KR20080076670A - 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수처리공정 및 그의 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정으로서, 부분연소, 열분해, 개질 처리공정; 상기 부분연소, 열분해, 개질 처리공정 이후에 회분을 용융 자원화하는 부분연소-열분해 잔재(회분)의 용융 자원화 처리공정; 상기 부분연소, 열분해, 개질 처리공정에 연결되고, 배출가스의 보유 현열을 회수하고 집진분리하는 개질로 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리공정; 상기 개질로 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리 처리공정 후, 제진 연료가스의 청정연료가스로의 정제 자원화 처리공정; 및 상기 청정연료가스로의 정제 자원화 처리공정 후, 청정연료가스를 원료로 다양한 2차제품(전력, 수증기 및 각종 화공제품 등)으로 전환하는 화공제품 생산공정; 상기 2차 제품인 전력을 이용하여 자체 공정에 필요한 산소(3차 제품)를 생산하는 공정; 상기 집진 분리공정에서 분리 회수한 매연으로부터 중금속을 분리 회수하고, 활성탄을 생산하는 공정; 및 상기 청정연료가스로의 정제 자원화 처리공정에서 부생하는 폐수를 처리하여 중금속과 복염을 분리 회수하고, 용수를 생산하는 공정 등을 포함하는 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 각종 단위공정을 연계하는 집적공정(Integrated Process) 및 최적의 운전조건으로 기술성, 경제성, 친환경성 및 미래지향성이 극대화되는 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템을 제공하는 효과를 갖는다.
폐기물, 용융, 열분해, 청정 연료가스, 자원화
Description
도1은 본 발명에 따른 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템을 위하여 각종 단위공정을 연계한 개략적인 전체 자원회수-활용을 위한 시스템의 개략적인 구성도.
도2는 본 발명에 따른 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템에서, 생성-회수한 매연(카본)으로 부터 중금속을 분리-회수하고 활성탄을 생산하는 처리공정 부분에 대한 개략적인 구성도.
도3은 본 발명에 따른 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템에서 부생하는 폐수로부터 중금속, 복염을 회수하고, 용수를 생산하는 처리공정 부분의 개략적인 구성도.
도4는 본 발명에 따른 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템에서, 생산한 청정연료가스로 2차 제품인 전력을 생산하는 각종 발전시스템에 대한 개략적인 구성도.
도5는 본 발명에 따른 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원 회수 처리공정 및 그의 시스템에서, 자체에서 생산한 전력으로 공기에서 3차 제품인 산소를 생산하는 산소 생산장치에 대한 개략적인 처리공정의 구성도.
본 발명은 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 하나의 통합 시스템과 이에 적용되는 최적의 운전조건을 통해 기술성, 경제성, 친환경성, 미래 지향성 등의 성능과 효과를 현저히 향상시킬 수 있고, 나아가서는 석유 대체 산업으로 이바지할 수 있는 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 일상생활에서 발생하는 폐기물은 그대로 방치할 경우 환경을 훼손시키고, 자원의 낭비로 이어지기 때문에 반드시 처리되어야 한다.
이러한 폐기물 처리에 있어서 종래기술에 따른 폐기물 처리방법은 다음과 같은 4단계 과정을 거쳐 발전해 왔다.
1단계는 폐기물을 단순 매립처리하는 단계이고, 2단계는 공기로 소각하고 연소가스를 방출한 후 회분은 매립처리하는 단계이고, 3단계는 공기 또는 산소부화로 열분해-소각-폐열회수-유해물 저감처리-연소가스 방출 후 회분은 용융 무공해성 골재로 자원화 처리하고, 회분만 자원화 처리하는 단계이고, 4단계는 산소로 열분해- 폐열회수-유해물 저감처리-연료가스로 자원화 처리하고, 회분도 용융 무공해성 골재로 자원화 처리하여 가연분, 회분 모두를 자원화 처리하는 단계이다.
그리고 4가지인 상기 4단계의 폐기물 처리방법이 현재에 모두 사용되고 있으나, 전 단계에 따른 폐기물 처리방법일수록 환경의 악화에 미치는 영향이 크기 때문에, 최근에 이르러서는 후 단계의 방법으로 전환하기 위해 기술개발에 관련된 기관과 기업들이 경쟁적으로 연구 개발 중에 있다.
또한 외국의 경우, 일본에서는 1970년대 후반부터, 상기 3단계 처리방법을 상용화하기 시작하였으면, 유럽에서는 1990년대 초반부터, 상기 4단계의 폐기물 처리방법을 상용화하기 시작했다. 그리고, 최근에는 이 외에 다른 유사 유형의 처리방법이 상용화 보급되고 있으나, 하기의 표 1에 나타낸 바와 같이, 이들 기술은 운전의 지속적 안전-안정-용이성, 고온장치의 내구성, 경제성, 친 환경성 등에서 상당한 개선점을 내포하고 있다.
표-1. 최근 선행기술(상기 3 및 4단계 처리기술)의 대표적 유형별 특징 대비표
| 구분 | 기술개발 회사 | 열분해 처리 형식 | 용융로 형식 | |
| P- 공정 | 일본 Takuma | 구성 | 가연분 ; 프라즈마로, 열분해-공기 연소 -폐열회수-정제 후, 대기방출 회분; 프라즈마 용융 자원화 | 고온 내화물 안에서 초고온 프라즈마 토치로 상부로부터 가열하는 표면용융방식 |
| 특징 | 고온프라즈마에 의한 시설비, 운전비 상승, 내화재 내구성 문제 상존 지속적 안정 운전기술 확보 문제 상존. 용융 배출물 중에, 미용융물 혼존 가능성 있음 | |||
| R- 공정 | 일본 Mitsui 조선 Ebara 제작소 Kobelco-Eco 일립조선 | 구성 | 가연분 ; 예열한 공기로 부분연소-탄화, 공기로 가연분은 연소-폐열회수-정제후, 대기방출 회분; 탄화물 분체를 선회열류 안에서 연소시켜 그 연소열로 회분을 용융 자원화 | 폐기물의 탄화물 분체를 예열한 공기의 선회 열기류에서 연소시켜 발생하는 연소열로 용융 연속 배출하는 방식 |
| 특징 | 회전로형 탄화공정 운전 안정성, 보수-관리 문제 상존 공기 사용에 의한 소요장치 비대화, NOx 제거 시설-운전비 가중 용융 운전온도 비교 저온으로 고온장치의 내구성 양호 용융 배출물 중에 미용융물 혼존 가능성 있음. | |||
| N- 공정 | 일본 신일본제철 | 구성 | 가연분 ; 40-45%의 산소부화가스로부분연소-열분해 후, 공기로 완전연소-폐열회수-정제 후, 대기방출 회분; 40-45%의 산소부화가스로 코크스를 연소시킨 열로 용융 자원화 | 고온 내화물 안에서 코크스를 40-45%의 산소로 연소시켜, 발생열로 고온에서 용융, 단속 배출하는 표면 용융 방식 |
| 특징 | 부분연소-열분해-용융로 일체형 수직로의 운전의 불안정성 문제 상존 용융물 단속배출의 특수작업에 의한 불안정성 문제 상존 용융 배출물 중에, 미용융물 혼존 가능성 있음. | |||
| T- 공정 | 유럽 Thermo-Select | 구성 | 가연분 ; 순산소가스로 부분연소-열분해 -정제 후, 연료가스로 자원화 회분; 연료-산소 연소열로 용융 자원화 | 고온 내화물 안에서 상부는 연료-산소 버너의 연소열로 용융하는, 표면 용융 방식 |
| 특징 | 폐기물의 가압 주입장치 적용으로, 시설비 증가 및 열분해 반응속도를지연시키는 영향이 큼. 개질로 운전조건이 운전-건설비 증가 요인이 되고 있음, 표면용융로에 용융물 균질화로를 추가하여, 고온용융로를 대형화 시키고 있음. 건설-운전비 등 경제성 면에서 취약함. | |||
한편, 국내에서도 다수 유관 업체와 연구기관에서, 이 분야에 대한 기술개발에 전력하고 있으나, 아직까지 실용화 가능한 기술에 성공한 사례가 공표되지 않고 있다.
이에 본 출원인은 상기의 기술에 대하여 다양하게 연구해 왔으며, 다수의 건 으로 특허등록과 정부의 신기술 지정을 받은 바 있다. 보다 구체적으로,
○ 국내 등록특허 제0466408호(각종폐기물의 전량 무공해 자원화 처리장치 및 방법),
○ 국내 등록특허 제0515917호(각종 폐기물의 전량 무공해 자원화를 위한 용융장치),
○ 국내 등록특허 제0606395호(비회의 용융 자원화를 위한전처리공정 및 장치),
○ 일본 등록특허 제3921198호(각종 폐기물의 전량 무공해 자원화를 위한 용융장치),
○ 환경부 신기술 지정 제104호(흑연재 도가니와 상하 양면에서 가열하는 구조의 용융로를 이용하여, 생활폐기물 소각재를 용융처리하는 기술) 등이 있다.
따라서 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하고, 기 취득 특허를 개량하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 폐기물에 함유하는 유해물이 환경에 미치는 영향을 극소화시키는 조건하에, 전량을 유용한 자원으로 재생, 전량 활용토록 하여, 환경과 자원을 다 함께 보존토록 하며, 동시에 기술성, 경제성, 친환경성 및 미래 지향성 등의 성능 면에서 뛰어나고, 최적의 운전 조건을 통한 실용적인 처리방법으로 구현되는 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템을 제공하기 위한 것이다.
보다 구체적으로, 폐기물 중에서 가연성 유기물을 연료가스로 자원화하는 과정에서, 운전의 용이성과 운전비 절감 효과 및 최종 배출물 중에 잔류할 수 있는 독극물인 다이옥신(Dioxin)과 중금속의 함량 억제하기 위해, 처리기능에 해당되는 열분해-개질로의 운전조건(운전온도, 체류시간 및 수증기 주입량)을 최적화하여 보다 효율적으로 구현되는 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 폐기물 중 가연성 유기물을 1차로 자원화한 청정연료가스와 기타 배출되는 각종 부산물을, 유용한 2차 및 3차제품(전력, 산소, 수증기, 활성탄, 용수, 및 각종 화공제품 등)으로 자원화하거나, 분리-회수(중금속)하여 유해물의 무방출 원칙하에 환경에 미치는 영향을 극소화시키면서, 청정연료가스를 생산하며, 이를 위해 주요 공정부문과 각종 2차 및 3차 제품을 생산하는 부수 공정부문을 연계하는 집적공정(Integrated Process)을 구성하여, 에너지 유효이용 효율을 격상시키고, 자체소요 유틸리티를 자급하며, 잉여 에너지는 외부로 송출하여 전량 활용할 수 있는 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 처리공정으로서, 부분연소, 열분해, 개질 처리공정; 상기 부분연소, 열분해, 개질 처리공정에 연결되고, 회분을 용융 자원화하는 부분연소-열분해 잔재의 용융 자원화 처리공정; 상 기 부분연소, 열분해, 개질 처리공정에 연결되고, 배출가스의 보유 현열을 회수하며, 배출가스에 동반하는 회분과 매연을 집진분리하는 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리공정; 상기 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리 처리공정에 연결되고, 제진 연료가스의 청정연료가스로의 정제 자원화 처리공정; 및 상기 청정연료가스로의 정제 자원화 처리공정 후, 청정연료가스를 원료로 하여 전력, 수증기, 산소, 활성탄, 석유화학제품 중 어느 하나 이상의 제품을 생산하는 2차-3차 제품 생산공정을 포함하는 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정을 제공한다.
여기에서, 상기 개질 처리에 있어서, 운전온도를 950℃∼1050℃ 범위로 하고, 개질 처리에서의 반응체류시간은 4∼6초로 하고, 열분해 촉진용으로 주입하는 수증기 주입량을 이론 당량의 1∼1.5배로 하며, 개질 처리의 운전 장애요인이 될 수 있는 타르성분이 함유되지 않을 정도로 유지시키고, 적정량의 매연이 잔류하도록 한다.
또한 본 발명은 부분연소, 열분해, 개질 처리장치; 상기 부분연소, 열분해, 개질 처리장치에 연결되고, 회분을 용융 자원화하는 부분연소-열분해 잔재(회분)의 용융 자원화 처리장치; 상기 부분연소, 열분해, 개질 처리장치에 연결되고, 배출가스의 보유 현열을 회수하고 집진분리하는 개질로 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리장치; 상기 개질로 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리 처리장치에 연결되고, 제진 연료가스의 청정연료가스로의 정제 자원화 처리장치; 및 상기 청정연료가스로의 정제 자원화 처리장치에 연결되고, 청정연료가스를 원료로 2차-3차 제품을 생산하는 생산장치를 포함하여, 상기 각 장치들을 전체적으로 연계시켜 집적공정을 구성하는 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리시스템을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템의 바람직한 구체 예에 대한 구성, 기능 및 효과에 대하여 상세하게 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정 및 그의 시스템의 개략적인 구성도로서, 원료인 폐기물을 주입해서부터, 처리 순서에 따라 필요한 각종 주요 유틸리티유입과, 부산물, 주산물 및 최종의 잉여 자원이 생산 배출되기까지의 처리공정에 대한 구성 및 과정을 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정은 크게 (1) 부분연소, 열분해, 개질 처리공정, (2) 상기 (1)의 처리 공정 이후의 잔재(회분)인 비가연성 무기물을 전처리하는 잔재 전 처리공정, (3) 상기 (2) 처리 공정 이후의 잔재(회분)를 용융 자원화하는 자원화 처리공정, (4) 상기 (1)의 처리 공정 이후 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리 처리공정, (5) 제진 연료가스의 청정연료가스로의 자원화공정, 및/또는 (6) 청정연료가스를 원료로 하는 2차 및 3차 제품 생산처리공정을 포함한다.
이하 폐기물의 처리순서에 따라, 부문별로 그 구성내용, 운전조건, 기능과 특징 등에 대하여 자세히 설명한다.
(1) 부분연소, 열분해, 개질 처리공정
도면에 나타낸 바와 같이, 상기 부분연소, 열분해, 개질 처리공정은 메인 구성요소로서 부분 연소, 열분해 및 개질 처리장치인 열분해로 및 개질로를 포함하여 구현된다.
부분 연소, 열분해 및 개질 처리장치의 도입부인 열분해로로 투입되기 전, 유용물 분리, 회수, 파쇄, 혼합, 악취처리 등의 전처리과정을 거친 폐기물은 투입기에 의해 수평형 회전로인 열분해로에 연속적으로 정량씩 주입된다. 또한 상기 열분해로의 주입구 반대 측에는 산소주입장치인 산소 버너가 설치되어 산소가 주입된다.
그리고 상기 폐기물은 건조-증발-열분해-연소과정을 차례로 거친다. 이때, 수분 및 가연성 유기물은 모두 증발, 부분연소 및 열 분해되어 300℃ ~ 600℃ 온도범위의 기체상태가 되고, 수직 S자형 고정로인 개질로로 배출된다. 상기 개질로는 유출하는 열분해가스를 추가로 열분해하기 위한 것이다.
한편 비가연성 무기물(회분)은 600℃ ~ 800℃ 온도범위에서, 열분해로의 타단에서 수직형 냉각기(냉각장치)에 낙하되면서 분무수 주입장치에 의한 소량의 분무수에 의해 60℃이하로 냉각되고, 후술하는 잔재(회분) 전처리 장치로 자동 단속 배출된다.
상기의 공정에서, 산소의 주입량은 열분해로 배출가스 온도가 300℃ ~ 600℃ 온도범위 안에서 적정온도로 유지되도록 제어되며, 열분해로 내의 연소대에서 최고연소온도 제어를 위하여 주입하는 분무수는 로내 최고온도가 1100℃를 넘지 않도록 제어된다. 그리고, 배출되는 회분 중에 미연분 함량은 5%이하로 최소화 되도록 폐기물 주입량을 제어한다.
상기한 바와 같이 제어되는 조건하에서, 배출되는 부분연소-열분해 한 혼합 가스는 잔류 산소가 없는 환원조건이며, 열분해 정도가 불완전하여 다량의 매연(카본 분체)과 중질탄화수소를 함유하며, 폐기물 중에 함유되는 유해성분인 염소(Cl), 유황(S), 질소(N) 등은 모두 염산가스(HCl), 유화수소(H2S), 암모니아(NH3) 등으로 전환되고, 중금속류 중 저비점류는 기화하고, 고비점류는 그 일부가 비산하여 가스류에 합류하고, 대부분은 생성되는 회분에 합류하게 된다. 특히, 이와 같은 환원조건에서 독극물인 다이옥신류의 생성을 억제하는 효과가 있어 다이옥신류의 생성량이 극히 미미해지는 효과가 있다.
이와 같이 상당량의 매연(카본)과 중질탄화수소를 함유하는 열분해로 배출가스를 적정수준까지 좀 더 열분해 시키기 위하여, 개질로에 추가로 산소를 주입한다. 그리고, 열분해가스 중의 가연성가스 일부를 연소시켜 그 연소열로 개질로 배출가스 온도를 950℃ ~ 1050℃범위에서 최적의 적정온도가 유지 되도록 산소 주입량을 자동제어한다. 동시에 같은 온도에서도 열분해 반응을 촉진시키기 위해서 적정량의 수증기를 개질반응에 필요한 이론당량의 1-1.5배 범위에서 추가로 주입한다. 또한 개질반응에 필요한 반응시간(체류시간)을 4-6초 범위가 되도록 폐기물 주입량을 제어한다.
그리고, 최적의 개질로 배출가스 온도와 수증기 주입량 및 개질반응 체류시 간은 배출가스 중에 운전 장애요인이 될 수 있는 타르(Tar)성분이 완전히 없어질 때까지이고, 매연(카본 분체)이나 기타 중질탄화수소(메탄, 에탄 등)의 잔류량을 무리하게 완전 열분해시킬 때, 산소 소비량의 증가와 연료가스 생성량의 감소로 인해 운전비 손실이 크고, 무리한 운전조건으로 기기장치의 수명이 단축되기 때문에, 특수목적 외는 매연(카본 분체)이나 기타 중질탄화수소(메탄, 에탄 등)의 잔류량을 완전히 열분해시키지 않는 것이 바람직하다.
상기와 같은 부분연소-열분해-개질 공정에서, 가연분의 대부분은 수소(H2)와, 일산화탄소(CO), 탄산가스(CO2), 수증기(H2O)로 완전 열분해되고, 완전 열분해되지 못한 상당량의 매연(카본 분체)과 잔류 중질탄화수소(메탄, 에탄 등), 미량의 각종 유해성분 가스는 각각 상응하는 개질 반응(환원반응, 열분해반응, 열역학적 평형 유지 반응 등)을 거쳐, 모두 혼합되어 후술하는 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리 처리공정의 도입부인 폐열회수 보일러에 배출된다.
이와 동시에 잔류하는 상당량의 매연(카본)에 의해 독극물인 다이옥신류와 중금속류의 대부분을 흡착, 가스류로부터 분리시켜 주는 기능까지도 얻을 수 있다.
(2) 잔재(회분)인 비가연성 무기물을 전처리하는 잔재 전 처리공정
다음으로, 상기 (1)의 처리 공정 이후, 잔재(회분)인 비가연성 무기물을 전 처리하는 잔재 전 처리공정을 설명한다.
본 공정에서는 열분해로 배출 측에 구비되는 잔재 냉각장치를 거쳐 배출되는 잔재 중 금속재를 분리 회수하고, 나머지 큰 덩치의 잔재에 대해서는 분쇄 또는 파쇄한다. 본 공정에서는, 필요에 따라 융점저하를 위한 융제와, 별도 포집한 회분과 매연(카본)의 일부를 혼합하는 공정(장치)과 적정 용량을 저장하는 공정(장치)을 포함할 수 있다.
구체적으로 본 공정은 부분 연소-열분해하는 열분해로에서 냉각 배출하는 회분(비가연성 무기물)에 있어서, 자선, 와전류, 체질 등에 의한 물리적 방법이나 금속재 분리회수수단을 통해 금속재가 분리-회수된다. 또한 나머지 큰 덩치의 잔재에 대해서는 파-분쇄가 실행된다. 여기에서, 본 공정은 필요에 따라, 융점저하를 위해 주입되는 적절량의 융제와, 전술한 개질 공정 및 후술할 현열 회수 공정에서 이용되는 폐열보일러에서 포집한 회분과, 후술하는 집진 공정에서 포집한 매연(카본)의 일부를 잘 혼합하여 일단 적정 용량의 저장조에 저장할 수 있다.
이와 같은 잔재의 전 처리 공정을 통하여, 후술하는 용융 자원화 공정에서 용융 열부하 절감, 용융물의 융점저하 및 용융시간 단축 등 후속공정에서의 용융성능을 증가시키는 효과와, 소각재의 저장 용량에 따라 일정 시간 동안 용융부문과 가연분의 열분해-연료가스화 부분을 각기 독립적으로 운전할 수 있는 운전의 자율성을 제공할 수 있다.
(3) 잔재(회분) 용융 자원화 처리공정
이하 부분연소-열분해 잔재(회분)의 용융 자원화공정에 따른 부분연소-열분해 잔재(회분)의 용융 자원화 공정에 대하여 기술한다.
도면에 나타낸 바와 같이, 상기 부분연소-열분해 잔재(회분)의 용융 자원화 공정은 메인 구성요소로서 소성로, 용융로, 수쇄조를 통해 구현된다.
상기 소성로는 회분 전처리-저장장치에 연결되고, 용융로, 수쇄조가 차례로 구비된다.
상기한 전 처리 공정에서 제공되는 회분은 운전조건에 따라, 다시 인출하여 회분 주입장치에 의해 수평형 회전로인 소성로에 연속 주입되고, 반대측 산소-연료 버너에서 주입하는 산소부화 고온 열기류와 향류로 접촉하면서, 잔류 미연분을 완전 연소시키고, 회분은 1000℃전후의 온도까지 소성-가열되어 용융로에 연속 주입된다. 고온의 연소 가스는 1200℃전후의 온도에서 전 공정인 열분해로 또는 개질로로 배출한다.
그리고 용융로에 유입되는 회분은 내구성이 탁월한 흑연재로 제작한 도가니 안의 항상 일정량의 용융물이 고여 있는 용탕 위로 낙하된다. 이후 용탕 위로 낙하된 회분은 도가니 상부 연소실에 설치한 산소-연료 버너에서 발산하는 1700℃전후의 화염복사열에 의해 용융되어 서서히 용탕 하부로 내려갔다가, 사이폰의 원리로 다시 상승하여 용탕의 타단 상부 액위에서 자동으로 연속 넘쳐 흘러나가 수직통로에서 곧바로 수쇄조 안의 수중으로 낙하하게 된다.
상기의 공정에서 용융물의 온도를 일정하게 유지하도록 도가니 저면 외부 공간과 용융물 토출구 측 수직공간에 다수의 고온 전열기 소자가 설치된다. 여기에서, 상기 용융물의 적정온도는 1300℃ ~ 1500℃ 범위 내에서 유지되도록 제어되는 것이 바람직하다. 따라서, 이러한 일정온도로 유지되는 용융물은 그 유동성이 일정 하게 유지되고, 응고가 방지되며, 운전의 안전, 안정 및 용이성을 제공해 준다.
이어서 상기 수쇄조 내의 수중으로 낙하한 용융물은 그 수쇄조 내에서 냉각 순환하는 냉각수와의 온도차에 의한 열 충격으로 모래알 같이 파쇄 및 냉각된다. 그런 다음, 파쇄 냉각된 용융물은 인출기에 의해 외부로 인양, 이송 및 저장되고, 용도와 조건에 따라 그 자체 또는 추가적인 가공을 거쳐 예를 들면 각종 토건재의 원료로 또는 무기질 소재의 원료로 전량 활용하게 된다.
본 발명에서 적용되는 상기 용융로는 본 출원인에 의해 기출원되고 등록받은 등록특허 제0515917호 "각종 폐기물의 전량 무공해 자원화를 위한 용융장치"이다. 이러한 용융장치에 상기한 회분 전처리 장치에 의한 회분 전 처리 공정이 부가됨으로써, 용융로에서의 용융 열부하 절감과, 용융물의 융점저하, 및 용융시간 단축 등에 의해 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고, 소각재의 저장 용량에 따라, 일정 시간 동안은 용융부문과, 가연분의 열분해 및 연료가스화 부문을 각기 독립적으로 운전할 수 있는 운전의 자율성 또한 제공할 수 있다.
(4) 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리 처리공정
상기한 (1)의 공정에서 배출된 배출가스의 보유 현열 회수 및 집진분리 처리공정에 대하여 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리공정은 현열회수 및 집진분리장치를 구성하는 폐열 회수 보일러, 조온기. 집진기, 집진한 매연(카본)을 원료로 하는 활성탄 생산장치를 포함하여 구현된다.
구체적으로, 상기한 (1)의 공정에서 950℃ ~ 1050℃ 범위의 개질로 배출가스가 폐열회수 보일러로 유입되고, 유입된 배출가스의 현열을 회수하기 위하여 수직형 연관식 보일러에서 300℃ 전후까지의 현열을 회수함과 동시에 수증기를 생산한다. 또한 배출가스의 기류에 동반되는 매연(카본)을 분리, 회수 및 자원화를 위하여 분무장치에 의한 분무수로 제어되는 조온기에서 200℃전후까지 감온시킨 후, 감온된 배출가스 중에서 매연을 분리-포집하는 수단인 집진기의 여과포에서 모두 분리 및 포집한다.
이때 집진기 여과포에 포집되는 매연(카본) 층은 집진기를 통과하는 가스 중에 함유하는 먼지뿐만 아니라, 유해성분인 다이옥신류와 중금속류도 흡착하여 후속공정에서 이들을 제거하는 부하를 경감시켜주는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 활성탄 생산장치에서는 900℃ ~ 1000℃ 범위의 온도에서 포집한 매연(카본)의 활성탄 처리과정, 즉 다이옥신류의 열분해, 중금속류의 증발, 그리고 카본의 활성화 처리과정을 거쳐 활성탄을 생산하고, 증발한 기체는 다시 냉각 응축시켜 저비점 중금속을 분리 회수하고, 비 응축성 잔류기체는 열분해로 또는 개질로에 송출하고, 생성폐수는 폐수처리장치로 보내진다.
(5) 제진 연료가스의 청정연료가스로의 자원화공정
상기한 (4)의 공정에서 매연이 포집 분리되어 제진된 제진 연료가스의 청정연료가스로의 정제-자원화 처리공정에 대하여 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 제진 연료가스의 정제-자원화 처리공정은, 제진된 연료가스를 자원화하기 위한 가스정제처리장치를 구성하는 급냉-중화-세전탑, 가압기, 탈황탑, 저장조 및 폐수처리장치를 포함하여 구현된다.
먼저 급냉-중화-세정탑으로 150℃∼200℃ 범위의 제진 연료가스가 유입된다. 유입된 제진 연료가스는 급냉-중화-세정탑을 구성하는 급냉부(급냉탑)에서 분무수 주입에 의해 70℃ 전후의 온도까지 감온되고, 중화-세정부(중화-세정탑)에서는 순환되는 알카리성 세정수에 의해 제진 연료가스에 포함된 산성가스를 중화 및 분리하고, 잉여 수증기를 응축하고, 극 미량의 저비점 중금속 증기를 응축하고, 잔류할 수 있는 먼지를 흡수하는 등의 기능을 수행한다. 이 과정에서 발생하는 열량은 냉각탑으로부터 순환하는 냉각수에 의해 40℃까지 냉각시켜 1차 정제한 연료가스를 가압기 흡입 측으로 배출하고, 잉여 수분(폐수)은 폐수처리장치로 배출한다.
그리고, 1차 정제한 연료가스는 다시 추가 정제를 위해, 우선 가압기에서 필요한 적정압력까지 승압시키고, 잔류 유해물(주로 유화수소)을 제거하기 위해 산화철촉매를 사용하는 탈황탑에서 유화수소를 유화철로 반응시켜 제거하고, 저장과 압력-품질의 균질화를 위해 저장조에 저장한다. 그리고 필요에 따라 후속 활용공정으로 인출하여 다양한 용도에 전량을 활용한다.
이 경우, 청정연료가스의 사용목적에 따라, 보다 고도정제가 필요한 경우에는 탈황탑 다음에 반응성 흡착제에 의한 고도 정제탑을 추가 설치할 수도 있다.
그리고, 상기 중화-세정탑에서 발생하는 폐수는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 폐수처리장치에서 중금속과 복염(염류의 혼합물)을 각기 분리 회수하고, 처리수는 중화 방류 또는 필요한 경우, 적절한 정수과정을 거쳐 공업용수로 자원화 시킨다.
상기 폐수는 집진기에서 포집한 카본 분체에 의해, 이미 대부분의 중금속류와 다이옥신류가 흡착 분리된 상태임에 따라, 폐수처리장치에서 처리할 중금속류와 다이옥신류의 함량이 적은 상태이므로 그 처리가 매우 용이해진다.
그리고, 상기의 탈황탑에 사용되는 탈황촉매는 공정운전 중에도 재생-반복사용하지만, 활성이 저하된 폐 촉매도 필요시 별도의 장치에서 다시 재생처리(소성+산화철 피복, 후속처리)하여, 더욱 장기간 사용할 수 있어 최종 매립처리하는 폐기물량을 극소화할 수 있다.
(6) 청정연료가스를 원료로 하는 2차 및 3 차 제품 생산처리공정
다음으로 청정연료가스를 원료로 하는 2차 및 3차 제품 생산처리공정에 대하여 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상기한 (5)의 공정을 통해 1차 제품으로 생산된 청정연료가스를 이용하여 발전-송수전시스템, 가스보일러, 다목적 전환장치 및 자체이용 산소생산장치 등을 더 포함하여 구현된다. 여기에서 2차 제품인 전력, 수증기 등과, 다목적 전환장치에서는, 필요에 따라 다양한 석유화학 제품을 생산할 수 있으며, 전력으로 자체공정에 필요한 산소를 3차 제품으로 생산할 수 있다.
도 4에 있어서는, 생산된 청정연료가스로 가스엔진 또는 복합발전 시스템에서 구동력을 발생시킨 다음, 발전기에서 전력을 생산하여, 자체공정에 우선 공급하고, 잉여량은 외부 송전망에 송전하여 전량 활용하도록 하는 발전 시스템 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
그리고, 도 5는 자체 생산한 전력으로, 공기를 분리하고 자체공정에 필요한 산소를 생산하는 처리공정 구성내용을 개략적으로 나타낸 것이다.
또한, 1차 제품으로 생산한 청정연료가스는 우선 자체공정에 필요한 연료가스(산소-연료 버너용)로 일부를 사용하고, 나머지는 주로 가스엔진, 연료전지, 복합발전시스템 등, 각종 발전-송수전 시스템(도4에 나타냄)의 발전용으로 이용되고, 자체공정과 산소발생장치(도 5에 나타냄)에 필요한 전력을 공급하며, 잉여전력은 외부 전력망에 송전하여 전량 활용된다. 그 밖의 수증기, 온-냉수, 각종 화공제품(수소, 메탄올, 액체연료(DME), 암모니아, 요소비료, 에탄올 등)은, 잉여 연료가스로 발전하여 송전하는 대신 보다 경제성이 탁월한 가스보일러, 다목적 전환 장치에서 생산공급 활용할 수 있다.
이 과정에서, 청정연료가스를 최종 사용처에서 용도에 따라 공기로 연소하는 경우, 배출되는 연소가스는 기존의 청정연료가스(도시가스, LPG 등)와 같이 연소조건만 충족시키면 연소가스의 후속처리 없이도 공해관련 법정 규제에 적법하게 된다.
결국, 폐기물 중에서 가연분으로 1차 제품인 청정연료가스를 생산하는 부문과, 이를 원료로 하여 2차 제품인 전력을 생산하여 우선 자체공정에 필요한 전력(동력용, 전열기용, 산소제조용)을 공급한다. 그리고 잉여전력을 외부송전망에 송전하고 전량 활용하도록 하는 부문, 매연을 포집 분리하여 활성탄을 생산하는 활성탄 생산 부문, 각 공정에서 발생하는 폐수를 처리하는 폐수 처리 부문, 3차 제품인 산소 생산 부문 등을 함께 연계하여 집적공정(Integrated Process)을 구성함으로 써, 이들 장치를 각기 분산 설치하는 경우에 비하여, 에너지 유효 이용효율이 현저히 증대되며, 잉여 에너지 전량을 시기와 장소에 무관하게 100% 활용할 수 있는 경제적 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 산소에 의한 폐기물의 부분 연소열로 폐기물의 나머지 부분을 열분해하여 연료가스를 생산하는 본 발명의 열분해-개질-연료가스화 하는 공정의 운전조건에서, 개질로 배출가스 온도를 낮출수록 최종 연료가스 생산량이 증가하며, 산소 소비량이 감소한다. 즉 연료가스 중에 잔류하는 매연(카본)을 적정량 유지되도록 함으로써 이에 상응하여 운전비가 절감되고, 매연의 유해성분(다이옥신과 중금속)의 흡착 제거 효과를 함께 얻을 수 있는 특성이 있다.
이에 본 발명에서는, 이러한 특성을 적용하여, 후속 공정에서 운전 장애를 이르킬 수 있는 타르(Tar)성분이 없어질 정도로, 개질로 배출가스의 온도를 950∼1050℃ 범위로 유지하고, 개질 반응용 수증기 주입량을 이론당량의 1∼1.5배 정도로만 주입하고, 개질로에서의 체류시간(반응시간)을 4∼6초 범위에서 유지시켜 주는 등의 운전조건을 적용하여, 상응하는 운전의 용이성과 운전비를 대폭 경감시키게 된다.
또한, 열분해로에서 배출하는 회분을 전 처리하여 일단 저장하였다가 다시 인출하여 소성-용융처리 하는 공정을 적용함으로써, 회분의 용융처리부문과 가연분의 연료가스화 처리부문을 각각 독립적으로 운전할 수 있어 운전의 자율성을 제공해준다. 또한 회분의 전처리(금속재 회수, 파쇄, 융제, 포집회분 혼합 등)와 소성로에서의 예열에 의해, 고온장치인 용융로의 열부하와 체류시간을 감소시켜 주고, 융제 주입에 의한 융점 저하 등, 용융로의 처리성능을 대폭 증가시켜 주는 2중 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 의하면 기존의 선행 폐기물 처리기술에 대비하여 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 산화제로 공기대신 산소를 사용함으로써 얻는 효과는 고온을 용이하게 얻을 수 있고, 연소-열분해 반응속도가 빠르고, 처리대상 가스량이 기존의 소각공정 대비, 1/6이하로 격감 되어, 각 단위장치 제작비가 절감되며, 열효율이 대폭 증가하고 유해성분 처리성능이 대폭 향상될 뿐만 아니라, 질소 산화물의 생성원이 원천 해소 됨으로서, 이로 인한 질소산화물 제거장치 설치비와 운영비를 삭감시킬 수 있고,
둘째, 처리과정에서 회수하는 에너지가, 열 에너지가 아닌, 연료가스라는 화학 에너지이기 때문에 저장과 이송이 용이하고, 이용처가 광범하여, 100% 활용하기가 용이하며, 전력에너지로 전환시, 그 전환효율(발전효율)이, 기존의 소각기술에서 수증기 터바인으로 발전하는 발전효율 대비, 연료가스로 가스엔진, 또는 가스터 바인으로 발전하는 발전효율이 약 2배 이상으로 격증할 수 있고,
셋째, 처리공정이 환원분위기이기 때문에 극독물인 다이옥신류의 생성 자체가 억제되고, 생성되더라도 열분해 과정에서 생성하는 카본 분체에 의한 흡착, 급속냉각에 의한 재생성 억제 등의 복합 효과로 최종 배출물 중에 잔류량은 무시할 정도로 격감하며, 중금속류는, 그 중 고비점 중금속류는 대부분 유리질화 한 용융물에 함유 배출되지만, 자연에서 용출되지 않아, 공해성이 무시되고, 저비점 중금속류는 극소량의 농축물로 회수되기 때문에, 재활용 또는 폐기하기가 용이해 지며, 이 밖의 각종 유해가스도 습식 세정-중화, 촉매에 의한 탈황, 흡착반응에 의한 정제 등, 고성능 처리기술을 적용하고 있기 때문에 결과적으로 종래기술에 대비하여, 유해성분의 최종 방출량이 무시할 정도로, 매우 친환경적인 효과를 얻을 수 있고,
넷째, 폐기물을 전량 자원화 처리하는 각 단위공정과, 전력, 수증기 산소, 활성탄 등, 2차-3차 제품 생산공정을 모두 연계한 집적공정 구성에 의한, 에너지 유효 이용 효율을 격상시켜 주는 경제적 효과를 얻을 수 있고,
다섯째, 개질로 운전조건 최적화에 의한. 운전비 절감과 유해성분 흡착-분리성능의 격상 효과등을 얻을 수 있고,
상기와 같은 복합 상승효과로, 자원과 환경을 동시에 보전하며, 석유대체 산업으로서의 미래가치적 효과를 얻을 수 있다.
Claims (11)
- 부분연소, 열분해, 개질 처리공정;상기 부분연소, 열분해, 개질 처리공정에 연결되고, 회분을 용융 자원화하는 부분연소-열분해 잔재의 용융 자원화 처리공정;상기 부분연소, 열분해, 개질 처리공정에 연결되고, 배출가스의 보유 현열을 회수하며, 배출가스에 동반하는 회분과 매연을 집진분리하는 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리공정;상기 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리 처리공정에 연결되고, 제진 연료가스의 청정연료가스로의 정제 자원화 처리공정; 및상기 청정연료가스로의 정제 자원화 처리공정 후, 청정연료가스를 원료로 하여 전력, 수증기, 산소, 활성탄, 석유화학제품 중 어느 하나 이상의 제품을 생산하는 2차-3차 제품 생산공정을 포함하는각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정.
- 제1항에 있어서,상기 부분연소, 열분해, 개질 처리공정은폐기물을 부분 연소-열분해하고;상기 열분해된 가스를 추가 열분해하도록 개질 처리하고;상기 열분해되어 배출되는 회분을 냉각처리하는각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정.
- 제2항에 있어서,상기 개질 처리에 있어, 운전온도를 950℃∼1050℃ 범위로 하고,개질 처리에서의 반응체류시간은 4∼6초로 하고,열분해 촉진용으로 주입하는 수증기 주입량을 이론 당량의 1∼1.5배로 하며,개질 처리의 운전 장애요인이 될 수 있는 타르성분이 함유되지 않을 정도로 유지시키고, 적정량의 매연이 잔류하도록 하는각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정.
- 제1항에 있어서,상기 부분연소-열분해 잔재의 용융 자원화공정은비가연성 무기물을 소성 가열하고;소성 가열된 비가연성 무기물을 용융시키고;용융된 용융물을 냉각시켜 골재화하는각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정.
- 제1항에 있어서,상기 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리 처리공정은배출가스로부터 현열을 회수하고;현열을 회수한 가스온도를 후속공정에 적합하도록 감온하고;감온된 배출가스에 동반되는 매연을 분리 회수하기 위해 분리 포집하고;포집된 매연에서 유가물인 활성탄을 생산하는각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정.
- 제5항에 있어서,상기 포집 분리한 매연을 수증기로 900∼1000℃의 온도에서 열처리하고,다이옥신류의 열분해, 저비점 중금속류의 증발-냉각-분리-회수 및 카본의 활성화 처리과정을 통해 활성탄으로 자원화시키고,부생하는 폐수와 가스는 폐수를 처리하는 폐수처리공정과 상기 개질처리공정으로 회송처리되는각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정.
- 제1항에 있어서,상기 제진 연료가스의 청정연료가스로의 자원화공정은제진된 배출가스를 냉각 중화 세정하고,중화 세정된 가스를 적정압력으로 승압하고;촉매를 충진한 탈황탑에서 승압된 가스를 탈황처리하고상기 과정에서 발생되는 폐수를 폐수 처리하는각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정.
- 제7항에 있어서,분무수 주입으로 가스를 70℃ 전후로 감온시키고,알카리성 세정수에 의해 감온된 가스로부터 산성가스를 중화 및 분리하고;동반하는 잉여 수증기를 응축하고;동반되는 극 미량의 저비점 중금속 증기를 응축하고,잔류하는 먼지를 흡수하고;냉각 과정을 거쳐, 40℃의 온도에서 1차 정제한 연료가스를 배출하고;잉여 수분은 폐수처리하도록 배출하는각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정.
- 제7항에 있어서,상기 제진 연료가스의 청정연료가스로의 자원화공정은상기 탈황처리에 연결되며, 반응성 흡착제에 의한 고도 정제처리를 더 포함하는각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정.
- 제1항에 있어서,상기 청정연료가스를 원료로 하는 2차-3차 제품 생산공정은가스엔진, 가스터빈, 연료전지의 복합발전과 송-수전시스템, 산소발생장치, 가스보일러 및 수소, 메탄올, DME(액체연료), 암모니아, 초산, 에탄올 중 하나 이상을 선택적으로 생산하는 공정인각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리공정.
- 부분연소, 열분해, 개질 처리장치;상기 부분연소, 열분해, 개질 처리장치에 연결되고, 회분을 용융 자원화하는 부분연소-열분해 잔재의 용융 자원화 처리장치;상기 부분연소, 열분해, 개질 처리장치에 연결되고, 배출가스의 보유 현열을 회수하고 집진분리하는 개질로 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리장치;상기 개질로 배출가스 보유 현열 회수 및 집진분리 처리장치에 연결되고, 제진 연료가스의 청정연료가스로의 정제 자원화 처리장치; 및상기 청정연료가스로의 정제 자원화 처리장치에 연결되고, 청정연료가스를 원료로 2차-3차 제품을 생산하는 생산장치를 포함하여,상기 각 장치들을 전체적으로 연계시켜 집적공정을 구성하는각종 폐기물의 전량 무방출-자원화-활용을 위한 자원회수 처리시스템.
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