1. 서 론

전 세계적으로 폐기물의 발생량이 급증하면서, 이를 단순히 매립하거나 소각하는 기존 방식의 한계가 드러나고 있다. 특히 폐플라스틱은 자연 분해가 어려운 특성으로 인해 환경 문제의 주요 원인으로 지적되어 왔다. 이에 따라 폐플라스틱을 에너지 자원으로 전환하는 연료화 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 기술은 폐기물 처리와 에너지 확보라는 두 가지 과제를 동시에 해결할 수 있는 지속 가능한 접근 방식으로 평가받고 있다.⁽¹⁾

기존에는 폐플라스틱을 가공하여 고형연료(RDF: Refuse Derived Fuel) 형태로 제조한 뒤, 석탄과 혼소하거나 화력 발전소, 소각로 등에 직접 투입하여 연소하는 방식이 주로 사용되었다. 그러나 RDF는 다양한 플라스틱이 혼합된 형태로 구성되기 때문에 연소 제어가 어렵고, 연소 과정에서 다이옥신, 산성가스, 미세먼지 등 유해물질이 배출될 우려가 크다. 이로 인해 배가스 처리 비용이 증가하며, 안정적인 연소 운영을 위한 추가적인 전처리 및 제어 장치가 필요하다는 한계가 존재한다.⁽²⁾

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해, 폐플라스틱 중에서도 비교적 순도가 높은 폴리에틸렌(PE)을 선별하여 Pellet 형태로 가공한 연료를 활용하였다. PE는 탄소와 수소로만 구성된 비교적 단순한 구조를 가지며, 연소 시 황산화물(SOx), 염화수소(HCl) 등과 같은 유해가스의 발생 가능성이 낮다.⁽³⁾ 특히 국내에서 발생하는 폐플라스틱의 대부분은 PE와 폴리프로필렌(PP)으로 구성되어 있어, 이들을 선별적으로 연료화 할 경우 배가스 내 유해물질 함량을 낮추고, 후처리 비용을 절감할 수 있는 가능성이 높다. 이러한 특성은 연료화 공정의 친환경성과 경제성을 동시에 향상시킬 수 있는 중요한 요소로 작용한다.

한편, 고체 상태의 PE pellet은 석탄이나 목질계 바이오매스와 달리 연소 중 점성이 생기고 흘러내리는 특성이 있어, 기존 화격자(Grate) 방식의 연소 시스템에는 적합하지 않다.⁽⁴⁾ 따라서 본 연구에서는 예연소실(Pre-combustion chamber)에서 부분산화 반응을 통해 일차적으로 가스를 생성하고, 이를 본연소실(Main combustion chamber)에서 기체연료처럼 연소시키는 새로운 버너 시스템을 개발하였다. 이와 같은 방식은 연소의 안정성을 높이고, 기존 고체연료 버너와 차별화된 연소 제어가 가능하다는 장점이 있다.

본 연구는 개발된 PE pellet 연료 전용 버너를 국내 산업 현장에서 가장 높은 에너지 소비 비중을 차지하는 산업용 보일러에 적용하였다. 산업용 보일러는 전체 산업용 에너지 사용량의 약 60.9%를 차지하는 핵심 설비로, 연료 전환을 통한 에너지 효율 향상 및 배출가스 저감 효과가 매우 클 것으로 기대된다.^(5,6) 따라서 본 연구에서는 실제 산업용 보일러에 본 버너 시스템을 설치하고, 다양한 운전 조건에서의 연소 특성을 실험적으로 분석하였다.

특히, 본 연구에서는 개발한 버너의 입형 보일러의 연소실 환경에서 연료 부하율의 변동에 따른 화염 형상의 변화, 공기비에 따른 매연 발생량의 차이, 그리고 일산화탄소(CO) 및 질소산화물(NOx)과 같은 주요 유해 배출물의 농도를 측정하여 PE pellet 연료의 연소 특성을 종합적으로 평가하였다. 이러한 실험 결과는 폐플라스틱 연료의 산업적 적용 가능성과 함께, 연소 시스템 설계 및 운전 조건 최적화를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2. 실험장치 및 방법

본 연구에서는 자원 재활용을 목적으로 시중에 유통되고 있는 펠릿(Pellet)을 연료로 사용하였다. 사용한 펠릿의 형상은 Fig. 1(a)에 나타낸 바와 같으며, 직경은 7~10 mm, 두께는 4~7 mm로, 가운데가 두꺼운 알약 형태의 검은색 PE(Polyethylene) 재질로 가공된 재활용 원료이다. 원소 분석 결과, 탄소 84.13%, 수소 15.8%, 질소 0.01%, 황 0.06%로 구성되어 있었으며, 발열량은 고위발열량 기준 약 45.1 MJ/kg으로 측정되었다.

연소 실험에 사용된 버너는 Fig. 1(b)에 나타낸 바와 같이 열분해를 위한 예연소부를 포함하도록 설계되었다. 이는 폴리에틸렌이 다른 플라스틱에 비해 상대적으로 열분해 속도가 느린 특성⁽³⁾을 고려하여, 샘플 연료의 열분해 실험 결과를 바탕으로⁽⁴⁾ 열분해 시간을 확보함과 동시에 연소기 부피를 최소화하기 위함이다. 이를 위해 연료가 다중 경로를 통과하도록 구조를 구성하였으며, 시동 시 열분해 개시를 위해 디젤 연료를 사용하는 예열 버너를 설치하였다. 예열 버너는 초기 가동 시 약 15분간 작동되며, 이후에는 연소실 내 일부 연료의 연소열에 의해 자체 열분해가 이루어지도록 하였다.

연소기가 장착된 보일러는 Fig. 1(c)에 도시된 바와 같이 수직형 구조이며, 연소기는 보일러 하부의 연소실 내에 화염이 선회 유동을 형성할 수 있도록 편심 배치되었다. 이러한 선회 유동은 연소실 내 화염의 체류 시간을 증가시켜 미연소 연료를 최소화하는 데 기여한다. 연소기의 정면과 좌측에는 각각 직경 150 mm의 관측창을 설치하여 화염을 다양한 방향에서 관찰할 수 있도록 하였다. 보일러 상부에는 증발부가 위치하며, 연소실과 보일러부는 분리된 연관식 구조를 채택하였다. 보일러의 정격 열용량은 500 kW이며, 설계 압력은 1 MPa이다.

실험은 연소 부하 및 보일러의 공기비를 변화시키며 연소 특성과 배기가스 특성을 측정하는 방식으로 진행되었다. 화염의 정성적 특성 관찰을 위해 관측창에 비디오 카메라(Sony TRV30)를 설치하였고, 보일러 내부 및 배기가스 온도는 K-타입 열전대를 사용하여 측정하였다. 배기가스 성분은 종합 연소가스 분석기(TESTO Model 350)를 이용하여 실시간으로 분석하였으며, 이때 획득된 온도 및 가스 데이터는 하이브리드 레코더 (Yokogawa Model 130)를 통해 저장되었다. 또한 연도에서는 매연 스케일을 측정하였고, 다이옥신 및 중금속 등 범용 분석기로 측정이 어려운 항목은 배가스를 채집하여 전문 분석 기관에 의뢰하여 분석을 수행하였다.

Fig. 1 Experimental setup of the waste plastic pellet boiler system: (a) waste plastic pellets; (b) burner with pre-combustor; (c) waste plastic pellet boiler (fuel and water flow paths indicated in orange and blue, respectively).

3. 결과 및 토의

Fig. 2에는 펠릿 보일러의 연소 부하에 따른 화염의 정면 및 측면 사진을 나타내었다. 폐플라스틱이 연소기 내부에서 용융되어서 기화 상태로 연소기 출구로 나오면서 연소기 출구 부근에서 공급되는 연소용 공기에 의해서 연소가 이루어지므로 마치 가스연소와 유사한 화염을 보이나 연료의 조성이 천연 가스보다는 나프타에 가까우므로 화염의 색깔은 짙은 황색⁽⁷⁾을 나타낸다. 50% 부하 조건(Fig. 2(a))에서는 화염의 밝기와 형태가 뚜렷하지 않으며, 일부 연기가 동반된 흐릿한 화염이 관찰된다. 부하가 증가함에 따라(Fig. 2(b)~(d)) 화염의 밝기와 구조가 점차 뚜렷해지며, 특히 88% 이상 부하에서는 연소실 전반에 걸쳐 고온의 화염이 형성되고 선회 유동의 영향으로 화염 체류시간이 증가하여 안정적인 연소가 유지되는 것으로 나타났다.

Fig. 3은 공기 과잉률(배가스 산소 농도)에 따른 매연 스케일의 변화를 나타낸 것으로, Fig. 2의 화염 형상과 함께 연소 상태를 종합적으로 평가할 수 있다. 50% 부하에서는 전체적으로 매연 스케일이 높고, 특히 산소 농도가 증가할수록 오히려 매연이 증가하는 경향을 보여 과잉 공기 공급으로 인한 연소 불안정성과 불완전 연소가 발생하고 있음을 시사한다. 반면, 75% 및 100% 부하 조건에서는 일정 수준 이상의 공기 과잉률(약 6% 이상)에서 매연 스케일이 0에 수렴하며, 이는 Fig. 2에서 관찰된 밝고 안정된 화염 구조와 일치한다. 특히 100% 부하에서는 연소 강도가 가장 높고, 공기비 제어에 따라 거의 완전 연소에 도달할 수 있는 조건이 형성되어 연소 효율 측면에서 가장 유리한 것으로 나타났다.

Fig. 4는 공기 과잉률에 따른 배출가스 중 CO 및 NOx 농도의 변화를 보여준다. CO 농도는 Fig. 4(a) 열분해 후 산화 반응이 충분히 일어나지 않아 연소가 불안정할 때 증가하며, 50% 부하 조건에서는 전 범위에 걸쳐 상대적으로 높은 CO 농도가 나타나 Fig. 2(a)에서 보인 불완전한 화염과 일치하였다. 반면, 75% 및 100% 부하에서는 O₂농도 6% 이상에서 CO 농도가 0 ppm 수준으로 수렴하여 안정적인 완전 연소가 이루어졌음을 나타낸다. NOx는 연소 온도 및 체류시간에 민감하게 반응하며(Fig. 4(b)), 특히 100% 부하에서는 연소 온도가 높고 체류시간이 길어지면서 NOx 농도가 전체적으로 높은 수준을 유지하였다. 이 결과는 Fig. 2의 화염 영상에서 나타난 밝고 강한 화염 특성과 부합하며, 연소 조건이 배출가스 특성에 직접적인 영향을 미침을 보여준다.

배가스 산소농도에 따른 CO 및 NOx 농도 변화를 살펴보면, CO는 산소농도가 낮을수록 농도가 높고, 산소농도가 증가함에 따라 급격히 감소하는 경향을 보인다. 특히, 75% 및 100% 부하 조건에서는 O₂농도가 약 5~6% 이상일 때 CO 농도가 거의 0 ppm으로 억제되어 완전 연소가 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 반면, NOx는 질소 성분에 의한 Fuel NOx와 고온 조건에서 공기 중 질소가 산화되어 발생하는 Thermal NOx가 복합적으로 영향을 미치는 것으로 보인다. 연소 부하가 증가함에 따라 NOx 농도가 상승하는 경향이 나타나고 있어, Thermal NOx의 영향이 존재하나 공기과잉률을 높여도 NOx 농도가 크게 감소하지 않는 것은 Fuel NOx의 영향인 것으로 판단된다. 결과적으로 CO 생성을 억제하는 수준 이상의 공기 과잉률로 운전하며 Fuel NOx에 대한 대책을 수립해야 할 것으로 보인다.

기체분석기로 측정할 수 없는 중금속 및 다이옥신은 100% 부하에서 2시간 동안 운전하면서 배가스를 포집하여 한국산업기술시험원에 분석을 의뢰하였다. Fig. 5는 분석을 위한 2시간 시료 채취 기간 동안의 주요 배출가스 성분의 시간에 따른 변화를 나타낸다. Fig. 5(a)에서 O₂와 CO₂농도는 각각 평균 약 5% 및 11% 수준으로, 시간에 따라 소폭의 진동은 있으나 전반적으로 안정적인 연소 상태가 유지되고 있음을 보여준다. Fig. 5(b)에서는 NOx 농도가 약 30~50 ppm 사이에서 비교적 일정하게 유지되며, CO는 대부분 10 ppm 미만의 낮은 농도를 유지하고 있다. 이는 전체 시료 채취 기간 동안 연소기 내에서 안정적인 연소가 이루어졌고, 불완전 연소나 과도한 연소 조건 없이 운전되었음을 시사한다.

다이옥신 및 중금속에 대한 분석 결과는 Table 1에 정리하였다. Table 1에 제시된 바와 같이, 다이옥신, 염화수소(HCl), 중금속(As, Pb, Cd 등)의 배출 농도는 관련 배출 기준치를 충분히 하회하는 수준으로 나타났다. 이러한 결과는 본 시스템이 예연소 기반 구조를 갖추고 있어 연소 안정성과 온도 유지 측면에서 유리하였기 때문으로 판단된다. 특히, 2차 연소실에서 연료와 공기가 균일하게 혼합되어 고온 조건(850℃ 이상) 하에서 안정적으로 연소됨으로써 다이옥신의 생성 및 재합성을 억제하는 데 효과적이었다. 또한 PE 펠릿의 무기물 함량이 낮고, 연료 공급이 일정하게 유지되면서 연소 온도의 급격한 변동이 억제되어, 염화수소 및 중금속의 휘발과 배출이 최소화된 것으로 해석된다.

Fig. 2 Flame images at different combustion loads (front and side views): (a) 50%; (b) 75%; (c) 88%; (d) 100%.

Fig. 3 Smoke scale depending on flue gas oxygen concentration (corresponding excess air ratio).

Fig. 4 Variation of NOx and CO concentrations with flue gas oxygen concentration (corresponding excess air ratio).

Fig. 5 Variation of flue gas composition over 2 hours of sampling: (a) O₂ and CO₂ concentrations, (b) CO and NOx concentrations.

4. 결 론

본 연구에서는 폐플라스틱 펠릿 연료를 사용하기 위해 예연소 가스화를 적용한 버너를 개발하고 산업용 보일러에 적용하여 연소 특성을 파악하였다, 그 결과는 다음과 같이 요약될 수 있다.

(1) 화염의 정면 및 측면 이미지를 분석한 결과, 연소 부하가 증가할수록 화염은 밝고 조밀한 형태로 변화하며, 이는 연소 안정성의 향상과 밀접한 관련이 있었다. 특히 100% 부하 조건에서는 기체연료를 사용한 것과 유사한 안정된 화염이 뚜렷하게 나타났으며, 이는 CO 및 매연의 저감과 연관되어 있음을 배가스 조성과 함께 확인하였다.

(2) 배출가스 중 산소 농도에 따라 CO 및 매연 스케일의 뚜렷한 상관관계를 보였으며, 적정 공기과잉률에서는 CO와 매연이 최소화되었다. 특히 75% 이상 부하 조건에서 배가스 산소동도 9% 범위는 연소 효율과 오염물질 저감 간의 균형을 달성할 수 있는 최적 조건으로 분석되었다.

(3) 100% 부하 조건에서 2시간 동안 채집한 배가스를 대상으로 다이옥신 및 중금속 분석을 수행한 결과, 모든 항목(HCl, 먼지, 다이옥신, Cd, Zn, Cu, Cr, Pb, As)에서 국내 배출 허용기준을 충분히 만족하였다. 특히 다이옥신은 0.233 ng/Sm³ 수준으로, 친환경 연료를 사용하는 산업용 보일러로서의 환경적 적합성을 입증하였다.