KR100237258B1 - 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법 - Google Patents

플라즈마에 의한 폐기물 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산소부화공기, 순산소를 사용하여 열효율을 향상시키고 배기가스를 재순환시킴으로써 에너지의 수지를 향상시킬 수 있으며, 첨가제에 의해 배기가스의 공해를 저감할 수 있는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법은 플라즈마 열분해 용융로에 폐기물을 장입하는 단계와, 플라즈마 가스 공급설비로부터 플라즈마 토치에 가스를 공급하고 상기 플라즈마 토치에 고압전류를 인가하여 아크 플라즈마를 발생시키는 단계와, 아크 플라즈마에 의해 플라즈마 열분해 용융로 내의 폐기물을 열분해하여 슬래그 및 가스를 생성하는 단계와, 상기 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스를 정제하는 단계를 포함하는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법에 있어서, 상기 플라즈마 가스 공급설비의 전단에 산소부화설비 또는 순산소 공급설비가 설치되어 상기 플라즈마 가스 공급설비로부터 상기 플라즈마 토치에 산소부화공기 또는 순산소가 공급되는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성의 본 발명에 따르면, 플라즈마 열분해 용융로 내에 농축산소 및 순산소를 취입함으로써 토치에 소요되는 열량을 줄일 수 있으므로 에너지 절감의 효과를 발휘하게 된다.

Description

플라즈마에 의한 폐기물 처리방법
본 발명은 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법에 관한 것으로서, 특히 산소부화공기(酸素富化空氣), 순산소를 사용하여 열효율을 향상시키고 배기가스를 재순환시킴으로써 에너지의 수지를 향상시킬 수 있으며, 첨가제에 의해 배기가스의 공해를 저감하고 용이하게 슬래그를 배출할 수 있는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법에 관한 것이다.
현재 가정이나 각종 사업장에서 배출되는 일반 쓰레기 및 각종 산업폐기물은 공해문제를 야기시키고 있으며, 이러한 폐기물의 처리가 국가적 차원의 심각한 문제로 대두되고 있는 실정이다. 이 쓰레기를 처리하는 방법 중의 하나로서 가연성 쓰레기를 소각로에서 연소시키는 방법이 사용되고 있으며, 도시쓰레기 소각로에서 소각된 후 배출되는 쓰레기 소각잔사(소각재와 fly ash)의 대부분은 최종처분장에 매립되고 있다. 그러나 최근 최종처분장의 용량이 포화상태에 이르러 사회 문제화하고 있으며, 특히 소각잔사 중에 함유된 중금속류와 다이옥신류가 처분장의 2차공해문제를 유발하고 있다. 이러한 문제점을 감안하여 최근 소각잔사를 용융슬래그화, 감량화하여 무해하게 처리하거나 재활용하는 방법이 주목받고 있으며, 그 방법으로서 석유나 코크스 등 화석연료를 이용하여 도시쓰레기를 처리하는 방법과 전기식 용융로에 의한 처리 방법이 제안된 바 있다. 그러나 전자의 경우 가열온도에 한계가 있어 소각잔사 중에 존재하는 철 등의 금속을 용융하기가 곤란한 문제점이 있으며, 후자의 경우 금속의 용융은 가능하나 아아크로에서와 같이 탄소전극을 사용하는 경우 전극소모량이 많고 일산화탄소에 대한 안전대책이 필요한 문제점이 있다.
이러한 문제점을 감안하여 도시쓰레기의 다른 처리방법으로서 플라즈마를 이용하여 폐기물을 열분해 용융·재처리하는 플라즈마 열분해 용융로 방법이 제안되고 있는 바, 제2도는 이러한 종래의 플라즈마 열분해 용융로에 의해 각종 폐기물을 처리하는 시스템을 블록도로 도시한 것이다. 플라즈마 용융 시스템은 플라즈마 가스 공급설비(31), 플라즈마 토치(33), 플라즈마 열분해 용융로(35), 가스정제설비(37)로 구성된다. 이러한 종래의 플라즈마 용융 시스템에 따르면, 플라즈마 토치(33)를 용융로(35)내에 삽입시킨 후 플라즈마 토치에 플라즈마 가스 공급설비(31)로부터 플라즈마 생성용 가스 및 공기를 공급하고, 플라즈마 토치에 고압의 전류를 걸어주면 토치 선단으로부터 아크 플라즈마가 분출되어 폐기물을 열분해·용융하게 된다. 아크 플라즈마에 의해 노내 온도가 소정 온도로 되면 투여된 쓰레기 중 가연성분은 즉각 열분해/가스화되고 무기물은 용융되어 노내의 용탕(molten bath)에 남는다. 열분해 생성된 기체는 상승하면서 쓰레기를 건조·가열시킨다. 이때 쓰레기내에 함유된 수분 및 외부에서 공급된 수분은 열분해 영역에서 탄소와 반응하게 된다. 폐기물 중의 재성분은 슬래그로 되어 배출된다. 이때 열분해 공정은 탄소가 주성분인 다분자 유기물(폐기물)에 열이 가해져 탄소결합이 끊어져 일어나는 반응으로서, 저급탄화물(CHaNbScOd)이 H2O와 반응하여 CO, H2, CO2, N2, H2S, HCl, NH4등의 기체로 분해되는 공정이다. 이 배출가스 중 CO, H2등의 가연성 기체들은 급속 냉각기, 습식스크러버 등의 처리과정을 거쳐 정제되어 발전설비에 의해 발전을 하는데 이용되거나, 메탄올 합성 등에 이용되고 이후 대기로 배출된다. 이상에서 설명한 바와 같이 종래의 플라즈마 열분해 용융로에서는 저급탄화물인 폐기물이 증기와 반응하여 가연성 기체인 CO, H2를 발생하게 되며, 반응에 소요되는 다량의 에너지는 플라즈마 토치로부터 공급된다.
또한, 플라즈마 열분해 용융로에서 폐기물이 열분해되어 발생되는 가스는 용융로의 노내 조건에 따라 다르지만, 대략 CO 20-35%, H240-50%, CO25-10%, N25-10%를 포함한다. 그런데 이 배가스에 포함된 CO2는 불연성 기체이므로 CO2의 조성비만큼 배기가스 전체의 열량이 저하되는 결과를 초래하게 된다.
또한, 폐기물 중에는 S, Cl 등이 함유되어 있으므로 이 원소들이 H2O와 반응하여 플라즈마 열분해 용융로의 배가스 성분 중에는 대기오염물질인 H2S, HCl이 배출되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 플라즈마 토치에 소요되는 에너지의 양을 줄일 수 있는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 배기가스에 포함된 열량을 높여 에너지의 회수율을 높일 수 있는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스 중 대기오염 물질의 생성을 억제하고 용융된 슬래그가 용이하게 배출될 수 있는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법을 제공하는 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법에 따른 블록도.
제2도는 종래의 플라즈마 열분해 용융로에서 폐기물을 처리하는 과정을 설명하는 블록도이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법은, 플라즈마 열분해 용융로에 폐기물을 장입하는 단계와, 플라즈마 가스 공급설비로부터 플라즈마 토치에 가스를 공급하고 상기 플라즈마 토치에 고압전류를 인가하여 아크 플라즈마를 발생시키는 단계와, 상기 아크 플라즈마에 의해 플라즈마 열분해 용융로 내의 폐기물을 열분해하여 슬래그 및 가스를 생성하는 단계와, 상기 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스를 정제하는 단계를 포함하는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법에 있어서, 상기 플라즈마 가스 공급설비의 전단에 산소부화설비 또는 순산소 공급설비가 설치되어 상기 플라즈마 가스 공급설비로부터 상기 플라즈마 토치에 산소부화공기 또는 순산소가 공급되는 단계를 더욱 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명의 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법은 플라즈마 열분해 용융로에 폐기물을 장입하는 단계와, 플라즈마 가스 공급설비로부터 플라즈마 토치에 가스를 공급하고 상기 플라즈마 토치에 고압전류를 인가하여 아크 플라즈마를 발생시키는 단계와, 상기 아크 플라즈마에 의해 플라즈마 열분해 용융로 내의 폐기물을 열분해하여 슬래그 및 가스를 생성하는 단계와, 상기 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스를 정제하는 단계를 포함하는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법에 있어서, 상기 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스 정제 단계에서 정제된 배기가스가 상기 플라즈마 토치로 재순환되는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명의 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법은 플라즈마 열분해 용융로에 폐기물을 장입하는 단계와, 플라즈마 가스 공급설비로부터 플라즈마 토치에 가스를 공급하고 상기 플라즈마 토치에 고압전류를 인가하여 아크 플라즈마를 발생시키는 단계와, 상기 아크 플라즈마에 의해 플라즈마 열분해 용융로 내의 폐기물을 열분해하여 슬래그 및 가스를 생성하는 단계와, 상기 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스를 정제하는 단계를 포함하는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법에 있어서, 상기 플라즈마 열분해 용융로 내에서 폐기물을 열분해하는 단계에서 상기 플라즈마 열분해 용융로 내에 Ca, Na 또는 K을 첨가하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법의 제1실시예는, 플라즈마 가스 공급설비(13)의 전단에 산소부화설비 또는 순산소 공급설비(11)가 설치되어 산소부화공기 또는 순산소가 공급되는 단계, 플라즈마 열분해 용융로(17)에 폐기물을 장입하는 단계와, 플라즈마 가스 공급설비(13)로부터 플라즈마 토치(15)에 순산소 또는 산소부화공기를 공급하고 플라즈마 토치(15)에 고압전류를 인가하여 아크 플라즈마를 발생시키는 단계와, 아크 플라즈마에 의해 플라즈마 열분해 용융로 내의 폐기물을 열분해하여 슬래그 및 가스를 생성하는 단계와, 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스를 정제하는 단계를 포함하여 구성된다. 즉, 종래의 플라즈마 열분해 용융로에서 플라즈마 가스 공급설비(13)의 전단에 산소 농축 및 산소공급설비(11)가 설치되어 산소부화공기 또는 순산소가 공급된다. 플라즈마 열분해 용융로(17)에서의 열분해 반응은 C + H2O → CO + H2- 31.4KCal/mol, C + 2H2O → CO2+ 2H2폐기물 18.2KCal/mol의 반응식에 의해 이루어진다. 이 반응은 흡열반응으로서 필요한 열량은 전술한 바와 같이 플라즈마 토치(15)로부터 공급된다. 본 발명에 따르면, 이와 같이 플라즈마 토치에 H2O를 공급하는 대신에 공기의 구성 성분 중 공기중의 질소 대비 산소 함량비 보다 더 많은 산소를 함유한 부화산소공기(본 명세서에서 농축산소라고도 표현됨) 도는 순산소를 공급하여 폐기물을 열분해 용융시킴으로써 폐기물의 열분해 반응에 소요되는 플라즈마 토치의 에너지 사용량을 줄인다. 산소 농도의 증가에 따른 소요 에너지의 저감 비율은 아래의 표와 같다.
Figure kpo00002
본 발명에 따른 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법의 제2실시예에 따르면, 플라즈마 열분해 용융로(17)에 폐기물을 장입하는 단계와, 플라즈마 가스 공급설비(13)로부터 플라즈마 토치(15)에 가스를 공급하고 플라즈마 토치(15)에 고압전류를 인가하여 아크 플라즈마를 발생시키는 단계와, 아크 플라즈마에 의해 플라즈마 열분해 용융로 내의 폐기물을 열분해하여 슬래그 및 가스를 생성하는 단계와, 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스를 정제하는 단계와, 정제된 배기가스를 플라즈마 토치(15)로 순환시키는 단계를 포함하여 구성된다. 즉, 종래의 플라즈마 열분해 용융로에서 배출된 가스를 다시 플라즈마 토치로 순환시키는 것이다. 그러나 이러한 배기가스의 순환은 종래의 플라즈마 열분해 용융로에 의한 폐기물 처리방법 뿐만 아니라, 본 발명의 제1실시예의 플라즈마 열분해 용융로에서의 배기가스에도 적용할 수 있다. 통상 플라즈마 열분해 용융로의 배가스에는 CO 20-35%, H240-50%, CO25-10%, N25-10%를 포함한다. 그런데 이 배가스에 포함된 CO2는 불연성 기체이므로 CO2의 조성비만큼 배기가스 전체의 열량이 저하되는 결과를 초래하게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 배기가스를 순환시켜 배기가스에 존재하는 CO2를 CO2→ CO + ½O2의 반응(Boudouard 반응)을 일으킴으로써 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스중 CO2의 농도를 줄이고 가연성 기체인 CO의 농도를 올린다.
본 발명의 제3실시예에 따르면, 본 발명의 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법은 플라즈마 열분해 용융로(17)에 폐기물을 장입하는 단계와, 플라즈마 가스 공급설비(13)로부터 플라즈마 토치(15)에 가스를 공급하고 플라즈마 토치(15)에 고압전류를 인가하여 아크 플라즈마를 발생시키는 단계와, 플라즈마 열분해 용융로 내에 Ca, Na, 또는 K를 첨가하는 단계와, 아크 플라즈마에 의해 플라즈마 열분해 용융로 내의 폐기물을 열분해하여 슬래그 및 가스를 생성하는 단계와, 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스를 정제하는 단계와 용융된 슬래그를 배출하는 단계를 포함하여 구성된다. 그러나 이러한 알칼리 금속 첨가제를 가하는 공정은 종래의 플라즈마 열분해 용융로에 의한 폐기물 처리방법뿐만 아니라, 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예의 플라즈마 열분해 용융로에서도 적용할 수 있다. 플라즈마 열분해 용융로에 Ca, Na, 또는 K 등을 첨가하면, 폐기물 내에 존재하는 H2S, HCl은
H2S + Ca(OH)2→ CaSO4+ 2H2O
2HCl + Ca(OH)2→ CaCl2+ 2H2O의 반응을 통하여 CaSO4, CaCl2으로 화학변화됨으로써 대기오염물질의 생성을 억제하게 된다. 더욱이 제3실시예의 본 발명을 제1실시예와 함께 적용하게 될 경우, 플라즈마 열분해 용융로에 공급되는 N2의 성분이 상대적으로 작기 때문에 배출되는 가스에서 대기오염물질인 NOX의 농도가 더욱 낮아지게 된다.
더욱이 투입된 Ca, Na, 또는 K은 조재제로 작용하여 슬래그의 융점을 낮춤으로써 슬래그의 배출을 용이하게 된다.
다음으로 상기한 구성의 본 발명의 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법의 효과를 설명한다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 플라즈마 열분해 용융로 내에 농축산소 및 순산소를 취입하면, 폐기물을 용융하기 위하여 토치에 소요되는 열량을 줄일 수 있으므로 에너지 절감의 효과를 발휘하게 된다.
본 발명의 제2실시예에 따르면, 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스를 재순환시킴으로써 최종 배기가스의 CO 농도를 상승시켜 배기가스의 재활용을 통한 에너지 절감효과를 높일 수 있다.
본 발명의 제3실시예에 따르면, 플라즈마 열분해 용융로에 알칼리계 금속을 투여함으로써 산성가스, H2S, HCl, Cl2, 다이옥신 등의 대기오염물질의 배출을 억제하고 슬래그의 융점을 저하시켜 슬래그의 배출을 용이하게 한다.

Claims (3)

  1. 플라즈마 열분해 용융로에 폐기물을 장입하는 단계와, 플라즈마 가스 공급설비로부터 플라즈마 토치에 가스를 공급하고 상기 플라즈마 토치에 고압전류를 인가하여 아크 플라즈마를 발생시키는 단계와, 상기 아크 플라즈마에 의해 플라즈마 열분해 용융로 내의 폐기물을 열분해하여 슬래그 및 가스를 생성하는 단계와, 상기 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스를 정제하는 단계를 포함하는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법에 있어서: 상기 플라즈마 가스 공급설비의 전단에 산소부화설비 또는 순산소 공급설비가 설치되어 상기 플라즈마 가스 공급설비로부터 상기 플라즈마 토치에 산소부화공기 또는 순산소가 공급되는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법.
  2. 플라즈마 열분해 용융로에 폐기물을 장입하는 단계와, 플라즈마 가스 공급설비로부터 플라즈마 토치에 가스를 공급하고 상기 플라즈마 토치에 고압전류를 인가하여 아크 플라즈마를 발생시키는 단계와, 상기 아크 플라즈마에 의해 플라즈마 열분해 용융로 내의 폐기물을 열분해하여 슬래그 및 가스를 생성하는 단계와, 상기 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스를 정제하는 단계를 포함하는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법에 있어서: 상기 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스 정제 단계에서 정제된 배기가스가 상기 플라즈마 토치로 재순환되는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법.
  3. 플라즈마 열분해 용융로에 폐기물을 장입하는 단계와, 플라즈마 가스 공급설비로부터 플라즈마 토치에 가스를 공급하고 상기 플라즈마 토치에 고압전류를 인가하여 아크 플라즈마를 발생시키는 단계와, 상기 아크 플라즈마에 의해 플라즈마 열분해 용융로 내의 폐기물을 열분해하여 슬래그 및 가스를 생성하는 단계와, 상기 플라즈마 열분해 용융로의 배기가스를 정제하는 단계를 포함하는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법에 있어서: 상기 플라즈마 열분해 용융로 내에서 폐기물을 열분해 용융하는 단계에서 상기 플라즈마 열분해 용융로 내에 Ca, Na 또는 K을 첨가하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법.
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