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Kookmin-New Energy Lab(K-NEL) ------------ 국민대학교 신에너지 연구실

연구보고서

copyright@국민대학교 신에너지연구실, Email:[email protected].

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-1-

저급연료를 위한 순환유동층 반응기

연료거동 특성 연구

(RPF 연소)

날짜: 2004년 5월 27일

과제지원: 학술진흥재단 선도연구자지원사업(D00072)

연구 책임자: 신동훈

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목 차

1. 서 론 ·······························································································································1

1.1 연구배경 및 목적 ········································································································1

1.2 연구내용 및 방법 ········································································································9

1.3 기초이론 ······················································································································10

2. 기초연구 ·····················································································································15

2.1 RPF 현황 분석 ···········································································································15

2.1.1 RPF 사용기준 ··········································································································15

2.1.2 RPF 제조 및 공급현황 ··························································································17

2.2 RPF 물성연구 ·············································································································19

3. 실 험 ·····························································································································22

3.1 실험장치 ······················································································································22

3.1.1 장치설명 ···················································································································22

3.1.2 계측장비 ···················································································································28

3.2 실험조건 ······················································································································31

3.2.1 유동매체 분석 ·········································································································31

3.2.2 유동특성 분석 ·········································································································33

3.3 실험방법 ······················································································································36

4. 결 과 ·····························································································································37

4.1 온도분포 분석 ············································································································37

4.2 연소기체 분석 ············································································································38

4.2.1 CO, CO2, O2 분석 ·································································································38

4.2.2 NOX 분석 ·················································································································39



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4.2.3 HC 분석 ····················································································································40

4.3 공정고찰 ······················································································································42

5. 결 론 ·····························································································································44

6. 참고문헌 ·····················································································································45

ABSTRACT ························································································································46



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국 문 요 약

순환유동층 연소기술은 다양한 성상의 연료를 저공해 고효율로 연소할 수 있

는 우수한 연소방식으로 재래의 기포유동층 연소방식으로부터 고효율, 대용량으로

확장되어 발전, 열병합, 소각 및 복합발전에 적용되는 차세대 연소기술로 SOx,

NOx 저감 등 공해방지 특성이 우수하여 점차 규제강화가 이루어지고 있는 환경

오염물질 배출 허용기준에 적합한 기술로 많은 연구가 진행 중에 있다.

특히 순환유동층 연소기술은 회분과 수분 함량이 많은 저급 및 저열량의 연료

를 함유한 다양한 연료의 적응성에 매우 우수한 기술이다. 이러한 기술에 대한

연구는 1981년 처음 시작되었으며, 주 연구는 1991년 이후에 이루어졌다. Lab.

scale과 pilot plant에서 유연탄, 무연탄의 연소특성과 배연 조절 등의 연소특성에

관해 연구가 수행되었으며, 상용 보일러 설계 및 성능평가, 모니터링이 주요 보일

러 사용업체에 대해 수행되어 연소특성, 연소로 특성, 단위 기기 성능, 클링커, 전

열관 마모에 대한 연구가 이루어졌다.

현재까지는 주로 석탄을 이용한 순환유동층 기술에 대한 연구가 이루어졌으나,

향후 고갈이 예상되는 화석연료의 대체연료로서의 개발이 필요한 실정이다. 국외

에서는 순환유동층에서의 연료로 Farm animal waste, Sewage sludge and coal,

REF(Recycled Fuel), PDF(Package Derived Fuel), RDF(Refuse Derived Fuel),

Petroleum coke, Wood, Biomass 등을 이용하여 활발히 연구를 진행하고 있다.

현재 국내에서는 석탄 이외에 산업용폐기물, 폐타이어 등을 이용한 연구가 일부

진행되었으며, 향후 석탄 이외의 저급연료를 이용한 순환유동층의 특성연구가 활

발히 진행 될 것으로 예상된다. 또한 2003년 8월 2일 환경부에서 “폐플라스틱고

형연료 제품의 품질기준․사용처 등에 관한 기준”을 고시하여 RPF를 연료로 하는

시설의 이용이 가능하게 되어 RPF에 대한 연료특성 연구 및 기술개발이 필요한

시점이다.



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따라서, 본 연구에서 차세대 대체연료 개발을 위한 순환유동층 연소기술 설계

및 운전기술 개발을 목표로 기초연구 개발의 일환으로 RPF를 이용한 순환유동층

에서의 연소가능성을 타진해 보고 공정변수를 도출하고, 설계 기초 자료로써 연소

특성(온도분포), 연소가스 분석 등을 연구하고자 하였으며, 순환유동층 연소로를

이용하여, RPF를 연료로 하여 과잉공기비를 변화시키며 실험을 수행하였다.

1) 연소로 내부의 온도분포는 RPF의 경우 높이 0.8m에서 가장 높은 온도가 측

정되었으며, 층의 온도는 RDF의 연소 시보다 낮았다.

2) 배출 가스의 농도를 볼 때 NOx를 제외한 CO2나 CO의 배출 농도는 RPF 연

소 시 과잉공기비가 증가함에 따라 모두 줄어들었으며, RPF의 연소 시에 더 적은

양의 CO가 배출 되었다. NOx의 경우는 연소로 내 온도가 가장 높을 때 배출농도

가 가장 높았다.

3) HC의 배출 농도는 총량기준으로 과잉공기비가 커짐에 따라 적어졌으며, 결

합된 탄소 원자의 개수에 따라 구분해 볼 때, 탄소 원자가 1, 2, 3개인 경우 과잉

공기비가 늘어남에 따라 농도는 줄었고, 탄소 원자가 4, 5개인 경우는 그와 반대로

점점 늘어났다.



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1. 서 론

1.1 연구 배경 및 목적

산업 및 경제발전으로 생활수준이 크게 향상되면서 2000년대에 폐플라스틱의

발생량이 급격하게 증가되었다. Table 1.1과 같이 1990년대의 발생량은 거의 같은

수준이나 2000년에 약 1,000톤/일이 증가하였고 2002년 현재 약 10,000톤/일에 달

하고 있다. 이것은 대부분 생활수준의 향상으로 인한 것이며 생활 및 사업장폐기

물이 약 80%를 차지하고 있다.

Table 1.1 폐플라스틱 발생현황

(단위 : 톤/일)

구 분 1996년 1997년 1998년 1999년 2000년 2001년 2002년

생활폐기물 2,443 2,518 2,975 3,320 3,457 3,707 4,005

사업장폐기물 3,714 2,190 2,063 2,608 3,386 3,848 3,607

건설폐기물 833 811 655 968 1,310 1,821 1,800

계 6,991 5,518 5,693 6,896 8,154 9,376 9,413

이러한 폐플라스틱처럼 소각하여 감용화 하는 것이 가능한 것은 소각하는 것이

일반적이지만, 폐플라스틱은 연소 시에 고온이 되므로 소각로를 훼손하거나 다이

옥신, 지구온난화의 문제를 야기시킨다. 폐플라스틱은 당초 태우기 어려운 물질로

서 대부분이 매립 처분되어 왔으나, 그 후 감소를 위한 소각처분도 가능하게 되었

다. 현재는 다이옥신의 발생억제를 위하여 안전한 소각로의 완성시기를 거쳐, 에너

지의 고도회수, 물질 리싸이클 등이 진행되고 있다. 소각처리에 의해 발생한 폐기

물 중의 회분은 매립하는 것이 일반적이지만 안정화하여 재사용하는 물질 리싸이

클(Material Recycle)도 착실히 진행되고 있다. 이와 같이 산업폐기물의 처리기술

은 감량기술, 무해화 기술로부터 재활용기술로 개발이 이행하고 있다. 폐플라스틱



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을 플라스틱으로서 다시 사용하는 것을 Material Recycle, 원료로 하여 다시 플라

스틱으로 가공하여 이용하는 것을 Chemical Recycle, 연소시켜 에너지를 얻는 방

법을 Thermal Recycle이라 한다. 최근까지 대부분 다른 에너지원을 이용하여 처

리되어 왔으나, 에너지 부족문제와 함께 최종 처분되는 매립지의 부족문제가 대두

되면서 이를 동시에 해결하기 위한 방안을 모색하게 되었다. 이의 해결을 위해

폐기물의 자원화에 대한 관심이 고조되었고, 자원화의 일환으로 에너지 회수를 목

적으로 가연성 물질의 폐기물을 열원으로 개발하여 소각함으로써 매립에 의한 문

제점과 연료 절감의 측면에서 효율적인 기술이 개발되었다. 이러한 효율적인 기술

개발로 인해 Table 1.2와 같이 매립에 의한 처리가 상당히 감소하고 소각에 의한

처리가 상당히 증가하고 있음을 알 수 있다.

Table 1.2 폐플라스틱 처리현황

(단위 : 톤/일)

구 분 1996년 1997년 1998년 1999년 2000년 2001년 2002년

생활

폐기물

매 립 1,608 1,620 1,640 1,734 1,696 1,683 1,703

소 각 172 263 420 590 667 788 982

재활용 664 635 916 996 1,094 1,236 1,321

계 2,443 2,518 2,975 3,320 3,457 3,707 4,005

사업장폐

기물

매 립 268 382 1,338 271 301 356 434

소 각 1,319 1,193 341 1,815 2,330 2,841 2,459

재활용 2,127 615 384 522 754 651 714

계 3,714 2,190 2,063 2,608 3,386 3,848 3,607

건설

페기물

매 립 618 271 300 390 252 330 355

소 각 185 410 257 428 764 1,039 992

재활용 30 130 98 150 294 452 454

계 833 811 655 968 1,310 1,821 1,800

총 계

매 립 2,494 2,273 3,278 2,396 2,250 2,369 2,492

소 각 1,676 1,866 1,017 2,832 3,761 4,668 4,433

재활용 2,820 1,380 1,397 1,669 2,143 2,339 2,488

계 6,991 5,518 5,693 6,896 8,154 9,376 9,413



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이러한 소각처리 방법에서 사용하는 열원 중에 폐플라스틱을 사용하여 제조한

고형연료제품인 RPF((Refused Plastic Fuel)가 있다. RPF 란 가연성 폐기물(지정

폐기물 및 감염성 폐기물을 제외)을 선별․파쇄․건조․성형을 거쳐 일정량 이하의

수분을 함유한 고체상의 연료로 제조한 것으로서, 중량기준으로 폐플라스틱의 함

량이 60%이상 함유 된 것으로 정의하고 있다. RPF 제조공정은 선별, 파쇄, 건조,

성형공정으로 이루어지는데, 제조회사마다 제조공정에 약간의 차이가 있으며 만들

어지는 RPF의 성상에도 변동이 있다. 국내에서는 ‘02. 12. 30일 “자원의 절약과

재활용촉진에 관한 법률시행규칙“에서 폐플라스틱 고형연료(RPF)를 환경부장관이

정하여 고시하는 기준에 적합한 제품일 경우 재활용제품으로 규정하여 국내 제조

및 원료 사용의 길이 열렸다. 국내 최초의 RPF 제조 및 공급업체인 (주)코리아리

사이클시스템(KRS)이 ‘02. 12. 27일 준공 되어 ‘03. 9. 6일 RPF 품질·규격인증(제

2003-1호)을 획득하였고, 현재(’04년 4월말 기준) 전국적으로 14개업체가 공식 인

증을 획득하였다. 그리고 “폐플라스틱 고형연료제품의 품질기준․사용처 등에 관한

기준”이 ‘03. 8. 2일 고시(환경부고시 제 2003-127호)되어 현재 시멘트 킬른 원료

로 대부분 사용되고 있다.

일본의 경우 자원순환형사회 구축을 목표로 포장용기리사이클링법 등이 시행되

면서 폐플라스틱의 고형연료화 사업이 활발하다. 경제산업성과 환경성이 공동으

로 심사지원하는 “Eco-Town" 사업에 의해서 폐플라스틱의 물질재활용 및 연료화

사업이 확대되고 있다. (주)사닉스에너지가 홋카이도 토마코아이시에서 2002년 6

월부터 가동을 시작한 74MW 규모의 외부순환유동층 보일러는 705톤/일 정도의

30mm 정도의 미성형 RPF를 사용하고 있다. 오카야마현에 있는 미즈시마 플랜트

는 유동층식 하수슬러지/RPF 혼합 소각발전소로서 슬러지 209톤/일, 폐플라스틱

66톤/일 정도를 사용하며 1.2MW 정도를 생산한다. 토요다 자동차의 내부순환유

동층 발전소는 자동차 폐차 Shredder Dust를 사용하여 직경 40mm, 길이 200mm

정도의 RPF를 만들어서 216톤/일 정도를 연소하고 16MW 정도를 생산한다. 태

평양시멘트는 석유대체에너지 이용 리사이클 프로젝트를 수행하여 실제 조업중인

포틀란드 시멘트 제조용 킬른에서 크기가 3mm이며 염소농도가 4,000 ppm 정도인

미성형 RPF를 보조연료로 사용하여 주연료인 오일코크스 사용량의 35%까지 대체



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하였다.

이처럼 일본에서는 RPF를 이용한 순환유동층 연소기술이 상용화 되고 있다.

그러나 국내에서는 RPF의 성상 및 질에 따라 등급을 나누어 공급하고 있을 만큼

RPF에 관한 법적기준은 마련되어 있으나 관련 연구실적 및 상용화는 거의 없는

실정이다. 그리고 이러한 기준은 일반 보일러에서의 연소특성을 기준으로 성상

및 질에 따른 등급이 결정되어 있으며, 휘발분이 많아 적절한 체류시간의 확보가

필요하고 부식성 가스성분인 염소를 함유하고 있는 RPF의 연소에서는 대기오염

을 최소한으로 하는 순환유동층 연소로가 적합한 것으로 생각된다.

순환유동층 연소기술은 다양한 성상의 연료를 저공해 고효율로 연소할 수 있는

우수한 연소방식으로 재래의 기포유동층 연소방식으로부터 고효율, 대용량으로 확

장되어 발전, 열병합, 소각 및 복합발전에 적용되는 차세대 연소기술로 SOx, NOx

저감 등 공해방지 특성이 우수하여 점차 규제강화가 이루어지고 있는 환경오염물

질 배출 허용기준에 적합한 기술로 많은 연구가 진행 중에 있다.

특히 순환유동층 연소기술은 회분과 수분 함량이 많은 저급 및 저열량의 연료

를 함유한 다양한 연료의 적응성에 매우 우수한 기술이다. 이러한 기술에 대한

연구는 1981년 처음 시작되었으며, 주 연구는 1991년 이후에 이루어졌다. Lab.

scale과 pilot plant에서 유연탄, 무연탄의 연소특성과 배연 조절 등의 연소특성에

관해 연구가 수행되었으며, 상용 보일러 설계 및 성능평가, 모니터링이 주요 보일

러 사용업체에 대해 수행되어 연소특성, 연소로 특성, 단위 기기 성능, 클링커, 전

열관 마모에 대한 연구가 이루어졌다. Table 1.3과 같이 ABB(Combustion

Engineering), Foster Wheeler(Ahlstrom-Pyropower), 독일의 Lurgi 등 굴지의 보

일러 메이커에서 발전용 혹은 열병합발전용 상용보일러를 판매 중이다. 그리고 중

국 또한 자체 기술력으로 중규모(100톤/시간)의 보일러의 생산을 하고 있다.

Table 1.4에서는 국내의 상용 순환유동층 보일러 보급현황을 나타냈으며, 1985년

동양화학에서 열병합발전용으로 설치․운영 후 현재 Ahlstrom형 보일러 7기,

Ignifluid형 보일러 3기, Studsvik 보일러 2기, Lurgi형 보일러 1기, 그리고 ABB형

보일러 2기로 총 14기가 가동 중에 있다.



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Table 1.3 국외 주요 발전용 순환유동층 보일러 설치현황

국가 설비명 용량 제작사 사용연료가동시기

참고

미국

Scott Paper 96MWe LurgiAnthraciteculm

1986Darling et al.(1987)

Colorado-Ute 110MWePyropower/Ahlstrom

Low-sulfurHigh-ashBtuminous

1987Lundqvist et al.

(1987)

Ace(ArgusCogenerationExpantion)

90MWe Ahlstrom Btuminous 1991Melvin&Howe(1991)

Texas/New Mexico 150MWeLurgi/Comb.Engineering

Lignite 1990

Archbald Power 20MWeDeutscheBabcock

Anthracite-culm

1991Kestner&Gields(1991)

Tallahassee 250MWe Foster Wheeler Btuminous건설중(1996)

Jackson Ville 300MWe Foster Wheeler Btuminous 건설중

일본

Mitsubishi HeavyIndustry

150t/hsteam

MitsubishiLurgi

Bitu. coalInd. waste

1986Ohme et al(1991)

Idemitsu Kosan300t/hsteam

Battelle/MitsuiBituminouscoal

1986

Kitakyushu 와카마스 50MWe Battelle/Mitsuivariouscoal

1987

다께하라 350MWe - - 시운전

독일

VAW 64MWth LurgiLow-gradecoal

1982Beisswenger(1985)

Euisburg MunicipalPower Co.

96MWe LurgiBituminous-coalwaste

1986

프랑스Stein Industry 125MWe Lurgi

coal/waterslurry.

1991Semedare et al.

(1991)

EdF 250MWe LurgiHigh ashsum bitu

1995

DB/VKW : Deutsche B뮤채차/Vereinigte Kesselwerke AG

NSP : Northern States Power

TVA : Tennessee Valley Authority

VAW : Vereinigte Aluminum Werke



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Table 1.4 국내 상용 순환유동층 보일러 보급현황

Company(Location)

Category Steam(t/h) Fuel Start Supplier

OrientalChem.(Inchon)

Chemicals 120 Bitu. coal* 1985Hyundai/Ahlstrom

SKC(Ulsan) Textile 130 Bitu. coal 1989 "

Hyundai Oil(Daesan)

Refinery 120 Pet.coke** 1989 "

LG(Yuchon)

Chemicals 210 Bitu. coal 1990 "

Petrochem.Service(Ulsan)

Chemicals 250 × 2 Bitu. coal 1991, 1994 "

SamyangGenex(Inchon)

Food 60Bitu. coalHeavy oil

1991 "

Taegu DyeComplex

Dyeing 130 × 3 Bitu. coal 1986Samsung/Babcock

Pusan DyeComplex

Dyeing 80 × 2 Bitu. coal 1992Daewoo/Studsvik

Korea Zinc Metal 175 Bitu. coal 1991Doosan Heavy/

Lurgi

Tonghae Power Plant 693 × 2 Anthracite 1998, 1999Doosan Heavy/

ABB

* Bituminous coal, ** Petroleum coke

Table 1.3, 1.4에서와 같이 현재까지는 주로 석탄을 이용한 순환유동층 기술에

대한 연구가 이루어졌으나, 향후 고갈이 예상되는 화석연료의 대체연료로서의 개

발이 필요한 실정이다. 국외에서는 순환유동층에서의 연료로 Farm animal waste,

Sewage sludge and coal, REF(Recycled Fuel), PDF(Package Derived Fuel),

RDF(Refuse Derived Fuel), Petroleum coke, Wood, Biomass 등을 이용하여 활발



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히 연구를 진행하고 있다. 폐기물의 활용은 유동층 연소로가 다양한 연료에 대해

서 적응성이 우수하기 때문에 가능하며, 연료비를 절감하여 중기 생산 혹은 발전

원가를 절감할 수 있기 때문에 경쟁적으로 활용되고 있다. 폐기물은 단일 혹은

혼합 폐기물의 적용, 석탄과 폐기물의 혼소 등 다양한 방법으로 활용되고 있다.

일본 오까야마 현의 구라시키 소재 구라레이 방직공장에서는 폐섬유로부터 만들

어진 RDF(refuse derived fuel)를 연료로 사용하여 연료비를 크게 절감시키고 있

다. 도카이시 소재 도레이사는 폐목재 칩을 석탄과 혼소하고 있으며 역시 연료

대체성이 뛰어남이 입증되었다. 스웨덴 Charmers 공대는 14MWth급 CFBC로 대

학 내에 온수를 공급한다. 이 보일러는 건조슬러지와 폐목재료로부터 성형된

RDF를 연료로 사용한다. 오스트리아 Lenzing사는 섬유회사로 폐섬유, viscose

생산 공정 폐기물인 bark 등을 연료로 사용하고 있으며 더구나 폐플라스틱을

PDF 형태로 연소하여 스팀을 생산하고 있다. 현재 국내에서는 석탄 이외에 산업

폐기물 및 생활쓰레기 등을 이용한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 점점 석탄 폐

기물, petroleum coke, biomass, 도시폐기물에 대한 인기도 증가하고 있다. Table

1.5는 순환 유동층 연소 보일러에서 사용되는 연료의 요약 내용이다.

따라서, 본 연구에서 차세대 대체연료 개발을 위한 순환유동층 연소기술 설계

및 운전기술 개발을 목표로 기초연구 개발의 일환으로 RPF를 이용한 순환유동층

에서의 연소가능성을 타진해 보고 공정변수를 도출하고, 설계 기초 자료로써 연소

특성(온도분포), 연소가스 분석 등을 연구하고자 하였다.



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Table 1.5 유동층 연소에 사용된 연료

Agriculture waste/biomassBarkBitumens and asphaltines :anthracitebituminoussub-bituminouslignitebituminous gobanthracite culm

DiatomiteGases :natural'off' gases

Gasifier finesOilOil shalePeatPetroleum coke :delayedfluid

Refuse-derived fuel(RDF)Residual and waste oilsSludge :de-inkingmunicipalpaper mill

Shredded tiresWashery waste and rejectsWood and woodwaste



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1.2 연구내용 및 방법

실험변수로는 RPF 연료특성을 나타내는 연료비와 운전조건 중 변수로 일반적

인 유동층 연소보일러의 운전범위(층온도 850 ～ 900℃, 유동화 속도 1 ～ 2m/s)

에서 NOx, Cl2 제어기법의 한 변수인 1차 공기비를 채택하였다. 층온도는 층별

최고 온도로 표시하였고, 유동화 공기속도는 공급되는 공기유량을 1기압에서 층온

도로 환산하여 층단면에 대한 공탑유속으로 결정하였다. 과잉공기율은 주입되는

연료중 가연성분의 몰(mole) 유량을 기준하여 주입된 산소의 몰 유량비로 하였다.

정상상태에서 운전조건은 측정값의 산술평균으로 하였으며 채취된 연료는 공업분

석(proximate analyzer), 발열량분석(automatic calorimeter), 원소분석(elemental

analyzer), 등을 실시하였다. 연소기체의 성분분석은 하강부 상단에서 주기적으로

혹은 연속적으로 포집하여 기체분석기로 분석하였다. 분석값은 한 운전조건에서

채취된 시료의 평균값으로 하였으며, 분석되는 성분은 O2, CO, CO2, NOx 등이다.



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1.3 기초이론

유동화란 가스나 액체 등의 연속상내에서 분산상인 고체입자가 연속상이 공급

하는 운동에너지에 대하여 유체와 유사한 운동을 나타내는 현상을 말한다. Fig.

1.1과 같이 유동층 내에 채워진 입자들이 상승하는 기체와의 접촉으로 인해 유동

물질이 끊는 액체와 같은 성질을 나타낸다.

Fig. 1.1 유동화의 기본 원리

이러한 유동화가 일어난 유동층의 특징은 Fig. 1.2와 같이 물체를 층내에 넣었

을 때, 층위로 밀어 올려지고 용기에 구멍을 내면 입자들이 제트형태로 분출되어

액체와 같이 흐를 수 있고 서로 다른 높이를 갖는 두 유동층을 연결했을 경우 동

일한 높이를 유지한다. 또한, 용기가 기울어졌을 때 층의 표면은 수평을 유지하고

층내 두 지점 사이의 압력차는 두 지점 사이의 정압과 거의 같다.

Fig. 1.2 유동층의 특징

Light O bject Floats

Solids G ush From H ole

Levels Equalize Surface is H orizontal

P ∞W eight of bed



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유동화 영역간의 전이는 입자와 기체물성, 공탑속도와 연관이 있으며, 층의 내경

과 같은 요인들도 유동화 영역의 전이에 영향을 미친다. 이러한 영향으로 유동층

은 고정층, 확장층, 기포유동층, 난류유동층, 고속유동층 등으로 나타날 수 있다.

이와 같은 종류는 Fig. 1.3에서 나타내었다.

Fig. 1.3 유동층의 종류

Gas or Liquid(Low Velocity)

Gas or LiquidGas or Liquid(High Velocity)Liquid GasGas

Fixed BedIncipient or Minimum

Fluidization

Particulate or Smooth Fluidization

Aggregativeor BubblingFluidization

SluggingLean PhaseFluidization

Gas or Liquid(Low Velocity)

Gas or LiquidGas or Liquid(High Velocity)Liquid GasGasGas or Liquid

(Low Velocity)Gas or Liquid

Gas or Liquid(High Velocity)Liquid GasGas

Fixed BedIncipient or Minimum

Fluidization

Particulate or Smooth Fluidization

Aggregativeor BubblingFluidization

SluggingLean PhaseFluidization

기체가 낮은 유속으로 입자층을 통과하면 유체는 정지되어 있는 입자들 사이의

빈 공간을 침투하여 흐르게 된다. 이 상태를 고정층이라하며 층내에 존재하는 입

자의 움직임은 없다. 유속이 증가함에 따라 입자들이 움직이고 일부는 진동하고

제한된 영역에서 이동하기 시작한다. 이 상태를 유동층에 접근하는 확장층이라고

한다. 또한 여기선 유동화에 필요한 압력강하보다 높은 압력이 걸리는게 특징이

라 할 수 있다.

분산판 위 고정층에 공기를 주입하여 공기량에 따라 고체층에서의 압력강하를

측정하면 초기에는 고체의 움직임이 거의 없으면서 압력강하는 고체층의 무게와

같아질 때까지 증가한다. 압력강하가 고체층 무게와 같아지면 기체에 의해서 고

체에 가해지는 항력(Drag force)이 중력과 같아지며 고체들이 서로간에 움직임과

흔들림을 갖기 시작한다. 이 상태를 최소유동화 상태라 하며 이때의 기체의 공탑



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속도를 최소유동화속도(Minimum Fluidizing Velocity)라고 한다. 이 이상으로 유

속을 증가시키면 층의 압력강하는 거의 일정하게 유지되지만 고체층이 팽창되며

고체들은 서로 분리되어 거동하고 층은 전체적으로 액체와 같은 특성을 보인다.

또한 층 내에서는 큰 공극을 가지 기포들이 존재하거나 나타나게 된다. 이런 기

포들은 층을 부글부글 끊는 액체와 같은 형태로 만든다.

기포는 후류(Wake)에 고체를 안고 상승하며 층표면에서 파괴되어 기체와 고체

로 각각 분리된다. 이러한 연속적 거동이 기포에 의한 입자들의 상승과 상승한

기포와 입자에 의해 빈 공간을 채우는 입자들은 하향거동을 층내에 형성하므로

기포흐름이 많을수록 점차 격렬해져 고체 혼합도가 좋아진다. 반면 기체의 흐름

은 고체입자의 마모 및 비산유출을 발생시키며, 유속이 증가함에 따라 이도 급격

히 증가하는 데 이러한 현상이 나타나는 유동층을 기포유동층(Bubbling Fluidized

Bed)이라고 한다. 분산판에서 형성된 기포는 상승하면서 서로 충돌에 의해 융합

되어 성장하게 된다. 기포 융합현상은 유속이 증가할수록 심하되며 작은 상승부

(Riser) 직경을 가진 유동층의 경우 기포의 직경이 층직경과 같아져서 나타나는

슬러깅(Slugging)이 발생한다. 슬러깅에 대한 선행조건들은 H/D 비가 1.5정도가

되고 최대로 안정한 기포크기가 층 직경이나 이보다 커야 한다. 유속의 계속적인

증가는 슬러깅의 경우 슬러그를 작은 기포를 분쇄시키거나, 기포층의 경우에는 기

포의 빈도수를 증가시켜 층의 균일도를 좋게하며 점차적으로 기포형태의 경계를

흐르게 한다. 이를 난류유동층(Turbulent Fluidized Bed)이라 한다. 난류유동층

에서는 고체의 농도는 감소하지만 유동층은 계속 유지된다. 난류유동층에서 기체

의 층 내 체류시간은 기포유동층에서는 유속에 어려운 점착성 고체의 유동화에

유리한 장점이 있다. 난류유동층에서는 유속이 빠르기 때문에 유체 처리량이 많

으며 기포층에 비해서 기상의 역혼합(Back Mixing)이 상당히 작아진다.

난류유동층으로부터 유속이 더욱 증가하면 입자의 비산유출이 급증하게 되며

유속이 입자 수송속도를 넘으면 층 내 모든 입자는 비산 유출되어 싸이클론에 의

한 재순환 없이는 층 내 입자농도를 유지할 수 없는 상태에 이른다. 이를 고속유

동층(Fast Fluidized Bed)이라고 하며, 층 내 입자농도는 고체의 유랑에 따라 변화

된다. 이 영역에서는 유속의 증가에 따라 층 냉 압력강하가 입자농도의 감소로



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인하여 하강하는 경향을 보이며, 그 추이는 고체의 유량이 증가함에 따라 더욱 완

만해진다. 고속유동층에서도 고체의 역혼합은 매우 격렬하게 일어나며 이에 의해

서 연소로의 경우에는 온도분포가 균일해질 뿐만 아니라 주입된 차가운 고체 및

공기가 빠르게 조업온도로 가열될 수 있다.

순환유동층은 Fig. 1.4과 같이 고속 유동화 영역을 가지며 기체에 의해 유동층

밖으로 나간 입자들이 사이클론에 의해 포집되어 유동층 내로 재주입되는 형태를

말한다. 이것은 기존의 기포유동층에 비하여 높은 유속에서 조업되는 반응기로

고속의 기체와 크기가 작은 고체 입자간의 긴밀한 접촉을 통하여 비교적 대규모

의 여러 가지 화학적, 물리적 작업을 수행하는 유동층 기술의 한 분야이다.

Fig. 1.4 순환유동층의 기본 개념

Flue gas

Riser

Cyclone

Fuel feeder

Combustion air entry

Combustion air entry



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이러한 순환유동층의 특징은 다음과 같다.

(1) 회분과 수분함량이 많은 저급 및 저열량의 연료를 함유한 다양한 연료의 적

응성이 우수하다.

(2) 유동층의 단위 면적당 취급용량이 크다.

(3) 기체와 고체간의 혼합이 매우 우수하다.

(4) 강력한 기-고체간의 혼합특성 때문에 끈적이고 점착성이 있는 입자도 취급

할 수 있다.

(5) 기-고체 접촉효율이 높고, 층 내 전체에 걸쳐서 기-고체의 접촉이 균일하므

로 적은 과잉공기로 99% 이상의 석탄 연소효율을 얻을 수 있다.

(6) 입자의 순환속도를 조절함으로써 턴다운을 빠르고도 쉽게 제어할 수 있다.



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2. 기초연구

2.1 RPF 현황 분석

2.1.1 RPF 사용기준

RPF(Refuse Plastic Fuel)은 가연성 폐기물(지정폐기물 및 감염성 폐기물을 제외)

을 선별․파쇄․건조․성형을 거쳐 일정량 이하의 수분을 함유한 고체상의 연료로

제조한 것으로서, 중량기준으로 폐플라스틱의 함량이 60%이상 함유 된 것으로 정

의하고 있다.(폐플라스틱 고형연료제품의 품질기준․사용처 등에 관한 기준, ‘03.

8.2) 이러한 RPF를 사용하게 된 경위는 ‘02. 12. 30일 “자원의 절약과 재활

용촉진에 관한 법률시행규칙“에서 폐플라스틱 고형연료(RPF)를 환경부장관이 정하

여 고시하는 기준에 적합한 제품에 한하여 재활용제품으로 규정하였고, ‘02. 12. 27

일 RPF를 제조하는 (주)코리아리사이클시스템(KRS)을 경기도 안성시에 준공하였

다. 그리고, ‘03. 8. 2일 “폐플라스틱 고형연료제품의 품질기준․사용처 등에 관한

기준”을 고시하였고(환경부고시 제 2003-127호), ‘03. 9. 6일 (주)KRS는 국내최

초로 RPF 품질·규격인증(제2003-1호)을 획득하여 현재 전국 14개업체가 인증을

획득하여 운영 중에 있다. 폐플라스틱 고형연료제품의 품질기준․사용처 등에 관한

기준은 Table 2.1의 a) 품질기준, b) 규격 , c) 사용시설등급, d) 사용시설

등급별 사용가능 RPF 규격과 같다.

Table 2.1 폐플라스틱 고형연료제품의 품질기준․사용처 등에 관한 기준

a) RPF의 품질기준

․ 크기 직경 50mm이하, 길이 100mm이하․ 저위발열량 6,000 kcal/kg․ HCl농도 1,000 ppmv이하․ 수분 10%이하



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b) RPF의 규격

연소성에 따라“가”군 직경 20mm미만의 성형RPF

“나”군 직경 20mm이상 50mm이하의 성형RPF

HCl배출농도에 따라1급 50ppmv이하

2급 50ppmv초과 300ppmv이하

3급 300ppmv초과 1,000ppmv이하

※ HCl(염화수소) 농도는 연소관식 HCl 농도분석법에 따라 표준 산소농도 12%

로 보정한 연소시의 농도

c) RPF의 사용시설등급

A등급

가

산성가스를 처리하기 위한 건식, 반건식 또는 습식처리장치(처리

공정을 포함) 및 비산재를 처리하기 위한 전기집진기 또는 여과

포집진기를 구비하고 RPF를 발열량 기준으로 30%이내에서

보조연료로 사용하는 시멘트 소성로, 10MW이상인 화력발전소

및 석탄사용량이 시간당 2톤이상 또는 액체연료 사용량이 시

간당 1,200리터 이상인 지역난방시설, 산업용보일러․제철소고

로, 슬러지처리시설

나

RPF전용 사용시설로서 RPF사용량이 시간당 2톤이상이며, 산성

가스를 처리하기 위한 건식,반건식 또는 습식 처리장치 및 비산

재를 처리하기 위한 전기집진기 또는 여과포집진기를 구비하

고 소각로에 준하는 성능검사에 합격한 산업용 보일러

B등급

RPF전용 사용시설로서 RPF사용량이 시간당 200kg 이상 2톤미

만이며 산성가스를 처리하기 위한 건식, 반건식 또는 습식 처리

장치 및 비산재를 처리하기 위한 전기집진기 또는 여과포집진

기를 구비하고 소각로에 준하는 성능검사에 합격한 산업용 보

일러 또는 RPF 사용량이 시간당 200kg 이상 2톤 미만인 슬러지

처리시설



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d) 사용시설 등급별 사용가능 RPF 규격

사용시설등급

RPF규격A B

가, 나

1 ○ ○

2 ○ ○

3 ○ ×

※ 규격별․사용시설별로 ○는 사용이 가능함, ×는 사용불가능을 의미함

2.1.2 RPF 제조 및 공급현황

현재 국내에서 “폐플라스틱 고형연료제품의 품질기준․사용처 등에 관한 기준”의

품질기준에 적합한 제품으로 인증된 업체는 (주)KRS(Korea Recycling

System), (주)에너지, (주)한국자원환경 등 14개 업체(한국자원재생공사)

로서 모든 인증업체가 RPF를 제조․공급하는 것은 아니며, (주)KRS가

‘02. 12. 27일 공장을 준공하여 현재 제품을 제조․공급하는 것으로 조사되었

다. Table 2.2에서는 국내 RPF 품질기준 인증업체를 나타내었다.

현재 (주)KRS에서는 6,000톤/년의 생산능력으로 생산하고 있으며, 주요

공급처는 시멘트 소성로에 대부분 공급하고 있다. 향후 수요처로서 순환

유동층 석탄 보일러, 하수슬러지 소각로, 소형 RPF 전형보일러, 고로환원

제(POSCO)등을 예상하고 있다. Table 2.3에서는 (주)KRS에서의 운영현

황을 나타내었다.



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Table 2.2 RPF 품질기준 인증업체

순번 회사명 지역 위 치

1 (주)리젠스 전남 곡성군

2 제일이엔씨 경기 김포시

3 (주)태백엔지니어링 경기 안산시

4 (주)KRS 경기 안성사

5 일성산업(주) 경남 마산시

6 (주)고려자동화 경남 김해사

7 (주)에너지 경남 울산시

8 (주)한국자원환경 경북 문경시

9 케이엔씨케미칼(주) 경북 포항시

10 NTM Korea 경북 고령군

※ (주)KRS 제공자료 기준

Table 2.3 (주)KRS 공장 운영현황

구 분 현 황

공장규모

부 지 약 5,000평

건 평 325평

생산능력 6,000톤/년

주요시설파쇄기(독일), 성형기(미국),

자력선별기, 정량공급기 등

생산제품

발 열 량 6,000kcal 이상

비 중 0.8 ~ 1.2

제품크기 30 x 30 x 50 mm Pellet



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2.2 RPF 물성 분석

사용연료는 경기도 안성소재의 (주)KRS(Korea Recycling System)에서 제조된

RPF를 사용하였으며, 직경 5cm이하, 길이 10cm이하로 Fig. 2.1의 좌측그림과 같

다. 기존의 제품이 실험장치의 연료투입구 크기 때문에 Fig. 2.1의 우측그림과 같

이 가로세로 약 2cm로 분쇄하여 사용하였다.

Fig 2.1 RPF 형상

그리고, 연소특성을 분석하기 위해 본 실험에서 사용한 RPF에 대해 공업분석

(Proximate Analysis)과 원소분석(Ultimate Analysis)주1)을 실시하였다. RPF는 한

가지 성분이 아닌 여러 성분이 혼합된 연료로 성분을 분석하는 방법으로 공업분

석과 원소분석방법이 사용된다. 공업분석을 통하여 연료 중 수분, 가연분, 회분의

질량비를 알 수 있고, 원소분석을 통하여 가연분 중의 탄소, 수소, 산소, 질소, 황

의 질량비를 알 수 있다. 공업분석과 원소분석의 차이는 Fig. 2.2에 나타낸 바와

같고, 분석결과는 Table 2.4에서 나타내었다.



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Fig. 2.2 공업분석과 원소분석

수분

회분(재)

가연분

S

N

O

H

C

Dry+

Ash Free

Dry RawFuel

Ultimate Analysis

Proximate Analysis

수분

회분(재)

가연분

S

N

O

H

C

Dry+

Ash Free

Dry RawFuel

Ultimate Analysis

Proximate Analysis

Table 2.4 연료 성분분석

구분 공업분석(wt%)가연분의

원소분석(wt%)건기준

고위발열량

RPF

수분 1.6 C 70.2

8,561.4

kcal/kg

가연분 89.85 H 11.8

회분(재) 8.55 O 7.1

- - N 0.0

- - S 0.0

연료를 완전히 연소시킨 후 연소 생성물들이 연소 전의 연료의 온도까지 내려

갈 때 방출하는 에너지의 총량인 연료의 발열량은 고위발열량(HHV: High

Heating Value)과 저위발열량(LHV: Low Heating Value)을 측정하였다. 발열량은

연소 생성물 중 물이 수증기 상태로 존재할 때의 발열량을 저위발열량이라 하며,



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물이 완전히 응축한 상태의 발열량을 고위발열량이라 한다. 고위발열량 계산식에

는 Dulong식, Steuer식, Scheuer-Kestner식 등이 알려져 있다. 일반적으로 고위발

열량계산에 Dulong식을 사용하며, 다음 식(1)와 같다.

]/[2500)8

(340008100 kgkcalSOHCHHV +-+=

(1)

저위발열량의 계산은 다음 식(2)과 같다.

]/)[9(600 kgkcalHWHHVLHV +-=

(2)

여기서, C, H, O, S는 원소분석 상의 각원소의 질량 비율이며, W는 연료 중 수

분의 비율이다.



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3. 실 험

3.1 실험장치

3.1.1 장치설명

실험장치는 Fig. 3.1에서 보는 바와 같이 크게 연료인 RPF를 공급하는 연료주

입설비, 공기공급설비, 연소가 이루어지는 상승부, 연소기체와 유동사를 분리하는

사이클론 및 냉각설비로 분류된다.

Fig. 3.1 실험장치 구성도



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RPF 주입설비는 연료 hopper, 가변속 screw feeder 등으로 구성되며, 공기공급

설비는 comperssor, gas regulator, flow control valve, gas flow meter 등으로 구

성된다. 연소기체와 유동사 및 미연소분인 고체와의 분리하고 연소가스를 배출하

는 cyclone과 cyclone에서 제진된 가스는 water scrubber에서 추가로 세정된다.

세정수는 scrubber를 통화 후 배수되며, 세정된 기체는 ID fan(induced draft fan)

을 거쳐서 배출된다.

부분별 치수는 Fig. 3.2에서 보는 바와 같으며, 장치별 사양으로 연료투입구는

연료피더를 수평과 60 도의 각도로 연결하였고, 관내경 4cm, 두께 0.5cm, 길이

27cm, 연결플랜지는 두께 1cm, 외경 9cm, 구멍수 8개, 구멍직경 1cm로 하였다.

상승부는 관내경 9cm, 두께 0.5cm로 상하가 플랜지로 연결되며, 하부길이는 69cm,

상부길이는 182cm 로 총 251cm 이다. 연결플랜지는 두께 1cm, 외경 15cm, 구멍

수 8개, 구멍직경 1cm로 하였다. 루프실은 내경 14cm, 두께 0.5cm, 높이 36cm,

연결플랜지는 두께 1cm, 외경 20cm, 구멍수 8개, 구멍직경 1cm로 하였다. 상승부

공기주입부는 내경 9cm 두께 0.5cm 높이 10cm, 연결플랜지는 두께 1cm, 외경

15cm, 구멍수 8개, 구멍직경 1cm로 하였다. 하강부는 내경 4cm 두께 0.5cm 이며

총높이 187cm가 플랜지로 연결되어 상부는 126cm, 하부는 61cm로 하부의 28cm

는 루프실 내부로 관통한다. 사이클론 및 출구는 원통의 내경12cm, 두께 0.5cm,

길이 26cm, 호퍼의 길이 26cm 두께 0.5cm, 상단내경 12cm, 하단내경 4cm, 출구

내경 5cm, 두께 0.5cm, 출구내부길이 6cm, 출구외부길이 4cm, 연결플랜지는 두

께 1cm, 외경 11cm, 구멍수 8개, 구멍직경 1cm로 하였다. 측정포트는 니플을 용

접하고 캡으로 바깥쪽을 봉하였고, 길이 15cm, 내경 1cm, 두께 0.5cm, 상승부에 4

개, 루프실에 1개를 설치하였다. 그리고 상승부출구는 사각관으로 폭 3.25cm, 높

이 5cm, 길이 21. 5cm로 상승부출구와 사이클론 입구를 용접하여 연결하였다.



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-24-- 24 -

Fig. 3.2 실험장치 Dimensions

50

100

160 180 190

260

390

600

800

900

11700

2060

2320

2520

2545 2530

2580 2620

470

Unit: mm

⑪

⑨

⑧

③

② ①

④ ⑤

⑦ ⑥

⑩

① 연료 Hopper

② 상승부(Riser)

③ 유동사 투입구 및 관측창

④ 루프씰(Loop Seal)

⑤ 유동사 순환배관

⑥ 상승부 분산판

⑦ 루프씰 분산판

⑧ 하강부(Downcomer)

⑨ 사이클론

⑩ 측정포트

⑪ 상승부 출구



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상승부의 설계는 무연탄의 시간당 연소되는 용량을 2kg로 하여 설계를 하였다.

이 때의 Air-Fuel ratio가 약 10.6이고, 공기의 유량은 약 300lpm이 된다. 상승부

높이는 실험실의 층고를 넘을 수 없기 때문에 2.48m로 설계되었고, 일반 연소로의

최하 체류시간인 2초 이상의 체류시간을 얻기 위하여, 공탑속도는 1㎧으로 결정하

였다. 공탑속도는 상승부에 공급되는 유량을 상승부의 단면적으로 나누어 구할

수 있다. 이러한 조건 들을 고려하고 Sus 310재질의 원통관 직경의 규격을 고려

하여 상승부 내경을 9cm로 설계하였다. 관의 내경은 다음 식(3)와 같이 계산하여

구하였다.

oR u

VDp

·

³4

(3)

여기서 DR은 상승부 직경,

·

V

은 상승부 공급 공기 유량, uo는 공탑속도를 의미

한다.

순환유동층 상승부(Riser)에 사용한 1차 공기 분산판은 내경 9cm의 오리피스를

2.25cm 정방간격으로 직경 1cm로 총 4개를 배열하여 Fig. 3.3 (a)와 같고, J-밸브

에서 유동화 공기 분산판은 내경 14cm 오리피스를 3.5cm 정방간격으로 직경 1cm

총 3개의 구멍을 갖는 다공형 분산판을 사용하였으며 Fig. 3.3 (b)와 같다. 그리

고 1cm의 나사산과 1cm 4개의 노즐로 구성된 트위어를 나사식으로 분산판에 조

립하였으며 Fig. 3.3 (c)와 같다. 각 분산판은 미세철망을 깔아 유동사가 분산판

하부의 윈드박스로 유실되는 것을 방지하였다. 유동사의 상승부로의 재유입을 우

해 루프씰(Loopseal)과 상승부(Riser) 사이에 재순환(Return Leg) 부분은 45°의 경

사를 이루게 내경 4cm, 두께 0.5cm, 길이 30cm로 루프실 상부와 상승부 하부를

연결하였다.



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-26-- 26 -

Fig. 3.3 분산판(Distributor) 및 트위어 구조도

2.25cm

4.5cm

7.5cm2.25cm

4.5cm

7.5cm

하강부관위치

3.5cm

7cm

10cm

하강부관위치

3.5cm

7cm

10cm

(a) 상승부 분산판 (b) 하강부 분산판

1

1

1

2.5

3.5

2

Unit: cm

1

1

1

2.5

3.5

2

Unit: cm

(c) 트위어

상승부의 출구는 유동물질이 순환하는데 있어 출구 형상이 유동의 흐름에 최대

한 방해가 되지 않게 하기 위하여 유동이 순조롭게 나가는 출구의 굽은관형

(Elbow)으로 90°의 각을 이루게 하였으며, 출구 단면적 치수는 넓이 32.5mm, 높이

50mm의 직사각형으로 제작되어 사이클론과 접선방향으로 이어지도록 제작하였다.

Riser 출구를 거쳐 유입되는 유동은 기체와 고체의 분리가 이루어지는 사이클론에



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-27-- 27 -

서 임계입경(Cut Size Diameter) 이상의 입자들은 포집되어 하강부를 통해 J-밸브

에서 기포유동화상태를 유지하면서 상승부 분산판 위에 설치된 재순환 연결 부분

을 통해 상승부로 재유입 된다. 이러한 입자들의 연속적 재순환이 이루어지기 때

문에 순환 유동층이라고 일컬어지게 된다. 사이클론의 설계는 Fig. 3.4에서와 같

다. 이러한 사이클론 설계는 Lapple(1940)에 의한 표준 사이클론의 치수를 기준

으로 설계하였다.

Fig. 3.4 사이클론 구조

Dd

L1 L3 H

W

Di

Do

L2

Diameter of cylinder Do = 120

Length of cylinder L1 = 250

Length of cone L2 =250

Length of exit duct L3 =60

Height of entrance H = 50

Width of entrance W = 32.5

Diameter of exit cylinder D i= 65

Diameter of dust exit Dd= 40

공기 예열기는 상승부에 주입되는 1차공기의 온도를 예열하기 위해서 제작․설

치하였으며, 설계 조건을 입구온도(Ti)=300K, 출구온도(Te)=900K로 하였고, 예열



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-28-- 28 -

되는 공기가 지나가는 전열관의 직경(Dh)=7.8mm로 하여 설계하였고, 전열판의 규

격과 전원의 종류(3상 전원)를 고려하여 Fig. 3.5와 같이 제작하였다.

Fig. 3.5 공기예열기 구조

100

100

단위: mm

1300

세라쿨 보드

500

900

전열판(2kW/N) 전열관 길이: 5000

100

100

단위: mm

1300

세라쿨 보드

500

900

전열판(2kW/N) 전열관 길이: 5000

3.1.2 계측장비

본 실험에서 압력을 측정하기 위해 Fig. 3.6과 같은 D/P Monitering System을

사용하였으며 압력수치를 Pa 단위로 표시해주는 장비이다. 상승부 내부의 압력을

측정하기 위해 상승부에 4개의 압력 측정 탭을 설치하였으며, 압력 측정 탭으로

미세한 입자들의 유입을 방지하기 위하여 탭 입구 부분에 미세철망의 필터를 설

치하였다. Ch.5는 탭1에서의 상대 압력을, Ch.2는 탭 1과 2 사이의 압력차를,

Ch.3는 탭 2와 3 사이의 압력차를, Ch.4는 탭 3과 4사이의 압력차를 측정하도록

설치하였다. 그러나, D/P Monitering System의 수치가 연구에서 필요로 하는 수

치이지만, 상승부 내의 유동은 난류이기에, D/P Monitering System의 수치는 변

동폭이 크다. 이 때문에 DAQ 032라는 자동기록계를 이용하여 압력 값을 0.5초 간

격으로 기록하고, 이 값의 평균치를 적용 하였다.



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-29-- 29 -

Fig. 3.6 D/P monitering system

온도측정을 위해서는 Fig. 3.7와 같이 구성된 장치를 설치하였으며, 상승부에 4

개의 압력 측정탭과 같이 설치되어있는 K-type열전대에서 발생된 기전력 값을 ℃

단위로 표시해주는 Temperature indicator와 공기 예열기의 온도를 제어할 수 있

는 Temperature Controller로 구성되어 있다.

Fig. 3.7 temperature controller



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-30-- 30 -

그리고, 배출되는 연소가스의 성분(O2, CO, CO2, NOx, CxHy)을 측정하기 위하

여 Fig. 3.8과 같은 Gas Cooler와 Analyzer(GreenLine Mk-2)를 사용하였다. 배가

스로부터 채취된 가스의 온도범위는 10～100℃로 낮추어 Gas Analyzer로 유입되

어야 하고 상대적으로 깨끗하고 건조한 상태로 채취되어야 하기 때문에 전단에

Cooler(GreenCooler)를 사용하여 채취가스의 온도를 10～100℃로 낮추고, 입자 및

수증기를 제거하였다.

Fig. 3.8 Cooler and Gas analyzer

Cooler Gas analyzer



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-31-- 31 -

3.2 실험조건

3.2.1 유동매체 분석

유동매체는 연료 중에 표함되는 고형물질과 연소로의 농후층을 유지하기위하여

초기 투입되거나 운정 중 보충되는 물질을 일컫는다. 유동층 연소로의 유동매체

로 주로 강모래가 가장 많이 사용된다.(산업용 유동층 연소로 진단 및 개선방안

연구, ‘03.1.31) 유동매체는 층하부의 농후층을 유지하면서 이곳에서 연료의 안정

적인 연소를 하기 위한 것이다. 유동매체의 양은 고정층의 층압이 일정하게 유지

되도록 일정높이를 유지하도록 정하여야한다. 또한, 유동매체는 용융온도가 높아

소결이 일어나지 않아야 한다. 따라서, 본 실험장치의 운전에서는 유동매체로 용

융온도가 높아 소결현상이 잘 일어나지 않는 SiO2를 사용하였다.

Fig. 3.9 유동사의 입경분포

0

10

20

30

40

50

60

70

80

~45 45~90 90~150 150~250 250~500 500~

Particle Size(μm)

Fre

quency(

vol%

)

사용한 입자의 크기는 Fig. 3.9에서와 같이 평균적으로 45㎛이하가 0.2%, 45～90



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-32-- 32 -

㎛가 1.4%, 90～150㎛가 4.2%, 150～250㎛가 10.7%, 250～500㎛가 72%, 그리고

500㎛이상이 11.5%로 나타내고 있다. 유동매체의 입자가 너무 크거나 작으면 유

동층 형성이 잘 일어나지 않는다. 따라서, 유동층 형성에 적합한 입자크기를 갖는

정도를 파악하기 위해 Geldart(1978)가 제시한 입자의 밀도와 크기에 따른 입자분

류 기준으로 판정을 하였다. 그 결과는 Fig. 3.10과 같이 Geldart Group A, B에

속하여 Geldart 입자분류에서 권장하는 B 그룹에 포함되어 적합한 것으로 판정하

였다.

Fig. 3.10 Geldart 입자분류

(mm)(mm)

여기서, 그룹 C는 매우 작은 입도의 고체 입자가 이 그룹에 속하며 입자간의 점

착성 및 상호인력이 매우 강하여 유동화 되기 매우 어려운 입다군이다. 그룹 A

는 비교적 작은 입도, 낮은 밀도(<～1.4g/㎤)고체 입자가 이 그룹에 속하며 유동성

이 매우 좋아 낮은 유속에서도 유동화가 쉽게 이루어진다. 그룹 B는 모래와 같은

종류의 입자들이 보통 이 그룹에 속하며 입자의 크기는 40㎛～ 500㎛ 정도이고,

밀도는 1.4g/㎤～ 4g/㎤ 정도 범위의 입다들이다. 비교적 유동화가 잘 이루어지

며 기포의 생성 및 운동이 매우 격렬하게 이루어지고 큰 기포를 이루는 경우가



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-33-- 33 -

많다. 그룹 D는 비교적 큰 입도 그리고 높은 밀도의 입자가 이 그룹에 속하며

유동화 되기 어려운 특징을 뛴다.

3.2.2 유동특성 분석

본 실험은 냉간 장치에서의 유동화 특성을 측정하여 열간 장치에서의 유동사의

최적의 유동화 특성을 알아보고자 실시하였다. 먼저 냉간 장치에서의 유동특성을

실험하였고, 그 내용으로 먼저 상승부 내에 유동물질을 일정 높이까지 채운 후 공

기를 공급하고, 유동화 영역을 알아보기 위해 유량을 증가시키면서 유동사가 채워

져 있는 두 지점에서의 압력강화를 측정하였으며, 측정결과는 Fig. 3.11과 같다.

Fig. 3.11 냉간 장치의 유동층 압력강하(ΔP)

In the cold device

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Flow rate in riser(lpm)

Pre

ssur

e dro

p(p

a)

100lpm in loop seal

120lpm in loop seal

150lpm in loop seal

축방향 고체분률 분포는 실험에서 측정한 압력에 의해 계산되었다. 순환유동층

의 유동 특성은 상승부에 설치되어 있는 압력 탭으로부터 압력을 측정하여 다음

의 식(4)을 이용하여 높이별 평균 고체 분률을 알수있다.



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-34-- 34 -

gLP gss )( rre -=D

(4)

여기서, ΔP : Pressure drop, εs : Solid fraction, ρs : Solid density, ρg : Gas

density, g : Acceleration of gravity, L : Distance를 의미하고, 식(1)에서 두 지

점 사이 거리(L)의 압력차(ΔP)를 알면 고체분율(εs)을 알 수 있고, 이로부터 농후

상과 희박상 그리고 전이영역에 대한 구분을 고체 분포와 공극률을 기준으로 추

정할 수 있고, 또한 순환유동층에서의 순환이 이루어지는 공기 공급량을 산정할

수 있다. Fig. 3.11에서 알수 있듯이 상승부 공기공급량이 300lpm에서 압력강하가

이루어지는 것을 알수 있다. 이것은 이때 상승부에서 하강부로 유동매체가 순환

하여 압력강하가 이루어진 것을 의미한다. 루프씰의 공기공급량은 100, 120,

150lpm으로 실험을 실시하였는데, 120, 150lpm에서는 상승부에서의 적정한 체류시

간인 2초에 미치지 못해 100lpm에서의 유동특성이 적합한 것으로 판단하였다.

열간 장치에서 같은 유동사를 같은 양으로 상승부 내에 일정 높이까지 채운 후

공기를 공급(루프씰 100lpm)하고, 유동화 영역을 알아보기 위해 상승부 공기유량

을 증가시키면서 유동사가 채워져 있는 두 지점에서의 압력강화를 측정하였으며,

이와 같은 측정결과로부터 냉간 및 열간 장치에서의 유동물질의 공탑속도를 계산

한 결과 Table 3.1와 같이 열간장치에서의 공탑속도가 상승부(Riser)에서는 약

22.1%, 루프씰(Loop seal)에서는 약 16.3%가 감소하였다.

Table 3.1 냉간 및 열간 장치의 공탑속도 산정

구 분내 경 공탑속도(Superficial velocity)

냉간 장치 열간 장치 냉간 장치 열간 장치

Riser 9cm 10.2cm 0.917㎧ (350lpm) 0.714㎧ (22.1%↓)

Loop seal 14cm 15.3cm 0.108 ㎧ (100lpm) 0.09㎧ (16.3%↓)



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-35-- 35 -

이와 같은 결과는 냉간 장치와 열간 장치의 상승부와 루프씰의 크기가 다른데

에서 기인된 것으로 판단되어 감소비율만큼의 공기 공급량을 상승시켰다. 즉, 상

승부의 공기 공급량은 450lpm으로, 루프씰의 공기 공급량은 120lpm으로 공급하면

서 압력강화와 공탑속도를 측정하였다. 압력 및 공탑속도의 측정결과는 Table

3.2의 경험적 운전조건에 의해 Fig. 3.12과 같이 측정되었다. 그림에서 알 수 있듯

이 냉간 장치와 열간 장치 사이에서 공탑속도는 일정하였고, 압력강하가 열간 장

치에서 다소 높은 경향을 보였으나 전체적인 압력강화 경향은 같은 것으로 측정

되어 최적의 유동화 조건을 찿아 낼 수 있었다.

Table 3.2 유동특성 분석실험 운전조건

구 분 운 전 조 건

대기온도 20℃

공탑속도(루프씰)0.108 ㎧

(100lmp in the cold device,120lpm in the hot device)

Fig. 3.12 열간과 냉간장치에서의 압력강하 측정(상온에서)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20

Superficial v elocity (m/s)

Pre

ssure

dro

p(p

a)

In the cold device

In the hot device



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-36-- 36 -

3.3 실험방법

연소실험은 먼저 유동사(ds = 150-500㎛, ρs = 2,670㎏/㎥)를 주입한 후 예열기

로 예열된 공기를 공급한다. 층내 온도 T1이 400℃가 되면 보조연료인 톱밥을 넣

고 연소 시켜 층내 온도를 700℃가 될 때까지 가열시킨 후에 RPF를 투입하였다.

실험은 Table 3.3에 나타난 바와 같이 연료의 투입량을 조절하여 과잉공기비

(excess air ratio)를 변화시키며 수행하였다. 과잉공기비는 완전연소가 된다는 가

정 하에 식(5)를 이용하여 먼저 공연비(Air/Fuel ratio)를 구하고, 계산된 이론공기

량에 대한 실제 공급되는 과잉공기량의 비로 나타낸다.

→

×

(5)

여기서, a, b, c, d, e는 각각 연료 중 포함하고 있는 탄소, 수소, 산소, 질소, 황

의 함량을 중량퍼센트(wt %)로 나타낸 값이며, M i는 각 원소의 분자량을 나타낸

다.

Table 3.3 연소실험 운전조건

Parameters Range

Excess air ratio 1.15-1.71

Pressure drop (Pa) 800

Superficial velocity (m/s) 1.17



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-37-- 37 -

4. 결 과

4.1 온도분포 분석

Fig. 4.1에 RPF를 사용한 연소실험 결과로 1차공기의 과잉공기비에 따라 나타

나는 연소로 각 높이별 온도특성을 나타내었다. 연소로내 축방향 온도분포 특성

은 연소영역의 예측과 전열면적의 배치를 위한 판단의 기본이 된다. 700℃까지

톱밥으로 연소로내 온도상승을 유지하였고, 700℃이상에서 RPF를 투입하여 온도

분포를 측정하였다. 그림에서 나타내는 바와 같이 연소로의 0.8m 부근에서 최고

의 온도를 나타냈으며, 이는 폐플라스틱의 대부분이 비닐류로서 가벼운 연료가 유

동층 표면위로 주입되기 때문에 층표면 이상에서 최대를 보여 연소가 이 영역에

서 가장 활발하게 일어남을 보여주고 있다. 연소로 높이가 증가할 수록 온도는

감소하였음을 알 수 있다. 연소로에서 측정된 가장 높은 온도와 낮은 온도와의

차이는 216℃로 나타났다.

Fig. 4.1 연소로 높이별 온도분포

500

600

700

800

900

1000

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8

Height above dis tributor(m)

Tem

pera

ture

(℃)

Excess air ratio 1.15





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또한, 그림에서 나타내는 바와 같이 공기/연료비 1.15의 경우에는 1.18일 때보다

층영역에서 확실히 낮은 온도경향을 보이고 있으며 이는 층내 연소반응량이 감소

하였음을 의미한다. 그러나, 1.71의 경우 1.18일 때보다 층영역에서 낮은 온도경향

을 보이고 있는데, 이는 연료공급시 연소로내 열손실에 의한 온도 하강으로 예측

된다.

4.2 연소기체 분석

4.2.1 CO, CO2, O2 분석

연소기체의 성분분석은 공해발생 특성의 조사를 위하여 매우 중요하다. 본 실

험에서는 연소기체의 성분을 분석하기 위해 연소로 출구에서 피토관(pitot tube)으

로 연결하여 가스분석기(GreenLine Mk2)를 이용하여 CO, CO2, O2를 측정하였다.

Fig. 4.2 에서는 가스분석기로 측정된 연소기체 특성을 나타냈다.

Fig. 4.2 과잉공기비에 따른 연소기체 분석

0

2

4

6

8

10

12

14

1 1.2 1.4 1.6 1.8

Excess air ratio

Concentration(%

)

O2(%)CO2(%)CO(%)

그림에서 나타내는 바와 같이 CO, CO2는 과잉공기비가 증가할수록 감소하였고,



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-39-- 39 -

O2는 과잉공기비가 증가할수록 증가하였다. 이것은 연료량에 비해 공기량이 많아

불완전연소에 의한 산소량이 증가한 것으로 판단된다.

4.2.2 NOX, 분석

유동층 연소로 뿐만 아니라 대부분의 연소로에서 배출되는 일산화질소는 총 질

소산화물의 90% 이상을 차지하고 있으며, 대기중에서 NO는 곧바로 NO2로 전환

되기 때문에 아직까지 질소산화물을 설명할 때는 NOX를 이용하고 있다. 유동층

연소에서 운전온도는 750～ 900℃ 정도를 유지하기 때문에 thermal NOX의 발생이

없으며, 온도가 낮기 때문에 N2O의 발생은 온도가 증가함에 따라 감소하고, N2O

와 NO 발생은 서로 대응적인 관계에 있다. N2O의 발생은 온도가 증가함에 따라

감소하고, NO의 발생은 온도가 증가하면서 증가한다. 또 휘발분이 많을 수록

NO의 발생량이 놓고 N2O의 발생량은 상대적으로 낮게 발생한다. 특히 NOX의

발생은 과잉공기 및 온도가 증가할수록 증가한다.

연소 중에 발생되는 NOX는 연소시 공기 중의 산소가 고온에서 유리되어 공기

중의 질소분자를 산화시켜 생성되는 thermal NOX와 연료중에 화학적으로 결합된

질소성분이 연소과정에서 산화되어 생성되는 fuel NOX, 그리고 연소시 발생하는

탄화수소가 공기 중의 질소와 반응하여 생성되는 prompt NOX 등으로 분류 할 수

있다. Fuel NOX는 주로 소각영역이나 가스 반응영역으로부터 조금 벗어난 지점에

서 생성됨에 반해 thermal NOX는 산소의 농도, 온도, 체류시간이 적당하기만 하면

고온영역 어디에서나 발생 될 수 있다. 그러나 실제 연소장치에서 thermal NOX

는 소각로 후류의 고온영역에서 많이 발생한다.

Fig. 4.3 에서는 연소로 온도변화에 따른 배연가스 중 NOX의 변화량을 나타내

었다. 그림에서 나타내고 있는바와 같이 공기량이 증가할수록 NOX의 발생량이

증가하여야 함에도 불구하고 최대 공기량에서 감소하였다. 연소가 700 ～900℃에

서 운전되었음을 감안할 때 NOX는 과다하게 발생하였다. 이는 연료성분 분석결

과에서 N 성분이 없는 것으로 나타나 fuel NOX는 거의 없는 것으로 예상되며,

700 ～900℃에서 운전되었으므로 thermal NOX도 총 질소산화물의 5% 미만일 것



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-40-- 40 -

으로 예상할 수 있다. 그러므로 대부분 prompt NOX로 예상할 수 있다.

Fig. 4.3 과잉공기비에 따른 NOx 분석

0

50

100

150

200

250

300

1 1.2 1.4 1.6 1.8

Excess air ratio

Concentration(%

)

Nox(ppm)

이러한 배출결과는 2004년 12월 31일까지의 배출허용기준에서 일반보일러와 발

전시설의 고체연료 사용시설에서 350ppm 이하를 만족하나 2005년 1월 1일부터의

기준인 일반보일러에서의 기존시설 250ppm이하, 신규시설 150ppm이하, 그리고 발

전시설에서 기존시설 150～350ppm이하, 그리고 신규시설에서 80ppm이하의 기준

을 초과하는 결과이다.

4.2.3 HC 분석

연소 후 배출되는 연소가스를 샘플링 백에 채취하여 Micro G.C(Agilent 3000

Micro Gas Chromatograph)를 이용하여 연료의 미연물질인 HC(Hydrocarbon)을

측정하였다. Table 4.1에서 Micro G.C에 의한 HC 종류와 배출농도를 나타내었다.

종류별 HC 농도는 과잉공기비에 따라 각각 다른 값을 가지지만, 총 배출되는 HC

의 농도는 과잉공기비가 증가할 수로 감소하였다. 배출된 HC를 탄소와 수소의

결합에서 탄소의 개수에 따라 HC의 배출 농도를 구분하여 보면, Fig. 4.4와 같이

나타나며, 주로 탄소의 개수가 적은 HC가 많이 발생함을 알 수 있다. 과잉공기비



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-41-- 41 -

의 변화에 따라서 탄소 원자 1, 2, 3개와 결합된 HC의 경우 감소하는 경향을 보이

나, 탄소 원자 4, 5개와 결합된 HC의 경우는 증가하는 경향을 보이고 있다.

Table 4.1 HC 종류와 배출농도

종류 Case 1 Case 1.2 Case 1.4

Methane 3.34204 2.52744 0.99624

Ethylene 3.94136 2.57909 1.01368

Ethane 0.28341 0.22704 0.04397

Acetylene 0.35412 0.27336 0.179

Methyl acetylene 1.08645 1.10043 1.06415

Propane 0.03114 0.03114 ND

1,2-Propadiene 1.11323 ND ND

n-Butane 0.08572 0.08572 0.31616

trans-2-Butene 0.00024 0.00021 0.36794

iso-Butylene 0.0005 0.00074 0.27386

1-Butene 0.00146 0.00228 0.33611

cis-2-Butene ND ND ND

1,3-butadiene 0.00089 0.00074 0.1579

2-methyl-2-butene 0.00001 ND 0.01843

iso-butane ND 0.05984 ND

trans-2-pentene ND ND 0.0949

1-pentene 0.00001 ND 0.14552

cis-2-pentene ND ND ND

iso-pentane ND ND ND

n-pentane 0.00002 0.00002 ND

cis-2-pentene ND 0 0.033

Total 10.2406 6.88805 5.04086

*ND : Non detected



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-42-- 42 -

Fig.4.4 탄소수에 따른 배출가스 농도 분석

0

1

2

3

4

5

1 1.2 1.4 1.6 1.8

Excess air ratio

Concentration(%

)

C1

C2

C3

C4

C5

C1 : Methane

C2 : Ethylene, Ethane, Acetylene

C3 : Methyl acetylene, Propane, 1,2-Propadiene

C4 : n-Butane, trans-2-Butene, iso-Butylene, 1-Butene, cis-2-Butene,

1,3-butadiene, 2-methyl-2-butene, iso-butane

C5 : trans-2-pentene, 1-pentene, cis-2-pentene, iso-pentane, n-pentane,

cis-2-pentene

4.3 공정고찰

순환유동층 연소로의 연료는 다양하여 성상이 매우 다르기 때문에 적합한 fuel

feeder의 선택이 어려웠다. 본실험에서는 투입되는 연료를 연속적이고 일정하게

공급하기 위해 스크류 방식의 Feeder를 사용하였다. Hopper에 저장된 연료 RPF

는 스크류를 통해 상승부 내로 투입시켰다. 첫째, 초기 온도상승을 위해 사용한



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톱밥 공급과정에 rat hole이 발생하여 한쪽에 치우쳐 쌓인 체로 정체하여 공급이

중단되는 경우가 발생하였다. 따라서 hopper에 진동을 주는 방법(망치로 두드리

는)과 내부를 휘저어 주는 방법으로 rat hole을 깨고 톱밥을 screw feeder에 고르

게 분산시켜 공급하였다. 이러한 현상은 RPF 공급과정에서도 똑같이 발생하였다.

따라서 계속해서 내부를 휘저어 줄 수 있도록 feeder를 제작하여 시행하였다. 그

러나, 연료투입구에서 RPF의 막힘 현상이 발생하여 feeder를 제거하고 dumping하

는 방법으로 변경하여 실험을 시행하였다. 따라서 폐기물의 feeder로는 복잡한

구조를 갖는 설비보다는 단순하고 단속적으로 dumping이 이루어질 수 있는 설비

(Pusher type, Crane type)가 보다 광범위하게 적용 될 수 있을 것이다. 둘째,

본 실험에서는 연소로로부터 배출되는 연소가스의 온도가 높을 경우 I.D fan의 모

터의 수명을 저하시키는 요인이 되기 때문에 연소가스의 온도를 낮추고, 연소가스

중 분진을 제거하기 위하여 습식 스크러버를 설치하였다. 사용된 습식 스크러버는

대향류 방식이다. 스크러버에 사용된 물을 제거하기 위해 pump를 사용하였는데,

공기 공급량에 따라 사이클론에서 분리되지 않고 직접 스크러버로 넘어오는 경우

가 발생하였다. 이러한 것에는 유동사와 회분과 미연분 등이 포함되어 있었다.

이러한 고체물질로 인해 실험 중 펌프의 막힘 현상이 많이 발생하여 직접 스크러

버에서 물을 pumping하지 않고 1차적으로 자연 배출후 다시 pumping 하는 방식

으로 실험을 시행하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 하나밖에 설치되지

않은 스크러버를 두개 이상설치하여 기체-고체의 완전한 분리가 이루어 져야 할

것이다.



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5. 결 론

본 연구에서는 폐플라스틱 고형연료인 RPF(Refused Plastic Fuel)의 유동층 연

소로내 연소특성을 측정 및 고찰하였으며 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.

(1) 연소로 내부의 온도분포는 RPF의 연소 시 높이 0.8m에서 가장 높은 온도가

측정되었으며, 높이가 높아짐에 따라 온도가 떨어졌다. 또한, 과잉공기비가

클수록 층의 온도가 내려갔다.

(2) 배출 가스의 농도를 볼 때 NOx를 제외한 CO2나 CO의 배출 농도는 RPF

연소 시 과잉공기비가 증가함에 따라 모두 감소하였다. NOx의 경우는 연

소로 내 온도가 가장 높을 때 배출농도가 가장 높았다.

(3) HC의 배출 농도는 총량기준으로 과잉공기비가 커짐에 따라 감소하였으며,

결합된 탄소 원자의 개수에 따라 구분해 볼 때, 탄소 원자가 1, 2, 3개인 경

우 과잉공기비가 늘어남에 따라 농도는 감소하였고, 탄소 원자가 4, 5개인

경우는 그와 반대로 점점 증가하였다.



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참 고 문 헌

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층 석탄 연소특성 연구)

4. 김은경, 순환유동층 연소로에서 수력학적 특성 실험 및 모델링, 2002

5. Kunii, D and Levenspiel, O., Fluidization Engineering 2nd Ed., 1991

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7. 김우현 외 5명, 폐기물 고체연료(RDF)의 유동층 연소기술, KOSCO

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학회지, p. 9, 1991

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13. 2002 전국 폐기물 발생 및 처리현황, 환경부, 국립환경연구원, 2003.

14. 폐플라스틱 고형연료제품의 품질기준․사용처 등에 관한 기준, 환경부,

2003.8.2



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[ABSTRACT]

Combustion of refuse plastic fuel(RPF) was carried out in a

lab-scale circulating fluidized bed. Experiment was investigated cold

flow visualization. RPF was made by KRS(Korea Recycling System).

The results include distribution of temperature in the combustion

chamber, and concentrations of flue gas such as O2, CO2, CO, NOx, and

HCs. As height above distributor became increased, distribution of

temperature was decreased. Micro G.C(gas chromatograph) was

employed to find out concentration of HC. As air ratio became

increased, CO2, CO, and total of HCs emissions were decreased.

According to the number of carbon atom of HCs, HC were classified as

five kinds of HC.


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