KR102537984B1 - 마이크로파 열분해 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부 파이프 요소(2)와 하우징(4)을 포함하는 마이크로파 열분해 반응기를 제공하고, 여기서 내부 파이프 요소(2)는 마이크로파 투명 물질로 제조되고 제 1 개방 단부(5)와 제 2 개방 단부(6)를 포함하고; 하우징(4)은, 내부 파이프 요소(2) 주위의 환형 공간(7, 44)을 둘러싸는 제 1 내부 표면과, 폐기물 유입구(10)와, 고형물 배출구(11)와, 가스 배출구(12)와, 불활성 가스 유입구(45) 및 마이크로파 도파관(14)용 포트(13)를 포함하고, 폐기물 유입구와 고형물 배출구는 각각 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부와 제 2 개방 단부와 연통하며, 마이크로파 도파관용 포트는 환형 공간과 연통하고; 및 내부 파이프 요소는, 사용하는 동안 폐기물 유입구로 유입되는 물질이 내부 파이프 요소를 통해 제 1 개방 단부로부터 제 2 개방 단부로 중력에 의해 이송되도록, 제 1 개방 단부가 제 2 개방 단부보다 높은 수직 위치에 있는 상태로 배치되고; 및 가스 배출구(12)는 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부의 상류 및 하우징의 폐기물 유입구의 하류에 배치되며, 불활성 가스 유입구(45)는 사용하는 동안 불활성 가스를 환형 공간(7, 44)으로 제공하도록 배치된다.

Description

마이크로파 열분해 반응기
본 발명은 마이크로파-보조 열분해 반응기 분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐기물 처리를 위한 마이크로파 열분해 반응기, 폐기물 처리 시스템에서 이러한 마이크로파 반응기의 용도, 및 마이크로파 반응기를 포함하는 폐기물 처리 시스템에 관한 것이다.
해상, 예를 들어, 선상에서의 폐기물 처리 및 관리는 일반적으로 소각로를 사용하고, 이후의 주간 해안 상륙을 위해 식용유, 오일 슬러지, 종이, 플라스틱, 판지 및 목재 팔레트와 같은 폐기물을 수거하는 것뿐만 아니라 하수 슬러지와 음식물 쓰레기를 바다로 배출하는 것을 병행함으로써 달성된다. 결과적으로, 특히 선박 운항이 많은 지역에서는 환경상의 영향이 상당히 크다. 이는 특히 유람선과 관련하여 현저한데, 특정 항구와 해안 지역에는 연도 가스 배출뿐만 아니라 해상으로의 배출을 금지하는 수많은 법률이 있다. 후자의 금지법은 항구에 있는 선박에 적용되고, 따라서 선상 소각로의 사용을 제한한다. 대규모 폐기물 처리 시설에 대한 접근이 제한되는 시골 지역, 섬 및 유사한 장소에서, 폐기물 처리 및 관리에 관한 동일한 문제와 쟁점이 많이 발견된다.
일반적인 소각로 외에도, 열분해 시스템이 또한 폐기물 처리 시스템에 사용되어왔다. 열분해는 산소가 없는 고온에서의 유기 물질의 열화학적 분해이며, 이들 시스템에서 열분해 반응은 내부 플라즈마 아크 또는 외부 가열에 의해 달성된다. 소각로 대신 열분해 반응기를 사용하는 장점은 대기 오염 및 잔류물 배출 측면에서 환경에 미치는 영향이 낮다는 것이다. 숯 외에도, 열분해 반응기는 합성가스 및/또는 바이오 오일을 생산하는데, 이는 보일러 및/또는 가스 터빈에 연료를 공급하여 열 또는 전력으로서 에너지를 생산하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 열분해 반응기를 사용하는 공지된 폐기물 처리 시스템은 여러모로 소각로를 사용하는 시스템보다 우수하지만, 여전히 개선의 여지가 크다.
열분해 기술 분야에서 최근에 중요한 발전은 마이크로파-보조 열분해 반응기이다. 이들 반응기에서, 마이크로파는 열분해될 물질을 가열하기 위해 사용된다.
마이크로파를 이용한 열분해를 위해 마이크로파 반응기를 사용하는 폐기물 처리 시스템이 공지되어 있다. 이러한 시스템의 예는 예를 들어 US 5387321 및 US 6184427 B1에 개시되어 있다. 폐기물 처리 및 폐기물 에너지화 응용 분야에서 마이크로파-보조 열분해를 사용하는 물리적 원리, 효과 및 장점은 Lam 등의 문헌에서 검토하고 있다(Energies 2012, 5, 4209-4232).
본 발명의 목적은 폐기물 처리 시스템에서 다양한 유형의 폐기물의 마이크로파-보조 열분해에 적합한 마이크로파-보조 열분해 반응기를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명은, 간단한 구조를 갖고 열분해될 폐기물의 유형 및 크기 분포에 대해 강력하며, 열분해될 폐기물을 반응기를 통해 이동시키기 위한 복잡한 해결책에 의존하지 않는 마이크로파 반응기를 제공한다. 본 발명의 다른 목적은 종래 기술의 마이크로파-보조 열분해 반응기 및 폐기물 처리 시스템의 단점 중 적어도 일부를 해소하거나 제거하는 것이다.
본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 그리고 다음과 같이 정의된다:
제 1 양태에서, 본 발명은 내부 파이프 요소와 하우징을 포함하는 마이크로파 열분해 반응기를 제공하고, 여기서
- 내부 파이프 요소는 마이크로파 투명 물질로 제조되고 제 1 개방 단부와 제 2 개방 단부를 포함하고;
- 하우징은, 내부 파이프 요소 주위의 환형 공간을 둘러싸는 제 1 내부 표면과, 폐기물 유입구와, 고형물 배출구와, 가스 배출구와, 불활성 가스 유입구 및 마이크로파 도파관용 포트를 포함하고, 폐기물 유입구와 고형물 배출구는 각각 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부와 제 2 개방 단부와 연통하며, 마이크로파 도파관용 포트는 환형 공간과 연통하고; 및
내부 파이프 요소는, 사용하는 동안 폐기물 유입구로 유입되는 물질이 내부 파이프 요소를 통해 제 1 개방 단부로부터 제 2 개방 단부로 중력에 의해 이송되도록, 제 1 개방 단부가 제 2 개방 단부보다 높은 수직 위치에 있는 상태로 배치되고; 및
가스 배출구는 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부의 상류 및 하우징의 폐기물 유입구의 하류에 배치되며, 불활성 가스 유입구는 사용하는 동안 불활성 가스를 환형 공간으로 제공하도록 배치된다.
일 실시형태에서, 마이크로파 열분해 반응기는, 폐기물 유입구와 연통하고 열분해될 물질을 기밀 방식으로 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부에 제공하도록 배치되는 폐기물 유입구 조립체 및 고형물 배출구와 연통하고 물질이 기밀 방식으로 마이크로파 열분해 반응기를 빠져나갈 수 있도록 배치되는 고형물 배출구 조립체를 포함한다. "기밀 방식"이란 용어는, 주변 가스, 즉 공기/산소가 반응기의 내부 파이프 요소로 흡입되는 것을 방지하는 방식으로 열분해 반응기 안팎으로 물질이 전달되는 것을 의미하는 것이다.
마이크로파 열분해 반응기의 일 실시형태에서, 폐기물 유입구 조립체와 고형물 배출구 조립체 중 적어도 하나는 각각 폐기물 유입 챔버와 고형물 배출 챔버를 포함한다.
마이크로파 열분해 반응기의 일 실시형태에서, 폐기물 유입 챔버와 고형물 배출 챔버 각각은 각각의 챔버를 격리시키기 위한 제 1 밸브와 제 2 밸브를 포함한다. 제 1 및 제 2 밸브는 바람직하게 게이트 밸브이고, 더욱 바람직하게는 슬라이드 게이트 밸브(slide gate valve)이다.
마이크로파 열분해 반응기의 일 실시형태에서, 폐기물 유입 챔버와 고형물 배출 챔버 각각은 각각의 챔버의 불활성 가스 퍼지를 위한 가스 유입구와 가스 배출구를 포함한다.
일 실시형태에서, 마이크로파 열분해 반응기는 환형 공간 내의 압력을 모니터링하기 위한 압력 센서를 포함한다.
마이크로파 열분해 반응기의 일 실시형태에서, 가스 배출구는, 사용하는 동안 주위 압력 이하의 압력이 가스 배출구에 존재하거나 달성될 수 있도록, 흡입 장치를 포함하는 가스 처리 시스템에 연결될 수 있다.
마이크로파 열분해 반응기의 일 실시형태에서, 불활성 가스 유입구는, 사용하는 동안 적어도 주위 압력의 불활성 가스가 환형 공간 내에 존재하거나 존재할 수 있도록, 불활성 가스 공급원에 연결될 수 있다.
마이크로파 도파관용 포트는 마이크로파 공급원으로부터 포트로 유도된 마이크로파가 환형 공간으로 유입되도록 배치된다.
하우징의 내부 파이프 요소, 유입구 및 고형물 배출구는 내부 파이프 요소 주위의 환형 공간과 유체 연통하지 않는 유로/도관을 형성한다.
마이크로파 열분해 반응기의 일 실시형태에서, 내부 파이프 요소는 실질적으로 수직이다. 수직 내부 파이프 요소는, 내부 파이프 요소의 하부에 있는 폐기물에서 발생하는 가스/연기와 내부 파이프의 상부에 있는 폐기물과의 최적의 분배/상호작용을 제공한다.
마이크로파 열분해 반응기의 일 실시형태에서, 가스 배출구는 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부의 상류 및 하우징의 유입구의 하류에 배치된다. 본 출원에서, "상류"라는 용어는 열분해될 폐기물의 내부 파이프 요소를 통한 이동에 관한 위치를 나타낸다. 대안으로, 가스 배출구는 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부의 높이보다 높은 높이에 배치되는 것으로 정의될 수 있다.
폐기물 유입구는 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부의 상류에 배치되는 것으로 정의될 수 있고, 고형물 배출구는 내부 파이프 요소의 제 2 개방 단부의 하류에 배치되는 것으로 정의될 수 있다.
일 실시형태에서, 마이크로파 열분해 반응기는 마이크로파 도파관을 위한 다수의 포트를 포함한다.
일 실시형태에서, 마이크로파 열분해 반응기는, 사용하는 동안 포트를 통해 들어오는 마이크로파가 내부 파이프 요소에 직접적인 영향을 미치지 못하도록, 내부 파이프 요소와 마이크로파 도파관용 포트 사이에 배치되는 마이크로파 차단부를 포함한다.
마이크로파 열분해 반응기의 일 실시형태에서, 마이크로파 차단부는, 마이크로파 도파관용 포트를 향하고 바람직하게는 마이크로파 도파관용 포트와 적어도 동일한 단면적을 갖는 플레이트 요소이다. 바람직하게는, 플레이트 요소의 단면적은 포트의 단면적보다 크다.
마이크로파 열분해 반응기의 일 실시형태에서, 하우징의 폐기물 유입구는, 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 공급 파이프를 포함하는 유입부의 일부이고, 폐기물 유입구는 공급 파이프의 제 1 단부에 배치되며, 공급 파이프의 제 2 단부는 하우징 내부로 연장되고 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부를 향하고, 따라서 공급 파이프와 하우징의 제 2 내부 표면 사이에 원주 공간이 형성된다. 원주 공간은 내부 파이프 요소 주위의 환형 공간과 유체 연통하지 않는다.
마이크로파 열분해 반응기의 일 실시형태에서, 가스 배출구는 하우징의 제 2 내부 표면에, 바람직하게는 공급 파이프의 제 2 단부 위의 높이에 배치된다.
마이크로파 열분해 반응기의 일 실시형태에서, 폐기물 유입 챔버와 고형물 배출 챔버는 각각 하우징의 폐기물 유입구와 고형물 배출구에 연결된다.
제 2 양태에서, 본 발명은 제 1 양태의 임의의 실시형태에 따른 마이크로파 열분해 반응기와, 마이크로파 공급원과, 가스 처리 시스템 및 불활성 가스 공급원을 포함하는 폐기물 처리 시스템을 제공하고; 여기서
- 마이크로파 공급원은 마이크로파 도파관에 의해 포트에 연결되고;
- 가스 처리 시스템은 가스 배출구에 연결되고, 사용하는 동안 가스 배출구의 압력 또는 내부 파이프 요소 내부의 압력이 주위 압력 이하로 유지될 수 있도록 배치되는 흡입 장치를 포함하고; 및
- 불활성 가스 공급원은, 사용하는 동안 적어도 주위 압력의 불활성 가스가 환형 공간에 존재할 수 있도록, 불활성 가스 유입구에 연결된다.
일 실시형태에서, 폐기물 처리 시스템은 폐기물을 반응기의 유입구로 제공하기 위한 수단 및 반응기의 고형물 배출구를 빠져나가는 고형물을 제거하기 위한 수단을 포함한다.
폐기물 처리 시스템의 일 실시형태에서, 고형물 배출 챔버는 고형물 컨베이어를 통해 마이크로파 열분해 반응기의 고형물 배출구에 연결된다. 고형물 컨베이어는 고형물 배출구와 고형물 배출 챔버 사이에 유체 밀폐 연결을 제공한다.
제 3 양태에서, 본 발명은 마이크로파에 의한 가열에 민감한 물질의 마이크로파-보조 열분해를 위한, 제 1 양태의 임의의 실시형태에 따른 마이크로파 반응기 또는 제 2 양태에 따른 폐기물 처리 시스템의 용도를 제공한다.
제 4 양태에서, 본 발명은 마이크로파 열분해 반응기의 구조적 완전성을 모니터링하는 방법을 제공하고, 여기서 반응기는 마이크로파 투명 물질로 제조되는 내부 파이프 요소와 하우징을 포함하고; 하우징은 내부 파이프 요소 주위의 환형 공간을 둘러싸고, 내부 파이프 요소와 유체 연통하는 가스 배출구 및 환형 공간과 유체 연통하는 불활성 가스 유입구를 포함하고, 방법은:
- 내부 파이프 요소 내부에서 주위 압력 이하의 압력을 달성하기 위해 가스 배출구에 흡입을 적용하는 단계와;
- 환형 공간에서 주위 압력 또는 주위 압력 이상의 압력을 달성하기 위해 불활성 가스 유입구를 통해 불활성 가스를 환형 공간에 유입시키는 단계;
- 내부 파이프 요소 내부에서 수행되는 열분해 반응 동안 환형 공간의 압력을 모니터링하는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 방법은:
- 환형 공간의 압력을 기반으로 마이크로파 열분해 반응기의 구조적 완전성을 평가하는 단계를 포함한다.
마이크로파 열분해 반응기의 구조적 완전성을 모니터링하는 방법은 또한 마이크로파 열분해 반응기에서의 누출을 검출하는 방법으로 지칭될 수 있다. 후자의 방법은 환형 공간의 압력을 기반으로 또는 환형 공간과 내부 파이프 요소 내부의 차압을 기반으로 누출의 정도 또는 크기를 평가하는 추가 단계를 포함할 수 있다.
"폐기물"이란 용어는 마이크로파 반응기에서의 열분해에 적합한 모든 유형의 물질을 포함하기 위한 것이다.
내부 파이프 요소와 관련하여 사용되는 "수직"이라는 용어는 내부 파이프 요소의 중심선의 방향을 나타낸다.
"상류" 및 "하류"라는 용어는 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부로부터 제 2 개방 단부를 향하는 폐기물 스트림의 이동과 관련된다.
본 발명은 다음의 도면을 참조하여 상세하게 기술된다:
도 1은 본 발명에 따른 마이크로파 반응기의 수직 단면도이다.
도 2는 도 1의 마이크로파 반응기의 수평 단면도이다.
도 3은 도 1의 마이크로파 반응기의 측면도이다.
도 4는 도 1의 마이크로파 반응기의 측면 사시도이다.
도 5는 도 1의 마이크로파 반응기를 포함하는 폐기물 처리 시스템의 사시도이다.
본 발명에 따른 마이크로파 반응기의 일 실시형태가 도 1 내지 도 4에 도시되어 있다. 반응기는 마이크로파에 투명한 물질로 제조되는 내부 파이프 요소(2)를 포함한다. 파이프 요소는 상단부(5)(즉, 제 1 개방 단부)와 하단부(6)(즉, 제 2 개방 단부)를 갖는다. 외부 파이프 요소(3)(즉, 마이크로파 분배 요소)는 내부 파이프 요소와 외부 파이프 요소 사이의 제 1 환형 공간(7)을 한정하면서, 내부 파이프 요소(2) 주위에 배치되고 이와 동심이다. 반응기의 하우징(4), 특히 하우징의 제 1 내부 표면은 외부 파이프 요소 주위의 제 2 환형 공간(44)을 둘러싸며, 제 2 환형 공간을 마이크로파 도파관에 연결하기 위한 포트(13)를 포함한다. 도파관은 마그네트론(magnetron) 또는 고체상 발생기와 같은 적절한 마이크로파 공급원으로부터 마이크로파를 전달하기 위한 것이다. 포트(13)는 마이크로파에 투명한 물질로 제조되는 창(도시되지 않음)을 포함한다. 창은 마이크로파는 하우징에 들어갈 수 있게 하면서, 가스는 제 1 및 제 2 환형 공간을 빠져나가지 못하게 한다. 하우징(4)은 유입구(10)와, 고형물 배출구(11)와, 가스 배출구(12) 및 불활성 가스 유입구(45)를 포함한다. 하우징의 유입구와 고형물 배출구는 각각 내부 파이프 요소의 상단부 및 하단부와 연통하도록 배치된다. 가스 배출구(12)는, 열분해 공정에서 발생하는 가스가 반응기를 탈출하거나 빠져나갈 수 있도록, 내부 파이프의 상단부 위에 배치된다. 불활성 가스 유입구(45)는 불활성 가스(일반적으로는 질소이지만, 이산화탄소, 아르곤, 연도 가스 등과 같은 임의의 다른 적절한 불활성 가스일 수도 있음)를 제 1 및 제 2 환형 공간, 즉 하우징의 제 1 내부 표면과 내부 파이프 요소 사이의 환형 공간에 제공하도록 배치된다. 하우징의 고형물 유입구(10)는 제 1 단부(16)와 제 2 단부(17)를 갖는 공급 파이프(15)를 포함하는 유입부의 일부이고, 고형물 유입구는 공급 파이프의 제 1 단부(16)에 배치되며, 공급 파이프의 제 2 단부(17)는 하우징 내부로 연장되고 내부 파이프 요소의 상단부(5)를 향한다. 원주 공간(18)은 공급 파이프와 하우징(즉, 하우징의 제 2 내부 표면) 사이에 형성된다. 가스상 생성물의 흐름 방향으로 인해, 고형 폐기물이 가스 배출구(12)를 향해 이동하는 것을 방지하거나 최소화하기 위해, 가스 배출구는 공급 파이프의 제 2 단부(17) 위의 높이에서 하우징의 제 2 내부 표면에 배치된다.
내부 파이프 요소(2)는 하우징의 유입구와 고형물 배출구와 함께, 내부 파이프 요소 주위의 환형 공간(7, 44)과 유체 연통하지 않는 유로/도관(37)의 일부이다.
외부 파이프 요소의 벽은 나선형 구성(즉, 나선형 슬롯 배열)으로 배치되는 다수의 슬롯(8)(즉, 개구)을 포함한다. 사용하는 동안, 포트(13)를 통해 반응기로 들어가는 마이크로파는 슬롯을 통해 내부 파이프 요소와 외부 파이프 요소 사이의 제 1 환형 공간(7)으로 진입할 것이다. 외부 파이프 요소의 효과는, 내부 파이프 요소 내부의 폐기물에 영향을 주는 마이크로파의 보다 균일한 분포를 제공하는 것이다. 이는 결국 물질의 보다 균일한 가열을 제공한다.
유리한 효과를 제공하지만, 마이크로파 분배 요소(즉, 내부 파이프 요소(2))는 반응기의 기능성에 필수적이지 않다는 점에 주목해야 한다. 이러한 마이크로파 분배 요소를 포함하지 않는 반응기의 실시형태에서, 하우징은 내부 파이프 요소와 하우징(즉, 하우징의 내부 표면) 사이에 하나의 환형 공간을 한정한다. 이하에서, 결합된 제 1 및 제 2 환형 공간은 일반적으로 환형 공간으로 지칭된다.
사용시, 마이크로파 반응기는, 하우징의 유입구(10)와 내부 파이프 요소의 상단부(5)가 하우징의 고형물 배출구(11)와 내부 파이프 요소의 하단부 위의 높이에 배치된 상태에서 수직 방향으로 내부 파이프 요소와 함께 배치된다. 이는 열분해될 폐기물이 단순히 중력에 의해 반응기를 통과하는 특징을 포함하는 몇 가지 장점을 제공한다. 또한, 열분해 동안, 내부 파이프 요소의 하부/하부 높이에 형성된 가스상 또는 휘발성 생성물(주로 탄화수소 가스/증기)은 내부 파이프 요소를 통해 상승하고, 내부 파이프의 높은 높이에 위치한 폐기물과 상호작용할 것이다. 가스상 생성물은 일반적으로 하우징의 유입구에 더 가까운 폐기물보다 훨씬 높은 마이크로파 흡수 능력을 가지며, 결과적인 효과는 따라서 상기 폐기물에서의 마이크로파 흡수가 증가되는 것이다. 후자의 효과는 폐기물의 보다 효과적인 열분해를 제공하기 때문에 매우 유리하다. 이러한 효과는, 효과적인 열분해를 얻기 위해 숯과 같은 마이크로파 흡수 첨가제의 첨가가 필요할 수도 있는 물질의 효과적인 열분해를 제공할 수도 있다.
상기한 바와 같이, 이 특정 실시형태에서, 마이크로파 분배 요소의 슬롯은 나선형 구성으로 배치된다. 그러나, 마이크로파 분배에 대한 유용하거나 적절한 균질화 효과는 다른 슬롯 구성에 의해 달성될 수 있다. 슬롯이 원형, 타원 및 다각형과 같은 다양한 단면적을 갖는 개구로 대체되는 다른 실시형태가 또한 예상된다. 필요조건은 개구부가 제 2 환형 공간으로부터 제 1 환형 공간으로 마이크로파의 통과를 허용하도록 치수가 정해져야 한다는 것이다. 또한, 개구는 바람직하게, 개구가 외부 파이프 요소의 정반대 면에 완전히 중첩되지 않도록 배치된다. 이러한 중첩을 피함으로써, 대부분의 마이크로파는 내부 파이프 요소의 길이 방향으로 제 1 환형 공간 내에서 반사되고 분배된다.
마이크로파 열분해 반응기는 다수의 온도 센서(42)와 압력 센서(43)를 포함한다. 센서는 반응기 내의 온도 조건뿐만 아니라, 가스 배출구(12)(또는 원주 공간(18))의 압력 및 제 1 환형 공간(7)과 제 2 환형 공간(44)의 압력(즉, 내부 파이프 요소와 하우징의 제 1 내부 표면 사이의 환형 공간의 압력)을 모니터링한다. 예를 들어, 아래에서 기술하는 폐기물 처리 시스템에서 사용될 때, 다양한 센서는 적절한 제어 및 모니터링 시스템(도시되지 않음)에 연결된다.
상기한 바와 같은 마이크로파 반응기(1)를 포함하는 예시적인 폐기물 처리 시스템의 주요 장치가 도 5에 도시되어 있다. 마이크로파 반응기 외에도, 시스템은 폐기물 용기(19)와, 폐기물 유입 챔버(20)와, 고형물 컨베이어(21) 및 고형물 배출 챔버(22)를 포함한다. 폐기물 용기는 폐기물 배출구(33)를 포함하고, 폐기물을 폐기물 유입 챔버의 유입구(24)로 제공하도록 배치되는 스크류 컨베이어(23)(스크류는 도시되지 않음)를 구비한다. 폐기물 유입 챔버는 상부 밸브(25)(즉, 유입 밸브)와 하부 밸브(26)(즉, 배출 밸브)를 포함한다. 상부 및 하부 밸브 모두는 게이트 밸브이지만, 다른 적절한 유형의 밸브가 사용될 수 있다. 열분해 공정 동안, 내부 파이프 요소의 내부 공간은 주위 압력 이하로 유지된다(아래 설명 참조). 밸브는, 폐기물을 공급하는 동안 공기/산소가 반응기 내로(즉, 내부 파이프 요소(2) 내로) 흡입되지 못하도록, 폐기물 유입 챔버를 격리시킬 수 있다. 이러한 특정 실시형태에서, 폐기물이 마이크로파 반응기(1)로 들어가기 전에 질소(즉, 불활성 가스)를 사용하여 폐기물에서 산소를 퍼지할 수 있다. 질소는 가스 유입구(27)를 통해 공급되고 가스 배출구(28)를 통해 배출된다. 그러나, 질소 퍼지가 유리할 수 있지만, 격리된 폐기물 유입 챔버 내에 존재하는 산소의 양이 적기 때문에 필요조건은 아니다. 고형물 컨베이어(21)는 마이크로파 반응기의 고형물 배출구에 연결되고, 밀폐된 내부 스크류 컨베이어(34)(도시되지 않음)를 포함한다. 스크류 컨베이어는 마이크로파 반응기를 빠져나가는 고형물을 고형물 배출 챔버(22)로 이동시키도록 배치된다. 고형물 컨베이어에서 고형물을 이동시키기 위한, 벨트와 같은 다른 수단이 또한 사용될 수 있다. 고형물 컨베이어는, 마이크로 웨이브 반응기를 빠져나가는 고형물이 고형물 배출 챔버에 도달하기 전에 충분히 냉각될 수 있도록 치수가 정해진다(즉, 길이 및/또는 원주를 갖는다). 고형물 컨베이어는 고형물 배출구(11)를 빠져나가는 고형물의 냉각을 개선하기 위한 열교환 시스템을 포함할 수 있을 것으로 예상된다. 고형물의 냉각을 개선하는 것 외에도, 이러한 열교환 시스템은 물을 예열하는 것과 같이 다양한 보조 시스템에서 열을 활용하도록 이용될 수 있다.
고형물 컨베이어는 고형물 배출구(11)로부터 고형물 배출 챔버(22)로 이동 중인 고형물의 온도를 모니터링하기 위한 온도 센서를 포함한다. 고형물 배출 챔버(22)는 상부 밸브(29)(즉, 유입 밸브)와 하부 밸브(30)(즉, 배출 밸브)를 포함한다. 밸브는, 산소 또는 공기가 고형물 컨베이어(및 결과적으로 마이크로파 반응기의 내부 파이프 요소)로 흡입되지 못하도록, 고형물 배출 챔버를 격리시킬 수 있다. 폐기물 유입 챔버와 유사하게, 가스 유입구(31)와 가스 배출구(32)(도시되지 않음)를 통해 질소를 사용하여 고형물 배출 챔버 내의 모든 산소를 퍼지할 수 있지만, 이는 필요조건은 아니다. 고형물 배출 챔버의 고형물 배출구(35)는 일반적으로 고형물의 임시 저장을 위해 고형물 용기(36)(도시되지 않음)에 연결된다.
다른 실시형태에서, 유입 챔버와 배출 챔버는 다른 위치에 배치될 수 있는데, 예를 들어, 폐기물을 공급하는 단계와 고형물을 비우는 단계를 포함하는 전체 열분해 공정 동안 산소 또는 공기가 내부 파이프 요소(2) 및 유로/도관(37)으로 흡입되는 것을 유입 챔버와 배출 챔버가 방지할 수 있다면, 배출 챔버는 고형물 컨베이어의 상류에 배치되고, 유입 챔버는 폐기물 용기 등의 상류에 배치될 수 있다. 격리 가능하고/기밀한 유입구/배출구 조립체를 제공하기 위한 가장 효과적이고 내구성 있는 해결책을 제공하는 것으로 여겨지지만, 기술된 유입/배출 챔버는 대안으로, 내부 파이프 요소의 주위 압력 이하의 압력로 인해 공기가 흡입되지 않게 하면서 폐기물을 반응기 안으로 공급(또는 고형물을 반응기 밖으로 배출)할 수 있는 임의의 적절한 유입구/배출구 조립체로 대체될 수 있다. 이러한 대안적인 조립체는 예를 들어 CN103923673A 및 WO 2013/077748A1에 개시되어 있으며, 본원에 참고로 포함된다.
마이크로파 열분해 반응기의 가스 배출구(12)는 반응기 내에 형성된 가스상 생성물의 처리 및/또는 저장을 위한 가스 처리 시스템(47)에 연결된다. 가스 처리 시스템은 적어도 흡입 장치(48)(즉, 가스 팬/압축기/펌프)를 포함한다. 흡입 장치(48)는 가스 배출구(12)에 주위 압력 이하의 압력을 제공한다. 따라서, 내부 파이프 요소의 대부분 또는 모든 내부 공간뿐만 아니라, 내부 파이프 요소와 직접 유체 연통하는 반응기의 내부 공간이 또한 사용하는 동안 주위 압력 이하의 압력으로 유지된다. 주위 압력 이하의 압력은 가스상 생성물을 마이크로파 반응기 밖으로 매우 효율적으로 이동시킨다. 가스 배출구(12)의 압력은 예를 들어 주위 압력보다 약 5 내지 15 mbar 낮게 유지될 수 있다. 상황에 따라, 내부 파이프 요소의 최하부의 압력은, 가스상 생성물이 형성되고 이들 생성물이 가스 배출구(12)를 향할 때 발생하는 유동 저항이 증가하기 때문에, 주위 압력 이상의 압력에 도달할 수 있다는 점에 주목해야 한다. 그러나, 이는 아래에서 논의하는 반응기와 시스템의 장점에는 영향을 미치지 않는다.
흡입 장치(48)가 제공하는 주위 압력 이하의 압력으로 인해, 압력 센서(43)를 사용하여 환형 공간 내의 압력을 모니터링함으로써 내부 파이프 요소(2)의 기계적/구조적 완전성의 손실 또는 내부 파이프의 내부 공간을 주변 환경(즉, 환형 공간 7, 44)으로부터 분리하는 밀봉 요소의 손실을 용이하게 검출할 수 있다. 기계적/구조적 완전성의 손실은 예를 들어 내부 파이프 요소의 균열 또는 불완전한 밀봉으로 인한 것일 수 있다. 압력 센서(43)는 제어 시스템과 통신하여, 더 이상의 손상이 발생할 수 있기 전에 폐기물 처리 시스템이 정지되도록 한다. 반응기 내로 흡입된 공기/산소가 가스상 생성물과 폭발 반응을 일으킬 수 있기 때문에, 기계적 완전성의 손실을 효율적으로 검출하고 열분해 공정을 정지시키는 능력은 중요하다.
기계적/구조적 완전성의 손실 동안 공기/산소가 가스상 생성물과 혼합될 나머지 위험을 제거하기 위해, 환형 공간은 불활성 가스 유입구(45)를 통해 불활성 가스 공급원(46)으로부터 불활성 가스로 채워진다. 환형 공간 내의 불활성 가스(일반적으로는 질소이지만, 임의의 적절한 유형의 불활성 가스가 사용될 수 있음)는 최소 주위 압력(또는 그 이상)으로 유지되고, 이 압력은 압력 센서(43)에 의해 모니터링된다. 불활성 가스의 압력은 예를 들어 주위 압력보다 약 5 내지 15 mbar 높게 유지될 수 있다. 환형 공간의 압력과 가스 배출구(12)의 압력의 ΔP는 예를 들어 10 내지 30 mbar의 범위일 수 있다. 상기한 바와 같이 기계적 완전성이 손실되면, 불활성 가스만이 내부 파이프 요소 또는 유로/도관(37)으로 흡입될 것이다. 불활성 가스 공급원(46)은 열분해 공정이 안전하게 중단될 때까지 환상 공간에 불활성 가스를 제공할 것이다.
가스 처리 시스템(47)은, 흡입 장치(48) 외에도, 가스상 생성물의 적어도 일부를 응축물과 가스로 응축/분리하기 위한 임의의 적절한 장치 또는 시스템, 가스 및 응축물 저장 시스템, 가스 구동 발전기 또는 오일로(oil furnace)와 같은, 열 및/또는 전력을 생성하기 위한 시스템을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 불활성 가스 공급원(46)은, 연도 가스가 불활성 가스로서 사용될 수 있도록, 열 및/또는 전력을 생성하기 위한 시스템 중 하나에 연결될 수 있다.
사용시, 폐기물은 먼저 폐기물 용기(19)에 제공된다. 폐기물 용기는, 예를 들어, 폐기물을 유입시키기에 이를 적절한 형태로 반응기에 제공하기 위한 파쇄기, 펠렛타이저(pelletizer) 및/또는 폐기물 저장 호퍼에 연결되거나 그 일부를 구성할 수 있다. 공급 과정에서, 폐기물, 바람직하게는 펠렛화된 폐기물은 폐기물 용기의 배출구(33)로 이송되고, 폐기물 유입 챔버의 상부 밸브(25)는 개방되며, 폐기물은 폐기물 유입 챔버로 유입된다. 유입 이후, 상부 밸브는 닫히고, 폐기물 유입 챔버는 가스 유입구(27)와 가스 배출구(28)를 통해 질소(또는 임의의 적절한 불활성 가스)로 퍼지된다. 퍼지 이후, 하부 밸브는 개방되고, 폐기물은 중력으로 인해 상부 유입구(10)를 통해 마이크로파 반응기로 유입될 수 있다. 하부 밸브는 닫히고, 폐기물은, 마이크로파 공급원을 포트(13)에 연결하는 마이크로파 도파관으로부터의 마이크로파에 의해 열분해된다.
반응기 내에 배치된 레벨 센서는 내부 파이프 요소 내의 물질이 적당히 낮은 높이에 도달할 때를 검출하고, 새로운 분량의 폐기물을 반응기에 제공하도록 상기 공급 과정은 반복된다. 초기에, 내부 파이프 요소 내의 폐기물은 내부 파이프 요소 전체에 걸쳐 동일한 수준의 열분해에 있지만, 반복된 분량의 유입 물질과 함께 일정 시간이 지나면, 고형물 배출구(11)에 가장 가까운 물질은 완전히 열분해되고, 즉 대부분 숯이지만, 유입구(10)에 가장 가까운 물질은 그렇지 않다.
포트(13)를 통해 마이크로파 반응기로 들어갈 때, 마이크로파는 슬롯(8)을 통해 환형 공간(7)과 내부 파이프 요소로 들어가고 내부 파이프 요소(2) 내부에서 분배된다. 열분해 동안, 폐기물은 주로 고형물과 가스상 물질로 변환되고, 이때 고형물은 주로 숯으로 구성되고, 가스상 물질은 주로 탄화수소 가스/증기로 구성된다. 일반적으로, 열분해는 300 내지 600℃의 온도 범위 내에서 수행된다. 탄화수소 가스/증기는 가스 배출구(12)를 통해 반응기를 빠져나갈 수 있다. 폐기물의 적어도 하부 부분, 즉 반응기의 고형물 배출구(11)에 가장 가까운 부분의 열분해가 완료되면, 고형물 컨베이어(21)는 고형물을 고형물 배출 챔버(22) 쪽으로 이동시킨다. 수직 방향으로 배치되는 내부 파이프 요소를 갖는 장점은, 공정 중에 발생하는 모든 탄화수소 가스/증기가, 가스가 발생하는 위치와 가스 배출구 사이에 있는 폐기물을 통과한다는 것이다. 이 특징은 위에서 논의한 바와 같이 폐기물의 증가된 마이크로파 흡수를 제공한다.
고형물 배출구가 가득 차면, 고형물이 고형물 배출 챔버를 빠져나갈 수 있도록, 상부 밸브(29)는 닫히고 하부 밸브는 개방된다. 고형물이 배출된 후, 하부 밸브(30)는 닫히고, 고형물 배출 챔버는 산소가 퍼지되며, 상부 밸브(29)는 개방되어 새로운 분량의 고형물을 수용한다. 일반적으로, 고형물 배출 챔버는 고형물의 중간 저장을 위해 고형물 용기에 연결된다.
폐기물 유입 챔버와 고형물 배출 챔버는 모두 챔버로부터 가스/공기를 배출하기 위한 장치, 예를 들어 흡입 장치에 연결된 가스 밸브를 선택적으로 포함할 수 있다. 질소 퍼지를 챔버의 사전 배출과 결합함으로써, 질소 가스의 필요한 양을 줄일 수 있다.
내부 파이프 요소(2)에서 사용하기에 적합한 마이크로파 투명 물질은 붕규산염 또는 석영과 같은 유리 물질뿐만 아니라 질화붕소계 세라믹과 같은 유전 손실이 낮은 다양한 세라믹을 포함한다.
열분해될 물질을 가열하기 위한 마이크로파의 사용은, 상기 물질이 바람직하게 일정한 고유 특성, 즉 전기 쌍극자 및 12 cm 내지 32 cm의 파장(λ) 에서 마이크로파를 흡수하는 높은 능력을 가져야 한다는 것을 수반한다. 많은 경우, 폐기물은 매우 불균질할 수 있고, 효과적인 마이크로파 가열을 위해 모두가 필요한 특성을 갖지는 않을 것이다. 후자의 경우, 위에서 논의한 바와 같은 수직 내부 파이프 요소를 갖는 유리한 효과에도 불구하고, 마이크로파 반응기에 유입시키기 전에 폐기물을 보조 물질과 혼합하는 것이 필요하거나 유리할 수 있다. 이러한 보조 물질은 예를 들어 마이크로파 반응기 내에서 미리 생성되는 숯일 수 있다. 그러나, 이러한 보조 물질이 필요하더라도, 수직 내부 파이프 요소와 이의 유리한 효과는 이러한 물질의 양을 최소화할 것이다.
개시된 마이크로파 열분해 반응기는 주로 폐기물 처리에서의 용도로 기술되며, 수득된 생성물, 예를 들어 숯, 기름 및 타르는 열분해 공정의 주요 목표가 아니다. 그러나, 수득된 생성물뿐만 아니라 공정에서 생성된 열 에너지는 가치가 크며, 수득된 생성물 및/또는 생성된 열 에너지가 주요 목표인 공정에서 상기 반응기와 폐기물 처리 시스템이 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 공정은 예를 들어 목재 원료의 열분해에 의한 바이오 연료의 생산, 에너지 생산 등일 수 있다. 따라서 폐기물 처리 시스템이라는 용어는 또한 바이오 연료 및 발전소와 같은 시스템을 포함하기 위한 것이다.

Claims (12)

  1. 내부 파이프 요소(2)와 하우징(4)을 포함하는 마이크로파 열분해 반응기로서,
    - 내부 파이프 요소(2)는 마이크로파 투명 물질로 제조되고 제 1 개방 단부(5)와 제 2 개방 단부(6)를 포함하고;
    - 하우징은(4), 내부 파이프 요소(2) 주위의 환형 공간(7, 44)을 둘러싸는 제 1 내부 표면과, 폐기물 유입구(10)와, 고형물 배출구(11)와, 가스 배출구(12)와, 불활성 가스 유입구(45) 및 마이크로파 도파관(14)용 포트(13)를 포함하고, 폐기물 유입구와 고형물 배출구는 각각 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부와 제 2 개방 단부와 연통하며, 마이크로파 도파관용 포트는 환형 공간과 연통하고; 및
    내부 파이프 요소는, 사용하는 동안 폐기물 유입구로 유입되는 물질이 내부 파이프 요소를 통해 제 1 개방 단부로부터 제 2 개방 단부로 중력에 의해 이송되도록, 제 1 개방 단부가 제 2 개방 단부보다 높은 수직 위치에 있는 상태로 배치되고; 및
    가스 배출구(12)는 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부의 상류 및 하우징의 폐기물 유입구의 하류에 배치되며, 불활성 가스 유입구(45)는 사용하는 동안 불활성 가스를 환형 공간(7, 44)으로 제공하도록 배치되고,
    내부 파이프 요소(2)는 폐기물 유입구(10)와 고형물 배출구(11)와 함께, 내부 파이프 요소(2) 주위의 환형 공간(7, 44)과 유체 연통하지 않는 도관(37)의 일부이며,
    환형 공간(7, 44) 내의 압력을 모니터링하기 위한 압력 센서(43)를 포함하는 마이크로파 열분해 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    폐기물 유입구(10)와 연통하고 열분해될 물질을 기밀 방식으로 내부 파이프 요소의 제 1 개방 단부에 제공하도록 배치되는 폐기물 유입구 조립체(20) 및 고형물 배출구(11)와 연통하고 물질이 기밀 방식으로 마이크로파 열분해 반응기를 빠져나갈 수 있도록 배치되는 고형물 배출구 조립체(22)를 포함하는 마이크로파 열분해 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    폐기물 유입구 조립체와 고형물 배출구 조립체 중 적어도 하나는 각각 폐기물 유입 챔버(20)와 고형물 배출 챔버(22)를 포함하는, 마이크로파 열분해 반응기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    폐기물 유입 챔버와 고형물 배출 챔버 각각은 각각의 챔버를 격리시키기 위한 제 1 밸브(25,29)와 제 2 밸브(26,30)를 포함하는, 마이크로파 열분해 반응기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    폐기물 유입 챔버와 고형물 배출 챔버 각각은 각각의 챔버의 불활성 가스 퍼지를 위한 가스 유입구(27)와 가스 배출구(28)를 포함하는, 마이크로파 열분해 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    가스 배출구(12)는, 사용하는 동안 주위 압력 이하의 압력이 가스 배출구에 존재할 수 있도록, 흡입 장치(48)를 포함하는 가스 처리 시스템(47)에 연결될 수 있는, 마이크로파 열분해 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    불활성 가스 유입구(45)는, 사용하는 동안 적어도 주위 압력의 불활성 가스가 환형 공간(7, 44)에 존재할 수 있도록, 불활성 가스 공급원(46)에 연결될 수 있는, 마이크로파 열분해 반응기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 마이크로파 열분해 반응기와, 마이크로파 공급원(49)과, 가스 처리 시스템(47) 및 불활성 가스 공급원(46)을 포함하는 폐기물 처리 시스템으로서;
    - 마이크로파 공급원(49)은 마이크로파 도파관(14)에 의해 포트(13)에 연결되고;
    - 가스 처리 시스템(47)은 가스 배출구(12)에 연결되고, 사용하는 동안 가스 배출구(12)의 압력이 주위 압력 이하로 유지될 수 있도록 배치되는 흡입 장치(48)를 포함하고; 및
    - 불활성 가스 공급원(46)은, 사용하는 동안 적어도 주위 압력의 불활성 가스가 환형 공간(7, 44)에 존재할 수 있도록, 불활성 가스 유입구(45)에 연결되는, 폐기물 처리 시스템.
  9. 마이크로파 열분해 반응기의 구조적 완전성을 모니터링하는 방법으로서, 반응기는 마이크로파 투명 물질로 제조되는 내부 파이프 요소(2)와 하우징(4)을 포함하고; 하우징은 내부 파이프 요소(2) 주위의 환형 공간(7, 44)을 둘러싸고, 내부 파이프 요소와 유체 연통하는 가스 배출구(12) 및 환형 공간과 유체 연통하는 불활성 가스 유입구(45)를 포함하고, 방법은:
    - 내부 파이프 요소(2) 내부에서 주위 압력 이하의 압력을 달성하기 위해 가스 배출구(12)에 흡입을 적용하는 단계와;
    - 환형 공간에서 주위 압력 또는 주위 압력 이상의 압력을 달성하기 위해 불활성 가스 유입구(45)를 통해 불활성 가스를 환형 공간에 유입시키는 단계;
    - 내부 파이프 요소 내부에서의 열분해 반응 동안 환형 공간의 압력을 모니터링하는 단계를 포함하는 방법.

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