통풍설비(굴뚝)

 

통풍설비

 

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5.6. 통풍 설비

통풍 설비는 소각에 필요한 공기를 로내에 투입하거나 연소 후 발생하는 배출가스를 대기로 배출하는데 필요한 설비이며 통풍방식에는 압입통풍방식, 유인통풍방식, 평형통풍방식의 세 가지가 있다. 압입통풍방식은 연소용 공기를 송풍기 등으로 가압하여 로내로 압입하여 그 압력으로 배출가스를 대기로 방출하는 방식이고, 반면에 유인통풍방식은 로내의 배출가스를 송풍기 등으로 흡입하여 연소용 공기를 로내로 유입시키는 방식이다. 평형통풍방식은 압입, 유인의 방식을 동시에 적용하는 것으로 쓰레기 소각에 사용하는 일반적인 방식이다. 평형통풍방식의 통풍설비는 압입송풍기, 공기예열기, 통풍 덕트라인, 유인송풍기, 배출가스 덕트 및 연도, 굴뚝 등이 있다.

5.6.1. 압입송풍기 (Forced Draft Fan: F.D.F)

⑴ 定義 및 目的

압입송풍기는 소각로내로 공기를 壓入하여 연소가스의 과잉 공기율에 의해 송풍기 출구 측의 댐퍼 開度를 조절하여 공기 공급량을 조절하기 위한 설비로서 공급된 압입공기는 쓰레기의 건조용, 연소용, 후연소용, 가스냉각용, 버너조연용, 노벽냉각용, 슈트블로우용, 2차연소용 등으로 이용된다.

⑵ 설비 및 구조지침

압입송풍기의 용량은 계산에 의해 결정한 최대 풍량보다 10-20%의 여유를 갖도록 설계해야 한다.

- 용량 결정: 압입송풍기의 필요한 용량을 결정하기 위해서는 소요 공기량과 그에 적절한 풍압을 구해야 한다.

· 소요 공기량의 算定: 압입송풍기의 풍량은 다음의 식에 의해 결정한다.

Q = A×M×(1 +α)

여기서 Q: 압입송풍기의 풍량 (1차 및 2차공기의 합계량), ㎥/h

A: 단위 쓰레기량에 대한 필요 공기량 (이론공기량×과잉공기율+소각로 온도제어에 필요한 공기량), ㎥/㎏

M: 시간당 쓰레기 소각량, ㎏/h

α: 송풍기 선정시의 풍량 여유율(10 - 20%)

(注: L은 설계시 高質 쓰레기를 기준하여 결정함)

⑴ 이론공기량: 쓰레기의 성상에 따라 정확하게 결정할 수 있으며, 이를 결정하는 방식은 본 보고서 3장 "소각이론"에서 자세히 다루었다.

⑵ 과잉공기율: 과잉공기율은 소각로 형태, 쓰레기의 발열량, 연소 상태에 따라 달라지며 일반적으로 스토커 소각로에서는 1.5 - 2.5를 사용하고 있다.

⑶ 여유율: 압입송풍기의 여유율은 시간 경과에 따른 분진 부착, 마모 등에 의한 성능 저하를 고려한 것으로 高質 쓰레기를 기준하여 계산한 최대 풍량의 10 - 20%를 여유율로 정해야 한다. 또한 풍량을 조절할 수 있는 極數변환장치를 설치하는 것이 바람직하다.

· 풍압: 압입송풍기의 풍압은 각 주요 설비에서의 압력 손실을 고려하여 필요한 풍압을 결정해야 한다. 필요한 풍압은 일반적으로 다음 식에 의해 결정할 수 있다.

P = P₁ + P₂ + P₃ +P₄ - P₅

여기서 P: 압입송풍기의 설계풍압, ㎜H₂O

P₁: 공기예열기의 압력손실, ㎜H₂O

P₂: 송풍기에서 소각로까지 덕트라인에서의 압력손실, ㎜H₂O

P₃: 스토커의 압력손실, ㎜H₂O

P₄: 쓰레기층의 저항, ㎜H₂O

P₅: 송풍기입구의 정압 (通當負壓), ㎜H₂O

송풍기 입구 풍압을 선정할 때에는 쓰레기 저장소에서의 악취 비산을 방지하기 위하여 공기의 흡입을 쓰레기 저장소에서 하는 것이 일반적이기 때문에 흡입닥트의 길이가 길어져 풍압을 -20 ∼ -50㎜H₂O 정도로 선정하는 경우가 많다. 소각로의 종류, 덕트내 설계 풍속, 시설 규모에 따라 달라지나 일반적으로 풍압은 160 - 650㎜H₂O가 많이 사용되고 있다. 반면에 유동층 소각로에서는 잔사의 유동화를 위하여 적절한 풍압을 유지하는 것이 필요하며 일반적으로 1500-2500 mmH₂O로 풍압을 설정하고 있다.

- 송풍기의 설치방식: 1대의 압입송풍기를 이용하여 소각로내로 1차공기와 2차공기를 보내는 分岐방식과 1차공기와 2차공기를 독립된 2대의 압입송풍기를 이용하여 소각로내로 보내는 個別방식이 있다. 전자는 주로 중규모 이하의 소각로에서 사용되고 후자는 대규모 설비에서 사용된다.

<그림 5-57> 압입송풍기의 설치예

- 설치시 고려사항: 압입송풍기는 소음과 진동을 발생하기 때문에 옥내에 설치하고 기초를 견고히 해야 한다. 진동이 건물에 전달되지 않도록 방진 고무를 사용하는 경우도 있으나 적절한 것을 선정하기가 어렵고 잘못하면 오히려 진동을 크게 하는 경우도 있으므로 주의가 필요하다.

(3) 종류

- 다익 송풍기: 여러 개의 높이가 낮고 폭이 넓은 전향 날개가 있다. 값이 저렴하나 풍압이 100 mmH₂O 이하로 제한되고 소형이므로 건물의 환기용으로 많이 이용된다.

- 래디알 송풍기: 6-12개의 방사형 직선날개를 가지는 것으로 분진을 많이 함유하고 있는 기체의 경우에는 粉體를 공기에 의해 유압 수송하는 경우에 많이 이용된다. 다익송풍기는 풍압곡선에 변동이 많으므로 불안정하고 풍량제어가 어려우며 축동력은 계획풍량 이상일 경우 급격히 상승한다.

- 터보송풍기: 쓰레기 소각시설에 주로 이용되는 송풍기로 후향날개를 가지고 있으며 효율이 다른 것과 비교해서 상당히 좋고, 전동기와 직접 연결시켜 사용하는 경우가 많다. 터보송풍기는 풍압곡선이 완만하고 축동력은 풍압증가에 비례하여 증가한다. 터보송풍기와 다익송풍기의 특성 곡선은 <그림 5-59>에서 보는바와 같다.

<그림 5-58> 송풍기의 분류

<그림 5-59> 송풍기의 특성곡선

5.6.2. 공기예열기 (Air Preheater)

(1) 定義 및 目的

공기예열기는 수분이 많은 저질 쓰레기를 연소시켜 적정 소각 온도를 유지하기 위해 설치하는 것으로 쓰레기의 건조도 빠르고 연소가 양호하게 진행되어 소각재 중의 미연분을 줄일 수 있다.

(2) 설비 및 구조지침

(1) 공기예열기를 설치할 경우에는 부식 및 분진에 대한 막힘대책을 세워야 하고 점검 및 보수가 용이한 구조이어야 한다. (2) 가스식 공기예열기에 있어서 열교환 부분의 강재온도는 200-300℃를 유지하는 것이 바람직하다.

- 공기예열온도: 쓰레기의 발열량에 따라 소각 적정 온도인 8000C를 유지할 수 있는 공기예열온도가 달라지며 쓰레기의 저위 발열량과 적정 공기예열온도와의 관계는 <표 *>에서 보는 것과 같다.

<표 5-19> 발열량에 따른 적정 공기 예열온도

발열량 (㎉/㎏)	예열온도 (℃)
1,000 이하	250
1,000-2000	150
2,000 이상	20-100

- 공기예열기의 종류: 공기예열기는 압입송풍기와 소각로 사이에 설치하며, 배출가스의 열에 의해 연소 공기를 예열시키는 가스식 공기예열기, 보일러로 부터 생성되는 증기에 의해 예열시키는 증기식 공기예열기, 연료를 사용하여 고온 연소 가스를 연소 공기와 혼합시켜 예열시키는 직화식 공기예열기가 있다.

- 가스식 공기예열기: 보일러를 설치하지 않고 물분사에 의한 가스 냉각방식을 선택하는 경우에 많이 사용하고 있으며, 가스식 공기예열기는 <그림 5-60>에서 보는 것처럼 다관식이다. 고온의 배출가스는 관다발을 통과시키고, 연소 공기는 그 관다발과의 접촉에 의해 예열된다.

<그림 5-60> 가스식 공기 예열기

ㆍ공기예열온도의 調整: 쓰레기는 발열량 변화가 심하기 때문에 공기예열온도를 그에 따라 적절하게 조절하는 것이 필요하다. 공기예열온도는 배출가스량과 연소 공기량을 조절하여 적정 온도를 유지하는 방법이 있다. 연소 공기량은 소각로에 공급하는 공기량이기 때문에 임의로 조절하게 되면 소각로의 연소 상태에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 예열기에 바이패스를 설치하여 냉공기의 바이패스 유량을 조절하여 예열기 통과 공기와 혼합하여 공기 온도를 조절한다. 배출가스의 양을 갖고 공기예열온도를 조절하는 경우에는 예열기에 바이패스를 설치하여 일정량 이상의 배출가스는 예열기를 통과하지 않도록 설계하는 것이 필요하다. 공기예열온도는 자동으로 제어하는 것이 바람직하며 일반적으로 예열기의 바이패스를 자동으로 조절한다.

ㆍ분진 대책: 관내로 배출가스를 흐르게 하기 때문에 예열관에 배출가스의 분진이 관내에 부착되므로 분진 제거 공구를 備置하고 10 ㎏/㎠ 이상의 압축 공기를 공급할 수 있는 슈트블로우를 설치하는 것이 바람직하다. 또한 예열기 입구 가스 온도가 높으면 분진이 용융하여 예열관에 스케일(Scale)을 형성하여 관내의 압력이 증가한다. 따라서 입구 가스 온도는 500℃ 이하로 유지해야 한다. 가스의 고온부에는 찬공기와 접촉시켜 냉각하여 관벽 온도를 200 - 300℃로 유지하는 것이 좋다.

ㆍ부식 대책: 배출가스에는 HCl, SO_x 등의 부식성 가스가 포함되어 있다. 고온 영역에서는 HCl에 의한 고온 부식과 저온 영역에서는 SO_x에 의한 저온 부식이 발생할 우려가 있으므로 산성 부식에 대해 내성이 뛰어난 재질을 선정해야 하고, 작업 공간을 충분히 확보하여 보수ㆍ점검이 용이해야 한다.

ㆍ設置 位置: 현재까지 많은 경우에 냉각실과 병렬로 설치하였으나, 최근에는 고온 가스에 의한 부식과 분진 고착을 줄이기 위해 가스냉각실 後流측에 설치하는 경향이 두드러지고 있다.

- 증기식 공기예열기: 증기가 응축하면서 방출하는 열량을 이용하여 공기를 예열하는 방식으로 일반적으로 공기예열온도는 포화증기온도에 비해 20-30℃ 낮은 온도로 한다. 증기압력은 25㎏/㎠ 정도, 출구 증기 온도는 200℃정도로 선정하는 것이 바람직하다.

ㆍ공기예열온도의 調整: 연소 공기와 접촉하는 증기량을 조절하여 적정 온도를 유지하며 증기량은 밸브에 의해 주로 조절한다.

ㆍ종류: 핀(Fin)의 유무에 따라 증기식 공기예열기를 구분하며 전열 면적을 증가시켜 효율을 높인 핀튜브식과 핀이 없는 베어튜브로 구분한다. 두 방식 모두 다관식으로 관내에는 증기를 통과시키고 관외에는 연소 공기를 통과시키게 되어 있다. 베어튜브식은 핀이 없어 효율이 낮기 때문에 장치의 규모가 커지기 때문에 설치비가 높으나, 분진 부착이 적고 청소하기가 용이하다. 따라서 공간과 설치비용을 고려하여 적절한 형식을 선정하는 것이 바람직하다.

<그림 5-61> 증기식 공기예열기의 형식

- 직화식 공기예열기: 쓰레기의 발열량이 1,000kcal/kg이하로서 가스식 공기예열기가 없는 경우 또는 증기식 공기예열기를 사용하였으나 공기 온도가 너무 낮은 경우에 설치한다. 주로 소규모 소각로나 증기식 공기예열기에 의해 충분한 예열 온도를 맞추기 힘든 경우에 병용하여 사용하는 경우가 많다. 유동상 소각로의 경우에는 시동할 때와 배출가스의 재가열용으로 이용된다.

ㆍ공기예열온도의 調整: 적정 온도를 유지하기 위해 연소량을 조절한다. 따라서 연소 공기의 온도와 量에 따라 연소량을 결정하게 된다.

ㆍ종류: 직화식은 연료를 연소시키는 예열로의 위치에 따라 外爐式과 內爐式으로 구분할 수 있다. 외로식은 예열로를 별도로 설치하여 공기 예열로에서 연료를 연소시키고 연소 공기를 통과시켜 예열시키며(그림 5-62), 내로식은 덕트내에 공기 예열로를 설치한다(그림 5-63). 연소량을 조절하여 공기온도를 조절한다.

<그림 5-62> 직화식 공기예열기의 형식 (외굴식)

<그림 5-63> 직화식 공기예열기의 형식(내로식)

5.6.3. 통풍 덕트

(1) 定義 및 目的

통풍 덕트는 <그림 5-64>에서 보는 것처럼 공기 흡입구에서 소각로 또는 공기가 필요한 각 장치간을 연결하는 설비로 연소 공기가 누설되는 것이 없이 각 장치에 원활하게 공급할 수 있어야 한다.

<그림 5-64> 통풍 덕트라인

자료: 환경부, 쓰레기 처리시설 구조지침 및 해설, 1991.

(2) 설비 및 구조지침

통풍 덕트는 용접 구조, 통과 공기량에 적합한 형상 및 길이이어야 하고, 통과공기 온도를 고려하여 적합한 온도를 유지할 수 있어야 하고 가압 상태이므로 공기의 누설을 막을 수 있는 구조이어야 한다.

- 보온 시공: 공기예열기 다음에 있는 덕트의 내부에는 고온의 공기가 흐르기 때문에 적정 온도를 유지할 수 있기 위해 보온 시공을 하는 것이 바람직하며, 사람이 덕트위에 올라가 작업하는 경우도 있기 때문에 보온재는 강도가 뛰어난 암면이 바람직하고 화상 위험을 방지하기 위해 보온성이 뛰어난 것을 설치하는 것이 필요하다.

- 댐퍼의 설치: 통풍 덕트의 적절한 위치에 유량을 조절하기 위한 댐퍼를 설치하는 것이 바람직하다. 또한 통풍 덕트의 팽창 수축에 대비하여 적절한 위치에 캔바스(Canvas)를 설치하고 점검이 필요한 댐퍼 부근에 사람이 들어가 작업할 수 있는 공간을 설치하는 것이 필요하다.

- 통풍 덕트의 재질: 일반 구조용 압연강재가 주로 사용되나 옥외에 덕트를 설치할 경우에는 부식을 막기 위해 내구성이 있는 강재를 사용해야 한다. 공기 흡입구인 쓰레기 저장소와 접해 있는 곳은 콘크리트로 만드는 경우도 있다.

- 통풍 덕트의 공기 유속: 일반적으로 최대유속은 12 ㎧ 정도로 설계하는 것이 바람직하며 공기 유속이 높은 경우에는 덕트 크기가 큰 것을 사용하고, 반면에 낮은 경우에는 작은 것을 선정하여 적절한 유속을 유지하는 것이 필요하다.

(3) 종류

- 원형: 구조가 견고하므로 보강재가 필요 없으나 각형과 비교해 보았을 때 내부의 유체 속도를 균일하게 유지하기 위해서는 넓은 공간이 필요하다.

- 각형: 원형과 달리 넓은 공간이 필요하지는 않으나 보강재가 필요하다.

5.6.4. 유인송풍기 (Induced Draft Fan: I.D.F)

(1) 定義 및 目的

유인송풍기는 소각로의 배출 가스를 연도를 통해 대기로 방출시키기 위해 설치하며, 소각로에서 집진 설비를 거치면서 발생한 압력 손실을 보정하여 일정한 압력을 유지하기 위함이 그 설치 목적이다.

(2) 구조 및 설비지침

유인송풍기를 설계할 때에는 계산으로 구한 최대 가스량의 15-30%, 최대풍압의 10-20%의 여유를 가지고 설계하는 것이 바람직하다.

- 유인송풍기의 풍량 산정: 유인송풍기의 풍량 Q는 일반적으로 다음과 같이 표현할 수 있다.

Q = q₁ + q₂ + q₃ + q₄

여기서 q₁: 배출가스량 (쓰레기 가연분의 연소에 대한 가스 발생량 + 쓰레기 중의 수분 발생량 + 과잉공기량)

q₂: 로온 제어에 필요한 냉각용 공기량 (2차공기량)

q₃: 수분사 감온시의 증발수량 (발생 수증기량)

q₄: 유인송풍기의 흡입력으로 가스 系統으로 스며 들어가는 공기량

ㆍ배출가스량(q₁): 배출가스량이 가장 많은 高質 쓰레기를 기준하여 결정하며 이는 다음과 같은 식에서 산정할 수 있다.

V_w = (λ-0.21)L₀ + 1.867C + 11.2H + 0.7S + 0.8N + 1.244W (㎥/㎏)

여기에서 V_w = 습윤연소가스량 (㎥N/㎏)

λ = 공기비

L₀ = 이론공기량 (㎥N/㎏)

C, H, S, N = 단위중량의 쓰레기 가연분 중의 원소분석치로서 탄소, 수소, 황, 질소의 중량 (㎏/㎏)

W = 쓰레기 단위질량당 수분량 (㎏/㎏)

ㆍ2차 공기량(q₂): 소각로와 연소 상태에 따라 변하기 때문에 일정한 양을 결정할 수는 없으나, 소각로의 운전 조건 중 最大量을 기준하여 설정해야 한다.

ㆍ발생 수증기량(q₃): 연소가스의 감온이 폐열보일러에 의해 간접적으로 이루어지는 경우에는 이를 고려하지 않아도 좋다.

ㆍ漏入되는 공기량(q₄): 유인송풍기에 의한 관내에 低壓이 걸리게 되므로 외부로 부터 공기가 유입되는 현상이 나타나며 이는 관내의 氣密 상태와 유인송풍기의 풍압에 따라 달라질 수 있다. 따라서 제작사의 특성에 따른 경험치에 기준하여 설정하는 것이 필요하다.

ㆍ풍량 제어 方式: 일반적으로는 댐퍼를 이용하고 있으나, 대용량의 소각로에서는 통풍기의 회전수를 변화시켜 풍량을 제어하는 방법이 바람직하다.

- 유인송풍기의 여유율: 유인송풍기의 용량은 高質 쓰레기를 기준하여 산출한 總 배출가스량에 대하여 15-30%의 여유율을 두는 것이 바람직하며, 압입송풍기의 용량보다 2배 이상으로 설정하는 것이 일반적이다.

- 풍압 계산: 유인송풍기에 필요한 풍압은 다음의 식에 의해 계산된다.

P = ( - P₁ + P₂ + P₃ + … P_m + P_T )×(1 + γ)

여기서 P₁: 소각로내 압력으로 일반적인 값은 -3∼-10 ㎜Aq임.

P₂-P_m: 연소가스냉각설비, 배가스처리설비, 연도 및 덕트, 세정설비 등에 의한 압력손실

P_t: 연도입구의 풍압 (통상 진공압력이 많고 일반적으로 ±0-50 ㎜Aq 정도가 많으나 ±0으로 계획하는 것이 바람직하다.)

γ: 여유율

ㆍ풍압 선정시 고려사항: 배가스계통에는 연도중의 비산재가 퇴적되어 있고 보일러, 공기예열기 등에도 분진 부착이 많으므로 운전이 장기화될 경우 이들에 의해 통풍 저항이 증가하므로 각각의 기기에서 발생하는 통풍 손실을 고려하여 필요한 최대 풍압 ΣP를 결정해야 한다.

ㆍ여유율: 여유율 γ는 구성 기기의 특성, 보수ㆍ점검 빈도 등에 맞게 범위를 설정하며 일반적으로 10 - 20%의 여유를 주고 있다.

- 풍량과 풍압과의 관계: <그림 5-65>에서 보는 것처럼 풍량과 풍압은 비례 관계에 있으며, 필요 풍량을 유지하기 위한 풍압의 개략적인 값은 아래 관계에서 결정할 수 있다.

<그림 5-65> 필요풍량과 풍압과의 관계

- 운영시 유의 사항: 고온의 배출가스가 내부에 흐르기 때문에 열팽창의 흡수대책 및 축에 전달되는 열의 방열대책, 축의 냉각, 통풍기 케이싱의 보온 둥에 대한 대책을 고려해야 하고 배출가스 중의 분진부착이 많으므로 점검, 청소용의 맨홀을 설치하는 것이 바람직하다. 압입송풍기보다 용량이 크기 때문에 소음 진동이 증가하므로 이를 방지하기 위해 회전수를 1,000-1,200 rpm정도로 유지하고 옥내에 설치하는 것이 일반적이며, 기초를 견고하게 하는 것이 바람직하다.

(3) 송풍기의 종류

- 유인송풍기의 종류는 압입송풍기와 마찬가지로 다익식, 터보식, 라디알식이 있다. 주로 터보식이 많이 이용되나 분진이 많은 경우에는 래디알식이 사용될 수도 있다. 또한 공기를 흡입하는 형식에 따라 편흡입식과 양흡입식으로 나눌 수 있다.

ㆍ편흡입식: 편흡입식은 한쪽 방향에서만 흡입하는 방식으로 수평방향의 하중이 베어링에 걸리는 단점이 있다.

ㆍ양흡입식: 양흡입식은 양쪽 방향에서 흡입하는 방식으로 유인송풍기에 주로 이용되는 방식이다.

<그림 5-66> 송풍기의 종류

5.6.5. 배출가스 덕트 및 연도

(1) 定義 및 目的

배출가스 덕트 및 연도는 배출가스가 통과하는 각 장치를 연결하는 설비로서 강판재로 만들어진 것을 덕트라고 稱하고, 벽돌로 만들어진 것을 연도라고 표현하고 있으며 배출가스가 통과하는 연결관 등을 총칭하여 연도라고 부른다. 일반적으로 배출가스가 통과하는 설비의 흐름도는 <그림 5-67>에서 보는바와 같다.

<그림 5-67> 배출가스 덕트 및 연도의 계통도

자료: 환경부, 쓰레기 처리시설 구조지침 및 해설, 1991.

(2) 설비 및 구조지침

배출가스 덕트 및 연도는 온도, 통과가스량 및 종류에 적합한 형상과 길이를 갖추고 있어야 하며 점검 및 보수가 용이한 구조이어야 한다.

- 배출가스 특성에 적합한 구조: 닥트 내의 배출가스의 성상은 소각로에서 집진 설비, 집진설비에서의 유인송풍기, 세정설비에서 굴뚝까지의 각 설비 사이에 따라 달라지므로 배출가스 특성에 적합한 구조를 결정하는 것이 필요하다.

ㆍ소각로와 집진설비 사이 구조: 소각로와 집진설비 사이의 덕트에는 분진이 많이 포함된 고온의 배출가스가 흐르기 때문에 분진의 침강에 의한 통풍 장애를 막기 위해서 수평부를 설치하지 않는 것이 바람직하며 분진이 퇴적되기 쉬운 부분은 분진을 주기적으로 제거·배출할 수 있는 대책을 세워야 한다. 또한 소각로 부근에서는 고온으로 상승할 우려가 있으므로 내화물로 라이닝하여 강재온도는 약 350℃ 이상으로 올라가지 않도록 해야 한다.

ㆍ집진설비와 유인송풍기 사이의 구조: 집진설비와 유인송풍기 사이에는 집진설비 앞 쪽과 비교하여 분진은 적지만 높은 진공 압력으로 보강재를 설치하여 진동에 대한 대책을 강구하는 것이 바람직하다.

ㆍ유인송풍기와 세정설비 사이의 구조: 유인송풍기와 세정설비 사이에는 가압상태가 되기 때문에 밀봉해서 가스가 누출되지 않도록 해야 한다.

ㆍ세정설비와 굴뚝 사이의 구조: 세정설비와 굴뚝 사이에는 다량의 수분이 첨가되어 응축되므로 이에 따른 부식을 방지하기 위해 내구성이 있는 재료를 선정하거나 가스 온도를 상승시켜 상대 습도를 저하한 후 배출하는 것이 바람직하다.

- 부식 대책: 세정설비까지의 배가스에는 다량의 HCl. SO_x등과 같은 부식성 물질이 함유되어 있기 때문에 강재의 온도가 너무 낮을 경우에 응축되어 부식이 발생하므로 부식 및 火傷防止를 위해 강재를 보온하는 것이 바람직하다.

- 배출가스 덕트의 형상: 배출가스 덕트의 형상에는 각형과 원형이 있으며, 풍속은 15㎧ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

- 재질: 일반적으로 배가스 덕트는 플랜지 이음 또는 용접 구조의 압연강재가 주로 이용되고 연도는 외부를 강판재로 기밀 유지할 수 있는 벽돌을 쌓는 것과 내부에 부정형 내화물로 라이닝하는 것을 주로 사용된다. 또한 외부에 설치하는 덕트의 경우에는 비바람에 의한 노화를 방지하기 위하여 耐候性 강재를 사용하는 것이 바람직하다.

5.6.6. 굴뚝

(1) 定義 및 目的

굴뚝은 소각로에 의해 발생하는 배출가스를 확산시키고, 높이에 따른 통풍력을 얻기 위한 목적으로 설치한다.

(2) 설비 및 구조지침

(1) 굴뚝은 배출가스량의 변화에 적절히 대처할 수 있고 배출가스의 확산이 잘되고 세류현상이 일어나지 않는 구조이어야 한다.

(2) 굴뚝은 통풍력, 배출가스의 대기확산 등을 고려하여 높이 및 직경을 적절하게 설정해야 하며 절절한 장소에 배가스 측정구 및 필요한 발판을 설치해야 한다.

(3) 굴뚝은 손상을 방지하기 위한 대책을 세워야 하며, 철근 콘크리트제 연돌의 윗부분에는 라이닝을 설치하는 것이 필요하며 높이는 적어도 20m 정도는 되어야 한다.

- 통풍력: 통풍력은 굴뚝의 흡인력과 굴뚝 내에서의 마찰력과의 差인 굴뚝 입구의 풍압으로 산정한다. 굴뚝의 흡인력은 다음의 식에서 결정할 수 있다.

여기서 U: 흡인력(㎜H₂O)

H: 굴뚝의 실제높이(m)

T₁: 외기의 온도 (K)

T₂: 굴뚝내 배가스의 평균온도 (K)

일반적으로 소각로에서는 유인송풍기를 사용하기 때문에 통풍력에 문제가 생기는 경우는 거의 없다. 콘크리트 굴뚝의 경우에 있어서는 굴뚝 내부의 풍압이 정압으로 걸리게 되면 배출가스가 굴뚝의 내화벽돌 라이닝을 통해 누설하여 콘크리트 부식의 원인이 되므로 굴뚝 입구의 풍압이 부압이 되도록 설계하는 것이 필요하다.

- 배출가스의 확산: 배출가스는 대기 중으로 빠르게 확산되어 효과적으로 희석되는 것이 필요하며, 배출가스의 확산은 굴뚝의 높이와 배출가스의 온도가 높을수록, 또한 굴뚝 출구의 배출가스 속도가 빠를수록 효과적이다. 아래식은 배출가스가 아래 방향으로 확산되는 대기 중에서의 농도를 나타낸다.

여기서 C_d,m은 배출가스의 아래 방향으로 최대 확산 농도, Q는 배출가스의 단위시간당 배출량, U는 아래 방향으로의 평균 풍속, H는 굴뚝의 효과 높이(실제 높이 + 부력에 의해 상승된 높이), D_z,D_y는 상하 방향 및 수평 방향의 확산 계수이다.

·굴뚝 높이: 위 식에서 알 수 있듯이 굴뚝의 높이가 높을수록 아래 방향으로 확산되는 배출가스의 양은 감소한다 또한 굴뚝의 높이가 소각시설 건물 높이의 2.5배 이하인 경우에는 건물의 영향에 의해 와류가 발생하고 주변 지역에 배출가스가 모여 회전하는 공동 현상(Down Draft)을 일으켜 굴뚝 근처에 고농동의 배출가스가 머물게 된다.

<그림 5-68> 공동현상

·굴뚝 직경: 직경은 굴뚝 출구에서의 배출속도와 굴뚝의 높이를 고려하여 개정해야 한다. 배출속도는 직경의 제곱에 반비례하므로 직경이 작을수록 배출속도는 기하급수적으로 증가한다.

·배출가스 온도: 배출가스의 온도가 높을수록 배출가스의 비중이 감소하여 부력이 증가한다. 따라서 아래 방향으로 확산되는 농도는 감소하게 된다.

·배출가스 속도: 위 식에서 알 수 있듯이 배출가스 속도가 빠를수록 아래 방향으로 확산되는 배출가스의 농도가 감소하기 때문에 확산하는데는 유리하나, 배출가스 속도가 30m/sec 이상이 되면 피리소리 같은 적취 현상이 일어나므로 30m/sce 이하로 제한해야 한다. 반면에 배출속도가 풍속의 2배 이하로 될 경우에는 <그림 5-69>에 도시한 것과 같이 배연가스가 굴뚝 뒤쪽의 부압지역에 흡입되어 회전하는 세류현상(Down Wash)이 발생하므로 굴뚝이 손상되기 쉽다. 또한 배출가스의 양은 쓰레기의 質에 따라 크게 변동하기 때문에 예측하기 어렵고, 최대 발생량을 기준하여 설계하면 배출가스의 양이 적게 발생하는 경우에는 세류현상이 발생하기 쉽다. 따라서 최대와 최소 발생량의 범위내에서 설정하는 것이 바람직하며 세류현상에 대비하여 난간, 사다리에 내부식성의 강재를 사용하는 것이 필요하다.

<그림 5-69> 세류현상

- 굴뚝의 재질: 굴뚝 재질은 강제와 콘크리트를 많이 사용한다. 강제의 경우 내부는 직접 내화물(단열성 캐스터블, 내함수성 캐스터블)로 라이닝하나, 콘크리트의 경우는 열팽창과 단열성을 높이기 위해 외측에는 공기로 내측에는 벽돌로 라이닝한다. 라이닝은 배출가스에 의한 콘크리트 또는 강판의 부식을 방지하기 위해 굴뚝 전체를 하는 것이 바람직하다.

- 강제(鋼製) 굴뚝 손상 원인 및 대책

·손상 원인: 내부 라이닝은 시공 당시에는 pH 11강도를 유지하고 있으나 배가스중의 CO₂, 산성가스와 반응하여 점차 산성화가 되어 화학적 변화에 의해 부식이 발생한다. 또한 약 70℃ 정도의 저온에서는 동판 본체의 내면에 산성가스에 의한 노점 부식이 일어나게 되며 이는 내부 라이닝 손상의 주원인이 된다.

·손상 방지책: 내부 라이닝은 단열성, 내산성, 내침수성을 동시에 고려하여 선정하는 것이 필요하다. 또한 鋼製 통신 외부를 보온하여 적정 온도를 유지시켜 저온에 의한 부식을 방지해야 한다. 이러기 위해서는 배출가스 온도, 방열손실 등을 고려하여 적절하게 외부 온도를 조절하여 연도 덕트 등의 강판 온도를 적정하게 유지한다. 이러한 경우에는 鋼製통신 내·외부에 대한 점검이 용이해야 한다. 이를 위한 구조에 예는 다음 <그림 5-70>에 있다.

<그림 5-70> 라이닝 구조의 例

<그림 5-71> RC 외통 지지 외부 보온굴뚝

- 철근 콘크리트 굴뚝의 손상과 손상방지책

·구조: RC굴뚝의 일반적 구조는 다음<그림 5-72>와 같고 전체적으로 내화벽돌을 쌓은 것이 많다.

<그림 5-72> 공기층이 있는 철근 콘크리트제 굴뚝의 일반적 구조

·손상 원인 및 방지 대책: 손상의 원인으로는 선단에 노즐을 설치할 경우 노즐에서 나온 배가스가 외부공기를 빨아 들이면서 온도를 저하시켜 결로에 의해 산부식을 일으키는 경우와 배출 산성가스류에 의해 통신이 부식되어 약화되는 경우가 있다. 콘크리트 통신의 내·외면 온도차가 20℃ 이상이 될 경우 내부 응력에 의해 콘크리트가 절단되기 때문에 위의 <그림 5-72>와 같이 단열이 필요하게 되고 통기공이 폐쇄되지 않도록 유의해야 한다. 배출가스에 의한 영향은 배출가스가 공기층에 유입될 경우 배출가스에 의해 통신이 약화되므로 공기층의 기능이 원활이 이루어질 수 있도록 유의해야 한다. 이외에 벽돌의 현상 및 시공에 유의하고 RC 내면에 내산성 塗料를 칠하는 방법이 있다. 노즐을 설치할 경우에는 굴뚝 내압이 증가하지 않도록 유의해야 한다.

- 굴뚝의 종류 및 선정: 굴뚝의 종류는 <그림 5-73>에서 보는 것처럼 공법에 따라 분류하기도 하며 일반적으로 집합형과 일통형으로 나누고 있다. 집합형은 운전소각로 數에 다라 배출속도가 변화하는 것을 막을 수는 있지만 가격은 고가이다. 일통형은 배출가스 속도의 변화에 적절하게 대처할 수 있도록 설계하는 것이 필요하다. 소각시설의 규모가 큰 경우에는 배출가스의 총량이 지역에 미치는 영향이 크기 때문에 소각로 기수당 굴뚝을 설치하는 것이 바람직하다. 그러나 건설비, 보수정비비가 고가이기 때문에 1통식, 1로 1굴뚝방식중 시설의 규모, 지형, 주요환경조건 등의 외적조건, 경제성을 고려하여 선정하는 것이 바람직하다.

<그림 5-73> 굴뚝의 종류

-부대시설: 굴뚝하부에는 청소구, 응축수 배출구, 정상에는 피뢰침 설비를 설치하는 것과 함께 측정구 및 측정구용의 사다리 발판 등을 설치해야 한다.