KR20240120415A - 역류식 소각로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다단 연소봉에서 회전하며 토출되는 연소공기를 통하여 2차 연소가 일어나고, 미 연소된 불 완전 연소가스는 소각로 상부의 가스포켓에서 꺼꾸로 역류되어 2차 완전연소를 도와 주며, 상기 가스포켓 중앙의 배기구에 놓이는 발열소자는 850℃ ∼ 950℃ 이상의 고온으로 가열되기 때문에, 냄새, 매연 및 유해가스는 완전 열분해되며 초기 연소단계 부터 보조연료를 전혀 사용하지 않더라도 완전연소에 가깝게 열 분해되는 역류식 소각로에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명 한 실시예는 연소실본체는 측면에 구비된 호퍼를 통하여 공급되는 소각물의 1차 연소가 일어나는 연소실바닥이 구비되고, 개방된 상부는 연소가스가 배출되는 배기구를 갖는 가스포켓이 구비되며, 상기 배기구를 제외하고 상기 가스포켓을 감싸서 상기 연소실본체의 상부에 상기 가스포켓을 고정시키는 연소실뚜껑이 구비되며; 상기 연소실본체의 내부 중심에 구비되는 다단연소봉은 방사상으로 다수의 노즐구멍이 다단으로 구비되고, 하단은 상기 연소실바닥을 관통하여 연소공기공급팬과 연결되어서 각 상기 노즐구멍으로 연소공기가 고압으로 토출되어 상기 연소실본체에 다단으로 연소공기층이 형성되도록 하고; 상기 가스포켓은 밑면에 반원호형의 포켓부가 상기 배기구를 감싸며 형성되어서 연소가스가 상기 포켓부에서 역류되어 상기 연소실본체에 재진입되어 완전연소된 뒤 상기 배기구로 향하도록 안내하는 특징이 있다.

Description

역류식 소각로{countercurrent incinerator}

본 발명은 역류식 소각로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다단 연소봉에서 회전하며 토출되는 연소공기를 통하여 2차 연소가 일어나고, 미 연소된 불 완전 연소가스는 소각로 상부의 가스포켓에서 꺼꾸로 역류되어 2차 완전연소를 도와 주며, 상기 가스포켓 중앙의 배기구에 놓이는 발열소자는 850℃ ∼ 950℃ 이상의 고온으로 가열되기 때문에 냄새, 매연 및 유해가스는 완전 열분해되며 초기 연소단계 부터 보조연료를 전혀 사용하지 않더라도 완전연소에 가깝게 열 분해되는 역류식 소각로에 관한 것이다.

일반적으로 현재까지 사용되고 있는 소각방식은 1차 연소시 발생된 가스를 2차 경유 또는 도시가스 버너를 이용하여 850℃ ∼ 1200℃ 정도에서 2차 연소 혹은 3차 연소시켜 배기가스를 처리하는 방법을 적용하였다. 특히 소형 소각로의 경우 화력이 약하기 때문에 특히 보조연료를 사용하는 경우가 대부분이므로 경제성이 떨어지는 단점이 있었다.

종래 특허 제1483751호는 연소실 내에 설치된 송풍관의 공기분사구를 통해 연소실 내로 외부 공기를 강제 송풍하여 분사시키는 것으로서, 공기분사구를 다단으로 설정하여 연소실의 연소층을 다층화하여 처리물을 고온으로 연소시킴으로써 처리물의 불완전 연소를 막는 소형화된 소각로를 제안한 바 있다.

그러나 상기 종래 특허는 소각로가 개폐부를 통하여 밀폐 상태로 소각되기 때문에 연속으로 폐기물을 투입 처리하기 어려운 단점이 있으며, 특히 소각로 하부에 마련된 보조연료 투입부를 통하여 폐기물을 소각하기 때문에 소각비용이 증가되는 문제점이 있었다. 그리고 상기 송풍관에 형성되는 공기분사구는 소각로의 상측 또는 하측을 향하도록 돌출 형성되기 때문에 용접에 어려움이 있으며 구조가 복잡한 등의 문제점이 있었다.

종래 특허 제1604837호는 소각로 내측벽에 설치되어 소각로 내에 강제송풍하는 송풍장치부, 소각로 중앙에 설치되어 소각로 내에 강제송풍하는 중앙공기분사관으로 구성되고, 상기 중앙공기분사관은 교반장치와 연동하여 회전되도록 한 것이다.

그러나 상기 종래 특허는 소각로가 개폐부를 통하여 밀폐 상태로 소각되기 때문에 연속으로 폐기물을 투입 처리하기 어려운 단점이 있으며, 송풍장치부와 중앙공기분사관이 이중으로 구비되어 소각로 내부에서 공간을 많이 차지하는 단점이 있으며, 특히 중앙공기분사관이 교반장치와 연동하여 회전되기 때문에 구조가 복잡한 등의 문제점이 있었다. 그리고 이등 송풍장치부와 중앙공기분사관에 형성되는 공기분사구는 돌출형태로 구성되기 때문에 송풍장치부 및 중앙공기분사관에 용접해야 되므로 제작에 어려움이 있었다.

본 발명은 종래의 문제제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 시간당 50kg 미만의 소형 소각로 및 중, 대형 소각로에 있어서 폐목, 폐비닐, 폐 PP, PVC등 각종 폐기물쓰레기 연소시 생성된 유해가스를 다단 고압공기에 의해 단계별로 1차 완전연소가 일어나게 하고, 최종 배출가스는 2차 상부 가스포켓에 의해 꺼꾸로 연소되는 특징으로 인하여 완전연소가 일어나게 함으로써, 환경공해 물질 발생이 최소화 되고, 1차 및 2차 소각 보조연료를 전혀 쓰지 않고도 쓰레기 투입 후 발화 연소시작 수 초 이내에 1차, 2차연소가 동시에 이루어져 850℃ ~ 950℃ 이상의 고온으로 도달되어 연소되도록 한 역류식 소각로를 제공함에 있다.

본 발명은 냄새, 매연 및 유해가스는 완전 열분해 되고 유해물질 별로의 배출 허용 기준치의 물질 항목별 3분의1 내지 30분의1 이내로 연소되는 장점과 특히 소형 소각로 및 난로에 적용 시 완전연소를 위하여 구비되는 설비 구성이 간단하게 되기 때문에, 설비 단가를 30% 이상 줄일 수 있게 되며, 완전연소를 위한 2차 연소버너가 필요치 않으므로 연료비는 거의 100% 줄이게 되는 경제성 효과가 있다. 또한 사용에너지는 후단설비 옵션 장착 시 팬, 펌프 등의 가동에 필요한 전기에너지만 소모하게 된다. 본 발명의 핵심 구성 설비는 연소로 본체, 고압 팬, 사이클론 분진비산 방지시설 및 배출 팬과 굴뚝으로만 구비되고, 최종 연소가스 배출 시 최종 열분해 되는 발열소자가 상기 가스포켓의 배기구에 추가로 구비되어 900℃ 이상의 온도에서 24시간 생성가스를 처리하는 역류식 소각로를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기위하여 본발명은 1단계 연소실바닥, 연소실본체, 연소실뚜껑 및 투입장치로 구성되며, 2단계 연소설비는 연소공기 공급 팬, 도관, 다단 연소봉, 가스포켓 및 발열소자로 구성된다. 3단계는 후단설비로서 배출후드, 덕트, 사이크론 집진기, 배출I.D팬 및 굴뚝으로 구성되어져 연소된 850℃ 이상의 배기가스는 배출후드로 전량 모아져 외부 찬 공기와 희석되어 배출될 때 250℃ 정도로 집진기를 거쳐 최종 배출되어 쓰레기를 무공해 혹은 저 공해로 완전연소 처리하게 된다.

상기와 같이 설계된 소각로의 1차, 2차, 3차 연소작용을 하는 열분해 과정이 연속적으로 일어나게 되어 쓰레기 초기 연소 시 부터 완전연소가 일어나는 본 발명을 적용하면 초소형 소각로까지 초 저비용으로 저공해형 쓰레기 소각로를 보급 할 수 있어서 소단위 구축 쓰레기 소각장 건설이 가능해진다. 이때 다이옥신의 발생은 환경기준치의 약 30분의 1이하로 배출되게 함으로써 소형 단위 소각로 운용이 가능하게 되었다. 또한 이 기술을 이용하면 과거 건설된 도시 쓰레기 소각로 및 산업 폐기물처리 소각로인 스토커식, 건류식, 유동상식 및 회전식 소각로에 적용시 연료비를 100% 줄이게 되는 경제적 효과를 가져올 수 있게 된다.

당 기술의 궁극적 과제는 다이옥신은 1500℃이상의 온도에서 4 ∼ 5초이상 연소 후 ZERO 배출이 가능해지는데, 당 발명은 0.016ng/S㎥ -TQE (배출허용기준 : 5(12)이하) 이하로 배출은 예상 되지만 다이옥신은 소멸되지 않는 다는 특성이 있으므로 지구상에 영향을 미쳐 총량 증가만 할 수 있으므로 1500 ∼ 1700℃ 이상에서 완전 연소되는 기술로서의 변모가 가능해지게 되었다.

본 발명은 다단연소봉 제작시 50A 스텐레스 파이프 기준 연소공기 공급 노즐구멍을 가공 시 직각으로 가공 했던 것을 개선하여 30도 기울여서 가공 제작 함으로써 연소 작용시 소각로 내의 가스가 전체적으로 회전하며 연소되며, 소각로 내의 온도 및 2차 연소가 일정하게 일어나도록 하였다. 소각물질의 발열량에 따라 차이는 있으나 최저 850℃에서부터 최대 1200℃정도까지 별도의 버너 없이 온도를 상승 시킬 수 있게 되는 점이 특징이며, 본 발명의 장치를 이용하면 쓰레기 처리를 친 환경적 이면서 저가의 비용으로 처리 할 수 있게 되었다. 특히 가스포켓은 꺼꾸로 역류되어 2차연소를 돕게 되고, 열이 배출되는 것을 지연시켜 연소 시 가스의 로 내 체류 시간을 늘려주어 완전연소가 되게 구성하였다.

2차연소시 오일버너를 사용하지 않아도 850℃ ∼ 950℃ 이상의 고온으로 열분해 소각되므로 유류비는 100% 절감되며, 불완전연소 가스는 로 내부에 가스의 역류작용으로 꺼꾸로 연소되면서 2 ∼ 3초간 고온에서 가스를 분해하기 때문에 다이옥신류의 발생이 적고, 기타 유해가스의 발생 또한 간단한 기본 설비 만으로도 기준치의 3분의1이하로 줄이는 효과가 있다. 따라서 지자체 마을단위, 개별 소형 소각로 설치가 가능해졌고, 전체 총량 배출부하가 적어 후단설비 구비시 비용 또한 50% 줄이는 효과가있다. 본원 발명기술을 적용하여 특히 혼합 폐기물의 처리 또한 간단히 처리할 수 있고 생활쓰레기 고체연료인 R.D.F 및 폐 석유화학 제품, 고체연료인 R.P.F를 저공해로 에너지화 할 수 있게 되어 난방연료 및 소단위발전, 열병합기술과 접목함으로써, 재생연료의 소각에 의한 경제적, 환경적인 이익을 기대할 수 있게 되었다.

도 1은 본 발명 한 실시예의 소각로의 전체 구성도
도 2는 본 발명 한 실시예의 소각로의 단면도
도 3은 본 발명 한 실시예의 소각로의 다단 연소봉 단면도
도 4는 본 발명 한 실시예의 소각로의 가스포켓의 단면도
도 5는 본 발명 한 실시예의 소각로의 발열소자의 단면도

도 1 내지 도 5에서 본 발명 한 실시예의 소각로는 시간당 25kg 에서 10톤 이상을 소각할 수 있는 소형, 중형 및 대형소각 플랜트에 이르기 까지 아주 쉽게 적용 할 수 있으며 우선 스케일 다운하여 시간당 50kg 정도를 소각할 수 있는 설비로서 제작 되었다. 그 기본 장치의 구성은 원통형의 연소실을 갖는 연소실본체(2) 상부 일측에 고체 상태의 쓰레기를 투입하는 호퍼(9)가 구비되고, 상기 연소실본체(2) 바닥에는 소각물의 1차 연소가 이루어지는 고정상의 베드 역할을 하는 연소실바닥(1)이 구비되며, 상기 연소실본체(2)의 하부 측면에는 초기 소각 물질에 화염을 제공하기 위하여 수작업 버너로 화염을 발생시키는 소각잔재 퇴출구(10)가 구비된다.

상기 연소실본체(2) 내부에는 다단연소봉(5)이 구비되는데, 상기 다단연소봉(5)은 중공상의 파이프 형태로써, 방사상으로 다수의 노즐구멍(5a)이 적어도 4개층에 서로 떨어져 구비된다. 각 층의 노즐구멍(5a)들은 상기 다단연소봉(5)의 내외부를 관통하는데 각 노즐구멍(5a)은 다단연소봉(5)의 외주면에 대하여 직각으로 관통되지 않고 30도 경사지게 관통된다. 각 상기 노즐구멍(5a)은 별도의 노즐이 다단연소봉(5)에 체결되지 않고 상기 다단연소봉(5)에 구멍을 30도 경사지게 천공하면 형성되기 때문에 구조가 간단한 이점이 있다.

또한 다단으로 구비된 각 상기 노즐구멍(5a)에서 고압의 연소공기가 토출되면 각 층마다 회전되는 연소공기층이 형성된다. 회전 연소공기층은 연소가스를 각 층에서 제자리 회전시키기 때문에 연소가스는 위로 향하지 않고 회전되는 과정에서 연소가 충분히 일어나며, 각 층에 머물면서 완전연소 된다. 또한 상기 다단연소봉(5) 하단은 상기 연소실바닥(1)을 관통하여 공급배관(4)으로 연소공기공급팬(3)과 연결되며, 상기 연소공기공급팬(3)이 작동되면 상기 다단연소봉(5)으로 연소공기가 고압으로 공급된다.

상기 연소실본체(2)의 개방된 상부는 중공상의 배기구(6d)를 갖는 가스포켓(6)이 끼워지고, 상기 가스포켓(6)의 상부에 연소실뚜껑(7)이 구비되어서 상기 가스포켓(6)을 연소실본체(2) 상부에 고정시킨다. 상기 가스포켓(6)은 상기 연소실뚜껑(7)이 끼워지는 외벽부(6a)와 상기 배기구(6d)를 감싸는 내벽부(6b)가 동심상으로 구비되며, 상기 외벽부(6a)와 내벽부(6c)의 사이에는 포켓부(6c)가 반원 또는 반다각형 형태로 구비된다. 그리고 상기 배기구(6d)에는 벌집 모양의 다공성 발열소자(8)가 끼워진다. 따라서 상기 다단연소봉(5)의 각 층에서 형성되는 회전 연소공기층을 통과하는 연소가스는 연소실본체(2)의 내벽을 따라 상승되는 과정에서 상기 가스포켓(6)의 포켓부(6c)에서 역류되어 상기 회전 연소공기층으로 재진입된다.

따라서 과다 발생된 불완전연소 가스는 재연소되며, 특히 역류된 불완전연소가스는 상기 발열소자(8)를 통과하면서 3차연소 작용이 일어난다. 상기 발열소자(8)는 다수의 티타늄철망(8a)이 수직으로 세워져 구비되는데, 연소 열기에 의해 상기 티타늄철망(8a)이 1000℃정도로 자연 발열되고, 상기 티타늄철망(8a) 틈 사이로 연소가스가 통과 되면서 최종 완전연소 열분해 되어 상부로 배출 된다. 그리고 후단설비로 사이클론 집진기(13)가 구비되는데, 상기 발열소자(8) 상부에 떨어지게 설치된 배출후드(11)는 흡입 I.D팬(14)의 풍량에 의해 연소열기와 냉각공기를 혼합하여 250℃ 정도로 덕트(12)를 통해 상기 사이크론 집진기(13)로 유도하며, 4 ∼ 5미크론 이상의 조대 분자를 포집하고 굴뚝(15)을 통해 배출한다.

이처럼 구성된 본 발명 한 실시예는 상기 다단연소봉(5)이 완전 연소작용을 해주게 하는 주된 구성이며 종래에는 로내의 가스가 연소될때 가스가 회전을 하지 않아 내부 온도의 균일화에 의한 연소를 방해하였으나, 본 발명은 공기가 회전할 수 있도록 개선하였기 때문에 회전과정에 연소가스는 충분히 연소되어 연소효과를 배가시킨다. 또한 3차 연소작용을 돕는 가스포켓(6)은 가스가 역류하여 연소되는 구조로써, 어떠한 조건 특히 쓰레기 과다투입, 하부 소각잔재 퇴출구(10)의 도어 개방 등 에서도 매연이 발생하지 않게 가스포켓(6)이 구비되기 때문에, 종래 기술단점을 제거하였으며 최종 발열소자(8)는 배출되는 열기에 의해 고온으로 가열 되어져 이 사이를 빠져 나가는 최종 가스는 완전 열 분해작용을 거치게 되어 어떠한 조건하에서도 환경공해를 일으키지 않도록 완전 열 분해시킨다.

상기 연소실본체(2) 및 연소실뚜껑(7)은 고온 내열 지르코니아 캐스타블 및 고온 내화물로 구성되었고, 외부에 열 전달이 않되도록 세라믹 내열재료를 보온재로 감싸 본체 및 뚜껑 온도에 화상을 입지 않도록 하였으며, 외부커버 및 연소실본체(2)의 쉘(shell)은 내열 600℃ 페인트로 마감하고 내구성을 증대시켰다. 또한 후단 설비의 구성을 위한 덕트는 스텐레스 재질로서 구성하고 필요시 환경 메뉴얼 구비사항인 SNCR, SDR, 여과 집진기, 보일러 등은 별도로 구비할 수 있다. 여기서 당 기술의 특징은 이를 구비하지 않아도 환경규제치 이내의 오염물질 배출이 가능 하고 특히 다이옥신 배출수치는 20 ∼ 30분의 1 이내 이다.

따라서 본 발명의 소각로는 연소실바닥(1)에 쓰레기를 투입 1차 발화 연소 시 지속적으로 불완전 연소 가스가 발생되는데, 상기 연소실본체(2) 내부에 구비된 다단 연소봉(5)에 30도 경사지게 가공된 노즐구멍(5a)을 통해 연소공기를 투입하면 하단부 부터 수 단계에 걸쳐 회전 연소공기층에 의해 형성되는 차단연소막 형성되기 때문에 회전하는 공기에 의해 불완전 연소 가스는 2차 완전연소가 일어난다. 그 중 미 연소된 불완전 연소가스는 중량이 무거워 공기압력으로 연소실본체(2)의 상부 가장자리로 밀려 올라가는데, 상기 가스포켓(6)의 포켓부(6c)에서 꺼꾸로 역류되어 2차 완전연소 되므로 850℃ ∼ 950℃ 이상의 고온으로 연소된다. 그리고 배출되는 연소가스는 발열소자(8)를 통과하면서 최종적으로 완전연소되므로 초기 연소단계 부터 보조연료를 전혀 사용하지 않더라도 매연, 냄새가 없이 완전연소에 가깝게 열분해된다.

1 : 연소실바닥 2 : 연소실본체
3 : 연소공기공급팬 4 : 공급배관
5 : 다단연소봉 5a : 노즐구멍
6 : 가스포켓 6a : 외벽부
6b : 내벽부 6c : 포켓부
6d : 배기구 7 : 연소실뚜껑
8 : 발열소자

Claims (4)

1. 연소실본체는 측면에 구비된 호퍼를 통하여 공급되는 소각물의 1차 연소가 일어나는 연소실바닥이 구비되고, 개방된 상부는 연소가스가 배출되는 배기구를 갖는 가스포켓이 구비되며, 상기 배기구를 제외하고 상기 가스포켓을 감싸서 상기 연소실본체의 상부에 상기 가스포켓을 고정시키는 연소실뚜껑이 구비되며;
   상기 연소실본체의 내부 중심에 구비되는 다단연소봉은 방사상으로 다수의 노즐구멍이 다단으로 구비되고, 하단은 상기 연소실바닥을 관통하여 연소공기공급팬과 연결되며, 각 상기 노즐구멍에서 연소공기가 토출되어 다단으로 연소공기층이 형성되도록 해주고;
   상기 가스포켓은 밑면에 반원호형의 포켓부가 상기 배기구를 감싸며 형성되어서 연소가스가 상기 포켓부에서 역류되어 상기 연소실본체에 재진입되어 완전연소된 뒤 상기 배기구로 향하도록 안내하는 것을 특징으로 하는 역류식 소각로.
2. 제 1 항에 있어서,
   각 상기 노즐구멍은 상기 다단연소봉의 외주면에 대하여 30도 경사지게 상기 다단연소봉의 내,외부를 관통하여 형성되고, 상기 연소공기공급팬에서 공급되는 연소공기가 상기 연소실본체에서 회전되도록 한 것을 특징으로 하는 역류식 소각로.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 가스포켓은 상기 연소실뚜껑의 내주면에 접하는 외벽부와 상기 배기구를 감싸는 내벽부로 구성되고, 상기 외벽부와 내벽부 사이에 상기 포켓부가 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 역류식 소각로.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 배기구에는 다공성의 발열소자가 구비되는데, 상기 발열소자는 배기되는 연소가스를 통하여 가열되어서 미연소가스가 충돌되는 과정에서 완전연소 되도록 하는 것을 특징으로 하는 역류식 소각로.