경질우레탄폼단열재 폐기물의 재사용 및 재활용 방법론의 효율적인 평가(9):
에너지 회수(연소/소각)
5) 에너지 회수(연소/소각)
시장이 존재하지 않거나 창출될 수 없는 회수된 재료의 유일한 적절한 처리 방법으로 연소 및 소각을 하는 경우가 많습니다. 이것은 목재, 가죽, 직물 또는 혼합 재료에 대한 폴리우레탄폼 라미네이트 스크랩에서 크게 적용됩니다. 또한 난연 재료는 회수 및 재활용을 매우 어렵게 만듭니다. 폴리우레탄폼의 소각은 약 99%의 부피 감소를 가져 오고, 이는 폴리우레탄폼 물질의 매립을 감소시키며, 동시에 발포제 및 기타 유해 한 폼 발포제를 파괴합니다. 그러나 난연제의 존재는 상황을 복잡하게 만들며, 이러한 화합물의 연소 과정에 대한 영향은 요즘 많은 주목을 받고 있습니다.
유럽 폴리우레탄폼 산업, 특히 경질 폴리우레탄폼은 건설 및 철거 폐기물에서 폐자재 경질우레탄폼단열재의 에너지 회수를 고려하여 다양한 처리 규정에 명시된 최상의 처리 선택을 고려해야합니다. 일반적으로 Rittmeyer et.al. 시립 폐기물 소각설비에서 CFC 함유 폴리우레탄폼을 소각합니다. Karlsruhe Research Center의 TAMARA 시험 소각장과 독일의 시립 폐기물 공장인 두 시설에서 사용되었습니다. 기체 정화 장치가 있는 역전류 소각로 TAMARA 시설에서, ~25%의 폐기물 고형 원료가 혼합된 가정용 쓰레기 250kg/h가 연소되었으며, 50mm의 상대적으로 오래된(약 6.5% ~CFC-11)의 폴리우레탄폼의 1~3% 연료 투입량의 추가 효과가 조사되었습니다.
연소 온도는 850~1000℃였습니다. 고형물 폐기물 소각로는 가스 정화 장치가 장착된 롤러 역전류 로를 기준으로 1.3% 즉, 총 9000kg/h의 120kg/h가 비교적 오래된(11.3%, CFC-11) 폴리우레탄폼 입자의 ~20 cm 조각으로 대체되었습니다. 두 시설에서 CFC, HF, HCl, 다이옥신/퓨란(PCDD/Fs) 및 기타 배출물의 샘플을 측정했습니다.
TAMARA 시설의 시험 결과에 따르면 CFC-11 배출량은 ~4ug/m³의 공기 배경에 대해 0~10ug/m³ 범위에 머물렀습니다. CFC-11의 하중이 180~700ug/m³일 때 ~99.999%의 파괴를 보였습니다. 로 온도의 영향은 보이지 않았습니다. 아래의 표는 측정된 다른 배출량의 일부를 보여줍니다. 음식물 쓰레기에서 증가된 양의 질소 효과는 보이지 않았고, 증가된 탄소에 재는 보이지 않았습니다. ~5%에서 우레탄폼의 질소 농도는 “일반적인” 고형 폐기물보다 약 17배 높았습니다.
SO2 농도는 아마도 노(furnace) 벽에 퇴적된 층의 황산염으로 인해 온도에 따라 다소 변동했습니다. CFC는 우레탄폼 구조에서 벗어난 후 실제적으로 폐기됩니다. CH2Cl2, CH3Cl 및 CCl4의 배출량은 각각 ~100ug/m³, ~60ug/m³ 및 ~6ug/m³으로 측정되었습니다. 1~10ug/m³ 이상에서 클로로 플루오로 메탄은 검출되지 않았습니다.
고형물 소각 폐기는 ~13ug/m³에 대해 ~18ug/m³의 CFC-11 배출량을 보였으며, 이는 99.998%의 파괴 효율을 의미합니다. 증가된 염소 공급량의 약 25~50%는 HCl로 발견되었고, 가스 정화 장치에는 아무런 이상이 없었습니다. 불소의 경우 ~40% 증가된 HF 농도로 발견되었고, 이는 4~40mg/m³의 증가를 의미합니다. 이것은 장기적으로 부식 문제를 야기시킬 수 있는 습식 세정기 용액에서 농도를 증가시킵니다. HF에 대한 유럽 폐기물 소각 배출 한계는 1mg/m³ STP @10%-vol O2입니다(건조 가스).
두 번째 문제는 고형 폐기물 소각로 폴리우레탄폼을 공급할 때, 호퍼 및 쓰레기장에서 화재가 발생할 위험이 있습니다. 경질우레탄폼 폐기물은 어떠한 변화 없이 고형 폐기물 소각로 투입물의 ~1%에서 동시에 발 화될 수 있다고 결론을 지었습니다. 폐기물 소각로 설비로 독일의 가정용 냉장고에서 발생하는 모든 우레 탄폼 폐기물 연소는 약 0.3%를 차지합니다.
동일한 구 설비에서의 병행 연구는 CFC 화합물인 CFC-11과 CFC-113의 소각을 다루었습니다. 이것은 폐기물 소각동안 노 내로 직접 주입되고 CFC, HCl, PCDD/F의 배출을 측정하고 재를 분석했습니다. CFC-11을 함유한 우레탄폼 연소와 유사하게, 99.9% 이상의 CFC가 파괴되었고, 또한 CH2Cl2, CH3Cl 및 CCl4가 CFC-11 함유한 우레탄폼 소각과 매우 동일하게 측정되었습니다. 원료 배기가스 중 HF 농도는 10 배 증가하였으며, HCl 농도는 두 배 증가하였습니다.
다이옥신/퓨란 PCDD/ Fs의 경우, 아래의 그림과 같이 퓨란이 증가(18→23mg/m³)하는 동안 다이옥신 배출량이 감소(13→11mg/m³)한 것으로 나타났습니다.
[Karlsruhe Research Center의 폐기물 소각시설에서 CFC-11
소각으로 인한 다이옥신/퓨란 (furan) 배출]
다이옥신/퓨란 전구체인 클로로 벤젠(chlorobenzene)과 클로로 페놀(chlorophenol)에 대한 데이터는 아래 그림에 나와있습니다.
[Karlsruhe Research Center의 폐기물 소각시설에서 CFC-11 소각으로
인한 클로로 벤젠(chlorobenzene)과 클로로 페놀(chlorophenol) 배출]
이 연구 결과에 근거하여 연구자들은 폴리우레탄폼에서 CFCs의 파괴가 고형 폐기물 소각로 설비에서 성공적으로 달성될 수 있다고 주장하지만, 다른 CFC 가스를 파괴하기 위해서는 특별히 전용 장비를 사용 해야합니다.
또 다른 독일 연구는 39MW(미네랄울) 석탄 연소 버블링 유동층 연소(FBC) 설비에서 폴리우레탄폼 폐기 물의 동시 발화를 다루었습니다.(증기 매개 변수 475℃, 64bar) 석판/갈탄 혼합물은 17.6MJ/kg의 발열량 을 보였습니다: [24~30MJ/kg의 발열량 13~20%의 에너지 투입량으로 공급하면서 매트리스, 자동차 시트 및 300kg/m³의 부피 밀도로 압축된 분말(70~700㎛) 복합 우레탄폼 폐기물] 35시간의 시험 기간 동안 운영상의 문제점은 발견되지 않았으며, 실제로 배기가스 CO의 연소를 위해 버너가 꺼질 수 있었습니다.
Sn+As+Pb+Cr+Co+Cu+Mn+Ni+V+Sn으로 그룹화된 10개의 미량 원소의 농도를 3~4배 증가(0.06~0.09→ 0.22~0.32mg/m³) 시킨 것을 제외하고는 오염 물질이나 탄소(재 안에 탄소)의 배출량은 증가하지 않았으며, 이는 주로 우레탄폼에서 Sn(주석)이 존재하기 때문입니다.(우레탄폼 생산에서 촉매로 사용됨) 시설에서 우레탄폼 폐기물을 소각하는 데 드는 비용은 당시 톤당 50€로 추산되었습니다. 난연제가 없는 가구의 경질 및 연질 우레탄폼은 유동층 연소(FBC, fluidised bed combustion)에서 석탄을 연소시키는 데 적합하다고 간주되었습니다.
유동층 연소에서 반응 사출 성형 우레탄폼 폐기물의 연소는, 그 물질에 유리섬유 다량 함유로 인해 문제가 될 것으로 예상됩니다. 또한 건설 폐기물의 경질우레탄폼단열재는 높은 염소/불소 함량 때문에 반응 사출 성형에 문제가 있다고 주장되었습니다. 다른 연구에서, 쇠살대(화격자) 소각 배출가스 재순환 조건에서의 자동차 시트의 연질 우레탄폼의 연소는 Rogaume et al.에 의해 연구되었으며, 연소 조건을 최적화하여 NO 및 CO 배출을 최소화합니다.
NO 이외에도, NO2 및 N2O도 반응기로부터 배기가스에서 측정되고, 이는 내경 15cm, 길이 130cm의 원통형이며 바닥에서 10cm 고정된 판에 55cm의 단단한 바닥(4×4×4mm³ 우레탄폼 입자)에 놓여집니다. 1차 공기는 격자 아래에서 공급되고, 2차 공기는 층 위에 첨가됩니다. 시험은 대기압에서 각각 850℃ 및 1000℃에서 실행하였습니다. 연소 효율은 CO와 CO2 배출량을 비교한 다음; O2도 측정됩니다. 발견된 우레탄폼 질소의 함량(암모니아를 무시한 공기 함량)은 NO, NO2 또는 N2O로 850℃에서 각각 51%, 0% 및 9%였고, 1000℃에서 각각 62%, 0% 및 5%였습니다. 동시에 이 두 온도에서 CO+CO2 배출량은 각각 우레탄폼 탄소의 4+88%와 3+96%에 해당합니다.
CO와 NO 배출량을 줄이기 위해 먼저 900~1000℃의 연소 온도를 목표로 과잉 공기의 영향을 연구했습니다.(850℃는 저탄소 연소를 하는데 너무 낮다고 간주되었습니다.) 이것은 공기가 없는 과도한 공기 계수 1.6에서 최소 CO 배출량을 보여주었고, 1차 공기 과잉 계수 0.8, 총 공기 과잉 계수 1.35~1.6에서의 공기 준비로 더 나은 결과를 보였습니다.(반응기 온도는 주어지지 않았습니다.) NO 배출은 2차 공기 흐름뿐만 아니라, 1차 공기의 증가에 따라 증가하는 것으로 밝혀졌으며, 최적 조건은 1차 공기 계수 0.8, 총 공기 계수 1.35에서 발견되었습니다.
우레탄폼 질소의 NO로의 전환은 5.7%이었고, 우레탄폼 탄소의 CO로의 전환은 0.55%였습니다. NO 배출량의 추가 감소는 배출가스를 1차 공기로 재순환시켜 탄화수소, HCN과 NH3의 배출을 완료하였습니다. 동일한 2차 공기 흐름에서 재순환된 연도 가스에 의한 1차 공기의 50% 및 100%를 포함하는 두 가지 시험은 CO 및 NO 배출량을 각각 15% 및 45% 감소시키는 것을 보여주었습니다.
연질 우레탄폼을 비롯한 폐기물–연료에서 폴리머 및 플라스틱으로부터 질소의 작용이 핀란드 연구에서 고려되었습니다. 혼입가스 석영 튜브 반응기(750~950℃, 7% O2/93% N2)에서의 연소 중 NO+NO2의 배출은 높은 질소 연료[우레탄폼, 나일론, RDF(고형 쓰레기 연료), MSW(고체 폐기물), 요소/포름알데히드 접착제, 하수 슬러지)로부터 생성된 숯의 양 및 연료의 질소 함량에 크게 의존한다는 것이 밝혀졌습니다. 6.6%의 질소 함량에서 연질 우레탄폼 질소의 10% 미만이 NO+NO2로 배출되었습니다.