KR20210051791A - 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치 - Google Patents
시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 플라즈마 연소시스템을 이용하여 버려지는 폐플라스틱의 열분해를 통하여 가스화 및 연소시키는 것으로 시멘트 소성로에 부속된 예열탑에 추가적인 열원을 공급하여 시멘트 소성로의 온도를 높일 수 있으며, 이에 따라 온실가스를 열분해 할 수 있는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치에 관한 것이다. 본 발명은 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치에 있어서 (a) 연소반응기; (b) 상기 연소반응기에 플라즈마를 공급하는 4~20개의 플라스마 연소수단; (c) 상기 연소반응기의 상반부에 연결되어 상기 연소반응기 방향으로 폐플라스틱을 공급하는 연료공급수단을 포함하는 플라즈마 연소시스템을 포함하며, 상기 플라즈마 연소시스템에서 배출되는 고온의 가스를 상기 시멘트 소성로에 부속된 예열탑 가열용 연료와 혼합하여 공급하며, 상기 시멘트 소성로에 온실가스를 주입하여 열분해하는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 연소시스템을 이용하여 버려지는 폐플라스틱의 열분해를 통하여 가스화 및 연소시키는 것으로 시멘트 소성로에 부속된 예열탑에 추가적인 열원을 공급하여 시멘트 소성로의 온도를 높일 수 있으며, 이에 따라 온실가스를 열분해 할 수 있는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치에 관한 것이다.
플라스틱은 석유에서 추출되는 원료를 결합하여 생성되는 고분자 화합물의 일종으로 주로 탄소골격을 중심으로 수소를 비롯한 여러 작용기가 결합되어 있는 거대분자를 의미한다. 초기에는 천연수지인 고무나 송진을 대체하기 위하여 주로 개발되어 합성수지라고 불리지만 현재에는 다양한 성질을 가지는 수백만가지의 플라스틱이 개발되어 있으며, 천연수지의 사용량에 비하여 압도적인 비율로서 사용되고 있다. 최초 개발된 플라스틱은 당구공으로 사용되는 상아를 대체하기 위하여 개발된 페놀수지(베이클라이트)로서 페놀과 포름알데히드를 중합하여 1907년에 제조되었다. 이러한 초기의 플라스틱은 상아의 대체재나 아이들의 장난감수준으로 밖에 여겨지지 않았지만, 최근 들어 플라스틱은 모든 산업에서 없어서는 안되는 중요한 소재로 인식되고 있다. 특히 기존의 플라스틱의 단점인 강도문제를 해결한 엔지니어링 플라스틱의 경우 철강재의 대체재로서 각광을 받고 있으며, 파손시 유리나 철에 비하여 안정성이 뛰어나므로 파손이 우려되는 제품 대부분에 플라스틱이 사용되고 있다.
플라스틱은 크게 열에 의한 연화 가능여부에 따라 열가소성 수지와 열경화성 수지로 나뉜다. 열가소성 수지는 열을 가하면 고분자 사슬간 결합이 느슨해져 유동성을 가지는 플라스틱으로 강도는 떨어지지만 재활용이 용이하여 다량 소비되는 생활용품 분야에 많이 사용되고 있다. 열경화성 수지는 열을 가하면 고분자 사슬간의 결합이 더욱 단단해져 강도가 올라가는 플라스틱으로 경화이전에는 액체 또는 유동성을 가지는 고체로서 가공이 용이하지만, 경화이후에는 열에 의한 유동성 저하가 나타나지 않아 재활용이 거의 불가능하다는 단점을 가진다. 하지만 이러한 열경화성 플라스틱은 열가소성 플라스틱에 비하여 강도가 높고 내열성이 우수하므로 고강도가 필요한 엔지니어링 플라스틱과 같은 산업현장에 주로 사용되고 있다.
이러한 플라스틱은 가공이 용이함에 따라 원하는 형상 및 색상으로 제작가능함과 더불어 자연분해가 거의 나타나지 않아 수명이 길고 원하는 물성을 손쉽게 제작할 수 있다는 장점을 가지지만, 자연상태에서는 분해되는 기간이 매우 오래 걸려 사용 후 플라스틱의 처리가 문제시 되고 있다. 일반적으로 사용이후의 플라스틱은 매립 처리되지만, 매립시 분해에 많은 시간이 소요되므로 그 한계를 가지고 있다. 따라서 이를 해결하기 위한 방법으로 플라스틱 원료를 재활용하는 방법이 제시되고 있지만, 열가소성 수지만을 재활용할 수 있으며, 수백만 종의 플라스틱을 종류별로 분리하는 것에 대한 어려움이 있어 재활용율이 크게 향상되지는 못하는 실정이다.
이런 플라스틱의 단점을 해결하기 위하여 생분해성 플라스틱이 개발되고 있다. 하지만 이러한 생분해성 플라스틱의 경우 장기간 사용이 어렵고 일반적인 플라스틱에 비하여 물성이 떨어져 제한된 분야에서만 사용되고 있을 뿐만 아니라 분해이후 환경이 미치는 영향이 아직까지 완전히 파악되지 않아 무제한적으로 사용하기에는 어려움을 가지고 있다.
하지만 플라스틱의 경우 대부분이 석유 유래 물질이며 탄소계의 기본 골격을 가지고 있는 고분자 물질이므로 이를 연료로 활용하는 방법 또한 개발되고 있다. 플라스틱의 경우 동일중량의 화석연료와 비슷한 열량을 발생시킬 수 있어 이를 연료로 사용하는 경우 화석연료의 일부를 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 플라스틱은 분자량이 큰 물질로서 연소시 불완전연소가 발생하여 유독가스를 발생시키는 경우가 많으며, 플라스틱의 물성을 강화하기 위하여 첨가되는 각종 첨가물 역시 다량의 유독가스의 발생원으로 지목되고 있어 이를 연료로 사용하는 것은 제한적으로 수행되어 왔다.
한편 시멘트 소성로의 경우 킬른형 반응기를 주로 사용하고 있다. 이러한 킬른은 시멘트 소성에 가용되는 가마의 일종으로 연속적인 운전을 위하여 로터리 Type의 킬른이 주로 사용한다. 로터리 킬른의 경우 지면과 일정한 각도를 가지는 파이프 형상의 반응기로 구성되어 있으며, 반응기의 일측면에서 원료를 공급하며, 이는 파이프 형상의 반응기가 회전함에 따라, 반응기의 타측으로 이동하면서 반응이 이루어진다. 이때 원료는 반응기의 회전에 의하여 일정높이까지 상승했다가 중력에 의하여 아래쪽으로 떨어지는 것을 반복하면서 혼합되며, 반응기의 끝부분에는 가열수단으로 유연탄이 사용되어 반응기를 일정온도로 유지하게 된다. 이러한 로터리 킬른은 회전에 의하여 혼합이 반복되는 특성을 가지며, 반응기의 직경 및 회전속도에 따라 생산량이 조절할 수 있다. 이때 상기 킬른을 일정온도로 유지하기 위해서는 많은 열량을 필요로 하며, 이에따라 다량의 화석연료를 사용하고 있어 이를 저감하기 위한 노력이 필요로 한다.
GWP가 높은 불소계 가스 사용량의 지속적 증가로 불소계 가스 처리기술의 필요성 대두되고 있으며, 저농도 SF6 및 HFCs 회수, 분해 및 처리기술의 연구개발 시도는 현재까지 많이 수행되어 왔으나, 고농도 및 대용량 SF6 및 HFCs 분해 및 처리기술 전무한 상태이다. 또한 최근들어 환경보호 측면에서 이산화탄소 발생량 저감을 위하여 지구 온난화 방지를 위한 협약(교토 의정서)이 채결됨에 따라 온실가스의 저감이 사회 전체적인 이슈로 대두되고 있어 이러한 고농도 온실가스의 제거 및 무해화를 달성할 수 있는 공정이 필요하다.
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 플라즈마 연소시스템을 이용하여 버려지는 폐플라스틱의 열분해를 통하여 가스화 및 연소시키는 것으로 시멘트 소성로에 부속된 예열탑에 추가적인 열원을 공급하여 시멘트 소성로의 온도를 높일 수 있으며, 이에 따라 온실가스를 열분해 할 수 있는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치를 제공하고자 한다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치에 있어서 (a) 연소반응기; (b) 상기 연소반응기에 플라즈마를 공급하는 4~20개의 플라스마 연소수단; (c) 상기 연소반응기의 상반부에 연결되어 상기 연소반응기 방향으로 폐플라스틱을 공급하는 연료공급수단을 포함하는 플라즈마 연소시스템을 포함하며, 상기 플라즈마 연소시스템에서 배출되는 고온의 가스를 상기 시멘트 소성로에 부속된 예열탑 가열용 연료와 혼합하여 공급하며, 상기 시멘트 소성로에 온실가스를 주입하여 열분해하는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치를 제공한다.
상기 시멘트 소성로는 1500~3000℃의 온도에서 온실가스를 열분해할 수 있다.
상기 온실가스는 SF6 또는 HFCs일 수 있다.
상기 온실가스는 CaF2로 전환될 수 있다.
상기 연소반응기는 상기 연료공급수단이 일측 상방향에 연결되어 있으며, 타측 하방으로 가스 배출구가 형성될 수 있다.
상기 연소반응기의 내측 하부에는 공기 또는 산소를 추가적으로 공급하는 보조연소 수단이 설치될 수 있다.
상기 보조연소수단은 2~100개의 타공부가 일정간격으로 배열되어 있으며, 상기 타공부를 통하여 공기 또는 산소가 공급될 수 있다.
상기 연소반응기는 내부 온도가 500~2000℃이며, 배출되는 가스의 온도가 800~2000℃일 수 있다.
상기 플라스마 연소수단은 상기 연소반응기의 바닥과 수평한 방향을 따라 연소반응기의 양측면에 일정간격으로 배열될 수 있다.
상기 플라즈마 연소수단은 각각 10~50kW의 출력을 가지며, 플라즈마의 토출온도가 5000~7000K일 수 있다.
상기 연료공급수단은 내부에 서로 반대방향으로 회전하는 한 개 이상의 스크류 또는 압송 장치를 포함하는 연료이송수단을 포함할 수 있다.
상기 연료공급수단과 상기 연소반응기 사이에는 상기 폐플라스틱을 연소반응기 내부에 균일하게 공급할 수 있는 연료분산수단이 설치될 수 있다.
상기 연료분산수단은 메쉬망, 다층으로 배열된 일정간격의 구조물, 회전하는 원형판 또는 회전하는 날개를 포함할 수 있다.
상기 소성로 내부에서 발생한 가열된 공기의 일부 또는 전부를 공기와 혼합한 다음, 상기 플라즈마 연소 시스템으로 공급할 수 있다.
본 발명에 의한 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치는 기존의 소성로에서는 도달할 수 없는 고온에서 온실가스를 전환하기 위하여 플라즈마 연소시스템을 도입하는 것으로 소성로 내의 온도를 크게 향상시킬 수 있음과 더불어 고농도의 온실가스를 CaF2로 전환하여 무해화 함과 동시에 발생되는 CaF2는 시멘트의 물성을 개선시키는 효과를 기대할 수 있으며, 상기 플라즈마 연소시스템은 폐 플라스틱을 연료로 사용함에 따라 고농도 온실가스의 무해화, 시멘트의 물성 향상 및 폐플라스틱의 처리를 동시에 수행할 수 있는 장점을 가진다.
본 발명 상에서 온실가스는 열분해 후에 CaF2 및 CaSO4로 전환될 수 있다. CaF2의 경우는 석회석 탈탄산시 소성 온도를 약 100℃ 낮춤으로써 에너지 절감 효과가 있고, CaSO4의 경우는 시멘트 제조시 필수적인 부원료로써, 응결을 지연시키며 단기 강도를 높이고 건조 수축을 감소시키고 화학적 저항성을 향상시키는 등의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 연소시스템을 포함하는 대체연료 가스화 장치 및 시멘트 소성로의 개념을 간략히 나타낸 것이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 연소시스템과 시멘트 소성로의 결합을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마연소수단의 플라즈마 발생을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 연소반응기 및 플라즈마 연소수단의 결합모습을 간략히 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 연소반응기의 작동방법은 간략히 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 원료공급수단을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 소성로에서 발생된 고온의 폐가스 공기를 공급하는 수단을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 연소반응기의 형상 및 열전쌍온도계의 위치를 간력히 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 소성로 발생가스를 사용한 연소반응기 각부위의 온도를 측정한 결과이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 소성로 발생가스를 사용하지 않은 연소반응기 각부위의 온도를 측정한 결과이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 수거된 연소반응기 잔류물의 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 수거된 연소반응기 잔류물의 FE-SEM 사진이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 연소시스템과 시멘트 소성로의 결합을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마연소수단의 플라즈마 발생을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 연소반응기 및 플라즈마 연소수단의 결합모습을 간략히 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 연소반응기의 작동방법은 간략히 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 원료공급수단을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 소성로에서 발생된 고온의 폐가스 공기를 공급하는 수단을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 연소반응기의 형상 및 열전쌍온도계의 위치를 간력히 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 소성로 발생가스를 사용한 연소반응기 각부위의 온도를 측정한 결과이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 소성로 발생가스를 사용하지 않은 연소반응기 각부위의 온도를 측정한 결과이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 수거된 연소반응기 잔류물의 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 수거된 연소반응기 잔류물의 FE-SEM 사진이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치에 있어서 (a) 연소반응기; (b) 상기 연소반응기에 플라즈마를 공급하는 4~20개의 플라스마 연소수단; (c) 상기 연소반응기의 상반부에 연결되어 상기 연소반응기 방향으로 폐플라스틱을 공급하는 연료공급수단을 포함하는 플라즈마 연소시스템을 포함하며, 상기 플라즈마 연소시스템에서 배출되는 고온의 가스를 상기 시멘트 소성로에 부속된 예열탑 가열용 연료와 혼합하여 공급하며, 상기 시멘트 소성로에 온실가스를 주입하여 열분해하는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치에 관한 것이다.
상기 연소반응기는 상기 연료 공급수단에서 공급된 폐플라스틱을 가스화하여 공급하는 장치로 사각 또는 원형의 파이프 형상으로 제작되고 축방향의 일 측면에는 연료공급 수단이 설치되며 타 측면에는 가스 배출수단이 설치될 수 있다. 상기 연소반응기는 또한 수직의 원통형 또는 사각 기둥형으로 제작될 수도 있으며, 이 경우 상부 일측면에는 연료공급수단이 연결되며, 하부의 타측면에는 가스 배출 수단이 설치될 수 있다. 즉 상기 연소반응기의 일측면 상단에는 상기 연료공급수단이 설치되며, 타측면의 하단에는 가스 배출수단이 설치되는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 연료 공급수단에 의하여 공급된 폐플라스틱은 연소반응기를 지나 타측면의 가스배출구 방향으로 배출되며 생성되는 가스 역시 가스배출구 방향으로 배출될 수 있다.
또한 상기 연소반응기는 단일 연소부를 가지는 연소기로 제작될 수 있으며, 연소효율을 높이기 위하여 상단부(100)와 하단부(110)의 두 개의 단으로 구성될 수 있다(도 4참조). 이때 상기 상단부에는 플라즈마 연소수단(200)이 설치되며, 하단부에는 연소를 더욱 원활하게 수행하기 위하여 연소용 공기 공급 노즐이 위치할 수 있다. 이 경우 상기 연소용 공기 공급노즐에서 공급된 공기는 상기 연소반응기의 상단부에서 1차 연소된 가스를 추가적으로 산화시켜 가스 배출수단방향으로 공급함과 동시에 일부가 상기 연소반응기의 상단부로 공급되어 1차 연소를 수행할 수 있다. 이렇게 상기 연소반응기를 상단부와 하단부로 구분하여 가동하는 경우 상기 폐플라스틱을 가스화 및 완전 연소하기 때문에 재 및 타르의 발생량이 현저하게 줄어들 수 있다(도 5 참조).
상기 연소반응기의 내측 하부에는 공기 또는 산소를 공급할 수 있는 보조연소수단이 설치될 수 있다. 상기 연소반응기의 경우 상부에서 공기와 연소물이 공급됨에 따라 하부에 적치되어 있는 대체연료(폐플라스틱)의 경우 산소의 공급이 원활하지 못하여 불완전 연소가 일어날 수 있다. 따라서 연소반응기의 내부에 추가적인 상소를 공급하기 위한 보조연소수단을 설치하여 산소의 공급을 원활하게 하는 것이 바람직하다. 이때 상기 보조연소수단은 단순히 외부의 공기를 공급할 수 있으며, 순수한 산소를 공급하는 것도 가능하다. 아울러 상기 보조연소수단은 2~100개의 타공부가 일정간격으로 배열되어 있으며, 상기 타공부를 통하여 공기 또는 산소가 공급될 수 있다.
상기 연소반응기에는 플라즈마를 공급하는 4~20개의 플라스마 연소수단을 포함할 수 있다(도 4참조). 기존의 폐플라스틱용 연소기의 경우 화석연료를 사용하여 연소를 수행하였다. 하지만 화석연료의 경우 자체적인 유독가스를 발생시킬 수 있을 뿐만아니라 이산화탄소 발생량도 늘어나게 되어 그 사용이 제한적이다. 또한 상기 화석연료를 이용한 연소기의 경우 그 불꽃온도가 낮게 운영되어 상기 연소반응기 내부의 온도를 획기적으로 상승시키지 못하고 있다. 이에 본 발명에서는 플라즈마 연소수단을 이용하여 상기 연소반응기 내부의 온도를 상승시킴과 동시에 화석연료의 사용량을 최소화 하고 또한 높은 온도로 인하여 사용되는 열량도 최소화 하면서도 동일한 연소반응을 수행할 수 있다.
상기 플라스마 연소수단은 상기 연소반응기의 바닥과 수평한 방향을 따라 연소반응기의 양측면에 일정간격으로 배열될 수 있다(도 4 참조). 상기 플라즈마 연소수단의 경우 상기 연소반응기 내부에 균일하게 플라즈마를 공급하는 것이 바람직하다. 특히 상기 폐플라스틱의 낙하에 따라 폐플라스틱이 연소반응기의 바닥부분에 쌓이는 경우 이를 균일하게 연소하기 위하여 상기 연소반응기의 바닥과 수평한 방향을 따라 연소반응기의 양측면에 일정간격으로 배열되는 것이 바람직하다. 다만 상기 연소반응기가 상단부와 하단부의 두 개의 단으로 구성되는 경우 상기 상단부에는 상기 플라즈마 연소수단을 2~16개를 배치하며, 상기 하단부에는 2~4개를 배치하여 상기 상단부에 낙하하는 폐플라스틱을 중점적으로 연소시키는 것이 바람직하다(도 4 및 도 5 참조).
상기 연소반응기는 내부 온도가 500~2000℃이며, 배출되는 가스의 온도가 800~2000℃일 수 있다. 기존의 화석 연료를 이용한 플라스틱 소각로의 경우 내부온도가 900~1400℃정도로 플라스틱을 완전 연소하여 가스화하기에는 충분한 온도에 도달하지 못하였다. 하지만 본원 발명의 경우 플라스마 연소수단을 이용하여 고온에서 연소를 수행할 수 있으며, 온도 강하를 최대한 막음에 따라 내부온도를 500~2000℃로 유지할 수 있다. 이러한 내부온도는 공급되는 플라스틱의 종류에 따라 매우 상이하지만, 일반적으로 탄소의 비율이 높으며 고분자의 평균분자량이 낮을수록 높은 온도를 나타낼 수 있다. 아울러 상기 연소반응기 내부의 온도가 500℃미만으로 낮아지는 경우 플라스틱의 불완전 반응으로 인하여 상기 연소반응기 내부에 타르가 침착될 수 있다. 따라서 연소반응기 내부의 온도는 500℃이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한 상기 연소반응기는 입구부분의 온도가 가능 낮으며, 배출되는 가스는 연소반응기 내부에서 연소가 완료된 가스가 배출되므로, 상기 연소반응기의 최저온도인 500℃보다 높은 온도의 가스가 배출될 수 있다. 따라서 상기 배출되는 가스의 온도는 800~2000℃일 수 있다. 상기 배출되는 가스의 온도가 800℃미만인 경우 가스 배출구에 타르가 침착될 수 있으며 2000℃를 초과하는 경우 가스배출구가 과열됨에 따라 추가적인 방열설비를 해야 하므로 경제성이 떨어질 수 있다.
아울러 상기와 같이 배출되는 고온의 가스는 시멘트 소성로에 부속된 예열탑으로 공급됨과 더불어 예열탑의 온도 및 소성로의 온도를 상승시키는 역할을 할 수있다. 기존의 시멘트 소성로의 경우 최대온도가 1500℃이하에서 운전되지만 이 경우 온실가스가 최대 열분해효율을 가지는 온도인 2000℃내외를 도달하기는 어렵다. 하지만 본원 발명의 경우 상기 플라즈마 연소시스템을 이용하여 추가적인 열량을 공급하므로 최적의 온도에서 온실가스를 열분해 할 수 있다.
이때 상기 온실가스는 SF6 또는 HFCs일 수 있다. 상기 SF6 또는 HFCs는 온실효과를 나타내는 대표적인 물질로서 사용이 제한적으로 되고 있기는 하지만 고농도의 SF6 또는 HFCs의 경우 세척제나 기타 첨가제로 많은 양이 사용되고 있다. 하지만 이러한 고농도의 SF6 또는 HFCs의 경우 그 분해 온도가 높고 처리비용상의 문제가 있어 분해되어 무해화되기 보다는 회수되어 재사용되는 것에 그치고 있다. 따라서 상기 온실가스를 CaF2로 전환하는 경우 고농도의 온실가스를 제거할 수 있을 뿐만 아니라 소성되는 시멘트의 물성을 높여주는 첨가제로의 사용이 가능하다.
이때 상기 SF6 또는 HFCs의 분해는 하기와 같은 화학반응을 통하여 수행될 수 있다.
SF6 + 4CaO → 3CaF2 + CaSO4
2CHF3 + CaO → CaF2 + 2CF2 + H2O
즉 상기 SF6 또는 HFCs의 경우 석회석 내의 산화칼슘과 반응하여 CaF2로 전환됨과 더불어 상기 CaF2는 시멘트에 첨가제로 사용되어 시멘트의 물성을 높여주는 역할을 수행하게 된다. 다만 이러한 화학반응은 고온(1500℃)이상에서 효율적이기 때문에 고온의 시멘트 소성로가 필요하게 되며, 이에따라 본원발명과 같은 추가적인 열원을 필요로 할 수 있다.
본 발명 상에서 온실가스는 열분해 후에 CaF2 및 CaSO4로 전환될 수 있다. CaF2의 경우는 석회석 탈탄산시 소성 온도를 약 100℃ 낮춤으로써 에너지 절감 효과가 있고, CaSO4의 경우는 시멘트 제조시 필수적인 부원료로써, 응결을 지연시키며 단기 강도를 높이고 건조 수축을 감소시키고 화학적 저항성을 향상시키는 등의 효과가 있다.
상기 연료공급수단은 내부에 서로 반대방향으로 회전하는 한 개 이상의 스크류 또는 압송 장치를 포함하는 연료이송수단을 포함할 수 있다(도 6). 기존의 플라스틱 소각로의 경우 호퍼를 이용하여 폐플라스틱을 일정하게 공급하는 방식을 사용했다 하지만 이러한 호퍼를 이용하는 방법은 폐플라스틱의 일제 공급으로 인한 연소 반응기 내부의 온도강하가 필연적으로 발생하여 연소반응기의 내면에 타르가 침착되는 결과를 가져왔다. 이에 본 발명에서는 상기 연료공급수단의 내부에 서로 반대방향으로 회전하는 한 개 이상의 스크류 또는 압송 장치를 포함하는 연료이송수단을 설치하여 폐플라스틱을 일정한 속도로 연속적으로 공급하여 상기 연소반응기 내부의 온도강하를 막는 것이 바람직하다. 또한 상기와 같이 연료이송수단을 이용하여 폐플라스틱을 공급하더라도 상기 폐플라스틱이 연소반응기 내부의 일정공간에만 집중적으로 공급되는 경우 균일한 연소가 불가능할 뿐만 아니라 국지적인 온도 강하가 발생할 수 있으므로 상기 연료공급수단과 상기 연소반응기 사이에는 상기 폐플라스틱을 연소반응기 내부에 균일하게 공급할 수 있는 연료분산수단이 설치되는 것이 바람직하다. 상기 연료 분산수단은 상기 연료공급수단에 의하여 공급되는 폐플라스틱을 상기 연소 반응기의 내부에 균일하게 공급해줌으로써 온도강하를 막아 균일한 연소반응이 가능하도록 함과 동시에 타르의 생성을 최대한 방지할 수 있다. 상기 연료분산수단은 상기 연소반응기 내부에 폐플라스틱을 균일하게 분산할 수 있는 것이라면 제한 없이 사용가능하지만 메쉬망, 다층으로 배열된 일정간격의 구조물 또는 회전하는 날개를 이용하여 상기 폐 플라스틱을 분산시키는 것이 바람직하다.
상기 시멘트 소성로는 상기 대체연료 가스화 장치에서 발생한 가스를 예열탑으로 공급하여 소성로 가열용 연료와 같이 공급하여 연소시키며, 상기 소성로 내부에서 발생한 가열된 공기의 일부 또는 전부를 상기 대체연료 가스화 장치로 공급할 수 있다. 시멘트 소성로에 부속된 예열탑의 경우 기존의 화석연료를 사용하여 소성에 필요한 열량을 공급하고 있지만, 이산화탄소의 배출량을 줄이기 위한 노력이 지속되고 있어 그 열량을 향상시키는 것에 한계를 가지고 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 대체연료 가스화 장치를 이용하여 폐 플라스틱을 소각함과 동시에 소각이후 발생하는 가스를 상기 시멘트 소성로에 부속된 예열탑에 공급하여 추가연소를 수행하는 것으로 이산화탄소의 발생 없이 추가적인 열량의 공급이 가능하다. 아울러 이와같이 추가되는 열량으로 인하여 온실가스의 최적 분해온도에 도달할 수 있는 것은 위에서 살펴본 바와 같다.
또한 상기 시멘트 소성로에서 발생되는 고온의 폐가스 공기를 상기 연소반응기로 공급하여 상기 연소반응기의 연소효율을 높일 수 있다. 이를 구체적으로 살펴보면 상기 소성로 내부에서는 열에 의한 시멘트의 소성이 지속적으로 이루어지며 상기 소성된 시멘트의 배출에 따라 내부의 공기도 배출된다. 이를 통해 생성된 시멘트 반제품인 클링커를 냉각시키는 과정에서 고온의 폐가스 공기가 발생된다. 이를 상기 연소반응기로 공급하여 연소용 공기로 사용하는 경우 연소효율을 크게 상승시킬 수 있다. 이 경우 상기 소성로 내부에서 발생하는 가열된 공기는 상기 연소반응기의 산소소모량에 따라 일부 또는 전부가 상기 연소반응기로 공급될 수 있으며, 연소반응기 내부를 최적의 온도를 유지하기 위하여 연소반응기에 공급되는 외부공기와 혼합되는 형태로 공급될 수 있다. 이때 상기 소성로의 내부에서 발생한 가열된 공기는 500~1000℃의 온도를 가질 수 있다. 도한 상기와 같이 소성로 내부의 공기를 재순환 하는 경우 미반응된 온실가스역시 재순환되어 처리될 수 있으므로 온실가스 전환율역시 높일 수 있다.
상기 시멘트 소성로는 대체연료 가스화 장치에서 공급된 가스에 포함된 유해가스를 무해화할 수 있다. 상기 시멘트 소성로에 부속된 예열탑은 상기 대체연료 가스화 장치에서 공급된 가스를 한번 더 연소시켜 열량을 공급하므로 상기 대체연료 가스화 장치에서 공급된 가스에 포함된 각종 유해가스를 산화시켜 제거할 수 있다. 특히 폐플라스틱의 소각시 많이 발생하는 다이옥신, HCN, CO 또는 NOx의 경우 추가적인 소각과 소성로 자체 보유하고 있는 방지시설을 이용하므로 기존의 폐플라스틱 소각로에서 발생하는 유해가스 대부분 제거할 수 있다. 이때 상기 유해가스는 N2, CO2 또는 H2O의 형태로 전환되어 제거될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
실시예 1
본 발명에 의한 플라즈마 연소시스템을 포함하는 대체연료 가스화 연소 장치의 효과를 측정하기 위한 실험을 실시하였다, 도 8에 나타난 것과 동일하게 대체연료 가스화 연소 장치를 제작한 다음, T1~T7의 부위에 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. T8은 시멘트 소성로에서 대체연료 가스화 연소 장치로 공급되는 공기의 온도이다.
도 9에 나타난 바와 같이 적절한 간격으로 폐플라스틱(연료)를 투입하였다. 대체연료 가스화 연소 장치에서 발생한 가스의 온도(TC6)는 약 800~1400℃를 유지하고 있는 것으로 나타났다. 또한 시멘트 소성로에서 공급되는 공기의 온도(TC8)는 400~600℃를 유지하며 상기 대체연료 가스화 연소 장치에 공급되어 배출가스의 온도 상승에 큰 기여를 하고 있는 것으로 나타났다. 본 발명 상에서 폐플라스틱의 투입량은 10~75(kg/hr) 범위로 가능하고, 소성로 평균 온도는 최대 2500℃를 유지한다.
시멘트 소성로의 공기를 혼합하여 사용하지 않은 도 10의 경우 대체연료 가스화 연소 장치에서 발생한 가스의 온도(TC6)가 750~1050℃로 나타나 시멘트 소성로의 공기를 혼합하여 사용하는 경우 소성로 예열탑의 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 대체연료 가스화 연소 장치의 효율도 상승하는 것으로 나타났다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 처리후 잔류물을 분석하였다.
도 11에 나타난 바와 같이 잔류물을 수거한 다음, 5개의 분석시료를 채취하여 분석하였으며, 그 결과는 표 1과 같다
| sample 1 | sample 2 | sample 3 | sample 4 | sample 5 | 평균 | |
| C | 0 | 0 | 0 | 3.21 | 4.31 | 1.504 |
| O | 29.95 | 37.14 | 39.41 | 38.91 | 40.62 | 37.206 |
| Na | 6.17 | 4.42 | 6.98 | 5.83 | 4.84 | 5.648 |
| Mg | 0 | 0.83 | 0.89 | 0.87 | 0.91 | 0.7 |
| Al | 1.77 | 2 | 1.34 | 1.54 | 1.93 | 1.716 |
| Si | 20.2 | 25.28 | 27.48 | 28.34 | 28 | 25.86 |
| Cl | 10.02 | 4.9 | 0.98 | 3.06 | 2.18 | 4.228 |
| K | 2.67 | 1.25 | 0 | 0 | 0 | 0.784 |
| Ca | 27.56 | 24.18 | 14.56 | 18.24 | 17.21 | 20.35 |
| Fe | 1.66 | 0 | 3.35 | 0 | 0 | 1.002 |
| Cu | 0 | 0 | 5.01 | 0 | 0 | 1.002 |
| 합계 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
표 1에 나타난 바와 같이 플라스틱의 주요성분이면서 연소가 가능한 탄소는 대부분 가스화되어 제거된 것을 확인하였다. 즉 본원 발명의 경우 플라스틱의 80~95중량%를 차지하는 탄소를 연소 및 가스화 하여 제거할 수 있으며, 이에따라 공급된 폐플라스틱의 80~95중량%를 연소 또는 가스화하여 제거할 수 있는 것으로 확인되었다.
또한 도 12에 나타난 바와 같이 잔유물은 다공성을 가지는 것으로 확인되어 건축자재, 복토재등으로 활용 가능성이 있을 것으로 예측되었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
100 : 연소반응기 상단부
110 : 연수반응기 하단부
200 : 플라즈마 연소수단
110 : 연수반응기 하단부
200 : 플라즈마 연소수단
Claims (14)
- 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치에 있어서
(a) 연소반응기;
(b) 상기 연소반응기에 플라즈마를 공급하는 4~20개의 플라스마 연소수단;
(c) 상기 연소반응기의 상단부에 연결되어 상기 연소반응기 방향으로 폐플라스틱을 공급하는 연료공급수단;
을 포함하는 플라즈마 연소시스템을 포함하며,
상기 플라즈마 연소시스템에서 배출되는 고온의 가스를 상기 시멘트 소성로에 부속된 예열탑 가열용 연료와 혼합하여 공급하며,
상기 시멘트 소성로에 온실가스를 주입하여 열분해하는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 시멘트 소성로는 1500~3000℃의 온도에서 온실가스를 열분해하는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 온실가스는 SF6 또는 HFCs인 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제3항에 있어서,
상기 온실가스는 CaF2로 전환되는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 연소반응기는 상기 연료공급수단이 일측 상방향에 연결되어 있으며, 타측 하방으로 가스 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 연소반응기의 내측 하부에는 공기 또는 산소를 추가적으로 공급하는 보조연소 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 보조연소수단은 2~100개의 타공부가 일정간격으로 배열되어 있으며, 상기 타공부를 통하여 공기 또는 산소가 공급되는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 연소반응기는 내부 온도가 500~2000℃이며, 배출되는 가스의 온도가 800~2000℃인 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 플라스마 연소수단은 상기 연소반응기의 바닥과 수평한 방향을 따라 연소반응기의 양측면에 일정간격으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 연소수단은 각각 10~50kW의 출력을 가지며, 플라즈마의 토출온도가 5000~7000K인 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 연료공급수단은 내부에 서로 반대방향으로 회전하는 한 개 이상의 스크류 또는 압송 장치를 포함하는 연료이송수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 연료공급수단과 상기 연소반응기 사이에는 상기 폐플라스틱을 연소반응기 내부에 균일하게 공급할 수 있는 연료분산수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제12항에 있어서,
상기 연료분산수단은 메쉬망, 다층으로 배열된 일정간격의 구조물, 회전하는 원형판 또는 회전하는 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 소성로 내부에서 발생한 가열된 공기의 일부 또는 전부를 공기와 혼합한 다음, 상기 플라즈마 연소 시스템으로 공급하는 것을 특징으로 하는 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치.
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