KR102428300B1 - 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법을 제공하는 것으로서, 더 자세히는 폐기물을 분쇄하여 수소를 생산하는 방법으로서, LNG와 열교환된 냉매를 이용하여 투입된 폐기물을 동결하고, 동결된 폐기물을 분쇄하는 동결분쇄부를 통해 폐기물을 동결분쇄하는 제1단계, 이온 흡착 원리를 이용하여 유해성분을 제거하는 유해성분 제거부를 통해 상기 제1단계에서 동결분쇄된 폐기물로부터 유해성분을 제거하는 제2단계, 고온의 플라즈마를 분사하는 열분해부를 통해 상기 제2단계에서 유해성분이 제거된 폐기물을 열분해하여 합성가스를 발생시키는 제3단계 및 상기 제3단계에서 발생한 합성가스를 분해하여 수소를 분리해내는 합성가스 분해부를 통해 수소를 생산하는 제4단계를 포함하는 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법에 관한 것이다.

Description

분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법{method of making hydrogen using crushed waste}
본 발명은 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법에 관한 것이다.
일반적으로 폐기물은 가정 및 공장에서 매일 발생되며, 이러한 폐기물은 도시 근교의 매립지 또는 해양 등에 매립된다. 육상에서 수거된 폐기물의 약 86% 이상은 재활용 폐기물로 수거되나, 처리 비용 등의 문제점을 이유로 잔여 폐기물 중에서도 약 60%만이 재활용되고, 나머지 잔여 육상 폐기물과 해양에서 수거된 폐기물은 소각 또는 매립으로 처리되고 있는 상황이다.
방대한 양의 폐기물을 매립하기 위해서는 매립지를 지속적으로 확보하여야 하는데, 매립 후 침출수에 의한 토질오염과 지하수오염 등 환경문제를 일으킬 수 있으며, 국내 매립장소가 점차 제한되고 있는 상황에서 매립지 등을 확보하고 매립시설을 확충하기 위해서는 많은 비용이 소요된다.
폐기물을 소각하는 경우에도 많은 비용이 발생하며, 중금속이 포함된 비산재, 다이옥신 등의 대기 오염물질로 인해 심각한 환경문제가 수반된다. 또한, 소각이 끝난 후에도 약 15~20%의 소각재가 남게 되며, 이러한 소각재의 매립 또한 추가적으로 필요한 상황이므로, 폐기물이 다시 산업에 이용될 수 있도록 자원화할 수 있는 방안에 대한 개발이 필요한 시점이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1798643호
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 분쇄된 폐기물을 이용해 연료전지발전에 사용될 수 있는 수소를 생산하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명은 외부에서 공급되는 냉매와 LNG를 열교환시켜 폐기물을 동결한 뒤 동결된 폐기물을 분쇄하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명은 이온 흡착 원리를 이용하여 폐기물에 부착된 유해성분을 제거하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명은 고온의 플라즈마를 이용하여 폐기물을 열분해시켜 합성가스를 발생시키는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명은 수성 가스 전환 반응 및 압력 순환 흡착 방식을 이용하여 열분해된 합성가스로부터 수소를 분리하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법은, 폐기물을 분쇄하여 수소를 생산하는 방법으로서, LNG와 열교환된 냉매를 이용하여 투입된 폐기물을 동결하고, 동결된 폐기물을 분쇄하는 동결분쇄부를 통해 폐기물을 동결분쇄하는 제1단계, 이온 흡착 원리를 이용하여 유해성분을 제거하는 유해성분 제거부를 통해 상기 제1단계에서 동결분쇄된 폐기물로부터 유해성분을 제거하는 제2단계, 고온의 플라즈마를 분사하는 열분해부를 통해 상기 제2단계에서 유해성분이 제거된 폐기물을 열분해하여 합성가스를 발생시키는 제3단계 및 상기 제3단계에서 발생한 합성가스를 분해하여 수소를 분리해내는 합성가스 분해부를 통해 수소를 생산하는 제4단계를 포함한다.
상기 동결분쇄부는, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크, 상기 LNG 저장탱크의 일측에 마련되며, LNG 저장탱크로부터 공급되는 LNG와 외부에서 공급되는 냉매를 열교환시켜 냉매를 냉각시키는 LNG 열교환기, 상기 LNG 열교환기에서 이루어진 열교환을 통해 기화된 LNG 기화가스를 저장하는 기화가스 저장탱크, 폐기물이 투입되는 열 전도성 금속 재질의 동결챔버, 상기 LNG 열교환기를 통과하여 냉각된 냉매가 유동하며, 상기 동결챔버를 둘러싸도록 형성되고, 상기 동결챔버의 면을 통해 상기 냉각된 냉매가 열을 흡수함으로써 상기 동결챔버 내부의 폐기물을 동결시키는 냉매유로 및 상기 동결챔버 내부에서 동결된 폐기물을 분쇄하는 분쇄부재를 포함할 수 있다.
상기 유해성분 제거부는, 내부에 세척수가 저장되며, 상기 제1단계에서 동결분쇄된 폐기물이 투입되는 수조, 상기 수조의 내부에 담기며, 양극과 음극으로 이루어지는 한 쌍의 전극 및 상기 수조의 저부에서 상기 폐기물을 혼합시키는 교반기를 포함하며, 상기 전극에 전압을 가하여 수조 내부의 양전하 입자는 음극 표면에, 음전하 입자는 양극 표면에 이온 흡착시킴으로써 상기 수조에 투입된 폐기물에 부착된 유해성분이 제거될 수 있다.
상기 열분해부는, 상기 제2단계에서 유해성분이 제거된 폐기물을 플라즈마 토치로 열분해하여 제1합성가스를 발생시키는 플라즈마 소각로, 상기 플라즈마 소각로로부터 상기 제1합성가스를 공급받으며, 상기 제1합성가스를 외부에서 공급되는 급수와 열교환하여 냉각된 제2합성가스를 발생시키고, 상기 제1합성가스와의 열교환을 통해 기화된 급수를 상기 합성가스 분해부로 공급하는 합성가스 열교환기 및 상기 합성가스 열교환기로부터 상기 제2합성가스를 공급받으며, 상기 제2합성가스로부터 오염물질이 제거된 제3합성가스를 발생시키는 습식 집진기를 포함할 수 있다.
상기 합성가스 분해부는, 상기 습식 집진기로부터 제3합성가스를 공급받고, 상기 합성가스 열교환기로부터 기화된 급수를 공급받으며, 공급받은 상기 제3합성가스 중 포함된 일산화탄소에 수성 가스 전환 반응을 일으켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 처리가스를 생성하는 수성 반응기, 상기 수성 반응기로부터 상기 처리가스를 공급받으며, 수소와 이산화탄소의 흡착력 차이를 이용하여 상기 처리가스 중 수소를 분리하는 압력 순환 흡착기, 상기 압력 순환 흡착기에서 분리한 수소를 포집하는 수소 포집기 및 상기 수성 반응기로부터 공급받은 상기 처리가스 중 상기 압력 순환 흡착기에서 분리한 수소를 제외한 잔여 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집기를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법은 분쇄된 폐기물을 이용해 연료전지발전에 사용될 수 있는 수소를 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 외부에서 공급되는 냉매와 LNG를 열교환시켜 폐기물을 동결한 뒤 동결된 폐기물을 분쇄할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 이온 흡착 원리를 이용하여 폐기물에 부착된 유해성분을 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고온의 플라즈마를 이용하여 폐기물을 열분해시켜 합성가스를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 수성 가스 전환 반응 및 압력 순환 흡착 방식을 이용하여 열분해된 합성가스로부터 수소를 분리할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 전체 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 동결분쇄부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 극저온 동결분쇄기의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 유해성분 제거부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 열분해부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 합성가스 열교환기의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 습식 집진기의 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 합성가스 분해부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 압력 순환 흡착기의 구성을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 각 도면에서, 구성요소는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
각 구성요소의 설명에 있어서, 상(on)에 또는 하(under)에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(on)과 하(under)는 직접 또는 다른 구성요소를 개재하여 형성되는 것을 모두 포함하며, 상(on) 및 하(under)에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 전체 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법은, 폐기물(W)을 분쇄하여 수소를 생산하는 방법으로서, LNG와 열교환된 냉매를 이용하여 투입된 폐기물(W)을 동결하고, 동결된 폐기물(W)을 분쇄하는 동결분쇄부(100)를 통해 폐기물(W)을 동결분쇄하는 제1단계(S100), 이온 흡착 원리를 이용하여 유해성분을 제거하는 유해성분 제거부(200)를 통해 제1단계(S100)에서 동결분쇄된 폐기물(W)로부터 유해성분을 제거하는 제2단계(S200), 고온의 플라즈마를 분사하는 열분해부(300)를 통해 제2단계(S200)에서 유해성분이 제거된 폐기물(W)을 열분해하여 합성가스를 발생시키는 제3단계(S300) 및 제3단계(S300)에서 발생한 합성가스를 분해하여 수소를 분리해내는 합성가스 분해부(400)를 통해 수소를 생산하는 제4단계(S400)를 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 동결분쇄부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 동결분쇄부(100)는 LNG 저장탱크(110), LNG 열교환기(120), 기화가스 저장탱크(130), 그리고 극저온 동결분쇄기(140)를 포함할 수 있다.
LNG 저장탱크(110)는 액화천연가스(이하 ‘LNG’라고 함)를 저장할 수 있다.
LNG 저장탱크(110)는 독립적인 단열구조체(112)를 가지고 있는 LNG 저장부재(111)를 구비한 LNG 저장 시스템으로서 단열구조체(112)는 크기나 형상이 바뀔 수 있고, 외부의 열이 내부로 유입되는 것을 막기 위해 열적 성능이 우수한 여러 단열재를 사용할 수 있다.
LNG 저장탱크(110) 내부에 저장된 LNG는 연료로 사용되기 위해 액체 상태로 외부로 배출될 수 있다. LNG 저장탱크(110) 내부에 저장된 액체 상태의 LNG는 제1체크밸브(1131)에 의해 제어되는 LNG 배출관(113)을 통해 LNG 열교환기(120)를 거쳐 기화가스 저장탱크(130)로 공급된다.
또한, LNG 저장탱크(110)는 단열구조체(112)로 둘러싸여 외부와의 열교환이 최소화되도록 되어 있지만 LNG 저장탱크(110) 내로 유입된 미량의 열에 의해 LNG가 극소량씩 기화되어 내부 압력을 증가시키게 되는데, 기화된 LNG 기화가스(BOG, Boil-off Gas)는 기화가스 배출관(114)을 통해 기화가스 저장탱크(130)로 공급될 수 있다. 기화가스 배출관(114)을 통한 LNG 기화가스의 공급은 제2체크밸브(1141)에 의해 제어된다.
LNG 저장탱크(110)에서 기화가스 저장탱크(130)로 공급되는 LNG의 저온 열원은 냉매를 냉각시키고, 냉각된 냉매를 이용하여 폐기물(W)을 동결한 후 이를 분쇄할 수 있도록 구성된다. 이를 위해 LNG 저장탱크(110)와 기화가스 저장탱크(130) 사이에 마련되는 LNG 열교환기(120)는 LNG 배출관(113) 및 기화가스 배출관(114)이 경유하면서 냉매와의 열교환이 이루어지게 되는 구조일 수 있다. 또한, LNG 열교환기(120)에서 열교환이 끝난 뒤 기화된 LNG 기화가스는 기화가스 저장탱크(130)로 공급될 수 있다.
LNG 열교환기(120)는 냉매 제어밸브(121)를 통해 외부에서 공급되는 냉매가 유동하는 냉매유로(142)를 구비하며, 냉매유로(142)를 통과하는 냉매는 LNG 배출관(113) 및 기화가스 배출관(114)을 통과하는 극저온의 액상 LNG 또는 LNG 기화가스와 열교환하여 극저온 상태로 냉각된다.
도 3은 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 극저온 동결분쇄기의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 극저온 동결분쇄기(140)는 동결챔버(141), 냉매유로(142), 그리고 분쇄부재(143)를 포함하며, LNG 열교환기(120)를 통과하면서 냉각된 냉매를 이용하여 폐기물(W)을 동결하고, 동결된 폐기물(W)을 분쇄할 수 있다.
동결챔버(141)는 육상 또는 해양에서 수거된 폐기물(W)이 투입될 수 있으며, 열 전도성 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
냉매유로(142)는 LNG 열교환기(120)를 통과하여 냉각된 냉매가 유동하며, 동결챔버(141)를 둘러싸도록 형성되고, 동결챔버(141)의 면을 통해 냉각된 냉매가 열을 흡수함으로써 동결챔버(141) 내부의 폐기물(W)을 동결시킬 수 있다.
냉매유로(142)는 동결챔버(141)의 외면을 나선형으로 둘러싸도록 구성되어 열 전도성 금속 재질의 폐기물 동결챔버(141)의 면을 통해 열을 흡수하여 폐기물(W)을 동결시킬 수 있도록 구성될 수도 있지만, 냉매 가스를 폐기물 동결챔버(141) 내부로 직접 공급하여 폐기물(W)을 동결시킬 수 있게 구성될 수도 있다.
분쇄부재(143)는 동결챔버(141) 내부에서 동결된 폐기물(W)을 분쇄할 수 있다.
분쇄부재(143)는 공지의 폐기물(W) 분쇄에 사용하는 파쇄기를 적용하여 구성할 수 있다. 예를 들어 도면에 도시한 것과 같이 표면에 다수의 분쇄돌기(1432)가 형성되어 있는 복수의 드럼(1431)을 나란하게 배치하거나, 고속 회전하는 복수의 분쇄날개를 구비하는 구조를 가질 수 있다. 동결챔버(141)의 상부에는 육상 또는 해상에서 수거된 폐기물(W)이 투입되는 유입호퍼(1411)가 형성될 수 있다.
이후, 동결분쇄된 폐기물(W)은 동결챔버(141)의 하부에 형성된 배출호퍼(1412)를 통해 배출되어 유해성분 제거부(200)로 전달될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 유해성분 제거부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 유해성분 제거부(200)는 수조(210), 한 쌍의 전극(220), 그리고 교반기(230)를 포함할 수 있다.
수조(210)는 동결분쇄부(100)에서 동결분쇄된 폐기물(W)이 투입될 수 있으며, 내부에는 세척수가 저장되는데, 폐기물(W)이 수조(210)에 투입되면 폐기물(W) 표면의 중금속 등과 같은 유해성분의 일부가 세척수에 녹게 된다. 여기서, 세척수는 일반적인 해수 또는 담수로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 이온 흡착 과정에서 필요한 매질이 될 수 있다면 구체적인 종류에는 제한받지 않는다.
한 쌍의 전극(220)은 물이 차 있는 수조(210)의 내부에 담기며, 양극과 음극으로 이루어질 수 있다. 이후, 전극(220)에 전압을 가하여 세척수 속 또는 폐기물(W) 표면에 부착되어 있는 양전하 입자는 음극 표면에, 음전하 입자는 양극 표면에 전기적으로 흡착시킴으로써 폐기물(W)에 부착된 유해성분이 제거될 수 있다.
여기서, 전극(220)의 양극은 IrO2로 이루어지며, 음극은 스테인리스 강 또는 흑연으로 이루어지는 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않으며, 전극(220)에 의한 이온 흡착 반응이 수행될 수 있다면 필요에 따라 적절한 재료를 선택하여 구성할 수 있다.
교반기(230)는 수조(210)의 저부에 위치하며, 투입된 폐기물(W)을 혼합시켜 부착된 유해성분이 쉽게 떨어질 수 있도록 한다.
수조(210) 내부에서 유해성분이 제거된 폐기물(W)은 제1유로(211)를 통해 폐기물 수용부재(240)로 전달되게 되는데, 폐기물 수용부재(240)의 하부에는 세척수로부터 폐기물(W)을 걸러내기 위한 거름망(241)이 형성될 수 있다. 또한, 걸러진 세척수는 제2유로(242)를 통해 수조(210) 내부로 전달되어 유해성분 제거에 사용될 수 있다.
이후, 유해성분이 제거된 폐기물은 폐기물 배출구(243)를 통해 열분해부(300)로 전달된다.
도 5는 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 열분해부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 열분해부(300)는 플라즈마 소각로(310), 합성가스 열교환기(320), 그리고 습식 집진기(330)를 포함할 수 있다.
플라즈마 소각로(310)는 제2단계(S200)에서 유해성분이 제거되어 폐기물 투입구(312)로 투입된 폐기물을 플라즈마 토치(311)로 열분해할 수 있으며, 수천도 이상의 플라즈마를 이용하여 폐기물을 열분해하게 되면 수소 및 이산화탄소가 포함된 제1합성가스(G1)와 슬래그(S)가 형성될 수 있다. 이 때, 슬래그(S)는 슬래그 배출구(313)를 통해 배출되며, 제1합성가스(G1)는 가스 제어밸브(314)에 의해 제어되는 제1합성가스 유동관(P1)를 통해 합성가스 열교환기(320)로 전달될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 합성가스 열교환기의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 합성가스 열교환기(320)는 플라즈마 소각로(310)로부터 제1합성가스(G1)를 공급받으며, 제1합성가스(G1)를 외부에서 공급되는 급수와 열교환하여 냉각된 제2합성가스(G2)를 발생시킬 수 있다. 이후, 냉각된 제2합성가스(G2)는 제2합성가스 유동관(P2)을 통해 습식 집진기(330)로 전달되며, 제1합성가스(G1)와 열교환된 급수는 증기로 기화되어 후술할 합성가스 분해부(400)의 습식 집진기(330)로 공급된다.
도 7은 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 습식 집진기의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 습식 집진기(330)는 합성가스 열교환기(320)로부터 제2합성가스(G2)를 공급받으며, 제2합성가스(G2)로부터 비산먼지 등과 같은 오염물질을 제거한 제3합성가스(G3)를 발생시킬 수 있다. 습식 집진기(330)는 흡입된 공기를 물 등의 습식 정화제에 접촉시킴으로써 먼지나 가스 등의 오염물질을 침전 또는 용해시켜 정화시키는 방식으로 필터를 교환할 필요가 없고 소음이 적다는 등의 장점이 있다.
습식 집진기(330)는 프레임(335)의 하부에 제2합성가스(G2)가 유입되는 제2합성가스 유동관(P2)을 구비하고, 상부에 제2합성가스(G2)로부터 오염물질이 제거된 제3합성가스(G3)가 배출되는 제3합성가스 유동관(P3)을 구비하는 수직형 구조일 수 있다.
집진극(332)에는 수직 방향의 통공이 형성되며, 각 통공의 중심에는 방전극(333)이 마련될 수 있다. 제2합성가스 유동관(P2)를 통해 유입된 공기는 다공판(334)을 통과하면서 공기 유동이 균일화되며, 집진극(332)을 통과하면서 방전극(333)과 집진극(332) 사이에 걸린 고전압에 의해 집진극(332)에 포집될 수 있다.
또한, 별도로 마련된 고압 펌프에 의해 집진극 세척장치(336)의 노즐이 물을 분사하며, 분사되는 물에 의해 집진극(332)의 표면에 부착된 비산먼지 등과 같은 오염물질이 세척되어 하부의 오염물질 배출구(331)로 물과 함께 배출될 수 있다.
이후, 제3합성가스(G3)는 합성가스 분해부(400)로 전달될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 합성가스 분해부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 합성가스 분해부(400)는 수성 반응기(410), 압력 순환 흡착기(420), 수소 포집기(430), 그리고 이산화탄소 포집기(440)를 포함할 수 있다.
수성 반응기(410)에서는 합성가스 열교환기(320)로부터 공급받은 증기와 습식 집진기(330)로부터 공급받은 제3합성가스(G3)에 포함된 일산화탄소가 서로 촉매로 상호작용함으로써 아래와 같은 수성 가스 전환 반응(WGS, water gas shift reaction)을 일으켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 처리가스(G4)가 생성될 수 있다.
[반응식 1]
CO + H2O → CO2 + H2
도 9는 본 발명에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법의 압력 순환 흡착기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 압력 순환 흡착기(420)는 수성 반응기(410)로부터 처리가스(G4)를 공급받으며, 수소와 이산화탄소의 흡착력 차이를 이용하여 처리가스(G4) 중 수소를 분리할 수 있다.
압력 순환 흡착기(420)는 압축장치(421)와 한 쌍의 흡착탑(422a,422b)을 포함할 수 있으며, 흡착탑(422a,422b)은 처리가스(G4)로부터 수소를 분리하기 위해 압력 순환 흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption) 방식으로 기능할 수 있다. 또한, 흡착탑(422a,422b)에는 처리가스(G4)로부터 수소를 흡착하기 위한 흡착제가 구비될 수 있다.
상기 흡착제에는 흡착력이 우수한 활성탄이 사용될 수 있는데 활성탄은 표면의 산화물기들과 무기불순물에 기인한 비극성 또는 양극성의 표면을 가지며, 큰 비표면적 때문에 다른 흡착제보다 더 많은 비극성 및 양극성 분자를 흡착할 수 있는 흡착제이다.
그러나, 흡착제의 종류는 활성탄에 한정되지 않으며, 처리가스(G4)로부터 수소를 흡착시킬 수 있다면 필요에 따라 적절하게 선택되어 구성될 수 있다.
압력 순환 흡착기(420)의 작동 방식은 다음과 같다.
압축장치(421)에 의해 처리가스(G4)가 가압됨으로써 흡착탑(422a,422b) 내부의 흡착제에 수소와 이산화탄소 중 흡착력 및 흡착 속도가 우수한 수소가 흡착된다. 처리가스(G4) 중 흡착된 수소를 제외한 잔여 이산화탄소는 이산화탄소 포집기(440)를 통해 포집되며, 이후 흡착탑(422a,422b)의 감압을 통하여 흡착제에 흡착된 수소가 분리되면 상기 분리된 수소는 수소 포집기(430)로 전달될 수 있다. 이 때, 흡착탑(422a,422b)은 교차적으로 운전될 수 있는데, 예를 들어 제1흡착탑(422a)에서 수소를 분리하는 동안 제2흡착탑(422b)에서는 이산화탄소를 배출하는 방식으로 운전될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 잘 이해할 수 있을 것이다.
W : 폐기물 G1 : 제1합성가스
S : 슬래그 G2 : 제2합성가스
G3 : 제3합성가스 G4 : 처리가스
100 : 동결분쇄부 110 : LNG 저장탱크
111 : LNG 저장부재 112 : 단열구조체
113 : LNG 배출관 1131 : 제1체크밸브
114 : 기화가스 배출관 1141 : 제2체크밸브
120 : LNG 열교환기 121 : 냉매 제어밸브
130 : 기화가스 저장탱크 140 : 극저온 동결분쇄기
141 : 동결챔버 1411 : 유입호퍼
1412 : 배출호퍼 142 : 냉매유로
143 : 분쇄부재 1431 : 드럼
1432 : 분쇄돌기 200 : 유해성분 제거부
210 : 수조 211 : 제1유로
220 : 한 쌍의 전극 230 : 교반기
240 : 폐기물 수용부재 241 : 거름망
242 : 제2유로 243 : 폐기물 배출구
250 : 펌프 300 : 열분해부
310 : 플라즈마 소각로 311 : 플라즈마 토치
312 : 폐기물 투입구 313 : 슬래그 배출구
314 : 가스 제어밸브 P1 : 제1합성가스 유동관
320 : 합성가스 열교환기 P2 : 제2합성가스 유동관
330 : 습식 집진기 331 : 오염물질 배출구
332 : 집진극 333 : 방전극
334 : 다공판 335 : 프레임
336 : 집진극 세척장치 P3 : 제3합성가스 유동관
400 : 합성가스 분해부 410 : 수성 반응기
420 : 압력 순환 흡착기 421 : 압축장치
422a : 제1흡착탑 422b : 제2흡착탑
430 : 수소 포집기 440 : 이산화탄소 포집기

Claims (5)

  1. 폐기물을 분쇄하여 수소를 생산하는 방법으로서,
    LNG와 열교환된 냉매를 이용하여 투입된 폐기물을 동결하고, 동결된 폐기물을 분쇄하는 동결분쇄부를 통해 폐기물을 동결분쇄하는 제1단계;
    이온 흡착 원리를 이용하여 유해성분을 제거하는 유해성분 제거부를 통해 상기 제1단계에서 동결분쇄된 폐기물로부터 유해성분을 제거하는 제2단계;
    고온의 플라즈마를 분사하는 열분해부를 통해 상기 제2단계에서 유해성분이 제거된 폐기물을 열분해하여 합성가스를 발생시키는 제3단계; 및
    상기 제3단계에서 발생한 합성가스를 분해하여 수소를 분리해내는 합성가스 분해부를 통해 수소를 생산하는 제4단계;를 포함하고,
    상기 동결분쇄부는:
    LNG를 저장하는 LNG 저장탱크;
    상기 LNG 저장탱크의 일측에 마련되며, LNG 저장탱크로부터 공급되는 LNG와 외부에서 공급되는 냉매를 열교환시켜 냉매를 냉각시키는 LNG 열교환기;
    상기 LNG 열교환기에서 이루어진 열교환을 통해 기화된 LNG 기화가스를 저장하는 기화가스 저장탱크;
    폐기물이 투입되는 열 전도성 금속 재질의 동결챔버;
    상기 LNG 열교환기를 통과하여 냉각된 냉매가 유동하며, 상기 동결챔버를 둘러싸도록 형성되고, 상기 동결챔버의 면을 통해 상기 냉각된 냉매가 열을 흡수함으로써 상기 동결챔버 내부의 폐기물을 동결시키는 냉매유로; 및
    상기 동결챔버 내부에서 동결된 폐기물을 분쇄하는 분쇄부재;를 포함하고,
    상기 유해성분 제거부는:
    내부에 세척수가 저장되며, 상기 제1단계에서 동결분쇄된 폐기물이 투입되는 수조;
    상기 수조의 내부에 담기며, 양극과 음극으로 이루어지는 한 쌍의 전극;
    상기 수조의 저부에서 상기 폐기물을 혼합시키는 교반기;
    상기 수조 내부에서 유해성분이 제거된 폐기물을 전달하는 제1유로;
    상기 제1유로를 통해 유해성분이 제거된 폐기물을 전달받는 폐기물 수용부재;
    상기 폐기물 수용부재의 하부에 형성되어 세척수로부터 폐기물을 걸러내는 거름망; 및
    상기 거름망에서 걸러진 세척수를 수조로 전달하는 제2유로;를 포함하여,
    상기 전극에 전압을 가하여 수조 내부의 양전하 입자는 음극 표면에, 음전하 입자는 양극 표면에 이온 흡착시킴으로써 상기 수조에 투입된 폐기물에 부착된 유해성분이 제거되고,
    상기 열분해부는:
    상기 제2단계에서 유해성분이 제거된 폐기물을 플라즈마 토치로 열분해하여 제1합성가스를 발생시키는 플라즈마 소각로;
    상기 플라즈마 소각로로부터 상기 제1합성가스를 공급받으며, 상기 제1합성가스를 외부에서 공급되는 급수와 열교환하여 냉각된 제2합성가스를 발생시키고, 상기 제1합성가스와의 열교환을 통해 기화된 급수를 상기 합성가스 분해부로 공급하는 합성가스 열교환기; 및
    상기 합성가스 열교환기로부터 상기 제2합성가스를 공급받으며, 상기 제2합성가스로부터 오염물질이 제거된 제3합성가스를 발생시키는 습식 집진기;를 포함하고,
    상기 합성가스 분해부는:
    상기 습식 집진기로부터 제3합성가스를 공급받고, 상기 합성가스 열교환기로부터 기화된 급수를 공급받으며, 공급받은 상기 제3합성가스 중 포함된 일산화탄소에 수성 가스 전환 반응을 일으켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 처리가스를 생성하는 수성 반응기;
    상기 수성 반응기로부터 상기 처리가스를 공급받으며, 수소와 이산화탄소의 흡착력 차이를 이용하여 상기 처리가스 중 수소를 분리하는 압력 순환 흡착기;
    상기 압력 순환 흡착기에서 분리한 수소를 포집하는 수소 포집기; 및
    상기 수성 반응기로부터 공급받은 상기 처리가스 중 상기 압력 순환 흡착기에서 분리한 수소를 제외한 잔여 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집기;를 포함하고,
    상기 LNG 저장탱크는:
    소정의 단열구조체로 둘러쌓이도록 구성되며,
    LNG 저장탱크 내부로 유입된 소정의 열에 의해 LNG 저장탱크 내부에 저장된 LNG가 기화되어 내부 압력이 증가되었을 때, 기화된 LNG 기화가스(BOG, Boil-off Gas)가 기화가스 배출관을 통해 기화가스 저장탱크로 공급되도록 구성되며,
    상기 기화가스 배출관을 통한 LNG 기화가스의 공급은 제2체크밸브에 의해 제어되고,
    상기 분쇄부재는: 표면에 다수의 분쇄돌기가 형성되어 있는 복수의 드럼;을 포함하고,
    상기 동결챔버는:
    폐기물이 투입되도록 상부에 형성되는 유입호퍼; 및
    동결분쇄된 폐기물이 배출되도록 하부에 형성되는 배출호퍼;를 포함하고,
    상기 습식 집진기는:
    프레임;
    상기 제2합성가스가 유입되도록 프레임의 하부에 구비되는 제2합성가스 유동관; 및
    상기 제2합성가스로부터 오염물질이 제거된 제3합성가스가 배출되도록 프레임의 상부에 구비되는 제3합성가스 유동관;을 구비하는 소정의 수직형 구조이고,
    상기 프레임 내에 유입된 제2합성가스로부터 소정의 오염물질을 부착시켜 제거하며, 수직 방향의 통공이 형성되는 집진극;
    상기 집진극의 통공 중심에 마련되어, 집진극과의 사이에 소정의 전압이 인가되도록 함으로써 오염물질이 집진극에 부착되도록 구비되는 방전극;
    상기 집진극의 하부에 배치되어, 상기 제2합성가스 유동관으로부터 유입된 기체 유동을 균일화시키는 다공판;
    상기 집진극의 상부에 배치되어, 고압 펌프에 의해 노즐로 물을 분사하여 집진극 표면에 부착된 오염물질을 세척하는 집진극 세척장치; 및
    상기 물에 의해 집진극 표면에서 분리된 오염물질과 물을 배출하도록 프레임의 하부에 배출되는 오염물질 배출구;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분쇄된 폐기물을 이용한 수소 생산 방법.
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