Numerical analysis has been carried out to investigate the combustion characteristics in the three-dimensional incinerator. The applied mathematical models for prediction of velocities, turbulence quantities, enthalpy and chemical species involved have been described and discussed in detail. Turbulence combustion has been modeled by using the eddy dissipation model, while in modeling the radiative heat transfer finite volume method for radiation have been followed. Also, multi-block method is adopted to simulate the complex geometry easily using structured grids.
Introducing Beta PDF (Probability Density Function) method to see the effect of turbulence on NOx chemistry, formation, distribution, and emission of NOx have been studied numerically. Considering only thermal NOx, parametric studies in terms of excess air ratio, secondary air injection, and radiation have been undertaken. Increase of primary air supply in other words, higher excess air ratio lowers the temperature inside the incinerator. Thereafter, the amount of NOx formation is lessened. Also, its average emission reduces. When another factor or secondary air injection is considered, it is hard to mention that more secondary air injection reduces NOx formation because of co-effective factor of equivalence ratio. Additionally, in order to simulate the incinerator similar with the real case, non-gray gas (WSGGM) radiation is necessary. It is apparent that including the radiation effect results in lower NOx formation because of radiative heat loss.
현재까지 쓰레기 처리에는 매립법이 가장 많이 이용되고 있다. 자료에 의하면 전체 생활 폐기물 중에서 매립되는 비율은 98년 56.2%에서 재활용 되는 34.9%를 빼면 거의 대부분을 차지한다. 매립법은 특별한 처리 기술이 필요하지 않고, 일시에 대량 처분이 가능할 뿐만 아니라, 불연서 물질 및 소각재 등은 현재로서는 이 매립법을 사용할 수 밖에 없다. 그러나, 지역이기주의와 단가 상승으로 적당한 매립 장소를 찾는 것이 그렇게 쉬운 것은 아니다. 따라서 앞으로는 소각 방법이 쓰레기 처리의 많은 부분을 차지할 것으로 전망된다. 따라서, 소각로를 이용한 쓰레기 처리법이 중요시 되고 있다.
본 연구에서는 여러 소각 시설 방법 중에서 스토커방식 소각로를 모델링 하였다. 스토커 방식은 원래 석탄 연소 등의 산업분야에서 연소 장치로 쓰이던 것이 폐기물 소각로로 채용된 것으로 유럽지역 국가들이 오랜 경험을 바탕으로 시장을 선도하고 있으며 미국과 일본도 유럽의 기술을 도입하여 사용하는 경우가 많다. 화격자식 소각로는 쓰레기를 스토커 위로 투입한 후, 유압장치에 의해 전후진 운동을 반복하는 Grate에 의해 이송하면서 점차 가열하여 건조, 연소 및 후연소를 시키는 과정을 수행한다. 이때 가열은 노내의 고온가스 및 하부에서 공급되는 1차 공기와의 접촉에 따른 대류 열전달과 노내 고온가스, 화염, 및 노벽으로부터의 복사열전달 그리고 화격자와 먼저 투입된 쓰레기로부터 전도 열전달 등에 의하여 이루어진다. 투입된 쓰레기에서는 먼저 수분이 증발되어 방출되며 이후 건조된 상태의 쓰레기는 온도가 상승함에 따라 물질 일부에 열분해 과정이 일어나서 가연성 기체를 방출하는 열분해 과정을 겪게 된다. 이때 배출되는 기체는 하부에서 공급되는 1차 공기와 혼합되어 가연성 혼합기를 형성하고 이것이 가열 착화되면 화염을 형성한다. 열분해 과정이 끝난 뒤에는 고정탄소와 불연성 물질들이 화격자 상에 남게 되며, 이중 고정탄소는 탄소와 공기 중의 산소와 반응하는 고체연소과정이 진행된다. 이와 같은 가연분의 연소가 끝나게 되면 남은 불연물과 재는 점차 냉각되면서 스토커의 운동에 따라 외부로 배출된다. 이상에서 건조, 열분해, 기체연소와 고정 탄소연소의 각 단계는 쓰레기를 구성하는 조성에 변화에 따라 달라진다. 화격자 부위에서 발생한 연소가스에 포함되어 있는 공해물질의 완전연소와 재순환 영역을 줄이기 위해 2차 공기의 양, 분포 그리고 노즐의 위치는 우수 연소의 달성에 중요한 영향을 미친다.
화격자 소각로의 경우 쓰레기가 연소하는 고체 연소에 대한 모델이 없기 때문에 현재는 대부분 가스 연소로 가정하여 수치해석을 하고 있다. 쓰레기의 성분은 C,H,O,N,S 와 Cl 의 6개의 원소가 대부분이고 실제 연소 반응에 참가하는 것은 C,H,O 세 개이다. 이들 성분이 어우러져서 일어나는 반응들은 매우 복잡할 것으로 예상될 뿐 그 많은 반응식에 대해서 알려져 있는 것은 거의 없다. 현재 알고 있는 것은 쓰레기 조성 분석에 의한 각 원소의 성분비와 발열량, 쓰레기 발열량, 1차 공기 유량 및 온도 등이다.
가연분에서 나오는 기체를 물질 수지와 에너지 수지에 맞는 가상의 기체로 가정하며 반응속도 등을 조절하기 위해 몇 개의 그룹으로 분리한다. 외국 및 국내의 선행 연구의 경우에도 대부분 이러한 개념을 도입하였으며, 본 연구에서도 이 방법을 선택하였다. 이는 연소실 내 폐기물의 연소반응은 폐기물의 가연분을 $C_xH_yO_z$ 의 형태로 가정하여 2단 연소반응으로 모델링 하였다. 이 가정은 쓰레기의 특성에 관계 없이 열 및 물질 정산을 완벽하게 맞출 수 있는 장점이 있는 반면에, 가상의 기체인 $C_xH_yO_z$ 에 대한 화학반응계수 및 물성치를 알 수 없다는 단점이 있다. 그러나 소각로에서의 연소의 경우 스토커 위에서 혼합이 아주 중요한 요소임을 고려하면 화학반응계수 의존도보다는 확산 및 혼합에 의한 것이 더 지배적인 것을 이용한 모델링이 타당성을 가진다. 또한 가연분의 양은 연소실 내부를 흐르는 전체 질량에 비하여 적은 편이며, 존재 시간도 짧은 점을 고려하면 물성치의 부적절성에 의한 오차는 매우 적을 것으로 사료된다.
따라서, 수치적 해석을 위해 연소 모델로는 eddy dissipation model을 사용하였으며, 난류 효과를 고려하기 위해, standard k-ε 모델을 도입하였다. 수치적 알고리즘으로는 SIMPLE 방법이 사용되었으며, 3차원 복잡한 형상을 해석하기에 용이하도록 다중블럭기법 (Multi-block method)을 채택하였고, 유한체적법 (Finite Volume Method)을 이용한 복사열전달도 고려되었다. 한편 환경문제가 대두되는 가운데, 저 NOx 생성을 위한 소각로를 구현하기 위해, 주어진 소각로 운전 조건에 따른 온도분포와 thermal NO의 분포 및 생성을 구해 본 후, 과잉 공기비의 변화, 2차 노즐을 통한 공기의 주입량 변화, 복사열전달의 고려 유무에 따른 온도 분포와 유동장 및 그 온도분포에 따른 thermal NO의 분포와 출구에서의 배출량을 예측해보았다.
