KR20220033678A - 레이저를 이용한 폐기물 내 유해물질 제거장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐기물의 연소 시 발생하는 다이옥신 등의 유해물질을 레이저를 이용하여 제거할 수 있도록 함으로써, 신속한 유해물질 분해 처리 및 에너지 효율을 증대시킬 수 있으며, 소모성 부품 및 첨가물을 최소화하거나 배제하여 공정비용을 감소시킬 수 있도록 한 레이저를 이용한 폐기물 내 유해물질 제거장치에 관한 것이다.

Description

레이저를 이용한 폐기물 내 유해물질 제거장치{DIOXIN REMOVAL DEVICE IN WASTE USING LASER}
본 발명은 폐기물의 연소 시 발생하는 다이옥신 등의 유해물질을 레이저를 이용하여 효율적으로 제거할 수 있는 폐기물 내 유해물질 제거장치에 관한 것이다.
일반적으로, 각 가정과 산업체 등에서 발생하는 폐기물은 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 폐기물 중 적어도 50% 이상은 매립 또는 소각하여 처리하고 있다.
그러나 상기 폐기물의 소각 처리과정에서 발생하는 다이옥신 등의 유독성 물질로 인한 대기 오염, 지하수 및 토양 오염 등의 환경오염이 사회 문제화되고 있다.
참고로, 다이옥신은 화학적으로 안정되어 있다. 따라서 분해되거나 다른 물질과 쉽게 결합하지 않으며, 자연적으로 사라지지도 않는다. 다이옥신은 다양한 물질이 포함된 폐기물이 소각되면서 가스형태로 배출되며, 고체상으로 남아 있게 된다. 다이옥신은 플라스틱류의 폐기물을 소각할 때 많이 발생되며, 사람에게 치명적인 해를 끼치게 된다.
이러한 다이옥신을 포함한 유해물질로 인한 환경오염 문제로 매립장의 확보는 더욱 어려워지고 있고, 폐기물 매립 및 소각을 위한 사회 비용은 지속적으로 증가하고 있다.
이에 따라 폐기물의 처리 과정에서 발생하는 환경오염을 줄일 수 있도록 종래 대한민국 등록특허 제10-1301055호(공고일: 2013.08.28.) 등으로 플라즈마 용융 시스템을 이용한 폐기물 처리 시스템이 선 출원된 바 있다.
그러나 종래의 폐기물 처리 시스템은 고온 플라즈마 생성 및 유지에 많은 에너지가 필요하며, 고온 플라즈마를 생성하는 토치 전극의 짧은 수명으로 인해 비용이 증가할 수 있다.
또한 플라즈마 생성 및 가스화를 위해 대량의 가스 또는 가스화제가 필요한 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1301055호(공고일: 2013.08.28.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 폐기물의 연소 시 발생하는 다이옥신 등의 유해물질을 레이저를 이용하여 제거할 수 있도록 함으로써, 신속한 유해물질 분해 처리 및 에너지 효율을 증대시킬 수 있으며, 소모성 부품 및 첨가물을 최소화하거나 배제하여 공정비용을 감소시킬 수 있도록 한 레이저를 이용한 폐기물 내 유해물질 제거장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 레이저를 이용한 폐기물 내 유해물질 제거장치는, 적어도 상측 개구에 레이저 투과부가 형성된 수용공간이 마련되며, 상기 수용공간 내에 폐기물이 투입 및 배출될 수 있도록 투입구와 배출구가 구비되는 반응기 본체부; 상기 레이저 투과부를 통해 상기 수용공간 내의 폐기물에 레이저를 조사하여 상기 폐기물에 포함된 유해물질을 제거해주는 레이저 발생부; 상기 레이저 투과부가 형성된 수용공간의 내부 상측에 에어커튼을 형성하여, 상기 수용공간 내에서 유해물질 제거 공정 시 발생하는 흄(Hume)이나 스패터(Spatter)에 의해 상기 레이저 투과부가 오염되는 것을 방지해주는 에어커튼 발생부; 및 상기 레이저가 상기 폐기물에 고르게 조사될 수 있도록 상기 수용공간에 투입되는 폐기물을 교반 또는 펼쳐주는 구동부;를 포함할 수 있다.
이 경우 상기 반응기 본체부에는, 상기 수용공간 내에서 발생하는 분해가스를 외부로 배출해주는 가스배출구;가 구비된 것을 더 포함할 수 있다.
또한 상기 구동부는, 상기 수용공간 내부 하측에 회전 가능하게 설치되는 교반날개; 및 상기 투입구를 통해 상기 수용공간 내에 투입되는 폐기물을 골고루 섞어줄 수 있도록 상기 교반날개를 회전 조작해주는 구동모터;를 포함할 수 있다.
또한 상기 구동부는, 상기 투입구를 통해 상기 수용공간 내에 투입 수납되는 폐기물의 수납 높이를 일정하게 유지할 수 있도록 상기 수용공간의 내부 하측에 액추에이터를 매개로 상하 슬라이딩 가능하게 결합되는 승강플레이트; 및 상기 수용공간 내에 액추에이터를 매개로 좌우 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 설치되어, 상기 수용공간에 수납되는 폐기물의 상부를 고르게 펼쳐주는 블레이드;를 포함할 수 있다.
또한 상기 블레이드는, 상기 수용공간의 내부 양측에 적어도 한 쌍이 대향되게 배치될 수 있다.
또한 상기 배출구는 상기 수용공간의 하부에 형성되며, 상기 투입구를 통해 수용공간 내에 투입 수납되는 폐기물은 상기 레이저 발생부를 통한 소정의 반응시간을 거쳐 상기 폐기물에 포함된 유해물질이 제거된 후 상기 배출구를 통해 순차적으로 배출될 수 있다.
또한 상기 에어커튼 발생부는, 상기 반응기 본체부의 외둘레에 이격 형성되는 복수의 에어분사노즐;이 구비된 것을 포함할 수 있다.
또한 상기 폐기물 내 유해물질 제거장치는, 상기 수용공간 내부 또는 상기 수용공간에 수납된 폐기물의 온도를 측정해주는 온도측정부; 및 상기 온도측정부에서 측정된 온도를 바탕으로 상기 레이저 발생부의 레이저 출력 및 속도, 폐기물 투입량을 조절해주는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 온도측정부는, 상기 수용공간 내에 설치되는 제1온도센서; 및 상기 가스배출구에 설치되어 배출되는 분해가스의 온도를 측정해주는 제2온도센서;를 포함할 수 있다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 레이저를 이용한 폐기물 내 유해물질 제거장치는, 폐기물의 연소 시 발생하는 다이옥신 등의 유해물질을 레이저를 이용하여 제거할 수 있도록 함으로써, 신속한 유해물질 분해 처리 및 에너지 효율을 증대시킬 수 있다.
이에 따라 유해물질 제거장치를 구성하는 소모성 부품 및 첨가물을 최소화하거나 배제하여 공정비용을 감소시킬 수 있다.
또한 해당 공정에 적합한 국소 부위 레이저 조사를 통한 높은 에너지 효율을 기대할 수 있으며, 해당 공정 처리 후 즉각적인 온도 하락을 통해 다이옥신 재생성을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저를 이용한 폐기물 내 유해물질 제거장치의 내부구성도,
도 2는 본 발명에 따른 구동부의 다른 실시예,
도 3a 및 도 3b는 도 2에 개시된 구동부의 작동상태도,
도 4는 본 발명에 따른 레이저 발생부의 조사 방식 및 조건을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 유해물질 제거장치의 실험을 위한 측정 시료 준비과정을 보여주는 순서도,
도 6은 본 발명에 따른 유해물질 제거장치의 실험결과 데이터를 보여주는 그래프이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저를 이용한 폐기물 내 유해물질 제거장치의 내부구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 폐기물 내 유해물질 제거장치(100)는, 반응기 본체부(110), 레이저 발생부(120), 에어커튼 발생부(130), 구동부(140)를 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 반응기 본체부(110)는 유해물질 제거장치(100)의 주된 몸체를 이루는 것으로, 적어도 상측 개구에 레이저 투과부(111)가 형성된 수용공간(S)이 마련될 수 있다. 레이저 투과부(111)에는 레이저 투과렌즈가 설치되어 밀폐된 구조이다.
아울러 상기 반응기 본체부(110)의 일측에는 수용공간(S) 내에 폐기물(W)이 투입될 수 있도록 투입구(113)가 구비될 수 있다. 반응기 본체부(110)의 하부 일측에는 수용공간(S) 내에서 유해물질 제거 공정이 완료된 폐기물(W)이 배출될 수 있도록 배출구(115)가 구비될 수 있다.
또한 상기 반응기 본체부(110)에는 수용공간(S) 내에서 발생하는 분해가스를 외부로 배출해주는 가스배출구(117)가 구비될 수 있다. 즉 수용공간(S) 내에는 폐기물(W)의 유해물질 제거 공정 시 다양한 가스(질소, 퍼지가스 등)가 발생할 수 있으며, 이러한 가스는 가스배출구(117)를 통해 외부로 원활하게 배출될 수 있다.
또한 상기 배출구(115)는 수용공간(S)의 하부 일측에 형성될 수 있다. 이에 따라 상기 투입구(113)를 통해 수용공간(S) 내에 투입 수납되는 폐기물(W)은 레이저 발생부(120)를 통한 소정의 반응시간을 거쳐 폐기물(W)에 포함된 유해물질이 제거된 후, 상기 배출구(115)를 통해 순차적으로 배출될 수 있다.
레이저 발생부(120)는 반응기 본체부(110)의 상측에 소정높이 이격 설치될 수 있다. 이러한 레이저 발생부(120)는 레이저 투과부(111)를 통해 수용공간(S) 내에 수납된 폐기물(W)에 레이저(121)를 조사하여 폐기물(W)에 포함된 다이옥신 등의 유해물질을 제거해줄 수 있다.
이 경우 레이저 발생부(120)는 폐기물 및 목표 분해물질(다이옥신 등)의 흡수도가 높은 레이저를 조사해줄 수 있다.
에어커튼 발생부(130)는 레이저 투과부(111)가 형성된 수용공간(S)의 내부 상측에 설치되어 에어커튼(131)을 형성해줄 수 있다. 이러한 에어커튼 발생부(130)는 수용공간(S) 내에서 유해물질 제거 공정 시 발생하는 흄(Hume)이나 스패터(Spatter) 등에 의해 레이저 투과부(111)가 오염되는 것을 방지해줄 수 있다.
구체적으로, 상기 에어커튼 발생부(130)는 반응기 본체부(110)의 외둘레에 이격 형성되는 복수의 에어분사노즐(133)이 구비될 수 있다. 이러한 에어분사노즐(133)을 통해 에어공급부(미도시)를 통해 공급되는 에어를 수용공간(S) 내에 분사해줄 수 있다. 이에 따라 레이저 투과부(111)가 구비된 수용공간(S)의 상측과, 유해물질 제거 공정이 실시되는 수용공간(S) 하측을 구획해줄 수 있다.
구동부(140)는 레이저 발생부(120)를 통해 발생된 레이저가 폐기물(W)에 고르게 조사될 수 있도록 수용공간(S) 내에 수납되는 폐기물(W)을 교반시키는 방식으로 골고루 섞어줄 수 있다.
구체적으로, 상기 구동부(140)는 수용공간(S) 내부 하측에 회전 가능하게 설치되는 교반날개(141)와, 투입구(113)를 통해 수용공간(S) 내에 투입되는 폐기물(W)을 골고루 섞어줄 수 있도록 교반날개(141)를 회전 조작해주는 구동모터(미도시)를 포함할 수 있다.
이러한 구조의 구동부(140)를 통해 폐기물(W)이 골고루 섞이게 됨으로써 수용공간(S)에 투입 수납되는 폐기물(W)의 상부 표면에 레이저(121)를 조사하더라도 상기 폐기물(W)에 포함된 유해물질을 용이하게 제거해줄 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 구동부의 다른 실시예이다.
도 2를 참조하면, 상기 구동부(140)는 투입구(113)를 통해 수용공간(S) 내에 투입 수납되는 폐기물(W)의 수납 높이를 일정하게 유지할 수 있도록 수용공간(S)의 내부 하측에 액추에이터(미도시)를 매개로 상하 슬라이딩 가능하게 결합되는 승강플레이트(143)와, 상기 수용공간(S) 내에 액추에이터(미도시)를 매개로 좌우 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 설치되어 수용공간(S)에 수납되는 폐기물(W)의 상부를 고르게 펼쳐주는 블레이드(145)를 포함할 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 블레이드(145)는 수용공간(S)의 내부 양측에 적어도 한 쌍이 대향되게 배치될 수 있다.
이 경우 상기 한 쌍의 블레이드(145)는 서로 대향되는 방향을 따라 순차적으로 이동 작동되면서 폐기물(W)의 상부를 고르게 펼쳐줄 수 있다.
또는 상기 한 쌍의 블레이드(145)가 반응기 본체부(110)의 중심부를 향해 동시에 이동 작동될 수도 있다. 물론 이에 한정되지 않으며, 폐기물(W)을 고르게 펼쳐줄 수 있다면 상기 블레이드(145)가 다양한 순서로 작동될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 폐기물 내 유해물질 제거장치(100)는 수용공간(S) 내부 또는 상기 수용공간(S)에 수납된 폐기물(W)의 온도를 측정해주는 온도측정부(150)와, 상기 온도측정부(150)에서 측정된 온도를 바탕으로 레이저 발생부(120)의 레이저 출력 및 속도, 폐기물 투입량을 조절해주는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
이 경우 상기 온도측정부(150)는 수용공간(S) 내에 설치되는 제1온도센서(151)와, 상기 가스배출구(117)에 설치되어 배출되는 분해가스의 온도를 측정해주는 제2온도센서(153)를 포함할 수 있다.
즉 제어부는 상기 제1온도센서(151)와 제2온도센서(153)에서 각각 측정된 온도 데이터를 참조할 수 있으며, 이 데이터를 바탕으로 레이저 발생부(120)의 레이저 출력 및 속도, 폐기물 투입량 등을 세밀하게 조절해줄 수 있다.
< 실시예 >
본 발명에 따른 폐기물 내 유해물질 제거장치(100)의 성능을 실험할 수 있도록 도 4에서와 같은 레이저 조사 방식과 조건으로 레이저 발생부(120)를 설정하였다. 측정 대상 폐기물(W) 시료는 도 5에서와 같은 과정을 통해 준비하였다.
그런 후, 반응기 본체부(110)에 폐기물(W)을 투입하고 질소 분위기로 충전한 후, 폐기물(W) 시료에 도 4에서와 같이 설정된 조건으로 레이저를 10세트 반복조사하여 1차 처리 샘플을 형성하였다.
그리고 1차 처리된 폐기물(W) 시료에서 일부를 채취한 후 레이저를 이용한 재처리 과정을 거친 후 2차 처리 샘플을 채취하였다. 이 경우 1차 처리 샘플에서 잔여 고체의 시료 양은 65.8%이고, 2차 처리 샘플에서 잔여 고체의 시료 양은 1차 시료 기준 85.6%이었다.
위와 같은 조건에서의 레이저 조사 결과, 처리 전 폐기물(W) 시료의 다이옥신은 독성 등가 환산 농도로 64.1ngl-TEQ/g 이었다.
상기 폐기물(W) 시료의 1차 처리 후에는 31.9ngl-TEQ/g, 2차 처리 후에는 13.6ngl-TEQ/g의 다이옥신이 고체시료에서 검출되었다.
즉 도 6에서와 같이, 본 발명에 따른 유해물질 제거장치(100)를 이용한 유해물질 제거공정을 거친 폐기물(W) 시료에서 PCDFs 계열, PCDDs 계열 모두 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 레이저를 이용한 폐기물 내 유해물질 제거장치(100)는, 폐기물의 연소 시 발생하는 다이옥신 등의 유해물질을 레이저를 이용하여 제거할 수 있도록 함으로써, 신속한 유해물질 분해 처리 및 에너지 효율을 증대시킬 수 있다.
이에 따라 유해물질 제거장치(100)를 구성하는 소모성 부품 및 첨가물을 최소화하거나 배제하여 공정비용을 감소시킬 수 있다.
또한 해당 공정에 적합한 국소 부위 레이저 조사를 통한 높은 에너지 효율을 기대할 수 있으며, 해당 공정 처리 후 즉각적인 온도 하락을 통해 다이옥신 재생성을 최소화할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.
100 : 유해물질 제거장치 110 : 반응기 본체부
111 : 레이저 투과부 S : 수용공간
113 : 투입부 115 : 배출구
117 : 가스배출구 120 : 레이저 발생부
121 : 레이저 130 : 에어커튼 발생부
131 : 에어커튼 133 : 에어분사노즐
140 : 구동부 141 : 교반날개
143 : 승강플레이트 145 : 블레이드
150 : 온도측정부 151 : 제1온도센서
153 : 제2온도센서 W : 폐기물

Claims (9)

  1. 적어도 상측 개구에 레이저 투과부가 형성된 수용공간이 마련되며, 상기 수용공간 내에 폐기물이 투입 및 배출될 수 있도록 투입구와 배출구가 구비되는 반응기 본체부;
    상기 레이저 투과부를 통해 상기 수용공간 내의 폐기물에 레이저를 조사하여 상기 폐기물에 포함된 유해물질을 제거해주는 레이저 발생부;
    상기 레이저 투과부가 형성된 수용공간의 내부 상측에 에어커튼을 형성하여, 상기 수용공간 내에서 유해물질 제거 공정 시 발생하는 흄(Hume)이나 스패터(Spatter)에 의해 상기 레이저 투과부가 오염되는 것을 방지해주는 에어커튼 발생부; 및
    상기 레이저가 상기 폐기물에 고르게 조사될 수 있도록 상기 수용공간에 투입되는 폐기물을 교반 또는 펼쳐주는 구동부;를 포함하는 폐기물 내 유해물질 제거장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 본체부에는,
    상기 수용공간 내에서 발생하는 분해가스를 외부로 배출해주는 가스배출구;가 구비된 것을 더 포함하는 폐기물 내 유해물질 제거장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 수용공간 내부 하측에 회전 가능하게 설치되는 교반날개; 및
    상기 투입구를 통해 상기 수용공간 내에 투입되는 폐기물을 골고루 섞어줄 수 있도록 상기 교반날개를 회전 조작해주는 구동모터;를 포함하는 폐기물 내 유해물질 제거장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 투입구를 통해 상기 수용공간 내에 투입 수납되는 폐기물의 수납 높이를 일정하게 유지할 수 있도록 상기 수용공간의 내부 하측에 액추에이터를 매개로 상하 슬라이딩 가능하게 결합되는 승강플레이트; 및
    상기 수용공간 내에 액추에이터를 매개로 좌우 방향으로 슬라이딩 이동 가능하게 설치되어, 상기 수용공간에 수납되는 폐기물의 상부를 고르게 펼쳐주는 블레이드;를 포함하는 폐기물 내 유해물질 제거장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 블레이드는,
    상기 수용공간의 내부 양측에 적어도 한 쌍이 대향되게 배치되는 것인 폐기물 내 유해물질 제거장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배출구는 상기 수용공간의 하부에 형성되며,
    상기 투입구를 통해 수용공간 내에 투입 수납되는 폐기물은 상기 레이저 발생부를 통한 소정의 반응시간을 거쳐 상기 폐기물에 포함된 유해물질이 제거된 후 상기 배출구를 통해 순차적으로 배출되는 것인 폐기물 내 유해물질 제거장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에어커튼 발생부는,
    상기 반응기 본체부의 외둘레에 이격 형성되는 복수의 에어분사노즐;이 구비된 것을 포함하는 폐기물 내 유해물질 제거장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 폐기물 내 유해물질 제거장치는,
    상기 수용공간 내부 또는 상기 수용공간에 수납된 폐기물의 온도를 측정해주는 온도측정부; 및
    상기 온도측정부에서 측정된 온도를 바탕으로 상기 레이저 발생부의 레이저 출력 및 속도, 폐기물 투입량을 조절해주는 제어부;를 더 포함하는 폐기물 내 유해물질 제거장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 온도측정부는,
    상기 수용공간 내에 설치되는 제1온도센서; 및
    상기 가스배출구에 설치되어 배출되는 분해가스의 온도를 측정해주는 제2온도센서;를 포함하는 폐기물 내 유해물질 제거장치.
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