[논문]폐기물 가스화 합성가스의 <tex> $H_2$</tex>/CO 생산비 제어 특성

구재회; 김수현; 김문현; 최종혜; 허수정; 윤기수; 김성현

문제 정의

본 연구에서는 폐기물 가스화 용융로에서 고발열량 폐기물과 슬러지의 혼합가스화에 의한 합성가스 조성비율을 고찰하였다. 또한 폐기물 가스화에 의해 생산된 합성가스의 주요 조성비와 동일한 조건의 모사 가스를 이용하여 수성가스 전환반응에 의한 CO, H₂비의 제어 특성을 고찰하였다.
5배 정도 많이 생성된다. 이러한 고발열량 폐기물과 슬러지를 혼합 가스화함으로서 과도한 발열량을 감소시킴과 동시에 수소 생산량의 변화를 고찰하고자 하였다.
0인 조건 에서 제어하였다. 폐기물 가스화 용융로에서 생산된 합성가스의 H₂/CO ratio를 제어하기 위하여본 연구에서는 수성가스 전환 반응장치를 선정하였다. H₂/CO ratio 제어 장치의 운전조건은 운전 온도 310～390℃에서 실험을 진행하였으며 공간 속도는 500 h^-1 조건으로 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 폐기물 가스화 용융로에서 고발열량 폐기물과 슬러지의 혼합가스화에 의한 합성가스 조성비율을 고찰하였다. 또한 폐기물 가스화에 의해 생산된 합성가스의 주요 조성비와 동일한 조건의 모사 가스를 이용하여 수성가스 전환반응에 의한 CO, H₂비의 제어 특성을 고찰하였다.
2에 나타냈다. 수성가스 촉매 전환반응장치 에서 H₂/CO ratio를 제어하기 위해 Fe계 촉매를 사용하였으며, 스팀을 공급하기 위한 스팀공급장치와 반응기 온도 유지를 위해 전기히터를 구성하였다.
예열이 완료되면 고발열량 폐기물을 공급하여 가스화 합성가스 생산 조건을 정상상태로 유지한 후 슬러지를 투입하여 혼합 가스화 정상조건을 유지하였다. 혼합가스화 정상조건은 합성가스내 일산화탄소와 수소 조성의 합이 45%이상이 되는 조건으로 기준으로 하였다. 가스화 용융로에서의 합성가스 생산 조성의 변화를 파악하기 위해 가스화 용융로의 로내 위치별 합성가스를 시료채취하여 각 위치별 합성가스 조성을 분석하였다.
혼합가스화 정상조건은 합성가스내 일산화탄소와 수소 조성의 합이 45%이상이 되는 조건으로 기준으로 하였다. 가스화 용융로에서의 합성가스 생산 조성의 변화를 파악하기 위해 가스화 용융로의 로내 위치별 합성가스를 시료채취하여 각 위치별 합성가스 조성을 분석하였다.
고발열량폐기물과 혼합한 슬러지 혼합비율은 20% 정도이다. 가스화용융로 로내 운전온도는 불연물의 용융이 가능하도록 1,300～1,600℃ 범위에서 운전하였으며 가스화기 내부의 합성가스 조성 변화를 고찰하였다. Oxygen/Waste Ratio는 무게비로 0.
Table 4에서 보는 바와 같이 합성가스 생산비 제어장치의 운전온도에 따른 Fe계 촉매 운전온도 범위인 310～400℃ 범위에서 일산화탄소의 전환 율과 H₂/CO ratio의 제어 특성을 고찰하였다. 일산환탄소의 전환율은 운전온도에 따라 28.
고정층 방식의 가스화 용융로는 폐기물내의 탄소, 수소 성분을 가스상의 CO, H₂로 전환되고, 무기물은 용융 슬래그로 안정화 시킨다. 합성가스 정제설비는 가스화 용융로에서 배출되는 합성가스를 수분사에 의해 75℃ 이하로 급속 냉각 후 분진세정탑, 중화세정 탑과 탈황세정탑에서 미세분진, HCl, H₂S 등 오염물질을 정제하도록 구성하였다. Fig.
따라서 폐기물 가스화에 의해 생산된 합성가 스의 주요조성과 같은 CO 35%, H₂ 35%, CO₂ 30% 모사가스를 제조하여 H₂/CO ratio 제어 특성 실험을 진행하였다.
3에서 보는 바와 같이 폐기물 가스화 용융로의 용융로 영역(Homo)에서는 용융 슬래그를 균질활하기 위한 연소조건에서 운전되는 것으로 확인되었다. 수직형 고정층 가스화기내의 폐기물 충진층 상부방향으로 합성가스가 배출되며 가스화기 반응기 높이에 따라 Middle Section(Mid), 가스화기 Top Section(Top) 그리고 가스화기 배출배관(Exit)에서의 가스 조성을 측정하였다. 가스화기 중간영역에서 합성가스로서의 반응은 완료되어 일산화탄소 39%, 수소 28%로 일산화탄소 함량이 높게 생성되었다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 파일롯규모(3톤/일급) 고정층 방식의 폐기물 가스화 용융 시스템의 공정 구성도를 Fig. 1에 나타냈다.
본 연구에서 사용한 고발열량폐기물과 하수슬 러지의 분석결과는 Table 2에 나타냈다. 고발열 량폐기물은 사업장폐기물로서 발열량이 6,964 kcal/kg으로 높은 폐기물을 대상으로 하였으며 하수슬러지는 수분함량이 82.28%로 일반적인 하수슬러지의 수분함량 조건의 슬러지를 대상으로 하였다. 폐기물 가스화 용융로를 이용한 고발열량 폐기물과 슬러지의 혼합 가스화 특성 실험 및합성가스 조성비 제어 실험 조건은 Table 3에 정리하였다.
H₂/CO ratio 제어 장치의 운전조건은 운전 온도 310～390℃에서 실험을 진행하였으며 공간 속도는 500 h^-1 조건으로 하였다. 합성가스 생산비 제어장치에서 사용한 합성가스는 폐기물 가스 화기에서 배출되는 조건인 수소 35 %, 일산화탄소 35 %, 이산화탄소 30 % 조성의 모사된 합성가스를 이용하였다.

성능/효과

수직형 고정층 가스화기내의 폐기물 충진층 상부방향으로 합성가스가 배출되며 가스화기 반응기 높이에 따라 Middle Section(Mid), 가스화기 Top Section(Top) 그리고 가스화기 배출배관(Exit)에서의 가스 조성을 측정하였다. 가스화기 중간영역에서 합성가스로서의 반응은 완료되어 일산화탄소 39%, 수소 28%로 일산화탄소 함량이 높게 생성되었다. 폐기물과 슬러지의 공급위치가 Mid 측정부와 같은 높이이므로 슬러지의 수분함량이 가스화 반응에 영향인자로 작용되기 전 조건이다.
6%까지 전환되었다. 합성가스 생산비 제어장 치에서의 모사가스를 이용한 실험결과로서 H₂/CO ratio는 2와 3의 조건으로 생산비를 제어할 수있음을 확인하였다.
본 연구에서는 폐기물 가스화 용융로에서 고발열량 폐기물과 슬러지의 혼합가스화에 의한 합성가스 생산특성을 고찰한 결과, 슬러지에 함유된 수분함량으로 가스화 반응의 영향인자로 확인 되었으며, Mid에서 H₂/CO ratio 0.7인 조건에서 Exit에서는 1.0 조건으로 전환되었다.
폐기물 가스화기에서 생산된 합성가스 조성과 같은 H₂/CO ratio 1.0 조건의 모사가스를 이용하여 생산비 제어 실험한 결과, H₂/CO ratio 2와 3 의 조건으로 생산비를 제어할 수 있었다.

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