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급수예열장치로 통칭되는 이코노마이저는 보일러 출구부 배기가스로부터 열에너지를 회수하여 급수를 가열하는 설비로 보일러의 효율 향상 및 연료 소모량 절감을 도모할 수 있지만 저온부식에 유의해야하는 기술이다. 일반적으로 동일한 배기가스량을 기준으로 열 회수 능력을 비교하였을 때, 저온이코노마이저의 설치 여부에 따라 보일러 배기가스로부터 반출되는 열량을 감쇠시킬 수 있으므로 소각 열에너지의 회수량을 증가시키는 이점을 가진다.

Table 5는 보일러 배기가스량 및 출구온도 변화에 따른 열 회수량 증가를 나타낸 자료이다. 국내 생활폐기물 소각시설에서는 일반적으로 이코노마이저 출구 배기가스 온도의 설계 값을 220~250℃로 적용하므로 본 연구에서는 기준 온도를 250℃로 가정하여 보일러 열회수 증가량을 산정하였다.

이코노마이저 적용 시 출구온도 250℃을 기준으로 260~300℃의 범위에서 배기가스량 변화에 관계없이 회수열이 감소되는 결과를 보였으며, 190~230℃으로 온도를 저온화시킬수록 회수되어 발전에 활용 가능한 열에너지의 양이 증가하는 경향을 보였다. 하지만 실제 현장에서는 이를 적용할 수 있는 한계 조건이 존재하므로 각 현장의 특성에 맞는 이코노마이저 온도 조건을 설정하는 것이 중요하다. 결과적으로 보일러 출구온도를 230℃에서 190℃까지 단계적으로 저온화 하였을 때, 배기가스량 7,000m³/ton, 출구온도 190℃ 조건에서 최대 138.6Mcal/ton의 부가적인 열에너지를 회수할 수 있을 것으로 나타났다.

보일러에서 회수된 열에너지를 증기발전에 활용한다는 가정 하에 소각시설의 발전효율 증가분을 산정하였다. 그 결과, 보일러 출구 온도 190℃, 저위발열량 2,300kcal/kg을 기준으로 배기가스량 변화에 따른 발전효율 증가분을 정리하였을 때, 배기가스량 5,000, 6,000, 7,000m³/ton에서 각각 1.14%, 1.36%, 1.59%의 개선효과가 산출되었으며, 배기가스량 5,000m³/ton에 비하여 7,000m³/ton의 발전효율이 1.4배 향상되는 결과를 보였다. 또한 배기가스량 7,000m³/ton을 기준 점으로 출구온도 190℃, 폐기물 저위발열량 2,000kcal/kg에서 발전효율 증가분의 최대값인 1.83%(10.0%→11.8%)이 도출되었다.

배기가스량 6,000m³/ton을 기준으로 이코노마이저의 출구온도 변화에 따른 발전효율 향상 효과를 다음 Figure 1에 도식화하였다. 동일한 배기가스량을 기준으로 폐기물 저위발열량 및 보일러 출구온도와 발전효율 간 상관관계를 살펴보았을 때, 출구온도가 낮아질수록 폐기물의 저위발열량이 감소할수록 최대 발전효율을 도출하는 음의 상관관계를 확인할 수 있었다.

Fig. 1. 
Power generation efficiency increment according to NCV and economizer outlet temperature

이는 저온이코노마이저를 도입할 경우 보일러 출구온도 감소에 따라 동일한 배가스량에서 회수되는 열에너지는 증가되었음을 의미한다.

저위발열량 값의 변화에 따른 발전효율의 상관관계는 다음과 같이 설명할 수 있다. 폐기물 소각시설로 유입되는 에너지를 의미하는 저위발열량 수치가 낮아질수록 발전효율이 감소해야하는 것이 일반적인 상식이다. 하지만 본 연구에서는 낮은 저위발열량에도 불구하고 저온이코노마이저 도입에 따라 동일 배기가스 조건에서 회수되는 에너지는 동일하게 산정되므로 에너지 회수율 분모에 해당되는 유입폐기물의 열량(저위발열량)이 감소됨에 따라 그만큼 에너지 회수율이 계산 수치상으로 고열량 유입 폐기물의 조건에 비해 높게 산정됨을 고려해야 한다.

배기가스량을 6,000m³/ton로 가정하였을 경우, 폐기물 저위발열량 2,000kcal/kg, 보일러 출구온도 190℃을 기준으로 최대 1.57%(10.0%→11.6%)의 발전효율이 증가되었으며, 아울러 저온이코노마이저 적용 시 예상되는 최종적인 평균 발전효율 증가분은 0.85%로 산출되었다.

하지만 실제 소각시설 공정에서 저온이코노마이저를 통해 배기가스의 저온화를 실시하였을 때 백연현상이 발생할 수 있다. 따라서 백연 저감 시 배기가스 재가열에 소모되는 에너지가 발전효율 증가분에 영향을 미치지 않는 수준으로 저온이코노마이저의 출구온도를 설정함으로써 요소기술적용에 따른 발전효율 개선을 도모해야할 것이다.

소각시설에서 폐기물 연소 시 소모되는 공기를 이론 공기량에 근접하도록 감소시켜 배기가스량과 보일러의 반출열량을 저감시키는 방법을 저공기비 연소라 칭한다. 폐기물 소각시설 운영 시 저공기비 연소를 실시하였을 때, 보일러 출구부의 배기가스 방열손실 감소에 따른 회수 열에너지 증가분 및 발전효율 개선효과는 Table 6, Figure 2에 수록하였다.

Fig. 2. 
Power generation efficiency increment according to NCV and excess air ratio

소각시설에서 저공기비 연소를 적용하였을 때, 배기가스량의 감소 및 온도 상승이 발생하게 된다. 이 때 배기가스의 반출열량이 상대적으로 감소하게 되어 보일러의 효율이 증대되는 효과를 얻게 된다. Table 6에서 명시된 바와 같이 과잉공기비가 2.0에서 1.0으로 낮아짐에 따라 회수되는 열에너지 양이 반비례적으로 증가되는 결과를 보이는 것을 알 수 있다. 또한 실제 소각시설에서 적용 가능한 저공기비 한계인 1.5의 경우, 배기가스량 5,000, 6,000, 7,000m³/ton에서 각각 38.2, 45.8, 53.5Mcal/ton의 에너지를 회수하여 증기발전에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

Figure 2는 일정 배기가스량 및 폐기물 저위발열량을 기준으로 발전효율 변화를 도식화한 자료이다. 과잉공기비가 1.7, 1.5, 1.2, 1.0으로 감소됨에 따라 발전효율은 각각 0.18%, 0.53%, 1.05%, 1.40%로 산정되어 과잉공기비가 감소할수록 발전효율이 향상되는 경향을 보였다. 이는 과잉공기비가 감소됨에 따라 연소 배기가스량과 촉매 반응탑 입구의 배기가스 재가열용 증기 소모량이 동시에 감소되었음을 의미한다. 아울러 보일러 출구부 배기가스의 반출 열량을 저감시켜 보일러 및 증기발전의 효율이 향상될 것으로 판단된다.

결과적으로 저공기비 연소를 생활폐기물 소각시설에 적용하였을 때, 배기가스량 6,000m³/ton, 폐기물 저위발열량 2,000kcal/kg, 과잉공기비 1.0을 기준으로 최대 1.61%(10.0%→11.6%) 만큼 발전효율이 증대되는 결과를 보였으며, 저공기비 연소 적용 시 예상되는 평균 발전효율은 0.74%로 산정되었다. 단, 실제 폐기물 소각시설의 경우 해당 연소공기비는 적용이 어려우므로 현장 적용 시에는 과잉공기비 1.0~1.2에 해당되는 회수 열에너지 및 발전효율 증가분은 이론적 참고치로 고려해야할 것이다.

폐기물 소각공정에 저온이코노마이저와 저공기비 연소시스템을 도입하였을 때, 보일러에서 회수 가능한 증기의 열량이 증가되거나 연소 공기량의 차이가 발생하게 된다. 상기 제시한 요소기술의 적용 및 운전 조건(배기가스 유량, 폐기물 저위발열량, 보일러 출구온도 등) 변화에 따라 기존의 폐기물 소각시설 운영 시 소모되는 에너지 사용량을 다음과 같이 절감할 수 있다.

요소기술 중 저온이코노마이저를 소각공정에 적용하였을 때 예상되는 에너지 절감 및 경제적 기대 효과 분석 결과를 Table 7에 정리하였다. 저온이코노마이저의 경우에는 배기가스의 유량이 증가하거나 출구온도가 저온화 될수록 보일러로부터 회수되는 소각 열에너지의 증가량이 최대 138.6Mcal/ton, 증기 터빈발전기로부터 생산되는 전력 생산 증가량이 최대 0.14MWh/ton으로 산정되었다. 이코노마이저 출구온도가 300~250℃의 범위에서 온도가 상승함에 따라 기준 온도인 250℃에 비해 에너지 절감량을 비롯한 발전효율 및 경제적 기대 효과 모두 감소하는 결과를 보였다. 하지만 출구온도 기준점인 250℃에서 190℃까지 단계적으로 저온화시킴에 따라 에너지 절감량 및 전력 생산량이 증가되어 공정 개선 수익이 증대되는 경향을 보였다. 이코노마이저의 출구온도 190℃ 조건에서 산출된 경제적 기대 효과는 국내 생활폐기물 처리시설의 평균 소각량인 4,809,240ton/yr을 기준으로 최대 53,863 백만원의 연간 수익을 창출할 수 있을 것으로 예상된다.

Table 8은 저공기비 연소 운전을 실시하였을 경우에 발생되는 에너지 절감 및 경제적 이익 창출 효과를 정리한 자료이다. 소각로의 유입 공기비를 2.0에서 1.0까지 단계적으로 감소시켰을 때, 에너지 절감과 전기 생산량 증가 수치는 서로 양의 상관관계를 보였다.

즉, 과잉공기비가 1.0에 도달할수록 공기량 차이의 큰 변화로 인해 소모되는 에너지를 최대 122.2Mcal/ton까지 절감할 수 있을 것으로 보인다. 또한 국내 생활폐기물 처리시설의 총 소각처리량인 4,809,240ton/yr을 기준으로 연간 53,863 백만원의 운영비를 절약할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 과잉공기비를 1.8에서 2.0으로 상승시킬 경우, 소각시설에서 발생되는 총 배기가스량이 늘어나 촉매탑 온도 상승에 필요한 에너지량 증가와 동시에 보일러 출구부 배기가스의 에너지 손실량이 증대되어 에너지 회수율 및 발전효율이 감소되는 음의 경제성을 보였다. 따라서 소각시설에 대한 요소기술을 적용함에 있어 적정 공기비를 유지할 수 있도록 소각로 운전에 주의를 기울여야 할 것이다.

상기 분석 자료를 평균값으로 정리한 Table 9에 따르면 소각시설 유입 폐기물 톤당 에너지 절감량은 저온이코노마이저 79.2Mcal/ton, 저공기비 연소 68.8Mcal/ton으로 산정되었다. 열량 단위 환산에 따른 전기 생산량 증가분은 저온 이코노마이저 0.09MWh/ton, 저공기비 연소 0.08MWh/ton으로 분석되었다. 각각의 요소기술을 통한 공정 개선 효과를 연간 생활폐기물 소각량 4,809,240ton/yr^[18]와 산업용 전력 단가인 80 원/kWh^[23]를 대입하여 경제적 수익 금액을 추산한 결과, 저온이코노마이저 34,627 백만원/yr, 저공기비 연소 30,779 백만원/yr의 연간 운영비용을 절감하거나 추가적인 수익을 거두어들일 수 있을 것으로 판단된다.

앞서 산정한 폐기물 톤당 전기 생산량 증가 값을 국가 고유 전력 배출계수를 활용하여 온실가스 감축량을 추산하였다. 기후변화 국제협약에서 제시하는 대표적인 온실가스 6종(이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소불화탄소, 과불화탄소, 육불화황) 중에서 발생 비율이 높은 순서인 이산화탄소(CO₂), 메탄(CH₄), 아산화질소(N₂O)를 산출 대상으로 선정하여 요소기술 적용 시 예상 감축량을 계산하였다.

Table 10은 열 회수 능력을 증진시킬 수 있는 요소기술인 저온이코노마이저와 저공기비 연소를 소각공정에 적용하였을 때 예측 가능한 온실가스 감축량과 이에 따른 경제적 기대효과를 정리한 자료이다. 저온이코노마이저의 경우, 온실가스를 평균 206,072 ton-CO₂/yr, 2,392 kg-CH₄/yr, 1,196 kg-N₂O/yr 씩 저감할 수 있을 것으로 기대되며, 증기 회수량이 증가됨에 따라 연간 4,328백만원의 시설 운영비를 절약할 수 있을 것으로 판단된다.

저공기비 연소 기술의 경우, 에너지 절감에 따라 이산화탄소 178,892 ton-CO₂/yr, 메탄 2,076 kg-CH₄/yr, 아산화질소 1,038 kg-N₂O/yr의 온실가스를 감축할 수 있을 것으로 예상되며, 아울러 연간 3,757 백만원의 경제적 이익을 창출할 수 있을 것으로 예상된다.