KR101562856B1 - 플라즈마 토치 시스템, 및 이를 이용한 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물 일괄 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 토치 시스템, 및 이를 이용한 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물 일괄 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생활폐기물 또는 병원폐기물의 가연분과 비가연분을 일괄 처리하면서 유해 가스 및 소각재 등의 2차 폐기물 발생을 최소화할 수 있는 혼합형 플라즈마 토치 시스템과, 이를 이용한 폐기물의 일괄 처리 방법에 관한 것으로, 투입 폐기물에 열을 공급하여 전처리가 이루어지는 전처리구역(A)에 설치되는 비이행형 플라즈마 토치(110)와, 상기 전처리구역(A)을 경유한 폐기물의 용융이 이루어지는 용융구역(B)에 설치되는 혼합형 플라즈마 토치(120)와, 상기 용융구역(B) 하부에 설치되어 상기 혼합형 플라즈마 토치(120)의 이행형 운전을 가능하게 하는 하부 전극(130)과, 상기 용융구역(B)의 하부에 축적된 용융 금속의 일부를 배출하는 금속 배출부(140)와, 상기 용융구역(B)의 하부에 축적된 용융 금속에 부유하게 되는 용융 슬래그를 연속적으로 배출하는 슬래그 배출부(150)와, 배기체를 배출하기 위한 배기체 배출부(160)를 포함하는 소각용융로(100)와; 상기 소각용융로(100)에서 배출되는 배기체가 유입되는 배기체 유입부(311)와, 세정액이 공급되는 세정액 공급부(312)가 마련되어 상기 세정액 공급부(312)로 공급되는 세정액을 이용하여 상기 배기체 유입부(311)로 유입되는 고온의 배기체 중의 입자상 물질 또는 유해기체를 제거하여 여과 처리된 배기체와 세정후 세정액의 배출이 이루어지는 세정기(300)와; 상기 세정기(300)의 배기계통의 압력을 제어하는 배기팬(400);을 포함한다.

Description

플라즈마 토치 시스템, 및 이를 이용한 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물 일괄 처리 방법{Plasma torch system and method for treatment of all municipal combustible and non-combustible waste or hospital waste}
본 발명은 생활폐기물 또는 병원폐기물 중에 포함되어 있는 가연분과 비가연분을 분리작업 없이 동시에 투입하여 처리하면서 폐기물 처리시 발생되는 유해 가스 및 소각재 등의 2차 폐기물 발생을 최소화할 수 있는 환경 친화적인 플라즈마 토치 시스템과, 이를 이용한 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물의 일괄 처리 방법에 관한 것이다.
국내에서 발생되는 생활폐기물의 연중 평균 조성비는 아래 표와 같다(이건주, "강원도 영서지역 생활폐기물 및 슬러지의 물리ㅇ화학적 특성에 관한 연구", 유기물자원화 학술지, 제12권, 제4호(2004), p. 116의 자료에서 음식물 폐기물을 제외하고 재계산한 것임).
[표 1]
Figure 112015049370711-pat00001
생활폐기물은 재활용품과 소각 또는 매립분을 분리하여 처리하게 되어 있으나 완전하게 분리되지 않아 소각분에 비가연분이 함유되어 유입되는 경우가 있어 종래의 버너를 이용한 소각로를 운영하는데 어려움을 야기한다.
생활폐기물 소각장에서 배출되는 소각재는 배출부위에 따라 소각로 바닥으로 배출되는 바닥재(Bottom ash)와 연소가스 속에 함유된 분진을 포집 제거되는 비산재(Fly ash)로 구분된다. 바닥재는 대부분 재로 구성되어 있어 중금속 농도가 비교적 낮은 반면, 비산재의 경우 중금속 농도가 상당히 높다. 여러 연구보고서에서 소각재의 유해성을 심각하게 지적하고 있어서 소각재의 환경친화적 처리가 요구되고 있다. 그동안 소각장에서는 발생되는 소각재와 바닥재를 분리하지 않고 두 가지를 같은 벙커에 모았다가 매립지에 일반폐기물과 함께 매립해 왔으며 그 양도 수십만 톤에 달하는 것으로 추정되고 있다. 소각재에는 중금속을 포함해 다이옥신 등이 함유되어 있어서 유해 성분이 매립지에서 침출되어 환경에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 연유로 일본 등에서는 소각재를 플라즈마 토치 용융로에서 용융처리하여 다이옥신을 분해하고 중금속이 환경으로 유출되지 않는 친환경 골재를 생산하여 재활용하고 있다.
도시쓰레기를 소각하면 소각잔사(바닥재), 보일러 먼지, 집진기 fly ash(비산재) 등 3가지 2차 폐기물이 발생된다. 바닥재는 수분 함유기준으로 소각되는 쓰레기량의 10∼15% 발생하고, 보일러 먼지 및 비산재는 수분 함량기준 쓰레기량의 1.0∼1.5% 발생한다. 비산재는 중금속 농도가 Pb, Zn 0.3∼3.0%, Cd 20∼40mg/kg, Cr 200∼500mg/kg 정도 함유되어 있고, 바닥재에는 비산재의 1/2∼1/100 정도 포함되어 있다. 보일러 먼지는 바닥재와 비산재 중금속 함유량의 중간정도 함유하고 있다.
아래의 [표 2][표 3]은 일반적으로 도시 생활폐기물 소각로에서 발생되는 소각재의 무기산화물 성분분포와 소각재의 특성을 비교한 것이다. 여기서 비산재와 바닥재의 주요 구성분은 SiO2, CaO, Al2O3 등이며, 비산재의 경우 소각장의 관계없이 Pb 농도가 높게 검출되는 것을 알 수 있다. 또한 소각재에 함유된 다이옥신에 대한 분석과 그에 대한 대책도 문제시 되는 것으로 알려져 있다.
수도권내 4개 소각장에 대한 중금속 용출실험한 결과를 보면, Cd 용출량은 용출기준 0.3mg/l의 1∼26배, Cu 용출량은 용출기준 3.0mg/l의 0.6∼6.1배, Pb 용출량은 용출기준 3.0mg/l의 5.1∼18.5배 정도 배출되고 있는 것으로 보고되고 있다. 소각장별로 소각재의 용출량은 Cu의 경우 TCLP법에 의한 검사결과가 용출허용기준 내로 배출이 되고 나머지 모든 중금속의 경우는 모두 중금속의 용출허용치를 훨씬 능가하여 배출되고 있다.(출처: http://blog.daum.net/ds3hil/13360115(이수구, '도시폐기물 소각재 처리 현황 및 관리방안'(2007))
[표 2]
<소각재내 주요 무기산화물 농도>
Figure 112015049370711-pat00002

[표 3]
<도시폐기물 소각장에서 발생되는 소각재의 특성 >
Figure 112015049370711-pat00003
병원폐기물은 다양한 형태로 발생하는데 주사바늘과 같은 금속, 유리, 세라믹, 플라스틱, 솜, 드레싱, 혈액, 석션, 소변 등의 형태로 발생한다. 병원폐기물 중 15%는 박테리아 등의 세균으로 감염되어 있는 것으로 알려져 있다.
생활폐기물 소각과 관련된 특허를 조사해 본 결과, 국내 등록특허 특0128985(등록일자: 1997.11.06) '다단 직열식 저공해 로타리 킬른'은 생활쓰레기와 산업폐기물을 완전 연소시켜 오염물질 배출을 최소화할 수 있는 소각로에 대한 것으로서 로타리 킬른을 중심에 두고 전단에는 킬른 보다 내경이 적은 소로를, 후단에는 직경이 큰 대로를 설치하여 폐기물에 따라 소로와 폐로의 회전 속도를 조절하는 것을 특징으로 하고 있다. 그러나 상기 등록특허는 소각로에 구동 부분이 있어 운전 및 유지 보수가 어렵고, 소각을 위해 화석연료를 사용하기 때문에 오염 물질 배출 최소화를 보장하는 내용이 부족하며 발생되는 소각재 처리에 대한 언급이 없어 개선이 필요한 것으로 판단된다.
국내 등록특허 제1128655호(공고일자: 2012.03.26) '플라즈마 토치 장치 및 플라즈마를 이용한 소각 설비'는 소각로에서 발생되는 소각 가스를 처리하여 유해가스를 감소시키고자 화석연료 버너와 플라즈마 토치를 결합한 수평 원통형 설비에 대한 발명이다. 그러나, 상기 등록특허는 화석연료를 사용할 때 발생되는 유해가스들이 어떻게 처리되어 소각 가스의 유해 물질이 감소되는지에 대한 명확한 제시가 없으며 플라즈마 토치를 장착함으로써 얻어지는 경제적 이득 등에 대해서는 보완이 필요한 것으로 보인다.
국내 등록특허 제1229220호(공고일자: 2013.02.01) '폐기물 가스화처리장치'는 주로 폴리머로 제조된 플라스틱 폐기물을 파쇄하여 플라즈마 토치 가스화로에 투입하여 합성가스로 전환시키는 장치에 대한 것이다. 그러나 도시 폐기물에는 플라스틱 뿐만 아니라 도자기, 유리, 고철 등의 비가연성 물질도 함유되어 있어 이들에 대한 처리 방법에 대한 보완이 필요한 것으로 보인다. 또한 가스화후 잔존하게 되는 무기성 물질에 대한 처리방법을 제시하지 않은 것으로 보인다.
국내 등록특허 제10-0489224호(공고일자: 2005. 05. 11.) '플라즈마를 이한 병원폐기물 및 중금속함유유해폐기물의 열적 처리장치 및 그 방법'은 플라즈마를 이용하여 병원폐기물 및 중금속함유 유해폐기물의 열적 처리하는 장치는 및 처리 방법에 관한 것이다. 본 발명은 금속성분의 용융 및 배출에 대한 언급이 없어 개선이 필요하고 배기체를 처리하는 방식도 전통적인 방법을 채택하고 있어 신기술의 적용이 필요한 것으로 보인다.
등록특허 특0128985(등록일자: 1997.11.06)
등록특허 제1128655호(공고일자: 2012.03.26)
등록특허 제1229220호(공고일자: 2013.02.01)
등록특허 제489224호(공고일자: 2005.05.11)
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 특히 생활폐기물에 포함되어 있는 가연분과 비가연분을 분리작업 없이 동시에 일괄적으로 투입하여 처리가 이루어질 수 있는 플라즈마 토치 시스템 및 이를 이용한 생활폐기물 일괄 처리 방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 병원폐기물도 생활폐기물과 동일한 개념으로 처리하며 고온의 플라즈마를 이용하여 주사기 바늘과 같이 복잡한 형상내에 숨어 있을 수 있는 세균을 완전하게 멸균하는 장치와 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 생활폐기물 또는 병원폐기물 처리 시에 발생되는 유해 가스 및 소각재 등의 2차 폐기물 발생을 최소화할 수 있는 환경 친화적인 플라즈마 토치 시스템과, 이를 이용한 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물의 일괄 처리 방법을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물 처리용 플라즈마 토치 시스템은, 투입 폐기물에 열을 공급하여 전처리가 이루어지는 전처리구역에 설치되는 비이행형 플라즈마 토치와, 상기 전처리구역을 경유한 폐기물의 용융이 이루어지는 용융구역에 설치되는 혼합형 플라즈마 토치와, 상기 용융구역 하부에 설치되어 상기 혼합형 플라즈마 토치의 이행형 운전을 가능하게 하는 하부 전극과, 상기 용융구역의 하부에 축적된 용융 금속의 일부를 배출하는 금속 배출부와, 상기 용융구역의 하부에 축적된 용융 금속에 부유하게 되는 용융 슬래그를 연속적으로 배출하는 슬래그 배출부와, 배기체를 배출하기 위한 배기체 배출부를 포함하는 소각용융로와; 상기 소각용융로에서 배출되는 배기체가 유입되는 배기체 유입부와, 세정액이 공급되는 세정액 공급부가 마련되어 상기 세정액 공급부로 공급되는 세정액을 이용하여 상기 배기체 유입부로 유입되는 고온의 배기체 중의 입자상 물질 또는 유해기체를 제거하여 여과 처리된 배기체와 세정후 세정액의 배출이 이루어지는 세정기와; 상기 세정기의 배기계통의 압력을 제어하도록 마련된 배기팬;을 포함한다.
바람직하게는, 상기 소각용융로의 배기체 배출부를 통해 배출되는 배기체를 연소하여 상기 세정기로 배기체를 배출하되, 고온의 배기체 일부를 상기 전처리구역으로 전달하게 되는 가스버너;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 세정기는, 원통 형상의 챔버와; 상기 챔버의 수직 상단에 마련되어 상기 열교환기를 경유한 배기체가 유입되는 배기체 유입부와; 상기 배기체 유입부와 직교하도록 상기 챔버 내에 배치되어 세정액의 공급이 이루어지는 세정액 유입부와; 상기 세정액 유입부 하단에서 상기 챔버 내측벽과 이격되게 배치되는 나선형의 가이드베인과; 상기 가이드베인 하단에서 상기 챔버 내측벽과 이격되게 배치되는 중공형의 배기구와; 상기 챔버 하단에 마련되어 원심력에 의해 분리된 액체가 배출되는 액체 배출부;를 포함한다.
바람직하게는, 세정액을 저장하여 상기 세정기에 세정액을 공급하게 되는 세정액 저장조와; 상기 세정기에서 배출된 액체가 저장되어 상등액을 상기 세정액 저장조로 전달하게 되는 고액 분리기;를 더 포함한다.
다음으로 본 발명의 플라즈마 토치 시스템을 이용한 가연성 및 비가연성 생활폐기물 일괄 처리 방법은, 폐기물의 투입 전에 상기 혼합형 플라즈마 토치를 비이행형 모드로 운전하여 용융구역 내에 잔존하는 고형물을 용융시킨 후에 상기 혼합형 플라즈마 토치를 이행형 모드로 전환하는 제1단계와; 상기 비이행형 플라즈마 토치를 기동하고 폐기물을 투입하는 제2단계;를 포함한다.
바람직하게는, 제2단계에서 상기 비이행형 플라즈마 토치의 플라즈마 생성가스로써 공기 또는 스팀이 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 비이행형 플라즈마 토치와 혼합형 플라즈마 토치 각각 설치된 전처리구역과 용융구역을 갖는 소각용융로와, 소각용융로에서 배출되는 배가스를 처리할 수 있는 배가스 처리계통을 포함하여, 비가연 및 가연분이 혼재된 생활폐기물 또는 병원폐기물의 일괄 소각 처리가 가능하며, 종래의 화석연료 버너를 사용하여 가연성 폐기물 소각 시에 발생되는 다이옥신 등의 유해기체와 중금속 함유 소각재의 발생을 방지하고 폐기물 처리 시에 발생되는 배기체 중의 환경에 유해한 소각재 및 유해기체발생을 근원적으로 방지하여 환경 친화적인 폐기물처리를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명은 음식물 폐기물이 혼재됨으로써 기존 소각로에서 처리가 곤란한 경우에도 처리가 가능하고 기존 소각로에서 소각이 불가능했던 비가연분도 용융처리 및 재활용이 가능하여 폐기물 매립장 운영이 불필요하여 환경 및 사회적 갈등 해소 측면에서 매우 효과적이다.
또한, 본 발명은 종래기술의 문제점인 소각시 발생하는 유해기체 및 먼지를 제거하기 위해 사용했던 세정기와 필터, 열교환기의 기능을 한 개의 기기로 모두 감당할 수 있는 다목적 세정기를 적용함으로써 운영 효율 및 경제성을 제고할 수 있다.
또한, 본 발명은 모든 종류의 병원폐기물을 고온에서 소각 용융처리하여 완전한 멸균이 가능하고 2차 폐기물 발생 등의 문제를 근원적으로 해결할 수 있기 때문에 고온 소각을 이용한 병원폐기물 처리시 비가연분의 멸균 처리 곤란, 기연성과 비가연성 분리시 감염 우려, 주사 바늘 등을 오토클래브를 이용한 멸균 처리의 복잡성, 주사 바늘 등 복잡 형상 폐기물의 멸균상태 확인 곤란, 매립 폐기물로 인한 2차 오염 가능성 등의 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 세정기는 백필터 보다 더 높은 먼지 제거효율을 제공하고 세정 시에 사용하는 세정액를 물리화학적으로 엄격하게 조절하지 않더라도 기기의 고장 및 효율 저하가 발생하지 않게 되어 전체 설비의 효율 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물 일괄 처리용 플라즈마 토치 시스템의 전체 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물 일괄 처리용 플라즈마 토치 시스템에 있어서, 소각용융로의 구성도,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물 일괄 처리용 플라즈마 토치 시스템에 있어서, 세정기의 단면 및 평면 구성도.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적인 실시예를 설명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 시스템은, 가연성 폐기물을 소각 또는 열분해하는 동시에 혼재된 비가연분의 가열이 이루어지는 전처리구역(A)과, 전처리구역(A)에서 발생된 소각재와 예열된 비가연분을 용융하고 소각/열분해 기체의 고온 가열이 이루어지는 용융구역(B)을 갖는 소각용융로(100)와; 소각용융로(100)에서 발생되는 배기체를 처리하기 위한 배기체 처리 계통으로서 가스버너(200), 세정기(300) 및 배기팬(400)을 포함한다.
주요 구성들을 개략적으로 살펴보면, 소각용융로(100)는 전처리구역(A)에 설치되는 비이행형 플라즈마 토치(110)와, 전처리구역(A)을 경유한 폐기물의 용융이 이루어지는 용융구역(B)에 설치되는 혼합형 플라즈마 토치(120)와, 용융구역(B) 하부에 설치되어 혼합형 플라즈마 토치(120)의 이행형 운전을 가능하게 하는 하부 전극(130)과, 용융구역(B)의 하부에 축적된 용융 금속의 일부를 배출하는 금속 배출부(140)와, 용융구역(B)의 하부에 축적된 용융 금속에 부유하게 되는 용융 슬래그를 연속적으로 배출하는 슬래그 배출부와, 배기체를 배출하기 위한 배기체 배출부를 포함한다.
가스버너(200)는 소각용융로(100)의 배기체 배출부를 통해 배출되는 배가스를 연소하여 세정기(300)로 배가스를 배출하게 되며, 이러한 가스버너(200)는 소각용융로(100) 내에서 폐기물을 열분해할 경우 발생되는 수성가스(CO, H2, CxHy 등)를 연소시키게 된다. 가스버너(200)에서 연소에 의해 발생되는 잉여열은 재활용될 수 있으며, 바람직하게는, 가스버너(200)에서 발생되는 고온의 배가스 일부를 소각용융로(100)의 전처리구역(A)으로 전달하여 소각용융로(100)로 투입되는 폐기물 소각/열분해 열원으로 사용될 수 있다.
특히 이러한 가스버너(200)는 열분해 가스를 발생시키는 대규모 설비에서는 폐기물을 열분해할 때 발생되는 수성가스를 연소시켜 소각용융로(100)의 효과적인 보조열원으로 활용될 수 있으며, 한편 완전 소각이 유리한 소규모 설비에서는 생략될 수 있을 것이다.
세정기(300)는 가스버너(200)를 경유한 배기체를 세정 처리하기 위한 것으로써, 가스버너(200)를 경유한 배기체와, 별도의 세정액이 투입되어 원심분리에 의해 먼지 및 유해 가스를 제거하여 배기체를 배출하며, 이때 세정기(300)의 배기체 압력은 세정기(300) 후단에 배치되는 배기팬(400)에 의해 조절이 이루어질 수 있다.
배기팬(400) 후단에는 배기체를 대기로 방출하게 되는 연돌(600)이 마련될 수 있으며, 연돌(600)에는 대기로 방출되는 배기체의 유해물질을 검출할 수 있는 기체 검출수단(500)이 부가될 수 있을 것이다.
한편, 세정기(300)는 배기체와 함께 별도의 세정액(가성소다 용액)이 공급되어 먼지 및 유해물질 제거가 이루어질 수 있으며, 세정액 저장조(320)가 마련되어 세정기(300)에 소모되는 세정액 공급이 이루어진다.
또한, 세정기(300)에서 분리 배출된 액체는 고액 분리기(330)에 저장되어 상등액은 다시 세정액 저장조(320)로 전달되어 재사용될 수 있으며, 고액 분리기(330) 바닥에 침전된 입상 물질들은 용융로(100)로 전달되어 슬래그로 제조된다.
이하, 각 주요 구성들을 관련 도면을 참고하여 구체적으로 설명하다.
본 발명의 소각용융로는 용용열원으로써 전기적 아크를 발생시켜 아크 사이에 플라즈마 생성기체를 주입하여 중심온도가 약 10,000 ℃인 플라즈마 불꽃을 발생시키는 플라즈마 토치를 사용하며, 이러한 플라즈마 토치 소각용융로는 용융 대상물의 크기가 슬러지에서부터 큰 덩어리까지 투입이 가능하여 용융 대상물의 사전 분류 작업을 필요로 하지 않아서 전처리 작업을 최소화할 수 있으며, 용융물의 연속 배출이 용이하다.
또한, 용융로 내의 온도를 1,700 ℃까지 상승 가능하여 여하한 물질들을 모두 용융시킬 수 있고 화석연료를 사용하지 않기 때문에 유해가스 발생이 적으며 고온에서 운전함으로써 폐기물에 함유되어 있는 유해가스를 효과적으로 연소시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 소각용융로(100)는 가연성 폐기물의 소각 또는 열분해가 이루어지는 동시에 혼재된 비가연분의 가열이 이루어지는 전처리구역(A)과, 전처리구역(A)에서 발생된 소각재와 예열된 비가연분을 용융하고 소각/열분해 기체의 고온 가열이 이루어지는 용융구역(B)으로 구분되며, 각 구역에 적절한 규격의 플라즈마 토치가 장착된다.
구체적으로, 전처리구역(A)은 비이행형 플라즈마 토치(110)가 마련되며, 용융구역(B)은 혼합형 플라즈마 토치(120)가 마련된다. 소각용융로(100)의 용융실 바닥면에는 혼합형 플라즈마 토치(120)의 이행형 운전이 가능하도록 하부 전극(130)이 마련된다.
비이행형 토치는 두 개의 전극이 토치 내에 위치하고 있는 것으로써 전도성이 없는 콘크리트나 토양 등을 용융시키는데 적합하며, 이행형 토치의 경우는 한 개의 전극은 토치에, 다른 한 개는 용융로 바닥에 위치하여 금속 등의 전도성 물질을 용융하는데 유용하다.
이행형 토치는 비이행형 토치에 비해 열효율이 20%이상 높으나 용융로에 비전도성 물질이 투입될 때 아크가 불안정해져서 정지되지 않도록 안정된 전원 공급이 요구된다.
혼합형 토치는 한 개의 토치로 이행형과 비이행형 운전이 가능하도록 설계된 토치로서 비가연성 및 가연성 물질을 처리하기에 매우 유용하다. 예를 들어 콘크리트나 토양 등의 비가연성 물질을 용융 처리할 때 먼저 비이행형 운전으로 용융시켜 전도성을 확보한 다음 이행형으로 전환하여 운전하면 높은 열효율을 얻을 수 있다.
구체적으로, 도 2를 참고하면, 소각용융로(100)는 내열 벽돌과 같은 내열성이 우수한 재료와 단열 벽돌과 같은 단열성이 우수한 재료가 사용될 수 있으며, 구조적인 보강을 위하여 금속 재료가 같이 사용될 수 있다.
소각용융로(100) 일측에는 폐기물(D)을 소각용융로(100)로 밀어 넣을 수 있도록 투입장치(101)가 마련되며, 투입장치(101) 전단에는 경사를 갖는 경사플레이트(102)가 설치된다.
경사플레이트(102)는 전처리구역(A)을 통과하여 하단이 용융구역(B)까지 연장되어 설치된다.
바람직하게는, 경사플레이트(102)는 열전도성이 우수한 소재가 사용되며, 경사플레이트(102) 하부에는 외부의 고온 가스가 유입되는 적어도 하나 이상의 유입홀(103)이 형성된다. 이러한 유입홀(103)은 소각용융로(100)의 배기체를 연소 처리하게 되는 가스버너(200)(도 1 참고)와 배관으로 연결되어 가스버너에서 연소된 고온의 배기체 일부가 유입홀(103)을 통해 열원으로 공급될 수 있다.
소각용융로(100)의 전처리구역(A) 상부에는 비이행형 플라즈마 토치(110)가 설치된다.
소각용융로(100)의 용융구역(B) 상부에는 혼합형 플라즈마 토치(120)가 설치되며, 이와 인접하여 이행형 운전이 가능하도록 용융구역(B) 바닥면에는 하부 전극(130)이 마련된다.
용융구역(B) 하부에는 용융 금속의 일부를 배출하게 되는 금속 배출부(140)가 마련되며, 이때 금속 배출부(140)는 배출구(141) 상단이 바닥면에서 일정 높이(h) 높게 마련된 댐식 배출구조로써 용융 금속이 일정 수준 이상 발생되는 경우에는 배출구(141)에서 오버플로우(overflow)되어 용융 금속의 배출이 이루어진다.
한편, 금속 배출부(140)는 열선 또는 유도가열방식의 히터 등과 같은 발열수단이 마련되어 온도가 낮은 금속 배출부(140)에서 고화된 금속은 발열수단의 작동에 의해 용융이 이루어져 금속 용융물의 배출이 이루어질 수 있다.
금속 배출부(140) 하단에는 용융 금속이 저장되는 용융물 저장탱크(142)가 마련될 수 있다.
용융구역(B)의 바닥면 일정 높이에는 슬래그의 배출이 이루어지는 슬래그 배출부(150)가 마련되어 용융구역(B) 하부에 축적된 용융 금속에 부유하게 되는 용융 슬래그는 슬래그 배출부(150)를 통해 연속적으로 배출이 이루어질 수 있다.
용융구역(B) 일측에는 용융과정에서 발생된 배기체의 배출이 이루어지는 배기체 배출부(160)가 형성된다.
소각용융로는 내부를 관찰할 수 있는 복수의 감시창 또는 감시카메라가 설치될 수 있다.
세정기(300)는 가스버너(200)에서 배출되는 배가스 중의 먼지 및 유해 가스(SOx, NOx, HCl 등)를 제거하여 배출하기 위한 것으로써, 세정액이 공급되어 먼지를 포함한 배기체의 선회 운동에 의해 입자상 물질 등을 원심 분리하여 배기체의 배출이 이루어진다.
구체적으로, 도 3 및 도 4를 참고하면, 세정기(300)는 원통 형상의 챔버(310)와; 챔버(310)의 수직 상단에 마련되어 가스버너를 경유한 배기체가 유입되는 배기체 유입부(311)와; 배기체 유입부(311)와 직교하도록 챔버(310) 내에 배치되어 세정액의 공급이 이루어지는 세정액 유입부(312)와; 세정액 유입부(312) 하단에서 챔버(310) 내측벽과 이격되게 배치되는 나선형의 가이드베인(313)과; 가이드베인(313) 하단에서 챔버(310) 내측벽과 이격되게 배치되는 중공형의 배기구(314)와; 챔버(310) 하단에 마련되어 원심력에 의해 분리된 액체가 배출되는 액체 배출부(315);를 포함한다.
가스버너에서 배출된 배기체는 배기체 유입부(311)를 통해 유입되며, 이때 배기체의 유입 압력은 세정기 후단에 마련된 배기팬(400)(도 1 참고)의 운전 속도에 의해 가압 또는 감압이 이루어진다.
한편, 세정액 유입부(312)는 배기체 유입부(311)와는 직교하게 배치되어 세정액이 유입되며, 보다 바람직하게는, 세정액 유입부(312)는 챔버(310)의 상부 접선 방향으로 배치된다.
이와 같이 구성된 세정기(300)는 배기체 유입부(311)를 통해 유입되는 배기체와 세정액 유입부(312)를 통해 공급되는 세정액은 가이드베인(313) 바깥에서 안쪽으로 유입되면서 발생되는 나선형 흐름을 따라서 배기체와 세정액이 혼합되어 기-액 거품 고리(미세한 거품들을 포함하는 기-액 혼합층)를 형성하여 하단 개구부(313a)로 이동한다. 한편, 배기체의 속도는 액체의 속도보다 수배 크기 때문에 배기체는 원심속도 장(field) 내에서 작은 크기로 깨어지며, 이때 상(phase) 간의 접촉 면적이 빠르고 크게 증가한다. 이러한 기-액 혼합물은 가이드베인 첫 번째 단(A1)과 두 번째 단(A2)을 통과하면서 배기체 내의 입자와 유해가스는 세정액 쪽으로 흡수되어 제거(99.9% 이상)되며, 세정액 쪽의 수분 일부가 기체 쪽으로 이동하여 기체의 습분 농도가 상승(95~99%)한다. 이와 같이 가이드베인 단을 빠져나온 기-액 혼합물 분리 구역에서 확장되어 원심력에 의해 분리되어 분리된 액체는 챔버(310) 내벽을 따라서 바닥으로 흘러가서 액체 배출부(315)를 통해 배출이 이루어지며, 먼지 및 유해물질이 제거된 배기체는 배기구(314)를 통해 배출된다.
다시 도 1을 참고하면, 세정기(300)를 통해 먼지 및 유해물질을 흡수한 액체는 고액 분리기(330)에 저장되며, 먼지 및 유해물질이 제거된 배기체는 연돌(600)을 통해 대기로 방출된다. 연돌(600)에는 배기체 중의 유해물질 농도를 검출할 수 있는 검출수단(500)이 부가되어 유해물질 배출 농도의 모니터링이 이루어질 수 있다.
고액 분리기(330)에 저장된 액체 중에 먼지 등의 입자상 물질은 바닥에 침전되며, 상등액은 알칼리로 조절하여 세정액 저장조(320)로 전달되어 재사용될 수 있다.
한편, 고액 분리기(330) 바닥에 침전된 물질은 간헐적으로 소각용융로(100)로 투입하여 슬래그로 제조되며, 액체는 세정폐액 처리설비(340)로 보내진다. 세정액 저장조(320)는 염(salt) 농도를 검출할 수 있는 검출수단이 마련되어 세정액 내의 염 농도가 증가하면 간헐적으로 배출시켜 세정폐액 처리설비(340)로 보내진다.
세정폐액 처리설비(340)의 세정폐액은 포함된 염의 종류에 따라서 처분 방법이 달라지며, 예를 들어, 환경에 무해한 염은 여과후에 재활용하거나 매립이 이루어질 수 있으며, 환경에 유해한 성분이 포함된 경우에는 건조, 고화처리, 포장 공정을 거쳐 매립이 이루어질 수 있다.
한편, 세정폐액 처리설비(340)에서 정화되어 발생된 액체는 액체 감시탱크(350)에서 수집이 이루어져 환경유출 적합성 검사를 수행한 후에 환경으로 방출된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 시스템은, 폐기물을 투입하기 전에 소각용융로(100)의 용융구역(B)의 혼합형 플라즈마 토치(120)를 비이행형 모드로 운전하여 용융구역(B) 바닥 내에 잔존하는 고형물을 용융시킨 후에 혼합형 플라즈마 토치(110)를 이행형 모드로 전환한다.
다음으로 전처리구역(A)의 비이행형 플라즈마 토치(110)를 기동한 다음 폐기물 투입을 시작한다. 이때, 투입되는 생활 폐기물 또는 병원폐기물은 구성성분이 다양하게 계절 및 지역에 따라서 조성이 다를 수 있으나, 본 발명에서는 투입 폐기물의 분쇄, 건조, 분류 등의 전처리 없이 투입이 가능하다.
투입 폐기물은 소각용융로(100)에서 소각 및 열분해가 이루어지며, 일일 처리 물량이 많고 가연분이 만하서 합성가스 제조 경제성이 우수한 경우에는 폐기물을 열분해하여 발생된 합성가스(CO, H2, CxHy 등)를 연소시켜 열원으로 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 가스버너(200)에서 연소되면서 발생된 열원을 활용할 수 있다. 구체적인 실시예로써, 본 실시예에서는 가스버너(200)에서 배출되는 배기체 일부는 소각용융로(100)의 전처리구역(A)으로 공급하여 보조열원으로 사용되어 에너지 효율을 높일 수 있다.
열분해의 경우에는 플라즈마에 주입되는 기체로 공기 대신에 수증기가 사용될 수 있다.
한편, 합성가스 제조 경제성이 낮은 경우에는 소각시키는 것이 바람직하며, 이때 본 발명에서 가스버너는 생략될 수 있을 것이며, 예를 들어, 완전 소각이 유리한 소규모 설비에서는 가스버너는 설치되지 않을 수 있다.
소각용융로(100) 내에 폐기물 투입이 진행됨에 따라서 전처리구역(A)에서 발생된 소각/열분해재 및 기체와 예열된 비가연분은 용융구역(B)으로 유입되어 재와 비가연분은 용융되고 기체는 고온으로 가열되어 다이옥신 등의 유해가스 분해가 이루어지며, 용융구역(B)에서 용융된 금속은 가라 앉아 용융로 바닥에 축적되고 슬래그는 용융금속 위에 축적된다.
축적된 용융 슬래그의 높이가 슬래그 배출구(150) 만큼 높아지면 이때부터 연속적으로 슬래그가 배출된다. 슬래그의 원활한 배출을 유도하기 위하여 용융 슬래그의 성분을 제어하여 적정 염기도와 점도의 유지가 이루어질 수 있으며, 슬래그 배출부(150)로 배출되는 슬래그는 냉각장치를 거치면서 그래뉼로 만들어져 친환경 골재로 활용되거나 냉각 과정 없이 몰드 등에 부어 고부가 세라믹 제품 제조에 사용될 수 있을 것이다.
또한 용융 금속은 일정 수준 이상으로 축적되어 금속 배출부(140)를 통해 배출이 이루어지며, 금속 배출부(150) 입구에서 냉각되어 고화된 금속을 용융시켜 간헐적으로 배출이 이루어질 수 있다.
이와 같이 폐기물이 용융 처리되는 과정에서 발생되는 고온의 배기체는 앞서 설명한 것과 같이 가스버너(200)에서 연소가 이루어진 후에 세정기(300)에서 먼지 및 유해물질이 제거되어 연돌(600)을 통해 대기로 배출된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
100 : 소각용융로 110 : 비이행형 플라즈마 토치
120 : 혼합형 플라즈마 토치 130 : 하부 전극
140 : 금속 배출부 150 : 슬래그 배출부
160 : 배기체 배출부 200 : 가스버너
300 : 세정기 310 : 챔버
311 : 배기체 유입부 312 : 세정액 공급부
320 : 세정액 저장조 330 : 고액 분리기
340 : 세정폐액 처리설비 350 : 액체 감시탱크
400 : 배기팬 A : 전처리구역
B : 용융구역

Claims (6)

  1. 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물을 일괄 처리하기 위한 것으로써,
    투입 폐기물에 열을 공급하여 전처리가 이루어지는 전처리구역에 설치되는 비이행형 플라즈마 토치와, 상기 전처리구역을 경유한 폐기물의 용융이 이루어지는 용융구역에 설치되는 혼합형 플라즈마 토치와, 상기 용융구역 하부에 설치되어 상기 혼합형 플라즈마 토치의 이행형 운전을 가능하게 하는 하부 전극과, 상기 용융구역의 하부에 축적된 용융 금속의 일부를 배출하는 금속 배출부와, 상기 용융구역의 하부에 축적된 용융 금속에 부유하게 되는 용융 슬래그를 연속적으로 배출하는 슬래그 배출부와, 배기체를 배출하기 위한 배기체 배출부를 포함하는 소각용융로와;
    상기 소각용융로의 배기체 배출부를 통해 배출되는 배기체를 연소하여 배기체를 배출하되, 고온의 배기체 일부를 상기 전처리구역으로 전달하게 되는 가스버너와;
    원통 형상의 챔버와, 상기 챔버의 수직 상단에 마련되어 상기 가스버너를 경유한 배기체가 유입되는 배기체 유입부와, 상기 배기체 유입부와 직교하도록 상기 챔버 내에 배치되어 세정액의 공급이 이루어지는 세정액 유입부와, 상기 세정액 유입부 하단에서 상기 챔버 내측벽과 이격되게 배치되는 나선형의 가이드베인과, 상기 가이드베인 하단에서 상기 챔버 내측벽과 이격되게 배치되는 중공형의 배기구와, 상기 챔버 하단에 마련되어 원심력에 의해 분리된 액체가 배출되는 액체 배출부;를 포함하여 상기 배기체 유입부로 유입되는 고온의 배기체 중의 입자상 물질 또는 유해기체를 제거하여 여과 처리된 배기체와 세정후 세정액의 배출이 이루어지는 세정기와;
    상기 세정기의 배기계통의 압력을 제어하도록 마련된 배기팬;을 포함하는 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물 처리용 플라즈마 토치 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 세정액을 저장하여 상기 세정기에 세정액을 공급하게 되는 세정액 저장조와;
    상기 세정기에서 배출된 액체가 저장되어 상등액을 상기 세정액 저장조로 전달하게 되는 고액 분리기;를 더 포함하는 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물 처리용 플라즈마 토치 시스템.
  5. 제1항의 플라즈마 토치 시스템을 이용한 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물 일괄 처리 방법에 있어서,
    폐기물의 투입 전에 상기 혼합형 플라즈마 토치를 비이행형 모드로 운전하여 용융구역 내에 잔존하는 고형물을 용융시킨 후에 상기 혼합형 플라즈마 토치를 이행형 모드로 전환하는 제1단계와;
    상기 비이행형 플라즈마 토치를 기동하고 폐기물을 투입하는 제2단계;를 포함하는 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물 일괄 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서, 제2단계에서 상기 비이행형 플라즈마 토치의 플라즈마 생성가스로써 공기 또는 스팀이 사용되는 것을 특징으로 하는 가연성 및 비가연성 생활폐기물 또는 병원폐기물 일괄 처리 방법.
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