KR100362246B1

KR100362246B1 - 고분자 폐기물의 열분해 처리장치

Info

Publication number: KR100362246B1
Application number: KR1019970025405A
Authority: KR
Inventors: 최정욱; 최재훈; 김진수; 이창훈
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 1997-06-18
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 2003-02-05
Also published as: KR19990001930A

Abstract

본 발명은 산업 폐기물 또는 일반 폐기물 등으로 폐플라스틱, 폐비닐, 폐타이어등과 같은 고분자의 폐기물을 촉매제를 사용하지 않고 일분해 하여 오일 및 가스를 전량 재자원화 할 수 있는 고분자 폐기물의 열분해 처리 장치에 관한 것으로, 폐플라스틱을 분쇄하여 저장하는 폐플라스틱용 사일로(2)를 갖는 공급장치(6)와, 공급장치(6)에서 공급된 폐플라스틱을 열 분해하도록 가스버너(50)가 설치되어 있고, 내부에는 유동층(8)을 갖는 반응기(10)와, 반응기(10)에서 발생된 열분해 가스에 섞여 있는 분진을 분리하도록 설치된 분진포집장치(14)와, 분진포집장치(14)에서 분리된 열분해 가스를 냉각시켜 오일을 응축시켜 회수하도록 열분해유 수집탱크(42)를 갖는 가스 응축장치(70)와, 그리고 가스 응축장치(70)에서 공급된 비응축성 가스는 압축기(30)를 통해 가스저장탱크(46)에 저장되도록 구성되며, 가스저장탱크(46)내로 회수된 가스를 가스버너(50)로 공급하도록 조절하는 콘트롤밸브(82)를 갖도록 구성된 것이 특징이다.

Description

고분자 폐기물의 열분해 처리장치

본 발명은 고분자 폐기물의 열분해 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산업 폐기물 또는 일반 폐기물 등으로 폐플라스틱, 폐비닐, 폐타이어등과 같은 고분자의 폐기물을 촉매제를 사용하지 않고 열분해 하여 오일 및 가스를 전량 재자원화 할 수 있는 고분자 폐기물의 열분해 처리 장치에 관한 것이다.

종래의 일반적인 예를 들면, 일반 가정이나, 공장 등에서 많이 사용되는 플라스틱의 제품이 폐기되어질 때 발생되는 폐플라스틱과 같은 고분자 폐기물 등의 산업 폐기물이나 일반 폐기물의 처리 방법은 대체로 매립장을 선정하여 매립하거나 소각에 의해 처리하여 왔다.

그러나 상기와 같은 종래의 방법으로는 계속해서 급증하는 폐플라스틱과 같은 폐기물을 처리하기에는 현재의 매립장으로는 역부족일 뿐만 아니라, 상기 매립장으로 사용되는 토양의 오염이 매우 심각해지고, 폐플라스틱을 소각함으로써 다이옥신과 같은 매우 유해한 가스를 발생하므로 환경오염의 주요인 되고 있다.

그래서 최근에는 플라스틱의 폐기물 처리 방법으로 JP-5-2091175 에서 일차로 플라스틱 폐기물을 용융시키고, 2단계 공정에서 촉매제를 이용하여 저분자 물질로 크랙킹하는 공정 기술이 제시되었을 뿐만 아니라, USP 4,971,426 에서는 열분해된 증기를 촉매층을 통과시켜 분해하는 공정들이 발표되었다.

상기와 같은 종래의 방법에서와 같이 분해 촉매를 사용하여 고분자 물질을 분해하는 공정 등은 비교적 낮은 400∼500℃의 온도 부근에서 고분자 물질을 분해할 수 있는 장점은 있으나, 촉매제의 비용 및 운전관리 면에서 경제성이 매우 떨어져 실용성이 없는 것으로 폐플라스틱을 처리하기에는 별다른 도움을 주지 못하고 있다.

따라서 본 발명은 종래와 같은 문제점을 감안하여 제시되는 것으로, 본 발명의 목적은, 폐플라스틱과 같은 고분자 폐기물을 공기가 없는 상태에서 열 분해하는 것으로 발생되는 오일 및 가스를 재자원화 할 수 있을 뿐만 아니라, 폐플라스틱의 처리시 유해한 가스를 발생하지 않도록 안전하게 처리할 수 있는 고분자 폐기물의 열분해 처리장치를 제공함에 있다.

도 1 은 본 발명의 처리장치를 나타내는 도면.

도 2A∼도2C는 본 발명의 가스버너를 나타내는 도면.

도 3 과 도 4 는 본 발명의 실험치 결과를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2: 폐플라스틱용 사일로 4: 중화제 사일로

6: 공급장치 8: 유동층

10: 반응기 12: 수집탱크

14: 분진포집장치 16: 가스세정장치

18: 콘덴서 22: 1차칼럼

24. 30: 순환펌프 20, 26, 31: 순환관

28: 2차칼럼 34, 36, 38, 40:82, 84: 콘트롤밸브

32: 가스필터 46: 가스저장탱크

48: 열교환기 50: 가스버너

54: 연소가스 방출구 56: 연료가스 주입구

58: 공기주입구 60: 외관

62: 내관 66: U형 튜브관

68: 굴곡형 튜브관 70: 응축장치

80: 화염부

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 고분자 폐기물의 열분해 처리장치는, 폐플라스틱을 분쇄하여 저장하는 폐플라스틱용 사일로를 갖는 공급장치와, 공급장치에서 공급된 폐플라스틱을 열 분해하도록 가스버너가 설치되어 있고, 내부에는 유동층을 갖는 반응기와, 반응기에서 발생된 열분해 가스에 섞여 있는 분진을 분리하도록 설치된 분진포집장치와, 분진포집장치에서 분리된 열분해 가스를 냉각시켜 오일을 응축시켜 회수하도록 열분해유 수집탱크를 갖는 가스 응축장치와, 그리고 가스 응축장치에서 공급된 비응축성 가스는 압축기를 통해 저장되도록 가스저장탱크를 갖으며, 가스저장탱크내로 회수된 가스를 가스버너로 공급하도록 조절하는 콘트롤밸브를 설치하도록 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1 은 본 발명의 처리장치를 나타내는 도면이고, 도 2A∼도2C 는 본 발명의 가스버너를 나타내는 도면이고, 도 3 과 도 4 는 본 발명의 실험치 결과를 나타낸 그래프이다.

폐플라스틱용 사일로(2)에 혼합된 폐플라스틱 또는 단일종의 고분자 폐기물을 5∼30mm 크기로 분쇄하여 저장하고 있고, 중화제용 사일로(4)에는 칼륨, 칼슘, 나트륨, 마그네슘과 같은 염기성 물질을 분말형상으로 공급하여 반응기(10)에서 열 분해시 발생되는 산성 가스를 중화시키도록 공급장치(6)에 의해 폐플라스틱과 같이 섞여 공급된다.

상기 반응기(10)의 내부에는 유동층(8)으로 규사를 갖고 있고, 폐플라스틱을 열 분해시키기 위하여 간접 가열방식의 가스버너(50)를 설치하고 있다.

상기 반응기(10) 내에서 가스버너(50)에 의해 500∼800℃의 가열로 폐플라스틱은 열 분해되어 유동상 물질로 변화되어 일부는 유동상 물질 수거용 수집탱크(12)로 모아진 후 재활용된다.

상기 반응기(10)에서 폐플라스틱이 유동상 물질로 변화되면서 발생되는 열분해 가스는 분진 포집장치(14)로 송출되어 열분해 가스와 섞여져 있는 미세한 분진등을 제거하여 순도 높은 열분해 가스로 분리시킨다.

상기와 같이 400∼600℃로 열 분해된 가스를 응축성 오일로 만들기 위해 설치된 응축장치(70)의 열분해 가스세정장치(18)로 송출하여 냉각시킨다.

상기 가스세정장치(18)에서 열분해 가스를 1차적으로 냉각시켜 응축시킨 오일을 하부측으로 흘러내리게 한후, 콘덴서(18)에 의해 냉각된 오일을 순환관(20)으로 순환시켜 가스세정장치(18)의 상부측으로 분사시켜 열분해 가스와 재접촉시키므로 열분해 가스 중에 생성되어 있는 무거운 오일을 응측시켜 콘트롤밸브(34)에 의해 열분해 수집탱크(42)로 배출된다.

상기 가스세정장치(18)에서 1차로 응축시켜 오일을 생성시키고 남은 열분해 가스는 50∼80℃로 냉각되어 2차로 1차칼럼(22)의 하부측으로 공급한다.

그리고 1차칼럼(22)에 공급된 열분해 가스는 하부측에서 상부측으로 상승되면서 칼럼에 접촉되어 오일이 응축되고, 하부측으로 흘러내리는 오일을 순환펌프(24)를 이용하여 순환관(26)을 통하여 상부측으로 재공급하여 분무시키므로, 칼럼을 거쳐 상승되는 열분해 가스와 접촉시켜 오일로 응축시켜 콘트롤밸브(36)를 통하여 열분해유 수집탱크(42)로 배출된다.

또한 상기 1차칼럼(22)에 응축되고 남은 열분해 가스는 2차 칼럼(28)의 하부측으로 공급되어 상부측으로 상승되면서 칼럼에 접촉되어 열분해 가스에 잔존하고 있는 오일이 응축되고, 상기 응축되어 흘러내리는 오일을 순환펌프(30)로 순환관(26)을 통하여 상부측으로 재공급하여 분무시키므로, 칼럼을 거쳐 상승되는 열분해가스와 접촉하면서 오일로 응축되어 콘트롤밸브(38)를 통하여 열분해유 수집탱크(42)로 배출된다.

상기의 1차칼럼(22) 및 2차칼럼(28)에 열분해 가스중 응축성 오일을 효과적으로 응축하기 위해서는 칼럼에 냉각 재킷을 이용하면 더욱 바람직하다.

상기 최종적으로 2차칼럼(28)을 통과한 열분해 가스로 비응축성 가스는 10∼30℃로 냉각되어 가스 필터(32)를 통과시켜 일부 남은 응축성 성분은 열분해유 수집탱크(42)로 공급된다.

상기와 같이 가스 응축장치(70)를 거치고 난 비응축성 열분해 가스는 압축기(44)를 이용하여 가스저장탱크(46)에 저장하도록 구성되어 있으며, 일부 비음축성 열분해 가스는 콘트롤밸브(82)를 통하여 가스버너(50)의 연료주입구(56)로 공급하여 대체 연료로 사용하고 있다.

또한 가스버너(50)에서 연소된 고온의 연소 가스를 이용하여 연소가스 방출구(54)를 통하여 열교환기(48)로 공급한다.

상기 열교환기(48)에는 압축기(44)에서 비응축성 열분해 가스를 유동화 가스로 이용하여 콘트롤밸브(38)로 열교환기(48)에 일부를 재순환시켜 300~400℃의 온도로 예열시켜 반응기(10)의 하부측에 설치된 것으로 도시하지는 않았지만 가스분산장치로 유입시켜 재순환시켜 열효율을 높인다.

도 2A, 도 2B, 도 3C는 본 발명의 반웅기(10)에 사용되는 가스버너(50)를 도시한 것으로, 반응기(10)의 용량에 따라, 도 2A 에 도시된 가스버너(50)는 봉형상으로 이루어진 것으로, 연료가스주입구(56), 공기주입구(58), 연소가스배출구(56)가 형성되어 있고, 전면부측에는 내관(62)과 외관(60)으로 형성된 화염부(80)로 이루어져 있는 것으로 대체로 용량이 적은 것에 사용된다.

또한 도 2B, 도 2C 에 도시된 바와 같이, 화염부(80)의 부분을 U형 튜브(66) 또는 굴곡형 튜브(68)로 형성하여 용량이 큰 것으로 전열면적을 넓혀 열효율을 높일 수 있다.

상기와 같이 구성된 열분해 처리장치를 이용하여 실험한 결과를 아래와 같이 설명한다.

<실험예 1>

본 발명의 열분해 처리장치를 안정성 및 신뢰성 등과 같은 효과를 확인하기 위하여 다음과 같은 실험을 실시하였다.

가공 공장에서 플라스틱 폐기물로 발생되는 세제용기(재질 HDPE)를 별도의 전처리 과정이 없이 3 ∼10mm 크기로 분쇄한 후 폐플라스틱용 사일로(2)에 저장하고, 공급장치(6)에 의해 8.2 kg/h 의 속도로 50 시간 동안 연속적으로 반응기(10)에 공급하여 열분해 하였다.

상기 반응기(10)의 열분해 온도는 680℃로 가열하여 얻어진 열분해 가스와 오일의 조성을 표 1 에 표시하였다.

{표 1}

HDPE 열분해 생성물 조성

상기 표 1에 나타난 바와 같이 본 발명의 열분해 처리장치에서 분해된 생성물의 조성을 살펴보면, 폐플라스틱에서 발생되는 것으로, 가스류는 총 65.95 중량/%가 생성되고, 오일류는 32. 18 중량/% 가 생성되어 총합계가 98. 13 중량/%로 거의 회수되어 저장되고, 나머지 1.87중량/%는 회분으로 회수되었다.

<설험예 2>

실험예 1 과 같은 방법으로 열분해 처리장치에서 PE, PP, PS를 각각 3:1:1로 혼합된 혼합플라스틱을 13kg/h의 속도로 연속 투입하여 640℃에서 열 분해하여 생성된 가스 및 오일의 조성을 표 2 에 나타내었다.

{표 2}

혼합 폐기물의 열분해 생성물 조성 (PE/PP/PS=3/1/1)

상기와 같이 표 2 에 나타난 바와 같이 본 발명의 열분해 처리장치에서 분해된 생성물의 조성을 살펴보면, 폐플라스틱에서 발생되는 것으로, 가스류는 총 49.90 중량/%가 생성되고, 오일류는 47.4 중량/% 가 생성되어 총합계가 97.3 중량/%로 거의 회수되어 저장되고, 나머지 1.87중량/% 는 회분으로 회수된다.

또한 도 3 과 도 4 에 나타낸 그래프와 같이 열분해 처리장치를 운전중 반응기(10)의 내부를 층별로 나누어 시간에 따른 온도 변화와 압력을 확인한 결과로 보면 운전중에는 유동층(8)을 이루고 있는 상부측 T₂의 온도와, 그 하부측 T₁의 온도가 거의 680℃에서 일치할 뿐만 아니라, T₃는 660℃인 것으로 보아 폐플라스틱의유동화 상태가 양호한 것을 알 수 있다.

또한 압력은 도 4 에 도시한 그래프와 같이 열교환기(48)에서 공급되는 공급압력(P₁)은 250mbar이고 , 상기 반응기(10)의 내부 압력(P₂)은 200mbar로 거의 압력차가 없이 일정한 것으로 DP의 점선으로 보아 P1과 P2의 압력차가 50∼60mbar로 유동층(8)이 정상적으로 운전되고 있음을 알 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 열분해 처리장치는 외부의 공기와 차단되어 있는 상태에서 폐기물을 별도의 전처리 과정 없이 분쇄한 후 연속적으로 열 분해하는 것으로 발생되는 가스는 유해 가스가 없는 가스로서 2차 환경 오염이 없으며 대체 에너지원으로 사용함으로 에너지를 절약하는데 파급적인 효과를 가져 올 수 있다.

상기 처리장치에서 응축된 오일은 석유 화학의 원료 및 산업용 보일러의 연료로 황과 같은 물질이 없으므로 연소시에 아황산 가스와 같이 대기 오염을 유발시키지 않는 청정 원료로 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한 폐플라스틱 중에 분해되지 않는 무기질 등은 위생 매립 등에 의해 처리함으로 폐기물을 재자원화하는 측면 외에도 환경 오염 방지 등의 효과가 크다.

Claims

폐플라스틱과 같은 고분자 폐기물을 처리하는 열분해 처리장치에 있어서,

폐플라스틱을 분쇄하여 저장하는 폐플라스틱용 사일로(2)를 갖는 공급장치(6)와, 공급장치(6)에서 공급된 폐플라스틱을 열 분해하도록 가스버너(50)가 설치되어 있고, 내부에는 유동층(8)을 갖는 반응기(10)와, 반응기(10)에서 발생된 열분해 가스에 섞여 있는 분진을 분리하도록 설치된 분진포집장치(14)와, 분진포집장치(14)에서 분리된 열분해 가스를 냉각시켜 오일을 응축시켜 회수하도록 열분해유 수집탱크(42)를 갖는 가스 응축장치(70)와, 그리고 가스 응축장치(70)에서 공급된 비응축성 가스는 압축기(30)를 통해 저장되도록 가스저장탱크(46)를 갖으며, 가스저장탱크(46)내로 회수된 가스를 가스버너(50)로 공급하도록 조절하는 콘트롤밸브(82)를 설치하는 것을 특징으로 하는 고분자 폐기물의 열분해 처리장치.
제 1 항에 있어서, 가스 응축장치(70)는, 분진포집장치(14)에서 공급된 열분해 가스를 1차적으로 응축하기 위해 형성된 콘덴서(18)와 이와 연결하는 순환관(20)을 갖는 가스세정장치(16)와;

가스세정장치(16)에서 공급된 열분해 가스를 2차 응축시키기 위한 순환펌프(24)와 이와 연결하는 순환관(26)을 갖으며, 내부에는 패킹물질이 형성된 1차칼럼(22)과;

1차칼럼(22)에서 공급된 열분해 가스를 3차 응축시키기 위해 순환점프(30)와이와 연결하는 순환관(31)을 갖고, 내부에는 패킹물질이 형성된 2차칼럼(28)과

가스세정장치(18), 1차칼럼(22), 2차칼럼(24)의 하부측에 설치된 콘크롤밸브(34), (36), (38)를 통하여 응축된 오일을 회수하도록 설치된 열분해유 수집탱크(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 폐기물의 열분해 처리장치.
제 1 항에 있어서, 반응기(10)는, 가스버너(50)의 연소된 가스열을 회수하여 압축기(44)에서 공급되는 유동화 가스를 300∼400℃로 예열시키도록 설치된 콘트롤밸브(84)를 갖는 열교환기(48)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 폐기물의 열분해 처리장치.
제 1 항에 있어서, 공급장치(6)에 중화제용 사일로(4)를 더 설치하는 것을 특징으로 하는 고분자 폐기물 처리장치.
제 1 항에 있어서, 반응기(10)에 유동상 물질 수거용 수집탱크(12)를 설치하는 것을 특징으로 하는 고분자 폐기물 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 가스버너(50)는, 간접 가열 방식으로 가스저장탱크(46)에서 공급되는 가스가 주입되도록 형성된 연료가스주입구(56)와, 연소시에 필요한 공기를 공급하도륵 형성된 공기주입구(58)와, 그리고 연소후 발생되는 연소가스를 방출하도록 형성된 연소가스 방출구(54)를 일측에 형성하고, 전면측에는 화염부(80)를 내관(62)과 외관(60)을 갖는 봉형상인 것을 특징으로 하는 고분자 폐기물 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 가스버너(50)는, 간접 가열 방식으로 가스저장탱크(46)에서 공급되는 가스가 주입되도록 형성된 연료가스주입구(56)와, 연소시에 필요한 공기를 공급하도록 형성된 공기주입구(58)와, 그리고 연소후 발생되는 연소가스를 방출하도록 형성된 연소가스 방출구(54)를 일측에 형성하고, 전면측에는 화염부(80)를 U형 튜브관(66) 또는 굴곡형 튜브관(68)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고분자 폐기물 처리장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 응축장치(70)가 2개이상 설치되는 것을 특징으로 하는 고분자 폐기물 처리장치.
제 1 항에 있어서, 반응기(10)의 가스버너(50) 온도를 400∼900℃의 범위내로 하는 것을 특징으로 하는 고분자 폐기물 처리장치.
제 1 항에 있어서, 유동층(8)은 규사인 것을 특징으로 하는 고분자 폐기물 처리장치.
제 4 항에 있어서, 중화제용 사일로(4)에는, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 나트륨과 같은 알카리 금속의 옥사이드 화합물, 카보네이트 화합물, 그리고 하이드록사이드 화합물과 같은 염기성 물질을 공급하는 것을 특징으로 하는 고분자 폐기물 처리장치.