KR100239180B1 - 산소부화 공기를 이용한 소각처리방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

산소부화공기 제조장치와 연결된 소각로를 포함한 소각처리장치는 기존의 소각처리장치에 산소부화공기를 연소공기로 공급함으로써 대상폐기물들의 소각시 안정적이고 경제적인 소각처리공정이다.

Description

산소부화 공기를 이용한 소각처리방법 및 그 장치

[산업상 이용 분야]

본 발명은 폐기물의 소각에 관한 것으로서, 상세하게는 폐기물의 성상에 관계없이 안정적이고 경제적인 소각처리방법 및 그 장치에 관한 기술이다.

보다 상세하게는 고·중 발열량 폐기물의 경우 고온연소를 위한 공정 및 저발열량 폐기물의 경우 소각처리를 위한 공정의 안정화를 달성할 수 있는 폐기물의 소각방법 및 그 장치에 관한 것이다.

[종래 기술]

고형폐기물 또는 폐수 처리후의 슬러지 등을 최종 처리하기 위한 폐기물 처리방법으로는 매립, 소각, 분쇄후 지상산포, 퇴비화 등이 알려져 있다. 이와 같은 폐기물 처리방법 중 소각법은 가연성 폐기물을 소각시켜 유기물을 구성하고 있는 탄소, 수소, 질소 및 무기물 등을 탄산가스, 수증기, 질소가스 등의 기체와 소량의 재로 분해하는 방법이다. 이와 같은 소각로로서 지금까지 개발된 것으로는 고정화격자로 및 가동화격자로를 포함하는 화격자연소방식로; 고정상, 회전상, 다단로상, 로타리킬른 등을 포함하는 상연소방식로와; 유동상방식로;, 부유연소방식로; 그리고 분무연소방식; 등이 알려져 있다.

상기와 같은 방법을 이용하는 폐기물의 소각은 소각후 주성분의 대부분이 기체이고 대기 중에 폐기가 되기 때문에 폐기물의 감량 효과가 크고, 반응속도가 크므로 처리효율이 높고, 병원균 등이 산화 분해되기 때문에 위생적이고, 에너지 회수가 가능하다는 이점 때문에 폐기물 처리기술로 중요한 지위를 차지하고 있다. 그러나 이와 같은 소각로를 이용한 폐기물의 처리방법은 폐기물의 불완전연소와 폐기물의 부하량 변동에 따른 소각로의 온도 변화에 의해 소각로의 안정적인 운전이 곤란하다는 문제점이 있다.

일반적인 소각운전의 경우 초기 운전시 로내 승온과정이 필요하며, 소각로 운전온도를 750 - 850℃ 범위에서 일정 온도로 유지하여야 하나 폐기물의 투입시 외부공기의 유입에 따라 로내 온도는 더 낮아지게 되며, 소각로로부터 공해물질 배출량을 최적으로 줄이기 위해서는 배가스의 배출온도를 1100℃로 유지하여야 한다. 상기와 같은 초기 운전 및 안정적인 운전을 위해서는 보조연료를 공급하여야 한다. 일례로 공기를 연소공기로 사용하여 연소시킬 때 소각용량 210㎏/hr의 소각로에서 발열량이 1,000 ∼ 6,000㎉/㎏인 고형폐기물을 소각하면서 소각로 내부온도를 1100℃로 유지하기 위해서는 보조연료가 약 35 ∼ 115㎏/hr로 유지 공급되어야 한다. 그리고 발열량이 6,000㎉/㎏ 이상의 폐기물을 용융상태로 고온소각처리하기 위해서도 많은 양의 보조연료가 필요하다. 뿐만 아니라 종래의 소각로는 재 및 배가스의 양이 많아 후처리 시설이 커야하며 페열의 재이용이 30 ∼40% 정도로 상당히 낮다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 첫째 소각로의 초기 운전시 로내 승온과정 및 소각로내의 온도를 일정 온도로 유지하기 위해 사용되는 보조 연료 사용량을 획기적으로 저감할 수 있는 소각처리방법 및 장치를 제공하고, 둘째 고분자 폐기물 또는 병원 폐기물 등의 고·중발열량 폐기물들의 고온소각시 보조연료의 공급 없이 소각공정의 안정화를 극대화할 수 있는 소각처리방법 및 장치를 제공하고, 셋째 수분과 불연물의 함유량이 많은 도시쓰레기 및 슬러지 등의 저발열량 폐기물 등을 보조연료의 공급 없이 안정적인 온도 유지에 의한 안정적인 소각처리방법 및 장치를 제공하고, 넷째 발생되는 재 및 배기가스량이 적어 폐가스처리장치를 소형화할 수 있고 이에 따라 폐열 손실이 적은 소각처리방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 가압식(내압식) 모듈유니트를 갖는 소각로의 공정도.

도 2는 본 발명의 또 다른 실시예인 감압식(내압식) 모듈유니트를 갖는 소각로의 공정도.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예인 가압식(외압식)과 감압식을 병행한 모듈유니트를 갖는 소각로의 공정도.

도 4a는 본 발명의 실시예 1에서 사용된 막모듈의 구조를 나타낸 단면도.

도 4b는 본 발명의 실시예 3에서 사용된 막모듈의 구조를 나타낸 단면도.

* 도면의 주요부호에 대한 설명 *

1. 공기 블로워 2. 공기필터 3. 유량계

4. 공기예열기 5. 압력계 6. 온도계

7. 모듈유니트 8. 압력계 9. 체크밸브

10. 질소부화공기(비투과) 11. 산소농도분석기 12. 감압펌프

13. 유량계 14. 공기완충기 15. 2차연소공기블로워

16. 1차연소공기블로워 17. 1차연소실 18. 2차연소실

19. 컴프레서 20. 중공사막

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폐기물에 산소부화공기를 공급하고, 상기 공급된 산소부화공기를 이용하여 폐기물을 소각하는 공정을 포함하는 폐기물 소각 방법을 제공한다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 산소부화공기는 22 ∼ 40%의 산소농도를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고 상기한 본 발명에 있어서, 상기 산소부화공기는 막분리법에 의하여 생성되고, 상기 산소부화공기의 공급은 보조부화법 또는 등량부화법에 따라 공급되는 것이 바람직하다.

또 본 발명은 블로워 및 컴프레서와; 상기 블로워 및 컴프레서와 연결된 수분제거필터 및 공기정화용 필터와; 상기 필터와 연결된 산소부화공기 제조장치와; 상기 산소부화공기 제조장치와 연결된 산소부화 공기 완충기와; 상기 산소부화 공기 완충기와 연결된 연소 공기 공급 블로워와; 상기 블로워와 연결된 폐기물 소각로를; 포함하는 폐기물 소각처리장치를 제공한다.

상기한 본 발명에 있어서, 상기 산소부화공기 제조장치는 막분리법을 이용하고 상기 산소부화공기는 보조부화법 및/또는 등량부화법으로 소각로에 공급되는 것이 바람직하다.

[작용]

연소란 연료의 산화반응으로 예를 들어 메탄을 태우면 하기의 화학식 1과 같다.

CH₄+ 2O₂+ (8N₂) ?? CO₂+ 2H₂O + (8N₂)

괄호 속의 질소를 연소시켰을 경우에는 9530㎉/Ｎ㎥의 열이 발생한다. 이 때 화염의 온도는 달리 열의 출입이 없다면 생성계의 열용량과 발생열로 결정짓게 된다. 즉 발생한 열은 탄산가스와 물의 생성계에 주어져 이것을 가열하여 일정 온도가 되며 이것이 불꽃의 온도이다. 산소로 태웠을 때의 생성계는 탄산가스와 물뿐이었지만 공기로 태우면 여기에다 질소가 추가되게 된다. 따라서 생성계의 열용량은 그만큼 증가하고 불꽃 온도는 낮아지게 된다. 산소농도가 증가함에 따라 불꽃의 온도가 상승한다는 것을 잘 알 수 있다. 그 증가하는 경향은 산소농도가 약간 증가하는 곳에서 크게 증가하고 고농도 산소가 됨에 따라 완만하게 증가해간다. 어떤 것을 가열하는 경우, 열원의 온도가 높아지면 높아질수록 가열속도는 빨라진다. 즉 효율이 높게 가열할 수 있게 된다.

따라서 일반적인 연소공정에서 공기 중에 약 1/5 존재하는 산소의 비율을 보다 농축한 산소부화공기를 이용하면 보다 효과적인 연소가 가능해진다. 이것이 산소부화공기를 이용한 연소의 특징이다. 또한 산소부화공기의 경우는 질소의 양이 미리 감소되어 있기 때문에 배기가스 양도 그만큼 적고 로 속에서 이용되는 열량이 많다. 대개 20∼50% 정도의 배기가스량이 감소된다. 이러한 산소부화 공기를 제조함에 있어, 혼합기체 중에서 특정 기체만을 사용하기 위한 기체분리 공정은 크게 심냉분리법, 흡착법 그리고 막분리법이 있다. 그중 산소부화공기 제조에는 심냉분리법과 흡착법이 주류를 이루고 이 방법들은 90% 이상의 고순도 산소제조가 가능하다. 한편 분리막에 의한 산소부화공기 제조는 25-40%의 낮은 순도와 5 톤/일의 소량의 산소를 생산하는데 용이하다. 또한 이렇게 생산된 산소부화공기를 기존의 소각설비에 적용하기 위한 연소공기 공급공정으로는 생성된 산소부화공기를 전량 투입하는 방법과 기존의 공급설비에 산소부화공기를 보충해 주는 방법이 있다. 즉, 보조부화법과 등량부화법이 있는데 보조부화법은 기존의 송풍량을 유지하면서 여분으로 산소부화공기를 송기시켜 산소의 함량을 증가시키는 방법으로 일반적으로 소각처리량을 증대시키고자 할 목적에 많이 이용된다. 이에 비해 등량부화법은 기존의 송풍량을 줄이고 그 줄어진 양만큼의 산소를 보충해주는 방법으로 일정한 생산속도를 유지하면서 연료절감을 꾀하고자 할 목적으로 사용한다.

본 발명의 소각처리장치는 산소부화공기 제조장치로 공기공급을 공급하는 블로워와 컴프레서, 블로워, 컴프레서와 연결된 수분제거필터와 공기정화용 필터, 상기 필터와 연결된 산소부화공기 제조장치, 상기 산소부화공기와 연결된 산소부화 공기 완충기, 상기 완충기와 연결된 연소 공기 공급블로워, 상기 블로워와 연결된 폐기물 소각로 등으로 이루어진다.

상기한 본 발명의 소각처리장치에 있어서, 산소부화공기를 제조하는 막분리법은 막에 의한 특정 기체의 선택적 투과성을 활용한 방법으로 25 ∼ 40%의 저순도 산소가 생산되며 5톤/일 이하의 소규모 생산에 적합하고 제품형태는 기체이다.

특히 상기 막분리법은 기체분리막을 이용한 것으로서 기체투과성 및 선택성이 우수한 비대칭 다공막을 이용하며 이 막은 표면층의 두께가 매우 얇고, 자유부피가 크며, 미세결함이 없으며, 기체 분리성능이 뛰어난 특징을 가진다. 산소부화 공기 제조에 사용되는 막의 물성치를 나타내는 산소투과 속도(PO₂)와 산소선택도(α_ij)는 다음의 수학식 1 및 수학식 2로 표현된다.

사용된 투과속도 단위는 ㎤(STP)/㎠·SEC·㎝Hg 이다. 소각공정에 적용되는 막의 산소투과속도는 2×10^-5㎤(STP)/㎠·SEC·㎝Hg이상이고 산소선택도는 3.5이상 유지하는 것이 바람직하다. 막의 소재로는 실리콘, 폴리설폰, 폴리오레핀, 폴리이미드 이외에 폴리(4-메틸펜텐)(poly(4-methylpentene)과 폴리(1-트리메틸실릴-1-프로핀)(poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)) 등으로 이루어진다. 막모듈 장치에는 감압방식과 가압방식이 있으며, 가압식은 5㎏/㎠이상의 큰 압력 차에 의한 유니트당 산소부화공기 발생량이 크고 장치의 소형화가 가능하다. 이에 비해 감압식은 처리된 산소부화공기만 흡입하는 형태이기 때문에 팬의 동력비와 운전비를 줄일 수 있다. 또한 가압식과 감압식을 동시적용이 가능하다. 막유니트의 운전시 기체의 투과성능을 향상시키기 위하여 유니트 전단의 온도센서에서 온도를 감지하고 이를 20 ∼ 60℃ 범위에서 일정온도로 조절될 수 있도록 온도조절기와 연결하여 예열기로 피이드백 되게 하였다. 이로써 폴리설폰의 경우 운전온도를 20℃에서 60℃로 운전할 시 산소분리도는 20% 투과량은 35% 각각 상승한다.

소각공정에서 산소부화공기의 적용효과를 알아보면 다음과 같다. 폐기물의 소각시 연소공기중의 산소농도를 변화시키면서 소각 개시온도를 측정하였을 때 산소농도가 0에서 100%로 증가함에 따라 낮아지는 경향을 보이고 그 경향은 40%까지의 저산소 농도범위에서 급격히 증가하며, 그 이후의 고농도로 갈수록 완만한 경향을 보인다. 또한 40% 산소농도에서 폐기물이 열분해 및 연소되기 시작하는 온도는 공기에 비해 10% 낮아지게 되는데 이는 소각로 운전시 노내 승온 시간 단축은 물론 운전중 보조연료 사용량이 줄어든다.

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1 내압 가압식 막 모듈유니트 소각처리장치

도 1에 도시한 바와 같이, 컴프레서(19)를 이용하여 소각처리장치에 유입된 공기는 수분제거 및 공기정화용 필터(2)를 거쳐 불순물을 여과한 다음 산소부화공기 제조장치중 하나인 막 모듈 유니트(7)를 통과하여 산소의 농도를 높인 후 산소부화공기 완충기(14)를 통한 최종적인 연소공기는 연소공기블로워(15,16)를 사용하여 소각로의 연소실(17,18)로 공급하여 폐기물을 소각한다. 이 때 산소부화장치를 거친 후 질소부화공기(10)는 외부로 배출된다. 그리고 상기 소각처리장치에서 공기의 유량, 압력, 산소 농도 등을 조절하기 위하여 유량계(3, 13), 공기예열기(4), 압력계(5), 체크밸브(9) 등을 설치한다.

실시예 2 내압 감압식 막 모듈유니트 소각처리장치

도 2에 도시한 바와 같이, 상기한 실시예 2에서 막 모듈유니트(7)와 산소부화공기 완충기 사이에 감압펌프(12)를 설치한 것을 제외하고는 상기한 실시예 2와 실질적으로 동일하게 실시하여 폐기물을 소각한다.

실시예 3 외압 가압식과 감압식을 병행한 막 모듈유니트 소각처리장치

도 3에 도시한 바와 같이, 상기한 실시예 3에서 감압식 막 모듈 유니트(7)를 더욱 설치한 것을 제외하고는 상기한 실시예 3과 실질적으로 동일하게 실시하여 폐기물을 소각한다.

비교예

발열량 2,000kcal/㎏ 정도인 도시쓰레기를 일일 5톤 로타리킬른소각로에서 처리할 때 연소공기로 일반공기를 이용한 기존소각공정과 35%의 산소부화공기를 이용한 개발공정을 비교하면 소각시 노내온도는 대략 820℃에서 911℃로 상승하는 반면 배출되는 배기가스량은 40% 이상 줄어든다. 또한 기존공정의 경우 낮은 소각온도에 의하여 불안정한 연소가 일어나므로 보조연료(경유)를 시간당 3.8ℓ이상 투입해야만 노내온도가 850℃이상으로 유지된다.

상기한 본 발명의 일 실시예인 막 모듈을 이용한 산소부화공기 제조장치와 연결된 소각로를 포함한 소각처리장치는 기존의 소각공정에 산소부화공기를 연소공기로 공급함으로써 대상폐기물들의 소각시 안정적이고 경제적인 소각처리공정이다. 즉, 산소부화공기를 연소공기로 사용함으로써 소각로의 초기운전시 승온과정 및 소각로내 온도를 일정온도로 유지하기 위해 소요되는 보조연료 사용량을 획기적으로 저감하고 또한 폐기물의 연소공기로 산소부화 공기이용에 따른 소각로의 소각시작온도가 낮아짐에 따라 소각로 초기운전시 기존처리공정에 비해 더 낮은 온도에서 폐기물 투입이 가능하고 승온시 소요되는 시간 또한 단축 가능하다. 또 폐기물의 자체 발열량으로 소각운전이 어려운 저발열량 폐기물의 경우 안정된 소각로 운전온도(750 - 850℃)로 유지가 곤란하거나 폐기물의 투입시 외부공기 유입에 의한 로내온도 강하 등의 문제점을 산소부화공기를 사용 해결함으로써 기존 소각공정의 안정화가 실현된다. 또한 산소부화공기를 사용함으로써 중·고위 발열량을 가지는 폐기물의 고온연소가 가능함으로 여분의 보조연료를 공급하지 않고 고온소각운전이 가능하다. 또한 본 공정은 발생되는 재의 양 저감 및 폐열 재사용 등이 용이한 시스템이다. 또한 발생되는 배기가스량의 감소에 의한 후처리설비의 축소가 가능하다. 따라서 산소부화 공기를 이용한 폐기물 소각시스템은 기존 소각공정에 비하여 안정적이고 경제적인 소각처리시스템으로 나아가 저공해 연소제어 방법이다.

Claims (4)

1. a) 막분리법으로 산소 농도 25∼40부피%의 산소부화공기를 제조하는 단계; b) i) 소각되는 폐기물량에 따르는 송풍량을 유지하면서 여분으로 산소부화 공기를 송기시켜 공급하는 보조등화법; 또는 ii) 소각되는 폐기물량에 따르는 송풍량을 줄이고 줄어진 양만큼 산소가 보충되도록 산소부화공기를 송기시켜 공급하는 등량부화법으로 소각로에 상기 a)단계에서 제조된 산소부화공기를 공급하는 단계; 및 c) 소각로에서 상기 b)단계에서 공급된 산소부화공기로 폐기물을 소각하는 단계를 포함하는 폐기물 소각 방법.
2. a) 압축공기를 공급하기 위한 컴프레셔; b) 상기 a)의 컴프레셔로부터 공급된 압축공기를 막에 투과된 산소부화공기와 막에 투과되지 않은 질소부화공기로 분리하여 산소부화공기를 제조하기 위한 막모듈유니트; c) 상기 a)의 컴프레셔와 상기 b)의 막모듈유니트를 연결하는 공기통로 상에 설치되어 공기 중에 포함되어 있는 이물질과 수분을 제거시키기 위한 공기필터; d) 상기 c)의 공기필터와 상기 b)의 막모듈유니트를 연결하는 공기통로 상에 설치되어 상기 b)의 막모듈유니트의 기체 투과성능을 높이기 위해 공기를 예열시킬 수 있도록 된 공기예열기; e) 상기 b)의 막모듈유니트로부터 나온 산소부화공기를 완충하기 위한 공기 완충기; 및 f) 상기 e)의 공기완충기로부터 산소부화공기를 연소실로 보내기 위한 연소공기블로워; 및 g) 상기 f)의 연소공기블로워의 연소공기를 공급받고, 폐기물을 소각하기 위한 연소실을 포함하는 폐기물 소각로를 포함하는 폐기물 소각처리장치.
3. 제5항에 있어서, 상기 b)의 막모듈유니트와 상기 e)의 공기완충기를 연결하는 공기통로 상에 설치되어, 상기 b)의 막모듈유니트로부터 나온 산소부화공기를 흡입하여 상기 e)의 공기완충기로 공급하기 위한 감압펌프를 더 포함하는 폐기물 소각처리장치.
4. a) 공기를 공급하기 위한 공기블로워; b) 상기 a)의 공기블로워로부터 공급된 공기를 막에 투과된 산소부화공기와 막에 투과되지 않은 질소부화공기로 분리하여 산소부화공기를 제조하기 위한 막모듈유니트; c) 상기 a)의 공기블로워와 상기 b)의 막모듈유니트를 연결하는 공기통로상에 설치되어 공기 중에 포함되어 있는 이물질과 수분을 제거시키기 위한 공기필터; d) 상기 c)의 공기필터와 상기 b)의 막모듈유니트를 연결하는 공기통로 상에 설치되어 상기 b)의 막모듈유니트의 기체 투과성능을 높이기 위해 공기를 예열시킬 수 있도록 된 공기 예열기; e)상기 b)의 막모듈유니트로부터 나온 산소부화공기를 흡입하여 공기완충기로 공급하기 위한 감압펌프 f) 상기 e)의 감압펌프로부터 나온 산소부화공기를 완충시키기 위한 공기 완충기; g) 상기 f)의 공기완충기로부터 산소부화공기를 연소실로 공급하기 위한 연소공기블로워; 및 h) 상기 g)의 연소공기블로워의 연소공기를 공급받고, 폐기물을 소각하기 위한 연소실을 포함하는 폐기물 소각로를 포함하는 폐기물 소각처리장치.

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