KR20240081660A - 산업 생산 공정의 부생가스를 활용한 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템 및 방법 - Google Patents

산업 생산 공정의 부생가스를 활용한 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예는 부생가스와 폐열을 발생시키는 고온 공정부; 상기 고온 공정부로부터 부생가스를 공급받고, 상기 부생가스에 함유된 탄소 입자를 분리한 후 통과시키는 고상 물질 여과부; 이산화탄소 및 상기 고상 물질 여과부를 통과한 부생가스를 공급받아, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 부생 물질 전환부; 상기 부생 물질 전환부로부터 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스에서 분기된 제1 합성가스를 공급받아 수소 및 이산화탄소를 포함하는 제1 중간가스를 생산하는 수성가스전이부; 상기 수성가스전이부로부터 제1 중간가스를 공급받아 이산화탄소를 흡착하여 상기 부생 물질 전환부로 이송하고, 수소를 포함하는 제2 중간가스를 생산하는 이산화탄소 흡착부; 및 상기 이산화탄소 흡착부로부터 제2 중간가스를 공급받아 수소와 불활성 가스를 분리하여, 상기 불활성 가스는 상기 고온 공정부로 공급하고, 수소를 생산하는 불활성 가스 회수부;를 포함하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템을 제공한다.

Description

산업 생산 공정의 부생가스를 활용한 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템 및 방법{Waste heat and recycling resource production system and method using by-product gas from industrial production process}
본 발명은 산업 생산 공정의 부생가스를 활용한 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 시스템에서 폐열을 생산하고, 탄소 입자, 탄화수소, 수소 또는 불활성 가스인 재활용 자원을 생산하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 지구온난화와 화석연료의 고갈에 따른 대체에너지의 연구개발에 대한 요구가 지속적으로 높아지고 있는 가운데 실용 가능성 있는 환경 및 에너지 문제 해결의 대안으로 열화학적 레독스 사이클을 이용하여 이산화탄소를 분해하여 일산화탄소를 생산하고 이들로부터 탄화수소 에너지를 제조하는 기술이 주목받고 있다.
2015년 12월 13일, 전 세계 195개국이 동의한 파리협정(Paris Agreement)은 지구 평균기온을 유지하기 위해 2100년까지 산업화 시대 이전 대비 전 세계 평균기온의 상승폭을 2°C 이하로 유지하는 것을 목표로 하였다. 또한 2018년 10월 6일 인천 송도에서 개최된 제48회 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 총회에서는 가맹국 전원 만장일치를 통해 산업화 이전 수준 대비 2100년까지의 전 지구 평균 온도 상승폭을 1.5°C로 제한하기 위한 '지구온난화 1.5°C 특별보고서'가 채택되었다(현재까지 약 1°C 상승). 이 보고서에는 전 세계가 협심해 2030년까지 이산화탄소 배출량을 지금의 절반 이하로 낮출 필요가 있다는 내용이 담겼다. 이후 2019년 9월 지구온난화를 막기 위하여 유엔 '기후행동 정상회의'에서 65개국 정상들이 2050년 탄소중립 달성을 선언하였다. 이렇게 지구온난화라는 환경문제로 인해 산업혁명 이후 상상도 못 했던 화석에너지에 대한 사용 중지가 화두에 오르기 시작하고, 풍력, 태양광, 수력, 지열, 수소 등의 저탄소/탈탄소 신재생에너지로의 에너지 시스템의 구조적인 변화가 요구되고 있는 실정이다. 이러한 전세계적인 요구에 따라, 온실가스 배출량 저감이라는, 지상 목표를 가지고 기술 개발 및 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재 많은 산업 생산 공정에서, 특히 실리콘화합물에 탄소 코팅한 재료 제조공정과 관련하여, 탄소수가1-4개(C1~C4)인 탄화수소 가스를 고순도하기 위하여 정제한 후 분해하여 주로 수소와 탄소를 생산한다. 여기서 생산된 고체 탄소는 제품코팅/탄소증착에 사용하고 있으며, 나머지 미반응 탄화수소, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등과 같은 부반응물은 버려지고 있는 실정이다. 생산공정 Mass Balance 상 처음 투입되는 50% 이상의 탄화수소는 버려지고 있고, 이는 대부분 온실가스(CO2, C1~C4)로 구성되어 있어 이를 이용한 온실가스저감 및 탄소자원화기술개발이 필요한 상황이다.
본 발명자들은, 산업 생산 공정에서 배출되는 폐열 및 부생가스를 활용하여, 다양한 재활용 자원을 생산할 수 있는 공정을 개발하여 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 일 실시예는 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 폐열 및 재활용 자원 생산 방법을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은,
폐열 및 재활용 자원 생산 시스템으로서, 부생가스와 폐열을 발생시키는 고온 공정부; 상기 고온 공정부로부터 부생가스를 공급받고, 상기 부생가스에 함유된 탄소 입자를 분리한 후 통과시키는 고상 물질 여과부; 이산화탄소 및 상기 고상 물질 여과부를 통과한 부생가스를 공급받아, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 부생 물질 전환부; 상기 부생 물질 전환부로부터 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스에서 분기된 제1 합성가스를 공급받아 수소 및 이산화탄소를 포함하는 제1 중간가스를 생산하는 수성가스전이부; 상기 수성가스전이부로부터 제1 중간가스를 공급받아 이산화탄소를 흡착하여 상기 부생 물질 전환부로 이송하고, 수소를 포함하는 제2 중간가스를 생산하는 이산화탄소 흡착부; 및 상기 이산화탄소 흡착부로부터 제2 중간가스를 공급받아 수소와 불활성 가스를 분리하여, 상기 불활성 가스는 상기 고온 공정부로 공급하고, 수소를 생산하는 불활성 가스 회수부;를 포함하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템을 제공한다.
상기 고온 공정부에서 발생한 폐열은 부생 물질 전환부로 공급되어 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 공정의 열원으로 활용하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 부생 물질 전환부로부터 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스에서 분기된 제2 합성가스를 공급받아 올레핀을 포함하는 탄화수소를 생산하는 탄화수소 생산부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄화수소 생산부는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 통해 탄화수소를 생산하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 고온 공정부는 실리콘화합물에 탄소 코팅 공정을 수행하는 것이고, 상기 부생가스는 탄소수 1 내지 4인 탄화수소, 불활성 가스 및 탄소 입자를 포함하는 코팅가스이며, 상기 폐열은 500 내지 1200℃의 실리콘화합물의 탄소 코팅 공정 후 발생하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 코팅가스는 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption)에 의해 탄소수가 1 내지 4개인 탄화수소 가스를 정제하여 제조된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 고상 물질 여과부는 고온 세라믹 필터(High Temperature Ceramic Filter)인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 부생 물질 전환부는 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간에 금속 산화물이 충전되어 있는 산화-환원 변환 반응기인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 산화-환원 변환 반응기는 적어도 하나 이상으로 구비되며, 각각의 산화-환원 변환 반응기에서 상기 금속 산화물의 환원 공정과 산화 공정이 모두 수행되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 산화-환원 변환 반응기는 적어도 둘 이상으로 구비되며, 상기 금속 산화물의 환원 공정과 산화 공정은 각각 별개의 산화-환원 변환 반응기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 산화-환원 변환 반응기는 구형의 금속 산화물이 충전되어 있는 고정층 반응기인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 산화-환원 변환 반응기는 분말 형태의 금속 산화물이 반응기 간에 이동이 이루어지는 유동층 반응기인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 이산화탄소 흡착부는 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption)에 의해 이산화탄소와 수소를 분리하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 불활성 가스 회수부는 심냉법 또는 흡착법에 의해 수소와 불활성 가스를 분리하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은,
상기 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템을 활용하여 폐열을 생산하고, 탄소 입자, 탄화수소, 수소 또는 불활성 가스인 재활용 자원을 생산하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 산업시설의 고온 공정에서 비롯된, 투입원료 폐가스와 생산공정 부생가스를 사용하기 때문에 화석연료 사용을 줄일 수 있으면서 Syngas를 생산하고, 이를 올레핀 생산에 사용함으로서 원료/연료 절감의 시너지효과를 낼 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 탄소체 등의 생산공정에서 배출되는 500℃이상의 폐열을 반응열로 활용함으로서 부생가스 활용공정의 가열에 사용하는 연료의 사용량을 획기적으로 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 부가적으로 부생가스에 포함되어 있는 소정량의 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 회수함으로서 불활성 가스 생산 시 소요되는 화석연료를 줄일 수 있어 온실가스 감축효과가 있다고 볼 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템을 표현한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템을 표현한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 화합물에 따른 생성 깁스 자유 에너지를 나타낸 표이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 부생 물질 전환부의 구성을 표현한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 부생 물질 전환부의 구성을 표현한 개략도이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 의해 정의될 뿐이다.
덧붙여, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본원의 제1 측면은,
폐열 및 재활용 자원 생산 시스템으로서, 부생가스와 폐열을 발생시키는 고온 공정부(100); 상기 고온 공정부(100)로부터 부생가스를 공급받고, 상기 부생가스에 함유된 탄소 입자를 분리한 후 통과시키는 고상 물질 여과부(200); 이산화탄소 및 상기 고상 물질 여과부(200)를 통과한 부생가스를 공급받아, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 부생 물질 전환부(300); 상기 부생 물질 전환부(300)로부터 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스에서 분기된 제1 합성가스를 공급받아 수소 및 이산화탄소를 포함하는 제1 중간가스를 생산하는 수성가스전이부(400); 상기 수성가스전이부(400)로부터 제1 중간가스를 공급받아 이산화탄소를 흡착하여 상기 부생 물질 전환부(300)로 이송하고, 수소를 포함하는 제2 중간가스를 생산하는 이산화탄소 흡착부(500); 및 상기 이산화탄소 흡착부(500)로부터 제2 중간가스를 공급받아 수소와 불활성 가스를 분리하여, 상기 불활성 가스는 상기 고온 공정부(100)로 공급하고, 수소를 생산하는 불활성 가스 회수부(600);를 포함하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템을 제공한다.
이하, 본원의 제1 측면에 따른 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템에 대하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템을 표현한 개략도이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템은 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템으로서, 부생가스와 폐열을 발생시키는 고온 공정부(100)를 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고온 공정부(100)에서 발생한 폐열은 부생 물질 전환부(300)로 공급되어 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 공정의 열원으로 활용하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 종래에는 전극 재료 등 산업 생산 공정에서 활용되는 탄소 코팅 공정에 의해 발생한 고온의 열은 대기 중으로 냉각하여 배출하고 있었다는 점을 감안하면, 본원의 일 구현예에 따른 시스템은 발생된 폐열을 효과적으로 활용하는 것이라 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고온 공정부(100)는 실리콘화합물에 탄소 코팅 공정을 수행하는 것이고, 상기 부생가스는 탄소수 1 내지 5, 바람직하게는 탄소수 1내지 4인 기상의 탄화수소, 불활성 가스 및 탄소 입자를 포함하는 코팅가스이며, 상기 폐열은 500 내지 1200℃에서 실리콘화합물의 탄소 코팅 공정 후 발생하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 도 2는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템을 표현한 개략도이다. 상기 코팅가스는 주로 기상의 탄화수소로 구성되어 있을 수 있고, 그 외에 일산화탄소, 수소, 탄소 입자가 발생될 수 있으며, 코팅 효과를 증진하기 위한 불활성 가스, 예컨대 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤, 질소 등을 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코팅가스는 상기 탄화수소를 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption)에 의해 정제하여 제조된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 코팅가스는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 아세틸렌 등 탄소수 1 내지 4인 기상의 탄화수소로 구성된 가스로서, 순도가 95% 이상인 고순도 코팅가스일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템은 상기 고온 공정부(100)로부터 부생가스를 공급받고, 상기 부생가스에 함유된 탄소 입자를 분리한 후 통과시키는 고상 물질 여과부(200)를 포함할 수 있다. 실리콘 등 전극 재료에 탄소를 코팅하는 과정에서 발생되는 탄소 입자에 대하여, 고온 세라믹 필터 등의 고상 물질 여과부(200)를 이용하여 탄소 입자만 선별적으로 분리하고 부생가스만 후단으로 이송하는 것으로 구성될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고상 물질 여과부(200)는 고온 세라믹 필터(High Temperature Ceramic Filter)인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템은 이산화탄소 및 상기 고상 물질 여과부(200)를 통과한 부생가스를 공급받아, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 부생 물질 전환부(300)를 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이산화탄소는, 외부에서 별도로 공급하는 것일 수 있고, 또는 후술하는 이산화탄소 흡착부(500)에서 분리된 이산화탄소가 재활용되어 공급되는 것일 수 있으며, 화석연료 연소 시 발생되는 이산화탄소를 직접 또는 포집된 이산화탄소를 활용할 수도 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 실리콘화합물 재료를 코팅하기 위하여 사용하는 열을 코팅 후에 대기 중으로 폐기시키지 않고, 부생 물질 전환 공정(BCP, By-product Conversion Process)에서 부생가스와 CO2 전환 반응열로 활용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 부생 물질 전환부(300)는 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간에 금속 산화물이 충전되어 있는 산화-환원 변환 반응기인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 관련하여, 종래에는 환원-산화 금속산화물을 이용한 전환 공정이 아닌 전환 공정으로, 건식개질(Dry Reforming) 공정 및 복합개질(Combined Dry-steam Reforming) 공정이 있었다. 건식개질 반응은 고도의 흡력 반응과 탄소침적이 심하여 공정 운전시 많은 애로점을 가지고 있었으며, 복합개질은 건식개질 시 발생되는 탄소 침적을 줄이기 위하여 메탄과 CO2에 물을 주입하여 수증기개질반응을 추가하여 탄소 침적을 완화하고자 하는 공정이나, 도 2와 같이 생성깁스자유에너지는 CO2 -396.0 KJ/mol이며, 물은 -228.4 KJ/mol 로, 반응물이 CH4, CO2, H2O 일 경우에 메탄는 CO2보다 물과 반응성이 높아, CO2 전환율이 건식개질보다 낮다는 단점을 가지고 있었다. 상기와 같이 부생가스와 이산화탄소를 이용한 전환반응 공정에서는 환원-산화 금속산화물 이용 전환 공정이 타 공정보다 부생가스와 CO2를 이용한 합성가스 생산 공정으로 유리하다는 특징이 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산화-환원 변환 반응기는 적어도 하나 이상으로 구비되며, 각각의 산화-환원 변환 반응기에서 상기 금속 산화물의 환원 공정과 산화 공정이 모두 수행되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 금속산화물은 전도성을 가지고, 산화환원 반응 수행 및 산소원자 결손을 확보하기 위하여 구비되는 것일 수 있다. 상기 금속산화물은 하기 화학식 1에 따른 것임을 특징으로 할 수 있다. 상기 금속산화물로서 스트론튬철산화물(SrFeO3), 란탄칼슘망간산화물(LaMnO3) 및 칼슘철산화물(CaFeO3) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 스트론튬철산화물(SrFeO3)을 사용하는 것일 수 있다.
[화학식 1]
ABO3
상기 식 중, A를 구성하는 원소는 Sr로서, 그 일부에 Ba, Ca, Mg를 포함하거나 또는 포함하지 않고, B를 구성하는 원소는 Fe로서, 그 일부에 Zr를 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있으며, 구체적으로, 본원의 상기 화학식 1 ABO3의 금속산화물은 페로브스카이트(perovskite)구조의 금속산화물로, 무기 금속산화물인 것을 특징으로 할 수 있다. 페로브스카이트 구조는 중심 금속(B)을 가운데에 두고, 면심입방구조(face centered cubic;FCC)로 산소가 육면체의 모든 표면에 6개가 위치하고, 체심입방구조(body centered cubic;BCC)로 A가 육면체의 모든 꼭지점에 8개가 위치한 구조를 형성하고 있다. 구체적으로 상기 화학식 1에서 A 및 B에 서로 다른 크기를 가지는 Ti, Sr, Ca, Cs, Ba, Y, Gd, La, Fe, Mn 등의 금속(알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속 및 란타넘 족 등) 양이온들이 위치하고, B의 금속 양이온들이 산소 음이온들과 6-fold 배위(coordination)의 꼭지점 공유 팔면체(corner-sharing octahedron) 형태로서 결합되어 있는 물질인 것을 특징으로 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산화-환원 변환 반응기는 적어도 둘 이상으로 구비되며, 상기 금속 산화물의 환원 공정과 산화 공정은 각각 별개의 산화-환원 변환 반응기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산화-환원 변환 반응기는 구형의 금속 산화물이 충전되어 있는 고정층 반응기인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 부생 물질 전환부(300)의 구성, 특히 고정층 반응기인 경우를 표현한 개략도이다. 상기 금속 산화물은 가역적 산화-환원 변환제로서, 이동하지 않고 하나의 변환 반응기 내부에 고정되어 있고, 상기 변환 반응기 내부로 흐르는 부생가스 혹은 이산화탄소를 일산화탄소로 전환할 수 있도록 구성된 형태일 수도 있다. 이 때, 상기 반응기의 개수는 2개 이상이 병렬로 구성되어 하나가 산화반응을 수행할 때 다른 반응기는 환원반응을 수행하도록 구성될 수 있다. 상기 금속 산화물은 가역적인 산소 결손을 가지며, 이산화탄소 및/또는 수증기와 반응하여 산소를 받아들여 스스로 산화되며, 또는 환원과정에서는 높은 열에너지로 인해서 산소가 빠져나가 환원되는 등 그 자체가 반응 과정에 직접 참여하면서 그 화합물의 형태가 변화할 수 있다. 또한 본 발명에서 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제는 MOox이고, 환원상태의 가역적 산화-환원 변환제는 MOred로 나타낸다. 즉 본 발명에서의 레독스 프로세스는 반응 매개체로서 가역적 산화-환원 변환제의 산화환원쌍(Redox pair: MOox/MOred)를 이용하는 것이다. 고정층 반응기인 경우 1 내지 6 mm의 직경을 갖는 구형 타입의 금속 산화물을 활용하여 고정 층에 충전한 것을 활용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 도 4의 고정층 각각의 반응기(310a, 310b)에서 발생하는 반응식은 아래와 같다. 고상물질 여과부(200)를 통과한 부생가스 중 메탄가스는 금속 산화물을 환원시키면서 일산화탄소로 변환된다. 이후 공급된 이산화탄소로 인해 환원된 금속 산화물이 다시 환원되면서 일산화탄소와 금속산화물이 형성되고, 침적된 탄소는 고온에서 CO2와 반응하여 Boudouard 역반응을 통해 일산화탄소를 형성하게 되는 것이다. 간단하게 표현하면 아래 반응식과 같을 수 있다.
CH4 + H2 + MOox -> CO + H2 + MOred
CO2 + MOred -> CO + MOox
C + CO2 -> 2CO
본원의 다른 일 구현예에 있어서, 상기 산화-환원 변환 반응기는 분말 형태의 금속 산화물이 반응기 간에 이동이 이루어지는 유동층 반응기(310a, 310b)인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 도 5는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 부생 물질 전환부(300)의 구성을 표현한 개략도이다. 도 5의 본원의 일 구현예에 따른 유동층 반응기는 복수의 반응기가 구비되고, 상기 고상물질 여과부(200)를 통과한 부생가스는 제1 유동층 반응기(310a)에 주입되고, 부생가스 중 메탄은 분말 형태의 금속 산화물과 반응하여 금속 산화물을 환원시키면서, 일산화탄소를 생성할 수 있다. 개략적인 반응식은 아래와 같다.
CH4 + H2 + MOox -> CO + H2 + MOred
그 다음으로 상기 환원된 금속 산화물은 제2 유동층 반응기(310b)로 유동하여, 제2 유동층 반응기(310b)로 공급되는 이산화탄소와 반응하여 일산화탄소를 형성하고, 동시에 침적된 탄소는 고온에서 CO2와 반응하여 Boudouard 역반응을 통해 일산화탄소를 형성하게 되는 것으로, 개략적인 반응식은 아래와 같다.
CO2 + MOred -> CO + MOox
C + CO2 -> 2CO
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 부생 물질 전환부(300)는 후술하는 이산화탄소 흡착부(500)으로부터 공급되는 이산화탄소와, 부생 물질 전환부(300)의 반응기에서 생성된 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가스 간에 열교환을 수행하는 열교환기(320)를 더 포함할 수 있고, 상기 열교환기(320)를 통해 반응기에 공급되는 가스들의 온도를 반응 온도에 근접하게 조절하여 공급할 수 있게 된다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템은 상기 부생 물질 전환부(300)로부터 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스에서 분기된 제1 합성가스를 공급받아 수소 및 이산화탄소를 포함하는 제1 중간가스를 생산하는 수성가스전이부(400)를 포함할 수 있다. 본 구성은 수성가스전이 반응(Water-gas Shift Reaction)을 통해 일산화탄소와 수증기가 이산화탄소와 수소를 형성하는 반응을 의미할 수 있다.
[식 1]
CO + H2O -> CO2 + H2
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템은 상기 수성가스전이부(400)로부터 제1 중간가스를 공급받아 이산화탄소를 흡착하여 상기 부생 물질 전환부(300)로 이송하고, 수소를 포함하는 제2 중간가스를 생산하는 이산화탄소 흡착부(500)를 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이산화탄소 흡착부(500)는 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption)에 의해 이산화탄소와 수소를 분리하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템은 상기 이산화탄소 흡착부(500)로부터 제2 중간가스를 공급받아 수소와 불활성 가스를 분리하여, 상기 불활성 가스는 상기 고온 공정부(100)로 공급하고, 수소를 생산하는 불활성 가스 회수부(600)를 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 불활성 가스 회수부(600)는 심냉법(cryogenic method) 또는 흡착법에 의해 수소와 불활성 가스를 분리하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 바람직하게는 한냉 발생용 가스를 활용하여 온도를 극저온으로 낮추어 진행하는 심냉법을 활용하여 수소와 불활성 가스를 분리할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템은 상기 부생 물질 전환부(300)로부터 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스에서 분기된 제2 합성가스를 공급받아 올레핀을 포함하는 탄화수소를 생산하는 탄화수소 생산부(700)를 더 포함할 수 있다. 즉, 잔여의 저급 탄소자원(이산화탄소가 풍부한 합성가스)을 활용하여 고부가가치의 C5 이상의 올레핀(C5+ 올레핀)을 생산을 수행하는 구성일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄화수소 생산부(700)는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 통해 탄화수소를 생산하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 합성가스를 이용하여 F-T(피셔-트롭쉬 반응)을 통한 화학제품의 기초가 되는 플랫폼 화합물인 올레핀을 생산하는 것이다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 합성 반응용 촉매는 이에 제한되지는 않으나 구성 성분으로서 금속 산화물 또는 혼합 금속 산화물일 수 있으며, 철 촉매를 단독으로 사용하거나, 또는 철, 구리, 망간, 코발트, 니켈, 아연, 알루미늄, 칼륨, 나트륨 등으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉매는 고체-지지된 촉매일 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, [0058] 고체 지지체는 다양한 금속염, 준금속 산화물 및/또는 금속 산화물, 예를 들어, 티타니아(산화 티탄), 지르코니아(산화 지르코늄), 실리카(산화 규소), 알루미나(산화 알루미늄), 마그네시아(산화 마그네슘) 및 염화 마그네슘을 포함할 수 있다. 본 발명의 특정 일실시예에서, 고체 지지체는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 마그네시아(MgO), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화 세륨(IV)(CeO2) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본원의 제2 측면은,
상기 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템을 활용하여 폐열을 생산하고, 탄소 입자, 탄화수소, 수소 또는 불활성 가스인 재활용 자원을 생산하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 방법을 제공한다.
본원의 제1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제1 측면에 대해 설명한 내용은 제2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 고온 공정부
200: 고상 물질 여과부
300: 부생 물질 전환부
310a: 제1 고정층(또는 유동층) 반응기
310b: 제2 고정층(또는 유동층) 반응기
320: 열교환기
400: 수성가스전이부
500: 이산화탄소 흡착부
600: 불활성 가스 회수부
700: 탄화수소 생산부

Claims (15)

  1. 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템으로서,
    부생가스와 폐열을 발생시키는 고온 공정부;
    상기 고온 공정부로부터 부생가스를 공급받고, 상기 부생가스에 함유된 탄소 입자를 분리한 후 통과시키는 고상 물질 여과부;
    이산화탄소 및 상기 고상 물질 여과부를 통과한 부생가스를 공급받아, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 부생 물질 전환부;
    상기 부생 물질 전환부로부터 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스에서 분기된 제1 합성가스를 공급받아 수소 및 이산화탄소를 포함하는 제1 중간가스를 생산하는 수성가스전이부;
    상기 수성가스전이부로부터 제1 중간가스를 공급받아 이산화탄소를 흡착하여 상기 부생 물질 전환부로 이송하고, 수소를 포함하는 제2 중간가스를 생산하는 이산화탄소 흡착부; 및
    상기 이산화탄소 흡착부로부터 제2 중간가스를 공급받아 수소와 불활성 가스를 분리하여, 상기 불활성 가스는 상기 고온 공정부로 공급하고, 수소를 생산하는 불활성 가스 회수부;
    를 포함하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고온 공정부에서 발생한 폐열은 부생 물질 전환부로 공급되어 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 공정의 열원으로 활용하는 것을 특징으로 하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부생 물질 전환부로부터 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스에서 분기된 제2 합성가스를 공급받아 올레핀을 포함하는 탄화수소를 생산하는 탄화수소 생산부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탄화수소 생산부는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 통해 탄화수소를 생산하는 것을 특징으로 하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고온 공정부는 실리콘화합물에 탄소 코팅 공정을 수행하는 것이고,
    상기 부생가스는 탄소수 1 내지 4인 탄화수소, 불활성 가스 및 탄소 입자를 포함하는 코팅가스이며,
    상기 폐열은 500 내지 1200℃의 실리콘화합물의 탄소 코팅 공정 후 발생하는 것을 특징으로 하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 코팅가스는 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption)에 의해 탄소 수가 1 내지 4 개인 탄화수소 가스를 정제하여 제조된 것을 특징으로 하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고상 물질 여과부는 고온 세라믹 필터(High Temperature Ceramic Filter)인 것을 특징으로 하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 부생 물질 전환부는 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간에 금속 산화물이 충전되어 있는 산화-환원 변환 반응기인 것을 특징으로 하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 산화-환원 변환 반응기는 적어도 하나 이상으로 구비되며,
    각각의 산화-환원 변환 반응기에서 상기 금속 산화물의 환원 공정과 산화 공정이 모두 수행되는 것을 특징으로 하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 산화-환원 변환 반응기는 적어도 둘 이상으로 구비되며, 상기 금속 산화물의 환원 공정과 산화 공정은 각각 별개의 산화-환원 변환 반응기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 산화-환원 변환 반응기는 구형의 금속 산화물이 충전되어 있는 고정층 반응기인 것을 특징으로 하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 산화-환원 변환 반응기는 분말 형태의 금속 산화물이 반응기 간에 이동이 이루어지는 유동층 반응기인 것을 특징으로 하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 흡착부는 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption)에 의해 이산화탄소와 수소를 분리하는 것을 특징으로 하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 불활성 가스 회수부는 심냉법 또는 흡착법에 의해 수소와 불활성 가스를 분리하는 것을 특징으로 하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템.
  15. 제1항의 폐열 및 재활용 자원 생산 시스템을 활용하여 폐열을 생산하고, 탄소 입자, 탄화수소, 수소 또는 불활성 가스인 재활용 자원을 생산하는, 폐열 및 재활용 자원 생산 방법.
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