KR101348132B1

KR101348132B1 - 유기성 폐기물을 이용한 고체연료와 ＮＯｘ환원제의 복합 생산 공정

Info

Publication number: KR101348132B1
Application number: KR20120140930A
Authority: KR
Inventors: 윤태한; 최규석; 이진수; 한덕만; 이창원
Original assignee: (주)도드람환경연구소
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-01-10
Anticipated expiration: 2032-12-06

Abstract

본 발명은 유기성 폐기물을 이용한 고체연료와 NOx환원제의 복합 생산 공정에 관한 것으로, 더 상세하게는 축산분뇨인 유기성 폐기물을 메탄발효시킨 후 고액분리하고, 발효과정에서 생산된 메탄은 연소에 의해 열을 발생시켜 고액분리된 고형물의 건조에 사용하고, 건조된 고형물은 성형을 통해 고체연료로 사용되도록 하고, 고액분리된 액상물은 농경지 액비로 사용하거나 화력발전 또는 소각로의 NOx 환원제로 사용되도록 하여 배가스에서 NOx농도를 저감시키도록 한 것이다.
특히 상기 메탄발효조는 메탄을 연소한 연소열로 바닥을 가열하도록 하고, 내부에는 메탄가스를 폭기기체로 사용하는 산기장치를 구비시켜 슬러지 상태인 유기성 폐기물이 발효되는 과정에서 지속적인 대류가 이루어지도록 해 고형물침전을 방지하면서 발효를 촉진시키는 등 메탄가스 생산과 고체 고체연료와 액비 및 NOx환원제를 생산하는 복합공정에 관한 것이다.

Description

유기성 폐기물을 이용한 고체연료와 ＮＯｘ환원제의 복합 생산 공정{Combined Production Process for Solid Fuel and Rreducing Agent of NOx using Organic Waste Sludge}

본 발명은 유기성 폐기물을 이용한 고체연료와 NOx환원제의 복합 생산 공정에 관한 것으로, 더 상세하게는 축산분뇨인 유기성 폐기물을 메탄발효시킨 후 고액분리하고, 발효과정에서 생산된 메탄은 연소에 의해 열을 발생시켜 고액분리된 고형물의 건조에 사용하고, 건조된 고형물은 성형을 통해 고체연료로 사용되도록 하고, 고액분리된 액상물은 농경지 액비로 사용하거나 화력발전 또는 소각로의 NOx 환원제로 사용되도록 하여 배가스에서 NOx농도를 저감시키도록 한 것이다.

특히 상기 메탄발효조는 메탄을 연소한 연소열로 바닥을 가열하도록 하고, 내부에는 메탄가스를 폭기기체로 사용하는 산기장치를 구비시켜 슬러지 상태인 유기성 폐기물이 발효되는 과정에서 지속적인 대류가 이루어지도록 해 고형물침전을 방지하면서 발효를 촉진시키는 등 메탄가스 생산과 고체 고체연료와 액비 및 연소로의 NOx환원제를 생산하는 복합공정에 관한 것이다.

우리나라는 소비 에너지의 97%를 수입에 의존하고 있으며, 에너지 소비 증가율 또한 매우 높은 수준에 이르고 있으며 최근 가을철 기후변화 요인으로 발전 예비율의 급격한 저하 및 일부의 정전사태가 일어나 안정적인 에너지 공급을 위한 다양한 형태의 에너지 자원의 확보 및 공급이 매우 중요한 사안이 되고 있다.

또한, 세계적인 기후변화대응을 위하여 정부는 2020년 BAU(Business As Usual) 대비 30%의 이산화탄소 삭감을 제시하였고, 에너지 절약과 함께 지속적인 신재생에너지 자원의 확보가 매우 중하게 되었으며, 해결방안의 하나로 유기성 폐자원에 대한 관심이 급격하게 증가하고 있다.

국내 유기성 폐자원의 에너지 잠재량은 건조유기성 폐기물이 981만톤/년에 이르고, 고함수 유기성 폐기물이 5,258만톤에 이르러 이를 효율적으로 활용할 경우 연간 5,800만 배럴(793만TOE)의 석유수입 대체 및 2,800만톤의 이산화탄소 저감이 가능할 것으로 예상되고 있으므로, 매년 발생량이 큰 유기성 폐자원의 에너지화에 의해 안정적인 신재생에너지 자원을 확보할 수 있다.

상기 대표적인 유기성 폐자원으로는 최근 집약적인 축산업의 발달로 국내발생량이 증가되고 있는 축산분뇨이다. 상기 축산분뇨의 연간 배출량은 약 4,500만톤 규모로, 막대한 비료자원으로서의 역할과 동시에 한편으로는 주변 환경의 오염원으로까지 인식되므로 축산분뇨 처리와 환경문제 해결에 대한 요구와 관심이 주변 및 사회 전반에서 증대되고 있는 실정이다.

상기 축산분뇨를 포함한 유기성 폐기물(폐자원) 중 대다수를 차지하는 것은 돈분뇨이며, 돈사에서 배출되는 돈분뇨는 분이 약 90%이고, 뇨가 약10%가 혼합되는 고함수 슬러지 상태이다. 이와같이 축산분뇨인 슬러지상의 고함수 고형물은 대부분 매립으로 처리해서 수질 및 토양을 오염시키는 주요 원인 중 하나로 작용하고 있었으나, 최근에는 폐기물의 자원화 또는 에너지화에 의한 연구개발로 건조에 의해 퇴비 또는 소각 또는 용융에 의한 복토재 등으로 상당량 재활용하여 환경오염을 방지하고 있다. 그러나 상기 축산분뇨의 함수율을 낮추기 위해서 다량의 열에너지가 소모됨으로 결과적으로는 에너지소모량이 큰 재활용 방식이어서 비효울적이었다.

따라서, 상기 축산폐수 건조시의 에너지 소모량을 감소시기키 위해 고액분리기를 통해 고형물과 액상물을 먼저 분리한 다음 고형물에 대한 건조가 이루어지며, 단순 비료이외에 소각에 의한 열을 생산하는 연료로 사용되도록 하며, 상기 고형물이 소각되는 열을 이용하여 고액분리된 고형물의 건조에 활용하고 있다. 또한, 고액분리된 액상물은 액비로 사용하여 논밭에 뿌리는 비료로 활용하고 있다.

그러나 액비는 재배하는 작물에 살포가 어려움으로 사용시기가 한정적이고 비료 용도 이외의 사용분야가 없는 단점이 있으며, 고형물 건조에 사용되는 열은 고체연료를 소각시켜 발생시킴으로 에너지 생산효율성이 낮은 단점이 있다.

대한민국 특허등록 제0921691호의 유기성폐기물의 고형연료 제조방법 및 장치에는 유기성폐기물을 건조하여 함수율을 낮추고 이를 탄화시킨 다음 열분해된 휘발성분을 탄화물에 흡착시켜 고발열량의 고형연료를 생산하도록 한 것으로, 탄화시 발생되는 열을 회수하여 건조에 사용되도록 하고 있다. 상기 방식은 고수분인 유기성폐기물의 수분 함유량을 낮추기 위해 핵으로 사용되는 건조물을 투입하여 건조물핵에 유기성폐기물이 흡착되도록 하여 수분함량을 낮추도록 한 것이나, 여전히 다수의 수분을 포함하고 있어 건조에 다량의 열을 필요로 하고 있으며, 고형 연료만을 수취되고 있다.

대한민국 특허등록 제0841335호의 중압증기를 이용한 축사분뇨 또는 유기성폐기물 건조장치 및 이를 이용한 축산분뇨 또는 유기성폐기물의 건조방법과 이러한 축산분뇨 또는 유기성폐기물 건조장치를 이용한 축산분뇨 또는 유기성폐기물의 고효율 건조/가스화를 포함하는 열병합장치는, 유기성폐기물이 투입된 건조기에 중압증기를 투입하여 유기성폐기물의 세포막을 파괴하여 함수율을 낮춘 고형물은 연료화하여, 악취가 제거된 액상물은 액비로 사용되도록 하고 있다. 본 건은 초기 유기성 폐기물의 건조시 중압증기에 의해 세포막파손 방식을 적용하여 함수율을 낮추고 있으나, 건조에 사용되는 중압가스를 생산하기 위해 가스화장치로 고형물을 가스화한 가연성가스를 사용하고 있다. 이는 축산폐수에서 분리한 액상물을 액비로 사용하고, 고형물은 가연성가스로 가스화하여 연료로 사용하는 축산분뇨의 사용 다변화를 제시하고 있으나, 고형물과 액비에 의한 에너지만 제공되고 있다.

따라서, 축산분뇨를 포함하는 유기성폐기물의 처리효율을 증대시키면서 고액분리에 의한 액비와 고형물의 건조에 의한 고체연료 이외에 추가로 에너지를 확보할 수 있는 새로운 방식의 복합 생산 공정에 대한 연구가 필요하다.

이에 본 발명의 유기성 폐기물을 이용한 고체연료와 NOx 환원제의 복합생산공정은,

초기 축산분뇨 슬러리를 발효시키는 발효단계를 통해 메탄가스를 생산하고, 생산된 메탄가스 일부를 연소시킨 연소열을 이용하여 고액분리된 고형물을 건조시키는 등 액비와 고체연료 이외에 메탄가스를 함께 수취할 수 있는 등 하나의 공정을 통해 다양한 에너지와 부산물을 수취할 수 있는 공정의 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 메탄가스의 연소열로 혐기성소화조의 바닥을 가열하도록 하여 대류를 발생시켜 혐기성소화조 내의 슬러지가 침전되는 것을 방지하여 발효효율을 증가시키는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 유기성 폐기물을 이용한 고체연료와 NOx 환원제의 복합 생산 공정은,

유기성 폐기물을 이용한 복합 생산 공정에 있어서, 가축분뇨가 포함된 유기성폐기물의 슬러리원수를 혐기소화조에 통과시켜 산발효와 메탄발효가 순차적으로 이루어져 바이오가스를 생산하는 바이오가스 생산단계와; 상기 바이오가스 생산단계에서 생성된 바이오가스를 보일러로 공급하여 열을 생산하는 열생산단계와; 혐기소화조에서 방출되는 폐액으로부터 고체성분과 액체성분을 분리하는 고액분리단계와; 상기 고액분리단계에서 분리된 액상물인 액비에 요소를 첨가하여 화력발전소 또는 소각로의 연소챔버 상부로 투입해 연소가스와 접촉시켜 NOx의 환원제로 사용하는 NOx환원 단계와; 상기 고액분리단계에서 분리된 고체성분인 고형물을 바이오건조기로 공급하여 내부포함된 잔여수분을 중력으로 배수시키고, 자연건조와 열생산단계에서 발생된 열을 공급받아 열풍건조가 이루어지는 고형물 바이오건조단계와; 건조된 고형물과 농업부산물을 혼합하여 건조기로 투입하고 열생산단계에서 발생된 열로 건조시킨 다음 펠릿형태로 성형하여 고체연료를 생산하는 고체연료생산단계와; 상기 생산된 고체연료를 화력발전소 또는 소각로의 연소챔버로 투입하여 연소시켜 발생된 열 또는 가연성가스를 이용하여 전기를 생산하는 전력화단계;를 포함하여 이루어진다.

상기 해결수단에 의한 본 발명의 유기성 폐기물을 이용한 고체연료와 NOx 환원제의 복합 생산 공정은,

축산분뇨를 포함한 유기성폐기물의 슬러리를 발효시켜 바이오가스인 메탄가스를 생산하고, 고액분리된 고형물은 농업부산물과 혼합하여 펠릿형태의 고체연료를 생산하고, 고액분리된 액상물은 액비로 제조하거나, 요소와 혼합하여 NOx환원제로 제조하는 등 유기성폐기물을 처리하는 하나의 공정을 통해서 다양한 에너지를 생산하고 액상물인 액비의 활용분야를 확대시키면서 고부가부산물의 제공이 가능하게 되었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정을 나타낸 흐름도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정을 나타낸 공정도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 혐기소화조의 산기장치의 폭기에 의한 교반상태를 나타낸 상태도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 탈황장치를 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 혐기소화조의 열교환을 위한 배관상태를 나타낸 구성도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 바이오건조기의 탈취챔버를 도시한 개략도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 발전설비에서 NOx 환원제로 순수요소액과 개량요소액을 사용했을때의 NOx 저감정도를 나타낸 그래프.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정을 나타낸 공정도이다.

도시된 바와같이 본 발명에 따른 유기성폐기물을 이용한 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정은, 가축분뇨가 포함된 유기성폐기물의 슬러리원수를 이용하여 바이오가스를 생산하는 바이오가스 생산단계가 이루어진다.

상기 유기성폐기물은 가축분뇨 이외에 음식물쓰레기, 도축폐기물 등 다양한 유기성폐기물을 포함하며, 상기 가축분뇨의 경우에는 돈분뇨, 우분뇨, 계분뇨를 포함한다. 상기 가축분뇨의 대부분은 돈분뇨로 유기물분포를 보면 분이 약90%이고, 뇨가 약10%이나 대부분 돈사에서는 분과뇨를 혼합하여 슬러리상태로 저장하고 1~3개월 저장한 다음 배출이 이루어진다. 이러한 슬러리상태의 분뇨를 약2개월 저장시에는 고형물중의 유기물이 용출 또는 미생물에 의해 가용화되어 고형물과 액상물에 잔존하는 유기물량을 유사한 상태이다.

이와같이 다량의 유기물이 잔존하는 유기성폐기물의 슬러리원수는 직접 혐기소화조(10)에 투입하거나, 스크린망을 통해 부피가 큰 고형물을 1차필터링한 다음 투입되거나, 파쇄기를 이용하여 고형물의 크기를 줄인 다음 투입되거나, 혼합조에 의해 혼합하여 분뇨가 균일하게 혼합되도록 한 다음 투입이 이루어지도록 할 수 있다.

상기 혐기소화조(10)로 투입된 슬러리는 산발효와 메탄발효가 순차적으로 이루어지도록 하여 바이오가스가 생산되도록 한다. 즉, 혐기소화조의 도입부분에는 산발효에 의해 유기물 중의 셀룰로스(Cellulose)나 전분 등의 탄수화물은 간단한 당류로 분해하고, 단백질은 아미노산(Amino Acid)류로 되고, 지방질은 글리세롤이나 지방산으로 가수분해가 이루어지도록 한다. 또한, 메탄발효는 산발효를 수행한 슬러리의 유기산이 절대혐기성의 메탄생성균에 의하여 탄산가스(CO₂) 및 메탄(CH₄)을 주성분으로 하는 혼합가스가 생성하는 것이다.

이러한 혐기소화조는 유로길이를 길게 형성하여 일측으로부터 타측으로 이동하면서 산발효와 메탄발효가 이루어지도록 하되, 격벽에 의해 공간을 구획하여 발효가 이루어지도록 하고 산발효과 메탄발효 사이에는 완충구역을 형성하여 산발효량 증가시 완충구역을 산발효로 활용하도록 하고, 산발효량 감소시에는 메탄발효가 이루어지도록 하는 방식에 의해 투입되는 슬러리양이 변화되어도 혐기소화조 자체적으로 발효정도를 조절하도록 할 수 있다.

다음으로는 상기 메탄발효에 의해 혐기소화조 상부에 포집된 고농도의 바이오가스를 이용한 열생산단계가 수행된다. 상기 열생산단계는 바이오가스를 보일러(20)로 공급하여 온수 또는 열풍 형태로 열을 생산한다.

상기 열생산단계 이전에는 혐기소화조(10)에서 생산된 바이오가스로부터 황성분을 제거하는 탈황단계를 더 수행하여 황성분이 제거된 바이오가스를 보일러(20) 또는 연소기관으로 공급되도록 할 수 있다.

상기 바이오가스 생산단계에서 혐기소화조(10)에서 생선된 바이오가스는 가연성가스 이외에 혐기미생물 분해작용에 기인한 H₂S, CO₂, H₂, NH₃, 초산을 비롯한 각종 저급지산들이 다량 함유되어 있으며, 이들 바이오가스중 특히 H₂S는 보일러나 엔진에 사용할시 부식의 원인이 되므로 탈황단계를 수행하여 황성분을 제거하는 것이 바람직하다.

상기 탈황단계의 일예로는 도 4를 참조한 바와같이 탈황장치는 혐기소화조(10)에서 배출되는 바이오가스가 유입되는 중개조(21)와, 상기 중개조와 연통되어 용액의 순환이 이루어지도록 하면서 황을 석출시키는 생물탈황조(22)와, 중개조의 바이오가스를 유입하여 화학적 탈황이 이루어지도록 하는 화학적탈황조(23)로 구성된다.

상기 중개조(21)는 불투명탱크로 형성하여 햇빛을 차단하고 내부에는 홍색유황세균이 10중량%가 되도록 물과 혼합된 혼합액이 저장되어 있다. 상기 중개조로 바이오가스를 폭기시키면 바이오가스 성분 중 황화수소가 혼합액에 용해되어 제거된다.

상기 황화수소가 용해된 혼합액은 이송관을 통해 생물탈황조(22)로 일부 공급되고, 생물탈황조에 저장된 혼합액은 펌핑에 의해 중개조(21)로 공급되는 순환이 이루어진다. 이 때 투명재질의 생물탈황조(22)로 유입된 혼합액은 외부로부터 광이 전달되어 홍색유황세균의 광합성작용에 의해 황화수소의 분해하여 황을 석출하거나, 황산암모늄을 생성하게 된다.

즉, 반응식1) 2CO₂+ H₂S + 2H₂O → 2(CH₂O) + S(석출) → 2(CH₂O) + (H₂SO₄)

상기 반응식에서와 같이 황을 석출하거나 황산을 생성한다.

생성된 황산은 암모니아과 반응하여 질소질비료인 황산암모늄이 생성된다.

반응식2) H₂SO₄ + 2NH₃ → (NH4)₂SO₄

또한, 중개조(21) 상부의 바이오가스는 화학적탈황조(23)로 공급되는데 상기 화학적탈황조(23)는 불투명탱크로 내부에는 수산화철 현택액이 저장되어 있어 현탁액에 폭기되도록 공급되는 바이오가스에 잔존하는 황화수소와 반응하여 황화철을 생성한다. 상기 화학적탈황조의 반응과정은 다음과 같다.

반응식3) 2Fe(OH)₃+ 2H₂S → Fe₂S₃ + 6H₂O

또한 상기 화학적탈황조를 다단으로 설치하여 바이오가스 내의 황성분을 제거하도록 할 수 있다.

상기 바이오가스 생산단계에는 상기 바이오가스를 연소하여 발생된 열에 의해 혐기소화조(10)의 슬러리를 대류시키는 슬러리대류단계가 더 포함될 수 있다. 상기 슬러리대류단계는 보일러(20)에서 발생된 열을 혐기소화조 바닥면에 공급하여 가열시킴으로써 가열된 슬러리가 상부로 이동되면서 대류에 의한 혼합이 이루어지도록 한 것이다. 이러한 대류로 인해 슬러리는 고형물이 침전되는 것을 방지하여 압밀에 의해 부분적으로 고형물이 퇴적되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 가열부위로는 바닥면 이외에 측면을 동시에 가열할 수 있으나 이는 열소모량이 커지는 단점이 있으므로, 바닥면만 가열하여 상향류 대류에 의한 혼합이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 이와같이 상기 슬러리의 바람직한 온도로는 발효에 적합한 33~38℃로 형성하여 발효촉진에 의해 바이오가스의 생산량을 증대시킬 수 있다.

또한, 상기 바이오가스 생산단계에는 폭기교반단계가 더 수행될 수 있다. 상기 폭기교반단계는 도 3을 참조한 바와같이 혐기소화조(10) 단면의 일측 바닥에 산기장치(11)를 설치하고, 송풍기(12)를 이용하여 혐기소화조 상부의 바이오가스를 흡입하여 산기장치로 공급해 폭기가 이루어지도록 함으로써 폭기에 의해 슬러리의 교반이 이루어지도록 할 수 있다.

이때 상기 혐기소화조에는 도시된 바와같이 중간부분에 교반격벽(13)을 형성할 수 있다. 상기 교반격벽에 의해 구획된 소폭의 공간은 하부의 산기장치 폭기로 인해 상향류가 발생됨으로 교반격벽 하부공간을 통해 장폭의 공간으로부터 슬러리가 유입되고 상부공간을 통해 소폭공간으로 상승된 슬러리가 장폭공간으로 이동되도록 하는 횡형교반이 이루어지도록 하여 발효미생물과 유기성고형물의 접촉빈도를 높여 발효를 촉진시킬 수 있다.

아울러 상기 혐기소화조(10)로 공급되는 슬러리원수는 열교환단계를 통해 가온이 이루어지도록 할 수 있다. 도 5를 참조한 바와같이 상기 혐기소화조에서 배출되는 폐액은 슬러리대류단계에 의해 열을 공급받아 고온상태이다. 따라서, 혐기소화조에서 배출되는 폐액(14)은 혐기소화조로 투입되는 슬러리원수(15)와 열교환되도록 하여 슬러리원수의 온도를 상승시키도록 함으로써 폐기되는 에너지를 재활용하면서 혐기소화조(10) 내에서 슬러리 가열시 사용되는 열량을 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 폐액(14)과 슬러리원수(15) 사이의 1차 열교환(16) 이외에 혐기소화조 바닥면을 가열하기 위해 공급되는 보일러(20)의 열공급라인과 슬러리원수를 2차 열교환(17)하는 재열교환단계가 더 이루어질 수 있다 상기 혐기소화조 바닥면에 배관되는 열공급라인 즉, 보일러에서 배출된 난방수는 고열이므로 상기 슬러리원수와 열교환에 의해 슬러리원수 온도를 급속하게 증가시킬 수 있는 장점이 있으며, 고열을 직접 혐기소화조 바닥면에 공급하는 것을 차단하여 발효미생물의 발효과정을 저해하는 것을 방지할 수 있다.

이상과 같이 혐기소화조에서 배출되는 폐액은 고액분리기를 이용하여 고체성분인 고형물과 액체성분인 액상물을 분리하는 고액분리단계가 수행된다. 상기 고액분리단계에서 사용되는 고액분리기(30)는 분리효율을 높이기 위해 원심분리기를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 혐기소화조에서 배출되는 폐액은 직접 고액분리기로 투입하여 분리가 이루어지도록 하거나 슬러지저장조(31)에 일정량 이상 저장도면 분리가 이루어지도록 하는 등 필요에 따라 선택적으로 실행될 수 있다.

상기 고액분리단계에 의해 분리된 액상물인 액비를 이용하여 화력발전소 또는 소각로 또는 연소에 발생된 연소가스에 투입해 NOx를 환원시켜 제거하는 NOx환원제로 사용하는 NOx환원단계가 수행된다.

상기 NOx환원제로는 기존에는 요소를 주로 사용하고 있었다. 즉, 요소는 분해되어 NH₂, HNCO가 되고, 상기 NH₂, HNCO가 NO와 반응하게 된다.

즉, NH₂는 하기 반응에 의해 N₂가 되어 방출된다.

반응식4) NH₂ + NO → N₂H or N₂

반응식5) N₂H + NO → N₂

또한, HNCO는 하기 반응에 의해 N₂가 되어 방출된다.

반응식6) HNCO + OH → NCO

반응식7) HNCO + H → NH₂

반응식8) NCO + NO → N₂O

반응식9) N₂O + H → N₂

상기 반응식7)에서 생성된 NH₂는 반응식4)과 반응식5)를 통해 N₂가 된다.

상기와 같은 반응을 통해 유해한 NO가스를 안정적인 N₂가스로 변환하여 배출시킨다.

따라서, NOx 저감을 위해서는 다량의 요소수가 필요하나 본 발명의 액비를 대체 사용함으로써 액비사용 분야를 확대하고 시설비를 절감시킬 수 있다. 여기서 상기 NOx환원제로 사용되는 액비는 전량 액비로 사용하거나, 액비 100 중량부에 대해 요소 50~150 중량부로 혼합한 혼합제를 사용함으로써 요소수 사용량을 절감시킬 수 있다. 물론 상기 액비의 혼합량을 더 크게 할 수 있으나, NOx 의 환원반응이 낮아지는 단점이 있고, 액비혼합량을 상기 비율보다 줄이면 액비사용효율이 미비해는 단점이 있으므로 상기 범위로 혼합사용하는 것이 바람직하다.

다음으로는 상기 고액분리단계에서 분리된 고체성분인 고형물을 건조시키는 고형물 바이오건조단계가 수행된다. 상기 고형물 바이오건조단계는 자연채광이 가능한 바이오건조기(40)에 고형물을 안치하여 고형물 내부에 포함되어 잇는 잔여수분이 중력에 의해 자연배수가 이루어지도록 하면서 태양광을 이용한 건조가 이루어지도록 한다. 상기 바이오건조단계에서는 밸트에 고형물을 적재하고 밸트를 이동시키면서 건조가 이루어지도록 하거나, 유동상 바이오건조기를 이용하여 고형물의 이동이 이루어지도록 할 수 있다.

상기 바이오건조단계에서 고형물의 건조는 태양열을 이용하며, 건조효율을 증대시키기 위해 열생산단계의 보일러(20)에서 생산된 열을 열풍으로 추가제공하여 신속한 건조가 이루어지도록 할 수 있다.

상기 바이오건조단계에서는 건조시 발생되는 배가스에 포함된 악취성분을 제거하도록 배가스 탈취단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 배가스 탈취단계는 바이오건조기(40)의 상부를 통해 포집되어 배출하는 환기덕트의 배출유로상에 탈취액을 분사하는 탈취챔버(41)를 구비하여 배가스로부터 악취가스를 분리제거하도록 한다. 상기 탈취챔버(41)는 도 6을 참조한 바와같이 배가스의 이동유로를 길게 형성하기 위해 다수의 정류판(42)이 설치될 수 있고, 상부에는 탈취액공급부(43)가 형성되며, 하부에는 탈취액 포집부(44)를 형성하여 폐탈취액을 정화조로 이송하여 처리되도록 할 수 있다.

다음으로는 건조된 고형물과 농업부산물을 혼합하여 고체연료를 생산하는 고체연료생산단계가 수행된다

본 고체연료생산단계에서는 건조된 고형물이 잘 연소되도록 하기 위해 농업부산물이 혼합된다. 상기 농업부산물로는 톱밥, 왕겨, 버섯폐배지, 볏과에 속하는 억새 등 다양한 가연성부산물을 1종이상 선택하여 혼합할 수 있으며, 혼합이 용이하게 이루어지도록 상기 농업부산물을 분말화하는 분쇄단계가 포함될 수 있다. 이러한 건조된 고형물과 농업부산물은 건조기(50)에 투입되어 건조가 이루어지면서 균일한 혼합이 이루어지도록 하여 연소성능이 최대한 균일하게 발생되도록 한다.

상기 건조기로는 드럼건조기를 사용하여 회전에 의해 균일한 혼합과 건조가 이루어지도록 하고, 내부 건조에 사용되는 열풍으로는 보일러 연소에 의해 생성되는 열을 이용하여 건조가 이루어지도록 하며, 고액분리된 고형물을 바이오건조과정없이 직접 공급받아 건조가 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 상기 건조기를 통해 건조된 고형물과 농업부산물의 혼합물은 성형기(60)를 통해 압출되어 펠릿형태의 고체연료를 생산하며, 사용분야에 따라 다양한 사이즈로 펠렛형태의 고체연료의 생산이 가능하다. 상기 건조기와 성형기는 도시된 바와같이 별도로 분리된 구성이거나 하나로 통합된 장치일 수 있다. 즉, 건조와 성형을 동시에 수행하여 펠렛형성이 가능하게 할 수 있다.

상기 생산된 고체연료는 화력발전소 또는 소각로의 연소챔버로 투입하여 연소시켜 발생된 열 또는 가연성가스를 이용하여 전기를 생산하는 전력화단계가 수행된다.

상기 고체연료는 화력발전 또는 소각로에서 연소하여 열을 수취하거나, 열분해에 의해 가연성가스를 수취하고 수취된 가연성가스를 연소시켜 열을 수취해 전력을 생산하도록 하거나, 가정 또는 농작물 재배지에서의 난방용으로 사용할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 액비를 이용한 NOx환원제의 성능을 평가하였다.

2MW 용량의 발전시설을 이용하였고, 연료로는 석탄(역청탄)을 사용하여 1.0 ton/hr 로 공급하였다.

NOx 환원제로는 40농도%의 요소수 전량사용과, 액비와 50%비율로 혼합한 개량요소액을 사용하였다.

동일한 온도에서 동일한 량으로 투입했을 때의 NOx 감소율을 하기 도 7에 나타내었다.

참조한 바와같이 개량요소액의 순수요소액을 사용한 예보다 더 높은 NOx 감소율을 나타남을 알 수 있다. 또한, 개량요소액의 NOx 감소반응은 순수요소액을 사용(890℃)한 예보다 낮은 온도(780℃)에서 반응이 시작됨을 알 수 있으므로, 사용온도폭이 상대적으로 넓은 장점이 있다.

10 : 혐기소화조
11 : 산기장치 12 : 송풍기
13 : 교반격벽 14 : 폐액
15 : 슬러리원수 16 : 1차열교환
17 : 2차열교환
20 : 보일러
21 : 중개조 22 : 생물탈황조
23 : 화학적탈황조
30 : 고액분리기
40 : 바이오건조기
41 : 탈취챔버 42 : 전류판
43 : 탈취액공급부 44 : 탈취액포집부
50 : 건조기
60 : 성형기

Claims

유기성 폐기물을 이용한 복합 생산 공정에 있어서,
가축분뇨가 포함된 유기성폐기물의 슬러리원수를 혐기소화조에 통과시켜 산발효와 메탄발효가 순차적으로 이루어져 바이오가스를 생산하는 바이오가스 생산단계와;
상기 바이오가스 생산단계에서 생성된 바이오가스를 보일러로 공급하여 열을 생산하는 열생산단계와;
혐기소화조에서 방출되는 폐액으로부터 고체성분과 액체성분을 분리하는 고액분리단계와;
상기 고액분리단계에서 분리된 액상물인 액비에 요소를 첨가하여 화력발전소 또는 소각로의 연소챔버 상부로 투입해 연소가스와 접촉시켜 NOx의 환원제로 사용하는 NOx환원 단계와;
상기 고액분리단계에서 분리된 고체성분인 고형물을 바이오건조기로 공급하여 내부포함된 잔여수분을 중력으로 배수시키고, 자연건조와 열생산단계에서 발생된 열을 공급받아 열풍건조가 이루어지는 고형물 바이오건조단계와;
건조된 고형물과 농업부산물을 혼합하여 건조기로 투입하고 열생산단계에서 발생된 열로 건조시킨 다음 펠릿형태로 성형하여 고체연료를 생산하는 고체연료생산단계와;
상기 생산된 고체연료를 화력발전소 또는 소각로의 연소챔버로 투입하여 연소시켜 발생된 열 또는 가연성가스를 이용하여 전기를 생산하는 전력화단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체연료와 NOx 환원제의 복합생산공정.
제1항에 있어서,
상기 바이오가스 생산단계에서는 열생산단계에서 발생된 열을 이용하여 혐기소화조 바닥면을 가열시켜 대류가 이루어지도록 하여 고형물의 침전을 방지하여 균일한 발효가 이루어지도록 하는 슬러리 대류 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정.
제2항에 있어서,
상기 열생산단계 다음으로는 혐기소화조로 투입되는 유기성폐기물 슬러리원수와 혐기소화조에서 배출되는 폐액을 열교환하는 열교환단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정.
제3항에 있어서,
상기 폐액과 1차 열교환한 슬러리원수는 혐기소화조 바닥면에 열을 공급하는 보일러 열공급라인과 2차 열교환이 이루어져 슬러리원소의 온도를 증가시키는 재열교환단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정.
제1항에 있어서,
상기 바이오가스 생산단계에서는 혐기소화조 유로의 일측면을 따라 다수의 산기장치를 설치하고, 상부에 포집된 바이오가스를 이용해 산기장치로 폭기시켜 고형물의 침전을 방지하면서 폭방향으로 슬러리를 교반시키는 폭기교반단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정.
제1항에 있어서,
상기 NOx환원 단계에 사용되는 NOx환원제는 액비 100 중량부에 대해 요소 50~150 중량부로 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정.
제1항에 있어서,
상기 고형물 바이오건조단계에는 건조시 발생되는 배가스에 포함된 악취성분을 제거하도록 환기덕트의 배출유로상에 탈취액을 분사하여 악취성분을 분리제거한 후 배가스의 배출이 이루어지는 배가스 탈취단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정.
제1항에 있어서,
상기 고체연료생산단계에서 농업부산물은 톱밥, 왕겨, 버섯폐배지, 볏과에 속하는 억새로부터 1종 이상을 선택사용하는 것을 특징으로 하는 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정.
제1항에 있어서,
상기 바이오가스 생산단계에서는 생성된 바이오가스는 홍색유황세균 또는 수산화철 현탁액을 이용하여 황성분을 제거한 다음 보일러로 공급하는 탈황단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 고체연료와 NOx환원제의 복합생산공정.