KR102499082B1 - 합성가스 생산을 위한 열분해·가스화 시스템 및 장치 - Google Patents
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Abstract
유기성 폐기물의 가스화 시스템 및 유기성 폐기물의 가스화 장치를 제공한다. 유기성 폐기물의 가스화 장치는 반응로 내에서 유기성 폐기물이 환원 가스화되는 유기성 폐기물의 가스화 시스템에 관한 것으로, 1400 ℃내지 3000℃의 온도범위로 유지된 반응로 내에 유기성 폐기물을 공급하는 단계, 유기성 폐기물을 반응로 내에서 1400℃내지 3000℃의 온도범위에서 유기성 폐기물을 환원 가스화 하는 단계, 환원 가스화 하는 단계에서 생성되고, 수소가스(H2) 및 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)가 포함된 제 1가스를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기를 1차로 분리하는 안정화단계, 안정화단계에서 1차로 일산화탄소 및 수분이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분을 2차로 분리하여 제 2가스에 포함된 수소가스의 순도를 높이는 냉각분리단계, 냉각분리단계에서 2차로 일산화탄소 및 수분의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃내지 -100℃의 온도범위에서 일산화탄소 및 수분을 3차로 제거하는 분리정제단계, 분리정제하는 단계에서 3차로 일산화탄소 및 수분이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 저장하는 단계, 및 제 4가스를 반응로 내에 재투입하면서 재연소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 유기성 폐기물을 환원 가스화 처리하여 재사용이 가능하도록 자원화하는 유기성 폐기물의 가스화 시스템 및 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 합성가스 생산을 위한 열분해·가스화 시스템 및 장치이다.
최근 사용되고 버려지는 폐기물의 양이 매우 증가하고 있으며, 이렇게 급격하게 증가하는 폐기물에 대한 처리가 매우 곤란한 상황이다. 최근에는 일회성 제품과 제품을 포장하는 일회성 용기, 포장재 등의 소비도 증가하여 버려지는 폐기물을 처리하기가 곤란한 상황이 되었다.
유기성 폐기물로는 각종 고분자 물질 등으로 이루어지는 플라스틱 수지재 등이 있는데, 이러한 유기성 폐기물을 처리하는 방식으로는 매립 방식을 많이 사용하였으나, 매립 방식으로 유기성 폐기물을 처리하는 방식은 장소적 제약에 의해 한계가 있어, 일부 폐기물들은 부피를 줄이기 위해 소각로에서 연소하여 폐기되는 방식을 이용하고 있는 상황이다. 이러한 연소방식의 예로는 도시폐기물 소각로를 들 수 있는데, 도시폐기물 소각로 장치에서 특정온도 이하에서 유기성 폐기물을 처리하는 경우 산화작용에 의해 다이옥신, 톨루엔, 나프탈렌, 벤젠 등의 산화물이 다량 발생할 수 있고, 이들 산화물은 환경오염물질일 뿐만 아니라, 발암물질로 분류되어 인체에서 흡입할 경우 많은 문제를 일으킬 수 있다.
따라서, 최근 사용이 급격하게 증가하여 폐기되는 유기성 폐기물에 대해 이를 환원 가스화하여 재사용이 가능한 상태로 자원화하도록 하면서, 자원화된 산물들을 재사용할 수 있도록 하는 유기성 폐기물의 자원화 시스템이 필요한 실정이다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 유기성 폐기물의 대부분을 환원 가스화하면서 환경오염물질의 발생을 최소화하고, 환원 가스화 처리된 합성가스를 재사용하여 유기성 폐기물 처리의 효율을 높이도록 할 수 있는 유기성 폐기물의 가스화 시스템 및 장치를 제공하는데 있다.
또한, 환원 가스화 처리된 합성가스를 고순도로 정제하여 이를 재사용이 용이하도록 하는 유기성 폐기물의 가스화 시스템 및 장치를 제공하는데 있다.
또한, 반응로 내에서 유기성 폐기물이 균일하게 환원 가스화되도록 하고 효율적으로 반응로 내에 적은 시간에 대량 투입이 가능하도록 하는 유기성 폐기물의 가스화 시스템 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 시스템은 반응로 내에서 유기성 폐기물이 환원 가스화되는 유기성 폐기물의 가스화 시스템에 관한 것으로, 1400 ℃ 내지 3000℃의 온도범위로 유지된 상기 반응로 내에 유기성 폐기물을 공급하는 단계, 상기 유기성 폐기물을 상기 반응로 내에서 1400℃ 내지 3000℃의 온도범위에서 상기 유기성 폐기물을 환원 가스화 하는 단계, 상기 환원 가스화 하는 단계에서 생성되고, 수소가스(H2) 및 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)가 포함된 제 1가스를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기(H2O)를 1차로 분리하는 안정화단계, 상기 안정화단계에서 1차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃ 내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분(H2O)을 2차로 분리하여 상기 제 2가스에 포함된 수소가스의 순도를 높이는 냉각분리단계, 상기 냉각분리단계에서 2차로 일산화탄소 및 수분(H2O)의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)을 3차로 제거하는 분리정제단계, 상기 분리정제단계에서 3차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 저장하는 단계, 및 상기 제 4가스를 상기 반응로 내에 재투입하면서 재연소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유기성 폐기물을 공급하는 단계, 상기 환원 가스화 단계, 상기 안정화단계, 상기 냉각분리단계, 상기 분리정제단계, 상기 제 4가스를 저장하는 단계, 및 상기 재연소하는 단계는, 반복 사이클로 수행되고, 상기 유기성 폐기물 가스화 시스템의 작동 초기에 상기 유기성 폐기물을 공급하는 단계 전 수소공급부로부터 수소(H2)와 산소공급부로부터 산소(O2)를 공급하여 상기 반응로를 1400 ℃ 내지 3000℃의 온도범위로 예열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 사이클이 1회 수행된 후, 상기 재연소하는 단계는 상기 수소공급부로부터 수소(H2)와 산소공급부로부터 산소(O2)를 조절하여 투입하면서 수행되되, 상기 수소와 산소 가스를 몰비로 1:2 내지 2:1의 범위로 투입하고, 상기 수소와 산소가스의 순도가 99% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 분리정제단계 후 H2-PSA 압축흡착을 통해 정제하여 상기 수소(H2) 가스의 순도를 99.99% 이상으로 높이는 압축흡착정제 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 분리정제단계는, 상기 제 3가스가 배관을 통해 유입되는 유입부의 배관과 연장되고 상하로 ∪자형과 ∩자형으로 적어도 2회 이상 반복되어 연장되는 정제배관을 상기 제 3가스가 이동하고, 상기 정제배관은 상기 정제배관의 하단부에서 ∪자형으로 구성된 정제배관의 일부를 외부에서 둘러싸 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 냉각하는 냉각챔버를 반복하여 통과하고, 상기 정제배관의 하단부에서 ∪자형으로 구성되고 상기 냉각챔버를 반복하여 통과하는 정제배관과 연결되면서 상기 냉각챔버 내에 위치하는 분리배관을 통해 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되며, 상기 제 4가스는 상기 정제배관을 통해 배출되고, 분리된 일산화탄소 및 수분(H2O)은 상기 분리배관을 통해 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 수평면 상에서 제 1방향을 X방향, 제 2방향을 Y방향이라 하고, 상기 수평면에 대해 수직한 방향을 Z방향이라 할 때, 상기 정제배관은 상기 Z방향으로 ∪자형과 ∩자형으로 상부와 하부를 반복하여 연장되면서 상기 X방향 및 상기 Y방향 모두로 연장되면서 진행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 분리배관은 상기 냉각챔버 내에서만 배치되어 상기 X방향 또는 상기 Y방향으로 진행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 유기성 폐기물을 공급하는 단계는 로우 메트리얼(raw material) 상태의 유기성 폐기물을 파쇄기로 100mm 내지 300mm 범위의 크기로 파쇄하는 단계, 및 파쇄된 상기 유기성 폐기물을 압축이송기로 20mm 내지 60mm 범위의 크기로 압축하여 상기 반응로로 공급하여 이송하는 압축이송단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 압축이송기는 모터, 상기 모터에 연결되어 회전하는 축, 상기 축에 연결된 스크류, 및 상기 스크류가 설치된 관로 내부의 공기를 외부로 제거하는 공기제거부를 포함하고, 상기 압축이송단계에서 상기 유기성 폐기물이 상기 스크류의 회전에 따라 압축이송되는 과정에서 상기 공기제거부에 의해 상기 관로 내부의 공기를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 압축이송기는 상기 관로의 내부 표면에서 상기 스크류 방향으로 돌출되되 상기 관로 내부에서 방사형으로 복수개 이격되어 배치된 뭉침방지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 장치는 내부에 빈 반응공간으로 환원공간이 마련되고, 상기 빈 반응공간을 둘러싸도록 형성되는 반응로 로서, 상기 반응로 일 측벽을 통해 유기성 폐기물이 유입되도록 외부와 연통하는 폐기물 투입구, 산소와 수소를 포함하는 합성가스를 공급하면서 발화에 의해 열을 가하는 하나 이상의 가스공급부, 상기 반응로 하단에 배치되고, 상기 반응로 내부에서 용융된 무기물이 용융되어 배출되는 무기물 배출부, 및 상기 반응로 상단에 배치되고, 상기 반응로 내부에서 폐기물이 환원처리되어 발생된 환원가스를 포함하는 제 1가스를 배출하는 환원가스 배출부,를 포함하는 반응로, 상기 환원가스 배출부에 연결되고, 상기 제 1가스를 냉각하면서 상기 제 1가스 중 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기(H2O)를 1차로 분리하는 가스 안정화부, 상기 가스 안정화부에서 1차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃ 내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분(H2O)을 2차로 분리하는 냉각분리부, 상기 냉각분리부에서 2차로 일산화탄소 및 수분(H2O)의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)을 3차로 제거하는 분리정제부, 상기 분리정제부에서 3차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 저장하는 정제가스저장부, 상기 정제가스저장부에서 상기 제 4가스를 상기 반응로의 상기 가스공급부로 재공급하는 가스 순환부, 및 전체 시스템의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반응로의 상기 가스공급부로 수소(H2)가스를 공급하는 수소공급부 및 산소(O2)가스를 공급하는 산소공급부를 더 포함하고, 상기 반응로는 상기 제어부를 통해 상기 수소공급부 및 상기 산소공급부로부터 수소(H2)가스와 산소(O2)가스를 공급받거나, 또는 상기 수소공급부, 상기 산소공급부 및 상기 가스 순환부로부터 수소(H2)가스와 산소(O2)가스를 공급받아 상기 반응로를 1400 ℃ 내지 3000℃의 온도범위 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 반응로로 공급되는 수소(H2)가스와 산소(O2)가스는 몰비로 1:2 내지 2:1의 범위이고, 상기 수소가스 및 산소가스의 순도가 99% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 분리정제부와 상기 정제가스저장부 사이에 배치되어 상기 분리정제부로부터 3차로 유해가스나 기타 불필요한 가스가 제거된 가스를 H2-PSA 압축흡착을 통해 정제하여 상기 수소(H2) 가스의 순도를 99.99% 이상으로 높이는 압축흡착정제부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 분리정제부는 상기 제 3가스가 배관을 통해 유입되는 유입부; 상기 유입부에서 연장되고 상하로 ∪자형과 ∩자형으로 적어도 2회 이상 반복되어 연장되어 상기 제 3가스가 이동하는 정제배관, 상기 정제배관의 하단부에서 ∪자형으로 구성된 복수의 정제배관의 일부를 외부에서 둘러싸 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 냉각하는 냉각챔버, 및 상기 정제배관의 하단부에서 ∪자형으로 구성되는 정제배관들을 연결하면서 상기 냉각챔버 내에 위치하는 분리배관을 포함하되, 상기 냉각챔버에는 상기 정제배관의 ∪자형을 구성되는 복수의 부분이 반복하여 통과하고, 상기 분리배관은 상기 냉각챔버 내에서 상기 냉각챔버를 반복하여 통과하는 정제배관의 복수의 ∪자형 부분을 서로 연결하고, 상기 제 4가스는 상기 정제배관을 통해 이동하면서 상기 냉각챔버를 반복하여 통과하면서 냉각된 일산화탄소 및 수분(H2O)을 분리하여 상기 정제배관을 통해 배출되고, 냉각되고 분리된 일산화탄소 및 수분(H2O)은 상기 분리배관을 통해 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 로우 메트리얼(raw material) 상태의 유기성 폐기물을 100mm 내지 300mm 범위의 크기로 파쇄하여 1차 가공원료를 배출하는 파쇄기, 및 상기 파쇄기에 연결되어 상기 1차 가공원료를 20mm 내지 60mm 범위의 크기로 압축하여 상기 반응로의 상기 폐기물 투입구로 공급하는 압축이송기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 압축이송기는 모터, 상기 모터에 연결되어 회전하는 축, 상기 축에 연결된 스크류, 및 상기 스크류가 설치된 관로 내부의 공기를 외부로 제거하는 공기제거부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 압축이송기는 상기 관로의 내부 표면에서 상기 스크류 방향으로 돌출되되 상기 관로 내부에서 방사형으로 복수개 이격되어 배치된 뭉침방지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따른 유기성 폐기물의 가스화 시스템 및 장치는 유기성 폐기물의 대부분을 환원 가스화하면서 환경오염물질의 발생을 최소화하고, 환원 가스화 처리된 합성가스를 재사용하여 유기성 폐기물 처리의 효율을 높이도록 할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따르면 단일 반응로에서 열분해 및 가스화 반응이 가능하여 공정의 단순화로 초기투자비를 절감하며, 연료을 다양하게 선택하도록 할 수 있다.
또한, 열분해와 가스화가 가능한 반응로 특성에 적합하면서도 반응로 내 축열량을 고려한 고밀도, 고순도의 원료로 한 재질의 내화재와 내화단열벽돌을 선정하여 반응로 내부를 설계할 수 있고, 반응로 내의 열용량을 최대화하면서도 반응로 외부의 케이싱을 최소화하도록 할 수 있다.
또한, 반응로 내부의 열손실과 흡열반응에 의한 흡수열만큼의 축열량을 보충하기 위해 생성된 수소가스의 20% 갸량을 재순환해 사용하여 연료구입비를 없애고 반응에 필요한 산소성분의 공급을 순산소를 사용하여 수소생산효율의 증대와 최적의 열원공급 설계를 구현할 수 있다.
또한, 반응로 내에서 고온조건을 통한 열분해 및 가스화 반응을 유도하여 타르, 다이옥신 등의 대기오염물질의 생성이 없어 굴뚝이 없으며, 유기성 폐기물에서 순도 99.99%의 수소가스를 생산할 수 있다.
또한, 반응로 내 계측제어 시스템을 통해 항시 고온을 안정적으로 유지하도록 할 수 있다.
또한, 환원 가스화 처리된 합성가스를 고순도로 정제하여 이를 재사용이 용이하도록 할 수 있다.
또한, 반응로 내에서 유기성 폐기물이 균일하게 환원 가스화되도록 하고 효율적으로 반응로 내에 적은 시간에 대량 투입이 가능하도록 하여 시스템 및 장치의 효율을 높이도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치의 공정라인을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치의 공정라인을 보다 상세하게 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치에 적용되는 분리정제부의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치에 적용되는 압축이송기를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치에 적용되는 압축이송기를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5의 압축이송기를 A-A'에 따라 절단한 단면도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치의 공정라인을 보다 상세하게 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치에 적용되는 분리정제부의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치에 적용되는 압축이송기를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치에 적용되는 압축이송기를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5의 압축이송기를 A-A'에 따라 절단한 단면도를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "하부면", "하측", "위(above)", "상부(upper)", "상부면", "상측" 등은 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들 과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다.
비록 제 1, 제 2등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제 2구성요소일 수도 있음은 물론이다.
본 발명의 여러 실시예들에 대한 설명을 위해 도시된 도면들은 설명의 편의를 위해 각 구성들, 그리고 각 구성들 간의 상대적인 크기나 높이, 길이 비율 등이 다소 과장되어 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 시스템 및 장치에 대한 설명에서 수분과 수증기, 물을 혼용하여 사용하고 있으나, 이는 수분과 수증기, 물 중 어느 하나이거나 이들이 혼합된 상태의 성분들을 의미하는 것으로 이해하면 될 것이다. 가스화 시스템이나 장치를 구동하는 과정 중 수분과 수증기, 물과 같이, 액체, 기체 등이 특정 상태로만 존재하거나, 혼용된 상태로 존재할 수 있기 때문이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치의 공정라인을 개략적으로 나타낸 사시도가 도시되어 있으며, 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치의 공정라인을 보다 상세하게 나타낸 공정도가 도시되어 있다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 시스템은 시스템에 관한 것으로, 1400 ℃ 내지 3000℃의 온도범위로 유지된 상기 반응로 내에 유기성 폐기물을 공급하는 단계, 상기 유기성 폐기물을 상기 반응로 내에서 1400℃ 내지 3000℃의 온도범위에서 상기 유기성 폐기물을 환원 가스화 하는 단계, 상기 환원 가스화 하는 단계에서 생성되고, 수소가스(H2) 및 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)가 포함된 제 1가스를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기(H2O)를 1차로 분리하는 안정화단계, 상기 안정화단계에서 1차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃ 내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분(H2O)을 2차로 분리하여 상기 제 2가스에 포함된 수소가스의 순도를 높이는 냉각분리단계, 상기 냉각분리단계에서 2차로 일산화탄소 및 수분(H2O)의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)을 3차로 제거하는 분리정제단계, 상기 분리정제하는 단계에서 3차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 저장하는 단계, 및 상기 제 4가스를 상기 반응로 내에 재투입하면서 재연소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 유기성 폐기물을 공급하는 단계는 상기 반응로(300)를 1400 ℃ 내지 3000℃의 온도범위로 유지한 후 수행될 수 있다. 또한, 상기 유기성 폐기물을 환원 가스화 하는 단계는 유기성 폐기물을 상기 반응로 내에서 1400℃ 내지 3000℃의 온도범위로 유지하면서 수행될 수 있다.
본 발명의 유기성 폐기물의 가스화 시스템은 여러 사이클로 수행될 수 있는데, 유기성 폐기물은 반응로(300)를 상기 온도 범위로 유지한 상태에서 투입될 수 있고, 초기 사이클에는 후술하겠으나, 상기 온도범위로 예열을 한 후 수행될 수 있다. 한편, 상기 온도 범위에서 유기성 폐기물이 반응로(300) 내부로 공급된 후 환원가스화 될 때에 대부분의 유기성 폐기물이 환원가스화 되도록 할 수 있다. 상기 온도범위에서 유기성 폐기물 중 탄소원자의 대부분은 일산화탄소(CO)로 변화되고, 수소원자의 대부분은 수소가스(H2)로 변화되어 이를 재사용할 수 있게 될 수 있다. 한편, 비제한적으로 일부 일산화탄소와 수소가스 이외에도 황(S) 등의 다른 성분이 소량 생성될 수 있다. 다만, 플라스틱과 같은 유기성 폐기물의 경우는 황(S) 등의 다른 성분이 생성되지 않을 수 있다. 이후 유해가스로 분류되는 일산화탄소나 황 등의 불필요한 요소들은 이후의 안정화단계, 냉각분리단계, 분리정제단계, 압축흡착정제 단계 등을 거침으로써, 수증기나 수분과 함께 제거되어 분리배출될 수 있고, 99% 이상, 바람직하게는 99.9% 이상 또는 99.99% 이상의 고순도의 수소가스만 잔류하여 이를 재사용이 가능하도록 할 수 있다. 한편, 비제한적으로 미환원된 금속과 광물 등의 잔류물은 용융된 상태로 반응로의 하부에 위치하는 배출부를 통해 외부로 배출되어 폐기처리 되는 등의 방식으로 처리될 수 있다.
상기 안정화 단계는 상기 환원 가스화 하는 단계에서 생성되고, 수소가스(H2) 및 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)가 포함된 제 1가스를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기(H2O)를 1차로 분리할 수 있다. 상기 안정화 단계는 반응로(300)의 상단에 연결된 가스 안정화부(800)를 통해 수행될 수 있다. 한편, 상기 일산화탄소와 수증기(혹은 수분) 이외에도 황 등의 성분이 추가로 제거될 수 있다. 상기 안정화 단계는 매우 고온의 상태로 반응로(300)에서 나온 상태이어서 온도가 너무 높아 분자들이 결합과 분리를 반복할 수 있기에 온도를 낮추어 이러한 원치 않는 분자들의 결합과 분리를 방지하도록 할 수 있다.
상기 냉각분리단계 상기 안정화단계에서 1차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃ 내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분(H2O)을 2차로 분리하여 상기 제 2가스에 포함된 수소가스의 순도를 높일 수 있다. 이 경우에도 상기 일산화탄소나 수분 이외에도 소량 함유된 황 등의 불순물을 제거할 수 있다. 상기 냉각분리단계는 수냉식관으로 구성된 냉각분리부(410, 420)에 의해 수행될 수 있고, 냉각분리부(410, 420)는 복수개로 구성되어 보다 냉각 및 불순물 제거를 효과적으로 진행되도록 할 수 있다. 상기 수냉식관은 상기 냉각분리부(410, 420) 내부를 통과하는 배관에 상온의 물을 분사하여 열교환이 이루어지는 방식으로 수행될 수 있다.
한편, 상기 분리정제단계는 상기 냉각분리단계에서 2차로 일산화탄소 및 수분(H2O)의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)을 3차로 제거하여 보다 고순도의 수소만 잔류하도록 할 수 있다. 이 경우에도 상기 일산화탄소나 수분 이외에도 소량 함유된 황 등의 불순물을 제거할 수 있다. 분리정제단계는 분리정제부(500)를 통해 수행될 수 있고, 분리정제부(500) 하단에 배치된 영하의 온도 조건의 냉각챔버(500)를 제 3가스가 지나는 정제배관의 하단부에서 반복적으로 통과하면서 수행될 수 있고, 냉각챔버(500) 내부에만 존재하면서 상기 정제배관의 하단부들을 서로 연결하는 분리배관에 의해 상대적으로 무거운 일산화탄소나 황 등의 성분이 수분과 함께 분리되어 배출되도록 할 수 있다. 후에 보다 상세히 설명하겠으나, 상기 분리정제단계는 제 3가스가 지나는 정제배관이 하단부에서 냉각챔버를 수회 통과하는 것을 반복적으로 진행됨으로써, 불순물이 효과적으로 분리되고 고순도의 수소가스만 잔류하도록 할 수 있다.
상기 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 저장하는 단계는 상기 분리정제하는 단계에서 3차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 밀폐된 정제가스저장부(700)에 저장하여 수행될 수 있다. 상기 정제가스저장부(700)는 저장된 수소가스가 외부로 유출되지 않도록 내부에 코팅 처리가 되고, 압력조절장치가 구비된 탱크와 같은 포집 및 저장장치를 이용할 수 있고, 이러한 포집장치 내에 고순도의 수소가스로 정제된 제 4가스를 포집하여 저장하면서도 재연소하는 단계를 위해 반응로의 연소실에 연결되어 공급할 수 있다.
상기 재연소하는 단계는 상기 포집된 수소가스를 포함하는 제 3가스에 산소(O2)가스를 추가로 혼합하여 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 예열하는 단계 및 재연소하는 단계는 수소가스 및 산소가스를 99% 이상, 99.9% 이상 또는 99.99% 이상으로 함유하는 합성가스를 원료로 하여 진행하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이에 따라 상기에서 설명한 바와 같이, 반응로 내부의 온도를 상당히 고온으로 상승시킬 수 있고, 대부분의 유기성 폐기물이 환원가스화되어 배출되는 제 1가스의 대부분의 성분이 수소가스와 일산화탄소 가스로 분리되어 배출되도록 할 수 있다.
한편, 비제한적으로 보다 고순도의 수소가스를 얻기 위해 상기 분리정제단계 후 제 4가스를 저장하는 단계 전에 H2-PSA 압축흡착을 수행하는 압축흡착정제부(600)를 통해 정제하여 상기 수소(H2) 가스의 순도를 99.99% 이상으로 높이는 압축흡착정제 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 정제가스저장부(700)에 저장된 고순도의 수소가스를 포함하는 제 4가스는 상기 반응로 내에 재투입되면서 재연소하는 단계를 거칠 수 있다. 이에 의해 외부에서 별도의 연료를 많이 투입하지 않더라도 지속적으로 가스화 시스템이 사이클을 반복하여 수행되도록 할 수 있다. 물론, 필요에 따라 수소가스가 충분치 않은 경우 외부에서 수소가스를 공급할 수 있다. 또한, 원하는 반응로 온도 조건에 도달하기 위해 고순도의 산소가스를 외부에서 추가로 공급할 수 있다.
한편, 상기에서 설명한 바와 같은 각 단계들과 각 장치, 구성들의 시스템 작동은 별도로 구비된 제어부(1)를 통해 수행될 수 있고, 상기 제어부를 통해 필요한 온도나 압력 배관의 조정 등 다양한 조건들을 센싱하고 컨트롤 할 수 있으며, 이에 대해서는 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기 유기성 폐기물을 공급하는 단계, 상기 환원 가스화 단계, 상기 안정화단계, 상기 냉각분리단계, 상기 분리정제단계, 상기 제 4가스를 저장하는 단계, 및 상기 재연소하는 단계는, 반복 사이클로 수행되고, 상기 유기성 폐기물 가스화 시스템의 작동 초기에 상기 유기성 폐기물을 공급하는 단계 전 별도로 구비된 수소공급부(20)로부터 수소(H2)와 산소공급부(10)로부터 산소(O2)를 공급하여 상기 반응로를 1400 ℃ 내지 3000℃의 온도범위로 예열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 본 발명의 시스템을 구동하기 위해서는 사이클이 진행되기 전에 초기에 반응로를 상기 온도 범위로 조절할 필요가 있다. 상기 온도 범위에 도달하지 않는 경우 환원 가스화가 잘 이루어지지 않아, 원하는 성분의 가스가 배출되지 않을 수 있고, 초기 사이클에는 재사용된 수소가 존재하지 않기에 별도로 준비된 외부의 수소공급부(20)나 산소공급부(10)로부터 수소가스와 산소가스를 공급받아 반응로를 상기 온도 조건의 범위로 예열하여 원치 않는 조성의 가스가 배출되지 않도록 할 수 있다.
한편, 사이클이 1회 수행된 후, 상기 재연소하는 단계는 상기 수소공급부로부터 수소(H2)와 산소공급부로부터 산소(O2)를 조절하여 투입하면서 수행되되, 상기 수소와 산소 가스를 몰비로 1:2 내지 2:1의 범위로 투입하고, 상기 수소와 산소가스의 순도가 99% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 바람직하게는 상기 수소와 산소가스의 순도를 99.9% 이상 또는 99.99% 이상의 고순도로 조절함으로써, 반응로 내부의 온도가 상기 온도범위와 같이 극 고온의 조건이 되도록 할 수 있다.
본 발명의 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템은 대부분의 유기성 폐기물을 환원가스화하고 반응로에 배출된 가스를 여러 과정을 거쳐 다시 고순도의 수소가스만을 포집하여 재사용함으로써, 유기성 폐기물을 처리하면서도 외부에서 유입되는 원료(수소가스 등)의 사용을 최소화할 수 있고, 지속적인 사이클로 진행됨으로써, 연속적으로 다량의 유기성 폐기물을 처리하도록 할 수 있다. 또한, 비제한적으로 시스템이 작동하는 과정 중 발생하는 폐열을 별도로 연결된 열 공급부 등을 통해 다른 용도로 재활용할 수 있다.
한편, 도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치에 적용되는 분리정제부의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 상기 분리정제단계는, 상기 제 3가스가 배관을 통해 유입되는 유입부의 배관과 연장되고 상하로 ∪자형과 ∩자형으로 적어도 2회 이상 반복되어 연장되는 정제배관(1510)을 상기 제 3가스가 이동하고, 상기 정제배관(1510)은 상기 정제배관(1510)의 하단부에서 ∪자형으로 구성된 정제배관(1510)의 일부를 외부에서 둘러싸 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 냉각하는 냉각챔버(550)를 반복하여 통과하고, 상기 정제배관(1510)의 하단부에서 ∪자형으로 구성되고 상기 냉각챔버(550)를 반복하여 통과하는 정제배관(1510)과 연결되면서 상기 냉각챔버(550) 내에 위치하는 분리배관(1520)을 통해 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되며, 상기 제 4가스는 상기 정제배관(1510)을 통해 배출되고, 분리된 일산화탄소 및 수분(H2O)은 상기 분리배관(1520)을 통해 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
도 1과 도 3에서와 같이 분리정제단계가 수행되는 분리정제부(500)는 냉각챔버(550)의 상단에 노출된 정제배관(1510)이 전단의 배관(1410)과 연결되어 제 3가스가 유입되고 반복적으로 상부와 하부를 지나는 정제배관(1510)을 지나가게 된다. 정제배관(1510)의 하단부의 일부는 냉각챔버(550)를 통과하는 것을 반복하게 되고, 일산화탄소나 황, 수분은 상대적으로 수소에 비해 무거운 특성에 의해 하단부로 향하게 되고, 영하의 냉각챔버(550)에 의해 수분이 액화되어 일산화탄소와 황과 같은 무거운 성분을 함께 하단부로 끌고 가게 된다. 이때, 분리배관(1520)은 정제배관(1510)의 여러 하단부들을 연결하면서 냉각챔버(550)내에만 존재하여 하단부에서 머무르는 일산화탄소나 황 수분과 같은 성분들이 잔류하게 되고, 결국 분리배관(1520)과 연결된 배출부(1620)를 통해서는 걸러진 유해인자들이 수분과 함께 배출되고, 정제배관(1510)과 연결된 배출부(1610)를 통해서는 보다 고순도의 수소가스가 배출되어 다음단계로 진행되게 된다.
상기 정제배관은 냉각챔버(550)를 하단부에서 지속적으로 교차하여 지나가면서 반복적으로 냉각과 상하부를 이동하는 과정을 거치면서 일산화탄소나 황, 수분 같은 성분들을 보다 효과적으로 분리하도록 할 수 있다.
한편, 수평면 상에서 제 1방향을 X방향, 제 2방향을 Y방향이라 하고, 상기 수평면에 대해 수직한 방향을 Z방향이라 할 때, 상기 정제배관(1510)은 상기 Z방향으로 ∪자형과 ∩자형으로 상부와 하부를 반복하여 연장되면서 상기 X방향 및 상기 Y방향 모두로 연장되면서 진행되는 것을 특징으로 함으로써, 적은 면적에서도 다량의 가스에 대해 분리정제가 수행되도록 할 수 있다. 즉, 가스의 경우 상대적으로 부피가 큰 상태이기 때문에 연속 사이클을 수행하는 본 발명의 시스템을 보다 효과적으로 활용하기 위해 정제배관(1510)을 수평면상에서 X방향과 Y방향으로 연장되도록 하여 많은 양의 가스를 처리하도록 할 수 있는 것이다. 또한, 상기 분리배관(1520)은 상기 냉각챔버(550) 내에서만 배치되어 상기 X방향 또는 상기 Y방향으로 진행하도록 하여 수분과 함께 분리된 일산화탄소나 황과 같은 성분들이 배출부(1620)를 통해 잘 배출되도록 할 수 있다. 다만, 상기 분리배관(1520)은 필요에 따라 일부 Z방향으로 상부나 하부로 진행할 수 있으나, 이 경우에도 분리정제부(500)의 분리배관(1520)은 냉각챔버(550) 내에만 존재하는 것이 바람직하다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치에 적용되는 압축이송기를 개략적으로 나타낸 단면도가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 상기 유기성 폐기물을 공급하는 단계는 로우 메트리얼(raw material) 상태의 유기성 폐기물을 파쇄기(100)로 100mm 내지 300mm 범위의 크기로 파쇄하는 단계, 및 파쇄된 상기 유기성 폐기물을 압축이송기(200)로 20mm 내지 60mm 범위의 크기로 압축하여 상기 반응로로 공급하여 이송하는 압축이송단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
로우 메트리얼 상태의 유기성 폐기물을 각기 다른 형태를 가지거나 각기 다른 크기를 가질 수 있는데 유기성 폐기물의 크기가 불균일하게 반응로(300) 내에 투입될 경우 입자가 작은 물질부터 분해반응이 일어나고 입자가 큰 물질의 경우 반응속도가 현저히 느려지는 특성이 있기에, 빠르고 균일한 반응을 위하여 균일한 크기로 파쇄하는 단계를 수행할 수 있다. 또한, 유기성 폐기물 내에 다량의 공기가 함유될 경우 반응로(300) 내에서 환원가스화 처리 과정 중 불필요한 공기에 의해 고온이 상승이 어렵거나, 불필요한 반응이 발생하여 환원 가스화를 저해할 수 있어, 유기성 폐기물을 20mm 내지 60mm 범위의 크기로 압축함으로써, 반응로에 공급되는 유기성 폐기물 내에 잔류하는 공기를 최소화하면서도 균일한 반응이 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 상기 압축이송기(200)는 모터(210), 상기 모터(210)에 연결되어 회전하는 축(220), 및 상기 축(220)에 연결된 스크류(250)를 포함할 수 있다. 또한, 비제한적으로 상기 스크류(250)가 설치된 관로(270) 내부의 공기를 외부로 제거하는 공기제거부(280, 290)를 더 포함할 수 있다. 상기 압축이송단계에서 상기 유기성 폐기물이 상기 스크류(250)의 회전에 따라 압축이송되는 과정에서 상기 공기제거부(280, 290)에 의해 상기 관로 내부의 공기를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 분쇄된 유기성 폐기물에서 공기를 추가로 제거함으로써, 반응로 내에서 불필요한 반응이 이루어지는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 즉, 공기가 다량으로 함유되는 유기성 폐기물이 반응로 내에 함유되는 경우 반응로 내에서 흡열반응으로 인해 온도 저하가 발생할 수 있고, 이에 따라 환원가스화가 이루어져 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 생성되는 대신 불필요한 반응이 이루어져 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 물(H20)이 다량 생성될 수 있는데, 유기성 폐기물로부터 공기를 제거하는 단계를 거침으로써, 이와 같은 불필요한 반응이 이루어지는 것을 방지하도록 할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 처리 시스템 및 장치에 적용되는 압축이송기를 개략적으로 나타낸 단면도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 압축이송기를 A-A'에 따라 절단한 단면도가 도시되어 있다.
도 5 및 6을 참조하면, 상기 압축이송기(200)는 상기 관로(270)의 내부(240) 표면에서 상기 스크류(250) 방향으로 돌출되되 상기 관로(270) 내부(240)에서 방사형으로 복수개 이격되어 배치된 뭉침방지부재(275)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 유기성 폐기물의 경우 비닐과 같이 연성의 재질로 형성되는 물질들이 존재할 수 있는데, 이러한 물질들의 경우 압축이송기를 지나가는 과정에서 관로(270)의 내부(240)에서 스크류베 의해 압축되지 않고, 관로(270)와 스크류(250) 사이의 일정한 이격된 공간으로 밀려나 쌓임으로써, 관로(270) 내부(240) 공간을 막아 압축이송기(200)가 잘 작동되지 않도록 할 수 있다. 또한, 원하는 수준으로 압축되지 않고 배출되는 경우 결국 반응로 내부에서 원치 않는 반응을 유발하거나 반응로 내부 온도를 저하시켜, 유기성 폐기물을 환원 가스화하여 얻고자 하는 성분이 얻어지지 않을 수 있다.
이에 도 5 및 6과 같이, 관로(270) 내부(240)에서 방사형으로 복수개 이격되어 배치된 뭉침방지부재(275)를 형성하여 관로내부(240)에서 스크류(250)를 벗어나 외측 공간으로 밀려나는 비닐과 같은 연성물질들을 스크류(250)의 회전과 뭉침방지부재(275)와의 상호작용에 의해 지속적으로 스크류(250) 방향으로 밀어냄으로써, 관로내부(240)에 유기성 폐기물의 일부가 쌓이는 것을 방지할 수 있고, 유기성 폐기물을 효율적으로 압축이송하도록 할 수 있다. 다시 말하면, 스크류가 회전하는 과정에서 관로내부(240)의 내부벽면으로 밀려난 유기성 폐기물들은 뭉침방지부재(275)에 걸려 다시 스크류(250) 방향으로 진행하게 되고, 이에 의해 압축이송단계가 원활하게 진행되도록 할 수 있다. 상기 뭉침방지부재(275)는 상기 관로(270)가 토출부(260)로 진행되는 방향으로 계속 연장되어 형성되거나, 일부 이격되어 형성되는 등 다양한 방식으로 적용될 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 유기성 폐기물의 가스화 시스템을 구동하기 위한 장치를 제공하며, 이하에서는 다시 상기 도 1 내지 6을 참조하여 본 발명의 유기성 폐기물의 가스화 장치를 설명하기로 한다. 한편, 본 발명의 유기성 폐기물의 가스화 장치는 상기에서 설명한 유기성 폐기물의 가스화 시스템에서 적용되는 다양한 구성들이 모두 적용될 수 있으며, 일부 중복되는 내용은 생략될 수 있다.
다시 도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기성 폐기물의 가스화 장치는 내부에 빈 반응공간으로 환원공간이 마련되고, 상기 빈 반응공간을 둘러싸도록 형성되는 반응로(300)(300)로서, 상기 반응로(300) 일 측벽을 통해 유기성 폐기물이 유입되도록 외부와 연통하는 폐기물 투입구; 산소와 수소를 포함하는 합성가스를 공급하면서 발화에 의해 열을 가하는 하나 이상의 가스공급부; 상기 반응로(300) 하단에 배치되고, 상기 반응로(300) 내부에서 용융된 무기물이 용융되어 배출되는 무기물 배출부; 및 상기 반응로(300) 상단에 배치되고, 상기 반응로(300) 내부에서 폐기물이 환원처리되어 발생된 환원가스를 포함하는 제 1가스를 배출하는 환원가스 배출부;를 포함하는 반응로(300), 상기 환원가스 배출부에 연결되고, 상기 제 1가스를 냉각하면서 상기 제 1가스 중 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기(H2O)를 1차로 분리하는 가스 안정화부(800), 상기 가스 안정화부(800)에서 1차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃ 내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분(H2O)을 2차로 분리하는 냉각분리부(410, 420), 상기 냉각분리부(410, 420)에서 2차로 일산화탄소 및 수분(H2O)의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)을 3차로 제거하는 분리정제부(500), 상기 분리정제부(500)에서 3차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 저장하는 정제가스저장부(700), 상기 정제가스저장부(700)에서 상기 제 4가스를 상기 반응로(300)의 상기 가스공급부로 재공급하는 가스 순환부(미도시) 및 상기에서 설명한 여러 구성들을 연계하여 전체 시스템의 작동을 제어하는 제어부(1)를 포함한다.
상기 반응로(300)는 내부에 빈 반응공간이 마련되고, 반응공간을 둘러싸도록 형성되고, 고온의 온도 조건을 견딜 수 있도록 형성된 내화층, 내화층의 내측 표면에 코팅되어 고온의 온도를 견디도록 산화알루미늄(Al2O3)과 실리카바인더, 세라믹 섬유가 함유되어 코팅된 코팅층, 내회층의 외측에서 내화층을 둘러싸고 외부로 열의 유출을 최소화하도록 하는 복수의 단열층을 포함할 수 있다. 또한, 반응로(300) 내부에 유기성 폐기물을 공급하는 폐기물 투입구가 연결되고, 연소가스에 의해 반응로(300) 내부 온도를 높이도록 가스공급부가 구비되고, 환원가스화 과정을 거친 후 용융된 무기물이 배출되는 무기물 배출부와 환원가스화 처리된 제 1가스가 외부로 연통할 수 있도록 하는 환원가스 배출부가 연결될 수 있다. 상기 가스공급부는 반응로(300) 내부에 산소와 수소를 포함하는 합성가스를 공급하면서 발화에 의해 열을 가하고 이는 반응로(300) 내부와 연결된 버너에 의해 연소반응에 의해 반응로(300) 내부를 고온의 조건으로 만들도록 할 수 있다.
상기 가스안정화부(800)는 상기 환원가스 배출부에 연결되고, 환원가스 배출부에 연결된 관(1100)을 통해 유입된 제 1가스를 냉각하면서 상기 제 1가스 중 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기(H2O)를 1차로 분리할 수 있다. 이에 더해 소량의 황(S)과 같은 불순물을 제거할 수 있다. 상기 시스템에서 설명하였듯이, 가스안정화부(800)는 매우 고온으로 배출된 제 1가스에서 원치 않는 분자들 간의 결합과 분리되는 반응이 진행되지 않도록 온도를 낮추도록 할 수 있다.
상기 냉각분리부(410, 420)는 도면과 같이 복수개로 구성될 수 있고, 상기 가스 안정화부(800)에서 1차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃ 내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분(H2O)을 2차로 분리할 수 있고, 이에 더해 소량의 황(S)과 같은 불순물을 제거할 수 있다. 한편, 냉각분리부(410, 420)에서 제거된 일산화탄소, 수분, 황과 같은 물질들은 배출배관(1220, 1320)을 통해 별도로 준비된 외부로 배출되어 재처리 되는 등의 과정을 거칠 수 있다. 불순물 등이 제거되고 다음 과정들을 거치면서 점차 고순도의 수소가스만 잔류하는 가스들은 정제배관(1210, 1310, 1410)을 통해 다음 단계의 장치들로 연속적으로 전달될 수 있다.
상기 분리정제부(500)는 상기 냉각분리부(410, 420)에서 2차로 일산화탄소 및 수분(H2O)의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)을 3차로 제거할 수 있다. 이 또한 황과 같은 소량의 불순물을 추가로 제거할 수 있다. 상기 분리정제부(500)는 상하로 반복하여 연장된 정제배관(1510)이 하단에서 냉각챔버(550)를 반복하여 통과를 진행하고, 정제배관(1510)의 복수의 하단부를 서로 연결하면서 냉각챔버(550) 내에 배치된 분리배관(1520)으로 무거운 일산화탄소, 황, 수분 등이 모이게(하부로 향하여 모이게) 하고, 냉각챔버(550)에 의해 액화된 수분과 함께 분리배관(1520)을 통해 배출되도록 할 수 있다. 이에 의해 분리정제부(500)의 정제배관(1510)의 말단으로 향할수록 점차 고순도의 수소가스만 잔류하게 되고 마지막으로 배출부(1610)를 통해 배출되는 제 4가스는 고순도의 수소가스가 잔류하도록 할 수 있다.
상기 정제가스저장부(700)는 상기 분리정제부(500)에서 3차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 포집하여 저장하게 되고, 이를 가스 순환부(미도시)를 통해 정제가스저장부(700)에서 다시 반응로(300)의 가스공급부로 재공급하여 반응로의 온도를 높이는 연료로 사용되도록 할 수 있다.
한편, 상기 제어부(1)는 상기에서 설명한 여러 구성들을 연계하여 전체 시스템의 작동을 제어하면서도, 각 구성들에 배치된 각종 센서들의 정보를 취합하고, 이를 토대로 장치와 시스템이 원하는 수치대로 작동되도록 제할 수 있다. 또한, 작동자가 원하는 상태의 조건으로 시스템과 장치가 구동되도록 할 수 있으며, 필요에 따라 외부의 원료공급부(수소가스와 산소가스를 공급하는 부분(10, 20)를 작동시켜 원하는 만큼의 가스원료가 가스공급부로 공급되도록 조절하거나, 가스 순환부를 통해 포집된 제 4가스가 다시 가스공급부로 유입되어 재연소되도록 할 수 있다.
한편, 상기 반응로(300)의 상기 가스공급부로 수소(H2)가스를 공급하는 수소공급부(20) 및 산소(O2)가스를 공급하는 산소공급부(10)를 더 포함하고, 상기 반응로(300)는 상기 제어부를 통해 상기 수소공급부(20) 및 상기 산소공급부(10)로부터 수소(H2)가스와 산소(O2)가스를 공급받거나, 또는 상기 수소공급부(20), 상기 산소공급부(10) 및 상기 가스 순환부(미도시)로부터 수소(H2)가스와 산소(O2)가스를 공급받아 상기 반응로(300)를 1400 ℃ 내지 3000℃의 온도범위 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 반응로(300)로 공급되는 수소(H2)가스와 산소(O2)가스는 몰비로 1:2 내지 2:1의 범위이고, 상기 수소가스 및 산소가스의 순도가 99% 이상, 바람직하게는 99.9%이상 또는 99.99% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다. 이외의 설명들은 상기 시스템에서 설명한 내용과 중복되는 바 생략하기로 한다.
한편, 비제한적으로, 상기 분리정제부(500)와 상기 정제가스저장부(700) 사이에 배치되어 상기 분리정제부(500)로부터 3차로 유해가스가 제거된 가스를 H2-PSA 압축흡착을 통해 정제하여 상기 수소(H2) 가스의 순도를 99.99% 이상으로 높이는 압축흡착정제부(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이를 통해 행여나 수소가스의 순도가 원하는 수준보다 낮은 순도를 가질 경우, 혹은 초기 사이클에서 수소가스의 순도가 낮을 경우 원하는 수준으로 수소가스의 순도를 높이도록 할 수 있다.
한편, 폐기물 투입부로 공급되는 유기성 폐기물을 균일한 크기로 투입하고, 반응로 내부에서 최적의 상태로 환원가스화하기 위해 로우 메트리얼(raw material) 상태의 유기성 폐기물을 100mm 내지 300mm 범위의 크기로 파쇄하여 1차 가공원료를 배출하는 파쇄기(100) 및 상기 파쇄기(100)에 연결되어 상기 1차 가공원료를 20mm 내지 60mm 범위의 크기로 압축하면서 공기를 제거하여 2차 가공원료를 상기 폐기물 투입부로 공급하는 압축이송기(200)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 이에 따라, 유기성 폐기물을 20mm 내지 60mm 범위의 크기로 가공한 2차 가공원료를 폐기물 투입부로 투입하여, 연속 사이클로 유기성 폐기물이 환원 가스화되어 처리되도록 할 수 있다. 또한, 공기를 최대한 제거함으로써, 반응로 내부에서 불필요한 흡열반응이 발생하여 온도가 저하되는 것을 방지하도록 할 수 있다.
상기 파쇄기(100)는 상단에 호퍼가 배치되고, 호퍼를 통해 주입되는 로우 메트리얼 상태의 유기성 패기물을 내측에 존재하는 파쇄날을 회전함에 의해 균일한 크기로 파쇄하도록 할 수 있고, 상기 압축이송기(200)는 파쇄기로부터 전달된 1차 가공원료를 스크류를 통해 폐기물 투입구로 이동시키면서, 공기를 흡입하는 흡입부에 의해 1차 가공원료에 존재하는 공기를 제거하고 최종적으로 잔류하는 공기를 최소화하고 폐기물을 20mm 내지 60mm 범위의 크기로 가공한 2차 가공원료를 폐기물 투입부로 제공하도록 할 수 있다.
한편, 다시 도 3을 참조하면, 상기 분리정제부(500)는 상기 제 3가스가 배관을 통해 유입되는 유입부; 상기 유입부에서 연장되고 상하로 ∪자형과 ∩자형으로 적어도 2회 이상 반복되어 연장되어 상기 제 3가스가 이동하는 정제배관(1510), 상기 정제배관(1510)의 하단부에서 ∪자형으로 구성된 복수의 정제배관(1510)의 일부를 외부에서 둘러싸 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 냉각하는 냉각챔버(550), 및 상기 정제배관(1510)의 하단부에서 ∪자형으로 구성되는 정제배관(1510)들을 연결하면서 상기 냉각챔버(550) 내에 위치하는 분리배관(1520)을 포함하되, 상기 냉각챔버(550)에는 상기 정제배관(1510)의 ∪자형을 구성되는 복수의 부분이 반복하여 통과하고, 상기 분리배관(1520)은 상기 냉각챔버(550) 내에서 상기 냉각챔버(550)를 반복하여 통과하는 정제배관(1510)의 복수의 ∪자형 부분을 서로 연결하고, 상기 제 4가스는 상기 정제배관(1510)을 통해 이동하면서 상기 냉각챔버(550)를 반복하여 통과하면서 냉각된 일산화탄소 및 수분(H2O)을 분리하여 상기 정제배관(1510)을 통해 배출되고, 냉각되고 분리된 일산화탄소 및 수분(H2O), 황(S)과 같은 성분은 상기 분리배관(1520)을 통해 배출(분리배관(1520)의 말단에 연결된 배출부(1620)를 통해 배출)되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 ∪자형과 ∩자형은 정제배관(1510)이 막힘없이 X방향이나 Y방향으로 진행되면서, 상부와 하부 방향을 향하도록 조절하기 위한 것으로, 정제배관(1510)이 X방향이나 Y방향으로 진행되면서, 상부와 하부 방향을 향한다면 다른 방식이 적용될 수도 있다. 이미 시스템에서 설명하였듯이, 정제배관(1510)을 통해 제 3가스는 상부와 하부 방향으로 반복적으로 이동하게 되고, 하부에서는 냉각챔버(550)를 통과하게 된다. 냉각챔버(550)에서는 냉각에 의해 잔류하는 수증기와 같은 성분이 물로 액화되게 되고, 잔류하는 일산화탄소와 황과 같은 상대적으로 수소에 비해 무거운 물질들은 하부에 적체되게 된다. 이때, 정제배관(1510)의 하단부에 위치하는 복수의 부분들을 연결하면서 냉각챔버(550) 내에만 배치된 분리배관(1520)에는 상기와 같이 적체된 일산화탄소, 황, 물등이 잔류하면서 분리배관의 배출부(1620) 방향으로 진행하여 배출되게 된다. 결국 지속적으로 하단부 및 냉각챔버(550)를 지나는 부분과 상단부를 반복하여 정제배관(1510)을 지나 정제배관의 배출부(1610) 쪽으로 이동하는 가스는 점차 고순도의 수소가스만 잔류하는 상태가 되어 배출될 수 있다.
비제한적으로 상기 냉각챔버(550)는 순환하는 냉각물질 유입부(551)와 냉각물질 토출부(552)를 갖추어 냉각이 진행되도록 할 수 있으나, 이에 한정하지 않으며, 이외에도 여러 방식의 냉각 시스템이나 장치로 구현될 수 있다. 한편, 상기 분리정제부(500)의 다른 설명들은 상기 시스템에서 설명한 내용과 중복되는 바 생략하기로 한다.
다시, 도 4를 참조하면, 상기 압축이송기(200)는 모터(210), 상기 모터(210)에 연결되어 회전하는 축(220), 및 상기 축(220)에 연결된 스크류(250)를 포함할 수 있다. 또한, 비제한적으로 상기 스크류(250)가 설치된 관로(270) 내부(240)의 공기를 외부로 제거하는 공기제거부(280, 290)를 더 포함할 수 있다. 상기 파쇄기(100)를 거친 유기성 폐기물이 호퍼(230)를 통해 유입되고, 관로내부(240)에서 상기 스크류(250)의 회전에 따라 압축이송되는 과정에서 상기 공기제거부(280, 290)에 의해 유기성 폐기물에 존재하는 공기를 추가로 제거하여 반응로 내에서 불필요한 반응이 이루어지는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 즉, 공기가 다량으로 함유되는 유기성 폐기물이 반응로 내에 함유되는 경우 반응로 내에서 흡열반응으로 인해 온도 저하가 발생할 수 있고, 이에 따라 환원가스화가 이루어져 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 생성되는 대신 불필요한 반응이 이루어져 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 물(H20)이 다량 생성될 수 있는데, 유기성 폐기물로부터 공기를 추가로 제거함으로써, 이와 같은 불필요한 반응이 이루어지는 것을 방지하도록 할 수 있다.
다시 도 5 및 6을 참조하면, 상기 압축이송기는 상기 관로(270)의 내부(240) 표면에서 상기 스크류(250) 방향으로 돌출되되 상기 관로 내부(240)에서 방사형으로 복수개 이격되어 배치된 뭉침방지부재(275)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 시스템에서 설명한 바와 같이, 비닐과 같은 연성의 재질로 형성된 유기성 폐기물의 경우에는 스크류(250)에서 벗어나 관로내부(240)의 표면 방향으로 진행한 후 다시 되돌아오지 않아 관로내부(240)에 적체될 수 있고, 이 경우 점차 쌓인 유기성 폐기물에 의해 관로내부(240)가 막혀 모터에 부하가 걸릴 수 있다. 또한, 그렇지 않더라도 원하는 수준으로 압축되지 않은 상태로 반응로(300) 내부로 유입되어 원치 않는 반응이 나오거나 반응로(300) 내부 온도를 낮출 수 있다. 따라서, 관로(270) 내부(240)에서 방사형으로 복수개 이격되어 배치된 뭉침방지부재(275)를 형성하여 관로내부(240)에서 스크류(250)를 벗어나 외측 공간으로 밀려나 적체될 수 있는 비닐과 같은 유기성 폐기물이 뭉침방지부재(275)에 걸려 다시 스크류 방향으로 진행되도록 하여 균일하게 압축되어 배출되도록 할 수 있다. 이에 따라 모터(210)에 부하가 걸리는 것을 방지하여 연속 사이클이 원활하게 진행되도록 하면서도, 반응로(300) 내부에 균일한 상태의 유기성 폐기물이 공급되도록 할 수 있다. 상기 뭉침방지부재(275)는 상기 관로(270)가 토출부(260)로 진행되는 방향으로 계속 연장되어 형성되거나, 일부 이격되어 형성되는 등 다양한 방식으로 적용될 수 있다.
유기성 폐기물의 가스화 장치에서 설명하지 않은 다른 구성들은 상기 유기성 폐기물의 가스화 시스템에서 이미 설명하였고, 상기 시스템에서 설명한 구성들은 장치에도 적용이 가능한 바, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 제어부
10: 산소공급부
20: 수소공급부
100: 파쇄기
200: 압축이송기
210: 압축이송기의 모터
220: 압축이송기의 축
230: 압축이송기의 호퍼
240: 압축이송기의 관로내부
250: 압축이송기의 스크류
260: 압축이송기의 토출부
270: 압축이송기의 관로
275: 압축이송기의 뭉침방지부재
280, 290: 압축이송기의 공기제거부
300: 반응로
410, 420: 냉각분리부
500: 분리정제부
550: 냉각챔버
551: 냉각물질 유입부
552: 냉각물질 토출부
600: 압축흡착정제부
700: 정제가스저장부
800: 가스 안정화부
1210, 1310, 1410: 정제배관
1220, 1320, 1420: 배출배관
1510: 분리정제부의 정제배관
1520: 분리정제부의 분리배관
1610: 정제배관의 배출부
1620: 분리배관의 배출부
10: 산소공급부
20: 수소공급부
100: 파쇄기
200: 압축이송기
210: 압축이송기의 모터
220: 압축이송기의 축
230: 압축이송기의 호퍼
240: 압축이송기의 관로내부
250: 압축이송기의 스크류
260: 압축이송기의 토출부
270: 압축이송기의 관로
275: 압축이송기의 뭉침방지부재
280, 290: 압축이송기의 공기제거부
300: 반응로
410, 420: 냉각분리부
500: 분리정제부
550: 냉각챔버
551: 냉각물질 유입부
552: 냉각물질 토출부
600: 압축흡착정제부
700: 정제가스저장부
800: 가스 안정화부
1210, 1310, 1410: 정제배관
1220, 1320, 1420: 배출배관
1510: 분리정제부의 정제배관
1520: 분리정제부의 분리배관
1610: 정제배관의 배출부
1620: 분리배관의 배출부
Claims (16)
- 반응로 내에서 유기성 폐기물이 환원 가스화되는 유기성 폐기물의 가스화 시스템에 관한 것으로,
1400 ℃ 내지 3000℃의 온도범위로 유지된 상기 반응로 내에 유기성 폐기물을 공급하는 단계;
상기 유기성 폐기물을 상기 반응로 내에서 1400℃ 내지 3000℃의 온도범위에서 상기 유기성 폐기물을 환원 가스화 하는 단계;
상기 환원 가스화 하는 단계에서 생성되고, 수소가스(H2) 및 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)가 포함된 제 1가스를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기(H2O)를 1차로 분리하는 안정화단계;
상기 안정화단계에서 1차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃ 내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분(H2O)을 2차로 분리하여 상기 제 2가스에 포함된 수소가스의 순도를 높이는 냉각분리단계;
상기 냉각분리단계에서 2차로 일산화탄소 및 수분(H2O)의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)을 3차로 제거하는 분리정제단계;
상기 분리정제단계에서 3차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 저장하는 단계; 및
상기 제 4가스를 상기 반응로 내에 재투입하면서 재연소하는 단계;를 포함하되,
상기 유기성 폐기물을 공급하는 단계, 상기 환원 가스화 단계, 상기 안정화단계, 상기 냉각분리단계, 상기 분리정제단계, 상기 제 4가스를 저장하는 단계, 및 상기 재연소하는 단계는, 반복 사이클로 수행되고,
상기 유기성 폐기물 가스화 시스템의 작동 초기에 상기 유기성 폐기물을 공급하는 단계 전 수소공급부로부터 수소(H2)와 산소공급부로부터 산소(O2)를 공급하여 상기 반응로를 1400 ℃ 내지 3000℃의 온도범위로 예열하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 시스템. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 사이클이 1회 수행된 후,
상기 재연소하는 단계는 상기 수소공급부로부터 수소(H2)와 산소공급부로부터 산소(O2)를 조절하여 투입하면서 수행되되,
상기 수소와 산소 가스를 몰비로 1:2 내지 2:1의 범위로 투입하고, 상기 수소와 산소가스의 순도가 99% 이상인 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 분리정제단계 후 H2-PSA 압축흡착을 통해 정제하여 수소(H2) 가스의 순도를 99.99% 이상으로 높이는 압축흡착정제 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 시스템. - 반응로 내에서 유기성 폐기물이 환원 가스화되는 유기성 폐기물의 가스화 시스템에 관한 것으로,
1400 ℃ 내지 3000℃의 온도범위로 유지된 상기 반응로 내에 유기성 폐기물을 공급하는 단계;
상기 유기성 폐기물을 상기 반응로 내에서 1400℃ 내지 3000℃의 온도범위에서 상기 유기성 폐기물을 환원 가스화 하는 단계;
상기 환원 가스화 하는 단계에서 생성되고, 수소가스(H2) 및 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)가 포함된 제 1가스를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기(H2O)를 1차로 분리하는 안정화단계;
상기 안정화단계에서 1차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃ 내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분(H2O)을 2차로 분리하여 상기 제 2가스에 포함된 수소가스의 순도를 높이는 냉각분리단계;
상기 냉각분리단계에서 2차로 일산화탄소 및 수분(H2O)의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)을 3차로 제거하는 분리정제단계;
상기 분리정제단계에서 3차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 저장하는 단계; 및
상기 제 4가스를 상기 반응로 내에 재투입하면서 재연소하는 단계;를 포함하되,
상기 분리정제단계는,
상기 제 3가스가 배관을 통해 유입되는 유입부의 배관과 연장되고 상하로 ∪자형과 ∩자형으로 적어도 2회 이상 반복되어 연장되는 정제배관을 상기 제 3가스가 이동하고,
상기 정제배관은 상기 정제배관의 하단부에서 ∪자형으로 구성된 정제배관의 일부를 외부에서 둘러싸 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 냉각하는 냉각챔버를 반복하여 통과하고,
상기 정제배관의 하단부에서 ∪자형으로 구성되고 상기 냉각챔버를 반복하여 통과하는 정제배관과 연결되면서 상기 냉각챔버 내에 위치하는 분리배관을 통해 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되며,
상기 제 4가스는 상기 정제배관을 통해 배출되고, 분리된 일산화탄소 및 수분(H2O)은 상기 분리배관을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 시스템. - 제 5항에 있어서,
수평면 상에서 제 1방향을 X방향, 제 2방향을 Y방향이라 하고, 상기 수평면에 대해 수직한 방향을 Z방향이라 할 때,
상기 정제배관은 상기 Z방향으로 ∪자형과 ∩자형으로 상부와 하부를 반복하여 연장되면서 상기 X방향 및 상기 Y방향 모두로 연장되면서 진행되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 시스템. - 제 6항에 있어서,
상기 분리배관은 상기 냉각챔버 내에서만 배치되어 상기 X방향 또는 상기 Y방향으로 진행하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 시스템. - 반응로 내에서 유기성 폐기물이 환원 가스화되는 유기성 폐기물의 가스화 시스템에 관한 것으로,
1400 ℃ 내지 3000℃의 온도범위로 유지된 상기 반응로 내에 유기성 폐기물을 공급하는 단계;
상기 유기성 폐기물을 상기 반응로 내에서 1400℃ 내지 3000℃의 온도범위에서 상기 유기성 폐기물을 환원 가스화 하는 단계;
상기 환원 가스화 하는 단계에서 생성되고, 수소가스(H2) 및 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)가 포함된 제 1가스를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기(H2O)를 1차로 분리하는 안정화단계;
상기 안정화단계에서 1차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃ 내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분(H2O)을 2차로 분리하여 상기 제 2가스에 포함된 수소가스의 순도를 높이는 냉각분리단계;
상기 냉각분리단계에서 2차로 일산화탄소 및 수분(H2O)의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)을 3차로 제거하는 분리정제단계;
상기 분리정제단계에서 3차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 저장하는 단계; 및
상기 제 4가스를 상기 반응로 내에 재투입하면서 재연소하는 단계;를 포함하되,
상기 유기성 폐기물을 공급하는 단계는
로우 메트리얼(raw material) 상태의 유기성 폐기물을 파쇄기로 100mm 내지 300mm 범위의 크기로 파쇄하는 단계; 및
파쇄된 상기 유기성 폐기물을 압축이송기로 20mm 내지 60mm 범위의 크기로 압축하여 상기 반응로로 공급하여 이송하는 압축이송단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 시스템. - 제 8항에 있어서,
상기 압축이송기는 모터, 상기 모터에 연결되어 회전하는 축, 상기 축에 연결된 스크류, 및 상기 스크류가 설치된 관로 내부의 공기를 외부로 제거하는 공기제거부를 포함하고,
상기 압축이송단계에서
상기 유기성 폐기물이 상기 스크류의 회전에 따라 압축이송되는 과정에서 상기 공기제거부에 의해 상기 관로 내부의 공기를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 시스템. - 제 9항에 있어서,
상기 압축이송기는 상기 관로의 내부 표면에서 상기 스크류 방향으로 돌출되되 상기 관로 내부에서 방사형으로 복수개 이격되어 배치된 뭉침방지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 시스템. - 내부에 빈 반응공간으로 환원공간이 마련되고, 상기 빈 반응공간을 둘러싸도록 형성되는 반응로 로서, 상기 반응로 일 측벽을 통해 유기성 폐기물이 유입되도록 외부와 연통하는 폐기물 투입구; 산소와 수소를 포함하는 합성가스를 공급하면서 발화에 의해 열을 가하는 하나 이상의 가스공급부; 상기 반응로 하단에 배치되고, 상기 반응로 내부에서 용융된 무기물이 용융되어 배출되는 무기물 배출부; 및 상기 반응로 상단에 배치되고, 상기 반응로 내부에서 폐기물이 환원처리되어 발생된 환원가스를 포함하는 제 1가스를 배출하는 환원가스 배출부;를 포함하는 반응로;
상기 환원가스 배출부에 연결되고, 상기 제 1가스를 냉각하면서 상기 제 1가스 중 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기(H2O)를 1차로 분리하는 가스 안정화부;
상기 가스 안정화부에서 1차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃ 내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분(H2O)을 2차로 분리하는 냉각분리부;
상기 냉각분리부에서 2차로 일산화탄소 및 수분(H2O)의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)을 3차로 제거하는 분리정제부;
상기 분리정제부에서 3차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 저장하는 정제가스저장부;
상기 정제가스저장부에서 상기 제 4가스를 상기 반응로의 상기 가스공급부로 재공급하는 가스 순환부; 및
전체 시스템의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하되,
상기 반응로의 상기 가스공급부로 수소(H2)가스를 공급하는 수소공급부 및 산소(O2)가스를 공급하는 산소공급부를 더 포함하고,
상기 반응로는 상기 제어부를 통해 상기 수소공급부 및 상기 산소공급부로부터 수소(H2)가스와 산소(O2)가스를 공급받거나, 또는 상기 수소공급부, 상기 산소공급부 및 상기 가스 순환부로부터 수소(H2)가스와 산소(O2)가스를 공급받아 상기 반응로를 1400 ℃ 내지 3000℃의 온도범위 유지하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 처리 장치. - 삭제
- 내부에 빈 반응공간으로 환원공간이 마련되고, 상기 빈 반응공간을 둘러싸도록 형성되는 반응로 로서, 상기 반응로 일 측벽을 통해 유기성 폐기물이 유입되도록 외부와 연통하는 폐기물 투입구; 산소와 수소를 포함하는 합성가스를 공급하면서 발화에 의해 열을 가하는 하나 이상의 가스공급부; 상기 반응로 하단에 배치되고, 상기 반응로 내부에서 용융된 무기물이 용융되어 배출되는 무기물 배출부; 및 상기 반응로 상단에 배치되고, 상기 반응로 내부에서 폐기물이 환원처리되어 발생된 환원가스를 포함하는 제 1가스를 배출하는 환원가스 배출부;를 포함하는 반응로;
상기 환원가스 배출부에 연결되고, 상기 제 1가스를 냉각하면서 상기 제 1가스 중 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기(H2O)를 1차로 분리하는 가스 안정화부;
상기 가스 안정화부에서 1차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃ 내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분(H2O)을 2차로 분리하는 냉각분리부;
상기 냉각분리부에서 2차로 일산화탄소 및 수분(H2O)의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)을 3차로 제거하는 분리정제부;
상기 분리정제부에서 3차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 저장하는 정제가스저장부;
상기 정제가스저장부에서 상기 제 4가스를 상기 반응로의 상기 가스공급부로 재공급하는 가스 순환부; 및
전체 시스템의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하되,
상기 분리정제부는
상기 제 3가스가 배관을 통해 유입되는 유입부; 상기 유입부에서 연장되고 상하로 ∪자형과 ∩자형으로 적어도 2회 이상 반복되어 연장되어 상기 제 3가스가 이동하는 정제배관;
상기 정제배관의 하단부에서 ∪자형으로 구성된 복수의 정제배관의 일부를 외부에서 둘러싸 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 냉각하는 냉각챔버; 및
상기 정제배관의 하단부에서 ∪자형으로 구성되는 정제배관들을 연결하면서 상기 냉각챔버 내에 위치하는 분리배관;을 포함하고,
상기 냉각챔버에는 상기 정제배관의 ∪자형을 구성되는 복수의 부분이 반복하여 통과하고, 상기 분리배관은 상기 냉각챔버 내에서 상기 냉각챔버를 반복하여 통과하는 정제배관의 복수의 ∪자형 부분을 서로 연결하고,
상기 제 4가스는 상기 정제배관을 통해 이동하면서 상기 냉각챔버를 반복하여 통과하면서 냉각된 일산화탄소 및 수분(H2O)을 분리하여 상기 정제배관을 통해 배출되고, 냉각되고 분리된 일산화탄소 및 수분(H2O)은 상기 분리배관을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 처리 장치. - 내부에 빈 반응공간으로 환원공간이 마련되고, 상기 빈 반응공간을 둘러싸도록 형성되는 반응로 로서, 상기 반응로 일 측벽을 통해 유기성 폐기물이 유입되도록 외부와 연통하는 폐기물 투입구; 산소와 수소를 포함하는 합성가스를 공급하면서 발화에 의해 열을 가하는 하나 이상의 가스공급부; 상기 반응로 하단에 배치되고, 상기 반응로 내부에서 용융된 무기물이 용융되어 배출되는 무기물 배출부; 및 상기 반응로 상단에 배치되고, 상기 반응로 내부에서 폐기물이 환원처리되어 발생된 환원가스를 포함하는 제 1가스를 배출하는 환원가스 배출부;를 포함하는 반응로;
상기 환원가스 배출부에 연결되고, 상기 제 1가스를 냉각하면서 상기 제 1가스 중 일산화탄소(CO) 및 수증기(H2O)를 90℃이하의 온도로 냉각하면서 일산화탄소 및 수증기(H2O)를 1차로 분리하는 가스 안정화부;
상기 가스 안정화부에서 1차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 일부 분리되고 배출된 제 2가스를 15℃ 내지 35℃의 온도범위에서 수냉식관을 통과시키며 일산화탄소 및 수분(H2O)을 2차로 분리하는 냉각분리부;
상기 냉각분리부에서 2차로 일산화탄소 및 수분(H2O)의 일부 분리되고 배출된 제 3가스를 -50℃ 내지 -100℃의 온도범위에서 상기 일산화탄소 및 수분(H2O)을 3차로 제거하는 분리정제부;
상기 분리정제부에서 3차로 일산화탄소 및 수분(H2O)이 분리되고 배출된 고순도 수소가스를 포함하는 제 4가스를 저장하는 정제가스저장부;
상기 정제가스저장부에서 상기 제 4가스를 상기 반응로의 상기 가스공급부로 재공급하는 가스 순환부;
전체 시스템의 작동을 제어하는 제어부;
로우 메트리얼(raw material) 상태의 유기성 폐기물을 100mm 내지 300mm 범위의 크기로 파쇄하여 1차 가공원료를 배출하는 파쇄기; 및
상기 파쇄기에 연결되어 상기 1차 가공원료를 20mm 내지 60mm 범위의 크기로 압축하여 상기 반응로의 상기 폐기물 투입구로 공급하는 압축이송기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 처리 장치. - 제 14항에 있어서,
상기 압축이송기는 모터, 상기 모터에 연결되어 회전하는 축, 상기 축에 연결된 스크류, 및 상기 스크류가 설치된 관로 내부의 공기를 외부로 제거하는 공기제거부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 처리 장치. - 제 15항에 있어서,
상기 압축이송기는 상기 관로의 내부 표면에서 상기 스크류 방향으로 돌출되되 상기 관로 내부에서 방사형으로 복수개 이격되어 배치된 뭉침방지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물의 가스화 처리 장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020220152249A KR102499082B1 (ko) | 2022-11-15 | 2022-11-15 | 합성가스 생산을 위한 열분해·가스화 시스템 및 장치 |
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2022
- 2022-11-15 KR KR1020220152249A patent/KR102499082B1/ko active IP Right Grant
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