KR101301055B1 - 폐기물 플라즈마 용융로, 폐기물 플라즈마 용융 시스템, 및 폐기물 플라즈마 용융 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐기물을 열분해 및 용융시키는 플라즈마 용융로, 그러한 플라즈마 용융로를 포함하는 폐기물 플라즈마 용융 시스템, 및 폐기물을 열분해 및 용융시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 폐기물 플라즈마 용융로는, 폐기물을 열분해 및 용융시키는 용융로로서, 용융로의 제 1 측면에 형성되어 폐기물이 투입되는 폐기물 투입구와, 제 1 측면에 대향하는 용융로의 제 2 측면에 형성되고, 폐기물 투입구의 제 1 측면에 수직한 방향에 대하여 대각 방향에 위치하며, 용융로에서 생성되는 배기가스를 배출하는 배기가스 배출구와, 용융로 내부를 가열하는 플라즈마 토치로서, 제 1 측면과 제 2 측면을 연결하는 제 3 측면에서 제 1 측면보다 제 2 측면에 가까운 위치에 구비되어, 배기가스가 배출되기 전에 배기가스에 플라즈마가 분사될 수 있도록 하는 플라즈마 토치를 포함한다.
이로써, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 밖으로 배출되는 배기가스 중 유해성분(예를 들어, 다이옥신 등)을 최소화하는 효과를 가지며, 또한, 배기가스가 폐기물 플라즈마 용융로 내에서 이동하는 경로를 길게 하여 폐기물의 열분해 및 용융이 충분히 이루어지도록 하는 효과를 가진다. 나아가, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 내의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 효과를 가지며, 또한, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 내에서 생성된 용탕의 온도를 고온으로 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 내에서 폐기물을 안정적으로 처리할 수 있는 효과를 가진다.
이로써, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 밖으로 배출되는 배기가스 중 유해성분(예를 들어, 다이옥신 등)을 최소화하는 효과를 가지며, 또한, 배기가스가 폐기물 플라즈마 용융로 내에서 이동하는 경로를 길게 하여 폐기물의 열분해 및 용융이 충분히 이루어지도록 하는 효과를 가진다. 나아가, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 내의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 효과를 가지며, 또한, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 내에서 생성된 용탕의 온도를 고온으로 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 내에서 폐기물을 안정적으로 처리할 수 있는 효과를 가진다.
Description
본 발명은 폐기물을 열분해 및 용융시키는 플라즈마 용융로, 그러한 플라즈마 용융로를 포함하는 폐기물 플라즈마 용융 시스템, 및 폐기물을 열분해 및 용융시키는 방법에 관한 것이다.
우리나라의 생활 폐기물 발생량은 연간 30만톤을 초과하는 것으로 알려져 있고, 산업활동의 증가로 사업장 폐기물은 지속적인 증가하는 추세에 있다. 이러한 생활 폐기물 중 50% 이상은 매립 또는 소각하여 처리하고 있으며, 이러한 그 과정에서 발생하는 다이옥신 등의 유독성 물질로 인한 대기 오염, 지하수 및 토양 오염 등의 환경 오염이 사회 문제화되고 있다. 더욱이, 이러한 환경 오염으로 인해, 매립장의 확보는 더욱 어려워지고 있고, 폐기물 매립 및 소각을 위한 사회 비용은 지속적으로 증가하고 있다.
이로 인하여, 폐기물의 처리 과정에서 발생하는 환경 오염을 줄일 수 있는 기술개발에 대한 요구가 점점 강해지고 있으며, 그 연장선 상에서 최근 플라즈마를 이용한 폐기물 처리 기술이 주목받고 있다.
플라즈마를 이용한 폐기물 처리 기술은, 환경 오염을 유발하지 않을 뿐만 아니라, 폐기물을 에너지 자원으로서 재활용하고, 무기물은 유리화시켜 건설자재 등응로 재이용할 수 있도록 하는 기술이다.
구체적으로, 플라즈마를 이용한 폐기물 처리 기술은, 1400℃ 이상의 고온 상태에서 폐기물을 분해하기 때문에, 기존 소각 처리 기술에 비해 다이옥신 등의 발생을 극소화시킴과 동시에, SOx, Cl, 휘발성 금속성분(Pb, Hg, As 등)은 제거될 수 있도록 함으로써 환경오염을 획기적으로 줄일 수 있는 기술이다. 또한, 폐기물을 고온 플라즈마에 의해 열분해 및 가스화 처리함으로써, 일산화탄소 및 수소 등을 포함하는 열분해 가스를 생성시킬 수 있고, 이를 연소하여 전력 생산에 이용하거나, 가스를 분리하여 연료 전지에 사용할 수 있는 수소나 산업에 유용하게 활용할 수 있는 가스를 생산할 수 있다. 나아가, 플라즈마 용융로에 의한 폐기물 처리시 발생하는 슬래그는 유독성 중금속 물질을 용출하지 않아, 건설 및 건축 자재로 활용하는 것이 가능하다.
한편, 이러한 폐기물 처리 기술에 이용되는 플라즈마는, 열 플라즈마로서, 직류 또는 교류 아크 방전을 발생하는 플라즈마 장치 또는 고주파 자장에 의한 고주파 플라즈마 장치에 의하여 발생될 수 있다. 열 플라즈마는 전자, 이온, 중성입자로 구성된 부분 이온화된 기체로서, 국소 열 평형(local thermodynamic equibrium) 상태를 유지하여, 구성 입자가 모두 수천에서 수만도에 이르는 같은 온도를 갖는 고속의 제트 불꽃 형태를 이루고 있다.
이러한 플라즈마를 발생시키는 장치로는, 주로 플라즈마 토치가 사용된다. 플라즈마 토치는 이온화된 플라즈마 가스에 아크를 가함으로써, 극히 고온의 플라즈마 제트를 생성할 수 있는데, 통상 4000~7000℃ 범위의 고온 환경을 조성할 수 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 플라즈마 토치를 이용한 플라즈마 용융로 중에서 대표적인 방식 중 하나는, 장치 내에 플라즈마 토치로부터 강력한 플라즈마 제트를 인가하여 고온에서 폐기물을 가스화하고 잔재물은 용융물로 전환하는 방식이다.
본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 내에서 폐기물을 안정적으로 처리할 수 있는 폐기물 플라즈마 용융로, 시스템, 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 폐기물 플라즈마 용융로 밖으로 배출되는 배기가스 중 유해성분(예를 들어, 다이옥신 등)을 최소화하기 위한 폐기물 플라즈마 용융로, 시스템, 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 배기가스가 폐기물 플라즈마 용융로 내에서 이동하는 경로를 길게 하여 폐기물의 열분해 및 용융이 충분히 이루어지도록 하기 위한 폐기물 플라즈마 용융로, 시스템, 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 내의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 폐기물 플라즈마 용융로, 시스템, 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 내에서 생성된 용탕의 온도를 고온으로 유지할 수 있는 폐기물 플라즈마 용융로, 시스템, 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 방법들은 하기의 설명에 의해 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의하여 보다 분명하게 알 수 있다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명에 따른 폐기물 플라즈마 용융로는, 폐기물을 열분해 및 용융시키는 용융로로서, 용융로의 제 1 측면에 형성되어 폐기물이 투입되는 폐기물 투입구와, 제 1 측면에 대향하는 용융로의 제 2 측면에 형성되고, 폐기물 투입구의 제 1 측면에 수직한 방향에 대하여 대각 방향에 위치하며, 용융로에서 생성되는 배기가스를 배출하는 배기가스 배출구와, 용융로 내부를 가열하는 플라즈마 토치로서, 제 1 측면과 제 2 측면을 연결하는 제 3 측면에서 제 1 측면보다 제 2 측면에 가까운 위치에 구비되어, 배기가스가 배출되기 전에 배기가스에 플라즈마가 분사될 수 있도록 하는 플라즈마 토치를 포함한다.
여기서, 배기가스 배출구는 제 2 측면에서 용융로의 바닥면에 인접하게 형성되고, 플라즈마 토치는, 제 3 측면의 중앙부에 대하여 용융로의 바닥면 측에 구비되어, 플라즈마 토치로부터 분사되는 플라즈마에 의하여 배기가스가 용융로 내에서 비대칭 원형으로 선회될 수 있다.
또한, 플라즈마 토치는 바닥면을 향하여 경사지게 플라즈마를 분사할 수 있도록 구비될 수 있다.
나아가, 용융로에서 생성되는 용탕을 배출하는 용탕 배출구가, 제 3 측면에서 플라즈마 토치의 바닥면 측에 형성되어, 플라즈마 토치에서 분사되는 플라즈마에 의해 용탕이 원활한 용융 상태를 유지하도록 할 수 있다.
또한, 플라즈마 토치는 복수개이고, 복수개의 플라즈마 토치 중 어느 하나의 플라즈마 토치로부터 분사되는 플라즈마는 복수개의 플라즈마 토치 중 다른 플라즈마 토치로부터 분사되는 플라즈마에 대하여 경사지도록 분사되어, 복수개의 플라즈마 토치로부터 각각 분사되는 플라즈마는 서로 집중될 수 있다.
더불어, 복수개의 플라즈마 토치는, 제 3 측면에 수직한 방향으로 플라즈마를 분사하는 제 1 플라즈마 토치와 제 1 플라즈마 토치의 플라즈마 분사 방향에 대하여 제 1 측면 측으로 경사지도록 플라즈마를 분사하는 제 2 플라즈마 토치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 용융 시스템은, 상기한 플라즈마 용융로를 포함하고, 플라즈마 용융로의 배기가스 배출구로부터 배출되는 배기가스는 플라즈마 용융로와 연결된 가스화로로 이동된다.
여기서, 가스화로는 스팀, 탄소, 또는 공기 등의 주입으로 배기가스의 온도와 가스 조성을 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 폐기물 플라즈마 용융 방법은, 용융로 내에서 폐기물을 열분해 및 용융시키는 방법으로서, 용융로의 제 1 측면에 형성된 폐기물 투입구로부터 용융로 내로 폐기물이 투입되는 단계, 폐기물이 용융로 내에서 열분해 및 용융되는 단계, 제 1 측면과 제 1 측면에 대향하는 용융로의 제 2 측면을 연결하는 제 3 측면에 구비된 플라즈마 토치로부터, 열분해로 인해 생성된 배기가스에 플라즈마가 분사되는 배기가스의 불순물이 제거되는 단계, 불순물이 제거된 배기가스가, 제 2 측면에 형성되고 폐기물 투입구의 제 1 측면에 수직한 방향에 대하여 대각 방향에 위치하는 배기가스 배출구로 배출되는 단계를 포함한다.
여기서, 배기가스 배출구는 제 2 측면에서 제 2 측면의 중앙부에 대하여 용융로의 바닥면 측에 형성되고, 플라즈마 토치는 제 3 측면에서 용융로의 바닥면 측에 바닥면을 향하도록 경사지게 플라즈마를 분사할 수 있도록 구비되어, 플라즈마 토치로부터 분사되는 플라즈마에 의하여 배기가스가 용융로 내에서 비대칭 원형으로 선회되는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 밖으로 배출되는 배기가스 중 유해성분(예를 들어, 다이옥신 등)을 최소화하는 효과를 가지며, 또한, 배기가스가 폐기물 플라즈마 용융로 내에서 이동하는 경로를 길게 하여 폐기물의 열분해 및 용융이 충분히 이루어지도록 하는 효과를 가진다.
나아가, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 내의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 효과를 가지며, 또한, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 내에서 생성된 용탕의 온도를 고온으로 유지할 수 있다.
따라서, 본 발명은 폐기물 플라즈마 용융로 내에서 폐기물을 안정적으로 처리할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융로의 개략 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융로를 상측에서 본 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융로를 일측 방향에서 본 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융 시스템의 개략도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융로를 상측에서 본 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융로를 일측 방향에서 본 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융 시스템의 개략도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융 방법의 순서도이다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 대해서, 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
먼저, 용융로 내부를 가열하는 플라즈마 토치를 포함하여 폐기물을 열분해 및 용융시키는 용융로에 대하여 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융로의 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융로의 개략 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융로를 상측에서 본 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융로를 일측 방향에서 본 단면도이다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융로는, 용융로(1)의 제 1 측면(10)에 폐기물(3)이 용융로(1) 내부로 투입될 수 있도록 하는 폐기물 투입구(13)가 형성되어 있다. 폐기물(3)은 폐기물 투입구(13)와 연결되어 있는 폐기물 이송 장치(미도시)로부터 폐기물 투입구(13)의 근처로 이송된 후, A 방향으로 폐기물 투입구(13)를 통해 용융로(1)의 내부로 투입될 수 있다. 폐기물 이송 장치는, 일 예로, 폐기물 파쇄기 등을 거친 후 호퍼 등으로 모인 폐기물을 폐기물 투입구(13)로 이송할 수 있다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 폐기물 투입구(13)는, 용융로(1)의 제 1 측면(10)의 중앙부로부터 일측으로 편향되어 형성되어 있는데, 구체적으로, 도 2 상에서, 제 1 측면(10)의 중앙선(10C)을 기준으로, 윗쪽, 즉, 제 3 측면(30) 측의 반대측에 형성되어 있다.
한편, 폐기물 플라즈마 용융로 내로 유입된 폐기물은 열분해 및 용융 과정을 거치게 된다. 구체적으로, 폐기물은, 용융로(1) 내에 형성된 고온의 분위기에 의하여 열분해 및 용융되는데, 이러한 고온의 분위기는 제 3 측면(30)에 대향하는 면(50)에서 중앙선(50C)에 대하여 바닥면 측(40)에 형성된 예열 공기 주입구(53)에 의해 주입된 예열 공기와 플라즈마 토치(100)에 의하여 형성된다. 이러한 열분해 및 용융을 통해, 용융로(1) 내부에는 배기가스 및 가스화되지 않은 슬래그가 형성된다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 배기가스(5)는 제 1 측면(10)에 대향하는 제 2 측면(20)에 형성되어 있는 배기가스 배출구(23)를 통해 용융로(1) 밖으로 배출되게 된다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 슬래그는 바닥면(40)에 용탕(W)으로 존재하면서, 제 3 측면(30)에 형성되어 있는 용탕 배출구(43)를 통해 용융로(1) 밖으로 배출되게 된다. 여기서, 용탕 배출구(43)는 플라즈마 토치(100)의 하측, 즉, 바닥면 측(40)에 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 용융로(1)의 제 2 측면(20)에 형성되어 있는 배기가스 배출구(23)는, 용융로(1)의 제 2 측면(10)의 중앙부로부터 일측으로 편향되어 형성되어 있는데, 구체적으로, 도 2 상에서, 제 2 측면(10)의 중앙선(10C)을 기준으로, 아래쪽, 즉 제 3 측면(30) 측에 형성되어 있다. 이로써, 용융로(1) 내에서, 폐기물 투입구(13)와 배기가스 배출구(23)는 서로 대각 방향으로 위치하고 있다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 폐기물 투입구(113)는 제 1 측면(10)의 중앙선(10C)의 윗쪽에 위치하고, 배기가스 배출구(23)는 제 2 측면(20)의 중앙선(20C)의 아래쪽에 위치함으로써, 배기가스 배출구(23)는 폐기물 투입구(13)의 제 1 측면(10)에 수직한 방향에 대하여 대각 방향에 위치한다. 환언하면, 폐기물 투입구(13)에서 보았을 때, 수직한 방향에서 경사진 대각 방향에 위치한다. 이러한 폐기물 투입구(13)에 대한 배기가스 배출구(23)의 위치는, 배기가스 배출구(23)의 제 2 측면(20)에 수직한 방향에 대하여 대각 방향에 폐기물 투입구(13)가 위치하는 것으로 설명하는 것도 가능하다.
이와 같이, 폐기물 투입구(13)와 배기가스 배출구(23)가 서로 대각 방향에 위치함으로써, 폐기물 투입구(13)로부터 유입된 폐기물이 용융로(1) 내에서 이동하는 경로가 길어질 수 있고, 이로써, 유입된 폐기물이 열분해 및 용융되는 시간을 충분히 확보할 수 있다. 이 뿐만 아니라, 폐기물 투입구(13)와 배기가스 배출구(23)를 최대한 이격시킬 수 있어, 충분히 가열되지 않아 열분해 또는 용융되지 않은 폐기물의 성분들이 배기가스 배출구(23)로 배출되는 배기가스에 미칠 수 있는, 배기가스 온도 저하의 영향을 최소화할 수 있다.
플라즈마 토치(100)는, 용융로(1) 내를 가열하여 고온의 분위기로 유지함과 동시에 용탕을 용융된 상태로 원활하게 유지하는 기능을 수행하게 되는데, 폐기물 투입구(13)가 형성되는 제 1 측면(10)과 배기가스 배출구(23)가 형성되는 제 2 측면(20)을 연결하는 제 3 측면(30) 상에 구비된다. 구체적으로, 제 3 측면(30) 상에 형성된 플라즈마 토치 설치구(33a, 33b)에 플라즈마 토치(100)가 길이방향으로 끼워져 설치됨으로써, 제 3 측면(30) 상에 구비된다. 여기서, 플라즈마 토치(100)는 아크 방전에 의하여 열 플라즈마를 발생시키는 토치일 수 있다.
여기서, 플라즈마 토치(100)는 제 3 측면(30)에서 제 1 측면(10)보다 제 2 측면(20)에 가까운 위치에 구비될 수 있다. 즉, 도 2 상에서, 제 3 측면(30)의 중앙선(30C)을 기준으로 우측, 즉, 제 2 측면(20) 측에 구비될 수 있다. 이로써, 플라즈마 토치(100)는, 용융로(1) 내에서 형성된 배기가스(5)가 제 2 측면(20)에 형성되어 있는 배기가스 배출구(23)로 배출되기 전에, 배기가스(5)에 고온의 플라즈마(P)를 분사할 수 있다. 이와 같이, 배기가스(5)가 배출되기 전에 플라즈마에 노출시킴으로써, 배기가스에 남아있을 수 있는 유해가스, 예를 들어, 다이옥신 등의 성분을 폴리싱(polishing) 할 수 있음으로써, 용융로 내에서 유해가스가 유출될 수 있는 위험을 최소화 시킬 수 있다.
한편, 플라즈마 토치(100)는, 용융로(1)의 제 3 측면(30)에서, 제 3 측면(30)의 중앙부에 대하여 용융로(1)의 바닥면(40) 측, 구체적으로 도 3 상에서, 제 3 측면(30)의 중앙선(30C)에 대하여 아래쪽, 즉 바닥면(40) 측에 구비될 수 있다. 이로써, 플라즈마 토치(100)로부터 분사되는 플라즈마(P)에 의해 배기가스에 회전력을 부여할 수 있으며, 이로써, 배기가스는 용융로(1) 내에서 선회(도 3의 R 방향)되게 된다.
이와 같이, 배기가스가 용융로(1) 내에서 선회(R)되게 되면, 배기가스에 존재할 수 있는 비산물 등이 용융로(1) 내에서 배출되는 것을 최대한 억제할 수 있다.
즉, 배기가스가 용융로(1) 내에서 선회(R)되면, 배기가스에 존재하는 비산물들이 회전 반경 방향으로 원심력을 받게 되고, 이로써, 용융로(1) 내면의 근방으로 밀려나게 된다. 이로써, 비산물은 용융로(1) 내면에 점착되거나 용융로(1) 내부를 돌아다니며 용융로(1) 내에 더욱 체류되게 되고, 용융로(1) 외부로 배출되는 양이 최소화된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배기가스가 배기가스 배출구(23)로 배출되기 전에 플라즈마 토치(100)로부터 분사되는 플라즈마에 대면하게 되므로, 상기 용융로(1) 내부면의 근방으로 밀려난 비산물이 배기가스 배출구(23) 근처의 위치로 오게 되더라도, 플라즈마(P)에 의하여 재차 선회되면서 비산물의 배출이 최소화된다. 이로써, 본 발명의 일 실시예에서는, 배기가스 배출구(23)로 비산물이 배출되는 것을 막기 위하여, 배기가스 배출구(23) 부근 등에 격벽을 설치하는 등의 별도의 구성이 필요하지 않으며, 이로써 격벽의 설치 비용 및 고온의 환경하에서 발생할 수 있는 격벽 보수 비용을 절감할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융로에 의하면, 플라즈마 토치(100)가 제 3 측면(30)에서 제 1 측면(10)보다 제 2 측면(20)에 가깝게 위치되어 제 3 측면(30)의 중앙부로부터 이격되어 위치되어 있으므로, 플라즈마 토치(100)에서 분사되는 플라즈마(P)에 대면하여 회전력을 부여받은 배기가스가 그 이동 방향에 수직인 방향에 대하여 공간적으로 비대칭인 공간에 직면하게 된다. 환언하면, 배기가스의 이동 방향에 수직인 방향에 대하여 양쪽 공간[제 1 측면(10) 측의 공간 및 제 2 측면(20) 측의 공간]이 대칭적이지 않으므로, 배기가스는 비대칭 원형의 형상으로 선회됨과 동시에, 상기 양쪽 공간의 사이에서 비층류(non-laminar)의 흐름을 보이게 된다. 이로써, 용융로(1) 내에서 선회(R)되는 배기가스는 단면이 비대칭 원형(도 3의 R 참조)인 형상으로 선회되게 될 뿐만 아니라, 용융로(1) 내에서 이동되는 경로가 길어지게 되고, 나아가 배기가스가 난류화되면서 용융로(1) 내부에서 열교환이 활성화되어 용융로(1) 내부의 온도를 균일하게 할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융로에 따르면, 플라즈마 토치(100)가, 용융로(1)의 바닥면(40)을 향하여 경사지게 플라즈마를 분사할 수 있도록 구비됨으로써, 배기가스에 부여되는 회전력을 증강시킬 수 있으며, 이로써, 배기가스는 용융로(1) 내에서 더욱 선회되게 된다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마 토치(100)로부터 플라즈마(P)가 바닥면(40)을 향하여 경사지게 분사되도록 하기 위하여, 용융로(1)의 제 3 측면(30)에 바닥면(40)을 향하여 경사지도록 형성된 경사면(35)을 형성하고, 플라즈마 토치(100)를 경사면(35)의 경사 방향에 대하여 수직으로 형성된 플라즈마 토치 설치구(33)에 길이 방향으로 끼워 설치할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 상기 경사면(35)을 형성하지 않고, 플라즈마 토치 설치구(33)를 용융로(1)의 바닥면(40)을 향하여 경사지도록 형성하고, 여기에 플라즈마 토치(100)를 길이 방향으로 끼워 설치함으로써, 플라즈마(P)가 바닥면(40)을 향하여 경사지도록 분사되도록 할 수도 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융로에 포함도는 플라즈마 토치(100)는 복수개 구비될 수 있다. 여기서, 예를 들어, 플라즈마 토치(100)가 2개 구비된 경우, 제 2 플라즈마 토치(100b)로부터 분사되는 플라즈마는 제 1 플라즈마 토치(100a)로부터 분사되는 플라즈마에 대하여 경사지도록 분사되어, 제 1 플라즈마 토치(100a)로부터 분사되는 플라즈마와 제 2 플라즈마 토치(100b)로부터 분사되는 플라즈마가 서로 집중될 수 있도록 할 수 있다. 이로써, 본 발명의 실시예에 따른 용융로(1)에서 발현되는, 플라즈마의 효과, 예를 들어, 용탕의 원활한 용융 상태 유지 및 배기가스의 불순물 제거 효과 등을 극대화 할 수 있다.
나아가, 폐기물 플라즈마 용융로(1)에 구비되는 플라즈마 토치(100)를 복수개 구비하되, 플라즈마 토치(100)의 플라즈마(P) 분사 방향이 조절됨으로써, 배기가스가 용융로(1) 내부에서 이동되는 경로가 길어지도록 할 수 있어, 배기 가스 내의 불순물 제거가 극대화됨과 동시에 용융로(1) 내부 온도를 균일하게 유지할 수 있다. 이 경우, 복수개의 플라즈마 토치(100)는, 제 3 측면(30)에 수직한 방향으로 플라즈마(P)를 분사하는 제 1 플라즈마 토치(100a)와 제 1 플라즈마 토치(100a)의 플라즈마(P) 분사방향에 대하여 제 1 측면(10) 측으로 경사지도록 플라즈마(P)를 분사하는 제 2 플라즈마 토치(100b)를 포함할 수 있다..
이에 대하여, 플라즈마 토치(100)가 2개 마련된 경우를 예를 들어, 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 플라즈마 토치(100a)는 제 3 측면(30)에 대략 수직으로 플라즈마(P)를 분사하고 있으나, 제 2 플라즈마 토치(100b)는 제 3 측면(30)에 대략 수직인 방향에서 제 1 측면(10) 쪽으로 경사지도록 플라즈마(P)를 분사하고 있다.
이와 같이, 제 2 플라즈마 토치(100b)가 제 1 측면(10) 쪽으로 경사지도록 플라즈마(P)를 분사하면, 플라즈마에 대면한 배기가스는, 제 3 측면(30)에 수직인 방향뿐만 아니라, 제 1 측면(10) 쪽으로도 힘을 받게 되므로, 회전과 동시에 제 1 측면(10) 쪽으로 이동(도 2의 R 방향)되게 된다. 따라서, 배기가스는 제 2 측면(20)에 형성되어 있는 배기가스 배출구(23)로부터 멀어지게 되어, 용융로(1) 내부에서 배기가스가 배출되기 까지의 이동 경로는 더욱 길어지게 되고, 이로써, 배기 가스 내의 불순물 제거및 용융로(1) 내부의 온도 균일성 확보가 더욱 효율적으로 이루어질 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융로(1)는, 용융로(1) 내에서 생성되는 용탕(W)을 배출하는 용탕 배출구(43)를 더 포함할 수 있다. 용융로(1)에서 가스화되지 않은 무기물 등의 슬래그는 용융로(1) 내의 고온에 의하여 용탕(W)을 생성하게 되는데, 도 3에 도시된 바와 같이, 용탕 배출구(43)는 제 3 측면(30)에서, 플라즈마 토치(100)의 하측에 형성되어, 플라즈마 토치(100)에 근접하도록 형성될 수 있다. 이로써, 플라즈마 토치(100)로부터 분사되는 플라즈마에 의해, 적어도 용탕 배출구(43) 근처에서 용탕(W)은 원활한 용융 상태를 유지할 수 있다. 이와 같이 원활한 용융 상태가 유지되는 용탕(W)은 용탕 배출구(43)로 용이하게 배출될 수 있어, 용탕(W)의 고체화 등으로 인해 용탕 배출구(43)가 막히게 되는 문제점을 원천적으로 차단할 수 있다. 이로써, 용탕 배출구(43) 막힘 등의 문제 발생으로 인한, 용융로(1)의 유지 및 보수 비용을 절감할 수 있음은 물론이다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융로(1)에는, 용탕 배출구(43)가 플라즈마 토치(100)에 가깝게 배치되어 있는데, 이로써 제 1 측면(10)에 형성되어 있는 폐기물 투입구(3)로부터 멀게 배치되게 된다. 이러한 배치로 인하여, 용탕 배출구(43) 부근에 존재하는 용탕은, 폐기물 유입구(43)로부터 새롭게 투입되는 폐기물로부터 충분히 이격될 수 있어, 이러한 폐기물로 인해 용탕이 식거나 유동에 이상이 발생할 수 있는 문제점을 없앨 수 있다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융 시스템에 대하여 설명하도록 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융 시스템은, 앞서 구체적으로 설명한 폐기물 플라즈마 용융로(1)를 포함하고, 폐기물 플라즈마 용융로(1)에 형성되어 있는 배기가스 배출구(23)로부터 배출되는 배기가스가, 연결로(23a)를 통해 플라즈마 용융로(1)와 연결된 가스화로(2)로 이동되게 된다. 가스화로(2)에서는 스팀, 탄소, 또는 공기 등의 주입으로 배기가스의 온도와 가스 조성을 조절할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융 시스템에서는 폐기물 플라즈마 용융로(1)와 가스화로(2)를 분리시킴으로써, 폐기물의 열분해 및 용융 제어와 배기가스의 제어를 독립적으로 수행될 수 있도록 함으로써, 제어의 용이성을 확보하는 효과를 갖게 된다.
또한, 도 5를 참조하여, 앞서 구체적으로 설명한, 폐기물 플라즈마 용융로(1)를 이용한 플라즈마 용융 방법에 대하여 설명하도록 한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 폐기물 플라즈마 용융 방법은, 용융로의 제 1 측면에 형성된 폐기물 투입구(13)로부터 용융로(1) 내로 폐기물이 투입되는 단계(S1)와, 용융로(1) 내로 투입된 폐기물이 용융로(1) 내에서 열분해 및 용융되는 단계(S2)를 포함한다. 또한, 제 1 측면(10)과 제 1 측면(10)에 대향하는 용융로(1)의 제 2 측면(20)을 연결하는 제 3 측면(30)에 구비된 플라즈마 토치(100)로부터, 열분해로 인해 생성된 배기가스에 플라즈마(P)가 분사되어, 배기가스의 불순물이 제거되는 단계(S3)를 포함한다. 이렇게 불순물이 제거된 배기가스는, 제 2 측면에 형성되고 폐기물 투입구의 제 1 측면에 수직한 방향에 대하여 대각 방향에 위치하는 배기가스 배출구로 배출되는 단계(S4)를 포함한다. 이와 같이, 배기가스(5)가 배출되기 전에 플라즈마(P)에 노출되어, 배기가스에 포함되어 있는 유해가스 등의 불순물이 그 배출 전에 폴리싱(polishing) 됨으로써, 용융로 내에서 유출될 수 있는 불순물이 최소화 될 수 있다.
또한, 상기 S3 단계의 다음 또는 S3 단계와 동시에 이루어지는 단계로서, 배기가스 배출구(23)는, 제 2 측면(10)에서 제 2 측면(10)의 중앙부에 대하여 용융로(1)의 바닥면(40) 측에 형성되고, 플라즈마 토치(100)는 제 3 측면(30)에서 용융로(1)의 바닥면(40) 측에 바닥면(40)을 향하도록 경사지게 구비되어, 플라즈마 토치(100)로부터 분사되는 플라즈마(P)에 의하여 배기가스가 용융로 내에서 비대칭 원형으로 선회(R)되는 단계를 더 포함함으로써, 배기가스에 포함되어 있는 불순물이 상기 배기가스로부터 분리될 수 있도록 할 뿐만 아니라, 용융로(1) 내의 온도의 균일성을 확보할 수 있는 효과를 달성할 수 있다.
이상 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
예를 들어, 플라즈마 토치로부터 분사되는 플라즈마의 집중을 위해, 플라즈마 토치가 복수개 구비되고 플라즈마의 분사 방향을 조절하여 플라즈마가 집중되면 되는 것이므로, 플라즈마 토치의 위치가 상기한 실시예에 한정되는 것이 아님은 물론이다.
또한, 본 명세서에서 사용된 "중앙선" 및 "중앙부"는 어느 일 측면에서 정밀하게 중앙인 위치에서의 동 측면에 수직인 선 및 그 부분을 포함할 뿐 아니라, 대략 중앙으로 볼 수 있는 위치에서의 동 측면에 수직인 선 및 그 부분을 의미할 수 있은 자명하다.
10; 제 1 측면 13: 폐기물 투입구
20: 제 2 측면 23: 배기가스 배출구
30: 제 3 측면 40: 바닥면
43: 용탕 배출구 53: 예열 공기 주입구
100: 플라즈마 토치 P: 플라즈마
W: 용탕
20: 제 2 측면 23: 배기가스 배출구
30: 제 3 측면 40: 바닥면
43: 용탕 배출구 53: 예열 공기 주입구
100: 플라즈마 토치 P: 플라즈마
W: 용탕
Claims (10)
- 폐기물을 열분해 및 용융시키는 용융로로서,
상기 용융로의 제 1 측면에 형성되어 상기 폐기물이 투입되는 폐기물 투입구와,
상기 제 1 측면에 대향하는 상기 용융로의 제 2 측면에서 상기 용융로의 바닥면에 인접하게 형성되는 배기가스 배출구로서, 상기 폐기물 투입구의 상기 제 1 측면에 수직한 방향에 대하여 상기 제 1 측면과 상기 제 2 측면을 연결하는 제 3 측면 쪽으로 경사진 방향에 위치하며, 상기 용융로에서 생성되는 배기가스를 배출하는 배기가스 배출구와,
상기 용융로 내부를 가열하는 플라즈마 토치로서, 상기 제 3 측면에서 상기 제 1 측면보다 상기 제 2 측면에 가까운 위치에 구비되어, 상기 배기가스가 배출되기 전에 상기 배기가스에 플라즈마가 분사될 수 있도록 하는 플라즈마 토치를 포함하는
폐기물 플라즈마 용융로. - 제 1 항에 있어서,
상기 플라즈마 토치는, 상기 제 3 측면의 중앙부에 대하여 상기 용융로의 바닥면 측에 구비되어, 상기 플라즈마 토치로부터 분사되는 상기 플라즈마에 의하여 상기 배기가스가 상기 용융로 내에서 비대칭 원형으로 선회하는
폐기물 플라즈마 용융로. - 제 2 항에 있어서,
상기 플라즈마 토치는 상기 바닥면을 향하여 경사지게 플라즈마를 분사할 수 있도록 구비되는
폐기물 플라즈마 용융로. - 제 2 항에 있어서,
상기 용융로에서 생성되는 용탕을 배출하는 용탕 배출구가, 상기 제 3 측면에서 상기 플라즈마 토치의 상기 바닥면 측에 형성되어, 상기 플라즈마 토치에서 분사되는 플라즈마에 의해 상기 용탕이 용융 상태를 유지하도록 하는
폐기물 플라즈마 용융로. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라즈마 토치는 복수개이고,
상기 복수개의 플라즈마 토치 중 어느 하나의 플라즈마 토치로부터 분사되는 플라즈마는 상기 복수개의 플라즈마 토치 중 다른 플라즈마 토치로부터 분사되는 플라즈마에 대하여 경사지도록 분사되어, 상기 복수개의 플라즈마 토치 중 2개 이상의 플라즈마 토치로부터 분사되는 플라즈마는 서로 집중되는
폐기물 플라즈마 용융로. - 제 5 항에 있어서,
상기 복수개의 플라즈마 토치는, 상기 제 3 측면에 수직한 방향으로 플라즈마를 분사하는 제 1 플라즈마 토치와 상기 제 1 플라즈마 토치의 플라즈마 분사방향에 대하여 상기 제 1 측면 측으로 경사지도록 플라즈마를 분사하는 제 2 플라즈마 토치를 포함하는
폐기물 플라즈마 용융로. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 플라즈마 용융로를 포함하고,
상기 플라즈마 용융로의 상기 배기가스 배출구로부터 배출되는 배기가스는 상기 플라즈마 용융로와 연결된 가스화로로 이동되는
폐기물 플라즈마 용융 시스템. - 제 7 항에 있어서,
상기 가스화로는 스팀, 탄소, 또는 공기의 주입으로 배기가스의 온도와 가스 조성을 조절할 수 있는
폐기물 플라즈마 용융 시스템. - 용융로 내에서 폐기물을 열분해 및 용융시키는 방법으로서,
상기 용융로의 제 1 측면에 형성된 폐기물 투입구로부터 상기 용융로 내로 폐기물이 투입되는 단계,
상기 폐기물이 상기 용융로 내에서 열분해 및 용융되는 단계,
상기 제 1 측면과 상기 제 1 측면에 대향하는 상기 용융로의 제 2 측면을 연결하는 제 3 측면에 구비된 플라즈마 토치로부터, 상기 열분해로 인해 생성된 배기가스에 플라즈마가 분사되어 상기 배기가스의 불순물이 제거되는 단계,
상기 불순물이 제거된 배기가스가, 상기 제 2 측면에서 상기 제 2 측면의 중앙부에 대하여 상기 용융로의 바닥면 측에 형성되는 배기가스 배출구로서, 상기 폐기물 투입구의 상기 제 1 측면에 수직한 방향에 대하여 상기 제 3 측면 쪽으로 경사진 방향에 위치하는 배기가스 배출구로 배출되는 단계를 포함하는
폐기물 플라즈마 용융 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 플라즈마 토치는 상기 제 3 측면에서 상기 용융로의 바닥면 측에 상기 바닥면을 향하도록 경사지게 플라즈마를 분사할 수 있도록 구비되어,
상기 플라즈마 토치로부터 분사되는 상기 플라즈마에 의하여 상기 배기가스가 상기 용융로 내에서 비대칭 원형으로 선회되는 단계를 더 포함하는
폐기물 플라즈마 용융 방법.
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