KR100755898B1

KR100755898B1 - 열분해가스화 소각기기 및 그 용도

Info

Publication number: KR100755898B1
Application number: KR1020060112667A
Authority: KR
Inventors: 박진원; 박종진
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2007-09-06

Abstract

본 발명은 시료를 연소시키는 동시에 연소되는 시료의 무게변화를 측정하는 열분해부(2); 상기 열분해부의 일측에 연결설치되어 상기 열분해부에서 연소된 시료의 연소가스가 유입되어 연소가스에 포함된 입자를 균일하게 조절하거나 상기 연소가스를 완전연소 되도록 하는 재연소부(4); 및 상기 재연소부(4)의 일측에 연결설치되어 재연소부(4)에서 완전 연소된 연소가스가 유입되어 세정된 후 이를 배출하는 습식세정부(6)를 포함하는 열분해가스화 소각기기에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 대용량의 시료에 대하여 열중량 분석시 요구되는 유리전이온도, 용융온도 및 분해속도 등을 측정하여 신뢰도가 높은 측정결과를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 파일럿 규모의 소각공정이나 가스화공정에 대한 신뢰도 높은 기초 설계 자료를 제공할 수 있는 효과가 있다.

열중량 분석기, 시료, 혼합폐기물

Description

열분해가스화 소각기기 및 그 용도{A Gasification-Incineration Equipment and Its Use Thereof}

도 1은 본 발명에 따른 열분해가스화 소각기기를 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 열분해가스화 소각기기의 재연소부를 나타내는 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 열분해부 4 : 재연소부

6 : 습식세정부 8 : 무게 측정부

10 : 산소탱크 12 : 세정액 냉각수단

14 : pH 감지부 16 : pH 제어부

18 : 약품 공급부재 20 : 피더

22 : 캐리어가스 유입구 24 : 제 1 연소가스로

26 : 제 2 연소가스로 28 : 촉매부재

30 : 가열수단 32 : 시료홀더

34 : 가스흐름 변경수단 36 : 와이어

38 : 와이어 보호관 40 : 분배관

42 : 세정액 배출 제어판 44 : 세정액

46 : 배출구 48 : 캐리어가스 이동경로

본 발명은 실험실 규모의 열분해가스화 소각기기 및 그 용도에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시료를 열분해가스화 소각기기에 장착하여 가열함으로써 시료를 열분해하고, 상기 시료가 열분해되는 동안 실시간으로 시료의 무게를 측정하여 열분해 특성 데이터를 얻을 수 있는 열분해가스화 소각기기 및 그 용도에 관한 것이다.

통상적으로 혼합폐기물 등의 열분해에 대한 동력학적 데이터 및 연소 또는 열분해 특성을 관찰하기 위해서는 열중량 분석기(Thermogravimetric Analysis, TGA) 또는 이와 유사한 장치를 사용한다.

이와 같은 혼합폐기물의 열분해 특성을 파악하는데 있어서, 통상적으로 열분해분석기기는 매우 소량의 시료가 필요하다. 그러나 시료의 양이 매우 작을수록 분석결과에 대한 신뢰도가 감소한다.

지금까지 대부분의 열분해 분석기기는 매우 작은 양의 시료가 분석용도로 사용되고 있는바, 이러한 일례로서, 열중량 분석기(TGA)가 그 대표적인 것 중 하나이 다.

상기 열중량 분석기는 열분해 장치와 유사한 원리로 작동되는바, 이는 시료를 연소시키는 연소실, 상기 시료의 연소에 따라 변화되는 시료의 무게를 시간에 따라 측정하는 무게 측정부 및 연소시 발생하는 배가스 및 불활성가스를 외부로 배출하는 배출구 등으로 구성되어 있다.

전술한 구성을 갖는 열중량 분석기는 특정 가스 분위기에서 시료의 온도를 일정 속도로 상승 또는 등온으로 유지시키면서 시간과 온도에 따른 시료의 무게변화를 기록하여 열분해, 승화, 증발 및/또는 산화에 따른 시료 무게의 증감을 측정함으로써 시료의 분해특성을 분석한다.

이와 같은 열중량 분석기는 열중량 분석을 하고자 하는 대상물질, 특정적으로 혼합폐기물 등의 혼합물질로부터 2.0g 이하의 시료를 채취하여 동력학적 현상을 관찰하므로, 분석된 결과가 시료에 따라 오차를 발생시켜 신뢰도가 낮고, 시료의 열중량 분석을 하기 위해 기준시료를 필요로 하며, 분석기의 후단에 가스를 처리하는 별도의 장치가 요구된다는 문제점이 있다.

이러한 일례로서, 대한민국특허공개 2004-0013695호에는 열 및 화학반응이 일어나는 가열관, 반응가스와 고체 시료의 반응을 원활하게 하도록 상기 가열관 내부에서 축방향으로 이동 가능하게 설치된 다공성 시료기, 상기 시료기에 장입된 시료의 무게를 측정하는 저울, 상기 저울 및 상기 저울에 연결된 시료기를 이동시키는 저울 이동부 및 상기 가열관으로의 열전도를 막도록 상기 저울과 인접한 가열과에 설치된 냉각관을 포함하는 열중량 분석기를 통하여 고체시료가 다공성 시료기에 주입되는 상향흐름을 갖고, 균일한 온도에서 고체시료를 직접 주입하여 무게변화를 측정하는 열중량 분석기가 개시되어 있다.

또 다른 일례로서, 국제특허공개 WO2006/071845호에는 시료가 연결설치되어 시료의 무게를 측정할 수 있도록 하는 측정실, 모터선형구동기와 연동되는 연소로, 자동시료 샘플러를 갖는 프레임과 전자제어부로 구성된 열중량 분석기가 개시되어 있고, 국제특허공개 WO2004/051236호에는 마이크로 전기기기 시스템을 이용하여 무게 측정감도를 향상시킨 열중량 분석기가 개시되어 있으며, 미국특허출원 제2003/0086471호에는 수평방향으로 이동하면서 저울팔(balance arm) 상의 시료를 가열시킬 수 있는 연소로와 상기 연소로에 대향되는 타측에서 광원으로 시료의 무게변화에 따른 저울팔의 상하 움직임 변화값을 측정하는 열중량 분석기가 개시되어 있으며, 일본 특허공개 2001-305035에는 천칭부, 빔, 진동센서, 진동애널라이저 등을 이용하여 시료의 무게변화를 감지하는 열중량 분석기가 개시되어 있다.

그러나 전술한 종래의 열중량 분석기 또는 열중량 분석장치에 적용되는 시료의 양은 매우 작은 양이므로, 열중량 분석을 통하여 얻은 결과 값의 신뢰도가 낮다는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자들은 전술한 문제점을 극복하기 위하여 연구를 거듭하던 중 시료를 연소시켜 시료의 무게 변화를 측정하는 열분해부와, 상기 시료의 연소에 따라 배출되는 연소가스를 완전 연소시키거나 연소가스에 포함된 입자를 균일화하는 재연소부와 재연소부를 통과한 연소가스를 세정하는 습식세정부를 포함하도록 분석기를 구성함으로써, 열분석 대상물질로부터 대량의 시료를 채취하여 열분석 할 수 있다는 점을 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명은 전술한 문제점을 극복하기 위하여 도출된 것으로서, 열중량 분석하고자 하는 대상물질, 특정적으로 혼합특성을 갖는 대상물질로부터 대량의 시료를 채취하여 열분해시킴으로써, 분석하고자 하는 대상물질의 열분해 속도론적 동력학 자료 및 균일화된 발생가스의 가스분석을 할 수 있도록 하는 장치를 제공하는 것에 기술적 과제가 있다.

또한, 본 발명은 상술한 열중량 분석을 통하여 규모가 큰 혼합 폐기물을 원료로 사용되는 가스화 및 소각공정의 보다 신뢰성 있는 기본 엔지니어링 자료를 제공할 수 있도록 하는 것에 기술적 과제가 있다.

본 발명은 시료를 연소시키는 동시에 연소되는 시료의 무게변화를 측정하는 열분해부; 상기 열분해부의 일측에 연결설치되어 상기 열분해부에서 연소된 시료의 연소가스가 유입되어 연소가스에 포함된 입자를 균일하게 조절하거나 상기 연소가스를 완전연소 되도록 하는 재연소부; 및 상기 재연소부의 일측에 연결설치되어 재연소부에서 완전 연소된 연소가스가 유입되어 세정된 후 이를 배출하는 습식세정부를 포함하는 열분해가스화 소각기기를 제공한다.

여기서, 상기 열분해부는 밀폐된 공간을 제공하는 하우징, 상기 밀폐된 공간을 제공하는 하우징의 일측에 형성되어 캐리어가스가 유입되는 캐리어가스 유입구, 상기 밀폐된 공간의 내부 일측에 구비되어 시료를 안착시킬 수 있도록 장소를 제공하는 시료홀더, 상기 시료홀더에 연결설치되어 시료의 무게를 측정하는 무게 측정부, 상기 밀폐된 공간을 제공하는 하우징의 일측에 구비되어 밀폐된 공간을 가열시켜 시료홀더에 안착된 시료를 연소시키기 위한 가열수단 및 상기 가열수단의 가열에 의해 시료가 연소되며 발생하는 연소가스가 이동하는 경로를 제공하는 제 1 연소가스로를 포함한다.

또한, 상기 재연소부는 열분해부로부터 배출되는 연소가스의 이동경로를 제공하는 제 1 연소가스로에 연결설치되어 상기 제 1 연소가스로로부터 유입되는 연소가스 입자의 크기를 응축되지 않을 크기로 균일화 시켜주는 촉매가 충진된 촉매부재, 상기 촉매부재의 일측에 연결설치되어 촉매부재를 통과한 연소가스의 이동경로를 제공하는 제 2 연소가스로 및 상기 촉매부재에 이웃하게 설치되어 촉매부재를 가열하는 가열수단을 포함한다.

또한, 상기 습식세정부는 밀폐된 공간을 제공하는 동시에 그 내부에 세정액이 채워져 있는 하우징, 상기 세정액이 채워져 있는 하우징의 내부 일측에 구비되고 재연소부로부터 배출되는 연소가스의 이동경로를 제공하는 제 2 연소가스로에 연결설치되어 상기 제 2 연소가스로로부터 유입되는 연소가스를 세정액으로 분배하는 분배관 및 상기 세정액이 채워져 있는 하우징의 일측에 구비되어 세정액을 통과한 연소가스를 외부로 배출하는 배출구를 포함한다.

본 발명에 따른 열분해가스화 소각기기는 열중량을 분석하고자 하는 대상물질, 특정적적으로 혼합특성을 갖는 대상물질, 예를 들면 혼합쓰레기 재생원 료[RDF(Refuse Derived Fuel), RPF(Refuse Plastic Fuel)], 혼합폐플라스틱 등의 폐고분자화합물로부터 대량의 시료를 채취하여 열분해시킴으로써, 분석하고자 하는 대상물질의 열분해 속도론적 동력학 자료를 얻고 및 균일화된 발생가스의 가스분석을 할 수 있도록 하는 것으로서, 전술한 목적을 위하여 사용되는 장치라면 어떠한 것이라도 이에 해당된다.

특히, 본 발명에 따른 시료는 상기 열중량을 분석하고자 하는 대상물질을 의미하는 것으로서, 하나의 고분자 화합물만으로 이루어진 것이 아니라 적어도 두 개 이상의 고분자 화합물로 이루어진 것을 의미한다.

이하 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 설명은 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 하기 설명에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 열분해가스화 소각기기를 나타내는 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 열분해가스화 소각기기의 재연소부를 나타내는 구성도로서 함께 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열분해가스화 소각기기는 시료를 연소시키는 동시에 연소되는 시료의 무게변화를 측정하는 열분해부(2); 상기 열분해부의 일측에 연결설치되어 상기 열분해부에서 연소된 시료의 연소가스가 유입되어 연소가스에 포함된 입자를 균일하게 조절하는 동시에 상기 연소가스를 완 전연소 되도록 하는 재연소부(4); 및 상기 재연소부(4)의 일측에 연결설치되어 재연소부(4)에서 완전 연소된 연소가스가 유입되어 세정된 후 이를 배출하는 습식세정부(6)를 포함한다.

본 발명에 따른 열분해부(2)는 밀폐된 공간을 제공하는 하우징, 상기 밀폐된 공간을 제공하는 하우징의 일측에 형성되어 캐리어가스가 유입되는 캐리어가스 유입구(22), 상기 밀폐된 공간의 내부 일측에 구비되어 시료를 안착시킬 수 있도록 장소를 제공하는 시료홀더(32), 상기 시료홀더(32)에 연결설치되어 시료의 무게를 측정하는 무게 측정부(8), 상기 밀폐된 공간을 제공하는 하우징의 일측에 구비되어 밀폐된 공간을 가열시켜 시료홀더(32)에 안착된 시료를 연소시키기 위한 가열수단(30) 및 상기 가열수단(30)의 가열에 의해 시료가 연소되며 발생하는 연소가스가 이동하는 경로를 제공하는 제 1 연소가스로(24)로 구성된다.

여기서, 상기 열분해부(2)는 시료를 연소시키는 동시에 연소되는 시료의 무게를 연속적으로 측정하기 위한 것으로서, 이러한 목적을 달성할 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 본 발명에 따른 열분해부(2)에 해당될 것이다.

본 발명에 따른 시료는 열중량 분석을 하기 위한 대상물질로부터 채취된 것, 즉 샘플링 된 것을 의미하는 것으로서, 이러한 목적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하는 것은 아니지만, 바람직하게는 혼합쓰레기 재생원료(RDF, RPF), 혼합폐플라스틱 등의 폐고분자화합물 등이 좋고, 그 사용량은 종래의 열중량 분석기의 시료량, 예를 들면 약 2.0g 보다 상대적으로 많은 100g 이상을 사용한다.

한편, 본 발명에 따른 밀폐된 공간을 제공하는 하우징은 열분해부(2)의 외관을 제공하는 것으로서, 시료가 연소할 수 있는 온도까지 상승하는 열분해부(2)의 가열온도 이상에서 견딜 수 있는 내열성을 갖는 재질로 이루어져 있으며, 상기 하우징 내부에 제공되는 밀폐된 공간을 가열시키기 위해 하우징의 내부 일측에 가열수단(30), 바람직하게는 가열수단(30)으로서 가열선이 하우징에 내설되는 것이 좋고, 상기 가열수단(30)의 가열온도는 적어도 시료홀더(32)에 위치하는 시료를 연소시킬 수 있는 온도 이상, 예를 들면 600 내지 800℃의 온도로 가열하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 시료홀더(32)는 열중량 분석을 하기 위한 시료가 안착되는 장소를 제공하기 위한 것으로서, 상기 밀폐된 공간의 내측에 시료가 안착될 수 있도록 설치되고, 열분해부(2)의 가열시 또는 시료의 연소시에 시료와 함께 연소되지 않는 내열성을 갖는 비활성 물질, 예를 들면 백금합금으로 이루어진 것이라면 어떤 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 당업계에서 통상적으로 사용되는 시료홀더(32)를 사용하는 것이 좋고, 그 용량은 약 100g 이상의 시료를 충분히 수용할 수 있는 용량을 갖는 것이 좋다.

한편, 본 발명에 따른 시료홀더(32)에 안착되는 시료의 연소시 발생하는 시료의 무게변화를 측정하기 위해 열분해부(2)의 일측에 무게 측정부(8)가 구비되는바, 특정 양태로서, 상기 무게 측정부(8)는 밀폐된 공간을 제공하는 하우징의 외부 일측, 바람직하게는 하우징 상단의 일측에 구비되고, 상기 무게 측정부(8)의 일측에 와이어(36)가 연결설치되고, 상기 무게 측정부(8)에 연결설치된 와이어(36)가 시료홀더(32)에 서로 연결설치되도록 구성된다.

이때, 상기 와이어(36)는 필요에 따라 중공을 갖는 와이어 보호관(38)을 관통하여 시료홀더(32)에 연결설치됨으로써, 고온으로 유지되는 열분해부(2) 내부 열로부터 보호받을 수 있으며, 상기 와이어(36)를 둘러싸는 와이어 보호관(38)은 전술한 목적을 달성하기 위해 당업계에서 통상적으로 사용하는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다.

특정적으로, 본 발명에 따른 와이어(36) 및/또는 상기 와이어(36)를 감싸고 있는 와이어 보호관(38)은 밀폐된 공간을 제공하는 열분해부(2)의 하우징 일측에 구비된 캐리어가스 유입구(22)를 통하여 유입되는 캐리어가스 이동경로(48) 내에 설치될 수 있으며, 이러한 경우 상기 캐리어가스 이동경로(48)의 종단에 캐리어가스의 배출방향에 대하여 수직으로 캐리어가스의 흐름을 변경할 수 있는 가스흐름 변경수단(34), 바람직하게는 판상을 갖는 가스흐름 변경수단(34)을 더 구비시켜 상기 캐리어가스 유입구(22)로부터 공급되는 캐리어가스의 흐름에 의해 시료가 안착되어 있는 시료홀더(32)가 움직여 시료 무게 측정시 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 상기 캐리어가스는 시료의 연소시 발생하는 연소가스를 외부로 배출하기 위한 것으로서, 열중량 분석시 사용되는 당업계의 통상적인 가스라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 산소를 포함하는 가스, 즉 공기 또는 비활성 가스를 사용하는 것이 좋고, 보다 바람직하게는 헬륨 가스를 사용하는 것이 좋다.

특히, 본 발명에 따른 캐리어가스 이동경로(48)에 와이어(36) 및/또는 와이어 보호관(38)을 구비시킴으로써 상기 캐리어가스 유입구(22)로 유입되는 캐리어가스에 의해 와이어(36) 및/또는 와이어 보호관(38)이 열분해부(2)의 고열로부터 보호받을 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 제 1 연소가스로(24)는 밀폐된 공간을 제공하는 하우징의 일측에 연결설치되어 상기 시료홀더(32)에 안착된 시료의 연소시 발생하는 연소가스가 배출되는 경로를 제공한다.

본 발명에 따른 재연소부(4)는 열분해부(2)로부터 배출되는 연소가스의 이동경로를 제공하는 제 1 연소가스로(24)에 연결설치되어 상기 제 1 연소가스로(24)로부터 유입되는 연소가스 입자의 크기를 균일화 시켜주는 촉매가 충진된 촉매부재(28), 상기 촉매부재(28)의 일측에 연결설치되어 촉매부재(28)를 통과한 연소가스의 이동경로를 제공하는 제 2 연소가스로(26) 및 상기 촉매부재(28)에 이웃하게 설치되어 촉매부재(28)를 가열하는 가열수단(30)으로 구성된다.

여기서, 상기 재연소부(4)는 상기 열분해부(2)의 시료가 연소하며 발생한 연소가스가 유입되어 연속가스에 포함된 입자를 크래킹함으로써 입자의 크기를 균일하게 하거나, 미연소된 가스를 완전 연소시키기 위한 것으로서, 이러한 목적을 위해 사용되는 장치라면 어떠한 것이라도 본 발명의 재연소부(4)에 해당될 것이다.

이때, 상기 열분해부(2)에서 미연소된 가스를 완전 연소시키는 경우, 특정적으로 제 1 연소가스로(24)를 통과하는 연소가스에 산소를 공급하게 되는바, 이를 위해 연소가스가 이동하는 경로를 제공하는 제 1 연소가스로(24)의 일측에 산소를 공급할 수 있는 산소탱크(10)가 연결설치되도록 구성된다.

한편, 본 발명에 따른 촉매부재(28)는 상기 열분해부(2)로부터 유입되는 연소가스의 입자를 크래킹할 수 있는 크랭킹 촉매, 바람직하게는 실리카알루미나에 5 내지 20중량% 함량의 니켈을 담지한 촉매를 다층 실린더에 코팅한 촉매가 충진되어 있는 것으로서, 이러한 목적을 위하여 사용되는 당업계의 통상적인 촉매가 설치된 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하며, 그 형태는 원통형으로 이루어져 그 길이방향의 일측 종단으로 연소가스가 유입되고, 상기 연소가스가 유입되는 종단의 타측으로 연소가스가 배출되는 것이 좋다.

본 발명에 따른 촉매부재(28)는 그 외주면에 촉매부재(28)를 가열할 수 있는 가열수단(30)이 구비되는바, 상기 가열수단(30)은 당업계의 통상적인 가열수단(30)이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 가열선을 사용하는 것이 좋고, 그 가열온도는 200 내지 400℃인 것이 좋다.

한편, 본 발명에 따른 제 2 연소가스로(26)는 촉매부재(20)의 일측에 연결설치되어 상기 촉매부재(20)를 통과한 연소가스가 배출되는 경로를 제공한다.

본 발명에 따른 습식세정부(6)는 밀폐된 공간을 제공하는 동시에 그 내부에 세정액(44)이 채워져 있는 하우징, 상기 세정액(44)이 채워져 있는 하우징의 내부 일측에 구비되고 재연소부(4)로부터 배출되는 연소가스의 이동경로를 제공하는 제 2 연소가스로(26)에 연결설치되어 상기 제 2 연소가스로(26)로부터 유입되는 연소가스를 세정액(44)으로 분배하는 분배관(40) 및 상기 세정액(44)이 채워져 있는 하 우징의 일측에 구비되어 세정액(44)을 통과한 연소가스를 외부로 배출하는 배출구(46)로 구성된다.

여기서, 상기 밀폐된 공간에 채워지는 세정액(44)은 제 2 연소가스로(26)로부터 배출되는 연소가스, 특정적으로 균일화된 연소가스에 포함된 먼지 및 산성가스 성분을 세정하기 위한 것으로서, 이러한 목적을 위한 당업계의 통상적인 세정액(44)이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 알칼리 세정액, 보다 바람직하게는 pH 11 내지 12의 알칼리 세정액을 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 분배관(40)은 상기 재연소부(4)의 제 2 연소가스로(26)에 연결설치되어 상기 제 2 연소가스로(26)를 통과하는 연소가스가 습식세정부(6)의 세정액(44)에 고르게 분배되도록 하기 위한 것으로서, 이러한 목적을 위해 사용되는 분배관(40)이라면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 연소가스가 이동할 수 있는 중공의 원통형상을 갖는 다수의 이동경로를 구비하고, 상기 다수의 이동경로의 외주면에 연소가스가 세정액(44)으로 배출될 수 있도록 다수의 구멍이 구비되는 것이 좋다. 이때, 상기 분배관(40)은 가급적 습식세정부(6)의 바닥면에 근접하게 설치되는 것이 좋다.

한편, 본 발명에 따른 분배관(40)을 통하여 배출되는 고온의 연소가스에 의하여 상기 습식세정부(6)에 채워져 있는 세정액(44)의 온도가 상승할 수 있는바, 이러한 현상을 방지하기 위해 본 발명은 상기 습식세정부(6)의 일측에 상승하는 세정액(44)의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 세정액 냉각수단(12)이 더 구비될 수 있다. 이때, 상기 세정액 냉각수단(12)은 당업계의 통상적인 냉각수단이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다.

또한, 본 발명에 따른 분배관(40)을 통하여 배출되는 연소가스 중에 포함된 산성가스가 알칼리성을 갖는 세정액(44)에 의해 제거됨에 따라, 상기 세정액(44)의 pH가 감소하게 되는바, 이러한 pH의 감소를 방지하기 위해 습식세정부(6)의 일측에 세정액(44)의 농도를 조절할 수 있는 약품이 저장된 약품 공급부재(18)를 연결설치하여 습식세정부(6)의 세정액(44)의 pH를 조절할 수 있다.

이때, 상기 세정액(44)의 pH는 특정적으로 습식세정부(6)의 일측에 연결설치되어 세정액(44)의 pH를 감지하는 pH 감지부(14)를 통하여 측정되고, 상기 pH 감지부(14)의 일측에는 상기 pH 정보, 즉 pH 값을 인지하여 판단하는 제어부(16)를 연결설치한 뒤 상기 제어부(16)의 일측에 약품 공급부재(18)의 약품을 습식세정부(6) 내부로 공급할 수 있도록 하는 피더(20)를 연결설치하여 세정액(44)의 농도를 조절할 수 있는바, 전술한 pH 감지부(14)에서 측정된 세정액(44)의 pH 값에 따라 제어부(16)가 피더(20)를 작동시켜 약품 공급부재(18)의 약품을 세정액(44)에 공급하도록 하여 세정액(44)의 농도를 자동적으로 조절한다.

본 발명에 따른 세정액 배출 제어판(42)은 습식세정부(6)의 세정액(44)을 통과하는 연소가스가 배출구(46)를 통하여 배출될 경우, 상기 세정액(44), 특정적으로 세정액(44)의 액적이 연소가스와 함께 배출되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 이러한 목적을 위해 사용되는 당업계의 통상적인 세정액 배출 제어판(42)이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 판상을 갖는 제어판을 연소가스의 흐름에 대하여 수직으로 설치하여 세정액(44)이 연소가스와 배출되지 못하도록 설 치되는 것이 좋다.

본 발명에 따른 배출구(46)는 습식세정부(6)의 일측, 바람직하게는 상단 일측에 구비되어 세정액(44)을 통과하며 처리된 연소가스가 외부로 배출된다. 이때, 상기 외부로 배출되는 연소가스의 일부를 채취하여 가스를 분석한다.

전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 열분해가스화 소각기기의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 열중량 분석을 원하는 대상물질로부터 시료, 예를 들면 약 100g의 시료를 채취하여 시료홀더(32)에 설치한 뒤 케리어가스를 케리어가스 유입구(22)로 유입, 바람직하게는 열분해부(2)를 가열하기 이전에 케리어가스를 이용하여 장치내부에 있는 공기를 완전히 방출시킨 후, 케리어가스를 최소량, 예를 들면 2 내지 10ml/min정도의 유속으로 유입시키는 동시에 가열수단(30)을 이용하여 열분해부(2)의 온도를 증가시킨다.

이때, 상기 가열수단(30)에 의해 열분해부(2)의 온도는 600 내지 800℃로 상승하는바, 바람직하게는 3 내지 10℃/min의 속도로 온도를 증가시켜 최종적으로 600 내지 800℃의 온도가 되도록 하며, 상기 온도 600 내지 800℃로 상승한 온도를 2 내지 4시간 동안 유지시킨다.

그 다음, 상기 열분해부(2)의 가열에 따라 시료홀더(32)에 연결설치된 무게 측정부(8)를 이용하여 시료의 무게를 측정한다.

그 다음, 상기 열분해부(2)의 가열에 따라 연소되며 발생하는 시료의 연소가 스를 제 1 연소가스로(24)로 배출시켜 상기 제 1 연소가스로(24)의 일측에 연결설치된 재연소부(4)로 유입시킨다.

그 다음, 상기 재연소부(4)로 유입된 연소가스는 가열수단(30)에 의하여 200 내지 400℃로 가열되는 촉매부재(28)를 통과하며 연소가스에 포함된 입자를 크래킹하여 균일화시킨 뒤 이를 촉매부재(28)의 일측에 연결설치된 제 2 연소가스로(26)로 배출시켜 상기 제 2 연소가스로(26)에 연결설치된 습식세정부(6)의 분배관(40)으로 유입시킨다.

이때, 상기 촉매부재(28)의 일측에 연결설치되는 제 1 연소가스로(24)를 통하여 유입되는 연소가스를 완전 연소시킬 경우, 상기 제 1 연소가스로(24)의 일측에 연결설치된 산소탱크(10)의 산소를 제 1 연소가스로(24)로 공급한다.

그 다음, 상기 습식세정부(6)의 분배관(40)으로 유입된 연소가스는 분배관(40)을 통하여 세정액(44)으로 공급되어, 연소가스에 포함된 먼지 및 산성가스 성분이 세정액(44)으로 제거되고, 상기 먼지 및 산성가스 성분이 제거된 연소가스는 습식세정부(6)의 일측에 구비된 배출구(46)를 통하여 외부로 배출된다.

이때, 상기 연소가스에 의하여 세정액(44)의 온도가 상승하는 경우, 상기 습식세정부(6)의 일측에 구비된 세정액 냉각수단(12)으로 세정액(44)의 온도를 감소시켜 일정한 온도, 예를 들면 10 내지 30℃로 세정액(44)의 온도를 유지시킨다.

또한, 상기 연소가스에 포함된 먼지 및 산성가스 성분을 제거한 세정액(44)의 pH가 감소할 경우 pH 감지부(14)가 감소된 농도를 측정하여 이를 pH 제어부(16)로 송출하고, 송출된 정보를 근거로 pH 제어부(16)가 피더(20)를 조정하여, 상기 피더(20)에 연결설치된 약품 공급부재(18)의 약품을 세정액(44)에 자동으로 공급한다.

이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

<실시예>

도 1에 도시된 장치와 같이, 강철 및 4KW 용량의 가열선이 내장되고, 내열성을 갖는 내화재로 제작된 높이 500mm, 가로 50mm, 세로 50mm, 두께 10mm의 열분해부의 외관을 제조한 뒤 그 내부에 외경 20mm, 길이 40mm의 백금-로듐(알루미나)재질의 시료홀더[홀더, Linseis, 독일]를 설치하였다.

그 다음, 상기 시료홀더의 일측을 알루미나 재질의 와이어[string, Linseis, 독일]로 연결한 후 상기 와이어를 압축형 BCL형 1kg 저울[카스정밀기기, 대한민국]에 연결설치하였다.

그 다음, 상기 저울을 컴퓨터와 연결시켜 실시간으로 변화되는 시료무게를 측정하도록 하였다.

그 다음, 상기 열분해부의 일측에 실리카알루미나에 5 내지 20중량% 함량의 니켈을 담지한 촉매를 다층 실린더[주물히터, 한일전열엔지니어링, 대한민국]에 코팅한 촉매부재가 설치된 재연소부를 연결설치한 뒤 상기 촉매를 가열할 수 있는 가 열수단[주물히터, 한일전열엔지니어링, 대한민국]을 설치하였으며, 상기 재연소부의 일측을 높이 550mm, 외경 60mm 크기의 습식세정부에 연결시켰다.

그 다음, 상기 습식세정부에 수산화나트륨 용액 2 내지 5ℓ를 채웠으며, 상기 수산화나트륨 용액의 pH는 11 내지 12로, 세정액의 온도는 10 내지 30℃로 유지시켰다.

그 다음, 시료로서 직경 10mm, 길이 50mm의 폐재생연료 펠렛[RPF, 서대문구청에서 입수]을 시료홀더에 설치한 후 열분해부를 3 내지 10℃/min으로 가열시켜 최종적인 온도가 600 내지 800℃가 되도록 한 뒤 이 온도를 2 내지 4시간 동안 유지시키는 동시에 캐리어가스로서 헬륨을 캐리어가스 유입구를 통하여 유속 ?로 유입시켰다.

그 다음, 상기 온도에서 연소된 연소가스를 재연소부로 유입시켜 연소가스를 균일화하였다.

그 다음, 상기 균일화된 연소가스를 습식세정기로 유입시켜 먼지, 아황산가스류, 염소가스류를 세정한 뒤 이를 배출구를 통과시켜 외부로 배출하였다.

그 다음, 상기 외부로 배출되는 가스의 일부를 채취하여 가스분석을 하였다.

그 결과를 표 1 내지 표 3으로 나타냈다.

<비교실시예>

실시예 1에 사용된 동일한 시료 2.0g을 채취하여 열중량 분석기[STA PT-100,독일]에 투입한 후 열중량을 분석하였으며, 열분해를 위한 승온 열속도는 4℃/min 였다.

그 결과를 표 1 내지 표 3으로 나타냈다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예에 사용된 시료량은 100g, 비교실시예 사용된 시료량은 2.0g이었는바, 열중량분석에서 가능한 한 많은 시료의 양을 사용하였을 때 더욱 신뢰성 있는 결과값을 얻을 수 있는 것으로 나타났다.

특히, 실시예의 장치 승온속도(약3℃/min )는 느리게 진행할수록 일정 승온온도(400~460℃)에서 열분해 가스량이 급격히 증가하여 시료가 시료홀더에서 넘쳐날 수 있고, 발생가스량의 변화로 시료홀더 및 스트링(STRING)에 진동을 줄 수 있으므로 시료홀더의 진동에 따른 시료무게가 실시간 측정이 어려워진 상황이 발생할 수 있다. 비교실시예에서는 소량의 시료가 주입되고 상대적으로 안정하고 짧은 시간내에 열분해반응이 종료되었지만, 상기에서 언급한 바와 같이 분석결과에 대한 신뢰도가 낮았다.

또한, 습식세정부에서 가스처리 후의 일정한 가스를 포집하여 보다 균일한 가스성상을 분석할 수 있었다. 이와 같이, 실시예에 따라 분석한 결과가 비교실시예와 비교하여 볼 때 안정적인 결과를 나타냈다.

한편, 표 2는 시료의 정보로서, 한국화학시험원에서 측정한 공업분석결과를 나타내었고, 여기에서 잔류물(고정탄소양+회분)의 양이 적지 않게 발생함을 알 수 있었다.

특히, 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 비교실시예에 대한 실시예의 잔류물의 양이 좀 더 많았다. 이것은 매우 큰 의미는 없지만 시료양이 많을수록 더 일반적인 신뢰성 있는 데이터 결과를 얻을 수 있다고 해석될 수 있는 것이다.

¹⁾문헌값: Juniper Consultancy Services Ltd., Pyrolysis & Gasification of Waste a Worldwide Technology & Business Review, vol(1), pp.2:199, 2000.

여기서, 상기 표 3에 나타난 문헌값은 도시폐기물(MSW)를 원료로 한 PKA 공정의 열분해가스화 분석결과를 나타낸다.

표 3에 나타난 바와 같이, 실시예를 통하여 분석된 가스성분과 문헌값이 서로 유사한 것으로 나타났으며, 다만 수소의 함량은 다소 차이가 있으나, 이는 무시할 만한 수준이었다.

본 발명은 대용량의 시료에 대하여 열중량 분석시 요구되는 유리전이온도, 용융온도 및 분해속도 등을 측정하여 신뢰도가 높은 측정결과를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 파일럿 규모의 소각공정이나 가스화공정에 대한 신뢰도 높은 기초 설계 자료를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims

시료를 연소시키는 동시에 연소되는 시료의 무게변화를 측정하는 열분해부; 상기 열분해부의 일측에 연결설치되어 상기 열분해부에서 연소된 시료의 연소가스가 유입되어 연소가스에 포함된 입자를 균일하게 조절하거나 상기 연소가스를 완전연소 되도록 하는 재연소부; 및 상기 재연소부의 일측에 연결설치되어 재연소부에서 완전 연소된 연소가스가 유입되어 세정된 후 이를 배출하는 습식세정부를 포함하는 열분해가스화 소각기기.
제 1항에 있어서,

상기 열분해부가 밀폐된 공간을 제공하는 하우징, 상기 밀폐된 공간을 제공하는 하우징의 일측에 형성되어 캐리어가스가 유입되는 캐리어가스 유입구, 상기 밀폐된 공간의 내부 일측에 구비되어 시료를 안착시킬 수 있도록 장소를 제공하는 시료홀더, 상기 시료홀더에 연결설치되어 시료의 무게를 측정하는 무게 측정부, 상기 밀폐된 공간을 제공하는 하우징의 일측에 구비되어 밀폐된 공간을 가열시켜 시료홀더에 안착된 시료를 연소시키기 위한 가열수단 및 상기 가열수단의 가열에 의해 시료가 연소되며 발생하는 연소가스가 이동하는 경로를 제공하는 제 1 연소가스로를 포함하는 열분해가스화 소각기기.
제 2항에 있어서,

상기 무게 측정부가 밀폐된 공간을 제공하는 하우징의 외부에 구비되고, 상기 무게 측정부의 일측 및 시료홀더의 일측이 서로 와이어로 연결설치된 것을 특징으로 하는 열분해가스화 소각기기.
제 3항에 있어서,

상기 와이어가 와이어 보호관에 둘러싸여 보호되고, 상기 와이어 보호관 및 와이어가 캐리어가스 이동경로의 내부에 구비되는 것을 특징으로 하는 열분해가스화 소각기기.
제 4항에 있어서,

상기 캐리어가스 이동경로의 종단에 캐리어가스의 배출방향에 대하여 수직으로 캐리어가스의 흐름을 변경할 수 있는 가스흐름 변경수단이 구비된 것을 특징으로 하는 열분해가스화 소각기기.
제 1 항에 있어서,

상기 재연소부가 열분해부로부터 배출되는 연소가스의 이동경로를 제공하는 제 1 연소가스로에 연결설치되어 상기 제 1 연소가스로로부터 유입되는 연소가스 입자의 크기를 균일화 시켜주는 촉매가 충진된 촉매부재, 상기 촉매부재의 일측에 연결설치되어 촉매부재를 통과한 연소가스의 이동경로를 제공하는 제 2 연소가스로 및 상기 촉매부재에 이웃하게 설치되어 촉매부재를 가열하는 가열수단을 포함하는 열분해가스화 소각기기.
제 6항에 있어서,

상기 제 1 연소가스로의 일측에 연결설치되어 상기 제 1 연소가스로로부터 유입되는 연소가스에 산소를 제공하는 산소탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열분해가스화 소각기기.
제 1항에 있어서,

상기 습식세정부가 밀폐된 공간을 제공하는 동시에 그 내부에 세정액이 채워져 있는 하우징, 상기 세정액이 채워져 있는 하우징의 내부 일측에 구비되고 재연소부로부터 배출되는 연소가스의 이동경로를 제공하는 제 2 연소가스로에 연결설치되어 상기 제 2 연소가스로로부터 유입되는 연소가스를 세정액으로 분배하는 분배관 및 상기 세정액이 채워져 있는 하우징의 일측에 구비되어 세정액을 통과한 연소가스를 외부로 배출하는 배출구를 포함하는 열분해가스화 소각기기.
제 8항에 있어서,

상기 세정액이 채워져 있는 하우징의 일측에 연결설치되어 하우징 내부로 세정액의 농도를 조절할 수 있는 약품을 제공하는 약품 공급부재, 상기 약품 공급부재의 일측에 연결설치되어 약품 공급부재에 저장되어 있는 약품을 외부로 배출할 수 있도록 하는 피더, 상기 세정액의 pH를 측정하는 pH 감지부, 상기 pH 감지부의 일측 및 피더에 연결설치되어 pH 감지부에서 측정된 pH 값에 따라 세정액의 농도를 조절하기 위해 피더를 작동시키는 pH 제어부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 열분해가스화 소각기기.
제 8항에 있어서,

상기 세정액이 채워져 있는 하우징의 일측에 연결설치되어 세정액의 온도를 감소시키는 세정액 냉각수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 열분해가스화 소각기기.
제 8항에 있어서,

상기 연소가스를 외부로 배출하는 배출구의 전단 일측에 구비되어 세정액 배출을 제어하는 세정액 배출 제어판을 더 구비한 것을 특징으로 하는 열분해가스화 소각기기.
제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 시료가 적어도 두 개 이상의 고분자 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 열분해가스화 소각기기.
제 1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 열분해가스화 소각기기를 이용한 열중량 분석방법.