KR20210051796A - 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 열분해시스템을 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) 열분해반응기; (b) 상기 열분해반응기에 플라즈마를 공급하는 4~20개의 플라스마 열분해수단; (c) 상기 열분해반응기의 상반부에 연결되어 상기 열분해반응기 방향으로 폐플라스틱을 공급하는 연료공급수단을 포함하는 플라즈마 열분해시스템을 포함하며, 상기 플라즈마 열분해시스템에서 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

폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치{Greenhouse Gas Decomposition and Immobilization System Using Waste Derived Liquid Fuel}
본 발명은 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 열분해 시스템을 이용하여 폐기물 유래 액상연료의 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 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치에 관한 것이다.
세계 각국은 산업화에 따른 폐기물의 발생과 그 처리에 의한 환경오염 문제를 극복하고 화석연료의 사용으로 인한 지구 온난화 문제를 해결하기 위해 많은 노력을 하고 있다. 그 해결방법의 하나로 구미 선진국들은 시멘트 소성로에서 유연탄과 같은 화석연료를 대체하여 산업폐기물들을 소각하는데 이는 화석 연료로 인한 CO2 발생을 경감시켜 온난화현상을 방지할 뿐만 아니라 산업폐기물을 안전하게 처리할 수 있으므로 폐기물처리의 새로운 대안으로 받아들여지고 있는 추세이다.
시멘트 소성로에 사용되는 폐기물은 크게 고형폐기물과 액상폐기물로 나눌 수 있는데 고형폐기물은 폐타이어, 폐플라스틱, 폐고무, 폐목재 등을 포함하며 액상폐기물에는 폐유, 폐유기용제, 폐페인트, 하수오니 등이 있다. 이 중 액상폐기물은 다량 배출되는 지정폐기물로서 시멘트 소성로용 연료로 사용 시 많은 환경적 경제적 이점을 가지고 있어 유럽, 미국, 일본 등에서는 이것을 시멘트 소성로에서 사용이 가능한 연료로 재생하여 Slur-mix, Combsu, Cemfuel등의 명칭으로 이미 20여 년 전부터 사용되고 있다.
국내에서도 1992년 '자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률'의 시행과 더불어 자원 재활용에 대한 관심이 촉발되었고 현재 국내의 시멘트 소성로에서 유연탄 보조연료로서 폐유, 폐유기용제, 폐페인트 등으로부터 제조한 WDF (Waste Derived Fuel)와 폐타이어, 폐플라스틱 등의 고형폐기물을 사용하고 있다. 고형폐기물의 경우 연료로 이용할 수 있는 에너지회수기준이 법적으로 마련되어 있다. 그러나 액상 지정폐기물의 경우 에너지 회수기준이 마련되어 있지 않을 뿐 만 아니라 정제연료유나 정제유기용제로 재활용되지 않는 경우는 모두 소각, 안정화 처리 후 매립하도록 되어 있어 시멘트 소성로용 보조연료로 사용이 불가능한 상황이다.
WDF(Waste Derived Fuel)는 기존 리사이클링 방식으로는 처리비용을 맞출 수 없고, 기술적으로도 처리 불가하여 소각 처분할 수밖에 없었던 폐유, 폐유기용제, 폐페인트, 오니 등을 주원료로 하여 혼합, 균일화시켜 액상 또는 슬러리 상태로 제조된 시멘트 소성로용 보조연료를 말한다. WDF는 우리나라 지정폐기물의 약 48.2%를 차지하는 폐유, 폐유기용제, 폐페인트를 시멘트 소성로에서 소각처리 하는 동시에 폐기물 속에 남아있는 열량을 회수하며 재활용하는데 그 중요한 의미가 있다.
우리나라 폐유의 총 발생량은 601,708 ton으로(2003년 기준) 전체 지정폐기물 발생량의 21.1%를 차지하고 있다. 폐유는 납, 크롬, 비소 등 여러 종류의 중금속들과 염소계 화합물, 할로겐 화합물 등 포함하고 있어서 수집하여 처리하지 않고 방치하면 자연을 오염시키는 공해물질의 근원이 되며, 소각 할지라도 심각한 대기오염을 초래할 수 있다. 일반적으로 폐유는 점성이 높기 때문에 보일러에서 연소되는데 필요한 분사력이 미비할 뿐만 아니라 회분의 함유량이 높아 불완전 연소에 따른 심각한 그을음이 발생된다. 따라서 폐유의 발생으로부터 처리에 이르기까지 철저한 관리와 더불어 처리의 방법 등에 대한 다양한 개선책이 필요한 상황이다.
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.
또한 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.
(0001) 대한민국 등록특허 제10-1201426호 (0002) 대한민국 공개특허 제10-2012-0000940호
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 열분해 시스템을 이용하여 폐기물 유래 액상연료의 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 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치를 제공하고자 한다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치에 있어서 (a) 열분해 반응기; (b) 상기 열분해 반응기에 플라즈마를 공급하는 4~20개의 플라스마 열분해 수단; (c) 상기 열분해 반응기의 상단부에 연결되어 상기 열분해 반응기 방향으로 폐기물유래 액상 연료를 공급하는 연료공급수단; 을 포함하는 플라즈마 열분해 시스템을 포함하며, 상기 플라즈마 열분해 시스템에서 배출되는 고온의 가스를 상기 시멘트 소성로에 부속된 예열탑 가열용 연료와 혼합하여 공급하며, 상기 시멘트 소성로에 온실가스를 주입하여 열분해하는 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 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 열분해반응기는 상기 연료공급수단이 일측 상방향에 연결되어 있으며, 타측 하방으로 가스 배출구가 형성될 수 있다.
상기 열분해반응기는 내부가 불활성 기체로 채워져 있는 것일 수 있다.
상기 불활성 기체는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 또는 이산화탄소일 수 있다.
상기 열분해반응기는 내부 온도가 500~2000℃이며, 배출되는 가스의 온도가 800~2000℃일 수 있다.
상기 플라스마 열분해수단은 상기 열분해반응기의 바닥과 수평한 방향을 따라 열분해반응기의 양측면에 일정간격으로 배열될 수 있다.
상기 플라즈마 열분해수단은 각각 10~50kW의 출력을 가지며, 플라즈마의 토출온도가 5000~7000K일 수 있다.
상기 연료공급수단은 상기 폐기물 유래 액상연료를 이송할 수 있는 고압펌프일 수 있다.
상기 연료공급수단의 말단에는 상기 폐기물 유래 액상연료를 고르게 분무하기 위한 스프레이 노즐이 2~30개가 설치될 수 있다.
상기 소성로 내부에서 발생한 가열된 공기의 일부 또는 전부를 상기 플라즈마 열분해 시스템의 열교환 수단으로 공급하여 상기 플라즈마 열분해 시스템에 공급되는 폐기물 유래 액상연료 및 공급되는 기체를 가열할 수 있다.
본 발명에 의한 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치는 기존의 소성로에서는 도달할 수 없는 고온에서 온실가스를 전환하기 위하여 폐기물 유래 액상연료를 이용한 플라즈마 열분해시스템을 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 열분해시스템은 폐기물 유래 액상연료를 연료로 사용함에 따라 고농도 온실가스의 무해화, 시멘트의 물성 향상 및 폐 액상 연료의 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 열분해시스템을 포함하는 대체연료 가스화 장치 및 시멘트 소성로의 개념을 간략히 나타낸 것이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마 열분해시스템과 시멘트 소성로의 결합을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 플라즈마열분해수단의 플라즈마 발생을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 열분해반응기 및 플라즈마 열분해수단의 결합모습을 간략히 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 열분해반응기의 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 열분해반응기의 형상 및 열전쌍온도계의 위치를 간력히 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 소성로 발생가스를 사용한 열분해반응기 각부위의 온도를 측정한 결과이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 소성로 발생가스를 사용하지 않은 열분해반응기 각부위의 온도를 측정한 결과이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 수거된 열분해반응기 잔류물의 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 수거된 열분해반응기 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) 열분해 반응기; (b) 상기 열분해 반응기에 플라즈마를 공급하는 4~20개의 플라스마 열분해 수단; (c) 상기 열분해 반응기의 상단부에 연결되어 상기 열분해 반응기 방향으로 폐기물유래 액상 연료를 공급하는 연료공급수단; 을 포함하는 플라즈마 열분해 시스템을 포함하며, 상기 플라즈마 열분해 시스템에서 배출되는 고온의 가스를 상기 시멘트 소성로에 부속된 예열탑 가열용 연료와 혼합하여 공급하며, 상기 시멘트 소성로에 온실가스를 주입하여 열분해하는 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치에 관한 것이다.
상기 폐기물 유래 액상연료는 폐유, 폐유기용제, 폐페인트 및 폐락카에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 폐유는 '폐기물 관리법 시행규칙' 별표3의 지정폐기물의 분류번호(제2조제4항관련)에 따라 광물계 폐유, 동, 식물계 폐유, 기타 폐유로 나눌 수 있다.
광물계 폐유에는 자동차 폐윤활유, 절삭유, 절연유, 기타 윤활유계 폐유, 기타 광물계 폐유가 속한다. 자동차 폐윤활유는 '자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률시행령' 제15조의 규정에 의한 예치대상인 기어유 및 내연기관용 윤활유를 말하며 여기에는 가솔린 엔진유, 디젤 엔진유, 2Cycle 엔진유, 기어유 그리고 농기계용이 포함될 수 있다. 절삭유는 금속가공과정에서 발생되는 열처리용유, 방청유, 압연유 및 비수용성 절삭유 등을 포함할 수 있다. 절연유는 전기절연유라고도 하며 변압기,차단기,축전기,케이블 등의 전기 절연을 위해 사용되는 것이다. 기타 윤활유계 폐유는 자동차 폐윤활유, 절삭유, 절연유에 포함되지 않는 윤활유계 폐유를 포함할 수 있다. 기타 광물계 폐유는 위의 광물계 폐유에는 포함되지 않으며 30%이상의 수분이 함유되거나 20%이상의 이물질이 함유된 폐유·고체 상태의 폐유 등을 포함할 수 있다. 동, 식물계 폐유에는 기름걸레, 폐식용유, 폐유지류, 기타 동, 식물계 폐유를 포함할 수 있으며, 기타 폐유는 위의 광물계 폐유와 동, 식물계 폐유에 포함되지 않는 폐유를 말한다.
상기 폐유기용제는 할로겐족 폐유기용제와 기타 폐유기용제로 나눌 수 있다. 할로겐족 유기용제에는 디클로로메탄, 트리클로로메탄, 테트라클로로메탄, 디클로로디플루오로메탄, 트리클로로플루오로메탄, 디클로로에탄, 트리클로로에탄, 트리클로로트리플루오로에탄, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 모노클로로페놀, 디클로로페놀, 1,1-디클로로에틸렌, 1,3-디클로로프로펜, 1,1,2-트리클로로-1,2,2-트리플로로에탄 그 외 디클로로메탄, 트리클로로메탄 내지 1,1,2-트리클로로-1,2,2-트리플로로에탄에서 선택되는 1종 이상을 5중량% 이상 함유한 용제일 수 있다. 기타 폐유기용제는 할로겐족 폐유기용제 이외의 유기용제가 여기에 속하며, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 메탄올, 에탄올, 부탄올, 옥탄올, 이소옥탄, 메틸에틸케톤, 이소프로판올, 탄화수소, 아세톤, 프로필렌글리콜, 모노아세톡시부텐, 트리아세톡시부텐, 헥산, 톡시부텐, 엘틸아세테이트, 사이클로헥산, 메틸나프탈렌, 메틸 이소부틸 케톤, 디메틸 포름아미드 및 메틸에틸케톤의 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 폐페인트 및 폐락카는 페인트 및 락카와 유기용제가 혼합된 것으로서 페인트 및 락카 제조업, 용적 5세제곱미터 이상 또는 동력 3마력 이상의 도장시설, 폐기물을 재활용하는 시설에서 발생되는 것 및 페인트 보관용기에 잔존하는 페인트를 제거하기 위하여 유기용제와 혼합된 것을 포함할 수 있다.
상기 열분해반응기는 상기 연료 공급수단에서 공급된 폐기물 유래 액상연료를 가스화하여 공급하는 장치로 사각 또는 원형의 파이프 형상으로 제작되고 축방향의 일 측면에는 연료공급 수단이 설치되며 타 측면에는 가스 배출수단이 설치될 수 있다. 상기 열분해반응기는 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 열분해반응기의 일측면 상단에는 상기 연료공급수단이 설치되며, 타측면의 하단에는 가스 배출수단이 설치되는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 연료 공급수단에 의하여 공급된 폐기물 유래 액상연료는 열분해반응기를 지나 타측면의 가스배출구 방향으로 배출되며 생성되는 가스 역시 가스배출구 방향으로 배출될 수 있다.
상기 연료공급수단은 상기 폐기물 유래 액상연료를 이송할 수 있는 고압펌프일 수 있다. 상기 폐기물 유래 액상연료의 경우 기존의 화석연료(휘발유, 경유, 등유 등)에 비하여 높은 점도를 가지고 있으므로, 이를 기존의 화석연료용 펌프를 이용하여 이송하는 경우 연료가 원활하게 이송되지 않을 수 있다. 이를 방지하기 위하여 상기 연료공급수단은 가압하여 운송할 수 있는 고압펌프를 사용하여 폐기물 유래 액상연료를 이송하는 것이 바람직하다. 이때 상기 고압펌프는 시중에 판매되고 있는 고압펌프중 내유성이 뛰어나고 이물질에 의한 막힘이 적은 고압펌프를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 연료공급수단의 말단에는 상기 폐기물 유래 액상연료를 고르게 분무하기 위한 스프레이 노즐이 2~30개가 설치될 수 있다. 상기 폐기물 유래 액상연료의 경우 상기 열분해 반응기에 공급되어 가스로 변하게 된다. 이때 일반적인 개방형 공급수단을 사용하는 경우 미반응된 폐기물 유래 액상연료가 바닥에 낙하하여 침착되거나 타르를 형성할 수 있어 이를 방지하기 위한 설비를 필요로 한다. 따라서 상기 폐기물 유래 액상연료를 넓은 면적에 고르게 분사할 수 있는 스프레이 노즐을 통하여 폐기물 유래 액상연료를 공급하는 것이 바람직하며, 이러한 분산효과를 더욱 높이기 위하여 상기 스프레이 노즐은 2~30개가 설치되는 것이 바람직하다.
또한 상기 열분해반응기는 단일 열분해부를 가지는 열분해기로 제작될 수 있으며, 열분해효율을 높이기 위하여 상단부(100)와 하단부(110)의 두 개의 단으로 구성될 수 있다(도 4참조). 이때 상기 상단부에는 플라즈마 열분해수단(200)이 설치되며, 하단부에는 열분해를 더욱 원활하게 수행하기 위하여 열분해용 공기 공급 노즐이 위치할 수 있다. 이 경우 상기 열분해용 공기 공급노즐에서 공급된 공기는 상기 열분해반응기의 상단부에서 1차 열분해된 가스를 추가적으로 산화시켜 가스 배출수단방향으로 공급함과 동시에 일부가 상기 열분해반응기의 상단부로 공급되어 1차 열분해를 수행할 수 있다. 이렇게 상기 열분해반응기를 상단부와 하단부로 구분하여 가동하는 경우 상기 폐기물 유래 액상연료를 더욱 효율적으로 가스화하기 때문에 재 및 타르의 발생량이 현저하게 줄어들 수 있다(도 5 참조).
상기 열분해반응기는 내부가 불활성 기체로 채워져 있는 것일 수 있다. 열분해 반응시 산소가 공급되는 경우 열분해 반응보다는 산소를 이용한 산화반응(연소)이 일어나게 된다. 이 경우 배출되는 가스의 온도와 압력이 급장하는 것은 물론 가스내에 포함되는 연소성 화합물이 줄어들게 되어 예열탑을 이용한 소성로의 추가적인 열량공급이 어려울 수 있다. 따라서 상기 열분해 반응기의 경우 내부의 산소를 제거한 다음, 열분해된 가스만이 존재하도록 하는 것이 바람직하며, 이를 위하여 열분해 반응기의 내부를 불활성기체로 치환하여 반응시킬 수 있다. 이때 상기 불활성 기체는 상기 열분해 가스와 반응하지 않는 가스라면 제한없이 사용할 수 있지만 상업적으로 판매되고 있는 질소, 헬륨, 아르곤, 네온과 같은 불활성 가스를 이용하는 것이 바람직하며, 추가적인 가스 분리시설을 가동하는 경우 가격이 저렴한 이산화탄소를 사용하는 것도 가능하다.
상기 열분해반응기에는 플라즈마를 공급하는 4~20개의 플라스마 열분해수단을 포함할 수 있다(도 4참조). 기존의 열분해 반응기의 경우 화석연료의 연소에서 나오는 화염을 열원으로 사용하여 열분해를 수행하였다. 하지만 화석연료의 경우 자체적인 유독가스를 발생시킬 수 있을 뿐만아니라 이산화탄소 발생량도 늘어나게 되어 그 사용이 제한적이다. 또한 상기 화석연료를 이용한 열분해기의 경우 그 불꽃온도가 낮게 운영되어 상기 열분해반응기 내부의 온도를 획기적으로 상승시키지 못하고 있다. 이에 본 발명에서는 플라즈마 열분해수단을 이용하여 상기 열분해반응기 내부의 온도를 상승시킴과 동시에 화석연료의 사용량을 최소화 하고 또한 높은 온도로 인하여 사용되는 열량도 최소화 하면서도 동일한 열분해반응을 수행할 수 있다.
상기 플라스마 열분해수단은 상기 열분해반응기의 바닥과 수평한 방향을 따라 열분해반응기의 양측면에 일정간격으로 배열될 수 있다(도 4 참조). 상기 플라즈마 열분해수단의 경우 상기 열분해반응기 내부에 균일하게 플라즈마를 공급하는 것이 바람직하다. 특히 상기 폐기물 유래 액상연료의 공급에 따라 폐기물 유래 액상연료가 열분해반응기의 바닥부분에 쌓이는 것을 방지하기 위하여 상기 폐기물 유래 액상연료와의 접촉을 최대화하기 위하여 상기 열분해반응기의 바닥과 수평한 방향을 따라 열분해반응기의 양측면에 일정간격으로 배열되는 것이 바람직하다. 다만 상기 열분해반응기가 상단부와 하단부의 두 개의 단으로 구성되는 경우 상기 상단부에는 상기 플라즈마 열분해수단을 2~16개를 배치하며, 상기 하단부에는 2~4개를 배치하여 상기 상단부에 공급되는 폐기물 유래 액상연료를 중점적으로 열분해시키는 것이 바람직하다(도 4 및 도 5 참조).
상기 열분해반응기는 내부 온도가 500~2000℃이며, 배출되는 가스의 온도가 800~2000℃일 수 있다. 기존의 화석 연료를 이용한 폐기물 유래 액상연료 열분해기의 경우 내부온도가 900~1400℃정도로 폐기물 유래 액상연료를 완전 열분해하여 가스화하기에는 충분한 온도에 도달하지 못하였다. 하지만 본원 발명의 경우 플라스마 열분해수단을 이용하여 고온에서 열분해를 수행할 수 있으며, 온도 강하를 최대한 막음에 따라 내부온도를 500~2000℃로 유지할 수 있다. 이러한 내부온도는 공급되는 폐기물 유래 액상연료의 종류에 따라 매우 상이하지만, 일반적으로 탄소의 비율이 높으며 액상연료의 평균분자량이 낮을수록 높은 온도를 나타낼 수 있다. 아울러 상기 열분해반응기 내부의 온도가 500℃미만으로 낮아지는 경우 폐기물 유래 액상연료의 불완전 반응으로 인하여 상기 열분해반응기 내부에 타르가 침착될 수 있다. 따라서 열분해반응기 내부의 온도는 500℃이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한 상기 열분해반응기는 입구부분의 온도가 가능 낮으며, 배출되는 가스는 열분해반응기 내부에서 열분해 및 일부 연소가 완료된 가스가 배출되므로, 상기 열분해반응기의 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 열분해시스템에서 공급되는 열분해 가스를 이용하여 추가적인 열량을 공급하므로 이산화탄소의 발생량 증가 없이 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.
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 시멘트 소성로는 상기 대체연료 가스화 장치에서 발생한 가스를 예열탑으로 공급하여 소성로 가열용 연료와 같이 공급하여 열분해시키며, 상기 소성로 내부에서 발생한 가열된 공기의 일부 또는 전부를 상기 플라즈마 열분해 시스템의 열교환 수단으로 공급하여 상기 플라즈마 열분해 시스템에 공급되는 폐기물 유래 액상연료 및 공급되는 기체를 가열할 수 있다. 한편, 폐기물 유래 액상연료의 투입은 1차적으로 교반기(Agitator)를 거친 후 고압펌프를 통해 예열탑으로 투입되어지는데, 투입량은 약 8ton/hr 이며, 폐기물 유래 액상연료의 투입으로 예열탑의 온도는 700~1000℃ 유지시켜준다.
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 폐기물 유래 액상연료를 열분해함과 동시에 열분해 이후 발생하는 가스를 상기 시멘트 소성로에 부속된 예열탑에 공급하여 추가 연소를 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 열분해반응기로 공급하여 상기 열분해반응기의 열분해효율을 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 열분해반응기로 공급하여 열분해용 공기로 사용하는 경우 열분해효율을 크게 상승시킬 수 있다. 이 경우 상기 소성로 내부에서 발생하는 가열된 공기는 상기 열분해반응기의 필요 열량에 따라 일부 또는 전부가 상기 열분해반응기로 공급될 수 있으며, 열분해반응기 내부를 최적의 온도를 유지하기 위하여 열분해반응기에 공급되는 폐기물 유래 액상연료 및 공급되는 기체를 열교환기를 통하여 가열할 수 있다. 상기 열교환기는 이용한 가열방식은 고온의 공기를 직접 공급하는 것이 비하여 열효율은 떨어질 수 있지만, 본 발명의 특성상 상기 열분해 반응기에 산소가 공급되는 경우 소성로의 가열 효율이 크게 감소하게 되므로, 이를 방지하기 위하여 열교환기를 통하여 폐기물 유래 액상연료 및 공급되는 기체를 가열하는 것이 바람직하다. 이때 상기 소성로의 내부에서 발생한 가열된 공기는 500~1000℃의 온도를 가질 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 폐기물 유래 액상연료의 소각시 많이 발생하는 다이옥신, HCN, CO 또는 NOx의 경우 추가적인 소각과 소성로 자체 보유하고 있는 방지시설을 이용하므로 기존의 폐기물 유래 액상연료 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 열분해시스템을 포함하는 대체연료 가스화 열분해 장치의 효과를 측정하기 위한 실험을 실시하였다, 도 8에 나타난 것과 동일하게 대체연료 가스화 열분해 장치를 제작한 다음, T1~T7의 부위에 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. T8은 시멘트 소성로에서 대체연료 가스화 열분해 장치로 공급되는 공기의 온도이다.
도 9에 나타난 바와 같이 적절한 간격으로 폐기물 유래 액상연료((주)토탈리사이클링)를 투입하였다. 대체연료 가스화 열분해 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 열분해 장치에 공급되어 배출가스의 온도 상승에 큰 기여를 하고 있는 것으로 나타났다.
시멘트 소성로의 공기를 혼합하여 사용하지 않은 도 10의 경우 대체연료 가스화 열분해 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 열분해 장치의 효율도 상승하는 것으로 나타났다.
실시예 2
상기 실시예 1의 대체연료 가스화 열분해 장치에서 생성된 가스의 조성을 분석하여 예열탑의 연료로서의 적합성을 살펴보았다.
표 1에 나타난 바와 생성되는 가스를 총 5회에 걸쳐 시료를 채취한 다음, 그 조성을 측정하였다(단위 WT%).
C1~C10(WT%) C10~(WT%) 질소(WT%) 황(WT%) 중금속(mg/kg)
1차 61.11 10.88 3.49 1.37 31.45
2차 68.94 11.67 5.16 1.46 29.86
3차 63.55 12.91 3.67 1.11 29.67
4차 67.54 10.41 4.19 1.29 30.59
5차 64.89 11.64 4.55 1.16 31.97
표 1에 나타난 바와 같이 대부분의 연소성 가스는 C1~C10의 탄소물질로 구성되어 있으며, 이는 예열탑에서 연료로서 사용이 가능한 것으로 나타났다. 또한 C10을 넘는 탄소물질을 대부분 분해되어 가벼운 가스로 전환되는 것을 확인할 수 있었으며 이에따라 폐기물유래 액상 연료의 효율적인 처리가 가능한 것을 확인할 수 있었다.
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 : 열분해반응기 상단부
110 : 연수반응기 하단부
200 : 플라즈마 열분해수단

Claims (13)

  1. 시멘트 소성로를 포함하는 온실가스 분해 및 고정화 장치에 있어서
    (a) 열분해 반응기;
    (b) 상기 열분해 반응기에 플라즈마를 공급하는 4~20개의 플라스마 열분해 수단;
    (c) 상기 열분해 반응기의 상단부에 연결되어 상기 열분해 반응기 방향으로 폐기물유래 액상 연료를 공급하는 연료공급수단;
    을 포함하는 플라즈마 열분해 시스템을 포함하며,
    상기 플라즈마 열분해 시스템에서 배출되는 고온의 가스를 상기 시멘트 소성로에 부속된 예열탑 가열용 연료와 혼합하여 공급하며,
    상기 시멘트 소성로에 온실가스를 주입하여 열분해하는 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트 소성로는 1500~3000℃의 온도에서 온실가스를 열분해하는 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온실가스는 SF6 또는 HFCs인 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온실가스는 CaF2로 전환되는 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열분해반응기는 상기 연료공급수단이 일측 상방향에 연결되어 있으며, 타측 하방으로 가스 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열분해반응기는 내부가 불활성 기체로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 불활성 기체는 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 또는 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열분해반응기는 내부 온도가 500~2000℃이며, 배출되는 가스의 온도가 800~2000℃인 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 플라스마 열분해수단은 상기 열분해반응기의 바닥과 수평한 방향을 따라 열분해반응기의 양측면에 일정간격으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 열분해수단은 각각 10~50kW의 출력을 가지며, 플라즈마의 토출온도가 5000~7000K인 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 연료공급수단은 상기 폐기물 유래 액상연료를 이송할 수 있는 고압펌프인 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 연료공급수단의 말단에는 상기 폐기물 유래 액상연료를 고르게 분무하기 위한 스프레이 노즐이 2~30개가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 소성로 내부에서 발생한 가열된 공기의 일부 또는 전부를 상기 플라즈마 열분해 시스템의 열교환 수단으로 공급하여 상기 플라즈마 열분해 시스템에 공급되는 폐기물 유래 액상연료 및 공급되는 기체를 가열하는 것을 특징으로 하는 폐기물 유래 액상연료를 이용한 온실가스 분해 및 고정화 장치.
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