KR102342834B1 - 폐플라스틱의 대량 처리를 위한 uht 플라즈마 연소 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 연소수단 및 연소용 공기 공급노즐에서 공급된 공기를 통해 공급된 폐플라스틱 내지 대체 연료에 대한 다단 연소를 실시하는 UHT 플라즈마 연소시스템을 제공하고, 상기 UHT 플라즈마 연소시스템은 상하 방향을 따라 다단으로 배치된 복수의 푸셔 및 고유량 노즐을 이용하여 폐기물의 연소 체류 시간을 확보하여 연소 효율 증가 및 효과적인 이물질 제거를 실시하는 것을 특징으로 한다.

Description

폐플라스틱의 대량 처리를 위한 UHT 플라즈마 연소 시스템{Ultra High Temperature plasma combustion system for bulk processing of waste plastics}

본 발명은 기존의 시멘트 제조공정을 이용하고 연소효율 향상을 위한 UHT 플라즈마 연소반응기를 개발하여 폐플라스틱을 처리하고 이를 연료화하는 기술에 관한 것이다.

시멘트는 최대온도 2,000℃까지 높은 열에너지를 갖는 소성로를 이용하여 생산되므로 시멘트 산업은 전형적인 에너지 다소비 산업이다. 따라서, 1990년 후반부터 현재까지 에너지절약 및 자원재활용을 위해 소성로에 부원료 및 보조연료로써 산업 부산물인 폐기물 사용을 증대하고 있다.

시멘트 산업은 에너지 다소비, 온실가스 다량배출 산업으로 시멘트를 제조하기 위해서는 많은 열에너지가 필요하므로 주 연료로 대량의 화석연료(유연탄)를 사용하고 있으며, 이를 줄이기 위해 가연성 폐기물을 시멘트 제조공정에 보조 연료로서 일부 사용하고 있다.

폐기물을 연료로 재활용함으로써 전량 수입에 의존하고 있는 천연연료의 사용량을 절약할 수 있으며 이에 따라 온실가스의 저감 및 대기 오염물질을 줄일 수 있다. 소각로, SRF 발전소 등과 같이 별도의 추가 시설 없이 사회문제로 대두되고 있는 폐플라스틱 처리가 가능하여 매립, 소각이 필요없는 자원순환 사회로 전환 가능하게 된다.

한편, 시멘트 소성로는 이미 완벽한 연소시설과 배가스 후처리 설비(환경설비)가 구축되어 있으며, 동시에 각종 첨단 콘트롤 설비도 완비되어 있다. 따라서 시멘트 공정 및 품질에 영향을 주지 않는 범위에서 폐플라스틱의 연소효율 증대를 위한 최소한의 설비만 설치하면 되므로, 폐플라스틱 처리를 위한 설치비 최소화 가능하다.

시멘트 제조공정에 사용되는 폐기물은 금속 및 유리 등이 1차적으로 선별된 가연성 폐기물로써 저위발열량이 약 6,500 kcal/kg으로 매우 높은 편으로 현재 시멘트 제조 공정에 사용되는 화석연료(유연탄)의 저위발열량과 유사한 수준이다. 따라서 폐플라스틱을 효율적으로 연소, 가스화 하여 보조연료로 사용할 경우 상당량의 화석연료를 줄일 수 있다.

시멘트 산업계 특성상 폐플라스틱에 함유되어 있는 이물질(철류, 비철류, 세라믹류등)을 선별업체에서 완전 선별할 경우, 폐플라스틱 처리 단가 하락 또는 돈을 지급하여 구매해야 하므로 본 연구의 경제성 확보가 어려운 상황이다.

폐플라스틱 등을 처리하기 위한 스토커 로는 계단 형상으로 경사진 복수의 화격자군으로 이루어지고, 화격자군의 각 단에 소각물을 흘려보내기 위한 푸셔가 설치되고, 상부로부터 투입된 소각물을 연소시킨 상태에서 소각물을 적절히 푸셔로 밀어내어 하방으로 내려보내면서 소각하는 것으로, 소각물의 처리 능력에 맞추어 화격자의 폭을 자유롭게 변경할 수 있기 때문에, 도시 쓰레기 등의 소각용으로 널리 사용되고 있다.

화격자(stoker,스토커)는 투입된 폐기물에 대한 적절한 혼합과 교반, 이송 운동을 통하여 건조, 연소, 후연소의 과정을 거치게 하고, 구체적인 기능으로는 화격자 상에 투입된 폐기물의 혼합 및 균일 층 유지기능, 적절한 연소 공기와 접촉을 이루기 위한 폐기물의 교반과 연소공기 분배기능을 한다. 그리고 화격자 상에서의 폐기물의 각 단계로의 이송기능과 체류시간 유지기능, 화격자의 왕복 또는 회전운동에 의한 대형 클링커의 파쇄기능 등을 담당한다.

폐플라스틱은 현재 시멘트 소성공정에 단순 투입되고 있어 더 많은 양의 폐플라스틱 투입 시, 짧은 체류시간에 따른 연소시간 미확보로 불균일한 연소가 발생되어 예열 공정내 gas balance 불균형이 발생되어 소성공정 불안정으로 인한 내부 coating 형성 및 시멘트 품질저하가 발생한다.

폐비닐, 폐합성수지, 폐섬유 등과 같은 폐플라스틱의 처리량 증대 및 시스템 자동화를 위한 연소시스템과 연소공정을 개발하여 환경 및 사회적으로 이슈인 폐플라스틱을 기존 운영되고 있는 시멘트 소성로에서 처리함으로써, 국가적 자원낭비와 환경오염을 줄여야 한다.

한편, 종래의 플라즈마 연소반응기는 공급된 폐기물을 1차적으로 연소하여 하부로 공급하는 과정에서 기존의 연소챔버 상부에 설치된 푸셔를 좌우 번갈아 가면서 반복적으로 작동하는 경우에, 유량 노즐의 일측 부분에만 대체 연료가 적체되어져 타측 부분으로 풍량이 편중되어 합성수지 및 이물질의 리프팅 및 무빙 기능이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.

한편, 폐플라스틱을 가스화 및 연소하기 위해서는 연소 공기의 투입이 필수적이다. 하지만, 구동 중인 연소 반응기에 상온의 연소 공기를 투입 시에, 연소 반응기 내부 온도가 급격히 떨어진다는 문제점이 있는바, 상기 연소 반응기의 온도를 일정하게 고온으로 유지해야만 연소 효율 및 코팅 생성 최소화가 이루어지는바, 고온의 연소 공기를 투입하는 방안이 요구된다.

(0001) 대한민국 공개특허 제10-2010-0061472호 (0002) 대한민국 공개특허 제10-2001-0015905호

전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 폐플라스틱 처리를 위한 온도 승온시 시간이 오래 소요되는 동시에 연소용적이 크다는 문제를 해결하기 위하여, 시멘트 소성로를 이용하여 각종 폐플라스틱을 고온연소처리하는 기술로서 폐플라스틱의 대량 처리를 위해 UHT(Ultra High Temperature) 플라즈마 연소 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명은 상단부에 설치된 플라즈마 연소수단 및 연소용 공기 공급노즐에서 공급된 공기를 통해 공급된 폐기물을 연소하는 과정에서 다단으로 배치된 복수의 푸셔 및 고유량 노즐을 이용하여 폐기물의 연소 체류 시간을 확보하는 동시에 연소 효율 증가 및 효과적인 이물질 제거를 제거 가능한 UHT 플라즈마 연소 시스템을 제공하고자 한다.

또한, 소성 공정에 사용되고 있는 고온 순환열 활용을 통해 플라즈마 연소시스템에 소비되는 에너지를 줄이는 연소 공정과 폐플라스틱 연소로 발생되는 다량의 염소 가스를 제거하는 기술을 통해 종전에 폐플라스틱을 시멘트 소성로에 직투입하여 처리하는 것보다 좀 더 많은 폐플라스틱을 시멘트 소성공정의 보조 에너지원으로 전환 사용하는 방안을 제공하고자 한다.

즉, 시멘트 공정 중에 소성로를 통과한 반제품인 클링커를 냉각시키는 설비인 쿨러에서 클링커를 냉각시키고 나온 대략 1,000℃의 공기를 공정에 다시 재활용하여 순환열로서 사용하는데, 상기 순환열의 일부를 연소 반응기에 투입하는 방안을 제공한다.

상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 플라즈마 연소수단 및 연소용 공기 공급노즐에서 공급된 공기를 통해 공급된 폐플라스틱 내지 대체 연료에 대한 다단 연소를 실시하는 UHT 플라즈마 연소시스템을 제공하고, 상기 UHT 플라즈마 연소시스템은 상하 방향을 따라 다단으로 배치된 복수의 푸셔 및 고유량 노즐을 이용하여 폐기물의 연소 체류 시간을 확보하여 연소 효율 증가 및 효과적인 이물질 제거를 실시하는 것을 특징으로 한다.

상기 UHT 플라즈마 연소시스템은, 상하 방향을 따라 계단식으로 다단으로 배치된 복수의 푸셔(pusher), 상기 복수의 푸셔를 통해 공급된 폐기물 등을 이송하게 하는 복수의 고유량 노즐, 상기 복수의 푸셔를 분리 구동하는 복수의 실린더 및 상기 연소시스템의 하단에 배치된 이물질 배출 슈트(chute)를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 복수의 푸셔 및 복수의 고유량 노즐은 총 4개의 계단식 단으로 구성되는 것이 바람직할 수 있다.

상기 복수의 푸셔 및 복수의 고유량 노즐 중 상부 측에 배치된 2개의 푸셔 및 고유량 노즐은 경사진 상태로 배치하고, 하부 측에 배치된 2개의 푸셔 및 고유량 노즐은 수평한 상태로 배치되는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에 의한 UHT(Ultra High Temperature) 플라즈마 연소 시스템은 시멘트 소성로와 결합한 상태에서 고온 플라즈마를 이용하여 폐플라스틱 열분해를 실시함으로써 연소용적을 축소한다.

본 발명에 따른 UHT 플라즈마 연소반응기는 상단부에 설치된 플라즈마 연소수단 및 연소용 공기 공급노즐에서 공급된 공기를 통해 공급된 폐기물을 연소하는 과정에서, 상하 방향을 따라 계단식으로 다단으로 배치된 복수의 푸셔 및 고유량 노즐을 이용하여 폐기물의 연소 체류 시간을 확보하는 동시에 연소공기의 대량 유입으로 인한 연소효율의 증가를 가능하게 하고 이물질 제거를 효과적으로 가능하게 한다.

기존 소성공정에서 사용되고 있는 2차 소성공정 순환열을 통한 플라즈마에 사용되는 에너지 절감 및 처리용량을 증대한다.

폐플라스틱은 고온의 연소반응기에서 가스화 및 연소되어 시멘트 소성로의 보조 연료로 사용되며, 폐플라스틱에 함유된 미량의 중금속 등 유해물질은 소성로에서 클링커에 고용되어 유해물질의 용출에 의한 환경오염을 방지한다.

선별업체에서 이물질 중 90% 이상을 분리제거하고 연소챔버에 투입되기 전에 자력 선별기 등과 연소챔버 후단의 불연물 이물질 선별/제거 장치를 이용하여 시멘트 소성공정으로 투입되는 이물질을 최소화하여 시멘트 소성공정의 안정성을 높이고 발생된 불연물 이물질은 시멘트 부원료로 재활용한다.

본 발명은 폐플라스틱의 처리량을 100(톤/일) 정도로 증대함으로써 기존의 50(톤/일)에 비해 2배 이상의 처리 용량을 가능하게 한다. 폐플라스틱의 유연탄 대체 기여율은 50%에서 70%로 상향한다. 초고온에 의한 순간 연소로 타르 발생 최소화하고 시멘트 공정 영향을 없게 한다. Compact한 연소시스템 설치 및 기존 고온 순환열 사용으로 처리량 증대를 가능하게 한다.

본 발명에 의한 UHT 플라즈마 연소 시스템은 30kW 수준의 플라즈마 발생기 16기를 설치하여 넓은 영역의 고온 유지로 폐플라스틱을 열분해, 가스화, 연소가 진행되는 1차 연소의 역할을 수행하고 800~1,000℃도 유지되는 예열탑에 연소시스템 출구를 연결하여 2차 연소 및 완전 연소로 소성 공정에 필요한 열량 공급과 석탄 절감 및 시멘트 소성공정 안정화를 가능하게 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 플라즈마 연소시스템을 포함하는 대체연료 가스화 장치 및 시멘트 소성로의 개념을 간략히 나타낸 것이다.
도 2은 기존의 연소반응 시스템을 보인다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 UHT 플라즈마 연소반응시스템을 보인다.
도 9 내지 도 10은 연속배치된 복수의 고유량 노즐의 하단에 위치하는 이물질 배출 슈트의 배치 구조를 보인다.
도 11은 순환열 공급라인 활용을 통해 플라즈마 연소시스템에 소비되는 에너지를 줄이는 연소 공정을 보인다.
도 12는 순환열 공급라인의 구체적인 구성을 보인다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1을 참조하여, 본 UHT 플라즈마 연소시스템이 적용되는 전체적인 시멘트 소성로를 설명한다. 즉, (a) 고온연소반응기; (b) 상기 고온연소반응기에 플라즈마를 공급하는 복수의 플라즈마 연소수단; (c) 상기 고온연소반응기의 상단부에 연결되어 상기 고온연소반응기 방향으로 폐플라스틱을 공급하는 연료공급수단을 포함하는 대체연료 가스화 장치를 포함하는 시멘트 소성로를 보인다.

상기 고온연소반응기는 연료 공급수단에서 공급된 폐플라스틱을 가스화하여 공급하는 장치로 사각 또는 원형의 파이프 형상으로 제작되고 축방향의 일 측면에는 연료공급 수단이 설치되며 타 측면에는 가스 배출수단이 설치될 수 있다. 상기 고온연소반응기는 또한 수직의 원통형 또는 사각 기둥형으로 제작될 수도 있으며, 이 경우 상부 일측면에는 연료공급수단이 연결되며, 하부의 타측면에는 가스 배출 수단이 설치될 수 있다. 즉 상기 연소반응기의 일측면 상단에는 상기 연료공급수단이 설치되며, 타측면의 하단에는 가스 배출수단이 설치되는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 연료 공급수단에 의하여 공급된 폐플라스틱은 연소반응기를 지나 타측면의 가스배출구 방향으로 배출되며 생성되는 가스 역시 가스배출구 방향으로 배출될 수 있다.

본 발명에 적용되는 플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이어 물질의 제 4의 상태로, 보통 저온 플라즈마와 고온 또는 열플라즈마로 구분할 수 있으며, 폐기물 처리에 각광받고 있는 분야는 열 플라즈마이다.

이러한 플라즈마는 전자, 이온 및 중성입자(원자 및 분자)의 혼합물로서, 고온의 이온화된 전도성의 가스는 전기장 또는 전자장에서 가스의 상호작용에 의해 생성될 수 있으며, 반응성종(reactive species)의 원천으로서 초고온의 빠른 화학반응을 촉진한다.

폐기물들의 열분해, 유리화와 재활용에 사용되는 열플라즈마 토치는 열플라즈마의 발생 방법에 따라 이송식 열플라즈마 토치와 비이송식 열플라즈마 토치로 나눌 수 있다.

본 발명에 따른 UHT 플라즈마 연소시스템은 고온의 플라즈마를 사용함으로써 빠른 시간안에 목표 온도 도달이 가능하며, 기존 시멘트 소성공정에 사용되고 있는 고온 순환열을 활용함으로 대량의 폐플라스틱 처리가 가능하다.

고온 플라즈마는 이온화된 열유체로 6,000 K의 화염온도, 10,000 K 이상의 전자온도를 갖고 있으며, 100~2,000 m/s의 고속의 제트 불꽃의 형태를 가지고 있으며, 재래식 연소에 의해 화학적 반응으로 발생시킨 열유체에서 얻을 수 없는 초고온, 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖고 있어 열화학 반응이 촉진되어 폐플라스틱의 연소화 효과가 매우 뛰어나다.

고온 플라즈마는 환경 및 공정 조건에 따라 다양하게 설계 및 제작이 용이하므로 다양한 시설에 응용이 가능하다.

현재 시멘트 소성 공정에서 사용하고 있는 양보다 더 많은 양의 폐플라스틱을 직투입할 경우 작은 연소 용적과 불균질한 폐플라스틱의 성상으로 시멘트 제조 공정 및 품질에 영향을 미칠 수 있으나, 예열탑 투입 전 UHT 플라즈마 연소반응기를 통하면 폐플라스틱을 빠르게 열분해 함으로서 해결 가능하다.

UHT 플라즈마 연소시스템은 폐플라스틱 등의 연소열을 소성로 내부로 공급하고, 열에너지로의 변환효율이 높아 수소와 일산화탄소가 주성분인 합성기체로 쉽게 전환이 가능하고, 공정이 단순하며 석탄 대체율도 향상시킬 수 있다.

UHT 플라즈마 연소시스템은 컴팩트하고 고밀도 열원인 고온 플라즈마를 사용하며 별도의 시멘트 공정 개선 없이 좁은 공간에 설치 가능하여 공정이 단순하고 투자비용을 최소화할 수 있다.

한편, UHT 플라즈마 연소시스템에 폐플라스틱을 투입하기 전에 선별업체에서 이물질 중 90% 이상을 분리제거하고 연소챔버에 투입하기 전(자력 선별기 등)과 연소챔버 후단의 불연물 이물질 선별/제거 장치를 이용하여 시멘트 소성공정으로 투입되는 이물질을 최소화하여 시멘트 소성공정의 안정성을 높이고 발생된 불연물 이물질은 시멘트 부원료로 재활용하는 것이 바람직할 수 있다.

시멘트 제조 공정 전 순환 주기와 결합된 제조 공정에서 배출되는 유해가스의 배출량을 허용기준 이하로 제어하고 시멘트 제조 공정의 운전 안정성이 확보될 수 있도록 연소가스의 혼합율을 제어하는 공정의 구성과 연소가스 내 포함되어 있는 타르 또는 염소, 알칼리 성분 등을 효율적으로 분리 가능한 공정을 구성하는 것이 바람직할 수 있다.

본 제안기술은 이미 설치 및 운용되고 있는 시멘트 제조공정을 이용하고 연소효율 향상을 위한 UHT 플라즈마 연소반응기를 개발한 상태에서, 폐플라스틱을 처리하고 이를 연료화하는 기술로서, UHT 플라즈마 연소시스템은 30 kW 수준의 플라즈마 발생기 16기를 설치하여 넓은 영역의 고온 유지로 폐플라스틱을 열분해, 가스화, 연소가 진행되는 1차 연소의 역할을 수행하고 800~1,000℃도 유지되는 예열탑에 연소시스템 출구를 연결하여 2차 연소 및 완전 연소로 소성공정에 필요한 열량 공급과 석탄 절감, 시멘트 소성공정 안정화를 기한다.

도 2를 참조하여 기존에 연소반응기를 보면, 공급된 폐기물을 1차적으로 연소하여 하부로 공급하는 과정에서 기존의 연소챔버의 상부에 설치된 푸셔를 좌우 번갈아 가면서 반복적으로 작동하는 경우에, 유량 노즐인 코안다 노즐의 일측 부분에만 대체 연료가 적체되어져 타측 부분으로 풍량이 편중되어 합성수지 및 이물질의 리프팅 및 무빙 기능이 저하될 수 있다는 문제점이 있다.

즉, 도 2에서처럼 양측으로 나란히 배치된 한쌍의 푸셔를 작동하는 경우에 상기 푸셔의 전방에 배치된 코안다 노즐의 좌측 영역 부분에만 대체연료가 적체될 경우에, 상기 코안다 노즐의 우측 영역 부분으로만 풍량이 편중되어짐으로써 합성수지와 이물질의 리프팅(Lifting) 및 움직임( Moving) 기능이 저하될 수 있게 된다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 UHT 플라즈마 연소반응기는 연소효율을 높이기 위하여 공급된 폐플라스틱 내지 대체 연료에 대한 다단 연소 과정을 실시하게 한다. 연소반응기의 상단부에 설치된 플라즈마 연소수단 및 연소용 공기 공급노즐에서 공급된 공기를 통해 공급된 폐기물을 연소하는 과정에서, 상하 방향을 따라 계단식으로 다단으로 배치된 복수의 푸셔 및 고유량 노즐을 이용하여 폐기물의 연소 체류 시간을 확보하는 동시에 연소공기의 대량 유입으로 인한 연소효율의 증가를 가능하게 하고 효과적인 이물질의 제거를 가능하게 한다.

연소용 공기 공급노즐에서 공급된 공기는 연소반응기의 상단부에서 1차 연소된 가스를 추가적으로 산화시켜 가스 배출수단방향으로 공급함과 동시에 일부가 연소반응기의 상단부로 공급되어 1차 연소를 수행할 수 있다. 상기와 같이 연소반응기를 상단부와 하단부로 구분하여 가동하는 경우에 폐플라스틱을 가스화 및 완전 연소하기 때문에 재 및 타르의 발생량이 현저하게 줄어들 수 있다. 또한, 추가적인 연소가 필요한 경우 상기 하단부의 하단으로 단을 추가하여 3~10단의 연소실을 구성하는 것도 가능하다.

구체적으로는, 상하 방향을 따라 계단식으로 다단으로 배치된 복수의 푸셔(pusher), 상기 복수의 푸셔를 통해 공급된 폐기물 등을 이송하게 하는 복수의 고유량 노즐, 상기 복수의 푸셔를 분리 구동하는 복수의 실린더 및 연소 챔버 하단에 배치된 이물질 배출 슈트(chute)를 갖는다.

상기 복수의 고유량 노즐은 코안다 노즐일 수 있는데, 코안다 효과는 벽면이나 바닥면에 접근하여 분출된 기류가 그 면에 부착하여 흐르는 경향을 갖는 것을 말하는 것으로서, 한쪽만 확산하므로 자유 분류에 비해 속도의 감쇠가 작고 도달 거리가 길어진다는 장점이 있게 된다.

복수의 푸셔 및 복수의 고유량 노즐은 총 4개의 계단식 단으로 구성된다. 구체적으로, 연소챔버의 상부 입구의 직하단에 배치된 메인 푸셔(main pusher,100) 상에서 토치(torch) 등을 통해 1차적으로 가열이 이루어진 후에, 각각의 이동 푸셔(21)와 고유량 노즐(23)로 이루어진 복수의 연소 모듈(20)을 통해 순차적으로 연소가 이루어진다.

연소 모듈(20) 각각은 실린더(30)를 통해 수평 방향으로 이동하는 이동 푸셔(21) 및 상기 이동 푸셔의 일측 하단 상에 배치된 상태에서 이동 푸셔를 통해 공급되는 연소물에 대해 충분한 공기 유량으로 연소를 가능하게 하는 고유량 노즐(23)을 갖는다.

복수의 실린더(30)는 상하 방향으로 배치된 4개의 이동 푸셔를 2개씩 연결하는 것으로 설정할 수 있는데, 상하방향 순서대로 제1 이동 푸셔 내지 제4 이동 푸셔 중 제1,3 이동 푸셔는 제1 실린더(31)에 연결되게 하고, 제2,4 이동 푸셔는 제2 실린더(33)에 연결되게 한다.

상기와 같이, 이동 푸셔와 고유량 노즐을 갖는 복수의 연소 모듈을 통해 4단 연소를 시행함으로써, 후단부에서의 연소 체류시간을 확보하고, 연소공기 유입으로 인하여 연소효율을 증가하는 과정을 통해 효과적인 이물질 제거를 가능하게 한다.

한편, 도 4를 참조하면 4개의 계단식 단으로 구성된 복수의 푸셔 및 복수의 고유량 노즐은 연소 챔버 상에서 경사진 상태로 배치되는 것이 가능하다. 복수의 푸셔 및 복수의 고유량 노즐은 경사진 총 4개의 계단식 단으로 구성된다. 구체적으로, 연소챔버의 상부 입구의 직하단에 배치된 메인 푸셔(10)는 수평을 유지한 상태에서, 각각의 이동 푸셔(21)와 고유량 노즐(23)로 이루어진 복수의 연소 모듈(20)은 경사진 상태로 배치된다.

복수의 실린더(30)의 경우도 상하 방향으로 배치된 4개의 이동 푸셔를 2개씩 연결하는 것으로 설정되는데, 상하방향 순서대로 제1 이동 푸셔 내지 제4 이동 푸셔 중 제1,3 이동 푸셔는 제1 실린더(31)에 연결되게 하고, 제2,4 이동 푸셔는 제2 실린더(33)에 연결되게 한다.

이를 통해서, 연소 공기의 효과적인 유입을 통해 이물질 제거를 가능하게 한다. 다만, 고유량 노즐을 경사진 상태로 설치하는바 연소물질에 대한 체류시간을 충분히 확보하는 것에 제한이 있을 수 있다.

도 5를 참조하면 4개의 계단식 단으로 구성된 복수의 푸셔 및 복수의 고유량 노즐은 연소 챔버 상에서 2개의 연소 모듈은 경사진 상태로 배치하고, 2개의 연소 모듈은 수평한 상태로 배치하는 것이 가능하다. 구체적으로, 연소챔버의 상부 입구의 직하단에 배치된 메인 푸셔(10)는 수평을 유지한 상태에서, 각각의 이동 푸셔(21)와 고유량 노즐(23)로 이루어진 복수의 연소 모듈(20) 중 상부 2개는 경사진 상태로 배치되고 하부 2개는 수평한 상태로 배치된다.

이를 통해서, 연소 공기의 효과적인 유입을 통해 이물질 제거를 가능하게 한다. 다만, 실린더를 경사진 상태로 설치하는바 기울여야 하기 때문에 윗단과 간섭이 발생할 수 있게 되어 기울기 설정이 어려울 수 있고, 복수의 고유량 노즐의 경사진 설치로 인하여 체류시간 확보가 어려울 수 있다.

도 6을 참조하면, 연소챔버의 상부 입구의 직하단에 배치된 메인 푸셔(10)는 수평을 유지한 상태에서, 메인 푸셔(10)의 전방 하단으로부터 2개의 고유량 노즐을 경사진 상태로 연속 배치하고, 상기 연속배치된 경사진 고유량 노즐 중 후단의 고유량 노즐의 하부 상에서 2개의 연소 모듈을 수평한 상태로 배치하는 것이 가능하다.

복수의 실린더(30)는 2개의 연소 모듈 중 상측을 이루는 제1 이동 푸셔에 연결되는 제1 실린더(31) 및 하측을 이루는 제2 이동 푸셔에 연결되는 제2 실린더(31)를 포함한다.

이를 통해서, 연소 공기의 효과적인 유입을 통해 이물질 제거를 가능하게 한다. 다만, 상부에 배치된 고유량 노즐의 막힘 및 합성수지 적체 우려로 인하여 체류시간 확보가 어려울 수 있다.

도 7을 참조하면, 연소챔버의 상부 입구의 직하단에 배치된 메인 푸셔(10)는 수평을 유지한 상태에서, 메인 푸셔(10)의 전방 하단으로부터 연소 챔버 상에서 4개의 고유량 노즐을 경사진 상태로 연속 배치하는 한편, 고유량 노즐의 에어 방향을 우측의 MFC를 향하게 하는 것이 가능하다. 이를 통해서, 단순한 설비를 가진 상태에서 연소 공기의 효과적인 유입을 통해 이물질 제거를 가능하게 한다. 다만, 고유량 노즐의 막힘 및 효과적인 경사각도 선정이 어려울 수 있다. 상기에서, 경사가 완만한 경우에 고유량 노즐의 상부 적체가 발생할 수 있고, 경사가 클 경우엔 쉽게 흘러내려 A부분에 과량 적체가 발생할 수 있다.

도 8을 참조하면, 연소챔버의 상부 입구의 직하단에 배치된 메인 푸셔(10)는 수평을 유지한 상태에서, 연소 챔버 상에서 4개의 고유량 노즐을 경사진 상태로 연속 배치하는 한편, 고유량 노즐의 에어 방향을 상부 측으로 수직을 향하게 하는 것이 가능하다. 이를 통해서, 단순한 설비를 가진 상태에서 연소체류 시간을 확보함으로써 연소 공기의 효과적인 유입을 통해 이물질 제거를 가능하게 한다.

다만, 고유량 노즐의 막힘 및 효과적인 경사각도 선정이 어려울 수 있다. 상기에서, 경사가 완만한 경우에 고유량 노즐의 상부 적체가 발생할 수 있고, 경사가 클 경우엔 쉽게 흘러내려 A부분에 과량 적체가 발생할 수 있다.

도 9를 참조하면, 연소챔버의 상부 입구의 직하단에 수평을 유지한 상태로 배치된 메인 푸셔의 하부단을 따라서 일렬 연속배치된 복수의 고유량 노즐 하단에 위치하는 이물질 배출 슈트(chute)를 상기 고유량 노즐의 길이 방향을 따른 연속선 상에 배치하는 것을 보인다. 즉, 일렬로 배치된 복수의 고유량 노즐 중 최종단에 위치한 고유량 노즐 상으로 모아지는 이물질은 상기 최종단에 위치한 고유량 노즐 상에 배치된 푸셔를 실린더를 통해 이물질 배출 슈트 방향으로 이동하게 함으로써 배출 가능하게 한다.

한편, 도 10을 참조하면, 연소챔버의 상부 입구의 직하단에 수평을 유지한 상태로 배치된 메인 푸셔의 하부단을 따라서 일렬 연속배치된 복수의 고유량 노즐 중 최하단 고유량 노즐을 중심으로 양측 상에 위치하는 이물질 배출 슈트(chute) 및 푸셔를 배치하는 것을 보인다. 즉, 일렬로 배치된 복수의 고유량 노즐 중 최종단에 위치한 고유량 노즐 상으로 모아지는 이물질은 상기 최종단에 위치한 고유량 노즐의 일측 상에 배치된 푸셔를 실린더를 통해 고유량 노즐의 타측 상에 배치된 이물질 배출 슈트 방향으로 이동하게 함으로써 배출 가능하게 한다.

UHT 플라즈마 연소시스템이 적용되는 시멘트 소성로는 대체연료 가스화 장치에서 공급된 가스에 포함된 유해가스를 무해화할 수 있다. 상기 시멘트 소성로에 부속된 예열탑은 상기 대체연료 가스화 장치에서 공급된 가스를 한번 더 연소시켜 열량을 공급하므로 상기 대체연료 가스화 장치에서 공급된 가스에 포함된 각종 유해가스를 산화시켜 제거할 수 있다. 특히 폐플라스틱의 소각시 많이 발생하는 다이옥신, HCN, CO 또는 NOx의 경우 추가적인 소각과 소성로 자체 보유하고 있는 방지시설을 이용하므로 기존의 폐플라스틱 소각로에서 발생하는 유해가스 대부분 제거할 수 있다. 이때 상기 유해가스는 N2, CO2 또는 H2O의 형태로 전환되어 제거될 수 있다.

도 11을 참조하면, 본 발명은 소성 공정에 사용되고 있는 고온 순환열 활용을 통해 플라즈마 방식을 갖는 고온 연소시스템에 소비되는 에너지를 줄이는 연소 공정과 폐플라스틱 연소로 발생되는 다량의 염소 가스를 제거하는 기술을 통해 종전에 폐플라스틱을 시멘트 소성로에 직투입하여 처리하는 것보다 좀 더 많은 폐플라스틱을 시멘트 소성공정의 보조 에너지원으로 전환 사용하는 방안을 제공한다.

즉, 시멘트 제조 공정 중에 소성로를 통과한 반제품인 클링커를 냉각시키는 설비인 쿨러에서 클링커를 냉각시키고 나온 대략 1,000℃의 공기를 추기 덕트 및 순환열 공급 라인을 이용하여 공정에 다시 재활용하여 고온 순환열로서 사용하는데, 상기 순환열의 일부를 연소 반응기인 고온 연소시스템에 투입하는 방안을 제공한다.

도 12는 추기 덕트와 고온 연소시스템 간을 연결하는 순환열 공급라인의 구체적인 구성을 보인다.

고온 연소 시스템인 연소 반응기에 투입되는 고온 순환열은 추기 덕트에서 순환열 공급라인을 거쳐 고온 연소 시스템인 연소반응기 내지 예열탑에 공급된다.

추기 덕트를 통해 공정에 재활용되는 고온 순환열을 끌어오기 위한 순환열 공급라인의 설계 과정에서, 순환열은 고온이기 때문에 열화를 방지하기 위한 내화물 및 하중을 견디기 위한 지지대(Support) 설치를 포함한 구조 검토가 동시에 이루어져야 한다.

고온 순환열을 연소 반응기 상에 투입하기 위해서는 실제적으로 2층에서 3층까지 이르는 순환열 공급라인을 설계/제작하여야 한다.

순환열 공급라인은 상단으로는 연소반응기 내지 예열탑에 연결되는 한편, 하단으로는 추기 덕트에 연결된다.

순환열 공급라인의 덕트 내경은 1000mm이고 연소 반응기의 내경이 500mm 이기 때문에 순환열 공급라인 중 연소반응기에 연결되는 부분은 직경의 감소가 필요하다.

순환열 공급라인의 상부 영역은 지지대를 이용하여 하중을 지지한다.

순환열 공급라인의 하단 상에는 덕트 내부 보수 및 공정 상태 변화시 공정열 차단용으로 슬라이드 댐퍼(Slide Damper)를 설치한다.

슬라이드 댐퍼는 순환열 공급라인의 하부 초입 상에 설치할 수 있는데, 이는 슬라이드 댐퍼를 보수 시에 순환열 공급라인 내로 고온의 가스가 들어오는 것을 방지하기 위함이다. 슬라이드 댐퍼의 위치는 정해진 것 없이 설계자의 의도에 따라 설치하는 것도 가능하다.

한편, 순환열 공급라인의 열화 방지를 위해 내부에 내화물(케스타블 75mm)을 설치하고, 알칼리 성분이 많으며 콘크리트 같이 물과 결합하여 사용한다. 유동성이 있어 형태에 맞게 시공이 가능하고 시간이 경과함에 따라 경화한다.

케스타블은 고온의 열에 철 재질을 갖는 순환열 공급라인의 열화를 방지하기 위해서 설치한다. 순환열 공급라인 내부에서의 고온이 철 성분을 통해 전달하는 것을 최소화하기 위해 순환열 공급라인의 안쪽에 케스타블을 설치한다. 케스타블의 함유 성분은 화학성분 Al2O3 = 58%, SiO2 = 39%를 이룬다. 일반적으로 Al2O3는 내화성, SiO2는 내침식성을 담당하고, 상기 성분은 케스타블 업체에서 사용온도 및 내구성에 맞게 조정되어 생산한다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (4)

1. 플라즈마 연소수단 및 연소용 공기 공급노즐에서 공급된 공기를 통해 공급된 폐플라스틱 내지 대체 연료에 대한 다단 연소를 실시하는 UHT 플라즈마 연소시스템에 있어서,
   상기 UHT 플라즈마 연소시스템은,
   상하 방향을 따라 계단식으로 다단으로 배치된 복수의 푸셔(pusher),
   상기 복수의 푸셔를 통해 공급된 폐기물 등을 이송하게 하는 복수의 고유량 노즐,
   상기 복수의 푸셔를 분리 구동하는 복수의 실린더 및
   상기 연소시스템의 하단에 배치된 이물질 배출 슈트(chute)를 포함하고,
   상하 방향을 따라 다단으로 배치된 복수의 푸셔 및 고유량 노즐을 이용하여 폐기물의 연소 체류 시간을 확보하여 연소 효율 증가 및 효과적인 이물질 제거를 실시하며,
   상기 UHT 플라즈마 연소시스템은,
   소성로를 통과한 클링커를 냉각시키는 쿨러에서 나온 공기를 추기 덕트 및 순환열 공급 라인을 이용하여 재활용하여 고온 순환열로서 사용하며,
   상기 UHT 플라즈마 연소시스템에 투입되는 고온 순환열은 상기 추기 덕트에서 순환열 공급라인을 거쳐 공급되며,
   상기 순환열 공급라인 중 상기 UHT 플라즈마 연소시스템에 연결되는 부분은 직경의 감소가 이루어지며, 순환열 공급라인의 하단 상에는 슬라이드 댐퍼를 설치하여 순환열 공급라인의 내부 보수 및 공정 상태 변화시 공정열 차단을 실시하며,
   상기 슬라이드 댐퍼는 순환열 공급라인의 하부 초입 상에 설치되어짐으로써 상기 슬라이드 댐퍼 보수 시에 상기 순환열 공급라인 내로 고온의 가스가 들어오는 것을 방지하며, 상기 순환열 공급라인의 열화 방지를 위해 내부에 내화물인 케스타블을 설치하는, UHT 플라즈마 연소시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 푸셔 및 복수의 고유량 노즐은 총 4개의 계단식 단으로 구성되는, UHT 플라즈마 연소시스템.
   
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 복수의 푸셔 및 복수의 고유량 노즐 중 상부 측에 배치된 2개의 푸셔 및 고유량 노즐은 경사진 상태로 배치하고, 하부 측에 배치된 2개의 푸셔 및 고유량 노즐은 수평한 상태로 배치되는, UHT 플라즈마 연소시스템.

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