가연성 폐기물 가스화에 의한 합성가스 제조특성

송철우1, 박소진12, 이재구*21, 김재호22

충남대학교 공과대학 화학공학과 1

한국에너지기술연구원 청정에너지연구부 가스화응용연구팀 2

jaegoo@kier.re.kr

The characteristics of composition method by combustible Waste gasification

Cheol Woo Song1*, So Jin Park12, Jae Goo Lee*21, Jae Ho Kim22

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University

Gasification application research team, Korea Institute of Energy Research, PO 103 Yousung, 305-343, Korea

jaegoo@kier.re.kr

I. 서론

폐기물 재활용에 따르는 경제성을 확보하기 위해서는 종류별 선별 및 이물질 분리나 전처리 비용이 적게 소요되는 기술의 개발이 필요하다.

가스화 기술에 의한 폐기물 처리는 매립과 소각보다 환경친화적이고 폐기물 재활용이라는 측면에서 중요한 이슈로 제안되어 국제적으로 다양한 공정이 연구 개발되어지고 있다. 가스화 처리 방식이란 가연성 물질에 포함된 탄소성분을 고온하에서 산소에 의한 부분산화와 수증기에 의한 가스화 반응에 의하여 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 제조하는 공정을 말한다. 따라서, 가스화에 의한 반응기 내부 조건은 환원성 분위기이며, 단순히 불활성 분위기 하에서 가열에 의해 휘발화 하는 열분해 반응과 차이점을 갖는다.

이와 같은 폐기물 처리에서 가스화 기술을 이용하고자 하는 요인은 가연성 물질로부터 열을 회수 이용하고자 할 때 연소조절이 어렵거나 공해물질 발생으로 인한 후처리 문제를 해결할 수 있는 대안으로 입증되었기 때문이다. 또한 가스화 기술에 의해 고체, 액체 폐기물을 포함하는 다양한 폐기물의 처리가 가능하고 에너지 회수 효율이 높아 경제성 측면에서도 유리한 점을 지니고 있다. 현재 세계적으로 개발되고 있는 폐기물 가스화 공정으로는 SVZ공정1),2), Thermoselect공정3),4), SIEMENS 공정5)이 있다.

II. 실험

1. 시료

본 연구에서 사용된 시료는 산업체로부터 발생된 시료를 수거하여 5mm까지 분쇄하고 이를 균일 혼합한 다음 압출기에서 200℃로 가열하여 성형하였다. 제조된 시료는 원통형으로 크기는 직경 30mm 길이 50mm로써, 평균발열량은 6,500kcal/kg (HHV기준)이다.

2. 실험 장치

가스화 반응기 내부는 직경150mm, 높이1100mm로 1,500℃이상 유지를 위하여 알루미나계 내화물((주)원진; HACT-160)을 사용하였고, 반응기 하부로부터 200mm, 450mm, 700mm 지점에 내부 온도 측정을 위한 온도계를 설치하였다.

고형폐기물은 상부에서 feeder를 이용하여 투입하였고, 가스화를 위한 산소와 반응기 예열용 LPG 및 공기는 하부의 blow lance를 통하여 공급하였다. 가스화시 폐기물의 용융이나 가스화로 인한 산소의 통기성을 감지하기 위하여 반응기 상부와 하부의 압력차를 측정하였다. 생성된 가스는 집진 및 냉각에 의한 전처리를 거친 다음 on-line 분석기(Hartmann & Braun사)를 사용하여 CO, CO2, CH4(IR방식)와 H2 (TCD방식) 가스를 분석하였다. 고형폐기물 중 반응되지 않고 용융 회수되는 slag는 quenching vessel에서 급냉 회수되었다. 가스화 시스템 전체 개략도는 Fig. 1.와 같다.

Fig. 1. Schematic Drawing of Fixed Bed Gasifier.

3. 실험 방법

가스화 반응기를 예열하기 위해 상부 lock hopper와 반응기 내부에 제철용 코크스 3kg을 충전하였다. 예열과정은 LPG 연소에 의해 코크스를 점화하고, 이후에는 lock hopper를 통하여 주기적으로 연료를 공급하여 충진층을 일정하게 유지한 상태에서 연소하였다. 반응기는 2시간 정도 가열하여 하부온도를 1200℃까지 가열하였다. 코크스 완전 연소 전 고형폐기물을 투입하여 혼합연소하고 가스화 반응을 위하여 충진층 높이와 공급되는 폐기물 및 산소량을 조절하였다. 호퍼 상부에서 질소가스를 공급하여 생성된 합성가스나 외부로부터 반응기 내부로 공기 혼입을 방지하였다.

III. 결과 및 고찰

1. 산소 및 온도에 따른 영향

Fig. 1에 나타난 바와 같이 산소량 증가에 따라 폐기물 층 내부온도는 상승하였는데, O2와 폐기물의 비가 0.4일 때까지 상부 및 하부온도가 급격하게 증가함을 보였다. 이는 O2와 폐기물의 비가 증가할수록 발열반응인 식(1), (2)가 우세하게 일어나기 때문이다.

C + O2 → CO2	□H =-393.8kJ/mol	(1)

C + ½O2 → CO	□H=-110.6kJ/mol	(2)

Fig. 1. Bed Temperature with the Oxygen/Waste Ratio

폐기물 층 높이를 500mm로 유지한 경우 산소량에 따른 합성가스 조성변화는 Fig.2와 같다. 산소와 폐기물의 비가 0.35∼0.45에서 CO 발생량이 최대가 된다.

이는 하부로부터 연소가스인 CO2가 상승하면서 상부에서 열분해된 셀루로오스 char와 char-CO2 반응이 일어나 CO 발생량이 증가하는 것이다.

산소량이 더욱 증가하게 되면 char의 생성이 적어지게 되고 CO2 발생량이 증가되므로 산소와 폐기물의 비가 0.45이상의 범위에서부터는 가연성 성분인 H2, CH4, CO의 발생량이 감소하는 결과를 보여주었다.

Bed 상부 온도를 350℃에서 600℃까지 변화하여 가스화 운전상태를 평가하였다. 층 상부의 온도가 400℃ 이하로 유지되면 투입된 폐기물은 상승하는 합성가스에 의해 가열되고 용융되어 반응물 상부의 표면을 덮어 반응기 내부의 상, 하부에 압력차를 발생시킨다. 따라서 층 상부의 온도가 400℃ 이하로 유지되면 가스화 운전 조작이 어려운 것으로 나타났다.                                  Fig. 2. Gas Composition with the Oxygen/Waste Ratio

4. Bed 높이에 따른 영향

고형폐기물의 충진량을 증가시켜 bed의 높이에 따른 합성가스 생성특성은 Fig. 10.과 같다. 층 높이가 증가함에 따라 가연성 가스의 농도가 증가함을 보였다. 이는 가스 및 char의 체류시간 증가로 인한 효과로 볼 수 있는데, 층 높이를 700mm 이상으로 유지하는 경우에는 앞서 설명한 상부의 온도가 400℃ 이하가 되며 따라서 가스화 운전 조업이 어려운 것으로 나타났다.

Fig. 3. Gas Composition with the Bed Height

고정층 반응기로부터 형성된 생성가스의 발열량과 생성량으로부터 냉가스 효율을 다음과 같이 계산하였고 Fig. 4에 나타내었다.

[eqn: rm eta = {({X_H_2}{HHV_H_2} + {X_H_2}{HHV_H_2} + {X_H_2}{HHV_H_2}){m_gas}} over {{m_waste} {HHV_waste}} ×100(%)]	(3)

산소량 및 온도 변화에 따라 가스 발생량은 1∼1.8 Nl/g 폐기물 수준으로 생성되었다. 본 고정층 가스화 실험 범위내에서 계산된 냉가스 효율은 O2/waste비가 0.4∼0.5의 범위에서 61% 수준을 보였다.

Fig. 4. Heating Value and Cold Gas Efficiency with O2/Waste Ratio

IV. 결론

본 실험에서는 30kg/d 규모의 고정층 가스화장치를 이용하여 폐기물 특성과 운전조건에 따른 합성가스 제조 특성을 파악하였다. 원통형으로 성형된 가연성 폐기물의 가스화 실험을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 일정한 반응조건을 유지하기 위해서는 반응물 주입 주기를 적절하게 유지함이 중요하였다. 주입주기에 따라 온도 및 가스 조성이 변화하였는데,  본 실험에서는 15분에 0.3kg 수준으로 공급하였다.

2. 혼합물로 이루어진 폐기물에서 플라스틱 성분은 가스 조성이나 통기성에 많은 영향을 주었다. 플라스틱의 크래킹에 의해 발생되는 메탄은 셀룰로오스나 석탄의 가스화보다 그 발생량이 많았고, 열가소성 플라스틱의 용융으로부터 통기성을 유지하기 위하여 bed 상부온도는 400℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.

3. 산소와 폐기물의 공급비가 증가함에 따라 온도도 증가하였는데, 공급비가 0.4일 때까지 급격하게 증가하였다. 가연성 가스농도는 공급비 0.45까지는 증가하였으나 그 이상에서는 공급되는 산소와 char 및 가스의 연소에 의해 감소하는 결과를 보였다.

4. 층 높이가 증가함에 따라 가연성 가스 농도는  증가하였는데, 층 높이가 700mm 이상에서는 산소의 압력손실로 인하여 가스화 운전 조업이 어려운 것으로 나타났다.

5. 가연성 가스의 발생량은 1∼1.8 Nm3/kg 폐기물 수준으로 냉가스 효율은 O2/waste비가 0.4∼0.5의 범위에서 61% 수준을 나타내었다.

References

1. H.Vierrath, B.Buttker and G. Steiner, "Waste to Energy and Chemicals by Pressure Gasification- Operational Results from Schwarze Pumpe, FRG", EPRI/GYC Gasification Technologies Conference, Oct. 5-8, Grand Hyatt, San Francisco, CA USA (1997)

2. SVZ, "SVZ Newsletter",Special ed. (2000)

3. Thermoselect Brochure,"Thermoselect - Energy and Raw Material Recovery

4. Bernd Calaminus and R. Stahlberg, "Con tinuous in-line gasification/vitrification process for thermal waste treatment: process technology and current status of projects", Waste Management 18(1998) 547-556

5. 김태법, □Siemens 열처리 재활용 공정□, 고온열분해용융기술 심포지움, 8. 29, 순천대 (1997)