KR20200093097A - 가연성 폐기물 처리 시스템 - Google Patents

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조원준
이제설
유혜진
이준우
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(주)바이오프랜즈
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Abstract

본 발명은 가연성 폐기물을 처리하는 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 가연성 폐기물로 만든 SRF(solid refuse fuel)를 열분해하면서 발생하는 가스를 포집하여 최종적으로 DME를 생산하는 가연성 폐기물 처리 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템은 가연성 폐기물을 SRF(solid refuse fuel) 연료화하는 고형 연료화 유니트와, 상기 SRF를 열분해해서 합성가스를 생산하는 가스 생산 유니트와, 상기 합성가스로부터 메탄올을 생산하는 메탄올 생산 유니트와, 상기 메탄올로부터 DME(dimethyl ether)를 생산하는 DME 생산 유니트를 포함하는 것일 수 있다.

Description

가연성 폐기물 처리 시스템{DISPOSAL SYSTEM FOR COMBUSTIBILITY WASTE}
본 발명은 가연성 폐기물을 처리하는 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 가연성 폐기물로 만든 SRF(solid refuse fuel)를 열분해하면서 발생하는 가스를 포집하여 최종적으로 메탄올 또는 DME를 생산하는 가연성 폐기물 처리 시스템에 관한 것이다.
환경 문제가 대두 됨에 따라 자원 순환에 대한 관심이 높아지고 있다. 따라서, 일반적인 생산, 유통, 소비과정에서 배출되는 폐기물은 순환자원인정을 거치면서 폐기물이 아닌 순환자원으로 인정되며 이로 인하여 재활용을 극대화할 수 있다. 또한, 순환자원 인정을 받지 못하면 폐기물로 분류되고 폐자원 에너지 회수 등을 이용하여 최종 폐기물을 최소화 기술이 주목받고 있다.
일반적으로 폐기물은 크게 가연성 폐기물과 불연성 폐기물로 구분할 수 있으며 가연성 폐기물은 대부분 자원화하거나 에너지를 회수할 수 있다. 국내 가연성 폐기물의 발생량은 2018년 기준 지난 5년 동안 20.5% 증가 추세에 있으며, 발생량 중 44%는 물질순환에 의한 자원화, 37%는 소각처리, 20%는 매립 등으로 처리되고 있다. 2015년도 가연성 폐기물 발생량은 약 2200만 t이고 이 중 소각으로 처리되는 가연성 폐기물의 양은 약 821만 t으로 국내 소각시설 규모 연간 약 830만 t과 비슷하다.
가연성 폐기물 중 에너지 함량이 가장 높은 플라스틱 폐기물은 2015년도 690만 t이 발생하였고 발생량 중 35%가 소각처리 되고 있다. 그러나 2017년도부터 플라스틱 폐기물(약 23만 t)에 대한 중국의 수입금지 조치로 국내에서 처리해야 하며 미국, 유럽 등 전 세계적으로 중국으로 수출되던 폐플라스틱 일부가 한국으로 수입되어 국내 플라스틱 폐기물이 증가하고 있는 실정이다. 따라서 가연성 폐기물의 국내 처리량이 증가되고 있고 혼합폐기물 또한 소각되면 소각용량이 부족하여 다양한 처리 방법으로 최적화 방안을 도출하는 것이 필요하다.
가연성 폐기물은 처리 공정을 통해서 SRF(solid refuse fuel) 연료화하여 사용을 할 수 있다. 기존에는 SRF를 화력발전소의 보조 연료 등 석탄과 같은 화석 연료 대신하여 사용되었다.
한국등록특허 제10-1159256호에는 가연성 폐기물로부터 SRF를 생산하는 기술이 개시되어 있다.
한국등록특허 제10-1159256호
본 발명은 가연성 폐기물을 처리하는 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 가연성 폐기물로 만든 SRF(solid refuse fuel)를 열분해하면서 발생하는 가스를 포집하여 최종적으로 메탄올 또는 DME를 생산하는 가연성 폐기물 처리 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템은 가연성 폐기물을 SRF(solid refuse fuel) 연료화하는 고형 연료화 유니트와, 상기 SRF를 열분해해서 합성가스를 생산하는 가스 생산 유니트와, 상기 합성가스로부터 메탄올을 생산하는 메탄올 생산 유니트와, 상기 메탄올로부터 DME(dimethyl ether)를 생산하는 DME 생산 유니트를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템에서 상기 고형 연료화 유니트는 매립지에 매립되어 있는 매립 폐기물 또는 외부에서 새로 생성되는 신규 폐기물을 반입하는 반입부와, 상기 반입부에 반입된 상기 매립 폐기물 또는 상기 신규 폐기물로부터 상기 가연성 폐기물을 선별하는 선별부와, 선별된 상기 가연성 폐기물을 분쇄하는 분쇄부와, 분쇄된 상기 가연성 폐기물을 일정한 형상으로 성형하는 성형부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템에서 상기 선별부는 트롬멜선별기, 풍력선별기, 자력선별기 및 광학선별기 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템에서 상기 가스 생산 유니트는 플라즈마 가스화(plasma gasification) 방법으로 상기 SRF를 가스화하여 합성가스를 생산하는 것일 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템에서 상기 SRF는 탄소계 물질을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템에서 상기 합성가스는 H2 또는 CO를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템에서 상기 메탄올 생산 유니트는 상기 합성가스에서 불순물을 제거하는 가스전처리부와, 상기 불순물이 제거된 합성가스를 주입받아 메탄올을 생산하는 합성반응기를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템에서 상기 메탄올 생산 유니트는 고순도 메탄올을 생산하는 메탄올 정제탑을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템에서 상기 가스전처리부는 불순물로서 H2S, CO2 를 제거하는 것일 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템에서 상기 DME 생산 유니트는 메탄올을 주입받아 DME를 생산하는 탈수반응기를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템에서 상기 DME 생산 유니트는 고순도 DME를 생산하는 DME 정제탑을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템은 매립지에 매립되어 있는 기존의 매립 폐기물은 물론 지속적으로 발생하는 각종 산업 및 생활 폐기물로부터 가연성 폐기물을 추출하여 SRF(solid refuse fuel)로 만들고, SRF를 열분해하여 최종적으로 친환경 에너지로 주목받고 있는 DME를 생산할 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템에서 매립 폐기물 및 신규 폐기물에서 선별된 가연성 쓰레기를 파쇄, 건조, 분쇄 과정을 거쳐 SRF(Solid Refuse Fuel, 고형연료) 연료화하는 과정에서 가연물의 량과 열량은 증가하고 함수비와 회분은 감소하여 연료화 처리 전과 비교하면 부피는 69.3% 감량이 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 고형 연료화 유니트를 나타내는 블록도이다.
도 3은 가스 생산 유니트를 나타내는 블록도이다.
도 4는 가스 생산 유니트를 나타내는 단면도이다.
도 5는 메탄올 생산 유니트를 나타내는 블록도이다.
도 6은 DME 생산 유니트를 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템의 공정 순서를 나타내는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 2는 고형 연료화 유니트(100)를 나타내는 블록도이다. 도 3은 가스 생산 유니트(200)를 나타내는 블록도이다. 도 4는 가스 생산 유니트(200)를 나타내는 단면도이다. 도 5는 메탄올 생산 유니트(300)를 나타내는 블록도이다. 도 6은 DME 생산 유니트(400)를 나타내는 블록도이다. 도 7은 본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템의 공정 순서를 나타내는 개념도이다.
이하, 도 1 내지 7을 참조하여 본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템의 구성 및 기능 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템은 가연성 폐기물을 SRF(solid refuse fuel) 연료화하는 고형 연료화 유니트(100)와, SRF를 열분해해서 합성가스를 생산하는 가스 생산 유니트(200)와, 합성가스로부터 메탄올을 생산하는 메탄올 생산 유니트(300)와, 메탄올로부터 DME(dimethyl ether)를 생산하는 DME 생산 유니트(400)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템은 매립지에 매립되어 있는 기존의 매립 폐기물은 물론 지속적으로 발생하는 각종 산업 및 생활 폐기물로부터 가연성 폐기물을 선별하여 SRF(solid refuse fuel)로 만들고, SRF를 열분해하여 최종적으로 친환경 에너지로 주목받고 있는 DME를 생산할 수 있다.
DME(dimethyl ether)는 가장 간단한 에테르 형태인 CH3OCH3의 분자구조를 가지며, 온화한 조건하에서 액체로 존재하는 화학물질이다. DME는 공기 중에서 오랫동안 노출되어도 과산화물 형태가 생성되지 않는 안정한 화합물이며 비활성적이고 부식성이 없다. 또한, DME는 마취성이 강한 디에틸에테르와는 달리 발암성 및 마취성이 없어 인체에 무해한 무색 기체이며 물리적인 성질이 LPG와 유하사여 동일한 방법으로 저장 및 운송이 가능하며, 발열량도 메탄에 비해 높고 황 함량도 없어 연료로서 가치가 높다.
도 2에 도시된 바와 같이, 고형 연료화 유니트(100)는 매립지에 매립되어 있는 매립 폐기물 또는 외부에서 새로 생성되는 신규 폐기물을 반입하는 반입부(110)와, 반입부(110)에 반입된 상기 매립 폐기물 또는 신규 폐기물로부터 가연성 폐기물을 선별하는 선별부(120)와, 선별된 가연성 폐기물을 분쇄하는 분쇄부(130)와, 분쇄된 상기 가연성 폐기물을 일정한 형상으로 성형하는 성형부(140)를 포함하는 것일 수 있다.
반입부(110)에는 기존의 매립지에 매립되어 있던 매립 폐기물이 굴착되어 반입되거나 산업현장 또는 주거시설에서 새롭게 발생하는 산업 폐기물 또는 생활 폐기물인 신규 폐기물이 반입될 수 있다.
선별부(120)는 폐기물의 재질, 크기, 비중에 따라 선별하는 것으로서, 트롬멜선별기, 풍력선별기, 자력선별기 및 광학선별기 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 선별부(120)는 최종적으로 매립 폐기물 또는 신규 폐기물로부터 가연성 폐기물을 선별하는 것일 수 있다. 트롬멜선별기, 풍력선별기, 자력선별기 및 광학선별기는 본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템이 적용되는 환경에 따라 복수로 설치될 수 있으며, 직렬 또는 병렬로 배열될 수 있다.
트로멜선별기는 입도 선별을 위한 것으로서, 폐기물의 크기에 따라 선별하는 것일 수 있다. 트롬멜선별기는 커다란 원통에 타공망을 구성하여 투입된 폐기물을 입도에 따라 선별하는 설비일 수 있다. 원통스크린을 다양한 구경으로 구성하여 투입물을 입도별로 선별 가능하며, 내부에 설치된 여러 개의 칼날은 봉투류 및 대형물의 파봉/파쇄를 도울 수 있다. 따라서, 트롬멜선별기는 후단 선별기계들에 적합한 규격만을 선별 투입함으로 각 선별기의 선별 효율을 극대화 시킬 수 있다.
풍력선별기는 폐기물을 비중에 따라 선별하는 것으로서, 풍력을 이용한 것일 수 있다. 풍력선별기는 폐기물에 분사되는 공기의 분사압력 및 풍량을 조절하여 선별 비중을 조절할 수 있다.
자력선별기는 유도자장센서를 이용하여 비철금속과 철금속의 폐기물을 선별할 수 있다.
광학선별기는 폐기물의 재질 또는 색상에 따라 폐기물을 선별할 수 있다. 또한, 광학선별기는 SRF내 염소제거를 위한 것으로, SRF에 적합한 가연성 폐기물만 선별해 내는 Positive 공정일 수 있다. SRF 연소 시 다이옥신 발생의 원인이 되는 염소농도를 현저히 제거할 수 있다.
분쇄부(130)는 전기모터, 유압펌프, 유압모터 등의 구동원으로 폐기물을 파쇄할 수 있다. 파쇄기는 휠로더에 의해 투입된 폐기물을 유압식 회전로터의 칼날과 고정나이프로 파쇄하며, 파쇄된 폐기물들은 배출 컨베이어로 이송한 후 다음 공정으로 공급할 수 있다.
성형부(140)는 분쇄된 폐기물을 건조한 압력을 가해 폐기물을 일정한 형상으로 성형하여 SRF를 완성할 수 있다.
표 1은 선별후 가연성 폐기물과 SRF를 비교한 것이다.
선별 후 가연성 폐기물 SRF
가연물 비율 25% 84.1%
함수비 19.7% 4.6%
회분 54.5% 11.3%
열량 2220kcal/kg 6480kcal/kg
매립 폐기물 및 신규 폐기물에서 선별된 가연성 쓰레기를 파쇄, 건조, 분쇄 과정을 거쳐 SRF(Solid Refuse Fuel, 고형연료) 연료화하는 과정에서 가연물의 량과 열량은 증가하고 함수비와 회분은 감소하여 연료화 처리 전과 비교하면 부피는 69.3% 감량이 될 수 있다. 가스 생산 유니트(200)는 SRF를 열분해하는 것으로, 플라즈마 가스화(plasma gasification) 방법으로 SRF를 가스화하여 합성가스를 생산하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 가스 생산 유니트(200)는 플라즈마 가스화기(plasma Gasifier)일 수 있다.
플라즈마 가스화(Plasma gasification)는 물질을 플라즈마화시켜서 합성가스, 전기(열), 슬러그(고형물)로 만드는 공법일 수 있다.
고체에 열을 가하면 액체가 되고, 다시 열을 가하면 기체가 되며, 다시 열을 가하면 플라즈마가 된다. 폐기물 소각장은 폐기물을 연소하는 것으로서, 중금속의 재가 발생하는 등의 문제점이 있지만, 폐기물을 플라즈마 가스화하면, 일체 재가 발생하지 않으며, 모든 종류의 쓰레기가 전혀 흔적 없이 사라질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 가스 생산 유니트(200)는 SRF를 주입받아 고온의 열을 가해 SRF를 열분해하며, 결과물로 합성가스, 열 및 고형물이 발생할 수 있다. 합성가스는 메탄올 생산 유니트(300)로 공급되어 메탄올 생산을 위한 재료로 사용될 수 있다. 열은 발전설비(20)로 전달되며, 폐열회수보일러 증기로 회수하여 전력으로 변환될 수 있다. 부산물로 생성되는 고형물은 분리 선별되어 고형물처리설비(30)로 보내지며, 벽돌, 보도블럭 등 건축자재로 재활용될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 가스 생산 유니트(200)는 챔버와, 챔배 내부로 SRF를 주입하는 SRF 주입구(220)와, 챔버 상부에 마련되어 SRF에 열을 가하는 토치(250)와, SRF가 합성가스로 변환되는 가스화 존(210)과, 합성가스를 배출하는 합성가스 배출구(230)와, 챔버 하부에 마련되어 슬러그인 고형물이 배출되는 고형물 배출구(240)를 포함할 수 있다.
SRF는 탄소계 물질을 포함하는 것일 수 있다. 따라서, SRF를 재료로 생성된 합성가스는 H2S, CO2, H2, CO 등을 포함할 수 있다. 합성가스는 메탄올 생산 유니트(300)로 전달되어 메탈올로 변환될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 메탄올 생산 유니트(300)는 합성가스에서 불순물을 제거하는 가스전처리부(310)와, 불순물이 제거된 합성가스를 주입받아 메탄올을 생산하는 합성반응기(320)와, 합성반응기(320)에서 생성된 메탄올로부터 고순도 메탄올을 생산하는 메탄올 정제탑을 포함하는 것일 수 있다.
가스전처리부(310)는 합성가스에서는 메탄올의 생산에 필요한 H2, CO만을 남기기 위해서 불순물인 H2S, CO2를 합성가스에서 제거할 수 있다.
합성반응기(320)는 합성가스에서 H2, CO를 메탄올로 합성할 수 있다. H2, CO의 몰비는 1:2일 수 있다. 합성반응기(320)에서 생성된 메탄올은 정제탑으로 전달되어 메탄올만을 분리하여 고순도 메탄올을 생산할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, DME 생산 유니트(400)는 메탄올을 주입받아 DME를 생산하는 탈수반응기(410)와, 탈수반응기(410)에서 생산된 DME으로부터 고순도 DME를 생산하는 DME 정제탑(420)을 포함하는 것일 수 있다.
탈수반응기(410)에서 메탄올에서 DME를 생산하는 반응식은 다음과 같을 수 있다.
2CH3OH ↔ CH3OCH3 + H2O
메탄올이 DME와 물로 전환되는 반응은 발열반응으로 약 23.4kJ/mol의 열을 방출한다. 탈수반응기(410)에서 발생하는 열은 제거되어야 DME 생산이 원활해지기 때문에 해당 열을 제거하기 위해서 열을 증기로 변환하여 전기를 생산할 수도 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 가연성 폐기물 처리 시스템은 매립지, 산업시설, 주거시설 등에서 반입된 폐기물에서 SRF을 생산하고, SRF로부터 합성가스를 생산하는 과정에서 1차적으로 전기에너지를 얻을 수 있으며, 최종적으로 친환경 에너지원인 DME를 생산할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
20...발전설비 30...고형물처리설비
100...고형 연료화 유니트 110...반입부
120...선별부 130...분쇄부
140...성형부 200...가스 생산 유니트
210...가스화 존 220...SRF 주입구
230...합성가스 배출구 240...고형물 배출구
250...토치 300...메탄올 생산 유니트
310...가스전처리부 320...합성반응기
400...DME 생산 유니트 410...탈수반응기
420...DME 정제탑

Claims (11)

  1. 가연성 폐기물을 SRF(solid refuse fuel) 연료화하는 고형 연료화 유니트;
    상기 SRF를 열분해해서 합성가스를 생산하는 가스 생산 유니트;
    상기 합성가스로부터 메탄올을 생산하는 메탄올 생산 유니트; 및
    상기 메탄올로부터 DME(dimethyl ether)를 생산하는 DME 생산 유니트를 포함하는 것인 가연성 폐기물 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고형 연료화 유니트는,
    매립지에 매립되어 있는 매립 폐기물 또는 외부에서 새로 생성되는 신규 폐기물을 반입하는 반입부와,
    상기 반입부에 반입된 상기 매립 폐기물 또는 상기 신규 폐기물로부터 상기 가연성 폐기물을 선별하는 선별부와,
    선별된 상기 가연성 폐기물을 분쇄하는 분쇄부와,
    분쇄된 상기 가연성 폐기물을 일정한 형상으로 성형하는 성형부를 포함하는 것인 가연성 폐기물 처리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 선별부는 트롬멜선별기, 풍력선별기, 자력선별기 및 광학선별기 중 하나 이상을 포함하는 것인 가연성 폐기물 처리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 생산 유니트는 플라즈마 가스화(plasma gasification) 방법으로 상기 SRF를 가스화하여 합성가스를 생산하는 것인 가연성 폐기물 처리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 SRF는 탄소계 물질을 포함하는 것인 가연성 폐기물 처리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 합성가스는 H2 또는 CO를 포함하는 것인 가연성 폐기물 처리 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 메탄올 생산 유니트는,
    상기 합성가스에서 불순물을 제거하는 가스전처리부와,
    상기 불순물이 제거된 합성가스를 주입받아 메탄올을 생산하는 합성반응기를 포함하는 것인 가연성 폐기물 처리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 메탄올 생산 유니트는,
    고순도 메탄올을 생산하는 메탄올 정제탑을 더 포함하는 것인 가연성 폐기물 처리 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가스전처리부는 불순물로서 H2S, CO2 를 제거하는 것인 가연성 폐기물 처리 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 DME 생산 유니트는 메탄올을 주입받아 DME를 생산하는 탈수반응기를 포함하는 것인 가연성 폐기물 처리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 DME 생산 유니트는 고순도 DME를 생산하는 DME 정제탑을 포함하는 것인 가연성 폐기물 처리 시스템.
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