KR101659049B1 - 탈황 제어방법 및 장치 및 이를 이용한 폐자원 에너지화 시스템 - Google Patents

탈황 제어방법 및 장치 및 이를 이용한 폐자원 에너지화 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 장치에 있어서, 폐기물을 연소시키기 위한 반응기; 상기 반응기에서 배출되는 배가스 내의 유해물질을 제거하는 배가스 처리부; 상기 반응기에 공급되는 폐기물 중 일부를 시료로서 공급받는 원소분석기; 및 상기 배가스 처리부에 공급할 탈황제의 공급량을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 원소분석기는 상기 시료 중의 황(S) 함량을 측정하여 이 측정값을 상기 제어부로 전송하고, 상기 제어부는 전송받은 상기 측정값에 기초하여 상기 탈황제의 공급량을 제어하는 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 장치가 제공된다.

Description

탈황 제어방법 및 장치 및 이를 이용한 폐자원 에너지화 시스템 {Desulfurization method and apparatus and waste-to-energy system using the same}
본 발명은 탈황 제어방법 및 장치 및 이를 이용한 폐자원 에너지화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 다양한 종류의 폐자원을 이용하는 경우에도 반응기에 공급할 적절한 양의 공기 및/또는 스팀과 오염제거물질을 공급할 수 있는 탈황제어 방법 및 장치 및 이를 이용한 폐자원 에너지화 시스템에 관한 것이다.
최근 환경문제가 대두되고 친환경 기술이 주목받음에 따라 폐자원을 에너지화하는 기술이 활발하게 연구되고 있다. 폐자원 에너지화 기술의 하나로서 생활폐기물, 산업폐기물 등 각종 폐기물을 석탄과 함께 또는 석탄을 대체하는 에너지원으로 이용하고 있다.
폐자원 에너지화 시스템의 반응기에 폐자원을 투입한 후 반응기 내의 연소과정을 거쳐 반응기에서 생성되는 배가스(flue gas)에는 황산화물, 질소산화물 등의 유해물질이 포함되어 있으므로 배가스를 시스템 외부로 배출하기 전에 유해물질을 제거하는 후처리 공정이 필요하다. 이를 위해 현재의 폐자원 에너지화 시스템은 예컨대 황산화물을 제거하기 위해 배가스 처리부에 탈황제로서 석회석 슬러리를 투입하여 황산화물을 제거하고 있다. 그런데 생활폐기물, 산업폐기물, 축산폐기물 등 매우 다양한 종류의 폐기물마다 연소 반응 후 생성되는 황산화물의 양이 달라지므로 반응기에 투입되는 폐기물의 다양한 종류와 혼합비마다 배가스 처리부에 투입해야 할 탈황제의 공급량을 다르게 조절하는 것이 바람직하지만, 종래의 폐자원 에너지화 시스템에서는 황산화물의 함량을 실시간으로 파악할 수 없어 석회석 슬러리를 대량으로 투입하여 황산화물을 제거하였다. 따라서 종래 시스템에서는 유해물질 제거를 위해 과도하게 많은 탈황제나 세정제를 투입함으로써 공정 비효율과 비용증가를 초래하였다.
한편 폐자원 에너지화 시스템의 반응기에 폐기물을 공급할 때 폐기물의 종류에 따라 반응기 내의 연소 반응에 필요한 공기 또는 스팀의 양도 달라진다. 반응시 폐기물의 종류에 대응하여 적절한 공기 또는 스팀을 주입하는 것이 바람직하지만 여러 종류의 폐기물을 무작위로 혼합하여 한번에 공급할 경우 혼합된 폐기물의 성분이 시간에 따라 제각기 달라서 연소 반응시 필요한 적절한 공기 또는 스팀의 양을 조절하여 최적 운전 조건을 맞추는 것이 쉽지 않고, 이렇게 반응시 최적 운전 조건을 맞추지 못하면 연소 반응이 잘 이루어지지 않거나 반응후의 배가스에 유해물질이 많이 함유될 수 있는 문제가 있다.
이와 관련하여 한국공개번호 제2011-0014484호(2011. 02. 11 공개)는 여러 종류의 석탄회 각각의 물성치 데이터를 계측기구에 의해 계측하고 데이터베이스에 저장하여, 보일러의 내부로 공급되는 석탄회의 종류에 맞추어 보일러 시뮬레이터를 통해 도출되는 보일러의 최적운전조건에 따라 제어모듈이 보일러의 운전을 제어함으로써, 공급되는 석탄회의 종류에 관계없이 보일러가 최적운전 조건으로 운전될 수 있도록 하는 기술을 개시하고 있다.
그러나 상기 선행문헌은 석탄의 종류에 따른 물성치를 계측하여 데이터베이스에 미리 저장해놓아야 하므로 반응기에 공급되는 에너지원의 실시간 성분 변화에 적절히 대응할 수 없고, 물성치 데이터도 석탄에 한정하여 설명하고 있으므로 폐기물을 에너지원으로 사용하는 경우에 직접 적용할 수 없을 뿐 아니라 특히 폐기물은 생활폐기물, 산업폐기물, 축산폐기물 등 매우 다양한 종류의 폐기물이 존재하므로 폐기물의 종류와 혼합비마다 물성치를 미리 계측하여 데이터베이스화할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 폐기물의 일부를 실시간으로 샘플링하여 황 함량을 측정함으로써 배가스 처리부에 공급할 탈황제를 적정량으로 조절할 수 있는 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 에너지원으로 사용될 폐기물의 일부를 샘플링하여 고정 탄소의 양을 측정함으로써, 반응기 내에 공급할 공기 및/또는 스팀의 양을 자동으로 제어할 수 있는 폐자원 에너지화 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 생활폐기물, 산업폐기물, 축산폐기물 등 다양한 종류의 폐기물을 이용하는 경우에도 반응기에 공급할 적절한 양의 공기 및/또는 스팀의 양을 조절하여 연소 반응시 최적 운전 조건을 달성하고 배가스 내의 유해물질을 효율적으로 제거할 수 있는 폐자원 에너지화 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 장치에 있어서, 폐기물을 연소시키기 위한 반응기; 상기 반응기에서 배출되는 배가스 내의 유해물질을 제거하는 배가스 처리부; 상기 반응기에 공급되는 폐기물 중 일부를 시료로서 공급받는 원소분석기; 및 상기 배가스 처리부에 공급할 탈황제의 공급량을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 원소분석기는 상기 시료 중의 황(S) 함량을 측정하여 이 측정값을 상기 제어부로 전송하고, 상기 제어부는 전송받은 상기 측정값에 기초하여 상기 탈황제의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 폐자원 에너지화 시스템에 있어서, 폐기물을 연소시키기 위한 반응기; 상기 반응기에서 배출되는 배가스 내의 유해물질을 제거하는 배가스 처리부; 상기 반응기에 공급되는 폐기물 중 일부를 제1 시료로서 공급받는 열중량 분석기; 상기 반응기에 공급되는 폐기물 중 일부를 제2 시료로서 공급받는 원소분석기; 상기 반응기에 공급할 공기 및 스팀 중 적어도 하나의 양을 제어하는 제1 제어부; 및 상기 배가스 처리부에 공급할 탈황제의 양을 제어하는 제2 제어부;를 포함하고, 상기 제1 제어부는, 상기 열중량 분석기가 측정한 상기 제1 시료 중의 고정 탄소의 양에 기초하여 공기 및 스팀 중 적어도 하나의 공급량을 제어하고, 상기 제2 제어부는, 상기 원소분석기가 측정한 상기 제2 시료 중의 황(S) 함량에 기초하여 상기 탈황제의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응기 및 이 반응기에서 배출되는 배가스 내의 유해물질을 제거하는 배가스 처리부를 포함하는 폐자원 에너지화 시스템에서의 탈황 제어 방법에 있어서, 상기 반응기에 공급될 폐기물 중 일부를 시료로서 원소분석기에 공급하는 단계; 상기 원소분석기에서 상기 시료 중의 황(S) 함량을 측정하는 단계; 및 상기 측정된 황 함량에 기초하여, 상기 배가스 처리부에 공급할 탈황제의 공급량을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 폐기물의 일부를 실시간으로 샘플링하여 황 함량을 측정함으로써 배가스 처리부에 공급할 탈황제를 적정량으로 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 폐기물의 일부를 실시간으로 샘플링하여 고정 탄소의 양을 측정함으로써 반응기의 연소 반응에 필요한 공기 및/또는 스팀 적정량 주입할 수 있다
본 발명의 일 실시예에 따르면, 폐자원 에너지화 시스템에 생활폐기물, 산업폐기물, 축산폐기물 등 다양한 종류의 폐기물을 공급하는 경우에도 공급 폐기물의 성분 변화에 대응하여 실시간으로 시료를 샘플링하고 분석함으로써 반응기의 연소 반응에 필요한 공기 및/또는 스팀의 양을 적절하게 조절하여 최적 운전 조건을 만들 수 있음과 동시에 배가스 처리부에서 황산화물 제거시 적정량의 탈황제만 사용하여 제거할 수 있는 이점이 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 제어장치를 설명하기 위한 블록도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 제어장치를 이용한 예시적인 제어방법을 설명하기 위한 흐름도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 제어장치가 적용될 수 있는 폐자원 에너지화 시스템의 예시적인 블록도,
도4는 도3의 폐자원 에너지화 시스템을 이용한 예시적인 에너지화 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐자원 에너지화 시스템을 설명하기 위한 블록도,
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐자원 에너지화 시스템을 이용한 예시적인 에너지화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 제어장치를 설명하기 위한 블록도이다. 도시한 실시예에 따른 탈황 제어장치는 반응기(10), 배가스 처리부(20), 원소분석기(30), 및 제어부(40)를 포함할 수 있다.
반응기(10)는 폐기물을 연소시키기 위한 연소장치이고, 다양한 종류의 폐기물(다종 폐기물)을 공급받아 연소시킬 수 있다. 다종 폐기물은 예를 들어 도시고형폐기물(MSW: Municipal Solid Waste) 등의 생활 폐기물, 바이오매스(biomass), 차량의 파쇄잔재물(ASR)과 같은 산업 폐기물, 축산 폐기물, 및 슬러지 등의 여러 종류의 폐기물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 다종 폐기물은 발전소에서 석탄 대신 또는 석탄과 함께 연소원으로서 사용되거나 또는 가스화기에서 가스화하여 연료 가스를 생성하는데 사용되기도 한다. 또한 일반적으로 용어 "폐자원"과 "폐기물"을 구별하기도 하지만 이하의 본 명세서에서는 별도의 구별 실익이 없는 한 동일한 의미로 혼용하기로 한다.
반응기(10)는 폐기물 공급관(11)을 통해 이러한 다종 폐기물을 공급받는다.
다종 폐기물은 폐기물 공급관(11)를 통해 반응기(10)에 공급되고 그 중 일부는 시료로서 원소분석기(30)로 공급된다. 예컨대 도시한 것처럼 반응기(10)에 연결된 폐기물 공급관(11)에서 시료 공급관(13)이 분기하도록 구성되고 시료 공급관(13)이 원소분석기(30)에 연결되도록 구성할 수 있다. 원소분석기(30)에 연결된 공급관(13)에는 밸브(21)가 개재되어 밸브(21)의 개폐에 의해 폐기물의 일부를 소정 시간 간격이나 필요에 따라 원소분석기(30)로 공급하도록 할 수 있다.
일 실시예에서 폐기물 공급관(11)은 예컨대 컨베이어 벨트와 같은 이송수단으로 구현될 수 있다. 이 때 폐기물 공급관(11)에서 분기되어 원소분석기(30)로 폐기물을 공급하는 시료 공급관(13)도 컨베이어 벨트로 구현될 수 있으며 이러한 실시예의 경우 컨베이어 벨트의 작동을 온/오프함으로써 폐기물 중 일부를 원소분석기(30)에 공급할 수 있으며, 그러므로 실시예에 따라 밸브(21)가 필요하지 않을 수도 있다. 즉 도1의 실시예는 일 예시적인 구성을 도시한 것이고 반응기(10)와 원소분석기(30)에 폐기물을 공급하는 공급 수단은 발명의 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있음을 이해할 것이다.
반응기(10)는 다종 폐기물을 공급받아 고온의 분위기 하에서 다종 폐기물을 연소시킨다. 연소 반응을 위해 반응기(10) 내부는 고온의 분위기로 유지된다. 일 실시예에서 연소부(10)는 섭씨 900도 이상의 온도로 유지된다. 이를 위해 초기에 전기히팅 또는 버너 등의 히팅수단에 의해 반응기(10) 내부를 가열할 수 있고, 그 후 다종 폐기물을 공급함에 따라 폐기물이 자체적으로 열원이 되어 연소될 수 있다.
또한 필요에 따라 반응기(10) 내부로 공기(air)나 스팀(steam)을 공급할 수 있다. 예컨대 본 발명의 폐자원 에너지화 시스템이 발전소에서 사용될 경우 반응기(10)에 공기를 주입할 수 있고, 폐자원 에너지화 시스템이 가스화기에 적용될 경우 반응기(10) 내로 스팀을 공급할 수 있다. 또는 대안적으로, 필요에 따라 반응기(10)에 공기와 스팀을 모두 공급할 수도 있다.
배가스 처리부(20)는 반응기(10)에서 배출되는 배가스를 처리하며, 예컨대 배가스를 냉각시키고 배가스 내의 질산화물, 황산화물 등의 유해물질을 제거할 수 있다. 도시한 실시예에서 배가스 처리부(20)는 특히 황산화물을 제거하는 기능을 포함한다.
황산화물을 배가스로부터 제거하는 방법으로 습식법, 건식법 등의 기술이 있다. 건식법은 예컨대 활성탄에 의해 이산화황(SO2)을 제거하는 방법이며, 배기온도를 저하시키지 않고 물을 필요로 하지 않는다는 장점이 있다. 습식법은 배가스 중의 이산화황(SO2)과 화학적으로 반응하기 쉬운 화합물, 즉 흡수제인 가성소다(수산화나트륨), 석회 등을 물에 용해시킨 흡수액을 배가스와 접촉시켜서 아황산칼슘(CaSO3)을 생성함으로써 이산화황을 제거하는 방법이 있다.
이하 본 명세서에서는 습식법을 예로 들어 설명하기로 한다. 즉 석회석(CaCO3)을 슬러리 형태로 만들어서 이 석회석 슬러리를 공급관(19)을 통해 배가스 처리부(20)에 공급한다. 배가스 처리부(20) 내에서 석회석 슬러리는 배가스와 접촉하여 다음과 같은 반응식에 의해 이산화황을 제거하고 아황산칼슘을 생성한다.
2CaCO3(s) + 2SO2 → 2CO2(g) + 2CaSO3↓
원소분석기(30)는 반응기(10)에 공급되는 폐기물 중 일부를 시료로서 공급받아 시료의 원소를 분석한다. 일반적으로 원소분석기는 시료 내의 유기물질 및 무기물질의 원소구성을 결정하는데 쓰이는 장치로서, 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 황(S), 및 산소(O)의 함량을 측정하여 미지물질의 분자식에 관한 정보 또는 기지물질의 순도확인 등을 위해 이용된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 원소분석기(30)는 시료 중의 황(S)의 함량을 측정하고 이 측정된 값을 제어부(40)로 전송할 수 있다.
제어부(40)는 배가스 처리부(20)에 공급하는 공급물질의 양을 조절한다. 도시한 일 실시예에서 제어부(40)는 원소분석기(30)에서 분석한 시료의 황 함량값에 기초하여, 배가스 처리부(20)에 공급될 탈황제(예컨대 석회석 슬러리)의 공급량을 제어할 수 있다.
이를 위한 일 실시예에서, 배가스 처리부(20)에 탈황제를 공급하기 위한 공급관(19)이 연결되어 있고 이 공급관(19)에 공급량을 조절하기 위한 밸브(31)가 개재되어 있다. 밸브(31)는 제어부(40)의 제어신호에 따라 개폐의 정도를 조절할 수 있다. 이에 따라, 제어부(40)가 원소분석기(30)의 측정값을 수신하면 이 측정값에 기초하여 배가스 처리부(20)에 공급할 탈황제의 양을 결정한 뒤 밸브(31)의 개폐를 제어하여 공급량을 조절할 수 있다.
또한 일 실시예에서 제어부(40)는 시료 공급관(13)을 통해 원소분석기(30)로 공급되는 시료의 공급량도 제어할 수 있다. 도시한 실시예에서 폐기물 공급관(11)에서 분기된 시료 공급관(13)에 밸브(21)가 개재되어 설치되고 제어부(40)가 이 밸브(21)의 개폐를 제어할 수 있도록 구성되어, 제어부(40)의 제어에 의해 폐기물 중 일부를 시료로서 원소분석기(30)에 공급할 수 있다.
제어부(40)의 제어에 의해 원소분석기(30)에 폐기물 시료를 공급하는 주기 및/또는 공급되는 시료의 양은 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다. 폐기물 중의 황의 함량은 폐기물의 종류에 따라 다르기 때문에, 바람직하게는, 반응기(10)에 공급되는 폐기물의 종류가 변경되거나 다종 폐기물의 혼합비가 변경될 때마다 시료를 샘플링하는 것이 바람직할 것이다. 또한 대안적으로, 수시간 또는 수일 단위와 같이 미리 설정된 일정 주기마다 폐기물 중 일부를 샘플링하여 원소분석기(30)로 공급하도록 설정할 수도 있다.
한편 상술한 것처럼 폐기물 공급관(11)과 시료 공급관(13)이 컨베이어 벨트 등의 이송수단으로 구현될 수 있고 이 경우 밸브(21)가 필요하지 않을 수도 있다. 따라서 이 경우 제어부(400는 밸브(21)가 아닌 컨베이어 벨트의 온/오프를 제어하도록 구성되어, 컨베이어 벨트를 제어함으로써 폐기물 시료를 원소분석기(30)에 공급하는 동작을 제어할 수 있다.
이상과 같은 구성에 의하면, 폐기물의 일부를 샘플링하여 황 함량을 측정함으로써 배가스 처리부(20)에 공급할 탈황제의 적정량을 결정하고 공급을 조절할 수 있으며, 이에 따라 생활폐기물, 산업폐기물, 축산폐기물 등 다양한 종류의 폐기물을 한꺼번에 반응기(10)에 공급하는 경우에도 반응기(10)에서 배출되는 배가스 내의 유해물질, 특히 황산화물을 효율적으로 제거할 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 제어장치를 이용한 예시적인 제어방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
우선 단계(S110)에서, 반응기에 공급할 폐기물 중 일부를 시료로서 원소분석기에 공급한다. 일 실시예에서 이 단계(S110)는 반응기(10)에 공급할 폐기물의 종류가 변경될 때 또는 소정 샘플링 주기마다 실행될 수 있다.
예를 들어 도1의 장치 구성을 이용할 경우, 소정 샘플링 주기마다 제어부(40)가 밸브(21)를 제어하여 원소분석기(30)에 시료를 공급할 수 있고 사용자 입력에 기초하여 제어부(40)가 밸브(21)를 제어하여 시료를 공급할 수도 있다.
원소분석기(30)에 시료가 주입되면, 단계(S120)에서 시료 중의 황(S) 함량을 측정한다. 측정된 황의 함량으로부터 배가스 처리시 필요한 탈황제의 적정량을 계산할 수 있고, 이에 따라 단계(S130)에서, 배가스 처리부에 공급할 탈황제의 공급량을 제어할 수 있다. 예를 들어 제어부(40)가 배가스 처리부(20)에 연결된 탈황제의 공급관(19)에 개재되어 있는 밸브(31)의 개폐를 제어함으로써 배가스 처리부(20)에 공급되는 탈황제의 양을 조절할 수 있다. 일 실시예에서 탈황제로서 석회석 슬러리를 사용할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 방법에 따르면 폐기물의 일부를 샘플링하여 황 함량을 측정하고 이에 기초하여 배가스 처리부(20)에 공급하는 탈황제를 적정량으로 조절함으로써 배가스 처리부(20)에서의 황산화물과 같은 유해물질 효율적으로 제거할 수 있다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 제어장치가 적용될 수 있는 폐자원 에너지화 시스템의 예시적인 블록도이다.
도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 폐자원 에너지화 시스템은 반응기(10), 배가스 처리부(20), 열중량 분석기(50), 및 제어부(60)를 포함할 수 있다.
도3에서 반응기(10) 및 배가스 처리부(20)는 도1에 도시한 반응기 및 배가스 처리부와 각각 동일 또는 유사한 기능을 하므로 설명을 생략한다.
반응기(10)는 공급관(11)을 통해 이러한 다종 폐기물을 공급받는다. 다종 폐기물은 폐기물 공급관(11)를 통해 반응기(10)에 공급되고 그 중 일부는 시료로서 열중량 분석기(50)로 공급된다. 이를 위해 시료 공급관(15)이 폐기물 공급관(11)에서 분기되어 열중량 분석기(50)에 연결되어 있고, 시료 공급관(15)에는 밸브(22)가 개재되어 밸브(22)의 개폐에 의해 폐기물의 일부를 소정 시간 간격이나 필요에 따라 열중량 분석기(50)로 공급하도록 할 수 있다.
일 실시예에서 시료를 열중량 분석기(50)로 공급하는 것은 제어부(60)의 제어에 의해 수행될 수 있다. 즉 도시한 것처럼 제어부(60)가 밸브(22)의 개폐를 제어할 수 있도록 구성되어 소정 시간 간격 또는 사용자 명령에 따라 밸브(22)를 개폐하여 시료 공급을 제어할 수 있다.
열중량 분석기(50)에 폐기물 시료를 공급하는 주기 및/또는 공급되는 시료의 양은 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다. 바람직하게는 반응기(10)에 공급되는 폐기물의 종류가 변경되거나 다종 폐기물의 혼합비가 변경될 때마다 시료를 샘플링할 수 있고, 대안적으로 수시간 또는 수일 단위와 같이 미리 설정된 일정 주기마다 폐기물 중 일부를 샘플링하여 열중량 분석기(50)로 공급할 수 있다.
한편 폐기물 공급관(11) 및 시료 공급관(15)의 각각이 예컨대 컨베이어 벨트와 같은 이송수단으로 구현되는 대안적 실시예의 경우 밸브(22)가 필요하지 않을 수도 있다. 이 경우 제어부(60)는 밸브(22)가 아닌 컨베이어 벨트의 온/오프를 제어하도록 구성되어, 컨베이어 벨트를 제어함으로써 폐기물 시료를 열중량 분석기(50)에 공급하는 동작을 제어할 수 있다.
열중량 분석기(50)는 공급관(15)을 통해 공급받은 폐기물 시료를 가열 및 연소하여 고정 탄소(fixed carbon)의 질량을 측정한다. 일반적으로 모든 종류의 폐기물은 연소에 의해 수분(moisture), 휘발분(volatile matter), 고정 탄소(fixed carbon), 및 회분(ash)로 분해되며, 열중량 분석기(30)는 가열로에 시료를 넣고 가열시켜 온도변화에 따른 분해물의 질량변화를 측정한다. 본 발명의 일 실시예에서, 가스화나 연소화의 대상이 고정 탄소이므로 반응기(10)에서는 이 고정 탄소의 양에 맞춰서 공기나 스팀을 주입하는 것이 바람직하다. 따라서 열중량 분석기(30)는 공급받은 폐기물 시료로부터 고정 탄소의 양을 측정한다.
이를 위해, 일 실시예의 열중량 분석기(30)는 공급받은 시료를 질소 분위기에서 제1 소정 시간동안 가열하여 수분 및 휘발분을 제거하고 그 후 공기 분위기하에서 제2 소정 시간동안 연소시켜 고정 탄소를 연소시킨 뒤 남은 회분의 양을 측정하고, 증발된 수분과 휘발분 및 측정된 회분의 양에 기초하여 고정 탄소의 양을 산출할 수 있다. 그러나 폐기물 시료의 고정 탄소 양을 측정하는 공지된 다른 방법이 사용될 수 있으며 본 발명의 열중량 분석기(50)는 어느 특정 측정 방법에 제한되지 않는다.
열중량 분석기(50)는 시료의 고정 탄소의 양을 제어부(60)에 전달하고, 제어부(60)는 이 고정 탄소의 양에 기초하여 반응기(10)에 공급할 공기 및/또는 스팀의 양을 결정하고 이에 따라 공기 및/또는 스팀을 주입하는 공급관(17)에 개재된 밸브(32)의 개폐를 제어한다.
상술한 구성의 폐자원 에너지화 시스템에 의하면 폐기물의 일부를 샘플링하여 고정 탄소의 양을 측정함으로써 반응기(10) 내에 공급할 공기 또는 스팀의 적정량을 결정하고 주입할 수 있으며, 이에 따라 생활폐기물, 산업폐기물, 축산폐기물 등 다양한 종류의 폐기물을 한꺼번에 반응기(10)에 공급하는 경우에도 반응기(10) 내의 연소 반응에 필요한 공기 및/또는 스팀의 양을 적절하게 조절할 수 있게 된다.
도4는 도3의 폐자원 에너지화 시스템을 이용한 예시적인 에너지화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계(S210)에서, 반응기에 공급할 폐기물 중 일부를 시료로서 열중량 분석기에 공급한다. 일 실시예에서 이 단계(S210)는 반응기(10)에 공급될 폐기물의 종류가 변경될 때 또는 소정 샘플링 주기마다 실행될 수 있다. 예를 들어 소정 샘플링 주기마다 제어부(60)가 자동으로 밸브(32)를 제어하여 시료를 공급할 수 있고 사용자 입력에 기초하여 제어부(60)가 밸브(32)를 제어하여 시료를 공급할 수도 있다.
열중량 분석기(50)에 시료가 주입되면, 단계(S220)에서 시료 중의 고정 탄소의 양을 측정한다. 고정 탄소의 양을 측정하기 위한 일 실시예에서, 시료를 질소 분위기에서 제1 소정 시간동안 가열하여 수분 및 휘발분을 증발시키고 공기 분위기하에서 시료를 제2 소정 시간동안 가열하여 고정 탄소를 연소시킨 뒤 남은 회분을 측정하고, 이로부터 고정 탄소 무게를 산출할 수 있다.
그 후 단계(S230)에서, 측정된 고정 탄소의 양에 기초하여, 반응기에 공급할 공기 및 스팀 중 적어도 하나의 공급량을 제어할 수 있다. 이 때 제어 대상은 본 발명의 폐자원 에너지화 시스템이 어디에 적용되는지에 따라 달라질 수 있다. 예컨대 폐자원 에너지화 시스템이 발전소에 적용될 경우 제어부(60)가 반응기(10)에 주입되는 공기의 양을 제어할 수 있고, 폐자원 에너지화 시스템이 가스화기에 적용될 경우 반응기(10) 내로 공급되는 스팀의 양을 제어할 수 있다. 또는 대안적으로 반응기(10)에 공기와 스팀을 동시에 공급하는 경우, 제어부(60)가 반응기(10)에 공급할 공기와 스팀을 각각 제어하도록 구성할 수도 있음은 물론이다.
이상과 같은 폐자원 에너지화 시스템 구성에 의해, 폐기물의 일부를 샘플링하여 고정 탄소의 양을 측정함으로써 반응기(10)의 연소 반응시 필요한 공기 및/또는 스팀의 적정량을 정확히 계측할 수 있다. 또한 본 발명의 구성에 따르면 생활폐기물, 산업폐기물, 축산폐기물 등 다양한 종류의 폐기물을 공급하는 경우에도 공급 폐기물의 성분 변화에 대응하여 실시간으로 시료를 샘플링하고 열분석 함으로써 반응기(10) 내의 연소 반응에 필요한 공기 및/또는 스팀의 양을 적절하게 조절할 수 있으므로 반응시 최적 운전 조건을 만들 수 있다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐자원 에너지화 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도5에 도시한 폐자원 에너지화 시스템은 도3의 에너지화 시스템에 도1의 탈황 제어장치가 결합된 예시적 시스템을 나타낸다. 도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 폐자원 에너지화 시스템은 반응기(10), 배가스 처리부(20), 원소분석기(30), 열중량 분석기(50), 및 제어부(70)를 포함할 수 있다.
반응기(10)는 다종 폐기물을 연소시키는 장치이고, 배가스 처리부(20)는 반응기(10)에서 배출되는 배가스 내의 유해물질을 제거한다. 열중량 분석기(50)는 반응기(10)에 공급되는 폐기물 중 일부를 제1 시료로서 공급받아 고정 탄소의 양을 측정하며 원소분석기(30)는 반응기(10)에 공급되는 폐기물 중 일부를 제2 시료로서 공급받아 시료 중의 황(S) 함량을 측정한다.
상기 반응기(10), 배가스 처리부(20), 원소분석기(30), 및 열중량 분석기(50)는 도1과 도3을 참조하여 설명한 반응기, 배가스 처리부, 원소분석기, 및 열중량 분석기와 각각 동일 또는 유사한 기능을 하므로 이하에서 상세한 설명을 생략한다.
도시한 폐자원 에너지화 시스템은 다종 폐기물을 반응기(10)에 공급하는 폐기물 공급관(11), 및 이 공급관(11)에서 분기되어 제1 시료를 열중량 분석기(50)에 공급하는 제1 시료 공급관(15)과 및 제2 시료를 원소분석기(30)에 공급하는 제2 시료 공급관(13)을 포함한다. 각 시료 공급관(13,15)에는 각기 개폐 밸브(21,22)가 개재되어 있고 밸브(21,22)의 각각은 제어부(70)에 의해 개폐가 제어되어 시료의 공급량을 조절할 수 있다. 또한 폐자원 에너지화 시스템은 반응기(10)에 공기 및/또는 스팀을 공급하는 공급관(17) 및 이 공급관(17)에 개재된 밸브(32)를 포함하고, 배가스 처리부(20)에 탈황제를 공급하는 공급관(19) 및 이 공급관(19)에 개재된 밸브(31)를 포함한다. 각각의 밸브(31,32)는 제어부(70)에 의해 개폐가 제어되어 공기 및/또는 스팀과 탈황제의 각각의 공급량을 조절할 수 있다.
이러한 구성에서, 제어부(70)는 폐기물 중 일부를 제1 시료로서 열중량 분석기(50)에 공급하고, 열중량 분석기(50)는 시료 내의 고정 탄소의 양을 측정하고 이 측정값을 제어부(70)로 전송한다. 제어부(70)는 시료 중의 고정 탄소의 양에 기초하여 반응기(10)에 공급할 공기 및/또는 스팀의 공급량을 결정하고 이에 따라 밸브(32)의 개폐를 제어하여 반응기(10)에 공급할 공기 및/또는 스팀의 양을 조절한다.
또한 제어부(70)의 제어에 의해 폐기물 중 일부가 제2 시료로서 원소분석기(30)에 공급되면 원소분석기(30)는 시료 내의 황(S) 함량을 측정하고 측정값을 제어부(70)로 전송한다. 제어부(70)는 시료의 황 함량에 기초하여 배가스 처리부(20)에 공급할 탈황제의 공급량을 결정하고 이에 따라 밸브(31)의 개폐를 제어하여 배가스 처리부(20)에 공급할 탈황제의 양을 조절한다.
한편 폐기물 공급관(11) 및 시료 공급관(13,15)의 각각이 컨베이어 벨트와 같은 이송수단으로 구현되는 대안적 실시예의 경우 밸브(21,22)가 필요하지 않을 수도 있으며, 이 경우 제어부(70)는 밸브(21,22)가 아닌 컨베이어 벨트의 온/오프를 제어함으로써 폐기물의 제1 및 제2 시료를 각각 열중량 분석기(50)와 원소분석기(30)에 공급하도록 구성할 수 있다.
또한 도시한 실시예에서는 하나의 제어부(70)에서 열중량 분석기(50)와 원소분석기(60)의 분석결과 및 이에 따른 밸브 제어를 모두 수행하는 것으로 설명하였지만, 대안적 실시예에서 원소분석기(30)의 분석에 따른 탈황제 공급량 제어와 열중량 분석기(50)의 분석에 따른 공기 및/또는 스팀 공급량 제어를 각기 별개의 제1 및 제2 제어부가 수행하도록 구성할 수도 있다.
도6은 도5에 도시한 폐자원 에너지화 시스템을 이용한 예시적인 에너지화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계(S310)에서, 반응기(10)에 공급될 폐기물 중 일부가 제1 시료로서 열중량 분석기(50)에 공급한다. 이 때 반응기에 공급될 폐기물의 종류가 변경될 때 또는 기설정된 샘플링 주기마다 폐기물 중 일부를 시료로서 열중량 분석기에 공급할 수 있다.
그 후 단계(S320)에서, 반응기(10)에 공급될 폐기물 중 일부를 제2 시료로서 원소분석기(30)에 공급한다. 원소분석기에 공급하는 시료의 공급 주기도, 폐기물의 종류가 변경될 때마다 또는 기설정된 샘플링 주기에 따라 결정될 수 있다.
이 때 도6에서는 열중량 분석기에 시료를 공급하는 단계(S310)와 원소분석기에 시료를 공급하는 단계(S320)가 순차적으로 수행되는 것으로 나타내었지만, 실시 형태에 따라 두 단계(S310,S320)가 동시에 수행될 수도 있고 서로 순서를 달리하여 순차적으로 수행될 수도 있다.
열중량 분석기(50)에 시료가 공급되면 열중량 분석기는 시료 중의 고정 탄소의 양을 측정하고(S330) 이 측정값을 제어부(70)로 전달한다. 제어부(70)는 측정된 고정 탄소의 양에 기초하여 반응기(10)에 공급할 공기 및/또는 스팀 중 적어도 하나의 공급량을 조절한다(S340).
한편 원소분석기(30)에 시료가 공급되면 원소분석기는 시료 중의 황 함량을 측정하고(S350) 이 측정값을 제어부(70)로 전달한다. 제어부(70)는 측정된 황 함량에 기초하여 배가스 처리부(20)에 공급할 탈황제의 공급량을 조절한다(S360).
이상과 같은 폐자원 에너지화 시스템 구성에 따르면, 폐기물의 일부를 샘플링하여 고정 탄소의 양과 황 함량을 각각 측정함으로써 반응기(10)의 연소 반응시 필요한 공기 및/또는 스팀의 적정량을 예측할 수 있고 배가스 처리부(20)에 공급할 탈황제도 적정량으로 조절할 수 있다. 이에 따라, 생활폐기물, 산업폐기물, 축산폐기물 등 다양한 종류의 폐기물을 반응기에 공급하는 경우 공급 폐기물의 성분 변화에 대응하여 실시간으로 시료를 샘플링하고 분석 함으로써 반응기(10) 내의 연소 반응에 필요한 공기 및/또는 스팀의 양을 적절하게 조절하여 최적 운전 조건을 만들 수 있고 또한 배가스 처리부(20)에서 황산화물과 같은 유해물질의 제거시에도 적정량의 탈황제만 사용하여 효율적으로 제거할 수 있다.
이와 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자라면 상술한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 반응기
20: 배가스 처리부
30: 원소분석기
40: 60, 70: 제어부
50: 열중량 분석기

Claims (14)

  1. 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 장치에 있어서,
    폐기물을 연소시키기 위한 반응기(10);
    상기 반응기에서 배출되는 배가스 내의 유해물질을 제거하는 배가스 처리부(20);
    상기 반응기에 공급되는 폐기물 중 일부를 시료로서 공급받는 원소분석기(30);
    상기 배가스 처리부에 공급할 탈황제의 공급량을 제어하는 제어부(40);
    상기 원소분석기(30)에 상기 폐기물 중 일부를 시료로서 공급하는 제1 공급관(13); 및
    상기 제1 공급관(13)에 개재된 제1 밸브(21);를 포함하고,
    상기 제어부(40)가 상기 제1 밸브의 개폐를 제어하여 상기 시료를 상기 원소분석기에 공급하고, 상기 원소분석기는 상기 시료 중의 황(S) 함량을 측정하여 이 측정값을 상기 제어부로 전송하고, 상기 제어부는 전송받은 상기 측정값에 기초하여 상기 탈황제의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기(10)에 공급되는 폐기물의 종류가 변경될 때 또는 기설정된 샘플링 주기마다, 상기 폐기물 중 일부를 시료로서 상기 원소분석기에 공급하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배가스 처리부(20)에 상기 탈황제를 공급하는 제2 공급관(19); 및
    상기 제2 공급관(19)에 개재된 제2 밸브(31);를 더 포함하고,
    상기 제어부(40)가 상기 황 함량에 기초하여 상기 제2 밸브의 개폐를 제어하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 장치.
  5. 폐자원 에너지화 시스템에 있어서,
    폐기물을 연소시키기 위한 반응기(10);
    상기 반응기에서 배출되는 배가스 내의 유해물질을 제거하는 배가스 처리부(20);
    상기 반응기에 공급되는 폐기물 중 일부를 제1 시료로서 공급받는 열중량 분석기(50);
    상기 반응기에 공급되는 폐기물 중 일부를 제2 시료로서 공급받는 원소분석기(30);
    상기 반응기에 공급할 공기 및 스팀 중 적어도 하나의 양을 제어하는 제1 제어부; 및 상기 배가스 처리부에 공급할 탈황제의 양을 제어하는 제2 제어부;를 포함하고,
    상기 제1 제어부는, 상기 열중량 분석기가 측정한 상기 제1 시료 중의 고정 탄소의 양에 기초하여 공기 및 스팀 중 적어도 하나의 공급량을 제어하고,
    상기 제2 제어부는, 상기 원소분석기가 측정한 상기 제2 시료 중의 황(S) 함량에 기초하여 상기 탈황제의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반응기(10)에 공급되는 폐기물의 종류가 변경될 때 또는 기설정된 샘플링 주기마다, 상기 폐기물 중 일부를 상기 제1 시료로서 상기 열중량 분석기에 공급하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 반응기(10)에 공급되는 폐기물의 종류가 변경될 때 또는 기설정된 샘플링 주기마다, 상기 폐기물 중 일부를 상기 제2 시료로서 상기 원소분석기에 공급하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 원소분석기(30)에 상기 제2 시료를 공급하는 공급관(13); 및
    상기 공급관(13)에 개재된 밸브(21);를 더 포함하고,
    상기 제2 제어부가 상기 밸브의 개폐를 제어하여 상기 제2 시료를 상기 원소분석기에 공급하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 배가스 처리부(20)에 상기 탈황제를 공급하는 공급관(19); 및
    상기 공급관(19)에 개재된 밸브(31);를 더 포함하고,
    상기 제2 제어부가 상기 황 함량에 기초하여 상기 밸브의 개폐를 제어하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 반응기(10)에 상기 공기 및 스팀 중 적어도 하나를 공급하는 공급관(17); 및
    상기 공급관에 개재된 밸브(32);를 더 포함하고,
    상기 제1 제어부가 상기 고정 탄소의 양에 기초하여 상기 밸브(32)의 개폐를 제어하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템.
  11. 반응기, 이 반응기에서 배출되는 배가스 내의 유해물질을 제거하는 배가스 처리부, 및 제어부를 포함하는 폐자원 에너지화 시스템에서의 탈황 제어 방법에 있어서,
    상기 반응기에 공급될 폐기물 중 일부를 시료로서 원소분석기에 공급하는 단계;
    상기 원소분석기에서 상기 시료 중의 황(S) 함량을 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 황 함량에 기초하여, 상기 배가스 처리부에 공급할 탈황제의 공급량을 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 시료를 상기 원소분석기에 공급하는 단계는,
    상기 제어부가, 상기 반응기에 공급될 폐기물의 종류가 변경될 때, 기설정된 샘플링 주기마다, 또는 사용자 입력에 기초하여, 상기 원소분석기에 시료를 공급하는 공급관에 개재된 밸브의 개폐를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 폐자원 에너지화 시스템은 제어부를 더 포함하고,
    상기 공급량을 제어하는 단계는,
    상기 황 함량의 측정값을 상기 제어부로 전송하는 단계; 및
    상기 제어부가, 전송받은 상기 측정값에 기초하여, 상기 배가스 처리부에 상기 탈황제를 공급하는 공급관에 개재된 밸브의 개폐를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐자원 에너지화 시스템의 탈황 제어 방법.
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