KR100898723B1 - 폐기물 처리를 위한 초고온 환원분해로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쓰레기 등 폐기물을 소각하여 산화시키는 대신 초고온 상태에서 환원 시켜 폐기물 등을 처리하고 부수적으로 이 처리 과정으로부터 2차공해물질을 방샐시키지 않는 청정에너지원으로 사용가능한 가연성합성가스를 얻을 수 있는 초고온 환원로에 관한 것이다.

본 발명의 환원로는 초고온에서 견딜 수 있도록 환원로몸체(110)의 벽체가 3중 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 벽체의 3중 구조에 의해 초고온 상태에서의 환원 반응이 일어나서 폐기물을 분해하는 기능을 한다. 이같은 열분해 환원 작용을 바탕으로 폐기물 들을 처리하므로 폐타이어, 생활 쓰레기, 병원성 폐기물 또는 동물 사체 등을 처리함에 있어 그을음이나 CO₂ 또는 다이옥신과 같은 기타 공해 물질의 배출이 거의 없어 공해 방지에도 효과적이다.

환원로, 초고온, 소각, 환원, 분해, 합성가스, 신가스, 폐기물.

Description

폐기물 처리를 위한 초고온 환원분해로{Super-high temperature Reduction Incinerator for Waste Treatment}

본 발명은 쓰레기 등 폐기물을 소각하여 산화시키는 대신 초고온 상태에서 환원시켜 폐기물 등을 분해하여 처리하고 부수적으로 이 처리 과정으로부터 가연성합성가스(Inflammabile Synthesis Gas, 업계에서는 약칭하여 Syngas라고 부르기도 함. 이하 '신가스'라 칭함.)를 얻는 초고온 환원분해로에 관한 발명이다.

현재까지 폐기물의 처리방법으로는 소각로에서 연소(산화)시키는 소각방법이 주로 이용되었다. 이러한 산화를 이용한 소각의 경우 소각로 내부의 온도는 400℃ 내지 800℃ 정도로 통상 1000℃ 이하의 온도에서 소각 처리가 행해지는데, 불완전 연소에 의한 분진발생, 다이옥신 발생, 그리고 NOx, CO 등의 2차 공해 물질의 배출 등 많은 환경문제를 유발하고 있다.

최근에 상기와 같은 산화방식의 소각로의 문제점을 개선하기 위하여, 환원방식의 분해로를 이용한 폐기물처리 및 에너지 생산에 관한 기술이 개발되고 있다. 이중 가장 대표적인 기술이 폐기물을 환원하여 신가스로 만드는 가스화에 관한 기술이다.

가스화란 일반적으로는 고체·액체 연료로부터 기체연료를 제조하는 조작 ·반응을 말하는데, 고체·액체 연료에 공기·산소·수증기·이산화탄소 등의 가스화제를 단독 또는 서로 배합하여 고온에서 작용시켜 수소·일산화탄소 등을 주성분으로 하는 기체연료를 얻는 방식이 주로 적용되고 있다.

이렇게 해서 얻은 기체연료인 가연성합성가스를 신가스라 하는데, 발생로가스·수성가스·도시가스 등이 있다. 근래에는 중유·잔유 등 중질유의 가스화도 연구·개발 중이다. 가스화는 열효율이 높고 취급과 수송이 아주 용이하다.

가스화의 화학 반응 원리는 다음의 화학식 1과 같은 환원 반응이 그 주를 이룬다. 하기의 (-CH2-)은 폐기물(폐 유기화합물)의 분자식 총칭을 나타낸다.

현재 일반적으로 폐기물 등의 소각에 사용되고 있는 소각로의 구조는 폐기물 투입구와 화격자, 연소실, 잔류물 호퍼, 열회수 장치 등으로 이루어져 있다. 화격자는 폐기물이 놓이는 곳으로 쇠살판 또는 불판이라고도 하는데 , 공기와 재가 통과할 수 있도록 구멍이 구비되어 있다. 연소실은 노의 종류에 따라 완전연소를 위한 2차 연소실을 갖춘 것도 있다. 호퍼는 소각재를 모으는 깔때기 모양의 그릇으로, 화격자 아래쪽에 달려 있다. 대형 소각로의 경우 연소실 위쪽 내부에 보일러관이 있어 소각열을 회수하여 열병합 발전 등에 사용할 수 있게 한다.

소각로의 종류로는 소각대상 폐기물의 상태에 따라 종이·목재·플라스틱 등 고체 형태의 폐기물을 소각하는 고형소각로와 음식물쓰레기·슬러지 등 수분함유율이 높은 폐기물을 소각하는 수계소각로, 폐유·폐용제 등 각종 사업장에서 배출한 유기폐액을 처리하는 폐액소각로 등으로 나뉜다.

소각로는 연소실의 온도에 따라 소각처리가 가능한 폐기물만을 소각한다. 최종연소실의 출구온도는 처리 능력이 시간당 200㎏ 미만은 800℃, 200㎏ 이상은 850℃, 종이·목재류 소각로의 경우에는 450℃ 이상을 유지하여야 한다. 소각로는 연소실 안의 공기량과 보조연소장치를 조절하여 완전연소가 되도록 하여야 하고, 연소실 안의 온도가 적정 온도에 이르기 전에 폐기물을 소각하여서는 안 되며, 보조연소장치 등을 써서 적정 온도까지 높인 뒤 폐기물을 넣어야 한다.

상기와 같은 종래의 소각로의 문제점으로는, 연소실의 온도가 낮을 경우 불완전 연소로 인하여 발생하는 일산화탄소나 그을음의 배출과, 다이옥신, NOx, CO 등 2차 공해 물질의 발생으로 인한 환경오염의 염려를 들 수 있다.

이러한 통상의 소각로의 문제점의 해결은 소각로의 개선만으로는 한계가 있다. 그러나 상기에서 검토한 바와 같이 초고온 상태에서의 환원반응을 이용하면 이러한 문제점들을 해결할 수 있다.

실험적으로 규명된 연소 또는 환원이 일어나는 노 내부 온도 변화에 따른 연소물질의 생성 패턴은 도 7의 그래프와 같은데, 이 그래프에서 알 수 있듯이 노 내부의 온도가 1200℃ 이하이면 연소 결과물질인 스증기(H₂O)가 다량 발생하고, 노 내부의 온도가 1300℃ 이상이 되면 연소 결과물인 수증기의 발생은 급격히 줄어드는 반면, 환원반응의 결과물질인 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)의 발생이 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 사실로부터 노 내부의 온도를 고온으로 유지하면, 연소로가 아닌 환원분해로가 되고, 연료로 재활용될 수 있는 신가스를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

초고온 상태에서의 환원반응을 일으키려면, 섭씨 1500℃ 내지 2000℃ 정도의 초고온 상태를 견딜 수 있는 환원로의 제작이 필요하다. 그러나 일반적인 소각로 제작 기술로는 섭씨 1500℃ 내지 2000℃ 가까이 이르는 온도를 견디지 못해 소각로 몸체가 열변형을 일으키거나 자중으로 인해 파손되는 현상이 발생한다. 이런 소각로의 변형은 초고온 상태에서 작동되는 환원로의 개발에 걸림돌이 되고 있다. 또한 소각로의 경우로 내의 온도를 섭씨 1500℃ 내지 2000℃로 계속 유지하는 것도 용이하지 않다.

상기와 같은 일반적인 소각로는 상기한 바와 같이, 불완전 연소에 의한 분진과 일산화 탄소의 발생, 그리고 2차 대기오염물질 발생이라는 문제점이 있다. 이러한 기술적 문제점을 해결하기 위해서는 초고온에서 분해반응이 일어나는 환원방식의 분해로(이하 "환원분해로"라 칭함.)가 필요하다.

환원분해로는 1500℃ 내지 2000℃의 초고온에서 작동하므로, 환원분해로의 구조는 2000℃의 고온에서 견딜 수 있는 구조여야 한다. 그리고 환원분해로의 내부 온도를 상기와 같이 고온으로 유지하기 위한 가열수단이 필요하다.

본원의 발명은 2000℃ 이상의 고온을 유지하고, 이와 같은 고온에도 견딜 수 있는 환원분해로로서, 상기와 같은 소각방식의 소각로가 가지는 문제점을 해결한 환원분해로에 관한 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 구성은, 가열장치(120)와 배기장치(140)를 구비한 것으로서 초고온 상태에서 견딜 수 있는 3중 구조를 갖는 몸체(110)와, 상기 몸체(110)의 내부에 처리하고자하는 폐기물을 연속적으로 투입할 수 있게 하는 폐기물공급장치인 이송장치(130)로 구성된다.

그리고 상기 환원분해로에서 발생한 신가스를 포집하는 신가스포집 시스템을 추가로 구비하여, 신가스를 환원분해로의 연료로 사용하거나, 외부로 공급할 수 있다.

본원의 발명인 환원분해로는 3중 구조의 벽체에 의하여 초고온 상태에서 환원 반응이 일어나게 할 수 있고, 이와 같은 초고온 상태에서 환원 작용을 바탕으로 폐타이어, 생활 쓰레기, 병원성 폐기물 또는 동물 사체 등의 유기폐기물을 처리할 수 있다.

또한 본 발명인 환원분해로는 모든 고분자화합물을 처리하여 신가스를 생산하여 폐기물 처리에 수반되는 비용 제로화 및 처리에 필요한 연료 사용 비용의 획기적인 절감이 가능하다. 본 발명인 환원분해로에 의한 폐기물의 환원처리는 2차 공해 물질을 거의 발생시키지 않고, 환원 후 청정 연소연료로 사용되는 수소와 일산화 탄소 그리고 환경오염 등의 염려가 없는 소량의 염과 다시 소각로 등의 연료로 재활용할 수 있는 신가스를 얻을 수 있다.

본 발명인 환원분해로는 소형( 높이 2미터 이내)으로 제작할 수 있어서, 트럭 등으로 이동이 가능하며, 트럭 등에 탑재하여 운용할 수 있다.

본 발명인 환원분해로(100)는 몸체(110)와, 상기 몸체(110)에 부착된 가열장치(120), 이송장치(130), 그리고 배기장치(140)로 구성되는데, 유기 폐기물에 환원반응을 일으켜 신가스로 분해하는 기능을 한다.

몸체(110)는 원통형 또는 육면체의 용기로서, 2000℃ 이상의 초고온에 견딜 수 있도록 3중 벽체구조로 제작된다. 3중 벽체구조는 도 1의 상세A에 도시된 바와 같이, 내열세라믹으로 제작되는 내벽(111), 내벽의 외부에 연하여 있는 중벽(112), 그리고 최 외곽의 외벽(113)으로 구성된다. 몸체(110)는 중벽(112)을 접착한 내벽(111)을 외벽(113)의 내부에 삽입하여 제작한다.

몸체(110)에는 도 1에 도시한 바와 같이 가열장치가 부착되는 가열장치부착부(114), 이송장치가 연결되는 원료투입구(115), 몸체 내부에서 생성된 신가스가 배출되는 배기구(116)을 구비하고, 필요에 따라 몸체의 측벽에 관찰창(117)을, 몸체의 바닥에는 잔여물 배출구(118)를 구비할 수 있다.

내벽(111)은 내열 세라믹 재료를 환원분해로의 몸체의 형상으로 성형하여 제작하는데, 재료인 내열세라믹은 용광로, 용선로 등에 사용되는 것과 동일한 것으로서, 2000℃ 이상의 고온에 견디는 것이 다수 개발되어 있다. 특히 고순도 SiO₂ 소재로 내벽을 제작하는 것이 더욱 바람직하다.

중벽(112)의 재료로는 고온에 아주 강한 단열재인 세라믹울(Seramic Wool, "세라크울"이라는 상품명으로 시판되고 있다.)을 사용하는데, 이 세라믹울은 부직포와 같은 형상인 일정두께의 판으로 제작되어 시판되고 있다. 중벽(112)은 상기 내벽(111)의 외부에 세라믹울을 일정 두께로 감아서 접착하여 형성한다.

외벽(113)은 철판 등 금속판으로 제작을 하는데, 고온에서도 부식이 잘 되지 않는 스테인레스스틸, 특히 SUS316이 적당하다.

상기와 같이 몸체를 3중 구조로 제작할 경우 환원분해로 내의 온도는 2000℃ 정도의 고온이더라도 외부 표면의 온도는 80℃ 정도로 유지된다.

몸체(110)의 내벽(111)의 재료인 내열 세라믹은 일정한 사용수명이 있으므로 정기적으로 교체를 하는 보수를 하여야 한다. 내벽(111)의 교체 및 여타 보수작업을 용이하게 하기 위하여, 몸체는 상단과 하단을 분리하여 제작하고, 이 두 부분을 도 1의 상세B와 같이 플랜지로 결합하는 구조로 제작하는 것이 좋다.

관찰창(117)은 몸체의 적정 부위에 내부의 반응상태와 화염의 색깔 등을 살피기 위한 것이다. 관찰창(117)에는 석영유리 혹은 바이코어(Vycor)라는 불리는 유리 등의 고규산 내열유리가 사용될 수 있으며, 이 밖에도 파이렉스(Pyrex)라 불리는 내열유리도 사용될 수 있는데, 이것은 규산 81%, 산화붕소 12%를 함유한 붕규산유리이다.

가열장치(120)는 도 2에 도시한 바와 같이 상기 몸체(110)의 측벽에 구멍을 가공하여 이 구멍에 결합하는데, 가연성 기체연료(수소 또는 신가스 등의 혼합기체)를 분사하는 토치(121), 분사된 연료에 점화를 일으키는 착화기(122), 산소봄베로부터 토치에 산소를 공급하는 산소공급관(124) 그리고 연료가스저장용기로부터 토치에 연료가스를 공급하는 연료공급관(123)으로 구성된다. 그리고 하기할 포집장치(200)의 신가스탱크(220)으로부터 신가스를 본 발명인 환원분해로의 연료중의 일부로 사용하기 위해 연결되는 신가스공급관(125)도 구비할 수 있다.

하나의 가열장치(120)는 2 이상의 토치(121)를 구비할 수 있는데, 이 경우 분사되는 연료가 한 곳에 집중될 수 있도록 도 3에 도시한 바와 같이 각 토치(121)를 동심원상으로 경사지게 배치한다.

착화기(122)는 전기스파크를 일으키는 전기 착화기를 사용하는데, 이는 가정용 가스레인지 등에 광범위하게 사용되는 것과 동일하다. 착화기(122)는 점화시에만 사용되고 환원분해로의 정상가동 중에는 사용되지 않는데, 정상가동중인 환원분해로 내부의 온도가 아주 고온이므로 손상될 수 있다. 따라서 착화기(122)는 몸체의 벽체에서 환원분해로 내부로 들어갔다 빠져나왔다 할 수 있도록 인출부(122-1)를 부착하여, 착화시에만 환원분해로의 내부 연료가 집중되는 곳으로 들어가서 착화를 하고, 일단 연료에 점화가 된 이후에는 그 끝단이 벽체의 내면보다 더 후방으로 빠져나올 수 있게 하는 것이 좋다.

환원분해로 내부의 온도를 단시간에 정상가동온도로 상승시키기 위해서는 상기와 같이 다수 개의 토치(121)와 하나의 착화기(122)로 구성된 가열장치(120)를 몸체(110)의 측벽에 다수 개소에 구비할 수 있다. 가열장치(120)를 몸체(110)에 부착하는 방법으로는 도 2의 (a)와 같이 몸체의 벽에 토치 삽입공과 착화기 삽입공을 뚫고 결합하거나, 도 2의 (b)와 같이 몸체의 벽 일부에 가열장치부착부(114)를 뚫고 결합할 수 있다.

본 발명인 환원분해로에 사용되는 기체 연료로는 통상적으로 연료로 사용되는 프로판가스, 부탄가스, LPG 가스 등과, 용접에 사용되는 아세틸렌 가스 등 발열량이 큰 모든 종류의 기체연료가 사용될 수 있다. 그러나, 환원분해로 내부의 온도를 빨리 정상가동온도로 상승시키려면, 발열량이 아주 큰 수소가스(H₂)를 사용하는 것이 가장 좋다. 이와 같이 발열량이 큰 수소가스를 사용할 경우, 하나의 환원분해로(100)에 소요되는 가열장치(120)의 개수를 줄일 수 있고, 이에 따라 몸체(110)의 제작도 간편해 질뿐만 아니라, 몸체에서 마모 또는 파손이 잘 일어나는 구멍 가공부위가 적어 특히 내열세라믹으로 제작되는 내벽(111)의 수명이 길어진다.

가열장치(120)에는 토치 외에도 수증기를 주입할 수 있는 수증기 주입관을 더 구비할 수도 있다. 이 수증기 주입관으로 부터 주입되는 수증기는 초고온 상태의 환원분해로 내에서 토치(121) 또는 착화기(122) 등의 과열을 방지하여 초고온 열로부터 이들을 보호하는 역할을 한다. 또한 일부 수증기는 산소와 수소로 분해되어 이들이 결국 폐기물을 환원시키는 데 사용되는 효과도 있다.

이송장치(130)는 일정크기로 절단된 원료 폐기물을 환원분해로 내부로 공급하는 기능을 하는데, 다양한 방식으로 구성할 수 있으나, 도 3에 도시한 바와 같이, 절단된 원료 폐기물이 투입되는 호퍼(131)와, 호퍼의 출구와 환원분해로의 투입구(115) 사이를 연결하는 것으로서 내부에 이송스크루(133)가 구비된 이송관(132)으로 구성하여, 원료폐기물을 환원분해로 내부로 압입하는 것이 가장 간편하다.

가스 배기장치(140)는 몸체(110)의 상단 배기구(116)에 설치하는데, 환원분해로 내부에서 생성되어 배출되는 가스도 환원분해로 내부의 온도와 같이 고온이므로, 도 5에 도시한 바와 같이 배기구를 이중관으로 하여 내부관(141)의 내부로는 가스가 배출되게 하고, 외부관(142)과 내부관(141) 사이로 냉각수(143)를 순환시키는 구조로 한다. 외부관(142)의 양단 벽에는 냉각수유입구(144)와 냉각수유출구(145)가 각각 구비되어 있다.

상기 환원분해로(100)의 가스 배기장치(140)에 가스 포집장치(200)를 연결하면, 환원분해로에서 발생한 신가스를 재활용할 수 있다.

도 6에 도시한 바와 같이 가스 포집장치(200)는 가스 배기장치(140)의 말단에 연결되는 냉각조(210), 포집된 가스를 저장하는 신가스탱크(220), 그리고 상기 냉각조(210)의 출구와 신가스탱크(220)의 입구를 연결하는 가스관(230), 가스관에 설치되어 가스를 가압하는 컴프레셔(240)를 포함하여 구성된다.

냉각조(210)는 물을 일정량 채운 용기로서, 상기 환원분해로(100)의 가스 배기장치(140)의 말단이 수면하의 하부에 연결되고, 수면 위의 상부에 가스관(230)이 연결되게 한다. 냉각조를 이와 같은 구성으로 하면 가스 배기장치(140)로 배출되는 신가스가 완전히 냉각될 뿐만 아니라, 신가스에 포함된 수용성 유해성분이 물에 용해되어 제거된다. 가스 배기장치(140)와 냉각조(210)의 연결부위에는 체크밸브 등을 구비하여 냉각조의 물이 역류하지 않게 한다.

신가스탱크(220)는 통상의 가스 저장탱크와 동일한 구조로서, 안전을 위한 안전밸브와, 포집된 신가스를 유출하여 사용할 수 있게 하는 가스 유출밸브, 신가트탱크에 과도한 압력이 걸리는 것을 제어할 릴리즈밸브 등이 구비된다. 필요에 따라서는 신가스탱크(220)와 환원분해로(100)의 가열장치(120)의 토치(121)를 도 2에 도시된 신가스공급관(125)으로 연결하여 포집된 신가스의 일부를 환원분해로의 연료로 바로 사용할 수 있다.

본 발명인 초고온 환원분해로의 운용방법, 흐름 등에 대해서는 도 5에 개략적으로 도시하였다.

도 1은 환원분해로(100)의 전체적인 형상에 관한 도면이다.

도 2는 가열장치(120)에 관한 도면이다.

도 3은 이송장치(130)에 과한 도면이다.

도 4는 환원분해로(100)와 포집장치(200) 간의 운용 흐름도이다.

도 5는 배기장치(140)에 관한 도면이다.

도 6은 포집장치(200)에 관한 도면이다.

도 7은 온도에 따른 신가스의 수득률에 관한 자료이다.

*주요 구성품의 구성품 번호*

100 : 환원분해로, 200 : 포집장치,

110 : 몸체, 120 : 가열장치, 130 : 이송장치, 140 : 배기장치,

210 : 냉각조, 220 : 신가스탱크, 230 : 가스관, 240 : 컴프레셔

Claims (9)

1. 내벽(111), 중벽(112), 외벽(113)의 3중 구조로 된 몸체(110)의 적정위치에 구비된 1 이상 다수개의 가열장치부착부(114), 유기 폐기물 등의 공급할 이송장치(130)과 결합되는 원료투입구(115), 몸체 상부에 구비된 배기구(116), 그리고 몸체의 하단에 구비된 환원분해 반응 후의 잔여물을 제거하기 위한 잔여물배출구(118)로 구성된 된, 환원분해로의 몸체(110);

   상기 몸체(110)의 가열장치부착부(114) 각각에 결합되는 것으로서, 1 이상 다수개의 토치(121), 상기 몸체(110)의 벽체에 인출부(122-1)를 부착하여 몸체(110)의 내부로 진입 또는 후퇴할 수 있도록 부착되어 착화시에만 환원분해로의 내부로 진입하여 연료가 집중되는 곳으로 들어가서 착화를 하고 연료에 점화가 된 이후에는 후퇴하는 1개의 착화기(122), 토치에 연료와 산소를 공급하는 연료공급관(123)과 산소공급관(124)을 각각 구비한, 1 이상 다수개의 가열장치(120);

   상기 원료투입구(115)에 결합된 유기 폐기물인 원료를 연속투입하는 , 이송장치(130);

   그리고 몸체(110)의 상단 배기구(116)에 설치되는 것으로서, 이중관으로 구성되어 내부관(141)으로는 가스가 배출되고, 외부관(142)과 내부관(141)의 사이로는 냉각수(143)가 순환할 수 있도록 외부관(142)의 양단 벽에는 냉각수유입구(144)와 냉각수유출구(145)가 각각 구비되어 있는, 가스 배기장치(140);

   를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고온 환원분해로(100).
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 내벽(111)은 SiO₂ 재질의 세라믹;

   상기 중벽(112)은 세라믹울;

   그리고 상기 외벽(113)은 스테인레스 강판;

   인 것을 특징으로 하는, 초고온 환원분해로(100).
4. 제1항에 있어서,

   상기 몸체(110)는 관찰창(117)이 추가로 구비된 것을 특징으로 하는, 초고온 환원분해로(100).
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항, 제3항, 그리고 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 가열장치(120)의 토치(121)는 신가스공급관(125)을 추가로 구비하여, 자체에서 발생한 신가스를 연료가스로 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는, 초고온 환원분해로(100).
8. 삭제
9. 삭제

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