열분해 용융 기술 개요
최근 도입되고 있는 신기술로서 폐기물을 열적처리하여 재를 재활용할 수 있게 하는 기술은 크게 세가지로 분류할 수 있다. 즉, (1) 폐기물을 직접 소각처리한 후 소각재를 용융하는 방식 (2) 폐기물을 열분해, 가스화 처리한 후 용융하는 방식 (3) 폐기물을 직접 용융하는 방식 으로 나눌 수 있다. 일반적으로 열분해 용융 기술에는 (1)의 직접 소각처리 후 용융하는 기술은 포함되지 않으나 용융 기술은 신기술로 대두되고 있으므로 여기서는 같이 다루어 보기로 한다. 5.2.1 열분해와 용융 열분해(pyrolysis, 또는 thermal decomposition)란 폐기물을 산소 결핍 상태에서 가열하여 그 내부의 유기물질을 물리 화학적으로 분해하는 것이다. 열분해시에는 수소성분이 많은 휘발분이 증류되어 나오므로 탈휘발화(devolatilization)라고도 하며 또한 char가 잔유물로 남으므로 탄화(carbonization)란 표현도 사용된다. 건류(dry distillation)는 사실상 고체 연료를 열분해하여 휘발분을 증류하고 원래의 연료중에 포함되어 있는 회분의 대부분이 잔류하도록 탄소를 주체로 하는 고체 연료를 형성 또는 제조하는 과정을 일컫는 용어로서 열분해와 동일한 의미로 사용되고 있다.
가스화(gasification)란 탄소, 수소등을 함유한 고체, 액체의 원료에서 합성용가스, 공업용 연료가스 등을 제조하는 반응을 총칭하는 것으로 폐기물 처리에서는 폐기물을 열분해하여 연료가스로 만드는 것을 일컫는다. 좁은 의미로는 폐기물을 열에 의한 증발이 아닌 화학적 변화에 의해 기체로 변환하는 공정을 말한다. 일반적으로 가스화는 열분해되는 물질이 공 기, 산소, 물, 이산화탄소 등의 반응가스의 첨가에 의해 활성화되는 열분해의 한 형태로서 정의되고 있다. 그림 1에서 보는 바와같이 용기 내에 있는 폐기물을 공기나 산소와 같은 산화제의 공 급 없이 외부에서 가열(간접가열)하게 되면 그림2의 예와 같이 탄소고리가 끊어지면서 여러 종류의 탄화수소와 고형의 탄화물인 촤로 전환되게 된다. H H H H H H H H H H H H ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ -C-C-C-C-C-C- -C- C- C- C- C- C- ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ H H H H H H H CH3 H CH3 H CH3 폴리 에칠렌 폴리 프로필렌 ↓열분해 H H H H H H H H H H ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ C=C H-C-C-C-H H-C-C-C-C-C-H ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ ꠐ H H H H H H H H H H
탄화수소 그림 2. 고분자물질의 열분해(예) 이 중에서 저급의 탄화수소는 기체상의 가연성가스나 액체상의 오일 및 타르로 되고 나머지 고형분은 탄소가 대부분인 촤로 배출되는 것이다. 이와 같이 아주 불균질한 폐기물 일지라도 열분해과정을 거치게 되면 고형의 촤와 가스 및 오일 등의 단순한 형태로 균질화 하게 되는 것이다. 폐기물의 열분해는 일반적으로 300℃ 이상에서 일어나게 된다.
소각에 있어서, 물리 화학적 성상이 불균질한 폐기물의 연소는 부분적인 과열이나 불완 전연소를 유발할 수 밖에 없게 되는데, 이러한 문제점을 해결하는 한 방법으로 고속으로 연소용공기를 분사하여 산화제의 침투성을 좋게 하는 것이 현재 가장 보편적으로 사용되고 있는 소각방법이다.
즉, 두꺼운 목재류를 예로 들면, 목재의 내부까지 빠르게 연소시키기 위 해서 공기의 침투속도를 빠르게 하는 것과 같다. 그러나, 이와 같은 고속의 공기분사는 필연적으로 미연분의 비산을 가져오게 되며, 다시 이 비산분의 완전연소를 위해 고온부에 체류하는 시간을 늘리는 방법으로 소각로의 형태가 발전되게 된 것이다.
그러나, 비산분은 고체의 형태이므로 배가스에 혼합되어 유동하는 짧은 시간에 완전연소는 대단히 어려운 문제 이다. 따라서, 대부분의 소각장에서 백필터의 집진상태를 보면 미연 탄소분이 많은 검은 색 의 분진이 많은 것이다. 또한, 이 비산 미연분에는 다이옥신의 전구물질이 많이 형성되어 있으므로 다이옥신 합성의 중요 원인물질이 되는 것이다.
이러한 관점에서 볼 때, 새로운 개념의 소각방식은 이 미연분이 최대한 비산되지 않는 상태에서 완전연소를 가능하게 하는 것이다. 이렇게 하기 위해서는 다음과 같은 방법을 고려하여야 하는데,
첫째, 고속의 공기분사를 지양하고 최대한 비산되지 않도록 조용하게 산화제와 피연소 물질이 혼합되도록 하여야 한다.
둘째, 고속의 공기분사를 사용하지 않기 위해서는 피연소 물질의 물리 화학적 성상이 최대한 균질하여야 하며, 최대한 물질이 없이 잘게 쪼개어진 형태가 유리하다.
셋째, 폐기물을 위와 같은 균질하고 작은 형태로 전환하기 위해서는 열분해 과정을 거치는 것이 유리하다. 모든 연소과정이 일차 열분해를 거친 후에 산화제와 결합하게 되므로 미리 열분해를 수행한 후의 잔류물은 완전연소가 훨씬 유리하다.
그림 1과 같은 간접가열을 통한 열분해는 생성되는 열분해가스의 질이 우수하나 열전달이 어려워 설비가 커지고 에너지 손실이 많은 단점이 있다. 이와는 달리 열분해로 내부에 직접 고온의 가스를 공급하거나 일부 폐기물을 연소시키는 등 직접 열교환을 이루는 직접 가열방식도 많이 사용되고 있다.
특히 본 연구에서는 열분해로 내부에서 폐기물의 일부를 연소시키는 열을 열분해에 사용하는 화염열분해 방식을 도입하였다. 열분해로의 형식은 소각로와 유사하게 그 구조에 따라 분류된다. 가장 일반적인 형태가 로타리킬른식이며 최근 유동층식도 많이 개발되고 있으며 Thermoselect사에서 개발한 Pusher식, 스토커 소각로 방식을 이용한 Grate식이 있다.
용융이란 대상물을 어느 온도 이상 가열하여 유동이 가능한 상태로 만드는 것을 말하여 용융슬래그와 용융비산재를 포함하는 배가스를 생성한다. 폐기물처리에 있어서는 주로 열분해잔재물이나 소각재를 1300℃-1600℃의 온도 범위에서 용융하게 되는데 함유되어 있던 다이옥신류는 열에 의해 파괴되며 중금속류는 일부 비산하고 나머지는 슬래그의 망상구조 내에 안정화되어 용출의 우려가 없게 된다.
용융기술은 공급되는 에너지의 공급방식과 노의 형상에 따라 분류된다. 에너지원의 종류에 따라 전기식과 석유, 석탄, 가스 등의 화석연료를 사용하는 연료식으로 나누어진다.
전기식의 경우에는 가열 방식에 따라 아크식, 플라즈마식, 저항식, 유도 가열식 등이 있다. 연료식은 노의 형상에 따라 표면용융식, 내부용융식, 선회류식, 입형사프트로식으로 나눌 수 있으며 표면용융식은 다시 고정식, 회전식, 킬른식 등으로 분류된다. 입형 샤프트로식은 열 분해를 동시에 수행하는 직접용융 방식에도 채용되며 코크스를 혼입하는 코크스베드식과 가스를 연료로 사용하는 가스연료식으로 대별된다. 산화제 즉, 공기와 산소의 사용 정도에 따라서 공기연소식, 산소연소식, 산소부화연소식으로 나누기도 한다. 다음 절의 국외 기술 현황에서 대표적인 열분해 용융 기술을 소개한다.
5.2.2 국외 기술 현황 열분해 용융기술은 표1과 표2에서 보는 바와 같이 유럽에서 개발되어 일본에 기술이 이전되고 다시 우리나라에 이전되는 형태를 보이고 있다. 최근에는 유럽보다 오히려 일본에서 개발을 선도하고 있다. 대표적인 열분해 용융 방식을 소개해 본다. 5.2.2.1 푸셔(pusher)로형 가스화 용융 방식 국내에 가장 많이 소개된 독일의 Thermoselect 공정이 대표적인 형태로 그림 3과 같으며, 산소를 이용한 가스화․용융 방식이다. 1992년에 이탈리아의 Fondotoce지방에서 시운전을 시작한 이 공정은 고압프레스로 쓰레기를 압축시켜 열분해 통로를 통과시키면서 열분해한 후에 가스화반응로에서 산소를 이용하여 고온 상태에서 가스화하여 연료가스를 제 조하고 잔류물을 용융시키게 된다. 이 과정에서 생성된 연료가스는 세정과정을 거쳐 공정 가스나 가스 엔진발전에 이용되게 된다. 이 공정의 특징은 폐기물을 압축하는 열분해 통로 와 산소를 이용한 가스화용융에 있다. 산소를 이용하기 때문에 배가스의 양이 적은 장점이 있다. 반면, 산소의 저장 또는 제조시설이 필요하며, 가연성가스가 발생되기 때문에 폭발을 방지하기 위하여 산소가 과다 혼입되지 않도록 감시하는 안전장치가 필요하다.
그림 3. Thermoselect 공정 5.2.2.2 회전로(로터리킬른)형 열분해 용융 방식독일의 Siemens나 PKA, Noell방식 등이 이에 속하며 그림 4와 같다. Siemens의 폐기물 열처리공정(Thermal Waste Recycling Process)은 1984년 개발에 착수하여 Goldshoefe지방에서 88년까지 시운전을 완료하였고, Ulm에 시범공장을 10년 이상 운영하기도 하였는데, 최근에는 관련 사업을 포기하였다.
이 공정은 로타리 킬른형의 열분해로와 별도로 고온 연소 로로 구성되는 것을 특징으로 한다. 전처리를 거친 폐기물을 킬른에서 간접가열하여 열분해하여 고형의 탄화물과 합성가스로 전환시키는데 가스는 후단의 연소실로 직접 이송되고 고체잔류물은 150℃ 이하로 냉각하여 금속 및 불활성 물질 등을 선별 분리한다.
고체탄소 성분 99%의 미세입자들은 보일러 및 배가스처리과정에서 포집된 먼지입자들과 혼합하여 합성가스와 함께 연소실에서 약 1300℃의 고온으로 연소시킨다. 연소온도는 재(ash)의 용 융온도보다 100～150℃ 높은 온도이므로 다이옥신 등의 유기독성물질을 충분히 파괴하며 잔류재는 용융슬래그로 된다.
이 공정은 간접가열방식의 킬른을 사용함으로 인해, 열 공급관의 부식을 감안하여야 하며, 열분해 잔류고형물을 냉각 선별하는 과정에서 현열을 손실하게 되는 문제점을 안고 있다. 이 시스템은 독일에서는 사업이 중단되었으나 일본의 三井조선이 기술을 개량하여 생산하고 있다.
2.2.3 유동층 가스화 용융 방식 일본에서 많이 개발된 방식으로 그림 5와 같다. EBARA, 川崎, 三菱중공업과 히다찌 밥콕사 등이 대표적인 기업이다. EBARA제작소의 유동층 가스화 용융시설은 유동층 열분해로를 이용한 용융시스템으로 폐기물이 유동층 열분해로에서 열분해 탄화되면서 가연성가스를 생성하고 가스와 탄화물은 다시 연소실로 유입되면서 1350℃ 이상의 고온으로 연소 되면서 열분해된다. 여기서는 선회연소실과 경사로형의 용융부를 채택하였다.
대개 자동차의 폐차시에 발생하는 내장재의 파쇄물을 열분해하는데에 유리하다. 일반폐기물은 다시 파쇄과정을 거쳐야 하므로 대형의 파쇄기가 필요하다. |
'이것저것' 카테고리의 다른 글
| [스크랩] [포토 다큐] 0.01초에 접수하라!… 대리운전의 일감 전쟁 (0) | 2010.07.06 |
|---|---|
| '생각없는 지자체'..막연히 국비 기대했다 '낭패' (0) | 2010.07.04 |
| [스크랩] 한라산업개발, 친환경 생활폐기물 소각시설 국산화 (0) | 2010.07.04 |
| 효성 (0) | 2010.07.04 |
| [스크랩] GS칼텍스 `폐기물 에너지화` 사업 속도낸다 (0) | 2010.07.04 |