INCINERATOR)

반응기 하부에 있는 다공 분사판으로 연소 공기를 주입하면 분산판 위의 불활성
매체(모래)가 유동을 시작한다. 이
때 반응기 내의 압력 강하가 층 면적당 고체의 무게가 같아지면 이 때 고체들이
상호 움직임을 갖기 시작한다. 이 상태를
최소 유동화 상태라고 하며, 이 때의 기체 속도를 최소 유동화 속도(minimum
fluidization velocity)라고
한다. 이후 계속적으로 유속을 증가시키면 압력 강하는 거의 일정하게 유지되지
만 고체층이 팽창하면 고체들의 거동은 전적으로
액체와 같은 특성을 보이기 시작한다. 또한 층은 큰 공주의 형태로 통과하는 기체
들이 출현하여 이를 기·액계에서와 유사하게
기포라고 부른다. 이 기포의 거동은 층을 매우 격렬하게 끊는 액체와 같은 형상으
로 만든다. 이러한 성상은 기포유동층(bubbling
fluidized bed)이라고 한다.

고정층 내에서 속도의 변화에 대한 압력 강하를 살펴보자. 초기에는 고체 입자층
을 유동화시키기 위하여 공기 속도를 점차
증가시키면 공기 압력강하(△p)가 점점 증가하다가 어느 점에 이르러 입자가 비
등 조건이 만족되면서 유동층이 형성되기
시작한다. 이 구간까지는 입자층의 높이와 밀도는 일정하게 유지되며 고정층
(fixed-bed)이 된다.
유동층이 형성된 후 공기의 속도를 크게 하여도 공기 압력 강하는 공기 유속 증가
에 비하여 거의 일정하게 유지되며 비등
상태가 계속된다. 이 구간에서 나타내는 특징은 비등(bubbling)현상이며, 이 구간
은 bubbling 유동층이라고
한다.
이 Bubbling 유동층 연소시 입자층의 상한성이 나타나며, 고체 입자의 높이 증가
에 따라 연소 효율은 증가하나
어느 한계점 이상에서는 미연소 입자의 Overflow가 발생되어 이 입자를 재순환시
켜야만 계속적으로 유동층을 유지할
수 있게 된다. 이러한 구간에서의 유도층 연소를 이용한 방식을 순환식 유동층이
라고 한다.

유동층 소각의 특성

유동층의 열 용량은 1.42×105㎉/㎥ 정도로 보유 열량이 높아 폐기물 연소에 있
어 최적 연소 조건을 형성한다.
유동층 내의 층은 항상 700∼800℃에 해당하는 열을 보유하고 있으므로 유동층
내 물질은 다음과 같은 특성을 갖는
것이 좋다.

■ 불활성일 것
■ 열충격이 강하고 융점이 높을 것
■ 내마모성이 있을 것
■ 비중이 작을 것
■ 공급이 안정할 것
■ 쉽게 구입할 수 있고 가격이 저렴할 것
■ 입도 분포가 균일할 것

이러한 유동층 소각로는 일반적인 소각로로 소각이 어려운 난연성 폐기물 소각
에 적합한 것으로서 특히 오니류 및 폐유·폐윤활유
계통 소각에 탁월한 성능을 가진다. 폐기물 소각에 있어 대상 폐기물을 살펴보
면, 플라스틱 제조·화학 공정·석유 정제
공정·의약 제조 공정·나일론 제조 공정·자동차 공업·펄프 제지 공정 및 양모
세척 공정 폐기물로 광범위하게 적용할
수 있으며, 특히 유동층 소각로는 혼소가 가능하다는 장점이 있다. 유동층 소각로
의 장단점은 다음과 같다.

① 장 점
■ 유동 매체의 열 용량이 커서 액상물·다습물 및 고형물의 전소 및 혼소가
가능하다.
■ 반응 시간이 빨라 소각 시간이 짧다(노 부하율이 높다).
■ 연소 효율이 높아 미연소분 배출이 적고 2차 연소실이 불필요하다.
■ 과잉 공기가 적어 결국 다른 형태의 소각로에서 보다 보조연료 사용량이
적고 가스량도 적다.
■ 기계적 구동 부분이 적어 고장률이 낮다.
■ 노 내 온도의 자동 제어로 열회수가 용이하다.
■ 유동 매체의 축 열량이 높은 관계로 단기간 정지 후 가동시에 보조 연료
사용없이 정상 가동이 가능하다.

② 단 점
■ 유동화의 특성상 분진 발생률이 다른 형태의 소각로보다 높다.
■ 대형 고형물인 경우 투입이나 유동화를 위한 파쇄가 필요하다.
■ 유동 매체의 손실로 인한 보충이 필요하다.

표 1-5> 스토커 방식과 유동상식 소각로의
비교

연소형식 스토커 방식 유동상식
소각로 구조 화격자 구동 방식 유동상 방식
쓰레기 성상변화 Spoting 현상(플라스틱
과대)
대응력이 양호
건설비 보통(타
방식과 비교)
약간
높음(스토커 기준시 1.3배)
유지관리비 저렴(전처리
불필요, 단순)
고비용(파쇄
기,
송풍기, 집진기 등)
운전조작 간단하다.
냉간시동에는 48시간 소요
용이하다.
냉간시동에는 24시간 소요
소각로
적정규모
200∼400
톤/일
50∼150
톤/일
쓰레기
투입장치
크레인,
흡파, 풋셔공급기
크레인,
흡파, 파쇄분리기, 정량공급기
연소용량 300∼350
kg/m2h
450
kg/m2h
Clinker
발생
발생 발생되지
않음
감용률 85∼92% 94∼96%
과잉공기비 1.5∼2.5 1.2∼1.8
실적(일본) 95% 5%
최대규모 1200
톤/일(400톤/일 × 3기)
450
톤/일(150톤/일 × 3기)

C. 열분해 방식 소각로

공기가 없는 무산소 상태에서 폐기물을 열에 의해 변환시켜 가스, 액체, 고체상
태의 연료를 생산하는 공정을 말한다.
국내에서는 통상적으로 완전 무산소상태의 열분해와 부분적인 산소공급 형태의 가
스화를 총칭하여 열분해반응이라 칭하고 있다.

열분해를 통해 연료의 성질을 결정짓는 요소로는 운전온도, 가열 속도, 폐기물의
성질 및 입자크기 등으로 결정된다.
온도가 증가할수록 수소함량은 증가되며, CO2 함량은 감소되고 있다. 분해온도가
증가되면 가스구성비가 증대되며, 산과
Tar를 비롯한 물질의 발생량은 감소된다. 가열 속도 또한 낮은 경우나 높은 경우
모두 가스 생산량은 많으나 가열속도가
큰 경우에는 수분함량과 용액상태의 유기물질량이 감소되고 있다.

열분해 과정에 영향을 주는 다른 요소로는 수분을 들 수 있는데 수분함량이 많을
수록 운전온도까지 온도를 올리는데 소요시간이
많이 소요되며, 예열을 통하여 폐기물을 건조시키는 경우에는 소요비용이 증대된
다. 일반적으로 도시폐기물로부터는 가스,
액체, Tar 와 같은 연료의 생산이 가능하며, 폐기물의 입자크기가 작을수록 쉽게
열분해가 이루어진다.

이러한 열분해 방식에는 Thermoselect사의 열용융방식과 Siemens사의 열분해 방
식 등이 있다.

표 1-6> 국내외 신기술 기술현황 비교(99년
기준)

형식 스토커식 유동상식 열분해 플라즈마
운전온도 850∼1100℃ 850∼950℃ 600∼2000℃ 1600℃ 이상
소각가능 최대용량
(1기당)
800톤/일 200톤/일 200톤/일

술수준
국내 발전단계 기술습득단계
기술습득단계
기술습득단계
국외 완숙단계 일본,
북유럽
완숙단계
개발

시험단계
개발단계

업설비현황
국내 11개소
운영중
(15개소 건설중)
3개소
운영중
(중형 포함)
운전·건설
중인 설비 없음
운전·건설
중인 설비 없음
국외 2000개소 70개소 4∼5개소 없음
다이옥신
저감설비 여부
필요 필요 불필요 불필요
폐기물
전처리설비 여부
불필요 필요 필요 필요
자원
및 에너지 이용가능성
보통 보통 높다 높다
현재의
기술 신뢰도
높다 중간 낮다 낮다
기술의
발전 가능성
보통 보통 높다 높다

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