KR20240046653A - 폐기물 용융 및 가스화를 위한 dc 아크 퍼니스 - Google Patents

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피에르 카라빈
윌리엄 크레클웨츠
알리 샤베르디
휴고 포틴블랑슈테
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파이로제네시스 캐나다 인코퍼레이티드
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Abstract

폐기물의 가스화 및 유리화를 위한 장치는 2개의 이동 가능한 흑연 전극이 제공된 플라즈마 아크 퍼니스를 포함한다. 퍼니스는 슬래그 용융물을 통해 전류를 전달하도록 구성된 공냉식 하부 전극을 포함한다. 퍼니스는 완전히 밀봉되고 또한 퍼니스 내부의 환원 조건을 제어하도록 구성된 기밀 전극 시일들이 제공된다. 전기 회로가 추가로 제공되는데, 이는 이행 가열 모드에서 비-이행 가열 모드로 전환하기에 적합하며, 따라서 슬래그 동결의 경우 퍼니스가 재시작될 수 있다.

Description

폐기물 용융 및 가스화를 위한 DC 아크 퍼니스{DC ARC FURNACE FOR WASTE MELTING AND GASIFICATION}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2017년 10월 13일 출원된 미국 가출원 제62/572,412호의 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참조로 포함된다.
본 주제는 폐기물 유리화 및 가스화에 사용되는 직류(DC) 아크 퍼니스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐기물에서 발견되는 금속 산화물의 비전도성 혼합물에서 DC 아크를 점화 및 재가동하고 완전한 용융을 제공하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
폐기물을 에너지 및 건축 자재로 변환하기 위해 플라즈마 아크 퍼니스가 제안되었다. 보다 구체적으로, 플라즈마 퍼니스는 폐기물에서 무기 물질을 용융시키고 유기 화합물을 가스화하는데 사용되어 왔다.
플라즈마 퍼니스는 기존의 소각 기술에 비해 여러 가지 장점을 제공하는데, 예를 들어, 고유의 가열 값과 상관없이 재료를 처리하는 능력, 폐기물의 무기 성분을 불활성 슬래그로 유리화하는 능력 및 폐기물의 유기 성분을 합성 가스인 주로 수소와 일산화탄소로 구성된 가연성 가스로 변환하여 폐기물로부터 청정 에너지를 생산하는 능력이다. 폐기물을 용융 슬래그 및 에너지로 변환하기 위한 플라즈마 퍼니스의 사용에 관한 몇몇 장치 및 방법이 제안되어 있다.
예를 들어, "Municipal Solid Waste Disposal Process"라는 제목으로 Carter 등에 의해 1994년 1월 25일 발행된 미국등록특허 제5,280,757호는 비-이행(non-transferred) 플라즈마 토치를 사용하여 도시 고형 폐기물, 석탄, 목재 및 이탄을 중질 가스 및 실질적으로 낮은 독성 원소 침출성을 갖는 불활성 단일체 슬래그로 가스화하는데 사용되는 장치를 개시하고 있다. 유사하게, "Process and Apparatus for Treatment of Excavated Landfill Material in a Plasma Fired Cupola"라는 제목으로 Dighe 등에 의해 1991년 3월 12일 발행된 미국등록특허 제4,998,486호는 큐폴라로(cupola)에서 유해 폐기물을 처리하기 위해 비-이행 플라즈마 토치를 사용하여 PCB와 같은 유해 물질은 애프터버너(afterburner)에서 휘발 및 소비시키고, 중금속을 함유한 유해 물질은 큐폴라로 내에 녹아 침출할 수 없는 고체 제품으로 변환시키는데 사용되는 장치에 대하여 개시하고 있다.
그러나 폐기물 및 기타 물질을 가스화 및 유리화하기 위해 비-이행 플라즈마 토치를 사용하면 몇 가지 단점이 있다. 플라즈마 가스의 극한 온도로 인해, 비-이행 플라즈마 토치는 수냉되어야 한다. 토치에서 수냉을 사용하면 토치의 열 변환 효율이 감소한다. 많은 경우에, 냉각수로의 에너지 손실은 토치로의 전기 에너지 입력의 15% 내지 35%에 도달할 수 있다. 또한, 토치는 종종 두꺼운 내화벽을 통해 돌출될 필요가 있기 때문에, 토치의 수냉식 몸체로부터 이러한 내화벽까지 추가적인 열 손실이 발생한다. 마지막으로, 토치가 비-이행 모드에서 작동하면, 플라즈마 가스의 많은 부분이 퍼니스에서 고체 물질을 처리하는 대신 퍼니스 오프-가스로 빠져나간다. 결과적으로 열의 순 효율은 종종 50% 미만이다.
수냉식 비-이행 토치의 또 다른 단점은 누수 위험이다. 어떤 경우에는 토치 누수로 인하여 고장난 토치에서 나오는 고압수가 퍼니스 내부의 과열된 용융 슬래그에 부딪히면 증기 폭발이 일어날 수 있다(Beaudet et al, 2000).
따라서 폐기물을 가스화 및 유리화하기 위해 비 수냉식 흑연 아크 퍼니스를 사용하는 것이 제안되었다. 흑연 아크 퍼니스는 플라즈마 토치를 사용하는 플라즈마 퍼니스에 비해 몇 가지 장점을 제공한다. 수냉식이 아닌 흑연 전극은 누출될 수 있는 토치를 사용하는 용광로에 비해 본질적으로 안전하다. 수냉식이 아닌 흑연 전극은 수냉식 토치보다 훨씬 효율적이며, 전기 아크 퍼니스부터 처리될 폐기물의 덩어리로 에너지를 거의 100% 전달할 수 있다. 흑연 아크 퍼니스는 교류(AC) 또는 직류(DC) 유형일 수 있다.
종래의 3 상(three-phase) AC 아크 퍼니스는 폐기화 및 유리화를 위해 사용될 수 없다. 일반적으로, AC 퍼니스는 개방형 상단 설계로, 퍼니스로의 대량 공기 유입으로 인해 생성된 합성 가스의 품질을 제어하는 능력을 제한한다. AC 퍼니스는 차가운 폐기물 유리 또는 연소 재잔류물과 같은 비전도성 물질로 전류를 쉽게 전달할 수 없다.
이 문제를 완화하기 위한 몇 가지 방법이 제안되었으며, 특히, "Plasma Gasification and Vitrification of Ashes"라는 제목으로 Tsantrizos 등에 의해 1999년 9월 28일 발행된 미국등록특허 제5,958,264호에 기재된 바와 같이 일부 DC 퍼니스들이 비-이행 아크에서 이행 아크 작동 모드로 전환하는 방법을 제공한다.
"ARC Plasma-Melter Electro Conversion System for Waste Treatment and Resource Recovery"이라는 명칭으로 Titus 등에 의해 발행된 미국등록특허 제 5,666,891호에 기재된 바와 같이 다른 퍼니스는 AC 및 DC 작동 모드에서 작동할 수 있는데, AC는 슬래그의 줄(Joule) 가열에 사용되고 DC 아크는 용융물 위에 전기 아크를 생성하는데 사용된다.
전술한 미국등록특허 제5,666,891호에는 넓은 범위의 폐기물 스트림을 유용한 가스 및 안정한 비침출성 고체 생성물로 변환시키기 위한 폐기물-에너지 변환 시스템 및 장치가 기술되어 있다.
일 실시예에서, 퍼니스는 가스상에서 DC 플라즈마 아크와 함께 폐기물의 용융된 무기 분획의 조합된 AC 줄 가열을 사용한다. 이 시스템에서, 플라즈마 아크 퍼니스와 줄 가열된 용융기는 아크 플라즈마와 유닛의 줄 가열된 부분 둘 다의 상호 간섭없이 동시에 작동하기 위한 회로 구성을 갖는 완전 통합 유닛으로서 형성된다. 그러나 이 설계는 복잡하므로 여러 전원 공급 장치와 복잡한 회로 배열이 필요하다. 또한 AC 전극이 슬래그에서 동결될 수 있어 퍼니스를 다시 시작하기가 매우 어렵다.
예를 들어, 전술한 미국등록특허 제5,958,264호는 호그 연료 보일러(hog fuel boiler)에서 생성된 것과 같은 재의 가스화 및 유리화를 위한 장치를 개시한다. 이 장치는 수평 또는 수직 위치에서 작동할 수 있는 2 개 또는 3 개의 경사 전극을 사용하는 샤프트 퍼니스(shaft furnace)이다. 전극의 위치를 수평에서 수직으로 변경함으로써, 아크는 비-이행에서 이행 모드로 변경될 수 있다. 예를 들어, 전극 통과는 완벽하게 밀봉되지 않으며 퍼니스 내부에서 제어되지 않은 가스화를 유발할 수 있다. 또한, 비-이행 모드에서 슬래그의 가열은 매우 비효율적이며 슬래그가 동결될 수 있다: 이 레벨이 너무 높으면, 플라즈마 열이 하부 층으로 효율적으로 전달될 수 없다. 또한, 아크 전압은 매우 불안정하여, 퍼니스 내부의 합성 가스의 다양한 조성에 의존한다. 또한 전극이 비스듬히 있기 때문에 내화물에 직접 아크 제트를 생성할 수 있으며, 이로 인해 과도한 내화물 마모가 발생할 수 있다.
따라서, 슬래그의 실질적으로 완전한 용융을 보장하고, 슬래그의 동결을 실질적으로 방지하며, 플라즈마 아크 퍼니스부터 처리되는 폐기물로의 에너지 전달을 개선시키는, 폐기물의 가스화 및 유리화를 위한 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
요약
따라서 폐기물의 가스화 및 유리화를 위한 새로운 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 명세서에 기술된 실시예는 일 양상에서 2 개의 이동 가능한 흑연 전극이 제공된 플라즈마 아크 퍼니스를 포함하는 폐기물의 가스화 및 유리화를 위한 장치로서, 퍼니스는 전액 슬래그 용융물을 전달하도록 구성된 공냉식 하부 전극을 포함하고, 퍼니스는 스풀(spool)과 그 도가니의 교차점에서 밀봉되고, 퍼니스 내부의 환원 조건을 제어하도록 구성된 기밀 전극 시일이 추가로 제공되는 장치를 제공한다.
또한, 본 명세서에 기술된 실시예의 다른 양상에서, 플라즈마 아크 퍼니스는 스풀 및 도가니, 예를 들어, 흑연으로 제조된 한 쌍의 이동 가능한 전극, 슬래그 용융물을 통해 전류를 모두 전달하도록 구성된 공냉식 하부 전극을 포함하고, 퍼니스는 스풀과 그 도가니의 교차점에서 밀봉되고, 퍼니스 내부의 환원 조건을 제어하도록 구성된 기밀 전극 시일이 추가로 제공된다.
또한, 본 명세서에 기술된 실시예의 다른 양상에서, DC 아크 퍼니스는 스풀 및 도가니, 예를 들어, 흑연으로 제조된 한 쌍의 이동 가능한 전극, 슬래그 용융물을 통해 전류를 모두 전달하도록 구성된 공냉식 하부 전극을 포함하고, 퍼니스는 스풀과 그 도가니의 교차점에서 밀봉되고, 퍼니스 내부의 환원 조건을 제어하도록 구성된 기밀 전극 시일이 추가로 제공된다.
구체적으로, 전기 회로가 추가로 제공되며, 전기 회로는 이행에서 비-이행 가열 모드로 전환하도록 적용되어 슬래그 동결의 경우 퍼니스의 재가동을 가능하게 한다.
본 명세서에 기술된 실시예들을 더 잘 이해하고 이들이 어떻게 수행될 수 있는지 더 명확하게 나타내기 위해, 이하 하나 이상의 예시적인 실시예를 도시하고 첨부 도면을 단지 예로서 참조할 것이다:
도 1은 예시적인 실시예에 따른 퍼니스의 작동 원리를 보여주는 일반적인 개략도이다;
도 2는 도 1의 퍼니스에 기초한 예시적인 실시예에 따른 보다 상세한 퍼니스의 수직 단면도이다;.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 전극 시일의 상세한 수직 단면도이다;
도 4는 예시적인 실시예에 따른 바닥 양극의 구체적 세부 사항을 도시하는 수직 단면도이다; 및
도 5a 및 5b는 예시적인 실시예에 따른, 2 가지 작동 모드에 대한 퍼니스의 전기 회로의 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, DC 아크 퍼니스 F가 2 개의 부분을 포함하는 실시예가 도시된다: 스풀(spool)(1) 및 도가니(crucible)(2)는 모두 고온에서 작동하도록 내화성 라이닝되어 있다. 도가니(2)에 사용된 내화물은 용융 실리케이트 타입 재료와 호환 가능해야하며, 고 알루미나 또는 알루미나 크롬 물질로 제조될 수 있다. 스풀(1)에 사용된 내화물은 잠재적으로 부식성 고온 가스와 호환 가능해야하며 고 알루미나 또는 알루미나-실리카 물질로 제조될 수 있다. 도 2에 도시된 구성 요소는 도 1의 퍼니스(F)의 일부임이 명시된다. 정상 작동에서, 기화 및 용융될 물질은 스풀(1)의 상단에 위치한 하나 또는 다수의 공급 포트(3)를 통해 연속적으로 도입된다. 처리중인 재료는 도가니 2에 축적되어 부분적으로 처리된 폐기물 4의 상부 층을 생성한다. 퍼니스 도가니(2)의 고온(일반적으로 1400℃ 이상) 및 기화 공기, 산소 및/또는 증기의 주입은 폐기물의 무기 부분으로부터 유기물을 분리시킨다. 무기 부분은 용융 금속층(6) 위에 떠있는 액체 슬래그 층(5) 내로 용융된다. 유기 부분은 주로 일산화탄소 및 수소로 구성된 합성 가스 또는 주로 이산화탄소 및 수증기로 이루어진 연소로 전환된다. 가스는 배기 포트(8)를 통해 퍼니스를 빠져나간다.
도가니(2)의 외부 쉘에는 내화 침식을 최소화하기 위해 핀 및 강제 공기 냉각이 장착될 수 있다. 강제 공기 냉각의 목적은 슬래그 동결 라인을 액체 슬래그 층(5)의 층 내부로 잘 이동시키고 내화성 라이닝으로부터 멀리 이동시키는 것이다.
퍼니스(F) 내부에는 한 쌍의 전기 아크(9a, 9b)가 유지된다. 아크(9a, 9b)는 부분적으로 처리된 폐기물(4)의 덩어리에 부분적으로 잠기고 액체 슬래그 층(5)으로 전달된다. 전류는 용융 금속 층(6) 및 바닥 애노드(10)를 통과한다.
두 개의 전원(11a 및 11b)이 사용되어 전류를 제공하여 전기 아크(9a 및 9b)를 유지한다. 도 1에 도시된 모든 구성 요소는 전원 공급 장치(11a 및 11b)를 제외하고 퍼니스(F)의 일부이다. 전원(11a, 11b)은 예를 들어, 전류 제어 유형의 직류(DC) 유닛이다. 전류는 전형적으로 흑연으로 제조된 한 쌍의 전극(12a 및 12b)에 공급된다. 전류 운반 용량(16~32 A/cm2)에 맞게 적절한 크기로 설정하면 흑연이 과열되지 않으며 수냉할 필요가 없다. 따라서 흑연 전극(12a 및 12b)의 사용은 플라즈마 퍼니스에서의 수냉 문제를 해결하고 증기 폭발의 위험이 회피된다. 퍼니스(F) 내부에서 흑연 전극(12a 및 12b) 및 자유 연소 아크(9a 및 9b)의 사용은 또한 수냉으로 에너지가 손실되지 않기 때문에 매우 높은 에너지 전달 효율을 보장한다. 사용된 흑연 전극(12a 및 12b)은 직경이 몇 인치부터 훨씬 더 큰 크기(예를 들어, 32 인치)까지 시판되고 있다. 전극(12a 및 12b)은 시장에서 흔히 판매되며 SGL Carbon 및 Graftech/UCAR와 같은 회사에 의해 공급된다.
흑연 전극(12a, 12b)의 사용은 전극의 크기를 쉽게 증가시킬 수 있기 때문에 스케일 업 공정을 단순화시킨다. 전극(12a 및 12b)의 전류 운반 용량은 전극의 섹션에 직접 비례하거나 또는 전극 직경의 제곱에 비례한다. 가장 큰 전극은 140 kA 이상의 전류 전달 용량을 가지므로 대규모 폐기물 처리 응용 분야에 적합하다. 예를 들어, 2 개의 6 인치 전극을 사용하는 용광로를 하루 10 톤의 도시 고형 폐기물 처리에 사용할 수 있으며 400kW의 전력이 필요하고 2000A에서 작동한다. 이를 바탕으로 2 개의 32 인치 전극은 단일 용광로에서 하루 700 톤의 폐기물을 처리할 수 있다. 대조적으로, 비-이행 아크 플라즈마 토치를 사용함으로써, 동일한 에너지를 얻기 위해 다수의 토치가 사용될 필요가 있다. 예를 들어, 75% 효율로 1MW의 총 파워 토치를 사용하여 동일한 양의 에너지 전달을 달성하려면 37 개의 개별 플라즈마 토치가 필요하다.
도 2를 참조하면, 한 쌍의 전극 클램프(13a, 13b)를 사용하여 전류가 2 개의 전극(12a, 12b)에 공급된다. 시판되는 전극은 연결 핀을 사용하여 서로를 조이는 메커니즘을 포함한다. 연결 핀은 두 개의 길이의 전극을 함께 연결할 수 있는 나사형 커넥터들이다. 퍼니스(F)의 정상 작동 동안, 흑연은 아크(9a/9b)에 의해 점차 침식된다. 전극(12a 및 12b)은 각각의 이동 메커니즘(15a 및 15b) 상에 장착되며, 이들은 침식될 때 퍼니스(F)에서 전극(12a 및 12b)을 천천히 아래로 이동시킨다. 이동 메커니즘(15a 및 15b)은 아크 전압의 조정을 허용하는 업/다운 특징을 제공한다. 아크 전압은 아크 길이에 직접 비례하며, 이는 아크 길이(12a 및 12b)의 팁(tip)과 액체 슬래그 층(5)의 상단 사이의 거리에 비례한다. 전극(12a/12b)의 길이가 완전히 침식되면, 전술한 연결 핀을 이용하여 새로운 길이가 퍼니스(F)의 외부로부터 나사 결합될 수 있다.
플라즈마 전력을 조정하기 위해, 전압은 전극(12a 및 12b)의 높이를 조정함으로써 일정하게 유지된다. 전류 설정 값은 자체 전류 제어를 갖는 전원 공급 장치(11a 및 11b)에 제공된다. 전력은 전압과 전류의 함수이다. 액체 슬래그 층(5)의 온도는 플라즈마 전력을 조정함으로써 제어될 수 있다. 플라즈마 전력은 또한 열분해 반응과 같은 흡열 반응의 에너지 요건을 보상하는데 사용될 수 있다.
스풀(1)과 도가니(2)는 두 개의 개별 부품으로 구성된다. 스풀(1)로부터 분리될 수 있는 도가니(2)에는 휠(19)이 제공되고, 도가니(2)는 트랙으로 내려져 내화성 유지 보수를 위해 굴려질(rolled away) 수 있다. 유지 보수가 완료되면, 도가니(2)는 다시 제자리에 놓이고 일련의 타이 로드들(tie rods)(18)을 사용하여 제 위치로 이동 및 유지될 수 있다. 각 타이 로드(18)상의 일련의 너트들(nuts)(20)은 도가니(2)를 제자리에 들어 올리고 유지하기 위해 사용된다.
2 개의 탭 구멍(16, 17)은 퍼니스(F)의 각각의 액체 슬래그 층(5) 및 용융 금속 층(6)으로부터 각각 여분의 액체 슬래그 및 액체 금속을 추출하기 위해 제공된다. 더 많은 폐기물이 퍼니스(F)로 공급됨에 따라, 용융된 무기 물질은 기존의 액체 슬래그 층(5)으로 합쳐진다. 시간이 지남에 따라 및 퍼니스의 폐기물을 퍼니스(F)로 연속적으로 공급함에 따라, 액체 슬래그 층(5)의 높이는 증가할 것이다. 산화된 분율보다 밀도가 높은 비 산화된 금속은 액체 용융 금속 층(6)에서 슬래그 층(5) 아래에 축적될 것이다. 따라서 상부 탭 구멍(16)은 액체 슬래그 층(5)으로부터 산화된 슬래그를 추출하는 데 사용되고, 하부 탭 구멍(17)은 용융 금속(6)으로부터 금속을 추출하는 데 사용된다.
도 1을 다시 참조하면, 퍼니스(F)로의 원하지 않는 공기 유입을 방지하기 위해 퍼니스(F)가 완전히 밀폐된다. 공기로부터의 산소는 용광로에서 폐기물의 과도한 연소를 일으켜 생산되는 합성 가스의 질을 떨어뜨린다. 스풀(1)과 도가니(2) 사이에 시일(14)이 제공된다. 이 시일(14)은 흑연 또는 고온 내화 종이로 제조될 수 있다. 전극(12a 및 12b) 주위로부터의 공기 유입을 방지하는 2 개의 전극 시일(14a 및 14b)이 제공된다.
전극 시일(14a 및 14b)의 상세도가 도 3에 제공된다. 각 전극(12a/12b)은 금속 튜브(21)를 통과한다. 튜브(21)에 용접된 바닥 판(22)이 있으며, 이는 튜브(21)를 스풀(1)의 내화 물질(7)의 상부에 나사형 로드(23)를 통해 장착할 수 있게 하는데, 나사형 로드(23)는 내화물(7)와 너트(24)에 주조되며, 튜브(21)를 이의 플레이트(22)와 함께 제자리에 유지시키기 위해 사용된다. 스풀(1)의 스틸 쉘(steel shell)이 아닌 내화물(7)에 전극 시일 튜브(21)를 부착하면 전극(12a 및 12b)이 서로 및 쉘로부터 절연된다.
상부 플랜지(25)는 튜브(21)에 용접되고, 후술하는 바와 같이 나사산 로드, 너트 및 와셔 세트로 제2 자유 이동 튜브(21a)를 부착하는데 사용된다. 내화 로프(29) 위에 제공된 여러 층의 흑연 로프(26)는 외부 튜브(21)와 전극(12a/12b) 사이의 갭을 밀봉하는데 사용된다. 시일이 전극(12a/12b)의 이동으로부터 침식될 때, 시일은 전극(12a/12b) 주위에 4개의 너트(27)(본 명세서에 도시된 2개의 너트(27))를 조임으로써 전극(12a/12b) 주위에서 조여질 수 있다. 작동 중에 너트(27)가 풀리는 것을 방지하기 위해 한 세트의 베벨 와셔(beveled washers)(28)가 사용된다. 내화 로프(29)의 사용은 시일 주위의 임의의 물 냉각의 사용을 피한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 바닥 애노드(10)는 전기 아크(9a 및 9b)에 전력을 공급하는데 사용되는 전기에 대한 전류 복귀 경로를 제공한다. 바닥 애노드(10)는 공냉식이어서 도가니 고장시 액체 슬래그와 물 사이의 접촉 위험을 피하고 따라서 증기 폭발을 방지한다. 이러한 설계는 냉각수 사용이 면제된다.
하부 애노드(10)에는 도가니(2)의 내화 라이닝(30)에 내장된 금속 또는 흑연으로 만들어진 전도성 로드(31)인 하나 이상의 전극이 제공된다. 전극의 수와 단면은 전류 운반 용량 요구 사항의 함수로서 크기가 결정된다. 전도성 로드(31)는 액체 슬래그 층(5)과 직접 접촉하거나 전도성 플레이트(37)와 접촉할 수 있다. 전도성 플레이트(37)는 흑연 또는 철 또는 강철과 같은 금속으로 제조될 수 있다. 금속판(37)의 경우, 일반적으로 퍼니스 작동 중에 용융된다. 전극 자체가 녹지 않도록하기 위해, 냉각 핀(33)을 사용하여 외부에서 냉각된다.
전도성 로드(31)는 구리 로드(32)에 연결된다. 구리 로드(32)는 전도성로드(31)에 정렬된 관계로 장착된다. 구리 로드(32)는 가공된 수나사를 갖고, 전도성 로드(31)는 전도성 로드(31)와 구리 로드(32)가 함께 나사식으로 조립될 수 있게 하는 가공된 암나사를 갖는다. 로드(31,32)의 숄더는 두 부품 사이의 전기적 접촉을 보장한다. 높은 전기 및 열 전도성을 제공하기 위해 로드(32)에 구리가 사용되고 전도성 로드(31)에 고 융점 금속 또는 흑연이 사용되어 액체 슬래그 층(5)에 근접한 전극 용융 효과를 최소화한다.
구리 로드(32)는 구리 플레이트(34)와 함께 연결된다. 구리판(34)은 도가니(2)의 내화물에 내장된 티형(tee-shaped) 금속 지지체(35)에 의해 도가니(2)에 고정된다. 구리판(34)은 티형 지지체(35)에 볼트 결합된다. 지지체(35)가 금속 쉘에 접촉하지 않고 내화물에 매립된다는 사실은 전체 바닥 애노드(10)가 전기적으로 부유하고 접지된 도가니 쉘과 동일한 전위가 아닌 상태로 유지되도록 보장한다.
구리 로드(32)는 병렬로 연결된다. 구리판(34)은 러그(38)를 통해 전기 DC 케이블에 연결된다. 구리 또는 알루미늄으로 만들어진 냉각 핀(33)은 구리 로드(32)로의 열 전달 표면을 최대화하기 위해 사용된다.
핀(33)을 냉각시키기 위해 강제 공기 냉각이 사용된다. 플레넘(plenum)(36)은 핀(33) 주위로 공기 순환을 강제하기 위해 제공된다. 저압 송풍기(미도시)는 냉각 공기를 플레넘(36)으로 공급하기 위해 사용된다. 플레넘(36)은 도가니 쉘에 나사 결합된 볼트 세트에 의해 도가니(2)의 바닥에 고정된다. 플레넘(36)에는 냉각 핀(33)으로의 최적의 공기 분배를 보장하기 위해 배플(도시되지 않음)이 제공될 수 있다.
도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이, 퍼니스에서 이행 아크 모드와 비-이행 아크 모드 사이를 전환하는 회로 및 방법이 제공된다.
이행 작동 모드가 도 5a에 도시된다. 이행 작동 모드에서, 전류는 각각의 캐소드(12a 및 12b) 사이에서 하부 애노드(10)로 전달된다. 좌측 회로에 대한 전류는 전원 PS1(11a)에 의해 제공된다. 컨택터(contactor) CON 1가 열려있는 동안 컨택터 CON3는 닫힌다. 우회로의 전류는 전원 공급 장치 PS2(11b)에 의해 제공된다. 컨택터 CON2, CON4가 닫힌다.
비-이행 작동 모드가 도 5b에 도시된다. 비-이행 모드에서, 전류는 캐소드(12a)와 캐소드로서 작용하는 전극(12b) 사이에서 전달된다. 아크를 구동하기 위해 하나의 단일 전원 공급 장치 PS1(11a)가 사용된다. 이 경우 컨택터 CON2, CON3 및 CON4가 열리고 컨택터 CON1이 닫힌다.
공정이 제대로 작동하지 않는 경우 퍼니스(F)를 재가동하고 비-이행 및 이행 작동 모드 사이를 전환하는 방법도 제공된다. 액체 슬래그 층(5)이 동결되어 공정이 제대로 작동하지 않은 경우, 동결 슬래그가 전기를 전도하지 않기 때문에 하부 애노드(10)로의 이행 모드는 불가능할 것이다. 이 경우, 전극(12a, 12b) 사이에 흑연 분말 또는 금속 부스러기와 같은 전기 전도성 재료를 공급할 수 있다. 전극(12a, 12b)은 이 전도성 물질과 접촉하도록 하강된다. 일단 회로가 시작되면, 비-이행 모드의 동작을 사용하여 전극(12a, 12b)을 천천히 위로 이동시키고 이들 사이에 아크를 생성하는 것이 가능하다. 이 모드는 처리되는 폐기물 덩어리로의 에너지 전달 측면에서 더 효율적이기 때문에 이행 작동 모드로 빠르게 전환하는 것이 바람직하다. 이 경우, 도 5b를 참조하면, 컨택터 CON3가 닫히고 컨택터 CON3 옆의 와이어를 통과하는 전류는 전류계를 사용하여 모니터링된다. 전류가 이 와이어를 통과하기 시작하면 CON1이 열리고 하부 전극(10)을 통한 모든 전기의 전달 및 통과를 강제한다. 이행 아크 모드가 안정화되면 전원 공급 장치 PS2(11b)의 전원이 켜지고 컨택터 CON2, CON4가 닫히고 정상 이행 작동 모드로 돌아간다.
이행 아크 작동 모드에서 아크를 안정화시키기 위해, 중공 전극을 사용하고 전극에 플라즈마 형성 가스를 주입하는 것이 가능하다. 이 가스는 바람직하게는 아르곤 또는 헬륨과 같은 단일 원자 가스, 또는 단일 원자 가스의 혼합물이다.
상기 설명은 실시예들의 예들을 제공하지만, 설명된 실시예들의 일부 특징들 및/또는 기능들은 설명된 실시예들의 동작 원리 및 원리를 벗어나지 않고 수정될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 상술된 내용들은 실시예들을 예시하고 비 제한적인 것으로 의도되고, 당업자라면 본 명세서에 첨부된 청구 범위에 정의된 실시예의 범위를 벗어나지 않고 다른 변형 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
참조문헌
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[4] P.G. Tsantrizos, M.G. Drouet 및 A. Alexakis, "Plasma Gasification and Vitrification of Ashes, United States of America Patent No. 5,958,264, September 28th 1999
[5] C.H. Titus, D.R. Cohn 및 J.E. Surma, "Arc Plasma-Melter Electro Conversion System for Waste Treatment and Resource Recovery", United States of America Patent No. 5,666,891, September 16th 1997

Claims (35)

  1. 가스화 환경을 제어하기 위해 완전히 폐쇄되고 밀봉된 폐기물의 가스화를 위한 퍼니스.
  2. 완전히 공냉식(air cooled)이어서, 수냉식 회로 고장으로 인한 누수 및 증기 폭발의 위험을 피할 수 있는 퍼니스.
  3. 퍼니스가 비-이행 및 이행 아크 작동 모드에서 작동될 수 있고 비-이행 및 이행 모드 사이에서 전환될 수 있게 하는 전기 회로.
  4. 공정이 제대로 작동되지 않는 경우 아크를 다시 시작하는 작동 방법.
  5. 스풀 및 도가니, 예를 들어, 흑연으로 제조된 한 쌍의 이동 가능한 전극들, 슬래그 용융물을 통해 전류를 모두 전달하기에 적합한 공냉식 하부 전극을 포함하는 플라즈마 아크 퍼니스로서, 퍼니스는 스풀 및 이의 도가니의 접합부에서 밀봉되고, 퍼니스 내부의 환원 조건을 제어하도록 구성된 기밀 전극 시일이 추가로 제공되는, 퍼니스.
  6. 제5항에 있어서, 전기 회로가 제공되며, 전기 회로는 이행 모드에서 가열되지 않은 가열 모드로의 전환에 적합하여 슬래그 동결의 경우 퍼니스의 재시작을 허용하는, 퍼니스.
  7. 스풀 및 도가니, 예를 들어, 흑연으로 제조된 한 쌍의 이동 가능한 전극들, 슬래그 용융물을 통해 전류를 모두 전달하기에 적합한 공냉식 하부 전극을 포함하는 DC 아크 퍼니스로서, 퍼니스는 스풀 및 이의 도가니의 접합부에서 밀봉되고, 퍼니스 내부의 환원 조건을 제어하도록 구성된 기밀 전극 시일이 추가로 제공되는, DC 아크 퍼니스.
  8. 제7항에 있어서, 스풀 및 도가니 모두 고온에서 작동하도록 내화성 라이닝(refractory-lined) 처리되고; 도가니에 사용되는 내화물은, 예를 들어, 용융 실리케이트 타입의 재료와 상용성이고, 전형적으로 고 알루미나 또는 알루미나 크롬 재료로 제조될 수 있고; 스풀에 사용되는 내화물은, 예를 들어, 잠재적으로 부식성 인 고온 가스와 양립 가능하고 전형적으로 고 알루미나 또는 알루미나-실리카 물질로 제조될 수 있는, DC 아크 퍼니스.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 기화 및 용융 될 물질은 스풀의 상단에 위치된 적어도 하나의 공급 포트를 통해 퍼니스 내에서 전형적으로 연속적으로 도입되는, 퍼니스.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 처리되는 물질은 도가니에 축적되어 부분적으로 처리된 폐기물의 최상층을 생성하는, DC 아크 퍼니스.
  11. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 도가니의 고온, 전형적으로 1400 ℃ 초과, 및 기화 공기, 산소 및/또는 증기의 주입은 유기물을 폐기물의 무기 분획으로부터 분리하고, 무기 분획이 용융 금속 층의 상부에 떠있는 액체 슬래그 층으로 용융되고; 및 유기 분획은 주로 일산화탄소 및 수소로 구성된 합성 가스 또는 주로 이산화탄소 및 수증기로 이루어진 연소로 전환되고, 합성 가스는 배기 포트를 통해 퍼니스를 빠져 나가도록 적용된, DC 아크 퍼니스.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 도가니의 외부 쉘에는 핀 및 강제 공기 냉각이 장착되고, 강제 공기 냉각은 슬래그 동결 라인이 액체 슬래그 층(5)의 층 내부로 잘 이동하고 내화성 라이닝으로부터 멀어지도록 구성되는, DC 아크 퍼니스.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 한 쌍의 전기 아크는 퍼니스 내부에서 유지되고, 부분적으로 처리된 폐기물의 덩어리에 부분적으로 잠기고, 액체 슬래그 층에 전달되고, 전류는 용융 금속 층 및 하부 애노드를 통과하는, DC 아크 퍼니스.
  14. 제7항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 한 쌍의 전원 공급 장치는 전류를 제공하도록 구성되어 전기 아크를 유지하고, 전원 공급 장치는 예를 들어, 전류 제어형인, 직류(DC) 유닛이고; 전류는 전형적으로 흑연으로 제조된 한 쌍의 전극에 공급되는, DC 아크 퍼니스.
  15. 제7항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 전류는 한 쌍의 전극 클램프를 사용하여 두 전극에 공급되는, DC 아크 퍼니스.
  16. 제7항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 전극은 2 개의 길이의 전극이 함께 연결될 수 있도록 연결 핀, 전형적으로 나사형 커넥터를 포함하고, 전극의 길이가 일단 침식되면, 상기 연결 핀을 사용하여 새로운 길이가 퍼니스 외부로부터 나사 결합될 수 있는, DC 아크 퍼니스.
  17. 제7항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 전극은 아크에 의해 점진적으로 침식될 때 퍼니스(F)에서 전극을 천천히 아래로 이동시키도록 구성된 각각의 이동 메커니즘에 장착되는, DC 아크 퍼니스.
  18. 제17항에 있어서, 이동 메커니즘은 아크 전압을 조정할 수 있는 업/다운 기능을 제공하는, DC 아크 퍼니스.
  19. 제7항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 플라즈마 전력을 조정하기 위해, 전압은 전극의 높이를 조정함으로써 일정하게 유지되고; 전류 제어가 제공되는 전력 공급기에 전류 설정값(setpoint)이 제공되고; 액체 슬래그 층의 온도는 플라즈마 전력을 조정함으로써 제어되도록 구성되고; 및 플라즈마 전력은 열분해 반응과 같은 흡열 반응의 에너지 요건을 보상하기 위해 사용되도록 구성되는, DC 아크 퍼니스.
  20. 제7항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 스풀 및 도가니는 2 개의 별개의 부분으로 구성되며, 도가니는 스풀로부터 분리되도록 구성되는, DC 아크 퍼니스.
  21. 제20항에 있어서, 도가니에는 휠이 제공되며, 예를 들어, 일련의 타이 로드를 사용하여 트랙 위로 내려 가고, 위치로 다시 올라가도록 구성되고; 각각의 타이 로드(18)상의 일련의 너트들은 전형적으로 도가니를 제자리에 들어 올리고 유지하는데 사용되는, DC 아크 퍼니스.
  22. 제7항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 한 쌍의 상부 및 하부 탭 홀이 제공되어, 퍼니스의 각각의 액체 슬래그 층 및 용융 금속 층으로부터 과량의 산화 된 슬래그 및 액체 금속을 각각 추출하는, DC 아크 퍼니스.
  23. 제7항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 퍼니스는 퍼니스로의 원하지 않는 공기 유입을 방지하기 위해 실질적으로 완전히 밀폐되며; 스풀과 도가니 사이에 시일이 제공되며, 시일은 예를 들어, 흑연 또는 고온 내화 종이로 제조되는, DC 아크 퍼니스.
  24. 제7항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 2 개의 전극 각각 주위에 및 스풀의 외부에 전극 시일이 제공되는, DC 아크 퍼니스.
  25. 제24항에 있어서, 각각의 전극은 스풀의 내화물에 고정되는 외부 튜브를 통해, 예를 들어, 내화물에 주조되는 나사산 로드들 및 튜브를 고정하는데 사용되는 너트들을 통해 연장되는, DC 아크 퍼니스.
  26. 제25항에 있어서, 내화 로프의 상부에 제공된 흑연 로프의 층은 외부 튜브와 전극 사이의 갭을 밀봉하는데 사용되는, DC 아크 퍼니스.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서, 이동식 튜브는 흑연 로프의 층들 위에 제공되고, 예를 들어, 한 세트의 나사형 로드, 너트 및 와셔를 사용하여 그 아래로 낮아지도록 구성되고, 시일이 전극의 이동으로 침식될 때, 흑연 로프의 층들에 대해 이동 튜브를 낮추어 전극 주위에서 시일을 조일 수 있는, DC 아크 퍼니스.
  28. 제7항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 하부 애노드는 전기 아크에 전력을 공급하는데 사용되는 전기에 대한 전류 복귀 경로를 제공하고; 하부 애노드는 공기 냉각되어, 도가니 고장시 액체 슬래그와 물 사이의 접촉 위험을 피하여 증기 폭발을 방지하는, DC 아크 퍼니스.
  29. 제7항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 하부 애노드에는 도가니의 내화성 라이닝에 매립된 전형적으로 금속 또는 흑연으로 제조된 전도성 로드인 하나 이상의 전극이 제공되며; 전도성 로드는 예를 들어, 액체 슬래그 층과 직접 접촉하거나 전도성 플레이트와 접촉하고, 전도성 플레이트는 예를 들어, 흑연 또는 철 또는 강철과 같은 금속으로 제조되는, DC 아크 퍼니스.
  30. 제29항에 있어서, 금속판이 일반적으로 퍼니스 작동 동안 용융되므로, 바닥 애노드의 전극은 전극의 용융을 피하기 위해 예를 들어, 냉각 핀을 사용하여 외부에서 냉각되는, DC 아크 퍼니스.
  31. 제29항 또는 제30항에 있어서, 전도성 로드는 전형적으로 나사식으로 구리 로드에 정렬된 관계로 연결되고; 숄더들은 일반적으로 전도성 로드 사이에 양호한 전기적 접촉을 보장하기 위해 전도성 로드 상에 형성되는, DC 아크 퍼니스.
  32. 제31항에 있어서, 구리 로드는 구리 플레이트(34)와 함께 연결되며, 구리 플레이트(34)는 도가니의 내화물에 매립된 티형(tee-shaped) 금속 지지체에 의해 도가니에 고정되는, DC 아크 퍼니스.
  33. 제31항 또는 제32항에 있어서, 구리 로드는 병렬로 연결되고 구리 플레이트는 러그들(lugs)을 통해 전기 DC 케이블에 연결되며; 및 냉각 핀은 구리 또는 알루미늄으로 제조되어 구리 로드로의 열 전달 표면을 최대화하는, DC 아크 퍼니스.
  34. 제30항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 강제 공기 냉각은 냉각 핀을 냉각시키기 위해 사용되며, 플레넘은 냉각 핀 주위의 공기 순환을 강제하기 위해 제공되는, DC 아크 퍼니스.
  35. 제34항에 있어서, 저압 송풍기가 냉각 공기를 플레넘에 공급하도록 제공되고; 플레넘은 도가니 쉘에 나사 결합되는 볼트 세트에 의해 전형적으로 도가니의 바닥에 고정되고; 및 플레넘에는 예를 들어, 냉각 핀으로의 더 양호한 공기 분배를 위해 배플(baffles)이 제공되는, DC 아크 퍼니스.
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