KR200318787Y1 - 브라운가스 고온열분해소각로 - Google Patents

Abstract

본 고안은 외부로부터의 공기를 차단하여도 자체산소에 의해 완전연소하는 수소와 산소의 혼합가스인 브라운가스를 이용한 고온 열분해 소각로에 관한 것이다.

좀더 구체적으로는, 열분해로를 수평으로 설치하고 열분해로와 연결하여 브라운가스로를 수직으로 설치하여 압축기에 의해 소각물을 연속 압축투입하면서 브라운가스버너에 의해 착화하여 소각물이 탄화과정을 거치면서 생성되는 챠르와 건류가스를 브라운가스로에서 완전소각 시키는 방법으로, 이것은 상기 브라운가스로에 브라운가스인젝터를 설치하고 H₂와 O₂로 구성된 브라운가스를 일정량 투입하여 고온을 유지함으로서 가능하게 한 것이다.

본 고안에 의한 브라운가스 고온 열분해 소각로는 대기오염문제가 없을 뿐만 아니라 소각재를 용융시켜 벽돌을 생산 할 수 있으므로 귀중한 자원을 버리지 않고 재활용 할 수 있는 것이다.

Description

브라운가스 고온열분해소각로 {High Temperature Pyrolysis Incinerator using a Brown Gas}

본 고안은 브라운가스를 이용한 고온열분해소각로에 관한 것으로서, 의료폐기물은 물론 특수산업폐기물까지도 브라운가스에 의해 완전소각하기 위한 것이다.

브라운가스란 물의 전기분해방식에 의해 생산되는 수소 2대 산소 1의 비율로 혼합된 혼합가스를 말한다. 브라운가스는 자체산소에 의해 완전연소되는 특성을 가지고 있으므로 별도의 연소용 공기를 필요로 하지 않는다.

또한 브라운가스는 일반 연료와 달리 불꽃이 퍼지지 않고 길게 형성되면서 한 점을 향해 모아드는 형상으로 핀포인트 화염을 이룬다. 핀포인트에는 열이 집중되면서 텅스텐도 기화시켜 버릴 정도의 막대한 에너지를 발산하고 있으며 브라운가스만이 벽돌과 철을 용접할 수 있다.

따라서 고온을 요구하는 특수폐기물소각에 아주 이상적인 연료임에 틀림이 없으므로 본 고안은 이러한 브라운가스만의 특성이 적용되는 고온열분해소각로를 제공하기 위한 것이다.

일반적인 열분해소각로는 도1에 도시한 바와 같이 1차 연소실(A)에 소각물을 잠입시킨 후 상부의 뚜껑을 닫아 공기를 차단시킨 후 무산소 또는 저산소 상태에서 오일버너에 의해 착화하여 400∼500℃의 저온에서 탄화시키면서 발생하는 건류가스를 재연소 버너(C)가 장착된 2차 연소실(B)에서 900℃ 이상의 고온으로 연소시키는 소각로를 말한다.

열분해 소각방식은 무산소 또는 저산소 상태를 유지하기 때문에 배기가스량이 적어 오염물질 배출량을 획기적으로 줄일 수 있다는 장점이 있다.

여기서 브라운가스만이 밀폐연소가 가능하다는 점에 유의하면 무산소를 요구하는 밀폐형식의 열분해 소각로에 있어서 브라운가스가 열분해의 열원으로 아주 적합함을 알 수 있다.

그러나 종래의 열분해소각로는 1차 연소실과 2차 연소실이 독립적으로 구분되어 있고 1차 연소실에서 저온 열분해를 실시하므로 의료폐기물의 경우 적출물과 주사바늘이 혼재되어 있어 이런 것들이 충분히 소각되지 않고 챠르(char)와 함께 소각재로 남게 된다.

날로 심각해지는 환경파괴문제와 아울러 요즈음 중금속이 함유된 소각재의 처리 또한 심각한 문제로 대두되고 있으므로 완전소각에 의한 소각재의 배출량을 원천적으로 줄이면서 아울러 대기오염도 없는 완벽한 소각로가 필요하다.

그러나 종전의 연소방법은 연소용 공기를 다량으로 넣어주어야 하고 또 넣는 만큼 배기시켜야 하기 때문에 연소실 온도를 고온으로 유지하기가 힘들다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 공기 대신 산소를 넣어주는 수밖에 없다.

따라서 용융로에 순산소를 넣어주는 방식과 LPG, LNG를 넣는 방법이 고려될 수 있지만 이것은 경제성이 없기 때문에 실효성이 없다. 본 고안은 종래와 같이 연소용 공기를 필요로 하지 않고 자체 산소에 의해 발열하는 브라운가스를 용융로에 사용함으로서 종전의 기술적 한계를 뛰어넘기 위한 것이다.

요즈음 브라운가스발생기 제조기술이 발달하여 이제, 산업용 보일러, 시멘트공장 킬른, 제강공장 가열로 등에 물연료 즉, 브라운가스를 마음놓고 공급할 수 있는 200,000ℓ/h급, 브라운가스플랜트도 시판되고 있으므로 소각로에도 필요한 양의 브라운가스를 얼마든지 공급할 수 있게 되었다.

또한 브라운가스를 사용할 경우 기존 연료의 70∼80%를 절약할 수 있어 페이백 기간이 1.5∼2.5년 밖에 안 되므로 충분히 경제성을 확보하고 있는 것이다.

따라서 본 고안의 목적은 브라운가스를 이용하여 에너지를 절약함은 물론 완전소각에 의해 환경문제를 완벽하게 해결하기 위한 것이다.

따라서 본 고안은 브라운가스를 이용하여 기존 소각로의 문제점을 완전히 해결하기 위한 것으로, 열분해로와 2차 연소실을 연결시켜 열분해로에서 밀려나오는 챠르를 브라운가스 화염에 의해 한 번 더 소각시키면서, 2차 연소실에 해당하는 브라운가스로의 온도를 고온으로 유지하여 가연성 건류가스를 완벽하게 태워버리기 위한 것이다.

본 고안의 브라운가스 고온열분해소각로는 열분해로를 수평으로 설치하고 열분해로와 연결되는 브라운가스로를 수직으로 설치하여 압축기에 의해 소각물을 압축 투입하면서, 브라운가스 버너로 착화하면 소각물은 열분해로에서 건조, 탄화, 건류(탈가스화)과정을 거치면서 브라운가스로로 밀려가고 이때 형성된 챠르(char)를 브라운가스 투입에 의해 한 번 더 소각시키면서 고온상태를 유지하여 건류가스를 완전소각하도록 제안하기 위한 것이다.

본 고안의 열분해로는 쓰레기 호퍼에서 내려오는 소각물을 유압 또는 에어 시린더에 의한 압축기에 의해 밀어 넣는 방식이다. 이 때 소각물은 압축 밀착되면서 내부공기의 함량은 줄어들고 열전도율이 높아져 효과적인 열전달 효과를 얻게 된다. 또한 압축되는 과정에서 수분은 쓰레기 안에서 균질하게 분포되고 입자가 큰 물질들은 파괴된다.

열분해로의 일지점에 좌우동형으로 일정개수의 브라운가스 버너를 설치하여 착화시키면 소각물은 무산소 상태에서 탈가스화 되면서 열분해를 시작하고 점차 600℃ 이상의 온도에 이르게 된다.

여기서 사용하는 브라운가스버너는 본 출원자가 선출원하여 등록한 특허 제322315호 "브라운가스연소용 에어젯트버너"를 사용하도록 한다.

다음으로, 2차 연소실에 해당하는 브라운가스로를 열분해로와 연결하여 수직으로 설치하고 챠르가 나오는 지점의 건너편에 브라운가스 버너를 일정개수 설치하여 브라운가스 화염의 직접열에 의해 챠르가 한 번 더 연소하도록 한다.

이 경우 브라운가스로의 하부에 소각재 수거실을 설치하고 소각재는 화격자를 통하여 배출되도록 한다.

건류가스 연소용 공기를 공급하기 위하여 소각재 수거실에 공기흡입 담퍼를 설치하고 화격자를 통하여 연소실 하부로부터 공기를 공급하면 건류가스의 주성분인 수소 및 일산화탄소와 수증기 등은 연소용 공기 중의 산소를 만나 발열반응에 의한 활성 에너지화 되어 완만하지만 짧은 시간에 고온으로 상승하여 브라운가스로의 내부온도는 1200℃에 이르게 되고 이 열기를 직접 받는 열분해로의 출구 쪽 온도는 800℃에 이른다.

따라서 본 고안에 의한 열분해로의 온도분포는 대체로 소각물이 투입되는 입구로부터 압축 후 건조과정의 구간에서 약 150℃, 브라운가스에 착화된 후 약 400℃, 건류과정에서 약 600℃ 그리고 브라운가스로에 가까운 쪽은 약 800℃를 유지할 수 있도록 제안한 것이다.

여기서, 본 고안자는 상기 브라운가스로에 상당량의 브라운가스를 더 넣어주면 브라운가스로의 온도를 쉽게 올려줄 수 있다는 점에 착안하여 용융소각방법을 제안한다.

상기 브라운가스로의 하부의 소각재 수거실 대신에 소각재 용탕처리시설을 구비하고 브라운가스를 상당량 추가투입하여 로내 온도를 900℃ 이상 올리면 건류가스의 연소열과 상승작용하여 로내 온도는 순식간에 1800℃∼2000℃로 올라간다.

브라운가스는 H₂와 O₂로 구성된 혼합가스이므로 고온인 연소실에 브라운가스를 투입하는 즉시 연소실 온도를 순식간에 초고온으로 올려놓을 수 있다.

이 때는 브라운가스 화염은 보이지 않고 연소실 로벽 전체가 벌겋게 되고 새하얀 노란색을 띄면서 계속 온도가 올라가므로 브라운가스 투입량을 조절하여 로내 온도를 조절하여야 한다.

여기서 브라운가스 버너는 버너역할이 아닌 인젝터의 역할을 하게 되므로 본 고안의 브라운가스로에 사용하는 버너는 본 출원자가 선출원하여 역화가 일어나지 않고 노즐팁이 과열되지 않도록 제안한 특허출원번호 제2002-32377호 "브라운가스 인젝터 및 연소촉진시스템"에서 제안한 인젝터를 사용하도록 한다.

이 때 모든 소각물은 용탕이 되어 흘러나오고 이것을 물 속에 넣어 수쇄처리하거나 벽돌로 생산하여 재활용할 수 있다.

상기 브라운가스로를 용융로로 사용할 경우 브라운가스 용융소각방법을 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

브라운가스 용융로는 하부에 용탕처리장치를 구비하여 용탕을 주형에 부어 벽돌을 찍어 낼 수 있도록 한다. 또한 상부의 배기닥트에 연결하여 폐열보일러를 설치하고 또한 산성가스인 SOx, HCL등을 제거하기 위하여 유해가스 제거장치를 설치하고 배풍기(Exhaust Fan)에 의해 스택으로 배기시킨다.

또한 건류가스 연소용 공기를 공급하기 위하여 고압송풍기를 설치한다. 본 고안의 송풍방법은 송풍기에서 불어넣는 공기와 배기가스를 에젝터(Ejector) 방식에 의해 혼합하여 공급하는 방법으로 예열공기를 넣어줌으로써 로내 온도를 고온으로 유지하기 위함이다.

다음으로 브라운가스용융로를 구비한 본 고안의 전체흐름을 도8에 도시한 공정도에 의해 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

물연료 공급설비인 대용량 브라운가스플랜트에서 공급되는 브라운가스는 열분해로의 착화버너에 공급되고 또 하나는 브라운가스용융로에 설치된 브라운가스인젝터에 공급된다.

소각물은 암 크레인에 의해 쓰레기 홉퍼에 투입되고 압축기에 의해 압축되어 열분해로에 밀어넣어 브라운가스 버너에 의해 착화되고 건류탄화과정을 거쳐 브라운가스로에서 건류가스는 완전소각되고 소각재는 용탕이 되어 벽돌로 생산된다. 배기가스는 순서대로 폐열보일러, 반건식세정기(Semi Dryer), 여과집진기를 통과한 후 유인배풍기에 의해 무해가스상태로 스택 밖으로 배기된다.

본 고안의 브라운가스 고온열분해소각로는 결과적으로 중소형 소각로에는 소각재 수거방식을 채택하고 광역도시쓰레기 등 대형 소각로에는 용융소각방식을 선택적으로 채택할 수 있도록 한 것이다.

도1은 일반 열분해소각로의 개략적인 구성을 보여주는 도면이고,

도2는 본 고안의 일실시예에 따른 소각재 수거방식의 고온열분해소각로의 전체구조도,

도3은 본 고안의 일실시예에 따른 소각재 용융방식의 열분해소각로의 전체구조도,

도4는 본 고안의 소각물압축기 상세도,

도5 및 도6은 브라운가스버너 및 브라운가스인젝터의 취부상태를 보여주는 상세도,

도7은 본 고안의 에젝터 방식의 송풍장치,

도8은 본 고안의 소각재 용융방식에 따른 전체공정도이다.

<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 브라운가스플랜트 110: 브라운가스버너

120: 브라운가스인젝터 210: 소각물압축기

220: 열분해로 230: 브라운가스로

232: 소각재수거실 237: 소각재용융처리장치

240: 송풍장치 250: 폐열보일러

260: 반건식세정기 270: 여과집진기

280: 유인배풍기 290: 스택

이하, 본 고안에 따른 브라운가스 고온열분해소각로에 대하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 일반 열분해소각방식의 개략적인 구성을 보여주는 기존 열분해소각로의 일례를 보여주는 도면이고, 도2는 본 고안의 일실시예에 따른 소각재 수거방식의 열분해 소각로의 전체구조도이고, 도3은 본 고안의 일실시예에 따른 소각재 용융방식의 열분해소각로의 전체구조도이며, 도4는 본 고안의 소각물 압축기 상세도이고, 도5와 도6은 브라운가스버너와 브라운가스인젝터의 취부상태를 보여주는 상세도이며, 도7는 본 고안의 에젝터 방식의 송풍장치이고, 도8은 본 고안의 소각재 용융방식에 따른 전체 공정도이다.

도2 내지 도8에 도시한 바와 같이 본 고안의 일실시예에 따른 브라운가스 고온열분해소각로는 물연료 공급장치인 브라운가스플랜트(100)을 설비하여 브라운가스를 자가생산하도록 하고 열분해로(220)을 수평으로 설치하고 열분해로(220)와 연결하여 브라운가스로(230)을 수직으로 설치하여 에어시린더(212)에 의해 작동하는 압축기(210)로 쓰레기홉퍼(211)에서 내려오는 소각물을 열분해로(220)에 압축투입 되도록 한다.

도4에 도시한 바와 같이 소각물압축기(210)는 피스톤(213)을 원통형으로 형성한 것으로 에어시린더로드가 가장 길게 밀었을 때 쓰레기홉퍼(211)의 출구를 막을 수 있도록 피스톤(213)의 몸통길이를 길게 형성한 것이다.

또한 압축기(210) 끝단의 직경이 점점 적어지도록 테이퍼부(214)를 형성하여 에어시린더에 의해 소각물이 충분히 압축되도록 한다.

압축기(210)와 연속되는 열분해로(220)의 몸체는 압축기(210)의 끝단보다 약간 큰 크기의 내경을 갖도록 구성하고 몸체의 일측에는 일정 개수의 브라운가스착화버너(110)를 장치하도록 한다.

브라운가스버너(110)는 도5에 도시한 바와 같이 열분해로(220)의 센터라인과 일정각을 이루도록 설치하고 브라운가스화염이 형성될 수 있도록 로벽 외부로 돌출시켜 구멍형태의 작은 연소실(111)이 형성되도록 한다.

이것은 소각물이 밀려가면서 불이 꺼지지 않도록 버너팁을 로벽으로부터 좀 떨어지게 한 것이다. 열분해로(220)의 터널 속으로 밀려온 소각물은 건조과정, 착화과정, 탄화건류과정을 거치면서 1.5∼2시간을 체류하며 브라운가스로(230) 쪽으로 밀려간다.

다음으로 열분해로(220)와 연결되어 수직으로 설치되는 브라운가스로(230)는 건류가스가 2초 이상 머물 수 있도록 연소실을 크게 형성하여 몸체를 구성하고 몸체 일지점에 브라운가스인젝터(120)을 일정개수 장착하여 운전 중에는 상당량의 브라운가스가 연속공급 되도록 한다.

중소형용으로 설비되는 브라운가스로(230)은 하부에 화격자(231)을 설치하고 그 밑에 소각재 수거실(232)을 구성하여 대차(233)에 의해 소각재를 처리하도록 하고 로상부에는 굴뚝(234)을 구성하도록 한다.

이 때 건류가스 연소용 공기는 수거실 벽에 설치한 공기유입구(234)의 담퍼를 조절하여 자연대류방식에 의해 공급 되도록 한다.

또 다른 일실시예에 따른 상기 브라운가스로(230)는 도3에 도시한 바와 같이 상기 소각재수거실(232) 대신에 로 하부에 용탕처리시설(237) 및 주형시설(238)을 구성하고 브라운가스인젝터(120)에 의해 대량으로 브라운가스를 불어넣어 로내 온도를 고온으로 유지하면서 에젝터 방식의 송풍장치(240)에 의해 건류가스 연소용 공기를 불어넣어 주는 방법으로 이 때 건류가스(H₂,CO) 연소열과 브라운가스(H₂,O₂)의 연소열이 상승 작용하여 곧바로 1800℃∼2000℃로 상승한다.

따라서 브라운가스로 내부는 하부에 용탕실(P)이 형성되고 그 상부에 브라운가스 연소실(Q)이 형성되며 그 상부에는 건류가스 연소실(R)이 형성되므로 자연스럽게 브라운가스 연소열과 건류가스 연소열이 서로 상승작용하여 효율적으로 고온을 창출한다.

상기와 같은 용융소각을 하기 위해서는 도8의 공정도에 도시한 바와 같이 브라운가스로(230) 상부의 배기구로부터 순서대로 설치된 부대설비 즉, 폐열보일러(250), 반건식세정기(260), 여과집진기(270) 등을 통과하여 유인배풍기(280)에 의해 스택(290)에서 무해가스(Clean Gas) 상태로 배출된다.

건류가스연소용 송풍장치(240)는 도7에 도시한바와 같이 고압송풍기(241)에서 송풍되는 공기와 배기가스라인에서 인입되는 호트가스가 에젝터(242)에 의해 강제송풍 되도록 구성한 것이다.

본 고안은 수평 방향의 열분해로와 수직방향의 브라운가스로를 연결하여 2차 연소실에 해당하는 브라운가스 연소실에 H₂와 O₂로 혼성된 브라운가스를 투입하여 완전소각에 필요한 고온을 창출하고 브라운가스로의 열기를 이용하여 열분해로에서의 탄화건류작용을 원활하게 수행하는 한편 열분해로의 착화열원으로 밀폐연소가 가능한 브라운가스를 사용함으로써 효과적으로 열분해가 이루어지도록 하였다.

따라서 본 고안은 브라운가스에 의한 고온창출로 완전소각을 유도하여 바닥재의 배출량을 최소화 할 수 있고, 특수 폐기물의 경우, 필요하다면 용융소각시킴으로서 소각잔유물은 벽돌로 생산하여 자원을 재활용할 수 있다.

한편 연소용 공기가 필요 없는 브라운가스를 이용함으로써 강제송풍기가 필요 없으므로 배기가스량이 적어 연소실을 고온으로 유지할 수 있는 장점과 아울러 연소실 밖으로 배출되는 비산재(Fly Ash)도 발생하지 않는 장점을 동시에 갖는다.

본 고안은 결과적으로 브라운가스에 의해 고유가 시대의 에너지 문제와 환경문제를 동시에 완벽하게 해결한 것이다.

Claims (5)

1. 브라운가스를 대량생산공급하는 브라운가스플랜트와; 쓰레기 홉퍼로부터 투입되는 소각물을 압축투입하는 소각물 압축기와; 소각물 압축기에 연결되어 수평으로 설치되며 브라운가스 착화버너를 장착한 열분해로와; 열분해로와 연결되어 수직으로 설치되며 브라운가스인젝터를 장착한 브라운가스로와; 브라운가스로의 몸체하부에는 소각재 수거실을 설치하고 몸체상부에는 굴뚝을 설치하여 브라운가스에 의해 고온을 창출하면서 완전소각할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 브라운가스 고온열분해소각로.
2. 상기 1항에 있어서, 소각물 압축기는 일측에 원통형의 테이퍼부를 형성하고 피스톤의 몸통길이를 길게 형성하여 피스톤 로드와 연결된 에어시린더 작동에 의해 소각물을 압축투입하도록 구성한 것을 특징으로 하는 브라운가스 고온열분해소각로.
3. 브라운가스를 대량생산하는 브라운가스플랜트와; 쓰레기 홉퍼로부터 투입되는 소각물을 압축투입하는 소각물 압축기와; 소각물 압축기에 연결되어 수평으로 설치되며 브라운가스 착화버너를 장착한 열분해로와; 열분해로와 연결되어 수직으로 설치되며 몸체하부에 용탕실을 구성한 브라운가스로와; 브라운가스로의 몸체일측에는 브라운가스인젝터와 에젝터방식의 송풍장치가 부설되고 또한 브라운가스로의 상부에 연결되는 배기가스라인에 폐열보일러, 반건식세정기, 여과집진기, 유인배풍기, 그리고 스택의 순서로 부대시설이 구성된 것을 특징으로 하는 브라운가스 고온열분해소각로.
4. 상기 3항에 있어서, 브라운가스로의 몸체 내부는 하부에 용탕실이 형성되고 그 상부에 브라운가스연소실이 형성되며 그 상부에 건류가스연소실이 형성되는 것으로써 브라운가스인젝터에 의해 공급되는 브라운가스(2H₂+O₂)의 연소열과 건류가스(H₂,CO)의 연소열이 상승작용하며 창출되는 1800℃ 이상의 고열에 의해 소각재를 용융처리 하는 것을 특징으로 하는 브라운가스로를 구성한 브라운가스 고온열분해소각로.
5. 상기 3항에 있어서, 공기예열송풍장치는 고압송풍기의 송풍압력에 의해 배기가스를 혼합공급할 수 있도록 에젝터 형식으로 구성한 것을 특징으로 하는 브라운가스 고온열분해소각로.