KR20110032532A - Fuel cell combined power system using waste gasification process - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 폐기물의 열분해/가스화법을 적용한 연료전지 열병합 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가연성 폐기물에 열분해/가스화 공정을 적용하여 H2, CO를 비롯하여 CH4, CO2, H2O, H2S, HCl, N2 등 다양한 열분해 가스를 생산한 후, 상기 열분해 가스를 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC) 등의 연료전지에 공급하여 연료로 사용할 수 있는 연료전지 열병합 발전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell cogeneration system using a pyrolysis / gasification method of waste, and more particularly, to a flammable waste by applying a pyrolysis / gasification process, including H 2 , CO, CH 4 , CO 2 , H 2 O, Fuel that can be used as fuel by producing various pyrolysis gases such as H 2 S, HCl, and N 2 , and supplying the pyrolysis gas to fuel cells such as molten carbonate fuel cell (MCFC) or solid oxide fuel cell (SOFC). The present invention relates to a battery cogeneration system.
일반적으로 가정 및 식당 등에서 배출되는 음식물 쓰레기, 각종 산업현장에서의 유기성 슬러지, 축사 등에서 발생되는 축분 및 인분 등과 같은 각종 가연성 폐기물은 자연상태 그대로 배출되는 경우에 토양과 하천 등을 오염시키고 각종 환경 문제 및 사회문제를 일으킨다.Generally, various kinds of combustible wastes such as food wastes emitted from homes and restaurants, organic sludges in various industrial sites, livestock sludges and servings from barns, etc. are polluted with soil and rivers when discharged as they are, and various environmental problems and Cause social problems.
하수슬러지, 폐수슬러지, 음식폐기물, 축산분뇨 등의 유기성 슬러지의 국내에서 발생하는 양은 500만톤 이상이며, 이들 유기성 슬러지는 현재 사료화, 퇴비, 복토재 등으로 재활용되고 있으나 수요처 감소, 토양 오염으로 인하여 많은 어려움을 겪고 있다.Organic sludge such as sewage sludge, wastewater sludge, food waste, and livestock manure are generated in Korea more than 5 million tons, and these organic sludges are currently recycled as feed, compost, and cover materials. Are going through.
이 중에서 하수슬러지, 폐수슬러지 발생량은 처리장의 증설에 따라 증가할 것으로 예상된다. 하수슬러지는 건조 후 연료화하여 석탄과 혼합연소 방법 등으로 처리하는 방법으로 처리할 수 있으나, 폐수슬러지에는 다양한 중금속 및 연소 시 유해가스 발생 물질인 유황, 염소 등이 다량 포함되어, 건조 후 직접 연소하는데 많은 제약이 있다. 또한 음식폐기물은 혐기성 소화처리를 거친 후에도 다량의 잔류물이 발생하고 높은 농도의 염분이 포함되어 있어, 이들을 건조하여 연소하면 연소실 및 열교환기 등에 염분부식을 일으키는 문제가 생긴다. Of these, sewage sludge and wastewater sludge generation is expected to increase with capacity expansion. Sewage sludge can be treated by drying and fueling it and treating it with coal and mixed combustion methods, but wastewater sludge contains various heavy metals and sulfur and chlorine, which are harmful gas generating substances during combustion, and burns directly after drying. There are many restrictions. In addition, since food wastes are subjected to anaerobic digestion, a large amount of residues are generated and contain high concentrations of salts. When these foods are dried and burned, they cause salt corrosion in combustion chambers and heat exchangers.
이러한 유기성 폐기물의 열분해/가스화를 이용한 처리방법은 널리 이용되고 있으나, 현재까지는 생성된 열분해 가스를 연소하여 수증기 또는 온수를 산업이나 난방에 이용하거나, 아니면 지리적으로 여의치 않을 경우 단순히 연소하여 외부로 배출하는 방법이 주로 이용되었다. 최근 화석에너지 가격의 급등으로 유기성 폐기물을 안정적으로 처리한 후 잉여에너지를 효과적으로 활용하는 방안의 일환으로 열분해 처리 후 발생하는 열분해 가스를 연소하여 증기/가스터빈을 구동하여 전력으로 생산하는 방안이 적극 고려되고 있으나, 폐기물을 열분해 공정을 이용하여 얻은 열분해 가스는 발열량이 LNG 또는 LPG와 비교하여 30~70% 정도이므로 증기터빈을 이용할 경우 전기생산 효율이 20~25% 정도로 매우 낮다. 그러나 LNG 또는 LPG를 전 용으로 연소하여 증기터빈을 구동할 경우 발전 효율이 40% 이상이다. The treatment method using pyrolysis / gasification of such organic waste is widely used, but until now, the pyrolysis gas produced is combusted to use steam or hot water for industrial or heating, or simply burned and discharged to the outside when it is not geographically feasible. The method was mainly used. As a way to utilize organic surplus energy after stable treatment of organic waste due to the recent surge in fossil energy prices, it is strongly considered that the pyrolysis gas generated after pyrolysis treatment is driven to produce steam and gas turbines for power generation. However, the pyrolysis gas obtained by using the pyrolysis process of the waste is 30 ~ 70% of the calorific value compared to LNG or LPG, so when using a steam turbine, the electricity production efficiency is very low, about 20-25%. However, if the steam turbine is driven by burning LNG or LPG exclusively, power generation efficiency is over 40%.
그러나 유기성 폐기물 중에서 염소(Cl) 성분 또는 염분(NaCl)이 포함된 음식폐기물이나 크롬(Cr), 수은, 알루미늄 등의 다양한 중금속이 포함된 폐수슬러지를 건조 후 연소하거나 열분해/가스화 처리하는 기술은 중금속 및 염소가스 처리의 어려움으로 인하여 상용화되지 못하고 있다. 이들 폐기물은 공통적으로 수분농도가 80% 정도로 높아 건조공정에 많은 에너지가 필요하므로 높은 처리비용으로 인하여 큰 어려움을 겪고 있다. However, the technology of drying, burning or pyrolysis / gasification of food waste containing chlorine (Cl) component or salt (NaCl) or wastewater sludge containing various heavy metals such as chromium (Cr), mercury and aluminum among organic wastes And due to the difficulty of processing chlorine gas has not been commercialized. Since these wastes have a high water concentration of about 80% in general, a large amount of energy is required for the drying process, which causes a great difficulty due to the high treatment cost.
한편, 최근 고효율이고 환경 친화적인 연료전지가 새로운 전기에너지원으로 각광받고 있다. 연료전지는 연료의 공급에 의해 지속적으로 발전하는 특성을 가지는 것으로서, 연료로서는 주로 수소를 사용하고, 공기 중의 산소를 이용하여 수소의 산화 및 산소의 환원과정을 통해 물을 발생시키며 발전하는 시스템이다.On the other hand, recently, high efficiency and environmentally friendly fuel cells have been spotlighted as a new electric energy source. A fuel cell has a characteristic of continuously generating power by supplying fuel. The fuel cell mainly uses hydrogen as a fuel and generates water by generating water through oxidation of hydrogen and reduction of oxygen using oxygen in the air.
특히, 용융탄산염형 연료전지(MCFC)와 같은 연료전지는 탄산염으로 된 전해질이 고온에서 용융상태로 되어 전극반응을 일으키기 때문에 600℃ 이상의 고온에서 발전하는 시스템으로서, 수소의 산화 및 산소의 환원에 고가의 귀금속 촉매가 필요하지 않다. 따라서 일산화탄소와 같은 피독성 가스 이용이 용이하여, 수소와 일산화탄소의 혼합가스를 연료로 이용할 수도 있고, 고온의 폐열도 이용할 수 있어 효율이 높다는 특징을 가지고 있다.In particular, a fuel cell such as a molten carbonate fuel cell (MCFC) is a system that generates electricity at a high temperature of 600 ° C. or higher because an electrolyte made of carbonate becomes molten at a high temperature to cause an electrode reaction, which is expensive for hydrogen oxidation and oxygen reduction. No noble metal catalyst is needed. Therefore, it is easy to use a toxic gas such as carbon monoxide, and a mixture of hydrogen and carbon monoxide can be used as a fuel, and high-temperature waste heat can be used, which is characterized by high efficiency.
또한, 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소이온 전달성의 지르코니아를 전해질로 사용하며, 전극은 니켈산화물 및 전도성 세라믹을 사용하므로 700℃ 이상의 고온에서의 발전이 가능하며, 수소와 일산화탄소의 혼합물을 연료로 사용할 수 있다.In addition, solid oxide fuel cell (SOFC) uses oxygen ion transfer zirconia as electrolyte, and the electrode uses nickel oxide and conductive ceramic, so it is possible to generate power at high temperature above 700 ℃, and the mixture of hydrogen and carbon monoxide as fuel Can be used.
이러한 연료전지에 사용되는 연료로서는 메탄이 주성분인 천연가스를 하기 화학식 1과 같이 수증기 개질하여 수소와 일산화탄소로 전환하여 사용하고 있다.As a fuel used in such a fuel cell, natural gas whose methane is a main component is steam-modified as shown in Chemical Formula 1 to be converted into hydrogen and carbon monoxide.
[화학식 1][Formula 1]
CH4 + H2O = 3H2 + COCH 4 + H 2 O = 3H 2 + CO
그러나 천연가스는 전량 수입에 의존하는 국내 현실을 감안할 때 경제성 확보문제가 대두될 수 있다. 또한 석탄가스화 가스를 사용하여 발전이 가능하나, 국내에서의 석탄 가스화 기술은 아직 성숙되지 않은 단계로서 사용하기까지는 시간이 필요한 실정이다.However, considering domestic realities that depend on imports of natural gas, economic problems may arise. In addition, it is possible to generate power using coal gasification gas, but domestic coal gasification technology is a situation that has not yet matured, it takes time to use.
한국공개특허 제2009-0045251호에서는 저온인 200℃ 이하에서 수증기를 공급하여 폐기물로부터 디젤연료와 더불어 생성되는 수소를 이용하여 저온 연료전지를 구동하는 것을 특징으로 하는, 금속을 포함하는 폐기물을 처리하기 위한 장치가 설명되어 있다. 하지만 한국공개특허 제2009-0045251호의 폐기물 처리 장치는 다양한 발생가스 중에서 수소를 분리하는 장치를 필수적으로 포함되어야 하는 문제점이 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2009-0045251 supplies a steam at a low temperature of 200 ° C. or lower to drive a low temperature fuel cell using hydrogen generated together with diesel fuel from the waste. An apparatus for this is described. However, the waste treatment apparatus of Korean Patent Publication No. 2009-0045251 has a problem that an apparatus for separating hydrogen from various generated gases must be included.
본 발명의 목적은 가연성 폐기물의 열분해/가스화를 통해 생성된 소량의 수 소와 일산화탄소를 포함하는 열분해 가스를 사용하며, 소량의 수소와 일산화탄소를 포함하는 열분해 가스를 연료로 사용하여도 높은 발전 효율을 나타내는 연료전지를 포함하여 구성된, 고효율을 나타내면서도 친환경적인 연료전지 열병합 발전 시스템을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to use a pyrolysis gas containing a small amount of hydrogen and carbon monoxide generated through the pyrolysis / gasification of the combustible waste, and high power generation efficiency even when using a pyrolysis gas containing a small amount of hydrogen and carbon monoxide as a fuel. The present invention provides a fuel cell cogeneration system that exhibits high efficiency and is environmentally friendly, including a fuel cell.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은,In order to achieve the above object, the present invention,
가연성 폐기물의 수분을 증발시키기 위한 가연성 폐기물 건조장치;A flammable waste drying apparatus for evaporating moisture of the flammable waste;
상기 가연성 폐기물 건조장치로부터 건조된 폐기물을 열분해하여 열분해 가스를 생성시키는 열분해 장치;A pyrolysis device that pyrolyzes the dried waste from the combustible waste drying device to generate a pyrolysis gas;
상기 열분해 장치로부터 생성된 열분해 가스에 포함된 산성가스를 제거하기 위한 가스 정제기;A gas purifier for removing acid gas contained in the pyrolysis gas generated from the pyrolysis apparatus;
상기 가스 정제기를 통해 정제된 열분해 가스를 애노드로부터 공급받아 전기를 생산하는 연료전지; 및A fuel cell configured to generate electricity by receiving purified pyrolysis gas from an anode through the gas purifier; And
상기 연료전지의 애노드로부터 배출되는 미반응 수소와 일산화탄소를 촉매를 사용하여 공기와 함께 산화시키는 촉매연소기를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 열분해/가스화법을 적용한 연료전지 열병합 발전 시스템을 제공한다.The present invention provides a fuel cell cogeneration system using a pyrolysis / gasification method of waste, comprising a catalytic combustor for oxidizing unreacted hydrogen and carbon monoxide discharged from an anode of the fuel cell together with air using a catalyst.
본 발명자들은 폐기물의 열분해/가스화법을 적용한 연료전지 열병합 발전 시스템에 관하여 연구한 결과, 가연성 폐기물에 포함된 에너지원인 유기물을 효과적 으로 이용하기 위한 방안으로 열분해/가스화 법을 적용하여 H2, CO를 비롯한 CH4, CO2, H2O, H2S, HCl, N2 등을 포함하는 열분해 가스를 생산한 후, 상기 열분해 가스를 별도의 수소를 분리하기 위한 장치를 거칠 필요없이 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)에 공급하여 연료로 사용할 수 있는 연료전지 열병합 발전 시스템을 개발하기에 이르렀다.The present inventors have studied a fuel cell cogeneration system using the pyrolysis / gasification method of waste. As a result, H 2 , CO is applied by applying the pyrolysis / gasification method to effectively use organic materials, which are energy sources included in flammable waste. After producing the pyrolysis gas including CH 4 , CO 2 , H 2 O, H 2 S, HCl, N 2, etc., the molten carbonate fuel without having to go through a device for separating hydrogen from the pyrolysis gas It has led to the development of a fuel cell cogeneration system that can be supplied as a fuel to a cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC).
하기에서 본 발명에 따른 폐기물의 열분해/가스화법을 적용한 연료전지 열병합 발전 시스템에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a fuel cell cogeneration system using the pyrolysis / gasification method of waste according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 폐기물의 열분해/가스화법을 적용한 연료전지 열병합 발전 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing the structure of a fuel cell cogeneration system to which the pyrolysis / gasification of waste of the present invention is applied.
도 1을 참조하면, 본 발명의 폐기물의 열분해/가스화법을 적용한 연료전지 열병합 발전 시스템(200)의 구성요소 중 가연성 폐기물 건조장치(110)는 가연성 폐기물(100)을 건조시키기 위해 사용된다.Referring to FIG. 1, the combustible
본 발명에서 사용될 수 있는 가연성 폐기물(100)로는 생활폐기물, 폐플라스틱, 목질계 폐기물을 비롯하여 니켈, 크롬, 납, 수은 등의 중금속이 포함된 폐수슬러지가 사용가능하며 하수종말처리장의 하수슬러지, 축산분뇨, 음식폐기물 처리장에서 발생하는 잔유물이 사용될 수 있으나, 이들 또한 종류가 특별히 제한되지 않는다. 본 발명은 사용되는 가연성 폐기물(100)은 통상 30 내지 90중량%의 수분을 포함하며, 니켈, 크롬, 납, 수은 등의 중금속이 0.5~2,000 ppm 정도 포함된 것일 수 있다.As
상술한 가연성 폐기물(100)은 가연성 폐기물 건조장치(110)를 사용하여 최종 함수율이 10% 이하가 되도록 건조되는 것이 바람직하다.The
상기 가연성 폐기물 건조장치(110)로는 가연성 폐기물을 건조할 수 있는 장치이면 제한 없이 사용될 수 있다.The combustible
상술한 바와 같이 가연성 폐기물 건조장치(110)를 사용하여 건조된 가연성 폐기물은 열분해 가스를 생성하기 위해 열분해 장치(120)에 투입된다.As described above, the combustible waste dried using the combustible
본 발명의 한 실시형태에 있어서, 열분해 장치(120)는 400~800℃ 온도에서 가열하여 건조된 가연성 폐기물을 부분산화식 또는 간접가열식으로 가열하여 휘발분과 유기물을 열분해하는 저온 열분해 장치일 수 있으며, 1,100~11,600℃ 온도에서 플라즈마를 이용하여 휘발분과 유기물을 열분해하는 고온 열분해 장치일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
상술한 열분해 장치(120)를 사용하여 건조된 가연성 폐기물을 열분해하는 경우 H2, CO, CH4, CO2, H2O, H2S, HCl, N2 등을 포함하는 열분해 가스가 생성될 수 있다.When pyrolysing the combustible waste dried using the above-described
상기 열분해 가스는 사용하는 가연성 폐기물의 종류 및 열분해 장치의 특징에 따라 다양한 합성 가스로 발생될 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 열분해 가스에서 H2 농도는 13~40 부피%, CO 농도는 13~35 부피%, CH4 농도는 1~3 부피%, CO2 농도는 6~16 부피%, H2O 농도는 5~40 부피%, H2S는 0.1~2 부피%, HCl 농도는 0.01~1 부피%, N2 농도는 1~15 부피%일 수 있다. The pyrolysis gas may be generated as various synthesis gases according to the type of flammable waste used and the characteristics of the pyrolysis apparatus. In one embodiment of the present invention, the H 2 concentration in the pyrolysis gas is 13 to 40% by volume, CO concentration is 13 to 35% by volume, CH 4 concentration is 1 to 3% by volume, CO 2 concentration is 6 to 16 volumes. %, H 2 O concentration may be 5 to 40% by volume, H 2 S is 0.1 to 2% by volume, HCl may be 0.01 to 1% by volume, N 2 concentration may be 1 to 15% by volume.
열분해 장치(120)로부터 생성된 열분해 가스는 가스 정제기(130)로 투입된다.The pyrolysis gas generated from the
열분해 장치(120)로부터 생성된 열분해 가스에는 가연성 폐기물에 포함된 유황(S), 염소(Cl) 성분에 의한 HCl 가스, SO2 가스, Cl2 가스 등과 같은 산성가스가 포함될 수 있으며, 이와 같은 산성가스는 가스 정제기(130)를 거쳐 제거될 수 있다.The pyrolysis gas generated from the
본 발명의 한 실시형태에 있어서, 가스 정제기(130)를 사용하여 상술한 열분해 가스에 포함된 산성가스를 제거하기 위하여 가스 정제기(130)에 열분해 가스를 투입한 후 소석회(Ca(OH)2) 분말, 생석회(CaO) 분말, 돌로마이트(CaMg(CO3)2) 분말 및 중탄산소다(NaHCO3) 분말로 이루어진 군으로부터 선택된 1종의 분말 또는 2종 이상의 혼합분말을 분사함으로써 제거할 수 있다. 보다 구체적으로 열분해 가스에 포함된 산성 가스는 HCl 가스, SO2 가스, Cl2 가스이므로 소석회(Ca(OH)2) 분말, 생석회(CaO) 분말, 돌로마이트(CaMg(CO3)2) 분말 및 중탄산소다(NaHCO3) 분말을 혼합하여 열분해 가스에 분사하는 경우, 상기 혼합분말들과 산성가스가 하기 화학식 2 내지 10에 따른 화학 반응에 의해 NH4Cl, CaCl2, CaS, CaSO4, NaCl과 같은 생성물을 형성하게 되고 추후 이를 제거하여 산성가스를 제거할 수 있다(하기 화학식 2-10 참조).In one embodiment of the present invention, using the
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3](3)
[화학식 4][Formula 4]
[화학식 5][Chemical Formula 5]
[화학식 6][Formula 6]
[화학식 7][Formula 7]
[화학식 8][Formula 8]
[화학식 9][Formula 9]
[화학식 10][Formula 10]
상술한 바와 같이 정제된 열분해 가스는 연료전지(150)의 애노드(152)에 연료로서 공급되어 발전에 사용된다.As described above, the purified pyrolysis gas is supplied as fuel to the
본 발명에서 사용되는 연료전지(150)는 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 사용할 수 있으며, 보통 사용되는 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 제한 없이 사용할 수 있다.The
용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 수소 및 일산화탄소의 산화 및 산소의 환원 반응을 원활히 진행하기 위해 넓은 표면적의 다공성 전극을 사용할 수 있다. 이 두 전극의 사이의 세라믹 다공체에 함침된 용융탄산염이 주로 수소로 구성된 연료와 산소로 구성된 산화제의 직접 접촉을 막아준다. 또한 공기극(캐소드)에서 생성된 카보네이트 이온(CO3 2 -)이 연료극(애노드)으로 이동하는 통로의 역할을 수행한다.In the molten carbonate fuel cell (MCFC), a porous electrode having a large surface area may be used to smoothly proceed with oxidation of hydrogen and carbon monoxide and reduction of oxygen. The molten carbonate impregnated in the ceramic porous body between the two electrodes prevents direct contact between the fuel mainly composed of hydrogen and the oxidant composed of oxygen. In addition, the carbonate ions (CO 3 2 − ) generated in the cathode (cathode) serve as a passage for moving to the anode (anode).
용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 고온에서 작동하는 연료전지로서 전극반응 속도가 충분히 빨라 폐기물로부터 발생될 것으로 생각되는 소량의 수소와 일산화탄소 혼합물에 대해서도 일반적인 수소연료와 거의 동일한 전압-전류 및 전류-파워 특성을 나타낼 수 있다.Molten carbonate fuel cell (MCFC) is a fuel cell that operates at high temperature, and the voltage-current and current-power is almost the same as that of ordinary hydrogen fuel, even for the small amount of hydrogen and carbon monoxide mixtures that are expected to be generated from waste due to the fast electrode reaction rate. Can exhibit characteristics.
또한 고체산화물 연료전지(SOFC)는 수소 및 일산화탄소의 산화가 산화니켈로 부터 출발한 니켈 금속에서 이루어지고, 산소의 환원은 전도성 세라믹에 의해 이루어진다. 또 산소이온 전도성 지르코니아 등의 전해질이 연료극인 애노드와 공기극인 캐소드 사이에 배치되어 수소나 일산화탄소가 산소와 화학반응하는 것을 막아주기도 한다.In addition, the solid oxide fuel cell (SOFC) is made of nickel metal, in which the oxidation of hydrogen and carbon monoxide starts from nickel oxide, and the reduction of oxygen is performed by a conductive ceramic. In addition, an electrolyte such as an oxygen ion conductive zirconia is disposed between the anode, which is the fuel electrode, and the cathode, which is the air electrode, to prevent hydrogen or carbon monoxide from chemically reacting with oxygen.
그러나 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)가 하나의 단위전지로 사용되는 경우 이론 기전력이 약 1V로서 낮아 실제 사용하기에는 부적절하다. 따라서 이러한 단위전지를 전도체인 분리판을 통하여 적층하여 전기적으로 직렬 연결하여 적층수의 조절에 의해 목적하는 용량의 발전시스템으로 구성하여 사용할 수 있다.However, when a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC) is used as one unit cell, the theoretical electromotive force is about 1V, which is not suitable for practical use. Therefore, such unit cells can be stacked and electrically connected in series through a separator, which is a conductor, to be used as a power generation system having a desired capacity by controlling the number of stacked cells.
즉 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC) 단위전지는 한 쌍의 다공질 전극판(연료극 및 공기극)과 이들 사이에 존재하는 전해질판으로 구성되나, 이들 단위전지는 전도성의 분리판을 매개하여 적층된다. 분리판은 각 단위전지간의 전기적인 접속을 제공함과 동시에 연료극인 애노드에 연료가스의 유로와 공기극인 캐소드에 산화제가스의 유로를 제공한다.That is, a molten carbonate fuel cell (MCFC) or a solid oxide fuel cell (SOFC) unit cell is composed of a pair of porous electrode plates (fuel electrode and air electrode) and an electrolyte plate present therebetween. Laminated via the plate. The separator provides electrical connection between the unit cells and provides a flow path of fuel gas to the anode, the anode, and a flow path of oxidant gas to the cathode, the cathode.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 사용하는 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 적층구조의 연료전지일 수 있다. 상기 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)에는 반응가스의 분배 및 회수기능을 가지는 매니폴드를 설치함으로써 반응에 필요한 가스가 입구 매니폴드를 통해 공급되고, 공기극 및 연료극 반응을 거친 후에 반대편 매니폴드를 통해 외부로 배출시킬 수 있다.As described above, the molten carbonate fuel cell (MCFC) or the solid oxide fuel cell (SOFC) used in the present invention may be a fuel cell having a stacked structure. The molten carbonate fuel cell (MCFC) or the solid oxide fuel cell (SOFC) is provided with a manifold having a distribution and recovery function of the reaction gas, the gas required for the reaction is supplied through the inlet manifold, and the cathode and anode reaction After roughing it can be discharged to the outside through the opposite manifold.
본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전 시스템(200)은 연료전지(150)의 애노드(152)로부터 배출되는 미반응 수소와 일산화탄소를 촉매를 사용하여 공기와 함께 산화시키는 촉매연소기(160)를 포함한다.The fuel
촉매연소기(160)는 소량의 수소와 일산화탄소를 연소시킬 수 있는 반응장치로서 연소기 내부에 연소촉매를 설치하여 연료전지(150)의 애노드(152)로부터 배출되는 미반응된 소량의 수소와 일산화탄소를 포함하는 가스를 공기와 함께 공급하여 산화시켜 열을 발생하는 반응장치이다. 따라서 촉매연소기(160)에서 배출되는 가스는 공기와 수증기 및 이산화탄소를 주성분으로 하여 구성되어 있다.The
촉매연소기(160)에서 소량의 수소와 일산화탄소를 공기와 함께 산화시켜 발생되는 열은 애노드에 공급되는 열분해 가스를 예열하는 데 사용될 수도 있으며, 가연성 폐기물 건조장치(110)로 회수되어 가연성 폐기물의 건조에 사용될 수 있다.Heat generated by oxidizing a small amount of hydrogen and carbon monoxide together with air in the
공기, 수증기, 이산화탄소 등을 포함하는 촉매연소기(160)의 배출가스는 연료전지(150)의 캐소드(151)에 공급되어 공기중의 산소성분에 의해 전기화학 반응에 사용된 후 잉여가스는 출구를 통해 배출될 수 있다. 배출된 가스 또한 가연성 폐기물 건조장치(110)로 회수되어 가연성 폐기물의 건조에 사용될 수 있다.Exhaust gas of the
본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전 시스템(200)은 가스 정제기(130)와 연료전지(150) 사이에 배치되어, 가스 정제기(130)로부터 공급되는 열분해 가스의 온도를 유지할 수 있게 하는 열교환기(140)를 더 포함할 수 있다. The fuel
상기 열교환기(140)는 가스 정제기(130) 또는 촉매연소기(160)로부터 공급되 는 가스의 온도를 반응에 적절한 온도로 유지하여 연료전지(150)에 공급하는 역할을 한다.The
또한, 본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전 시스템(200)은 연료전지(150)로부터 발생된 직류를 교류로 변환시키는 직류-교류 변환기(170)를 더 포함할 수 있다.In addition, the fuel
상술한 본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전 시스템(200)은 가연성 폐기물의 열분해/가스화를 통해 생성된 소량의 수소와 일산화탄소를 포함하는 열분해 가스를 사용하며, 소량의 수소와 일산화탄소를 포함하는 열분해 가스를 연료를 사용하여도 높은 발전 효율을 나타내는 연료전지를 활용함으로써, 45% 이상의 발전효율과 65% 이상의 열효율을 얻을 수 있다.The fuel
또 본 발명은, In addition, the present invention,
가연성 폐기물 건조장치를 사용하여 가연성 폐기물을 건조시키는 단계(단계 1);Drying the combustible waste using a combustible waste drying apparatus (step 1);
상기 건조된 가연성 폐기물을 열분해하여 열분해 가스를 생성시키는 단계(단계 2);Pyrolysing the dried combustible waste to produce a pyrolysis gas (step 2);
상기 열분해 가스에 포함된 산성가스를 제거하여 정제하는 단계(단계 3); 및Purifying by removing the acid gas contained in the pyrolysis gas (step 3); And
상기 정제된 열분해 가스를 공급받아 연료전지로부터 전기를 생성하는 단계(단계 4)를 포함하는 폐기물의 열분해/가스화법 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법을 제공한다.Provided is a pyrolysis / gasification method of waste and a cogeneration method using a fuel cell including the step of generating electricity from a fuel cell by receiving the purified pyrolysis gas.
하기에서 본 발명에 따른 유기물 폐기물의 열분해/가스화법 및 연료전지를 사용한 열병합 발전방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a thermal decomposition / gasification method of organic waste and a cogeneration method using a fuel cell according to the present invention will be described in more detail.
우선, 가연성 폐기물 건조장치를 사용하여 가연성 폐기물을 건조시킨다(단계 1).First, the combustible waste is dried using a combustible waste drying apparatus (step 1).
상술한 바와 같이 본 발명에서 사용하는 가연성 폐기물은 생활폐기물, 폐플라스틱, 유기성 슬러지, 음식폐기물, 축산분뇨, 목질계 폐기물 등일 수 있다. 상기 단계 1에서 가연성 폐기물은 함수율이 10% 이하가 되도록 건조되는 것이 바람직하다.As described above, the combustible waste used in the present invention may be domestic waste, waste plastic, organic sludge, food waste, livestock manure, wood waste, and the like. In
다음으로, 상기 건조된 가연성 폐기물을 열분해하여 열분해 가스를 생성시킨다(단계 2).Next, the dried combustible waste is pyrolyzed to produce a pyrolysis gas (step 2).
본 발명의 한 실시형태에 있어서, 상기 건조된 가연성 폐기물을 열분해하여 열분해 가스를 생성시키는 단계는 가연성 폐기물의 일부를 연소시킬 수 있도록 완전연소에 필요한 산소량의 20~30%를 공급하여 이 과정에서 발생한 열을 이용할 수 있다. 또는 별도의 외부의 열원을 이용하는 간접가열 방법으로 건조된 폐기물을 400~800℃ 정도로 가열하여 휘발분과 유기물을 열분해시켜 수행될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the step of pyrolysing the dried combustible waste to generate a pyrolysis gas is generated by supplying 20-30% of the amount of oxygen required for complete combustion to burn a part of the combustible waste. Heat is available. Alternatively, the waste dried by an indirect heating method using a separate external heat source may be heated to about 400 to 800 ° C. to pyrolyze volatile matter and organic matter.
또한 본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 상기 건조된 가연성 폐기물을 열분해하여 열분해 가스를 생성시키는 단계는 플라즈마 토치 등을 이용하여 반응로 분위기 온도가 1,100~11,600℃에서 폐기물을 급속히 열분해 시키는 고온 열분해 장치를 사용하여 수행될 수 있다.In another embodiment of the present invention, the step of pyrolyzing the dried combustible waste to generate a pyrolysis gas is a high temperature pyrolysis apparatus for rapidly pyrolyzing waste at a reactor atmosphere temperature of 1,100 ~ 11,600 ℃ using a plasma torch or the like. Can be performed using.
상기 가연성 폐기물의 열분해 시간은 함수율, 유기물 농도, 탄화도 등에 따라 차이를 나타낼 수 있으며, 분위기 온도 400~800℃ 정도의 저온 열분해 장치를 사용하는 경우 2~6시간 정도 소요될 수 있고, 반응로 분위기 온도가 1,100~11,600℃인 플라즈마를 이용하는 고온 열분해 장치를 사용하는 경우 20~80분 정도 소요될 수 있다.The pyrolysis time of the flammable waste may show a difference depending on the moisture content, organic concentration, carbonization degree, etc., and when using a low-temperature pyrolysis device with an ambient temperature of 400 ~ 800 ℃, it may take about 2 to 6 hours, the reactor atmosphere temperature is When using a high temperature pyrolysis apparatus using a plasma of 1,100 ~ 11,600 ℃ it may take about 20 ~ 80 minutes.
다음으로, 상기 단계 2에서 생성된 열분해 가스로부터 산성가스를 제거하여 정제한다(단계 3).Next, the acid gas is removed and purified from the pyrolysis gas generated in step 2 (step 3).
상기 단계 2의 열분해 공정을 통해 생성된 열분해 가스는 열분해 가스에 포함된 유황(S), 염소(Cl) 성분에 의한 HCl 가스, SO2 가스, Cl2 가스 등과 같은 산성가스를 포함하기 때문에 상기 열분해 가스는 정제 과정이 필요하다.The pyrolysis gas produced through the pyrolysis process of
상기 열분해 가스로부터 상기 산성가스를 제거하기 위하여 상술한 바와 같이 가스 정제기 내부에 상기 열분해 가스를 투입한 후, 소석회 분말, 생석회 분말, 돌로마이트 분말 및 중탄산소다 분말을 혼합하여 열분해 가스에 분사하는 경우 상기 혼합분말들과 산성가스가 상기 화학식 2 내지 10으로 나타난 화학 반응에 의해 생성물을 형성하고, 추후 이를 배출시킴으로서 제거할 수 있다.In order to remove the acidic gas from the pyrolysis gas, the pyrolysis gas is introduced into the gas purifier as described above, and when the slaked lime powder, quicklime powder, dolomite powder and sodium bicarbonate powder are mixed and sprayed onto the pyrolysis gas, the mixing is performed. Powders and acidic gas can be removed by forming a product by the chemical reaction represented by
이와 같이 열분해 가스의 정제 공정을 거쳐 최종 정제된 열분해 가스에는 HCl, NH3, SO2 농도가 10 ppm 이하일 수 있다.As such, the final purified pyrolysis gas through the purification process of the pyrolysis gas may have a concentration of HCl, NH 3 , and SO 2 of 10 ppm or less.
마지막으로, 상기 단계 3에서 정제된 열분해 가스를 연료전지에 공급하여 전기를 생성한다(단계 4).Finally, the pyrolysis gas purified in step 3 is supplied to the fuel cell to generate electricity (step 4).
상기 단계 4에서 사용하는 연료전지는 소량의 수소 및 일산화탄소를 포함하는 혼합가스를 연료로 발전과 열에너지를 동시에 이용할 수 있는 열병합이 가능한 연료전지를 사용할 수 있다. 상기 연료전지로는 본 발명의 연료전지 열병합 발전 시스템에서 설명한 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 사용할 수 있다.The fuel cell used in
이와 같이 상기 단계 4에서 연료전지에 열분해 가스를 공급하여 직류를 생성한 후, 직류를 교류로 변환하는 직류-교류 변환기를 통해 교류로 변환될 수 있다.As described above, after generating the direct current by supplying the pyrolysis gas to the fuel cell in
본 발명의 열병합 발전방법은 상기 단계 2에서 가연성 폐기물을 열분해하여 열분해 가스를 생성한 후, 배출되는 용융 슬러그를 비산 급냉시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The cogeneration method of the present invention may further include a step of pyrolyzing the combustible waste in
본 발명의 한 실시형태에 있어서, 상기 단계 2에서 가연성 폐기물을 열분해하여 열분해 가스를 생성한 후 배출되는 용융 슬러그를 원추형 회전판에 낙하시키면서 비산시키고 급냉하여 미세골재를 형성할 수 있다. 이때, 원추형 회전판의 회전속도는 300~20,000 rpm의 범위이고, 1,000~20,000 rpm인 것이 바람직하다.In one embodiment of the present invention, the pyrolysis of the combustible waste in
상기 조건의 원추형 회전판에 낙하하면서 비산 급냉되어 얻어지는 미세골재는 표면이 유리화된 것으로서 상기 미세골재는 지름이 1~5mm 정도의 크기로 제조될 수 있다. 또 표면이 유리화되어 있어 본래 슬러지 내 포함되어 있던 중금속이 냉각된 골재로부터 용출이 불가능한 상태가 되어 친환경적 재활용 자재로서 사용할 수 있다. The fine aggregate obtained by dropping and quenching while falling on the conical rotating plate of the above conditions is that the surface is vitrified, the fine aggregate can be produced in a size of about 1 ~ 5mm in diameter. In addition, since the surface is vitrified, the heavy metal originally contained in the sludge becomes impossible to be eluted from the cooled aggregate and can be used as an environmentally friendly recycling material.
또한, 본 발명의 방법은 상기 단계 4에서 연료전지를 통해 전기를 생성한 후, 연료로서 공급된 열분해 가스 중 미반응된 열분해 가스를 회수하여 촉매연소기를 통해 공기와 함께 산화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include generating electricity through the fuel cell in
상기 촉매연소기를 통해 미반응된 열분해 가스를 공기와 함께 산화시켜 열을 발생시킬 수 있으며, 이와 같이 발생된 열은 가연성 폐기물 건조장치로 회수되어 가연성 폐기물의 건조에 사용될 수 있다. 또한 촉매연소기에서의 산화과정에서 발생된 배출가스는 회수되어 연료전지의 캐소드에 공급됨으로써 전기화학 반응에 사용될 수 있다.The catalytic combustion unit may generate heat by oxidizing the unreacted pyrolysis gas together with air, and the generated heat may be recovered by a flammable waste drying apparatus and used to dry flammable waste. In addition, the exhaust gas generated during the oxidation in the catalytic combustor is recovered and supplied to the cathode of the fuel cell so that it can be used for the electrochemical reaction.
본 발명은 가연성 폐기물 중에서 중금속과 공해물질이 포함되어 기존의 직접소각, 석탄과 혼합연소가 곤란한 폐수슬러지, 음식폐기물 처리 잔유물 등을 고효율 건조 후 열분해 공정을 통하여 얻어지는 열분해 가스로 증기 또는 가스터빈 발전이 아닌 연료전지를 이용할 수 있다. 따라서 발전효율이 높고 열에너지를 효과적으로 이용할 수 있는, 고효율이면서도 친환경적인 연료전지 열병합 발전 시스템을 제공할 수 있다.The present invention is a pyrolysis gas obtained by a pyrolysis process after the high-temperature drying of waste water sludge, food waste treatment residues, etc., which is difficult to burn and mixed with coal, including heavy metals and pollutants in the combustible wastes. A fuel cell can be used. Therefore, it is possible to provide a fuel cell cogeneration system with high efficiency and eco-friendliness that can efficiently use heat energy with high power generation efficiency.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수 정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid the understanding of the present invention, but the following examples are merely for exemplifying the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present invention. It is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
실시예Example 1 One
가연성 폐기물 중에서 하기 표 1 및 표 2에 나타난 성분의 생활폐기물을 저온 열분해 방법인 부분산화식 열분해 장치에서 체류시간 4~8시간, 열분해 조건으로 분위기 온도 400~800℃에서 열분해하여 열분해 가스를 얻었고, 상기 열분해 가스의 조성을 분석한 결과, H2 18.3%, CO 5.08%, CO2 15.85%, N2 42.1%, H2O 16.2%를 포함하며 CH4, H2S, HCl를 나머지 함량으로 포함하였다. Among the combustible wastes, the domestic wastes of the components shown in Tables 1 and 2 were pyrolyzed at atmospheric temperature of 400 to 800 ° C. under a pyrolysis condition in a partial oxidation type pyrolysis apparatus which is a low temperature pyrolysis method, and pyrolysis gas was obtained. As a result of analyzing the composition of the pyrolysis gas, H 2 18.3%, CO 5.08%, CO 2 15.85%, N 2 42.1%, H 2 O 16.2% and included CH 4 , H 2 S, HCl as the remaining content.
(wt.%)moisture
(wt.%)
(wt.%)Combustible
(wt.%)
(wt.%)Ash (Ash)
(wt.%)
(Kcal/kg)Low calorific value
(Kcal / kg)
(wt. %)Goat
(wt.%)
(wt. %)carbon
(wt.%)
(wt. %)Hydrogen
(wt.%)
(wt. %)Oxygen
(wt.%)
(wt. %)nitrogen
(wt.%)
(wt.%)brimstone
(wt.%)
상기 얻어진 열분해 가스를 가스 정제기 내에 투입하여 소석회(Ca(OH)2) 분말은 Ca/Cl 몰비 3.0, Ca/S 몰비 3.5로, 생석회(CaO) 분말은 Ca/Cl 몰비 3.0, Ca/S 몰비 3.5로, 돌로마이트(CaMg(CO3)2) 분말은 Ca/Cl 몰비 3.5, Ca/S 몰비 3.0로 그리고 중탄산소다(NaHCO3) 분말은 Ca/Cl 몰비 3.2로 분말을 분사함으로써 산성가스를 제거한 후, 용융탄산염 연료전지에 공급하여 하기 화학식 11 및 화학식 12에 표시된 반응으로 전기를 생성하였다.The obtained pyrolysis gas was introduced into a gas purifier, and the calcined lime (Ca (OH) 2 ) powder was Ca / Cl molar ratio 3.0, Ca / S molar ratio 3.5, and the quicklime (CaO) powder was Ca / Cl molar ratio 3.0, Ca / S molar ratio 3.5 Dolomite (CaMg (CO 3 ) 2 ) powder was removed at a Ca / Cl molar ratio of 3.5, Ca / S molar ratio of 3.0, and sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) powder at a Ca / Cl molar ratio of 3.2 to remove acidic gas. The molten carbonate fuel cell was supplied to generate electricity by the reactions shown in the following
[화학식 11][Formula 11]
애노드 (연료극) H2 + CO3 2 - → H2O + CO2 + 2e- An anode (fuel electrode) H 2 + CO 3 2 - → H 2 O +
[화학식 12][Chemical Formula 12]
캐소드 (공기극) 1/2O2 + CO2 + 2e- → CO3 2 - Cathode (air electrode) 1 / 2O 2 + CO 2 + 2e - → CO 3 2 -
실시예Example 2 2
상기 실시예 1에서의 생활폐기물의 열분해 과정에서, 산소 플라즈마 기체로 사용하는 고온의 플라즈마 토치를 이용한 열분해 과정을 통해 열분해 가스를 생성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다. 생성된 열분해 가스의 조성을 분석한 결과, H2 40%, CO 35%, CO2 6.5%, H2O 8%를 포함하며 N2를 나머지 함량으로 포함하였다.In the pyrolysis of household waste in Example 1, the pyrolysis process was performed in the same manner as in Example 1 except that pyrolysis gas was generated through a high temperature plasma torch used as an oxygen plasma gas. As a result of analyzing the composition of the generated pyrolysis gas, H 2 40%, CO 35%, CO 2 6.5%, H 2 O 8% was included and N 2 was included as the remaining content.
실시예Example 3 3
상기 실시예 1에서의 생활폐기물의 열분해 과정에서 공기 플라즈마 기체로 사용하는 고온의 플라즈마 토치를 이용한 열분해 과정을 통해 열분해 가스를 생성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 수행하였다. 생성된 열분해 가스의 조성을 분석한 결과, H2 12∼23%, CO 13∼20%, CO2 10∼15%, H2O 30∼40%를 포함하며 CH4, N2를 나머지 함량으로 포함하였다.The pyrolysis process was performed in the same manner as in Example 1 except that pyrolysis gas was generated through a pyrolysis process using a high-temperature plasma torch used as an air plasma gas in the pyrolysis process of household waste in Example 1. As a result of analyzing the composition of the generated pyrolysis gas,
도 2는 예로 고온의 용융탄산염형 연료전지에서 통상의 수소연료 (H2:CO2:H2O=69%:17%:14%)를 사용하는 수소연료전지와 실시예 1에 따른 생활폐기물 열분해가스(H2:CO:CO2:N2:H2O =18.3%:5.08%:15.85%;42.1%:16.2%)에 대한 100 cm2급의 단위전지에서의 전류에 따른 전압 및 파워 특성을 나타내는 그래프이다. 도 2에서 알 수 있듯이 저농도의 폐기물 열분해 가스의 경우에도 통상의 수소연료와 유사한 성능을 보임을 알 수 있다.2 is a hydrogen fuel cell using a conventional hydrogen fuel (H 2 : CO 2 : H 2 O = 69%: 17%: 14%) in a high temperature molten carbonate fuel cell as an example and the household waste according to Example 1 Pyrolysis gas (H 2 : CO: CO 2 : N 2 : H 2 O = 18.3%: 5.08%: 15.85%; 42.1%: 16.2%) is a graph showing the voltage and power characteristics according to the current in a 100 cm 2 unit cell. As can be seen in Figure 2 it can be seen that even in the case of a low concentration of waste pyrolysis gas shows a performance similar to the conventional hydrogen fuel.
도 1은 본 발명에 따른 폐기물의 열분해/가스화법을 적용한 연료전지 열병합 발전 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing the structure of a fuel cell cogeneration system applying the pyrolysis / gasification of waste according to the present invention.
도 2는 통상의 수소연료 (H2:CO2:H2O=69%:17%:14%)를 사용하는 수소연료전지와 실시예 1에 따른 생활폐기물의 열분해가스를 사용한 100 cm2급의 단위전지에서의 전류에 따른 전압 및 파워 특성을 나타낸 그래프이다.Figure 2 is a 100 cm 2 grade using a hydrogen fuel cell using a conventional hydrogen fuel (H 2 : CO 2 : H 2 O = 69%: 17%: 14%) and the thermal decomposition gas of domestic waste according to Example 1 Is a graph showing voltage and power characteristics according to the current in a unit cell.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
200: 연료전지 열병합 발전 시스템 100: 가연성 폐기물 200: fuel cell cogeneration system 100: flammable waste
110: 가연성 폐기물 건조장치 120: 열분해 장치110: flammable waste drying device 120: pyrolysis device
130: 가스 정제기 140: 열교환기130: gas purifier 140: heat exchanger
150: 연료전지 160: 촉매 연소기 150: fuel cell 160: catalytic combustor
170: 직류-교류 변환기170: DC-to-AC converter
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