KR20090091931A

KR20090091931A - 액상폐기물용 고온고압 처리시스템의 열교환기

Info

Publication number: KR20090091931A
Application number: KR1020080017159A
Authority: KR
Inventors: 이강우; 성동제; 석민광
Original assignee: (주)유성
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2009-08-31

Abstract

본 발명은 처리하기 위한 적정량의 액상폐기물을 공급하는 액상폐기물 공급장치; 상기 액상폐기물 공급장치에 연결되어 액상폐기물을 고온, 고압에서 열분해하여 가연분을 가스화시켜 합성가스를 생성하는 고온고압 반응장치; 상기 고온의 합성가스를 냉각하기 위한 열교환기를 포함하는 액상폐기물의 고온고압 처리시스템에 관한 것으로, 상기 열교환기는 고온고압 반응장치의 일측에 설치되며, 내부에는 고온의 합성가스를 냉각하기 위한 다수의 열교환 배관이 설치되는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 액상폐기물을 가스화반응을 통하여 열분해 처리할 때 합성가스의 열교환율을 높일 수 있게 됨으로써 생산성을 향상시킬 수 있게 되고, 필요에 따라서는 합성가스를 얻어내어 폐기물이 갖는 에너지 자원의 회수를 극대화할 수 있게 된다.

Description

액상폐기물용 고온고압 처리시스템의 열교환기{High Temperature and Pressure Disposal System of Liquid Waste}

본 발명은 액상폐기물을 고온고압 하에서 열분해시켜 무해화할 뿐만 아니라 에너지원으로 재사용할 수 있도록 한 액상폐기물의 고온고압 처리시스템에 관한 것으로, 특히 열교환 효율을 배가시킬 수 있도록 한 고온고압 처리시스템의 열교환기에 관한 것이다.

우리나라의 경우 2004년 환경부 발표 자료인 "전국 폐기물 발생 및 처리현황"을 살펴보면, 생활폐기물은 50,736톤/일, 사업장폐기물은 106,873톤/일 정도 발생하고 있으며, 이중 생활폐기물은 최근 발생량 증가율이 정체수준으로 보이고 있으나, 사업장폐기물은 산업 활동 증가 및 이에 따른 경제구조 확대에 따라 매년 10% 이상의 높은 증가율을 보이고 있다.

여기서 사업장폐기물은 일반폐기물, 지정폐기물, 건설폐기물로 구분되는데, 상기 지정폐기물의 경우 폐산, 폐알칼리, 폐유, 폐유기용제 등과 같은 액상폐기물이 높은 비중을 차지하고 있다.

이렇게 발생된 지정폐기물은 크게 매립, 소각 등의 방법으로 처리되었으나, 현재 국내에서 폐기물 처리방법 중 매립 다음으로 많은 비중을 차지하고 있는 소각은 좁은 국토 여건에 따라 급증하는 폐기물의 부피 감량화를 위한 불가피한 선택이다.

한편, 지정폐기물 중 액상폐기물만을 다시 살펴보면, 재정제하여 재활용할 수 있는 그룹과 소각하여 폐열을 회수할 수 있는 그룹으로 크게 나눌 수 있다.

첫 번째로 재활용할 수 있는 그룹인 폐유는 폐기물관리법에서 규제하고 있는 사항(잔류탄소, 수분 및 침전물, 회분, 황분, 카드뮴 및 그 화합물, 비소 및 그 화합물 등)에 만족되는 경우 이온정제공정 등으로 간단히 정제하여 연료유로 사용할 수 있으며, 그 외의 경우는 대부분 열분해공정을 통해 연료유로 전환시켜 사용하게 된다.

두 번째로 소각하여 폐열을 회수할 수 있는 그룹은 일반적으로 할로겐원소(F, Cl, Br, I, At)를 기준으로 분류되는데, 할로겐원소 함량이 1000ppm 이하이고 중금속 등에 오염되어 있지 않으면 일반 소각로에서 처리하여 폐열을 회수할 수 있으며, 1000ppm 이상인 경우는 배기가스 처리장치가 갖추어진 고온열분해시설에서 엄격한 공정조건을 유지하며 고온에서 소각처리할 필요가 있다.

이러한 액상폐기물을 처리하는데 있어서는 크게 3가지의 사회적인 문제가 발생하는데, 첫째는 NIMBY 현상에 따른 매립장이나 소각장 확보의 어려움이고, 둘째는 매립장에서의 환경오염 발생이며, 셋째는 유용한 자원의 낭비를 들 수 있다. 폐기물을 매립하게 되면 음식물 쓰레기나 오니류, 동물성 잔재물 등은 쉽게 부패하게 되면서 자체의 수분 및 땅속으로 스며드는 우수 등과 함께 지하수를 오염시키게 되며, 부패과정에서 유기물들은 악취와 함께 이산화탄소 및 메탄가스를 대량으로 발생시키게 된다.

이러한 매립지에서 발생하는 가스를 연소시킴으로써 연료가스로 재활용하려는 시도가 있지만, 소각할 때 발생되는 각종 유해가스 및 다이옥신의 발생이 우려되어 실행에는 많은 어려움이 따르고 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폐기물 중에 포함된 금속염과 같은 불순물을 완전히 용융시킴과 동시에 난분해성 액상폐기물을 고온고압 조건에서 처리할 수 있도록 하되 열교환율을 최대화할 수 있도록 한 액상폐기물의 고온고압 처리시스템의 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 과제를 해결하기 위하여, 처리하기 위한 적정량의 액상폐기물을 공급하는 액상폐기물 공급장치; 상기 액상폐기물 공급장치에 연결되어 액상폐기물을 고온, 고압에서 열분해하여 가연분을 가스화시켜 합성가스를 생성하는 고온고압 반응장치; 상기 고온의 합성가스를 냉각하기 위한 열교환기를 포함하는 액상폐기물의 고온고압 처리시스템에 있어서, 상기 열교환기는 고온고압 반응장치의 일측에 설치되며, 내부에는 고온의 합성가스를 냉각하기 위한 다수의 열교환 배관이 설치되는 액상폐기물의 고온고압 처리시스템의 열교환기가 제공된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 액상폐기물을 고온고압 하에서 처리하는 시스템에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 액상폐기물을 가스화반응을 통하여 고온고압 하에서 열분해 처리함으로써 소각하는 과정에서 생성될 수 있는 다이옥신과 같은 유해가스의 발생을 최소화할 수 있고, 필요에 따라서는 합성가스를 얻어내어 폐기물이 갖는 에너지 자원의 회수를 극대화할 수 있게 된다.

둘째, 열교환기 내부에 합성가스의 흐름을 유도하는 나선형의 정류판이 설치됨으로써 열교환 효율을 극대화시킬 수 있게 되어 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

셋째, 고온으로부터 열교환기 외벽을 보호하는 수단으로서, 내화물 대신 순환되는 냉각수를 사용함으로써 비용 절감 효과뿐만 아니라 열교환기 및 냉각수 공급장치를 컴팩트하게 구성할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 액상폐기물의 고온고압 처리시스템을 보인 개략도.

도 2는 도 1에 적용된 열교환기를 상세히 보인 단면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 액상폐기물의 처리 공정을 보인 블록도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 ; 액상폐기물 공급장치 11 ; 저장조

12 ; 여과기 13 ; 공급펌프

20 ; 고온고압반응장치 21 ; 냉각덕트

30 ; 열교환기 31 ; 정류판

32 ; 열교환 배관

이하, 본 발명에 의한 액상폐기물의 고온고압 처리시스템의 열교환기를 첨부 도면을 참고하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 열교환기가 적용되는 고온고안 처리시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 크게 액상폐기물 공급장치(10), 고온고압 반응장치(20), 열교환기(30)를 포함한다.

액상폐기물 공급장치(10)는 처리하기 위한 충분한 양의 액상폐기물을 저장하는 저장조(11)와, 이 저장조(11)로부터 고온고압 반응장치(20)로 공급되는 액상폐기물을 여과하여 불순물을 걸러내는 여과기(12)를 구비하며, 여과기(12)와 고온고압 반응장치(20)를 연결하는 액상폐기물 공급라인(L)에는 공급펌프(13)가 설치된다.

그리고, 저장조(11)에는 반입되는 액상폐기물의 다양한 성상 및 특징을 균일화해 줄 수 있도록 교반기(Stirrer)가 구비된다.

고온고압 반응장치(20)는 액상폐기물 공급장치(10)로부터 공급된 액상폐기물을 제공받아 고온 및 고압의 공정조건 하에서 열분해 및 용융하여 발열량이 높은 합성가스(CO 또는 H₂)를 생성하도록 구성된다.

즉, 고온고압 반응장치(20)는 도시하지는 않았으나 투입된 연료를 연소시킴과 동시에 액상폐기물을 환원 반응시키는 반응부, 액상폐기물의 열분해시 열분해 합성가스를 생성하는 가스화부 및 생성된 합성가스를 열교환기로 배출하는 가스배출부를 구비한다.

이때, 반응부에는 투입된 연료와 산화제가 반응하여 생성된 열량으로 차후에 투입된 액상폐기물이 그 열량을 통해 열분해(환원)되는데, 투입된 액상폐기물 중 발열량이 높을 경우 연료투입을 차단하고 산화제만을 투입하여 일부는 발열 반응시키고 나머지 액상폐기물은 환원 분위기에서 열분해하게 된다.

반응부의 상측에는 도시하지 않은 액상폐기물 저장조, 연료 저장조 및 산화제 저장조로부터 각각 공급되는 액상폐기물, 연료 및 산화제를 내부로 공급하는 버너가 각각 설치된다.

한편, 고온고압 반응장치(20)는 도시하지 않은 압력조절장치에 의해 고압을 유지할 수 있게 되는데, 이와 같이 고온 고압의 공정조건 하에서 액상폐기물의 열분해 반응을 진행하게 됨에 따라 상압에서 반응을 진행하는 것에 비해 설비의 컴팩트화를 유도할 수 있으면서도 동일 효과를 가져올 수 있게 되므로 공간활용 면에서 유리한 점이 있다.

열교환기(30)는 고온고압 반응장치를 통과하면서 고온 상태로 된 합성가스를 급속으로 냉각하기 위한 것으로, 합성가스의 냉각을 위한 충분한 내용적의 몸체를 갖는다.

열교환기(30)의 내부에는 유입된 합성가스를 냉각하기 위해 다수의 열교환 배관(32)이 설치된다. 그리고, 열교환기(30)의 내벽에는 합성가스의 흐름을 유도할 수 있도록 나선형의 정류판(31)이 설치된다. 따라서, 합성가스가 다수의 열교환 배관(32) 사이를 통과하면서 정류판(31)을 따라 나선형으로 흐르므로 열교환이 매우 효율적으로 이루어지게 된다.

한편, 열교환기(30)는 냉각덕트(21)를 통해 고온고압 반응장치(20)와 연결되며, 이 냉각덕트(21)는 합성가스를 1차로 냉각하는 한편 고온의 합성가스가 통과하면서 설비가 손상되는 것을 방지하기 위해 수냉 재킷으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 열교환기(30)의 외벽 하측에는 냉각덕트(21)로부터 분기된 냉각수 공급라인에 연결되도록 냉각수 공급포트(33)가 형성되고, 외벽 상측에는 냉각수 공급포트(33)로부터 지속적으로 공급된 냉각수가 열교환기의 하측으로 순환될 수 있도록 냉각수 순환포트(34)가 형성된다. 그리고 열교환기(30)의 하단에는 냉각수 순환포트(34)로부터 냉각수가 회수되도록 냉각수 회수포트(35)가 형성된다. 따라서, 공정 진행 중 열교환기의 외벽은 냉각수의 순환 과정에 의해서 냉각된다. 도 2에서 미설명 부호 (36)은 냉각수 배출포트이고, (37)은 합성가스 유입포트이며, (38)은 합성가스 배출포트이다. 그리고 화살표 중 실선은 냉각수의 순환 과정을 보인 것이고, 점선은 합성가스의 흐름을 보인 것이다.

한편, 본 실시예에 의한 열교환기의 일측 즉, 열교환기의 합성가스 배출구 측에는 합성가스에 포함된 유해가스를 처리하기 위한 세정장치 및 내부에 버너가 설치되어 중화된 합성가스를 다시 연소시킴으로써 이때 발생되는 열량을 이용하여 별도의 스팀보일러 등과 연계하여 에너지원으로 사용할 수 있도록 한 플레어 스택(Flare Stack)이 설치될 수도 있다.

이와 같이 구성된 액상폐기물의 고온고압 처리시스템의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

우선, 처리하기 위한 적정량의 액상폐기물이 저장조(11)에 저장되면, 저장된 액상폐기물은 여과기(12)를 거치면서 불순물이 여과되고, 공급펌프(13)의 작동에 의해 고온고압 반응장치(20)로 공급된다.

한편, 고온고압 반응장치(20)는 연료를 투입하여 미리 예열과정을 거치게 되어 설정된 공정 조건(1400℃ 이상, 1기압 이상)이 충족된 상태가 되면, 버너를 통해 액상폐기물이 투입되고, 발열량이 낮은 액상폐기물의 투입시에는 동시에 보조 연료(LPG) 및 산화제(산소)를 투입하게 된다.

이에 따라, 액상폐기물은 고온고압 반응장치(20)의 반응부에서 연료와 산화제의 발열반응으로 생성된 열량을 이용하여 소정량의 액상폐기물이 열분해(환원) 반응이 진행되며, 투입된 액상폐기물 중 발열량이 높을 경우 연료 투입을 차단하고 산화제만을 투입하여 일부는 발열 반응시키고 나머지 액상폐기물은 환원 분위기에서 열분해된다.

그 후 산화제를 적정량씩 공급함으로써 투입된 액상폐기물의 가연분은 가스화부에서 산화제와 반응하여 가스화되어 합성가스를 생성하게 되고, 이에 따라 합성가스는 수냉으로 작동하는 냉각덕트(21) 및 열교환기(30)를 통과하면서 냉각되는데, 이때 열교환기 내부에 이중관 구조로 설치된 열교환 배관에 의해 안정적으로 급속 냉각이 가능하게 된다.

마지막으로, 냉각된 합성가스는 세정장치로 이동하여 불순물이 여과된 상태에서 플레어 스택을 통과하면서 재연소됨으로써 스팀보일러 등과 연계되어 에너지원으로의 사용이 가능케 되는 것이다.

Claims

처리하기 위한 적정량의 액상폐기물을 공급하는 액상폐기물 공급장치; 상기 액상폐기물 공급장치에 연결되어 액상폐기물을 고온, 고압에서 열분해하여 가연분을 가스화시켜 합성가스를 생성하는 고온고압 반응장치; 상기 고온의 합성가스를 냉각하기 위한 열교환기를 포함하는 액상폐기물의 고온고압 처리시스템에 있어서,

상기 열교환기는 고온고압 반응장치의 일측에 설치되며, 내부에는 고온의 합성가스를 냉각하기 위한 다수의 열교환 배관이 설치되는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 고온고압 처리시스템의 열교환기.
청구항 1에 있어서,

상기 열교환기의 내벽에는 합성가스의 흐름을 유도하도록 나선형으로 이루어진 정류판이 설치되는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 고온고압 처리시스템의 열교환기.
청구항 1에 있어서,

상기 열교환기는 수냉 재킷으로 이루어진 냉각덕트를 통해 고온고압 반응장치와 연결되는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 고온고압 처리시스템의 열교환기.
청구항 3에 있어서,

상기 열교환기의 외벽 하측에는 냉각덕트로부터 분기된 냉각수 공급라인에 연결되도록 냉각수 공급포트가 형성되고, 외벽 상측에는 냉각수 공급포트로부터 공급된 냉각수가 열교환기의 하측으로 순환될 수 있도록 냉각수 순환포트가 형성되며, 열교환기의 하단에는 냉각수 순환포트로부터 냉각수가 회수되도록 냉각수 회수포트가 형성되는 것을 특징으로 하는 액상폐기물의 고온고압 처리시스템의 열교환기.