1. 서 론

우리나라의 화장시설은 보건복지부와 환경부에서 관리하고 있으며. 보건복지부에서는 장사 등에 관한 법률로 장사의 방법과 장사시설의 설치 조성 및 관리 등에 관하여 관리하고 있으며, 환경부에서는 대기 환경보전법으로 화장시설에서 배출되는 배출허용기준치를 적용 관리 하고 있다.

현재 국내의 장사문화는 도시의 급격한 팽창으로 국토의 개발이 가 속화 되고 있는 실정이며, 또한 핵가족화 및 인구의 급감 현상으로 우 리나라 장사문화의 오랜 전통인 매장문화에서 화장문화로 급격히 변 화하고 있는 현실이다.

2010년 1월 1일 이전에는 화장시설이 대기환경보전법에 배출시설 로 포함되어 있지 않았다. 그래서 화장시설 배기관을 통하여 최종 배 출되는 연소가스는 육안으로 확인되는 매연을 제거하는 설비뿐이었 다. 그러다보니 일반 시민들의 입장에서는 화장시설의 노후화 및 유 해가스 물질의 배출로 인하여 혐오시설이라는 인식이 강하게 자리 잡 아왔다.

2010년 1월 1일 이후부터 화장시설이 대기환경보전법의 관리를 받 기 시작하면서 최종 배기관에서 배출되는 매연, 먼지, 유해가스(질소 산화물, 다이옥신류 등)를 제거할 수 있는 공해방지시설을 갖춘 화장 로시설로 갖추어 감으로써 시민들로부터 점차 혐오시설이라는 이미 지를 벗어나고 있다. 2018년 기준으로 전국 화장시설은 59곳 350기의 화장로가 운영되고 있다. 2017년 기준 우리나라 화장율은 84.6%로 꾸 준한 증가추세를 보이고 있으며, 1993년도 화장율 19.1%에 비해 약 4.4배 상승했고, 전년도 화장률(2016년 82.7%)보다도 1.9% 증가하였 다. 경북 울릉군이 98.6%로 전국 최고의 화장율을 나타내고 있으며, 충남 청양군이 48.8%로 최저를 기록하고 있다. 보건복지부에 따르면 전국 평균으로는 화장시설이 부족하지 않으나 인구가 밀집되어 있는 서울, 경기도, 광역시의 경우에는 아직도 화장시설이 부족한 것으로 나타나고 있다[1,2].

국내의 화장로시설 59곳 350기의 화장로는 대차방식의 화장로를 사용하고 있다. 대차방식의 화장로는 연소실의 바닥면을 외부와 내부 를 이동할 수 있는 대차 설비가 위치하는 구조이다. 이러한 방식은 동 양에서 사체를 엄숙히 여기는 관습에 따라서 선호하고 있는 실정이다. 이러한 대차방식의 화장로는 열손실이 많이 발생하는 단점이 있다. 화장로의 연소거동을 살펴보면 화장로시설은 사체를 연소하는 시간 이 평균 60분 소요되는데 이러한 패턴이 하루 5회 정도 반복되는 단 속운전의 연소 조건을 갖고 있다[3,4]. 화장로의 피연소 물체는 관(목 재), 부장품(섬유 등), 사체로 크게 3가지로 분류할 수 있다. 연소초기 에는 관과 부장품이 연소되며 이때 연소가스양은 최대로 발생되며 연 소공기의 공급부족 시 불완전연소가 발생될 수 있다. 그리고 연소시 간이 경과되면서 연소물이 소멸되는 바 연소가스양은 점차 줄어들고 버너연소에 의해 온도가 유지되면서 유골이 소성되는 연소패턴을 가 지게 된다. 그러므로 초기 점화 15 min간 관 및 부장품의 연소가 진행 되면서 연소량이 급증하게 되어 연소공기의 공급이 부족한 경우 불완 전 연소와 함께 다량의 유해가스 또한 발생할 수 있다[5,6].

화장로에서 발생되는 주요 공해배출 유해물질은 먼지, 황산화물, 질 소산화물, 일산화탄소, 염화수소, 다이옥신류 등이다. 황산화물, 염화 수소의 발생량은 미미한 수준이며[7,8], 가장 많이 발생되는 물질이 먼지와 질소산화물이다. 이러한 물질은 방지시설을 설치하여 제거함 으로써 통상 환경부 배출허용기준 이내 조건으로 연소가스를 처리 대 기로 배출하고 있다[9-13].

앞서 발표된 전산유동해석의 연구를 통하여 화장로 형상과 체적을 개선한 바 있으며, 이를 통해 유해물질의 발생을 억제할 뿐만 아니라 연소시간 단축과 에너지 절감을 확인할 수 있었다[14,15]. 본 연구에 서는 앞선 논문에서 최적화시킨 실증 화장로설비를 구현하기 위해 1) 실증크기 pilot 설비를 통한 연구와 2) 실제 화장장 화장로를 설치한 실증연구를 하고자 하였다. 이를 통해 화장장에서 요구되는 화장시간 을 단축하여 유족들에게 화장장에서 기다림의 시간을 최소화하고 에 너지를 절감하며, 최소의 유해물질 배출로 청정한 화장시설을 국내 화장장에 공급하고, 화장로시설의 외국업체들과의 경쟁력을 높이고자 하였다.

2. 연구내용 및 방법

2.1. Pilot 화장로 설비

2.1.1. Pilot 제작 및 구성

실제 화장장 개선화장로와 동일한 형상과 크기의 pilot 화장로 설비 를 Figure 1과 같이 화장로 설비업체인 S사 음성공장에 제작 및 설치 하였으며, 다양한 운전조건들을 적용하여 최적의 운전인자를 도출하 고자 연소실험을 수행하였다.

Figure 1에 보여주는 pilot 화장로 설비는 실증크기의 주연소실과 배 가스덕트 및 고온싸이크론, 폐열회수를 위한 가스냉각기, 백필터 여과 집진기, 그리고 유인배풍기와 연돌로 구성되어있다. 개선화장로의 경 우, 기존화장로 연소실과 대비하여 내부용적을 증대시키기 위하여 주 연소로 연소실의 공간높이를 기존 설비보다 높여 제작함으로 기존화 장로대비 용적율을 1.7배 정도 증대시켰다. 이를 통해 초기 부장품이 나 목관 등 가연성 물질들의 연소단계에서 생성되는 과잉 가스양의 제어를 효율적으로 수행할 수 있었으며, 본 장치의 온도제어를 위한 주에너지원은 LPG 버너를 사용하였다. 또한, 로 내 연소가스의 체류 시간을 연장시키고 에너지효율의 증대와 함께 연소시간을 단축시키 기 위해 로 상부에 상단 덕트를 추가 설치하였다.

그리고 로 출구에 압력측정기를 설치하여 유인배풍기와 연동하여 로 내 압을 제어하고 모니터링 할 수 있게 하였다. 또한 로 내 관 받침 대에 보조 연소공기를 추가 주입하여 초기단계 급격한 연소과정 중 발 생되는 불완전 연소 가능성을 제거하였다.

한편, 화장로 연소실 후단에는 발생분진 제거를 위해 싸이크론 집 진기를 설치하여 배출가스를 1차 처리하였고, 가스 냉각설비를 통해 배출가스를 냉각시켜 여과집진기로 공급하므로 여과포가 열화⋅손상 되지 않게 보호하였다.

2.1.2. Pilot 화장로 실험방법

Pilot 화장로 설비를 활용하여 최적의 운전조건 및 설비 개선 요소들 을 도출하고자 하였다. Pilot 화장로 설비의 주요 운전변수들은 로 내 압력, 상단 덕트 개방, 보조 연소공기주입, 버너 설정온도(850 ℃로 설 정), 버너 출력, 피화장체 시료(돈육, 뼈, 관) 무게, 로 확장(기존 로 대비 체적 30% 증대, 1.709 m³) 등이었다.

Pilot 화장로 연소성능 실험과정에서 온도측정은 Figure 2와 같이 구 역별로 구분하여 온도분포를 관찰하였다. 또한, 산소농도, 대기오염물 질(CO, NOx) 농도 및 연료 사용량(LPG 유량계 검침)을 측정하였다.

Pilot 화장로 설비의 운전 시퀀스는 기본적으로 다음과 같은 사전 설 정으로 진행하였으며, 1회 운전 시 다음의 단계를 거치도록 하였다.

Table 1과 같이 운전변수를 변경하면서 적정 운전조건을 도출코자 실험하였다. 연소 버너는 점화 후 5 min간 저출력, 이후 고출력 운전, 온도에 따른 low-high 비례 제어를 하였다.

2.2. 실증 화장로 설비

2.2.1. 실증 화장로 제작 및 구성

Pilot 실험을 통해 도출된 설계자료 및 개선안을 바탕으로, P시 Y화 장장에 실증 화장로 설비를 Figure 3과 같이 제작, 설치하였다. 실증 화장로 설비에서 에너지효율 향상과 함께 화장시간 단축 및 에너지저 감, 그리고 환경오염원 저감을 위해 적용된 기술을 정리하여 Table 2 에 나타내었다.

화장로 실증설비는 전체적으로 연소가스의 고온상태 체류시간을 연장시키므로 미연소물들의 열분해를 촉진시키는 에너지효율의 증대, 연소시간을 감축코자 하였다. 또한 주연소실의 효과를 보완하기 위한 목적으로 재연소로의 용적 또한 증대시키고 편류 방지판의 위치 및 형상을 변경하여 로 내 유체가 적절히 혼합 체류되게 하였다. 이를 통 해 불완전연소생성물(CO, soot 등)을 완전 분해하고 오염물질 배출을 최소화하였다.

2.2.2. 실증 화장로 실험 방법

실증실험 연구는 시운전 및 공로 실험(blank test)을 통해 주요 운전 변수를 도출하고 주연소로 연속시험으로 찾은 최적의 운전조건을 예 비종합시험에 적용하여 최종 성능목표 달성여부를 검증하였다.

2.2.2.1. 공로 실험(blank test)

2.2.2.2. 연속 실험

2.2.2.3. 예비종합시험

2.2.2.4. 실증설비 성능평가

실험항목은 크게 온도(측정장비: GL820-UM-851 (GRAPHTEC)), 산 소 및 대기오염물질 농도(측정장비: Greenline MK2, MK6000 (EUROTRON)) 이며 실증설비의 실험방법은 기본적으로 pilot 실험 시 설정한 시퀀스대로 진행하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1. Pilot 화장로

3.1.1. Pilot 화장로 주연소로 온도분포

로 온도는 화장로의 주연소로 구간별로 설치된 온도센서를 통해 모 니터링 되며, 데이터로거를 이용하여 실시간으로 측정⋅기록하였고, 동시에 로 내 압은 로 출구에 디지털 압력계를 설치하여 측정⋅기록 하였다.

Pilot 화장로 로 내 온도분포를 측정한 결과는 다음과 같다(온도센 서 위치는 Figure 2).

로 내 온도분포(피화장체 연소) 결과는 화장시간의 경과에 따라 4 구간(점화/저출력, 고출력, 출력감발, 소화)으로 구분할 수 있다. 점화 초기로부터 약 15 min 경과 시점(점화/저출력, 고출력 구간)까지는 가 연성 물질로 관 및 피화장체가 연소되는 단계로 로 내 온도가 상승하 게 되며, 로체를 축열 시키게 된다(점화~15 min). 이후로 출구온도가 설정온도에 가까워지면서 LPG 연소량은 줄어들게 되고(버너 출력 하 강: 점화 15 min 이후), 이때 로 내 온도는 800~1,000 ℃이고, 로 출구 (1) 760~1,100 ℃, 로 내 출구측 상단(3) 840~1,000 ℃, 로 내 출구측 하단(5) 920~1,100 ℃, 버너 측 상단(6) 840~970 ℃, 버너 측 하단(8) 750~900 ℃으로 측정되었다.

3.1.2. Pilot 화장로 대기오염물질 및 산소농도 측정결과

Pilot 화장로 주연소로에서 배출되는 대기오염물질 및 산소농도를 측정하여 연소상태를 관찰하였고, 그 결과를 Figures 6과 7에 나타내 었다. 이 수치들은 후단 배출가스 처리설비를 거치지 않은 주연소로 및 재연소로의 배출가스 조성에 대한 분석결과이다.

화장로 주연소로에 대한 공로 실험 시 산소농도는 점화초기(버너 저출력 조건)에서 19~20%이었으나, 로체가 축열된 이후 유체가 정상 화장되는 조건(버너 고출력)에서는 15.3%정도였으며, 평균 16.2%의 농도로서 이는 일반 공업로(산소농도 11~12%) 대비 과잉공기로 운전 됨을 알 수 있었다.

NOx 농도는 버너 출력으로 로 내 온도와 비례하여 지속적으로 증 가하였고, LPG가 연소되는 공로조건에서 평균 40~60 ppm 정도 발생 되었다. 한편, CO 농도는 점화 후 연소 유량을 증대시키는 과정에서 불안정 제어에 따라 약 40 ppm까지 상승하나 정상 제어조건에 도달 한 이후 미량으로 배출되었다.

피화장체가 있는 pilot 화장로 운전 시 산소농도는 점화초기 저출력 구간에서 19%이었고 이후 15%까지 저하되었으며, 유체가 화장되는 조건(버너 고출력)에서는 9%까지 감소되었다가 피화장체가 완전히 화 장 종료되는 후단에서는 15%까지 상승하였다. 평균적 산소농도는 약 14%이었다.

NOx 농도는 로 내 온도가 상승함에 따라 비례하여 증가하였고, 화 장운전 말기에는 100~200 ppm 정도의 농도를 유지하였다. CO 농도 는 버너 점화 후 관 및 부장품이 연소되는 초기에 1,000 ppm 이상 큰 폭으로 일시적으로 상승하는 거동을 보였으나 보조연소공기의 공급을 통해 불완전연소시간을 단축함으로 CO 발생량을 줄일 수 있었다.

3.1.3. Pilot 화장로 성능평가 실험 결과분석

Pilot 화장로 설비의 성능평가를 위해 공로 실험을 포함해서 총 18 회 수행하였고, Table 3과 같이 상단 덕트의 open/close 및 로 내 압력 을 조정하며 화장로 연소특성을 파악하였다. 온도제어와 환경오염물 질(NOx 및 CO)을 제어하기 위한 주요 운전 변수는 유입공기량으로 로 내 압력을 과도하게 낮출 경우 현열 손실 증가로 로 내 온도유지가 어려우며 연료사용량 및 운전시간을 증가시키는 요인으로 작용하였다.

상단 덕트 개방효과의 경우 로 내 연소온도를 높게 유지시키고, 로 내 대류현상을 촉진시켜 열의 체류시간을 증가시키는 효과를 알 수 있 었다. 또한, 유출구의 위치를 조정함으로써 로 내 온도분포를 균일하 게 유지시킬 수 있었다. 운전 중지 시 급격히 로 내 온도가 하강되었 고 재가동 시에는 연료소모량이 증가하였다.

관 받침대로의 과잉의 보조공기 주입으로 인해 로 내 온도의 순간 적 냉각효과로 국부적으로 불완전연소의 가능성을 관찰할 수 있었다. 따라서 관 받침대로 보조공기를 주입할 경우 열교환기를 거쳐 공기를 일정온도 이상으로 상승시킨 후 주입할 필요가 있었다. 이럴 경우, 관 받침대 사용으로 순간적 산소부족으로 인한 불완전연소 구간을 해소 시킬 뿐만 아니라 연소시간이 단축되어 결과적으로 연소효율을 증대 시켰다. 로 용적(1.05 → 1.79 m³, 13회차 이후)을 넓힌 결과, 점화 초 기단계 가연성물질인 관 및 부장품 연소과정에서 발생되는 급격한 가 스발생에 따른 일시적 불완전연소 현상을 근본적으로 해소할 수 있었 다. 이에 따라 로 형상 및 크기에 맞는 로 내 적정 압력을 설정하였고, 로 내 압력 설정 시 산소농도 및 로 출구온도 등을 적정하게 고려할 수 있었다.

총 18회 pilot 화장로 성능시험 중 주요 운전변수(상부 덕트 개방 유 무 및 보조 연소공기 추가공급, 로 용적확장 등)의 영향을 요약한 결과 를 Table 3에 나타내었다.

화장로 연료소비량의 경우, 기존 화장로의 경우는 41 Nm³-LPG/회로 매우 많은 양의 가스가 필요하였다. 그러나 개선된 화장로의 경우 상 부 덕트를 개방하고, 필요시 보조연소 공기를 공급한 경우 9.4 Nm³-LPG 전후로 떨어짐을 보였다. 한편, 상부 덕트를 폐쇄한 경우 11.3 Nm³-LPG 의 결과가 얻어졌다. 그리고 화장시간은 기존로의 경우 약 70 min이 소요된데 반하여, 조건별로 차이를 보이지만 상단 덕트 개방, 로 확장 의 경우 가장 양호한 35 min으로 짧아진 결과가 얻어졌다. 이때 과잉공 기비는 약 1.72배였고, 배출가스양은 증대됨을 확인할 수 있었다. 즉, 충분한 과잉의 연소공기 주입은 개선된 로 내에서 로 내 온도를 고온 조건으로 균일하게 만들뿐만 아니라, 연소효율을 극대화시켰다. 그래 서 연료사용량을 저감시켰으며 가스흐름상 dead zone 발생을 최소화 시킴으로써 유체의 균일한 화장효과에 따른 화장시간을 단축시켰다.

Table 3에서 화장로 배출가스 중 NOx 및 CO 농도의 경우, 기존 화 장로의 경우 NOx 농도는 낮은 값을 보인 반면, CO 농도는 상당히 높 은 값을 나타냄을 알 수 있으며, 개선화장로에서 주연소실의 연소가 스 배출구의 조절에 따라 CO 농도는 낮아지고 NOx 농도는 증가하는 경향을 보여주고 있다. 우선 기존화장로의 경우, 주연소로 온도가 상 대적으로 낮은 바 고온조건에서 발생되는 NOx 생성은 상대적으로 적 은 수치를 보임을 알 수 있으나, 전반적으로 화장초기 급격한 화장연 소 과정 중 연소공기의 부족으로 불안정연소가 일어나면서 CO 발생 이 증대됨을 알 수 있으며, 상대적으로 개선화장로의 경우는 연소실 의 용적을 증대시키고 추가적인 연소공기를 과잉으로 공급한 바, CO 의 배출은 제어가 가능함을 확인할 수 있으며, 상대로 에너지 연소효 율의 증대에 따른 높은 로 온도의 영향으로 NOx 발생량이 증대되는 경향을 보이며 대기배출허용기준을 초과하는 수치를 보여주나 이것은 통상 화장로 설비 후단의 방지장치를 통과하는 경우 제거될 수 있는 낮은 수치이다. 또한, 기존 설비 운전과정 중 점화 후 초기단계 발생 CO 및 NOx 수치와 비교할 경우 매우 낮은 수치로 화장로 버너운전 또한 안정된 상태로 운전됨을 알 수 있다. 기존 화장로의 수치는 P시 Y화장시설 현장 실측자료이며 배출가스 처리시설 후단의 배출가스 농도이다.

3.2. 실증 화장로 실험

3.2.1. 공로 실험을 통한 운전인자 도출

3.2.1.1. 로 내 압력

로 내 압력은 통풍설비에 의해서 형성되며, 로 내 연소가스를 적절 히 배출하여 최적의 연소 상태를 유지하기 위하여 적당한 압력을 설 정하여야 한다. Pilot test 결과를 통해 로 내 압력이 낮을수록 로 내 과 잉의 공기유입으로 인해 열체류시간 감소, 열손실이 증가함을 알 수 있었다. 이는 결과적으로 로 내 고온온도 유지가 어려워지고 열손실 이 많은 만큼 에너지 소모량 및 연소시간을 증가시켰다.

또한, 최적의 로 내압 판단기준으로 화염의 형태(직선 방향), 관망구 등으로의 leak, 배출가스 중 산소 및 CO 농도 등을 활용할 수 있었다.

로 내 압력 설정은 버너 출력 540 Mcal/hr, 무부하 운전 시에 이루 어졌으며, 육안 관찰, 산소농도를 측정하여 최적의 로 내 압력을 선정 하였다. 연소공기량은 300 mmH₂O의 압력으로 주입되며, 이는 과잉공 기비로 3.0~3.5의 수치이다. 로 내 압력은 -3~-5 mmH₂O, 산소농도 14.3~14.8%, 과잉공기비는 3.3 정도에서 연소성이 양호하였다.

3.2.1.2. 버너 출력

버너 출력에 따른 온도분포와 산소농도를 측정하여 최적의 버너 출 력을 도출하였다. 버너 출력을 조정하여 불필요한 에너지손실을 줄이 면서 연소시간을 단축시킬 수 있다. 기본적으로 발열량이 높을수록 연 소속도가 빨라지지만 연료사용량을 줄이기 위해서는 피화장체의 자 체 열량을 고려하여 시간대별로 버너 출력(연료공급)을 적정하게 유 지 및 변화시켜야 한다.

Pilot test 시 도출한 최적 산소농도는 15~16%이며(과잉공기비 3.5), 이 범위 안에 들 수 있는 출력은 380, 450 Mcal/hr으로 판단된다. 반면 에, 그 이상의 산소농도를 나타내면 공기과잉, 그 이하의 산소농도를 나타내면 연료과잉의 상태에 놓이게 된다. 이는 피화장체 연소 시 연 소공기가 최고 25~26 Nm³/min 정도가 필요하게 되는데, 이때 주입되 는 연료량이 많을수록 더 많은 산소량을 필요로 하게 되어 연소상태 가 매우 불안정해질 수 있기 때문이다.

회분식 연소공정의 화장로 특성 상 연소공기는 일정량 이상으로 주 입할 수는 없으며, 연소공기 주입량이 많아진다면 체류시간 저하로 완 전혼합 연소는 더욱 어려워진다.

3.2.1.3. 연소공기 예열 온도

버너 출력 450,000 kcal/hr, 로 내 압력 -4 mmH₂O로 무부하 운전 시 연소공기 예열온도를 측정하였다. 공기혼합 댐퍼의 개구율에 따라 연소공기온도가 변화하고 있음을 확인하였다. 2차 열교환기 전단에 설치되어 있는 열교환기에 외부공기가 유입되어 예열과정을 거쳐 연 소공기가 로 내에 주입된다. 공기혼합기는 재연소로에서 배출되는 배 출가스에 외기를 혼합하는 냉각장치로 댐퍼를 폐쇄하면 외기와의 혼 합이 없어 배출가스의 열손실을 줄일 수 있다. 따라서 공기혼합 댐퍼 를 폐쇄할 경우 실질적으로 폐열회수에 유리하다.

Figure 8에 공기혼합 댐퍼의 개구율에 따른 연소공기 온도를 나타내 었다. 공기혼합 댐퍼를 100% 개방 시와 50% 개방 시, 비슷한 온도를 나타내고 있다. 폐쇄하였을 때 후단 온도가 매우 높아짐에 따라 여과 집진기의 열화 등 악영향을 줄 수 있다. 20% 개방 시와 폐쇄했을 때 유사한 온도를 보임에 따라 공기혼합 댐퍼의 개구율을 20%로 고정하 고, 추후 배출가스 냉각온도를 관찰하였다.

3.2.2. 화장로 실증시험을 통한 최적 운전조건 도출

실제 화장로 실증설비의 가동시험을 통한 로 내부 및 출구온도를 측정하였고 연료사용량을 확인하였다. 주요 운전 변수들은 주연소로 온도, 로 내 압력, 버너 출력, 보조 연소공기 주입, 버너 low 출력 유지 시간이다.

3.2.2.1. 화장시간 단축을 위한 운전조건

로 내 압력에 따른 온도분포 및 화장시간을 Table 4에 나타내었으 며, 이때 동일 실험조건은 주연소로 설정온도 900 ℃, 최대 버너 출력 540,000 kcal/hr, 버너 low 출력 유지시간 5 min이었다. 로 내 압력 -3 mmH₂O일 때 관망구로 가스 누출, 로 내 온도변화가 크고 유체흐름이 원활하지 않았으며, 로 내 압력 -6 mmH₂O 경우 냉각속도가 비교적 빠르고 열 체류시간이 짧았다. 이를 통해 최적의 로 내 압력은 -4 또는 -5 mmH₂O임을 확인할 수 있었다.

또한, 설정온도에 따른 온도분포 및 화장시간을 Table 5에 나타내었 으며, 이 때 동일 실험운전은 로 내 압력 -5 mmH₂O, 최대 버너 출력 540,000 kcal/hr, 버너 low 출력 유지시간 5 min이었다. 주연소로 온도 는 900 ℃ 이하로 제한하였는데 그 이유는 로 내 온도가 과도하게 높 아지면 열화에 의한 내화재 손상을 야기할 수 있으며, 로 수명이 단축 될 수 있기 때문이다. 그러나 실제로는 로 내부 온도가 1,100~1,200 ℃ 이상 상승하기도 하였다.

3.2.2.2. 연소의 균일화를 위한 운전조건

실증 화장로의 최적운전조건은 아래 Table 6과 같이 도출되었다. 연소의 균일화를 위해서는 연소공기가 안정적으로 공급되어야하며, 재연소로 배출가스 중의 산소농도는 6% 이상 유지하는 것이 바람직 하다.

화장로 운전 특성상 운전 초기 CO 농도가 매우 높다. 이는 운전 초 기에 완전한 연소조건이 되지 못하고 있다는 것을 의미한다. 이러한 문제를 완화하기 위해 운전 초기에 보조연소공기를 주입하고 이에 따 른 산소농도 및 대기오염물질 농도 변화를 측정⋅분석하였다. 운전조 건은 로 내 압력 -4 mmH₂O 외 상기 최적운전조건과 동일하고, 보조 연소공기는 연소공기댐퍼를 개방하여 주입하였다. 보조연소공기 주입 에 따른 연소효율 실험조건은 Table 7과 같으며, 이 때 동일 실험운전 은 주연소로 온도는 900 ℃, 버너 low 출력 유지시간 7 min이었다. Figure 9에 대기오염물질 측정 결과를 나타내었다.

보조연소공기 주입에 의해 CO 농도가 상당부분 낮아지는 효과가 있었으며, 고농도 CO 배출구간이 축소되어 결과적으로 CO 배출량을 저감시킬 수 있었다. 보조연소공기를 주입하지 않을 경우 버너점화 후 25 min이 넘어서도 100 ppm 이상의 CO 농도를 나타내었고, 산소 농도는 거의 희박하였다. 한편, 보조연소공기를 5 min 또는 10 min간 주입하였을 경우에는 CO 농도저감 효과는 크지 않았다.

산소농도가 낮으면 연소공기가 그 만큼 부족하다는 의미이므로 피 화장체가 급속도로 연소될 때 보조연소공기의 주입이 필요하다. 연소 공기가 부족한 상태에서 추가로 연소공기를 주입하면 연소속도가 빨 라지게 되는데 이는 피화장체의 연소부하가 급격히 증가하는 것으로 더 많은 산소를 필요로 하는 것이다. 특히, 버너 고출력 시 연료와 피 화장체의 부하가 증가함으로써 연소에 필요한 산소요구량 또한 증가 하게 된다.

점화 후 10 min 이상 보조연소공기를 주입하도록 하여 CO 등의 불 완전연소생성물의 배출을 최대한 억제하였다. 대체적으로 연소공기 주입시간이 길수록 연소시간이 단축되는 경향이 있었다. 이때 주의해 야 할 것은 주연소로의 출구온도를 모니터링하여 온도가 감소하는 것 이 관찰되면, 연소 댐퍼를 닫아 과잉공기로 인한 열손실을 차단해야 한다. 피연소물이 거의 연소되면 발열량(로 내 유입열량)이 감소하여 온도가 하강하게 된다

3.2.3. 실증설비의 성능시험 결과

연속 실증 실험을 수행하여 도출한 최적운전조건은 아래 Table 8과 같으며, 이 운전조건을 이용하여 성능시험을 진행하였고 목표성능을 모두 달성하였다.

한편, 대기오염물질은 CO 13.67 ppm, NOx 4.33 ppm, SOx 3.48 ppm 이었으며, 다이옥신 농도는 기준 0.01 ng-TEQ/Nm³보다 낮은 0.005 ng-TEQ/Sm³로 검출되었다. 기타 먼지, HCl, 수은 또한 기준 이하로 배출되었다. 그리고 SCR 설비에 의한 질소산화물의 저감율은 95.6% ( ( 1 − 4.33 98.8 ) × 100 ) 이었다.

연료사용량 및 화장시간은 기존설비와 비교하여 Table 9에 나타내 었다.

화장시간은 68 min에서 38 min으로 30 min 단축되었으며, 이는 기 존 화장로 대비 44.1% 단축된 결과이다. 또한, 연료사용량은 47.8에서 21.8 Nm³/회로 26 Nm³/회 절감되었으며, 이는 기존 화장로 대비 54.4% 절감된 결과이다.

4. 결 론

본 연구에서는 저에너지 부하 화장로를 개발하였으며, 다음과 같은 기준으로 화장로를 설계⋅제작⋅시공⋅운전기술을 확보하였다. 피화 장체의 연소 시 고형물의 완전연소를 위해 연소가스는 로 내 dead zone 생성 없이 고온의 균일한 흐름으로 유동하며, 이때 가스와 함께 배기 되는 고형물의 발생 없이 충분히 화장될 수 있도록 충분한 체류시간 을 갖도록 설계하였다.

고온의 화장로 배출가스의 폐열을 회수할 수 있도록 적정 열교환기 를 설계 적용하고, 버너 연소용 공기는 열교환기를 통해 배출가스 현 열을 회수 연소공기로 적용함과 동시에 화장로의 운전온도를 단시간 내에 약 900 ℃로 상승시켜 안정적으로 제어함으로써 화장시간을 단 축시켰다. 화장의 진행에 따라 연소용 공기를 최대 heat consumption area에 충분히 공급함으로써 불안전 연소를 방지할 뿐만 아니라 로 내 온도분포를 균일하게 만들 수 있도록 조절함으로써 연료비 절감, 화 장시간 단축 그리고 환경오염물질의 배출을 저감할 수 있었다.

결론적으로 실증 화장로에서 주요 운전변수들(주연소로 및 재연소 로 용적증대, 주연소로 상부 덕트 설치, 주연소로 버너용량 증대, 보조 연소공기 공급구 설치 등)의 최적값을 적용하면서 로 내의 최적 연소조 건을 도출하였다. 이를 적용하여 화장시간 및 연료사용량을 최소화할 수 있었다. 즉, 화장시간은 기존 화장로 대비 44.1% 단축된 38 min이 었고, 연료사용량은 기존 화장로 대비 54.4% 절감된 21.8 Nm³이었다.