KR102174941B1 - 유기성폐기물류의 비연소 연속 가열식 수소 및 카본 자원화장치 및 이를 이용한 자원화방법 - Google Patents
유기성폐기물류의 비연소 연속 가열식 수소 및 카본 자원화장치 및 이를 이용한 자원화방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 유기성폐기물류의 비연소 연속 가열식 수소 및 카본 자원화장치 및 이를 이용한 자원화방법에 관한 것으로서,
더욱 상세하게는, 재활용 또는 소멸처리가 제대로 이루어지지 않아 지구상에 지속적으로 쌓여감에 따라 온실가스 배출, 악취 발생 등의 문제를 야기하고, 매립 등의 처리 방식에 따른 동물 서식지 파괴의 생태적 피해, 폐기물의 침출수 및 우수 유출에 의한 주변 수역의 수질오염 등의 심각한 환경적 문제를 야기하는 생활쓰레기를 효과적으로 제거하고, 더욱이 이와 같은 생활쓰레기로부터 청정에너지인 수소와 카본(Carbon)을 회수할 수 있는 기술에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 재활용 또는 소멸처리가 제대로 이루어지지 않아 지구상에 지속적으로 쌓여감에 따라 온실가스 배출, 악취 발생 등의 문제를 야기하고, 매립 등의 처리 방식에 따른 동물 서식지 파괴의 생태적 피해, 폐기물의 침출수 및 우수 유출에 의한 주변 수역의 수질오염 등의 심각한 환경적 문제를 야기하는 생활쓰레기를 효과적으로 제거하고, 더욱이 이와 같은 생활쓰레기로부터 청정에너지인 수소와 카본(Carbon)을 회수할 수 있는 기술에 관한 것이다.
Description
본 발명은 유기성폐기물류의 비연소 연속 가열식 수소 및 카본 자원화장치 및 이를 이용한 자원화방법에 관한 것으로서,
더욱 상세하게는, 재활용 또는 소멸처리가 제대로 이루어지지 않아 지구상에 지속적으로 쌓여감에 따라 온실가스 배출, 악취 발생 등의 문제를 야기하고, 매립 등의 처리 방식에 따른 동물 서식지 파괴의 생태적 피해, 폐기물의 침출수 및 우수 유출에 의한 주변 수역의 수질오염 등의 심각한 환경적 문제를 야기하는 생활쓰레기를 효과적으로 제거하고, 더욱이 이와 같은 생활쓰레기로부터 청정에너지인 수소와 카본(Carbon)을 회수할 수 있는 기술에 관한 것이다.
분자구성이 기본적으로 탄소(C)와 수소(H)의 결합으로 구성된 폐플라스틱류, 폐비닐류, 폐합성수지류, 생활쓰레기, 유기성폐기물, 오니류, 동식물 협잡물을 포함하여 다량의 수분을 갖는 유기성폐기물류를 건조과정을 거친 후 비연소방식의 저온열분해를 통해 탄소와 수소사이의 사슬고리를 끊어서 분리하고, 이와 같은 과정을 통해 분리된 탄소슬러지는 별도의 정제 과정을 거쳐 상품화가 가능한 고품질의 카본(Carbon) 자원으로 회수하고, 기화된 수소(H)는 정제과정을 거쳐 불순물을 제거하여 순수 수소가스로 회수하며, 필요에 따라 이와 같이 회수된 순수 수소가스를 액화시킬 수 있다.
사람들이 일상 생활을 하면서 배출하는 생활폐기물의 양은 시간이 갈수록 증가 추세에 있다. 음식물 쓰레기를 포함하는 생활폐기물은 온실가스 배출, 악취 발생, 수질오염 등 환경적 문제뿐만 아니라 연간 수천억원의 처리비용 발생 등의 경제적으로도 많은 피해를 주고 있다. 국내의 경우, 버려지는 생활폐기물 중 상당부분이 소각, 매립, 해역 배출을 통해 처리된다.
매립 방식에 의한 처리의 경우, 1년 동안 우리나라 전체에서 발생하는 폐기물을 10m 깊이의 구덩이를 파고 모두 묻는다고 가정하면 해마다 대략 1400만㎡의 땅이 필요하다. 이는 여의도 면적의 5배 규모가 해마다 쓰레기 매립에 필요하다는 것을 의미한다. 현재 상당량의 생활폐기물이 매립되고 있다.
매립지는 폐기물의 침출수 및 우수 유출 가능성이 있어 주변 수역을 오염시킨다. 또한 매립지가 조성되면 쥐, 조류, 곤충 등이 대량 서식하게 되면서 위생 보건상 문제를 일으키고, 유해가스와 악취 발생 등의 환경오염 문제를 일으킨다.
이와 같이 지구 곳곳에 버려지고 있는 생활쓰레기로 인한 매립지 부족 문제와 환경오염, 경제적 손실 등의 문제를 해결할 수 있는 처리 기술의 보급이 시급한 실정이다.
본 발명에서는 이와 같이 사회적, 환경적, 경제적 많은 문제를 일으키고 있는 생활쓰레기를 효과적으로 제거하면서, 동시에 상기 생활쓰레기로부터 청정에너지인 수소와 카본(Carbon)을 회수할 수 있는 기술을 제시하고자 한다.
다음으로, 본 발명을 통해 생활폐기물로부터 회수하고자 하는 수소에 대한 일반적인 내용에 대해 살펴보도록 한다.
화석연료 '석유'는 전 세계 중요 자원이다. 최근 화석연료로 인한 환경오염 문제에 대한 우려와 화석연료 고갈을 대비한 신생에너지에 대한 요구가 커지면서, 수소가 주요 연료가 되는 '수소경제(hydrogen economy)'에 대한 관심이 커지고 있다.
상기 '수소경제'는 수소를 중요한 에너지원으로 사용하면서, 수소가 국가경제부터 국민생활, 사회전반에 근본적인 변화를 주면서 경제성장과 친환경 에너지원의 원천이 되는 미래 경제를 말한다.
'수소'는 연소하는 과정에서 극소량의 질소와 물만 생성되므로 오염물질을 배출하지 않고, 발전효율이 높아 대체 에너지원으로서의 성장 잠재력이 풍부한 미래 청정 에너지다. 또한, 수소 연료전지 자동차 보급 확대 등으로 수요도 점차 증가할 것으로 전망되면서 꼭 필요한 에너지원으로도 꼽히고 있다.
이와 같은 수소를 생산하는 방법에는 크게 3가지가 있다.
첫째. 물(H2O)를 전기분해하여 수소를 생산하는 방식.
둘째. 화석연료 기반 수소를 생산하는 방식.
셋째. 천연가스나 메탄가스로부터 수소를 생산하는 방식.
상기 첫번째 방식은 수소생산 과정에서 많은 전력사용의 문제가 있으며, 두번째 및 세번째 방식은 수소생산과정에서 이산화가스(CO2)와 같은 온실가스를 발생시키는 문제가 있다.
따라서 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 온실가스를 배출시키지 않으면서 효율적 생산이 가능한 방법이 제시되어야 한다. 본 발명에서는 후술하는 바와 같이 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 방법을 제시한다.
본 발명에서는 폐플라스틱류, 폐비닐류, 폐합성수지류, 생활쓰레기, 유기성폐기물, 오니류, 동식물 협잡물을 포함하는 유기성폐기물류로부터 수소를 회수할 수 있는 기술을 제시하고자 한다. 더욱 바람직하게는 폐비닐류부터 수소를 회수하고자 한다.
상기 유기성폐기물류를 이루는 석유화학제품에 대한 일반적인 기술 내용 중 본 발명과 관련된 내용에 대해 살펴보자.
석유화학제품이란, 석유 또는 천연가스로부터 만들어지는 가공품의 한 종류를 말한다. 합성수지, 합성섬유, 합성고무 등 종류가 무척 다양하다. 이를 이용한 플라스틱, 섬유 및 고무 가공산업 분야의 가공과정을 처쳐 비로소 우리의 일상생활 다양한 곳에 쓰이는 제품으로 제공된다.
석유화학제품이 만들어지는 과정은 너무나 복잡하지만 간단하게 설명하면 다음과 같다.
가장 먼저 정유공장에서 원유 정제의 과정을 거친다.
그리고 증류탑에서 -30 ℃부터 -1 ℃는 LPG, 30 ℃에서 180 ℃까지는 휘발유나 나프타, 이후 온도에 따라 항공유, 등유, 경유, 중유, 아스팔트 등으로 구분되어 만들어지게 된다. 이렇게 기초적인 연료 단계로 분류 되면 본격적인 석유화학산업에 이용된다.
이들 중 석유화학 연료인 나프타는 석유화학산업에서 중요한 주원료이다.
원유로부터 증류된 나프타는 나프타분해(NCC)에 의해 생기는 에틸렌, 프로필렌, 부탄, 부틸렌, 유분, 방향족 등에서 많은 석유화학 반응을 거쳐 합성수지, 합성고무, 합성섬유 등이 제조된다. 미국에서는 풍부하게 산출되는 천연가스에서 분리되는 에탄·프로판 유분 및 정유공장 폐가스도 주로 석유화학 연료로 사용된다.
석유화학의 기초가 되는 에틸렌(폴리에틸렌과 폴리스틸렌의 원료), 프로필렌(폴리프로필렌의 원료), 부탄·부틸렌(합성고무의 원료) 등의 성분을 얻을 수 있다. 에틸렌으로부터는 폴리에틸렌과 폴리스틸렌, 프로필렌으로부터는 폴리프로필렌, 부탄과 부틸렌으로부터는 합성고무 등의 석유화학제품이 생산된다. 나프타의 가장 중요한 용도는 내연기관용 연료로 사용되는 것이며, 이외에도 도시가스용 연료로도 사용된다.
폴리에틸렌은 용도에 따라 저밀도에서 고밀도까지 다양하게 만들어지는데 포장재, 건축자재, 전선 절연재, 장난감 등 산업전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.
우선 에틸렌, 부타디엔, 프로필렌, BTX 등의 기초 유분과 P-X, VCM, SM 등의 중간 원료가 만들어지고 이후 크게 합성수지, 합성원료, 합성고무, 기타화학제품 등으로 재분류가 이루어지는 것이다.
합성수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스트렌, ABS, PVC 등을 말하며 이루 가공의 단계를 거쳐 플라스틱을 기반으로 한 제품의 생산에 사용되게 된다.
AN, DMT, EG, TPA 등의 합성원료는 이후 섬유산업의 가공단계를 거쳐 모자, 가방, 의류 등의 제품으로 생산되며, SBR, BR, SB-Latex 등의 합성고무는 고무 산업의 가공단계를 지나 타이어, 신발 등 역시 다양한 제품으로 바뀌게 된다.
마지막 기타화학제품의 경우 MDI, TD, PPG, 초산에틸, 카본블렉, 석유수지, 페놀/아세톤 등으로 구성되며 이후 가공을 통해 페인트, 접착제, 세제, 화장품 등 일상 생활의 수많은 분야의 제품으로 재탄생하게 된다.
이러한 생활의 각 분야에 밀접하게 사용되는 석유화학(유화) 제품들은 1회성 또는 수회 사용하고 쓰레기로 둔갑해서 버려져 현재 지구는 쓰레기 대란으로 인류 및 생태계의 위협이 되고 있다.
이런 플라스틱은 석탄연료 즉 탄화수소에 의해 만들어지며 기초 원료가 되는 에틸렌이나 프로필렌, 스티렌 등 모든 물질 등의 분자구성은 탄소와 수소로 이루어져 있다.
즉 탄소(C) 수와 수소(H) 수의 구조에 의해서 구성된다. 에틸렌으로 가공된 폴리에틸렌은 C2H4와 같은 탄소 2개와 수소 4개로 결합되게 된다. 모든 석유화학 제품들의 기본 분자구조는 탄소와 수소의 개수에 의해 결정되어 구성된다.
이와같이 생활쓰레기인 폐플라스틱이나 폐비닐류, 음식물쓰레기 등은 분자구성이 기본적으로 탄소와 수소로 구성된다.
앞서 살펴본 바와 같이, 기존의 수소생산시스템은 대개가 물(H2O) 전기분해, LNG, 천연가스, 바이오가스(메탄) 등에서 수소를 생산하고 있다.
현재 천연가스(LNG)로 가장 많이 수소를 생산하고 있다. 천연가스는 수소와 탄소를 주성분으로 하여 탄소와 수소의 사슬고리로 형성되어 있다.
이들 사슬고리를 고열로 분해해서 끊어지면 분리되어 수소만 생산되고 이때 남은 탄소는 물이나 공기의 산소와 결합하게 되어 다량의 이산화탄소(CO2)가 발생한다.
즉, 수소생산시 발생되는 탄소는 이산화탄소(CO2)를 생성시켜 지구온난화 등의 지구오염 문제점를 발생시킨다. 이는 수소에너지 사업화의 부정적인 큰 문제점으로 남아 있다. 수소생산에 따른 흑과 백의 양면성이라 할수 있다.
본 발명은 기존 수소생산방식인 물(H2O)을 이용하는게 아니라 폴리에틸렌(C2H4) 등 버려지는 생활쓰레기의 대부분이 석유에서 응용생산된 유기성물질이라는 점에 착안한 발명이다.
이들 생활쓰레기는 그대로 방치하면 심각한 쓰레기 폐기물이 되나, 이들 생활쓰레기가 대개 탄소(C)와 수소(H) 원소로 구성되어 있어, 이들을 열로 분해하게 되면 구성물 중에 25 ~ 45 %는 탄소슬러지로 제거되어 별도의 정제과정을 거쳐 상품화할 수 있는 고품질의 카본(Carbon)으로 수거되고, 열분해 과정에서 발생되어 증발된 수소가 주성분인 가스는 정제함으로써 순수 수소가스를 회수할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 탄화수소의 성분이 많은 폐플라스틱이나 유기성 폐기물들에서 수소를 회수 할 수 있는 최고의 효율적인 기술을 제시하고자 하는 것으로서, 지구상에서 없애야하는 폐기물들에 포함되어 있는 다량의 수소와 탄소를 자원화하기 위한 본 발명과 같은 생산 기술의 보급이 시급한 실정이다.
본 발명은 재활용 또는 소멸처리가 제대로 이루어지지 않아 지구상에 지속적으로 쌓여감에 따라 온실가스 배출, 악취 발생 등의 문제를 야기하고, 매립 등의 처리 방식에 따른 동물 서식지 파괴의 생태적 피해, 폐기물의 침출수 및 우수 유출에 의한 주변 수역의 수질오염 등의 심각한 환경적 문제를 야기하는 생활쓰레기를 효과적으로 제거하고, 더욱이 이와 같은 생활쓰레기로부터 청정에너지인 수소와 카본(Carbon)을 회수할 수 있는 기술을 제공하고자 하는 것으로서,
분자구성이 기본적으로 탄소(C)와 수소(H)의 결합으로 구성된 폐플라스틱류, 폐비닐류, 폐합성수지류, 생활쓰레기, 유기성폐기물, 오니류, 동식물 협잡물을 포함하여 다량의 수분을 갖는 유기성폐기물류를 건조과정을 거친 후 비연소방식의 저온열분해를 통해 탄소와 수소사이의 사슬고리를 끊어서 분리하고, 이와 같은 과정을 통해 분리된 탄소슬러지는 별도의 정제 과정을 거쳐 상품화가 가능한 고품질의 카본(Carbon) 자원으로 회수하고, 기화된 수소(H)는 정제과정을 거쳐 불순물을 제거하여 순수 수소가스로 회수하며, 필요에 따라 이와 같이 회수된 순수 수소가스를 액화시킬 수 있는, 유기성폐기물류의 비연소 연속 가열식 수소 및 카본 자원화장치 및 이를 이용한 자원화방법을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 폐플라스틱류, 폐비닐류, 폐합성수지류, 생활쓰레기, 유기성폐기물, 오니류, 동식물 협잡물을 포함하는 유기성폐기물류와 분해 활성화촉매를 함께 투입한 후 120 ~ 200 ℃로 가열하여 상기 유기성 폐기물을 탈수 및 멸균처리하는 전처리부;
상기 전처리부의 하단부 일측과 관통하도록 설치되어,
상기 전처리부로부터 유입되는 유기성 폐기물류를 350 ~ 400 ℃에서 열분해하여 유기성폐기물류를 구성하는 분자 구조 내의 탄소와 수소간의 결합을 끊어 탄소슬러지와 수소(H)로 분리하는 열분해부;
상기 열분해부의 하단부에 일측이 관통되도록 설치되어,
상기 열분해부의 열분해 과정에서 분리된 탄소슬러지를 냉각시킨 후 외부로 배출하는 탄화물냉각기;
상기 전처리부 및 열분해부와 관으로 연결되어,
상기 전처리부 및 열분해부에서 발생된 수소함유가스에 포함되어 있는 황, 질소 및 염소를 제거하는 촉매필터부;
상기 촉매필터부와 관으로 연결되어,
상기 촉매필터부를 거친 수소함유가스에 남아 있는 황, 질소 및 염소를 포함하는 잔류불순물을 완전히 제거하여 순수 수소가스를 회수하고, 상기 순수 수소가스를 가열하여 500 ~ 550 ℃로 승온시켜 H2 기체 상태의 순수 수소로 분리하는 팔라듐필터부;
상기 팔라듐필터부와 관으로 연결되어,
상기 팔라듐필터부를 거친 H2 기체 상태의 순수 수소를 회수하여 저장하는 순수수소가스회수탱크;를 포함하는, 유기성폐기물류의 비연소 연속 가열식 수소 및 카본 자원화장치를 제공한다.
그리고,
본 발명은 폐플라스틱류, 폐비닐류, 폐합성수지류, 생활쓰레기, 유기성폐기물, 오니류, 동식물 협잡물을 포함하는 유기성폐기물류를 120 ~ 200 ℃로 가열하여 유기성 폐기물 내에 포함되어 있는 수분을 제거하고 세균을 사멸시키는 탈수 및 멸균처리단계(S10)와,
상기 S10 단계를 거친 유기성 폐기물을 350 ~ 400 ℃로 간접가열하여 유기성폐기물류를 구성하는 분자 구조 내의 탄소와 수소의 결합을 끊어 탄소슬러지와 수소로 열분해하는 단계(S20)와,
상기 S20 단계를 거쳐 생성된 탄소슬러지는 냉각처리후 외부로 배출하고, 수소를 함유하는 가스를 필터처리하여 황, 질소 및 염소를 제거하는 가스정제단계(S30)와,
상기 S30 단계를 거친 수소함유가스에 포함되어 있는 잔류 황, 질소 및 염소를 제거하고 순수 수소가스를 회수하고, 상기 순수 수소가스를 재가열하여 500 ~ 550 ℃로 승온시켜 H2 기체 상태의 순수 수소로 분리하는 수소가스회수단계(S40)를 포함하는, 유기성폐기물류의 비연소 연속 가열식 수소 및 카본 자원화방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유기성폐기물류의 비연소 연속 가열식 수소 및 카본 자원화장치 및 이를 이용한 자원화방법은 다음의 효과를 갖는다.
첫째. 심각한 환경 문제와 함게 사회적, 경제적 문제를 일으키는 생활폐기물을 효과적으로 제거할 수 있는 기술을 제공함과 동시에 상기 생활폐기물로부터 청정에너지인 수소와, 탄소(Carbon)를 회수할 수 있는 기술을 제공함으로써, 높은 환경개선 효과를 가지면서 에너지자원 확보가 동시에 가능하다는 장점을 갖는다.
둘째. 폐플라스틱류, 폐비닐류, 폐합성수지류, 생활쓰레기, 유기성폐기물, 오니류, 동식물 협잡물을 포함하여 수분을 다량 함유하고 있는 유기성폐기물류의 생활쓰레기를 1차 건조하여 수분을 제거한 후, 유기성폐기물류를 구성하는 탄소와 수소로 연결된 분자구조의 사슬고리를 간접가열 방식을 통해 끊어 탄화물과 수소가스를 효과적으로 분리, 여과회수 할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소회수장치의 전체 개략도.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 수소회수장치의 전체 개략도.
도 3은 본 발명과 관련된 석유화학제품을 구성하는 석유의 분자구조를 도시한 도면.
도 4는 본 발명과 관련된 폐비닐이나 폐플라스틱류의 원료로 사용되는 에테인(Ethane, C2H6), 에텐(에틸렌)(Ethene(Ethylene), C2H4), 프로페인(Propane, C3H8), 프로펜(프로필렌)(Propene(Propylene), C3H6)의 분자구조를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 수소회수장치의 전체 상세도.
도 6은 본 발명에 따른 수소회수장치를 구성하는 전처리부의 정면도로서, 나선형 이송기가 1기만 설치되는 단독형(a)과, 2기의 나선형 이송기 2기가 설치되는 커플형(b)을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 수소회수장치의 수소회수과정 중에 분리배출되어 회수되는 탄소(Carbon)를 예시적으로 보인 사진.
도 8은 본 발명에 따른 수소회수장치를 구성하는 팔라듐필터부의 구조 및 정제원리를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 수소회수장치의 전체 개략도.
도 3은 본 발명과 관련된 석유화학제품을 구성하는 석유의 분자구조를 도시한 도면.
도 4는 본 발명과 관련된 폐비닐이나 폐플라스틱류의 원료로 사용되는 에테인(Ethane, C2H6), 에텐(에틸렌)(Ethene(Ethylene), C2H4), 프로페인(Propane, C3H8), 프로펜(프로필렌)(Propene(Propylene), C3H6)의 분자구조를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 수소회수장치의 전체 상세도.
도 6은 본 발명에 따른 수소회수장치를 구성하는 전처리부의 정면도로서, 나선형 이송기가 1기만 설치되는 단독형(a)과, 2기의 나선형 이송기 2기가 설치되는 커플형(b)을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 수소회수장치의 수소회수과정 중에 분리배출되어 회수되는 탄소(Carbon)를 예시적으로 보인 사진.
도 8은 본 발명에 따른 수소회수장치를 구성하는 팔라듐필터부의 구조 및 정제원리를 도시한 개략도.
이하, 본 발명에 따른 유기성폐기물류의 비연소 연속 가열식 수소 및 카본 자원화장치 및 이를 이용한 자원화방법의 기술 구성을 도면과 함께 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명에 따른 수소회수장치(1)는 두 가지 실시형태로 제시될 수 있다.
첫번째 형태의 수소회수장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이,
폐플라스틱류, 폐비닐류, 폐합성수지류, 생활쓰레기, 유기성폐기물, 오니류, 동식물 협잡물을 포함하는 유기성폐기물류와 분해 활성화촉매를 함께 투입한 후 120 ~ 200 ℃로 가열하여 상기 유기성 폐기물을 탈수 및 멸균처리하는 전처리부(10);
상기 전처리부(10)의 하단부 일측과 관통하도록 설치되어,
상기 전처리부(10)로부터 유입되는 유기성 폐기물을 350 ~ 400 ℃에서 열분해하여 유기성폐기물류를 구성하는 분자 구조 내의 탄소와 수소간의 결합을 끊어 탄소슬러지와 수소(H)로 분리하는 열분해부(20);
상기 열분해부(20)의 하단부에 일측이 관통되도록 설치되어,
상기 열분해부(20)의 열분해 과정에서 분리된 탄소슬러지를 냉각시킨 후 외부로 배출하는 탄화물냉각기(30);
상기 전처리부(10) 및 열분해부(20)와 관으로 연결되어,
상기 전처리부(10) 및 열분해부(20)에서 발생된 수소함유가스에 포함되어 있는 황, 질소 및 염소를 제거하는 촉매필터부(40);
상기 촉매필터부(40)와 관으로 연결되어,
상기 촉매필터부(40)를 거친 수소함유가스에 남아 있는 황, 질소 및 염소를 포함하는 잔류불순물을 완전히 제거하여 순수 수소가스를 회수하고, 상기 순수 수소가스를 가열하여 500 ~ 550 ℃로 승온시켜 H2 기체 상태의 순수 수소로 분리하는 팔라듐필터부(50);
상기 팔라듐필터부(50)와 관으로 연결되어,
상기 팔라듐필터부(50)를 거친 H2 기체 상태의 순수 수소를 회수하여 저장하는 순수수소가스회수탱크(60);를 포함한다.
두번째 형태의 수소회수장치(1)는 도 2에 도시된 바와 같이,
폐플라스틱류, 폐비닐류, 폐합성수지류, 생활쓰레기, 유기성폐기물, 오니류, 동식물 협잡물을 포함하는 유기성폐기물류와 분해 활성화촉매를 함께 투입한 후 120 ~ 200 ℃로 가열하여 상기 유기성 폐기물을 탈수 및 멸균처리하는 전처리부(10);
상기 전처리부(10)의 하단부 일측과 관통하도록 설치되어,
상기 전처리부(10)로부터 유입되는 유기성 폐기물을 350 ~ 400 ℃에서 열분해하여 유기성폐기물류를 구성하는 분자 구조 내의 탄소와 수소간의 결합을 끊어 탄소슬러지와 수소(H)로 분리하는 열분해부(20);
상기 열분해부(20)의 하단부에 일측이 관통되도록 설치되어,
상기 열분해부(20)의 열분해 과정에서 분리된 탄소슬러지를 냉각시킨 후 외부로 배출하는 탄화물냉각기(30);
상기 전처리부(10) 및 열분해부(20)와 관으로 연결되어,
상기 전처리부(10) 및 열분해부(20)에서 발생된 수소함유가스에 포함되어 있는 황, 질소 및 염소를 제거하는 촉매필터부(40);
상기 촉매필터부(40)와 관으로 연결되어,
상기 촉매필터부(40)를 거친 수소함유가스에 남아 있는 황, 질소 및 염소를 포함하는 잔류불순물을 완전히 제거하여 순수 수소가스를 회수하고, 상기 순수 수소가스를 가열하여 500 ~ 550 ℃로 승온시켜 H2 기체 상태의 순수 수소로 분리하는 팔라듐필터부(50);
상기 팔라듐필터부(50)와 관으로 연결되어,
상기 팔라듐필터부(50)를 거친 H2 기체 상태의 순수 수소를 회수하여 저장하는 순수수소가스회수탱크(60);
상기 순수수소가스회수탱크(60)와 관으로 연결되어,
상기 순수수소가스회수탱크(60)로부터 공급되는 H2 기체 상태의 순수 수소를 액화하여 저장하는 액화수소저장탱크(70);를 포함한다.
본 발명에 따른 핵심 기술은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 탄소와 수소가 결합된 분자구조로 이루어진 폐비닐이나 폐플라스틱류의 생활쓰레기를 간접가열방식의 열분해과정을 통해, C2H6, C2H4, C3H8, C3H6을 탄소슬러지와 수소(H)로 분리한 다음 상기 탄소슬러지는 별도의 정제과정을 거쳐 상품화가 가능한 고품질의 카본(Carbon)으로 회수하고, 상기 수소(H)를 포함하는 수소류가스는 정제 및 재가열과정을 거침으로써 H2의 순수 수소가스를 회수하는데 있다.
상기 도 3은 본 발명과 관련된 석유화학제품을 구성하는 석유의 분자구조를 도시한 것이며, 도 4는 본 발명과 관련된 폐비닐이나 폐플라스틱류의 원료로 사용되는 에테인(Ethane, C2H6), 에텐(에틸렌)(Ethene(Ethylene), C2H4), 프로페인(Propane, C3H8), 프로펜(프로필렌)(Propene(Propylene), C3H6)의 분자구조를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이 폐비닐이나 폐플라스틱류는 탄소 원자와 수소 원자의 결합 수에 따라 성상이 바뀌며, 이와 같은 여러 성상으로 존재하는 분자구조에서 탄소(C)를 분리하면 H2 ~ H6의 여러 수소분자의 모양이 발생하게 된다.
이와 같은 순수수소 회수기술은, 효과적인 처리 방안이 제시되지 않아 환경적으로 문제가 되고 있는 생활쓰레기를 효과적으로 처리할 수 있는 방안을 제시하면서, 청정 에너지인 수소가스를 회수하는 과정에서 지구온난화 문제를 일으키는 이산화탄소(CO2)를 전혀 배출하지 않는다는 강점을 갖는다.
폐비닐이나 플라스틱류를 포함하는 생활쓰레기의 열분해를 통해 생성되는 탄소슬러지 및 수소는 성상과 품질에 따라 다소 차이는 있으나 평균적으로 중량 기준으로, 상기 탄소슬러지는 25 ~ 45 %가 생산되고, 수소가스는 55 ~ 75 %가 생산된다.
열분해과정에서 생성되는 수소가스는 대부분 순수수소로 이루어지나, 황, 질소 및 염소가 일부 포함되어 있다. 따라서 분리된 탄소슬러지를 별도로 수거하고 수소류 가스는 탈염, 탈황 및 탈질과정을 거친 후 팔라듐 필터처리 과정을 거쳐 H2의 순수 수소가스를 회수하게 된다.
이하, 상기 수소회수장치(1)를 구성하는 각부 구성에 대해 상세히 살펴보도록 한다.
[ 전처리부(10) ]
상기 전처리부(10)는 제1투입구(111)를 통해 분해 활성화촉매와 함께 투입되는 폐플라스틱류, 폐비닐류, 폐합성수지류, 생활쓰레기, 유기성폐기물, 오니류, 동식물 협잡물을 포함하는 유기성폐기물류를 120 ~ 200 ℃로 가열하여 탈수 및 멸균처리하는 역할을 한다.
상기 전처리부(10)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이,
일측 상단에 설치되는 제1투입구(111)와 일측 하단에 설치되는 제1배출구(112)를 포함하는 2중관 구조의 제1탱크(11)와,
상기 제1탱크(11) 내부의 길이방향 중심축에 설치되어 감압모터(12a)에 의해 구동되는 제1나선형 이송기(12)와,
상기 제1탱크(11)의 2중관 구조를 이루는 내부관(11a)과 외부관(11b) 사이에 열풍을 공급하는 로터리버너(13)를 포함한다.
이때, 상기 제1투입구(111)에는 슬라이드밸브(112a)가 설치되고,
상기 제1나선형 이송기(12)는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 나선형 이송기가 1기만 설치되는 단독형이거나 또는 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 2기의 나선형 이송기가 설치되어 서로 맞닿는 방향으로 회전하는 커플형 중 선택하여 적용할 수 있다.
상기 유기성폐기물류와 함께 투입되는 분해 활성화촉매는 생석회(CaO) 40.0 ~ 60.0 wt%와 제올라이트 40.0 ~ 60.0 wt%로서, 유기성폐기물류와 함께 투입됨으로써 이후 열분해과정에서 탄소와 수소간의 연결 고리를 보다 쉽게 끊어질수 있도록 도와줌으로써, 탄소와 수소의 분리가 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기 생석회는 칼슘의 산화물인 산화 칼슘(CaO)로서, 탄산 칼슘(CaCO3)을 공기가 차단된 상태에서 가열하면 이산화탄소(CO2)를 잃으며 생성된다.
상기 제올라이트(Zeolite)는 알루미늄 산화물과 규산 산화물의 결합으로 생겨난 음이온을 알칼리 금속 및 알카리 토금속이 결합되어 있는 광물을 총칭한다. 제올라이트는 그 결정구조 내에 있는 양이온의 작용에 의해 불포화 탄화수소나 극성물질을 선택적으로 강하게 흡착하는 성질을 갖는다
상기 전처리부(10)에서는 제1탱크(11) 내부로 투입된 유기성폐기물류에 포함되어 있는 수분을 제거하고 각종 유해균을 사멸시킨다.
상기 수분 제거는 이후 열분해과정을 통한 수소 생성과정에서 물(H2O)로부터 분해되는 산소가 탄소와 결합되어 이산화탄소가 발생되는 것을 차단하기 위한 것이다.
[ 열분해부(20) ]
상기 열분해부(20)는 상기 전처리부(10)로부터 유입되는 유기성 폐기물을 350 ~ 400 ℃로 간접가열하여 열분해함으로써, 유기성폐기물류를 구성하는 분자 구조 내의 결합을 끊어 탄소슬러지와 수소로 분리하는 역할을 한다.
상기 열분해부(20)는 전처리부(10)로부터 유기성폐기물이 유입되는 제2투입구(211)와, 일측 하단에 설치되는 제2배출구(212)를 포함하는 2중관 구조의 제2탱크(21)와,
상기 제2탱크(21) 내부의 길이방향 중심축에 설치되어 감압모터(22a)에 의해 구동되는 제2나선형 이송기(22)와,
상기 제2탱크(21)의 2중관 구조를 이루는 내부관(21a)과 외부관(21b) 사이에 설치되는 전기발열체(23)를 포함한다.
이때, 상기 제2배출구(212)에는 슬라이드밸브(212a)가 설치된다.
상기 열분해부(20)는 탄화수소로 이루어진 유기성폐기물를 열분해함으로써 탄소와 수소간의 연결 고리를 끊고, 이때 분리된 탄소슬러지는 냉각과정을 거쳐 별도 배출하고, H2 ~ H6의 여러 수소분자를 포함하는 가스상태의 수소함유가스는 관을 통해 이송되어 필터에 의한 정제과정을 거치게 된다.
[ 탄화물냉각기(30) ]
상기 탄화물냉각기(30)는 열분해부(20)의 열분해 과정에서 분리된 탄소슬러지를 냉각시킨 후 외부로 배출하는 역할을 한다.
상기 탄화물냉각기(30)는 열분해부(20)로부터 탄화물이 유입되는 제3투입구(311)와, 일측 하단에 설치되는 제3배출구(312)를 포함하는 2중관 구조의 제3탱크(31)와,
상기 제3탱크(31) 내부의 길이방향 중심축에 설치되어 감압모터(32a)에 의해 구동되는 제3나선형 이송기(32)와,
상기 제3탱크(31)의 2중관 구조를 이루는 내부관(31a)과 외부관(31b) 사이에 냉풍을 공급하는 송풍기(33)를 포함한다.
[ 촉매필터부(40) ]
상기 촉매필터부(40)는 상기 열분해부(20)의 열분해과정 중에 가스로 증발되어 이송된 수소함유가스에 포함되어 있는 황, 질소 및 염소를 제거하는 역할을 한다.
상기 촉매필터부(40)는 도 5에 도시된 바와 같이, 탈염필터(401), 탈황필터(402), 탈질필터(403)로 구성되는 필터로서, 상기 수소함유가스는 상기 필터를 순차적으로 통과함으로써 상당량의 황, 질소 및 염소가 제거된 상태로 배출된다.
[ 팔라듐필터부(50) ]
상기 팔라듐필터부(50)는 팔라듐필터(502)의 전단부에 가열수단(501)을 설치하여 상기 촉매필터부(40)를 거쳐 이송되는 수소함유가스의 온도를 500 ~ 550 ℃로 높여 H2 ~ H6의 여러 수소분자를 이루는 수소와 수소간의 결합상태를 끊어 H와 H로 분리하여 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 팔라듐필터를 통과하는 산소투과 용해-확산 메커니즘을 통해 H2 상태의 순수 수소만 회수된다.
즉, 상기 촉매필터부(40)를 거친 수소함유가스에 남아 있는 잔류 황, 질소 및 염소의 잔류불순물을 완전히 제거하여 H2 상태의 순수 수소만 회수한다.
이때 상기 제시된 온도범위까지 승온시켜야 H2 ~ H6의 여러 수소분자구조를 이루고 있는 수소와 수소간의 연결고리를 끊어 H와 H로 분리시켜 상기 팔라듐필터를 원활하게 통과할 수 있으므로, 상기 팔라듐필터(501)의 전단부에서 승온시키는 과정이 중요하다.
또한 상기 팔라듐필터를 거쳐 최종적으로 H2의 분자구조를 갖는 순수 수소가스를 회수하기 위해서는 500 ~ 550 ℃로 올려야 하나, 열분해부(20)를 통해 배출되는 가스의 온도가 평균 400 ℃ 이상을 유지하게 되므로, 상기 가열수단(501)을 통해서는 약 100 ℃ 정도의 온도만 승온시키면 되기 때문에, 상기 열분해부(20)와 연계되어 여과과정을 거침으로써 에너지 절감효과 또한 가질 수 있다.
상기 팔라듐필터는 팔라듐(Pd)을 대신하여, Ti, Zr, Ni, Cu, Fe 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상을 사용할 수도 있다.
[ 수소가스회수탱크(60) ]
상기 수소가스회수탱크(60)는 상기 팔라듐필터부(50)를 거쳐 회수된 H2 상태의 순수 수소가스를 저장하는 용기이다.
[ 액화수소저장탱크(70) ]
상기 액화수소저장탱크(70)는 상기 수소가스회수탱크(60)의 후단부에 부가적으로 구성할 수 있는 구성으로서, H2 상태의 순수 수소가스스를 액화시킴으로써 기체상태와 비교하여 체적을 1/100로 줄여 수소가스를 이송하는데 사용되는 비용을 현저히 저감시킬 수 있도록 한다.
본 발명은 심각한 환경 문제와 함게 사회적, 경제적 문제를 일으키는 생활폐기물을 효과적으로 제거할 수 있는 기술을 제공함과 동시에 상기 생활폐기물로부터 청정에너지인 수소와, 탄소(Carbon)를 회수할 수 있는 기술을 제공함으로써 높은 환경개선 효과를 가지면서 에너지자원 확보가 동시에 가능하다는 장점을 가지며,
종래 수소 생산방식과 비교하여 볼 때 수소 생산과정에서 지구온난화의 문제를 발생시키는 이산화탄소(CO2)를 전혀 발생시키지 않으면서, 폐플라스틱류, 폐비닐류, 폐합성수지류, 생활쓰레기, 유기성폐기물, 오니류, 동식물 협잡물을 포함하는 유기성폐기물류의 생활쓰레기를 구성하는 탄소와 수소로 연결된 분자구조의 사슬고리를 간접가열 방식을 통해 끊어 탄화물과 순수 수소가스를 효과적으로 분리회수 할 수 있기 때문에 산업상 이용가능성이 크다.
1 : 수소회수장치
10: 전처리부
20: 열분해부
30: 탄화물냉각기
40: 촉매필터부
50: 팔라듐필터부
60: 순수수소가스회수탱크
10: 전처리부
20: 열분해부
30: 탄화물냉각기
40: 촉매필터부
50: 팔라듐필터부
60: 순수수소가스회수탱크
Claims (8)
- 폐플라스틱류, 폐비닐류, 폐합성수지류, 생활쓰레기, 유기성폐기물, 오니류, 동식물 협잡물을 포함하는 유기성폐기물류와 분해 활성화촉매를 함께 투입한 후 120 ~ 200 ℃로 가열하여 상기 유기성 폐기물을 탈수 및 멸균처리하는 전처리부(10);
상기 전처리부(10)의 하단부 일측과 관통하도록 설치되어 상기 전처리부(10)로부터 유입되는 유기성 폐기물을 350 ~ 400 ℃에서 열분해하여 유기성폐기물을 구성하는 분자 구조 내의 탄소와 수소간의 결합을 끊어 탄소슬러지와 수소(H)로 분리하는 열분해부(20);
상기 열분해부(20)의 하단부에 일측이 관통되도록 설치되어 상기 열분해부(20)의 열분해 과정에서 분리된 탄소슬러지를 냉각시킨 후 외부로 배출하는 탄화물냉각기(30);
상기 전처리부(10) 및 열분해부(20)와 관으로 연결되어 상기 전처리부(10) 및 열분해부(20)에서 발생된 수소함유가스에 포함되어 있는 황, 질소 및 염소를 제거하는 촉매필터부(40);
상기 촉매필터부(40)와 관으로 연결되어 상기 촉매필터부(40)를 거친 수소함유가스에 남아 있는 황, 질소 및 염소를 포함하는 잔류불순물을 완전히 제거하여 순수 수소가스를 회수하되, 팔라듐필터의 전단부에 설치되는 가열수단(501)과 팔라듐필터(502)를 포함하는 팔라듐필터부(50);
상기 팔라듐필터부(50)와 관으로 연결되어,
상기 팔라듐필터부(50)를 거친 H2 기체 상태의 순수 수소를 회수하여 저장하는 순수수소가스회수탱크(60);를 포함하는 것에 있어서,
상기 팔라듐필터부(50)는 상기 가열수단(501)으로 상기 순수 수소가스를 가열하여 500 ~ 550 ℃로 승온시켜 H2 기체 상태의 순수 수소로 분리하는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물류의 비연소 연속 가열식 수소 및 카본 자원화장치.
- 삭제
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- 폐플라스틱류, 폐비닐류, 폐합성수지류, 생활쓰레기, 유기성폐기물, 오니류, 동식물 협잡물을 포함하는 유기성폐기물류를 120 ~ 200 ℃로 가열하여 유기성 폐기물류 내에 포함되어 있는 수분을 제거하고 세균을 사멸시키는 탈수 및 멸균처리단계(S10)와,
상기 S10 단계를 거친 유기성 폐기물을 350 ~ 400 ℃로 간접가열하여 유기성폐기물을 구성하는 분자 구조 내의 탄소와 수소의 결합을 끊어 탄소슬러지와 수소로 열분해하는 단계(S20)와,
상기 S20 단계를 거쳐 생성된 탄소슬러지는 냉각처리후 외부로 배출하고, 수소를 함유하는 가스를 필터처리하여 황, 질소 및 염소를 제거하는 가스정제단계(S30)와,
상기 S30 단계를 거친 수소함유가스에 포함되어 있는 잔류 황, 질소 및 염소를 제거하고 순수 수소가스를 회수하는 수소가스회수단계(S40)를 포함하는 것에 있어서,
상기 수소가스회수단계(S40)는 상기 순수 수소가스를 재가열하여 500 ~ 550 ℃로 승온시켜 H2 기체 상태의 순수 수소로 분리하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성폐기물류의 비연소 연속 가열식 수소 및 카본 자원화방법.
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| KR1020200024232A KR102174941B1 (ko) | 2020-02-27 | 2020-02-27 | 유기성폐기물류의 비연소 연속 가열식 수소 및 카본 자원화장치 및 이를 이용한 자원화방법 |
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| US11465084B2 (en) * | 2020-06-22 | 2022-10-11 | Honeywell Federal Manufacturing & Technologies, Llc | Method and system for recovering filler material |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |