KR100754932B1 - 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치 및 그처리공정 - Google Patents

수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치 및 그처리공정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치에 관한 것으로, 수소-산소 가스를 이용하여 석탄, 잔유사, 농산물, 슬러지 및 각종 폐기물을 용융시키고, 이 용융과정에서 발생된 연소 배가스를 냉각하여 수분을 분리한 후 집수된 수분을 버리거나, 이를 물분해 가스로 변환하여 재순환시킴으로써 상당한 열량을 갖는 가스를 포집하여 가스 연료로 재사용할 수 있도록 한 수소-산소를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치를 제공하기 위한 것으로, 그 기술적 구성은, 각종 폐기물을 전처리하도록 이루어지는 폐기물 전처리장치와; 전처리된 폐기물을 압축하여 공기를 제거하도록 이루어지는 압축장치와; 압축된 폐기물을 열분해 가스와 탄화물로 분리하도록 이루어지는 열분해장치와; 그 하부가 2000℃이상 유지하여 폐기물 내의 가연분 및 불연물을 가스화 및 용융시키고, 그 상부가 1200℃이상 유지하여 합성가스의 개질 및 오염물질을 분해시키도록 이루어지는 가스화 용융로장치와; 공해물질의 생성을 방지하고 중금속을 포집하도록 이루어지는 냉각장치와; 상기 가스화 용융로장치에서 배출되는 가스를 정제하도록 이루어지는 합성가스 정제장치와; 상기 가스화 용융로장치에서 배출되는 폐기물의 불연성 물질을 배출하도록 이루어지는 슬래그 배출장치; 및 상기 가스화 용융로장치에 순수 수소-산소가스를 공급하여 폐기물을 용융/열분해 시키도록 이루어지는 수소-산소 연소장치가 포함되는 것을 특징으로 한다
폐기물 가스화, 수소-산소가스, 물분해 가스, 수소-산소 연소장치, 순환식

Description

수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치 및 그 처리공정{Gas Melting Furnaces Apparatus and Waste Disposal Progress by using Hydrogen-Oxygen Gas}
도 1은 종래기술에 따른 오염 제어 장치를 개략적으로 나타내는 단면도,
도 2는 종래기술에 따른 폐기물 가스화장치를 개략적으로 나타내는 구성도,
도 3은 종래기술에 따른 폐기물 가스화장치의 폐기물 가스화에 따른 열-물질 수지를 나타내는 도면,
도 4는 종래기술에 따른 폐기물 가스화장치에서 발생되는 각각의 성분을 나타내는 도면,
도 5는 종래기술에 따른 폐기물 가스화장치의 연소영역을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치를 개략적으로 나타내는 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 처리공정을 도시한 공정도,
도 8은 본 발명에 따른 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치의 물분해 가스의 화염조성 및 온도를 나타내는 도면.
** 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치,
11 : 폐기물 전처리장치, 12 : 압축장치,
13 : 열분해장치, 14 : 가스화 용융로장치,
15 : 냉각장치, 16 : 합성 가스 정제장치,
17 : 슬래그 배출장치, 18 : 수소-산소 연소장치,
18a : 물분해 가스 발생장치, 19 : 가스엔진 및 보일러.
본 발명은 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수소-산소 가스를 이용하여 석탄, 잔유사, 농산물, 슬러지 및 각종 폐기물을 용융시키고, 이 용융과정에서 발생한 연소 배가스를 냉각하여 수분을 분리한 후 집수된 수분을 버리거나, 이를 물분해 가스로 변환하여 재순환시킴으로써 상당한 열량을 갖는 가스를 포집하여 가스 연료로 재사용할 수 있도록 한 수소-산소를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치에 관한 것이다.
일반적으로, 폐기물 가스 연료화 용융 시스템이란 각종 폐기물에 산소를 공급하면서 불완전 연소시켜 CO, H2, CO2를 포함하는 합성가스(syngas)를 제조하여 이를 발전용, 산업용 등의 여러 가지 에너지원으로 사용하고, 폐기물 중의 불연성분 은 용융하여 슬래그(Slag)로 만들어 재활용하도록 이루어진다.
최근들어, 산업의 발달과 더불어 각종 산업현장에서는 다양한 종류의 폐기물이 발생되고 있다. 이러한 폐기물을 처리하기 위하여 일정 장소에 매립하는 경우 환경오염을 유발시킴으로써 사회문제를 야기시킨다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 폐기물을 처리하는 다른 방법으로는 폐기물을 소각하는 방법이 있다. 그러나, 이러한 경우에는 다이옥신의 배출과 중금속이 함유된 재의 발생 등으로 인해 2차 공해물질을 배출시키게 된다. 이러한 폐기물의 처리방식 등에 대한 문제점으로 인해 폐기물을 가스화시킴으로써 처리하는 폐기물의 가스화가 매립이나 소각의 대안으로 제시되고 있다.
상기와 같은 폐기물의 가스화는 폐기물 내에 존재하는 고정 탄소성분(C)과 휘발성의 연료성분(H2, CnHm)을 폐기물의 가열에 의해 먼저, 휘발성분을 가스로 분해한 후 고정탄소와 순산소를 이용하여 산소 부족상태에서 불완전 연소시켜 CO 및 H2를 얻어 열원으로 사용하고 남은 재를 용융처리하여 슬래그(Slag) 형태로 처리하는 방식이며, 폐기물의 가스화를 위해 가스화 용융로가 사용되며, 가스화 용융로에는 폐기물의 공급장치 및 발생한 배가스를 냉각정제하는 장치가 구비된다.
즉, 폐기물의 처리분야에서, 종래기술의 주류는 대부분이 공기로 소각하되, 생성되는 소각 열량을 가급적 회수하고, 연소가스에 함유되어 있는 유해물을 법적 규제치 이하로 제거한 다음, 대량의 연소가스를 대기로 방출함과 동시에, 이때 생성되는 연소잔재 및 비회(飛灰)를 고형화시켜 매립하는 일련의 처리과정을 수행하 고 있다. 그러나, 상기 폐기물 처리과정에서 대기로 방출하는 연소가스에 잔류하는 유해물과 고형화하여 매립한 잔류 유해물의 누적으로 인한 2차 공해가 심각한 환경파괴의 요인으로 부각되면서, 새로운 폐기물의 처리기술 개발이 요구되고 있다.
이러한 요구에 부합하고자, 종래에는 폐기물을 처리하기 위한 다수의 특허들이 개시되어 있다. 그 중에서 연소장치에 관련된 특허로서 대한민국 특허공개 제96-7002764호에서는 연소과정에서 연소가스로부터 질소 산화물을 완전 제거하기 위한 오염 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 도 1에 도시한 바와 같이 혼합물이 적합한 조건하에 원심력 장치를 이용하여 공기의 연속적인 흐름을 분리함으로써 연소가스내에 존재하는 질소 산화물을 완전 제거하는 장치이다.
상기 연소가스로 부터 질소 산화물을 제거하기 위한 오염 제어 장치는 절단된 카커스-고정자(1, 2, 3, 4)와 공기 흡입 터빈(5) 및 원심분리 회전자로 구성되며, 원심분리 회전자는 공기 분배기(6)와 절두원추체 표면(7, 8) 및 각각의 가스 유동 통로에 상응하는 출구를 통하여 초원심력장에서 다른 밀도차에 의해 산소를 질소와 분리하기 위한 원형홈을 갖는 부재로 구성된다.
즉, 다수개의 절단된 카커스-고정자(1, 2, 3, 4)로 구성되며, 질소(1aⅰ … i)와, 산소(1bⅰ … i 및 2aⅰ … i)와 축기(3aⅰ … i) 및 흡입공기(4a ⅰ)용 배기구로 구성되어 있고, 공기흡입터빈(5) 및 공기배전기(6)로 구성된 원심분리기 회전자는 추진기관 고정자가 엄격하게 장착되어 있으며, 절단된 형태(7)의 표면은 제2분리단계에서 질소(7aⅰ … i) 및 산소(7bⅰ … i)용 배기구로 구성되어 있고, 절단된 단면(8)은 제1분리단계에서 산소(8aⅰ … i)용 배기구로 구성되어 있고, 원형 구멍(9)은 산소의 제1분리단계를 확보하고 원형 구멍(10)은 산소의 제2분리단계를 확보하는 것으로, 공기의 배기구(10aⅰ … i) 및 분리기(10bⅰ … i) 내의 공기흡입구로 구성되어 있고, 전부 엄격하게 장착되어 있어, 이격부(11)를 조립한 후, 전체적으로 암나사로 된 회전축 위에 장착되고 원심분리 가속영역으로 돌아가도록 이루어진다.
여기서, 제조를 통해 두개의 원형 구멍(9, 10)은 산소흔적을 따라 순수산소를, 질소흔적을 따라 순수질소를 생산할 수 있으며, 유출된 후 직렬시킨 두개 이상의 원심분리장치를 조립해서 완전순도로 분리된 두가지 가스를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 회전축의 진동을 피하기 위해 회전축을 딱딱한 지지대 안에서 회전시켜 터빈(5)과 아주 근접하여 고정시킬 수 있도록 이루어진다.
이로 인해 대기 대신 어떠한 연소과정이든 초원심 분리에 의한 분리장치에서 취득한 순수산소 및 배기에서 취득한 연소가스의 혼합형태로 적용하는 가연성 연소를 위한 것이며, 상기 분리장치는 고효율의 연소를 위해 적절비율로 정확하게 동질로 하는 것으로, 연소가스 중량이 79.0 및 21.0 … 100.0%의 산소로 구성되는 합성혼합물을 의미하며, 이는 사용 연소량과 일치하고 있으며, 이렇게 하면 이러한 과정의 질소제거덕분에 배기 연소가스 중량의 약 3.8배가 줄어들게 된다.
이와 같이 최근에는, 환경오염을 최대한 경감시키면서 자원화할 수 있는 폐기물의 처리기술의 개발이 활발히 진행되고는 있으나, 용융물의 안정적인 형성과 유지가 어려울 뿐만 아니라, 용융물이 응고하는 경우, 그 응고된 용융물의 처리가 어려운 문제점이 있다. 또한, 고온 용융층에 적용되는 자재의 수명이 짧아지고, 운전기술이 까다로워 운전의 안정을 유지하기 어려운 문제들이 상존하고 있는 상태이다.
대표적인 예로, 용융층에서 고온을 유지하기 위하여, 폐기물에 코크스를 첨가하는 용융로를 적용하는 폐기물의 처리 공정은 산화재로 소량의 산소에 대량의 공기를 혼용하여 사용하도록 이루어짐으로써 발생되는 폐기물 중 유기물의 자원화가 전혀 이루어지지 않는 문제점이 있으며, 이로 인해 그 보급의 확대가 미비한 실정이다.
또 다른 예로서, 유럽에서 1990년대 초반에 개발된 써머셀렉트 프로세스(Thermoselect Process)도 마찬가지로 용융로에서 역시 상술한 문제점을 안고 있으며, 이를 해결하기 위해 용융로 중심부의 온도를 2000℃정도의 초고온을 적용하고 있으나, 이로 인한 로재의 수명 단축, 운전 기술의 어려움으로 안정성을 유지하기가 어렵고, 특히 소용량 처리의 경우 적용하기 어려운 문제점을 안고 있다.
상술한 바와 같은 써머셀렉트 프로세서는 전체적인 구성은 다음과 같이 이루어진다.
도 2은 종래기술에 따른 폐기물 가스화장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다. 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 종래의 폐기물을 가스화시키기 위한 폐기물 가스화장치(100)는 각종 폐기물을 전처리하도록 이루어지는 폐기물 전처리장치(110)와; 전처리된 폐기물을 압축하여 공기를 제거하도록 이루어지는 압축장치 (120)와; 압축된 폐기물을 열분해 가스와 탄화물로 분리하도록 이루어지는 열분해장치(130)와; 그 하부가 1800℃이상 유지하여 폐기물 내의 가연분 및 불연물을 가스화 및 용융시키고, 그 상부가 1200℃이상 유지하여 합성가스의 개질 및 오염물질을 분해시키도록 이루어지는 가스화 용융로장치(140)와; 1200℃로 배출된 합성가스를 수분사 등을 통해 급속냉각시킴으로써 다이옥신 등의 공해물질 생성을 방지하고 중금속을 포집하도록 이루어지는 냉각장치(150)와; 상기 가스화 용융로장치(140)에서 배출되는 가스를 정제하도록 이루어지는 합성가스 정제장치(160); 및 상기 가스화 용융로장치(140)에서 배출되는 폐기물의 불연성 물질을 배출하도록 이루어지는 슬래그 배출장치(170)로 구성되며, 상기와 같이 배출되는 합성 가스는 가정이나 공장의 가스 엔진이나 보일러(190)로 공급된다.
이렇게 상기 폐기물 가스화장치(100)의 폐기물 가스화 용융로장치(140)에서는 일반적으로 용융열을 얻기 위해 외부에서 탄화수소계 연료를 보조적으로 사용하면서 산소를 공급함으로써 폐기물 용융에 필요한 열을 얻게 된다. 즉, 폐기물을 용융/열분해 시키기 위한 가스화 반응을 일으키기 위하여 상기 가스화 용융로장치(140)에는 탄소-수소 성분의 보조 연료가 사용되며, 시동 초기나 고온의 용융온도를 유지하기 어려운 경우에 외부 연료를 사용하여야 한다.
도 3은 종래기술에 따른 폐기물 가스화장치의 폐기물 가스화에 따른 열-물질 수지를 나타내는 도면이고, 도 4는 종래기술에 따른 폐기물 가스화장치에서 발생되는 각각의 성분을 나타내는 도면이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 종래기술에 의한 폐기물 가스화장치는 합성가스가 폐기물 1톤 당 500~ 900Nm3 을 생성하는 것으로 보고되어 있으며, 이를 근거로 폐기물 및 합성가스의 평균 발열량이 각각 2,500kcal/kg, 1,800kcal/Nm3 정도가 되는 것으로 가정되고, 폐기물 1톤이 갖는 총열량 중 1/2은 가스화-용융과정에서 사용되며, 나머지 1/2은 합성가스로 배출됨을 알 수 있다.
이러한 결과를 통대로 기존의 시스템에서는 가스화, 용융과정에서는 CO 전환과정의 발열량만으로 부족하여 부가적으로 CO2 전환과정의 발열량의 30% 정도가 사용되고 있음을 알 수 있으며, 경우에 따라 외부 연료를 부가적으로 사용하여야 하지만, 이 경우에는 합성가스 중 CO2 의 농도가 더욱 높아지고, 합성가스의 질은 현저히 저하됨으로써 포집한 합성가스는 단독으로 사용하기가 곤란하며, 경우에 따라서는 외부로 버려짐으로써 2차 오염을 발생시킬 수 있다는 문제점이 있었다.
상기와 같은 구성에 의한 종래의 폐기물 가스화장치(100)의 열분해 용융과정은 다음과 같다.
●Heterogeneous reactions (고체-기체 연소)
C + øO2 → 2 (1 - ø) CO + (2ø - 1) CO2
C + H2O ↔ H2 + CO
C + 2H2 ↔ CH4
C + ½H2O + ½H2 ↔ ½CO + ½CH4
C + CO2 → 2CO
●Homogeneous reactions (기체 연소)
CO + H2O ↔ H2 + CO2
H2 + ½O2 → H2O
CO + ½O2 → CO2
CH4 + 3/2 O2 → CO + 2H2O
상기와 같은 반응에 의하여 가스 용융로장치(14) 내의 열분해 용융과정에서 휘발성이 좋은 연료 성분이 가스 연료로 전환되고, 폐기물 내의 탄소 성분은 Heterogeneous reactions에 의해 기체 성분의 연료가 발생되며, 이 기체 연료는 Homogeneous reactions에 의해 최종 생성물인 CO2 및 H2O로 전환된다.
또한, 이러한 종래의 폐기물 가스화장치(100)의 가스화 용융로장치(140)는 도 5에 도시하고 있는 바와 같이, 가스화 용융로장치(140)에서 비교적 안정되게 연소되기 위하여 4000kcal/Nm3 의 발열량을 필요로 하며, 특수하게 제작된 가스화 용융로장치(140)에서도 2500kcal/Nm3 정도가 요구된다. 그러나, 기존의 폐기물 가스화 장치(100)에서 발생되는 합성가스의 발열량은 1400 ~ 2100kcal/Nm3 정도에 불과하여 합성 가스를 단독으로 사용하기에는 거의 불가능하다.
또한, 발열량이 1500kcal/kg 이하인 폐기물의 경우 소정온도의 발열량을 유지하기 위하여 보조 연료를 다량 사용하여야 하므로 보조 연료 소비량이 증가되고, 이로 인해 설비가 복잡해질 뿐만 아니라, 운영비 및 구동비의 상승으로 인해 경제성이 매우 낮아진다.
따라서, 연소배가스에서 수분을 제거한 합성가스(Syn Gas)의 발열량은 최대 약 2000kcal/m3 밖에 되지 않아 일반 상용 연소기에서 단독으로 이용하기에는 부적합한 저급가스가 얻어지게 되는 문제점이 있었다.
한편, 열량의 1500kcal/kg 이하인 폐기물을 가스화하거나, 운전 후 약 1시간이 경과하기 전에는 용융온도를 유지하기 위해 많은 양의 보조연료를 사용하여야 하지만, 이 경우에도 얻어지는 합성가스 중 CO2 성분이 높아 발열량이 현저히 저하되어 연료로 활용하기가 곤란한 문제점이 있었다.
하지만, 이러한 종래의 폐기물 가스화장치(100)도 기존의 폐기물 처리과정에 비해 다이옥신 및 비산재 발생의 극소화, 폐기물의 재자원화 및 처리비용이 소각과 용융으로 이루어지는 기존 방식에 비해 경제적이고, 합성가스를 얻을 수 있다는 장점이 있었다.
그러나, 여기서 얻어지는 합성가스는 다음과 같은 문제점을 내포하고 있다. 즉, 외부에서 공급되는 탄화수소(CnHm)계 연료의 연소과정 및 폐기물의 연소에서 발생한 CO가 CO2 전환되면서 발생하는 반응열을 이용하기 때문에 연소 배기에는 다량의 CO2 가 포함될 수 밖에 없었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 특징은 수소-산소가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치는 화염에서 발생한 연소가스 성분의 온도가 약 3000℃로 매우 고온이며, 조성은 약 60% 정도의 물(H2O)과 고체탄소의 CO 전환반응의 촉진에 기여하는 OH, O, H 및 H2O 등의 반응중간 생성물질인 레디칼들이 대량(약 20%) 포함되어 있어 고정 탄소(C)의 CO가스로의 전환에 매우 유리하다.
또한, 산소계열[O2(5%), O(3%) OH(11%)] 성분은 20% 내외로 존재하나 이들 산소는 고정탄소(C)의 CO로의 전환에 대부분 소모되어 CO에서 CO2로 전환은 억제한다. 그 외에 H2(15%)정도 포함되어 있어 가스화 연소에 매우 유리하다.
이와 같은 특징을 같는 수소-산소가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치로의 특징을 이용하여 다음과 같은 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
첫째, 순환식 연소 시스템으로 물을 전기분해하여 수소와 산소가 2:1인 물분해 가스를 얻을 수 있고, 이 가스를 연소하여 용융열을 얻으며, 이 과정에 발생한 연소 생성물인 물을 다시 물분해 가스 공급장치로 보내어 순환하는 시스템으로 용융과정에서 외부로 가스가 방출되는 것을 방지할 수 있도록 하고자 하는데 그 목적이 있다.
둘째, 기존의 탄화 수소계 보조연료 및 순산소를 이용하는 경우 보다 합성가스 중의 CO2 농도 증가를 방지할 수 있으며, 용융과정에서 발생한 H2O는 냉각 후 분리하기 때문에 합성가스에 포함되는 발열량이 기존 시스템과 비교하여 매우 높아지게 하는데 그 목적이 있다.
셋째, 전체 시스템 효율 향상을 위해 전체 공정을 간략화하여 비용을 저감시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
넷째, 기존의 폐기물 가스화장치보다 더 고온을 얻을 수 있음으로 폐기물 용융과정을 짧게 하여 경제적 효율을 극대화하고자 하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명에 따른 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치에 의하면, 각종 폐기물을 전처리하도록 이루어지는 폐기물 전처리장치와; 전처리된 폐기물을 압축하여 공기를 제거하도록 이루어지는 압축장치와; 압축된 폐기물을 열분해 가스와 탄화물로 분리하도록 이루어지는 열분해장치와; 그 하부가 2000℃이상 유지하여 폐기물 내의 가연분 및 불연물을 가스화 및 용융시키고, 그 상부가 1200℃이상 유지하여 합성가스의 개질 및 오염물질을 분해시키도록 이루어지는 가스화 용융로장치와; 공해물질의 생성을 방지하고 중금속을 포집하도록 이루어지는 냉각장치와; 상기 가스화 용융로장치에서 배 출되는 가스를 정제하도록 이루어지는 합성가스 정제장치와; 상기 가스화 용융로장치에서 배출되는 폐기물의 불연성 물질을 배출하도록 이루어지는 슬래그 배출장치; 및 상기 가스화 용융로장치에 순수 수소-산소가스를 공급하여 폐기물을 용융/열분해 시키도록 이루어지는 수소-산소 연소장치가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 수소-산소 연소장치 내에 상기 가스화 용융로장치에서 연소된 후 냉각장치를 통해 발생되는 물을 공급받아 고온의 물분해 가스로 변환시키고, 상기 물분해 가스를 반복적으로 가스화 용융로장치로 공급하여 폐기물을 용융/열분해 시키도록 이루어지는 물분해 가스 발생장치가 구비된다.
그리고, 물분해 가스 발생장치에서 발생되는 물분해 가스가 H2 : O2 = 2 : 1 의 체적비로 이루어지는 혼합 가스이다.
또한, 열분해장치는 가스화 용융로장치에서 발생되는 가스에 의한 복사열 및 대류열을 전달받아 압축된 폐기물을 가열하여 폐기물에 존재하는 휘발성분의 가스를 열분해하도록 이루어진다.
여기서, 각종 폐기물을 고압으로 압축하고, 건조/열분해하는 압축과정(S1)과; 상기 압축과정에서 압축된 폐기물을 건조하고, 용융/열분해하여 탈가스화시키는 탈가스화과정과; 상기 탈가스화과정 후 용융/열분해된 탄화물 내의 탄소, 수소성분을 가스 상의 일산화탄소, 수소로 전환하면서 무기물을 용융시키는 가스화/용융과정과; 상기 가스화/용융과정 후 다이옥신이나 퓨란 등 공해물질의 생성방지를 위한 급냉과정과; 상기 급냉과정을 거친 합성 가스를 분리 및 세정 하는 가스분리/ 세정과정; 및 상기 가스화/용융과정에서 발생되는 폐기물의 불연성 물질을 배출하는 슬래그배출과정으로 이루어지는 폐기물 가스화 처리공정에 있어서, 상기 가스화/용융과정에 순수 수소-산소를 공급하여 폐기물을 용융/열분해 시키도록 이루어지는 순수 수소-산소 공급과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
대안적으로는, 가스화/용융과정에서 연소 후 급냉과정을 통하여 발생되는 물을 공급받아 분해한 후 고온의 물분해 가스를 발생시키고, 상기 물분해 가스를 가스화/용융과정에 공급시키며, 이러한 과정을 반복적으로 수행하도록 이루어지는 물분해 가스 공급과정을 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다. 도 6은 본 발명에 따른 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도시된 바와 같이, 각종 폐기물을 전처리하도록 이루어지는 폐기물 전처리장치(11)와; 전처리된 폐기물을 압축하여 공기를 제거하도록 이루어지는 압축장치(12)와; 압축된 폐기물을 열분해 가스와 탄화물로 분리하도록 이루어지는 열분해장치(13)와; 그 하부가 2000℃이상 유지하여 폐기물 내의 가연분 및 불연물을 가스화 및 용융시키고, 그 상부가 1200℃이상 유지하여 합성가스의 개질 및 오염물질을 분해시키도록 이루어지는 가스화 용융로장치(14)와; 공해물질의 생성을 방지하고 중금속을 포집하도록 이루어지는 냉각장치(15)와; 상기 가스화 용융로장치(14)에서 배출되는 가스를 정제하도록 이루어지는 합성가스 정제장치(16)와; 상기 가스화 용융로장치(14)에서 배출되는 폐기물의 불연성 물질을 배출하도록 이루어지는 슬래그 배출장치(17); 및 상기 가스화 용융로장치(14)에 순수 수소-산소가스를 공급하여 폐기물을 용융/열분해 시키도록 이루어지는 수소-산소 연소장치(18)가 포함되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 수소-산소 연소장치(18) 내에 상기 가스화 용융로장치(14)에서 연소된 후 냉각장치를 통해 발생되는 물을 공급받아 고온의 물분해 가스로 변환시키고, 상기 물분해 가스를 반복적으로 가스화 용융로장치(14)로 공급하여 폐기물을 용융/열분해 시키도록 이루어지는 물분해 가스 발생장치(18a)가 구비된다.
그리고, 상기 물분해 가스 발생장치(18a)에서 발생되는 물분해 가스가 H2 : O2 = 2 : 1 의 체적비로 이루어지는 혼합 가스이다.
또한, 상기 열분해장치(13)는 상기 가스화 용융로장치(14)에서 발생되는 가스에 의한 복사열 및 대류열을 전달받아 압축된 폐기물을 가열하여 폐기물에 존재하는 휘발성분의 가스를 열분해하도록 이루어진다.
한편, 상기 가스 용융로장치(14) 내의 반응에 필요한 기초 조건은 먼저, 상기 가스화 용융로장치(14)의 하부에는 산소 및 연료 버너가 설치되어 반응온도를 2000℃ 이상 유지시키고, 폐기물 내의 가연분은 가스화시키며, 폐기물 내의 불연물은 용융시키도록 이루어지고, 가스화 용융로장치(14)의 상부에는 산소 버너가 설치되어 반응온도를 1200℃ 이상을 대략 2초 이상 유지하여 합성가스 개질 및 오염물질을 분해하여야 한다.
상기와 같은 구성에 의한 상기 가스 용융로장치(14)에서 반응 단계별 발열량을 비교해 보면 다음과 같다.
C(s) + ½O2 ---→ CO +½O2 ---→ CO2
110.5kJ/kg 284kJ/kg
이러한 과정에 의한 폐기물의 반응과정은 크게 상기한 바와 같이 2단계로 분류되며, 제1 단계인 CO 전환과정의 발열량은 110kcal 정도이며, 제2 단계의 CO2 전환과정은 발열량이 284kcal 로서 약 2.6배 정도 높아진다.
도 7은 본 발명에 따른 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 처리공정을 도시한 공정도로서, 본 발명에 따른 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치(10)는 각종 폐기물을 고압으로 압축하고, 건조/열분해하는 압축과정(S1)과; 상기 압축과정(S1)에서 압축된 폐기물을 건조하고, 용융/열분해하여 탈가스화시키는 탈가스화과정(S2)과; 상기 탈가스화과정(S2) 후 용융/열분해된 탄화물 내의 탄소, 수소성분을 가스 상의 일산화탄소, 수소로 전환하면서 무기물을 용융시키는 가스화/용융과정(S3)과; 상기 가스화/용융과정(S3) 후 다이옥신이나 퓨란 등 공해물질의 생성방지를 위한 급냉과정(S4)과; 상기 급냉과정(S4)을 거친 합성 가스를 분리 및 세정 하는 가스분리/세정과정(S5); 및 상기 가스화/용융과정(S3)에서 발생되는 폐기물의 불연성 물질을 배출하는 슬러지배출과정(S6)으로 이루어지는 폐기물 가스화 처리공정에 있어서, 상기 가스화/용융과정(S3)에 순수 수소-산소를 공급하여 폐기물을 용융/열분해 시키도록 이루어지는 순수 수소-산소 공급과정(S7)을 포함한다.
대안적으로는, 상기 가스화/용융과정(S3)에서 연소 후 급냉과정(S4)을 통하여 발생되는 물을 공급받아 분해한 후 고온의 물분해 가스를 발생시키고, 상기 물분해 가스를 가스화/용융과정(S3)에 공급시키며, 이러한 과정을 반복적으로 수행하도록 이루어지는 물분해 가스 공급과정(S8)을 포함한다.
상기와 같은 구조 및 구성으로 이루어지는 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치(10)는 먼저, 각종 폐기물을 적정한 크기로 파쇄하고 혼합하여 폐기물 전처리장치(11)에 저장하게 된다.
그리고, 상기 압축장치(12)는 폐기물 전처리장치(11)에 저장된 폐기물의 부피를 1/5 ∼ 1/8 정도로 고압으로 압축하고(S1과정), 건조/열분해하는 과정에서 복사열이나 대류열전달에 의하여 건조하고 상기 열분해장치(13)에서 탈가스화시켜 압축된 폐기물을 열분해 가스와 탄화물로 분리한다(S2과정). 이 때, 건조/열분해 과정에서 사용되는 복사열이나 대류열은 상기 가스화 용융로장치(14)에서 용융/열분해로 과정을 거친 합성 가스의 열을 회수하여 사용하도록 한다.
상기와 같이 가스화 용융로장치(14)로부터 용융/열분해 과정에서 열분해된 탄화물내의 탄소, 수소성분은 가스상의 일산화탄소, 수소로 전환하면서 무기물은 용융시킨다(S3과정).
한편, 상기 가스화 용융로장치(14)는 그 일측에 구비되는 수소-산소 연소장 치에 의해 순수 수소-산소 가스를 공급받고(S7과정), 이를 이용하여 폐기물을 용융/열분해하도록 이루어진다.
상기와 같이, 상기 가스화 용융로장치(14)는 수소-산소 연소장치(18)에 의하여 순수 수소-산소 가스를 공급받아 폐기물을 용융/열분해함으로써 수분 또는 물이 발생되고, 가스화 용융로장치(14)에서 발생한 합성 가스는 다이옥신이나 퓨란 등의 공해물질 생성을 방지하기 위하여 냉각장치로 공급되어 급냉과정(S4과정)을 거치게 되며, 이때 수분 또는 물이 발생된다.
상기와 같이 용융과정(S3과정)에서 발생한 수분 또는 물이 급냉과정(S4과정)을 거쳐 냉각 후 분리되도록 이루어짐으로써 합성가스에 포함되는 발열량이 기존의 시스템과 비교할 때 상당히 향상된다.
이렇게 급냉과정(S4과정)을 통하여 발생된 물은 상기 수소-산소 연소장치(18) 내에 구비되는 물분해 가스 발생장치(18a)로 공급된 후 상기 물분해 가스 발생장치(18a)를 통하여 수소 : 산소 = 2 : 1인 체적비를 갖는 고온의 물분해 가스로 변환된 후 가스화 용융로장치(14) 내로 공급(S8과정)되어 다시 폐기물을 용융/열분해하도록 이루어진다.
이러한 구조에 의하여 상기 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융장치(10)는 가스화 용융로장치(14)에서 발생되는 합성 가스에 의하여 냉각장치(15)에서 발생되어 집수된 물이 상기 물분해 가스 발생장치(18a)를 통하여 고온의 물분해 가스로 변환되고, 변환된 물분해 가스는 다시 가스화 용융로장치(14)로 공급되어 폐기물을 용융/열분해시킨 다음 다시 냉각장치(15)를 통하여 수분 또는 물이 발생 되고 이렇게 발생된 물은 물분해 가스 발생장치(18a)를 통하여 가스화 용융로장치(14)로 순환되게 이루어짐으로써 반복적인 재순환되도록 이루어지는 순환 시시템이다.
그리고, 상기 급냉과정(S4과정)을 합성 가스는 합성 가스 정제장치(16)을 통하여 가스 분리 및 세정과정(S5과정)을 거쳐 정제된 후 일반 가정 또는 공장의 가스 엔진 및 보일러(19)로 공급된다.
한편, 가스화/용융과정(S3과정)을 거친 후 상기 가스화 용융로장치(14)에서 발생되는 슬래그는 슬래그 배출장치(17)을 통하여 배출(S6과정)되도록 이루어진다.
이러한 전제 과정에서 가장 핵심적인 과정은 건조/열분해 과정과 용융/열분해 과정으로 이 때, 폐기물의 에너지가 최대한 많은 화학에너지로 바뀌도록 최적의 환경을 조성해 주어야 함은 당연하다. 즉, 탄소성분이 이산화탄소로 전환되는 것을 방지하여 일산화탄소의 형태로 배출되도록 하는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명에 따른 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치의 물분해 가스의 화염조성 및 온도를 나타내는 도면으로서, 본 발명에 의한 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치(10)의 가스화 용융로장치(14)에서 얻어진 가스를 이용한 화염 및 온도를 살펴보면, O2 가 5%, OH가 10%, O가 3% 등으로 폐기물에 필요한 반응 중간 생성물질인 레디칼 성분이 매우 풍족하며, 산소 농도도 적당량 존재하여 고정 탄소 C가 CO로 전환되기 매우 유리한 환경이 조성된다.
또한, 용융과정에서 필요한 열을 충분히 보유하고 있기 때문에 CO 에서 CO2 로 변환할 필요가 없으며, 산소도 CO 전환과정에 대부분 소모되기 때문에 CO2 생성이 억제된다.
따라서, 합성가스 중에 포함되는 CO2 농도는 매우 낮아지며, 반면 H2O 농도는 높아지나 이 성분은 급속 냉각장치에서 분리해 버리기 때문에 최종적으로 얻어지는 합성가스의 발열량은 기존 시스템보다 매우 높아진다.
뿐만 아니라, 고온의 연소 생성물 이용 시 최대 3000℃의 고온의 화염온도를 이용하기 때문에 폐기물에 직접 화염을 접촉시키지 않아도 되며, 이로 인해 폐기물을 균일하게 용융시킬 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로 장치(10)에 의하면, 물분해 가스인 H₂가스 및 O₂가스를 이용하여, 석탄, 잔사유, 슬러지 및 농산물 폐기물, 원자력 폐기물 등 각종 폐기물을 가열하여 폐기물 감량 혹은 폐기물 가스화에 사용하여, 연소 후 발생한 가스, 즉, 수분 또는 물을 재순환하거나 저장처리 함으로써 대기 중에 버리는 배출가스를 거의 없게 하여 2차 오염물질을 거의 발생시키지 않도록 함과 아울러 고발열량의 가스를 생성시킬 수가 있게 되는 것이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 수소-산소가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치는 화염에서 발생한 연소가스 성분의 온도가 약 3000℃로 매우 고온이며, 조성은 약 60% 정도의 물(H2O)과 고체탄소의 CO 전환반응의 촉진에 기여하는 OH, O, H 및 H2O 등의 레디칼들이 대량(약 20%) 포함되어 있어 고정 탄소(C)의 CO가스로의 전환에 매우 유리한 효과가 있다.
또한, 산소계열[O2(5%), O(3%) OH(11%)] 성분은 20% 내외로 존재하나 이들 산소는 고정탄소(C)의 CO로의 전환에 대부분 소모되어 CO에서 CO2로 전환은 억제한다. 그 외에 H2(15%)정도 포함되어 있어 가스화 연소에 매우 유리한 효과가 있다.
이와 같은 특징을 같는 수소-산소가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치로의 특징을 이용하여 다음과 같은 장치를 제공하는데 그 효과가 있다.
첫째, 순환식 연소 시스템으로 물을 전기분해하여 수소와 산소가 2:1인 물분해 가스를 얻을 수 있고, 이 가스를 연소하여 용융열을 얻으며, 이 과정에 발생한 연소 생성물인 물을 다시 물분해 가스 공급장치로 보내어 순환하는 시스템으로 용융과정에서 외부로 가스가 방출되는 것을 방지할 수 있도록 하고자 하는데 그 효과가 있다.
둘째, 기존의 탄화 수소계 보조연료 및 순산소를 이용하는 경우 보다 합성가스 중의 CO2 농도 증가를 방지할 수 있으며, 용융과정에서 발생한 H2O는 냉각 후 분 리하기 때문에 합성가스에 포함되는 발열량이 기존 시스템과 비교하여 매우 높아지게 하는데 그 효과가 있다.
셋째, 전체 시스템 효율 향상을 위해 전체 공정을 간략화하여 비용을 저감시킬 수 있도록 하는데 그 효과가 있다.
넷째, 기존의 폐기물 가스화장치보다 더 고온을 얻을 수 있음으로 폐기물 용융과정을 짧게 하여 경제적 효율을 극대화하고자 하는 데 그 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 각종 폐기물을 전처리하도록 이루어지는 폐기물 전처리장치(11)와;
    전처리된 폐기물을 압축하여 공기를 제거하도록 이루어지는 압축장치(12)와;
    압축된 폐기물을 열분해 가스와 탄화물로 분리하도록 이루어지는 열분해장치(13)와;
    그 하부가 2000℃이상 유지하여 폐기물 내의 가연분 및 불연물을 가스화 및 용융시키고, 그 상부가 1200℃이상 유지하여 합성가스의 개질 및 오염물질을 분해시키도록 이루어지는 가스화 용융로장치(14)와;
    공해물질의 생성을 방지하고 중금속을 포집하도록 이루어지는 냉각장치(15)와;
    상기 가스화 용융로장치(14)에서 배출되는 가스를 정제하도록 이루어지는 합성가스 정제장치(16)와;
    상기 가스화 용융로장치(14)에서 배출되는 폐기물의 불연성 물질을 배출하도록 이루어지는 슬래그 배출장치(17); 및
    상기 가스화 용융로장치(14)에 순수 수소-산소가스를 공급하여 폐기물을 용융/열분해 시키도록 이루어지는 수소-산소 연소장치(18)가 포함되는 것을 특징으로 하는 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소-산소 연소장치(18) 내에 상기 가스화 용융로장치(14)에서 연소된 후 냉각장치를 통해 발생되는 물을 공급받아 고온의 물분해 가스로 변환시키고, 상기 물분해 가스를 반복적으로 가스화 용융로장치(14)로 공급하여 폐기물을 용융/열분해 시키도록 이루어지는 물분해 가스 발생장치(18a)가 구비되는 것을 특징으로 하는 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 물분해 가스 발생장치(18a)에서 발생되는 물분해 가스가 H2 : O2 = 2 : 1 의 체적비로 이루어지는 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열분해장치(13)는 상기 가스화 용융로장치(14)에서 발생되는 가스에 의한 복사열 및 대류열을 전달받아 압축된 폐기물을 가열하여 폐기물에 존재하는 휘발성분의 가스를 열분해하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 가스화 용융로장치.
  5. 각종 폐기물을 고압으로 압축하고, 건조/열분해하는 압축과정(S1)과; 상기 압축과정(S1)에서 압축된 폐기물을 건조하고, 용융/열분해하여 탈가스화시키는 탈가스화과정(S2)과; 상기 탈가스화과정(S2) 후 용융/열분해된 탄화물 내의 탄소, 수소성분을 가스 상의 일산화탄소, 수소로 전환하면서 무기물을 용융시키는 가스화/용융과정(S3)과; 상기 가스화/용융과정(S3) 후 다이옥신이나 퓨란 등 공해물질의 생성방지를 위한 급냉과정(S4)과; 상기 급냉과정(S4)을 거친 합성 가스를 분리 및 세정 하는 가스분리/세정과정(S5); 및 상기 가스화/용융과정(S3)에서 발생되는 폐기물의 불연성 물질을 배출하는 슬래그배출과정(S6)으로 이루어지는 폐기물 가스화 처리방법에 있어서,
    상기 가스화/용융과정(S3)에 순수 수소-산소를 공급하여 폐기물을 용융/열분해 시키도록 이루어지는 순수 수소-산소 공급과정(S7)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 처리방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스화/용융과정(S3)에서 연소 후 급냉과정(S4)을 통하여 발생되는 물을 공급받아 분해한 후 고온의 물분해 가스를 발생시키고, 상기 물분해 가스를 가스화/용융과정(S3)에 공급시키며, 이러한 과정을 반복적으로 수행하도록 이루어지는 물분해 가스 공급과정(S8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소-산소 가스를 이용한 폐기물 처리방법.
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