3. 발열량의 산정

폐기물의 발열량 분석에서 발열량은 폐기물 1kg을 완전 연소시킬 때 발생하는 열량(kcal)을 말하는 것으로 소각로 설계 시 가장 기본이 되는 폐기물의 특성이다.

발열량에는 고위발열량과 저위발열량이 있는데, 고위발열량(H)은 폐기물 속의 수분 및 연소에 의해 생성된 수분의 응축열을 포함한 열량으로 총발열량이라고도 한다.

열량계로 측정한 값이 이에 상당한다. 그러나 실제 연소시설에서는 연소 가스 속의 수분이 수증기 그대로 배출되기 때문에 응축열은 이용되지 않는 일이 많다.

따라서 유효하게 이용되는 열량은 고위발열량에서 응축열을 빼고 남은 열량이 된다. 이것을 저위발열량(H) 또는 진발열량이라고 하며 이것은 소각로 설계 시 기준이 된다. 그러므로 고위발열량과 저위방열량 사이에는 다음의 관계가 성립한다.

     

         : 수분(함량)

폐기물 속의 주된 가연분으로는 종이류, 섬유류, 나무조각과 같은 셀룰로오스계 물질과 플라스틱 등의 석유화학제품 등이 있다. 셀룰로오스계 물질의 저위발열량은 일반적으로 4,500~4,600 kcal/kg이며 플라스틱류는 6,000~10,000 kcal/kg이다. 따라서 쓰레기 조성에서 대략 그 발열량을 추정할 수 있다.

폐기물 저위발열량 측정은 다음 세 가지 방법이 이용되고 있다.

가. 추정식에 의한 방법

  1) 3성분의 조성비에 의한 추정식

이 방법은 폐기물의 3성분(가연분, 수분, 회분)의 조성비를 바탕으로 폐기물의 발열량을 추정하는 방법으로서 다음 식과 같이 구할 수 있다. 

    

    V : 가연분의 조성비(%)

    W :수분의 조성비(%)

이 식은 가연분, 수분, 회분의 분석치를 이용한 간이식으로 시간을 절약할 수 있으나 폐기물 자체가 불균일성 물질인데다가 플라스틱류가 생폐기물의 5%이상(습량기준)일 때에는 상당한 오차가 발생할 수 있으므로 폐플라스틱의 발열량을 8000kcal로 하여 다음 식을 통해 계산한다.    

        

    V₁ : 플라스틱류 이외의 가연분 조성비(건조기준)(%)

    V₂ : 플라스틱류의 조성비(건조기준)(%)

    W : 수분조성비(%)

2) 물리적 조성비에 의한 방법

이 방법은 쓰레기의 주요 성분별 조성을 구하여 발열량을 추정하는 방법으로 다음 식과 같이 구할 수 있다.

    

        R: 플라스틱 함유율(건조기준)(%)

        G : 주방쓰레기(건조기준)(%)

        P : 종이(건조기준)(%)

        W : 수분조성비(%)

여기서, 식은 저위발열량 데이터를 기준으로 한 실험식으로 각 조성비는 건조기준임에 유의해야 한다.

나. 단열 열량계에 의한 방법

이 방법은 건조된 쓰레기를 2mm 이하로 분쇄한 후 일정량을 취하여 열량계에서 연소시켜 발열량을 측정하는 것이다. 이때 분석하는 관정에서 약간의 수분이 다시 흡수되므로(약1~4%) 건조기준을 측정할 시료의 수분함량을 다시 측정해서 보정하여야 정확한 건조기준 발열량을 얻을 수 있다.

이렇게 하여 각 성분별 건조기준 발열량을 구하고 건조 폐기물의 발열량과 생폐기물의 발열량을 다음 식에 의하여 계산한다.

    건조폐기물의 발열량 (kcal/kg)  =

         : 성분 i 의 가연분 조성

         : 성분 i 의 열량계 발열량 (kcal/kg)

    혼합생폐기물의 발열량 (kcal/kg) =

        F_i = (i성분의 건조폐기물 발열량) × (100-수분%)/100

        A _i : 성분 i의 회분 조성

        F_i  : 성분 i의 습기준 발열량 (kcal/kg)

이상과 같은 측정법은 쓰레기를 성분별로 분류하여 단일 성분 시료를 열량계로 측정하여 생폐기물의 고위 발열량을 추산한 것이다. 분류하기 전의 혼합된 폐기물은 건조하여 열량계 내에서 건조기준의 고위발열량을 측정한 뒤 식에 의해 직접 측정할 수 있다.

    

    

        H _h : 고열발열량 (kcal/kg)

        H_d : 열량계로 측정한 건조폐기물 발열량 (kcal/kg)

        H_i : 저위발열량 (kcal/kg)

        H : 원소분석에 의한 수소의 조성비(%)

        W : 수분함량(%)

다. 원소분석에 의한 방법

이 방법은 원소분석을 통해 구한 폐기물의 화학적 성분 분석치로부터 각 원소의 연소열을 이용하여 발열량을 산출하는 방법이다.

1) Dulong의 식

    

    

    C : 탄소(%)    H : 수소(%)    O : 산소(%)    s : 황 (%)    W : 수분 (%)

이 방법은 석탄과 같이 C를 주성분으로 한 연료에서는 잘 맞지만 목재 폐기물과 같은 셀룰로오스를 주성분으로 하는 연료에서는 발열량이 낮게 추정되는 경향이 있다. 여기서 H분을 (H-O/8)로 한 것은 성분 중에 존재하는 산소는 이미 무게비로 O/8의 H와 결합하여 결합 수분으로 존재하므로 발열되지 않는다고 가정한 것이다.

2) Dulong의 보정식

    

        α : Dulong의 식에 의해 구한 가연분 저위발열량 (kcal/kg)

        β : Bonb열량계로 구한 가연분 발열량(α)과 α의 차(kcal/kg)

이 식은 Dulong의 식으로 구한 발열량을 Bomb 열량계로 구한 발열량에 근사시키기 위해 사용한다.

3) Steuer의 식

    

        

이 식은 산소(O)의 절반이 CO₂의 형태로, 나머지 절반은 H₂O의 형태로 존재한다고 가정한 식이다.

4) Scheurer-Kestner의 식

    

이 식은 O의 모든 것이 CO₂로 되어 존재한다고 가정한 경우이다.

라. 발열량 분석의 필요성

발열량은 일반적으로 고위발열량(총발열량, HHV) 및 저위발열량(참발열량)이 있다.

고위발열량이란 연소에 의하여 생성된 모든 수분이 응축했을 때의 발열량으로서, 말하자면 단열발열량계로서 측정한 값이 이 값에 해당한다.

저위발열량이란 고위발열량으로부터 응축잠열을 뺀 것으로서 이는 소각로 설계의 기준이 되고 있다. 저위발열량은 소각시설을 설계할 때, 화격자면적, 연소실의 용적, 가스냉각실의 용적 등을 결정하는데 중요한 인자로 사용된다.

저위발열량이 700kcal/kg 이하의 경우와 최고발열량과의 변동 폭이 큰 경우는 비경제적이며, 소각시설의 설계가 곤란하다.

최고와 최적의 비율은 소각시설의 경제성과 안전 운전 면에서 2∼2.5 정도가 좋다. 이 이상일 경우에는 화격자 송풍시설과 가스냉각 설비 등의 설계가 곤란하다.