KR100910630B1 - 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법 - Google Patents

포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 플라즈마 토치를 내부에 구비하고 알루미나를 포함하는 포장재의 알루미늄 용융물을 외부로 추출 가능하게 하는 배출부를 구비하는 플라즈마 열분해 가스화 용융로 및 상기 포장재를 상기 플라즈마 열분해 가스화 용융로로 전달하는 유입부를 구비하는 플라즈마 열분해 가스화 장치를 제공하는 플라즈마 열분해 가스화 장치 제공 단계와, 상기 유입부가 상기 포장재를 플라즈마 열분해 가스화 용융로로 투입하는 유입 단계와, 상기 제어부에 의한 제어 신호에 따라 상기 플라즈마 열분해 가스화 용융로 내 플라즈마 토치를 작동시켜 상기 포장재를 열분해시키는 플라즈마 열분해 단계와, 상기 플라즈마 열분해 단계에서 용융된 알루미늄을 추출하는 알루미늄 추출 단계를 포함하는 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법을 제공한다.

Description

포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법{METHOD FOR RECYCLING ALUMINIUM IN PACKAGE}
본 발명은 자원 재생 방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 포장재에 함유된 알루미늄 성분, 알루미늄 및/또는 알루미나(산화 알루미늄)을 플라즈마 열분해 가스화 용융을 통하여 보다 효율적으로 재생 및/또는 회수할 수 있는 포장재 알루미늄 회수 방법에 대한 것이다.
에너지 및 자원의 고갈로 인하여 자원 회수 방법에 대한 다양한 연구 및 이를 위한 설비의 생산이 활발하게 이루어지고 있다. 특히, 일상 생활에 다양하게 사용되고 있는 포장재등으로부터 사용된 자원을 회수하기 위한 여러가지 연구가 진행되는데, 알루미늄 회수에 대한 연구도 그중 하나이다.
알루미늄의 경우 식품을 보존력이 우수하여 안전한 위생 상태를 장기간 유지할 수 있도록 한다는 점에서 포장재에 다양하게 사용되고 있다. 포장재에 사용되는 알루미늄의 경우, 종이 및/또는 플라스틱(폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리프로필렌) 등과 함께 또는 단일재로서의 박막형 호일 타입으로 사용되는 경우가 대부분이다. 이와 같은 포장재에 사용되는 알루미늄은 공기 중 산소 투과를 방지하고 자 외선 차단 효과가 우수하다는 점에서 식품의 보전에 특히 적합하다.
알루미늄을 포함하는 포장재는 합성수지에 박막 증착되는 형태의 알루미늄을 포함하는 증착식 포장재와 종이, 합성수지 및 알루미늄 박막 등의 수 개의 복합층으로 구성되는 테트라팩과 같은 복합층 식 포장재를 포함하고, 각각은 건식 식품의 포장재 및 액체 등의 포장재로 활용도가 다양하다.
한편, 알루미늄이 포함된 포장재의 경우 알루미늄의 표면의 산화로 인하여 포장재 내의 식품의 보존성을 더욱 증대시킬 수 있다. 즉, 포장재에 사용되는 알루미늄은 박막층/호일 타입으로 구성됨에 있어 두께 대비 표면적이 상당하여 알루미늄 표면이 공기와 접하는 면적의 비율이 상당하고 이로 인하여 알루미늄의 표면이 산화되오 알루미나 층(산화 알루미늄 층; Al203 층)을 형성하는데, 이러한 알루미나 층은 표면이 매우 치밀하여 부식에 대한 저항력이 증대됨으로써 식품의 보존, 특히 액체류의 식품의 보존력을 상당히 강화시킬 수 있다.
하지만, 식품 보존력을 증대시키는 장점이 알루미나를 포함하는 포장재에 포함되나, 이러한 장점은 다른 한면, 특히 자원 재생의 측면에서는 상당한 걸림돌로 작용한다. 즉, 알루미나의 경우 치밀한 구조로 인하여 용융시 융점이 대략 1700℃에 달하여 이를 용융하고 알루미늄으로 환원하기 위해서는 상당한 에너지가 소모됨으로써 자원 재활용 효율성을 급격하게 저하시킨다는 문제점이 수반되었다. 이러한 문제점은 포장재, 알루미늄 캔 등을 재생하는 경우 및/또는 알루미늄 광석에서 정련 과정에서 발생하는 산화 알루미늄을 재생하는 경우에도 동일한 문제가 발생한다.
본 발명은 플라즈마 열분해를 통하여 보다 효율적인 자원 재생, 특히 알루미늄의 추출 및 회수를 가능하게 하는 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법을제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 플라즈마 토치를 내부에 구비하고 알루미나를 포함하는 포장재의 알루미늄 용융물을 외부로 추출 가능하게 하는 배출부를 구비하는 플라즈마 열분해 가스화 용융로 및 상기 포장재를 상기 플라즈마 열분해 가스화 용융로로 전달하는 유입부를 구비하는 플라즈마 열분해 가스화 장치를 제공하는 플라즈마 열분해 가스화 장치 제공 단계와, 상기 유입부가 상기 포장재를 플라즈마 열분해 가스화 용융로로 투입하는 유입 단계와, 상기 제어부에 의한 제어 신호에 따라 상기 플라즈마 열분해 가스화 용융로 내 플라즈마 토치를 작동시켜 상기 포장재를 열분해시키는 플라즈마 열분해 단계와, 상기 플라즈마 열분해 단계에서 용융된 알루미늄을 추출하는 알루미늄 추출 단계를 포함하는 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법을 제공한다.
상기 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법에 있어서, .상기 유입 단계가 전에 상기 포장재를 세정하는 세정 단계와, 세정된 상기 포장재를 건조시키는 건조 단계를 구비하는 전처리 단계를 더 구비할 수도 있다.
상기 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법에 있어서, 상 기 유입 단계는: 상기 포장재를 분쇄하는 초핑 단계와, 분쇄된 상기 포장재를 압축시켜 상기 플라즈마 열분해 가스화 용융로로 유입시키는 투입 단계를 포함할 수도 있다.
상기 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법에 있어서, 상기 투입 단계는 스크루 압축 과정을 포함할 수도 있다.
상기 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법에 있어서, 상기 플라즈마 열분해 가스화 장치에는 진공 펌프가 더 구비되고, 상기 투입 단계는 상기 진공 펌프가 분쇄 압축된 상기 포장재 내 공기를 배출시키는 진공 펌핑 단계를 더 구비할 수도 있다.
상기 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법에 있어서, 상기 플라즈마 열분해 단계는: 상기 포장재 중 포장재 베이스를 열분해 가스화시켜 환원 가스 분위기를 생성하는 베이스 열분해 단계와, 상기 베이스 열분해 단계에서 생성된 상기 환원 가스 분위기에서 상기 알루미나를 알루미늄으로 용융시키기 위한 알루미늄 용융 단계를 구비할 수도 있다.
상기 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법에 있어서, 상기 플라즈마 열분해 가스화 장치는 상기 플라즈마 열분해 가스화 용융로와 소통되어 열분해후 생성된 폐가스를 처리하기 위한 폐가스 처리부를 더 구비하고, 상기 알루미늄 추출 단계 후 상기 플라즈마 열분해 가스화 용융로 내부에 잔존하는 폐가스를 배출 및 처리하는 폐가스 처리 단계를 더 구비할 수도 있다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 본 발명에 따른 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법은, 환원 분위기에서 이루어지는 플라즈마 열분해 단계를 통하여 최소한의 최적화된 에너지 공급으로 알루미늄의 회수율을 증대시킴으로서, 자원 재생 효율을 극대화시키는 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법을 제공할 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법은, 사전 설계 사양에 따른 다양한 유입 단계를 구비함으로써, 이물로 인하여 열분해시 투입되는 에너지의 소모량을 최소화시키거나 또는 보다 정확한 열분해 가스화 용융 환경 제어를 통하여 원하는 알루미늄 추출을 이룰 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이하에서는 본 발명에 따른 플라즈마 열분해 가스화 장치 및 이를 이용한 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법을 위한 플라즈마 열분해 가스화 장치(10)에 대한 개략적인 구성도가 도시되고, 도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 열분해 가스화 장치(10)에 의한 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법에 대한 개략적인 흐름도가 도시되며, 도 3 내지 도 5에는 도2에 대한 보다 구체적인 단계에 대한 세부 흐름도가 도시된다.
본 발명의 일실시예에 따른 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법을 구현하는 플라즈마 열분해 가스화 장치(10)는 유입부(100)와 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)를 구비하고 경우에 따라 투입부(200), 폐가스 처리부(400) 및 열교환기(500)가 더 구비될 수 있는데, 본 실시예에 따른 플라즈마 열분해 가스화 장치(10)는 이를 모두 구비하는 경우에 대하여 기술한다. 플라즈마 열분해 가스화 장치(10)는 투입부(200) 및 유입부(100)를 거쳐 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)에 제공되는 알루미늄 또는 알루미나 및 베이스를 구비하는 포장재(1, 도 6 참조)로부터 알루미늄을 추출 회소할 수 있다.
유입부(100)를 통하여 알루미늄 또는 알루미나 및 베이스를 포함하는 포장재(1, 도 6 참조)가 제공된다. 포장재(1)는 포장재 베이스(2)와 이의 일면 상에 배치되는 알루미늄(3) 또는 알루미나(Al2O3, 4)를 구비하는데, 포장재 베이스(2)는 섬유질인 지류 및/또는 PP(폴리프로필렌, polyprophylene), PE(폴리에틸렌, polyethylene)과 같은 합성수지를 포함한다. 즉, 포장재(1)로는 스낵류 및 커피믹스의 포장재와 같이 100~500㎛ 두께의 PP, PE와 같은 베이스에 이의 약 1/10인 10~50㎛의 두께를 같은 알루미늄을 증착시킨 알루미늄 층이 형성된 합성수지 베이스 포장재와, 테트라 팩과 같이 액체 수용이 가능한 지질 및 PP/PE 등의 합성수지를 베이스에 알루미늄 층이 호일막(foil layer)과 같은 형태로 형성된 복합 베이스 포장재 등이 있는데, 알루미늄 층의 표면에는 공기와의 접촉에 의한 산화막, 즉 산화 알루미늄 층(알루미나, Al2O3)가 형성되어 치밀한 표면 구성 및 산화 방지층으로 형성됨으로써 이와 같이 알루미나가 표면에 형성되는 알루미늄(알루미늄 층)을 구비하는 포장재는 산소 투과를 방지하고 자외선 차단 효과가 우수하다는 점에서 식품 포장재로서 활발하게 사용되고 있다.
유입부(100)는 텀블러(110)를 구비할 수 있는데, 텀블러(110)로 유입된 포장재(1)는 텀블러(110)의 회전하는 내부 공간에서 강제 회전되어 자중 등에 의한 위치 이동에 의하여 포장재(1)에 묻은 이물을 제거할 수 있다. 경우에 따라 유입부(100)는 도 5에 도시된 바와 같이 세정기(110a)와 건조기(110b)를 포함할 수도 있다. 즉, 식품 포장재로서 사용된 포장재(1)의 일면에는 식품 등과의 접촉 또는 적재 및 이송과정에서의 음식 및/또는 흙과 같은 이물이 부착될 수 있는데, 컨베이어 이송 라인(120)을 통하여 세정기(110a)로 유입된 이물이 묻은 포장재(1)는 세정기(110a)의 내부에서 물 및/또는 세정제에 의하여 세정되어 포장재(1)로부터 이물이 제거될 수 있다. 세정기(110a)의 하류는 건조기(110b)와 연결되는데, 세정기(110a)로부터 이물이 제거된 포장재(1)는 건조기(110b)로 유입되어 수분이 제거된다. 건조기(110b)는 가열 구조 또는 열풍 건조 구조 등의 건조기로 구현될 수 있는데, 포장재(1)의 처리 용량 및 설계 사양에 따라 다양한 선택이 가능하다.
경우에 따라 유입부(100)를 통하여 부가적인 베이스가 더 공급될 수도 있다. 즉, 도 1의 도면 부호 B로 표기되는 라인을 따라 텀블러(110)로 구현되는 유입부(100)에 추가적인 베이스가 공급되는데, 이와 같은 추가적인 베이스 공급은 하기되는 플라즈마 열분해 단계에서 최적의 알루미늄 회수율을 위하여 환원 분위기를 형성하기 위한 베이스가 부족한 경우 CO 및 H2의 환원성 가스를 생성하기 위함이다.
투입부(200)는 유입부(100)의 하류에 배치되는데, 투입부(200)는 유입부(100)로부터 유입된 포장재(1)를 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)로 전달한다. 투입부(200)는 초퍼(210)와 스크류 압축기(220)를 포함할 수 있는데, 유입부(100)로부터 전달된 포장재(1)는 초퍼(210)에서 분쇄되고 스크류 압축기(220)에서 압축되어 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)로 전달된다. 초퍼(210)는 회전 또는 가동되는 블레이드를 구비하여 초퍼(210)로 유입된 포장재(1)를 사전 설정된 소정의 크기로 분쇄한다. 이와 같은 초퍼(210)에서의 분쇄 과정을 통하여 차후 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)로의 유입량을 증대시킬 수 있다.
초퍼(210)의 하류에는 스크류 압축기(220)가 배치되는데, 스크류 압축기(210)는 초퍼(210)에서 분쇄된 포장재(1)는 스크류 압축기(220)로 유입되어 압축되어 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)로 유입된다. 스크류 압축기(220)는 분쇄된 포장재(1)를 유입하기 위한 압축기 유입구(221)가 구비되고 내부에는 압축기 구동부(미도시)에 의하여 가동되는 압축기 구동축(223) 및 압축기 구동축(223) 상에 배치되는 압축기 구동 블레이드(225)를 포함한다. 압축기 구동 블레이드(225) 는 압축기 유입구(221)로부터 압축기 유출구(227)를 향한 방향으로 압축기 구동 블레이드(225)의 간격, 즉 스팬(span)이 감소하여 유입되는 분쇄된 포장재(1)를 압축시켜 단위 체적당 중량을 증가시켜 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)로 유입되양을 증대시킬 수 있다. 스크류 압축기(220)에 의하여 분쇄된 포장재는 압축된 블록 또는 라인 단위로 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)로 유입될 수 있다.
한편, 경우에 따라 투입부(200)는 초퍼(210) 및 스크류 압축기(220) 이외에 진공 펌프(230)를 더 구비할 수도 있다. 즉, 압축기 구동 블레이드 간의 스팬을 감소시켜 분쇄된 포장재(1) 사이에 포함된 공극을 감소시켜 포함된 공기의 양을 최소화시킬 수 있으나, 경우에 따라 진공 펌프(230)가 투입부(200)에 더 구비되고 진공 펌프(230)는 스크류 압축기(220)와 유체 소통을 이루도록 배치될 수 있다. 즉, 진공 펌프(230)의 가동에 의하여 이와 유체 소통을 이루는 스크류 압축기(220)의 내부 공간의 공기가 강제 배출되어 분쇄된 포장재(1)의 공간적 압축 효율을 더욱 향상시켜 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)로 유입되는 단위 체적당 분쇄 포장재(1)의 양을 더욱 증대시킬 수도 있다.
플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)는 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바디(301)와 플라즈마 토치(310) 및 플라즈마 전원(330)를 구비하는데, 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바디(301)의 하부에는 배출 밸브부(320)가 장착된다. 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바디(301)는 내부 공간(At)을 구비하는데, 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바디 내부 공간에 압축된 분쇄 포장재가 배치된다. 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바디(301)의 상단에는 플라즈마 토치(310)가 배치되고, 플라즈 마 열분해 가스화 용융로 바디(301)의 일측에는 산소 공급부(340)와 유체 소통을 이룬다. 플라즈마 토치(310)는 플라즈마 전원(330)과 연결되어 플라즈마 전원(330)으로부터의 전력을 사용하여 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바디(301)의 내부 공간에 플라즈마 생성을 위한 열원을 제공하고, 산소 공급부(340)는 내부 공간(At)으로 산소를 공급하여 산소 분위기를 형성한다. 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바디(301)의 하부에는 배출 밸브부(320)가 배치되는데, 배출 밸브부(320)는 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바디(301)의 하부에 형성된 배출구(303)를 개폐시킬 수 있다. 여기서 명확하게 도시되지는 않았으나, 배출 밸브부(320)는 배출 밸브(321)와 배출 밸브 액츄에이터(323)를 포함하는데, 배출 밸브(321)는 배출구(303)의 내부에 형성된 유동 경로 상에 가변 가능하게 배치되고 배출 밸브 액츄에이터(323)는 배출구(303)의 외부에 배치된다. 배출 밸브 액츄에이터(323)의 회동축은 배출 밸브(321)와 연결되는데, 배출 밸브 액츄에이터(323)의 작동에 의하여 배출 밸브(321)가 가동될 수 있다.
배출 밸브 액츄에이터(323)의 작동에 따라 조작되는 배출 밸브(321)에 의하여 배출구(303)의 내부 유로의 개방 내지 폐쇄 정도가 조정될 수 있다. 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바디(301)의 내부 공간(At)에서 용융된 알루미늄(Al)은 자중에 의하여 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바디(301)의 하부에 배치되고 배출 밸브부(320)의 작동에 따라 외부로 추출될 수 있다.
플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)는 폐가스 처리부(400)와 연결되는데, 폐가스 처리부(400)는 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)에서 환원 흡열 반응후 생성되는 폐가스들을 외부로 배출한다. 폐가스 처리부(400)는 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)에서의 환원 흡열 반응후 생성되는 CO2 등을 포함하는 폐가스를 외부로 배출하기 전에 통과시켜 폐가스 내 잔류하는 유독 물질들이 외부, 즉 대기중으로 배출되어 환경 오염을 유발하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 경우에 따라 플라즈마 열분해 가스화 장치(10)는 폐열을 재생하기 위한 열교환기(500)를 더 구비할 수도 있다. 열교환기(500)는 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)와 폐가스 처리부(400)의 사이에 배치되는데, 열분해 가스화 용융로(300)와 폐가스 처리부(400)는 폐가스 라인(410)을 통하여 유체 소통을 이룬다. 열교환기(500)는 폐가스 라인(410) 상에 배치되고 열교환기(500)에는 열교환 라인(510)이 관통 배치되는데, 폐가스 라인(410)과 열교환 라인(510)은 열교환기(500) 상에 서로 대향류 배치되는 구조를 취하여, 양자 간에 열전달이 이루어진다. 여기서 도시되지는 않았으나 열교환 라인(510)의 단부 측에는 노즐, 터빈 및 펌프 등과 같은 열재생 장치가 더 구비될 수 있음은 본 기술 분야에서 명백하다.
본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 열분해 가스화 장치(10)는 제어부(20)를 더 구비할 수 있는데, 본 실시예에서는 제어부(20)를 구비하는 경우에 대하여 설명한다. 경우에 따라 제어부 이외 별도의 저장부 및/또는 연산부를 구비하는 구성을 취할 수도 있으나 본 실시예에 따른 제어부(20)가 이들을 포괄하는 구성을 취하는 것으로 기술한다. 제어부(20)는 텀블러(110)/세정기(110a) 및 건조기(110b), 초퍼(210), 스크류 압축기(220) 및 진공 펌프(230), 플라즈마 토치(310) 및 배출 밸브부(320), 플라즈마 토치(310) 및 폐가스 처리부(400) 등과 전기적 소통을 이룰 수 있다. 이와 같이 제어부(20)의 제어 신호에 따라 각각의 구성요소는 작동 내지 중지 상태 형성등과 같은 제어 동작을 수행할 수 있다. 여기서 도시되지는 않았으나, 스크류 압축기(210)에 구비되는 압축기 구동기(미도시) 및 폐가스 라인(410) 등과 같은 라인 상에 배치되는 제어 밸브(미도시) 등과도 전기적 소통을 이루며 이의 동작을 제어할 수 있음은 상기로부터 명백하다. 또한, 도시되지는 않았으나 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)의 내부 온도 등을 감지하는 플라즈마 감지부(미도시) 등과 전기적 소통을 이루고 제어부(20)가 현재 감지된 신호에 기초하여 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)의 내부 운전 상태를 제어할 수도 있다.
이하에서는 상기한 플라즈마 열분해 가스화 장치(10)를 통한 포장재 플라즈마 열분해 방법에 대하여 설명한다. 본 발명에 따른 포장재 플라즈마 열분해 방법은 제공 단계(S100), 유입 단계(S200), 플라즈마 열분해 단계(S300), 알루미늄 추출 단계(S400)를 포함하고 경우에 따라 폐가스 처리 단계(S500)를 더 구비할 수도 있다.
먼저 제공 단계(S100)에서 상기한 플라즈마 열분해 가스화 장치(10)가 제공되는데, 플라즈마 열분해 가스화 장치(10)에 대한 설명은 상기로 대체한다. 그런 후, 유입 단계(S200)에서 알루미늄 및/또는 알루미나가 포함된 포장재(1)는 유입부(100)로 제공되고 유입부(100)에서 플라즈마 열분해 가스화 장치(10)를 향해 전달되는데, 유입부(100)는 상기한 바와 같이 텀블러(110)로 구현되어 자중 및/또는 회전력에 의하여 포장재(1)에 부착된 이물을 제거하는 유입 단계가 구성될 수도 있 다. 또한, 경우에 따라 유입부(100)가 세정기(110a)와 건조기(110b)를 구비함으로써 유입 단계(S200)가 세정 단계(S210)와 건조 단계(S220)를 구비하는 구성을 취할 수도 있다. 세정 단계(S210)에서 포장재(1)는 세정기(110a)로 투입되고 세정기(110a)에서 분사되는 물 및/또는 세정제 속에서 회전됨으로써 이물이 포장재(1)로부터 제거될 수 있다. 또한, 건조 단계(S220)에서 포장재(1) 사이의 공간에 습기 및/또는 물기를 완전하게 제거함으로써 추후 전달 과정에서 접촉하는 기계 장치의 부식을 방지할 수도 있다. 이와 같이 유입 단계를 세정 단계 및/또는 건조 단계를 더 구비하도록 하는 등의 설계 사양을 적절하게 형성함으로서, 플라즈마 열분해 가스화 과정에서의 원치 않는 작동 조건 악화를 방지하거나, 투입되는 에너지의 최소화시키거나 또는 최적의 플라즈마 열분해 환경 제어를 가능하게 하여 소정의 알루미늄 회수율을 최적화시킬 수도 있다.
경우에 따라 유입 단계(S200)는 초핑 단계(S230) 및 투입 단계(S240)를 더 구비할 수 있다. 즉, 세정 및/또는 건조 단계에서 이물이 제거된 포장재(1)는 초퍼(210)로 전달되어 사전 설정된 크기로 분쇄되고(S230), 분쇄된 포장재는 초퍼(210)로부터 스크류 압축기(220)로 전달되어 압축되는데(S240), 이와 같은 초핑 및 투입 단계(S230,S240)를 통하여 단위 체적당 중량을 증대시켜 보다 효율적인 알루미늄 추출 공정을 수행할 수 있다. 한편, 상기한 바와 같이 플라즈마 열분해 가스화 장치(10)는 진공 펌프(S230)를 더 구비하고, 투입 단계(S240)에서 진공 펌핑이 동시에 이루어지는 구성을 취할 수도 있다. 즉, 스크류 압축기(220)의 일측에 배치되고 유체 소통을 이루는 진공 펌프(230)에 의하여 분쇄된 포장재의 압축시 보 다 강화된 진공 상태를 형성할 수도 있는데, 이와 같은 압축시 진공 분위기 형성을 통하여, 분쇄된 포장재가 유입되는 경우 스크류 압축기(220)의 압축기 구동 블레이드(225)에 의하여 압축되는 분쇄 포장재의 사이 공간, 즉 공극에 공기의 유입으로 인한 부피 등의 증가를 방지하고 하기되는 플라즈마 열분해 단계(S300)에서의 정확하게 제어 가능한 운전 상태를 조성할 수도 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 상기한 바와 같이, 유입 단계에(S200)에서 플라즈마 열분해의 환원 분위기를 적절하게 형성하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같은 지질 및/또는 합성수지와 같은 베이스의 추가적인 공급이 더 구비되는 하부 단계를 더 구비할 수도 있는 등 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다.
본 실시예에 따른 투입 단계(S240)는 스크류 압축 공정을 통하여 이루어지는 것으로 도시되었으나 이는 본 발명을 설명하기 위한 일예로 경우에 따라 분쇄된 포장재가 피스톤 공정을 통하여 압축되고 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)로 전달되는 구성을 취할 수도 있는 등 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다.
그런 후, 분쇄 압축된 포장재는 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)로 전달되어 열분해되는 플라즈마 열분해 단계(S300)가 수행된다. 즉, 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)로 유입되는 분쇄 압축된 포장재는 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)의 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바디(301)의 상단에 배치되는 플라즈마 토치(310)에서 형성되는 플라즈마를 통하여 열분해되어 소정의 알루미늄이 용융되는데, 제어부(20)의 제어 신호에 따라 작동하는 배출 밸브 액츄에이터(323)의 작동에 의하여 배출 밸브(321)가 가동됨으로써 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바 디(301)의 하단에 용융되는 알루미늄이 외부로 배출될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 플라즈마 열분해 단계(S300)는 경우에 따라 베이스 열분해 단계(S310)와 알루미늄 용융 단계(S320)를 포함할 수 있다. 즉, 먼저 베이스 열분해 단계(S310)에서 분쇄 압축된 포장재(1)에 부착되는 PE,PP 등과 같은 합성 수지 및/또는지류 등을 포함하는 포장재 베이스(2)가 플라즈마 열분해에 의하여 가스화된다. 이와 같은 베이스 열분해 단계(S310)에서 플라즈마 토치 등에 의하여 형성되는 열원으로 열분해 가스화되어 Syn 가스가 생성되는데, Syn 가스의 대략 80% 정도는 CO, H2 등과 같은 환원성 가스로 형성된다.
그런 후, 알루미늄 용융 단계(S320)에서 플라즈마에 의하여 지속적으로 제공되는 열원에 의하여 포장재 중 열분해 가스화된 포장재 베이스(1) 이외의 알루미늄은 제공되는 열원에 의하여 용융되어 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)의 내부 공간(At)의 하부에 배치된다. 즉, 지속적인 열원에 의하여 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)의 내부 공간(At)의 온도가 대략 700℃에 도달하는 경우 알루미늄은 용융되어 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)의 하부로 배출구(303)에 인접하게 수용된다.
이때, 알루미늄 용융 단계(S320)는 알루미늄뿐만 아니라 알루미나(산화 알루미늄)의 용융 단계를 포함한다. 포장재 베이스의 열분해로 생성된 C, H2와 같은 환원성 가스에 의하여 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)의 내부 공간(At)에는 환원 분위기가 형성되는데, 충분하게 공급되는 열원에 의하여 흡열반응이 형성됨으로써, 포장재(1)의 포장재 베이스(2)와 함께 포장재(1)를 구성하는 알루미나 또는 알루미늄의 표면 상에 형성되었던 알루미나(Al2O3)는 다음과 같은 반응 과정을 통하여 알루미늄으로 환원된다.
Figure 112008075585259-pat00001
또는
Figure 112008075585259-pat00002
상기와 같은 반응 과정은 모두 흡열반응으로서 각각의 반응에 요구되는데, 각 물질의 생성엔탈피는 Al2O=-387.1865Kcal/mol, Al2=0, H2=0, CO=-26.407Kcal/mol, Co2=-94.1kcal/mol, H2O=-57.8kcal/mol이고 Al2O3의 분자량은 101.96, Al2의 분자량은 53.96이므로, 앞선 반응식 중 E1=-193.98kcal/mol이고, 나중 반응식 중 E2=-203.87kcal/mol이다. 상기 두 반응식으로 표현되는 반응 과정은 CO와 H2의 농도에 따라 비례하는데, 동일 환경 하에서의 이들은 동일 내지 유사한 값을 가지므로 대략 50:50의 비율로 각각의 반응이 이루어진다고 볼 수 있다. 따라서, 이들 흡열 반응을 위하여 평균 E=-198.925kcal/mol로 산출될 수 있는데, 1mol 당 알루미나를 알루미늄으로 환원시키기 위하여 대략 198.925kcal의 에너지가 소요되므로 각각의 분자량을 고려할 경우 알루미나(Al2O3) 1kg 당 대략 2000kcal의 에너지가 요구되고 이로 인하여 0.529kg의 알루미늄(Al)을 회수할 수 있다. 즉, 포장재 베이스(2)의 플라즈마 열분해 가스화 과정을 통하여 생성된 CO 및/또는 H2 비율을 적절하게 조절함으로써 소정의 환원 분위기 하에서의 알루미나(산화 알루미늄)의 환원 과정이 수행되고 이에 따라 통상적으로 알루미나가 용융되는 대략 1700 ℃의 고온보다 낮은 온도에서 원활하게 알루미나(산화 알루미나)의 용융과정이 이루어질 수 있다. 이와 같은 환원 용융과정을 통하여 과도하지 않은 에너지를 공급하면서도 알루미늄을 포함하는 포장재로부터의 알루미늄 회수율을 극대화시켜 자원 회수의 효율성을 증대시킬 수 있다.
알루미늄 용융 단계(S320)에서 용융된 알루미늄은 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)의 하부에 배치되고, 알루미늄 추출 단계(S400)에서 알루미늄이 외부로 배출된다. 즉, 플라즈마 열분해 가스화 용융로 바디(301)의 하부에 배출구(303)가 형성되고, 배출구(303)는 배출 밸브부(320)에 의하여 개폐되는데, 제어부(20)의 제어 신호에 따라 배출 밸브부(320)의 배출 밸브 액츄에이터(323)가 가동되고 배출 밸브 액츄에이터(323)의 작동에 따라 배출구(303) 상에 배치되는 배출 밸브(321)의 개도에 따라 용융 및/또는 환원용융된 알루미늄이 외부로 배출될 수 있다.
또한, 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법은 경우에 따라 플라즈마 열분해 가스화 용융로에서의 포장재 베이스의 베이스 열분해 단계(S310)와 알루미늄 용융 단계(S320)에서 발생하는 CO2 및/또는 H2O 등을 포함하는 폐가스를 외부로 안전하게 배출하기 위한 폐가스 처리 단계(S500)가 더 구비됨으로써, 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법의 보다 안전하고 친환경적인 과정을 수행할 수도 있다. 폐가스 처리 단계(S500)의 동작시, 이와 동시에 폐열을 이용하기 위한 열재생 단계가 더 구비되어 작동할 수도 있다. 즉, 플라즈마 열분해 가스화 용융로(300)로부터 배출되는 폐가스에는 상당한 열용량이 포함되는데, 이러한 폐가스가 폐가스 처리부(400)로 전달되는 폐가스 라인(410)과 대 향하여 열교환기(510)를 관통하도록 배치되는 열교환 라인(510)과의 열교환을 통하여 열교환 라인(510)을 관류하는 물과 같은 작동 유체에 열이 전달되고 도시되지는 않았으나 열교환 라인(510)과 유체 소통을 이루는 노즐, 터빈 및 펌프 등의 열재생 장치를 통하여 플라즈마 열분해 가스화 용융로로부터 배출되는 상당한 열에너지를 재생할 수도 있는데, 이러한 열재생 장치의 펌프 등의 작동 및 작동 유체의 유동은 제어부의 제어 신호에 따라 실행 여부가 결정될 수도 있다. 또한, 이와 같은 열교환기 및 열교환 라인과의 열교환 과정은 여기에 도시되지는 않았으나 폐가스 처리부(400)를 거친 후의 배출 라인(미도시)과도 이루어질 수도 있는 등 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다.
상기 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 일예들로, 본 발명이 이에 국한되지 않고, 알루미늄 및/또는 알루미나를 포함하는 포장재, 알루미늄캔 재생시 발생하는 산화알루미늄(알루미나), 알루미늄 정련시 발생하는 산화알루미늄(알루미나) 등으로부터의 알루미늄을 회수할 수 있도록 플라즈마 열분해 가스화 장치를 사용하는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 열분해 가스화 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 열분해 가스화 장치에 의한 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법에 대한 개략적인 흐름도이다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 대한 보다 구체적인 단계에 대한 세부 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법에 의하여 플라즈마 열분해 가스화 장치에 유입되는 포장재의 일예에 대한 개략적인 부분 단면도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10...플라즈마 열분해 가스화 장치 20...제어부
100...유입부 200...투입부
300...플라즈마 열분해 가스화 용융로 400...폐가스 처리부
500...열교환기

Claims (7)

  1. 플라즈마 토치를 내부에 구비하고 알루미나를 포함하는 포장재의 알루미늄 용융물을 외부로 추출 가능하게 하는 배출부를 구비하는 플라즈마 열분해 가스화 용융로 및 상기 포장재를 상기 플라즈마 열분해 가스화 용융로로 전달하는 유입부를 구비하는 플라즈마 열분해 가스화 장치를 제공하는 플라즈마 열분해 가스화 장치 제공 단계와,
    상기 유입부가 상기 포장재를 플라즈마 열분해 가스화 용융로로 투입하는 유입 단계와,
    상기 제어부에 의한 제어 신호에 따라 상기 플라즈마 열분해 가스화 용융로 내 플라즈마 토치를 작동시켜 상기 포장재를 열분해시키는 플라즈마 열분해 단계와,
    상기 플라즈마 열분해 단계에서 용융된 알루미늄을 추출하는 알루미늄 추출 단계를 포함하는 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법에 있어서,
    상기 유입 단계는:
    상기 포장재를 분쇄하는 초핑단계와,
    분쇄된 상기 포장재를 압축시켜 상기 플라즈마 열분해 가스화 용융로로 유입시키는 투입단계를 포함하고,
    상기 플라즈마 열분해 단계는:
    상기 포장재 중 포장재 베이스를 열분해 가스화시켜 환원 가스 분위기를 생성하는 베이스 열분해 단계와,
    상기 베이스 열분해 단계에서 생성된 상기 환원 가스 분위기에서 상기 알루미나를 알루미늄으로 용융시키기 위한 알루미늄 용융 단계를 구비하는 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유입 단계 전에 상기 포장재를 세정하는 세정 단계와, 세정된 상기 포장재를 건조시키는 건조 단계를 구비하는 전처리 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 투입 단계는 스크루 압축 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 열분해 가스화 장치에는 진공 펌프가 더 구비되고,
    상기 투입 단계는 상기 진공 펌프가 분쇄 압축된 상기 포장재 내 공기를 배출시키는 진공 펌핑 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 열분해 가스화 장치는 상기 플라즈마 열분해 가스화 용융로와 소통되어 열분해후 생성된 폐가스를 처리하기 위한 폐가스 처리부를 더 구비하고,
    상기 알루미늄 추출 단계 후 상기 플라즈마 열분해 가스화 용융로 내부에 잔존하는 폐가스를 배출 및 처리하는 폐가스 처리 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 포장재 플라즈마 열분해 가스화 용융 알루미늄 회수 방법.
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