KR100490381B1 - 에너지 절약형 세라믹 열소각로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자연 연소온도까지 예열되지 않은 유기성 폐가스를 촉매를 사용하지 않고 연소개시온도 이상으로 가열된 세라믹만으로 연소개시 시킨후 연소실에서 완전 산화시키는 에너지 절약형 세라믹 열소각로 시스템에 관한 것이다.

종래의 방법인 열소각로(Thermal Oxidizer)는 버너(5)의 열 및 화염에 의해 소각로로 유입되는 유기가스가 자연 연소온도까지 상승된 후 유입가스 중의 유기물의 산화소각이 진행되나 에너지 절약형 세라믹 열소각로는 소각로 내에 연소개시 세라믹 층(18)을 두고 이 연소개시 세라믹 층(18)의 온도를 유기물의 산화온도 이상으로 유지함으로써 유기물 산화반응이 연소개시 세라믹 층(18)에서 개시되도록 한다.

사용되는 세라믹(21) 재질은 높은 열용량으로 인해 연소개시 세라믹 층(18)에 열을 축적할 수 있는 높은 축열 효율을 갖는다. 유입 유기물은 연소개시 세라믹 층(18)에서 연소되고 연소열의 일부가 연소개시 세라믹 층(18)에 전달되며 저농도 가스 유입시에도 연소개시 세라믹 층(18) 중 한 부분의 온도라도 최소 발화 온도를 유지할 수 있는 열만을 공급하여 유기가스의 연소를 개시시키며 연소개시 세라믹 층(18) 후단 연소실(19)에서 완전 연소가 되게 함으로, 결과적으로 종래의 화염 열소각로와 비교할 때 에너지 비용을 낮출 수 있게 된다.

에너지 절약형 세라믹 열소각로 시스템은 소각로, 열교환기 1(11, 13), 열교환기 2(15), 송풍기(10) 등으로 이루어지며 소각로는 버너실(16), 연소개시 세라믹 층(18), 연소실(19)로 구성된다.

Description

에너지 절약형 세라믹 열소각로{Energy Saving Thermal Incinerator with Ceramic Heat Accumulator}

본 발명은 유기성 폐가스를 산화처리하는 에너지 절약형 세라믹 열소각로 시스템에 관한 것이다.

일반 열소각로(Thermal Oxidizer)는 도1에 도시되어 있다. 폐가스 유입관(1)을 통해 들어온 유기가스는 소각로의 연소실(4, Furnace Chamber)에 설치된 버너(5)의 화염에 의해 혼합되고 산화 소각처리 된다.

고온의 처리가스는 열교환기(3)에서 유기가스와 열교환되어 계외로 배출된다. 화염에 의한 연소로에서의 자유연소는 유입가스를 균일하게 분포시켜 완전 산화시키는데 한계가 있기 때문에 불완전 연소를 일으켜 유기물의 처리효율 저하를 가져올 수 있고 때로는 바람직하지 않은 부산물을 생성할 수도 있다.

일반적인 열소각로(Thermal Oxidizer)는 화염에 의해 연소실 온도를 유기물 산화온도 이상으로 유지시켜 유기물을 산화 처리한다. 그러므로 연소개시를 위해 보조 열원이 공급되며 유입 유기물은 연소시 자체 발열량을 갖고 있으므로 연소실(4) 출구 온도는 그 온도만큼 더 높아지며 따라서 배기가스 폐열을 이용하는 열교환기(3)는 높은 온도조건에서 설계/운전 되므로 재질선정, 기계적인 내구성에서 문제가 되며 보조연료 사용에 따라 그 운전비는 높다.

또 비교적 고농도 가스의 연소에 적용되는 무염 소각로(Flameless thermal oxidizer)는 세라믹을 이용하여 연소조건을 개선시키고 있으나 그 운전온도가 760℃~1925℃로 매우 높아 배기가스 열회수를 위한 열교환기의 기계적인 내구성에 문제가 될 뿐 아니라 저농도가스 유입시에는 연소온도 유지를 위해 보조열원이 투입되어야 하는 등 일반 열소각로와 동일한 문제점을 갖는다.

세라믹을 이용한 축열식 소각로(RTO)는 무염 소각로(Flameless thermal oxidizer)와 같이 세라믹 층에서 연소가 일어나며 그 세라믹 자체를 열교환기로 이용하여 연소조건이 양호하며 열효율도 높으나 구조 특성상 가스 흐름을 바꾸어 주어야 하므로 유입가스의 압력변동이 발생하며 운전 안정성이 저하되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여, 소각로 내에 연소개시 세라믹 층(18)을 설치하여 유기물 산화가 최소온도에서 이 연소개시 세라믹 층(18)에서 개시되게 하고 별도의 연소실(19)에서 완전 산화가 일어나도록 하여 열소각에 따른 연료비를 절감함과 동시에 유입 유기물 산화에 따른 소각 후 온도를 최소화하여 열교환기의 내구성을 높이는 경제적인 소각로를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 소각로의 구조를 표시한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 소각로는 송풍기(10)에 연결된 두개의 열교환기 1(11, 13)과; 열교환기 1 일측에 연결된 열교환기 2(15)와; 열교환기 2(15) 우측(도면방향)에 빈 공간으로 설치된 연소실(19)과; 연소실(19) 일측에 내설된 연소개시 세라믹 층(18)과; 연소개시 세라믹 층(18)과 열교환기 2(15)를 긴 통로로 연결시켜주는 버너실(16)과; 버너실(16) 상부 또는 측면에 설치된 버너(17)로 구성된다.

공장에서 배출되는 폐가스는 송풍기(10)에 의해 소각로로 유입되어 좌측 열교환기 1(11, 도면방향)을 거친 후, 덕트(12)를 지나 우측 열교환기 1(13, 도면방향)을 통과한다. 열교환기 1(11, 13)에서 열교환하여 예열된 폐가스는 예열가스 유입관(14)을 통과한 후 열교환기 2(15)를 통과하면서 더욱 예열 온도가 상승한다. 열교환기 2(15)를 통과하여 충분한 예열 온도까지 상승한 폐가스는 버너실(16)과 연소개시 세라믹 층(18), 연소실(19)을 각각 거치며 소각이 이루어진다.

연소실(19)은 750~770℃ 정도로 유지하여 연소개시 세라믹 층(18)내에서 미연소된 가스가 완전히 연소됨은 물론, 일반 열소각로(Thermal Oxidizer)에 비해 낮은 배출가스 온도로 인하여 열교환기 2(15)의 가혹한 설계 온도 조건을 피할 수 있게 한다.

연소개시 세라믹 층(18)의 세라믹 부피는 폐가스 발열량을 계산하여 폐가스가 이곳 연소개시 세라믹 층(18) 내에서 자체 발열량만으로 연소될 수 있도록 내설한다. 연소개시 세라믹 층(18)은 세라믹을 쌓아 만드는데, 축열재로서 이러한 세라믹이 이용되는 이유는 공기의 열전도도는 1기압에서 0.03W/m·℃에 불과한 반면 세라믹의 열전도도는 1기압에서 1~3W/m·℃이므로 공기에 비해 30~100배 정도 커서 열전달 속도가 빠르고, 열용량이 200~300cal/kg·℃에 달해 축열량이 높으며, 또한 250~1000㎡/㎥의 넓은 비표면적을 지니기 때문에 폐가스와 접촉시 열교환 효율이 높기 때문이다. 또한 구조적 형상이 유입가스를 균일하게 분포시켜 혼합 효과가 높아지고, 연소개시 세라믹 층(18)에서의 고른 열분포가 형성되어 유기물의 연소개시가 용이하게 이루어진다.

작동 방법을 설명하면 다음과 같다. 연소개시 세라믹 층(18) 입구측 온도를 유기물 자동 점화 온도까지 올리기 위해 먼저 버너(17)를 점화시킨다. 연소개시 세라믹 층(18)의 일부에서 유기물 자동 점화 온도에 도달하면, 연소개시 세라믹 층(18)에 설치된 온도 조절기(미도시)에 의해 버너(17)는 자동 소화되고 폐가스가 송풍기(10)에 의해 유입되어 소각을 시작한다.

연소원리를 자세히 살펴보면 다음과 같다. 버너실(16)은 일반적으로 폐가스를 연소시키기에는 낮은 온도(약 500~550℃)이므로 연소 준비 구간이 되며, 본격적인 연소는 연소개시 세라믹 층(18)에서부터 이루어진다. 이때 연소개시 세라믹 층(18)은 연소에 필요한 온도를 유지하고 있으므로 연소가 시작되고, 세라믹 층을 통과하는 가스의 유속은 0.3m/sec~15m/sec로 조정한다. 이때 발생되는 자체 연소에 의한 발열량은 연소개시 세라믹 층(18)을 다시 가열시켜 유입가스의 농도가 높은 경우 세라믹은 항온 상태를 유지하며 유입가스의 농도가 낮은 경우는 세라믹의 고온 부위(hot spot)이 연소실(19)쪽으로 이동하며 일정시간이 지나면 연소개시 세라믹 층(18) 전체의 온도가 자동 점화 온도 이하로 내려간다. 이 경우 버너(17)를 점화시켜 연소개시 세라믹 층(18) 입구측 온도를 유기물 자동 점화 온도까지 올려 세라믹층의 연소개시 역할을 계속할 수 있게 한다. 그러므로 버너(17)가 하는 역할은, 폐가스의 직접 소각을 위한 것이 아니라 연소개시 세라믹 층(18)의 모든 부분의 온도가 연소개시 온도 이하로 하강하는 경우 단속적으로 연소개시 세라믹 층(18) 입구측 온도만을 연소개시 온도까지 예열하는 기능이므로 일반적인 열소각로(Thermal Oxidizer)에 설치된 버너(5)의 역할과는 다른다. 연소개시 세라믹 층(18) 입구측 온도를 연소개시 온도까지 상승시켜 놓으면 저농도 가스 유입시에도 유입가스 자체 발열에 의해 세라믹층의 고온 부위가 세라믹층 후단부로 이동하므로 상당시간 동안 추가 연료 없이 연소운전이 가능하다.

연소실(19)과 연소개시 세라믹 층(18)을 연소구역(hot zone)이라고 하는데, 이곳에서 폐가스 연소가 전부 이루어진다. 세라믹층에서는 연소개시가 된 상태이며 최소 연소 온도를 유지하고 있으므로 연소가 완전히 이루어져 미연소가스 발생이 되지 않도록 연소구역(hot zone)에 머무르는 가스 체류 시간을 계산하여 연소실(19)의 길이를 설계한다.

연소구역(hot zone)에서 소각되어 처리된 가스는, 고온에 강한 튜브형의 열교환기 2(15)를 거치면서 1차적으로 온도가 하강한다. 열교환 효율을 더욱 높이기 위해 2차적으로 압력강하(ΔP)가 작은 판형 열교환기 1(11, 13)을 지나게 하여 다시 온도를 재하강시킨다.

열교환기 1(11, 13)을 거친 처리가스는 스택(20)을 거친 후 대기로 배출된다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 연소개시 세라믹 층(18)에서 유입가스의 유기물이 자체적으로 연소 개시 되게 하므로 보조열 사용을 최소화 할 수 있다. 또한 이에 따라 연소 후 가스 온도가 상대적으로 낮아 일반 소각로와 비교할 때 폐열 회수 열교환기의 가혹한 운전 조건을 피할 수 있게 된다.

또한 세라믹 재질의 우수한 열교환 특성으로 인해 세라믹 층에서의 고른 열분포가 형성되어 유기물 산화는 일반 열 소각로보다 완전하에 이루어지므로 높은 처리 효율을 나타낼 수 있다.

도1은 종래의 열소각로를 도시한 개략도

도2는 본 발명에 따른 에너지 절약형 세라믹 열소각로를 도시한 도면

도3은 본 발명에 따른 에너지 절약형 세라믹 열소각로의 흐름 공정도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 폐가스 유입관 2 : 송풍기

3 : 열교환기 4 : 연소실

5 : 버너 10 : 송풍기

11, 13 : 열교환기 1 12 : 덕트

14 : 예열가스 유입관 15 : 열교환기 2

16 : 버너실 17 : 버너

18 : 연소개시 세라믹 층 19 : 연소실

20 : 스택

Claims (3)

1. 송풍기에 의해 유입된 폐가스를 최초로 열교환하는 두개의 열교환기 1과; 상기 열교환기 1 일측에 연결되어 폐가스를 다시 열교환하는 열교환기 2와; 상기 열교환기 2에서 폐가스가 지나는 통로로 이어지는 버너실과; 폐가스가 통과하면서 연소가 개시될 수 있도록 버너실 일측에 내설된 연소개시 세라믹 층과; 상기 세라믹 층을 통과한 폐가스를 완전연소시키도록 열교환기 2까지 통로로 이어지는 연소실과; 상기 열교환기 1 일측에 설치되어 처리가스를 배출시키는 스택으로 구성됨을 특징으로 하는 에너지 절약형 세라믹 열소각로
2. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 층을 통과하는 가스 유속이 0.3m/sec~15m/sec로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법
3. 제 1항에 있어서, 세라믹층의 입구측 온도를 연소개시 온도로 가열한 후 버너가 가동을 중지하고 유입 유기물에 의한 발열로 세라믹 층의 고온 부위(hot spot)가 세라믹 출구측(연소실 방향)까지 이동할 때까지 무연료 운전을 실시하며 세라믹 층 전체가 연소개시 온도를 상실한 경우 버너를 재가동하여 세라믹 층의 입구측 온도만을 가열하는 것을 특징으로 하는 연소 방법