고형폐기물연료 성상에 따른 연소특성 조사연구 = A study on combustion characteristics according to properties of solid refuse fuel

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study developed a Biomass and Oil sludge Fuel (BOF) by mixing sewage sludge with oil sludge and peat moss to overcome the limitations of sewage sludge treatment caused by the reduced operation of thermal power plants and to enhance its value as an energy resource. The study selected sewage sludge alone, conventional Solid Refuse Fuel (SRF) based on plastics (PE, PET), and BOF mixed with oil sludge (Tar) as research subjects to compare and analyze their combustion characteristics.
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The TGA/DTG (Thermogravimetric Analysis/Derivative Thermogravimetry) analysis conducted to investigate the thermal behavior of the fuels revealed that while conventional SRF showed a rapid weight loss in the 450–470°C range, BOF exhibited a gentle decomposition curve over a wide temperature range, confirming that the combustion reaction continued stably. In particular, the high volatile matter and calorific value of oil sludge acted as a combustion aid for recalcitrant substances, significantly improving combustion efficiency.

According to the flue gas analysis in an actual combustion environment (850°C), BOF showed significantly lower carbon monoxide (CO) emissions compared to the control group (anthracite) or conventional SRF. This is attributed to the fact that oil sludge maintained the combustion temperature and promoted complete combustion, thereby effectively inhibiting the generation of pollutants caused by incomplete combustion.
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In conclusion, this study empirically demonstrated that BOF, a mixture of sewage sludge and oil sludge, is an effective alternative fuel that can compensate for the combustion instability of existing SRF and reduce air pollutants. Future research is needed to derive optimal operating conditions according to various mixing ratios and to evaluate long-term combustion stability for commercialization.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 화력발전소 가동 축소로 인한 하수슬러지 처리의 한계를 극복하고 에너지 자원으로서의 가치를 제고하기 위해, 하수슬러지에 오일슬러지와 피트모스를 혼합한 Biomass and Oil sludge Fuel(BOF)를 개발하고 그 적용성을 평가하였다. 연구 대상으로는 하수슬러지 단독 시료, 플라스틱(PE, PET) 기반의 기존 SRF, 그리고 오일슬러지(Tar)를 혼합한 BOF를 선정하여 연소 특성을 비교 분석하였다.
연료의 열적 거동을 규명하기 위한 TGA/DTG 분석 결과, 기존 SRF는 450~470℃ 구간에서 급격한 중량 감소를 보인 반면, BOF는 넓은 온도 범위에서 완만한 분해 곡선을 나타내어 연소 반응이 안정적으로 지속됨을 확인하였다. 특히 오일슬러지의 높은 휘발분과 발열량은 난분해성 물질의 연소를 돕는 조연제 역할을 수행하여 연소 효율을 크게 개선하는 것으로 나타났다.

실제 연소 환경(850℃)에서의 연도가스 분석 결과, BOF는 대조군인 무연탄이나 기존 SRF 대비 일산화탄소(CO) 배출량이 현저히 낮게 측정되었다. 이는 오일슬러지가 연소 온도를 유지시키고 완전 연소를 촉진하여 불완전 연소로 인한 오염물질 생성을 효과적으로 억제했기 때문이다.

결론적으로, 본 연구는 하수슬러지와 오일슬러지를 혼합한 BOF가 기존 SRF의 연소 불안정성을 보완하고 대기오염 물질을 저감할 수 있는 효과적인 대체 연료임을 입증하였다. 향후 상용화를 위해 다양한 배합비에 따른 최적 운전 조건 도출 및 장기 연소 안정성 평가에 대한 추가 연구가 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 바이오매스 고형연료화 개요 1
• 제2절 하수슬러지 연료화 현황 및 필요성 4
• 제3절 유기성폐기물 연료화 개선방향 9
• 제4절 전국 하수 및 분뇨/가축 찌거기 처리현황 12
• 제5절 하수슬러지 처리실태 24
• 제6절 국내 ․ 외 하수슬러지 연소소각 실태 29
• 제7절 선진외국 슬러지처리 실태 31
• 제8절 하수슬러지 이용 기술개발의 방향 33
• 제9절 유기성 폐자원 통합 관리 시스템 구축 전략 35
• 제10절 가연성 폐기물 및 바이오매스 연료화 미래방향 36
• 제11절 바이오매스 연료화 산업 및 시장 분석 39
• 제12절 바이오매스 미래의 기술 개발 동향 41
• 제13절 고형연료화 정책방향 42
• 제14절 선진외국 SRF 사용현황 44
• 제2장 이론적 배경 45
• 제1절 하수슬러지 처리기술 45
• 제2절 시멘트 연료화 46
• 제3절 생활폐기물과 혼소 46
• 제4절 고형연료(SRF) 개요 48
• 제5절 SRF 특성분석 59
• 제6절 바이오매스 특징(피트모스) 67
• 제3장 실험 및 방법 70
• 제1절 실험재료 및 분석방법 70
• 제2절 시료분석 및 실험장치 74
• 제4장 실험결과 및 고찰 79
• 제1절 SRF제조의 기초 발열량 분석 79
• 제2절 SRF제조와 연소특성 분석 85
• 제3절 SRF 고형연료와 연소특성에 따른 배기가스 분석 97
• 제4절 SRF의 연료특성에 따른 연도가스 분석 103
• 제5절 BOF 고형연료와 연소특성에 따른 배기가스 분석 137
• 제6절 TGA/DTG분해특성 분석 141
• 제5장 결론 157
• 참고문헌 165
• Abstract 171