KR102457045B1 - 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치, 원료 연소시 발생한 폐가스의 액화장치 및 고온의 증기를 이용한 증기터빈 발전장치 - Google Patents
다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치, 원료 연소시 발생한 폐가스의 액화장치 및 고온의 증기를 이용한 증기터빈 발전장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 블루수소 생산, 증가발전 및 온수, 냉수 공급기술에 관한 것으로, 각기 다른 연료 공급원, 즉 블루 수소 생산 시스템의 석탄, 도시 고형 폐기물, 하수 슬러지 및 기타 바이오 매스를 활용하는 복합 공정 시스템 및 가스화 반응기 내에서 연료가 1,500～2,000 ℃의 높은 온도로 연소 도중 발생한 1,250～1,450 ℃ 고온의 합성가스(Syngas)가 합성가스 개질기 및 증기-가스 환원 반응기에서 산화/환원에 의하여 수소 생산이 증가하고, 유해한 가스인 황화수소, 황화카보닐을 이산화황으로 환원하고, 이산화탄소를 추출하므로 이러한 폐가스를 유효하게 사용하기 위해 액상화하여 재활용할 수 있는 기술이며, 이때 필요한 증기를 생산하기 위해 담수화 플랜트(Desalination Plant)를 이용하여 냉각수를 공급하고, 블루수소 생산 공정의 운영으로 발생한 고온의 증기를 활용하여 증기 터빈 발전 및 온수 생산을 하거나, 나머지는 재활용하거나 온수 및 담수를 각 필요지역에 배관을 통하여 공급하는 것이다.
Description
본 발명은 석탄, 도시고형 폐기물인 MSW, 하수 슬러지를 주 원료로 삼아 탄소 포획이 가능한 산업용 블루수소를 생산하는 수소 생산장치, 수소 생산 공정 중 발생하는 이산화탄소, 이산화황 등의 폐가스를 액화하여 이익을 창출하는 장치 및 수소 생산 공정 중 발생하는 증기를 사용한 증기터빈 발전에 관한 것이다.
수소는 에너지, 정유, 정밀화학 및 석유화학 공정에 사용되는 중요한 화학물질이다. 전형적으로, 이는 많은 리파이너리(Refinery) 공정에 사용된다. 최근들어 화석연료기반의 경제는 수소경제 사회로 전환이 시작되면서, 소형 연료전지용 개질기, 연료전지 자동차용 수소스테이션 그리고 대용량 수소 제조용 화학 플랜트의 공정개발이 주목을 받고 있다.
그러나 종래에는 수소를 생산하는 과정에서 이산화탄소 등과 같은 불필요한 부산물이 발생하고, 과도한 에너지를 소비를 요구하는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 석탄, 도시 고형 폐기물 및 하수 슬러지 등과 같은 가스화 연료로부터 합성가스를 취득하고, 해당 합성가스로부터 블루수소를 생산하고, 이때 발생하는 폐가스를 액화하고, 고온의 증기를 이용하여 전기를 생산할 수 있도록 하는 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치, 원료 연소시 발생한 폐가스의 액화장치 및 고온의 증기를 이용한 증기터빈 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적은, 석탄, 도시 고형 폐기물, 하수 슬러지 중 하나의 가스화 연료를 연소시켜 합성가스를 생성하는 가스화 반응 유닛; 상기 합성가스로부터 이산화황(SO2)을 제거하는 합성가스 탈황 반응 유닛; 상기 가스화 유닛 또는 상기 합성가스 탈황유닛로부터 유입되는 합성가스와 고온의 증기를 반응시켜 다량의 수소를 포함하는 합성가스를 생성하는 합성가스 개질 유닛; 상기 가스화 유닛 또는 상기 합성가스 재질 유닛의 합성가스를 증기와 반응시켜 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 증기-가스 환원 반응 유닛; 상기 증기 가스-환원 반응유닛으로부터 유입되는 합성가스로부터 일산화탄소 및 이산화탄소를 흡수 제거하는 이산화탄소 흡수 유닛; 및 상기 이산화탄소 흡수 유닛으로부터 배출되는 합성가스로부터 미량의 일산화탄소(CO) 매우 미량의 이산화탄소(CO2), 매우 미량의 메탄(CH4), 다량의 질소(N2)를 제거하고 수소를 저장하는 압력 순환식 흡착 유닛으로 구성되는, 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치에 의해 달성된다.
본 발명의 하나의 측면에 의하면, 상기 가스화 반응 유닛은, 연소연료 또는 플라즈마를 이용하여 제1 내지 제3 전처리부로부터 투입되는 석탄, 도시 고형 폐기물, 하수 슬러지 중 하나의 가스화 원료를 공기, 산소 또는 증기를 포함하는 산화제로 열분해하여 고온의 합성가스를 생성하는 가스화 반응기; 상기 가스화 반응기에서 생성된 고온의 합성가스에 포함된 미세 먼지를 수거하는 사이클론 집진장치; 상기 사이클론 집진장치에서 미세 먼지가 제거된 합성가스를 담수를 이용하여 냉각하는 합성가스 냉각기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 가스화 반응기는, 폐기 재를 포함하는 저탄소 재질의 가스화 원료를 감압 및 폐기시켜 배출 저장조로 배출하는 록호퍼 시스템을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 합성가스 탈황 반응 유닛은, 상기 합성가스 냉각기로부터 합성가스가 유입되어 황화수소(H2S) 및 황화카보닐(COS)이 산화아연(ZnO) 내지 산화철 Ⅲ(Fe2O3)와 반응하면서 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS), 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)가 발생하는 탈황 반응기; 상기 탈황 반응기의 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS), 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)로부터 이산화황(SO2)을 분리하는 분리기; 상기 탈황 반응기의 산화아연(ZnO) 내지 산화철 Ⅲ(Fe2O3)와 반응하여 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS)과 산소(O2)로 분리하는 직접 탈황 반응기(DSRP); 상기 분리기 및 상기 직접 탈황 반응기에서 발생한 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS)을 냉각하는 냉각기; 및 상기 직접 탈황 반응기에서 산화-환원되어 냉각기를 거쳐 유입되는 이산화황(SO2)을 응축하는 황 응축기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 합성가스 탈황 반응 유닛은, 상기 탈황 반응기에서 발생하는 산화아연(ZnO) 또는 산화철Ⅲ(Fe2O3)을 공기중의 산소(O2)와 결합시켜 산화아연(ZnO) 내지 산화철 Ⅲ(Fe2O3)을 재생하는 재생설비 및 상기 재생설비의 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS)과 황화가스로부터 황화가스를 분리하여 상기 탈황 반응기에 공급하는 재생 분리기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 합성가스 탈황 반응 유닛은, 상기 황 응축기에서 응축되지 않은 이산화황(SO2) 가스를 압축하여 상기 탈황 반응기로 공급하는 압축기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 합성가스 개질 유닛은, 상기 가스화 유닛 또는 상기 합성가스 탈황 유닛으로부터 유입되는 합성가스와 상기 냉각기의 고온의 증기와 반응하여 다량의 수소를 포함하는 생성하는 합성가스 재질 반응기; 및 상기 합성가스 개질 반응기로부터 배출되는 합성가스를 냉각하는 냉각기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 증기-가스 환원 반응 유닛은, 상기 가스화 유닛 또는 상기 합성가스 재질 유닛로부터 유입되는 합성가스에 포함되어 있는 일산화탄소와 증기를 고온에서 반응시켜 이산화탄소로 변환하는 고온 증기-가스 환원 반응기; 및 상기 고온 증기-가스 환원 반응기에서 반응하지 않은 일산화탄소와 증기를 저온에서 반응시켜 이산화탄소로 변환하는 저온 증기-가스 환원 반응기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 이산화탄소 흡수 유닛은, 상기 저온증기-환원 반응기로부터 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 합성가스가 유입되고 담수가 유입되며 재생 모노에탄올 아민 저장조로부터 모노에탄올아민이 유입되어 합성가스로부터 일산화탄소 및 이산화탄소를 흡착하는 이산화탄소 흡수장치; 증기가 유입되고 상기 일산화탄소 및 이산화탄소가 흡착된 합성가스로부터 모노 에탄올아민을 재생하여 재생 모노에탄올아민 저장조에 저장하는 모노 에탄올아민 재생장치; 상기 모노 에탄올아민 재생장치로부터 배출되는 합성가스를 필터링하여 일산화탄소 및 이산화탄소를 이산화탄소 액화 유닛에 공급하는 아민필터; 및 상기 이산화탄소 흡수장치 및 상기 모노 에탄올아민 재생장치로부터 배출되는 합성가스를 압력 순환식 흡착유닛에 공급하는 침전탱크를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 압력 순환식 흡착 유닛은, 상기 침전탱크로부터 공급되는 합성가스를 압축하는 압축기; 상기 압축기에 의해 승압된 합성가스를 담수에 의해 냉각하는 냉각기; 상기 냉각기로부터 유입되는 합성가스에 포함되어 있는 미량의 일산화탄소(CO), 매우 미량의 이산화탄소(CO2), 매우 미량의 메탄(CH4), 다량의 질소(N2)를 제거하는 흡착기; 및 상기 흡착기로부터 배출되는 수소가 저장되는 수소 버퍼 탱크를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 석탄을 건조하여 미세 석탄 분말로 분쇄하는 제1 전처리 유닛; 도시 고형 폐기물을 절단 및 건조한 후 금속 및 비철금속을 제거하는 제2 전처리 유닛; 및 하수 슬러지와 혼화제를 혼합하여 사전에 정해진 수분량을 가지는 일정한 크기의 슬러지 펠릿으로 성형하는 제3 전처리 유닛을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 제1 전처리 유닛은, 석탄을 이송하는 컨베이어 시스템; 상기 컨베이어 시스템을 타고 이송되는 석탄을 저장하는 석탄 저장고; 상기 석탄 저장고로부터 배출되는 석탄을 건조하는 건조기; 상기 건조기에서 건조된 석탄을 연소용 과립탄으로 분쇄하는 분쇄기; 상기 분쇄기에서 연소용 과립탄으로부터 분쇄하는 과정에서 발생하는 미세 석탄 분말을 수거하는 사이클론 분리기; 및 상기 사이클론 분리기에서 수거된 미세 석탄 분말을 가스화 반응 유닛에 공급하는 건조 및 분쇄 석탄 저장고를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 제1 전처리 유닛은, 공기 중의 석탄입자를 모아 상기 석탄 저장고에 공급하는 집진기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 제2 전처리 유닛은, 도시 고형 폐기물을 절단하는 회전식 전단 분쇄기; 상기 절단된 도시 고형 폐기물을 건조하는 건조기; 상기 건조된 도시 고형 폐기물로부터 철 물질을 제거하는 자기 분리기; 상기 철 물질이 제거된 도시 고형 폐기물로부터 비철금속을 제거하는 비철 분리기; 상기 비철금속이 제거된 도시 고형 폐기물로부터 미세 먼지를 분리하는 공압 분리기; 및 상기 미세 먼지가 분리된 도시 고형 폐기물을 사전에 정해진 크기로 성형하여 가스화 반응 유닛에 공급하는 성형기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 전처리 유닛은, 수분 제거 및 건조된 하수 슬러지가 투입되는 사전 챔버; 스크루에 의해 상기 사전 챔버로부터 배출되는 하수 슬러지와 열량 혼화제를 혼합하는 혼합기; 상기 혼화제와 혼합된 하수 슬러지를 압축하여 5 %의 수분량을 가지는 슬러지 펠릿으로 성형하는 펠릿 압축기; 상기 슬러지 펠릿을 주변 온도보다 10℃ 높게 냉각하는 대류 냉각기; 및 상기 대류 냉각기의 슬러지 펠릿 중 일정 크기의 슬러지 펠릿을 통과시켜 가스화 반응 유닛에 공급하는 스크린을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 제3 전처리 유닛은, 상기 슬러지 펠릿으로부터 미세 먼지를 수거하여 상기 혼합기에 투입하는 사이클론 분리기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 역삼투 방식으로 해수로부터 담수를 생산하는 담수화 플랜트를 더 포함하여 구성되는 것을 징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 담수화 플랜트는, 해수를 여과하는 스크린 여과기; 상기 스크린 여과기를 통과한 해수와 함께 응고제와 차아염소산나트륨이 투입되어 상기 해수를 세정 및 살균하는 침전조; 생분해성 고분자와 함께 투입되는 상기 세정 및 살균된 해수를 1차 여과하는 초기 여과기 저장조; 상기 1차 여과된 해수로부터 부유물을 제거하는 부유물 여과기 저장조; 항산성제와 역삼투막 확장 억제 전처리 약품과 함께 투입되는 상기 부유물이 제거된 담수를 1차로 여과하는 카트리지 1차 여과기; 아황산 수소 나트륨과 함께 상기 카트리지 1차 여과기로부터 역삼투용 고압펌프를 이용하여 투입되는 담수의 갈변 및 미생물을 살균하는 해수 역삼투시스템; 상기 해수 염삼투시스템의 담수가 유입되는 흡착 저장조; 상기 흡착 저장조의 담수가 역삼투 투과펌프를 통해 역압이 감소되어 유입되는 서비스 물 저장조; 상기 서비스 물 저장조로부터 부유물 제거 역삼투 펌프에 의해 부유물이 제거 투입되어 담수를 2차 여과하는 카트리지 2차 여과기; 부유물 역삼투용 고압 펌프에 의해 부유물 역삼투용 장치에 유입되어 부유물이 제거된 상기 카트리지 2차 여과기의 담수로부터 추가 부유물을 제거하는 부유물 역삼투용 투과 저장조; 및 이온 교환장치 유입펌프를 통한 상기 투유물 역삼투용 투과 저장조의 담수로부터 우수한 수질의 담수를 생산하여 탈염수 저장조에 저장하는 이온 교환장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 담수화 플랜트는, 상기 초기 여과기 저장조와 상기 부유물 여과기 저장조에 여과된 공기를 주입하는 여과 송풍기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 담수화 플랜트는, 상기 부유물 여과기 저장조에서 부유물이 제거되지 않은 해수를 역세척 여과 펌프를 통해 상기 초기 여과기 저장조; 및 상기 부유물 여과기 저장조에서 재여과되도록 하는 역세척 저장조를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치; 및 상기 이산화탄소 흡수 유닛으로부터 유입되는 이산화탄소 가스를 압축 냉각하여 액화하는 이산화탄소 액화 유닛으로 구성되는, 연료 연소시 발생한 폐가스의 액화장치에 의해 달성된다.
본 발명의 하나의 측면에 의하면, 상기 이산화탄소 액화 유닛은, 담수에 의해 상기 아민 필터로부터 유입되는 이산화탄소 가스를 냉각하는 냉각기; 상기 냉각기에 의해 냉각된 이산화탄소 가스로부터 물과 같은 응축된 구성요소를 분리하는 분리기; 상기 분리기에서 물과 같은 응축된 구성요소가 분리된 이산화탄소를 고압으로 압축하는 압축기; 담수에 의해 상기 압축기에서 고압으로 압축된 이산화탄소를 냉각하는 냉각기; 상기 냉각기에서 냉각된 이산화탄소의 온도를 낮춰 액화하는 교환기; 및 상기 액화된 이산화탄소 중 액화되지 않은 이산화탄소를 분리하여 상기 열교환기에 재공급하고 액화된 이산화탄소를 외부의 저장조에 저장하는 분리기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 합성가스 탈황 반응 유닛에서 응축되지 않은 이산화황을 압축 냉각하여 액화하는 이산화황 액화 유닛을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 이산화황 액화 유닛은, 상기 황 응축기에서 응축되지 않은 이산화황 가스를 담수에 의해 냉각하는 냉각기; 상기 냉각기에서 냉각된 이산화황 가스로부터 물과 같은 응축된 구성요소를 분리하는 분리기; 상기 분리기에서 물과 같은 응축된 구성요소가 분리된 이산화황을 고압으로 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 고압으로 압축된 이산화황을 냉각하는 냉각기; 상기 냉각기에서 냉각된 이산화황의 온도를 낮춰 액화하는 교환기; 및 상기 액화된 이산화황 중 액화되지 않은 이산화황을 분리하여 상기 열교환기에 재공급하고 액화된 이산화황을 저장조에 저장하는 분리기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치; 및 상기 가스화 반응유닛, 상기 합성가스 개질 유닛 및 상기 이산화탄소 흡수 유닛으로부터 유입되는 고온의 증기로 증기터빈 발전을 하는 증기터빈 발전 유닛으로 구성되는, 고온의 증기를 이용한 증기터빈 발전장치에 의해 달성된다.
본 발명의 하나의 측면에 의하면, 상기 증기터빈 발전 유닛은, 상기 가스화 반응기, 상기 합성가스 개질 반응기 및 상기 모노 에탄올아민 재생장치로부터 고온의 증기로 유입되는 증기 버퍼 탱크; 상기 증기 버퍼 탱크의 증기를 고압의 증기로 변환하는 증기 압축기; 상기 증기 압축기의 고압의 증기에 의해 발전하는 고압 증기터빈; 상기 고압 증기 터빈에서 배출되는 중간압력의 증기에 의해 발전하는 중간 증기터빈; 상기 중간 증기터빈으로부터 배출되는 저압의 증기에 발전하는 저압 증기터빈; 및 상기 고압 증기터빈, 상기 중간 증기터빈, 상기 저압 증기터빈에서 발전하는 전기에너지로부터 전기를 생산하여 변전소에 송출하는 발전기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 석탄, 도시고형 폐기물, 하수 슬러지 등과 같은 가스화 연료를 이용하여 수소를 생산하고, 수소를 생산하는 과정에서 발생하는 고온의 증기로 전기를 발전하고, 환경오염의 주범인 폐가스를 액상화하여 활용함으로써, 저렴한 비용으로 수소를 취득할 수 있을 뿐만 아니라 환경오염을 최소화하면서 에너지를 낭비를 최소한으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치, 원료 연소시 발생한 폐가스의 액화장치 및 고온의 증기를 이용한 증기터빈 발전장치를 보인 구성도로서,
도 1은 본 발명의 실시예의 석탄, 도시 고형폐기물, 하수 슬러지 펠릿에 대한 전처리를 위한 제1 내지 제3 전처리 유닛의 상세 구성도이고,
도 2는 본 발명의 실시예의 가스화 반응 유닛, 합성가스 탈황유닛, 합성가스 개질 유닛 및 증기-가스 환원 반응 유닛의 상세 구성도이며,
도 3은 본 발명의 실시예의 아민 이산화탄소 흡수유닛, 수소 포집을 위한 압력 순환식 흡착유닛 및 증기터빈 발전유닛의 상세 구성도이며,
도 4는 본 발명의 실시예의 이산화탄소 액화유닛, 이산화황 액화유닛의 상세 구성도이며,
도 5는 본 발명의 실시예의 담수화 유닛의 상세 구성도이다.
도 1은 본 발명의 실시예의 석탄, 도시 고형폐기물, 하수 슬러지 펠릿에 대한 전처리를 위한 제1 내지 제3 전처리 유닛의 상세 구성도이고,
도 2는 본 발명의 실시예의 가스화 반응 유닛, 합성가스 탈황유닛, 합성가스 개질 유닛 및 증기-가스 환원 반응 유닛의 상세 구성도이며,
도 3은 본 발명의 실시예의 아민 이산화탄소 흡수유닛, 수소 포집을 위한 압력 순환식 흡착유닛 및 증기터빈 발전유닛의 상세 구성도이며,
도 4는 본 발명의 실시예의 이산화탄소 액화유닛, 이산화황 액화유닛의 상세 구성도이며,
도 5는 본 발명의 실시예의 담수화 유닛의 상세 구성도이다.
본 발명의 구체적인 실시 예를 설명하기에 앞서 본 발명에 의해 생산되는 블루수소에 대해 살펴보면, 블루수소는 수소를 연료로 하는 자동차, 수소발전, 수소 연료전지, 화학 공급원료 등으로 사용하는 수소 기반 경제에서 매우 유용하게 사용할 수 있는 제품이다. 뿐만 아니라 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)를 산화-환원반응에 의하여 파라핀(Paraffin): 2CO2 + 7H2 → CH3-CH3 + 4H2O), 올레핀(Olefin): 2CO2 + 6H2 → CH2-CH2 + 4H2O), DME: 2CO2 + 6H2 → CH3OCH3 + 3H2O), 에탄올(Ethanol): 2CO2 + 6H2 → CH3CH2OH + 3H2O), 메탄올(Methanol): 2CO2 + 6H2 → 2CH3OH + 2H2O 등에 대하여 증기-가스 역류 반응기(Reverse Water Gas Shift, RWGS)를 거쳐 응축수를 제거한 후, 일부 수증기는 환풍기(Vent)를 통해 외부로 배출하고, 압축기를 거쳐 버퍼 탱크에서 파라핀, 올레핀, DME, 에탄올, 메탄올 반응기를 거쳐 별도로 필요한 제품의 생산이 가능하며, 수소를 연료로 여러 가지 것에 대하여 매력적인 이유가 있다. 뿐만 아니라 수소와 산소를 연소시켜 전기 및 기타 동력원을 생산하면 오염되지 않은 물만이 배출되기 때문이다. 수소는 비료 생산이나 액체 또는 수소의 저장 문제가 없는 연료의 원천인 금속 하이드라이드(경금속 광석에 주로 존재하는 금속-산소 또는 금속-염소 결합에 비해 금속-수소 결합이 훨씬 약하기 때문에 상온 수소저장에 유리한 금속) 생산과 같은 다른 공정에서도 유용하게 사용 가능하다.
고형 폐기물에 의하여 수소는 가스화 반응기에서 합성가스로 생산되며, 탄소질 공급원료가 수소와 일산화탄소의 주요 성분으로 전환되는 가스화 반응기 등 합성가스 생산 공정에서 생산할 수 있으며, 담수화 플랜트(Desalination Plant)를 이용하여 상온의 담수를 시스템에 공급하고, 이로 인하여 고온의 증기가 발생하며, 이를 이용한 증기발전 및 온수와 나머지 담수를 공급하므로 완전 에너지 재활용으로서 매우 경제적이다.
현재 석탄은 석탄화력 발전소가 점차 감소하고 이러한 석탄은 수소생산을 위한 가스화 공정에서 사용 가능한 원료 중 하나로 꼽힌다. 석탄의 상대적으로 높은 세계적 자원과 전세계적으로 널리 이용가능하기 때문에 이 자원은 유망한 원료이며, 석탄은 저렴한 갈탄, 아역청탄에서 부터 역청탄, 무연탄으로 분류되며, 본 특허에서는 가장 저렴한 갈탄의 사용도 가능하도록 하였다. 또한 석탄가스화는 시장성 있는 부산물로 가공할 수 있는 황산화물(SOx)과 독성 문제를 방지하는 슬래그(Slag)로서 황산화물, 이산화탄소(CO2) 내지 개질 공정과정에서 발생한 이산화탄소(CO2)등 포집하여 액화하여 판매 내지 가공할 수 있으며, 광범위한 제품 유연성을 쉽게 얻을 수 있도록 가스화에서 액화로 성상 변경할 수 있다는 환경적 이점뿐만 아니라 타 분자와 결합하거나, 즉 구리 표면의 전자는 이산화탄소 및 물과 상호작용해 이들을 에탄올 연료나 에틸렌, 프로판올 같은 산물로 변환시키며, 이들은 비닐봉지 생산이나 제약산업 과정에서 유용하게 사용된다.
그리고, 탄산음료 제조 등 별도 판매하면 경제적 이익창출에 기여할 것으로 판단되며, 특히 이산화황(SO2)은 이 반응물인 4가지 산화-환원 반응식[SO2 + 2H2O+Cl2 → H2SO4(황산) + 2HCl, SO2 + 2H2→ 2H2O + 3S, SO2 + H2O →H2SO3(아황산), SO2 + NaOH →NaHSO3(아황산수소나트륨)]을 이용하여 이산화황은 비료 제조, 광석처리, 폐수처리, 석유정제 등 매우 다양한 분야에 이용되며, 아황산 및 아황산수소나트륨은 와인에서 항산화제로서 산화방지, 살균작용, 갈변 방지 등의 작용 때문에 옛날부터 널리 사용된 물질이며, 와인뿐 아니라 일반 식품, 음료, 약품 등의 보존제로도 널리 사용되고 있으므로 필요한 지역에 판매하면 경제적 이익창출에 기여할 것으로 판단된다.
또한, 도시 고형 폐기물(MSW)은 가스화에 있어 잠재적 에너지원으로 간주될 수 있으며, 석탄과 달리 MSW는 지역사회와 기업, 기관이 폐기물 관리시설을 통해 폐기물을 처리하므로 이러한 처리비용이 별도 요구된다. 이러한 특성 때문에 도시고형폐기물인 MSW는 잠재적으로 흥미로운 연료 생산 원료로 자리매김하나, 특히 현 시점에서는 시멘트 공장에서 이러한 도시고형폐기물인 MSW를 사용하고 있으며, 시멘트 제조공정은 크게 클링커 소성을 위한 전 처리 과정으로써 원료공정, 소정공정, 이 클링커를 기타 광물과 함께 분쇄하여 시멘트 분말을 제조하는 제품화 단계로 구분 할 수 있으며, 하소는 석회석이 석회로 분해 되는 과정으로써 반응의 일정 부분이 하소로(Precalciner)에서 일어나고, 하소로는 소성로 바로 위의 예열실 가장 아래 부분에 있는 연소실이다.
석회석의 화학적 분해에 의해 이 부분에서 이산화탄소(CO2) 배출량의 60～65 % 정도가 배출되며, 나머지는 연료의 연소에 의해 발생된다. 연료에 있어서도, 총 연료 사용량의 65 % 정도가 하소로에서 사용되고, 하소된 분말원료가 소성로에 들어가면, 연료의 직접 연소에 의해 소성로 내부 온도가 1,450℃에 이르게 한다. 소성로가 3～5 RPM(분당회전수)으로 회전함에 따라 소성로 내의 원료는 미끄러지고 뒤범벅되면서 점점 뜨거운 화염 쪽으로 이동한다. 강력한 열로 인해 원료에 화학적 물리적 반응이 일어나고 부분적으로 녹아서 클링커가 된다. 이와 같이 클링커를 만들기 위해 소성로 장비 내부에 높은 온도로 연소시키나, 이는 황산화물(SOx)과 일산화탄소(CO2)가 발생하며, 특히 시멘트 공장내 소성로 장비 내부에 0.23～1 %의 염소(Cl)가 잔재하므로 컬링커 생산을 위해 내부의 부식 등 많은 문제가 있다.
따라서 이러한 독성의 가스를 제거하고 수소를 생산하여 이를 소성로 내부에 O2와 함께 초고온의 연소화하면 별도 오염물질이 발생하지 않고, 더불어 수소 생산과정에서 발생한 황산화물(SOx)과 이산화탄소(CO2)의 가스를 액화시스템으로 유도하여 액화시키고, 연료를 합성가스에서 수소를 생산할 경우 원료에 따라 염소(Cl)이 일부 포함되어 있으므로 수소생산 가스화 개질 도중 HCl이 결합하며, 재차 염화수소가 탈황시설반응기 시스템에서 [(FeS + HCl → FeCl2 + H2S(677℃이하), ZnS + HCl → ZnCl2 + H2S(290 ℃이하)]에 의한 산화-환원 반응식으로 분리하여 제거할 수 있으므로 친환경적 에너지라 할 수 있다.
그리고 환경 관리를 고려하기 위해 하수 슬러지의 가스화에 있어 잠재적인 에너지원으로 간주될 수 있으며, 도시 폐수 처리 결과 매년 많은 양의 하수 슬러지가 생산되고 있어 심각한 처리 문제를 안고 있다. 순환 경제 목표를 구현하기 위해 하수슬러지를 에너지 기술로 에너지화하면 폐기물 양을 줄이고, 처리비용을 감소할 수 있으며, 직접 에너지 또는 연료를 생산할 수 있다.
또한, 하수 슬러지는 높은 유기 부하를 포함하고 있어 열적 특성이 우수하여 유용한 에너지로 전환될 수 있는 흥미로운 잠재력을 가지고 있으며, 다만 하수 슬러지는 기체화 공정의 효율에 부정적인 영향을 미치는 수분과 회분 함량이 높기 때문에 미생물을 안정시킨 후, 기계적으로 탈수 또는 건조시킨 후 부가 열량 재료를 첨가한 이후 가스화 공정으로 공급하기 전에 작은 펠릿으로 만들어야 한다.
또한, 석탄, 도시 고형 폐기물인 MSW, 하수도 슬러지 펠릿 가스화에 의한 수소생산을 탄소 포집 및 저장과 결합하여 전체적인 황산화물(SOx)과 이산화탄소 배출량을 완전히 줄일 수 있다.
따라서 오염물질의 배출량이 적은 경제적으로 실행 가능한 프로세스에서 수소를 생산하기 위해 석탄, 도시 고형 폐기물인 MSW, 하수 슬러지 펠릿을 사용할 필요가 있다. 광범위하게 수소 생산 공정을 보다 에너지 효율적으로 만들기 위해 담수화 플랜트(Desalination Plant)를 이용하여 상온의 담수를 시스템에 공급하여 발생한 고온의 수증기를 이용하여 증기 터빈 발전 및 온수를 생산하고, 나머지의 온수 및 담수를 각 필요지역에 배관을 통하여 공급하는 복합 공정 시스템이다.
이하에서 설명되는 본 발명의 실시예는, 석탄, 도시고형 폐기물인 MSW, 하수 슬러지를 주 원료로 삼아 탄소 포획이 가능한 산업용 블루수소 공장을 개발하는 수소 생산 시스템이며, 또한 수소 생산 공정 중 발생하는 열을 사용하여 증기터빈 발전과, 온수 및 담수공급을 주위 지역에 공급할 수 있는 것으로 본 공정은 매우 간단하며, SO2, CO2 등을 포집, 액화하여 새로운 이익창출에 도움이 된다.
이러한 본 발명의 특징을 살펴보면, 수소 함유비는 석탄인 경우 %몰(수소 몰/원료 전체 몰)은 갈탄 13 %, 역청탄 13.4 %, 무연탄 13.2 %, 도시고형폐기물 20.5 %, 하수슬러지 펠릿 17.2 %, 기타 바이오매스는 11.6～14.9 %의 수소(H2)가 포함되어 있다. %무게(수소 무게/투입연료무게)는 갈탄 4.3 %, 역청탄 4.8 %, 무연탄 4.6 %, 도시고형폐기물 6.8 %, 하수슬러지 펠릿 5.96%, 기타 바이오매스는 5～8 %의 수소(H2)가 포함되어 있다. 이러한 여러 가지 고형 폐기물을 사용할 경우 가스화 반응기(Gasifier Reactor), 합성가스 개질(Gas Reforming), 고온 및 저온 증기-가스환원 반응기(HTWGS, LTWGS)를 거치나, 일반적인 수소연료전지의 수소 생산 공정은 수증기/탄소의 몰비=3～3.5로서 수소(H2)의 %무게(수소생산무게/투입연료무게)는 갈탄～무연탄인 경우 19.8～20.8 %, 도시고형 폐기물인 경우 24 %, 하수슬러지 펠릿인 경우 18 % 정도이나 본 발명은 일반 수소연료전지의 수소 생산 공정(합성가스 개질기(Gas Reforming)→고온 증기-가스환원 반응기(HTWGS)의 2단계)에 비하여 빠른 반응을 위하여 촉매인 알루미나/니켈 및 870～920 ℃ 초고온의 증기를 활용하여 수증기/탄소의 몰비=3～5까지 가능하도록 했다. 합성가스 개질기(Gas Reformer) 다음으로 고온증기-가스환원 반응기(HTWGS) 및 저온증기-가스환원 반응기(LTWGS)의 3단계 공정으로서 고온증기-가스환원 반응기 및 저온증기-가스환원반응기의 촉매는 산화철/크롬기를 사용하고 있다. 특히, 수소(H2) 생산을 고온증기-가스환원 반응기에서는 49～60 % 저온증기-가스환원반응기에서는 3～5 %의 생산을 증가하기 위해 3단계 저온 증기-가스환원 반응기(LTWGS)를 사용하고 있다.
본 발명의 수소(H2)의 %무게(생산수소무게/투입연료무게)가 갈탄～무연탄인 경우 33.4～36.4 %, 도시고형 폐기물인 경우 39.9%, 하수 슬러지 펠릿인 경우35.2 %로서 일반 수소연료전지 수소생산 공정에 비하여 약 1.66～2.0배까지의 최대값의 수소를 생산하기 위한 공정이며, 특히 수소생산을 위한 냉각수는 담수화 플랜트(Desalination Plant)를 이용하여 담수를 시스템에 공급하는 공정이다.
단지, 공급 연료를 시간당 20 톤의 갈탄, 도시고형폐기물, 하수슬러지 펠릿 투입할 경우에 한하여, 증기터빈 발전을 최소한 444～476 MW이고, 갈탄을 사용한 경우 시간당 13.14 톤, 도시고형폐기물을 사용한 경우 시간당 9.41 톤 및 하수슬러지 펠릿을 사용한 경우 시간당 15.48 톤의 본 공정을 통하여 발생한 온수를 생산하며, 나머지 담수 등은 필요 지역에 공급하고, 이산화황(SO2)액화는 연료를 갈탄, 도시고형폐기물, 하수슬러지 펠릿을 사용할 경우 각각 시간당 각각 0.61 톤, 0.24 톤, 0.18 톤, 일산화탄소(CO2)는 연료를 갈탄, 도시고형폐기물, 하수슬러지 펠릿을 사용할 경우 각각 시간당 0.185 톤, 0.312 톤, 0.514 톤을 생산할 수 있는 공정이다. 이 경우 일산화탄소(CO2)는 개질 중에 발생한 일산화탄소 및 가스화 반응기에서 연소 중에 발생한 것이다. 이산화황(SO2)의 경우 가스반응기에서 연소 중에 발생한 것으로, 이산화탄소(CO2), 이산화황(SO2)의 액화 물량은 가스화 반응기의 연소를 위한 연료 종류에 따라 다소 다를 수 있으나, 가스화 반응기(Gasifier Reactor)의 연소를 플라즈마 이용 시 약 20～40 % 정도 감소될 수 있다.
이하, 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 의한 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치, 원료 연소시 발생한 폐가스의 액화장치 및 고온의 증기를 이용한 증기터빈 발전장치를 보인 구성도로서, 도 1은 본 발명의 실시예의 석탄, 도시 고형폐기물, 하수 슬러지 펠릿에 대한 전처리를 위한 제1 내지 제3 전처리 유닛의 상세 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예의 가스화 반응 유닛, 합성가스 탈황유닛, 합성가스 개질 유닛 및 증기-가스 환원 반응 유닛의 상세 구성도이며, 도 3은 본 발명의 실시예의 아민 이산화탄소 흡수유닛, 수소 포집을 위한 압력 순환식 흡착유닛 및 증기터빈 발전유닛의 상세 구성도이며, 도 4는 본 발명의 실시예의 이산화탄소 액화유닛, 이산화황 액화유닛의 상세 구성도이며, 도 5는 본 발명의 실시예의 담수화 유닛의 상세 구성도이다.
도 1에서는 석탄, 도시고형폐기물, 하수 슬러지 펠릿에 대한 전처리를 위한 제1 내지 제3 전처리 유닛(100)(110)(120)의 상세한 구성을 보여주고 있다. 특히, 석탄 전처리를 위한 제1 전처리 유닛(100)은, 미세먼지 발생을 방지하기 위해 석탄이 항만에서 컨베이어 시스템(101)으로 적재 장소로 이송하고, 미세먼지 방지를 위해 지하 터널(102)로 하여야 하고, 석탄 저장고(103) 및 석탄 벙커링, 수분제거를 위한 건조기(104), 분쇄기(105), 사이클론 분리기(106), 분쇄 및 건조 석탄 저장조(108)를 거처 최대 0.25～0.3 mm의 입자를 가스화 반응기(201)에 투입된다. 또한, 사이클론 분리기(106)로부터 나온 미세 먼지는 집진기(107)를 통해 미세 입자를 집진하여, 다시 석탄 저장고(103) 및 석탄 벙커링으로 유입되며, 이러한 장치에 대하여 상부에 셀터(Shelter)(109)를 설치하여 미세먼지의 방출을 방지할 수 있다.
또한, 도시 고형 폐기물인 MSW 및 바이오매스 전처리를 위한 제2 전처리 유닛(110)은, 회전식 전단 분쇄기(111), 수분 제거를 위한 건조기(112), 철 제거를 위한 자기 분리기(113), 비철 분리기(114), 공압 분리기(115) 및 성형기(116)를 설치하여 도시 고형 폐기물을 10mm, 30mm, 50mm의 크기로 성형하여 사전에 가스화 반응기(210)에 투입준비를 한다.
그리고, 하수 슬러지 전처리를 위한 제3 전처리 유닛(120)은, 저장조에 저장된 하수 슬러지의 수분을 제거하여 건조한 다음 사전챔버(121)에 투입한다. 이후 하부의 스크루(Screw)(122) 장치에 의하여 혼합기(123)에 투입한 다음 부가 열량제를 투입하는데, 이때 일정부분 압착을 위해 5 % 정도의 수분을 투입하여 펠릿 압축기(124)에 투입하여 칩으로 성형한다. 이러한 칩 형탱의 하수 슬러지가 대류 냉각기(125)를 통과하는 과정에서 발생하는 미세먼지는 사이클론 분리기(126)에서 분리되고 나머지 매우 작은 칩과 미세먼지는 다시 재차 혼합기(123)에 이송된다. 성형된 칩은 스크린(127)을 통과하면서 일정크기의 칩이 선별되어 가스화 반응기(201)에 투입된다.
도 2에서는 가스화 반응 유닛(200), 합성가스 탈황유닛(210), 합성가스 개질 유닛(220) 및 증기-가스 환원 반응 유닛(230)의 상세한 구성을 보여주고 있다. 사전 준비된 연료원을 가스화 반응기(Gasifier)(200), 담수화 플랜트(Desalination Plant)(400)에서 지하배관(534)으로 공급된 담수를 이용하여 냉각하는 합성가스 냉각기(206), 연료원을 연소시킴으로 발생한 황화수소(H2S), 황화카보닐(COS)은 합성가스 탈황 유닛(210)에서 이산화황(SO2)으로 산화환원하고 액화공정으로 이송하는 공정, 이러한 고형 폐기물은 미소염소가 포함되어 있으므로 수소와 결합하여 염화수소(HCl)로 변하여 합성가스 탈황 유닛(210)에서 황화수소(H2S)가 산화아연(ZnO)과 결합되어 황화아연(ZnS)이 발생하며, 산화철Ⅲ(Fe2O3)와 결합하면 황화철(FeS)이 발생할 것이다.
이러한 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS)이 염화수소(HCl)와 (FeS+HCl→ FeCl2+H2S - 677℃이하, ZnS+HCl→ZnCl2+H2S - 290℃이하) 산화-환원 반응식으로 분리하여 제거할 수 있으므로 담수화 플랜트(Desalination Plant)(500)에서 지하배관(534)으로 공급된 담수를 이용한 합성가스 냉각기(232)에서 발생한 고온의 증기에 의해 가스화된 합성가스가 합성가스 개질 유닛(220)에 투입되고, 이는 냉각기(Cooler)(222)(232), 증기-가스환원 반응 유닛(WGS)(230), 재차 냉각기 공정을 거쳐 응축수 저장조(235)로 이동한 다음 응축수는 재활용으로 보내어지고, 냉각기를 거친 고온의 증기는 증기터빈 발전유닛(320)으로 이송된다.
위와 같이 증기-가스환원 반응 유닛(230)과 냉각기를 거친 가스에는 이산화탄소가 포함되어 있으므로 도 3에서와 같이, 이산화탄소 제거장치인 아민 이산화탄소 흡수 유닛(300)를 거쳐, 이산화탄소를 포집하기 위한 장치로 이송되고, 질소, 수소가 포함된 가스는 수소 포집을 위한 압력 순환식 흡착장치(310) 공정을 거쳐 99.99%의 수소가 버퍼 탱크(314)로 보내어 필요한 곳으로 이송된다. 담수화 플랜트(Desalination Plant)(500)에서 지하배관(534)으로 공급된 담수를 이용한 냉각기를 거친 고온의 증기는 증기 버퍼 탱크(321)를 거쳐 압축기(322)를 통하여 고압 증기터빈(323), 중간 증기터빈(324), 저압 증기터빈(325)을 거쳐 발전기(326)에서 전기를 발전하는 것이며, 변전소(328)는 발전기(326)에서 생산된 전기를 승압하여 송전하는 변압기이다. 이때 증기 터빈 발전 유닛(320)의 각 증기 터빈(323)(324)(325)을 거친 수증기는 응축기를 통하여 응축수를 재활용하거나 온수로 공급할 수 있다.
도 4에서는 탈황 반응유닛(210)을 거친 이산화황과 합성가스가 아민 이산화탄소 흡수유닛(300)을 거친 가스를 액화하기 위하여 최대한 냉각하여야 하므로 이러한 가스를 이산화탄소 액화유닛(400)과 이산화황 액화유닛(410)의 담수화 플랜트(Desalination Plant)(500)에서 지하배관(534)으로 공급된 담수가 각각 냉각기(410)(411)를 거쳐 압축기(403)(413)로 압축하여 J-T밸브(406)(416)를 거쳐 액화하고 있다.
도 5는 담수화 플랜트(Desalination Plant)(500)의 상세 구성도로서, 스크린 여과기(501)를 거친 해수가 해수 역삼투시스템(Seawater Reverse Osmosis Systems)(518)을 거치면서 탈염수 저장조(Demineralized Water Storage tanks)(532)에 저장되며, 도 2의 가스화 반응 유닛(Gasifier Reactor)(200)에 공급되고, 합성가스(Syngas) 개질 유닛(220)의 냉각기, 증기-가스환원 반응 유닛(230)의 냉각기에 필요한 냉각수를 공급하고, 도 3의 아민 이산화탄소 흡수유닛(300)과 압력 순환식 흡착유닛(310)에 공급되며, 도 4의 이산화탄소 액화유닛(400)과 이산화황 액화유닛(410)의 냉각기에 공급되는 냉각수를 생산하는 것이다. 이러한 냉각수는 펌프(533)와 지하배관(534)을 거쳐 수소생산 플랜트로 재 공급되고 나머지 담수는 펌프(535)를 거쳐 지하배관을 통해 공급 펌프(536)로 이송되어 필요지역에 공급되며, 수소생산 과정에서 발생한 온수는 펌프(537)를 거쳐 지하배관으로 통하여 온수공급 펌프(538)로 이송되어 필요지역에 공급된다.
위와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 석탄, 도시고형 폐기물인 MSW, 하수 슬러지와 같은 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치와 원료 연소시 발생한 폐가스의 액화 장치, 고온의 증기를 이용한 증기 터빈 발전장치의 동작에 대해 설명한다. 이하, 발명의 이해를 돕기 위해, 도 1 내지 도 4와 같이 구성된 본 발명의 실시 예를 각 도면별로 분리해서 설명한다.
먼저, 도 1의 석탄 전처리 유닛(100)은 석탄을 연료로 사용하는 전처리 시설로서 블루 수소 생산, 증기터빈 발전 및 온수공급 복합공정에 투입되기 위해, 사전에 석탄을 미세먼지 발생을 방지하기 위해 항만에서 컨베이어 시스템(101)으로 적재 장소로 이송하고, 미세먼지 반지를 위해 지하터널(102)로 하여야 하고, 석탄 저장고(103) 및 석탄 벙커링에서 나와 석탄의 수분제거를 위한 건조기(104)를 거쳐, 분쇄기(105)에서 연소용 과립탄을 생산하기 위해 석탄저장시설에 보관되어 있는 원료탄(<25mm)이 벨트 컨베이어에 의해 건조기로 보내지는 것으로 시작한다.
그런 다음 생탄은 적당한 공기 흐름과 저압 강하 시 분쇄 석탄보다 높은 온도를 사용하여 건조하며 석탄 조각을 미세한 입자로 최대 0.25～0.3 mm로 분쇄하기 위해 건조 석탄은 분쇄기(105)에 주입된다. 잘 갈아진 석탄은 건조와 분쇄 후 양동 엘리베이터를 통해 사이클론 분리기(106)로 들어 올려진다. 이때 집진기(107)는 공기 중의 석탄 입자를 제거하기 위해 사용되며 다시 석탄 저장고(103) 및 석탄 벙커링으로 유입되고, 미세 석탄 분말은 사이클론 분리기(106)로 수거한 후 분리기 하단 호퍼에 침전물을 모우고, 분쇄 및 건조 저장조(108)를 거쳐 최대 0.25～0.3 mm의 입자를 가스화 반응기(201)로 전달된다. 이러한 장치의 상부에 미세 먼지 방지시설인 쉴터(Shelter)(109)를 설치하여 미세먼지의 외부 방출을 방지할 수 있도록 한다.
또한, 도 1의 도시고형 폐기물 전처리 유닛(110)은 도시고형폐기물인 MSW를 전처리하는 시설로서, MSW는 금속, 유리 및 기타 불활성 고형분의 비중이 크기 때문에 가스화 전에 광범위한 전 처리가 필요하며, 가스화 반응기를 오염시킬 수 있는 모든 물질은 제거하여야 한다. 가공된 도시고형폐기물인 MSW는 폐기물 재생 연료(RDF)로 나타내기도 한다. 트럭으로 도시고형폐기물인 MSW를 수집하여 운반하고, 저장소에 저장을 하며, 그 후 MSW는 회전식 전단 분쇄기(111)와 건조기(112)로 전달되어 분쇄로 인하여 MSW의 크기를 10mm, 30mm, 50mm로 최소화하고, 수분 제거 작업을 위해 건조기(112)에 들어간다. 철 금속 제거를 위해 건조기에서 나오는 MSW는 철 물질을 제거하는 자기 분리기(113)를 통과한다. 또한, 좋은 RDF 시설에는 추가적인 철 및 비철 금속을 선별하기 위해 공정 하류에 비철 분리기(114)를 설치하여 비철금속을 제거하고, 가공된 MSW, 즉 폐기물재생연료인 RDF는 공압 분리기(115)에서 미세한 먼지를 분리하고, 성형기(116)를 설치하여 크기를 10mm, 30mm, 50mm의 성형하여 가스화 반응기(201)에 공급하기 위해 저장탱크 또는 챔버에 보관된다.
도 1의 제3 전처리 유닛(120)은 하수 슬러지를 이용하여 펠릿을 생산하는 것으로서, 하수슬러지는 습기와 재 함수 량이 높아 가스화 반응기(201)에 투입 전에 전 처리가 요구된다. 가스화에 대한 이러한 부정적 영향을 피하기 위해 일차 슬러지는 미생물을 안정화시킨 후 기계적으로나 열적으로 수분을 제거하거나 건조시켜야 한다. 하수 슬러지 펠릿 공정은 사전 처리 및 건조된 하수 슬러지가 사전챔버(121)로 투입되어 하단의 스크루(Screw)(122)에 의하여 배출장치로 나오면 혼합기(열량 혼합 촉진제)(123)에 들어가 5 % 정도의 수분량을 함유한 상태에서 건조된 하수 슬러지와 열량 혼화제를 혼합한다.
그런 다음 가공된 슬러지는 펠릿 압축기(124)에서 슬러지 펠릿으로 성형 된다. 또한 생산된 슬러지 펠릿은 대류 냉각기(125)에서 주변 온도보다 약 10℃ 높게 냉각되며, 각 슬러지 펠릿 10～35mm직경에 해당하며, 이 과정에서 발생하는 미세먼지는 사이클론 분리기(126)에서 분리되어 일부 칩과, 미세먼지는 재차 혼합기(123)에 이송하고, 생산된 칩은 스크린(127)을 통과하면서 일정 크기에서 슬러지 펠릿은 보관소로 보관되어 가스화 반응기(201)로 전달된다. 그러나 스크린(127)에서 일정 크기 미만의 그물을 통과한 100%의 슬러지 펠릿(직경 3mm이하)은 다시 사전챔버(121)로 보내어진다.
도 1에서와 같이, 석탄, 도시고형폐기물인 MSW및 하수 슬러지 펠릿의 공급을 위한 준비를 완료한 후 가공된 공급 원료를 도 2에서와 같이 가스화를 위하여 분쇄 및 건조 석탄 저장고(108), 성형기(116), 스크린(127)을 통과하여 연소장치인 가스화 반응기(Gasifier)(201)에 투입될 수 있도록 준비한다. 이는 가스화 반응유닛(200)에서 석탄, 도시고형폐기물인 MSW, 하수 슬러지 펠릿의 탄소질 고체 입자를 합성 가스로 변환하기 위한 공정이다. 도 2는 탈황 반응유닛(210), 합성가스 개질유닛(220), 증기-가스환원 반응 유닛(230)로 구성이 되어 있으며, 준비된 가스화 연료는 가스화 생산을 위해 가스화 반응기(201)의 상단으로 들어간다. 이 가스화 반응기(201)는 연료의 공정의 환원 조건을 유지하기 위해 탄소/산소비율을 제어한 산화제인 공기 또는 산소 및 증기를 펌프(204)를 이용하여 열분해를 하여 가스화 작업을 하는 반응기이다. 공기를 산화성 재료로 사용할 경우 공기 중의 질소가 생산 합성 가스(Syngas)를 희석하기 때문에 순수한 산소를 사용할 때보다 제품의 열량이 낮다. 그러나 순수 산소의 사용은 공기 분리 장치가 필요하며, 이는 설치 비용을 증가시키고 에너지 소비를 의미하므로 전체 에너지 효율이 감소하므로 공기를 주입한다. 또한 증기를 첨가하여 가스에서 생성되는 수소의 양을 증가시킬 수 있다.
도 2의 가스화 반응 유닛(200)의 가스화 반응기(201)는, 연료를 높은 온도로 연소하기 위해, 연소연료 내지 플라즈마를 이용하여 연소장치(203)에 주입하여 석탄, 도시고형폐기물 MSW, 하수슬러지펠릿을 가스화 반응기(201)에서 연소작업을 하여 1,350～1,500 ℃의 높은 온도의 합성가스를 생성하는 것이다. 이때 높은 온도 1,350 ℃, 40 bar의 합성가스는 일산화탄소(CO), 수소가스(H2), 이산화탄소(CO2), 메탄가스(CH4), 황화카보닐(COS), 이산화황(SO2), 질소가스(N2)로 구성된 저 열량 가스 혼합물로 형성된다. 이러한 가스화 반응기(201)에 냉각수 주입펌프(202)를 이용하여 주입된 냉각수는 담수화 플랜트(Desalination Plant)(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입되어 570～580 ℃의 고온의 증기를 발생하여 도 3의 증기터빈 발전유닛(320)의 증기 완충탱크(321)로 이송되어 증기터빈 발전에 이용되며, 저 탄소 재질이 중력에 의해 응집되어 가스화 반응기(201)로부터 분리되어 감압 및 폐기를 위한 록호퍼 시스템을 통해 배출 저장조(207)로 배출된다.
2단으로 구성된 사이클론 집진장치(205)로 합성가스(Syngas)에 포함된 미세 먼지를 제거한 이후, 합성가스(Syngas)가 냉각기(206)를 통과하면서 1,350 ℃의 합성가스 온도가 약 870 ℃로 온도가 감소하면서 담수화 플랜트(Desalination Plant)(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 냉각수는 고온의 증기로 변환하여 합성가스 개질 유닛(220)으로 공급되고 냉각기(206)에서 나온 합성가스(Syngas)는 황화수소(H2S), 황화카보닐(COS), 이산화황(SO2)이 포합되어 있으므로 탈황 반응 유닛(210)으로 이송된다. 연료 연소 완료 후, 연소후 폐기 재(Ash)는 배출 저장조(207)에 저장 후 처리 장소에서 처리한다.
또한, 위와 같은 합성가스(Syngas)가 탈황 반응유닛(210)으로 이송되면서 탈황 반응 유닛(210)의 탈황 반응기(211)에서 677～721 ℃, 19 bar의 고온의 황화수소(H2S) 및 황화카보닐(COS)이 산화아연(ZnO) 내지 산화철 Ⅲ(Fe2O33)와 반응하면서 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS), 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)가 발생하며, 분리기(214)에서 분리는데, 이산화황(SO2)은 분리기(214)에서, 직접 탈황반응기(DSRP)(215)에서 산화아연(ZnO) 내지 산화철 Ⅲ(Fe2O3)와 반응하여 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS)과 산소(O2)로 분리되고 분리기(214) 및 직접 탈황반응기(DSRP)(215)에서 발생한 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS)이 냉각기(219)를 통하여 외부공기를 압축기를 거쳐 공기의 온도를 공기 히터(212)를 이용하여 약 10 ℃ 이상 상승시킨다.
또한, 이러한 고형 폐기물은 가스화 반응기(201)에서 연소시 염소(Cl)가 연료에 따라 0.3～0.9 %의 미량 발생하며, 수소(H)와 결합하여 황화수소(HCl)로 변하고, 다시 황화수소(H2S)가 산화아연(ZnO)과 결합되어 황화아연(ZnS)이 발생하며, 산화철Ⅲ(Fe2O3)와 결합하면서 황화철(FeS)이 발생할 것이다. 이러한 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS)이 염화수소(HCl)와 (FeS+HCl→FeCl2+H2S-677 ℃이하, ZnS+HCl→ZnCl2+H2S-290 ℃이하) 산화-환원 반응식으로 분리하여 제거할 수 있다.
나머지는 산화아연(ZnO) 또는 산화철Ⅲ(Fe2O3)의 재생설비(213)를 통하여 공기중의 산소(O2)와 결합하여 산화아연(ZnO) 내지 산화철 Ⅲ(Fe2O3)을 재생하여 재차 이용하며, 그 중 일부 재생되지 않은 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS)과 황화가스가 포함된 것이 재생 분리기(218)를 거쳐 황화가스는 다시 탈황 반응기(211)를 거쳐 분리기(214)로들어가고, 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS)은 다시 공기 히터기(212)로 재차 들어가서 산화아연(ZnO) 또는 산화철Ⅲ(Fe2O3)의 재생설비(213)로 들어가서 산화아연(ZnO) 내지 산화철 Ⅲ(Fe2O3)을 재생하여 재활용하며, 산화-환원이 완료되어 생성된 이산화황(SO2)은 냉각기(219-1)로 들어가 온도를 700 ℃이하로 황 응축기(217)로 들어가서 도 4의 이산화황 액화기(410)로 들어간다.
또한, 황 응축기(217)에서 응축되지 않은 이산화황(SO2) 가스는 다시 압축기(216)를 거쳐 탈황 반응기(211)로 들어가 재차 분리한다.
이와 같이 합성가스(Syngas)에 포합된 황화수소(H2S), 황화카보닐(COS), 이산화황(SO2)을 탈황 반응유닛(210)에서 제거한 후 이산화황(SO2) 가스로 분리하여 도 4의 이산화황 액화 유닛(410)으로 유입되며, 담수화 플랜트(Desalination Plant)(500)로 부터 배관(534)을 거쳐 유입된 담수는 냉각기(219)(219-1)에서 나온 증기는 도 4의 지하배관(420)으로 들어가 응축수로 변하며, 도 5의 탈염수 저장조(532)로 이동된다.
도 2의 합성가스는 탈황반응유닛(210)에서 탈황된 가스는 합성가스 개질 유닛(220)으로 이송되고, 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 담수는 냉각기(206)를 거쳐 870 ℃의 고온의 증기가 합성가스 개질 반응기(221) 내부에서는 합성가스에서 메탄 및 기타 경탄화수소가 870～900 ℃의 초고온의 수증기와 20～25 bar의 압력으로 화학 반응을 일으켜 더 많은 수소가 생성된다.
여기서, 촉매는 반응 속도를 높이기 위한 알루미나 또는 니켈을 사용하며, 수증기/탄소 몰 비(%molH2O/%molC)는 3～5까지 가능하도록 하였다. 합성가스 재질 반응기(221)는 탄화수소 및 코크스 형성으로 열 균열을 방지하기 위해 충분한 증기를 포함해야 되며, 증기 대 탄소 비율이 높을수록 촉매 표면의 탄소 퇴적 위험도가 감소된다. 공정가스는 수소가스(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 메탄가스(CH4), 증기(H2O)의 혼합물로 전환된다.
그런 다음, 합성가스 개질 반응기(221)의 870 ℃, 25bar의 고온의 합성가스를 유지하기 위해 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 담수가 냉각기(206)를 거쳐 나온 고온의 증기를 합성가스와 혼합하고, 이를 이용하여 추가로 수소생산을 증가시키고, 합성가스 재질 반응기(221)에서 나온 합성가스가 냉각기(222)로 유입되고, 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 담수가 냉각기(222)에서 합성가스가 350˚C의 온도로 냉각되도록 하고 냉각수가 고온의 증기로 변할 경우 도 3의 증기터빈 발전 유닛(320)의 증기 버퍼 탱크(321)로 보내어져 증기터빈 발전에 이용되며, 냉각기(222)를 거친 합성가스는 고온증기-가스 환원 반응기(231)로 유입되고 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 담수가 냉각기(232)를 거친 고온의 증기는 증기 버퍼탱크(321)로 유입된다.
도 2의 증기-가스환원 반응 유닛(230) 중 고온 증기-가스환원 반응기(231)로 들어가며, 합성가스에 대하여 온도를 350～450 ℃로 유지하기 위해 추가 증기가 필요 시 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 담수를 이용한 냉각기(206)의 고온 증기를 사용할 수 있으며, 합성가스 개질 유닛(220)에서 개량된 가스의 주요 구성은 일산화탄소(CO)다. 이 일산화탄소(CO)와 증기의 촉매 반응에 의해 추가적인 수소 가스를 얻을 수 있으며, CH4+H2O→CO+3H2, CO+H2O→CO2+H2가 되고, 최종적으로 CO2+4H2가 된다. 이 반응은 발열 반응이며 일반적으로 증기-가스환원 반응 또는 이동 반응이라고 한다. 왜냐하면 반응은 발열이고 평형에 의해 조절되기 때문이며, 평형 상수는 온도의 함수로서 반응이 저온에서 유리하다는 것을 의미한다. 따라서 반응 중에 발생한 열은 철저히 제거해야 한다. 그럼에도 불구하고 낮은 온도에서는 반응 속도가 감소한다. 따라서 고온의 증기-가스환원 반응기(231)와 저온의 증기-가스환원 반응기(233)가 도입된다.
도 2의 고온의 증기-가스환원 반응기(231) 내부에서는 일산화탄소가 산화철/크롬기 촉매가 존재하는 상태에서 310～370 ℃의 온도 범위에서 증기와 반응하며, 출구 온도 범위는 400～500℃이다. 공정 가스의 일산화탄소(CO)는 대부분 이산화탄소(CO2)로 변환된다. 배출 가스에 남아 있는 CO는 2～3% 사이이다. 이후 공정가스는 고온 증기-가스환원 반응기(231)를 떠나 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 담수를 이용하여 냉각기(232)가 215 ℃의 온도로 냉각된 후 저온 증기-가스환원 반응기(233)로 들어가며, 반응기 내부의 온도를 190～230 ℃를 유지하기 위해 냉각기(206)의 고온의 증기를 이용한다. 이 경우 냉각기(232)는 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 냉각수는 약 400 ℃의 고온의 증기로 변하여 도 3의 증기 버퍼 탱크(321)로 유도되며, 증기 발전에 이용된다.
다음은, 저온의 증기-가스환원 반응기(233)의 경우, 190～230 ℃ 범위의 유입구와 220～250 ℃ 범위의 배출구가 대표적이다. 저온의 증기-가스환원 반응기 (233)에서의 반응에는 일반적으로 금속 구리, 산화 아연 및 알루미나, 크로미아 등 하나 이상의 소모 형 산화물로 구성된 촉매가 사용된다. 일산화탄소(CO)의 대부분은 이산화탄소(CO2)로 변환되어 CO 함량이 0.2vol% 미만으로 떨어진다. 그런 다음 저온의 증기-가스환원 반응기(233)의 가스는 냉각기(234)로 유입되며, 냉각기의 냉각수는 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 담수를 사용하며, 이 경우 냉각기를 통과한 가스 온도가 최종 35℃로 감소한다. 냉각기(234)의 통과한 담수는 고온의 증기로 변환되며 이러한 고온의 증기는 도 3의 증기 버퍼 탱크(321)로 유도되며, 증기 발전에 이용된다.
냉각기(234)에서 나온 가스는 응축기(235)로 들어가고 그 중 응축된 수증기는 재활용 담수로 사용하기 위해, 도 4의 배관(420)으로 유입되고, 응축기(235)에서 나온 가스는 도 3의 이산화탄소 제거 장치인 아민 이산화탄소 흡수 유닛(300)으로 유입되어 이산화탄소 흡수장치(307)로 유입된다.
도 3은 이산화탄소 제거장치인 아민 이산화탄소 흡수 유닛(300), 수소분리를 위한 압력 순환식 흡착장치(310), 증기터빈 발전유닛(320)을 보여주고 있다. 도 3에서, 응축기(235)에서 나온 가스에 0.8 %의 아주 미세 량의 일산화탄소(CO)와 2 %의 다량의 이산화탄소(CO2)가 일부 포함되어 있으므로 이산화탄소 제거유닛(300)인 아민 이산화탄소 흡수 장치(307)에 합성가스가 가스 주입구(301)로 유입되고, 이산화탄소 흡수장치(307)에 유입된 후 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 25～30 ℃의 담수(H2O)는 담수 주입펌프(302)로 이산화탄소 흡수장치(307)에 유입되고, 25～30 ℃의 모노에탄올아민(MEA)이 아민 주입펌프(306)에 의하여 이산화탄소 흡수장치(307)에 유입되어, 물과 모노에탄올아민의 수용액이 0.8 %의 미세 량의 일산화탄소 내지 2 %의 다량의 이산화탄소를 흡착시킨 후 물과 모노에탄올아민(MEA)의 수용액이 재생장치(303)로 유입된다. 이와 동시에 합성가스가 가스 주입구(301)로 이산화탄소 흡수장치(307)에 유입되고, 일산화탄소 및 이산화탄소가 흡수되고, 나머지 가스는 침전탱크(305)에서 일부 침전물 등은 다시 합성가스가 가스 주입구(301)로 이산화탄소 흡수장치(307)에 유입되고 수소를 포함한 질소 등은 수소분리를 위한 압력 순환 식 흡착장치(310)로 유입된다.
물과 모노에탄올아민(MEA)의 수용액은 재생하기 위하여 모노에탄올아민(MEA) 재생장치(303)로 유입되어, 재생 모노에탄올아민(MEA) 저장조(308)에 저장되고 다시 아민 주입펌프(306)로 이송되어 다시 사용을 하며, 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 25～30 ℃의 담수(H2O)를 220 ℃의 고온의 수증기로 가열하여 스팀(증기)펌프(309)로 모노에탄올아민(MEA) 재생장치(보일러)(303)에 투입하여 내부 온도를 118 ℃, 13.5 bar로 유지하면 미세량의 일산화탄소, 이산화탄소는 가스화되고, 물은 수증기로 변화되고, 모노에탄올아민(MEA)은 액체가 되며, 모노에탄올아민(MEA)은 냉각되어 아민 저장조(308)에서 재차 아민 주입펌프(306)로 재활용된다.
모노에탄올아민(MEA) 재생장치(보일러)(303)를 거친 고온의 증기는 스팀(증기)펌프(309)로 필요 시 일부를 증기터빈 발전유닛(320)의 증기 버퍼탱크(321)로 들어가 증기터빈 발전에 이용되고, 또한 나머지는 다시 응축수로 만든 다음 고온의 증기로 이용되거나 지하배관(420)으로 보내어져 재생하여 사용하며, 여기서 발생한 증기는 다시 냉각한 다음 이를 재차 사용하도록 하고, 미세 량의 일산화탄소, 이산화탄소 등의 가스는 아민 필터(304)를 통하여 도 4의 이산화탄소 액화 유닛(400)으로 유입된다.
도 3의 침전탱크(305)에서 나온 가스는 수소분리를 위한 압력 순환 식 흡착장치(310)로 유입되고, 일부 액체는 침전탱크(305)에서 다시 이산화탄소 흡수장치(307)로 유입되며, 29～30 ℃의 23 bar의 가스를 압축기(311)를 거쳐 30～35 bar로 증압을 한 이후 가스의 온도를 저온의 20 ℃를 유지하기 위해 냉각기(312)로 보내어지고, 냉각수로 사용한 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 냉각수는 냉각기를 거치더라도 저온이므로 증기터빈에는 사용할 수 없으므로 재활용을 위해 도 4의 배관(420)으로 보내어진다. 냉각기(312)에서 나온 가스는 20 ℃, 25 bar로 주로 수소(H2) 와 불순물인 매우 미량의 일산화탄소(CO) 매우 미량의 이산화탄소(CO2), 매우 미량의 메탄(CH4), 다량의 질소(N2)가 흡착기(313)에 가스가 유입되며, 이를 통하면 불순물(CO, CO2, CH4, N2)을 제거하고 99.99%의 수소가 최종 나오고 이러한 수소는 수소 버퍼탱크(314)로 유입되어 최종적으로 수소가 요구되는 지역으로 육상 배관을 통하여 송출된다.
도 3의 수소분리를 위한 압력 순환 식 흡착장치(310)로 유입된 합성가스는 흡착기(수소분리기)(313)로 유입되며, 흡착기는 분자 체와 같은 고체 흡착제에 고압으로 수소가 풍부한 가스 스트림에서 매우 미량의 불순물(CO, CO2, CH4), 다량의 질소(N2)을 흡착하는 순환 공정을 수행하는 구성이다. 작업은 상온에서 20～25 bar의 개량된 가스 압력에서 수행된다. 흡착 프로세스의 경우 두 개의 흡착 용기(흡착기)(313)가 사용된다. 공급 가스는 한 흡착 용기에서 다른 흡착 용기로 전환되며, 한 여과기에서 흡착이 이루어지는 동안 다른 여과기에서 흡착제가 재생되고 있으며, 이 공정은 항상 고순도 가스를 생성하는 신선한 흡착기(313)에서 수행되며, 불순물은 흡착여과기의 내부 표면에 흡착된다. 이 흡착기가 흡착 용량에 도달하여 더 이상 불순물을 제거할 수 없게 되면 오프라인 상태로 전환되고 공급은 다른 새 흡착기로 전환된다. 흡착기(313) 내 흡착공간에 갇힌 수소를 회수하기 위해 흡착기는 공급 흐름 방향(동류)과 같은 방향으로 제품 측으로부터 감압되어 고순도 수소를 배출한다. 탈착된 무해한 불순물은 흡착기(313)에서 오프 가스로 배출된다.
앞서 설명한 것과 같이 도 2의 냉각기(206)에서 발생한 고온의 증기 중 가스 개질기(221)에서 사용한 나머지, 냉각기(222)에서 나온 고온의 수증기, 냉각기(232) 및 냉각기(234)에서 나온 고온의 증기는 증기발전을 위하여 증기터빈 발전유닛(320)의 증기 버퍼 탱크(321)로 유입된다.
도 3의 증기터빈 발전유닛(320)로 유입되며, 이러한 고온의 수증기는 모두 증기 버퍼탱크(321)로 유입된다. 이와 같은 500～520 ℃의 고온의 증기는 압력이 29～35 bar에 불구하므로 증기터빈을 작동시키기 어려움으로 증기 압축기(322)를 이용하여 400 ℃, 100 bar이상의 고압의 증기로 변환하여 고압 증기터빈(323) 발전을 작동시킨다. 그 이후 증기는 280 ℃, 60 bar로 낮아져 중간 증기터빈(324)으로 유입되어 증기 발전을 작동시키고, 그 이후 증기는 210 ℃, 30 bar로 낮아져 저압 증기터빈(325)으로 유입되어 증기 발전을 작동시킨다. 상기한 고압 증기터빈(323), 중간 증기터빈(324), 저압 증기터빈(325)에서 발생한 에너지로부터 발전기(326)에서 전기를 생산하여 내부전선(Spur line)은 지하박스로 발전소 내 변전소(328)에 연결되므로 변전소(328)는 전압을 승압하여 송전선로(Transmission line)를 통하여 필요한 지역으로 송출한다.
또한, 최종적으로 저압 증기터빈(325)에서 나온 증기는 130 ℃, 6 bar가 되어 재 응축기(327)에서 25 ℃, 5 bar의 냉각수로 변환하여 재차 이용되도록 도 4의 배관(420)으로 이송되며, 수소분리를 위한 압력 순환식 흡착장치(310)의 냉각기(312) 및 이산화탄소 제거 장치인 아민 이산화탄소 흡수 유닛(300)의 모노에탄올아민(MEA) 재생장치(303)에서 발생한 증기는 경우에 따라서 온수로 사용될 수 있으므로 도 4의 지하배관(420)에서 응축되어 도 5의 탈염수 저장조(532)로 이송된다.
또한, 연료 소비 및 생산 과정에서 간과해서는 안 되는 필연적인 결과 중 하나는 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)와 이산화황(SO2)과 같은 폐가스의 발생이다. 따라서 인공적이고 환경적으로 유해한 가스 배출을 완화하기 위한 포획 이용 및 저장 기법이 포함되어야 한다.
도 3의 이산화탄소 흡수 유닛(300)의 아민 필터(304)에서 나온 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)와 도 2의 탈황 반응유닛(210)의 황 응축기(217)에서 응축되지 않은 이산화황(SO2)가스를 각각 이산화 탄소 액화유닛(400)과 이산화황 액화유닛(410)으로 유입된다.
도 4의 액화 방법은 액화 가스의 팽창 및 재순환에 의한 가스 직접 압축과 내부 냉각이다. 이산화탄소(CO2) 가스는 이산화탄소 액화 유닛(400)로 들어가 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 냉각수는 냉각기(401) 물 펌프를 사용하여 보내지는 물을 냉각기(401)를 통해 냉각된다. 그런 다음, 26 ℃, 35 bar인 이산화탄소(CO2) 공급은 첫 번째 분리기(402)로 전달되어 압축 전에 응축수가 발생하면 응축수 저장조(408)에 받아 외부로 배출한다.
이산화탄소(CO2)는 압축기(403)로 60 bar의 고압으로 압축된 후 두 번째 냉각기(404)에서 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 냉각수 냉각되고 팽창되어 온도가 떨어지며, 이는 열 교환기(405)를 통과하면서 온도를 보다 낮추어 줄-톰슨 밸브(406)를 통과하면서 액화화되고, 분리기(407)에 들어가며, 만일 일부가 액화가 되지 않았으며, 이러한 이산화탄소(CO2)가스를 열 교환기(405)를 재차 통하여 분리기(402)로 들어가 재차 순환 공정을 거쳐 액화시키고 그 이후 액화된 이산화탄소(CO2)를 필요지역 또는 이산화탄소(CO2)의 활용 제품생산 공장, 가스 용접기 등의 연료로 판매된다.
도 4의 677～721 ℃, 19 bar의 고온의 이산화황(SO2) 가스는 이산화황 액화유닛(410)으로 들어가 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 냉각수는 냉각기(411)를 통해 보내지는 담수로 인하여 냉각기를 통과하면서 가스가 냉각된다. 그런 다음, 26 ℃, 46 bar인 이산화황(SO2) 공급은 첫 번째 분리기(412)로 유입되어 압축 전에 응축수가 발생하면 응축수 저장조(418)에 받아 외부로 배출한다.
이산화황(SO2)은 압축기(413)로 50 bar의 고압으로 압축된 후 두 번째 냉각기(414)에서 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 냉각수에 의하여 냉각되고 팽창되어 온도가 떨어지며, 이는 열 교환기(415)를 통과하면서 온도를 보다 낮추어 줄-톰슨 밸브(416)를 통과 하면서 액화화되며, 분리기(417)에 들어간다. 만일, 일부가 액화가 되지 않으면, 이러한 이산화황(SO2) 가스를 열 교환기(415)를 재차 통하여 분리기(412)로 들어가 재차 순환 공정을 거쳐 액화시키고 그 이후 액화된 이산화황(SO2)를 필요지역 또는 이산화황(SO2)의 활용 제품생산 공장 등에 판매된다.
도 2의 탈황 반응 유닛(210)의 냉각기에 사용된 냉각수, 도 3의 아민 이산화탄소 흡수 유닛(300), 수소분리를 위한 압력 순환식 흡착장치(310), 증기터빈 발전유닛(320)에서 사용 이후 재응축기(327)를 거친 응축수 및 이산화탄소 액화유닛(400)의 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 냉각수가 냉각기(401), 냉각기(404)를 거쳐 나온 냉각수와 이산화황 액화 유닛(410)의 담수화 플랜트(500)로부터 배관(534)을 거쳐 유입된 냉각수가 냉각기(411), 냉각기(414)를 거친 나온 모든 냉각수는 지하배관(420)에서 모두 집수한 이후 도 5의 탈염수 저장조(532)로 이송되며, 온수가 필요한 지역에는 이러한 온수를 도 5의 펌프(537)로 보내진다.
도 5는 담수화 플랜트(500)로서, 이는 도 2의 가스화 반응 유닛(200)의 가스화 반응기(201), 합성가스 개질 유닛(220)의 냉각기, 증기-가스 변환 반응 유닛(230)의 냉각기, 도 3의 아민 이산화탄소 흡수유닛(300), 압력 순환식 흡착장치(310), 도 4의 이산화탄소의 액화유닛(400)과 이산화황의 액화유닛(410)의 냉각기에 공급되는 냉각수를 생산한다. 상기한 구성에 필요한 냉각수 외 나머지 담수는 필요지역에 공급한다.
본 발명에서는 수소생산 연료인 석탄, 도시고형 폐기물, 하수슬러지 펠릿으로부터 수소(H2)를 생산하기 위해 합성가스의 개질 등에 다량의 고온의 증기가 요구되므로 필요한 시설로서, 담수화 플랜트(500)가 필요하며, 우선 바닷물을 이용하기 때문에 해안 구역(Basin)을 설치하고 스크린 여과기(501)를 거치 해수는 주입관(502)을 거쳐 해수흡입 펌프(503)에서 해수를 끌어올려 침전조(506)에 주입한다. 침전조(506)에 주입하기 전 배관에 응고제 주입펌프(504)로 응고제를 투입하고, 이어서 차아염소산나트륨 주입펌프(505)로 아염소산나트륨를 투입하는데, 이는 해수를 세정 및 살균하는 작용을 한다.
이렇게 침전조(506)에 투입된 해수로부터 침전물은 제거하고, 해수는 다음의 여과기 저장조로 이동하면서 생분해성 고분자(Biodegradable Polymer) 주입펌프(507)로 고분자가 투입되어, 필터 펌프(508)에 의해 초기 여과기 저장조(509) 투입되어 1차 여과가 이루어진다, 이어서, 부유물 여과기 저장조(510)에 투입되면서 부유물 여과기에 의한 여과를 통해 크기가 해수에 포함되어 있는 20미크론 이상인 부유물이 90%까지 제거된다.
여기서, 여과 송풍기(511)를 사용하여 초기 여과기(509)와 부유물 여과기 저장조(510)에 여과된 공기를 주입함으로써, 해수로부터 보다 효과적으로 부유물을 제거할 수 있다.
위와 같은 여과 과정에서 제거되지 않은 부유물은 역세척 저장조(512)에 투입되어, 역세척 여과 펌프(513)에 의해 다시 초기 여과기 저장조(509)와 부유물 여과기 저장조(510)에서 다시 여과한다. 이렇게 부유물 여과기 저장조(510)에서 부유물이 완전히 제거된 담수는 카트리지 1차 여과기(515)에 보내져 항산성제 주입펌프(514)로 항산성제를 투입하고, 역삼투(RO, Reverse Osmosis)막 확장 억제 전처리 약품이 투입되어 1차 여과를 한다.
담수에 아황산 수소나트륨 주입펌프(516)로 아황산 수소나트륨을 투입한 담수를 갈변 및 미생물의 살균을 위하여, 역삼투용 고압 펌프(517)를 이용하여 해수 역삼투시스템(518)에 투입하고, 이를 소금과 다른 유기물이 흐르지 못하게 하는 반 다공성 막을 통과하도록 강제하는 소금물에 고압 펌프를 사용하여 여과한 후, 폐소금물 방류펌프(519)로 폐소금물인 소금이 포함된 폐기 담수는 제거하고 바다로 돌려보내고 깨끗한 담수는 흡착 저장조(520)에 저장한다.
이어서, 역삼투 투과펌프(521)는 역삼투(RO, Reverse Osmosis) 장치의 저장 탱크의 역압을 크게 감소시키기 위하여 사용되며, 서비스 물 저장조(522)에 유입된 담수로부터 부유물 제거 역삼투 펌프(523)를 사용하여 부유물을 제거한다. 이렇게 부유물이 제거된 담수는 카트리지 2차 여과기(524)에 투입되어 2차 여과가 이루어진 후, 부유물 역삼투용 고압 펌프(525)를 통해 부유물 역삼투용 장치(526)로 유입되어 부유물을 추가로 제거한다.
이후, 폐소금물 방류펌프(527)로 폐소금물인 소금이 포함된 폐기 담수는 제거하고 바다로 돌려보내며, 깨끗한 담수는 부유물 역삼투용 투과저장조(528)에서 추가 부유물 제거한 후 이온 교환 장치 유입 펌프(529)를 통해 이온 교환 장치(530)를 경유하면서 우수한 수질의 담수로 생산하여, 최종적으로 탈염수 펌프(531)를 이용하여 탈염수 저장조(532)로 저장한다.
위와 같이 수처리 공정의 마지막 처리 공정을 통해 처리된 담수는 탈염수 저장조(532)에 저장되며, 또한 도 3의 증기터빈 발전유닛(320)의 응축기(327) 및 도 4에서 재활용되는 온수는 지하배관(420)을 통하여 탈염수 저장조(532)에 저장되거나 온수 지역 공급 펌프(537)를 거쳐 지하배관(420)을 통하여 온수 각 지역에 따라 필요한 공급펌프(538)에 의해 이송되어 필요한 지역으로 이송된다.
그리고, 담수는 탈염수 저장조(532)에서 담수 공급펌프(533)에 의해 담수 공급배관(534)을 통하여 수소(H2) 생산 플랜트로 재이송되거나, 냉각수 지역 공급 펌프(535)는 나머지 담수를 지하 배관을 거쳐 냉각수 각 지역에 따라 필요한 공급펌프(536)로 보내 담수가 필요한 지역으로 이송한다.
위와 같은 담수화 플랜트의 해수 역삼투시스템(518)을 거쳐 나온 담수는 칼슘(Calcium) 4.5 ppm(0.00045%), 마그네슘 (Magnesium) 24.8 ppm(0.00248%), 나트륨 (Sodium) 236.3 ppm(0.02363%), 칼륨 (Potassium) 7.5 ppm(0.00076%), 중탄산염 (Bicarbonate) 1.5 ppm(0.00015%), 염화물 (Chloride) 260.3 ppm(0.02603%), 황산염(Sulphate) 11.3 ppm(0.00113%)이하이며, 전도도(Conductivity) >>800mS/cm의 담수 정도이나 그 외는 나오지 않고 있다.
부유물 역삼투용 장치(526)를 통과한 후 부유물 역삼투용 투과저장조(528)을 거처 나온 담수는 마그네슘(Magnesium) 0.5 ppm(0.00005%), 나트륨(Sodium) 6.5 ppm(0.00065%), 칼륨(Potassium) 0.3 ppm(0.00003%), 중탄산염(Bicarbonate) 0.8 ppm(0.00008%), 염화물(Chloride) 6.1 ppm(0.00061%), 황산염(Sulphate) 0.4 ppm(0.00004%)이하이며, 전도도 (Conductivity) >>25mS/cm의 담수 정도이다.
최종적으로, 이온교환 장치(530)를 거친 담수는 나트륨(Sodium) 0.01 ppm(0.000001%), 규산염(Silica) 0.01 ppm(0.000001%) 이하, 전도도 (Conductivity) <0.2mS/cm로서 식음수의 기준을 충족한다.
따라서 본 발명은 담수화 플랜트와 수소생산, 이산화황 및 이산화탄소의 추출 및 액화와 증기터빈과 온수공급 및 나머지 담수를 필요지역에 공급하므로 청정에너지 및 재생에너지와 이산화탄소(CO2)와 이산화황(SO2) 포집 기술의 종합복합공정을 거친 블루수소생산을 위한 시스템이다.
이상에서 설명한 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있으므로 본 발명의 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 제1 전처리 유닛 101 : 컨베이어 시스템
103 : 석탄 저장고 104, 112 : 건조기
105 : 분쇄기 106, 126 : 사이클론 분리기
107 : 집진기 108 : 건조 및 분쇄 석탄 저장고
109 : 미세먼지 방지시설 110 : 제2 전처리 유닛
111 : 회전식 전단 분쇄기 113 : 자기 분리기
114 : 비철 분리기 115 : 공압 분리기
116 : 성형기 120 : 제3 전처리 유닛
121 : 사전 챔버 122 : 스크류 배출장치
123 : 혼합기 124 : 펠릿 압축기
125 : 대류 냉각기 127 : 스크린
200 : 가스화 반응 유닛 201 : 가스화 반응기
202 : 냉각수 주입펌프 203 : 연료장치
204 : 공기, 증기 주입펌프 205 : 사이클론 집진장치
206 : 합성가스 냉각기 207 : 배출 저장조
210 : 탈황 반응 유닛 211 : 탈황 반응기
212 : 공기 히터기 213 : 재생설비
214, 402, 407, 412, 417 : 분리기 215 : 직접 탈황 반응기
216, 311, 403, 413 : 압축기 217 : 황 응축기
218 : 재생 분리기
219, 219-1, 222, 232, 234, 312, 401, 404, 411, 414 : 냉각기
220 : 합성가스 개질 유닛 221 : 합성가스 재질 반응기
230 : 증기-가스 환원 반응 유닛 231 : 고온증기- 가스 환원 반응기
233 : 저온증기-가스 환원 반응 유닛 300 : 이산화탄소 흡수 유닛
301 : 가스 주입구 302 : 담수 주입펌프
303 : 모노 에탄올아민 재생보일러장치
304 : 아민 필터 305 : 침전 탱크
306 : 아민 주입펌프 307 : 이산화탄소 흡수장치
308 : 아민 저장조 309 : 스팀(증기) 펌프
310 : 압력 순환식 흡착 유닛 313 : 흡착기
314 : 수소 버퍼탱크 320 : 증기터빈 발전 유닛
321 : 증기 버퍼 탱크 322 : 증기 압축기
323 : 고압 증기터빈 324 : 중간 증기터빈
325 : 저압 증기터빈 326 : 발전기
327 : 증기 재응축 탱크 328 : 변전소
400 : 이산화탄소 액화 유닛 405, 415 : 교환기
410 : 이산화황 액화 유닛 420 : 지하배관
500 : 담수화 플랜트 501 : 여과기
502 : 해수 주입관 503 : 해수 흡입펌프
504 : 응고제 주입펌프 505 : 차아염소산나트륨 주입펌프
506 : 침전조 507 : 고분자 주입펌프
508 : 필터 펌프 509 : 초기 여과기 저장조
510 : 부유물 여과기 저장조 511 : 송풍기
512 : 역세척 저장조 513 : 역세척 여과펌프
514 : 항산성제 주입펌프 515 : 1차 여과기
516 : 아황산수소나트륨 주입펌프 517 : 역삼투용 고압펌프
518 : 역삼투 시스템 519, 527 : 폐소금물 방류펌프
520 : 흡착 저장조 521 : 역삼투 투과 펌프
522 : 서비스 물 저장조 523 : 역삼투펌프
524 : 2차 여과기 525 : 부유물 역삼투용 고압 펌프
526 : 부유물 역삼투용 장치 528 : 부유물 역삼투용 투과 저장조
529 : 이온 교환장치 유입펌프 530 : 이온 교환장치
531 : 탈염수(담수) 펌프 532 : 탈염수 저장조
533 : 담수공급펌프 534 : 담수공급배관
535 : 냉각수 지역 공급펌프 536 : 냉각수 각 지역에 따라 필요한 공급 펌프
537 : 온수지역 공급펌프 538 : 온도 각 지역에 따라 필요량 공급펌프
103 : 석탄 저장고 104, 112 : 건조기
105 : 분쇄기 106, 126 : 사이클론 분리기
107 : 집진기 108 : 건조 및 분쇄 석탄 저장고
109 : 미세먼지 방지시설 110 : 제2 전처리 유닛
111 : 회전식 전단 분쇄기 113 : 자기 분리기
114 : 비철 분리기 115 : 공압 분리기
116 : 성형기 120 : 제3 전처리 유닛
121 : 사전 챔버 122 : 스크류 배출장치
123 : 혼합기 124 : 펠릿 압축기
125 : 대류 냉각기 127 : 스크린
200 : 가스화 반응 유닛 201 : 가스화 반응기
202 : 냉각수 주입펌프 203 : 연료장치
204 : 공기, 증기 주입펌프 205 : 사이클론 집진장치
206 : 합성가스 냉각기 207 : 배출 저장조
210 : 탈황 반응 유닛 211 : 탈황 반응기
212 : 공기 히터기 213 : 재생설비
214, 402, 407, 412, 417 : 분리기 215 : 직접 탈황 반응기
216, 311, 403, 413 : 압축기 217 : 황 응축기
218 : 재생 분리기
219, 219-1, 222, 232, 234, 312, 401, 404, 411, 414 : 냉각기
220 : 합성가스 개질 유닛 221 : 합성가스 재질 반응기
230 : 증기-가스 환원 반응 유닛 231 : 고온증기- 가스 환원 반응기
233 : 저온증기-가스 환원 반응 유닛 300 : 이산화탄소 흡수 유닛
301 : 가스 주입구 302 : 담수 주입펌프
303 : 모노 에탄올아민 재생보일러장치
304 : 아민 필터 305 : 침전 탱크
306 : 아민 주입펌프 307 : 이산화탄소 흡수장치
308 : 아민 저장조 309 : 스팀(증기) 펌프
310 : 압력 순환식 흡착 유닛 313 : 흡착기
314 : 수소 버퍼탱크 320 : 증기터빈 발전 유닛
321 : 증기 버퍼 탱크 322 : 증기 압축기
323 : 고압 증기터빈 324 : 중간 증기터빈
325 : 저압 증기터빈 326 : 발전기
327 : 증기 재응축 탱크 328 : 변전소
400 : 이산화탄소 액화 유닛 405, 415 : 교환기
410 : 이산화황 액화 유닛 420 : 지하배관
500 : 담수화 플랜트 501 : 여과기
502 : 해수 주입관 503 : 해수 흡입펌프
504 : 응고제 주입펌프 505 : 차아염소산나트륨 주입펌프
506 : 침전조 507 : 고분자 주입펌프
508 : 필터 펌프 509 : 초기 여과기 저장조
510 : 부유물 여과기 저장조 511 : 송풍기
512 : 역세척 저장조 513 : 역세척 여과펌프
514 : 항산성제 주입펌프 515 : 1차 여과기
516 : 아황산수소나트륨 주입펌프 517 : 역삼투용 고압펌프
518 : 역삼투 시스템 519, 527 : 폐소금물 방류펌프
520 : 흡착 저장조 521 : 역삼투 투과 펌프
522 : 서비스 물 저장조 523 : 역삼투펌프
524 : 2차 여과기 525 : 부유물 역삼투용 고압 펌프
526 : 부유물 역삼투용 장치 528 : 부유물 역삼투용 투과 저장조
529 : 이온 교환장치 유입펌프 530 : 이온 교환장치
531 : 탈염수(담수) 펌프 532 : 탈염수 저장조
533 : 담수공급펌프 534 : 담수공급배관
535 : 냉각수 지역 공급펌프 536 : 냉각수 각 지역에 따라 필요한 공급 펌프
537 : 온수지역 공급펌프 538 : 온도 각 지역에 따라 필요량 공급펌프
Claims (26)
- 삭제
- 석탄, 도시 고형 폐기물, 하수 슬러지 중 하나의 가스화 연료를 연소시켜 합성가스를 생성하는 가스화 반응 유닛(200),
상기 합성가스로부터 이산화황(SO2)을 제거하는 합성가스 탈황 반응 유닛(210),
상기 가스화 반응 유닛(200) 또는 상기 합성가스 탈황유닛(210)으로부터 유입되는 합성가스와 고온의 증기를 반응시켜 수소를 포함하는 합성가스를 생성하는 합성가스 개질 유닛(220),
상기 가스화 반응 유닛(200) 또는 상기 합성가스 개질 유닛(220)의 합성가스를 증기와 반응시켜 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 증기-가스 환원 반응 유닛(230)을 포함하는 블루수소 생산장치에 있어서,
상기 증기-가스 환원 반응유닛(230)으로부터 유입되는 합성가스로부터 일산화탄소 및 이산화탄소를 흡수 제거하는 이산화탄소 흡수 유닛(300); 및
상기 이산화탄소 흡수 유닛(300)으로부터 배출되는 합성가스로부터 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 질소(N2)를 제거하고 수소를 저장하는 압력 순환식 흡착 유닛(310)을 포함하며,
상기 이산화탄소 흡수 유닛(300)은,
저온증기-환원 반응기(233)로부터 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 합성가스가 유입되고 담수가 유입되며 재생 모노에탄올 아민 저장조(308)로부터 모노에탄올아민이 유입되어 합성가스로부터 일산화탄소 및 이산화탄소를 흡착하는 이산화탄소 흡수장치(307);
증기가 유입되고 상기 일산화탄소 및 이산화탄소가 흡착된 합성가스로부터 모노 에탄올아민을 재생하여 재생 모노에탄올아민 저장조(308)에 저장하는 모노 에탄올아민 재생장치(303);
상기 모노 에탄올아민 재생장치(303)로부터 배출되는 합성가스를 필터링하여 일산화탄소 및 이산화탄소를 이산화탄소 액상 유닛(400)에 공급하는 아민필터(304); 및
상기 이산화탄소 흡수장치(307) 및 상기 모노 에탄올아민 재생장치(303)로부터 배출되는 합성가스를 압력 순환식 흡착유닛(310)에 공급하는 침전탱크(305)를 포함하여 구성되는 블루수소 생산장치에 있어서,
상기 가스화 반응 유닛(200)은,
연소연료 또는 플라즈마를 이용하여 제1 내지 제3 전처리부(100)(110)(120)로부터 투입되는 석탄, 도시 고형 폐기물, 하수 슬러지 중 하나의 가스화 원료를 공기, 산소 또는 증기를 포함하는 산화제로 열분해하여 고온의 합성가스를 생성하는 가스화 반응기(201);
상기 가스화 반응기(201)에서 냉각수 주입펌프(202)를 사용하여 주입된 냉각수가 고온의 증기를 생산하여 증기터빈 발전유닛(320)의 증기 완충탱크(321)로 이송하여 증기발전용량을 증대하는 가스화 반응기(201) 내의 배관 구성;
상기 가스화 반응기(201)에서 생성된 고온의 합성가스에 포함된 미세 먼지를 수거하는 사이클론 집진장치(205);
상기 사이클론 집진장치(205)에서 미세 먼지가 제거된 합성가스를 담수를 이용하여 냉각하는 합성가스 냉각기(206); 를 포함하여 구성되며,
상기 가스화 반응기(201)는,
폐기 재를 포함하는 저탄소 재질의 가스화 원료를 감압 및 폐기시켜 배출 저장조(207)로 배출하는 록호퍼 시스템을 가지는 것을 특징으로 하는, 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치. - 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 합성가스 탈황 반응 유닛(210)은,
상기 합성가스 냉각기(206)로부터 합성가스가 유입되어 황화수소(H2S) 및 황화카보닐(COS)이 산화아연(ZnO) 내지 산화철 Ⅲ(Fe2O3)와 반응하면서 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS), 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)가 발생하는 탈황 반응기(211);
상기 탈황 반응기(211)의 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS), 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)로부터 이산화황(SO2)을 분리하는 분리기(214);
상기 탈황 반응기(211)의 산화아연(ZnO) 내지 산화철 Ⅲ(Fe2O3)와 반응하여 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS)과 산소(O2)로 분리하는 직접 탈황 반응기(DSRP)(215);
상기 분리기(214) 및 상기 직접 탈황 반응기(215)에서 발생한 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS)을 냉각하는 냉각기(219); 및
상기 직접 탈황 반응기(215)에서 산화-환원되어 냉각기(219-1)를 거쳐 유입되는 이산화황(SO2)을 응축하는 황 응축기(217)
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치. - 제2항 또는 제4항에 있어서,
상기 합성가스 탈황 반응 유닛(210)은,
상기 탈황 반응기(211)에서 발생하는 산화아연(ZnO) 또는 산화철Ⅲ(Fe2O3)을 공기중의 산소(O2)와 결합시켜 산화아연(ZnO) 내지 산화철 Ⅲ(Fe2O3)을 재생하는 재생설비(213) 및 상기 재생설비(213)의 황화아연(ZnS) 내지 황화철(FeS)과 황화가스로부터 황화가스를 분리하여 탈황 반응기(211)에 공급하는 재생 분리기(218)를 더 포함하며,
상기 합성가스 탈황 반응 유닛(210)은,
황 응축기(217)에서 응축되지 않은 이산화황(SO2) 가스를 압축하여 탈황 반응기(211)로 공급하는 압축기(216)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제2항에 있어서,
석탄을 건조하여 미세 석탄 분말로 분쇄하는 제1 전처리 유닛(100);
도시 고형 폐기물을 절단 및 건조한 후 금속 및 비철금속을 제거하는 제2 전처리 유닛(110); 및
하수 슬러지와 혼화제를 혼합하여 사전에 정해진 수분량을 가지는 일정한 크기의 슬러지 펠릿으로 성형하는 제3 전처리 유닛(120)을 더 포함하며,
상기 제1 전처리 유닛(100)은,
석탄을 이송하는 컨베이어 시스템(101);
상기 컨베이어 시스템(101)을 타고 미세먼지를 방지하기 위해 지하터널(102)을 통해 이송되는 석탄을 저장하는 석탄 저장고(103);
상기 석탄 저장고(103)로부터 배출되는 석탄을 건조하는 건조기(104);
상기 건조기(104)에서 건조된 석탄을 연소용 과립탄으로 분쇄하는 분쇄기(105);
상기 분쇄기(105)에서 연소용 과립탄으로부터 분쇄하는 과정에서 발생하는 미세 석탄 분말을 수거하는 사이클론 분리기(106); 및
상기 사이클론 분리기(106)에서 수거된 미세 석탄 분말을 가스화 반응 유닛(200)에 공급하는 건조 및 분쇄 석탄 저장고(108)와 전처리 과정에서 발생하는 미세먼지 방지를 위해 셀터(109)를 설치하며,
상기 제1 전처리 유닛(100)은
공기 중의 석탄입자를 모아 상기 석탄 저장고(103)에 공급하는 집진기(107)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치. - 삭제
- 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 제2 전처리 유닛(110)은,
도시 고형 폐기물을 절단하는 회전식 전단 분쇄기(111);
상기 절단된 도시 고형 폐기물을 건조하는 건조기(112);
상기 건조된 도시 고형 폐기물로부터 철 물질을 제거하는 자기 분리기(113);
상기 철 물질이 제거된 도시 고형 폐기물로부터 비철금속을 제거하는 비철 분리기(114);
상기 비철금속이 제거된 도시 고형 폐기물로부터 미세 먼지를 분리하는 공압 분리기(115); 및
상기 미세 먼지가 분리된 도시 고형 폐기물을 사전에 정해진 크기로 성형하여 가스화 반응 유닛(200)에 공급하는 성형기(116)
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치. - 제11항에 있어서,
상기 전처리 유닛(120)은,
수분 제거 및 건조된 하수 슬러지가 투입되는 사전 챔버(122);
스크루(122)에 의해 상기 사전 챔버(122)로부터 배출되는 하수 슬러지와 열량 혼화제를 혼합하는 혼합기(123);
상기 혼화제와 혼합된 하수 슬러지를 압축하여 5 %의 수분량을 가지는 슬러지 펠릿으로 성형하는 펠릿 압축기(124);
상기 슬러지 펠릿을 주변 온도보다 10 ℃ 높게 냉각하는 대류 냉각기(125); 및
상기 대류 냉각기(125)의 슬러지 펠릿 중 일정 크기의 슬러지 펠릿을 통과시켜 가스화 반응 유닛(200)에 공급하는 스크린(127) 을 포함하며,
상기 제3 전처리 유닛(120)은,
상기 슬러지 펠릿으로부터 미세 먼지를 수거하여 상기 혼합기(123)에 투입하는 사이클론 분리기(126)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치. - 삭제
- 제2항에 있어서,
역삼투 방식으로 해수로부터 담수를 생산하는 담수화 플랜트(500)를 더 포함하여 구성되며,
상기 담수화 플랜트(500)는,
해수를 여과하는 스크린 여과기(501);
상기 스크린 여과기(501)를 통과한 해수와 함께 응고제와 차아염소산나트륨이 투입되어 상기 해수를 세정 및 살균하는 침전조(506);
생분해성 고분자와 함께 투입되는 상기 세정 및 살균된 해수를 1차 여과하는 초기 여과기 저장조(509);
상기 1차 여과된 해수로부터 부유물을 제거하는 부유물 여과기 저장조(510);
항산성제와 역삼투막 확장 억제 전처리 약품과 함께 투입되는 상기 부유물이 제거된 담수를 1차로 여과하는 카트리지 1차 여과기(515);
아황산 수소 나트륨과 함께 상기 카트리지 1차 여과기(515)로부터 역삼투용 고압펌프(517)를 이용하여 투입되는 담수의 갈변 및 미생물을 살균하는 해수 역삼투시스템(518);
상기 해수 역삼투시스템(518)의 담수가 유입되는 흡착 저장조(521);
상기 흡착 저장조(521)의 담수가 역삼투 투과펌프(521)를 통해 역압이 감소되어 유입되는 서비스 물 저장조(522);
상기 서비스 물 저장조(522)로부터 부유물 제거 역삼투 펌프(523)에 의해 부유물이 제거 투입되어 담수를 2차 여과하는 카트리지 2차 여과기(524);
부유물 역삼투용 고압 펌프(525)에 의해 부유물 역삼투용 장치(526)에 유입되어 부유물이 제거된 상기 카트리지 2차 여과기(524)의 담수로부터 추가 부유물을 제거하는 부유물 역삼투용 투과 저장조(528); 및
이온 교환장치 유입펌프(529)를 통한 상기 부유물 역삼투용 투과 저장조(528)의 담수로부터 우수한 수질의 담수를 생산하여 탈염수 저장조(532)에 저장하는 이온 교환장치(530)
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치. - 삭제
- 제17항에 있어서,
상기 담수화 플랜트(500)는,
초기 여과기 저장조(509)와 부유물 여과기 저장조(510)에 여과된 공기를 주입하는 여과 송풍기(511)를 더 포함하며,
상기 담수화 플랜트(500)는,
상기 부유물 여과기 저장조(510)에서 부유물이 제거되지 않은 해수를 역세척 여과 펌프(513)를 통해 상기 초기 여과기 저장조(509); 및
상기 부유물 여과기 저장조(510)에서 재여과되도록 하는 역세척 저장조(512)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치. - 삭제
- 청구항 2의 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치; 및
상기 이산화탄소 흡수 유닛(300)로부터 유입되는 이산화탄소 가스를 압축 냉각하여 액화하는 이산화탄소 액화 유닛(400) 으로 구성되며,
상기 이산화탄소 액화 유닛(400)은,
담수에 의해 아민 필터(304)로부터 유입되는 이산화탄소 가스를 냉각하는 냉각기(401);
상기 냉각기(401)에 의해 냉각된 이산화탄소 가스로부터 물과 같은 응축된 구성요소를 분리하는 분리기(402);
상기 분리기(402)에서 물과 같은 응축된 구성요소가 분리된 이산화탄소를 고압으로 압축하는 압축기(403);
담수에 의해 상기 압축기(403)에서 고압으로 압축된 이산화탄소를 냉각하는 냉각기(404);
상기 냉각기(404)에서 냉각된 이산화탄소의 온도를 낮춰 액화하는 교환기(405); 및
상기 액화된 이산화탄소 중 액화되지 않은 이산화탄소를 분리하여 상기 교환기(405)에 재공급하고 액화된 이산화탄소를 외부의 저장조에 저장하는 분리기(407)
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 연료 연소시 발생한 폐가스의 액화장치. - 삭제
- 제21항에 있어서,
상기 합성가스 탈황 반응 유닛(210)에서 응축되지 않은 이산화황을 압축 냉각하여 액화하는 이산화황 액화 유닛(410)을 더 포함하여 구성되며,
상기 이산화황 액화 유닛(410)은,
황 응축기(217)에서 응축되지 않은 이산화황 가스를 담수에 의해 냉각하는 냉각기(411);
상기 냉각기(411)에서 냉각된 이산화황 가스로부터 물과 같은 응축된 구성요소를 분리하는 분리기(412);
상기 분리기(412)에서 물과 같은 응축된 구성요소가 분리된 이산화황을 고압으로 압축하는 압축기(413);
상기 압축기(413)에서 고압으로 압축된 이산화황을 냉각하는 냉각기(414);
상기 냉각기(414)에서 냉각된 이산화황의 온도를 낮춰 액화하는 교환기(415); 및
상기 액화된 이산화황 중 액화되지 않은 이산화황을 분리하여 상기 교환기(415)에 재공급하고 액화된 이산화황을 저장조에 저장하는 분리기(417)
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 원료 연소시 발생한 폐가스의 액화장치. - 삭제
- 청구항 2의 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치; 및
상기 가스화 반응유닛(200), 상기 합성가스 개질 유닛(220) 및 상기 이산화탄소 흡수 유닛(300)으로부터 유입되는 고온의 증기로 증기터빈 발전을 하는 증기터빈 발전 유닛(320) 으로 구성되며,
상기 증기터빈 발전 유닛(320)은,
가스화 반응기(201), 상기 합성가스 개질 반응기(221) 및 모노 에탄올아민 재생장치(303)로부터 고온의 증기로 유입되는 증기 버퍼 탱크(321);
상기 증기 버퍼 탱크(321)의 증기를 고압의 증기로 변환하는 증기 압축기(322);
상기 증기 압축기(322)의 고압의 증기에 의해 발전하는 고압 증기터빈(323);
상기 고압 증기 터빈(323)에서 배출되는 중간압력의 증기에 의해 발전하는 중간 증기터빈(324);
상기 중간 증기터빈(324)로부터 배출되는 저압의 증기에 발전하는 저압 증기터빈(325); 및
상기 고압 증기터빈(323), 상기 중간 증기터빈(324), 상기 저압 증기터빈(325)에서 발전하는 전기에너지로부터 전기를 생산하여 변전소(328)에 송출하는 발전기(326)
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 고온의 증기를 이용한 증기터빈 발전장치.
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210143550A KR102457045B1 (ko) | 2021-10-26 | 2021-10-26 | 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치, 원료 연소시 발생한 폐가스의 액화장치 및 고온의 증기를 이용한 증기터빈 발전장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210143550A KR102457045B1 (ko) | 2021-10-26 | 2021-10-26 | 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치, 원료 연소시 발생한 폐가스의 액화장치 및 고온의 증기를 이용한 증기터빈 발전장치 |
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| KR102457045B1 true KR102457045B1 (ko) | 2022-10-24 |
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| KR1020210143550A KR102457045B1 (ko) | 2021-10-26 | 2021-10-26 | 다양한 원료를 이용한 블루수소 생산장치, 원료 연소시 발생한 폐가스의 액화장치 및 고온의 증기를 이용한 증기터빈 발전장치 |
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