KR101146582B1 - 고온개질기를 이용한 폐음식물의 바이오 합성가스화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐음식물의 모든 탄소를 2차 오염 없이 합성가스로 변환할 수 있고, 폐음식물 뿐만 아니라 대부분의 바이오매스(biomass)에도 적용할 수 있는 고온개질기를 이용한 폐음식물의 바이오 합성가스화 방법에 관한 것으로,
폐음식물을 혐기조에서 고체 폐기물과 액체 슬러지로 분리하는 제1단계; 상기 고체 폐기물을 열분해하고 탄화시키는 제2단계; 상기 제2단계에서 상기 고체 폐기물이 열분해되어 발생하는 플루 가스(flue gas)를 개질기에 공급하고, 탄화된 상기 고체 폐기물을 분쇄하여 상기 개질기에 공급하는 제3단계; 상기 액체 슬러지 중에서 증발하는 휘발성 유기물을 상기 개질기에 공급하는 제4단계; 및 상기 액체 슬러지에 수소가스를 주입하여 수소화시켜 오일을 생성하고, 증발하는 상기 오일을 상기 개질기에 공급하는 제5단계;를 포함하고, 상기 플루 가스, 탄화되어 분쇄된 상기 고체 폐기물, 상기 휘발성 유기물, 및 증발하는 상기 오일을 상기 개질기에서 개질 반응시켜 합성가스를 생성한다.
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Description
본 발명은 폐음식물의 바이오 합성가스(Bio-syngas)화 방법에 관한 것으로, 폐음식물의 모든 탄소를 2차 오염 없이 합성가스로 변환할 수 있고, 폐음식물 뿐만 아니라 대부분의 바이오매스(biomass)에도 적용할 수 있는 고온개질기를 이용한 폐음식물의 바이오 합성가스화 방법에 관한 것이다.
고온개질기 기술은 Lurgi의 coal gas reaction(C+H2O→CO+H2; 탄소가 일산화탄소로 개질되는 반응)이다. 이 반응은 1200℃ 이상에서 열역학적 균형을 이룬다(Int'l J. of Hydrogen Energy vol. 28/11. 2003, pp. 1179-1186. ‘A low cost production of hydrogen from carbonaceous wastes). 여기서 탄소는 모든 탄화물질에 포함되어 있는 탄소를 의미하며, 모든 유기물에 내포되어 있는 탄소는 이 온도(1200℃ 이상)에서 개질된다. 이러한 열역학적 조건에서 개질 효율은 100%에 가깝다. 개질된 일산화탄소와 H2가스를 합하여 합성가스(CO+H2)라 부르고, 합성가스는 연료이기 전에 화학원료로서 화학 공업에서 절대적인 위치를 차지한다. 즉, 합성가스에서 모든 화학원료를 합성할 수 있다. 한때 각 나라의 합성가스 생산량은 그 나라 화학공업의 척도로 쓰일 때도 있었다. 아직도 계속해서 합성가스의 생산량은 증가하고 있다. 이 개질기에 대한 원천기술을 보유하고 있는 나라가 대한민국이다.
H2O와 CO2가스를 1200℃이상에서 유지하는 ‘고온로’를 ‘개질기’라고 한다. 즉, 이 환경에서 어떠한 물리적/화학적 형태의 탄소는 CO 가스로 개질되고, 수소는 수소가스로 환원된다. 개질기에서 생성되는 합성가스는 Water shift reaction(CO+H2O→CO2+H2)을 통해서 CO2 가스와 H2 가스가 되고, H2 가스와 CO2 가스를 분리함으로써, 수소가스 연료를 생성하게 된다. 이 수소가스 연료는 청정에너지의 대명사로서 전력발전에 사용되고, 합성가스는 F/T Process를 거쳐서 기타 연료와 화학원료를 생산한다. 이 고온개질기 기술은 본 출원인이 대한민국 특허 제10-0637340호 ‘고온개질기’와 대한민국 특허 제10-1038465호 ‘열분해 개질기’를 통해서 특허 등록하였고, 특히 열분해 개질기에서는 개질기의 바닥에 나선형 경사부를 형성함으로써, 연소실에서 유입되는 고온가스(CO2+H2O)와 하부에서 유입되는 플루가스(flue gas)가 함께 상승 회전하면서 개질반응 효율이 크게 향상되고, 개질기 내부온도를 더욱 균일하게 유지할 수 있어 개질기의 내구성에서도 향상을 도모하였다. 이 열분해 개질기는 ‘Kim reformer V’라는 상표로 상품화되었다. 고체 유기물 중에서 열분해가 잘 되는 고체 Feedstock을 어떻게 고온개질기에 연결할 수 있는지를 보여주고 있다(대한민국 특허 제10-0887137호 ‘탄화물 열분해 개질 방법 및 장치’).
화학적으로 바이오매스(biomass)의 일부로 분류되는 폐음식물은 그 처리가 현시점에서 큰 부담이 되고 있다. 폐음식물은 일차적으로 혐기성 발효조를 거쳐 고체(Cellulose) 폐기물과 액체인 슬러지로 분리된다. 고체 폐기물은 건조되어 연소 또는 열분해 등으로 처리되지만, 잔여물의 마지막 단계는 해양 투하이다. 액체의 슬러지 역시 해양투하로서 끝을 맺는다. 날로 증가하는 폐음식물의 처리 문제는 심각하다. 폐음식물은 많은 탄소를 보유하고 있기 때문에 어떤 형태의 에너지로 전환된다면, 환경 및 에너지 문제에 크게 공헌할 수 있기 때문에 여러 가지 기술개발이 이루어지고 있으나, 폐음식물을 친환경적으로 에너지화시키는 기술은 아직 소개되지 않고 있는 것이 현실이다.
그리하여 본 발명은 폐음식물의 고체 폐기물과 액체 슬러지를 형성하고 있는 유기물의 탄소를 고온에서 개질하여 합성가스(CO+H2, Bio-syngas)를 생성하자는 착안에서 시작되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 폐음식물의 모든 탄소를 2차 오염 없이 합성가스로 변환할 수 있고, 폐음식물 뿐만 아니라 대부분의 바이오매스(biomass)에도 적용할 수 있는 고온개질기를 이용한 폐음식물의 바이오 합성가스화 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고온개질기를 이용한 폐음식물의 바이오 합성가스화 방법은, 폐음식물을 혐기조에서 고체 폐기물과 액체 슬러지로 분리하는 제1단계; 상기 고체 폐기물을 열분해하고 탄화시키는 제2단계; 상기 제2단계에서 상기 고체 폐기물이 열분해되어 발생하는 플루 가스(flue gas)를 개질기에 공급하고, 탄화된 상기 고체 폐기물을 분쇄하여 상기 개질기에 공급하는 제3단계; 상기 액체 슬러지 중에서 증발하는 휘발성 유기물을 상기 개질기에 공급하는 제4단계; 및 상기 액체 슬러지에 수소가스를 주입하여 수소화시켜 오일을 생성하고, 증발하는 상기 오일을 상기 개질기에 공급하는 제5단계;를 포함하고, 상기 플루 가스, 탄화되어 분쇄된 상기 고체 폐기물, 상기 휘발성 유기물, 및 증발하는 상기 오일을 상기 개질기에서 개질 반응시켜 합성가스를 생성한다.
또한, 본 발명에 따른 고온개질기를 이용한 폐음식물의 바이오 합성가스화 방법은, 탄화되어 분쇄된 상기 고체 폐기물, 상기 휘발성 유기물, 또는 증발하는 상기 오일을 상기 개질기에서 생성된 합성가스의 일부와 함께 상기 개질기에 공급할 수 있다.
본 발명은 폐음식물의 모든 탄소를 2차 오염 없이 합성가스로 변환할 수 있고, 폐음식물 뿐만 아니라 대부분의 바이오매스(biomass)에도 적용할 수 있어 환경 문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온개질기를 이용한 폐음식물의 바이오 합성가스화 방법은, 폐음식물을 혐기조에서 고체 폐기물과 액체 슬러지로 분리하는 제1단계; 상기 고체 폐기물을 열분해하고 탄화시키는 제2단계; 상기 제2단계에서 상기 고체 폐기물이 열분해되어 발생하는 플루 가스(flue gas)를 개질기에 공급하고, 탄화된 상기 고체 폐기물을 분쇄하여 상기 개질기에 공급하는 제3단계; 상기 액체 슬러지 중에서 증발하는 휘발성 유기물을 상기 개질기에 공급하는 제4단계; 및 상기 액체 슬러지에 수소가스를 주입하여 수소화시켜 오일을 생성하고, 증발하는 상기 오일을 상기 개질기에 공급하는 제5단계;를 포함하고, 상기 플루 가스, 탄화되어 분쇄된 상기 고체 폐기물, 상기 휘발성 유기물, 및 증발하는 상기 오일을 상기 개질기에서 개질 반응시켜 합성가스를 생성한다.
제1단계는 폐음식물을 혐기조에서 고체 폐기물과 액체 슬러지로 분리하는 공정으로서, 혐기성 발효조에서 폐음식물은 고체형태(cellulose)와 액체인 슬러지로 분리되고, 혐기조를 대신하여 200℃ 정도에서 가수분해를 통해 고형과 액상으로 분리할 수도 있다. 이때, 가수분해는 폐음식물의 악취를 제거하는 장점도 있으며, 가수분해에 필요한 열은 개질기에서 생성된 고온의 합성가스와의 열교환으로 충당할 수 있다.
제2단계는 고체 폐기물을 열분해하고 탄화시키는 공정으로서, 개질기에서 생성되는 고온(1200℃ 이상)의 합성가스를 열분해로에 공급하거나 고체 폐기물이 열분해되어 발생하는 플루 가스(flue gas)의 일부를 연소시켜 300～600℃의 열분해로에서 고체 폐기물을 열분해하고 탄화시킨다. 즉, 고체 폐기물을 열분해로에서 열분해하여 발생하는 플루 가스의 대부분은 개질기에 공급되고, 플루 가스의 일부만을 연소시켜 열분해로의 가열에 사용하는 것이다.
제3단계에서는 제2단계에서 고체 폐기물을 열분해하여 발생하는 플루 가스를 개질기에 공급하고, 탄화된 고체 폐기물(숯)을 분쇄하여 개질기에 공급한다. 이때, 탄화되어 분쇄된 고체 폐기물을 개질기에서 생성된 합성가스의 일부와 함께 개질기에 공급한다.
제4단계는 액체 슬러지 중에서 증발하는 휘발성 유기물을 개질기에 공급하는 공정으로서, 휘발성 유기물은 개질기에서 생성된 합성가스의 일부와 함께 개질기에 공급된다. 액체 슬러지는 많은 양의 유기성 산으로 구성되는데, 휘발성이 높은 유기성 산은 증발하여 개질기에서 생성된 합성가스의 일부와 함께 개질기에 공급되고, 휘발성이 없는 유기성 산은 제5단계에서 수소가스를 주입하여 처리한다.
제5단계는 액체 슬러지에 수소가스를 주입하여 수소화시켜 오일을 생성하고, 증발하는 오일을 개질기에 공급하는 공정으로서, 증발하는 오일은 개질기에서 생성된 합성가스의 일부와 함께 개질기에 공급된다. 액체 슬러지에 수소가스를 주입하면, 휘발성이 없는 유기성 산은 수소화(hydrogenation)되고 오일로 생성되어 액체 위로 떠오른다. 액체 슬러지 중에서 남는 것은 소량의 무기물 뿐이다. 통상적으로 수소화 반응에는 무기 금속 촉매가 필요한데, 액체 슬러지에는 무기 중금속이 내포되어 있으므로 별도의 촉매 없이도 반응이 진행된다. 수소화 반응은 상온에서 고압없이 잘 진행되는 반응으로서, 화학적으로 유기성 산을 탄화수소로 만드는 반응이며, 탄화수소는 연결된 탄소수에 따라 이름이 다르지만 상업적으로 오일로 알려져 있다. 액체 위로 떠오른 오일은 증발하여 개질기에서 생성된 합성가스의 일부와 함께 개질기에 공급되는 것이다.
개질기에 공급되는 플루 가스, 탄화되어 분쇄된 고체 폐기물, 휘발성 유기물, 및 증발하는 오일은 탄소 개질이 일어나서 합성가스를 생성한다. 개질기 내에서 연소는 일어나지 않고, 탄소는 CO와 CO2 형태로 존재하는데 1200℃ 이상에서는 열역학적으로 개질 반응이 우세하여 CO로 남는다.
본 발명에 따른 고온개질기를 이용한 폐음식물의 바이오 합성가스화 방법에 의해서 폐음식물에 내포된 모든 탄소는 합성가스로 변환되고 남는 것은 소량의 무기물에 불과하다. 본 발명에 따른 가스화 방법은 임업/농업 부산물 및 바이오매스(biomass)에서 합성가스 생산이 가능하고, 타르 형성의 문제도 없다. 그리고, 하수처리에서 발생하는 슬러지 처리에도 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 고온개질기를 이용한 폐음식물의 바이오 합성가스화 방법이 가장 환경 친화적이고 경제성도 뛰어나며, 폐음식물뿐만 아니라 모든 바이오매스(biomass)의 재생에너지화에도 적용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (3)
- 폐음식물을 혐기조에서 고체 폐기물과 액체 슬러지로 분리하는 제1단계;
상기 고체 폐기물을 열분해하고 탄화시키는 제2단계;
상기 제2단계에서 상기 고체 폐기물이 열분해되어 발생하는 플루 가스(flue gas)를 개질기에 공급하고, 탄화된 상기 고체 폐기물을 분쇄하여 상기 개질기에 공급하는 제3단계;
상기 액체 슬러지 중에서 증발하는 휘발성 유기물을 상기 개질기에 공급하는 제4단계; 및
상기 액체 슬러지에 수소가스를 주입하여 수소화시켜 오일을 생성하고, 증발하는 상기 오일을 상기 개질기에 공급하는 제5단계;를 포함하고,
상기 플루 가스, 탄화되어 분쇄된 상기 고체 폐기물, 상기 휘발성 유기물, 및 증발하는 상기 오일을 상기 개질기에서 개질 반응시켜 합성가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 고온개질기를 이용한 폐음식물의 바이오 합성가스화 방법. - 제1항에 있어서,
탄화되어 분쇄된 상기 고체 폐기물을 상기 개질기에서 생성된 합성가스의 일부와 함께 상기 개질기에 공급하는 것을 특징으로 하는 고온개질기를 이용한 폐음식물의 바이오 합성가스화 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 휘발성 유기물 또는 증발하는 상기 오일을 상기 개질기에서 생성된 합성가스의 일부와 함께 상기 개질기에 공급하는 것을 특징으로 하는 고온개질기를 이용한 폐음식물의 바이오 합성가스화 방법.
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