KR100188311B1 - 소각설비에 사용되는 배기가스 처리장치 - Google Patents

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미나미 이조
히타치 조센 가부시키가이샤
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Abstract

배기가스가열을 효과적으로 이용할 수 있는 소각설비에 사용되는 배기가스 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
폐기물 소각로(2)에서 배출되는 배기가스를 냉각시키기 위한 온도조절기(11)와, 상기한 온도조절기(11)에서 냉각된 배기가스의 먼지를 제거하기 위한 백 필터(12)와, 백 필터(12)에서 공급된 배기가스를 촉매에 의해 질소산화물을 제거하기 위한 질소산화물 제거기(14)와, 상기한 폐기물 소각로(2)에서 배출된 고온의 배기가스를 공기와 함께 냉각시키는 1차 열교환기(21)와, 상기한 폐기물 소각로(2)에서 배출된 고온의 배기가스와 상기한 백 필터(12)에서 공급된 저온의 배기가스를 가열하기 위한 2차 열교환기(22)로 구성된 상기한 온도 조절기(11)로 구성되어 있다.

Description

소각설비에 사용되는 배기가스 처리장치
제1도는 본 발명의 한 실시예에 의한 배기가스 처리장치를 표시한 블록 선도이다.
제2도는 배기가스 처리장치의 온도조절기의 구성을 표시한 도면이다.
제3도는 배기가스 처리장치의 온도조절기를 표시한 정면도이다.
제4도는 배기가스 처리장치의 온도조절기를 표시한 측면도이다.
제5도는 PFA수지 코팅의 두께에 대한 열 전도성과 반팽창성의 특징을 그래프로 표시한 도면이다.
제6도는 온도조절기의 변형예를 표시한 정면도이다.
제7도는 온도조절기의 다른 변형예를 표시한 정면도이다.
제8도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 온도조절기의 구성을 표시한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 폐기물 소각로 11 : 온도 조절기
12 : 백 필터 13 : 관로
14 : 질소산화물 제거기 15 : 가열기
21 : 1차 열교환기 22 : 2차 열 교환기
본 발명은 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 예를 들면, 폐기물 소각설비에 쓰여지는 것이다.
종래의 폐기물 소각설비는 소각로에서 비산재를 걸르기 위한 백 필터(bag filter)로 공급하므로써 배기가스를 방출하였다. 일반적으로 배기가스를 백 필터에 공급하므로써 온도를 떨어뜨리고, 그 결과 배기가스가 한차례 냉각된다. 예를 들어 제트(jet)형 수주인 온도조절기에 의해 온도가 섭씨 280℃에서 170℃로 변화한다. 비산재를 백 필터에 걸르는 방식으로 배기가스를 냉각시킨 후에 배기가스를 가열기(heater)에 의해 다시 가열한 다음, 질소산화물 제거기에서 촉매에 의해 질소산화물이 제거되며, 그리고, 굴폭((stack)에 의해 대기중으로 방출된다. 배기가스가 촉매에 의해 질소산화물 제거가 이루어지기 위해서는 온도가 약 230℃로 증가해야 하기 때문에 가열기에 의한 재가열이 필요하다.
상기한 배기가스 처리는 배기가스를 온도 조절기에 의해 한차례 냉각시킨 후 가열기에 의해 가열한다.
배기가스의 가열은 효과적인 이용에 저촉되고, 또한 매우 비경제적이다.
따라서 본 발명은 배기가스 가열을 효과적으로 이용할 수 있는 소각설비에 사용되는 배기가스 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한가지 구성에 의하면, 소각 설비가 포함된 배기가스 처리장치를 제공한다. 소각로(incinerator)에서 부터 배기가스를 온도조절기에 의해 냉각시켜서 배출하고, 온도 조절기에 의해 냉각된 배기가스에서 먼지를 집진기(dust collect)로 이동 시킨다. 그리고, 집진기에서 배기가스를 촉매에 의한 질소 산화물이 제거되는 질소산화물 제거기(denitrator)로 공급한다. 소각로에서 배출된 고온의 배기가스는 공기와 함께 온도조절기의 1차 열교환기로 이송되고, 소각로에서 배출되는 고온의 배기가스와 백 필터에서 공급된 저온의 배기가스를 가열하기 위해 2차 열교환기로 이송된다.
상기한 배기가스 처리장치에 있어서, 2차 열교환기에서 질소산화물 제거기까지 배기가스를 이송시키기 위한 관로 사이에, 배기가스를 가열하는 가열기를 제공한다. 1차 열교환기의 배기가스가 접촉하는 부분에서 산로점(acid-dew-point)에서의 부식을 방지하기 위해 피복제재를 덮는다. 피복제재는 PFA수지를 사용하고, 1차 열교환기의 피복의 두께는 건조 후 200㎛에서 1000㎛이다. 1차와 2차 열교환기는 다중파이프형 열교환기를 가로지르고, 1차 열교환기는 2차 열교환기와 일체형으로 평행하게 배치된 형상으로 분할되었다.
상기한 구성에 따라 폐기물 소각로에서 백필터로 공급된 배기가스가, 촉매장치를 사용하기 위해 요구되어 지는 온도로 형성되기 위해 2차 열교환기에 의해 가열한다. 따라서, 본 발명의 배기가스 처리장치는 종래의 배기가스 처리장치보다 더 경제적이고, 한번 냉각된 배기가스를 가열하는 것에 적합하다.
추가로, 1차 열교환기의 배기가스가 접촉되는 부분에 PFA수지로 피복을 하고 건조후 두께가 200㎛에서 1000㎛가 적당하다. 따라서 1차 열교환기의 열전도성의 손상없이 부식에 대한 충분한 저항력을 보장한다. 더 나아가 두개의 열교환기로 이루어진 온도 조절기는, 한가지 열교환기는 다른 한가지 열교환기와 일체적으로 평형하게 배치된 형상으로 분할되었다. 따라서 온도조절기의 크기를 축소할 수 있다.
제1도 내지 제8도는 본 발명의 한 실시예를 표시한 것이다. 제1도는 배기가스 처리장치(1)의 구성을 표시한 것으로 예컨데, 폐기물 소각장치(다른 표본으로의 소각장치에는 공업용 쓰레기소각장치 타고 남은 재의 용융장치, 발전설비, 기름정제설비 등이 포함된다)이다. 배기가스 처리장치(1)에서 비산재 또는 이와 유사한 것들이 배기가스와 방출되어 폐기물 소각로(2)로 이동하고, 배기가스는 다시 촉매에 의해 질소산화물이 제거되어 지고, 다시 굴뚝(3)에 의해 대기중으로 배출된다. 배기가스 처리장치(1)는 폐기물 소각로(2)에서 이송된 배기가스를 온도 조절기(11)에서 예정된 온도(예를 들면, 뒤에 설명되는 백 필터가 견딜수 있는 온도는 약 170℃이다)로 냉각하고, 온도 조절기(11)에서 냉각된 배기가스의 먼지들은 백필터(집진기)(12)로 이송되고, 백 필터(12)에서 배기가스 관로(13)를 따라 촉매에 의한 질소산화물 제거를 위해 질소산화물 제거기(14)로 공급되고, 배기가스를 가열하기 위해 배기가스 관로(13)의 중앙에 가열기(heater)(15)가 설치되어 진다.
온도 조절기(11)는 폐기물 소각로(2)에서 배출된 고온의 배기가스를, 공기와 함께 냉각하는 1차 열교환기(21)와 백 필터(12)에 공급되는 저온의 배기가스를 고온의 배기가스와 함께 가열하는 2차 열교환기(22)로 구성되어 있다. 2차 열교환기(22)는 1차 열교환기(21)의 배기가스 통로 보다 위쪽에 설치되어 있다.
제2도는, 열교환기(21),(22)가 다중 파이프형 열교환기(shell-and-tube-type)를 가로지르고 있다. 제2도의 화살표는 배기가스와 공기의 흐름을 표시한다. 더욱 정확하게, 고온의 배기가스는 2차 열교환기(22)의 셸(shell) (22b)로 이송되고, 백 필터(12)에서 이동된 저온의 배기가스는 2차 열교환기(22)의 튜브(tube)(22b)로 이송된다. 배기가스는 2차 열교환기(22)의 셸(22a)에서 1차 열교환기(21)의 아래쪽에 설치되어 있는 셸(21a)로 공급하고, 1차 열교환기의 튜브(21b)로 냉각제로써의 공기가 공급된다.
제2도의 확대된 부분은, 튜브(21b)의 외표면으로써 셸의 내표면과 튜브장치와 그외 1차 열교환기(21)의 배기가스 접촉부분에 산로점의 부식을 방지하기 위해 피복제재(23)(예를 들어, 플루오르 카본(fluoro carbon)수지, 또는 세라믹수지)를 피복한다. 따라서 튜브(21b)의 외표면 또는 그와 유사한 부분의 부식을 방지할 수 있다. 이것을 구체화 하기위해 1차 열교환기(21)을 화살표를 따라 셸(21a)의 안쪽으로 배기가스가 흐르도록 구성하였다. 이것은 튜브(21b)의 외표면을 피복하는 것이 튜브(21b)의 내표면을 피복하는 것보다 쉽기 때문이다.
피복제재(23)를 상세히 설명하면, 플루오르 카본수지 피복은 산로점에 의한 부식방지를 위해 1차 열교환기(21)의 튜브(21b)의 외표면의 피복에 이용된다. 피복제재(23)는 배기가스와 접촉하는 1차 열교환기(21)의 튜브장치와, 셸과 그외 다른 부분의 내표면에도 피복될 수 있다. 더욱 상세히 설명하면, 1차 열교환기(21)의 튜브(21b) 외표면은 PFA(테트라 플루오르 에틸렌(tetrafluoroethylene)과 퍼플루오르알킬 비닐 에테르(perfluoroalkyl vinyl ether)의 혼성 중합체)수지로 피복되고 두께는 200㎛~1000㎛이고, 되도록이면 건조후 두께가 200㎛~400㎛가 적당하다. 튜브(21b)의 가장 좋은 제재는 연강, 또는 스테인레스강도 포함된다. 피복제재를 PFA수지를 기초로 피복하여 표1를 참고하여 적합한 두께인 200㎛~400㎛에서 다른 종류의 수지들과 비교하여 설명한다.
강관 25.4mm에 여러가지의 플루오르 카본수지를 피복하여 내식성실험과 열 사이클 부하시험과 굽힘시험을 실시하였다. 플루오르 카본수지의 적용 실예는 테트라 플루오르 에틸렌(tetrafluoroethylene)과 헥사플루오르 프로필렌(hexafluoropropylene)의 혼성 중합체(FEP)와, 폴리테트라 플루오르 에틸렌(polytetrafluoroethylene) (PTFE)와, 폴리클루오르트리 플루오르 에틸렌(polychlorotrifluoroethylene) (PCTFE) 등이 사용되었다. 내식성 실험은 아래의 조건인 황산80%(140℃의)와, 염소산20%(chloric acid)(끊는점의)의 가장 엄격한 환경에서 실험이 시행되었다. 열 사이클 부하시험은 반복적인 냉각(0℃까지)과 가열(200℃까지)로 실행되었다. 실험의 결과는 표1에 표시하였다. 표1에 표시하듯이, PFA수지는 산화 내식성과 열저항력과 연성이 가장 우수했다.
다음은, 반팽창성을 유지하는 상태에서 산화침액하에서 온도변화와 열전도성을 조사하여 PFA수지의 두께가 어떤 영향을 주는지 조사하였다. 이 사례는 1.5mm의 두께를 갖고 있는 스테인레스강에 PFA수지를 피복하여 기질(suvstuate)을 조사하였고, 결과는 제5도에 표시하였다.
제5도에서 볼 수 있듯이, PFA수지의 코팅두께는 200㎛~400㎛가 바람직하며, 더 바람직하게는 300㎛~400㎛이면 부식 저항력과 반 팽창부분의 열전도성이 없어야 하는 등의 요건을 충족시킬 수 있다. 부식성 실험은 아래조건과 같은 실험환경에 의해 실행되었다. 강관(25.4mm)의 외표면에 PFA수지를 200㎛~400㎛의 두께로 피복하는 조건으로 항산80%(140℃)와 염소산20%(끊는 점)로 피복하고, 내표면은 공기와 함께 냉각하였다. 열사이클 부하시험은 아래조건과 같은 실험환경에 의해 실행되었다. 강관의 외표면을 180℃로의 가열과 실내온도로의 냉각을 계속 되풀이하였고 내표면은 공기와 함께 냉각하였다. 이 실험들로 PFA수지 코팅의 두께가 200㎛~400㎛에서 가장 우수한 성과를 얻었음이 드러났다. 다른 실시예는 강관에 PTFE수지를 기계적으로 피복하는 것은 부식 저항력이 우수한 열전도관 임이 나타났다. 그러나, 강관에 PTFE수지를 피복하면 접착성이 떨어지고 그 결과, 열 전도성과 부식 저항력이 떨어짐이 나타났다. 또한, PTFE수지 코팅부에 약간의 기계적 충격을 가하면 코팅부에 커다란 상처가 생긴다. 더우기 열 사이클을 받게되면 PEFE수지 코팅은 이완된다.
제3도와 제4도는 온도조절기(11)의 구성을 상세히 표시하였다. 온도조절기(11)에서 2차 열교환기(22)의 윗부분에 프레임(frame)(31)이 설치되어 있고, 1차 열교환기(21)는 (21A)와 (21B)의 두 부분으로 분할된 상태로 연속적으로 접촉되어 있고, 2차 열교환기(22)하부에 평행하게 설치되어 있다. 1차 열교환기와 2차 열교환기(22)는 폭방향으로의 길이는 서로 같지만, 세로 방향의 길이는 2차 열교환기(22)가 1차 열교환기(21)의 약 2배이다. 그러나, 1차 열교환기(21)는 2차 열교환기(22) 하부에 두 부분으로 분할된 상태로 평행하게 설치되어 있고, 따라서 열교환기(11)의 크기를 축소할 수 있다.
종래의 배기가스 처리장치는 폐기물 소각로에서 부터 40.000Nm3/hr의 속도로 배기가스를 처리할 능력이 있고, 예컨데 열교환기는 2m x 2m x 5m(높이)의 크기 인데나, 제트형수주 온도조절기의 크기는 10m(높이) x 2.5m이고 직경은 3m이다. 이와 대조되게, 본 발명의 온도조절기(11)의 두 열교환기(21),(22)는 2.5m x 1.8m x 2.5m(높이)의 면적만을 필요로 하고, 따라서 종래의 온도조절기와 열교환기를 비교하여 온도조절기(11)를 축소할 수 있다.
공기는 1차 열교환기(21)에 공급되는 열을 흡수하여 질소산화물제거기(14)에서 배기가스가 하얀연기(white smoke)로 배출되는 것을 방해한다.(결국 여기서 하얀연기는 배기가스의 온도가 낮아서 수증기를 포함하여 흰색으로 보이는 배기가스로 규정한다.) 이러한 현상으로 인하여 하얀연기를 예방할 수 있다. 배기가스는 고온(예를 들어 280℃)으로 폐기물 소각로(2)에서 배출되어 온도를 낮추기 위해 2차 열교환기(22)와 1차 열교환기(21)로 이송된다. 칼슘수산화물(calciumnydroxide)을 냉각된 배기가스에 첨가한다. 예를 들어 열교환기(22),(21)의 170℃의 온도가 백 필터(21)로 가는 도중에 칼슘 수산화물이 첨가된다. 배기가스의 비산재는 백 필터(12)에 의해 걸러지고, 배기가스는 2차 열교환기(22)에 의해 가열된다.
배기가스는 더욱 가열된다. 예를 들어 배기가스 관로(13) 사이에 설치된 가열기(15)에 의해 배기가스는 약230℃가 되고, 그후 촉매에 의한 질소산화물제거를 위해 질소산화물제거기(14)로 공급된다.
공기는 1차 열교환기(21)에서 배기가스 냉각에 의해 열을 흡수하여 배기가스가 질소산화물 제거기(14)에서 하얀연기로 배출되는 것을 방지하고, 배기가스는 굴뚝(3)을 통해 배출된다.
백 필터(12)에서 배출된 배기가스는 촉매에 의한 질소산화물제거의 작동에 필요한 온도로 가열하기 위해 2차 열교환기(22)로 이송된다. 따라서 배기가스 처리장치에 대한 본 발명은, 종래의 배기가스 처리장치에 비해 가열기에 의해서만 배기가스를 가열하므로 더욱 경제적이다.
또한, 온도조절기(11)는 두개의 열교환기(22),(22)가 수직으로 분리되어 있고, 하나의 열교환기(21)는 두개의 부분으로 서로 평행하게 분할되어 있으므로 온도조절기(11)의 크기는 함축성 있게 축소할 수 있다.
상기한 실시예에 상술한 것처럼, 1차 열교환기(21)는 2차 열교환기(22) 하부에 두개의 부분으로 분할되어 평행하게 설치되어 있고, 제6도에 표시한 것처럼 두개의 부분(21A),(21B)으로 분할된 1차 열교환기(21)가 2차 열교환기(22) 위에서 설치되어 평행하게 설치될 수도 있고, 다른 방법으로는 제7도에 표시한 것처럼 1차 열교환기(21)와 2차 열교환기가 옆쪽으로 평행하게 설치될 수도 있다.
또한, 상기한 실시예에서 설명한 것처럼 고온의 배기가스는 2차 열교환기(22)의 셸(22a)로 공급되는 것이 적당하고, 제8도에서 표시한 것과 같이 고온의 배기가스는 다시 튜브(22b)로 공급되어 진다. 그러나, 제2도에 표시한 구성을 보면 배기가스에 포함된 비산재 등 먼지가 2차 열교환기(22)의 내표면에 부착되어 있어서 이 먼지를 제거하기 위해 튜브(22b)의 바깥쪽으로 배기가스가 흐르도록 하였다. 또한, 상기한 실시예에서 설명한 것처럼, 2차 열교환기(22)에서 질소산화물 제거기(14)로 연결하는 배기가스 관로(13)사이에 가열기(15)를 설치한다. 그 가열기(15)를 필요치 않을 수도 있다.
본 발명은 상기한 실시예에서 상세히 설명하였고, 본 발명의 취지에서 벗어남이 없이 청구범위에 첨부되어 있는 여러가지 변형은 이해할 수 있는 것이다.

Claims (7)

  1. 폐기물 소각로(2)에서 배출된 배기가스를 냉각하기 위한 온도조절기(11)와, 상기한 온도조절기(11)에 의해 냉각된 배기가스의 먼지를 제거하기 위한 백 필터(12)와, 상기한 백 필터(12)에서 공급된 배기가스의 질소산화물을 촉매에 의해 제거하기 위한 질소산화물 제거기(14) 등으로 구성되고, 상기한 온도 조절기(11)는 공기와 함께 폐기물소각로(2)에서 배출된 고온의 배기가스와 백 필터(12)에서 공급된 저온의 배기가스를 가열하는 2차 열교환기(22)로 구성된 것을 특징으로 하는, 소각설비에 사용되는 배기가스 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 배기가스를 가열한 상기한 2차 열교환기(22)와 상기한 질소산화물 제거기(14)를 연결하는 관로(13) 사이에 배기가스를 가열하기 위한 가열기(15)를 설치한 것을 특징으로 하는 소각설비에 사용되는 배기가스 처리장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기한 1차 열교환기(21)의 배기가스가 접촉하는 부분에 산로점(acid-dew-point)에서의 부식을 방지하기 위해, 피복제재를 피복한 것을 특징으로 하는 소각설비에 사용되는 배기가스 처리장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기한 1차 열교환기(21)의 배기가스가 접촉되는 부분에 산로점에서의 부식을 방지하기 위해, 피복제재를 피복한 것을 특징으로하는 소각설비에 사용되는 배기가스 처리장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기한 1차 열교환기(21)의 배기가스와 접촉하는 부분에 PFA수지를 피복제재로 사용하고 피복하고, 두께는 200㎛~1000㎛로 하는 것을 특징으로하는 소각설비에 사용되는 배기가스 처리장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기한 1차 열교환기(21)의 배기가스와 접촉하는 부분에 PFA수지를 피복제재로 사용하여 피복하고, 두께는 건조후 200㎛~1000㎛로 하는 것을 특징으로하는 소각설비에 사용되는 배기가스 처리장치.
  7. 제1항 내지 제6항에서, 상기한 1차 열교환기(21)와 2차 열교환기(22)는 다중파이프형 열교환기를 가로지르고, 상기한 1차 열교환기(21)는 두께의 부분으로 분할되어 배치되었고, 2차 열교환기(22)와는 평행하게 배치된 것을 특징으로 하는 소각설비에 사용되는 배기가스 처리장치.
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