KR100636612B1

KR100636612B1 - 마이크로파 유전가열 방법을 이용한 탄화물질 또는 폐활성탄을 활성화하는 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100636612B1
Application number: KR1020050065584A
Authority: KR
Inventors: 홍정호
Original assignee: 홍정호
Priority date: 2005-07-18
Filing date: 2005-07-18
Publication date: 2006-10-23

Abstract

본 발명은 마이크로파 유전가열 방법을 이용하여 탄화물질(숯 종류) 또는 폐 활성탄과 같은 탄화물질을 활성화하는 방법과 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로파 전자파로 탄화물질을 1,000℃ 부근의 적열 되는 높은 온도가 되도록 가열하고 여기에 고온의 수증기를 공급하여 이로 인한 열분해에 의한 탄화물질의 활성화작용에 의하여 활성탄이 되게 하고 또한 흡착성이 열화 된 폐 활성탄 역시 같은 방법으로 열분해 작용을 일으켜 활성화 되게 하는 탄화물질을 활성화하는 방법과 그 장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 탄화물질을 이송시키는 호퍼장치와, 활성화된 활성탄을 냉각시키고 동시에 활성화시킬 탄화물질을 예열되게 하는 탄화물질 열교환장치와, 탄화물질을 마이크로파로 유전가열 하여 활성화되게 하기 위하여 1,000℃ 부근의 온도까지 가열할 수 있는 고온에 견디는 석영유리관이 설치된 다단형 마이크로파 유전가열장치와, 활성화 과정에서 발생되는 가스는 냉각시키고 석영유리관에 공급되는 수증기는 고온으로 가열되게 하는 증기 열교환장치와, 활성화된 활성탄을 수집하는 수집조와, 수증기 발생용 증기 보일러로 구성하여 이루어진 것에 특징이 있는 고효율의 마이크로파 유전가열 방법을 이용한 탄화물질 활성화방법 및 그 장치이다.

마이크로파(Microwave), 슬리브링(Sleeve Ring), 석영유리관(Fused Silica Tube), 수직전계 복사 도파관(Vertical Electric Field Radiation Waveguide), 수평전계 복사 도파관(Horizontal Electric Field Radiation Waveguide), 마그네트론(Magnetron), 탄화물질 열교환장치 (Heat Exchanger for Carbonized Material), 챔버(Chamber), 활성탄 (Activated Carbon), 교반 및 이송 장치 (Agitation and Sending Device), 증기 열교환장치(Heat Exchanger for Steam), 버너(Burner)

Description

마이크로파 유전가열 방법을 이용한 탄화물질 또는 폐 활성탄을 활성화하는 방법 및 그 장치 {Using Microwave Dielectric Heating, Method and Apparatus of Activation for the Carbonized Materials or Wasted Activated Carbon}

도 1은 본 발명의 구성도

도 2는 석영유리관 상세 측면도

도 3은 탄화물질 열교환장치 측면도

도 4는 탄화물질 열교환장치의 A-A 단면도

도 5는 이송 스크루가 장착된 호퍼장치의 측면도

도 6은 증기 열교환장치 측면도

도 7은 증기 열교환장치의 B-B 단면도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1:호퍼 2:탄화물질 열교환장치

3:마이크로파 챔버 4:석영유리관 결합 유(U)자형관

5:증기 열교환장치 6:보일러

7:수집조 10:이송 스크루 구동모터

11:이송 스크루 12:탄화물질 송출관

13:호퍼 받침대 20:열교환장치 예열관

21:열교환장치 냉각관 22:탄화물질 열교환장치 단열재

23:활성탄 배출관 30:첫째 열 석영유리관

31:둘째 열 석영유리관 32:석영유리관 단열재

33:슬리브링 34:수직전계복사 도파관(이송방향 기준)

35:수평전계복사 도파관(이송방향 기준) 36:마그네트론

37:증기공급관 결합용 티(T)관 38:가스배출관 결합용 티(T)관

39:마이크로파 가열장치 받침대 41:첫째 열 석영유리관 교반 및 이송장치

42:둘째 열 석영유리관 교반 및 이송장치 43:첫째 열 교반 및 이송장치 구동모터

44:둘째 열 교반 및 이송장치 구동모터 50:증기열교환장치 단열재

51:증기 열교환장치 증기유입구(내관) 52:증기 열교환장치 증기배출구(내관)

53:증기 열교환장치 가스유입구(외관) 54:증기 열교환장치 가스배출구(외관)

60:보일러 버너(Burner) 61:보일러 연료 유입관

62:보일러 보조연료 유입관 63:보일러 급수관

64:보일러 증기배출관 70:수집조 받침대

301:증기 송출관 302:가열증기 공급관

303:가열증기공급 체크밸브 304:배출가스 체크밸브 305:배출가스 송출관 306:배출가스 공급관

a:보일러 급수방향 b:수증기 흐름방향

c:가스 흐름방향 d:보일러 연료 공급방향

e:활성탄 배출방향

본 발명은 마이크로파 유전가열방법을 이용하여 탄화물질(숯 종류) 또는 폐 활성탄과 같은 탄화된 물질을 활성화하는 방법과 그 장치에 관한 기술이다.

구체적으로는 마이크로파 챔버를 종 방향으로 인접되게 여러 단을 형성하여 큰 마이크로파 출력을 얻을 수 있는 다중 챔버를 구성하고, 각 챔버의 외부에는 마이크로파 발생장치를 장착하고, 챔버 내부에는 유전율이 낮고 고온에 견딜 수 있는 소재의 단열재로 싸서 형성한 탄화물질 이송용 석영유리관을 1열 또는 여러 열로 챔버의 종 방향으로 마이크로파 챔버 내에 연통 되게 설치하고, 탄화물질이 이송되는 석영유리관 중간부분에는 고온 수증기공급 증기관을 설치하여 탄화물질이 수증기와 열 반응을 일으켜서 미세 공이 발생되게 하고, 석영유리관 출구에는 가스배기관을 설치하여 탄화물질이 활성화되는 과정에서 발생되는 가스를 밖으로 배출되게 형성한 마이크로파 유전가열 장치를 구성한다.

상기의 마이크로파 유전가열장치의 석영유리관 안에서 탄화물질이 강제 이송되게 하는 이송스크루가 장착 된 호퍼장치를 구성하는 것과, 고온상태의 활성화된 탄화물질(활성탄)을 냉각시키고 동시에 활성화시킬 탄화물질을 예열시키는 탄화물질 열교환장치를 구성하는 것과, 마이크로파 유전가열장치에 공급하는 수증기를 가열시키고 마이크로파 유전가열 챔버에서 활성화되는 과정에서 발생되는 각종의 고온상태의 가스를 냉각시키는 증기 열교환장치를 구성하는 것과, 마이크로파 유전가 열 챔버에 수증기를 공급하는 증기보일러를 구성하는 것과, 활성탄을 수집하는 수집조를 구성하여서 이루어진 탄화된 물질 또는 폐 활성탄을 활성화하는 기술이다.

현재 이용되고 있는 탄화물질 또는 폐 활성탄을 활성화하는 방법은 수증기 또는 활성가스를 이용한 저온 활성화 방법과, 수증기를 이용한 700℃ 이상에서 열 분해하는 고온 활성화방법과, 산화성 약품을 이용한 약품 활성화방법과, 호기성 박테리아를 이용한 미생물 분해방법이 있으나, 이와 같은 모든 방법이 탄화물질을 활성화하는데 많은 비용이 들뿐만 아니라 환경 오염을 발생시키며, 또한 폐 활성탄을 재생하는 것과 신생 활성탄을 생산하는 것이 비용 면에서 큰 차이가 없는 많은 재생비용이 들고 처리시간이 많이 소요되고 환경오염물질이 발생되는 문제점이 있으며, 또한 폐 분말 활성탄 재생의 경우는 어려움이 더욱 많은 관계로 폐 활성탄 재생산업이 활성화되지 못하고 있으며 특히 현재 정수기에서 발생되는 대부분의 폐 활성탄은 폐기물로 처리되고 있는 것이 현실이며 이는 자원낭비 이기도 하다.

본 발명은 위에서와 같은 문제점을 해결하기 위하여 마이크로파 유전가열의 특징인 균일 가열성과 활성탄을 적열 온도에 이르기까지 마이크로파로 가열할 수 있는 특성을 이용하여 마이크로파 가열 챔버와 필요한 장치를 구성하는 것이다.

구체적으로는 마이크로파 발생장치가 부착된 마이크로파 챔버를 종 방향으로 여러 단을 형성하여 마이크로파 챔버를 구성하고, 챔버 안에는 유전율이 낮고 고온에 견딜 수 있는 소재의 석영유리관을 단열재로 싸서 단열 시킨 석영유리관을 마이크로파 챔버 안에 연통 되게 설치하여서 탄화물질을 고온으로 가열할 수 있게 형성 된 마이크로파 챔버를 구성하는 것이다.

또한 탄화물질의 활성화 과정에서 발생되는 각종 가스가 배출될 수 있게 가스 배기관을 석영유리관 출구에 설치하는 것과, 증기 보일러에서 발생된 수증기를 고온으로 재 가열하여 석영유리관 안의 탄화물질에 공급할 수 있게 석영유리관 중간 위치에 증기관을 설치하는 것과, 석영유리관 안에 장축의 교반 및 이송장치를 설치하는 것과, 탄화물질(숯 종류)이 석영유리관을 통하여 마이크로파 챔버 안으로 이송되게 하는 이송 스크루가 장착된 호퍼장치를 구성하는 것과, 고온의 활성화된 탄화물질을 활성화시킬 탄화물질과 열 교환되게 하여 열효율을 높일 수 있게 하는 탄화물질 열교환장치를 구성하는 것과, 수증기를 고온으로 가열되게 증기 열교환장치를 구성하는 것과, 활성화된 탄화물질(활성탄)을 수집 보관할 수 있게 하는 수집조를 구성하여서 이루어진 것에 특징이 있는 친환경적이고 저 비용으로 짧은 시간에 탄화물질을 활성화하는 것이 목적이다.

상기와 같이 탄화물질 또는 폐 활성탄을 활성화하는 방법과 그 장치에 관한 기술을 첨부한 도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 탄화물질(숯 종류)을 활성화하는 수단은 입상과 분말형태의 신생 탄화물질은 물론 열화 된 각종 폐 활성탄을 대상으로 하는 여러 종류의 탄화물질을 활성화하는 방법과 그 장치로서,

호퍼(1)에 채워진 탄화물질을 이송스크루(11)로 탄화물질 열교환장치(2)를 거쳐 마이크로파 유전가열 챔버(3)안으로 공급되게 하는 탄화물질 강제 이송공정 과, 상기 공정으로 이송되는 탄화물질이 열교환장치 예열관(20)을 거쳐 예열되는 탄화물질 예열공정과,

상기 예열공정을 거쳐 종 방향으로 여러 단으로 구성된 마이크로파 챔버내의 석영유리관(30),(31)을 따라 탄화물질이 이송되는 동안 각 챔버에서 발생되는 마이크로파에 의해 유전가열되어 탄화물질이 활성화 온도에 이르게 하는 탄화물질 가열공정과, 마이크로파 챔버내의 석영유리관 안으로 고온의 수증기를 공급하여 탄화물질이 고온 수증기와 열 반응을 일으켜 활성화되게 하는 탄화물질 활성화공정과,

탄화물질이 활성화되는 과정에서 발생되는 각종 고온상태의 가스로 수증기를 고온으로 가열시키고 배기가스는 냉각시키는 증기 열교환장치(5)에 의한 증기 열교환공정과, 냉각된 배기가스를 보조 열원으로 증기보일러(6)에 공급하는 보조연료 공급공정과,

상기의 가열공정을 거쳐 탄화물질이 고온상태의 활성탄으로 된 것을 열교환장치 냉각관(21)을 거쳐 활성탄이 냉각되게 하는 활성탄 냉각공정과, 냉각된 활성탄을 모아서 수집하는 활성탄 수집공정으로 이루어져서 모든 공정이 밀 패된 상태에서 탄화물질의 활성화가 연속적으로 진행 될 수 있게 한 것이다.

이와 같이 탄화물질이 활성화되는 모든 공정의 구성은, 마이크로파 챔버를 종 방향으로 여러 단 인접되게 설치하여 다중 챔버를 형성하고, 각 챔버의 한쪽 면(본 원에서는 상측에 부착한 것을 예시하였음)에 마그네트론과 도파관으로 구성된 마이크로파 발생장치를 각 인접한 챔버간에 마이크로파 전계복사 방향이 수직전계 복사(34)와 수평전계 복사(35)가 되도록 번갈아 장착하여 인접한 챔버 상호간의 간 섭을 최소화 되게 하고, 인접 챔버간의 석영유리관(30),(31)이 통과하는 통로 벽면에는 인접 챔버에서 넘어가는 전자파가 슬리브링(33)을 통과하는 동안 석영유리관내에서 흡수되도록 슬리브링을 부착하여 인접 챔버간의 상호 전자파 간섭을 최소화 되게 한 다단형 마이크로파 챔버를 구성하고,

상기 챔버 안에는 유전율이 낮고 1,100℃ 이상의 고온에 견딜 수 있는 소재의 석영유리관과 단열재(32)를 사용하여 석영유리관의 밖의 면을 싸서 단열된 석영유리관을 1열 또는 다수 열(본 원에서는 2열로 예시하였음)로 챔버의 종 방향으로 다중 챔버의 벽면에 부착된 슬리브링을 통하여 마이크로파 챔버내에 연통 되게 설치하고,

상기 석영유리관 중에 둘째 열의 석영유리관(31) 입구와 출구 양쪽에 증기공급관 결합용 티(T)관(37)과 가스배출관 결합용 티(T)관(38)의 한쪽 개구를 각각 결합한 다음, 둘째 열의 석영유리관 입구의 증기공급관 결합용 티관 위쪽 개구에는 고온 수증기를 석영유리관 안으로 공급할 수 있게 체크밸브(303)와 증기관(302)을 결합하고, 두 번째 열의 석영유리관(31)출구의 가스배출관 결합용 티관 위쪽 개구에는 탄화물질이 활성화하는 과정에서 발생되는 각종 고온상태의 가스가 석영유리관(31)안에서 외부로 배출되게 체크밸브(304)와 배기관(305)을 결합한다.

마이크로파 챔버안에 연통 되게 설치한 첫째 열의 석영유리관(30)출구와 둘째 열의 석영유리관(31)입구에 결합된 증기공급 결합용 티관 사이에는 유(U)자형관(4)을 결합하여 첫째 열의 석영유리관(30)의 탄화물질이 둘째 열의 석영유리관으로 이송되는 통로를 설치하고, 유자형 관에는 첫째와 둘째 열의 석영유리관내에 각각 장축의 교반 및 송출장치(41),(42)를 삽입하여 설치하고, 교반 및 송출장치의 구동 축과 모터(43),(44)는 유자형 관에 결합하여서 된 다단형 마이크로파 유전가열장치를 구성하고(도2 참조).

상기의 다단형 마이크로파 유전가열장치의 첫째 열의 석영유리관의 입구는 탄 화물질 열교환장치(2)의 예열관(20)출구에 결합하고, 둘째 열의 석영유리관 출구에 결합된 가스배출관 결합용 티관의 나머지 출구는 탄화물질 열교환장치의 냉각관(21) 입구에 결합하고, 탄화물질 열교환장치의 예열관 반대편 입구는 호퍼장치(1)에 결합하고, 탄화물질 열교환장치의 냉각관 반대편 출구는 수집조(7)에 결합시킨다.

증기 열교환장치(5)의 증기배출구(52)(내관)는 마이크로파 유전가열장치의 가열증기 공급관(302)에 결합하고, 증기 열교환장치 가스유입구(53)(외관)는 마이크로파 유전가열장치의 배출가스 송출관(305)에 결합하고, 증기 열교환장치 증기유입구(51)와 증기보일러(6)의 증기배출관(64) 사이는 증기송출관(301)을 결합하고, 증기 열교환장치의 가스 배출구(54)와 보일러 버너(60)의 보조연료 유입관(62) 사이는 배출가스 공급관(306)을 결합하여서 효율적으로 탄화물질을 활성화하는 방법 및 그 장치를 구성한 것이다.

탄화물질(숯 종류))의 활성화 과정은, 탄화물질이 호퍼(1)에서 이송스크루(11)에 의하여 강제 이송되면 탄화물질은 탄화물질 열교환장치(2)의 예열관(20)을 통과하면서 예열되고, 예열된 탄화물질이 마이크로파 챔버내의 석영유리관(30)을 따라 이송되면 탄화물질은 지속적으로 가열되어 온도가 점점 상승한다. 탄화물질이 첫째 열의 석영유리관(30) 출구에 도달할 즈음에 탄화물질의 온도가 800℃ 이상에 이르도록 호퍼의 이송 스크루 구동모터(10)와 교반 및 이송 장치의 구동모터(43),(44)의 속도를 조종한다. 둘째 열의 석영유리관(31)에 결합된 증기관(301) 입구에 고온의 수증기를 공급하여 가열된 탄화물질이 둘째 열 석영유리관(31) 입구에서 출구 쪽으로 이송되면서 마이크로파의 지속적인 가열에 의하여 탄화물질이 1,000℃ 부근의 고온에 이르게 되는 동안 수증기(H₂O)와 탄화물질(C) 간에 열 반응을 일으켜서 탄화물질에 미세 공이 발생되어 활성탄이 생성된다. 이 과정에서 고온상태의 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)가 발생된다. 폐 활성탄 재생인 경우에는 유기성가스가 동시에 발생된다. 상기의 과정에서 발생한 고온상태의 가스는 석영유리관(31)출구에 설치된 배출가스 송출관(305)을 통하여 증기 열교환장치(5)의 가스유입구(53)(외관)에서 가스배출구(54)(외관)를 통과하면서 냉각된 다음 배출가스 공급관(306)을 통하여 보일러(6)의 보조연료 유입관(62)에 결합하여 보조 열원으로 이용되게 하는 고효율의 탄화물질 또는 폐 활성탄을 활성화하는 방법과 그 장치이다.

상기의 본 발명은 기존의 활성탄 생산시설에 비하여 시설규모가 작아서 작은 공간에 생산시설을 할 수 있고 시설의 제작비용도 적게들 뿐만 아니라 다양한 규격의 생산시설을 용이하게 제작할 수 있다. 운영 면에서도 마이크로파의 신속하고 균일한 가열 특성으로 탄화물질의 활성화가 신속하게 이루어지고 또한 열교환장치를 최대한으로 이용하여 열 손실을 경감시키고 배기가스를 보조 열원으로 사용할 수 있게 하고 모든 공정이 밀폐된 상태에서 진행되므로 친환경적이며 신생 탄화물질이나 폐 활성탄의 활성화 비용도 적게드는 효과가 있다.

Claims

호퍼(1)내의 탄화물질을 이송스크루(11)로 탄화물질 열교환장치(2)를 거쳐 마이크로파 유전가열 챔버(3)안으로 공급하는 탄화물질 강제 이송공정과,

상기 공정으로 이송되는 탄화물질은 예열하고 활성화된 탄화물질(활성탄)은 냉각시키는 탄화물질 열교환장치(2)에 의한 탄화물질 열교환공정과,

마이크로파 챔버에 부착되는 마이크로파 발생장치의 복사전계가 인접된 챔버간에 서로 직교되게 설치되고 챔버간 연통관이 통과하는 경계 면에 슬리브링이 설치된 마이크로파 챔버를 종 방향으로 여러 단을 인접되게 구성한 다단형 마이크로파 챔버(3)에 1,100℃ 이상의 고온에 견딜 수 있는 장축의 교반 및 이송장치가 설치된 석영유리관(30),(31)을 연통 되게 설치하여 구성된 다단형 마이크로파 유전가열장치에서 석영유리관을 따라 탄화물질이 이송되는 과정에 각 챔버에서 발생되는 마이크로파에 의해 유전가열되어 탄화물질이 활성화 온도에 이르게 하는 탄화물질 가열공정과,

석영유리관내에 고온의 수증기를 공급하여 탄화물질이 고온 수증기와 열 반응을 일으켜 활성화되게 하는 탄화물질 활성화공정과,

탄화물질이 활성화되는 과정에서 발생되는 각종 고온가스로 수증기를 가열시키고 배기가스는 냉각시키는 증기 열교환장치(5)에 의한 증기 열교환공정과,

냉각된 배기가스를 보조 열원으로 증기보일러(6)에 공급하는 보조연료 공급 공정과, 냉각된 활성탄을 수집조(7)에 모으는 수집공정으로 구성하여서 탄화물질이 활성화되는 모든 공정이 밀폐된 상태에서 연속적으로 이루어지게 한 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전가열 방법을 이용한 탄화물질 또는 폐 활성탄을 활성화하는 방법
마이크로파 챔버(3)를 종 방향으로 여러 단 인접되게 설치하여 다중 챔버를 형성하여 각 챔버의 한쪽 면에 마그네트론과 도파관으로 구성된 마이크로파 발생장치를 각 인접한 챔버간에 마이크로파 복사전계 방향이 수직전계 복사(34)와 수평전계 복사(35)가 되도록 번갈아 장착하고, 인접 챔버간의 석영유리관(30),(31)이 통과하는 챔버 벽면에는 슬리브링(33)을 부착하여 이 슬리브링을 통하여 챔버안에 유전율이 낮고 1,100℃ 이상의 고온에 견딜 수 있는 소재의 석영유리관과 단열재(32)를 사용하여 석영유리관의 밖의 면을 싸서 단열 시킨 석영유리관을 1열 또는 다수 열로 챔버의 종 방향으로 연통 되게 설치하여 다단형 마이크로파 챔버를 구성하고,

상기의 다단형 마이크로파 챔버의 둘째 열의 석영유리관(31) 입구와 출구 양쪽에 증기공급관 결합용 티(T)관(37)과 가스배출관 결합용 티(T)관(38)을 각각 결합한 다음, 둘째 열의 석영유리관 입구의 티관에 고온 수증기가 석영유리관 안으로 공급되게 체크밸브(303)와 증기관(302)을 결합하고, 둘째 열의 석영유리관 출구의 티관에 가스가 배출되게 체크밸브(304)와 배기관(305)을 결합하고, 첫째 열의 석영유리관(30)출구와 둘째 열의 석영유리관 입구에 결합된 티관 사이에는 유(U)자형관(4)을 결합하고, 유자형 관에는 첫째와 둘째 석영유리관내에 각각 장축의 교반 및 송출장치(41),(42)를 삽입하여 결합하고, 교반 및 송출장치의 구동 축과 모터 (43),(44)는 유자형 관에 결합하여서 형성된 다단형 마이크로파 유전가열장치와(도2 참조).

상기의 다단형 마이크로파 유전가열장치의 첫째 열의 석영유리관 입구는 탄화 물질 열교환장치(2)의 예열관(20)출구에 결합하고, 둘째 열의 석영유리관 출구에 결 합된 가스배출관 결합용 티관의 나머지 출구는 탄화물질 열교환장치의 냉각관(21) 입구에 결합하고, 탄화물질 열교환장치의 예열관 반대편 입구에 호퍼장치(1)를 결합하고, 탄화물질 열교환장치의 냉각관 반대편 출구에 수집조(7)를 결합시켜서 된 탄화물질 열교환장치와,

증기 열교환장치(5)의 증기배출구(52)(내관)는 다단형 마이크로파 유전가열장치의 가열증기 공급관(302)에 결합하고, 증기 열교환장치의 가스유입구(53)(외관)는 다단형 마이크로파 유전가열장치의 배출가스 송출관(305)에 결합하고, 증기 열교환장치의 증기유입구(51)는 증기송출관(301)을 거쳐 보일러 증기배출관(64)에 결합하고, 증기 열교환장치의 가스 배출구(54)는 배출가스 공급관(306)을 거쳐 보조연료 유입관(62)에 결합시킨 증기 열교환장치와 보일러로 구성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로파 유전가열 방법을 이용한 탄화물질 또는 폐 활성탄을 활성화하는 장치