KR101894992B1 - 폐자원재활용시스템 - Google Patents

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KR101894992B1
KR101894992B1 KR1020170088663A KR20170088663A KR101894992B1 KR 101894992 B1 KR101894992 B1 KR 101894992B1 KR 1020170088663 A KR1020170088663 A KR 1020170088663A KR 20170088663 A KR20170088663 A KR 20170088663A KR 101894992 B1 KR101894992 B1 KR 101894992B1
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김정일
김민선
유종식
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    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • B09B3/40—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless involving thermal treatment, e.g. evaporation
    • B09B3/45—Steam treatment, e.g. supercritical water gasification or oxidation
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Abstract

본 발명은 폐자원재활용시스템을 개시한다. 본 발명은, 원료투입기와, 상기 원료투입기에서 투입된 원료와 과열증기를 혼합하여 가연성가스를 생성하는 합성가스로와, 상기 합성가스로와 연결되며, 상기 합성가스로로부터 상기 원료를 공급 받아 상기 연소하여 연소가스를 생성하는 고온로와, 상기 고온로와 상기 합성가스로를 연결하며, 상기 고온로에서 발생한 연소가스에서 분진을 제거하여 외부로 배출하고, 제거된 분진은 상기 합성가스로로 공급하는 사이클론기를 포함한다.

Description

폐자원재활용시스템{Recycling system of scrapped material}
본 발명의 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폐자원재활용시스템에 관한 것이다.
화석연료 사용에 따른 연료의 부족으로 석유, 석탄 가격 상승이 되고 화석연료의 연소를 통해 유독물질, 미세먼지가 발생되어 지구온난화가 되어가는 실정 이므로 대부분의 국가는 CO2 배출량을 줄이기 위해 교토 의정서 조약을 체결했다.
일반적으로 산업 발전에 따른 난분해성 폐기물 증가, 수분 함유량이 높은 음식물 쓰레기, 축산 폐기물 등의 배출량 증대하고 있으나, 이들의 건조 및 소각처리의 비용, 공간의 한계에 직면함으로 인해 매립, 불법처리 방식이 이루어짐에 따라 토질, 지하수 등 오염, 폐기물을 건조 및 소각으로 인한 비용증가 문제점을 갖게 된다.　　
수분 함량이 높은 유기성 폐기물을 가스화기에 투입하기에는 원활한 주입, 혼합된 폐기물의 건조 및 연소 시 착화점의 차이로 인해 가스화 반응의 안정성을 해치는 문제도 발생된다.
본 발명의 실시예들은 폐자원재활용시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 원료투입기와, 상기 원료투입기에서 투입된 원료와 과열증기를 혼합하여 가연성가스를 생성하는 합성가스로와, 상기 합성가스로와 연결되며, 상기 합성가스로로부터 상기 원료를 공급 받아 상기 연소하여 연소가스를 생성하는 고온로와, 상기 고온로와 상기 합성가스로를 연결하며, 상기 고온로에서 발생한 연소가스에서 분진을 제거하여 외부로 배출하고, 제거된 분진은 상기 합성가스로로 공급하는 사이클론기를 포함하는 폐자원재활용시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 원료투입기 및 상기 합성가스로와 연결되며, 수분이 일정 수준 이상 함유된 원료를 공급 받고, 상기 합성가스로의 열을 공급받아 상기 원료의 수분을 제거하는 건조기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 건조기 및 상기 원료투입기와 연결되어 상기 원료의 수분에 따라 상기 건조기 또는 상기 원료투입기 중 하나로 상기 원료를 제공하는 선별기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 합성가스로와 연결되며, 상기 가연성가스에서 열을 분리하여 상기 열을 외부로 공급하는 제1 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 고온로와 연결되며, 상기 연소가스에서 열을 분리하여 상기 열을 외부로 공급하는 제2 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 열교환기와 연결되며, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 연소가스와 열교환을 통하여 생성된 수증기를 상기 합성가스로로 공급하는 수증기생성기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 폐자원을 활용하여 다양한 에너지를 생성할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 적은 에너지로 친환경 가스를 생산하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예들은 가스의 생성 시 발생하는 열을 회수하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐자원재활용시스템을 보여주는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 합성가스로와 고온로를 보여주는 개념도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐자원재활용시스템을 보여주는 개념도이다. 도 2는 도 1에 도시된 합성가스로와 고온로를 보여주는 개념도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 폐자원재활용시스템(10)은 원료투입장치(100), 합성가스로(200), 고온로(300), 사이클론기(400), 합성가스사용장치(500) 및 열회수장치(600)를 포함할 수 있다.
원료투입장치(100)는 원료공급기(110), 원료선별기(120), 운반장치(130), 투입기(140) 및 건조기(150)를 포함할 수 있다.
원료공급기(110)는 원료를 원료선별기(120)로 공급할 수 있다. 이때, 원료는 폐타이어, 폐플라스틱, 슬러지 등 산업폐기물, PET 병, 음식물 쓰레기 등과 같은 생활 폐기물, 분뇨, 축산 분뇨 등과 같은 축산 폐기물, 폐목재를 가공한 펠렛 등과 같은 폐자원일 수 있다. 이러한 경우 원료는 상기에 한정되는 것은 아니며, 수분의 제거 시 연소가 가능한 형태를 모두 포함할 수 있다.
원료선별기(120)는 원료를 수분의 함량(또는 함수율)을 따라 구별할 수 있다. 이때, 원료선별기(120)는 수분의 함량에 따라 원료를 구별하는 분류기를 포함할 수 있으며, 수분을 측정하는 센서를 포함하는 것도 가능하다.
원료선별기(120)는 원료에 포함된 수분의 함량이 일정 정도 이상인 원료와 일정 정도 이하인 원료로 구분할 수 있다. 예를 들면, 원료선별기(120)는 수분의 함량이 20%이상인 원료와 20% 미만인 원료를 구별할 수 있다. 이때, 수분의 함량이 20%미만인 원료는 PET, 폐플라스틱, 폐타이어, 펠렛 등일 수 있으며, 수분의 함량이 20%이상인 원료는 분뇨, 축산 분뇨, 슬러지, 음식물 쓰레기 등일 수 있다.
원료선별기(120)는 수분의 함량에 따라 원료를 각각 운반장치(130) 또는 건조기(150)로 공급할 수 있다. 예를 들면, 원료선별기(120)는 수분의 함량이 20%미만인 경우 원료를 운반장치(130)로 공급할 수 있다. 반면, 수분의 함량이 20% 이상인 경우 원료선별기(120)는 원료를 건조기(150)로 공급할 수 있다.
운반장치(130)는 원료를 투입기(140)로 공급할 수 있다. 이때, 운반장치(130)는 컨베이어벨트 등을 포함하여 원료를 이송할 수 있다. 다른 실시예로써 운반장치(130)는 스크류 형태로 형성되는 것도 가능하다.
투입기(140)는 운반장치(130)에 공급된 원료를 합성가스로(200)로 공급할 수 있다.
건조기(150)는 원료선별기(120)로부터 공급되는 원료를 건조시켜 투입기(140)로 공급할 수 있다. 이때, 건조기(150)는 고압의 수증기와 열을 가하여 원료를 건조시킬 수 있다. 이러한 경우 건조기(150)에서는 수열(hydrothermal) 기법에 의해 건조가 이루질 수 있다. 이때, 수열 기법은 추가로 스팀을 공급하여 각 폐기물 입자를 둘러싸고 있는 수분을 스팀이 파기하여 건조시키는 방법을 의미하며, 종래 물리적인 힘을 가하여 수분을 배출해내는 방법과는 상반되는, 오히려 스팀을 가하여 수분을 제거하는 방법이다. 즉, 고온·고압 건조 공정에서는 스팀에 의해 수분, 구체적으로는 물 분자를 파기한 다음, 자연·강제 통풍 건조 공정에서 파기된 상태의 물분자를 통풍시켜 건조하므로, 건조 공정의 효율을 향상시킬 수 있는 장점도 기대할 수 있다. 고온·고압 건조 공정에서는 열과 수증기를 이용하는데, 구체적으로는 150~ 200℃의 온도, 2~3 Mpa의 압력하에서 건조가 이루어질 수 있다.
합성가스로(200)는 투입기(140)로부터 공급되는 원료를 통하여 가연성가스를 생성할 수 있다. 구체적으로 합성가스로(200)에는 원료와 고온의 원료운동사(예를 들면, Silica sand 또는 감람석)가 공급되어 혼합될 수 있다. 이때, 원료운동사는 원료 자체의 열전달율을 높이고, 타르제거, 황제거를 도와줄 수 있다. 이러한 경우 원료운동사는 합성가스 조성 제어 등 목적에 따라 다양한 물질이 사용될 수 있다. 또한, 합성가스로(200)에는 과열증기(또는 수증기)를 혼합함으로써 원료가 열분해 가스화 됨으로써 가연성가스를 생성할 수 있다. 이때, 합성가스로(200) 내부의 원료는 온도가 낮아질 수 있으며, 타르를 생성할 수 있다.
고온로(300)는 합성가스로(200)와 이동관(210)을 통하여 연결될 수 있으며, 합성가스로(200)에서 가스화 반응이 끝난 연료, 원료운동사와 타르가 공급될 수 있다. 이때, 고온로(300)는 공기가 공급되어 연료 및 타르를 완전 연소시켜 연소가스를 생성할 수 있다.
사이클론기(400)는 고온로(300)에서 발생한 연소가스와 함께 유동하는 원료운동사의 일부 및 타르 중 적어도 하나를 제거하여 혼합가스로로 공급할 수 있다. 또한, 사이클론기(400)는 원료운동사 및 타르가 제거된 연소가스를 외부로 배출할 수 있다.
합성가스사용장치(500)는 다양한 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 합성가스사용장치(500)는 가연성가스를 통하여 전기를 생산하는 발전설비를 포함할 수 있다. 다른 실시예로써 합성가스사용장치(500)는 SNG생산, 피셔 트롭쉬 연료를 생산하는 설비를 포함하는 것도 가능하다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 합성가스사용장치(500)가 가연성가스를 통하여 전기를 생산하는 발전설비를 포함하는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
합성가스사용장치(500)는 제1 열교환기(510), 제1 가스필터(520), 제1 냉각기(530), 제1 수소분리기(540), 제1 가스엔진발전기(550) 및 제4 열교환기(560)를 포함할 수 있다.
제1 열교환기(510)는 합성가스로(200)에 연결되어 가연성가스와 외부의 열매체와 열교환을 수행할 수 있다. 이때, 외부의 열매체는 지역난방과 같은 곳에 사용될 수 있다.
제1 가스필터(520)는 제1 열교환기(510)에서 열교환된 가연성가스에서 제1 가스엔진발전기(550)에서 사용 가능한 형태의 가스를 제외한 다른 기체를 제거할 수 있다.
제1 냉각기(530)는 제1 가스필터(520)를 통과한 가연성가스를 냉각시킬 수 있다. 이때, 제1 냉각기(530)는 스크루버를 포함할 수 있으며, 약 섭씨 40도 정도로 정제냉각될 수 있다.
제1 수소분리기(540)는 제1 가스엔진발전기(550)로 가연성가스를 공급하며, 경우 따라 가연성가스 중 수소를 제거하여 제1 가스엔진발전기(550) 및 고온로(300) 중 적어도 하나로 공급할 수 있다. 이때, 제1 수소분리기(540)에서 분리된 수소는 가스분무세정기, 흡착기, 필터 등을 거쳐 PEM연료전지를 제조하는데 사용될 수 있다.
제1 가스엔진발전기(550)는 가연성가스를 공급받아 가연성가스를 연소시킴으로써 전기를 생산할 수 있다. 이때, 제1 가스엔진발전기(550)는 일반적인 터빈 등을 포함할 수 있다.
제4 열교환기(560)는 제1 가스엔진발전기(550)에서 발생하는 가스와 외부의 열매체와 열교환할 수 있다. 이때, 외부의 열매체는 산업단지에 열을 공급하거나 지역난방, 온수 공급 등 다양한 형태로 사용될 수 있다. 제4 열교환기(560)를 통과한 가스는 외부로 배출될 수 있다.
열회수장치(600)는 제2 열교환기(610), 수증기생성기(620), 기체가열기(630), 배기가스필터(640)를 포함할 수 있다.
제2 열교환기(610)는 고온로(300)에서 발생하는 연소가스를 외부의 열매체와 열교환시켜 연소가스를 냉각시킬 수 있다. 이때, 외부의 열매체는 상기에서 설명한 바와 같이 지역 난방, 산업단지, 온수 공급 등과 같이 외부에서 사용될 수 있다.
수증기생성기(620)는 제2 열교환기(610)를 통과한 연소가스를 통하여 수증기를 생성할 수 있다. 이때, 수증기생성기(620)는 연소가스와 물 사이에 열교환을 통하여 수증기를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 수증기는 합성가스로(200)로 공급될 수 있다. 특히 이러한 경우 버려지는 연소가스의 열을 사용하여 시스템에 필요한 열을 공급함으로써 전체 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.
기체가열기(630)는 수증기생성기(620)에서 토출되는 연소가스와 기체 사이의 열교환 또는 혼합을 통하여 공기의 온도를 상승시킬 수 있다. 이때, 기체가열기(630)는 온도가 상승한 공기를 고온로(300)로 공급함으로써 연소가스의 폐열을 회수할 수 있다.
배기가스필터(640)는 연소가스에서 분진과 타르 등을 제거할 수 있다. 이때, 배기가스필터(640)는 직물 형태 등을 포함함으로써 분진과 타르 등이 제거된 연소가스를 외부로 배출할 수 있다.
제3 열교환기(700)는 합성가스로(200)와 건조기(150) 사이에 배치되어 합성가스로(200)에서 생성된 열과 수증기 일부를 건조기(150)로 공급할 수 있다. 이때, 제3 열교환기(700)는 합성가스로(200)의 열을 온도 약 섭씨 150도 내지 섭씨 200도로 낮추어 건조기(150)로 공급할 수 있다. 이러한 경우 제3 열교환기(700)는 외부의 열매체와 열교환을 통하여 수증기 및 가연성가스의 온도를 낮출 수 있으며, 건조기(150)에서 사용된 수증기 및 가연성가스는 다시 합성가스로(200)로 유입될 수 있다.
한편, 상기와 같은 폐자원재활용시스템(10)의 작동을 살펴보면, 원료공급기(110)를 통하여 원료를 투입하면, 원료선별기(120)를 통하여 수분의 함량에 따라 원료를 운반장치(130) 또는 건조기(150)로 공급할 수 있다.
운반장치(130)는 원료를 투입기(140)로 원료를 공급할 수 있다. 반면, 건조기(150)는 제3 열교환기(700)로부터 공급되는 수증기 및 열을 통하여 원료를 건조시킬 수 있다. 이때, 건조된 연료는 건조기(150)에서 투입기(140)로 공급될 수 있으며, 건조기(150)의 수증기는 다시 합성가스로(200)로 공급될 수 있다.
투입기(140)는 원료를 합성가스로(200)로 공급할 수 있다. 이때, 합성가스로(200)는 원료, 원료운동사, 및 수증기생성기(620)에서 생성된 수증기를 혼합하여 가연성가스를 생성할 수 있다. 이러한 경우 합성가스로(200)는 초기 온도를 가스버너 등을 통하여 가열할 수 있으며, 무산소 상태에서 섭씨 800도 상태를 유지시킴으로써 가연성가스를 생성할 수 있다.
상기와 같이 생성된 가연성가스는 상기에서 설명한 바와 같이 합성가스사용장치(500)를 통과하면서 사용될 수 있다. 또한, 합성가스로(200)에서 사용되는 수증기 및 생성된 열은 제3 열교환기(700)를 통하여 온도가 낮아진 상태로 건조기(150)로 공급되어 원료를 건조시킬 수 있다.
합성가스로(200)에서 가연성가스가 생성되는 경우 원료의 온도는 낮아질 수 있으며, 원료, 원료운동사는 고온로(300)로 공급될 수 있다.
고온로(300)는 기체가열기(630)에서 가열된 공기, 원료를 혼합하여 원료를 연소시킬 수 있다. 이때, 고온로(300)는 초기 온도를 섭씨 900도 이상으로 높인 후 원료를 연소시킬 수 있다. 이러한 경우 원료는 완전 연소될 수 있으며, 반응 온도는 약 섭씨 970도 이상일 수 있다. 이때, 고온로(300)의 잔류물과 함께 있는 연료운동사는 고온이 될 수 있으며, 고온의 연료운동사는 다시 합성가스로(200)로 공급될 수 있다.
상기와 같이 원료가 연소되어 연소가스가 발생되면, 사이클론기(400)를 통과하면서 연소가스만 분리되어 열회수장치(600)로 공급될 수 있다. 이때, 열회수장치(600)는 연소가스를 통하여 다양한 열을 회수할 수 있으며, 외부에 필요한 열을 공급하거나 합성가스로(200)에 필요한 수증기 및 고온로(300)에 필요한 가열된 기체를 공급하기 위한 열을 공급할 수 있다.
따라서 폐자원재활용시스템(10)은 폐자원을 사용함에 있어 필요한 열을 회수하여 활용함으로써 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.
폐자원재활용시스템(10)은 폐자원으로부터 외부 발전 등에 필요한 가스를 생성함으로써 친환경 에너지를 생성하는 것이 가능하다.
폐자원재활용시스템(10)은 질소가스가 포함되지 않은 중 발열량의 합성가스(예를 들면, 발열량 2500Kcal/Nm3 내지 5000 Kcal/Nm3)를 생성하는 것이 가능하다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10: 폐자원재활용시스템
100: 원료투입장치
110: 원료공급기
120: 원료선별기
130: 운반장치
140: 투입기
150: 건조기
200: 합성가스로
210: 이동관
300: 고온로
400: 사이클론기
500: 합성가스사용장치
600: 열회수장치
700: 제3 열교환기

Claims (6)

  1. 원료가 투입되는 투입기;
    상기 투입기에서 투입된 상기 원료, 원료운동사와 과열증기를 혼합하여 가연성가스를 생성하는 합성가스로;
    상기 합성가스로와 연결되며, 상기 합성가스로로부터 상기 원료운동사, 상기 원료를 공급 받아 상기 원료를 연소시켜 연소가스를 생성하며, 상기 합성가스로로 상기 원료운동사를 공급하는 고온로; 및
    상기 고온로와 상기 합성가스로를 연결하며, 상기 고온로에서 발생한 연소가스에서 분진을 제거하여 상기 연소가스를 외부로 배출하고, 상기 연소가스가 제거된 분진을 상기 합성가스로로 공급하는 사이클론기;를 포함하는 폐자원재활용시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투입기 및 상기 합성가스로와 연결되며, 수분이 일정 수준 이상 함유된 원료를 공급 받고, 상기 합성가스로의 열을 공급받아 상기 원료의 수분을 제거하는 건조기;를 더 포함하는 폐자원재활용시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 건조기 및 상기 투입기와 연결되어 상기 원료의 수분에 따라 상기 건조기 또는 상기 투입기 중 하나로 상기 원료를 제공하는 원료선별기;를 더 포함하는 폐자원재활용시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 합성가스로와 연결되며, 상기 가연성가스에서 열을 분리하여 상기 열을 외부로 공급하는 제1 열교환기;를 더 포함하는 폐자원재활용시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고온로와 연결되며, 상기 연소가스에서 열을 분리하여 상기 열을 외부로 공급하는 제2 열교환기;를 더 포함하는 폐자원재활용시스템.
  6. 제 5 항에 있어서
    상기 제2 열교환기와 연결되며, 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 연소가스와 열교환을 통하여 생성된 수증기를 상기 합성가스로로 공급하는 수증기생성기;를 더 포함하는 폐자원재활용시스템.
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KR20000021029A (ko) * 1998-09-25 2000-04-15 이해규 폐기물 소각장치
KR20020048320A (ko) * 2002-03-16 2002-06-22 김환범 감람석을 사용한 폐플라스틱(hdpe, pp) 열분해 오일회수방법
JP2002210448A (ja) * 2001-01-23 2002-07-30 Miike Iron Works Co Ltd ごみ固形燃料化プラント
KR101167012B1 (ko) * 2009-12-31 2012-07-24 코오롱글로벌 주식회사 가연성폐기물 기체화시스템
KR101383320B1 (ko) * 2011-11-18 2014-04-14 한국전기연구원 수열기법과 에너지 회수 기법을 이용한 폐기물 에너지화 방법 및 그 시스템

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