KR20230091836A - Co2 배출 없는 에너지로의 폐기물 변환 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 도시 및 혼합 폐기물 스트림으로부터의 에너지 추출을 위한 방법을 제공한다. 방법은 3단계 열분해를 이용하여 수소가 풍부한 열분해 가스를 생성하고, 이는 이산화탄소를 대기로 방출하지 않고 에너지 추출을 최대화한다. 선택적으로, 이 방법으로부터의 고압 CO2의 에너지는 가스 터빈을 통한 팽창에 의해 스테이지에서 회수된다.
Description
본 발명은, 일반적으로, 생성된 이산화탄소를 캡처하여, 이용 가능한 화학 에너지를 추출하기 위한 탄소 함유 폐기물의 산화 처리에 관한 것이다.
바이오매스(식물 및 동물로부터 유도된 물질)는 환원된 형태의 탄소 및 수소가 기본 요소인 수많은 유기 화합물을 함유한다. 이러한 원소가 물 및 이산화탄소로 산화되면 에너지가 방출되고, 이는 바이오매스를 잠재적인 에너지원으로 만든다.
에너지원으로서의 바이오매스의 직접 연소(예컨대, 열 생성을 위해 나무를 태움으로써)는 선진국에서 대체로 포기되었지만, 바이오가스, 바이오디젤 및 바이오에탄올과 같은 연료 생성에 전념하는 에너지 작물의 형태로 유사한 공정이 부상하고 있다. 또한, 발효에 의해 셀룰로오스 폐기물을 에탄올로 변환시키기 위한 방법이 개발 중에 있다. 바이오매스를 연료로 변환시키는 것은 광합성에 의해 고정된 대기 중 이산화탄소가 연료에서 환원된 탄소의 원천이라는 점에서 "탄소 중립"으로서 간주된다.
크게 미개척된 에너지원은 도시 폐기물(주로 쓰레기 및 하수 슬러지) 및 농업 폐기물(스토버 및 버개스)에서 발견된 바이오매스이다. 현재, 3가지 공정은 이 폐기물 스트림으로부터 에너지를 추출하는데 제한적인 사용을 주시한다: 소각로에서 연소에 의해 생성된 열은 전기 생성을 위해 증기 구동 터빈에 동력을 공급하기 위해 사용될 수 있다; 일부 폐기물 유형의 혐기성 소화 또는 발효는 바이오가스(대체로 메탄)를 생성하기 위해 사용될 수 있고; 열분해 방법(가스화 및 열분해)은 발효가 잘 되지 않는(주로 목질계) 폐기물부터 수소 및 오일을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
목질계 바이오매스(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌)는 생물권에서 가장 풍부한 유기 물질이다. 이는 임업 및 농업으로부터 발생하는 폐기물 스트림에 풍부하며, 도시 고형 폐기물의 40 내지 60%를 차지한다. 목질계 물질을 처리하기 위한 열분해 공정은 일련의 처리로 구성된다. 300 내지 600℃의 온도 사이에서 초기 열분해는 산소가 없는 상태에서 수행된 다음, 수증기와 산소가 있는 900 내지 1300℃에서 고온 가스화가 수행되어, 일산화탄소 및 수소(즉, 합성 가스)가 순 생성된다. 이것은 흡열 변환이며, 요구된 에너지는 투입 물질의 일부를 이산화탄소 및 물로 산화시켜 얻어질 수 있고; 대안적으로, 보충 에너지의 외부 소스가 제공될 수 있다.
부가적인 수소(및 에너지)는 발열 "가스 전환" 반응, 
를 통해 합성 가스로부터 얻어질 수 있지만, 종래 기술의 관행은 합성 가스를 액체 탄화수소, 또는 메탄올로 변환시키기 위해 피셔-트롭쉬 유닛(Fischer Tropsch unit)으로 유도하는 것이었다. 가스 전환 반응은 수소 자체를 생성하는 것이 아니라 에너지 함량의 순 손실과 함께 액체 연료 또는 공급 원료로의 변환을 위해 H2/CO 비율을 최적화하기 위해 이용된다.
소각(연소)의 단점은 점점 더 엄격해지는 대기 오염 배출 기준을 충족시키는 어려움, 및 일반적으로 소각로의 존재에 대한 지역사회의 저항을 포함한다. 사료에 있는 염소, 질소 및 황 함유 물질은 캡처 및 중화되어야 하는 산성 생성물을 야기한다. 대량의 배기 가스를 처리하는 것은 대규모 장비에 대한 자본 투자를 요구한다. 전형적인 도시 폐기물의 높은 수분 함량은 물의 약 1,000Btu/lb의 에너지 비용으로 소각 중에 기화된다.
열분해기는 유기 폐기물 물질을 고온, 약 400 내지 500℃으로 가열함으로써 가스 및 오일을 생성하지만, 에너지 효율이 불량하고 결과적인 재료의 조성에 대한 제어가 거의 없다. 소각로와 마찬가지로, 열분해기는 사료에 존재하는 물을 끓여야 하고, 이는 에너지가 많이 든다. 열분해 챔버는 폐기물을 유용한 규모로 처리하기 위해 클 필요가 있고, 이는 폐기물의 불균일한 가열, 약한 화학 제어, 및 최종 생성물의 품질 저하로 이어진다.
가스화기는 폐기물 생성물의 부분 연소로 동작한다. 공기, 산소, 또는 증기는 가연성 물질의 일부만 산화시키기에 충분한 양으로 폐기물 생성물을 통과한다. CO2, H2O, CO, H2와 같은 가스식 생성물 및 경질 탄화수소가 생성되고, 생성된 열은 나머지 폐기물 생성물을 열분해하여 오일, 가스, 및 탄소질 물질로 만든다. 다시, 투입물 스트림에서 물의 기화는 에너지 비용을 나타낸다. 생성된 가스는 저장되기에 너무 부피가 크고 현장에서 사용되거나 이것이 공급 원료로서 사용될 수 있는 위치로 파이프로 수송되어야 한다. 가스화기는 또한, 에너지를 소비하는 수분 함유 공급물로 인해 어려움을 겪는다.
열분해 및 가스화 방법은 또한, 메르캅탄 및 유기 염화물로 변형되는 황 및 염소 함유 물질의 문제를 갖는다.
종래 기술 공정의 예는 미국 특허 번호 제5,269,947호, 제5,360,553호, 및 제5,543,061호에서 발견되고, 이는 2단계 폐기물 가스화 공정을 개시한다. 제1 단계에서, 폐기물은 최대 120기압에서 약 200 내지 250℃로 가열된다. 이 조건 하에서, 폐기물의 수분 함량은 지방 및 단백질과 같은 바이오폴리머를 가수분해하여 오일 혼합물을 형성한다. 제2 단계에서, 압력이 해제되어, 물의 약 절반으로 하여금 증기로서 방출하게 한다. 혼합물은 그 다음, 자신이 수집 및 분리되는 가스 생성물, 오일, 및 탄소로 분해됨에 따라, 나머지 물을 제거하기 위해 더 가열된다.
미국 특허 번호 제8,003,833호는 열 에너지의 신중한 관리, 회수, 및 사용과 함께 다단계 방식으로 수행되는 유사한 공정을 설명한다. 용해성 유기물(설탕, 글리세린, 아미노산, 등)은 초기 가수분해 후에 비료로서 사용될 수 있는 용액 형태로 제거된다. 후속 열 처리는 공장 운영에 필요한 에너지를 제공하기 위해 연소될 수 있는 탄소가 풍부한 바이오 숯과 함께, 시장성이 있는 가스 및 오일을 생성한다.
열역학적으로 실행 가능한 동안, 유기 공급 원료, 연료, 및 에너지의 생성을 위한 바이오매스 및 도시 폐기물 스트림의 활용은 실제로는 여전히 비효율적이며, 종래 기술 공정은 상당한 양의 이산화탄소를 대기로 방출한다. 폐기물을 에너지로 변환시키기 위한 고효율 공정에 대한 필요성, 및 이러한 공정으로부터의 감소된 이산화탄소 배출에 대한 필요성이 남아 있다.
본 발명은 혼합된 도시 폐기물, 하수, 폐 타이어 및 오일, 농업 및 식품 가공 폐기물과 같은 다양한 투입물을 수용하고 고 효율 및 최소 배출로 에너지를 생성할 수 있는, 함께 취해진 공정의 조합을 제공한다. 회수 가능한 물질의 재활용은 용이하고 경제적인 방식으로 수행될 수 있다.
본 발명은 낮은 배출 및 높은 효율을 성취하기 위해 요소들의 조합에 의존한다. 한 가지 요소는 반응기의 유도 가열을 사용하는 것인데, 이는 빠르고 효율적이며, 정확한 제어로 고온을 가능하게 한다. 제2 요소는 공정에 의해 생성된 수소 가스를 사용하여 연료 전지에서 생성된 공동 생성된 전기를 사용하여 유도 히터에 전력을 공급하는 것이다.
또 다른 요소는 바이오매스에 포함된 화학 에너지의 많은 부분을 원소 수소에 포함된 화학 에너지로 변환시키기 위해 물 가스 전환 반응(방정식 2)과 결합된 부두아 반응(Boudouard reaction)(방정식 1)의 사용이다.
탄소보다는 수소의 산화에 의존함으로써, 종래 기술의 탄소 연소 방법의 비효율성 및 환경적 단점이 회피될 수 있다.
따라서, 생성된 수소가 풍부한 가스는 연료 전지가 상당한 양의 전기를 생성하는 것을 가능하게 한다. 연료 전지로부터의 배기 가스는 고온 증기이며, 이는 증기 터빈을 통해 부가적인 전기를 생성하기 위해 사용될 수 있다.
일 대안적인 실시형태에서, 연료 전지를 이용하는 대신에, 수소는 일산화탄소로부터 분리되고 연소되어 고압 증기를 생성하고, 이로부터 전기가 생성되고, CO는 물 가스 전환 반응에 대한 투입물로서 반환된다.
공정에 의해 생성된 모든 CO2가 함유되어, 어떠한 에너지를 소비하는 흡수 공정도 요구되지 않게 하며, 결과적으로 공정은 본질적으로 제로의 대기 배출을 갖는다. 캡처된 CO2의 일부는 부두아 반응에 대한 투입물로서 사용되고; 나머지는 공급 원료나 비료로서 사용되거나, 깊은 우물 주입에 의한 격리를 위해 적합하다.
도 1은 유입되는 폐기물 스트림의 초기 파쇄 및 건조를 도시하는 도면.
도 2는 공정의 저온 열분해 단계를 도시하는 도면.
도 3은 공정의 중온 및 고온 열분해 단계를 도시하는 도면.
도 4는 공정의 연료 전지, 증기 터빈, 및 가스 분리기 스테이지를 도시하는 도면.
도 5는 공정의 일 대안적인 실시형태의 저온 및 중온 열분해 단계를 도시하는 도면.
도 6은 공정의 일 대안적인 실시형태의 저온 열분해 단계를 도시하는 도면.
도 7은 공정의 일 대안적인 실시형태의 연료 전지, 가스 터빈, 및 가스 분리기 스테이지를 도시하는 도면.
도 8은 일 대안적인 실시형태에서 유입되는 폐기물의 초기 파쇄 및 건조를 도시하는 도면.
도 2는 공정의 저온 열분해 단계를 도시하는 도면.
도 3은 공정의 중온 및 고온 열분해 단계를 도시하는 도면.
도 4는 공정의 연료 전지, 증기 터빈, 및 가스 분리기 스테이지를 도시하는 도면.
도 5는 공정의 일 대안적인 실시형태의 저온 및 중온 열분해 단계를 도시하는 도면.
도 6은 공정의 일 대안적인 실시형태의 저온 열분해 단계를 도시하는 도면.
도 7은 공정의 일 대안적인 실시형태의 연료 전지, 가스 터빈, 및 가스 분리기 스테이지를 도시하는 도면.
도 8은 일 대안적인 실시형태에서 유입되는 폐기물의 초기 파쇄 및 건조를 도시하는 도면.
본 발명은 바이오매스 및 도시 폐기물 스트림으로부터 에너지를 추출하기 위한 다수의 관련 방법을 제공한다. 이는 다음과 같다:
폐기물로부터 에너지를 얻기 위한 방법은 다음을 포함한다:
(a) 폐기물을 건조시키는 단계;
(b) 300℃ 내지 600℃에서 폐기물을 혐기성 열분해시켜, 합성 가스, 숯, 및 바이오 오일을 생성시키는 단계;
(c) 600℃ 내지 900℃에서의, 바이오 오일의 일부, 숯의 일부, 부가적인 이산화탄소, 및 부가된 물의 존재 시에 합성 가스를 혐기성 열분해시켜, 합성 가스의 수소 함량을 증가시키는 단계;
(d) 800℃ 내지 1200℃ 및 약 20 기압 압력에서, 부가적인 물 및 부가적인 일산화탄소의 존재 시에, (c)에서 생성된 가스 및 오일을 혐기성 열분해시켜, 가스의 수소 함량을 더욱 증가시키는 단계;
(e) (d)에서 생성된 가스로부터 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소를 분리시키는 단계;
(f) 분리된 일산화탄소를 단계 (d)에서 부가적인 일산화탄소로서 사용하는 단계; 및
(g) 분리된 이산화탄소를 단계 (c)에서 부가적인 이산화탄소로서 사용하는 단계.
상기 방법은 단계 (e)에서 분리된 수소를 연소시킴으로써 증기 생성기에 연료를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 방법은 다음을 포함한다:
(a) 폐기물을 건조시키는 단계;
(b) 300℃ 내지 600℃에서 폐기물을 혐기성 열분해시켜, 합성 가스, 숯, 및 바이오 오일을 생성시키는 단계;
(c) 600℃ 내지 900℃에서, 바이오 오일의 일부, 숯의 일부, 부가적인 이산화탄소, 및 부가된 물의 존재 시에 합성 가스를 혐기성 열분해시켜, 합성 가스의 수소 함량을 증가시키는 단계;
(d) 800℃ 내지 1200℃ 및 약 20 기압 압력에서, 부가적인 물 및 부가적인 일산화탄소의 존재 시에, (c)에서 생성된 가스 및 오일의 혐기성 열분해시켜, 가스의 수소 함량을 더욱 증가시키는 단계;
(e) (d)에서 생성된 가스를 연료 전지에 연료 공급하는 단계,
(f) 연료 전지에 의해 생성된 증기로 증기 생성기를 구동하는 단계;
(g) 연료 전지의 배출 가스로부터 이산화탄소 및 일산화탄소를 분리시키는 단계;
(h) 일산화탄소를 단계 (c)에서 부가적인 일산화탄소로서 사용하는 단계; 및
(i) 이산화탄소의 일부를 단계 (b)에서 부가적인 이산화탄소로서 사용하는 단계.
또 다른 실시형태에서, 방법은 다음을 포함한다:
(a) 폐기물을 건조시키는 단계;
(b) 300℃ 내지 600℃에서 폐기물을 혐기성 열분해시켜, 합성 가스, 숯, 및 바이오 오일을 생성시키는 단계;
(c) 600℃ 내지 900℃에서, 바이오 오일의 일부, 숯의 일부, 부가적인 이산화탄소, 및 부가된 물의 존재 시에 합성 가스를 혐기성 열분해시켜, 합성 가스의 수소 함량을 증가시키는 단계;
(d) 800℃ 내지 1200℃ 및 약 20 기압 압력에서, 부가적인 물 및 부가적인 일산화탄소의 존재 시에, (c)에서 생성된 가스 및 오일을 혐기성 열분해시켜, 가스의 수소 함량을 더욱 증가시키는 단계;
(e) (d)에서 생성된 가스를, CO2를 액화시키도록 충분히 냉각시키고, 액체 CO2를 수소 및 일산화탄소로부터 분리시키는 단계;
(f) (e)에서 생성된 수소 및 일산화탄소를 연료 전지에 연료 공급하는 단계,
(g) 연료 전지를 빠져나가는 일산화탄소를 단계 (c)에서 부가적인 일산화탄소로서 사용하는 단계;
(h) (e)에서 분리된 액체 이산화탄소를 가열하여 고압 CO2 가스를 생성시키는 단계;
(i) (h)에서 생성된 고압 CO2 가스를 가스 터빈을 통해 팽창시킴으로써 전기를 생성하고, 그에 의해 CO2를 냉각시키는 단계;
(j) (i)에서 생성된 냉각된 CO2를 사용하여, (e)에서 가스의 냉각을 수행하는 단계; 및
(k) 이산화탄소의 일부를 단계 (b)에서 부가적인 이산화탄소로서 사용하는 단계.
상기 모든 방법에서, 연료 전지는, 바람직하게는, 고체 산화물 연료 전지(SOFC)이다. SOFC 및 증기 생성기는 통합된 SOFC/터빈 시스템을 함께 포함할 수 있다.
본 발명의 핵심 요소는 부두아 반응(방정식 1)의 사용, 이산화탄소 및 고체 탄소의 일산화탄소로의 변환이다:
부두아 평형은 약 700℃ 이상의 온도에서 우측으로 전환하는, 고온에서의 CO의 형성을 선호한다. 본 발명의 방법에서, 부두아 평형은 600 내지 900℃에서 물 가스 전환 반응(방정식 2)과 결합되고, 이는 CO를 CO2 및 수소로 변환시킨다:
최종 결과는 방정식 3으로 도시된다:
전체 공정은 원소 탄소에 존재하는 잠재적인 화학 에너지를 수소에서 발견된 잠재적인 화학 에너지로 전달한다. 이것은 합성 가스, 바이오 오일, 및 탄소 숯을 생성하고 그 다음, 고온 열분해 및 개질 이전에 CO2, 탄소 바이오 숯, 및 물(전체 공정의 최종 생성물)을 시스템으로 다시 재활용하기 위해 초기 저온 혐기성 열분해를 수행함으로써 달성된다. 바이오 오일과 합성 가스, 및 재활용된 숯과 CO2는 600 내지 900℃에서 동작하는 중온 열분해 유닛에 공급되며, 이 온도에서 가스 혼합물은 방정식 1의 동작을 통해 CO가 농축된다. 바이오 오일의 일부는 액체 연료로서 사용하기 위해 이 지점에서 제거될 수 있다.
CO 농축 가스는 그 다음, 압축되어 바이오 오일 및 부가적인 물과 함께 고압(20atm), 고온(최대 1200℃) 개질 유닛에 공급되며, 여기서 액체 탄화수소의 크래킹(cracking)이 발생하고, 임의의 나머지 메탄은 물에 의해 CO 및 H2로 산화된다(방정식 4).
가스의 조성은 물 가스 전환 반응(방정식 2)을 통해 CO2 및 H2로 더 전환된다. 상기 3단계 공정을 통해, 바이오매스에 함유된 화학 에너지의 많은 부분이 원소 수소에 함유된 화학 에너지로 변환된다.
수소가 풍부한 가스는 그 다음, 전기의 생성을 위해 산소 또는 공기와 함께 연료 전지에 공급된다. 연료 전지의 배기 가스는 고온의 증기이고, 이는 증기 터빈을 통해 부가적인 전기를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 일 대안적인 실시형태에서, 증기 터빈은 수소의 연소에 의해 전력을 공급 받을 수 있다. 이것은 덜 효율적인 공정이지만, 이는 연료 전지의 자본 투자 및 유지 보수 비용을 회피한다.
CO 및 CO2로 구성된 연료 전지로부터의 미연소 가스는 40atm으로 압축되고 분리기에 공급되며, 여기서 이는 CO2를 액화하기 위해 냉각된다. 가스식 CO는 분리되어 고온 개질 유닛으로 반환되고, 액체 CO2는 팽창(증발) 유닛으로 보내진다. 현재 가스식 CO2의 일부는 중온 열분해 유닛으로 반환되고, 나머지는 여전히 약 20atm으로 전체 공정의 CO2 유출물을 구성한다. 팽창 유닛은 분리기를 냉각시키기 위해 사용된 냉각수를 위한 방열판의 역할을 한다.
본 발명은 이제 더 상세하게 설명될 것이다. 도 1을 참조하면, 바람직하게는, 철 금속 및 알루미늄이 없는 혼합된 고형 폐기물(도시 쓰레기, 건조 슬러지, 농업용 버개스, 등)이 파쇄기(1)에 공급된다. 액체 폐기물(하수, 농축 슬러지, 등)은 흡입구(2)에서 파이프로 수송되고, 혼합기(3)에서 파쇄기의 출력과 조합되며, 이는, 예를 들면, 폐기물 스트림을 혼합하고 추진하기 위한 오거(auger)일 수 있다. 히터(4)는 폐기물을 건조시키기 위해 폐기물 스트림의 온도를 약 140℃로 상승시킨다. 가압된 증기는, 바람직하게는, 히터에 동력을 공급하기 위해 사용되며, 도시된 실시형태에서, 증기는 5에서 진입하고, 응축물은 (6)에서 빠져나가며, 여기서 이는 증기 터빈으로부터 나가는 응축물의 흐름과 합류한다(도 4, 하기에서 설명됨). 증기는 바람직하게는, 하기에서 설명된 바와 같이, 연료 전지로부터의 뜨거운 배기 가스에 의해 제공된다. 건조 폐기물에 의해 생성된 증기는 챔버(7)에서 수집되고, 여기서 이는 폐기물에 압력을 가하고 이것이 올바른 방향으로 흐르는 것을 보장하는 것을 제공한다. 압력은 밸브(8)에 의해 제어되고; (8)을 통해 방출된 증기는 응축되어, (9)에서 히터 및 터빈 응축물과 조합되고, 시스템의 다른 곳에서 사용하기 위해 (10)에서 빠져나간다. 건조된 폐기물(11)은 수송 파이프(12)를 통해 빠져나가 열분해 유닛으로 진행한다(도 2).
이제 도 2를 참조하면, 폐기물(11)은 수송 파이프(12)의 원위 단부에 도달하고, 유도 가열된 저온 열분해 유닛(13)으로 위쪽으로 흐른다. 건조 폐기물은 시스템 전체에 걸쳐 바이오 오일(14)에 부유되며, 이는 열분해 반응을 위한 열 전달 유체 및 반응 매체의 역할을 한다. 열분해기(13)는 300℃ 내지 600℃, 바람직하게는 약 500℃에서 혐기적으로 동작된다. 이 온도에서, 당업계에 알려진 바와 같이, 유기 물질은 열적으로 숯, 가스 및 오일로 분해되어, 저장소(15)로 흐르는 바이오 오일(14)을 생성한다. 바이오 오일은 열분해기의 가열된 구역 내에서 폐기물(11)을 유지하기 위해, 바이오 오일이 형성되는 것과 동일한 레이트로 (16)에서 제거된다. 폐기물에 있는 탄소의 일부는 바이오 숯, 또는 코크(coke)로 환원되고 이는 바이오 오일과 함께 저장소(15)로 운반된다. 고형물 분리기(17)는 폐기물에 존재하거나 폐기물로부터 생성되는 무기 고형물(회, 실리카, 유리 및 금속 조각, 등)과 함께 바이오 숯을 수집한다. 고형 폐기물은 (18)에서 수집된다. 탄소 숯은 수집된 고형물로부터 분리되고, 중온 열분해기로 반환된다(도 3). 반응에 의해 생성된 합성 가스(19)는 대부분 H2 및 CO이며, CO2 및 CH4의 양이 더 적다. 이는 밸브(20)를 통해 제거되고 또한 중온 열분해기로 전달된다.
상기 설명은 본 발명의 일부의 하나의 실시형태의 개요가 되도록 의도된다. 당업자는 바이오 오일, 바이오 숯, 및 바이오 가스를 생성하기 위해 바이오매스 및 유기 폐기물을 처리, 건조, 수송, 및 혐기적으로 열분해하는 다른 방법이 당업계에 알려지고(M.l. Jahirul et al., "Biofuels Production through Biomass Pyrolysis - A Technological Review." Energies 2012, 5:4952-5001; doi:10.3390/en5124952), 공지된 방법 중 임의의 것이 현재 설명된 공정의 이 단계에서 사용하기 위해 적응 가능한 것으로 고려됨을 인식할 것이다. 동작 온도, 체류 시간, 및 처리량과 같은 정확한 동작 상세는 시간에 걸쳐 폐기물 스트림의 조성이 변하기 때문에 최적의 성능을 위해 조정될 것이다. 농업 폐기물은 특히, 계절에 따라 변동이 있을 수 있다.
도 3을 참조하면, 중온 및 고온 열분해 유닛이 도시된다. 밸브(20)(도 2)에서 빠져나가는 바이오 가스는 포트(22)를 통해 중온 열분해기(21)로 진입한다. 16에서 저장소를 빠져나가는 바이오 오일(14)(도 2)은 (23)에서 중온 열분해기의 바닥으로 진입한다. 물은 튜브(24)를 통해 진입하고, 저온 열분해기로부터 회수된 바이오 숯(탄소)이 포트(25)에서 도입된다. 폐유의 별개의 공급(프라이어로부터, 자동 유지 보수 등)은 (26)에서 시스템으로 별개에 공급될 수 있고, CO2 분리기(도 4)로부터 나온 이산화탄소는 (27)에서 도입된다.
열분해기(21)는 600℃와 900℃ 사이에서 1 내지 5atm의 압력에서 동작된다. 이 조건 하에서, 부두아 반응(방정식 1)은 부가된 탄소를 일산화탄소로 산화시키고, 부가된 CO2는 부가적인 CO로 수반하여 환원된다. 물의 존재로 인해, 물 가스 전환 반응(방정식 2)은 그 다음, 부가적인 수소 가스의 순 생성과 함께 발생한다. 수소가 풍부한 합성 가스(28)는 그 다음, 고온 열분해기(30)에 공급되기 전에 압축기(29)에 의해 약 20atm으로 압축된다. 바이오 오일은 (31)에서 제거되고 (32)에서 약 20atm으로 가압되며, 또한 고압 열분해기(30)에 공급된다. 과잉 바이오 오일은 연료 또는 공급 원료로서 사용하기 위해 (33)에서 배출된다. 물은 (24)를 통해 고온 열분해기로 도입되고, CO2 분리기(도 4)로부터의 재활용된 CO는 (34)에서 도입된다.
고온 열분해기는 약 20atm의 압력, 800℃ 내지 1200℃, 바람직하게는 약 900℃의 온도에서 동작된다. 이 조건 하에서, 탄화수소 크래킹 및 증기 개질(방정식 4)이 발생하여, 수소의 가스 상을 또한 풍부하게 하고, 물 가스 전환 반응은 이렇게 생성된 CO를 여전히 더 많은 수소로 변환시킨다. 이 공정의 최종 결과는 방정식 5이다:
이 지점에서 주로 수소 및 CO2인 가스(35)는 유출구(36)를 통해 배출되고, 연료 전지로 전달된다(도 4).
이제 도 4를 참조하면, 열분해기 가스 유출구(36)는 정상 동작에서 가스를 연료 전지(38)로 전달하는 밸브(37)로 이어진다. 연료 전지(38)는, 바람직하게는, 고압 및 고온 동작을 위해 설계된 고체 산화물 연료 전지(SOFC)이고; 이러한 유닛은 당업계에 공지되어 있으며 상업적으로 이용 가능하다. 공기 또는 산소는 유입구(39)를 통해 전지에 공급된다. 뜨거운 증기는 (40)에서 발생하고, 부가적인 전기의 생성을 위해 터빈(41)을 구동하기 위해 사용된다. 증기의 일부는 (42)에서, 유입되는 폐기물 흐름을 건조시키는 히터(4)(도 1)로 우회되고, 증기는 필요에 따라 설비의 다른 곳에서 열 에너지원으로서 사용될 수 있다.
SOFC 배출 가스에 의해 전력을 공급받는 터빈과 SOFC 연료 전지를 조합하는 하이브리드 시스템은 당업계에 알려져 있으며; 문헌[U. Damo et al., "Solid oxide fuel cell hybrid system; A detailed review of an environmentally clean and efficient source of energy". Energy 168:235-246 (2019) doi:10.1016/j.energy.2018.11.091]을 참고한다. 통합된 SOFC/터빈 시스템은 상용화되었고; 일례는 일본 요코하마의 Mitsubishi Hitachi Power Systems, Ltd.에 의해 제조된 MEGAMIE™ 시리즈의 통합된 시스템이다. 상업적인 통합된 시스템이 본 발명의 방법에서 사용하기 위해 용이하게 적응될 수 있음이 고려된다.
수소가 연료 전지에서 산화된 후에 이산화탄소와 일산화탄소의 혼합물이 남아 있고, 이 가스는 (43)에서 약 40atm으로 압축되어 가스 분리기(44)로 전달된다. 여전히 40atm 압력 미만인 CO2는 약 4℃로 냉각되고 이 지점에서 이는 액화되어, (45)에서 가스식 CO가 빠져나가고 (34)에서 고온 열분해기로 반환되는 것을 허용한다(도 3). 액체 CO2(46)는 팽창기(47 및 48)로 보내진다. 팽창기(47)는 약 1atm의 압력에서 CO2를 방출하고; 이 가스는 중압 열분해기(21)로 재순환된다(도 3). 팽창기(48)는 약 20atm의 압력에서 CO2를 방출한다. 이 가스는 파이프라인 준비가 되어 있으며, 화학 공정, 비료 생성, 또는 향상된 오일 회수 또는 지하 격리를 위한 공급 원료로서 사용될 수 있다. CO2 캡처의 비용 및 비효율성은 본 발명의 시스템의 폐쇄적 본질로 인해 완전히 회피된다.
팽창기(47 및 48)에서의 CO2의 팽창은 상당한 냉각을 수반한다. 이것은 압축된 CO2를 냉각시키고 액화시키는 것을 제공하는 열교환기(49 및 50)에 의해 각각 캡처된다. 냉각제(52)에 잠긴 제3 열 교환기(51)는 원하는 대로 원자로, 응축기, 및 다른 장비에 냉각을 제공한다.
수소에 의해 공급된 에너지 중, 약 35%만이 본 발명의 화학 공정에 의해 사용되며, 열분해기에 부가적인 물을 부가하는 것은 이러한 균형을 개선하는 것을 가능하게 한다. 나머지는 전기 생성을 위해 이용 가능하다.
생성된 CO2는 관개 용수에 용해시키기 위해 액화된 형태로 농업으로 용이하게 전달된다. 관개를 위한 탄산수의 사용은 특히 온실 환경에서 수확량을 증가시키는 것으로 알려져 있지만, 방법은 현재까지 널리 이용되지 않았다. 본 발명의 시스템의 설비로부터 파이프-인(piped-in) CO2의 이용 가능성은 기술을 용이하게 이용 가능하게 할 것이다.
본 발명은 매립지의 에너지 함량에 대한 이의 "채굴(mining)"을 실행 가능한 기업으로 만들기에 충분히 깨끗하고 효율적이며, 현재 쓰레기 저장고로 넘겨진 토지를 개간하는 것을 가능하게 할 수 있다.
고압 CO2에 포함된 에너지가 더 효율적으로 회수되는 일 대안적인 실시형태가 도 5 내지 도 8에 도시된다.
도 8을 참조하면, 상기 설명된 실시형태에서와 같이, 바람직하게는 유리 및 금속 성분이 없는 탄소 함유 도시 폐기물 공급 원료가 과립 단계로 환원되고, 혼련되며, 오거(80)와 같은 기계적 수단에 의해 시스템에 공급된다. 투입물 튜브(81)를 통해 저온 열분해기(55)로 폐기물의 이동을 돕기 위해 충분한 물(최대 50%)이 부가될 수 있다(도 5 참조).
도 5를 참조하면, 제1 단계는 450 내지 650℃의 범위의 온도 및 몇 bar로부터 20bar까지 다양할 수 있는 압력에서 유도 동력 열분해기(55)에서의, 산소로부터 보호된 공급 원료의 열 처리이다. 약 500℃ 이상의 온도에서, 수소 및 일산화탄소의 자체 연소로부터의 폭발 위험이 있으며, 가장 심각한 농도는 수소의 경우 약 4% 그리고 일산화탄소의 경우 14%이다. 이 위험은 가스식 CO2를 (58)에서 반응기의 반응 챔버에 직접적으로 주입함으로써 제거된다.
열 처리의 이 제1 단계의 끝에서, 공급 원료는 3개의 상이한 부분으로 환원되었고, 이의 상대적 비율은 공급 원료, 온도 및 열에 노출된 시간에 따라 변할 것이다:
열분해기로부터 생성된 상기 부분의 각각은 개별적으로 지향된다:
상기 설명된 바와 같이, 바이오 숯, 합성 가스 및 바이오 오일은 물 및 CO2와 함께 중온 열분해기(59)에 공급되며, 여기서 부두아 반응 및 물 가스 전환 반응이 일어나서, 수소 가스 및 일산화탄소의 순 생성이 일어난다. 생성된 가스 및 오일은 상기 설명된 바와 같이, 고압에서 가스화를 위해 고온 열분해기(61)(도 6)에 공급되어, 수소가 풍부한 합성 가스 생성물을 야기한다.
이 실시형태에서, 공정에 의해 생성된 CO2 가스는 캡처되어 저압 및 중압에서 작동 유체, 냉각제, 및 열 전달 유체로서 사용된다. 이 실시형태에서 공정은 약 -20℃ 및 약 20bar 압력에서 CO2 가스를 액화하며, 이는 가스화 고정의 출구에서 합성 가스의 최소 압력이다. 액체 CO2는 (70)에서 저장된다(도 7).
도 7을 참조하면, 액체 CO2는 "가상 압축기"(71)에 공급되고, 여기서 이는 열분해기로부터의 뜨거운 바이오 오일에 의해 가열된다. 일정한 부피 내에서 CO2의 온도의 급격한 단열 상승은 가스의 압력을 증가시켜, 고압, 고 에너지 가스를 야기한다. 가스는 또한, 가스 터빈(73)에서 작동 가스로서 사용되어, 전기를 생성하기 전에 열분해기로부터의 뜨거운 합성 가스와의 열교환에 의해, 그리고/또는 (78)에서 증기와의 열교환에 의해 (72)에서 가열된다. 가상 압축기는 또한, 부가적인 발전을 위해 터빈(64 및 65)을 통해 확장되는 중압 CO2를 공급한다. 결과적인 저압의 차가운 CO2는 도 5 내지 도 7에 도시된 동심 배관 시스템의 가장 바깥쪽 환형 공간을 통해 순환된다. 터빈(73)에서 빠져나가는 냉각된 가스는 열분해기(61)에서 빠져나가는 합성 가스를 냉각시키기 위해 열 교환기(77)에서 사용되어, CO2를 액체로 응축시키고, 액체는 분리되어 저장 용기(70)로 파이프로 수송된다.
열 교환기(77)를 빠져나가는 합성 가스는 상기 설명된 바와 같이 연료 전지(74)에 도입되고, 여기서 수소가 산화되고 잔류 CO 및 임의의 CO2가 (75)에서 공급 원료로 재순환된다. 연료 전지에 의해 생성된 증기는 (76)에서 저장되며, 여기로부터 이는 물 가스 전환 반응에 대한 투입물로서 열분해기(59)에 공급된다.
이 실시형태의 바람직한 특징은 고압(약 20bar) CO2 파이프가 중압 CO2 배관의 내부에 둘러싸인 동심 배관의 사용이다. 이것은 고압 배관의 요구된 두께를 감소시켜, 과도하게 거대한 파이프를 장기간 사용하지 않고 매우 높은 압력으로 가스를 수송하는 것을 가능하게 한다. 선택적으로, 도면에 도시된 바와 같이, 중압 CO2 배관은 결과적으로, 저압 CO2 배관 내에 포함될 수 있으며, 이는 중량 및 재료의 또 다른 절감을 제공할 수 있다.
Claims (9)
- 폐기물로부터 에너지를 얻기 위한 방법으로서,
(a) 상기 폐기물을 건조시키는 단계;
(b) 300℃ 내지 600℃에서 상기 폐기물을 혐기성 열분해시켜, 합성 가스, 숯, 및 바이오 오일을 생성시키는 단계;
(c) 600℃ 내지 900℃에서, 상기 바이오 오일의 일부, 상기 숯의 일부, 부가적인 이산화탄소, 및 부가된 물의 존재 시에 상기 합성 가스를 혐기성 열분해시켜, 상기 합성 가스의 수소 함량을 증가시키는 단계;
(d) 800℃ 내지 1200℃ 및 약 20 기압 압력에서, 부가적인 물 및 부가적인 일산화탄소의 존재 시에, (c)에서 생성된 상기 가스 및 오일의 혐기성 열분해시켜, 상기 가스의 수소 함량을 더욱 증가시키는 단계;
(e) (d)에서 생성된 가스로부터 수소, 이산화탄소 및 일산화탄소를 분리시키는 단계;
(f) 상기 분리된 일산화탄소를 단계 (d)에서 상기 부가적인 일산화탄소로서 사용하는 단계; 및
(g) 상기 분리된 이산화탄소를 단계 (c)에서 상기 부가적인 이산화탄소로서 사용하는 단계
를 포함하는, 폐기물로부터 에너지를 얻기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
(h) (e)에서 분리된 상기 수소를 연소시킴으로써 증기 생성기에 연료를 공급하는 단계를 더 포함하는, 폐기물로부터 에너지를 얻기 위한 방법. - 폐기물로부터 에너지를 얻기 위한 방법으로서,
(a) 상기 폐기물을 건조시키는 단계;
(b) 300℃ 내지 600℃에서 상기 폐기물을 혐기성 열분해시켜, 합성 가스, 숯, 및 바이오 오일을 생성시키는 단계;
(c) 600℃ 내지 900℃에서, 상기 바이오 오일의 일부, 상기 숯의 일부, 부가적인 이산화탄소, 및 부가된 물의 존재 시에 상기 합성 가스를 혐기성 열분해시켜, 상기 합성 가스의 수소 함량을 증가시키는 단계;
(d) 800℃ 내지 1200℃ 및 약 20 기압 압력에서, 부가적인 물 및 부가적인 일산화탄소의 존재 시에, (c)에서 생성된 가스 및 오일을 혐기성 열분해시켜, 상기 가스의 수소 함량을 더욱 증가시키는 단계;
(e) (d)에서 생성된 가스를 연료 전지에 연료 공급하는 단계,
(f) 상기 연료 전지에 의해 생성된 증기로 증기 생성기를 구동하는 단계;
(g) 상기 연료 전지의 배출 가스로부터 이산화탄소 및 일산화탄소를 분리시키는 단계;
(h) 상기 일산화탄소를 단계 (c)에서 상기 부가적인 일산화탄소로서 사용하는 단계; 및
(i) 상기 이산화탄소의 일부를 단계 (b)에서 상기 부가적인 이산화탄소로서 사용하는 단계
를 포함하는, 폐기물로부터 에너지를 얻기 위한 방법. - 제3항에 있어서, 상기 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)인, 폐기물로부터 에너지를 얻기 위한 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 SOFC 및 증기 생성기는 통합된 SOFC/터빈 시스템을 포함하는, 폐기물로부터 에너지를 얻기 위한 방법.
- (누락)
- 폐기물로부터 에너지를 얻기 위한 방법으로서,
(a) 상기 폐기물을 건조시키는 단계;
(b) 300℃ 내지 600℃에서 상기 폐기물을 혐기성 열분해시켜, 합성 가스, 숯 및 바이오 오일을 생성시키는 단계;
(c) 600℃ 내지 900℃에서, 상기 바이오 오일의 일부, 상기 숯의 일부, 부가적인 이산화탄소, 및 부가된 물의 존재 시에 상기 합성 가스를 혐기성 열분해시켜, 상기 합성 가스의 수소 함량을 증가시키는 단계;
(d) 800℃ 내지 1200℃ 및 약 20 기압 압력에서, 부가적인 물 및 부가적인 일산화탄소의 존재 시에, (c)에서 생성된 가스 및 오일을 혐기성 열분해시켜, 상기 가스의 수소 함량을 더욱 증가시키는 단계;
(e) (d)에서 생성된 가스를, 상기 CO2를 액화시키도록 충분히 냉각시키고, 액체 CO2를 상기 수소 및 일산화탄소로부터 분리시키는 단계;
(f) (e)에서 생성된 수소 및 일산화탄소를 연료 전지에 연료 공급하는 단계,
(g) 상기 연료 전지를 빠져나가는 일산화탄소를 단계 (c)에서 상기 부가적인 일산화탄소로서 사용하는 단계;
(h) (e)에서 분리된 액체 이산화탄소를 가열하여 고압 CO2 가스를 생성시키는 단계;
(i) (h)에서 생성된 고압 CO2 가스를 가스 터빈을 통해 팽창시킴으로써 전기를 생성하고, 그에 의해 상기 CO2를 냉각시키는 단계;
(j) (i)에서 생성된 냉각된 CO2를 사용하여 (e)에서 상기 가스의 냉각을 수행하는 단계; 및
(k) 상기 이산화탄소의 일부를 단계 (b)에서 상기 부가적인 이산화탄소로서 사용하는 단계
를 포함하는, 폐기물로부터 에너지를 얻기 위한 방법. - 제7항에 있어서, 상기 연료 전지는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)인, 폐기물로부터 에너지를 얻기 위한 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 SOFC 및 증기 생성기는 통합된 SOFC/터빈 시스템을 포함하는, 폐기물로부터 에너지를 얻기 위한 방법.
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