KR100537247B1 - 고정층 폐기물 가스화용융로 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고정층 폐기물 가스화용융로에 관한 것으로서, 폐기물 시료가 유입되는 본체와, 상기 본체를 기준으로 용융로상부 및 용융로 하부와, 상기 용융로하부로 이어지는 균질화로를 포함하는 직립형의 고정층 폐기물 가스화용융로에 있어서, 상기 가스화용융로 상에 복수개 설치되는 복합버너의 노즐부는, 중심으로부터 산소를 분사하기 위한 제 1 산소분사부와, 상기 제 1 산소분사부의 동심원 외측으로 설치되어 연료를 분사하기 위한 연료분사부와, 상기 연료분사부의 외측에 설치되어 산소를 분사하기 위한 제 2 산소분사부와, 상기 각 분사부에 공급되는 연료 및 산소를 제어하는 제어부로 구성되어, 상기 가스화용융로를 예열하고 가스화 용융하는 시점에서 동일 복합버너로 사용되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 예열단계와 가스화 용융단계를 동일 버너로 수행할 수 있는 복합버너가 설치된 가스화용융로로 하여 연속적으로 가스화 용융이 가능하며, 복합버너로 하여 예열단계와 가스화 단계에서 공급되는 연료와 산소의 분배비를 화염으로부터의 복사 열전량이 최대가 되도록 제어함으로써, 설비비용 절감 및 운전의 편리성을 가져오는 효과가 있다.
Description
본 발명은 고정층 폐기물 가스화용융로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용융로를 예열하는 예열버너와 가스화 용융 단계에서 사용되는 각각의 버너를 동일 버너로 구성하고, 동일 버너로 하여 연료와 산소의 공급을 제어할 수 있는 고정층 폐기물 가스화용융로에 관한 것이다.
일반적으로, 가스화용융로는 처리 시료 내의 탄소와 수소 성분은 가스 연료인 일산화탄소와 수소 가스로 전환함과 동시에 시료 내의 불연물 또는 무기물은 용융시켜 유리화(vitrification)하여 슬래그로 처리하는 것으로서, 가스화용융로 내부로 가스화 반응에 필요한 반응물인 산소와 용융에 필요한 고온의 분위기 형성을 위해 필요한 보조 연료를 공급하게 된다.
도 1은 종래의 고정층 폐기물 가스화용융로를 도시한 개략도로서, 내측에 내화재가 시공된 가스화용융로(1)는 상부에 시료 및 보조연료가 투입되는 투입구(2)가 형성되고, 일측으로 가스배출구(3)가 형성된다. 그리고 가스화용융로(1)의 원주 방향으로 튜브(4)가 형성되며, 튜브(4) 상에는 보조 연료나, 산화제인 산소 또는 공기를 공급하는 유입구(5)와 가스화용융로(1)의 내측으로 향하는 복수개의 노즐(6)이 형성되어 있다.
가스화용융로(1)의 하부로는 용융물이 흘러내릴 수 있는 슬랙배출구(7)가 형성된다.
이와 같이 구성된 고정층(Fixed bed type) 가스화용융로에서는 대상 시료(예를들면, 폐기물, biomass 또는 석탄 등)를 별도의 공급 장치에 의해 가스화용융로(1)의 투입구(2)를 통하여 가스화용융로(1) 하부의 고온 영역에서 일정 높이의 시료 층(bed)을 형성하고, 시료 층의 소정 위치에 공급된 시료와 반응에 필요한 보조 연료나 산화제인 산소 또는 공기를 공급하는 노즐(6)을 통해 공급된 산소 또는 보조 연료는 시료 내의 가연분과 반응하여 시료의 온도를 가스화 반응에 필요한 온도 이상을 유지함은 물론이고, 불연물을 용융할 때는 용융 온도 이상이 유지하는 역할을 한다. 이 영역에서 발생된 합성 가스는 시료 층을 통과하며 노 상부로 이동하고, 용융물은 노의 하부로 흘러 내려 용융 풀(pool)을 형성시킨다. 용융물은 노 하부에서 일정 시간을 체류하거나, 노 하부에 설치된 슬랙 배출구(7)를 통하여 노 밖으로 배출된다.
그러나 가스화용융로(1) 하부는 고온의 분위기로 인해 용융된 불연물에 의해 용융 풀(pool)이 형성되어 있으며, 보조 연료 또는 산화제인 산소 또는 공기를 공급하는 노즐(6)은 용융 풀의 상부의 시료 층에 직접 분사하거나, 용융 풀에 잠김 상태로 분사할 경우가 많다. 버너의 개수가 적은 경우에는, 각각의 버너로 공급하는 산화제 및 연료의 양을 개별 제어하여 노즐 팁 부분의 저항에 의한 공급 가스의 유량이 감소되더라도, 공급압력의 증가로 항상 요구되는 양으로 가스화용융로(1) 내부로 산화제 및 보조 연료의 공급이 가능하다. 그러나 도 1에서 볼 수 있는 것과 같이 산화제가 공급 튜브(4)의 다수개 노즐(6)을 통하여 가스화용융로(1) 내부로 분사되기 때문에, 다수개의 버너 중에서 노즐(6) 팁 부분에 시료 층의 간섭에 의해 산화제 및 보조 연료가 공급되지 않으면, 그 영역의 온도가 저하되어 시료가 용융되지 않거나, 용융물이 응고되어 연속적으로 가스화 용융이 진행되지 않아 가스화용융로(1) 내부에 공동이 형성되는 브리징(bridging)이 발생되어 시료가 원활하게 공급되지 않는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 예열단계와 가스화 용융단계를 동일 버너로 수행할 수 있는 복합버너로 하여 동일한 보조 연료 및 산화제를 공급하더라도 버너 주위의 폐기물과 간섭을 최소화할 수 있으며, 용융에 필요한 열전달이 효과적으로 이루어지는 고정층 폐기물 가스화용융로를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 복합버너로 하여 예열단계와 가스화 단계에서 공급되는 연료와 산화제의 분배비를 제어함으로써, 화염 길이를 짧게 유지하여 내화재의 손상을 최소화하면서 화염으로부터의 열복사량을 최대로 하여 폐기물의 용융을 촉진시키는 고정층 폐기물 가스화용융로를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 폐기물 시료가 유입되는 본체와, 상기 본체를 기준으로 용융로상부 및 용융로 하부와, 상기 용융로하부로 이어지는 균질화로를 포함하는 직립형의 고정층 폐기물 가스화용융로에 있어서, 상기 가스화용융로 상에 복수개 설치되는 복합버너의 노즐부는, 중심으로부터 산소를 분사하기 위한 제 1 산소분사부와, 상기 제 1 산소분사부의 동심원 외측으로 설치되어 연료를 분사하기 위한 연료분사부와, 상기 연료분사부의 외측에 설치되어 산소를 분사하기 위한 제 2 산소분사부와, 상기 각 분사부에 공급되는 연료 및 산소를 제어하는 제어부로 구성되어, 상기 가스화용융로를 예열하고 가스화 용융하는 시점에서 동일 복합버너로 사용되는 것을 특징으로 하는 고정층 폐기물 가스화용융로를 제공한다.
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이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 고정층 폐기물 가스화용융로의 구성도이고, 도 3은 도 2의 A-A선 단면도이고, 도 4는 도 2의 B-B선 단면도이고, 도 5는 도 2의 C-C선 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 고정층 폐기물 가스화용융로의 복합버너의 노즐부 단면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 고정층 폐기물 가스화용융로에서의 가스화 용융 과정에 대한 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 내벽에 내화재(12)를 포함하며 내부에 공간을 형성하는 고정층 폐기물 가스화용융로(10)는, 폐기물 시료가 유입되는 본체(20)와, 본체(20)의 상부와 하부로 이어지는 용융로상부(30)와 용융로하부(40), 그리고 용융로하부(40)와 연통하는 균질화로(50), 균질화로(50)의 하부에 설치되는 슬래그 (60) 및 록호퍼(70)로 크게 구성된다.
여기서 용융로하부(40)는 본체(20)의 하부에 설치되어 시료와 산소가 반응하여 가스화 반응과 용융이 진행되는 곳이며, 용융로상부(30)는 용융로하부(40)에서 배출되는 합성가스와 공급된 시료의 열분해를 통하여 생성가스를 배출하게 된다.
그리고 균질화로(50)는 용융로하부(40)의 일측으로 수평하게 설치되어 용융된 용융물을 일정 시간 체류시켜 용융물 내의 미 반응물을 완전히 반응시키고, 미용융물을 완전히 용융시키기 위하여 고온의 분위기를 형성시키게 된다.
균질화로(50)의 하단으로 용융 슬래그의 흐름을 유도하는 역할을 하는 슬래그 탭(slag tap:52)이 설치되고, 슬래그 탭(52)의 하단으로 급냉 배출장치를 이루는 슬래그 (60)와 록호퍼(70)가 설치된다.
슬래그 (60)는 록호퍼(70)의 냉각수 유입포트(72)를 통하여 유입되는 냉각수가 소정 높이로 채워져 있다.
록호퍼(70)는 슬래그 탭(52)에서 배출되는 슬래그를 냉각수에 직접 접촉시킴으로써, 급냉 시키게 되며, 록호퍼(70)의 양단에는 밸브(74)가 설치된다.
슬래그의 배출은, 본체(20)에 유입된 폐기물은 균질화로(50)에서 슬래그화되고, 슬래그 탭(52)을 통하여 배출된다.
그리고 가스화용융로(10)의 외측으로는 고온 분위기에 의한 버너를 보호하기 위한 냉각수가 공급될 수 있는 수냉쟈켓(14)이 설치된다.
그리고 본 발명의 특징에 따라 도 3 및 도 4와 도 5를 참조하면, 용융로상, 하부(30)(40)의 원주 방향과 균질화로(50)의 길이 방향에 복수개의 복합버너(80)가 가스화용융로(10)를 예열하는 단계와 가스화 용융 단계에서 동일 버너로 사용할 수 있게 설치된다.
도 6에 도시된 바와같이, 복합버너(80)의 노즐부는, 중심으로부터 산소를 분사하기 위한 제 1 산소분사부(81)와, 제 1 산소분사부(81)의 동심원 외측으로 설치되어 연료를 분사하기 위한 연료분사부(83)와, 연료분사부(83)의 외측에 설치되어 산소를 분사하기 위한 제 2 산소분사부(82)로 구성된다.
그리고 제 2 산소분사부(82)의 외측으로 수냉관(84)이 설치되어 고온의 가스화용융로(10) 내부 분위기에 의한 손상을 방지한다.
한편, 복합버너(80)에 공급되는 연료 및 산소를 제어하는 제어부(90)가 설치된다. 제어부(90)는 공급되는 산소 및 연료를 미도시된 솔레노이드밸브를 통하여 총 유량을 제어하게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 고정층 폐기물 가스화 용융로의 작동은 다음과 같다.
도 7을 참조하면, 가스화용융로(10)를 운전온도까지 복합버너(80)를 이용하여 예열한 후 가스화할 경우에는 폐기물 시료를 이용하여 가스화하게 된다.
먼저, 예열은 폐기물 시료를 투입하기 전단계로, 가스화용융로(10) 내부의 내화재(12) 온도를 대략 1300℃ 이상으로 가열하는 단계이다.
예열 단계에서의 버너 운전 방법은 일반적인 버너를 사용하여 반응로를 예열하는 방법과 유사한 방법으로 운전된다. 다만 기존 대부분의 버너는 산소 대신에 공기를 사용하기 때문에 화염 온도가 산소를 사용하는 경우에 비해 낮다. 산소를 사용할 경우 화염 온도가 매우 높기 때문에 화염이 직접 내화재(12)와 접촉하는 경우에는 내화재(12)가 손상되기 때문에, 직접 화염과 접촉하지 않도록 화염 길이를 짧게하면서, 효율적인 예열이 가능한 버너의 운전 방법을 선정하여야한다. 내화재(12) 예열 절차는 다음과 같다.
예열 초기에는 전체 복합버너(80) 중에서 1∼2 개만을 점화하여 화염을 형성하여, 내화재(12) 제조 업체에서 제시한 가열 곡선에 따라 내화재(12)의 온도를 승온하며, 점차 많은 복합버너(80)에 점화하여 내화재(12) 가열 곡선에 따라 온도를 승온한다. 복합버너(80)의 초기 점화는 점화 장치가 부착된 파일롯트 버너(미도시:pilot burner)를 맨 처음 점화하고, 주위 버너는 파일롯트 버너의 화염에 의해 점차적으로 점화한다.
이 후, 승온 속도를 빠르게 할 경우에는, 화염이 없는 복합버너(80)의 연료 및 산소 공급을 제어부(90)에서 복합버너(80)로 공급하여 다수개의 복합버너(80)에 화염을 형성하여 내화재(12)의 승온 속도를 빠르게 한다.
상기 예열 단계에서 복합버너(80)의 화염 길이를 짧게 하여 내화재(12)의 손상을 방지하며 화염으로부터 열복사량을 최대로 하기 위하여, 연소에 필요한 산소 공급량을 제 1 산소분사부(81)와 제 2 산소분사부(82)로 75 : 25의 비율로 나누어 공급한다.
다음은 연료와 산화제의 분배 방법에 따라 복사열유속을 나타낸 것으로, 본 발명에서 채택한 버너인 D type 버너(도 6 참조)가 가장 큰 복사열을 방출함을 알 수 있다.
| 종류 | 제1산소분사부 | 연료분사부(6개의 직경 1.5 mm 구멍) | 제2산소분사부 | 화염으로부터의 총복사열량(mW) |
| A type | 연료 | 산소 | - | 260 |
| B type | 산소 | 연료 | - | 610 |
| C type | 연료 | 산소 | 산소 | 474 |
| D type | 산소 | 연료 | 산소 | 672 |
공급하는 연료 양은 내화재(12)의 온도에 따라 조정하며, 산소 양은 출구 연소 가스 내의 산소 농도에 대하여, 산소 공급양은 연소가스 내의 산소 농도가 10∼20% 내외로 공급한다.
따라서 연료와 산소의 양을 조정하여 가스화용융로(10)의 내부 내화제(12)의 온도를 1300℃ 이상으로 가열한다.
상기의 가스화용융로(10)가 예열이 완료된 후, 시료를 본체(20)를 통하여 공급된다.
이 후, 본격적으로 가스화 용융 운전을 실시하는 단계로 이어진다.
용융로상부(30)에 위치한 복합버너(80)는 예열 단계와 동일하게 운전되며, 가스화 용융로상부(30)의 출구에서 합성 가스 배출 온도가 대략 1200℃ 이상이 되도록 산소 및 연료량을 조정한다.
균질화로(50)와 용융로하부(40)의 복합버너(80)도 예열 단계와 동일하게 운전되며, 균질화로(50)와 용융로하부(40)의 온도가 1450℃ 이상이 되도록 연료 및 산소량을 조정한다.
복합버너(80)의 노즐부에서의 분사 속도(제 1, 2 산소분사부와 연료분사부의 분사속도 평균치)가 30m/s 이상으로 유지되어 용융로하부(40)의 노즐 주위로 존재하는 시료, 탄화물 그리고 용융 슬랙에 의한 막힘 그리고 막힘에 따라 산소 및 연료 유량 변화를 방지한다.
따라서 가스화 용융으로 발생된 열분해 가스와 가스화 반응에 의해 생성된 가스가 용융로상부(30)로 배출되고, 슬래그는 슬래그 (60) 및 록호퍼(70)를 통하여 냉각되어 배출된다.
운전 중에는 록호퍼(70)의 상단 밸브가 열려있는 상태로서, 배출된 슬래그는 록호퍼(70)의 냉각수에 떨어지면서 급냉되어 고형화된다. 고형화 슬래그가 채워지면 상단의 밸브(74)가 닫히고, 하단의 밸브(74)가 열리면서 록호퍼(70) 내부의 슬래그를 냉각수와 함께 외부로 배출하게 된다.
이처럼 기존의 가스화용융로에서는 내화재 예열 단계에서는 별도의 예열버너를 이용하여 가열하지만, 본 발명에서는 가스화 용융에 필요한 산소 및 연료 공급을 동일 버너의 복합버너(80)를 예열시에도 이용하므로써, 별도의 예열 버너 시스템이 필요 없으므로, 장치가 간편하고, 제어가 용이하여 가스화 용융로(10)의 제작비용을 절감할 수 있다. 또한, 가스화용융로(10) 정상 운전 단계에서 가스화 용융로하부(40)와 상부(30) 그리고 균질화로(50)에 설치된 복합버너(80)의 산소 공급 방법을 제어부(90)에서 제어함으로써, 예열 단계에서의 내화재의 손상 방지 및 가스화 용융 운전 단계에서 공급된 시료와 용융물에 의한 산소 및 연료의 공급량의 변화 및 막힘에 의한 공급 차단을 방지하여 항상 전체 버너 시스템으로 공급되는 산소 및 연료의 양을 균일하게 하여 원활한 용융물을 얻을 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하 청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변경실시가 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명인 고정층 폐기물 가스화용융로는, 예열단계와 가스화 용융단계를 동일 버너로 수행할 수 있는 복합버너가 설치된 가스화용융로로 하여 시료층에 간섭받지 않으며 연속적으로 가스화 용융이 가능한 효과가 있다.
또한, 복합버너로 공급되는 산소량을 조정하여 화염으로부터의 복사열 전달량이 가장 크게 함으로써, 설비비용 절감 및 운전의 편리성을 가져오는 효과가 있다.
도 1 은 종래의 고정층 폐기물 가스화용융로를 도시한 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 고정층 폐기물 가스화용융로의 구성도이고,
도 3은 도 2의 A-A선 단면도이고,
도 4는 도 2의 B-B선 단면도이고,
도 5는 도 2의 C-C선 단면도이고,
도 6은 본 발명에 따른 고정층 폐기물 가스화용융로의 복합버너의 노즐부 단면도이고,
도 7은 본 발명에 따른 고정층 폐기물 가스화용융로에서의 가스화 용융 과정에 대한 흐름도이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 가스화용융로 20 : 본체
30 : 용융로상부 40 : 용융로하부
50 : 균질화로 60 : 슬래그
70 : 록호퍼 80 : 복합버너
81, 82 : 제 1, 2 산소분사부 83 : 연료분사부
90 : 제어부
Claims (5)
- 폐기물 시료가 유입되는 본체와, 상기 본체를 기준으로 용융로상부 및 용융로 하부와, 상기 용융로하부로 이어지는 균질화로를 포함하는 직립형의 고정층 폐기물 가스화용융로에 있어서,상기 가스화용융로 상에 복수개 설치되는 복합버너의 노즐부는,중심으로부터 산소를 분사하기 위한 제 1 산소분사부와,상기 제 1 산소분사부의 동심원 외측으로 설치되어 연료를 분사하기 위한 연료분사부와,상기 연료분사부의 외측에 설치되어 산소를 분사하기 위한 제 2 산소분사부와,상기 각 분사부에 공급되는 연료 및 산소를 제어하는 제어부로 구성되어,상기 가스화용융로를 예열하고 가스화 용융하는 시점에서 동일 복합버너로 사용되는 것을 특징으로 하는 고정층 폐기물 가스화 용융로.
- 제 1 항에 있어서,상기 복합버너의 제 2 산소분사부의 외측으로 수냉관이 설치되어 고온의 가스화용융로 내부 분위기에 의한 손상이 방지되는 것을 특징으로 하는 고정층 폐기물 가스화 용융로.
- 제 1 항에 있어서,상기 복합버너의 상기 제 1 산소분사부와 상기 제 2 산소분사부로의 산소 공급이 적정 비율로 공급되어 화염으로부터의 열복사량이 최대가 되며, 짧은 길이의 화염은 반대편의 내화재에 직접적인 화염 접촉을 피하여 내화재의 손상이 방지되는 것을 특징으로 하는 고정층 폐기물 가스화 용융로.
- 제 3 항에 있어서,상기 제 1 산소분사부와 상기 제 2 산소분사부의 산소 공급 비율이 75 : 25로 공급되는 것을 특징으로 하는 고정층 폐기물 가스화 용융로.
- 제 3 항에 있어서,상기 가스화 용융시, 상기 제 1산소 분사부, 상기 연료 분사부 그리고 상기 제 2산소 분사부로부터 분사되는 연료 및 산소의 평균 분사 속도가 상기 가스화용융로에 존재하는 폐기물 또는 용융물에 인해 노즐의 막힘을 방지할 수 있는 속도로 분사되는 것을 특징으로 하는 고정층 폐기물 가스화 용융로.
Priority Applications (1)
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Publications (2)
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Family Applications (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101559837B1 (ko) | 2015-03-27 | 2015-10-13 | 삼호환경기술 주식회사 | 고정층 가스화기 |
-
2003
- 2003-07-01 KR KR10-2003-0044183A patent/KR100537247B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101559837B1 (ko) | 2015-03-27 | 2015-10-13 | 삼호환경기술 주식회사 | 고정층 가스화기 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20050005060A (ko) | 2005-01-13 |
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
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| GRNT | Written decision to grant | ||
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