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ISSN : 2288-9167(Print)
ISSN : 2288-923X(Online)
Journal of Odor and Indoor Environment Vol.18 No.4 pp.299-310
DOI : https://doi.org/10.15250/joie.2019.18.4.299

Effect of operational conditions in a biomass stoker incinerator on the concentration of odorous materials emitted from stack

Ji-hun Jang, Yong-Ho Ok, Go-Su Yang*
Department of Environment Engineering, Jeonbuk National University
Corresponding author Tel : +82-63-270-2440 E-mail : gsyang@jbnu.ac.kr
14/10/2019 29/11/2019 12/12/2019

Abstract


The emission of odor, characterized by the combustion conditions and biomass types resulting from the use of a biomass incinerator, was analyzed. The following biomass types were considered: bark, board waste, sawdust, wood flour, wood fiver, wastewater sludge, and timber wastewater. As a study method, the physico-chemical characteristics of each biomass type were analyzed to predict the potential substances that might be emited under incomplete combustion conditions. And, the emission components of odor emission by biomass were analyzed at the laboratory level using a combustion device. In addition, the characteristics of the contaminant (odor) emission per mixture ratio of biomass were analyzed in a stoker incinerator that is in operation in an actual establishment at a scale of 300 ton/day. In the biomass emission experiment using the combustion device at the laboratory level, the major substances such as Acetic acid, Styrene, Toluene, Benzene, Dichloromethane, etc. were analyzed, and these components were determined to increase odor index. VOCs measurement in the outlet of the stoker incinerator indicated that Acetaldehyde, Ethanol, Acetonitrile, Ethyl acetate, Toluene, etc. were detected as the major substances. These were similar to the emission substances presented by the experiment that had investigated emissions by biomass type. A study on the Effect of Operational Conditions in biomass stocker incinerator on the concentration of odorous materials emitted from stack showed a close relationship between the input by biomass type and urea, temperature in the incinerator, and the tendency to emit/produce odor.



바이오매스 스토커 소각로 운전 조건이 배출구에서 배출되는 악취물질 농도에 미치는 영향 연구

장 지훈, 옥 용호, 양 고수*
전북대학교 환경공학과

초록


    © Korean Society of Odor Research and Engineering & Korean Society for Indoor Environment. All rights reserved.

    1. 서 론

    전국폐기물 발생량 처리현황 중 사업장에서 배출되 는 나무류 발생 총량은 2013년에 1,471.3 ton/day가 발 생되었고 2017년에는 466.9 ton/day가 발생되었다. 2017년도에 발생 된 나무류는 재활용으로 88.8%인 414.7 ton/day로 처리되었고 소각은 8.4%, 39.4 ton/day, 매립 2.7%, 12.8 ton/day로 처리되었다. 바이오매스 재 활용 방법으로는 직접 소각에 의한 에너지 회수방법과 가스화, 열분해, 액화 기술 등이 있다(ME, 2018). 직접 연소방식의 소각로는 연소물질의 종류와 소각 목적에 따라서 스토커, 유동층 연소로 등으로 구분된다(Klass, 2013). 스토커 소각로의 장점으로는 대, 소규모로 안정 적 연소가 가능하며, 열량 변동이 적으므로 폐열보일러 에 의한 열 회수 방식에 유리하다. 반면에 부분 연소율 의 조절이 어려워 국부적인 고온 영역 및 저온 영역이 형성 될 수 있으며, 60% 이상의 수분함량 물질에 대해 서는 보조 연료 없이 소각이 어렵고, 연소가 양호하지 않을 시 대기오염물질(HCl, Dioxins 등) 배출에 의한 2 차 환경오염 발생 가능성이 있다(Choe et al., 2018).

    소규모 목재 소각시설인 회분식 스토커 소각시설을 이용한 대기오염물질 배출특성 연구의 중요 결과에 의 하면, 비 MDF, MDF (생활 폐목재), 방부목 건설 폐목 재를 소각 시 대기오염 방지시설의 전단 및 굴뚝 후단 에서 염화수소의 경우 0.05~5.19 ppm으로 발생 되었다. 생활계 폐목의 MDF에 비하여 방부 처리된 건설계 폐 목의 MDF 처리 시에 염화수소의 배출량이 높은 것으 로 분석되었다. Formaldehyde의 경우 대기오염방지시 설 전단에서 방부 처리된 MDF 처리 시 1.93 ppm 농 도로 배출되는 특성을 나타냈다(NIER, 2008).

    소나무만을 소각시킬 경우 고온에서 악취물질인 Acetaldehyde 등 VOCs의 배출농도가 높아지는 것으로 나타났으며, 견목과 천연가스를 보조 연료로 사용할 경 우는 다량의 물질이 불검출인 것으로 나타났다. 그러나 소각로의 평균온도가 388°C 이하 연소조건에서는 Acetaldehyde, Acetone, Formaldehyde, m,p-Xylene, Styrene, Toluene 등의 다양한 VOCs 성분을 비롯한 악취 물질 및 유해 화학성분 등이 검출되어 바이오매스 종 류뿐만 아니라 소각 운전조건인 온도의 설정이 연소의 부산물인 오염물질의 배출에 미치는 영향이 큰 것으로 분석하였다(AGDEE, 2002).

    열병합에 의한 전기발전 및 스팀을 생산하기 위하여 다수의 사업체에서 바이오매스 소각 보일러가 운영되 고 있으며, 기후변화 대응에 따른 국가 차원의 바이오 매스 재활용 요구가 커지고 있다(Yang et al., 2017). 그러나 현재 바이오매스 연소조건에 따른 악취물질의 발생특성에 따른 연구가 매우 미비하고, 바이오매스 소 각시설이 운영되고 있는 사업체의 주변 지역으로부터 의 악취에 대한 민원이 끊임없이 제기되고 있다. 본 연 구논문에서는 폐목재 및 목재 칩 처리방안으로 주로 사용되고 있는 스토커 소각로를 선정하여 운전조건에 따른 악취물질 및 대기 오염물질의 발생특성을 조사하 고자 하였다.

    2. 실험장치 및 방법

    실험실 규모의 연소장치를 이용하여 불완전 연소조 건에서 바이오매스 소각 시 바이오매스 물질별 배출성 분 및 악취물질을 분석하였다. 또한, 실제 사업장에서 운영되고 있는 300 ton/day 규모의 스토커 소각로를 대 상으로 투입되고 있는 바이오매스 혼합비율에 따른 오 염물질(악취물질)의 배출특성을 분석하였다.

    2.1 실험실 규모 연소장치

    Lab scale 모식도는 Fig. 1과 같으며 금속으로 된 원 통형 반응로(Φ 6 cm, 길이 10 cm), 반응로 외벽 가열 용 토치, 간접흡인 박스(10 L) 장치 등으로 구성하였다. 바이오매스(Wood flour, Bark, Wood fiber, Sawdust, Board waste)를 종류별로 채취한 시료를 각 50 g씩 원 통형 반응기에 넣고 토치를 이용해 반응로 외벽을 가 열하였다. 가열 중인 반응기에 일정량 2 L/min의 Air를 불어넣고 조건상 불완전 연소를 유도하여 발생 되는 가 스를 간접흡입 박스 안에 10 L 알루미늄 백을 고정한 후 진공펌프를 사용하여 포집하였다. 포집 된 배출가스 는 GC/MSD (Chromatography/Mass Selective Detector, Agilent 6890N, 5973N)를 이용하여 주요 VOCs의 농 도를 분석하였다. 포집 된 배출가스의 농도는 고순도 질소(99.999%)를 이용하여 500배로 희석 후 공정시험 방법에 따라 분석하였다(NIER, 2016).

    2.2 300 ton/day 규모 소각장치

    소각 장치는 규모 300 ton/day의 스토커방식으로 24 시간(가동률 95% 이상) 가동 중이며, 시간당 약 13.5 ton/hr의 목질계 바이오매스를 소각하고 있다. 주요 방 지시설로는 소각시설 출구에 집진을 위한 Cyclone이 설치되었고, HCl 및 SOx 처리를 위해 Semi Dry Reactor 및 Dry Reactor가 설치되었다. 이후 공정 후단 에 분진 및 VOCs 등의 물질을 제거하기 위해 Bag Filter가 설치되었고, 배출가스 중의 NOx 저감을 위하 여 촉매처리 장치인 SNCR 및 요수수 주입 장치가 설 치되었으며, 배출가스 출구에는 TMS (Telemonitoring System)장치가 설치되었다. 주요 공정도는 Fig. 2와 같다.

    2.3 바이오매스 물리·화학적 특성 및 연소특성

    바이오매스 소각 시 물질의 성분에 따라 유해가스의 특성이 변하기 때문에 연료별 물리·화학적 특성을 조사 하였다. 연료는 바이오매스를 소각하고 있는 사업장에 서 각각 종류별로 원추 사분법에 의하여 5 kg을 채취하 였다(NIER, 2014). 바이오매스의 종류는 Wood flour, Sawdust, Wood fiber, Board waste, Bark, 기타(목재폐 수)로 구분된다. 실험실 규모 연소장치를 통해 배출되 는 가스를 간접 흡인 법으로 포집하였고, 포집한 가스를 500배 희석하여 GC-MSD로 주요 물질을 분석하였다.

    2.4 가스상 물질 분석방법

    VOCs 물질에 대한 분석방법은 10 L 알루미늄 백에 포집 된 샘플을 Pre-concentrator에 의해 200 ml를 흡착 시킨 후 농축된 샘플을 탈착시켜, Cryo-Focusing Module을 통해 GC (Agilent 6890N)로 주입 후 MSD (Agilent 5973N)를 사용하여 분석하였다(Noh et al., 2007). 페놀, 염소계열, 알데하이드류, 황화합물, VOCs 등의 주요 가스상 배출물질을 파악하였다.

    2.5 삼성분 및 원소분석방법

    Wood flour를 비롯한 각 바이오매스 물질 6종을 2mm 이하로 절단하여 적당량을 취하고 전기로에서 800~900°C로 가열 후 삼성분(습도, 재, 가연분)을 분석 하였고, 원소분석은 원소분석기(Elemental Analyzer)를 이용하여 각 시료내의 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 황 (S), 염소(Cl) 및 산소(O)의 함량을 분석하였다.

    3. 실험 결과

    3.1 바이오매스의 물리 화학적 특성

    바이오매스를 종류별로 삼성분 및 원소분석을 실험 한 결과는 다음 Table 1 및 Table 2와 같다. 삼성분 측 정 결과 가연성 물질은 76.05~94.28%로 분석되었고, 이 중 Wood flour가 가장 높은 가연성 비율을 가지는 것으로 나타났다. 재(ash)는 0.17~1.17%로 Bark가 높 은 비율로 나타났고 습도는 5.53~22.78%로 Bark가 높 은 비율로 나타났다.

    원소분석결과 C의 경우 48.44~54.65%로 Bark가 제일 높은 함량으로 분석되었고, H는 5.99~6.62%로 Wood fiber에서, O는 38.25~41.77%로 Wood flour에서, Cl은 0.01~0.02%로 Wood flour 및 Saw dust가 높게 분석되 었다. Bark의 경우는 탄소성분이 55%를 나타내었고 다른 바이오매스의 경우는 49%의 탄소성분을 포함하 고 있는 것으로 조사되었다. 유해물질 발생과 직접적 연관이 있는 황 원소의 경우는 0.04~0.12%, 염소인 경 우는 0.01~0.02% 차지하고 있는 것으로 분석되었다.

    3.2 연소 및 방출실험 결과

    실험실 규모의 연소장치를 통한 방출실험은 각 바이 오매스 시료별 연소 시 배출될 수 있는 악취유발물질 을 확인하기 위해 실험을 진행하였다. 주요 분석물질로 는 Table 3과 같이 Acetic acid, Propanoic acid, Chloromethane, Dichloromethane, Benzene, Toluene, Styrene, m,p-Xylene 등이 주요 성분으로 분석되었다. Acetic acid 성분은 Wood fiber 연소 시 고농도인 39.8 ppm으로 검출되었고, Dichloromethane의 경우는 Sawdust 및 Board waste 연소 시에 43.2 ppm, 36.6 ppm의 고농도로 각각 검출되었다. Styrene의 경우는 Bark 연 소 시에 31 ppm인 고농도로 검출되었고, 기타 Benzene, Toluene, m,p-Xylene 등은 0.1~9.2 ppm 농도 범 위로 대부분의 바이오매스 연소 시에 검출되었다. 바이 오매스 종류별로 불완전 연소 조건 시에 서로 다른 성 분이 주요 물질로 검출되는지를 예측하는 데에는 기존 의 문헌자료 및 원소분석결과로는 한계가 있는 것으로 판단되나, Wood flour에는 다량의 플라스틱류가 포함 되어 있어 연소 시 다량의 염소화합물이 발생 되고, 염 소화합물에 의한 특유의 냄새인 소독약 냄새를 발생시 킴으로써 복합악취를 유발하는 것으로 평가된다. 또한, 방출 실험결과는 다양한 종류의 바이오매스를 혼합하 여 연소할 경우 그 혼합 비율 결정에 있어서 중요한 자 료로 평가된다.

    배출물질에 대한 악취지수는 후각으로 인한 최소 감 지농도를 적용하므로 분석기기에 의해 측정된 개별 악 취물질 측정 농도를 해당 물질별로 환경부에서 고시한 악취 배출시설에서의 후각 최소감지농도로 나누어 악 취지수를 산출하였고, 그 결과를 다음 Table 3의 괄호 안에 나타내었다(Hong et al., 2006;Jeon et al., 2010). Wood flour의 연소 시 발생 되는 주요 화학물질의 악 취지수는 Xylene : 153.6, Toluene : 25.7, Benzene : 3.4, Chloromethane: 0.035으로 조사되었다. Bark의 경우 악 취유발 가능성이 높은 물질로는 Propanoic acid : 1,719, Styrene : 894.2, m,p-Xylene : 46.3, Toluene : 23.9으로 조사되었다. 특히, Propanoic acid는 최소취기감지농도 의 약 1,700배로 검출되어 주요 악취 유발물질로 평가 된다. Wood fiber의 경우 악취를 유발할 것으로 판단 되는 물질은 Acetic acid : 6,633, Styrene : 260으로 조 사되었다. 특히, Acetic acid는 최소취기감지농도의 약 6,600배로 검출되어 주요 악취유발물질로 평가된다. Sawdust의 경우 악취가 유발될 것으로 파악되는 물질 로 Styrene : 51.4, Xylene : 2.4, Toluene : 7.3, Benzene : 0.9, Dichloromethane: 16으로 조사되었다. Board waste 의 경우 악취를 유발할 것으로 판단되는 물질은 Toluene : 12.1, Benzene : 1.1, Dichloromethane : 13.5으 로 조사되었다. 따라서 바이오매스 연소방출실험에서 악취를 유발하는 주요 물질로는 Acetic acid의 악취지 수가 6,000배로 가장 높게 나타났고 Propanoic acid의 경우 1,700배, Styrene 894.2배, Toluene 25.7배, Chloromethane 5.6배, Dichloromethane 16배의 순서대로 조사되어 나타났다.

    본 연구에서 사용된 분석기기 GC/MSD의 칼럼(DB- 624)은 휘발성 유기화합물에 대해서 분리성능 등의 민 감도가 높고 최소취기 감지농도가 낮은 염소화합물에 대해서는 비교적 낮은 농도로 검출될 가능성이 있다. 그러므로 Chloromethane이나 Dichloromethane 성분의 경우는 측정 농도가 낮아 악취지수가 낮은 수치로 평 가되었더라도 높은 농도로 검출될 수 있는 개연성이 높음으로 Wood flour, Sawdust, Board waste의 경우에 염소화합물도 주 악취 원인 물질로 예측할 수 있다 (NIER, 2008).

    3.3 300 ton/day 소각로 운전 특성평가 결과 및 고찰

    1차 실험의 소각대상 바이오매스 비율은 Bark (40%), Board waste (25%), Sawdust (5%), Wood flour (30%) 의 비율로 연소 되었다. 목재수는 2.4 ton이 소각로의 과열 방지를 위하여 주입되었으며, 이때 에너지 재활용 을 위한 스팀 회수량은 52 ton 이었다. 방지시설 운전 조건은 요소수 70 L가 주입되었으며, 소석회가 3.24 kg/hr로 주입되었다. 배출구의 TMS에 의한 조사 기간 중 평균값은 유량 1,794 m3/min, 소각로 온도는 927°C, 배출온도 206°C, TSP 1.03 μg/m3, HCl은 6 ppm, SO2 는 0 ppm, NOx는 8 ppm, O2는 8.9 ppm, CO는 9.3 ppm으로 조사되었다. 1차 실험을 위한 소각로 운전조 건 및 TMS의 결과는 다음 Table 4와 같다.

    각 공정별 복합악취와 페놀에 대한 시험이 이루어졌 으며, 그 결과를 Table 5에 나타내었다. 복합악취의 경 우에는 전 공정에서 비교적 높은 희석배수를 나타내었 으며, 소각로 후단에서 희석배수 669배의 가장 높은 결과를 나타내었다. 또한, 최종배출구에서도 448배로 나타났다. 5인의 악취 판정 패널 중 희석배수 1,000이 감지되어 1차 실험에서는 복합악취가 매우 높게 나타 난 것으로 보인다. 1차 측정 시 목재수 주입량(2.4 ton/ hr)과 요소수 주입량(70 L)이 비교적 많고 투입됨으로 써 높은 악취 농도를 유발한 것으로 예측된다.

    높은 요소수 주입량에 의해 미반응 된 암모니아가 배출가스의 복합악취 농도를 가중된 것으로 평가된다 (Incheon Metropolitan City, 2009). 소각로 배출가스 중 페놀류의 발생 여부 및 각 방지 시설별 제거효율을 평 가하기 위하여 측정하였으나 페놀류의 경우는 모든 측 정지점에서 불검출 되었다.

    2차 실험은 1차 실험결과에서 페놀류는 모두 불검출 되어 악취 유발성분이 아님이 확인됨으로써, 추가적인 악취 원인물질을 평가하기 위하여 복합악취 외에 Aldehyde, HCl 항목을 추가하여 공정별 성분 분석을 진행하였다. 투입된 바이오매스 연료는 Bark (50%), Board waste (25%), Sawdust (10%), Wood flour (15%) 의 비율로 연소 되었다. 목재수의 주입 유·무에 따른 악취를 평가하기 위하여 2차 실험에서는 목재수의 주 입을 중단하였다. 방지시설 운전조건은 요소수 29 L가 주입되었으며, 소석회가 9.72 kg/hr로 투입되었다. 배출 구의 TMS에 의한 조사 기간 중 평균값은 유량 1,677 m3/min, 소각로 온도는 923°C, 배출온도 202°C, TSP 0.96 μg/m3, HCl은 5 ppm, SO2는 1 ppm, NOx는 27 ppm, O2는 8.3 ppm, CO는 5.6 ppm으로 조사되었다.

    2차 실험을 위한 소각로 운전 조건 및 TMS의 결과 는 다음 Table 6과 같다. 공정별 복합악취 분석을 2회 에 걸쳐 수행하였으며, 그 결과를 다음 Table 7, 8에 나 타내었다. 1차 측정 결과보다 비교적 낮은 희석배수를 나타내었으며, 소각로 후단에서 최대치를 나타내었고, Dry Reactor 후단에서 가장 낮은 희석배수 값으로 나 타났다.

    Table 8은 공정별로 측정한 HCl, Acetaldehyde, Formaldehyde 성분에 대한 측정 결과를 나타내었다. 염화 수소는 Cyclone 후단에서 10.1 ppm으로 측정되었으며, Dry Reactor 후단에서 3.04 ppm으로 낮게 측정되었고 백필터 후단 및 최종배출구에서는 4.4~5 ppm으로 분 석되었다. Acetaldehyde, Formaldehyde의 경우는 소각 로 후단에서 10~11 ppb로 높게 측정되었고, 방지시설 후단에서는 Acetaldehyde가 4 ppb, Formaldehyde는 분 석기기의 검출한계로 분석되었다. 1차 실험결과와 비 하여 비교적 낮은 복합악취를 나타내었는데, Wood flour의 투입량 저감(30 → 8%), 요소수 주입량 감소 (70 → 29 L) 등의 악취 유발요인을 개선함으로써 최종 배출구에서 복합악취가 300배의 비교적 저 농도의 악 취 결과를 보여주었다. 그러나 HCl, Acetaldehyde, Formaldehyde 3개 항목에 대한 측정농도 결과를 악취 지수로 전환하여 평가한 결과 주요 악취 원인 물질은 염화수소류로 평가되었다(ME, 2012). 또한, 배출구의 NOx에 대한 농도가 8 ppm 에서 27 ppm으로 증가하여 배출됨으로써 요소수 주입량에 대한 적정관리가 필요 한 것으로 판단되었다(Kim et al., 2014).

    3차 실험은 바이오매스, 소석회 및 요소수의 투입량 변경에 따른 악취유발 조건을 최종적으로 검증하는 실 험으로 실험조건 및 소각로 운전 조건은 Table 9와 같 으며, 악취의 주요 원인 물질로 평가된 염소화합물의 농도 외에 VOCs를 측정하여 기존 문헌 조사 및 방출 시험 결과와의 상관성을 확인하였다. 3차 실험은 굴뚝 배출구의 복합악취에 민감하게 영향을 미치는 요소수 에 대하여 투입량 변화에 따른 공정별 복합악취 희석 배율과 염화수소 및 VOCs 성분에 대하여 3회 측정한 결과를 Table 10에 나타내었다.

    3차 실험의 1회차 측정 시 Wood flour 8% 투입조건 에서 소석회 및 활성탄의 투입을 중단하였으며, 시간 간격을 두고 각각의 성분에 대하여 측정하였다. Table 10에 의하면 1회차 측정 시 최종배출구의 복합악취는 100배의 양호한 결과로 측정되었다. 그러나 소석회의 투입중단시간이 경과 된 후 다시 측정한 2회차의 경우 최종배출구에서 복합악취가 208배의 결과를 보여주었 으며, 이에 따른 염화수소 농도도 5.5 ppm 이상으로 증 가하였다. 3회차 경우는 2회차 실험 후에 3시간 지나 서 수행한 실험 조건으로 Dry Reactor 방지시설에서 활성탄 10 kg/hr 조건에서 실험을 진행하였으나 배출구 에서의 복합악취가 208배로 나타났고 염화수소 농도도 약간 증가한 5.65 ppm으로 측정되었다. 이는 소각로의 운전 조건변화에 대한 영향이 아직 충분히 오염물질 제어에 영향을 미치는 데에는 시간이 더 필요함을 나 타내고 있는 것으로 판단된다(Park, 2003). 또한, 배출 구의 복합악취에 대한 희석배율 측정 결과는 배출구에 서의 염소화합물의 농도 증가와 매우 밀접한 상관관계 가 있는 것을 나타내고 있다(EIASS, 2018).

    Table 11은 소각로 배출구와 굴뚝 배출구의 VOCs 물질에 대한 3회차 측정 결과를 나타내었다. 주요 물 질로 Acetaldehyde, Ethanol, Acetonitrile, Ethyl acetate, Toluene 등이 주요 물질로 검출되었다. 검출된 주 요 VOCs 성분은 복합악취나 HCl 분석 결과와는 상이 하게 나타났고 소석회 중단 이후에 측정한 2회차의 경 우는 1회차에 비하여 오히려 미비하게라도 감소하는 현상을 나타내었다. Dry Reactor 방지시설에서 활성탄 을 투여한 3회차의 측정에서는 검출된 VOCs 성분의 농도는 전반적으로 1회차 및 2회차 경우와 비교하여 감소하는 양상으로 분석되어 복합악취 및 염화수소의 경우와는 다르게 활성탄의 주입 여부에 영향을 받는 것으로 분석되었다. 또한, 검출된 주요 VOCs 물질이 연료별 방출실험 결과에서 Acetic acid 및 Propanoic acid를 제외하고는 연료별 배출 가능한 물질이 혼합되 어 검출되었다. Acetic acid 및 Propanoic acid는 비교 적 낮은 온도에서는 평형상수 값이 높긴 하나 높은 온 도에서는 매우 낮음으로 고온에서는 쉽게 분해되거나 생성되지 않은 것으로 예측된다(McAllister et al., 2011).

    위와 같이 측정 결과를 종합해보면, 악취를 유발할 수 있는 연료 투입조건은 Wood flour의 투입 여부, 목 재수의 살수 여부 등이며, 방지시설 측면에서는 요소수 의 적정 분무 여부, 활성탄 및 소석회의 적정투입 여부 등이 중요한 요소로 평가되었다.

    4. 운전조건 종합평가 및 고찰

    본 연구에서는 3차에 걸친 실험을 바탕으로 장시간 에 걸쳐 소각로 내에 바이오매스 종류별 투입비율 및 요소수 투입량(소각로 로내 및 SNCR)에 따른 소각로 로내의 온도변화 및 굴뚝 배출구에서 복합악취를 조사 하였다. 더불어 실험 기간 중 TMS의 오염물질 배출농 도와 복합악취와의 상관성을 분석하였다. 각각의 소각 의 운전조건이 바뀌면 5시간 동안 그 조건으로 소각로 를 운전하였으며, 측정은 하루에 2회로 2주간에 걸쳐 35회 정도의 측정을 진행하였다.

    Fig. 3으로부터 Fig. 6까지는 각 측정 횟수별로 같은 소각로의 운전 조건에서 복합악취 희석변화율에 미치 는 영향을 나타내었다. Fig. 3은 바이오매스 투입 비율 변화 별 복합악취 희석배수 변화율을 나타낸 것으로, 세로축은 복합악취 및 바이오매스 투입률(%)을 나타내 었고, 가로축은 소각로의 운전 기간 중 시간에 따른 측 정 횟수를 나타내었다. Fig. 4는 Fig. 3과 같은 연료 투 입조건에서 SNCR에 투입되는 시간당 요소수 투입량 (L/hr), 소각로 내의 온도 및 굴뚝 배출구에서의 NOx 농도를 나타내었다. Fig. 5 및 Fig. 6은 Fig. 3 및 Fig. 4 와 같은 운전조건에서의 소각로 내의 온도 및 굴뚝 배 출구의 온도와 주요 NOx, HCl등의 배출오염물질의 배 출농도를 나타내었다.

    Fig. 3에 의하면 소각로 굴뚝 배출구의 복합악취가 1,000배로 가장 높아 불안정한 소각로의 운전조건은 4 번째 측정 경우로 연료투입 비율이 Bark (50%), Saw- dust (15%), Wood fiber (10%), Board Waste (20%), Wood flour (5%) 등이며, 요소수의 투입량은 Fig. 4에 서 75 L/hr, 로내의 온도는 820°C 등이며, 배출구의 온 도는 Fig. 5에서 200°C로 나타났다. 또한, Fig. 6에 의 하면 NOx 배출농도가 31 ppm, HCl이 3 ppm으로 각각 분석되었다. 이에 반하여 비교적 배출구의 복합악취가 100배로 매우 안정된 운전 기간으로 16번째에서 29번 까지이며, 연료 투입비율은 Bark (35%), Sawdust (35%), Wood fiber (0%), Board Waste (20%), Wood flour (0%) 등 이었고, 요소수의 투입량은 Fig. 4에서 25 L/hr이었다. Fig. 6에서, 로내의 온도는 900°C, 배출 구 온도는 200°C로 나타났다. 또한, Fig. 6으로부터 NOx의 경우 12~30 ppm 범위로 배출되었고, HCl의 경 우는 1~22 ppm 범위로 분석되었다. 복합악취(1,000배 와 100배)에 영향을 미치는 소각로 주요 운전조건 차 이점으로 연료투입 조건에서는 Wood flour (5~0%)의 투입 여부, 소각로내의 평균온도 차이(820~900°C) 및 요소수의 투입량(75~25 L/hr) 등이고, 같은 점으로는 배출구의 온도(200°C) 등이다. 실험실 규모의 연소실 험 결과에서도 보인 것처럼 Wood flour 투입 여부가 배출구의 복합악취를 높이는 원인이 될 수 있으며, 소 각로 출구에서 측정된 평균 로내 온도 820°C는 국부적 으로 로내의 온도가 저온이 되는 영역이 존재함으로 국부적 저온에 의한 불완전 연소를 일으킬 수 있는 개 연성이 높은 것으로 평가된다. 따라서 일반적으로 소각 로 배출구의 추천 온도인 850°C 이상을 유지하는 것이 바람직하다고 판단된다. 배출구 온도의 경우 200°C로 같은 조건임을 고려하면 SNCR 촉매장치의 온도 조건 이 유사함으로 소각로 굴뚝 배출구의 NOx농도 증가는 투입되는 요소수의 증가에 기인한 것으로 판단된다.

    Fig. 4 및 Fig. 6 의하면 굴뚝에서의 NOx 배출농도 가 75 ppm로 최고인 경우는 33번째 측정으로 요소수 투입비율이 95 L/hr인 경우였으며, HCl이 최고 농도인 경우는 19 ppm 으로 Wood flour의 투입비율이 10% 이상인 경우로 분석되었다. 일반적으로 요소수와 질소 산화물의 반응율은 60%로 미반응 후 암모니아로 배출 되는 양은 전체 요소수 투입량의 14% 정도(미반응율 40%, 암모니아 함유율 40%)로 파악하였다(Jung et al., 2001). 그러므로 요소수의 투입량이 증가할수록 미반응 되어 배출되는 암모니아의 증가에 따른 악취의 증가도 가중되는 것으로 평가된다. Fig. 3~6의 결과를 종합해 보면 바이오매스의 혼합 투입비율을 각각 0~100% 비 율로 각각 다르게 투입하였을 때 혼합 투입비율 변화 는 복합악취와의 상관관계를 보여주지 않았다. 그러나 Wood flour에 다량의 플라스틱류가 포함되어 있어 Wood flour 투입량이 0~10% 변화함에 따라 연소 시 HCl 성분이 높게 배출되었고, 이 염소화합물에 의한 특유의 냄새인 소독약 냄새를 발생시킴으로써 복합악 취를 높이는 것으로 평가된다(Kim and Lee, 2016). 또 한, 소각로 로내의 온도가 820°C 이하로 낮을 경우는 복합악취가 1,000배 이상으로 높은 복합악취를 보여주 었으며, 900°C 정도의 안정화 운전 상황에서는 배출가 스 복합악취는 100배 정도이었고, 950°C 이상일 경우 에는 오히려 200배 이상 증가하는 것으로 분석되었다.

    소각로 출구의 온도가 낮은 경우는 소각로 내의 국 부적인 저온 영역에 의한 불완전 연소로 인하여 복합 악취 희석배율이 증가하는 원인이 될 수 있고, 고온일 경우에는 로내 에서 Thermal NOx가 증가함에 따라 요 소수가 다량 주입되어 요소수 중 미반응된 암모니아가 악취를 유발하게 될 것으로 판단되었다(Shin et al., 2014). 그러나 배출구 온도인 190~200°C 변화에 따른 복합악취와의 상관성은 찾아보기 어려웠다.

    5. 결 론

    바이오매스 연소방출실험에서 악취를 유발하는 주요 물질로 Acetic acid, Propanoic acid, Styrene, Toluene, Chloromethane으로 조사되었으며, 소각로 배출구에서 도 acid 성분 등을 제외하고는 거의 유사한 VOCs 성 분이 검출되어 소각로의 배출구에서 복합악취를 유발 하는 주요 VOCs 성분이 연소방출실험 결과와 높은 상 관성이 있는 것으로 분석되었다. Acetic acid 및 Propanoic acid는 비교적 낮은 온도에서는 평형상수 값이 높 으나 높은 온도에서는 매우 낮음으로 고온에서는 쉽게 분해되거나 생성되지 않은 것으로 예측된다.

    소각로의 운전조건은 적정한 운전조건 유지, 소각 대상물질의 적정 혼합 비율, 방지시설 운전조건 등을 들 수 있다. 본 연구결과를 바탕으로 바이오매스 소각 의 경우에 악취를 유발할 수 있는 연료 투입조건은 Wood flour의 투입 여부, 목재수의 투입 여부 등이며, 방지시설 측면에서는 요소수의 적정주입 여부, 활성탄 및 소석회의 적정투입 여부 등이 중요한 요소로 평가 되었다. 검출된 주요 VOCs 성분은 복합악취나 HCl 분 석 결과와는 상이하게 나타났고 활성탄의 주입 여부에 따라 영향을 받는 것으로 분석되었다.

    바이오매스 소각에 따른 악취물질 발생을 저감하기 위해서는 바이오매스 종류에 따른 정적소각비율(예, Bark 30% 이상, Saw dust 20% 이상, Board waste 30% 이상, Wood flour 15% 이하, Wood fiber 20% 이 상 등)이 중요하며, 요소수의 투입량이 증가할수록 악 취의 증가도 가중되는 것으로 분석되었다. 요소수와 질 소산화물의 반응율은 60%로 미반응 후 암모니아로 배 출되는 양은 전체 요소 수 투입량의 14% 정도(미반응 율 40%, 암모니아 함유율 40%)로 예측되었다. 따라서 300 ton 규모의 바이오매스 소각로 운전 시에 SNCR의 요소수의 투입량은 시간당 25~30 L/hr 범위로 주입하 여 운전하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.

    로내의 온도에 따른 영향으로 로내의 평균 온도가 820°C 이하로 낮을 때에는 국부적으로 로내의 온도가 저온이 되는 영역이 존재함으로 국부적 저온에 의한 불완전 연소를 일으킬 수 있는 개연성이 높은 것으로 평가되어 배출구의 복합악취를 높일 수 있는 원인 중 하나로 평가된다. 또한, 950°C 이상일 경우에도 로내 에서 Thermal NOx가 증가함에 따라 요소수가 다량 주 입되어 요소수 중 미반응된 암모니아가 악취를 유발케 함으로 복합악취가 증가하는 경향을 보여주었다. 온도 에 따른 SNCR의 효율과 고온에 따른 Thermal NOx가 증가 시 요소수의 투입량 증가에 따른 영향으로 판단 된다. 그러나 배출구의 온도 변화에 따른 복합악취와의 상관성은 없는 것으로 분석되었다. 그러므로 소각로의 적정 온도 범위는 850~950°C 범위로 분석되었다.

    Figure

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    Diagram of lab scale combustion experiment for incineration by-products due to incomplete combustion.

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    Flowchart and main processes for air pollution control installed in stoker incinerating boiler.

    JOIE-18-4-299_F3.gif

    Variations of dilution rate of complex odor for the stack outlet gas in terms of different biomass input and the other operating condition.

    JOIE-18-4-299_F4.gif

    Variations of NOx concentration for the stack outlet gas and averge temperature at the incinerator outlet by varying urea injecting rates in the inlet of SNCR with different biomass input and the operation conditions.

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    Variations of temperature at the incinerator outlet and the stack outlet with different biomass input and the other operating conditions.

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    Variation tendencies of Air pollutants(HCl, SOx, NOx, CO) emitted from the Stack based on TMS with different biomass input and the other operating conditions.

    Table

    Three components of moisture, ash, combustible for biomass sample category (Unit : %)

    Chemical analysis for biomass sample category (Unit : %)

    Concentrations and odor indexes of Major detected substances for emitted gas from Lab scale biomass combustion reactor (Unit : ppm)

    The 1st experimental and incinerator operating conditions

    Measurements of complex odor and concentration of phenol at the outlet of the various process for the 1st experiments

    The 2nd experimental and incinerator operating conditions

    Measurements of complex odor at the outlet of the various process for the 2nd experiments

    Measurements of odorous materials (Hydrogen Chloride, Acetaldehyde, Formaldehyde) at outlets of processes with 2nd experiment condition

    The 3rd experimental and incinerator operating conditions

    Results of complex odor and concentration of hydrogen chloride at the outlet of the various process (3 Times)

    Results of VOCs qualitative analysis in incinerator outlet (3 Times)

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