KR101434246B1 - 하이브리드형 폐기물 합성가스 분리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드형 폐기물 합성가스 분리방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 폐기물을 가스화하여 생산된 합성가스(CO와 CO₂ 그리고 H₂)를 CO₂ 흡착 공정에 의해 CO₂ 를 분리 및 회수한 후, 기체 분리막 공정, 수소 피에스에이(PSA)(Pressure Swing Adsorption) 공정을 동시 행하는 하이브리드 방식, 즉 기체 분리막 공정에서 분리막 과정을 단계적으로 거치면서 고 순도 CO를 분리 및 회수하되, 상기 분리막 과정에서 H₂ 성분이 50~60% 이하인 혼합비의 혼합 가스(CO와 H₂)는 별도의 기초 화학원료로 생산하고, 상기 분리막 과정에서 H₂ 성분이 80~90% 이상인 혼합비의 혼합 가스(CO와 H₂)는 H₂를 분리 및 회수하기 위한 수소 피에스에이(PSA) 공정을 수행하는 하이브리드 방식에 의해 고 순도 CO와 H₂ 그리고 혼합비가 일정한 CO 및 H₂ 혼합 가스를 성분별 분리/ 회수하여 기초 화학 원료로 재 생산하므로 운전의 용이성, 경제성은 물론 수소 피에스에이(PSA) 공정의 부하를 대폭 감소시켜 효율성을 높이도록 하는데 그 특징이 있다.

Description

하이브리드형 폐기물 합성가스 분리방법{HYBRID SEPARATION METHODS OF WASTE SYNTHESIS GAS}

본 발명은 하이브리드형 폐기물 합성가스 분리방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 폐기물을 가스화 한 후 생성된 가스를 정제하여 생산된 합성가스(CO와 CO₂ 그리고 H₂)를 CO₂ 흡착 공정에 의해 CO₂ 를 분리한 후, 기체 분리막 공정, 수소 피에스에이(Pressure Swing Adsorption) 공정을 동시 행하는 하이브리드 방식에 의해 고 순도 CO와 H₂를 성분별 분리/ 회수하거나 또는 일정한 혼합비의 CO/H₂ 의 혼합 가스를 회수하여 기초 화학 원료로 재 생산하므로 운전의 용이성, 경제성은 물론 수소 피에스에이(PSA) 공정의 부하를 대폭 감소시켜 효율성을 높이는 하이브리드형 폐기물 합성가스 분리방법에 관한 것이다.

일반적으로 도시화와 산업화가 진행됨에 따라 자원의 소모가 증가하고 있으며, 이에 비례하여 폐기물이 발생하고 있다. 이러한 폐기물은 땅에 묻거나 소각시 환경 오염물질을 발생시킬 수 있어 처리에 주의가 요구되고 있다.

따라서, 매립 및 소각 이외 폐기물의 처리방법으로 가스화 기술의 개발이 활발히 진행되고 있다. 그러나 종래 폐기물 가스화는 주로 폐기물을 가스화한 후에 이를 추가 연소시켜 전기 또는 열 에너지를 생산하기 위해 주로 활용하였다.

이때 상기 폐기물을 가스화하여 얻어지는 합성가스의 주 성분은 CO와 CO₂ 그리고 H₂ 성분이다.

이러한 폐기물 합성가스는 CO와 CO₂ 그리고 H₂를 각 성분별로 잘 분리 및 회수할 수 있다면 종래와 같이 단순 에너지원 이외에 기초 화학원료로 다양하게 재 활용 될 수 있어 활용 영역의 다 변화가 가능하게 되는 것이다.

특히, CO의 경우에 초산이나 메탄올의 합성을 위한 원료로 활용 범위가 매우 높을 뿐만 아니라 수소의 경우에 신 재생에너지로 중요성이 매우 높게 활용될 수 있는 것이다.

이와 같은 이유에서 최근에는 폐기물 합성가스로 부터 CO와 CO₂ 그리고 H₂를 각 성분별로 분리 및 회수하여 다양하게 재 활용하기 위한 기술들이 개발되고 있는데, 이는 피에스에이(PSA)(pressure swing adsorption), 극저온 증류(cryogenic distillation), 게터(Getter), 그리고 분리막 방식 등이 있다.

그러나 상기한 종래 방식은 합성가스로 부터 CO와 CO₂ 그리고 H₂를 각 성분별로 분리 및 회수하기 위해 각각의 공정을 개별적으로 단독 수행하면서 분리 및 회수하기 때문에 운전이 용이하지 못함은 물론 비용이 고가이고 이로 인해 현실적으로 적용하기 곤란한 비 경제적인 문제점 등이 있었다.

따라서 상기 폐기물 합성가스로 부터 CO와 CO₂ 그리고 H₂를 각 성분별로 분리/생산하되, 분리 효율의 측면과 더불어 운전의 용이성, 경제성 측면이 우수한 방법이 요구되었다.

등록특허 제10-0969654호 등록특허 제10-1133099호

본 발명은 상기한 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 해결하고자 발명된 것으로서, 폐기물을 가스화 한 후 생성된 가스를 정제하여 생산된 합성가스(CO와 CO₂ 그리고 H₂)를 CO₂ 흡착 공정에 의해 CO₂ 를 분리한 후, 기체 분리막 공정, 수소 피에스에이(Pressure Swing Adsorption) 공정을 동시 행하는 하이브리드 방식에 의해 고 순도 CO와 H₂를 성분별 분리/ 회수하거나 또는 일정한 혼합비의 CO/H₂ 의 혼합 가스를 회수하여 기초 화학 원료로 재 생산하므로 운전의 용이성, 경제성은 물론 수소 피에스에이(PSA) 공정의 부하를 대폭 감소시켜 효율성을 높이도록 하는데 그 목적이 있다.

이러한 본 발명은 폐기물을 가스화하여 생산된 합성가스에서 오염 물질을 제거하여 CO와 CO₂ 그리고 H₂ 가 주성분인 합성가스로 정제하는 전처리 공정과, 상기 전처리 공정을 거친 CO와 CO₂ 그리고 H₂ 의 합성가스에서 CO₂ 를 흡착 분리하는 CO₂ 흡착 공정과, 상기 CO₂ 흡착 공정에서 CO₂ 를 분리 및 회수한 나머지 CO와 H₂의 합성가스는 분리막 과정들을 단계적으로 거치면서 고 순도의 CO를 분리 및 회수 하되, 상기 분리막 과정에서 CO를 분리한 후 H₂ 성분이 50~60% 이하인 혼합비의 CO와 H₂ 혼합가스는 별도의 기초 화학원료로 분리 생산하는 기체 분리막 공정 및, 상기 분리막 과정에서 CO를 분리한 후 H₂ 성분이 80~90% 이상인 혼합비의 CO와 H₂ 혼합가스는 별도 흡착 과정에 의해 H₂를 분리 및 회수하는 수소 피에스에이(PSA) 공정을 행하는 하이브리드형 폐기물 합성가스 분리방법을 제공함에 그 특징이 있다.

이러한 본 발명은 폐기물을 가스화하여 생산된 합성가스(CO와 CO₂ 그리고 H₂)를 CO₂ 흡착 공정에 의해 CO₂ 를 분리한 후, 기체 분리막 공정, 수소 피에스에이(Pressure Swing Adsorption) 공정을 동시 행하는 하이브리드 방식, 즉 기체 분리막 공정에서 분리막 과정을 단계적으로 거치면서 고 순도 CO를 분리 및 회수하되, 상기 분리막 과정에서 H₂ 성분이 50~60% 이하인 혼합비의 혼합 가스(CO와 H₂)는 별도의 기초 화학원료로 생산하고, 상기 분리막 과정에서 H₂ 성분이 80~90% 이상인 혼합비의 혼합가스(CO와 H₂)는 H₂를 분리 및 회수하기 위한 수소 피에스에이(PSA) 공정을 수행하는 하이브리드 방식에 의해 고 순도 CO와 H₂를 성분별 분리/ 회수하여 기초 화학 원료로 재 생산하므로 운전의 용이성, 경제성은 물론 수소 피에스에이(PSA) 공정의 부하를 대폭 감소시켜 효율성을 높이는 효과를 갖는 것이다.

도 1은 본 발명의 공정을 보여주는 공정도.
도 2는 도 1의 요부 구성도.

이하, 상기한 본 발명의 하이브리드형 폐기물 합성가스 분리방법에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 폐기물을 가스화하여 생산된 합성가스에서 오염 물질을 제거하여 CO와 CO₂ 그리고 H₂ 가 주성분인 합성가스로 정제하는 전처리 공정과,
상기 전처리 공정을 거친 CO와 CO₂ 그리고 H₂ 의 합성가스에서 CO₂ 를 흡착 분리하는 CO₂ 흡착 공정과,
상기 CO₂ 흡착 공정에서 CO₂ 를 분리 및 회수한 나머지 CO와 H₂의 합성가스는 분리막 과정들을 단계적으로 거치면서 고 순도의 CO를 분리 및 회수 하되, 상기 분리막 과정에서 CO를 분리한 후 H₂ 성분이 50~60% 이하인 혼합비의 CO와 H₂ 혼합가스는 별도의 기초 화학원료로 분리 생산하는 기체 분리막 공정 및,
상기 분리막 과정에서 CO를 분리한 후 H₂ 성분이 80~90% 이상인 혼합비의 CO와 H₂ 혼합가스는 별도 흡착 과정에 의해 H₂를 분리 및 회수하는 수소 피에스에이(PSA) 공정을 행하도록 이루어진다.

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이러한 본 발명에 대해 좀더 구체적으로 설명하기로 한다.

1. 전처리 공정

폐기물을 가스화하여 생산된 합성가스에서 산가스 등과 같은 오염 물질을 제거하여 CO와 CO₂ 그리고 H₂ 가 주성분인 합성가스로 정제한다.

2. CO₂ 흡착 공정

상기 전처리 공정을 거친 합성가스(CO와 CO₂ 그리고 H₂)를 흡착탑을 통과시켜 CO와 CO₂ 그리고 H₂ 중에서 CO₂ 를 분리한다.

이때, CO₂ 를 완전 분리한다.

3. 기체 분리막 공정 및 수소 피에스에이(PSA) 공정

상기 CO₂ 흡착 공정에서 CO₂ 를 분리한 나머지 합성가스(CO와 H₂)를 기체 분리막 공정에서 적어도 둘 이상의 분리막 과정을 단계적으로 통과시키면서 순도 99%의 고 순도 CO를 분리 및 회수한다.

이때, 상기 기체 분리막 공정은 압력차를 이용하여 합성가스에서 분리막에 의해 특정 기체만을 분리하는 방법으로, 예를들면 분리막(필름)에서 특정 기체만을 통과할 수 있는 분리막 소재의 물성 특성을 이용하여 특정 기체를 포집하는 방식이다.

특히, 본 발명의 분리막 공정은 분리막 후방 위치 과정에서 CO를 분리한 후 H₂ 성분이 50~60% 이하인 일정한 혼합비의 혼합 가스(CO와 H₂)는 별도의 기초 화학원료로 사용하기 위해 생산한다.

이와 함께 상기 분리막 과정에서 CO를 분리한 후 H₂ 성분이 80~90% 이상인 혼합비의 혼합가스(CO와 H₂)는 다시 별도 수소 피에스에이(PSA)(Pressure Swing Adsorption) 공정의 흡착 과정에 의해 순도 99,999%의 고 순도 H₂를 분리 및 회수하는 것이다.

이때, 상기 수소 피에스에이(PSA) 공정은 합성가스에서 수소만을 분리 제조하기 위해 가장 널리 사용되는 방법인데, 흡착 공정에 의한 혼합 성분의 분리는 흡착제에 대한 각 성분들의 흡착 선택도의 차에 의해 이루어지는 것이다. 즉, 합성가스를 흡착제가 충진된 흡착탑으로 보내면 합성가스 중에 흡착 성능이 높은 성분은 흡착제상에 많이 흡착되고 흡착 성능이 낮은 성분은 농축되어 방출되므로 얻게 되는 것이다.

그리고 상기 흡착탑은 흡착 과정 후 흡착된 성분을 탈착시켜 흡착제를 재생하는 것으로 흡착 스텝과 탈착 스텝이 반복되는 사이클 운전(승압-흡착-감압-세정)을 행하는 것이다.

특히, 본 발명의 수소 피에스에이(PSA) 공정은 기체 분리막 공정에서 CO 성분이 상당히 분리 회수된 H₂ 성분이 80~90% 이상인 혼합비의 합성가스(CO와 H₂)를 처리하기 때문에 수소 피에스에이(PSA) 공정에서 흡착탑을 적은 용량으로 운영할 수 있음은 물룐 매우 효율적인 운전이 가능한 잇점을 갖게 되는 것이다.

따라서 본 발명은 폐기물을 가스화하여 생산된 합성가스(CO와 CO₂ 그리고 H₂)를 CO₂ 흡착 공정에 의해 CO₂ 를 분리 및 회수한 후, 기체 분리막 공정, 수소 피에스에이(PSA)(Pressure Swing Adsorption) 공정을 동시 행하는 하이브리드 방식에 의해 고 순도 CO와 H₂ 그리고 혼합비가 일정한 CO 및 H₂ 혼합가스를 성분별 분리/ 회수하여 기초 화학 원료로 재 생산하므로 운전의 용이성, 경제성은 물론 수소 피에스에이(PSA) 공정의 부하를 대폭 감소시켜 효율성을 높이게 되는 것이다.

Claims (1)

1. 폐기물을 가스화하여 생산된 합성가스에서 오염 물질을 제거하여 CO와 CO₂ 그리고 H₂ 가 주성분인 합성가스로 정제하는 전처리 공정과,
   상기 전처리 공정을 거친 CO와 CO₂ 그리고 H₂ 의 합성가스에서 CO₂ 를 흡착 분리하는 CO₂ 흡착 공정과,
   상기 CO₂ 흡착 공정에서 CO₂ 를 분리 및 회수한 나머지 CO와 H₂의 합성가스는 분리막 과정들을 단계적으로 거치면서 고 순도의 CO를 분리 및 회수 하되, 상기 분리막 과정에서 CO를 분리한 후 H₂ 성분이 50~60% 이하인 혼합비의 CO와 H₂ 혼합가스는 별도의 기초 화학원료로 분리 생산하는 기체 분리막 공정 및,
   상기 분리막 과정에서 CO를 분리한 후 H₂ 성분이 80~90% 이상인 혼합비의 CO와 H₂ 혼합가스는 별도 흡착 과정에 의해 H₂를 분리 및 회수하는 수소 피에스에이(PSA) 공정을 행하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 폐기물 합성가스 분리방법.

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