KR100489448B1 - 폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료 및 그의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 열분해 반응기(2)에 질소가스(N₂)로 퍼지시킨 다음 폐플라스틱과 제올라이트(zeolyte Y)촉매를 투입한 후 교반시키면서 200℃ ~ 300℃ 로 가열하여 열분해(thermal cracking)시켜 평균분자량이 약 1500 ~ 2000인 왁스(wax)를 성형시키는 1공정(10)과; 상기 1공정에서 얻어진 왁스에 가연성 배합제를 10wt% ~ 70 wt%로 혼합시킨 후 성형 건조시켜 고형연료를 제조하는 2공정(20);으로 이루어짐으로써 처리 곤란한 폐비닐과 같은 폐플라스틱을 촉매와 함께 비교적 낮은 온도에서 열분해하여 왁스를 제조하고, 제조된 왁스를 결합제(binder)로 하여 오니, 석탄, 톱밥 등의 가연성 배합제와 혼합하여 열량이 높은 고형연료를 저렴한 비용으로 제조할 수 있어 폐자원을 재활용할 수 있고, 환경오염을 줄일 수 있으며, 수거된 장소에서 곧바로 연료화할 수 있어 폐자원의 재활용효율을 극대화시킬 수 있다.

Description

폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료 및 그의 제조방법 {a RDF(refuse derived fuel) with thermal cracking wax from waste plastics and it's manufacturing method }

본 발명은 폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐비닐과 같은 열가소성 폐플라스틱를 열분해(thermal cracking)하여 왁스(wax)로 제조한 후 이를 석탄, 톱밥, 오니, 무연탄, 갈탄, 폐목재 파쇄물 등과 혼합 성형시키는 폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

현재 농업용, 산업용 폐비닐과 같은 폐플라스틱는 토양 및 대기환경오염에 막대한 영향을 끼쳐 이들 오염원을 제거하기 위해 정부에서 일괄수거하여 수요처에 무료로 공급하거나 재생 플라스틱(pellet type)을 생산하지만 품질문제로 인해 재활용 수요의 한계에 와 있어 수거된 폐비닐의 적체에 따른 하치장 확보 문제가 심각한 정도이다.

또한 이와같은 폐비닐은 매립이 불가능하기 때문에 소각장에서 소각할 수 밖에 없지만 소각시 불완전연소에 의한 2차 대기오염 또는 발암물질인 다이옥신의 과다 방출로 인해 치명적인 폐해 때문에 소각 또한 어려운 실정이다.

이에 근래들어 상기 농업용, 산업용 폐플라스틱의 문제를 해결하기 위한 방법으로 폐플라스틱를 이용하여 오일을 제조하거나 또는 파쇄하여 다른 물질과 혼합시켜 고형의 연료(RDF)를 제조하는 방법이 제안되기도 했지만 전자의 경우는 처리공정이 복잡하고 폐플라스틱를 열분해하기 위해서 400℃ 전후로 가열해야 하므로 에너지가 소모가 많아 경제성이 저하되며, 또한 생성된 오일의 품질이 매우 뒤떨어지는 문제점이 있고, 후자의 경우는 소각시 환경오염물질인 다이옥신과 같은 유해물질이 발생되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 수거된 농업용 또는 산업용 폐플라스틱을 촉매존재하에서 저온으로 용융시켜 얻어진 왁스에 가연성 배합제를 혼합한 후 성형건조시켜 고형연료를 제조하는 폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한 본 발명의 또다른 목적은 상기 제조방법을 통해 저렴한 비용으로 열량이 높고 공해물질의 발생이 없는 고형연료(RDF)를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은

폐플라스틱의 용융시 촉매를 사용함으로써 낮은 온도에서 열분해시켜 왁스를 제조하는 1공정과; 상기 왁스에 가연성 배합제를 일정비율로 혼합 성형시켜 고형연료를 제조하는 2공정으로; 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 폐플라스틱 열분해 왁스를 이용한 고형연료의 제조공정을 보여주는 흐름도이다.

상기 1공정(10)은 열분해 반응기(2)에 질소가스(N₂)로 퍼지시킨 다음 폐비닐과 같은 폐플라스틱과 촉매를 일정비율로 투입한 후 교반시키면서 200℃ ~ 300℃ 로 가열하여 열분해(thermal cracking)시켜 왁스(wax)를 생성시킨다.

이때 교반속도가 크거나 질소유량이 세면 반응이 격렬히 일어나게 되므로 질소분위기만 만들어주고 교반속도를 20 rpm 정도로 작게 해줌이 적당하다.

또한 상기 생성된 왁스는 분자량이 대략 1500 ~ 2000 정도가 본 발명에서 요구되는 가장 적정한 점도를 갖는다.

즉, 점도가 너무 낮거나 높으면 가연성 배합제와의 배합시 결속력이 저하되어 제조된 고형연료의 품질이 저하될 수 있다.

다음의 표 1은 실험을 통해 여러가지 촉매에 따라 생성된 열분해 왁스의 제조 결과를 비교한 도표이다.

(표 1)

폐비닐		촉매	촉매양(g)	반응온도(℃)	반응시간(min)	분위기	평균분자량(Mn)
PE(g)	불순물(g)
80	20	wax	30	350	160	질소	3,500
90	10	wax	30	350	150	질소	3,035
80	20	zeolyte Y	5	290	150	질소	2,200
90	10	zeolyte Y	5	290	160	질소	1,996
80	20	ZSM-5	5	300	160	질소	2,600
90	10	ZSM-5	5	300	170	질소	2,094

(주 1) 불순물은 모래, 흙등을 의미한다.

표 1에서 알 수 있듯이,

왁스를 촉매(라디칼반응의 개시제)로 사용했을 경우 350℃ 에서 160분간 반응시켰을 때 평균분자량 20000이상이었던 폐비닐이 평균분자량 3000 정도의 열분해 왁스로 변한 것을 알 수 있다.

또한 ZSM-5(Zeolite Synthesized by Mobil) 촉매하에서는 반응온도가 약 300℃에서 160분에서 170분정도 반응시켰을 때 얻어진 열분해 왁스는 평균분자량이 약 3,000정도임을 알 수 있다.

그런데 특히 제올라이트(zeolyte Y) 촉매를 사용했을 경우에는 290℃ 에서 150분간 반응시켰을 때 평균분자량 20,000이상이었던 폐비닐이 평균분자량 2,000 정도의 열분해 왁스로 변한 것을 알 수 있다.

즉, 제올라이트(zeolyte Y) 촉매는 낮은 반응온도와 절감된 반응시간에서도 본 발명에서 요구되는 저분자량(1,500 ~ 2,000)의 왁스를 제조할 수 있어 에너지의 절감효과가 뚜렷함을 알 수 있다.

또한 도 3은 상기 표 1의 결과에 대한 왁스의 분자량 분포를 보여주는 겔침투크로마토그래피(GPC)로써 x축은 분자량(molecular weight)의 로그값이고, y축은 미분분자량이다.

즉, 일정크기의 공극(pore)이 있는 컬럼에 용매에 녹인 왁스를 통과시키는 경우 분자량이 아주 작은 고분자들은 공극에 침투하게 되므로 분자량이 아주 큰 고분자들부터 컬럼을 통과해 빠져나오게 된다.

도 3에 보는 바와 같이, 보다 낮은 온도 및 짧은 반응시간에서 제올라이트계(zeolyte Y)를 이용하여 제조된 왁스의 경우 동일 조건 하의 다른 촉매에 의해 제조된 왁스에 비해 평균분자량이 1,996으로 작음을 알 수 있다.

이때 상기 촉매중에서 zeolyte Y는 비표면적이 700 ~ 900 ㎡/g이고, ZSM-5는 비표면적이 400 ㎡/g으로써 촉매활성이 zeolyte Y가 보다 더 우수한 것이다.

상기 2공정(20)은 상기 1공정에서 얻어진 열분해 왁스에 가연성 배합제를 10 wt% ~ 70 wt%의 비율로 혼합시킨 후 조개탄 모양과 같이 일정형상으로 성형 건조시켜 고형연료를 제조한다.

이때 상기 가연성 배합제로는 석탄, 오니, 톱밥 등이 사용되며, 이들을 단독으로 사용하거나 혼합시켜 사용할 수 있다.

상기 고형연료는 상기 열분해 왁스가 결합제(binder)의 역할을 하므로 성형이 쉽고 조개탄 대용 또는 조개탄과 섞어서 사용할 수 있어 별도의 연소장치가 필요없이 기존의 보일러에 즉시 투입하여 연료로 사용될 수 있다.

아래의 표 2는 폐플라스틱으로 제조한 왁스와 석탄, 톱밥의 배합 비율에 따른 열량을 비교한 것이다.

(표 2)

왁스와 석탄비	70 : 30	50 : 50	30 : 70	비 고
단독 열량	9,200㎉/kg	8,000㎉/kg	6,800㎉/kg	석탄:5,000㎉/kg왁스:11,000㎉/kg
톱 밥	9,000㎉/kg	7,800㎉/kg	6,700㎉/kg	톱밥:4,500㎉/kg왁스:11,000㎉/kg
타는 열량	좋 음	양 호	양 호

상기 표 2에 보이는 것처럼 본 발명에 따른 고형연료는 석탄보다 열량이 더 높고, 잘 연소되며 석탄과 혼합하여 사용할 때 석탄의 점화가 어려운 단점을 개선할 수 있다.

또한 배합제로 목재나 톱밥 등이 사용되었을 때 연소시간이 연장됨을 알 수 있으며, 왁스가 70 % 이상일 때는 단독으로 사용하기 보다는 다른 연료와 함께 사용하는 것이 연소가 더 잘됨을 알 수 있다.

그리고 상기 왁스의 제조 및 고형연료의 제조장치는 구조가 간결하여 저렴한 비용으로 지역별 수거장소에 설치할 수 있으며, 수거된 폐플라스틱을 열분해시킨 후 가연성 배합제와 혼합하여 즉시 고형연료를 제조할 수 있고, 이를 각 지역의 비닐하우스 난방연료로 재활용할 수 있는 것이다.

이하 미설명부호 1은 질소저장통, 3은 유량계, 4는 교반모터, 5는 온도계, 6은 가열대, 8은 교반기, 9는 응축기, 7은 집유조, 11은 거품제거트랩을 나타낸다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 처리 곤란한 폐비닐과 같은 폐플라스틱을 촉매와 함께 비교적 낮은 온도에서 열분해하여 왁스를 제조하고, 제조된 왁스를 결합제(binder)로 하여 오니, 석탄, 톱밥 등의 가연성 배합제와 혼합하여 열량이 높은 고형연료를 저렴한 비용으로 제조함으로써 폐자원을 재활용할 수 있고, 환경오염을 줄일 수 있으며, 수거된 장소에서 곧바로 연료화할 수 있어 재활용효율이 극대화될 수 있는 장점이 제공된다.

도 1은 본 발명에 따른 폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료의 제조공정을 보여주는 흐름도

도 2는 본 발명에 따른 폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료의 제조장치에 대한 구성도

도 3는 본 발명에 따른 폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료 및 그의 제조방법에서 촉매에 따라 얻어진 왁스의 분자량 분포를 보여주는 겔침투크로마토그래피

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 열분해 반응기 10 : 1공정

20 : 2공정

Claims (4)

1. 열분해 반응기(2)에 질소가스(N₂)로 퍼지시킨 다음 폐플라스틱과 제올라이트(zeolyte Y) 촉매를 투입한 후 교반시키면서 200℃ ~ 300℃ 로 가열하여 열분해(thermal cracking)시켜 평균분자량이 약 1,500 ~ 2,000인 왁스(wax)를 생성시키는 1공정(10);

   상기 1공정(10)에서 얻어진 왁스에 가연성 배합제를 10wt% ~ 70 wt%로 혼합시킨 후 성형 건조시켜 고형연료를 제조하는 2공정(20);으로 이루어진 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제올라이트(zeolyte Y) 촉매는 폐플라스틱 100g당 5g이 첨가된 후 160분간 반응시킨 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 교반속도는 분당회전수(rpm)를 20 이하로 하여 격렬한 반응을 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료의 제조방법.
4. 청구항 1에서 얻어진 왁스에 석탄, 톱밥, 오니 중 적어도 하나 이상을 혼합시켜 된 것을 특징으로 하는 폐플라스틱의 열분해 왁스를 이용한 고형연료.