KR790001008B1 - 폐기물 처리장치의 탭홀에서의 고화방지 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

폐기물 처리장치의 탭홀에서의 고화방지 방법

제1도는 부분적인 단면도로서, 본 발명에 의한 연료와 산소를 미리 혼합하는 버너와 둘러싸인 탭홀의 상대적인 위치를 나타내는 폐기물 전환설비.

제2도는 본 발명의 한 실시예의 개략도로서, 탭홀을 가열하고, 산소함유가스의 제트에 의해 둘러싸여있는 버너.

제3도는 제1도와 유사한 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 것으로서, 다시 말하면, "하사식" 산소 함유 가스기류를 갖는 버너.

제4도는 본 발명의 또 하나의 실시예를 나타내는 개략도로서, 산소함유가스의 장막을 제공하는데 알맞는 버너.

본 발명은 일반적으로 고형 폐기물의 처리에 관한 것으로서, 특히 고온의 폐기물 전환로의 탭홀 (쇳물빼기 구멍)에서 슬랙이 고화되는 것을 방지하는 방법에 관한 것이다.

도시 쓰레기 및 산업 폐기물의 처리에 관계되는 사회 생태학적인 문제점들을 해결키 위한 노력으로서 산소를 이용하는 폐기물 처리전환장치에 의하여 여러가지 조성물질을 취급하고 그러한 물질을 유용한 연료가스들과 불활성 고형 잔유물로 변환시키는 방법이 개발되어왔다.

이미 1971년 7월 9일 미국에 출원된 161,107호는 여기에서 참고로 이용되고 있는데, 거기에는 이러한 산소를 이용하는 폐기물처리의 전환로 공정이 설명되어 있다.

전술된 공정을 수행하는데 적당한 기구들은 본 출원인의 공동계류중인 출원 제161,107(이것과 같은 날자에 화일된 D-9098로서 확인)에 설명되어 있다. 전환될 수 있는 폐기물은 종이, 플라스틱, 목재, 음식물 찌꺼기와 같은 연소성 물질 및 금속, 유리 용융성 시멘트물질과 같은 통상의 비연소성 물질을 포함한다. 일반적으로 연소성물질들은 대부분 환원되어 가스로 되고 그것들은 용광로의 꼭대기로 배출되며 비연소성 물질들은 금속과 슬랙의 용융잔유물을 생성하여 용광로 밑으로 흘러나오게 된다.

여기에서 원활하고 연속적인 용광로 운전을 유지시키는데 중요한 문제들중의 하나는 오랜 동안에 걸쳐 탭홀로부터 나오는 용융금속과 슬랙의 연속적인 흐름을 유지시 킬수가 없다는 것이다. 이것은 첫째로는 주로 금속, 유리, 재 등으로 구성되는 고형잔유물이 충분히 높은 온도를 유지하여 화덕내에서 용융된 상태로 유지되어야 하며, 둘째로는 탭홀이 충분히 뜨거워서 용융된 유체들이 화덕으로부터 굳어지지 않고 포집용기내로 흘러 들어가야만 성취될 수 있는 것이다.

탭홀을 열려진 상태로 유지시키는 문제는 정압(正壓)하에서 조작되는 용광로에 있어서 특히 문제가 된다. 대기압보다 높은 상태에서 조작되는 용광로, 특히 분사용광로에서는 로내의 압력이 탭홀을 액면하로 유지시킴으로서 유지된다. 그러나 이러한 조작방법은 폐기물 전환로에 있어서는 비실용적이다. 왜냐하면 폐기물의 조성이 항상 균일하지 않으며 금속과 슬랙을 생성하는 조성물의 양이 변하기 때문인데 이로 인하여 화덕내에서 용융된 물질의 액면을 탭홀 이상으로 유지시켜 용광로내의 압력이 저하하는 것을 방지하기가 어려워진다.

만약 폐기물 전환로내의 용융 잔유물의 액면이 탭홀이하로 내려간다면 화덕으로부터 가스가 용광로 밖으로 빠져나가서 주위의 대기와 혼합되어 폭발성 혼합물을 형성할 수도 있다. 따라서 결국 위에서 언급된 공동계류중인 출원에 설명한 폐기물 전환로는 탭홀을 액면하로 유지시켜 조작되는데 그것은 적당하게 봉함되어 탭홀 구멍이 주위대기에 노출되지 않도록 했다. 그 결과, 폭발의 위험성이 극소화되고 일반적으로 화덕으로부터 용융 금속과 슬랙을 연속적으로 제거하는 것이 용이하게 되었다.

통상적인 미리 혼합하는 산소-연료형 버너들이 폐기물 소각기술 분야에서 제안되었는데 예를 들면 미국특허 제3,537,410호에서는 탭홀을 가열하여 슬랙을 용융된 상태로 유지시키는 방법에 대하여 설명되어 있다. 그러나 그러한 버너들은 일반적으로 성공적이 못되었는데 특히 정압하에서 조작되는 폐기물 전환장치에 있어서 부적합하였다.

상기 장치에서는 탭홀로 향하고 있는 버너의 화염이 환원성 분위기(산소가 희박)하에서 조작된다. 다시 말하면, 탭홀과 탭홀에서 배출되는 것들이 포집되는 근처의 용기가 봉함되어야 하며, 탭홀이 잠기지 않은 조건에서 조작되도록 하기 위해 주위의 대기와 접촉되지 않도록 하여야 한다.

용광로의 탭홀을 가열하기 위하여 산소와 연료를 미리 혼합해놓은 버너의 화염을 실질적으로 산소가 고갈된 상태의 대기중에 향하게 하는 경우의 문제점은 예비혼합버너 즉 연료-산화제 조성물이 버너안에서 예비 혼합되고 방출구에서 점화시켜 가열용화염을 형성하는 버너의 성격을 갖는다. 그러한 버너들을 안정하게 운전하기 위하여 화학당량비 이하의 산소-연료비율이 필요하다. 그러나 이런 조건에서는 얻어지는 화염의 온도는 용융된 슬랙이 탭에서 고화되는 것을 방지할만큼 충분히 뜨겁지 못하다. 반면에, 만약 화학당량비 이상의 산소-연료 혼합물이 사용되는 경우에는 이들이 버너 안에서 연소되어 가스의 역화(逆火)를 초래하기 쉽다. 이러한 현상은 버너에 손상을 주고 폭발의 위험성이 있기 때문에 매우 좋지 않다. 결국 화염으로부터의 열전달이 슬랙을 용융상태로 유지하기 곤란하더라도 화염의 안정성을 보장하기 위해서 낮은 산소-연료비율로 버너가 조작된다. 이러한 문제점은 버너의 기상 연소생성물들이 화덕내로 흘러 들어가는 경우 더욱 심각해진다. 기상 연소 생성류는 화덕내에 존재하는 탄소와 접촉하게 되면 화학적으로 환원되는데 이때 탄소는 일반적으로 목탄화 물질의 형태로 용융 슬랙의 위로 흐른다. 이 반응은 흡열반응이므로 화덕의 온도를 낮추고 용융된 물질의 점도를 증가시켜 흐르기가 극히 어려운 상태로 만든다. 극단적인 경우에는 용융조가 완전히 고화되어, 전체 용광로의 조업을 중단하게 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 용융 금속과 슬랙이 용광로로부터 연속적으로 흐르도록 하기 위하여 용광로에 있는 봉함된 탭홀을 가열하기 위한 공정을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 미리 혼합하는 형태의 산소-연료 버너가 버너내에서 역화의 위험성을 초래하지 않고 높은 온도의 화염을 제공하는데 효과적으로 사용될수 있는 공정을 제공하는 것이다.

이들 본 발명의 목적들은 본 발명에 의하여 성취될 수 있는바 다음의 상세한 설명으로 명확해질 것이며, 본 발명의 한가지 특징은 다음과 같다.

용광로의 화덕내에 있는 탭홀을 가열시키고 그것을 열려진 상태로 유지시키는 공정은 다음과 같은 단계를 포함하는데, 전술한 화덕은 용융금속과 슬랙을 포함하고, 전술한 용광로는 주위대기압에 비해서 정압하에서 조작되고 전술한 탭홀의 개구는 탭홀이 주위 대기와 접촉하는 것을 방지하기 위한 위요지(圍繞地)에 노출된다.

(1) 전술한 탭홀을 가열하기 위하여 버너를 사용하는데 이 버너는 예비혼합형버너로서 연료와 산소 혼합물을 연소시키는데 사용된다.

(2) 연료와 산소의 혼합물을 전술한 버너의 연소대로 공급하는데 연료에 대한 산소의 비율이 연료의 화학당량적 연소에 필요한 비율보다 낮은 비율로 공급된다.

(3) 안정한 화염을 생성하기 위하여 전술한 버너의 연소대에서 연료와 산소를 연소시킨다.

(4) 전술한 버너의 화염을 전술한 탭홀의 개구에 향하게 한다.

(5) 산소를 함유하는 가스를 화염으로 향하게 하여 그것과 혼합되게 하고, 산소를 함유한 가스 혼합물과 연료가 연료의 화학당량적 연소에 필요한 이상의 비율을 형성하여 화염중의 비연소된 연료와 화덕내의 비연소된 탄소를 연소시켜 전술한 탭홀의 온도가 충분히 증가되어 금속과 또는 슬랙이 빠져나오는데 필요한 유동성을 유지시키도록 한다.

"예비혼합형 버너"란 말은 연료가스가 버너의 내부에서 점화되기 전에 산화성 가스와 미리 혼합되는 통상적인 버너를 의미한다. 이것은 연료와 산화제가 버너의 배출구에서 점화하는 점에서 혼합되는 직접버너나 후에 혼합되는 버너들과는 대조적이다.

여기에서 사용된 "슬랙"이라는 말은 연소되지 않고 화덕내에서 유체화되어 용광로의 밑부분으로 용융 또는 유동상태로 빠져나오는 폐기물의 무기질 부분을 의미한다. 슬랙은 대기 유리나 시멘트성물질같은 물질들로 구성된다.

여기서 사용된 "화덕"이라는 말은 용광로의 연소 및 용융대를 일컫는 말로서 거기서는 목탄화 물질이 용광로에 공급된 산화성 가스와 발열 반응하여 열이 발생하며, 폐기물중의 금속성분, 유리와 기타 시멘트성 물질을 유동성 슬랙으로 전환시키는데 필요한 열추진력을 생성한다.

본 발명의 주요발견중의 하나는, 산소를 함유하는 가스를 버너의 화염에 직접 향하게 하거나 근처로 향하게 함으로서 화염의 온도와 화염의 전열능력을 증대시켜 탭홀의 온도가 더이상 아무런 문제가 되지 않도록 한다. 다시 말하면, 만일 예비혼합형 버너의 산소-연료화염이 탭홀을 가열하는데 사용되는 경우 본 발명에 의하여 보조산소를 화염에 첨가하게 되면 탭홀의 온도가 상당히 증가되어 용융된 슬랙이 탭홀내에서 고화되는 것을 방지하게 된다.

산소함유 가스는 산소강화된 공기 및 공기도 이러한 목적에 적당하지만 대개는 순수한 산소가 좋다.

본 발명의 방법에 의하여 증가된 탭홀의 온도는 주로 2가지의 효과를 가져온다. 첫째, 화염중의 미연소된 연료에 대해서 산소를 적어도 화학당량만큼 화염에 첨가하므로서 화염내에서 연소가 더 일어나고 열의 생성량을 증가시키게 된다. 둘째, 버너 연소기류중에 보조산소가 존재함으로서 환원성 분위기를 산화분위기로 변화시키고 탭근처에 있는 화덕에서 발열 반응이 일어나게 한다. 특히, 가스 혼합물중의 산소는 화덕내의 탄소와 발열 반응하여 일산화탄소나 이산화탄소를 형성함으로서 용융조를 가열하고 용융물의 점도를 낮춘다. 따라서 산소함유가스는 슬랙을 유동상태로 유지시키는데 있어서 2중의 효과를 갖는다.

산소함유가스를 버너의 화염과 혼합하는 방법이 여러가지가 있음은 당해분야의 종사자라면 알고 있을 것이다. 그래서, 예를 들면, 산소함유가스는 버너화염과 동축상으로 향해질 수 있으나, 화염을 감싸고 있는 소위 "장막가스로" 분리한다. 이러한 방법으로 조작될 때에는, 장막산소가 버너가스류 속으로 흡인되어 그것과 혼합된다. 이는, 예를 들면, 동심원 축상에 배열되어 있는 최소한 2개의 내부튜브를 갖고 있는 통상적인 버너에서 산소-원료 혼합물을 중앙튜브를 통하여, 공급하고 산소함유 가스를 환상(環狀)통로를 통하여 공급함으로서, 용이하게 성취된다. 만약 원한다면, 마찬가지의 환상의 상막효과를 단동(單動)버너에서도 얻을 수 있는데, 예를 들면, 여러개의 산소함유가스제트들을 화염의 축에 평행하게 향하게 하고 그것으로부터 떨어져 나오게 함으로서 얻어지는데 그 제트들은 버너의 측면을 따라 위치해있다. 어떠한 경우에도 화염의 온도는 장막산소가 버너로부터 분출된 혼합물 속으로 흡입될 때 증가될 것이다. 또는 버너 화염의 온도를 높이기 위해서 화염에 직접 충돌하는 하사식(下射式)산소함유가스 제트를 사용함으로서 원하는 혼합효과를 얻을 수 있다.

따라서 본 명세서에서 두루 사용된 "화염근방"이라는 많은 화염을 직접 산소함유기류와 접촉케 하거나(예를 들면 하사식 산소) 기류간의 간접적인 접촉(예를 들면 불꽃에 산소를 흡인시킴)을 꾀하는 것이다. 그러나 산소가 궁극적으로 화염과 혼합되는 정확한 방법은 상대적으로 덜 중요함이 명백하다.

비록 이론적으로는 버너와 보조 산소기류의 결합에 근거한 산소-연료 혼합율이 화학당량보다 클 필요는 없지만, 실제에 있어서는 연료의 화학당량적 연소에 필요한 것보다 최소한 10% 이상의 과잉 산소가 좋다. 또한 결합된 산화성 기류들은 적어도 최소한 40% 이상의 산소함량(부피)을 가져야 한다. 이는 탭홀과 접촉하는 화염이 항상 산화성으로 유지되는 것을 보장하기 위함이다. 이것은 많은 양의 목탄화물질이 용융된 슬랙속에 있는 경우 특히 중요하다. 비교적 많은 양의 미반응 탄소가 화덕내에 있는 극단적인 경우에는 버너에 공급되는 연료가 완전히 중단될 수 있다. 그런 경우는 산소기류와 탄소의 반응에 의해 생성된 열이 탭홀전체에 걸쳐 슬랙을 용융상태로 유지하는데 충분할것이다. 효과적으로 되고 연속적인 흐름을 보장하기 위해서, 본 발명에 의하면, 연료의 고발열량(연소되어 물로 되는 수소)과 연료의 질량유속과의 곱(積)은 다음식에 의해 정의된 값보다 더 커야 한다.

HHV × Q ＞ 50,000 BTU/hr

여기서 : HHV =고발열량(higher heating value, BTU/Lb이고 Q=연료의 질량유속(파운드/시간)이다. 또한 버너로부터 공급되는 열량 250,000BTU/(시간)(탭홀의 단면적 inch²)을 초과하지 않아야 한다.

제1도는 용광로(1)을 나타낸다. 용광로의 밑부분은 연소 및 용해대(2)를 형성하는데 보통 화덕이라고 일컫는다. 내화벽돌(3)이 화덕(2)를 둘러싸고 있는데 열을 보존하고 화덕내의 균일한 온도를 유지하기 위해서이다. 화로는 일반적으로 3,000

F 정도에서 유지된다. 용광로(1)에는 산화가스 입구(4), 가스배출구(5)와 슬랙탭홀(6)이 설치되어 있다. 탭홀(6) 근처에 있는 수냉(水冷)탱크(11)이 위요지(圍繞地)(10)내에 들어있는데 위요지(10)은 탭홀(6)이 대기와 접촉되는 것을 방지하기 위함이다. 버너(12)는 위요지(12)에 뻗어들어가 있고 탭홀(6)의 개구로 향해 있다. 슬라이드밸브(8)을 통하여 공급슈트(7)에 연결되는 폐기물 공급호퍼(보이지않음)는 용광로(1)의 꼭대기에 단단히 고정되어 있다. 두번째 슬라이드밸브(9)는 밸브(8)과 결합되어 폐기물이 공급되는 동안 반응기(1)이 닫혀 있도록 하는데 사용한다.

폐기물은 용광로(1) 속으로 떨어질 때 건조되고 유기성 가연소물질은 열 분해되어 주로 일산화탄소, 수소, 수증기, 이산화탄소, 탄화수소증기류가 되는데 이들은 모두 배출구(5)를 통하여 배기된다. 고형 폐기물은 목탄화물질(Char)을 형성하는데 그것은 주로 탄소이다. 금속, 시멘트성 물질들, 유리같은 비연소성 물질들은 목탄과 함께 용광로를 내려가 화덕(2)로 들어가는데 거기서는 목탄이 입구(4)를 통하여 용광로에 들어온 산화가스와 발열반응을 함으로써 폐기물중의 금속부분을 용융시키고 유리나 기타 시멘트성물질들을 유동성 슬랙으로 전환시키는데 필요한 열을 생성시키며 그것은 화덕(2)에 있는 용융물푸울(13)에 모인다. 유동성금속과 슬랙의 푸울(13)은 용광로(1)로부터 탭홀(6)을 통하여 수냉탱크로 배출되는데 거기서 금속과 슬랙은 입상으로 고화된다. 위요지(10)은 연속적 배출탭(6)과 주위대기사이를 차단시킴으로서 잠기지 않은 탭홀로도 대기압보다 약간 높은 압력에서 용광로(1)이 운전되게 할 수 있게 한다.

제2도는 본 발명의 공정을 실시하기 위한 하나의 실시예를 나타내고 있다. 예비혼합형 버너(20)이 용광로 화덕(22)에 있는 탭(21)을 가열하는 것이 예시되어 있다. 화살표(23)으로 표시된 산소와 연료의 혼합물은 버너(20)에 공급되어 탭(21)로 향하는 화염(24)를 형성한다. 화살표(25)와 (26)으로 표시된 산소함유 가스는 버너주위에 있는 측관(27)과 (28)에 각각 공급되어 2개의 산소함유가스제트가 화염(24)에 평행하게 향하도록 하지만 그것에 충분히 근접하여 전술한 산소함유가스가 화염(24)속으롤 흡입되어 그것과 혼합되도록 한다.

제3도는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는데 즉, 산소함유가스의 "하사식"제트의 사용을 설명하고 있다. 제1도에서와 같이 제3도에서는 버너(12)가 화덕(2)로 향하고 있어 화염(24)에 의해 탭홀(6)을 가열하는 것을 나타내고 있다. 연료의 연소에 필요한 화학당량보다 더 적은 체소를 함유하고 있는 산소-연료 혼합물(23)은 버너(12)로 공급되어 화염(24)를 형성한다. 화살표(25)로 표시되는 산소함유가스는 튜브(29)속으로 공급되는데 그 튜브는 하사식 분사로서 화염 가까이에서 그것의 축에 대해 튜브(29)를 떠나는 산소함유가스(25)의 흐름이 직접화염(24) 부분에 들어가서 그것과 혼합되도록 하는 각도로 위치한다.

제2도에 나타낸 바와 같은 장막가스의 사용은 제4도에 개략적으로 나타낸 바와 같이 다동(多動)버너에 설치될 수도 있다.

버너(40)은 외관(42)내에 집중적으로 위치하여 고리(43)을 형성하는 중앙튜브(41)로 구성되어 있다. 산소와 연료의 혼합물(23)은 튜브(41)을 떠나면서 탭(21)로 향하는 화염(44)를 형성한다. 산소함유가스(25)는 환상로(43)속으로 공급되어 배출구(45)에서 고리형의 장막을 제공하는데 그것은 화염(44)속으로 흡입된다.

[실시예]

본 명세서에서 언급된 바와 같은 산소를 사용하는 폐기물 전환기와 함께 본 발명의 공정을 응용하여 실험들이 수행되었다. 외경 1/4"의 2개의 구리관이 예비혼합형 버너의 측을 따라 그로부터 1.5"거리에(각각의 축으로부터 측정된) 제2도에 도해된 방법으로 설치되었다. 버너튜브의 내경은 1/4"였다. 폐기물 전환기에 공급되는 폐기물의 유속은 80-400Lbs/hr였고 슬랙탭을 떠나는 용융물의 유출속도는 20-100Lbs/hr이었다.

이러한 범위의 조작조건에 대해서 용광로의 정상상태가 다음과 같은 가스 유출속도를 사용하여 얻어졌다.

버너 산소 125ft³/ hr (NTP)

메탄 100ft³/ hr (NTP)

측관 산소 100ft³/ hr (NTP)

이러한 유출속도는 버너에 대한 산소-연료비율 1.25에 해당하며 버너와 튜브 결합된 것에 대하여는 2.25비율에 해당한다. 메탄연료에 대한 화학당량적 산소비율은 2이다. 이러한 실험중에 버너와 측관 결합체에 대한 산소-연료의 비율은 화학당량보다 크게 유지시키는 것이 중요하다는 것이 발견되었다. 그 비율이 화학당량보다 낮은 경우는, 용융된 유출액이 탭에서 매우 점성이 커져서 용융물이 화덕내에 축적되기 시작한다.

Claims (1)

1. 용광로의 화덕에 있는 탭홀에서 용융된 금속이나 슬랙이 고화되어 막히지 않도록 이를 가열하는 공정에 있어서, 전술한 탭홀을 가열하기 위해 연료에 대한 산소의 비율이 화학당량적 연소에 필요한 비율보다 낮도록 산소와 연료를 미리 혼합하여 안정한 화염이 형성되도록 버너의 연소대로 공급하는데, 버너의 화염을 탭홀의 개구를 향하게 하고, 공기 또는 산소강화공기와 같은 산소함유가스를 화염근방으로 향하게 하는데 산소함유가스의 산소함량은 적어도 40%로서 산소함유가스 혼합물과 연료의 비율이 화학당량적 연소에 필요한 이상으로 되도록 하여 화염의 비연소된 연료와 화덕내의 비연소된 탄소를 연소시킴으로서 탭홀의 온도를 충분히 증가시켜, 용융금속과 슬랙의 유동성을 유지하도록 하는데, 버너는 적어도 2개이상의 내부튜브를 포함하고 연료와 산소의 혼합물은 중앙의 튜브로 공급되며 산소함유가스는 환상통로로 공급되어 산소 함유가스의 적어도 하나의 제트가 화염의 축에 평행하게 떨어져 있어서 산소함유가스 제트의 적어도 일부가 화염속으로 흡입되며, 연료의 고발열량(HHV)과 연료의 질량유속(Q)의 곱이 50,000(Btu/hr) 보다 크고 버너에 공급되는 열량이 250,000Btu/(시간)(탭홀의 단면적 inch²)을 넘지 않게 함을 특징으로 하는 폐기물처리장치의 탭홀에서의 고화방지방법.

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