KR100988297B1 - 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템 - Google Patents

액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액상폐기물을 고온고압 하에서 열분해시켜 무해화할 뿐만 아니라 에너지원으로 재사용할 수 있도록 한 액상폐기물의 고온고압 처리시스템에 관한 것으로, 특히 에너지 회수 효율을 배가시킬 수 있도록 한 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 처리하기 위한 적정량의 액상폐기물을 공급하는 액상폐기물 공급장치, 액상폐기물 공급장치에 연결되어 액상폐기물을 고온, 고압에서 열분해하여 가연분을 가스화시켜 합성가스를 생성하는 고온고압 반응장치, 고온의 합성가스를 냉각하고 열에너지를 회수하기 위한 폐열회수장치, 안정적인 합성가스 냉각을 위해 폐열회수장치 후단에 설치되는 급속냉각기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템을 제공한다.
Figure R1020080098654
액상폐기물 공급장치, 고온고압반응장치, 폐열회수장치, 급속냉각기, 냉각수 분사노즐

Description

액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템{High-temperature and high-pressure treatment system for energy recovery of liquid waste material}
본 발명은 액상폐기물을 고온고압 하에서 열분해시켜 무해화할 뿐만 아니라 에너지원으로 재사용할 수 있도록 한 액상폐기물의 고온고압 처리시스템에 관한 것으로, 특히 에너지 회수 효율을 배가시킬 수 있도록 한 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템에 관한 것이다.
우리나라의 경우 2006년 환경부 발표 자료인 "전국 폐기물 발생 및 처리현황" 및 "2006년 지정 폐기물 발생 및 처리현황"을 살펴보면, 생활폐기물은 48,844톤/일, 사업장폐기물은 128,023톤/일 정도 발생하고 있으며, 이중 생활폐기물은 최근 발생량 증가율이 정체수준으로 보이고 있으나, 사업장폐기물은 산업 활동 증가 및 이에 따른 경제구조 확대에 따라 매년 10% 이상의 높은 증가율을 보이고 있다.
여기서 사업장폐기물은 일반폐기물, 지정폐기물, 건설폐기물로 구분되는데, 상기 지정폐기물의 경우 폐산, 폐알칼리, 폐유, 폐유기용제 등과 같은 액상폐기물 이 높은 비중을 차지하고 있다.
이렇게 발생된 지정폐기물은 크게 매립, 소각 등의 방법으로 처리되었으나, 현재 국내에서 폐기물 처리방법 중 매립 다음으로 많은 비중을 차지하고 있는 소각은 좁은 국토 여건에 따라 급증하는 폐기물의 부피 감량화를 위한 불가피한 선택이다.
이에 따라 폐기물의 처리기술도 발전을 거듭하여 폐기물의 소각 처리를 위한 노의 구조 및 운전방법 등에 새로운 개념이 도입되어 왔다.
또한, 다양한 고분자 폐기물의 소각에 따른 유해물질 배출에 의해 지구환경이 오염되는 것을 방지하기 위하여 폐기물 처리의 신기술이 요구되고 있다.
차세대 폐기물 처리 기술로 인식되고 있는 가스화 공정은 1970년대와 1980년대 두 번의 오일 쇼크로 인한 석탄을 이용한 대체 연료 개발에 의해 발전되었다.
이러한 가스화 공정은 폐기물을 처리하는 소각 방식의 기술적인 문제점을 극복하고 매립 시 발생하는 지하수, 토양 등의 오염문제를 해결할 수 있는 대안으로 적용하려는 시도가 있지만, 기존의 가스화 장치들은 배출가스를 냉각시킬 때, 합성가스에 물을 분사하기 때문에 폐기물이 가진 열에너지가 회수되지 못하고 물을 잠열 형태로 배출되며, 합성가스 중 유용한 에너지인 CO 및 H2의 비율이 낮아져 합성가스가 가진 에너지의 질이 낮아지게 된다.
또한, 물의 분사에 따라 배출가스의 유량이 증가하여 후처리 설비의 용량이 커짐과 동시에 냉각장치에서 폐수가 발생하여 별도의 폐수처리설비를 갖추어야 하 기 때문에 경제성에 있어 비합리적인 방법이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 난분해성 액상폐기물을 안정적으로 처리함과 동시에 폐기물이 가지고 있는 에너지 회수를 최대화 할 수 있으며, 폐수 발생을 최소화하여 경제적이고 환경적인 액상폐기물 처리기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 처리하기 위한 적정량의 액상폐기물을 공급하는 액상폐기물 공급장치, 액상폐기물 공급장치에 연결되어 액상폐기물을 고온, 고압에서 열분해하여 가연분을 가스화시켜 합성가스를 생성하는 고온고압 반응장치, 고온의 합성가스를 냉각하고 열에너지를 회수하기 위한 폐열회수장치, 안정적인 합성가스 냉각을 위해 폐열회수장치 후단에 설치되는 급속냉각기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템을 제공한다.
본 발명에 의한 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 액상폐기물을 가스화반응을 통하여 고온고압 하에서 열분해 처리함으 로써 소각하는 과정에서 생성될 수 있는 다이옥신과 같은 유해가스의 발생을 최소화할 수 있고, 필요에 따라서는 합성가스를 얻어내어 폐기물이 갖는 에너지 자원의 회수를 극대화할 수 있게 된다.
둘째, 폐열회수장치 내부에 합성가스의 흐름을 유도하는 정류판을 설치함으로써 열교환 효율을 극대화시킬 수 있게 되어 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.
셋째, 폐열회수장치 후단에 급속냉각기를 두어 후단설비를 고온으로부터 보호할 뿐만 아니라, 냉각수 분사를 최소화하여 고온 합성가스가 가진 열에너지의 손실을 최소화할 수 있고 동시에 폐수발생 또한 최소화할 수 있으며, 냉각수 분사에 따른 배출 가스량이 증가되는 것을 방지하므로 후처리설비의 용량을 최소화할 수 있어시설비 및 운영비의 절감을 가져올 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 의한 액상폐기물용 고온고압 처리시스템을 첨부도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 고온고압 처리시스템의 전체를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 고온고압 처리시스템에 포함되는 폐열회수장치를 도시한 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 고온고압 처리시스템의 급속냉각기를 도시한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 고온고압 처리시스템의 흐름도이다.
단, 도 1에 도시된 화살표 중 실선은 냉각수의 순환 과정을 보인 것이고, 점선은 합성가스의 흐름을 보인 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템은 액상폐기물 공급장치(100), 고온고압 반응장치(200), 폐열회수장치(300), 급속냉각기(400)로 대분된다.
액상폐기물 공급장치(100)는 처리하기 위한 충분한 양의 액상폐기물을 저장하는 저장조(110)와, 이 저장조(110)로부터 고온고압 반응장치(200)로 공급되는 액상폐기물을 여과하여 불순물을 걷어내는 여과기(120)를 구비하며, 여과기(120)와 고온고압 반응장치(200)를 연결하는 액상폐기물 공급라인(L)에는 공급펌프(130)가 설치된다.
그리고, 저장조(110)에는 반입되는 액상폐기물의 다양한 성상 및 특징을 균일화해 줄 수 있도록 교반기(Stirrer)가 구비될 수 있다.
고온고압 반응장치(200)는 액상폐기물 공급장치(100)로부터 공급된 액상폐기물을 제공받아 고온 및 고압의 공정조건 하에서 열분해 및 용융하여 발열량이 높은 합성가스(CO 또는 H2)를 생성하도록 구성된다.
즉, 고온고압 반응장치(200)는 투입된 연료를 연소시킴과 동시에 액상폐기물을 환원 반응시키는 반응부(210), 이 반응부(210)의 일측에 일직선상으로 결합되어 액상폐기물의 열분해시 열분해 합성가스를 생성하는 가스화부(220) 및 이 가스화부(220)의 상측에 결합되어 생성된 합성가스를 폐열회수장치(300)로 배출하는 가스배출부(230)를 구비한다.
이때, 반응부(210)에는 투입된 연료와 산화제가 반응하여 생성된 열량으로 차후에 투입된 액상폐기물이 그 열량을 통해 열분해(환원)되는데, 투입된 액상폐기물 중 발열량이 높을 경우 연료투입을 차단하고 산화제만을 투입하여 일부는 발열 반응시키고 나머지 액상폐기물은 환원 분위기에서 열분해하게 된다.
반응부(210)의 상측에는 투입부(240)가 결합되며, 이 투입부(240) 및 반응부(210)에는 도시하지 않은 액상폐기물 저장조, 연료 저장조 및 산화제 저장조로부터 각각 공급되는 액상폐기물, 연료 및 산화제를 이 투입부(240) 및 반응부(210)의 내부로 공급하는 버너가 각각 설치된다.
반응부(210)의 하측에는 액상폐기물의 용융시 발생되는(열분해시 가스화되고 남은 회분이 용융되어 발생하는) 고온의 슬래그를 급속 냉각하는 슬래그급속냉각부(250)가 구비된다.
가스화부(220)에는 가스화 반응에 필요한 온도를 유지하기 위해 도시되어 있지는 않지만 연료 저장조 및 산화제 저장조로부터 각각 공급되는 연료 및 산화제를 가스화부(220) 내부로 공급하는 버너가 일정한 간격으로 설치된다.
폐열회수장치(300)는 고온고압 반응장치(200)를 통과하면서 고온상태로 된 합성가스를 1차로 냉각하기 위한 것으로, 합성가스의 냉각을 위한 충분한 내용적의 몸체를 갖는다.
폐열회수장치(300)의 내부에는 유입된 합성가스를 냉각하기 위해 다수의 열교환배관(305)이 설치된다. 그리고, 폐열회수장치(300)의 내벽에는 합성가스의 흐름을 유도할 수 있도록 정류판(303)이 설치되며, 도 2에서는 정류판(303)이 나선형을 이루는 예가 도시되고 있다. 합성가스는 다수의 열교환 배관(305) 사이를 통과하면서 정류판(303)을 따라 나선형으로 흐르므로 열교환이 매우 효율적으로 이루어지게 된다.
한편, 폐열회수장치(300)는 냉각덕트(301)를 통해 가스배출부(230)와 연결됨으로써 고온고압 반응장치(200)와 연결된다.
이 냉각덕트(301)는 고온의 합성가스가 통과하면서 설비가 손상되는 것을 방지하기 위해 외벽을 따라 냉각수가 흐를 수 있도록 수냉 재킷으로 이루어지는 것이 바람직하다. 냉각덕트(301)로의 냉각수의 유입은 도시되어 있지 않지만 이 냉각덕트(301)와 연결되는 냉각수 저장탱크로부터 이루어진다.
또한, 폐열회수장치(300)의 외벽 하측에는 냉각덕트(301)로부터 분기된 냉각수 공급라인과 폐열회수장치(300)의 내, 외벽 사이가 연결되도록 냉각수 공급포트(310)가 형성되고, 외벽 상측에는 냉각수 공급포트(310)로부터 지속적으로 공급된 냉각수가 폐열회수장치의 내부로 순환될 수 있도록 하부에 냉각수 순환포트(320)가 형성된다.
그리고 폐열회수장치(300)의 하단에는 냉각수 순환포트(320)로부터 냉각수가 회수되도록 냉각수 회수포트(330)가 형성된다.
따라서, 공정 진행 중 폐열회수장치(300)의 외벽은 냉각수의 순환 작용에 의해서 냉각된다.
급속냉각기(400)는 합성가스를 급속으로 냉각하기 위한 것으로, 폐열회수장치(300)의 냉각수 배출포트(350)와 합성가스 배출포트(340)를 통해 연결되어, 합성가스를 2차로 냉각하게 된다.
이러한 급속냉각기(400)의 상부에는 냉각수를 분사할 수 있도록 적어도 하나 이상의 냉각수 분사노즐(410)이 설치되고, 이 냉각수 분사노즐(410)은 폐열회수장치(300)의 냉각수 배출포트(350)와 연결되어 냉각수를 공급받게 된다.
또한, 급속냉각기(400)의 하부에는 순환되고 난 후의 냉각수가 냉각수 유출포트(420)를 통하여 유출되며, 냉각수 유출포트(420)의 상측에 형성된 합성가스 유출포트(430)를 통하여 합성가스가 유출된다.
이로 인하여, 후단설비를 고온으로부터 보호할 뿐만 아니라 냉각수 분사를 최소화하여 고온 합성가스가 가진 열에너지의 손실을 최소화할 수 있고, 동시에 폐수발생 또한 최소화할 수 있어 시설비 및 운영비의 절감을 가져오게 된다.
이처럼 두 차례에 걸쳐서 냉각된 합성가스는 이후에 중화되어서 에너지원으로서 저장될 수도 있고, 2차 연소장치를 거쳐서 연소될 수도 있다.
이와 같이 구성된 액상폐기물의 고온고압 처리시스템의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.
우선, 처리하기 위한 적정량의 액상폐기물이 저장조(110)에 저장되면, 저장된 액상폐기물은 여과기(120)를 거치면서 불순물이 여과되고, 공급펌프(130)의 작동에 의해 고온고압 반응장치(200)로 공급된다.
한편, 상기 고온고압 반응장치(200)는 연료를 투입하여 미리 예열과정을 거치게 되어 설정된 공정 조건(1200℃ 이상, 1기압 이상)이 충족된 상태가 되면, 버너를 통해 액상폐기물이 투입되고, 발열량이 낮은 액상폐기물의 투입시에는 동시에 보조 연료(LPG) 및 산화제(산소)를 투입하게 된다.
이에 따라, 액상폐기물은 고온고압 반응장치(200)의 반응부(210)에서 연료와 산화제의 발열반응으로 생성된 열량을 이용하여 소정량의 액상폐기물이 열분해(환원) 반응이 진행되며, 투입된 액상폐기물 중 발열량이 높을 경우 연료 투입을 차단하고 산화제만을 투입하여 일부는 발열 반응시키고 나머지 액상폐기물은 환원 분위기에서 열분해된다.
그 후 산화제를 적정량씩 공급함으로써 투입된 액상폐기물의 가연분은 가스화부(220)에서 산화제와 반응하여 가스화되어 합성가스를 생성하게 되고, 불연분은 고온으로 용융되어 슬래그가 되어 슬래그 급속냉각부(250)로 낙하하게 된다.
이에 따라, 합성가스는 수냉으로 작동하는 냉각덕트(301), 폐열회수장치(300) 및 냉각수 분사노즐(410)이 구비된 급속냉각기(400)를 통과하면서 급속 냉각되고, 슬래그는 냉각수가 저장된 슬래그 급속냉각부(250)에서 냉각되어 과립화됨 으로써 이후 건축용 재료 또는 기타 용도로 재활용이 가능하게 된다.
이상의 실시 예들은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위는 실시 예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에 의거하여 정의되는 본 발명의 범주 내에 당업자들에 의하여 변형 또는 수정될 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있다는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 고온고압 처리시스템의 전체를 개략적으로 도시한 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 고온고압 처리시스템에 포함되는 폐열회수장치를 도시한 정면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 고온고압 처리시스템의 급속냉각기를 도시한 정면도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 고온고압 처리시스템의 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
100 : 액상폐기물 공급장치 110 : 저장조
120 : 여과기 130 : 공급펌프
200 : 고온고압 반응장치 210 : 반응부
220 : 가스화부 230 : 가스배출부
240 : 투입부 250 : 슬래그 급속냉각부
300 : 폐열회수장치 301 : 냉각덕트
303 : 정류판 305 : 열교환 배관
310 : 냉각수 공급포트 320 : 냉각수 순환포트
330 : 냉각수 회수포트 340 : 합성가스 배출포트
400 : 급속냉각기 410 : 냉각수 분사노즐
420 : 냉각수 유출포트 430 : 합성가스 유출포트

Claims (9)

  1. 처리하기 위한 적정량의 액상폐기물을 공급하는 액상폐기물 공급장치(100);
    상기 액상폐기물 공급장치(100)에 연결되어 액상폐기물을 고온, 고압에서 열분해하여 가연분을 가스화시켜 합성가스를 생성하는 고온고압 반응장치(200);
    상기 고온고압 반응장치(200)의 일측에 설치되며, 내부에는 고온의 합성가스를 냉각하기 위한 다수의 열교환 배관(305)이 설치되어, 상기 고온의 합성가스를 냉각하고 열에너지를 회수하는 폐열회수장치(300);
    안정적인 합성가스 냉각을 위해 폐열회수장치(300) 후단에 설치되는 급속냉각기(400)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 액상폐기물 공급장치(100)는 액상폐기물을 1차로 저장하되 다양한 액상폐기물의 특성을 균일화하기 위한 교반기가 설치된 저장조(110)와, 이 저장조(110)의 일측에 연결되어 액상폐기물에 포함된 불순물을 여과하는 여과기(120)와, 여과된 액상폐기물을 반응장치로 공급하도록 펌핑하는 공급펌프(130)를 구비하는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고온고압 반응장치(200)는 액상폐기물 공급장치(100)와 연결되어 액상폐기물이 투입되는 투입부(240)와, 이 투입부(240)의 하측에 결합되어 연료를 연소시키고 액상폐기물과 산화제를 반응시키기 위한 반응부(210)와, 이 반응부(210)의 일측에 연결되어 액상폐기물의 열분해시 합성가스를 생성하는 가스화부(220)와, 이 가스화부(220)의 일측에 연결되어 합성가스를 상기 폐열회수장치(300)로 배출하는 가스배출부(230)를 구비하는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 반응부(210)에는 액상폐기물의 용융시 발생되는 고온의 슬래그를 냉각 저장하기 위해 냉각수가 저장된 슬래그 급속냉각부(250)가 결합되는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 폐열회수장치(300)의 내벽에는 합성가스의 흐름을 유도하도록 나선형으로 이루어진 정류판(303)이 설치되는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 폐열회수장치(300)는 수냉 재킷으로 이루어진 냉각덕트(301)를 통해 상기 고온고압 반응장치(200)와 연결되는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 폐열회수장치(300)의 외벽 하측에는 상기 냉각덕트(301)로부터 분기된 냉각수 공급라인에 연결되도록 냉각수 공급포트(310)가 형성되고, 외벽 상측에는 냉각수 공급포트(310)로부터 공급된 냉각수가 폐열회수장치(300)의 하측으로 순환될 수 있도록 냉각수 순환포트(320)가 형성되며, 상기 폐열회수장치(300)의 하단에는 냉각수 순환포트(320)로부터 냉각수가 회수되도록 냉각수 회수포트(330)가 형성되는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 급속냉각기(400)에는
    상부와 외주면에 적어도 한 개 이상 형성되는 냉각수 분사노즐(410);
    상기 급속냉각기(400)의 하부에 형성되는 냉각수 유출포트(420);
    상기 냉각수 유출포트(420)의 상측에 형성되는 합성가스 유출포트(430)가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 에너지화를 위한 고온고압 처리시스템.
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