KR101861753B1 - 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템 - Google Patents

합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폐플라스틱 등의 SRF를 에너지 효율적으로 전환하여 발전연료로 활용한 전소발전을 통하여 전기를 생산 판매하고 추가적으로 국내 REC인증을 통하여 추가적인 수익을 창출할 수 있는 선박용 중유 엔진을 적용한 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템에 관한 것으로 기존 폐플라스틱을 이용한 연료 제조 시스템에 비하여 에너지 소요량이 저감되는 효과 및 합성수지류 폐기물(프라스틱,비닐계)을 저온 열분해(400~500도)하여 발생한 합성가스를 냉각하면 중유(Bunker-C oil)보다 질 좋은 중질유를 얻을수 있는 효과가 있다.

Description

합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템 {Internal Combustion Engine Generation System and Method for Pyrolysis Liquefaction for Synthetic Polymer Waste}
본 발명은 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐플라스틱 등의 SRF를 에너지 효율적으로 전환하여 발전연료로 활용한 전소발전을 통하여 전기를 생산 판매하고 추가적으로 국내 REC인증을 통하여 추가적인 수익을 창출할 수 있는 선박용 중유 엔진을 적용한 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템에 관한 것이다.
이산화탄소 발생량이 가장 많은 요인이며 지구 온난화 문제에 경쟁력이 취약한 에너지원이 화석연료에 기반한 에너지원이다. 따라서 현재 에너지원으로서 세계적으로 이슈화 되고 있는 것 중에 신재생 에너지의 이용 및 보급을 들 수 있으며, 이는 기존의 석유, 석탄 등 화석연료에 비하여 이산화탄소의 배출이 저감되어 지구온난화 및 기후변화에 대응할 수 있는 에너지원이기 때문이다.
국내에서는 화석연료의 고갈과 더불어 국제조약인 기후변화협약 대응에 따른 온실가스 감축이 대두되면서 일정규모(500MW) 이상의 발전설비(신재생에너지 설비는 제외)를 보유한 발전사업자(공급의무자)에게 총 발전량의 일정비율 이상을 신재생에너지를 이용하여 공급토록 의무화한 신재생 에너지공급의무화제도(Renewable Portfolio Standard; RPS)가 도입되었으며 이런 의무공급량 미이행분에 대해서는 공급인증서 평균거래가격의 150%이내에서 불이행사유, 불이행 횟수 등을 고려하여 과징금을 부과할 수 있도록 법제화 하였다.
이에 따라 신재생에너지를 공급하여 인정받기 위하여 발전사업자가 신재생에너지 설비를 이용하여 전기를 생산공급하였음을 증명하는 인증서로 공급의무자는 의무공급량을 신재생에너지 공급인증서를 구매하여 충당할 수 있는 것으로 공급인증서 발급대상 설비에서 공급된 MWh기준의 신재생에너지 전력량에 대해 가중치를 곱하여 부여하는 신재생에너지 공급인증서(REC, Renewable Energy Certificate)를 실시하고 있고 신재생에너지 원별 가중치는 환경, 기술개발 및 산업활성화에 미치는 영향, 발전원가, 부존잠재량, 온실가스 배출저감에 미치는 효과 등을 고려하여 정부가 재정하고 3년마다 재검토하고 있다.
폐플라스틱의 매립은 심각한 환경오염을 유발하기 때문에 폐플라스틱의 처리와 자원으로 재활용하기 위한 기술이 활발히 연구되고 있다. 이러한 폐플라스틱의 재활용 기술에는 에너지 재활용, 원료 재활용과 화학 재활용이 있다.
폐플라스틱의 에너지 재활용은 폐플라스틱의 소각에 의하여 얻어지는 열에너지를 이용한다. 그러나 폐플라스틱의 소각 시 다이옥신(Dioxin), 퓨란(Furan)계 물질들 등 환경과 인체에 치명적인 유해물질이 필연적으로 생성되고 있으므로, 국내외적으로 규제가 강화되고 있는 유해물질의 정화를 위하여 환경오염방지시설의 투자와 운전에 많은 비용이 소요되는 단점이 있다. 따라서 폐플라스틱은 에너지 재활용보다는 원료 재활용과 화학 재활용이 우선적으로 고려되고 있다.
폐플라스틱의 원료 재활용은 폐플라스틱 자체를 분류하여 플라스틱 제품의 원료로 이용한다. 폐플라스틱의 원료 재활용을 위해서는 폐플라스틱을 종류별로 분류해야 하는데, 상용성이 없거나 적은 폐플라스틱을 분류하는데 수반되는 많은 난제로 인하여 작업성 및 경제성이 낮은 문제를 내포하고 있다.
또한, 화학 재활용은 폐플라스틱으로부터 원료로 이용할 수 있는 유기가스 및 오일을 얻는 것이며, 이런 폐플라스틱을 무산소 타입의 저온(300~700)으로 열분해하여 발생된 유기가스와 이를 냉각하여 오일로 전환시키는 것이 폐플라스틱의 저온 열분해 장치이다. 기존의 유화 장치는 회분식의 배치타입과 가열 스크류를 이용한 연속식타입으로 구별된다. 회분식 배치타입은 시설비가 저렴하지만 1회씩 가동과 냉각 배출을 반복하여야 하기 때문에 가열 에너지의 낭비가 심하고 공정의 연속성이 없어서 생산성이 낮은 문제점이 있고, 스크류 연속식타입은 기계장치의 기술적 정교함이 요구되어 기계장치의 시설비가 많이 들고 처리량이 적은 관계로 사업성이 떨어지는 문제점을 갖고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 폐플라스틱의 저온 열분해 유화장치는 용융압출기를 이용한 연속식 배치타입으로서 분쇄기, 용융압출기, 주반응로, 보조반응로, 가스분리타워, 응축기로 구성된다. 그러나 상기 유화장치의 용융압출기는 분쇄된 폐플라스틱을 상온에서 그대로 투입하여 용융하기 위한 가열 온도까지 가열하는 데에 에너지 소모가 많아서 유기가스 및 오일 생산의 원가가 높은 문제점이 있었다. 또한, 폐플라스틱을 가열 용융하는 중 발생되는 수증기의 배출이 원활하지 못하여 생산되는 유기가스 및 오일의 품질이 떨어지고, 폭발성을 띤 반응로의 비정상적인 배출로 인한 코킹(Cocking) 현상이 발생하여 반응로 내부의 용적이 감소하고, 상기 코킹 현상과 함께 작업자의 온도체크 및 시간 등의 사소한 관리 미숙으로 인하여 배출밸브에 탄화 슬러지가 쌓여 막임 현상이 자주 일어나는 문제점이 있었다. 또한, 보조 반응로로 유입되는 반유동체 용융물의 원료량을 정확하게 측정하지 못하여 연속식 공정에 따른 분해속도를 관리할 수가 없어 전체 생산 공정이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있었다.
한편, 전기를 생산하는 발전기 중 가스터빈 발전기는 고온, 고압의 연소가스로 터빈을 가동시켜 발전하는 발전기로, 압축기로 공기를 압축하고 압축된 공기를 연소실로 이송하여 분사한 연료를 연소시킴에 따라 발생되는 고온, 고압의 연소가스를 내뿜으면서 터빈을 회전시켜 발전을 한다. 그러나 가스터빈은 연료의 소비가 많아 유지비가 많이 드는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 폐플라스틱을 포함하는 일반 고형연료제품을 활용한 발전시스템의 개발이 요구된다.
한편 상기와 같은 문제점들에 대응하기 위한 다수의 공지된 문헌들을 살펴보면 아래와 같다.
한국공개특허 2015-0112565호(2015.10.07)에서는 생활용 폐플라스틱의 열분해를 위한 열분해로; 상기 열분해로의 재생 연료유를 기체와 액체 성분으로 분리시키는 분리 장치; 상기 분리 장치에서 분리된 기체 및 액체 성분을 냉각시키는 냉각 장치; 상기 냉각 장치에서 이송된 액체 성분과 기체 성분을 정제시켜 서로 다른 경로로 이송시키는 정제 장치; 및 상기 정제 장치로부터 이송된 재생연료유의 유동점을 높이기 위한 유동점 개선 유닛 및 발생된 폐수와 알칼리 금속 화합물의 첨가에 의하여 인화점을 높이는 인화점 개선 유닛을 포함하는 플라스틱 폐기물로부터 생산된 재생 연료유의 경유 및 중유 엔진 발전용 개선 장치이 개시되어 있다. 그러나, 재생 연료유의 엔진 적용에 단점이 있다.
한국공개특허 2011-0010447호(2011.02.01)에서는 작은 크기로 분쇄된 폐플라스틱을 단계별로 온도를 높여 가열하는 예열호퍼를 포함하고, 상기 예열호퍼에서 가열된 폐플라스틱을 가열 용융하여 반응로로 공급하는 용융압출기와, 상기 용융압출기를 통해 용융된 폐플라스틱을 가열하여 열분해 반응를 통해 유기가스를 생산하는 복수개로 구성되는 반응로와, 상기 반응로를 통해 생산된 유기가스를 고온 상태로 압축저장하는 압축저장탱크와, 상기 압축저장탱크로부터 분사된 고온의 유기가스를 연소하여 전기를 발전하는 가스터빈 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 저온 열분해 반응을 이용한 전기발전 시스템을 개시하고 있다. 그러나 상기 기술이 적용된 발전시스템은 가스터빈 발전기를 적용함으로써 운전 효율이 낮으며 잦은 운전고장이 발생하는 단점이 있다.
한국공개특허 제2015-0119993호(2015.10.27)에서는 해양에 부유하여 원하는 위치로 이동할 수 있도록 하는 선체; 상기 선체에 마련되고, 해양에 부유하는 폐플라스틱을 상기 선체 내에 수집되도록 하는 수집부; 상기 수집부에 의해 수집된 폐플라스틱을 유화로 재생 처리하는 유화재생설비; 및 상기 유화재생설비로부터 유화 재생 처리에 의해 생성되는 연료를 저장하는 저장탱크를 포함하는, 폐플라스틱 재생 선박을 개시하고 있다. 그러나, 상기 폐플라스틱의 재생을 통한 연료활용에 초점을 맞춰 전기에너지 생산 시스템 적용에 한계가 있다.
한국등록특허공보 제0265273호(2000.09.15)에서는 폐플라스틱 원료를 파쇄하여 일정량씩 자동 공급하는 제1공정; 공급되는 폐플라스틱 파쇄물을 융해 가열하면서 반응시켜 오일(연료유) 혼합물과 가스로 분해하는 제2공정; 제2공정의 처리물로부터 가스와 오일 혼합물을 분리하는 제3공정; 제3공정의 오일 혼합물에서 각종 슬럿지를 추출한 후 세척하여 탈취 및 안정화시키는 제4공정; 제4공정의 처리물을 가솔린, 디젤유 등으로 분별, 증류하는 제5공정을 포함하는 폐플라스틱의 유화방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 폐플라스틱 유화를 통해 생산한 액체연료의 품질관리 및 수율이 낮은 단점이 있다.
따라서 신재생 에너지의 이용 및 보급을 촉진하고, 일반 고형연료제품을이용한 연료 생산 및 발전 시스템의 운영 안정성을 확보하며, 기존에 폐플라스틱을 활용한 낮은 운전효율의 발전시스템을 효과적으로 대체하기 위한 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템에 관한 기술개발이 절실히 요구되고 있다.
한국공개특허 2015-0112565호(2015.10.07) 한국공개특허 2011-0010447호(2011.02.01) 한국공개특허 제2015-0119993호(2015.10.27) 한국등록특허공보 제0265273호(2000.09.15)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로, 폐플라스틱 등의 SRF를 에너지 효율적으로 전환하여 발전연료로 활용한 전소발전을 통하여 전기를 생산 판매하고 추가적으로 국내 REC인증을 통하여 추가적인 수익을 창출할 수 있는 선박용 중유 엔진을 적용한 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템을 제공하는 데 있다.
이를 위하여 본 발명에서는 바이오매스계 폐기물이 아닌 고형연료를 전처리하는 고형연료처리부; 상기 고형연료처리부에서 전처리된 고형연료를 물리화학적 처리하는 연료전환부; 상기 연료전환부에서 생성된 전환연료를 이용하여 전기를 생산하는 발전부; 및 상기 발전부에서 배출되는 배가스를 처리하는 배가스처리부;를 포함하는 발전시스템 을 포함할 수 있다.
또한, 상기 고형연료는 자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률이 정한 일반 고형연료제품일 수 있다.
또한, 상기 고형연료는 소정의 크기로 압축된 것일 수 있다.
또한, 상기 연료전환부는 상기 고형연료를 전환연료인 액상유로 전환할 수 있다.
또한, 상기 전처리는 상기 고형연료를 해쇄 및 파쇄하기 위한 파쇄유닛을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전환부는 전처리된 고형연료가 투입되는 제2호퍼; 상기 제2호퍼의 하부에 로터리 킬른에 상기 전처리된 고형연료를 투입하는 투입장치; 상기 로터리 킬른에서 발생된 합성가스를 분리하는 분리장치; 및 상기 합성가스를 액상유로 전환하는 전환장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전환장치에서 상기 액상유로 전환되지 못한 휘발성가스는 방폭형 송풍기를 통해 연소로에 공급될 수 있다.
또한, 상기 전환연료는 유동성을 확보하기 위하여 열매체 보일러를 이용하여 80 이상으로 가열할 수 있다.
또한, 상기 전환연료는 선박용 중유 엔진을 적용한 발전부를 통하여 전기를 생산할 수 있다.
또한, 상기 선박용 중유 엔진과 발전기를 연결하기 위하여 상기 선박용 중유 엔진의 회전수 대비 1.5 내지 1.8배의 증속기를 추가로 형성할 수 있다.
또한, 상기 배가스처리부는 소음을 제어할 수 있는 소음기; 상기 배가스를 정화할 수 있는 멀티 사이클론 및 습식 스크러버를 포함할 수 있다.
본 발명의 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템에 따르면, 기존 폐플라스틱을 이용한 연료 제조 시스템에 비하여 에너지 소요량이 저감되는 효과가 있다.
또한, 합성수지류 폐기물(프라스틱,비닐계)을 저온 열분해(400~500도)하여 발생한 합성가스를 냉각하면 중유(Bunker-C oil)보다 질 좋은 중질유를 얻을수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 중질유를 이용하여 전처리 과정을 거쳐 선박용 중유 엔진을 구동하고 발전기에 연결하면 전력생산이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템의 고형연료처리부 및 연료전환부의 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템의 발전부 및 배가스처리부의 공정도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 하수슬러지를 이용한 복합 연료 생산 시스템을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템을 나타낸 흐름도이다.
바이오매스계 폐기물이 아닌 고형연료를 전처리하는 고형연료처리부; 상기 고형연료처리부에서 전처리된 고형연료를 물리화학적 처리하는 연료전환부; 상기 연료전환부에서 생성된 전환연료를 이용하여 전기를 생산하는 발전부; 및 상기 발전부에서 배출되는 배가스를 처리하는 배가스처리부;를 포함하는 발전시스템이다.
상기 바이오매스계 폐기물이 아닌 고형연료에 바이오매스계 폐기물도 혼합될 수 있다. 상기 비-바이오매스계 폐기물 대 바이오매스계 폐기물의 혼합비는 9.9:0.1 내지 0.1 내 9.9 일 수 있으며, 바람직하게는 9.5:0.5 내지 9.0:1.0일 수 있다. 상기 조건을 벗어나면 원할한 연료전환을 위한 전처리된 고형연료를 생성할 수 없다.
상기 물리화학적 처리는 열분해 일 수 있으며, 상기 전처리된 고형연료의 열분해가 신속하게 진행되도록 촉매가 투입될 수 있다.
상기 촉매는 MgO-CuO-Pt 촉매제, 산소 원자 하나를 공유하는 (Si, Al)O 4의 테트라히드랄 구조를 가지며, Si/Al비가 4이상이며 알칼리 금속, 알칼리 토금속류 및 결정수인 물분자를 포함하는, 천연의 클리놉틸로라이트(clinoptilolite)형 제올라이트, Al/Si비가 4~8이며 Mg 또는 Ca를 포함하는 알카리토금속, 무기접착제 및 상호평형조정제를 포함하는 촉매일 수 있다.
상기 고형연료는 자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률이 정한 일반 고형연료제품일 수 있다.
상기 일반 고형연료제품은 폐기물관리법의 지정폐기물이 아닌 폐가구류 등 대형 가연성 고형폐기물을 포함하며, 음식물류폐기물은 제외된 생활폐기물, 자동차 파쇄잔재물(ASR)은 제외된 폐합성수지류, 폐합성섬유류, 합성고무류를 포함하는 폐고무류, 폐타이어 및 그 밖에 에너지로 사용이 가능하다고 환경부장관이 인정하여 고시하는 가연성 고형폐기물 중 어느 하나 또는 2 이상일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템의 고형연료처리부 및 연료전환부의 공정도이다.
상기 고형연료는 소정의 크기로 압축될 수 있다.
상기 고형연료는 압축된 다면체의 형태를 가질 수 있다. 바람직하게는 사면체의 형태일 수 있다. 상기 사면체는 900mm×900mm×1200mm일 수 있다. 상기 고형연료를 압축된 다면체 형태로 생산하지 않는다면 에너지 활용 측면에서 수송비용, 처리비용 등이 증가할 수 있다.
상기 고형연료는 일반적으로 압축되기 위해 철선등에 의해 결속되므로 상기 전처리 전에 상기 철선을 제거하는 공정이 추가될 수 있다.
상기 철선등의 결속수단이 제거된 압축된 고형연료는 그리퍼 장치를 이용하여 제1호퍼(100)에 장입될 수 있다.
상기 연료전환부는 상기 고형연료를 전환연료인 액상유로 전환될 수 있다.
상기 액상유는 비점이 350이상일 수 있으며, 원유 중 중유의 조성 및 특성과 유사할 수 있다. 상기 중유는 벙커A, B, C 중유일 수 있으며, 바람직하게는 벙커C 일 수 있다. 더욱 바람직하게는 MGO(Marine Gas Oil), MDO(Marine Diesel Oil), DDO(Dark Diesel Oil) 중 어느 하나 일 수 있다.
상기 전처리는 상기 고형연료를 해쇄 및 파쇄하기 위한 파쇄유닛을 포함할 수 있다.
상기 파쇄유닛은 커터, 크리닝핑거, 샤프트, 구동장치, 유압장치에 따라 다양하게 구성될 수 있음은 자명하다. 바람직하게는 플라스틱 슈레더(plastic shredder)일 수 있다.
상기 고형연료의 파쇄입도는 50 내지 500 mm 일 수 있다. 바람직하게는상기 100 내지 300mm 일 수 있으며 더욱 바람직하게는 150mm일 수 있다. 입도 범위보다 낮으면 전처리 비용이 과다 소요되며, 상기 입도 범위보다 높다면 연료전환이 정상적으로 일어나지 않는다.
상기 파쇄유닛을 거친 고형연료는 컨베이어로 연료전환부로 이동한다.
상기 컨베이어에는 추가로 자력선별기가 추가될 수 있다.
상기 연료전환부는 전처리된 고형연료가 투입되는 제2호퍼; 상기 제2호퍼의 하부에 로터리 킬른에 상기 전처리된 고형연료를 투입하는 투입장치; 상기 로터리 킬른에서 발생된 합성가스를 분리하는 분리장치; 및 상기 합성가스를 액상유로 전환하는 전환장치를 포함할 수 있다.
상기 로타리 킬른은 간접가열식으로 가열하며, 상기 로타리 킬른 외벽에 설치된 히팅자켓(310) 내부로 고온의 열풍을 보내고 상기 로타리 킬른의 외벽을 통해 열이 전도되어 상기 로타리 킬른 내부를 가열한다.
상기 로타리 킬른 내부에는 열전달 효율을 높이기 위한 열전달매체가 추가로 포함될 수 있다. 상기 열전달매체는 열전도도가 높은 금속성 매체일 수 있으며 바람직하게는 금, 은, 구리, 청동, 스테인리스, 주철, 합금 중 어느 하나 또는 2 이상의 매체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 로타리 킬른 내부에는 열전달 효율을 높이기 위해 교반 패들이 형성될 수 있다.
상기 교반 패들의 재질은 열전도도가 높은 금속성 매체일 수 있으며 바람직하게는 금, 은, 구리, 청동, 스테인리스, 주철, 합금 중 어느 하나 또는 2 이상의 재질을 포함할 수 있다.
상기 투입장치는 상기 로타리 킬른으로 상기 전처리된 고형연료를 장입하는 공압식투입문이 형성될 수 있다.
상기 장입된 상기 전처리된 고형연료를 상기 로터리 킬른에 투입하는 유압식 푸셔를 추가로 포함할 수 있다.
상기 유압식 푸셔는 정량공급 타이머가 추가로 형성될 수 있다.
상기 분리장치는 상기 로터리 킬른의 후단에 형성되어 상부로 합성가스를 배출하는 제1배출구(330)와 하부로 합성가스로 전환되지 못한 잔존 고형연료를 배출하는 제2배출구(320)로 구성된다.
상기 전환장치는 상기 로타리 킬른 내부에서 발생되는 합성가스(유증기)는 제1출구(330)를 통해 배출시키며, 1차로 공랭식 열교환기(500)를 거쳐서 합성가스는 냉각되고, 상기 공랭식 열교환기의 타단으로 공급되는 공기는 상기 합성가스와 열교환을 통해 예열된다.
상기 공기는 상기 로타리 킬른은 열분해 에너지를 공급하기 위한 연소로의 산화제로 공급될 수 있다.
상기 공랭식 열교환기에는 외부 공기를 불어넣는 FD 팬(510)이 설치되어 외부 공기를 열교환 하여 예열시킨다.
이때 예열된 공기는 버너 연소 공기와 희석시키는 열풍혼합기(420)으로 보내져 연소공기와 희석되어 고온의 열풍을 만드는 용도로 이용되어 열효율을 높일수 있도록 구성 한다.
상기 공랭식 열교환기에서는 일부 유증기가 1차로 냉각되어 오일로 변환된다.
상기 공랭식 열교환기(500)를 지난 합성가스는 수냉식 열교환기(600)로 보내지고, 여기서 60 이하로 냉각되어 대부분은 오일로 변환되고 일부 휘발성 가스는 배출된다.
냉각에 의하여 변환된 오일은 오일받이 탱크(610)에 모아지고, 전용 펌프(620)를 이용하여 오일 믹싱 탱크(700)로 보내진다.
변환되어 포집된 오일에는 일부 수증기가 응축된 물을 포함하고 있으므로 유수분리기(710)을 거쳐 제1이송펌프(730)을 이용하여 오일 저장탱크(740)으로 보내진다.
즉, 상기 열분해에 의하여 발생된 합성가스는 2차례의 냉각과정을 거쳐 오일(중질유)로 변환되고, 변환되지 않는 휘발성 가스는 연소로에서 고온에 연소된 배기가스(Off Gas)는 이미 청정 공기로 변환되었으므로 이는 대기배출 허용치 이내로 대기중에 배기할수 있는 상태로 된다.
대기 배출시설이 필요없게 완전 연소되었으므로 이 또한 획기적인 시설비 절감을 이룰 수 있는 발전 시스템이다.
상기 전환장치에서 상기 액상유로 전환되지 못한 휘발성가스는 방폭형 송풍기를 통해 연소로에 공급될 수 있다.
상기 연소로(400)는 폭발 방지를 위하여 일정한 열량을 가진 가스 또는 등유, 경유 버너(410)가 항상 타고 있으며, 상기 휘발성가스는 버너 불꽃 부분에 별도의 노즐을 이용하여 주입되고 버너 화염에 접촉된 상기 휘발성가스는 재연소가 이루어 진다.
상기 휘발성가스는 역화방지를 위하여 물속에 침적시켜 버블링을 이용하는 역화방지장치(640)를 거쳐 연소로(400)에 공급될 수 있다.
재연소시 상기 휘발성가스 온도는 휘발 성분의 완전 연소를 위하여 900 ± 100℃ 온도 환경을 유지 시켜야 한다.
재연소된 가스는 높은 온도를 가지고 있으므로 열풍혼합기(420)에서 예열된 공기와 희석하여 필요한 온도를 맞춘다. 이때 온도는 500~600 정도가 적당하다.
예열된 공기와 희석하여 온도가 조절된 열풍(Hot air)은 상기 로터리킬른(300) 의 히팅 자켓(310)으로 보내지고 이는 상기 로터리킬른 쉘(Shell)의 열전도에 의하여 상기 로터리킬른 내부를 간접 가열하여 열분해가 이루어 지도록 하는 열원으로 사용된다.
따라서 적은 열량의 보조버너(410)만 필요하므로 열분해 에너지는 대부분 자체 휘발성 가스에 의하여 충당되어, 획기적인 에너지 절약형 열분해 시스템이 가능하다.
상기 전환연료는 유동성을 확보하기 위하여 열매체 보일러를 이용하여 80℃ 이상으로 가열될 수 있다.
상기 합성가스가 냉각된 오일은 별도의 저장용 탱크에 저장되고, 저장탱크는 열매체유(또는 스팀) 보일러(750)에서 공급되는 스팀코일 또는 열매체유 코일을 이용하여 유동성을 높이기 위하여 가열되고 이때 가열적정 온도는 80~90 이다. 상기 온도보다 낮다면 유동성을 확보할 수 없으며 상기 온도보다 높다면 기화 및 자연발화의 위험성이 있다.
저장탱크 하부에는 원료 열분해 과정에서 약간의 수분이 증발되어 냉각과정을 거치면서 수분이 있을 수 있다.
따라서 유수분리기(710)하부에 관찰창(Sight glass)를 설치하고 육안으로 확인하여 물이 보일경우는 하부에 드레인 밸브를 열고 이를 배출 할수 있도록 드레인장치를 추가로 형성할 수 있다.
저장된 중질유는 일부 불순물이(침전물) 섞일 수 있으므로 감압식 필터(720)를 이용하여 이물질을 제거 한다.
이때 유수분리기 및 감압필터에는 유동성을 유지 하기 위하여 상기 유수분리기에 가열용 스팀코일을 설치한다.
스팀 또는 열매체 오일 보일러(750)를 이용할 수 있으며, 정제전의 중질유는 80 이상으로 가열하여 충분한 유동성을 가지도록 한다.
감압필터를 통하여 정제된 중질유는 제1이송펌프(730)를 통해 별도의 오일저장 탱크(740)에 저장되며, 저장탱크는 하부에 유동성 유지를 위한 스팀 또는 열매체 코일을 형성한다. 상기 오일저장 탱크의 오일은 제2이송펌프(760)에 의하여 서비스탱크(800)으로 공급된다.
이때 탱크 전체용량을 히팅할 수 없으므로 하부만 열을 전달하여 하부에만 유동성이 생기도록 구성한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 합성수지 폐기물 열분해 유화 중질유를 이용한 내연기관 발전 시스템의 발전부 및 배가스처리부의 공정도이다.
상기 전환연료는 선박용 중유 엔진을 적용한 발전부를 통하여 전기를 생산하는 것이 바람직하다.
상기 선박용 중유 엔진과 발전기를 연결하기 위하여 상기 선박용 중유 엔진의 회전수 대비 1.5 내지 1.8배의 증속기를 설치할 수 있다.
선박용 중유 엔진은 대부분 1,000rpm 으로 설계 되므로 엔진의 회전 출력축에는 발전기와 연결을 위하여 증속기(910)가 설치 되어야 한다.
발전기는 주파수 50Hz의 전력을 발생시키기 위하여는 1500rpm 이 필요하고, 60Hz의 전력을 발생시키기 위하여는 1800rpm 이 필요하다, 따라서 전력주파수 필요에 따라서 1:1.5 또는 1:1.8 의 증속기(910)를 설치하여야 한다.
엔진 출력축과 증속기를 연결하는 커플링(Coupling)은 다이렉트 커플링(Direct coupling)(911) 으로 연결하고, 증속기와 발전기 입력축의 연결은 엔진이 정속도에 도달할 경우 정상적인 동력 전달이 이루어 질수 있도록 유체 커플링(Fluid Coupling-912)으로 연결하여, 엔진이 처음 스타트 할 때 또는 운전을 정지할 때 저속운전하는 동안에는 유체 커플링에서 동력이 전달되지 않고 공회전 하다가 정상속도에 가까운때 동력이 발전기에 전달되도록 한다. 유체 커플링은 일정한 토오크 이상에서는 공회전을 하므로 엔진의 비정속 운전 및 충격하중에 견딜수 있는 엔진과 발전기의 연결에 매우 중요한 동력 전달 방법이다.
발전기에서 발생된 전압은 6600V*60Hz의 전력이 생산되므로 국내 실정에 맞도록 22,900V 의 승압설비가 필요하므로 발전기와는 별도로 승압트랜스(변압기-930)를 구성하여 전력을 판매망에 연결한다.
상기 배가스처리부는 소음을 제어할 수 있는 소음기; 상기 배가스를 정화할 수 있는 멀티 사이클론 및 습식 스크러버를 포함할 수 있다.
선박용 중유엔진(900)은 원래는 바닷물을 이용하여 냉각시키는 방식이나, 육상 설치를 위하여는 별도의 냉각수 냉각장치(940)를 설치하여야 한다. 상기 냉각수 냉각장치는 라디에이터일 수 있다.
상기 라디에이터(940)는 공랭식으로 하는 것이 바람직 하며, 라디에이터 코일에 강제 송풍팬을 추가로 형성하여 냉각 시킨다.
또한 엔진 본체를 냉각시키기 위한 냉각송풍기(960)와 덕트 설비를 추가 한다.
엔진에서 연소되고 배기되는 가스배기관은 매우 큰 소음을 유발하므로 별도의 소음기(950)를 장착하여야 한다.
소음기는 내벽에 메쉬망을 설치하고 글라스울이 충진되며, 여러층의 다공판을 거치는 일반적인 소음기를 이용한다.
소음기를 거친 엔진 배기가스는 약간의 미세 먼지와 NOx 등이 포함되므로 배기 정화 장치인 Multy Cyclone(970) 과 Wet Scrubber(980)를 거쳐 굴뚝을 통해 대기중으로 배기 시킨다.
(실시예)
일반형 고형연료제품인 SRF는 열병합 발전소에서 직접 연소시켜 [연소로 - 고압보일러 - 스팀터빈 - 발전기]를 거쳐 전기를 생산한다. 하지만 열병합발전소가 폐기물 소각장이라는 인식에 의한 민원발생 및 연소시 발생되는 대량의 미세먼지, SOx, NOx 등 2차 오염의 원인으로 지적되고 있다.
또한 연소열을 이용하여 물을 끓여 스팀을 만들고 스팀터빈을 구동하는 동안 많은 열손실 및 효율저하가 일어나게 된다. 대략적인 효율을 보면 연소장치효율 95% , 보일러효율 75% , 스팀터빈 및 발전기 효율 35% 로서 전체 효율은 25% 정도이다.
합성수지계 SRF 를 저온 열분해 과정을 거쳐 중질유를 생산한다면 원료에서 합성가스 생산효율 약 65% 이중 휘발성 가스 20% , 중질유 80% 로 분리되므로 100*0.65*0.8=52% 중량의 중질유를 생산 가능 하다.
이때 저온 열분해는 연소가스등 대기오염을 일으키지 않으며, 분해된 합성가스는 냉각과정을 거쳐 중질유로 회수되고, 나머지 휘발성가스는 가스 연소장치에서 900도 이상 완전 연소시켜 연소된 열은 열분해용 에너지로 재 이용되므로 약간의 보조 에너지만 가지고 완전한 처리가 가능 하다.
연소후 발전 및 유화후 발전량 비교
단위열량 5000kcal/kg 의 SRF 1ton을 연소 또는 열분해 시켜 얻을수 있는 전력비교 연소열 이용시 ;
(5000kcal/kg * 1000kg * 효율0.25) / 860kcal/kw = 1453 kw
저온열분해 중질유 엔진발전 :
중질유 생산량 : 합성수지류 저온열분해에 의한 가스화는 평균적으로 중량비 약 65%정도 이루어 지며, 이중 중질유 변환율은 약 80%, 휘발성가스는 약 20% 정도이다.
(1000kg*0.65*0.8)=520kg 의 중질유 생산
엔진발전의 경우 1kw 의 전력생산을 위한 연료소비량은 0.2~0.22kg/kw 이므로 (520/0.22) = 2363 kw
따라서 동일한 SRF 연료를 이용한 발전량은 1.6배에 이른다.
발전효율뿐만 아니라 대규모 소각로, 고압 보일러, 스팀터빈, 발전기 및 소각로 배가스 처리장치, 보일러용 순수처리장치, 페수처리장치등 소각 보일러를 이용한 발전시스템의 경우 3MWh 의 경우 시설비는 최소 200억 이상 소요되는 반면, 열분해장치 및 유화장치, 중유용 선박엔진, 발전기등으로 유화 중질유 엔진발전의 경우는 약 100억원 이내로 시설이 가능하다. 따라서 경제성 측면에서도 비교 경쟁력이 탁월하다 할 수 있다.
100: 제1호퍼
110: 파쇄유닛
120: 컨베이어
130: 자력선별기
200: 제2호퍼
210: 공압식 투입문
220: 유압식 푸셔
300: 로터리 킬른
310: 히팅자켓
320: 제2배출구
330: 제1배출구
400: 연소로
410: 보조버너
420: 열풍혼합기
500: 공랭식열교환기
510: FD 팬
600: 수냉식열교환기
610: 오일받이탱크
620: 전용펌프
630: 방폭용송풍기
640: 역화방지장치
650: 냉각수공급기
700: 오일믹싱탱크
710: 유수분리기
720: 감압식필터
730: 제1이송펌프
740: 오일저장탱크
750: 열매체보일러
760: 제2이송펌프
800: 서비스탱크
810: 오일펌프
820: 오일히터
830: 오일플로우미터
900: 선박용 중유엔진
910: 증속기
920: 발전기
930: 변압기
940: 냉각수 냉각장치
950: 소음기
960: 엔진쿨링팬
970: 멀티사이클론
980: 습식스크러버

Claims (11)

  1. 바이오매스계 폐기물이 아닌 고형연료를 파쇄입도 100 내지 300mm로 파쇄하는 파쇄유닛 및 자력선별기를 포함하여 전처리하는 고형연료처리부;
    상기 고형연료처리부에서 전처리된 고형연료를 촉매가 투입되는 물리화학적 처리하는 연료전환부;
    상기 연료전환부에서 생성된 전환연료를 선박용 중유엔진을 이용하여 전기를 생산하는 발전부; 및
    상기 발전부에서 배출되는 배가스를 처리하는 배가스처리부;를 포함하고,
    상기 연료전환부는 상기 고형연료를 전환연료인 액상유로 전환하며,
    상기 연료전환부는 전처리된 고형연료가 투입되는 제2호퍼;
    상기 제2호퍼의 하부에 로터리 킬른에 상기 전처리된 고형연료를 투입하는 투입장치;
    상기 로터리 킬른에서 발생된 합성가스를 분리하는 분리장치; 및
    상기 합성가스를 액상유로 전환하는 전환장치를 포함하며,
    상기 액상유는 유동성을 확보하기 위하여 열매체 보일러를 이용하여 80℃ 이상으로 가열되는 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고형연료는 자원의 절약과 재활용촉진에 관한 법률이 정한 일반 고형연료제품인 발전시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고형연료는 소정의 크기로 압축된 것인 발전시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전처리는 상기 고형연료를 해쇄 및 파쇄하기 위한 파쇄유닛을 포함하는 발전시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전환장치에서 상기 액상유로 전환되지 못한 휘발성가스는 방폭형 송풍기를 통해 연소로에 공급되는 발전시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전환연료는 선박용 중유 엔진을 적용한 발전부를 통하여 전기를 생산하는 것인 발전시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 선박용 중유 엔진과 발전기를 연결하기 위하여 상기 선박용 중유 엔진의 회전수 대비 1.5 내지 1.8배의 증속기를 추가로 형성한 발전시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 배가스처리부는 소음을 제어할 수 있는 소음기;
    상기 배가스를 정화할 수 있는 멀티 사이클론 및 습식 스크러버를 포함한 발전시스템.
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