KR102100048B1 - 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치 - Google Patents

열전발전을 이용한 폐기물 소각장치 Download PDF

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Abstract

버려지는 폐열을 활용하여 연소효율을 증대시키고 소요되는 전력에너지를 절감하는 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치를 제시한다. 그 장치는 소각로에서 배기가스를 외부로 배출하는 배기실에 설치된 열전발전기와, 열전발전기로부터 인출된 전기에 의해 가동되고 수소 및 산소를 발생시키는 전기분해조 및 전기분해조로부터 발생된 수소 및 산소를 수집하여 브라운가스를 발생시키는 브라운가스 발생기를 포함하고, 브라운가스 발생기로부터 생성된 브라운가스는 소각로로 공급된다.

Description

열전발전을 이용한 폐기물 소각장치{Incinerator of waste using thermoelectric generator}
본 발명은 폐기물 소각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전모듈에 의한 열전발전기를 이용하여 폐기물을 소각하는 장치에 관한 것이다.
지속적인 인구증가와 산업발전에 따른 부산물인 각종 쓰레기, 폐기물 등이 대량으로 발생하고 있어서, 환경오염을 최소화도록 처리되어야 한다. 종래에는 폐기물을 매립 또는 해양에 배출하기도 하였으나, 최근 폐기물의 매립 및 배출을 엄격하게 금지하는 국제적 추세에 따라 매립 대신 소각 방식이 주를 이루고 있다. 폐기물을 소각하는 방법은 국내등록특허 제10-1880160호, 국내공개특허 제2012-0004073호 등에서 다양하게 제시되고 있다. 한편, 폐기물 소각장치는 완전연소를 목표로 제작되어 운영되나 폐기물의 종류와 연소조건의 부적합 등으로 인하여 불완전 연소가 일어나고 유해가스(CO, SOx, NOx, 다이옥신 등)이 대기 중으로 방출되어 대기오염을 유발한다. 불완전 연소를 해결하기 위해서는 연소실 단열, 충분한 산소(공기) 공급, 연소반응을 위한 적절한 반응시간, 연소재료 및 보조연료 공급방안, 불완전 연소가스의 재연소 등과 같은 다양한 조치들이 취해지고 있다.
도 1은 일반적인 폐기물 소각장치(100)를 개념적으로 간략하게 나타내는 도면이다. 도 1에 의하면, 일반적인 소각장치(100)는 1차 연소실(a), 2차 연소실(b) 및 배기실(c)을 포함한다. 1차 연소실(a)을 구현하는 1차 챔버(101)에 의해 구현하고, 1차 챔버(101) 내에는 흡기 및 단열을 위하여 1차 흡기팬(107)에 의해 1차 흡기로(103)를 구비한다. 1차 흡기팬(107) 및 1차 흡기로(103)를 거쳐서, 외부의 공기는 1차 연소실(a)에 유입된다. 폐기물(W)은 화격자(102) 상에 놓여서 연소하고, 1차 챔버(101)에는 버너(104), 폐기물 투입구(105) 및 소각재 배출구(106)가 설치되어 있다.
2차 연소실(b)은 연결로(120)에 의해 연결되고, 2차 챔버(130)에 의해 구현된다. 2차 연소실(b)에는 흡기 및 단열을 위하여, 2차 흡기팬(132) 및 2차 흡기로(131)를 거쳐서, 외부의 공기가 유입된다. 2차 연소를 마치면, 배기가스는 배기로(140)를 거쳐 배기실(c)의 외부로 방출된다. 이와 같이, 종래의 소각장치는 1차 및 2차 연소를 하고, 외부의 공기를 공급함으로써, 연소효율을 높이고자 하고 있다.
종래의 소각장치는 도 1과 같이 불완전 연소의 해소를 위해 여러 가지 방안이 채용되고 있으나, 소요되는 전력에너지를 줄이고 연소효율을 보다 높여야 한다. 이를 위해, 소각할 때 발생하여 버려지는 폐열을 재활용하여 소요되는 전력에너지를 줄일 필요가 있다. 또한, 상기 폐열을 재활용하여 연소조건을 개선함으로써, 유해가스의 방출을 저감해야 한다. 예를 들어, 도 1에서 연소실(a, b)에서의 연소효율을 높이고, 배기실(c)에서의 그대로 버려지는 폐열을 활용하여 소각장치에 전력을 공급할 방안이 강구될 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 버려지는 폐열을 활용하여 연소효율을 증대시키고 소요되는 전력에너지를 절감하는 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치는 소각로에서 배기가스를 외부로 배출하는 배기실에 설치된 열전발전기와, 상기 열전발전기로부터 인출된 전기에 의해 가동되고, 수소 및 산소를 발생시키는 전기분해조 및 상기 전기분해조로부터 발생된 수소 및 산소를 수집하여 브라운가스를 발생시키는 브라운가스 발생기를 포함한다. 이때, 상기 브라운가스 발생기로부터 생성된 브라운가스는 상기 소각로로 공급된다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 열전발전기는 상기 배기실의 배기로의 내측에 부착된 열전소자 및 상기 배기로의 외측에 부착되는 방열핀을 포함한다. 상기 열전소자는 CoSb계 열전재료, Pb-Te계 열전재료 또는 반호이슬러 열전재료 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 열전발전기로부터 인출된 전기는 상기 소각로의 하부챔버에 외부의 공기를 유입시키는 하부 흡기팬 또는 상기 소각로의 상부챔버에 외부의 공기를 유입시키는 상부 흡기팬 중의 적어도 어느 하나를 가동시킨다. 상기 상부 흡기팬에 의한 외부의 공기는 상기 상부챔버 및 상기 배기실에 걸쳐 형성된 상부 흡기로를 통하여 유입된다. 상기 상부 흡기로는 상기 상부챔버 및 상기 배기실 사이에 형성된 격판을 포함할 수 있다. 상기 전기분해조의 전극은 적층된 구조일 수 있다.
본 발명의 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치에 의하면, 폐열로 가동하는 열전발전기로부터 발생하는 전기를 활용함으로써, 열전발전기의 전기를 이용하는 전기분해로 인하여 발생하는 브라운가스로 연소효율을 증대시킨다. 또한, 열전발전기의 전기를 소각장치의 구동에 활용하여 흡기팬 들을 가동하여 소각에 소요되는 전력에너지를 절감한다.
도 1은 일반적인 폐기물 소각장치를 개념적으로 간략하게 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명에 의한 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치의 하나의 사례를 설명하기 위한 블록도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 한편, 상부, 하부, 정면 등과 같이 위치를 지적하는 용어들은 도면에 나타낸 것과 관련될 뿐이다. 실제로, 소각장치는 임의의 선택적인 방향으로 사용될 수 있으며, 실제 사용할 때 공간적인 방향은 소각장치의 방향 및 회전에 따라 변한다.
본 발명의 실시예는 폐열로 가동하는 열전발전기로부터 발생하는 전기를 활용함으로써, 버려지는 폐열을 활용하여 연소효율을 증대시키고 소요되는 전력에너지를 절감하는 폐기물 소각장치를 제시한다. 이를 위해, 열전발전기가 채용된 폐기물 소각장치에 대하여 구체적으로 알아보고, 열전발전기에 의해 폐열을 활용하고 연소효율을 증대시키는 과정을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예에 적용되는 소각장치는 굳이 제한되지 않는다. 여기서 제시하는 폐기물 소각장치는 하나의 사례에 불과하므로, 본 발명의 범주 내에서 다양한 형태의 폐기물 소각장치에 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치(200)를 설명하기 위한 블록도이다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다.
도 2에 의하면, 폐기물 소각장치(200)는 내부에 연소영역(d)을 가지는 소각로(B10)에 접속된 열전발전기(B20)를 포함한다. 구체적으로, 열전발전기(B20)는 소각로(B10)에서 배기가스를 외부로 배출하는 배기실에 설치된다. 소각로(B10)가 동작할 때 상기 배기실의 온도는 통상적으로 400~500℃ 수준의 고온상태이므로, 열전발전기(B20)는 상기 온도대역에서 발전효율이 높은 CoSb계 열전재료, Pb-Te계 열전재료, 반호이슬러(half heusler) 열전재료 중의 어느 하나가 바람직하다. 열전발전기(B20)는 배기실 내부의 고온상태 및 배기실 외부의 저온상태의 온도 차이를 활용한다.
열전발전기(B20)는 열전발전 제어모듈(B22)과 연결된다. 열전발전 제어모듈(B22)은 전기분해 제어부(B24) 및 흡기팬 제어부(B26)와 전기적으로 접속된다. 전기분해 제어부(B24)는 전기분해조(B28)에 연결되어 전기분해조(B28)의 동작을 제어하고, 흡기팬 제어부(B26)은 흡기팬(B30)과 연결되어 흡기팬(B30)의 동작을 제어한다. 즉, 열전발전 제어모듈(B22)은 열전발전기(B20)로부터 얻은 전력을 전기분해 및 외부의 공기를 소각로(B10)의 내부로 흡입시키는 데 활용한다. 흡기팬(B30)은 흡기 및 단열을 위하여, 소각로(B10)의 내부로 외부의 공기를 흡입한다. 흡기팬(B30)의 동작을 배기실의 폐열을 활용하기 때문에, 소각장치(200)에 소요되는 전력에너지를 절감할 수 있다.
전기분해조(B28)는 물(H2O)을 수소(H2) 및 산소(O2)로 전기분해한다. 전기분해된 수소(H2) 및 산소(O2)는 브라운가스 발생기(B32)에 수집된다. 브라운가스 발생기(B32)는 수소(H2) 및 산소(O2)에 의해 브라운가스(Brown gas)를 생성한다. 상기 브라운가스는 물이 분해된 그대로의 비율, 즉 수소와 산소가 2:1의 부피비로 혼합되어 있는 가스로써, 자체산소에 의한 완전연소되어 고온을 발생시킨다. 상기 브라운가스는 물이 분해되어 발생하는 에너지원이고, 완전연소가 되기 때문에 환경오염을 막을 수 있다. 상기 브라운가스는 완전 무공해, 완전연소와 더불어 열핵반응, 내부 충격파(implosion) 등의 특성을 가지고 있는 연료이다.
상기 브라운가스의 열핵반응, 내부 충격파(implosion) 등의 특성은 상기 브라운가스가 소각로(B10)를 가열하는 버너에 사용되는 액체연료와 혼합되어 상기 액체연료가 완전연소를 이루도록 도와준다. 브라운가스 발생기(B32)에는 상기 브라운가스를 포함하지만, 브라운가스로 변환되지 않은 수소 및 산소가 일부 잔존할 수 있다. 이에 따라, 브라운가스 발생기(B32)에는 상기 브라운가스 생성효율을 높이는 별도의 장치 또는 특정 조건을 부가할 수 있다. 본 발명의 소각장치(200)는 열전발전기(B20)에 의해 획득되는 전기를 이용하여 물을 전기분해하여 얻어지는 브라운가스로 연소효율을 개선할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치의 하나의 사례(200a)를 설명하기 위한 블록도이다. 이때, 본 발명의 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치에 대한 개념은 도 2를 참조하기로 한다. 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
도 3에 의하면, 소각장치의 하나의 사례(200a)는 하부 연소실(a), 상부 연소실(b) 및 배기실(c)을 포함한다. 하부 연소실(a)은 하부챔버(10)에 의해 정의되고, 하부챔버(10) 내에는 흡기 및 단열을 위하여 하부 흡기팬(16)에 의해 하부 흡기로(12)를 구비한다. 하부 흡기팬(16) 및 하부 흡기로(12)를 거쳐서, 외부의 공기는 하부 연소실(a)에 유입된다. 폐기물(W)은 화격자(11) 상에 놓여서 연소하고, 하부챔버(10)에는 버너(13), 폐기물 투입구(14) 및 소각재 배출구(15)가 설치되어 있다. 폐기물(W)은 폐기물 투입구(14)로부터 투입되어 화격자(11) 상에서 소각되고, 소각된 폐기물(W)인 소각재는 소각재 배출구(15)로 배출된다. 버너(13), 폐기물 투입구(14) 및 소각재 배출구(15)는 소각장치의 구조 및 용량 등에 따라 위치, 크기, 개수 등이 달라질 수 있다.
화격자(11)는 폐기물(W)이 연소되는 하부 연소실(a)에 설치되는 부품이다. 반드시 이에 한정되지 않지만, 화격자(11)의 하나의 사례는 지속적으로 투입되는 폐기물(W)의 연소효율을 높이기 위해 폐기물 투입구(14)로부터 계단식으로 폐기물(W)을 화격자(11)로 이송낙하하여 산소 공급이 원활하도록 수시로 뒤집어 줄 수 있다. 이를 위해, 고정축에 장착되는 화격자(11)와 가동축에 장착되는 화격자(11)로 이루어져서 가동축의 이동과 더불어 화격자(11)가 이동함으로써 폐기물(W)의 원활한 이동이 가능하게 된다.
상부 연소실(b)은 연결로(20)에 의해 하부 연소실(a)과 연결되고, 상부챔버(30)에 의해 정의된다. 상부 연소실(b)에는 흡기 및 단열을 위하여, 상부 흡기팬(55) 및 상부 흡기로(31)를 거쳐서 외부의 공기가 유입된다. 상부 연소실(b)을 거치면, 배기가스는 배기로(40)를 거쳐 배기실(c)의 외부로 방출된다. 소각장치(200a)의 상부 흡기로(31)는 외부의 공기를 배기실(c)을 거쳐 상부 연소실(b)에 공급한다. 상부 흡기로(31)는 상부 연소실(b) 및 배기실(c) 사이에는 격판(32)을 두어, 상부 연소실(b)로 투입된 외부의 공기가 역류되는 것을 방지하고 열전발전기(50)가 배치된 배기실(c)을 구분한다. 이에 따라, 상부 흡기로(31)는 격판(32) 부분이 배기실(c)의 외측으로 돌출된 형태가 된다.
열전소자(51)는 배기로(40)의 내측에 부착되고 방열핀(52)은 배기로(40)의 외측에 부착된다. 배기실(c)의 온도는 통상적으로 400~500℃ 수준의 고온상태이므로, 열전소자(51)는 고온상태에 접촉된다. 상부 흡기로(31)에는 흡기 및 단열을 위하여 외부의 공기가 유입되므로, 방열핀(52)은 상온과 같은 저온상태의 외부의 공기와 접촉된다. 즉, 열전소자(51)는 고온상태, 방열핀(52)은 저온상태에 놓인다. 열전소자(51)는 통상적인 400~500℃ 수준의 고온상태에 발전효율이 높은 CoSb계 열전재료, Pb-Te계 열전재료, 반호이슬러(half heusler) 열전재료 중의 어느 하나가 바람직하다. 열전발전기(50)는 배기실(c) 내부의 고온상태 및 배기실 외부의 저온상태의 온도 차이를 활용한다.
열전발전기(50)로부터 발생한 전기는 인출선(53)을 통하여 전력제어기(54)로 인입된다. 이때, 열전발전기(50)로부터 발생한 전기는 직류상태이다. 전력제어기(54)는 상기 전기는 상부 흡기팬(55), 하부 흡기팬(16) 및 전기분해조(60)에 접속된다. 즉, 열전발전기(50)의 전기는 상부 흡기팬(55), 하부 흡기팬(16) 및 전기분해조(60)를 가동하는데 사용된다. 열전발전기(50)로부터 발생한 전기는 직류상태이므로, 전기분해조(60)의 가동에 적절하며 필요한 경우 상부 흡기팬(55) 또는 하부 흡기팬(16) 역시 직류전원을 사용하는 팬일 수 있다. 경우에 따라, 열전발전기(50)의 전기용량에 따라 상부 흡기팬(55) 또는 하부 흡기팬(16) 중의 어느 하나만을 가동할 수 있다. 이와 같이, 소각장치(200a)에서 버려지는 폐열을 활용하여, 상부 흡기팬(55) 및 하부 흡기팬(16)을 가동함으로써, 전력에너지의 절감을 이룰 수 있다.
전기분해조(60)는 물(H2O)을 수소(H2) 및 산소(O2)로 전기분해한다. 전기분해조(60)는 공지의 전기분해 방식을 모두 적용할 수 있으며, 발생하는 수소(H2) 및 산소(O2)를 수집하기 위한 차폐수단을 구비할 수 있다. 수소(H2) 및 산소(O2)를 발생하는 전극은 부식에 강한 재질, 예컨대 티타늄(Ti) 판이 적층되어 수집효율을 높일 수 있다. 전기분해된 수소(H2) 및 산소(O2)는 브라운가스 발생기(63)에 수집된다. 브라운가스 발생기(63)에는 산소(O2)를 운송하는 산소유로(61) 및 수소(H2)를 운송하는 수소유로(62)를 통하여 수소(H2) 및 산소(O2)를 수집된다.
브라운가스 발생기(63)는 수소(H2) 및 산소(O2)에 의해 브라운가스(Brown gas)를 생성한다. 상기 브라운가스는 물이 분해된 그대로의 비율, 즉 수소와 산소가 2:1의 부피비로 혼합되어 있는 가스로써, 자체산소에 의한 완전연소로 고온을 발생시킨다. 상기 브라운가스는 물이 분해되어 발생하는 에너지원이고, 완전연소가 되기 때문에 환경오염을 막을 수 있다. 상기 브라운가스는 완전 무공해, 완전연소와 더불어 열핵반응, 내부 충격파(implosion) 등의 특성을 가지고 있는 연료이다.
상기 브라운가스의 열핵반응, 내부 충격파(implosion) 등의 특성은 상기 브라운가스가 상부챔버(30)의 연소영역(d)을 구현하는 액체연료와 혼합되어 상기 액체연료가 완전연소를 이루도록 도와준다. 브라운가스 발생기(63)에는 상기 브라운가스를 포함하지만, 브라운가스로 변환되지 않은 수소 및 산소가 일부 잔존할 수 있다. 이에 따라, 브라운가스 발생기(63)에는 상기 브라운가스 생성효율을 높이는 별도의 장치를 부가하거나 특정 조건을 부여할 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 열전발전기(50)와 연관된 장치들은 본 발명의 소각장치(200a)의 구조, 크기 등에 따라 달라지므로 가상의 영역(70)로 표현하였다.
본 발명의 실시예에 의한 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치는 열전발전기로부터 도출된 전기를 활용하여 버려지는 폐열을 활용하여, 상부 흡기팬(55) 또는 하부 흡기팬(16) 중의 적어도 하나를 가동함으로써, 전력에너지의 절감을 이룰 수 있다. 또한, 열전발전기로부터 도출된 전기를 활용하여 전기분해에 의한 브라운가스에 의해 소각로의 완전연소를 이루도록 도와준다. 이렇게 되면, 연소효율을 증대시키고 소요되는 전력에너지를 절감하는 본 발명의 과제를 해결한다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10; 하부챔버 11; 화격자
12, 31; 하부 및 상부 흡기로
13; 버너 14; 폐기물 투입구
15; 소각재 배출구
16, 55; 하부 및 상부 흡기팬
20; 연결로 30; 상부챔버
32; 격판 40; 배기로
50; 열전발전기 51; 열전소자
52; 방열핀 53; 인출선
54; 전력제어기 60; 전기분해조
61; 산소유로 62; 수소유로
63; 브라운가스 발생기
B10; 소각로 B20; 열전발전기
B22; 열전발전 제어모듈 B24; 전기분해 제어부
B26; 흡기팬 제어부 B28; 전기분해조
B30; 흡기팬

Claims (7)

  1. 폐기물을 소각하는 하부 연소실, 상기 하부 연소실로부터 배출된 배기가스를 연소하는 상부 연소실 및 상기 상부 연소실을 거친 배기가스를 배출하는 배기실을 포함하고,
    상기 하부 연소실 및 상기 상부 연소실은 소각로를 구성하며,
    상기 배기실에 설치되고, 상기 상부 연소실을 거친 배기가스의 폐열을 활용하여 전기를 발생시키는 열전발전기;
    상기 열전발전기로부터 발생된 전기에 의해 가동되고, 수소 및 산소를 발생시키는 전기분해조; 및
    상기 상부 연소실에 브라운가스를 공급하고, 상기 전기분해조로부터 발생된 수소 및 산소를 수집하여 브라운가스를 발생시키는 브라운가스 발생기를 포함하고,
    상기 하부 연소실로부터 배출된 배기가스는 연결로를 통하여 상기 상부 연소실로 공급되고, 상기 연결로를 통하여 공급된 배기가스는 상기 브라운가스 발생기로부터 공급된 브라운가스와 혼합되어 연소되며,
    상기 열전발전기는 상기 배기실의 온도 상태에 부합하는 CoSb계 열전재료, Pb-Te계 열전재료 또는 반호이슬러 열전재료 중에서 선택된 어느 하나의 열전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전발전기는 상기 배기실의 배기로의 내측에 부착된 열전소자 및 상기 배기로의 외측에 부착되는 방열핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 열전발전기로부터 인출된 전기는 상기 소각로의 하부챔버에 외부의 공기를 유입시키는 하부 흡기팬 또는 상기 소각로의 상부챔버에 외부의 공기를 유입시키는 상부 흡기팬 중의 적어도 어느 하나를 가동시키는 것을 특징으로 하는 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 상부 흡기팬에 의한 외부의 공기는 상기 상부챔버 및 상기 배기실에 걸쳐 형성된 상부 흡기로를 통하여 유입되는 것을 특징으로 하는 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 상부 흡기로는 상기 상부챔버 및 상기 배기실 사이에 형성된 격판을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전기분해조의 전극은 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 열전발전을 이용한 폐기물 소각장치.
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