KR101259530B1 - 스팀 플라즈마 토치를 이용한 용융 시스템 및 그의 운전 방법 - Google Patents

스팀 플라즈마 토치를 이용한 용융 시스템 및 그의 운전 방법 Download PDF

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Abstract

플라즈마 용융 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 용융 시스템은 플라즈마 용융로, 플라즈마 용융로로 용융 대상 시료를 투입하는 시료 투입 장치, 플라즈마 용융로에 포함되고 플라즈마 용융로 내부에 투입된 용융 대상 시료를 용융하여 용융물 및 배가스를 발생시키는 플라즈마 토치, 플라즈마 용융로 내부에서 발생된 배가스로부터 폐열을 회수하고 스팀을 생성하는 폐열보일러,일 단이 폐열보일러에 연결되고, 타 단이 플라즈마 용융로에 연결되어 폐열보일러에서 생성된 스팀을 플라즈마 토치의 매질로서 플라즈마 용융로에 공급하는 스팀 공급 배관, 폐열보일러를 통과한 배가스를 세정하는 습식 세정기 및 세정된 배가스를 대기로 방출시키는 송풍기를 포함한다.

Description

스팀 플라즈마 토치를 이용한 용융 시스템 및 그의 운전 방법 {PLASMA MELTING SYSTEM USING STEAM PLASMA TORCH AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명의 일 실시예는 스팀을 매질로 이용하는 플라즈마 토치를 포함하는 용융로 시스템 및 그의 운전 방법에 관한 것이다.
일반적인 플라즈마 용융 시스템은 금속, 비금속 재료, 석면, 소각재, 방사성 폐기물 등을 비롯한 용융 대상 시료의 용융 처리를 위하여 아크 플라즈마 토치를 이용한다. 아크 플라즈마 토치는 주로 고압의 알곤, 질소, 산소 또는 공기 등을 매질로 사용하는데, 매질을 공급하기 위하여 주로 가스 봄베를 사용하거나 컴프레서를 사용해야 하므로 용융 처리에 상당한 비용이 소요된다.
또한, 용융 처리에서 발생하는 배가스는 대개 질소산화물을 비롯한 유해성분을 포함하고 있어 배가스를 처리하는 시설이 플라즈마 용융 시스템 내에 부속되어야 한다.
종래 플라즈마 용융 시스템은 가스 봄베, 컴프레서, 배가스 처리 시설 등을 포함해야 하므로, 시설 비용 및 운영 비용이 상당한다. 따라서, 시설 비용 및 운영 비용을 절감할 수 있는 플라즈마 용융 시스템의 개발이 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 목적은, 플라즈마 토치의 매질로 스팀을 이용함으로써, 봄베, 압축기 또는 배가스 처리 시설을 구비할 필요가 없고 배가스에 포함된 유해성분을 감소시킬 수 있는 플라즈마 용융 시스템 및 그의 운전 방법을 제공하기 위한 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 용융 시스템은, 플라즈마 용융로, 상기 플라즈마 용융로로 용융 대상 시료를 투입하는 시료 투입 장치, 상기 플라즈마 용융로에 포함되고, 상기 플라즈마 용융로 내부에 투입된 용융 대상 시료를 용융하여 용융물 및 배가스를 발생시키는 플라즈마 토치, 상기 플라즈마 용융로 내부에서 발생된 상기 배가스로부터 폐열을 회수하고, 스팀을 생성하는 폐열보일러, 일 단이 상기 폐열보일러에 연결되고, 타 단이 상기 플라즈마 용융로에 연결되어 상기 폐열보일러에서 생성된 스팀을 상기 플라즈마 토치의 매질로서 상기 플라즈마 용융로에 공급하는 스팀 공급 배관, 상기 폐열보일러를 통과한 배가스를 세정하는 습식 세정기 및 상기 세정된 배가스를 대기로 방출시키는 송풍기를 포함한다.
일측에 따르면, 상기 스팀 공급 배관의 일 영역에 구비되어 상기 스팀의 온도를 상승시키는 히터를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 스팀 공급 배관을 통해 상기 플라즈마 용융로 내부에 공급되는 스팀은 4기압 내지 6기압 또는 140℃ 내지 160℃일 수 있다.
일측에 따르면, 상기 폐열보일러를 통과한 배가스에 포함된 비산 먼지 및 휘발 성분을 제거하는 백필터를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 용융로 내부에 포함된 플라즈마 토치를 이용하여 용융 대상 시료를 용융하는 플라즈마 용융 시스템의 운전 방법은 상기 플라즈마 용융로로 용융 대상 시료를 투입하는 단계, 상기 플라즈마 토치를 이용하여 상기 플라즈마 용융로 내부에 투입된 용융 대상 시료를 용융하여 용융물 및 배가스를 발생시키는 단계, 상기 플라즈마 용융로 내부에서 발생된 상기 배가스로부터 폐열을 회수하고, 스팀을 생성하는 단계, 일 단이 상기 폐열보일러에 연결되고, 타 단이 상기 플라즈마 용융로에 연결된 스팀 공급 배관을 통해 상기 스팀을 상기 플라즈마 토치의 매질로서 상기 플라즈마 용융로에 공급하는 단계, 상기 폐열보일러를 통과한 배가스를 세정하는 단계 및 상기 세정된 배가스를 대기로 방출시키는 단계를 포함한다.
일측에 따르면, 상기 플라즈마 용융 시스템의 운전 방법은 상기 스팀 공급 배관의 일 영역에 구비된 히터를 이용하여 상기 스팀의 온도를 상승시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 스팀 공급 배관을 통해 상기 플라즈마 용융로 내부에 공급되는 스팀은 4기압 내지 6기압 또는 140℃ 내지 160℃일 수 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 용융 과정에서 사용되는 매질로 스팀을 이용함으로써, 플라즈마 용융 시스템 내에 봄베, 압축기 또는 배가스 처리 시설을 구비할 필요가 없게 된다. 따라서, 시설 비용 및 운영 비용을 절감할 수 있게 된다.
또한, 폐열보일러에서 생성되는 스팀을 매질로 이용함으로써, 매질을 공급하기 위해 소요되는 비용을 절감할 수 있다. 뿐만 아니라, 종래 이용하던 매질들에 비해 정압 비열이 큰 스팀을 매질로 이용함으로써, 플라즈마 토치의 열효율을 증가시킬 수 있고 플라즈마 토치의 동작 전압이 높아져 대용량의 플라즈마 토치를 제작할 수 있다.
또한, 플라즈마 용융 과정에서 발생하는 배가스의 양이 감소하고, 배가스에 포함된 유해 성분을 감소시킬 수 있어 배가스 처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있다. 특히, 질소나 공기를 플라즈마 토치의 매질로 이용하는 경우 발생하는 대량의 질소산화물을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 용융 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 용융 시스템의 운전 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 용융 시스템을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 용융 시스템은 플라즈마 용융로(110), 플라즈마 토치(120), 폐열보일러(130), 백필터(Bag Filter)(140), 습식 세정기(150), 송풍기(160) 및 스팀 공급 배관(105)을 포함한다. 실시예에 따라서는 백필터(140) 대신 습식 제진 장치를 이용하는 것이 효과적일 수 있다.
플라즈마 용융로(110)는 시료 투입 장치(111) 및 플라즈마 토치(120)를 포함한다.
시료 투입 장치(111)를 통해 용융 대상 시료가 투입되는 경우, 플라즈마 용융로(110)는 플라즈마 토치(120)를 이용하여 내부에 투입된 용융 대상 시료를 용융한다. 시료 투입 장치(111)에 용융 대상 시료 투입시, 용융 대상 시료와 함께 공기가 플라즈마 용융로(110) 내부로 유입되는 것을 방지하기 위하여 로드록(load lock) 장치가 설치될 수 있다. 용융 대상 시료는 금속, 비금속 재료, 석면, 소각재, 방사성 폐기물 등을 비롯한 폐기물 등의 물질을 포함할 수 있으며, 폐기물 외에 용융 처리가 필요한 일반적인 물질을 포함할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 토치(120)는 고압의 아크를 가하여 고온의 플라즈마 제트를 생성한다. 고온의 플라즈마 제트를 발생하기 위해서는 매질이 필요한데, 본 발명의 실시예에서는 스팀(steam)을 매질로서 이용한다. 이에 대해서는 하기에서 구체적으로 설명한다.
플라즈마 토치(120)는 구조에 따라 이송식 토치와 비이송식 토치로 분류되며, 전극(음전극/양전극), 노즐, 가스 유입 계통 및 냉각 계통 등의 구성을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 플라즈마 토치(120)는 비이송식 토치로, 원통형 본체 내부에 음전극(Cathod)과 양전극(Anode)가 설치된다. 음전극은 본체 내부의 일단에 설치되고, 양전극은 음전극과 본체 내부의 타단(예를 들어, 플라즈마 토출단)에 설치되어 노즐로 기능할 수 있다. 또한, 음전극과 양전극 사이에는 초기 방전을 발생시키는 중간 전극이 설치되고, 음전극과 중간 전극 사이에는 절연체가 형성되어 있다. 음전극과 중간 전극 사이에는 플라즈마 가스가 주입된다.
한편, 플라즈마 토치(120)로 이송식 토치가 적용되는 경우에는 플라즈마 용융로(110)의 하부면에 흑연 전극을 설치하는 것이 바람직하다.
플라즈마 토치(120)는 플라즈마 가스와, 고압의 아크 그리고, 스팀을 이용하여 고온의 플라즈마 제트를 발생한다. 스팀은 폐열보일러(130)에서 생성되어 스팀 공급 배관(105)을 통해 공급된다.
별도의 스팀 생성 장치를 통해 스팀을 생성하는 것이 아니라, 폐열보일러(130)에서 배가스를 냉각하는 과정에서 생성되는 스팀을 플라즈마 용융로(110)에 공급한다. 따라서, 종래에 플라즈마 토치의 매질로 이용된 질소, 산소, 수소, 아르곤를 공급하기 위한 봄베(bomb)를 구비할 필요가 없으며, 공기를 압축하기 위한 압축기를 구비할 필요가 없다. 따라서, 시설 비용 및 운영 비용을 절감할 수 있게 된다.
또한, 스팀은 공기, 질소, 산소, 아르곤 등의 매질들에 비하여 정압 비열이 큰 것으로, 스팀을 매질로 이용함으로써 플라즈마 토치(120)의 열효율을 증가시킬 수 있고, 플라즈마 토치(120)의 동작 전압을 높일 수 있다.
뿐만 아니라, 플라즈마 토치(120)의 매질로서 스팀을 이용함으로써, 배가스에 포함되는 NOx와 같은 유해 성분을 감소시킬 수 있어 배가스 처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
한편, 플라즈마 용융로(110)는 용융물 배출구(112) 및 배가스 배출구(113)를 더 포함한다. 플라즈마 토치(120)에서 고온의 플라즈마 제트가 발생되면, 플라즈마 용융로(110) 내부는 약 1400℃에서 1600℃까지 상승하게 된다. 따라서, 용융 대상 시료가 용융되어 플라즈마 용융로(110) 내부에 용융물 및 배가스가 발생한다. 용융물은 용융물 배출구(112)를 통해 배출되고, 배가스는 배가스 배출구(113)를 통해 배출된다. 이 경우, 배가스는 스팀 상태이고, 비산 먼지, 소량의 유해 가스, 플라즈마 용융로(110)의 틈새를 통해 유입된 소량의 공기, 용융 대상 시료 내에 포함되어 있던 가연 성분과 휘발 성분을 포함할 수 있다.
배가스 배출구(113)는 제1 배관(101)을 통해 폐열보일러(130)와 연결되어 배가스를 폐열보일러(130)로 이송시킨다.
폐열보일러(130)는 배가스를 냉각시킨다. 배가스 배출구(113)를 통해 배출되는 배가스는 약 1400℃ 이상의 고온으로, 후단에 연결된 시설들을 열 손상으로부터 보호하고 열 오염을 감소시키기 위하여 폐열보일러(130)를 이용하여 배가스를 냉각시킨다.
폐열보일러(130)는 물을 포함하는 압력 용기(미도시) 및 스팀 발생부(미도시)를 포함한다. 배가스가 압력 용기를 통과하게 되면, 물은 스팀으로 발생되고, 배가스는 냉각되어 약 200℃ 이하의 온도를 갖게 된다.
폐열보일러(130)에서 발생된 스팀은 스팀 공급 배관(105)을 통해 플라즈마 용융로(110)에 공급된다.
스팀 공급 배관(105)은 일 단이 폐열보일러(130)에 연결되고, 타 단이 플라즈마 용융로(110)에 연결된다. 스팀 공급 배관(105)을 통해 공급되는 스팀은 그 온도가 높을수록 매질로서 유리하다. 그러나, 스팀의 온도가 높을 경우, 플라즈마 토치(120) 내부에 구비된 절연체가 손상될 수 있으므로, 절연체의 손상을 방지하는 범위 내에서 스팀의 온도를 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 스팀은 스팀 공급 배관(105)을 통해 이송되면서 열 손실이 발생될 수 있다. 스팀이 응축되는 것을 방지하기 위하여 스팀 공급 배관(105)의 일 영역에 히터(170)를 설치하여 스팀의 온도를 상승시킬 수 있다. 이 경우, 스팀은 4기압 내지 6기압의 압력을 가질 수 있고, 140℃ 내지 160℃의 온도를 가질 수 있다.
한편, 도시하고 있지는 않으나, 폐열보일러(130) 또는 스팀 공급 배관(105)에는 공급되는 스팀양을 제어하기 위하여 유량계, 유량 제어 밸브 및 압력계 등의 구성이 포함될 수 있다.
또한, 플라즈마 용융 시스템은 플라즈마 토치(120)가 초기 동작하여 배가스가 폐열보일러(130)로 이송되고 스팀 공급 배관(105)을 통해 스팀이 공급되기 전까지 스팀을 공급하기 위한 초기 스팀 공급 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.
또한, 음전극과 양전극 사이에는 초기 방전을 발생시키는 중간 전극이 설치되고,
폐열보일러(130)는 제2 배관(102)을 통해 백필터(140)와 연결되어 냉각된 배가스를 백필터(140)로 이송시킨다.
백필터(140)는 배가스를 필터링하여 배가스에 포함된 비산 먼지 및 폐열보일러(130)에서 응축된 휘발성분 등을 제거한다. 백필터(140)가 세라믹 재질이나 메탈 재질로 제조된 경우, 필터링된 배가스는 약 300℃ 이상의 고온으로 배출될 수 있다.
폐열보일러(130) 후단에 습식 방식으로 배가스를 필터링하는 벤추리 스크러버(Venturi Scrubber), 제트 스크러버(Jet Scrubber) 또는 이들과 유사한 기능을 하는 스크러버가 설치된 경우, 백필터(140)의 구성을 생략할 수도 있다.
백필터(140)는 제3 배관(103)을 통해 습식 세정기(150)와 연결되어 필터링된 배가스를 습식 세정기(150)로 이송시킨다. 스팀 상태의 배가스는 습식 세정기(150)를 통과하면서 대부분 응축되어 포화 증기압에 해당하는 소량의 스팀과 소량의 혼합 가스를 포함하는 상태가 된다.
또한, 배가스는 습식 세정기(150)를 통과하면서 냉각되어 약 40℃의 온도로 유지될 수 있다.
습식 세정기(150)는 제4 배관(104)을 통해 송풍기(150)와 연결되어 냉각된 배가스를 송풍기(150)로 이송시킨다. 송풍기(150)는 배가스를 송풍시켜 대기로 방출한다. 이 경우, 송풍기(150)에서 송풍하는 배가스 양은 폐열보일러(130)에서 배출된 스팀 상태의 배가스 양보다 90%이상 감소된 것일 수 있다. 따라서, 송풍기(150)를 통해 대기로 방출하는 배가스 양이 대량으로 감소됨에 따라 플라즈마 용융 시스템의 전력 소모를 크게 감소시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 용융 시스템의 운전 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 플라즈마 용융 시스템은 플라즈마 용융로(110)에 용융 대상 시료가 투입되면(210 단계), 플라즈마 토치(120)를 이용하여 용융 대상 시료를 용융하여 용융물 및 배가스를 발생시킨다(220 단계).
다음, 플라즈마 용융 시스템은 폐열보일러(130)를 통해 배가스를 냉각시키고, 스팀을 생성한다(230 단계). 그리고, 스팀을 플라즈마 토치(120)의 매질로서 플라즈마 용융로(110)에 공급한다(240 단계). 따라서, 플라즈마 토치(120)는 스팀을 공급받아 동작하여 용융 대상 시료를 지속적으로 가스화 용융시킬 수 있다.
한편, 플라즈마 용융 시스템은 폐열보일러(130)를 통해 냉각된 배가스를 세정한다(250 단계). 배가스를 습식 세정기(150)를 이용하여 세정하기 전에, 백필터(140)를 이용하여 폐열보일러(130)로부터 냉각된 배가스를 필터링하는 단계를 더 포함할 수 있다. 배가스가 백필터(140)를 통과하는 경우, 배가스에 포함된 비산 먼지 및 휘발 성분이 제거될 수 있다.
플라즈마 용융 시스템은 세정된 배가스를 대기로 방출한다(260 단계).
상술한 플라즈마 용융 시스템의 운전 방법은 플라즈마 토치(120)의 매질로 스팀을 이용함으로써, 봄베, 압축기 또는 배가스 처리 시설을 구비할 필요가 없다. 또한, 폐열보일러에서 생성되는 매질을 이용함으로써, 매질을 공급하기 위해 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
또한, 플라즈마 용융 과정에서 발생하는 배가스의 양이 감소하고, 배가스에 포함된 유해 성분(예를 들어, 질소산화물(NOX)을 감소시킬 수 있어 배가스 처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.
또한, 배가스의 양이 감소하므로 세정된 배가스를 공급받는 송풍기(160)의 용량을 획기적으로 감소시킬 수 있어 시설 비용 및 전력 비용을 절감할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
101 : 제1 배관 102 : 제2 배관
103 : 제3 배관 104 : 제4 배관
105 : 스팀 공급 배관
110 : 플라즈마 용융로 111 : 시료 투입 장치
112 : 용융물 배출구 113 : 배가스 배출구
120 : 플라즈마 토치 130 : 폐열보일러
140 : 백필터 150 : 습식 세정기
160 : 송풍기 170 : 히터

Claims (7)

  1. 플라즈마 용융로;
    상기 플라즈마 용융로로 용융 대상 시료를 투입하는 시료 투입 장치;
    상기 플라즈마 용융로에 포함되고, 상기 플라즈마 용융로 내부에 투입된 용융 대상 시료를 용융하여 용융물 및 스팀 상태의 배가스를 발생시키는 플라즈마 토치;
    상기 플라즈마 용융로 내부에서 발생된 상기 스팀 상태의 배가스로부터 폐열을 회수하고, 스팀을 생성하는 폐열보일러;
    일 단이 상기 폐열보일러에 연결되고, 타 단이 상기 플라즈마 용융로에 연결되어 상기 폐열보일러에서 생성된 스팀을 상기 플라즈마 토치의 매질로서 상기 플라즈마 용융로에 공급하는 스팀 공급 배관;
    상기 폐열보일러를 통과한 스팀 상태의 배가스를 세정 및 응축하는 습식 세정기; 및
    상기 세정 및 응축 후 잔류하는 배가스를 대기로 방출시키는 송풍기
    를 포함하는 플라즈마 용융 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스팀 공급 배관의 일 영역에 구비되어 상기 스팀의 온도를 상승시키는 히터
    를 더 포함하는 플라즈마 용융 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스팀 공급 배관을 통해 상기 플라즈마 용융로 내부에 공급되는 스팀은,
    4기압 내지 6기압 또는 140℃ 내지 160℃인 플라즈마 용융 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 폐열보일러를 통과한 스팀 상태의 배가스에 포함된 비산 먼지 및 휘발 성분을 제거하는 백필터
    를 더 포함하는 플라즈마 용융 시스템.
  5. 플라즈마 용융로 내부에 포함된 플라즈마 토치를 이용하여 용융 대상 시료를 용융하는 플라즈마 용융 시스템의 운전 방법에 있어서,
    상기 플라즈마 용융로로 용융 대상 시료를 투입하는 단계;
    상기 플라즈마 토치를 이용하여 상기 플라즈마 용융로 내부에 투입된 용융 대상 시료를 용융하여 용융물 및 스팀 상태의 배가스를 발생시키는 단계;
    폐열보일러를 사용하여 상기 플라즈마 용융로 내부에서 발생된 상기 스팀 상태의 배가스로부터 폐열을 회수하고, 스팀을 생성하는 단계;
    일 단이 상기 폐열보일러에 연결되고, 타 단이 상기 플라즈마 용융로에 연결된 스팀 공급 배관을 통해 상기 스팀을 상기 플라즈마 토치의 매질로서 상기 플라즈마 용융로에 공급하는 단계;
    상기 폐열보일러를 통과한 스팀 상태의 배가스를 세정 및 응축하는 단계; 및
    상기 세정 및 응축 후 잔류하는 배가스를 대기로 방출시키는 단계
    를 포함하는 플라즈마 용융 시스템의 운전 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스팀 공급 배관의 일 영역에 구비된 히터를 이용하여 상기 스팀의 온도를 상승시키는 단계
    를 더 포함하는 플라즈마 용융 시스템의 운전 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 스팀 공급 배관을 통해 상기 플라즈마 용융로 내부에 공급되는 스팀은,
    4기압 내지 6기압 또는 140℃ 내지 160℃인 플라즈마 용융 시스템의 운전 방법.
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