KR101309559B1

KR101309559B1 - 폐폴리머 절연물 처리장치 및 방법

Info

Publication number: KR101309559B1
Application number: KR1020100095340A
Authority: KR
Inventors: 천성남; 박철배; 이병성
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2013-09-24
Also published as: KR20120033682A

Abstract

본 발명은 폐폴리머 절연물 처리장치 및 방법에 관한 것으로, 폐폴리머 절연물의 열분해가 일어나는 열분해 장치; 열분해 장치와 연결되어 열분해 장치에서 생성된 열분해 가스에 플라즈마를 공급하는 플라즈마 장치; 플라즈마 장치와 연결되어 열분해 가스의 가스화 반응이 일어나는 가스화 반응장치; 가스화 반응장치와 연결되어 가스화 반응으로 얻어진 가스를 냉각시키는 냉각장치; 냉각장치와 연결되어 냉각된 가스를 정제하는 세정장치; 및 세정장치와 연결되어 정제된 가스를 회수하는 가스회수장치를 포함하는 폐폴리머 절연물 처리장치를 제공한다.

Description

폐폴리머 절연물 처리장치 및 방법{Apparatus and method for treating waste polymer insulators}

본 발명은 전력분야에서 사용되는 폴리머 절연물의 사용 후 발생하는 폐기물을 매립이나 소각에 의해 처리할 때 생기는 오염물의 발생과 2차 오염의 문제를 해결하고, 높은 발열량을 가지는 폐폴리머 절연물로부터 에너지를 회수하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다.

재료기술의 발전과 함께 전력분야에서 사용하는 애자(insulator)에도 폴리머 재료의 절연재료 사용이 증가하고 있다. 폴리머 절연재료는 절연성능의 우수성, 경량으로 인한 작업의 용이성, 낮은 가격 등으로 향후에도 사용이 급증할 것으로 예상되고 있다.

폴리머 전력기자재들은 옥외에서 사용되는 경우가 많으며, 옥외사용 환경에서는 폴리머 재료가 기온변화, 수분 및 자외선 등과 같은 각종 환경 인자 및 사용조건에 의해 물리적 또는 화학적인 스트레스를 받게 된다. 폴리머 재료는 그 특성상 이들이 옥외에서 장기간 사용되는 경우 열화가 일어나게 되며, 이로 인해 사용수명을 가지는 것으로 알려져 있다. 폴리머 재료의 수명은 노출되는 환경인자나 사용조건에 따라 다르게 결정되며, 아직까지 이들에 대한 연구가 진행 중에 있어 옥외 사용 폴리머 기자재의 수명을 단언하기는 곤란하지만, 8년에서 20년 정도에 이를 것으로 추정하고 있고, 이들 기자재가 수명 종기에 이르면 폐기물로 배출된다.

따라서 이들 폐기물을 경제적이며 친환경적으로 처리하기 위한 적절한 대책이 요구된다. 전력 폐기물의 처리는 모아진 폐기자재로부터 금속류와 같은 유가물을 먼저 회수한 후, 남겨진 폐기물을 매립하거나 소각하는 과정을 통해 이루어진다. 폐기물의 매립은 지금까지 가장 간단한 폐기물의 처리 방법으로 알려져 왔지만, 점차 증가하는 매립지 부족과 특히 침출수의 문제나 지하수 오염과 같은 2차 오염의 문제를 야기할 수 있어 적절한 대안으로 선정하기 곤란한 것으로 판단된다. 폐기물의 소각은 최종 처분해야 할 폐기물의 양을 줄일 수 있는 이점이 있기는 하지만, 소각과정에서 연소 불안정으로 인한 대기오염물질의 배출이 일어날 수 있고, 특히 염소를 포함하는 폐기물을 소각하는 경우에는 저온 연소영역에서 다이옥신과 같은 유해가스를 생성하는 것으로 보고되고 있으므로, 향후 적절한 폐기물 처리대안으로 선정하기에는 문제를 가지고 있다.

전력분야에서 사용하는 폴리머 재료는 처리 대안을 찾기에 유리한 조건을 가지고 있다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드(PVC), 가교 폴리에틸렌, 실리콘 및 천연고무 등이 폴리머 절연재료의 기저 폴리머로 사용되고 있는 주요 물질이다. 이처럼 한정된 종류의 폴리머 재료들이 사용되고 이들은 서로 유사한 물성을 가지기 때문에, 이들을 처리하기 공정의 구성이 복잡한 구성을 가지는 폐기물에 비해 상대적으로 용이할 수 있다. 또한, 전력분야에 사용되는 폴리머 재료는 표 1에 나타낸 것처럼 높은 열량을 가지고 있다.

절연재료로 사용되는 대표적 폴리머 재료들의 열량

폴리머 재료명	열량(kcal/kg)
폴리에틸렌(PE) 폴리프로필렌(PP) 폴리비닐클로라이드(PVC) 폴리스틸렌(PS)	11,110 11,000 4,380 9,950

표 1에 나타낸 바와 같이, 절연재료에 사용되는 폴리머 재료들은 10,000 kcal/kg을 넘어서는 열량을 가지는 것으로 나타나서, 일반적인 생활쓰레기가 가지는 열량(약 3,000 kcal/kg 이하)의 약 3배에 이르는 열량을 가지는 것으로 알려진 바, 이를 효과적으로 회수하여 재이용하는 방안이 강구되면, 폐기물의 처리비용을 줄일 수 있음은 물론 폐기물 자원화를 통한 자원재순환의 목적도 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 폴리머 재료에 포함된 열량을 회수하는 보다 능동적인 폐기물 처리 방법을 확보하는 것이 필요한 것으로 판단된다.

전력분야에서 배출되는 폴리머 절연폐기물과 유사한 물성을 가지는 폐기물로는 쓰레기 중에 포함된 플라스틱이 대표적이다. 이들 플라스틱 폐기물은 매립 및 소각 처리시 발생하는 환경적인 문제들을 피하고 이들을 재이용하기 위한 방안의 하나로, 대한민국 특허 등록 제256401호(2000.05.15 공고)에는 열분해 기술이 제안되어 있으나, 이 기술은 투입되는 폐기물에 포함된 낮은 열량, 다양한 플라스틱 폐기물의 혼입으로 인한 공정조건 제어의 어려움, 공기를 열 공급원의 하나로 사용함에 따른 가스 생성량 증가와 이로 인한 생성가스의 낮은 열량 등으로 인해 사용이 제한되는 문제를 안고 있다. 또한, 일부 방법은 열분해가 필요 없는 부분에까지 에너지를 공급함에 따라, 재료의 변성이나 이후 재이용을 위해 냉각하는 경우 에너지를 회수하지 못하는 등의 문제가 있어서, 재료 및 에너지의 회수방법에서 효과적이지 못했다.

본 발명은 종래기술에서 나타난 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 비교적 높은 열량을 가지는 폴리머 절연폐기물을 효과적으로 처리할 뿐 아니라 재이용 가능한 가스를 얻는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 폐폴리머 절연물의 열분해가 일어나는 열분해 장치; 열분해 장치와 연결되어 열분해 장치에서 생성된 열분해 가스에 플라즈마를 공급하는 플라즈마 장치; 플라즈마 장치와 연결되어 열분해 가스의 가스화 반응이 일어나는 가스화 반응장치; 가스화 반응장치와 연결되어 가스화 반응으로 얻어진 가스를 냉각시키는 냉각장치; 냉각장치와 연결되어 냉각된 가스를 정제하는 세정장치; 및 세정장치와 연결되어 정제된 가스를 회수하는 가스회수장치를 포함하는 폐폴리머 절연물 처리장치를 제공한다.

본 발명에서 열분해 장치는 폐폴리머 절연물을 수용하는 용기, 및 용기에 열을 공급하는 열공급 장치를 구비할 수 있으며, 상기 열공급 장치는 전기로인 것이 바람직하다.

본 발명의 처리장치는 열분해 장치에 설치되어 열분해 가스를 후단의 장치에 이송하는 이송가스를 공급하는 이송용 가스 공급장치를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 이송가스는 불활성 가스인 것이 바람직하다.

본 발명의 처리장치는 열분해 장치와 연결되어 처리할 폐폴리머 절연물을 열분해 장치에 일정하게 공급하는 정량공급장치를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 정량공급장치는 저면에 원형 홈을 갖는 디스크 형태의 회전판, 회전판의 하부에 설치되는 배출구, 및 회전판과 연결되어 폐폴리머 절연물의 공급 속도를 조절하는 모터를 구비할 수 있다.

본 발명에서 열분해 장치의 상부는 상방향으로 좁아지는 구조를 갖는 것이 바람직하며, 열분해장치와 플라즈마 장치의 연결부에는 내부 이중관이 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 처리장치는 열분해장치와 연결되어 열분해 잔류물을 회수하는 열분해 잔류물 회수장치를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 열분해 잔류물 회수장치는 열분해 장치의 하부에 설치되는 연속식 이송장치, 및 연속식 이송장치에 의해 이송된 열분해 잔류물을 저장하는 잔류물 저장탱크를 구비할 수 있다.

본 발명에서 플라즈마 장치는 플라즈마를 형성하는 플라즈마 토치, 및 플라즈마 토치에 전원을 공급하는 전원공급장치를 구비할 수 있으며, 상기 플라즈마 토치는 직류 아크 플라즈마 토치인 것이 바람직하다.

본 발명에서 가스화 반응장치는 내부 표면에 형성되어 선회류를 생성하는 선회류 생성 돌기, 가스화 반응장치에 산소를 공급하는 산소공급장치, 및 가스화 반응장치에 수분을 공급하는 수분공급장치를 구비할 수 있으며, 상기 수분공급장치는 가스화 반응장치 내부의 플라즈마 제트 영역에 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 냉각장치는 내부 냉각기와 외부 냉각기로 구성되며, 냉각장치의 상부에는 냉각장치와 편심을 이루는 냉각장치 유입구가 설치되고, 냉각장치의 하부에는 입자상 물질 포집구가 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 세정장치는 먼지포집장치, 스크러버, 가스분리장치 중에서 1종 이상을 구비할 수 있다.

본 발명에서 가스회수장치는 수소가스를 회수하여 저장하는 장치일 수 있다.

본 발명의 처리장치는 세정장치와 연결되어 처리가스의 배출에 의해 전체 공정 계통의 안전을 확보하는 배출계통, 배출계통의 후단에 설치되어 전체 공정의 압력을 조정하고 가스의 이송을 가능하게 하는 진공펌프, 배출계통에 설치되어 가스의 압력을 감지하는 압력감지장치, 및 압력감지장치와 연결되어 설정 압력 이상일 때 자동으로 작동하여 대기 중으로 가스를 배출하는 안전밸브를 추가로 구비할 수 있다.

또한, 본 발명은 열분해 장치에서 폐폴리머 절연물을 열분해시키는 단계; 열분해 장치와 연결된 플라즈마 장치에서 열분해 장치로부터 생성된 열분해 가스에 플라즈마를 공급하는 단계; 플라즈마 장치와 연결된 가스화 반응장치에서 플라즈마로 열분해 가스를 가스화 반응시키는 단계; 가스화 반응장치와 연결된 냉각장치에서 가스화 반응으로 얻어진 가스를 냉각시키는 단계; 냉각장치와 연결된 세정장치에서 냉각장치에 의해 냉각된 가스를 정제하는 단계; 및 세정장치와 연결된 가스회수장치에서 세정장치에 의해 정제된 가스를 회수하는 단계를 포함하는 폐폴리머 절연물 처리방법을 제공한다.

본 발명에 따른 열분해 단계에서 폐폴리머 절연물을 열분해 장치의 용기에 넣고, 열공급 장치로서 전기로를 사용하여 전열방식으로 가열하는 것이 바람직하다.

본 발명의 처리방법에서 열분해 장치에 이송용 가스 공급장치를 설치하여 열분해 장치에 이송가스로서 불활성 가스를 공급함으로써 열분해 가스를 후단의 장치까지 이송할 수 있다.

본 발명의 처리방법에서 열분해 장치에 정량공급장치를 설치하여 폐폴리머 절연물을 열분해 장치에 일정하게 공급할 수 있는데, 이때 정량공급장치에 설치된 디스크 형태의 회전판을 회전시키고, 폐폴리머 절연물을 회전판의 저면에 형성된 원형 홈에 충전시킨 후, 회전판의 하부에 설치된 배출구와 일치할 경우 배출되는 폐폴리머 절연물을 배출구와 연결된 연결관을 통해 열분해장치로 공급하고, 회전판과 연결된 모터로 폐폴리머 절연물의 공급 속도를 조절할 수 있다.

본 발명의 처리방법에서 열분해 장치의 상부를 상방향으로 좁아지는 구조로 설계하여 열분해가스의 체류시간을 줄이는 것이 바람직하다.

본 발명의 처리방법에서 열분해장치와 플라즈마 장치의 연결부에 내부 이중관을 설치하여 열분해가스의 냉각을 최소화하는 것이 바람직하다.

본 발명의 처리방법에서 열분해장치의 하부에 열분해 잔류물 회수장치로서 연속식 이송장치를 설치하여 열분해 잔류물을 연속적으로 이송시킨 후, 잔류물 저장탱크에 저장하여 열분해 잔류물을 회수할 수 있다.

본 발명의 처리방법에서 플라즈마 장치에 설치된 플라즈마 토치에 전원을 공급하여 플라즈마를 형성할 수 있는데, 플라즈마 토치로서 직류 아크 플라즈마 토치를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 처리방법에서 가스화 반응장치의 내부 표면에 돌기를 형성하여 선회류를 생성하는 것이 바람직하고, 가스화 반응장치에 산소공급장치와 수분공급장치를 설치하여 가스화 반응장치에 산소 및 수분을 공급할 수 있는데, 수분공급장치를 가스화 반응장치 내부의 플라즈마 제트 영역에 설치하여 공급된 물을 고속의 제트영역에서 바로 기화시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 처리방법에서 냉각장치로 세정장치의 가스 부하를 줄이고, 냉각장치를 내부 냉각기와 외부 냉각기로 구성하여 냉각효과를 높이는 것이 바람직하다.

본 발명의 처리방법에서 냉각장치의 상부에 냉각장치 유입구를 냉각장치와 편심이 되도록 설치하여 사이클론 효과를 유도하고, 냉각장치의 하부에 입자상 물질 포집구를 설치하여 가스 중 입자상 물질을 포집할 수 있다.

본 발명의 처리방법에서 세정장치에 먼지포집장치, 스크러버, 가스분리장치 중에서 1종 이상을 설치할 수 있으며, 가스회수장치로 수소가스를 회수하여 저장할 수 있다.

본 발명의 처리방법에서 세정장치에 배출계통을 설치하여 처리가스의 배출로 전체 공정 계통의 안전을 확보하고, 배출계통의 후단에 진공펌프를 설치하여 전체 공정의 압력을 조정하면서 가스의 이송을 가능하게 하며, 배출계통에 압력감지장치를 설치하여 가스의 압력을 감지하고, 압력감지장치에 안전밸브를 설치하여 설정 압력 이상일 때 자동으로 작동시켜 대기 중으로 가스를 배출할 수 있다.

본 발명에서 제안하는 방법 및 장치는 전력분야에서 사용이 급증하고 있는 폴리머 기자재의 사용 후 발생되는 폴리머 폐기물을 친환경적으로 처리함은 물론, 물질 및 에너지의 회수가 가능한 유기가스로 회수할 수 있게 됨에 따라 폐기물을 매립이나 소각처리하면서 발생하는 처리 비용을 현저히 줄일 수 있을 뿐 아니라, 폐기물을 유가화와 자원화하는 것이 가능하다.

본 발명에서 제안하는 공정을 이용해서 전력분야의 폴리머 폐기물을 처리하는 경우, 기존의 처리 공정에서 나타난 매립장의 부족에 따른 처리비 상승, 매립에 따른 지하수 및 토양 오염과 같은 2차 오염의 문제를 해결함은 물론, 소각으로 인한 대기오염문제 등을 해결할 수 있고, 종국적으로는 환경오염문제와 관련된 민원에도 능동적으로 대응할 수 있다. 또한, 고순도의 수소를 생산하는 것이 가능하므로, 향후 수요가 증가하게 될 수소의 공급원으로 이용이 가능하다.

본 발명에서 제안하는 시스템은 열분해가 일어나는 유기 폐기물에 최고의 에너지를 공급하면서 열분해를 달성하고, 이후 사용될 가스의 성상을 고려해 생성가스의 에너지 밀도를 높일 수 있도록 고안된 것으로, 기타 유기성 폐기물의 자원화를 위해서도 활용될 수 있다.

본 발명에서 제안하는 공정은 매립지 부족에 따른 폐기물 매립처리에 대비하고, 소각으로 인한 대기오염물질의 발생과 같은 문제에 대응하며, 국가적 차원의 폐기물 재이용 정책에 부응하고, 폐기물 처리에 따르는 비용의 절감에도 크게 기여할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 폐폴리머 절연물 처리장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 폐기물 정량공급장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열분해 장치와 플라즈마 장치의 연결부를 도시한 단면도이다.

본 발명은 폐폴리머 절연물을 재료의 특성을 반영하여 열분해가 일어나는 온도까지 가열하여 탄소수가 많은 고분자 유기물로 분해한 후, 여기에 직류(DC) 플라즈마를 공급하여 가스화 반응을 일으키도록 하고, 이 반응을 통해 저분자(주로 수소나 메탄) 가연성 화학물질을 얻도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이렇게 함으로써 매립이나 소각으로 인해 생기는 폴리머 폐기물의 처리문제를 해결함은 물론, 폴리머 폐기물로부터 원료물질 및 에너지를 회수하는 것이 가능하다.

본 발명에서는 종래기술에서 가연성 가스의 산화로 인해 발생하는 에너지를 열원으로 사용함에 따라 연소가스가 발생하고, 이것이 열분해 가스에 포함되면서 나타나는 문제, 즉 열분해-가스화 후 얻어지는 가스의 낮은 연소열량 문제를 해결하기 위해, 열분해 열원으로 연소방식 대신 전열방식을 채택하며, 플라즈마 발생장치에서도 DC 아크 플라즈마 발생장치를 채용함으로써, 열분해-가스화 후 얻어지는 가스의 열량 또는 가연 유기 가스의 조성을 높일 수 있다. 또한, 열분해 반응이 흡열반응임에 따라 열분해장치의 상단에서 발생하는 열분해 가스의 냉각에 의한 액화 및 체류를 방지하고, 가스화 반응영역까지의 유로상에서 기체의 냉각을 방지하기 위하여, 열분해 가스의 통로를 2중으로 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 상술한 문제들과 폴리머 폐기물의 특성을 반영하여, 경제적이면서 친환경적으로 폐폴리머 절연물로부터 유기가스를 회수하는 방법 및 장치를 다음과 같이 고안하였다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 처리장치는 크게 폴리머 폐기물로부터 가스상의 열분해 산물을 만들기 위한 열분해 장치(10), 열분해 가스에 반응을 위한 높은 에너지를 공급하는 플라즈마 장치(20), 열분해 가스의 각종 가스화 반응이 일어나는 가스화 반응장치(30), 가스화 반응으로 얻어진 가스를 냉각하기 위한 냉각장치(40), 냉각된 가스를 정제하기 위한 세정장치(50), 가스회수장치(60), 배출계통(70) 및 열분해 잔류물 회수장치(80)로 구성된다.

열분해 장치(10)는 폐폴리머 절연재료를 고온에서 효과적으로 열분해 하기 위한 장치로서, 열분해 장치(10)에는 폐기물을 담는 용기(14)가 설치되고, 용기(14) 내에는 폴리머 폐기물 재료의 열분해가 일어날 수 있도록 고온이 유지될 필요가 있으므로, 열분해 장치(10)의 외부에 열 공급 장치(11)가 설치된다.

열공급 장치(11)로서 각종 열공급이 가능한 수단은 모두 적용될 수 있으나, 본 발명에서는 후단에 연결되는 플라즈마 장치(20), 가스화 반응장치(30), 냉각장치(40), 세정장치(50), 가스회수장치(60) 및 배출계통(70)에서의 열분해 가스처리 부하를 최소화하기 위해, 연소방식의 것은 제외하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명에서 채용하는 열공급 수단(11)으로 전기로를 사용하는 것이 바람직하다.

열공급 장치(11)에 의해 열분해 장치(10)의 내부 온도는 600 내지 1,000℃의 범위를 유지하게 되며, 이때 폴리머 절연 폐기물의 열분해 특성을 반영하여 각 폴리머 재료가 열분해되는 특정온도로 정해진 범위에서 열분해가 이루어진다. 폐폴리머 절연물의 혼합처리가 이루어지는 경우에는, 혼합된 폐폴리머 재료 중 가장 높은 열분해 온도를 가지는 성분을 기준으로 열분해 온도를 조정한다.

열분해가 이루어지면서 생성된 가스는 고안된 공정의 후단으로 이송되어야 하는데, 이를 위해 열분해 장치(10)에는 이송용 가스 공급장치(12)가 설치된다. 이송용 가스로는 여타 가스와 반응을 일으키지 않는 질소나 아르곤과 같은 불활성 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

열분해 장치(10)에는 처리할 폐폴리머 절연물을 일정하게 공급하여야 하는 바, 본 발명에서는 디스크형 정량공급장치(13)를 고안하였다. 정량공급장치(13)는 도 2에 상세히 표시한 것처럼, 회전하는 디스크 형태의 회전판(131)을 구비하고, 이 회전판(131)에 일정크기의 원형 홈(132)을 파서, 파쇄된 처리대상 폴리머 폐기물들이 원형 홈(132)에 충전되게 하고, 이들이 정량공급장치(13)의 하부에 설치된 배출구(134)와 일치하게 되는 경우, 열분해장치(10)와 연결된 연결관(15)을 통해 열분해장치(10)로 공급된다. 열분해 장치(10)로의 폴리머 폐기물 공급 속도는 정량공급장치(13)의 하부에 설치된 모터(135)의 회전수를 조절하여 제어할 수 있다.

열분해 장치(10)에서 폴리머 폐기물의 열분해가 일어나는 경우에는, 열분해 장치(10)의 내부에 국부적으로 온도의 강하가 일어나게 되며, 이로 인해 열분해 가스의 응축이 일어나거나, 원하지 않는 반응이 일어나는 경우, 또는 반응을 완결하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.

본 발명에서는 이와 같은 문제에 대응하기 위해, 열분해 장치(10)의 상부(16)를 좁은 구조가 되도록 설계하여, 열분해 장치(10)의 상부(16)에서 열분해 가스의 체류시간이 줄어들 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 열분해장치(10)와 플라즈마 장치(20)의 연결부(17)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 원통형 내부 이중관(171)을 설치하는 것이 바람직한데, 이에 따라 열분해 가스가 열분해장치(10)에서 플라즈마 장치(20)까지 이동하는 동안에 이중관(171)의 내관으로만 이동하고, 이중관(171)의 외관은 내관과 일정한 간격을 두고 자체적으로 밀폐되며, 내관과 외관 사이에 형성된 공간에 의한 단열효과로 인해, 열분해 가스의 냉각이 최소화될 수 있다.

열분해장치(10)의 하부에는 열분해 잔류물을 회수하기 위한 열분해 잔류물 회수장치(80)가 설치된다. 열분해 잔류물 회수장치(80)로서 스크류와 같은 연속식 이송장치(801)를 설치하여 연속적으로 운전하며, 열분해장치(10)의 용기(14) 내부에 쌓인 열분해 잔류물은 이송장치(801)에 의해 하단의 잔류물 저장탱크(802)에 모아져 재이용되거나 최종 처분장으로 이동된다.

본 발명에서 사용하는 플라즈마 장치(20)는 후단에 연결된 가스화 반응장치(30)에 반응 에너지인 플라즈마를 공급하기 위한 것으로, 에너지 효율을 고려하여 통상의 직류 아크 플라즈마 토치(21)를 사용하는 것이 바람직하며, 플라즈마 토치(21)에 전기에너지를 공급하기 위해, 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)형 전원공급장치(22)를 사용할 수 있다.

플라즈마 장치(20)의 후단에 설치되는 가스화 반응장치(30)는 플라즈마 장치(20)에서 공급되는 고온 플라즈마와 열분해장치(10)에서 공급되는 열분해가스의 반응이 일어나는 영역으로, 원통형으로 구성하되 반응영역에서 난류를 증가시키기 위하여, 내부표면에 선회류의 생성이 가능한 돌기(31)를 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 가스화 반응장치(30)에는 산소 및 물에 의한 가스화 반응을 위하여, 가스화 반응장치(30)의 상부에 산소 공급장치(32) 및 물 공급장치(33)를 설치하되, 물 공급장치(33)는 가스화 반응장치(30)의 내부 플라즈마 제트(jet) 영역(34)에 설치하여, 공급된 물이 고속의 제트영역에서 바로 기화될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

가스화 반응장치(30)에서의 반응 메커니즘은 분해 폐기물이나 운전 조건 등에 따라 달라지지만, 다음과 같은 주요 반응이 관련되는 것으로 알려져 있다.

[반응식 1]

산소에 의한 가스화 반응

C + O₂ ↔ CO₂, △H = -405.9 kJ/mol

C + 1/2O₂ ↔ CO, △H = -123 kJ/mol

C_xH_y + (x + 1/4y)O₂ ↔ xCO₂ + 1/2yH₂O

[반응식 2]

CO₂에 의한 가스화 반응(Boudouard reaction)

C + CO₂ ↔ 2CO, △H = 159.7 kJ/mol

[반응식 3]

수성가스 반응(water gas reaction)

C + H₂O (ℓ) ↔ CO + H₂, △H = 118.9 kJ/mol

C + 2H₂O (ℓ) ↔ CO₂ + 2H₂, △H = 90.0 kJ/mol

C_xH_y + xH₂O ↔ xCO + (x + 1/2y)H₂

[반응식 4]

수소에 의한 가스화 반응(hydrogasification reaction)

C + 2H₂ ↔ CH₄, △H = -87.4 kJ/mol

위의 네 반응은 탄소의 가스화에 관련된 반응이며, 이외에도 다음과 같은 가능한 반응들이 고려되고 있다.

[반응식 5]

수성가스 전이반응(water gas shift reaction)

CO + H₂O (g) ↔ CO₂ + H₂, △H = -40.9 kJ/mol

[반응식 6]

메탄화반응(methanation reaction)

CO + 3H₂ ↔ CH₄ + H₂O, △H = -206.3 kJ/mol

반응가스 중의 C, CO, CO₂ 간의 비율은 Boudouard 평형에 따라 결정되는 것으로 알려져 있다. 대략적으로 CO₂ 단독으로 C와의 평형은 400℃까지 유지되고, 400 내지 1,000℃ 범위에서는 CO, CO₂가 공존하게 되며, 1,000℃ 이상에서는 CO와 C가 공존하는 것으로 알려져 있다.

수성가스 전이반응의 경우 500℃ 이상에서는 역반응이 일어나고, 메탄화 반응도 200 내지 250℃에서 일어나며, 이보다 높은 온도에서는 역반응이 일어나는 것으로 알려져 있다.

이처럼 유기물의 열분해 반응과 생성물은 반응온도에 의해 영향을 받음을 알 수 있으므로, 실제 운전에 있어서는 반응온도의 제어가 중요한 운전인자가 된다.

또한, 위 반응식과 연관하여 열분해 가스화된 가스의 조성은 처리 대상물 중의 수분 함량에도 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 본 발명을 통해 처리하려고 하는 절연 폐기물들은 비교적 탄소함량이 높고 수분이 적은 경우에 해당된다. 이 경우 고온상태에서 수분은 반응식 3의 수성가스 반응에 의해 먼저 소진되며, 충분한 양의 탄소로 인해 반응 후에 탄소가 남게 된다.

이때 반응장치 내의 산소가 소진된 상태이면, 탄소는 반응식 2의 Boudouard 반응처럼 CO₂와 반응하게 되나, CO₂도 없는 상태가 되면 탄소는 가스화 반응을 더 이상 진행하지 못하고, 슬래그(slag)에 섞여 순도를 떨어뜨리게 된다. 이 경우 배가스 중 H₂와 CO가 주성분이 되며, 경우에 따라서는 완전한 가스화 반응을 위해, 공기와 수분을 공정에 섞어줄 필요가 있으므로, 수분공급장치(33)를 가스화 반응장치(30)에 설치하는 것이 바람직하다.

가스화 반응장치(30)에서 반응이 완결되어 만들어진 수소, 일산화탄소, 저 탄소수의 탄화수소 및 질소 가스 등의 배출 가스는 후단에 설치된 세정장치(50)에서의 가스부하 부담을 줄이기 위하여 냉각장치(40)로 도입된다.

냉각장치(40)는 냉각효과를 높이기 위하여 내부 냉각기(41)와 외부냉각기(42)로 구성되며, 냉각매체로는 물을 사용한다. 각 냉각기(41, 42)에 냉각수를 공급하기 위해, 냉각장치(40)에는 냉각수 공급구(43) 및 냉각수 배출구(44)가 설치된다.

냉각장치(40)에서 가스화 반응장치(30)로부터 도입된 가스에 포함된 입자상 물질을 부분적으로 분리하기 위한 사이클론 효과를 얻을 수 있도록, 유입구(45)를 냉각장치(40)의 상부에 편심이 되도록 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 사이클론 효과에 의해 냉각장치(40)의 하부에 포집되는 검댕과 같은 열분해 생성 가스 중 입자상 물질을 포집하기 위해, 냉각장치(40)의 하부에 입자상 물질 포집구(46)를 설치할 수 있다.

냉각장치(40)의 후단에는 가스화 반응이 완료된 수소, 일산화탄소, 저탄소 탄화수소 등의 가스화 생성가스를 세정하기 위한 세정장치(50)를 구성한다. 본 발명에서 사용하는 세정장치(50)로는 입자상 물질을 포집하거나 가스상 오염물질을 세정하기 위해 사용되는 일반적인 여과집진기와 같은 먼지포집장치나 스크러버 등이 사용될 수 있으며, 가스의 성분별 분리를 위해서 PSA(Pressure Swing Adsorption)와 같은 일반적인 가스분리장치가 이용될 수 있다.

세정장치(50)를 거치면서 정제된 가스는 오염물질과 불활성 가스가 제거된 가스로, 주로 CO 및 CH₄, C₂H₂, C₂H₄ 등 저탄소수 탄화수소와 같은 가연성 가스와, PSA를 거치면서 얻어진 고농도 수소가 주성분이 된다. 따라서 이들 가스는 다른 연소 및 활용공정에 사용하기 위해 가스회수장치(60)에 포집된다.

본 발명의 공정을 운전하면서 얻어진 자료로부터, 열분해 가스화가 완료되어 얻어지는 가스 중 수소의 농도가 최대 80%까지 이르는 것을 확인하였으며, PSA와 같은 가스 분리장치를 사용하는 경우 95% 이상의 수소를 회수하는 것이 가능하므로, 본 발명의 가스회수장치(60)는 수소가스를 회수하여 저장하는 장치가 될 수 있다.

본 발명에 따른 처리공정은 수소, 메탄 등 탄화수소 계열의 가연성 가스를 만들고 이들을 저장하는 등 가연성 가스를 다루는 공정이므로, 공정의 비정상 운전 시 폭발 등의 안전상의 문제를 야기할 수 있다. 이런 문제에 대응하기 위해, 본 발명에서는 전체 공정 계통의 안전을 확보하기 위한 배출계통(70)을 구성하는 것이 바람직하다.

배출계통(70)의 후단에는 진공펌프(71)를 설치하여 전체 공정의 압력을 조정하고 가스의 이송을 가능하게 할 수 있다. 진공펌프(71)의 설치에 의해 처리장치 내의 압력을 대기압보다 낮게 유지하는 것이 가능하며, 이렇게 함으로써 처리장치에서 생성되는 가연성 가스의 누출을 막을 수 있다.

또한, 이상 원인으로 처리장치에서 가연성 가스의 압력이 높아지고 이로 인한 폭발 등 사고에 대비하기 위하여, 진공펌프(71) 전단에 압력감지장치(72)를 설치하고, 압력감지장치(72)가 처리장치 내의 압력이 설정된 운전압력 이상으로 높아짐을 감지하는 경우, 자동으로 안전밸브(73)가 작동하여 대기 중으로 가연성 가스를 배출할 수 있다.

본 발명에서 제안하고 있는 장치 및 공정을 이용하여 폴리머 절연폐기물의 일종인 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 및 실리콘 애자 폐기물과 피복재로 사용 중인 XLPE(Cross Linking-Polyethylene)를 처리하기 위해, 열분해 온도를 각 재료의 열분해 개시 온도범위인 700 내지 900℃로 유지하고, DC 플라즈마를 공급하고 반응물질로 수분 및 산소를 공급하면서 운전한 경우, 50 내지 80% 범위의 수소 농도를 가지는 열분해 가스화 생성 가스를 얻을 수 있었다. 더욱 고순도의 수소를 얻기 위해, PSA와 같은 별도의 가스 분리장치를 적용하는 경우, 95% 이상의 수소를 얻는 것도 가능하다.

본 발명은 열분해장치에서 열분해 대상물질에 필요한 최소의 에너지를 공급하면서 유용한 가연성 유기 가스를 얻을 수 있는 장치 및 공정을 제공하고, 상술한 바람직한 실시형태에서 살펴본 바와 같이, 높은 농도의 수소를 얻는 것이 가능하므로, 다른 종류의 유기성 폐기물로부터 물질 및 에너지를 회수하는 공정에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.

10: 열분해 장치
11: 열공급 장치
12: 이송용 가스 공급장치
13: 정량공급장치
14: 열분해 용기
15: 연결관
16: 열분해장치 상부 덮개
17: 연결부
20: 플라즈마 장치
21: 플라즈마 토치
22: 전원공급장치
30: 가스화 반응장치
31: 선회류 생성 돌기
32: 산소공급장치
33: 수분공급장치
34: 플라즈마 제트 영역
40: 냉각장치
41: 내부 냉각기
42: 외부 냉각기
43: 냉각수 공급구
44: 냉각수 배출구
45: 냉각장치 유입구
46: 입자상 물질 포집구
50: 세정장치
60: 가스회수장치
70: 배출계통
71: 진공펌프
72: 압력감지장치
73: 안전밸브
80: 잔류물 회수장치
131: 회전판
132: 원형 홈
134: 배출구
135: 모터
171: 내부이중관
801: 연속식 이송장치
802: 잔류물 저장탱크

Claims

폐폴리머 절연물을 수용하는 용기(14) 및 상기 용기(14)에 열을 공급하는 열공급 장치(11)를 구비하되, 상기 열공급 장치(11)로서 전기로를 사용하여 전열방식으로 가열함으로써, 폐폴리머 절연물의 열분해가 일어나는 열분해 장치(10);
열분해 장치(10)와 연결되어 열분해 장치(10)에서 생성된 열분해 가스에 플라즈마를 공급하고, 플라즈마를 형성하는 플라즈마 토치(21) 및 상기 플라즈마 토치(21)에 전원을 공급하는 전원공급장치(22)를 구비하며, 상기 플라즈마 토치(21)로서 직류 아크 플라즈마 토치를 사용하는 플라즈마 장치(20); 및
플라즈마 장치(20)와 연결되어 하기 반응식 1 내지 6 중에서 선택되는 적어도 하나의 가스화 반응이 일어나고, 내부 표면에 형성되어 선회류를 생성하는 선회류 생성 돌기(31), 산소를 공급하는 산소공급장치(32) 및 내부의 플라즈마 제트 영역(34)에 설치되어 수분을 공급하는 수분공급장치(33)를 구비하는 가스화 반응장치(30)를 포함하고,
열분해 장치(10)와 플라즈마 장치(20)의 연결부(17)에는 내부 이중관(171)이 설치되는 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리장치.
[반응식 1]
산소에 의한 가스화 반응
C + O₂ ↔ CO₂
C + 1/2O₂ ↔ CO
C_xH_y + (x + 1/4y)O₂ ↔ xCO₂ + 1/2yH₂O
[반응식 2]
CO₂에 의한 가스화 반응
C + CO₂ ↔ 2CO
[반응식 3]
수성가스 반응
C + H₂O (ℓ) ↔ CO + H₂
C + 2H₂O (ℓ) ↔ CO₂ + 2H₂
C_xH_y + xH₂O ↔ xCO + (x + 1/2y)H₂
[반응식 4]
수소에 의한 가스화 반응
C + 2H₂ ↔ CH₄
[반응식 5]
수성가스 전이반응
CO + H₂O (g) ↔ CO₂ + H₂
[반응식 6]
메탄화반응
CO + 3H₂ ↔ CH₄ + H₂O
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제1항에 있어서,
열분해 장치(10)에 설치되어 열분해 가스를 후단의 장치에 이송하는 이송가스를 공급하는 이송용 가스 공급장치(12)를 추가로 포함하는 폐폴리머 절연물 처리장치.
제4항에 있어서,
이송가스는 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리장치.
제1항에 있어서,
열분해 장치(10)와 연결되어 처리할 폐폴리머 절연물을 열분해 장치(10)에 일정하게 공급하는 정량공급장치(13)를 추가로 포함하는 폐폴리머 절연물 처리장치.
제6항에 있어서,
정량공급장치(13)는 저면에 원형 홈(132)을 갖는 디스크 형태의 회전판(131),
회전판(131)의 하부에 설치되는 배출구(134), 및
회전판(131)과 연결되어 폐폴리머 절연물의 공급 속도를 조절하는 모터(135)를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리장치.
제1항에 있어서,
열분해 장치(10)의 상부는 상방향으로 좁아지는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리장치.
제1항에 있어서,
열분해 장치(10)와 연결되어 열분해 잔류물을 회수하는 열분해 잔류물 회수장치(80)를 추가로 포함하는 폐폴리머 절연물 처리장치.
제9항에 있어서,
열분해 잔류물 회수장치(80)는 열분해 장치(10)의 하부에 설치되는 연속식 이송장치(801), 및
연속식 이송장치(801)에 의해 이송된 열분해 잔류물을 저장하는 잔류물 저장탱크(802)를 구비하는 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리장치.
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폐폴리머 절연물을 수용하는 용기(14) 및 상기 용기(14)에 열을 공급하는 열공급 장치(11)를 구비하되, 상기 열공급 장치(11)로서 전기로를 사용하여 전열방식으로 가열함으로써, 폐폴리머 절연물의 열분해가 일어나는 열분해 장치(10);
열분해 장치(10)와 연결되어 열분해 장치(10)에서 생성된 열분해 가스에 플라즈마를 공급하고, 플라즈마를 형성하는 플라즈마 토치(21) 및 상기 플라즈마 토치(21)에 전원을 공급하는 전원공급장치(22)를 구비하며, 상기 플라즈마 토치(21)로서 직류 아크 플라즈마 토치를 사용하는 플라즈마 장치(20);
플라즈마 장치(20)와 연결되어 하기 반응식 1 내지 6 중에서 선택되는 적어도 하나의 가스화 반응이 일어나고, 내부 표면에 형성되어 선회류를 생성하는 선회류 생성 돌기(31), 산소를 공급하는 산소공급장치(32) 및 내부의 플라즈마 제트 영역(34)에 설치되어 수분을 공급하는 수분공급장치(33)를 구비하는 가스화 반응장치(30);
가스화 반응장치(30)와 연결되어 가스화 반응으로 얻어진 가스를 냉각시키는 냉각장치(40);
냉각장치(40)와 연결되어 냉각된 가스를 정제하는 세정장치(50); 및
세정장치(50)와 연결되어 정제된 가스를 회수하는 가스회수장치(60)를 포함하는 폐폴리머 절연물 처리시스템.
[반응식 1]
산소에 의한 가스화 반응
C + O₂ ↔ CO₂
C + 1/2O₂ ↔ CO
C_xH_y + (x + 1/4y)O₂ ↔ xCO₂ + 1/2yH₂O
[반응식 2]
CO₂에 의한 가스화 반응
C + CO₂ ↔ 2CO
[반응식 3]
수성가스 반응
C + H₂O (ℓ) ↔ CO + H₂
C + 2H₂O (ℓ) ↔ CO₂ + 2H₂
C_xH_y + xH₂O ↔ xCO + (x + 1/2y)H₂
[반응식 4]
수소에 의한 가스화 반응
C + 2H₂ ↔ CH₄
[반응식 5]
수성가스 전이반응
CO + H₂O (g) ↔ CO₂ + H₂
[반응식 6]
메탄화반응
CO + 3H₂ ↔ CH₄ + H₂O
제15항에 있어서,
냉각장치(40)는 내부 냉각기(41)와 외부 냉각기(42)로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리시스템.
제15항에 있어서,
냉각장치(40)의 상부에는 냉각장치(40)와 편심을 이루는 냉각장치 유입구(45)가 설치되고, 냉각장치(40)의 하부에는 입자상 물질 포집구(46)가 설치되는 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리시스템.
제15항에 있어서,
세정장치(40)는 먼지포집장치, 스크러버, 가스분리장치 중에서 1종 이상을 구비하는 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리시스템.
제15항에 있어서,
가스회수장치(60)는 수소가스를 회수하여 저장하는 장치인 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리시스템.
제15항에 있어서,
세정장치(40)와 연결되어 처리가스의 배출에 의해 전체 공정 계통의 안전을 확보하는 배출계통(70),
배출계통(70)의 후단에 설치되어 전체 공정의 압력을 조정하고 가스의 이송을 가능하게 하는 진공펌프(71),
배출계통(70)에 설치되어 가스의 압력을 감지하는 압력감지장치(72), 및
압력감지장치(72)와 연결되어 설정 압력 이상일 때 자동으로 작동하여 대기 중으로 가스를 배출하는 안전밸브(73)를 추가로 구비하는 폐폴리머 절연물 처리시스템.
열분해 장치(10)에서 폐폴리머 절연물을 열분해시키되, 폐폴리머 절연물을 열분해 장치(10)의 용기(14)에 넣고, 열공급 장치(10)로서 전기로를 사용하여 전열방식으로 가열하는 단계;
열분해 장치(10)와 연결된 플라즈마 장치(20)에서 열분해 장치(10)로부터 생성된 열분해 가스에 플라즈마를 공급하되, 플라즈마 장치(20)에 설치된 플라즈마 토치(21)에 전원을 공급하여 플라즈마를 형성하고, 플라즈마 토치(21)로서 직류 아크 플라즈마 토치를 사용하는 단계;
플라즈마 장치(20)와 연결된 가스화 반응장치(30)에서 플라즈마를 이용하여 열분해 가스를 하기 반응식 1 내지 6 중에서 선택되는 적어도 하나의 반응으로 가스화 반응시키되, 가스화 반응장치(30)의 내부 표면에 돌기(31)를 형성하여 선회류를 생성하고, 가스화 반응장치(30)에 산소공급장치(32)와 수분공급장치(33)를 설치하여 가스화 반응장치(30)에 산소 및 수분을 공급하되, 수분공급장치(33)를 가스화 반응장치(30) 내부의 플라즈마 제트 영역(34)에 설치하여 공급된 물을 고속의 제트영역(34)에서 바로 기화시키는 단계;
가스화 반응장치(30)와 연결된 냉각장치(40)에서 가스화 반응으로 얻어진 가스를 냉각시키는 단계;
냉각장치(40)와 연결된 세정장치(50)에서 냉각장치(40)에 의해 냉각된 가스를 정제하는 단계; 및
세정장치(50)와 연결된 가스회수장치(60)에서 세정장치(50)에 의해 정제된 가스를 회수하는 단계를 포함하는 폐폴리머 절연물 처리방법.
[반응식 1]
산소에 의한 가스화 반응
C + O₂ ↔ CO₂
C + 1/2O₂ ↔ CO
C_xH_y + (x + 1/4y)O₂ ↔ xCO₂ + 1/2yH₂O
[반응식 2]
CO₂에 의한 가스화 반응
C + CO₂ ↔ 2CO
[반응식 3]
수성가스 반응
C + H₂O (ℓ) ↔ CO + H₂
C + 2H₂O (ℓ) ↔ CO₂ + 2H₂
C_xH_y + xH₂O ↔ xCO + (x + 1/2y)H₂
[반응식 4]
수소에 의한 가스화 반응
C + 2H₂ ↔ CH₄
[반응식 5]
수성가스 전이반응
CO + H₂O (g) ↔ CO₂ + H₂
[반응식 6]
메탄화반응
CO + 3H₂ ↔ CH₄ + H₂O
삭제
제21항에 있어서,
열분해 장치(10)에 이송용 가스 공급장치(12)를 설치하여 열분해 장치(10)에 이송가스로서 불활성 가스를 공급함으로써 열분해 가스를 후단의 장치까지 이송하는 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리방법.
제21항에 있어서,
열분해 장치(10)에 정량공급장치(13)를 설치하여 폐폴리머 절연물을 열분해 장치(10)에 일정하게 공급하는 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리방법.
제21항에 있어서,
열분해 장치(10)의 상부를 상방향으로 좁아지는 구조로 설계하여 열분해가스의 체류시간을 줄이는 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리방법.
제21항에 있어서,
열분해장치(10)와 플라즈마 장치(20)의 연결부(17)에 내부 이중관(171)을 설치하여 열분해가스의 냉각을 최소화하는 것을 특징으로 하는 폐폴리머 절연물 처리방법.
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