KR20030019331A - 고체연료의 연소방법 및 장치 - Google Patents

고체연료의 연소방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체 연료의 연소에 의해 에너지를 변환시키는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 열에너지를 생산하기 위해 생물-유기화학 연료와 도시 고체 쓰레기를 연소시키면서 매우 낮은 양의 NOx, CO 및 비산 재(fly ash)를 배출시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 주 연소실 및 부 연소실내의 산소의 흐름은 적어도 하나 이상의 독립된 구역에서 각 연소실로 유입되는 새로운 공기의 흐름을 각각 조절하고, 연소실로 비정상적인 공기가 침입하지 못하도록 전체 연소실을 밀폐시킴으로써 엄격하게 조절된다. 주 연소실 및 부 연소실내의 온도는, 산소의 흐름을 조절하는 것에 더하여, 조절된 연도 가스의 양과 적어도 하나 이상의 독립된 구역에서 각 연소실로 유도되는 새로운 공기를 혼합함으로써 엄격하게 조절된다. 재순환된 연도(flue) 가스와 새로운 연소 가스는, 부 연소실로 들어가기 전에 주 연소실에서 연소되지 않은 고체 쓰레기 및 가스를 역 방향으로 공급함으로써 주 연소실내의 연소되지 않은 고체 쓰레기에서 여과된다.

Description

고체연료의 연소방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR COMBUSTION OF SOLID FUEL, ESPECIALLY SOLID WASTE}
산업화된 생활 방식으로 인해, 많은 양의 도시 고체 쓰레기와, 고무 타이어, 건축자재 등과 같은 다른 형태의 고체 쓰레기가 생산된다. 엄청난 양의 이러한 고체 쓰레기는 많은 고밀도 거주지역에서 중대한 오염문제로 커져 왔는데, 이는 단순히 그 지역에서 가능한 처분용량의 대부분을 차지해온 그 부피에 기인한 것이다. 더우기, 이러한 쓰레기는 생물학적으로 매우 느리게 분해되어지고, 종종 독성 물질을 포함하기 때문에, 저장 장소에 있어서 종종 강력한 제한조건이 있다.
도시 고체 쓰레기의 용적과 중량을 줄이고 많은 독성물질도 파괴할 수 있는매우 효과적인 하나의 방법은, 그것을 태워서 소각하는 것이다. 이는, 압축시키지 않은 쓰레기의 용적을 90%까지 줄여서, 쓰레기 매립지에 매립 될 수 있는 최종 재(bottom ash)라고 불리우는 불활성의 재, 유리, 금속 및 그 밖의 고체 물질로 남겨 놓을 수 있다. 만일, 연소공정이 주의 깊게 조절되면, 쓰레기의 연소될 수 있는 부분은 대부분 CO2, H2O 및 열로 변환될 것이다.
도시 쓰레기는 매우 다양한 연소특성을 가지는 많은 다른 물질들의 혼합이다. 따라서, 실제로 CO 등의 가스 부산물 및 비산 재라 불리우는 미세하게 분리된 미립자가 나오는 고체 쓰레기 소각에서는 항상 어느 정도의 불완전 연소는 있게 마련일 것이다. 비산 재는, 타다 남은 덩어리(cinders), 가루(dust) 및 검댕(soot)을 포함한다. 더우기, 소각로 내에서 온도를 주의 깊게 조절해서, 허용될 수 있는 정도의 쓰레기 연소도를 얻기에 충분히 높은 온도를 유지하되 NOx의 형성을 회피하기에 충분히 낮은 온도로 하는데는 어려움이 있다.
이러한 화합물이 대기에 노출되는 것을 피하기 위해, 현재의 소각로에는 섬유 백호스 필터(baghose filter), 산성가스 솔, 정전기적 침전기 등을 포함하는 대규모 배출조절장치가 설치되어야 한다. 이러한 배출조절장치로 인해, 공정에 커다란 부가적 비용이 들고, 결과적으로, 종래의 배출조절장치를 가진 쓰레기 소각로는 일반적으로 뜨거운 물이나 증기의 형태로 30∼300MW의 열에너지를 전달하는 용량으로 규모가 커진다. 그러한 커다란 플랜트는 매우 많은 양의 도시 쓰레기(또는, 다른 연료들)를 요구하며, 또한 종종 그 열에너지를 넓은 지역에 걸쳐 퍼져 있는 많은 고객에게 전달하기 위한 대규모 파이프라인을 포함한다. 따라서, 이러한 해법은 대도시 및 그 밖의 인구가 밀집된 넓은 지역에만 적합하다.
더 작은 플랜트에 대해서는, 투자비 및 배출조절장치의 작동비용으로 인해서, 현재까지 동일한 정도의 배출조절효과를 얻는 것이 불가능했다. 현재, 이는 30MW보다 작은 열에너지를 생산하고 더 작은 도시 및 거주지역에 채용될 수 있는 작은 쓰레기 소각플랜트에 대하여 더 많은 배출을 허용하는 결과를 가져왔다.
이는, 분명 환경적으로 만족스러운 해법이 아니다. 현대 사회의 인구와 에너지 소비의 계속적인 증가는, 환경에 대해 점증적인 오염 압력을 행사하고 있다. 고밀도 거주지역에서 가장 당면한 오염문제 중 하나는 대기오염이다. 자동차 등 교통수단의 광범위한 사용, 나무와 화석연료로 인한 난방, 산업화 등으로 인해, 고밀도 거주지역에서의 공기는, 검댕, PAH; NOx, SO2와 같은 산성 가스; CO, 다이옥신, 오존과 같은 독성 화합물 등 부분적 및 전체적으로 타지 않은 발암성 잔유물의 소립자에 의해 종종 국부적으로 오염된다. 최근, 사람들은 이러한 타입의 공기 오염이 이전에 생각했던 것보다 사람의 건강에 훨씬 더 큰 충격을 주며, 암, 자기면역 파괴 및 호흡기 질환을 포함하는 일반적인 각종 병의 원인이 된다는 것을 알게되었다. 인구 약 5십만의 오슬로시에 대한 최근의 통계는, 매년 400명이 나쁜 공기가 원인이 될 수 있는 병으로 인해 죽고 있으며, 예컨대 천식의 발병율이 인구가 희박한 지역보다는 고밀도 지역에서 훨씬 더 크다는 것을 보여주었다. 이러한 사실에 대한 결과로서, 전술한 화합물의 배출 허용치를 줄여야 한다는 요구가 계속 증가되어 왔다.
따라서, 완전 정화 능력에 있어서 더 커다란 소각로(>30MW)와 동일한 수준의 배출조절효과를 가지며, 열에너지의 가격을 증가시키지 않고, 더 작은 지역 및 거주지역에서 생산된 작은 쓰레기 용적에 대하여 작동될 수 있는 쓰레기 소각로가 있어야 할 필요성이 있다. 작은 플랜트의 전형적인 크기는 250kW 내지 5MW 범위에 있다.
대부분의 소각로는 2개의 연소실을 채용하는데, 습기가 배출되고 쓰레기가 점화되어 휘발되는 주 연소실과, 타지 않은 잔류 가스와 입자들이 산화되고, 악취가 제거되며, 배기시에 비산 재의 양을 줄이는 부 연소실이 그것이다. 주 연소실 및 부 연소실에 충분한 산소를 제공하기 위해서, 화로(火爐) 바로 밑에 있는 개구를 통해 공기가 자주 제공되고/되거나, 공기가 위로부터 통과되어, 타고 있는 쓰레기와 혼합된다. 공기 흐름이, 굴뚝 내에서의 자연 환기 및 기계적인 강제 환기 팬에 의해 유지되는 해법은 공지되어 있다.
연소영역에서 온도조건이 연소공정을 지배하는 주요소인 것은 잘 알려져 있다. 전체 연소영역에서, 충분히 높은 수준의 안정되고 균일한 온도를 얻는 것이 매우 중요하다. 만일, 온도가 너무 낮게 되면, 쓰레기의 연소는 느려질 것이고 불완전 연소의 정도는 높아져, 배기가스에서의 타지 않은 잔유물(CO, PAH, VOC, 검댕, 다이옥신 등)의 수준이 증가하게 될 것이다. 반면, 너무 높은 온도는 NOx의 양을 증가시킬 것이다. 따라서, 연소영역에서의 온도는 1200℃ 바로 밑에서 균일하고 안정되게 유지되어야 한다.
연소영역에서 공기 흐름을 잘 조절하기 위한 여러 시도에도 불구하고, 종래의 소각로는 여전히 매우 높은 수준의 비산 재와 다른 상기 오염물질을 생산하고 있어, 환경적 허용 수준에 도달하기 위해, 배출물은 여러 타입의 배출조절장치에 의해 대규모의 정화를 받아야 한다. 더욱이, 대부분의 통상의 소각로는, 연료를 향상시킴으로써 비산 재 등의 형성을 감소 시키기 위해서, 쓰레기 연료에 대한 고가의 전처리(pre-treatment)도 실시해야만 한다.
본 발명은 고체연료의 연소에 의해 에너지를 변환하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히, 생물-유기화학 연료 및 도시 고체 쓰레기의 소각에 의해 열에너지를 생산하되, 매우 낮은 수준의 NOx, CO 및 비산 재(fly ash)를 배출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명에 따른 소각 플랜트의 바람직한 일 실시예를 위로부터 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1에 도시된 소각 플랜트의 간략 구성도이다.
도 3은, 도 1에 도시된 소각로의 주 연소실의 확대도이다.
도 4는, 도 3의 A방향에서 바라본 주 연소실 하부의 측면 확대도이다.
도 5는, 도 3의 B방향에서 바라본 주 연소실 하부의 측면 확대도이다.
도 6은, 도 4에서 박스 C로 표시된 경사진 측벽의 단면 확대도이다. 단면도는 A방향에서 바라본 것이며, 공기와 연도(煙道) 가스에 대한 유입구의 확대도를 나타낸다.
도 7은, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 부 연소실의 측면도로서, 낮은 발열량(heat value)을 가지는 연료용으로 의도된 부 연소실에 대한 도면이다.
도 8은, 도 7에서 부 연소실의 내부 부품을 나타내는 분해도이다.
도 9는 부 연소실의 제2 실시예에 따른 측면도로서, 높은 발열량을 가지는 연료용으로 의도된 부 연소실에 대한 도면이다.
본 발명의 주 목적은, 배출구에서의 단지 적절한 배출조절장치의 사용을 통해, 30MW보다 큰 소각기에 대하여 유효한 배출 규제 이하에서 잘 작동하는 고체 쓰레기용 에너지 변환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 250kW 내지 5MW 범위의 작은 규모에 대하여 연속적인 공정으로 작동하며, 30MW를 넘는 커다란 소각로와 동일한 가격 수준에서 뜨거운 물 및/또는 증기의 형태로 열에너지를 생산할 수 있는 고체 쓰레기용 에너지 변환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 250kW 내지 5MW 범위의 작은 규모에 대하여 작동할 수 있으며, 물이 약 60%까지 차지하는 모든 종류의 고체 도시 쓰레기, 고무 쓰레기, 종이 쓰레기 등을 다룰 수 있고, 매우 간단하면서도 값싼 연료의 전처리를 통해 작동할 수 있는 고체 쓰레기용 에너지 변환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은, 이하에 기술된 내용과 첨부된 청구범위에 따른 에너지 변환 플랜트에 의해 달성된다.
본 발명의 목적은, 다음과 같은 원리에 따라 작동하는, 예컨대 고체 연료용 소각로 등의 에너지 변환기에 의해 달성될 수 있다.
1) 적어도 하나의 분리된 영역에서 연소실로 안내되는 새로운 공기의 흐름을 조절하고, 비정상적인 공기가 연소실로 침투하지 않도록 하기 위해 전체 연소실을 밀폐함으로써, 연소실에서 산소 유동의 우수한 조절 능력을 확보함.
2) 규제된 양의 재순환된 연도 가스를, 적어도 하나의 분리된 영역 각각에 있는 연소실로 인도되고 있는 새로운 공기와 혼합함으로써, 연소실에서 온도의 우수한 조절 능력을 확보함.
3) 가스를 제2 연소실에 들여보내기 전에, 타지 않은 고체 쓰레기와 역류하는 가스를 통과시킴으로써, 제1 연소실에서 타지 않은 고체 쓰레기에서 재순환된연도 가스와 새로운 연소가스를 모두 여과시킴.
연소실에서 연소율(combustion rate)과 온도 조건은 연소실 내의 산소 유동에 의해 크게 조절된다. 따라서, 우수한 주입률의 조절능력, 또는 모든 주입 지점에 대하여 연소실로 인도되는 새로운 공기의 유속에 대한 조절능력을 얻는 것이 매우 중요하다. 또한, 연소공정에서 국부적인 동요에 대응하기 위해 서로의 주입 지점을 독립적으로 규제할 수 있는 것이 장점이다. 비정상적인 공기가 연소공정에 조절되지 않은 영향을 미쳐, 보통 불완전한 연소가 되고 연도 가스에 오염물질이 증가하기 때문에, 연소실에 비정상적인 공기가 침투하는 것을 회피하는 것도 똑같이 중요하다. 종래에, 비정상적인 공기의 침투는 일반적이고도 심각한 문제였다. 본 발명에서는, 주변 대기(大氣)에 대하여 전체 연소실을 밀폐하고, 고체 쓰레기를 연소실 상부(上部)로 흘려보내고, 연소실의 바닥부로부터 최종 재(bottom ash)를 빼냄으로써, 비정상적인 공기의 조절문제를 해결한다.
통상적인 소각fh에서, 종종 발견되는 것은, 연도 가스에서 CO의 함유량이 낮을 때 NOx의 함유량은 높다는 것이며, 반대로 NOx의 함유량이 낮을 때 CO의 함유량은 높다는 것이다. 이는, 통상적인 소각로에서, 연소영역의 온도를 규제할 때 부딪히는 어려움이다. 전술한 바와 같이, 너무 낮은 연소 온도는 완전 연소도를 더 작게 하고 연도 가스에서의 CO 함유량을 크게 하는 반면, 너무 높은 연소 온도는 NOx의 생산을 유발하게 된다. 따라서, 온도가 단지 연소영역에 들어가는 산소(공기)의 양을 규제하는 것으로 조절될 때, 산소 유입구에 인접한 구역과 벌크(bulk) 연소영역 내의 구역 모두에서 적절하고 동시적인 온도 조절의 달성은 어려운 것으로 판명되었다. 즉, NOx 형성을 회피하기 위해 유입구에 인접한 구역에서 충분히 낮은 온도로 하고, CO 형성을 회피하기 위해 벌크 영역에서 충분히 높은 온도(즉, 연소율)로 하는 것은 어렵다. 종래기술에서, 벌크 구역의 온도가 적절하다면 유입 구역의 온도는 실제로 너무 높을 것이며, 유입 구역의 온도가 적절하다면 벌크 구역의 온도가 너무 낮게 된다. 이 문제는, 본 발명에 의해, 연소실에서 산소 응축을 감소시키는 냉각 유체 및 시너(thinner)로서 부분적으로 기능하는 재순환된 불활성 연도 가스를 혼합함으로써 해결된다. 따라서, 유입구 영역을 과열시키지 않은 상태에서, 충분히 높은 산소 공급율을 유지시켜서, 벌크 구역에 충분히 높은 온도를 유지하는 것이 가능하게 된다. 이는, 연소영역에서 재순환된 가스와 새로운 공기의 혼합이 빠른 총 연소율, 즉 연소영역을 과열시키는 위험 없이 커다란 소각 능력을 유지하는 것을 가능하게 하므로, 또 다른 이점이 된다.
소각로의 일반적인 문제중 하나는, 종종 연소실 내부의 공기 유동이, 비산 재 및 가루 등 많은 양의 입자를 반출 및 전달하기에 충분히 빠르다는 것이다. 이로 인해, 전술한 바와 같이, 전체 소각 플랜트 내의 가스 유동에서 비산 재 및 가루의 함유량이 허용될 수 없을 정도로 높은 상태가 초래되어, 대규모의 정화장치를 유출구에 설치할 필요성이 있게 된다. 비산 재에 따른 문제는, 제1 연소영역 내에서 연도 가스 및 타지 않은 연소 가스를 여과하고, 주 연소실 내에서 그들을 역류상태로 하여 적어도 일부가 타지 않은 고체 쓰레기를 통과시킴으로써 상당히 감소/제거될 수 있다. 이로 인해, 제1 연소실을 떠나는 가스에 반출되는 대부분의 비산 재와 다른 고체 입자가 제거되며, 또한 소각 플랜트의 모든 후속적인 연소실로부터 제거되고, 이에 따라, 배기 가스의 정화에 대한 필요성이 많이 절감/제거된다. 이는, 소각로로부터의 배출시에, 비산 재 및 다른 고체 입자에 관한 문제에 대하여 매우 효과적이고 값싼 해법을 제시한다.
또 다른 이점은, 대부분의 비산 재가 주 연소실에 남아있기 때문에, 플랜트가 고체 쓰레기의 전처리에 대한 엄격한 요구 없이도 작동될 수 있다는 것이다. 종래의 소각로는 비산 재를 덜 생산하기 위해, 종종 예컨대 소팅(sorting), 화학처리, 탄화수소 연료 첨가, 펠리타이징(pelletising) 등 쓰레기의 전처리 및/또는 업그레이딩을 사용했으므로, 수고가 많이 들어가는 문제가 있었다. 본 발명에 따른 소각로에 있어서, 모든 이러한 처리는 더 이상 불필요하다. 따라서, 고체 쓰레기의 처리가 매우 단순하고 경제적일 수 있다. 바람직한 방법은, 쓰레기를 폴리에틸렌(PE) 포일과 같은 플라스틱 포일 안에 싸여진 커다란 덩어리로 포장하거나 꾸러미로 만든는 것이다. 이에 따라, 다루기 쉽고, 연소실로 공급되기 쉬운 냄새 없는 덩어리가 제공된다.
이하에서, 본 발명의 실시예를 도시한 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도1 및 도2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 소각플랜트는, 주 연소실(1)과, 사이클론(미도시)을 구비한 부 연소실(30)과, 보일러(40)와, 연소가스의 재순환과 운반을 위한 파이프시스템과, 새로운 공기의 공급을 위한 파이프시스템과, 압축된 고체 쓰레기(80)의 운반과 투입을 위한 수단을 포함한다.
주 연소실
주 연소실(1)의 본체는 직사각형 단면을 가지는 수직축으로 형성된다 (도1~도3참조). 상기 축은 연료의 병목현상(jam)을 방지하기 위하여 아래방향으로 치수가 점차 증가하도록 형성된다. 상기 축의 상부는 고체 쓰레기의 덩어리(bale, 80)형태의 연료를 투입하기 위한 밀폐되고 방화(fireproof)되는 투입로 (sluice,2)를 구비하며, 제거가능한 해치(hatch,7)를 삽입함으로써 상기 축의 상부로부터 부재를 분리시킬수 있도록 형성된다. 따라서, 상기 부재는 측벽들과, 상부해치(6)와, 바닥해치(7)에 의해 한정되는 상부 투입실을 형성한다. 상기 투입실(5)은 재순환되는 연소가스를 위한 입구(3)와 출구(4)를 구비한다. 더우기, 연소실 내에서 예기치 않은 급격한 통제되지 않은 가스가 발생하거나 폭발하는 경우에 안전출구로서 기능하는 사이드해치(side hatch, 8)가 구비된다. 상기 입구(3)로 들어가는 재순환 연소가스는 배출파이프(50)으로부터 파이프 (51)에 의해 운반된다(도2참조). 상기 파이프(51)는 밸브(52)를 구비한다. 상기 출구(4)는 상기 가스를 합류점(junction, 66)으로 안내하는 우회파이프(54)에 연결되는데, 상기 합류점(66)에서 상기 재순환 연소가스는 주 연소실로 투입되기 위하여 새로운 공기와 혼합된다. 연료 투입실(5)의 작동은 아래와 같다. 먼저, 바닥해치 7)와 밸브(52,53)가 폐쇄된다. 그 후, 상부해치(6)이 개방되고, PE 호일(PE-foil)로 싸인 고체 쓰레기의 덩어리(80)가 상기 상부해치(6)의 개구(openning)를 통하여 하강된다. 상기 덩어리는 상기 투입실(5) 및 주 연소실(1)의 축보다 약간 작은 단면적을 가진다. 상기 덩어리(80)가 투입실(5)에 위치된 후에, 상부해치(6)가 폐쇄되고 밸브(52,53)는 개방된다(바닥해치(7)은 폐쇄상태). 그러면, 재순환 연소가스가 투입실의 빈공간으로 유입되어, 상기 연료 덩어리(80)를 투입하는 동안에 상기 투입실 내부로 들어온 새로운 공기를 환기시킨다. 끝으로, 바닥해치(7)가 개방되어 연료덩어리가 주 연소실(1)로 미끄러지고, 출구밸브(53)가 폐쇄됨으로써, 입구로 유입된 재순환 연소가스는 연소실의 내부로 아래방향으로 안내된다. 상기 바닥해치(7)는 계속 개구를 폐쇄하려하나, 상기 개구에는 쓰레기 덩어리의 존재를 감지하는 압력센서(미도시)가 구비되어 있어서 상기 바닥해치(7)는 개방된 상태로 유지된다. 따라서, 연료덩어리가 바닥해치(7)의 하면의 레벨로 미끄러진 때에, 상기 바닥해치(7)는 폐쇄되고 상기와 같은 투입과정이 반복된다. 상기와 같은 방식으로, 연료는 연소과정를 거의 방해하지 않고 비정상적인 공기가 거의 100% 통제된 상태로 깔끔하고 부드럽게 연소실의 내부로 투입되는데, 상기 연소실(1)은 항상 연속적인 연료 덩어리로 채워지기 때문이다. 이것은 통제되지 않은 가스의 폭발가능성을 최소한으로 줄인다. 그러나, 고체 쓰레기로 주 연소실의 내부가 막히는 것을 방지하기 위해서, 연료투입과정은 상기 주 연소실(1) 내부에서 고체연료의 일정량이 연소되어 충분한 간격이 형성될 때까지 지연된다. 그리고 나서, 고체 쓰레기의 다음 덩어리가 브리지(bridge)/ 클로깅(clogging)으로 떨어져서 그것을 개방한다. 이것은 플랜트의 완전가동 동안에 연소과정에 수용할 수 있는 영향을 주는 한도에서, 수행될 수 있는 매우 실용적인 해결책이다.
주 연소실(1)의 하부는 세로방향의 측벽(9)들을 서로 대향하게 경사시킴으로써 좁혀져서, 상기 연소실의 하부는 절단된 V자 형상으로 형성된다(도3 및 도4 참조). 길이방향으로 연장되고, 수평의 회전가능한 원통형상의 재배출구(ash sluice, 10)가, 상기 경사진 측벽들(9)의 평면에 의해 형성되는 접합선 (intersecting line) 위로 일정거리 이격되어, 상기 연소실(1)의 바닥부에 설치된다. 상기 원통형상의 재배출구(10)의 면위로 길이방향으로 연장된 삼각형부재 (12)가 각각 상기 경사진 측벽(9)에 부착된다. 상기 삼각형부재(12)와 원통형상의 재배출구(10)은 연소실(1)의 바닥부를 형성함으로써, 재 또는 다른 고체물질이 상기 연소실(1)로부터 떨어지거나 미끄러져 나오는 것을 방지한다. 따라서, 고체의 불가연 (incombustible) 잔류물질(최종 재(bottom ash))이 상기 삼각형부재(12) 및 재배출구(10)위의 영역을 채우게 된다. 원통형상의 재배출구(10)에는 그 원주면을 따라 배열된 다수(多數)의 홈(11, 도5 참조)이 형성된다. 상기 재배출실린더(10)가 회전하도록 설정되면, 상기 홈(11)이 연소실을 향할 때에는 최종 재로 채워지게 되고, 아래방향을 향할 때에는 비워지게 된다. 그리하여, 상기 최종 재는 배출되어 상기 재 배출실린더(10)의 아래쪽에 평행하게 위치된 진동트레이(13)로 떨어진다. 비정상적인 공기를 완벽하게 통제하기 위하여, 상기 재배출구 및 진동트레이(13)는, 주연소실(1)의 측벽의 하부에 부착되며 공기가 밀폐되는 덮개(14)로 싸이게 된다.
상기 재 배출구는, 자동적으로 그 회전을 조절하는 명령연산장치(미도시)를 구비한다. 열전쌍(thermocouple, 15)이 상기 재 배출실린더(10) 위쪽에 일정거리 이격되어 가로방향의 측벽에 부착된다. 상기 열전쌍(15)은 지속적으로 상기 연소실 (1)의 바닥에 쌓이는 최종 재의 온도를 측정하여 상기 측정된 온도를 재 배출실린더 (10)의 명령연산장치로 입력한다. 상기 재배출실린더(10)는, 상기 실린더(10)의 회전을 감지하기 위한 센서를 구비한 전기모터(미도시)로써 구동된다. 상기 재의 온도가 200 ℃로 냉각되면, 상기 명령연산장치는 모터를 작동시켜 상기 재 배출실린더 (10)를 최적의 방향으로 회전하도록 설정한다. 상기 냉각된 최종 재가 제거되고 보다 새로운 재로 대체되므로, 최종 재의 온도는 상기 재 배출실린더가 회전하는 동안에는 상승하게 된다. 상기 명령연산장치는 상기 재의 온도가 300 ℃에 도달한 때에, 회전을 중단시킨다. 상기 재 배출실린더(10)가, 예컨대 상기 재 배출실린더(10)와 삼각형부재(12)의 사이에 낀 바닥재의 고체 잔류물의 덩어리에 의해 회전이 멈추게 되면, 상기 명령연산장치는 상기 재 배출실린더(10)의 회전방향을 전환한다. 그러면, 상기 덩어리는, 상기 재 배출실린더(10)의 반대쪽에 위치한 다른 삼각형부재(12)와 접촉할 때까지 상기 재 배출실린더(10)의 회전을 따라 움직이게 된다. 상기 덩어리가 상기 다른쪽에도 끼게 되면, 상기 명령연산장치는 회전방향을 또 한번 전환시킨다. 이러한 재 배출실린더(10)의 교번(reciprocating) 회전은 필요하다면 계속 수행된다. 배출되기에는 너무 큰 대부분의 최종 재의 덩어리들은, 폐기물속에 있는 더 큰 금속물질의 잔류물질인데, 상기 덩어리들은 연소구역의 고온으로 인하여 부스러지기고 깨지기 쉽게 변하였다. 그리하여, 상기 재 배출실린더(10)의 교번 작동은 대배분 상기 덩어리들을 연소실의 밖으로 배출될 수 있는 더 작은 부분으로 부스러뜨리게 된다. 이러한 방식은, 예컨대 자동차 타이어를 연소시키는 경우에 강심(steel cord)을 취급하기 위한 효과적인 방법이다. 어떤 경우에는, 금속 잔류물이 너무 커서 상기 재 배출실린더(10)의 부스러뜨리는 동작에 저항하는 경우가 있다. 이러한 물질은, 연소실의 내부가 불가연 물질로 채워지는 것을 방지하기 위하여 일정한 간격으로 연소실로부터 제거되어야 한다. 그러므로, 상기 재 배출실린더(10)는, 연소실의 정상적인 작동을 방해하지 않고 상기 고체물질을 효과적으로 제거하기 위하여, 수동이나 명령연산장치에 의해 자동으로 하강될 수 있도록, 탄력적으로 설치되어야 한다. 상기 재 배출실린더(10)의 하강수단(미도시)은, 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 관습적인 타입이므로 상세한 설명은 생략한다. 상기 재 배출실린더(10)가 하강될 때에, 상기 재 배출실린더(10)를 하강 및 회전시키는 보조수단이 상기 밀폐덮개(14)의 내부에 설치되므로, 비정상적인 공기의 통제는 여전히 수행된다는 점에 주의하여야 한다. 그리하여, 상기 덮개(14)가 폐쇄되어 있는 한, 비정상적인 공기의 침투는 없게 된다. 연료 입구 및 재 배출구가 모두 주위의 대기로부터 밀폐되므로, 상기와 같은 방식으로 본 발명에 따른 에너지 변환 플랜트에서는 비정상적인 공기로 인한 문제점이 현실적으로 제거된다.
연소구역으로 유입되는 새로운 공기 및 재순환 연도 가스는, 경사진 길이방향으로 연장된 측벽(9)에 형성된 1개 이상의 입구(16)를 통하여 유입된다. 실시예에서는, 각각의 측벽에 1줄에 12개의 입구(16)가 형성된 8줄이 형성되었다(도5참조). 연도 가스는, 배출파이프(50)로부터 파이프(55)에 의해 운반되는데, 상기 파이프 (55)는, 부 연소실(30)로 공급하는 지관(branch,56)과 주연소실(1)로 공급하는 지관(57)으로 나누어진다(도2 참조). 새로운 공기는, 보일러(40)를 빠져나온 연도 가스로부터 열을 교환시키는 열교환기(71)에 의해 예열되어, 파이프(60)을 통해 운반되는데, 상기 파이프(60)는 부 연소실(30)로 공급하기 위한 지관(61)과 주 연소실(1)로 공급하기 위한 지관(62)으로 나누어진다. 상기 지관(56,61)은 합류점(65)에서 합류되고, 상기 지관(57,62)은 합류점(66)에서 합류된다. 더우기, 지관(56)은 밸브(58)를, 지관(57)은 밸브(59)를, 지관(61)은 밸브(63)를, 지관(62)은 밸브(64)를 구비한다. 상기와 같은 배치는, 상기 밸브(58,59,63,64)를 독립적으로 조절하고/통제함으로써, 연소실(1,30)로 공급되는 새로운 공기와 연도 가스의 양과 비율을 독립적으로 조절하는 것을 가능하게 한다. 예열된 새로운 공기와 연도가스는 합류점(65,66)에서 혼합된 후에, 상기 예열된 새로운 공기와 연도 가스는 파이프(69)를 통하여 부 연소실(30)의 입구와, 파이프(70)를 통하여 주 연소실(1)의 입구(16)로 각각 보내진다. 상기 파이프(69,70)는 상기 연소실로 투입하기 이전에 상기 가스혼합물을 가압하기 위한 팬(67,68)을 구비한다. 상기 팬(67,68)은, 상기 가스혼합물의 투입압력을 조절하거나/통제하기 위한 조절수단(미도시)을 구비하며, 서로 독립적으로 조절된다. 상기와 같은 방식으로, 연도 가스에 대한 새로운 공기의 비율은 0 ~ 100 %까지 쉽게 조절되며, 상기 연소실(1,30)으로 투입되는 가스혼합물의 양도 0 ~ 수천 Nm³/h 까지 쉽게 조절된다.
이하에서는 주 연소실(1)에 대해 설명한다. 전술한 바와 같이, 도5에 도시한 실시예에서는, 1줄에 12개의 입구(16)가 형성된 8줄을 구비한 경사진 길이방향으로 연장된 측벽(9)을 도시하였다. 도4 내지 도6에 도시한 바와 같이, 각각의 입구(16)는, 직경 32mm의 환형채널(17)과 직경 3mm의 동심의 랜스(lance,18)를 포함한다. 따라서, 상기 환형채널(17)의 단면적은 상기 랜스(18)의 단면적보다 약 100배 정도 크게 된다. 그리하여, 압력도 백단위로 떨어진다. 상기 환형채널(17)의 상대적으로 큰 단면적이 저유동 속도의 저압의 입구 유동을 형성하는 반면에, 좁은 랜스(18)는 고유동 속도의 고압 가스유동을 형성한다. 더우기, 각각의 줄에 위치한 모든 환형채널(17)은, 상기 경사진 길이방향으로 연장된 측벽(9)의 외부로 수평되게 형성된 1개의 길이방향으로 연장된 중공부재(hollow section, 20)의 내부로(경사진 측벽(9)을 통하여) 연결되어 그 내부로 연장된다. 각각의 환형채널은, 방화 라이닝(fire resisting lining)의 내부의 원형의 공간과 상기 공간의 중앙으로 돌출되는 랜스(18)에 의해 형성된다. 그리하여, 상기 1개의 중공부재(20)로 공급되는 가스는, 1개의 줄에 형성된 환형채널(17)을 통하여 흐르게된다. 또한, 각 측벽(9)에 형성된 2개의 줄(중공부재(20))은 서로 연결되어, 각각의 2중의 줄은 1개의 조절구역을 형성한다. 또한, 상기 각 조절구역에는, 가스유동과 각각의 구역의 중공부재(20) 내부의 압력을 조절하거나/통제하기 위한 조절수단(미도시)이 구비된다. 각 줄의 상기 랜스(18)는, 상기 환형채널(17)과 같은 방식으로 상기 중공부재(20)의 외부에 위치한 중공부재(19)에 연결되어 그 내부로 연장된다(상기 랜스는 중공부재(20)를 관통한다). 또한, 상기 랜스(18)는, 각각의 측벽(9)에 형성된 2개의 이웃하는 줄로써 형성되는 4개의 조절구역을 형성하도록 배열된다. 또한 상기 랜스의 각 조절구역은, 가스 유동과 각 구역의 2개의 중공부재(19)의 내부의 압력을 조절하고 통제하기 위한 수단(미도시)을 구비한다. 환형채널(17)과 랜스(lance)(18)를 통하여 주 연소실(1)로 들어가는 가스의 비율은 각 조절구역을 향하는 랜스(18)를 통하여 0~100%의 임의의 비율로 독립적으로 조절될 수 있다. 이러한 배열은 4개의 독립된 구역(가스흐름의 조절은 도 3에 도시된 A 방향으로 수직방향의 중앙평면 위에서 대칭이다)에서 주연소실로 들어가는 가스의 유동을 임의의 유속으로, 또한 가스혼합비율을 100% 순수공기로부터 100% 연도 가스(flue gas)로 임의로 자유롭게 조절할 수 있는 상황을 제공한다. 예를 들면, 소각로를 가동시킬 때, 제어되는 안정된 연소구역을 가능한 빨리 얻어야 한다. 이것은 최대의 로의 효능을 얻도록 고체 쓰레기에 상대적으로 격렬한 가스흐름을 얻기 위해 랜스(18)를 통하여 유도되는, 거의 순수한 공기로 이루어진 가스혼합물을 사용함으로써 달성될 수 있다. 연소과정의 초기에는, 필요한 열에너지는 통상의 오일 또는 측벽(23)의 열전쌍(thermocouple)의 위쪽에 거리를 두고 위치하는 가스버너(22)에 의해 공급된다(도 4 참조). 버너(22)는 단지 초기에만 사용되고, 플랜트의 통상의 작동 하에서는 작동되지 않는다. 이것은 가스를 환형관으로 주입하고, 가스유동속도를 줄이기 위해 가스를 연소가스와 혼합하고, 가스 내의 산소성분을 희석화함으로써 달성될 수 있다. 연소실로 흘러드는 연료와 연소실 밖으로 나오는 재의 특성들과 더불어이러한 특성들은 전 연소구역에서 산소유동을 탁월하게 제어할 수 있도록 하며, 비정상적인 공기(false air)의 문제점을 사실상 제거한다. 또한, 새로운 공기에 연도 가스를 혼합하는 특징은 연소영역의 어떤 부품의 과열을 피하면서 높은 소각능력과 상대적으로 높은 벌크구역(bulk zone) 온도로 소각플랜트를 가동시킬 수 있는 조건을 제공한다. 따라서, 종래의 소각로에 비해서 CO와 NOx의 방출정도를 낮게 하면서 높은 능력으로 소각플랜트를 가동시키는 게 가능하다. 본 발명의 또 다른 이점은 소각플랜트의 능력이 연도 가스와 새로운 공기의 총량을 조절하고, 각 조절구역을 통하여 연소실(1)로 주입되는 가스의 상대적 양을 조절함으로써 에너지 요구량의 변화에 따라 신속하고도 쉽게 조절될 수 있다는 점이다. 이러한 방식으로, 연소구역의 "크기"를 조절하여 에너지 생산량을 조절함으로써 연소구역에서 최적온도 조건을 유지하는 게 가능하다.
주 연소실은 적어도 하나, 보통 최소한 2개의 가스출구를 구비하고 있다. 제1 출구(24)는 측벽(23)의 수직방향의 중앙선 상에 가스버너(22) 위로 떨어져서 위치하고, 제2 출구(25)는 동일 측벽(23)에 상대적으로 큰 거리를 두고 제1 출구(24) 위에 위치한다(도 3 또는 도 4). 제1 출구(4)는 작은 유속으로 주 연소실(1)로부터 연소가스를 끌어내기 위하여 상대적으로 큰 지름을 가진다. 작은 유속은 연소가스에 혼입된 비산재(fly ash)의 감소에 중요하게 기여한다. 또한, 비산재는 연소구역과 출구(24) 사이에 놓여있는 고체 쓰레기를 통과하는 동안에 연소가스로부터 여과된다. 이러한 효과들은, 출구(24)가 연소실의 상대적으로 낮은 곳에 위치하여 고체 쓰레기의 상대적으로 적은 양을 통과하여 여과되더라도, 플랜트가 낮은 발열량의 고체 쓰레기로 가득차 있을 때, 주 연소실을 떠나는 연소가스 내의 비산재의 양을 만족할만한 수준으로 줄이기에 충분하다. 낮은 발열량을 가진 쓰레기가 소각되는 동안에 저위 출구(24)가 사용될 때, 상기 고위 가스출구(25)는 닫힌다. 상기 출구(24)는 부 연소실(30)의 입구(31)에 연소가스를 유도하는 관(26)에 연결된다. 이 경우, 주연소구역을 떠나는 연소가스의 온도는 700~800℃로 유지되어야 한다. 이 온도는 출구(24)에서 측정되고, 주 연소실(1)에서의 가스유동을 조절하는 명령논리회로(미도시)에 입력된다.
높은 발열량을 가진 소각폐기물의 경우, 주 연소실에서 휠씬 많은 가스가 생산되어, 결과적으로 휠씬 큰 연소가스의 유동속도를 야기한다. 이것은 연소가스 내에 혼입된 비산재의 여과능력에 대한 필요성을 증가시킨다. 이 경우, 출구(24)는 댐퍼(미도시)를 삽입하여 막히고, 연소가스를 주 연소실(1)의 주요 부품을 관통하여 위쪽으로 흐르도록 강제하여, 연소실 내에서 고체 쓰레기의 휠씬 더 많은 부분에서 연소가스를 여과하도록 상부 출구(25)는 개방된다. 상기 출구(25)는 연소가스를 관(26)으로 유도하는 관(27)에 연결된다. 그러나, 고체 쓰레기의 많은 부분에서의 늘어난 여과작용 때문에, 연소가스는 고체 쓰레기에 의해 더 큰 냉각작용을 받는다. 따라서, 가스가 부 연소실(30)에 들어가기 전에 관(27) 내에서 유동하는 연소가스를 점화하는 게 필요할 수 있다. 이것은 출구(24)를 밀봉하는 댐퍼가 작은구멍을 구비하게 함으로써 쉽게 행할 수 있다. 그러면, 불길이 주 연소실(1)로부터 관(26) 쪽으로 튀어나와 연소가스가 부 연소실(30)의 입구(31) 쪽으로 지날 때 연소가스를 점화한다.
상기에서 언급한 것처럼, 주 연소실(1) 내의 연소구역으로부터의 고온의 연소가스는 연소되지 않은 고체 쓰레기를 관통하여 주 연소실 밖으로 나간다. 그 다음, 연소가스는 고체 쓰레기에 열을 전달하여 예열한다. 예열의 정도는 연소구역에 인접한 쓰레기의 고온영역으로부터 연소실에서 멀리 떨어진 쓰레기의 저온영역까지 다양하다. 따라서, 주 연소실에서의 소각과정은 연소 및 열분해와 기화작용의 혼합이다.
재 배출실린더(sluice sylinder)(10)는 예외로 하고, 주 연소실(1)의 내벽은 약 10cm 의 내열 및 내진 재료로 덮혀있다. 82~84% Al2O3, 10~12% SiO2및 1~2% Fe2O3의 성분을 가지는 BorgCast 85라는 이름으로 판매되는 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
비록 본 발명이 상위 입구(16)와 똑같은 높이에 배치된 하위 출구(24)를 가지는 실시예의 일예로서 설명되고 있지만, 본 발명은 다른 지름을 가지고, 다른 높이에 위치하고, 동시에 하나 이상의 출구를 사용하는 출구가 있는 소각장치에 의해 실현될 수 있다. 예를 들면 자동차 타이어처럼 매우 높은 발열량을 가진 연료의 경우, 플랜트 안의 가스유동은 매우 높아서, 부 연소실(30)은 주 연소실을 떠나는 가스의 연소를 완전하게 할 만큼 필요한 능력을 가지지 못하는 경우가 생각될 수 있다. 이 경우, 플랜트는 수평으로 나란히 부착되고, 주 연소실은 나란히 위치한 2개의 출구(24)를 가지며, 상기 출구(24)는 작은 구멍을 각각 가지는 댐퍼로 막혀 있고, 연소가스는 부 연소실(30)로 향하는 관(26)으로 분기된 출구(25)를 통하여 빼내지는 2개의 부 연소실을 가지고 구동될 수 있다.
제2 연소실
낮은 발열량을 가지는 소각용 연료의 경우, 도 7 및 도 8에 도시된 부 연소실(30)을 사용하는 게 바람직하다. 본 실시예에서 부 연소실(30)은 주 연소실(1)의 출구(24)로부터 연소가스를 유도하는 관(26)과 함께 일체형으로 형성되어 있다. 관(26)의 내부는 내열재(28)로 라이닝(lining)되어 있다. 상기 라이닝은 대략 10cm의 두께를 가지며, 35~39% Al2O3, 35~39% SiO2및 6~8% Fe2O3로 구성되어 있다. 부 연소실로 들어가는 연소가스를 위한 입구는 도 7의 플랜지(33)에 의해 구분되고, 관(26)의 다른 쪽은 주 연소실의 출구(24)에 있는 플랜지(29A)와 동일한 치수를 가지는 플랜지(29)를 구비하고 있다(도 3 참조). 따라서, 관(26)과 부 연소실은 플랜지(29A)에 플랜지(29)를 나사 체결함으로써 주 연소실(1)에 부착된다.
또한, 부 연소실은 새로운 공기와 재순환된 연도 가스의 가압된 혼합물을 위한 입구(31)를 구비하고 있다. 낮은 발열량을 가진 연료를 위한 본 실시예는 4개의 입구(31)를 가지고 있다(도 7 참조). 이러한 입구 각각은 가스유동, 압력 및 새로운공기/연도가스의 비율을 주 연소실(1)의 가스입구(16)의 각 조절구역과 동일한 방법으로 조절하기 위한 수단(미도시)를 구비하고 있다. 부 연소실(30)은 테이퍼지거나 연소가스를 위한 입구쪽으로 좁아지는 원통형 연소케이싱(casing)(32)으로 구성되어 있다. 따라서, 연소실은 연소가스를 지연시켜서 연소실에서 혼합 및 연소시간을 늘이도록 연장된다. 연소케이싱(32) 내에는 연소케이싱(32)에 맞추어진, 다만 연소케이싱(32)의 내경보다는 다소 작은 지름을 가지는 관통된 제2 원통형 몸체부(34)(도 8 참조)가 위치한다. 원통형 몸체부는 케이싱(32)의 내경과 정확히 똑같은 외경을 가지면서 연소케이싱(32) 내에 맞추어지고, 외부로 돌출하는 플랜지(35)를 구비한다. 따라서, 플랜지(35)는 연소케이싱(32)과 관통된 원통형 몸체부(34)에 의해 구획되는 환형공간을 환형관으로 나누는 분할벽을 형성한다. 이 경우, 환형공간을 4개의 연소실로, 그 중 하나는 각 가스입구(31)를 위한 것으로 나누는 3개의 분할 플랜지(35)가 있다. 따라서, 입구(31)를 통하여 보내지는 새로운 공기 및 연도 가스의 가압된 혼합물은 분할플랜지(35), 연소케이싱(32) 및 관통된 원통형 몸체부(34)에 의해 구획된 환형공간으로 들어가며, 고온의 연소가스와 혼합되는 원통형몸체부(34)의 내부(도면에는 라이닝이 도시되지 않음)를 덮는 라이닝을 통과하도록 가스를 유도하는 관(37) 쪽으로 구멍(36)를 통하여 흐른다.
이러한 방식으로, 별도로 조절되는 4개의 구역에서 연소가스와 가스혼합물을 함유하는 산소의 균일하고도 잘 분배된 혼합이 이루어진다. 이것은 부 연소실 내에서의 연소와 온도조건에 대한 탁월한 제어를 제공해준다. 연소실 내에서의 온도는 대략1050℃로 유지되어야 한다. NOx의 형성을 방지하기 위하여 더 높은 온도는 피하는 게 중요하다.
연소과정을 용이하게 하고 완전하게 하기 위하여, 가스를 함유하는 산소와 연소가스의 혼합을 제공하기 위하여 가스 사이클론(cyclone)이 부 연소실의 출구에 있는 플랜지(38)에 부착된다. 사이클론은 또한 가스유동에 혼입된 고체입자와 비산재의 양을 줄이는 데 기여한다. 통상의 사이클론의 형태는 당업자에게 잘 알려져있어 더 이상의 기술은 불필요하다.
높은 발열량을 가진 소각용 연료의 경우, 도 9에 도시된 것과 같은 부 연소실의 제2 실시예를 사용하는 게 바람직하다. 이 경우, 연소가스는 출구(25)에 의해 주 연소실로부터 나와서 닫힌 출구(24)의 외측의 관(26)으로 관(27)에 의해 운송된다. 출구(24)는 하부에 작은 구멍을 구비한 댐퍼(39)에 의해 막히는 데, 상기 작은 구멍으로부터 불길(39A)이 관(26)으로 돌출된다. 부 연소실(30)은 관(26)에 부착되고, 이 경우에서는 관(26) 쪽으로 테이퍼진 원통형 연소케이싱(32)으로 구성된다. 이 경우, 내부에 원통형 몸체부가 없는 데, 대신에 입구(31)는 연소케이싱(32)의 내부를 가로지르는 관통된 실린더로 구성된다. 도 8로부터, 본 실시예에서는 5개의 입구(31)가 있는 데, 하나는 관(26)에 위치하면서 가스혼합물이 불길(39A)에 의해 점화되기 전에 파이프(69)로부터 공급된 가스혼합물을 함유하는 산소를 가지면서관(27)으로부터 들어오는 연소가스를 공급한다. 그 다음, 가스는 일렬되게 위쪽으로 정렬되어 있으면서, 가스혼합물을 함유하는 산소의 추가적인 공급을 받아들이는 4개의 입구(31)를 통과한다. 제1 실시예와 함께, 본 실시예는 가스혼합물 성분과 각 입구(31)를 위한 압력을 별도로 조절하기 위한 수단(미도시)를 제공한다. 또한, 본 실시예에서는 연소실의 출구에 가스 사이클론이 부착되어 있으나, 가스유속이 충분히 높아서 부 연소실 내에서 연소가스와 공급된 가스 혼합물의 충분한 혼합을 제공할 수 있다. 또한, 본실시예에서 연소 구역에서의 온도는 대략 1050℃로 유지되어야 한다.
제2 연소구역의 조절은 모든 입구구역(31)을 조절하는 명령논리부(미도시)에 의해 행해진다. 상기 명령논리부에는 온도, 산소함량 및 가스사이클론을 떠나는 가스의 총량에 관한 정보가 끊임없이 입력되고, 송관가스의 온도를 1050℃로, 산소함량을 6%로 조절하기 위하여 정보를 사용한다.
보조설비
연소가스는 가스 사이클론 속에 체류하는 동안 뜨거운 연료 가스가 된다. 그 열 에너지를 다른 열 운송수단으로 전달하기 위하여, 상기 연료가스는 상기 가스 사이클론으로부터 보일러(40)로 보내진다(도 2 참조). 그 후, 상기 연료가스는 배기가스로 배출되기 전에 연료가스 내의 비산재(fly ash)나 다른 오염물질들의 추가적인 환원을 위해서 가스 필터(43)로 운반된다. 상기 보일러(40)와 가스 필터는 연소실의 작동 중에 상기 보일러 및/또는 필터를 차단하게 할 수 있도록 상기 연소가스용 바이패스(by-pass) 파이프들을 구비하고 있다. 상기 플랜트를 통과하는 가스 흐름은, 양 연소실 입구를 가압하는 팬(fan)과 상기 배출파이프(50)에 위치한 팬(47)에 의해서 조절된다. 후자의 팬(47)은 가스 압력을 낮추는 약간의 흡인력을 제공함으로써 상기 플랜트를 지나는 통풍 흐름을 좋게 한다. 이러한 보조설비의 모든 구성요소들은 통상의 것으로 당업자에게 잘 알려져 있으므로, 더 상세한 설명은 필요로 하지 않는다.
[실시예 1]
본 발명의 바람직한 실시예는, 노르웨이에서 등급 C로 분류되는 일반적인 도시 쓰레기(municipal waste)를 소각한 실시예를 제공함으로써 더 자세히 설명될 것이다. 상기 쓰레기는 저(低)발열량을 가지는 연료로 간주된다. 따라서, 상기 실시예는 상기 주 연소실의 가스출구(24)에 채용 및 부착되는 부 연소실에 대한 첫번째 바람직한 실시예가 된다. 상기 상부 가스출구(25)는 닫혀있다.
상기 도시 쓰레기는 대략 1㎥ 부피의 큰 덩어리(bale)로 압축되고 PE-호일로 포장되어, 상기 주 연소실이 언제라도 고체 쓰레기로 채워질 수 있을 만큼의 빈도로 투입실(sluice;5)을 통하여 주 연소실 상단부로 운반된다. 이것은 종래의 소각로에 요구되는 전 처리(pre-treatments)에 비하여 가격 면에서 더 효율적이며 매우 단순한 쓰레기 전 처리방법이다. 상기 소각과정이 안정적인 연소영역 내에서 진행될 때, 주 연소실로 인도되는 가스 혼합물이 입구(16)의 환형 채널(17)을 통하여 삽입될 것이고, 상기 가스 혼합물 내의 산소함량은 약 10%로 유지될 것이다. 이정도의 산소 농도는 상기 연소영역 내에서 산소 부족을 초래할 것이다. 주 연소실에 남겨진 연소가스의 온도는 700~800℃ 범위로 유지되고, 주 연소실 내부의 가스 압력은 주위의 대기압 이하인 약 80Pa로 유지된다. 입구(31)를 통하여 부 연소실(30)로 인도되는 가스 혼합물 내의 산소 함량은, 총 가스 유량이 약 2600 N㎥/MWh, 약 1050℃의 온도 및 약 6%의 산소 함량을 가지도록 조절된다. 상기 부 연소실 내의 압력은 주 연소실 압력 이하인 약 30Pa로 유지된다. 다이옥신과 퓨란(furane) 배출을 극도로 낮은 수준으로 유지하기 위하여, 상기 보일러(40)에 남겨져 필터(43)로 들어간 후, 즉시 상기 연료가스에 흡착제를 첨가할 수도 있다. 이러한 특징들은 상술한 설명에서 도시하거나 설명하지 않았는데, 왜냐하면 이를 수행하기 위한 방법 및 수단 역시 통상의 것으로서 당업자에게 잘 알려져 있기 때문이다. 바람직한 흡착제는 80%의 석회와 20%의 활성카본의 혼합물로서, 약 3.5kg/연료ton의 양으로 공급된다.
상술한 파라미터들과 관련하여, 상기 소각 플랜트는 노르웨이의 분류 및 검사 회사인 데트 노르스크 베리타스에 의해서 검사되었다. 에너지 생성량은 약 2.3 MW이었다. 상기 플랜트에 남겨진 연료가스 내의 비산재 및 다른 오염물질의 함량을 측정하여 각 성분에 대한 공인 배출제한량(official emission limit)과 함께 표 1에 나타내었다. 상기 공인 배출제한량은, 현재의 소각 플랜트에 대한 허용 제한량과 1999년 6월 1일자로 발행된 "쓰레기 소각에 관한 통제지침용 제안서 초안"인 EU 초안서에서 제시된 미래의 허용 제한량으로 되어 있다.
표 1을 보아 알 수 있듯이, 본 발명의 바람직한 실시예는, 현재의 소각로에 대한 공인 배출허용량보다 적어도 10배의 비율 이하의 배출량을 가진다. 매우 엄격하게 고려된 미래의 EU 제한량에 대해서도, 상기 제한량보다 약간 낮은 값을 가지는 NOx를 제외하고, 대부분 문제가 없음을 알 수 있다. 다른 모든 파라미터들 역시, 상기 미래의 제한량보다 훨씬 낮은 값을 가진다.
노르웨이 등급 C의 도시 쓰레기를 소각한 때의 측정된 방출량. 상기 방출량은 현재의 공인 배출제한량 및 EU의 미래의 공인 배출제한량과 비교한 것임. ng/N㎥ v/11% O2의 단위를 가지는 다이옥신과 퓨란을 제외하고, 모든 단위는 mg/N㎥v/11% O2의 단위임.
상기 플랜트는, 가스 사이클론에 남아 있는 연료 가스 내의 NOx농도를 산소 농도, 온도 및 유속과 함께 측정하여, 부 연소실(30)의 입구(31)를 조절하는 명령논리부로 보낼 수 있도록 개량되어 왔다. 상기 명령논리부는 산소 농도를 4~8% 범위 내에서 변화시킬 수 있다. 그 외의 모든 파라미터들은 고정된 값으로 남아있다. 이러한 개량에 의해서 시험운전한 결과, 상기 NOx배출량은 대개 약 100 mg/N㎥ v/11% O2의 값은 가지지만, 50 mg/N㎥ v/11% O2이하의 값에 도달하지는 못하였다. 표 1에 나타난 다른 오염물질들은 이러한 개량에 의하여 영향을 받지 않았다.
만약 흡착제 처리를 하지 않고 연료가스가 방출된다면, 다이옥신과 퓨란 배출량은 0.15~0.16 ng/N㎥ v/11% O2의 수준이 될 것이며, 이는 현재의 배출제한량 이하의 값이 된다. 따라서, 본 발명은 상기의 특징이 없이도 현재의 플랜트에 채용될 수 있다.
[실시예 2]
상술한 본 발명의 바람직한 실시예를, 도시 쓰레기에서 나오는 통상의 재(ash)와 달리 그 재가 분리 처리되어야만 하는 독성물질(toxic)이나 어떤 다른 종류의 특별한 쓰레기를 다루기에 적합하도록 하기 위해서, 부 연소실(30)을 나오는 연료가스 흐름 내에 열 분해실이 포함되도록 하였다. 상기 연료가스는, 대부분의 유기화합물 및 많은 비(非) 유기화합물을 분해할 수 있을 정도의 충분히 높은 온도인 1000~1200℃의 온도를 가진다. 상기 열 분해실과 열 분해실을 포함하는 연료 가스파이프(41)의 구성은 통상의 것으로서 당업자에게 널리 알려져 있으므로, 더 자세한 설명을 필요로 하지 않는다.
별도의 열 분해실은 대량의 쓰레기 흐름으로부터 특정의 쓰레기를 가려내고 그것을 열 분해실 내에서 분해하는 것을 가능하게 하므로, 상기 특정의 쓰레기에서 생성되는 재를 상기 쓰레기에서 생성되는 대부분의 재로부터 분리할 수 있도록 하며, 따라서 전체 재의 부피가 특정의 쓰레기와 함께 다루어지지 않도록 할 수 있다. 이는 상기 특정의 쓰레기가 독성물질인 경우나, 애완동물을 소각할 경우 또는 그 재의 출처가 조사될 필요가 있는 다른 응용분야의 경우 등에 유용하다.
상기 열 분해실로부터 배출되는 증기와 가스는 그 후, 상기 주 연소실로 인도되어 연소가스의 주된 흐름으로 들어갈 수 있다.
본 발명은 고체연료의 연소에 의해 에너지를 변환하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로 유기화학 연료 및 도시 고체 쓰레기를 소각하면서 매우 낮은 수준의 NOx, CO 및 비산 재 를 배출할 수 있는 소각로 등에 이용될 수 있다.

Claims (18)

  1. 고체 쓰레기를 소각하는 주 연소실과 상기 주 연소실에서 나온 연소가스를 연소시킴으로써 연소과정을 종료시키는 적어도 하나 이상의 부 연소실을 포함하는 소각로에서 소각에 의해 에너지를 함유한 고체 쓰레기를 다른 에너지 함유체로 변환시키는 방법에 있어서,
    적어도 하나 이상의 개별 조절구역에서 각 연소실로 공급되는 새로운 공기의 흐름을 개별적으로 조절하고, 각 연소실로 비정상적인 공기가 침입하는 것을 방지하기 위하여 주위의 대기로 부터 전체 연소실들을 밀폐시킴으로써 상기 주 연소실과 적어도 하나 이상의 부 연소실에서의 산소 흐름을 엄격히 조절하고,
    산소 흐름의 조절에 더하여 적어도 하나 이상의 각각의 개별 조절구역에서 재순환된 연도(Flue) 가스의 조절된 양과 새로운 공기를 혼합함으로써 주 연소실과 적어도 하나 이상의 부 연소실의 온도를 엄격히 관리하며,
    상기 주 연소실내의 연소구역을 떠나는 가스가 상기 주 연소실을 빠져 나가기 전에 주 연소실내 고체 쓰레기 내용물의 적어도 한 부분을 통과하도록 하는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 연소실을 주 연소실(1)과 부 연소실(30)로 구성하고 상기 산소의 양과 재순환된 연도 가스의 혼합정도의 조절을 적어도 둘 이상의 독립된 입구(16 또는 31)나, 주 연소실(1)의 입구(16)와 부 연소실(30)의 입구(31)의적어도 둘 이상의 독립된 그룹에서 행하는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 산소의 양과 재순환된 연도 가스의 혼합정도의 조절을 주 연소실(1)의 입구(16)와 부 연소실(30)의 입구(31)의 독립된 네 그룹에서 행하는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 주 연소실에는 도시 고체 쓰레기를 연료로 공급하되 상기 도시 고체 쓰레기는 냄새가 없는 덩어리로 만들기 위해 압축한뒤 플라스틱 포일로 싸서 공급하는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주 연소실에는 가공되지 않은 도시 고체 쓰레기를 연료로 공급하는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 방법.
  6. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 주 연소실(1)내의 안정 연소 구역은 연소가 낮은 발열량에 의해 약화 될 때 달성되고, 주 연소실(1)로 공급되는 새로운 공기와 재순환된 연도 가스의 양과 혼합은 평균 산소 농도가 혼합된 흡입가스의 10vol%가 되도록 하고, 주 연소실을 떠나는 연소가스의 온도 범위가 700°C 에서 800°C 가 되도록 조절하며, 부 연소실(30)로 공급되는 새로운 공기와 재순환된 연도 가스의 양과 혼합은 평균 산소 과잉율 6 vol%, 온도 1050°C가 되도록 하며 부 연소실을 떠나는 연도가스의 총 가스유동은 약 2600Nm³/MWh 인 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 부 연소실(30)을 떠나는 연도 가스내의 NOx 농도가 조정되고, 상기 부 연소실(30)로 공급되는 새로운 공기와 재순환된 연도 가스의 양과 혼합이, 상기 연도 가스내의 NOx양을 최소화 할 목적으로 상기 제5항에 기재된 온도와 총 가스 흐름을 유지하면서,상기 부 연소실을 떠나는 연도 가스내의 평균 산소 과잉이 4 에서 8 vol% 까지 변화 될 수 있도록 부가적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 방법.
  8. 제 2항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 부 연소실(30)에는 연소가스와 재순환된 연도가스와 새로운 공기가 혼합된 분사가스를 교란에 의해 혼합하여 완전연소를 시키기 위해 적어도 하나 이상의 가스 싸이클론(Cyclone)이 구비되는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 방법.
  9. 제 4항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서, 덩어리 상태의 고체 쓰레기(80)는 투입구(5)를 통해 주 연소실(1)로 밀폐상태로 투입되며 최종 재(bottom ash)는 주 연소실로 부터 덮개(14)에 의해 보호되고 밀폐되어 있는 재 배출구(10)를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 증기와 가스는 열 분해실로 부터 계속해서 주 연소실로 유입될 수 있고 그로 인해 연소가스의 주 흐름으로 진입할 수 있는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 방법.
  11. 고체 쓰레기의 에너지를 소각에 의해 다른 형태의 에너지 함유체로 변환시키며, 적어도 하나 이상의 부 연소실에 연결된 주 연소실, 적어도 하나 이상의 싸이클론(Cyclone), 연도가스의 열 에너지를 다른 열 함유체로 변환시키는 장치, 가스 필터, 새로운 공기와 재순환된 연도 가스를 공급 및 혼합하여 연소실로 공급하는 이송시스템을 포함하는 쓰레기 소각 장치에 있어서,
    주 연소실(1)은 직사각형 단면을 가진 수직축으로 설계되고 상기 축의 하부를 끝을 자른 V형상으로 만들기 위해 세로 측벽(9)의 하부를 서로 마주 보는 방향으로 기울기를 주어 좁게 하고, 상기 축의 상부에 압축된 고체 쓰레기 덩어리(80)형태의 연료를 투입하기 위한 밀폐식의 투입실(5)을 형성하며, 끝을 자른 V형상의 경사진 세로 측벽(9)은 최종 재를 제거하기 위해 설치된 재 배출구(10)까지 연장되고, 상기 재 배출구(10)는 상기 수직축에 연결된 밀폐식 덮개(14)에 의해 주위 공기로 부터 차단되며, 각각의 경사된 세로 측벽(9)에는 혼합된 새로운 공기와 재순환된 연도 가스의 혼합물을 주입하기 위한 적어도 하나 이상의 입구(16) 또는 서로 연결된 입구의 조합부가 형성되고, 상기 수직축의 적어도 하나 이상의 측벽(23)에는 주 연소실내의 연소가스를 위한 적어도 하나 이상의 출구(24 또는 25)가 형성되며,
    적어도 하나 이상의 입구 또는 서로 연결된 입구의 조합부에는 각 입구와 서로 연결된 입구의 조합부를 통해 총 가스 흐름과 새로운 공기와 재순환된 연도 가스의 혼합정도를 각기 조절할 수 있는 수단이 구비되고,
    적어도 하나 이상의 출구(24)는 부 연소실(30)에 연결되며,
    적어도 하나 이상의 부 연소실(30)에는 혼합된 새로운 공기와 재순환된 연도가스 혼합물을 분사하기 위한 적어도 하나 이상의 입구(31)가 형성되고,
    적어도 하나 이상의 입구(31) 각각에는 총 가스 흐름과 새로운 공기와 재순환된 연도 가스의 혼합정도를 각기 조절할 수 있는 수단이 구비되는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 장치.
  12. 제 10항에 있어서, 저 발열량을 가진 고체 쓰레기를 연료로 공급하여 소각시킴에 있어 주 연소실의 한 출구에 직접 부착되는 하나의 부 연소실이 구비되어 있고, 상기 부 연소실은 원통형상의 연소 케이싱(32), 상기 연소 케이싱에 삽입되며 적절히 구멍이 뚫린 원통형 몸체(34), 상기 원통형 몸체(34)와 상기 케이싱이 입구(31)에 연결되는 환상의 통로를 형성하도록 외부로 돌출된 적어도 하나 이상의 플랜지(35)를 구비하는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 장치.
  13. 제 10항에 있어서, 고 발열량을 가진 고체 쓰레기를 연료료 공급하여 소각시킴에 있어 관(26)을 통해 출구(24)와 연결된 부 연소실(30)이 구비되어 있고,
    상기 출구(24)는 불길을 상기 관(26)까지 확산시키기 위해 작은 구멍을 형성한 댐퍼(39)에 의해 밀폐되어 있고,
    연소가스는 주 연소실의 상부에 형성된 출구(25)를 통해 주 연소실로 부터 상기 관(26)으로 유도되며,
    상기 부 연소실(30)은 입구(31)를 형성하되 적어도 하나 이상의 가로로 횡단하는 구멍이 형성된 실린더를 구비한 원통형 케이싱(32)을 포함하는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 장치.
  14. 제 12항에 있어서, 관(26)을 통해 각각 출구(24)와 연결되어 있는 하나 이상의 부 연소실이 구비되어 있고 모든 관(26)은 출구(25)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 장치.
  15. 제 10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 재 배출구(10)는 경사된 각 측벽(9)의 각 하부 끝단에서 삼각형의 세로부재(12) 사이에 위치하고 수평하게 세로로 된 실린더로 형성되어 있으며, 상기 실린더는 실린더가 회전할때 하부의 재가 배출될 수 있도록 적어도 하나 이상의 홈(11)을 구비하는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 장치.
  16. 제 10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 주 연소실로 부터 활성화된 각 출구는 주 연소실에서 나오는 연소가스의 온도를 측정하는 수단을 구비하고 있고, 적어도 하나 이상의 부 연소실로 부터의 출구는 적어도 하나 이상의 부 연소실에서 나오는 연도 가스의 총 가스 흐름, 온도, 산소량 및 NOx량을 측정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 장치.
  17. 제 15항에 있어서, 주 연소실에서 나오는 연소가스의 온도를 측정하는 수단은 적어도 하나 이상의 입구(16)를 통해 유입되는 혼합된 새로운 공기와 재순환된 연도 가스의 혼합과 가스 흐름을 조절하는 수단과 연결되어 있고,
    부 연소실에서 나오는 연도 가스의 온도, 가스 흐름, 산소량 및 NOx량을 측정하는 수단은 적어도 하나 이상의 입구(31)를 통해 유입되는 혼합된 새로운 공기와 재순환된 연도 가스의 혼합과 가스 흐름을 조절하는 수단과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 장치.
  18. 제 10항 내지 제 17항중 어느 한 항에 있어서, 특별한 쓰레기를 분해하는 열 분해실은 부 연소실(30)에서 나온 연도 가스를 보일러(40)로 유도하기 위해 파이프(41)내에 위치하는 것을 특징으로 하는 쓰레기 소각 장치.
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