KR20220147600A - 원료의 처리 장치 및 처리 방법 - Google Patents

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KR20220147600A
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다카유키 이하라
다카시 후지와라
노리히사 미요시
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에바라 간쿄 플랜트 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 가연성 폐기물 등의 원료를 처리하기 위한 기술에 관한 것으로, 특히 이산화탄소를 대기 중에 방출하지 않는 연소 및 열분해·가스화 처리 기술에 관한 것이다. 처리 장치는, 칸막이벽(10)으로 칸막이된 열분해실(6) 및 연소실(7)을 내부에 갖는 유동상로(1)와, 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생성하는 전기 분해 장치(2)와, 연소실(7)로부터 배출된 이산화탄소와, 수소로부터 메탄을 생성하는 메타네이션 반응기(3)와, 제1 유동화 가스를 열분해실(6) 내에 공급하는 제1 유동화 가스 공급 라인(11)과, 이산화탄소의 일부와, 산소를 제2 유동화 가스로서 연소실(7)에 유도하는 제2 유동화 가스 공급 라인(12)을 구비하고 있다.

Description

원료의 처리 장치 및 처리 방법
본 발명은, 가연성 폐기물 등의 원료를 처리하기 위한 기술에 관한 것으로, 특히 이산화탄소를 대기 중에 방출하지 않는 연소 및 열분해·가스화 처리 기술에 관한 것이다.
이산화탄소(CO2)는, 지구 온난화의 원인이 될 수 있기 때문에, 이산화탄소의 배출량을 저감시키는 것이 요구되고 있다. 그러나, 폐기물 처리 시스템 등의 각종 연소 장치에서는, 가연물의 연소에 수반하여 이산화탄소가 필연적으로 생성되기 때문에, 이산화탄소의 대기 중으로의 방출량을 삭감하는 것은 중요한 과제로 되어 있다.
한편, 연소 장치로부터 배출된 이산화탄소를 회수하고, 지중 등에 저류하는 시도도 이루어지고 있다. 그러나, 고농도의 이산화탄소를 회수하기 위해서는, 연소 장치로부터 배출된 이산화탄소를 포함하는 연소 배기 가스를, 또한 산소로 완전 연소시키거나, 혹은 이산화탄소를 연소 배기 가스로부터 분리할 필요가 있다. 이러한 처리 사이클은, 부가적인 설비를 필요로 하고, 비용도 증대한다.
일본 특허 공개 제2018-165388호 공보
그래서, 본 발명은 대기 중에 방출되는 이산화탄소의 양을 이론적으로 0으로 할 수 있고, 지구 온난화 방지에 기여할 수 있는 처리 장치 및 처리 방법을 제공한다.
일 양태에서는, 원료의 처리 장치이며, 칸막이벽으로 칸막이된 열분해실 및 연소실을 내부에 갖는 유동상로와, 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생성하는 전기 분해 장치와, 상기 연소실로부터 배출된 이산화탄소와, 상기 수소로부터 메탄을 생성하는 메타네이션 반응기와, 제1 유동화 가스를 상기 열분해실 내에 공급하는 제1 유동화 가스 공급 라인과, 상기 이산화탄소의 일부와, 상기 산소를 제2 유동화 가스로서 상기 연소실에 유도하는 제2 유동화 가스 공급 라인을 구비하고 있는, 처리 장치가 제공된다.
일 양태에서는, 상기 전기 분해 장치는, CO2 프리 발전기에 전기적으로 접속되어 있다.
일 양태에서는, 상기 제1 유동화 가스 공급 라인은, 상기 제1 유동화 가스로서 산소 프리 가스를 상기 열분해실 내에 공급하는 산소 프리 가스 공급 라인이다.
일 양태에서는, 상기 처리 장치는, 상기 전기 분해 장치에 의해 생성된 수소를 저장하는 수소 홀더를 더 구비하고 있고, 상기 수소 홀더는, 상기 전기 분해 장치와 상기 메타네이션 반응기 사이에 배치되어 있다.
일 양태에서는, 상기 처리 장치는, 상기 전기 분해 장치에 의해 생성된 산소를 저장하는 산소 홀더를 더 구비하고 있고, 상기 산소 홀더는, 상기 전기 분해 장치와 상기 연소실 사이에 배치되어 있다.
일 양태에서는, 칸막이벽으로 칸막이된 열분해실 및 연소실을 내부에 갖는 유동상로를 사용하여 원료를 처리하는 방법이며, 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생성하고, 상기 연소실 내의 유동 매체를 상기 열분해실로 이동시키면서, 제1 유동화 가스를 상기 열분해실에 공급하고, 상기 원료를 상기 열분해실 내에서 열분해하고, 상기 원료의 잔사를 상기 연소실 내에서 연소시켜, 상기 연소실로부터 배출된 이산화탄소와, 상기 수소로부터 메탄을 생성하고, 상기 이산화탄소의 일부와 상기 산소를 제2 유동화 가스로서 상기 연소실에 공급하는, 방법이 제공된다.
일 양태에서는, 상기 물의 전기 분해는, CO2 프리 전력을 사용하여 행하여진다.
일 양태에서는, 상기 제1 유동화 가스는, 산소 프리 가스이다.
본 발명에 따르면, 연소실로부터 배출된 이산화탄소와, 전기 분해 장치에 의해 생성된 수소가 반응하고, 메탄이 생성된다. 따라서, 본 발명에 관한 처리 장치 및 처리 방법은, 대기 중에 방출되는 이산화탄소의 양을 이론적으로 0으로 할 수 있다.
도 1은, 처리 장치의 일 실시 형태를 도시하는 모식도이다.
도 2는, 처리 장치의 다른 실시 형태를 도시하는 모식도이다.
도 3은, 처리 장치의 또 다른 실시 형태를 도시하는 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 가연성 폐기물 등의 원료를 처리하기 위한 처리 장치의 일 실시 형태를 도시하는 모식도이다. 도 1에 도시하는 처리 장치는, 원료의 소각로인 유동상로(1)와, 물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생성하는 전기 분해 장치(2)와, 유동상로(1)로부터 배출된 이산화탄소 및 전기 분해 장치(2)에 의해 생성된 수소로부터 메탄을 생성하는 메타네이션 반응기(3)를 구비하고 있다.
유동상로(1)는, 원료를 열분해하고, 탄화수소 등의 열분해 생성물을 생성하는 열분해실(6)과, 열분해된 원료의 잔사를 연소하는 연소실(7)을 구비하고 있다. 열분해실(6) 및 연소실(7)은, 1개의 유동상로(1) 내에 형성되어 있다. 즉, 유동상로(1)의 내부는, 칸막이벽(10)에 의해 열분해실(6)과 연소실(7)로 칸막이되어 있다. 유동상로(1)의 전체의 형상은 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어 원통형 또는 직사각형을 갖고 있다.
열분해실(6) 및 연소실(7) 내에는, 유동 매체(예를 들어 규사)가 수용되어 있다. 유동 매체를 유동시키기 위해서, 열분해실(6) 및 연소실(7)은, 제1 유동화 가스 공급 라인(11) 및 제2 유동화 가스 공급 라인(12)에 각각 접속되어 있다.
제1 유동화 가스 공급 라인(11)은, 열분해실(6)의 하방에 위치하는 제1 바람 상자(15)에 접속되어 있고, 제1 바람 상자(15)를 통하여 열분해실(6)에 연통하고 있다. 제1 바람 상자(15)의 상벽은 다공판(15a)으로 구성되어 있다. 다공판(15a)은, 열분해실(6)의 노상을 구성한다. 제1 유동화 가스 공급 라인(11)은, 제1 유동화 가스를 제1 바람 상자(15)를 통하여 열분해실(6) 내에 공급하고, 열분해실(6) 내의 유동 매체를 유동시킨다. 유동하는 유동 매체는, 제1 유동상(18)을 열분해실(6) 내에 형성한다.
제2 유동화 가스 공급 라인(12)은, 연소실(7)의 하방에 위치하는 제2 바람 상자(16)에 접속되어 있고, 제2 바람 상자(16)를 통하여 연소실(7)에 연통하고 있다. 제2 바람 상자(16)의 상벽은 다공판(16a)으로 구성되어 있다. 다공판(16a)은, 연소실(7)의 노상을 구성한다. 제2 유동화 가스 공급 라인(12)은, 연소실(7)로부터 배출된 이산화탄소의 일부와, 전기 분해 장치(2)에 의해 생성된 산소를, 제2 유동화 가스로서 제2 바람 상자(16)를 통하여 연소실(7) 내에 공급하고, 연소실(7) 내의 유동 매체를 유동시킨다. 유동하는 유동 매체는, 제2 유동상(19)을 연소실(7) 내에 형성한다.
처리 장치는, 연소실(7)의 상방에 마련된 배기 가스 출구(22)로부터 메타네이션 반응기(3)로 연장하는 연소 배기 가스 이송 라인(24)을 구비하고 있다. 또한, 처리 장치는, 연소 배기 가스 이송 라인(24) 및 유동상로(1)에 접속된 이산화탄소 복귀 라인(25)을 구비하고 있다. 이산화탄소 복귀 라인(25)의 일단은, 연소 배기 가스 이송 라인(24)에 접속되어 있고, 이산화탄소 복귀 라인(25)의 타단은, 제2 바람 상자(16)에 접속되어 있다. 연소실(7)에서 발생한 이산화탄소의 일부는, 이산화탄소 복귀 라인(25)을 통하여 연소실(7)로 되돌려지고, 나머지의 이산화탄소는, 연소 배기 가스 이송 라인(24)을 통하여 메타네이션 반응기(3)에 보내진다.
전기 분해 장치(2)에 의해 생성된 산소는, 산소 이송 라인(30) 및 이산화탄소 복귀 라인(25)을 통하여 연소실(7)에 보내진다. 산소 이송 라인(30)의 일단은 전기 분해 장치(2)에 접속되고, 산소 이송 라인(30)의 타단은 이산화탄소 복귀 라인(25)에 접속되어 있다. 산소는, 이산화탄소 복귀 라인(25)을 흐르는 이산화탄소에 혼합된다. 이산화탄소 복귀 라인(25)을 흐르는 이산화탄소 및 산소의 혼합체는, 제2 유동화 가스로서, 연소실(7) 내에 유도되고, 연소실(7) 내의 유동 매체를 유동시킨다. 본 실시 형태에서는, 제2 유동화 가스 공급 라인(12)은, 연소 배기 가스 이송 라인(24)의 일부와, 이산화탄소 복귀 라인(25)과, 산소 이송 라인(30)으로 적어도 구성되어 있다.
칸막이벽(10)은, 유동상로(1)의 상벽(1a)으로부터 하방으로 연장되어 있다. 칸막이벽(10)의 하단은 노상에 접하고 있지 않고, 칸막이벽(10) 아래에 개구(26)가 있다. 이 개구(26)는, 열분해실(6) 및 연소실(7)의 저부에 위치하고 있고, 열분해실(6)과 연소실(7)은 개구(26)를 통하여 서로 연통하고 있다. 개구(26)는, 연소실(7) 내에서 가열된 유동 매체가 열분해실(6) 내에 이동하는 것을 허용한다. 개구(26)는, 열분해실(6) 및 연소실(7) 내의 제1 유동상(18) 및 제2 유동상(19)의 계면(상면)보다도 하방에 위치하고 있다.
연소실(7) 내에는, 이산화탄소 및 산소로 이루어지는 제2 유동화 가스에 의해 유동 매체의 선회류가 형성된다. 제2 유동상(19)은, 이러한 유동 매체의 선회류로 형성된다. 연소실(7) 내에서 선회류를 형성하는 유동 매체의 일부는, 개구(26)를 통하여 열분해실(6)에 유입되고, 제1 유동상(18)을 형성하는 유동 매체에 혼합된다. 열분해실(6) 내에서는, 제1 유동화 가스에 의해 유동 매체의 선회류가 형성된다. 제1 유동상(18)은, 이러한 유동 매체의 선회류로 형성된다.
열분해실(6)과 연소실(7)은, 연통로(35)를 통하여 서로 연통하고 있다. 도 1에서는 연통로(35)를 나타내는 화살표는 유동상로(1)의 밖에 그려져 있지만, 연통로(35)도 유동상로(1) 내에 위치하고 있다. 게다가, 도 1에서는, 열분해실(6) 및 연소실(7)은, 평면적으로 그려져 있지만, 실제로는 열분해실(6) 및 연소실(7)은 입체적인 형상이고, 열분해실(6)은 연소실(7)의 근처에 배치하는 것도 가능하다. 따라서, 연통로(35)는 단순한 개구부로 구성되어 있는 경우도 있다.
유동상로(1)는, 폐기물, 바이오매스 등의 원료를 열분해실(6) 내에 공급하는 원료 공급구(37)를 갖고 있다. 원료 공급구(37)를 통하여 열분해실(6) 내에 투입된 원료는, 제1 유동상(18)을 형성하는 유동 매체의 선회류에 의해 교반되면서, 유동 매체로부터 열을 받고, 열분해한다. 열분해의 결과, 원료에 포함되는 성분의 일부는, 열분해 생성물(예를 들어 탄화수소 CnHm, n 및 m은 정수)로서의 생성 가스를 형성한다. 생성 가스는, 열분해실(6)을 형성하는 유동상로(1)의 상벽(1a)에 마련된 생성 가스 출구(41)를 통하여 열분해실(6)로부터 배출된다. 생성 가스 출구(41)는 열분해실(6)에 연통하고 있다.
생성 가스 출구(41)에는, 생성 가스 이송 라인(45)이 접속되어 있다. 처리 장치는, 생성 가스 이송 라인(45)에 접속된 사이클론(47) 및 스크러버(48)를 구비하고 있다. 사이클론(47) 및 스크러버(48)는, 생성 가스 이송 라인(45)을 따라 직렬로 나열되어 있다. 열분해실(6)로부터 배출된 생성 가스는, 생성 가스 이송 라인(45)을 통하여 사이클론(47)에 보내지고, 사이클론(47)에 의해 분진이 생성 가스로부터 제거된다. 또한, 생성 가스는 스크러버(48)에 보내지고, 스크러버(48)에서 생성 가스가 물(가성 소다 등의 알칼리 약제를 포함한 물일 수도 있음)로 세정된다. 스크러버(48)는, 물 대신에 기름으로 생성 가스를 세정하거나, 혹은 물 및 기름으로 생성 가스를 세정하는 구성으로 해도 된다. 이와 같이 하여 정제된 생성 가스는, 연료 가스, 화학 원료 등에 사용할 수 있다. 사이클론(47) 및 스크러버(48)의 어느 한쪽 또는 양쪽이 마련되지 않는 경우도 있다.
본 실시 형태에서는, 열분해실(6)에 공급되는 제1 유동화 가스로서, 산소를 포함하지 않는 기체인 산소 프리 가스가 사용되고 있다. 따라서, 본 실시 형태의 제1 유동화 가스 공급 라인(11)은, 산소 프리 가스 공급 라인이다. 산소 프리 가스의 예로서는, 열분해실(6)로부터 배출된 생성 가스, 수증기, 불활성 가스(예를 들어 질소 가스), 또는 메타네이션 반응기(3)에서 생성된 메탄을 들 수 있다. 산소 프리 가스는, 생성 가스, 수증기, 불활성 가스 및 메탄 중 적어도 2개의 혼합물이어도 된다. 본 실시 형태에서는, 수증기가 제1 유동화 가스로서 사용되고 있다. 바람직하게는, 제1 유동화 가스는, 열분해실(6)로부터 배출된 생성 가스와, 메타네이션 반응기(3)에서 생성된 메탄의 조합이 사용된다. 생성 가스와 메탄의 조합을 포함하는 제1 유동화 가스는, 원료의 열분해에 의해 발생한 생성 가스에, 화학 조성이 가까운 가스이므로, 생성 가스의 순도가 높아진다. 또한, 생성 가스 중에 산소 원자를 포함하는 화학 물질을 함유시키고 싶을 때는, 열분해실(6)의 공탑부에 산소 함유 가스를 공급함으로써, 열분해실(6) 내에서 가스화 반응을 시켜도 된다.
열분해실(6) 내의 원료 잔사는, 유동 매체와 함께, 연통로(35)를 통하여 연소실(7)로 이동한다. 원료의 잔사는, 제2 유동상(19)을 형성하는 유동 매체와 함께 선회하면서, 제2 유동화 가스에 포함되는 산소의 존재 하에서 연소한다. 원료의 잔사는, 연소와 함께 이산화탄소를 발생하면서, 열에너지를 방출하고, 제2 유동상(19)을 형성하는 유동 매체를 가열한다. 이산화탄소와, 잉여적인 산소는, 연소 배기 가스로서, 배기 가스 출구(22)를 통하여 연소실(7)로부터 배출된다. 배기 가스 출구(22)는, 연소실(7)을 형성하는 유동상로(1)의 상벽(1a)에 마련되어 있다. 배기 가스 출구(22)는, 연소실(7)에 연통하고 있다.
가열된 유동 매체의 일부는, 개구(26)를 통하여 열분해실(6) 내에 유입한다. 가열된 유동 매체는, 원료의 열분해에 필요한 열량을 제공하고, 이에 의해 원료의 열분해가 열분해실(6) 내에서 진행한다. 또한, 유동 매체는, 원료의 잔사와 함께 연통로(35)를 통하여 연소실(7)로 이동한다. 이와 같이, 유동 매체는, 열분해실(6)과 연소실(7) 사이를 순환한다.
열분해실(6)에 투입되는 원료는, 폐플라스틱, 목재, 바이오매스 등의 탄소(C)를 포함하는 가연성 재료이다. 원료는, 열분해실(6) 내에서는 연소되지 않고, 열분해된다. 원료는, 탄소를 포함하기 때문에, 열분해실(6) 내에서 탄화물(차)이 생성되기 쉽다. 탄화물(차)은, 생성 가스로서 열분해실(6)로부터 빼낼 수 없는 반면, 높은 열량을 보유하고 있다. 원료의 일부는, 생성 가스로서 열분해실(6)으로부터 배출되고, 원료의 잔사는 탄화물(차)로서 연소실(7) 내에 보내진다. 이 탄화물(차)는 높은 열량을 갖고 있다. 따라서, 탄화물(차)은 연소실(7) 내에서 연소한 때에 높은 열에너지를 발생하고, 유동 매체를 고온으로 가열할 수 있다. 가열된 유동 매체의 일부는, 연소실(7)로부터 열분해실(6)로 이동하고, 원료를 열분해한다.
제1 바람 상자(15)와 제2 바람 상자(16) 사이에는, 불연물 배출구(50)가 마련되어 있다. 원료 중에 포함되는 비교적 큰 불연물은 불연물 배출구(50)로부터 배출된다.
원료의 잔사는, 연소실(7) 내에서 연소하고, 이산화탄소를 발생한다. 이산화탄소는, 배기 가스 출구(22)를 통하여 연소실(7)로부터 배출되고, 연소 배기 가스 이송 라인(24)을 통하여 메타네이션 반응기(3)에 이송된다. 메타네이션 반응기(3)는, 그 내부에 메타네이션 촉매(도시하지 않음)를 갖고 있고, 이산화탄소와 수소를 반응시켜서 메탄과 물(H2O)을 생성한다. 이와 같이, 메타네이션 반응기(3)에 유입된 이산화탄소와 수소는, 메탄과 물로 변환되므로, 이산화탄소는 대기 중에 방출되지 않는다. 생성된 메탄은, 메탄 이송 라인(53)을 통하여 이송되고, 생성된 물은, 드레인(54)을 통하여 메타네이션 반응기(3)로부터 배출된다.
처리 장치는, 연소 배기 가스 이송 라인(24)에 접속된 보일러(55), 감온탑(56), 집진 장치(57) 및 스크러버(58)를 구비하고 있다. 보일러(55), 감온탑(56), 집진 장치(57) 및 스크러버(58)는, 연소 배기 가스 이송 라인(24)을 따라 직렬로 나열되어 있다. 이산화탄소 복귀 라인(25)과 연소 배기 가스 이송 라인(24)의 접속점은, 집진 장치(57)의 하류측에 위치하고 있다.
연소실(7)로부터 배출된 연소 배기 가스는, 연소 배기 가스 이송 라인(24)을 통하여 보일러(55)에 보내지고, 보일러(55)에서 폐열이 회수된다. 연소 배기 가스는, 연소 배기 가스 이송 라인(24)을 통하여 감온탑(56)으로 보내지고, 감온탑(56)에서 연소 배기 가스가 냉각된다. 감온탑(56)은, 연소 배기 가스를 냉각하기 위한 냉각기의 일례이다.
연소 배기 가스는, 연소 배기 가스 이송 라인(24)을 통하여 또한 집진 장치(57)에 보내지고, 집진 장치(57)에 의해 매진 등의 분진이 연소 배기 가스로부터 제거된다. 집진 장치(57)로서는, 예를 들어 버그 필터를 사용할 수 있다. 또한, 연소 배기 가스는, 연소 배기 가스 이송 라인(24)을 통하여 스크러버(58)에 보내지고, 스크러버(58)에서 연소 배기 가스가 물(가성 소다 등의 알칼리 약제를 포함한 물이어도 됨)로 세정된다. 이와 같이 하여 정제된 연소 배기 가스는, 메타네이션 반응기(3)에 보내진다. 보일러(55), 감온탑(56), 집진 장치(57) 및 스크러버(58) 중 적어도 하나는, 마련되지 않는 경우도 있다. 예를 들어, 열 회수를 하지 않는 경우에는, 보일러(55)는 마련되지 않는다.
전기 분해 장치(2)는, 물을 수소와 산소로 전기 분해하는 장치이다. 전기 분해 장치(2)는, 물 공급 라인(60)에 접속되어 있고, 물(H2O)은 물 공급 라인(60)을 통하여 전기 분해 장치(2)에 공급된다. 전기 분해 장치(2)는, 또한 CO2 프리 발전기(62)에 전기적으로 접속되어 있다. CO2 프리 발전기(62)는, 재생 가능 에너지에 의해 구동되는 발전기이고, 발전을 위하여 이산화탄소를 발생시키지 않는다. 재생 가능 에너지의 예로서는, 태양광, 풍력, 수력, 지열, 태양열, 바이오매스(동식물에서 유래되는 유기물) 등을 들 수 있다. 본 실시 형태에서는, 이러한 CO2 프리 발전기(62)에 의해 생성된 CO2 프리 전력이 전기 분해 장치(2)에 공급된다. CO2 프리 발전기(62)의 발전량 변동을 흡수하기 위해서, CO2 프리 발전기(62)에 의해 생성된 CO2 프리 전력을 일단 축전지(도시하지 않음)에 저류하고, 축전지로부터 전기 분해 장치(2)에 CO2 프리 전력을 공급해도 된다.
전기 분해 장치(2)는, CO2 프리 전력에 의해 물을 전기 분해하고, 수소와 산소를 생성한다. 수소는, 수소 이송 라인(61)을 통하여 메타네이션 반응기(3)에 이송되고, 산소는, 산소 이송 라인(30) 및 이산화탄소 복귀 라인(25)을 통하여 연소실(7)에 공급된다. 수소 이송 라인(61)은, 전기 분해 장치(2)로부터 메타네이션 반응기(3)까지 연장되어 있고, 산소 이송 라인(30)은 전기 분해 장치(2)로부터 이산화탄소 복귀 라인(25)까지 연장되어 있다. 일 실시 형태에서는, 산소 이송 라인(30)은 전기 분해 장치(2)로부터 제2 바람 상자(16)까지 연장해도 된다.
처리 장치는, 수소 이송 라인(61)에 접속된 수소 홀더(65)와, 수소 이송 라인(61)에 설치된 수소 유량 제어 밸브(66)와, 산소 이송 라인(30)에 접속된 산소 홀더(70)와, 산소 이송 라인(30)에 설치된 산소 유량 제어 밸브(71)를 구비하고 있다. 수소 홀더(65)는, 전기 분해 장치(2)와 메타네이션 반응기(3) 사이에 위치하고 있고, 산소 홀더(70)는, 전기 분해 장치(2)와 연소실(7) 사이에 위치하고 있다.
전기 분해 장치(2)에 의해 생성된 수소는, 수소 이송 라인(61)을 통하여 수소 홀더(65)에 일단 저장된다. 수소 유량 제어 밸브(66)는, 수소 홀더(65)와 메타네이션 반응기(3) 사이에 위치하고 있다. 수소 유량 제어 밸브(66)를 개방하면, 수소 홀더(65) 내의 수소는 수소 이송 라인(61) 및 수소 유량 제어 밸브(66)를 통하여 메타네이션 반응기(3)에 이송된다. 이산화탄소 및 수소는, 메타네이션 반응기(3) 내에서 반응하고, 메탄과 물(H2O)로 변환된다.
메타네이션 반응기(3)에 이송해야 할 수소의 양은, 메타네이션 반응기(3) 내의 이산화탄소의 전량과 수소의 전량이 반응하여 메탄이 생성되는 양이다. 그래서, 수소를 적정한 유량으로 메타네이션 반응기(3)에 이송하기 위해서, 처리 장치는, 메타네이션 반응기(3)에 유입되는 이산화탄소의 유량을 측정하는 이산화탄소 측정기(75)와, 이산화탄소의 유량 측정값에 기초하여 수소 유량 제어 밸브(66)의 개방도를 조절하는 제어부(80)를 구비하고 있다. 이산화탄소 측정기(75)는, 메타네이션 반응기(3)의 바로 상류의 위치에서, 연소 배기 가스 이송 라인(24)에 설치되어 있다. 이산화탄소 측정기(75)는, 유량계와 농도계를 겸비한 구성을 갖고 있다. 즉, 이산화탄소 측정기(75)는, 연소 배기 가스 이송 라인(24)을 흐르는 연소 배기 가스의 유량을 측정하고, 또한 연소 배기 가스 중의 이산화탄소의 농도를 측정하여, 연소 배기 가스의 유량과 이산화탄소의 농도로부터, 이산화탄소의 유량을 산정하도록 구성되어 있다. 이산화탄소 측정기(75)는 제어부(80)에 전기적으로 접속되어 있고, 이산화탄소의 유량 측정값은 제어부(80)에 보내지도록 되어 있다.
제어부(80)는, 메타네이션 반응기(3)에 유입되는 이산화탄소의 유량(즉 이산화탄소 측정기(75)로부터 보내진 이산화탄소의 유량 측정값)에 기초하여 수소 유량 제어 밸브(66)의 개방도를 조절하고, 메타네이션 반응기(3)에 이송되는 수소의 유량을 제어하도록 구성되어 있다. 보다 구체적으로는, 이산화탄소의 유량이 증가하고 있을 때는, 제어부(80)는, 수소 유량 제어 밸브(66)를 조작하여 수소의 유량을 증가시키고, 이산화탄소의 유량이 감소하고 있을 때는, 제어부(80)는, 수소 유량 제어 밸브(66)를 조작하여 수소의 유량을 감소시킨다. 이러한 제어에 의해, 연소 배기 가스 중에 포함되는 이산화탄소의 모두를 수소와 반응시켜, 메탄을 생성할 수 있다. 결과로서, 처리 장치 외로 방출되는 이산화탄소가 이론적으로 0이 된다. 메탄은, 도시가스 등의 연료 가스로서 사용할 수 있다.
제어부(80)는, 적어도 1대의 컴퓨터로 구성된다. 제어부(80)는, 프로그램이 저장된 기억 장치(80a)와, 프로그램에 포함되는 명령에 따라 연산을 실행하는 연산 장치(80b)를 구비하고 있다. 기억 장치(80a)는, RAM 등의 주기억 장치와, 하드디스크 드라이브(HDD), 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 등의 보조 기억 장치를 구비하고 있다. 연산 장치(80b)의 예로서는, CPU(중앙 처리 장치), GPU(그래픽 프로세싱 유닛)를 들 수 있다. 단, 제어부(80)의 구체적 구성은 본 실시 형태에 한정되지는 않는다.
전기 분해 장치(2)에 의해 생성된 산소는, 산소 이송 라인(30)을 통하여 산소 홀더(70)에 일단 저장된다. 산소 유량 제어 밸브(71)는, 산소 홀더(70)와 이산화탄소 복귀 라인(25) 사이에 위치하고 있다. 산소 유량 제어 밸브(71)를 개방하면, 산소 홀더(70) 내의 산소는, 산소 이송 라인(30), 산소 유량 제어 밸브(71) 및 이산화탄소 복귀 라인(25)를 통하여 연소실(7)로 이송된다. 산소는, 연소실(7) 내에서 원료의 잔사의 연소에 소비된다.
처리 장치는, 연소실(7) 내에 배치된 온도계(86)를 구비하고 있다. 본 실시 형태에서는, 1개의 온도계(86)가 배치되어 있지만, 세로 방향으로 배열된 복수의 온도계(86)가 마련되어도 된다. 온도계(86)는, 제어부(80)에 전기적으로 접속되어 있고, 연소실(7) 내의 온도 측정값은 제어부(80)에 보내지도록 되어 있다.
제어부(80)는, 연소실(7) 내의 온도(즉 온도계(86)로부터 보내진 연소실(7) 내의 온도 측정값)에 기초하여 산소 유량 제어 밸브(71)의 개방도를 조절하도록 구성되어 있다. 보다 구체적으로는, 제어부(80)는, 연소실(7) 내의 온도가 소정의 범위 내로 유지되도록, 산소 유량 제어 밸브(71)의 개방도(즉, 연소실(7)에 공급되는 산소의 유량)를 조절하도록 구성된다. 일 실시 형태에서는, 제어부(80)는, 연소실(7)의 배기 가스 출구(22)에서의 산소 농도(즉 산소 농도 계측기(87)로부터 보내진 배기 가스 출구(22)에서의 산소 농도의 측정값)에 기초하여 산소 유량 제어 밸브(71)의 개방도를 조절하도록 구성되어 있어도 된다. 보다 구체적으로는, 제어부(80)는, 연소실(7)의 배기 가스 출구(22)에서의 산소 농도가 소정의 범위 내로 유지되도록, 산소 유량 제어 밸브(71)의 개방도(즉, 연소실(7)에 공급되는 산소의 유량)를 조절하도록 구성된다.
상술한 바와 같이, 연소실(7)로부터 배출된 이산화탄소의 일부는, 전기 분해 장치(2)에 의해 생성된 산소와 혼합되어, 연소실(7)로 되돌려진다. 산소는, 연소실(7) 내의 원료 잔사에 포함되는 탄소(C)를 산화시키는 산화제로서 작용한다. 연소실(7) 내의 산소(O2)의 양은, 연소실(7) 내의 원료의 잔사에 포함되는 탄소(C)의 양보다도 약간 많은 양이다. 이러한 이론상의 최적량보다도 많은 양의 산소는, 연소실(7) 내의 탄소량의 변동을 흡수할 수 있고, 일산화탄소의 생성을 방지할 수 있다. 원료의 잔사 중의 탄소와, 산소가 반응하여 이산화탄소가 생성된다. 이산화탄소는, 탄소와의 반응에 소비되지 않은 잔여의 산소와 함께 연소 배기 가스를 형성하고, 연소 배기 가스는 배기 가스 출구(22)를 통하여 연소실(7)로부터 배출된다.
메타네이션 반응은, 다음의 식 (1)로 표시되고, 물의 전기 분해 반응식은 다음의 식 (2)로 표시된다.
CO2+4H2→CH4+2H2O (1)
2H2O→2H2+O2 (2)
상기 식 (1)로부터 알 수 있는 바와 같이, 1 당량의 CO2를 CH4로 변환하기 위해서는, 4 당량의 H2가 필요하다. 상기 식 (2)에 의하면, 물의 전기 분해로 4 당량의 H2를 얻은 때에는 2 당량의 O2가 생성된다.
유동상로(1)의 연소실(7)에 있어서, 1 당량의 탄소(C)의 연소에는 1 당량의 O2가 필요하다. 통상, 폐기물의 연소 프로세스에서는, 탄소에 대한 산소의 비율은 1.2 내지 1.3 정도이기 때문에, 0.7 내지 0.8 당량의 O2가 잉여가 된다. 잉여적인 O2는 산소 가스로서 판매하거나, 혹은 병설된 가스화 용융로 설비에 있어서, 이 용융 산소 버너용의 가스로서 이용해도 된다.
본 실시 형태에서는, 연소실(7)의 유동 매체를 유동화시키기 위한 제2 유동화 가스로서, 공기는 사용되고 있지 않다. 따라서, 연소 배기 가스 중에는 질소는 포함되지 않고, 고농도의 이산화탄소를 포함하는 연소 배기 가스가 얻어진다. 일례에서는, 연소실(7)로부터 배출되는 연소 배기 가스 중의 이산화탄소의 농도는 95％ 이상이다. 연소 배기 가스 중의 나머지의 성분은 실질적으로 산소이다. 이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, CO2 풍부한 연소 배기 가스가 얻어진다. 이 CO2 풍부한 연소 배기 가스의 일부는, 제2 유동화 가스로서 연소실(7)로 되돌려지고, 나머지는 메타네이션 반응기(3)에 보내진다.
상술한 바와 같이, 유동상로(1)는, 열분해실(6)과 연소실(7)의 2개의 처리실을 구비하고 있다. 원료는, 열분해실(6) 내에서는 연소는 되지 않고, 고온의 유동 매체에 의해 가열되고, 열분해된다. 그 결과, 고칼로리의 탄화수소 등의 생성 가스가 생성된다. 생성 가스는, 이산화탄소를 포함하지 않으므로, 생성 가스를 고수율로 얻을 수 있다. 열분해실(6)로부터 배출된 생성 가스는, 회수되어, 화학 재료로서 이용할 수 있다.
열분해하기 어려운 성분은, 원료의 잔사로서 연소실(7)에 보내진다. 원료의 잔사는, 제2 유동화 가스에 포함되는 산소의 존재 하에서 연소되어, 이산화탄소를 발생한다. 이와 같이, 열분해실(6)과 연소실(7)의 2개의 처리실을 구비한 유동상로(1)는, 생성 가스로부터 이산화탄소를 분리할 필요가 없으므로, 처리 장치는, 이산화탄소를 분리하기 위한 기기는 불필요하고, 처리 장치를 전체로서 콤팩트하게 할 수 있다.
원료에 포함되는 탄소의 대부분은, 열분해실(6) 내에서 생성 가스로서 분리된다. 따라서, 연소실(7)로부터 발생하는 이산화탄소의 양은, 원료 중의 탄소의 전체를 연소실(7) 내에서 연소시키는 경우에 비하여, 적다. 따라서, 메타네이션 반응기(3)에서 수소와 반응시켜야 할 이산화탄소의 양은 많지 않고, 결과로서 메타네이션 반응기(3)를 콤팩트하게 할 수 있다.
근년, 재생 가능 전력의 발전 비용이 급격하게 저하되어 오고 있고, 가까운 장래 발전을 위한 화석 연료 소비는 불필요하게 되는 것이 상정된다. 그러나, 사회 생활을 지지하는 물질로서, 목재나 플라스틱과 같은 탄소 함유 재료는 장래에 걸쳐 필요하고, 품질이 열화된 물질은 폐기물로서 처리되지 않으면 안 된다. 본 실시 형태에 관한 처리 장치는, 그러한 바이오매스나 가연성 폐기물을 처리하는 과정에서의 CO2 배출도 억제할 수 있다(연소실(7)로부터 얻는 CO2 풍부한 연소 배기 가스를 메탄으로 변환하여 케미컬 리사이클 할 수 있음).
도 2는, 처리 장치의 다른 실시 형태를 도시하는 모식도이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성 및 동작은, 도 1을 참조하여 설명한 실시 형태와 동일하므로, 그 중복하는 설명을 생략한다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 처리 장치는, 생성 가스 이송 라인(45)으로부터 제1 유동화 가스 공급 라인(11)으로 연장되는 생성 가스 복귀 라인(91)을 구비하고 있다. 생성 가스 이송 라인(45)을 흐르는 생성 가스의 적어도 일부는, 생성 가스 복귀 라인(91)을 통하여 제1 유동화 가스 공급 라인(11)에 공급된다. 본 실시 형태에서는, 열분해실(6)로부터 배출된 생성 가스는, 산소 프리 가스인 제1 유동화 가스의 적어도 일부로서 사용된다.
도 3은, 처리 장치의 또 다른 실시 형태를 도시하는 모식도이다. 특별히 설명하지 않는 본 실시 형태의 구성 및 동작은, 도 1을 참조하여 설명한 실시 형태와 동일하므로, 그 중복하는 설명을 생략한다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 처리 장치는, 메탄 이송 라인(53)으로부터 제1 유동화 가스 공급 라인(11)으로 연장되는 메탄 복귀 라인(92)을 구비하고 있다. 메탄 이송 라인(53)을 흐르는 메탄의 적어도 일부는, 메탄 복귀 라인(92)을 통하여 제1 유동화 가스 공급 라인(11)에 공급된다. 본 실시 형태에서는, 메타네이션 반응기(3)로부터 배출된 메탄은, 산소 프리 가스인 제1 유동화 가스의 적어도 일부로서 사용된다.
상술한 본 발명의 기술은, 열분해실 및 연소실을 내부에 갖는 유동상로뿐만 아니라, 연소실을 갖지만, 열분해실을 내부에 갖지 않는 소각 타입의 유동상로에도 적용할 수 있다. 이 소각 타입에 본 발명을 적용하는 경우에는, 연소 배기 가스의 흐름은, 유동상로, 보일러, 감온탑, 집진기, 유인 송풍기라고 하는 순서가 된다. 통상, 원료 중의 가연분(수소, 산소, 질소, 황, 염소 등)의 전량을 공기로 연소시키기 위해서, 연소 배기 가스 중에는 N2(질소), CO2, H2O, 황 산화물, 질소 산화물, 염화수소 등이 포함된다. 이 연소 배기 가스로부터 CO2만을 회수하기 위해서, CO2 회수 설비(아민 흡수법, CO2 분리막법)가 마련된다.
상술한 실시 형태는, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있는 것을 목적으로 하여 기재된 것이다. 상기 실시 형태의 다양한 변형예는, 당업자라면 당연히 이룰 수 있는 것이고, 본 발명의 기술적 사상은 다른 실시 형태에도 적용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 기재된 실시 형태에 한정되지는 않고, 특허 청구 범위에 의해 정의되는 기술적 사상을 따른 가장 넓은 범위로 해석되는 것이다.
본 발명은, 가연성 폐기물 등의 원료를 처리하는 기술에 이용 가능하고, 특히 이산화탄소를 대기 중에 방출하지 않는 연소 및 열분해·가스화 처리 기술에 이용 가능하다.
1: 유동상로
2: 전기 분해 장치
3: 메타네이션 반응기
6: 열분해실
7: 연소실
10: 칸막이벽
11: 제1 유동화 가스 공급 라인
12: 제2 유동화 가스 공급 라인
15: 제1 바람 상자
16: 제2 바람 상자
18: 제1 유동상
19: 제2 유동상
22: 배기 가스 출구
24: 연소 배기 가스 이송 라인
25: 이산화탄소 복귀 라인
30: 산소 이송 라인
35: 연통로
37: 원료 공급구
41: 생성 가스 출구
45: 생성 가스 이송 라인
47: 사이클론
48: 스크러버
50: 불연물 배출구
53: 메탄 이송 라인
54: 드레인
55: 보일러
56: 감온탑
57: 집진 장치
58: 스크러버
60: 물 공급 라인
61: 수소 이송 라인
62: CO2 프리 발전기
65: 수소 홀더
66: 수소 유량 제어 밸브
70: 산소 홀더
71: 산소 유량 제어 밸브
75: 이산화탄소 측정기
80: 제어부
86: 온도계
87: 산소 농도 계측기
91: 생성 가스 복귀 라인
92: 메탄 복귀 라인

Claims (8)

  1. 원료의 처리 장치이며,
    칸막이벽으로 칸막이된 열분해실 및 연소실을 내부에 갖는 유동상로와,
    물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생성하는 전기 분해 장치와,
    상기 연소실로부터 배출된 이산화탄소와, 상기 수소로부터 메탄을 생성하는 메타네이션 반응기와,
    제1 유동화 가스를 상기 열분해실 내에 공급하는 제1 유동화 가스 공급 라인과,
    상기 이산화탄소의 일부와, 상기 산소를 제2 유동화 가스로서 상기 연소실에 유도하는 제2 유동화 가스 공급 라인을 구비하고 있는, 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 분해 장치는, CO2 프리 발전기에 전기적으로 접속되어 있는, 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 유동화 가스 공급 라인은, 상기 제1 유동화 가스로서 산소 프리 가스를 상기 열분해실 내에 공급하는 산소 프리 가스 공급 라인인, 처리 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 장치는, 상기 전기 분해 장치에 의해 생성된 수소를 저장하는 수소 홀더를 더 구비하고 있고,
    상기 수소 홀더는, 상기 전기 분해 장치와 상기 메타네이션 반응기 사이에 배치되어 있는, 처리 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 장치는, 상기 전기 분해 장치에 의해 생성된 산소를 저장하는 산소 홀더를 더 구비하고 있고,
    상기 산소 홀더는, 상기 전기 분해 장치와 상기 연소실 사이에 배치되어 있는, 처리 장치.
  6. 칸막이벽으로 칸막이된 열분해실 및 연소실을 내부에 갖는 유동상로를 사용하여 원료를 처리하는 방법이며,
    물을 전기 분해하여 수소와 산소를 생성하고,
    상기 연소실 내의 유동 매체를 상기 열분해실로 이동시키면서, 제1 유동화 가스를 상기 열분해실에 공급하고,
    상기 원료를 상기 열분해실 내에서 열분해하고,
    상기 원료의 잔사를 상기 연소실 내에서 연소시켜,
    상기 연소실로부터 배출된 이산화탄소와, 상기 수소로부터 메탄을 생성하고,
    상기 이산화탄소의 일부와 상기 산소를 제2 유동화 가스로서 상기 연소실에 공급하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 물의 전기 분해는, CO2 프리 전력을 사용하여 행하여지는, 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제1 유동화 가스는, 산소 프리 가스인, 방법.
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