KR20230088549A

KR20230088549A - 폐기물 유도 가열로

Info

Publication number: KR20230088549A
Application number: KR1020210176435A
Authority: KR
Inventors: 김상민; 손미라
Original assignee: 김상민
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-06-20

Abstract

본 발명은 폐기물 유도 가열로에 관한 것으로, 유기성 폐기물의 환원반응이 이루어지도록 마련된 폐기물 유도 가열로에 있어서, 진공상태로 마련되되 내부에 유기성 폐기물이 수용되어 유도 가열되는 반응 공간인 가열로 본체, 상기 가열로 본체의 외주면에 권선되며, 전원이 인가되면 상기 가열로 본체를 고주파 유도 가열하는 코일 및 상기 가열로 본체의 내벽면에 방사형으로 결합되는 복수 개의 금속편을 포함하는 것으로, 본 발명은 비전도성인 유기성 폐기물이 유도가열을 통해 고온 환원 처리되는 동시에 합성가스(syngas, H₂ + CO)로 전환되는 것으로, 본 발명은 폐기물 가스화 처리를 위해 최소의 에너지로 최대의 합성가스(syngas, H₂ + CO)를 생산하므로 경제성이 뛰어난 효과를 가진다.

Description

폐기물 유도 가열로 {Induction heating furnace for waste}

본 발명은 폐기물 유도 가열로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 고주파를 활용하여 유기성 폐기물을 고온 환원 가열 방식으로 처리하는 동시에 유기성 폐기물을 합성가스(syngas, H₂ + CO)로 전환하는 폐기물 유도 가열로에 관한 것이다.

일상생활에서 발생되는 다양한 폐기물로 인해 자연은 파괴되고 이를 처리하는 과정에서 발생되는 다이옥신, 톨루엔, 황산화물(SO_x), 질소화합물(NO_x) 등 여러가지 유해가스로 인한 대기오염과 CO₂, NO_x 등 지구온난화 가스의 발생으로 지구환경은 몸살을 앓고 있으며, 최근에는 미세먼지로 인한 환경오염도 심각한 문제로 대두되고 있다.

환경부 자료에 따르면 우리나라에서 2016년 기준 415,345톤의 쓰레기(음식물 쓰레기 제외)가 매일 배출되고 그 양은 계속 증가하고 있으며, 이 중, 생활쓰레기의 경우에는 단위면적(km²) 발생량이 1,513kg/년으로 이는 세계에서 4번째로 많은 수치로, 미국의 7.9배, 일본의 1.3배인 것으로 나타난다.

또한, 사업장폐기물과 건설폐기물의 경우 각각 162,129ton 과 199,444ton 이 매일 발생하고 있으며 지속적으로 증가하고 있는 추세인 것으로 판단된다.

종래의 폐기물은 매립, 소각, 재활용 등의 방법으로 처리되고 있으나 이러한 방법은 매립장 부족, 토양오염, 환경오염, 미세먼지 발생, 유독가스 발생, 지구 온난화 등 여러가지 문제점이 있다.

또한, 종래에 이를 해결하기 위해 사용되었던 일반적인 폐기물 소각 가스화 설비는 버너를 점화하면 헤드의 화염이 도가니 내부의 공간에서 처리대상물질인 폐기물에 불을 직접 붙여 타면서 소각하는 등 연소의 방법이 양호하지 못하면 다이옥신을 비롯한 대기오염물질 및 환경적 유해요소가 다량 발생하여 2차 오염이 유발되는 문제점이 있었다.

등록특허공보, 등록번호 제10-2007813호

본 발명은 이를 해결하기 위해 안출된 것으로, 고주파 유도 가열을 사용하여 유기성 폐기물을 고온 환원 가열 방식으로 처리하는 동시에 H₂ + CO의 합성가스(syngas, H₂ + CO)로 전환하는 폐기물 유도 가열로를 제공하고자 하는 것이다.

더욱 상세하게, 알루미나 세라믹 재질의 가열로 본체 외주연에 고주파 전류를 인가하는 코일이 권취되고, 가열로 본체의 내벽면에 Mo-Si-B 합금소재의 금속편을 마련하여 가열로 본체 내부에 수용된 폐기물이 유도가열 되도록 하는 폐기물 유도 가열로를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 폐기물 유도 가열로에 관한 것으로, 유기성 폐기물의 환원반응이 이루어지도록 마련된 폐기물 유도 가열로에 있어서, 진공상태로 마련되되 내부에 유기성 폐기물이 수용되어 유도 가열되는 반응 공간인 가열로 본체, 상기 가열로 본체의 외주면에 권선되며, 전원이 인가되면 상기 가열로 본체를 고주파 유도 가열하는 코일 및 상기 가열로 본체의 내벽면에 방사형으로 결합되는 복수 개의 금속편을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가열로 본체는 알루미나 세라믹 재질인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금속편은 Mo가 68 ~ 83at%, Si가 5 ~ 20at%, B가 1 ~ 25at% 범위로 함유되어 있는 Mo-Si-B 합금인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금속편은 Mo-20Si-10B 합금 재질인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 비전도성인 유기성 폐기물이 유도가열을 통해 고온 환원 처리되는 동시에 합성가스(syngas, H₂ + CO)로 전환되는 것으로, 본 발명은 폐기물 가스화 처리를 위해 최소의 에너지로 최대의 합성가스(syngas, H₂ + CO)를 생산하므로 경제성이 뛰어난 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 가열로 본체가 알루미나세라믹 소재로 마련되도록 하고, 가열로 본체의 중앙부 또는/및 내벽면에 Mo-Si-B 합금소재의 환봉 및 금속편을 마련하여 유도가열 발열의 효율을 높히는 등 가열 용량을 적게 소모하도록 하여 경제성이 뛰어난 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 제1 실시례에 따른 폐기물 유도 가열로의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시례에 따른 폐기물 유도 가열로의 개력적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 Mo-20Si-10B(at%) 합금의 조직사진이다.
도 4는 Mo-Si-B 합금의 고온 산화에서 안정화 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 Mo-Si-B 삼원계 상태도의 Mo-rich 영역을 나타낸 도면이다.
(도 4 및 도 5는 J. Korean Powder Metall. Inst., Vol. 26, No. 2, p 156-160, 2019 '차세대 초고온 합금인 Mo-Si-B 합금의 연구 동향'(저자:한양대학교 신소재공학과 최원준, 한양대학교 신소재공학과 박천웅, 한양대학교 신소재공학과 김영도, 국방과학연구소 박정효, 서울과학기술대학교 신소재공학과 변종민)논문을 참고함)

본 발명은 고주파를 활용하여 유기성 폐기물을 고온 환원 가열 방식으로 처리하는 동시에 H₂ + CO의 합성가스(syngas)로 전환하는 폐기물 유도 가열로에 관한 것이다.

1300℃ 이상의 고온에서 가열원에 의한 직접 소각이 아닌 해당 온도에서 산소의 접촉이 없는 환원반응을 유도하면, 유기물의 화학적 분해가 진행되고 루지이론(Lurgi Process, Gasification 이론) 그래프에 따라 각 온도에서 탄소(C)와 수소(H)가 분리되는 환원반응이 나타난다.

이때 부족한 수소의 화학 당량을 맞추기 위해 물이 일정량 투입되면 수소(H)와 일산화탄소(CO)가 생산된다.

본 발명은 상기와 같은 루지의 법칙과 간접 가열을 통한 환원반응을 구현하여 비전도체인 유기성 폐기물을 유도가열 하기 위한 가열로에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시례에 따른 폐기물 유도 가열로의 개략적인 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 폐기물 유도 가열로는 가열로 본체(120), 상기 가열로 본체의 외주면에 권선되어 전원이 인가되면 상기 가열로 본체를 유도 가열하는 코일(140), 상기 가열로 본체의 내벽면에 방사형으로 장착되어 상기 가열로 본체를 유도 가열하는 금속편(160)을 포함한다.

먼저, 상기 가열로 본체(120)는 내부에 피가열체인 유기성 폐기물이 수용되어 유도 가열되는 반응 공간이다.

상기 가열로 본체는 산소의 이동이 차단된 진공상태로 마련된다.

상기 가열로 본체는 바닥너비에 비해 충분히 높은 높이를 가지며, 하부방향으로 갈수록 점진적으로 좁은 단면적을 가지는 형상으로 마련된다.

이러한 가열로 본체의 형상은, 벽면과 유기성 폐기물의 접촉 면적을 높혀 유도성 가열이 용이하도록 하기 위한 것이다.

종래의 금속 용해를 위한 도가니(본원발명의 가열로 본체)는, 금속 용탕이 순환하여 도가니 중심부의 온도가 벽면과 다르지 않기 때문에 바닥면의 두께, 용량, 용탕 유동에 대한 고정성만 고려된 구조를 가졌으나, 본 발명에서는 바닥면의 두께를 줄일 수 있어 제작비용 및 도가니의 중량이 감소되는 효과를 가진다.

루지이론에 따르면 상기 가열로 본체는 1300℃ 이상의 고온에서도 용융되지 않아야 하므로, 상기 가열로 본체는 융점이 높은 고온소재이며 동시에 전기 전도성을 가지는 소재여야 한다.

본 발명에서는 상기 가열로 본체(120)가 1500℃의 온도에서 용융되지 않고, 비전도성 재료(폐기물)에도 유도 가열이 가능한 전도체인 알루미나 세라믹 재질로 마련되도록 하였다.

상기 가열로 본체는 1500℃의 온도에서 용융되지 않아야 하며, 이를 충족하는 재료는 몰리브덴, 니오비움, 텅스텐, 그라파이트 세라믹 등이 있다.

그러나, 몰리브덴, 니오비움, 텅스텐 등의 금속은 고온 내산화 특성이 취약하여 온도가 상승함에 따라 표면의 산화 피막층이 산화와 함께 이탈하는 등 실제 사용에 제약이 따르는 등 산화에 의해 일정성을 유지하기 힘들고, 높은 비용으로 인해 경제적이지 못하다는 문제점이 있다.

또한, 그라파이트 세라믹의 경우, 유도가열이 가능하지만 도가니의 전도성이 높지 않아 온도 구현을 위한 전류가 많이 소도되는 등 유도가열 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

다음으로, 상기 코일(140)은 상기 가열로 본체의 외주면에 권선(권취)되며, 전원이 인가되면 가열로 본체에 수용된 폐기물이 고주파 유도 가열되는 요소이다.

본 발명은 상기 코일에 전원의 공급을 제어하는 전원공급부를 포함하며, 상기 전원공급부는 전자기유도방식의 가열장치에 일반적으로 적용되는 고속스위칭변환모듈, 주파수발진모듈 등을 포함한 공지된 요소이다.

상기 전원공급부로부터 공급되는 전원이 코일에 인가되면 고주파 전류가 흐르게 되고, 가열로 본체에는 와전류 손실과 히스테리스시 손실의 저항에 의하여 열이 발생하며, 열에너지에 의해 폐기물이 유도 가열된다.

즉, 고주파 전류를 통하면 코일 주변의 교류전류에 의한 교번 자속이 발생하고, 이 자계 속에 놓인 도전체인 가열로 본체에는 유도전류가 발생하며, 피가열체의 고유 저항과 와전류에 의한 발열이 발생한다.

덧붙여, 상기 가열로 본체는 내부 모든 영역이 1500℃ 이상의 온도를 유지해야하는데, 일반적인 유도가열의 경우, 도체의 표면에서 흐르는 유도성 전류에 의해 온도가 상승하므로 코일이 권취된 가열로 본체의 내부는 균일한 온도를 가지지 못한다.

본 발명에서는 이를 해결하고자 상기 가열로 본체 내벽면에 발열체 역할을 하는 금속편(160)을 결합하였다.

상기 금속편은 가열로 본체에 수용되는 폐기물이 균일하게 가열되도록 하기 위한 요소인 것으로, 상기 금속편은 복수 개가 가열로 본체의 내벽면에 방사형으로 장착되어 가열로 본체 내부 공간부가 균일한 온도로 가열되도록 한다.

본 발명에서는 상기 금속편이 코일(140)과 대향되도록 가열로 본체의 내벽면에 방사형으로 배열되도록 하였으나, 작업자의 필요에 따라 특정 구간에만 장착되는 등 다양한 형태로 마련될 수 있다.

덧붙여, 상기 금속편은 고융점을 가지는 금속으로 마련되어야 하는 것으로, 본 발명에서의 상기 금속편(160)은 고온 기계적 특성과 내산화성이 뛰어난 초내열금속인 Mo-Si-B(몰리브덴-규소-붕소) 합금 재질로 마련된다.

융점이 2620℃인 몰리브덴(Mo)과 같은 고융점 금속에 규소(Si)를 첨가하게 되면 고온 산화 시 표면에 치밀한 이산화규소(SiO₂)층을 형성시키게 되므로 내산화 특성이 향상되는 효과를 가진다.

또한, 붕소(B)가 첨가되면 실리카토 붕산염(borosilicate)층이 형성되어 합금의 내산화 특성이 향상되도록 하는 효과를 가진다.

상기 Mo-Si-B 합금은 초고온에서 치밀한 산화층으로 인해 내산화 특성이 우수한 성질을 가진다.

도 4에 도시된 바와 같이, 초고온 내열 소재에서는 금속표면층의 산화 안정화 과정이 진행되기 위해 표면에 Mo₅SiB₂, Mo₃Si, Mo₅Si₃, B₂O₃+SiO₂ 부동태 산화금속 층이 발생하여 단단하게 고정되어야 한다.

이를 위해 본 발명에서는 붕소를 포함하여 Mo₃Si 상이 비교적 낮은 온도에서 나타나도록 한다.

즉, Mo₃Si는 표면에 SiO₂층이 형성되기 때문에 내산화 특성을 향상시키는 역할을 하지만 SiO₂의 유동성이 낮으므로 MoO₃(삼산화몰리브덴)의 휘발에 의해 노출된 부분을 신속히 채우지 못하는 반면, Mo₅SiB₂의 경우에는 SiO₂ 이외에도 유동성이 높은 borosilicate (SiO₂-B₂O₃)층이 형성되므로 MoO₃가 휘발되어 노출된 부분까지 신속하게 채움으로써 전체적인 합금의 내산화 특성을 향상시키게 된다.

이처럼 Mo-Si-B 합금은 표면 부동태 효과에 대해 우수한 성능적 특성을 가진다.

덧붙여 상기 Mo-Si-B 합금은 초고온에서 치밀한 산화층으로 인해 내산화 특성이 우수한 성질을 가지나, 몰리브덴, 규소 및 붕소 간의 함유량에 따라 기계적특성, 내산화성, 연성 등 각각의 물성들이 차이를 보이게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이, Mo, Si, B 3원계 상태도 상의 Akinc 영역은 Mo5Si3(T1), Mo5SiB2(T2), Mo3Si(A15)상의 Mo-Si-B 금속간화합물 상으로 이루어져 있는 반면, Berczik 영역은 금속간화합물상인 T2와 A15상과 실리콘 및 보론이 소량 고용된 α-Mo상으로 이루어진 영역이다.

도 5의 Akinc’s triangle에 존재하는 Mo-Si-B 금속간화합물 상들은 대부분 고온에서 높은 내산화성 및 기계적 특성을 갖는 것으로 알려져 있으며 특히 현재 상용화되고 있는 Ni(니켈)기 초내열합금과 비교했을 때 고온에서 보다 뛰어난 기계적 특성을 보인다.

본 발명에서는 Mo-Si-B 합금이 고온에서 안전한 상을 구현하기 위해 금속간화합물이 Akinc’s triangle에 존재하도록 한다.

본 발명에서는, 본 발명의 금속편에 적용되는 Mo-Si-B 합금은 Mo-Si-B 금속간화합물 상 내부에서, 몰리브덴은 68 ~ 83at%, 규소는 5 ~ 20at%, 붕소는 1 ~ 25at% 비율을 가지도록 하였다.

이하에서는 금속편에 가장 적합한 Mo-Si-B 합금의 조성비를 확인하기 위해 Mo-Si-B 합금의 조성비를 달리하여, 가열로 본체의 내부 온도변화에 따른 금속편의 체적 변화 실험을 수행한다.

(1) 실험대상

본 발명에서는 Mo-12Si-8.5B(at%), Mo-20Si-10B(at%), Mo-12Si-8.5B-1.5Ti(at%), Mo-9Si-8B-1Zr(at%)의 조성을 갖는 합금(금속편)으로 실험을 수행하였다.

(2) 실험방법

실험 전 각기 다른 조성을 갖는 금속편의 무게를 정밀 측정하고, 금속편이 가열로 본체 내부에서 0℃에서 1600℃ 까지 유도 가열될때, 가열로 본체의 온도 변화에 따른 금속편의 무게를 측정하였다.

특히, 온도 도달 후 1시간 동안 해당 온도를 유지한 뒤, 금속편의 무게 변화를 확인하였으며, 실험온도에 따라 금속편의 초기무게가 다르므로 실험결과는 무게의 변화량으로 계산하였다.

(3) 실험결과

	Mo-12Si-8.5B		Mo-20Si-10B		Mo-12Si-8.5B-1.5Ti		Mo-9Si-8B-1Zr
온도(℃)	무게	변화량 (g)	무게	변화량 (g)	무게	변화량 (g)	무게	변화량 (g)
100	52.6755	0.0000	51.5521	0.0000	54.2235	0.0000	52.3365	0.0000
200	52.6755	0.0000	51.5521	0.0000	54.2235	0.0000	52.3365	0.0000
300	52.6754	-0.0001	51.5521	0.0000	54.2235	0.0000	52.3365	0.0000
400	52.6752	-0.0003	51.5521	0.0000	54.2236	0.0001	52.3365	0.0000
500	52.6749	-0.0006	51.5521	0.0000	54.2230	-0.0005	52.3364	-0.0001
600	52.6742	-0.0013	51.5520	-0.0001	54.2225	-0.0010	52.3364	-0.0001
700	52.6742	-0.0013	51.5520	-0.0001	54.2224	-0.0011	52.3364	-0.0001
800	52.6738	-0.0017	51.5520	-0.0001	54.2224	-0.0011	52.3362	-0.0003
900	52.6737	-0.0018	51.5519	-0.0002	54.2220	-0.0015	52.3359	-0.0006
1000	52.6733	-0.0022	51.5518	-0.0003	54.2214	-0.0021	52.3351	-0.0014
1100	52.6729	-0.0026	51.5516	-0.0005	54.2211	-0.0024	52.3350	-0.0015
1200	52.6722	-0.0033	51.5516	-0.0005	54.2204	-0.0031	52.3349	-0.0016
1300	52.6718	-0.0037	51.5513	-0.0008	54.2201	-0.0034	52.3349	-0.0016
1400	52.6701	-0.0054	51.5511	-0.0010	54.2192	-0.0043	52.3349	-0.0016
1500	52.6699	-0.0056	51.5510	-0.0011	54.2181	-0.0054	52.3349	-0.0016
1600	52.6682	-0.0073	51.5508	-0.0013	54.2174	-0.0061	52.3348	-0.0017

위와 같이 표 1 및 표 2에 따르면, 본 실험결과, Mo-20Si-10B(at%, Atomic Percent) 조성을 갖는 합금이 고온에서의 체적변화가 가장 적고, 고온에서의 산화안정성이 가장 우수한 것으로 확인되며, 이에 본 발명은 Mo-20Si-10B(at%) 조성을 갖는 합금소재를 금속편에 적용하였다.

상기와 같은 Mo-20Si-10B(at%)합금에는 몰리브덴 70at%, 규소 20at%, 붕소 10at%가 함유되며, Mo-20Si-10B(at%)합금에서 몰리브덴과 규소와 붕소의 함유 비율은 7:2:1이다.

상기 몰리브덴의 함유량이 70at% 미만인 경우의 합금의 융점이 낮아지고, 소재의 가공성이 떨어지고, 70at% 초과하는 경우 전체적인 금속간 화합물의 양이 적어지며(금속간 화합물의 결합률이 낮아지며), 고온에서의 체적 변화량이 증가하는 문제점이 있다.

상기 규소의 함유량이 20at% 미만인 경우 금속간화합물의 생성이 용이하지 못하고, 규소의 함유량이 20at% 초과하는 경우에는 전체적인 금속간 화합물의 양이 적어지는 등 고온에서의 체적 변화량이 증가하는 문제점이 있다.

상기 붕소는 낮은 온도(600~900℃)에서 몰리브덴의 고온 체적 변화를 줄일 수 있는 요소인 것으로, 붕소의 함유량이 10at% 미만인 경우, 금속간화합물의 생성이 용이하지 못하고 고온에서의 체적 변화량이 증가하며, 붕소의 함유량이 10at% 초과하는 경우에는 전체적인 금속간 화합물의 양이 적어지는 등 소재의 가공성이 떨어지는 문제점이 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시례에 따른 폐기물 유도 가열로의 개력적인 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 가열로 본체의 중앙에 수직방향으로 마련되어 상기 가열로 본체를 유도 가열하는 환봉(180)이 추가 장착될 수 있다.

상기 환봉(180)은 원기둥 형상의 막대이며, 고융점을 가지는 금속으로 마련되어야 하는 것으로, 상기 환봉은 금속편과 동일하게 고온 기계적 특성과 내산화성이 뛰어난 초내열금속인 Mo-Si-B(몰리브덴-규소-붕소) 합금 재질로 마련된다.

상기 가열로 본체는, 도체의 표면에서 흐르는 유도성 전류에 의해 온도가 상승하므로 상기 환봉이 가열로 본체 중앙에 설치됨에 따라 코일이 권취된 가열로 본체의 표면과, 환봉이 설치된 가열로 본체 중심부의 온도가 비교적 균일하게 유도 가열 된다.

즉, 본 발명에서는 가열로 본체의 중앙부 또는/및 내벽면에 Mo-Si-B 합금소재의 환봉 및 금속편을 마련하여 유도가열 발열의 효율을 높히는 등 가열 용량을 적게 소모하도록 하여 경제성이 뛰어난 효과를 가진다.

이처럼 유도가열 원리로 가열된 가열로 본체 내부는 모든 요소 영역에서 1300도 이상의 고온을 유지하고, 가스화 처리 반응시 발생하는 이산화탄소와 물을 이용한 수성가스 전환 반응기(water gas shift reactor, 반응: CO+H₂O + CO₂+H₂)에 의해 수소와 일산화탄소의 합성가스를 다량으로 얻을 수 있게 된다.

100: 폐기물 유도 가열로
120: 가열로 본체
140: 코일
160: 금속편
180: 환봉

Claims

유기성 폐기물의 환원반응이 이루어지도록 마련된 폐기물 유도 가열로에 있어서,
진공상태로 마련되되 내부에 유기성 폐기물이 수용되어 유도 가열되는 반응 공간인 가열로 본체;
상기 가열로 본체의 외주면에 권선되며, 전원이 인가되면 상기 가열로 본체를 고주파 유도 가열하는 코일; 및
상기 가열로 본체의 내벽면에 방사형으로 결합되는 복수 개의 금속편;을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물 유도 가열로.
제 1항에 있어서,
상기 가열로 본체는 알루미나 세라믹 재질인 것을 특징으로 하는 폐기물 유도 가열로.
제 1항에 있어서,
상기 금속편은,
Mo가 68 ~ 83at%, Si가 5 ~ 20at%, B가 1 ~ 25at% 범위로 함유되어 있는 Mo-Si-B 합금인 것을 특징으로 하는 폐기물 유도 가열로.