KR101293272B1 - 연속식 열분해 유화 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가연성 물질을 1차적으로 열분해하여 기상 유분 및 고상 잔유물을 생성하고, 고상 잔유물을 2차적으로 부분산화 및 연소시켜 탄소 함유량이 적은 재(ash)로 배출할 수 있는 연속식 열분해 유화 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

연속식 열분해 유화 장치 및 그 방법{Apparatus for continuous pyrolysis and method thereof}
본 발명은 연속식 열분해 유화 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 가연성 물질을 1차적으로 열분해하여 기상 유분 및 고상 잔유물을 생성하고, 고상 잔유물은 2차적으로 부분산화 및 연소시켜 탄소 함유량이 적은 재(ash)로 배출할 수 있는 연속식 열분해 유화 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 높은 인구 밀도와 급속한 산업화 및 도시화에 따라 각종 폐기물들이 급격히 발생하고 있는 실정이다. 특히 폐비닐, 폐플라스틱 등 가연성 폐기물의 처리가 사회적 문제로 대두되고 있다. 가연성 폐기물의 처리방법으로는 재생하여 사용하거나 또는 소각 및 매립 등의 방법이 주로 사용되고 있으나, 재생 대상 물질의 한정, 소각방식의 경우 먼지, 염화수소(HCl), 유황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 다이옥신 등 대기 오염물질의 배출에 따른 2차 대기오염문제가 심각하고, 매립방식의 경우에도 가연성 폐기물의 특성인 난분해성에 따른 토양오염, 침출수 등으로 인한 오염문제가 심각한 실정이다. 이에 따라 가연성 폐기물을 소각하거나 매립하지 않고 재활용하는 방안으로서 가연성 폐기물을 열분해하여 유용한 오일을 얻을 수 있는 유화 방법이나 그 장치의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
한편, 열분해를 통해 기상 유분을 생산할 수 있는 기존의 공정은 CSTR(continuous stirred tank reactor), 스크류(screw)형, 로터리킬른(rotary kiln) 등의 반응기를 사용하고 있으나 이들 반응기를 사용하는 경우에는 1) 연속적인 공정이 어렵거나 2) 대규모 설비 증강이 어렵거나 3) 가연성 물질들의 열분해시 발생하는 카본에 의해 코킹(coking) 문제가 발생하며, 또는 4) 배출되는 잔사에 카본 함유량이 높아 에너지 효율이 낮다는 등의 다양한 문제점으로인해 실제적으로 상용화가 어렵다는 단점이 존재한다.
구체적으로, 일본에서는 1995년부터 열분해 유화를 위한 상용 플랜트들이 건설되어 운전되고 있으며 대표적인 플랜트로는 니가타(Nigata) 및 삿뽀로(satporo) 플랜트가 있다. 니가타 플랜트는 CSTR형 열분해로를 적용하고 있으며, 삿뽀로 플랜트는 CSTR 용융로 및 로타리킬른 열분해를 혼용하는 방식을 적용하고 있다.
이들 니가타 및 삿뽀로 플랜트는 연속적인 방식을 이용하고 있기는 하나, 대규모로 scale up하기 어렵고, 별도의 염소 제거 공정을 포함하고 있어 시설 설치 및 유지비가 증가하고, 잔사의 배출량이 많으며 잔사 내의 카본 함유량이 높아 에너지 효율이 낮다는 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명자들은 가연성 물질을 1차적으로 열분해하여 기상 유분 및 고상 잔유물을 분리 생성하고, 고상 잔유물을 2차적으로 부분산화 및 연소시켜 탄소 함유량이 적은 재(ash)로 배출할 수 있는 연속식 열분해 유화 장치 및 그 방법을 발명하기에 이르렀다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 가연성 물질을 연속적으로 투입하고, 투입된 가연성 물질을 1차적으로 열분해 유화하여 기상 유분 및 고상 잔유물을 생성하고, 고상 잔유물을 2차적으로 부분산화 및 연소시켜 탄소 함유량이 적은 재(ash)로서 배출할 수 있는 연속식 열분해 유화 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은, 2차 단계인 부분산화 및 연소 과정에서 발생하는 에너지를 1차 단계인 열분해 과정에서 필요한 에너지로 활용하므로 전체 시스템의 에너지 효율을 보다 향상시킬 수 있는 연속식 열분해 유화 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은, 1차 단계인 열분해 과정에서 반응부 내측면에 발생하는 카본 침적물을 제거할 수 있는 이송 및 코킹 제거 장치를 반응부 내부에 제공하여 반응부 내측면을 연속적으로 긁어내어 카본 침적물이 반응부 내측면에 부착되는 것을 방지함으로써, 열분해로 인해 발생하는 코킹 문제를 해결할 수 있는 연속식 열분해 유화 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은, 1차 단계인 열분해 과정에 가연성 물질과 함께 산화칼슘(CaO) 파우더를 혼합하여 투입함으로써, 가연성 물질에 포함된 염소가 열분해 과정 중에서 배출될 때 산화칼슘에 흡착되어 염화물을 생성하여 기상 유분에 포함될 염소 함량을 감소시킬 수 있는 연속식 열분해 유화 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연속식 열분해 유화 장치는, 가연성 물질을 공급하는 공급부; 상기 공급부로부터 이송되는 상기 가연성 물질을 건조, 예열 또는 열분해하여 제1 기상 성분 및 열분해 잔류물을 생성하는 제1 반응부; 및 상기 제1 반응부로부터 이송되는 상기 열분해 잔류물을 부분산화 및 연소시켜 제2 기상 성분 및 부분산화 및 연소 잔류물을 생성하는 제2 반응부;를 포함하고, 상기 제1 반응부 및 상기 제2 반응부에서 생성되는 물질들의 이동 수단은 로터리 킬른식 및 스토커식 중 어느 하나 이상으로 이루어지며, 상기 제1 반응부 및 상기 제2 반응부의 출구 및 입구 중 어느 하나 이상, 또는 상부 및 하부 중 어느 하나 이상에는 복수의 직접가열장치가 제공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 연속식 열분해 유화 장치는 제1 반응부를 간접 가열하는 간접가열부를 더 포함하고, 그리고 상기 제2 반응부에서 생성되는 제2 기상 성분이 상기 간접가열부로 공급되어 상기 제1 반응부를 간접 가열하거나 또는 상기 간접가열부를 가열하는 복수의 직접가열장치를 이용하여 상기 간접가열부를 추가로 가열하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 연속식 열분해 유화 장치는, 상기 제1 반응부로부터 상기 제2 반응부로 이송되는 상기 열분해 잔류물 중 기체 성분의 이동을 방지할 수 있는 차폐 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 반응부에서 생성되는 제2 기상 성분이 상기 제1 반응부 내부로 공급되어 상기 제1 반응부를 추가적으로 가열하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 반응부는 로터리 킬른이며, 상기 제1 반응부의 내측에는 상기 제1 반응부의 중심축과 편심되게 위치하며, 상기 가연성 폐기물 및 상기 열분해 잔류물을 이송하거나 상기 제1 반응부의 내측면에 형성된 카본 접착물을 제거할 수 있는 이송 및 코킹 제거 장치가 제공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 이송 및 코킹 제거 장치는 스크류형 피더이며, 상기 이송 및 코킹 제거 장치는 회전시 상기 제1 반응부의 내측면의 일부와 연속적으로 접촉하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 직접가열장치는 공기, 산소, 스팀, 및 가스 연료를 이용하는 버너 또는 플라즈마 발생장치인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 반응부는 300℃ 내지 600℃의 온도에서 상기 가연성 물질을 열분해하며, 상기 제2 반응부는 600℃ 이상의 온도에서 상기 열분해 잔류물을 부분산화 및 연소시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 반응부에는 상기 제2 반응부의 외측에서 내측으로 삽입되는 렌스(lance)가 제공되고, 상기 렌스를 통하여 공기, 산소 및 스팀 중 어느 하나 이상을 공급되어 상기 부분산화 및 연소 잔류물의 완전 연소를 유도하는 것을 특징으로 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 반응부에는 산화칼슘(CaO) 파우더가 더 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 연속식 열분해 유화 방법은, (a) 가연성 물질을 공급하는 단계; (b) 상기 가연성 물질을 제1 반응부로 도입하고 건조, 예열 또는 열분해하여 제1 기상 성분 및 열분해 잔류물을 생성하는 단계; 및 (c) 상기 열분해 잔류물을 제2 반응부로 도입하고 부분산화 및 연소시켜 제2 기상 성분 및 부분산화 및 연소 잔류물을 생성하는 단계;를 포함하고, 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계에서 생성되는 물질들의 이동 수단은 로터리 킬른식 및 스토커식 중 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 반응부에는 상기 제1 반응부를 간접 가열하는 간접가열부가 제공되며, 그리고 상기 제2 기상 성분이 상기 간접가열부로 공급되어 상기 제1 반응부를 간접 가열하거나 또는 상기 간접가열부를 가열하는 복수의 직접가열장치를 이용하여 상기 간접가열부를 추가로 가열하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 기상 성분이 상기 제1 반응부 내부로 공급되어 상기 제1 반응부를 추가적으로 가열하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (a) 단계에서, 상기 제1 반응부는 300℃ 내지 600℃의 온도에서 상기 가연성 물질을 열분해하며, 그리고 상기 (c) 단계에서, 상기 제2 반응부는 600℃ 이상의 온도에서 상기 열분해 잔류물을 부분산화 및 연소시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (c) 단계에서, 상기 제2 반응부에 공기, 산소 및 스팀 중 어느 하나 이상을 공급하여 상기 부분산화 및 연소 잔류물의 완전 연소를 유도하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (a) 단계에서, 상기 제1 반응부에 산화칼슘(CaO) 파우더를 더 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 연속식 열분해 유화 장치 및 그 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 가연성 물질을 열분해 유화하여 연속적으로 기상 유분을 생산하여 액상 및 기상의 연료를 동시에 효율적으로 연속적으로 생산할 수 있으며, 최종적으로 배출하는 잔유물은 완전 연소되어 배가스 및 탄소함유량이 적은 (즉 매립을 위한 최소 기준 5% 미만) 재(ash)로서 연속적으로 배출될 수 있다는 효과가 발생한다.
또한 본 발명에 따르면, 2차 단계인 부분산화 및 연소 과정에서 발생하는 에너지를 1차 단계인 열분해 과정에서 이용함으로써, 전체 시스템의 에너지 효율을 보다 향상시킬 수 있다는 효과가 발생한다.
또한 본 발명에 따르면, 1차 단계인 열분해 과정에서 반응부 내측면에 발생하는 카본 침적물을 제거할 수 있는 이송 및 코킹 제거 장치를 반응부 내부에 제공하여 반응부 내측면을 연속적으로 긁어내어 카본 침적물이 반응부 내측면에 부착되는 것을 방지함으로써, 열분해로 인해 발생하는 코킹 문제를 해결할 수 있다는 효과가 발생한다.
또한 본 발명에 따르면, 1차 단계인 열분해 과정에 가연성 물질과 함께 산화칼슘(CaO) 파우더를 혼합하여 투입함으로써, 가연성 물질에 포함된 염소가 열분해 과정 중에서 배출될 때 산화칼슘에 흡착되어 염화물을 생성하여 기상 유분에 포함될 염소 함량을 감소시킬 수 있다는 효과가 발생한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)의 제1 구현예를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)의 제2 구현예를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)의 제1 구현예를 A'-A 선을 따라 절단한 단면도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)의 제2 구현예를 A'-A 선을 따라 절단한 단면도이며,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(200)의 제1 구현예를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(200)의 제2 구현예를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 7 내지 도 12는 각각 PVC, PP, RPF, RDF, 폐타이어(waste tire)및 나무의 열중량 분석(Thermogravimetric Analysis) 결과를 나타낸 그래프이고,
도 13은 PE와 PVC의 혼합물을 350℃와 400℃에서 각각 열분해한 경우 시간에 따른 염소의 제거율을 나타낸 그래프이며,
도 14는 PVC를 350℃에서 열분해한 경우 PVC의 크기에 따른 질량 감소를 나타낸 그래프이며,
도 15는 RPF를 400℃, 600℃, 800℃로 등온 열분해 할 경우에 생성되는 기상, 액상, 고상 잔유물의 무게를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 연속식 열분해 유화 장치 및 그 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
<실시예>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)의 제1 구현예를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)의 제1 구현예를 A'-A 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)는 가연성 물질을 공급하는 공급부(110), 공급부(110)로부터 이송되는 가연성 물질을 건조, 예열 또는 열분해하여 제1 기상 성분 및 열분해 잔류물을 생성하는 제1 반응부(120); 및 제1 반응부(120)로부터 이송되는 열분해 잔류물을 부분산화 및 연소시켜 제2 기상 성분 및 부분산화 및 연소 잔류물을 생성하는 제2 반응부(130);를 포함한다.
공급부(110)는 제1 반응부(120)의 전단 상측에 위치하며, 가연성 물질을 제1 반응부(120)로 공급하는 역할을 수행한다. 공급부(110)와 제1 반응부(120) 사이에는 2중 투입문(111)이 제공되는데, 이러한 2중 투입문(111)으로 인해 고체인 가연성 물질만이 제1 반응부(120)로 공급될 수 있으며 외부 공기가 제1 반응부(120)로 공급되는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로 2중 투입문(111)의 작동 원리를 살펴보면, 상측에 위치하는 상부측 투입문(111a)이 개방되고 가연성 물질이 2중 투입문(111) 사이로 투입되면 상부측 투입문(111a)은 폐쇄된다. 그 다음 하측에 위치하는 하부측 투입문(111b)이 개방되어 가연성 물질이 제1 반응부(120)로 공급되는 방식으로 작동하게 된다. 한편, 상술된 바와 같이 외부 공기가 제1 반응부(120)로 유입되는 것을 막기 위한 또 다른 방법으로는 스크류 피더, 실린더 이송 피더, 등과 같은 장치를 활용할 수 있음을 유의한다.
가연성 물질로서 생활폐기물, 산업폐기물, 온실 플라스틱 폐기물, 폐플라스틱. 폐타이어, 전자제품 폐기물 등의 가연성 폐기물, 또는 갈탄, 무연탄, PC(Pet coke), 오일 샌드(oil sand) 등과 같은 저급연료 또는 나무, 바이오메스, 하수 슬러지, 유기성 폐기물 등과 같은 유무기 혼합물이 이용될 수 있으며, 언급되지 않은 기타 다양한 종류의 폐기물들이 이용될 수 있음을 유의한다. 공급되는 가연성 물질들은 열분해의 효율을 높이기 위하여 약 1 내지 10 cm의 크기를 갖는 분쇄물 형태로 제공되는 것이 바람직하나, 더 큰 크기로 공급할 수도 있으며 이는 각 단계에서의 체류시간에 따라 조정이 가능함을 유의한다.
제1 반응부(120)는 가연성 물질 내의 염소, 황 및 브롬과 같은 유해 성분이 함유되어 있을 경우 이를 실질적으로 저감시켜, 염소 및 브롬과 같은 할로겐 성분이 바람직하게는 약 90% 이상, 보다 바람직하게는 약 95% 이상 제거될 수 있는 조건 하에서 건조, 예열 또는 열분해하여 제1 기상 성분 및 열분해 잔류물을 생성하는 역할을 수행한다.
본 발명에 있어서 '열분해'란 가연성 물질을 산소와의 접촉을 제한하는 상태에서 가열하여 가연성 물질의 화학적 분해를 유도하는 반응을 의미하며, "건조" 및 "예열"은 일반적으로 사용되는 의미로서 그 설명은 생략하기로 한다. 즉, 제1 반응부(120)는 가연성 물질에 대하여 건조, 예열 또는 열분해 중 어느 하나의 반응 또는 이의 조합으로 이루어지는 반응들을 수행할 수 있다.
이러한 제1 반응부(120)는 로터리킬른으로 이루어져 있으며, 킬른은 입구과 출구 사이에 일정 각도의 경사를 가지고 있어서, 킬른의 회전 운동에 의해 내부의 생성 물질이 이동하게 된다. 한편, 제1 반응부(120)의 전단 하측에는 로터리킬른을 구동하여 회전시킬 수 있는 제1 반응부 구동장치(121)가 제공되게 된다.
한편, 도 7 내지 도 15를 통하여 제1 반응부(120)의 적절한 온도 조건을 설명하기로 한다. 도 7 내지 도 12는 각각 PVC, PP, RPF, RDF, 폐타이어(waste tire)및 나무의 열중량 분석(Thermogravimetric Analysis) 결과를 나타낸 그래프이고, 도 13은 PE와 PVC의 혼합물을 350℃와 400℃에서 각각 열분해한 경우 시간에 따른 염소의 제거율을 나타낸 그래프이며, 도 14는 PVC를 350℃에서 열분해한 경우 PVC의 크기에 따른 질량 감소를 나타낸 그래프이며, 도 15는 RPF를 400℃, 600℃, 800℃로 등온 열분해 할 경우에 생성되는 기상, 액상, 고상 잔유물의 무게를 나타낸 그래프이다.
PVC는 50% 이상의 염소(Cl2)를 함유하고 있으며 도 7을 참조하면, PVC는 열분해를 통해 약 400℃ 부근에서 대부분의 염소가 배출되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 8 내지 도 12를 참조하면, PP, RPF, RDF, 폐타이어 및 나무의 경우에도 PVC와 마찬가지로 약 400℃ 이상에서 열분해 할 경우 약 90% 이상의 염소가 배출됨을 알 수 있다.
도 13을 참조하면, PE와 PVC의 혼합물을 350℃에서 열분해 진행하는 경우 약 10분 경과시 85%가 제거되고, 20분 경과시 90%가 제거된다. 또한, PE와 PVC의 혼합물을 400℃에서 열분해 진행하는 경우 약 10분 경과시 91.5%가 제거되고, 20분 경과시 90%가 제거된다. 그러나 배출되는 염소는 주위에 수분을 만나 HCl 형태로 내출될 수 있으나, 그러나 대부분은 폐기물에 존재하는 Pb, Ca, K, Na 물질과 같은 염화물이 되는 것을 알 수 있다.
도 14를 참조하면, PVC를 350℃에서 열분해한 경우 PVC의 크기가 큰 경우에 비해 PVC의 크기가 작은 경우 질량 감소에 필요한 시간이 점점 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 즉, PVC의 크기에 따라 열분해 진행 시간을 적절하게 조절할 수 있음을 알 수 있다.
한편 PP는 PE와 유사하지만 PVC와는 다르게 400℃ 내지 500℃ 사이에서 거의 모두 열분해 된다. RPF 및 RDF의 열분해 특성도 서로 비슷하며 400℃ 부근에서 PVC 함유량에 따라 탈염소에 의한 중량 감소가 보여지며, 500℃까지 가열되는 동안 열분해 가스화 되어 70% 이상 무게가 감소되는 것을 알 수 있다.
또한 다른 가연성 물질 특히 폐타이어, 나무 등과 같은 물질도 400℃ 내지 500℃ 부근까지 저온 열분해하면서 급격히 감량화 되는 것을 알 수 있다. 그 이상은 온도가 올라갈수록 감량화율이 급격하게 줄어든다.
이렇게 저온에서 열분해 되는 성분을 냉각하면 대부분 액체형태로 변환 될 수 있다. 그러나 열부해 온도를 더 이상 올리게 되면 액상 성분은 줄어들고 그만큼 기상성분이 증가하는 것을 알 수 있다. 도 15를 참조하면, 열분해 온도를 600℃ 이상 올리게 되면 액상 성분은 줄어들고 그만큼 기상 성분이 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 제1 반응부(120)는 가연성 물질을 300℃ 내지 600℃의 온도에서 약 10분 이상 열분해를 진행함이 바람직하다.
한편, 제1 반응부(120)의 열분해로 인하여 발생된 제1 기상 성분은 제1 반응부(120)의 후단 상측을 통하여 외부로 배출되게 되며, 열분해 잔류물은 제1 반응부(120)의 후단 하측을 통하여 제2 반응부(130)로 유입되게 된다.
제2 반응부(130)는 제1 반응부(120)로부터 이송되는 열분해 잔류물을 도입하여 공기 또는 산소와 같은 산화제를 공급하여 약 600℃ 이상의 온도에서 부분 산화 및 연소 반응을 유도하여 열분해 잔류물에 포함된 대부분의 Char를 산화시켜 CO 또는 CO2를 발생시키고 ash(재) 성분만 남게 한다. 제2 반응부(130)는 열분해 잔류물을 그 목적에 따라, 탄화물 형태로 배출하거나, 일부는 부분 산화시키고 일부는 탄화물로 배출하거나, 대부분을 완전 연소시키고 재로만 배출할 수 있다. 이러한 제2 반응부(130)는 로터리킬른으로 이루어져 있으며, 킬른은 입구과 출구 사이에 일정 각도의 경사를 가지고 있어서, 킬른의 회전 운동에 의해 내부의 생성 물질이 이동하게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)는 제2 반응부(130)로부터 이송되는 부분산화 및 연소 잔류물을 배출하는 배출부(140)를 더 포함할 수 있다. 이때 배출부(140)에는 재(ash)로 이루어진 부분산화 및 연소 잔류물이 배출되게 된다.
제2 반응부(130)의 입구측에는 직접가열장치(131)가 제공되어 제2 반응부(130)를 기설정된 온도로 가열할 수 있도록 구성된다. 이러한 직접가열장치(131)는 공기, 산소, 스팀, 및 가스 연료를 이용하는 버너 또는 플라즈마 발생장치 등을 이용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예서 직접가열장치(131)는 제2 반응부(130)의 입구측에만 위치하는 것으로 도시되어 있지만, 이러한 직접가열장치(131)는 제1 반응부(120)의 전단 및 후단 중 어느 하나 이상 및 제2 반응부(130)의 출구 및 입구 중 어느 하나 이상에 위치에 제한없이 설치될 수 있음을 유의한다.
제2 반응부(130)의 출구측에는 상기 제2 반응부(130)의 외측에서 내측으로 삽입되는 렌스(lance)형 산화제 공급장치(180)가 제공되고, 상기 렌스를 통하여 공기, 산소 및 스팀 중 어느 하나 이상을 공급되어 부분산화 및 연소 잔류물의 완전 연소를 유도하게 된다. 이러한 스팀, 산소 및 공기의 공급량은 그 내부에 있는 물질의 성상에 따라 조절이 가능하다. 본 발명의 일 실시예서 산화제 공급장치(180)는 제2 반응부(130)의 출구측에만 위치하는 것으로 도시되어 있지만, 이러한 산화제 공급장치(180)는 제2 반응부(130)의 출구 및 입구 중 어느 하나 이상에 위치에 제한없이 위치할 수 있음을 유의한다.
이러한 산화제 공급장치(180)는 예를 들어, 1) 제2 반응부(130) 내부 하단부에 파이프를 설치함으로써 공기, 산소 및 스팀 중 어느 하나 이상을 공급하도록 구성될 수 있다. 또는, 2) 제2 반응부(130) 벽면을 따라 산화제가 유입될 수 있는 관을 설치하여 고정단 측면에서 산화제를 공급하여 제2 반응부(130)의 내부까지 산화제가 도달할 수 있도록 구성될 수 있다. 또는 3) 제2 반응부(130)에 수직이 되는 내부로 관통되는 관을 설치하여 외부에서 산화제를 공급하여 제2 반응부(130) 내부 중앙까지 산화제가 도달할 수 있도록 구성될 수 있음을 유의한다.
본 발명의 일실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)는 제1 반응부(120)를 간접 가열하는 간접가열부(150)를 더 포함할 수 있다. 이러한 간접가열부(150)는 제1 반응부(120)의 외측면을 감싸는 형태로 설치되게 된다.
이러한 구성에 있어서, 제1 반응부(120)에서 생성된 열분해 잔류물은 제2 반응부(130)로 이송되고, 제2 반응부(130)에서 생성되는 제2 기상 성분은 제2 반응부(130)의 출구측 상측에서 외부로 배출되어 간접가열부(150)로 이송되면서 제1 반응부(120)를 간접 가열하게 된다. 이때, 간접가열부(150)는 유입되는 제2 기상 성분이 공기 또는 산소와 혼합되어 완전 연소됨으로써 제1 반응부(120)를 간접 가열하거나 또는 직접가열장치가(131)와 같은 별도의 직접가열장치를 이용하여 간접가열부(150)를 추가적으로 가열할 수 있다.
이때, 간접가열에 사용된 배가스는 외부의 유인 송풍기(표시 안됨)에 유인되어 외부로 배출되게 된다. 제1 기상 성분 및 제2 기상 성분의 유량의 제어는 외부의 유인 송풍기(도시 안됨)을 통하여 가능하다. 이때, 제2 기상 성분의 일부 또는 전부가 외부로 배출될 수 있으며, 배출된 제2 기상 성분의 일부 또는 전부가 간접가열부(150)로 유입될 수 있다.
또한 필요에 의하여, 제1 반응부(120)로부터 배출되어 제2 반응부(130)로 이송되는 열분해 잔류물 중 고상 성분만 통과되고 기상 성분은 통과되지 못하도록 그 이동을 분리하는 2중 투입문(190)(또는 차폐 장치)을 더 형성할 수도 있다. 이러한 2중 투입문(190)의 작동 원리는 상술된 바와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)에 있어서, 제1 반응부(120)에는 가연성 물질과 함께 산화칼슘(CaO) 파우더가 추가적으로 공급될 수 있다. 그로 인해, 가연성 물질에 포함된 염소가 열분해 과정 중에서 배출될 때 산화칼슘에 흡착되어 염화물을 생성하여 기상 유분에 포함될 염소 함량을 감소시킬 수 있게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 반응부(120)의 내측에는 제1 반응부(120)의 중심축과 편심되게 위치하며, 가연성 폐기물 및 열분해 잔류물을 이송하거나 제1 반응부(120)의 내측면에 형성된 카본 접착물을 제거할 수 있는 이송 및 코킹 제거 장치(122)가 제공될 수 있다.
이러한 이송 및 코킹 제거 장치(122)는 스크류형 피더이며, 이송 및 코킹 제거 장치(122)가 회전하는 경우 상기 제1 반응부(120)의 내측면의 일부와 연속적으로 접촉할 수 있도록 구성된다. 또한 제1 반응부(120)의 회전 속도와 동일한 또는 상이한 속도로 회전하여 카본 침적물의 제거 선능을 제어할 수 있도록 구성된다.
이러한 구성으로 인해 제1 반응부(120) 내측면을 연속적으로 긁어내어 카본 침적물이 제1 반응부(120) 내측면에 부착되는 것을 방지함으로써, 열분해로 인해 발생하는 코킹 문제를 해결할 수 있다는 효과가 발생한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)의 제2 구현예를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)의 제2 구현예를 A'-A 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)는 가연성 물질을 공급하는 공급부(110), 공급부(110)로부터 이송되는 가연성 물질을 건조, 예열 또는 열분해하여 제1 기상 성분 및 열분해 잔류물을 생성하는 제1 반응부(120); 및 제1 반응부(120)로부터 이송되는 열분해 잔류물을 부분산화 및 연소시켜 제2 기상 성분 및 부분산화 및 연소 잔류물을 생성하는 제2 반응부(130);를 포함한다.
도 2에 도시된 연속식 열분해 유화 장치(100)는 직접 가열식 열분해 유화 장치라는 점에서 도 1에 도시된 연속식 열분해 유화 장치(100)(간접 가열식 열분해 유화 장치)와 구성이 상이하며 아래에서는 동일한 구성요소에 대하여는 그 설명을 생략하기로 한다.
공급부(110)는 제1 반응부(120)의 전단 정면측에 위치하며, 가연성 물질을 제1 반응부(120)로 연속적으로 공급하는 역할을 수행한다.
제1 반응부(120)는 가연성 물질 내의 염소, 황 및 브롬과 같은 유해 성분이 함유되어 있을 경우 이를 실질적으로 저감시켜, 염소 및 브롬과 같은 할로겐 성분이 바람직하게는 약 90% 이상, 보다 바람직하게는 약 95% 이상 제거될 수 있는 조건 하에서 건조, 예열 또는 열분해하여 제1 기상 성분 및 열분해 잔류물을 생성하는 역할을 수행한다. 제1 반응부(120)는 가연성 물질을 300℃ 내지 600℃의 온도에서 약 10분 이상 열분해를 진행함이 바람직하다.
한편, 제1 반응부(120)의 열분해로 인하여 발생된 제1 기상 성분은 제1 반응부(120)의 전단 상측을 통하여 외부로 배출되게 되며, 열분해 잔류물은 제1 반응부(120)의 후단 하측을 통하여 제2 반응부(130)로 유입되게 된다.
제2 반응부(130)는 제1 반응부(120)로부터 이송되는 열분해 잔류물을 도입하여 공기 또는 산소와 같은 산화제를 공급하여 약 600℃ 이상의 온도에서 부분 산화 및 연소 반응을 유도하여 열분해 잔류물에 포함된 대부분의 Char를 산화시켜 CO 또는 CO2를 발생시키고 ash(재) 성분만 남게 한다. 제2 반응부(130)는 열분해 잔류물을 그 목적에 따라, 탄화물 형태로 배출하거나, 일부는 부분 산화시키고 일부는 탄화물로 배출하거나, 대부분을 완전 연소시키고 재로만 배출할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)는 제2 반응부(130)로부터 이송되는 부분산화 및 연소 잔류물을 배출하는 배출부(140)를 더 포함할 수 있다. 이때 배출부(140)에는 재(ash)로 이루어진 부분산화 및 연소 잔류물이 배출되게 된다.
제2 반응부(130)의 입구측 및 출구측, 그리고 제1 반응부(120)의 후단에는 직접가열장치(131)가 제공되어 제2 반응부(130) 및 제1 반응부(120)를 기설정된 온도로 가열할 수 있도록 구성된다. 이러한 직접가열장치(131)는 공기, 산소, 스팀, 및 가스 연료를 이용하는 버너 또는 플라즈마 발생장치 등을 이용할 수 있다. 한편 이러한 직접가열장치(131)는 제1 반응부(120) 및 제2 반응부(130)의 출구 및 입구 중 어느 하나 이상에 위치에 제한없이 위치할 수 있음을 유의한다.
제2 반응부(130)의 출구측에는 상기 제2 반응부(130)의 외측에서 내측으로 삽입되는 렌스(lance)형 산화제 공급장치(180)가 제공되고, 상기 렌스를 통하여 공기, 산소 및 스팀 중 어느 하나 이상을 공급되어 부분산화 및 연소 잔류물의 완전 연소를 유도하게 된다. 이러한 스팀, 산소 및 공기의 공급량은 그 내부에 있는 물질의 성상에 따라 조절이 가능하다. 본 발명의 일 실시예서 산화제 공급장치(180)는 제2 반응부(130)의 출구측에만 위치하는 것으로 도시되어 있지만, 이러한 산화제 공급장치(180)는 제2 반응부(130)의 출구 및 입구 중 어느 하나 이상에 위치에 제한없이 위치할 수 있음을 유의한다.
이러한 구성에 있어서, 제1 반응부(120)에서 생성된 열분해 잔류물은 제2 반응부(130)로 이송되고, 제2 반응부(130)에서 생성되는 제2 기상 성분은 제2 반응부(130)의 입구측에서 배출되어 제1 반응부(120)의 후단 하측을 통해 내부로 공급되어 제1 반응부(120)를 추가적으로 가열하게 되고 열분해에 필요한 에너지를 공급하게 되므로 전체 에너지 효율을 높일 수 있게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)에 있어서, 제1 반응부(120)에는 가연성 물질과 함께 산화칼슘(CaO) 파우더가 추가적으로 공급될 수 있다. 그로 인해, 가연성 물질에 포함된 염소가 열분해 과정 중에서 배출될 때 산화칼슘에 흡착되어 염화물을 생성하여 기상 유분에 포함될 염소 함량을 감소시킬 수 있게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)에 있어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 반응부(120)의 내측에는 제1 반응부(120)의 중심축과 편심되게 위치하며, 가연성 폐기물 및 열분해 잔류물을 이송하거나 제1 반응부(120)의 내측면에 형성된 카본 접착물을 제거할 수 있는 이송 및 코킹 제거 장치(122)가 제공될 수 있다.
이러한 이송 및 코킹 제거 장치(122)는 스크류형 피더이며, 이송 및 코킹 제거 장치(122)가 회전하는 경우 상기 제1 반응부(120)의 내측면의 일부와 연속적으로 접촉할 수 있도록 구성된다. 또한 제1 반응부(120)의 회전 속도와 동일한 또는 상이한 속도로 회전하여 카본 침적물의 제거 선능을 제어할 수 있도록 구성된다.
이러한 구성으로 인해 제1 반응부(120) 내측면을 연속적으로 긁어내어 카본 침적물이 제1 반응부(120) 내측면에 부착되는 것을 방지함으로써, 열분해로 인해 발생하는 코킹 문제를 해결할 수 있다는 효과가 발생한다.
이러한 상술된 구성에 의한 작용 원리를 간단히 요약하면 다음과 같다. 공급부(110)를 통하여 가연성 물질이 열분해부인 제1 반응부(120)에 투입되고, 제1 반응부(120)에서 가연성 물질은 직접가열장치 또는 간접가열장치에 의해 가열되어, 제1 반응부(120)에서 300℃~ 600℃로 가열하면서 수분 제거, 예열, 저온열분해, 또는 고온열분해로 가스화하여 합성가스(CO, H2, CH4 등)를 생산하고, 열분해 잔유물은 char 형태로 다음 단계인 부분산화 및 연소부인 제2 반응부(130)로 이송된다. 제2 반응부(130)에서는 직접가열장치로 가열되고 동시에 산화제를 공급하여 열분해 잔유물을 부분산화 및 연소하면서 반응온도를 600℃이상 고온을 유지하면서 합성가스(CO, H2, CH4 등) 및 부분산화 및 연소 잔유물을 생산하게 된다. 이때 열분해 잔유물에 함유된 char를 산화하여 최종적으로 배출되는 부분산화 및 연소 잔유물의 탄소함량을 10% 미만으로 유지하는 동시에 제2 반응부(130)에서 생성되는 고온의 합성가스는 제1 반응부(120)로 직접 공급되어 열분해에 필요한 에너지를 공급하거나(직접 가열식), 제1 반응부(120)를 둘러싸는 간접가열부(150)로 배가스 형태로 투입되어 열분해에 필요한 에너지를 공급하여(간접 가열식) 총 소요에너지를 절감해 준다. 또한, 산화칼슘(CaO) 파우더가 추가적으로 공급되는 경우에는 제1 기상 성분에 포함될 염소 함량을 감소시킬 수 있게 되며, 이송 및 코킹 제거 장치(122)를 사용하여 제1 반응부(120) 내측면을 연속적으로 긁어내어 카본 침적물이 제1 반응부(120) 내측면에 부착되는 것을 방지함으로써, 열분해로 인해 발생하는 코킹 문제를 해결할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(200)의 제1 구현예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(200)는 가연성 물질을 공급하는 공급부(210), 공급부(210)로부터 이송되는 가연성 물질을 건조, 예열 또는 열분해하여 제1 기상 성분 및 열분해 잔류물을 생성하는 제1 반응부(220); 및 제1 반응부(220)로부터 이송되는 열분해 잔류물을 부분산화 및 연소시켜 제2 기상 성분 및 부분산화 및 연소 잔류물을 생성하는 제2 반응부(230);를 포함한다.
공급부(210), 제1 반응부(220) 및 배출부(240)은 도 1에 도시된 연속식 열분해 유화 장치(100)의 그것과 동일한 기능을 수행하므로 그 설명은 생략하기로 한다. 또한, 도 5에 도시된 연속식 열분해 유화 장치(200)는 도 1에 도시된 연속식 열분해 유화 장치(100)와 비교했을 때, 제2 반응부가 스토커식이라는 점을 제외하고는 실질적으로 유사하므로 중복되는 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서 제1 반응부(220)는 로터리킬른으로 이루어져 있으나, 제2 반응부(230)와 유사하게 스토커(Stoker)식으로 형성될 수도 있으며, 반드시 제1 반응부 및 제2 반응부의 구성이 일정한 형태로 제한되는 것은 아님을 유의한다.
제2 반응부(230)는 제1 반응부(220)로부터 이송되는 열분해 잔류물을 도입하여 공기 또는 산소와 같은 산화제를 공급하여 약 600℃ 이상의 온도에서 부분 산화 및 연소 반응을 유도하여 열분해 잔류물에 포함된 대부분의 Char를 산화시켜 CO 또는 CO2를 발생시키고 ash(재) 성분만 남게 한다. 제2 반응부(230)는 열분해 잔류물을 그 목적에 따라, 탄화물 형태로 배출하거나, 일부는 부분 산화시키고 일부는 탄화물로 배출하거나, 대부분을 완전 연소시키고 재로만 배출할 수 있다.
이때, 제2 반응부(230)는 평행 이동 가능한 다수의 계단으로 형성되어 내부에서 생성된 물질이 스토커(Stoker)식으로 이동하게 된다. 즉, 제2 반응부(230)로 도입되는 열분해 잔류물이 첫번째 계단에 놓이게 되고 부분 산화 및 연소 과정을 거치면서, 첫번째 계단에 있던 물질을 두번째 계단으로 밀어내고, 같은 방식으로 순차적으로 다수의 계단을 거친 후에 남은 물질을 배출부(240)로 밀어낸다. 이와 같이, 제2 반응부(230)를 통해 부분산화 및 연소가 이루어지는 과정이 다수의 계단의 평행 이동에 의해 순차적이고, 연속적으로 이루어질 수 있게 된다.
이 경우, 제1 반응부(220) 및 제2 반응부(230)의 상부 및 하부 중 어느 하나 이상에는 복수의 직접가열장치가 제공되어 제1 반응부(220) 및 제2 반응부(230)를 가열할 수 있으며, 제1 반응부(220) 및 제2 반응부(230) 중 어느 하나 이상에는 산화제 공급장치가 제공되어 공기, 산소 및 스팀 중 어느 하나 이상을 공급할 수 있음은 물론이다.
도 5를 참조하면, 직접가열장치(231)가 제2 반응부(230)의 상부에 제공되어 제2 반응부(130)를 기설정된 온도로 가열할 수 있도록 구성된다. 이러한 직접가열장치(131)는 공기, 산소, 스팀, 및 가스 연료를 이용하는 버너 또는 플라즈마 발생장치 등을 이용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(200)는 제1 반응부(220)를 간접 가열하는 간접가열부(250)를 더 포함할 수 있다. 이러한 간접가열부(250)는 제1 반응부(220)의 외측면을 감싸는 형태로 설치되게 된다. 만약 제1 반응부(220)가 스토커식인 경우에는 스토커 아래 공간이 간접 가열부가 될 수 있다.
이러한 구성에 있어서, 제1 반응부(220)에서 생성된 열분해 잔류물은 제2 반응부(130)로 이송되고, 제2 반응부(130)에서 생성되는 제2 기상 성분은 제2 반응부(130)의 상부측에서 외부로 배출되어 간접가열부(250)로 이송되면서 제1 반응부(120)를 간접 가열하게 된다. 이때, 간접가열부(250)는 유입되는 제2 기상 성분이 공기 또는 산소와 혼합되어 완전 연소됨으로써 제1 반응부(220)를 간접 가열하거나 또는 직접가열장치가(231)와 같은 별도의 직접가열장치를 이용하여 간접가열부(250)를 추가적으로 가열할 수 있다.
이때, 간접가열에 사용된 배가스는 외부의 유인 송풍기(표시 안됨)에 유인되어 외부로 배출되게 된다. 제1 기상 성분 및 제2 기상 성분의 유량의 제어는 외부의 유인 송풍기(도시 안됨)을 통하여 가능하다. 이때, 제2 기상 성분의 일부 또는 전부가 외부로 배출될 수 있으며, 배출된 제2 기상 성분의 일부 또는 전부가 간접가열부(250)로 유입될 수 있다.
또한 필요에 의하여, 제1 반응부(220)로부터 배출되어 제2 반응부(230)로 이송되는 열분해 잔류물 중 고상 성분만 통과되고 기상 성분은 통과되지 못하도록 그 이동을 분리하는 2중 투입문(290)(또는 차폐 장치)을 더 형성할 수도 있다. 이러한 2중 투입문(290)의 작동 원리는 상술된 바와 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(100)의 제2 구현예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 장치(200)는 가연성 물질을 공급하는 공급부(210), 공급부(210)로부터 이송되는 가연성 물질을 건조, 예열 또는 열분해하여 제1 기상 성분 및 열분해 잔류물을 생성하는 제1 반응부(220); 및 제1 반응부(220)로부터 이송되는 열분해 잔류물을 부분산화 및 연소시켜 제2 기상 성분 및 부분산화 및 연소 잔류물을 생성하는 제2 반응부(230);를 포함한다.
공급부(210), 제1 반응부(220) 및 배출부(240)은 도 2에 도시된 연속식 열분해 유화 장치(100)의 그것과 동일한 기능을 수행함으로 그 설명은 생략하기로 한다. 또한, 도 6에 도시된 연속식 열분해 유화 장치(200)는 도 2에 도시된 연속식 열분해 유화 장치(100)와 비교했을 때, 제2 반응부가 스토커식이라는 점을 제외하고는 실질적으로 유사하므로 중복되는 구성요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
제2 반응부(230)는 제1 반응부(220)로부터 이송되는 열분해 잔류물을 도입하여 공기 또는 산소와 같은 산화제를 공급하여 약 600℃ 이상의 온도에서 부분 산화 및 연소 반응을 유도하여 열분해 잔류물에 포함된 대부분의 Char를 산화시켜 CO 또는 CO2를 발생시키고 ash(재) 성분만 남게 한다. 제2 반응부(230)는 열분해 잔류물을 그 목적에 따라, 탄화물 형태로 배출하거나, 일부는 부분 산화시키고 일부는 탄화물로 배출하거나, 대부분을 완전 연소시키고 재로만 배출할 수 있다.
이때, 제2 반응부(230)는 평행 이동 가능한 다수의 계단으로 형성되어 내부에서 생성된 물질이 스토커(Stoker)식으로 이동하게 된다. 즉, 제2 반응부(230)로 도입되는 열분해 잔류물이 첫번째 계단에 놓이게 되고 부분 산화 및 연소 과정을 거치면서, 첫번째 계단에 있던 물질을 두번째 계단으로 밀어내고, 같은 방식으로 순차적으로 다수의 계단을 거친 후에 남은 물질을 배출부(240)로 밀어낸다. 이와 같이, 제2 반응부(230)를 통해 부분산화 및 연소가 이루어지는 과정이 다수의 계단의 평행 이동에 의해 순차적이고, 연속적으로 이루어질 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서 제1 반응부(220)는 로터리킬른으로 이루어져 있으나, 제2 반응부(230)와 유사하게 스토커(Stoker)식으로 형성될 수도 있음을 유의한다.
제2 반응부(130)의 상부측 및 하부측, 그리고 제1 반응부(120)의 후단에는 직접가열장치(131)가 제공되어 제2 반응부(130) 및 제1 반응부(120)를 기설정된 온도로 가열할 수 있도록 구성된다. 이러한 직접가열장치(131)는 공기, 산소, 스팀, 및 가스 연료를 이용하는 버너 또는 플라즈마 발생장치 등을 이용할 수 있다. 한편 이러한 직접가열장치(131)는 제1 반응부(120)의 전단 및 후단 중 어느 하나 이상 및 제2 반응부(130)의 상부측 및 하부측 중 어느 하나 이상에 위치할 수 있음을 유의한다.
이러한 구성에 있어서, 제1 반응부(120)에서 생성된 열분해 잔류물은 제2 반응부(130)로 이송되고, 제2 반응부(130)에서 생성되는 제2 기상 성분은 제2 반응부(130)의 상부측에서 배출되어 제1 반응부(120)의 후단 하측을 통해 내부로 공급되어 제1 반응부(120)를 추가적으로 가열하게 되고 열분해에 필요한 에너지를 공급하게 되므로 전체 에너지 효율을 높일 수 있게 된다.
이러한 상술된 구성들에 의한 작용을 간단히 요약하면 다음과 같다. 공급부(210)를 통하여 가연성 물질이 저온열분해부인 제1 반응부(220)에 투입된다. 제1 반응부(220)에서 가연성 물질은 300℃ 내지 600℃까지 가열되면서 수분 제거, 예열, 저온열분해하여 기화되는 물질을 선택적으로 분리하여 기상 성분을 생성하고, 열분해 잔유물은 다음 단계인 부분산화 및 연소부인 제2 반응부(230)로 이송된다. 제2 반응부(230)에서는 가열장치로 가열되고 동시에 산화제를 공급하여 열분해 잔유물을 부분산화/연소하면서 반응온도를 600℃ 이상 고온을 유지하면서 합성가스(CO, H2, CH4 등) 및 부분산화 및 연소 잔유물을 생산하게 된다. 이때 열분해 잔유물에 함유된 char를 산화하여 최종적으로 배출되는 부분산화 및 연소 잔유물의 탄소함량을 10% 미만으로 유지하게 된다.
이때 제2 반응부(230)에서 생성되는 고온의 합성가스는 제1 반응부(220)를 직접 통과하면서 열분해에 필요한 에너지를 공급하여 총 소요에너지를 절감해 준다(직접 가열식).
또는 제1 반응부(220)에 간접가열부가 제공될 경우, 제2 반응부(230)에서 생성되는 고온의 합성가스가 제1 반응부(220)의 간접가열부에 투입되어 간접가열하거나 또는 직접가열장치를 사용하여 완전연소/부분산화하면서 제1 반응부(220)의 열분해에 필요한 에너지를 공급하여 총 소요에너지를 절감해 준다. 이때 제1 반응부가 스토커식인 경우에는 배가스의 일부는 스토커 사이를 통과하여 제1 반응부 내부로 이동하여 가연성 물질을 가열하고 열분해 가스와 같이 배출되기도 하며, 일부는 외부로 배출되기도 한다. 외부로 배출되는 경우 유인 송풍기(도시 안됨)에 의해 유량의 제어가 수행된다.
또한, 산화칼슘(CaO) 파우더가 추가적으로 공급되는 경우에는 제1 기상 성분에 포함될 염소 함량을 감소시킬 수 있게 된다. 제1 반응부가 스토커이면 스토커 표면에 놓인 카본 침적물을 스토커가 왕복운동을 하면서 긁어 주므로 별도의 코킹 제거장치는 필요 없다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 방법에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예에 따른 연속식 열분해 유화 방법은 (a) 가연성 물질을 공급하는 단계; (b) 상기 가연성 물질을 제1 반응부로 도입하고 건조, 예열 또는 열분해하여 제1 기상 성분 및 열분해 잔류물을 생성하는 단계; 및 (c) 상기 열분해 잔류물을 제2 반응부로 도입하고 부분산화 및 연소시켜 제2 기상 성분 및 부분산화 및 연소 잔류물을 생성하는 단계;를 포함하고, 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계에서 생성되는 물질들의 이동 수단은 로터리 킬른식 및 스토커식 중 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 제1 반응부 및 제2 반응부 중 어느 하나 이상에는 버너 또는 플라즈마 발생장치 등의 복수의 가열장치가 제공되어 각 단계에서 기 설정된 온도에 따라 제1 반응부 및 제2 반응부를 가열할 수 있으며, 제1 반응부 및 제2 반응부 중 어느 하나 이상에는 산화제 공급장치가 제공되어 공기, 산소 및 스팀 중 어느 하나 이상을 공급할 수 있다. 이때, 산화제 공급량은 그 내부에 있는 물질의 성상에 따라 조절이 가능하다.
(a) 단계에서는 다양한 종류의 가연성 물질을 호퍼(hopper)와 같은 장치를 통하여 제1 반응부로 공급한다. 이때, 공급되는 가연성 물질은 열분해의 효율을 높이기 위하여 약 1 내지 10 cm의 크기를 갖는 분쇄물 형태로 제공하는 것이 바람직하나, 더 큰 크기로 공급할 수 있으며 이는 각 단계에서의 체류시간에 따라 조정이 가능하다.
한편, (a) 단계에서, 상기 제1 반응부에 산화칼슘(CaO) 파우더를 더 공급할 수도 있다. 이러한 경우, 가연성 물질에 포함된 염소가 열분해 과정 중에서 배출될 때 산화칼슘 파우더에 흡착되어 염화물을 생성하므로 발생되는 기상 유분에 포함될 염소 함량을 감소시킬 수 있게 된다.
(b) 단계에서는 가연성 물질을 열분해할 수 있는 조건으로 운전하고 동시에 가연성 물질에 염소, 황 및 브롬과 같은 유해 성분이 함유되어 있을 경우 이를 실질적으로 저감시켜, 염소 및 브롬과 같은 할로겐 성분이 바람직하게는 약 90% 이상, 보다 바람직하게는 약 95% 이상 제거될 수 있는 조건 하에서 가연성 물질을 가열하여 건조, 예열, 또는 열분해하여 제1 기상 성분 및 열분해 잔류물을 생성한다.
(c) 단계에서는 제1 반응부로부터 이송되는 열분해 잔류물을을 도입하여 약 600℃ 이상의 온도에서 부분산화 및 연소시켜 제2 기상 성분 및 부분산화 및 연소 잔류물을 생성하게 된다. 이때 부분산화 및 연소 잔류물은 주로 재(ash)로 이루어지게 되며, 배출부를 통하여 외부로 배출되게 된다.
이때, (b) 단계 및 상기 (c) 단계에서 생성되는 물질들의 이동 수단은 로터리 킬른식 및 스토커식 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있음을 유의한다. 즉, 제1 반응부 및 제2 반응부의 형태는 어느 하나의 구성으로 제한되지 않는다.
그리고 (b) 단계에서, 상기 제1 반응부는 300℃ 내지 600℃의 온도에서 상기 가연성 물질을 열분해하게 되며, (c) 단계에서, 상기 제2 반응부는 600℃ 이상의 온도에서 상기 열분해 잔류물을 부분산화 및 연소시키게 된다.
바람직하게는, 제2 기상 성분이 제1 반응부 내부로 공급되어 상기 제1 반응부를 추가적으로 가열할 수 있다. 즉, 제1 반응부에서 생성된 열분해 잔류물은 제2 반응부로 이송되고, 제2 반응부에서 생성되는 제2 기상 성분은 제2 반응부(즉 이동 수단이 로터리킬른인 경우에는 입구측, 이동 수단이 스토커식인 경우에는 상부측)에서 배출되어 제1 반응부(즉 이동 수단이 로터리킬른인 경우에는 후단, 이동 수단이 스토커식인 경우에는 하부측)를 통해 제1 반응부 내부로 공급되어 제1 반응부를 추가적으로 가열하게 되고, 그로 인해 에너지 효율을 높일 수 있게 된다.
바람직하게는, 제1 반응부에는 즉, 제1 반응부가 로터리킬른인 경우에는 제1 반응부의 둘레측, 제2 반응부가 스토커식인 경우에는 제1 반응부의 하부측에는 제1 반응부를 간접 가열하는 간접가열부가 제공되며, 그리고 상기 제2 기상 성분이 상기 간접가열부로 공급되어 상기 제1 반응부를 간접 가열할 수 있다.
제2 반응부에서 생성되는 제2 기상 성분은 제2 반응부의 입구측(이동 수단이 스토커식인 경우에는 상부측)에서 외부로 배출되어 간접가열부로 이송되면서 제1 반응부를 간접 가열하게 된다. 이때, 간접가열부는 별도의 직접가열장치를 이용하여 간접가열부를 추가로 가열하거나, 또는 유입되는 제2 기상 성분이 공기 또는 산소와 혼합되어 완전 연소됨으로써 제1 반응부를 간접 가열할 수 있다. 이때, 제2 기상 성분의 일부 또는 전부가 외부로 배출될 수 있다. 제1 기상 성분 및 제2 기상 성분의 유량의 제어는 외부의 유인 송풍기(도시 안됨)을 통하여 가능하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 제1 반응부 및 제2 반응부가 로터리킬른식인 연속식 열분해 유화 장치(100)에 대하여 설명하고, 본 발명의 다른 실시예에서는 제1 반응부가 로터리킬른식이며 제2 반응부가 스토커식인 연속식 열분해 유화 장치(200)에 대하여 설명하였지만, 제1 반응부 및 제2 반응부가 스토커식인 연속식 열분해 유화 장치 또는 제1 반응부가 스토커식이며 제2 반응부가 로터리킬른식인 연속식 열분해 유화 장치도 본 발명의 기술적 범위에 포함됨을 유의한다.
이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.

Claims (16)

  1. 가연성 물질을 공급하는 공급부;
    상기 공급부로부터 이송되는 상기 가연성 물질을 건조, 예열 또는 열분해하여 제1 기상 성분 및 열분해 잔류물을 생성하는 제1 반응부; 및
    상기 제1 반응부로부터 이송되는 상기 열분해 잔류물을 부분산화 및 연소시켜 제2 기상 성분 및 부분산화 및 연소 잔류물을 생성하는 제2 반응부;를 포함하고,
    상기 제1 반응부 및 상기 제2 반응부에서 생성되는 물질들의 이동 수단은 로터리 킬른식 및 스토커식 중 어느 하나 이상으로 이루어지며,
    상기 제1 반응부 및 상기 제2 반응부의 출구 및 입구 중 어느 하나 이상, 또는 상부 및 하부 중 어느 하나 이상에는 복수의 직접가열장치가 제공되고,
    상기 공급부와 상기 제1 반응부 사이에 2중 투입문이 구비되어 상기 제1 반응부에 상기 가연성 물질만이 공급되고 외부 공기가 공급되는 것을 방지하고,
    상기 제1 반응부는 로터리 킬른이며,
    상기 제1 반응부의 내측에는 상기 제1 반응부의 중심축과 편심되게 위치하며 상기 가연성 폐기물 및 상기 열분해 잔류물을 이송하거나 상기 제1 반응부의 내측면에 형성된 카본 접착물을 제거할 수 있는 이송 및 코킹 제거 장치가 제공되고,
    상기 이송 및 코킹 제거 장치는 스크류형 피더로서, 회전시 회전 속도가 상기 제1 반응부의 회전 속도와 동일 또는 상이하게 변동되면서 상기 제1 반응부의 내측면의 일부와 연속적으로 접촉하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연속식 열분해 유화 장치는 제1 반응부를 간접 가열하는 간접가열부를 더 포함하고, 그리고
    상기 제2 반응부에서 생성되는 제2 기상 성분이 상기 간접가열부로 공급되어 상기 제1 반응부를 간접 가열하거나 또는 상기 간접가열부를 가열하는 복수의 직접가열장치를 이용하여 상기 간접가열부를 추가로 가열하는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연속식 열분해 유화 장치는, 상기 제1 반응부로부터 상기 제2 반응부로 이송되는 상기 열분해 잔류물 중 기체 성분의 이동을 방지할 수 있는 차폐 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반응부에서 생성되는 제2 기상 성분이 상기 제1 반응부 내부로 공급되어 상기 제1 반응부를 추가적으로 가열하는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직접가열장치는 공기, 산소, 스팀, 및 가스 연료를 이용하는 버너 또는 플라즈마 발생장치인 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 반응부는 300℃ 내지 600℃의 온도에서 상기 가연성 물질을 열분해하며, 상기 제2 반응부는 600℃ 이상의 온도에서 상기 열분해 잔류물을 부분산화 및 연소시키는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 장치.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 반응부에는 상기 제2 반응부의 외측에서 내측으로 삽입되는 렌스(lance)가 제공되고, 상기 렌스를 통하여 공기, 산소 및 스팀 중 어느 하나 이상을 공급되어 상기 부분산화 및 연소 잔류물의 완전 연소를 유도하는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 장치.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 반응부에는 산화칼슘(CaO) 파우더가 더 공급되는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 장치.
  11. (a) 가연성 물질을 공급하는 단계;
    (b) 상기 가연성 물질을 제1 반응부로 도입하고 건조, 예열 또는 열분해하여 제1 기상 성분 및 열분해 잔류물을 생성하는 단계; 및
    (c) 상기 열분해 잔류물을 제2 반응부로 도입하고 부분산화 및 연소시켜 제2 기상 성분 및 부분산화 및 연소 잔류물을 생성하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계에서 생성되는 물질들의 이동 수단은 로터리 킬른식 및 스토커식 중 어느 하나 이상으로 이루어지고,
    상기 가연성 물질이 공급되는 공급부와 상기 제1 반응부 사이에 2중 투입문이 구비되어 상기 제1 반응부에 상기 가연성 물질만이 공급되고 외부 공기가 공급되는 것을 방지하고,
    상기 제1 반응부는 로터리 킬른이며,
    상기 제1 반응부의 내측에는 상기 제1 반응부의 중심축과 편심되게 위치하며 상기 가연성 폐기물 및 상기 열분해 잔류물을 이송하거나 상기 제1 반응부의 내측면에 형성된 카본 접착물을 제거할 수 있는 이송 및 코킹 제거 장치가 제공되고,
    상기 이송 및 코킹 제거 장치는 스크류형 피더로서, 회전시 회전 속도가 상기 제1 반응부의 회전 속도와 동일 또는 상이하게 변동되면서 상기 제1 반응부의 내측면의 일부와 연속적으로 접촉하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 반응부에는 상기 제1 반응부를 간접 가열하는 간접가열부가 제공되며, 그리고 상기 제2 기상 성분이 상기 간접가열부로 공급되어 상기 제1 반응부를 간접 가열하거나 또는 상기 간접가열부를 가열하는 복수의 직접가열장치를 이용하여 상기 간접가열부를 추가로 가열하는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2 기상 성분이 상기 제1 반응부 내부로 공급되어 상기 제1 반응부를 추가적으로 가열하는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 방법.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 제1 반응부는 300℃ 내지 600℃의 온도에서 상기 가연성 물질을 열분해하며, 그리고
    상기 (c) 단계에서, 상기 제2 반응부는 600℃ 이상의 온도에서 상기 열분해 잔류물을 부분산화 및 연소시키는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 방법.
  15. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 제2 반응부에 공기, 산소 및 스팀 중 어느 하나 이상을 공급하여 상기 부분산화 및 연소 잔류물의 완전 연소를 유도하는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 방법.
  16. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 제1 반응부에 산화칼슘(CaO) 파우더를 더 공급하는 것을 특징으로 하는,
    연속식 열분해 유화 방법.
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