KR100484616B1 - 다이옥신 배출 저감을 위한 축열식 연소 매트가 장착된 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐기물의 열분해 용융 또는 소각에 있어서 맹독성 발암물질인 다이옥신 합성의 주원인이 되는 미연입자의 배출을 극소화함으로써 다이옥신의 발생을 근원적으로 차단하여 환경친화적인 열분해 용융 또는 소각 기능을 수행할 수 있도록 하는 축열식 연소매트가 장착한 연소장치에 관한 것이다.

이를 위하여 폐기물 열분해 용융로 또는 소각로에서 연소가스와 함께 유동하여 들어오는 미연입자와 미연가스를 공기 또는 산소와 같은 산화제와 혼합하여 완전연소시키기 위해 내화재로 시공한 연소실, 연소실내에 산화제를 공급하기 위해 연소실의 내벽에 구비된 산화제 공급 노즐, 미연입자 및 다이옥신을 포함한 입자상 물질을 포획하기 위해 세라믹 화이버 또는 메탈화이버로 형성된 축열식 연소매트로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 축열식 연소매트는 연소실 내에 입자상 물질이 연소실 내에 충분히 체류하지 않고 입구에서 출구부로 직선운동으로 배출되는 것을 방지하기 위하여 여러 가지 지그재그의 방법으로 설치된다.

이는 폐기물 열분해 용융로 또는 소각로에서 발생하는 다이옥신 중 입자상으로 검출되는 다이옥신이 90%임을 감안하여 연소장치의 구조를 개선하여 다이옥신을 함유하고 있는 입자들을 적극적으로 포획하여 완전연소를 유도함으로써 다이옥신의 배출을 극소화하고자하는 것이다.

Description

다이옥신 배출 저감을 위한 축열식 연소 매트가 장착된 연소장치{APPARATUS FOR COMBUSTION HAVING HEATING STORAGE TYPE COMBUSTION MAT FOR REDUCING DIOXIN FOR CONTROLLING THE SAME}

본 발명은 폐기물의 열분해 용융 또는 소각에 있어서 운전 중에 발생할 수 있는 악조건, 즉, 처리 용량에 비해 폐기물의 투입용량이 일시적으로 증가하거나 감소하는 경우, 혹은 연소용 산화제인 공기 또는 산소의 공급량이 과다하거나 부족한 경우에도 열분해 용융로 또는 소각로의 출구에서 대부분을 차지하는 입자상 다이옥신을 극소화하며 동시에 일산화탄소와 같은 미연분의 발생을 극소화할 수 있는 세라믹 화이버나 메탈 화이버의 재질로 이루어진 축열식 연소 매트가 장착된 연소장치에 관한 것이다.

일반적으로, 종래의 폐기물 열분해 용융 시스템이나 소각시스템에서에서 사용되는 연소실은 내화물로 이루어진 빈 공간에 산화제인 공기나 산소를 노즐에서 공급하여 미연가스 혹인 미연입자와 혼합하여 연소시키는 방식이 주를 이루고 있다. 여기에 혼합 및 연소성을 향상시키기 위하여 선회류를 형성시키는 것이 대종을 이룬다. 이러한 방식은 미연가스를 산화제와 혼합하여 완전연소시키기에는 용이하지만 입자상의 미연분을 연소시키기에는 체류시간과 산화제와의 혼합조건과 같은 완전연소의 조건이 형성되기에는 부적합하다.

특히, 중형급 이하의 열분해 용융시스템 또는 소각시스템에서는 폐기물 투입 또는 교반에 따른 순간적인 미연입자의 비산량 증가에 대처할 수 있는 충분한 완충공간이 없고 또한, 다이옥신이나 일산화탄소와 같은 유해물질의 발생 규제치가 상대적으로 완화되어 있기 때문에 대기 오염의 증가와 환경파괴의 원인이 되고 있다.

또한, 종래의 폐기물 열분해 용융 시스템이나 소각시스템에서 적용되는 연소실은 연소실의 출구온도를 각각 1200℃ 혹은 850℃ 이상에서 1초 혹은 2초의 체류시간을 가지도록 규제하고 있기 때문에 연소실의 온도를 지정온도 이하로 조절하거나, 또는 연소실의 용적을 줄일 수 없기 때문에 에너지 이용의 측면이나 설비비의 측면에서 절감할 방안을 찾을 수 있는 길이 한정되어 있다. 동시에 다이옥신을 극소화시킬 수 있는 연소 기술의 개발이 제한되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 폐기물 열분해 용융시스템 또는 소각시스템에 적용되는 연소실의 구조를 개선하여 운전상에서 발생할 수 있는 연소의 악조건에서도 입자상 미연물질을 완전히 연소시킬 수 있도록 하여 다이옥신의 발생을 극소화하며, 동시에 일산화탄소와 같은 미연분의 배출을 최대한으로 감소시킬 수 있는 세라믹 화이버나 메탈 화이버 재질의 축열식 연소 매트가 장착된 연소장치를 제공하는데 그 목적을 두고 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명을 적용하기 위한 일례로는, 폐기물의 열분해 용융 또는 소각하기 위해, 투입된 폐기물을 열분해 시키는 열분해로(1)와, 상기 열분해로(1)에서 배출되는 고형물과 가스를 가열시키는 버너가 장착된 용융로(2)와, 상기 용융로(2)로부터 배출되는 미연입자와 미연가스를 완전 연소시키기 연소실(3)과, 상기 연소실(3)의 내측에 장착된 연소매트(34)와, 상기 연소실(3)으로부터 배출되는 배기가스중의 조대 분진을 제거하는 사이클론(4)과, 상기 사이클론(4)으로 배출되는 배기가스의 현열을 회수하여 공기를 가열하는 열교환기(5)와, 상기 열교환기(5)로부터 유입되는 배기가스에 약품을 투여하여 산성 오염물질을 중화시키는 세정기(6)와, 상기 세정기(6)를 통과한 배기가스에 포함된 미세분진을 여과하여 주는 백필터(7)와, 상기 백필터(7)의 출구부에 연결 설치되어 배기가스를 흡입함으로써 소각로 전체가 부압의 상태로 유지되게 하는 유인송풍기(8)와, 상기 유인송풍기(8)를 통과한 배기가스를 외부로 배출하는 연돌(9)을 포함하는 연소장치에 있어서, 상기 연소매트(34)는 지그재그로 설치하여 관성이 큰 입자상 미연분을 부착 또는 포획함으로써 체류시간을 인위적으로 증가시켜 완전 연소를 유도하도록 구성되고, 상기 연소매트(34)가 지그재로로 설치되기 위해 연소매트(34)가 연소가스의 유동이 중앙부와 외곽부로 번갈아 유동하도록 상기 연소실(3)내에 장착된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명을 적용한 일례로서 열분해 용융 방식을 이용한 폐기물 소각시스템의 구성도이며, 도 2는 도 1의 3번 부분인 연소실의 상세도이다.

상기 도면에 의하여 설명하면, 본 발명을 적용하는 일례로서의 폐기물 열분해 용융 시스템은 폐기물(11)을 저산소 상태에서 500∼700℃로 가열됨에 따라 열분해되어 균질한 조성의 고형 탄화물인 촤(12)와 가연성의 가스로 변환하는 열분해로(1)를 갖는다.

상기 열분해로(1)와 연통되는 용융로(2)를 갖는다. 상기 용융로(2)는 상기 열분해로(1)에서 생성된 고형의 촤(12)와 가연성 가스를 열교환기(5)에서 200∼300℃로 예열된 공기와 함께 1300∼1400℃로 고온 연소시킴으로써 고형잔류물이 완전히 용융하여 액상의 슬랙으로 된다.

여기에서, 상기 열분해로(1)에서 생성된 고형의 촤(12)가 용융로에 유입되는 순간에는 고온의 용융부와 접촉함으로 인한 폭발적인 비산으로 인해 많은 미연입자가 가스 중에 부유하게 된다. 이 미연입자는 유동과정에서 다이옥신의 생성원이 되고 미연분의 증가 요인이 되므로 이 미연입자와 미연가스를 완전연소시키기 위해 상기 용융로(2)와 연통되게 연소실(3)이 설치되어 있다.

상기 연소실(3)의 내부에는 완전 연소가 어려운 입자상의 미연분의 배출을 지연시켜 완전연소시키기 위해 세라믹 화이버 또는 메탈 화이버 소재로 이루어진 연소매트(34)가 설치되어 있다.

또한, 본 발명을 적용하는 일례로서의 폐기물 열분해 용융 시스템은 상기 연소실(3)로부터 배출되는 배기가스 중의 대형입자를 포집하는 사이클론(4) 함께 배기가스중의 열을 회수하여 공기를 예열하는 열교환기(5)가 설치되어 있다.

또한, 본 발명을 적용하는 일례로서의 폐기물 열분해 용융 시스템은 상기 열교환기(5)로부터 유입되는 배기가스에 알칼리 약품을 분사하여 산성가스를 중화시키는 세정기(6)가 설치되어 있다.

또한, 본 발명을 적용하는 일례로서의 폐기물 열분해 용융 시스템은 상기 세정기(6)를 통과한 배기가스에 포함된 미세분진을 여과하여주는 백필터(7)가 설치되어 있다.

또한, 본 발명을 적용하는 일례로서의 폐기물 열분해 용융 시스템은 상기 백필터(7)의 출구부와 연결되어 소각로내에 부압을 유지시켜 주는 유인송풍기(8)가 설치되어 있다.

또한, 본 발명을 적용하는 일례로서의 폐기물 열분해 용융 시스템은 상기 유인송풍기(8)를 통과한 배기가스를 외부로 배출하기 위한 연돌(9)이 설치되어 있다.

본 발명을 이루는 연소장치를 이용한 제어방법을 다시 상세히 정리하면 다음과 같다.

폐기물의 열분해 용융 또는 소각에 있어서,

폐기물을 저 산소상태에서 500∼700℃로 가열됨에 따라 열분해되어 균질한 조성의 고형 탄화물인 촤와 가연성의 가스로 변환하는 열분해단계와,

상기 열분해단계에서 생성된 고형의 촤와 가연성 가스를 열교환단계에서 200∼300℃로 예열된 공기와 함께 1300∼1400℃로 고온 연소시킴으로써 고형잔류물이 완전히 용융하여 액상의 슬랙으로 변환시키는 용융단계와,

상기 열분해단계에서 생성된 고형의 촤가 용융로에 유입되는 순간에는 고온의 용융부와 접촉함으로 인한 폭발적인 비산으로 인해 많은 미연입자가 가스 중에 부유하게 되며, 상기 미연입자는 유동과정에서 다이옥신의 생성원이 되고 미연분의 증가 요인이 되므로 상기 미연입자와 미연가스를 완전연소시키기 위한 연소단계와,

상기 연소단계로부터 배출되는 배기가스 중의 대형입자를 포집하는 단계와,

상기 연소단계로부터 배출되는 배기가스 중의 대형입자를 포집하는 단계와 함께 배기가스중의 열을 회수하여 공기를 예열하는 열교환 단계와,

상기 열교환 단계로부터 유입되는 배기가스에 알칼리 약품을 분사하여 산성가스를 중화시키는 세정단계와

상기 세정단계를 통과한 배기가스에 포함된 미세분진을 여과하여주는 여과단계와.

상기 여과단계와 연결되어 시스템에 부압을 유지시켜 주는 유인송풍단계와

상기 유인송풍단계를 통과한 배기가스를 외부로 배출하기 위한 배출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이옥신 배출 저감을 위한 축열식 연소 매트가 장착된 연소장치를 이용한 제어방법에 관한 것이다.

상기 연소단계에는 완전연소가 어려운 입자상의 미연분의 배출을 지연시켜 완전 연소시키기 위하여 세라믹 화이버 또는 메탈 화이버 소재로 이루어진 연소매트가 장착되며, 또한, 상기 연소단계에는 장착된 연소매트는 연소단계의 입자상 물질이 연소단계에서 충분히 체류하지 않고 입구부에서 출구부로 직선운동으로 배출되는 것을 방지하기 위하여 지그재그 방식으로 설치된다. .

도 2는 상기 도 1의 연소실(3)을 상세하게 설명하기 위한 그림이다.

상기 도 1의 용융로(2)에서 연소실의 입구부(31)을 통해 유인되어 온 미연입자와 가스는 내화재(35)로 내벽이 시공되어 있으며 보조버너(32)에 의해 가열된 연소실(3)내에서 산화제 자켓(33)과 노즐(36)에 의해 공급된 산화제 즉, 공기 또는 산소와 혼합되어 연소되게 된다.

또한, 상기 연소실(3)의 내부에는 세라믹 화이버 또는 메탈 화이버 재질의 연소매트(34)가 가스의 유동에 대하여 지그재그로 설치되어 있으므로 상대적으로 관성이 큰 미연입자(38)는 상기 연소매트(34)에 부착되는 확률이 높아진다. 따라서 고온의 연소공간에 체류하는 시간이 증가하여 충분히 완전연소되는 조건을 가지게 되어 연소실 출구 배가스(37) 중에 함유될 수 있는 미연입자를 최소화시킬 수 있게 되는 것이다.

한편, 도 3은 연소실 내에 연소매트를 지그재그로 설치하는 또 다른 방법의 일례로서 연소가스의 유동을 중앙부와 외곽부로 번갈아 유도함으로써 관성이 큰 입자상 미연분(38)이 연소매트에 충돌하여 체류시간이 증가됨으로써 완전 연소되는 연소실의 구성방법을 도시하고 있다.

한편, 상기 열분해 용융 방식의 폐기물 소각시스템에 대한 일례의 운전결과를 참고적으로 설명한다. 본 실험에서는 자동차 내장재를 대상 폐기물로 하였다.

도 4와 도 5는 본 시스템의 연소실의 출구에서 측정한 온도와 연돌에서 측정한 일산화탄소의 농도를 나타낸 그래프로서, 도 4는 본 발명의 적용 일례로서 메탈 화이버 연소매트를 설치한 경우에 일산화탄소가 배출되지 않는 한계에 있는 온도를 표시한 것이다.

상기 그래프에서 보는 바와 같이

연소실 출구 온도가 700℃를 넘어서면서 일산화탄소의 발생 농도는 현저하게 감소하였으며, 722℃에서 일산화탄소는 9ppm으로 측정되었다. 연소실 출구의 온도 850℃ 이상에서 일산화탄소는 전혀 발생하지 않음을 알 수 있다. 이후 폐기물의 투입량을 조절하여 온도의 변화를 시도한 결과 한번 후연소실이 850℃ 이상으로 가열되고 나면 온도가 약 5분간에 걸쳐 후연소실의 온도가 690℃ 정도까지 저하하여도 일산화탄소는 발생하지 않았다. 즉, 온도의 변화에 대하여 일산화탄소의 발생이 민감하게 반응하지 않음을 보여주는 결과이다.

즉, 연소실에 장착된 메탈화이버 연소매트의 효과는 매우 고무적인 연소효율 상승 효과를 제공한다는 것을 알 수 있다.

도 5는 메탈화이버 미설치 상태에서 연소실의 출구온도와 일산화탄소의 발생농도와의 관계를 도시한 결과이다.

상기 결과에서 보는 바와 같이 연소실의 출구온도는 8회째 1060℃를 상회할 때까지 지속적으로 일산화탄소가 발생하고 있다. 특히 4회째의 측정치를 보면 연소실 출구 온도가 850℃를 상회하였음에도 일산화탄소의 발생농도는 40ppm을 상회하고 있다. 또한 메탈화이버 연소매트 장착의 경우와는 달리 연소실 출구의 온도가 충분히 가열된 후에도 항상 800℃ 이상을 유지하여야만 일산화탄소가 더 이상 발생하지 않는다.

즉, 메탈화이버를 장착하지 않은 경우에는 온도의 변화에 대한 완충작용이 없이 대단히 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있었다. 일산화탄소의 발생량도 크게 차이가 있어서 메탈화이버 장착의 경우 연소실 출구 온도가 700℃만 상회하여도 일산화탄소의 발생량이 10 ppm 이하로 감소하는 반면, 메탈화이버 미장착의 경우에는 700℃ 이상에서 최대 150 ppm까지 발생하였다.

도 6은 도 4와 같이 메탈 화이버 연소매트를 설치한 경우이 실험에서 동시에 측정된 산소농도와 일산화탄소 발생 농도와의 관계를 도시한 것이다. 여기서 일산화탄소의 농도는 산소 12%에서의 값으로 환산된 것이며 산소의 농도는 측정된 상태의 값을 도시한 것이다.

상기 결과를 보면 초기에 온도가 충분히 상승하지 않은 상태에서는 산소 농도 12%이상에서도 일산화탄소가 발생하고 있으나, 연소실의 온도가 850℃ 이상으로 상승하고 난 5회째 이상에서는 산소의 농도 변화에도 일산화탄소의 발생은 나타나지 않음을 알 수 있다.

즉, 메탈화이버의 장착이 온도의 변화는 물론 산소의 농도 변화에도 양호한 완충작용을 함을 알 수 있다. 이 결과에서는 한번 연소실의 온도가 상승하고 나면 운전 중에 산소 농도를 17%까지 증가시켜도 일산화탄소는 전혀 발생하지 않았으며, 반대로 인위적으로 산소농도를 감소시킨 결과, 산소의 농도가 9.3%까지 감소하여도 일산화탄소는 역시 전혀 발생하지 않았다.

즉, 연소매트의 설치는 산소의 농도 변화에도 완충역할을 하여 일산화탄소의 발생을 방지한다는 것을 알 수 있다.

도 7은 연소매트를 설치하지 않은 경우에 산소농도와 일산화탄소 발생농도와의 관계를 도시한 것으로 일단 연소실이 충분히 가열된 이후에도 완전연소를 위해서는 충분한 산소 농도를 필요로 하여 12.8% 이상의 산소농도를 유지하여야 일산화탄소의 발생이 차단된다. 즉, 메탈 화이버 연소매트를 설치한 경우에서보다 약 3.5% 이상의 산소농도를 필요로 하며, 결과적으로 훨씬 높은 과잉공기비를 요구하는 것이다. 높은 과잉공기비는 출구 배가스의 증가를 의미하며 열손실 및 후처리 부하의 증가를 필요로 하여 설비 및 운전비용의 증가를 가져오게 된다.

결과적으로 본 발명에서와 같이 연소실에 장착한 연소매트는 연소실의 온도나 산화제 공급량의 변화에 대해서 완충작용이 매우 우수한 특성을 보이며 따라서, 운전 중 발생할 수 있는 폐기물의 과다 투입 및 과소 투입의 경우에 산화제가 순간적으로 부족해지거나 과잉으로 될 수 있는 상황에서 순간적인 미연분의 과다 발생과 동시에 미연입자로 인해 생성되는 유기독성 물질인 다이옥신의 발생을 억제할 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 연소로에 지그재그형의 세라믹 화이버 또는 메탈 화이버 재질의 연소매트를 설치함으로서 입자상 미연물질을 부착 또는 포획하여 체류시간을 증가시킴으로써 완전연소를 유도하여 미연입자에 의해 생성되는 다이옥신을 억제하며, 미연분의 대기 배출을 방지하여 대기 오염을 극소화하며, 동시에 연소 온도의 제어를 쉽게 하고 공기비를 줄일 수 있어 배가스 처리에 필요한 비용을 최소화하는 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.

도 1은 본 발명을 적용하기 위한 일례로서의 폐기물 열분해 용융 시스템의 개략도

도 2는 본 발명에 따른 일례로서의 연소 매트를 구비한 연소실의 구성도

도 3은 본 발명의 연소 매트 설치 방법의 다른 실시예

도 4 및 도 6은 본 발명의 연소 매트가 적용된 연소실에서의 배가스 측정 예

도 5 및 도 7은 본 발명의 연소 매트가 적용되지 않은 연소실에서의 배가스 측정 예

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 열분해로 2: 용융로

3 : 연소로 4 : 사이클론

5 : 열교환기 6 : 반건식세정기

7 : 백필터 8 : 유인송풍기

9 : 연돌 10 : 용융로

11 : 폐기물 34 : 연소매트

Claims (10)

1. 폐기물의 열분해 용융 또는 소각하기 위해, 투입된 폐기물을 열분해 시키는 열분해로(1)와, 상기 열분해로(1)에서 배출되는 고형물과 가스를 가열시키는 버너가 장착된 용융로(2)와, 상기 용융로(2)로부터 배출되는 미연입자와 미연가스를 완전 연소시키기 연소실(3)과, 상기 연소실(3)의 내측에 장착된 연소매트(34)와, 상기 연소실(3)으로부터 배출되는 배기가스중의 조대 분진을 제거하는 사이클론(4)과, 상기 사이클론(4)으로 배출되는 배기가스의 현열을 회수하여 공기를 가열하는 열교환기(5)와, 상기 열교환기(5)로부터 유입되는 배기가스에 약품을 투여하여 산성 오염물질을 중화시키는 세정기(6)와, 상기 세정기(6)를 통과한 배기가스에 포함된 미세분진을 여과하여 주는 백필터(7)와, 상기 백필터(7)의 출구부에 연결 설치되어 배기가스를 흡입함으로써 소각로 전체가 부압의 상태로 유지되게 하는 유인송풍기(8)와, 상기 유인송풍기(8)를 통과한 배기가스를 외부로 배출하는 연돌(9)을 포함하는 연소장치에 있어서,

   상기 연소매트(34)는 지그재그로 설치하여 관성이 큰 입자상 미연분을 부착 또는 포획함으로써 체류시간을 인위적으로 증가시켜 완전 연소를 유도하도록 구성되고, 상기 연소매트(34)가 지그재로로 설치되기 위해 연소매트(34)가 연소가스의 유동이 중앙부와 외곽부로 번갈아 유동하도록 상기 연소실(3)내에 장착된 것을 특징으로 하는 다이옥신 배출 저감을 위한 축열식 연소 매트가 장착된 연소장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 연소실(3)은 유인되어 온 미연입자와 가스가 유입되는 입구부(31)와, 외벽을 형성하는 내화재(35)와, 보조가열을 위한 보조버너(32)와, 상기 내벽(35)의 외측에 장착된 산화제 자켓(33)과, 산화제가 공급되도록 외벽에 설치된 노즐(36)로 이루어진 것을 특징으로 하는 다이옥신 배출 저감을 위한 축열식 연소 매트가 장착된 연소장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 연소실(3)의 내측에 장착된 연소매트(34)는 세라믹 또는 메탈 화이버 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 다이옥신 배출 저감을 위한 축열식 연소 매트가 장착된 연소장치.
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