KR19980082082A - 유기 폐수의 증발 축열소각 시스템 - Google Patents

유기 폐수의 증발 축열소각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유기폐수를 경제적으로 소각하는 축열식 소각로에 관한 것이다. 종래의 방법인 유기폐수를 액상소각하는 방법에 비해 축열식 소각로의 열회수 효과를 이용하여 운전비를 최고 80%까지 절감할 수 있으며 투자비도 저렴하다. 일반 소각로의 경우 폐수를 직접 소각로에 분사한 후 소각로 내에서 증발, 예열 및 연소시키는 반면, 본 발명은 유기 폐수를 증발시켜 기상으로 공기와 혼합하여 축열식 소각로에 투입하는 방법으로 소각로에 투입하기 전에 증발에 필요한 열만 외부에서 공급되고 소각로는 무연료 운전되며, 잉여발생열 및 배기가스의 모든 현열은 95% 회수하여 유입폐수 증발 및 예열에 사용하는 아주 경제적인 공정이다.

Description

유기 폐수의 증발 축열소각 시스템
본 발명의 목적은 간단한 방법으로 대단히 경제적으로 유기폐수 및 휘발성유기화합물을 소각할 수 있는 신규 방법 및 이 방법을 실시하는 공정에 관한 것이다.
탄화수소화합물을 총칭하는 휘발성유기화합물은 화학공장, 폐수처리장, 자동차 공장 등의 도장작업시 발생하는 악취가 심하게 나는 물질로서, 오존 등 광화학스모그 원인물질일 뿐만 아니라 발암성을 나타내는 유해물질이며, 지구온난화와 성층권 오존층 파괴의 원인물질이자 대기중 악취물질로서 환경 및 건강에 나쁜 영향을 초래하는 등 다양한 형태로 대기에 영향을 미친다. 현재 알려진 휘발성유기화합물 처리기술에는 소각법, 흡착제거법, 흡수법, 냉각응축법, 생물학적 처리 및 분리막 기술 등이 있으며 이중 축열식 소각로가 많이 이용되고 있다.
축열식 소각로(Regeneration Thermal Oxidizer)란 기존의 직화식 간접열교환 열소각방식(일반소각로 방식) 대신 휘발성유기화합물을 함유한 폐가스를 소각한 후, 소각할 때 발생되는 열을 표면적이 넓고 반영구적으로 사용할 수 있는 세라믹(Ceramic) 충전재를 통해서 회수하여 소각로의 운전비용을 획기적으로 줄일 수 있는 설비로서 소각로 운전에 드는 비용이 작고, 설치 면적을 최소화 할 수 있다. 또한 축열식소각로의 처리 효율은 99% 이상으로 매우 높으며 2차 오염 요인이 작을 뿐 아니라 폐가스중에 VOC의 농도가 300vppm이상이면 자체의 연소열로 인하여 소각시 보조연료가 필요 없게 된다.
화학공장, 폐수처리장, 자동차 공장 등의 도장작업장에서는 휘발성유기화합물 가스뿐만 아니라 유기물을 함유한 폐수가 다량 발생하고 있으며, 이 유기 폐수중 유기물 부하가 낮은 경우에는 (COD 5,000ppm 이하)활성오니 처리로 정화하고 있으나, 고농도의 경우(COD 10,000ppm 이상) 활성오니 처리가 어려울 뿐만 아니라 비경제적이어서 소각처리하고 있다. 일반 소각로를 이용한 폐수소각은 유기물(VOC포함)을 함유한 폐수를 소각로에 투입 소각로에서 950℃ 까지 가열하여 폐수중에 포함된 유기물을 연소시켜 공기중에 배출시키고 있다. 배출되는 도중에 열교환기를 거쳐 에너지를 회수하기도 하지만, 열회수율이 낮아 소각로를 운전하는데 비용이 과다하게 들고 있다. 따라서 이런 설비를 설치하여 가동중인 기업은 공해처리 비용증가에 따른 제조원가 상승으로 국제 경쟁력이 약화되고 있어서 이를 개선하기 위하여 에너지 저소비형 휘발성유기화합물 및 폐수소각 처리 설비기술을 필요로 하였다.
축열식 소각로를 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다. 축열식 소각로는 배기가스의 폐열을 최대한 회수하여 흡입가스 예열에 이용하는 것으로 이 폐열회수를 극대화하기 위해 열교환기를 사용하지 않고, 세라믹을 직접가열 및 냉각하여 재생하는 방법이다. 가스열교환에 튜브형(Shell Tube type) 또는 판형(Plate type) 일반 열교환기를 사용하는 경우 공기의 열교환기 입구와 출구가스 온도차가 100℃∼200℃정도이며, 사용온도범위가 제한적이지만, 세라믹의 경우 최고 사용온도가 950℃로 매우 높고 재생시 온도차를 20℃내외로 관리할 수 있어서 열 회수율이 98%정도이다. 운전초기 소각로 내의 세라믹(1 및 2)의 상부층에 위치한 퍼니스의 온도가 소각로 운전온도가 되게 가열한 후, 처리전 가스를 도1과 같이 투입한다. 가스의 온도는 세라믹(1)을 통과하면서 그 온도가 소각로 온도까지 예열되어 가스에 포함된 유기가스는 산화되기 시작하여 적정한 체류시간을 갖고 상부 퍼니스를 통과하면서 모든 유기물은 약800℃에서 산화된다. 처리된 고온의 가스는 세라믹(2)를 통과하여, 세라믹(2)에서 거의 모든 열을 배출하며 세라믹(1)은 입구 온도보다 10 - 30℃ 높은 온도까지 냉각된다. 일정시간 경과하여 세라믹(1)이 흡입가스 예열로 냉각되고, 세라믹(2)이 배출가스에 의해 가열되면 가스투입유로를 도 2와 같이 절환한다. 일정시간(약 1.5-3분)간격으로 상기 도 1과 도 2의 절환운전을 반복함으로서 가스 소각에 필요한 에너지를 최소화한다. 도 1과 2와같은 축열식 소각로를 2베드형 소각로라 불리며, 이 2베드형의 축열식 소각로는 경제적인 시스템이나, 밸브 절환시마다 축열식 소각로의 세라믹에 존재하는 미 처리가스와 축열식 소각로의 퍼니스(Furnace)를 우회통과(by-pass)한 미처리 가스가 절환시 일시에 배출되는 단점이 있으며, 미처리 가스 배출로 인하여 전체 유기물 제거효율은 95%내외이다.
미처리 가스를 처리하는 방법으로 3베드형 축열식 소각로를 사용하거나 가스버퍼를 사용하는 방법이 있으며, 버퍼를 사용하는 경우의 공정도는 도 3과 같다. 버퍼를 사용하는 공정 장치는 축열식소각로, 버퍼베셀 및 송풍기(Blower)로 구성된다. 버퍼를 사용하는 방법의 순방향 운전은 다음과 같다. 공정에서 나오는 가스는 정화되지 않은 가스로서 먼저 밸브(5)가 열린상태에서 2베드형 축열식 산화기의 왼쪽 세라믹층(3)으로 투입된다. 유입된 가스는 상온으로 축열세라믹에 의해 산화온도인 800℃까지 가열된다. 이 과정에서 공기에 포함된 유기물이 산화된다. 산화후의 가스는 예열된 온도보다 약30℃정도 상승하여 830℃정도 된다. 이 온도의 가스는 오른쪽 세라믹층(4)을 지나면서 냉각되고, 대부분의 열은 세라믹층(4)에 전달되어 세라믹의 온도가 상승된다. 냉각된 가스는 밸브(8)를 통하여 송풍기(13)를 통과한 후 밸브(10)을 통과한 후 대기로 방출된다. 이 운전시 밸브(5) 및 밸브(8)은 열려있고, 밸브(6) 및 밸브(7)은 닫혀있다. 가스절환버퍼 아래의 밸브 9는 닫혀있어야 한다. 이 운전을 순방향운전이라 하며 이 순방향운전을 약 2분간 지속한 후 세라믹층(1)의 세라믹이 가스의 예열에 따라 냉각된다. 세라믹층(4)은 가열된 가스의 온도를 흡수하게 되어 세라믹이 가열되므로 가스 투입 유도를 하기 시작한다. 순방향 운전조건과 동일하며 공기 투입방향만 오른쪽 세라믹층(4)으로 변경하여 운전하는 것을 역방향운전이라 한다.
가스 투입 유로변경 및 미반응가스의 버퍼 포집은 다음과 같이 한다. 가스투입 유로변경이란 세라믹층(3)으로의 투입 가스를 세라믹층(4)로 투입하는 것이다. 유로 변경은 밸브(6)을 열어서 미처리된 공정가스가 세라믹층(4)으로 유입하도록 하고, 세라믹층(3)에 유입되는 밸브(5)는 닫는다. 여기서 밸브(5)와 밸브(8)은 닫고, 밸브(6)과 밸브(7)은 열게 된다. 이때 세라믹층과 세라믹층 하단의 파이프에 존재하는 처리전 공기는 공기유로 변경에 의해 밀려나와 밸브(7)를 거처서 송풍기를 통한 후 밸브(10)을 거처서 대기로 직접 방출된다. 이를 방지하기 위하여 가스절환버퍼를 작동하여 버퍼방향 밸브(9)를 열고, 굴뚝으로 배출되는 파이프의 밸브(10)를 닫는다. 이때 축열식산화기를 우회통과한 미처리가스 및 절환후 세라믹층에서 밀려나오는 미처리가스는 밸브(9)를 통해서 버퍼에 포집된다. 이때 버퍼상부의 정화된 공기가 굴뚝으로 직접 방출되어 미처리 가스를 배출하는 것을 방지한다. 절환기간 후에 축열식산화기 후단 가스유로는 버퍼를 우회 통과한 대기방출 파이프로 복귀되며 버퍼로 들어가는 밸브(9)는 닫혀진다. 가스 버퍼 내부는 유입 가스의 혼합이 최소화 될 수 있도록 내부 격막이 설치되어 있다. 버퍼로 하단은 미정화 증기 유입라인과 연결되어 있고 버퍼 상단은 정화 후 배출가스 파이프와 연결되어 있어 버퍼에 저장된 미정화 공기는 축열식산화기 전단으로 자동 순환되어 다음 공기절환 이전까지 버퍼 내부는 축열식 산화기에서 처리된 정화된 공기로 치환된다.
본 발명에서 해결하고자 하는 폐수의 소각방법에 있어서 기존의 방법은 다음과 같다. 기존 폐수소각 방법은 유기폐수를 고온의 퍼니스내로 직접분사하여 퍼니스에서 폐수가 증발 후 유기가스화 되어 산화되는 방법으로 폐수중에 염(salt)이 존재하는 경우에는 냉각형(quenching type)의 소각로(도4)를 적용하며, 염이 없는 유기폐수의 경우에는 열교환이 가능한 소각로(도5)를 적용한다. 두 방법 모두 액을 퍼니스에 직접 분사하므로 퍼니스에 공급하는 열량이 과다 할뿐 아니라 회복형(recuperative type) 열교환기를 사용하여 열교환 매체가 없어 열회수율이 매우 낮은 단점이 있다.
본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 면밀한 검토를 한 결과 유기폐수를 증발시켜 공기와 혼합한 후 축열식 소각로에서 소각하는 방법으로 기존의 유기폐수 및 휘발성유기화합물 소각방식과 성능면에서 동일하거나 더 향상된 결과를 가져오면서도 소각로 운전비용을 80%이상 줄일 수 있는 새로운 방법을 발견하였다.
도 1 - 축열식소각로 순방향운전
도 2 - 축열식 소각로 역방향운전
도 3 - 2베드+버퍼형 축열식 소각로
도 4 - 염이 있는 일반 폐수 소각로
도 5 - 염을 함유하지 않은 일반 폐수소각로
도 6 - 본 발명에 따른 유기폐수 소각 시스템
본 발명에 의한 폐수증발소각 시스템의 구성도가 도 6에 도시되어 있다. 이 시스템은 통상적인 2상 축열식 소각장치와 특수하게 고안된 버퍼 및 증발장치의 조합으로 구성되어 있다. 폐수증발축열소각 방법은 기존 폐수 소각 방식과 비교할 때 다음과 같은 두가지 특징이 있다. 첫째 폐수를 증발시켜 소각로로 투입하며, 둘째 열회수를 축열방법을 사용한다는 점이다. 폐수를 증발시켜 소각로로 투입하는 경우 폐수증발에 필요한 열을 공급하기 위하여 투입되는 연료의 연소에 필요한 공기의 예열(퍼니스내에서) 열량만큼은 절약할 수 있으며 축열식으로 열교환함에 따라서 현열의 95% 이상을 회수 할 수 있어 운전비를 기존 방법에 비해 대폭 절감할 수 있다.
본 발명에 의한 폐수증발소각 시스템(도 6)의 운전방법은 다음과 같다. 폐수는 열교환기(14)를 통하여 가열되고 증발기(15)로 들어간다. 증발기(15)에서는 폐수와 유기물을 증발시켜 세라믹으로 구성된 버퍼응축기(16) 및 열교환기(17)에서 예열된 공기와 혼합되어 2베드형 축열식산화기(18)로 들어간다. 왼쪽 세라믹층(19)를 이용할때는 3방향밸브(21)의 C, B가 열리고 A는 닫힌다. 왼쪽 세라믹층(19)으로 유입된 가스는 세라믹에 의하여 850℃ 내외까지 가열되고 온도상승에 따라 유기물이 산화되어 퍼니스내부 가스온도는 950℃를 유지하게 된다. 이 고온의 산화가스는 오른쪽 세라믹층(20)을 통과하면서 냉각되고, 이는 3방향밸브(22)의 B, A는 열리고 C는 닫힌 상태에서 송풍기(23)으로 흡입되어 3방향밸브(24)A, B는 열리고, C는 닫힌 상태에서 대기로 방출한다. 이 운전을 순방향 운전이라 하며, 이 순방향운전을 약 2 분간 지속한 후 가스 유로를 변경하여 역방향 운전을 2분간 지속하여 이 순방향/역방향 운전을 반복하여 운전한다. 순방향/역방향 운전 교대시에 발생하는 미반응가스는 상기 축열식 산화기+버퍼의 운전에서 기술한 바와 같이 버퍼(25)로 포집하여 시스템으로 순환되나 버퍼(25)의 하단에 세라믹층(16)이 있어서 세라믹에서 미연소 가스 및 수증기가 냉각 및 응축되며, 세라믹을 가열하여 공기가열기의 역할 및 버퍼의 용량 감축이 가능하게 되어 있다. 응축된 폐액은 원폐수 탱크로 순환한다. 증발기(15)에서 폐수를 증발시키는 열량을 제외하면 축열식산화기 퍼니스의 운전에는 매우 작은 열량만이 소요되므로 인입폐수의 연소에 따른 잉여열량이 발생한다. 이 잉여열량은 퍼니스에서 고온의 가스를 배출시킴으로 퍼니스온도를 유지하며 배출한 고온의 가스는 증발기 및 공기 예열기의 열원으로 사용한다.
본 발명에 의한 유기폐수 및 휘발성유기화합물 가스 병합소각 기술은 축열식소각로의 열회수 효과를 이용한 방법으로 기존 폐수 소각로에 비해 투자비가 매우 저렴할 뿐 아니라 운전비를 최고 80%까지 절감할 수 있는 획기적인 시스템으로 일반 소각로의 경우 폐수를 직접 소각로에 분사후 소각로내에서 950℃까지 가열하는 반면 본 발명에 의한 신 공정은 유기폐수를 증발시켜 기상으로 공기와 혼합하여 축열식 소각로에 투입하는 방법으로 소각로에 투입되기 전 증발에 필요한 열만 외부에서 공급되며 그 이후의 모든 현열은 95% 이상 회수할 수 있는 매우 경제적인 공정이다.
이하 본 발명에 의한 실시 예를 열소모량 계산에 따라서 설명한다.
실시예 1
폐수 증발축열 소각시 소각로는 열회수를 폐유기물 발열량에 따른 폐 유기물 열 회수율을 85%정도로 계산하여 축열 소각로의 소각시 필요열량과 폐수 증발시 열량을 계산하였다. 즉 열소모량은 총 소각시 필요열량에서 회수되는 열량을 뺀 값으로 계산하였다. 폐수 및 유기물 2MT(물1950kg 폐유기물 50kg)인 경우 폐수를 수증기로 증발하므로 폐수 소각시 공기량은 스팀: 공기=1:1로 계산하여 1200㎥로 정하였다. 폐수 증발시 필요 열량을 계산하면 1950kg x 540kcal/kg = 1,053,000kcal이다. 여기서 수증기 잠열은 540kcal/kg이다. 축열 소각로의 소각시 필요열량을 계산하면 퍼니스 인입온도를 950℃, 입출구 온도차 ΔT=50℃로 기준하여, 폐수+공기=2400㎥, cp=0.38, ΔT=50℃라 하면 2400㎥ x 0.38kcal/㎥℃ x 50℃ = 45,600kcal이다. 그러므로 폐수를 증발 및 소각시 필요열량은 1,053,000kcal + 45,600kcal = 1,098,600kcal이 된다. 그리고 폐유기물 발열량은 500,000kcal/MT일 때 500,000kcal/MT x 2MT = 1,000,000kcal이며, 폐유기물 발열시 회수열량은 회수율을 85%로 할 때 1,000,000kcal x 0.85 = 850,000kcal이다. 따라서 소각시 외부에서 공급되는 열량은 증발시 및 소각시 필요열량에서 회수열량을 빼면 1,098,600kcal - 850,000kcal = 248,600kcal/2MT=124,300kcal/MT이다.
따라서 본 발명에 의한 유기폐수 증발축열 소각시스템을 사용하면 기존소각로(비교예) 대비 열량 사용량은 1MT 소각기준 356,950kcal의 절감 효과가 있다.
비교예
기존소각로를 사용하여 열소모량을 계산하면 다음과 같다. 기존의 소각기술은 폐수(유기물+물)를 가열하여 소각하는 방법으로 되어 있으며, 먼저 유기물에 포함된 물을 증발하고 이를 산화하기 위해서는 950℃까지 가열해야한다. 이때 필요한 공기를 계산할 때 공기비 120%(양론대비 과잉공기비)인 경우 10,000kcal의 연료당 공기는 12.5㎥가 필요하다. 소각로에 들어가는 공기의 온도가 30℃인 경우 12.5㎥의 공기를 950℃까지 올리는데 필요한 열량으로는 소비열량 12.5㎥ x 0.35kcal/㎥℃ x (950-30)℃=4,000kcal이다. 이 4,000kcal열량은 자체 공기를 950℃까지 올리는데 필요한 열량으로 폐수증발에 이용되는 열량은 6,000kcal이다. 설계기준이 폐수 및 유기물 2MT(물 1950kg, 폐유기물 50kg)인 경우 소각시 필요한 열량은 1950kg(물) x 900kcal/kg = 1,755,000kcal이며, 총공급열량은 1,755,000kcal x1,000kcal(gross) ÷ 6,000kcal(net)=2,925,000kcal이며, 이중 유기물에 의한 발열량 500,000kcal/MT x 2MT=1,000,000kcal를 제외하면 외부에서 공급되어야 할 열량은 2,925,000-1,000,000=1,925,000kcal이다. 폐열회수기의 열회수율이 50%인 경우 실제 열소요량은 1,925,000kcal x 0.5 = 962,500 kcal/2MT=481,250 kcal/MT로 단위 열소비량이 본 발명에 의한 열소비량 보다 약 3.8배 높다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기와 같이 설명하였지만 본 발명은 상기 설명에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능하다.

Claims (7)

  1. 유기폐수를 증발시켜 공기와 혼합한 후 축열식 소각로에서 소각하는 것을 특징으로 하는 증발 축열식 소각공정
  2. 청구항 1에 있어서 2베드형 축열식 소각로에서 소각하는 것을 특징으로 하는 증발 축열식 소각공정
  3. 청구항 1에 있어서 3-베드형 축열식 소각로에서 소각하는 것을 특징으로 하는 증발 축열식 소각공정
  4. 청구항 1에 있어서 2베드+버퍼형 축열식 소각로에서 소각하는 것을 특징으로 하는 증발 축열식 소각공정
  5. 청구항 1의 증발축열소각 공정에 있어서 축열식 소각로로 유입되는 산소의 농도가 18∼2% 범위에서 운전되는 공정을 특징으로 하는 증발 축열식 소각공정
  6. 청구항 4의 2베드+버퍼형 축열식 소각로를 사용하는 방법에 있어서 버퍼하부에 세라믹을 충전하여 미반응 가스를 응축시켜서 회수한 열량을 공기예열에 이용하는 것을 특징으로 하는 공정
  7. 소각로의 잉여열량을 배출하여 폐수증발에 재이용하는 것을 특징으로 하는 폐열회수 장치
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