KR100969654B1 - 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치 및 방법에 관한 것으로서, 폐기물의 가스화 시스템에서 발생되는 합성가스의 H2/CO 비를 조절하여 최종활용목적에 적합한 H2/CO 비를 갖는 합성가스를 생산하기 위한 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치 및 방법에 관한 것을 목적으로 한다. 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치는 폐기물과 산소를 반응시켜 합성가스를 생산하는 폐기물의 가스화 시스템에 설치되어, 상기 폐기물의 가스화 시스템에서 제조된 합성가스의 H2/CO 비를 조절하여 원료물질을 생산하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치로서, 내부에 촉매가 충진되어 통과되는 합성가스의 반응을 촉진시키는 촉매 반응기와, 상기 촉매 반응기로 증기를 공급하는 증기공급부와, 상기 촉매 반응기에 서로 다른 높이로 설치되어 상기 촉매 또는 상기 증기에 의해 수성전환 반응된 합성가스를 배출하는 복수의 조절밸브를 포함한다.
폐기물, 가스화, 합성가스, 원료물질, 촉매, 증기, 밸브, 바이패스

Description

폐기물의 가스화 시스템의 제어장치 및 방법 {WASTE GASFICATION SYSTEM CONTROL DEVICE AND METHOD}
본 발명은 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폐기물을 가스화하는 과정에서 발생되는 합성가스의 H2/CO의 비율을 제어하여 다양한 원료물질을 얻을 수 있도록 한 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 도시화와 산업화가 진행됨에 따라 자원의 소모가 증가하고 있으며, 이에 비례하여 폐기물이 발생하고 있다. 이러한 폐기물은 땅에 묻거나 소각시 환경오염물질을 발생시킬 수 있어 처리에 주의가 요구되고 있다.
최근에는 이러한 폐기물을 효과적으로 처리함과 동시에 물질의 재생 및 열의 재이용이 가능한 폐기물의 활용 발안이 개발되어 사용되고 있다.
이러한 폐기물의 활용방안으로 사용되는 폐기물의 가스화 시스템(1)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 폐기물과 산소를 가스화기(10)로 투입하고, 이들을 혼합하여 반응시킨 후, 이들을 열회수설비(12), 냉각설비(14), 집진설비(16), 탈염설비(18), 탈황설비(20) 등을 거치며 적절한 정제를 한 후, 가스엔진 발전시스템(30)에서 발전을 하거나, 이들을 더욱 고도정제설비(22)에서 고도정제하여 연료전지 발전시스템(40)을 적용하여 발전을 하거나, 수성가스 전환설비를 이용하여 CO와 증기(STEAM)를 반응시켜 수소와 CO2로 전환한 후 H2만을 분리하는 PSA장치가 사용된다.
이러한 폐기물 가스화 시스템(1)을 통해 얻어진 합성가스는 H2/CO 비의 조건에 따라 다양한 원료물질의 제조가 가능하다.
합성가스 내의 H2/CO 비 조정을 이용해 원료물질을 제조하기 위해서는 수성가스전환반응(WGSR : Water Gas Shift Reaction)을 이용한 H2/CO 비 조정, 촉매를 이용한 원료물질 합성으로 이루어진다.
수성가스전환반응은 합성가스 내의 CO와 외부에서 공급된 증기와의 촉매반응에 의해 합성가스 내의 H2와 CO2의 농도가 증가되는 반응이다.
수성가스 전환공정은 보통 고온반응과 저온반응으로 구분하며, 고정된 반응조건에서 운전되는 것이 대부분이다.
이와 같이, 폐기물의 가스화 시스템(1)을 통해 얻어진 합성가스의 조성 및 유량은 공급된 폐기물의 성상 및 가스화기 운전 조건에 따라 변동되고, 이렇게 조성 및 유량이 변동되는 합성가스를 대상으로 고정된 수성가스 전환 반응 조건에서는 다양한 원료물질의 제조가 가능하도록 H2/CO 비를 적절하게 조절하는 것이 현실 적으로 매우 어렵다.
따라서, 기존 폐기물의 가스화 시스템(1)에서 발생하는 합성가스를 이용하는 방법은 H2/CO 의 제어가 특별히 필요하지 않은 가스엔진 발전시스템, 연료전지 발전시스템 등이 주로 사용되고 있다.
그러나, 종래기술은 수성가스 전환 공정으로 공급되는 합성가스의 조성이 변동되면, H2/CO 비의 안정적인 제어가 어렵다. 더불어, 종래기술에서 수성가스 전환 반응의 조건을 변화시킬 수 있는 변수로는 공간속도, 온도, 증기공급량을 들 수 있으나, 운전시 제어할 수 있는 변수로는 온도 및 증기공급량으로 제한된다. 따라서, 온도와 증기공급량은 즉각적인 제어가 어렵고, 에너지 이용측면에서 비효율적이며, 합성가스의 요구되는 H2/CO 비를 만족하는 조건을 찾기가 어렵다.
본 발명의 목적은 전술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 폐기물의 가스화 시스템에서 발생되는 합성가스의 H2/CO 비를 조절하여 최종활용목적에 적합한 H2/CO 비를 갖는 합성가스를 생산하기 위한 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐기물의 가스화 시스템의 제 어장치는 폐기물과 산소를 반응시켜 합성가스를 생산하는 폐기물의 가스화 시스템에 설치되어, 상기 폐기물의 가스화 시스템에서 제조된 합성가스의 H2/CO 비를 조절하여 원료물질을 생산하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치로서, 내부에 촉매가 충진되어 통과되는 합성가스의 반응을 촉진시키는 촉매 반응기와, 상기 촉매 반응기로 증기를 공급하는 증기공급부와, 상기 촉매 반응기에 서로 다른 높이로 설치되어 상기 촉매 또는 상기 증기에 의해 수성전환 반응된 합성가스를 배출하는 복수의 조절밸브를 포함한다.
여기에서, 상기 촉매 반응기의 전단과 상기 복수의 조절밸브 후단에 연결되어, 상기 폐기물의 가스화 시스템에서 제조된 합성가스를 우회하여 공급하는 바이패스 배관을 포함할 수 있다. 또한, 상기 바이패스 배관에는 우회되는 상기 합성가스의 공급량을 조절하는 바이패스 밸브가 설치될 수 있다. 또한, 상기 복수의 조절밸브에는 이물질을 제거하기 위한 필터부가 설치될 수 있다. 바람직하게는, 상기 필터부는 내부에 물이 채워지며, 상기 복수의 조절밸브로부터 나오는 합성가스가 상기 물을 통과하여 배출되도록 연결된 워터 트랩(Water Trap)일 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐기물의 가스화 시스템의 제어방법은 폐기물의 가스화 시스템에 의해 폐기물과 산소를 반응시켜 생성된 합성가스의 H2/CO 비를 조절하여 원료물질을 생산하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어방법으로, 내부에 촉매가 충진된 촉매 반응기에 서로 다른 높이로 설치된 조절밸브의 개폐를 조절하여, 상기 촉매 반응기를 통과하는 합성가스가 상기 촉매에 노출 되는 공간속도의 차이에 의해 최종 생성되는 합성가스의 H2/CO 비를 제어한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐기물의 가스화 시스템의 제어방법은 폐기물의 가스화 시스템에 의해 폐기물과 산소를 반응시켜 생성된 합성가스의 H2/CO 비를 조절하여 원료물질을 생산하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어방법으로, 폐기물의 가스화 시스템에서 생성된 합성가스를 내부에 촉매가 충진된 촉매 반응기를 통과하여 얻은 합성가스와, 상기 폐기물의 가스화 시스템에서 생성된 후 상기 촉매 반응기를 우회시킨 합성가스를 공급하여 혼합하되, 각각의 합성가스의 공급량을 조절하여 최종 생성되는 합성가스의 H2/CO 비를 제어한다.
여기에서, 상기 폐기물의 가스화 시스템에서 생성된 합성가스의 H2/CO 비가 1인 경우, CO 전환률 y1과 공간속도 x의 관계는
Figure 112010038248460-pat00016
수 있다. 또한, 상기 폐기물의 가스화 시스템에서 생성된 합성가스의 H2/CO 비가 1인 경우, H2/CO 비 y2와 공간속도 x의 관계는
Figure 112010038248460-pat00017
일 수 있다.
전술된 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치 및 방법은 폐기물의 가스화를 통해 발생하는 합성가스의 조성이 활용 목적에 부합하지 않더라도 이들 합성가스의 H2/CO를 조절할 수 있으며, 이에 따라 수성가스 전환 반응 조건에서도 다양한 원료물질의 제조가 가능하도록 H2/CO 비를 조절할 수 있다. 또한, 본 발명은 H2/CO 비의 제어가 쉽고, 공급되는 H2/CO의 공간속도를 신 속하게 조절할 수 있어 다양한 원료물질을 효율적이고 신속하게 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 폐기물 처리과정에서 폐기물 내에 포함된 가연성분이 가스화하여 발생하는 CO, H2가 주성분인 합성가스를 이용하여 DME, FT 합성연료, SNG 등 화학원료 및 연료 등 CO, H2 비 제어를 통한 다양한 활용을 위해 필요한 폐기물 합성가스내의 H2/CO 비 제어방법에 관한 것이다.
이러한 폐기물 처리과정에서 발생하는 합성가스의 조성은 표 1과 같으며, CO, H2, CO2가 주성분으로 가스화로에서 발생하는 합성가스의 H2/CO 비는 0.5~1.0 범위이나, 이러한 합성가스를 이용하여 다양한 원료물질을 제조하기 위해서는 표 2에 제시된 바와 같이 H2/CO 비의 조절이 필요하다.
Figure 112009038919418-pat00003
Figure 112009038919418-pat00004
이를 위해 본원발명은 H2/CO 비의 조절을 위해 다음의 수학식 1의 반응이 일어나는 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치를 제시하며, 이를 통해 폐기물의 가스화 시스템의 후단에서 최종적으로 생성되는 합성가스를 원료물질의 생산에 적합한 H2/CO 비를 갖는 합성가스의 생산조건을 효율적이고 즉각적으로 조절 가능하도록 하고 있다.
Figure 112009038919418-pat00005
본 발명에 따른 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치의 구성도인 도 2를 참고 하면, 본 발명에 따른 폐기물의 가스화 시스템(100)의 제어장치(130)는 폐기물과 산소를 공급한 후 이들을 반응시켜 가스를 얻는 가스화기(110)를 갖고, 이 가스화기(110)로 투입된 폐기물과 산소는 혼합되며 반응한다. 그리고, 이 가스화기(110)에서 합성가스로 반응하지 않은 폐기물은 슬랙(slag) 상태로 가스화기(110)의 외부로 배출된 후, 별도의 처리과정에 의해 폐기처리될 수 있다.
이와 같이, 가스화기(110)에서 폐기물과 산소가 혼합되며 발생한 합성가스는 반응과정에서 열이 발생하게 되며, 이러한 열은 열회수 설비(112)를 이용하여 회수한다. 또한, 열회수 설비(112)를 통과한 합성가스는 냉각설비(114)를 거쳐 냉각된 후, 적절한 정제를 거친다. 이러한 정제시설로는 합성가스에 포함된 먼지를 제거하기 위한 집진설비(116)와, 염을 제거하기 위한 탈염설비(118), 황을 제거하기 위한 탈황설비(120) 등을 포함한다.
그리고, 이러한 정제시설을 거친 합성가스는 H2/CO 비 제어장치(130)로 공급되어 최종적으로 요구하는 H2/CO 비를 조절한 합성가스로 변환된다.
H2/CO 비를 제어하기 위한 방법으로는, 반응온도 조절법과, 공간속도 조절법 및 증기/CO 비 조절법이 대표적이며, 본 발명에서는 공간속도 조절법을 이용하여 합성가스의 H2/CO 비를 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 폐기물 가스화 시스템의 제어장치의 일부 구성요소인 H2/CO 비 멀티제어장치의 구성도이다.
본 발명의 H2/CO 비 제어장치는 그 비율을 다르게 조절할 수 있도록 이루어질 수 있으며, 이를 위해 H2/CO 비 멀티제어장치(130)는 정제가 완료된 합성가스가 공급되는 촉매 반응기(140)를 갖고, 이 촉매 반응기(140)에는 촉매가 채워진다. 촉매 반응기(140)에서는 수성가스 전환 반응이 일어난다.
여기에서, 폐기물의 가스화를 통해 얻어진 합성가스는 주성분이 CO, H2, CO2로 이루어지며, 촉매의 일례로는 철(Fe)계촉매가 사용될 수 있다. 바람직하게는 촉매 반응기(130)에 사용되는 촉매는 최종적으로 제조되는 원료물질을 얻기 위해 다양한 촉매가 사용될 수 있으며, 표 2에 기재된 바와 같이 Fischer-Tropsch 합성, 메탄올, DME, SNG 등의 원료물질을 얻기 위해 Fe 또는 Co, ZnO/Cr2O3, Cu/ZnO/Al2O3, Cu/ZnO/Al2O3+γ-Al2O3, NiO 등이 사용될 수 있다.
또한, 촉매 반응기(130)에는 증기(STEAM : H2O)를 공급하기 위한 증기공급기(160)가 연결된다. 이러한 증기공급기(160)는 보일러를 포함하며, 공급되는 물을 끓여 증기상태로 변환하여 공급한다.
그리고, 이 촉매 반응기(140)에는 서로 다른 높이로 복수의 조절밸브(142, 144, 146, 148)가 설치될 수 있다. 이러한 복수의 조절밸브(142, 144, 146, 148)는 촉매 또는 증기에 의해 수성전환 반응된 합성가스를 배출하도록 이루어진다. 일례로 촉매 반응기(140)에 설치되는 복수의 조절밸브(142, 144, 146, 148)는 촉매 높이가 1/4, 2/4, 3/4, 4/4의 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
촉매 반응기(140)는 각각의 조절밸브(142, 144, 146, 148)를 개폐함에 따라 공급되는 합성가스에 대한 촉매충진 부피 비를 변화시킬 수 있으며, 이에 따라 공간속도의 변화를 유도하여 CO 전환률 및 H2/CO 비를 제어할 수 있다.
또한, 촉매 반응기(140)를 통과한 합성기체는 워터 트랩(Water Trap)(150)을 통과하여 공급된다.
한편, 정제시설을 거친 합성가스의 일부는 H2/CO 비 제어장치(130)의 촉매반응기(140)를 거치지 않고 통과된 후, H2/CO 비를 조절한 합성가스와 혼합될 수 있다. 이를 위해, H2/CO 비 제어장치(130)의 전단과 후단 사이를 연결하는 바이패스배관(170)이 설치될 수 있다. 또한, 바이패스 배관(170)에는 각각의 유량을 제어하기 위한 밸브장치로 바이패스 밸브(172)가 마련된다.
그리고, 본 발명은 H2/CO 비 제어장치(130)의 촉매 반응기(140)를 거쳐 수성가스 전환된 합성가스와 이 촉매 반응기(140)를 우회한 합성가스의 혼합량을 조절하여 공간속도를 제어할 수 있다.
이때 바이패스 배관(170)에 설치된 조절밸브(172)의 개폐를 제어하여 합성가스의 공급량을 조절할 수 있으며, 이를 통해 최종적으로 얻게 되는 합성가스의 H2/CO 비를 제어할 수 있다.
이러한 H2/CO 비 제어장치를 이용하여 공간속도 변화에 따른 수성가스 전환 반응은 다음과 같다. 즉, 조성비가 CO 35%, H2 35%, CO2 30%인 모사 합성가스를 사 용한 공간속도 변화에 따른 수성가스 전환 반응의 실험 결과는 아래의 표 3과 같다.
Figure 112009038919418-pat00006
이와 같이 충진된 촉매량에 대하여 유입되는 합성가스의 양이 증가하면, 동일한 조건에 대하여 CO 전환률이 낮아지며, 이에 따라 H2/CO 비도 감소함을 알 수 있다.
또한, 이 결과로부터 유입되는 합성가스의 H2/CO 비가 1인 경우, 즉 H2 35%, CO 35%인 경우, 공간속도에 따른 CO 전환률 관계를 나타낸 수학식 2와, H2/CO 비 관계를 나타낸 수학식 3을 만들 수 있다. 단, 여기에서 공간속도 범위는 400~1200 1/h범위이고, 증기/CO 비는 약 1.8이다.
Figure 112009038919418-pat00007
Figure 112009038919418-pat00008
여기서, y1은 CO 전환률이고, x는 공간속도이며, y2는 H2/CO 비이다.
이러한 수학식을 통해 얻은 공간속도 변화에 따른 CO 전환률과 H2/CO 비의 그래프는 도 4와 도 5에 도시된 바와 같다.
이와 같이, 본 발명은 폐기물의 가스화를 통해 얻어진 합성가스의 H2/CO 비를 제어하여 최종 출구에서 요구되는 활용 목적에 적합한 H2/CO 비를 갖는 합성가스를 생산할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치 및 방법을 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
도 1은 종래 기술에 따른 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 폐기물 가스화 시스템의 제어장치의 일부 구성요소인 H2/CO 비 멀티제어장치의 구성도.
도 4는 공간속도 변화에 따른 CO 전환률을 도시한 그래프.
도 5는 공간속도 변화에 따른 H2/CO 비의 그래프.

Claims (9)

  1. 폐기물과 산소를 반응시켜 합성가스를 생산하는 폐기물의 가스화 시스템에 설치되어, 상기 폐기물의 가스화 시스템에서 제조된 합성가스의 H2/CO 비를 조절하여 원료물질을 생산하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치로서,
    내부에 촉매가 충진되어 통과하는 합성가스의 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 촉매 반응기와,
    상기 촉매 반응기로 증기를 공급하는 증기공급부와,
    상기 촉매 반응기에 서로 다른 높이로 설치되어 상기 촉매 또는 상기 증기에 의해 수성전환 반응된 합성가스를 배출하는 복수의 조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매 반응기의 전단과 상기 복수의 조절밸브 후단에 연결되어, 상기 폐기물의 가스화 시스템에서 제조된 합성가스를 우회하여 공급하는 바이패스 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 바이패스 배관에는 우회되는 상기 합성가스의 공급량을 조절하는 바이 패스 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 조절밸브에는 이물질을 제거하기 위한 필터부가 설치된 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 필터부는 내부에 물이 채워지며, 상기 복수의 조절밸브로부터 나오는 합성가스가 상기 물을 통과하여 배출되도록 연결된 워터 트랩(Water Trap)인 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어장치.
  6. 폐기물의 가스화 시스템에 의해 폐기물과 산소를 반응시켜 생성된 합성가스의 H2/CO 비를 조절하여 원료물질을 생산하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어방법으로,
    내부에 합성가스의 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 촉매가 충진된 촉매 반응기에 서로 다른 높이로 설치된 조절밸브의 개폐를 조절하여, 상기 촉매 반응기를 통과하는 합성가스가 상기 촉매에 노출되는 공간속도의 차이에 의해 최종 생성되는 합성가스의 H2/CO 비를 제어하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어방법.
  7. 폐기물의 가스화 시스템에 의해 폐기물과 산소를 반응시켜 생성된 합성가스의 H2/CO 비를 조절하여 원료물질을 생산하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어방법으로,
    폐기물의 가스화 시스템에서 생성된 합성가스의 수성가스 전환 반응을 촉진시키는 촉매가 충진된 촉매 반응기를 통과시켜 얻은 제1 합성가스와, 상기 폐기물의 가스화 시스템에서 생성된 후 상기 촉매 반응기를 우회시킨 제2 합성가스를 공급하여 혼합하되, 상기 촉매 반응기를 통과하는 합성가스가 상기 촉매에 노출되는 공간속도의 차이에 의해 생성되는 제1 합성가스의 H2/CO 비를 제어하고, 제1 및 제2 합성가스 각각의 공급량을 조절하여 최종 생성되는 합성가스의 H2/CO 비를 제어하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어방법.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 폐기물의 가스화 시스템에서 생성된 합성가스의 H2/CO 비가 1인 경우, CO 전환율 y1(%)과 공간속도 x(1/h)의 관계는
    Figure 112010038248460-pat00018
    인 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어방법.
  9. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 폐기물의 가스화 시스템에서 생성된 합성가스의 H2/CO 비가 1인 경우, H2/CO 비 y2와 공간속도 x(1/h)의 관계는
    Figure 112010038248460-pat00019
    인 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 시스템의 제어방법.
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