KR100303254B1 - 산소와 순환 탄산가스에 의한 산소부화 연소-열분해 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 연소공정에서 사용하는 공기대신, 99% 이상의 고농도 산소와 연소로의 배출 측에서 순환되는 95% 내외의 고농도 탄산가스의 혼합가스로, 연료 또는 가연성 물질을 완전연소 또는 열분해 하는 새로운 완전연소 및 부분연소 -열분해방법에 관한 것으로, 연료나 가연성 폐기물, 저질연료, 바이오 매스 등을 연소하는 연소공정에서, 이의 연소에 필요한 산소를 고농도 산소와 연소공정 후단에서 발생하는 탄산가스의 일부를 순환시켜 혼합한 가스로 만들어 연소로에 주입하도록 하고, 산소유량의 제어는 연료의 유량과 연소후 잔류하는 산소와 미 연소분인 미량의 일산화탄소 함량에 의해 제어되도록 하며, 순환 탄산가스의 유량은 연소로 내의 온도와 그 분포상태에 의해 제어되도록 한 것이며, 본 발명의 연소방법에서 산소주입량 감량을 주로 하는 운전조건 변동에 의한 부분산화로 연료 또는 가연성 물질을 열분해 하여 석유대체원료인 합성가스 등을 생산할 수 있도록 한 것이다.

Description

산소와 순환 탄산가스에 의한 산소부화 연소-열분해 방법 {Combustion &Pyrolysis by oxygen enriched CO2 recirculation process}

본 발명은 종래의 연소공정에서 사용하는 공기대신, 99%이상의 고농도 산소와 연소로의 배출 측에서 순환되는 95%내외의 고농도 탄산가스의 혼합가스로, 연료 또는 가연성 물질을 완전연소 또는 열분해 하는 새로운 완전연소 또는 부분연소-열분해방법에 관한 것이다.

보통, 공기는 산소21%, 질소 79%로 구성되어 있어, 어디서나 대기중에서 무료로 대량을 용이하게 얻을 수 있다는 편리성 때문에 예로부터 연료나 가연성 물질을 연소시킬 때는, 연소에 필요한 산소를 얻기 위해 공기를 사용하는 것이 관행으로 되어 있다.

도 1은 종래의 연소공정을 개략적으로 도시한 것으로, 이는 연소로(1)에 연료(2)와 공기(3)를 주입하여 연소후에 송풍기(4)에 의해 연소가스(5)를 방출하도록 되어 있다.

이때, 산소와 동반하는 질소는 연소에 아무런 도움도 주지 않고 연소로를 통과하면서 고온에서 산소와 반응하여 오히려 질소산화물 이라는 공해물질을 생성하여 연소후 생성되는 탄산가스, 질소, 수증기와 함께 대기로 방출하게 되어 공해의 원인이 되고 있으며, 동시에 연소에서 생성되는 열을 흡수, 열 손실을 가중하는 등의 불이익을 가져오고 있다.

더욱이 최근에 이르러 고도의 산업발전으로 대량의 화석연료를 연소시키므로써 대량의 탄산가스가 대기로 방출되어 지구온난화의 주원인이 되고 있으나, 이러한 탄산가스를 재활용 또는 무공해 처리를 하려해도 다량의 질소가스로 희석되어 있어, 이를 일단 고농도의 탄산가스로 전환해야 하는 어려움이 따른다.

한편, 도 1에 도시한 바와 같은 종래의 연소공정에서는 다량의 질소가 동반하기 때문에 연소후 배출되는 기체중의 탄산가스 농도는 불과 10~15% 전후의 희석된 가스이며, 또한 배출되는 연소가스 총량이 본 발명에 의한 연소공정에서 배출되는 연소가스량의 적어도 4배 이상이 된다.

이러한 상황에서, 최근에는 종래의 연소공정에서 배출되는 10~15% 전후의 탄산가스가 함유된 연소가스에서, 고농도의 탄산가스를 분리 농축하려는 기술개발이 국내외서 성행하고 있으며, 그 기술개발의 방향은 주로 고체 흡착제에 의한 흡착-탈착법과, 액체 흡수제에 의한 흡수-탈수법이 주류를 이루고 있다. 다시 말해서 이들 기술개발은 모두 일단 연소로에서 배출된 농도가 희석된 가스에서 고농도의 탄산가스를 분리하려는 말단 처리방법이다.

이에 비해, 본 발명에서는 연소로에서 배출되는 기체 자체가 이미 고농도의 탄산가스로 배출되도록 하는 원천처리방법인 것이다.

이에 본 발명에서는, 연소에 필요한 산소공급을 공기대신, 순산소와 연소후 생성되는 탄산가스의 일부를 순환시켜, 그 혼합가스로 대체하는 새로운 연소공정을개발하여 공기사용으로 인한 모든 문제점을 일거에 원천 해소하고자 하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기존 연소공정의 공기대신 산소와 순환 탄산가스를 주입하므로써, 연소로에서 배출되는 기체가 탄산가스와 수증기 그리고 약간의 잔류 산소 뿐이도록 한 것이다.

본 발명에서는 상기에서와 같이 순산소를 공기대신 사용하므로 질소의 유입이 전혀 없기 때문에, 연소후 배출되는 기체는 그 자체가 건조가스 기준으로 보통 95% 이상의 고농도 탄산가스이고, 나머지는 과잉 투입한 5%이내의 산소이다.

도 1은 종래의 연소공정도,

도 2는 본 발명에 의한 산소부화 연소공정도,

도 3은 본 발명의 산소부화 연소공정에서의 제어의 핵심인 산소와 순환탄산

가스의 제어원리를 나타낸 것이며,

도 4는 본 발명에 의한 산소부화 열분해방법을 도시한 것으로, 폐기물, 저

질 연료, 바이오매스 등을 부분산화-열분해 하여 생산되는 합성가스를 정제

하여 활용하는 다양한 고성능 연계병산(물질, 동력, 열)하는 공정중, 대표

적인 것을 예시한 것이다.도 5는 본 발명에 의한 연소-열분해 공정에서 생성되는 합성가스의 정제공정을 나타내는 블록도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 연소로 2 : 연료

3 : 공기 4,7: 송풍기

5 : 연소가스 6 : 산소

8 : 순환 탄산가스 9 : 연소가스

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 의한 연소공정을 도시한 것으로, 이는 공기대신 농도 99%이상의 산소(6)를 연소후 배출되는 연소가스(9)에서 그 일부를 송풍기(7)에 의해 순환시킨 탄산가스(8)와 적절히 혼합하여 산소농도가 높은 가스를 연소로(1)로 주입하도록 되어 있다. 즉, 공기는 전혀 주입하지 않고 산소(6)와 탄산가스(8)만을 주입하며, 연소후에는 탄산가스(8)를 생산한다.

상기한 본 발명의 연소방법으로 종래의 연소로와 동일한 연소온도를 유지한다면, 연소로로 유입하는 기체중 산소농도는 약 30% 전후가 된다. 그 이유는 비열이 적은 질소대신 비열이 큰 탄산가스가 유입되기 때문이며, 결과적으로 동일한 연소온도에서 연소로로 유입되는 기체의 부피가 약 30% 감소하게 된다. 그리고 그 영향은 연소가스가 통과하는 모든 장치의 크기를 줄일 수 있고, 유해물의 제거효율과 열효율을 향상시켜 주는 작용을 하는 등의 장점을 가져오게 된다.

한편, 종래의 연소로에서는 잔류 미연소분 가스(일산화탄소 가스, 카본 분말 등)을 최소화하기 위해서 공기 주입량을 이론량보다 약 20% 과잉으로 주입하여, 최종 배출기체 안에 산소가 보통 4% 이상 잔류하게 되며, 이로 인하여 연소로에 유입하는 기체유량이 더욱 증가하게 되고, 이어서 전술한 바와 같은 장치의 크기, 열효율, 유해물 제거효율 등에 불리한 영향을 가중시킨다.

이에 반해 본 발명의 연소공정에서는 고농도 산소에 의한 완전연소가 용이하므로 산소의 과잉 공급율을 더욱 줄일 수 있다는 장점이 있으며, 최종 배출되는 기체의 부피는 종래의 연소공정에서 최종 배출되는 기체의 1/4 이하가 되도록 한다.

도 3은 본 발명의 산소부화 연소공정에서의 제어의 핵심인 산소(6)와 순환 탄산가스(8)의 제어원리를 나타낸 것으로, 산소(6)의 유량은 연료(2)의 유량을 제어하는 유량조절기(FC)와 연소후 잔류 미연소분인 미량의 일산화탄소의 함량, 잔류 산소함량 등을 감지하는 가스분석기(GS)에 의하여 조절되며, 순환 탄산가스(8)의 유량은 연소로(1)내의 온도와 그 분포상태를 감지하는 온도조절기(TC)에 의해 조절되도록 구성되어 있다.

한편, 본 발명의 공정에서 산소의 유입량을 감소시켜 부분 산화조건을 유지하면, 가연성 물질은 산소 부족상태에서 열분해 되어 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 혼합가스인 합성가스를 얻을 수 있다. 이 가스는 정제후 디메틸에텔 (DME;Dimethyl Ether), 디메틸카바메이트, 메탄올, 도시가스, 수소, 에탄올, 에틸렌 등 석유화학제품을 생산할 수 있는 원료가 된다. 특히 저질자원인 폐기물, 저질연료, 바이오 매스 등을 열분해 하여 유용한 합성가스로 전환하는데 대단히 유용하게 활용될 수 있다. 더욱이 연소로의 구조를 특수 용융로로 설계제작하면, 저질 폐기물에 함유하는 모든 무기물(금속류, 자기류, 토사류 등)을 용융 유리질화 하여 재활용할 수 있는 장점도 있다.

이에 대한 설명은 도 4에 대표적으로 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 산소부화 열분해 방법으로, 폐기물, 저질연료, 바이오매스 등을 부분산화-열분해하여 생산되는 합성가스를 정제하여 활용하는 다양한 고성능 연계생산(물질, 동력, 열)하는 공정을 대표적으로 예시하고 있다.

이의 특징은 저질자원, 바이오 매스 등 종래 소각 폐기하던 폐기물 등을 모두 유용한 자원으로 활용하여 환경과 자원을 동시에 보전할 수 있으며, 원료비가 저렴하고, 물질-동력-열을 병산하는 고성능 연계생산공정으로 구성하여 새로운 미래지향성 산업구조로 개편기술의 기반조성이 될 수 있다.

도 4에 도시된 연계공정중 'Ⅰ'공정은 저질자원에서 합성가스를 생산하는 공정을 보인 것이고, 'Ⅱ'공정은 분산형 연료전지 열병합 발전공정을 보인 것이며, 'Ⅲ'공정은 암모니아-요소-액탄-고탄 생산공정이고, 'Ⅳ'공정은 도시가스 생산공정, 'Ⅴ'공정은 메탄올-복합(IGCC;Integrated Combined Cycle)발전공정, 'Ⅵ'공정은 디메칠에텔-복합발전공정, 'Ⅶ'공정은 디메칠카바메이트-복합발전공정(미래형), 'Ⅷ'공정은 지구온난화 방지공정을 도시한 것이다.도 5는 도 4에 도시된 합성가스 생산 공정인 'Ⅰ'공정을 구체화하여 도시한 블록도로서 이를 참고하여 연소-열분해에 이하여 생성되는 합성가스의 정제공정을 설명하면 다음과 같다.먼저 저온 열분해 가스(51, 저온 열분해된 합성가스로서, 중질탄화수소와 각종 유해 불순물이 함유되어 있는 가스)는 900 내지 1,200℃ 범위에서 운전하는 고온 부분산화-열분해 탑(52)에서 적적량의 산소부화 가스와 수증기(151)를 가하면서 가연가스의 일부를 연소시켜 2차로 고온 열분해 시킨다. 이러한 고온 부분산화-열분해 탑(52)에서는 저온 열분해 공정에서 분해되지 않은 중질탄화수소(메탄이 주로 포함된 C₂이상의 중질탄화수소)가 거의 모두 수소와 일산화탄소로 분해되고, 유독물인 다이옥신 류를 완전히 분해시키기 위한 공정으로, 그 온도제어는 40 내지 80% 범위의 고농도 산소부화가스의 최소량을 주입하여 배출가스 중에 잔류하는 중질 탄화수소 가스의 양을 적정 범위 이내가 되도록 제어하는 것이 목적이다.이어서 고온 열분해 한 가스는 급냉각기(53)에서 극미 분무수(152)에 의하여 물의 증발잠열에 의해 120 내지 150℃ 정도로 급냉(0.7 초 이내)시킨다. 급냉각의 목적은 유독물인 다이옥신 류의 재생성을 예방하고, 다음 공정에서 필요한 온도로 냉각시키는 것이다.급냉각한 가스는 알칼리 수용약에 흡착제를 혼합한 중화-흡착 세정과 공정수에 의한 수세정 탑(54)에서 참가제(153)의 투입으로 산성가스(주로 염산가스)의 중화, 불순물과 미세 고형물의 여과 제거, 세정 과정을 통하여 동반된 대부분의 수증기를 응축 분리시키면서 상온의 가스로 배출되게 된다. 이 공정에서 사용되는 알칼리 수용액은 가성소다 수용액을 주로 하며, 흡착제는 특수 활성탄을 주성분으로 하여 적정량을 연속적으로 주입하고, 여과기에서 고형물을 연속적으로 분리배출한다.수세정탑(54)에서 1차 정제한 가스에 잔류하는 미량의 불순물(주로 유황, 질소의 화합물)을 제거하기 위하여 특수 고체 분말촉매(154, MgO-FeO_x계열)를 물에 분산시킨 화학처리공정(55)을 통하여 2차 정제한 다음, 다시 반응성 흡착제(155)와 고성능 활성탄을 충진한 고도 정제공정(56)에서 잔류하는 극미량의 거의 모든 불순물을 흡착제거하여 고도로 정제된 저렴한 합성가스(251)를 생산할 수 있고, 필요에 따라서는 이 합성가스를 그대로 청정연료가스(252)로도 사용할 수 있다.한편, 상기 수세정탑(54)과 화학처리공정(55)에서 발생하는 폐수는 별도의 폐수재생공정(57)에서 처히하여 공정수로 활용되고, 폐수재생공정(57)에서 발생되는 여과잔사(351)는 폐촉매회수(352), 폐흡착제(353)와 함께 중금속류가 축적되지 않는 범위에서 그 대부분을 고형 폐기물 용융-열분해로 재투입하여 처리한다.상기와 같이 도 5에 도시된 공정을 통하여 생산되는 합성가스와 수소 및 탄산가스를 활용하여 고부가 가치가 있는 각종 연계공정 중 도 4에 도시된 연계공정 Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ, Ⅵ, Ⅶ. Ⅷ을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.먼저 Ⅱ공정은 Ⅰ공정에서 생산된 수소 및 일산화탄소 가스를 연료전지의 원료가스로 공급하는 것으로 석유류나 천연가스에서 수소를 생산하는 시설 일체가 필요 없으므로 조기 설비비가 반감되고 설치면적이 1/5 이하로 격감된다. 연료전지의 뛰어난 효과에도 불구하고 실용화가 지연되는 주요한 요인은 수소의 공급비용이 고가라는 데 문제가 있었는데, 상기와 같은 공정을 통하여 이러한 문제를 해결할 수 있다.다음으로 Ⅲ공정은 Ⅰ공정에서 생산되는 수소와 질소 및 탄산가스를 활용하여 암모니아, 요소비료 및 약체탄산과 고체탄산(dry ice) 등을 생산하는 공정이다. 이러한 암모니아-요소-액탄-고탄 생산공정은 Ⅰ공정의 공기에서 분리된 질소와 이산화탄소를 모두 활용하는 것으로 Ⅰ공정에서 필요한 산소를 생산하는 비용을 대폭 절감할 수 있다.Ⅳ공정의 도시가스 생산공정은 수소, 일산화탄소 및 탄산가스를 활용하여 메탄화 촉매반응에 의해 도시가스인 메탄가스를 생산하여 도시가스로 공급하는 동시에 촉매반응에서 발생하는 고온의 열을 병용할 수 있는 연계 공정이다. 이러한 도시가스 생산 공정은 종래의 액화천연가스의 수입-저장-기화 공급하는 대규모 투자시설을 대폭 절감하고, 메탄화 반응에서 병산되는 다량의 열량(도시가스 1Nm³당 약 2,000kcal)을 지역 냉난방에 활용할 수 있는 공정이다.Ⅴ공정의 메탄올-복합발전공정, Ⅵ공정의 디메칠에텔-복합발전공정, Ⅶ공정의 디메칠카바메이트-복합발전공정은 Ⅰ공정에서 수소와 일산화탄소 및 탄산가스가 대규모로 생산되는 경우(폐기물 기준 1일 약 5,000톤 이상 처리하는 규모)에 이를 활용하여 메탄올, 디메칠에텔, 디메칠카바메이트 등의 유용한 석유화학 제춤과 전력을 병산하는 연계공정(Power-Mass Coproduction)이다. 이러한 복합공정을 통하여 대량의 폐기물을 유용하게 활용할 수 있다. 특히 디메칠에텔은 도시공해의 주원인이 되는 디젤엔진 자동차의 가장 적절한 대체연료로 인정되고 있다.Ⅷ공정은 각 공정을 토아여 Ⅰ공정에서 생산된 이산화탄소를 최대한 활용하고도 남는 잉여 탄산가스(그 농도가 80 내지 90%)를 고압(200 내지 300 기압)으로 압축하여 심해에 투입하여 탄산염으로 고화시킴으로써 지구 온난화 저감에 기여하는 방법이다. 종래의 탄산가스 방출원은 모두 탄산가스 농도가 10 내지 15%이므로 이를 심해에 투입하려면 먼저 그 농도를 80% 이상으로 농축시키는 시설이 요구된다는 부담이 있었는 데 상기 공정은 이러한 문제점을 해소할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은 다음과 같은 장점을 갖는다.

첫째, 본 발명은 순환탄산가스의 유량조절로 연소로에 주입하는 산소와 탄산가스의 혼합가스중 산소농도를 자유자재로 용이하게 조절할 수 있어, 결과적으로 연소로 내의 연소조건을 최적의 안정상태로 유지하기가 용이하다.

둘째, 질소가스의 유입이 없으므로 종래의 연소로에서 필연적으로 생성되는 공해물질의 하나인 질소산화물의 생성이 원천해소된다.

셋째, 불필요한 질소의 주입이 없으므로 전공정을 거쳐가는 기체의 유량이 대폭 줄어들어 모든 단위공정의 장치용량을 절감할 수 있어, 건설비와 설치면적을 절감할 수 있으며, 열손실 감소로 열효율이 향상되며, 각종 유해물질 즉, 황산화물, 먼지, 다이옥신 등의 제거효율이 격증한다.

넷째, 본 발명에 의하면 완전연소의 경우, 최종 배출기체는 건량기준으로 95Vol.% 이상의 고농도 탄산가스와 미량의 잔류산소 뿐으로서, 이를 자원으로 재활용하기가 대단히 용이해지며, 이를 모두 재활용하면, 민원의 첨예한 대상이 되는 굴뚝이 필요 없게 된다.

다섯째, 동일장치에서 산소주입량 하향조정을 주로 하는 운전조건 변경으로 모든 유기물의 열분해에 의한 석유대체원료인 합성가스로의 전환이 가능하여, 특히저질가연성 물질인 폐기물, 저질연료, 바이오 매스 등의 유용한 자원화가 가능해진다.

여섯째, 본 발명에 의하여 생산되는 탄산가스 및 합성가스는, 유관 화학공정과 최적의 조합으로 연계공정을 구성하면, 경제성이 탁월하고 환경과 자원을 다함께 보전하는 새로운 산업구조를 형성할 수 있다.

또한, 산소농도에 따라 고온을 용이하게 얻을 수 있으므로 내열 특수구조의 연소로에서는 가연성 물질에 함유하는 비가연성 물질인 금속류, 무기물류를 모두 용융 배출시켜, 유독물이 없는 유리질화된 고체로 재활용할 수 있으며, 지구 온난화 원인의 주범인 탄산가스 방출 저감책의 기반기술로 광범하게 활용될 수 있다.

Claims (5)

1. 공기 분리공정을 통한 순수 산소를 연소로에 투입하여 가연성 폐기물, 저질 연료, 바이오 매스 등을 연소시키는 연소공정에 있어서,

   고농도 산소와 연소공정 후단에서 발생하는 탄산가스의 일부를 순환시켜 혼합하여 연소로에 주입시키도록 하되, 상기 산소유량의 제어는 연료의 유량과 연소후 잔류하는 산소와 미 연소분인 미량의 일산화탄소 함량에 의해 제어되도록 하고, 순환 탄산가스의 유량은 연소로내의 온도와 그 분포상태에 의해 제어되도록 하며, 산소주입량 감량을 주로 하는 운전조건 변동에 의한 부분산화로 연료 또는 가연성 물질을 열분해 하여 석유대체원료인 합성가스를 생산하도록 함을 특징으로 하는 산소와 순환탄산가스에 의한 산소부화 연소-열분해 방법.
2. 제 3항에 있어서,

   상기 연소-열분해 방법으로 폐기물, 저질 연료, 바이오 매스 등의 연소-열분해 공정에서생산되는 합성가스를 정제후 수소로 전환하여, 이 수소와 산소를 공급하는 공기분리공정에서 생산되는 질소로부터 암모니아를 생산하고, 수소를 생산하는 과정에서 분리된 탄산가스와 암모니아로 요소비료를 생산하는 연계공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소와 순환탄산가스에 의한 산소부화 연소-열분해 방법.
3. 제 3항에 있어서,

   상기 연소-열분해 방법에 의하여 생산되는 합성가스를 정제 후 수소로 전환하여, 이 수소를 연료전지에 원료가스로 공급하여 분산형 열병합 발전을 구성하도록 하는 연계공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소와 순환탄산가스에 의한 산소부화 연소-열분해 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 연소-열분해 방법에 의하여 생산된 합성가스를 정제 후, 니켈을 주성분으로 하는 촉매탑에서 메탄가스로 전환하고 도시가스로 공급하고, 상기 전환과정에서 병산되는 열에너지를 회수하여 열에너지를 병산하는 연계공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소와 순환탄산가스에 의한 산소부화 연소-열분해 방법.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 열분해공정으로 폐기물, 저질연료, 바이오매스 등을 열분해하여 생산되는 합성가스를 정제후, 30~100기압으로 압축하여, 일관 반응탑 (once through reactor)에서 메탄올 또는 디젤연료의 대체품인 저공해성 디메칠 에텔을 합성 분리하고, 미반응가스는 복합발전(IGCC; Integrated Combined Cycle)에 의해 고효율 발전과 열에너지와 메탄올/디메칠에텔등의 물질을 병산하는 대규모 연계공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소와 순환탄산가스에 의한 산소부화 연소-열분해방법.