KR100559798B1

KR100559798B1 - 소각재 용융처리를 위한 브라운가스 멀티버너

Info

Publication number: KR100559798B1
Application number: KR1020040013753A
Authority: KR
Inventors: 김상남; 김성곤
Original assignee: 김상남; 김성곤
Priority date: 2004-02-28
Filing date: 2004-02-28
Publication date: 2006-03-17
Also published as: KR20050087974A

Abstract

본 발명은 브라운가스를 에너지원으로 하여 특수폐기물인 소각재를 용융처리하기 위한 브라운가스 멀티버너에 관한 것으로서 버너의 구성은 냉각수 인입관 내부에 노즐팁이 결합된 브라운가스 공급관을 결합구성하고 냉각수 인입관 외곽에는 공냉관을 사이에 두고 냉각수 배출관을 결합구성하며 또한 그 외곽에는 공기이송 소각재 공급관을 일체로 결합구성한 것이다.

본 발명의 브라운가스 멀티버너는 용탕상부의 일정지점에 수직으로 설치되어 연료인 브라운가스와 용해물인 소각재를 동시에 슈팅하기 위한 구조로 구성한 것이 특징이며 브라운가스에 의해 직접 가열되는 용탕상면이 초고온으로 발열하도록 하여 소각재의 용용효과를 크게 한 것이 특징이다.

브라운가스, 버너, 소각재 용융로

Description

소각재 용융처리를 위한 브라운가스 멀티버너{BROWN GAS MULTI-BURNER FOR ASH MELTING TREATMENT}

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 개략적인 전체구성도.

도2는 본 발명의 일구성요소인 브라운가스 멀티버너의 횡단면도.

도3은 도2의 종단면도.

<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 브라운가스 공급라인 20: 압축공기 공급라인

30: 냉각수 공급펌프 40: 소각재 공급장치

41: 소각재 스크류 이송기 42: 고압 송풍기

50: 브라운가스 멀티버너 51: 냉각수 인입관

52: 브라운가스 공급관 54: 노즐팁

55: 공냉관 56: 냉각수 배출관

57: 공기이송 소각재 공급관 58: 내화재

59: 냉각수 연결관 60: 용융로

61: 버너 장착구 70: 브라운가스 연소구역

종래의 기술에 의한 금속용융이나 소각재 용융방법은 그 에너지원으로 기름이나 가스를 태워서 일어나는 고온의 화염과 로 벽의 복사열을 이용하는 방식으로 용해물질을 융점(약 1300℃)이상으로 가열하여 용융하는 방법이 있고 또 하나의 방법은 제련용 전기로와 같이 탄소 전극봉을 용탕 속에 넣어서 전극간의 아크로 가열하는 방식의 아크로가 있고 또는 용융 스라그 층의 통전저항으로 가열하는 저항로가 있다.

요즘 다이옥신이나 중금속이 다량 함유된 소각재가 하루 수만 톤씩 쏟아지고 있으나 매립할 수만 없으므로 용융처리 하여야 한다. 그러나 종래의 기술로 소각재를 용융처리할 경우 대체로 기름 300~400ℓ/ton-Ash와 전력 100~200kwh/ton-Ash 정도 필요하고 전기로의 경우는 700~1100kwh/ton-Ash 정도가 필요하다.

이와 같이 부가가치가 전혀 없는 폐기물을 처리하기 위해 너무 많은 연료비용이 들어가기 때문에 소각재 용융로 건설을 미루거나 기피하고 있는 실정이다.

산업자원부에서 에너지자원 기술개발사업의 일환으로 실시한 2002년도 대체에너지 실용화평가사업 「브라운가스 이용시스템 실증연구」사업의 연구결과에 의하면 브라운가스의 에너지 자원효과로서 C.O.P.가 3배 이상 나올 수 있는 것으로 평가되어 브라운가스가 명실상부한 대체에너지임을 입증하고 있다.

본 발명은 소각재 용융기술에 있어 브라운가스를 에너지원으로 사용할 수 있도록 브라운가스 멀티버너를 제안하여 소각재 용융처리 비용을 획기적으로 줄이기 위한 것이다.

브라운가스 버너에 관한 특허로는 본 출원인이 선출원하여 등록한 특허 제0322315호 "브라운가스 연소용 에어젯트버너"(이하 인용특허라 한다)가 있다. 이 인용특허는 발명의 상세한 설명에서 브라운가스(2H₂+O₂)에 대해 다음과 같이 설명하고 있다.

『또한 브라운가스의 화염은 임프로젼 특성에 의해 화염의 길이가 길게 형성되면서 핀포인트(Pin Point)를 이루는 특성이 있으며, 또 브라운가스의 화염은 원자와 분자상태의 수소와 산소가 반응하는 독특한 특성을 가지고 있어 수소원자와 산소원자는 가열대상 물질의 원자핵 사이로 침투하므로 수소와 산소에 의해 열핵반응하여 가열되는 물질은 공기중에서 가스가 홀로 연소할 때 보다 뜨거운 불꽃에 의해 가열되는 결과가 된다

이러한 브라운가스가 가지고 있는 독특한 특성에 의해 일반적으로 사용되고있는 기존의 가스버너로는 브라운가스를 연소시키기에 부적절하므로 브라운가스의 특성을 고려하여 연속적인 연소가 가능하고 사용자에게 아무런 불편이 없는 버너가 요구되고 있는 것이다.

본 발명은 상기의 문제점 등을 일소하기 위하여 제안된 것으로서, 본 출원인이 선출원하여 등록한 '횡렬식 전해조를 포함한 브라운가스 대량발생장치'(특허등록 제0275504호)에 의해서 대량으로 발생하는 브라운가스를 보일러, 로, 난로 등에 광범위하게 사용할 수 있는 버너를 제안하기에 이른 것으로서, 본 발명의 목적은 브라운가스의 연소도중에 역화되는 현상이나 후레쉬백 현상을 방지하여 연속적인 연소가 가능하고 안전하게 사용할 수 있도록 하기 위하여 브라운가스의 연소속도를 늦추기 위한 방법으로 브라운가스에 압축공기를 혼입시키는 방법이며, 이것은 연소용 공기가 아니기 때문에 콤프레셔에 의해 소량의 압축공기를 공급하는 에어젯트 방식을 채용한 브라운가스 연소용 에어제트버너를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 본사노즐의 과열에 의해 역화되는 원인을 해소하기 위하여 분사노즐의 외주연에 과열방지용 공기를 공급하여 과열에 의한 역화를 방지할 수 있는 브라운가스 연소용 에어제트 버너를 제공하는데 있다.

또 발명의 또 다른 중요한 목적은 브라운가스의 임프로젼 특성과 열핵반응 특성을 적용하기 위하여 화염의 단부에 히트 프레이트를 설치하고, 이를 가열하여 열을 발산하도록 함으로써 에너지를 창출하는 시너지 효과를 얻을 수 있는 브라운가스 연소용 에어제트버너를 제공하는데 있다.』

상기 인용특허의 내용을 참조하면서 소각재 용융처리를 위한 브라운가스의 특성을 살펴보면 다음과 같다.

브라운가스는 토오치에 불을 붙이면 화염이 길게 형성되면서 한 점을 향해 모아드는 형상으로 핀 포인트 화염을 이룬다. 이러한 응집현상은 임플로젼이 계속되고 있음을 보여주고 있는 것이다.

따라서 손을 가져다 대어보면 측열이 거의 없기 때문에 뜨겁지 않음을 알 수 있다. 그러나 핀 포인트에서는 엄청난 에너지가 발생하고 있는데 4000℃에 녹는 내화벽돌도 녹여버리고 6000℃에 녹는 텅스텐도 기화시켜 버린다. 이것은 브라운가스가 어떤 연료보다 소각재 같은 특수폐기물을 용융시키기에 가장 적합하다는 것을 말해주는 것이다.

따라서 본 발명은 브라운가스의 임플로젼과 열핵반응에 의한 고열특성을 소각재 용융로에 적용하여 용해물을 직접 가열하거나 용해 후 생성되는 용탕표면을 지속적으로 직접 가열하여 용해효과를 높이기 위한 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 브라운가스 멀티버너는 여러 개의 직경이 다른 철재 파이프를 길이 방향으로 다중 결합하여 각각의 파이프 사이에 통로가 형성되도록 구성한 것이다.

좀더 구체적으로는 다중관 제1내측에 냉각수 인입관이 설치되고 냉각수 인입관 내부에는 몇 개의 브라운가스 공급관이 노즐팁과 연결결합되어 구성되며, 또한 냉각수 인입관의 외곽에는 공냉관이 결합되고 공냉관의 외곽에는 냉각수 배출관이 결합되며 냉각수 배출관 외곽에는 공기이송 소각재 공급관이 결합구성된 것이다. 따라서 본 발명의 브라운가스 멀티버너는 연료인 브라운가스와 용해물인 소각재를 일정 구역에 동시에 슈팅하여 용해효과를 크게 높이는 것을 특징으로 한다.

소각재 용융로 상부에 수직으로 설치한 본 발명의 브라운가스 멀티버너가 가동되면 공기이송 소각재 공급관에서 슈팅되는 소각재는 용탕을 향해 헤딩하면서 용해되고 순간 에어커텐이 둘러쳐진 것처럼 내부에 브라운가스 연소구역이 만들어진다.

브라운가스 연소구역은 브라운가스 노즐팁에서 분출하는 브라운가스 화염이 용탕상면을 직접 가열하는 지역이므로 용탕상면은 브라운가스의 임플로젼과 열핵반응특성이 적용되어 초고온으로 발열하므로 이 지점이 용탕 내에서 가장 높은 온도를 유지하는 곳이다. 따라서 브라운가스 연소구역 주변에 뿌려지는 소각재를 가장 효과적으로 용융시켜 버릴 수 있는 것이다.

한편 브라운가스 연소구역의 용탕상면이 용융로 내에서 가장 높은 온도를 유지한다면 이와 반대로 이 구역에서 가장 멀리 위치한 로 벽은 상대적으로 가장 낮은 온도를 유지할 수 있는 구역이므로 적정온도로 운전하여 고온에 의한 로 벽의 손상을 최소화 할 수 있다.

본 발명은 상기 여러 가지 에너지사정을 고려하여 안출하게 된 것으로 발명의 목적은 소각재 용융로에 브라운가스 멀티버너를 구성하여 브라운가스를 대체에너지로 사용함으로써 에너지비용을 획기적으로 줄이기 위한 것이며 소각재 같은 특정 폐기물도 값싼 비용으로 용융처리하기 위한 것이다.

본 발명의 소각재 용융처리를 위한 브라운가스 멀티버너는 고온의 용탕상부의 일정거리에 설치되는 것으로서 브라운가스의 역화 또는 후렛쉬백이 일어나지 않도록 구성하는 것이 무엇보다 중요하다.

따라서 본 발명은 역화를 방지하기 위한 조치로 에젝터 방식에 의한 브라운가스 에어믹서를 이용하여 압축공기에 의한 브라운가스의 분출속도를 가능한 높게 하고 브라운가스 노즐팁이 과열되지 않도록 수냉식 냉각방법으로 냉각효과를 높이고 또한 버너의 외측에 공기이송 소각재 공급관을 결합구성하여 공기이송에 의해 일차적으로 과열을 방지하도록 한 것이다.

역화방지를 고려한 본 발명의 브라운가스 멀티버너는 철재 파이프를 길이 방향으로 결합구성하여 브라운가스 공급관과 노즐팁이 과열되지 않도록 브라운가스 공급관 주위에 냉각수 인입관을 구성하고 냉각수 인입관과 냉각수 배출관 사이에는 공냉관을 설치하여 냉각수 인입관과 냉각수 배출관을 격리함으로써 냉각수 온도상승을 막아주고, 또한 냉각수 배출관 외곽에는 공기이송 소각재 공급관을 결합구성하여 소각재 슈팅기능과 함께 냉각효과를 얻게 되며 마지막으로 공기이송 소각재 공급관 외벽에는 내열 세라믹 코팅을 하여 단열되도록 구성할 것이다.

결과적으로 브라운가스 공급관과 노즐팁은 4중, 5중으로 단열되므로 노즐팁이 과열되는 것을 방지하여 역화가 일어나지 않도록 구성한 것이다.

여기서 브라운가스에서 에어믹서에 공급되는 압축공기는 브라운가스를 고속으로 분출시키는 가압기능을 할 뿐만 아니라 브라운가스에 적정량의 공기가 혼합됨으로써 연소속도를 지연시키는 역할을 하여 역화를 원천적으로 방지할 수 있게 한것이다.

또한 압축공기라인으로부터 공급되는 공기가 공냉관 내부를 흐르면서 급수관 내부를 흐르는 냉각수의 승온을 지연시키는 쿨링에어 역할을 할 뿐만 아니라 소각재의 미연물을 산화시키는데 필요한 산화제용 공기로 사용된다.

본 발명의 브라운가스 멀티버너에 의해 공급되는 압축공기와 소각재 이송공기량은 기존 연료를 연소시키기 위한 연소용 공기량과 비교하면 대략 5분의 1 정도에 불과하므로 배기가스량을 최소화 할 수 있어 용융로내 온도를 고온으로 유지할 수 있고 배기통로에 연결되는 후단시설이 간소화 되므로 건설경비가 절감된다.

예를 들어 LPG를 연료로 사용한다면 25배의 공기가 필요하므로 쓸데없이 공기 중의 79%에 해당하는 질소를 가열하는 결과를 낳게 된다. 이렇게 되어 용융로 체적이 커지고 또한 후단시설이 커질 수밖에 없다. 이 경우 고온을 만들어 다이옥신 문제를 해결하였다 하더라도 NOx 문제는 여전히 남는다. 뿐만 아니라 연소용 공기를 25배씩이나 불어넣는 방식의 용융로에 소각재를 공급하면 비산재(20~30㎛)는 용융되기 전에 날아가 버리므로 용융자체가 처음부터 불가하다.

이와 같이 연소용 공기를 25배나 필요로 하는 LPG의 경우와 연소용 공기를 필요로 하지 않는 브라운가스의 경우를 비교해보면 브라운가스가 얼마나 이상적인 대체에너지인지 알 수 있을 것이다.

이하, 본 발명에 따른 소각재 용융처리를 위한 브라운가스 멀티버너에 대하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 개략적인 전체구성도, 도2는 본 발명의 일구성요소인 브라운가스 멀티버너의 횡단면도, 도3은 도2의 종단면도이다.

도1내지 도3에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 소각재 용융처리를 위한 브라운가스 멀티버너(50)는 용융로(60) 상부 버너장착구(61)에 설치되는 것으로서 여러 개의 직경이 다른 철재 파이프를 길이방향으로 다중 결합하여 각각의 파이프 사이에 통로가 형성되도록 구성한 것이다.

좀 더 구체적으로는 도2와 도3에 도시한 바와 같이 다중관 제1내측에 냉각수 인입관(51)이 설치되고 냉각수 인입관(51) 내부에는 브라운가스 공급관(52A,52B,52C)이 노즐팁(54A,54B,54C)과 연결결합되어 구성되며, 또한 냉각수 인입관(51)의 외곽에는 공냉관(55)이 결합되고 공냉관(55)의 외곽에는 냉각수 배출관(56)이 결합되며, 냉각수 배출관(56)의 외곽에는 공기이송 소각재 공급관(57)이 결합구성된 것이다. 또한 소각재 공급관(57)의 외벽의 로 내 진입부에는 내열 세라믹 코팅을 하여 내화재(58)로 단열되도록 구성한 것이다.

한편, 브라운가스는 브라운가스 공급라인(10)으로부터 브라운가스 에어믹서(11A,11B,11C)에 각각 공급되고 압축공기라인(20)으로부터 공급되는 압축공기에 의해 가압된 후 브라운가스 인입구(53A,53B,53C)에 연결된 배관을 따라 브라운가스 공급관(52A,52B,52C)에 공급되어 각각의 노즐팁(54A,54B,54C)에서 고속으로 분출된다.

또한, 압축공기라인(20)의 일단은 공냉관 인입구(55a)에 연결되어 공냉관(55) 내부를 흐르면서 냉각수의 온도상승을 막아주면서 로 내부로 분출하고 이 때 에어가이드 스컷트(55b)에 의해 브라운가스 화염이 흐트러지지 않도록 방향전환 시킨다.

또한, 냉각수 펌프(30)에 의해 냉각수 인입구(51a)에 공급되는 냉각수는 냉각수 인입관(51)에 충만되어 브라운가스 공급관(52A,52B,52C) 및 노즐팁(54A,54B,54C)의 과열을 방지한다. 냉각수는 냉각수 연결관(59)을 통과하여 냉각수 배출관(56)을 따라 올라와 냉각수 출구(56a)를 통해 저수조(31)에 저장된다.

또한, 소각재 공급장치(40)는 소각재 스크류 공급기(41)에 의해 공급되어 슈트(43) 내부에 입설한 고압송풍기(42)의 노즐(42a)에서 분출하는 공기에 의해 연결관(44)을 따라 소각재 인입구(57a)를 통과하고 공기이송 소각재 공급관(57)의 통로를 따라 이송되어 용탕상면을 향해 슈팅된다. 이 때 소각재가 뿌려지고 있는 주변의 내측은 브라운가스 연소구역(70)이 자연스럽게 형성되고 브라운가스에 의해 직접 가열되는 용탕상면은 1800℃ 이상의 초고온으로 상승한다.

조업을 처음 시작할 때는 로 내에 소각재를 일부 장입 후 용융로(60) 외벽 일측에 설치된 브라운가스 예열버너(도시하지 않음)에 의해 로내 온도를 800℃ 이상으로 예열하면서 상기 압축공기라인(20)과 냉각수 펌프(30)를 가동하고 브라운가스 에어믹서(11A,11B,11C)를 통해 브라운가스를 공급하면 브라운가스는 노즐팁(54A,54B,54C)에서 착화된 후 브라운가스 화염이 소각재를 직접 가열하고 용해시켜 용탕을 형성하게 되고 이 때 소각재 공급라인을 가동하여 소각재를 로 내로 슈팅하면서 용융처리한다.

본 발명에 의한 소각재 용융로용 브라운가스 멀티버너는 브라운가스 노즐팁으로부터 공급되는 브라운가스에 의해 직접 가열되어 용탕상면이 초고온으로 발열되고 공기이송 소각재 공급관에서 슈팅되는 소각재는 용탕상부에 형성되는 브라운가스 고온연소구역 주변에 슈팅되므로 용해효과가 대단히 클 수밖에 없다.

소각재 용융로 중앙에 해당하는 상기 브라운가스 연소구역에 접하는 용탕상면은 1800℃ 이상의 초고온이 유지되더라도 그곳에서 떨어진 변두리에 해당하는 로벽은 상대적으로 저온이므로 로내 직경을 크게 하고 깊이를 깊게 하면 용탕이 접촉하는 로 벽의 온도를 용융상태의 최저온도인 1250℃ 이하로 유지할 수 있다. 이 때 로 벽은 용탕 스라그에 의해 코팅되는 효과를 얻게 되어 내화벽돌의 수명을 연장할 수 있으며 이것은 고온용융로의 최대 문제점인 내화벽돌의 수명문제를 해결한 것이다.

본 발명은 무엇보다 에너지비용을 절감하는데 있다. 예를 들어 설명하면, 현재 서울시에서 건설 중인 750T/D 소각시설의 경우 소각재 발생량은 150T/D이고 이 중에 비산재는 30T/D이다. 이 시설에서는 비산재만 용융처리하기로 했으므로 현재 LNG를 연료로 사용하는 30T/D 비산재 용융로를 건설중이다. 30T/D 비산재 용융로의 경우 3,200,000kcal 이상의 발열량이 필요하므로 LNG 329N㎥/h와 산소 658N㎥/h를 필요로 한다. 이 경우 연료비용을 계산하면 년간 \3,864,223,000이다.

이에 비해서 브라운가스를 연료로 사용할 경우, 480N㎥/h의 브라운가스가 소요되고 이 경우 물 값, 전기료 등을 합해도 \856,590,000에 불과하다. 따라서 년간 30억원의 연료비를 절감할 수 있는 것이다.

상기 예에서 알 수 있듯이 브라운가스를 연료로 사용할 경우 대체로 기존 연료의 70~80%를 절감할 수 있어 이제 에너지비용 때문에 소각재 용융처리설비의 건설을 기피할 이유는 없어졌다.

Claims

브라운가스 공급관(52A,52B,52C)과 냉각수 인입관(51)과 공냉관(55)과 냉각수 배출관(56), 그리고 공기이송 소각재 배출관(57)을 일체로 결합구성하여 브라운가스 멀티버너(50)를 형성항 후 용융로(60) 상판의 중심부에 위치한 버너장착구(61)에 수직으로 설치하고, 멀티버너(50)에 브라운가스를 공급하기 위해 브라운가스 공급관(52A,52B,52C)의 인입구(53A,53B,53C)에 배관으로 연결하여 브라운가스 에어믹서(11A,11B,11C)를 구성하고, 상기 냉각수 인출입관(51,56)과 배관으로 연결설치하여 저수조(31)의 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수 공급펌프(30)를 구성하며, 소각재를 용탕상면으로 슈팅하도록 상기 소각재 배출관(57)의 소각재 인입구(57a)에 소각재 공급장치(40)를 구성한 것을 특징으로 하는 브라운가스 소각재 용융처리를 위한 브라운가스 멀티버너.
제1항에 있어서, 브라운가스 멀티버너(50)는 냉각수 인입관(51) 내부에 노즐팁(54)이 결합된 브라운가스 공급관(52)을 결합구성하고 상기 냉각수 인입관(51) 외곽에 공냉관(55)을 사이에 두고 냉각수 배출관(56)을 결합구성하며 또한 냉각수 배출관(56) 외곽에 공기이송 소각재공급관(57)을 일체로 결합구성한 것을 특징으로 하는 소각재 용융처리를 위한 브라운가스 멀티버너.
상기 1항에 있어서, 소각재 공급장치(40)는 소각재 호퍼 밑에 구성한 소각재 이송기(41)와 이와 연결되는 슈트(43)와, 고압 송풍기(42) 및 송풍기 노즐(42a)로 구성된 것으로 연결관(44)으로 멀티버너(50)의 몸체일측에 형성한 소각재 인입구(57a)와 조립구성하여 스크류 이송기(41)에 의해 공급되는 소각재가 슈트(53) 내부에 설치한 송풍기 노즐(42a)에서 고속으로 분출하는 공기에 의해 멀티버너(50)의 소각재 공급관(57)을 통과하여 용탕상면으로 슈팅되도록 구성한 것을 특징으로 하는 소각재 용융처리를 위한 브라운가스 멀티버너.
상기 2항에 있어서, 브라운가스 공급관(52A,52B,52C)의 브라운가스 인입구(53A,53B,53C)에 연결된 배관의 일단에 브라운가스 에어믹서(11A,11B,11C)를 설치하여 압축공기에 의해 가압된 브라운가스가 브라운가스 공급관(52A,52B,52C)의 노즐팁(54A,54B,54C)에서 고속으로 분출되도록 구성한 것을 특징으로 하는 브라운가스 소각재 용융처리를 위한 브라운가스 멀티버너.
제2항에 있어서, 냉각수 인입관(51)과 냉각수 배출관(56)은 공냉관(55)을 사이에 두고 냉각수 연결관(59)으로 연결구성한 것을 특징으로 하는 소각재 용융처리를 위한 브라운가스 멀티버너.