KR100994244B1 - 열분해 공정에서 생산되는 왁스 제거용 충격분리 장치 - Google Patents
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Abstract
이 발명의 왁스 제거용 충격분리 장치(impact separator)는, 열분해 공정에서 생성되어 유동하는 열분해가스에 충격을 가해 그 내부에 포함된 왁스 성분을 분리 제거해 내는 장치이다. 따라서, 이 발명은 양질의 열분해유(저왁스)를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 그 구조가 간단하여 경제적인 왁스의 분리가 가능하다. 또한, 왁스로 인한 관 막힘 현상을 방지할 수 있으므로, 열분해 공정에서 공정 운영상의 편이성을 제공할 수 있다.
Description
이 발명은 왁스 제거용 충격분리 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 폐플라스틱 또는 목재 등의 바이오매스 열분해 공정에서 생성되어 유동하는 열분해가스에 충격을 가해 그 내부에 포함된 왁스를 분리 제거하는 왁스 제거용 충격분리 장치에 관한 것이다.
폐기물 열분해(Pyrolysis)란 산소가 없는 상태에서 순수 열에너지에 의해 폐기물을 분해하여 액상 및 고상 유도체와 기상 연료 등의 유용한 생성물을 회수하는 방법이다. 이때, 회수되는 생성물의 형태, 조성, 수율 등은 투입물질의 형태와 조성, 반응온도와 압력조건, 체류시간, 열전달율 및 촉매의 존재 여부 등의 공정조건에 따라 민감하게 영향을 받게 된다. 따라서, 연료, 용매(solvents), 화학물질 등 목적하는 생성물을 회수하기에 적합한 공정조건을 파악하고 제어하기 위한 연구가 1970년대 이후 본격화되기 시작하여 오늘날까지 꾸준히 진행되고 있다.
열분해의 주된 대상 폐기물은 폐플라스틱 및 바이오매스인데, 폐플라스틱의 경우에는 폐플라스틱으로부터 BTX-방향족(aromatics)의 회수, 왁스(wax)의 회수 등이 주목적이었으며, 또한 폴리올레핀(polyolefin) 계열의 플라스틱에서 에틸렌(ethene), 프로필렌(propene) 등의 모노머 회수, 폴리스티렌(polystyrene)에서의 스티렌(styrene) 모노머 회수 등의 연구가 활발하게 진행되어 왔다.
가.
폐플라스틱의
열분해
폐플라스틱의 열분해는 주로 EU 및 일본에서 왕성한 연구 활동이 진행되고 있다. 열분해의 특징이 다양한 조건하에서 다양한 생성물 스펙트럼을 보여주는 것인데, 폐플라스틱의 열분해 변수 중 가장 중요한 것은 반응 온도이다. 열분해 반응은 보통 400℃ ~ 800℃ 사이에서 이루어지는데, 이때 압력은 대부분 대기압 정도이다. 그 외의 공정 변수로서는 체류시간(residence time), 공급속도(feed rate) 및 가열속도(heating rate) 등이 중요하다. 열분해는 촉매의 사용여부에 따라 무촉매 공정과 촉매 공정으로 나눌 수 있다. 무촉매 공정은 공정의 단순성으로 인해 공정운영의 용이성을 확보할 수 있는 장점을 지니고 있고 주로 EU 국가에서 많이 운영되고 있다. 이에 비해 촉매 공정은 생성오일의 품질 향상을 가져올 수 있는 장점을 지니고 있는데, 일본에서는 촉매 공정을 이용한 연구와 상업화 공정 운영이 활발하게 진행되고 있다.
아래의 표 1은 체류시간(residence time), 가열속도(heating rate), 압력 및 반응 온도에 따른 다양한 열분해 공정을 나타낸 것이다.
표 1은 다양한 열분해 용어를 제시하고 있는데, 예를 들어 탄화(carbonization)는 매우 낮은 열전달율과 낮은 온도에서 진행되는 저속 열분해 (slow pyrolysis)의 한 과정이다. 전형적인 열분해(conventional pyrolysis)는 20 ~ 100℃/min의 열전달율과 최대 600℃의 반응온도에서 진행되는데, 이때는 가스, 오일, 고체 생성물(char) 등이 고르게 생산된다. 체류시간(Residence time)이 매우 적고 열전달율이 100 ~ 1000℃/min의 분위기에서 진행되는 열분해를 고속 열분해(fast pyrolysis)라 부르는데 이 경우는 주로 액체 생성물을 얻게 된다.
일반적으로 플라스틱 열분해 생성물은 가스와 오일/왁스 및 고체 생성물(char)로 나눌 수 있는데, 그들의 생성량은 투입되어지는 플라스틱의 종류와 반응기 형태 및 반응 조건에 따라 많은 차이가 있다.
표 2는 다양한 플라스틱과 반응기 형태 및 반응 온도에 따른 생성물의 비율을 나타낸 것이다. 표 2에 나타난 바와 같이, 반응에 따른 일반적인 생성물은 가스와 오일인데, 현재에는 저장이 용이한 오일의 생산에 대한 연구가 대부분이다. 폴리올레핀(Polyolefine) 계열의 열분해에서 반응온도가 500℃ ~ 600℃ 사이이면 생성되는 오일은, 상당량의 왁스(wax)를 포함하게 된다. PVC를 열분해할 경우에는 매우 낮은 오일 수율을 보이고 생성오일은 검정색을 띠게 되고, 폴리스티렌(polystyrene)을 열분해할 경우에는 스티렌(styrene) 모노머를 상당량 함유하는 노란색의 오일을 회수하게 된다. 오일 중 왁스(wax)의 생성은 연료유로서 열분해유의 사용을 어렵게 만드는 데, BP(British Petroleum)공정에서는 이를 역이용하여 스팀 크래킹(steam cracking)의 피트스톡(feedstock)으로 이용할 수 있는 왁스(wax)의 생산을 목적으로 열분해를 한다. 혼합 플라스틱을 열분해할 경우에는 투입물의 무기물 함량의 정도에 따라 고체 생성물(char)의 생성량이 달라지는 것을 알 수 있다. 다양한 플라스틱을 열분해함에 있어서는 다양한 최적 반응조건이 존재하며 이를 찾아내어 목표 생성물을 최대화 하는 것이 열분해 공정운영의 최대 과제라고 할 수 있다.
나. 열분해 공정
일반적인 열분해 장치는 폐플라스틱 투입부, 반응기, 고체 생성물(char) 분리장치 및 냉각기로 구성되어 있다. 도 1은 영국의 BP 공정으로서 유동층을 기본으로 하는 열분해 장치의 개념도이다. 도 1의 공정은 폐플라스틱 열분해시에 생성되는 왁스(wax)를 회수하기 위한 장치로서, 2000년 초까지 운영 되어진 것으로 알려져 있다.
다.
열분해시
왁스 문제
폴리올레핀(Polyolefin) 계열의 플라스틱을 열분해할 경우, 640℃ 이하에서는 많은 양의 왁스가 생산된다. 이렇게 생성된 왁스는 관 막힘 등의 공정운영의 장애를 일으킬 뿐만 아니라 열분해유가 다량의 왁스를 함유함에 따라, 연료유로 사용시 상분리로 인해 보관의 어려움과 연소기관 이용시 노즐의 막힘 등을 불러와 연료유로서의 사용 가능성이 낮아지게 된다. 그리고, 열분해 공정시에 나오는 왁스(wax)는 주로 alkane 및 n-alkene들 인데, 그 성분이 광유 왁스(petroleum wax)중 C18-C45의 성분인 파라핀 왁스(paraffin wax)와 비슷하다. 따라서, 폐플라스틱을 열분해하여 연료유를 생산할 때에는 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 반드시 왁스의 제거가 필요하다.
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열분해 공정에서 생성되어 유동하는 열분해가스에 충격을 가해 그 내부에 포함된 왁스 성분을 분리 제거함으로써, 양질의 열분해유를 생산할 수 있도록 하는 왁스 제거용 충격분리 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이 발명은, 상부 및 하부 배출부를 각각 갖는 케이스와; 열분해 반응에 의해 생성된 열분해가스가 유입되도록 케이스의 내부까지 연장 형성되며 내부 방향으로 진행할수록 그 크기가 작아지게 경사진 형태를 갖는 열분해가스 유입관과; 열분해가스 유입관을 따라 유동하여 분사되는 열분해가스를 충돌시켜 그 내에 포함된 왁스 성분을 분리시키는 충돌판; 및 열분해가스 유입관의 끝단을 향해 그 크기가 점점 작아지도록 경사진 구조로 구성되고 끝단에 충돌판이 설치되어 밀봉되며, 케이스 내에서 열분해가스 유입관의 둘레를 감싸도록 배치되어, 충돌판에 충돌함에 따라 분리된 왁스 성분 및 열분해가스가 와류를 형성하면서 재차 충돌됨과 더불어 중력의 작용에 통해 한번 더 왁스 성분을 분리시켜, 왁스 성분이 분리 제거된 열분해가스는 상부 배출구로 배출시키고, 분리된 왁스 성분은 하부 배출구로 배출시키는 와류 형성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 발명은 와류 형성부의 상부에 설치되어 열분해가스 내에 포함된 미제거된 왁스 성분을 재차 충돌시켜 제거하는 충돌면을 제공함과 더불어 열분해가스가 이동하는 다수의 구멍을 갖는 충돌 플레이트를 더 구비할 수 있다. 여기서, 다수개의 구멍은 와류 형성부에서 빠져 나온 열분해가스가 바로 상부 배출구 쪽으로 이동하지 않고 충돌을 거친 후에 이동하도록, 와류 형성부의 배출구와 거리를 두고 형성될 수도 있다.
이 발명은 열분해 공정에서 생성되어 유동하는 열분해가스에 충격을 가해 그 내부에 포함된 왁스 성분을 분리 제거함으로써, 양질의 열분해유(저왁스)를 생산할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 이 발명은 그 구조가 간단하여 경제적인 왁스의 분리가 가능하다.
또한, 이 발명은 왁스로 인한 관 막힘 현상을 방지할 수 있으므로, 열분해 공정에서 공정 운영상의 편이성을 제공할 수 있다.
또한, 이 발명은 폐플라스틱의 열분해 공정뿐만 아니라 목재 등의 바이오매스 열분해 공정에도 이용될 수 있는 광범위한 유용성을 갖는다.
아래에서, 이 발명에 따른 열분해 공정에서 생산되는 왁스 제거용 충격분리 장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 열분해 공정에서 생산되는 왁스 제거용 충격분리 장치의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 왁스 제거용 충격분리 장치(200)는 간단한 구조로 구성되어 폐플라스틱을 열분해할 경우 생성되는 분자량이 큰 왁스 성분을 매우 효율적으로 제거할 수 있는 장치이다. 즉, 이 실시예의 왁스 제거용 충격분리 장치(impact separator)는 열분해시에 생성되어 유동하는 열분해가스에 포함된 왁스 성분을 특정형태의 요소들로 충격을 가해 분리해 내는 장치이다.
왁스 제거용 충격분리 장치(200)는 왁스 성분이 분리된 가스가 배출되는 상부 배출구(211)와 분리된 왁스 성분이 배출되는 하부 배출구(212)를 갖는 케이스(210)와, 열분해가스가 유입되도록 케이스(210)의 내부까지 연장 형성되며 내부 방향으로 진행할수록 그 크기가 작아지게 경사진 형태를 갖는 열분해가스 유입관(220)과, 열분해가스 유입관(220)을 따라 유동하여 분사되는 열분해가스를 충돌시켜 그 내부에 포함된 왁스 성분을 분리시키는 충돌판(230)을 구비한다.
또한, 왁스 제거용 충격분리 장치(200)는 열분해가스 유입관(220)의 끝단을 향해 그 크기가 점점 작아지도록 경사진 구조로 구성되고 끝단에 충돌판(230)이 설치되어 밀봉되며, 케이스(210) 내에서 열분해가스 유입관(220)의 둘레를 감싸도록 배치되어, 충돌판(230)에 충돌함에 따라 분리된 왁스 성분 및 열분해가스가 와류를 형성하면서 재차 충돌됨과 더불어 중력의 작용에 통해 한번 더 왁스 성분을 분리시키는 와류 형성부(240)와, 와류 형성부(240)의 상부에 설치되어 열분해가스 내에 포함된 미제거된 왁스를 재차 충돌시켜 제거하는 충돌 플레이트(250)를 구비한다.
케이스(210)는 원통 형태로 구성되어 상부에 상부 배출구(211)가 형성되고, 일정 지점부터 그 하부방향으로 진행할수록 그 크기가 점점 작아지게 경사진 후에 하부 배출구(212)가 형성된다.
열분해가스 유입관(220)은 그 끝단을 향해 그 크기가 작아지게 경사진 형태로 구성됨에 따라, 유입시의 열분해가스의 속도보다 배출시에 속도가 빠르도록 구성된다. 따라서, 열분해가스 유입관(220)에서 배출되는 열분해가스는 보다 빠른 속도로 충돌판(230)에 충돌하게 된다. 여기서, 충돌판(230)은 그 곳에 충돌되어 분리된 왁스 성분 및 열분해가스가 와류 형성부(240) 쪽으로 보다 효과적으로 이동할 수 있도록, 열분해가스 유입관(220)의 끝단과 일정 거리를 갖도록 배치된다.
와류 형성부(240)는 충돌판(230)에 충돌함에 따라 분리된 왁스 성분 및 열분해가스가 와류를 형성하면서 재차 충돌함과 더불어 중력의 작용에 통해 한번 더 왁스 성분을 분리 제거한다. 여기서, 와류 형성부(240)는 와류를 형성하면서 분리된 왁스 성분 및 열분해가스가 케이스(210) 내부 쪽으로 원활하게 유동하도록, 와류 형성부(240)의 단부가 케이스(210)의 내측면과 일정 간격을 갖도록 배치된다.
충돌 플레이트(250)는 와류 형성부(240)의 상부에 설치되어 열분해가스 내에 포함된 미제거된 왁스를 재차 충돌시켜 제거하는 역할을 한다. 따라서, 충돌 플레이트(250)는 열분해가스가 충돌할 수 있는 충분한 충돌면을 제공함과 더불어, 열분해가스가 상부 배출구(211) 쪽으로 이동할 수 있는 다수개의 구멍(251)을 갖도록 구성된다. 이때, 다수개의 구멍(251)은 와류 형성부(240)에서 빠져 나온 열분해가스가 바로 상부 배출구(211) 쪽으로 이동하지 않고 충돌을 거친 후에 이동하도록, 와류 형성부(240)의 배출구와 어느 정도의 거리를 두고 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 다수개의 구멍(251)은 그 곳을 통과하여 이동하였다가 케이스(210)의 상부 내측면에 충돌함에 따라 분리된 왁스 성분이 하부 쪽으로 이동하는 통과 역할 또한 한다.
상기와 같이 구성된 이 실시예에 따른 왁스 제거용 충격분리 장치(200)는, 폐플라스틱 또는 목재 등의 바이오매스 열분해 공정 중에서, 왁스성분의 제거가 용이한 부분에 설치하여 사용하면 된다.
아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 이 실시예의 열분해 공정에서 생산되는 왁스 제거용 충격분리 장치의 작동관계를 상세히 설명한다.
열분해 가스 중 왁스 성분은 분자량이 매우 크다. 이런 까닭에 유체 흐름 속에서 그 거동이 원활하지 못하여 유체 흐름이 방해를 받을 시 그 흐름에서 이탈될 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 이 실시예에서는 1차적으로 충돌판(230)을 이용하여 유체흐름을 방해하여 왁스 성분을 분리하고, 연이어 콘 형태의 와류 형성부(240)에서 와류 충돌과 중력의 작용을 이용해 2차로 왁스 성분을 분리해 낸다. 그런 다음, 마지막으로 와류 형성부(240)의 상부에 형성된 충돌 플레이트(250)를 이용해 열분해 가스에 잔류하는 왁스 성분을 재차 분리해 낸다.
이상에서 이 발명의 열분해 공정에서 생산되는 왁스 제거용 충격분리 장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상 의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 영국의 BP 공정으로서 유동층을 기본으로 하는 열분해 장치의 개념도이고,
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 열분해 공정에서 생산되는 왁스 제거용 충격분리 장치의 개략도이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
200 : 왁스 제거용 충격분리 장치 210 : 케이스
211 : 상부 배출구 212 : 하부 배출구
220 : 열분해가스 유입관 230 : 충돌판
240 : 와류 형성부 250 : 충돌 플레이트
251 : 구멍
Claims (3)
- 상부 및 하부 배출부를 각각 갖는 케이스와,열분해 반응에 의해 생성된 열분해가스가 유입되도록 상기 케이스의 내부까지 연장 형성되며 내부 방향으로 진행할수록 그 크기가 작아지게 경사진 형태를 갖는 열분해가스 유입관과,상기 열분해가스 유입관을 따라 유동하여 분사되는 열분해가스를 충돌시켜 그 내부에 포함된 왁스 성분을 분리시키는 충돌판과,상기 열분해가스 유입관의 끝단을 향해 그 크기가 점점 작아지도록 경사진 구조로 구성되고 끝단에 상기 충돌판이 설치되어 밀봉되며, 상기 케이스 내에서 상기 열분해가스 유입관의 둘레를 감싸도록 배치되어, 상기 충돌판에 충돌함에 따라 분리된 왁스 성분 및 열분해가스가 와류를 형성하면서 재차 충돌됨과 더불어 중력의 작용을 통해 한번 더 왁스 성분을 분리시켜, 왁스 성분이 분리 제거된 열분해가스는 상기 상부 배출구로 배출시키고, 분리된 왁스 성분은 상기 하부 배출구로 배출시키는 와류 형성부, 및상기 와류 형성부의 상부에 설치되어 열분해가스 내에 포함된 미제거된 왁스 성분을 재차 충돌시켜 제거하는 충돌면을 제공함과 더불어 열분해가스가 이동하는 다수개의 구멍을 갖는 충돌 플레이트를 포함하며,상기 충돌판은 상기 열분해가스 유입관의 끝단과 일정 거리를 두고 상기 와류 형성부의 끝단에 설치되며, 상기 와류 형성부는 그 단부가 상기 케이스의 내측면과 일정 간격을 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 열분해 공정에서 생산되는 왁스 제거용 충격분리 장치.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,상기 다수개의 구멍은 상기 와류 형성부에서 빠져 나온 열분해가스가 바로 상기 상부 배출구 쪽으로 이동하지 않고 충돌을 거친 후에 이동하도록, 상기 와류 형성부의 배출구와 거리를 두고 형성되는 것을 특징으로 하는 열분해 공정에서 생산되는 왁스 제거용 충격분리 장치.
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