KR102059307B1 - 플라스마를 이용하여 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소를 자동 생산하기위한 방법 및 구현 컴퓨터 프로그램 - Google Patents
플라스마를 이용하여 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소를 자동 생산하기위한 방법 및 구현 컴퓨터 프로그램 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas)와 수소를 생산하는 자동화 설비 및 방법에 관한 것으로, 플라스마 토치의 고온으로 가연성 폐기물과 수증기를 기체 원자로 분해하고 재합성하여 합성가스(Syngas) 및 수소를 생산하는 것이다. 본 발명의 목적은 친환경적 가스에너지 생산 및 산업화가 실현될 수 있도록 가연성 폐기물 가스화의 경제성을 확보하는 것이다.
이를 위하여 본 발명은 대기의 유입이 차단된 3단계의 가스화반응로를 이용하고, 가스 합성에 필요한 산소와 수소는 수증기를 열분해하여 공급하고, 생산 공정을 자동제어하는 것, 굴뚝 등의 대기 배출시설이 없는 것을 특징으로 한다.
합성가스(Syngas)는 가스터빈 발전기의 연료로 사용하거나, LNG(도시가스)의 대체 연료로 사용될수 있고, 수소는 수소차 충전소 또는 수소연료전지발전소의 연료로 사용될 수 있다.
이를 위하여 본 발명은 대기의 유입이 차단된 3단계의 가스화반응로를 이용하고, 가스 합성에 필요한 산소와 수소는 수증기를 열분해하여 공급하고, 생산 공정을 자동제어하는 것, 굴뚝 등의 대기 배출시설이 없는 것을 특징으로 한다.
합성가스(Syngas)는 가스터빈 발전기의 연료로 사용하거나, LNG(도시가스)의 대체 연료로 사용될수 있고, 수소는 수소차 충전소 또는 수소연료전지발전소의 연료로 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 합성가스(Syngas)와 수소 생산 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대기 유입이 차단된 가스화반응로에서 고체 또는 액체 상태의 유기물질을 기체 분자로 열분해 하고, 수증기를 플라스마 화염의 고온으로 열분해하여 수소와 산소를 생성하고, 후속 화학반응에서 이용하여 합성가스(Syngas)와 수소를 생산하는, 가연성 폐기물 처리와 가스에너지 생산의 병렬 처리 방법이다.
현대 사회에서는 모든 분야에서 다양한 형태의 에너지를 사용하고 있다. 그중에서 화석연료를 에너지원으로 가장 많이 사용하고 그 때문에 온실가스 발생량의 증대로 많은 문제점이 도출된 상황이다. 이러한 문제를 해결하고자 국제협약을 통하여 온실가스 배출 감소를 유도하고 있다. 이러한 노력 중의 하나로 여러 나라에서 신재생 에너지에 관한 새로운 정책 수립 및 기술개발 등이 이루어지고 있다.
가연성 폐기물을 활용한 일반적인 에너지 재생 방법은 소각으로 열에너지를 얻는 방법으로 수행된다. 하지만 소각의 근본적인 문제점, 대기의 다량 투입과 낮은 소각온도(섭씨 800~1,000도)로 인하여 미세먼지와 대기환경 오염물질 배출 등으로 사회적 문제점이 도출되어서, 민원 발생 때문에 정부의 정책수행 및 폐기물 처리에 차질을 빚고 있다. 소각은 친환경적인 방법이 아니지만, 폐기물 관리 및 처리의 관점에서 보면 대안이 없었다.
합성가스(Syngas)는 주로 수소와 일산화탄소로 구성되어 있으며 암모니아(NH3), 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H6O) 등 여러 화학제품의 원료로 사용되고 또는 친환경적 연료로 사용된다. 합성가스(Syngas)는 천연가스를 개질하여 생산하는 방법이 일반적이나, 현대 기술 발달에 따라 가연성 폐기물을 분해하여 합성가스(Syngas)를 생산하는 방법이 가연성폐기물 자원화의 한 방법으로 개발되고 있다.
신재생에너지의 한 분야인 수소를 생산하는 방법은 물의 전기분해 또는 열분해를 통하여 생산하는 방법 등이 있으나 경제성이 없음으로 상업용으로 활용되지 못하고 천연가스등의 화석연료를 개질하여 생산하는 방법이 매우 일반적이다.
수소를 생산하기 위한 천연가스 개질은, 천연가스를 약 섭씨 1,000도의 고온에서 수증기 반응으로 이루어진다. 이에 따른 화학적 변환은 일반적으로 다음과 같다.
CH4 + H2O = CO + 3H2
CH4 + 2H2O = CO2+ 4H2
수소 생산에 가연성 폐기물을 원료로 사용하는 방법은 가연성 폐기물을 약 섭씨 600~2,000도의 고온에서 열분해, 가스화 과정을 통하여 기체 원자로 분해하고 고온의 수증기와 반응하여 이루어진다. 가연성 폐기물에서 분해된 수소는 후속 반응 없이 배출된다. 주요 화학적 변환은 다음과 같다.
C + H2O = CO + H2
H2 = H2
천연가스와 가연성 폐기물에서 수소가 생산되는 화학적 변환은 유사하다. 탄소와 수소의 합성물질을 열분해하여 원자 상태로 치환한 후, 탄소와 산소를 결합하고 수소를 추출하는 방법으로, 가연성 폐기물을 원료로 수소를 생산하는 방법이 경제적이며 폐자원의 에너지화에 이바지할 것으로 생각된다.
친환경적이고 경제적인 가연성 폐기물 자원화 기술의 미비로 전국에 수십만 톤의 폐기물이 불법 방치되어 있고, 폐기물 소각으로 말미암은 미세먼지 배출, 폐기물 불법 수출로 국제적 문제 발생 등 폐기물처리가 우리 사회에 미치는 영향은 지대하다.
우리의 산업활동 및 일상생활에서 발생하는 가연성 폐기물을 에너지화하는 과정에서, 가연성 폐기물 소각의 대체 방법으로 미세먼지 및 공해물질의 배출 없이 친환경적 가스에너지를 생산하는 데 그 목적이 있다.
특히 수소생산에서 천연가스를 대체하여 미활용 자원인 가연성 폐기물과 수증기를 원료로 활용하여 수소를 대량생산하는 방법을 확보하여, 수소에너지의 경제성을 향상하는 것이다.
가연성 폐기물의 가스에너지화는 학술적으로는 매우 간단한 자연 현상을 이용한 것으로 논리적으로는 아무런 장애 요인이 없으나, 산업화에는 아래와 같은 과제를 해결하여야 경제성 있는 산업화가 이루어질 수 있다.
폐기물 가스화에 관한 논문 또는 특허 문건을 보면 산소, 이산화탄소, 수증기 등을 가스화반응로에 투입하여 합성가스(Syngas)의 생성을 유도한다. 가스화반응로에 투입되는 가스 또는 수증기의 목적은 산소를 공급하여 가연성 폐기물에서 분해된 탄소 원자를 일산화탄소로 치환하기 위한 것이다. 산소를 가스화반응로에 투입할 경우 가스화 공정에 투입되는 총 에너지의 양은 다른 가스 또는 수증기 투입의 30% 정도로 매우 적다. 수증기 또는 이산화탄소를 분해하여 산소로 치환하는데 필요한 에너지가 필요 없기 때문이다. 하지만 실험실, 연구소 등의 가스화 시설에서는 산소투입이 가능하나, 일 처리량이 수십 톤에서 수백 톤에 달하는 상용화 시설에서는 가연성폐기물 1톤당 평균 300kg 정도가 필요한 산소를 경제적으로 공급하는 방법은 현재의 기술로는 실행되기 힘들 것으로 사료된다. 수증기(물)는 경제적으로 운반, 저장, 공급이 가능한 산소와 수소의 화합물로, 산소와 수소를 열분해를 통하여 대량으로 획득할 수 있으나 현 기술로는 산업적 경제성이 없다.
수증기는 약 섭씨 2,200도에서 3% 정도, 섭씨 3,000도에서는 50% 이상이 산소 및 수소 원자로 분해된다고 알려져 있다. 가스화반응로 내부로 분사된 수증기 일부는 발열 화학반응에 의하여 산소 및 수소로 분해되나, 일산화탄소 형성에 필요한 모든 산소를 획득하기 위하여 가스화반응로 내부온도를 섭씨 3,000도로 유지하여도 수증기 열분해 효율이 50% 정도이다. 일 수백 톤 처리 규모의 가스화반응로 내부 온도를 섭씨 3,000도로 유지하는 것은 가스화반응로 재질, 수명 그리고 경제성을 고려하면 실현될 수 없다.
폐기물 가스화에서 가장 중요한 산소 공급에 있어서, 대기를 공급하면 질소산화물이 발생하면서 합성가스(Syngas)에 포함되는 질소로 인하여 열량이 저하되고, 산소를 투입하면 경제성이 없고, 수증기를 투입하면 섭씨 3,000도의 고온 가스화반응로가 필요하다는 난제가 있다. 가연성 폐기물의 가스화 설비나 방법에 관하여 전 세계적으로 많은 발명과 논문 등이 있으나, 산업화에 성공한 것이 극소수인 이유는 상기와 같이 발명의 실시에 따른 장애 요인들을 간과한 것으로 사료 된다.
가연성 폐기물 가스화 시스템은 일반적으로 하나의 가스화반응로로 구성되며, 가스화반응로 내부의 온도에 따라 건조, 열분해, 가스화 반응이 발생한다. 하나의 가스화반응로로 구성된 가스화 시스템의 문제점은 모든 화학반응이 동일 공간에서 연속적으로 발생하고, 상대적으로 낮은 배출 온도로 합성가스(Syngas)에 미분해 물질이 혼합되어 배출되는 것이다. 이러한 합성가스(Syngas)는 천연가스의 대체 연료로 사용할 수 없어, 고비용의 후처리 정제시설이 필요하므로 경제성을 저하한다. 또한 상대적으로 대용량의 가스화반응로에 투입되는 에너지가 많다는 단점이 있다. 가스화반응로의 운영에 요구되는 최소 에너지를 파악하고, 온도를 실시간으로 제어하여 가스화반응로의 운영의 경제성 확보가 필요하다.
가연성 폐기물에서 기인하는 장애 요인은 가연성 폐기물의 종류와 성분의 다양성이다. 평균 에너지값(Calorific Value)은 일반 생활 폐기물은 10~14MJ/kg이고 PVC는 41MJ/kg로 3~4배의 차이가 있고, 탄소 성분비가 폐기물 종류에 따라 다양하다. 이러한 변수를 무시하고 최선의 평균치를 설정하여 가스화반응로를 운영할 때는 투입된 폐기물은 연소, 가스화되어 소멸하지만 생산된 합성가스는 활용하지 못한다. 합성가스(Syngas) 생산이 목적이 아닌, 폐기물 감량 및 소멸 목적의 가스화반응로에서 주로 행하여진다.
가연성 폐기물을 가스화하여 고순도의 가스에너지를 생산하는 데 있어서 상기와 같은 장애 요인 및 문제점이 가연성 폐기물의 가스화 시스템의 보급에 부정적 요인이 되고 있다.
본 발명은 가연성 폐기물을 미세먼지 및 공해물질의 배출 없이 가스에너지화하는 공정에서 아래에 서술한 수단과 방법 및 컴퓨터 프로그램을 이용하여 위의 문제점들을 해결한다.
- 대기의 유입이 차단된 가스화반응로
- 3단계 가스화반응로
- 플라스마 토치를 이용한 수증기 열분해로 산소 및 수소의 공급
- 수증기 열분해에 투입된 에너지로 가연성 폐기물 열분해
- 센서 및 컴퓨터 프로그램을 활용하여 생산공정의 자동 제어
본 발명에 따른 가스화반응로 모듈은 3개의 가스화반응로로 구성되었고 대기(공기)의 가스화반응로 내부 유입이 차단되었다. 대기의 유입이 차단되면, 대기 중의 질소 때문에 형성되는 질소산화물 및 미세먼지 발생 원인이 근본적으로 제거되고, 생산되는 합성가스(Syngas)에 질소가 포함되는 것을 예방하고, 굴뚝 등의 대기 배출시설이 필요 없다.
가스화 공정의 3단계(건조 및 열분해, 가스화, 가스정제)에 맞추어 각 가스화반응로의 크기와 운영온도를 최적화하고, 가스화반응로에서 발생한 열에너지를 재사용하여, 투입에너지를 최소화하는 3단계 가스화반응로 방법을 사용한다.
또한, 3단계 가스화반응로는 배출되는 합성가스(Syngas)에 타르, 다이옥신 등의 미분해 물질이 혼합될 수 없는 구조로 형성되어, 고품질의 가스에너지를 생산한다.
합성가스(Syngas) 형성에 필요한 산소와 수소는 플라스마 토치를 통하여 수증기의 형태로 2가지 방법으로 공급된다. 수증기 공급량의 조절로 다양한 성분비의 합성가스(Syngas)를 생산할 수 있다.
첫 번째 방법은 플라스마의 형성 가스로 공급된 수증기가 이온화 과정을 통하여 배출되면서 플라스마 화염을 형성하고, 수소와 산소로 열분해 된다. 플라스마 형성 가스로 이용되는 수증기의 공급량은 가감될 수 있으나, 플라스마 형성가스의 이온화가 이루어져야 하므로 플라스마 형성가스의 가감에는 플라스마 토치의 설계에 따른 한계치가 존재한다.
이러한 한계치보다 많은 양의 수증기를 공급할 수 있는 두 번째는 방법은, 플라스마 화염의 외부를 감싸는 소용돌이 형태로 수증기를 분출하는 것이다. 섭씨 3,000도 이상의 고온이 요구되는 수증기 열분해에서, 섭씨 5,000~15,000도의 플라스마 화염 외부에 소용돌이 형태로 공급된 수증기는 고온에 노출되는 시간이 증대되어 열분해 효율이 향상된다. 또한, 상기와 같은 수증기 분출 형태는 플라스마 화염 형성에 간섭을 배제한다.
생성된 산소와 수소, 열분해 되지 못한 수증기는 높은 엔탈피를 갖는 기체로 가스화반응로 내부로 확산하여 가스화반응로의 효율을 향상한다.
가스화 과정에서는 자연적 현상으로 다양한 화학반응이 발생하지만 본 발명을 통하여 제어하는 화학반응은 탄소와 산소의 결합으로 생성되는 일산화탄소 형성 반응이다. 가연성 폐기물의 평균 구성비를 보면 탄소가 산소보다 약 30% 많다. 이에 위의 두 가지 방법으로 산소를 공급하여 탄소와 산소의 몰비를 1:1로 유지하여 일산화탄소의 결합을 유도하고, 산소 공급과정에서 생산된 수소가 혼합되어 합성가스(Syngas)를 생산한다.
본 발명에서는 인공지능(Artificial Intelligence)을 기반으로 하는 컴퓨터 프로그램과 컴퓨터 수치 제어 장치로 구성된 원격제어부를 이용하여 본 발명에 따른 장치들을 자동제어한다.
원격제어부는 수시로 변하는 가스화반응로 내부의 온도, 가스 성분비, 압력의 데이터를 센서를 통하여 실시간으로 수집하고 분석하여, 그 데이터에 상응하는 제어를 컴퓨터 수치 제어 장치를 통하여 장치들을 실시간으로 조정한다. 상응 제어의 간단한 일례로 가스화반응로 내부에 탄소가 산소보다 많이 존재하면 플라스마 토치에 투입되는 수증기량을 증가하여 탄소와 산소의 몰비를 1:1로 유지하는 것이다.
원격제어부는 가스화반응로에 장착된 측정 센서들의 디지털 자료를 수집, 분석한 후 가연성 폐기물 공급 장치, 플라스마 토치, 합성가스 배출 장치들을 실시간으로 제어하고, 제어의 결과를 가스분석기의 자료로 확인한 후, 후속 제어 공정의 입력 자료로 활용한다. 위와 같은 과정을 연속적으로 수행하면서 수집된 데이터를 모델링하여 메모리에 저장하고 자가학습의 데이터로 활용하여, 원격제어부 스스로 장비들을 능동적으로 제어하여 최적의 운영상태로 유지하는 방법이다.
가연성 폐기물의 탄소 성분비 및 에너지값(Calorific Value)의 편차에 따른 문제점도, 가스화반응로에 공급되는 수증기, 가연성 폐기물 투입량, 내부 온도의 능동적인 제어로 해결한다.
원격제어부의 활용으로 가연성 폐기물 투입부터 생산된 수소의 분리 추출까지의 모든 공정에 능동적으로 대처하여, 고순도의 수소 및 합성가스 생산 공정에 투입되는 에너지를 최소화하면서 가연성 폐기물의 잠재에너지를 고순도의 합성가스(Syngas)로 치환한다.
본 발명은 가연성 폐기물과 수증기를 열분해하여 가스에너지로 치환하는 자동화 방법, 장치 및 구현 컴퓨터 프로그램에 관한 것으로 이에 따른 직접적인 효과로 미세먼지 및 오염물질의 배출 없이 가연성 폐기물을 처리하는 것이다. 그에 따른 결과로 환경오염에 따른 사회적 손실을 줄이는데 이바지할 수 있고, 소각에 따른 사회적 갈등을 해결하는데 긍정적으로 작용할 것이다.
또한, 현재 세계적으로 관리, 처리 과정에서 많은 문제가 있는 플라스틱 폐기물을 포함한 가연성 폐기물을 원료로 사용하여 수소 및 합성가스(Syngas)를 생산하므로, LNG 발전소와 수소 생산에 사용되는 천연가스의 수입대체효과가 있어, 한국의 에너지 자립에도 도움이 된다.
환경부 2017년도 폐기물 통계를 보면, 1일 26,290톤의 가연성 폐기물을 소각의 방법으로 처리하였다. 소각된 가연성 폐기물의 경제적 가치를 생산 가능한 전력으로 단순 계산하면 일 26,290MWh이다. 본 발명을 통하여 생산된 전력에서, 자체 소비 후의 잉여 전력은 가연성 폐기물 1톤당 평균 1MWh이다. 또한 1일 32,524톤의 폐기물이 매립되는데 그중에 포함된 가연성 폐기물의 통계는 없으나 매립장 구성물을 보면 많은 양의 가연성 폐기물이 매립된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 장치의 구성 및 연결을 표시한 블록도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 분쇄된 가연성 폐기물 운반용 스크루 컨베이어 단면도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 분쇄된 폐기물의 투입 시, 가스화반응로 내부로 대기의 유입을 방지하는 대기유입방지 개폐기의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3개의 가스화반응로로 구성된 가스화반응로 모듈의 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 DC 플라스마 토치에 산소 및 수소 생산을 위한 열분해 수증기 배출기가 형성된 구성을 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 합성가스(Syngas)에서 수소를 분리 추출하는 수소분리기의 단면도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 DC 플라스마 토치에 형성되어 있는 열분해 수증기 배출기에 수증기 유도 강성이 도시된 단면도.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 DC 플라스마 토치에 형성되어 있는 열분해 수증기 배출기의 수증기 유도강성이 도시된 내부 투시도.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 의료폐기물 등과 같이 밀봉되어 운반되는 감염성 폐기물의 투입 시, 가스화반응로 내부로 대기의 유입을 방지하는 대기유입방지 감염물 개폐기의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 분쇄된 가연성 폐기물 운반용 스크루 컨베이어 단면도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 분쇄된 폐기물의 투입 시, 가스화반응로 내부로 대기의 유입을 방지하는 대기유입방지 개폐기의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 3개의 가스화반응로로 구성된 가스화반응로 모듈의 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 DC 플라스마 토치에 산소 및 수소 생산을 위한 열분해 수증기 배출기가 형성된 구성을 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 합성가스(Syngas)에서 수소를 분리 추출하는 수소분리기의 단면도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 DC 플라스마 토치에 형성되어 있는 열분해 수증기 배출기에 수증기 유도 강성이 도시된 단면도.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 DC 플라스마 토치에 형성되어 있는 열분해 수증기 배출기의 수증기 유도강성이 도시된 내부 투시도.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 의료폐기물 등과 같이 밀봉되어 운반되는 감염성 폐기물의 투입 시, 가스화반응로 내부로 대기의 유입을 방지하는 대기유입방지 감염물 개폐기의 단면도.
(예시 1, 일반 가연성 폐기물)
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 아래와 같이 상세히 설명한다.
본 발명을 설명하면서 관련 공지 기술 또는 장치의 상세한 설명은 생략되었다. 또한, 본 발명의 설명에 사용된 용어들은 서술자의 의도 또는 관례에 따라 다르게 해석될 수 있음으로, 용어들의 정의는 본 명세서에서 설명하고자 하는 내용을 기본으로 내려져야 할 것이다.
발명 실시의 구체적인 내용을 설명하기 위한 도면에 도시된 구성은 본 발명 표현의 한 예로 본 발명의 기술적 사상을 전부 대변하는 것은 아니므로, 발명을 실시하기 위한 다른 예에서는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다르게 구성될 수 있다고 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 구성을 나타내며, 원격제어부(도 1의 9)의 통제하에 가연성 폐기물이 장치들을 따라 이동되면서 합성가스(Syngas)로 치환되고 수소가 합성가스(Syngas)에서 분리되어 배출되는 블록도이다.
원격제어부(도 1의 9)에서 가연성 폐기물 투입 신호를 보내면 분쇄기(도 1의 1)는 고형 가연성 폐기물을 20~50mm 크기로 분쇄하고 혼합한다. 스크루 컨베이어(도 1의 2)는 분쇄된 가연성 폐기물을 대기유입방지 개폐기(도 1의 3)를 통하여 가스화반응로 모듈(도 1의 4)에 투입한다. 분쇄된 가연성 폐기물은 표면적의 증가로 가스화 효율이 증대되고 다양한 성분의 가연성 폐기물은 혼합 과정을 통하여 좀 더 균일한 에너지를 갖게 된다.
도 3은 열림 상태의 대기유입방지 개폐기(300)의 단면도로 몸체부(301), 원통 형태로 하부에 수평 방향으로 원통형의 구멍이 있는 개폐제어부(302), 유압실린더 모듈(303), 노폐물배출밸브(308)를 포함하여 도 3과 같이 구성된다.
상기 몸체부(301)의 외벽 상하부에는 수증기발생기(도 1의 5)와 연결되어 몸체부(301) 내부에 있는 개폐제어부(302)로 수증기를 공급하는 수증기공급기(304.a, 304.b)가 장착되어 있어 연속적으로 개폐제어부(302)로 수증기가 공급된다.
유압실린더 모듈(303)은 투입 신호 받고 개폐제어부(302)를 90도 회전하여 대기유입방지 개폐기(300)를 열림 상태로 만든다. 열림 상태에서는 개폐제어부(302)에 형성되어있는 열림공간부(307)는 스크루 컨베이어(도 2의 200)에 형성되어있는 이동공간부(도 2의 201)와 가스화반응로(도 4의 401.a)에 형성되어 있는 반응공간부(도 4의 414.a)와 연통되고, 수증기공급기(304.a, 304.b)와 개폐제어부(302) 내부에 형성되어 있는 열림수증기공급관(305.a, 305.b)이 연통되면서 개폐제어부(302) 하부에 형성되어 있는 열림공간부(307)로 고압의 수증기를 분사한다.
원격제어부(도 1의 9)는 수시로 변하는 가스화반응로의 내부 압력을 압력센서(도 4의 406)를 통하여 획득하고, 그에 상응하는 압력의 수증기를 공급한다.
상기 고압의 수증기는 열림공간부(307)에 수증기 에어커튼을 형성하면서 일부 수증기는 반응공간부(도 4의 414.a)로 유입되고, 일부는 이동공간부(도 2의 201)의 공기를 밀어내면서 외부로 배출된다. 연속적인 고압의 수증기 배출로 대기 유입이 차단된다. 가연성 폐기물은 스크루 컨베이어(도 2의 200)의 회전력에 의하여 반응공간부(도 4의 414.a)에 투입된다. 액체 상태의 가연성 폐기물은 액상폐기물투입구(도 4의 409)를 통하여 반응공간부(도 4의 414.a)로 투입된다.
원격제어부(도 1의 9)의 투입 정지 신호로 분쇄기(도 1의 1)와 스크루 컨베이어(도 2의 200)의 작동이 중지되고, 개폐제어부(302)는 유압실린더 모듈(303)에 의하여 90도 역회전 되면서 대기유입방지 개폐기(300)는 닫힘이 된다. 이에 개폐제어부(302)의 회전축과 직각으로 형성되어 있는 열림공간부(307)는 닫힘 상태가 되어 이동공간부(도 2의 201)와 반응공간부(도 4의 414.a)의 연통이 차단된다. 수증기공급기(304.a, 304.b)는 열림수증기공급관(305.a, 305.b)과 차단되고 담힘수증기공급관(306a, 306b)과 연통되어 소량의 수증기가 분출된다.
담힘수증기공급관(306a, 306b)은 개폐제어부(302) 외벽 상하에 링의 형태로 음각되어 형성되어 있어, 이곳으로 분출된 수증기는 개폐제어부(302) 외벽에 수증기의 링을 형성하고 몸체부(301)와 개폐제어부(302) 사이의 미세한 공간에 수증기의 막을 만들어 대기의 유입을 방지하며 개폐제어부(302) 회전의 윤활 역할을 한다.
몸체(301) 내부에 누적될 수 있는 응결수, 노폐물 등은 노폐물배출밸브(308)를 통하여 필요에 따라 외부로 배출한다. 정지된 스크루 컨베이어(도 2의 200)의 내부에 형성되어 있는 이동공간부(201)는 분쇄된 가연성 폐기물로 막혀있는 상태로 대기의 유입이 제한된다.
상기 대기유입방지 개폐기(300)의 모든 구성품은 금속 재질로, 섭씨 600도 이상의 고온 환경에서 분쇄된 가연성 폐기물을 첫 번째 반응공간부(도 4의 414.a)로 대기의 유입 없이 투입되도록 한다. 이런 과정의 결과로 대기 중의 질소 때문인 생성되는 질소산화물 및 생산된 합성가스(Syngas)에 질소가 포함되는 것을 원천적으로 봉쇄한다.
도 4는 가연성 폐기물이 합성가스(Syngas)로 변환되는 화학반응이 일어나는 가스화반응로 모듈(400)의 단면도이다. 가스화반응로 모듈(400)은 3개의 가스화반응로(401.a, 401.b, 401.c)로 구성되었다.
가스화반응로 모듈(400)에서는 투입된 폐기물이 건조, 열분해, 가스화 및 부분 연소를 통하여 가스로 분해된 후 정제된다. 가스화반응로 내부의 온도, 압력, 가연성 폐기물 투입량, 산소 및 수소 공급량, 합성가스(Syngas) 배출량, 수소의 추출량 등의 운영 조건은 원격제어부(도 1의 9)가 자동제어된다.
가연성 폐기물이 투입되는 첫 번째 가스화반응로(401.a)의 열원은 세 번째 가스화반응로(401.c)에서 배출되는 섭씨 2,000도의 합성가스(Syngas)로, 반응공간부(414.a)의 온도는 섭씨 600도 이상으로 유지되어, 산소의 공급이 없는 무산소 환경에서 투입된 가연성 폐기물의 건조(Drying) 및 열분해(Pyrolysis) 반응이 주로 발생한다.
첫 번째 반응공간부(414.a)에서 발생한 가스는 반응로연결관(407.a)을 통하여 두 번째 가스화반응로(401.b)의 반응공간부(414.b)로 이동된다. 첫 번째 반응공간부(414.a)에서 완전히 가스화되지 못한 가연성 폐기물은 후속 폐기물투입공정에서 투입된 가연성 폐기물에 밀려서 반응로연결관(407.a)을 통하여 두 번째 가스화반응로(401.b)의 반응공간부(414.b)로 떨어지면서 가스화된다.
두 번째 가스화반응로(401.b)는 플라스마 토치(402.a)에서 열과 산소 및 수소가 공급되며 반응공간부(414.b)의 평균 온도는 섭씨 1,500도로 유지된다. 불완전 연소(Incomplete Combustion)와 가스화(Gasification) 반응으로 유기물질은 기체로 변하고, 유리 금속 등의 무기물질은 녹아, 두 번째 반응공간부(414.b) 밑바닥에 고여서 반응공간부(414.b)의 내부 온도를 유지하는 열 저장소 역할을 한다. 누적된 용융물은 용융물배출밸브(410)를 통해 배출한다.
가연성 폐기물에서 분해된 탄소와 산소, 플라스마 토치(402.a)에서 공급되는 수증기의 열분해로 생성된 산소의 화학결합으로 일산화탄소가 생성된다. 수소는 가연성 폐기물과 수증기의 열분해로 생성된다.
투입되는 수증기는 2가지 방법으로 공급되는데 첫 번째는 이온수증기공급관(502)을 통하여 플라스마 형성가스로, 두 번째는 열분해수증기조절밸브(510)를 통하여 공급한다. 공급된 수증기는 산소와 수소로 열분해 되어, 반응공간부(414.b)의 탄소와 산소의 몰비를 1:1 유지하는 데 사용된다.
C + O2 = CO2
C + O = CO;
위의 화학반응식과 같이 산소가 과잉 공급되면 일산화탄소(CO) 대신에 이산화탄소(CO2) 발생하므로, 적정량의 산소 공급은 고순도의 합성가스(Syngas) 생산에서 매우 중요한 요인이다.
원격제어부(도 1의 9)는 가스분석기(405.b)의 가스성분비 자료를 분석하여, 탄소의 투입이 필요하면 가연성폐기물을 투입하고, 산소가 필요하면 추가 공급이 필요한 산소의 양을 계산하여 플라스마 토치(402.a)를 통하여 수증기의 형태로 공급하며, 온도센서(404.b), 가스분석기(405.b), 압력센서(406)의 자료와 수증기의 투입량에 따른 합성가스(Syngas) 생산 결과를 가스분석기(405.a)의 자료를 통하여 확인하여, 공정을 제어한다.
두 번째 반응공간부(414.b)에서 생성된 합성가스(Syngas)는 반응로연결관(407.b)를 통하여 세 번째 가스화반응로(401.c)의 반응공간부(414.c)로 유입된다. 세 번째 가스화반응로(401.c)는 플라스마 토치(402.b)에서 열과 산소 및 수소가 공급되며 반응공간부(414.c)는 평균 섭씨 2,000도로 유지된다.
합성가스(Syngas)가 유입되는 반응로연결관(407.b) 주위는 플라스마 토치(402.a, 402.b)와 근거리에 있어 상대적으로 고온이 형성되어 있고, 세 번째 가스화반응로(401.c)는 구조적으로 유입되는 합성가스(Syngas)가 플라스마 토치(402.b)에서 형성되는 섭씨 5,000~15,000도의 플라스마 화염 주위를 통과하게 되어 있다. 이에 따라 반응로연결관(407.b)을 통하여 세 번째 반응공간부(414.c)로 유입된 합성가스(Syngas)에 존재할 수 있는 타르 및 다이옥신, 퓨란 등의 오염물질이 완벽히 분해되어 합성가스(Syngas)의 정제가 이루어진다. 세 번째 가스화반응로(401.c)에서 발생할 수 있는 노폐물은 노폐물배출밸브(411)를 통하여 배출된다.
이때, 원격제어부(도 1의 9)는 두 번째 가스화반응로(401.b)에서 수행한 자동제어 과정을 세 번째 가스화반응로(401.c)에서도 수행하면서, 압력센서(406)의 자료와 가스분석기(405.a)의 자료를 기본으로 합성가스송출기(408)를 작동하여 합성가스(Syngas)를 배출한다. 상기 배출되는 섭씨 2,000도의 합성가스(Syngas)는, 반응로연결관(407.c)를 통하여 첫 번째 가스화반응로(401.a)의 내벽(412)과 외벽(413) 사이에 형성된 공간을 통과하면서 간접가열로 첫 번째 반응공간부(414.a)에 위치한 가연성 폐기물을 가열하고 합성가스배출관(403)을 따라서 수증기발생기(도1의 5)로 배출되어 수증기를 만드는 열원으로 이용된다. 최종적으로 배출되는 합성가스(Syngas)의 온도는 온도센서(404.a)에 의하여 확인되고, 세 번째 가스화반응로(401.c)에 장착된 온도센서(404.c)의 자료와 가연성폐기물 투입량을 통하여 온도를 유지한다.
상기와 같은 간접가열 방법으로, 세 번째 가스화반응로(401.c)에서 사용된 에너지의 일부는 첫 번째 가스화반응로(401.a)에 위치한 가연성 폐기물의 건조(Drying) 및 열분해(Pyrolysis)에 사용된다.
수증기의 열분해에 투입되는 에너지와 열분해로 생성된 수소와 산소의 반응으로 발생하는 에너지의 값은 거의 같아 수증기 열분해는 경제성이 없으나, 본 발명에서는 수증기의 열분해와 가연성 폐기물의 가스화 공정을 동시에 수행하여 수증기의 열분해에 투입된 에너지가 가연성 폐기물의 열분해 에너지로 이용되므로, 열효율을 극대화하였다.
일반적으로 가연성 폐기물의 성분비를 보면 탄소가 산소보다 약 30% 정도 많이 포함되어 있다. 평균적으로 가연성 생활 폐기물 1kg에 탄소(C) 500g, 산소(O) 350g, 수소(H) 80g이 포함되어 있고 이것을 몰(Mol)로 환산하면;
탄소(C) 500g ÷ 12g = 41.6 몰
산소(O) 350g ÷ 16g = 21.8 몰
수소(H) 80g ÷ 1g = 80 몰로 구성된다.
탄소(C) + 산소(O) = 일산화탄소(CO), 반응식과 같이 일산화탄소의 결합을 위한 탄소와 산소의 몰비가 1:1이다. 상기 가연성 폐기물 1kg에 포함된 탄소 41.6몰을 일산화탄소로 치환하기 위하여, 산소 원자 41.6몰이 필요하다. 상기 가연성 폐기물에서 산소 원자 21.8몰이 생산되었으므로 추가로 필요한 산소 원자는, 41.6 - 21.8 = 19.8몰이다. 수증기(H2O) 1몰(Mol)은 수소 원자 2몰과 산소 원자 1몰로 구성되어 있음으로 수증기(H2O) 20몰을 열분해하여 산소 원자 20몰을 공급하면서 수소 원자 40몰이 생성된다.
가연성 폐기물 1Kg와 물 360mL에서 생산된 합성가스의 완전연소 발열량은 아래와 같다.
일산화탄소, CO(g) + 1/2O2(g) → CO2(g), △H = - 283.0 kJ,
283.0 kJ * 41.6몰 = 11,772.8 kJ
수소, H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(l), △H = - 286.0 kJ
286.0 kJ * 60 몰 = 17,040 kJ
산소를 공급하기 위하여 수증기를 열분해하는 과정에서 수소가 추가로 생산되어, 일반적으로 가연성 폐기물에서 생산된 합성가스(Syngas)의 일산화탄소 대 수소의 몰 비율은 3:2 정도지만, 본 발명에 따른 합성가스(Syngas)의 일산화탄소 대 수소의 비율은 2:3 정도로 수소의 생산을 극대화할 수 있다.
위의 과정을 정리하여 아래 표1에 표시하였다.
|
비고 |
탄소(C) |
산소(O) |
수소(H) |
|
가연성 폐기물 1Kg
(무게별 성분비) |
500g | 350g | 80g |
|
가연성 폐기물 1Kg
(몰별 성분비) |
41.6몰 | 21.8몰 | 80몰 |
|
수증기 20몰
(산소, 수소 발생량) |
20몰 | 40몰 | |
|
가연성 폐기물 1Kg +수증기 20몰
(몰별 성분비) |
41.6몰 | 41.8몰 | 120몰 |
|
생산된 합성가스(Syngas)
(성분별 몰수) |
일산화탄소 41.6몰 | 수소분자 60몰 | |
|
합성가스(Syngas)
(성분별 완전연소 발열량) |
11.8 MJ | 17.0 MJ | |
아래 " DETAILED GASIFICATION CHEMISTRY "은 미국에너지부 산하 국립연구소 "National Energy Technology Laboratory" 웹사이트에서 인용되었다.
(https://www.netl.doe.gov/research/coal/energy-systems/
gasification/gasifipedia/gasification-chemistry)
DETAILED GASIFICATION CHEMISTRY
가스화반응로 내부에서는 매우 다양한 화학 반응이 투입된 재료의 성분 및 반응로 온도와 압력에 따라 다양한 방향으로 진행된다. 제한된 산소가 투입된 가스화 공정에서 '부분 산화'에 의해 생성된 열은 가스화의 흡열 반응을 유도하는 데 필요한 대부분의 에너지를 제공한다. 가스화반응로에서의 주요 화학 반응은 다음과 같이 탄소, 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 메탄에 관한 것이다.
연소 반응 :
1. C + ½ O2 →
CO (
-111 MJ /
kmol
)
2. CO + ½ O2 →CO2
(-283 MJ / kmol)
3. H2 + ½ O2 →
H2O (
-242 MJ /
kmol
)
불균일 반응;
4. C + H2O ↔CO +
H2
(
+131 MJ/
kmol
), Water-Gas Reaction
5. C + CO2 ↔
2CO
(
+172 MJ/
kmol
),
Boudouard
Reaction
6. C +
2H2
↔
CH4 (
-75 MJ/
kmol
),
Methanation
Reaction
균일 반응;
7. CO + H2O ↔CO2 +
H2 (
-41 MJ /
kmol
), Water-Gas-Shift Reaction
8. CH4 + H2O ↔CO2 +
3H2 (
+
206MJ
/
kmol
), Steam-Methane-Reforming Reaction
특히 두 번째 반응공간부(414.b)에서는 상기의 연소 반응과 불균일 반응 또는 균일 반응이 연속적으로 이루어지는데, 흡열반응과 발열반응의 에너지의 양이 유사하다. 상기의 반응이 발생하도록 고체 및 액체의 가연성 폐기물을 기체로 치환하고, 기체 분자의 해리, 가스화반응로의 온도 유지에 필요로 하는 에너지는 외부에서 공급되어야 한다. 외부 공급 에너지는 플라스마 토치에 가연성 폐기물 1kg에 평균 2.7 kWh의 전력으로 공급된다.
가연성 폐기물 1kg와 물 360mL에서 생산된 합성가스(28.8 MJ)로, 발전효율 50%의 발전설비를 이용하여 4kWh의 전기를 생산하고, 2.7kWh의 전기를 소모하였다. 투입되는 가연성 폐기물의 성분 및 수분 함유율 등의 변수가 있으나 가연성 폐기물 1톤에서 평균 1MWh의 전기를 생산한다.
본 발명 실시의 구체적인 내용을 설명하기 위한 직류 아크 플라스마 토치(500)는 형체를 구성하는 몸체부(501), 음극의 전원이 공급되는 음극부(503), 양극의 전원이 공급되는 양극부(504), 이온화된 플라스마 가스가 배출되는 냉각부(505), 냉각수를 공급하는 냉각수유입구(507), 가열된 냉각수가 배출되는 냉각수배출구(506), 냉각부(505) 외부를 감싸는 형태의 열분해수증기배출기(508)와 수증기발생기(도 1의 5)와 연결되어 공급되는 수증기의 양을 조절하는 열분해수증기조절밸브(510), 그와 연통되어 열분해수증기배출기(508)에 수증기를 공급하는 열분해수증기공급관(509)을 포함하여 도 5와 같이 구비된다.
플라스마의 형성 방법 및 원리, 그에 따른 플라스마 토치의 종류 등은 공지되어 많이 활용되고 있음으로 상세한 설명은 생략되었다. 플라스마 토치(402.a , 402.b)에서 이온수증기공급관(502)을 통하여 공급되는 수증기는 플라스마형성부(511)에서 이온화되어 배출되면서 플라스마화염형성부(512)에 섭씨 5,000~15,000도의 플라스마 화염이 형성된다. 이온화되어 배출되는 수증기는 열분해되어 반응공간부(414.b, 414.c)에 산소 및 수소로 공급된다. 이온화되는 수증기의 공급량을 필요에 따라 가감할 수 있으나 플라스마 토치 설계에 따른 한계치가 있다.
이에 상기 한계치 이상의 수증기는, 열분해수증기조절밸브(510)을 통하여 열분해수증기공급관(509)으로 유입되어 열분해수증기배출기(508)를 통하여 플라스마화염형성부(512)로 배출하여 공급한다. 열분해수증기배출기(508)의 내부에는 수증기유도강선(도 7의 701)이 나선형으로 음각되어 있어, 수증기는 수증기유도강선(701)을 따라 이동하면서 플라스마 화염의 외부를 감싸는 소용돌이 형태로 배출되어 고온에 노출되는 시간이 증대된다. 도 7은 열분해수증기배출기(508)의 단면도, 도 8은 열분해수증기배출기(508)의 내부 투시도로 수증기유도강선(701)의 형성을 도시한다.
상기의 수증기 배출 형태는, 이온화되어 배출되는 플라스마 가스의 화염 형성에 간섭을 배제한다. 배출되는 수증기는 플라스마 화염의 고온으로 열분해되어, 반응공간부(414.b, 414.c)에 산소와 수소를 공급한다.
본 발명의 실시를 설명하기 위하여 직류 아크 플라스마 토치로 설명되었으나 이에 국한되지 않고 마이크로웨이브, RF, 교류 플라스마 토치 등 플라스마 토치 종류와 관계없이 설명 가능함은 물론이다.
도 6은 합성가스(Syngas)에 혼합된 수소를 분리 추출하는 수소분리기(도 6의 600)의 단면도이다. 몸체부(601)의 상부에는 수소송출관(603)과 이에 장착된 수소송출기(604), 몸체부(601)의 하부에는 합성가스송출관(605)과 이에 장착된 합성가스송출기(606)가 형성되어 있다.
수증기발생기(도 1의 5)를 통과하여 냉각된 합성가스(Syngas)는 유입관(602)을 통하여 수소분리기(600) 내부에 형성되어 있은 분리공간부(607)로 유입된다. 수소는 가장 가벼운 분자이며 확산(Diffusion)속도가 크므로 분리공간부(607)의 상부로 빠르게 이동되어 위치한다.
수소분리기(600)로 유입되는 합성가스(Syngas)에 평균 60% 정도 포함된 수소의 50%는 분리 배출하고 나머지 50%는 합성가스(Syngas)의 구성물로 남아 있다.
원격제어부(9)는 가스분석기(405.a), 합성가스송출기(408)의 자료를 통하여 수소분리기(600)로 유입된 합성가스(Syngas) 및 수소의 유입량과 수소송출기(604)와 합성가스송출기(606)의 배출량을 기반으로, 분리공간부(607) 상부에 포집되어 있는 수소의 50%를 일회 배출량으로 정하고, 수소송출기(604)를 작동하여 분리공간부(607) 상부의 수소를 수소송출관(603)을 통하여 수소저장탱크(도 1의 7)로 먼저 배출한 후, 합성가스송출기(606)를 작동하여 분리공간부(607) 하부의 합성가스(Syngas)를 합성가스송출관(605)을 통하여 합성가스저장탱크(도 1의 8)로 일 회 배출량만큼 배출한다.
분리공간부(607) 상부에 포집되어 있는 수소의 50%만을, 상부에 장착된 수소송출관(603)으로 송출되므로, 다른 성분의 가스가 송출되는 수소에 혼합되는 것을 방지한다
수소의 분리배출은 가스 이동량을 기준으로 가스송출량이 계산되므로 온도에 따른 가스 밀도의 변화, 기체의 확산 현상 등으로 오차가 발생하고, 그 오차는 수소분리기(600) 운영 시간에 비례하여 증대한다. 이러한 오차의 해결 방법으로 원격제어부(9)는 소프트웨어 재시동(reset) 시간을 정하여, 정해진 시간마다 분리공간부(607)의 모든 가스를 합성가스저장탱크(도 1의 8)로 송출하면서 메모리에 저장하고 있던 합성가스(Syngas) 및 수소에 관한 자료를 재시동(reset)하여 다시 수소 분리배출을 시작한다. 재시동(reset) 시간의 간격을 통하여 합성가스저장탱크(도 1의 8)에 저장되는 합성가스(Syngas)의 수소 함량을 사용 용도에 따라 조정할 수 있다.
수소저장탱크(도 1의 7) 및 합성가스저장탱크(도 1의 8)의 가스는 사용 목적에 따른 공정을 거쳐 실시간으로 소비된다.
본 발명에 따른 합성가스(Syngas)와 수소의 생산공정을 수행하는 데 있어서, 원격제어부(9)는 아래의 기능을 연속적으로 반복 수행하고 학습하여, 원격제어부(9) 스스로 생산공정을 제어하여 합성가스(Syngas)와 수소 생산을 자동화한다.
- 온도센서(404.a,404.b,404.c)의 자료를 이용하여 가스화반응로(401.a, 401.b, 401.c)의 온도를 유지한다.
- 가스분석기(405.b)의 자료를 기준으로, 수증기 공급량, 가연성 폐기물 투입량을 산출하여 가스화반응로(401.b)에 투입한다.
- 가스분석기(405.a)의 자료를 분석하여, 가스화반응로(401.c)에서 마지막 공정의 결과로 배출되는 합성가스(Syngas)의 성분을 확인하고, 필요에 따라 가스화반응로(401.c)의 온도와 투입되는 수증기의 양을 조정한다.
- 압력센서(406)의 자료를 기준으로, 합성가스송출기(408)를 작동하여 합성가스(Syngas)를 수증기발생기(도1의 5)로 배출한다.
- 가스화반응로(401.a,401.b,401.c)의 운영 조건과 최종 배출되는 합성가스(Syngas)의 성분비를 모델링하여 메모리에 저장하고 자가학습의 데이터로 이용하여, 후속 제어 공정의 입력 자료로 활용한다.
- 수소분리기(600)의 합성가스(Syngas)와 수소의 이동량(유입, 배출량)을 저장한 후 활용하여 수소의 분리 배출량을 결정한다.
상기와 같이 방법과 장비를 이용하여, 대기의 유입을 차단한 가스화반응로에서 가연성 폐기물을 열분해하고, 일산화탄소 형성에 필요한 산소를 실시간으로 측정하고 공급하면서 수소를 생성하여, 합성가스(Syngas)를 생산한다.
원격제어부(9)의 활용으로 각각의 가스화 공정에서 수시로 변하는 최소 에너지 필요량을 실시간으로 파악하고 대응하여, 가스화 공정에 투입되는 에너지를 최소화하여 가스화반응로 운영의 경제성을 확보하였고, 대기 오염물질의 형성 없이 가연성 폐기물의 잠재 에너지를 고순도의 가스 에너지로 치환한다.
이상과 같이, 본 발명을 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명하였으나, 본 발명은 이 설명에 국한되지 아니하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 청구항에 기재된 청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형을 할수 있음은 물론이다.
(예시 2, 감염성 폐기물)
예시 2는 의료 폐기물 같이 밀봉된 상태로 운반되어 처리되는 감염성 폐기물의 실시 예이다. 상기에 설명된 (예시 1, 일반 가연성 폐기물)과 차이점은 폐기물을 가스화반응로에 대기의 유입 없이 투입하는 방법과 장치이다. 폐기물 투입 후의 과정은 일반 가연성폐기물과 동일하므로 설명을 생략하였다.
도 9는 대기유입방지 감염물 개폐기의 단면도이다. 몸체부(901) 상부에는 호퍼 형태의 상부저장부(907)가 형성되어 있어 투입될 감염성 폐기물을 임시 저장한다. 몸체부(901) 내부에는 개폐 기능을 수행하는 상부슬라이더개폐기(902)와 하부슬라이더개폐기(905)가 장착되어 있고, 외부에는 유압실린더조정부(904), 유압실린더(903)를 포함하여 도 9 같이 구성되어 있다.
상부슬라이더개폐기(902)와 하부슬라이더개폐기(905)가 폐쇄된 상태에서, 원격제어부(9)의 투입 명령에 따라 유압실린더조정부(904)는 유압실린더(903.a)를 작동하여 연결된 상부슬라이더개폐기(902)를 완전히 개방한다. 이에 상부저장부(907)에 있던 모든 감염성 폐기물은 밀폐된 상태로 원심력에 의하여 중간저장부(908)에 떨어져 위치한다.
이후, 원격제어부(9)는 상부슬라이더개폐기(902)를 1cm 개방한 상태로 부분 폐쇄한 후 수증기발생기(도 1의 5)와 연통되어 몸체부(901) 외벽에 장착된 하부수증기배출기(912)를 작동하여 중간저장부(908) 내부 부피 2배 분량의 수증기를 배출하여 중간저장부(908) 내부의 대기를 외부로 배출한 후 상부슬라이더개폐기(902)를 완전히 폐쇄한다.
이후, 유압실린더조정부(904)와 유압실린더(903.b)를 통하여 연결된 하부슬라이더개폐기(905)를 완전히 개방하여 하부이동부(906)로 떨어지는 감염성 폐기물을 몸체부(901) 하부에 장착된 스크루컨베이어(914)를 작동하여 하부이동부(906)와 연통된 반응공간부(도 4의 414.a)로 감염성 폐기물을 이송한다. 스크루컨베이어(914)에는 냉각수유입구(915)와 냉각수배출구(913)를 통한 냉각수 순환으로 고온으로부터 스크루컨베이어(914)를 보호한다.
원격제어부(9)는 몸체부(901) 외벽에 장착된 방해센서(911)의 테이터를 수신하여 모든 감염성 폐기물의 이송을 확인한다. 감염성 폐기물의 투입이 완료된 후, 중간저장부(908)에는 수증기, 가스화반응로 가스 이외에 감염성 균들이 존재할 수 있다. 다음 공정은 고온의 수증기를 주입하여 중간저장부(908)에 위치한 기체를 가스화반응로로 배출하는 공정이다.
원격제어부(9)는 하부슬라이더개폐기(905)를 0.5cm 개방한 상태로 부분 폐쇄한 후 수증기발생기(도 1의 5)와 연통되어 몸체부(901) 외벽에 장착된 상부수증기배출기(909)를 작동하여 중간저장부(908)로 고온, 고압의 수증기를 배출한다. 연통되어 있는 반응공간부(도 4의 414.a)의 압력을 압력센서(도 4의 406)를 통하여 획득하고, 몸체부(901) 외벽에 장착된 압력센서(910)를 이용하여 반응공간부(도 4의 414.a) 압력의 150%가 될 때까지 수증기를 배출하여 중간저장부(908)에 위치하였던 기체를 반응공간부(도 4의 414.a)로 배출한 후. 하부슬라이더개폐기(905)를 완전히 폐쇄한다.
상기와 같이 원격제어부(9)의 자동 제어하에, 감염성 폐기물을 위해 요소를 제거하면서 가스화반응로로 투입하여, 합성가스(Syngas)와 수소 생산의 원료로 활용한다.
2017년 환경부 통계를 보면 지방 자치단체의 178개소의 소각장과 150개소의 민간 소각시설에서 26,290톤/일 가연성 폐기물을 소각하였다. 또한, 정부의 「수소 경제 활성화 로드맵」에 의하면 수소충전소를 2022년까지 310개소, 2040년까지 1,200개소로 확충할 계획이다. 그에 따른 수소의 공급은 부생수소, 추출수소, 수전해 방법으로 공급할 계획으로 알려졌다. 그중 추출수소는 주로 수입 연료인 천연가스 개질을 통하여 만들어진다.
전국에 산재하여 있는, 설계수명이 지나 노후화되어 교체가 요구되는 소각로를 합성가스(Syngas) 생산용 반응로로 교체 운영하면, 가연성 폐기물 1톤과 수증기로부터 120kg의 수소를 생산할 수 있다. 약 20대의 수소차를 충전할 수 있는 양이다. 전국의 대도시에 위치한 지방 자치단체의 자원 회수화 시설을 활용하여, 전국에 수소 생산시설 및 발전 시설을 경제적으로 구축할 수 있다.
정부의 「수소 경제 활성화 로드맵」에 따른 2040년도 수소차 620만 대가 10일에 한 번씩 충전할 수 있는 수소를 2017년에 소각된 가연성 폐기물에서 생산할 수 있다.
또한, 고속도로 휴게소, 군부대 등에 소형의 설비를 설치하여, 현장에서 배출되는 폐기물을 원료로 하여 합성가스(Syngas)와 수소를 생산하고, 수소는 수소차 충전소와 수소 연료전지 발전소에 사용하고, 합성가스(Syngas)는 취사 및 난방의 연료로 사용하며, 부수적으로 생산되는 온수를 현장에서 소비하는 것과 같이, 폐기물 발생 현지에서 가스에너지의 현지 생산, 현지 소비 방법은 직접, 간접적으로 사회에 많은 혜택을 준다. 도서벽지 지역 같은 천연가스 파이프라인이 없는 지역에서는 합성가스(Syngas)를 지역의 취사 및 난방 연료로 공급할 수 있다.
1: 분쇄기 2: 스쿠루 컨베이어 3: 대기유입방지 개폐기
4: 가스화반응로 모듈 5: 수증기발생기 6: 수소분리기
7: 수소저장탱크 8: 합성가스저장탱크 9: 원격제어부
200: 스크루 컨베이어 201: 이동공간부
300: 대기유입방지 개폐기
301: 몸체부 302: 개폐제어부
303: 유압실린더모듈 304: 수증기공급기
305: 열림수증기공급관 306: 담힘수증기공급관
307: 열림공간부 308: 노폐물배출밸브
400: 가스화반응로 모듈
401: 가스화반응로 402: 플라스마 토치
403: 합성가스송출관 404: 온도센서
405: 가스분석기 406: 압력센서
407: 반응로연결 408: 합성가스송출기
409: 액상폐기물투입구 410: 용융물배출밸브
411: 노폐물배출밸브 412: 가스화반응로내벽
413: 가스화반응로외벽 414: 반응공간부
500: 플라스마 토치
501: 몸체부 502: 이온수증기공급관
503: 음극부 504: 양극부
505: 냉각부 506: 냉각수배출구
507: 냉각수유입구 508: 열분해수증기배출기
509: 열분해수증기공급관 510: 열분해수증기조절밸브
511: 플라스마형성부 512: 플라스마화염형성부
600: 수소분리기
601: 몸체부 602: 유입관
603: 수소송출관 604: 수소송출기
605: 합성가스송출관 606: 합성가스송출기
607: 분리공간부
701: 수증기유도강선
900: 대기유입방지 감염물 개폐기
901: 몸체부 902: 상부슬리이더개폐기
903: 유압실린더 904: 유압실린더조정부
905: 하부슬리이더개폐기 906: 하부이동부
907: 상부저장부 908: 중간저장부
909: 상부수증기배출기 910: 압력센서
911: 방해센서 912: 하부수증기배출기
913: 냉각수배출구 914: 스크루컨베이어
915: 냉각수유입구
표 1: 가연성 폐기물 1kg와 물 360g의 가스화 생성물
4: 가스화반응로 모듈 5: 수증기발생기 6: 수소분리기
7: 수소저장탱크 8: 합성가스저장탱크 9: 원격제어부
200: 스크루 컨베이어 201: 이동공간부
300: 대기유입방지 개폐기
301: 몸체부 302: 개폐제어부
303: 유압실린더모듈 304: 수증기공급기
305: 열림수증기공급관 306: 담힘수증기공급관
307: 열림공간부 308: 노폐물배출밸브
400: 가스화반응로 모듈
401: 가스화반응로 402: 플라스마 토치
403: 합성가스송출관 404: 온도센서
405: 가스분석기 406: 압력센서
407: 반응로연결 408: 합성가스송출기
409: 액상폐기물투입구 410: 용융물배출밸브
411: 노폐물배출밸브 412: 가스화반응로내벽
413: 가스화반응로외벽 414: 반응공간부
500: 플라스마 토치
501: 몸체부 502: 이온수증기공급관
503: 음극부 504: 양극부
505: 냉각부 506: 냉각수배출구
507: 냉각수유입구 508: 열분해수증기배출기
509: 열분해수증기공급관 510: 열분해수증기조절밸브
511: 플라스마형성부 512: 플라스마화염형성부
600: 수소분리기
601: 몸체부 602: 유입관
603: 수소송출관 604: 수소송출기
605: 합성가스송출관 606: 합성가스송출기
607: 분리공간부
701: 수증기유도강선
900: 대기유입방지 감염물 개폐기
901: 몸체부 902: 상부슬리이더개폐기
903: 유압실린더 904: 유압실린더조정부
905: 하부슬리이더개폐기 906: 하부이동부
907: 상부저장부 908: 중간저장부
909: 상부수증기배출기 910: 압력센서
911: 방해센서 912: 하부수증기배출기
913: 냉각수배출구 914: 스크루컨베이어
915: 냉각수유입구
표 1: 가연성 폐기물 1kg와 물 360g의 가스화 생성물
Claims (11)
- 플라스마를 이용하여 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소 생산 자동화 방법에 있어서,
합성가스(Syngas) 및 수소 생산 공정에 대기의 유입이 차단되어 질소산화물의 형성이 근본적으로 차단되고, 생산되는 합성가스(Syngas)에 질소가 포함되는 것을 방지하는 단계;
대기의 유입이 차단된 가스화반응로에 대기의 유입 없이 가연성 폐기물을 투입하는 단계;
대기의 유입이 차단된 가스화반응로에 장착된 플라스마 토치를 열원으로 이용하여 가스화반응로 내부의 고체 또는 액체 상태의 가연성 폐기물을 기체 상태로 분해하는 단계;
대기의 유입이 차단된 가스화반응로에 장착된 플라스마 토치에 수증기를 플라스마 형성가스로 공급하고, 공급된 수증기가 이온화 과정을 통하여 배출되어, 플라스마 화염을 형성하면서 열분해 되어 발생하는 산소와 수소를 가스화반응로에 공급하는 단계;
대기의 유입이 차단된 가스화반응로에 장착된 플라스마 토치에 수증기를 공급하고, 공급된 수증기가 이온화 과정없이 플라스마 화염에 근접하여 플라스마 화염의 외부를 감싸는 소용돌이 형태로 배출되고, 배출된 수증기가 플라스마 화염의 고온에 의하여 열분해되어 발생하는 산소와 수소를 가스화반응로에 공급하는 단계;
대기의 유입이 차단된 가스화반응로에서 가연성 폐기물에서 치환된 기체와 수증기에서 열분해된 산소와 수소가 합성가스(Syngas)를 생성하는 단계;
상기 형성된 합성가스(Syngas)에서 수소를 분리 추출하는 단계;
상기의 모든 단계를 컴퓨터프로그램이 자동 제어 하는 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소 생산 자동화 방법.
- 제 1항에 있어서,
대기의 유입이 차단된 가스화반응로에 대기의 유입 없이 가연성 폐기물을 투입하는 단계는;
상기 가스화반응로에 부착되어 가연성 폐기물이 투입되는 투입구의 내부 공간에 고압의 수증기를 분사하여 수증기 에어 커튼을 형성하여서, 대기의 유입을 방지하는 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소 생산 자동화 방법.
- 제 1항에 있어서,
대기의 유입이 차단된 가스화반응로에 장착된 플라스마 토치를 열원으로 이용하여 가스화반응로 내부의 고체 또는 액체 상태의 가연성 폐기물을 기체 상태로 분해하는 단계는;
직렬로 연통된, 운영 온도와 크기가 다른 3개 이상의 가스화반응로를 이용하는 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소 생산 자동화 방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 직렬로 연통된 3개 이상의 가스화반응로에서, 첫 번째 가스화반응로는 마지막 가스화반응로에서 배출되는 고온의 합성가스(Syngas) 배출관 내부에 위치하여, 마지막 가스화반응로에 투입된 열에너지를 첫 번째 가스화반응로의 간접 가열 열원으로 재사용하는 방법을 특징으로 하는 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소 생산 자동화 방법.
- 제 3항에 있어서,
상기 직렬로 연통된 3개 이상의 가스화반응로의 운영 온도를 투입된 가연성 폐기물의 건조, 열분해, 가스화, 가스 정제에 맞추어 각각 다른 온도로 운영하는 방법을 특징으로 하는 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소 생산 자동화 방법.
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- 제 1항에 있어서,
대기의 유입이 차단된 가스화반응로에서 가연성 폐기물에서 치환된 기체와 수증기에서 열분해된 산소와 수소가 합성가스(Syngas)를 생성하는 단계는;
가스화반응로에서 생성되는 합성가스(Syngas)의 성분별 함량을 연속적으로 획득하는 단계,
상기 성분별 함량에서, 탄소와 산소의 몰비를 획득하는 단계,
탄소와 산소 몰비 1:1을 기준으로 탄소가 많으면 추가로 필요한 산소를 계산하여 수증기의 형태로 플라스마 토치에 공급하는 단계,
탄소와 산소 몰비 1:1을 기준으로 산소가 많으면 가연성 폐기물을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소 생산 자동화 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 형성된 합성가스(Syngas)에서 수소를 분리 추출하는 단계는;
수소분리탱크의 합성가스(Syngas) 이동량과 그 속에 포함된 수소의 함량을 연속하여 획득하는 단계,
상기 자료를 기반으로, 수소분리탱크 상부에 포집되어 있는 수소의 양을 계산하여 일회 배출량을 산출하는 단계,
수소분리탱크의 상부로부터 수소를 상기 일회 배출량만큼 배출한 후, 수소분리탱크 하부로부터 합성가스(Syngas)를 상기 일회 배출량만큼 배출하는 단계,
일정한 시간 간격으로 수소분리탱크의 모든 가스를 배출하고, 수소의 분리추출 자료를 재설정(Reset)하여 다시 수소 분리 추출을 시작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가연성폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소 생산 자동화 방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190115762A KR102059307B1 (ko) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | 플라스마를 이용하여 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소를 자동 생산하기위한 방법 및 구현 컴퓨터 프로그램 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020190115762A KR102059307B1 (ko) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | 플라스마를 이용하여 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소를 자동 생산하기위한 방법 및 구현 컴퓨터 프로그램 |
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|---|---|
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| KR1020190115762A KR102059307B1 (ko) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | 플라스마를 이용하여 가연성 폐기물과 수증기로부터 합성가스(Syngas) 및 수소를 자동 생산하기위한 방법 및 구현 컴퓨터 프로그램 |
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| KR (1) | KR102059307B1 (ko) |
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- 2019-09-20 KR KR1020190115762A patent/KR102059307B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220015180A (ko) * | 2020-07-30 | 2022-02-08 | 부산대학교 산학협력단 | 탄소 연료를 이용한 수소 또는 수소 합성 가스의 생산방법 및 이의 생산장치 |
| KR102421182B1 (ko) | 2020-07-30 | 2022-07-13 | 부산대학교 산학협력단 | 탄소 연료를 이용한 수소 또는 수소 합성 가스의 생산방법 및 이의 생산장치 |
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