KR100467801B1 - 폐기물 고온 소각 및 열분해 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다이옥신이나 질소산화물의 생성을 줄일 수 있도록 된 폐기물 고온 소각 및 열분해 방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
이에 본 발명은, 폐기물이 투입되고 하단을 통해 산소가 투입되어 폐기물을 용융시키기 위한 용융소각로와, 용융소각로 하단의 출탕구를 통해 배출되는 슬래그를 냉각처리하기 위한 냉각기, 냉각기를 거친 슬래그에서 금속성분을 분리해내기 위한 슬래그분리기, 용융소각로의 상부 일측을 통해 배출되는 가스를 집진처리하여 입자를 제거하기 위한 집진기, 집진기를 거친 가스에서 황산화물 등의 오염물질을 제거하기 위한 산성가스제거기를 포함하는 폐기물 고온 소각 및 열분해 장치를 제공한다.

Description

폐기물 고온 소각 및 열분해 방법 및 그 장치{Method and Device for high temperature incineration and thermal decomposition of wastes}
본 발명은 산업계 폐기물 및 도시 폐기물의 소각 방법과 그 장치에 관련된 것이다.
보다 상세하게는 본 발명은 폐기물을 산소를 이용하여 고온에서 용융 소각시키고, 여기서 발생된 가스를 폐기물의 열분해와 예열에 이용하며 최종 배출가스를 연료 또는 화학제품의 원료로 이용할 수 있도록 하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
종래의 소각 방법은 소각 온도에 따라 저온 소각, 중온 소각, 고온 소각으로분류될 수 있다. 중온 소각은 소각 온도가 대략 1000℃ 부근의 온도에서 운전되며 가장 널리 이용되고 있는 소각방법이다.
이 소각 방법에 있어서의 문제점은 소각 후 잔유물인 소각재의 발생량이 많고, 소각재의 성상이 불안전하여 중금속 등 오염물질이 용출 될 수 있는 점과 소각 시 발생하는 가스의 양이 많아 분진, 황화합물, 질소산화물 등 오염물질의 제거에 있어서 비용이 높게 든다는 점이다.
또한 소각 조건이 충분한 산소를 공급한 상태에서 이루어지므로 질소 산화물의 발생과 염소 성분이 함유된 폐기물의 소각 시 다이옥신의 발생이 많아 질 수 있다.
저온 소각은 촉매나 기타 방법을 이용하여 저온에서 연소 시키는 방법이나 특정 분야에서 소규모로 이용되고 있으며 폐기물의 처리에는 이용되지 못하고 있으며 대용량화에 이르지는 못하고 있다.
고온 소각은 폐기물을 1300℃에서 2000℃ 정도의 온도에서 소각과 동시에 잔유물을 용융시켜 처리하는 방법으로서 매우 안정한 상태의 소각재를 얻을 수 있어 시멘트 원료나 매립재로서 이용될 수 있고, 소각 시 발생되는 생성가스의 양이 일반 소각 방법에 비교하여 작으므로 오염물질의 제거가 용이한 이점이 있다.
그러나 고온을 얻기 위한 방법으로 순수 산소를 투입하거나 보조 연료를 사용함으로써 운전 비용이 높아지는 점과 고온 소각에 따른 질소산화물의 발생이 증가 한다는 점, 고온 취급에 따른 설비비의 증가 등이 문제점으로 지적되고 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위한 다양한 소각 방법들이 제시되고 있다.
한편 염소 성분이 함유된 폐기물의 처리 시 발생되는 다이옥신류는 800℃ 이상의 온도에서는 분해되나 250℃에서 400℃의 온도 영역에서 De Nova 반응에 의하여 재합성된다. 이것은 배가스를 서서히 냉각할 때 일어날 확률이 높다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 배가스의 온도를 급격히 떨어뜨리는 방법들이 제안되고 있으나 이 과정에서 많은 열손실이 발생하는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 제반 요구사항에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 다이옥신이나 질소산화물의 생성을 줄일 수 있도록 된 폐기물 고온 소각 및 열분해 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 연소시 발생된 가스와 열을 연료나 화학재료로 재이용할 수 있도록 된 폐기물 고온 소각 및 열분해 방법를 제공함에 또다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 예열가스의 양을 조절하여 용융소각로 하부의 온도을 일정하게 유지할 수 있도록 된 폐기물 고온 소각 및 열분해 방법을 제공함에 또다른 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폐기물 소각 장치의 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 용융소각로 20 : 냉각기
30 ; 슬래그분리기 40 : 집진기
50 : 산성가스제거기
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 폐기물 소각 및 열분해 방법은, 폐기물을 산소를 이용하여 고온에서 용융 소각시키고, 여기서 발생된 가스를 폐기물의 열분해와 예열에 이용하며 최종 배출가스를 연료 또는 화학제품의 원료로 이용하여 달성된다.
이를 위해, 본 발명은 용융소각로 상부를 통해 폐기물을 투입하여 충진시키고, 하부로 산소를 투입하여 폐기물을 용융소각시키는 단계, 용융소각로의 하단을 통해 배출되는 슬래그를 일정온도 이하로 냉각시키는 단계와 냉각된 슬래그에서 금속성분을 분리해내는 단계, 용융소각로 하부의 연소에서 발생된 연소 가스가 용융소각로 상부를 향해 이동하면서 폐기물과 접촉하여 냉각되는 단계, 연소가스에 의해 폐기물을 가열하고 열분해 및 개질 반응을 일으키는 단계, 열분해 및 개질반응 영역에서 발생된 가스에서 입자상 물질을 제거하는 단계, 입자상 물질이 제거된 가스에서 황산화물, 질소산화물, 염소 화합물 등 오염물질이 제거하는 단계, 오염물질을 제거한 가스를 연료 또는 화학제품의 생산 원료나 제철소의 철광석 환원용 가스로 이용하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서 열분해 및 개질반응은 최소온도가 600℃ 이상임이 바람직하다.
또한, 본 발명은 열분해 및 개질반응에서 생성된 가스의 일부를 용융소각로 상부에서 폐기물과 직접 접촉시켜 폐기물의 예열과 수분을 제거하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 가스를 용융소각로 상부에서 인출하여 용융소각로 하부로 투입할 수 있다.
상기 방법을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 폐기물이 투입되고 하단을 통해 산소가 투입되어 폐기물을 용융시키기 위한 용융소각로와, 용융소각로 하단의 출탕구를 통해 배출되는 슬래그를 냉각처리하기 위한 냉각기, 냉각기를 거친 슬래그에서 금속성분을 분리해내기 위한 슬래그분리기, 용융소각로의 상부 일측을 통해 배출되는 가스를 집진처리하여 입자를 제거하기 위한 집진기, 집진기를 거친 가스에서 황산화물 등의 오염물질을 제거하기 위한 산성가스제거기를 포함하여 이루어진다.
이하 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 폐기물 소각 장치의 구성도이다.
상기한 도면에 의하면, 본 발명의 폐기물 고온 소각 및 열분해 장치는 폐기물이 투입되고 하단을 통해 산소가 투입되어 폐기물을 용융시키기 위한 용융소각로(10)와, 용융소각로(10) 하단의 출탕구(11)를 통해 배출되는 슬래그를 냉각처리하기 위한 냉각기(20), 냉각기(20)를 거친 슬래그에서 금속성분을 분리해내기 위한 슬래그분리기(30), 용융소각로(10)의 상부 일측을 통해 배출되는 가스를 집진처리하여 입자를 제거하기 위한 집진기(40), 집진기(40)를 거친 가스에서 황산화물 등의 오염물질을 제거하기 위한 산성가스제거기(50)를 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 용융소각로(10)는 수직으로 설치되고 내부는 고온 소각 및 용융 영역, 열분해 및 개질 반응 영역, 폐기물 주입 및 예열 영역으로 구분된다.
또한, 상기 집진기는 용융소각로(10)의 열분해 및 개질반응영역에 연결되어 열분해 및 개질반응역역에서 발생되는 가스를 집진처리하게 된다.
이하 본 발명의 작용에 대해 설명한다.
폐기물은 용융소각로(10)의 상부로 투입된다. 폐기물은 산업계 폐기물 및 도시 폐기물 모두 가능하다. 용융소각로(10)에서 폐기물은 완전히 충진된 상태로 운전된다. 용융소각로(10)는 고온 소각 및 용융 영역, 열분해 및 개질 반응 영역, 폐기물 주입 및 예열 영역으로 구분되며 폐기물은 상부에서 하부로 이동되면서 이 세 영역을 통과하면서 처리된다.
고온 소각 및 용융영역에서는 폐기물을 연소와 동시에 잔류물을 용융시킨다. 순수산소를 용융소각로(10)의 하부에 투입하여 폐기물을 연소 시킨다. 연소 온도는 1500℃에서 2000℃ 정도로서 이 온도에서는 유기물은 완전 연소되고 철등 금속 성분은 용융 또는 기화되며 회분 역시 용융된 상태로 존재하게 된다. 용융된 금속성분과 회분은 용융소각로(10) 하단에 모이고, 용융소각로(10)의 출탕구(11)를 통해 슬래그 냉각기(20)으로 배출된다. 냉각된 슬래그는 슬래그 분리기(30)로 보내어져 금속 성분과 슬래그로 분리된다.
용융소각로(10) 하부의 연소에서 발생된 연소 가스는 용융소각로(10) 상부를 향해 이동하면서 폐기물과 접촉하여 600℃ 까지 냉각된다. 이 과정에서 폐기물은 가열되고 열분해 및 개질 반응이 일어나게 된다. 이 때의 생성물은 분위기 가스 즉 용융소각로(10) 하부의 연소시 생성된 가스의 상태와 유기물의 종류에 따라 다양하나 주성분은 수소와 일산화탄소이다.
여기서, 분위기 가스중의 산소함량이 높아지게 되면 완전 연소 반응이 일어나게 되어 이산화탄소의 함량이 높아지게 된다. 따라서 용융소각로(10) 하부에 투입되는 산소의 양은 하부의 온도를 1500℃에서 2000℃로 유지할 수 있는 최소한의 양만 투입하는 것이 바람직하다.
600℃로 냉각된 열분해 및 개질반응 영역에서 발생된 가스는 집진기(40)로 보내어져 입자상 물질을 제거하고 산성가스 제거기(50)로 보내어져 황산화물, 질소산화물, 염소 화합물 등 오염물질이 제거된다.
이렇게 하여 생산된 가스은 오염물질의 함량과 수분의 함량이 낮은 고 발열량 가스로서 연료로서 이용할 수 있다. 또한 생산가스의 주성분이 수소와 일산화탄소로 구성되어 있어 화학제품의 생산 원료나 제철소의 철광석 환원용 가스로 이용될 수도 있다.
열분해 및 개질반응 영역에서 발생한 가스의 일부는 용융소각로(10) 상부로 보내어져 폐기물의 예열에 이용된다. 이 과정에서 폐기물은 예열되면서 폐기물에 함유된 수분이 기화되어 제거되게 되고 200℃ 정도 까지 온도가 떨어지게 되고 용융소각로(10) 상부로 배출되게 된다. 상부에서 배출되는 가스에는 다량의 수분과 일부 유기 가스 성분을 함유하고 있다. 이 가스는 용융소각로(10) 하부로 재 투입된다. 가스에 함유된 수분은 폐기물 중 탄소 성분과 반응하여 수소와 일산화탄소를 만들며, 유기물은 완전 연소된다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 폐기물 고온 소각 및 열분해 방법에 의하면, 1500℃에서 2000℃의 고온에서 폐기물을 연소 및 용융 시킴으로써 소각 후 잔류물 중에 중금속 및 유기물의 함량이 낮고 안정된 상태의 슬래그를 얻음으로써 오염물질의 용출이 없어 환경오염을 방지할 수 있으며 슬래그는 시멘트의 원료나 매립자재로서 재활용할 수 있다. 또한 이 온도 영역에서는 대부분의 금속이 용융되므로 철 등 유가금속을 회수할 수 있다. 따라서 제철폐기물, 자동차 페기물 등 금속 성분이 다량함유된 폐기물의 처리에 효과적이다.
또한, 질소산화물은 고온에서 연소시 온도가 높아지게됨에 따라 급격히 발생량이 증가하게 된다. 그러나 본 발명의 경우에는 연소시 순수산소를 사용하여 질소를 연소과정에서 없앰으로써 질소산화물의 발생을 억제할 수 있다. 또한 폐기물 중에 함유된 질소 성분은 용융소각로의 중부인 열분해 및 개질반응 영역에서 분해되어 제거됨으로써 용융소각로 하부 연소 영역에서의 폐기물에는 질소성분이 없으므로 질소산화물의 발생이 없게된다.
또한, 폐기물을 완전 소각시키지 않고 연소영역에서 발생된 가스와 열을 이용하여 열분해 및 개질반응을 일으켜 수소와 일산화탄소가 주성분인 고발열량 가스를 얻음으로서 생성된 가스를 정제과정을 거쳐 연료로 재이용하거나 화학제품의 원료, 제철산업의 환원제로서 활용이 가능하게 되어 자원의 회수 및 재활용면에서 본 발명은 유용한 방법이다. 종래의 고온 용융 소각방법과 달리 본 발명에서는 열분해 및 개질반응 영역에서 인출함으로써 생산가스 중의 수분의 함량을 최소화할 수 있게 되어 우수한 성분의 가스를 생산할 수 있게 된다.
또한, 다이옥신류는 배가스를 냉각하는 과정에서 De Nova 반응에 의하여 재합성되는 데, 본 발명에서는 열분해 및 개질반응 영역에서 생산된 가스의 주성분이 수소와 일산화탄소이며 산소 성분이 없는 환원 분위기의 가스로서 냉각을 시켜도 다이옥신의 재합성이 일어나지 않게된다.
또한, 폐기물 예열부분에서 폐기물에 함유된 수분을 제거함으로써 폐기물의 단위 발열량을 증가시키고 열분해 및 개질반응 영역에서 생산되는 가스의 질을 높일 수 있게되어 전체적인 효율을 높일 수 있게된다.
또한, 탄소 성분은 800℃ 이상의 온도에서 수분과 반응하여 수소와 일산화탄소를 만든다. 본 발명에서는 예열부분에서 발생된 수분함유 가스를 용융소각로 하부에 주입함으로써 폐기물중의 탄소 성분의 분해를 촉진시킬 수 있게 하였다. 또한 예열가스의 량을 조절하여 용융소각로 하부의 온도가 일정온도로 유지하는 온도 조절 방법으로 이용할 수 있다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. (정정) 용융소각로 상부를 통해 폐기물을 투입하여 충진시키고, 하부로 산소를 투입하여 폐기물을 용융소각시키는 단계와;
    용융소각로의 하단을 통해 배출되는 슬래그를 일정온도 이하로 냉각시키고, 냉각된 슬래그에서 금속성분을 분리해내는 단계;
    용융소각로 하부의 연소에서 발생된 연소 가스가 용융소각로 상부를 향해 이동하면서 폐기물과 접촉하여 냉각되고, 연소가스에 의해 폐기물이 가열되고 열분해 및 개질 반응을 일으키는 단계;
    열분해 및 개질반응 영역에서 발생된 가스에서 입자상 물질을 제거하고, 입자상 물질이 제거된 가스에서 황산화물, 질소산화물, 염소 화합물 등 오염물질을 제거하는 단계;
    상기 가스가 용융소각로 상부에서 인출되어 용융소각로 하부로 재투입하는 단계;
    오염물질을 제거한 가스를 연료 또는 화학제품의 생산 원료나 제철소의 철광석 환원용 가스로 이용하는 단계
    를 포함하는 폐기물 고온 소각 및 열분해 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 열분해 및 개질반응 영역의 온도는 600℃ 이상인 것을 특징으로 하는 폐기물 고온 소각 및 열분해 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 열분해 및 개질반응에서 생성된 가스의 일부를 용융소각로 상부에서 폐기물과 직접 접촉시켜 폐기물의 예열 및 수분을 제거하는 것을 특징으로 하는 폐기물 고온 소각 및 열분해 방법.
  6. 삭제
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