KR100189841B1

KR100189841B1 - A burning method for liquid stated waste by plasma

Info

Publication number: KR100189841B1
Application number: KR1019960051473A
Authority: KR
Inventors: 김관엽; 박현서; 지용해
Original assignee: 김징완; 삼성중공업주식회사
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 1999-06-01
Also published as: KR19980031908A

Abstract

플라즈마를 이용하여 높은 에너지 효율로 액상 폐기물을 처리하기 위한 처리방법이 개시된다.A treatment method for treating liquid waste at high energy efficiency using plasma is disclosed.

플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리방법은: 액상 폐기물을 기화시키는 단계; 고전압이 인가되는 양극과 음극이 마련된 플라즈마 토치의 플라즈마 발생실 내부에 반응가스와 기화된 상기 폐기물의 일부를 혼합 주입시켜 플라즈마를 발생시키는 단계; 상기 플라즈마를 반응로의 주입구로 분사하여 반응로 내로 플라즈마를 주입하는 단계; 기화된 상기 폐기물의 나머지를 상기 반응로의 주입구로 혼합 주입시켜 상기 플라즈마와 혼합 반응시키는 단계;를 포함하며, 이로써, 낮은 소모에너지를 액상 폐기물을 효율적으로 폐기할 수 있어서 소모 전력을 낮추며, 반응로 내부 온도를 낮추어 반응로의 냉각에 필요한 냉각장치의 규모적 부담을 줄인다.A liquid waste treatment method using plasma includes: vaporizing liquid waste; Generating a plasma by mixing and injecting a part of the waste gas and the reaction gas into a plasma generating chamber of a plasma torch provided with an anode and a cathode to which a high voltage is applied; Injecting the plasma into the reactor to inject the plasma into the reactor; And mixing and injecting the remainder of the vaporized waste into the inlet of the reactor to mix and react with the plasma, whereby low energy consumption can efficiently dispose of the liquid waste, thereby lowering power consumption. Lowering the internal temperature reduces the scale burden on the cooling system required to cool the reactor.

Description

Waste treatment method using plasma

본 발명은 플라즈마를 이용한 폐기물 처리 방법에 관한 것으로서, 상세히는 액상의 폐기물을 높은 효율과 낮은 처리비용으로 폐기물을 처리할 수 있는 폐기물 처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a waste treatment method using plasma, and more particularly, to a waste treatment method capable of treating waste in liquid waste with high efficiency and low treatment cost.

플라즈마를 이용한 폐기물 처리 방법은 플라즈마의 고온 화염대에서 폐기물을 열적으로 분해시키는 장치로서 일반적인 소각장치로 처리될 수 없는 난분해성 물질이나 인체에 유해한 물질을 처리하는데 유용하다. 종래에는 플라즈마를 이용해 액상 폐기물을 처리하기 위하여 반응로로 부터의 열을 회수할 수 있도록 반응로의 주위를 감싸고 있는 예열관로를 상기 액상 폐기물을 기화시킨 후 이를 프라즈마 토치로 부터의 플라즈마와 함께 반응로 내부로 주입하도록 되어 있다. 즉, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 프라즈마 토치(1) 내의 플라즈마 발생실(5)에 공기와 수증기 그리고 질소 가스 등이 혼합된 반응가스(2)를 주입하여 플라즈마 발생실(5)내에 마련된 음극(3)과 양극(4)에 인가되는 고전압에 의해 플라즈마(9)를 발생시키고 이 플라즈마를 반응로(6) 내로 분사하도록 하는 한편, 플라즈마가 주입되는 반응로(6)의 입구측, 즉 플라즈마의 하류측에 폐기물(7a)을 주입하여 반응로(4) 내에서 플라즈마와 폐기물(7a)이 혼합되면서 분해되도록 하고 있다. 전술한 바와 같이, 액상 폐기물(7)은 반응로(6) 내로 주입되기 전에 반응로(6)의 주위를 순환하는 예열 관로(8)를 통과하면서 미리 고열상태로 예열 기화된다.The waste treatment method using plasma is a device for thermally decomposing waste in a high temperature flame zone of plasma, and is useful for treating hardly decomposable substances or substances harmful to the human body that cannot be treated with a general incinerator. Conventionally, in order to treat liquid waste using plasma, vaporize the liquid waste in a preheating line surrounding the reactor to recover heat from the reactor and then, together with the plasma from the plasma torch, It is intended to be injected into. That is, conventionally, as shown in FIG. 1, the reaction gas 2 in which air, water vapor, nitrogen gas, etc. are mixed into the plasma generating chamber 5 in the plasma torch 1 is injected into the plasma generating chamber 5. The plasma 9 is generated by the high voltage applied to the cathode 3 and the anode 4 and the plasma is injected into the reactor 6, while the plasma is injected into the inlet side of the reactor 6, namely The waste 7a is injected downstream of the plasma so that the plasma and the waste 7a are mixed and decomposed in the reactor 4. As described above, the liquid waste 7 is preheated and vaporized in advance to a high temperature while passing through a preheating line 8 circulating around the reactor 6 before being injected into the reactor 6.

이러한 종래의 방법의 결점은 저밀도의 기화 폐기물을 매우 높은 압력의 플라즈마 하류측으로 공급되기 때문에 폐기물이 플라즈마의 고온영역인 중심부분으로 침투되지 않고 상대적으로 낮은 온도영역인 프라즈마의 주변영역을 통과하므로 플라즈마와의 반응이 충분히 일어날 수 없다는 것이다. 이와같이 불충분한 반응을 보완하기 위하여는 그 만큼 플라즈마 에너지를 높여야 하며, 이에 따라 소비 에너지가 과중하게 된다. 또한 이와 같이 여진 플라즈마 에너지에 의해 반응로의 내부가 매우 높은 온도로 과열되기 때문에 이를 냉각시키는 데에도 많은 에너지가 요구되고, 또한 반응로의 냉각을 위한 냉각 설비의 비대화가 초래된다.The drawback of this conventional method is that the low-density vaporized waste is fed downstream of the plasma at a very high pressure so that the waste does not penetrate into the central portion, which is the hot region of the plasma, and passes through the peripheral region of the plasma, which is a relatively low temperature region. Is that the reaction cannot occur sufficiently. In order to compensate for this insufficient reaction, the plasma energy must be increased by that amount, and the energy consumption is excessive. In addition, since the inside of the reactor is overheated to a very high temperature by the excited plasma energy, a large amount of energy is required to cool the reactor, and the cooling equipment for cooling the reactor is enlarged.

본 발명은 폐기물을 플라즈마와 효율적으로 혼합시켜 폐기물 소각에 요구되는 에너지를 절감할 수 있는 플라즈마에 의한 액상 폐기물 처리 방법을 제공함에 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a method for treating liquid waste by plasma which can efficiently mix waste with plasma to reduce the energy required for waste incineration.

또한 본 발명은 효율적인 폐기물의 처리에 의해 반응로의 냉각 설비의 구조적 부담을 경감시켜 줄 수 있는 액상 폐기물 처리 방법을 제공함에 그 다른 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a liquid waste treatment method that can reduce the structural burden of the cooling equipment of the reactor by the efficient waste treatment.

도 1은 플라즈마를 이용한 종래 폐기물 처리방법을 설명하기 위한 도면,1 is a view for explaining a conventional waste treatment method using a plasma,

도 2는 플라즈마를 이용한 본 발명에 따른 폐기물 처리방법을 설명하기 위한 도며,2 is a view for explaining a waste treatment method according to the present invention using a plasma,

도 3은 본 발명 폐기물 처리방법에 적용되는 플라즈마 액상 폐기물 처리장치의 일례를 보인 개략적 단면도이며, 그리고3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a plasma liquid waste treatment apparatus applied to the waste treatment method of the present invention, and

도 4는 도 3에 도시된 플라즈마 액상 폐기물 처리장치에 적용되는 플라즈마 토치의 발췌 단면도.4 is a cross-sectional view of the plasma torch applied to the plasma liquid waste treatment apparatus shown in FIG.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 액상 폐기물 처리방법은: 액상 폐기물을 기화시키는 단계; 고전압이 인가되는 양극과 음극이 마련된 플라즈마 토치의 플라즈마 발생실 내부에 반응가스와 기화된 상기 폐기물의 일부를 혼합 주입시켜 플라즈마를 발생시키는 단계; 상기 플라즈마를 반응로의 주입구로 분사하여 반응로 내로 플라즈마를 주입하는 단계; 기화된 상기 폐기물의 나머지를 상기 반응로의 주입구로 혼합 주입시켜 상기 플라즈마와 혼합 반응시키는 단계;를 포함한다.In order to achieve the above object, a liquid waste treatment method according to the present invention comprises: vaporizing a liquid waste; Generating a plasma by mixing and injecting a part of the waste gas and the reaction gas into a plasma generating chamber of a plasma torch provided with an anode and a cathode to which a high voltage is applied; Injecting the plasma into the reactor to inject the plasma into the reactor; And mixing and injecting the remainder of the vaporized waste into the inlet of the reactor to mix and react with the plasma.

상기 본 발명의 방법에 있어서, 상기 액상 폐기물의 기화는 반응로로부터 발생되는 반응열을 이용하는 것이 바람직하다.In the method of the present invention, the vaporization of the liquid waste is preferably using the heat of reaction generated from the reactor.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 액상 폐기물의 처리방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하다.Hereinafter, a preferred embodiment of a method for treating liquid waste according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본발명의 처리방법을 설명하기 위한 플라즈마 처리 장치의 개략적 구성도이며, 도 3은 본 발명이 적용되는 플라즈마 폐기 장치의 개략적 측면도, 도 4는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 토치의 개략적 측면도이다.FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a plasma processing apparatus for explaining the treatment method of the present invention, FIG. 3 is a schematic side view of a plasma disposal apparatus to which the present invention is applied, and FIG. 4 is a schematic side view of a plasma torch generating plasma.

먼저 도 2를 살펴보면, 본 발명의 액상 폐기물 처리 방법은 예열관로(80)를 통과하면서 기화된 폐기물(50)을 플라즈마 토치(10)와 반응로(60)로 분배하여 공급하는 점에 그 특징을 찾아 볼수 있다. 플라즈마 토치(10)는 음극(30)과 양극(40)이 소정간격을 두고 설치되어 있는 플라즈마 발생실(50)을 갖춘다. 음극(30)의 가까이에는 반응가스공급장치(22)로 부터의 반응가스와 예열관로(80)를 거쳐 액상폐기물 공급장치(71)로부터 공급되는 폐기물(70a)이 혼합 주입되는 혼합가스주입부(21)가 마련된다. 한편, 상기 플라즈마 발생실(50)로부터 분사되는 플라즈마의 하류측에는 반응로(60)가 위치하는데, 이 반응로(60)의 주위에는 전술한 예열관로(80)가 설치되고, 반응로(60)의 입구측에는 폐기물 주입구(61)이 마련된다.First, referring to FIG. 2, the liquid waste treatment method of the present invention distributes the vaporized waste 50 to the plasma torch 10 and the reactor 60 while passing through the preheating pipe 80. You can find it. The plasma torch 10 includes a plasma generating chamber 50 in which a cathode 30 and an anode 40 are provided at predetermined intervals. In the vicinity of the cathode 30, the mixed gas injecting unit in which the reaction gas from the reaction gas supply device 22 and the waste 70a supplied from the liquid waste supply device 71 are mixed and injected through the preheating line 80 ( 21) is prepared. Meanwhile, a reactor 60 is located downstream of the plasma sprayed from the plasma generation chamber 50, and the preheating pipe line 80 described above is provided around the reactor 60, and the reactor 60 is provided. At the inlet side of the waste inlet 61 is provided.

도 3은 상기 도 2에 도시된 플라즈마 액상 폐기물 처리장치의 보다 구체적인 구조를 보인 개략적 단면도이며, 도 4는 도 3에 도시된 플라즈마 액상 폐기물 처리장치의 플라즈마 토치를 발췌 도시한 개략적 부분 절개 측면도이다.Figure 3 is a schematic cross-sectional view showing a more specific structure of the plasma liquid waste treatment apparatus shown in FIG. 2, Figure 4 is a schematic partial cutaway side view showing an extract of the plasma torch of the plasma liquid waste treatment apparatus shown in FIG.

도 3과 도 4에 있어서, 42는 플라즈마의 아아크를 회전시켜 전자충돌에 의한 양극(40)의 손상을 억제하기 위한 마그네틱 코일이며, 41은 음극(30)과 양극(40) 사이의 주방전이 일어나기 전에 초기 플라즈마를 발생시키는 보조양극이며, 64는 플라즈마 토치(10)로 부터의 플라즈마를 반응실(63)으로 안내해 주는 내열성 블록이며, 62는 단열층이다. 이러한 구조에 있어서, 반응가스와 폐기물(70a)가 주입되는 혼합가스 주입구(21)는 보조 양극(41)과 양극(40) 사이에 위치해 있다.3 and 4, 42 is a magnetic coil for rotating the arc of the plasma to suppress the damage of the positive electrode 40 due to electron collision, 41 is a discharge between the negative electrode 30 and the positive electrode 40 occurs Auxiliary anode which generates an initial plasma previously, 64 is a heat resistant block which guides the plasma from the plasma torch 10 to the reaction chamber 63, and 62 is a heat insulation layer. In this structure, the mixed gas inlet 21 through which the reaction gas and the waste 70a are injected is located between the auxiliary anode 41 and the anode 40.

이상과 같은 구조를 가지는 장치를 적용해 폐기물을 처리하는 본 발명의 액상 폐기물 처리방법을 이하에 설명한다.The liquid waste treatment method of the present invention for treating waste by applying the apparatus having the above structure will be described below.

우선 전체 공정의 개략을 살펴보면, 본 발명의 방법은, 액상 폐기물을 기화시키는 단계; 고전압이 인가되는 양극과 음극이 마련된 플라즈마 토치의 플라즈마 발생실 내부에 반응가스와 기화된 상기 폐기물의 일부를 혼합 주입시켜 플라즈마를 발생시키는 단계; 상기 플라즈마를 반응로의 주입구로 분사하여 반응로 내로 플라즈마를 주입하는 단계; 기화된 상기 폐기물의 나머지를 상기 반응로의 주입구로 혼합 주입시켜 상기 플라즈마와 혼합 반응시키는 단계;를 포함한다.Looking first at an overview of the overall process, the method of the present invention comprises the steps of vaporizing a liquid waste; Generating a plasma by mixing and injecting a part of the waste gas and the reaction gas into a plasma generating chamber of a plasma torch provided with an anode and a cathode to which a high voltage is applied; Injecting the plasma into the reactor to inject the plasma into the reactor; And mixing and injecting the remainder of the vaporized waste into the inlet of the reactor to mix and react with the plasma.

보다 구체적으로 살펴보면, 본 발명의 방법은, 플라즈마 토치의 플라즈마 발생실 내에 반응가스를 주입하면서 음극과 보조양극에 소정의 방전개시전압을 인가하여 초기방전을 일으키는 단계; 초기방전 이후 플라즈마 토치의 플라즈마 발생실 내의 음극과 양극에 소정의 방전 유지전압을 인가하여 주방전을 일으키는 단계; 주방전에 의해 발생된 플라즈마 열로 액상 폐기물을 기화시키는 단계; 상기 플라즈마 발생실 내부에 주입되는 반응가스에 기화된 상기 폐기물의 일부를 혼합하여 플라즈마 발생실로 주입하는 단계; 상기 플라즈마를 반응로의 주입구로 분사하여 반응로 내로 플라즈마를 주입하는 단계; 기화된 상기 폐기물의 나머지를 상기 반응로의 주입구로 혼합 주입시켜 상기 플라즈마와 혼합 반응시키는 단계;를 포함한다.In more detail, the method of the present invention includes the steps of causing an initial discharge by applying a predetermined discharge start voltage to a cathode and an auxiliary anode while injecting a reaction gas into a plasma generating chamber of a plasma torch; Generating an electrical discharge by applying a predetermined discharge sustaining voltage to the cathode and the anode in the plasma generating chamber of the plasma torch after the initial discharge; Vaporizing the liquid waste with plasma heat generated by the discharging; Mixing a portion of the waste vaporized with a reaction gas injected into the plasma generation chamber and injecting the waste into the plasma generation chamber; Injecting the plasma into the reactor to inject the plasma into the reactor; And mixing and injecting the remainder of the vaporized waste into the inlet of the reactor to mix and react with the plasma.

즉, 먼저 상기 혼합가스 주입구(21)를 통해 반응가스를 주입하면서 음극(30)과 보조양극(41)의 사이에 소정의 방전 개시 전압을 인가하여 초기 방전을 유도하고 이에 이어 한 후 음극(30)과 양극(40)의 사이에 상기 방전 개시전압보다 상대적으로 낮은 소정의 방전 유지전압을 인가하여 상기 초기방전에 의해 주방전이 유도된 후 지속되도록 한다. 여기에서 상기 음극(30)과 양극(40)에 대한 방전유지전압은 상기 방전 개시전압인가 전에 미리 인가되어 방전개시전압의 인가에 따라 방전이 개시되는 즉시 주방전이 일어나도록 할 수도 있는데 이것은 선택적인 것으로서, 플라즈마 소각장치에 있어서는 후자를 적용한다. 그리고 주방전에 의해 반응실의 온도가 일정이상 올라가면, 액상폐기물 공급장치(71)로부터 액상폐기물(70)을 예열관로(80)를 통과시켜 기화시키고 폐기물배출구(81)를 통해 기화된 폐기물(70a)을 상기 혼합가스주입구(21)와 상기 폐기물주입부(61)로 소정비율로 분배 공급한다. 이와 같이 되면, 음극(30)과 양극(40) 사이에는 고에너지 상태의 플라즈마가 발생되어 반응로(60)로 주입되게 되면서 폐기물의 분해가 시작된다. 이때에 혼합가스주입구(21)를 통해 주입된 폐기물(70a)은 플라즈마 방전 영역의 중심부분을 통과하면서 먼저 분해되게 되며, 폐기물 주입구(61)로 주입된 폐기물(70a)은 반응실(63)내에서 분해된다. 상기 혼합가스주입구(21)로 주입되는 폐기물(70a)의 양은 플라즈마 발생이 지속될 수 있는 범위 내이어야 하는데, 이는 다원자 분자 물질로 된 폐기물(70a)이 플라즈마 발생실(50)에서 해리될 때에 많은 에너지를 흡수하여 그 양이 과다할 경우 플라즈마 방전을 중지시킬 우려가 있기 때문이다. 실험에 의하면 반응가스에 대한 폐기물의 함량이 20 퍼센트 이하인 경우 플라즈마 방전이 지속되면서 성공적으로 폐기물의 해리가 가능하였다.That is, first, while injecting the reaction gas through the mixed gas injection port 21, a predetermined discharge start voltage is applied between the cathode 30 and the auxiliary anode 41 to induce an initial discharge, followed by the cathode 30 And a predetermined discharge holding voltage relatively lower than the discharge start voltage is applied between the anode and the anode 40 so as to continue after the electric discharge is induced by the initial discharge. Here, the discharge holding voltages for the negative electrode 30 and the positive electrode 40 may be applied in advance before the discharge start voltage is applied, so that discharging may occur as soon as discharge is started according to the application of the discharge start voltage. The latter applies to the plasma incineration apparatus. When the temperature of the reaction chamber rises by a predetermined period or more, the liquid waste 70 is vaporized from the liquid waste supply device 71 through the preheating pipe 80 and vaporized through the waste outlet 81. It is supplied to the mixed gas injection port 21 and the waste injection portion 61 at a predetermined ratio. In this case, the plasma of the high energy state is generated between the cathode 30 and the anode 40 to be injected into the reactor 60 and the decomposition of the waste begins. At this time, the waste 70a injected through the mixed gas inlet 21 is first decomposed while passing through the central portion of the plasma discharge region, and the waste 70a injected into the waste inlet 61 is in the reaction chamber 63. Decomposes at The amount of the waste 70a injected into the mixed gas inlet 21 should be within a range in which plasma generation can be continued, which is large when the waste 70a made of the multiatomic molecular material is dissociated from the plasma generation chamber 50. This is because the plasma discharge may be stopped if the amount of energy is absorbed and the amount is excessive. According to the experiment, when the waste content of the reaction gas is less than 20 percent, the plasma discharge was continued and the waste was successfully dissociated.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 플라즈마 방전이 일어나는 고에너지의 영역을 혼합가스 주입구를 통해 공급된 폐기물이 통과하게 되는데, 이때에 폐기물은 완전히 분해된 상태에서 반응로의 반응실로 플라즈마와 함께 주입되고, 그리고 폐기물 주입구로 주입된 나머지의 폐기물이 반응실 내에서 낮은 해리에너지로 분해되게 된다. 따라서, 기존의 방법에 비해 같은 소비 에너지 하에 보다 효율이 높은 폐기물의 분해가 가능하게 되며, 따라서 소비에너지를 절감할 수 있고, 부차적으로는 폐기물의 분해에 요구되는 에너지가 감소하기 때문에 반응로에서의 열발생을 줄여 반응로를 냉각시키기 설비의 부담을 줄일 수 있게 된다.According to the present invention as described above, the waste is supplied through the mixed gas inlet through the high-energy region where the plasma discharge occurs, the waste is injected together with the plasma into the reaction chamber of the reactor in a completely decomposed state, And the remaining waste injected into the waste inlet is decomposed to low dissociation energy in the reaction chamber. Therefore, it is possible to decompose more efficient waste under the same energy consumption than the conventional method, and thus it is possible to reduce energy consumption and, consequently, to reduce the energy required for the decomposition of waste. By reducing heat generation, it is possible to reduce the burden on the equipment to cool the reactor.

Claims

Vaporizing the liquid waste;

Generating a plasma by mixing and injecting a part of the waste gas and the reaction gas into a plasma generating chamber of a plasma torch provided with an anode and a cathode to which a high voltage is applied;

Injecting the plasma into the reactor to inject the plasma into the reactor;

And mixing and injecting the remainder of the vaporized waste into the inlet of the reactor to mix and react with the plasma.

The method of claim 1, wherein the amount of waste injected into the plasma torch is controlled to 20% or less with respect to the reaction gas.

Generating an initial discharge by applying a predetermined discharge start voltage to the cathode and the auxiliary anode while injecting a reaction gas into the plasma generation chamber of the plasma torch;

Applying a predetermined discharge sustain voltage to a cathode and an anode in the plasma generating chamber of the plasma torch to cause a discharging by the initial discharge;

Vaporizing the liquid waste with plasma heat generated by the discharging;

Mixing a portion of the waste vaporized with a reaction gas injected into the plasma generation chamber and injecting the waste into the plasma generation chamber;

Injecting the plasma into the reactor to inject the plasma into the reactor;

The method of claim 3, wherein the amount of waste injected into the plasma torch is adjusted to 20% or less with respect to the reaction gas.