(Intro to Mapo Resource Recovery Facility) 마포자원회수시설 소개 (Intro to Mapo Resource Recovery Facility) 2012. 11. 08

1 2 3 4 Contents Waste-to-Energy Whole Systems and Air Pollution Control 2 Furnace Types 3 Furnace Operation 4 2

1 Waste-to-Energy/Resource 폐기물 처리 트렌트 변화 해양투기 매립 폐기물 재활용 소각시 발생 에너지 회수 매립지 확보 어려움 환경규제 강화 과거 현재 자원 회수 및 환경보호를 할 수 있는 폐기물 처리방법 폐기물의 소각 1. 폐기물을 약 80% 이상 감량후 매립 2. 소각과정에서 폐열 회수 열에너지화, 전기에너지화 3. 최적의 방지시설 가동 환경오염 최소화 매립지 수명연장 신재생에너지화 환경보호

MSW Mangement Policy in Korea 폐기물 수수료 종량제 시행 음식물 폐기물 줄이기 일회용품 사용규제 및 과대포장 줄이기 Reduction Reuse, Recycle Combustion 최대한 다시 사용하고, 분리 배출하여 재활용 극대화 매립량 최소화로 매립지의 사용기간 연장 매립가스 에너지화(연료로 사용, 전력 생산) 원천감량 재질사용가능한 것 가연성 Landfill 불연성 소각과정에서 발생한 부산물 자원화 폐열 : 에너지화(난방, 전력생산 등), 소각재 : 재활용제품화(벽돌, 기층재 등) 폐기물을 감량화, 무해화, 안정화하기 위하여 소각 폐기물 발생 최소화 재사용 및 재활용이 가능한 폐기물 불연성 폐기물, 소각잔재물 매립

Resource Recovery 폐기물 배출, 운반, 처리공정 Generation Collection Treatment 생활폐기물 소각 폐기물 적정처리 (감량, 무해, 안정화) 폐열 에너지회수 (냉난방, 전기 생산) 소각재 재활용 (재활용 벽돌 등) 폐기물 배출, 운반, 처리공정 Generation Collection Treatment 일반 가정 등 운반업체 자원회수시설 반입 투입(소각로) 소각 대기 배출 수거 및 운반 폐기물 배출 (종량제봉투 사용) 유해가스 처리

Mapo Resource Recovery Plant 반입 및 공급설비 소각 및 열에너지 회수설비 연소가스 처리설비 SCR촉매탑(SCR) NOx제거(암모니아에 의한 NOx 환원반응) 가스상 다이옥신 추가제거 (미량의 가스상 Dioxin을 촉매에 의해 추가 제거) (SCR 처리화학식) 4NO + 4NH₃ + O₂ 4N₂ 2NO₂ + 4NH₃ + O₂ 3N₂ + 6H₂O 반건식 반응탑(SDR) 소석회슬러리 분무(산성가스 제거(HCI, Sox)) 응축 및 흡착에 의한중금속의 1차 제거 (SDR 처리화학식) 2HCI + Ca(OH)₂ CaCI₂ SO₂ + Ca(OH)₂ CaSO₃ + 2H₂O + H₂O 소각로 930ºC 이상 유지(Dioxin 및 악취 열분해) 충분한 체류시간 유지(5초이상 확보) 열처리(소결)(중금속 용출기준 만족) SNCR에 의한 NOx저감 폐열보일러 850℃이상 유지, 수증기 생산(18kg/cm2, 208.9 ℃) 200ºC 일정온도로 급냉(Dioxin 재생성 억제) 주기적인 Soot Blowing 오염물질 퇴적방지 백필터(B/F) 연소가스 분진제거(10mg/Sm³(99%이상 제거)) 산성가스 2차제거(미반응 소석회와 2차 중화반응 제거) 활성탄 흡착(다이옥신, 중금속 흡착 제거) 경찰필터(P/F) 활성탄 흡착에 의한 Dioxin 0.01ng TEQ/Sm³미만 중금속 및 각종 대기오염물질 최종 제거

SNCR (Selective Non-Catalytic Reduction) A method to lessen nitrogen oxide emissions in conventional power plants that burn biomass, waste and coal. The process involves injecting either ammonia or urea into the firebox of the boiler at a location where the flue gas is between 760 and 1,090 °C to react with the nitrogen oxides formed in the combustion process. In the process it reacts like ammonia: NH2CONH2 + H2O -> 2NH3 + CO2 The reduction happens according to (simplified)[1] 4 NO + 4 NH3 + O2 -> 4 N2 + 6 H2O The reaction mechanism itself involves NH2 radicals that attach to NO and then decompose. The reaction requires a sufficient reaction time within a certain temperature range, typically 760 and 1,090 °C, to be effective.

SNCR (Selective Non-Catalytic Reduction) At lower temperatures the NO and the ammonia do not react. Ammonia that has not reacted is called ammonia slip and is undesirable, as the ammonia can react with other combustion species, such as sulfur trioxide(SO3), to form ammonium salts.[2] At temperatures above 1093 °C ammonia decomposes: 4 NH3 + 5 O2 -> 4 NO + 6 H2O In that case NO is created instead of removed. A further complication is mixing. In general, more NO will form in the center and less near the walls, as the walls are cooler than the center. Thus, more ammonia must find its way to the center and less near the walls, otherwise NO in the center meets insufficient ammonia for reduction and excess ammonia near the walls slips through. These practical constraints of temperature, time, and mixing often lead to worse results in practice. However, selective non-catalytic reduction has an economical advantage over selective catalytic reduction (SCR).

SCR (Selective Catalytic Reduction) A means of converting nitrogen oxides, also referred to as NO x with the aid of a catalyst into diatomic nitrogen, N2, and water. A gaseous reductant, typically anhydrous ammonia, aqueous ammonia or urea, is added to a stream of flue or exhaust gas and is adsorbed onto a catalyst. Patented in the United States by the Engelhard Corporation in 1957. Development of SCR technology continued in Japan and the US in the early 1960s with research focusing on less expensive and more durable catalyst agents. Commercial selective catalytic reduction systems are typically found on large utility boilers, industrial boilers, and municipal solid waste boilers and have been shown to reduce NO x by 70-95%. More recent applications include diesel engines, such as those found on large ships, diesel locomotives, gas turbines, and even automobiles.

SCR (Selective Catalytic Reduction) The chemical equation for a stoichiometric reaction using either anhydrous or aqueous ammonia for a selective catalytic reduction process is: 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O 2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O With several secondary reactions: 2SO2 + O2 → 2SO3 2NH3 + SO3 + H2O → (NH4)2SO4 NH3 + SO3 + H2O → NH4HSO4 The reaction for urea instead of either anhydrous or aqueous ammonia is: 4NO + 2(NH2)2CO + O2 → 4N2 + 4H2O + 2CO2 The ideal reaction has an optimal temperature range between 630 and 720 K, with longer residence times. The minimum effective temperature depends on the various fuels, gas constituents, and catalyst geometry. Other possible reductants include cyanuric acid and ammonium sulfate.[2]

SCR (Selective Catalytic Reduction) SCR catalysts are made from various ceramic materials used as a carrier, such as titanium oxide, and active catalytic components are usually either oxides of base metals, zeolites, or various precious metals. Base metal catalysts, such as the vanadium and tungsten, lack high thermal durability, but are less expensive and operate very well at the temperature ranges most commonly seen in industrial and utility boiler applications. Thermal durability is particularly important for automotive SCR applications that incorporate the use of a diesel particulate filter with forced regeneration. They also have a high catalysing potential to oxidize SO2 into SO3, which can be extremely damaging due to its acidic properties. Zeolite catalysts have the potential to operate at substantially higher temperature than base metal catalysts; they can withstand prolonged operation at temperatures of 900 K and transient conditions of up to 1120 K. Zeolites also have a lower potential for potentially damaging SO 2 oxidation Iron- and copper-exchanged zeolite urea SCRs have been developed with approximately equal performance to that of vanadium-urea SCRs if the fraction of the NO2 is 20% to 50% of the total NO x.[4] The two most common designs of SCR catalyst geometry used today are honeycomb and plate.

SCR (Selective Catalytic Reduction) In power stations, the same basic technology is employed for removal of NOx from the flue gas of boilers used in power generation and industry. In general, the SCR unit is located between the furnace economizer and the air heater, and the ammonia is injected into the catalyst chamber through an ammonia injection grid. SCR catalysts have a typical operational lifetime of 16,000-40,000 hours in coal-fired power plants, depending on the flue gas composition. The temperature of operation is critical. Ammonia slip is also an issue with SCR technology used in power plants. Other issues that must be considered in using SCR for NOx control in power plants are the formation of ammonium sulfate and ammonium bisulfate A further operational difficulty in coal-fired boilers is the binding of the catalyst by fly ash from the fuel combustion.

Products and Usage from MAPO’s Co-generation Heat-Electricity Co-Generation System Waste-to-Heat Heat-to-e Local W-Heat Use E-genration: 5,000kW Annually 39,600MW Supporting the e consumed by 11,000 houses (Profit: 3,200,000,000 KWD per yr) Products and Usage from MAPO’s Co-generation Electricity Hot Water Steam Self-Use, Sale to Market Sale to Local Market Combustion Steam Turbin High P Steam

Steam Generation – Heat Requirement 셀룰로오스(C6H10O5)n의 연소열과 발생 수증기 계산(완전연소 고위발열량 기준) C + O2       → CO2,    Q = 94,240kcal/kmole = 7,853kcal/kg H2 + 1/2O2    → H2O,   Q = 57,798kcal/kmole(gas) = 28,899kcal/kg,                                68,317kcal/kmole(liquid) = 34.158kcal/kg 발생 물질들의 비열 Cp (Specific Heat Values) ① Water = 1 ㎉ / ㎏ ℃ * 증발잠열 = 539kcal/kg(100 ℃에서) ② Ice = 0.5 ㎉ / ㎏ ℃(참고) ③ Steam = 0.441 ㎉ / ㎏ ℃  ④ Air = 0.24 ㎉ / ㎏ ℃ Required Heat Q = mCp△T (m:유량(kg), Cp:열용량(㎉ / ㎏ ℃), △T:변화온도(℃)) 즉, 공기량과 온도 상승에 따라 폐기물 연소열이 얼마인지를 유추할 수 있고, 수증기 혹은 물과 열교환시에 얼마의 온도까지 올릴 수 있는지를 계산. Q) To convert Water of 20 ℃ 1000kg into Steam of 200 ℃, how much heat is required? A) Q1 + Q2 + Q3 = Q1 = 1000kg * 1 ㎉ / ㎏ ℃ * (100-20) ℃ Q2 = 1000kg * 539 ㎉ / ㎏ Q3 = 1000kg * 0.441 ㎉ / ㎏ ℃ * (200-100) ℃

Steam Generation – Boiler (Heat Exchanger( 1) Heat exchange in boiler 2) Pre-heating of air 1000 ℃ Air 209 ℃ Steam 120 ℃ Steam 200 ℃ Air 209 ℃ Steam 100 ℃ Air 25 ℃ Air 100 ℃ Water (Counter-flows) (Co-flows) Design Factors for Heat Exchange (Boiler) Inputs Heat Exchange Outputs . Materials . Heat transfer . Thickness . Minimizing heat loss . Gas/Liquid . Cp (heat value) . Flow rate . Temperature . Gas/Liquid . Cp (heat value) . Flow rate . Temperature

Energy potentials from 1 ton of SMW 쓰레기 1톤(발열량 2.7 Gcal) 소각으로 2.27Gcal의 열 생산이 가능하며, 이는 휘발유 292ℓ, 원유 1.57배럴의 연료대체 효과가 있음. 32평 아파트 한가구에 17.3일 난방할 수 있는 열량이다! 원유 1.57배럴 = 원유 250ℓ 휘발유 292ℓ • 590,000원 • 서울-부산 9회 운행 (32평아파트 기준) 17.3일 난방공급 한가구 2.27Gcal 열량 생산 쓰레기 1톤 소각

The currently Used Furnace Types in MSW-to-Resource Combustion Facilities in Korea 구분 Plants Capacity (ton/day) Furnace Type 1 마포 750 Stoker+Rotary Kiln 2 부천 500(300+200) Stoker 3 창원 400 4 공항 140 Fluidized 5 수원 600 6 파주 200 7 광명 300 8 성남 9 다대 10 노원 800

구분 Plants Capacity (ton/day) Furnace Type 11 평촌 200 Stoker (스토커) 12 명지 400 스토커 13 양천 14 고양 300 pyrolysis 15 성서 600 16 해운대 17 용인 18 과천 80 19 울산 20 안산 21 상무 22 수지 70 fluidized 23 군포 24 김해 25 천안

구분 Plants Capacity (ton/day) Furnace Type 26 구리 200 스토커 27 청라 420 28 강남 900 29 의정부 30 대전 400 31 제주 270(200+70) fluidized 32 송도 500 33 전주 34 양산 pyrolysis 35 이천 300 36 익산 37 마산 38 아산 39 여수 100 40 청주

Comparision of Furnace Types 생활쓰레기의 소각 가연성 폐기물을 감량화, 무해화, 안정화하기 위하여 연소시킴 소각과정에서 발생한 부산물 자원화 쓰레기 소각에 적용 가능한 소각로 형식 : 스토커식, 회전로식, 유동상식, 열분해용융방식 소각방식 Stoker Rotary Kiln 방식 Fluidized 방식 Plasm Pyrolysis 원리 및 구조  계단식 소각로(Grate) → Grate 유동 → 소각 원통형소각로 → 회전 → 소각  유동층(예열된모래) → 소각 플라즈마 → 가열 대상 폐기물 종이류 , 목재류, 가정 쓰레기  오니, 고무 점성 폐기물  슬러지 혼합폐기물 (다양) 난연성폐기물, 슬러지, 폐유, 폐윤활유(다양) 생활/산업/의료/방사성 폐기물, 하수슬러지 형 태 유기물 : 열분해되어 합성 가스화 무기물 : 슬래그화 →

소각로 형식 장단점 비교 Stoker Rotary Kiln 방식 Fluidized 방식 Plasm Pyrolysis 소각방식 형 태 장점 • 검증된 소각기술 → 소각로 안정적 운영 • 검증된 방지시설 채택 가능 → 배출가스의 안정적 처리 • 에너지 회수 및 이용 용이 • 승온을 제외하고는 소각로에 별도의 에너지 불필요 • 교반이 원활하여 안정적 인 소각 가능 • 다양한 폐기물 처리가능 → 액상폐기물, 슬러지, 난연성폐액 처리가능 • 폐기물의 물성 및 발열량 변화에 적응성 좋음 • 완전연소 가능 → 강열감량 1%미만 • 고함수율 폐기물 소각가능 • 고장률 낮음 → 기계적 구동부 적음 • 반응속도 빨라 소각시간이 짧음 • 쓰레기 질변화에 따른 안정적 소각 가능 • 합성가스를 이용한 에너지회수 가능 → 전기생산, 연료가스화 • 소각대상 폐기물 다양 → 생활폐기물 및 각종 유해폐기물 • 전기에너지를 사용한 저공해형 • 설치면적이 적음 → 폐기물의 열분해, 가스화, 용융이 하나의 로에서 가능, 제어 용이 단점 • 소각 잔재물 발생이 많음 → 소각재 15~20% • 설치면적이 다소 많음 • 소각대상 폐기물 제한됨 • 클링커 발생 많음 • 분진발생이 많은편 • 대형 생활폐기물 소각에 부적합 • 기계적 구동부가 있어 유지관리가 어려움 • 쓰레기 전처리(파쇄), 별도의 공급장치 필요 • 동력소모 많음 • 유동매체/ 불연물 분리배출 설비 필요 • 분진발생 많음 • 합성가스 활용 부대설비 설치비 높음 • 타 설비보다 운전비용이 높음 → 전기사용, 토치 전극 교체비용 • 국내 적용된 소각로가 많지 않음

Furnace Operational Problems 내화물 소손 원인 분석 반입폐기물의 발열량 폐기물 성상 실험결과 발열량 추정(증기발생량) 2,500 ~ 2,750kcal/kg (39%) 2,750 ~ 3,000kcal/kg (54%) 2,200 ~ 2,500kcal/kg (7%) 2,500 ~ 2,750kcal/kg (35%) 2,750 ~ 3,000kcal/kg (51%) 2,200 ~ 2,500kcal/kg (14%) 폐기물 성상 실험결과 및 증기발생량에 의한 발열량 추정결과 (2009 ~ 2011년 기준) 소각로 설계 발열량 : 2,750kcal/kg 실험 및 증기발생량 추정 결과 50% 이상이 설계발열량을 초과하여, 고온에 의한 내화물 소손이 진행되고 있음.

1,500℃ 가열시에는 클링커가 부착하면서 피부착물(내화물) 소손 초래 클링커, Ash의 융점 클링커 원시료 가열된 시료 용융현상 관찰 클링커와 열반응하여 도가니 소손 Ash 응집현상 관찰 Ash와 열반응 하여 도가니 소손 가열 전 1,100℃ 가열 1,250℃ 가열 1,350℃ 가열 1,500℃ 가열 가열 전 1,100℃ 가열 1,250℃ 가열 1,350℃ 가열 1,500℃ 가열 클링커와 Ash의 융점은 1,100℃ ~ 1,250℃ 1,500℃ 가열시에는 클링커가 부착하면서 피부착물(내화물) 소손 초래

클링커, Ash의 화학적 조성 구 분 Al2O3 CaO SiO2 Fe2O3 MgO MnO Cr2O3 Na2O K2O TiO2 구 분 Al2O3 CaO SiO2 Fe2O3 MgO MnO Cr2O3 Na2O K2O TiO2 P2O5 클링커 2005년 8월 25.8 20.8 32.9 6.4 3.9 0.5 0.2 1.5 1.3 5 1.9 2010년 8월 27.4 22.8 30.8 5.7 3.7 0.3 0.1 4.2 2.9 2011년 6월 24 30.4 29.2 3.4 2.1 3 Ash 10.5 40.9 17.3 5.4 3.2 - 6.1 13.9 2.7 2005년 8월, 2010년 8월 내화물 상태 양호 (내화물 잔존율 100%) 2011년 6월 내화물 소손 진행 (내화물 잔존율 80% 이하) 알카리 함량 8% 증가 클링커와 Ash는 상당한 화학적 조성차이가 있으며, 내화물 소손은 알카리 화합물의 함량 증가와 관련이 있음.

Al2O3-CaO-SiO2 성분비 구 분 Al2O3 CaO SiO2 1 2 3 4 SiO2 구 분 Al2O3 CaO SiO2 용융온도(℃) 클 링 커 ① 1차 sample 32.45 26.16 41.38 1,500 ② 2차 sample 33.83 28.15 38.02 1,480 ③ 3차 sample 28.71 36.36 34.93 1,430 Ash ④ 4차 sample 15.28 59.53 25.18 1,900 CaO Al2O3 1, 2차 sample 내화물 상태 양호 (내화물 잔존율 100%) 3차 sample 내화물 소손 진행 (내화물 잔존율 80% 이하) 용융온도 ▼ (저융점 물질 생성) 성분 중 Al2O3-CaO-SiO2 조성, 저융점 물질이 생성되면서 용융온도 저하 (Al2O3 : 10~20%, CaO : 10~35%, SiO2 : 40~60%)

• 고발열량 폐기물 증가로 인한 소각로 열부하 증가 내화물 소손 원인 폐기물 발열량 • 고발열량 폐기물 증가로 인한 소각로 열부하 증가 융 점 • 클링커와 Ash의 융점은 1,100~1,250℃ • 용융 Ash는 내화물 표면에 부착하여 내화물 소손 초래 클링커 화학 조성 • 알카리 함량 증가에 의한 내화물 소손 클링커 Al2O3-CaO-SiO2 성분비 • 저융점물질 생성에 의한 용융온도 저하 • 고발열량 폐기물의 열량을 고려한 감량 소각(200톤/일) • 고발열량 폐기물에 적합한 시설개선 • 내화물 재질 변경 : 고 알루미나질(Al2O3 70%) → 크롬질 내화물 대 안

소각로 내화물 내구성 향상방안 구 분 연소실 냉각 연소실 측벽 수냉그레이트 Wear Zone 기 존 내화벽돌 1,2단 : 공냉식 3,4단 : 공냉식 측벽냉각 : 냉각공기 변 경 수냉 벽(Boiler Wall ) + 내화 캐스터블 1,2단 : 수냉식 측벽냉각 : Water Cooled 효 과 연소실 열흡수 내화물 보수비 절감 균등연소 (고발열량) 화격자 부식지연 클링커 형성 방지 (화염 직화부)

Boiler Side Wall 연소실 측벽에 보일러 연장 설치 (현재 : 천정, 후벽)

수냉 그레이트 화격자 1,2 단 수냉 그레이트 교체 (현재 : 공냉 그레이트)

Wear Zone 연소실 측벽 하단부 (직화 부위) 에 Wear Zone 설치 (현재 : 냉각공기 노즐)

소각로 내구성 향상 방안 적정 처리용량 검토 소각로 개선 후 성능 • 처리한계 : 9.2톤/hr (200톤/일) 현재 소각로 성능곡선 • 처리한계 : 9.2톤/hr (200톤/일) • 적정운전 : 8.3톤/hr (90% 부하) 소각로 개선 후 성능곡선 시설개선으로 발열량 3,000kcal/kg 까지 소각 가능 적정 처리용량 검토 처리한계 적정운전 소각로 개선 후 성능

• 반입폐기물의 고발열량화 → 소각용량 조정(200톤/일) 내화물의 내구성 향상을 위한 개선방안 감량 소각 • 반입폐기물의 고발열량화 → 소각용량 조정(200톤/일) 냉각시설 설치 • 연소실 측벽에 보일러 추가 설치 • 수냉 그레이트 설치 • 연소실 측벽 하단에 Wear Zone 설치 향 후 전망 • 소각로 측벽에 시공하던 내화물을 점차 수관 설치 및 부정형 내화물인 Castable 처리로 변경 추세 감량 소각, 냉각시설 설치를 통해 소각로의 열부하 경감으로 소각로 내화물의 내구성을 향상시키고 열 회수율을 증대시킴 개선방안