KR200263195Y1

KR200263195Y1 - 고분자 유기물의 가스화 장치

Info

Publication number: KR200263195Y1
Application number: KR2020010029011U
Authority: KR
Inventors: 김현영
Original assignee: 김현영
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2002-02-04

Abstract

본 고안은 석탄이나 폐유, 일반 및 특수 쓰레기 등과 같은 고분자 유기물을 가스상의 연료인 일산화탄소와 수소로 가스화하는 장치에 관한 것으로, 이산화탄소와 물이 쓰레기와 반응하여 일산화탄소와 수소 가스가 생성되는 가스화 반응이 일어나는 가스화기; 일산화탄소와 수소 가스가 산소와 반응하여 생성되는 이산화탄소와 물을 열과 함께 가스화기 내로 공급하기 위한 신 가스 버너(syn gas burner); 가스화기 내로 쓰레기를 공급하기 위한 쓰레기 공급 수단; 가스화기로부터 생성 가스가 배출되는 출구; 및 가스화기로부터 배출되는 생성 가스의 일부를 재순환시켜 상기 신 가스 버너 내로 공급하는 생성 가스 재순환 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 본 고안의 쓰레기 가스화 방법에 의하면, 산소 가스가 가스화기 내로 도입되지 않기 때문에 쓰레기의 산화로부터 이차 오염 물질이 생성되지 않으며, 가스화기 내에서 모든 유기물질이 100 % 가깝게 분해되므로, 일반 쓰레기 뿐 아니라 특수 공업용 쓰레기를 가스화하여 에너지화 하는데 효율적이고, 쓰레기로부터 생성된 오염 물질이 장치 외부로 배출되지 않으므로 환경오염을 일으킬 우려도 없을 뿐 아니라, 장치가 단순화되어 있어 간단하고 저렴하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.

Description

고분자 유기물의 가스화 장치{APPARATUS FOR GASIFYING CARBONACEOUS MATERIAL}

본 고안은 석탄이나 폐유, 일반 및 특수 쓰레기 등과 같은 고분자 유기물을 가스상의 연료인 일산화탄소와 수소로 가스화하기 위한 장치에 관한 것이다.

공장 등의 산업체에서 발생되는 폐유, 폐유기용제 등과 같은 고분자 액상 폐기물이나 석탄 및 폐타이어와 같은 고분자 고상 유기물을 가스화한다는 것은 고분자 유기물 내의 탄소, 수소 성분을 가스상의 연료인 일산화탄소와 수소 가스(일반적으로 Syn gas로 알려져 있음)로 전환하는 것을 의미한다. 이와 같은 가스화 반응은 외부에서 지속적으로 열이 공급되어야 하는 흡열반응이므로, 반응을 지속시키기 위해서는 가스화기의 온도를 충분히 고온으로 유지할 필요가 있다.

지금까지 알려진 가스화 방법에서는, 가스화를 위해 공급된 고분자 유기물의 일부가 산소와 산화 반응을 일으킬 때 발생되는 연소열로 가스화기 온도를 고온으로 유지하는 방법을 사용하고 있다. 또한, 가스화 반응이 일어나기에 충분한 온도가 유지된 상태에서, 가스화 반응을 촉진시키고 생성된 가스 내의 수소 농도를 높이기 위해 외부에서 증기 또는 물을 공급하는 방법도 채택하고 있다.

도 1은 석탄에 대한 가스화기로 적용되는 종래의 장치의 작동 원리를 모식적으로 도시한 것으로, 도 1a는 고정층 방식, 도 1b는 유동층 방식, 도 1c는 분류층 방식을 설명하고 있다. 석탄은 고분자 유기물의 일종으로 이를 가스화시키는 종래의 방식은, 공급되는 석탄의 크기에 따라 고정층 방식, 유동층 방식, 그리고 분류층 방식으로 크게 분류된다. 각각의 방식에 있어서 석탄, 산소 및 증기의 공급 방법, 가스화 생성물인 생성 가스의 배출, 그리고 잔류물인 재의 배출 방법 등은 차이가 있지만 가스화기 내부에서 일어나는 반응은 동일하다. 일반적으로 석탄 덩어리를 그대로 적용하여 가스화 하는 경우는 고정층 방식, 석탄을 수 ㎜의 크기로 분쇄한 경우는 유동층 방식, 그리고 석탄을 분쇄하여 석탄의 평균 입자 크기를 수십 ㎛ 크기로 한 경우에는 분류층 방식을 적용하고 있다.

가스화 반응은 흡열 반응이므로 가스화 반응을 지속시키기 위해서는 1300 ℃ 정도의 고온이 유지되어야 한다. 이를 위해서 기존의 가스화 방법에서는, 가스화기 내에 고분자 유기물(-CH₂)과 함께 산소를 공급함으로써 고분자 유기물 내의 탄소와 수소 성분이 외부에서 공급된 산소와 산화 반응을 먼저 일으키도록 하고, 이러한 산화 반응으로 발생된 연소열에 의해 가스화 반응이 유지될 수 있는 온도로 가스화기 온도를 유지시키고 있다. 이 때의 반응식은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

C + O₂→ CO₂

(-CH₂) + 3/2 O₂→ H₂O + CO₂

여기에서, 화학식 1의 경우는 탄소가 주성분인 석탄에서 주로 발생되는 연소 반응을 나타내며, 화학식 2는 폐유와 같은 고분자 폐유기물에서 일어나는 주된 연소 반응이다.

이때 필요한 산소의 양은 공급되는 석탄(C)이나 폐유(-CH₂) 등의 성상에 따라 다르지만 대략 석탄이나 폐유 무게의 0.5∼1.0 배 정도가 되어야 한다. 공급된 산소는 화학식 1 및 2에 의해 소모되면서 가스화기의 온도를 상승시키고 연소 생성물인 H₂O와 CO₂를 생성한다.

이들 연소 생성물은 공급된 고분자 유기물의 주성분인 탄소(C)와 다음 화학식 3 및 4와 같은 가스화 반응을 진행시킨다. 이 반응은 연소 반응에 비해 반응 시간이 길고, 반응이 지속되기 위해서는 고온 분위기가 요구되는 반응이다. 폐유(-CH₂)와 같은 고분자 유기물과 반응할 경우에는 다음 화학식 5 및 6과 같은 가스화 반응이 진행된다.

C + H₂O → CO + H₂

C + CO₂→ 2CO

(-CH₂) + H₂O → CO + 2H₂

(-CH₂) + CO₂→ 2CO + H₂

위 화학식 1 및 2는 산화 반응이지만 화학식 3 내지 6은 환원 반응이다. 이러한 반응에 의해 성성된 가스는 CO와 H₂가 주성분인 연료 가스가 된다.

즉, 종래의 가스화 방식에서는 가스화기의 온도를 상승시키기 위한 목적으로 고상의 석탄이나 액상의 폐유 등과 함께 공급되는 산소에 의한 산화 반응인 화학식 1 및 2를 이용하여 가스화 반응인 화학식 3 내지 6이 진행된다. 또한, 다음 화학식 7과 같은 수성 가스 전이(water gas shift) 반응에 의해 수소 농도를 상승시키기 위하여 별도로 고온의 증기를 공급하여야 한다. 이러한 증기는 가스화기 후단에 생성 가스 냉각용 보일러를 설치함으로써 고온의 생성 가스와 열교환하여 얻을 수 있다.

CO + H₂O → H₂+ CO₂

이상에서 설명한 바와 같이, 종래의 가스화 방식에서는 산화 반응인 화학식 1과 2. 환원 반응인 화학식 3 내지 6, 그리고 수성 가스 전이 반응인 화학식 7의 반응이 동시에 같은 공간에서 일어나게 되는데, 이 때문에 수소 생산량의 비율이 적고 이차 오염물질이 생성되기 쉽다는 문제가 있다.

한편, 가정이나 병원, 발전소 등에서 나오는 일반 및 특수 쓰레기들은, 일단압축하여 탈가스화하고 건조한 후 고온에서 산소(O₂)를 고압으로 주입하여 소각(incinerate, pyrolyze)하는 방식에 의해 처리하고 있다. 즉, 소각에 의해 쓰레기 부피를 줄이는 것이 우선 과제로, 소각한 후에 어느 정도 가스화(gas reformation, cracking)를 달성하고 있지만 그 효율이 매우 낮다.

이와 같은 소각에 의한 쓰레기 처리 방법에서는 소각으로부터 발생하는 2차 오염이 문제가 되고 있는데, 특히 다이옥신(dioxin)과 같은 발암물질이 일반 대기로 방출되는 위험을 내포하고 있다. 또한, 경제적인 면으로는 소각에 상당히 많은 양의 연료가 요구된다는 문제도 존재한다. 그리고, 쓰레기의 소각과 가스화를 병행하는 방법은 가스화 효율이 낮을 뿐 아니라, 소각으로부터 발생하는 2차 오염 문제가 여전히 존재한다는 단점을 갖는다.

본 고안은 석탄 또는 폐유와 같은 고분자 유기물을 가스화하는 종래의 방식에 있어서의 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 가스화기의 온도 제어를 용이하게 할 뿐 아니라 생성 가스 내의 수소 농도를 증가시켜 양질의 생성 가스를 얻을 수 있는 고분자 유기물의 가스화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 고안에서는 종래 주로 소각 처리를 해오던 일반 및 특수 쓰레기를 외부로부터 에너지의 유입 없이 효율적으로 가스화하는 동시에, 쓰레기의 소각에 의한 2 차 오염 발생을 방지하면서 일반 및 특수 쓰레기의 가스화를 달성할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.

도 1은 석탄에 대한 가스화기로 적용되는 종래의 장치의 작동 원리를 모식적으로 도시한 것으로, 도 1a는 고정층 방식, 도 1b는 유동층 방식, 도 1c는 분류층 방식을 설명하고 있고,

도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 고분자 유기물 가스화기의 구성 및 작동 원리를 개략적으로 보여주는 모식적 단면도,

도 3은 본 고안의 다른 실시예에 따른 고분자 유기물 가스화기의 구성 및 작동 원리를 개략적으로 보여주는 모식적 단면도,

도 4는 본 고안의 가스화기에 설치될 수 있는 신 가스 버너(syn gas burner)의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이고,

도 5은 실시예 1의 조성을 갖는 폐유에 있어서, 산소 공급량의 변화에 따른 가스화 특성을 나타낸 그래프,

도 6는 실시예 2의 조성을 갖는 폐유에 있어서, 산소 공급량의 변화에 따른 가스화 특성을 나타낸 그래프,

도 7는 실시예 3의 조성을 갖는 폐유에 있어서, 산소 공급량의 변화에 따른 가스화 특성을 나타낸 그래프,

도 8은 실시예 1의 조성을 갖는 폐유에 있어서, 산소/폐유 = 0.8인 경우 증기 공급량의 변화에 따른 가스화 특성을 나타낸 그래프,

도 9은 실시예 3의 조성을 갖는 폐유에 있어서, 산소/폐유 = 0.8인 경우 증기 공급량의 변화에 따른 가스화 특성을 나타낸 그래프.

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 쓰레기 가스화 장치는,

이산화탄소와 물이 쓰레기와 반응하여 일산화탄소와 수소 가스가 생성되는 가스화 반응이 일어나는 가스화기;

일산화탄소와 수소 가스(syn gas)가 산소와 반응하여 생성되는 이산화탄소와 물을 열과 함께 가스화기 내로 공급하기 위한 신 가스 버너(syn gas burner);

가스화기 내로 쓰레기를 공급하기 위한 쓰레기 공급 수단;

가스화기로부터 생성 가스가 배출되는 출구; 및

가스화기로부터 배출되는 생성 가스의 일부를 재순환시켜 상기 신 가스 버너(syn gas burner) 내로 공급하는 생성 가스 재순환 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 신 가스 버너(syn gas burner)는,

일산화탄소와 수소 가스(syn gas) 또는 수소 공급관;

산소 공급관; 및

상기 일산화탄소와 수소 가스(syn gas) 또는 수소 공급관과 산소 공급관의 선단이 인접하게 위치하도록 이들 공급관을 고정하기 위한 플랜지로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 고안에서는 고분자 유기물의 가스화 반응에서 생성된 연료 가스(CO와 H₂; syn gas)의 일부를 가스화기 내로 재공급함으로써, 이 재순환된 가스와 산소와의산화 반응으로 가스화기 내부를 고온으로 유지하면서 고온의 H₂O와 CO₂를 제공하도록 하였다. 이를 좀더 구체적으로 설명하면, 가스화 반응에 필요한 고온의 분위기를 형성시키고, 가스화 반응 후에 생성되는 연료 가스 중에서 수소의 농도를 높이기 위해 필요한 증기를 공급하는 방법으로서, 본 고안에서는 가스화 반응으로 생성된 가스(CO 및 H₂가 주성분)의 일부를 가스화기로 재순환시켜, 재공급된 가스가 적량의 산소와 반응하는 것에 의해 많은 열량과 H₂O, CO₂를 얻도록 하였다. 이 때 생성된 열량은 가스화기의 온도를 1300 ℃ 정도로 유지하는데 사용되고, 고온의 H₂O, CO₂가스는 다시 고분자 유기물과의 환원 반응에 의해 H₂, CO로 전환된다. 즉, 가스화 반응을 지속시키기에 필요한 정도로 가스화기 온도를 상승시키면서, 이 때 생성된 연소 생성물인 H₂O, CO₂는 고분자 유기물과 다시 반응하여 가스화 반응에 필요한 고온의 가스화기 분위기와 반응물을 만들어내게 되므로, 가스화기의 온도 제어를 용이하게 할 뿐만 아니라 생성 가스 내의 수소 농도를 증가시켜 양질의 생성 가스를 얻을 수 있게 된다.

이하 도면을 참조하면서 본 고안의 고분자 유기물 가스화기의 구성 및 작동 원리를 살펴본다.

도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 고분자 유기물 가스화기의 구성 및 작동 원리를 개략적으로 보여주는 모식적 단면도이다. 여기에서 보면, 가스화기(1)에는, 폐유와 같은 액상 폐기물을 가스화기 내로 분사시키는 액상 폐기물 공급 노즐(2),석탄과 같은 고상 폐기물을 스크류 피더 등에 의해 가스화기 내로 공급하는 고상 폐기물 공급 노즐(3), 그리고 공급되는 폐기물에 따라 적절한 위치에서 가스화기 내로 증기를 분사시키는 증기 공급기(4)가 환원반응실에 설치되어 있고, 가스화기 내로 공급되는 액상 폐기물을 가열하기 위한 액상 폐기물 가열기(5)는 액상 폐기물 공급 노즐(2)과, 그리고 가스화기 내로 물을 증기 상태로 공급하기 위한 물 가열기(6)는 증기 공급기(4)와 연결되어 있다. 가스화기(1) 상단에는 가스화기(1)로부터 생성 가스를 배출하는 출구(7)가 설치되고, 여기에서 배출되는 생성 가스를 재순환하여 가스화기 내로 분사시키기 위한 생성 가스 재순환관(8), 그리고 생성 가스 재순환관(8)과 인접하여 위치하며 재순환된 생성 가스와 반응시키기 위한 산소를 공급하는 산소 공급관(9)은 가스화기(1) 하단의 산화반응실에 설치되어 있다.

가스화기(1)는 동일한 형상 및 크기를 갖는 2 개의 부분, 즉 상부와 하부가 연결된 구성으로 되어, 제작 및 유지 보수가 용이하도록 되어 있다. 가스화기(1) 상부의 상단에는 가스화기(1)로부터 배출되는 가스 내의 미반응 폐기물이 H₂O, CO₂와 반응하는 것을 촉진하기 위해 텅스텐 그릴(10a)이 설치되어 있고, 가스화기(1) 하부의 하단에도 텅스텐 그릴(10b)이 설치되어 산화반응실에서 생성된 H₂O와 CO₂를 균일하게 환원반응실로 공급하는 동시에 고형 폐기물이 투입되는 경우에 고형 폐기물을 지지해주는 역할을 하도록 되어 있다. 상하의 텅스텐 그릴(10a, 10b) 사이에서 고분자 유기물이 CO₂, H₂O와 반응하여 CO와 H₂를 생성하는 환원 반응이 일어난다. 산소 공급관(9)을 통해 공급되는 산소는 산화반응실에서 완전히 소모되므로 환원 반응실에는 산소가 전혀 존재하지 않는다. 가스화기(1)의 산화반응실 아래에는 반응시 잔류하는 잔재(ash)를 저장하는 잔재 포집기(ash trap; 11)가 설치되어 있고, 이밖에 가스화기(1) 벽면에는 내부 온도를 측정하기 위한 열전대와, 내부 반응 상태를 관찰하기 위한 관찰창(view port; 12)이 설치되어 있다.

특히, 생성 가스를 가스화기 내로 재공급하는 생성 가스 재순환관(8)은 가스화기(1) 벽면에 접선 방향으로 설치된 2 개 이상의 다수개의 노즐에 연결되고, 산소 공급관(9) 역시 생성 가스 재순환관(8)과 연결되는 노즐의 상부에서 가스화기 (1) 벽면에 접선 방향으로 설치된 2 개 이상의 다수개의 노즐에 연결되도록 설치되어 있다. 이처럼 접선 방향으로 설치된 각각의 노즐을 통해 재순환된 생성 가스와 산소를 가스화기(1) 내로 공급함으로써, 생성 가스와 산소가 선회하면서 산화 반응하여 가스화기 내부 단면에 축 대칭인 원형 화염을 형성하는 것에 의해, 생성 가스와 산소가 가스화기 내부 각 단면에서 균일하게 반응하여 가스화기 내부에 균일한 고온의 유동장을 형성하고, 이에 의해 가스화기 내부를 균일하게 고온으로 유지할 수 있도록 한다.

이하에서는, 위와 같은 구성을 갖는 본 고안의 가스화기의 작동을 설명한다.

(a) 먼저, 가스화기 내로 공급되는 고분자 유기물의 가스화 반응을 일으키기 위해, 가스버너(LPG나 오일과 같은 통상적인 연료 사용)를 사용하여 상온의 가스화기를 연료가 연소되기 충분한 온도로 예열한다. 통상적으로 이 온도는 600 ℃ 이상이다.

(b) 가스화기 온도가 600 ℃ 이상으로 예열되면 생성 가스 재순환관을 통해외부 연료(일반적으로 LPG 가스 또는 저장해 놓은 CO + H₂가스 사용)와 산소를 가스화기 하단부의 산화반응실로 공급하여 가스화기 내부를 1300 ℃ 정도까지 상승시킨다. 이 때 가스화기 내부는 외부에서 공급된 연료와 산소가 반응하여 연소 생성물인 CO₂, H₂O로 채워지게 된다.

(c) 가스화기 내부가 1300 ℃ 정도로 유지되면 고분자 유기물 분사 노즐을 통하여 가스화 대상물을 환원반응실로 공급한다. 그러면, 가스화기 하단부에 공급된 외부 연료와 산소의 반응에 의해 형성된 CO₂, H₂O와 공급된 고분자 유기물이 반응하여 가스화 반응(화학식 3 내지 6의 환원 반응)이 진행되어 CO와 H₂가 주성분인 연료 가스가 생성된다.

(d) 가스화 반응이 진행되어 발생되는 연료 가스는 가스화기의 상단을 통해 밖으로 배출된다.

(e) 가스화 반응에 의해 연료 가스가 생성되면, 생성된 가스의 일부를 생성 가스 재순환관을 통해 가스화기 하단부의 산화반응실로 공급하여 산소와 반응시켜 열과 함께 H₂O와 CO₂를 생성시킨다. 이 때, 외부에서 공급되는 연료 가스는 차단시킨다. 즉, 가스화기를 고온으로 유지하는데 필요한 열원은 가스화기로부터 생성된 가스의 일부를 재순환시켜 산소와 반응시켜서 얻게 되는 것으로, 이 때 산소는 가스화기 온도를 1300 ℃ 정도로 유지하는데 필요한 최소량만을 공급한다. 이들의 연소 생성물인 H₂O와 CO₂는 고분자 유기물과 반응하여 가스화 반응인 환원 반응을 일으켜 다시 생성 가스를 발생시킨다. 재순환된 가스 중에 산소와 반응하고 남는 가스(CO와 H₂가 주성분임)는 가스화기 밖으로 배출된다.

이와 같은 고분자 유기물의 가스화 반응에서, 공급된 고분자 유기물의 성상에 따라 생성 가스 내에 수소의 비율이 높은 경우에는 연소 반응으로 생성되는 증기의 양이 많게 되므로, 외부에서 별도의 증기를 공급하지 않아도 수소 농도가 높은 생성 가스를 얻을 수 있다. 산소와 생성 가스의 비율을 적절히 조절함으로써 산소를 완전히 소모하여 고분자 유기물이 H₂O 및 CO₂와 반응하는 상기 화학식 3 내지 6의 반응만이 진행되도록 한다.

종래의 가스화 방식에서는 산화 반응인 화학식 1과 2, 그리고 환원반응인 화학식 3 내지 6, 그리고 수성 가스 전이 반응인 화학식 7의 반응이 동시에 같은 공간에서 일어나기 때문에 생성 가스의 질과 양이 저하된다는 단점이 있다. 반면에, 본 고안에 따르면, 가스화기 하단의 산화반응실에서 연료 가스의 산화반응이 일어나고, 그 결과 생성된 CO_2,H₂O와 고분자 유기물과의 환원 반응이 가스화기 상하부의 환원반응실에서 일어나도록 분리되어 있어, 생성 가스 내의 수소 농도가 높은 양질의 생성 가스를 얻을 수 있다.

도 3은 본 고안의 다른 실시예에 따른 고분자 유기물 가스화기의 구성 및 작동 원리를 개략적으로 보여주는 모식적 단면도이다. 본 실시예에 따른 가스화기는 상기 도 2에 나타낸 것과 같은 가스화기를 구조적으로 단순화한 것으로, 가스화기 본체에 신 가스 버너(syn gas burner)가 별도로 설치된 것을 특징으로 한다.

이를 구체적으로 살펴 보면, 먼저 가스화기(101) 본체에는 고분자 유기물인 일반 쓰레기 등을 가스화기(101) 내로 공급하는 쓰레기 공급구(102)가 설치되고, 본체 상단에는 가스화기(101)로부터 생성 가스를 배출하는 출구(103)가 구비되며, 하단에는 가스화기(101)로부터 흘러나오는 잔류물(molten salt)을 저장하는 잔재 포집기(ash trap; 104)가 구비되어 있다. 그리고, 가스화기(101) 본체에는 본 실시예에 따른 가스화기의 특징적인 구조인 신 가스 버너(105)가 설치되는데, 도 3에 나타낸 가스화기에서는 양쪽에 각각 2 개씩 총 4 개가 설치되어 있다. 가스화기에 설치되는 신 가스 버너(105)의 갯수는 가스화기의 크기에 따라 결정되며, 통상적으로 2∼8 개가 바람직하다. 이밖에, 가스화기(101) 벽면에는 내부 온도를 측정하기 위한 열전대(106)가 설치되고, 가스화기(101) 상단으로부터 배출되는 생성 가스를 냉각하고 열을 회수하기 위한 열교환기(107)도 별도로 구비되어 있다. 또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 가스화기(101) 상단의 출구(103)로부터 배출되는 생성 가스를 재순환하여 신 가스 버너(105) 내로 공급하기 위한 생성 가스 재순환관도 가스화기(101) 본체에 구비되어 있다.

도 4는 본 고안의 가스화기에 설치될 수 있는 신 가스 버너(syn gas burner)의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 여기에서 보면, 신 가스 버너(105)는 일산화탄소와 수소 가스(syn gas) 또는 수소를 공급하기 위한 관(108)과 산소를 공급하기 위한 관(109)이, 각각의 선단이 인접하게 위치하도록 플랜지(110)에 의해 고정되고, 이들 관(108, 109)의 주위를 단열재(111)로 둘러싸는 구조로 되어 있다.

본 실시예에 따른 장치에서, 신 가스 버너는 일산화탄소와 수소 가스, 즉 신가스(syn gas)를 산소와 반응시킴으로써, 가스화기 내부 온도를 1200∼1600 ℃로 유지하는 동시에, 쓰레기의 환원반응에 필요한 이산화탄소와 물을 생성시키는 역할을 한다. 즉, 도 3에 따른 장치에서 신 가스 버너(105)는 도 2에 나타낸 가스화기의 산화반응실에서 일어나던 반응이 일어나는 장소가 되는 것이다.

이와 같이 단순화된 구성을 갖는 도 3에 나타낸 가스화기의 작동은, 도 2의 가스화기의 산화반응실 내에서 일어나던 반응, 즉 일산화탄소와 수소 가스가 산소와 반응하여 열과 함께 물과 이산화탄소를 생성하는 반응이, 가스화기 본체에 별도로 설치되는 신 가스 버너 내에서 일어나도록 되어 있다는 것 외에는 기본적으로 동일하다.

이하에서는, 도 3의 가스화기를 작동을 일반 쓰레기의 가스화를 대상으로 하여 설명한다.

(a') 먼저, 쓰레기의 가스화 반응을 일으키기 위해, 가스버너(LPG나 오일과 같은 통상적인 연료 사용)를 사용하여 상온의 가스화기를 연료가 연소되기 충분한 온도로 예열한다. 통상적으로 이 온도는 600 ℃ 이상이다.

(b') 가스화기 온도가 600 ℃ 이상으로 예열되면, 신 가스 버너에서 생성 가스 재순환관을 통해 CO + H₂가스(생성된 신 가스가 없을 때는 H₂가스 사용)를 주입하고 산소 가스를 서서히 주입하면서 온도의 증가를 감시한다. 점화되어 신 가스(또는 수소 가스)가 연소되기 시작하면 온도가 급증하는데, 출구에서 산소 가스 검출기를 감시하면서 산소 가스가 검출되지 않는 한도에서 산소량을 조절한다.온도의 조절은 항상 산소의 양을 조절하여 행한다. 종료시에도 산소 가스를 먼저 잠그고 온도가 내려가는 것을 보고 CO + H₂가스를 잠근다.

이와 같이 산소의 양을 조절하여 가스화기 내부를 1200∼1600 ℃ 정도까지 상승시키면 가스화기 내부는 CO + H₂가스와 산소가 반응하여 생성된 CO₂, H₂O로 채워지게 된다.

(c') 가스화기 내부의 온도가 1200∼1600 ℃ 정도로 유지되면 미리 압축, 탈기(degas) 및 건조시킨 고체 쓰레기를 쓰레기 공급구로부터 가스화기 내로 공급한다. 1600 ℃까지 가열된 환경에서는 쓰레기의 모든 유기물질(carbonaceous compound)이 신 가스 버너로부터 공급되는 CO₂/H₂O와 신속히 반응하여 가스화 반응(화학식 3 내지 6의 환원 반응)이 진행되어 CO와 H₂가 주성분인 연료 가스(syn gas)가 생성된다.

(d') 가스화 반응이 진행되어 발생되는 연료 가스(syn gas)는 가스화기의 상단을 통해 밖으로 배출된다. 약 1200 ℃ 정도로 가스화기로부터 배출되는 연료 가스(syn gas)는 열교환기를 통해 온도가 100 ℃ 이하로 떨어지게 되면 저장 탱크로 옮겨 저장하게 된다.

(e') 가스화 반응에 의해 연료 가스(syn gas)가 생성되면, 생성된 가스의 일부를 생성 가스 재순환관(도 3에서는 표시하지 않음)을 통해 가스화기에 별도로 설치된 신 가스 버너로 공급하고, 마찬가지로 공급되는 산소와 반응시켜 열과 함께H₂O와 CO₂를 생성시킨다. 즉, 가스화기를 고온으로 유지하는데 필요한 열원은 가스화기로부터 생성된 가스의 일부를 재순환시켜 산소와 반응시켜서 얻게 되는 것으로, 이 때 산소의 공급량을 조절하여 가스화기 내부 온도를 조절한다. 이들의 연소 생성물인 H₂O와 CO₂는 다시 쓰레기와 반응하여 가스화 반응인 환원 반응을 일으켜 다시 생성 가스를 발생시킨다. 재순환된 가스 중에 산소와 반응하고 남는 가스(CO와 H₂가 주성분임)는 가스화기 밖으로 배출된다.

이상과 같이, 신 가스 버너가 설치되는 가스화기에 의해 쓰레기를 가스화하는 방법에 의하면, 무엇보다도 산소 가스가 가스화기 내로 도입되지 않기 때문에 가스화기 내부에는 H₂O, CO₂, H₂, CO 만이 존재하게 되고, 산화반응은 신 가스 버너 외에는 어디에서도 일어나지 않는다. 따라서, 쓰레기의 산화로부터 이차 오염 물질(특히 다이옥신, SO_x, NO_x와 같은 산화물질)이 생성되는 일이 없게 되고, 이에 따라 싸이클론과 같은 생성 가스를 정화하기 위한 장치를 설비할 필요도 없다.

또한, 이상과 같은 가스화기에서 생성되는 가스는 H₂가스를 주성분으로 하는 고품질의 연료 가스(발전용 및 난방용)로 화학 공업의 기초 원료로 사용될 수 있다. 가스화기 내부 온도가 1200∼1600 ℃ 정도까지 되므로 모든 유기물질(-CH₂)_n이 100 % 가깝게 분해되므로, 일반 쓰레기 뿐 아니라 특수 공업용 쓰레기를 가스화하여 에너지화 하는데 효율적이다. 폐유 1 드럼이나 폐타이어 1 톤을 가스화하면 재로 남는 것은 한 주먹 정도도 안된다. 일반 쓰레기 뿐 아니라 화학전 폐기물, 농약 폐기물, 병원 폐기물, 변압기 폐유, 동물 폐기물, 원자력 발전소의 방사성 폐기물(부피를 1/100으로 줄일 수 있다) 등과 같은 특수 쓰레기 등에도 적용될 수 있다. 이 과정에서 농약이나 유독 가스도 전부 가스화되고, 병원 폐기물에 포함된 세균도 전부 가스화되어, 쓰레기 속에 포함되어 있던 Fe, S, Cl, Br, Hg 등은 FeS, FeCl₃, HgCl, HgBr 등의 무기물질로서 소량 남게 되어 잔재 포집기로 수집된다. 방사성 폐기물에서는 UX₆(Cl, Br), CeX 등으로 재로 남고 나머지는 전부 가스화되는데, 재로 남는 UX₆, CeX는 1 % 미만일 것으로 추정된다.

즉, 이와 같은 가스화기에서 생성되는 가스는 전부 냉각되어 탱크에 저장되고, 나머지 가스화되지 않는 무기물질들은 재로 남아 포집되므로, 장치 외부로 방출되어 환경오염을 일으킬 우려가 전혀 없게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 고안을 더욱 상세히 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 고안의 예시일 뿐 본 고안의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.

[실시예]

도 2에 나타낸 구성을 갖는 가스화기에서 폐유를 10 ㎏/시간의 비율로 가스화하였다. 사용된 가스화기는 직경 250 ㎜, 상부와 하부를 합한 길이가 2000 ㎜ 정도인 것이고, 가스화기 하단부에는 생성 가스 재순환관 및 산소 공급관과 연결된 가스 분사 노즐 및 산소 분사 노즐이 벽면에 접선 방향으로 설치되어 있다. 가스화기 최하단부에는 초기에 가스화기를 600 ℃ 정도로 예열하기 위한 예열 버너와, 600 ℃까지 예열한 후 예열 버너를 가스화기로부터 이탈시키고 가스화 반응후 잔류하는 재 등을 포집하기 위한 잔재 포집기가 설치되어 있다. 또한, 가스화기 벽면의 플랜지에는 가스화 반응이 진행될 때 내부 반응 상태를 관찰하기 위한 관찰창과, 가스화기 내부 온도와 압력을 측정하기 위한 설비들이 구비되어 있다.

가스화 온도 1300 ℃에서 유입된 폐유는 순식간에 폭발적으로 반응이 진행되어 생성된 H₂, CO 가스를 상부로 배출하였다. 본 실험에 사용된 폐유의 조성은 다음 표 1과 같다.

	폐유 100 ㎏의 무게비(%) (kmol)
	C	H	O	N	S
실시예 1	65 (5.417)	15 (7.500)	16 (2.375)	2 (0.071)	2 (0.063)
실시예 2	75 (6.250)	10 (5.000)	11 (2.219)	2 (0.071)	2 (0.063)
실시예 3	85 (7.083)	5 (2.500)	6 (2.063)	2 (0.071)	2 (0.063)

실시예 1, 2 및 3의 폐유 조성을 갖는 경우 화학평형을 이룬 상태에서의 가스화 조성을 도 5 내지 도 9에 나타내었다. 즉, 도 5 내지 7은 각각 실시예 1 내지 3의 조성을 갖는 폐유에 있어서, 산소 공급량의 변화에 따른 가스화 특성을 나타낸 그래프이고, 도 8 및 9는 각각 실시예 1 및 3의 조성을 갖는 폐유에 있어서, 산소/폐유 = 0.8인 경우 증기 공급량의 변화에 따른 가스화 특성을 나타낸 것이다.

이들 결과로부터, 실시예 1의 폐유에 있어서, 산소/폐유의 무게비가 0.6인 경우 가스화기 작동으로부터 얻어진 생성 가스 내의 H₂와 CO의 비율은 2:1 정도로 측정되었으며, 화학식 4의 가스화 반응이 지배적임을 확인할 수 있었다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 폐유나 석탄과 같은 고분자 유기물을 가스상의연료인 일산화탄소와 수소 가스로 전환시키는 가스화 장치에 있어서, 본 고안에 따라 가스화 반응으로 생성된 가스(CO 및 H₂가 주성분)의 일부를 가스화기로 재순환시켜 산소와의 반응에 의해 열량과 H₂O, CO₂를 생성하도록 하면, 첫째로 가스화 반응을 지속하는데 필요한 온도를 유지할 수 있으므로, 고분자 유기물과 산소를 직접 반응시켜 부분 산화 반응에 의해 가스화기 온도를 고온으로 유지하는 종래의 방법에 비하여, 가스화기 온도의 제어가 용이할 뿐 아니라 가스화기 내부 온도를 고온으로 균일하게 유지할 수 있다. 또한, 고분자 유기물의 산화 반응이 일어나는 대신에, 생성 가스의 일부가 산화 반응하여 생성된 H₂O, CO₂와 고분자 유기물의 환원 반응이 고온에서 진행되기 때문에, 고분자 유기물의 산화 반응에서 발생되는 이차 오염 물질이 없으며 생성 가스의 질이 우수할 뿐 아니라 생성 가스 내에서 수소 농도가 높다는 장점도 있다.

특히, 가스화기와 연통되게 설치된 버너 내에서 일산화탄소와 수소 가스(syn gas) 또는 수소를 산소와 반응시켜 열과 함께 물과 이산화탄소를 생성시키고, 이때 발생한 열로 가스화기 내부 온도를 유지하고 물과 이산화탄소를 쓰레기의 가스화에 사용하도록 된 장치에 의하면, 산소 가스가 가스화기 내로 도입되지 않기 때문에 쓰레기의 산화로부터 이차 오염 물질이 생성되는 일이 없게 된다. 또한, 가스화기 내에서 모든 유기물질이 100 % 가깝게 분해되므로, 일반 쓰레기 뿐 아니라 특수 공업용 쓰레기를 가스화하여 에너지화 하는데 효율적이고, 쓰레기로부터 생성된 오염 물질이 장치 외부로 배출되지 않으므로 환경오염을 일으킬 우려도 없다. 이밖에,장치가 단순화되어 있기 때문에, 가스화기를 간단하고 저렴하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.

Claims

이산화탄소와 물이 쓰레기와 반응하여 일산화탄소와 수소 가스가 생성되는 가스화 반응이 일어나는 가스화기;

일산화탄소와 수소 가스(syn gas)가 산소와 반응하여 생성되는 이산화탄소와 물을 열과 함께 가스화기 내로 공급하기 위한 신 가스 버너(syn gas burner);

가스화기 내로 쓰레기를 공급하기 위한 쓰레기 공급 수단;

가스화기로부터 생성 가스가 배출되는 출구; 및

가스화기로부터 배출되는 생성 가스의 일부를 재순환시켜 상기 신 가스 버너(syn gas burner) 내로 공급하는 생성 가스 재순환 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 쓰레기 가스화 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 신 가스 버너(syn gas burner)는,

일산화탄소와 수소 가스(syn gas) 또는 수소 공급관;

산소 공급관; 및

상기 일산화탄소와 수소 가스(syn gas) 또는 수소 공급관과 산소 공급관의 선단이 인접하게 위치하도록 이들 공급관을 고정하기 위한 플랜지로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.