KR20230023868A - 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치 및 친환경 철강 생산 방법 - Google Patents

친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치 및 친환경 철강 생산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 원료가 저장되는 원료 탱크; 원료투입부를 통해 상기 원료 탱크로부터 원료를 공급받고, 하부에서 스팀이 유입되어 내부에서 유동매체가 유동됨으로써 기포유동층이 형성되며, 상기 원료가 가스화되어 내부에서 생성가스가 만들어지는 기포유동층 가스화로; 상기 기포유동층 가스화로로부터 상기 유동매체와 상기 생성가스에 포함된 차르(char)를 이송받고, 추가로 공기를 공급받아, 상기 차르(char)를 연소시킴으로써 유동매체를 가열하고, 가열된 유동매체를 상기 기포유동층 가스화로로 이송하는 고속유동층 연소로; 상기 기포유동층 가스화로와 연통되고, 기포유동층 가스화로에서 배출되는 생성가스 중 미세입자를 분리하여 미세입자는 상기 기포유동층 가스화로로 다시 유입시키고, 나머지를 배출시키는 생성가스 사이클론;상기 고속유동층 연소로의 상부와 기포유동층 가스화로의 상부 사이에 연결되어, 상기 유동매체를 배기가스와 분리시킨 후, 배기가스는 배출하고 유동매체를 기포유동층 가스화로와 원료투입부로 분리 공급하는 배기가스 사이클론; 및 상기 생성가스 사이클론에서 배출되는 생성가스를 처리하여 생성가스 내 수소 함량을 증가시키는 생성가스 처리부;를 포함하는, 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치 및 친환경 철강 생산 방법에 관한 것이다.

Description

친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치 및 친환경 철강 생산 방법{Apparatus for supplying hydrogen for producing iron and eco-friendly iron producing method}
본 발명은 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치 및 친환경 철강 생산 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 폐플라스틱을 열처리하여 재활용할 때 발생하는 생성가스의 수소 함량을 최대화한 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치 및 친환경 철강 생산 방법에 관한 것이다.
산업화 이후 전 세계적으로 생활의 질이 향상됨에 따라 발생하는 폐기물의 양이 증가하고 있다. 종래에는 이러한 폐기물을 소각하거나 매립하는 방식으로 처리하였으나, 소각시 발생하는 유해 성분에 의한 대기 오염이 심각하고, 매립을 통한 토양과 지하수의 오염이 증가하고 있으며, 최근에는 매립지 부족으로 인해 폐기물을 친환경적이고 안전한 방법으로 처리하기 위한 기술 개발이 필요하다.
플라스틱은 가볍고 단단하며, 다양한 형태로 제조하기 용이하므로 오늘날 다양한 산업군에서 널리 이용되고 있는 소재이다. 그러나, 플라스틱 제품의 사용량이 늘어남에 따라 플라스틱 폐기물의 발생량은 해마다 급증하고 있으며, 최근에는 국내에서만 1,000만 톤 이상이 발생하고 있어, 플라스틱 폐기물의 처리 방법에 대한 연구가 다각도로 이루어지고 있다.
플라스틱 폐기물은 매립이나 소각, 재활용 등의 방법을 통해 처리될 수 있는데, 플라스틱 폐기물을 소각처리하는 경우에는 소각에 의해 발생된 열에너지를 재활용할 수 있다는 장점이 있지만, 인체 및 환경에 치명적인 유독 가스를 배출하고, 비경제적인 문제가 있다.
플라스틱 폐기물을 재활용하는 방법은 플라스틱 폐기물을 펠렛이나 그래뉼 형태로 성형하여 사용하는 기계적 재활용 방법과 플라스틱 폐기물을 화학적, 물리적으로 처리하여 다른 화합물을 제조하는 데 필요한 재료 성분으로 전환시키는 피드스톡 재활용 방법으로 나뉜다.
한편, 최근 지구 온난화와 환경 오염에 의한 이상 기후, 대기질 저하, 수질 저하 등의 문제가 심화됨에 따라 각종 산업군에서 이를 방지하기 위한 친환경 기술을 개발하고 있다.
철강 생산 분야에 있어서는, 철강 생산 중 발생하는 이산화탄소를 최소화하기 위해 제선공정에서 환원제 및 열원으로 사용되는 석탄을 수소로 대체하는 수소환원기술에 관한 연구가 진행되고 있다.
이 방법은, 철광석과 산소를 분리시키기 위한 환원제로 석탄 대신 수소를 사용하는 방법으로, 이산화탄소가 배출되지 않아 온실가스를 획기적으로 감축할 수 있는 장점이 있다.
이를 위해서는 수소가스를 안정적으로 대량 공급하기 위한 장치가 요구된다.
등록특허 제10-1993734호(9.06.21 등록)
본 발명에서는 폐플라스틱을 열처리하여 발생되는 생성가스의 일산화탄소 및 이산화탄소의 함량을 저감시키고, 수소 함량을 높인 친환경 철강 생산 생산을 위한 수소 공급장치 및 친환경 철강 생산 방법을 제공하고자 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태는, 원료가 저장되는 원료 탱크; 원료투입부를 통해 상기 원료 탱크로부터 원료를 공급받고, 하부에서 스팀이 유입되어 내부에서 유동매체가 유동됨으로써 기포유동층이 형성되며, 상기 원료가 가스화되어 내부에서 생성가스가 만들어지는 기포유동층 가스화로; 상기 기포유동층 가스화로로부터 상기 유동매체와 상기 생성가스에 포함된 차르(char)를 이송받고, 추가로 공기를 공급받아, 상기 차르(char)를 연소시킴으로써 유동매체를 가열하고, 가열된 유동매체를 상기 기포유동층 가스화로로 이송하는 고속유동층 연소로; 상기 기포유동층 가스화로와 연통되고, 기포유동층 가스화로에서 배출되는 생성가스 중 미세입자를 분리하여 미세입자는 상기 기포유동층 가스화로로 다시 유입시키고, 나머지를 배출시키는 생성가스 사이클론; 상기 고속유동층 연소로의 상부와 기포유동층 가스화로의 상부 사이에 연결되어, 상기 유동매체를 배기가스와 분리시킨 후, 배기가스는 배출하고 유동매체를 기포유동층 가스화로와 원료투입부로 분리 공급하는 배기가스 사이클론; 및 상기 생성가스 사이클론에서 배출되는 생성가스를 처리하여 생성가스 내 수소 함량을 증가시키는 생성가스 처리부;를 포함하는 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치에 관한 것이다.
상기 기포유동층 가스화로의 내부에는 기포유동층 가스화로 중심부를 따라 수직 방향으로 위치하는 중심로드; 및 상기 중심로드를 따라 생성가스 및 스팀을 선회류로 이동시키는 나선형 날개;가 설치될 수 있다.
상기 생성가스 처리부는, 생성가스에 포함된 입자성 이물질을 제거하는 생성가스 처리필터; 생성가스에 포함된 일산화탄소를 수소로 전환시키는 수성가스 전환기; 및 생성가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리장치;를 포함할 수 있다.
상기 원료투입부는, 원료탱크로부터 기포유동층 가스화로로 원료가 투입되는 원료투입관; 상기 원료투입관 내부에서 회전하며 원료를 이송시키는 이송 스크류; 및 상기 원료투입관을 감싸도록 원료투입관과 소정 간격 이격되어 형성되는 외부관을 포함하고, 상기 원료투입관과 외부관 사이의 공간으로 열전달매체가 공급되어 원료투입관에 열을 전달한 뒤 배출될 수 있다.
상기 원료투입관에서 배출된 열전달매체를 재가열하기 위한 열교환기가 구비되어, 열전달매체가 원료투입관과 열교환기를 순환할 수 있다.
상기 배기가스 사이클론에서 배출되는 배기가스와 생성가스 사이클론에서 배출되는 생성가스 중 적어도 어느 하나 이상이 상기 열교환기에서 열전달매체를 재가열하기 위한 열원으로 사용될 수 있다.
상기 원료투입관 내부에서 발생되는 염소 화합물 포함하는 기체를 배출시키기 위한 배출관;이 구비될 수 있다.
상기 유동매체는 패각 분말을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형패는, 친환경 철강 생산 방법에 관한 것으로, 기포유동층 가스화로 및 고속유동층 연소로를 포함하는 이중 유동층 반응기로 폐플라스틱 원료를 공급하여 연소시킴으로써 기포유동층 가스화로에서 생성가스를 생성하고, 고속유동층 연소로에서 배기가스를 생성하는 폐플라스틱 연소 단계; 상기 생성가스를 처리하여 수소 함량이 높은 합성가스를 제조하는 생성가스 처리 단계; 및 상기 합성가스를 철강 생산 공정의 환원제로 공급하는 철강 생산 단계;를 포함한다.
본 발명의 철강 생산을 위한 수소 공급장치는 폐플라스틱을 열처리하여 발생되는 생성가스의 일산화탄소 및 이산화탄소 함량을 저감시키고 수소 함량을 높여 수소 공급장치로 활용됨으로써, 폐기물 처리에 발생하는 비용을 절감하고, 환경 오염을 방지할 수 있다.
또한, PVC를 포함하는 폐플라스틱을 가스화할 때 발생하는 HCl을 효과적으로 저감시킬 수 있으며, 폐플라스틱 원료의 상(phase)에 관계 없이 폐플라스틱 원료를 반응기로 보다 효과적으로 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철강 생산을 위한 수소 공급장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 공급장치를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 기포유동층 가스화로의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 기포유동층 가스화로의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에 따른 나선형 날개를 구성하는 단위날개의 단면 형태의 변형예를 도시한 도면이다.
도 7은 도 5의 a방향에서 바라본 도면이다.
도 8은 도 5의 나선형 날개를 구성하는 단위날개의 단면이 유사 사다리꼴 형태를 갖는 일 예를 도시한 도면이다.
도 9는 도 5의 나선형 날개를 구성하는 단위날개의 단면 형태의 일 예를 도시한 도면이다.
도 10은 도 5의 기포유동층 가스화로 내부에서의 유체 흐름을 나타낸 도면이다.
도 11은 도 5의 나선형 날개를 구성하는 단위날개의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 공급장치의 이중 유동층 반응기를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 나선형 날개가 다공판 형상으로 형성되는 경우, 다공판 구멍의 형상을 도식적으로 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예를 살펴본다. 그러나 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.
본 발명은 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐플라스틱을 열처리하여 재활용할 때 발생하는 생성가스를 이용한 수소 공급장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치(이하, '수소 공급장치'라 함)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 공급장치는 기포유동층 가스화로(100), 고속유동층 연소로(200)를 포함하는 이중 유동층 반응기와 원료탱크(300) 및 생성가스 처리부(500)를 포함한다.
상기 원료탱크(300)에서 원료가 기포유동층 가스화로(100)로 이송되면, 기포유동층 가스화로(100)에서 원료가 열분해되어 생성가스(10)가 생성되고, 고속유동층 연소로(200)는 기포유동층 가스화로(100)로부터 유동매체와 생성가스(10)에 포함된 차르(char)를 공급받아 차르를 연소시킴으로써 유동매체를 가열한 뒤 기포유동층 가스화로(100)로 다시 이송시켜 기포유동층 가스화로(100)에 열을 전달한다.
이때, 상기 기포유동층 가스화로(100)에서 생성된 생성가스(10)는 생성가스 이송라인(101)을 통해 생성가스 처리부(500)로 이동하며, 생성가스 처리부(500)에서 생성가스(10) 내의 이산화탄소와 일산화탄소의 적어도 일부가 제거되어 고함량의 수소를 포함하는 합성가스로 전환된다.
상기 원료탱크(300)는 원료인 폐플라스틱이 저장되는 유닛으로, 원료탱크(300)에 저장된 원료는 원료투입부(160)를 통해 기포유동층 가스화로(100)로 공급될 수 있다.
상기 원료투입부(160)는 원료탱크(300)로부터 기포유동층 가스화로(100)로 원료가 투입되는 원료투입관(161) 및 상기 원료투입관(161) 내부에서 회전하며 원료를 이송시키는 이송 스크류(162)를 포함한다.
또한, 상기 원료투입부(160)에는 원료에 PVC와 같이 염소가 포함된 플라스틱이 포함되어 있는 경우에 발생하는 HCl과 같은 염소 화합물을 배출시키기 위한 배출관(163)이 포함될 수 있다.
상기 기포유동층 가스화로(100)는 원료탱크(300)에서 원료를 공급받아 열분해시킴으로써 생성가스(10)를 생성하는 유닛으로, 여기에서 H2, CO, CH4와 같은 유용한 물질뿐만 아니라 타르(tar) 및 차르(char)가 함께 생성된다. 여기서 생성된 타르(tar)는 기포유동층 가스화로(100) 내부에서 열분해를 통해 제거되며, 차르(char)는 고속유동층 연소로(200)로 이송되어 유동매체를 가열하기 위한 연소 연료로 사용된다.
앞서 언급한 바와 같이, 기포유동층 가스화로(100)에서 배출되는 생성가스(10)에는 H2, CO, CH4 같은 유용 가스 성분이 포함되어 있을 뿐만 아니라, 타르(tar) 및 유동매체와 같은 미세입자가 포함되어 있는데, 이들 미세입자는 기포유동층 가스화로(100)와 연통되어 있는 생성가스 사이클론(140)을 통해 분리되어 다시 기포유동층 가스화로(100)로 유입되며, 미세입자가 제거된 나머지 생성가스(10)는 생성가스 이송라인(101)을 통해 생성가스 처리부(500)로 공급된다.
상기 유동매체로는 올리바인, 산화칼슘(CaO), 패각 분말 등이 사용될 수 있으며, 여기서 패각은 패각은 전복류, 조개류, 굴류, 산호류, 홍합류, 고둥류 등 민물과 해양에 존재하는 각류의 껍데기로, 이를 분쇄하여 평균 입자 크기 0.1~1 mm인 분말 형태로 사용될 수 있다.
바람직하게는, 유동매체에 패각 분말이 포함되거나, 전량이 패각 분말일 수 있는데, 이 경우, 기포유동층 가스화로(100)에서 이산화탄소와 패각 분말에 포함된 산화칼슘(CaO)이 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성함으로써 생성가스(10)의 이산화탄소 함량을 저감시킬 수 있다. 이에 따라, 생성가스(10)에 포함된 수소 가스의 비율이 증가하고, 생성가스 처리부(500)에서 이산화탄소 제거를 위한 설비 부하를 감소시킬 수 있다.
이와 같이 기포유동층 가스화로(100)에서 생성된 탄산칼슘은 고속유동층 연소로(200)로 이동하여 가열되며 다시 산화칼슘과 이산화탄소로 분해되고, 여기서 생성된 산화칼슘은 고속유동층 연소로(200) 내에서 가열되어 후술될 바와 같이 기포유동층 가스화로(100) 및 원료투입부(160)로 공급될 수 있다.
상기 고속유동층 연소로(200)는 기포유동층 가스화로(100)로부터 유동매체와 차르(char)를 공급받아 차르를 연소시킴으로써 유동매체를 가열하는 유닛이다. 고속유동층 연소로(200)에서 가열된 유동매체와 연소 과정에서 생성된 배기가스(20)는 배기가스 사이클론(210)을 통해 분리된다.
고속유동층 연소로(200)에서 가열된 유동매체는 배기가스 사이클론(210)을 통해 분리되고, 배기가스 사이클론(210)에서 분리된 유동매체는 배기가스 사이클론 연결관(220)을 통해 배출된다.
상기 배기가스 사이클론 연결관(220)은 제1 유동매체 공급관(230) 및 제2 유동매체 공급관(240)에 연결된다.
상기 배기가스 사이클론 연결관(220)에는 밸브(221)가 구비될 수 있으며, 상기 밸브(221)에 의해 제1 유동매체 공급관(230) 및 제2 유동매체 공급관(240)으로 분리 공급되는 가열 유동매체의 양이 조절될 수 있다.
상기 제1 유동매체 공급관(230)은 가열된 유동매체를 다시 기포 유동층 가스화로(100)로 공급하기 위해 구비되며, 이와 같이 기포 유동층 가스화로(100)로 공급된 유동매체는 기포 유동층 가스화로(100)의 열원으로 기능할 수 있다.
상기 제2 유동매체 공급관(240)은 원료투입관(161)과 연결되어, 가열된 유동매체를 원료투입관(161)으로 공급할 수 있다. 이렇게 원료투입관(161)으로 공급된 가열된 유동매체는, 원료탱크(300)로부터 공급되는 원료를 가열하고, 가열되어 액상화된 원료와 혼합되어 슬러지와 유사한 혼합물이 형성되므로, 원료의 이송을 원활하게 할 수 있다.
구체적으로, 상기 원료투입부(160)의 전단은 원료탱크(300)와 연결되어 있고, 후단은 약 450℃ 이상의 온도로 유지되는 기포유동층 가스화로(100)와 연결되어 있어, 원료탱크(300)를 통해 공급된 고상의 폐플라스틱 원료는 원료투입부(160)의 전단에서는 고체 형태를 유지하다가 원료투입부(160)의 후단에서는 기포유동층 가스화로(100)의 영향으로 인해 액상화되므로 이송 스크류(162)를 통한 공급이 원활하지 못하거나 곤란한 문제가 발생한다.
이에, 본 발명에서는 고속유동층 연소로(200)에서 가열된 유동매체의 일부를 원료투입관(161)으로 공급하여, 고상의 폐플라스틱 원료를 유동매체와 혼합하여 액상화시키고, 유동매체와 원료를 함께 이송시킴으로써, 유동매체가 액상화된 원료를 이동시키는 캐리어 기능을 수행하도록 하여, 액상화된 원료의 이송 불량 문제를 해소할 수 있다.
이때, 유동매체는 원료탱크(300)로부터 공급되는 원료 부피 유량의 약 5~10배의 범위로 공급될 수 있다. 유동매체의 부피 유량이 원료 부피 유량의 5배 미만인 경우에는 액상화된 원료가 원활하게 이송되지 않는 문제가 있고, 10배를 초과하는 경우에는 원료투입부(160)의 온도가 불필요하게 증가되는 동시에 기포유동층 가스화로(100)의 열원으로 재공급되는 유동매체의 함량이 과도하게 적어져 유동매체를 통한 열공급 효율이 현저히 저하되므로, 원료투입관(161)으로 가열된 유동매체를 상술한 부피비로 공급하는 것이 바람직하다.
상기 원료투입부(160)는 상기 원료투입관(161) 내부에서 발생되는 염소 화합물 포함하는 기체를 배출시키기 위한 배출관(163)이 구비될 수 있다.
상기 기포유동층 가스화로(100)로 공급되는 원료에 PVC와 같이 염소를 포함하는 플라스틱이 포함되어 있는 경우, 원료투입부(160)에서 HCl과 같은 염소 화합물이 발생된다. 이러한 염소 화합물은 장치 내 부품의 부식을 초래하거나 작업장의 안전 문제를 야기할 수 있어, 배출관(163)을 통해 제거함으로써 이를 방지할 수 있다.
이와 같이 원료투입부(160)를 통해 공급된 원료는 기포유동층 가스화로(100), 고속유동층 연소로(200)로 이루어지는 일련의 순차적인 장치로 이루어지는 가스화 시스템에 의하여 가스화된다.
기포유동층 가스화로(100)는 원료를 열분해, 가스화하는 부분으로서, 기포유동층 가스화로(100) 하부에는 산화제인 스팀(30)이 분사됨으로써 기포유동층(120)이 형성되며, 원료가 열분해 및 가스화되어 생성가스(10)로 변하게 된다.
기포유동층 가스화로(100) 내부 중 기포유동층(120)의 위쪽에는 기포유동층 가스화로(100)의 중심부를 따라 수직 방향으로 길게 중심로드(130)가 고정 설치되고 중심로드(130)의 둘레에는 스크류 날개 형태의 나선형 날개(110)가 결합되어, 기포유동층 가스화로(100) 내부에서 유체가 선회류로 이동하도록 구성되는 것이 바람직하다.
이때, 바람직하게는 상기 나선형 날개(110)는 다수의 구멍이 형성된 다공판 형상으로 형성될 수 있다. 이 경우, 나선형 날개(110)에 형성된 구멍의 하부로 유동매체가 낙하하고, 나선형 날개(110)를 따라 선회류로 상승하는 스팀 및 생성가스와 접촉할 수 있다. 따라서, 유동매체와 스팀 및 생성가스의 접촉 효율이 극대화되므로, 타르의 리포밍 효율이 현저히 향상될 수 있다.
이와 같이 나선형 날개(110)가 다공판 형상으로 형성되는 경우, 구멍의 형상은 원형, 타원형, 다각형과 같은 도형 또는 문자, 문양, 패턴 등의 형태를 가질 수 있으며, 구멍의 형상이 이에 제한되는 것은 아니다(도 13 참조).
이러한 구멍의 최대 직경 혹은 최대 변의 길이는 5~20mm일 수 있다.
일 측면에서 관찰했을 때 상기 나선형 날개(110)는 2~6줄이 되도록 형성될 수 있으며, 줄 수가 한 줄 이하인 경우에는 상부에서 하부로 이동하는 원료 및 유동매체와 같은 반응물과 하부에서 상부로 이동하는 가스의 접촉 빈도 및 반응 효율이 적어져 생성가스(10)의 생성 효율 및 타르의 제거 효율이 저하되고, 6줄을 초과하는 경우에는 각 줄 사이의 공간이 좁아져 나선형 날개(110)를 따라 선회하며 상승하는 가스의 압력 손실이 상승하므로, 가스의 흐름이 원활하지 않은 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 기포유동층 가스화로(100)의 하부로부터 차르(char) 및 유동매체가 고속유동층 연소로(200)로 이송된다. 고속유동층 연소로(200) 하부로부터 차르를 연소시키기 위하여 공기가 유입되며, 고속유동층 연소로(200)는 속도가 아주 빠른 고속유동층(fast bed)으로 운전된다. 고속유동층 연소로(200)로 이송된 유동매체는 기포유동층 가스화로(100)의 하부에서 750~800℃였던 것이 고속유동층 연소로(200)를 거치면서 920~950℃로 승온되어 고온의 열원으로서 기포유동층 가스화로(100)로 재투입된다.
이때, 필요에 따라 고속유동층 연소로(200)에 외부 연료가 추가로 더 공급될 수 있으며, 외부 연료로 예를 들어, 생성가스 사이클론(140)을 통해 배출되는 생성가스(10)가 사용될 수 있다.
고속유동층 연소로(200)를 지난 가스는 고속유동층 연소로(200) 상부에 연결된 배기가스 사이클론(210)에 의해 유동매체 및 재가 분리되며, 연소 과정에 의해 생성된 배기가스(20)는 배기가스 사이클론(210)을 통해 외부로 배출된다.
동시에, 고속유동층 연소로(200)에서 고온으로 변한 유동매체는 배기가스 사이클론(210)을 지나서, 일부는 기포유동층 가스화로(100) 상부로 이송되어 기포유동층 가스화로(100)의 가스화 반응을 위한 열원으로 사용되며, 나머지 일부는 원료투입관(161)으로 공급되어 원료투입관(161)에서 원료의 이송을 원활하게 하는 캐리어로써 기능한다.
한편, 상기 생성가스 사이클론(140)을 통해 배출된 생성가스(10)는 생성가스 이송라인(101)을 통해 생성가스 처리부(500)로 공급된다.
상기 생성가스(10)에는 H2, CO, CO2, CH4 및 먼지와 같은 미세입자 등이 포함되어 있는데, 이러한 생성가스(10)는 생성가스 처리부(500)를 통해 정제되어 미세입자나 일산화탄소, 이산화탄소 등이 제거되고 수소가 적어도 75 vol%이상 포함된 합성가스로 전환될 수 있다.
구체적으로, 상기 생성가스 처리부(500)는 생성가스(10)에 포함된 입자성 이물질을 제거하는 생성가스 처리필터(510); 생성가스(10)에 포함된 일산화탄소를 수소로 전환시키는 수성가스 전환기(520); 및 생성가스(10)에 포함된 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리장치(530);를 포함한다.
상기 생성가스 처리필터(510)는 생성가스(10)에 포함된 먼지와 같은 입자성 이물질을 제거하기 위한 수단으로, 백필터나 집진기와 같은 여과장치일 수 있으며, 그 형태는 특별히 제한되지 않는다. 생성가스 처리필터(510)에서 이물질이 제거된 처리가스는 수성가스 전환기(520)로 도입된다.
상기 수성가스 전환기(520)는 하기 화학식 1과 같이, 일산화탄소와 물이 반응하여 이산화탄소와 수소가 생성되는 수성가스전환 반응이 이루어지는 장치이다.
CO+H2O ↔ CO2+H2 (ΔH = -41.1kJ/mol) (화학식 1)
수성가스전환 반응은 약 120℃의 저온에서 약 450℃까지의 고온까지 비교적 폭넓은 온도 범위에서 일어나는 가역적인 반응으로, 약 300℃를 기준으로 하여 낮은 온도 범위에서는 반응 속도가 느리고 정반응이 선호되며, 높은 온도 범위에서는 반응속도가 빠르고 역반응이 선호된다. 이에, 온도 범위에 따라 서로 다른 종류의 촉매가 사용되며, 고온에서는 주로 철(Fe)계 촉매를 사용하고, 저온에서는 알루미늄(Al)계 촉매를 사용한다.
상기 수성가스 전환기(520)는 고온 반응기(high temperature shift, HTS)나 저온 반응기(low temperature shift, LTS)일 수 있으며, 또는 고온 반응기와 저온 반응기가 각각 적어도 하나 이상씩 구비된 모듈일 수도 있다.
또한, 수성가스 전환기(520) 내에서의 반응 효율성을 높이기 위해 수성가스 전환기(520) 내부에 열교환기가 구비될 수 있으며, 고온 반응기, 저온 반응기 및 열교환기의 배치는 원하는 수율 및 생산 속도 확보를 위해 다양한 방식으로 배치될 수 있다.
상기 이산화탄소 분리장치(530)는 수성가스 전환기(520)에서 배출된 처리가스에서 이산화탄소를 분리하여 최종 생성물인 합성가스 내의 수소 가스의 농도를 높이기 위해 구비된다.
이산화탄소 분리장치(530)에는 이산화탄소를 선택적으로 흡착하는 흡착제가 구비되어, 수성가스 전환기(520)에서 배출된 처리가스에 포함된 이산화탄소는 흡착제에 흡착되고, 나머지 가스는 최종 생성물인 합성가스로써 배출된다.
이와 같이 배출된 합성가스에는 수소 가스의 농도가 적어도 75 vol% 이상으로 매우 높기 때문에, 원료로 수소 가스가 사용되는 다양한 공정의 원료로 공급될 수 있다. 또한, 폐플라스틱 원료로부터 생성되었기 때문에 폐플라스틱 처리 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 오히려 폐플라스틱을 에너지 원료화하므로 자원 재순환에 따른 환경 보호가 가능하다.
특히, 앞서 언급한 바와 같이 생성가스 처리부(500)를 통해 생성된 합성가스의 수소 함량이 높기 때문에, 상기 합성가스는 친환경 철강 생산을 위한 제선공정에서의 환원제로 적용될 수 있고, 이 경우 합성가스에 포함되어 있는 메탄으로 인해 발열량 상승, 이에 따른 제선공정 효율 향상과 같은 효과를 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 공급장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 수소 공급장치는, 도 1을 참조하여 설명한 수소 공급장치의 원료투입부(160)의 원료투입관(161)과 소정 간격 이격되어, 원료투입관(161)을 감싸도록 형성된 외부관(164)을 포함한다. 즉, 원료투입관(161)과 외부관(164)은, 외부관(164)의 내부에 원료투입관(161)이 배치되는 이중관 형태를 갖는다.
이때, 상기 원료투입관(161)의 외주연과 외부관(164)의 내주연 사이에 형성되는 공간(S)에는 열전달매체(50)가 흐르며 원료투입관(161)을 추가적으로 가열시킨다. 따라서, 원료투입관(161)을 따라 공급되는 원료의 액상화 및 염소 화합물 생성을 가속화시킬 수 있으며, 이에 따라 더욱 효율적으로 염소 화합물을 제거할 수 있다.
상기 열전달매체(50)는 공간(S)과 열교환기(400)를 순환 이동하며, 열교환기(400)를 통해 가열된 열전달매체(50)는 공간(S)으로 유입되어 원료투입관(161)을 가열시키고 상대적으로 저온인 상태로 공간(S)에서 배출되어 다시 열교환기(400)로 공급된다.
상기 열전달매체(50)는 물 또는 열전달유일 수 있으며, 열전달유로는 미네랄오일, 글리콜 수용액, 파라핀, 디아릴알칸, 폴리페닐 유도체, 아릴에테르, 디메틸실록산 폴리머 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 열교환기(400)에서 열전달매체(50)를 가열시키기 위한 열원으로 바람직하게는 배기가스 사이클론(210)을 통해 배출된 배기가스(20)와 생성가스 사이클론(140)을 통해 배출된 생성가스(10)가 사용될 수 있다.
이 경우, 열교환기(400) 내부의 생성가스(10)와 배기가스(20)는 각각 다른 관을 통해 이동하며 열교환기(400)에 열을 전달하고, 배기가스(20)는 그대로 배출되거나 백필터를 통해 여과된 후 배출되며, 생성가스(10)는 앞서 설명한 생성가스 처리부(500)로 공급된다.
도 3 및 도 4는 상기 기포유동층 가스화로(100)의 일 실시예를 도시한 도면으로, 기포유동층 가스화로(100)의 일부를 생략하고 도시하였다.
앞서 설명한 바와 같이 상기 기포유동층 가스화로(100)의 내부에는 기포유동층 가스화로(100)의 중심부를 따라 수직 방향으로 길게 중심로드(130)가 고정 설치되고, 중심로드(130)의 둘레에는 스크류 날개 형태의 나선형 날개(110)가 결합된다.
상기 나선형 날개(110)에 의해 생성가스(10)와 유동매체의 접촉빈도가 증가될 수 있으며, 생성가스(10)에 포함된 타르(tar)와 유동매체 간 접촉 반응이 증가하게 된다.
상기 나선형 날개(110)에는 다수개의 개구(115)가 형성될 수 있다. 상기 개구(115)는 상하 방향으로 간격을 두고 다수 개 형성되며, 개구(115)를 통해 연료 및 유동매체의 일부 또는 전부가 나선형 날개(110) 밑으로 떨어지므로, 위로 상승하는 스팀 및 생성가스와의 효율적인 접촉이 쉽게 이루어진다.
이와 같이 상부에서 하부로 이동하는 연료 및 유동매체와 하부에서 상부로 이동하는 스팀 및 생성가스 사이의 접촉을 극대화하기 위하여, 한쪽 끝단이 나선형 날개(110) 중 개구(115)의 하단과 접하는 부분과 결합하고 나선형 날개(110)의 하향 경사지는 방향의 반대쪽으로 하향 경사지게 뻗은 경사면을 포함하는 안내판(116)이 더 구비되어, 개구(115)를 통해 빠져 내려온 유동매체가 안내판(116)을 타고 경사지게 내려가도록 구성된다.
이와 같이 구성됨으로써 유동매체가 지나치게 빨리 개구(115)를 통해 빠져나가지 못하게 되는 한편 생성가스 및 스팀이 안내판(116)을 빙 둘러서 올라가게 되므로 그만큼 접촉시간이 길어지게 된다.
상기 안내판(116)은 나선형 날개(110) 중 개구(115)의 하단과 접하는 부분으로부터 상방으로 올라가다가 꺾여서 하방으로 내려가도록 구성되는데, 이러한 구성은 나선형 날개(110)를 타고 내려오는 유동매체가 더 많이 개구(115)를 통해 빠져나와 안내판(116)을 타고 내려가게 하기 위한 것이다.
도 5는 상기 기포유동층 가스화로(100)의 다른 실시예를 도시한 도면으로, 기포유동층 가스화로(100)의 일부를 생략하고 도시하였다.
앞서 설명한 바와 같이 상기 기포유동층 가스화로(100)의 내부에는 기포유동층 가스화로의 내부에는 기포유동층 가스화로(100)의 중심부를 따라 수직 방향으로 길게 중심로드(130)가 고정 설치되고, 중심로드(130)의 둘레에는 스크류 날개 형태의 나선형 날개(110)가 결합된다.
이때, 상기 스크류 날개 형태의 나선형 날개(110)는 복수개의 단위날개(111)가 중심로드(130)에 방사상으로 결합되되, 서로 이격 형성되고 계단식으로 배치되어, 나선 형태로 형성될 수 있다.
따라서, 거시적으로는 스크류 형태의 나선형 날개(110)에 의해 유동매체가 나선형 날개(110)를 따라 선회하며 내려오고, 생성가스(10)와 스팀(30)을 포함하는 기체 성분은 나선형 날개(110)를 따라 선회하며 상부로 이동한다. 동시에, 미시적으로는 상기 반응물이 불연속적으로 배치된 각 단위날개(111) 사이의 빈 공간인 이격 영역으로 떨어지므로 선회하며 상부로 이동하는 상기 기체 성분과 더욱 빈번하게 효과적으로 접촉하여 생성가스(10)의 생성 효율 및 타르의 제거 효율이 현저히 향상된다.
즉, 이러한 나선 형태의 계단식 배치는, 유동매체가 합성가스와 접촉하는 빈도를 증가시켜서, 합성가스에 포함된 타르가 분해 및 리포밍되어 합성가스중 타르 농도를 현저하게 감소시킬 수 있으며, 합성가스가 유동매체와 접촉하지 않고 빠져나가는 단회로 현상이 방지되어, 합성가스 중 타르 제거 효율을 증가시킬 수 있다.
이때, 중심로드(130)의 중심축과 단위날개(111)의 길이방향 축에 의해 형성되는 면과 수직인 상기 단위날개(111)의 단면은 다각형으로, 도 5에 도시된 바와 같이 직사각형의 형태를 가질 수도 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 사다리꼴(도 6(a)), 삼각형(도 6(b)), 오각형(도 6(c)) 등과 같은 형태를 가질 수도 있으며, 도면에 제시된 형태 외의 다른 다각형으로 형성되는 것도 가능하다.
도 7은 상기 도 5의 a방향에서 관측한 기포유동층 가스화로(100)의 탑뷰(top-view) 도면으로, 나선형 날개(110)의 인접한 두 단위날개(111)는 일부 영역이 겹쳐져 상부에서 바라봤을 때에는 마치 단위날개(111) 사이의 빈 공간이 존재하지 않는 것처럼 관측되나, 실제로는 단위날개(111)가 불연속적으로 위치하므로 각 단위날개(111) 사이에는 빈 공간인 이격 영역이 존재한다.
도 8은 단위날개(111)의 단면이 사다리꼴인 일 예에 따른 나선형 날개(110)를 도시한 것이다.
단위날개(111)의 단면은 앞서 설명한 바와 같이 다각형으로 형성되며, 바람직하게는 각 단위날개(111) 사이의 빈 공간인 이격 영역이 상부에서 하부로 갈수록 좁아지는 형상으로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
도 8의 확대도를 참조하면, 이격 영역에서 인접하는 각 단위날개(111a, 111b)의 최상단 사이의 거리(d1)는 최하단 사이의 거리(d2)보다 크게 형성되는 경우, 기체 성분이 이격 영역을 통해 상승하는 역류 현상이 방지되므로, d1은 d2보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
특히, d1은 d2의 2~7배의 값을 갖도록 형성될 수 있으며, d1과 d2의 거리 비율이 이 범위를 벗어나는 경우에는 이격 영역을 통과해서 낙하하는 유동매체의 낙하 지연에 의한 반응 효율 향상 효과가 미미하므로, d1과 d2는 상술한 비율을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이격 영역으로 낙하하는 유동매체의 직경이 약 04~0.8mm이므로, 유동매체에 의한 파울링(fouling) 현상을 방지하기 위해 인접한 두 단위날개(111a, 111b) 사이의 이격 영역의 최소 폭은 5~25mm의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.
특히, 이격 영역의 폭은 각 단위날개(111a, 111b)의 최상단 사이에서 최하단 사이로 테이퍼지게 형성되는 것이 바람직하며, 이와 같은 경우에는 이격 영역을 통해 낙하하는 유동매체의 유체 흐름이 원활해지고, 기체 성분이 이격 영역을 통해 상승하는 역류 현상 및 이에 따른 파울링 현상이 방지될 수 있다.
도 9는 도 5의 나선형 날개(110)를 구성하는 단위날개(111)의 단면 형태의 일 예를 도시한 도면으로, 단위날개(111)는 단위날개(111)의 길이방향 축에 대하여 소정 각도(θ) 회전된 상태로 배치되어, 바닥면에 대하여 기울어진 형태를 갖도록 배치될 수 있으며, 상기 소정 각도(θ)는 40~80도일 수 있다.
단위날개(111)가 이와 같이 배치됨에 따라 단위날개(111)의 최상부에 위치한 일 모서리에서 연장되는 두 면이 서로 다른 방향으로 하향 경사지도록 형성되고, 이에 따라 나선형 날개(110)를 따라 선회하며 내려오는 유동매체가 하향 경사진 두 면을 따라 이동하므로, 상기 반응물이 이격 영역을 통해 지나치게 빨리 떨어지는 것이 방지되어 반응물과 생성가스(10) 및 스팀(30)의 접촉시간이 연장되므로 반응 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 10은 단위날개(111)가 유사 사다리꼴 형태의 단면을 갖는 경우에, 유동매체와 생성가스(10), 스팀(30) 등을 포함하는 기체 성분의 유체 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이 일부 유동매체는 각 단위날개(111) 사이의 이격 영역에 체류하며 상부 영역에서 기체 성분과 접촉하여 반응하고, 일부 반응물은 이격 영역을 통과하여 낙하하며 기체 성분과 접촉하여 반응한다. 이와 같이 유동매체와 기체 성분의 접촉 빈도가 현저히 증가함에 따라 생성가스(10) 생성 효율 및 타르(tar) 제거 효율이 현저히 향상될 수 있다.
도 11은 본 발명의 나선형 날개(110)를 구성하는 단위날개(111)의 일 실시예를 도시한 도면으로, 상기 단위날개(111)에는 단위날개(111)의 하부 모서리 중 적어도 어느 하나 이상에서 하향 경사지는 연장부(113)가 형성될 수 있다.
이와 같이 연장부(113)가 형성되는 경우, 연장부(113)를 따라 유동매체가 이동하므로, 표면장력에 의해 반응물이 이격 영역의 하부로 떨어지지 못하여 이격 영역이 폐쇄되는 파울링 현상이 방지될 수 있을 뿐만 아니라 유동매체의 낙하 시간을 지연시켜 유동매체와 스팀(30) 및 생성가스(10)의 접촉 시간을 늘림으로써 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
일 예로, 상기 연장부(113)는 각 단위날개(111)에 모두 설치될 수 있고, 혹은 일부 단위날개(111)에만 설치될 수도 있으며, 하나의 단위날개(111)에 복수개로 설치될 수도 있다. 연장부(113)는 규칙적인 패턴을 갖도록 설치되는 것이 바람직한데, 불규칙적으로 설치되는 것도 가능하며, 유동매체를 하부로 낙하시키면서 이격 영역을 폐쇄하지 않는 형태라면 그 형태나 개수는 특별히 제한되지 않고 형성될 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 유동층 반응기를 도식적으로 나타낸 도면이다. 여기서,,
도 1에 나타낸 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 유동층 반응기는, 기포유동층 가스화로(100)와 고속유동층 연소로(200)가 서로 떨어져 있도록 구성된 것이나, 도 12에 나타낸 본 발명의 또 다른 실시예는 기포유동층 가스화로(100)가 고속유동층 연소로(200)를 감싸는 형태로 구성된 것이다.
도 12에 제시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 공급장치의 이중 유동층 반응기 경우에는 기포유동층 가스화로(100) 내부에 설치된 나선형 날개(110)의 중심로드(130) 내부의 공간에 고속유동층 연소로(200)가 위치하며, 고온의 고속유동층 연소로(200) 벽면을 통해 기포유동층 가스화로(100)로 열이 전달됨으로써 열전달을 최대화하고 열손실을 최소화하여 가스화 장치의 운전비를 절감할 수 있다.
도 12에 제시된 본 발명의 또 다른 실시예의 수소 공급장치의 원료투입부(160)는 도 11을 참조하여 설명한 것과 같이 원료투입관(161)과 소정 간격 이격되어, 원료투입관(161)을 감싸도록 형성된 외부관(164)을 포함할 수 있으며, 상기 원료투입관(161)과 외부관(164) 사이의 공간(S)에는 열전달매체(50)가 흐르도록 형성될 수 있다..
상기 열전달매체(50)는 열교환기(400)를 거쳐 다시 가열된 후 공간(S)으로 공급될 수 있으며, 이때 열교환기(400)에서 열전달매체(50)를 가열하기 위한 열원으로 외부 열원이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 고속유동층 연소로(200)에서 배출된 배기가스(20)가 사용될 수 있다.
이와 관련한 구체적인 기술적 내용은 도 1 내지 도 11을 참조하여 설명한 것과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
한편, 본 발명은 친환경 철강 생산 방법을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 철강 생산 방법은, 앞서 설명한 본 발명의 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치를 통해 생성된 수소 함량이 높은 합성가스를 철강 생산 과정에서의 환원제로 공급한다.
따라서, 철강 생산 과정, 구체적으로는 제선 공정에서 일반적으로 환원제 및 열원으로 사용되는 석탄을 수소로 대체하므로, 석탄과 달리 연소 과정에서 이산화탄소가 발생하지 않아 온실가스 배출을 저감시킬 수 있어 친환경적인 방법으로 철강을 생산할 수 있는 장점이 있다.
본 실시예에 따른 친환경 철강 생산 방법은 앞서 설명한 본 발명의 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치에 관한 설명도 포함하고 있으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 친환경 철강 생산 방법은 기포유동층 가스화로(100) 및 고속유동층 연소로(200)를 포함하는 이중 유동층 반응기로 폐플라스틱 원료를 공급하여 연소시킴으로써 기포유동층 가스화로(100)에서 생성가스(10)를 생성하고, 고속유동층 연소로(200)에서 배기가스(20)를 생성하는 폐플라스틱 연소 단계; 상기 생성가스(10)를 처리하여 수소 함량이 높은 합성가스를 제조하는 생성가스 처리 단계; 및 상기 합성가스를 철강 생산 공정의 환원제로 공급하는 철강 생산 단계;를 포함한다.
먼저, 상기 폐플라스틱 연소 단계는, 기포유동층 가스화로(100)로 폐플라스틱 원료, 스팀 및 가열된 유동매체를 공급하여 폐플라스틱 원료를 분해하는 단계; 고속유동층 연소로(200)로 기포유동층 가스화로(100)에서 배출되는 유동매체와 폐플라스틱 원료가 분해되어 생성된 차르(char)를 공급하고 연소시켜 유동매체를 재가열하는 단계; 생성가스 사이클론(140)을 통해 기포유동층 가스화로(100)에서 생성된 생성가스(10)에 포함된 미세입자를 여과하여 기체성분을 생성가스 처리부(500)로 공급하는 단계; 및 배기가스 사이클론(210)을 통해 고속유동층 연소로(200)에서 배출되는 성분을 분리하여, 유동매체는 기포유동층 가스화로(100)로 이송시키고, 나머지 배기가스(20)를 배출시키는 단계;를 포함한다.
상기 기포유동층 가스화로(100)로 폐플라스틱 원료, 스팀 및 가열된 유동매체를 공급하여 폐플라스틱 원료를 분해하는 단계는, 기포유동층 가스화로(100)로 공급된 폐플라스틱 원료를 분해하여 생성가스(10)를 생성하는 단계이다.
폐플라스틱 원료는 기포유동층 가스화로(100) 전단에 구비된 원료투입부(160)를 통해 기포유동층 가스화로(100)로 공급될 수 있으며, 원료투입부(160)의 원료투입관(161)에서 폐플라스틱 원료가 이송스크류(162)를 통해 유동매체와 혼합 및 이송되어, 폐플라스틱 원료가 고상일 때와 액상일 때 모두 원활하게 기포유동층 가스화로(100)로 공급될 수 있다.
기포유동층 가스화로(100)에서는 원료투입관(161)을 통해 폐플라스틱 원료와 유동매체를 공급받고, 추가로 스팀 및 가열된 유동매체를 공급받아 기포유동층을 형성하며, 폐플라스틱 원료를 가열하여 분해시킨다. 여기서 생성된 생성가스(10)는 생성가스 처리부(500)로 공급되고, 차르와 유동매체의 일부는 고속유동층 연소로(200)로 이동한다.
상기 고속유동층 연소로(200)로 기포유동층 가스화로(100)에서 배출되는 유동매체와 폐플라스틱 원료가 분해되어 생성된 차르(char)를 공급하고 연소시켜 유동매체를 재가열하는 단계는, 기포유동층 가스화로(100)의 열원으로 재사용될 수 있도록 유동매체를 재가열하는 단계이다.
이때, 고속유동층 연소로(200)를 가열하기 위한 열원으로 차르가 사용될 수 있으며, 차르는 고속유동층 연소로(200)로 공급된 공기와 반응하여 연소됨으로써 열을 발생시키고, 이는 유동매체를 가열하기 위한 열원으로 사용된다.
이렇게 가열된 유동매체와 차르가 연소되어 생성된 생성물은 배기가스 사이클론(210)을 통해 배기가스(20)와 가열된 유동매체로 분리되며, 배기가스(20)는 외부로 배출되고, 가열된 유동매체는 기포유동층 가스화로(100)와 원료투입관(161)으로 나뉘어 공급된다. 이때, 기포유동층 가스화로(100)와 원료투입관(161)으로 공급되는 가열된 유동매체의 양은 밸브를 통해 조절될 수 있다.
상기 기포유동층 가스화로(100)로 공급된 가열된 유동매체는 기포유동층 가스화로(100)의 열원으로써 기능하고, 원료투입관(161)으로 공급된 가열된 유동매체는 원료투입관(161) 내부의 원료를 가열하여 원료를 액상화시키고 동시에 액상화된 원료와 혼합되어 슬러지와 유사한 혼합물을 형성시키므로, 원료의 이송을 원활할게 할 수 있다. 이때 원료가 액상화되며 발생하는 HCl은 배출관(163)을 통해 제거될 수 있다.
상기 생성가스 사이클론(140)을 통해 기포유동층 가스화로(100)에서 생성된 생성가스(10)에 포함된 미세입자를 여과하여 기체성분을 생성가스 처리부(500)로 공급하는 단계는 기포유동층 가스화로(100)에서 폐플라스틱 원료가 분해되어 생성된 성분 중 수소, 일산화탄소, 메탄과 같은 유용한 가스 성분만을 분리하여 생성가스 처리부(500)로 공급하는 단계로, 생성가스 사이클론(140)에서 이러한 과정이 수행될 수 있다.
이때, 여기서 배출되지 못한 미세 입자는 다시 기포유동층 가스화로(100)로 공급된다.
한편, 상기 생성가스(10)를 처리하여 수소 함량이 높은 합성가스를 제조하는 생성가스 처리 단계는, 생성가스(10)에 포함되어 있는 먼지와 같은 입자성 이물질을 제거하는 단계; 생성가스(10)에 포함되어 있는 일산화탄소를 수소로 전환시켜 처리가스를 제조하는 단계; 및 상기 처리가스에 포함되어 있는 이산화탄소를 제거하는 단계;를 포함한다.
먼저, 상기 생성가스(10)에 포함되어 있는 먼지와 같은 입자성 이물질을 제거하는 단계는 백필터나 집진기와 같은 여과장치를 이용하여 생성가스(10)에 포함되어 있는 입자성 이물질을 제거하는 단계이다.
다음으로, 생성가스(10)에 포함되어 있는 일산화탄소를 수소로 전환시켜 처리가스를 제조하는 단계는, 앞서 여과장치를 통해 이물질이 제거된 생성가스(10)를 수성가스 전환기(520)로 공급하고, 수성가스 전환기(520)에서 생성가스(10) 내의 일산화탄소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 제조하는 수성가스전환 반응이 이루어지는 단계이다.
이 단계를 통해 생성가스(10)에 포함되어 있던 일산화탄소가 수소와 이산화탄소로 전환되므로, 생성가스(10) 내 수소 함량을 높일 수 있다.
다음으로, 처리가스에 포함되어 있는 이산화탄소를 제거하는 단계는, 수성가스전환 반응이 이루어져 얻어진 처리가스에 포함되어 있는 이산화탄소를 제거하여 수소 함량을 높이기 위한 단계이다.
이 단계는 이산화탄소를 선택적으로 흡착하는 흡착제가 구비된 이산화탄소 분리장치(530)로 공급하여, 이산화탄소가 적어도 일부 또는 완전히 제거되어 수소 함량이 적어도 75 vol% 이상인 합성가스를 얻는 단계이다.
이렇게 얻어진 합성가스는 이후 이어지는 단계인 철강 생산 단계, 보다 구체적으로는 철광석으로부터 용선을 얻는 공정인 제선 공정에서의 환원제로 공급되어 철광석으로부터 용선을 제조할 수 있다.
한편, 상기 원료투입부(160)의 원료투입관(161)의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 단계가 추가로 더 수행될 수 있다. 이 경우, 원료투입관(161)의 외부를 감싸도록 형성된 외부관(164)에 열교환기(400)를 통해 가열된 열전달매체(50)가 흐른다.
열전달매체(50)는 원료투입관(161)과 외부관(164) 사이의 공간(S)을 순환하며 원료투입관(161)에 열을 전달하고, 열교환기(400)에서 열전달매체(50)에 열을 공급하기 위한 열원으로 배기가스 사이클론(210)으로부터 배출된 배기가스(20)와 생성가스 사이클론(140)으로부터 배출된 생성가스(10) 중 적어도 어느 하나 이상이 사용될 수 있다. 이때, 생성가스(10)와 배기가스(20)가 혼합되지 않도록 서로 별도의 배관으로 공급될 수 있다.
이 경우, 열교환기(400)를 통과하여 배출된 상대적으로 저온인 배기가스(20)는 외부로 배출되고, 상대적으로 저온인 생성가스(10)는 앞서 설명한 바와 같이 생성가스 처리 단계로 도입될 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
10: 생성가스 20: 배기가스
21: 배기가스라인 30: 스팀
40: 공기 50: 열전달매체
100: 기포유동층 가스화로 101: 생성가스 이송라인
110: 나선형 날개 111: 단위날개
113: 연장부 120: 기포 유동층
130: 중심로드 140: 생성가스 사이클론
150: 생성가스 사이클론 연결관 160: 원료투입부
161: 원료투입관 162: 이송스크류
163: 배출관 164: 외부관
200: 고속유동층 연소로 210: 배기가스 사이클론
221: 밸브 230: 제1 유동매체 공급관
300: 원료 탱크 400: 열교환기
500: 생성가스 처리부 510: 생성가스 처리필터
520: 수성가스 전환기 530: 이산화탄소 분리장치

Claims (8)

  1. 원료가 저장되는 원료 탱크;
    원료투입부를 통해 상기 원료 탱크로부터 원료를 공급받고, 하부에서 스팀이 유입되어 내부에서 유동매체가 유동됨으로써 기포유동층이 형성되며, 상기 원료가 가스화되어 내부에서 생성가스가 만들어지는 기포유동층 가스화로;
    상기 기포유동층 가스화로로부터 상기 유동매체와 상기 생성가스에 포함된 차르(char)를 이송받고, 추가로 공기를 공급받아, 상기 차르(char)를 연소시킴으로써 유동매체를 가열하고, 가열된 유동매체를 상기 기포유동층 가스화로로 이송하는 고속유동층 연소로;
    상기 기포유동층 가스화로와 연통되고, 기포유동층 가스화로에서 배출되는 생성가스 중 미세입자를 분리하여 미세입자는 상기 기포유동층 가스화로로 다시 유입시키고, 나머지를 배출시키는 생성가스 사이클론;
    상기 고속유동층 연소로의 상부와 기포유동층 가스화로의 상부 사이에 연결되어, 상기 유동매체를 배기가스와 분리시킨 후, 배기가스는 배출하고 유동매체를 기포유동층 가스화로와 원료투입부로 분리 공급하는 배기가스 사이클론; 및
    상기 생성가스 사이클론에서 배출되는 생성가스를 처리하여 생성가스 내 수소 함량을 증가시키는 생성가스 처리부;를 포함하며,
    상기 기포유동층 가스화로의 내부에는 기포유동층 가스화로 중심부를 따라 수직 방향으로 위치하는 중심로드; 및 상기 중심로드를 따라 생성가스 및 스팀을 선회류로 이동시키는 나선형 날개;가 설치되는 것을 특징으로 하는, 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생성가스 처리부는,
    생성가스에 포함된 입자성 이물질을 제거하는 생성가스 처리필터;
    생성가스에 포함된 일산화탄소를 수소로 전환시키는 수성가스 전환기; 및
    생성가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리장치;를 포함하는, 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원료투입부는,
    원료탱크로부터 기포유동층 가스화로로 원료가 투입되는 원료투입관;
    상기 원료투입관 내부에서 회전하며 원료를 이송시키는 이송 스크류; 및
    상기 원료투입관을 감싸도록 원료투입관과 소정 간격 이격되어 형성되는 외부관을 포함하고,
    상기 원료투입관과 외부관 사이의 공간으로 열전달매체가 공급되어 원료투입관에 열을 전달한 뒤 배출되는 것을 특징으로 하는, 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원료투입관에서 배출된 열전달매체를 재가열하기 위한 열교환기가 구비되어, 열전달매체가 원료투입관과 열교환기를 순환하는 것을 특징으로 하는, 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배기가스 사이클론에서 배출되는 배기가스와 생성가스 사이클론에서 배출되는 생성가스 중 적어도 어느 하나 이상이 상기 열교환기에서 열전달매체를 재가열하기 위한 열원으로 사용되는 것을 특징으로 하는, 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치.
  6. 상기 원료투입관 내부에서 발생되는 염소 화합물 포함하는 기체를 배출시키기 위한 배출관;이 구비되는 것을 특징으로 하는, 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유동매체는 패각 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는, 친환경 철강 생산을 위한 수소 공급장치.
  8. 기포유동층 가스화로 및 고속유동층 연소로를 포함하는 이중 유동층 반응기로 폐플라스틱 원료를 공급하여 연소시킴으로써 기포유동층 가스화로에서 생성가스를 생성하고, 고속유동층 연소로에서 배기가스를 생성하는 폐플라스틱 연소 단계;
    상기 생성가스를 처리하여 수소 함량이 높은 합성가스를 제조하는 생성가스 처리 단계; 및
    상기 합성가스를 철강 생산 공정의 환원제로 공급하는 철강 생산 단계;를 포함하는, 친환경 철강 생산 방법.
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