KR20030067241A - 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거방법 및 그장치 - Google Patents

고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거방법 및 그장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이옥신 제거방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐기물 소각시설에서 발생되는 배가스를 고온 플라즈마를 이용하여 완전 연소시킨 후, 냉각 및 세정수를 분무하여 배가스를 신속히 냉각시킴으로써 후공정에서 다이옥신이 재합성되거나 질소산화물이 생성되는 것을 방지하고, 배가스에 포함된 각종 환경물질을 세정할 수 있는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명은 폐기물 소각시설의 소각로에서 발생되며 다이옥신 전구물질, 비산회재 및 불완전연소물질이 포함된 배가스를 고온 플라즈마를 이용하여 열화학적으로 파괴시키는 분해단계와; 상기 분해단계에서 배출된 배가스를 급속히 냉각시켜 다이옥신이 재합성되거나 질소산화물이 형성되는 것을 방지함과 아울러 배가스 중에 포함된 염화수소, 황산화물 및 분진 등을 세정하기 위한 냉각 및 세정단계와; 상기 냉각 및 세정단계에서 발생된 수분을 제거하기 위한 수분제거단계와; 상기 냉각 및 세정단계와 상기 수분제거단계에서 발생된 냉각폐수를 배출시키는 냉각폐수 배수단계를 포함하여 구성된다.

Description

고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거방법 및 그 장치{Method and Apparatus for excluding dioxin and fly ash using high temperature plasma}
본 발명은 다이옥신 제거장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐기물 소각시설에서 발생되는 배가스를 고온 플라즈마를 이용하여 완전 연소시킨 후, 냉각 및 세정수를 분무하여 배가스를 신속히 냉각시킴으로써 후공정에서 다이옥신이 재합성되거나 질산화물이 생성되는 것을 방지하고, 배가스에 포함된 각종 환경물질을 세정할 수 있는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치 와 그 방법에 관한 것이다.
급격한 산업화와 도시화로 산업 폐기물과 도시생활 쓰레기의 발생량이 계속적으로 증가되고 있다. 이에 따라 폐기물을 보다 친환경적으로 처리하기 위한 다양한 기술이 개발되고 있으며, 그 중 소각은 쓰레기 매립 량을 크게 줄일 수 있고 에너지를 회수할 수 있다는 점에서 바람직한 쓰레기 처리방법으로 인정받고 있다. 그러나 폐기물을 소각시 발생되는 배가스에는 다이옥신, 질산화물, 황산화물 및 분진 등 여러 가지 오염물질이 포함되어 있고, 특히 발암유발물질이며 환경호르몬인 다이옥신의 생성은 폐기물 소각시설의 설치와 운영에 있어서 큰 걸림돌이 되고 있는 실정이다.
일반적으로 다이옥신(Dioxin)은 PCDDs(polychlorinated dibenzo-p-dioxins)와 PCDFs(polychlorinated dibenzofurans) 등과 같은 유기화합물을 말하는 것으로서, 분자구조가 매우 안정적이어서 자연 상태에서 잘 분해되지 않으며, 한 번 체내에 유입되면 잘 배설되지 않고 축적되어 암 발생의 원인이 되거나 호르몬 조절기능장애, 생식계 및 면역계에 손상을 주는 매우 유해한 물질이다.
이러한 다이옥신은 여러 가지 경로를 통해 생성되나, 도시생활 쓰레기를 소각하는 소각시설에서는 주로 폐기물에 포함되어 있거나 또는 불완전 연소과정에서 발생되는 염화페놀류, 염화벤젠류, 폴리염화비페닐(PVC) 등 염소계 전구물질이 소각로에서 반응하여 다이옥신을 생성하거나, 유기물질과 염소를 적절하게 제공할 수 있는 염화물로부터 치환반응에 의해 생성되는 것으로 알려져 있다. 그러나 폐기물 소각로의 연소온도가 900℃를 넘는 경우에는 다이옥신이 소각로의 고온에 의해 파괴되므로 실질적으로 고온으로 운전되는 소각로의 출구에서 관찰되는 다이옥신의 양은 비교적 많지 않은 편이다.
반면에, 폐기물 소각로에서 완전히 산화되지 못한 탄화수소화합물이 연소가스와 함께 소각로에서 배출된 후, 250∼350℃의 온도에서 연소가스 중에 함유된 비산회재(fly ash) 표면에서 염소 공여체와 반응하여 생성하는 다이옥신의 양이 상대적으로 많은 것으로 밝혀졌다. 즉, 소각로 내에 존재하는 다이옥신은 연소과정에서 파괴되므로 소각시설의 굴뚝에서도 다이옥신이 검출되지 않아야 할 것이나 실질적으로 상당한 양의 다이옥신이 검출된다는 사실로부터 다이옥신은 연소가스가 소각로를 떠난 후에 사실상 합성된다는 것을 알 수 있다. 또한 이러한 점은 연소가스가250∼350℃에서 운전되는 에코노마이져(economizer)나 전기집진기를 거치면서 다이옥신이 대량으로 생성된다는 사실에서 이미 확인되고 있다.
이와 같이, 다이옥신이 온도범위 250∼300℃에서 활발하게 생성되는 것은 이 온도 범위에서 구리 등의 촉매작용으로 염화물로부터 염소가 활발하게 생성되기 때문이다. 따라서 폐기물 소각시설에서 발생되는 다이옥신의 양을 줄이기 위해서는 첫째, 소각로의 운전을 완전연소의 방향으로 유도하여 유기물의 파괴를 최대화하여 다이옥신의 각종 전구물질생성을 최소화하여야 하고, 둘째로는 후공정에서 다이옥신이 생성될 수 있는 온도구간을 피하거나 그 온도구간에서 운전하여야 할 때는 체류시간을 최소화하여야 한다.
한편, 현재까지 폐기물 소각시설에 주로 사용되고 있는 다이옥신 제거장치는 크게 SDA(Spray Dryer Absorption) SCR, SNCR 등과 집진장치를 조합하는 방식과 활성탄을 이용하는 흡착방법이 사용되고 있으며, 특히 배가스 내의 산성가스와 중금속성분을 제거할 수 있는 SDA(Spray Dryer Absorption)에 집진장치를 부가하여 설치하는 방식이 다이옥신의 제거에도 우수한 알려져 있으며, 소각로에서 NOx를 제어하기 위한 수단으로 암모니아를 주입하는 기술인 SNCR(selective non-catalytic reduction)에 집진장치를 조합하는 방식도 다이옥신의 생성을 억제하는 효과가 있은 것으로 알려져 있다. 또한 SCR(selective catalyst reactor)에 집진장치를 조합하는 경우에는 적정 온도범위에서 운전될 경우에 90% 이상의 다이옥신 제거효과가 있다. 그러나 이러한 방법들은 모두 집진장치를 조합한 것이므로 포집된 오염물을 산업 폐기물로 처리하여야 하고, 촉매를 이용할 경우 촉매활동도(catalyticactivity)가 중금속에 의해서 급격히 떨어질 수 있으므로 중금속과 극히 미세한 입자까지도 제거시킬 수 있는 후처리설비 다음에 설치하여야 하는 등 설치비용과 운전비용이 많이 소요되는 문제가 있었다.
그리고 활성탄, 코크스 또는 소석회를 혼합한 물질을 사용하여 다이옥신을 흡착하는 방식에는 대개 두 종류가 사용되고 있는데, 그 중 하나는 고정상의 활성탄 흡착층에 가스를 통과시켜 다이옥신 등이 흡착되도록 하는 것이고, 다른 하나는 백필터의 필터층을 통과시켜 흡착하는 방법으로 백필터 전에 소석회와 활성탄 분말을 가스에 분사시켜 다이옥신을 흡수하게 한 뒤 백필터에서 포집하도록 하는 것이다. 그러나 이러한 활성탄을 이용한 흡착법은 투입되는 활성탄으로 인하여 집진장치에 과부가하 걸리며 여과백 교체주기의 단축, 저감장치의 성능개선의 한계 및 개선장치 증설에 의한 공간부족 등 여러 문제가 발생되고 있다.
이에 따라서 이러한 문제를 해결할 수 있는 신기술의 개발이 요청되고 있는 바, 본 발명자는 폐기물 소각시설에서의 다이옥신 형성기작과 폐기물 소각로의 실제적인 운영실태 등을 고려하여 폐기물 소각로에서 배출되는 배가스를 고온 플라즈마를 이용하여 완전 연소시킨 뒤, 배가스에 포함되어 있는 다이옥신 전구물질이 재합성되거나 질산화물 등 산성물질이 생성되는 것을 방지할 수 있도록 신속히 냉각함과 아울러 세정함으로써 배가스로부터 각종 오염물질을 제거할 수 있는 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서,본 발명의 주된 목적은 각종 산업시설 및 폐기물 소각로에서 배출되는 배가스에 포함되어 있는 다이옥신 전구물질과, 비산회재, 검댕, 기타 불완전연소물질을 고온 플라즈마를 이용하여 완전 연소시킨 후, 배가스에 포함되어 있는 다이옥신 전구물질이 재합성되거나 질소산화물이 생성되는 것을 방지할 수 있도록 배가스를 신속히 냉각함과 아울러 세정함으로써 배가스에 포함되어 있는 염화수소, 황산화물과 분진 등 각종 오염물질을 제거할 수 있는 다이옥신 및 분진 제거장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
도1은 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거방법을 보여주기 위한 공정 흐름도,
도2는 본 발명에 따른 고온 플라즈마 토치의 일예를 보여주는 개략적인 단면도,
도3은 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치의 일예를 보여주는 개략적인 부분 단면도,
도4는 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치의 다른 실시예를 보여주는 단면도,
도5는 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치의 또 다른 실시예를 보여주는 단면도,
도6 및 도7은 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치의 다른 실시예를 보여주는 개략적인 단면도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
20 : 고온 플라즈마 토치 24, 60 : 반응실
30, 90 : 냉각 및 세정실 33 : 냉각수 노즐
40 : 디미스터 50 : 냉각폐수 저장조
100 : 분해단계 200 : 냉각 및 제정단계
300 : 수분제거단계 400 : 냉각폐수 배수단계
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거방법은 각종 산업시설 및 폐기물 소각시설에 있어서, 상기 폐기물 소각시설의 소각로에서 발생되며 다이옥신 전구물질, 검댕, 비산회재 및 불완전연소물질이 포함된 배가스를 고온 플라즈마를 이용하여 열화학적으로 파괴시키는 분해단계와; 상기 분해단계에서 배출된 배가스를 급속히 냉각시켜 다이옥신이 재합성되거나 질소산화물이 형성되는 것을 방지함과 아울러 배가스 중에 포함된 황산화물 및 분진 등을 세정하기 위한 냉각 및 세정단계와; 상기 냉각 및 세정단계에서 발생된 수분을 제거하기 위한 수분제거단계와; 상기 냉각 및 세정단계와 상기 수분제거단계에서 발생된 냉각폐수를 배출시키는 냉각폐수 배수단계를 포함하여 구성된다.
이때 상기 분해단계는 고온 플라즈마를 이용하여 900℃ 이상으로 유지하고, 상기 냉각 및 세정단계는 분무된 냉각수를 이용하여 200℃ 이하로 신속히 낮추는것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 공지의 폐기물 소각시설에 있어서, 상기 폐기물 소각시설의 소각로에서 발생되며 다이옥신 전구물질, 검댕, 비산회재 및 불완전연소물질 등이 포함된 배가스가 유입되는 반응실과; 상기 반응실 내로 유입된 배가스를 고온 플라즈마를 이용하여 완전 연소시키기 위해 상기 반응실의 일측에 설치되는 고온 플라즈마 토치와; 상기 반응실에서 배출된 배출가스를 신속히 냉각시켜 다이옥신이 재합성되거나 질소산화물이 형성되는 것을 방지함과 아울러 배가스 중에 포함된 황화수소, 황산화물과 분진 등을 세정할 수 있도록 다수의 노즐이 형성된 냉각 및 세정실과; 상기 냉각 및 세정실에서 발생된 배가스에 포함되어 있는 수분을 제거하기 위한 수분제거장치와; 상기 냉각 및 세정실과 상기 수분제거장치에서 발생된 냉각폐수를 배출시키기 위한 냉각폐수 배수장치를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 상기 고온 플라즈마 토치는 직류 아크방전이나 고주파 유도결합 방전을 이용하여 질소가스(N2)를 전리시켜 900℃이상의 고온 플라즈마 불꽃을 만드는 고온 플라즈마 토치인 것을 특징으로 한다.
상기 고온 플라즈마 토치는 중공관으로 이루어진 토치 본체와, 상기 토치 본체의 내부에 설치된 음극봉과, 상기 토치 본체 내부로 질소가스를 주입할 수 있도록 형성된 질소가스 주입구와, 상기 본체의 중공관 내부에서 순환되는 냉각수를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고온 프라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치의 일실시예는 다이옥신과 다이옥신 전구물질, 검댕, 비산회재 및 불완전연소물질 등이 포함된 배가스가 유입될 수 있도록 폐기물 소각시설의 덕트 상(In-line)에 설치되며 유입된 배가스를 완전 연소시킬 수 있도록 다수의 고온 플라즈마 토치가 설치된 반응실과; 상기 반응실과 인접되게 설치되며 상기 반응실에서 배출된 배가스를 신속히 냉각시키는 동시에 배가스에 포함된 오염물질을 세정하기 위한 다수의 냉각수 노즐이 형성된 냉각 및 세정실과; 상기 냉각 및 세정실에서 발생된 배가스에 포함되어 있는 수분을 제거하기 위한 디미스터와; 상기 냉각 및 세정실과 상기 디미스터에서 발생된 냉각폐수를 배출시키기 위한 냉각폐수 배수장치를 포함하여 구성된다.
상기 반응실은 적어도 900℃이상 더욱 바람직하게는 1500℃이상으로 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 반응실에 설치되는 다수의 플라즈마 토치를 엇갈리게 설치하여 반응실 내부의 온도가 균등해지도록 하거나 다수의 플라즈마 토치를 경사지게 설치함으로써 주입된 배가스를 교란시켜 사이클론을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 반응실은 고온에 견딜 수 있는 내열재료로 만들어지고 그 외부에는 반응실의 내벽을 보호하기 위한 냉각장치가 설치되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 냉각 및 세정실에는 다수의 냉각수 노즐이 설치되며 더욱 바라직하게는 냉각수를 미세하게 분사하여 배가스의 온도를 신속히 낮추는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거방법을 상세히 설명한다. 먼저, 도1은 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거방법을 보여주는 개략적인 공정도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명은 크게 다이옥신, 분진 및 불완전연소물질이 포함된 배가스를 고온 플라즈마를 이용하여 열화학적으로 파괴시키는 분해단계(100)와, 상기 분해단계(100)에서 발생된 고온의 배가스를 급속 냉각시키는 동시에 배가스에 포함되어 있는 오염물을 세정하는 냉각 및 세정단계(200)와, 상기 냉각 및 세정단계(200)에서 냉각된 배가스에 포함되어 있는 수분을 제거하는 수분제거단계(300) 및, 상기 냉각 및 세정단계(200)에 사용된 냉각수와 상기 수분제거단계(300)에서 발생된 냉각폐수를 배출시키는 냉각폐수 배수단계(400)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 분해단계(100)는 폐기물 소각시설의 소각로에서 발생되며 다이옥신 및 다이옥신 전구물질, 비산회재(fly ash) 및 불완전연소물질 등이 포함된 배가스를 소정 크기의 반응실로 유입시키는 동시에 상기 반응실에 설치된 하나 이상의 고온 플라즈마 토치에서 방사되는 고온 플라즈마를 이용하여 다이옥신 및 다이옥신 전구물질과 비산회재 그리고 불완전연소물질을 완전 연소시켜 분해하는 것이다. 즉, 다이옥신은 800℃이상에서 분해하기 시작하여 1200℃가 되면 완전 분해되고 비산회재는 고온에서 재 연소되어 흡착되어 있는 다이옥신 전구물질이 분해될 뿐만 아니라 비산회재의 구조가 파괴되어 흡착력을 상실하게 된다. 따라서 상기 고온 플라즈마는 900℃이상의 고온을 유지하고 더욱 바람직하게는 1500℃이상으로 유지되는 것이 좋다.
이와 같이 본 발명에 따른 다이옥신 및 분진 제거방법의 제1단계는 배가스를 고온으로 재 연소시켜 불완전연소에 의해 불가피하게 생성되는 다이옥신 및 다이옥신 전구물질과 후처리공정에서의 다이옥신 재합성에 관여하는 비산회재를 제거함으로써 유해물질이 제거된 배가스를 만드는 공정이다.
상기 분해단계(100)의 반응실에서 배출된 고온의 배가스는 냉각 및 세정단계(200)로 유입되게 된다. 즉, 분해단계(100)에서 배출되는 배가스는 1000℃이상의 고온인데, 이러한 고온상태가 일정시간 이상 지속될 경우, NO가 산소와 반응하여 질소산화물(NOx)을 만들게 되므로 배가스를 반응온도 이하로 냉각시켜야 한다. 또한 분해단계(100)에서 분해된 다이옥신 또는 다이옥신 전구물질이라 하더라도 적당한 온도범위 예를 들어, 250∼300℃에서 일정 시간이상 체류하면 재합성되어 다이옥신을 생성하게 된다. 따라서 배가스의 온도를 200℃이하로 낮추는 것이 필요하다. 그리고 분해단계(100)의 고온에서부터 200℃이하로 냉각될 때, 질소산화물과 다이옥신이 생성되는 온도범위를 통과하게 되므로 가능한 한 반응온도에서의 체류시간을 단축시키기 위해 급속히 냉각시키는 것이 중요하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 다이옥신 및 분진 제거방법의 제2단계는 고온의 배가스를 200℃이하 더욱 바람직하기로는 70℃이하까지 급속 냉각시키는 것이다. 상기 냉각 및 세정단계(200)는 소정 크기의 냉각 및 세정실에 다수의 냉각수 노즐을 설치하여 냉각하는 것이므로 냉각수의 잠열을 이용하여 신속히 냉각시킬 뿐만 아니라 배가스에 포함되어 있는 황화합물(SOx), 염화수소가스(HCl) 등 산성 오염물과 분진이 세정되는 효과가 있다.
그리고 상기 냉각 및 세정단계(200)에서는 고온의 배가스를 신속히 냉각시키기 위해 고온의 배가스에 냉각수를 직접 분무하므로 다량의 수분이 발생하게 된다. 따라서 상기 냉각 및 세정단계(200)의 하류에는 수분을 제거하기 위한 수분제거단계(300)가 구비되고, 상기 수분제거단계(300)와 상기 냉각 및 세정단계(200)와 수분제거단계(300)에서 발생된 냉각폐수는 별도의 배수단계(400)를 거쳐 외부로 배출되며 바람직하게는 폐수처리장치로 이송되어 정화 처리되어 방출되거나 냉각수로 재활용하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거공정은 종래의 활성탄 흡착방법이나 SDA 또는 SNCR에 집진장치를 조합한 경우보다 처리 공정이 단순하고, 냉각폐수를 처리하는 것 이외에는 별도의 후처리가 필요 없어 관리가 용이하다. 또한 종래의 저온 플라즈마를 이용한 배가스 제거장치 등은 규모가 크고 복잡하며 별도의 후처리공정이 반드시 필요하나 본 발명은 크기가 작고 비교적 단순한 구조를 갖는다.
이어 도2는 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치에 사용되는 고온 플라즈마 토치의 일예를 보여주는 단면도이다. 이러한 고온 플라즈마 토치(20)는 직류 아크방전이나 고주파 유도결합방전을 이용하여 Ar, He과 같은 불활성기체나 N2, H2, 공기 또는 O2, 수증기, 탄화수소기체 등의 사용기체에 강한 전장을 발생시켜 가속된 전자들의 연속된 충돌에 의해 전하 입자를 생성하여 고온의 플라즈마를 만든다. 이러한 고온 플라즈마(또는 열플라즈마)는 전리된 입자들이 모두 같은 온도를 유지하는 국부열평형을 이루고 있으므로 무거운 이온과 중성입자가 실온정도의 온도로 비평형된 상태의 적은 열용량을 갖는 저온 플라즈마(또는 냉플라즈마)에 비해 그 온도가 매우 높다.
도면에서 보는 바와 같이, 고온 플라즈마 토치(20)는 원통형 중공관으로 이루어진 토치 본체(23)와, 상기 토치 본체(23) 내부에 설치된 음극봉(25)과, 상기 음극봉(25)과 토치 본체(23) 사이에 소정의 전압을 인가하는 전원공급수단으로 구성되어 있다. 따라서 상기 음극봉(25)이 설치된 토치 본체(23)의 내부에 N2등 사용기체를 주입하면 음극봉(25)의 단부에서 아크방전이 일어나 고온의 플라즈마 불꽃(27)이 방사되게 된다. 한편, 상기 토치 본체(23)의 중공관에는 냉각수 주입구(28)와 배출구(29)를 설치하여 냉각수를 순환시킴으로써 토치 본체(23)를 고온으로부터 보호한다.
그리고 도3은 상기 고온 플라즈마 토치(20)를 소각시설의 배기구에 설치한 것을 보여주는 개략적인 단면도로서, 토치 본체(23)의 하부에 반응실(24)을 형성하여 소각로에서 발생된 배가스가 고온 플라즈마 불꽃(27)에 의해 재연소되도록 한 것이다. 따라서 상기 반응실(24)로 유입된 배가스에 포함되어 있는 오염물은 고온 플라즈마에 의해 분해되어 배기구(37)를 통해 배출되게 된다.
한편, 도4와 도5는 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치의 일예를 보여주는 개략적인 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치(10)는 크게 고온 플라즈마를 생성하는 고온 플라즈마 토치(20)와, 상기 고온 플라즈마 토치(20)의 하부에 설치된 반응실(24)에서 열화학적으로 분해된 후 고온으로 배출되는 배가스를 신속히 냉각시키는 동시에 오염물질을 세정할 수 있도록 냉각수 노즐(33)이 설치된 냉각 및 세정실(30)과, 상기 냉각 및 세정실(30)에서 발생된 수분을 제거하기 위한 디미스터(demister; 40) 및 상기 냉각 및 세정실(30)과 디미스터(40)에서 발생된 냉각폐수를 일시 저장하는 저장조(50)를 포함하여 구성된다.
즉, 도4에서 보는 바와 같이, 플라즈마 토치 본체(23)와 음극봉(25) 사이에 직류 또는 고주파 전원을 연결하고 질소가스 주입구(29)를 통해 질소를 공급하면 질소분자가 전자와 양이온으로 분해되어 고온 플라즈마를 만들게 된다. 그리고 토치 본체(23)의 하부에 형성된 반응실(24)에 다이옥신과 다이옥신 전구물질 등 오염물질이 포함된 배가스가 배가스 주입구(26)를 통해 주입되게 되면, 상술한 고온 플라즈마 불꽃(27)이 이들 유기화합물이 분해시킨다. 그리고 상기 반응실(24)에서 배출된 고온의 배가스는 상기 플라즈마 토치(20)에 인접하게 설치된 냉각수 노즐(33)에서 분사되는 냉가수에 의해 냉각되게 된다. 따라서 상기 플라즈마 토치(20)에서 방출된 배가스는 신속하게 200℃이하, 더욱 바람직하게는 100℃이하로 냉각되게 된다. 따라서 본 발명은 배가스가 고온의 특정 온도범위에서 소정 시간이상 체류함으로써 생성될 수 있는 다이옥신과 질소산화물의 발생을 방지하게 된다.
한편, 도5는 오염물질이 포함된 배가스가 플라즈마 가스에 의해 분해되는 반응실(24)과 고온의 배가스가 냉각수에 의해 냉각 및 세정되는 냉각 및 세정실(30)을 별도의 구획판으로 구획한 경우를 보여주는 것이다. 즉, 상기 반응실(24)에서열분해된 고온의 배가스는 상기 냉각 및 세정실(30)로 신속히 유입되어 냉각수에 의해 냉각되게 된다. 이때 상기 배가스는 도시되지 않은 송풍기에 의해 강제로 이송되기 때문에 냉각 및 세정실(30)에서 발생된 수분이 반응실(24)로 유입되지 않게 된다.
이어 도6과 도7은 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치의 또 다른 실시예를 보여주는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예는 고온 플라즈마를 이용하여 오염물질을 분해시키는 반응실(60)과, 냉각수를 이용하여 배가스를 내각 및 세정하는 냉각 및 세정실(30) 등이 폐기물 소각시설의 덕트 상(In-line)에 설치되어 있는 경우를 보여준다.
즉, 상기 반응실(60)은 소각로에서 발생된 배가스가 유입될 수 있도록 설치되며 적어도 하나 이상의 고온 플라즈마 토치(20)가 설치된다. 따라서 상기 반응실(60)은 적어도 900℃이상 더욱 바람직하게는 1500℃이상으로 유지된다. 특히 본 실시예의 반응실(60)은 고온 플라즈마 토치(20)의 외부에 설치되는 것이므로 반응실(60)을 통과하는 배가스가 고온 플라즈마 불꽃과 충분히 접촉될 수 있도록 다수의 플라즈마 토치(20)를 적절히 배치한다. 예를 들어, 도6에서는 다수의 플라즈마 토치(20)를 엇갈리게 설치하여 반응실(60) 내부의 온도가 균등해지도록 한 것이고, 도7은 다수의 플라즈마 토치(20)를 경사지게 설치함으로써 주입된 배가스를 교란시켜 사이클론 현상을 일으킴으로써 열분해반응을 촉진시킨 것이다.
한편, 상기 반응실(60)은 1500℃이상의 고온에 견딜 수 있는 내열재료로 만들어지고 그 외부에는 반응실(60)의 내벽을 보호하기 위한 별도의 냉각장치(63)가설치된다. 그리고 상기 반응실(60)의 크기 및 형태는 처리하고자 하는 소각로 배가스의 배출량에 따라 당해분야의 전문가에 의해 적절히 선택될 수 있다.
이어 상기 냉각 및 세정실(90)은 고온의 배가스가 신속히 이동되어 냉각될 수 있도록 상기 반응실(60)에 이웃하게 설치된다. 그리고 배가스의 이송은 도시되지 않은 송풍기와 흡입휀에 의해 이루어진다. 상기 냉각 및 세정실(90)은 액체가 기체로 증발될 때의 잠열(latent heat)을 이용하여 고온의 배가스를 냉각시키는 것으로서, 냉각수를 미세한 물방울로 분사하기 위한 다수의 냉각수 노즐(33)이 설치되어 있다. 따라서 900℃이상으로 배출된 배가스가 상기 냉각 및 세정실(90)을 통과하는 동안에 200℃이하 더욱 바람직하게는 100℃이하로 급속히 냉각된다.
한편, 배가스에 포함되어 있는 황산화물, 분진 등과 같은 오염물질은 상기 냉각 및 세정실(90)을 통과하는 동안에 냉각수 노즐(33)에서 분사되는 냉각수에 의해 세정되게 된다. 즉, 황산화물과 같은 무기오염물질은 상기 반응실(60)에서 분해되지 않기 때문에 이를 세정하여 제거함으로써 배가스에 포함되어 있는 모든 오염물질을 제거할 수 있게 된다.
그리고 상기 냉각 및 세정실(90)에서 배출되는 배가스에는 다량의 수분이 포함되어 있으므로 상기 냉각 및 세정실(90)의 후단에는 디미스터(40)를 설치하여 수분을 분리한다. 그리고 상기 냉각 및 세정실(90)과 디미스터(40)에서 발생된 냉각폐수는 하부에 설치되어 있는 냉각폐수 수집부(53) 및 배출관(55)을 통해 배출되게 된다.
이하 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치의실험예를 설명한다.
실험예1
<실험장치의 구성>
본 실시예는 도5에 도시된 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치를 사용하였고, 플라드마 발광영역을 18ℓ/min로 통과하면서 발생된 플라즈마 가스와 다이옥신이 포함된 배기가스가 섞이게 하였다. 사용기체로는 질소(N2)를 사용하였으며, 플라즈마 발광영역 부분의 전극들을 수냉하기 위해 냉각수를 사용하였고, 플라즈마 발광영역을 통과한 배가스가 고온으로 인해 질소산화물을 생성하거나 다이옥신이 재합성되는 것을 방지하기 위해 냉각수를 노즐을 통해 분무하였다.
실험예2
<실험방법>
고온 플라즈마 반응기의 다이옥신 효율을 측정하기 위해 소각시설의 절탄기부분에서 다이옥신이 포함된 배기가스를 유량 200ℓ/min로 채취하여 고온 플라즈마 반응실로 유입시키고 반응실 후단에서 플라즈마를 가동시킬 때(on)와 가동시키지 않을 때(off)의 다이옥신 농도를 각각 2회씩 측정하였다. 플라즈마를 가동할 때의 사용전력은 7.1kw 이였다. 그리고 다이옥신 농도의 측정방법은 "대기오염공정시험법 제29항"에 따라 실시하였다.
실험예3
<실험결과>
다음의 표에 다이옥신 측정 결과를 나타내었다. 측정효율은 97.2%로 나타났다.
<표>
구 분 Plasma OFF(Inlet농도) Plasma ON(Outlet 농도) 효율(%)
다이옥신(PCDDs/DFs)(ng-TEQ/Nm3) 1회차 고상 4.54 0.09
기상 1.24 0.02
총합 5.78 0.11
2회차 고상 2.36 0.11
기상 0.10 0.01
총합 2.46 0.12
평 균 4.12 0.115 97.2
일반적으로 고온 플라즈마 발광영역의 온도는 10,000K 이상이기 때문에 약900℃이상에서 분해되는 다이옥신을 본 고온 플라즈마 처리장치는 완전하게 파괴할 수 있다. 아울러 배가스 중에 포함되어 있는 미연분의 분진들도 고온에서 완전 연소 되기 때문에 부산물의 발생량도 적다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치는 불완전연소 과정에서 발생되는 다이옥신, 분진 및 각종 환경오염물질을 92%이상 제거할 수 있으므로 도시생활 쓰레기를 소각하는 소각시설 뿐만 아니라 각종 산업시설 예를 들어, 산업폐기물 소각장, 폐플라스틱 열분해 시설, 제철공장, 정유시설 등에서 배출되는 배가스를 처리하는데도 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거방법 및 그 장치는 폐기물 소각로의 배가스에 포함되어 있는 다이옥신 등 오염물질을 고온 플라즈마를 이용하여 완전 연소시킬 뿐만 아니리 배가스에 포함되어 있는 다이옥신 전구물질이 재합성되거나 질소산화물이 생성되는 것을 방지할 수 있도록 배가스를 신속히 냉각하고 세정함으로써 배가스에 포함되어 있는 황산화물과 분진 등 각종 오염물질을 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 종래의 기술과 달리 석회석, 활성탄 등을 사용하지 않을 뿐만 아니라 배가스 중에 포함된 분진을 고온 플라즈마를 이용하여 완전 연소시켜 부산물의 발생량이 매우 적기 때문에 집진장치 등 후처리공정을 생략할 수 있으므로 설치비가 절감되고 운영 및 관리가 용이하게 되는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 공지의 소각시설에 있어서,
    상기 소각시설의 소각로에서 생성되며, 다이옥신, 검댕, 분진 및 불완전연소물질 등이 포함된 배가스를 고온 플라즈마를 이용하여 열화학적으로 파괴시키는 분해단계(100)와;
    상기 분해단계(100)에서 발생된 고온의 배가스를 급속 냉각시키는 동시에 배가스에 포함되어 있는 오염물질을 세정하는 냉각 및 세정단계(200)와;
    상기 냉각 및 세정단계(200)에서 냉각된 배가스에 포함되어 있는 수분을 제거하는 수분제거단계(300) 및;
    상기 냉각 및 세정단계(200)에 사용된 냉각수와 상기 수분제거단계(300)에서 응축된 냉각폐수를 배출시키는 냉각폐수 배수단계(400)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분해단계는 고온 플라즈마를 이용하여 900℃ 이상으로 유지되는 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 및 세정단계는 분무된 냉각수를 이용하여 200℃ 이하로 신속히 낮추는 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거방법.
  4. 공지의 소각시설에 있어서,
    상기 소각시설의 소각로에서 발생되며 다이옥신과 다이옥신 전구물질, 비산회재 및 불완전연소물질 등이 포함된 배가스가 유입되는 반응실과;
    상기 반응실 내로 유입된 배가스를 고온 플라즈마를 이용하여 완전 연소시키기 위해 상기 반응실의 일측에 설치되는 고온 플라즈마 토치와;
    상기 반응실에서 배출된 배출가스를 신속히 냉각시켜 다이옥신이 재합성되거나 질소산화물이 형성되는 것을 방지함과 아울러 배가스 중에 포함된 황화수소, 황산화물과 분진 등을 세정할 수 있도록 다수의 냉각수 노즐이 형성된 냉각 및 세정실과;
    상기 냉각 및 세정실에서 발생된 배가스에 포함되어 있는 수분을 제거하기 위한 디미스터와;
    상기 냉각 및 세정실과 상기 디미스터에서 발생된 냉각폐수를 배출시키기 위한 냉각폐수 배수수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고온 플라즈마 토치는 직류 아크방전이나 고주파 유도결합 방전을 이용하여 질소가스(N2)를 전리시켜 900℃이상의 고온 플라즈마 불꽃을 만드는 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 고온 플라즈마 토치는 중공관으로 이루어진 토치 본체와, 상기 토치 본체의 내부에 설치된 음극봉과, 상기 토치 본체 내부로 질소가스를 주입할 수 있도록 형성된 질소가스 주입구와, 상기 본체의 중공관 내부에서 순환되는 냉각수 및 상기 토치 본체와 음극봉에 전원을 공급하기 위한 전원공급수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치.
  7. 공지의 소각시설에 있어서,
    상기 소각시설의 소각로에서 발생되며 다이옥신과 다이옥신 전구물질, 비산회재 및 불완전연소물질 등이 포함된 배가스가 유입될 수 있도록 폐기물 소각시설의 덕트 상(In-line)에 설치되고 유입된 배가스를 완전 연소시킬 수 있도록 다수의 고온 플라즈마 토치가 설치된 반응실과;
    상기 반응실과 인접되게 설치되며 상기 반응실에서 배출된 배가스를 신속히 냉각시키는 동시에 배가스에 포함된 오염물질을 세정하기 위한 다수의 냉각수 노즐이 형성된 냉각 및 세정실과;
    상기 냉각 및 세정실에서 발생된 배가스에 포함되어 있는 수분을 제거하기위한 디미스터 및;
    상기 냉각 및 세정실과 상기 디미스터에서 발생된 냉각폐수를 배출시키기 위한 냉각폐수 배수수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반응실은 적어도 900℃이상으로 유지하는 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 반응실에 설치되는 다수의 플라즈마 토치를 엇갈리게 설치하여 반응실 내부의 온도가 균등해지도록 하거나 다수의 플라즈마 토치를 경사지게 설치함으로써 주입된 배가스를 교란시키는 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 반응실은 고온에 견딜 수 있는 내열재료로 만들어지고 그 외부에는 반응실의 내벽을 보호하기 위한 냉각장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 냉각 및 세정실에는 다수의 냉각수 노즐이 설치되고 더욱 바람직하게는 냉각수를 미세하게 분사하여 배가스를 200℃이하로 신속히 낮추는 것을 특징으로 하는 고온 플라즈마를 이용한 다이옥신 및 분진 제거장치.
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