KR101872893B1 - 고순도 산소를 이용한 소각 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고순도 산소를 이용한 소각 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기 중의 산소를 ITM(Ion Transport Membrane) 소재의 세라믹 분리막을 이용하여 가압이나 진공 등의 부가적인 동력 사용 없이 고순도로 분리하여 소각로 등의 연소 설비에 공급하기 위한 고순도 산소를 이용한 소각 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 고순도 산소를 이용한 소각 시스템은 폐기물이 투입되는 유입구와 투입된 폐기물이 소각되는 연소실과 소각된 폐기물이 배출되는 배출구로 이루어진 소각로와, 상기 소각로와 연결되어 상기 폐기물 소각시 발생되는 배가스 내의 먼지 및 이물질을 여과하고 산성가스 및 수분을 제거하는 정화제습부와, 상기 정화제습부를 통과한 상기 배가스 내의 이산화탄소를 포집하고 나머지 기체는 이송시키는 CCS장치와, 상기 소각로 및 정화제습부 사이에 설치되어 상기 소각로에서 발생된 열을 이용하여 상기 CCS장치에서 포집된 이산화탄소 전부 또는 일부를 순환시켜 고온의 이산화탄소인 쓸개 가스(sweep gas)로 제공하는 열교환부와, 상기 열교환부에서 제공하는 상기 쓸개 가스가 세라믹 산소분리막을 활성화시키고 상기 활성화된 세라믹 산소분리막은 일측에서 유입되는 공기 중의 산소를 분리하며 상기 공기에서 분리된 산소를 상기 쓸개 가스였던 이산화탄소와 함께 소각로에 공급하는 ITM장치와, 상기 CCS장치에서 배출되는 상기 나머지 기체를 외부로 배출하는 스택부, 및 상기 CCS장치에서 포집된 이산화탄소의 전부 또는 일부를 액체탄산, 고체탄산(dry Ice), 요소비료, 또는 탄산염의 제조용 원료로 저장하는 저장부를 포함한다.
따라서, 본 발명이 제안하는 고순도 산소를 이용한 소각 시스템은 ITM장치 내에서 쓸개 가스(sweep gas)를 이용하여 세라믹 산소분리막에서 투과되는 산소를 연속적으로 이송시켜주어 공기 측과 투과 측의 산소 농도차를 발생시켜 고순도 산소가 연속적으로 생산될 수 있도록 한다.

Description

고순도 산소를 이용한 소각 시스템 및 방법{Incineration System using high purity oxygen and its method}
본 발명은 고순도 산소를 이용한 소각 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기 중의 산소를 ITM(Ion Transport Membrane) 소재의 세라믹 분리막을 이용하여 가압이나 진공 등의 부가적인 동력 사용 없이 고순도로 분리하여 소각로 등의 연소 설비에 공급하기 위한 고순도 산소를 이용한 소각 시스템 및 방법에 관한 것이다.
과거 폐기물 처리방법은 매립, 해양투기 및 단순소각 등에 의존하였고, 이 중에 매립 처리 방법의 경우, 인구 증가와 경제발전에 따라 매립시설의 추가 확보가 필요하지만 님비(NIMBY)현상으로 지역별 매립지 확보가 어려운 실정이며 이에 따라 사회 문제 및 비용이 발생하고 있다.
또한, 우리나라는 런던협약에 가입함에 따라 2012년 이후 국내의 하수슬러지와 가축분뇨의 해양투기가 금지되었고, 2013년에는 음폐수의 해양배출이 전면금지되었기 때문에 해양투기도 현재 폐기물 처리 방법으로 이용이 불가능하다.
최근 수도권의 연간 하수슬러지 처리 현황을 보면, 해양 투기된 폐기물은 2012년 이후로 사라지고 재활용 및 자체 소각량이 증가한 것으로 분석된다.
따라서 최근에는 소각을 이용하여 폐기물을 처리하는 비중이 점차 증가하고 있다.
특히, 폐기물 단순 소각의 경우는 VOCs(volatile organic compounds), 이산화탄소, 다이옥신 등 또 다른 환경오염을 야기할 수 있어 최근에는 환경 친화적인 다양한 신기술의 활용이 요구되고 있다.
이러한 관점에서 폐기물의 처리는 단순히 태워서 버리는 단순소각에서 벗어나 도 1에 도시된 것처럼 폐기물의 소각 과정에서 발생하는 열 에너지원을 사용하여 궁극적으로 전기와 온수를 얻는 에너지 회수하는 방향으로 그 처리 방법이 변화하고 있다.
도 2는 2013년 환경부에서 발표한 국내 폐기물 소각시설의 에너지 생산량을 나타내고 있는 자료로, 전국적으로 41개소의 소각시설이 존재하며 지역난방이나 열병합발전 시설로 52.6%, 전력 생산으로 16.2%의 열을 공급하고 있다.
이처럼 지자체 단위로 폐기물 소각을 연속적으로 가동하기 때문에 발전 등과 같이 에너지 생산에 활용할 경우 폐기물 에너지 회수는 안정적인 에너지 공급과 분산형 전원으로 이용이 가능하다.
환경부는 2020년까지 재활용자원 매립‘제로화'를 위해 2016년부터 소각·매립 부담금제를 시행하며, 이에 따라 매립·소각비용이 증가하기 때문에 폐기물 절대량의 감소 및 에너지 회수량의 증가가 요구된다.
한편, 육상처리시설의 하수슬러지 처리비용은 50,000 ~ 80,000원/톤으로 과거 해양투기 비용인 40,000원/톤에 비해 높은 수준이기 때문에 슬러지 처리비용 절감을 위한 기술 개발이 필요한 실정이고, 하수도 보급률 증가, 하수처리시설 확충, 총인처리시설 설치 등에 따라 국내 하수슬러지 발생량은 꾸준히 증가하고 있는 추세이며, 2014년 기준 국내 하수슬러지 발생량은 일일 10,187톤이고, 2025년까지 연평균 5.9%씩 증가하여 14,700여 톤에 달할 것으로 추정된다.
또한, 현재 수도권매립지에서는 반입슬러지를 고화 처리 후 매립, 중간복토재 활용 또는 건조 후 연료로 공급하고 있으나, 슬러지의 높은 함수율로 인해 운영관리비의 과다 소요 등 비효율성 문제가 대두되고 있고, 슬러지 자원화시설 운영적자 주요원인으로 함수율 감소를 위한 고화제의 사용 및 보조연료, 에너지비용 과다 소요 등이 예상된다.
한편, 하수슬러지 처리의 목적은 슬러지 중의 유기물을 무기물로 바꾸는 생화학적 안정화, 병원균을 제거하는 위생적 안정화 및 처리 처분량의 감소시키는 감량화 등이 있으며, 이 중에서 하수슬러지를 줄일 수 있는 경제적인 방법은 산소를 이용한 소각 방법이다.
따라서, 하수슬러지 처리 기술을 비교 분석하면, 소각 기술은 공기 중의 산소를 이용하여 가연성 물질을 연소시키며 감량효과가 우수하여 폐기물의 절대량을 최소화할 수 있고 폐열활용으로 에너지 효율을 높일 수 있으며 에너지 회수를 통해 자원으로 활용 가능한 방법으로, 선진국을 중심으로 많은 기술 개발이 추진되고 있다.
이에 우리나라의 온실가스 감축 목표를 달성하기 위해서는 신·재생에너지 도입 및 새로운 방식의 폐기물 처리 기술이 요구되며, 국가 온실가스 감축 목표 달성을 위해서 온실가스를 배출하지 않거나 상대적으로 적게 배출하는 신·재생에너지의 도입이 필수적이다.
또한, 폐기물 처리 과정에서도 상당한 양의 온실가스가 배출되고 있어 온실가스를 배출하지 않는 폐기물 처리 방법의 개발이 필요하다.
즉, 2013년도 폐기물 분야 온실가스 배출량은 15백만톤 CO2eq(이산화탄소 환산량)으로 국가 전체 배출량의 2.2%를 차지하였으며 이는 1990년 대비 52.2% 증가한 수치이다. 2013년 폐기물 분야 배출 온실가스 중 폐기물소각 부문이 47%로 가장 큰 비율로 온실가스를 배출하고 있다.
또한, 연소공기에 포함되어 있는 질소는 연소반응에서 질소산화물(NOx)의 생성에 기여하며 열을 흡수한 질소가 배기가스로 배출되기 때문에 폐열 회수가 저하되는 문제점이 발생한다.
또한, 중금속의 함량이 많은 무기성 슬러지나 소각재의 처리 방안으로 탈수공정을 거친 후 매립, 고화제를 이용한 고형화 처리 등이 있지만 경제성 및 최종 처분할 폐기물의 양이 증가함으로 우리나라와 같은 국토가 협소한 지역에서는 최소의 부피로 축소시키는 효율적인 소각 기술이 요구된다.
한국 등록특허공보 제10-0239180호, 발명의 명칭 '산소부화 공기를 이용한 소각처리방법 및 그 장치' (등록일자 1999.10.20.) 한국 등록특허공보 제10-0317999호, 발명의 명칭 '산소부화폐기물 소각장치 및 소각방법' (등록일자 2001.12.06.) 한국 등록특허공보 제10-1001227호, 발명의 명칭 '멤브레인 필터를 이용한 산소부화공기 제조장치' (등록일자 2010.12.08.) 한국 등록특허공보 제10-1175296호, 발명의 명칭 '폐기물 소각장치'(등록일자 2012.08.13.)
본 발명은 상기한 필요성에 의해서 창출된 것으로, 공기 중의 산소를 ITM(Ion Transport Membrane) 소재의 세라믹 분리막을 이용하여 가압이나 진공 등의 부가적인 동력 사용 없이 고순도로 분리하여 소각로 등의 연소 설비에 공급할 수 있는 고순도 산소를 이용한 소각 시스템 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 고순도 산소를 이용한 소각 시스템은 폐기물이 투입되는 유입구와 투입된 폐기물이 소각되는 연소실과 소각된 폐기물이 배출되는 배출구로 이루어진 소각로와, 상기 소각로와 연결되어 상기 폐기물 소각시 발생되는 배가스 내의 먼지 및 이물질을 여과하고 산성가스 및 수분을 제거하는 정화제습부와, 상기 정화제습부를 통과한 상기 배가스 내의 이산화탄소를 포집하고 나머지 기체는 이송시키는 CCS장치와, 상기 소각로 및 정화제습부 사이에 설치되어 상기 소각로에서 발생된 열을 이용하여 상기 CCS장치에서 포집된 이산화탄소 전부 또는 일부를 순환시켜 고온의 이산화탄소인 쓸개 가스(sweep gas)로 제공하는 열교환부와, 상기 열교환부에서 제공하는 상기 쓸개 가스가 세라믹 산소분리막을 활성화시키고 상기 활성화된 세라믹 산소분리막은 일측에서 유입되는 공기 중의 산소를 분리하며 상기 공기에서 분리된 산소를 상기 쓸개 가스였던 이산화탄소와 함께 소각로에 공급하는 ITM장치와, 상기 CCS장치에서 배출되는 상기 나머지 기체를 외부로 배출하는 스택부, 및 상기 CCS장치에서 포집된 이산화탄소의 전부 또는 일부를 액체탄산, 고체탄산(dry Ice), 요소비료, 또는 탄산염의 제조용 원료로 저장하는 저장부를 포함한다.
따라서, 본 발명이 제안하는 고순도 산소를 이용한 소각 시스템은 ITM장치 내에서 쓸개 가스(sweep gas)를 이용하여 세라믹 산소분리막에서 투과되는 산소를 연속적으로 이송시켜주어 공기 측과 투과 측의 산소 농도차를 발생시켜 고순도 산소가 연속적으로 생산될 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 고순도 산소를 저가로 생산 및 공급할 수 있는 이점이 있다.
또한, 소각 후 배가스는 고순도 이산화탄소(CO2)이므로 회수하여 온실가스 저감에 기여할 수 있는 이점이 있다.
또한, 연소 후 이산화탄소 포집에 필요한 기술로 활용될 수 있는 이점이 있다.
또한, 열병합 발전, 가정용 보일러, 제철산업 등 산업적으로 기술 파급효과가 클 것으로 기대되는 이점이 있다.
도 1은 폐기물을 이용한 에너지 회수 및 활용의 예를 나타내는 사진이다.
도 2는 2013년 환경부 국내 폐기물 소각시설의 에너지 생산량을 도시한 도표이다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 공기로부터 산소를 제조하는 ITM의 산소 분리 메카니즘을 나타내는 도면이다.
도 4는 관형 분리막 제조 장치 및 제조한 산소 분리막을 보여주는 사진들이다.
도 5는 혼합 전도성 세라믹 분리막의 산소 분리 메카니즘을 보여주는 도면이다.
도 6은 Dual Phase 세라믹 분리막의 산소 분리 메카니즘을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 고순도 산소를 이용한 소각시스템을 보여주는 개략적인 도면이다.
도 8은 본 발명에서 제안하는 ITM장치의 산소 분리 메카니즘을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 고순도 산소를 이용한 소각방법을 보여주는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시 예의 구성 요소가 해당 실시 예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시 예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시 예가 통합된 하나의 실시 예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명에서 제안하는 공기로부터 산소를 제조하는 ITM의 산소 분리 메카니즘을 나타내는 도면이고, 도 4는 관형 분리막 제조 장치 및 제조한 산소 분리막을 보여주는 사진들이며, 도 5는 혼합 전도성 세라믹 분리막의 산소 분리 메카니즘을 보여주는 도면이고, 도 6은 Dual Phase 세라믹 분리막의 산소 분리 메카니즘을 보여주는 도면이다.
공기는 단위 부피당 약 21%의 산소(O2)와 약 79%의 질소(N2)로 구성되어 있으며 산소는 소각로 등의 연소공정에서 산화제로 활용되고 있다. 공기 중에 포함되어 있는 질소는 불활성 가스로서 공기를 이용하여 연소를 하면 발열량의 많은 부분이 질소를 가열하는데 사용되므로 화염의 온도는 저하되고 연소 후, 고온의 배출가스로 인한 열손실이 크다. 또한 배기되는 가스 중 이산화탄소 농도가 낮아 온실가스인 이산화탄소를 회수하려면 상당한 비용이 필요하게 된다. 하지만 순산소를 이용해서 연소를 하게 되면 예열비용이 적게 들고, 소각 잔량이 적어지고, 보조연료 사용량이 줄고, 질소를 원천적으로 차단하므로 질소산화물(NOx) 발생량을 억제하고, 높은 함수률의 하수슬러지도 소각할 수 있는 등의 장점이 많지만 고가의 산소 제조비용이 든다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 다음과 같이 제안하여 해결하고자 한다.
본 발명은 이산화탄소(CO2)에 내성이 있는 ITM(Ion Transport Membrance) 소재 산소분리막을 이용한 고순도 산소분리 기술로 해결할 수 있다.
본 발명은 순산소 연소를 하면 소각로 내부의 온도가 기존의 소각로 내부 재료로는 견딜 수 없는 고온이 되므로 이산화탄소(CO2)를 재순환시켜 산소(O2)와 적정 혼합하여 소각로로 투입시키면 고온현상을 예방하고 기존의 소각로 단점을 보완할 수 있다. 이때 재순환 이산화탄소(CO2)는 산소 분리막에서 투과된 산소(O2)의 이송 가스로도 활용된다. 순산소가 아닌 이산화탄소와 산소의 혼합가스를 소각로의 연소가스로 사용하므로 소각로의 내부의 온도를 안정적으로 유지할 수 있으며 공기를 산화제로 사용할 때보다 탁월한 에너지 절감을 이룰 수 있다.
본 발명은 순산소 연소기술을 활용하여 연소 후 배기가스에 이산화탄소만 남게 되어 온실가스인 이산화탄소를 포집하는데 용이하여 온실가스 감축에 기여할 수 있다.
본 발명은 산소부화공기를 이용한 폐기물 소각으로, 산소농도를 30~80%로 높여서 폐기물을 고온(1200℃ 이상)에서 완전 연소시키는 방법이다.
본 발명이 제안하는 산소를 이용한 소각로는 질소(N2) 제거에 의한 예열 및 장치비가 감소하고, 질소(N2) 유입 차단으로 질소산화물(NOx) 처리 비용이 감소하며, 산소 연소시 고함수율 폐기물의 소각효율이 증가하고, 용융 소각이 가능해 소각재 발생이 최소화 되며, 고온의 배열 활용으로 보조연료 불필요하고, 순산소 연소의 고온 이용으로 다이옥신 감소하는 등 여러 장점이 있다.
또한, 연소공정에서 일반 공기 대신 산소부화공기를 사용하면 안정적인 소각이 가능하며 화염이 안정화되고 화염 온도가 높아진다.
또한, 함수율이 높아 연소효율이 낮은 폐기물(하수슬러지)도 처리 가능하다.
또한, 산소부화공기를 이용한 연소시 화염온도가 너무 높아지면 내화재에 손상을 가져오는 과열부(hot spot)가 생성될 수 있으나 이러한 문제는 본 발명을 통하여 연소에 의해 생성된 배기가스를 재순환하여 연소실 내 산소농도를 감소시키면 화염 온도 역시 하강하게 되어 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 순산소(혹은 산소+이산화탄소)를 산화제로 사용하기 때문에 예열 비용이 감소되고, 질소산화물(NOx) 생성이 원천적으로 차단되며, 고온의 용융 소각이 가능하여 소각재 발생이 최소화될 수 있다.
또한, 연소 후 생성되는 기체는 열 회수 장치와 산성가스(SOx, HCl 등) 제거장치, 집진장치 등의 정제과정을 거친 다음, 잔류하는 유일한 기체인 탄산가스를 일부는 연소로로 순환하여 사용하고, 일부는 액체탄산, 고체탄산(Dry ice), 요소비료 등의 제조용 원료로도 재활용 가능하다.
한편, 순산소를 제조하는 방법으로는 심냉법(Cryogenic air separation), 흡착분리법(Pressure swing adsorption, Vacuum swing adsorption) 및 막분리법(Membrane separation) 등이 있다.
이중 본 발명에서 제안하는 ITM 방식은 막분리법 중 하나로 이온전도성 분리막(ion transport membrane, ITM)을 이용한 산소제조 기술로, 장치비와 같은 초기 투자비를 절감하면서 적은 에너지로 고순도의 산소를 생산하는 것이 가능하기 때문에 선진국을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있으며, 산소 연소뿐 아니라 연소전 공정의 산소공급 공정으로도 활용 가능하기 때문에 최근에는 핵심 기술로 개발되고 있다.
ITM를 이용한 산소제조 방법은 다음 [표 1]과 같이 다른 방법과 비교할 때 고순도 산소를 제조할 수 있으면서 경제성이 높아 연구가 활발히 진행되고 있다.
제조 공정 심냉법 PSA/VSA 막분리법
고분자 ITM
적용 원리 기화점 차이 질소 흡탈착 용해, 확산 이온화, 확산
산소 순도 >99% <95% <50% >99%
생산 규모 20-3500 톤/일 1-300 톤/일 <100 톤/일 >150 톤/일
장치 규모 냉각장치, 증류탑
대규모		 흡착탑, 저장조
3 x 10 x 5m
중규모		 모듈, 압축장치
1m3
소규모 가능		 모듈, 열교환기
1m3
소규모 가능
전력 소비 높음 낮음 매우 낮음 매우 낮음
초기 투자비 높음 낮음 낮음 낮음
산소 제조 단가 높음 낮음 매우 낮음 매우 낮음
운전 온도 -184℃ 상온 상온 >600℃
본 발명에서 제안하는 ITM은 이온전도성 분리막으로, 세라믹 치밀분리막 또는 치밀형 세라믹막 등으로 불릴 수 있다.
ITM의 경우 고분자 분리막과 달리 99% 이상의 고순도 산소를 제조할 수 있으며 분리막 양면에 산소 분압차를 유지해 주면 산소만 선택적으로 투과되기 때문에 이론적으로 무한대의 선택도를 보인다.
ITM이 산소만을 투과시킬 수 있는 이유는 분리막 표면에 흡착된 산소가 이온화된 후 분리막 내부 격자의 산소 빈자리(vacancy)를 통해 이동하기 때문이며 이에 대한 개략도를 도 3에 제시한다.
산소 빈자리를 만들 수 있는 소재로 ABO3구조인 페롭스카이트 산화물이 가장 많이 연구되었으며, 본 발명에서 전자가 차이가 나는 물질(A'혹은 B')이 부분적으로 치환(AxA´1- xByB´1- yO3 -δ)되면 전기적 중성을 유지하기 위해 격자 내부의 일정량(δ)의 산소 결핍을 유도할 수 있다. 이 산소 결핍 자리(vacancy)를 통해 산소가 투과되기 때문에 기공을 통해 분자체 특성으로 가스를 분리하는 고분자 분리막과 원천적인 차이가 있다.
한편, 본 발명이 제안하는 ITM을 이용한 모듈 및 시스템 연구는 종래에 일부 수행되었으나 산소만을 생산하는 기술을 개발한 것으로 소각로와 연계한 통합 공정 기술은 개발된 바 없다.
본 발명에서는 소각로에서 배출되는 배열을 활용하여 ITM을 조업할 수 있기 때문에 고효율로 산소를 제조할 수 있으며, 대용량 모듈을 이용하여 산소제조 기술을 실증할 수 있다.
본 발명에서 개발하고자 하는 주요 연구 핵심 기술은 다음과 같다.
현재 개발되고 있는 ITM의 경우 고온(900℃이상), 고압(10-20atm)에서 운전되기 때문에 분리막 반응기 제작에 보통의 금속은 사용이 불가능하며 통상 inconel, hastelloy 등 특수합금을 사용해야 한다. 이런 장비를 고온에서 장시간 운전하면 inconel, hastelloy 등 특수합금으로부터 발생하는 가스상의 크롬(Cr)이 분리막 표면에 침적되어 크롬(Cr)화합물을 생성시킴으로써 분리막 투과 성능을 낮추는 단점이 보고되고 있다.
본 발명에서는 크롬 침적을 방지하기 위해 개발된 코팅 기술을 적용하여 대용량 산소 제조 공정을 실증하고자 한다.
이를 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 대용량 산소 투과 분리막을 압출기를 이용하여 성형한 후 소결하여 ITM을 제조한 다음 크롬 침적 방지용 코팅을 통해 산소 투과가 잘 되는지를 확인하고자 한다.
산소부화 연소의 경우, 연소를 잘 시킬 수 있는 장점은 있으나 산소 제조 비용이 고가라는 문제점이 대두되어 왔다. 최근 21세기 프론티 개발사업을 통해 저가 산소를 제조하기 위한 ITM(ion transport membrane) 및 모듈이 개발되었고, 이를 소각로의 배열을 이용하여 운전한다면 산소제조 비용을 낮출 수 있는 장점이 있다.
이온전도성 분리막(ion transport membrane)에 대한 앞선 연구는 LaSrCoFeO3-δ(LSCF)보다 산소 투과도가 높은 BaSrCoFeO3 -δ(BSCF) 소재로 연구가 진행되었으나 장시간 대기중의 CO2 노출 운전시 SrCO3 형태의 탄산염이 형성되어 성능이 저하됨을 확인하고 BSCF에 LaSrTiFeO3 - δ(LSTF)코팅하여 안정성을 추구하였으나 인코넬 반응기 안에서 CrOx가 표면에 침적되어 투과도가 떨어지는 문제점이 발견되었다.
이에 BaCrOx가 코팅된 LSTF를 BSCF에 코팅한 분리막을 개발하여 이산화탄소(CO2) 농도 5% 이하에서 안정적인 성능이 확인된다.
본 발명에서는 소각로에 순산소를 공급하고 고온의 이산화탄소(CO2)를 쓸개 가스(sweep gas)로 활용하여 ITM을 운영할 수 있도록 앞선 연구에서 보다 더욱 향상된 100% CO2 쓸개 가스(sweep gas)에서 안정성과 크롬(Cr) 내성을 지니며 높은 투과도를 가지는 신조성 코팅 분리막을 개발할 수 있다.
소각로에서 발생하는 이산화탄소(CO2)를 쓸개 가스(sweep gas)로 활용하여 산소와 함께 소각로 공급용 가스로 활용하면 산소 분리막 운영 시 가압이나 진공 조건에 필요한 장비가 없이 산소를 분리할 수 있어 에너지 및 장치 비용이 절감되며 순산소만 공급할 때 소각로의 내의 고온현상으로 인한 설비 수명단축 등을 예방할 수 있다.
ITM은 공기로부터 산소만을 선택적으로 투과시킬 수 있기 때문에 순산소를 제조할 수 있으며, 따라서 폐기물 연소시 질소가 원천 차단되어 NOx 생성을 방지할 수 있고, 고온이 생성되므로 다이옥신 등 대기오염 물질 저감이 가능하다.
또한, 3000℃ 수준의 초고온을 생성되면 소각로 내화벽돌이 용융되기 때문에 이를 방지하기 위해 이산화탄소를 재순환하여 산화제인 산소와 혼합하여 공급하게 된다. 이 기술을 적용하려면, 고농도 이산화탄소와 수분의 배가스로부터 수분을 분리한 후 이산화탄소를 산소 분리 장치인 이온전도성 분리막의 하부로 유입하여 투과되는 산소를 쓸고 가는 쓸개 가스(sweep gas)로 적용하여야 한다.
본 발명에서는 고농도의 CO2 가스 분위기에서 내성이 있는 분리막 조성 원천 소재 기술을 개발하여 이산화탄소 재순환과 이온전도성 분리막을 연계한 공정개발을 추진하고자 한다.
본 발명에서 개발하고자 하는 ITM의 산소분리 기술은 하수슬러지와 같이 수분이 함유된 폐기물의 소각에 적용할 수 있어 환경적 편익이 높고, 소각로의 고온 배열을 활용한 운전을 통해 고효율 연소 기술 확보가 가능하다.
순산소로 연소기술을 개발하면 고농도의 이산화탄소가 얻어져 이를 분리하여 이산화탄소 포집 기술로 활용할 수 있으며, 또한 고효율의 폐기물 이용 기술 확보를 통해 신규 에너지 자원의 확보가 가능하다.
환경오염, 자원고갈 및 지역 편중적인 에너지 문제를 해결할 수 있는 미래 에너지 자원으로서 폐기물을 이용 기술이 중요하고, 폐기물의 순산소 소각 시 배가스 중에 CO2만 존재하여 온실가스 감축 및 친환경 에너지원 확보 가능하다.
공급가스 중 질소가 포함되지 않기 때문에 건조, 소각 시 LNG 등의 보조연료 비용이 낮고 NOx 처리비용이 감소한 공정 실현 가능하다.
본 발명은 국외 기술을 대체하여 저가 산소 제조 기술의 보급이 가능할 것이고, 기존 소각로 등 연소공정에 순산소를 도입하면 질소가 원천적으로 차단되어 NOx의 배출을 억제할 수 있어 강화되는 대기배출 허용기준 충족이 가능하다.
따라서, 종래 산소부화 소각에 사용되는 산소부화공기는 액체 산소 혹은 고분자 분리막을 이용하여 제조하였으며 높은 산소 제조 단가 및 약 30%의 낮은 산소 부화농도라는 단점이 존재한 반면에, 본 발명에서 제안하는 ITM을 이용한 산소부화 소각기술은 낮은 산소제조 단가뿐만 아니라 95% 이상의 산소부화농도를 가질 수 있기 때문에 하수슬러지와 같은 함수율이 높은 폐기물의 처리가 가능하다.
본 발명은 환경 기준 측면에서도 종래 소각기술과 달리 공급 가스에 질소가 포함되지 않기 때문에 NOx 처리비용이 감소하고 배가스 총량이 감소하게 되어 열효율이 증가된다.
또한, 연소 후 생성 기체는 산성가스(SOx, HCl 등) 제거장치, 집진장치 등의 정제과정을 거친 후 고농도의 이산화탄소만 남게 되어 이산화탄소 포집 기술로도 활용 가능하다. 아울러 도심에 설치되어 있는 소각로 및 열병합 발전의 경우 이산화탄소를 원천적으로 포집할 수 있기 때문에 열섬효과를 방지하는 장점도 있다.
본 발명이 제안하는 ITM은 종래 고분자 분리막과는 달리 분리막 표면에 흡착된 산소가 이온화된 후 분리막 내부 격자의 산소 빈자리(vacancy)를 통해 이동하기 때문이며 산소만을 투과시키고 질소를 배제할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 산소 빈자리를 만들 수 있는 소재로 ABO3구조인 페롭스카이트 산화물이 가장 많이 연구되었으며, 본 발명에서는 전자가 차이가 나는 물질(A'혹은 B')이 부분적으로 치환(AxA´1- xByB´1- yO3 -δ)되면 전기적 중성을 유지하기 위해 격자 내부의 일정량(δ)의 산소 결핍을 유도할 수 있다. 이 산소 결핍 자리(vacancy)를 통해 산소가 투과되기 때문에 기공을 통해 가스를 분리하는 고분자 분리막과 원천적인 차이가 있다.
본 발명은 종래 선행기술과 차별되어 혼합전도성 물질을 적용한 분리막 투과 조성에 고농도 CO2 내성을 보이는 이온전도, 전자전도의 혼합물 조성인 Ce0 . 8Sm0 . 2O2 ―δ―Sm0 . 5Sr0 . 5Cu0 . 2Fe0 . 8O3 ― δ계 dual phase 분리막 코팅을 하고자 하는 것이며 이를 통해 신조성 원천 소재가 될 것이다.
본 발명에서 제안하는 Dual phase 분리막 기술은 전자전도와 이온전도를 원하는 물질을 활용하여 제어할 수 있으며 도 6과 같이 기존 혼합전도성 물질과 그 메커니즘에 있어도 차이가 있다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 고순도 산소를 이용한 소각시스템을 보여주는 개략적인 도면이고, 도 8은 본 발명에서 제안하는 ITM장치의 산소 분리 메카니즘을 보여주는 도면이며, 도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 고순도 산소를 이용한 소각방법을 보여주는 블록도이다.
따라서, 본 발명의 일실시 예에 따른 고순도 산소를 이용한 소각 시스템은 도 7에 도시된 바와 같이, 폐기물(P)이 투입되는 유입구(111)와 투입된 폐기물(P)이 소각되는 연소실(112)과 소각된 폐기물(P)이 배출되는 배출구(113)로 이루어진 소각로(110)와, 상기 소각로(110)와 연결되어 상기 폐기물(P) 소각시 발생되는 배가스 내의 먼지 및 이물질을 여과하고 산성가스 및 수분을 제거하는 정화제습부(120)와, 상기 정화제습부(120)를 통과한 상기 배가스 내의 이산화탄소를 포집하고 나머지 기체는 배출시키는 CCS장치(130)와, 상기 소각로(110) 및 정화제습부(120) 사이에 설치되어 상기 소각로(110)에서 발생된 열을 이용하여 상기 CCS장치(130)에서 포집된 이산화탄소 전부 또는 일부를 순환시켜 고온의 이산화탄소인 쓸개 가스(sweep gas)로 제공하는 열교환부(140)와, 상기 열교환부(140)에서 제공하는 상기 쓸개 가스가 세라믹 산소분리막(150a)을 활성화시키고 상기 활성화된 세라믹 산소분리막(150a)은 일측에서 유입되는 공기 중의 산소를 분리하며 상기 공기에서 분리된 산소를 상기 쓸개 가스였던 이산화탄소와 함께 소각로(110)에 공급하는 ITM장치(150)와, 상기 CCS장치(130)에서 배출되는 상기 나머지 기체를 외부로 배출하는 스택부(160), 및 상기 CCS장치(130)에서 포집된 이산화탄소의 전부 또는 일부를 액체탄산, 고체탄산(dry Ice), 요소비료, 또는 탄산염의 제조용 원료로 저장하는 저장부(170)를 포함한다.
또한, 본 발명은 ITM장치(150) 내에서 쓸개 가스(sweep gas)를 이용하여 세라믹 산소분리막(150a)에서 투과되는 산소를 연속적으로 이송시켜주어 공기 측과 투과 측의 산소 농도차를 발생시켜 고순도 산소가 연속적으로 생산될 수 있도록 한다.
또한, 세라믹 산소분리막(150a)은 ITM(Ion Transport Membrane) 소재의 세라믹 분리막인 것을 특징으로 한다.
또한, ITM장치(150)에 제공되는 고온의 이산화탄소는 900℃이상인 것을 특징으로 한다.
또한, CCS장치(130)는 탄소 포집 및 격리장치(Carbon Capture and Sequestration)로 분리막법을 이용한 것을 특징으로 한다.
그럼, 본 발명의 일실시 예에 따른 고순도 산소를 이용한 소각 시스템(100)을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 제안하는 고순도 산소를 이용한 소각 시스템(100)은 도 7에 도시된 바와 같이 소각로(110)와, 정화제습부(120)와, CCS장치(130)와, 열교환부(140)와, ITM장치(150)와, 스택부(160), 및 저장부(170)를 포함한다.
소각로(110)는 폐기물(P)이 투입되는 유입구(111)와, 투입된 폐기물(P)이 소각되는 연소실(112)과, 소각된 폐기물(P)이 배출되는 배출구(113) 및 연소실에 완전 연소된 배가스가 이송되는 이송구(114)로 구성된다.
특히, 소각로(110)는 자세히 후술할 ITM장치(150)와 연결되어 산소, 탄산가스 또는 혼합가스의 산소농도를 30∼80vol%로 부화(富化)한 기체를 ITM장치(150)에서 공급받아 폐기물(P)을 1,200℃ 이상에서 연소실(112)에서 연소시키게 된다.
정화제습부(120)는 소각로(110)의 이송구(114)와 연결되어 폐기물(P) 소각시 발생되는 배가스 내의 먼지 및 이물질을 여과하고 산성가스 및 수분을 제거한다.
여기서, 정화제습부(120)는 정화장치(121), 제습장치(123), 및 블로워(125)를 포함할 수 있다.
정화장치(121)는 폐기물(P) 소각시 발생되어 이송구(114)을 통하여 유입되는 배가스 중에 먼지, 이물질 또는 산성가스(SOx, HCl 등)을 여과하여 제거하는 기능을 한다.
제습장치(123)는 상기 정화장치(121)에서 정화된 배가스 내에 함유하고 있는 수분을 제거하는 기능을 한다.
블로워(125)는 부가적인 장치로, 제습이 완료된 배가스가 배관을 따라 용이하게 흘러가도록 송풍하는 기능을 한다.
CCS장치(130)는 상기 정화제습부(120)를 통과한 배가스 내의 이산화탄소를 포집하고 나머지 기체는 후술한 스택부(160)로 이송시킨다.
CCS장치(130)는 스택부(160)로 연결되는 스택구(131), 열교환부(140)와 연결되는 열교환구(132), 및 저장부(170)와 연결되는 저장구(133)가 있다.
여기서, CCS장치(130)는 탄소 포집 및 격리장치(Carbon Capture and Sequestration)로 분리막법을 이용한다.
연소 후 포집 기술에는 분리막법, 흡착법, 흡수법, 또는 심냉법 등이 적용되고 있으며 분리막법의 장점으로는 첫째, 분리막법은 분리시에 상변화를 동반하지 않아 에너지면에서 효율적이므로, 이산화탄소 선택율이 높을수록 분리에 소요되는 에너지는 적어진다. 둘째, 공기 중에 유해 물질의 배출이나, 폐수 처리 등의 문제가 없는 환경 친화형 청정 공정이다. 셋째, 막의 투과속도 향상과 모듈화에 의해 설비의 규모를 줄일 수 있고, 설비의 조작성도 우수하다.
열교환부(140)는 소각로(110) 및 정화제습부(120) 사이에 위치하여 상기 소각로(110)의 이송구(114)에서 유입된 배가스가 지나면서 생성된 열(heat)을 회수하여 열교환구(132)를 통하여 유입된 이산화탄소를 순환시켜 고온의 이산화탄소로 형성시켜 ITM장치(150)에 제공하여 쓸개 가스(sweep gas)로 이용되도록 한다.
이때 고온의 이산화탄소는 900℃이상으로 ITM장치(150)에 제공되도록 한다.
열교환부(140)는 공지된 기술을 적용할 수 있으므로, 본 발명에서 자세한 기술은 생략하고자 한다. 다만, 본 발명에서 제안하는 열교환부(140)는 별도의 연료를 소비하여 열을 발생시키는 것이 아니라 기존의 소각로(110)에서 당연히 발생되는 배가스의 고열을 이용하는 것이고, CCS장치(130)에서 포집된 탄소를 내부 순환시켜 고온이 되게 하여 ITM장치(150)에 쓸개 가스(sweep gas)로 제공하는 것이다.
ITM장치(150)는 ITM(Ion Transport Membrane)을 이용한 산소분리 장치로, 세라믹 산소분리막(150a)이 내부에 형성되어 있고, 외부로 대기 중의 공기를 유입하는 공기구(151), 열교환부(140)에서 유입되는 탄소구(152), 소각로(110)로 공급하는 주입구(153)가 구비되어 있다.
여기서, 세라믹 산소분리막(150a)은 ITM(Ion Transport Membrane) 소재의 세라믹 분리막인 것을 특징으로 한다.
ITM장치(150)는 도 3에 도시된 바와 같이, ITM(이온전도성 분리막)이 산소만을 투과시킬 수 있는 이유는 분리막 표면에 흡착된 산소가 이온화된 후 분리막 내부 격자의 산소 빈자리(vacancy)를 통해 이동하기 때문이고, ITM의 경우 고분자 분리막과 달리 99% 이상의 고순도 산소를 제조할 수 있으며, 분리막 양면에 산소 분압차를 유지해 주면 산소만 선택적으로 투과할 수 있다.
여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, 산소 빈자리로 이동하여 형성된 산소를 빗자루로 쓸어내리듯이 쓸어내는 기능을 하는 기체를 쓸개 가스(sweep gas)라 부른다.
본 발명에서 제안하는 ITM장치(150)는 쓸개 가스(sweep gas)를 이용하여 세라믹 산소분리막(150a)에서 투과되는 산소를 연속적으로 이송시켜주어, 도 8에 도시된 바와 같이, 공기 측과 투과 측의 산소 농도차를 발생시켜 고순도 산소가 연속적으로 생산될 수 있도록 한다.
따라서, 본 발명에서 제안하는 ITM장치(150)는 탄소구(152)에서 공급되는 고온의 이산화탄소인 쓸개 가스(sweep gas)가 세라믹 산소분리막(150a)을 활성화시켜 상기 활성화된 세라믹 산소분리막(150a)가 공기구(151)에서 유입되는 공기 중의 산소를 분리하며 상기 공기에서 분리된 산소를 상기 쓸개 가스였던 이산화탄소와 함께 주입구(153)를 통하여 소각로(110)에 공급하여 폐기물을 연소시킬 수 있게 한다.
본 발명에서 제안하는 ITM장치(150)는 고온(900℃이상), 고압(10-20atm)에서 원활하게 작동된다.
스택부(160)는 CCS장치(130)에서 배출되는 포집된 이산화탄소를 제외한 나머지 잔여 기체를 스택구(131)를 통하여 이송받아 외부로 완전히 배출하는 장치이고, 굴뚝 또는 연돌 등의 명칭으로 사용될 수 있다.
저장부(170)는 CCS장치(130)의 저장구(133)와 연결되어 있고, CCS장치(130)에서 포집된 이산화탄소의 전부 또는 일부를 액체탄산, 고체탄산(dry Ice), 요소비료, 또는 탄산염의 제조용 원료로 저장하는 저장소이다.
여기서 CCS장치(130)에서 포집된 탄소는 요소비료와 각종 탄산염의 원료로 사용될 수 있으며 액체산소의 기화 냉열을 이용하여 액체탄산, 고체탄산, 냉동 및 냉장고, 지역 냉방 등, 다양하게 활용될 수 있다.
다음, 본 발명의 일실시 예에 따른 고순도 산소를 이용한 소각 방법은
a) 상기 폐기물(P)을 소각로(110)에서 연소시키는 연소단계(S210)와,
b) 상기 소각로(110)와 연결되어 상기 폐기물(P) 소각시 발생되는 배가스 내의 먼지 및 이물질을 여과하고 수분을 제거하는 정화제습단계(S220)와,
c) 상기 정화제습단계(S220)를 거친 상기 배가스 내의 이산화탄소를 포집하고 나머지 기체는 스택부(160)로 이송시키는 이산화탄소 포집단계(S230)와,
d) 상기 포집단계(S230)에서 포집된 이산화탄소의 전부 또는 일부를 상기 소각로(110)에서 발생된 열을 이용하여 열교환부(140) 내부로 순환시켜 고온의 이산화탄소가 되게 하는 열교환단계(S240)와,
e) 상기 열교환단계(S240)에서 형성된 고온의 이산화탄소를 쓸개 가스(sweep gas)로 이용하여 세라믹 산소분리막(150a)을 활성화시키고 상기 활성화된 세라믹 산소분리막(150a)은 일측에서 유입되는 공기 중의 산소를 질소와 분리시키는 산소분리 단계(S250)와,
f) 산소분리 단계(S250)에서 발생된 산소 및 상기 쓸개 가스(sweep gas)로 이용된 이산화탄소를 상기 소각로에 공급하는 산소부화 공급단계(S260)를 포함한다.
또한, 본 발명의 제안하는 고순도 산소를 이용한 소각 방법은 상기 e)단계에서 쓸개 가스(sweep gas)를 이용하여 상기 세라믹 산소분리막(150a)에서 투과되는 산소를 연속적으로 이송시켜주어 공기 측과 투과 측의 산소 농도차를 발생시켜 고순도 산소가 연속적으로 생산될 수 있도록 한다.
그럼, 본 발명의 일실시 예에 따른 고순도 산소를 이용한 소각방법을 구체적으로 설명하면 도 9에 도시된 바와 같이 다음과 같다.
본 발명이 제안하는 고순도 산소를 이용한 소각방법은 연소단계(S210)와, 정화제습단계(S220)와, 포집단계(S230)와, 열교환단계(S240)와, 산소분리 단계(S250)와, 부화(富化)산소 공급단계(S260)를 포함한다.
연소단계(S210)는 소각로(110)에서 외부에서 투입된 폐기물(P)을 1,200℃이상에서 연소시키는 공정으로, 소각로(110)가 ITM장치(150)와 연결되어 산소, 탄산가스 또는 혼합가스의 산소농도를 30∼80vol%로 부화(富化)한 기체를 ITM장치(150)로부터 공급받아 폐기물(P)을 1,200℃이상에서 연소실(112)에서 연소시키는 단계이다.
정화제습단계(S220)는 상기 소각로(110)의 이송구(114)와 연결되어 폐기물(P) 소각시 발생되는 배가스 내의 먼지 및 이물질을 여과하고 산성가스 및 수분을 제거하는 단계이다.
여기서, 정화제습단계(S220)는 폐기물(P) 소각시 발생되어 이송구(114)을 통하여 유입되는 배가스 중에 먼지, 이물질 또는 산성가스(SOx, HCl 등)을 여과하여 제거하는 정화단계, 정화된 배가스 내에 함유하고 있는 수분을 제거하는 제습단계 및 제습이 완료된 배가스를 배관을 따라 용이하게 흘러가도록 송풍하는 단계를 포함할 수 있다.
포집단계(S230)는 정화제습단계(S220)를 거친 배가스 내의 이산화탄소를 CCS장치(130)를 이용하여 포집하고 나머지 잔여 기체는 스택부(160)로 이송시키는 단계이다.
여기서, CCS장치(130)는 탄소 포집 및 격리장치(Carbon Capture and Sequestration)로 분리막법을 이용한다.
열교환단계(S240)는 포집단계(S230)에서 포집된 이산화탄소의 전부 또는 일부를 소각로(110)에서 발생된 열을 이용하여 열교환부(140)의 내부로 순환시켜 고온의 이산화탄소가 되게 하는 단계이다.
여기서, 고온의 이산화탄소는 900℃이상이고, 본 발명에서 제안하는 열교환부(140)는 별도의 연료를 소비하여 열을 발생시키는 것이 아니라 기존의 소각로(110)에서 당연히 발생되는 배가스의 고열을 이용하는 것이며, CCS장치(130)에서 포집된 탄소를 내부 순환시켜 고온이 되게 하여 ITM장치(150)에 쓸개 가스(sweep gas)로 제공한다.
산소분리 단계(S250)는 열교환단계(S240)에서 형성된 고온의 이산화탄소를 쓸개 가스(sweep gas)로 이용하여 ITM장치(150) 내에서 세라믹 산소분리막(150a)을 활성화시키고 상기 활성화된 세라믹 산소분리막(150a)은 공기구(151)에서 유입되는 공기 중의 산소를 질소와 분리시키는 단계이다. 여기서, ITM장치(150)는 900℃이상의 고온 및 10-20atm의 고압에서 원활하게 작동된다.
산소부화 공급단계(S260)는 산소분리 단계(S250)에서 발생된 산소 및 쓸개 가스(sweep gas)로 이용된 이산화탄소를 산소부화(富化)로 소각로(110)에 공급하는 단계이다. 여기서, 산소부화(oxygen enrichment)란 대기 중의 공기보다 산소(O2) 함량 비율을 높인 것을 말한다.
따라서, 본 발명의 제안하는 고순도 산소를 이용한 소각 방법은 산소분리 단계(S250)에서 쓸개 가스(sweep gas)를 이용하여 세라믹 산소분리막(150a)에서 투과되는 산소를 연속적으로 이송시켜주어 공기 측과 투과 측의 산소 농도차를 발생시켜 고순도 산소가 연속적으로 생산될 수 있도록 한다.
이와 같이, 종래 소각시설은 공기 중에 질소(N2)가 79%를 차지하므로 예열비가 과다하고, 수분이 많은 폐기물의 소각을 위한 보조연료 비용이 들며, 다량의 소각재가 발생하고, 다량의 질소산화물(NOx)를 처리해야 하는 등의 문제가 있었다.
또한, 이러한 문제점들은 순산소 연소 기술을 이용하면 해결 가능하지만 산소 제조 비용 등이 단점으로 지적되고 있었다.
따라서, 본 발명에서 제안하는 고순도 산소 공급 소각 시스템 및 방법을 이용하여 종래의 문제점을 해결하면서 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
본 발명을 통하여 고순도 산소를 저가로 생산 및 공급할 수 있는 이점이 있다.
또한, 소각 후 배기가스는 고순도 이산화탄소(CO2)이므로 회수하여 온실가스 저감에 기여할 수 있는 이점이 있다.
또한, 연소 후 이산화탄소 포집에 필요한 기술로 활용될 수 있는 이점이 있다.
또한, 열병합 발전, 가정용 보일러, 제철산업 등 산업적으로 기술 파급효과가 클 것으로 기대되는 이점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 발명에서 제안하는 소각 시스템
110 : 소각로 120 : 정화제습부
130 : CCS장치 140 : 열교환부
150 : ITM장치 160 : 스택부
170 : 저장부

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 폐기물을 소각하기 위한 고순도 산소를 이용한 소각 방법에 있어서,
    a) 상기 폐기물을 소각로에서 연소시키는 연소단계와,
    b) 상기 소각로와 연결되어 상기 폐기물 소각시 발생되는 배가스 내의 먼지 및 이물질을 여과하고 산성가스 및 수분을 제거하는 정화제습단계와,
    c) 상기 정화제습단계를 거친 상기 배가스 내의 이산화탄소를 CCS장치를 이용하여 포집하고 나머지 기체는 스택부로 이송시키는 이산화탄소 포집단계와,
    d) 상기 포집단계에서 포집된 이산화탄소의 전부 또는 일부를 상기 소각로에서 발생된 열을 이용하여 열교환부 내부로 순환시켜 고온의 이산화탄소가 되게 하는 열교환단계와,
    e) 상기 열교환단계에서 형성된 고온의 이산화탄소를 쓸개 가스(sweep gas)로 이용하여 ITM장치 내에서 세라믹 산소분리막을 활성화시키고 상기 활성화된 세라믹 산소분리막은 일측에서 유입되는 공기 중의 산소를 질소와 분리시키는 산소분리 단계와,
    f) 상기 산소분리 단계에서 발생된 산소 및 상기 쓸개 가스(sweep gas)로 이용된 이산화탄소를 상기 소각로에 공급하는 산소부화(富化) 공급단계를 포함하고,
    상기 e)단계에서 쓸개 가스(sweep gas)를 이용하여 상기 세라믹 산소분리막에서 투과되는 산소를 연속적으로 이송시켜주어 공기 측과 투과 측의 산소 농도차를 발생시켜 고순도 산소가 연속적으로 생산될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고순도 산소를 이용한 소각 방법.
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