KR101135042B1 - 음폐수의 초임계수가스화에 의한 가연성 합성가스 생산 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 음폐수의 초임계수가스화에 의한 가연성 합성가스 생산 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 음폐수에 존재하는 입도가 큰 고형물을 분쇄, 선별하여 1mm 이하의 입도의 고형분만을 포함하는 음폐수 분리액을 수취하고, 이를 예열과정을 거쳐 고형분의 액화를 유도한 다음 초임계수가스화한 다음 가연성 합성가스를 수취하는 음폐수로부터 가연성 합성가스를 생산방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 음폐수의 초임계수가스화에 의한 가연성 합성가스 생산 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 음폐수에 존재하는 입도가 큰 고형물을 분쇄, 선별하여 1mm 이하의 입도의 고형분만을 포함하는 음폐수 분리액을 수취하고, 이를 예열과정을 거쳐 고형분의 액화를 유도한 다음 초임계수가스화한 다음 가연성 합성가스를 수취하는 음폐수로부터 가연성 합성가스를 생산방법에 관한 것이다.
국내 음식물쓰레기 발생량은 연간 약 5,000천톤에 달한다. 음식물쓰레기의 처리방법을 살펴보면, 1997년에는 발생량의 84%를 매립처리 하였으나, 이후 직매립 금지정책에 의하여 매립처리비율이 점차 감소하여 2006년에는 발생량의 1.9%로 줄어들었다(이종연 등, 음식물류 폐기물 및 발생폐수의 에너지화를 위한 방법별 최적모델 및 설치?운영 지침서 개발 연구 2008, 환경부).
매립을 대체한 대표적 처리기술로는 호기성 퇴비화, 혐기성 소화, 탈수 및 건조에 의한 감량화 등과 같은 재활용 방법들이다. 그런데 음식물쓰레기의 재활용 과정에서 다량의 음폐수가 발생한다. 음폐수 발생량은 해마다 증가추세에 있다.
예를들어 환경부에 의하면 2007년에는 하루에 9,000톤 이상의 음폐수가 발생하였는데 이는 음식물쓰레기 발생량의 66%를 차지하였다. 현재 발생되는 음폐수의 절반 이상이(2007년도 54%) 해양투기에 의하여 처리되고 있다. 해양투기는 가장 간단한 처리방법이며 처리비용이 비교적 낮은 장점이 있으나 궁극적으로 해양생태계를 교란할 가능성이 높아 우리나라는 2013년부터 음폐수의 해양투기를 금지할 예정이다.
따라서 이를 대체할 음폐수 처리기술 도입이 시급한 실정이다.
현재 제시되고 있는 대체기술로는 혐기소화(대한민국 등록특허 10-1027449, 10-0948287, 10-0911835, 공개특허 10-2010-0112431), 호기성 처리(대한민국 등록특허 10-0922381) 등과 같은 주로 생물학적 처리기술이 개발되고 있다.
상기 생물학적 처리기술은 비교적 상온, 상압 조건에서 운전되는 장점이 있으나, 미생물을 촉매로 이용한 공정이므로 반응시간이 길어 넓은 시설부지가 요구되며 유기물질 분해과정에서 악취가 발생할 가능성이 높다.
이러한 생물학적 처리방법이 갖는 문제점은 공간활용의 극대화와 친환경성을 추구하는 현대 도시의 폐수처리 기술로서 반드시 해결해야할 과제이다.
초임계수가스화 기술은 물의 임계점 (374℃, 22.1MPa) 이상의 온도와 압력을 갖는 초임계수에서 유기물질을 화학반응시켜 가연성 가스로 전환하는 기술로서 반응시간이 수분 이내로 매우 짧고 공정폐기물 발생량을 최소화할 수 있는 고수분 유기성 폐기물 처리 신기술이다.
이와 관련하여 국내에서도 유기물질의 초임계수가스화에 의한 수소생산 기술이 개발되었으나(대한민국 등록특허 10-0780910, 10-0916210), 주로 고상 촉매의 개발기술과 이를 탑재한 반응장치 등과 같은 초임계수가스화 반응시스템의 핵심기술에 집중되어 있어 복잡한 성상의 음폐수를 가스화 반응시스템에 바로 적용할 수는 없다.
음폐수는 주로 음식물쓰레기의 탈수과정에서 발생하는 탈리액으로서 입도가 큰 고형물을 다량 포함하고 있으며 국내 음식물 특성상 염분농도가 높은 특징이 있다. 따라서 이러한 독특한 성상의 유기성 폐수를 처리하기 위해서는 차별화된 초임계수가스화 처리에 의한 가연성 합성가스 생산방법에 대한 개발이 필요하다.
이에 본 발명에 따른 음폐수의 초임계수가스화에 의한 가연성 합성가스 생산 방법은,
음폐수에 존재하는 입도가 큰 고형물을 분쇄, 선별하여 1mm 이하의 입도의 고형분만을 포함하는 음폐수 분리액을 수취하고, 이를 예열과정을 거쳐 고형분의 액화를 유도한 다음 초임계수가스화 반응을 통하여 유기물질의 98% 이상을 제거하고, 이로부터 가연성 합성가스를 얻는 음폐수 초임계수가스화에 의한 가연성 합성가스 생산방법의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 음폐수의 초임계수가스화에 의한 가연성 합성가스 생산 방법은,
음식물쓰레기의 탈수과정에서 발생하는 음폐수로부터 가연성 합성가스를 생산하는 방법에 있어서, 음식물쓰레기의 탈수과정에서 발생된 음폐수를 연속 유입하는 단계와; 유입된 음폐수를 연속분쇄기에 투입하여 입도가 큰 고형물을 잘게 분쇄하는 단계와; 분쇄기로부터 배출된 음폐수를 선별기에 투입하여 작은 입도로 분쇄되지 않은 고형물을 제거하는 고-액 분리단계와; 상기 작은 입도로 분쇄된 고형분이 포함된 액상 분리액을 예열하는 단계와; 예열된 분리액을 초임계수가스화 반응기로 유입하여 초임계수에서 가스화하여 처리하는 초임계수가스화 처리단계와; 상기 초임계수가스화 반응기에서 배출된 유출수와 가스생성물을 분리하는 가스생성물 분리단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 해결수단에 의한 본 발명의 음폐수의 초임계수가스화에 의한 가연성 합성가스 생산 방법은,
고형물의 분쇄와 선별에 의한 전처리공정과 예열과 초임계수가스화에 의한 반응이 연속적으로 이루어지도록 하여 음폐수의 처리속도를 증대시키면서 가연성 합성가스로의 전환 및 수취량을 증대시킬 수 있도록 하는 등 음폐수 해양투기를 대체할 수 있는 유용한 방법의 제공이 가능하게 되었다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예로 초임계수가스화를 이용하여 음폐수를 가연성합성가스로 생산하는 방법에 대한 블록도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예로 초임계수가스화를 이용하여 음폐수를 가연성합성가스로 생산하는 방법에 대한 블록도이다.
참조한 바와같이 음폐수의 초임계수가스화 처리에 의한 가연성합성가스 생산방법에 사용되는 처리시스템은 음폐수 연속유입장치, 고형물분쇄장치, 고-액분리장치, 예열장치, 초임계수가스화반응장치, 생성물 분리장치로 구성된다.
본 발명은 상기 시스템을 이용하여 음식물쓰레기의 탈수과정에서 발생된 음폐수를 연속 유입하는 단계(S1)와; 유입된 음폐수를 연속분쇄기에 투입하여 입도가 큰 고형물을 잘게 분쇄하는 단계(S2)와; 분쇄기로부터 배출된 음폐수를 선별기에 투입하여 1mm이상의 입도를 갖는 고형물을 제거하는 고-액 분리단계(S3)와; 상기 1mm 이하의 고형분이 포함된 액상 분리액을 예열하는 단계(S4)와; 예열된 분리액을 초임계수가스화 반응기로 유입하여 초임계수에서 가스화하여 처리하는 초임계수가스화 처리단계(S5)와; 상기 초임계수가스화 반응기에서 배출된 유출수와 가스생성물을 분리하는 가스생성물 분리단계(S6);를 포함하여 이루어진다.
상기 음폐수 연속 유입단계(S1)는 임시 저장조에 있는 음폐수 원액을 분쇄장치에 연속적으로 투입하기 위한 음폐수 연속유입장치에 의해 이루어진다.
본 단계는 초기 탈수과정에서 발생되는 다량의 음폐수에는 입도가 큰 고형물과 액상이 혼재되어 있으므로, 이러한 음폐수를 일정량으로 안정적으로 공급되도록 함으로써 후술되는 전처리 및 초임계수가스화 반응이 최대한 균일하게 이루어지도록 하기 위한 것이다.
상기 일정하게 공급하기 위한 대표적인 장치로는 정량펌프가 있다.
상기 고형물 분쇄단계(S2)는 연속적으로 유입되는 음폐수에 포함되는 입도가 큰 고형물을 잘게 분쇄하여 가능한 많은 고형물질이 예열 및 초임계수가스화 장치로 투입 및 처리되도록 하여 제거효율을 높이기 위한 단계이다.
상기 분쇄가 이루어지지 않은 입도가 과도하게 큰 고형물은 예열과정에서의 수열반응에서 액화가 어렵고 초임계수가스화 반응기에 과도한 부하를 줄 수 있으므로 일정크기 이하의 입도를 갖도록 제어할 필요가 있다.
상기 분쇄가 이루어지는 분쇄기의 대표적인 예로는 연속공정으로 고형물을 분쇄를 수행할 수 있는 그라인더형 분쇄기가 있다.
상기 고-액 분리단계(S3)는 분쇄단계를 수행한 후 배출되는 음폐수로부터 일정크기 이상의 고형물을 분리, 제거하기 위한 단계이다.
본 발명은 실험에 의해 고형물 입도를 1mm 이하로 제어하는 것이 예열장치에서 부반응을 최소화하고 고형물의 액화반응을 효율적으로 수행할 수 있는 것으로 파악되었다.
고-액분리단계를 수행하기 위한 고형물 분리장치는 작은 입자가 잘 분리되고 큰 입자는 연속으로 제거될 수 있도록 고안된 진동형 선별기 형태가 바람직하다.
상기 액상의 예열단계(S4)는 고-액 분리단계를 통해 얻은 1mm 이하의 고형물을 포함하는 액상 시료(분리액)를 아임계수 조건에서 수열반응을 유도하여 고형물을 수용상의 유기물질로 전환함과 동시에 초임계수가스화 반응기에서의 가열부하를 줄이기 위해 수행되는 단계이다.
상기 예열단계에서의 운전조건은 온도 150-300℃, 압력 10-30MPa 범위가 적합하다. 너무 낮은 온도에서는 수열반응속도가 낮아 액화효율이 낮고, 과도하게 높은 온도에서는 탄화반응 등 부반응이 일어나 오히려 고형분 함량을 증가시킴으로 상기 범위내로 운전되는 것이 바람직하다.
또한, 예열단계를 수행하는 예열장치의 예열반응은 열교환장치를 이용하여 초임계수가스화 반응장치에서 나오는 고온의 생성물로부터 간접적으로 열에너지를 전달받아 수행하는 것이 효과적이므로, 예열장치의 압력은 초임계수가스화 반응기와 비슷하게 유지(22.1-30MPa)하는 것이 바람직하다.
그러나, 예열장치를 독립적으로 운영할 경우에는 기화를 억제하여 액상수를 유지할 수 있을 정도의 압력(10-20MPa)으로 설정하여 사용할 수 있다.
상기 초임계수가스화 반응단계(S5)는 예열된 액상 분리액을 가스화 처리하고 이로부터 가연성 합성가스를 얻는 단계이다.
본 초임계수가스화를 위한 반응장치의 운전조건은 온도 500-700℃, 압력 22.1-30MPa 범위에서 유지한다.
초임계수가스화 반응장치의 대표적인 예로는 가스화반응을 촉진하기 위하여 촉매를 탑재할 수 있는 형태의 연속흐름 반응기로 설계제작하는 것이 바람직하다. 또한 음폐수 시료에 포함된 다량의 염분에 의한 부식 가능성을 고려하여 반응기는 니켈합금 등과 같은 부식에 강한 재료로 제작하는 것이 바람직하다.
상기 가스생성물 분리단계(S6)는 초임계수가스화 반응단계를 수행하고 배출되는 생성물을 가스상과 액상으로 분리하는 단계이며, 각 상의 생성물 저장하는 수단인 저장장치에는 생성유속을 측정할 수 있는 유량계를 설치할 수 있다.
상기 본 단계에서 분리된 생성가스는 2,500-4,500kcal/Nm3 범위의 가연성 합성가스로서 타르(tar) 등의 불순물이 없으므로 저장 후 별다른 후처리과정 없이 전기나 열에너지 생산용 연료로 이용할 수 있다.
또한, 분리된 액상 유출수는 유기물 함량이 화학적산소요구량 기준으로 2,000ppm 이하로서 통상적인 수처리 과정을 거쳐 외부로 배출하거나 하수처리조에 배출 및 처리가 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명에 따른 음폐수의 전처리(고-액분리, 예열에 의한 수열반응) 및 초임계수가스화 처리의 실시 예를 기술한다.
실시예 1: 음폐수의 고-액 분리, 예열 실험
음식물쓰레기의 탈수과정에서 발생하는 음폐수는 [표 1]에 나타낸 바와 같이 유기물질 함량이 총고형분(TS) 기준으로 약 10wt% 포함되어 있다.
음식물쓰레기 탈수시설에서 채취한 음폐수 원액에는 초임계수가스화 반응장치에 투입하기 어려운 큰 입자의 고형물이 포함되어 있었으므로, 0.5mm 이하 고형분과 수용액만을 분리하여 이를 예열처리 시료(분리액)로 이용하였다.
제조한 시료의 화학적산소요구량(COD) 농도는 계절별로 차이(40,000-80,000ppm)를 보였다.
화학적산소요구량이 68,000ppm인 액상 시료를 200℃, 10MPa의 액상에서 2h 동안 예열(수열처리)한 결과, 고형물이 침전되어 액상과 분리되었으며 이때 액상의 화학적산소요구량은 [표1]에서와 같이 약 60,000ppm이었다.
실시예 2: 예열처리된 음폐수의 초임계수가스화 실험
음폐수 액상 시료의 초임계수가스화 운전조건 및 운전결과를 [표 2]에 나타내었다.
시료의 화학적산소요구량(COD) 농도는 실험마다 다소 차이는 있었으나 대략 56,000ppm이었고, 총고형분(TS) 함량은 약 3wt%, pH는 3-4 범위를 보였다.
화학적산소요구량 제거율에서 알 수 있듯이 활성차콜(AC)이나 니켈-이트리움/활성차콜(Ni-Y/AC) 촉매를 이용함으로서 음폐수 가스화 처리효율이 크게 증가하였다.
음폐수에 존재하는 상당량의 유기산이 가스화되어 제거됨으로서 액상의 pH 값도 3에서 7로 높아져 중성화 되었다.
특히 니켈-이트리움/활성차콜(Ni-Y/AC) 촉매를 이용한 가스화실험에서 얻은 생성가스 중의 수소 함량은 53vol%로 다른 촉매조건에 비하여 높게 나타났다. 이는 상기 촉매가 음폐수의 초임계수가스화 과정에서 수소 생성반응을 활성화하였기 때문이다.
초임계수가스화 액상유출수의 색깔을 비교한 결과, 액상 생성물 (L1)은 불투명한 갈색, (L2)는 투명한 진노랑 색을 보였으나, 활성차콜(AC)과 니켈-이트리움/활성차콜(Ni-Y/AC) 촉매를 사용한 (L3-L5) 경우에는 투명하였고, 거의 색깔이 없었다.
또한 초임계수가스화 반응온도를 700℃로 높인 경우에는 화학적산소요구량(COD) 제거율이 99%로 높아졌는데 이때 액상 유출수의 화학적산소요구량이 661ppm으로 매우 낮게 나타났다.
가스생성속도는 340-720L/h/L 범위로 촉매를 사용한 경우 훨씬 높은 값을 보였다.
생성가스 열량은 고위발열량(HHV) 기준으로 2,900-4,200kcal/Nm3로 보조연료 없이 연소가 가능한 가연성 합성가스이었으며, 특히 타르(tar)등의 불순물이 전혀 없어 전기나 열에너지 생산용 연료로 사용시 후처리과정이 필요없는 것으로 나타났다.
Claims (4)
- 음식물쓰레기의 탈수과정에서 발생하는 음폐수로부터 가연성 합성가스를 생산하는 방법에 있어서,
음식물쓰레기의 탈수과정에서 발생된 음폐수를 연속 유입하는 단계(S1)와; 유입된 음폐수를 연속분쇄기에 투입하여 입도가 큰 고형물을 잘게 분쇄하는 단계(S2)와; 분쇄기로부터 배출된 음폐수를 선별기에 투입하여 작은 입도로 분쇄되지 않은 고형물을 제거하는 고-액 분리단계(S3)와; 상기 작은 입도로 분쇄된 고형분이 포함된 액상 분리액을 예열하는 단계(S4)와; 예열된 분리액을 초임계수가스화 반응기로 유입하여 초임계수에서 가스화하여 처리하는 초임계수가스화 처리단계(S5)와; 상기 초임계수가스화 반응기에서 배출된 유출수와 가스생성물을 분리하는 가스생성물 분리단계(S6);를 포함하여 이루어지되;
상기 초임계수가스화 처리단계는,
초임계수반응장치로 연속공급되는 예열된 음폐수 액상분리액을 온도 500-700℃, 압력 22.1-30MPa 범위의 초임계수 조건으로 운전하여 유기물질을 98% 이상 가스화 처리해 2,500-4,500kcal/Nm3 범위의 가연성 합성가스가 생성되도록 한 것을 특징으로 하는 음폐수의 초임계수가스화에 의한 가연성 합성가스 생산 방법. - 제1항에 있어서,
상기 고-액분리단계 및 예열단계에서 작은 입도로 분쇄된 기준입도는 1mm인 것을 특징으로 하는 음폐수의 초임계수가스화에 의한 가연성 합성가스 생산 방법. - 제1항에 있어서,
상기 예열단계는, 온도 150-300℃, 압력 10-30MPa 범위의 아임계수 조건에서 예열이 이루어져 수열반응에 의한 고형물의 액화를 유도하고, 탄화반응에 의한 고형화를 억제하도록 한 것을 특징으로 하는 음폐수의 초임계수가스화에 의한 가연성 합성가스 생산 방법. - 삭제
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| KR101235710B1 (ko) * | 2012-10-02 | 2013-02-21 | 코리아워터텍 주식회사 | 음식물 자원화 시스템 및 음식물 자원화 방법 |
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