KR0155064B1 - 폐타이어의 열분해에 의한 가스추출방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐타이어의 열분해에 의한 가스추출방법 및 장치에 관한 것으로 외부로 부터 탄화수소와 산소를 공급받아 착화 및 연소가 이루어지도록 한 소정크기의 탱크에는 다수의 폐타이어를 적층내장시킬 수 있도록 하고, 상기 탱크의 저면에는 탱크의 내부를 진공상태로 유지하는 동시에 연소중에 발생하는 재를 외부로 토출시킬 수 있도록 하고, 상기의 탱크에서 진공펌프에 의해 배출되는 가스는 열교환기를 경유하는 중에 액화 벙커 C유, 물, 탄화수소인 탄화수소 및 이산화탄소가 분리되도록 하고, 상기의 인산화 탄소는 다시 탱크의 상단 튜브에 공급되도록 하여 열분해되는 폐타이어로 인한 공간을 메울 수 있도록 한 것이다.

Description

폐타이어의 열분해에 의한 가스추출방법 및 장치

제1도는 본 발명의 개략적인 구성을 나타낸 구성도.

제2도는 본 발명의 탱크의 구성을 나타낸 단면도.

제3도는 본 발명의 점화장치의 구성을 나타낸 개략도.

제4도는 본 발명의 열교환기의 구성을 나타낸 개략도.

제5도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탱크의 구성을 나타낸 사시도.

제6도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탱크의 구성을 나타낸 단면도.

제7도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탱크의 동작을 나타내는 회로도.

제8도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탱크의 일부구성을 나타낸 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 탱크 2 : 공급관

3 : 재토출부 4,9,13,15 : 진공펌프

5,6,7,8 : 열교환기 10 : 가스저장탱크

11 : 뚜껑 12 : 튜브

본 발명은 폐타이어의 열분해에 관한 것으로, 특히 폐타이어가 저진공상태의 저온에서 열분해 되는 중에 발생하는 탄화수소가스와 벙커 C유를 분해추출할 수 있도록 한 폐타이어의 열분해에 의한 가스추출방법 및 장치에 관한 것이다.

현대에는 자동차 산업이 급격히 발전하면서 차량의 보급상태가 많아지고 이에따라 타이어의 생산량도 많아지게 되었다.

타이어의 생산량이 많아짐에 따라 사용한 폐타이어의 처리가 사회문제로 대두되었다.

폐타이어는 탄화수소 동족체에 속하는 이소프렌과 부타디엔을 함유하고 있는 다량의 에너지를 지닌 고분자 화합물질로서, 공기중이나 지층에서 분해되는 상태가 너무 지연되므로 주로 소각에 의해 처리하는 방법을 이용하고 있다. 즉, 폐타이어를 소각처리하여 이때 발생되는 폐열을 화력발전이나 보일러 등에 이용하고 있는 실정이다.

그러나, 이와같은 소각처리 방법은 폐타이어의 연소시 발생하는 각종 유해가스, 분진 등에 의해 대기를 오염시킬 뿐만 아니라 소각장소에 제한을 받게 되어 활용에 한계가 있었다.

이에따라 본 발명은 폐타이어를 저진공도 상태의 기압하에서 적은 연료를 이용해서 열분해되도록 하여 연료로나 화학산업에 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 저장 가능한 탄화수소가스와 벙커 C유를 얻을 수 있으며, 공해 발생이 없는 폐타이어의 열분해에 의한 가스추출방법 및 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 폐타이어를 적층한 탱크의 내부압력과 열분해 온도를 조절하는 크래킹(cracking) 방법에 의해 원하는 임의의 탄화수소족 가스를 얻도록 함을 다른 목적으로 한다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 외부로 부터 연소용 가스(또는 중질유)와 산소를 공급받아 착화 및 열분해가 이루어지도록 한 소정크기의 탱크에 다수의 폐타이어를 적층내장시킬 수 있도록 하고, 상기 탱크의 저면에 재토출부를 설치하여 탱크의 내부를 진공상태로 유지하는 동시에 열분해중에 발생하는 재를 외부로 토출시킬 수 있도록 하고, 상기 탱크에서 진공펌프에 의해 배출되는 가스는 열교환기를 경유하는 중에 액화 벙커 C유, 물, 탄화수소족 가스 및 이산화탄소로 분리되도록 하되, 상기 이산화탄소는 다시 탱크내의 상단부에 위치한 튜브에 공급되도록 하여 열분해되어 감소되는 폐타이어로 인한 탱크 내부공간을 메울 수 있도록 하여 탱크내부의 불필요한 공간을 줄임으로써 탱크내부의 진공을 위한 진공펌프의 부하를 줄일 수 있도록 하였다.

이아 본 발명을 첨부 도면에 의거 상세히 기술하여 보면 다음과 같다.

제1도는 본 발명의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 것으로서, 외부로부터 공급관(2)을 통하여 연소용가스와 산소를 공급받는 소정크기의 탱크(1)에서는 내부의 폐타이어를 열분해하도록 하고, 상기 탱크(1)의 저면에 장착되는재토출부(3)에서 진공펌프(4)에 의해 내부의 진공상태를 유지시키는 동시에 발생되는 재를 외부로 토출시키도록 하였다.

상기 탱크(1)에서 진공펌프(9)에 의해 토출관(9a)으로 배출되는 가스는 일정온도의 물을 이용한 제1열교환기(5)와, 벙커 C유를 액화시키기 위한 제2열교환기(6)와, 수증기(H₂O)의 액화를 위한 제3열교환기(7) 및 탄화수소족가스의 액화를 위한 제4열교환기(8)를 차례로 경유하도록 하고, 상기 진공펌프(9)를 통과하는 이산화탄소(CO₂)는 가스저장탱크(10)에 저장된 후 상기 탱크(1)의 뚜껑(11)에 설치한 튜브(12)로 공급되어 폐타이어의 열분해로 인해 생기게 되는 탱크내부 공간을 메우도록 하거나 튜브(12)에서 진공펌프(13)에 의해 가스저장탱크(10)로 귀환되도록 하였다.

상기 제2내지 제4열교환기(6)(7)(8)를 순환하는 냉매는 진공탱크(14)와 진공펌프(15)를 거쳐 냉매저장탱크(16)에 일시 저장된 후, 냉매액화 콤퓨레샤(17)에 의해 압축되고 냉매액화열교환기(18)에 연결된 수액기(19)를 통하여 공급되도록 한 것이다.

이때, 수증기와 벙커 C유를 액화할 경우에는 온도를 많이 낮추지 않아도 되므로 일반적인 냉매 과정이면 충분하지만, 프로판 가스를 추출할 경우 프로판 강스의 상온 기압하에서의 액화온도는 -42℃이나 진공펌프(9)에 의해 제4열교환기(8)를 경유하는 가스의 진공기압은 60~360㎜Hg 이고 이 기압하에서의 프로판 가스의 액화온도는 약 -70℃ 이하가 된다.

따라서, 이 프로판 가스의 액화온도인 -70℃이하의 온도는 일반적인 냉매액화 콤퓨레샤(17)만으로 만들 수 없으므로 상기 제2내지 제4열교환기(6)~(8)를 순환하는 냉매를 냉매액화콤퓨레샤(17)외에 진공탱크(14)와 진공펌프(15) 및 냉매저장탱크(16)를 경유하도록 하여 액화시켜야 할 가스의 기압보다 냉매의 기압을 낮추어 주게되면 액화온도도 낮아지므로 폐타이어 분해시 생성된 프로판 가스가 프로판 액화 열교환기의 관을 흐를때의 진공도가 60~360㎜Hg인 프로판가스를 액화시킬 수 있도록 한다.

한편, 냉매액화열교환기(18)에는 이보다 낮은 위치에 냉매 저장탱크인 수액기(19)를 설치하여 기체상태의 냉매를 수액기(19)에 주입하여 냉매액화열교환기(18)로 상승이동하도록 하는 동시에 수액기(19)의 냉매가 각 열교환기(6)~(8)로 공급되도록 한 것이다.

제2도는 탱크(1)의 구성을 나타낸 것으로서, 수동밸브(22) 및 전자밸브(23)가 구비된 연료가스관(21)과 수동밸브(25) 및 전자밸브(26)가 구비된 산소관(24)의 공급관(2)에는 탱크(1)의 하부에 설치한 토치(27)들을 연결하고, 상기 토치(27)의 상단부에 형성한 점화장치(28)에 의해 착화가 이루어지도록 한다.

그리고 상기 토치(27)의 위쪽에는 재걸름망(29)을 설치하여 그 위의 지지봉(30)에 적당한 크기로 잘라 차곡차곡 적충한 폐타이어가 열분해되어 남게되는 재가 재걸름망(29) 밑으로 떨어지도록 한다.

상기 탱크(1)의 저면에는 개폐가 가능한 밀폐형의 격벽(32)을 설치하여 하단의 재토출부(3)와 선택적으로 연결되도록 하고, 진공펌프(4)에 의해 진공상태를 유지하는 상기 재토출부(3)의 저면에도 개폐가 가능한 개폐변(33)을 설치하여 상기 재걸름망(29)의 사이로 하향이동하는 재를 적절히 배출시키도록 한다.

상기 격벽(32)의 위쪽에는 산소제거토치(31)를 설치하여 진공펌프(9)에 의해 내부의 압력이 60~360㎜Hg의 저진공 상태가 되도록 한 상태에서 탱크(1)의 내부에 잔존하는 산소를 연소시켜 제거하여 잔존산소와 폐타이어가 분해되어 발생한 가스와의 화합에 의한 폭발을 방지토록 한다.

상기 탱크(1)의 상면에는 뚜껑(11)을 설치하여 폐타이어를 내부에 적층시킬 수 있도록 하고, 상기 뚜껑(11)의 저면에는 외부로부터 주입되는 이산화탄소에 의해 부피가 팽창되는 튜브(12)를 탱크(1) 내부의 상부에 설치하여 열분해되어 폐타이어의 양이 줄어들더라도 탱크(1)의 내부에 빈공간이 늘어나지 않도록 함으로써 내부에서 발생되는 가스를 배출시키기 위한 진공펌프(9)의 부하량이 필요이상으로 커지게 되는 것을 방지한다.

이때, 외부에서 주입되는 이산화탄소에 의해 부피가 팽창되는 튜브(12)라는 것은 다음과 같다. 열분해 탱크 내부에서 열분해 공정이 진행될 때 열분해 온도와 기압에 따라 내부의 온도는 다르기 마련이다. 내부기압이 250torr의 상태에서 열분해 온도는 500℃이상이 되며, 110torr미만의 상태에서는 250~300℃의 온도가 된다. 탱크내부에서 폐타이어가 열분해되는 부분은 적충된 폐타이어의 가장 밑부분이므로, 이 열분해 부분의 온도가 500℃가 넘어도 열분해 된 가스를 적층된 폐타이어를 통과하는 도중에, 폐타이어에 열을 빼앗겨 이 가스의 실재온도는 180℃내외가 된다. 열분해 연도가 500℃가 된다고 하여, 탱크 내부의 온도가 500℃가 유지되는 것은 아니며, 열분해가 행해지는 부분은 비열분해가 되는 부분의 온도차이가 나게되는 것이다. 열분해 온도가 500℃가 된다 해도 여기서 발생된 가스는 기화 잠열등으로 열에너지를 흡수하므로 해서 온도가 냉각되어 실재의 가스온도는 그보다 크게 낮게 되는 것이다. 또한 실재 사용하는 공정은 11torr미만의 기압이며 열분해온도는 250~300℃이므로, 열분해된 가스의 온도는 100℃미만으로 유지된다. 그러므로 CO₂가스를 주입해 팽칭시키는 튜브는 200℃ 이상에서 견딜 수 있는 고무류나 수지류도 사용해도 큰 무리가 없으며, 가급적 탄화수소족 오일에 녹거나 변질되지 않는 재질로 사용하면 되는 것이다.

그리고 안전변(34)과 밸브(35)가 부착된 상기 탱크(1)의 측벽에는 압력계(36)를 부착하였으며, 산소관의 밸브(22)와 연소용 연료관의 밸브(25)를 조작하여 탱크(1) 내부에서 분해발생되는 가스의 양을 조절하여 탱크(1)의 내부압력이 원하는 임의의 저진공 상태의 기압을 유지할 수 있도록 하였다.

탱크(1)의 뚜껑(11)을 열고 지지봉(30)을 이용하여 폐타이어를 적층 내장한 다음, 진공펌프(9)를 동작시켜 내부의 압력이 약260㎜Hg를 유지하도록 한다.

그리고 산소제거토치(31)를 착화 및 점화하여 내부의 산소를 연소시켜 제거 한다.

그후에 두 수동밸브(22)(25)를 작동시켜 공급관(2)의 연료가스관(21)과 산소관(24)을 통해 연소용가스와 산소가 적정량씩 토치(27)로 공급되도록 하고 점화장치(28)에 의해 착화가 이루어지도록 한다.

여기서 작업자는 외부에 별도로 설치한 샘플토치(27a)를 통해 불꽃을 확인하여 연료가스관(21)과 산소관(24)의 개폐를 조절할 수 있다.

한편, 폐타이어는 대기압하에서는 600℃이상의 온도에서 열분해가 이루어지지만 저진공기압인 약 260㎜Hg에서는 250℃ 정도의 온도에서 열분해가 이루어지므로 진공펌프(9)를 작동시켜 260㎜Hg의 진공상태를 유지하면 에너지효율이 향상되고, 열분해에 의해 발생되는 가연성 가스를 계속 외부로 배출시킬 수 있으므로 안정성이 도모된다.

그리고 폐타이어의 열분해에 의해 발생되는 재는 하단의 재걸름망(29)을 토해 격벽(32)의 위에 모아지면 재가 어느 정도 쌓여 있는지를 도시하지 않은 투시창을 통해 확인하고, 이 상태에서 진공펌프(4)로 재토출부(3)의 내부가 진공상태가 되도록 한 후, 도시하지 않은 개폐장치를 통하여 격벽(32)을 개방시켜 재가 재토출부(3)로 이동되도록 한다.

다음에 격벽(32)을 닫은후 하단의 개폐변(33)을 개방시켜 외부로 재를 배출시키는 과정에 의해 탱크(1)의 내부를 진공상태로 유지시키면서 재를 토출시키도록 한 것이다.

제3도는 점화장치를 도시한 것으로서, 공급관(2)에 다수 연결된 토치(27)의 끝단에는 수직으로 소정길이의 파이프(37)를 설치하여 진공펌프(9)에 의해 탱크(1)의 내부가 저진공 상태에서도 불꽃이 옆으로 퍼지지 않고 위쪽으로 향하게 하고, 점화장치에 흐르는 전류가 트랜스(38)와 고압트랜스(39)에 의해 10,000V~15,000V로 승압되어 다이오드(40)를 거쳐 텅스텐봉(41)(41a)으로 공급되도록 하여 토치(27)의 위쪽에서 발생되는 음극선에 의한 저항열로 착화가 이루어지도록 한 것이다.

그러므로 토치(27)를 통해 공급되는 연소용가스와 산소가 파이프(37)에서 완전연소가 이루어지고, 폐타이어의 열분해로 생성되는 가연성가스가 파이프(37)로 유입되지 않으므로 불완전 연소상태의 일산화탄소(CO)가 생성되지 않는 상태에서 폐타이어의 열분해를 수행할 수 있는 것이다.

제4도는 제1도에 나타낸 각 열교환기의 구성을 나타낸 것으로서, 4a도는 제1열교환기(5)로서, 가스출구(43)가 형성된 반구형의 상단부(42)와, 상하로 다수의 가스이송관(45)이 관통된 상단 및 하단에 물주입구(46) 및 물배출구(47)를 각각 형성한 본체(44)와, 가스입구(49)가 형성된 반구형의 하단부(48)들을 플랜지에 의해 밀폐형으로 결합되도록 함으로써, 하단부(48)의 가스입구(49)를 통해 유입된 가스가 다수의 가스이송관(45)을 경유하여 상단부(42)의 가스출구(43)를 통해 이동하는 중에 물주입구(46)를 통해 유입되어 본체(44)의 내부를 거쳐 물배출구(47)로 흐르는 일정 온도의 물에 의해 냉각되도록 하였다.

4b도는 벙커 C유와 수증기를 냉각하여 액화시키기 위한 제2열교환기(6)와 제3열교환기(7)를 나타낸 것으로서, 가스입구(51)가 형성된 좌측부(50)와, 좌우로 지그재그형의 가스이송관(53)이 관통된 내부에는 뷰라인액(54)을 충진한 본체하부(52)와, 상기 본체하부(52)의 상단에 위치하며 다수의 요철부(57)가 구비된 동판(56)으로 분리되어 냉매가스출구(58) 및 냉매액입구(59)를 형성한 본체상부(55)와, 가스출구(61) 및 액출구(62)를 상단 및 하단에 형성한 우측부(60)와, 상기 액출구(62)에 설치되며 고인 액체의 양에 따라 승하강하여 통로를 개폐시키는 밸브(63)들로 구성되어 있다.

액체상태의 냉매가 본체상부(55)의 냉매액입구(59)로 유입되어 기체상태의 냉매로 되어 냉매가스출구(58)로 토출되는 중에 동판(56)으로 구분된 본체하부(52)의 뷰라인액(54)의 열을 전달받고, 이 상태에서 좌측부(50)의 가스입구(51)를 통하여 유입되는 가스가 지그재그로 형성된 가스이송관(53)을 경유하는 중에 뷰라인액(54)에 의해 열교환이 이루어져 액화된 벙커 C유 또는 물은 우측부(60)에 모여지게 되고, 일정량 모아진 액체는 밸브(63)를 상승이동시켜 개방된 액출구(62)를 통해 외부로 토출되도록 하였다.

4c도는 프로판 가스를 냉각하여 액화시키기 위한 제4열교환기(8)를 나타낸 것으로서, 가스입구(65)가 형성된 반구형의 좌측부(64)와, 좌우로 다수의 가스이송관(67)이 관통된 양측에 냉매입구(68) 및 냉매출구(69)를 형성한 본체(66)와, 가스출구(71) 및 액출구(72)가 상단 및 하단에 각각 형성한 우측부(70)를 플랜지에 의해 밀폐형으로 결합되도록 하고 상기 액출구(72)에는 고인 액체의 양에 따라 승ㆍ하강하며 통로를 개폐시키는 밸브(73)들로 구성되어 있다.

냉매입구(68)를 통해 본체(66)로 유입된 액체상태의 냉매가 좌측부(64)의 가스입구(65)를 통하여 유입되고, 다수의 가스이송관(67)으로 흐르는 가스의 열을 빼앗아 기체상태의 냉매로 냉매출구(69)로 토출되도록 하고, 가스이송관(67)을 경유하는 과정에서 열을 빼앗긴 가스중에서 액화된 프로판 가스가 우측부(70)에 모아진 후 액출구(72)를 통해 수거되도록 하였다.

폐타이어의 분해시 발생하는 대부분의 가스는 상기 열교환기들을 경유하는 중에 액화되게 되며 잔여가스는 가스출구(71)를 통하여 흐르도록 하였다.

상기에서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 장치를 이용하여 폐타이어를 열 분해하는 방법을 설명한다.

먼저 뚜껑(11)을 열어 탱크(1)의 내부에 지지봉(30)을 이용하여 폐타이어를 적층 내장하고 뚜껑(11)을 닫는다.

여기서 폐타이어는 둥근 통타이어를 그대로 적층할 경우 탱크(1)의 부피가 커져야 하고 열전도성도 낮아지므로, 폐타이어의 바닥과 양측면을 분리시킨 후, 30㎝정도의 적당한 길이로 잘라서 탱크(1)의 저면에 차곡차곡 쌓는다.

다음에 진공펌프(9)를 작동시켜 탱크(1)의 내부압력이 260㎜Hg 정도가 되면, 탱크(1) 내부의 산소를 제거하기 위해 점화장치(28)로 토치(31)를 착화시킴으로써 점화에 의해 내부의 잔여 산소가 완전히 제거되도록 하는데, 이때 산소의 제거여부는 도시하지않은 투시창을 통해 산소제거 토치(31)의 소화되는 상태를 확인하여 인식한다.

그리고 점화장치(28)에 의한 착화가 가능한 시간에 공급관(2)의 연료가스관(21)과 산소관(24)의 수동밸브(22)(25)를 열어주어 토치(27)의 끝단에서 파이프(35)를 통해 상향이동하는 연료가스 및 산소의 혼합물에 착화가 이루어지도록 한다.

여기서 토치(27)에 의한 연소시 토치(27)에서 발생된 연소열과 맞닿는 폐타이어 부분의 온도는 250℃~600℃ 정도가 된다. 탱크내부의 진공펌프(9)의 작동시에 탱크(1)의 내부 기압을 260㎜Hg 로 맞추어 유지시킨다고 가정할때 260㎜Hg보다 낮아지면 수동밸브(22)(25)를 통해 일정량의 연소용가스와 산소를 공급하여 화력을 높여주고, 내부기압이 260㎜Hg 보다 높아지면 수동밸브(22)(25)를 조절하여 연소용 가스와 산소의 공급량을 줄여주어 화력을 낮춰주며 탱크(1) 내부의 기압은 260㎜Hg 에서 꾸준히 유지되며 열분해는 이루어진다.

폐타이어 1㎏을 열분해 하는데 필요한 이론적인 열량은 약 1130Kcal 정도이나 본 장치를 사용해 본 공정으로 열분해를 할경우 1200Kcal의 열량이면 폐타이어를 열분해 할 수 있는데 이는 직접 열을 가하므로 열의 유실이 적으며 열 이동의 원인인 주변으로의 열전도 현상이 저진공 기압이므로 적기 때문이다.

연료사용은 비교적 탄소의 성분비가 많은 중질유등을 사용해야 하는데 그것은 수소성분이 많은 연료는 연소후 H₂O 의 발생량이 많아 진발열량이 적으며 H₂O의 액화시에 많은 열량이 필요하므로 연료는 탄소성분비가 많은 저급중질유를 사용하므로서 열분해 공정시 값이 저렴한 에너지로 합리적인 이용을 할 수 있다.

폐타이어에 함유된 이소프렌과 부타디엔은 어떠한 스타일의 열을 제공받느냐에 의하여 분해된 후에 탄화수소족의 사슬이 재결합될때 분자수가 큰 문질로 결합되거나 혹은 분자수가 적은 물질로도 결합될 수 있게 된다.

즉, 타이어에 온도가 낮은 열을 섬세하게 가하면 타이어에 함유된 이소프렌과 부타디엔은 분해된 후에 프로판(C₃H₈)과 프라이 애쉬(fly ash)등 회분이 함유된 경유로 재결합이 이루어지게 된다. 또한 낮은 온도의 열을 가할경우, 무작위하게 열을 가하거나 높은 열을 가할 경우에 비하여 발생되는 가스와 오일의 성분비면에서 오일의 발생량이 현저히 높게 된다.

그것은 이소프렌과 부타디엔의 분자사슬이 끊어지는 최소한의 열에너지를 주입받은 상태에서 열분해가 이루어지므로 대부분 탄화수소 분자사슬이 연결된 채 재결합을 하게되므로 분자수가 많은 물질인 오일 성분이 많아지며 탄화수소족 가스중에서 분자수가 비교적 많은 프로판 가스가 결합되는 것이다.

낮은 열을 제공할때 분해되는 폐타이어의 열을 받는 표면적의 온도는 약 250℃정도 된다. 본 장치로 폐타이어에 낮은 열을 제공하여 프로판 가스의 생성과 오일 생성량이 많은 열분해 방법은 다음과 같다.

연소열로 사용되는 산소와 연료의 양을 줄여 탱크(1)의 내부에 투입되는 열에너지를 낮추면서 진공게이지를 보고 저진공 기압이 110㎜Hg내의 상태 기압이 될때까지 산소량과 연료가스의 양을 조절한 상태에서 열분해 작업을 행하면 된다. 기압이 낮아질수록 탱크 내부에서의 열이 주변으로 전도되는 기회가 적어지며 적층된 폐타이어인 밑면, 곧 연소열이 닿는 면적만이 열전도가 이루어져 그 부분만이 열분해가 진행되므로 폐타이어에 함유된 카본블랙등 재는 매우 미세하게 가루가 되면서 밑부분으로 빠져 떨어지게 된다.

여기에서 연소열이 폐타이어 표면에만 작용할 수 있는 것은 탱크내부 기압이 낮으므로 연소열이 확산되면서 표면적이 넓어져 연소열의 표면적당 온도가 매우 낮아져 있으므로 가능하며, 확산된 열의 온도는 대기중에 있는 불꽃의 온도에 비하여 약 3배이상 낮은 온도이다.

진공펌프(9)는 탱크 내부에 있는 타이어가 분해되어 발생된 가스와 연소열을 제공하고 후에 남은 연소가스를 흡입을 하여 탱크의 외부로 배출시켜 탱크내부를 일정하게 110㎜Hg정도의 기압을 유지시킨 상태에서 연소되는 연소열에 대해 주변에서 관여하는 가스가 적으므로 완전연소될 분위기가 조성되어여 열분해 공정은 매우 완전하게 이루어진다.

분해 가스중에서 순도있는 프로판 가스를 발생시키는 본 방법에 있어서 기압은 반드시 110㎜Hg 상태 기압하에서만 가능한 것은 아니다. 기압이 어느 정도 높아져도 가능하지만 기압이 일정치 이상 높아지면 발생되는 프로판 가스의 순도가 떨어지게 되며 오일회수량도 떨어지게 된다. 그것은 탱크내부의 기압이 높아지면 연소열의 환산현상이 적어 부피의 변화가 적으므로 폐타이어에 높은열이 가하지게 되며 섬세하게 균일한 열을 제공할 수 없기 때문이다.

넓은 표면에 낮은열을 균일하게 제공할 경우 260㎜Hg 이상의 기압에서도 발생가스중에서 순도있는 프로판가스만을 발생시킬 수 있다. 그러나 본 공정에서는 기압이 낮아질수록 프로판가스가 발생되는 조건의 조성이 이루어지는 것이다.

폐타이어를 분해시켜 LNG성 가스를 발생시킬때의 공정은 다음과 같다.

폐타이어에 높은 열을 가하여 분해 후에 탄화수소의 연결사슬이 짧게 끊어져 분자수가 적은 LNG성 가스로 결합하게 되는데 이때는 탱크내부의 기압을 높이고 연소열의 표면적 온도를 높여야 되므로 연료가스와 산소의 주입량을 늘여주면 된다.

연소열의 온도가 300℃~600℃ 이상으로 무작위하게 폐타이어를 분해 온도점이 섞이면 폐타이어의 분해가스는 CH₂, C₂H₂, C₂H₆등 다양한 단분자의 가스들이 발생되며 회수되는 오일과 가스의 성분비는 가스의 발생량이 낮은열, 낮은기압 상태에서 열분해를 하는 본 방식보다 많게 된다.

그것은 탄화수소족 물질들이 서로 결합되거나 결합이 파괴될때의 일정한 메카니즘이 있기 때문이며 높은 온도에서는 분자수가 많은 가스는 파괴되어 분자수가 적은 가스로 변화되는 것이 탄화수소족 물질의 특성이기 때문이다.

이 방법에 있어서 연소열의 온도가 LNG성 가스발생에 크게 영향을 주지만 기압이 너무 낮아지면 연소열의 확산현상이 발생하여 연소열의 온도가 낮아질 수 있으므로 약 260㎜Hg 이상의 기압이 이상적이다.

본 장치를 통해 폐타이어가 분해되는 표면적에 일정 온도를 균일하게 제공하는 것은 크래킹 공정에 있어서 매우 중요하다.

250℃~300℃의 균일한 온도를 제공하면 분해되어 발생되는 물질은 발생되는 물질 중에 오일의 함유량 60~70% 이상이며 프로판 가스는 30% 정도이며,온도를 450℃~500℃ 정도 제공하면 발생되는 물질 중에 일정 순도인 아세틸렌(C₂H₂)이 50~60%가 생성되며 오일은 40~50%가 생성되며, 분해온도를 600℃이상 제공하면, 발생되는 물질 중에 메탄(CH₄)이 60~70%가 생성되며 오일은 30~40% 생성된다.

폐타이어가 분해되는 넓은 표면적에 원하는 균일한 온도의 열을 제공하기 위해서는 연소열을 조절하면 되는데 분해한 가스의 양과 연소열이 냉각된 후에 남는 연소가스 양의 증감을 조절할 수 있으며, 이처럼 되면 기압의 높고 낮은도 조절할 수 있게 된다. 기압의 높낮음을 임의로 조절함으로써 원하는 임의의 균일한 온도를 얻을 수 있다. 분해 탱크에 연결된 진공펌프는 일정한 흡입 효율로 연속으로 하는 상태에서 탱크 내부의 기압은 가스량의 많고 적음에 따라 높음과 낮음이 구분되는데 산소와 연료가스가 많이 주입되어 연소되면 연소열의 양이 많은 만큼 폐타이어의 분해량도 늘어나게 되어 연소가스와 분해가스의 양이 늘어가게 되므로 탱크 내부는 기압이 높게 되며 이처럼 기압이 높으면 연소열은 확산되지 않고 폐타이어의 분해면에 직접 닿게 되고 확산되지 않은 연소열의 표면적은 온도가 높고 연소열의 양이 많으므로 가스 발생량이 많으며 곧 탱크 내부에 가스량이 많으므로 기압은 높게 되고 발생되는 가스 또한 높은 온도의 열 에너지를 받아 분해가 되므로 분자수가 적은 CH₄등의 가스가 발생되며 물질 중에 가스 함량이 많게 된다. 이처럼 기압의 높낮음과 연소열의 많고 적음과 진공 펌프의 흡입량의 많고 적음에 따라 이 세가지는 불가분의 상관관계를 가진다. 연소열이 주변 공간으로 확산되는 현상은 기압에 따라 확산 정도가 달라지며 대기압인 760㎜Hg 기압에서 연소열의 확산을 1로 보았을 때, 1/2기압인 380㎜Hg 기압에서는 대기압에 대하여 2배의 부피로 확산이 되며 190㎜Hg 기압에서는 4배의 부피로 확산되는 것이며, 이처럼 확산이 되면 확산되기 전 최초의 연소열 불꽃 온도가 1200℃라고 할때 1/2 기압에서는 2배만큼 연소열이 확산되었으므로 연소열의 표면적당 온도는 600℃가 되며 190㎜Hg인 1/4기압에서는 연소열의 표면적당 온도는 300℃가 된다. 연소열의 온도 체크는 온도 감지기를 폐타이어로 분해되는 면에 부착하면 연소열의 온도를 알 수 있다. 즉, 본 장치를 통하여 일정 기압과 일정 온도를 임의의 원하는 대로 유지하면서 열분해를 할 수 있으며 그러므로 임의의 원하는 가스 생성을 시킬 수 있게 되는 것이다.

발생되는 가스가 프로판인 경우 110㎜Hg 이하의 기압과 250℃~300℃의 온도조건을 유지하는 상태로 열분해를 하면 되며, 발생되는 가스가 아세틸렌일 경우 110~160㎜Hg 기압에서 450℃~500℃의 온도 조건을 유지하는 상태에서 열분해를 하면 발생되는 가스는 일정 순도의 아세틸렌(C₂H₂)이 발생되며 CH₄의 경우 250㎜Hg 이사에서 600℃이상의 온도를 유지한 상태에서 열분해를 하면 일정순도의 CH₄이 발생된다.

물론 C₂H₂나 C₂H₆이나 C₃H₆등의 가스들도 일정 온도를 유지한 상태에서 열분해를 하면 일정 순도의 이러한 물질이 발생될 것이다.

진공펌프(9)에 의해 탱크(1)에서 배출되는 가스는 물을 이용한 제1열교환기(5)에서 일정 온도로 냉각되고, 다시 제2열교환기(6)에서 -5℃~-10℃ 정도로 냉각시키면 액화된 벙커 C유와 물을 추출할 수 있게 된다.

제3열교환기(7)에서 -40℃~-50℃ 정도로 냉각시키면 연소시 발생되는 산소와 수소가 합성된 수증기 중 제1ㆍ제2열교환기에서 액화 분류되지 못한 미량의 수증기가 액화되어 추출되고, 프로판 가스를 액화시키기 위한 제4열교환기(8)에서 -70℃~-80℃ 정도로 냉각시키면 프로판가스가 액화 추출된다.

이 과정에서 진공펌프(9)를 통하여 배출되는 가스는 이산화탄소(CO₂)뿐이며 분해가스가 제4열교환기까지 경유하는 중에 모두 액화 분류되며 응축되지 않는 CO₂역시 -70℃로 냉각되어 부피가 크게 축소되어 진공펌프(9)의 크기는 적은 용량을 사용할 수 있다.(제1도에서 제1~4 열교환기에서 발생가스가 액화되어 분류되는 라인등은 일반적인 기술이므로 도면에 표기하지 않았음)

탱크에서 발생된 가스 모두를 진공펌프를 통해 배출할 경우 진공펌프(9)의 흡입량이 발생가스의 양에 맞는 크기를 사용해야 하지만, 가스는 1℃ 온도변화에 따라 3.36/1000의 부피변화가 있는 것이므로 발생가스의 부피는 줄어들게 되고, 액화되면 가스의 부피를 제로가 되면 CO₂도 250℃에서 -70℃로 낮아져 이에 상응하는 만큼의 부피 축소가 되어 진공펌프(9)를 통해 배출되는 양은 매우 적은 양이 되므로 진공펌프(9)의 크기는 열교환기를 통해 발생가스를 냉각하여 액화할 경우 진공펌프의 흡입용량은 매우 적게 되기 때문에 진공펌프의 사용시 흡입용량이 적은 진공펌프를 사용해도 되므로 열분해 작업공정 시에 에너지 사용면에서 큰 효율이 발생되는 것이다.

제1ㆍ제2ㆍ제3ㆍ제4열교환기를 통해 분해가스는 흐르면서 가스의 온도가 냉각되면서 일부는 액화되어 분류되고 액화되지 않은 물질은 부피 축소가 되어 진공펌프를 통하여 밖으로 배출된다.

이처럼 액화되지 않은 물질은 CO₂인데 이 CO₂도 열교환기의 냉각방식의 원리를 적용하면 열교환기 내에서 액화시킬 수 있다.

분해가스를 냉각액화할 경우 일반적인 냉매 장치를 사용해서는 액화시킬 정도의 낮은 온도를 만들기가 쉽지 않다. 예를 들어 160㎜Hg의 분해가스를 냉각 및 액화할 경우 프로판은 1기압에서 -42℃가 액화 온도이며 CO₂를 1기압에서 -78.5℃에서 액화가 이루어 지는데 160㎜Hg에서 프로판 가스를 -80℃ 이하의 온도가 되며 CO₂는 -100℃ 이하의 온도가 필요하게 된다. 이처럼 낮은 온도를 일반적인 냉매장치로는 만들기가 쉽지 않은 것이다. 이런 점을 해결하기 위해 다음과 같은 원리의 장치가 필요하다. 제2ㆍ제3ㆍ제4열교환기에 사용되는 냉매는 동일한 것이며, 이 냉매의 회전 싸이클은 다음과 같다. 제1ㆍ제2ㆍ제3열교환기에 들어있는 냉매는 진공탱크(14)에 유입되고 일정량의 가스 냉매가 진공탱크(14)에 유입되어 있으면 진공펌프(15)가 작동되며, 냉매저장탱크(16)에 냉매를 이동시켜 이 냉매저장탱크(16)에 냉매가 일정 기압이 되면 압축콤퓨레셔(17)는 냉매저장탱크(16)에 들어있는 냉매가스를 흡입하여 압축해 냉매 액화열교환기(18)로 보내며 냉매액화열교환기(18)에서 액화된 냉매는 수액기(19)로 보내져 저장된다. 수액기(19)에 저장된 액체 냉매는 열교환기(6)(7)(8)에 들어 있는 냉매가 계속 증발해 진공탱크(14)에 들어가면 일정량의 냉매가 열교환기(6)(7)(8)에서 빠져나가게 되므로 열교환기에 있는 냉매의 양이 줄게 되며 냉매의 양이 줄게 되면, 수액기(19)에서 일정량이 열교환기로 들어가게 된다.

여기서 일반 냉매장치와의 차이점은 냉매를 증발시킬 때의 조건을 진공탱크(14)의 진공펌프(15)를 이용하여 기압을 낮추어서 냉매의 증발 온도점을 낮추는 점이다. 냉매를 C₃H₈으로 사용한다고 할 때 1기압에서 -42℃에서 증발이 되지만 기압이 160㎜Hg의 상태에서는 -80℃ 이하로 증발이 이루어지는 것이다. 열교환기에 들어 있는 냉매의 기압을 분해가스의 기압 이하의 기압을 조성하고 액화시킬 가스보다 증발 온도점이 낮은 냉매를 사용함으로써 기압이 낮은 분해가스를 액화할 수 있게 된다.

CO₂를 진공펌프(15)로 배출시키지 않고 이 원리의 냉각 및 액화 방식을 이용하여 액화 분류시키려면 CO₂보다 증발점이 낮은 냉매를 사용하면 된다. 또는 이 원리의 방법을 각기 따로 복수개로 연결해 각기 다른 냉매를 사용해 냉각 및 핵화 작업을 수행할 CO₂를 액화시키면 진공펌프(5)를 통해 배출될 가스는 없게 되며, 곧 진공펌프(9)를 사용할 필요가 없게 되며, 이 원리의 냉각방식 자체가 분해된 가스를 배출시키는 진공펌프(9)를 사용할 필요가 없게 되며 이 원리의 냉각방식 자체가 분해된 가스를 배출시키는 진공펌프(9)의 역할을 하는 것이다. 냉매의 기압을 낮추어 증발시키는 방법을 통해 분해 가스의 냉각 및 액화를 시키며 가스를 처리하므로 열교환기(6)(7)(8) 내부는 분해가스가 흐르는 통로에는 가스의 부피가 줄어 들며 액화되어 열교환기 밖으로 빠져나가므로 항상 기압이 낮아지는 상태가 되며, 분해탱크에서 열교환기로의 가스 흐름은 계속 이어지며 열교환기에 들어가면 악화되어 열교환기 밖으로 빠져나가게 되는 공정이 연속으로 이루어 진다. 열교환기에서 가스를 흡입하는 양은 이 열교환기의 냉각 및 액화시키는 양의 많고 적음에 달려 있게 된다.

그리고 연소시 발생하는 이산화탄소(CO₂)는 진공펌프(9)를 통과하여 가스저장탱크(10)에 저장되었다가 뚜껑(11)의 튜브(12)로 공급되어 튜브(12)의 부피가 늘어나도록 하여 열분해로 인해 줄어드는 폐타이어량 만큼 탱크(1)내의 공간이 커지는 현상을 방지토록 한다.

큰 체적의 탱크(1)의 내부압력을 260㎜Hg로 계속 유지시키기 위하여는 큰용량의 진공펌프가 필요하게 되지만 폐타이어(31)와 튜브(12)에 의해 탱크(1)의 내부 체적이 줄어들게 되면 적은 용량의 진공펌프(9)를 사용하여도 상기 압력을 유지할 수 있게 된다.

폐타이어의 열분해가 끝난후에는 연료가스관(21)의 수동밸브(22)와 산소관(24)의 수동밸브(25)를 잠그고 탱크(1)에 내부에 남아있는 가스를 모두 뽑아낸 다음, 진공펌프(9)를 계속 작동시키는 상태에서 다른 모든 시스템의 작동을 중지하고, 측벽의 밸브(35)를 조금 열어 줌으로써 탱크(1)의 내부에 외부의 공기가 서서히 유입되어 내부에 잔류하는 가연성가스와 혼합된 후 진공펌프(9)를 통해 토출되도록 한다.

그리고 내부의 잔류 가연성 가스가 빠져나가는 일정 시간이 경과된 후 진공펌프(9)의 작동을 중지하면 탱크(1)의 내부로 외부의 공기가 유입된 상태에서 대기압과 같아지므로 작업은 종료된다.

만약 열분해 중에 내부에서 연소상태의 불안정으로 인해 폭발할 정도로 내부압력이 급격히 상승하게 되면 안전변(34)이 개방되어 내부의 압력을 일정치 낮추어 주게되므로 안정성을 갖게 된다.

제5도 및 제6도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탱크의 구성을 나타낸 것으로서, 타이어속에 금속와이어가 삽입된 타이어를 열분해 시키기 위한 탱크를 도시한 것이다.

지지망(75)의 상면에 와이어가 삽입된 폐타이어가 적층되는 탱크(74)의 상면에는 뚜껑(76)을 설치하여 개폐가 가능하도록 한다.

개폐판(77)이 전면에 설치된 상기 탱크(74)의 내부 하단에는 재수집부(78)와 와이어 수집부(79)를 격벽(80)으로 분리형성하여 분리수거가 가능하도록 한다.

상기 재수집부(78)의 하단에 재는 남고 액체만 빠져 나가는 재걸름망(81)을 설치하고 그 위에는 와이어 걸림망(82)을 설치하여 지지망(75)의 상단에 적층된 폐타이어가 연소할 때 와이어는 와이어 걸림망(82)에 걸리고 재는 재걸름망(81)을 거쳐 빠져나간 후 재수집부(78)에 수집되도록 한다.

상기 와이어 걸림망(82)의 바로 위에 위치하는 전자석(83)은 양끝 돌출부(84)(84a)가 가이더(85)(85a)에 끼워지도록 하고, 상기 가이더(85)(85a)의 내부에는 스프링(86)(86a)을 내장하여 전자석(83)을 탱크(74)의 일측으로 당겨주도록 한다.

상기 전자석(83)의 양끝 돌출부(84)(84a)에는 로울러(87)에서 다수의 도르레(88)를 거쳐 인출되는 로프(89)(89a)의 끝단을 고정하여 모터(90)에 연결되어 같이 회전하는 풀리(91)에 의해 탱크(74)의 타측인 와이어 수집부(79)의 위쪽 스토퍼(92)에 접하는 위치까지 전자석(83)이 이동 가능하도록 한다.

지지망(75)위에 적층된 폐타이어는 고정틀(93)의 일측에 고정설치한 열선(94)에서 발생되는 열에 의해 착화가 이루어지도록 한다. 상기 고정틀(93)의 양측 돌출부(95)(95a)는 양측면에 평행되게 설치된 가이더(96)(96a)에 끼워진채 스프링(97)(97a)에 의해 일측으로 당겨 지도록 하여 보호틀(98)이 폐타이어(97)의 열분해되는 정도에 따라 상기의 고정틀(93)에 고정된 열선(94)도 같이 일측으로 일정치씩 당겨지도록 한 것이다.

상기 고정틀(93)의 양측 돌출부(95)(95a)에는 로울러(99)에서 다수의 도르레(199)를 거쳐 인출되는 로프(101)(101a) 끝단을 고정하여 모터(102)에 연결되어 같이 회전하는 풀리(103)에 의해 재수집부(78)의 끝단에 까지 고정틀(93)이 이동가능하도록 한다.

그리고 탱크(74)의 일측벽에 토출관(104)을 통하여 연결되는 진공펌프(도시않음)를 통해 탱크(74) 내부의 가스를 공급관으로 배출시켜 열분해에 의해 벙커 C유와 탄화수소가스를 추출할 수 있도록 한다.

탱크(74)의 다른 측벽에는 내부의 진공상태를 대기압상태로 바꾸기 위한 밸브(105)를 설치한다.

이와같이 구성한 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐타이어의 열분해에 의한 가스추출장치를 제7도에 도시한 회로도에 의하여 동작상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 수동스위치(SW1)를 온시켜 두 릴레이(R1), (R2)에 의해 각각 온되는 접점(P1)(P2)을 거쳐 두 솔레노이드(Sol1)(Sol2)와 두 모터(102)(90)로 전원이 각각 공급되도록 하여 솔레노이드(Sol1)(Sol2)에 의해 풀리(103)(91)가 도르레(100)(88)와 각각 결합되는 상태가 되도록 하는 동시에, 모터(102)(90)에 의한 회전력에 의해 풀리(103)(91)와 드르레(100)(88)가 같이 회전하여 도르레(100)(88)에 로프(101,101a)(89,89a)가 감기는 상태가 되도록 한다.

로울러(99)(87)를 통해 감기는 로트(101,101a)(89,89a)는 각각 가이더(96,96a)(85,85a)에 돌출부(95,95a)(84,84a)가 각각 끼워진 고정틀(93)과 전자석(83)을 동시에 탱크(74)의 타측으로 이동되도록 한다.

그리고, 전자석(84)과 고정틀(93)이 정위치에 도달하면 리미트스위치(SW2)를 온시켜 릴레이(R)에 의해 접속상태의 접점(P)이 오프되어 두 릴레이(R1)(R2)가 동작을 않도록 한다.

다음에 뚜껑(76)을 열어 지지망(75)의 위에 와이어가 삽입된 폐타이어를 적층하고 뚜껑(76)을 닫는다.

진공펌프의 모터(106)로 스위치(SW3)에 의해 구동하는 릴레이(R3)가 접점(P4)을 온시켜 이를 통한 전원이 공급되도록 하여 탱크(74)의 내부압력이 260㎜Hg 정도의 저진공의 압력상태가 되도록 한다.

다음에 스위치(SW4)를 온시켜 릴레이(R4)에 의해 온되는 접점(P4)을 통해 열선(94)으로 전원이 공급되도록 하여 열분해가 이루어지도록 한다.

폐타이어가 250℃정도의 저온에서 열분해가 진행되어 폐타이어의 양이 줄어들게 되면, 가이더(96)(96a)에 양측 돌출부(95)(95a)가 끼워진 고정틀(93)이 열선(94) 및 보호틀(98)과 함께 스프링(95)(95a)의 복원력에 의해 일측으로 일정치씩 당겨지게 된다.

그리고 상기 보호틀(98)의 하단에 형성된 돌출부(98-1)에 접하는 위치까지 전자석(83)도 스프링(86)(86a)에 의해 당겨지도록 하고, 그 상태가 되면 접점스위치(SW5)를 온시켜 릴레이(R5)에 의해 온되는 접점(95)을 통해 전자석(83)으로 전원이 공급되도록 한다.

이때 폐타이어의 열분해시에 남게되는 와이어가 전자석(83)에 달라 붙게 된다. 일정 연소시간이 경과하면 상당량의 와이어가 전자석(83)에 붙게 되는데 연소시간의 경과를 나타내는 타이머에 의해 릴레이(R2)가 동작하고 이 릴레이(R2)에 의해 솔레노이드(Sol2)과 모터(90)로 전원이 공급되도록 하여 모터(90)의 회전에 따라 회전하는 풀리(91)에 도르레(88)가 결합되어 이 도르레(88)도 같이 회전하도록 한다.

도르레(88)의 회전에 따라 로프(89)(89a)가 감기면서 전자석(83)을 타측의 스토퍼(92)와 접하는 위치까지 이동시켜 리미트스위치(SW6)를 온시키도록 하고, 리미트스위치(SW6)가 온되면 릴레이(R6)에 의해 오프되는 접점(P6)이 전자석(83)으로 공급되는 전원을 차단시켜 전자석(83)에 붙어 있던 와이어가 와이어 수집부(79)에 모아지도록 하는 동시에 릴레이(R7)에 의해 오프되는 접점(P7)이 릴레이(R2)의 구동을 중단시켜 솔레노이드(Sol2)와 모터(90)로 공급되는 전원을 차단시켜 가이더(85)(85a)에 내장된 스프링(86)(86a)에 의해 탱크(74)의 일측으로 전자석(83)이 이동하도록 하고, 보호틀(98)의 하단에 형성된 돌출부(98-1)와 접하는 위치까지 이동한 전자석(83)이 리미티스위치(SW7)를 온시키면 릴레이(R5)에 의하여 전자석(83)으로 정상적인 전원이 공급되도록 한다.

그리고, 열분해에 의한 작업이 계속 진행되어 보호틀(98)이 탱크(74)의 일측면과 접하는 상태가 되어 일측면에 형성한 리미트스위치(SW8)를 온시키게 되면 고정틀(93)은 수동스위치(SW1)를 온시킨 경우와 동일하게 타측으로 이동하게 되고, 타이머가 동작하는 시간동안 전자석(83)에 붙어있던 와이어를 와이어수집부(79)에 모아지도록 한후 보호틀(98)이 리미트스위치(SW7)와 접하는 상태가 된다.

제8도는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 전선등에 코팅된 합성수지를 열분해하는 장치를 제2도와 동일한 부분을 생략한 상태로 도시한 것이다. 측면에 세로의 투시창(111)이 구비된 탱크(110)의 내부에 외부로 부터 각각의 공급관(112)(113)(114)을 통해 연소용 가스와 산소를 공급받는 토치(115)(116)(117)를 상ㆍ하로 소정의간격을 띄운채 설치하고, 각각의 밸브(118)(119)(120)를 사용하여 착화 및 연소의 상태를 선택조절하도록 한다.

그러므로 탱크(110)의 내부에 둥글게 감겨진 상태의 폐전선을 토치(115)(116)(117)의 둘레에 차곡 차곡 쌓아둔 다음, 제일 위쪽의 공급관(112)에 설치된 밸브(118)를 개방시켜 토치(115)에서 생성되는 열에 의해 윗쪽에 쌓아 둔 폐전선이 열분해되도록 하고, 다음에 중간의 밸브(119)를 개방시켜 공급관(113)의 토치(116)에서 생성되는 열에 의해 중간부분에 쌓여진 폐전선이 열분해 되도록 한후, 하단의 밸브(120)를 개방시켜 공급관(114)의 토치(117)에서 생성되는 열에 의해 하단부분에 쌓여진 폐전선이 열분해되도록 함으로써 탱크(110) 내부의 폐전선은 위쪽부터 아래쪽으로 열분해 된다.

따라서 본 발명의 폐타이어의 열분해에 의한 가스추출방법 및 장치에 의하여 서는 원하는 임의의 저진공기압 상태를 조성하여 원하는 임의 온도에서 폐타이어를 열분해하되, 폐타이어 성분중 이소프렌과 부타디엔이 열에 의해 파괴(해리)되어 임의의 가스(프로판, 에틸렌, 메탄, 아세틸렌 등)로 재결합시켜 만드는 저진공기압상태 압력하에서의 크래킹공법을 사용함으로써 원하는 임의의 가스를 얻을 수 있다.

그리고 폐타이어를 열분해 할때 열분해 온도점이 대기압력하에서는 600℃ 이상이지만 본 발명장치에 의하여서는 250℃에서도 열분해 공정이 가능하므로 에너지 효율이 도모되며, 탱크 내부가 저진공 상태이므로 내부의 연소열이 주변으로 전도되지 않고 폐타이어의 열분해에만 사용된다.

탱크 내부의 기압은 진공펌프의 운전과 탱크에 주입되는 연소용 가스(연료와 산소)의 양에 의해 조절하며, 탱크내부에서 발생되는 가연성 가스를 계속 외부로 강제 배출시켜 줌으로써 내부의 안정성이 향상되고, 가스가 진공펌프를 경유하기 전에 열교환기를 통하여 냉각 및 액화되므로 안정된 작업이 수행된다.

또한, 종래 소각방식을 사용하지 않고 연소열 또는 전열을 이용한 열분해 방식을 사용하므로 합성에 의한 공해물질이 생성될 기회가 적으며 SO₄나 NO₂등의 물질이 소량 발생할 수 있으나, 열교환기(제3),(제4)를 경유하는 중에 액화되어 분류할 수 있으므로 대기중으로 방출되는 공해성 가스가 전혀 없다.

그리고 탱크의 내부 면적크기에 맞는 진공펌프의 용량과 연소시 주입되는 산소량 및 연료가스량을 조절하여 탱크 내부 기압을 임의로 조성하여 열분해 온도점을 조절함으로써 원하는 가스를 추출할 수 있다.

또한 열분해시 탱크 내부가 예열된 상태에서는 연소용 가스의 공급을 중단하여도 내부에서 생성되는 가스와 산소가 결합해서 열분해가 행하여지므로 적은 연료로 열분해 작업을 계속할 수 있는 잇점이 있는 것이다.

이때, 본 발명에서 사용되는 일반적인 폐타이어의 성분은 골자만 크게 나누면 카본블랙과 천연고무의 합성고무로 이루어져 있다.

이중에서 천연고무(이소프렌), 합성고무(부타디엔)는 탄화수소족으로 이루어진 고분자 물질인데, 고분자의 특성은 열을 가하면 그 물질의 구조가 쉽게 깨어지는 특성이 있다.

이 특성을 이용하여 폐타이어에 열을 가해 폐타이어를 분해시키는 것을 열분해라 하면, 본 기술은 직접 열분해 방법에 관한 연구이다.

탄화수소족 물질은 어떤 압력 조건에서 어떤 조건의 열을 가하는 가에 의해 탄소의 사슬이 길거나 짧게 끊어지면서, 탄소수가 길은 물질에서 짧은 물질로 변화하게 되는데, 이것을 크랙킹(Cracking)이라 한다.

폐타이어도 그러한 탄화수소족으로 이루어진 고분자 물질이므로, 어떤 조건의 압력과 열을 제공해주냐에 의해, 열분해 될 대 각 생성물질의 양의 변화가 있게 된다.

, 높은 열을 주입하여 열분해를 행하면, 열분해되어 발생된 가스중에 탄화 수소족에서 가장 가벼운 가스인 CH₄의 성분함량이 높게 나타나게 된다.

분해 온도가 낮으면 낮은 만큼 발생된 가스중에, 비교적 탄소사슬이 긴 C₃H₈의 성분 함량이 높게 나타나게 된다.

그것은 열분해 될 때 열의 온도가 높으면 탄소의 사슬이 짧게 끊어지게 되어, 탄소수가 적은 CH₄의 성분량이 많게 되는 것을 뜻하는데, 열에너지가 많을수록 결합된 탄소의 사슬이 많이 끊어져, 길이가 짧은 탄화수소족 물질의 생성량이 많아질 조건이 형서되는 것이다.

열에너지의 양에 해당되는 만큼의 탄소사슬이 끊어지게 되기 때문에 열에너지가 적으면 비교적 탄소사슬이 길에 끊어지게 되므로, 발생되는 탄화수소족 가스중에서 탄소 3개의 결합된 C₃H₈의 생성율이 높게 된다.

스성분은 기압 110torr 이하에서 250~300℃의 온도로 열분해하여 발생된 탄화수소족 성분함유율이며, C₃H₈이 4.06%로 타가스의 함유율은 ppm 단위이므로 C3H₈의 함유율은 일정 순도임을 알 수 있다.

한, 기압 180torr 이하에서 450℃ 이상의 온도에서 발생된 탄화수소족 가스의 함유율은 CH₄는 1.42%이고, C₂H₄는 0.62%이며, C₂H₂는 1.09%M이다.

기압 250torr이하에서 550℃이상의 온도에서 발생된 탄화수소족 가스의 함유율은 CH₄는 3.75%이고, C₂H₄는 1.27%이며, C₂H₂는 0.53%이고, CO는 26.2%이다.

기압 300torr이하에서 650℃이상의 온도에서 발생된 전체 가스의 성분함유율을 CH₄는 1.77%이고, C₂H₄는 0.75%이며, C2H₂는 1.08%M이다.

본 발명의 성분을 보면 알 수 있듯이 폐타이어를 직접 열분해를 행할 때 열분해 될 때 주변의 분위기에 따라서, 탄화수소족 가스의 성분함율이 다르게 나타나게 된다.

열분해 방법은 명세세어 기재되어 있는 것처럼 일정순도의 산소와 LPG 가스를 완전연소를 시킨 상태에서 이 연소가스의 열을 폐타이어에 직접 제공해 주는 방법이다.

무산소 분위기에서 열분해를 행해야 하는 점은, 폐타이어는 약 1.2%의 황(S)을 합유하고 있으므로 폐타이어가 분해된 후 발생된 가스중에 함유된 황과 산소가 결합하여 SO₂가 발생된다.

폐타이어의 소각은 환경면에서 큰 공해가 되기 때문에, 공해무제의 중요성의 부각으로 인해 소각을 시킬 수 없으며, 폐타이어를 처리하기 어려운 입장이다.

그러므로 폐타이어를 소각하여 처리하는 방법보다는 열분해를 해야 하는 것이며, 직접 열분해를 함에 있어서 열분해시 온도와 기압 조건에 따라, 에너지 사용효율의 문제와 공해물질의 발생량의 문제가 결정된다.

본 장치로 폐타이어를 직접 열분해함에 있어서 발생되는 가스를 크게 나누면 CO₂, CO, 상온에서 응축되는 오일가스, H₂O, CH₄, C₂H₄, C₂H, C₂H₈등이 있으며, 경우에 따라 SO₂나 H₂S등이 있으며, N이나 O₂등은 대기중에 있는 물질이 섞였거나, 연료가스와 같이 주입한 산소가 미연소되어 함유된 경우이다.

C₂O와 H₂O는 열분해시 열료로 이용하는 연소가스의 성분이다.

기압이 110torr 미만에서 열분해를 할 경우, 폐타이어 10㎏을 열분해 할 때 사용된 LPG의 양은 800g이 사용되었으며, 발생되는 가스는 탄화수소족 가스중에서 C₃H₈이 4.06%로, 탄화수소족 가스인 CH₄, C₂H₄, C₂H, C₂H₆등이 ppm단위로 발생되는데 비해, 일정순도로 발생되었음을 알게 된다.

폐타이어가 열분해 될 때 천연고무와 합성고무가 열분해되어 C₃H₈이 4.06%로 변화하고 약 95%는 대부분이 오일로 변화된다.

즉, 상온에서 액화하는 오일로 변화되는 것이다. 또한 SO₂나 H₂S 등의 공해물질도 극소량 발생이 된다. H₂나 CO등의 가스도 소량 발생이 된다. 응축기에서 응축되지 않고 진공펌프밖으로 배출되는 가스중, C₃H₈의 성분을 제외한 나머지 가스의 성분은 대부분이 CO₂가 된다.

기압이 300torr에서 650℃이상의 온도에서 열분해 할 경우 폐타이어 10㎏을 열분해 할 때 사용된 LPG의 양은 1㎏이 사용 되었으며, 발생되는 가스는 탄화수소족 가스중에서 CH₄: 4.03% C₂H₄: 2.22% i-C₄H₄: 1.47%이며 다른 탄화수소족 가스는 0.2% 미만의 소량이 발생되었다.

여러 가지 탄화수소족 중에서 비교적 CH₄성분이 가장 많게 발생되었으며, 탄화수소족 가스의 발생량은 총합이 8.7%이다. 특기할만한 점은 CO가 38.6% H₂는 19.8% CO₂는 20.8%라는 점이다.

110torr미만의 기압에서 열분해 였을때에는 H₂나 Co는 이처럼 많은 양이 발생되지 않았지만 기압 300torr 이상에서 650℃ 이상의 온도로 열분해 했을때는 이러한 현상을 보이며, 황성분은 약 10.36%가 된다. 즉 열분해시 650℃ 이상의 온도에서 열분해를 할 경우 폐타이어의 열분해되는 부분이 곳에 따라 국부적으로 1000℃ 이상 상승할 수 있으며, 열에너지가 폐타이어의 분해에만 이용되는 것이 아니며, 열분해 시키고 남은 열에너지는 열분해되어 발생된 탄화수소족 물질의 탄소사슬을 끊는데 사용되어지며, 연소가스 중에 하나인 H₂O를 해리시켜 H₂와 O로 분리시키고, 고온으로 가열된 폐타이어 표면의 C와 O가 결합해 CO를 발생시키는 등이 현상이 발생된다.

또한 폐타이어 자체에서 H₂를 해리시키는 것으로 보여지며, 탄소사슬이 C₃H₈이나 C₄H₁₀보다 긴 상온에서 액체로 되는 오일성의 가스에 함유된 황(S)은 0와 결합해 SO₂를 만들며, 해리된 H₂는 황과 결합해 H₂S를 만들게 된다.

이러한 현상이 발생하므로 해서 300torr의 기압과 650℃ 이상의 온도에서 열분해를 행하면, 열분해할 때 생성되는 오일의 생성량이 크게 줄어들고, 이때 발생된 오일의 물성상 오일에 함유된 H가 부족해 불포화적인 현상으로 색상이 흑갈색의 불투명한 오일이 되며, 열분해 탱크내부에 CO나 H₂등의 가스량이 많아져 기압이 불필요하게 높아지게 되어, 진공펌프의 사용효율이 크게 떨어지며 열분해시 사용되는 에너지 사용량이 증가하는 등의 문제점이 지적된다.

그러나 기압이 110torr미만에서 250~300℃로 열분해를 할 경우, 폐타이어를 열분해 시킬 때 필요한 최소한의 에너지만을 주입하는 효과가 되므로, H₂O가 해리되거나 CO가 발생되는 등의 현상은 없으며, 폐타이어에 함유된 탄화수소족 물질이 열분해 될 때 탄소사슬이 끊어지지 않고, 탄소사슬이 긴 오일성 가스로 대부분이 변화하며, H₂S나 SO₂등의 공해물질은 거의 발생되지 않으므로, 폐타이어를 열분해시 최소한의 필요한 에너지 사용으로 열분해를 행할 수 있으며, 불필요한 가스가 발생되지 않아 탱크 내부의 기압이 상승되지 않으며, 기압이 100torr미만으로 열분해되므로 열에너지가 대류나 전도로 손실되는 양이 적으며, 기압이 110torr 미만으로 열분해되므로 열에너지가 대류나 전도로 손실되는 양이 적으며, 열분해시 발생되는 오일의 생성율이 최대가 되는 등의 효과가 있다.

이 조건에서 생성되는 오일은 정제하면 매우 맑은 색을 띠게 되는데 그것은 폐타이어에 함유된 H가 부족하지 않는 포화성 오일이기 때문이다. 이 오일은 높은 온도에서 추출한 오일과 비교할 때 타르성분도 적으며, 화분양도 적은 상태로 추출된다.

그러므로 열분해시 발생되는 탄화수소족 가스중, 일정순도의 C₃H₈을 발생시키는 기압 110torr 상태에서 250~300℃의 온도로 폐아티어를 열분해 시키는 것은 매우 중요한 열분해 방법이다.

폐타이어에서 생성된 오일은 벙커C유성 물질이나, 정확한 의미로는 벙커C유가 아니다.

열분해 되어 추출했을 대 회분이 섞여 있어서 벙커C유와 유사한 모양의 오일이나 정제하면 250~300℃의 온도 조건과 기압 110torr에서 열분해하여 발생한 오일은 매우 맑은 오일이 되며, 650℃ 이상의 온도 조건과 300torr에서 열분해 하여 발생한 오일은 먼저 설정한 바와같이 흑갈색의 오일이 된다.

이 두 오일은 성분과 발열량의 차이가 있는데, 전자의 경우 비정제 상태에서 발열량은 8730cal/g이며, 탄소함량이 73.29%이므로 탄소에서 나온 열량은 6734cal이므로 나머지 1634cal는 오일에 함유된 수소에서 나온 열량임을 알 수 있으며 H₂는 1몰당 57.8kcal의 발열량이므로 1000분의 56g이므로, 오일 1000g에 대해 5.6%의 H₂가 함유되었다고 추론할 수 있다.

이 오일에 함유된 탄소와 수소의 함유율은 72.29+5.6→77.89%이며, 나머지 22.11%는 수분과 소량의 회분의 합이다.

본 오일은 정제하면 1g당 약 10211cal의 맑은 오일이 된다. 650℃ 이상의 온도에서 열분해하여 추출한 오일은 벙커C유와 유사한 모양의 오일이며, 회분 0.2%, 수분 57.83%, C : 29.9%, H : 11.37%의 성분인데 수분의 함량이 높은 것은 수봉식 진공펌프를 통해 배출되는 과정에서 분류를 해서 시료를 체취했는데 그 과정에서 섞이게 되었다.

앞의 오일과 이 오일은 서로 물성이 다른 오일의 특성을 보이며, 이 오일을 정제하면 C : 86.98%, H : 11.39%, 발열량 : 10340cal/g이 된다. (650℃ 이상의 온도에서 열분해하여 추출한 오일을 정제한 오일임).

이처럼 열분해 조건에 따라 생성되는 오일의 물성이 달라지게 된다. 또한, 폐타이어를 열분해 할 때 발생되는 탄화수소족 가스의 생성율은 발생되는 오일과 관계없이 열분해되어 발생된 물질중 진공펌프를 통해 배출되는 가스의 성분에서 10%를 못하며 열분해 온도점이 높으면 발생율이 약 8%이상으로 되고 열분해 온도점이 낮으면 5%이내가 된다.

열분해시에 열분해 온도점이 높으면 높을수록 탄화수소족 가스의 발생량이 늘어나는 것은 아니며, H₂와 CO의 발생량이 늘어나게 된다.

여기서 이 탄화수소족 가스의 발생율이 높으면 그 만큼 열분해시 사용되는 열에너지의 양이 많다는 뜻이며, 발생율이 높을수록 순도가 없는 여러 가지의 성분으로 발생이 된다.

그러므로 일정 순도의 H₃C₈이 발생된다는 것은, 열분해시에 가장 최소한의 필요한 열분해열을 제공한다는 의미가 되며, 탄소사슬의 끊어짐이 최대한 억제된 채 폐타이어가 열분해가 이루어진다는 의미가 된다.

본 발명은 상기에서 언급한 폐타이어의 열분해 뿐만 아니라 본 발명의 정신과 범위 내에서 폐전선, 코팅종이등의 펄프와 폐전자부품등 각종 산업 폐기물을 공해없이 열분해하는데 적용할 수 있음은 물론이다.

Claims (7)

1. 수동밸브(22)(25)와 전자밸브(23)(26)가 각각 구비된 연료가스관(21)과 산소관(24)을 통해 탄화수소가스와 산소를 공급하는 공급관(2)과, 탱크(1)의 저면에 격벽(32)을 통해 연결되는 진공펌프(4)를 통해 진공상태가 유지되며 하단에는 개폐변(33)을 형성하여 재를 배출시키는 재토출부(3)와, 상기 탱크(1)에 토출관(9a)을 통해 연결되고 물을 이용한 제1열교환기(5), 벙커C유를 액화시키기 위한 제2열교환기(6), 수증기를 액화시키기 위한 제3열교환기(7) 및 탄화수소가스를 액화시키기 위한 제4열교환기(8)를 경유하여 가스가 배출되도록 하여 탱크(1)의 내부를 진공상태로 유지시키는 진공펌프(9)와, 상기의 진공펌프(9)를 통과하는 이산화탄소가 상기 탱크(1)의 뚜껑(11)에 형성한 튜브(12)로 공급되도록 하거나 진공펌프(13)에 의해 회수되도록 하는 가스저장탱크(10)와, 상기의 제2내지 제4열교환기(6)(7)(8)를 순환하는 냉매가 진공탱크(14), 진공펌프(15) 및 냉매저장탱크(16)에 의해 가압이 낮아지도록 한 후 압축시켜 냉매액화열교환기(18)에 연결된 수액기(19)를 통해 액체상태로 공급되도록 하는 냉매액화콤퓨레샤(17)들로 구성됨을 특징으로 하는 폐타이어의 열분해에 의한 가스추출장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 탱크(1)는 수동밸브(22)(25) 및 전자밸브(23)(26)가 각각 구비된 연료가스관(21) 및 산소관(24)의 공급관(2)에는 소정길이의 파이프(37)가 각각 수직으로 끼워진 다수의 토치(27) 및 외부의 샘플토치(27a)를 연결하고, 점화장치(28)에 의해 착화 및 점화가 이루어지는 상기 토치(27)의 상단에는 재걸름망(29)과 지지봉(30)을 차례로 설치하고, 개폐가 가능한 격벽(32)의 위쪽에는 탱크(1)내부의 산소를 제거하기 위한 토치(31)를 설치하여 점화장치(28)에 의해 착화가 이루어지도록 하고, 개폐가 가능한 격벽(32)이 하단에 설치된 상기 탱크(1)의 상면에는 튜브(12)가 형성된 뚜껑(11)을 개폐가능하게 설치하고, 상기 탱크(1)의 측면에는 안전변(34)을 설치하여 내부의 기압상승시 개방되도록 구성됨을 특징으로 하는 폐타이어의 열분해에 의한 가스 추출장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2및 제3열교환기(6)(7)는 가스입구(51)가 형성된 좌측부(50)와, 좌우로 지그재그형의 가스이송관(53)이 관통된 내부에는 뷰라인액(54)을 충진한 본체하부(52)와, 상기 본체하부(52)의 상단에 위치하며 다수의 요철부(57)가 구비된 동판(56)으로 분리되어 냉매가스출구(58) 및 냉매액입구(59)를 형성한 본체상부(55)와, 가스출구(61) 및 액출구(62)를 상단 및 하단에 형성한 우측부(60)와, 상기의 액출구(62)에 설치되고, 고인 액체의 양에 따라 승하강하며 통로를 개폐시키는 밸브(63)들로 구성됨을 특징으로 하는 폐타이어의 열분해에 의한 가스추출장치.
4. 제1항에 있어서, 탱크(74)는 격벽(80)에 의해 재수집부(78)와 와이어수집부(79)로 분리되도록 하고, 재수집부(78)의 위쪽인 와이어걸림망(82)의 상단에 설치되는 전자석(83)은 스프링(86)(86a)의 사이에서 왕복이동하도록 하고, 지지망(75)의 상단에 설치되는 열선(94)은 보호틀(98)과 같이 고정틀(93)에 고정되어 같이 이동하도록 하고, 상기 고정틀(93)은 스프링(97)(97a)이 내장된 가이더(96)(96a)에 끼워진채 지지망(75)의 위쪽에서 왕복이동하도록 구성됨을 특징으로 하는 폐타이어의 열분해에 의한 가스 추출장치.
5. 제1항에 있어서, 세로로 투시창(11)이 형성된 탱크(110)에 밸브(118)(119)(120)가 각각 구비된 공급관(112)(113)(114)을 통해 연소용 가스와 산소를 공급받는 토치(115)(116)(117)를 상ㆍ하로 간격을 두고 설치하여서 됨을 특징으로 하는 폐타이어의 열분해에 의한 가스추출장치.
6. 뚜껑을 열고 지지봉의 상단에 폐타이어를 적층 내장하는 단계와, 진공펌프를 작동시켜 탱크의 내부압력이 260㎜Hg 정도가 유지되도록 하는 단계와, 산소제거토치를 착화시켜 내부의 잔류 산소를 연소시켜 제거하는 단계와, 가스와 산소를 공급하여 착화 및 점화가 이루어져 250℃~600℃ 정도의 연소열을 이용하여 110㎜Hg~260㎜Hg의 임의의 낮은 압력하에서 열분해가 이루어지도록 크래킹(cracking)공법을 수행하는 단계와, 진공펌프에 의해 외부로 배출되는 가스가 물을 이용한 제1열교환기에서 얼마간 냉각되도록 하는 단계와, 냉매를 이용한 제2열교환기에서 -5℃~-10℃ 정도로 냉각되는 중에 벙커C유를 얻는 단계와, 냉매를 이용한 제3열교환기에서 -40℃~-50℃ 정도로 냉각되는 중에 물을 얻는 단계와, 냉매를 이용한 제4열교환기에서 -70℃~-80℃ 정도로 냉각되는 중에 액화 프로판가스를 얻고 이산화탄소를 토출시키는 단계들에 의해 수행됨을 특징으로 하는 폐타이어의 열분해에 의한 가스 추출방법.
7. 제6항에 있어서, 크래킹 공정을 수행하는데 있어서, 탱크 내부의 압력을 110㎜Hg에서 250㎜Hg으로 유지하면서 연소열의 확산현상에 의한 LNG성 가스를 발생시키는 폐타이어의 열분해에 의한 가스 추출방법.