KR19990074976A

KR19990074976A - 수소-산소 플라즈마 토치를 이용한 폐기물의 자원화 공정 및 그장치

Info

Publication number: KR19990074976A
Application number: KR1019980008885A
Authority: KR
Inventors: 송석목
Original assignee: 윤명조; 한국환경기술개발 주식회사
Priority date: 1998-03-16
Filing date: 1998-03-16
Publication date: 1999-10-05
Also published as: KR100256401B1

Abstract

본 발명은 모든 유기폐기물을 수소-산소 플라즈마 토치(Plasma Torch)에 의해 1,500∼2,000℃ 정도의 고온으로 완전 열분해 하여 합성가스(수소+일산화탄소)로 전환·정제하고, 이로부터 메탄올, 에탄올, 에틸렌, 도시가스 등을 비롯한 모든 석유화학제품의 기초원료를 얻으며, 또한 각종 연료로 전환하여 민생용, 산업용 및 발전용 등으로 활용케 하는 폐기물의 새로운 자원화 공정 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명은 폐기물의 전처리공정, 약 500-700℃정도의 저온으로 기화·열분해하는 공정, 약 1,500∼2,000℃ 정도의 고온으로 열분해하는 공정, 급냉 및 정제 공정, 자체공정에 소요되는 수소를 분리하는 공정, 고형물 처리 공정 및 생산된 합성가스의 활용 공정으로 이루어진다. 본 발명의 수소-산소 플라즈마 토치의 최고 도달온도는 5,000℃ 까지도 가능하며, 수소-산소 플라즈마 토치에 사용되는 수소는 본 공정에서 자체 생산되는 합성가스로부터 분리된 순도 95% 이상의 것을 공급하여 사용하며 산소는 별도의 공급원으로부터 순도 99% 이상의 것을 공급받아 사용한다.

본 발명은 단순한 공해방지 차원을 넘어 폐기물을 자원화 함으로써 폐기물처리에 따른 다양한 문제점을 원천적으로 해소하는 것은 물론 폐기물을 석유대체 에너지원으로 활용할 수 있다는 획기적인 효과를 가져오며, 또한 관련된 각종 석유화학산업의 활성화에도 큰 기여를 할 수 있다.

Description

수소-산소 플라즈마 토치를 이용한 폐기물의 자원화 공정 및 그 장치

본 발명은 모든 유기 폐기물을 수소-산소 플라즈마 토치(Plasma Torch)에 의해 약 1,500-2,000℃로 열분해하여 유용한 합성가스(수소H₂+ 일산화탄소CO)로 전환하고, 이로부터 메탄올, 에탄올, 에칠렌, 도시가스 등 필요한 석유화학 제품의 원료를 얻고 에너지(전력, 열)를 생산함으로써 폐기물을 석유대체 에너지원으로 활용하는 폐기물의 자원화 공정 및 그 장치에 관한 것이다.

종래의 폐기물 처리방법으로는 직접매립, 소각처리, 음식 폐기물의 경우 퇴비화 또는 사료화 하는 방법 등이 있었다. 이중 매립의 경우에는 침출수에 대한 2차 처리가 필요하며, 소각처리는 소각방법이 다양하지만 대부분 불완전 연소 또는 불충분한 처리 등으로 다이옥신(Dioxin), 일산화탄소(CO), 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 분진 등이 발생한다는 문제점이 있었으며 부생하는 회(灰 ;Ash)는 매립하고 있으나 침출수에 대한 2차 처리를 추가해야 하는 등 다양한 문제점을 내포하고 있었다. 또한, 음식폐기물의 경우는 그 일부를 발효에 의한 퇴비화 또는 동물의 사료화 등에 활용하고 있으나, 그 생산이나 소비 규모에는 한계가 있었다.

한편, 산소를 사용하는 유기물의 부분산화법(Partial Oxidation), 전력을 사용하는 고온 플라즈마법 등이 있으나, 최종제품의 순도나 전력소모량 등 공정의 효율성에 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래의 제반 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 수소-산소 플라즈마 토치(Plasma Torch)에 의해 최고 700℃ 이하의 온도에서 폐기물을 중질 탄화수소기체로 기화-열분해 시키고, 이 중질 탄화수소 기체를 수소-산소 플라즈마 토치(Plasma Torch)에 의해 1,500-2,000℃의 초고온에서 열분해시켜 폐기물을 유용한 합성가스로 전환하여 자원화하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 상기한 방법 및 장치에 의하여 정제된 합성가스를 다용도로 효율적으로 활용할 수 있도록 하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 폐기물의 전처리 공정, 전처리 공정을 거친 폐기물을 약 500-700℃ 정도의 비교적 저온으로 기화-열분해시켜 중질 탄화수소기체로 변환시키는 공정, 이 중질 탄화수소기체를 약 1,500∼2,000℃ 정도의 고온으로 열분해시켜 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 유용한 합성가스조성을 얻는 공정, 이를 급냉 및 정제하는 공정, 고형물을 분리·용융하는 공정, 자체공정에 소요되는 수소를 분리하는 공정, 생산된 합성가스를 다목적으로 연계 활용하는 공정으로 이루어진 폐기물의 자원화 공정 및 그 장치를 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명에 의한 수소-산소 플라즈마 토치를 이용한 폐기물의 자원화 공정을 도시한 블록도,

도 2는 도 1에 도시된 저온 열분해 공정의 구조도,

도 3은 도 1에 도시된 고온 열분해 공정의 구조도,

도 4는 본 발명에 따른 무기물 용융 공정의 구조도,

도 5는 도 1에 도시된 합성가스의 활용 공정을 도시한 블록도로서, 도 5a는 연료전지에 의한 분산형 열병합 발전 공정을 도시한 블록도, 도 5b는 메탄올-전력-열 병산 시스템 공정을 도시한 블록도, 도 5c는 에탄올-에칠렌 연계 생산 시스템 공정을 도시한 블록도, 도 5d는 도시가스-열 병산 시스템 공정을 도시한 블록도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 폐기물 저장조 2 : 전처리과정

3 : 저온기화 열분해공정 4 : 고온열분해공정

5 : 급냉-중화단계 6 : 탈황단계

7 : 최종정화단계 11 : 중화수처리공정

본 발명의 순차적인 공정은 도 1에 도시된 바와 같으며, 각 공정의 기능과 구조를 설명하면 다음과 같다.

전처리 공정

폐기물 저장조에 저장된 폐기물을 전처리 한다.

먼저, 폐기물 저장조(1)에서는 입하하는 폐기물을 저장하는 것을 주목적으로 하되, 그 내부에는 도시되지는 아니하였으나 폐기물을 물리적 기계적으로 혼합 교반시키는 장치가 구비되고, 악취가 외부로 방출되는 것을 방지하는 탈취기(1')가 부설되며, 폐기물을 다음 단계로 공급하는 장치(도시안됨) 등으로 이루어진다. 폐기물로는 모든 유기폐기물이 사용될 수 있다.

다음으로, 상기 폐기물 저장조(1)의 폐기물은 소정의 전처리 과정(2)을 거치게 되는데, 이 전처리 과정(2)에서는 폐기물을 크기에 따라 절단 파쇄하여 후속 공정에서 처리하기 좋은 상태로 만들어 계량(計量) 공급하며, 이때 공기의 동반 유입을 방지하기 위하여 탄산가스(CO₂)를 탄산가스 공급라인(L1)으로부터 공급받아 밀봉하는 장치(도시안됨)를 구비하도록 한다. 한편, 수분이 많은 폐기물인 경우에는 유출되는 폐수를 집수 여과하며 이 여과수는 후술하는 중화수 처리공정으로 보내 처리하도록 한다.

저온 기화-열분해 공정

상기 전처리 공정을 거친 폐기물을 약 500-700℃ 정도의 비교적 저온으로 기화-열분해시켜 중질 탄화수소기체로 변환시킨다. 본 공정은 도 2에 도시한 바와 같이, 공급 스크루(23)에 의하여 유입된 폐기물이 수평-원통형으로 이루어진 회전로(13)내에서 수소-산소 플라즈마 토치(Plasma Torch; 33)의 직화에 의해 최고 700℃ 이하의 온도로 기화-열분해된다. 이때, 수소-산소 플라즈마 토치(33)에서 연소로 발생되는 수증기는 수성반응(Shift Convertion, CO+H₂O→H₂+CO₂)을 우변으로 진행시킴으로써 결과적으로 폐기물의 가스화 반응을 촉진시키는 역할을 하게 된다. 또한, 회전로(13)의 내부에는 처리과정에서 생성될 수 있는 처리물의 부착 응집현상을 방지하기 위한 장치를 내장하여 정상적인 운전이 가능하도록 한다. 처리후 배출물 중 기체는 회전로(13)좌측의 챔버(43)를 거쳐 곧바로 후술하는 고온 열분해 공정(4)으로 공급되고, 비분해 고형물(금속류, 무기물, 생성 카본 등)은 회전로(13)우측의 하부 호퍼(53)로 보내져 물분사 냉각기(63)를 거친후 배출 스크루(73)에 의해 후술하는 고형물 처리공정(10)으로 공급된다. 상기 저온 기화 열분해 공정(3)의 각 구성부는 외부와 연계되는 모든 접속부위를 탄산가스로 밀봉(Seal)하여 공기의 유입을 철저히 방지하도록 한다.

고온 열분해 공정

상기 저온 기화-열분해 공정(3)으로부터 유입되는 중질 탄화수소 기체를 수소-산소 플라즈마 토치(Plasma Torch)에 의해 약 1,500-2,000℃의 초고온으로 열분해하여 유용한 합성가스조성으로 전환시킨다. 본 공정에서는 고온용 수소-산소 플라즈마 토치에 의해 순간적으로 1,500-2,000℃의 고온으로 가열함으로써 가장 작은 단분자인 H₂, CO, CO₂, HCl, H₂S 등으로 분해하고, 합성가스조성을 포함하는 이 분해된 가스(이하 "분해가스"라 함)를 다음의 급냉-중화공정(5)으로 유출한다.이때 수소가 연소하여 생성되는 수증기는 역시 수성반응을 촉진시키게 되며 결과적으로 중질 탄화수소기체의 열분해 반응을 촉진시키는 역할을 하게 된다.

분해온도는 수소-산소량을 조절하여 제어하며 배출가스중에 메탄이 검출되지 않는 최소온도가 되도록 하고 산소가 잔류되지 않도록 제어한다. 본 발명의 수소-산소 플라즈마 토치의 최고 도달온도는 5,000℃ 까지도 가능하며, 수소-산소 플라즈마 토치에서 사용하는 수소가스는 본 발명의 공정에서 자체 생산한 순도 95%이상의 것을 수소공급라인(L2)를 통하여 공급받고, 산소는 순도 99% 이상의 것을 별도로 외부로부터 공급받거나 또는 별도의 공기 심냉액화 장치에서 생산하여 산소 공급라인(L3)을 통해 공급받아 사용한다. 본 공정의 타부문에서 필요한 수소와 산소의 공급도 상기 라인(L2)L3)를 통해 공급한다.

도 3은 상기한 고온 열분해 공정(4)을 구성하는 고온 분해로(14)의 단면구조를 개략적으로 도시한 것으로, 이 고온 분해로(14)는 수직-원통형으로서 그 내벽(24)은 초고온 내열벽돌과 단열벽돌로 구축되어 있으며, 저온 분해가스는 상부에서 하향으로 설치된 수소-산소 플라즈마 토치(Plasma Torch; 34) 주변으로 유입되며, 하단의 배출구(44)는 다음 공정의 급냉탑에 직결된다. 한편, 고온 분해로(14)의 내벽(24) 상부 초고온부위(24')에는 제트기류 분사노즐(54)을 설치하여 내벽(24)표면과 평행되게 흐르는 수증기 또는 합성가스의 제트기류를 분사해서 내벽(24)보호와 열분해 촉진 기능을 발휘할 수 있도록 한다.

급냉 및 정제 공정

급냉 및 정제 공정은 급냉-중화 단계(5), 탈황 단계(6) 및 최종 정화 단계(7)로 이루어진다.

(ⅰ) 급냉-중화 단계

급냉-중화 단계(5)에서는 상기 고온 열분해 공정으로부터 유출되는 분해가스가 급냉·중화·수세척한 후 다음 단계인 탈황단계로 보낸다. 본 단계는 급냉탑, 현열-회수 보일러, 중화탑, 수세척탑으로 이루어지는데 분해가스는 이러한 과정을 차례로 거치면서 현열은 회수 활용되고, 산성가스가 중화·제거되며, 수세척으로 정제된다. 급냉탑은 초고온의 분해가스에 공정수를 직접 미분사하여 분해가스를 1,000∼1,200℃ 까지 급냉시키는 역할을 하며, 현열-회수 보일러는 분해가스가 보유하는 열량을 회수하여 수증기를 발생·활용시키는 보일러로서 분해가스를 200℃ 까지 냉각시킨다. 생산된 수증기는 그 자체로 또는 스팀터빈으로 자체공정에 필요한 전력생산 등에 활용될 수 있다.

이어서 분해가스는 세라믹 라쉬링(Ceramic Rashing Ring)으로 충진된 중화탑하부에서 상향으로 유입되어 산성가스와 먼지가 제거되고 상온(常溫)으로 냉각된 후 상부로 배출된다. 이 중화탑에서는 상부로부터 약 20% 미만의 가성소다 수용액이 유입되어 산성가스와 먼지를 흡수한 후 하부로 유출되며, 이것은 다시 순환펌프, 냉각기, 여과기를 거쳐 대부분 상부로 순환되고, 일부는 외부에서 새로 공급되는 신용액(Fresh Solution)의 공급량에 따라 탑하부 액위에 의해 후술하는 중화수 처리공정(11)으로 보내진다. 한편, 신용액의 공급량은 산성가스의 양에 의한 용액의 수소이온농도(PH)에 따라 조절된다. 탑상부의 분해가스배출구에는 1차 흡입 송풍기를 설치하여 모든 앞단계의 압력을 항상 부압(負壓)으로 유지해 줌으로써 항상 내부가스가 외부로 누출되지 않도록 해 준다.

1차 송풍기 배출구로부터 유출되는 분해가스는 수세척 충진탑으로 보내져 혼입되어 있는 알칼리 미수적(微水適 ; Mist)을 제거한 후 2차 흡입 송풍기를 거쳐서 다음의 탈황단계로 보낸다. 상기 수세척 충진탑 하부에서 배출되는 세척수는 중화탑에서 배출되는 중화수와 함께 중화수 처리공정(11)으로 보낸다.

(ⅱ) 탈황 단계

탈황 단계(6)에서는 앞 단계로부터 유입되는 분해가스중에 잔류하는 황화수소(H2S)를 제거한다. 탈황은 일반적인 탈황방법을 이용하여 행할 수 있으며, 통상 산화철을 충진한 촉매탑을 이용하여 황화수소를 황화철(FeS)과 수증기로 전환시켜 제거하는 방법을 사용한다. 생성된 황화철은 공기공급라인(L4)을 통해 주기적으로 공급되는 공기에 의해 다시 산화철과 고체유황으로 전환되는데, 산화철은 다시 사용하고 고체유황은 분리해낸다.

이러한 주기적인 운전조작을 위해 촉매탑은 2기 이상을 주기적으로 교체운전 할 수 있도록 하며, 공기로 재생한 산화철은 탈황운전을 하기 전에 반드시 공기를 탄산가스로 대체함으로써 합성가스 제품에 공기가 혼입되지 않도록 한다. 이와 같이 탈황된 합성가스는 3차 흡입송풍기를 거쳐 본 발명의 최종정화 단계(7)로 보내지며 성능이 다한 철촉매는 본 공정의 폐기물 저장조(1)로 보내진다. 이러한 탈황 단계(6)의 설비들은 이미 실용화된 기술이므로, 본 발명에서는 이에 대한 구체적인 구조의 설명은 생략한다.

(ⅲ) 최종정화 단계

최종 정화 단계(7)에서는 상기 탈황공정(6)을 거친 합성가스중의 수분과 잔류하는 미량의 불순물을 흡착·제거한다. 본 공정은 흡착제를 충진한 2기 이상의 충진탑으로 구성되어 주기적으로 흡착-탈착조작을 교체 운전할 수 있도록 한다. 이 충진탑에서 탈착은 감압하에서 가온된 소량의 탄산가스로 이루어지며, 배출기체는 전술한 고온 열분해 공정(4)으로 보내진다. 성능이 저하된 흡착제는 폐기물 저장조(1)로 보낸다.

이 최종정화 공정(7)을 거쳐 정제된 합성가스를 얻게 되는데, 정제된 합성가스는 일단 합성가스 저장조(8)에 저장된 후 이용목적에 따라 각각의 활용공정으로 보내진다. 즉, 합성가스 저장조(8)는 본 발명에 따른 일련의 공정을 거쳐 생성된 정제된 합성가스를 저장하는 가스 저장조로서 각종 용도의 원료 공급원이 된다.

수소가스 분리 공정

본 발명은 또한, 본 발명의 제반 공정에서 필요로 하는 수소가스와 탄산가스를 본 발명에 따른 합성가스로부터 분리 공급하기 위한 분리공정(9)을 구비한다. 본 공정에서는 정제된 합성가스를 가압하여 1차 PSA(Pressure sewing Absorbent)에서 순도 95% 이상의 수소가스를 분리하며, 잔류기체는 다시 2차 VPSA(Vacuum PSA)에서 탄산가스를 분리하고, 잔류기체는 합성가스 저장조(8) 또는 열분해 공정으로 돌려 보낸다. 이렇게 분리된 수소가스와 탄산가스는 각각 가압하여 본 공정의 필요한 곳으로 조절 공급된다.

고형물 처리 공정

상기 저온 기화-열분해 공정(3)으로부터 배출되는 비분해성 물질인 금속류, 무기물 및 미전환 카본 등은 하부 호퍼(53)에 모여진 후 분사되는 물로 냉각되는 동시에 배출 스크루(73)에 의해 고형물 처리공정(10)으로 배출된다. 배출된 고형물은 자력, 와류 전자장, 비중 분리법 등에 의해 금속과 무기물 및 카본으로 각각 분류되며, 여기에서 분류된 금속류는 제련소로 보내져 재활용되고, 분류된 무기물은 도 4에 도시된 바와 같이, 소형의 수소-산소 플라즈마 토치(20)가 설치된 용융로(30)내에서 중화수 처리 공정(11)에서 보내오는 염류 농축물과 함께 용융된 후 냉각호퍼(40)에서 냉각 고화되어 토건용 골재 등으로 활용된다. 상기 용융로(30)에서 배출되는 기체는 다시 고온 열분해 공정(4)으로 보내진다.

또한, 분류된 카본은 별도의 수소-산소 플라즈마 토치에 의해 수성가스로 전환되거나, 활성탄을 제조하는 등의 용도로 선택 처리되어 재활용된다.

중화수 처리 공정

중화수 처리 공정(11)에서는 급냉-중화 단계(5)에서 배출되는 중화수중에 용존하는 염류를 농축·냉각하여 침전·분리하고, 물은 정밀여과와 역삼투 멤브레인(Reverse Osmosis Membrane)을 거쳐 정화하여 공정용수로 재활용한다. 침전한 염류와 막분리에서 농축된 비투과액은 농축조에서 농축하여 무공해물로 배출 하거나, 또는 고형물 처리공정(10)의 용융로(30)로 보내 처리하고, 농축조에서 배출하는 기체는 고형물처리 공정(10)의 용융로 배출가스와 합류시킨 후 함께 고온 열분해공정(4)으로 보낸다.

합성가스의 활용 공정

상기 최종정화단계(7)를 거쳐 합성가스저장조(8)에 저장된 합성가스는 다양한 방법으로 광범위하게 활용될 수 있는데, 본 발명에서는 본 발명의 공정을 거쳐 생산된 합성가스를 가장 효율적으로 이용할 수 있는 활용공정을 제시한다.

(a) 연료전지에 의한 분산형 열병합 발전 공정

도 5a에 도시한 바와 같이, 합성가스를 수소로 전환하는 단계를 거쳐 연료전지에 의한 분산형 열병합 발전을 이루게 한다. 본 공정은 합성가스를 수성가스촉매탑(100)에서 수소와 탄산가스로 전환시킨 다음, 분리장치(110)에서 탄산가스와 수소가스로 분리하고, 분리된 탄산가스는 액탄(液炭 ; Liquid CO₂) 또는 고탄(固炭 ; Dry Ice) 제조용 원료로 사용하며, 분리된 수소는 연료전지 발전장치(120)에 의하여 전력을 공급하는데 사용하고, 동시에 병산되는 온수는 지역 냉 난방에 활용할 수 있도록 한 것이다.

(b) 메탄올- 전력-열 병산 시스템 공정

도 5b에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 합성가스로 메탄올-전력-열을 병산하는 초고효율 시스템을 구성한다. 본 시스템은 합성가스를 약 50∼100 기압으로 압축하는 압축장치(200), 압축된 합성가스를 일관통과방식(一貫通過方式; Once Through)에 의해 메탄올로 합성하는 메탄올합성탑(210), 미전환된 합성가스의 보유압력 에너지를 전력으로 전환하는 1차로 팽창터빈(Expansion Turbine; 220), 이를 다시 2차, 3차 발전시키는 가스터빈(Gas Turbine; 230)과 스팀터빈(Steam Turbine; 240) 및 마지막으로 저온의 폐열을 지역 냉 난방에 활용하는 시스템으로 이루어진다. 주어진 여건에 따라, 가스터빈과 스팀터빈을 하나의 가스터빈 또는 스팀터빈으로 간소화 할 수도 있다. 본 시스템은 메탄올의 합성과 전력발전 및 폐열의 난방활용이 동시에 이루어지는 효율적인 방법으로서, 이는 상기한 연료전지에 의한 분산형 열병합 발전에 비해 다량의 가용 합성가스가 공급 가능한 경우에 적합한 방법이다. 한편, 합성가스 전량을 모두 메탄올 생산에만 이용하고자 할 경우에는 재래방식인 미반응가스 순환방식을 적용하면 된다.

(c) 에탄올-에틸렌 병산 시스템 공정

5c에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 합성가스를 석유대체자원으로 이용하여 에탄올-에칠렌을 연계 생산하는 동시에 에너지를 병산하는 고효율 시스템을 구성할 수 있다. 본 시스템은 현재 석유화학산업의 기초인 에칠렌을 원유 대신 폐기물로부터 얻을 수 있도록 한다. 이 시스템에서는 상기 (a), (b)와 같은 방법으로 합성가스로부터 수소, 일산화탄소, 메탄올을 얻은 후, 메탄올과 일산화탄소로부터 메틸아세테이트, 에탄올을 거쳐 에칠렌을 생산한다. 에틸렌의 제조방법 자체는 공지된 기술을 활용하는 것이나 본 발명에서는 단순히 에틸렌을 생산하는 것을 넘어 에틸렌의 생산과정에서 얻어지는 탄산가스, 수소가스 등을 이용하여 에너지를 연계 병산하도록 시스템을 구성하는 것에 특징이 있다. 본 시스템은 상기 (b)의 경우에 비해 보다 다량의 가용 합성가스가 공급가능한 경우에 적합한 방법이다.

(d) 도시가스(CH₄)-열 병산 시스템

도 5d에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 합성가스를 도시가스로 전환시켜 기존 도시가스망에 공급하는 시스템을 구성할 수 있다. 합성가스를 니켈촉매하에서 메탄가스로 전환하는 기술은 이미 잘 알려져 있으나, 본 시스템은 합성가스로부터 도시가스(CH₄)를 생산하는 동시에 고농도의 합성가스가 메탄화 반응(발열반응)에서 발생시키는 대량의 열을 효과적으로 회수하여 지역 냉 난방에 함께 활용토록 한 것이다. 본 시스템은 본 발명에 따른 가용 합성가스 공급량이 가장 적은 경우에 적합한 방법이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 전처리 공정, 저온 기화·열분해 공정, 고온 열분해 공정, 급냉 및 정제공정, 수소가스 분리공정, 고형물 처리공정(10), 중화수 처리 공정(11)을 거쳐 폐기물을 석유화학의 핵심 원료인 합성가스로 전환시키며, 부산되는 배출물은 금속류, 용융 무기물(토건용 골재), 고체 유황, 공정수, 활성탄 등으로 재활용함으로써 각종 폐기물을 완전히 무공해-자원화 하도록 한 것이다.

또한, 본 발명은 수소-산소 플라즈마 토치에서 연소성이 탁월한 수소를 사용함으로써 부분산화법보다 고온에서 보다 안정된 상태로 열분해를 지속할 수 있으며, 열분해 속도 또한 촉진할 수 있다. 또한 수소-산소 플라즈마 토치를 사용하는 본 발명에 의하면 부분산화법 보다는 탄산가스의 함량이 적으며(최고 5% 미만), 전기 플라즈마법 보다는 질소와 같은 불활성 가스의 함량이 적다. 또한 본 발명의 공정은 전기 플라즈마법에 비해 전력 사용량이 상당히 적으며, 정제 생산되는 가용 합성가스량은 전기 플라즈마법에 비해 월등하게 많다.

본 발명에 따르면 폐기물을 석유화학의 핵심 원료인 합성가스로 전환하는 동시에, 폐기물중의 모든 무기물과 금속류, 부생 카본 및 유황화합물을 회수·선별하여, 금속류, 용융 무기물(토건용 골재), 고체유황, 공정수, 활성탄 등으로 재활용 또는 무공해 처리할 수 있으므로 2차 공해물이 전혀 발생하지 않고, 굴뚝없는 폐기물 처리장으로서 다양한 민원의 소지를 원천적으로 해소할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 합성가스는 석유를 대체하는 자원으로 활용될 수 있으며 광범위한 분야에 활용할 수 있고 연관산업의 경쟁력을 강화시켜주는 연쇄 파급효과도 기대할 수 있다.

Claims

저장된 폐기물을 소정의 크기로 절단·파쇄하는 폐기물의 전처리 공정; 전처리 공정을 거친 폐기물을 수소-산소 플라즈마 토치에 의해 약 500-700℃ 정도의 비교적 저온으로 기화-열분해시켜 중질 탄화수소기체로 변환시키는 저온-기화 열분해 공정; 이 중질 탄화수소기체를 수소-산소 플라즈마 토치에 의해 약 1,500∼2,000℃ 정도의 고온으로 열분해시켜 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 유용한 합성가스조성(분해가스)으로 만드는 고온 열분해 공정; 이 분해가스를 급냉·중화·탈황 및 최종 정화하여 정제된 합성가스를 얻는 급냉 및 정제 공정; 상기 정제된 합성가스로부터 자체공정에 소요되는 수소를 분리하는 수소가스 분리 공정; 상기 저온-기화 열분해 공정으로부터 배출되는 비분해성 고형물을 처리하는 고형물 처리 공정; 및 상기 급냉 및 정제 공정으로부터 얻어진 정제된 합성가스를 다목적으로 연계 활용하는 합성가스의 활용 공정으로 이루어지는 수소-산소 플라즈마 토치를 이용한 폐기물의 자원화 공정.
제1항에 있어서, 상기 고온 열분해 공정의 수소-산소 플라즈마 토치는 상기 수소가스 분리 공정으로부터 분리된 순도 95% 이상의 수소를 수소공급라인(L2)을 통하여 공급받으며, 외부로부터 또는 별도의 공기심냉액화 장치로부터 순도 99% 이상의 산소를 산소공급라인(L3)을 통하여 공급받는 것을 특징으로 하는 폐기물의 자원화 공정.
제1항에 있어서, 상기 급냉 및 정제 공정은

(ⅰ) 상기 고온 열분해 공정으로부터 유출된 분해가스를 급냉, 현열회수, 중화 및 수세척하는 급냉-중화 단계;

(ⅱ) 급냉-중화 단계로부터 유입되는 분해가스중에 잔류하는 황화수소를 제거하는 탈황단계; 및

(ⅲ) 탈황단계를 거친 분해가스중에 잔류하는 수분과 미량의 불순물을 흡착·제거하여 정제된 합성가스를 얻는 최종정화 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐기물의 자원화 공정.
제1항에 있어서, 상기 합성가스의 활용 공정은

상기 급냉 및 정제 공정으로부터 얻어진 정제된 합성가스를 수성가스촉매탑(110)을 이용하여 수소가스와 탄산가스로 전환시키는 단계; 전환된 수소가스와 탄산가스를 분리장치(110)을 이용하여 분리하는 단계; 분리된 탄산가스는 액탄(液炭 ; Liquid CO₂) 또는 고탄(固炭 ; Dry Ice) 제조용 원료로 사용하고 분리된 수소는 연료전지 발전장치(120)에 의하여 전력을 공급하는데 사용하는 각각의 단계; 및 동시에 병산되는 온수를 지역 냉 난방에 활용하는 단계로 이루어진 연료전지에 의한 분산형 열병합 발전 공정인 것을 특징으로 하는 폐기물의 자원화 공정.
제1항에 있어서, 상기 합성가스의 활용 공정은

상기 급냉 및 정제 공정으로부터 얻어진 정제된 합성가스를 압축장치(200)를 이용하여 약 50∼100 기압으로 압축하는 단계; 압축된 합성가스를 메탄올합성탑(210)에서 일관통과방식(一貫通過方式; Once Through)에 의해 메탄올로 합성하는 단계; 1차로 팽창터빈(Expansion Turbine; 220)을 이용하여 미전환된 합성가스의 보유압력 에너지를 전력으로 전환한 후, 이를 다시 가스터빈(Gas Turbine; 230) 및/또는 스팀 터빈(Steam Turbine; 240)을 이용하여 2차, 3차 발전시키는 단계; 및 마지막으로 저온의 폐열을 지역 냉 난방에 활용하는 단계로 이루어진 메탄올-전력-열 병산 시스템인 것을 특징으로 하는 폐기물의 자원화 공정.
폐기물을 소정의 크기로 절단·파쇄하는 폐기물의 전처리 장치; 전처리 장치로부터 유입된 폐기물을 수소-산소 플라즈마 토치에 의해 약 500-700℃ 정도의 비교적 저온으로 기화-열분해시켜 중질 탄화수소기체로 변환시키는 저온-기화 열분해 장치; 저온-기화 열분해 장치로부터 유입된 중질 탄화수소기체를 수소-산소 플라즈마 토치에 의해 약 1,500∼2,000℃ 정도의 고온으로 열분해시켜 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 유용한 합성가스조성(분해가스)으로 만드는 고온 열분해 장치; 이 분해가스를 급냉·중화·탈황 및 최종 정화하여 정제된 합성가스를 얻는 급냉-정제 장치; 이 정제된 합성가스로부터 자체공정에 소요되는 수소를 분리하기 위한 수소가스 분리장치; 상기 저온-기화 열분해 공정으로부터 배출되는 비분해성 고형물을 처리하는 고형물 처리장치; 및 상기 급냉 및 정제 공정으로부터 얻어진 정제된 합성가스를 다목적으로 연계 활용하는 합성가스의 활용장치로 이루어지는 수소-산소 플라즈마 토치를 이용한 폐기물의 자원화 장치.