KR19990071160A - 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 폐기물 처리를 위한 반응로, 에어 토치, 유틸리티 가스 공급 장치, 폐기물 분사 장치, 공기 압축 장치, 세정 장치, 배출부, 알카리 용액 공급 장치, 공업 용수 공급 장치, 냉각수 공급 장치, 전원 공급 장치 및 단위 설비 사이의 공급 라인에 설치된 수동 밸브 및 컨트롤 밸브를 구비하는 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어 방법에 관한 것으로서, 각 단위 설비 사이의 공급 라인에 설치된 수동 밸브를 개방하는 단계와, 공기 압축 장치를 가동하여 상기 폐기물 분사 장치로 공기를 공급하는 단계와, 세정 장치의 소정 높이까지 물을 공급하는 단계와, 세정 장치에 알카리 용액을 공급하는 단계와, 에어 토치에 연결된 각 라인의 컨트롤 밸브를 개방하고, 전원을 인가하여 반응로 내에 플라즈마를 형성시키는 단계, 및 반응로의 온도가 일정 온도에 이르면 폐기물 분사 장치로부터 액상 폐기물을 반응로로 분사하는 단계를 포함한다.

Description

플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어 방법

본 발명은 플라즈마(plasma)를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 폐기물을 처리하기 위한 방법으로는 생물학적 처리 방법 및 화학적 처리 방법을 주로 사용한다. 그러나, 이와 같은 방법들을 사용하기 위해서는 방대한 처리 시설이 필요하고, 또한 처리 후에 발생되는 슬러지(sludge)를 처리하기 위한 별도의 처리 시설이 요구된다. 이와 같은 문제는 소각 처리 방법에 의해 해소될 수 있지만, 이 소각 처리 방법에서는 연료로서 사용되는 석탄으로 인하여 유해 가스가 발생되는 문제가 있다.

이를 개선할 수 있는 방법이 고 에너지의 플라즈마를 이용해 폐기물을 처리하는 것이다. 즉, 플라즈마를 이용한 폐기물 처리 방법은 플라즈마의 고온 화염대에서 폐기물을 열적으로 분해시키는 장치로서, 일반적인 소각 장치로 처리될 수 없는 난분해성 물질이나 인체에 유해한 물질을 처리하는데 유용하다.

따라서, 현재 상기와 같이 플라즈마를 이용한 폐기물 처리 방법에 의해 폐기물을 처리할 수 있는 설비의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이와 같이, 현재 개발중인 폐기물 처리 설비들 중에서, 특히 에어 토치(air torch)를 사용한 액상 폐기물 처리 설비는, 공기를 사용하여 반응로 내에 플라즈마를 생성하고, 이 플라즈마가 형성된 반응로 내에 액상 폐기물을 분사시킴으로써, 분사된 액상 폐기물이 플라즈마의 고온 상태에서 소각 처리되도록 하는 장치이다.

그러나, 현재까지 상기와 같은 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비를 효율적으로 운용하기 위한 제어 알고리즘의 개발이 이루어지지 않고 있으며, 이로 인하여 상용화가 지연되고 있는 상황이다. 이에 따라, 각종 밸브 조작을 수동적으로 함으로써 많은 운전 인력이 요구되며, 각종 설비로 공급되는 유량 등의 이상 유무를 파악하거나, 반응로 내부의 연소 상황을 파악하기가 용이하지 않은 문제가 있다. 따라서, 상기와 같은 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비를 자동적으로 운용할 수 있도록 하는 제어 알고리즘의 개발이 시급하게 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 자동 제어에 의해 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비를 효율적으로 운용할 수 있도록 하는 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 제어 방법이 채용되는 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어 방법의 전체적인 단계들을 설명하기 위한 플로우 챠트.

도 3은 도 2의 단계들 중 수동 밸브 개방 단계를 설명하기 위한 플로우 챠트.

도 4는 도 2의 단계들 중 세정 장치에 공업 용수 및 알카리 용액 공급 단계를 설명하기 위한 플로우 챠트.

도 5는 도 2의 단계들 중 에어 토치의 공급 유량 조절 단계를 설명하기 위한 플로우 챠트.

도 6은 도 2의 단계들 중 폐기물 소각 단계를 설명하기 위한 플로우 챠트.

도 7은 도 2의 단계들 중 경보 발생시 대처 단계를 설명하기 위한 플로우 챠트.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10...반응로 11...에어 토치

12...전원 공급 장치 13...유틸리티 가스 공급 장치

14...폐기물 분사 장치 15...냉각수 공급 장치

16...공기 압축 장치 17...세정 장치

18...공업 용수 공급 장치 19...알카리 용액 공급 장치

20...배출부

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어 방법은, 폐기물의 처리를 위한 반응로; 상기 반응로에 플라즈마를 형성시키는 에어 토치; 상기 에어 토치에 공기 및 냉각용 질소를 공급하는 유틸리티 가스 공급 장치; 상기 반응로로 액상 폐기물을 분사하는 폐기물 분사 장치; 상기 유틸리티 가스 공급 장치로 압축 공기를 공급하는 공기 압축 장치; 상기 반응로로부터 배출되는 가스를 세정하는 세정 장치; 상기 세정 장치로부터 나오는 배기 가스를 외부로 배출시키는 배출부; 상기 세정 장치로 알카리 용액을 공급하는 알카리 용액 공급 장치; 상기 세정 장치로 공업 용수를 공급하는 공업 용수 공급 장치; 상기 에어 토치 및 반응로로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 장치; 및 상기 에어 토치에 전압을 인가하는 전원 공급 장치; 및 상기 각 단위 설비 사이의 공급 라인에 설치된 수동 밸브 및 컨트롤 밸브를 구비하는 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어 방법에 있어서, (가) 상기 각 단위 설비 사이의 공급 라인에 설치된 수동 밸브를 개방하는 단계; (나) 상기 공기 압축 장치를 가동하여 상기 폐기물 분사 장치로 공기를 공급하는 단계; (다) 상기 세정 장치의 소정 높이까지 물을 공급하는 단계; (라) 상기 세정 장치에 알카리 용액을 공급하는 단계; (마) 상기 에어 토치에 전원을 인가하여 상기 반응로 내에 플라즈마를 형성시키는 단계; 및 (바) 상기 반응로의 온도가 일정 온도에 이르면 상기 폐기물 분사 장치로부터 액상 폐기물을 상기 반응로로 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 제어 방법이 채용되는 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 개략적인 구성을 나타내 보인 도면이다. 도 1을 참조하면, 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비는 액상 폐기물의 열처리가 이루어지는 반응로(10)를 구비하며, 이 반응로(10) 내에는 플라즈마를 형성시키는 에어 토치(11)가 설치되어 있다. 이 에어 토치(11)에는 약 100㎾ 정도의 소정 전력을 공급하는 전원 공급 장치(12), 및 공기 및 냉각용 질소를 공급하는 유틸리티 가스 공급 장치(13)가 연결되어 있다. 상기 공기는 아크 방전을 통해 플라즈마를 형성하기 위한 매개물로 사용되며, 상기 냉각용 질소는 에어 토치(11)의 내부를 냉각시키기 위해 사용된다. 따라서, 유틸리티 가스 공급 장치(13)와 에어 토치(11) 사이에는 압축 공기 라인과 냉각용 질소 라인이 별개로 설치된다.

그리고, 반응로(10) 및 에어 토치(11) 내에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 장치(15)가 반응로(10) 및 에어 토치(11)에 각각 연결되어 있으며, 특히 에어 토치(11)와 냉각수 공급 장치(15)와의 연결 통로는, 에어 토치(11)의 캐소드 전극용 냉각수를 공급하기 위한 라인과, 에어 토치(11)의 에노드 전극용 냉각수를 공급하기 위한 라인으로 분리되어 설치된다.

또한, 유틸리티 가스 공급 장치(13) 및 폐기물 분사 장치(14)에 압축 공기를 공급하는 공기 압축 장치(16)와, 반응로(10)로부터 배출되는 배기 가스를 정화하는 세정 장치(17)가 설치되어 있다. 그리고, 이 세정 장치(17)에는 공업 용수를 공급하는 공업 용수 공급 장치(18) 및 알카리 용액을 공급하는 알카리 용액 공급 장치(19)가 연결되어 있다. 이 알카리 공급 장치(19)로부터 세정 장치(17)로 공급되는 알카리 용액은 일정한 순환 경로로 순환되면서, 세정 장치(17) 내에서 일정한 농도가 유지되도록 조절된다. 세정 장치(17)를 통해 정화된 배기 가스는 배출부(20)를 통해 외부로 배출된다.

한편, 각 단위 설비 사이에는 본 도면에는 도시되지 않았지만, 수동 밸브, 솔레노이드 밸브, 및 컨트롤 밸브가 설치되어 있다. 솔레노이드 밸브는 노멀 오픈 형태 또는 노멀 클로즈 형태를 사용하며, 노멀 오픈 형태인 경우에는 전원이 인가되지 않은 평상시에는 열려 있다가 비상시 전원이 인가되면 닫혀서 라인을 차단하는 역할을 한다. 그리고, 컨트롤 밸브는 컨트롤러(미도시)에 의해 제어된다. 즉, 컨트롤러는 각 단위 설비에 공급되는 유량의 검출량에 소정의 제어를 수행하여 유량을 조절하고, 유량의 조절이 이루어지면 각 컨트롤 밸브의 온/오프를 제어한다.

이와 같은 구성을 갖는 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어 방법을 도 2 내지 도 7에 도시된 플로우 챠트를 참조하면서 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어 방법의 전체적인 단계들을 설명하기 위한 플로우 챠트이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제어 방법은 다음과 같은 단계들을 수행한다.

먼저, 각 단위 설비 사이의 공급 라인에 설치된 수동 밸브들을 개방한다(단계 210). 그리고, 세정 장치(17)에 공업 용수 및 알카리 용액을 공급한다(단계 220). 그리고, 에어 토치(11)의 공급 유량을 조절한다(단계 230). 다음에, 폐기물을 소각하고(단계 240), 경보 발생시 적절히 대처한다(단계 250).

이를 각 단계별로 상세히 설명해 보기로 한다.

먼저, 도 3에 도시된 플로우 챠트를 참조하여, 각 단위 설비 사이의 공급 라인에 설치된 수동 밸브를 개방하는 단계를 설명한다. 유틸리티 가스 공급 장치(13)와 에어 토치(11) 사이의 압축 공기 라인의 수동 밸브를 개방한다(단계 211). 그리고, 유틸리티 가스 공급 장치(13)와 에어 토치(11) 사이의 냉각용 질소 라인의 수동 밸브를 개방한다(단계 212). 그리고, 냉각수 공급 장치(15)와 에어 토치(11) 사이의 캐소드 전극용 냉각수 공급 라인의 수동 밸브를 개방한다(단계 213). 그리고, 냉각수 공급 장치(15)와 에어 토치(11) 사이의 에노드 전극용 냉각수 공급 라인의 수동 밸브를 개방한다(단계 214). 그리고, 반응로(10)와 폐기물 분사 장치(14) 사이의 폐기물 공급 라인의 수동 밸브를 개방한다(단계 215). 그리고 세정 장치(17)와 공업 용수(18) 사이의 공업 용수 공급 라인의 수동 밸브를 개방한다(단계 216). 다음에, 공기 압축 장치(16)를 가동하여 폐기물 분사 장치(14)로 공기를 공급한다(단계 202). 이 폐기물 분사 장치(14)로 공급되는 공기는 펌핑 작업에 의해 액상 폐기물을 가압하여 분사되도록 하기 위한 것이다.

이와 같이, 각 수동 밸브를 개방한 후에는, 세정 장치(17)에 공업 용수 및 알카리 용액을 공급한다. 이를 도 4에 도시된 플로우 챠트를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 세정 장치(17)에 2/3높이 정도의 공업 용수가 공급된다(단계 221 내지 223). 이를 위하여, 세정 장치(17)의 2/3높이의 내벽에 수량을 검출하기 위한 센서를 부착시킨다. 그리고, 이 센서를 이용하여 세정 장치(17)로 공급된 공업 용수량이 세정 장치(17)의 2/3높이가 되는지를 판단한다(단계 221). 이 판단에서, 공급된 공업 용수량이 세정 장치(17)의 2/3높이가 되지 않으면, 센서는 검출 신호를 발생하지 않는다. 따라서, 이 경우에는 공업 용수 공급 라인의 컨트롤 밸브를 계속 개방하여 공업 용수가 세정 장치(17) 내로 더 공급되도록 한다(단계 222). 그리고, 상기 단계 221의 판단 결과, 공급된 공업 용수량이 세정 장치의 2/3 높이인 경우에는, 센서에 의해 검출 신호가 발생되고, 이 검출 신호에 의해 컨트롤러는 공업 용수 공급 라인의 컨트롤 밸브를 닫아서 공업 용수의 공급을 중단한다(단계 223).

이와 같이, 세정 장치(17) 내에 적절한 양의 공업 용수가 공급된 후에는, 고농도의 알카리 용액을 공급한다. 즉, 알카리 용액의 순환 라인 내에 설치된 수동 밸브를 개방한다(단계 224). 그리고, 알카리 용액 공급 장치(19)로부터 세정 장치(17)로 알카리 용액, 예컨대 NaOH를 공급한다(단계 225). 이 때, 40%의 고농도 알카리 용액을 공급하여 세정 장치(17) 내에서 공업 용수와 혼합된 혼합액의 농도가 10%가 되도록 한다. 이를 위하여, 세정 장치(17) 내로 공급된 알카리 용액과 공업 용수와의 혼합액의 농도를 검출하여 그 농도가 10%가 되는 지를 판단한다(단계 226). 이 판단에서, 세정 장치(17) 내의 혼합액의 농도가 10%보다 낮은 경우에는 알카리 용액 공급 라인의 컨트롤 밸브를 개방하여 40%의 고농도 알카리 용액을 더 공급한다(단계 225). 그리고, 상기 단계 226에서의 판단 결과, 세정 장치(17) 내의 혼합액의 농도가 10%보다 높은 경우에는 알카리 용액 공급 라인의 컨트롤 밸브를 닫아서, 40%의 고농도 알카리 용액의 공급을 중단한다(단계 227).

다음에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 에어 토치(11)의 공급 유량을 조절한다. 즉, 에어 토치(11)로 공급되는 냉각용 질소, 압축 공기, 캐소드 전극용 냉각수 및 에노드 전극용 냉각수의 유량을 검출하고, 이 검출된 유량값을 피드백하여 비례, 적분 및 미분(PID) 제어를 수행하여 각 유량을 적정량이 되도록 조절한다(단계 231 내지 단계 234).

다음에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 반응로(10) 내에 플라즈마를 형성시키고, 폐기물을 소각시킨다. 즉, 에어 토치(11)에 100㎾정도의 소정 전력을 공급하여 반응로(10) 내에 플라즈마를 형성시킨다(단계 241). 이와 같이, 반응로(10) 내에 플라즈마가 형성되면, 반응로(10) 내의 온도가 약 1000℃정도의 온도가 되는지를 판단한다(단계 242). 이 판단에서, 반응로(10) 내의 온도가 1000℃보다 작은 경우에는 단계 241로 귀환하여 계속 에어 토치(11)로 전력을 공급하여 반응로(10) 내의 온도를 상승시킨다. 그리고, 상기 단계 242의 판단 결과, 반응로(10) 내의 온도가 1000℃보다 같거나 큰 경우에는 폐기물 분사 장치(14)의 컨트롤 밸브를 개방한다(단계 243). 그리고, 폐기물 분사 장치(14)의 펌프를 가동시켜, 액상 폐기물이 반응로(10) 내에 분사되도록 한다(단계 244). 그러면, 반응로(10) 내로 분사된 액상 폐기물은 고온의 플라즈마 불꽃에 의해 소각되며, 이 때 발생되는 배기 가스는 세정 장치(17)의 혼합액에 의해 정화되어 배출부(20)를 통하여 외부로 배출된다.

한편, 액상 폐기물이 소각되는 과정에서 비정상적인 이상 상태가 발생한 경우에는 비상 조치를 취하도록 제어한다. 이를 도 7에 도시된 플로우 챠트를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 먼저, 컨트롤러에서는 이상 상태 발생 경보가 발생했는지를 판단한다(단계 251). 이 판단에서, 이상 상태 발생 경보가 발생하지 않은 경우에는 액상 폐기물의 처리를 계속 수행한 후 제어 동작을 정지시킨다. 그리고, 상기 단계251에서의 판단 결과, 이상 상태 발생 경보가 발생된 경우에는, 에어 토치(11)의 전압 혹은 전류의 이상에 의해 경보가 발생되었는지를 판단한다(단계 252). 이 판단에서, 에어 토치(11)의 전압 혹은 전류의 이상에 의해 경보가 발생된 경우에는, 액상 폐기물의 공급을 중단시킨다(단계 253). 그리고, 폐기물 분사 라인의 컨트롤 밸브를 닫는다(단계 254). 그리고, 에어 토치(11)에 전력을 공급하는 전원 공급 장치(12)를 오프시킨다(단계 255). 그리고, 이상 상태가 교정되었는지를 판단한다(단계 256). 이 판단에서, 이상 상태가 교정되면, 폐기물 공급 라인의 컨트롤 밸브를 개방한 후 상기 단계 241로 귀환하고, 이상 상태가 교정되지 않았으면 계속 교정 여부를 확인한다.

한편, 상기 단계 252에서의 판단 결과, 에어 토치(11)의 전압 혹은 전류의 이상에 의해 경보가 발생되지 않은 경우, 즉 에어 토치(11)의 전압 및 전류가 정상적인 상태인 경우에는, 세정 장치(17)에 공급된 알카리 용액의 온도 이상에 의해 경보가 발생되었는지를 판단한다(단계 257). 이 판단에서, 세정 장치(17)에 공급된 알카리 용액의 온도 이상에 의해 경보가 발생된 경우에는, 액상 폐기물의 공급을 중단시킨다(단계 253). 그리고, 폐기물 분사 라인의 컨트롤 밸브를 닫는다(단계 254). 그리고, 에어 토치(11)에 전력을 공급하는 전원 공급 장치(12)를 오프시킨다(단계 255). 그리고, 이상 상태가 교정되었는지를 판단한다(단계 256). 이 판단에서, 이상 상태가 교정되면, 폐기물 공급 라인의 컨트롤 밸브를 개방한 후 상기 단계 243으로 귀환하고, 이상 상태가 교정되지 않았으면 계속 교정 여부를 확인한다.

한편, 상기 단계 257에서의 판단 결과, 세정 장치(17)에 공급된 알카리 용액의 온도 이상에 의해 경보가 발생되지 않은 경우, 즉 세정 장치(17)에 공급된 알카리 용액의 온도가 정상적인 경우에는, 폐기물 분사 장치(14)의 이상, 예컨대 폐기물 분사 장치(14)에서 펌프를 구동하는 모터의 과부하 등에 의해 경보가 발생되었는지를 판단한다(단계 258). 이 판단에서, 상기 모터의 이상에 의해 경보가 발생된 경우에는, 세정 장치(17)에 공급된 알카리 용액의 온도 이상에 의해 경보가 발생된 경우와 동일한 과정을 수행하며, 모터의 이상에 의해 경보가 발생되지 않은 경우에는 그 원인이 밝혀질 때까지 대기한다(단계 259).

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어 방법에 의하면, 자동 제어를 수행하기 위한 알고리즘을 제공함으로써 운전 인력이 줄어들고, 공급되는 유량에 대하여 소정의 제어를 수행함으로써 공급 유량을 정밀하게 조절할 수 있으며, 특히 각종 설비에 대한 이상 상태 발생시 신속하게 이상 상태를 파악하여 해결할 수 있다.

Claims (2)

1. 폐기물 처리를 위한 반응로; 상기 반응로에 플라즈마를 형성시키는 에어 토치; 상기 에어 토치에 공기 및 냉각용 질소를 공급하는 유틸리티 가스 공급 장치; 상기 반응로로 액상 폐기물을 분사하는 폐기물 분사 장치; 상기 유틸리티 가스 공급 장치로 압축 공기를 공급하는 공기 압축 장치; 상기 반응로로부터 배출되는 가스를 세정하는 세정 장치; 상기 세정 장치로부터 나오는 배기 가스를 외부로 배출시키는 배출부; 상기 세정 장치로 알카리 용액을 공급하는 알카리 용액 공급 장치; 상기 세정 장치로 공업 용수를 공급하는 공업 용수 공급 장치; 상기 에어 토치 및 반응로로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 장치; 및 상기 에어 토치에 전압을 인가하는 전원 공급 장치; 및 상기 각 단위 설비 사이의 공급 라인에 설치된 수동 밸브 및 컨트롤 밸브를 구비하는 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어 방법에 있어서,

   (가) 상기 각 단위 설비 사이의 공급 라인에 설치된 수동 밸브를 개방하는 단계;

   (나) 상기 공기 압축 장치를 가동하여 상기 폐기물 분사 장치로 공기를 공급하는 단계;

   (다) 상기 세정 장치의 소정 높이까지 물을 공급하는 단계;

   (라) 상기 세정 장치에 알카리 용액을 공급하는 단계;

   (마) 상기 에어 토치에 연결된 각 라인의 컨트롤 밸브를 개방하고, 전원을 인가하여 상기 반응로 내에 플라즈마를 형성시키는 단계; 및

   (바) 상기 반응로의 온도가 일정 온도에 이르면 상기 폐기물 분사 장치로부터 액상 폐기물을 상기 반응로로 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (가)는,

   상기 유틸리티 가스 공급 장치와 상기 에어 토치 사이의 압축 공기 라인의 수동 밸브를 개방하는 단계;

   상기 유틸리티 가스 공급 장치와 상기 에어 토치 사이의 냉각용 질소 라인의 수동 밸브를 개방하는 단계;

   상기 냉각수 공급 장치와 상기 에어 토치 사이의 캐소드용 냉각수 공급 라인의 수동 밸브를 개방하는 단계;

   상기 냉각수 공급 장치와 상기 에어 토치 사이의 에노드용 냉각수 공급 라인의 수동 밸브를 개방하는 단계;

   상기 반응로와 상기 폐기물 분사 장치 사이의 폐기물 공급 라인의 수동 밸브를 개방하는 단계; 및

   상기 세정 장치와 상기 공업 용수 라인 사이의 공업 용수 공급 라인의 수동 밸브를 개방하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 액상 폐기물 처리 설비의 제어 방법.