KR19980023904A - 기화를 통한 폐기물 처리 장치 및 방법 - Google Patents

기화를 통한 폐기물 처리 장치 및 방법 Download PDF

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히로유끼 후지무라
쇼오사꾸 후지나미
데쯔히사 히로세
다까히로 오오시따
마사아끼 이리에
가즈오 다까노
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마에다 시게루
가부시키 가이샤 에바라 세사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 기화를 통하여 폐기물을 처리하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 이 방법과 장치로 에너지, 금속과 같은 가치물, 화학 산업용 합성 가스 또는 연료로 사용되는 가스를 포함한 유용한 자원을 회수한다. 상기 폐기물은 비교적 저온의 유동층 반응기에서 기화되고, 상기 유동층 반응기에서 생성되는 기체상 물질 및 차르는 고온 연소기내에 도입되고, 상기 비교적 고온의 고온 연소기에서 저열량 가스 또는 중간 열량 가스가 생성된다. 상기 유동층 반응기는 회전류-형 유동층 반응기를 포함한다. 상기 고온 연소기는 와류-형 고온 연소기를 포함한다.

Description

기화를 통한 폐기물 처리 장치 및 방법
본 발명은 기화를 통한 폐기물의 처리 장치 및 방법에 관한 것이며, 특히 폐기물을 비교적 저온에서 기화하여 처리한 후, 비교적 고온에서 처리하여 에너지,금속과 같은 고가치물 및 화학 산업용 재료나 연료로 쓰이는 가스를 포함하는 유용한 자원을 재활용하기 위한 폐기물 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재까지는 일반적으로 상당량의 도시 폐기물, 폐타이어, 하수 찌꺼기 및 산업적 찌꺼기를 전용 소각로에서 처리하였다. 분뇨 및 고농도 폐수도 전용 폐수 처리 장치로 처리하였다. 그러나, 다량의 산업적 폐기물이 여전히 버려지고 있어 환경 오염을 일으키고 있다.
환경을 보전하기 위하여 통상의 소각 시스템을 대신할만한 적당한 폐기물 처리 기술로써, 기화 및 고온 연소를 결합시킨 기화 및 연소 시스템을 발전시켜 왔으며, 이들중 몇가지는 실용 단계에 있다.
이같이 발전된 기화 및 연소 시스템 중에서, 기화로로서 수직 샤프트 로를 갖는 시스템(이하 S 시스템이라 칭함) 및 기화로로서 회전식 건조로(kiln)를 갖는 시스템(이하 R 시스템이라 칭함)이 있다. S 시스템에서는 기화로 내에 200 내지 300℃의 온도 범위의 건조/예열층, 300 내지 1000℃의 온도 범위의 열적 분해층 및 1500℃ 이상의 온도의 연소/용융층을 축척층으로서 형성시킨다. 로의 상부에서 로 내에 충전한 폐기물 및 코크스는 하부층에서 발생하는 가스와 열을 교환하며 로 속으로 내려간다. 로 속에서 위쪽으로 흐르는 생성 가스는 로 로부터 배출되고, 이어서 연속 연소로 중에서 약 900℃의 온도에서 연소된다. 열적 분해층에서 생성된 탄소성 물질 및 충전 코크스는 내려가면서 연소/용융 층으로 들어가고, 송풍구로부터 공급되는 산소-풍부 공기에 의해 고온에서 연소되어 애쉬 및 무기 물질로 완전히 변화된다.
R 시스템은, 폐기물을 분쇄하고 고온의 공기로 외부에서 가열하면서 드럼-형 회전식 로 내에 공급한다. 드럼-형 회전식 로 내에서, 상기 폐기물은 약 450℃의 온도에서 천천히 열분해된다. 이 시점에서 생성된 탄소성 물질을 드럼-형 회전식 로 로부터 배출시켜, 발화 온도 이하로 냉각한다. 이어서, 상기 탄소성 물질을 분해하여 연속 와류-형 고온 연소기에 공급하고, 와류-형 고온 연소기 내에서, 상기 분해된 탄소성 물질 및 회전식 로로부터 공급되는 가스를 약 1300℃의 고온에서 연소하여 애쉬를 용융 슬랙으로 변화시킨다.
상기 S 및 R 시스템은 하기와 같이 그 자체에 많은 단점이 있다. S 시스템은, 로 바닥의 용융층을 1700 내지 1800℃ 온도 범위로 유지하기 위하여 코크스 및 산소가 풍부한 공기 등의 부속 물질이 필요하기 때문에, 샤프트 로를 작동하기 위한 비용이 많이 든다. 코크스를 사용하면 증가된 이산화탄소를 로의 밖으로 배출시켜야 하는 문제가 생긴다. 폐기물 내에 함유된 대부분의 물질은 용융되어 있으므로, 일종의 금속인 잉곳 금속(ingot metal)으로 재활용할 수 없다. 폐기물은 다양한 형태로 로 내에 적층되어 있고 연소/용융층이 로의 하부에 존재하므로, 일종의 고정층 로에 속하는 로는 안정되게 작동시키기 어렵다. 왜냐하면, 고정층 로를 통해 가스를 층 내에 균일하게 유동하도록 하는 것, 말하자면 가스 침투성을 유지시키는 것이 매우 중요하지만, 다양한 다른 형태의 폐기물 때문에 가스가 층 내에 균일하게 유동하지 못하고 층을 통해 날아가서나 또는 완류(drift)하는 경향이 있기 때문이다. 코크스를 부속 여료로써 첨가하면 가스 침투성을 유지시키나, 이 작용이 충분하지 못하고 가스의 유량을 변화시켜 로의 내부압을 일정하게 유지시킬 수 없다. 모든 발생 가스가 1000℃ 이상의 고온 지역을 통과하는 것은 아니므로, 디옥신 및 퓨란을 완전히 발생하지 못하도록 하는 것은 불가능하다.
R 시스템은 기화로가 외부에서 고온 공기로 가열하는 회전식 로이므로 열 전도도가 나쁘고 크기가 크게 될 수 밖에 없다. 또한, 열 분해로 생성되는 타르 및 분해되지 않은 물질이 로의 열전이 표면에 피복되므로 열 전이도가 더욱 나빠진다. 열 교환기의 재료의 견지에서는, 600℃까지 가열된 고온의 공기를 배기 가스와의 열교환을 통해 얻는 것은 어렵다. 상기 생성된 탄소성 물질을 회전식 로로부터 배출시킨 후 분해하고, 연소로에 공급하여 회전식 로로부터 직접 공급되는 가스와 혼합하고 고온에서 연소한다. 따라서, R 시스템은 탄소성 물질을 배출, 냉각, 분해, 저장 및 공급하기 위한 조작방법이 용이해야 한다. 탄소성 물질을 냉각하거나 이를 조작하는 동안 발산에 따른 열 손실이 있으면 에너지를 효과적으로 사용하기에 바람직하지 못하다. 탄소성 물질을 냉각과정 없이 배출시킨다면, 공기와 접촉시 발화될 것이다.
상기와 같이, 폐기물을 기화한 후 생성된 물질을 고온에서 연소하여 디옥신 및 용융 애쉬를 용융 슬랙으로 분해하는 다양한 새로운 폐기물 소각 방법이 제안되었다. 그러나, 화학적 재활용의 견지에서, 연소성 가스를 기화를 통하여 재활용하는 실제 가능한 기술이 아직까지 사용될 수 없었다.
한편으로, 화학 합성 재료로 CO(일산화탄소) 및 H2(수소)를 널리 사용한다. 일산화탄소는 가솔린, 알콜, 유기산 및 에스테르의 화학 합성에 사용한다. 수소는 암모니아(NH3) 또는 메탄올의 화학 합성, 수소화, 탈황화, 가수소분해, 지방 수소화 및 용접에 사용한다. 일산화탄소는 석탄 또는 코크스를 기화하여 제조하고, 수소는 천연 가스나 나프타를 증기 개질하거나 또는 석유, 석탄 또는 석유 코크스를 기화하여 제조한다. CO 또는 H2를 제조하기 위한 이같은 물질의 대부분은 외국에서의 수입에 의존하고 있으므로, 국내에서 값싸게 얻을 수 있는 CO 또는 H2의 제조 물질이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 쉽고 안전하게 조작이 가능하고, 열효율이 높고, 전력 발전, 산업적 연료 가스 및 화학 산업용 재료로 사용가능한 저열량 가스 또는 중간 열량 가스를 생성시킬 수 있는, 기화를 통한 폐기물 처리 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 기화를 통한 폐기물 처리 방법의 개념을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 처리 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 처리 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 처리 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 처리 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제 5 실시 형태에 따른 처리 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제 6 실시 형태에 따른 처리 방법을 수행하기 위한 장치의 개략도이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태는 폐기물을 비교적 저온의 유동층 반응기 내에서 기화하고; 상기 유동층 반응기 내에서 생성된 기체상 물질 및 차르를 고온 연소기 내에 도입하고; 상기 비교적 고온의 고온 연소기 내에서 저열량 가스 또는 중간 열량 가스를 생성시키는 단계를 포함하여 구성되는 기화를 통한 폐기물 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시 형태는 비교적 저온에서 폐기물을 기화하여 기체상 물질 및 차르를 생성시키는 유동층 반응기와; 비교적 고온에서 상기 기체상 물질 및 차르로부터 저열량 가스 또는 중간 열량 가스를 생성시키는 고온 연소기를 포함하여 구성되는 기화를 통한 폐기물 처리 장치를 제공한다.
상기 유동층 반응기에는 회전류-형 유동층 반응기가 포함될수 있고, 상기 고온 연소기에는 와류-형 고온 연소기가 포함될 수 있다.
상기 유동층 반응기의 비교적 저온은 450 내지 800℃의 온도범위가 가능하다. 상기 유동층 반응기의 비교적 저온은 450 내지 650℃의 온도 범위가 가능하다. 상기 고온 연소기의 비교적 고온은 1300℃ 이상이 가능하다.
기화를 위하여 상기 유동층 반응기에 공급되는 가스는 공기, 산소가 풍부한 공기, 공기와 증기의 혼합물, 산소가 풍부한 공기와 증기의 혼합물, 및 산소와 증기의 혼합물 중 하나로 이루어질 수 있다. 기화를 위하여 상기 고온 연소기에 공급되는 가스는 산소가 풍부한 공기 및 산소 중 하나로 이루어질 수 있다.
상기 유동층 반응기 및 상기 고온 연소기에 공급되는 산소의 총량은 연소에 필요한 이론적 산소량의 0.1 내지 0.6 범위가 가능하다. 상기 유동층 반응기에 공급되는 산소량은 연소에 필요한 이론적 산소량의 0.1 내지 0.3의 범위가 가능하다.
디옥신 및 이의 전구체는 상기 고온 연소기 내에서 실질적으로 분해되나 상기 폐기물의 애쉬는 슬랙으로 회수될 수 있다.
상기 저 열량 가스 또는 중간 열량 가스가 대기압 또는 고압이고, 발전에 쓰이거나 연료 가스 또는 화학 공업의 합성 가스로 쓰일 수 있다.
상기 유동층 반응기에는 고압형 유동층 반응기가 포함될 수 있고, 상기 고온 연소기에는 고압형 고온 연소기가 포함될 수 있다.
상기 유동층 반응기 내의 상기 유동층은 환원 대기 내에 있고, 상기 폐기물 내의 금속은 상기 부식되지 않은 상태로 유동층 반응기로부터 배출될 수 있다.
고열량 폐기물에 대한 저열량 폐기물의 혼합 비율은 유동층 내의 온도를 기초하여 조절할 수 있다. 상기 저열량 가스 또는 중간 열량 가스에는 일산화탄소 및 수소가 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 형태는 폐기물을 비교적 저온의 유동층 반응기 내에서 기화하고; 상기 유동층 반응기내에서 생성된 기체상 물질 및 차르를 고온 연소기 내에 도입하고; 상기 비교적 고온의 고온 연소기 내에서 열량 가스를 생성시키는 단계로 이루어지는 기화를 통한 폐기물 처리 방법을 제공한다.
상기 열량 가스는 연소성 가스 성분으로서 주로 CO 및 H2로 이루어지는 가스로 정의된다.
본 발명의 상기 및 그밖의 목적, 특징과 장점은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명하기 위하여 제시한 도면과 하기의 상세한 설명을 통하여 명백하다.
본 발명에 따른, 기화를 통한 폐기물 처리 방법 및 장치는 도면을 참조하여 하기에 설명한다.
본 발명에서 사용되는 폐기물은 도시 폐기물, 쓰레기-유도 연료(refuse-derived fuel, RDF), 고체-수 혼합물(SWM), 생물자원 폐기물, 섬유 보강 플라스틱(FRP)을 포함하는 플라스틱 폐기물, 자동차 폐기물(분해기 먼지, 폐타이어 등), 전기 기구 폐기물, 특별한 폐기물(의학적 폐기물 등), 하수 찌꺼기, 분뇨, 고농도 폐수, 산업 찌꺼기가 있으며, 이들은 열량 값, 수분 함량, 모양이 광범위하게 다르다. 이러한 폐기물을 조합 사용할 수도 있다. 저급탄을 이러한 폐기물과 함께 사용할 수 있다.
상기 쓰레기-유도 연료(RDF)는 도시 폐기물을 분쇄 및 분류하고, 분류된 도시 폐기물에 산화칼슘을 첨가하고, 이를 압축하여 모양을 만들어 제조한다. 상기 고체-수 혼합물은 도시 폐기물을 분쇄하고, 이들을 물과 함께 슬러리화하고, 상기 슬러리를 고압하에서 열수 반응(hydrothermal reaction)을 통해 오일형의 연료로 전환시켜 제조한다. 저급탄은 갈탄, 아탄(lignite), 초탄(peat)(이들의 석탄화도는 낮다) 또는 석탄 분리시 생겨나는 석탄 쓰레기가 될 수 있다.
이같은 폐기물은 우선 유동층 반응기 내에 공급되고, 그 속에서 열분해된다. 특히, 회전-형 유동층 반응기를 반응기로 사용하는 경우, 전처리로 폐기물을 미세하지 않은 작은 덩어리로 분쇄하여 유동층 반응기에 공급할 수 있다. 이것은 유동 매질의 격렬한 회전류에 의하여 공급된 폐기물에 열전도가 잘 되고, 대형 가연물질이 유동층로로부터 배출될 수 있기 때문이다. 유동 매질의 회전류 효과는 하기에 상세히 설명되어 있다.
그러므로, 이러한 폐기물 중에서, 도시 폐기물, 생물자원 폐기물, 프라스틱 폐기물 및 자동차 폐기물은 약 30cm의 크기로 굵게 분쇄한다. 수분 함량이 많은 하수 찌꺼기 및 분뇨는 전용 처리 시설 내에서 원심 분리기 등으로 탈수하여 단단한 덩어리로 만든 후, 탈수된 단단한 덩어리를 본 발명의 처리 시스템을 갖춘 공장에 운반한다. 쓰레기-유도 연료, 고체-수 혼합물 및 고농도 폐액체는 그 자체로 사용한다. 열량을 조절하기 위하여 첨가된 석탄은 40mm 이하의 크기로 분쇄된 경우, 그 자체로 사용할 수 있다.
상기 폐기물은 그 자체의 열량 및 수분함량에 따라, 크게 고열량 폐기물과 저열량 폐기물로 나눌 수 있다. 일반적으로, 도시 폐기물, 쓰레기-유도 연료, 고체-수 혼합물, 플라스틱 폐기물, 자동차 폐기물 및 전기 기구 폐기물은 고열량 폐기물에 속한다. 생물자원 폐기물, 의료 폐기물 등의 특정 폐기물, 하수 찌꺼기 및 분뇨의 탈수된 단단한 덩어리 및 고농도 폐액체는 저열량 폐기물에 속한다.
이러한 폐기물은 고열량 폐기물 피트, 저열량 폐기물 피트 및 탱크에 채우고, 피트 및 탱크 내에서 충분히 교반하고, 혼합한다. 그리고 나서, 이들을 유동층 반응기에 공급한다. 유동층 반응기에 공급된 폐기물에 포함된 금속의 융점이 유동층 반응기 내의 유동층의 온도보다 높다면 금속은 부식되지 않은 상태로 회수된다. 그리고 나서, 이러한 회수된 금속은 금속의 한 종류인 잉곳 금속(ingot metal)으로 사용될 수 있다.
유동층 반응기에 공급된 폐기물이 일정한 질을 유지한다면, 기화를 위해 유동층 반응기에 공급되는 가스에 대한 폐기물의 비가 역시 일정하게 유지된다. 그러나, 공급된 페기물 중의 저열량 폐기물의 비율이 증가하거나, 공급된 폐기물 전체의 수분 함량이 증가하면, 유동층의 온도가 바람직한 값보다 낮아지는 경향이 있다. 다음 단계에서의 가스 이용의 관점에서, 유동층의 온도가 내려갈 때는 공급되는 폐기물 중의 저열량 폐기물에 대한 고열량 폐기물의 비율를 조절하여, 공급되는 폐기물의 열량 값을 일정하게 하는 것이 바람직하다. 대신에, 높은 열량 값을 가지는 석탄을 첨가하여, 공급되는 폐기물의 열량을 조절할 수도 있다.
다음으로, 비교적 저온에서 폐기물을 기화하는 본 발명에 따른 유동층 반응기를 하기에 설명한다. 이러한 비교적 저온에서 폐기물을 기화하는 유동층 반응기를 사용하는 것은 본 발명의 실시형태 중의 하나이다.
유동층 반응기 자체는 연소로 또는 기화로에 있어서 공지이다. 그러나, 본 발명의 신규 실시형태는 종래기술과 다르게, 유동층 반응기와 가연 가스을 제공하는 고온 연소기를 조합하여 사용한다.
고온 기화로에 분쇄된 석탄이나 석탄수 슬러리로 공급하는 것은 공지 기술이다. 그러나, 폐기물의 경우에는, 석탄에 비해서 분쇄하기가 어렵다. 특히, 폐기물이 금속, 잔해 또는 암석과 같은 불연성 물질을 포함하고 있다면, 폐기물을 석탄처럼 100μ 이하로 분쇄하는 것은 거의 불가능하다. 그러나, 유동층 반응기를 사용하는 경우에는, 폐기물이 굵게 분쇄되고 열분해되어, 가연성 가스상 물질 및 미세한 차르가 생성된다. 상기 생성된 가스상 물질 및 차르를 연속 고온 연소기 내에 도입하고, 이들을 이 속에서 비교적 고온에서 기화시킨다. 유동층 반응기에서, 필요한 작용은 열분해 반응을 통해 폐기물을 가연성 가스상 물질 및 차르로 전환시키는 것 뿐이며, 그러므로, 유동층 반응기 내의 유동층은 비교적 낮은 온도로 유지된다. 처리할 폐기물의 성질을 고려하여, 본 발명의 유동층 반응기로 기포형 유동층로를 포함하는 공지의 대기 또는 가압 유동층 반응기를 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 발명자들이 개발한 회전류형 유동층 반응기를 사용하는 것이 바람직하다.
회전류 형-유동층 반응기는 원형의 수평단면을 가지고, 중심부에는 대체로 낮은 유동가스 비율을 가지는 비교적 부드러운 유동층을 갖고, 주변부에는 대체로 높은 유동 가스 비율을 가지는 비교적 격렬한 유동층을 갖는 것이 바람직하다. 회전류형 유동층 반응기는 주변부로부터 중심부를 향하는 유동 매질의 흐름을 비껴가게 하여, 유동 매질이 부드러운 유동층에서 하강하고, 격렬한 유동층에서 상승하고, 유동층의 더 낮은 부분에서는 중심부로부터 주변부로 이동하고, 유동층의 더 높은 부분에서는 주변부로부터 중심부로 이동하게 하는 방법으로 회전 유동 매질이 형성되도록, 유동층 표면 부근에 내벽을 따라 설치된 경사진 벽을 가진다.
본 발명에 다른 특정한 구조의 회전류형 유동층 반응기는 하기의 장점을 제공한다.
1. 생성된 차르가 유동층에 축적되지 않고, 유동층 내에 균등하게 잘 분산되므로, 유동층, 특히 격렬한 유동층 내에서 차르의 산화가 효율적으로 이루어진다. 차르의 산화로 발생한 열은 유동층으로 전도되고, 전도된 열은 유동층 반응기의 유동층의 중심부에서 열분해 또는 기화의 열원으로서 효과적으로 사용될 수 있다.
2. 유동 흐름의 상향 흐름은 경사진 벽에 의해 비껴져 유동층 반응기 내의 유동층의 중심부에서 서로 충돌하기 때문에, 차르가 분쇄된다. 유동 매질로 단단한 규사가 사용되면, 차르의 분쇄가 가속화된다.
3. 유동 매질의 하강 흐름에 의해 폐기물이 유동층으로 떨어지기 때문에, 굵게 분쇄되기만 한 고체 폐기물이 유동층 반응기에 공급될 수 있다. 그러므로, 분쇄장치가 없어도 되며, 분쇄를 위한 전력이 상당히 절약된다.
4. 폐기물을 굵게 분쇄하여 대형 불연성 물질이 생성된다고 하더라도, 이러한 대형 불연성 물질은 유동층 반응기의 회전하는 유동매질의 흐름에 의해 쉽게 배출될 수 있다.
5. 발생한 열이 회전하는 유동층의 전체에 형성되는 유동 매질의 흐름을 통하여 분산되므로, 집괴나 클링커에 의한 문제를 피할 수 있다.
일반적으로 사용되는 기포형 유동층의 경우, 유동층 내에서 유동 매질이 균일하게 유동할 수 있음에도, 수평방향에서는 유동층이 잘 분산되지 않는다. 그러므로, 상기 장점 1 내지 5의 관점에서, 본 발명의 회전류형 유동층 반응기는 통상적으로 사용되고 있는 기포형 유동층 반응기보다 우수하다.
본 발명의 유동층 반응기는 450 내지 800℃의 온도 범위를 가지는 유동층을 포함한다. 유동층의 온도가 450℃이하로 떨어지면, 폐기물의 열분해 및 기화가 극히 느려지므로, 분해되지 않은 물질이 유동층에 축적되고, 차르의 산화 속도가 느려져 생성되는 차르의 양이 증가한다. 유동층 온도가 증가하면, 폐기물의 열분해 반응이 가속되므로, 분해되지 않은 물질이 유동층내에 축적되는 문제가 해결된다. 그러나, 폐기물의 공급 비율이 불안정하면, 생성되는 가스의 양이 불안정하게 되어, 이어지는 와류형 고온 연소기의 작동을 손상시킨다. 와류형 고온 연소기에 공급되는 산소 포함 가스의 양을 유동층 반응기 내의 생성된 가스가 함유하는 산소의 양에 따라 미세하게 조절하는 것은 불가능하기 때문이다. 그러므로, 유동층 내의 온도의 상한이 650℃로 맞추어져, 열분해가 비교적 느려진다. 유동층 반응기는 유동층 위에 프리보드(freeboard)이라 부르는 큰 지름부분을 가진다. 대체로 순수한 산소 또는 산소가 풍부한 공기처럼 산소를 함유하는 가스를 프리보드에 공급함으로써, 이어지는 고온 연소기에서의 부하가 감소하고, 생성된 가스 내의 타르 및 차르의 기화가 프리보드 내에서 가속된다.
본 발명에 따르면, 폐기물은 450 내지 650℃의 온도 범위의 유동층에서 일차 연소되고, 600 내지 800℃, 바람직하게는 650 내지 750℃의 온도범위의 프리보드에서 이차 연소된다.
폐기물을 기화하기 위해서 유동층 반응기에 공급되는 유동가스는 공기, 산소가 풍부한 공기, 공기와 수증기의 혼합물, 산소가 풍부한 공기와 수증기의 혼합물, 산소와 수증기의 혼합물 중에서 선택된다. 유동 매질로는 규사 또는 감람석 모래와 같은 모래, 암모니아, 철분, 석회석, 백운석 등이 사용될 수 있다.
유동층 반응기에서 생성된 가스는 다량의 타르와 탄소성 물질을 포함한다. 탄소성 물질은 유동층 내에서 분말형 차르로 분쇄되고, 이 분말형 차르와 가스가 와류형 고온 연소기로 도입된다. 유동층은 환원 대기므로, 폐기물 내의 금속이 부식되지 않은 상태로 유동층 반응기에서 배출된다.
회수될 수 있는 물질은 이의 융점이 기화 온도보다 낮은 물질로 한정된다. 그러므로, 융점이 660℃인 알루미늄을 회수하기 위해서는 유동층 내의 온도를 650℃ 이하로 맞추어야만 한다.
상기 유동층 반응기를 비교적 저온에서 폐기물을 기화하기 위하여 사용하는 한, 몇 밀리미터 내지 몇 센티미터의 크기 범위를 갖는 다양한 폐기물을 처리하는 것이 가능하다. 상기 유동층 반응기는 처리 용량이 높고 쉽게 측정 가능하다. 상기 유동층 반응기는 이동부가 없어 쉽게 조작하여 온도 및 다른 파라미터를 조절할 수 있고, 열 전도도가 좋아 가열 매질이 유동층의 온도를 일정하게 유지하도록 한다.
상기 유동층 반응기가 회전류-형 유동층 반응기인 경우, 상기 폐기물을 상기 유동층 반응기 내에 넣기 전에 분쇄할 필요가 없다. 탄소성 물질은 유동층 내에서 효과적으로 분쇄되어 유동층 내에 잘 분산된 차르가 되고, 따라서, 상기 유동층 반응기는 상기 폐기물의 처리 용량이 크고, 유동층 내의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있으며, 기화 효율이 높다.
다음으로, 고온 연소기를 하기에 설명한다. 고온 연소기는 유동층 반응기에서 도입된 기체상 물질 및 탄을 공급받아, 1300℃ 이상의 온도에서 고온 연소기로 공급되는 기체와 접촉시켜 기체상 물질 및 차르를 기화시킨다. 타르 및 차르는 완전히 기화되고, 애쉬는 고온 연소기의 저부에서 용융 슬랙으로 배출된다.
고온 연소기는 단지 노의 상부로부터 내부로 기체상 물질 및 차르가 불어 들어오는 텍사코로(Texaco furnace)를 포함할 수 있으나, 와류형 고온 연소기를 포함하는 것이 바람직하다. 와류형 고온 연소기에 있어서, 기체상 물질 및 차르는 기화를 위한 가스와 함께 와류 흐름을 형성하는 동안에 비교적 높은 온도에서 기화되며, 애쉬는 용융되고, 용융된 애쉬는 분리되어 배출된다.
와류형 고온 연소기를 사용하면, 높은 부하 및 빠른 속도로 연소시킬 수 있으며, 가스의 잔류시간의 분포가 좁아지고, 탄소 전환 퍼센트 및 슬랙 미스트 수집 효율(slag mist collecting efficiency)이 높아지며, 연소기가 작아질 수 있다.
기화를 위해 고온 연소기로 도입되는 가스는 산소가 풍부한 공기 및 산소 중에서 선택할 수 있다. 유동층 반응기 및 고온 연소기로 공급되는 산소의 총량은 폐기물의 연소에 필요한 산소의 이론적인 양의 0.1 내지 0.6 범위일 수 있다. 유동층 반응기로 공급되는 산소의 양은 폐기물의 연소에 필요한 산소의 이론적인 양의 0.1 내지 0.3 범위일 수 있다. 이러한 방법에서, 1000 내지 1500 kcal/Nm3(건조) 범위의 저열량을 갖는 연료 가스 또는 2500 내지 4500 kcal/Nm3(건조) 범위의 중열량을 갖는 연료 가스가 고온 연소기로부터 얻어질 수 있다. 본 발명에 있어서, 주성분으로 CO 및 H2를 함유하는 가스가 폐기물로부터 생성될 수 있으며, 생성된 가스는 산업 연료 가스로 사용되거나, 화학산업에서 합성에 사용될 수 있다.
유동층 반응기에서 이어지는 고온 연소기로 도입되는 차르 내의 애쉬는 고온 반응기에서 용융 슬랙으로 전환되고, 유해 중금속은 슬랙에 봉해져 용출되지 않는다. 디옥신류 또는 이의 전구체 및 PCB(polyclorinated biphenyl)가 고온연소기 내에서 고온 연소에 의해 완전히 분해된다.
생성된 가스를 이 가스의 성질에 따라 용도에 맞게 사용하는 방법이 도 1을 참조하여 다음과 같이 설명되어 있다. 이 방법은 상기 가스 에너지를 이용하기 위한 열적 재활용 및 상기 가스를 화학 산업용 합성 가스로 이용하기 위한 화학적 재활용으로 나누어진다. 상기 생성 가스가 대기압의 고온 배기 가스인 경우, 증기 보일러 내에서 발생된 증기는 증기 터빈에 공급되어 전기 발전기가 전력을 회수하도록 한다. 상기 생성 가스가 대기압의 연료 가스인 경우, 이 가스를 가스 엔진 또는 디젤 엔진에 사용하여 전기 발전기가 전력을 회수하도록 하거나, 산업 연료 가스로 사용한다. 상기 산업 연료 가스는 철제조 또는 철강제조 공정에 사용할 수 있다.
상기 생성 가스가 20 내지 40 기압 범위의 고압 연료 가스인 경우, 이 가스는 가스 터빈을 포함한 결합 사이클 전력 시스템에 사용되거나 산업 연료 가스로 사용된다. 상기 생성 가스가 N2를 포함하지 않는 고압의 중간 열량 연료 가스인 경우, 수소, 메탄(SNG), 메탄올과 같은 알콜, 및 가솔린을 제조하기 위한 합성 가스로 사용한다.
수소는 합성 가스 내의 CO 및 H20를 CO2및 H2로 전환시키고 CO2를 제거하여 제조한다. 메탄은 CO 이동 전환으로 일산화탄소 대 수소의 비 및 메탄화를 조절하여 제조한다. 메탄올은 CO 이동 전환 및 메탄올 합성 반응을 통해 제조한다. 메탄올 및 에탄올보다 고급인 고급 알콜의 혼합물은 알콜 합성 반응을 통해 제조한다. 가솔린은 남아프리카 공화국의 사솔에서 실시한 피셔-트로프쉬(Fischer-Tropsch) 반응으로 합성한다.
처리하려는 폐기물의 질 및 양, 처리 시스템을 건설하는 위치 상태 및 제조하려는 제품을 고려하여 최적의 방법을 선택하는 것이 바람직하다.
다음으로, 슬랙을 사용 방법을 하기에 간단히 설명한다. 폐기물로부터 생성되고 고온 연소기로부터 회수되는 슬랙은 어느 정도의 염소를 포함하므로, 이 회수된 슬랙을 소위 생태학 시멘트용 재료로 사용하는 것이 바람직하다. 생태학 시멘트는 소각된 재, 하수 찌꺼기 및 각각 4:3:3의 비율로 혼합된 첨가물로부터 제조되며, 강화 막대가 없는 콘트리트 제품 및 경화제(curing agents)로 사용할 수 있다. 상기 회수 슬랙은 과립 슬랙 또는 가열 냉각된 슬랙(annealed slag)으로 이용할 수 있고, 보도 바탕 재료를 포함한 건설 재료, 혼합재(aggregate), 방수 재료 또는 원예 재료로 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 기화를 통한 폐기물 처리 방법을 실시하기 위하여 다양한 장치를 하기에 설명한다.
도면에서 같거나 대응하는 부분에 대해서는 같거나 대응하는 숫자로 표시한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른, 기화를 통한 폐기물 처리 방법을 실시하기 위한 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 2의 장치는 20 내지 40 기압의 고압 합성 가스를 제조한다. 상기 장치는 락 호퍼 스시템(1), 호퍼(2), 스크류 공급기(3) 및 내부에 유동층을 갖는 유동층 반응기(4)를 포함한다. 또한, 이 장치는 1차 연소실(7), 2차 연소실(8) 및 슬랙 분리실(9)을 갖는 와류-형 고온 연소기(6), 폐기물 열 보일러(10) 및 세정기(11)을 포함한다. 도 2에서, a, b, c 및 d는 폐기물, 산소, 증기 및 불연성분을 각각 나타낸다. 또한, e, e', f, f' 및 g는 유동층 반응기(4)에서 발생된 가스, 와류형 고온 연소기(6)에서 발생된 가스, 슬랙, 애쉬 및 생성 가스를 각각 나타낸다.
폐기물 a는 균일하게 혼합되어 락 호퍼 시스템(1)을 통하여 호퍼(2)로 들어가고, 일정한 속도로 이로부터 스크류 공급기(3)를 통하여 유동층 반응기(4) 내에 공급된다. 산소 b 와 증기 c의 혼합물은 유동 가스로서 유동층 반응기(4)의 바닥 부분에 공급된다. 폐기물 a는 유동층 반응기(4) 내의 유동층(5)에 떨어져 기화를 위하여 유동층 반응기(4) 내에 공급되는 450 내지 650℃ 범위로 유지되는 가스와 접촉한다. 폐기물 a는 열분해되어, 가스, 타르, 탄소성 물질, 및 H2O가 생성된다. 탄소성 물질은 유동층(5)의 격렬한 반응을 통해 분쇄되어 차르가 된다.
그리고 나서, 가스, 타르, H2O, 및 차르는 모두 와류형 고온 연소실(6)의 일차 연소실(7)내에 공급되고, 여기서 기화를 위하여 고온 연소기에 와류 흐름 내로 공급되는 산소b와 혼합되고, 1300℃ 이상의 온도에서 빠르게 산화된다. 따라서, 차르 내의 애쉬는 와류 흐름의 원심력 하에서 연소기의 내벽상에 슬랙 상으로 트랩된 슬랙 미스트로 전환된다. 이어서, 트랩된 슬랙 미스트는 내벽상에서 흘러내리고, 2차 연소실(8)로 들어가, 슬랙 f가 여기로부터 슬랙 분리실(9)의 바닥을 통해 연소실(6)의 밖으로 배출된다. 비교적 고온에서의 기화는 2차 연소실(8) 내에서 완성되며, H2, CO, 및 H2O를 포함하는 중간 열량 가스가 생성되고, 이 가스는 2500 내지 4500kcal/Nm3의 열량 범위를 갖는다.
유동층 반응기(4) 내의 유동층(5)은 환원 대기 중에 있으므로, 폐기물 a에 포함되고 융점이 유동층의 온도보다 높은 금속이 부식되지 않은 상태로 되고, 불연성분 d로서 폐물 조각, 돌, 유리 등과 함께 유동층 반응기(4)의 바닥으로 배출된다. 상기 배출 금속은 일종의 금속으로서 잉곳 금속으로 재활용될 수 있다.
와류형 고온 연소기(6)에서 배출된 가스는 폐기물 열 보일러(10)에 공급되고, 이 가스로부터 증기 c가 생성된다. 세정기(11) 내에서, 폐기물 열 보일러(10)에서 공급된 가스가 냉각 및 수산화 나트륨 수용액으로 세정되어 먼지 및 CO 전환 촉매에 유해한 염산이 제거되고, 정제 가스 g가 생성된다. 상기 정제 가스 g는 산업 연료 가스로 사용될 수 있다. 이 경우, CO 전환이 필요 없고, 따라서 세정기(11)는 비교적 단순한 구조가 될 수 있다.
도3은 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 기화를 통한 폐기물 처리 방법을 실시하는 장치이다. 이 장치는 대기압 하에서의 회전류형 유동층 반응기를 포함하며, 저열량 가스를 생성시킨다.
도 3에서와 같이, 유동층 반응기(4)는 프리보드(12) 및 버너(13)를 가지며, 버킷 컨베이어(15)와 연합되어 있는 트로멜(14)에 연결되어 있다. 와류형 고온 연소기(6)는 버너(16)를 갖는다. 도 3의 장치에 대해서 좀 더 상세한 내용은 본질적으로 도 2의 장치와 같다.
폐기물 a 및 석탄 j은 호퍼 (2)에 공급된 후, 스크류 공급기(3)에 의해 일정한 속도로 유동층 반응기(4)에 공급된다. 예열된 공기b는 유동 가스로서 유동층 반응기(4)의 바닥을 통해 유동층 반응기에 도입되며, 유동층 반응기(4) 내에 분산면에 걸쳐 규사의 유동층(5)을 형성한다.
비교적 낮은 유동 가스 속도를 갖는 유동 가스는 유동층(5)의 중앙부로 공급되고, 비교적 높은 유동 가스 속도를 갖는 유동 가스는 유동층(5)의 주변부로 공급되어, 도 3과 같은 유동층 반응기(4) 내의 유동 매질 회전류이 형성된다.
상기 폐기물 a 및 석탄 j는 유동층(5)에 들어가, 유동층(5) 내에서 450 내지 650℃ 온도 범위로 유지되는 공기 중의 O2와 접촉되어 재빠르게 열분해된다. 유동 매질의 규사는 유동층 반응기(4)의 바닥으로부터 배출되어 트로멜(14)로 들어간다. 크기가 큰 불연성분 d와 규사는 트로멜(14)에서 분리되고, 상기 크기가 큰 불연성분 d는 상기 장치의 외부로 배출되며, 규사 h는 버킷 컨베이어(15)에 공급된다. 버킷 컨베이어(15)는 규사 h를 위쪽으로 운반하고, 이를 버킷 컨베이어의 상단부로부터 유동층 반응기(4)에 다시 넣는다. 상기 배출된 불연성 물질 d는 금속을 포함한다. 유동층(5)은 500 내지 600℃의 온도범위로 유지되며, 철, 구리 및 알루미늄은 재활용에 적합한 부식되지 않은 상태로 회수 가능하다.
상기 폐기물 a가 비교적 저온의 유동층(5) 내에서 기화될 때, 가스, 타르, 탄소성 물질 및 H2O가 생성된다. 상기 가스, 타르, 탄소성 물질 및 H2O는 기화되어 유동층 반응기(4) 내에서 상승된다. 상기 탄소성 물질은 유동층(5)의 교반 작용을 통해 차르로 분쇄된다. 차르는 다공성이고 가벼우므로, 생성된 가스의 상승 흐름으로 운반된다. 유동층(5)의 유동 매질은 단단한 규사 h이므로, 탄소성 물질의 분쇄가 가속된다. 공기 b'는 프리보드(12) 중에 불어들어가 600 내지 800℃의 온도 범위에서 다시 가스, 타르 및 차르를 기화하여, 가스 성분을 저분자 성분으로 전환 및 타르와 차르 기화를 가속시킨다. 유동층 반응기(4) 로부터 방출된 생성 가스 e는 와류형 고온 연소기(6)의 1차 연소실(7)로 공급되고, 와류 흐름 내에서 예열된 산소 풍부 공기 b'와 혼합되며 1300℃ 이상의 온도에서 연소된다. 연소는 2차 연소실(8)에서 완성되고, 생성된 배기 가스e'는 슬랙 분리실(9)에서 배출된다. 와류형 고온 연소실(6) 안은 고온이므로, 차르 내의 애쉬는 와류 흐름의 원심력 하에서 1차 연소실(7)의 내벽 상에 용융 슬랙 상으로 트랩된 슬랙 미스트로 전환된다. 용융 슬랙은 내벽상에서 흘러내리고, 2차 연소실(8)로 들어가며, 슬랙 f는 여기로부터 슬랙 분리실(9)의 바닥을 통해 배출된다. 1차(7) 및 2차 분리실(8)은 각각 개시를 위하여 버너(16)가 공급되어 있다. 이러한 방법으로, 1000 내지 1500 kcal/Nm3의 저열량을 갖는 가연성 가스가 생성된다.
도 4는 제 3 실시 형태에 따른 기화를 통한 폐기물 처리 방법을 실시하는 장치이다. 이 장치는 10 내지 40 기압의 압력 범위에서 합성 가스를 생성시키는 또 다른 형태의 와류형 고온 연소기를 포함한다.
도 4에서, 유동층 반응기(4)는 회전-형 유동층 반응기이고, 와류-형 고온 연소기(6)는 이의 하단부에 물탱크(20)를 갖는 와류-형 고온 연소기이다.
상기 유동층 반응기(4)는 스크린(14')과 연합된 락 호퍼(17)에 연결되어 있다. 상기 유동층 반응기(4)는 경사벽(18)을 가지며, 여기서 유동 매질이 순환한다. 상기 와류형 고온 연소기(6)는 저장 탱크(22)와 연합된 락 호퍼(17')에 연결되어 있다. 상기 와류형 고온 연소기(6)는 세정기(11) 및 저장 탱크(22')에 연결되어 있다.
도 4에서, 상기 유동층 반응기(4)는 회전형 유동층 반응기이며, 여기서 탄소성 물질은 유동층 상에 축척되지 않고 유동층 내에 균일하게 분산되어 분쇄 및 기화가 가속된다. 따라서, 폐기물 a는 유동층 반응기(4) 내에 넣기 전에 굵게 분쇄할 수 있고, 비교적 크기가 큰 불연성분이 유동층 반응기(4)에서 배출될 수 있다. 상기 유동층 반응기(4)는 이 안에서 발생한 열이 확산되기에 매우 효과적이고, 클링커 문제를 피할 수 있다.
폐기물 a 는 락 호퍼 또는 유사물을 통하여 일정한 속도로 유동층 반응기(4)에 공급된다. O2혼합물 b와 증기는 기화제로서 유동층 반응기에 유동층 반응기의 바닥으로부터 도입되며, 유동 매질로서 규사의 유동층(5)을 유동층 반응기(4) 내에 분산면에 걸쳐 형성시킨다. 유동층(5) 내에서, 상기 유동 매질은 분산면 상에 순환하여 유동 매질의 회전류이 형성된다. 상기 폐기물 a는 유동층(5)에 넣어 10 내지 40 기압의 기압 범위하에서, 450 내지 650℃의 온도범위가 유지되는 유동층(5) 내의 기화제와 접촉된다. 기화제와 접촉되면, 상기 폐기물 a는 빠르게 열분해된다. 상기 유동층(5) 내의 규사 및 불연성분 d는 유동층 반응기(4)의 바닥에서 배출되고, 락 호퍼(17)을 통해 지난후, 스크린(14')에 공급되어 불연성 물질 d가 분리된다. 규사 h는 유동 매질 순환로(15)를 통해 유동층 반응기(4) 내에 다시 들어간다. 상기 배출된 불연성 물질 d는 금속을 포함한다. 상기 유동층(5)는 500 내지 600℃의 온도범위에서 유지되므로, 철, 구리 및 알루미늄이 재활용에 적합한 부식되지 않은 상태로 회수될 수 있다.
상기 폐기물 a가 유동층(5)에서 기화될 때, 가스, 타르 및 탄소성 물질이 생성된다. 상기 가스 및 타르는 기화되어 유동층 반응기(4)내에 상승한다. 상기 탄소성 물질은 유동층(5)의 회전 작용을 통해 차르로 분쇄된다. 차르는 다공성 분말이고 가벼우므로, 생성된 가스의 상승 흐름으로 운반된다. 상기 유동층(5)의 유동 매질은 단단한 규사 h를 포함하므로, 상기 탄소성 물질의 분쇄는 가속된다.
유동층 반응기(4)로부터 배출된 생성 가스 e는 와류형 고온 연소기(6)의 연소실(7)에 공급된다. 상기 와류형 고온 연소기(6)에서, 가스 e는 예열된 산소b와 이의 와류 흐름 중에 혼합되고 1300℃ 이상의 온도에서 기화된다. 상기 와류형 고온 연소기(6) 안은 고온이므로, 차르 내에 포함된 애쉬는 슬랙 미스트로 전환되어 슬랙으로서 고온 연소기(6)의 내벽상에 흘러내리고, 물탱크(20)에 들어간다. 상기 슬랙은 물 탱크(20)에서 과립화된 후, 락 호퍼(17')를 통하여 저장 탱크(22) 내에 공급되어 굵은 입자 슬랙 f로서 이로부터 배출된다. 비교적 고온에서 기화된 상기 가스는 물 탱크(20) 내에서 물을 통해 냉각되고, 냉각된 가스 e'로서 배출되며 세정기(11)를 통해 세정된다. 이후, 정제 가스 g가 생성된다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시 형태에 따른 기화를 통한 폐기물 처리 방법을 실시하는 장치이다. 이 장치는 또 다른 형태의 와류형 고온 연소기를 포함한다.
도 5에서, 복사 보일러(19)가 슬랙 분리실(9) 내에 배치되고, 물탱크(20)가 상기 복사 보일러(19) 밑에 설치되어, 물 탱크(20) 내의 물 표면에 가깝게 하강하는 가스는 복사 보일러(10)의 뒤로 상승한다.
복사 보일러(19)에서, 상기 가스는 중력과 같은 방향으로 흐르므로, 상기 연소기(6)의 내벽에 부착된 슬랙은 막힘 없이 흘러내린다. 상기 흘러내리는 슬랙의 열은 복사 보일러(19)에 의해 회수되므로, 열 회수 효율이 커진다.
또한, 상기 가스의 흐름 방향이 물 탱크(20)내의 물 표면 부근에서 갑자기 변하므로, 상기 가스내에 포함된 슬랙 미스트의 대부분은 관성력에 기인하여 물 탱크(20) 내의 물에 의해 회수된다.
와류형 고온 연소기(6) 에서 배출된 가스 e'는 대류 보일러(21)에 공급되고, 이 속에서 가스 e'로부터 열이 회수된다.
상기 와류형 고온 연소기(6) 내에 상기 2차 연소실(8)을 만들 수 있다. 도 5의 공정은 전력 발전의 공정으로는 최적이라고 여겨진다.
도 3의 시스템의 일반적인 실험 데이터는 하기와 같다.
다음의 표 1은 기화하는 폐기물의 성질을 나타낸다. 이 폐기물은 일반적인 도시 폐기물과 열량을 조절하기 위해 첨가된 석탄을 포함한다.
(폐기물의 성질)
수 분 25%(습윤 기준)
가연성 물질 66%(습윤 기준)
애 쉬 9 %(습윤 기준)
낮은 열량값 3,500kcal/kg(습윤 기준)
높은 열량값 5,034kcal/kg(습윤 기준)
상기 폐기물을 유동층 반응기를 통해 500 내지 600℃ 온도 범위의 비교적 저온에서 기화하고, 그리고 나서, 와류형 고온 연소기를 통해 1350℃의 비교적 고온에서 기화하였다. 기화 공정 데이터는 하기된 표 2 내지 4로 나타내었다. 표 2는 폐기물을 100으로 나타낼 때, 총 기화 물질의 밸런스를 나타내었다.
(물질의 밸런스)
가하는 물질 폐기물 100(기준)
산소 46
증기 36
배출되는 물질 생성되는 건가스 112
수분 61
불연성 물질 및 슬랙 9
표 2에서와 같이, 폐기물을 기화하기 위한 기화제로 산소 46 및 증기 36이 소모되었다. 상기 기화 시스템은 가스 112를 발생시키고, 이 가스는 산소가 기화제로서 상기 생성 가스에 첨가되었으므로 상기 폐기물보다 많다.
표 3은 폐기물의 연소열을 100으로 하였을 때 기화 시스템의 열 밸런스를 나타낸 것이다.
(열 밸런스)
가해주는 열 폐기물의 Q 100(기준)
증기의 H 7.5
배출되는 열 생성된 건가스의 Q 60
생성된 건가스의 H 16.8
생성 가스 내의 수분의 H 21.1
모래의 열손실 +불연성 물질 및 슬랙의 H 3.7
로 벽의 열손실 5.9
주) 1) 상기 열 밸런스는 높은 열량값에 대하여 나타내었다.
2) Q: 연소열, H: 엔탈피
생성된 가스의 연소열이 60였으므로, 냉가스의 효율은 60%였다. 냉가스 효율은 상기 생성 가스의 연소열( 높은 것을 기준)을 공급된 폐기물의 연소열( 높은 것을 기준)로 나눈 비율이다.
표로부터, 가연성 가스를 회수하기 위하여, 상기 폐기물의 낮은 열량값에 대한 하한으로 3500kcal/kg가 사용될 수 있음을 알게 되었다. 상기 폐기물의 더 낮은 열량값이 3500kcal/kg을 초과하면 냉가스 효율은 60%를 초과하게 된다. 상기 로 벽의 열손실은 5.9였다. 상기 열 손실이 감소될 수 있다면, 냉 가스 효율이 더 증가될 수 있다.
표 4는 상기 생성된 가스의 건가스 성분이다. 이 가스의 수분 함량은 측정하지 않았다.
(생성된 가스의 건가스 성분)
H2 47%
CO 30%
CO2 23%
H2및 CO의 가연성 물질은 77%였다. 따라서, H2의 77%에 달하는 부피는 CO 이동 전환 후에 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 5 실시형태에 따른, 기화를 통한 폐기물 처리 방법을 실시하는 또 다른 시스템이다.
도 6에서, 저열량 연료 가스는 약 20 기압의 고압하에서 제조되며, 그리고나서, 전력 발전용 가스 터빈을 포함하는 화합물 발전 시스템에 공급된다. 도 6에서와 같이, 이 시스템은 도 2의 시스템과 유사하되 추가적으로 세라믹 필터(32), 가스 터빈(33), 및 증기 터빈(34)를 갖는다.
도 6에서, k 및 m은 전력과 배기 가스이다. 폐기물 a 및 석탄 j는 락 호퍼 시스템(1)을 통하여 호퍼(2) 내에 들어가고, 이로부터 유동층 반응기(4)로 스크류 공급기(3)을 통하여 공급된다. 공기 b는 유동층 반응기(4)에 공급되고, 산소가 풍부한 공기 b'는 고온 연소기(6)에 공급된다. 따라서, 고온 연소기(6)으로부터 배출된 생성 가스는 H2, CO, CO2, N2및 H2O로 이루어진 저열량 가스이고, 1000 내지 1500kcal/Nm3의 열량 범위를 갖는다(건조). 유동층 반응기(4) 및 고온 연소기(6) 내의 온도는 도 2의 제 1 실시 형태의 방법의 시스템에서와 같다.
증기 c는 폐기물 열 보일러(10)를 통하여 가스로부터 회수되고, 플라이 애쉬 f'는 세라믹 필터(32)에 의해 가스에서 분리된다. 이후, 상기 가스는 터빈(33)에 공급되어 전력 k를 발생시킨다. 그리고나서, 증기 c는 또 다른 폐기물 열 보일러(10)를 통해 가스로부터 회수되고, 이 가스는 대기중에 배기 가스 m으로서 배출된다. 상기 수집된 증기 c는 증기 터빈(34)에 공급되어 전력 k를 발생시킨다. 상기 시스템에서, 먼지는 고온에서 생성된 가스로부터 제거되고, 그리고나서, 이 가스는 가스 터빈(33)에 공급된다. 그러나, 상기 생성 가스는 일반적인 온도에서 정제 가능하고, 이후에 도 2에서와 같은 방법(이러한 공정이 발전 효율을 낮추기는 하지만)으로 가스 터빈(33)에 공급된다.
도 7은 본 발명의 제 7 실시 형태에 따른, 기화를 통한 폐기물 처리 방법을 실시하는 또 다른 시스템이다.
도 7에서, 저열량 연료 가스는 대기압에서 제조되고, 전력 발전을 위한 가스 엔진 등의 화합물 발전 시스템에 공급된다. 도 7에서와 같이, 이 시스템은 도 6의 시스템과 유사하되 세정기(11) 및 가스 엔진(35)을 세라믹 필터(32) 및 가스 터빈(33) 대신 사용한다. 도 7의 시스템은 또한 폐기물 a 석탄 j를 호퍼(2)에 공급하기 위한 락 호퍼가 없다.
공기 b는 유동층 반응기(4)에 공급되며, 산소가 풍부한 공기 b'는 고온 연소기(6)에 공급된다. 따라서, 고온 연소기(6)에서 배출되는 생성 가스는 N2,H2, CO, CO2및 H2O로 이루어진 저열량 가스이고, 1000 내지 1500kcal/Nm3의 열량 범위를 갖는다(건조). 유동층 반응기(4) 및 고온 연소기(6) 내의 온도는 도 2의 제 1실시 형태의 처리방법을 실시하기 위한 시스템의 온도와 같다.
증기 c는 폐기물 열 보일러(10)에 의해 생성 가스로부터 회수되고, 그리고 나서, 상기 가스는 냉각되어 세정기(11)로 세정된다. 일반적인 온도에서 생성되는 상기 가스는 가스 터빈(35)에 공급되어 전력k를 생성한다. 이후, 증기 c는 또다른 폐기물 열 보일러(10)에 의해 가스로부터 회수되고, 상기 가스는 대기중에 배기 가스 m으로 배출된다. 상기 수집된 증기 c는 증기 터번(34)에 공급되어 전력 k를 생성한다. 상기 가스 엔진(35)에 이어진 상기 폐기물 열 보일러(10)는 비용을 감소시키는 면에서 설치할 수 있으나, 발전 효율이 떨어지게 된다.
본 발명에 따른 방법은 폐기물을 가연성 가스 및 화학 산업의 합성 가스로 전환시키고, 환경 보존을 위하여 가치 있는 자원을 회수하도록 한다. 이 방법은 폐기물을 열적, 재료적 및 화학적 재활용을 통하여 새로운 자원으로 이용하는데 효과적이다.
특히, 본 발명에 따른 방법은 다음과 같은 장점을 제공한다.
1. 폐기물을, 저온 및 고온 기화 방법의 조합을 기초한 기화 공정으로 중간 열량 합성 가스로 전환시키고, 상기 중간 열량 합성 가스를 예를 들면, 암모니아, 메탄올 등을 제조하는 화학 산업용 합성 가스로 사용하여 화학적 재활용이 가능하다.
2. 합성 가스를 생성시키는 방법에서, 애쉬는 무해한 슬랙으로 전환된다. 상기 생성 슬랙은 건설 및 건축재로 사용되어 재료적 재활용이 가능하다.
3. 폐기물에 포함된 철, 구리, 알루미늄 등의 다양한 금속이 부식되지 않은 상태로 회수될 수 있어 재료적 재활용이 가능하다.
4. 저열량 가연성 가스가 회수되어 가스 터빈 또는 유사물의 연료로, 또는 산업 연료 가스로 사용되어 열적 재활용된다.
5. 유해한 디옥산은 고온 연소기 내에서 1300℃ 이상의 온도에서 고온 연소를 통해 거의 완전히 분해된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태가 상세히 설명되어 있으나, 하기 청구범위의 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변화 및 변형이 가능한 것으로 이해되어야 한다.

Claims (29)

  1. 비교적 저온의 유동층 반응기 내에서 폐기물을 기화하고;
    상기 유동층 반응기내에서 생성된 기체상 물질 및 차르를 고온 연소로 도입하고;
    비교적 고온의 상기 고온 연소기 내에서 저열량 가스 또는 중간 열량 가스를 생성시키는 단계를 포함하여 구성되는, 기화를 통한 폐기물 처리 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유동층 반응기가 회전류-형 유동층 반응기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 고온 연소기가 와류-형 고온 연소기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 유동층 반응기 내의 상기 비교적 저온이 450 내지 800℃의 온도 범위인 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 유동층 반응기의 유동층 내의 상기 비교적 저온이 450 내지 650℃의 온도 범위인 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 고온 연소기 내의 비교적 고온이 1300℃ 이상의 온도인 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 기화를 위하여 상기 유동층 반응기에 공급되는 가스가, 공기, 산소가 풍부한 공기, 공기와 증기의 혼합물, 산소가 풍부한 공기와 증기의 혼합물, 및 산소와 증기의 혼합물 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 기화를 위하여 상기 고온 연소기에 공급되는 가스가 산소가 풍부한 공기 및 산소 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 유동층 반응기 및 상기 고온 연소기에 공급되는 산소의 총량이 연소에 필요한 이론적 산소량의 0.1 내지 0.6 범위인 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 유동층 반응기에 공급되는 산소량이 연소에 필요한 이론적 산소량의 0.1 내지 0.3의 범위인 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 디옥신 및 이의 전구체가 상기 고온 연소기 내에서 실질적으로 분해되는 동안 상기 폐기물 내의 애쉬는 슬랙으로 회수되는 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 저열량 가스 또는 중간 열량 가스가 대기압 또는 고압이고, 발전이나 화학 공업의 연료 가스 또는 합성 가스로 사용되는 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 유동층 반응기는 고압형 유동층 반응기를 포함하여구성된 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 고온 연소기가 고압형 고온 연소기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 유동층 반응기 내의 상기 유동층이 환원 대기하에 있고, 상기 폐기물 내의 금속은 부식되지 않은 상태로 상기 유동층 반응기로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  16. 제 1항에 있어서, 고열량 폐기물에 대한 저열량 폐기물의 혼합 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 저열량 가스 또는 중간 열량 가스가 일산화탄소 및 수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 방법.
  18. 회전류-형 유동층 반응기 내에서 450 내지 800℃ 범위의 비교적 저온에서 폐기물을 기화하고;
    상기 유동층 반응기내에서 생성된 기체상 물질 및 차르를 와류-형 고온 연소기로 도입하고;
    상기 고온 연소기 내에서 1300℃ 이상의 비교적 고온에서 저열량 가스 또는 중간 열량 가스를 생성시키는 단계를 포함하여 구성되는, 기화를 통한 폐기물 처리 방법.
  19. 비교적 저온의 유동층 반응기 내에서 폐기물을 기화하고;
    상기 유동층 반응기내에서 생성된 기체상 물질 및 차르를 고온 연소기로 도입하고;
    비교적 고온의 상기 고온 연소기 내에서 열량 가스를 생성시키는 단계를 포함하여 구성되는 기화를 통한 폐기물 처리 방법.
  20. 비교적 저온에서 폐기물을 기화하여 기체상 물질 및 차르를 생성시키는 유동층 반응기와;
    비교적 고온에서 상기 기체상 물질 및 차르로부터 저열량 가스 또는 중간 열량 가스를 생성시키는 고온 연소기를 포함하여 구성되는, 기화를 통한 폐기물 처리 장치.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 유동층 반응기가 회전류-형 유동층 반응기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 장치.
  22. 제 20항에 있어서, 상기 고온 연소기가 와류-형 고온 연소기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 장치.
  23. 제 20항에 있어서, 상기 유동층 반응기 내의 상기 비교적 저온이 450 내지 800℃의 온도 범위인 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 장치.
  24. 제 20항에 있어서, 상기 유동층 반응기의 유동층 내의 상기 비교적 저온이 450 내지 650℃의 온도 범위인 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 장치.
  25. 제 20항에 있어서, 상기 고온 연소기 내의 상기 비교적 고온이 1300℃ 이상인 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 장치.
  26. 제 20항에 있어서, 기화를 위하여 상기 유동층 반응기에 공급하여 가스가, 공기, 산소가 풍부한 공기, 공기와 증기의 혼합물, 산소가 풍부한 공기와 증기의 혼합물, 및 산소와 증기의 혼합물 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 장치.
  27. 제 20항에 있어서, 기화를 위하여 상기 고온 연소기에 공급하는 가스가 산소가 풍부한 공기 및 산소 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐기물 처리 장치.
  28. 450 내지 800℃ 범위의 비교적 저온에서 폐기물을 기화하여 기체상 물질 및 차르를 생성시키는 회전류-형 유동층 반응기와;
    1300℃ 이상의 비교적 고온에서 상기 기체상 물질 및 차르로부터 저열량 가스 또는 중간 열량 가스를 생성시키는 와류-형 고온 연소기를 포함하여 구성되는 기화를 통한 폐기물 처리 장치.
  29. 비교적 저온에서 폐기물을 기화하여 기체상 물질 및 차르를 생성시키는 유동층 반응기와;
    비교적 고온에서 기체상 물질 및 차르로부터 열량 가스를 생성시키는 고온 연소기로 이루어지는 기화를 통한 폐기물 처리 장치.
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