KR20040078767A - 다목적 브라운가스용융소각로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브라운가스플랜트에서 대량생산하는 브라운가스를 용융소각로에 효과적으로 적용하여 로내온도를 1400℃∼1800℃로 유지하면서 폐타이어 등의 폐기물을 용융처리 할 수 있도록 구성한 다목적 브라운가스용융소각로에 관한 것이다.

좀더 구체적으로는, 소각재용융실과 건류가스연소실을 일체로 형성한 브라운가스용융소각로를 구성하고 용융로에 투입된 소각물이 용탕상면에서 열분해 되면서 발생하는 건류가스를 상부 연소실에서 2차적으로 한 번 더 연소시킴으로써 브라운가스버너에서 내뿜는 브라운가스 연소열과 가연성가스인 건류가스의 연소열이 상승작용하여 일으키는 고열에 의해 완전소각을 유도하여 공해물질의 배출을 억제하고 소각재는 용융처리하여 벽돌 또는 골재로 고형화하여 재활용함으로써, 완전소각에 의한 대기오염방지 뿐만 아니라 소각재처리까지도 완벽하게 용융처리하는 것을 특징으로 하는 다목적 브라운가스용융소각로에 관한 것이다.

Description

다목적 브라운가스용융소각로 { Multipurpose Brown Gas Furnace }

본 발명은 폐타이어 등 특수폐기물처리를 위한 다목적 브라운가스용융소각로에 관한 것으로서 브라운가스의 연소열과 건류가스의 연소열이 상호상승작용에 의한 고온상태에서 완전소각을 이룩하기 위한 것이다.

지금까지 소각로는 850℃∼900℃에서 소각하는 스토커식 소각로가 주종을 이루어왔으나 이것은 대량의 연소용 공기가 필요하므로 배출가스가 많이 발생할 수밖에 없어 막대한 공해방지시설이 필요하다. 이에 대한 대안으로 열분해소각로가 있다. 열분해소각로는 열분해실에 소각물을 잠입시킨 후 공기가 차단된 상태로 400℃∼600℃에서 탄화건류과정을 거쳐 발생하는 건류가스를 별도로 구성된 2차연소실에서 900℃∼1300℃로 연소시키는 방법이다. 그러나 폐타이어 같은 소각물의 경우 철사가 들어 있기 때문에 열분해후 남게 되는 잔유물 처리문제가 심각하게 발생할 수밖에 없다.

또한 소각로에서 나오는 소각재를 매립하는 방법으로 처리하고 있으나 이것또한 중금속 등이 포함되어 있는 특수폐기물이기 때문에 토양을 오염시키는 문제가 있어 함부로 버려서는 안되게 되었다. 이와같이 인류문명의 발달로 쓰레기는 많아지고 환경규제 또한 법적으로 강화되고 있다. 따라서 쓰레기를 종래의 방법으로 소각한다고 해서 문제가 해결되는 것은 아니므로 결과적으로 고온용융소각하는 방법 밖에 없음을 알게 된다.

일반적으로 말하면 소각물을 태우는 연소실에서 완전연소를 유도하기 위해서는 공기 대신 산소를 공급하여야 되고 용융로에도 순산소를 공급하면 고온을 유지할 수 있지만 순산소를 공급한다는 것은 현실성이 없는 것이다.

따라서 본 발명은 브라운가스를 연료로 사용하여 로내온도를 1400℃∼1800℃의 고온을 유지함으로써 어떠한 특수폐기물도 용융소각처리하여 환경공해문제를 완전해결하기 위한 것이다.

브라운가스는 물의 전기분해방식에 의해 생산되는 연로로서 H₂와 O₂가 2:1의 비율로 혼합되어 있는 혼합가스를 말한다. 브라운가스는 자체산소에 의해 완전연소되는 특성이 있으므로 브로워에 의해 연소용 공기를 별도로 공급할 필요가 없다는 장점을 가지고 있다.

본 발명자는 특허 제275504호 및 일본특허 제3130014호 "횡렬식 전해조를 포함한 브라운가스 대량발생장치"를 발명하였고 이를 이용하여 플랜트화 함으로써 에너지 다소비업체 등 산업현장에서 대량으로 필요로 하는 에너지를 얼마든지 공급할 수 있게 하였다. 드디어 물연료 상용화 시대가 열린 것이다.

또한 브라운가스를 연료로 사용할 경우 기존 연료비용의 70∼80%를 절약할 수 있다. 따라서 페이백 기간이 1.5∼2.5년 밖에 안되므로 충분히 경제성을 확보하고 있는 것이다.

본 발명의 브라운가스용융소각로는 브라운가스플랜트에서 대량생산하는 브라운가스를 용융로에 효과적으로 공급하여 로내온도를 1400℃ 이상의 고온을 유지하면서 폐타이어 등의 특수폐기물을 완전소각처리하기 위한 것이다.

한편 폐타이어 등의 특수폐기물 처리방법에 있어 종래기술을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

폐타이어의 성분구성은 대체로 기름 56.5%, 카본 40%, 아연 2%. 철기타 1.5%로 구성되어 있어 가연성물질이 주종을 이루고 있지만 큰 고형물인 폐타이어를 통째로 소각하기는 곤란하므로 쉬레더(Shreder), 촙퍼(Chopper) 등의 파쇄기에 의해 작은 사이즈로 만들어 소각하여야 한다. 이 때 매연이 많이 나오고 철사가 포함된 소각재처리가 심각하게 대두되므로 소각처리하는 경우는 드물다.

폐타이어 재활용방법의 하나로 상기 고비용의 파쇄시설에서 파쇄한 후 이것을 열분해실에서 열분해하여 발생하는 유증기를 냉각하여 기름을 생산한다. 또한 열분해후 남아있는 카본을 재활용할 수 있으나 이런 기술은 실제로 상용화되지 못하고 있다.

왜냐하면 400℃∼600℃를 유지하여야 하는 열분해실의 온도를 올리기 위해 외부에서 열을 가하는 경우 열분해실의 내부온도분포가 고르게 생성되지 못하고 벽쪽은 타서 눌러붙기도 하고 내부 어느 곳은 온도가 오르지 않아 열분해가 충분히 일어나지 않아 기름기가 그대로 남아있는 등 열분해의 목적을 이룩할 수 없기 때문이다. 열분해에 성공하였다 하더라도 재활용제품은 품질이 낮고 상품가치가 없어 팔리지 않으므로 지금까지 상업적으로 성공한 업체가 하나도 없는 실정이다.

상기 폐타이어 뿐만 아니라 폐플라스틱, PCB 기판, 제강공장 더스트 등의 특수 산업폐기물들은 마땅한 처리방법을 찾지 못하고 있고 종래의 방법으로 소각처리할 수 있다 하더라도 막대한 비용을 필요로 한다.

상기 특수폐기물처리의 문제점을 살펴볼 때, 본 발명은 이러한 모든 문제점을 일거에 해결하기 위한 것으로, 브라운가스용융소각로에 투입하는 소각물은 종전처럼 파쇄하지 않고 폐타이어를 통째로 투입하고 중금속이 포함된 분진상태의 소각물은 박스에 넣어 투입하고 도시쓰레기는 압축하여 덩어리 상태로 투입하여 고온소각에 의해 대기공해물질이 전혀 발생하지 않게 할 뿐만 아니라 소각재는 벽돌로 고형화 하여 생산함으로써 가장 적은 비용으로 완전소각처리하고 여기서 나오는 열은 폐열보일러에 의해 대단위 온실난방 등에 활용할 수 있게 함으로써 막대한 에너지비용을 획기적으로 절감하게 하기 위함이다.

상기 여러가지 목적을 달성하기 위한 본 발명의 브라운가스용융소각로는 소각재용융실과 건류가스연소실을 일체로 구성한 것으로써 소각물이 용융실에 고여있는 용탕 상면에서 열분해되면서 발생하는 건류가스를 상부에 위치한 연소실에서 2차적으로 한번 더 연소시키는 방법으로 폐타이어 등의 특수폐기물을 완전용융처리하기 위한 것이다.

상기 용융실은 용탕 상면과 일치하는 수면상에 용탕배출구를 구성하고 용탕상면의 위쪽에 브라운가스버너공을 일정개수 구성한 것으로 로벽은 고온에 견딜 수 있는 내화벽돌로 구축하도록 한다.

용융실에서는 연소용 공기의 공급 없이 브라운가스만 연소되고 있으므로 결국 브라운가스의 연소구역은 저산소상태의 공간이 형성되어 이곳에서 소각되는 소각물은 저산소 상태에서 고온열분해가 일어나게 되고 특히 용탕에 접하는 소각물의 표면은 무산소 상태가 되므로 고열에 의한 열분해가 급속히 일어나게 된다.

상기 용융실과 일체로 형성되는 2차연소실은 하부에 폐기물투입터널을 구성하고 상부에 배기가스배출구를 구성하며 또한 로벽의 일측에는 또다른 브라운가스버너공을 일정개수가 형성되도록 하여 브라운가스버너를 부착한 것이다.

본 발명의 브라운가스용융소각로를 원활하게 운전하기 위한 부대설비는 폐기물투입구와 연결하여 폐기물 이송콘베어(Feeding Conveyor)를 설치하여 폐기물이 하나씩 자동으로 투입되도록 하고 용탕배출구에는 벽돌을 만들어 내는 주형설비를 설치하거나 또는 수쇄처리할 수 있는 수조를 설치한다. 여기서 생산되는 고형물은 도로포장 등의 골재로 활용할 수 있다.

또한 배기가스배출구와 연결되도록 폐열보일러를 설치하여 배기가스를 냉각시킨 후 SOx, HCL 등의 산성가스를 제거하기 위한 반건식세정기 및 집진기를 설치하고 이와 연결하여 배풍기(Exhaust Fan)를 설치하여 배풍기에 의해 스택 꼭대기로 무색무취의 무해가스를 배출하도록 한다.

브라운가스화염은 불꽃이 퍼지지 않고 직진하는 특성이 있으므로 버너팁을 연소실 깊숙히 넣을 필요는 없다. 따라서 브라운가스버너는 버너공을 중심으로 하여 로벽의 외부에 설치한다. 여기서 사용하는 브라운가스버너는 본 발명자가 선출원하여 등록된 특허 제322315호 "브라운가스연소용 에어젯트버너"를 사용한다.

브라운가스버너공은 두꺼운 로벽을 관통하여 중공원통형의 세라믹관을 설치한 것으로 이것은 브라운가스의 연소실 역할을 한다. 그러므로 원통관은 특별히 내열성과 발열성이 좋은 SiC를 주성분으로 하는 재질의 세라믹을 압축성형하여 사용한다.

브라운가스용융로를 점화하기 위하여 브라운가스버너에 착화하면 상기 원통관으로 형성된 브라운가스연소실이 제일 먼저 벌겋게 달구어지면서 발열하게 된다. 그러므로 브라운가스화염은 고온의 연소실을 통과하면서 더욱 더 고온인 상태로 로내부로 분출하게 된다. 이 때 브라운가스화염은 원통관 내부에서는 잘 보이지 않고 원통관 끝에 고온의 화염을 형성시키면서 로내온도를 고온으로 올리게 한다.

투입구개폐문을 닫은 상태에서 브라운가스에 의해 로내온도가 800℃ 이상이 되도록 예열한 후 개폐문을 열고 폐타이어 등의 소각물을 투입하기 시작한다. 용융로 바닥에 떨어진 소각물은 저산소 상태에서 브라운가스 직화열과 로내열기에 의해 곧바로 고온열분해가 일어나고 탄화되면서 H₂와 CO를 주성분으로 하는 가연성가스인 건류가스(합성가스)를 내뿜게 된다. 건류가스는 상부에 위치한 또다른 브라운가스버너의 화염에 의해 착화되어 연소하게 된다.

한편 본 소각로는 배풍기에 의해 강제로 배풍되고 있으므로 로내부는 부압이 걸리게 되어 있어 자연스럽게 폐기물투입구로부터 공기가 유입되어 건류가스연소에 필요한 산소를 공급하게 된다.

따라서 본 발명에 의한 브라운가스용융소각로는 브라운가스에 의한 발열과 건류가스에 의한 발열이 서로 상승작용을 일으켜 곧바로 고온상태로 올라가는 효과를 얻게 된다.

이후, 소각재가 용융되어 용탕을 이루며 용탕의 수면위에 투입되는 폐타이어 등의 소각물은 용탕위에 일단 뜨게 된다. 이 때 용탕과 접하게 되는 소각물의 표면은 무산소 상태에서 열분해가 급속히 일어나면서 건류가스를 내뿜게 되고 상부에 위치한 합성가스연소실에서 2차적으로 한 번 더 연소하게 된다.

따라서 본 발명의 브라운가스용융소각로는 하부에 저산소 상태의 용융실과 상부에 건류가스연소실을 일체형으로 구성하여 용융실에서 열분해하면서 동시에 2차연소시키는 방법으로 저산소 열분해효과와 아울러 1400℃ 이상의 고온에 의한 2차연소효과를 얻을 수 있고 또한 소각재 용융처리효과를 동시에 얻을 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 브라운가스 용융소각로는 브라운가스 연소열과 건류가스 연소열이 상호 상승 작용하여 고열을 만들어내기 때문에 필요하다면 로내 온도를 1800℃ 이상 2000℃ 이상 까지도 올릴 수 있다.

그러나 1800℃ 이상으로 운전할 경우 이러한 온도에 견딜 수 있는 고가의 내화재를 써야 하고 로벽의 보호를 위해 워터자켓(Water Jacket)을 설치하여야 한다. 그러므로 투입되는 폐기물의 물성과 폐기물 처리목적에 따라 경제성을 검토하여 운전조건을 결정하도록 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 브라운가스용융소각로의 횡단면도.

도2는 본 발명의 일구성요소인 브라운가스버너공의 상세단면도.

도3은 본 발명의 일구성요소인 용탕배출로의 형상을 보여주는 개략적인 사시도.

도4는 본 발명의 브라운가스용융로 및 부대설비를 포함한 전체 설비의 일실시예를 보여주는 개략적인 공정도.

<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 브라운가스플랜트 20: 피딩콘베어

30: 브라운가스용융소각로 31,35: 브라운가스버너

32,36 :브라운가스버너공 33: 용탕배출구

34: 용탕배출로 37: 투입구개폐문

38: 투입구터널 39: 배기가스구

40: 주형설비 50: 폐열보일러

60: 반건식세정기 70: 집진장치

80: 배풍기 90: 스택

"A" 부: 용융실 "B" 부: 연소실

이하, 본 발명에 따른 다목적 브라운가스용융소각로에 대하여 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 다목적 브라운가스용융소각로의 횡단면도이고, 도2는 본 발명의 일구성요소인 브라운가스버너공의 상세 단면도이고, 도3은 용탕배출구의 형상을 개략적으로 보여주는 사시도이며, 도4는 본 발명의 브라운가스용융로 및 부대설비를 포함한 전체설비의 일실시예를 보여주는 개략적인 공정도이다.

도1 내지 도4에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 다목적 브라운가스용융소각로의 전체시스템은 물연료 자동공급장치인 브라운가스플랜트(10)로부터 브라운가스를 공급받아 폐타이어 등의 폐기물을 용융소각시키는 브라운가스용융소각로(30)와 그 부대설비인 폐기물 피딩콘베어(20) 및 용탕을 부어 고형화시키는 주형설비(40)로 구성되어 있고 또한 배기가스라인에는 폐열보일러(50), 유해가스처리를 위한 반건식세정기(60), 집진설비(70), 그리고 배기가스를 인입하여 스택(90)으로 배기시키는 배풍기(80)로 구성되어 시스템을 이루고 있는 것이다.

도1 내지 도3에 도시한 바와 같이 브라운가스용융소각로(30)는 소각재 용융실(A)과 건류가스연소실(B)이 일체로 형성된 것으로 고온내화벽돌로 구축한 용융실(A)의 일측에는 용탕 상면과 일치하는 수평면상에 용탕배출구(33)를 형성하여 넘치는 용탕이 배출로(34)를 따라 흘러서 주형설비(40)에 마련된 주형에 채워져 벽돌 등으로 고형화 되도록 구성한 것이고 또한 용탕상부의 일정한 지점에 일정개수의 브라운가스버너공(32)이 형성되도록 하여 브라운가스버너(31)를 장착하도록 구성한 것이다.

상기 건류가스연소실(B)은 고열에 견딜 수 있는 세라크울 등의 고온내화재로 로벽을 형성하여 용융실(A)과 일체로 구성한 것으로 연소실(B)의 일측에는 브라운가스버너공(36)이 일정개수 형성되어 역시 브라운가스버너(35)가 장착되어 있으며 또 다른 일측에는 폐기물투입구와 터널(38)이 형성되게 하되 경사지게 하여 소각물이 미끄러져 내려가도록 하고 투입구에는 개폐문(37)이 설치되어 폐기물 투입시에는 계속 열려있도록 하여 건류가스연소에 필요한 공기를 공급하도록 한다. 또한 연소실 상부에는 배기가스 배출구(39)를 구성하여 폐열보일러(50)와 내열 닥트로 연결되도록 한다.

상기 브라운가스버너공(32, 36)은 도2에 도시한 바와 같이 SiC를 주성분으로 하는 세라믹을 압축성형한 원통관(32a, 36a)을 내설하여 브라운가스연소실 역할을 하도록 함으로써 고열의 브라운가스화염이 로내로 분출하도록 하였다.

상기 용탕배출구(33)와 배출로(34)는 도3에 도시한 바와 같이 넘치는 용탕이 배출구(33)를 통해 흘러나가도록 구성한 것이고 또한 용융실(A) 바닥에는 가동을 중단할 시 필요에 따라 사용할 수 있는 예비배출구(도시하지 않음)를 구성하였다.

이렇게 하여 구성한 브라운가스용융로(30)에 피딩콘베어(20)에 의해 투입되는 소각물은 폐기물투입터널(38)을 따라 미끄러져 용융실(A)의 용탕 위에 떨어져 잠시 떠있는 상태에서 무산소 또는 저산소 상태에서 급속히 건류탄화 되면서 열분해되어 H₂, CO를 주성분으로 하는 건류가스를 내뿜게 되고 상부에 위치한 연소실에서 고온에 의해 연소되면서 고열을 만들어 낸다.

따라서 본 발명의 브라운가스용융소각로는 브라운가스에 의한 연소열과 건류가스에 의한 연소열이 서로 상승작용을 하면서 로내온도를 순식간에 고온으로 상승시켜주므로 고온소각에 적당한 1400℃∼1800℃를 유지하여 어떠한 폐기물도 완전소각하고 소각재 또한 용융처리하여 고형화 함으로써 공해문제를 완벽하게 해결한 것이다.

본 발명은 물연료 즉, 브라운가스를 자가생산하여 폐기물을 고온용융소각 할 수 있게 하였다는데 무엇보다 큰 의미를 갖고 있다.

그리고 브라운가스는 공기 또는 산소의 공급없이도 완전연소가 가능하므로 이러한 특성의 브라운가스를 용융실에서 연소시킴으로써 자연스럽게 저산소 공간을 형성하여 용탕 위에 떨어지는 소각물이 저산소 또는 무산소 상태로 고온열분해가 이루어지도록 한 것이 특징이다.

또한 용융실과 건류가스연소실을 일체로 구성하여 열분해가 일어나자마자 생성되는 건류가스를 2차적으로 곧바로 연소시킬 수 있게 하였다. 다시 말하면 H₂, CO, H₂O 등의 성분으로 충만한 건류가스연소실에서 폐기물투입구로부터 유입되는 공기 중의 O₂와 연소반응하여 일어나는 건류가스연소열과 브라운가스연소열이 상승작용하여 만들어내는 고열에 의해 로내 온도가 1400℃∼1800℃의 고온을 유지할 수 있게 하였다.

따라서 본 발명에 의한 다목적 브라운가스용융소각로는 고온소각에 의해 대기공해물질의 배출을 억제하고 소각재는 용융처리하여 벽돌 또는 골재로 재활용하고 폐열보일러에서 얻어지는 열은 대단위 온실난방 등에 이용할 수 있는 것으로 이것은 브라운가스의 연소특성을 응용한 아주 유용한 발명인 것이다.

Claims (6)

1. 브라운가스를 대량으로 공급하는 브라운가스플랜트(10)와; 브라운가스플랜트(10)로부터 브라운가스를 공급받아 연소시키는 브라운가스버너(31,35)와; 브라운가스버너(31,35)를 장착한 브라운가스용융소각로(30)와; 또한 용융소각로(30)의 배기가스라인에 연결 설치되는 폐열보일러(50), 반건식세정설비(60), 집진설비(70), 배풍기(80) 및 스택 등의 부대설비로 구성된 것을 특징으로 하는 다목적 브라운가스용융소각로.
2. 상기 제1항에 있어서, 브라운가스용융소각로는 폐기물을 자동으로 이송하여 투입하는 피딩콘베어(20)와; 소각재용융실(A)에서 흘러나오는 용탕을 부어 고형화시키는 주형설비(40)등의 부속설비를 구성한 것을 특징으로 하는 다목적 브라운가스용융소각로.
3. 상기 제1항에 있어서, 브라운가스용융소각로(30)는 소각재 용융실(A)과 건류가스연소실(B)을 일체로 형성하여 로 벽체에는 브라운가스버너공(32,36)과; 용탕배출구(33)와; 폐기물투입구터널(38), 그리고 상부에 배기가스구(39)를 구성한 것을 특징으로 하는 다목적 브라운가스용융소각로.
4. 상기 제1항에 있어서, 브라운가스용융소각로는 용융실(A)의 일정높이에 용탕수면이 형성되도록 용탕배출구(33)와 용탕배출로(34)를 구성하여 소각물이 브라운가스 연소구역인 용융실(A)과 용탕상면에서 저산소상태 또는 무산소상태로 동시에 열분해 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 다목적 브라운가스용융소각로.
5. 상기 제3항에 있어서, 브라운가스버너공(32,36)은 SiC를 주성분으로 하는 세라믹을 압축성형하여 만든 원통관(32a,36a)을 내설하여 브라운가스화염이 벌겋게 달구어진 원통관(32a,36a)을 통과하면서 고열을 분출하도록 구성한 것을 특징으로 하는 다목적 브라운가스용융소각로.
6. 상기 제3항에 있어서, 폐기물투입구터널(38)은 건류가스연소실(B)의 일측에 구성하되 건류가스연소에 필요한 공기를 원활하게 공급할 수 있도록 일정높이의 지점에 설치하고 소각물이 터널(38)을 지날 때 예열되면서 미끄러져 내려가도록 경사지게 하고 투입구개폐문(37)을 설치한 것을 특징으로 하는 다목적 브라운가스용융소각로.