KR20200043079A - 가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가압 순산소 연소에서 발생하는 회분으로부터 인을 회수하기 위한 시스템에 관한 것으로, 연료 및 산소가 가압 공급되어 연소가 이루어지는 연소기, 및 상기 연소기에서의 연소에 의해 발생하는 배가스가 유입되며, 유입된 배가스에 포함된 성분이 응축된 산성수가 배출되는 탈황부를 포함하는 연소부; 및 상기 연소기에서의 연소에 의해 발생하는 회분이 투입되며, 상기 탈황부에서 응축된 산성수가 유입되는 인 회수부;를 포함하는 가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면, 가압 순산소 연소 시스템에 인 함유 연료를 투입하여 발생하는 회분과 배가스 응축에 의해 발생하는 산성수를 활용하여 인 추출 공정을 적용함으로써, 기존 가압 순산소 연소 시스템의 부산물인 회분 및 산성수 처리부담과 기존 인 회수공정의 구성요소인 회분 및 황산 공급을 상호적으로 해결할 수 있게 된다.

Description

가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템{Phosphorus recovery system in pressurized oxygen combustion ash}
본 발명은 가압 순산소 연소에서 발생하는 회분으로부터 인을 회수하기 위한 시스템에 관한 것이다.
순산소 연소 시스템은 공기 대신 순산소와 연료를 혼합하여 연소하는 방식으로, 연소 후에는 공기 중에 포함되어 있는 질소에 의한 질소산화물이 생성되지 않고 이산화탄소와 연료 유래 황산화물 및 질소산화물이 포함된 형태로 연소가스가 배출된다.
순산소 연소 시스템은 연소가스에 포함된 이산화탄소를 농축하여 배출하므로, 환경적, 경제적으로 큰 효과를 얻을 수 있지만, 연소가스의 재순환으로 인해 일반적인 공기연소보다 고농도의 황산화물 및 질소산화물이 발생하게 된다.
기존 순산소 연소 시스템의 효율 개선 및 소형화 등의 목적으로 연소로 및 주요 가스부가 상압 이상의 압력으로 운전되는 가압 순산소 연소에서는 압력 증가에 따른 가스 밀도 상승과 황 및 질소 성분의 전환율 증가로 연소가스 내 황산화물 및 질소산화물 함량이 기존 순산소 연소 시스템 대비 더욱 농후하게 된다.
특허문헌 1에는 순산소 연소시스템에서 발생하는 황산화물을 포함하는 연소가스(배가스)에 물을 분사하여 냉각, 응축시켜 제거하는 황산화물 제거부를 포함하는 순산소 연소 시스템이 개시된다.
황산화물을 포함하는 배가스를 대기중으로 배출하지 않을 수 있다는 장점은 있으나, 황산화물을 응축시키면 황산을 포함하는 산성수가 발생하는데 황산은 강산성으로서, 이 역시 그대로 배출할 수는 없고 수처리 계열의 후처리 공정을 추가로 거쳐 배출하여야 한다는 문제가 있다.
연소 시스템에서 발생하여 오염물질이 될 수 있는 부산물은 황산화물 뿐만 아니라, 고온 연소에 따른 질소산화물 및 연소 후 연료로부터 발생하는 회분 등이 있는데, 이에 대하여는 전혀 고찰이 없다.
한편, 특허문헌 2에는 하수 슬러지 소각재에 산을 첨가하여 인을 회수 하는 방법이 개시되는데, 이러한 방법은 소각재 처리를 위하여 많은 산성수가 투입되어야 하기에 비용면에서 그다지 효율적이지 못하다는 단점이 있다.
특허문헌 1: KR 2014-0089928 A 특허문헌 2: JP 2000-95549 A
본 발명은 상기한 종래의 문제점에 착안하여 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 가압 순산소 연소시 발생하는 회분으로부터 인을 효과적으로 회수하기 위한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연료 및 산소가 가압 공급되어 연소가 이루어지는 연소기, 및 상기 연소기에서의 연소에 의해 발생하는 배가스가 유입되며, 유입된 배가스에 포함된 성분이 응축된 산성수가 배출되는 탈황부를 포함하는 연소부; 및 상기 연소기에서의 연소에 의해 발생하는 회분이 투입되며, 상기 탈황부에서 응축된 산성수가 유입되는 인 회수부;를 포함하는 가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템을 제공한다.
상기 인 회수부는, 상기 연소기에서의 연소에 의해 발생하는 회분이 투입되며, 상기 탈황부에서 응축된 산성수가 유입되어, 유입된 상기 산성수에 의해, 투입된 상기 회분에 포함된 인 성분이 용출되는 용출조; 용출된 인이 포함된 슬러리가 유입되어 상등액이 분리되는 분리조; 상기 분리조에서 분리된 상등액에 침전제 및 pH 조정제가 투입되어 상기 상등액에 포함된 인 성분이 침전되는 침전조; 및 상기 침전조에서 침전된 인 성분을 포함하는 침전물이 회수되는 회수조를 포함할 수 있다.
상기 연소기와 상기 인 회수부 사이에 위치하며, 상기 연소기에서 생성되는 회분이 수집되는 회분 수집부; 및 공기에서 질소 및 산소를 분리하여 분리된 산소를 상기 연소기로 공급하는 ASU(Air Separation Unit);를 더 포함하며, 상기 ASU에서 분리된 질소의 공압으로 상기 회분 수집부에 수집된 상기 회분이 상기 인 회수부로 투입될 수 있다.
상기 연소부는, 상기 탈황부보다 높은 압력으로 유지되며, 상기 탈황부를 거친 배가스가 유입되어, 유입된 상기 배가스에 포함된 질소산화물이 응축되어 질산이 포함된 산성수가 배출되는 탈질부를 더 포함할 수 있다.
상기 탈황부 및 상기 탈질부에서 배출되는 산성수의 일부는 상기 연소기로 공급될 수 있다.
상기 연료는 하수 슬러지, 가축분뇨, 바이오매스 폐기물 고형연료 또는 인을 포함하는 연료 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템에 의하면, 가압 순산소 연소 시스템에 인 함유 연료를 투입하여 발생하는 회분과 배가스 응축에 의해 발생하는 산성수를 활용하여 인 추출 공정을 적용함으로써, 기존 가압 순산소 연소 시스템의 부산물인 회분 및 산성수 처리부담과 기존 인 회수공정의 구성요소인 회분 및 황산 공급을 상호적으로 해결할 수 있게 된다.
구체적으로, 인을 포함하는 비교적 저급의 연료를 가압 순산소 연소를 통하여 연소시키면서 열 에너지를 얻을 수 있으며, 가압 순산소 연소의 부산물로 발생하는 회분과 산성수로부터 인을 회수함으로써, 각종 인 함유 고형연료의 연소 시스템 활용도 및 가치를 증대시킬 수 있다.
또한, 발전 시스템으로서의 기능만을 하던 가압 순산소 연소 시스템의 운전비용 개선 및 전력생산 외의 부가가치를 발생시킨다는 장점을 갖는다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템을 개략적으로 나타낸다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템을 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
이하, 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템의 구성을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템은, 크게 연소부(100)와 인 회수부(200)로 나눌 수 있다. 이하 차례로 설명한다.
연소부(100)는 ASU(Air Separation Unit, 110), 연소기(120), 열 회수부(130), 탈황부(140), 탈질부(150) 및 CPU(160, CO2 Processing Unit, 160)를 포함한다.
ASU(110)는 공기에서 질소를 분리한 산소를 가압(예를 들면, 대략 10bar)하여 연소기(120)로 공급한다.
연소기(120)는 ASU(110)의 후단에 연결되며, ASU(110)에서 가압된 산소 및 연료가 투입되어 연소기(120) 내에서 연소가 이루어진다.
연소기(120)로 투입되는 연료는 한정되지 않으나, 인이 비교적 많이 포함된 하수 슬러지, 가축분뇨, 바이오매스, 및 폐기물 고형 연료 등을 들 수 있다.
상기와 같은 연료는 인이 많이 포함되어 있으나, 수분 함량이 높고 탄소 함량이 낮은 경우가 많은 비교적 저품질의 연료인데, 이러한 연료를 상압조건에서 공기를 산화제로 공급하여 연소를 행하면 연소 효율이 매우 떨어지기 때문에, 가압 순산소 조건에서 연소를 행하는 것이 효율적이다.
연소기(120)로 투입된 산소와 연료의 연소에 의해 배가스 및 회분이 발생하게 된다. 발생한 회분은 후술할 인 회수부(200)로 투입되거나, 연소기(120)에 연결된 회분 수집부(121)로 배출되어 수집되었다가 인 회수부(200)로 투입될 수 있다.
열 회수부(130)는 연소기(120) 후단에 연결되며, 연소기(120)에서 발생하는 고온의 배가스가 유입되어, 유입된 배가스로부터 열을 회수한다. 열 회수부(130)는 배가스에 포함된 열 에너지를 회수하는 구성으로서 한정되지 않으며, 열 교환 보일러 또는 회수된 열로 스팀을 생성하여 터빈을 통한 발전을 행하도록 하는 HRSG(Heat Recovery Steam Generator) 등으로 구성될 수 있다.
탈황부(140)는 열 회수부(130) 후단에 연결되며, 열 회수부(130)에서 열 에너지가 회수된 배가스가 탈황부(140)로 유입된다.
탈황부(140)는 유입된 배가스에 물을 분사/혼합하거나 또는 배가스 내 수분을 응축수로 전환시켜 배가스에 포함된 황산화물이 용해됨으로써 황산이 포함된 산성수가 생성되어 배출되도록 한다. 배출되는 산성수는 탈황부(140)와 연결된 산성수 수집부(141)에서 수집되었다가 배출될 수 있다.
탈질부(150)는 탈황부(140) 후단에 연결되며, 필요시 탈황부(140)보다 높은 압력(예를 들면 20bar)으로 유지된다. 이는 황산화물과 질소산화물의 응축조건이 다르기 때문으로, 탈황부(140)와 탈질부(150) 사이에 위치한 가압 컴프레셔(140)를 통하여 배가스를 가압하여 탈질부(150)로 공급할 수 있다.
탈질부(150)에서도 탈황부(140)와 마찬가지로, 유입된 배가스에 물을 분사/혼합하거나 배가스 내 수분을 응축수로 전환시켜 배가스에 포함된 질소산화물이 응축됨으로써 질산이 포함된 산성수가 생성되어 배출되도록 한다. 배출되는 산성수는 탈질부(150)와 연결된 산성수 수집부(151)에서 수집되었다가 배출될 수 있다.
CPU(160)는 탈질부(150) 후단에 연결되어 탈질부(150)에서 배출되는 배가스를 순차 가압하여 배가스에 포함된 이산화탄소를 제거하여 배출한다.
상기한 바와 같이 연소부(100)에서의 가압 순산소 연소에 의하여, 회분, 황산 산성수 및 질산 산성수와 같이 후처리가 필요한 연소 부산물이 발생하게 된다.
다음, 인 회수부(200)의 구성을 설명한다.
인 회수부(200)는 연소부(100)에서의 연소에 의해 발생하는 회분과 탈황부(140)에서 응축된 산성수를 이용하여 회분에 포함된 인을 회수하는 구성이다.
인 회수부(200)는, 용출조(210), 분리조(220), 침전조(230) 및 회수조(240)를 포함한다.
용출조(210)는 연소기(120) 또는 상기 회분 수집부(121)와 연결되어, 연소기(120)에서의 연소에 의해 발생하는 회분이 용출조(210)로 투입된다.
또한, 용출조(210)에는 상기 탈황부(140)에서 응축된 황산을 포함하는 산성수가 유입되고, 산성수와 회분이 혼합되면서, 슬러리 형태를 이루며 투입된 회분에 포함된 인 성분이 용출된다.
분리조(220)는 용출조(210)와 연결되며, 용출조(210)에서 용출된 인이 포함된 슬러리가 유입되어 상등액이 분리된다.
침전조(230)는 분리조(220)와 연결되며, 분리조(220)에서 분리된 상등액이 유입되고, 유입된 상등액에 침전제 및 pH 조정제가 투입되어, 상등액에 포함된 인 성분이 침전된다.
회수조(240)는 침전조(230)와 연결되며, 침전조(230)에서 침전된 인 성분을 포함하는 침전물이 유입되어 회수된다.
다음, 첨부된 도 1을 다시 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템의 운전과정을 상세히 설명한다.
먼저, ASU(110)에 의해 공기에서 질소 및 산소가 분리되며, 분리된 산소가 가압되어 연소기(120)로 공급된다. 또한, 하수 슬러지, 가축분뇨, 폐기물, 바이오매스 고형연료 등의 연료가 연소기(120)로 공급되고, 공급된 연료 및 산소의 연소가 연소기(120)에서 이루어진다.
연소기(120)에서의 연소에 의해 회분 및 배가스가 발생된다.
연소기(120)에서 발생된 회분은 인 회수부(200)의 용출조(210)로 투입되거나, 회분 수집부(121)에 의해 수집되었다가 용출조(210)로 투입된다.
이 때, 회분 수집부(121)에 수집된 회분은 상기 ASU(110)에서 분리된 질소를 회분 수집부(121)에 공급하여, 공급되는 질소의 공압으로 용출조(210)에 투입되도록 할 수 있다.
이로써, 회분을 용출조(210)에 투입하기 위하여 펌프 등 별도의 동력을 사용할 필요가 없게 된다.
연소기(120)에서 발생된 배가스는 열 회수부(130)로 유입되며, 유입된 배가스로부터 열 에너지가 회수된다.
열에너지가 회수된 배가스는 탈황부(140)로 유입되며, 탈황부(140)로 유입된 배가스에 물이 분사되어 혼합되고, 배가스에 포함된 황산화물이 응축됨으로써 황산이 포함된 산성수가 생성된다.
탈황부(140)에서 생성된 황산을 포함하는 산성수는 탈황부(140)와 연결된 산성수 수집부(141)에 수집되며, 수집된 황산을 포함하는 산성수는 인 회수부(200)의 용출조(210)로 투입된다.
이 때, 연소부(100)는 가압조건이고, 인 회수부(200)는 상압조건이므로, 황산을 포함하는 산성수는 압력차로 인하여 용출조(210)로 투입되며, 따라서, 산성수를 용출조(210)로 투입하기 위한 펌프 등 별도의 동력이 필요하지 않게 된다.
탈황부(140)에서 황산화물이 제거된 배가스는 가압 컴프레셔(140)를 지나 가압되어, 탈질부(150)로 유입된다.
탈질부(150)로 유입된 배가스에 물이 분사되어 혼합되고, 배가스에 포함된 질소산화물이 응축됨으로써 질산이 포함된 산성수가 생성된다.
질산이 포함된 산성수는 탈질부(150)와 연결된 산성수 수집부(151)에서 수집되어 배출된다.
한편, 각 산성수 수집부(141, 151)에 수집된 산성수는 펌프에 의해 연소기(120)로 재투입될 수 있다.
탈질부(150)에서 질산이 제거된 배가스는 대부분이 이산화탄소로 이루어지게 되는데 이러한 배가스가 CPU(160)로 유입되어 순차로 고압으로 가압됨으로써 액화하여 배출 및 제거할 수 있다.
한편, 상기한 바와 같이 인 회수부(200)의 용출조(210)에는 연소기(120)에서 생성되고 수집된 회분과, 탈황부(140)에서 생성된 황산을 포함하는 산성수가 투입되어 혼합됨으로써 슬러리 형태가 되며, 슬러리가 균일하게 혼합될 수 있도록 교반을 행할 수 있다.
용출조(210)에서 혼합된 슬러리는 분리조(220)로 투입되며, 투입된 슬러리를 일정시간 동안 방치하여, 혼합된 슬러리가 상등액과 침전물로 분리되도록 한다.
분리조(220)에서 분리된 상등액은 침전조(230)로 투입되고, 분리된 침전물은 배출된다.
침전조(230)로 투입된 상등액에 침전제를 투입함으로써 상등액에 포함된 인을 결정화되면서 인을 포함하는 화합물 형태로 침전시킨다.
침전제의 종류는 한정되지 않으나, 회수할 인의 화합물 형태에 따라 마그네슘, 암모늄, 칼슘 화합물을 사용할 수 있다.
이 때, 상등액의 pH가 너무 낮으면 인의 결정화가 잘 이루어지지 않을 수 있으므로, pH 조정제를 투입하여 적절한 pH가 되도록 한다. pH 조정제 역시 한정되지 않으나, 예를 들면, 수산화나트륨, 수산화칼륨 등의 알칼리성 조정제가 사용될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상등액에 침전제와 pH 조정제를 투입한 후 교반을 행할 수 있다.
침전제와 pH 조정제가 투입되어 인 화합물이 결정화된 침전물은 회수조(240)로 투입되어 고체 성분을 분리하여 회수된다. 이와 같이, 분리된 인 화합물은 비료의 원료 등으로 사용될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템에 의하면, 인을 포함하는 비교적 저급의 연료를 가압 순산소 연소를 통하여 연소 시키면서 열 에너지를 얻을 수 있으며, 가압 순산소 연소의 부산물로 발생하는 회분과 산성수로부터 인을 회수함으로써, 각종 인 함유 고형연료의 연소 시스템 활용도 및 가치를 증대시틸 수 있다.
또한, 발전 시스템으로서의 기능만을 하던 가압 순산소 연소 시스템의 운전비용 개선 및 전력생산 외의 부가가치를 발생시킨다는 장점을 갖는다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: 연소부
110: ASU
120: 연소기
121: 회분 수집부
130: 열 회수부
140: 탈황부
141: 산성수 수집부
150: 탈질부
151: 산성수 수집부
160: CPU
200: 인 회수부
210: 용출조
220: 분리조
230: 침전조
240: 회수조

Claims (7)

  1. 연료 및 산소가 가압 공급되어 연소가 이루어지는 연소기(120), 및 상기 연소기(120)에서 연소에 의해 발생하는 배가스가 유입되며, 유입된 배가스에 포함된 성분이 응축된 산성수가 배출되는 탈황부(140)를 포함하는 연소부(100); 및
    상기 연소기(120)에서의 연소에 의해 발생하는 회분이 투입되며, 상기 탈황부(140)에서 응축된 산성수가 유입되는 인 회수부(200);를 포함하는,
    가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인 회수부(200)는,
    상기 연소기(120)에서의 연소에 의해 발생하는 회분이 투입되며, 상기 탈황부(140)에서 응축된 산성수가 유입되어, 유입된 상기 산성수에 의해, 투입된 상기 회분에 포함된 인 성분이 용출되는 용출조(210);
    용출된 인이 포함된 슬러리가 유입되어 상등액이 분리되는 분리조(220);
    상기 분리조(220)에서 분리된 상등액에 침전제 및 pH 조정제가 투입되어 상기 상등액에 포함된 인 성분이 침전되는 침전조(230); 및
    상기 침전조(230)에서 침전된 인 성분을 포함하는 침전물이 회수되는 회수조(240)를 포함하는,
    가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소기(120)와 상기 인 회수부(200) 사이에 위치하며, 상기 연소기(120)에서 생성되는 회분이 수집되는 회분 수집부(121); 및
    공기에서 질소 및 산소를 분리하여 분리된 산소를 상기 연소기(120)로 공급하는 ASU(Air Separation Unit, 110);를 더 포함하며,
    상기 ASU(110)에서 분리된 질소의 공압으로 상기 회분 수집부(121)에 수집된 상기 회분이 상기 인 회수부(200)로 투입되는,
    가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소부(100)는,
    상기 탈황부(140)보다 높은 압력으로 유지되며, 상기 탈황부(140)를 거친 배가스가 유입되어, 유입된 상기 배가스에 포함된 질소산화물이 응축되어 질산이 포함된 산성수가 배출되는 탈질부(150)를 더 포함하는,
    가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 탈황부(140) 및 상기 탈질부(150)에서 배출되는 산성수의 일부는 상기 연소기(120)로 공급되는,
    가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료는 하수 슬러지, 가축분뇨, 바이오매스 폐기물 고형연료 또는 인을 포함하는 연료 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
    가압 순산소 연소 회분에서의 인 회수 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른,
    인 회수부.
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