KR20010111703A - 산업 폐기물 재활용 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업 폐기물 재활용 방법 및 장치에 관한 것으로, 유기 고분자 액상 폐기물을 산소 및 증기와 반응시켜 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 연료 가스로 전환시키는 가스화 단계를 포함하는 산업 폐기물 재활용 방법, 그리고, 유기 고분자 액상 폐기물 공급 수단; 산소 공급 수단; 증기 공급 수단; 및 상기 액상 폐기물, 산소 및 증기를 공급 받아 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 연료 가스를 발생시키는 가스화기를 포함하는 산업 폐기물 재활용 장치에 따르면, 공장이나 선박 등에서 발생되는 폐유, 폐윤활유, 폐유기용제 등과 같은 유기 고분자 액상 폐기물을 일산화탄소와 수소가 주성분인 연료 가스로 전환하여 사용하거나, 이로부터 활용 범위가 다양한 메탄올이나 청정 연료인 수소를 생산할 수 있으므로, 자원의 재활용 및 환경 보전의 측면에서 매우 유용하다.

Description

산업 폐기물 재활용 방법 및 장치{METHOD OF RECYCLING INDUSTRIAL WASTE AND APPARATUS THEREFOR}

본 발명은 산업 폐기물 재활용 방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 공장이나 선박 등에서 발생되는 폐유, 폐윤활유, 폐유기용제 등과 같은 유기 고분자 액상 폐기물을 청정 연료 가스(CO와 H₂)로 전환시키거나, 이로부터 메탄올 또는 수소와 같은 화학 원료를 생산하여 재활용할 수 있도록 하는 방법 및 이에 사용되는 장치에 관련된다.

공장이나 선박 등에서 발생되는 폐유, 폐윤활유, 폐유기용제 등과 같은 유기고분자 액상 폐기물(이하, 액상 폐기물이라 함)은 일반 폐기물과는 분리되어 안정화 처리를 받도록 법적으로 규제되어 있는데, 이러한 처리에는 통상 고가의 시설 비용이 요구된다.

기존의 폐기물 처리 방법 중 대표적인 것으로는 단순히 소각 처리하면서 고온의 연소 가스로부터 열을 회수하는 방법이 있고, 재활용 처리 방법으로는 분별 증류, 감압 증류, 박막 증류, 이온 교환 정제, 크래킹과 같은 열분해 방법 등의 다양한 기술을 적용하여 액상 폐기물을 정제유나 연료 기체로 전환시키는 방법이 있다.

소각 처리 방법은, 이들 액상 폐기물을 산화제인 공기와 함께 소각로로 분사시켜 1200 ℃ 전후의 고온에서 산소와의 연소 반응에 의해 액상 폐기물 내의 탄화수소 성분을 안정한 연소 생성물인 CO₂나 H₂O로 처리하는 것으로, 부가적으로 발생되는 고온의 연소 가스는 물과 열교환하여 증기를 발생시켜 난방 등에 이용하고 있다. 이 방법의 문제점은, 소각 과정에서 액상 폐기물의 물리화학적 특성에 따라 산화제의 공급량 및 공급 방법 등에 대한 엄격한 제어가 요구되며, 이같은 적절한 소각 조건이 만족되지 않을 경우에는 불완전 연소에 의해 2차 공해 물질이 생성된다는 것이다. 그리고, 이들 공해 물질을 처리하기 위해서는 고가의 배가스 처리 설비를 설치하여야 하므로, 결과적으로 폐기물을 환경적으로 무해하게 처리하기 위해서는 비용이 많이 들게 된다. 에너지 재활용 측면에서 보면, 소각 처리 방법은 단지 열의 형태로만 재활용이 가능하기 때문에 에너지 손실이 큰 처리 방법이라 할 수있고, 증기와 같은 열 에너지가 필요 없는 곳에서는 소각 처리로 회수된 열을 대기 중으로 방출해 버리는 경우도 있다.

한편, 액상 폐기물을 연료유 등으로 재활용하는 방법으로는 이온 정제나 열분해 방법을 들 수 있다. 열분해 방식은 현재까지 액상 폐기물의 재활용에 가장 적합한 방법으로 알려져 있는데, 액상 폐기물을 탈수 등의 전처리 과정을 통해 600 ℃ 이하의 산소가 없는 분위기 또는 희박한 분위기에서 발생된 열분해 가스를 응축시켜 가솔린이나 디이젤 연료유로 전환시키는 방법이다. 여기에서, 응축되지 않는 비응축 열분해 가스는 탄화수소가 주성분인 저발열량 가연성 연료 가스인데, 열분해 과정중 발생된 유기물로 인해 악취가 매우 심하기 때문에 독성 가스 제거 공정 또는 소각을 통하여 배기로 배출하여야 한다. 또한, 이들 액상 폐기물 중에는 고상의 불순물 등이 포함되어 있어 열분해 고형 잔류물인 슬러지(sludge)나 차르(char)가 발생되는데, 이 고형 잔류물 내에는 액상 폐기물 내에 포함된 중금속 등이 다량 함유되어 있어 별도 처리 또는 활용 방안을 찾아야 한다. 게다가, 이같은 열분해 공정을 통해 생산되는 연료유는 보통 중유, 디젤유, 재생 휘발유 등으로 사용되지만, 품질이 낮기 때문에 엔진이나 연소기에서 연소될 때 연소 분진을 과다하게 배출시키게 되고 노즐의 막힘 현상까지 유발하여 점차 사용되지 않고 있는 실정이다.

이처럼, 공장이나 선박 등에서 발생되는 폐유, 폐윤활유, 폐유기용제 등과 같은 유기 고분자 액상 폐기물을 처리하는 기존의 방법에서는, 단지 소각에 의한 열을 사용하거나 열분해를 통해 제한된 양을 오일 등으로 재활용하고 있기는 하지만 만족스럽지 못한 수준이고, 또한 환경적으로 무해하게 최종 처리하기 위해서는고가의 설비를 갖추어야 하고 비용이 많이 든다는 등의 문제가 있어 개선의 여지가 많다. 더우기 이러한 안정화 또는 재활용 처리 방법에 의해 처리되지 못한 액상 폐기물의 일부는 무단 방류되어 심각한 환경 오염을 야기하고 있는 실정이다.

따라서, 자원의 재활용 및 환경 보존 측면에서 이러한 액상 폐기물을 청정 연료 가스(CO와 H₂)로 전환시키고, 전환된 연료 가스로부터 메탄올이나 수소와 같은 화학 원료를 생산한다든가 청정 연료 가스를 직접 연소시켜 환경 오염을 최소화할 수 있는 에너지원으로 활용할 수 있다면 바람직할 것이다.

본 발명의 목적은, 공장, 선박 등으로부터 발생되는 폐유, 폐윤활유, 폐유기용제 등과 같은 유기 고분자 액상 폐기물로부터 수송 및 활용 범위가 다양한 화학 원료인 메탄올을 생산하거나 수소 가스로 전환시켜 화학 공정의 원료 및 청정 연료로 재활용할 수 있도록 하는 산업 폐기물 재활용 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 액상 폐기물 처리 공정의 구성을 보여주는 모식도,

도 2는 본 발명에 따른 액상 폐기물 처리 장치의 한 실시예의 구성을 보여주는 모식도,

도 3은 도 2의 장치에서 산소/액상 폐기물의 중량비에 따라 생산되는 연료 가스의 조성을 나타낸 그래프.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산업 폐기물 재활용 방법은,

유기 고분자 액상 폐기물을 산소 및 증기와 반응시켜 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 연료 가스로 전환시키는 가스화 단계를 포함한다.

여기에서, 생성된 연료 가스를 정화시킨 후, 정화된 연료 가스로부터 메탄올을 생성하거나, 또는 수성 가스 쉬프트 반응(water-gas shift reaction)을 통해 수소 가스를 생산하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산업 폐기물 재활용 장치는,

유기 고분자 액상 폐기물 공급 수단;

산소 공급 수단;

증기 공급 수단; 및

상기 액상 폐기물, 산소 및 증기를 공급 받아 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 연료 가스를 발생시키는 가스화기를 포함한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 액상 폐기물 처리 공정의 구성을 보여주는 모식도이다. 먼저 가스화 공정은 공급된 액상 폐기물 내의 탄화수소 성분을 1200∼1500 ℃, 바람직하게는 1300 ℃ 정도의 고온에서 산소 및 증기와 반응시켜 CO 및 H₂가 주성분인 연료 가스를 생산하는 공정으로 대표적인 반응은 다음과 같다.

C + H₂O →CO + H₂(1)

C + O₂→CO₂(2)

C + CO₂→2CO (3)

상기 반응식에서 (1)의 반응은 가스화 반응, 그리고 (2) 및 (3)은 가스화기 내부 온도를 1300 ℃ 정도로 유지하기 위한 발열 반응인 연소 반응으로, 가스화 반응 (1)은 흡열 반응이다.

가스화 후단 공정인 열회수 공정은, 가스화기로부터 배출되는 고온의 연료 가스를 다음 단계인 가스 정화 공정에 적합한 온도까지 냉각시키면서 가스화 공정에 사용되는 증기를 발생시키기 위해 열교환기를 통과시키는 공정, 즉 연료 가스를 냉각시키면서 증기를 발생시키는 공정이다.

이와 같이 냉각된 가스 내에는 NH₃, H₂S, 그리고 HCN 및 분진 등의 오염 물질이 포함되어 있기 때문에, 가스 정화 공정에서는 가스를 세정하면서 이들 오염 물질을 제거 또는 분해시킨다. 이러한 불순물을 제거하는 기술로는 재생용 금속 산화물 흡수제에 흡수시켜 제거하는 처리 방법을 사용할 수 있는데, 불순물이 흡수된 흡수제는 재생 반복 사용할 수 있어 경제적이고 환경 친화적이다. 또한, 가스 내에 포함된 분진을 제거하는 방법으로는 금속 또는 세라믹 필터와 같은 일반적인 방법을 사용할 수 있다.

가스 정화 공정에서 배출되는 가스는 CO 및 H₂가스의 조성이 90 % 이상인 청정 연료이다.

다음에, 통상의 메탄올 제조 공정을 거쳐 청정 연료로부터 메탄올을 생산한다. 이 공정에서 메탄올 합성 반응식은 다음과 같다.

2CO + 4H₂→2CH₃OH

한편, 장소에 따라 메탄올이 필요한 경우가 있고, 청정 연료이며 화학 공정의 원료로 사용되는 수소가 필요한 경우도 있다. 본 발명의 액상 폐기물 재활용 설비가 설치된 현장에서 수소가 필요한 경우에는, 가스 정화 공정에서 배출되는 가스를 쉬프트(Shift) 반응기로 공급하여 다음과 같은 수성 가스 쉬프트 반응(water-gas shift reaction)을 통해 CO를 CO₂와 H₂가스로 전환시킨 후, CO₂흡수탑에서 CO₂만을 포집하도록 하여 순수 H₂을 얻을 수도 있다.

CO + H₂O →CO₂+ H₂

즉, 본 발명의 액상 폐기물 재활용 방법의 구성은, 액상 폐기물로부터 가스를 발생시키는 가스화 공정을 기본으로 하여, 여기에 고온의 가스를 냉각하면서 열을 회수하는 열회수 공정, 가스를 세정하면서 가스 내에 포함된 입자를 제거하는 가스 정화 공정, 그리고 생산 목적에 따라 메탄올 제조 공정 및 수소 제조 공정을 포함하여 이루어질 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 액상 폐기물 처리 장치의 한 실시예의 구성을 보여주는 모식도로, 액상 폐기물 내의 탄화수소 성분을 가스로 전환시키는 가스화 공정을 나타내고 있다. 이 공정은 수직의 하나의 반응로 내에 액상 폐기물과 산소를 공급하여 부분 산화 반응에 의해 반응로를 고온으로 유지하면서, 미반응 탄소가 수분 및 연소 생성물인 이산화탄소와 가스화 반응을 일으키도록 하여 일산화탄소와 수소가 주성분인 연료 가스를 생산하는 공정이다.

먼저, 액상 폐기물 내의 탄화수소 성분을 가스로 전환시키는 가스화 반응은 흡열 반응으로, 반응을 지속시키기 위해서는 외부로부터의 에너지 공급이 필요하다. 그러므로, 가스화 반응을 시작하거나 유지시키기 위해서는 가스화 반응로의 내부 온도가 1300 ℃ 정도로 고온이 계속적으로 유지되어야 한다. 이에 따라, 액상 폐기물로부터 가스를 추출하기 전 단계로, 가스화기(30)를 1300 ℃ 정도로 예열하는 예열 단계가 반드시 필요하다. 예열은 일반적인 가스 버너(32)를 사용하여 가스화기(30) 내부 압력이 대기압 또는 대기압 보다 약간 낮은 압력 상태에서 통상적으로 24 시간 동안 예열하여 1300 ℃ 정도로 가열하여 이루어진다. 예열 단계에서 열교환기(40)로부터 발생되는 증기는 대기로 방출시키거나 난방용으로 활용한다(밸브 (79) 폐쇄, 밸브(78) 개방). 그리고 가스 버너(32)에 의해 발생되는 연소 가스는 스택(60)으로 배출시킨다(밸브(95) 폐쇄, 밸브(94) 개방).

가스화기(30) 내부 온도가 1300 ℃ 정도에 도달하면 가스 버너(32)의 동작을 중지시키고 액상 폐기물을 산화제인 산소와 함께 공급하면서 가스화기(30) 온도를 1300 ℃ 정도로 계속 유지시킨다. 산소를 공급하는 목적은, 액상 폐기물 내의 탄화수소 성분과의 연소 반응으로 발생되는 고온의 연소 가스에 의해 가스화기(30) 내부 온도를 1300 ℃로 계속 유지하기 위한 것으로, 공급된 액상 폐기물 내의 가연분과 발열 반응인 연소 반응을 일으켜 가스화기(30) 내부 온도가 계속 고온으로 유지된다. 따라서, 산소의 공급량은 가스화기(30) 내부 온도를 1300 ℃ 정도로 유지시키면서 CO와 H₂의 생성량을 최대로 하는 조건으로 공급된다.

도 3은 산소/액상 폐기물의 중량비에 따른 연료 가스 조성을 나타낸 그래프로, 공급된 액상 폐기물과 산소의 중량비에 따라 생성되는 연료 가스 조성을 화학평형 모델을 적용하여 계산한 결과이다. 이 결과에서 보듯이, 과도한 산소를 공급하면 생성 가스 내의 CO 및 H₂가스는 감소하는 반면, 연소 생성물인 CO₂는 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 적절한 가스화 조건으로는 산소/액상 폐기물의 중량비가 1.2 이하에서 운전되는 것이 바람직하다. 또한, 가스화 운전 온도를 보면, 온도가 상승할수록 산소/액상 폐기물의 중량비가 동일할 때 생성 가스 내 CO는 증가하는 반면, H₂와 CO₂는 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 가스화기(30)의 운전 온도를 너무 고온으로 하는 경우에는, 내부 내화재의 손상으로 인한 수명 단축 등을 야기할 뿐 아니라 수소 발생량도 감소하기 때문에, 1300 ℃ 이하로 운전하는 것이 좋다. 가스화기(30) 본체의 내화물은 구조를 경량으로 하기 위해 세라믹 섬유 (ceramic wool)로 제작하는 것이 바람직하다.

액상 폐기물의 공급은 가스화기(30) 상부에 설치된 분사 노즐(31)을 통하여 액상 폐기물과 산소, 그리고 증기를 동시에 분사시켜 이루어진다. 분사 노즐(31)에는 3 개의 원통관이 설치되어 중심관으로는 산소를, 외곽으로는 액상 폐기물을, 그리고 가장 외곽으로는 산소와 증기를 공급하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 분사 노즐(31)에는 액상 폐기물과 산소, 그리고 증기의 혼합을 촉진시키기 위한 선회기가 설치될 수도 있다.

가스화기(30) 하부에는 생성된 가스의 유동 방향과 수직으로 재저장 탱크 (33)를 설치하여, 배출되는 가스 내에 함유된 분진이 원심력에 의해 그 안에 포집되도록 할 수 있다.

가스화기(30) 후단에는 열교환기(40)를 설치하여, 가스화기(30)로부터 배출되는 고온의 연료 가스를 다음 단계인 가스 정화 공정에 적합한 온도로 냉각시키면서 증기를 발생시키도록 할 수 있다. 발생되는 증기는 가스화 반응에 필요한 증기로서 공급될 수 있고, 초과 발생된 증기는 액상 폐기물의 유동성을 증가시키기 위해 액상 폐기물을 가열하는데 활용되거나, 외부로 배출시켜 난방용으로도 활용될 수 있다.

도 2에서 1∼5 번은 각각 질소 공급 탱크, 산소 공급 탱크, 액상 폐기물 공급 탱크, LPG 공급 탱크, 그리고 물 공급 탱크이고, 11 번은 액상 폐기물 공급 펌프, 12 번은 물 공급 펌프이다. 그리고 21∼25 번은 각각 질소 유량계, 산소 유량계, 액상 폐기물 유량계, LPG 유량계, 그리고 물 유량계이고, 50 번은 유인 송풍기이다. 70∼79 번은 글로브 밸브(globe valve)이고 90∼95 번은 볼 밸브(ball valve)를 가리킨다.

본 장치 구성에서 질소 공급 수단은 안전상의 이유로 구비될 수 있다. 즉, 가스화기(30) 내부는 유독성인 CO 가스와 폭발성인 H₂가스가 주로 존재하게 되므로 운전 조작에 주의가 요구되며 운전이 완료된 후에는 가스화기 내부로 질소를 공급하여 안전하게 정지시켜야 한다. 이 때 배출되는 가스는 스택(60)에서 소각시켜 대기로 방출시킨다. 또한, 운전 중 제어가 불가능하게 되었을 경우 긴급 정지시 액상 폐기물과 산소를 차단하고 질소를 공급하여 가스화기(30) 내부를 안전한 질소 가스로 치환한다.

가스화 공정 이후의 연료 가스 정화 공정, 메탄올 제조 공정 및 수소 제조 공정은 통상적인 방법을 사용할 수 있다.

이하, 하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 단, 본 실시예는 본 발명의 예시일 뿐 본 발명이 이들 만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

도 2에 도시된 장치를 사용하여 액상 폐기물과 산소, 증기를 공급하여 연료 가스를 생성시켰다. 이 때 사용된 액상 폐기물의 조성은 다음 표와 같다.

성분	수분	회분	C	H	O	N	S
조성(%)	0	0.08	84.61	10.44	0.05	0.42	4.4

위와 같은 조성을 갖는 액상 폐기물에 대한 산소 및 증기의 공급 조건은 다음 표와 같다.

산소/액상 폐기물의 중량비	산소/액상 폐기물의 중량비
1.1	0.46

액상 폐기물 50 kg/h 를 공급하였을 경우, 가스화 반응에 의해 생성된 연료 가스의 조성은 다음과 같았다.

연료 가스	CO2	CO	H2	H2S	COS	N2
조성(%)	4.6622	47.714	43.812	0.92569	0.10285	2.7837

생성된 연료 가스의 유량은 170 Nm³/h, 생성된 가스의 발열량은 2774 kcal/Nm³정도였다. 이 때, 연료 가스로부터 메탄올은 54 kg/h 정도 생산할 수 있고, 연료 가스를 수소로 전환할 경우에는 150 Nm³/h 정도를 얻을 수 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 따른 방법 및 장치에 의하면 공장이나 선박 등에서 발생되는 폐유, 폐윤활유, 폐유기용제 등과 같은 유기 고분자 액상 폐기물을 일산화탄소와 수소가 주성분인 연료 가스로 전환하여 사용하거나, 이로부터 활용 범위가 다양한 메탄올이나 청정 연료인 수소를 생산할 수 있으므로, 자원의 재활용 및 환경 보전의 측면에서 매우 유용하다.

Claims (11)

1. 유기 고분자 액상 폐기물을 산소 및 증기와 반응시켜 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 연료 가스로 전환시키는 가스화 단계를 포함하는 산업 폐기물 재활용 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 연료 가스를 정화시키고, 정화된 연료 가스로부터 메탄올을 생성하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 연료 가스를 정화시키고, 정화된 연료 가스로부터 수성 가스 쉬프트 반응(water-gas shift reaction)을 통해 수소 가스를 생산하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서, 가스화 단계에서 생성된 연료 가스를 냉각시키면서 증기를 발생시키는 열교환 단계를 더욱 포함하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 발생된 증기를 가스화 단계에 도입하는 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 발생된 증기로 액상 폐기물을 가열하는 방법.
7. 유기 고분자 액상 폐기물 공급 수단;

   산소 공급 수단;

   증기 공급 수단; 및

   상기 액상 폐기물, 산소 및 증기를 공급 받아 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 연료 가스를 발생시키는 가스화기를 포함하는 산업 폐기물 재활용 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 가스화기로부터의 연료 가스를 냉각시키면서 증기를 발생시키는 열교환 수단을 더욱 포함하는 장치.
9. 제 7 항에 있어서, 가스화기로부터 연료 가스가 방출되는 방향과 수직으로 장착되는 재저장 탱크를 더욱 포함하는 장치.
10. 제 7 항에 있어서, 가스화기는 본체의 내화물이 세라믹 섬유(ceramic wool)로 제작된 장치.
11. 제 7 항에 있어서, 액상 폐기물, 산소 및 증기를 하나의 노즐을 통해 가스화기로 분출시키도록 되고, 이 노즐에는 액상 폐기물, 산소 및 증기를 혼합시키기 위한 선회기가 더욱 포함된 장치.