KR101476428B1 - 가스화 용융로 시스템 - Google Patents

Abstract

가스화 용융로 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 용융로 시스템은, 제1 측면에서 원료가 투입되는 반응로 및 제1 측면과 대향하는 반응로의 제2 측면에서 제2 측면의 중심보다 하측에 형성되고, 원료에서 발생하는 배기가스를 배출하는 배기가스 배출구를 포함한다.

Description

가스화 용융로 시스템{SYSTEM FOR GASIFICATION AND MELTING FURNACE}

본 발명의 실시예는 가스 화로 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스화 용융로 시스템에 관한 것이다.

최근, 급속한 산업화와 인구 증가로 산업 폐기물 및 생활 폐기물 등의 발생이 급증하고 있다. 이러한 폐기물은 일반적으로 매립하는 방식으로 처리되었으나, 매립 방식은 매립장을 확보하기도 어려울 뿐더러 지하수 오염 및 토지 오염 등의 환경 문제가 발생하게 된다.

이에, 폐기물을 보다 효율적으로 처리하면서 환경 오염 문제를 줄이기 위해 플라즈마 토치를 이용하여 폐기물을 열분해 용융 및 가스화시키는 기술이 개발되었다. 플라즈마 토치는 고전압 고전류의 아크를 이용하여 이온화된 플라즈마 가스에 의해 플라즈마 제트를 생성하는 것으로, 플라즈마 토치를 이용하면 용탕을 안정적으로 형성 및 유지할 수 있고, 가스화 용융로 내부의 온도를 1400도 이상의 고온 환경으로 만들 수 있다.

플라즈마 토치를 이용하여 폐기물을 처리하는 경우, 유기 화합물은 플라즈마 토치의 높은 온도와 열 용량으로 인해 C, CnHm, CO, H2와 같은 화학적으로 안정된 화합물과 연소 가스로 분해시킬 수 있고, 무기 화합물은 용융되어 아주 미세한 물질로 분해하거나 고형체로 유리화시킬 수 있게 된다. 이와 같이, 플라즈마 토치를 이용하여 폐기물을 처리하면 열 분해로 인해 유해 물질이 정화된 연소 가스가 생산되고, 용융으로 인해 유리화되어 비 용출성 형태로 처리되기 때문에 폐기물을 효율적으로 처리하면서 환경 오염 문제를 줄일 수 있게 된다.

그러나, 종래의 플라즈마 토치를 이용한 폐기물 처리 방식은, 폐기물의 특성(예를 들어, 폐기물 내의 수분 함유량, 폐기물의 입도(粒度), 폐기물의 성질 등)에 대한 고려 없이 폐기물을 압축하여 반응로로 투입함으로써, 폐기물의 처리 효율이 낮다는 문제점이 있다. 그리고, 폐기물에서 발생하는 배기 가스에 비산재나 타르 등과 같은 불순물이 다량 포함되어 배기 가스의 재활용율이 낮다는 문제점이 있다.

한국등록특허공보 제10-0508129호(2005.08.19)

본 발명의 실시예는 배기 가스의 재활용율을 높일 수 있는 가스화 용융로 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 용융로 시스템은, 제1 측면에서 원료가 투입되는 반응로; 및 상기 제1 측면과 대향하는 상기 반응로의 제2 측면에서 상기 제2 측면의 중심보다 하측에 형성되고, 상기 원료에서 발생하는 배기가스를 배출하는 배기가스 배출구를 포함한다.

상기 가스화 용융로 시스템은, 상기 반응로의 내부 하단에 형성되고 상기 반응로에서 용융된 원료를 수납하는 용탕을 더 포함하며, 상기 배기가스 배출구는, 상기 용탕과 인접하여 형성될 수 있다.

상기 배기가스는, 상기 반응로의 내부를 선회하여 상기 용탕과 접촉한 후 상기 배기가스 배출구로 배출될 수 있다.

상기 배기가스 배출구는, 상기 용탕과 인접된 바닥면이 상측으로 경사지게 형성될 수 있다.

상기 가스화 용융로 시스템은, 상기 용탕과 연통하여 형성되고, 상기 용융된 원료를 외부로 배출하는 용융재 배출구를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 배기 가스를 고온의 용탕과 접촉시킨 후 배출함으로써, 배기 가스 내의 불순물(예를 들어, 비산재, 실리카, 회분, 타르 등)을 제거할 수 있고, 배출되는 배기 가스의 온도를 높일 수 있게 된다. 불순물이 제거된 배기 가스는 회수하여 연료로 재활용할 수 있으며, 배기 가스의 높은 온도에서 열(에너지)을 회수하여 재활용할 수 있게 된다. 그리고, 투입 장치에서 스토퍼를 통해 압축부의 내부 통로의 일부를 차폐시킴으로써, 압축부의 내부를 이동하는 원료와 함께 압축부의 내부 통로를 실링할 수 있게 되며, 그로 인해 반응로의 고온 가스가 압축부의 내부로 역류하는 것을 방지할 수 있게 된다. 이때, 스토퍼는 푸셔의 푸싱 압력에 따라 전진 또는 후진 이동함으로써, 푸셔의 푸싱 압력이 기 설정된 범위 내에서 조절되도록 할 수 있다. 푸셔의 푸싱 압력은 원료의 재질, 종류, 성질, 특성 등에 따라 설정할 수 있으며, 그로 인해 원료의 투입 단계에서부터 원료의 특성을 고려하여 처리할 수 있게 된다. 그리고, 압축부의 종단에 압축부의 내부 통로보다 확장된 내부 통로를 가지는 확관부를 형성함으로써, 압축부의 종단에서 원료의 확장이 있더라도 원료가 용이하게 이동할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 용융로 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투입 장치를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스토퍼가 압축부의 내부로 전진한 상태를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 확관부를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스토퍼의 제어 방법을 나타낸 순서도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 용융로 시스템을 개략적으로 나타낸 평면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 용융로 시스템에서 반응로 내부를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응로 내부에서 경사부를 정면으로 본 상태를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응로 내부에서 에어 포트 및 토치가 형성되는 상태를 나타낸 도면.

이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 가스화 용융로 시스템의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

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.

본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 용융로 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 가스화 용융로 시스템(100)은 투입 장치(102), 반응로(104), 경사부(106), 토치(108), 및 에어 포트(110)를 포함할 수 있다.

투입 장치(102)는 외부로부터 원료가 공급되는 경우, 공급된 원료를 반응로(104)의 입구로 투입시키는 역할을 한다. 원료로는 폐기물(쓰레기) 또는 석탄 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 투입 장치(102)는 외부로부터 공급되는 원료를 내부에 장착된 푸셔(미도시)를 통해 푸쉬하여 반응로(104)의 입구로 투입시킬 수 있다. 투입 장치(102)는 복수 개가 형성될 수 있다. 투입 장치(102)가 복수 개가 형성되는 경우, 각 투입 장치(102) 내의 푸셔(미도시)들은 원료가 반응로(104)로 연속적으로 투입되도록 푸쉬 동작이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 각 투입 장치(102) 내의 푸셔(미도시)들은 상호 교대(또는 순차적으로)로 푸쉬 동작을 수행하여 원료가 연속적으로 투입되게 할 수 있다.

반응로(104)는 투입 장치(102)에 의해 투입된 원료를 열분해 용융 및 가스화시키는 부분이다. 반응로(104)는 내화벽(111)으로 둘러싸일 수 있다. 내화벽(111)의 내부 또는 내화벽(111)의 외주면에는 반응로(104)를 냉각시키기 위한 냉각 구조(미도시)가 형성될 수 있다. 반응로(104)의 일측에는 원료가 열 분해 용융 및 가스화되면서 발생하는 배기 가스를 외부로 배출하는 배기가스 배출구(113)가 형성될 수 있다. 반응로(104)의 내부에는 용융된 원료를 저장하는 용탕(115)이 형성될 수 있다. 용탕(115)에는 용융된 원료를 외부로 배출하기 위한 용융재 배출구(117)가 형성될 수 있다. 반응로(104) 내부의 각 모서리 부분은 굴곡지게 형성될 수 있다. 이 경우, 반응로(104)의 내부 모서리 부분이 각지게 형성된 경우보다 반응로(104) 내부에 부착 내지 침착되는 부유물을 용이하게 청소할 수 있게 된다. 그리고, 반응로(104) 내부에 선회되는 가스의 흐름을 보다 연속적으로 할 수 있을 뿐만 아니라 와류 등의 선회되는 가스와 연속되지 않는 유동의 발생을 최소화시킬 수 있다. 또한, 반응로(104)의 구조적 안정성 및 유동성 측면에서 데드 존 제거가 가능하게 된다.

경사부(106)는 반응로(104)의 내부에 형성된다. 경사부(106)는 반응로(104)의 입구에서 용탕(115)에 이르기까지 형성될 수 있다. 경사부(106)의 일측은 반응로(104)의 입구에서 투입 장치(102)까지 연장되어 형성될 수 있다. 경사부(106)는 투입 장치(102)에 의해 투입된 원료를 용탕(115)으로 유도할 수 있다. 원료는 경사부(106)를 따라 이동하면서 반응로(104) 내부의 열과 에어 포트(110)에 공급되는 공기 또는 산소의 화학 반응에 의해 열 분해 될 수 있다. 경사부(106)는 반응로(104)의 내부에서 소정 각도로 경사지게 형성될 수 있다.

토치(108)는 반응로(104)의 내부에 설치된다. 토치(108)는 경사부(106)의 타측으로부터 투입되는 잔여 원료를 용융시키는 역할을 한다. 토치(108)는 반응로(104)의 내부에서 소정 각도로 경사지게 설치될 수 있다. 토치(108)는 반응로(104)의 내부에 복수 개가 설치될 수 있다.

에어 포트(110)는 반응로(104)의 내부에 설치된다. 에어 포트(110)는 경사부(106) 방향, 즉 경사부(106)를 지향하는 방향으로 공기 또는 산소를 분사할 수 있다. 이때, 에어 포트(110)는 소정 온도로 예열된 공기 또는 산소를 분사할 수 있다. 이 뿐만 아니라, 에어 포트(11)는 투입되는 원료의 열 분해에 적합한 가스가 분사될 수 있음은 물론이다. 에어 포트(11)에서 분사된 가스에 의해 경사부(106) 상의 원료가 열 분해 될 수 있다. 에어 포트(110)는 반응로(104)의 내부에 복수 개가 설치될 수 있다.

가스화 용융로 시스템(100)의 각 구성에 대한 보다 자세한 설명은 후술하기로 한다.

이하에서는, 투입 장치(102)의 구성 및 동작에 대해 자세히 살펴보기로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투입 장치를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 투입 장치(102)는 압축부(121), 푸셔(123), 스토퍼(125), 확관부(127), 및 곡관부(129)를 포함할 수 있다.

압축부(121)는 원료 공급부(131)에서 공급된 원료가 푸셔(127)에 의해 압축되는 부분이다. 원료 공급부(131)는 압축부(121)와 연통하여 형성될 수 있다. 원료 공급부(131)는 원료를 압축부(121)의 내부로 공급할 수 있다. 원료 공급부(131)는 소정 양의 원료를 주기적 또는 비주기적으로 공급할 수 있다. 원료 공급부(131)에 의해 공급된 원료는 투입 장치(102) 내에서 순차적으로 적층되어 이동하게 된다.

압축부(121)에는 침출수 배출부(135)가 형성될 수 있다. 침출수 배출부(135)는 압축부(121)의 하부에 연결될 수 있다. 침출수 배출부(135)는 원료에서 흘러나온 침출수를 외부로 배출하는 역할을 한다. 침출수 배출부(135)에서 배출된 침출수는 별도의 침출수 저장조(미도시)에 저장될 수 있다. 여기서는, 침출수 배출부(135)가 압축부(121)에 형성되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 투입 장치(102)의 다양한 위치에 형성될 수 있다. 또한, 침출수 배출부(135)는 투입 장치(102)에서 복수 개가 형성될 수도 있다.

푸셔(123)는 압축부(121)의 내부에 형성될 수 있다. 푸셔(123)는 원료 공급부(131)에서 압축부(121)의 내부로 공급된 원료를 전방으로 푸쉬(Push)하여 압축하는 역할을 한다. 예를 들어, 푸셔(123)는 압축부(121)의 내부에서 원료 공급부(131)의 후방에 위치할 수 있다. 압축부(121)의 내부로 소정 양의 원료가 공급되는 경우, 푸셔(123)는 압축부(121)의 내벽을 따라 전진 운동을 하여 원료를 전방으로 푸쉬할 수 있다. 다음으로, 푸셔(123)는 압축부(121)의 내벽을 따라 후진 운동을 하여 원 위치로 복귀할 수 있다. 다음으로, 압축부(121)의 내부로 소정 양의 원료가 다시 공급되는 경우, 푸셔(123)는 전진 운동을 하여 원료를 전방으로 푸쉬한 후 후진하여 원 위치로 복귀할 수 있다. 이때, 원료는 압축부(121)의 내부에서 순차적으로 적층된 상태에서 푸셔(123)에 의해 푸쉬될 수 있다.

이와 같이, 푸셔(123)는 전진 운동 및 후진 운동을 반복적으로 수행하면서 압축부(121)의 내부로 공급된 원료를 전방으로 푸쉬할 수 있다. 여기서는, 압축부(121)의 내부로 원료가 공급되는 경우에 푸셔(123)가 전진 운동을 수행하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 푸셔(123)는 원료의 공급 여부와 관계 없이 전진 운동을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 푸셔(123)는 이미 전방으로 푸쉬한 원료를 다시 푸쉬하기 위해 전진할 수도 있다. 푸셔(123)는 압축부(121)의 내부로 공급된 원료의 양에 따라 소정 압력으로 원료를 푸쉬하게 된다.

스토퍼(125)는 압축부(121)에 형성될 수 있다. 스토퍼(125)는 푸셔(123)가 원료를 푸쉬하는 압력에 따라 압축부(121)의 내부로 전진하거나 후진할 수 있다. 예를 들어, 압축부(121)의 일측 배관에는 관통홀(133)이 형성될 수 있으며, 스토퍼(125)는 관통홀(133)을 통해 압축부(121)의 내부로 전진 이동하거나 후진 이동할 수 있다. 스토퍼(125)의 전진 이동 및 후진 이동은 유압식 제어로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

스토퍼(125)가 압축부(121)의 내부로 전진하는 경우, 스토퍼(125)는 압축부(121)의 내부 통로 일부를 막게 된다. 그러면, 푸셔(123)에 의해 푸싱된 원료가 스토퍼(125)에 의해 압축되어 압축부(121)의 내부 통로를 실링(Sealing)하게 된다. 이 경우, 반응로(104)의 고온 가스가 압축부(121)로 역류하는 것을 방지할 수 있게 된다. 즉, 반응로(104)와 투입 장치(102)는 경사부(106)를 통해 연통되어 있으므로, 반응로(104)의 고온 가스가 투입 장치(102)로 역류할 수 있게 된다. 그런데, 스토퍼(125)가 압축부(121)의 내부로 전진 이동되어 있으면, 푸셔(123)에 의해 푸싱된 원료가 스토퍼(125)에 의해 압축되면서 압축부(121)의 내부 통로를 실링하게 되므로, 반응로(104)의 고온 가스가 압축부(121)로 역류하는 것을 방지할 수 있게 된다.

스토퍼(125)는 압축부(121)에 소정 각도로 경사지게 형성될 수 있다. 스토퍼(125)를 경사지게 형성하는 경우, 스토퍼(125)의 전진 및 후진 이동이 용이하게 이루어질 수 있게 된다. 스토퍼(125)는 압축부(121) 내에서 원료의 이동 방향과 대향하여 경사지게 형성될 수 있다. 스토퍼(125)를 압축부(121)와 수직하게 형성하면, 압축부(121) 내에서 이동하는 원료에 의해 스토퍼(125)가 수직 방향으로 압박을 받게 되므로 스토퍼(125)의 전진 및 후진 이동이 원활히 이루어지지 않을 수 있게 된다. 이에, 스토퍼(125)의 전진 및 후진 이동을 원활히 하기 위해 스토퍼(125)를 경사지게 형성할 수 있다. 그러나, 스토퍼(125)의 형성 각도가 경사진 것으로 한정되는 것은 아니며, 푸셔(123)의 사용 압력 및 투입 장치(102) 내에서 원료의 이동량 등에 따라 스토퍼(125)를 수직하게 형성할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스토퍼가 압축부의 내부로 전진한 상태를 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 스토퍼(125)는 압축부(121)의 상측에 형성되어 압축부(121)의 내부로 전진 이동 될 수 있다. 스토퍼(125)를 압축부(121)의 상측에 형성하는 경우, 원료에서 흘러나온 침출수 등에 의해 스토퍼(125)가 오염되는 것을 줄일 수 있게 된다. 그러나, 스토퍼(125)의 형성 위치가 이에 한정되는 것은 아니며, 스토퍼(125)는 압축부(121)의 측면 또는 하측에 형성될 수도 있다.

스토퍼(125)는 압축부(121)의 내벽을 따라 이동하여 압축부(121)의 내부 통로 일부를 차폐시킬 수 있다. 그러면, 푸셔(123)에 의해 푸싱된 원료가 스토퍼(125)에 의해 압축되면서 압축부(121)의 내부 통로 전체가 실링(Sealing)되어 지게 된다. 이로써, 반응로(104)의 고온 가스가 압축부(121)의 내부로 역류하는 것을 방지할 수 있게 된다. 압축부(121)의 내측 하단 모서리 부분은 라운딩(121-1) 되어 형성될 수 있다. 이 경우, 푸셔(123)에 의해 압축되어 이동하는 원료가 압축부(121)의 내벽에 밀착하여 이동할 수 있기 때문에, 압축부(121)의 내부 통로를 효과적으로 실링할 수 있게 된다.

스토퍼(125)는 푸셔(123)가 원료를 푸쉬하는 압력에 따라 압축부(121)의 내부로 전진 이동하거나 후진 이동할 수 있다. 구체적으로, 스토퍼(125)는 푸셔(123)가 원료를 푸쉬하는 압력에 따라 전진 이동 또는 후진 이동하여 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제1 압력과 제2 압력 사이에 있도록 할 수 있다. 예를 들어, 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제1 압력 미만인 경우, 스토퍼(125)는 원 위치에서 압축부(121)의 내부로 전진 이동하기 시작한다. 그러면, 스토퍼(125)가 압축부(121)의 내부 통로를 점진적으로 차폐시키기 때문에, 원료가 이동할 수 있는 공간이 점점 좁아지면서 원료가 스토퍼(125)에 막혀 압축되고, 압축된 원료는 압축부(121)의 내부 통로를 실링하게 된다. 스토퍼(125)가 압축부(121)의 내부로 전진 이동할 수록 푸셔(123)의 푸싱 압력은 점점 높아지게 된다. 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제1 압력 이상이 되는 경우, 스토퍼(125)는 전진 이동을 멈출 수 있다. 이때, 스토퍼(125)는 제1 압력 이상 제2 압력 미만인 값 중에서 설정된 제3 압력에서 전진 이동을 멈출 수 있다.

스토퍼(125)의 전진 이동이 멈춘 경우라 하더라도, 압축부(121)의 내부로 원료가 계속 공급되는 경우, 푸셔(123)의 푸싱 압력은 증가하게 된다. 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제2 압력을 초과하는 경우, 스토퍼(125)는 후진 이동하기 시작한다. 그러면, 압축부(121)의 내부 통로가 점점 넓어지기 때문에 원료가 이동할 수 있는 공간이 점점 넓어져 푸셔(123)의 푸싱 압력이 감소하게 된다. 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제2 압력 이하가 되는 경우, 스토퍼(125)는 후진 이동을 멈출 수 있다. 이때, 스토퍼(125)는 제2 압력 보다 낮으면서 제3 압력보다 높은 값으로 설정된 제4 압력에서 후진 이동을 멈출 수 있다. 스토퍼(125)의 동작 제어에 대한 보다 자세한 설명은 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.

한편, 압축부(121) 내부로 공급되는 원료의 양의 변화, 원료의 종류 및 특성(또는 성질)에 따라 푸셔(123)의 푸싱 압력이 다시 기 설정된 제1 압력 미만이 되는 경우, 스토퍼(125)는 해당 위치에서 압축부(121)의 내부로 전진 이동을 다시 시작할 수 있다. 이와 같이, 스토퍼(125)는 푸셔(123)의 푸싱 압력에 따라 전진 이동 또는 후진 이동함으로써, 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제1 압력과 제2 압력 사이에서 조절되도록 할 수 있게 된다.

여기서는, 압축부(121)의 배관 단면 형태가 사각형인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 압축부(121)의 배관 단면 형태는 그 이외의 다양한 형상(예를 들어, 원형, 타원형, 오각형 등)으로 형성될 수 있다. 또한, 여기서는 스토퍼(125)가 전진 이동하여 압축부(121)의 내부 통로 일부를 차폐하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 그 이외에 다양한 방식으로 압축부(121)의 내부 통로 일부를 차폐할 수 있다. 예를 들어, 스토퍼(125)는 조리개 방식으로 압축부(121)의 내부 통로 일부를 차폐할 수도 있다.

다시 도 2를 참조하면, 확관부(127)는 압축부(121)의 종단에서 압축부(121)와 연통하여 형성된다. 확관부(127)는 내부 통로가 압축부(121)의 내부 통로보다 확장되어 형성될 수 있다. 즉, 푸셔(123)에 의해 푸쉬되어 압축된 원료가 스토퍼(125)를 벗어나는 경우, 압축된 원료는 그 부피가 확장되게 된다. 압축부(121)의 종단면에서 바라보는 경우, 원료는 스토퍼(125)를 벗어날 때 가로 길이(폭) 또는 세로 길이(높이)의 1차원 측면에서 약 10 ~ 30%의 확장이 이루어지게 되며, 보다 일반적으로는 약 20% 정도의 확장이 이루어지게 된다. 이를 단면적(가로 길이 × 세로 길이)이라는 2차원 측면에서 보면, 원료가 스토퍼(125)를 벗어날 때 약 21 ~ 69%의 확장이 이루어지게 되며, 보다 일반적으로는 약 44% 정도의 확장이 이루어지게 된다. 원료의 확장 정도는 원료의 종류, 원료의 특성 등에 따라 달라질 수 있다. 이에, 스토퍼(125)의 후단에서 압축부(121)와 연통하여 형성되는 확관부(127)는 원료의 확장에 따라 그 내부 통로를 압축부(121)의 내부 통로보다 확장시켜 형성할 수 있다.

여기서, 확관부(127)의 내부 통로의 확장되는 정도는 원료가 확장되는 정도를 초과하여 확장시킬 수 있다. 이 경우, 확관부(127) 내에서 확관부(127)의 내벽과 원료 사이에 발생하는 마찰을 줄일 수 있고, 그로 인해 확관부(127) 내에서 원료의 이동을 용이하게 할 수 있게 된다. 예를 들어, 1차원 측면에서 원료가 20% 확장되는 경우, 확관부(127)의 내부 통로의 가로 길이 및 세로 길이는 압축부(121)의 내부 통로의 가로 길이 및 세로 길이보다 각각 20%를 초과하여 확장시킬 수 있다. 이때, 확관부(127) 내부 통로의 초과 확장 상한은 푸셔(123)의 압력, 가스화 용융로의 처리 용량, 압축부(121)의 길이 등에 따라 다르게 결정되는 사항이므로 특정 값으로 한정되지 않는다. 바람직하게는, 확관부(127)의 내부 통로의 가로 길이 및 세로 길이는 압축부(121)의 내부 통로의 가로 길이 및 세로 길이보다 20% 초과 50% 이하로 확장시킬 수 있다. 보다 바람직하게는, 확관부(127)의 내부 통로의 가로 길이 및 세로 길이는 압축부(121)의 내부 통로의 가로 길이 및 세로 길이보다 25% ~ 30%로 확장시킬 수 있다.

확관부(127)의 입구(127-1)는 점진적으로 확장되는 구조를 가질 수 있다. 즉, 확관부(127)의 입구(127-1)는 압축부(121)의 외측 방향으로 소정 각도 경사지게 형성될 수 있다. 예를 들어, 확관부(127)의 입구(127-1)는 압축부(121)의 외측 방향으로 3 ~ 7°경사지게 형성될 수 있다. 그러나, 확관부(127)의 입구(127-1)의 경사 각도가 이에 한정되는 것은 아니다. 확관부(127)의 입구(127-1)는 내측 상부면, 양 측면, 및 바닥면이 각각 압축부(121)의 외측 방향으로 경사지게 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 확관부(127)의 입구(127-1)는 내측 상부면 및 양 측면은 각각 압축부(121)의 외측 방향으로 경사지게 형성되고, 바닥면은 압축부(121)의 바닥면과 동일 선상에서 연장될 수도 있다.

확관부(127)의 외주면에는 냉각부(137)가 형성될 수 있다. 냉각부(137)는 확관부(127)를 냉각시키는 역할을 한다. 냉각부(137)는 반응로(111)의 고온 가스로 인해 뜨거워진 확관부(127)를 냉각시킬 수 있다. 냉각부(137)에는 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구(139-1) 및 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구(139-2)가 각각 형성될 수 있다. 냉각수 유입구(139-1)로 유입된 냉각수는 냉각부(137) 내에서 순환하면서 확관부(127)와 열 교환하게 된다. 그리고, 열 교환된 냉각수는 냉각수 배출구(139-2)를 통해 외부로 배출된다.

확관부(127)의 내부로는 질소가 투입될 수 있다. 확관부(127)의 내부에는 반응로(111)에서 발생한 고온의 배기 가스(예를 들어, 메탄 가스 등)가 유입될 수 있으므로, 그로 인한 발화를 방지하기 위해 확관부(127)의 내부로 질소를 투입할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 확관부를 나타낸 도면이다. 도 4의 (a)는 확관부 측에서 압축부를 바라본 단면도이고, 도 4의 (b)는 원료가 확관부의 내부에 존재하는 상태를 나타낸 도면이다.

도 4의 (a)를 참조하면, 확관부(127)의 내부 통로는 압축부(121)의 내부 통로보다 확장되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 압축부(121) 및 확관부(127)의 배관 단면 형태가 사각형인 경우, 확관부(127)의 내부 통로의 가로 길이 및 세로 길이는 각각 압축부(121)의 내부 통로의 가로 길이 및 세로 길이보다 소정 범위로 확장하여 형성될 수 있다.

도 4의 (b)를 참조하면, 원료(50)가 압축부(121)를 지나 확관부(127)로 유입되는 경우, 원료(50)는 압축부(121)에서보다 그 부피가 확장되게 된다. 여기서, 확관부(127)의 내부 통로는 원료(50)가 확장되는 정도를 초과하여 압축부(121)의 내부 통로보다 확장되기 때문에, 확관부(127)의 내벽과 원료(50) 사이의 마찰 면적을 최소화 할 수 있게 된다. 즉, 확관부(127)의 내부 통로의 가로 길이 및 세로 길이가 각각 원료(50)가 확장되는 정도를 초과하여 확장되기 때문에, 원료(50)는 확관부(127)의 내부 측면 및 상측에는 접촉하지 않고 확관부(127)의 내부 바닥면에만 접촉하여 이동하게 된다. 이와 같이, 확관부(127)의 내부 통로가 압축부(121)의 내부 통로보다 확장됨으로써, 확관부(127)의 내벽과 원료(50) 사이의 마찰 면적을 최소화 할 수 있고, 그로 인해 확관부(127)의 내부에서 원료(50)의 이동이 용이하게 이루어질 수 있게 된다.

다시 도 2를 참조하면, 곡관부(129)는 확관부(127)를 경사부(106)와 연결하는 역할을 한다. 여기서, 경사부(106)가 반응로(104)의 내부에서 경사지게 형성되므로, 곡관부(129)는 경사부(106)의 경사 각도에 대응하여 굴곡지게 형성될 수 있다. 곡관부(129)를 통해 투입 장치(102)와 경사부(106)를 연결함으로써, 투입 장치(102)로부터 반응로(104)의 내부로 투입되는 원료가 경사부(106) 상의 원료를 용탕(115)까지 푸쉬할 수 있게 된다.

한편, 투입 장치(102)의 내벽은 황동판으로 형성될 수 있다. 이 경우, 원료의 이동에 따른 마찰력을 감소할 수 있게 된다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 투입 장치(102)의 내벽은 철판 코팅되어 형성될 수도 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 스토퍼(125)를 통해 압축부(121)의 내부 통로의 일부를 차폐시킴으로써, 압축부(121)의 내부를 이동하는 원료와 함께 압축부(121)의 내부 통로를 실링할 수 있게 되며, 그로 인해 반응로(104)의 고온 가스가 압축부(121)의 내부로 역류하는 것을 방지할 수 있게 된다. 이때, 스토퍼(125)는 푸셔(123)의 푸싱 압력에 따라 전진 또는 후진 이동함으로써, 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 범위 내에서 조절되도록 할 수 있다. 푸셔(123)의 푸싱 압력은 원료의 재질, 종류, 성질, 특성 등에 따라 설정할 수 있으며, 그로 인해 원료의 투입 단계에서부터 원료의 특성을 고려하여 처리할 수 있게 된다. 그리고, 압축부(121)의 종단에 압축부(121)의 내부 통로보다 확장된 내부 통로를 가지는 확관부(127)를 형성함으로써, 압축부(121)의 종단에서 원료의 확장이 있더라도 원료가 용이하게 이동할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스토퍼의 제어 방법을 나타낸 순서도이다. 여기서, 투입 장치(102)는 푸셔(123)의 푸싱 압력을 측정하는 압력 측정부(미도시) 및 푸셔(123)의 푸싱 압력에 따라 스토퍼(125)의 동작을 제어하는 스토퍼 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

도 5를 참조하면, 원료 공급부(131)는 압축부(121)의 내부로 원료를 공급한다(S 101). 원료 공급부(131)는 주기적 또는 비주기적으로 소정 양의 원료를 압축부(121)의 내부로 공급할 수 있다. 압축부(121)의 내부로 원료가 공급되는 경우, 푸셔(123)는 원료를 전방으로 푸쉬하여 압축하게 된다. 이때, 압력 측정부(미도시)는 푸셔(123)의 푸싱 압력을 측정할 수 있다.

다음으로, 스토퍼 제어부(미도시)는 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제1 압력 미만인지 여부를 확인한다(S 103). 제1 압력은 압축부(121)의 내부 통로를 실링하기 위해 스토퍼(125)가 압축부(121)의 내부로 전진 이동하여야 하는 압력으로, 제1 압력은 압축부(121)의 길이, 압축부(121)의 단면적, 원료의 종류, 원료의 특성 등에 따라 다르게 설정될 수 있다. 여기서는 제1 압력이 15.5 ㎏f/㎠인 것으로 하여 설명하기로 한다.

단계 S 103의 확인 결과, 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제1 압력(예를 들어, 15.5 ㎏f/㎠) 미만인 경우, 스토퍼 제어부(미도시)는 스토퍼(125)를 압축부(121)의 내부로 전진 이동시킨다(S 105). 스토퍼 제어부(미도시)는 스토퍼(125)를 압축부(121)의 내부로 점진적으로 전진 이동시킬 수 있다. 이때, 스토퍼(125)의 초기 위치는 압축부(121)의 외부에 위치할 수 있다. 푸셔(123)의 푸싱 압력이 15.5 ㎏f/㎠ 미만인 경우는 원료만으로는 압축부(121)의 내부 통로 전체를 실링할 수 없는 경우로서, 스토퍼(125)를 압축부(121)의 내부로 점진적으로 전진 이동시켜 압축부(121) 내에서 원료의 압축도를 상승시킴으로써, 원료가 압축부(121)의 내벽에 밀착되게 하여 압축부(121)의 내부 통로 전체를 실링하게 된다.

다음으로, 스토퍼 제어부(미도시)는 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제1 압력에 도달하는지 여부를 확인한다(S 107). 단계 S 105에서, 스토퍼(125)를 압축부(121)의 내부로 점진적으로 전진 이동시키면, 원료가 이동할 수 있는 공간이 점점 좁아지면서 원료가 스토퍼(125)에 의해 막히기 때문에 푸셔(123)의 푸싱 압력은 점점 높아지게 된다. 이때, 스토퍼 제어부(미도시)는 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제1 압력에 도달하는지 여부를 확인하게 된다.

단계 S 107의 확인 결과, 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제1 압력에 도달하는 경우, 스토퍼 제어부(미도시)는 스토퍼(125)의 전진 이동을 정지시킨다(S 109). 스토퍼 제어부(미도시)는 푸셔(123)의 푸싱 압력이 제3 압력일 때 스토퍼(125)의 전진 이동을 정지시킬 수 있다. 제3 압력은 제1 압력(예를 들어, 15.5 ㎏f/㎠)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 압력보다 높으면서 제2 압력보다 낮은 값 중에서 설정될 수 있다.

다음으로, 스토퍼 제어부(미도시)는 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제2 압력을 초과하는지 여부를 확인한다(S 111). 제2 압력은 압축부(121) 내에서 원료가 이동되지 못하고 고착될 가능성이 있는 압력으로, 제2 압력은 압축부(121)의 길이, 압축부(121)의 단면적, 원료의 종류, 원료의 특성 등에 따라 다르게 설정될 수 있다. 여기서는 제2 압력이 18.5 ㎏f/㎠인 것으로 하여 설명하기로 한다. 단계 S 109에서, 스토퍼(125)의 전진 이동을 정지시키는 경우, 압축부(121)의 내부로 원료가 계속 공급되면 푸셔(123)의 푸싱 압력이 증가하게 된다. 이때, 스토퍼 제어부(미도시)는 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제2 압력을 초과하는지 여부를 확인하게 된다.

단계 S 111의 확인 결과, 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제2 압력(예를 들어, 18.5 ㎏f/㎠)을 초과하는 경우, 스토퍼 제어부(미도시)는 스토퍼(125)를 후진 이동시킨다(S 113). 스토퍼 제어부(미도시)는 스토퍼(125)를 점진적으로 후진 이동시킬 수 있다.

다음으로, 스토퍼 제어부(미도시)는 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제2 압력에 도달하는지 여부를 확인한다(S 115). 단계 S 113에서, 스토퍼(125)를 후진 이동시키면, 압축부(121)의 내부 통로가 점점 넓어지기 때문에 원료가 압축부(121)의 내부에서 고착되지 않고 보다 용이하게 전진 이동할 수 있게 되므로, 푸셔(123)의 푸싱 압력이 점점 낮아지게 된다. 이때, 스토퍼 제어부(미도시)는 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제2 압력에 도달하는지 여부를 확인하게 된다.

단계 S 115의 확인 결과, 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제2 압력에 도달하는 경우, 스토퍼 제어부(미도시)는 스토퍼(125)의 후진 이동을 정지시킨다(S 117). 스토퍼 제어부(미도시)는 푸셔(123)의 푸싱 압력이 제4 압력일 때 스토퍼(125)의 후진 이동을 정지시킬 수 있다. 제4 압력은 제2 압력(예를 들어, 18.5 ㎏f/㎠)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제2 압력 보다 낮으면서 제3 압력보다 높은 값 중에서 설정될 수 있다.

다음으로, 압축부(121) 내부로 공급되는 원료의 양의 변화, 원료의 종류 및 특성(또는 성질)에 따라 푸셔(123)의 푸싱 압력이 다시 기 설정된 제1 압력 미만이 되는 경우, 스토퍼 제어부(미도시)는 단계 S 105 내지 단계 S 115의 과정을 다시 수행할 수 있다. 이와 같이, 스토퍼 제어부(미도시)는 푸셔(123)의 푸싱 압력이 기 설정된 제1 압력과 제2 압력 사이에서 조절되도록 함으로써, 압축부(121)의 내부 통로를 실링하면서 원료가 압축부(121) 내에 고착되지 않고 이동될 수 있도록 할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 용융로 시스템을 개략적으로 나타낸 평면도이다.

도 6을 참조하면, 가스화 용융로 시스템(100)은 제1 투입 장치(102-1) 및 제2 투입 장치(102-2)를 포함할 수 있다. 제1 투입 장치(102-1) 및 제2 투입 장치(102-2)는 반응로(104)의 제1 측면에 형성될 수 있다. 반응로(104)의 제1 측면에 대향하는 제2 측면에는 배기가스 배출구(113)가 형성될 수 있다. 이때, 배기가스 배출구(113)는 제1 투입 장치(102-1) 및 제2 투입 장치(102-2)가 형성된 위치보다 아래, 즉 반응로(104)의 수직 방향을 기준으로 제1 투입 장치(102-1) 및 제2 투입 장치(102-2)보다 하측에 형성될 수 있다. 구체적으로, 배기가스 배출구(113)는 반응로(104)의 제1 측면에 대향하는 제2 측면에 형성되되, 제1 투입 장치(102-1) 및 제2 투입 장치(102-2)가 형성된 제1 측면에서 하측으로 경사진 방향으로 제2 측면 상에 형성될 수 있다.

제1 투입 장치(102-1) 내의 제1 푸셔(123-1)와 제2 투입 장치(102-2) 내의 제2 푸셔(123-2)는 상호 교대로 푸쉬 동작을 수행할 수 있다. 이 경우, 제1 투입 장치(102-1) 및 제2 투입 장치(102-2)를 통해 원료가 반응로(104) 내부로 연이어 투입될 수 있게 된다. 이러한 제1 투입 장치(102-1) 및 제2 투입 장치(102-2)의 상호 교대의 푸쉬 동작에 의하여 반응로(104) 내의 원료 투입이 보다 연속적이 될 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 투입 장치(102)가 2개 형성된 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 투입 장치(102)는 그보다 더 많은 개수로 형성될 수 있다. 투입 장치(102)가 2개를 초과하여 형성되는 경우에는, 각 투입 장치(102)의 원료 투입에 시간차를 둠으로써, 반응로(104) 내의 원료 투입이 연속에 가깝도록 할 수 있다. 이와 같은 연속된 원료의 투입은 반응로(104)의 불연속적인 운용을 완화시킬 수 있다. 즉, 투입 장치(102)의 원료 투입은 푸셔(123)의 반응로(104) 방향으로의 진입으로 인해 이루어지게 되는데, 푸셔(123)의 이러한 진입과 후퇴 후의 재진입에는 시간차가 발생하게 된다. 반면에, 2개 이상의 투입 장치(102)가 마련되게 되면, 그 중 1개의 투입 장치(102)의 푸셔(123)가 반응로(104) 방향으로의 진입을 통해 원료를 반응로(104) 내부로 투입한 이후, 원료의 재투입을 위해 후퇴할 때, 다른 투입 장치(102)의 푸셔(123)가 반응로(104) 방향으로의 진입을 통해 원료를 반응로(104) 내부로 투입할 수 있어, 투입 장치(102)에 의한 반응로(104) 내부로의 원료 투입 간격이 짧아지게 된다. 따라서, 반응로(104) 내부에서 원료의 불연속적인 공급으로 인한 열분해 및 용융의 불연속성이 완화되게 되며, 이러한 기능 내지 효과는 투입 장치(102)의 개수가 늘어나게 될수록 강화된다. 다만, 반응로(104)에 구비되는 투입 장치(102)의 개수는 가격대비 장비의 효율성, 반응로(104)의 처리용량, 투입 장치(102)가 마련되는 반응로(104)의 제1 측면의 공간적 제약 등을 고려하여 당업자의 입장에서 결정할 수 있다. 본 실시예에서는 투입 장치(102)를 2개 구비하고 있는 것으로 도시하고 있으나, 이러한 기술적 사상은 투입 장치(102)가 1개를 초과하여 마련되는 것에 있는 것인 바, 투입 장치(102)가 3개 이상 마련될 수 있음은 물론이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스화 용융로 시스템에서 반응로 내부를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 투입 장치(102)에 의해 반응로(104)의 내부로 투입된 원료(50)는 경사부(106)에 의해 용탕(115)으로 유도된다. 경사부(106)는 반응로(104)의 내부에서 소정 각도로 경사지게 형성된다. 원료(50)는 원료(50)의 자중 및 투입 장치(102)로부터 투입되는 원료에 의한 밀림에 의해 용탕(115) 방향으로 흘러내리게 된다. 경사부(106)의 각도(θ)는 10° ~ 50°가 될 수 있다. 바람직하게, 경사부(106)의 각도(θ)는 15° ~ 25°가 될 수 있다. 이러한 경사부(106)의 각도 범위는 경사부(106)를 따라 이동하게 되는 원료(50)의 이동 속도와 관련된다. 즉, 경사부(106)의 각도 범위는 원료(50)의 원활한 이동을 확보하면서도 원료(50)가 경사부(106)에서 충분히 열 분해될 수 있도록 하는 원료(50)의 이동 속도를 확보하기 위한 각도 범위이다. 경사부(106)의 각도는 경사부(106)에서 일부 용융된 원료가 용탕(115)으로 흘러 투입될 수 있는 각도로 설정될 수 있다.

경사부(106)의 각도가 50°를 초과하면 원료(50)가 용탕(115)으로 빠르게 흘러내리기 때문에, 경사부(106)에서 제대로 열 분해되지 않게 된다. 즉, 원료(50)는 경사부(106)에서 용탕(115)으로 이동하는 동안 에어 포트(110)에서 분사되는 공기, 산소, 또는 가스에 의해 열 분해 및 용융된 후, 미 용융된 잔여 원료가 토치(108)에 의해 용융되는데, 경사부(106)의 각도가 50°를 초과하면 원료(50)가 경사부(106)에서 체류하는 시간이 짧아져 제대로 열 분해되지 않게 된다. 즉, 고형체일 수 있는 원료(50)가 반응로(104) 내의 높은 온도 하에서 에어 포트(110)로부터의 공기, 산소, 또는 가스와 반응하여 열 분해될 때, 다양한 원료의 성분으로 인하여 열 분해에 소요되는 시간에 차이가 있게 된다. 즉, 다양한 원료 성분은 짧은 열 분해 시간을 갖는 성분 뿐만 아니라, 상대적으로 긴 열 분해 시간을 갖는 성분도 포함할 수 있는데, 원료(50)가 경사부(106)에서 체류하는 시간이 짧은 경우, 상대적으로 긴 열 분해 시간을 갖는 성분은 충분히 열 분해되지 못하게 될 수 있다. 더욱이, 폐기물(쓰레기)를 포함하는 원료의 성분은 다양한 산업 및 가정 쓰레기일 수 있고, 이러한 원료에 포함되는 성분을 확정적으로 한정할 수 없는 상황하에서는 원료의 열 분해 시간이 짧을 경우, 원료의 충분한 열 분해를 달성할 수 없게 된다. 이 뿐만 아니라, 경사부(106)의 각도가 50°를 초과하면 원료(50)가 경사부(106)에서 회전하면서 낙하하는 경우가 발생하기 때문에, 원료(50)가 용탕(115)으로 입수할 때 용탕(115) 내의 용융된 원료가 주변으로 튀어 반응로(104) 내부를 손상시킬 위험이 있게 된다. 특히, 튀어오른 용탕(115)이 플라즈마 토치(108)에 닿게 될 경우에는 설비에 치명적인 손상을 입힐 수 있음은 물론이다. 또한, 원료(50)가 충분히 열 분해 및 용융되지 않아 용탕(115)의 표면에서 부유하게 되고, 용융재 배출구(117)로 흘러들어가 용융재 배출구(117)를 막을 위험이 있게 된다.

반면, 경사부(106)의 각도가 10°미만인 경우, 경사부(106)와의 마찰로 인해 원료(50)가 잘 흘러내리지 않게 된다. 이 경우에는 추가적인 원료(50)의 투입에 의해 원료(50)가 투입 장치(102)의 부근에 적체될 수 있어 투입 장치(102)에 지나친 부하를 가할 수 있을 뿐만 아니라, 지속적인 원료(50)의 투입으로 인하여 일시에 적체된 원료(50)가 경사부(106)를 따라 이동(회전되며 이동될 수도 있음)하게 될 수 있어 반응로(104)의 부하 관리가 어렵게 되고, 용탕의 튐 현상도 발생하게 된다. 그리고, 경사부(106)에서 용융된 일부 슬래그가 경사부(106)에 융착되어 원료(50)의 이동을 방해할 수 있게 된다. 더욱이, 경사부(106)의 각도가 10°미만인 경우, 경사부(106)의 길이가 짧아지기 때문에 열 분해 구간의 확보를 통핸 원료의 처리를 위해서는 경사부(106)의 길이가 길어져야 하고 그로 인해 반응로(104) 자체가 커지게 되는 문제점이 있게 된다.

이와 같이, 경사부(106)는 반응로(104) 내에서 원료(50)가 열 분해되는 열 분해 구간을 제공하게 된다. 열 분해 구간에서 원료(50)가 체류하는 시간은 20 ~ 30분이 되는 것이 바람직하다. 이 경우, 원료(50)의 충분한 열 분해를 달성할 수 있게 된다. 경사부(106)의 각도는 원료(50)의 체류 시간이 20 ~ 30분이 되도록 설정될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응로 내부에서 경사부를 정면으로 본 상태를 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 경사부(106)에는 제1 투입 장치(102-1) 및 제2 투입 장치(102-2)와 대응하여 원료가 이동할 수 있는 통로가 각각 구비될 수 있다. 예를 들어, 경사부(106)에는 제1 투입 장치(102-1)에 의해 투입된 원료(50-1)가 이동하는 제1 통로(106-1) 및 제2 투입 장치(102-2)에 의해 투입된 원료(50-2)가 이동하는 제2 통로(106-2)가 구비될 수 있다. 여기서, 제1 통로(106-1) 및 제2 통로(106-2)의 바닥면을 오목 형태로 굴곡되어 형성될 수 있다. 이 경우, 원료(50)가 경사부(106)를 따라 이동할 때 반응로(104)의 내부 측벽에 뭉개져 경사부(106)에 융착되어 쌓이는 것을 방지할 수 있으며, 그로 인해 원료(50)를 용탕(115)으로 용이하게 유도할 수 있게 된다.

다시 도 7을 참조하면, 반응로(104)의 내부에는 제1 에어 포트(110-1) 및 제2 에어 포트(110-2)가 형성될 수 있다. 제1 에어 포트(110-1) 및 제2 에어 포트(110-2)는 각각 반응로(104)의 내부에서 측벽에 형성될 수 있다. 여기서는, 반응로(104)의 내부에 2개의 에어 포트가 형성되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 그 경사부(106)의 길이 등을 고려하여, 원료(50)의 열 분해 반응을 위한 충분한 공기, 산소, 또는 가스를 공급하기 위해 보다 많은 개수의 에어 포트가 형성될 수 있다.

제1 에어 포트(110-1) 및 제2 에어 포트(110-2)는 경사부(106) 방향으로 가스를 분사하여 경사부(106)에서 원료(50)가 열 분해 및 용융되도록 할 수 있다. 제1 에어 포트(110-1) 및 제2 에어 포트(110-2)는 예를 들어, 공기 또는, 산소를 경사부(106) 방향으로 분사할 수 있다. 그러나, 제1 에어 포트(110-1) 및 제2 에어 포트(110-2)에서 분사되는 가스의 종류가 이에 한정되는 것은 아니며, 원료(50)의 종류 및 성질 또는 반응로(104) 내부의 온도 등에 따라 그 이외의 다양한 종류의 가스를 분사할 수도 있다. 경사부(106)가 소정 각도로 경사지게 형성되어 있는 바, 제2 에어 포트(110-2)는 제1 에어 포트(110-1)보다 하측으로 경사진 방향에 형성되어 경사부(106)를 지향할 수 있도록 형성될 수 있다.

반응로(104)의 내부는 토치(108)에서 분출되는 고온의 플라즈마에 의해 고온의 상태에 있으므로, 제1 에어 포트(110-1) 및 제2 에어 포트(110-2)에서 공기 또는 산소를 경사부(106) 방향으로 분사하면, 경사부(106) 상의 원료(50)가 화학 반응으로 열 분해되게 된다. 제1 에어 포트(110-1) 및 제2 에어 포트(110-2)는 기 설정된 양의 가스를 분사할 수 있다. 여기서, 기 설정된 양이란 투입되는 연료(50)의 양과 경사부(106)에 원료(50)가 체류되는 시간 등을 고려하여 당업장의 입장에서 설정되는 양으로서, 원료(50)의 열 분해를 위한 화학 반응에 필요한 양만큼으로 설정된 양을 의미한다. 또한, 제1 에어 포트(110-1) 및 제2 에어 포트(110-2)는 소정 온도로 예열된 가스를 분사할 수 있으며, 화학 반응에 필요한 온도 조건을 보다 적극적으로 맞출 수 있다. 즉, 반응로(104) 내의 고온 환경으로 인해 화학 반응에 필요한 온도 조건이 맞추어질 수 있으나, 에어 포트(110-1, 110-2)를 통해 외부로부터 반응로(104) 내로 유입되는 공기, 산소, 또는 가스가 반응로(104) 내의 온도보다 현저히 낮을 경우에는, 낮은 온도의 가스 등이 원료(50)와 접촉하면서 원료(50)의 열 분해가 지연될 수 있기 때문에, 예열된 가스를 에어 포트(110-1, 110-2)를 통해 공급할 수 있다. 여기서, 예열되는 온도(상기 “소정 온도”)는 구비되는 에어 포트(110-1, 110-2)의 내구성이나 예열을 위한 별도의 장치의 한계 등을 고려하여 당업자의 입장에서 선택될 수 있다.

경사부(106) 상의 원료(50)는 제1 에어 포트(110-1) 및 제2 에어 포트(110-2)에 의해 열 분해 되어 용탕(115)으로 이동될 수록 그 양이 줄어들게 된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 경사부(106)의 경사면에 수직한 방향으로 보았을 때, 원료(50)의 높이가 점점 감소하는 것을 알 수 있는데, 이는 원료(50)의 열 분해로 인해 경사부(106)의 하측으로 갈수록 원료(50)의 양이 줄어드는 것을 나타내고 있다. 이는, 원료(50)의 조성물 차이에 따라 열 분해 반응 온도가 낮거나 반응 속도가 빠른 물질이 먼저 열 분해되기 때문이다. 경사부(106) 하측으로 갈수록 원료(50)가 반응로(104) 내부의 고온 환경과 동조되어 온도가 더욱 향상되게 되므로, 열 분해 반응 온도가 높거나 반응 속도가 느린 원료(50)의 조성물은 경사부(106)의 하측으로 가면서 열 분해되게 된다. 그리고, 용탕(115)까지 유도된 잔여 원료(50)는 토치(108)에서 분출된 고온의 플라즈마 제트에 의해 용융되어 용탕(115) 내에 수납되게 된다.

토치(108)는 반응로(104)의 내부 측벽에 형성될 수 있다. 토치(108)는 반응로(104)의 내부에 복수 개가 형성될 수 있다. 토치(108)는 경사부(106)의 종단 또는 용탕(115)의 경사부(106) 부근을 지향하여 고온의 플라즈마를 분출할 수 있다. 이때, 토치(108)는 반응로(104)의 폭 방향의 중심으로 고온의 플라즈마를 분출할 수 있다. 토치(108)는 제2 에어 포트(110-2) 보다 경사진 방향에 형성될 수 있다. 토치(108)는 경사부(106)의 종단에 위치하는 잔여 원료(50)를 고온의 플라즈마로 용융시킬 수 있다. 그리고, 토치(108)는 고온의 플라즈마로 용탕(115)을 가열할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응로 내부에서 에어 포트 및 토치가 형성되는 상태를 나타낸 도면이다. 도 9의 (a)는 반응로 내부를 위에서 바라본 도면이고, 도 9의 (b)는 반응로 내부를 측면에서 바라본 도면이다.

도 9를 참조하면, 한 쌍의 제1 에어 포트(110-1-a, 110-1-b)가 경사로(106)의 양측에 위치하는 반응로(104)의 내측벽에 대향하여 형성될 수 있다. 한 쌍의 제2 에어 포트(110-2-a, 110-2-b)가 경사로(106)의 양측에 위치하는 반응로(104)의 내측벽에 대향하여 형성될 수 있다. 한 쌍의 제2 에어 포트(110-2-a, 110-2-b)는 한 쌍의 제1 에어 포트(110-1-a, 110-1-b)보다 하측으로 경사진 방향, 즉 반응로(104)의 하측에 형성될 수 있다.

한 쌍의 제1 에어 포트(110-1-a, 110-1-b)는 공기, 산소, 또는 가스를 경사부(106)의 제1 중심(X1)을 향하여 분사할 수 있다. 이때, 한 쌍의 제1 에어 포트(110-1-a, 110-1-b)는 측면 방향의 제1 각도(θ1) 및 하부 방향의 제2 각도(θ2)로 경사부(106)의 제1 중심(X1)을 향하여 가스를 분사할 수 있다. 그리고, 한 쌍의 제2 에어 포트(110-2-a, 110-2-b)는 가스를 경사부(106)의 제2 중심(X2)을 향하여 분사할 수 있다. 이때, 한 쌍의 제2 에어 포트(110-2-a, 110-2-b)는 측면 방향의 제1 각도(θ1) 및 하부 방향의 제2 각도(θ2)로 경사부(106)의 제2 중심(X2)을 향하여 가스를 분사할 수 있다. 경사부(106)의 제1 중심(X1) 및 제2 중심(X2)은 경사부(106)의 폭 방향으로의 중심일 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 제1 에어 포트(110-1-a, 110-1-b) 및 한 쌍의 제2 에어 포트(110-2-a, 110-2-b)는 측면 방향으로 30°, 하부 방향으로 5°의 각도로 가스를 분사할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 경사부(106)의 폭 및 길이, 에어 포트의 설치 개수, 및 에어 포트의 설치 간격 등에 따라 측면 방향의 제1 각도(θ1) 및 하부 방향의 제2 각도(θ2)는 달라질 수 있다.

한 쌍의 제1 에어 포트(110-1-a, 110-1-b) 및 한 쌍의 제2 에어 포트(110-2-a, 110-2-b)가 각각 경사부(106)의 제1 중심(X1) 및 제2 중심(X2)을 향하여 가스 등을 분사하는 경우, 분사된 가스는 에어 포트(110)로부터 멀어질수록 분산되어 제1 중심(X1) 및 제2 중심(X2)으로부터 대략 특정 반경을 갖는 원형 부분에 가스 등이 분사되게 된다. 이 때, 에어 포트(110)는 경사부(106)의 제1 중심(X1) 및 제2 중심(X2)을 지향하여 분사되기 때문에 공급되는 가스 등의 양을 충분히 확보함과 동시에 보다 넓은 면적에 가스 등을 공급할 수 있어, 가스 등과 원료(50)와의 접촉 면적을 최대화 할 수 있다. 이는 원료(50)의 열 분해 효율과 직접 관계되며, 이러한 구성을 통해 원료(50)가 열 분해되는 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 여기서는 한 쌍의 제1 에어 포트(110-1-a, 110-1-b) 및 한 쌍의 제2 에어 포트(110-2-a, 110-2-b)가 동일한 제1 각도(θ1) 및 제2 각도(θ2)로 가스를 분사하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 한 쌍의 제1 에어 포트(110-1-a, 110-1-b)와 한 쌍의 제2 에어 포트(110-2-a, 110-2-b)의 분사 각도는 서로 다를 수 있다. 그리고, 여기서는 제1 에어 포트(110-1) 및 제2 에어 포트(110-2)가 반응로(104)의 내측벽에 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제1 에어 포트(110-1) 및 제2 에어 포트(110-2)는 반응로(104) 내부의 상면에 형성될 수도 있다. 그리고, 제1 에어 포트(110-1) 및 제2 에어 포트(110-2) 중 어느 하나는 반응로(104)의 내측벽에 형성되고, 다른 하나는 반응로(104) 내부의 상면에 형성될 수도 있다.

용탕(115)의 양측에 위치하는 반응로(104)의 내측벽에는 각각 제1 토치(108-1) 및 제2 토치(108-2)가 대향하여 형성될 수 있다. 제1 토치(108-1) 및 제2 토치(108-2)는 한 쌍의 제2 에어 포트(110-2-a, 110-2-b)보다 하측으로 경사진 방향에 형성될 수 있다. 제1 토치(108-1) 및 제2 토치(108-2)는 경사부(106)의 종단 중심(X3)을 향하여 고온의 플라즈마 제트를 분출할 수 있다. 이 경우, 제1 토치(108-1) 및 제2 토치(108-2)는 경사부(106)의 종단에서 잔여 원료(50)를 용융시키면서 용탕(115)를 가열할 수 있게 된다. 여기서, 제1 토치(108-1) 및 제2 토치(108-2)은 경사부(106)의 종단에서 반응로(104)의 폭 방향 중심이 될 수 있다. 한편, 제1 토치(108-1) 및 제2 토치(108-2)가 반응로(104)의 폭 방향 중심(X3)을 향하지 않고, 폭 방향 중심(X3)으로부터 폭 방향으로 소정 거리 이격된 부분을 각각 지향할 수도 있음은 물론이다. 이 경우, 제1 토치(108-1) 및 제2 토치(108-2) 각각에 의하여 용탕의 대류 흐름이 각각 형성될 수 있다.

제1 토치(108-1) 및 제2 토치(108-2)는 측면 방향의 제1 각도(θ1) 및 하부 방향의 제2 각도(θ2)로 경사부(106)의 종단 중심(X3)을 향하여 고온의 플라즈마 제트를 분출할 수 있다. 예를 들어, 제1 토치(108-1) 및 제2 토치(108-2)는 측면 방향으로 30°, 하부 방향으로 18°의 각도로 고온의 플라즈마 제트를 분출할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 경사부(106)의 폭 및 길이, 토치의 설치 위치 등에 따라 측면 방향의 제1 각도(θ1) 및 하부 방향의 제2 각도(θ2)는 달라질 수 있다.

여기서는, 반응로(104)의 내부에 2개의 토치(108-1, 108-2)가 형성되는 것으로 설명하였으나, 토치(108)의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다. 반응로(104)의 내부에 복수 개의 토치(108)를 형성하는 경우, 가스화 용융로 시스템(100)을 정지시키지 않고도 일부 토치를 교체할 수 있게 된다. 즉, 일부 토치를 교체하는 동안 나머지 토치를 이용하여 가스화 용융로 시스템(100)을 동작시킬 수 있게 된다. 이때, 가스화 용융로 시스템(100)의 처리 용량을 나머지 토치의 개수에 따라 조절할 수 있다. 그리고, 여기서는 제1 토치(108-1) 및 제2 토치(108-2)가 용탕(115)의 양측에 위치하는 반응로(104)의 내측벽에 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제1 토치(108-1) 및 제2 토치(108-2)는 투입 장치(102)와 대향하는 반응로(104)의 내측벽 또는 반응로(104) 내부의 상면에 형성될 수도 있다.

다시 도 7을 참조하면, 위에서 살펴본 바와 같이, 제1 토치(108-1) 및 제2 토치(108-2)가 측면 방향의 제1 각도(θ1) 및 하부 방향의 제2 각도(θ2)로 고온의 플라즈마 제트를 분출하고, 한 쌍의 제1 에어 포트(110-1-a, 110-1-b) 및 한 쌍의 제2 에어 포트(110-2-a, 110-2-b)가 측면 방향의 제1 각도(θ1) 및 하부 방향의 제2 각도(θ2)로 가스를 분사함으로써, 원료(50)가 열 분해 및 용융되면서 발생하는 배기 가스는 반응로(104) 내부에서 소정 회전력을 가지고 선회하게 된다.

구체적으로, 배기 가스는 반응로(104) 내부에서 플라즈마 제트의 분출 방향 및 에어 포트(110-1, 110-2)의 가스 분사 방향에 편승하는 방향(도 7에서는 시계 방향)으로 선회하게 된다(①). 다음으로, 반응로(104) 내부에서 선회된 배기 가스는 투입 장치(102)와 대향하는 반응로(104)의 내측벽을 따라 하강하여 용탕(115)의 표면과 접촉하게 된다(②). 다음으로, 용탕(115)의 표면과 접촉한 배기 가스는 배기 가스 배출구(113)를 통해 외부로 배출되게 된다(③). 여기서, 용탕(115)과 인접한 배기 가스 배출구(113)의 바닥면(113-1)을 상측으로 경사지게 형성하여 배기 가스가 반응로(104) 내부 구조의 영향을 받지 않고 보다 용이하게 배출되도록 할 수 있다. 그리고, 배기 가스 배출구(113)의 바닥면(113-1)을 상측으로 경사지게 형성함으로써, 배기 가스와 함께 배출되는 비산재 및 그을음(soot)이 배기 가스 배출구(113)에 쌓일 경우, 상기 경사진 바닥면(113-1)을 따라 용탕(115)으로 유입되도록 할 수 있게 된다.

이와 같이, 배기 가스를 고온의 용탕(115)과 접촉시킨 후 배출하면, 배기 가스 내의 불순물(예를 들어, 비산재, 실리카, 회분 등)을 제거할 수 있고, 배출되는 배기 가스의 온도를 높일 수 있게 된다. 즉, 배기 가스가 용탕(115)과 접촉하면서 배기 가스 내의 불순물들이 용탕(115)으로 녹아들 수 있으며, 용탕(115)은 최종적으로 용융재 배출구(117)을 통해 배출되게 된다. 이로써, 배기 가스가 반응로(104)로부터 배출될 때 순도를 향상시킬 수 있으며, 이로써 배기 가스의 활용도를 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 배기 가스가 용탕(115)과 접촉되는 과정 중에서, 배기 가스의 온도가 상승하게 되며, 이 경우 배기 가스 내에 포함되는 불순물(예를 들어, 타르 등)의 함유량이 감소될 수 있어 배기 가스의 순도 향상 및 그 활용도를 높일 수 있게 된다.

이와 같이 불순물이 제거된 배기 가스는 회수되어 연료로 재활용될 수 있으며, 배기 가스의 높은 온도에서 열(에너지)을 회수하여 재활용할 수도 있음은 물론이다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 가스화 용융로 시스템 102 : 투입 장치
104 : 반응로 106 : 경사부
108 : 토치 110 : 에어 포트
111 : 내화벽 113 : 배기가스 배출구
115 : 용탕 117 : 용융재 배출구
121 : 압축부 123 : 푸셔
125 : 스토퍼 127 : 확관부
129 : 곡관부 131 : 원료 공급부
133 : 관통홀 135 : 침출수 배출부
137 : 냉각부 139-1 : 냉각수 주입구
139-2 : 냉각수 배출구

Claims (7)

1. 투입 장치가 형성되는 제1 측면을 구비하고, 상기 투입 장치에 포함되는 확관부를 거친 원료가 투입되는 반응로;
   상기 반응로의 내부 하단에 형성되고 상기 반응로에서 용융된 원료를 수납하는 용탕;
   상기 용탕과 인접하여 형성되고, 상기 제1 측면과 대향하는 상기 반응로의 제2 측면에서 상기 제2 측면의 중심보다 하측에 형성되며, 상기 반응로 내의 배기가스를 배출하는 배기가스 배출구;
   상기 반응로에 마련되고 가스를 분사하는 에어 포트; 및
   상기 반응로에 마련되고 플라즈마를 분사하는 플라즈마 토치를 포함하고,
   상기 배기가스는, 상기 에어 포트에서 분사되는 가스 및 상기 플라즈마 토치에서 분사되는 플라즈마 중 적어도 하나에 의해 상기 제1 측면 및 상기 제1 측면과 상기 제2 측면의 상부를 연결하는 상기 반응로의 상면을 거쳐 상기 배기가스 배출구가 마련된 제2 측면 측으로 이동되도록 선회된 후 상기 제2 측면을 따라 하강한 다음, 상기 용탕과 접촉한 후 상기 배기가스 배출구로 배출되고,
   상기 배기가스 배출구는, 상기 제2 측면에서 상기 배기가스가 상기 제2 측면을 따라 하강하여 접촉되는 용탕과 인접하여 마련되며, 상기 용탕과 인접된 바닥면이 상측으로 경사지게 형성되는, 가스화 용융로 시스템.
   
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5. 제1항에 있어서,
   상기 가스화 용융로 시스템은,
   상기 용탕과 연통하여 형성되고, 상기 용융된 원료를 외부로 배출하는 용융재 배출구를 더 포함하는, 가스화 용융로 시스템.
   
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