KR100914150B1 - 도시 고형 폐기물의 리사이클링 방법 및 시스템, 및 폐기고형물 회수 연료의 이용 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 환경에 주는 영향을 최소화함과 동시에 전기적 에너지 및/또는 수소의 생산을 위해 폐기 고형물 회수 연료(WSRF)를 사용하는 도시 고형 폐기물의 완전한 리사이클링을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 휘발성 성분과 무기질 성분이 독립적으로 연소되고, 그 결과 합성기체의 처리 및 광물 및 용융 금속입자의 회수 공정을 동시에 실시할 수 있는 반응로(8) 내에서 WSRF를 기체화함으로써 달성된다.
도시, 고형, 폐기물, 리사이클링, 회수, 재생, 재활용

Description

도시 고형 폐기물의 리사이클링 방법 및 시스템, 및 폐기 고형물 회수 연료의 이용{Method and system for the recycling of municipal solid wastes, and exploitation of the Wasted Solid Recovery Fuel}
본 발명은 환경에 주는 영향을 최소화함과 동시에 전기적 에너지 및/또는 수소의 생산을 위해 폐기 고형물 회수 연료(wasted solid recovery fuel; 이하, 'WSRF'라 한다)를 이용하는 도시 고형 폐기물(municipal solid waste: 이하, 'MSW'라 한다)의 리사이클링 방법 및 시스템에 관한 것이다.
본 명세서에서 사용하는 폐기물이라는 용어는 더 이상 사용하지 않고 폐기처분이 되는 모든 산물 및 이미 버려졌거나 장차 버려질 처지에 놓여 있는 인간 활동으로부터 발생된 물질이나 자연의 리사이클로부터 발생된 모든 물질을 의미한다.
폐기물을 효과적이고도 환경 친화적으로 처분하고 동시에 에너지원으로서 사용하기 위한 필요성이 증대되고 있으므로, 도시의 고형 폐기물 처리 및 리사이클링 시스템은 과거로부터 오랫동안 연구되어 왔다.
상기 필요성에 따라, 본 발명의 제 1의 목적은 폐기물의 최대 회수율을 가능 케 하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 폐기 고형물 회수 연료(WSRF)를 이용하고 그 결과 환경에 주는 영향을 최소화하는 상태로 에너지를 회수하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 비용 효율적이고 에너지를 활용하는 리사이클링 방법을 달성하기 위해 적합한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 도시 고형 폐기물로서 분류된 물질의 전체적인 회수 방법은 청구항 1에 따른 방법 및 청구항 13에 따른 시스템을 사용함으로써 얻어진다.
추가의 여러 이점들은 그 종속 청구항에 기재된 바에 의해 얻어진다.
본 발명에 의해 제공된 방법은, 도시 고형 폐기물(MSW)을 수취하는 단계, 건조 폐기물과 함습 폐기물을 기계적으로 분류하는 단계, 상기 건조 폐기물의 처리 및 WSRF의 제조 단계, 금속 회수 단계, 함습 폐기물의 처리 단계, 안정화된 유기물의 정제 단계, 대형 물질의 체적 축소 단계, 프로세스 에어(process air) 처리 단계, 적어도 하나의 연소실을 구비한 반응기 내에서의 WSRF의 기체화 단계, 및 상기 공정으로 유도된 기체로부터 전기 에너지 및/또는 수소를 생산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다양한 공정에 관련된 작업은 적합한 플로링(flooring)을 구비하고 연속적으로 작동하는 강제 통기 시스템을 구비하여 내부가 약간의 저압 상태로 유지되는 폐쇄된 플랜트의 내부에서 실시되어야 한다. 상기 통기 시스템은 분진이나 악취를 제거하는 중앙 정화 시스템에 집중되어 있다. 이하, 각각의 공정에 대해 상세히 설명한다.
도시 고형 폐기물의 수취
폐기물을 중압하여 시스템에 공급하는 자동 압축장치를 도입부까지 적하를 위해 이동시킨다.
상기 자동 압축장치는 차량의 이동에 필요한 시간 동안만 개방 상태를 유지하는 자동 셔터를 구비한 대형 도어를 통해 상기 도입부에 접근한다. 적하된 폐기물은 기계적 분류 라인(mechanical sorting line)으로 이송되고, 상기 라인 상에 크래브 버킷(crab bucket)을 구비한 전기-유압 크레인을 이용하여 폐기물이 장입된다. 상기 크래브 버킷은 생산 라인에 재료를 공급하는 작용을 함과 동시에 부피가 큰 물체를 제거하는 작용을 한다. 제거된 대형 물체는 특수 작업 라인 상에서 분쇄되어 크기가 감소된다.
건조 폐기물 및 함습 폐기물의 기계적 분류
본 시스템에는 각각 100 t/h에 이르는 처리용량을 가지는 하나 이상의 분류 라인이 구비되어 있다. 상기 분류 라인에 장입된 폐기물은 수집된 원래의 폐기물 패키지를 분할하는 공정과 치수 분류 공정으로 구성된 제1 처리단계를 거친다. 저속의 파단 장치(tearing device)는 과도한 마모 작용이나 분쇄 작용을 행하지 않고, 패킹(packing) 및 포대(sacks)와 같은 각종 폐기 백(bag)을 파열 분할하여 내부의 내용물을 꺼낸다. 파단 장치에 의해 과도한 마모 작용이나 분쇄 작용이 행해지면, 다양한 형식의 폐기물의 다양한 특징이 손상됨으로써 기계적 분류 공정의 효율이 감소된다.
이어지는 건조 폐기물 및 함습 폐기물의 기계적 분류 공정은 자동 세척 장치를 구비한 회전 트로멜(trommels)의 스크린 격자를 통해 실시된다.
상기 회전 분리 장치는, 고발열량을 가지는 물질로 구성된 건조 성분(종이, 플라스틱류, 의류, 고무 등)과, 주로 조악한 유기 물질로 구성된 함습 성분(통상 유리, 돌 등과 혼합되어 있음)을 분리하기 위한 적절한 치수의 메시(meshes)를 구비하고 있다.
건조 폐기물의 처리 및 WSRF의 제조
건조 폐기물의 처리는 먼저 금속 성분의 제거작업으로부터 출발한다. 여기서, 모든 종류의 금속 성분을 제거한 다음, 세정 시스템 및 품질 향상 시스템을 구비한 윈드 시프팅(wind shifting) 시스템에 연결된 특수한 종류의 신축성 격자가 장착된 특수 파쇄장치(shredder)를 이용하여 특수 사이징(sizing) 공정을 실시한다. 상기 장치들의 상호 작용에 의해 폐기 고형물 회수 연료(WSRF)가 생성된다. 다음에, 상기 WSRF는 이것을 플러프 형태(fluff form)로 열 이용 플랜트로 수송하는 트랙터나 세미트레일러에 직접 하적하기 위해 2대의 고정식 압축기(stationary compactors)에 이송된다.
병행하여, 열 이용 시스템의 계획된 보수 기간 중에 WSRF를 임시로 보관하기 위해, 상기 물질을 베일(bale) 형태로 압축성형하고, 이 압축성형체를 신축성 필름으로 압축포장(shrink-warps)하는 포장 라인(packaging line)이 구비되어 있다.
금속 회수
상기 건조 페기물에서 제거된 금속 성분인 철과 알루미늄은 전자기 작용, 즉 와전류의 작용에 의해 각각 분리된다. 상기 철 물질은 특별 라인에서 정화된 후, "프로러(PROLER) 공정"으로 전환되는데, 상기 프로러 공정은 철 폐기물이 압축성형되어 폐기처분되기위해 작은 조각으로 분쇄되는 것을 의미하는 것으로, 프로러 공정에서 철 폐기물은 작은 조각으로 파쇄시키는 분쇄기로 이송되고 세정되고 난 후에 철과 비철금속 성분으로 분리된다. 상기 알루미늄은 베일의 형태로 압축 성형된다. 다음에 회수된 두 물질은 재활용을 위해 각각의 생산 공장으로 이송된다.
함습 폐기물의 호기 처리(aerobic treatment)
본 호기 처리는 호기성 소화장치(aerobic digesters)의 숙성조(maturation basins) 상에서 발생하는 생물학적 산화반응으로 구성된다. 상기 숙성조는 폭이 22m이고, 길이가 최대 150m 이상인 일상적 출력 작용을 하는 복수의 직사각형 조로서, 병렬 또는 직렬로 배치된다. 상기 병렬 배치된 숙성조 및 직렬 배치된 숙성조를 구비한 소화장치에 있어서, 상기 호기 처리는 유기물질의 숙성 및 생물학적 안정화를 달성할 수 있는 충분한 시간 동안 실시된다. 이 단계에서, 바이오매스(biomass)는 격렬한 가속반응을 일으키고, 이 가속반응 중에 생물활동이 격렬하게 발생함으로써 생물분해성 물질의 신속한 분해가 촉진된다. 상기 숙성조는 시스템으로부터 완전히 격리된 영역에 설치된다. 상기 숙성조 내의 약 3m두께의 바이오매스 층은 그 생물학적 산화반응이 제어되고 강제 통기 및 정기적인 기계적 전도(mechanical overturning)에 의해 충분한 호기 상태로 유지된다. 상기 통기 시스템은 처리 작업을 균일화하고, 호기성 색(aerobic sacks)이 형성되는 것을 방지하기 위해 모세관 공기 분배 네트워크를 구비한다.
상기 기계적 전도 작업은 스크루 오거(screw augers)가 장착된 특수 브리지(bridges)에 의해 실행된다. 이 기계적 전도 작업에 의해 물질의 공극을 확실하게 유지하고, 우선 채널(preferential channels)이 형성되는 것을 방지함으로써 처리 공정상의 이상을 회피할 수 있다.
상기 호기 처리는, 2-3 주간의 유기물질의 가속 분해, 바이오매스로부터 불활성 처리 잔류물의 분리, 및 5-6 주간의 유기 획분(organic fraction)의 숙성 및 안정 단계와, 해당 공정의 시간을 포함한다.
물질의 투입과 배출을 포함한 모든 작업은 자동화되어 있으므로 작업자의 개입이 불필요하다.
안정화된 생물 폐기물(또는 유기질 폐기물)의 정제
호기 처리 후, 소화되고 안정화된 유기질 성분은 유리, 돌, 플라스틱 등의 모든 불활성 물질을 제거하기 위해 최종 기계적 정제 라인으로 이송된다.
또한, 상기 기계적 정제 라인은 상기 처리 잔류물로부터 WSRF를 추가로 회수하는 작용도 수행한다. 이 정제 작업 역시 자동화되어 있다. 이 정제 작업 후 얻어진 처리 잔류물, WSRF, 및 안정화된 생물 폐기물(회식 혼합물: grey compost)은 생태학적 회복 작업에 사용하기에 적합한 동적호흡지수(dynamic respiration index; DRI)를 가진다.
대형 물질의 체적 감축
대형 물질의 체적 감축은 극히 강제적인 연삭 작업에 의해 물질을 파쇄하는 처리로 구성된다. 이 처리에 의해 물질의 체적을 효과적으로 감축시킬 수 있고, 모든 철 물질을 확실하게 회수할 수 있다.
상기 파쇄된 물질은 최종 목적지로 이송하기 위해 특수 용기에 담겨진다. 파쇄 물질의 최종 목적지는 가연성 물질의 경우에는 열 이용 플랜트가 될 수 있고, 플랜트 공급 하적장이 될 수도 있다.
프로세스 에어(process air)의 처리
이 공정에 의해 모든 단계의 공정은 공기의 흡입에 기인하여 약간의 부압 상태에 유지될 것으로 예상된다. 흡입된 공기는 WSRF의 연소 사이클로 이송된다. 흡입된 공기는 수율 및 악취제거 면에서 최상의 결과를 보장하는 바이오필터(bio-filter)를 통과한다. 상기 바이오필터는 수율 및 악취제거 면에서 최상의 결과를 얻을 수 있는 고밀도의 공극과 확장된 생물학적 활성 표면을 구비한 적절히 처리된 바이오매스 베드(bed)로 구성된다.
상기 악취제거 시스템의 강제 흡입 공기는 일련의 원심 팬을 통과한다. 장치에 폐쇄식 컨베이어 벨트 및 분진 배기 후드를 사용하면 작업 환경 내로 진입하는 분진의 양을 감소시키는데 도움이 되고, 그 결과 처리해야 할 공기량도 감소시킬 수 있다. 악취의 방출량이 많은 유기물질 호기 처리조는 완전히 분리된 영역에 밀폐시키고, 공기의 누설을 방지하도록 주야로 상시 진공상태를 유지한다.
본 발명의 제 2의 목적은 기체화를 통해 WSRF의 에너지를 이용하고, 상기 기체화를 통해 얻은 합성기체를 이용하여 전기 에너지 및/또는 수소를 생산하는 것이다. 본 공정은 연속적인 균일한 흐름으로 공급되는, WSRF 내의 불활성 물질로 분류되는 회분(ashes)의 용융작용 및 유리화 작용과 동시에 실행되는 WSRF의 기체화 공정, 및 상기 기체화 공정으로부터 생성된 합성기체를 이용하여 복합 고효율 순환 시스템을 통해 전기 에너지를 생산하는 공정으로 구성된다.
상기 WSRF는 고온에서 기체화 반응하고, 이 기체화 반응에 필요한 반응장치 내의 에너지는 산소 및 연료 버너를 이용하여 생성한다. 상기 기체화 시스템을 폐기물 하적장 영역 내에 설치하고, WSRF 분류 및 생산 시스템의 대부분을 상기 폐기물 하적장에 인접한 영역 내에 설치하는 경우, 상기 버너에 사용하는 연료로는 상기 폐기물 하적장에 집적된 생물 폐기물(biowaste)의 혐기성 소화 반응(anaerobic digestion process)에 의해 생성된 바이오가스(biogas)를 사용할 수 있다.
상기 기체화 반응에 의해 생성된 합성기체는, 회수 보일러(recovery boiler) 및 터보-발전기를 통하는 증기 사이클을 구비한 흡열 엔진, 열-발전기를 구비한 증기 사이클 회수 보일러를 구비한 가스터빈, 연료전지, 터보가스 열발전소 등과 같은 고효율 복합 에너지 사이클에 사용할 수 있도록 하기 위해, 강제 청정 공정(cleaning process)을 수행한다.
이와 같은 본 발명의 기술은, 격자로(grid furnaces) 또는 보일러 및/또는 유동상로(fluid-bed furnaces) 또는 보일러에 수반하여, 연소과정에서 생성된 고온 퓸(fume) 내에 포함된 직접적인 열에너지를 고압 증기로 변환시키고 이것을 발전 터빈 내에서 팽창시키는 과정으로 이루어지는, WSRF 내에 포함된 에너지를 회수하는 전통적인 WSRF 에너지 사용 시스템과는 매우 다르다. 더우기, 공지의 연소과정에서 생성된 슬래그, 회분 및 여과 분체(filtration powders)로 구성된 고형물은 통상 재활용이 불가능한 생성물이다.
이에 반하여, 본 발명에서 제안하는 기체화 공정에 있어서, WSRF 내에 존재하는 무기 화합물은 고온 용융 과정에 의해 재활용이 가능한 광물질(유리화된 광물 입자 및 금속 입자)로 변환되는 한편, 합성기체 내에 존재하는 황화합물(H2S, CS2, COS)이 제거되어 결과로 황이 회수된다. 마지막으로 상기 합성기체의 급속 냉각공정(수 밀리초 동안의 냉각)에 의해 다이옥신 및 푸란 화합물(furan compounds)의 재형성이 방지된다. 상기 다이옥신 및 푸란 화합물의 재형성은 공지의 폐기물 연소공정에서 보일러 내의 퓸(fumes)을 250℃ 및 300℃ 온도차로 냉각시킴으로써 발생하는 현상이다.
본 발명의 다른 목적은 전술한 방법을 달성하기 위한 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명에 따라, 환경에 주는 영향을 최소화하는 상태에서 폐기 고형물 회수 연료를 이용하는 도시 고형 폐기물의 리사이클링의 최적화의 필요성에 부합하는 시스템은, WSRF를 연속적으로 및 균일하게 공급하기 위한 시스템(A, B), 적어도 하나의 연소실을 구비한 기체화 반응로(8), 입자 수집탱크(13), 상기 기체화 반응로(8)의 배출컨덕트(15 outgoing conduct), 수냉부(16, 17), 산 세척부(18), 염기 세척부(19, 20), 설피드릭 산(sulfidric acid)의 1차 제거부(21), 미립자 제거부(22), 황의 유기 화합물의 제거를 위한 촉매부(27), 잔류 설피드릭 산의 2차 제거부(28), 및 전기 에너지 생산을 위한 복합 사이클의 시스템 및/또는 수소의 생산을 위한 시스템을 포함한다.
이하, 본 발명의 방법 및 시스템에 대한 상세한 이해를 위해 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 방법 및 시스템에 대해 상세히 설명한다.
도 1A는 스크루 공급 시스템의 개략도,
도 1B는 슬로프 공급 시스템의 개략도,
도 2는 기체화 반응기의 개략도,
도 3은 세척 및 여과 시스템의 개략도,
도 4는 긴급 플레어, 촉매 및 세척 공정의 개략도.
WSRF 공급 시스템
WSRF는 사이즈 및 물리 화학적인 특징 면에서 균질의 연료이므로 전처리 공정은 불필요하고, 다른 기체화 처리의 경우와 달리 추가의 압출 및/또는 펠릿 제조를 실시하지 않고 플러프 형태(fluff form)로 공급할 수 있다.
WSRF를 기체화 반응로(8) 내에 이송하는 수단은 연료를 반응로로 연속적으로 그리고 균일하게 공급하는 기법을 사용하는 혁신적인 특징을 가진다.
WSRF와 같은 균질의 연료를 상기와 같이 연속적으로 공급하면 그 기체화 반응이 안정되고, 기체의 체적 및 발열량의 비율이 일정한 합성기체의 생산속도를 일정하게 유지할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 반응로(8) 내에 WSRF를 연속적으로 공급하기 위한 시스템에는 2가지 상이한 형태 A, B가 있고, WSRF 저장용 사일로(silo), 상기 저장용 사일로로부터 투입용 리시버(2)까지 상기 WSRF를 이송하는 이송 시스템(1), 상기 투입용 리시버(2)로부터 상기 기체화 반응로(8)의 투입 시스템(5)까지 상기 WSRF를 이송하는 이송 시스템(3), 복수의 밸브를 구비한 이중 시일링 시스템(4), 질소를 구비한 불활성화 시스템, 기체화 반응로(8) 내에 WSRF를 공급(투입)하기 위한 이송 시스템(5), 및 과잉량 회수 시스템(6)을 포함하는 구성으로 되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, WSRF는 냉각장치를 구비한 스크루 공급기 또는 슬로프(slope)와 같은 공급 시스템(5)을 이용하여 고온 반응로(8)에 공급된다. 상기 기체화 반응로(8) 내의 환원 분위기는 버너(11)에 의해 발생되는 열에너지에 의해 고온에서 유지된다. 상기 버너(11)는 산소 및 바이오가스(또는 천연가스 또는 LPG)를 연소함으로써 기체화 반응이 발생할 수 있도록 한다. 상기 WSRF 내의 휘발성분은 즉각 기체화되고, 휘발성이 낮은 탄소성분(탄소획분)은 반응로(8)의 하측부(9)에 퇴적되어 추후에 기체화된다. 상기 반응로 내에서의 반응시간은 충분히 긴 시간(< 2 초)이므로, 합성기체 내에 존재하는 고분자(macro-molecular) 성분은 반응 로의 상측부(10)에서 단순분자(simple molecules; H2, CO, CH4, CO2, H2O)로 변환됨으로써 열역학적 평형을 이룬다. 상기 반응로는 큰 단면을 가지므로, 기체화에 의해 생성된 합성기체의 상승속도는 2 내지 4 m/초의 속도를 가지며, 이 속도는 반응로의 중심부로부터 벽쪽을 향해 감소해 간다. 그 결과, 다량의 탄소 및 용융 광물입자가 반응로의 출구로 이송되는 것이 방지된다.
상기 고온 반응로의 상하부의 양 영역에 과잉의 화학양론적으로 제어된 양의 산소를 추가하고, 그 결과 생성된 발열반응에 의해 가스 배출부(15: 배출컨덕트)는 1100 ℃의 온도에 이른다. 상기 합성기체의 상승류에 의해 운반된 회분이 용융하여 응결되면 냉각부(16, 17: 수냉부)의 직전을 폐색시키는 원인이 되므로 상기 회분의 용융을 방지하기 위해 1200 ℃ 이상의 고온은 피한다.
상기 공급 시스템 상측의 반응로의 상측부(10)에 설치된 복수의 버너는 합성기체에 약간의 난류를 형성시킴으로써 온도 분포의 균일화를 최적화한다. 이와 같이 온도가 균일화되면 타르와 같은 긴 분자 사슬을 형성하는 원인이 되는 저온(< 800 ℃)의 상승류가 형성될 위험을 방지할 수 있다.
상기 반응로(8)의 하측부(9)는 평균온도가 1,500 내지 1,700℃, 특히 약 1,600℃로서, 이곳에서 금속물질 및 광물질로 된 WSRF의 무기질 성분이 용해된다. 용융체는 중력에 의해 낙하하여 용융 도가니(melting crucible: 즉, 하측부 9) 내에 수집된다. 상기 용융체를 바이오가스(또는 천연가스 또는 LPG) 및 순수 산소를 추가하여 얻은 작업 온도에 소정의 적절한 시간 동안 유지하면, 혼합 용융체가 얻 어진다.
상기 용융 도가니(9)의 내측에 반경방향으로 수평하게 설치된 복수의 버너는 WSRF 내에 함유된 광물이나 금속과 같은 무기물을 액상으로 유지하는데 필요한 열에너지를 제공하고, 그 결과 상기 용융 도가니 내의 레벨을 일정하게 유지할 수 있다. 부가적으로, 전술한 복수의 버너에 의해 생성된 가스류는 투입 트로프(inlet trough)에 있는 미연소된 WSRF가 직접 상기 용융 도가니(9)의 론더 트로프(launder trough)로 유입될 위험을 방지하는데 충분한 일종의 운동 에너지를 발생한다. 상기 용융체는 채널(12)을 통해 입자 저장 탱크(13: 수집탱크) 내에 유입되고, 여기서 수냉(water quenching)에 의해 응고되고, 그 결과 유리화(vitrified ) 되고 금속 비침출성을 가지는 광물 입자를 생성한다.
상기 도가니의 론더 트로프(launder trough)의 출구 위치에도 복수의 버너가 수직방향으로 설치되어 있다. 이들 버너에 의해 생성된 열에너지는 수집 탱크(13) 및 물이 사용된 광물 및 금속입자 파쇄장치로부터 발생되어 상승하는 수증기에 의해 냉각되어 고형화된 모든 물질을 용해할 수 있다.
상기 기체화 반응로 내의 합성기체가 상기 용융 도가니(9)의 론더 트로프를 통해 외부로 유출하는 것을 방지하기 위해, 광물입자 및 금속입자 수집탱크(13)는 상기 용융 도가니에 직접 연결되어 있다.
유리화된 비침출성 광물입자 및 금속입자
상기 기체화 시스템에 도입된 WSRF의 양의 약 7 중량%는 불활성 유리화 광물 입자 및 금속입자의 형태로 된다. 로마대학(The University of Rome)은 유리화 광물 입자의 조성을 확인하기 위해 유리화 광물 입자 샘플에 대해 여러 가지 실험 및 분석을 실시하였다. 실험 결과는 아래의 표 1과 같다.
불활성 폐기물 하적장의 용출액 내의 성분의 농도
성분 mg/l
AS 0.05
Ba 2
Cd 0.004
Cr 0.05
Cu 0.2
Hg 0.001
Mc 0.05
Ni 0.04
Pb 0.05
Sb 0.006
Se 0.01
Zn 0.04
염화물(Chlorides) 80
불화물(Fluorides) 1
황산염(Sulphates) 100
페놀 계수(Phenol index) 0.1
용존유기탄소(DOC) 50
전고형분(TDS*) 400
* 표 1에서 황산염 및 염화물의 수치 대신 TDS(전고형분; Total dissolved solids) 지수를 사용할 수 있다.
상기 분석에 기초하면, 상기 유리화 광물 입자는, 자갈의 대용물로서의 콘크리트 첨가제, 도로 건설, 조경, 천연석의 대용물, 샌드블라스트 물질로서의 용도 등에 사용될 수 있다. 금속입자는 주물공장으로 보내져서 재활용된다.
합성기체의 급냉 및 정제
도 2에 도시된 시스템의 급냉 및 정제부에서 합성기체는 냉각 및 정제된다. 불필요한 화학 성분 및 유기질 잔유물은 리사이클링을 촉진하기 위해 상기 합성기체에 의해 제거된다. 상기 고온 반응로(8)의 상측부(15: 배출컨덕트)로부터 배출된 합성기체는, 도 2 내지 도4에 예시된 바와 같이, 물에 의한 급냉(16, 17), 산세척(18), 염기세척(19, 20), 설피드릭 산(sulfidric acid)의 1차 제거(21), 습식 전기필터(wet electro-filter)를 이용한 미립자의 제거(22), 황의 유기화합물의 제거를 위한 촉매반응(27), 및 잔류 설피드릭 산의 2차 제거(28)의 처리를 거친다.
물에 의한 급냉(Quenching)
상기 반응로에서 배출되는 정제되지 않은 합성기체는 800 내지 1,200℃도의 온도, 더욱 정확하게는 약 1,100℃의 온도이고, 이 합성기체는 냉각단계(16)에서 물에 의해 90-95 ℃의 온도까지 냉각된다. 상기 급냉이 고온의 반응로에 의해 형성된 열역학적 평형을 고정(freeze) 함으로써 다이옥신 및 푸란(furans)의 재생성이 방지된다. 전술한 바와 같이, 상기 급냉 공정의 특징은 유체의 냉각을 위해 통상 사용되는 열교환기와 기타 장치와 같은 기술적 적용을 사용하지 않는 것에 있다.
상기 냉각 공정에 필요한 열에너지는 냉각 사이클 내에 사용된 물의 증발로부터 얻어진다.
증발수는 공정수(process water) 처리의 최종 단계에서 재응집되고, 이 재응집 물의 거의 대부분은 알칼리성 침출 단계의 응집물 처리 단계로 이행된다.
합성기체의 처리
냉각단계(16)의 증발에 의해 냉각된 상기 합성기체는 산세척 단계(18)로 이행되고, 여기서 추가의 처리를 받는다. 상기 WSRF 내에 함유된 염화물(chloride) 및 불소(fluorine)는 고온 반응로 내에서 HCl 및 HF를 형성한다. 이들 성분은 수냉 단계에서 용해되어 강산성의 pH를 형성한다.
비정제된 합성기체 내에 함유된 휘발성 중금속을 pH < 3의 조건하에서 처리하면 염화물 및 불화물의 형태로 용해되고, 그 결과 상기 합성기체로부터 제거된다. H2S, SO2, 및 CO2와 같은 산을 형성하는 다른 화학 성분은 여전히 기체 상태로 유지되어 후속 처리단계로 이행한다. 폐회로 내에서 작용하는 상기 냉각수 및 산세척에 사용된 유체는 고형물질을 분리하도록 된 침전 및 여과공정에 이송되기 전에 탈기체 처리(de-gassed)된다.
상기 정제된 세척액은 열교환기 내에서 냉각된 후 회로 내의 펌프를 통해 냉각부로 이송된다.
상기 알칼리성 염기 세척 단계(20)에 있어서, 전단계인 산세척 단계로부터 발생된 액적들(liquid droplet)은 합성기체류에 의해 운반되어 중화된다. 이를 위해, 세척액의 pH값은 NaOH를 첨가함으로써 7 내지 7.5의 범위 내에 유지된다. WSRF 내에 함유된 습기의 응축물은 물론 냉각공정에 의해 발생되어 냉각단계로부터 나온 증발 수분에 의해 생성된 과잉의 수분은 공정수(process water) 처리를 위한 화학-물리 시스템에 이송된다.
3가 철이 2가 철로 분해되고, 연속되는 재생 단계에서 공기의 유입에 의해 재산화 됨으로써, 상기 황화수소는 원소 황 및 수소로 분해된다. 상기 H2S의 제거는 탈황 처리단계(21)에서 실행된다. 이 탈황 처리단계에서 합성기체와 용액 사이의 접촉은 세척제 내에 용액을 모세관 방출(capillary emission) 시킴으로써 이루어진다. 여기서, 합성기체를 이용한 수소 생산은 2단계의 물 기체 전환 촉매반응에 의한 CO 세정단계, 박막 분리법 및 압력 스윙 흡착법에 의한 정화단계, 수소 압축 및 저장단계를 거치게 되고, 상기 방법을 달성하기 위한 시스템이 제공된다.
상기 재생 단계에서, 2가철의 산화반응, 탈황액체의 연속되는 재생 및 원소 황의 분리반응이 일어난다. 침전공정 후, 상기 황은 필터프레스(filter-press) 내에서 탈수되고, 공정으로부터 제거된다.
탈황단계 후, 기체는 습식 정전필터(wet electrostatic filter, EFU)의 미립자 제거(22)는 전단계와 동일한 온도 하에서 처리된다. 본 처리단계의 전기물리적 공정에 의해 휘발성 입자 및 합성기체 내에 아직 함유되어 있는 에어로졸(aerosols)을 제거할 수 있다. 또한 본 시스템은 반-폐쇄 수회로(semi-closed water circuit) 내에서의 재순환을 고려할 수 있고, 이로써 산화단계로의 일부 오염수의 운반과 증발단계로부터 얻어진 정제수의 재응축 및 공정수 처리 시스템의 결정화를 이룰 수 있다.
수압안전장치(hydraulic guard) 및 비상용 안전 플레어(emergency flare)
상기 고온 반응로 및 합성기체 처리단계는 다소 높은 압력(최대 450 바아)의 조건 하에서 작동됨으로써, 공기 내에 함유된 산소의 침투 및 이에 따른 폭발기체 혼합물이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
상기 합성기체 처리부의 주관(main pipe; 23)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 안전밸브의 작용을 하는 수압안전장치(hydraulic guard; 24)에 접속되어 있다. 상기 합성기체의 압력이 안전범위를 초과하여 급격히 상승하는 경우, 합성기체는 상기 수압안전장치를 통해 안전 플레어(safety flare; 25)로 이송되고, 이 안전 플레어는 합성기체를 연소시킨다. 상기 비상용 안전 플레어(25)는 시스템에 고장이 발생했을 때 기체화 공정을 중단하지 않고, 기체를 안전하게 배출시킬 수 있는 중요한 안전부재이다.
공정수(process water)의 처리
공정수는 주로 WSRF 내에 함유된 습기로부터 얻어진 증기와 부분적으로 기체화 공정 및 연소 공정에서 생성된 증기가 기체처리 단계에서 응축된 것이다.
상기 합성기체의 산성-염기성 처리에 의해 생성된 공정수는 본 유닛에서 정제된다. 상기 응축수 내에는 금속 및 염(salts)이 함유되어 있다. 여기에서의 화학-물리 공정의 주요 처리는, 산화, 석출, 침전, 중화, 증발 및 결정화이며, 처리 후의 생성물은 금속 수산화물 및 잔류 탄소의 농축물, 그리고 혼합염(mixed salt)이다.
최종 처리단계에서 증발된 공정수는 농축 후 증발탑의 냉각회로에 이용되므로 본 시스템에는 역류하는 유체(refluent fluids)가 존재하지 않는다. 다음에, 염기세척 처리단계로부터 생성된 공정수는 산화탱크로 이송된다. 이 공정수는 과산화수소를 첨가하여 산화시킴으로써 공정수 내에 용해되어 있는 황화수소가 용해된 황(dissolved sulphur)으로 변환되고, 그 결과 후속처리단계에서 황화수소 기체가 누출되는 것을 방지할 수 있다. 동시에 2가 철은 석출조건을 향상시키기 위해 3가 철로 변환시킨다. 상기 산화단계에서 교반장치를 이용하여 격렬한 혼합 작용을 일으킬 수 있다. 상기 염기 세척처리에 의해 생성된 액체의 산화 후, 탄소 침전 슬러지 및 일차 냉각회로로부터 얻어진 정제수는 냉각공정 중의 모든 기체처리 단계 중에 생성된 농축물을 보관하는 탱크로 이송된다. 이 보관 영역에서 후속 처리단계로 흐르는 액체의 정상화(normalize)가 가능하다.
가성소다(caustic soda; 수산화나트륨)를 첨가하여 예정된 8.5 내지 9.0의 pH 범위로 조절하여 중금속 수산화물을 분리시킬 수 있다. 다공질막을 통해 CO2를 첨가하면 물에 용해된 칼슘을 탄산칼슘의 형태로 석출시킬 수 있다. 탄소 입자, 탄산칼슘 및 금속 수산화물로 구성된 슬러지는 후속되는 저장 및 탈수 단계로 이송되고, 청정수 단계(clear aqueous stage)에서 중화 시스템으로 펌핑된다. 석출공정에서 생성된 공정수는 염산을 첨가하여 중화시킨 후 후속되는 이온교환기로 이송시킨다. 상기 중화 단계에 의해 증발단계에서의 염, 염화나트륨 및 염화암모늄의 형태의 결정화가 가능해지고, 상기 중화 단계를 거치지 않은 경우, 상기 염, 염화나트륨 및 염화암모늄은 그 염기성 pH 값에 의해 물과 함께 증발된다.
교대로 작동하는 2대의 양이온교환기(cation exchangers)는 칼슘, 아연 및 기타 금속성분의 잔류물을 운반한다. 상기 2대의 양이온교환기 중 한 대가 작동 상태일 때, 다른 양이온교환기는 재생 상태가 된다. 상기 재생 상태에서, 유지되어 있는 금속 이온은 나트륨 이온에 의해 대치된다. 이들 나트륨 이온은 작동 상태에서 물로 이동하여 금속 이온을 포획한다. 상기 염은 증발 시스템 내에서 결정화된다. 생성된 수증기는 응축 후 냉각 회로로 이송되어, 증발탑의 작동을 위해 필요한 재응축수를 일부분 보충하도록 한다. 상기 결정질 수용액은 염의 결정을 제거하기 위해 원심장치를 이용하여 처리한다. 이 공정에서 폐수는 전혀 생성되지 않으므로 역류하는 유체가 전혀 존재하지 않게 된다.
WSRF로부터 생성된 물은 증발 냉각회로에 요구되는 물의 양의 일부만을 충족한다. 따라서, 냉각수는 산업용 수도관에 접속하여 사용하고, 세척수는 음용 수도관(drinking water mains)에 연결하여 사용해야 한다. 또, 특정의 지역적 조건 하에서는 액상 폐기물(즉, 침출 오수) 처리부를 제삼자가 운영하는 기체화 시스템과 결합하여 처리된 공정수를 재활용함으로써 수자원을 절약할 수도 있다.
산소 생산 시스템
공기 분류(air fractionating) 시스템은 순수 산소, 질소 및 압축공기를 생성한다. 산소는 발열 공정에 사용되고, 질소는 시스템의 수리 보수 작업시 시스템의 여러가지 구성요소를 불활성화하는데 사용되고, 압축공기는 구성요소의 조절 및 폐쇄를 제어하는데 사용된다. 어떤 경우에 있어서는 상기 공기 분류 시스템을 기체화 시스템과 일체로 구성하지 않고, 기체화 공정에 필요한 산소는 다양한 산업용 산소의 생산할 목적으로 인근에 설치한 외부의 시스템으로부터 저압 배관을 통해 공급한다.
전력의 생산
정제된 합성기체는 하기의 시스템에 운반되어 에너지원으로 사용된다.
(a). 하나 이상의 압축단계를 실행한 후의 가스터빈: 단순히 전력만을 생산하는 증기터빈이나 증기 및/또는 열수를 공동 생산하는 사이클을 구비하는 증기터빈에 결합된 가스터빈.
(b). 전력, 증기 및/또는 열수를 공동 생산하는 사이클을 구비하는 가스 모터.
(c). 용해 탄산염을 구비하거나, 또는 증기 및/또는 열수의 생산을 위한 공동 생산 사이클을 구비함과 동시에 전기 에너지의 생산을 위해 고체 산화물에 의해 작동하거나, 냉열 에너지(cold energy)의 생산을 위해 가열펌프(heat pump)를 구비하는 연소셀(combustible cells).
상기 합성기체는, 공업용 보일러, 화력발전소(터보가스 형식 포함), 및 공업용 노(furnaces)와 같은 시스템의 기체연료로 사용된다.
본 발명에 따른 강제 정제공정을 통해 정제된 합성기체는 열에너지 및 전기에너지를 생산하기 위해 연소될 때 다이옥신 및 푸란과 같은 유기 염화(organic-chlorinated) 화합물의 생성이 방지되고 동시에, 산성 기체(HCl, HF), 황산화물 및 입자상 물질과 같은 대규모의 환경오염물질의 방출에 관련된 기준에 부합한다.
환경에 주는 영향을 최소화한 본 발명의 기체화 시스템으로 인하여, WSRF를 매우 유용하게 사용할 수 있다. 본 발명의 시스템은 폐기물 내에 포함되어 있는 자원을 최대로 재생시킬 수 있고, 환경에 주는 영향을 최소화함으로써 높은 신뢰성과 진보된 기술적 해결책을 제공한다. 이상에서 설명한 본 발명의 시스템의 효과는 아래와 같다.
(a). 폐기물의 최종 저장을 위해 운반되는 잔류물의 백분율이 실제 처리된 폐기물의 20-25 중량%로 감소된다.
(b). 금속(철, 알루미늄, 금속입자) 및 건축분야에 사용되는 물질(광물입자) 및 환경보전을 위한 물질의 회수 및 재생을 최대화한다.
(c). 입자가 큰 공기 오염 배기물 및 미세한 공기 오염 배기물의 측면에서의 환경의 영향을 감소시킨다.
(d). 수자원을 합리적으로 이용할 수 있다.
(e). 최종 저장되는 공정 잔류물을 완전한 불활성 상태 및 안정화 상태로 만들 수 있다.

Claims (22)

  1. 도시 고형 폐기물(MSW)을 수취하는 단계,
    수취된 MSW로부터 건조 폐기물과 함습 폐기물을 기계적으로 분류하는 단계,
    금속 성분의 제거, 신축성 격자를 구비한 파쇄장치를 이용한 사이징, 윈드 시프팅(wind sifting), 세정 단계들을 포함하는 상기 건조 폐기물의 처리 및 폐기 고형물 회수 연료(WSRF)의 제조 단계,
    금속 회수 단계,
    생물학적 산화반응에 의한 상기 함습 폐기물의 처리 단계,
    안정화된 유기물의 정제 단계,
    대형 물질의 체적 축소 단계,
    프로세스 에어 처리 단계,
    적어도 하나의 연소실을 구비한 반응기 내에서의 상기 WSRF의 기체화 단계, 및
    상기 공정으로부터 유도된 기체로부터 전기 에너지와 수소 중 적어도 하나를 생산하는 단계,
    를 포함하는 것을 특징으로 하고, 여기서 상기 WSRF 기체화 단계는 적어도 하나의 연소실을 구비한 반응로(8) 내에 상기 WSRF를 연속적으로 및 균일하게 공급하는 단계와 산소-바이오가스 버너를 이용한 상기 WSRF를 기체화하는 단계를 포함하되 상기 버너에 사용되는 바이오가스는 상기 유기물의 혐기성 소화반응으로부터 유도된 것을 특징으로 하며, 환경에 주는 영향을 최소화하는 상태로 폐기 고형물 회수 연료(WSRF)를 이용하는 도시 고형 폐기물(MSW)의 리사이클링 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 도시 고형 폐기물의 수취단계는, 폐기물 중압 후 대형 물질을 제거하는 기계적 분류장치를 구비한 공급 라인을 이용하여 실행되는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 건조 폐기물 및 함습 폐기물의 기계적 분류 단계는, 저속 회전하는 폐기물 백의 파열장치(bag-splitters)를 이용하여 플라스틱 폐기물 백을 개방시킨 후, 자동세척장치를 구비한 회전 트로멜의 스크린 격자를 통과시켜 실행되는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 금속 회수 단계는 와전류 작용에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 함습 폐기물의 처리 단계는, 2-3 주간의 유기물질의 가속 분해 단계, 바이오매스로부터 불활성 처리 잔류물을 분리하는 단계, 및 5-6 주간의 유기 획분의 숙성 및 안정 단계를 포함하는 생물학적 산화반응으로 구성된 호기성 처리로 이루어지고;
    여기에서 상기 생물학적 산화반응은 강제 통기 및 기계적 전도에 의해 호기상태로 유지되는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    강제적인 상기 호기성 처리는 모세관 공기 분배 네트워크를 이용하여 실행되고, 상기 기계적 전도는 스크루 오거를 이용하여 실행되고;
    상기 안정단계에 의해 안정화된 유기물의 정제는 기계 라인 상에서 실행되고, 상기 기계 라인 상에서 유리, 돌 및 플라스틱을 포함한 불활성 조각들은 제거되고, WSRF 및 안정화된 유기물이 획득되고;
    상기 대형 물질의 체적 축소 단계는, 분쇄 및 이와 동시에 이루어지는 철-물질의 회수에 의해 실행되며;
    상기 프로세스 에어 처리 단계는, (a) 모든 공정으로부터 공기를 흡입하여 부압 상태를 유지하는 단계, 및 (b) 상기 흡입 공기의 일부를 WSRF의 연소 사이클에 이송하고 나머지는 공기 처리 시스템에 이송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 WSRF 기체화 단계는, 얻어진 기체를 정제하는 단계, 상기 WSRF 내에 존재하는 무기질 성분을 유리화된 비침출성 광물 및 금속입자로 변환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 도시 고형 폐기물의 리사이클링 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 반응로와 상기 기체의 처리는 최대 450 바아의 과압 조건에서 작동하고;
    상기 WSRF의 탄소 획분은 상기 반응로(8)의 하측부에 위치하는 도가니(9) 내에 낙하하고, 상기 반응로의 하측부의 온도는 1,500 내지 1,700 ℃이고, 상기 탄소 획분은 휘발성 획분이 기체화된 후에 기체화되고;
    상기 반응로(8)의 가스 배출부(15)의 온도는 800 내지 1,200℃이고;
    상기 WSRF를 공급하는 시스템의 상측에 위치하는 상기 반응로(8)의 상측부(10) 내에 설치된 복수의 버너는 온도 분포의 균질화를 최적화하는 난류를 부여하고;
    상기 도가니(9)는 버너(11)에 의해 공급되는 바이오가스 및 산소에 의해 작업 온도에 유지되는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 반응로(8)의 상측부(10)로부터 배출된 기체는, 물에 의한 급냉(16, 17), 산세척(18), 염기세척(19, 20), 설피드릭 산의 1차 제거(21), 습식 정전필터에 의한 미립자 제거(22), 잔류 설피드릭 산의 2차 제거(28)의 단계를 거치는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 물에 의한 급냉 단계(16, 17)에서 생성된 기체는 90 내지 95 ℃ 범위의 온도로 냉각되고, 상기 산세척(18)에서 pH는 3미만의 값을 가지고, 상기 염기세척(19, 20)에서 pH는 7 내지 7.5의 값을 가지는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 방법.
  12. 삭제
  13. WSRF를 연속적으로 및 균일하게 공급하기 위한 시스템(A, B),
    적어도 하나의 연소실을 구비한 기체화 반응로(8),
    입자 수집탱크(13),
    상기 기체화 반응로(8)의 배출컨덕트(15),
    수냉부(16, 17),
    산 세척부(18),
    염기 세척부(19, 20),
    설피드릭 산의 1차 제거부(21)
    미립자 제거부(22),
    잔류 설피드릭 산의 2차 제거부(28), 및
    전기 에너지 생산을 위한 복합 사이클의 시스템과 수소의 생산을 위한 시스템 중 적어도 하나의 시스템,
    을 포함하는 것을 특징으로 하고, 산소-바이오가스 버너(11)가 상기 반응로(8)의 상측부(10), 하측부(9) 및 채널(12)에 설치되어 있는 것을 특징으로 하며, 환경에 주는 영향을 최소화하는 상태에서 폐기 고형물 회수 연료(WSRF)를 이용하는, 도시 고형 폐기물(MSW)의 리사이클링 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 WSRF를 연속적으로 및 균일하게 공급하기 위한 시스템(A, B)은, 상기 WSRF의 저장용 사일로, 상기 저장용 사일로로부터 투입용 리시버(2)까지 상기 WSRF를 이송하는 이송 시스템(1), 상기 투입용 리시버(2)로부터 상기 기체화 반응로(8)의 투입 시스템(5)까지 상기 WSRF를 이송하는 이송 시스템(3), 복수의 밸브를 구비한 이중 시일링 시스템(4), 질소를 구비한 불활성화 시스템, 상기 기체화 반응 로(8) 내에 상기 WSRF를 공급하기 위한 이송 시스템(5), 및 과잉량 회수 시스템(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 기체화 반응로(8) 내에 상기 WSRF를 공급하기 위한 상기 이송 시스템(5)은 냉각장치를 구비한 스크루 공급기 또는 슬로프인 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 시스템.
  16. 청구항 13에 있어서, 상기 반응로(8)는 상측부(10) 및 용융 도가니(9)가 구비된 하측부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 입자 수집탱크(13)는 채널(12)에 의해 상기 도가니(9)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 시스템.
  18. 삭제
  19. 청구항 13 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미립자 제거부(22)는 습식 전기 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 시스템.
  20. 삭제
  21. 청구항 13 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 에너지 생산을 위한 시스템은 가스터빈 및 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는, 도시 고형 폐기물의 리사이클링 시스템.
  22. 삭제
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