KR20120028881A - 유기성 폐기물의 가스화 방법 및 장치 - Google Patents

유기성 폐기물의 가스화 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

가스화기는 기동 열원을 폐기물의 가스화를 구동시키기 위한 천연 합성가스와 혼합하도록 작동한다. 연소 연도가스는 다이옥신의 형성을 방지하기 위해 급냉 상태에 달할 때 까지 650℃ 이상 에서 유지될 수 있다. 과열은 열회수부를 통해 방출된다. 가스화기는 배, 아파트, 병원 및 주택과 같은 소형 시설물의 경우 소량 회분단위의 폐기물을 효과적으로 처리하기 위한 배치 모드에서 작동될 수 있다.

Description

유기성 폐기물의 가스화 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR GASIFICATION OF ORGANIC WASTE}
본 발명은 폐기물 처리 및 유기물의 가스화에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 소규모 시설에서 유기성 폐기물을 가스화하기 위한 개선된 방법 및 장치에 관한 것이다.
생활 폐기물은 대부분 통상적으로 매립지 또는 소각장으로 보내진다. 많은 지방 자치단체의 경우, 매립지는 인프라 비용이 적게 들고 소각으로 인한 직접적인 공기 오염에 대한 우려가 덜 하기 때문에 소각장에 비해 선호되고 있다. 소각시 발생하는 열은 전기를 발생시키는데 사용될 수 있다.
간단히 다이옥신이라 불리는 폴리염화 디벤조다이옥신(PCDDs)은 환경 오염물질 역할을 하기 때문에 중요한 폴리할로겐 화합물의 그룹이다. 다이옥신은 염소가 염소 이온으로서 존재하거나 유기염소 화합물로서 존재하든지 간에 염소의 존재 하에서 유기물이 연소될 때 낮은 농도로 생성된다. 다이옥신은 PVC(폴리염화비닐)과 같은 염소 함유 물질의 도시 폐기물 소각시에 부산물로서 발생한다. 소각시, 다이옥신은 650℃ 내지 250℃의 온도창(temperature window)을 통해 배기가스가 냉각됨에 따라 굴뚝(stack) 위의 대기에서 형성될 수도 있다. 이러한 400도 온도창을 통해 배기가스를 급냉시켜 다이옥신의 양을 감소시킬 수 있다. 따라서, 다이옥신 형성의 문제점은 종래의 가스화 시스템에서 회피되고 있다.
생활 폐기물 가스화 시설은 소각로의 경우에서와 같이 광범위하게 사용되고 있지 않다. 가스화 시설은 일반적으로 석탄을 연료가스로 변환하는데 사용된다. 가스화 공정에서, 폐기물은 환원된 산소의 존재 하에서 또는 공기 공급 하에서 가열됨으로써, 수소와 일산화탄소의 합성가스가 생성된다.
이 합성가스는 타르를 함유하고 있어 타르를 합성가스로 변환하기 위해 2차 가스화기가 사용될 수 있다. 합성가스는 연소시키기 전에 오염물질을 제거하기 위해 세척(scrubbing)될 수도 있다. 이때, 이 합성가스는 전력발생이나 다른 에너지 요구에 대한 연료 공급원으로서 사용될 수 있다. 2008년 4월 17일자로 공개된 PCT 공개공보 제WO2008/044216호에는, 본 출원인에 의해 소량 회분단위의 폐기물(small batches of waste)을 가스화시켜 청정 합성 연료가스를 발생시키는 폐기물 처리 시스템(waste disposal system)이 개시되어 있다. 소량의 유입공기를 갖는 연소 연료원(combustion fuel source)에 의해 1 차 가스화 챔버가 가열되어 천연 합성가스(타르 함유)를 생성한 다음 2 차 가스화기 챔버로 보내지면 이 2 차 가스화기 챔버는 연소 또는 전기 연료원에 의해 최적의 가스화 온도로 가열되어 타르가 없는 합성가스를 생성하게 된다. 이 합성가스는 급냉 및 세척되어 산 가스(acid gases)와 같은 다른 오염물질들을 제거할 수 있고, 이때, 합성가스는 이용 가능해짐에 따라 가스화 공정을 구동시키는 종래의 연료원을 대체할 수 있다. 합성가스는 오염 제거되고 합성가스에서 생성된 연소 가스는 깨끗한 연도가스(flue gas)로서 대기속으로 직접 배출될 수 있다. 배치 공정(batch process)이 완료되면, 최초 부피의 10% 미만인 소량의 탄소 잔류물과 소량의 다양한 여과된 오염물질들이 남게 된다.
천연 합성가스의 생성을 제어하여 천연 합성가스의 연소 생성물을 함유하는 연도가스의 효율적인 세척을 가능하게 해준다는 것을 발견하였다. 따라서, 2차 가스화 시스템을 회피할 수 있다. 일부 실시예에서, 천연 합성가스는 종래의 열원이 탑재된 적절한 고온의 연소구역, 통상적으로는 탄화수소 연료 버너로 이송되어 합성가스가 연소되고, 가스화 챔버를 가열시키기 위해 고온의 연소 생성물이 이용된다. 연도가스의 세척 시에는 소정의 가스 유속을 처리할 수 있는 장비가 이용된다. 가스화기의 가열을 제어함은 물론, 가스화기 내부로 유입될 처리 공기의 양을 제어함으로써, 생성된 천연 합성가스의 양이 세척 장비의 처리능력 내에서 확실하게 조절될 수 있다.
또한, 임의의 추가 연료의 연소와 함께 천연 합성가스의 연소를 제어하여 가스화 챔버와의 열교환을 통해 연도가스의 온도를 연도가스가 급냉 및 세척될 때 까지 650℃ 이상(바람직하기로는, 700℃ 이상)에서 유지할 수 있다. 연도가스가 650℃이하로 하강하지 못하도록 제어함으로써, 다이옥신의 형성이 크게 감소된다는 것을 발견하였다. 이러한 발견은 대형 연속이송 방식의 가스화기(larger, continuous-feed gasifier)는 물론, 소형 배치 모드 가스화기(small, batch mode gasifier)의 측면에서 보면 유용하다.
가스화기는 기동 열원(start up heat source)을 폐기물의 가스화를 구동시키기 위한 천연 합성가스와 혼합하도록 작동한다. 연소 연도가스는 다이옥신의 형성을 방지하기 위해 급냉 상태에 달할 때 까지 650℃ 이상 에서 유지될 수 있다. 과열(excess heat)은 열회수부(heat recovery unit)를 통해 방출된다. 가스화기는 배, 아파트, 병원 및 주택과 같은 소형 시설물의 경우 소량 회분단위의 폐기물을 효과적으로 처리하기 위한 배치 모드에서 작동될 수 있다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대한 이하의 상세한 설명을 통해 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스화기의 구성을 도시한 블록도;
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스화 챔버의 열교환기와 연통되도록 연소가스를 생성하기 위한 연소챔버를 도시한 정단면도; 및
도 3은 일 실시예에 따른 급냉 및 세척 시스템(quench and scrubber system)의 상세도.
가스화 공정은 투입용 해치(투입용 해치)(14)를 통해 폐기물, 예컨대 표준 쓰레기 봉투의 폐기물을 가스화 챔버(12)(도 1 참조) 속에 투입함으로써 시작된다. 진공 펌프(13)가 턴 온되고 디젤 버너(18)가 점화된다. 본 실시예에서는, 디젤 연료가 선택되는 한편, 필요한 열 에너지와 온도를 제공할 수 있는 임의의 열원이 이용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 최종 배기가스의 산소 함유량은 산소(O2) 센서(48)에 의해 측정된다. 이 산소 센서(48)는 가스화 공정을 통해 연소구역(21) 내의 산소가 규제 한계치, 즉 통상 연도가스의 6% 내지12% 이내로 제어되도록 해준다. 가스화 챔버(12)의 압력은 대기압보다 약간 낮은 고정 설정치에서 유지된다. 공정 공기(26)는 연소구역(21)내의 소형 열교환 채널을 통해 유입됨으로써 예열된다. 공기의 유속은 비례제어 밸브(proportional valve)(공정 공기 공급원(22)의 일부)에 의해 제어되고 흐름 송신기(flow transmitter)(24)에 의해 모니터링된다. 공기 유속은 흐름 송신기에 의해 측정되고 그에 따라 비례제어 밸브를 조절하여 공기 유속을 감소 또는 증가시키게 된다. 작동시, 공정 공기 이송속도는 0-20 scfm의 범위에서 조절되고 가스화 공정을 가속 또는 감속시키기 위해 사용됨으로써 합성가스의 생성량을 제어하게 된다. 합성가스의 연소시 매우 높은 고온의 연도가스가 발생할 때는 합성가스의 생성을 줄이는 것이 요구될 수 있다.
기동(start up) 동작에 후속하여, 가스화 공정에서 가스화 챔버(12)가 가열됨에 따라, 이 챔버(12)내의 폐기물은 합성가스(syngas)로 분해되기 시작한다.
가열된 폐기물로부터 생성된 천연 합성가스(20)는 포트를 통해 연소구역(21)으로 이송된다. 이 합성가스는 연소되기 시작함으로써 연소구역(21)에서는 산소 요구량이 증가하게 된다. 이로써 연소구역(21)으로 연소공기 공급원(28)을 개방시키는 루프가 트리거된다. 센서(34)를 이용하여 배기흐름의 산소함량 및 연소구역의 온도를 측정함으로써, 모든 합성가스(20)의 충분한 연소가 보장된다. 배기가스 스트림의 산소함량은 완전연소를 위해 확립된 설정치에서 또는 설정치 이상에서 유지된다. 적절한 산소함량 설정치는 6% 내지 12%가 될 수 있다. 연소 공기의 유속은 흐름 송신기(30)에 의해 모니터링되고 연소공기 공급원(28)의 비례제어 밸브에 의해 제어된다.
연소구역(21)의 온도가 대략 1,100℃의 설정치 온도에 이르면 디젤 버너(18)는 차단되고, 이송되는 연소공기(29)는 약 분당 25 평방 피트의 소정 이송속도로 통과하게 되는데, 이는 충분한 합성가스가 발생되어 디젤 버너 없이도 연소상태를 유지한다는 것을 의미한다. 고 에너지의 합성가스가 생성되는 경우, 분무기(32)를 이용하여 가스화 챔버 상에 또는 연소구역(21) 내부에 물을 분무하여 온도를 제어할 수 있다. 물 분무를 통해 가스로부터 열을 기화시키고 흡수한다. 즉, 물은 스크러버(scrubber)(44)에 재응축 되어 회수된다.
만약, 합성가스의 품질이 저하되고 온도가 낮아지면, 디젤 버너(18)를 재점화하여 충분한 작동온도를 유지시킬 수 있다. 연도가스에서 다이옥신의 형성을 방지하기 위해, 연도가스의 온도는 바람직하기로는 급냉부(40) 바로 앞 지점에 배치되는 센서(38)를 이용하여 측정되고, 만약 온도가 650℃ 이하로 감소되면, 연도가스의 온도를 다시 상승시켜 다이옥신의 잠재적 형성을 방지하는 것이 중요하다. 이를 위해, 디젤 버너(18)가 재시동된다. 따라서, 연소구역(21) 내의 온도는 센서(34)를 이용하여 측정되고 연도가스 배기구역 내의 온도는 급냉부(40) 앞의 센서(38)를 이용하여 측정된다.
연도가스가 560℃-610℃의 온도범위에 있을 때 다이옥신의 양은 0.11 ng/m3으로 측정되었다. 일부 지방 자치단체의 경우, 법적 한계치는 0.1 ng/m3로 낮은데 이 한계치는 610℃ 이상의 온도를 사용하여 준수될 것으로 기대된다.
전술한 실시예에서 연도가스의 온도가 모니터링되고 있지만, 이 연도가스는 가스화 챔버(12)의 온도를 측정함으로써 간접적으로 측정될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
물 분사노즐(32)은 셧다운 중에 가스화 챔버(12)를 냉각시키고 바닥에 있는 재를 '동결'시켜 재속에 남아 있는 탄소의 과도한 가스화를 방지시키는 역할을 수행한다. 또한, 이 노즐(32)은 연소구역(21)의 온도가 너무 높은 것으로 확인될 경우 1차로 배출되는 합성가스의 품질을 완화시키기 위해 물을 분사하는 역할을 수행한다. 챔버 내의 온도는 1250℃를 초과해서는 안 된다. 가스화 시스템내의 제어 온도는 가스화 챔버(12)의 바닥에 있는 스테인레스 스틸의 온도이다. 이 온도는 물질의 작동온도 범위를 초과하지 않을 수도 있다. 이것은 공칭적으로 775℃에서 설정된다.
천연 합성가스(20)의 생성율은 세 가지 파라미터에 의해 측정된다. 첫 번째 파라미터로서, 합성가스 연소를 보장하는데 필요한 공기(22,26) (및 일정량의 초과공기)의 양은 화학량론적 연역법(stoichiometric deduction)에 의해 측정되고, 합성가스의 생성율이 평가된다. 두 번째 파라미터는 진공 바이패스 제어밸브(50)의 위치이다. 연소구역(21)과 가스화 챔버(12)가 일정한 압력으로 유지된다고 가정하면, 천연 합성가스의 생성율은 진공 바이패스 제어밸브(50) (예컨대, 공정 공기 공급원(22)의 제어에 좌우되지 않고)의 위치에 의해 측정될 수 있다. 수봉식 진공 펌프(liquid ring vacuum pump)(42)에 의해 부압(예컨대, 90 kPa 절대압력)이 연소챔버(12)에서 유지된다. 진공도(degree of vacuum)는 진공 바이패스 제어밸브(50)에 의해 제어된다. 압력을 제어하기 위해 다른 장치들이 제공될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
합성가스(20)의 생성이 시작됨에 따라, 가스화 챔버(12)에서 압력이 상승하고 충분한 흡입(suction) 동작을 유지하여 압력을 일정하게 유지하기 위해 진공 바이패스 제어밸브(50)가 폐쇄되며, 밸브(50)의 위치는 합성가스 생성율에 비례한다. 세 번째 파라미터는 가스화 챔버(12)의 온도(센서(36)에 의해 측정됨)로서, 가스화는 350℃ 이상의 챔버 온도에서 시작되는 것으로 평가될 수 있다.
일단 합성가스가 생성된 것으로 판단되면, 연소공기(28,29)가 즉시 주입되어 배기 방출부(46)에서 일정한 배기 방출이 보장된다.
정확한 공기의 양에 대한 판단은 전술한 파라미터에 기반하여 공정 제어기(15)에 의해 계산된다. 공정 제어기(15)는 고정 회로, 마이크로컨트롤러, FPGA, DSP, 또는 제어루프 기능을 수행하도록 프로그래밍된 보다 완벽한 컴퓨터를 포함할 수 있다. 또한, 공정 제어기(15)는 동작중에 측정치를 기록할 수 있고 동작 리포트(reports) 또는 로그(logs)를 제공할 수 있다. 이 단계를 위한 제어루프가 이하에서 설명될 것이다.
디젤연료의 연소에서 합성가스의 연소로의 천이 동작은 디젤연료를 연소시키는 소형 파일럿 버너(디젤 버너(18)의 일부)에 의해 수행된다. 이 소형 버너는 합성가스(20)가 연소구역(21)으로 유입되는 입구에 있는 연소구역(21)에 위치한다. 합성가스의 품질이 최적수준 미만일 때 합성가스 생성의 초기단계에서 합성가스의 충분한 연소가 보장되도록 하기 위해 파일럿 불꽃이 사용된다. 이러한 '불량(poor)' 합성가스의 윈도우는 대략 10분간 지속된다.
일 실시예에서, 연소구역(21)은 두 개의 버너, 즉, 메인 버너와 파일럿 버너를 구비한다. 이와는 달리, 2단 버너(two stage burner)가 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이 온도 상승시에는 메인 버너가 차단된다. 혼합기(16)는 가스화 챔버(12)내의 폐기물을 천천히 회전시킴으로써 폐기물이 정체되어 있는 경우에 비해 고온의 바닥 및 공정 공기(22,26)와 접촉되어 있는 폐기물을 더 많이 투입함으로써 가스화 반응이 보다 신속하고 지속적으로 일어나도록 한다. 또한, 공정 공기의 채널링 문제점은 폐기물이 이동 상태로 유지되도록 함으로써 해소된다. 혼합기(16)를 회전시키기 위해 모터(도시생략)가 제공된다. 혼합기 모터는 가스화 챔버(12)의 내부온도가 350℃에 이르렀을 때 공정 제어기(15)에 의해 턴온된다. 이 혼합기(16)는 합성가스 생성량이 너무 많은 경우 합성가스의 생성을 줄이는 방식으로서 동작 중지시키는 것이 가능하지만 항상 턴온 상태에서 유지되어야 한다.
자동화 루프는 모터의 재밍(jamming)에 대한 저항을 제어한다. 만약, 모터와 샤프트가 가스화 챔버(12)에 있는 장애물에 대해 힘이 작용하면, 모터에 흐르는 전류에 전류 스파이크 현상이 일어날 것이다. 이러한 전류 스파이크는 모니터링되고 모터의 동작방향을 역방향으로 전환되도록 할 것이다. 만약, 모터가 동작방향을 1분에 세 번 역방향으로 전환하면, 모터는 차단되고 수동으로 재시동될 수 있다.
스크러버(44)는 습식 스크러버(wet scrubber)이다. 스크러버(44)의 물은 스크러버를 통과하는 연소 배기가스로 인해 산성을 띠게 된다. 이러한 산성도(acidity)는 부식성 소다 액체를 재순환 라인에 첨가하여 중성화될 수 있다. 스크러버의 산성도를 모니터링하는데 pH 미터가 사용될 수 있고, 이 pH 미터는 설정된 Ph값, 예컨대 7에 기초하여 재순환 라인에 중력 이송될 수 있는 부식 탱크에 연결된 밸브를 개방하는데 사용될 수 있다.
도 3은 급냉부(40), 진공펌프(42) 및 스크러버(44)의 일 실시예의 상세를 도시한 것이고, 또한 물 순환펌프(43), 부식 리저버(44), 및 배수 필터(49)를 도시하고 있다. 급냉부(40) 및 스크러버(44)내의 물은 45 L/min의 유속으로 40℃에서 25℃로 냉각중인 물에 해당하는 것으로서, 열 교환기(47), 즉, 50wK의 열 회수부를 통해 펌프(45)를 이용하여 순환된다. 이때, 냉각된 물은 세척탑(scrubber tower)(44)의 스크러버 샤워(scrubber shower)를 위해 급냉부(40)에서 사용된다. 리저버(45)의 10% NaOH가 회분단위(배치) 폐기물(batch of waste)당 0.5리터의 양으로 첨가될 수 있지만, 이 수산화나트륨은 pH측정결과 공정 제어기(15)의 제어하에 수동 또는 자동으로 첨가될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 공정이 진행됨에 따라 폐기물이 추가되는 연속 모드에서 가스화기가 작동될 때, 재순환 루프의 pH 균형을 맞추는 것은 연속 방식으로 최상으로 수행된다. 재순환 루프에서의 과잉수분은 드레인 밸브 및 필터(49)를 통해 없어진다. 배수처리된 물의 양은 회분단위 폐기물당 10-20L일 수 있다. 드레인 밸브는 스크러버(44)의 수위 센서(water level sensors)에 응답하여 공정 제어기(15)에 의해 자동으로 제어될 수 있다.
일부 실시예에서, 스크러버(44) 내의 수위는 일정하게 유지되어야 한다. 시스템의 진공을 제어하는 수봉식 진공 펌프(42)는 스크러버의 물 리저버(42)에 의해 이송되는 재순환 라인의 일정한 흐름에 좌우될 수 있다. 이 공정에서 물이 발생되고 일부 물은 증기로서 배출되며, 정확한 양이 변경될 수도 있어 스크러버(44)에는 수위 센서에 의해 제어되는 자동 충전 및 배수부(자동 충전 및 배수부)가 탑재된다. 예컨대, 스크러버에는 두 개의 진동 포크 수위센서(vibrating fork level sensors)가 이용될 수 있다. 이들 수위센서는 물속 및 공기 중에 있을 때 신호를 보낸다. 두 개의 포크는 2 인치 이격된 상태로 상하로 배치된다. 원하는 수위는 두 개의 센서 사이에 있고, 그에 따라 하부 센서는 항상 물속에 잠겨 있으며 상부 센터는 항상 물 위에 위치하게 된다. 만약, 하부 센서가 감소하는 수위로 인해 노출되면, 충전밸브가 작동하게 되고 하부 센서가 물속에 잠길 때 까지 스크러버를 새로운 물로 충전하게 될 것이다. 만약 상부 센서가 상승하는 수위로 인해 물속에 잠기면, 상부 센서가 물 위에 노출될 때 까지 배수 밸브가 개방될 것이다.
스크러버의 수온은 수봉식 진공펌프(42)의 흡입능력에 영향을 미치는 중요한 파라미터이다. 스크러버의 수온은 50℃를 초과해서는 안 된다. 스크러버의 물은 재순환되어 급냉부(40)로 보내진다. 급냉부의 혼합온도(mixed temperature)는 60℃를 초과해서는 안 된다. '혼합온도'란 급냉부(40)와 수봉식 진공 펌프(42)사이의 배기가스와 급냉수(quench water)의 흐름의 온도이다. 시스템내의 모든 물은 폐쇄루프에 있고 열교환기(47)는 재순환수(recirculating water)에서 증가하는 과열을 제거하는데 사용된다.
열 회수부(47)에서 회수된 열은 공기 가열목적(직접 온수 방열기 또는 강제 공기순환 난방기)의 보강, 열 저장, 및 고온수의 예열을 위해, 히트펌프용의 열원으로서, 또는 기타 산업상 용도를 위해 사용될 수 있다.
열교환기(47)는 최종 배기가스가 약 40℃로 냉각됨에 따라 전체 가스화 시스템에 의해 발생된 대부분의 열을 제거한다는 것을 이해할 것이다. 이러한 저온의 배기가스는 가스화 시스템의 설치를 용이하게 해줄 수 있는데, 그 이유는 고온의 굴뚝 덕트를 사용하는 대신 종래의 가열 또는 주방 환기 덕트가 배기가스를 건물의 외부로 환기시키는데 사용될 수 있기 때문이다. 또한, 열 회수를 위한 단일 지점은 2차 가스화기를 이용하고 합성가스를 정화시키는 가스화 시스템에서 열을 회수하는 것보다 더 간단한데, 그 이유는 열은 합성가스 스크러버에서 회수된 다음 연도가스에서 별도로 회수되기 때문이다.
전술한 실시예로부터 다양한 변형예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예컨대, 버너는 다양한 열원으로 대체가능하며, 어떤 경우에는 가연성 연료로서 프로판 가스 또는 천연가스가 디젤 보다 선호될 것이다.
연소구역(21)은 도 2에 도시된 바와 같이 연소챔버(21')를 대체할 수 있다. 이러한 연소구역의 대체는 시스템의 합성가스 연소 및 그에 따른 폐기물 처리 능력과 관련하여 시스템의 용량을 증가시키기 위해 이루어질 수 있다. 연소챔버(21')는 가스화 챔버(12)로부터 합성가스(20)를 수용한다. 합성가스(20)는 가스화 챔버(12)보다 낮은 압력에서 유지되는 이유로 인해 챔버(21') 내부로 유도된다. 연소 챔버(21')는 연소구역(21b) 내부로 접선방향으로 나선형으로 흐르도록 합성가스(20)의 흐름을 수용하는 원통형 혼합구역(21a)을 구비하는데, 이 연소구역(21b)에서는 포트(29)로부터 유입되는 연소공기가 점화구역으로 주입된다. 연소챔버(21')는 내화 라이닝(refractory lining)(21c) 및 적절한 절연재(21d)를 구비한다. 혼합구역(21a)은 합성가스가 연소챔버로 유입되어 디젤 버너의 일부인 파일럿 버너와 접촉하는 장소이다. 합성가스(20)는 혼합구역에서 가열되고 혼합된다. 이때, 합성가스는 연소공기(29)와 접촉하게 되어 점화 및 연소된다. 연소챔버(21')로부터 나오는 배기가스(21e)는 가스화 챔버(12)를 에워싸고 있는 열교환 구역의 내부를 향하게 되고, 이 열교환 구역에서는 배기가스가 가스화 공정으로 다시 이송된다.
가스화기 시스템의 추가 상세는 2009년 4월 13일자 출원되어 공동계류중인 미국특허출원 번호 제12/445,455호에서 발견되고, 그 내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.
전술한 실시예에서 도시된 가스화 시스템은 예컨대, 단일의 대형 생활 쓰레기 봉투와 같은 회분단위 폐기물(batches of waste)에 대해 작동하는 소형 장치이다. 이러한 소형 시스템에 의하면, 합성가스의 생성량은 배치 사이클(batch cycle)의 대부분의 경우 가스화 공정을 구동시키기에 충분하지만, 대부분의 생활 쓰레기의 경우, 다른 목적을 위해 사용될 합성가스의 과잉분은 많지 않다. 본 발명은 대형 시설 또는 연속방식의 가스화 시스템에 적용될 수 있다. 이 경우, 생성된 합성가스의 과잉분이 많아질 수 있다. 가스화 공정을 구동시키기 위한 목적 이외의 다른 목적을 위해 사용될 천연 합성가스는 2차 가스화기에 의해 처리되어 세척됨으로써 청정한 합성가스를 생성하여 공급할 수 있음은 물론, 가스화 챔버에 열을 제공하는 연소챔버로부터 분리된 연료로서 천연 합성가스를 이용할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
슈트 또는 이송 스크류 기구(chute or feed screw mechanism)를 이용하여 폐기물이 가스화 챔버(12) 내부에 연속적으로 공급될 때, 가스화 챔버의 온도를 예컨대 650℃ 이상에서 유지하여 연도가스가 충분한 고온에서 유지되도록 하기 위해 가스화 챔버(12)에 위치한 폐기물의 양을 제어하는 것이 가능하다. 이와는 달리, 석탄과 같은 적절한 고체 연료원이 초기에 가스화 챔버(12)에 첨가되어 다이옥신의 생성없이 기동단계가 600℃ 이하에서 유지될 수 있다. 일단 가스화 챔버(12)의 온도가 약 650℃에 이르면, 연도가스내의 다이옥신을 생성하지 않고 폐기물의 추가투입이 진행될 수 있다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명되었다. 본 발명의 도면 및 상세한 설명은 발명의 범위를 한정하기 보다는 본 발명의 이해를 돕기 위해 의도되었다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 발명의 다양한 변형예가 이루어질 수 있고, 이러한 변형예가 본 발명의 상세한 설명에 의해 보호되도록 의도된다는 것을 당업자라면 명백히 이해할 것이다.

Claims (21)

  1. 폐기물의 가스화 처리장치로서,
    제어된 공정 공기 유입구 및 천연 합성가스 배출구를 구비하는 폐쇄된 가스화 챔버;
    상기 주 가스화 챔버에 공정 열을 제공하는 연소챔버로서, 상기 천연 합성가스를 연소시키기 위해 주 버너(primary burner), 천연 합성가스 유입구 및 제어된 연소공기 유입구를 구비하는 연소챔버; 및
    상기 연소챔버로부터 배출되는 연도가스를 정화시키기 위한 스크러버를 포함하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연소챔버내의 천연 합성가스의 연소에 의해 열이 제공됨에 따라 상기 주 버너에 의한 열의 발생을 줄이기 위해 상기 주 버너의 동작을 제어하기 위한 공정 제어기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연도가스내의 산소량을 감지하기 위한 산소센서를 추가로 포함하고, 상기 공정 제어기는 상기 연도가스에서 감지된 산소량의 함수로서 상기 연소공기 유입구를 제어하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  4. 제1항, 제2항, 또는 제3항에 있어서, 상기 연소챔버의 온도를 냉각시키기 위한 물 분무 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연소챔버의 내부온도를 감지하기 위한 적어도 하나의 온도센서를 추가로 포함하고, 공정 제어기는 천연 합성가스의 연소로 인해 상기 연소챔버의 내부가 고온에 도달할 때 상기 물 분사 시스템을 작동시키는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스크러버에 도달하기 이전의 상기 연도가스의 온도를 측정하기 위한 온도센서를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  7. 제6항에 있어서, 제어기는 상기 연도가스의 온도가 다이옥신 형성이 우려되는 온도, 바람직하기로는 6500C를 가리킬 때 상기 주 버너가 작동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  8. 제6항에 있어서, 공정제어기는 상기 연도가스의 온도가 다이옥신 형성이 우려되는 온도, 바람직하기로는 6500C를 가리킬 때 합성가스 생성의 증가를 초래하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 합성가스 생성은 상기 가스화 챔버내의 공정 공기 흐름을 증가시킴으로써 증가되는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  10. 제8항에 있어서, 강기 가스화 챔버내에서 작동가능한 혼합기를 추가로 포함하고, 합성가스 생성은 상기 혼합기의 동작에 의해 증가되는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 가스화 챔버는 가스화 이전에 상기 폐기물의 상기 가스화 챔버내의 배치가 허용되도록 구성되는 래치잠금식 해치(latched hatch)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  12. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스화 챔버는 가스화 이전에 상기 폐기물의 상기 가스화 챔버내의 배치가 허용되도록 구성되는 래치잠금식 해치를 포함하고, 상기 공정 제어기는 단일 회분단위(signle batches)에 해당하는 공정 사이클에서 상기 폐기물을 처리하기 위해 적어도 상기 주 버너의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스크러버는 열 회수 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 스크러버는 습식 스크러버이고, 상기 열 회수 시스템은 상기 스크러버에서 순환하는 물로부터 열을 제거하는 열교환기인 것을 특징으로 하는 폐기물의 가스화 처리장치.
  15. 천연 합성가스를 생성하기에 충분한 온도로 물질을 가열하는 단계;
    고온의 연소가스를 발생시키기 위해 상기 천연 합성가스를 연소시키는 단계;
    상기 연소가스와 열 흡수기(heat absorber)간에 열을 교환하여 연도가스를 냉각시키는 단계;
    상기 연도가스를 급냉(quenching) 및 세척(scrubbing)하는 단계; 및
    상기 연도가스의 온도를 모니터링하고, 공정 파라미터를 제어하여 다이옥신이 형성될 수 있는 온도값 이상의 온도에서 상기 연도가스의 온도를 유지하는 단계를 포함하는 가스화 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 열 교환단계는 상기 물질 가열단계를 위한 가스화 챔버 사이에서 수행되는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  17. 제16항에 있어서, 외부 연소 연료가 상기 천연 합성가스와 공통 연소구역에서 연소되는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  18. 제17항 있어서, 상기 외부 연소 연료의 연소는 이용가능한 천연 합성가스의 함수로서 제어되는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 급냉 및 세척 단계로부터 열이 회수되는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 물질의 양에 기초한 배치모드(batch mode)에서 수행되는 것을 특징으로 하는 가스화 방법.
  21. 천연 합성가스를 생성하기에 충분한 온도로 물질을 가열하는 단계;
    고온의 연소가스를 발생시키기 위해 상기 천연 합성가스를 연소시키는 단계;
    상기 연소가스와 열 흡수기(heat absorber)간에 열을 교환하여 연도가스를 냉각시키는 단계;
    상기 연도가스를 급냉(quenching) 및 습식 세척(wet scrubbing)하는 단계; 및
    상기 급냉 및 습식 세척 단계에서 사용된 물과의 저온 열교환에 의해 상기 연도 가스로부터 열을 제거하는 단계를 포함하는 가스화 방법.

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