KR20010066777A

KR20010066777A - 쓰레기 처리 장치에서 발생되는 가스로부터 수소를생성하는 공정

Info

Publication number: KR20010066777A
Application number: KR1020000022116A
Authority: KR
Inventors: 페트리어윌프레드; 머네뤼우크리스티안; 고티에르피에르
Original assignee: 쉬에르 피에르; 레르 리뀌드, 소시에떼 아노님 뿌르 레뛰드 에 렉스쁠로와따시옹 데 프로세데 죠르쥬 끌로드
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2001-07-11
Also published as: FR2792927A1; FR2792927B1; EP1048710A1; JP2000345173A

Abstract

본 발명의 공정에서 수소(32)가 생성된다. 쓰레기 처리 장치(1)에서 생성된 합성 가스(15)는 압축 및 냉각(20)되어 가스(22)로 된 다음에, 수소 분리 장치(30)에서 직접 처리된다. 가스(15)는 쓰레기 이외의 조절 물질(11)을 처리 장치(1) 내에 주입함으로써 규정된 유량으로 유지될 수 있다.

Description

쓰레기 처리 장치에서 발생되는 가스로부터 수소를 생성하는 공정{PROCESS FOR THE PRODUCTION OF HYDROGEN FROM A GAS COMING FROM A WASTE TREATMENT UNIT}

본 발명은 쓰레기 처리 공정에서 발생되는 공급 가스(feed gas)로부터 수소를 생성하는 공정(방법)에 관한 것이다.

더 구체적으로는, 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 본질적으로 함유하고 있는 공급 가스로부터 수소를 생성하는 공정(방법)에 관한 것이다.

공급 가스는 특히 특허 US-A-5,282,431호(Thermoselect Aktiengesellschaft)에 개시된 바와 같은 쓰레기 처리 공정에서 발생할 수 있다.

이러한 공정에서는 비교적 넓은 조각들로 분쇄된 것일 수도 분쇄되지 않은 것일 수도 있는 임의의 종류의 액체 및/또는 고형 오염물을 함유하고 있는, 임의의 출처를 가지는 쓰레기 즉, 분류되지 않은 가정 쓰레기 및/또는 산업 폐기물을 연속적으로 처리한다.

이 공정의 필수 단계가 도 1을 참조하여 아래에서 간단히 설명되며, 도 1에는 쓰레기 처리 장치(1)가 개략적으로 도시된다.

먼저 쓰레기 덩어리는 2에서, 함유하고 있는 공기를 가능한 한 제거하기 위하여 압력을 받아 압축된다.

그 다음에, 이 압축된 덩어리는 초기 압력을 그대로 유지하면서, 대체로 400℃ 내지 800℃의 100℃보다 높은 온도로 가열된 터널(3) 내로 도입된다. 따라서 쓰레기(폐기물)로부터 가스가 이탈되고, 고형 물질이 터널의 내벽에 대해 압박되는 동안 액상 물질이 증발된다. 그 결과, 이 고형 물질이 응집된다.

그 다음에, 응집물(4)은 리액터(5) 내에서 산소 존재하에서 1000℃보다 높은 고온에서 연소된다.

광물 및 금속 등과 같은 무거운 물질(6)은 리액터의 저부에서 융해된 다음에피트(pit) 내로 배출된다.

고온의 원료 합성 가스(7; raw synthesis gas)가 리액터(5)의 상부에서 수집되며, 대개 물, 수소, 일산화탄소 및 이산화 탄소를 함유하고 있다.

그 다음에, 이 가스(7)는 8에서 신속히 냉각되고, 그 후 물세척 작업(9) 및 정화 작업(10)이 연속적으로 이루어져, 대부분의 불순물(12), 특히 황 함유 생성물, 금속 및 염류를 제거한다. 폐수는 14에서 배출된다.

따라서, 합성 가스(15; synthesis gas)가 대기압보다 약간 높은(10 내지 20 mbar 높은) 압력 및 10℃에 가까운 온도에서 얻어진다. 이 가스는 마지막 세척 작업 조건하에서 물로 포화되며, 전술한 바와 같이 본질적으로 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 함유하고 있다.

먼저 합성 가스(15)는 장치의 열손실을 보상하기 위해서는 물론, 쓰레기 처리 장치의 열에 관한 요구 조건을 충족시키기 위해 통상적으로 사용되는데, 특히 가스 이탈 터널(degassing tunnel) 가열, 리액터 내에서의 고형 물질 융해 및 증발 작용을 위한 가스로서 사용되며, 이후에 상기 리액터에서 상기 가스는 저부 내로 주입된다. 따라서, 이 가스는 부분적으로 자체 소비되며, 나머지는 예컨대 플랜트의 모터, 터빈 등에 공급하는 전기 에너지를 생성하는 작용을 한다.

유럽 특허 출원 EP 839,890호(Thermoselect Aktiengesellschaft)에는, 존재하는 일산화탄소의 적어도 일부가 이산화탄소로 교체되도록 상기 쓰레기 처리 장치로부터 발생되는 합성 가스를 증기를 사용하여 변환시키는 것이 제안되었다.

쓰레기 처리 장치(1)로부터 발생하며 증기 변환(시프트 반응; shiftreaction) 장치 내에서 압축 및 처리되는 합성 가스는 다양한 장치 내에서 하류 처리될 수 있으며, 이에 의해 경우에 따라서, 수소, 이산화탄소가 생성되거나 심지어는 질소의 첨가에 의해 메탄올 또는 암모니아와 같은 합성 생성물이 생성될 수 있다.

유럽 특허 출원 EP 839,890호에 채택된 해결책은 합성 가스 처리 분야의 종래 기술로부터 학습 발전된 것이다.

이것은 수소 생성이 요구되는 경우, 일산화탄소가 풍부한 합성 가스를 증기 변환(시프트 반응) 장치 내에서 처리할 때에 두 배의 이점이 있기 때문이다.

수소의 양은 증가되고, 일산화탄소는 수소로부터 용이하게 분리될 수 있는 이산화탄소로 적어도 부분적으로 교체된다.

일반적으로, 수소는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 장치에서 정화되며, 이 장치에 의해 순도가 99.9%보다 높은 수소 가스가 얻어질 수 있다. 이러한 경우, 합성 가스의 사전 변환에 의해 더 능률적인 PSA 장치를 얻을 수 있다.

역으로, 바람직하게는 일산화탄소의 생성이 요구될 때, 변환 장치가 사용되지 않는 것에 주목해야 할 것이다. 이 경우에 상기 종래 기술은 특히 아민으로 세정하는 것에 의해 이산화탄소를 제거하고 극저온 증류에 의해 다른 조성물로부터 일산화탄소를 분리하는 것을 제안하고 있다.

따라서, 종래 기술에서 공지된 쓰레기 처리 장치로부터 발생되는 합성 가스의 처리는 수소의 생성을 최대화하는 것이 요망되는 때라면 언제나 이점이 있지만, 합성 가스(15)의 처리를 위한 적어도 2개의 연속하는 장치, 즉 일산화탄소 변환(시프트 반응)용 제1 장치와 수소 또는 다른 요구되는 가스 생성용 제2 장치를 필요로 하는 문제점을 갖고 있다.

이것은 경제적으로 그러한 가스를 소량으로 생성하고자 하는 데는 적절하지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 쓰레기 처리 장치로부터 발생되는 합성 가스를 경제적으로 활용할 수 있도록 하는 공정을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 특히, 공지된 공정의 무겁고 값비싼 변환 장치를 사용하지 않고 합성 가스로부터 직접 수소를 생성하기 위한 공정을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 수소를 소량으로 생성하기에 적합한 공정을 제공하는 것이다.

도 1은 쓰레기 처리 장치를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 쓰레기 처리 장치의 하류에서 실행되는 본 발명에 따른 공정을 개략적으로 도시한 플로우챠트.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 쓰레기 처리 장치

3 : 터널

4 : 응집물

5 : 리액터

15 : 합성 가스

30 : 수소 분리 장치

32 : 수소

이들 목적을 충족시키기 위하여, 본 발명에서 제공하는 공정은 액상 및/또는 고형 오염물을 함유하고 있는 분류되지 않은 가정 쓰레기 및/또는 산업 폐기물 처리용 장치로부터 발생되며 본질적으로 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 함유하고 있는 공급 가스로부터 수소를 생성하기 위한 공정으로서, 쓰레기를 압축하는 단계와, 적어도 100℃로 가열된 터널 내에서 압축 쓰레기로부터 가스를 이탈시키는 단계와, 상기 가스 이탈 단계의 결과물인 응집된 쓰레기를 산소 존재하에서 1000℃보다 높은 고온의 리액터 내에서 가스화 용융하는 단계와, 수집된 원료 합성 가스를 신속히 냉각하는 단계 및, 다음에 상기 공급 가스를 운반하기 위하여 물 세척 및연속적인 정화에 의해 불순물을 제거하는 단계를 포함하며, 상기 공급 가스는 압축 및 냉각되고, 얻어진 가스는 그 다음에 저압 또는 중간압의 수소 분리 장치 내에서 직접 처리되는 것을 특징으로 한다.

"직접"이란 용어는 쓰레기 처리 장치로부터 발생되는 가스의 처리를 이 가스가 함유하고 있는 일산화탄소를 사전 변환시키지 않고 수소 분리 장치 내에서 실행한다는 의미로 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 공정은 쓰레기 처리 장치의 하류에서 실행되며 도 2를 참조하여 보다 더 상세히 설명될 것이다.

쓰레기 처리 장치(1)로부터 발생되는 합성 가스(15)는 본 발명의 공정에서 공급 가스로서 작용하며, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 물을 본질적으로 함유하고 있다.

이 가스의 조성은 특히 처리될 쓰레기의 질과 양에 따라서 변할 수 있다.

건조 상태 기준(dry basis)으로, 공급 가스는 일반적으로 수소 함량이 34 내지 41 용적%, 일산화탄소 함량이 35 내지 41 용적%, 이산화탄소 함량이 23 내지 41 용적% 및 선택적으로 질소의 양이 2 내지 6 용적%이다.

공급 가스(15)는 예컨대 수소 35 용적%, 일산화탄소 35 용적%, 이산화탄소 27 용적% 및 질소 3 용적%를 함유한다.

가스(15)는 20에서 압축 및 냉각되어, 물이 21에서 제거되고, 몇몇 다른 오염물은 존재한다.

그 다음에 얻어진 가스 분류물(22; fraction)은 수소 분리 장치(30) 내에서처리된다.

이 분리 장치(30)는 투과형 분리 장치(permeation-type separation unit) 또는 PSA 장치로 이루어질 수 있다.

투과 장치에 의해 순도가 대략 90 내지 95%의 수소를 생성할 수 있다. PSA 장치에 관하여서는, 이것은 조금 더 비싸지만, 순도가 보다 더 높은(99.9%) 수소를 생성할 수 있다.

사용되는 PSA 공정들은 문헌, 예컨대 D.M. 루트벤(D.M. Ruthven) 등이 저술한 "Pressure Swing Adsorption"이라는 문헌의 6.5장에 개시되어 있다.

일반적으로 60~80%의 수소 추출 효율이면 입수 가능한 용적의 합성 가스로부터 요구되는 수소 생성량을 확보하기에 충분하기 때문에, 이들 PSA 장치는 일반적으로 3 내지 6개의 소수의 흡착기(adsorbers)를 포함하는 것이 바람직하며, 다양한 단계의 소요 시간(duration)은 성능 대비 투자를 유리하게 하기 위하여 통상적으로 사용되는 소요 시간에 비해 감소될 수 있다.

또한, 생성 단계의 소요 시간은 대개 180초 미만, 바람직하게는 120초 미만, 더 바람직하게는 90초 미만이다.

가스의 압력은 압축 단계에서 가능한 최저 압력과, 뒤따르는 수소 분리 장치의 만족할 만한 효율 사이의 타협점에 기초하여 결정된다.

본 발명에 따르면, 수소 분리 장치는 이러한 유형의 공정에서 통상적으로 사용되는 작동압에 비하여 저압 또는 중간압으로 작동한다.

따라서, PSA 장치의 압력은 5 내지 25 bar인 것이 유리하며, 바람직하게는 5내지 10 bar이다.

대조적으로, 증기 변환에 앞선 탄화수소 개질에 의해 생성되는 합성 가스로부터 PSA에 의해 수소를 생성하는 종래 장치는 대개 16 내지 35 bar에서 작동한다.

본원에 관련된 압력은 절대 압력이다.

가스(22)의 온도는 대략 25℃이다.

쓰레기 처리 장치(1)와 인접하여 있는 장치 내에서 생성되는 냉각된 물은 가스(15)를 냉각시키기 위해 사용될 수도 있다.

요구되는 수소는 스트림(32)에서 재생되며, 일산화탄소, 이산화탄소 및 잔류 수소를 본질적으로 함유하는 폐기 가스(33)를 구성하는 저압 유체는 쓰레기 처리 장치(1) 내로 재순환될 수도 있다.

그 다음에, 폐기 가스는 부분적으로 또는 전체적으로 연소 가스로서 작용하거나, 본 발명의 공정에 의해 처리되지 않은 합성 가스(15)의 일부와 혼합되어 장치의 열균형(heat balance)을 보장할 수 있도록 작용할 수도 있다.

또한, 본 발명의 공정에 의해 처리되지 않은 합성 가스의 일부와 선택적으로 혼합된 폐기 가스는 에너지 형태로 활용될 수도 있으며, 또는 다른 가스 분류 장치 등에 대한 공급물(feed)로서 작용할 수 있다.

본 발명의 공정에서 공급되는 합성 가스의 유량을 조절하기 위하여, 쓰레기 이외의 유체 또는 고형의 "조절 물질(regulating material)"을 제어된 방식으로 쓰레기 처리 장치(1) 내에 주입하기 위한 설비가 만들어질 수도 있으며, 이 조절 물질은 장치의 온도 및 압력 조건 하에서 합성 가스의 필수 구성 요소(H₂, CO, CO₂,등)로 분해될 수 있다.

특히, 상기 조절 물질은 탄화수소가 특별히 풍부한 유체일 수 있으며, 바람직하게는 연료유 또는 천연 가스가 사용된다.

처리 장치(1)에 의해 쓰레기로부터 생성된 공급 가스(합성 가스)의 유량이 요구되는 생성 수준을 보장하기에 불충분한 경우, 조절 물질은 상기 처리 장치 내에 제어된 방식으로 도입되어 상기 물질의 분해에 의해 생성되는 합성 가스의 유량을 증대시킨다.

조절 물질은 도 1에서 참조 부호 11로 지시한 연료유 또는 천연 가스 등의 유체이며, 이 유체는 고온 리액터(5) 내로 주입되는 것이 바람직하다.

조절 물질이 고형 물질일 때, 이 물질은 쓰레기 공급부 내로 도입되는 것이 바람직하다.

잔류 산소 함량이 0.5% 미만, 바람직하게는 0.1% 미만인 탄소 함유 물질(carbonaceous substances)의 완전한 가스화를 보장하기 위하여, 산소 공급을 조절한다.

본 발명의 경우에 있어서, 물질의 공급은 공급 가스의 요구되는 유량에 따라서 및 처리될 쓰레기에 따라서 조절된다.

물질의 공급은 (조절 물질 및 쓰레기의) 총 칼로리값(열량)의 적어도 10%, 바람직하게는 15% 초과에 상당한다. 공급되는 칼로리값은 15 내지 30%인 것이 더욱 바람직하다.

특히 어떠한 합성 가스도 아직 생성되지 않았을 때, 상기 장치가 안정된 상태하에서 작동될 때, 임의 부분의 상기 공급은 장치의 시동 단계시에 요구되는 예열 회로를 사용하여 달성될 수 있으며, 따라서 조절 물질의 공급과 관련된 임의의 추가적 설비(비용)를 최소화할 수 있거나, 심지어는 배제할 수도 있다.

본 발명에 따른 공정을 실행하기 위한 플랜트는 합성 가스(15)를 전달하는 수단과, 상기 합성 가스를 압축하는 수단 및 압축된 합성 가스를 냉각하는 수단을 포함한다. 또한, 상기 플랜트는 수소 분리 장치를 포함한다.

본 발명에 따른 공정은 특히 저용량 처리에 대하여 경제적으로 유리한데, 그 이유는 변환(conversion)이 없고 또 수소 분리가 비교적 저압에서 실행되기 때문이다.

또한, 이 공정은 특히, 본 발명에 따른 공정으로 공급되는 합성 가스의 유량을 조절하기 위하여, 상류에서 유체 또는 고형물을 조절하여 주입함으로써 처리될 쓰레기의 질과 양으로 인하여 발생할 수 있는 공급 가스의 유량 변화를 감소시키는 것에 의해, 주어진 쓰레기 처리 장치의 작동에 적합하게 될 수 있다는 이점을 갖는다.

본 발명은 개시된 시스템으로 한정되지 않으며, 그 단순한 변형에 해당하는 다수의 변형물이 가능하다.

따라서, 예컨대 수소 생성 장치는 병렬로 작동하는 쓰레기 처리 장치의 여러 라인에 공유될 수 있다.

상기 처리 장치에 주입되는 산소는 공기로부터 가스를 극저온 분리하는 장치로부터 발생하며, 본질적으로 순수한 것일 수도 있으며, 흡착에 의해 수소를 생성하는 장치로부터 발생하며, 순도가 대략 90 내지 95%일 수도 있다. 이러한 경우에, 수소를 분리하는 PSA는 필요에 따라서는, 수소와 함께 대량으로 도입되는 질소와 아르곤을 정지시키기 위하여 대형으로 된다.

본 발명에 따르면, 쓰레기 처리 장치로부터 발생되는 합성 가스를 경제적으로 활용할 수 있도록 하고, 또 공지된 공정의 무겁고 값비싼 변환 장치를 사용하지 않고도 합성 가스로부터 직접 수소를 생성할 수 있으며, 수소를 소량으로 생성하기에 적합하다.

Claims

액상 및/또는 고형 오염물을 함유하고 있는 분류되지 않은 가정 쓰레기 또는 산업 폐기물의 처리 장치(1)로부터 발생되고, 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 본질적으로 함유하고 있는 공급 가스(15)로부터 수소를 생성하기 위한 공정으로서,

쓰레기를 압축하는 단계(2)와, 100℃를 초과하는 온도로 가열된 터널(3) 내에서 압축 쓰레기로부터 가스를 이탈시키는 단계와, 상기 가스 이탈 단계의 결과물인 응집된 쓰레기를 산소 존재하에서 1000℃를 초과하는 고온의 리액터(5) 내에서 가스화 용용하는 단계와, 수집된 원료 합성 가스(7)를 신속히 냉각하는 단계 및, 상기 공급 가스(15)를 운반하기 위하여 물 세척 및 연속적인 정화에 의해 불순물을 제거하는 단계를 포함하는 수소 생성 공정에 있어서,

상기 공급 가스(15)는 압축 및 냉각되고, 그 결과물인 가스(22)는 그 다음에 수소 분리 장치(30) 내에서 직접 처리되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.
제1항에 있어서, 상기 수소 분리 장치(30)는 PSA 장치인 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.
제2항에 있어서, 상기 PSA 장치는 3 내지 6개의 흡착기(adsorber)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 PSA 장치에서의 생성 단계의 지속 시간은 180초 미만이며, 바람직하게는 120초 미만이며, 더 바람직하게는 90초 미만인 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.
제1항에 있어서, 상기 수소 분리 장치(30)는 투과 장치인 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치(30)에서의 수소 분리는 5 내지 25 bar, 바람직하게는 5 내지 10 bar의 압력에서 실행되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 분리 장치 내에서 처리되는 가스(22)의 온도는 대략 25℃인 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 가스(15)는 수소를 34 내지 41 용적%, 일산화탄소를 35 내지 41 용적%, 이산화탄소를 23 내지 41 용적%, 질소를 2 내지 6 용적% 함유하는 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.
제8항에 있어서, 상기 공급 가스(15)는 대략 수소를 35 용적%, 일산화탄소를 35 용적%, 이산화탄소를 27 용적%, 질소를 3 용적% 함유하는 것을 특징으로 하는수소 생성 공정.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 분리 장치로부터 발생하는 저압 폐기 가스(33)는 적어도 부분적으로 쓰레기 처리 장치(1)에서 재순환되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 가스(15)의 유량은 쓰레기 이외의 유체 또는 고형 조절 물질(11)의 제어된 주입에 의해 조절되며, 이 조절 물질은 본질적으로 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소로 분해될 수 있고, 상기 조절 물질(11)의 공급은 장치(1) 내에서 처리되는 물질의 총 칼로리값의 적어도 10%에 해당하는 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.
제11항에 있어서, 상기 조절 물질은 탄화수소가 특히 풍부한 유체이며, 바람직하게는 고온 리액터 내로 주입되는 연료유 또는 천연 가스인 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.
제11항에 있어서, 상기 조절 물질(11)은 고형물이며, 장치(1)의 쓰레기 공급부 내로 삽입되는 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.
제11 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조절 물질의 공급은 장치에의해 처리되는 물질의 총 칼로리값의 15%를 초과하는 값에 해당하며, 더 바람직하게는 15 내지 30%인 것을 특징으로 하는 수소 생성 공정.