KR102446284B1 - 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템 및 그 작동방법 - Google Patents

순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템 및 그 작동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템 및 그 작동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소생산 포집공정시스템에 있어서, 물과, 순환유동층 보일러에서 배출된 비산회재, 첨가제가 공급되어 혼합 교반되며, 생성된 복합가스가 배출되는 복합가스배출부와, 상기 잔여 회재가 배출되는 회재배출부를 갖는 회재교반기; 상기 회재 교반기에서 생성된 잔여 회재가 배출되어 저장되는 회재저장부; 상기 회재교반기에서 생성된 수소가 저장되는 수소저장조; 상기 복합가스 배출부 후단 일측에 구비되어 상기 복합가스에서 수소를 분리하여 상기 수소저장조로 배출시키는 수소정제시스템; 상기 수소분리막모듈과 상기 회재교반기 사이에 구비되어, 상기 복합가스배출부에서 배출된 복합가스 내의 수분을 분리제거하여 복합가스를 상기 수소분리막모듈로 배출시키는 수분분리막모듈; 및 상기 수분분리막모듈에서 분리된 수분을 응축하여 저장되고, 상기 수소분리막모듈에서 분리배출된 잔여가스가 유입되어 벤트시키는 응축수 저장조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템에 관한 것이다.

Description

순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템 및 그 작동방법{System and Method for generating H2 using fly ash}
본 발명은 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템 및 그 작동방법에 대한 것이다.
현재 전 세계적으로 에너지 자원 고갈에 대한 문제가 서서히 드러나면서 차세대 에너지에 대한 관심도가 높아지고 있다. 그 중에서도 수소에너지는 석유값의 지속적인 상승 및 화석자원의 고갈이 전망되는 현 시점에서 전기를 직접 공급하기 곤란한 수송분야 및 원격지 등에 사용할 2차에너지로서 각광받고 있다. 특히 지구 온난화 방지를 위하여 교토 의정서가 발효됨에 따라 이산화탄소의 저감대책이 중요한 화두로 떠오르면서 대체에너지원으로서의 수소에너지에 대한 관심은 더욱 증대되고 있다.
수소를 얻기 위해서는 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리하여야 한다. 가장 일반적인 예로서 물(H2O)를 수소(H2)와 산소(O)로 분리하는 방법이 있다. 현재 가장 널리 사용하는 방법은 천연가스에 포함된 메탄의 수증기개질법, 전기분해법, 열화학분해법 등이 있다.
아울러, 발전소에서 스팀 생성과 발전이 끝난 후 연소회재(비산회재)를 처리하는 과정에서 많은 어려움이 발생하고 있는 실정이다
즉, 화석연료의 고갈과 연소로 인한 대기 오염으로 인해 미래 에너지 공급을 위한 재생 가능하고 청정한 연료 대안에 대한 전세계적으로 긴급한 요구가 있다. 그리고 고열량의 재생 및 환경 친화적인 연료인 수소는 많은 관심을 받고 있다. 아울러 발전소에서 스팀 생성과 발전이 끝난 후 비산회재를 처리하는 과정에서 많은 어려움이 발생하고 있는 실정이다.
따라서 처리하는데 막대한 비용이 드는 연소회재를 이용해 연소회재 내에 존재하는 알칼리 금속 성분을 이용하여 수소를 발생시키고 포집할 수 있는 시스템의 개발이 요구되었다.
대한민국 등록특허 제1356630호 일반 등록특허 제5103166호 대한민국 등록특허 제1669564호 대한민국 등록특허 제1559879호 일본 공개특허 제2006-21154호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 처리하는데 막대한 처리비용이 드는 연소회재를 이용해 연소회재 내에 존재하는 알칼리 금속 성분을 이용한 수소발생 공정시스템을 구성해 미래의 에너지인 수소를 생산하고 남은 잔여 회재를 콘크리트 원료 및 복토재 등 골재로 활용할 수 있도록 하여 이에 연소회재를 처리하는데 불필요한 비용이 들지 않고 에너지를 재창출할 수 있는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 수소정제시스템(분리막 모듈또는 PAS 공정)에서 수소가스만 분리되어 수소가스는 압축 펌프로 들어가고 잔여 가스는 다시 응축수 저장조(3)로 이동되고 물은 다시 응축되고 나머지 가스는 Vent line을 통해 대기로 배출되며, 또한 이 과정에서 생산되는 가스일부를 회재교환기로 재순환하여 유동가스로 이용하고 가스(수소)농도를 농축 한 후 압축 펌프(5)를 지난 수소가스는 수소 저장조에 저장할 수 있는, 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 비산회재에 대하여 중금속제거시스템을 거쳐 시멘트 등으로 재활용할 수 있으며, 비산회재로부 중금속을 제거할 수 있는 최적조건과, 수소 생산과 포집공정 최적 운전을 위한 임계적 의의를 갖는 수치조건을 제시한, 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템 및 그 작동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 수소생산 포집공정시스템에 있어서, 물과, 순환유동층 보일러에서 배출된 비산회재, 첨가제가 공급되어 혼합 교반되며, 생성된 복합가스가 배출되는 복합가스배출부와, 상기 잔여 회재가 배출되는 회재배출부를 갖는 회재교반기; 상기 회재 교반기에서 생성된 잔여 회재가 배출되어 저장되는 회재저장부; 상기 회재교반기에서 생성된 수소가 저장되는 수소저장조; 상기 복합가스 배출부 후단 일측에 구비되어 상기 복합가스에서 수소를 분리하여 상기 수소저장조로 배출시키는 수소정제시스템; 상기 수소분리막모듈과 상기 회재교반기 사이에 구비되어, 상기 복합가스배출부에서 배출된 복합가스 내의 수분을 분리제거하여 복합가스를 상기 수소분리막모듈로 배출시키는 수분분리막모듈; 및 상기 수분분리막모듈에서 분리된 수분을 응축하여 저장되고, 상기 수소분리막모듈에서 분리배출된 잔여가스가 유입되어 벤트시키는 응축수 저장조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 응축수 저장조에 저장된 물은 수처리시설을 거쳐 상기 물공급부를 통해 상기 회재교반기로 재공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 잔여회재 또는 상기 비산회재 내의 중금속을 제거하기 위한 중금속제거시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 중금속제거시스템은 EDTA(에틸렌 디아민 테트라 아세트산) 전기세척장치로 구성되며, 전류밀도 30 ~ 40mA/cm2, 극성스위치 주파수 35 ~ 45Hz, 0.4 ~ 0.6mol/L의 EDTA, 3.5 ~ 4.5시간동안 PH 1.8 ~ 2.2에서 세척되도록 상기 EDTA 전기세척장치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 회재교반기에서 하기의 식(1)(2)(3)에 의해 수소가 생산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
Figure 112020103351199-pat00001
(1)
Figure 112020103351199-pat00002
(2)
Figure 112020103351199-pat00003
(3)
그리고 상기 제어부는 상기 회재교반기의 반응온도가 25 ~ 80도, pH가 10 ~ 14가되도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 비산회재는 Na, Ca, 및 Al를 포함하며, Na는 8~25중량%, Ca는 15 ~ 40 중량%, Al는 17 ~ 24중량 %를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 수소정제시스템의 수소배출부와 상기 수소저장조를 연결하는 연결라인 일측에 구비되는 밸브; 상기 밸브와 상기 회재교반기 사이를 연결하는 바이패스라인; 및 상기 연결라인 일측에 구비되어 상기 수소정제시스템에 의해 분리된 수소를 상기 수소저장조로 압축하여 저장시키는 압축펌프;을 포함하고, 상기 제어부는 상기 밸브를 제어하여 상기 수소정제시스템의 수소배출부에서 배출되는 가스 일부를 상기 회재교반기로 재순환시키도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 회재교반기에서 생성된 슬러리 형태의 잔여 회재를 이송시키는 스크류 컨베이어를 더 포함하며, 상기 스크류 컨베이어에 의해 이송되어 회재저장부에 저장된 잔여회재는 콘크리트 원료 또는 골재로 이용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 회재교반기로 물을 공급하는 물공급부와, 회재를 상기 회재교반기로 공급하는 회재공급부와, 상기 회재교반기로 첨가제를 공급하는 첨가제공급부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 밸브, 상기 EDTA전기세척장치, 물공급부와, 회재공급부, 첨가제공급부, 상기 회재교반기, 스크류 컨베이어 및 상기 압축펌프의 구동을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 회재교반기 내로 물, 순환유동층보일러에서 배출된 비산회재 및 첨가제가 투입되는 단계; 상기 회재교반기에, 물, 비산회재 및 첨가제가 공급되어 혼합, 교반 후, 스크류 컨베이어를 통해 잔여회재가 배출되고, 복합가스 배출부를 통해 복합가스가 배출되는 단계; 수분분리막 모듈에 의해 상기 복합가스 배출부에서 배출된 복합가스 내의 수분을 분리제거하여 수분이 제거된 복합가스를 배출시키는 단계; 및 수소정제시스템으로 상기 복합가스가 공급되어 상기 복합가스에서 수소를 분리하고, 분리된 수소는 압축펌프에 의해 압축되어 수소저장조에 저장되는 단계;를 포함하고, 상기 수분이 제거된 복합가스를 배출시키는 단계에서, 상기 수분분리막모듈에서 분리된 수분은 응축되어 응축수 저장조에 저장되고, 잔여가스는 응축수 저장조 벤트부를 통해 배출되며, 상기 응축수 저장조에 저장된 물은 수처리시설을 거쳐 물공급부를 통해 상기 회재교반기로 재공급되는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템의 작동방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 잔여회재 또는 상기 비산회재는 EDTA(에틸렌 디아민 테트라 아세트산) 전기세척장치로 구성된 중금속제거시스템에 의해 중금속이 제거되며, 제어부는 전류밀도 30 ~ 40mA/cm2, 극성스위치 주파수 35 ~ 45Hz, 0.4 ~ 0.6mol/L의 EDTA, 3.5 ~ 4.5시간동안 PH 1.8 ~ 2.2에서 세척되도록 상기 EDTA 전기세척장치를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 비산회재는 Na, Ca, 및 Al를 포함하며, Na는 8~25중량%, Ca는 15 ~ 40 중량%, Al는 17 ~ 24중량 %를 갖고, 상기 복합가스가 배출되는 단계에서, 상기 제어부는 상기 회재교반기의 반응온도가 25 ~ 80도, pH가 10 ~ 14가되도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 수소저장조에 저장되는 단계에서, 상기 제어부는 상기 수소정제시스템의 수소배출부와 상기 수소저장조를 연결하는 연결라인 일측에 구비되는 밸브를 제어하여, 상기 수소정제시스템의 수소배출부에서 배출되는 가스 일부를 상기 회재교반기로 재순환시키도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 스크류 컨베이어에 의해 이송되어 회재저장부에 저장된 잔여회재는 콘크리트 혼합재의 원료 또는 골재로 이용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템 및 그 작동방법에 따르면, 처리하는데 막대한 처리비용이 드는 연소회재를 이용해 연소회재 내에 존재하는 알칼리 금속 성분을 이용한 수소발생 공정시스템을 구성해 미래의 에너지인 수소를 생산하고 남은 잔여 회재를 콘크리트의 원료, 복토재 등의 골재로 활용할 수 있도록 하여 이에 연소회재를 처리하는데 불필요한 비용이 들지 않고 에너지를 재창출할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템 및 그 작동방법에 따르면, 수소정제시스템(분리막 모듈또는 PAS 공정)에서 수소가스만 분리되어 수소가스는 압축 펌프로 들어가고 잔여 가스는 다시 응축수 저장조(3)로 이동되고 물은 다시 응축되고 나머지 가스는 Vent line을 통해 대기로 배출되며, 또한 이 과정에서 생산되는 가스일부를 회재교환기로 재순환하여 유동가스로 이용하고 가스(수소)농도를 농축 한 후 압축 펌프(5)를 지난 수소가스는 수소 저장조에 저장할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템 및 그 작동방법에 따르면, 비산회재에 대하여 중금속제거시스템을 거쳐 시멘트 등으로 재활용할 수 있으며, 비산회재로부 중금속을 제거할 수 있는 최적조건과, 수소 생산과 포집공정 최적 운전을 위한 임계적 의의를 갖는 수치조건을 제공한다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회재교반기 내에서 수소와 물, 첨가제가 반응하여 수소가 발생되는 반응식,
도 2는 본 발명의 실시예에 따순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템의 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
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 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 연소회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템(100)에 대해 설명하도록 한다. 먼저 본 발명은 연소회재 내의 알칼리 금속과 물의 반응성을 이용한 것으로 그 기본 원리부터 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 회재교반기 내에서 수소와 물, 첨가제 NaOH가 반응하여 수소가 발생되는 반응식을 나타낸 것이다.
Figure 112020103351199-pat00004
(1)
Figure 112020103351199-pat00005
(2)
Figure 112020103351199-pat00006
(3)
도 1에 도시된 바와 같이, 연소 회재 내의 알칼리 금속과 물이 반응하여 수소가 발생되는 원리이며, 연소회재와 물과 첨가제인 NaOH를 후에 설명하는 회재교반기에서 교반시키게 된다.
강 알칼리성 용액의 (OH)는 AlO2를 형성하는 알루미늄 표면의 보호 산화물 층을 파괴할 수 있다. 따라서 산소층이 파괴되면 알루미늄은 실온에서도 알칼리성 환경에 쉽게 용해되어 수소 생성을 일으킬 수 있다.
반응식 (1)에서 수소발생을 위해 고갈된 NaOH는 반응식 (2)에서 NaAl(OH)4 분해를 통해 재생된다. 따라서 본질적으로 반응이 적절하게 제어되면, 전체 공정 동안 물만 소모된다. 이에 생성되는 복합가스는 후에 설명되는 바와 같이, 수소분리막모듈, 또는 PAS 공정으로 구성된 수소정제시스템을 통해 분리해서 압축한 다음 수소저장조에 저장하고, 잔여 회재는 시멘트, 콘크리트의 원료로 쓰이게 할 수 있고, 응축된 물은 재순환시켜 반응물로 재사용할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템의 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템(100)은, 물과 순환유동층 보일러(6)에서 배출된 비산회재와 첨가제가 공급되고, 혼합 교반되어 생성된 복합가스가 배출되는 복합가스배출부(11)와 잔여 회재가 배출되는 회재배출부(21)를 갖는 회재교반기(10)와, 회재교반기(10)에서 생성된 잔여 회재가 배출되어 저장되는 회재저장부(22)와, 회재교반기(10)에서 생성된 수소가 저장되는 수소저장조(60) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
회재교반기(10) 내로 물과, 순환유동층 보일러(6)에서 배출된 비산회재, 첨가제가 투입되게 된다(S1). 물공급부(1)에 의해 회재교반기(10)로 물이 공급되고, 회재공급부(2)를 통해 순환유동층보일러(6)에서 배출된 연소회재가 회재교반기(10)로 공급되며, 첨가제공급부(3)를 통해 회재교반기(10) 내로 첨가제가 공급되게 된다. 이때 첨가제는 NaOH일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제어부(70)는 회재교반기(10)의 반응온도가 25 ~ 80도, pH가 10 ~ 14가 되도록 제어하게 된다.
그리고 비산회재는 Na, Ca, 및 Al를 포함하며, Na는 8~25중량%, Ca는 15 ~ 40 중량%, Al는 17 ~ 24중량%를 갖고 있다.
알칼리 물에서 수소 발생 속도가 빠르나 가격이 비싸고, 위험하여 사용이 불편한 알루미늄 분말의 단점을 개선하기 위하여 알루미늄 분말 대신에 순환유동층 보일러(6)에서 배출되는 비산회재(fly ash)를 사용하면 fly ash 내에 알루미늄이 물과 반응하여 수소를 발생시킬 수 있는 중요한 성분 즉, Al, Na, Ca가 다량으로 함유되어 있기 때문에 똑같은 반응을 기대할 수 있다.
그리고 촉매제로 사용되는 NaOH는 반응에 소비되지 않아 가수분해 반응에 반복적으로 사용 가능하며 재사용 시 부족한 물만 공급해주면 된다(상기반응식 (1), (2) 참조).
이러한 반응을 이끌어 내기 위해 최적의 조건은 다음과 같다. 반응 온도는 25 ~ 80도 내에서 반응이 일어나야 하며, 그리고 알루미늄 가수 분해 반응은 알칼리 용액 내에서 활발히 일어나는데(식 (3) 참조), 그 PH 농도 조건은 10 ~ 14 이다.
그 알칼리 용액의 조건을 만들어주는 Na는 8 ~ 25 중량%, Ca는 15 ~ 40중량%의 함량을 fly ash 내에 보유하고 있다.
반응에 직접적으로 가담하는 물질인 가장 중요한 Al은 17-24%의 함량을 보인다. 이로써 반응에 중점적으로 필요한 원소(Al, Na, Ca)를 순환유동층보일러(6)의 비산회재(fly ash) 내에 모두 다량 함유하고 있으므로 충분한 반응 기작을 보인다.
회재교반기(10)는 물과, 비산회재, 첨가제가 혼합 교반되어 앞서 언급한 반응이 일어나게 되며(S2), 생성된 복합가스는 상부의 복합가스배출부(11)를 통해 배출되고, 잔여 회재는 하부의 회재배출부(21)를 통해 배출되게 된다.
그리고 회재배출부(21)는 회재교반기(10)에서 생성된 슬러리 형태의 잔여 회재를 이송시키는 스크류컨베이어(20)를 포함하여 구성되며, 이러한 스크류컨베이어(20)에 의한 이송단계에서 물배출부(23)를 통해 배출된 물은 수처리시설(4)로 보내지게 된다.
또한, 스크루컨베이어(20)에 의해 이송된 잔여회재는 회재저장부(22)에 저장되며, 저장된 잔여회재는 시멘트의 원료로 활용되게 된다(S3).
비산 회재교반기(10)에서 교반이 끝난 슬러리 형태의 잔여 회재는 중금속제거시스템을 거쳐 배출 스크류 컨베이어(20)를 통해 배출되어 재활용(시멘트의 원료 또는 도로마감 등 골재) 재료로 쓰이며 응축수 저장조(40)에 저장된 물은 수처리 시설(4)을 거쳐 다시 반응물로 재순환 되는 시스템을 완성하였다.
즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 잔여회재 또는 비산회재 내의 중금속을 제거하기 위한 중금속제거시스템을 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 중금속제거시스템은 EDTA(에틸렌 디아민 테트라 아세트산) 전기세척장치(7)로 구성될 수 있다.
또한 제어부는 전류밀도 30 ~ 40mA/cm2, 극성스위치 주파수 35 ~ 45Hz, 0.4 ~ 0.6mol/L의 EDTA, 3.5 ~ 4.5시간동안 PH 1.8 ~ 2.2에서 세척되도록 상기 EDTA 전기세척장치를 제어하도록 한다.
즉, 순환유동층보일러(6)의 비산회재(fly ash)에는 염화물, 중금속 및 유기 오염 물질이 포함되어 있으므로 이러한 중금속오염원을 제거하기 위해 적절한 처리가 필요하다.
이러한 중금속 제거를 위한 PH, 전류밀도, 추출시간 및 극성 스위치 주파수를 체계적으로 맞춰줌으로써 중금속을 제거 할 수 있다.
구체적 실시예에서는 전류밀도 35mA/cm2, 극성 스위치 주파수 40Hz, 0.5mol/L의 에틸렌 디아민 테트라 아세트산(EDTA), 4시간 동안 PH 2에서 세척하면 Cd 및 Ni 각각 100%, 99.6%으로 제거되고 Cu와 Zn에서도 85% 이상의 제거효율을 보인다. 따라서 EDTA 보조 전기 세척 방법을 이용해 위의 중금속오염원을 저감 처리할 수 있다.
그리고 회재교반기(10)의 복합가스배출부(11)를 통해 배출된 복합가스는 수분분리막모듈(30)을 거치면서 수분이 제거되게 된다(S4). 이러한 수분분리막모듈(30)의 의해 분리된 수분은 물토출부(32)를 통해 응축수 저장조(40)로 유입되며(S5), 수분이 제거된 복합가스는 복합가스토출부(31)를 통해 배출되게 된다.
그리고 수분분리막모듈(30)에서 분리된 수분은 응축되어 응축수 저장조(40)에 저장되고, 응축수 저장조(40)에 저장된 물은 수처리시설을 거쳐 물공급부(1)를 통해 회재교반기(10)로 재공급될 수 있다(S5).
그리고 복합가스토출부(31)를 통해 배출된 복합가스는 수소정제시스템(50)으로 유입되어, 복합가스 내의 수소를 분리하게 된다(S6). 그리고 분리된 수소는 압축펌프(52)에 의해 압축되어 수소저장조(60)에 저장되게 된다(S8). 그리고 잔여가스는 잔여가스배출부(51)를 통해 응축소 저장조(40)로 공급되어 응축되게 되며, 응축되지 않은 가스는 밴트부(41)를 통해 대기로 배출되게 된다.
즉, 응축수 저장조(40)는 수소정제시스템(50)에서 분리된 수분을 응축하여 저장되고, 수소분리막모듈(50)의 잔여가스배출부(51)를 통해 분리배출된 잔여가스가 유입되어 벤트시키게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 수소정제시스템(50)은 수소분리막 모듈 또는 PAS 공정으로 구성될 수 있다. 수소정제시스템(50)에서 수소가스만 분리되어 수소가스는 압축 펌프(52)로 들어가고 잔여 가스는 다시 응축수 저장조(40)로 이동되고 물은 다시 응축되고 나머지 가스는 벤트부(Vent line,41)을 통해 대기로 배출된다.
또한 이 과정에서 생산되는 가스일부를 회재교반기(10)로 재순환하여 유동가스로 이용하고 가스(수소)농도를 농축 한 후 압축 펌프(52)를 지난 수소가스는 수소 저장조(60)에 저장된다.
보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 수소정제시스템(50)의 수소배출부(53)와 수소저장조(60)를 연결하는 연결라인 일측에 밸브(55)가 구비되고, 이러한 밸브(55)와 회재교반기(10) 사이는 바이패스라인(54)을 통해 연결됨을 알 수 있다.
따라서 제어부(70)는 이러한 밸브(55)를 제어하여 수소정제시스템(50)의 수소배출부(53)에서 배출되는 가스 일부를 회재교반기(10)로 재순환시키도록 제어하게 된다(S7).
또한 비산 회재교반기(10)에서 교반이 끝난 슬러리 형태의 잔여 회재는 앞서 언급한 바와 같이, EDTA 전기세척장치(7)로 구성된 중금속제거시스템을 거쳐 배출 스크류 컨베이어(20)을 통해 배출되어 재활용(시멘트의 원료 또는 도로마감 등 골재) 재료로 쓰이며 응축수 저장조(40))에 저장된 물은 수처리 시설(4)을 거쳐 다시 반응물로 재순환 되게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연소회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템(100)의 제어부는 도 3에 도시된 바와 같이, 물공급부(1)와, 회재공급부(2), 첨가제공급부(3), 회재교반기(10), 스크류컨베이어(20) 및 압축펌프(52)의 구동을 총체적으로 제어하게 된다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 연소회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템 및 포집방법에 따르면, 처리하는데 박대한 비용이 드는 연소회재를 이용해 연소회재 내에 존재하는 알칼리 금속 성분을 이용한 수소발생 공정시스템을 구성해 미래의 에너지인 수소를 생산하고 남은 잔여 회재를 시멘트 원료로 활용할 수 있도록 하여 이에 연소회재를 처리하는데 불필요한 비용이 들지 않고 에너지를 재창출할 수 있게 된다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:물공급부
2:회재공급부
3:첨가제공급부
4:수처리시설
5:재순환관
6:순환유동층보일러
7:EDTA전기세척장치
10:회재교반기
11:복합가스배출부
20:스크류컨베이어
21:회재배출부
22:회재저장부
23:물배출부
30:수분분리막모듈
31:복합가스토출부
32:물토출부
40:응축수저장조
41:벤트부
50:수소분리막모듈
51:잔여가스배출부
52:압축펌프
53:수소배출부
54:바이패스라인
55:밸브
60:수소저장조
100:연소회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템

Claims (15)

  1. 수소생산 포집공정시스템에 있어서,
    물과, 순환유동층 보일러에서 배출된 비산회재, 첨가제가 공급되어 혼합 교반되며, 생성된 복합가스가 배출되는 복합가스배출부와, 잔여 회재가 배출되는 회재배출부를 갖는 회재교반기;
    상기 회재 교반기에서 생성된 잔여 회재가 배출되어 저장되는 회재저장부;
    상기 회재교반기에서 생성된 수소가 저장되는 수소저장조;
    상기 복합가스 배출부 후단 일측에 구비되어 상기 복합가스에서 수소를 분리하여 상기 수소저장조로 배출시키는 수소정제시스템;
    수소분리막모듈과 상기 회재교반기 사이에 구비되어, 상기 복합가스배출부에서 배출된 복합가스 내의 수분을 분리제거하여 복합가스를 상기 수소분리막모듈로 배출시키는 수분분리막모듈; 및
    상기 수분분리막모듈에서 분리된 수분을 응축하여 저장되고, 상기 수소분리막모듈에서 분리배출된 잔여가스가 유입되어 벤트시키는 응축수 저장조; 및
    상기 잔여회재 또는 상기 비산회재 내의 중금속을 제거하기 위한 중금속제거시스템;을 포함하고,
    상기 응축수 저장조에 저장된 물은 수처리시설을 거쳐 물공급부를 통해 상기 회재교반기로 재공급되며,
    상기 중금속제거시스템은 EDTA(에틸렌 디아민 테트라 아세트산) 전기세척장치로 구성되며,
    전류밀도 30 ~ 40mA/cm2, 극성스위치 주파수 35 ~ 45Hz, 0.4 ~ 0.6mol/L의 EDTA, 3.5 ~ 4.5시간동안 PH 1.8 ~ 2.2에서 세척되도록 상기 EDTA 전기세척장치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 회재교반기에서 하기의 식(1)(2)(3)에 의해 수소가 생산되는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템.:
    Figure 112022040019518-pat00007
    (1)
    Figure 112022040019518-pat00008
    (2)
    Figure 112022040019518-pat00009
    (3)
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 회재교반기의 반응온도가 25 ~ 80도, pH가 10 ~ 14가되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 비산회재는 Na, Ca, 및 Al를 포함하며, Na는 8~25중량%, Ca는 15 ~ 40 중량%, Al는 17 ~ 24중량 %를 갖는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 수소정제시스템의 수소배출부와 상기 수소저장조를 연결하는 연결라인 일측에 구비되는 밸브;
    상기 밸브와 상기 회재교반기 사이를 연결하는 바이패스라인; 및
    상기 연결라인 일측에 구비되어 상기 수소정제시스템에 의해 분리된 수소를 상기 수소저장조로 압축하여 저장시키는 압축펌프;을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 밸브를 제어하여 상기 수소정제시스템의 수소배출부에서 배출되는 가스 일부를 상기 회재교반기로 재순환시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 회재교반기에서 생성된 슬러리 형태의 잔여 회재를 이송시키는 스크류 컨베이어를 더 포함하며,
    상기 스크류 컨베이어에 의해 이송되어 회재저장부에 저장된 잔여회재는 콘크리트 원료 또는 골재로 이용되는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 회재교반기로 물을 공급하는 물공급부와, 회재를 상기 회재교반기로 공급하는 회재공급부와, 상기 회재교반기로 첨가제를 공급하는 첨가제공급부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 밸브, 상기 EDTA전기세척장치, 물공급부와, 회재공급부, 첨가제공급부, 상기 회재교반기, 스크류 컨베이어 및 상기 압축펌프의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템.
  11. 회재교반기 내로 물, 순환유동층 보일러에서 배출된 비산회재 및 첨가제가 투입되는 단계;
    상기 회재교반기에, 물, 비산회재 및 첨가제가 공급되어 혼합, 교반 후, 스크류 컨베이어를 통해 잔여회재가 배출되고, 복합가스 배출부를 통해 복합가스가 배출되는 단계;
    수분분리막 모듈에 의해 상기 복합가스 배출부에서 배출된 복합가스 내의 수분을 분리제거하여 수분이 제거된 복합가스를 배출시키는 단계; 및
    수소정제시스템으로 상기 복합가스가 공급되어 상기 복합가스에서 수소를 분리하고, 분리된 수소는 압축펌프에 의해 압축되어 수소저장조에 저장되는 단계;를 포함하고,
    상기 수분이 제거된 복합가스를 배출시키는 단계에서, 상기 수분분리막모듈에서 분리된 수분은 응축되어 응축수 저장조에 저장되고, 잔여가스는 응축수 저장조 벤트부를 통해 배출되며, 상기 응축수 저장조에 저장된 물은 수처리시설을 거쳐 물공급부를 통해 상기 회재교반기로 재공급되며,
    상기 잔여회재 또는 상기 비산회재는 EDTA(에틸렌 디아민 테트라 아세트산) 전기세척장치로 구성된 중금속제거시스템에 의해 중금속이 제거되며,
    제어부는 전류밀도 30 ~ 40mA/cm2, 극성스위치 주파수 35 ~ 45Hz, 0.4 ~ 0.6mol/L의 EDTA, 3.5 ~ 4.5시간동안 PH 1.8 ~ 2.2에서 세척되도록 상기 EDTA 전기세척장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템의 작동방법.
  12. 삭제
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 비산회재는 Na, Ca, 및 Al를 포함하며, Na는 8~25중량%, Ca는 15 ~ 40 중량%, Al는 17 ~ 24중량 %를 갖고,
    상기 복합가스가 배출되는 단계에서, 상기 제어부는 상기 회재교반기의 반응온도가 25 ~ 80도, pH가 10 ~ 14가되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템의 작동방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    수소저장조에 저장되는 단계에서,
    상기 제어부는 상기 수소정제시스템의 수소배출부와 상기 수소저장조를 연결하는 연결라인 일측에 구비되는 밸브를 제어하여, 상기 수소정제시스템의 수소배출부에서 배출되는 가스 일부를 상기 회재교반기로 재순환시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템의 작동방법.
  15. ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 14항에 있어서,
    상기 스크류 컨베이어에 의해 이송되어 회재저장부에 저장된 잔여회재는 콘크리트 혼합재의 원료 또는 골재로 이용되는 것을 특징으로 하는 순환유동층보일러 비산회재를 이용한 수소생산 포집공정시스템의 작동방법.
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