KR20130084585A - 플라즈마를 이용한 폐기물의 자원화장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마를 이용한 폐기물의 자원화장치에 관한 것으로서, 음식물 쓰레기나 기타 유독성물질을 플라즈마를 이용하여 초고온상태에서 열분해하여 인체에 무해한 성분으로 변환하여 배출시키며 처리과정에서 발생되는 열로 발전하여 높은 에너지효율로 자원화시킬 수 있는 자원화장치이다.
Description
본 발명은 플라즈마를 이용한 폐기물의 자원화장치에 관한 것으로서, 좀 더 상세히는 음식물 쓰레기나 기타 유독성 물질을 플라즈마를 이용하여 초고온상태에서 열분해하여 인체에 무해한 성분으로 변환하여 배출시키며 처리과정에서 발생되는 열과 폭발성 기체로 발전하여 높은 에너지효율로 자원화시킬 수 있는 새로운 구조의 플라즈마를 이용한 폐기물의 자원화장치에 관한 것이다.
산업설비나 소각장 등에서 유독성 기체가 많이 배출되어 대기오염 및 건강상의 문제가 야기되고 있다. 이러한 유독성 기체의 유해성분 중에서 특히 문제가 되는 것이 PCB(polychlorinated biphenyle)이나 다이옥신이다. 특히 PCB의 완전제거에 사용되는 기준은 미국정부의 40 CFR 761.70이다. 40 CFR 761.70은 액체상태의 PCB와 비액체상태의 PCB의 처리방법의 처리효율이 99.9% 이상일 것을 요구한다. 그러나 국내에서 이러한 처리기준을 만족시키면서 합리적인 코스트로 제작가능한 처리설비는 발견하기 어렵다.
한편, 종래에 생활, 도시, 산업, 병원, 유해, 군대폐기물을 매립하거나 소각하는 대신에 플라즈마를 사용하여 고온으로 가열하여, 그 열로 증기를 생성하여 발전을 하고, 그로 인해 생성되는 무기물은 용융 및 유리화하여 건설자재로 활용하고, 유기물은 열분해로 인해 가스화하여 연료가스 또는 합성가스를 생성하여 가스터빈을 가동하여 발전하여 전력을 생산할 수 있도록 한 폐기물 가스화 복합발전 시스템이 공개된 바 있다.
이 시스템은 투입된 폐기물을 고온의 플라즈마를 이용하여 무기물을 유리화시키고, 유기물은 가스화시켜 일산화탄소와 수소의 합성가스를 생산하는 고온의 플라즈마기, 가스화기로부터 나오는 고온의 합성가스를 냉각 및 정제하는 냉각 및 정제기, 냉각 및 정제된 합성가스를 연료로 사용하는 가스터빈, 및 가스터빈의 구동에 의해 전력을 생산하는 발전기 및 가스터빈의 폐열을 회수하는 폐열회수기 등으로 이루어진다.
이러한 폐기물 자원화장치는 주로 폐기물을 열분해하여 얻어지는 합성가스를 연료로 하여 가스터빈을 구동하여 전력을 생산하고 가스터빈에서 나오는 폐열을 이용하여 스팀을 발생시키는 구조인데, 가스터빈에서 나오는 배기가스의 온도는 약 500℃를 상회하여 폐열회수 효율이 낮아서 만족스러운 에너지 회수율을 달성할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 종래의 플라즈마를 이용한 폐기물의 자원화 방법 및 장치의 문제점에 착안하여 제안된 것으로서, 전술한 바와 같은 유해폐기물의 엄격한 처리기준을 만족시킬 수 있으면서도, 마이크로웨이브나 기타 플라즈마 발생장치를 이용하여 플라즈마를 발생시켜서 음식물 쓰레기나 기타 유독성물질을 초고온상태에서 열분해하여 인체에 무해한 성분으로 변환하여 배출시키며 처리과정에서 발생되는 열과 폭발성가스를 이용하여 탁월한 효율로 열을 회수하여 전력 또는 냉난방에너지로 자원화할 수 있는 새로운 구조의 플라즈마를 이용한 폐기물의 자원화장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 플라즈마발생장치(12)가 구비되며 투입된 폐기물이 열분해되어 인조폭발성 기체를 배출하는 열분해로(10)와, 이 열분해로(10)의 배출측에 연결되는 배출관(15)상에 배치되며 다수의 열교환관을 통해 물을 가열하여 스팀을 발생시키는 제1스팀발생기(20)와, 상기 제1스팀발생기(20)에서 생성된 스팀이 공급되어 가동되는 증기터빈(26)과 이 증기터빈(26)에 의해 구동되는 제1발전기(28)로 이루어진 발전설비(25) 또는 냉난방설비와, 상기 제1스팀발생기(20)의 후단에 배치되며 제1스팀발생기(20)를 통과한 인조폭발성 기체에 함유된 불순물을 제거하는 스크러버(30)와, 상기 스크러버(30)의 후단에 배치되며 유입된 인조폭발성 기체를 압축하는 압축기(40)와, 이 압축기(40)의 후단에 연결되어 압축된 인조폭발성 기체에 의해 가동되는 가스터빈(50)과, 이 가스터빈(50)에 의해 구동되는 제2발전기(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐기물 자원화장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 가스터빈(50)에서 발생되는 배기가스의 배기관(52) 상에 배치되며 다수의 열교환관을 통해 물을 가열하여 스팀을 발생시키는 제2스팀발생기(70)를 더 포함하며, 상기 제2스팀발생기(70)에서 발생된 스팀은 상기 증기터빈(26) 또는 냉난방설비로 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐기물 자원화장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 플라즈마발생장치(12)는 전자파유도 플라즈마 발생기인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐기물 자원화장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 음식물 쓰레기나 병원폐기물 기타 유독성 물질이 함유된 다양한 폐기물을 전자파유도 플라즈마발생기 (Microwave-induced Plasma Generator), 플라즈마토치 등에서 선택되는 플라즈마발생장치(12)가 구비된 열분해로(10)에서 생성된 고온의 인조폭발성 기체가 배출되는 배출관(15) 상에 제1스팀발생장치(20)를 설치하여 1차로 발전 또는 냉난방을 행하기 때문에 온도가 높은 열분해로(10)의 배기가스로 스팀을 발생하여 발전 또는 냉난방을 행함으로써, 열회수율이 매우 우수한 폐기물 자원화장치를 달성할 수 있다. 또한 가스터빈(50)의 배기가스의 폐열을 그대로 배출하지 않고 제2스팀발생기(70)를 통해 증기를 생산하여 이를 다시 발전용 증기터빈(26)을 구동하거나 난방에 사용함으로써, 더욱 열효율이 우수한 폐기물 자원화장치를 달성할 수 있다. 본 발명에 따르면, 자체 발전에 의해 생산된 전력을 설비의 가동에 사용하고도 남는 전력은 외부기관에 판매함으로써 수익을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 개략구성도
도 2는 본 발명에 따른 열분해로의 개략구성도
도 3은 본 발명에 사용되는 스크러버의 개략구성도
도 4는 본 발명에 따른 굴뚝의 예시도
도 2는 본 발명에 따른 열분해로의 개략구성도
도 3은 본 발명에 사용되는 스크러버의 개략구성도
도 4는 본 발명에 따른 굴뚝의 예시도
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예의 개략구성도이고, 도 2는 본 발명에서 사용되는 열분해로의 예시도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따르면, 플라즈마발생장치(12)가 내벽에 구비된 열분해로(10)와, 제1스팀발생기(20), 스크러버(30), 및 압축기(40)를 포함하는 가스터빈(50)이 순차연결되며, 상기 제1스팀발생기(20)에는 증기터빈(26)과 이 증기터빈(26)에 의해 구동되는 제1발전기(28)로 이루어진 발전설비(25)가 접속되고, 상기 가스터빈(50)에는 제2발전기(60)가 접속된 구조를 취한다. 상기 발전설비 대신에 또는 이와 함께 냉난방설비가 구비될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마발생장치(12)로는 전자파유도 플라즈마발생기, 플라즈마토치 등이 사용될 수 있다. 플라즈마토치는 무산소분위기에서 플라즈마가 발생되지만, 전자파에 의해 유도되는 플라즈마발생기는 산소가 존재하는 분위기에서도 플라즈마를 발생할 수 있어서 반응조건의 조성이 상대적으로 용이한 장점이 있다. 열분해로(10)의 상부 일측에는 폐기물 투입구(14)가 형성되고 타측에는 가스가 배출되는 배출관(15)이 형성되며, 하부에는 용융된 무기물질이 유출되는 무기물배출구(16)가 형성된다. 그리고 열분해로(10)의 내부에는 냉각관로(17)가 배설된다. 필요에 따라 열분해로의 상부 타측에 석회석과 같은 첨가제 투입구(18)가 형성되어 폐기물의 열분해시에 발생되는 유독성 불순물의 양을 줄이고 열분해로 내부온도를 높이는데 기여할 수 있다. 열분해로는 플라즈마(12)에 의해 약 1200℃ 이상의 고온으로 유지된다. 투입된 폐기물은 플라즈마에 의해 열분해되어 무기성분은 하단의 무기물배출구(16)로 용융 배출되고, 유기성분은 열분해에 의해 분자가 분해되어(molecular dissociation) 고온의 일산화탄소(CO)와 수소(H2)와 같은 인조폭발성 기체와 미량의 불순물이 생성된다.
열분해로(10)의 후단에는 배출되는 합성가스가 다수의 열교환관을 통해 열교환되어 물을 가열하여 스팀을 발생하는 제1스팀발생기(20)가 구비된다. 이 제1스팀발생기(20)에는 다수의 열교환관이 구비된 보일러로서, 열분해로(10)에서 배출되는 매우 높은 온도의 인조폭발성 기체와 열교환되어 스팀을 발생하고, 발생된 스팀은 증기터빈(26)을 구동하고, 이 증기터빈(26)은 제1발전기(28)를 가동하여, 일차로 전력을 생산할 수 있다. 열분해로(10)에서 배출되는 인조폭발성 기체의 온도는 상대적으로 높기 때문에 제1스팀발생기(20)에서 획득되는 열에너지는 매우 높아서 증기터빈(26)이 높은 출력을 얻을 수 있다. 제1스팀발생기(20)에서 생산된 스팀은 발전설비(25) 대신에 냉난방설비로 공급될 수도 있을 것이다.
한편, 제1스팀발생기(20)를 통과한 가연성 합성가스, 즉 인조폭발성 기체 속에는 폐기물의 종류에 따라 유독성 가스가 미량 포함될 수 있다. 따라서 이를 제거하기 위해, 제1스팀발생기(20)의 후단에는 스크러버(30)가 배치된다. 이 스크러버(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 하향개방된 개구부를 가지는 분배관(31)을 통해 합성가스가 석회와 물이 혼합된 슬러리(32)속에 투입되고, 이 슬러리(32)를 통해 스며 나와 배출구(33)를 통해 배출된다. 합성가스는 CO와 H2 기체와 같은 주성분 이외에 CO2, Cl2, NOx, SOx와 같은 유독성 가스성분이 포함될 수 있다. 이들 성분은 석회수와 다음과 같이 반응한다.
CaO(lime) + H2O = Ca(OH)2
CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3
Cl2 + Ca(OH)2 = Ca(OCl)2
Ca(OCl)2 = CaCl2 + Ca(ClO3)2
NOX + Ca(OH)2 ------> Ca(NO2)2 또는 Ca(NO3)2
SOX + Ca(OH)2 ------> CaSO4
석회수 슬러리(32)는 pH센서(34)에 의해 자동적으로 보충되고 제어된다. 슬러리의 pH가 9이하로 떨어지면 석회가 새로 보충된다. 사용된 슬러리는 배출밸브(35)를 통해 중력에 의해 침전조(36)로 배출된다. 번호 37은 석회분말의 투입구이고, 38은 레벨게이지, 39는 물공급구이다. 침전조(36)에 침전되는 슬러리는 주로 무해한 염의 일종인 CaCO3, CaCl2, Ca(ClO3)2, Ca(NO3)2 및 CaSO4로 구성되며, 이들은 유용한 무독성 부산물로 활용될 수 있다. 본 발명의 스크러버(30)는 폐기물의 종류나 열분해로(10)에 투입되는 석회석 등의 첨가재의 조절을 통해, 합성가스 내에 유독성 성분이 거의 존재하지 않는 경우에는 생략가능하다.
스크러버(30)의 후단에는 압축기(40)와 가스터빈(50)이 배치된다. 이에 따라 스크러버(30)에서 이물질이나 유독성분이 제거된 인조폭발성 기체가 압축기(40)에서 압축되고, 압축된 인조폭발성 기체가 가스터빈(50)에 공급된다. 이 가스터빈(50)은 인조폭발성 기체를 연료로 하여 구동된다. 가스터빈(50)의 회전력에 의해 제2발전기(60)가 구동되어 재차 전력을 생산하게 된다.
또한 가스터빈(50)에서 배출되는 인조폭발성 기체의 연소 후 발생되는 배기가스는 예를 들면 500℃를 상회하는 고온의 가스이므로, 이 배기가스를 그대로 방출하는 대신에 본 발명에 따르면 제2스팀발생기(70)로 공급하여 배기가스의 폐열을 이용하여 재차 스팀을 발생시키고, 이 스팀을 전술한 증기터빈(26)으로 공급하여 제1발전기(28)의 발전에 사용한다. 이와 같이 제1발전기(28) 및 제2발전기(60)에서 얻어진 전기에너지는 그 일부를 열분해로(10)나 기타 장치의 가동에 필요한 전력으로 사용하고, 나머지는 한전이나 기타 외부의 전력수요처에 판매할 수 있다.
열분해로(10)에 투입된 폐기물은 최종적으로 굴뚝(80)을 통해 배출되는데, 도 4에 도시된 바와 같이 배기가스용 굴뚝(80)에는 복수개의 온도센서(82)와, CO2, CO, NOX, SOX의 농도를 실시간으로 측정하는 푸리에변환 적외선분광기(84)가 구비된다. 번호 85는 스크러버(30)를 통과한 배기가스관이고 번호 86은 무해한 액상 응축수의 배출구이다.
본 발명의 자원화 처리장치에서 처리가능한 폐기물의 예로서, 일반 가정쓰레기, 음식물쓰레기, 병원폐기물, 폐플라스틱, 고무제품, PCB를 포함한 제품이나 기타 전자제품, 유기질폐기물이나 목재류, 다이옥신이나 유류, 비상 등에 의해 오염된 흙, 소각장비에서 발생되는 유독성 재, 석면 등이다.
한편, 도시된 본 발명의 실시예에서는 본 발명에 따라 얻어진 스팀은 발전을 위해 사용하는 것으로 설명하였으나, 이와 달리 지역난방플랜트와 같이 냉난방설비에 공급하거나 발전설비와 난방설비에 동시에 공급할 수 있음은 물론이다.
Claims (3)
- 플라즈마발생장치(12)가 구비되며 투입된 폐기물이 열분해되어 인조폭발성 기채를 배출하는 열분해로(10)와, 이 열분해로(10)의 배출측에 연결되는 배출관(15)상에 배치되며 다수의 열교환관을 통해 물을 가열하여 스팀을 발생시키는 제1스팀발생기(20)와, 상기 제1스팀발생기(20)에서 생성된 스팀이 공급되어 가동되는 증기터빈(26)과 이 증기터빈(26)에 의해 구동되는 제1발전기(28)로 이루어진 발전설비(25) 또는 냉난방설비와, 상기 제1스팀발생기(20)의 후단에 배치되며 제1스팀발생기(20)를 통과한 인조폭발성 기체에 함유된 불순물을 제거하는 스크러버(30)와, 상기 스크러버(30)의 후단에 배치되며 유입된 인조폭발성 기체를 압축하는 압축기(40)와, 이 압축기(40)의 후단에 연결되어 압축된 인조폭발성 기체에 의해 가동되는 가스터빈(50)과, 이 가스터빈(50)에 의해 구동되는 제2발전기(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐기물 자원화장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가스터빈(50)에서 발생되는 배기가스의 배기관(52) 상에 배치되며 다수의 열교환관을 통해 물을 가열하여 스팀을 발생시키는 제2스팀발생기(70)를 더 포함하며, 상기 제2스팀발생기(70)에서 발생된 스팀은 상기 증기터빈(26) 또는 냉난방설비로 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐기물 자원화장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 플라즈마발생장치(12)는 전자파유도 플라즈마 발생기인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 폐기물 자원화장치.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016036161A1 (ko) * | 2014-09-04 | 2016-03-10 | 고등기술연구원연구조합 | 고정층 폐기물 가스화 용융로를 이용한 열회수 장치 |
| KR102428300B1 (ko) * | 2021-12-27 | 2022-08-02 | 부산대학교 산학협력단 | 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법 |
| WO2022173263A1 (ko) * | 2021-02-14 | 2022-08-18 | 엄환섭 | 폐 플라스틱을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 수소를 생산하는 장치와 방법 |
-
2012
- 2012-06-15 KR KR20120064435A patent/KR20130084585A/ko not_active Application Discontinuation
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