KR100529001B1 - 유동층 소각로 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 유동층 내에 정체영역이 발생되지 않고, 국부적인 분출이나 편류의 발생을 막고 유동층내에서 연소를 극대화시켜 균일하고 안정된 유동화가 가능하도록 된 유동층 소각로를 제공함에 있다.

이에 본 발명은 원통형의 외피와 상기 외피 내주면에 부착설치되는 내화물을 포함하여 소각로 외형을 이루는 직립원통형 본체와, 상기 본체 상단 측면에 관통설치되어 본체 내부로 슬러지를 투입시키기 위한 슬러지 공급기, 상단의 폭 또는 길이가 하단의 폭 또는 길이보다 큰 사각 블록형태의 내화벽돌이 상기 본체 내주면에서 중앙을 향해 차례로 쌓여 상단이 편평하고 하단은 외측에서 중심을 향해 만곡된 돔 구조로 본체 내측 하부에 설치되는 내화벽돌 재질의 분산판, 상기 분산판에 의해 본체 저부에 마련되는 공기공급챔버, 상기 분산판의 내화벽돌에 배열설치되어 공기공급챔버로 공급된 공기를 분산판 상부의 유동층 내로 분사하기 위한 분사노즐을 포함하는 유동층 소각로를 제공한다.

Description

유동층 소각로{Fluidized bed incinerator}

본 발명은 일반 및 산업폐기물을 처리하는 유동층 소각로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유동화 공기를 층내로 고르게 분사시켜 유동층 내에서 완전 연소가 이루어지도록 함으로써 미연소 유해가스를 최소화할 수 있도록 된 유동층 소각로에 관한 것이다.

일반적으로 유동층 소각로는 폐기물에 대한 수용폭이 넓고, 노내 탈황 및 탈할로겐 등의 편이성을 가지며 노내 온도제어가 용이하고 비교적 낮은 온도에서 소각이 이루어져 질소생성물이 작고 소각로내에서 폐기물의 혼합효과가 뛰어난 점과 타 폐기물과 혼소할 수 있는 장점으로 인해 폐기물의 소각에 있어 광범위하게 적용되고 있다.

도 1은 이러한 일반 및 산업폐기물을 소각하는 유동층 소각로의 일 예로써 그 개략적인 구성을 살펴보면, 외벽으로 구분되어 소각로를 이루는 본체(100)와, 이 본체(100) 내측 하부에 수평설치되는 분산판(110), 이 분산판(110)에 배열 형성되는 공기분사노즐(120), 상기 분산판 하부에 마련되어 공기분사노즐로 분사되는 공기를 일정한 압력으로 공급하기 위한 공기공급챔버(130), 상기 분산판 상부에 형성되고 유동되는 유동매체에 의해 고온 연소가 일어나는 유동층(150)과 그 상부에 형성되는 프리보드층(160)을 포함한다.

상기 유동층은 본체 하부의 공기공급챔버로부터 공기분사노즐을 통해 노 내부로 불어 올려지는 공기에 의해 고온의 모래 입자가 유동화되어 마치 유체와 같이 부유하는 공간을 의미한다.

따라서 공기분사노즐이 설치된 분산판 위에 유동매체로 모래를 일정량 채우고 공기공급챔버의 공기주입구로 유동화 공기를 불어넣으면 분산판에 설치된 분사노즐의 공기개폐구를 통하여 유동층 내로 공기가 분출되어 유동층 내의 모래를 유동화시킨다. 그리고 예열버너를 통하여 유동층 내의 온도를 폐기물의 소각온도까지 상승시키고 유동화 상태에 있는 유동층에 폐기물을 투입하여 소각하게 된다. 유동층에서 분산판은 기체를 유동층 내로 분산시켜 유동화를 이룰 수 있도록 하는 핵심부분으로서 유동층의 성능에 결정적인 역할을 담당하게 된다.

그런데 상기 유동층 소각로의 경우 일반적으로 미연분이 프리보드층에서 주로 연소되므로 중간산화생성물인 HCN, CO 등이 완전히 산화되지 못하여 2차오염이 우려되며 또한 유동층 내에서는 유동공기가 유동층을 불균일하게 유동시킴으로써 유동층 내의 온도 편차가 심화되고 국부고온에 따른 thermal NOx 발생이 문제된다.

따라서 이들 오염물질들을 저감시키기 위해서는 유동층 내에서 슬러지를 완전 연소시킬 수 있는 처리구조가 필요하나, 종래 구조의 소각로의 경우 유동층 내에서의 소각효율이 70-75% 수준에 머무름에 따라 유동층 효율이 낮은 실정이다.

또한, 분산판의 경우 고온에 지속적으로 노출됨에 따라 구조적 안전성이 매우 중요하나, 종래의 구조는 가동/비가동시 온도 편차로 인한 수축팽창작용으로 수명이 짧은 단점이 있다.

또한, 종래의 구조는 공기 분사노즐 상의 공기분출구가 수평 또는 상부로 형성되어 분사노즐의 하단부로 유동매체의 정체구간이 발생되며 이에 따라 유동매체의 유동 및 균일한 연소존을 형성하기 어려운 단점이 있다.

또한, 로 내부로 투입된 슬러지 중 이물질이 용융에 의해 침착되어 상기 분사노즐을 막는 현상이 빈번히 발생되고, 소각로 정전 등과 같이 라인의 가동을 일시 정지시킬 때 유동매체인 모래가 분사노즐로 유입되어 재가동에 지장을 초래하게 된다.

또한, 도 1에서와 같이 종래의 소각로는 상단으로 갈수록 직경이 넓어지는 호퍼형태를 이루는 데, 이러한 구조는 경사면과 상단 수직면이 만나는 모서리 지점에서 속도가 저하되어 일부 가스가 정체하게 되어 연소가 제대로 이루어지지 않게 되고 유독가스가 발생되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 유동층 내에 정체영역(dead zone)이 발생되지 않고, 국부적인 분출(spouting)이나 편류(channeling) 및 압력강하의 발생을 막아 균일하고 안정된 유동화가 가능하도록 된 유동층 소각로를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 분산판의 구조를 개선하여 안정성과 수명을 극대화시킬 수 있도록 된 유동층 소각로를 제공함에 또다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 공기분사노즐의 막힘없이 장기간 사용할 수 있으며, 노즐의 공기분출구 내부로 모래입자가 역류하여 공기공급챔버로 떨어지는 것을 방지할 수 있도록 된 유동층 소각로를 제공함에 또다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 유동매체인 모래가 유동되지 않는 정체영역이 없이 안정된 유동화를 이루면서도 분사노즐이 심어진 분산판에 걸리는 압력을 모든 분사노즐에서 일정하게 하여 안정된 유동층 소각로를 제공함에 또다른 목적이 있다.

또한, 유동층 소각로 운전범위에서 노즐의 부식 및 유동매체의 마모를 최소화한 유동층 소각로를 제공함에 또다른 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 공기분사노즐이 설치되는 분산판이 돔구조의 내화물로 이루어진 것을 그 요지로 한다.

이를 위해 본 발명은 하단보다 상단의 폭이 큰 내화벽돌을 중앙을 향해 쌓아 돔형태를 이룬 구조로 되어 있다.

따라서 내화벽돌의 열 수축팽창에 관계없이 분산판의 구조를 안정적으로 유지할 수 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명은 상기 분산판에 설치되는 분사노즐의 공기 분사방향을 하부로 향하도록 하여 내화물에 반사되어 상부로 불어 올려지게 함으로써 정체구간의 생성을 방지할 수 있는 구조로 되어 있다.

여기서 상기 분사노즐에 설치되는 공기분출구는 분사노즐의 길이방향을 따라 적어도 2단 이상으로 배치함이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 소각로의 외형을 이루는 본체가 수직형으로 이루어져 유동층 하단과 상단의 직경이 동일한 구조로 되어 있다.

이에 따라 유동층 내에서 정체구간의 발생을 방지할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유동층 소각로를 도시한 측단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유동층 소각로의 분산판을 도시한 일부 절개 사시도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유동층 소각로의 분사노즐을 도시한 측단면도이다.

상기한 도면에 의하면, 본 실시예에 따른 유동층 소각로는 원통형의 외피(11)와 내화물로 이루어져 상기 외피(11) 내주면에 부착설치되는 내화물(12)를 포함하여 소각로 외형을 이루는 본체(10)와, 상기 본체(10) 상단 측면에 관통설치되어 본체 내부로 슬러지를 투입시키기 위한 슬러지 공급기(13), 상기 본체(10) 내측 하부에 수평설치되어 소각실로 고온의 기체를 공급해주는 분산판(20), 상기 분산판(20)에 의해 본체(10) 저부에 마련되는 공기공급챔버(30), 상기 분산판(20)에 배열설치되어 공기공급챔버(30)로 공급된 공기를 분산판(20) 상부의 소각실로 분사하기 위한 오리피스형 분사노즐(40), 상기 본체(10) 내의 분산판(20) 상부에 마련되는 공간으로 상기 분사노즐(40)을 거쳐 유입된 고온의 공기에 의해 유동되는 유동매체에 의하여 슬러지의 고온 소각이 이루어지는 유동층(50), 상기 유동층(50) 상부에 마련되는 공간으로 유동층(50)에서 미연소된 물질을 처리하는 프리보드층(60) 및 상기 본체(10) 상단에 설치되어 연소 배가스가 배출되는 덕트(70)를 포함한다.

여기서 상기 본체(10)는 수직 원통형으로 이루어지는 데, 이는 유동층(50)과 프리보드층(60) 전체에 걸쳐 내경이 동일한 구조임을 의미한다.

이러한 본체(10)의 구조는 상기 분산판(20)과 분산판(20)에 설치되는 분사노즐(40)의 구조에 의해 달성된다. 즉, 분산판(20)과 분사노즐(40)의 구조에 의해 유동층(50) 내에서 연소효율을 높여 미연소 유해가스를 최소화할 수 있고 이로 인해 프리보드층(60)에서의 연소부담을 줄일 수 있게 되어 직립형의 본체(10) 구조가 가능해지는 것이다.

상기 분산판(20)은 상단의 폭(b)이나 길이가 하단의 폭(a)이나 길이보다 큰 사각 블록형태의 내화벽돌(21)이 본체(10) 내주면에서 중앙을 향해 차례로 쌓여 전체적으로 상단이 편평하고 하단은 외측에서 중심을 향해 만곡된 돔 구조로 되어 있다.

이에 따라 내화벽돌에 의해 분산판(20)에 마련되는 내화벽돌 삽입공간 또한 상단보다 하단의 크기가 상대적으로 작아 내화벽돌(21)이 아래로 빠져나가지 못하고 전후좌후에 접해있는 내화벽돌(21)간에 상호 지탱되어 분산판(20)을 유지하게 되는 것이다.

한편, 상기 분사노즐(40)은 분산판(20)에 수직으로 관통설치되는 데, 바람직하게는 상기 각 내화벽돌(21) 마다 중앙에 홀(22)을 형성하고 이 홀(22)에 분사노즐(40)이 설치되도록 함으로써 각 내화벽돌마다 하나씩의 분사노즐이 설치되도록 한다.

상기 분사노즐(40)은 도 4에 도시된 바와 같이 분산판(20)에 설치되어 하단은 분산판(20) 저부의 공기공급챔버(30)와 연통되고 상단은 분산판(20) 상부로 일정길이 돌출되며, 분산판(20) 위로 돌출된 분사노즐(40)의 상단 측면에는 일정각도 아래를 향하는 다수개의 공기 분출구(41,42)가 노즐(40)의 중심에 대해 일정각도로 배열 형성된 구조로 되어 있다.

상기 분사노즐(40)은 고온 하에 노출되므로 고크롬강(HCr) 등과 같이 내열성 재질로 이루어져 고온에 대한 내구성을 높일 수 있도록 함이 바람직하다.

또한, 상기 공기 분출구(41,42)는 분사노즐(40)의 길이방향을 따라 일정간격을 두고 2단(이하, 편의상 상부에서부터 상단분출구(41), 하단분출구(42)로 칭한다)으로 배열된 구조로 되어 있다.

본 실시예에 따르면 상기 상,하단 분출구(41,42)는 각각 중심에서 60도 각도로 6개가 배열되며 각각의 분출구(41,42)는 수평면에 대해 분산판(20)을 향해 30도(더욱 바람직하게는 25도 각도)로 하향 형성되고, 상단 분출구(41)와 하단 분출구(42)와의 관계에 있어서는 상단분출구(41)에 대해 하단 분출구(42)가 45도 이동되어 상단 분출구 사이에 하단 분출구가 배치되는 구조로 되어 있다.

따라서 도 5에 도시된 바와 같이 전체적으로 하나의 분사노즐(40)에 12개의 분출구(41,42)가 형성되며 각 분출구는 서로 다른 방향을 향하게 되는 것이다.

상기 분출구의 단수와 각 단에서의 분출구 개수는 물론 상기 실시예에 한정되지 않으며 단수가 3단 또는 4단으로 배치되거나 각 단에서의 분출구 개수 또한 6개 이상으로 하여 분사노즐(40)에 대해 전체 분출구가 더욱 촘촘한 각도(예컨대, 30도 이하)로 배치될 수 있으며 이러한 변형예 모두 본 발명의 진정한 정신에 속한다 할 것이다.

또한, 본 실시예에서 공기공급챔버(30)로 유입된 공기는 분사노즐(40)을 통해 적정 차압을 유지한 상태로 유동층(50)으로 공급되는 데, 상기 차압은 아래의 식을 통해 얻어진다.

ΔP = {(492 + 1.8T)/(14.7 + 0.001422P) ×

[(0.007×Ao×35.31)/(No×N×(d/25.4)²×K)]²×25.4}

여기서

ΔP = 분사노즐 한 개에 걸리는 압력손실을 의미하며,

No = 분사노즐의 개수,

N = 분사노즐에 설치되는 분출구 개수,

d = 분사노즐의 내경(단위 : mm)

P = 공기공급챔버내의 압력 (단위 : mmAq)

T = 공기공급챔버내의 온도(단위 :℃)

Ao = 공기공급량(단위 : N㎥/mir)

K = 분출구의 파라메터로 약 0.6 - 0.9

위 식을 토대로 계산한 결과 상기 각 분사노즐은 300 - 400mmAq의 통기저항을 가지며 유동공기가 유동층에 일정하게 공급되기 위해서 상기 각 분출구는 각 분사노즐 당 12개가 형성된 경우 Φ2.5 - 3.6mm 크기로 이루어짐이 바람직하다.

이하, 본 발명의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

송풍기 등에서 송풍된 공기는 공기예열기를 거쳐 예열버너에서 배출되는 고온가스와 혼합되어 일정한 온도로 높아진 상태로 공기공급챔버(30)로 공급된다. 공급된 공기는 슬러지를 소각시키기 위하여 분사노즐(40)이 설치되어 있는 돔형태의 분산판(20)을 거치면서 소각로의 유동층(50)에 고르게 유입된다.

상기 유동층(50)에서는 하부의 분산판(20)에 수직으로 설치된 다수의 분사노즐(40)을 거쳐 유입된 고온의 공기와 유동층(50)에 체류하는 유동물질(모래)과 슬러지가 접촉하면서 소각이 가능한 온도까지 유동물질의 온도를 상승시켜 슬러지를 유동층(50)에서 소각하게 된다.

이 과정에서 공기공급챔버(30)로 유입된 공기는 돔 형상의 분산판(20)에 일정한 압력으로 전달되어 분산판(20)에 설치된 각 분사노즐(40)을 통해 유동층(50)으로 공급되는 데, 적정 차압을 유지한 상태로 각 분사노즐(40)에 설치된 분출구(41,42)를 통해 하향 분출됨으로써 유동층(50)이 균일하게 유동되게 된다.

그리고 균일하게 유동되는 유동효과에 의해 유동층(50)의 온도 분포가 일정하게 되어 투입된 슬러지가 유동층(50)내에서 용이하게 연소될 수 있다.

또한 상기 구조를 통해 유동층(50) 내에서 슬러지가 대부분 연소되기 때문에 프리보드층(60)에서는 유동층(50)과 동일한 직경으로도 미연소된 물질을 처리하기 위한 체류시간 확보가 가능해진다.

한편 상기 분출구(41,42)는 하향 설치되어 분산판(20)의 상면을 향함에 따라 분출구를 통해 분사되는 공기가 분산판(20)과 이 분산판(20)에 수직으로 돌출된 분사노즐(40) 사이의 사각지대로 분사되어 유동물질이 정체되는 사각지대의 생성을 원천적으로 방지함으로써 슬러지 중 이물질의 용융침착에 의한 막힘을 방지할 수 있게 된다.

본 발명은 이상과 같이 상당히 획기적인 기능을 갖는 소각로를 제공하는 것을 알 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 유동층 소각로에 의하면, 공기공급챔버 상부의 분산판이 돔형태를 이룸에 따라 전체 분사노즐에 걸쳐 균일한 압력으로 공기를 공급할 수 있고, 분산판의 수축/팽창에 따른 내구성 저하를 최소화하여 수명을 연장시킬 수 있게 된다.

또한, 분사노즐을 통해 분사되는 공기의 압력을 일정하게 유지하여 유동층의 균일하고 안정된 유동화가 가능하게 되며, 이에 따라 유동층의 온도분포를 일정하게 유지시킴으로써 유동층 내에서의 연소율을 85% 이상으로 높여 투입된 슬러지를 유동층 내에서 용이하게 연소시킬 수 있게 된다.

또한, 분사노즐에 2중으로 오리피스형 분출구를 설치하고 각 분출구를 통해 공기를 하향 분사함으로써 분산판 전 영역에서 유동물질이 정체되는 사각지대의 발생을 막을 수 있게 된다.

또한, 슬러지 중 이물질의 용융침착에 의한 막힘현상을 방지하고, 소각로 정지시에도 유동매체가 분사노즐로 유입되지 않게 되어 노즐의 분출구를 통해 입자가 역류하여 공기공급챔버로 떨어지거나 분사노즐이 막히는 것을 방지하며, 소각로 재가동시에도 공기분출이 용이하고 정기적인 보수없이 연속사용이 가능한 장점이 있다.

또한, 노체를 직립형으로 제조할 수 있게 되어 종래 호퍼형 구조에서 나타나는 유동매체의 정체구간 발생을 원천적으로 방지할 수 있고, 이에 따라 국부적 온도저하와 불연소에 따른 유독가스가 발생을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 분사노즐을 내화벽돌 내부에 설치하여 고온에 노출되는 부분을 적게 함에 따라 유동층 소각로 운전범위에서 노즐의 부식을 최소화하고 고온하에서도 반영구적인 사용이 가능하게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 유동층 소각로를 도시한 측단면도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유동층 소각로를 도시한 측단면도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유동층 소각로의 분산판을 도시한 일부 절개 사시도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유동층 소각로의 분사노즐을 도시한 측단면도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 분사노즐의 평단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 본체 20 : 분산판

21 : 내화벽돌 30 : 공기공급챔버

40 : 분사노즐 41,42 : 분출구

50 : 유동층 60 : 프리보드층

Claims (5)

1. 원통형의 외피와, 상기 외피 내주면에 부착설치되는 내화물을 포함하여 소각로 외형을 이루고 길이방향을 따라 상기 내화물이 이루는 내경이 균일한 직립원통형태의 본체와;

   상기 본체 상단 측면에 관통설치되어 본체 내부로 슬러지를 투입시키기 위한 슬러지 공급기;

   상단의 폭 또는 길이가 하단의 폭 또는 길이보다 큰 사각 블록형태의 내화벽돌이 상기 본체 내주면에서 중앙을 향해 차례로 쌓여 상단이 편평하고 하단은 외측에서 중심을 향해 상부로 볼록하게 만곡된 돔 구조로 되어 상기 본체 내측 하부에 설치되는 분산판;

   상기 분산판에 의해 본체 저부에 마련되는 공기공급챔버;

   상기 분산판에 배열설치되어 공기공급챔버로 공급된 공기를 분산판 상부의 유동층 내로 분사하기 위한 공기 분사노즐

   을 포함하는 유동층 소각로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 분사노즐은 하단은 분산판 저부의 공기공급챔버와 연통되고 상단은 분산판 상부로 돌출되며, 상단 측면에는 하향배치되어 분산판을 향하는 다수개의 공기 분출구가 노즐의 중심에서 일정각도로 배열 형성된 것을 특징으로 하는 유동층 소각로.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 공기 분출구는 분사노즐의 길이방향을 따라 간격을 두고 2단 이상으로 배열되며, 각 분출구는 상호 엇갈리게 배치되어 분사노즐 중심에 대해 각각 상이한 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 유동층 소각로.
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