순환유동층 보일러애시(CFBC ash)는 매년 발생량이 증가하고 있으며, 대부분 활용성이 제한되어 매립, 폐기되고 있는 실정이다. 순환유동층 보일러애시의 화학조성 주성분은 SiO2, CaO, CaSO4로써, 물과 반응하여 시멘트와 유사한 자기수경성을 가지고 있다. 본 연구에서 는 순환유동층 보일러애시의 자기수경성을 활용하여, 폴리머 혼입 보수 모르타르를 개발하기 위한 최적배합을 도출하고자 하였다. 폴리머 혼입 보수 보르타르 개발을 위해 순차적으로 3 Case의 배합을 설정하고 기초 물성을 확인하였다. 그 결과, 순환유동층 보일러애시에 실리카흄 10% 혼입과 폴리머 1.0% 혼입, 팽창재 3.5% 혼입에서 최적의 결과를 얻을 수 있었다.

최근 화력발전소에서는 순환유동층 연소방식의 발전소가 증가하는 추세이다. 순환유동층 보일러애시는 탈황 효과를 위해 석회석을 첨가함에 따라 애시 중에 포함되는 CaO, SO3성분이 증가하여 일반적인 플라이애시 보다 free-CaO 함량이 높다. 또한 순환유동층 보일러애시는 기존의 플라이애시와 다르게 자기수경성 특성과, 높은 free-CaO함량에 의해 물과 만나면 높은 반응성을 갖는다. 본 연구는 순환유동층 보일러애시의 자기수경성 특성을 이용하여, 시멘트를 대체할 수 있는 비소성 결합재로써 활용 가능성에 대해 분석하였다. 순환유동층 보일러 애시의 함량에 따른 역학적 및 수화특성에 대해 검토하였다. 또한 석고의 종류 및 함유량에 따른 순환유동층 보일러애시 활용 비소성 결합재에 대 한 압축강도 및 미세구조에 미치는 영향을 분석하였다.

By the end of 2012, the recycled proportion of domestic waste tires was 287,330 ton (93.9%) of the amount of waste tires discharged (305,877 ton). The waste tires have been reused for heat supply, material recycling and other purposes; the proportions are 50.1%, 20.7% and 23.1%, respectively. In the case of heat supply, waste tires are supplied to cement kiln (104,105 ton, 68%), RDF manufacture facilities (47,530 ton, 31%) and incinerators (1,923 ton, 1%). Recently, there has been an increase in the use of waste tires at power generation facilities as an auxiliary fuel. Thus, physico-chemical analysis, such as proximate analysis, elemental analysis and calorific value analysis have been carried out to evaluate potential of waste tires as an auxiliary fuel in Korea. The LHV (Lower Heating Value) of waste tires is approximately 20% higher than that of coal, at an average of 8,489 kcal/kg (7,684 ~ 10,040 kcal/kg). Meanwhile, the sulfur content is approximately 1.5wt. %, and balance of plant (e.g. pipe line, boiler tube, etc.) may be corroded by the sulfur. However, this can be prevented by construction and supplementation with refractories. In this study, TDF (Tire Derived Fuel) produced from waste tires was co-combusted with coal, and applied to the CFB (Circulating Fluidized Bed) boiler, a commercial plant of 100 tons/day in Korea. It was combined with coal, ranging from 0 to 20wt. %. In order to determine the effect on human health and the environment, gas emission such as dioxin, NOx, SOx and so on, were continuously analyzed and monitored as well as the oxygen and carbon monoxide levels to check operational issues.

생활폐기물 고형연료(Solid refuse fuel, SRF)는 생활폐기물에서 재활용 가능한 자원을 회수하고, 가연물을 이용하여 연료화한 친환경에너지이다. 2014년 기준 국내 발생 생활폐기물의 15.7%가 매립되었으며, 25.3%가 소각처리 되었다. 폐기물 관리에 있어서 발생억제, 재이용, 재활용, 에너지생산, 처분의 순으로 우선순위를 적용하여 관련 정책이 발전되어왔다. 생활폐기물을 연료화하여 발전용으로 사용하면 매립되는 폐기물의 양을 줄이고, 화석연료의 사용을 저감하는 효과가 있다. 이를 장려하기 위하여 폐기물관리법, 자원재활용촉진법, 산림조성관리법 등의 법령을 준수하여 제조 및 유통되는 경우 신재생에너지 연료로써 인정하고 있다. 순환유동층 연소보일러는 저품질의 연료를 효과적으로 활용할 수 있기 때문에 열병합 발전 및 중소 규모의 발전용으로 많이 보급되어 왔다. 하지만 폐기물을 연료로 투입하는 경우 일반적으로 응집현상이 발생하고 공정의 효율이 저하된다. 연료 중 알칼리 성분, 주로 칼륨과 나트륨이 응집작용의 원인으로 작용하며, 이에 원료 중 알칼리계 저비점 금속이 존재하는 경우 보일러 내 응집현상이 발생한다. 이러한 응집현상은 슬래깅과 파울링 현상을 유도하여 보일러의 열전달 효율을 감소시키며, 유동층 내 알칼리금속에 의한 응집이 발생한 후 주기적인 정비를 진행하지 않으면, 최종적으로 비유동화가 발생하고 운전이 중단되는 현상이 발생한다. 본 연구에서는 국내 생활폐기물 연료화 발전시설의 순환유동층 보일러에서 발생한 클링커의 생성원인을 규명하여, 향후 방지대책을 수립하는데 활용하고자 한다.

This study has focused on identifying the cause of agglomeration that occurred in a domestic commercial-scale circulating fluidized bed boiler. Solid refuse fuel (SRF) was fed into the target facility to produce electricity. Agglomeration occurred in the combustor and cyclone during commercial operation. The bed material, clinkers produced in the combustor and cyclone, and boiler ash were collected, and components that are known to cause agglomeration were analyzed. Additionally, the possibility of slagging and fouling formation was predicted using components obtained by XRF analysis. The melting temperature of the bed material was decreased by complex reactions of low-boiling-point metal, alkaline metal and sulfur, and chlorine components. Then, agglomeration was generated because the bed material and ash were melted and combined. Basicity (B/A), which can lead to slagging, was estimated to be above 1.0 (reference 0.5 < B/A < 1.0). The boiler ash had a basicity of 1.83. The slag viscosity index (SVI) was estimated to be between 18.83 and 49.78 (reference 65 < SVI < 72). The boiler ash and combustor clinker had 3.30 and 4.40 total alkali (TA) values, respectively (reference 0.3 < TA < 0.4). This condition determined that slagging and fouling formation easily progressed. This result is expected to be utilized as data for preventing agglomeration formation and clinker generation.

고체 재생연료인 SRF(Solid Recycled Fuel)는 다양한 폐기물로부터 제조된 연료로 평가받고 있다. 본 연구에서 사용된 SRF는 돈분(pig excrement)으로부터 제조되었다. 돈분을 호기성 소화조에서 발효시켜 바이오가스(메탄)를 추출하여 가스연료로 사용하고, 거의 액상상태의 잔유물중 침전물질을 고액분리과정을 거쳐, 얻어진 고체를 톱밥과 같은 가연성 유기물질과 혼합한 후 건조하여 제조한다. 본 연구 목적은 돈분으로부터 제조된 SRF가 열생산 보일러에서 혼소용 연료로 사용될 경우, 보일러의 연소 효율, 보일러의 성능유지 가능성 및 배출된 연소배가스의 배출특성을 파악하고자 하였다. SRF의 연소 및 배가스 배출특성을 파악하기 위하여 사용된 보일러는 10MWth 규모 순환유동층발전보일러가 사용되었다. 사용된 순환유동층연소로는 층 면적(bed area)이 1.92m², 연소로 높이는 약 13.0m이고, 연료투입구는 두 곳으로 분배기로부터 0.9m에 있다. CFBC에서 유연탄과 SRF의 혼소율은 5%이었으며, 연소로의 층 온도와 유동층 높이를 변화시켜, SRF 혼소에 따른 연소로의 성능유지, 연소효율, 배출가스의 배출특성을 고찰하였다. 본 연구에서 연소효율은 석탄만을 연소할 때 그리고 혼소할 때 큰 차이를 보이지 않아, SRF 5% 혼소에서 연소효율에 미치는 영향은 거의 미미하였다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이 층높이 변화 실험에서 유동층높이가 600mmH₂O 이하일 때 층(bed)온도는 일정하게 유지할 수 있었으나, 연소로 전반적인 온도분포는 불안정한 상태를 유지하였다. 그러나 층 높이 600mmH₂O 이상에서는 보일러 전체적으로 매우 안정적인 온도유지가 가능하였다. 한편 연소배가스 배출특성을 살펴보면 NOx의 배출은 거의 유사한 조건으로 배출되었으며, SOx의 경우 석탄만을 연소할 경우보다 약 15% 증가하여 배출되는 경향을 보였다. 결과적으로 우리가 사용한 SRF는 순환유동층연소로에서 석탄과 5% 혼소할 경우, 석탄만을 연소할 경우와 대비하여 연소효율, 연소로 성능유지 및 연소배가스 배출특성에 큰 영향을 미치지 않으므로 고체재생연료로서 무리가 없다는 것으로 사료된다.