KR101055456B1 - 알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조장치 및 그 제조방법. - Google Patents

알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조장치 및 그 제조방법. Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업 폐기물인 알루미늄 드로스 와 가연성 폐기물(폐플라스틱. 폐타이아등)을 이용하여 합성가스(SynGas)를 제조하는 장치 및 그 방법으로써, 알루미늄 드로스중에 포함되어 있는 금속 알루미늄과 가성소다를 이용하여 수소가스를 발생시키고, 수소가스와 산소로 수증기를 발생시켜 이때 발생되는 열량을 이용하여 폐플라스틱을 용융 분해시켜 합성가스를 생성시키는 합성가스(SynGas)의 제조장치 및 그 방법을 제시한다.

Description

알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조장치 및 그 제조방법.{The method and appatus for synthetic gas using Aluminum dross and thermoplastic}
본 발명은 폐기물로서 소각처리 및 매립장에 매립하여 버려지는 자원을 재활용하여 합성가스를 생산하기 위한 알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 합성가스 제조방법은 천연가스, 석탄, 나프타 등을 원료로 하여 수증기(H2O)와 연료를 이용하여 제조하고 있다.
그리고 통상적으로, 알루미늄은 산화가 잘되는 양성금속이기 때문에 알루미늄을 용해하는 경우에 항상 알루미늄 드로스가 발생하게 된다. 상기 알루미늄 드로스는 알루미늄 괴를 용해 후 주조하는 과정에서 용해로의 용탕표면에 산화되어 있는 것을 걷어낼 때 분말 금속알루미늄이 포함되어 나온다. 또한, 일부는 알루미늄 용탕을 주형에 부을 때 용해로 또는 도가니에 남게 되며, 또한 용탕을 주조하는 도중에서 용탕 유로(runner) 등에서 금속 알미늄이 산화되어 발생된다.
이와 같은 알루미늄 드로스의 성분은 산화알루미늄 70%이상, 금속알루미늄 10%이상, 질화알루미늄 5%이상, 탄소 5%이상, 기타불순물 10%이하이다.
상기한 바와 같은 알루미늄 폐도로스를 처리하기 위한 종래의 방법으로는, 알루미늄을 용해하여 자동차부품 및 여러 가지 생활용품을 제조하는 업체에서 알루미늄 괴를 용해시 발생된 폐기물(알루미늄 도로스) 또는 알미늄 스크랩을 수집하여 알루미늄 괴를 생산하는 과정 및 알루미늄 괘를 용융시켜 알루미늄 주조 과정에서 발생된 폐기물(알루미늄 드로스)은 폐기물매립장에 매립하여 폐기하는 것이 일반적인 처리방법으로 처리되고 있다.
알루미늄 드로스는 폐기물 매립장에서 매립을 하면 지하수 또는 비로 인하여 자연적으로 암모니아가스가 발생하여 악취가 발생하고 수소가스가 발생되어 화재가 발생하므로 많은 문제가 발생되고 있는 실정이다.
전술한 점들을 참조할 때, 일반적인 알루미늄 드로스 처리방법은 폐기물매립장에 매립하여 폐기하므로 극심한 환경오염과 자원낭비로 인해 더 이상 실용화될 수 없어 보다 직접적이고 효율적인 처리방법이 절실히 요구되고 있다.
그리고 폐타이아와 같은 폐플라스틱 주종은 PE, PP, PET, PVC로의 재활용품을 제외한 전량을 매립 및 소각처리 되고 있으며 실제 자동차, 화력발전, 다음으로 많은 환경오염을 발생시키는 물질이다.
따라서 전술한 알루미늄 드로스와 폐플라스틱을 원료로 하여 청정에너지인 합성가스로 재활용하여 공급함으로 환경오염 방지와 탄소 저감효과가 있다.
본 발명은 산업 폐기물인 알루미늄 드로스 및 폐플라스틱을 재활용하여 매립에 의한 환경오염을 방지하고, 자원낭비를 막을 수 있는 알루미늄 드로스와 폐플라스틱을 이용한 합성가스의 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 저렴한 비용으로 합성가스를 제조함에 따라 제철공장의 용해로 등에서 생산원가를 크게 절감할 수 있는 알루미늄 드로스와 폐플라스틱을 이용한 합성가스의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은 알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조방법으로서,
산업 폐기물인 알루미늄 드로스를 밀폐된 혼합용기의 리액터(10) 속에서 가성소다 수용액을 이용하여 1차로 수소가스를 발생시키는 공정과,
상기 수소가스를 1차 열분해기인 건류기(20)에서 산소와 함께 반응시킬 때 발생되는 고온 고열의 수증기에 의해 폐기물인 폐플라스틱을 400-500℃로 용융 열분해시키는 공정과,
상기 수소가스는 제 2차 열분해기인 고온 열분해반응기(30)에서 냉각 반응하여 합성가스(Syngas)가 제조된다.
이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 산업폐기물인 알루미늄 드로스 및 폐플라스틱을 매립시키지 않아 매립에 의한 비용절감 및 환경오염을 방지하고, 전량 수입에 의존하는 천연가스, 알루미나 시멘트 등을 폐기물에서 원 자재로 전환함에 따라 수입대체효과가 있으며, 본 발명에 따른 합성가스의 제조기술 및 설계기술을 선점함으로 플랜트 수출 및 기술수출을 함으로 수입 대체만이 아닌 큰 수출효과도 예상된다.
도 1은 본 발명 알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조장치의 구성을 나타낸 도면.
이하 본 발명의 실시 예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 후술 될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조장치를 도시한 것으로 그 상세한 설명은 다음과 같다.
먼저, 가성소다 수용액(수산화나트륨)과 알루미늄 드로스에 함유되어 있는 금속알루미늄을 반응시켜 수소가스를 발생시키기 위한 밀폐된 용기의 리액터(10)가 구비된다.
그리고 상기 수소가스를 산소로 산화시켜 고온의 수증기를 이용하여 폐플라스틱과 같은 가연성 폐기물을 용융 열분해시키기 위한 건류기(20)가 구비되고, 상기 건류기는 리액터에서 발생된 수소가스와 산소 이송을 위한 관체(11)에 의해 리액터(10)와 연결되어 있다.
그리고 상기 건류기에는 폐플라스틱 등의 가연성 폐기물을 투입시키기 위한 폐기물투입장치(22)와 재를 배출시키기 위한 배출장치(24)가 설치되어 있다.
이후, 상기 건류기에서 발생된 건류가스 즉, 포화탄화수소(CnH2n+2)를 열분해시키기 위해 열분해반응기(30)가 관체(21)에 의해 건류기(20)와 연결되어 있다.
이때, 리액터(10)에서 건류기로 연결되어 수소가스를 이송시키는 관체(11) 그리고 열분해반응기(30)로 연결되는 관체(21)와 리액터 사이에는 각각 버너(12,14)가 설치되어 여기서 발생된 고온의 수증기를 공급시킨다.
그리고 상기 고온 열분해반응기(30)에서 발생된 고온의 합성가스(CO+H2)를 냉각시키고 유해물질인 염화수소(HCl)를 제거하기 위한 냉각반응기(40)가 구비되고 상기 냉각반응기(40)는 관체(31)에 의해 열분해반응기(30)와 연결되어 있다.
그리고 상기 냉각반응기(40)에서 발생된 합성가스는 저장탱크(50)로 저장되거나 사용을 위한 공간으로 이동된다.
또한, 상기 냉각 반응기에서 발생된 염화수소는 순환펌프(45)에 의해서 쿨링타워(44)및 정밀여과기(42)를 거쳐 냉각반응기(40)로 투입된다.
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한편, 상기 고온 열분해반응기(30)와 냉각 반응기(40)의 아황산가스와 염화수소를 중화시키기 위해 중화재 공급기(32)가 구비되고 소정의 관체를 통해 열분해반응기와 냉각반응기(40)로 투입되어 있다.
한편 상기 냉각반응기(40)에서 공급되는 합성가스의 일부를 사용하여 증기를 공급시킨 후 건류기 및 고온 열분해반응기로 공급시키는 보일러(60)가 구비된다.
위와 같은 합성가스 제조장치를 이용한 합성가스 제조방법은 다음과 같다.
먼저, 도 1에서와 같이 산업 폐기물인 알루미늄 드로스에 함유되어 있는 분말형태의 알루미늄을 수거한 다음, 밀폐된 혼합용기의 리액터(10) 속에서 가성소다 수용액을 이용하여 1차로 수소가스를 발생시킨다(가수분해).
즉, 알루미늄 드로스에 가성소다 수용액을 혼합하여 반응시키게 되면 발열하면서 금속알루미늄(Al)은 가성소다 수용액 속에서 존재하는 수산화나트륨(NaOH)과 반응하여 알루민산나트륨(NaAlO2)로 변환되고 수소가스가 발생된다.
위의 반응식은 아래와 같다.
Figure 112011041154034-pat00001
이후 상기 수소가스는 1차 열분해기인 건류기(20)에서 산소와 함께 반응되면서 산화되고 고온 고열의 수증기를 발생시키게 된다.
이때의 수소와 산소가 산화되는 반응식은 아래와 같다.
Figure 112011041154034-pat00002
그리고, 상기 고온의 수증기는 함께 투입된 폐기물인 폐플라스틱을 400-500℃로 용융 열분해시킨다.
한편, 상기 알루민산나트륨을 가열가수분해(130-135℃)하면 수산화나트륨(NaOH)과 수산화알루미늄(Al(OH)3)으로 변화되고, 상기 수산화나트륨은 용해도가 높아 수용성 상태이므로 정밀여과기로 여과하여 알루미늄 드로스(AD) 반응용으로 재사용하고 수산화알루미늄은 산화 소성시켜 알루미나를 제조한다.
위의 반응식은 아래와 같다.
Figure 112011041154034-pat00003
이후, 상기 건류기에서 발생된 건류가스인 포화탄화수소는 제 2차 열분해기인 고온 열분해반응기(30)의 1,200~1,500℃에서 수증기와 반응하여 아래의 반응식과 같이 합성가스(Syngas)가 생성된다.
Figure 112011041154034-pat00004
이상과 같이, 상기의 화학반응에 의해 생성되는 물질은 합성가스(CO+H2) 등이 생산된다. 생산된 합성가스는 산화알루미늄 소성용으로 사용되며, 소성된 산화알루미늄은 부정형내화물(케스타블), 급결제 및 내식성 알루미나 시멘트 제조에 사용된다.
10: 리액터 20: 건류기
30: 고온 열분해반응기 40: 냉각 반응기
50: 저장탱크 60: 보일러

Claims (5)

  1. 알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조장치에 있어서,
    가성소다 수용액과 금속알루미늄을 반응시켜 수소가스를 발생시키기 위한 밀폐된 용기의 리액터(10)가 구비되고,
    상기 수소가스를 산소로 산화시켜 고온의 수증기를 이용하여 폐플라스틱과 같은 가연성 폐기물을 용융 열분해시키기 위한 건류기(20)가 구비되고, 상기 건류기는 리액터에서 발생된 수소가스와 산소 이송을 위한 관체(11)에 의해 리액터(10)와 연결되며,
    상기 건류기에는 가연성 폐기물을 투입시키기 위한 폐기물투입장치(22)와 재 배출장치(24)를 구비하고,
    상기 건류기에서 발생된 포화탄화수소(CnH2n+2)를 열분해시키기 위해 관체(21)에 의해 건류기(20)와 연결된 열분해반응기(30)가 구비되며,
    상기 리액터(10)에서 건류기로 연결된 관체(11) 그리고 열분해반응기(30)로 연결되는 관체(21)와 리액터 사이에는 각각 버너(14,12)가 설치되어 고온의 수증기를 공급시키고,
    상기 열분해반응기(30)에서 발생된 고온의 합성가스(CO+H2)를 냉각시키고 염화수소(HCl)를 제거하기 위해 관체(31)에 의해 열분해반응기(30)와 연결된 냉각반응기(40)와,
    상기 냉각반응기(40)에서 발생된 합성가스는 저장탱크(50)로 저장되거나 사용을 위한 공간으로 이동됨을 특징으로 하는 알루미늄드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각 반응기에서 발생된 염화수소는 순환펌프(45)에 의해서 쿨링타워(44) 및 정밀여과기(42)를 거쳐 냉각반응기(40)로 투입되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고온 열분해반응기(30)와 냉각 반응기(40)의 내부로 중화재를 공급시키기 위한 중화재 공급기(32)가 구비된 것을 특징으로 하는 알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각반응기(40)에서 공급되는 합성가스의 일부를 사용하여 증기를 발생시킨 후 건류기 및 고온 열분해반응기로 공급시키는 보일러(60)가 구비된 것을 특징으로 하는 알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조장치.
  5. 알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조방법에 있어서,
    산업 폐기물인 알루미늄 드로스를 밀폐된 혼합용기의 리액터(10) 속에서 가성소다 수용액을 이용하여 1차로 수소가스를 발생시키는 공정과,
    상기 수소가스를 1차 열분해기인 건류기(20)에서 산소와 함께 반응시킬 때 발생되는 고온의 수증기에 의해 폐기물인 폐플라스틱을 400-500℃로 용융 열분해시키는 공정과,
    상기 건류기에서 발생된 포화탄화수소가 2차 열분해기인 고온 열분해반응기(30)에서 1,200~1,500℃에서 수증기와 반응하여 합성가스(Syngas)가 제조되는 공정과,
    상기 합성가스는 냉각반응기(40)에서 냉각수에 의하여 냉각되고 여기에 중화제가 공급되어 유해가스가 제거되는 공정을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 드로스와 가연성 폐기물을 이용한 합성가스의 제조방법.
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