KR101269240B1 - 전기아크를 이용한 탄소용융 반응장치 및 이를 포함하는 열처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저비용 고효율의 열원으로 사용되는 탄소용융 반응장치를 개시한다. 본 발명의 탄소용융 반응장치는 내부공간을 갖는 용융로; 상기 용융로에 저장된 탄소분말: 상기 용융로를 관통하여 장착되며, 일단이 상기 탄소분말에 침지되는 전극봉을 포함한다.
본 발명에 따르면, 전기아크에 의해 용융된 탄소가 초고온으로 발열하기 때문에 아주 적은 전력비용으로 고온의 열원을 얻을 수 있고, 이를 폐기물 처리 및 열분해에 이용하거나 대량의 온수나 증기를 생산하는데 이용함으로써 종래에 비해 연료비 또는 전기료를 크게 절감할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기아크에 의해 용융된 탄소가 초고온으로 발열하기 때문에 아주 적은 전력비용으로 고온의 열원을 얻을 수 있고, 이를 폐기물 처리 및 열분해에 이용하거나 대량의 온수나 증기를 생산하는데 이용함으로써 종래에 비해 연료비 또는 전기료를 크게 절감할 수 있다.
Description
본 발명은 폐기물을 분해하거나 대량의 수증기를 발생시키는 열원으로 사용되는 반응장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 용융탄소를 이용함으로써 고효율의 열원으로 사용될 수 있는 반응장치에 관한 것이다.
일반적으로 폐타이어, 폐플라스틱 등의 석유화학폐기물이나 병원폐기물 등은 심각한 환경오염을 초래할 수 있기 때문에 엄격한 절차를 거쳐서 소각 또는 열분해되는 경우가 많다.
그런데 이들 폐기물을 소각 또는 열처리하기 위해서는 막대한 연료비 또는 전력비용이 소요되기 때문에 이러한 비용을 절감하면서 폐기물을 효과적으로 처리하는 방안을 마련하는 것이 중요한 과제로 대두되고 있다.
또한 난방용 온수 또는 스팀을 생산하는 보일러는 열원의 종류에 따라 가스식, 석유식, 전기식으로 구분되는데, 가스나 석유를 이용하는 보일러는 발화과정에서 발생하는 오염물질과 대량의 이산화탄소로 인해 환경문제에서 자유롭지 못한 단점이 있고, 시이즈히터(sheath heater) 등을 이용하는 전기식 보일러는 대규모 난방시설에 사용할 경우 엄청난 전력비용을 부담해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 최소한의 전력비용으로 폐기물 분해나 열처리를 할 수 있고 난방용 온수나 스팀을 생산할 수 있는 고효율의 열원을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 내부공간을 갖는 용융로; 상기 용융로에 저장된 탄소분말: 상기 용융로를 관통하여 장착되며, 일단이 상기 탄소분말에 침지되는 전극봉을 포함하는 탄소용융 반응장치를 제공한다.
본 발명의 탄소용융 반응장치에서, 상기 탄소분말은 흑연분말, 카본블랙분말 또는 숯분말이고, 상기 전극봉의 재질은 흑연, 인조흑연, 탄화규소 또는 텅스텐인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 탄소용융 반응장치는 적어도 일 부분이 상기 용융로의 내부에 위치하도록 상기 용융로를 관통하여 결합된 반응용기를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이때 상기 반응용기와 상기 용융로 사이의 공간에 보조열원이 설치될 수 있고, 상기 반응용기에서 상기 용융로의 내부로 삽입된 부분은 관통부를 구비하거나 메쉬구조일 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기아크에 의해 용융된 탄소가 초고온으로 발열하기 때문에 아주 적은 전력비용으로 고온의 열원을 얻을 수 있고, 이를 폐기물 처리 및 열분해에 이용하거나 대량의 온수나 증기를 생산하는데 이용함으로써 종래에 비해 연료비 또는 전기료를 크게 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소용융 반응장치의 구성도
도 2 및 도 3은 탄소용융이 진행되는 과정을 순서대로 나타낸 사진
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소용융 반응장치의 사용예를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소용융 반응장치의 다른 사용예를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소용융 반응장치의 구성도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소용융 반응장치의 사용예를 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소용융 반응장치의 구성도
도 2 및 도 3은 탄소용융이 진행되는 과정을 순서대로 나타낸 사진
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소용융 반응장치의 사용예를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소용융 반응장치의 다른 사용예를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소용융 반응장치의 구성도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소용융 반응장치의 사용예를 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소용융 반응장치의 구성도
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소용융 반응장치(100)를 나타낸 구성도이다. 본 발명의 탄소용융 반응장치(100)는 내부공간을 가지는 용융로(110), 상기 용융로(110)의 내부에 충진된 탄소분말(C), 상기 용융로(110)를 관통하여 장착된 것으로서 그 일단이 탄소분말(C) 속에 침지되도록 설치된 전극봉(121)을 포함한다.
용융로(110)는 금속재질인 것이 바람직하며, 탄소분말(C)이 수용되는 부분의 내벽에는 내화재(112)가 설치된다. 내화재(112)에는 내화모르타르, 내화벽돌 등이 사용될 수 있다. 또한 용융로(110)의 외벽에는 불연단열재가 장착되는 것이 바람직하다. 탄소분말(C)이 수용되는 부분을 제외한 영역에도 내화재 및/또는 단열재를 장착하는 것이 바람직하다.
용융로(110)에는 내부상태를 육안으로 확인할 수 있는 검사창(115)를 설치할 수 있다. 또한 용융로(110)의 상부 또는 측면에 투입구를 설치하고 상기 투입구에는 밀폐식 도어(116)가 설치될 수 있다.
또한 용융로(110)에는 내부 온도를 측정할 수 있는 온도센서(117)와 비상용 온도센서(118)를 설치할 수 있고, 내부 압력을 측정할 수 있는 압력센서(119)를 설치할 수 있다.
탄소분말(C)은 흑연분말, 카본블랙분말, 숯분말 등을 사용할 수 있으며, 가급적 99.9% 이상의 고순도 제품을 사용하는 것이 바람직하다.
전극봉(121)은 탄소분말(C)의 용융점이 매우 높은 점을 감안하여 흑연, 인조흑연 등의 탄소재질인 것이 바람직하다. 용융점이 높은 탄화규소(SiC) 등의 탄소화합물이나 텅스텐 등의 금속재질 전극봉이 사용될 수도 있다.
이러한 전극봉(121)은 단상전원에 연결할 경우에는 2개가 사용되고, 3상 전원에 연결할 경우에는 3개가 사용된다. 용융로(110)의 용량이 큰 경우에는 2쌍 이상의 전극봉(121)을 설치할 수도 있다. 즉, 단상전원인 경우에는 2n(n은 1 이상의 정수)개의 전극봉(121)을 설치하고, 3상전원인 경우에는 3n(n은 1 이상의 정수)개의 전극봉(121)을 설치한다. 전극봉(12)의 위치는 도시된 것에 한정되지 않는다.
금속재질의 용융로(110)와 전극봉(121)은 전기적으로 절연되어야 하므로 전극봉(121)은 절연성 플러그(123) 및 소켓(125)을 이용하여 용융로(110)에 관통 장착되어야 한다. 상기 절연성 플러그(123)는 세라믹, 알루미나 등과 같이 내화성이 뛰어난 재질인 것이 바람직하다.
용융로(110)의 외부로 노출된 전극봉(121)의 단부에는 전원이 연결되며, 이때 상용AC전원이 연결될 수도 있고 AD컨버터를 통과하면서 변환된 직류전원이 연결될 수도 있다.
도시하지는 않았지만 용융로(110)의 외부에는 제어패널이 설치된다. 제어패널은 전술한 온도센서(117), 비상용온도센서(118), 압력센서(119) 등의 감지결과를 피드백하여 전원공급을 선택적으로 차단하거나 밸브 등을 개폐할 수 있는 마이컴 등의 제어수단을 구비하는 한편 조작스위치, 경광등, 스피커 등을 구비한다.
한편 고온의 탄소가 산소와 접촉하면 산화되어 증발하므로 이를 방지하기 위해서는 용융로(110)의 도어(116)를 닫아서 밀폐시킨 후에 전원을 연결하는 것이 바람직하다. 용융로(110)의 내부에 He, Ar, N2 등의 불활성기체를 충진한 상태에서 전력을 인가하면 탄소의 산화증발을 방지할 수 있다.
전술한 구조를 가지는 탄소용융 반응장치(100)에서 용융로(110)의 내부에 탄소분말(C)을 충진하고 적어도 한 쌍의 전극봉(121)을 장착한 후 전원을 인가하면 초기에는 전도성을 가지는 탄소분말(C)이 저항성 발열을 하기 시작한다.
이 상태에서 계속하여 전력이 인가되면 탄소분말(C)이 용융되기 시작하며, 탄소용융물 사이에 여러 간극이 발생하면서 그 사이에 전기아크가 발생하게 된다. 일반적으로 전기아크의 온도는 6,000℃이상이므로 고온의 전기아크에 의해 탄소의 용융이 가속화된다.
도 2는 전극봉(121)에 전력을 인가한 후 전도성 발열을 하면서 용융되기 시작하는 상태를 나타낸 것으로서 그 온도는 1,500~1,800℃ 정도이다.
그리고 도 3은 전기 아크가 발생하면서 탄소분말(C)이 완전히 용융되어 매우 밝은 빛을 발생시키는 모습을 나타낸 것으로서, 탄소용융액의 내부온도는 약 4,000℃에 이르게 된다. 그리고 탄소가 용융된 이후에는 용융로(110)의 내부 온도는 위치에 따라 다소 차이가 있지만 1,800~2,800℃ 정도에 이를 것으로 추정된다.
이러한 발열량과 소비전력을 감안하면 본 발명의 탄소용융 반응장치(100)는 발열온도가 600℃ 정도에 불과한 시이즈히터보다 수 배 내지 십 여배 이상의 효율을 발휘할 것으로 예상된다.
따라서 본 발명의 탄소용융 반응장치(100)는 열처리장치, 열교환시스템 등 다양한 설비에서 매우 효율적인 고온 열원으로 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 탄소용융 반응장치(100)를 이용한 열교환시스템의 일 예를 나타낸 것이다. 즉, 용융로(110)의 내부에서 탄소분말(C)의 상부에 입수관(141)과 출수관(142)이 각각 연결된 열교환기(140)를 설치하고, 입수관(141)을 통해 물을 공급하면 고온의 용융탄소에 의해 종래 방식의 열교환기에 비해 매우 신속하게 온수나 수증기를 생산할 수 있다. 물이 아닌 다른 유체를 상기 열교환기(140)의 내부로 공급할 수도 있음은 물론이다.
도 5는 본 발명의 탄소용융 반응장치(100)를 이용한 열교환시스템의 다른 예를 나타낸 것이다. 도 5는 본 발명의 탄소용융 반응장치(100)가 열교환탱크(200)의 내부에 설치된 열교환시스템을 나타낸 것이다. 상기 열교환탱크(200)에는 도시된 바와 같이 보충수관(210)과 출수관(220)이 연결될 수 있다.
이러한 열교환탱크(200)는 온수생산용으로 사용될 수도 있고, 출수관(220)을 차단하여 증기생산용으로 사용될 수도 있다.
이와 같이 탄소용융 반응장치(100)를 물속에 완전히 침지시키는 경우에도 용융로(110)의 내벽에 절연용 내화재를 밀착 도포할 수 있다.
또한 도시하지는 않았지만 본 발명의 탄소용융 반응장치(100)는 용융로(110)의 내부에 석유화학폐기물, 산업폐기물, 병원폐기물 등을 넣고 탄소용융열을 이용하여 직접 소각시키는 용도로도 사용될 수 있다. 또한 가축분뇨의 내부에 침지시켜 가축분뇨의 액체성분을 증발시키는 용도로도 사용될 수 있다.
또한 용융로(C)에 탄소분말과 금속원료를 혼합하여 수용하면 금속원료를 녹이는 용광로도 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소용융 반응장치(100')를 나타낸 것이다. 용융로(110)의 내부에 탄소분말(C)이 채워지고, 용융로(110)를 관통하여 적어도 한 쌍의 전극봉(121)이 장착되는 점은 도 1의 경우와 동일하므로 중복되는 부분에 대한 설명은 생략한다.
도 6의 탄소용융 반응장치(100')는 용융로(110)에 통 형상의 반응용기(130)가 장착된 점에 특징이 있다. 반응용기(130)는 그 하단부가 탄소분말(C)의 상부에 위치하고 그 상단부가 용융로(110)의 외부에 위치하도록 장착된다.
따라서 용융탄소에서 발생한 열에 의해 반응용기(130)의 내부에 채워진 물질이 열반응을 하게 된다.
반응용기(130)는 용융로(110)의 상단에 결합되며, 이를 위해 반응용기(130)는 측방으로 돌출된 플랜지(132)를 구비하며 플랜지(132)와 용융로(110)의 상단은 볼트 등으로 체결된다. 반응용기(130)가 용융로(110)에 일체로 결합될 수도 있다.
탄소 용융액으로부터 상대적으로 멀리 떨어져 있는 반응용기(130)의 상단 부근에서는 온도가 다소 낮으므로 온도편차를 줄이기 위해서 용융로(110)의 상단에 보조히터(123)를 추가로 장착할 수 있다. 사용가능한 보조열원에는 시이즈히터, 램프관히터, 할로겐램프, 탄소램프, 열선코일 등이 포함된다.
보조히터(123)는 도시된 바와 같이 용융로(110)와 반응용기(130) 사이의 공간에 배치될 수도 있고, 용융로(110)의 내측벽에 매설되거나, 용융로(110)의 내벽에 고정될 수도 있다.
반응용기(130)는 도 6에 도시된 바와 같이 밀폐된 통 형상일 수도 있고, 도 8에 도시된 바와 같이 측면 및 저면에 다수의 관통부(133)를 구비할 수도 있다. 관통부를 형성하지 않고 그물망 형태의 메쉬구조로 반응용기(130)를 제작할 수도 있다. 메쉬형과 밀폐형은 반응용기(130)에 채워지는 물질의 종류, 반응온도 등에 따라 선택적으로 사용될 수 있다. 반응용기(130)의 상단부에는 증기배출관(150)이 연결되며, 증기배출관(150)에는 과도 압력시에 개방되는 압력조절밸브(159)가 장착될 수 있다.
도 7은 밀폐형 반응용기(130)를 포함하는 폐타이어 열분해시스템의 개략적인 구성도이다. 이를 살펴보면 용융로(110)는 지지프레임(160)에 회동가능하게 결합된다. 구체적으로 설명하면, 용융로(110)의 대향하는 외측면에 회전축(164)을 각각 고정하고, 각 회전축(164)의 단부를 지지프레임(160)에 회동가능하게 결합한다. 그리고 적어도 하나의 회전축(164)에 구동수단(162)을 연결하여 용융로(110)를 회동가능하게 결합한다. 구동수단(162)에는 모터, 모터와 회전축(164)을 연결하는 체인 또는 벨트 등의 동력전달수단(163)을 포함할 수 있다.
그리고 반응용기(130)에 연결된 증기배출관(150)의 단부에는 제1분기관(151)과 제2분기관(152)이 연결되고, 제1분기관(151)과 제2분기관(152)의 단부에는 각각 증유필터(181)와 가스필터(182)가 연결된다.
제1분기관(151)과 제2분기관(152)에는 냉각수가 유동하는 냉각자켓(170)이 각각 장착될 수 있고, 이때 각 냉각자켓(170)에는 입수관(172)과 출수관(174)이 연결된다. 도시하지는 않았지만 증기배출관(150)에도 냉각자켓을 설치할 수 있다. 증유필터(181)와 가스필터(182)의 출구에는 각각 응축유탱크(191)와 가스탱크(192)가 연결된다.
따라서 반응용기(130)에 저장된 폐타이어 등이 열분해되면서 발생한 유증기는 증기배출관(150)을 통과하면서 응축되고, 응축유는 제1분기관(151)과 증유필터(181)를 거치면서 불순물이 제거된 후 응축유탱크(191)에 저장된다. 응축되지 않는 불응축가스는 제2분기관(152)과 가스필터(182)를 거쳐 가스탱크(192)에 저장된다.
이 밖에도 밀폐형 반응용기(130)에 가축분뇨를 채워넣은 상태에서 탄소용융액의 고온을 이용하여 가축분뇨의 수증기를 신속하게 증발시킬 수도 있을 것이다. 이러한 방법은 기존의 시이즈히터로는 감당하기 어려운 전력비용을 크게 절감시키는 이점이 있다.
그밖에도 본 발명의 탄소용융반응장치(100, 100')는 고온의 열원이 필요한 다양한 설비 - 예를 들어 각종 산업폐기물, 생활폐기물, 병원폐기물, 음식물 쓰레기, 각종 슬러지 등의 소각 또는 열처리 설비 - 에 활용될 수 있을 것이다.
그리고 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니므로 다양한 형태로 변형 또는 수정될 수 있다. 그런데 이와 같이 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.
100, 100': 탄소용융 반응장치 110: 용융로
112: 내화재 121: 전극봉
123: 보조열원 130: 반응용기
132: 플랜지 140: 열교환기
150: 증기배출관 151: 제1분기관
152: 제2분기관 160: 지지프레임
162: 구동수단 164: 회전축
170: 냉각자켓 181: 증유필터
182: 가스필터 191: 응축유탱크
190: 가스탱크 200: 반응탱크
112: 내화재 121: 전극봉
123: 보조열원 130: 반응용기
132: 플랜지 140: 열교환기
150: 증기배출관 151: 제1분기관
152: 제2분기관 160: 지지프레임
162: 구동수단 164: 회전축
170: 냉각자켓 181: 증유필터
182: 가스필터 191: 응축유탱크
190: 가스탱크 200: 반응탱크
Claims (8)
- 내부공간을 갖는 용융로;
상기 용융로에 저장되는 탄소분말:
상기 용융로를 관통하여 장착되며, 일단이 상기 탄소분말에 침지되는 전극봉;
열처리 대상물을 수용하는 용기로서, 적어도 일 부분이 상기 용융로의 내부에 위치하도록 설치된 반응용기
를 포함하며, 상기 탄소분말이 상기 전극봉에 인가된 전력에 의해 발열을 하면 상기 반응용기에 저장된 상기 열처리 대상물이 열처리되는 것을 특징으로 하는 탄소용융 반응장치 - 제1항에 있어서,
상기 탄소분말은 흑연분말, 카본블랙분말 또는 숯분말이고, 상기 전극봉의 재질은 흑연, 인조흑연, 탄화규소 또는 텅스텐인 것을 특징으로 하는 탄소용융 반응장치
- 삭제
- 제1항에 있어서
상기 용융로의 내부에서 상기 반응용기와 상기 용융로 사이의 공간에는 보조열원이 설치된 것을 특징으로 하는 탄소용융 반응장치 - 제1항에 있어서
상기 반응용기에서 상기 용융로의 내부로 삽입된 부분은 관통부를 구비하거나 메쉬구조인 것을 특징으로 하는 탄소용융 반응장치 - 삭제
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100063307A KR101269240B1 (ko) | 2010-07-01 | 2010-07-01 | 전기아크를 이용한 탄소용융 반응장치 및 이를 포함하는 열처리 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100063307A KR101269240B1 (ko) | 2010-07-01 | 2010-07-01 | 전기아크를 이용한 탄소용융 반응장치 및 이를 포함하는 열처리 장치 |
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|---|---|
| KR20120002683A KR20120002683A (ko) | 2012-01-09 |
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ID=45609916
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
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|---|---|
| KR (1) | KR101269240B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180071541A (ko) | 2016-12-20 | 2018-06-28 | 황보기만 | 전기아크 탄소용융 히터 |
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|---|---|---|---|---|
| KR101821252B1 (ko) * | 2016-11-01 | 2018-01-23 | 주식회사 포스코 | 용강 처리 장치 및 이를 이용한 용강 처리 방법 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2576304Y2 (ja) | 1992-05-30 | 1998-07-09 | 川崎製鉄株式会社 | 直流ア−クによる取鍋内溶鋼加熱装置 |
| JP2001108775A (ja) | 1999-10-04 | 2001-04-20 | Tadahiko Mizuno | 熱エネルギー取出装置、給湯装置および発電装置 |
-
2010
- 2010-07-01 KR KR1020100063307A patent/KR101269240B1/ko not_active IP Right Cessation
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