KR19980023905A - 기화를 통한 폐기물 처리 방법 및 장치 - Google Patents

기화를 통한 폐기물 처리 방법 및 장치 Download PDF

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요시오 히라야마
쇼오사꾸 후지나미
슈우이찌 나가또오
데쯔히사 히로세
다까히로 오오시따
마사아끼 이리에
가즈오 다까노
도시오 후꾸다
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나가히로 마오미
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Abstract

기화를 통해 폐기물을 처리하는 방법 및 장치는 재활용할 수 있는 상태로 폐기물 중의 금속 및 회분 성분을 회수하고, 암모니아(NH3)를 합성하는 데 사용되는 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 가스를 회수한다. 폐기물을 비교적 저온의 유동층 반응기 내에서 기화시키고, 유동층 반응기 내에 생성된 기체상 물질 및 차르(char)는 고온 연소기로 도입한다. 비교적 고온의 고온 연소기 내에서 합성 가스를 생성하고, 합성 가스 내의 CO 및 H2O를 CO2및 H2로 전환한 후, CO2를 제거하여 H2를 회수한다.

Description

기화를 통한 폐기물 처리 방법 및 장치
본 발명은 기화를 통한 폐기물 처리 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 재활용될 수 있는 상태로 폐기물의 금속 및 회분 성분을 회수하고, 암모니아(NH3)를 합성하는 데 사용되는 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 가스를 회수하기 위하여, 비교적 저온에서의 그리고 나서 비교적 고온에서의 기화를 통한 폐기물 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.
암모니아(NH3)는 질산, 질산 암모늄, 황산 암모늄 및 요소를 포함하는 다양한 비료, 아크릴로니트릴, 카프로락탐 등을 대량 생산하는 화학 산업에서의 기본 물질이다. 암모니아는 고압의 촉매 존재하에서 질소(N2)와 수소(H2)로부터 합성된다. 수소(H2)는 천연 가스나 나프타의 증기 개질(steam reforming), 또는 예를 들어 석유, 석탄 또는 석유 콕크와 같은 탄화수소의 기화와 같은 부분연소를 통하여 제공된다.
지금까지는 도시 폐기물을 포함하는 유기 폐기물, 섬유 보강 플라스틱(FRP)을 포함하는 플라스틱 폐기물, 생물자원 폐기물 및 자동차 폐기물은 부피를 줄이기 위하여 소각하여 처리하거나, 처리하지 않은 상태로 매립하는 것이 통상적이다.
그러므로, 직접 또는 간접 사용에 관계 없이, 유용한 자원 중 소량이 유기 폐기물로부터 회수되고, 재활용되었다.
암모니아(NH2)제조에 사용되는 수소는 천연가스, 나프타, 석유, 석탄 또는 석유 콕크로 부터 얻어진다. 이러한 물질의 대부분은 해외에서의 수입에 의존하고 있으므로, 국내에서 저가로 유용하게 조달하는 방법이 요구되고 있다.
반면에, 고체 폐기물의 소각은 다음의 이유로 불리하다.
지금까지, 고체 폐기물의 소각에는 스토커로 또는 유동층로가 사용되었다. 그러나, 이러한 소각은 환경보호, 또는 자원 또는 에너지의 재활용의 관점에서 문제가 있다. 더욱 상세히 하면, 높은 공기비 때문에 다량의 배기 가스가 배출되며, 이 배기가스에는 독성 다이옥신이 포함된다. 또한, 노에서 배출되는 물질은 산화되기 때문에 재활용에 적합하지 않으며, 매립지도 해가 갈수록 부족해 진다. 최근에, 회분-용융 장치(ash-melting equipment)폐기물 처리 설비의 수가 증가하고 있으나, 건설비 및/또는 폐기물 처리 설비의 운용비에 있어서 문제가 있다. 또한, 최근에는, 고체 폐기물의 에너지를 유용하게 사용하려는 경향이 커지고 있다.
매립지가 부족하기 때문에, 고체 폐기물을 처리하지 않은 상태로 매립지에 버리는 것은 더욱 어렵고, 환경보호의 관점에서 허용할 수 없다. 그러므로, 폐차의 분쇄 먼지와 같은 고체 폐기물이 처분될 만한 곳이 없다.
그러므로, 본 발명의 목적은 폐기물에서 자원을 회수하고, 자원의 분리 및 재사용의 길을 열고, 부분 연소로 암모니아의 합성에 사용하기에 바람직한 성분을 가진 합성 가스를 제공하며, 유기물의 소각 또는 투기로 야기되는 문제점을 해결하고, 암모니아를 합성하는 데 사용되는 저가의 수소(H2)를 얻을 수 있는, 기화를 통한 폐기물 처리 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 처리 방법의 실시를 위한 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 처리 방법의 실시를 위한 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따라 폐기물로부터 암모니아(NH3)를 합성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 질소 대기 중에서 RDF의 열분해 특성을 나타낸 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 비교적 저온의 유동층 반응기 내에서 폐기물을 기화시키는 단계; 상기 유동층 반응기 내에서 생성된 기체상 물질 및 차르를 고온 연소기로 도입하는 단계; 비교적 고온의 상기 고온 연소기 내에서 합성 가스를 생성하는 단계; 상기 고온 연소기에서 생성된 상기 합성 가스를 급냉(quenching;이하동일)하는 단계; 상기 합성 가스 내의 CO 및 H2O를 CO2및 H2로 전환하는 단계; 및 CO2를 제거하여 H2를 회수하는단계를 포함하여 이루어지는, 기화를 통한 페기물의 처리 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 비교적 저온에서 폐기물을 기화시켜 기체상 물질 및 차르를 생성시키는 유동층 반응기; 비교적 고온에서 합성 가스을 생성시키는 고온 연소기; 상기 합성 가스를 급냉하는, 물을 포함하는 급냉실; 상기 합성 가스 내의 CO 및 H2O를 CO2및 H2로 전환시키는 전환기; 및 H2를 회수하도록 CO2를 흡수하는 흡수기를 포함하여 이루어지는, 기화를 통한 폐기물 처리 장치가 제공된다.
유동층 반응기 및 고온 연소기 내의 기화 단계는 10 내지 40atm의 압력 범위 하에서 이루어진다. 회수된 H2는 암모니아 제조에 사용된다.
본 방법은 공기를 산소와 질소로 분리하여, 분리된 산소는 유동층 반응기 및 고온 연소기 내에서 기화제(gasifing agent)로 사용하고, 분리된 질소는 암모니아 제조에 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
유동층 반응기의 유동층 내의 비교적 저온은 450 내지 650℃의 온도 범위, 유동층 반응기의 프리보드(freeboard)의 온도는 600 내지 800℃의 온도 범위일 수 있다.
고온 연소기의 비교적 고온은 1300℃ 이상일 수 있다.
기화 공정에 있어서, 공기를 분리해서 얻어진 산소와 수증기의 혼합물은 수소를 생성하기 위한 기화제로 사용된다. 공기를 분리해서 얻어진 질소는 암모니아 (NH3)의 합성에 사용된다. 저온 분리법(PSA), 흡착법(TSA) 또는 막분리로 공기를 산소와 질소로 분리한다. 산소가 풍부한 공기를 기화제로 사용하여, 수소(H2)와 질소(N2)의 혼합물이 3:1의 비율로 생성되고, 생성된 가스는 암모니아(NH3)의 합성에 사용할 수 있다.
상기 장치는 생성된 가스에서 먼지 및 HCl과 같은 독성 가스를 제거하기 위한 세정기, 생성된 가스 내의 CO 및 H2O를 H2및 CO2로 전환하는 CO 전환기, CO의 전환 후에 CO2및 H2O를 제거하기 위한 산성 가스 제거 장치 및 정제된 H2와 정제된 N2를 반응시켜 NH3를 합성하는 반응기를 더욱 포함할 수 있다.
또한, 상기 장치는 공기를 N2와 O2로 분리하는 분리기, 분리된 N2를 암모니아(NH3)를 합성하는 반응기로 도입하는 수단 및 분리된 O2를 유동층 반응기 및/또는 고온 연소기로 도입하는 수단을 더욱 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예를 나타내고 있는 도면을 고려하면, 본 발명의 상기 및 다른 목적, 형태 및 장점이 하기에 의해 명백해 질 것이다.
본 발명에 따른 기화를 통한 폐기물 처리 방법 및 장치를 도면을 참조하여 하기에 설명한다.
본 발명에는 도시 폐기물, 생물자원 폐기물, 섬유 보강 플라스틱(FRP)를 포함하는 플라스틱 폐기물, 자동차 폐기물, 저급탄, 폐유 및 상기 폐기물을 고체화하거나 슬러리화하여 제공되는 대체 연료가 사용될 수 있다.
대체 연료는 도시 폐기물을 분쇄하고, 분류하고, 분류된 도시 폐기물에 산화칼슘을 첨가하고, 이를 압축하여 모양을 만든 쓰레기-유도 연료(refuse-derived fuel, RDF)와 도시 폐기물를 분쇄하고, 열수 반응(hydrothermal reaction)을 통해 오일형의 연료로 전환한 고체-수 혼합물(solid-water mixture)을 포함한다. 생물자원 폐기물은 상수 또는 하수 시설 [혼합물, 잔수종자(remnant), 하수 찌꺼기 등]로부터 생성되는 폐기물, 농업 페기물(쌀 껍질, 볏짚, 잔여물 둥), 임업 폐기물(톱밥, 나무껍질, 솎아낸 재목 둥), 산업 폐기물(펄프-칩 먼지 등) 및 건설시 나오는 폐목을 포함한다. 저급탄은 낮은 석탄화도(dgree of coalification)를 가지는 이탄 또는 석탄 드레싱으로 제공되는 석탄 쓰레기를 포함한다.
본 발명은 또한 함유 혈암, 쓰레기, 동물의 시체, 의류 폐기물, 폐지 및 다른 물질을 포함하는 유기 물질에 적용될 수 있다.
이러한 폐기물은 우선 유동층 반응기로 공급되어, 그 내부에서 열분해된다. 특히, 반응기로 회전형 유동층 반응기(revolving-type fluidized-bed reactor)를 사용하면, 선처리에 의해 굵게 분쇄된 폐기물을 유동층 반응기에 공급할 수 있다. 격렬하게 회전하는 유동 매질의 흐름에 의해서, 공급된 폐기물에 열전도가 잘 되고, 대형 불연성 물질이 유동층로에서 배출될 수 있기 때문이다. 회전하는 유동 매질의 효과는 하기에 상세히 설명되어 있다.
그러므로, 이러한 폐기물 중에서, 도시 폐기물, 생물자원 폐기물, 플락스틱 폐기물 및 자동차 폐기물은 약 30cm의 크기로 굵게 분쇄한다. 수분 함량이 많은 하수 찌꺼기 및 분료는 전용 처리시설에서 원심 분리기 등으로 탈수하여 단단한 덩어리(cake)로 만들고, 탈수된 단단한 덩어리를 본 발명의 처리 시스템을 갖춘 공장에 운반한다. 쓰레기-유도 연료, 고체-수 혼합물 및 고농도 폐수는 그 자체로 사용한다. 열량을 조절하기 위하여 첨가된 석탄은 40mm 이하의 크기로 분쇄한 경우, 그 자체로 사용할 수 있다.
상기 폐기물은 그 자체 또는 수분함량에 따라, 크게 고열량 폐기물과 저열량 폐기물로 나눌 수 있다. 일반적으로, 도시 폐기물, 쓰레기-유도 연료, 고체-수 혼합물, 플라스틱 폐기물, 자동차 폐기물 및 전기 기구 폐기물은 고열량 폐기물에 속한다. 생물자원 폐기물, 의료 폐기물 등의 특정 폐기물, 하수 지꺼기 및 분료의 탈수된 단단한 덩어리 및 고농도 폐액체는 저열량 폐기물에 속한다.
이러한 폐기물은 고열량 폐기물 피트(pit), 저열량 폐기물 피트 및 탱크에 채우고, 피트 및 탱크 내에서 충분히 교반하고, 혼합한다. 그리고 나서, 이들을 유동층 반응기에 공급한다. 유동층 반응기에 공급된 폐기물에 포함된 금속의 융점이 유동층 반응기의 유동층의 온도보다 높다면 금속은 부식되지 않은 상태로 회수된다. 그리고 나서, 이러한 회수된 금속은 금속의 한 종류인 잉곳 금속(ingot metal)으로 사용될 수 있다.
유동층 반응기에 공급된 폐기물이 일정한 질을 유지한다면, 기화를 위해 유동층 반응기에 공급되는 가스에 대한 폐기물의 비가 역시 일정하게 유지된다. 그러나, 공급된 페기물 중의 저열량 폐기물의 비율이 증가하거나, 공급된 폐기물 전체의 수분 함량이 증가하면, 유동층의 온도가 바람직한 값보다 낮아지는 경향이 있다. 다음 단계에서의 가스 이용의 관점에서, 유동층의 온도가 내려갈 때는 공급되는 폐기물 중의 저열량 폐기물에 대한 고열량 폐기물의 비율를 조절하여, 공급되는 폐기물의 열량 값을 일정하게 하는 것이 바람직하다. 대신에, 높은 열량 값을 가지는 석탄을 첨가하여, 공급되는 폐기물의 열량을 조절할 수 있다. 부수적으로, 석탄 대신에 오일 콕크를 첨가하여, 공급되는 폐기물의 열량을 조절할 수eh 있다.
다음으로, 비교적 저온에서 폐기물을 기화하는 본 발명에 따른 유동층 반응기를 하기에 설명한다. 이러한 비교적 저온에서 폐기물을 기화하는 유동층 반응기를 사용하는 것은 본 발명의 실시형태 중의 하나이다.
유동층 반응기 자체는 연소로 또는 기화로에 있어서 공지이다. 그러나, 본 발명의 신규 실시형태는 종래기술과 다르게, 유동층 반응기 alv 가연 가스을 제공하는 고온 연소기를 조합하여 사용한다.
고온 기화로에 분쇄된 석탄이나 슬러리화된 석탄을 물과 함께 공급하는 것은 공지 기술이다. 그러나, 폐기물의 경우에는, 석탄에 비해서 분쇄하기가 어렵다. 특히, 폐기물이 금속, 파편(debris) 또는 암석과 같은 불연성 물질을 포함하고 있다면, 폐기물을 분쇄하거나 슬러리화하는 것은 거의 불가능하다. 그러나, 유동층 반응기를 사용하는 경우에는, 폐기물이 굵게 분쇄된 상태로 열분해되어, 가연성 가스상 물질 및 미세한 차르를 생성할 수 있다. 생성된 기체상 물질 및 차르는 이어지는 고온 연소기로 도입되어, 비교적 높은 온도에서 기화된다. 유동층 반응기 내에서, 필요한 작용은 열분해 및 기화의 느린 반응을 통해 폐기물을 가연성 가스상 물질 및 차르으로 전환시키는 것 뿐이며, 그러므로, 유동층 반응기 내의 유동층은 비교적 낮은 온도로 유지된다. 처리할 폐기물의 성질을 고려하여, 본 발명의 유동층 반응기로 기포형(bubbling-type) 유동층로를 포함하는 공지의 대기 또는 가압 유동층 반응기를 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명의 발명자들이 개발한 회전 흐름형(revolving flow-type) 유동층 반응기를 사용하는 것이 바람직하다.
회전 흐름형-유동층 반응기는 원형의 수평단면을 가지고, 중심부에는 대체로 낮은 유동가스 비율을 가지는 비교적 부드러운 유동층을 갖고, 주변부에는 대체로 높은 유동가스 비율을 가지는 비교적 격렬한 유동층을 갖는 것이 바람직하다. 회전 흐름형 유동층 반응기는 주변부로부터 중심부를 향하는 유동 매질의 흐름을 비껴가게 하여, 유동 매질이 부드러운 유동층에서 하강하고, 격렬한 유동층에서 상승하고, 유동층의 더 낮은 부분에서는 중심부로부터 주변부로 이동하고, 유동층의 더 높은 부분에서는 주변부로부터 중심부로 이동하게 하는 방법으로 회전 유동 매질이 형성되도록, 유동층 표면 부근에 내벽을 따라 설치된 경사진 벽을 가진다.
본 발명에 다른 특정한 구조의 회전 흐름형 유동층 반응기는 하기의 장점을 제공한다.
1. 생성된 차르가 유동층에 축적되지 않고, 유동층 내에 균등하게 잘 분산되므로, 유동층, 특히 격렬한 유동층 내에서 차르의 산화가 효율적으로 이루어진다. 차르의 산화로 발생한 열은 유동층으로 전도되고, 전도된 열은 유동층 반응기의 유동층의 중심부에서 열분해 또는 기화의 열원으로서 효과적으로 사용될 수 있다.
2. 유동 흐름의 상향 흐름이 경사진 벽에 의해 비껴져 유동층 반응기 내의 유동층의 중심부에서 서로 충돌하기 때문에, 차르가 분쇄된다. 유동 매질로 단단한 규사가 사용되면, 차르의 분쇄가 가속화된다.
3. 유동 매질의 하강 흐름에 의해 폐기물이 유동층으로 떨어지기 때문에, 굵게 분쇄되기만 한 고체 폐기물이 유동층 반응기에 공급될 수 있다. 그러므로, 분쇄장치가 없어도 되며, 분쇄를 위한 전력이 상당히 절약된다.
4. 폐기물을 굵게 분쇄하여 대형 불연성 물질이 생성된다고 하더라도, 이러한 대형 불연성 물질은 유동층 반응기의 회전하는 유동매질의 흐름에 의해 쉽게 배출될 수 있다.
5. 발생한 열이 회전하는 유동층의 전체에 형성되는 유동 매질의 흐름을 통하여 분산되므로, 집괴(agglomeration)나 클링커에 의한 문제를 피할 수 있다.
일반적으로 사용되는 기포형 유동층의 경우, 유동층 내에서 유동 매질이 균일하게 유동할 수 있음에도, 수평방향에서는 유동층이 잘 분산되지 않는다. 그러므로, 상기 장점 1 내지 5의 관점에서, 본 발명의 회전 흐름형 유동층 반응기는 통상적으로 사용되고 있는 기포형 유동층 반응기보다 우수하다.
본 발명의 유동층 반응기는 450 내지 800℃의 온도 범위를 가지는 유동층을 포함한다. 유동층의 온도가 450℃이하로 떨어지면, 폐기물의 열분해 및 기화가 극히 느려지므로, 분해되지 않은 물질이 유동층에 축적되고, 차르의 산화 속도가 느려져 생성되는 차르의 양이 증가한다. 유동층 온도가 증가하면, 폐기물의 열분해 반응이 가속되므로, 분해되지 않은 물질이 유동층내에 축적되는 문제가 해결된다. 그러나, 폐기물의 공급 비율이 불안정하면, 생성되는 가스의 양이 불안정하게 되어, 이어지는 선회형(swirling-type) 고온 연소기의 작동을 손상시킨다. 선회형 고온 연소기에 공급되는 가스를 유동층 반응기 내의 생성된 가스가 함유하는 산소의 양에 따라 미세하게 조절하는 것은 불가능하기 때문이다. 그러므로, 유동층 내의 온도의 상한이 650℃로 맞추어져, 열분해가 비교적 느려진다. 유동층 반응기는 유동층 위에 프리보드(freeboard)라 불리는 큰 지름부분을 가진다. 대체로 순수한 산소 또는 산소가 풍부한 공기처럼 산소를 함유하는 가스를 프리보드에 공급함으로써, 이어지는 고온 연소기에서의 부하가 감소하고, 생성된 가스 내의 타르 및 차르의 기화가 프리보드 내에서 가속된다.
본 발명에 따르면, 폐기물은 450 내지 650℃의 온도 범위의 유동층에서 일차 연소되고, 600 내지 800℃, 바람직하게는 650 내지 750℃의 온도범위의 프리보드에서 이차 연소된다.
폐기물을 기화하기 위해서 유동층 반응기에 공급되는 유동가스는 공기, 산소가 풍부한 공기, 공기와 수증기의 혼합물, 산소가 풍부한 공기와 수증기의 혼합물, 산소와 수증기의 혼합물 중에서 선택된다. 유동 매질로는 규사 또는 감람석 모래와 같은 모래, 암모니아, 철분, 석회석, 백운석 등이 사용될 수 있다.
유동층 반응기에서 생성된 가스는 다량의 타르와 탄소성 물질을 포함한다. 탄소성 물질은 유동층 내에서 분말형 차르로 분쇄되고, 이 분말형 차르와 가스가 선회형 고온 연소기로 도입된다. 유동층은 환원대기 상태이므로, 폐기물 내의 금속이 부식되지 않은 상태로 유동층 반응기에서 배출된다.
회수될 수 있는 물질은 이의 융점이 기화 온도보다 낮은 물질로 한정된다. 그러므로, 융점이 660℃인 알루미늄을 회수하기 위해서는 유동층 내의 온도를 650℃ 이하로 맞추어야만 한다.
다음으로, 유동층 반응기 내의 유동층을 450 내지 650℃의 온도범위로 유지하는 이유에 대하여 하기에 설명한다.
도 4는 질소 대기중의 RDF의 열분해 특성을 나타낸다. 유동층 반응기 내에서 이루어지는 일차 기화에 있어서, 가스 및 타르를 포함하는 가스상 성분을 가능한한 많이, 가연물 및 탄소성 물질인 회분을 포함하는 고체 성분을 가능한한 적게 생성하는 것이 바람직하다. 유동층 반응기 내에서 탄소성 물질로부터 생성된 지름이 작은 차르는 유동층 반응기 내에서 생성된 가스의 상향 흐름과 함께 고온 연소기로 수송되지만, 유동층 반응기 내에서 잘 분쇄되지 않은 지름이 큰 탄소성 물질은 불연성 물질과 함께 반응기의 저부에서 배출된다.
탄소성 물질의 비율이 높다면, 반응기의 저부에서 배출되는 탄소성 물질의 양을 증가시켜 고체성분이 유동층 내에 축적되지 않도록 해야한다. 반응기에서 배출된 차르는 모래와 불연성 물질을 제거한 후 재사용할 수 있으나, 반응기에서 배출되는 차르의 양을 감소시키는 것이 바람직하다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 열분해 온도가 감소함에 따라 생성된 고체 성분의양이 증가한다. 또한, 450℃ 이하의 온도에서는 열분해의 속도가 극히 느려지고, 분해되지 않은 물질이 유동층에 축적되는 경향이 있어, 유동층 반응기의 작동이 어려워진다. 반대로, 유동층의 온도가 증가하면, 생성되는 고체 성분의 양이 감소하고, 폐기물의 열분해가 가속된다.
그러나, 폐기물을 거의 분쇄되지 않은 상태로 유동층 반응기에 공급하기 때문에, 가능하면, 유동층의 온도가 지나치게 상승할 때 반응 속도가 증가한다. 그러므로, 폐기물의 공급비율이 불안정하면, 가스의 생성 비율이 불안정하게 되고, 이어지는 고온 연소기의 작동에 영향을 주는 노의 내부 압력이 불안정해진다. 자동차 폐기물의 분쇄 먼지를 사용한 기화 실험에서, 기화 온도가 650℃ 이하이면 배기 가스 내의 CO 함량이 10ppm이하로 억제된다는 것이 확인되었다. 대부분의 폐기물이 금속을 포함하며, 재활용에 적합하도록 금속을 부식되지 않은 상태로 회수하는 것이 중요하다. 금속 중에서도, 알루미늄의 회수는 중요하며, 융점이 660℃인 알루미늄을 회수하기 위해서는 유동층의 온도를 650℃이하로 맞추어야만 한다.
유동층 반응기를 사용하여 폐기물을 낮은 온도에서 기화하기 때문에, 수 밀리미터 내지 수 센티미터 크기의 다양한 폐기물을 처리할 수 있다. 유동층 반응기는 용량이 크며, 스케일-업(scale-up)이 용이하다. 유동층 반응기는 이동부가 없어, 온도 및 다른 파라미터의 조절을 위해 쉽게 작동될 수 있으며, 유동층의 온도를 일정하게 유지하는 열 매질에 대한 열전도가 우수하다.
유동층 반응기가 회전 흐름형 유동층 반응기로 구성되면, 폐기물을 유동층 반응기에 채우기 전에 분쇄할 필요가 없다. 유동층에서 탄소성 물질이 유동층에 잘 분산되는 차르로 효과적으로 분쇄되므로, 유동층 반응기는 폐기물 용량이 크며, 유동층의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.
다음으로, 고온 연소기를 하기에 설명한다. 고온 연소기는 유동층 반응기에서 도입된 기체상 물질 및 차르를 공급받아, 1300℃ 이상의 온도에서 고온 연소기로 공급되는 기체와 접촉시켜 기체상 물질 및 차르를 기화시킨다. 타르 및 차르는 완전히 기화되고, 회분은 고온 연소기의 저부에서 용융 슬랙으로 배출된다.
고온 연소기는 단지 노의 상부로부터 내부로 기체상 물질 및 차르가 불어 들어오는 텍사코로(Texaco furnace)로 구성될 수 있으나, 선회형 고온 연소기로 구성되는 것이 바람직하다. 선회형 고온 연소기에 있어서, 기체상 물질 및 차르는 기화를 위한 가스와 함께 선회 흐름을 형성하는 동안에 비교적 높은 온도에서 기화되며 회분은 용융되고, 용융된 회분은 분리되어 배출된다.
선회형 고온 연소기를 사용하면, 높은 부하 및 빠른 속도로 연소시킬 수 있으며, 가스의 잔류시간의 분포가 좁아지고, 탄소 전환 효율 및 슬랙 미스트 수집 효율(slag mist collecting efficiency)이 높아지며, 연소기의 부피가 작아질 수 있다.
기화를 위해 고온 연소기로 도입되는 가스는 산소가 풍부한 공기 및 산소 중에서 선택할 수 있다. 유동층 반응기 및 고온 연소기로 공급되는 산소의 총량은 폐기물의 연소에 필요한 산소의 이론적인 양의 0.1 내지 0.6 범위일 수 있다. 유동층 반응기로 공급되는 산소의 양은 폐기물의 연소에 필요한 산소의 이론적인 양의 0.1 내지 0.3 범위일 수 있다. 이러한 방법에서, 1000 내지 1500 kcal/Nm3(건조) 범위의 저열량을 갖는 연료 가스 또는 2500 내지 4500 kcal/Nm3(건조) 범위의 중열량을 갖는 연료 가스가 고온 연소기로부터 얻어질 수 있다. 본 발명에 있어서, 주성분으로 CO 및 H2를 함유하는 가스가 폐기물로부터 생성될 수 있으며, 생성된 가스는 산업 연료 가스로 사용되거나, 화학산업에서 합성에 사용될 수 있다.
유동층 반응기에서 이어지는 고온 연소기로 도입되는 차르 내의 회분은 고온 연소기에서 슬랙으로 용융되고, 유해 중금속은 슬랙에 고착되어 용출되지 않는다. 다이옥신류 또는 이의 전구체 및 PCB(polyclorinated biphenyl)가 고온연소기 내에서 고온 연소에 의해 거의 완전히 분해된다.
화학산업에서 합성에 쓰이는 합성 가스를 제조하는 경우, 10 내지 40atm의 압력범위에서 기화시키는 것이 일반적이다. 그러나, 대기압에서 기화시킬 수도 있으며, CO 전환 후에 30 내지 40atm의 압력 범위에서 정제시킬 수 있다. 유동층 반응기에서 사용되는 기화제로는 공기의 저온 분리로 얻어진 순수한 산소(O2) 및 공기의 혼합물을 사용하는 것이 일반적이나, O2에 산성 가스 제거 공정으로 회수된 CO2를 첨가할 수 있다. 공기의 저온 분리로 얻어진 질소가 암모니아(NH3)의 합성에 사용된다. 대신에, 산소가 풍부한 공기가 기화제로 사용될 수 있다. 산소 함량을 조절하여, CO 전환 후의 H2대 N2의 비가 3:1이 되면, 생성된 가스 자체를 암모니아 합성가스로 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 방법에서는 가스의 유량이 증가하므로, 가스 처리 장치가 대형화되는 단점이 있다.
암모니아 합성가스로 폐기물을 사용한 경우, 폐기물의 양을 확인하고, 폐기물의 질을 안정하게 할 필요가 있다. 또한, 시스템을 작동하는 동안, 폐기물의 질의 변화를 처리할 필요가 있다.
상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따르면, 폐기물만을 사용하기 때문에 시스템이 안정하게 작동될 수 없거나, 시스템이 개시중일 때, 실제로 H2생성에 사용되는 안정한 성질을 가진 고열량의 석탄이나 오일 콕크같은 고체 연료가 폐기물에 첨가될 수 있다. 석탄이나 오일 콕크를 폐기물에 첨가하여 폐기물 내에 20 내지 40% 포함되게 하면, 기화에 사용될 물질이 질적, 양적으로 안정화될 수 있다. 작동 중 몇가지 이유로 폐기물의 질이 떨어지고 가스 중의 H2또는 CO의 농도가 낮아지면, 고체 연료의 공급률을 증가시켜 가스의 비율을 안정화할 수 있다. 부수적으로, 시스템에 사용되는 석탄은 폐기물에 속하는 저급탄이 아니라, 높은 석탄화도를 갖는 아역청탄 또는 역청탄이다.
본 발명에 따른 기화를 통한 폐기물 처리 방법을 실시하는 다양한 장치가 도면을 참조하여 하기에 설명된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 기화를 통한 폐기물 처리 방법을 실시하는 장치를 개략적으로 나타낸다.
도 1에 나타낸 장치는 호퍼(1), 스크류 공급기(2) 및 내부에 유동층(4)을 가지는 회전 흐름형 유동층 반응기(3)를 포함한다. 유동층 반응기(3)은 프리보드(5 및 버너(6)를 가지며, 버킷 컨베이어(8)와 연합된 트롬멜(7)에 연결된다. 또한 상기 장치는 1차 연소실(10), 2차 연소실(11) 및 슬랙 분리실(12)를 가지는 선회형 고온 연소기(9)를 포함한다. 선회형 고온 연소기(9)는 버너(13)를 가진다. 도 1에서, 부호 a, b, b', b 및 c는 각각 유기 폐기물, 유동층(4)에 사용되는 공기, 프리보드(5)에 사용되는 공기, 고온 연소기(9)에 사용되는 공기 및 대형 불연성 물질을 나타낸다. 또한, 부호 d, e, e' 및 f는 각각 규사, 생성된 가스, 연소 배기가스 및 슬랙을 나타낸다.
폐기물 a를 호퍼(1)에 공급하면, 스크류 공급기(2)에 의하여 폐기물이 일정한 비율로 유동층 반응기(3)에 공급된다. 기화제로서 공기 b가 유동층 반응기(3)의 저부에 도입되어, 유동층 반응기(3)의 분산면에 걸친 규사로 된 유동 매질의 유동층(4)을 형성한다.
비교적 낮은 속도를 갖는 유동 가스가 유동층(4)의 중심부로 도입되고, 비교적 높은 속도를 갖는 유동 가스는 유동층(4)의 주변부로 도입되어, 도 1에 나타낸 바와 같이 유동층 반응기(3) 내에 유동 매질의 회전 흐름을 형성한다.
유기 폐기물 a를 유동층(4)에 채우고, 450 내지 650℃의 온도 범위로 유지되는 유동층(4) 내에서 공기 중의 O2와 접촉시켜 빠르게 열분해시킨다. 유동층(4) 내의 유동 매질 및 불연성 매질이 유동층 반응기(3)의 저부에서 배출되고, 불연성 물질 c가 이동하여 트롬멜(7)로 유입된다. 분리된 규사 d는 버킷 컨베이어(8)을 통해 유동층 반응기(3)의 상단부로부터 다시 채워진다. 배출된 불연성 물질 c는 금속을 포함한다. 유동층(4)은 450℃ 내지 650℃의 온도 범위를 유지하기 때문에, 철, 구리 및 알루미늄이 재활용에 적합한 부식되지 않은 상태로 회수될 수 있다.
폐기물 a가 유동층(4)에서 기화될 때, 가스, 타르 및 탄소성 물질이 생성된다. 가스와 타르는 어토마이즈화되어, 유동층 반응기(3)내에서 하강한다. 탄소성 물질은 유동층(4)의 교반 작용에 의해 차르로 분쇄된다. 차르는 다공성이고 가볍기 때문에, 생성된 가스의 상향 흐름과 함께 이동한다. 유동층(4)의 유동매질은 딱딱한 규사를 포함하고 있기 때문에, 탄소성 물질의 분쇄가 가속된다. 공기 b'는 프리보드(5)로 불어 들어가, 가스 성분의 저분자 성분으로의 전환 및 타르 및 차르의 기화를 촉진하는 600℃ 내지 800℃의 온도 범위에서 가스, 타르 및 차르를 기화시킨다.
생성된 가스 e는 유동층 반응기(3)에서 배출되어, 선회형 고온 연소기(9)의 일차 연소실(10)에 공급되고, 선회 흐름 내에서 예열된 공기 b와 혼합되는 동안에, 1300℃ 이상의 고온에서 연소된다. 연소는 이차 연소실(11)에서 완료되며, 생성된 배기가스 e'는 슬랙 분리실(12)에서 배출된다. 선회 고온 연소기(9) 내부의 고온으로 인하여, 차르 내의 회분은 슬랙 미스트로 전환되고, 선회 흐름의 원심력하에서 일차연소실(10)의 내벽의 용융 슬랙 상에 의해서 트랩된다. 용융 슬랙은 내벽을 타고 흘러 내려가 이차연소실(11)로 유입되고, 이로부터 슬랙f가 슬랙 분리실(12)의 저부에서 배출된다. 일차연소실(10) 및 이차연소실(11)은 각각의 개시를 위한 버너(13)를 가진다. 이러한 방법에 있어서, 연소는 약 1.3의 공기비로 실시되며, 회분이 용융되고, 이의 슬랙이 형성된다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 처리 방법의 실시를 위한 장치를 나타낸다.
도 2에 나타낸 장치는 10 내지 40atm 범위의 고압 합성가스를 제공한다. 상기 장치는 회전 흐름형 유동층 반응기(3) 및 선회형 고온 연소기(17)를 포함한다. 유동층 반응기(3)는 스크린(15)과 연합된 락 호퍼(14)에 연결된다. 선회형 고온 연소기(17)는 또한 스크린(15')와 연합된 락 호퍼(14')에 연결된다. 스크린(15)은 유동매질 순환선(16)을 통하여 유동층 반응기(3)에 연결된다. 선회형 고온 연소기(17)는 내부에 고온 기화실(18) 및 급냉실(19)을 포함한다. 선회형 고온 연소기(17)는 세정기(21)에 연결된 사이클론(20)에 연결된다. 고온 연소기(17)와 연합된 침강기(22)가 제공된다. 도 2에서, a'는 보충 연료로 쓰이는 석탄 또는 오일 콕크을 나타내고, g 및 g'는 기화제로서 O2및 H2O의 혼합물을 나타내며, g은 기화제로서 O2를 나타낸다.
폐기물 a는 일정한 비율로 락 호퍼 등을 통하여 유동층 반응기(3)에 공급된다. O2및 H2O의 혼합물은 기화제 g로 유동층 반응기(3)의 저부로 도입되며, 유동층 반응기(3)의 분산면에 걸친 규사로 된 유동매질의 유동층(4)을 형성한다. 유기 폐기물 a은 유동층(4)에 채워져, 450 내지 650℃의 온도 범위 및 10 내지 40atm의 압력범위로 유지되는 유동층(4) 내에서 기화제g와 접촉되어 빠르게 열분해된다. 유동층(4) 내의 유동 매질 및 불연성 물질이 유동층 반응기(3)의 저부에서 배출되어, 락 호퍼(14)를 지나, 불연성 물질 c가 분리되는 스크린(15)에 공급된다. 규사 d는 유동매질 순환선(16)을 통하여 유동층 반응기(3)에 다시 채워진다. 배출된 불연성 물질 c는 금속을 포함한다. 유동층(4)은 450℃ 내지 650℃의 온도 범위를 유지하기 때문에, 철, 구리 및 알루미늄을 재활용에 적합한 부식되지 않은 상태로 회수할 수 있다.
폐기물 a가 유동층 (4)에서 기화될 때, 가스, 타르 및 탄소성 물질이 생성된다. 가스와 타르는 기화되어, 유동층 반응기(3) 내에서 하강한다. 탄소성 물질은 유동층(4)의 격렬한 회전작용에 의해 차르로 분쇄된다. 차르는 다공성이고 가볍기 때문에, 생성된 가스의 상향 흐름과 함께 이동한다. 유동층(4)의 유동매질은 딱딱한 규사를 포함하고 있기 때문에, 탄소성 물질의 분쇄가 가속된다. O2및 H2O를 포함하는 기화제 g'는 프리보드(5)로 불어 들어가, 가스 성분의 저분자 성분으로의 전환 및 타르 및 차르의 기화를 촉진하는 600℃ 내지 800℃의 온도 범위에서 가스, 타르 및 차르를 기화시킨다.
생성된 가스 e는 유동층 반응기(3)에서 배출되어, 선회형 고온연소기(17)의 고온 기화실(18)에 공급되고, 선회 흐름 내에서 예열된 기화제 g와 혼합되는 동안에, 1300℃ 이상의 고온에서 연소된다. 선회형 고온 연소기(17) 내부의 고온으로 인하여, 가스 내의 회분은 슬랙 미스트로 전환되고, 가스와 함께 급냉실(19)로 유입되어 물과 직접 접촉한다. 급냉실(19)에서 슬랙은 급냉되어 과립 슬랙으로 되고, 과립 슬랙은 락 호퍼(14')를 통하여 고온 연소기(17) 외부로 배출되며,스크린(15')에 의해서 코스 그래인(course grain)f'과 화인 그래인(fine grain)f로 분류된다. 생성된 가스는 고온 연소기(17)에 채워져, 사이클론(20)을 통하여 세정기(21)에 공급된다. 세정기(21)에서, 가스가 세정되어 정제된 가스를 공급한다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따라 폐기물로부터 암모니아(NH3)를 합성하는 방법을 나타내는 흐름도를 나타낸다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 방법은 기화단계(100), 일산화탄소 전환단계(200), 산성가스 제거단계(300), 액체질소를 사용한 가스정제단계(400), 암모니아 합성단계(500) 및 황 회수단계(600)을 포함한다. 상기 방법을 실시하는 장치는 가스 세정기(21), 저온 공기분리기(23), 유기폐기물의 일차기화를 실시하는 유동층 반응기(3), 비교적 고온에서 이차기화를 실시하는 고온 연소기(17), 일산화탄소 전환기(36), 흡수탑(40), 응축 탱크(41), 이산화탄소 제거탑(stripping tower)(44), 황화수소 제거탑(50), 흡착탑(53), 액체 질소 세정탑(56) 및 냉각기(57)을 포함한다. 또한 상기 장치는 기체 질소를 압축하는 컴프레서(58), 기체 산소를 압축하는 컴프레서(59), 합성가스를 압축하는 컴프레서(60), 암모니아 합성탑(62), 암모니아 냉동기(68), 암모니아 분리기(70) 및 암모니아 저장 탱크(72)를 포함한다. 상기 장치는 또한 열교환기(38,39,48,52,64 및 66), 펌프(30,46 및 54)를 포함한다. 도 3에서, 부호 i,j,q 및 r은 각각 공기, 산소(O2), 황(S) 및 아황산 암모늄을 나타낸다.
공기 i는 공기 분리기(23)에 의해서 산소 j와 질소 k로 분리된다. 분리된 산소는 컴프레서(59)에 의해서 압축되고, 유동층 반응기(3) 및 고온 연소기(17)에 기화제로 공급된다. 질소 k는 컴프레서(58)에 의해서 압축되고, 암모니아 합성을 위한 가스로 사용된다. 공기를 분리하는 데는 일반적으로 저온 분리법이 사용된다.
기화 단계(100)에서는, 유기 폐기물 a 및 보충물 a'가 유동층 반응기(3)에서 비교적 낮은 온도로 처리되고 나서, 고온 연소기(17)에서 1200 내지 1500℃의 온도범위 및 10 내지 40kg/cm2G의 압력범위로 처리되어, 주요성분으로 CO, H2, H2O 및 CO를 함유하는 가스를 생성한다. 고온 연소기(17)의 온도는 주로 산소의 양을 제어하여 조절한다. 고온 연소기(17)는 직접-급냉 시스템으로, 상부에 고온 기화실(18)을 가지며, 하부에는 급냉실(19)을 가진다. 생성된 가스는 급냉실(19)에서 물과 직접 접촉하여 급냉된 후, 고온 연소기(17)에서 배출된다. 이러한 급냉에 의해서 다량의 수증기가 생성되며, 다량의 수증기는 생성된 가스와 함께 유동하고, 고온 기화실(18)에서 생성된 슬랙의 대부분이 제거된다. 슬랙의 슬러리 및 물이 슬랙 처리 공정에 제공된다. 벤튜리(venturi) 세정기(나타나있지 않음) 및 가스 세정기(21)에서는, 급냉실(19)에서 다량의 수증기와 함께 배출된 생성된 가스로부터 슬랙 미스트를 제거하여 생성된 가스를 세정한다. 그 이후에, 생성된 가스는 일산화탄소 전환단계(200)에 공급된다. 가스 세정기(21) 저부의 세정수는 대부분 펌프(30)에 의해서 급냉실(19)로 공급되어 순환하고, 세정수의 일부가 슬랙 처리공정에 공급된다.
일산화탄소 전환단계(200)에서는, 기화단계(100)에서 공급되며, 수증기를 포함하는 생성된 가스가 합성가스로 사용된다. 가스 세정기(21)로부터 나온 가스는 열교환기(38)에서 제 1 단계 촉매층을 통과하는 가스와 열교환되어 일산화탄소 전환에 적합한 온도로 가열된 후 일산화탄소 전환기에 공급된다. 일산화탄소 전환기(36)에서는, 일산화탄소 전화효소의 존재하에, 가스 내의 일산화탄소(CO)가 동반되는 수증기와 반응하여 수소(H2)를 생성한다. 일산화탄소 전환기(36)는 Co-Mo 촉매로 구성되는 2단계 촉매층을 포함한다. 제 1단계 촉매층의 입구부의 온도는 거의 300℃이다. 건조한 생성된 가스에 대한 수증기의 몰비는 약 1.5이다. 제 1단계 촉매층의 출구부의 온도는 480℃이하이다.
제 2단계 촉매층의 입구의 온도는 거의 300℃이다. 전환비는 90% 이상이며, 일산화탄소 전환기(36)의 출구부에서 건조 가스 내의 일산화탄소의 농도는 2% 이하이다. 일산화탄소 전환반응은 다음 식으로 표현된다.
CO + H2O = CO2+ H2
이 반응은 발열반응이며, 제 1단계 촉매층을 지나는 고온가스는 일산화탄소 전환기(36)의 입구의 가스와 열교환되어 냉각된 후, 제 2단계 촉매층으로 유입된다. 제 2단계 촉매층에서, 일산화탄소 전환반응이 더욱 진행된다.
일산화탄소 전환기(36)을 지나는 가스는 교환기(39)에 의해서 거의 40℃까지 냉각되며, 응축 탱크(41)에서 응결수와 가스로 분리된 후, 질소 세정탑(56)의 상부에서 나온 정제된 가스의 일부와 열교환되어 -17°로 냉각된다. 그 후에, 냉각된 가스는 산성가스 제거단계(300)로 공급되며, 이 단계에서 예를 들어, 렉티솔 공정(Rectisol process)과 같은 물리적 흡착공정이 실시되어, 일산화탄소 전환단계(200)에서 공급된 전환된 가스로부터 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 불순물이 제거된다.
역류로 약 -60℃의 액체 메탄올과 접촉시켜 이산화탄소(CO2)를 흡수하는 흡수탑(40)으로 -17℃로 냉각된 가스가 도입된다. 그 결과, 흡수탑(40)에서 배출된 가스는 이산화탄소(CO2) 농도가 10 내지 20ppm 범위이고, 황화수소(H2S) 농도가 약 0.1ppm이다. 흡수액체로 사용된 메탄올이 이산화탄소를 흡수할수록, 메탄올의 온도는 증가하고 흡수능은 저하된다. 그러므로, 메탄올을 흡수탑(40)에서 끌어내어, 암모니아의 냉각제로 냉각한 후 다시 흡수탑(40)로 되돌려보낸다.
흡수탑(40)에서 끌어낸 메탄올에는 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S) 뿐아니라 소량의 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)가 녹아있다. 메탄올로부터 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)를 회수하기 위하여, 메탄올 재생탑(나타나있지 않음)에서 메탄올을 감압하에 처리하여 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)를 분리한다. 분리된 수소 및 일산화탄소는 컴프레서에 의하여 압축되어, 재순환에 사용된다. 다른 한편으로, 메탄올에 흡수된 고순도의 이산화탄소(CO2)를 회수하기 위해서, 이산화탄소 제거탑(44)에 메탄올이 공급되고, 감압되고, 기체 질소에 의해 제거되어, 메탄올 중의 이산화탄소(CO2)가 분리되고, 분리된 이산화탄소는 회수된다.
응축 황화수소(H2S)를 함유하는 메탄올이 이산화탄소 제거탑(44)의 저부에서 나와 펌프(46)에 의해 열교환기(48)에 공급된다. 열교환기(48)에서 가열된 후, 메탄올은 황화수소 제거탑(50)에 공급되어, 수증기에 의해 간접적으로 재생된다. 황화수소 제거탑(50)의 상부에서 배출된 황화수소가 풍부한 가스는 열교환기(52)에서 냉각된 후, 황 회수단계(600)로 공급되어, 황 q 또는 아황산암모늄 r이 회수된다. 황화수소 제거탑(50)의 저부에서 끌어낸 메탄올은 펌프(54)에 의해서 흡수탑(40)의 상부에 공급되어 재순환한다.
흡수탑(40)에서 공급된, 소량의 일산화탄소(CO)와 흔적량의 이산화탄소(CO2) 를 포함하는 수소가 풍부한 가스는 흡착탑(53)을 지나 메탄올과 이산화탄소가 제거되고, 냉각기(57)에 의해 약 -190℃로 냉각된 후, 액체질소 세정탑(56)으로 공급된다. 액체 질소를 사용한 가스 정제단계(400)에서, 흔적량의 일산화탄소(CO) 및 메탄(CH4)을 포함하는 공급된 가스가 과냉각 액체 질소로 세정되어 일산화탄소와 메탄이 제거된다. 수소가 질소보다 끓는점이 더 낮으므로, 기체 수소는 액체 질소에 의해 흡수되지 않는다. 그러므로, 질소 세정탑(56)의 상부로부터 질소를 함유하는 수소가 풍부한 정제된 가스가 얻어진다.
액체 질소 세정탑(56)에서 배출된 정제된 가스는 냉각기(57)에 의해서 냉각된 액체 질소에서 생성된 고압의 가스 질소와 혼합되어, 질소에 대한 수소의 비가 예를 들어, 암모니아 합성에 적합한 약 3처럼 적합한 값으로 조절되고, 혼합된 가스는 다시 냉각기(57)를 통과하여 가열되고, 암모니아 합성단계(500)에 공급된다. 컴프레서(58)에 의해서 압축된 질소가스 일부가 냉각되고 냉각기(57)에 의해 액화되고, 질소 세정탑(56)에 공급되어, 공급된 질소가스가 역류로 질소세정탑(56)의 저부에서 공급된 가스와 접촉하고, 공급된 가스 중의 일산화탄소(CO), 아르곤(Ar) 및 메탄(CH4)을 함유하는 불순물이 액체질소로 흡수되어 제거된다. 일산화탄소(CO), 아르곤(Ar) 및 메탄(CH4)과 같은 불순물을 흡수한 액체질소는 질소세정탑(56)의 저부에서 끌어내져, 감압되고, 보일러의 연료로 사용된다. 세정단계(400)로부터 공급된 가스는 컴프레서(60)의 제 1단계에서 예를 들어 150kg/cm2G의 압력으로 압축된 후, 압축된 가스가 암모니아 분리기(70)로부터 재순환하는 가스와 혼합된다. 그 후에, 혼합된 가스는 컴프레서(60)의 제 2단계에서 165kg/cm2G의 압력으로 압축된 후, 암모니아 합성탑(62)에 공급된다. 암모니아 합성탑은 Fe 촉매로 구성된 2단계 촉매층을 가진다. 암모니아 합성탑(62)의 입구부에서 가스는 164kg/cm2의 압력 및 250℃의 온도를 가진다. 합성가스가 촉매층을 지날 때 암모니아 합성반응이 일어난다. 이 반응은 하기 식으로 표현된다.
N2+ 3H2= 2NH3
촉매층을 지난 가스는 온도가 500℃ 이상이나, 암모니아 합성탑(62)으로 도입된 냉각된 가스에 의해 냉각된다.
암모니아 합성탑(62)에서 배출된 암모니아는 160kg/cm2의 압력 및 450℃의 온도를 가진다. 암모니아는 열교환기(64 및 66)에 의해서 거의 실온으로 냉각되고, 암모니아 냉동기(68)에 의해서 더욱 냉각되며, 대부분의 암모니아가 응축된다. 응축된 암모니아는 액체 암모니아 및 가스로 분리되어, 액체 암모니아는 암모니아 저장 탱크(72)에 공급된다. 분리된 가스는 컴프레서(60)의 제 2단계에 공급되어, 165kg/cm2G의 압력으로 압축된 후, 압축된 공기는 암모니아 합성탑(62)에 공급되어 재순환된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 기화를 통한 폐기물 처리 장치 및 방법은 하기의 장점을 가진다.
1. 암모니아(NH3) 합성을 위한 수소를 유기 폐기물로부터 생산할 수 있어 국내에서 유용하다. 그러므로, 암모니아의 생산비용이 크게 감소한다.
2. 유기 폐기물을 기화시켜 수소를 생산하므로, 통상의 소각처리로 야기되는 다양한 문제가 해결된다. 더욱 상세하게는, 배기 가스의 양이 크게 감소되고, 다이옥신류 및 이의 전구체가 발생하지 않는다. 또한, 폐기물 중의 회분이 무해 슬랙으로 전환되므로, 매립지의 수명이 연장되고, 회수된 슬랙은 도로 포장재료로 사용할 수 있다.
3. 철, 구리 또는 알루미늄과 같은 금속을 재활용에 적합한 부식되지 않은 상태로 회수할 수 있다.
폐기물의 효과적인 이용과 환경 보존의 관점에서, 유기 폐기물을 기화하는 기화 설비 및 암모니아 합성 설비가 서로 인접하여 설치되고, 재료의 이용에 관해서는 토탈 시스템으로 두 설비의 기능이 증대되도록 유기적으로 연합할 수 있다.
4. 석탄이나 오일 코크와 같은 보충연료를 공급하므로, 폐기물의 불안정성을 질적, 양적으로 처리할 수 있다. 특히, 고체 연료의 혼합비가 증가하여, 생성되는 기체의 성질이 저하되는데 반하여, 기화 설비가 안정하게 작동될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하였으나, 하기 청구범위의 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 변형 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 기화를 통한 폐기물 처리 장치 및 방법은 하기의 장점을 가진다.
1. 암모니아(NH3) 합성을 위한 수소를 유기 폐기물로부터 생산할 수 있어 국내에서 유용하다. 그러므로, 암모니아의 생산비용이 크게 감소한다.
2. 유기 폐기물을 기화시켜 수소를 생산하므로, 통상의 소각처리로 야기되는 다양한 문제가 해결된다. 더욱 상세하게는, 배기 가스의 양이 크게 감소되고, 다이옥신류 및 이의 전구체가 발생하지 않는다. 또한, 폐기물 중의 회분이 무해 슬랙으로 전환되므로, 매립지의 수명이 연장되고, 회수된 슬랙은 도로 포장재료로 사용할 수 있다.
3. 철, 구리 또는 알루미늄과 같은 금속을 재활용에 적합한 부식되지 않은 상태로 회수할 수 있다.
폐기물의 효과적인 이용과 환경 보존의 관점에서, 유기 폐기물을 기화하는 기화 설비 및 암모니아 합성 설비가 서로 인접하여 설치되고, 재료의 이용에 관해서는 토탈 시스템으로 두 설비의 기능이 증대되도록 유기적으로 연합할 수 있다.
4. 석탄이나 오일 코크와 같은 보충연료를 공급하므로, 폐기물의 불안정성을 질적, 양적으로 처리할 수 있다. 특히, 고체 연료의 혼합비가 증가하여, 생성되는 기체의 성질이 저하되는데 반하여, 기화 설비가 안정하게 작동될 수 있다.

Claims (12)

  1. 비교적 저온의 유동층 반응기 내에서 폐기물을 기화시키는 단계;
    상기 유동층 반응기 내에서 생성된 기체상 물질 및 차르(char)를 고온 연소기로 도입하는 단계;
    비교적 고온의 상기 고온 연소기 내에서 합성 가스를 생성하는 단계;
    상기 고온 연소기에서 생성된 상기 합성 가스를 급냉(quenching)하는 단계;
    상기 합성 가스 내의 CO 및 H2O를 CO2및 H2로 전환하는 단계; 및
    CO2를 제거하여 H2를 회수하는 단계를 포함하여 이루어지는, 기화를 통한 폐기물 처리 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유동층 반응기 및 상기 고온 연소기 내에서 기화시키는 상기 단계가 10 내지 40atm의 압력 범위 하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 회수된 H2를 암모니아 제조에 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    공기를 산소와 질소로 분리하여, 분리된 산소를 상기 유동층 반응기 및 상기 고온 연소기 내에서 기화제로 사용하고, 분리된 질소는 암모니아 제조에 사용하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유동층 반응기의 유동층 내의 상기 비교적 저온이 450 내지 650℃의 온도 범위이고, 상기 유동층 반응기의 프리보드(freeboard) 내의 온도가 600 내지 800℃의 온도 범위인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 고온 연소기 내의 상기 비교적 고온이 1300℃이상의 온도인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 비교적 저온에서 폐기물을 기화하여 기체상 물질 및 차르를 생성시키는 유동층 반응기;
    비교적 고온에서 합성 가스을 생성시키는 고온 연소기;
    상기 합성 가스를 급냉하는, 물을 포함하는 급냉실;
    상기 합성 가스 내의 CO 및 H2O를 CO2및 H2로 전환시키는 전환기; 및
    H2를 회수하도록 CO2를 흡수하는 흡수기를 포함하여 이루어지는, 기화를 통한 폐기물 처리 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 유동층 반응기 및 상기 고온 연소기 내의 기화가 10 내지 40atm의 압력 범위 하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 회수된 H2를 암모니아 제조에 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    공기를 산소와 질소로 분리하여, 분리된 산소는 상기 유동층 반응기 및 상기 고온 연소기 내에서 기화제로 사용하고, 분리된 질소는 암모니아 제조에 사용하도록 하는 분리기를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 유동층 반응기의 유동층 내의 상기 비교적 저온이 450 내지 650℃의 온도 범위이고, 상기 유동층 반응기의 프리보드(freeboard) 내의 온도가 600 내지 800℃의 온도 범위인 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 고온 연소기 내의 상기 비교적 고온이 1300℃이상의 온도인 것을 특징으로 하는 장치.
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