KR100233078B1 - 폐기 플라스틱의 연속유화방법 및 연속유화장치 - Google Patents

Abstract

폐기 플라스틱의 유화기술, 특히 압출성형기의 기구를 응용하는 유화기술에 대해 카본 발생을 유효하게 방지하고, 바람직한 조성의 회수물을 효율적으로 얻기 위한 분해제어를 효과적으로 할 수 있도록 한다. 이를 위해 반송수단(3a)(3b)(3c)을 내장한 반응기(1a)(1b)(1c)를 다단으로 접속하여 사용하고, 이들의 반응기내에서 반송하면서 폐기 플라스틱을 가열하면서 분해시켜서 연속유화를 한다. 그리고, 하나 또는 일련의 반응기를 단위로하여 용융영역과 분해영역을 반송방향에서 형성시키고, 용융영역에서는 고형 형상의 폐기 플라스틱을 용융·액화시키고, 분해영역에서는 용융영역으로부터의 액화성분에 반응기의 바닥부에서 얕은 액상부를 형성시킴과 동시에, 액상부로부터 발생한 기화성분에 액상부의 상측에서 당해 액상부에 비해 충분히 큰 용적의 기상부를 형성시키고, 이 기상부에 충만한 기화성분을 외부로 유도해서 냉각하여 유화물로서 회수한다.

Description

[발명의 명칭]

폐기 플라스틱의 연속유화방법 및 연속유화장치

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 폐기 플라스틱을 열분해하여 유화하는 기술에 관한 것으로써, 특히 공업용 버너 등의 연료유로서 적성이 높은 조성의 유화물을 효율적으로 얻는 유화기술에 관한 것이다.

[발명의 배경]

폐기 플라스틱의 유화처리에 대해서는 이미 다종다양한 방식이나 장치형태가 제안되어 있다. 그러나, 실용적인 가동을 가능하게 한 것은 아직 없는 것이 실정이다.

예를 들면, 압출성형기의 기구를 응용하는 기술, 즉 압출성형기의 특징인 스크류 콘베이어와 같은 연속적 반송수단에 의한 연속반송을 하면서 가열하여 유화분해를 연속적으로 행하는 기술도 그 중 하나이다. 압출성형기의 기구를 응용하는 것에 대해서는, 압출성형기가 고도로 완성된 기술이기 때문에, 콤팩트한 장치형태로 비교적 많은 처리량이 가능하며, 또 연속적인 자동처리가 가능하다는 등의 기대가 있어 세계 각국에서 수많은 연구개발이 진행되어 왔다. 그러나, 그 실용화가 실현되지 못한 것은 상기한 바와 같다.

압출성형기 방식도 포함하여 종래의 유화기술이 그 실용가동에 이르지 못하는 데에는 분해과정에 있어서의 탄화물(카본)의 대량발생이 커다란 원인중 하나를 점하고 있다. 즉, 카본이 다량으로 발생하면, 이것이 분해반응기의 내벽에 부착되어 열전도를 저해하여 분해반응의 안정적인 제어가 곤란해지며, 그 때문에 바람직한 조성의 회수물을 효율적으로 얻을 수 없고, 또 장치의 유지보수에 많은 노력과 시간을 필요로 하며, 또 반응과정의 위험성이 증가하므로 많은 감시요원을 필요로 하게 된다. 그래서, 그 결과 경제성이 떨어져서 실용기로서의 가동에 연결시킬 수 없게 된다.

또, 얻어진 회수물의 조성을 충분히 제어할 수 없다는 것도 실용가동을 저해하는 요인이 되고 있다. 즉, 회수물은 공업용 버너 등의 연료유로서 적성이 있는 성분구성인 것이 현실적으로 가장 바람직하지만, 종래 기술에 있어서의 회수물은 카본 혼입에 따른 저질화를 초래하거나, 반대로 과잉분해로 인해 가솔린분이 너무 많아져서 연료유로서의 적성이 결여되는 등, 시스템의 실용적 가동에 필수불가결한 회수물의 부가가치성을 높일 수 없어서 실용적인 시스템으로서의 가동에 연결시킬 수 없게 된다.

이상과 같은 유화기술의 실용가동상 피할 수 없는 카본 발생 방지나 회수물 조성제어에는 폴리머의 분해나 카본발생의 메카니즘에 대한 정확한 지식과, 이것에 의거한 적절한 대응이 당연히 요구되지만, 종래의 기술은 모두 이 점이 불충분하여 카본 발생을 유효하게 방지할 수 없으며, 또 회수물의 조성제어를 유효하게 할 수 없었다고 생각된다.

이와 같은 관점에서 본원 발명자는 폴리머의 분해 및 카본 발생의 메카니즘에 대해 보다 깊이 연구분석을 행하여 이하와 같은 지견을 얻었다. 먼저, 폴리머의 유화분해인데, 이것은 고형물이 용융되어 액화되고, 그리고나서 액화된 상태에서 다시 가열을 받음에 따라 폴리머의 고차구조가 붕괴되어 저차구조화되고, 이 상태에서 처음 분해를 일으키게 되며, 분해를 일으키면 분해온도 등에 따른 각종 분자량 분포를 가진 기화성분이 발생하며, 이것을 냉각함으로써 일정한 조성을 가진 회수물을 얻을 수 있다는 과정을 거쳐서 발생한다. 그리고, 회수물 조성에 가장 크게 영향을 주는 것은 액화된 상태에서의 가열온도의 제어 내지 분해반응의 제어이며, 따라서 액화성분에 대한 온도제어 내지 분해반응제어가 회수물 조성에 따라 가장 중요한 요소가 된다.

다음에, 카본의 발생은 분해로 발생한 기화성분, 특히 저분자화가 진행된 기화성분이 좀더 과잉의 가열을 받을 경우 그 대부분이 발생한다. 그런데, 종래의 기술은 모두 기화성분이 고형물이나 액화성분에 갇히거나 둘러싸여서 과잉가열을 피할 수 없는 조건에서 처리를 하고 있으며, 이것이 카본 대량발생의 최대 원인이 되고 있다. 따라서, 액화성분으로부터 발생하는 기화성분을 재빨리 액화성분 등으로부터 분리시켜서 과잉가열에 노출되는 상태를 없애주는 것이 가장 중요한 일이다.

특히, 압출성형기 기구를 응용한 종래의 기술에서는 스크류의 강력한 반송에 의한 압축력이나 전단력도 가열원으로서 이용한다는 성형 방식의 연장에서, 액상화된 후에도 고밀도의 상태로 압축하여 반송하도록 하고 있으며, 그 결과 기화성분이 갇혀서 카본의 대량발생을 초래하기 쉬워지며, 또 열전도율이 낮은 폴리머에 두꺼운 층을 형성시키게 되므로, 그 중심부의 온도제어에 곤란을 초래하여 회수물의 조성제어를 유효하게 할 수 없었다.

[발명의 개시]

본 발명은 이상과 같은 지견에 의거해서 이루어진 것으로, 폐기 플라스틱의 유화기술, 특히 상기와 같은 이점을 기대할 수 있는 압출성형기 기구를 응용하는 유화기술에 대해 카본 발생을 유효하게 방지하고, 또 바람직한 조성의 회수물을 효율적으로 얻기 위한 분해제어를 효과적으로 할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로는, 본 발명에서는 대상물을 공급측에서부터 배출측까지 수평 내지 약간 적당한 각도로 기울어진 가로송출상태에서 연속적으로 반송하는 반송수단을 내장한 반응기를 하나 또는 다수 다단으로 접속하여 사용하며, 이들의 반응기내에서 반송하면서 폐기 플라스틱을 가열하면서 분해시켜서 폐기 플라스틱의 연속유화를 하는데 대해, 하나 또는 일련의 반응기를 단위로 하여 용융영역과 분해영역을 반송방향에 형성시키도록 하고, 용융영역에서는 고형 상태의 폐기 플라스틱을 용융시켜서 액화시키고, 분해영역에서는 용융영역으로부터 공급되어 오는 액화성분에 반응기 바닥부에서 얕은 액상부를 형성시킴과 동시에, 액상부에 있어서의 액화성분의 분해·기화로 발생하는 기화성분에 액상부의 상측에서 당해 액상부에 비해 충분히 큰 용적의 기상부를 형성시키고, 이 기상부에 충만한 기화성분을 외부로 유도하여 냉각후 유화물로서 회수하도록 하고 있다.

이 방법의 특징은, 분해영역에 액상부와 기상부를 형성시키고, 또한 그 액상부를 얇게 하는 한편, 그 기상부에 액상부에 비해 충분히 큰 용적을 주도록 한 것이다. 그 결과, 폴리머의 열전도율이 낮은 것에 따른 영향을 작게 할 수 있어서 액상부에 있어서의 액화성분의 온도제어가 용이해져서 의도하는 조성의 회수물을 쉽게 얻을 수 있게 된다. 또, 액화성분으로부터 발생하는 기화성분을 재빨리 액화성분으로부터 분리시켜서 기화성분이 과잉가열에 노출되는 상태를 없애줄 수 있어서 카본 발생을 유효하게 방지할 수 있다. 특히, 카본 발생을 유효하게 방지할 수 있는 결과, 분해반응의 안정적인 제어가 용이해져서 바람직한 조성의 회수물을 효율적으로 얻을 수 있게 되고, 또 장치의 유지보수 부담이 대폭 경감되며, 또한 반응과정의 감시가 실질적으로 불필요해져서 무인화운전을 가능하게 할 수 있다.

이와 같은 기상부는 회수물의 조성제어에도 더욱 유효하게 기능케 할 수 있다. 즉, 기상부에 있어서의 온도를 액상부의 그것에 비해 낮게 유지함으로써 기상부에서 기화성분에 자연대류를 일으킬 수 있으며, 이 자연대류에 의해 분자량이 큰 성분만이 다시 액상부쪽으로 되돌아와서 재분해되어 저분자화하고, 회수물의 분자량을 좁은 범위에 분포시킬 수 있다.

이와 같은 메카니즘을 유효하게 활용하기 위해서는, 거기에서의 기화성분이 상기와 같이 대류를 유효하게 일으킬 수 있는 용적을 기상부에 주고, 또 기상부와 액상부의 가열제어를 분리시켜 기상부를 액상부보다 저온으로 유지할 수 있게 한다.

또한, 본 발명에서는 상기와 같은 액상부와 기상부의 분리형성에 따라 액상부에서 액화성분을 촉매와 접촉시키도록 하고 있다. 이와 같이 액상부에 있어서 액화성분에만 촉매를 작용시키는 것도 상술한 액화상태에 있어서의 분해반응제어시 중요하며, 회수물 조성을 바람직한 구성으로 하는데 크게 기능한다. 이 점을 종래의 촉매 사용법과 비교해서 이하에 설명한다.

종래 방식에서는 촉매는 기상중에서만 기능하는 것이 되며, 이 때문에 분해생성한 기화성분에 촉매를 접촉시키도록 하고 있으며, 그 결과 과잉분해가 진행되어 다량의 가솔린분을 발생시키고 있었다. 즉, 종래에는 본래 의미로서의 유화분해 과정에는 실질적으로 촉매를 이용하지 않고, 유화분해후의 부차적인 과정에서 촉매를 이용하며, 또 그것이 회수물 조성을 바람직하지 않은 방향으로 바꾸는 원인이 되었다. 이에 대해, 본 발명에서는 본래 의미에서의 유화분해 과정에 촉매를 이용할 수 있으며, 또 그 작용을 본래의 분해에만 이용할 수 있다. 즉, 분해로 생긴 기화성분에는 작용시키지 않고, 액화된 폴리머에만 작용시킬 수 있으므로, 분해효율을 현저하게 거둘 수 있으며, 또 바람직한 조성의 회수물을 높은 효율을 얻을 수 있다.

상기와 같은 연속유화방법을 실효하기 위한 연속유화장치는 대상물을 공급측에서부터 배출측까지 수평상태에서 연속적으로 반송하는 반송수단을 내장한 반응기를 하나 또는 다수 구비하고, 이들 반응기내에서 반송하면서 폐기 플라스틱을 가열하고 분해시켜서 유화를 행하는 구조를 기본으로 하며, 하나 또는 일련의 반응기를 단위로 하여 용융영역과 분해영역을 반송방향에서 형성시키고, 용융영역에서는 고형상태의 폐기 플라스틱을 용융하여 액화시키고, 분해영역에서는 용융영역으로부터 공급되어 오는 액화성분에 반응기의 바닥부에서 얕은 액상부를 형성시킴과 동시에, 액상부에 있어서의 액화성분의 분해·기화에 의해 발생하는 기화성분에 액상부의 상측에서 당해 액상부에 비해 충분이 큰 용적의 기상부를 형성시키고, 이 기상부에 충만한 기화성분을 외부로 유도하여 냉각후 유화물로서 회수하도록 되어 있으며, 상기 분해영역에 대응하는 부위에는 액상부의 기화성분 반송용으로서 반송수단을 반응기 바닥부에 근접한 상태로 배치함과 동시에, 이 반송수단의 상측에 상기 기상부를 위한 공간부를 형성하도록 되어 있다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명의 일실시예에 의한 연속유화장치의 요부를 간략화하여 도시한 일부단면을 포함하는 측면도.

제2도는 제1도중 화살표 SA-SA선을 따른 단면도.

[발명을 실시하기 위한 형태]

이하, 본 발명의 일실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태에서는 제1도에 도시한 바와 같은 연속유화장치를 사용한다. 이 연속유화장치는 3개의 반응기(1a)(1b)(1c)를 상하방향에서 다단으로 접속한 구조가 된다. 각 반응기(1a)(1b)(1c)는 모두 통형상의 케이싱(2a)(2b)(2c) 내부에 반송수단으로서 2축의 스크류(3a)(3b)(3c)를 내장한다. 또, 각 반응기(1a)(1b)(1c)는 도시하지 않은 가열수단에 의해 외부에서 각각에 맞는 온도에서 가열할 수 있게 된다.

그 중, 상단의 반응기(1a)는 그 케이싱(2a)의 내주 사이즈가 스크류(3a)의 외주사이즈보다 약간 큰 정도가 된다. 또, 그 케이싱(2a)의 한쪽 단부 근방에 공급부(4)가 형성됨과 동시에, 다른쪽 단부 근방에는 제1가스배기부(5)와 그 유하부(6)가 형성되고, 이 유하부(6)는 제2가스배기부(7)를 사이에 개재되어서 중간단의 반응기(1b) 수납부(8)에 접속된다.

한편, 중간단 및 하단의 반응기(1b)(1c)에 대해서는 그 케이싱(2b)(2c)의 높이 사이즈가 상단 반응기(1a)의 케이싱(2a) 높이 사이즈의 1/3 정도가 되고, 또 그 스크류(3b)(3c)는 그 높이 사이즈가 케이싱(2b)(2c) 높이 사이즈의 절반 정도가 되며, 케이싱(2b)(2c)의 바닥부를 따르게 된다. 그 결과, 스크류(3b)(3c)의 상측에 소정 용량의 공간부가 기상부(G)로서 형성된다. 또, 중간단의 반응기(1b)는 그 케이싱(2b)의 각 단 근방에 상기 수납부(8)외에 제3가스배기부(9) 및 유하부(10)가 형성되고, 하단 반응기(1c)는 그 케이싱(2c)의 한쪽 단부 근방에 중간단 반응기(1b)의 유하부(10)와 제4가스배기부(11)를 개재시켜서 접속하는 수납부(12)가, 또 다른쪽 단부 근방에는 제5가스배기부(13)와 배출부(14)가 설치된다. 또한, 이 양 반응기(1b)(1c)의 케이싱(2b)(2c)는 제2도에 중간단의 반응기(1b)에 대해 도시한 바와 같이, 상부 케이싱부재(15)와 하부 케이싱부재(16)로 형성되며, 이 양 부재(15)(16)는 기밀구조로 된 접속부(17)에서 접속된다.

또한, 각 반응기(1a)(1b)(1c)에는 각각의 스크류(3a)(3b)(3c)를 회전구동시키는 구동시스템이 접속되지만, 이들은 종래부터 일반적으로 사용되고 있는 것이므로, 그 도시는 생략한다.

이 연속유화장치에 의한 폐기 플라스틱의 연속유화처리는 이하와 같이 수행된다. 상단의 반응기(1a) 투입부(4)로부터는 소정의 분쇄처리를 가한 고형 형상의 폐기 플라스틱이 예를 들면 실리카 입자와 같은 과립형상의 촉매와 혼합시켜서 연속적으로 공급된다. 그리고, 이것이 스크류(3a)에 의해 반송되면서 가열을 받아 서서히 용융되어 액화되어 나간다. 이 사이가 용융영역을 이루고 있으며, 상단 반응기(1a)의 실효길이 약 2m의 거의 8할 정도를 점하고 있다.

용융영역의 끝에서는 점도가 낮은 액화성분이 주류를 이루며, 이 액화성분은 촉매와 함께 케이싱(2a)의 바닥부에 몇 ㎝정도의 얇은 층을 형성해서 모인다(제1도중에 점선으로 나타낸 것이 고형상태의 폐기 플라스틱이 용융되어 액화성분화되어 서서히 용융상태가 줄어들면서 박층화되어 나가는 상태이다). 이 부위는 용융영역과 후술하는 분해영역을 연결하는 초기 분해영역에 해당하며, 액화성분으로부터 분해·기화가 서서히 시작되는 부분이고, 여기서 발생한 기화성분은 제1가스배기부(5)로부터 배출되어 도시하지 않은 회수장치로 유도되고, 거기서 냉각되어 회수된다.

초기 분해영역으로부터 저점도화된 액화성분은 유하부(6) 및 수납부(8)를 통해 중간단의 반응기(1b)를 흘러내린다. 중간단의 반응기(1b)는 이것에 접속되는 하단의 반응기(1c)와 함께 분해영역을 형성하고 있으며, 중간단의 반응기(1b), 즉 분해영역으로 흘러내린 유화성분은 제2도에 보이는 바와 같이, 그 케이싱(2b) 바닥부에 얕은 액상부(L)를 형성한 상태에서 스크류(3b)에 의해 유하부(10)측으로 반송되면서 액상부(L)에 있어서의 가열온도(예를들면 폴리스틸렌의 경우이면 약 450℃이고 폴리에틸렌의 경우이면 약 600℃)에 의한 가열을 받음으로써 분해를 일으켜서 기화성분을 기상부(G)에 방출한다.

기상부(G)에 있어서는 기화성분내의 저분자성분은 가벼우므로 그대로 제2가스배기부(7) 및 제3가스배기부(9)로부터 배출되지만, 분자량이 큰 성분은 액상부(L)보다 낮게 제어된 온도분위기(예를들면 폴리스틸렌의 경우이면 약 300℃, 폴리에틸렌의 경우이면 약 450℃)의 기상부(G)에서 식어서 하강하고, 다시 고온상태의 액상부(L)에서 가열되어 재분해되어 저분자화한다. 즉 기상부(G)에서는 액상부(L)와의 온도차이로 기화성분의 활발한 상하대류가 발생하여 고분자량 성분의 감소화가 진행된다.

이상의 반응은 중간단의 반응기(1b)로부터 흘러내린 기화성분에 대해 하단반응기(1c)에서도 거의 동일하게 발생한다. 그리고, 마지막으로 하단반응기(1c)의 배출부(14)로부터 미분해물이 촉매와 함께 배출·회수된다.

이상과 같이 얻어진 유화물은 등유에 상당하는 성분, 경유에 상당하는 성분 및 A중유에 상당하는 성분을 주체로 하며, 그 비율은 폴리스틸렌의 경우에 98%에 달하고 있어 공업용 버너 연료로서 적합한 조성을 가졌다.

이상의 본 실시형태에 의거한 구조에서 60㎏/1시간의 처리능력을 예정하는 경우의 사양예를 들면, 상단 반응기(1a)는 그 케이싱(2a)의 높이 사이즈가 약 22㎝이고, 전체길이는 약 3m, 중간단 및 하단의 반응기(1b)(1c)는 각 케이싱(2b)(2c)의 높이 사이즈가 상단 반응기(1a)의 1/3 정도이며, 전체길이는 상단 반응기(1a)보다 약간 짧은 정도가 되어 매우 콤팩트한 구조로 만들 수 있다.

[산업상의 이용가능성]

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 압출성형기 기구를 응용하는 유화기술에 있어서의 카본 발생이나 회수유의 유질제어 문제를 해소할 수 있으며, 압출성형기 기구의 응용에 따른 장치 전체의 콤팩트화나 연속적인 자동처리화 등의 이점을 유효하게 활용한 연속유화 기술의 실용적인 가동을 가능하게 할 수 있다.

Claims (4)

1. 대상물을 공급측으로부터 배출측까지 연속적으로 반송하는 반송수단을 내장한 반응기를 하나 또는 다수 다단으로 접속해서 이용하고, 이들 반응기내에서 반송하면서 폐기 플라스틱을 가열하면서 분해시켜 유화를 행하는 폐기 플라스틱의 연속유화방법에 있어서, 스크류를 내장한 하나 또는 일련의 반응기를 단위로 하여 용융영역과 분해영역을 반송방향에서 형성시키도록 하고, 용융영역에서는 고형상태의 폐기 플라스틱을 용융시켜서 액화시키고, 분해영역에서는 반응기 내에서 스크류가 하방으로 편심된 상태로 설계됨으로써 용융영역으로부터 공급되어 오는 액화성분에 반응기의 바닥부에서 얕은 액상부를 형성시킴과 동시에, 액상부에서의 액화성분의 분해·기화로 발생하는 기화성분에 액상부의 상측에서 당해 액상부에 비해 충분히 큰 용적의 기상부를 형성시키고, 이 기상부에 충만한 기화성분을 외부로 유도해서 냉각시킨 후 유화물로서 회수하도록 한 것을 특징으로 하는 폐기 플라스틱의 연속유화방법.
2. 제1항에 있어서, 기상부의 가열온도를 액상부보다 저온으로 유지하도록 한 것을 특징으로 하는 연속유화방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 액상부의 액화성분을 촉매와 접촉시키도록 한 것을 특징으로 하는 연속유화방법.
4. 대상물을 공급측에서부터 배출측까지 연속적으로 반송하는 반송수단을 내장한 반응기를 하나 또는 다수 구비하고, 이들 반응기내에서 반송하면서 폐기 플라스틱을 가열하면서 분해시켜 유화를 행하는 폐기 플라스틱의 연속유화장치에 있어서, 스크류를 내장한 하나 또는 일련의 반응기를 단위로 하여 용융영역과 분해영역을 반송방향에서 형성시키고, 용융영역에서는 고형상태의 폐기 플라스틱을 용융해서 액화시키고, 분해영역에서는 반응기 내에서 스크류가 하방으로 편심된 상태로 설계함으로써 용융영역으로부터 공급되어 오는 액화성분에 반응기의 바닥부에서 얕은 액상부를 형성시킴과 동시에, 액상부에서의 액화성분의 분해·기화로 발생하는 기화성분에 액상부 상측에서 당해 액상부에 비해 충분이 큰 용적의 기상부를 형성시키고, 이 기상부에 충만한 기화성분을 외부로 유도하여 냉각후에 유화물로서 회수하도록 되어 있으며, 상기 분해영역에 대응하는 부위에는 액상부의 기화성분 반송용으로서 반송수단이 반응기 바닥부에 근접한 상태로 배치함과 동시에, 이 반송수단의 상측에 상기 기상부를 위한 공간부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연속유화장치.