KR100847512B1

KR100847512B1 - 액화 연료 제조 방법

Info

Publication number: KR100847512B1
Application number: KR1020070047676A
Authority: KR
Inventors: 천명원; 정부숙; 김혜숙; 배진관; 장봉기
Original assignee: 천명원; 정부숙; 김혜숙
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-07-22

Abstract

본 발명에 의한 액화 연료 제조 방법은 폐타이어를 분말화하여 폐타이어 분말을 준비하는 단계, 상기 폐타이어 분말과 폐유를 혼합하여 폐타이어 슬러지 용액을 준비하는 단계, 상기 폐타이어 슬러지 용액을 가열하여 혼합 가스를 생성하는 단계 및 상기 혼합 가스를 적어도 일 영역이 냉각수로 둘러싸인 복수의 유동관을 통하여 유동시킴으로써 액화하는 혼합 가스 액화 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면 양질의 액화 연료를 효율적으로 제조할 수 있다.

Description

액화 연료 제조 방법{Manufacturing method for liquid fuel}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 연료의 제조 공정을 나타낸 흐름도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 연료 제조용 증류탑을 도시한 사시도이다.

도 3은 도 2의 I-I' 라인을 따라 절단한 수직 단면을 도시한 단면도이다.

도 4는 도 2의 증류탑의 일 단위탑을 도시한 사시도이다.

도 5는 도 3의 J-J' 라인을 따라 절단한 단면을 도시한 평면도이다.

도 6은 도 3의 A 부분을 확대하여 도시한 개념도이다.

[도면의 주요 부호에 대한 설명]

1000: 액화 연료 제조용 증류탑 1100: 가스 수용탑

1200, 1300, 1400, 1500, 1600: 단위탑

1900: 가스 배출탑 1120: 혼합 가스 주입구

1220, 1320: 냉각수 저장부 1240, 1340: 측벽부

1260, 1460: 제1 유동관 1360: 제2 유동관

1280, 1380: 액화 연료 배출관

1222, 1322: 냉각수 공급관 1224, 1324: 냉각수 배출관

1246, 1346: 결합홈

1262, 1362: 상부 돌출부 1264, 1364: 하부 돌출부

1700, 1800: 적층 단위

1950: 가스 배출구 1970: 필터

50: 혼합 가스 60: 액화 연료

본 발명은 액화 연료의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐유 및 폐타이어로부터 양질의 재생 연료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차, 선박, 산업체 기계 장치 등에서 발생되는 다량의 각종 폐유는 중질화 탄화수소로 이루어져, 이를 대지나 하천, 강 또는 바다로 방출 시에는 생태계 파괴는 물론 대지 및 수질오염에 심각한 문제점이 초래된다.

또한, 폐타이어는 자동차 보유 대수의 폭발적인 증가와 더불어, 매년 막대한 양이 배출됨에도 불구하고 그 재활용도가 극히 미미하여 그대로 매립되거나 소각 처리하는 것이 대부분이어서 심각한 환경공해를 야기하고 있다. 뿐만 아니라 그 처리문제가 심각한 사회문제로 대두되고 있으며 나아가 폐타이어의 처리에 따른 막대한 부가 비용이 지출되고 있는 실정이다.

따라서, 이와 같은 폐자재를 재활용하여 대체 연료로 생산하여 사용하는 것은 에너지 활용 측면 및 환경 보호적인 측면에서도 매우 중요하다.

폐유를 재생하는 방법으로는 이온정제법, 열분해법, 감압증류법 등의 방법이 있다. 이온정제법은 기존 재래식 방법으로써 폐유 속에 있는 수분을 제거한 후 응집제를 사용하여 폐유 속의 불순물을 응집시키고 원심분리기나 휠타 프레스 등의 여과기를 활용하여 여과시키는 방법으로써, 벙커C유의 대체 연료로써 사용할 수 있으나 보일러 등의 건-타입 버너(Gun-Type Burner)를 사용하는 곳에서는 사용이 곤란하며, 재생 연료유의 품질 및 제조 효율이 뛰어나지 못한 단점이 있다.

감압증류법은 폐유의 증발 온도를 낮추어 증류하기 위해, 진공(감압)상태를 유지하면서 폐유를 증류하여 응축시키는 방법이다. 이는 윤활기유(Base Oil)를 생산할 때 주로 사용하는 방법이며, 재생 연료의 인화점이 높아 연료로 사용하기 위해서는 점화를 위해 예열 과정이 필요한 문제점이 있다.

열분해법은 고온으로 폐유를 가열하여 증발시켜서 응축하여 생산하는 방법으로써, 감압증류법에 비해 재생 연료의 인화점이 낮고 분해 후 남은 농축 잔여물이 고형체로 발생하는 장점이 있으나 많은 부분에 문제점을 가지고 있다. 우선 생산량이 적으므로 상업화가 어려우며 시설비가 높고, 500℃ 이상의 고온 운전으로 인한 위험성이 존재한다. 또한, 생산된 재생 연료에서 악취 및 타르가 발생할 수 있고, 고품질의 재생 연료를 효율적으로 제조하기가 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 폐유와 폐타이어를 함께 활용하여 저온에서도 열분해 효율이 높은 액화 연료 제조 방법을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 특징에 따른 액화 연료 제조 방법은 폐타이어를 분말화하여 폐타이어 분말을 준비하는 단계, 상기 폐타이어 분말과 폐유를 혼합하여 폐타이어 슬러지 용액을 준비하는 단계, 상기 폐타이어 슬러지 용액을 가열하여 혼합 가스를 생성하는 단계 및 상기 혼합 가스를 적어도 일 영역이 냉각수로 둘러싸인 복수의 유동관을 통하여 유동시킴으로써 액화하는 혼합 가스 액화 단계를 포함한다.

상기 폐타이어 분말은 폐타이어를 절단하여 폐타이어 단편들을 준비하는 단계, 상기 폐타이어 단편들을 방향족 탄화수소계 용매 내에 투입하고 4 내지 48 시간 동안 방치하여 상기 방향족 탄화수소계 용매를 상기 폐타이어 단편 내부로 침투시키는 단계, 상기 방향족 탄화수소계 용매가 침투된 폐타이어를 분쇄하여 제 1 폐타이어 습윤 분말을 수득하는 단계, 상기 제 1 폐타이어 습윤 분말로부터 철 성분을 제거하여 제 2 폐타이어 습윤 분말을 수득하는 단계, 및 상기 제 2 폐타이어 습윤 분말을 건조하여 상기 방향족 탄화수소계 용매를 상기 제 2 폐타이어 습윤 분말로부터 제거함으로써 폐타이어 건조 분말을 수득하는 단계를 거쳐 준비된다.

상기 방향족 탄화수소계 용매는 톨루엔, 크실렌 및 벤젠으로 이루어진 군으 로부터 적어도 하나의 화합물일 수 있다.

상기 폐타이어 분말의 입자 크기는 5 내지 50 메쉬이다.

상기 폐타이어 슬러지 용액은 상기 폐타이어 분말의 총 부피 대비 2배 내지 3배의 폐유를 포함하며, 상기 폐타이어 슬러지 용액의 가열은 300 내지 360℃의 온도 하에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 혼합 가스 액화 단계는 상기 혼합 가스를 복수의 제1 유동관을 통하여 유동 시키는 제1 유동 단계, 상기 혼합 가스를 자연 유동 시키는 제2 유동 단계, 상기 혼합 가스를 복수의 제2 유동관을 통하여 유동 시키는 제3 유동 단계를 적어도 2회 순차적으로 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 유동관과 상기 제2 유동관의 직경이 다를 수 있다. 또는 상기 제1 유동관의 직경과 상기 제2 유동관의 직경의 비는 1:10 내지 10:1일 수 있다.

상기 제2 유동 단계는, 상기 혼합 가스가 지그재그로 유동되는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 액화 연료 제조 방법에 대해 설명한다.

도 1를 참조하면, 액화 연료의 제조는 폐타이어 단편을 방향족 탄화수소계 용매에 담그어 팽윤시키는 단계(S11), 팽윤된 폐타이어 단편을 분쇄하고 철 성분을 제거하는 단계(S12), 분쇄된 폐타이어 분말을 건조하는 단계(S13), 상기 폐타이어 분말을 입자별로 선별하여 미세한 폐타이어 분말을 수득하는 단계(S14), 상기 미세한 폐타이어 분말을 폐유와 혼합하여 폐타이어 슬러지 용액을 만드는 단계(S15), 상기 폐타이어 슬러지 용액을 가열하는 단계(S16) 및 가열로 발생한 혼합 가스를 유동시켜 냉각하는 단계(S17)를 포함한다. 상기 냉각 단계(S17)는 혼합 가스가 제1 유동관을 통해 유동하는 단계, 자연 유동하는 단계, 및 제2 유동관을 통해 유동하는 단계를 순차적으로 반복하면서 이루어지며, 각 단계에서 혼합 가스가 액화되어 액화 연료가 제조된다. 즉, 상기 혼합 가스는 제2 유동관 내에서 액화(1)되거나, 자연 유동 과정에서 액화(2)되거나 제1 유동관 내에서 액화(3)될 수도 있다.

이하 액화 연료 제조 방법에 대해 보다 상세히 설명한다.

먼저 폐타이어를 잘라 폐타이어 단편을 만든다. 상기 폐타이어 단편은 보다 잘게 절단되는 것이 바람직하다. 그러나 공정 효율을 고려하여, 상기 폐타이어 단편은 대략 가로 및 세로의 길이가 18 내지 22cm인 것이 바람직하다. 또한 상기 폐타이어 단편의 부피는 7000 내지 9000 ㎤인 것이 바람직하다. 그러나, 상기 폐타이어 단편의 절단 크기는 후속 공정 단계를 고려하여 이와 다르게 결정될 수도 있다.

상기 폐타이어 단편은 바로 분쇄 단계를 거치지 않고, 우선 팽윤성이 우수한 방향족 탄화수소계 용매에 담그어 놓고 4 내지 48 시간 동안 유지시켜 놓는다(S11). 상기 방향족 탄화수소계 용매로서는, 톨루엔, 크실렌, 벤젠 등이 사용될 수 있으며, 이들 방향족 탄화수소계 화합물은 단독으로 또는 둘 이상의 조합으로 사용될 수 있다. 특히, 상기 방향족 탄화수소계 용매로서, 톨루엔이 바람직하다.

상기 방향족 탄화수소계 용매에 소정 시간 동안 잠긴 폐타이어 단편은 상기 방향족 탄화수소계 용매를 충분히 흡수하여 습윤한 폐타이어 단편 상태가 된다.

상기 방향족 탄화수소계 용매를 흡수한 폐타이어 단편은 분쇄 단계(S12)를 거치게 된다. 상기 분쇄 과정은 롤크러셔 분쇄기를 이용하여 이루어진다. 상기 분쇄 단계(S12)는 단일 분쇄 공정보다는 복수의 분쇄 공정으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 복수의 분쇄 공정을 수행하는 경우, 하위 분쇄 단계로 갈수록 상기 롤크러셔에 구비된 두 개의 롤 간격을 점증적으로 좁게 조절해 간다. 또한, 하위 분쇄 단계로 갈수록 상기 롤크러셔의 기어비를 증가시켜 나가는 것이 바람직하다. 즉, 상기 각 분쇄 단계마다 별도의 롤크러셔를 사용하는 것이 아니라 한 대의 롤크러셔를 이용하여 롤 간격 및 기어비를 변화시켜 나가는 것이 효율적이다. 각 분쇄 단계에서 양 롤들의 회전속도는 다르게 구성하는 것이 좋으며, 하위 단계로 갈수록 롤의 회전속도를 증가시키는 것이 바람직하다.

1차적으로 분쇄된 상기 폐타이어 습윤 분말로부터 폐타이어의 철심으로부터 유래하는 철 성분을 제거(S12)한다. 상기 철 성분은 자력선 선별기 등을 통하여 제거된다. 또한 이 과정에서 철 성분뿐만 아니라 나일론 성분 등이 제거될 수도 있다.

상기 1차적으로 분쇄된 폐타이어 습윤 분말은 재차 분쇄 단계(S12)를 거치게 된다. 역시, 상기 분쇄 단계(S12)는 복수의 서브 분쇄 단계들을 포함할 수 있다.

상기 최종 분쇄된 폐타이어 습윤 분말을 열풍 건조기 등에 의하여 건조하여 폐타이어 건조 분말을 수득(S13)한다. 상기 건조는 80 내지 150℃의 열풍을 건조 기로 공급하여 이루어질 수 있다. 상기 건조 과정(S13)에서, 상기 폐타이어 습윤 분말에 함유된 방향족 탄화수소계 용매 성분이 제거되고, 상기 제거된 방향족 탄화수소계 용매 성분은 응축탑 등을 통하여 응축되어 재활용될 수 있다.

상기 폐타이어 건조 분말은 원하는 입자 크기를 갖는 폐타이어 분말을 분리하기 위한 입자별 선별 단계(S14)를 거친다. 상기 입자별 선별 단계(S14)는 진동체, 지그재그 입자 선별기 등에 의하여 이루어질 수 있으며, 본 발명에 따른 상기 입자별 선별 단계(S14)에서는 5 내지 50 메쉬의 미세 분말이 선별되는 것이 바람직하다. 이는 폐타이어 분말이 5 내지 50 메쉬로 미세한 크기를 가질 때, 폐유와 혼합하여 가열할 때 상기 폐타이어 분말이 부유 상태로 원활히 움직여 반응성이 우수하고 고른 열전도 효과를 나타낼 수 있기 때문이다. 본 발명에서는 폐타이어 분말에서 철심을 제거하여 사용하나, 만일 철심이 제거되지 않은 경우라면 기계 장치의 고장을 최소화하기 위해 상기 폐타이어 분말의 크기는 5 내지 10 메쉬가 적당하다. 철심이 상기 폐타이어 분말 내에 포함되어 있어도 폐타이어 분말 사이에서 열전도 효과를 증대시키는 역할을 할 수 있으며, 본 발명은 상기 폐타이어 분말 내에 철심이 있는 경우도 포함한다.

상기 폐타이어 분말 제조 방법에 의하면, 균일한 폐타이어 미세 분말을 용이하게 수득할 수 있다.

다음으로는, 상기 폐타이어 분말과 폐유를 혼합(S15)하여 폐타이어 슬러지 용액을 제조한다.

상기 폐타이어 슬러지 용액은 상기 폐타이어 분말의 총 부피 대비 2배 내지 3배의 폐유를 포함한다. 상기 폐유의 함량이 상기 폐타이어 분말의 부피 대비 2배 미만인 경우에는 폐유가 폐타이어 분말에 충분히 침유되지 못하기 때문에, 상기 폐타이어 슬러지 용액이 열분해되어 발생하는 혼합 가스가 폐유의 중유 성질을 분해할 수 있는 능력이 저하되며, 폐타이어에서 분해되어 나오는 양질의 연료용 혼합 가스가 액화되지 않고 배출될 수 있다. 그리고, 상기 폐유의 함량이 상기 폐타이어 분말의 부피 대비 3배를 초과할 경우에는 경질유에 해당하는 액화 연료보다 중질유에 해당하는 액화 연료가 많이 배출되어 경질유의 수율이 저하되는 문제점이 있다. 본 발명에서 제조되는 액화 연료는 중질유보다 탄소수 8개 이하인 경질유가 많이 포함되어 우수한 품질을 나타내는 것이므로, 상기 폐타이어 슬러지 용액 내에서 상기 폐타이어 분말과 상기 폐유는 1:2 내지 1:3의 부피비로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 폐유의 종류는 한정되지 않으며 식물성 기름, 동물성 기름, 또는 자동차 엔진의 폐유(예: 엔진오일) 등을 다양하게 사용할 수 있다. 엔진 폐유의 주요 구성 성분은 하기 표 1과 같다.

성분	함량(%)
Light ends(끓는점 180℃ 이하)	1~6
Heavy ends(끓는점 180~340℃)	10~15
Lube stock(끓는점 340~430℃)	60~70
Bright stock(끓는점 430~780℃)	0~10
물	0~10
첨가제	7~15
Oil oxidation products	5~8
미세 입자(particulates)	1~3

폐타이어 슬러지 용액을 준비한 다음에는, 상기 폐타이어 슬러지 용액을 가열(S16)하여 혼합 가스를 생성한다. 상기 가열은 300 내지 360℃의 온도 하에서 이루어지며, 상기 온도 범위로 외부에서 가열할 때, 폐타이어 슬러지 용액의 온도는 대략 280 내지 320℃가 된다. 폐유를 열분해하는 온도는 보통 500℃ 이상의 고온에서 이루어지나, 본 발명은 280 내지 320℃의 저온에서 열분해가 이루어져 작업의 안전성 면에서 바람직하며, 제조된 액화 연료의 품질도 고온 열분해 방법에 비해 우수하다.

상기 폐타이어 분말을 열분해할 때 발생되는 혼합 가스의 성분은 하기 표 2와 같다. 폐타이어를 열분해할 때 발생되는 혼합 가스는 탄화수소 계열이 60% 이상이다.

성분	함량(%)	성분	함량(%)
질소	1.93	산소(oxygen)	0.45
아르곤	0.04	이산화탄소	6.0
일산화탄소	6.1	수소	15.5
헬륨	4.2	메탄(methane)	26.7
에탄(ethane)	5.4	에틸렌(ethylene)	16.1
프로판(propane)	2.5	프로필렌(propylene)	7.3
부탄(butane)	3.4	펜텐(pentene)	1.93
젝센(gexene)	1.03	벤젠(benzene)	1.16
톨루엔(toluene)	0.26	-	-

상기 폐타이어 슬러지 용액을 열분해하는 경우의 혼합 가스는 표 2의 성분들을 포함한다. 이와 같이 폐유와 폐타이어를 활용하여 혼합 가스를 발생시켜 사용할 경우 폐자재의 재활용 면에서 바람직하나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 혼합 가스를 냉각시켜 액화 연료를 제조하게 되는데, 이 때 증류탑을 활용할 수 있다. 이하에서는, 냉각 방법의 일 실시예로 증류탑을 이용하는 경우에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증류탑을 도시한 사시도이다.

도 2를 참조하면, 증류탑(1000)은 가스 수용탑(1100), 복수 개의 단위탑(1200, 1300, 1400, 1500, 1600), 및 가스 배출탑(1900)을 포함한다.

상기 가스 수용탑(1100)으로 혼합 가스 주입구(1120)을 통해 상기 혼합 가스가 투입되면 상기 혼합 가스는 증류탑(1000)의 내부에서 단위탑들(1200, 1300, 1400, 1500, 1600)을 거치면서 상승하게 된다. 상기 혼합 가스는 상승하는 과정에서 냉각되어 액화되며, 혼합 가스 성분 중 액화되지 않은 성분은 가스 배출탑(1900)을 통해 외부로 배출된다. 액화된 연료는 액화 연료 배출관(1280, 1380)을 통해 상기 증류탑(1000)의 외부로 배출된다.

상기 단위탑(1200, 1300, 1400, 1500, 1600)은 적어도 2개 이상 상기 증류탑(1000)에 배치되며, 상기 단위탑(1200, 1300, 1400, 1500, 1600)의 개수는 도 2에 도시된 바와 같이 5개일 수도 있고, 그 이상 또는 그 이하일 수도 있다. 또한, 상기 단위탑들(1200, 1300, 1400, 1500, 1600)은 내부 구조가 서로 상이할 수 있다.

상기 단위탑(1200, 1300, 1400, 1500, 1600)의 내부에는 냉각수 저장부(도 3의 1220, 1320)가 포함되어 있고, 단위탑(1200, 1300)의 측벽에는 냉각수를 공급하는 냉각수 공급관(1222, 1322)과 냉각수 배출관(1224, 1324)이 각 단위탑(1200, 1300, 1400, 1500, 1600)마다 포함되어 있어 냉각 과정 동안 냉각수를 지속적으로 공급하여 냉각 효율을 높일 수 있다.

도 3은 상기 도 2의 I - I' 라인을 따라 절단한 수직 단면을 도시한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 증류탑(1000)의 하부에는 가스 수용탑(1100)이 위치하고, 상기 가스 수용탑(1100) 상에는 제1 단위탑(1200)이 배치된다. 상기 제1 단위탑(1200) 상에는 제2 단위탑(1300)이 배치되며, 제1 단위탑(1200) 및 제2 단위탑(1300)은 하나의 적층 단위(1700)를 이룬다. 상기 제2 단위탑(1300) 위에는 제1 단위탑(1400)이 배치되며, 상기 제1 단위탑(1400) 위에는 제2 단위탑(1500)이 배치되고, 마찬가지로 상기 제1 단위탑(1400)과 상기 제2 단위탑(1500)은 적층 단위(1800)을 이룬다.

본 실시예에서, 상기 적층 단위(1800) 상에는 제1 단위탑(1600)이 배치되어 있어, 총 5개의 단위탑(1200, 1300, 1400, 1500, 1600)이 적층되어 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 상기 단위탑(1200, 1300, 1400, 1500, 1600)의 개수 또는 적층 단위(1700, 1800)의 개수는 구체적인 실시예에 따라 달라질 수 있다. 그리고, 단위탑(1200, 1300, 1400, 1500, 1600) 중 가장 상부에 위치한 단위탑(1600)의 위에는 가스 배출탑(1900)이 위치한다.

본 실시예에서 제1 단위탑들(1200, 1400, 1600)의 내부 구조는 모두 동일하고, 제2 단위탑들(1300, 1500)의 내부 구조는 모두 동일하나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 단위탑의 내부 구조는 본 실시예에서와 같이 2가지로 한정되지 않을 수 있다.

가스 배출탑(1900)은 증류탑(1000)의 가장 상부에 위치하며, 가스 배출구(1950) 및 필터부(1970)을 포함한다. 상기 가스 배출구(1950)는 액화되지 않은 잔류 혼합 가스를 외부로 방출하기 위한 것이며, 필터부(1970)는 상기 잔류 혼합 가스 중에서 유해 가스 성분이 외부로 배출되는 것을 차단하여 환경 오염을 방지하고자 하는 것이다.

상기 필터부(1970)는 활성탄층, 섬유 유리(fiberglass)층 및 황토층이 적층되어 형성된다. 상기 활성탄층, 섬유 유리층 및 황토층은 200 메쉬 이상의 미세한 입자들을 사용하는 것이 유해 가스의 흡수 효율 면에서 바람직하다.

가스 수용탑(1100)은 증류탑(1000)의 가장 하부에 위치하며, 가스 수용탑(1100)의 측면에는 혼합 가스 주입구(1120)가 있어 이를 통해 혼합 가스가 증류탑(1000) 내로 주입된다. 상기 혼합 가스 주입구(1120)는 증류탑의 바닥과 평행하게 배치될 수 있으나, 이와 다르게 비스듬하게 경사질 수도 있다.

상기 혼합 가스가 가스 수용탑(1100) 내에 주입된 후에는 유동관(1260)들을 따라 제1 단위탑(1200)을 통과하게 된다.

도 4는 도 2의 증류탑의 일 단위탑을 도시한 사시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제1 단위탑(1200)은 복수 개의 제1 유동관(1260)들이 냉각수 저장부(1220)를 관통하고 있다. 상기 제1 단위탑(1200)은 원통형이나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 단위탑(1200)은 측벽부(1240), 냉각수 저장부(1220) 및 복수 개의 제1 유동관(1260)들로 이루어져 있다. 상기 측벽부(1240)에는 다른 단위탑들과 적층하기 쉽게 결합홈(1246)이 형성되어 있다.

상기 제1 단위탑(1200)의 내부에는 중앙에서 약간 위로 치우쳐진 높이에 냉각수 저장부(1220)가 배치되어 있으며, 측벽부(1240)에는 냉각수 공급관(1222) 및 냉각수 배출관(1224)이 형성되어 있다. 냉각수 저장부(1220)의 높이는 상기 측벽부(1240)의 높이보다 작기 때문에, 상기 냉각수 저장부(1220)는 측벽부(1240)의 내부에 위치하여 단위탑(1200)을 수직 방향에서 내려다 보거나 또는 올려다 볼 때, 측벽부(1240)에서 단위탑의 중앙 방향으로 움푹 패여 들어간 것과 같이 보이게 된다. 상기 냉각수 저장부(1220)의 상면에는 액화 연료 배출관(1280)이 측벽부(1240)의 바깥쪽으로 형성되어 있다.

제1 유동관(1260)들의 길이는 상기 냉각수 저장부(1220)의 높이보다 크기 때문에, 상기 제1 유동관(1260)들은 냉각수 저장부를 관통할 때 돌출부(1262, 1264)를 갖게 된다. 상기 제1 유동관(1260)에서 제1 단위탑의 상부에 위치한 돌출부를 상부 돌출부(1262), 하부에 위치한 돌출부를 하부 돌출부(1264)라 하고, 냉각수 저장부에 의해 에워싸인 나머지 부분을 관통부라 할 때, 본 실시예에서 상부 돌출부(1262)와 하부 돌출부(1264)의 길이는 유사하며, 상부 돌출부(1262)와 하부 돌출부(1264)의 길이의 합은 상기 관통부의 길이와 유사하다. 다만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상부 돌출부(1262)와 하부 돌출부(1264)의 길이의 합인 돌출부의 전체 길이는 제1 유동관(1260)의 전체 길이 대비 30 내지 70%일 수 있다.

이하에서는, 제1 단위탑과 제2 단위탑 간의 연결 구조를 설명한다.

도 3을 참조하면, 제1 단위탑(1200)의 위에는 제2 단위탑(1300)이 배치되어 있으며, 제1 단위탑(1200)과 제2 단위탑(1300)은 결합홈(1246)에 의해 적층되어 있어 조립과 분리가 쉽다. 마찬가지로, 상기 제2 단위탑(1300)의 상부에 위치한 제1 단위탑(1400)도 결합홈에 의해 결합하여 적층되어 있다.

제2 단위탑(1300)의 구조는 제2 유동관(1360)의 직경이 제1 유동관(1260)의 직경보다 작다는 점을 제외하고는 제1 단위탑(1200)과 동일하다. 제1 단위탑(1200)과 제2 단위탑(1300)을 적층하면 인접한 제1 유동관(1260)들의 사이에 제2 유동관(1360)이 하나씩 배치된다. 즉, 제1 유동관(1260)들은 일정 간격만큼 이격되어 배치되어 있고, 제2 유동관(1360)들은 제1 유동관(1260)들 사이에 하나씩 배치되는 형태로, 인접한 상기 제1 유동관들의 돌출부(1262)들 사이에는 상기 제2 유동관의 돌출부(1364)가 위치하며, 제1 유동관(1260)의 상부 중앙 지점과 제2 유동관(1360)의 하부 중앙 지점을 연결할 경우 지그재그 형태를 이루게 된다. 그리고, 상기 제1 유동관의 돌출부(1262) 및 상기 제2 유동관의 돌출부(1364)는 이격되어 있다.

이와 같은 연결 구조는 제2 단위탑(1300)과 제1 단위탑(1400)에서도 마찬가지이며, 나머지 단위탑들 사이도 같은 방식으로 인접한 두 단위탑들(1400과 1500, 1500과 1600)의 유동관들이 엇갈려서 배치되어 있는 형태이다.

도 5는 도 3의 J - J' 라인을 따라 절단한 단면을 도시한 평면도이다.

도 5를 참조하면, 제1 유동관(1460)과 제2 유동관(1360)이 번갈아 가면서 단위탑 내부에 배치되어 있고, 제1 유동관(1460)의 직경인 제1 직경(r₁)이 제2 유동관(1360)의 직경인 제2 직경(r₂)보다 크지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 직경(r₁)과 제2 직경(r₂)의 비율은 1:10 내지 10:1의 범위로 제2 직경(r₂)이 제1 직경(r₁)보다 더 클 수도 있고, 제1 직경(r₁)과 제2 직경(r₂)이 같을 수도 있다. 바람직하게는 제1 직경(r₁)과 제2 직경(r₂)의 크기가 다른 경우에 혼합 가스가 통과하는 속도에 변화를 줄 수 있어, 혼합 가스의 냉각 효율이 높아질 수 있다.

상기 유동관들의 총 단면적은 상기 측벽부로 둘러싸인 영역(직경 R)의 단면적 대비 40 내지 70%이다. 상기 단위탑의 직경(R)이 증가함에 따라, 상기 제1 유동관(1460) 및 상기 제2 유동관(1360)의 개수가 증가하게 된다.

이하에서는 상기 증류탑(1000)에 의해 혼합 가스가 액화 연료로 제조되는 과정을 설명한다.

도 6은 도 3의 A 부분을 확대하여 도시한 개념도이다.

도 3 및 도 6을 참조하면, 혼합 가스(50)가 상승함에 따라 제1 유동관(1260)을 통하여 이동하게 된다. 제1 유동관(1260)을 통과하면서 냉각수 저장부(1220)에 의해 냉각되며, 제1 유동관(1260)을 통과한 다음에는 단위탑 내부에서 자연 유동을 하다가 제2 유동관(1360)을 따라 상승하게 된다. 혼합 가스(50)가 제1 유동관(1260)을 통해 유동한 후에 계속 수직 방향으로 상승하게 되면, 제2 단위탑(1300)의 냉각수 저장부(1320)의 하부면에 닿게 되어 더 이상 상승할 수 없게 된다. 따라서, 혼합 가스는 제1 유동관(1260)을 통과한 다음, 도 6과 같이 지그재그 형태로 자연 유동을 하여야 제2 유동관(1360)을 통과할 수 있게 된다. 이와 같이 본 발명에 의하면, 혼합 가스(50)의 경로가 복잡하게 꺾이게 됨에 따라, 상기 혼합 가스(50)의 유동 시 높은 저항을 발생시켜 냉각 효율을 증가시킬 수 있다.

제2 유동관(1360)의 둘레에는 냉각수 저장부(1320)가 마찬가지로 에워싸고 있으므로, 혼합 가스(50)는 제2 유동관(1360)을 따라 상승하는 과정에서도 냉각된다. 이 때 일부 성분은 액화되어 액화 연료(60)로 응축되어 하강하게 된다. 상기 액화 연료(60)는 냉각수 저장부(1220)의 상부 면에 모이게 되며, 이는 액화 연료 배출구(1280)를 통해 증류탑의 외부로 배출된다.

제2 유동관(1360)을 통과한 다음에는, 제2 단위탑(1300) 상에 위치한 제1 단위탑(1400)의 유동관들을 통과하게 되며, 마찬가지로 자연 유동 과정을 거친 후, 제2 단위탑(1500)의 유동관들을 통과하게 된다. 혼합 가스는 이와 같은 과정을 수 차례 반복하면서 냉각되며, 반복 회수는 본 발명의 목적에 맞게 임의로 조절할 수 있다.

제1 유동관(1260)과 제2 유동관(1360)의 직경을 다르게 하고 서로 엇갈려서 배치되게 함에 따라, 혼합 가스(50)의 냉각 효율을 높일 수 있으며, 특히 상기 유동관들(1260, 1360)의 직경이 작아서, 전체적으로 냉각수 저장부(1220)와의 접촉 면적을 증가시킬 수 있으므로 상기 혼합 가스(50)의 냉각 효율을 증가시킬 수 있다.

이처럼, 혼합 가스(50)의 액화는 미세한 다수의 관을 에워싸고 있는 냉각수에 의해 이루어지는 것뿐만 아니라, 혼합 가스(50)가 여러 관들을 복잡한 경로로 통과함에 따라 냉각 효율이 증가하게 된다. 그리고, 제1 유동관(1260)과 제2 유동관(1360)의 직경이 다르므로 혼합 가스의 속도가 바뀌게 되어 냉각 속도에도 영향을 주게 되므로 냉각 효율이 높아질 수 있다.

표 3은 재생 연료유의 대표적인 성상을 비교한 것이다. 기존의 이온 정제법 및 고온 열분해법에 의해 제조된 액화 연료와 본 발명의 저온 열분해법에 의한 액화 연료 제조 방법에 의해 제조된 액화 연료의 특성을 비교하면 아래와 같다.

	이온 정제법	고온 열분해법	저온 열분해법
비중	0.8746	0.7490	0.6784
인화점(℃)	160	60	55
유동점(℃)	-20	-20	-36
발열량(cal/g)	10,837	10,870	11,274
회분(중량%)	0.85	0.01	0.003
유황분(중량%)	0.61	0.28	0.02
잔류탄소(ppm)	1.41	0.01	0.004
카드뮴(ppm)	0.28	0.05	0.01
납(ppm)	30.83	20.6	18
크롬(ppm)	0.1	0.5	0.9

상기 표 3의 결과는 예시적인 것으로, 본 발명의 저온 열분해법에 의해 제조된 액화 연료는 인화점이 55 내지 70℃ 이며 황의 함량이 0.02 중량% 이하이다. 또한, 카드뮴, 납 등의 중금속도 기존의 다른 방법에 비해 작은 양이 포함되어 있다.

표 4는 재생 연료가 아닌 일반적인 연료(A), 폐유(B), 및 본 발명에 의해 재생된 액화 연료(C)의 특성을 비교하고 있다.

	A	B	C
비중	0.8823	0.8783	0.6784
인화점(℃)	264	180	55
유동점(℃)	-27.5	-27.5	-29.5
발열량(cal/g)	10,880	9,630	11,275
색상(ASTM)	D5.5	D8.0	D2.8
산성도(mg KOH/g)	1.73	1.93	0.22
탄소 성분	C₂₀~C₄₀	C₂₀~C₄₀	C₁~C₈
끓는점(℃)	250~600	250~600	60~220
분자량	200~700	200~700	120~350

본 발명에 의한 액화 연료는 주로 탄소수가 작은 저분자량 성분으로 이루어져 있으며, 발열량이 높고 재생 전 일반 연료와 비교할 때 품질 면에서 떨어지지 않아 우수한 특성을 가진다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 액화 연료 제조 방법은, 저온에서 열분해가 가능하여 열효율이 뛰어나 제조 단가가 비싸지 않고, 폐유 및 폐타이어를 재활용할 수 있어 환경 보호가 가능하다. 또한, 혼합 가스의 냉각 효율이 높아 액화 연료의 대량 생산이 가능하며 제조된 액화 연료의 품질이 우수하다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

폐타이어를 분말화하여 폐타이어 분말을 준비하는 단계;

상기 폐타이어 분말과 폐유를 혼합하여 폐타이어 슬러지 용액을 준비하는 단계;

상기 폐타이어 슬러지 용액을 가열하여 혼합 가스를 생성하는 단계; 및

상기 혼합 가스를 적어도 일 영역이 냉각수로 둘러싸인 복수의 유동관을 통하여 유동시킴으로써 액화하는 혼합 가스 액화 단계;

를 포함하는 액화 연료 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 폐타이어 분말은,

폐타이어를 절단하여 폐타이어 단편들을 준비하는 단계;

상기 폐타이어 단편들을 방향족 탄화수소계 용매 내에 투입하고 4 내지 48 시간 동안 방치하여 상기 방향족 탄화수소계 용매를 상기 폐타이어 단편 내부로 침투시키는 단계;

상기 방향족 탄화수소계 용매가 침투된 폐타이어를 분쇄하여 제 1 폐타이어 습윤 분말을 수득하는 단계;

상기 제 1 폐타이어 습윤 분말로부터 철 성분을 제거하여 제 2 폐타이어 습윤 분말을 수득하는 단계; 및

상기 제 2 폐타이어 습윤 분말을 건조하여 상기 방향족 탄화수소계 용매를 상기 제 2 폐타이어 습윤 분말로부터 제거함으로써 폐타이어 건조 분말을 수득하는 단계;

를 거쳐 준비되는 것을 특징으로 하는 액화 연료 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 방향족 탄화수소계 용매는 톨루엔, 크실렌 및 벤젠으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나의 화합물이 선택되는 것을 특징으로 하는 액화 연료 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 폐타이어 분말의 입자 크기는 5 내지 50 메쉬인 것을 특징으로 하는 액화 연료 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 폐타이어 슬러지 용액은 상기 폐타이어 분말의 총 부피 대비 2배 내지 3배의 폐유를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 연료 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 폐타이어 슬러지 용액의 가열은 300 내지 360℃의 온도 하에서 이루어 지는 것을 특징으로 하는 액화 연료 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 혼합 가스 액화 단계는,

상기 혼합 가스를 복수의 제1 유동관을 통하여 유동 시키는 제1 유동 단계;

상기 혼합 가스를 자연 유동 시키는 제2 유동 단계;

상기 혼합 가스를 복수의 제2 유동관을 통하여 유동 시키는 제3 유동 단계를 적어도 2회 순차적으로 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 액화 연료 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 제1 유동관과 상기 제2 유동관의 직경이 다른 것을 특징으로 하는 액화 연료 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 제1 유동관의 직경과 상기 제2 유동관의 직경의 비는 1:10 내지 10:1인 것을 특징으로 하는 액화 연료 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 제2 유동 단계는, 상기 혼합 가스가 지그재그로 유동되는 것을 특징으로 하는 액화 연료 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 유동관은 냉각수로 둘러싸인 부분과 냉각수로 둘러싸이지 않은 돌출부를 갖도록 형성되어 있고, 상기 돌출부의 길이는 상기 유동관의 전체 길이의 30 내지 70%인 것을 특징으로 하는 액화 연료 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 폐유는 식물성 기름인 것을 특징으로 하는 액화 연료 제조 방법.
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