KR102186222B1 - 국소 고온 연소 챔버 및 이를 포함하는 시멘트 소성 설비 - Google Patents

국소 고온 연소 챔버 및 이를 포함하는 시멘트 소성 설비 Download PDF

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Abstract

본 발명은 국소 고온 연소 챔버 및 이를 포함하는 시멘트 소성 설비에 관한 것으로, 구체적으로는 예열기 시스템의 하소로와 회전형 가마의 원료 주입 챔버 중 적어도 어느 하나에 연결되어 유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료를 연소 및 열분해하여 가스화하고, 이때 발생된 고온의 가스를 시멘트 원료의 예열 공정 및 소성 공정에 이용함으로써, 연료비용을 절약할 수 있는 국소 고온 연소 챔버 및 이를 포함하는 시멘트 소성 설비에 관한 것이다.

Description

국소 고온 연소 챔버 및 이를 포함하는 시멘트 소성 설비 {LOCALLY HOT COMBUSTION CHAMBER AND CEMENT CALCINATION FACILITY HAVING THE SAME}
본 발명은 국소 고온 연소 챔버 및 이를 포함하는 시멘트 소성 설비에 관한 것으로, 구체적으로는 예열기 시스템의 하소로와 회전형 가마의 원료 주입 챔버 중 적어도 어느 하나에 연결되어 유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료를 연소 및 열분해하여 가스화하고, 이때 발생된 고온의 가스를 시멘트 원료의 예열 공정 및 소성 공정에 이용함으로써, 연료비용을 절약할 수 있는 국소 고온 연소 챔버 및 이를 포함하는 시멘트 소성 설비에 관한 것이다.
시멘트의 제조 과정은 채광, 분쇄, 예열, 소성, 냉각 공정 등을 거친다.
채광 공정은 시멘트의 원료인 석회석을 캐내는 공정이고, 석회석에는 CaCO3, SiO2, Al2O3 등이 포함될 수 있다.
분쇄 공정은 캐낸 석회석을 부수고, 기타 원료들과 함께 분말에 가깝도록 부수는 공정이다.
예열 공정은 각 예열 단계별로 300 내지 1000℃까지 온도가 올라가며, 예열기 시스템에 포함된 하소로에서 연소를 위해 유연탄, LPG, 벙커C유, WDF, 폐유, 폐합성수지, 가연성 폐기물 및/또는 하수슬러지, 폐타이어칩, 우레탄 파우더 등이 사용될 수 있다.
소성 공정은 분말 상태의 시멘트 원료를 고온 가열하여 성분의 일부를 융해하여 클링커(Clinker)로 만드는 공정이다.
소성 공정은 로터리 킬른(Rotary Kiln) 내에서 수행될 수 있고, 일반 시멘트는 약 700 내지 2,000℃ 정도에서 소성이 수행될 수 있다.
이후 냉각 공정에서 클링커를 냉각시키고, 석고 등을 첨가하여 미분쇄하면 포틀랜드 시멘트가 제조될 수 있다.
종래의 시멘트 소성 설비의 예열 공정에서는, 연료로 합성수지를 사용하고 있는데, 이러한 합성수지를 원료가 공급되는 킬른의 공급측 단부 또는 하소로를 통해 과량 투입하게 되면 예열기 시스템 내부의 가스 밸랜스 불균형으로 인해 공정의 불안정이 초래되고, 사이클론 내 코팅 형성으로 인해 공정 트러블이 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한, 완전 연소를 위해서 합성 수지를 다른 유형의 하소로로 투입하기도 하는데, 이 경우 이물질이 다량 적체됨으로써 운휴가 발생되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 킬른의 공급측 단부를 통해 합성수지를 분산 투입하고 하소로에는 우레탄 파우더나 WDF를 투입함으로써, 이물질이 적체되는 것을 해소하고 연소효율을 증대시킬 수 있도록 하고 있다.
그러나, 합성수지, 우레탄 파우더 및 WDF 등의 대체 연료의 사용량이 증대함에 따라 점점 공급의 한계에 다다르고 있는 실정이다.
KR 10-0716402 B1(2007.05.11.공고)
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 여러 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 예열기 시스템의 하소로와 회전형 가마의 원료 주입 챔버 중 적어도 어느 하나에 연결되어 유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료를 연소 및 열분해하여 가스화하고, 이때 발생된 고온의 가스를 시멘트 원료의 예열 공정 및 소성 공정에 이용함으로써, 연료비용을 절약할 수 있는 국소 고온 연소 챔버 및 이를 포함하는 시멘트 소성 설비를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은 원료 공급기에서 공급받은 시멘트 원료를 예열하고, 상기 시멘트 원료 내의 이산화탄소가 유리되는 탈탄산 반응을 증가시키는 하소로(calciner)를 포함하는 예열기 시스템; 및 상기 예열기 시스템을 거친 시멘트 원료를 원료 주입 챔버를 통해 투입구로 투입받아 클링커로 소성하여 반출구로 반출하되, 상기 소성을 위해 상기 투입구와 대향하는 위치에 구비된 버너에서 상기 투입구 방향으로 화염을 생성하는 회전형 가마;를 포함하는 시멘트 소성설비에 채용되는 국소 고온 연소 챔버로서, 유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료가 인입되는 인입구가 형성되고, 내부에 인입된 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되는 과정에서 발생된 열 및 가스가 인출되는 인출구가 형성되며, 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)가 배출되는 배출구가 형성되는 중공의 몸체; 및 복수로 마련되어 상기 몸체의 외면 둘레 및 길이방향을 따라 배치되되, 화염이 상기 몸체의 내부를 향하도록 상기 몸체를 관통하여 설치되는 플라즈마 토치;를 포함하여 이루어지며, 상기 몸체는 상기 예열기 시스템의 하소로와 회전형 가마의 원료 주입 챔버 중 적어도 어느 하나에 연결되어 내부에서 상기 연료가 연소 및 열분해되고 가스화되어 발생된 열 및 가스가 상기 하소로와 원료 주입 챔버 중 적어도 어느 하나로 이동하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 국소 고온 연소 챔버를 제공한다.
이때, 상기 몸체는, 상측에 인입구가 형성되고, 상기 인입구에는 상기 연료가 인입되도록 인입관이 세로로 끼워지며, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되는 인입부; 상기 인입부의 하단으로부터 연장되고, 수평 또는 경사지게 배치되며, 외면 둘레 및 길이방향을 따라 복수의 플라즈마 토치가 설치되어 상기 인입부로부터 인입된 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되는 연소부; 및 상기 인입부로부터 연장된 부분과 반대쪽에 위치한 연소부의 단부로부터 연장되고, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되며, 상기 연소부에서 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되는 과정에서 발생된 열 및 가스가 인출되는 인출구가 형성되고, 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)가 배출되는 배출구가 형성되는 인출부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연소부 내면에는 내화물 부재가 설치되고, 상기 연소부 내부 바닥에 설치된 내화물 부재의 상측에는 열전달 매개체가 구비되며, 상기 열전달 매개체는 상기 플라즈마 토치에 의해 고온으로 가열되어 상기 연소부로 인입되는 상기 연료를 상기 플라즈마 토치와 함께 연소 및 열분해하여 가스화하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 연소부의 내부에는 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)를 상기 배출구로 배출시키도록 상기 열전달 매개체의 상부에서 직선운동 가능하게 잔해물 제거수단이 설치되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 열전달 매개체는 열효율이 우수한 것이라면 어느 것이나 상관없다.
또한, 상기 인입부, 연소부 및 인출부를 하나의 유닛으로 가정하면, 상기 몸체는 복수의 유닛이 서로 연결되어 다단으로 구성되되, 상기 배출구는 최하단의 유닛에만 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 전술한 바와 같은 국소 고온 연소 챔버를 포함하는 시멘트 소성 설비를 제공한다.
본 발명의 다른 관점에 따른 국소 고온 연소 챔버는, 유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료가 인입되는 인입구가 형성되고, 내부에 인입된 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되는 과정에서 발생된 열 및 가스가 인출되는 인출구가 형성되며, 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)가 배출되는 배출구가 형성되는 중공의 몸체; 및 복수로 마련되어 상기 몸체의 외면 둘레 및 길이방향을 따라 배치되되, 화염이 상기 몸체의 내부를 향하도록 상기 몸체를 관통하여 설치되는 플라즈마 토치;를 포함하여 이루어지며, 상기 몸체는, 상측에 인입구가 형성되고, 상기 인입구에는 상기 연료가 인입되도록 인입관이 세로로 끼워지며, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되는 인입부; 상기 인입부의 하단으로부터 연장되고, 수평 또는 경사지게 배치되며, 외면 둘레 및 길이방향을 따라 복수의 플라즈마 토치가 설치되어 상기 인입부로부터 인입된 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되는 연소부; 및 상기 인입부로부터 연장된 부분과 반대쪽에 위치한 연소부의 단부로부터 연장되고, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되며, 상기 연소부에서 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되는 과정에서 발생된 열 및 가스가 인출되는 인출구가 형성되고, 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)가 배출되는 배출구가 형성되는 인출부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 연소부 내면에는 내화물 부재가 설치되고, 상기 연소부 내부 바닥에 설치된 내화물 부재의 상측에는 열전달 매개체가 구비되며, 상기 열전달 매개체는 상기 플라즈마 토치에 의해 고온으로 가열되어 상기 연소부로 인입되는 상기 연료를 상기 플라즈마 토치와 함께 연소 및 열분해하여 가스화는 것이 바람직하다.
또한, 상기 연소부의 내부에는 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)를 상기 배출구로 배출시키도록 상기 열전달 매개체의 상부에서 직선운동 가능하게 잔해물 제거수단이 설치되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 인입부, 연소부 및 인출부를 하나의 유닛으로 가정하면, 상기 몸체는 복수의 유닛이 서로 연결되어 다단으로 구성되되, 상기 배출구는 최하단의 유닛에만 형성되는 것이 바람직하다.
전술한 과제의 해결수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
본 발명은 예열기 시스템의 하소로와 회전형 가마의 원료 주입 챔버 중 적어도 어느 하나에 국소 고온 연소 챔버를 연결하여 유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료를 연소 및 열분해하여 가스화하고, 이때 발생된 고온의 가스를 시멘트 원료의 예열 공정 및 소성 공정에 이용함으로써, 연소 효율을 증대시키고 연료비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 몸체의 연소부에서 플라즈마 토치에 의해 열전달 매개체를 고온으로 가열한 다음 연소부로 인입되는 유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료를 플라즈마 토치와 열전달 매개체에 의해 함께 연소 및 열분해하여 가스화하도록 이루어짐으로써, 연소효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명은 몸체의 연소부에 잔해물 제거수단을 구비함으로써, 연소부에 적체되는 잔해물을 효과적으로 제거하여 연소효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
게다가, 본 발명은 기존의 시멘트 소성설비는 그대로 두고 소형의 국소 고온 연소 챔버만 추가함으로써 설비투자에 소요되는 비용을 절감할 수 있고, 소형의 연소 챔버를 병렬로 복수로 설치할 수 있어 유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료의 사용량을 증대시킴으로써, 연료비용를 대폭 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 몸체의 인입부, 연소부 및 인출부를 하나의 유닛으로 가정하는 경우 몸체를 복수의 유닛이 서로 연결된 다단으로 구성함으로써, 유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료의 시간당 처리량을 늘려 연료비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버가 채용된 시멘트 소성 설비를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버의 사용 상태를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버에서 인입부를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버에서 연소부를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버의 일예로서, 몸체가 일단으로 이루어진 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버의 변형예로서, 몸체가 다단으로 이루어진 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버 및 이를 포함하는 시멘트 소성 설비의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
시멘트 제조공정은 시멘트 원료인 석회석을 캐내는 채광공정, 채광한 석회석 덩어리를 부수는 파쇄공정, 품질산포를 줄이기 위해 부서진 석회석을 섞는 혼합공정, 혼합된 석회석을 기타 부원료와 함께 분말상태로 더욱 잘게 부수는 원료분쇄과정, 원료를 중온으로 가열하여 90%까지 하소(calcination)가 일어나도록 하는 예열공정, 원료를 고온으로 가열하여 각종 화학반응 및 물리적 반응이 일어나도록 하여 클링커를 제조하는 소성공정, 고온의 클링커를 냉각하는 냉각공정, 클링커에 석고를 첨가하여 더욱 잘게 부수어 시멘트를 완성하는 분쇄공정 등의 여러 단계를 거친다.
본 발명에서 사용한 용어인 ‘시멘트 소성 설비’는 상기 예열공정, 소성공정 및 냉각공정을 진행하는 예열기 시스템, 회전형 가마, 냉각기 및 연소 챔버를 포함하는 개념이다.
예열공정은 각 예열 단계별로 300 내지 1000℃까지 온도가 올라가며, 예열기 시스템에 포함된 하소로에서 연소를 위해 유연탄, LPG, 벙커C유, WDF, 폐유, 폐합성수지, 가연성폐기물 및/또는 하수슬러지, 폐타이어칩, 우레탄 파우더 등이 사용될 수 있다.
아울러, 소성공정은 700 내지 2,000℃까지 온도가 상승되며, 회전형 가마에 구비된 버너에서 연소를 위해 유연탄, LPG, 벙커C유, WDF, 폐유, 폐합성수지, 가연성 폐기물, 또는 하수슬러지 등이 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버가 채용된 시멘트 소성 설비를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 시멘트 소성 설비는, 도 1에 도시된 바와 같이 예열기 시스템(10), 회전형 가마(kiln)(20), 냉각기(30) 및 연소 챔버(40)를 포함하여 이루어진다.
예열기 시스템(10)은 원료 공급기에서 공급받은 시멘트 원료(1)를 예열하고, 시멘트 원료(1) 내의 이산화탄소가 유리되는 탈탄산 반응을 증가시키는 하소로(calciner)(14)를 포함한다.
이러한 예열기 시스템(10)은 복수의 열교환기(12)들을 포함하고, 후술할 회전형 가마(20)의 배기가스는 유동 경로를 따라서 연속적으로 유동하며, 열교환기(12)에서 시멘트 원료(1)는 단계적으로 예열된다.
회전형 가마(20)는 예열기 시스템(10)을 거친 시멘트 원료(1)를 원료 주입 챔버(22)를 통해 투입구(inlet)로 투입받아 클링커(clinker)(2)로 소성하여 반출구(outlet)로 반출하되, 상기 소성을 위해 투입구와 대향하는 위치에 수평으로 설치된 버너(burner)(24)에서 투입구 방향으로 화염을 생성한다.
이러한 버너(24)에는 유연탄 등의 연료가 연료분쇄기 또는 연료 분배기를 통해 공급된다.
냉각기(30)는 회전형 가마(20)로부터 투입받은 클링커(2)를 이동단계에 따라 복수개의 공기주입부로 냉각시키는 것이다.
이때, 회전형 가마(20)로 흡입된 공기는 회전형 가마(20) 및 예열기 시스템(10)의 열교환기(12)를 거쳐 공기 배출구(5)로 배출된다.
연소 챔버(40)는 유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료가 인입되어 연소되는 것으로서, 예열기 시스템(10)의 하소로(14)와 회전형 가마(20)의 원료 주입 챔버(22) 중 적어도 어느 하나에 연결되어 상기 연료를 연소 및 열분해하여 가스화하고, 이때 발생된 고온의 가스를 시멘트 원료(1)의 예열 공정 및 소성 공정에 이용하게 된다.
여기서, 유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료로는 WDF,폐유, 폐타이어칩, 우레탄 파우더, RDF, 폐합성수지 등이 사용될 수 있고, 이하의 설명에서는 합성수지로만 설명하기로 한다.
즉, 연소 챔버(40)는 하소로(14)에만 연결할 수도 있고, 회전형 가마(20)의 투입구에 결합되는 원료 주입 챔버(22)에만 연결할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 하소로(14)와 원료 주입 챔버(22) 모두에 연결할 수도 있다.
아울러, 연소 챔버(40)는 회전형 가마(20)의 버너(24)가 설치된 부분에도 연결할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버의 사용 상태를 나타낸 사진이고, 도 3은 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버에서 인입부를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버에서 연소부를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버의 일예로서, 몸체가 일단으로 이루어진 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
연소 챔버(40)는 도 2에 도시된 바와 같이, 중공의 몸체(42)와 플라즈마 토치(44)를 포함하여 이루어진다.
몸체(42)는 중공의 원통 형태로 이루어져 합성수지가 인입되는 인입구(H1)가 형성되고, 내부에 인입된 합성수지가 연소 및 열분해되어 가스화되는 과정에서 발생된 열 및 가스가 인출되는 인출구(H2)가 형성되며, 합성수지가 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)가 배출되는 배출구(H3)가 형성된다.
이때, 인입구(H1)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 소정 길이의 인입관(T1)이 밀봉되게 끼워지는데, 이러한 인입관(T1)의 일측 단부는 몸체(42)의 외부로 노출되고 타측 단부는 몸체(42)의 내부에 위치하게 되고, 상기 일측 단부를 통해 합성수지가 내부로 인입되게 된다.
몸체(42)의 외부로 노출되는 인입관(T1)의 일측 단부는 합성수지가 인입된 다음 폐쇄되도록 소위 "flap damper"의 형태로 커버가 다단계로 설치되는데, 이는 외부로부터 몸체(42)의 내부로 공기가 유입되어 몸체(42) 내부의 온도가 급격히 저하되는 것을 방지하고, 몸체(42) 내부에서 발생되는 화염이 역화하여 화재가 발생되는 것을 방지하기 위함이다.
또한, 상기 인입관(T1)에는 합성수지를 몸체(42)의 내부로 정량적으로 공급하기 위한 정량이송장치가 연결될 수 있는데, 이와 같은 정량이송장치는 주지관용기술이므로 이에 대한 설명은 생략한다.
아울러, 몸체(42)에는 내부에서 합성수지가 연소 및 열분해되어 가스화되면서 발생되는 고온의 열 및 가스가 배기되는 배기구가 형성되는데, 이러한 배기구에는 도 3에 도시된 바와 같이 배기관(T2)이 끼워져 예열기 시스템(10)의 하소로(14) 또는 열교환기(12)와 연통되게 설치되어 고온의 열 및 가스가 시멘트 원료(1)를 예열하게 된다.
구체적으로, 몸체(42)는 예열기 시스템(10)의 하소로(14)와 회전형 가마(20)의 원료 주입 챔버(22)에 각각 연결되어 내부에서 합성수지가 연소 및 열분해되고 가스화되어 발생된 열 및 가스가 상기 하소로(14)와 원료 주입 챔버(22)로 이동하도록 이루어진다.
이러한 몸체(42)는, 상측에 인입구(H1)가 형성되고, 인입구(H1)에는 합성수지가 인입되도록 인입관(T1)이 세로로 끼워지며, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되는 인입부(42a); 인입부(42a)의 하단으로부터 연장되고, 수평 또는 경사지게 배치되며, 외면 둘레 및 길이방향을 따라 복수의 플라즈마 토치(44)가 설치되어 인입부(42a)로부터 인입된 합성수지가 연소 및 열분해되어 가스화되는 연소부(42b); 및 인입부(42a)로부터 연장된 부분과 반대쪽에 위치한 연소부(42b)의 단부로부터 연장되고, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되며, 상기 연소부(42b)에서 합성수지가 연소 및 열분해되어 가스화되는 과정에서 발생된 열 및 가스가 인출되는 인출구(H2)가 형성되고, 합성수지가 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)가 배출되는 배출구(H3)가 형성되는 인출부(42c);를 포함하여 이루어진다.
이때, 연소부(42b) 내부 바닥에는 도 5에 도시된 바와 같이 내화 벽돌과 같은 내화물 부재(P)가 설치되고, 내화물 부재(P)의 상측에는 열전달 매개체(B)가 구비된다.
열전달 매개체(B)로는 열효율이 우수한 것이라면 어느 것이라도 채용될 수 있다.
이와 같은 열전달 매개체(B)는 플라즈마 토치(44)에 의해 고온으로 가열되어 연소부(42b)로 인입되는 합성수지를 플라즈마 토치(44)와 함께 연소 및 열분해하여 가스화하게 된다.
또한, 연소부(42b)의 내부에는 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)를 상기 배출구(H3)로 배출시키도록 상기 열전달 매개체(B)의 상부에서 인입부(42a)에서 인출부(42c) 방향으로 직선운동 가능하게 잔해물 제거수단(E)이 설치될 수 있다.
이러한 잔해물 제거수단(E)은 열전달 매개체(B)의 상부에서 직선운동하면서 재(ash)를 인출부(42c)로 이동시키는 제거 블록(E1)과, 일단이 제거 블록(E1)에 연결되고 타단이 몸체(42)의 외부로 노출되도록 이루어진 제거 로드(rod)(E2)를 포함하여 이루어진다.
이때, 제거 로드(E2)는 에어 실린더와 연결되어 자동으로 구동할 수도 있고, 작업자가 수동으로 구동시킬 수도 있다.
특히, 제거 로드(E2)를 자동으로 구동하는 구성은 다양한 구성으로 구현할 수 있고, 이러한 기술은 주지관용기술이므로 이에 대한 설명은 생략한다.
연소 챔버(40)가 원료 주입 챔버(22)에 연결된 경우, 잔해물 제거수단(E)에 의해 인출부(42c)의 배출구(H3)로 배출되는 재는 원료 주입 챔버(22)로 인입되어 회전형 가마(20)의 내부에서 완전 연소 및 열분해되어 가스화가 되고, 연소 챔버(40)가 하소로(14)에 연결되는 경우 잔해물 제거수단(E)에 의해 인출부(42c)의 배출구(H3)로 배출되는 재(ash)는 외부로 배출되게 된다.
한편, 플라즈마 토치(44)는 복수로 마련되어 몸체(42)(주로, 연소부(42b))의 외면 둘레 및 길이방향을 따라 배치되되, 화염이 몸체(42)의 내부를 향하도록 몸체(42)를 관통하여 설치된다.
일반적으로 상기 플라즈마란 동수의 양(+), 음(-)의 전위를 갖는 소립자(전자, 이온등)을 포함하고 있는 부분적으로 이온화한 가스를 말한다.
산업적으로 사용되는 플라즈마는 저온 플라즈마와 열 플라즈마로 나눌 수 있는데 저온 플라즈마의 경우 반도체 제조 공정에서 가장 널리 사용되고 있으며, 열 플라즈마는 금속의 절단 등에 응용하고 있다.
특히, 열플라즈마(Thermal plasma)는 주로 아크 방전에 의해 발생시킨 전자, 이온, 중성입자로 구성된 기체로 구성입자가 1,000 내지 20,000 ℃와 100 내지 2,000 m/s 를 갖는 고속의 젯트 불꽃 형태를 이루고 있다.
이렇게 고온, 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 열 플라즈마의 특성을 이용하여, 재래식 기술에서는 만들 수 없는 다양하고 효율적인 고온 열원이나 물리화학 reactor로 사용되어, 여러 산업분야에서 이용 되고 있다.
플라즈마 공정에 사용되는 열 플라즈마의 생성은 부분 직류 아크방전이나 고주파 유도결합(RF inductively coupled) 방전에 의해 이루어진다.
원리적으로는 모두 대상 기체에 강한 전장을 발생시켜 가속된 전자들의 연속된 충돌에 의해 충분한 전하 입자가 생성되어 전기전도성을 갖는 절연파괴에 이르도록 하여, 고전류가 흐르는 아크 방전으로 플라스마 상태를 유지시킨다.
직류아크 토치는 두 전극사이에 직접 전장을 걸어주는 반면에, 유도결합 플라스마 토치는 전극없이 고주파 코일에 의한 자기장 변화로 생긴 유도 전기장을 사용하는 것이 다르다.
사용기체로는 아르곤, 헬륨과 같은 불활성기체나 질소, 수소, 공기가 보편적으로 많이 쓰인다.
다양한 기체의 열 플라즈마는 높은 온도와 열용량으로 인해 유기화합물을 열분해시켜 C, CnHm, CO, H2와 같은 화학적으로 안정된 화합물과 연소가스로 열분해 시킬 수 있고, 무기화합물은 용융시킨 후 아주 미세한 물질로 분해하여 고형체로 유리화 시킬 수 있다.
따라서, 대상물이 유해 폐기물이나 석탄인 경우에 열분해에 의한 연소가스 생산으로 정화와 재활용을 기할 수 있고, 유리화를 통해 비여과성 형태로 부피를 획기적으로 줄일 수 있어서 환경문제 해결 측면에서 열 플라즈마 이용이 매우 유용하다.
도 6은 본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버의 변형예로서, 몸체가 다단으로 이루어진 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 국소 고온 연소 챔버의 인입부, 연소부 및 인출부를 하나의 유닛으로 가정하면, 몸체는 복수의 유닛이 서로 연결되어 다단으로 구성될 수 있는데, 이 경우 배출구는 최하단의 유닛에만 형성된다.
즉, 연소 챔버는 도 6에 도시된 바와 같이, 제1몸체(52)와 제2몸체(54)가 연결되어 구성될 수 있다.
제1몸체(52)는, 상측에 제1인입구(H1-1)가 형성되고, 제1인입구(H1-1)에는 합성수지가 인입되도록 인입관(T1)이 세로로 끼워지며, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되는 제1인입부(52a); 제1인입부(52a)의 하단으로부터 연장되고, 수평 또는 경사지게 배치되며, 외면 둘레 및 길이방향을 따라 복수의 플라즈마 토치가 설치되어 제1인입부(52a)로부터 인입된 합성수지가 연소 및 열분해되어 가스화되는 제1연소부(52b); 및 제1인입부(52a)로부터 연장된 부분과 반대쪽에 위치한 제1연소부(52b)의 단부로부터 연장되고, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되며, 상기 제1연소부(52b)에서 합성수지가 연소 및 열분해되어 가스화되는 과정에서 발생된 열 및 가스가 인출되는 제1인출구(H2-1)가 형성되는 제1인출부(52c);를 포함하여 이루어진다.
제2몸체(54)는 상측에 제1인출구(H2-1)와 연통되어 열 및 가스, 연소 잔해물 등이 인입되는 제2인입구(H1-2)가 형성되고, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되는 제2인입부(54a); 제2인입부(54a)의 하단으로부터 연장되고, 수평 또는 경사지게 배치되며, 외면 둘레 및 길이방향을 따라 복수의 플라즈마 토치가 설치되어 제2인입부(54a)로부터 인입된 연소 잔해물이 연소 및 열분해되어 가스화되는 제2연소부(54b); 및 제2인입부(54a)로부터 연장된 부분과 반대쪽에 위치한 제2연소부(54b)의 단부로부터 연장되고, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되며, 상기 제2연소부(54b)에서 연소 및 열분해되어 가스화되는 과정에서 발생된 열 및 가스가 인출되는 제2인출구(H2-2)가 형성되고, 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)가 배출되는 배출구(H3)가 형성되는 제2인출부(54c);를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 제1연소부(52b)와 제2연소부(54b) 내부 바닥에는 내화물 부재(P)가 설치되고, 내화물 부재(P)의 상측에는 열전달 매개체(B)가 구비된다.
또한, 제1연소부(52b) 및 제2연소부(54b)의 내부에는 전술한 바와 같이 열전달 매개체(B)의 상부에 직선운동 가능하게 잔해물 제거수단(E)을 설치할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 국소 고온 고체 연소 챔버는 시멘트 소성 설비 이외의 제철소나 발전소 등에서 폐합성수지와 같은 대체연료를 사용하는 경우 채용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10 : 예열기 시스템 14 : 하소로
20 : 회전형 가마 30 : 냉각기
40 : 연소 챔버 42 : 몸체
44 : 플라즈마 토치

Claims (10)

  1. 원료 공급기에서 공급받은 시멘트 원료를 예열하고, 상기 시멘트 원료 내의 이산화탄소가 유리되는 탈탄산 반응을 증가시키는 하소로(calciner)를 포함하는 예열기 시스템; 및 상기 예열기 시스템을 거친 시멘트 원료를 원료 주입 챔버를 통해 투입구로 투입받아 클링커로 소성하여 반출구로 반출하되, 상기 소성을 위해 상기 투입구와 대향하는 위치에 구비된 버너에서 상기 투입구 방향으로 화염을 생성하는 회전형 가마;를 포함하는 시멘트 소성설비에 채용되는 국소 고온 연소 챔버로서,
    유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료가 인입되는 인입구가 형성되고, 내부에 인입된 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되는 과정에서 발생된 열 및 가스가 인출되는 인출구가 형성되며, 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)가 배출되는 배출구가 형성되는 중공의 몸체; 및
    복수로 마련되어 상기 몸체의 외면 둘레 및 길이방향을 따라 배치되되, 화염이 상기 몸체의 내부를 향하도록 상기 몸체를 관통하여 설치되는 플라즈마 토치;를 포함하여 이루어지며,
    상기 몸체를 이루는 연소부의 내면에는 내화물 부재가 설치되고, 상기 연소부 내부 바닥에 설치된 내화물 부재의 상측에는 열전달 매개체가 구비되며, 상기 열전달 매개체는 상기 플라즈마 토치에 의해 고온으로 가열되어 상기 연소부로 인입되는 상기 연료를 상기 플라즈마 토치와 함께 연소 및 열분해하여 가스화하는 것을 특징으로 하는 국소 고온 연소 챔버.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 몸체는,
    상측에 인입구가 형성되고, 상기 인입구에는 상기 연료가 인입되도록 인입관이 세로로 끼워지며, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되는 인입부;
    상기 인입부의 하단으로부터 연장되고, 수평 또는 경사지게 배치되며, 외면 둘레 및 길이방향을 따라 복수의 플라즈마 토치가 설치되어 상기 인입부로부터 인입된 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되는 연소부; 및
    상기 인입부로부터 연장된 부분과 반대쪽에 위치한 연소부의 단부로부터 연장되고, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되며, 상기 연소부에서 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되는 과정에서 발생된 열 및 가스가 인출되는 인출구가 형성되고, 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)가 배출되는 배출구가 형성되는 인출부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 국소 고온 연소 챔버.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소부의 내부에는 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)를 상기 배출구로 배출시키도록 상기 열전달 매개체의 상부에서 직선운동 가능하게 잔해물 제거수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 국소 고온 연소 챔버.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 인입부, 연소부 및 인출부를 하나의 유닛으로 가정하면,
    상기 몸체는 복수의 유닛이 서로 연결되어 다단으로 구성되되,
    상기 배출구는 최하단의 유닛에만 형성되는 것을 특징으로 하는 국소 고온 연소 챔버.
  6. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 4 및 청구항 5 중 어느 하나의 청구항에 따른 국소 고온 연소 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성 설비.
  7. 유기 폐기물 및 이를 원료로 하는 연료가 인입되는 인입구가 형성되고, 내부에 인입된 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되는 과정에서 발생된 열 및 가스가 인출되는 인출구가 형성되며, 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)가 배출되는 배출구가 형성되는 중공의 몸체; 및
    복수로 마련되어 상기 몸체의 외면 둘레 및 길이방향을 따라 배치되되, 화염이 상기 몸체의 내부를 향하도록 상기 몸체를 관통하여 설치되는 플라즈마 토치;를 포함하여 이루어지며,
    상기 몸체는,
    상측에 인입구가 형성되고, 상기 인입구에는 상기 연료가 인입되도록 인입관이 세로로 끼워지며, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되는 인입부;
    상기 인입부의 하단으로부터 연장되고, 수평 또는 경사지게 배치되며, 외면 둘레 및 길이방향을 따라 복수의 플라즈마 토치가 설치되어 상기 인입부로부터 인입된 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되는 연소부; 및
    상기 인입부로부터 연장된 부분과 반대쪽에 위치한 연소부의 단부로부터 연장되고, 하방으로 경사지거나 수직으로 배치되며, 상기 연소부에서 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되는 과정에서 발생된 열 및 가스가 인출되는 인출구가 형성되고, 상기 연료가 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)가 배출되는 배출구가 형성되는 인출부;를 포함하여 이루어지며,
    상기 연소부의 내면에는 내화물 부재가 설치되고, 상기 연소부 내부 바닥에 설치된 내화물 부재의 상측에는 열전달 매개체가 구비되며, 상기 열전달 매개체는 상기 플라즈마 토치에 의해 고온으로 가열되어 상기 연소부로 인입되는 상기 연료를 상기 플라즈마 토치와 함께 연소 및 열분해하여 가스화하는 것을 특징으로 하는 국소 고온 연소 챔버.
  8. 삭제
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 연소부의 내부에는 연소 및 열분해되어 가스화되고 남은 재(ash)를 상기 배출구로 배출시키도록 상기 열전달 매개체의 상부에서 직선운동 가능하게 잔해물 제거수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 국소 고온 연소 챔버.
  10. 청구항 7 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 인입부, 연소부 및 인출부를 하나의 유닛으로 가정하면,
    상기 몸체는 복수의 유닛이 서로 연결되어 다단으로 구성되되,
    상기 배출구는 최하단의 유닛에만 형성되는 것을 특징으로 하는 국소 고온 연소 챔버.
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