KR100530563B1 - 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조방법 및 그 장치 - Google Patents

가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로, 그 목적은 가연성 폐기물의 가스화를 통해 열량이 높은 합성가스를 제조하므로, 폐기물의 처리가 용이하고, 중유나 가스연료의 대체가 가능하며, 이로 인해 연료절약 및 비용을 절감할 수 있는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 가스화부 내부에 나무와 코크스를 충진하고, 상기 충진된 나무와 코크스를 LPG 연소에 의해 점화하여 가스화부를 예열하며, 상기 예열된 가스화부내로 가연성 폐기물을 충전한 후, 상기 충전된 폐기물층에 수증기와 산소를 공급하여 700℃ 이상으로 가열하므로써, 발열량 1,900∼3,000kcal/Ｎ㎥ 수준의 가연성 합성가스를 제조하는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

Description

가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조방법 및 그 장치 {Manufacturing system synthetic gas from combustibles wastes by gasification}
본 발명은 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로, 고형화 처리된 플라스틱 및 목질계 폐기물 층에 산소 및 수증기를 주입하여 부분산화 및 수증기 반응에 의해 일산화탄소, 수소, 메탄 및 이산화탄소 등으로 구성되는 발열량 1,900∼3,000㎉/Ｎ㎥ 수준의 합성가스를 제조하고, 불연성 물질은 용융 슬래그로 배출하는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다.
국내에서 발생되는 가연성 폐기물의 양은 약 600만톤 정도로 이의 대부분은 소각되거나 매립에 의존하고 있다. 종래의 플라스틱이나 목질계 폐기물의 처리기술은 고정식 연소로에서 공기를 주입하여 연소하는 것이 일반적이었다. 그러나, 상기와 같은 연소는 연소조절이 어려워 연소 조건에 따라 불완전 연소되는 현상이 발생되었으며, 이로 인해 매연 (soot)이 발생되거나 염소화합물 등에 의한 다이옥신 발생 등 공해물질이 발생되고 이렇나 공해물질을 별도로 후처리하여야 하는 등 여러 가지 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 가연성 폐기물의 가스화를 통해 열량이 높은 합성가스를 제조하므로, 폐기물의 처리가 용이하고, 중유나 가스연료의 대체가 가능하며, 이로 인해 연료절약 및 비용을 절감할 수 있는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 가스화부 내부에 나무와 코크스를 충진하고, 상기 충진된 나무와 코크스를 LPG 연소에 의해 점화하여 가스화부를 예열하며, 상기 예열된 가스화부내로 가연성 폐기물을 충전한 후, 상기 충전된 폐기물층에 수증기와 산소를 공급하여 700℃ 이상으로 가열하므로써, 발열량 1,900∼3,000kcal/Ｎ㎥의 가연성 합성가스를 제조하는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조방법 및 그 장치를 제공함에 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 전체 구성을 보인 예시도를, 도 2 는 본 발명에 따른 전체 구성을 개략도를 도시한 것으로, 본 발명은 스키드로더(10)에 의해 이송된 폐기물을 폐기물 공급부(20)에 의해 가스화부(30)내로 공급하고, 상기 가스화부(30)를 예열한 후, 수증기 및 산소를 공급하여 가스화부(30)내에 충진된 폐기물 충진층을 가열하므로써, 합성가스를 생성하도록 되어 있다. 이때, 생성된 합성가스는 생성가스 출구를 통해 사이클론(40), 열교환기(50), 멀티 사이클론(60), 집진기(70) 및 배기 휀(80)을 통해 합성가스를 활용하는 설비로 배출된다. 가스화는 LPG를 이용한 가스화부의 예열을 통해 시작된다. 가스화부의 온도가 1,000℃ 이상이 되고, 코크스에 의해 화염이 유지되면 일정량의 폐기물 펠렛 시료를 일정한 간격으로 폐기물 공급부(20)를 통하여 공급하게 된다. 폐기물이 공급되면, 생성가스 조성을 근거로 하여 산소 및 스팀의 양을 조절하면서 가스화를 진행하게 된다.
상기 폐기물 공급부(20)는 스키드 로더(10)에 의해 이송된 폐기물을 가스화부(30)내로 공급하고, 생성가스와 외부공기의 접촉에 의한 연소를 방지하는 것으로, 도 5 에 도시된 바와 같이, 스키드 로더(10)와 연결되는 깔대기 형상의 호퍼(21)와, 상기 호퍼 하부에 설치되고 공압실린더(23)에 의해 슬라이드 작동되는 1차 게이트(22)와, 상기 1차 게이트(22) 하부에 설치되고 유압펌프(도시없음)에 의해 슬라이드 작동되는 2차 게이트(24)와, 상기 1,2차 게이트(22,24)를 가스화부(30) 상부에 결합하는 클램프(25)로 구성되어 있다. 즉, 상기 연료공급부(20)는 스키드 로더(10)에 의해 이송된 폐기물이 호퍼(21)로 공급되면, 호퍼(21) 하부에 설치된 1차 게이트(22)가 공압실린더(23)에 의해 작동되어 적정량의 폐기물을 하부(2차 게이트 상부)로 이동시킨 후 다시 원위치(폐쇄)되고, 1차 게이트(22)의 작동이 완료되면 유압펌프에 의해 2차 게이트(24)가 슬라이드 작동되어 가스화부(30)내로 폐기물을 이동시킨 후 다시 원위치(폐쇄)된다.
상기 가스화부(30)는 공급된 폐기물을 연소하여 합성가스를 생성하는 것으로, 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 내통(31a)과 외통(31b)의 이중원통형으로 형성되고 상부의 폐기물공급구로부터 폐기물이 공급되는 몸체(31)와, 상기 몸체의 내통 상단에 설치되는 분산판(32)과, 상기 원통형 몸체(31)가 중앙에 위치하게 설치되며 수증기 및 산소를 공급하는 환형공급관(33)과, 상기 환형공급관(33)과 연결되고 몸체의 외주면을 따라 등간격으로 몸체의 내통과 연통되도록 설치되는 다수개의 주입노즐(34)과, 상기 몸체의 상하부에 각각 설치되어 내통과 외통사이의 공간(31c, 이하 '수냉자켓'이라 칭함)로 냉각수를 공급/배출하는 냉각수 입/출구(35,36)와, 상기 몸체내통(31a)과 연통되고 몸체 상부에 설치되는 생성가스출구(37)로 구성되어 있다.
즉, 수증기 공급수단(91) 및 산소공급수단(92)으로부터 공급되는 산소 및 수증기는 몸체 주위에 설치된 환형공급관(33)으로 공급되고, 상기 환형공급관(33)으로 이송된 산소 및 수증기는 환형공급관(33)과 연결되고 몸체 내통내부와 연통되는 12개의 주입노즐(34)을 통해 몸체 내통내부로 공급되도록 되어 있다. 이때, 상기 몸체(31)는 환형공급관(33)의 내부로 삽입되도록 즉, 링형상의 환형공급관내로 몸체가 끼워지도록 되어 설치되어 있다. 또한, 상기 12개의 주입노즐(34)에는 차압계(34a)가 설치되어 있어, 동일한 유속 및 압력조건으로 수증기 및 산소가 공급되도록 제어가 가능하며, 가스화부 내부의 상태를 파악할 수 있도록 사이트 글래스(34b)가 설치되어 있다.
상기 몸체(31)는 내통(31a)과 외통(31b)으로 구성되어 있으며, 내통내부에 폐기물이 충진되고 수증기 및 산소가 공급되며, 내통과 외통사이의 공간인 수냉자켓(31c)으로 냉각수가 공급되도록 되어 있다. 상기 몸체 상부에는 폐기물 공급부(20)와 연결되는 폐기물 공급구(31d)가 형성되어 있으며, 상기 폐기물 공급구(31d) 일측에 몸체의 내통내부와 연통되는 생성가스 출구(37)가 형성되고, 상기 폐기물 공급구(31d)를 중심으로 생성가스 출구(37)와 대칭되는 위치에 수냉자켓(31c)과 연통되는 냉각수 출구(36)가 형성되어 있다. 또한, 상기 몸체 하부에는 수냉자켓(31c)으로 냉각수를 공급하는 4개의 냉각수 입구(35)가 형성되어 있으며, 몸체 중간에 환형배관(33)과 연결되는 12개의 주입노즐(34)이 원통형상의 몸체 외주면을 따라 등간격으로 설치되어 있다.
또한, 상기 주입노즐(34)의 부위에는 냉각수가 통과될 수 있는 배출구(38)가 설치되어 있으며, 상기 배출구(38)를 통해 배출된 냉각수는 몸체 외주면에 설치되는 환형 배수관(39)으로 배출되어 외부로 배출되도록 되어 있다.
상기 분산판(32)은 몸체내통(31a)의 상단 즉, 폐기물 공급구와 연통되는 부위에 설치되는 것으로, 외부면이 테이퍼진 형상(삿갓 형상)을 구비하고 있으며, 폐기물 공급부(20)를 통해 공급된 폐기물을 몸체 내통내부에 균일하게 분산시키는 역할을 한다.
상기 사이클론(40)은 몸체의 생성가스 출구와 연결되는 것으로, 생성가스 출구를 통해 배출되는 합성가스내의 고체물질을 비중차에 의해 분리하여 1차 포집한다.
상기 열교환기(50)는 합성가스와 함께 배출된 열을 회수하는 것으로, 사이클론과 연결되어 있다.
상기 집진기(70)는 사이클론(40), 열교환기(50) 및 멀티 사이클론(60)을 순차적으로 경유한 합성가스내의 미립자를 제거하기 위한 것으로, 배기 휀(80)과 연결되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 가연성 폐기물을 이용하여 깨끗하고 열량이 높은 합성가스 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로, 고형화 처리된 플라스틱 및 목질계 폐기물 층에 산소 및 수증기를 주입하여 부분산화 및 수증기 반응에 의해 일산화탄소, 수소, 메탄 및 이산화탄소 등으로 구성되는 발열량 1,900∼3,000kcal/N㎥ 수준의 합성가스를 제조하는 기술로서 고온에서 환원성 분위기에서 반응하여 불연성 물질은 용융 슬래그로 배출하도록 되어 있다.
따라서, 가스화에 의한 환원성 분위기의 반응기 내부 조건은 단순히 불활성 분위기 하에서 가열에 의해 휘발화하는 열분해와는 그 원리가 상이한 것이며, 본 발명에 따른 가연성 폐기물의 가스화 과정에서 발생되는 반응은 다음과 같다.
폐기물(목질계) → Char(C) + VM 식 (1)
폐기물(플라스틱계) → nCnHm 식 (2)
C + O2 → CO2 △H = -393.8kJ/㏖ 식 (3)
C + ½O2 → CO △H = -110.6kJ/㏖ 식 (4)
C + CO2 → 2CO △H = 172.6kJ/㏖ 식 (5)
C + H2O → CO + H2 △H = 131.4kJ/㏖ 식 (6)
C + 2H2O → CO2 + 2H2 △H = 131.4kJ/㏖ 식 (7)
C + 2H2 → CH4 △H = -74.9kJ/㏖ 식 (8)
상기 가스화부의 폐기물 공급구를 통해 폐기물이 투입되면, 폐기물은 식(3)과 식(4)에서 생성된 고온의 가스에 의해 가열되고, 산소 부족상태에서 식(1) 및 식(2)와 같이 열분해 되게 된다. 상기 가스화 과정을 통해 합성가스를 형성하는 폐기물의 주요 성분은 불연분을 제외한 가연성 물질이며 대부분 플라스틱과 목질계로 구성되어있다. 따라서, 플라스틱과 목질계의 혼합 폐기물은 온도영역에 따라 다른 특성을 나타내며, 180℃에서는 셀룰로오스가 분해되고 350∼450℃에서는 플라스틱 분해가 이루어진다. 식(1)에 의해 열분해 후 남은 생성물은 목탄(char)과 휘발분으로써 생성된 목탄(char)은 수증기 및 CO2와 반응하여 가스화 반응을 하게 된다. Char-gas 반응은 흡열반응으로 이루어지므로 가스화 영역에서의 온도를 높게 유지시켜주어야 한다. 또한, 플라스틱의 경우에는 열분해과정이 라디칼이나 원자형태로 깨어지는 다이렉트 크래킹(direct cracking)이 이루어진다. 즉, 폐기물중 셀룰로오스계는 열분해를 거친 다음 목탄(char)이 가스화 되는 2단계 반응으로 이루어지지만, 플라스틱은 가열에 의해 다이렉트 크래킹(direct cracking)되면서 열가소성인 경우에는 용융되는 성질을 갖게 된다.
본 발명은 상기와 같은 반응원리를 이용한 것으로, 본 발명 폐기물의 가스화는 가스화부의 예열로부터 시작된다. 가스화부 예열을 위해서는 가스화부 내부에 나무와 코크스를 충전한 다음, LPG 연소에 의해 나무와 코크스를 점화하고, 이후에는 산소를 공급하여 폐기물 충진층을 700℃ 이상으로 가열한다. 가스화 반응에 의해 생성된 생성가스는 생성가스 출구를 통해 사이클론, 열교환기, 멀티사이클론, 집진기 및 배기 휀을 거쳐 생성가스를 활용하는 설비로 배출된다.
고형폐기물과 산화제간의 균일한 혼합을 위하여 폐기물 공급부에 의해 공급되는 고형 폐기물은 가스화부 내부에서 삿갓 형태의 균일 분산판에 의해 몸체 내통 내부에서 균등하게 쌓이게 되고, 산소와 수증기는 몸체 주위의 환형 공급관에 의해 12개 주입노즐을 통해 공급되어진다. 이때, 산소 및 수증기는 12개의 주입노즐에 설치된 차압계에 의해 동일한 유속 및 압력조건으로 공급되도록 제어된다.
폐기물 공급부는 연료의 공급 및 생성가스와 외부공기의 접촉에 의한 연소를 방지하기 위해 매우 중요한 역할을 하며, 외부와 공기차단은 2중의 슬라이드 게이트에 의해 가능하며, 특히 장치내부의 압력 특성에 따라 호퍼의 2차 게이트는 클램프에 의해 더욱 더 실링(sealing)이 완벽하게 이루어지도록 되어 있다.
가스화부 내부로부터 발생된 열은 가스와 함께 배출되어 열교환기에서 회수되거나 냉각수로 충진되는 가스화부 몸체의 내통과 외통사이(수냉자켓)에서 회수되도록 하였으며, 가스화부 전체부위에 고른 냉각수 주입을 위하여 냉각수는 몸체 하부에 설치되어 있는 4개의 냉각수 입구를 통해 공급되어 상부의 냉각수 출구로 배출되며, 특히 주입노즐 부위에 설치된 배출구를 통해 주입노즐 부위로 냉가수가 통과하도록 되어 있다. 또한, 장치의 벽면에는 5개의 온도계가 설치되어 있어, 가스화 영역에서의 온도를 감시 및 제어할 수 있으며, 주입노즐에 설치된 사이트 글래스(sight glass)에 의해 가스화부 내부 상태를 파악할 수 있다.
또한, 운전상의 안전을 위하여 가스화장치 내부의 압력이 급격하게 상승하는 경우 가스화장치 후단에 위치한 배기 휀을 가스화장치 내부의 압력과 연동시켜 내부의 압력을 감소시키도록 되어 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
실시예
직경 5cm 길이 10cm의 펠렛형태로 고형화된 가연성 폐기물을 30분 주기로 100㎏씩 주입하였으며, 산소량은 50∼70N㎥/hr 조건으로 주입하였다. 또한, 가스화부의 예열을 위해서는 내부에 나무와 코크스를 충전한 다음, LPG 연소에 의해 나무와 코크스를 점화하고, 이후에 산소를 공급하여 폐기물 충진층을 700℃ 이상으로 가열하였으며 그 결과는 표 1 과 같다.
표 1
폐기물의 원소 및 공업분석
원소분석 공업분석 발열량(kcal/㎏)
C H O N S Moist. Ash V.M FC
51.6 8.2 25.0 0.8 0.1 1.33 13.43 79.58 5.66 6,500
운전결과
생성가스 조성 발열량(kcal/N㎥)
CO CO2 H2 CH4
30.7 17.7 49.4 2.2 2,642
상기에서와 같이 본 발명에 의해 합성된 가스는 발열량이 1,900∼3,000㎉/Ｎ㎥ 수준의 가연성 합성가스임을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
이와 같이 본 발명은 발열량 1,900∼3,000kcal/Ｎ㎥을 구비하므로, 폐기물의 감량화와 가연성 물질로부터 대체연료를 생산할 수 있으며, 본 발명에 의해 제조된 합성가스는 건조로, 소결로의 원료뿐만 아니라 합성에 의한 메탄올 제조, 분리에 의한 수소제조 또는 가스터빈에 의한 전력 생산이 가능하다는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 합성가스 제조장치는 고정층으로 구성되어 있어, 유동층이나 킬른식 합성가스 제조장치에서의 문제점 즉, 열가소성 플라스틱계 폐기물의 경우, 온도 상승에 따라 용융되어 가스화부 벽면에 부착되는 위험성을 미연에 방지할 수 있으며, 고정층 합성가스 제조장치는 가스화부 내부의 연료층 높이와 산소 및 수증기량의 제어만으로도 운전이 가능하도록 되어 있어, 공정감시 및 운전이 다른 형태의 장치보다 단순하다는 장점을 갖고 있다.
또한, 생성가스는 사이클론, 멀티 사이클론, 집진기 등에 의해 고체입자 및 미세입자 등의 분진이 제거되도록 되어 있어, 생성가스의 청정도를 높게 할 수 있으며, 이를 통해 내화물 소결 및 건조장치 등으로의 직접 공급할 수 있다.
또한, 본 발명은 폐기물을 매립이 아니라 소각을 통한 가스화 기술에 의한 처리하도록 되어 있어, 환경친화적이고 폐기물을 재활용할 수 있는 많은 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 전체 구성을 보인 예시도
도 2 는 본 발명에 따른 전체 구성을 개략도
도 3 은 본 발명에 따른 가스화부의 외부구성을 보인 예시도
도 4 는 본 발명에 따른 가스화부의 일부 절개구성을 보인 예시도
도 5 는 본 발명에 따른 폐기물공급부의 구성을 보인 예시도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
(10) : 스키드 로더(Skid loader) (20) : 폐기물 공급부
(21) : 호퍼 (22) : 1차 게이트
(23) : 공압실린더 (24) : 2차 게이트
(25) : 클램프 (30) : 가스화부
(31) : 몸체 (31a) : 몸체 내통
(31b) : 몸체 외통 (31c) : 수냉자켓
(31d) : 폐기물 공급구 (32) : 분산판
(33) : 환형공급관 (34) : 주입노즐
(34a) : 차압계 (34b) : 사이트 글라스(Sight glass)
(35) : 냉각수 입구 (36) : 냉각수 출구
(37) : 생성가스 출구 (38) : 배출구
(39) : 환형배수관 (40) : 사이클론
(50) : 열교환기 (60) : 멀티 사이클론
(70) : 집진기 (80) : 배기 휀
(90) : 냉각수 저장조 (91) : 수증기 공급수단
(92) : 산소 공급수단

Claims (8)

  1. 가스화부 내부에 나무와 코크스를 충진하는 단계;
    상기 충진된 나무와 코크스를 LPG 연소에 의해 점화하여 가스화부를 예열하는 단계;
    상기 예열된 가스화부내로 가연성 폐기물을 충전하는 단계;
    상기 충전된 폐기물층에 수증기와 산소를 공급하여 700℃ 이상으로 가열하는 단계;를 통해, 발열량 1,900∼3,000kcal/Ｎ㎥의 가연성 합성가스를 제조하는 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조방법.
  2. 스키드 로더에 의해 이송된 가연성 폐기물이 공급되는 폐기물 공급부와,
    상기 폐기물 공급부가 상부에 설치되고, 냉각수 공급부, 산소공급부, 수증기 공급부와 연결되며, 상부로 생성가스가 배출되는 가스화부와,
    상기 가스화부와 연결되고 가스화부터부터 생성가스와 함께 배출된 열을 흡수하는 열교환기와,
    상기 열교환기와 연결되는 배기 휀을 포함하는 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조장치.
  3. 제 2 항에 있어서;
    상기 가스화부와 연교환기 사이 및 열교환기와 배기휀 사이에는 분진을 제거하는 사이클론 및 집진기가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조장치.
  4. 제 2 항에 있어서;
    상기 가스화부는 내통과 외통의 이중원통형으로 형성되고 상부의 폐기물공급구로부터 폐기물이 공급되는 몸체와,
    상기 몸체의 내통 상단에 설치되는 분산판과, 상기 원통형 몸체가 중앙에 위치하게 설치되며 수증기 및 산소를 공급하는 환형공급관과,
    상기 환형공급관과 연결되고 몸체의 외주면을 따라 등간격으로 몸체의 내통과 연통되도록 설치되는 다수개의 주입노즐과,
    상기 몸체의 상하부에 각각 설치되어 내통과 외통사이로 냉각수를 공급/배출하는 냉각수 입/출구와,
    상기 몸체상부에 설치되고 몸체내통과 연통되어 생성가스를 배출하는 생성가스출구로 구성된 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조장치.
  5. 제 4 항에 있어서;
    상기 주입노즐 부위에는 냉각수 배출구가 더 설치된 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조장치.
  6. 제 5 항에 있어서;
    상기 냉각수 배출구 끝단에는 환형배수관이 더 설치된 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조장치.
  7. 제 4 항에 있어서;
    상기 주입노즐에는 차압계가 더 설치된 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조장치.
  8. 제 2 항에 있어서;
    상기 폐기물 공급부는 스키드로더와 연결되는 깔대기 형상의 호퍼와,
    상기 호퍼 하부에 설치되고 공압실린더에 의해 슬라이드 작동되는 1차 게이트와,
    상기 1차 게이트 하부에 설치되고 유압펌프에 의해 슬라이드 작동되는 2차 게이트와,
    상기 1,2차 게이트를 가스화부 상부에 결합하는 클램프로 구성된 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물을 이용한 합성가스 제조장치.
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