KR100992532B1 - 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 가스화 시스템 및그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 가스화 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 그 목적은 저급 석탄 또는 유기성 폐기물 또는 그 혼합물을 원료로 하여 전자파(Microwave)를 이용 합성가스를 제조하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 석탄 또는 유기성폐기물 또는 석탄과 유기성폐기물의 혼합물을 원료로 공급하는 원료공급부(1)와; 원료공급부 하부에 설치되어, 상단반응기에서는 공급받은 원료를 전자파를 이용 탈황, 탈질의 전처리를 처리하고, 하단반응기에서는 전처리된 원료에 저압 수증기를 병류로 공급하고 전자파로 촉매적 역할 및 열원공급을 하여 고체-기체 반응에 의해 연속적으로 가스화 하도록 구성된 반응관(2)과; 반응관 하부에 설치된 생성된 합성가스 배출부(3)와; 합성가스배출부 하부에 설치되어 반응 완료된 물질을 배출하는 로터리밸브부(4)로 구성된 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 가스화 시스템 및 이를 이용한 가스화 방법을 특징으로 한다.
석탄, 유기성폐기물, 가스화, 수소, 전자파
Description
본 발명은 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 가스화 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 자세하게는 연료로서 활용가치가 떨어지는 저급의 석탄과 유기성 폐기물을 전자파를 이용하여 가스화하여 합성가스를 제조하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
기존의 석탄을 이용한 가스화시스템은 수증기열분해법으로서 고압수증기와 직화에 의한 고급 유연탄의 가스화 시스템이 있다.
하지만 이러한 일반 수증기열분해법으로는 연료로서 활용가치가 없는 4,000 kcal/kg 이하의 발열량을 가지는 저급 석탄 또는 유기성폐기물을 이용하여 가스화하기가 불가능하다는 단점이 있다.
한편 이와는 다른 방식으로 전자파를 이용하여 석탄으로부터 가스를 생산하 는 시스템이 있다.
석탄은 탄소성 물질로서의 매우 우수한 전자파 흡수체로서 전자파 에너지(Microwave energy)장에서 그 온도가 급격히 상승하고 벌크 가스 상(Bulk gas phase; 수증기)와 탄소입자 사이에 큰 온도구배가 생긴다. 석탄과 유기성 폐기물은 빠른 속도로 분해되어 수증기 중의 산소기(Oxygen radicals)를 빼앗아 CO+H2의 합성가스로 전환된다.
하지만 이러한 원리를 이용한 종래의 방법 역시 고급 유연탄에 대한 가스화 시스템으로, 장치 내 수증기 공급 방식이 스프레이 방법을 사용하여 가스를 생산하는 장치이고, 유기성폐기물(목재폐기물, 농산폐기물, 유기성 슬럿지, 각종 유기화학물질)에 대한 혼합처리는 구조적으로 할 수 없는 시스템이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 저급 석탄 또는 유기성 폐기물 또는 그 혼합물을 원료로 하여 전자파(Microwave)를 이용 합성가스를 제조하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명은 장치가 간단하고 2차 공해를 일으키지 않으며, 건식으로 이루어지는 것으로써 가스의 온도저하가 별로 일어나지 않음으로 수소분리공정에 현열을 그대로 이용할 수 있어서, 후속되는 전환반응이나 분리공정 등에서 열원으로 사용되어 에너지 낭비 요소가 없으며, 어느 촉매공정보다도 분해능이 뛰어난 전자파(Microwave)를 이용 합성가스를 제조하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 석탄 또는 유기성폐기물 또는 석탄과 유기성폐기물의 혼합물을 원료로 공급하는 원료공급부와;
원료공급부 하부에 설치되어, 상단반응기에서는 공급받은 원료를 전자파를 이용하여 원료 온도가 올라가도록 전처리하고, 하단반응기에서는 전처리된 원료에 저압 수증기를 병류로 공급하고 전자파로 촉매적 역할 및 열원공급을 하여 고체-기체 반응에 의해 연속적으로 가스화 하도록 구성된 반응관과;
반응관 하부에 설치된 생성된 합성가스 배출부와;
합성가스배출부 하부에 설치되어 반응 완료된 물질을 배출하는 로터리밸브부로 구성된 것을 특징으로 하는 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 가스화 시스템을 제공함으로서 달성된다.
또한 본 발명은 다른 실시형태로 상단반응기에서 전자파를 이용 원료인 석탄 또는 유기성폐기물 또는 석탄과 유기성폐기물의 혼합물을 전처리하는 단계와;
전처리된 원료를 하단반응기에서 수증기와 병류방향으로 반응시켜 전자파에 의해 분해하여 가스화하는 단계;로 이루어지되,
상기 전처리 단계 및 가스화단계는 상단반응기와 하단반응기가 이동층으로 이루어진 연속공정인 것을 특징으로 하는 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 가스화 방법을 제공함으로써 달성된다.
본 발명은 연료로서 활용가치가 떨어지는 저급 석탄(무연탄) 또는 유기성 폐기물 또는 그 혼합물을 원료로 하여 전자파(Microwave)를 이용 합성가스를 제조할 수 있다는 장점과,
또한 제조된 합성가스는 정제과정을 거쳐 수소를 이용하는 각종 시스템에 활용함으로써 온실가스의 발생을 사전 차단하는 미래 에너지 공급시스템으로 적합하다는 장점과,
또한 장치가 간단하고 2차 공해를 일으키지 않으며, 건식으로 이루어지는 것 으로써 가스의 온도저하가 별로 일어나지 않음으로 수소분리공정에 현열을 그대로 이용할 수 있어서, 후속되는 전환반응이나 분리공정 등에서 열원으로 사용되어 에너지 낭비 요소가 없으며, 어느 촉매공정보다도 분해능이 뛰어난 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 한실시예에 따른 개략적인 전자파를 이용한 석탄(무연탄) 및 유기성폐기물의 전처리 및 가스화시스템도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 시스템은 석탄, 유기성폐기물, 석탄과 유기성폐기물의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나를 원료로 공급하는 원료공급부(1)와;
원료공급부 하부에 설치되어, 상단반응기에서는 공급받은 원료를 전자파를 이용하여 원료 온도가 올라가도록 전처리하고, 하단반응기에서는 전처리된 원료에 수증기를 공급하고 전자파로 촉매적 역할 및 열원공급을 하여 고체-기체 반응에 의해 연속적으로 가스화되도록 구성된 반응관(2)과;
반응관 하부에 설치된 합성가스 배출부(3)와;
합성가스배출부 하부에 설치되어 반응 완료된 물질을 배출하는 로터리밸브부(4)로 구성된다.
상기 반응관(2)은 전자파를 발생하는 하나이상의 전자파발생장치(21)를 전처리반응을 위한 상단반응기(22)와 가스화반응을 위한 하단반응기(23)의 둘레 일 지점에 각각 나누어 설치하고, 전치리된 원료와 고체-기체 반응을 일으키도록 수증기를 공급하는 수증기 공급관(24)을 상단반응기와 하단반응기의 경계지점에 설치하여 구성하였다.
상기 반응관은 원료공급부 하나의 하부에 1개 이상의 다수개로 설치할 수 있다. 참고로 본 발명의 반응관에 전자파가 침투하여 반응을 일으킬 수 있는 최대 깊이가(침투깊이) 석탄의 경우 4인치 정도로서, 투입되는 원료의 양에 따라 충분한 빈응을 일으키기 위해서는 복수의 반응관을 설치한다.
이와 같은 복수개로 구성했을때의 한 실시예에 따른 구조가 도 1의 구조로 이러한 복수개의 구조를 설명한 단면도가 도 1의 오른쪽에 단면(Bird's eye )으로 도시되어 있는데, 도시된 바와 같이 도 1의 왼쪽에 도시된 본 발명 반응기가 복수개로 이루어질수 있음을 개념적으로 설명하고 있다. 복수개의 구조를 가지면 가스 발생량을 증대시키면서도 컴팩트하게 구성할 수 있다.
또한 반응관인 석영관은 수증기를 도입하는 중간부분에서 나누어지는 두개의 관을 상하로 배치한 구조이며, 상부 전처리는 안테나방식으로 전자파를 집중적으로 도입하기 위한 구조이고, 하부 반응관은 전자파를 고르게 유도하기 위한 도파관 유도방식으로 구성하였다.
또한 본 발명의 원료인 석탄 또는 유기성폐기물 또는 이들의 혼합물은 연속적으로 투입되는데, 이러한 반응물질(원료)의 이동속도는 매우 느리게 진행되며, 그 낙하속도는 로터리밸브로 조절한다.
또한 반응기 내의 반응조건은 석탄과 유기물의 전처리단계에서는 물질의 탄화가 완료될 때 까지 반응시키는데, 이는 전자파의 세기에 따라 수분에서 수십분 정도 걸린다. 반응 완결정도는 원료를 채취하여 분석하면 알 수 있으나, 통상적으로 연기의 발생여부에 의해 육안으로도 관찰할 수 있다. 하부의 가스화 공정은 약 800℃에서 이루어지는데, 투입 원료량과 전자파 세기간의 함수에 의해 결정되므로 로터리밸브의 구동속도와 전자파 발진관에 공급되는 전력량 조절을 통하여 최적 조건을 결정한다.
본 발명은 반응관으로 바람직하게는 석영관을 사용하는데 그 이유는 석영관은 열에 강하고 전자파를 투과시켜 대상물질까지 전자파가 잘 도달하게 해 주기 대문이다. 물론 다른 재질로된 반응관을 사용해도 되는데, 단 전자파를 차단하는 물 질이나 흡수해버리는 물질은 반응관으로 사용할 수 없다.
상기 상단반응기와 하단반응기에 설치된 전자파발생장치(21)의 각 하부에는 쿨링팬(25)이 설치된다. 이는 발진관에 설치되는 냉각팬이다.
상기 반응기의 하단반응기 둘레에는 나선형으로 상부로부터 하부로 감겨 공급되는 냉각수 공급관(26)이 설치된다. 이는 급격한 가열로 발생될 수 있는 반응기 파열 방지와 전자파의 고른 유도가 목적이다. 또한 냉각수 공급관의 재질은 바람직하게는 동관을 사용한다.
상기 수증기는 저압으로 공급한다. 수증기는 석탄과 반응하는 물질로서 일반 석탄 가스화에서는 20기압 이상을 유지하나 본 발명의 시스템에서는 상압으로, 다시 말하면 석탄층에 투입될 수 있는 압력정도로 가능한 낮은 압력으로 공급한다.
상기 수증기는 원료물질과 병류방향으로 반응시킨다. 즉, 상단반응기(22)에서는 유입되는 원료에 대하여 전자파를 이용하여 원료 온도가 올라가도록 전처리하고, 하단반응기(23)에서는 상부로부터 수증기를 병류로 주입하며 석탄과 폐기물 및 수증기의 고체-기체 반응에 전자파의 촉매적 역할 및 열원 제공역할을 통하여 가스화를 시킨다.
상기 원료공급부(1)로 공급되는 원료로는 석탄과 유기성폐기물로 이루어진 단일 종류나 혼합물의 분해에 다각적으로 활용될 수 있다.
특히 본 발명의 원료로 사용되는 석탄은 일반 수증기열분해법으로는 불가능한, 연료로서 활용가치가 없는 4,000 kcal/kg 이하의 발열량을 가지는 저급 석탄(무연탄)을 사용한다. 물론 일반 석탄도 가능하다.
또한 석탄과 함께 공급될 수 있는 유기성폐기물로는 목재폐기물, 농산폐기물, 유기성 슬럿지, 폴리에틸렌 등을 들 수 있는데, 특히 폴리에틸렌 등의 합성수지 분말을 석탄층에 혼합하여 가스화할 경우 보다 높은 수소함량을 기대할 수 있다.
이러한 유기성폐기물은 대부분이 탄화수소로 이루어져 있으며, 이는 탄화과정을 거치면 석탄(혹은 활성탄)과 유사한 구조를 지니게 되어 본 발명의 반응관에가스화가 일어나게 된다.
상기 본 발명의 장치에 의해 생성된 가스는 일산화탄소와 수소로 구성된 합성가스 성분을 다량 함유하고 있는데 이를 정제하여 수소원을 필요로 하는 연료전지나 수소자동차 또는 화학공정에 사용할 수 있고, CTL이라 일컫는 합성유 생산을 할 수 있다.
이와 같이 본 시스템은 이동층으로 구성하여 전처리와 가스화를 동시에 이룰 수 있는 컴팩트한 장치로서 미래 에너지원 확보와 환경문제 해결이라는 목적을 동시에 이룰 수 있는 장점을 갖는다.
상기와 같은 본 발명에서 전자파를 이용한 가스화공정의 최대 장점은 빠른 반응성과 에너지이용 효율의 극대성이다. 즉, 반응성이 떨어지는 저급 석탄과 폐기물을 분해하여 합성가스를 생성할 수 있는 시스템이기 때문에 전자파의 반응기내 유도시스템과 연속 공정에 의한 시스템 운전을 위하여 전처리공정과 가스화공정을 연속적인 이동층(moving bed)로 구성한 것이 가장 중요하다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명에서 사용되는 전자파 발생장치는 국내에서 생산되고 있는 발진관을 활용하여 시스템을 구성하였으며 상세한 전자파 내용은 다음과 같다. 단 전자파를 발생시키는 원리나 장치 구조는 일반적인 것이므로 구체적인 조건은 생략한다.
주파수 : 2,450MHz
파장 : c/f = 3*108(m/s)/2.45*109(회/s) = 122mm
wave guide : 긴면의 길이는 주파수의 1/2이상
wave guide 반사면 간격 : λ/6 = 12.2/6 = 약 2cm 이내
전자파 발생부와 stub와의 거리 : 2.1cm 이내
참고로 본 발명에서 이용하는 전자파가 일반 열분해공정에 의한 가스화 보다 유리한 점을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
첫째, 금속표면에서 반사되고 유리등의 투명물질에 투과되어 대상물질에만 직접 작용하므로 에너지 이용효율 면에서 어떠한 공정보다도 우수하다는 것이다.
둘째로는 전자파가 열원으로서만이 아닌 촉매적 역할을 한다는 것이다. 즉, 전자기장 내에 놓여있는 물질들은 전자파와의 위상차로 인한 분자내 이온의 불완전성으로 다른 물질과 반응에 필요한 활성에너지를 낮춰주기 때문에 일반가열에 의한 반응온도 보다 훨씬 낮은 온도 및 빠른 속도로 반응을 유도할 수 있다.
셋째로는 장치의 컴팩트(Compact)화를 가져올 수 있다는 것이다. 다시 말하면, 전처리공정과 가스화공정을 이동층으로 구성하여 단일화할 수 있어 장치비용을 줄이고 반응의 신속성을 유지할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 반응단계를 살펴보면 다음과 같은 단계를 가진다.
상단반응기에서 전자파를 이용 원료인 석탄 또는 유기성폐기물 또는 석탄과 유기성폐기물의 혼합물의 전처리 단계와;
전처리된 원료를 하단반응기에서 저압 수증기와 병류방향으로 공급하여 고체-기체반응을 일으키고 전자파로 촉매적 열활 및 열원을 제공하여 분해하는 가스화 단계;로 이루어지고,
이와 같은 전처리 단계 및 가스화단계는 연속공정으로 이루어질 수 있도록 본 발명의 상단반응기와 하단반응기가 연속적으로 반응하도록 이동층(moving bed)으로 구성하였다.
상기한 단계에 따른 본 발명의 작용을 살펴보면 전자파발생장치를 상.하단반응기에 나누어서 상단반응기에서는 유입되는 원료에 대한 전처리를 하고, 하단반응기에서는 수증기를 주입하며 석탄과 폐기물 및 수증기의 고체-기체 반응에 전자파의 촉매적 역할 및 열원 제공역할을 통하여 가스화를 시키게 된다. 즉, 원료인 석탄은 탄소성 물질로서 전자파를 흡수하여 매우 빠르게 온도가 올라가며, 이를 혼합되어 있는 유기성폐기물에 전달하고 수증기와 탄소입자 사이에 큰 온도구배를 형성한다. 이때 극성분자인 물을 전자파가 분해하면, 물을 이루던 산소는 탄소와 결합하여 일산화탄소를 생성하고, 수소는 유리되어 남아있게 된다.
도 2는 본 발명에 따라 생성된 가스에 대한 가스 크로마토그래프(GC ; Gas Chromatograph) 분석결과도로, 도시된 바와 같이 GC에 의해 검출된 자료를 공기를 제외한 가스에 대해 정량적으로 분석해 보면 수소와 일산화탄소가 1:1~2:1의 범위를 나타낸다.
상기와 같은 본 발명은 열화학적 반응에서 촉매역할을 하는 전자파를 이용한 가스화장치를 개발하였다. 여기서 발생되는 성분으로는 CO, CO2, CH4, H2, Air 외에 다수의 탄화수소 등이 있을 수 있으나 주로 CO : H2 비가 1 : 1 ~ 1 : 2의 합성가스로 생성되어 정제 후 합성석유나 혹은 수소를 생산할 수 있다.
또한 전자파는 고급 에너지로 여겨지나 그 사용면에서 bulk heating 없이 대상물질에 직접 작용하고, 생성된 가스내에 현열로 남아있기 때문에 후속되는 전환 반응이나 분리공정 등에서 열원으로 사용되어 에너지 낭비 요소가 없으며, 어느 촉매공정보다도 분해능이 뛰어난다.
또한 환경적으로 문제가 되고 있는 온실가스의 사전 차단이라는 점과, 폐기물을 처리하여 합성가스를 생성하는 등 다목적으로 활용할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 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 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명의 한실시예에 따른 개략적인 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 전처리 및 가스화 시스템도이고,
도 2는 본 발명에 따라 생성된 가스에 대한 가스 크로마토그래프(Gas Chromatograph) 분석결과도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 원료공급부 (2) : 반응관
(3) : 합성가스 배출부 (4) : 로터리밸브부
(21) : 전자파발생장치 (22) : 상단반응기
(23) : 하단반응기 (24) : 수증기 공급관
(25) : 쿨링팬 (26) : 냉각수 공급관
Claims (9)
- 석탄, 유기성폐기물, 석탄과 유기성폐기물의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나의 원료를 공급하는 원료공급부(1)와;원료공급부 하부에 설치되어, 상단반응기에서는 공급받은 원료를 전자파를 이용하여 원료 온도가 올라가도록 전처리하고, 하단반응기에서는 전처리된 원료에 수증기를 병류로 공급하고, 주파수가 2,450MHz이고 파장이 122mm인 전자파로 촉매적 역할 및 열원공급을 하여 고체-기체 반응에 의해 연속적으로 가스화하도록 구성된 반응관(2)과;반응관 하부에 설치된 생성된 합성가스 배출부(3)와;합성가스배출부 하부에 설치되어 반응 완료된 물질을 배출하는 로터리밸브부(4)로 구성하되,상기 반응관(2)은 전자파를 발생하는 하나 이상의 전자파발생장치(21)를 전처리반응을 위한 상단반응기(22)와 가스화반응을 위한 하단반응기(23)의 둘레 일 지점에 각각 나누어 설치하고, 전치리된 원료와 고체-기체 반응을 일으키도록 수증기를 공급하는 수증기 공급관(24)을 상단반응기와 하단반응기의 경계지점에 설치하여 구성한 것을 특징으로 하는 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 가스화 시스템.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,상기 원료 중 석탄은 4,000 kcal/kg 이하의 발열량을 가지는 저급 석탄이고,상기 유기성폐기물은 목재폐기물, 농산폐기물, 유기성 슬럿지, 폴리에틸렌 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 가스화 시스템.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,상기 수증기는 상압의 수증기인 것을 특징으로 하는 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 가스화 시스템.
- 상단반응기에서 주파수가 2,450MHz이고 파장이 122mm인 전자파를 이용 원료인 석탄, 유기성폐기물, 석탄과 유기성폐기물의 혼합물 중에서 선택된 어느 하나를 전처리하는 단계와;전처리된 원료를 하단반응기에서 수증기와 병류방향으로 반응시켜 주파수가 2,450MHz이고 파장이 122mm인 전자파에 의해 분해하여 가스화하는 단계;로 이루어지되,상기 전처리 단계 및 가스화단계는 상단반응기와 하단반응기가 이동층(moving bed)으로 이루어진 연속공정으로 이루어지고,상기 전자파는 전처리반응을 위한 상단반응기와 가스화반응을 위한 하단반응기의 둘레 일 지점에 각각 나누어 설치된 전자파를 발생하는 하나 이상의 전자파발생장치에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 가스화 방법.
- 청구항 6에 있어서,상기 전처리하는 단계는 원료를 전자파를 이용하여 원료 온도가 올라가도록 하는 것이고,가스화하는 단계는 전처리된 원료에 수증기를 공급하고 전자파로 촉매적 역할 및 열원을 제공하여 고체-기체 반응에 의해 연속적으로 가스화 하는 단계인 것을 특징으로 하는 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 가스화 방법.
- 청구항 6에 있어서,상기 원료 중 석탄은 4,000 kcal/kg 이하의 발열량을 가지는 저급 석탄이고,상기 유기성폐기물은 목재폐기물, 농산폐기물, 유기성 슬럿지, 폴리에틸렌 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전자파를 이용한 석탄 및 유기성폐기물의 가스화 방법.
- 삭제
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