KR20000055078A - 고수분 함량의 혼합 폐기물 처리를 위한 플라즈마 열분해/용융 장치 및 방법 - Google Patents

고수분 함량의 혼합 폐기물 처리를 위한 플라즈마 열분해/용융 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 열분해/가스화 및 용융 방법(plasma pyrolysis/gasfication and melting, PPGM; plasma gasification; plasma pyrolysis and vitification)을 이용한 고수분 함량의 혼합 폐기물 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, (a) 혼합 폐기물의 압축 수단, (b) 압축된 혼합 폐기물의 탈가스화를 위한, 외부에 가열 매질 가스 자켓이 장착되어 100 내지 500℃의 온도로 유지되는 금속재 터널, 및 (c) (i) 하부에는, 용융된 무기물질의 용탕 또는 슬래그의 제거를 위한 하나 이상의 탭핑 포트를 갖추고 있고, (ii) 중간부에는 탈가스화된 폐기물의 주입을 위한 포트, 내화재로 라이닝된 하나 이상의 투이어(tuyere), 상기 투이어 상단에 장착된 비이송 플라즈마 토치 및 산소 함유 가스를 접선 방향으로 공급하기 위한 수단을 가지며, (iii) 상부에는 오프 가스의 체류 시간을 조절하는 수직 이동가능한 차단 배플, 상기 차단 배플의 이동을 위한 중앙 입구, 상기 중앙 입구를 밀폐시키는 매질 및 연료가스의 배출을 위한 측면 출구를 갖추고 있는, 플라즈마로를 포함하는 본 발명에 따른 폐기물 처리 장치를 사용하면 수증기와 휘발성 유기 화합물의 발생을 조절할 수 있고 압축 폐기물이 이송관을 막지 않고 통과하며 오프 가스의 온도와 체류 시간의 조절이 용이해지고 NOx, 다이옥신 등의 오염물의 농도를 법적 배출 규제치 이하로 낮추며 플라즈마 토치 효율과 전극 수명을 증가시키고, 플라즈마 토치에 사용되는 전기 에너지를 절약하는 잇점을 제공할 수 있다.

Description

고수분 함량의 혼합 폐기물 처리를 위한 플라즈마 열분해/용융 장치 및 방법{apparatus and method for plasma pyrolysis/gasfication and melting of mixed wastes with high liquid fraction}
본 발명은 플라즈마 열분해/용융 방법을 이용한 고체와 액체의 혼합 폐기물, 특히 고수분 함량의 혼합 폐기물의 연속적인 처리에 관한 것이다.
인구의 계속적인 증가와 도시화의 확장으로 인해 가정용 및 산업용 폐기물이 매년 증가하고 있으며, 이러한 현상은 심각한 환경 및 사회 문제를 불러일으키고 있다. 이에 따라 폐기물의 처리가 중요한 과제로 대두되고 있는데, 가장 널리 사용되고 있는 폐기물 처리 방법이 매립 방법이다. 그러나 이 방법은 폐기물 문제의 지속적인 해결책이 되지 못하며, 맹독성 침출액에 의한 토양 오염 및 장래의 쓰레기 처리를 위한 새로운 매립지 물색이 문제되고 있다.
이러한 매립 방법의 대안으로 소각 방법이 대두되고 있는데, 이 방법은 부피/중량 감소, 독성 조절 및 폐기물로부터 에너지 회수(waste to energy recovery, WTE)의 큰 장점이 있다. 그럼에도 불구하고 소각로 WTE 시스템에는 다이옥신, 퓨란 및 휘발성 유기 화합물(VOCs)을 규제치 이하로 낮추는 대기 오염 조절 시스템 소각로가 필요하고, 중금속이 포함된 해로운 재의 처리가 문제로 되고 있다.
이러한 소각상의 문제점을 해결하는 새로운 방법으로 플라즈마 열분해/가스화 및 용융 방법(PPGM)이 개발되었다. 이 방법은 "플라즈마 가스화" 또는 "플라즈마 열분해 및 유리화"라고도 칭해지며, 플라즈마 토치(plasma torch) 즉, 플라즈마 발생기에 의해 발생되는 초고온 플라즈마를 사용하여 통상적으로 2,000 내지 7,000℃ 범위의 고온 환경을 만드는데, 이러한 고온 환경에서는 알려진 모든 물질이 용융되고 산업적 이익이 있는 대부분 공정의 반응이 촉진될 뿐 아니라 재래식 방법인 연소 화염 또는 옥시아세틸렌 화염에서 얻어지는 저온에서 불가능한 반응도 가능해진다. 초고온 플라즈마는 통상적으로 찬 가스를 플라즈마 토치내 두 전극 사이에서 발생되는 고압 전기 아아크속을 통과시킴으로써 발생된다. 이때 플라즈마 토치를 통과하는 플라즈마 가스의 양은 동일한 열 에너지를 탄화수소 연료의 연소에 의해 발생시키는데 필요한 가스의 양보다 상당히 적으므로, 보다 작은 오프 가스 세정 시스템(off-gas cleaning system)만이 필요하게 된다.
PPGM 방법에 따르면 폐기물이 초고온 및 산소 결핍 환원 조건에 노출되는데, 이때 폐기물내 유기분은 일부 산화, 열분해 및 가스화되어 깨끗한 연료 가스로 전환되고, 폐기물의 무기분은 환경적으로 무해한 고부가가치의 슬래그(slag)으로 전환된다. 또한 PPGM 방법에 따르면, 거의 대부분의 폐기물이 최소의 배출 가스와 고체 잔류물로 처리되는 큰 장점이 있다. 현재까지 알려진 열분해/가스화의 기본 원리는 석탄 가스화 연구중에 확립된 것이며 용융 또는 유리화의 원리는 금속과 유리의 용융으로부터 연구된 것이나, PPGM에 기초한 새로운 WTE 시스템은 폐기물로부터 가스와 고체의 배출을 감소시키면서 더 많은 에너지를 회수할 것으로 인식되어 왔다.
현재까지 알려진 PPGM 방법을 이용한 폐기물 처리 장치 및 방법에 관한 종래 기술은, 주로 플라즈마 조건하에 목적하는 반응을 실행하는 데에 집중되었으며, 플라즈마 시스템을 최적화하여 경제적으로 실행할 수 있도록 하지는 못하였다. 전기 에너지의 고비용에 비추어 볼 때 플라즈마 시스템의 최적화는 특히 고수분 함량의 폐기물 처리시 매우 중요한 것으로, 수 MW의 전력에서 연속적으로 작동하는 플라즈마 발생기를 상업적으로 구입할 수 있지만, 폐기물 처리를 위한 상업적 규모의 플라즈마 시스템은 현재로서는 아직 없다.
혼합 폐기물, 특히 고수분 함량의 혼합 폐기물을 처리하는 PPGM 방법으로, 흑연 아아크 및 이송(transferred) 아아크를 사용하는 시스템은 전극이 압축 폐기물과 접촉할 때의 아아크 불안정성, 흑연 전극의 산화와 취성 때문에 실용화되지 못했다. 또한 이와 유사하게, 고주파 발생기를 이용한 경우에는 플라즈마 형성에 필요한 고주파 자장(high frequency field)의 낮은 효율성으로 인해 실용화되지 못했다.
이에 따라, 수냉각 비이송 직류 아아크 시스템을 갖춘 시스템의 개발이 요구되었다. 비이송 플라즈마 시스템을 이용한 혼합 폐기물 처리에 관한 종래 기술로, 미국 특허 제5,280,757호에는 도시형 고체 폐기물 및 기타 유형의 폐기물을 처리하기 위한 통상적인 플라즈마 가스화 공정으로서, 150kW 플라즈마 가스화 시험 설비에서의 전체 공정, 즉, 작동 순서, 주 장비 요소, 플라즈마 가열 시스템, 공정 제어, 스팀 주입, 물질 및 에너지 수지, 생산된 가스와 슬래그의 분석에 의한 공정의 환경 평가가 자세히 기재되어 있다. 이 특허는 양질의 연료 가스를 얻기 위한 폐기물내 공기 제거의 중요성을 인식했지만 공기 부재의 압축 폐기물을 조절된 양으로 공급하는 방법을 교시하지 못하고 있다.
또한 상기 미국 특허 제5,280,757호의 단점을 극복하고 고에너지의 연료 가스를 얻기 위해, 미국 특허 제5,544,597호는 폐기물 공급 시스템이 개선된 플라즈마 열분해/유리화(pyrolysis/vitrification) 방법을 제시하고 있다. 이 특허에서는 압축 장치를 사용함으로써 대량의 고체 도시형 폐기물을 압축한 후 반응기 위에서 거의 균일한 단면의 공기 부재 스트림으로 압축한 다음 압축된 폐기물 스트림을 반응기의 상부로 블록으로서 점증적으로 주입하여 플라즈마에 의해 열분해 및 용융하여 처리한다. 이때, 압축 장치는 공기 침투로부터 반응기를 밀폐시킬 뿐 아니라 폐기물로부터 대부분의 공기와 약간의 물을 제거한다. 또한 이 특허에서는 플라즈마 토치에 소비되는 전기 에너지량을 줄이기 위해 압축된 폐기물이 반응기 상부에서 하부로 하강하면서 상승하는 열에 의해 예열되며, 조절된 양의 공기를 사용한다.
그러나, 상기 특허들은 압축된 건조 유기 폐기물(고무, 플라스틱 등)이 너무 급속히 가열되는 경우 대량으로 발생하는 폭발성 휘발물질과 스팀을 처리하는 방안, 압축 폐기물의 공급시 압축기와 플라즈마로 사이의 이송라인을 막는 문제의 해결 방안, 오프 가스 및 먼지의 온도와 체류 시간을 조절하는 방안, NOx, 다이옥신 및 퓨란 등 배출 가스의 농도를 규제치 이하로 낮추는 방안, 플라즈마 토치의 열 효율과 전극의 수명을 개선하는 방안 등을 제시하지는 못하고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 종래의 문제점이 없는 새로운 혼합 폐기물 처리 장치와 방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 고수분 함량의 혼합 폐기물 처리에 특히 적합하며 에너지 소비량을 줄일 수 있고, NOx, 다이옥신 및 퓨란 배출량을 규제치 이하로 감소시킬 수 있고 폭발성 휘발 물질 및 스팀의 대량 생성을 막을 수 있고, 생성 가스 및 오염 물질의 체류시간 및 온도를 제어할 수 있는 개선된 PPGM 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 한 예의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 장치 중 플라즈마로(furnace) 부분의 다른 예의 개략도이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 혼합 폐기물의 압축 수단, (b) 압축된 혼합 폐기물의 탈가스화를 위한, 외부에 가열 매질 가스 자켓이 장착되어 100 내지 500℃의 온도로 유지되는 금속재 터널, 및 (c) (i) 하부에는, 용융된 무기물질의 용탕 또는 슬래그의 제거를 위한 하나 이상의 탭핑 포트를 갖추고 있고, (ii) 중간부에는 탈가스화된 폐기물의 주입을 위한 포트, 내화재로 라이닝된 하나 이상의 투이어(tuyere), 상기 투이어 상단에 장착된 비이송 플라즈마 토치 및 산소 함유 가스를 접선 방향으로 공급하기 위한 수단을 가지며, (iii) 상부에는 오프 가스의 체류 시간을 조절하는 수직 이동가능한 차단 배플, 상기 차단 배플의 이동을 위한 중앙 입구, 상기 중앙 입구를 밀폐시키는 매질 및 연료가스의 배출을 위한 측면 출구를 갖추고 있는 플라즈마로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고수분 함량의 혼합 폐기물 처리 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 (a) 혼합 폐기물을 압축하고, (b) 압축된 폐기물을 100 내지 500℃에서 저온 열분해시켜 탈가스화된 고체 폐기물과 탈가스화된 가스를 얻고, (c) 탈가스화된 폐기물 및 탈가스화된 가스를, 투이어 상단에 장착된 비이송 플라즈마 토치에 의해 가열되고 접선 방향으로 공급하는 수단을 통해 산소 함유 가스가 주입되고 있는 플라즈마로의 중간부에 투입하여, 탈가스화된 가스와 탈가스화된 고체 폐기물 중의 유기분을 가스화시키면서 탈가스화된 고체 폐기물 중의 무기분을 고온 열분해 용융시켜 각각 연료 가스와 슬래그를 얻고, (d) 연료가스는 플라즈마로 상부의 차단 배플에 통과시킨 다음 측면 출구를 통해 배출시키면서, 슬래그는 플라즈마로 하부의 탭핑 포트를 통해 제거하는 것을 포함하는, 혼합 폐기물의 연속적 처리 방법을 제공한다.
이하 본 발명의 혼합 폐기물 처리 장치를 상세히 설명한다.
본 발명의 장치는 고체와 액체를 포함하는 혼합 폐기물, 특히 고수분의 혼합 폐기물 처리에 적용할 수 있는 장치로, 크게 혼합 폐기물의 압축 수단, 저온 열분해 수단 및 플라즈마로로 구성된다.
본 발명에 따른 혼합 폐기물 처리 장치의 한 예를 도 1에 나타내었으며, 도 1을 참조로 설명하면, 본 발명에 따른 혼합 폐기물의 압축 수단은 혼합 폐기물을 공급하기 위한 피드 호퍼(11) 및 피드 슈트(12)와 폐기물을 압축하기 위한 압축 장치(13), 압축 게이트(14) 및 압축 장치 내의 유압 구동 램(15)을 갖추고 있다. 유압 구동 램(51)은 압축 게이트 방향으로 혼합 폐기물을 이동시켜 압축시킨다. 압축에 의해 압축 장치내에 포집된 액체는 처리조(16)로 배출시킬 수 있다.
또한 본 발명의 장치에 사용되는 저온 열분해 수단은, 외부에 가열 매질 가스 자켓(22)이 장착된 금속재 터널(이하, 탈가스화 터널이라 함)(21)로서, 이 가스 자켓(22)에는 가열 매질 가스의 유입구(23)와 배출구(24)가 있어 매질 가스의 가열에 의해 탈가스화 터널이 가열된다. 탈가스화 터널(21)의 직경은 플라즈마로 내경의 20 내지 40%가 바람직하고 터널 길이는 압축 폐기물이 1 내지 3시간 동안 체류할 수 있도록 하는 범위로 결정된다. 탈가스화 터널 입구의 온도는 70 내지 150℃로 유지되며 100℃가 바람직하고, 터널 출구의 온도는 400 내지 600℃로 유지되며 500℃가 바람직하다. 특히 탈가스화 온도는 폐기물의 조성, 체류 시간 및 벽과 폐기물 사이의 열 전달 속도 등 많은 요소에 의해 따라 달라질 수 있지만 폐기물의 무기분이 탈가스화 터널(21) 내벽에 부착되지 않도록 무기분의 연화 온도 미만의 범위내에서 최고 온도로 선택하는 것이 일반적이다. 가열 매질 가스로는 폐기물이 가스화중에 생성되는 1,100 내지 1,200℃의 발생 가스(CO + H2혼합 가스)를 재활용하여 사용할 수 있으며 또는 LPG, LNG 등의 액화 천연 가스를 사용할 수도 있다.
본 명세서에 사용되는 용어 "플라즈마로"(31)는 플라즈마 열에 의해 가열된 내화재(35)로 라이닝된 금속로(refractory lined metal vessel), "플라즈마 반응로", "가스화/용융로" 또는 "고온가스화로" 등과 같은 용어로 불리기도 한다. 내화재로는 고밀도 알루미나, 마그네시아 등을 사용할 수 있으며, 70% 이상의 고밀도 알루미나가 바람직하다. 플라즈마로(31)는 다시 하부(32), 중간부(33) 및 상부(34)의 세 부분으로 구분할 수 있다.
상기 플라즈마로(31)의 하부(32)는 플라즈마로 가열된 무기물질 용탕이 형성되고, 용융전 금속이나 슬래그를 주기적으로 제거하기 위한 하나 이상의 탭핑 포트(36)를 갖추고 있다.
플라즈마로(31)의 중간부(33)에는 탈가스화된 폐기물의 주입을 위한 포트(29), 플라즈마를 공급할 내화제로 라이닝된 하나 이상의 투이어(54: 도 1에는 한 개의 투이어만을 도시함), 산소 함유 가스, 탄화수소 가스 또는 스팀을 접선방향으로 주입하기 위한 수단으로서 포트(도 1의 52) 하나 이상 또는, 달리, 차단 배플(41)의 중앙 튜브(58)와 연결된 슬리이브(도 2의 59)를 포함할 수 있다.
비이송 플라즈마 토치(53)는 상기 투이어(54) 상단에 위치하고, 전력 공급기, 냉각수 공급기, 플라즈마 가스 공급기 및 조절 콘소울(control console)로 이루어진 플라즈마 가열 시스템에 의해 작동된다. 종래의 플라즈마 토치가 플라즈마로 내부에 설치되어 토치 효율이 60% 이하로 낮고 반응 가스, 생성 가스, 미연소 탄소입자 및 미반응 무기물 미립자 등이 전극 내부에 축적되어 전극 수명이 짧아진다는 점과 비교할 때, 투이어 말단에 장착된 본 발명의 플라즈마 토치는 토치 냉각제로의 열 손실을 줄임으로써 열 효율을 85% 만큼 증가시킨다. 상기 플라즈마 토치는, 긴 전극 수명을 위해서는, 역 극성을 갖는, 소용돌이에 의해 또는 자기적으로 안정화된 속 빈 관을 사용하는 것이 바람직하다. 플라즈마 토치를 통해 공급되는 플라즈마 가스는 폐기물과 전극 물질의 특징에 따라 공기, 산소, 스팀, 불활성 가스 또는 이들의 혼합물중에서 선택될 수 있으며, 이 중 공기가 가장 경제적이기 때문에 제일 선호된다. 이 가스는 직류 아아크 내부를 이동하면서 2,000 내지 7,000℃로 초가열되어 플라즈마 제트(55)를 형성하여, 슬래그의 용융점 이상의 온도로 유지되는 투이어 끝의 반응 영역으로 확장해간다. 주 반응 영역은 투이어 출구 앞에서 고온 플라즈마 가스에 의해 만들어지는 빈 공간을 포함한다. 이 플라즈마 토치는 플라즈마로와 폐기물의 가열 및 흡열 반응에 필요한 열 에너지를 제공한다. 투이어의 길이와 직경은 가열 시간을 조절할 수 있도록 변경될 수 있다. 상기 투이어(54) 내에는 액체 폐기물, 슬래그 플럭스(flux) 또는 기체 또는 고체 탄소성 물질을 공급하기 위한 하나 이상의 포트(56)가 추가로 장착될 수 있다.
플라즈마로(31)의 상부(34)는 중앙 입구(40), 이 중앙 입구에 끼워져 수직 이동할 수 있으면서 진정 영역(calming zone, 42)을 형성하는 차단 배플(41), 중앙 입구를 통한 공기의 침투를 막기 위한 고온 밀폐용 매질(43), 측면 출구(44)를 포함한다. 차단 배플(41)은 1,200℃ 이상의 고온을 견딜 수 있는 재료, 예를 들면 고밀도 알루미나 또는 마그네시아 등의 고온 내화재로 된 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면 차단 배플의 사용에 의해 플라즈마로의 부피가 감소될 수 있다. 측면 출구(44)에는 다이옥신과 퓨란의 재형성을 억제하여 연료 가스를 얻기 위한 급냉탑(quenching tower), 일련의 가스/고체 분리 및/또는 가스 세정 시스템이 연결될 수 있다.
이하 본 발명의 혼합 폐기물 장치를 이용한 폐기물의 연속적 처리 방법을 설명한다.
먼저 고체와 액체를 포함하는 혼합 폐기물을 피드 호퍼(11)에 주입한 후 피드 슈트(12)를 거쳐 압축 장치(13)로 밀어넣고 유압 구동 램(15)에 의해 압축 게이트(14)쪽으로 폐기물을 압축한다. 이 동안에 폐기물내 간극의 부피가 최소화되며 이 간극을 채우던 공기와 액체(주로 물)이 크게 감소되어 압축된 폐기물의 부피가 크게 감소된다. 특히 폐기물에 잔류하는 액체는 폐기물내 빈 공간 주위로 균일하게 분포하게 되는데, 이러한 분포로 인해 후속하는 저온 열분해 단계에서 가스화가 더 잘 조절되고 가스화 단계에서 스팀과 잔류 탄소간의 혼합이 잘 일어나게 된다. 압축에 의해 과량의 액체가 압축 장치내에 포집되며, 이를 배출시켜 처리조(16)에 회수한 후 처리한다. 압축시, 압축 장치(13)의 내벽과 압축된 폐기물간의 내압 접촉(pressure-tight contact)은 공기가 피드 호퍼로부터 플라즈마로(31)로 들어가지 못하도록 밀폐시키는 작용을 한다.
이어서, 압축된 폐기물은 100 내지 500℃로 유지된 긴 탈가스화 터널(21)을 통과하는데, 이동안 압축된 폐기물은 외부에 장착된 가열 자켓(22)의 가열 매질에 의해 가열되어 저온 열분해된다. 가열 매질은 가열 자켓(22)에 위치된 유입구(23)과 유출구(24)를 통해 유입 및 유출된다. 폐기물이 탈가스화 터널을 통해 플라즈마로(31)를 향해 서서히 진행함에 따라 폐기물에 남아있던 나머지 수분과 저온 휘발성 유기 화합물이 스팀 또는 가스로 가스화되어 빠져나가면서(탈가스화되면서) 폐기물이 소결되어 수축된 덩어리로 변형되고 질량도 감소된다. 따라서, 포트(29)쪽 폐기물은 압축 게이트(24)쪽 폐기물과 비교할 때 보다 수축된 상태이며, 이러한 수축은 탈가스화된 폐기물이 탈가스화 터널(21)내에서 부드럽게 미끄러지며 탈가스화 가스 또는 스팀도 플라즈마로(31)로 흘러들어갈 수 있게 된다. 이러한 탈가스화 과정을 통해 폐기물로부터 가스와 스팀이 조절된 양으로 발생되고 플라즈마로에 균일하게 수송되어 최대 가스화를 촉진할 뿐 아니라 폭발성 가스 혼합물의 대량 발생으로 인한 돌발적인 압력 증가를 방지할 수 있게 된다.
탈가스화된 폐기물의 고체 부분(유기분과 무기분을 포함함)과, H2, CO, H2O, CO2및 탄화수소 등의 탈가스화 가스는 탈가스화 터널(21)로부터 빠져나와, 이어서, 1,200℃ 이상의 온도로 유지된 플라즈마로(31)에 들어간다. 이때 폐기물 중의 유기분과 탈가스화 가스는 가스화되고 스팀 및 산소와 함께 연소되어 오프 가스로 배출되어 결국 H2와 CO로 이루어진 저급 또는 중급 연료가스로 되며, 폐기물 중의 무기분은 플라즈마로(31) 하부(32)에서 플라즈마 토치에 의해 가열되어 용융(또는 유리화)된 슬래그와 금속으로 된다. 생성된 슬래그와 금속은 플라즈마로 하부(32)에 있는 탭핑 포트(tapping port)(36)를 통해 주기적으로 제거된다.
탈가스화된 폐기물은 플라즈마로(31)에 대해 수평으로 주입되며, 폐기물이 주입되는 로상의 수직 위치는 폐기물 주입 속도와 가스 체류 시간에 따라 달라진다. 고체 폐기물 개별 조각이 플라즈마로 하부(32)에 떨어질 때 조각의 표면은 산소 결핍 조건하에 고온 열분해 또는 가스화되어 빠르게 탄화되는데, 이러한 순간적인 탄화는 그 조각과 그 다음 조각 간의 점착을 피하게 해준다. 주입된 폐기물은 결국 폐기물 주입 포트(29)에 축적되어 하부의 작은 조각들과 상부의 큰 조각들로 이루어진 헐거운 베드(loose bed)를 형성할 것이며, 이 베드의 상부는 필터로 작용하여 연료 가스 중의 먼지 잔류물을 줄일 수 있다. 주 반응 영역에서 형성된 가스 생성물은 폐기물 더미의 틈을 통해 상승하는데, 탈가스화 터널로부터 나온 탈가스화된 가스 및 스팀과도 잘 혼합되며, 포트(52) 또는 슬리이브(59)를 통해 접선 방향으로 유입되는 산소 또는 탄화수소 가스와도 잘 혼합된다. C-H-O의 열역학적 평형 관계에 따라 생성되는 연료 가스 조성은 달라지는데, 플라즈마로(31)의 내부 온도는 1,200℃를 초과하므로 주 생성 가스는 H2와 CO일 것이다.
용융조 영역에서 형성된 고온의 가스 생성물은 하강하는 폐기물 덩어리를 예열하고 가스화시키면서 폐기물 더미의 공간을 뚫고 상승하게 되며, 상승하는 오프 가스 생성물 중 미연소된 탄소와 무기 먼지 등의 미립자 잔류물은 플라즈마로 상부의 차단 배플(41)에 의해 차단된다. 또한 상승 오프 가스의 체류시간도 차단 배플(41)에 의해 조절된다. 오프 가스는 1,100 내지 1,200℃로 진정 영역(42)을 지나면서 충분한 가스 체류 시간을 보낸 후 로상부(top shaft)의 측면 출구(44)를 통해 나가며, 후속하는 급냉탑, 일련의 가스/고체 분리 및 가스 청소 시스템을 통해 처리될 수 있다.
본 발명에서 플라즈마로와 폐기물의 가열 및 흡열 반응에 사용될 열 에너지는 주로 플라즈마 토치(53)에 의해 제공되나, 이 외에도 산소를 접선방향으로 송풍함으로써 추가 열 에너지를 발생시킬 수 있다. 접선 방향의 가스 흐름을 만드는 한 방법으로는, 도 1에서 보듯이, 가스를 포트(52)를 통해 용융조 또는 주 가스화 영역을 향해 수평에 대한 하각 약 15° 내지 75°의 접선 방향으로 주입하는 방법이 있다. 이때 상승 오프 가스 중에 함유된 반응 가스, 탈가스화된 가스, 미연소 탄소 입자 및 미용융 무기 미립자가 산소 함유 가스의 소용돌이 흐름속으로 흡입되어 완전히 연소 또는 용융되며, 연소가능한 물질의 연소에 의해 방출되는 열은 폐기물에 전달되거나 용융에 사용된다. 이 방법은 긴 체류시간과, 폐기물 중의 잔류 탄소와 휘발성 유기 물질간의 효율적인 혼합으로 인해 플라즈마 토치에 필요한 에너지 필요량을 절약할 수 있다는 장점을 가진다.
접선 방향의 가스 흐름을 만드는 다른 방법으로는, 도 2에서 보듯이, 가스를 차단 배플(41)의 축으로 작동하는 중앙 튜브(58)를 통해 축방향으로 주입하고, 이 중앙 튜브(58)의 하부쪽 말단에 부착된 내화 슬리이브(59)를 통해 소용돌이를 발생시키는 것이다. 슬리이브는 플라즈마 토치의 전기 에너지 소비를 최소화하도록 고안될 수 있다.
한편, 플라즈마로에서 가열 용융되어 축적되는 슬래그와 금속은 하부의 탭핑 포트를 통해 주기적으로 제거되어 재활용될 수 있으며, 추가의 슬래그 안정화 공정을 거쳐 고부가가치의 슬래그를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에서는, 타이어와 플라스틱과 같이 고칼로리를 갖는 건조 폐기물로부터 더 많은 연료 가스(CO + H2) 생성물을 얻기 위해, 투이어 내의 포트(56) 또는 플라즈마로 중간부의 포트(52)를 통해 스팀을 추가로 주입할 수 있다.
플라즈마로에서 생성되는 슬래그 또는 오프 가스의 조성과 온도는 추가로 투입되는 산소, 탄화수소 및 스팀의 유량을 변화시킴으로써 조절할 수 있다. 생성 가스는 폭발성이므로 가능한 폭발 범위를 피하기 위해 오프 가스내 산소 농도를 측정하는 것이 매우 중요하다. 또한, NOx 배출 농도를 더 줄이기 위해 외부 선택 촉매 환원(SRC) 장치가 필요한 경우, 기존 소각 장치에 사용된 것 보다 훨씬 작은 SCR 장치로 가능하다. 또한 다이옥신 배출 농도를 줄이기 위해 플라즈마로의 측면 출구(44)를 통해 나가는 배출 가스를 1,100 내지 1,200℃에서 80 내지 200℃로 급냉시킴으로써 다이옥신의 재형성을 억제할 수 있다.
본 발명의 장치 및 방법은 탈가스화 터널의 통과를 통한 저온 열분해 단계를 사용함으로써 수증기와 휘발성 스팀의 발생을 조절할 수 있게 되어 폭발 위험이 줄어들고 압축 폐기물이 플라즈마로로 이송될 때 이송관을 막던 종래의 문제를 해결하며, 진정 영역을 지나게 함으로써 오프 가스의 온도와 체류 시간의 조절을 용이하게 하고, 산소를 함유하는 가스를 플라즈마로의 접선방향으로 주입함으로써 플라즈마 토치에 필요한 전기 에너지 필요량을 절약할 수 있다는 장점을 가진다. 또한, 탄화수소 가스를 플라즈마로의 접선방향으로 주입함으로써 그리고 오프 가스를 급냉시킴으로써 각각 NOx, 다이옥신 등의 오염물의 농도를 법적 배출 규제치 이하로 낮추고 플라즈마 토치를 플라즈마로 외부에 설치함으로써 플라즈마 토치 효율과 전극 수명을 증가시킨다.

Claims (10)

  1. (a) 혼합 폐기물의 압축 수단, (b) 압축된 혼합 폐기물의 탈가스화를 위한, 외부에 가열 매질 가스 자켓이 장착되어 100 내지 500℃의 온도로 유지되는 금속재 터널, 및 (c) (i) 하부에는, 용융된 무기물질의 용탕 또는 슬래그의 제거를 위한 하나 이상의 탭핑 포트를 갖추고 있고, (ii) 중간부에는 탈가스화된 폐기물의 주입을 위한 포트, 내화재로 라이닝된 하나 이상의 투이어(tuyere), 상기 투이어 상단에 장착된 비이송 플라즈마 토치 및 산소 함유 가스를 접선 방향으로 공급하기 위한 수단을 가지며, (iii) 상부에는 오프 가스의 체류 시간을 조절하는 수직 이동가능한 차단 배플, 상기 차단 배플의 이동을 위한 중앙 입구, 상기 중앙 입구를 밀폐시키는 매질 및 연료가스의 배출을 위한 측면 출구를 갖추고 있는 플라즈마로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 혼합 폐기물 처리 장치.
  2. 제 1 항에서 있어서,
    상기 산소 함유 가스를 접선방향으로 공급하기 위한 수단이 플라즈마로의 중간부에 위치한 포트 또는 차단 배플의 축으로 작동하는 중앙 튜브와 그의 하부쪽 말단에 연결된 슬리이브인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈가스화 터널이 플라즈마로 내경의 20 내지 40%의 직경을 가지며 압축 폐기물이 1 내지 3시간 동안 체류할 수 있도록 하는 범위의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 투이어에 액체 폐기물, 슬래그 플럭스(flux) 또는 기체 또는 고체 탄소성 물질을 공급하기 위한 하나 이상의 포트가 추가로 장착된 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 측면 출구에 다이옥신을 제거하여 연료 가스를 얻기 위한 급냉탑, 가스/고체 분리 및/또는 가스 세정 시스템이 추가로 연결된 것을 특징으로 하는 장치.
  6. (a) 혼합 폐기물을 압축하고, (b) 압축된 폐기물을 100 내지 500℃에서 저온 열분해시켜 탈가스화된 고체 폐기물과 탈가스화된 가스를 얻고, (c) 탈가스화된 폐기물 및 탈가스화된 가스를, 투이어 상단에 장착된 비이송 플라즈마 토치에 의해 가열되고 접선 방향으로 공급하는 수단을 통해 산소 함유 가스가 주입되는 플라즈마로의 중간부에 투입하여, 탈가스화된 가스와 탈가스화된 고체 폐기물 중의 유기분을 가스화시키면서 탈가스화된 고체 폐기물 중의 무기분을 고온 열분해 용융시켜 각각 연료 가스와 슬래그를 얻고, (d) 연료 가스는 플라즈마로의 상부의 차단 배플에 통과시킨 다음 측면 출구를 통해 배출시키면서, 슬래그는 플라즈마로 하부의 탭핑 포트를 통해 제거하는 것을 포함하는, 혼합 폐기물의 연속적 처리 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 산소 함유 가스가 상기 플라즈마로의 중간부에 위치하는 하나 이상의 포트를 통해 접선 방향으로 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 산소 함유 가스가 상기 플라즈마로의 상부에 위치하는 차단 배플의 중앙 튜브를 통해 공급되고 상기 중앙 튜브의 하부쪽 말단에 부착된 슬리이브를 통해 소용돌이로 발생되어 접선 방향으로 주입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    액체 폐기물, 슬래그 플럭스 또는 기체 또는 고체 탄소성 물질을 상기 플라즈마로의 투이어에 위치하는 하나 이상의 포트를 통해 공급하는 것을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 측면 출구를 통해 나가는 배출 가스를 다이옥신의 재형성을 억제하기 위해 1,100 내지 1,200℃에서 80 내지 200℃로 급냉시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100889398B1 (ko) * 2008-05-22 2009-03-19 한국기계연구원 초고온 용융방식 폐기물 가스화로
KR100967906B1 (ko) * 2009-12-24 2010-07-06 더블유비엠과학기술 주식회사 바이오매스 열분해 가스 발생 시스템 및 그 발생 방법
KR101332330B1 (ko) * 2009-09-02 2013-11-22 한국기초과학지원연구원 플라즈마를 이용한 오염 토양 복원장치 및 방법
GB2511756A (en) * 2013-03-11 2014-09-17 Envirofusion Ltd A Reactor for Processing Feed Material
CN110848703A (zh) * 2019-12-06 2020-02-28 航天环境工程有限公司 一种车载移动式危险废弃物等离子体高温气化熔融无害化处理装置和应用

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5637127A (en) * 1995-12-01 1997-06-10 Westinghouse Electric Corporation Plasma vitrification of waste materials
US5795285A (en) * 1995-12-01 1998-08-18 Mclaughlin; David Francis Conversion of contaminated sediments into useful products by plasma melting
KR100237258B1 (ko) * 1997-04-30 2000-01-15 박재형 플라즈마에 의한 폐기물 처리방법
KR100256401B1 (ko) * 1998-03-16 2000-05-15 윤명조 수소-산소 플라즈마토치를 이용한 폐기물의 자원화 공정 및 그 장치
KR100311904B1 (ko) * 1998-12-02 2002-06-20 박인복 가스증폭플라즈마고온열분해소각방법및그시스템

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100889398B1 (ko) * 2008-05-22 2009-03-19 한국기계연구원 초고온 용융방식 폐기물 가스화로
KR101332330B1 (ko) * 2009-09-02 2013-11-22 한국기초과학지원연구원 플라즈마를 이용한 오염 토양 복원장치 및 방법
KR100967906B1 (ko) * 2009-12-24 2010-07-06 더블유비엠과학기술 주식회사 바이오매스 열분해 가스 발생 시스템 및 그 발생 방법
GB2511756A (en) * 2013-03-11 2014-09-17 Envirofusion Ltd A Reactor for Processing Feed Material
CN110848703A (zh) * 2019-12-06 2020-02-28 航天环境工程有限公司 一种车载移动式危险废弃物等离子体高温气化熔融无害化处理装置和应用

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