KR101125844B1 - 폐플라스틱으로부터 재생연료유를 생산하는 회분식 공정의 연속공정화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혼합 폐플라스틱을 원료로 하여 경유대체용으로 사용하는 재생연료유를 생산하는 회분식 운전공정에 일부의 장치를 부가하여 연속 운전과 자동화 운전이 가능하도록 하는 재생연료유 생산공정에 관한 것이다.

일반 소규모 열분해 공정은 교반기가 설치된 수직원통형 반응기나 로터리킬른 형태의 반응기를 사용하는데, 간단한 전처리만을 거친 혼합폐플라스틱의 연속적인 투입과 반응 후 남는 잔재물의 연속적인 배출이 불가능하다. 따라서 간헐적인 원료의 투입, 열분해 반응, 반응기의 냉각 및 잔재물의 배출 등으로 이어지는 일반적인 과정을 반복적으로 실시하는 회분식으로 운전한다. 이로 인해 생산성저하, 열효율저하, 수동식 운전, 제품 품질 불균일 등의 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 회분식으로 운전하는 열분해공정을 연속공정화하는 공정기술에 관한 것이다. 회분식 반응기인 1차 반응기에 슬러지 인출장치, 슬러지 이송장치 및 2차 반응기를 부가하여 간단한 전처리만을 거친 원료를 사용할 경우도 연속 운전 및 자동화 운전이 가능한 공정으로 전환하는 기술이다.

슬러지 인출장치는 1차 반응기에서 무기물을 포함한 슬러지를 효과적으로 빼내도록 한 구조의 장치이며, 슬러지 이송장치는 슬러지에 포함된 고형물과 미반응된 일부의 원료를 함께 효과적으로 이송시킬 수 있는 장치이다. 2차 반응기는 고형분이 다량 함유된 슬러지 상태의 반응물을 연속적으로 공급받아 완전 열분해하여 최종 잔재물만을 연속적으로 배출하는 기능을 갖춘 반응기이다. 또한 이 공정은 원 료를 용융하는 장치를 공정 전단에 부설함으로써 PVC를 다량 함유한 원료로부터 염소성분이 없는 재생연료유를 생산할 수 있으며, 전 공정의 자동화가 가능하여 최소 운전인력과 안정적인 연속 운전으로 양질의 제품생산이 가능한 경제적인 공정이다.

열분해, 폐플라스틱, 재생연료유, 회분식 공정, 연속식 공정

Description

폐플라스틱으로부터 재생연료유를 생산하는 회분식 공정의 연속공정화 방법{Continuous processing method for producing recycled fuel oil from waste plastic}

본 발명은 폐플라스틱을 열분해하여 재생연료유를 생산하는 공정 기술에 관한 것으로서, 기존의 회분식 열분해 공정에 일부의 장치를 부가하여 연속식 공정으로 전환함으로써 회분식 공정의 문제점을 대폭 개선하는 방법에 관한 것이다.

기존 소규모의 폐플라스틱 열분해 공정은 원료 투입장치와 가마솥 형태의 수직원통형 교반 반응기(stirred tank reactor : STR), 촉매 탑, 열분해 가스응축기, 생산된 기름의 2차 분해반응기, 저장조 및 잔재물 처리시설로 구성된다. 원료는 비용의 절감을 위해 파쇄, 비중선별 등 최소한의 전처리(정제) 과정만을 거친다. 이 때 선별된 원료는 금속, 토사, 수분 등의 불순물을 다량 포함하고 있고, 부피가 매우 크다. 이와 같은 원료는 반응기에 원료를 많이 장입할 수 없고, 열분해 후 잔재물이 반응기 내부에 다량 남기 때문에 더 이상 원료를 투입할 수 없으며, 이들을 제거한 후 다시 원료를 투입하는 회분식 운전방식으로 운전되며, 이로 인해 여러 가지 제약 및 문제점이 따른다.

열분해 설비를 회분식으로 운전함에 따라 발생되는 문제점들은 다음과 같다.

첫째, 열분해에 사용되는 폐플라스틱은 대부분이 포장재들로서 원료의 부피가 커서 많은 양을 한 번에 투입할 수 없으며, 반응기의 내용적 활용률이 낮아진다. 이를 극복하기 위한 방법으로 투입과 용융을 반복적으로 실시하는 경우도 있는데, 이 때 투입구를 통해 플라스틱이 가열되어 발생되는 가스가 밖으로 누출되어 악취를 발생한다.

둘째, 회분식 열분해 공정에 사용되는 원료는 최소한의 전처리만을 실시하며, 이로 인해 다량의 수분, 무기물 및 비열분해성 물질을 20중량% 내외로 포함하고 있으며, 이로 인해 열분해 반응이 종료된 후 잔류물이 많이 남으며, 이를 제거 한 후 재가동을 해야 한다.

셋째, 원료의 투입과정에서는 별도의 연료를 사용해야 하고, 잔류물의 배출과정에서 반응기를 150℃ 이하로 냉각하여야 하기 때문에 열손실이 발생한다. 또한 열분해에 의해 발생되는 연료용 가스는 처음에는 소량이 발생하여 반응기 가열에 불충분한 양이지만 반응이 활발히 일어나는 동안에 발생하는 가스량은 반응기에서 필요한 양 보다 많이 발생하기 때문에 전체적으로 연료용 가스의 활용률이 떨어진다.

넷째, 열분해 반응기에서는 반응기의 가열속도가 열분해 반응속도를 지배하 고, 가열속도는 반응기의 용량을 지배한다. 가마솥 형태의 반응기에서는 반응기의 측벽과 바닥면을 전열면으로 한다. 소형 반응기에서는 반응기에 적재되는 원료량 대비 가열면적이 충분하지만 용량이 커지면 반응기의 용적 증가에 비해 가열면적의 증가가 훨씬 적으므로 처리 용양을 확대하는 것이 어렵다.

다섯째, 회분식 운전은 위에서 검토한 바와 같이 원료의 투입 및 용융, 반응, 반응기 냉각, 및 잔재물 배출 과정에 걸리는 시간이 길어 통상 하루에 1회 운전하는 것이 일반적이며, 원료의 투입, 잔재물의 배출 등에서 대부분의 작업을 인력에 의존하고, 먼지의 발생, 악취의 발생 등 작업환경이 열악해지는 문제점을 갖고 있다.

위와 같은 문제점들은 고도의 생산성을 요구하고, 친환경성을 추구하는 현대사회의 욕구를 충족시킬 수 없으며, 따라서 해당 기술의 보급이 활성화되지 않고 있다.

폐플라스틱의 열분해 기술은 국내에서 발생되는 폐기물 자원을 활용하여 양질의 재생연료유를 생산함으로써 신재생에너지의 보급률 증가에 기여하고, 원유 수입량을 줄여 국가경제에 기여할 수 있는 녹색 에너지기술이다.

그럼에도 불구하고 국내에서 보급하고자 하는 폐플라스틱 열분해 기술은 회분식으로 운전하는 공정이 일반적이어서 열효율과 생산성이 낮고, 제품의 품질과 환경성 등에서 많은 문제를 가지고 있다. 이러한 문제점들은 열분해 기술의 보급이 활성화되는데 많은 제약이 따르므로 이를 극복할 수 있는 연속식 공정기술로 전환하는 시스템 기술이 절실히 요구된다.

본 발명은 회분식으로 운전되는 열분해 공정에서 가마솥 형태의 열분해 반응기(일반적으로 수직 원통형)로부터 잔재물을 농도가 높은 슬러리 상태로 효과적으로 인출하는 구조를 갖도록 하고, 특수 구조의 잔류물 슬러지 이송 장치와 슬러지 열분해 반응 장치를 열분해 반응기 후단에 부가하여 회분식 열분해 공정을 연속식 열분해 공정으로 전환하는 방법에 관한 것이다.

회분식 반응기는 무기물 및 열분해 잔류탄소 등 잔재물을 포함하는 슬러지를 원심력에 의해 효과적으로 인출할 수 있는 구조를 갖도록 하여 연속 운전이 가능하도록 한다. 인출된 슬러지를 후단 반응기로 이송하는 장치는 STR 반응기의 반응물 수위를 일정하게 유지하면서 잔재물을 효과적으로 후단 반응기로 보낼 수 있는 구조를 갖도록 한다. 후단에 부가되는 슬러지 열분해 반응기는 앞의 열분해 반응기로 인출하여 이송되는 잔재물을 다량 함유한 슬러지를 받아 이들이 장시간 체류하면서 완전 열분해 되어 분말 형태의 무기물과 탄소분만 최종 배출 되도록 하는 장치로서, 두 개의 원이 겹쳐 이루어지는 형태의 단면을 갖는 장방형의 공간에 2개의 축이 겹쳐 회전하는 코킹방지 교반장치를 두어 전열면의 확대와 반응물의 체류시간을 증대를 통해 효과적으로 완전 열분해되어 연속적으로 잔재물을 배출하도록 한 장치이다.

본 발명에 따르면, 위와 같이 회분식으로 운전하는 열분해 공정에 일부의 장치를 부가하고, 기존 장치의 장치를 개조하여 연속식 열분해 공정으로 전환할 수 있으며, 회분식으로 운전하는 공정에서 비롯되는 제반 문제점 및 비효율성을 해결하는 것이 가능하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 개략적인 시스템의 구성은 도 1과 같다.

열분해 공정은 원료의 전처리, 전처리 원료의 (용융)투입, 열분해 반응, 열분해 가스의 응축 및 정제(증류), 슬러지의 인출 및 이송, 슬러지의 완전 열분해 반응, 잔류물의 냉각 및 배출, 제품(오일)의 저장 등으로 구성된다.

전처리 공정은 다양한 형태의 폐플라스틱으로부터 열분해에 부적합한 수분, 금속성 물질, 토사류 등을 제거하고 열분해 공정에 투입하기에 적당한 형태로 절단 또는 성형하는 장치들로 구성된다. 원료의 투입공정에서는 전처리된 원료는 그대로 열분해 반응기로 투입하거나 용융장치를 거쳐 반응기에 투입한다.

반응기에 투입된 원료는 390 내지 410℃ 범위의 고온으로 가열하여 열분해 반응을 일으키도록 하며, 이때 열분해에서 발생되는 기름성분의 가스는 정제공정에서 응축, 증류과정을 거쳐 제품으로 생산된다. 열분해 반응기에서는 열분해에 의해 생성된 탄소입자들과 원료에 포함되어있던 무기물 및 열분해가 안 되는 플라스틱 성분들이 축적되는데, 연속적인 운전을 위해 반응기 하부에 축적된 슬러지 형태의 잔류물을 인출하여 슬러지 열분해 반응기로 보낸다. 이때 슬러지를 효과적으로 인출하기 위해 반응기의 하부 구조를 특수 형태로 해야 하며, 인출된 슬러지를 이송하는 장치는 금속입자, 토사 및 다량의 탄소입자를 포함하는 효과적으로 다음 단계의 슬러지 반응기로 보내도록 하는 기능이 있어야 한다.

반응기로부터 오는 슬러지는 금속입자, 토사, 탄소입자 등의 잔류물 성분(40-10중량%)과 열분해 될 수 있는 플라스틱 성분(60-90중량%)의 혼합물이며, 슬러지 반응기에서 30분내지 2시간 정도 장시간 체류하면서 완전열분해 된다.

완전 열분해된 잔류물은 슬러지반응기로부터 배출, 냉각되어 재활용되거나 폐기물로 처리된다.

첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

바람직하게는, 본 발명은 폐플라스틱을 열분해하여 재생연료유(오일)를 생산하기 위해서, 폐플라스틱을 수집하여 분쇄기(2)와 트로멜(3)을 통해 전처리한 후 저장하는 단계, 저장 단계에서 저장된 폐플라스틱을 용융시키는 단계, 용융 단계에서 용융된 물질에서 가스를 분리하는 단계, 가스 분리 단계에서 분리된 염화수소를 포함하는 폐가스를 세정하는 단계, 용융 단계에서 용융된 물질을 390 내지 410℃의 온도에서 열분해시키는 열분해 단계, 열분해 단계에서 발생된 오일가스를 증류시키고, 증류탑(15)의 하부로 나오는 고비점 오일은 다시 열분해 단계로 재순환시키는 1차 증류 단계, 1차 증류 단계에서의 오일가스를 액화시키는 2차 증류 단계, 2차 증류 단계에서의 액상의 재생 연료유를 저장하는 단계 및 2차 증류 단계로부터의 가스상의 저비점 오일을 응축시키는 응축 단계를 포함하는 열분해 방법에 있어서, 열분해 단계에서 적체되는 잔류물 슬러지를 슬러지반응기(9)로 이송시키는 슬러지이송장치(8)에 의한 슬러지 이송단계, 이송된 슬러지를 슬러지반응기(9)에서 410 내지 460℃의 온도로 완전히 열분해시켜 슬러지반응기(9)의 최 후단에서는 분말상태의 잔류물만 남겨 이를 하부의 잔류물이송장치(10)로 보내는 잔류물 이송단계, 슬러지반응기(9)로부터 배출된 잔류물을 잔류물이송장치(10)를 통해서 냉각장치(12)로 보내고 냉각장치(12)에서 냉각된 잔류물이송장치(10)로부터의 잔류물을 저장장치(13)에 저장하는 잔류물 저장단계를 포함하여, 열분해 작업이 연속적으로 운전됨을 특징으로 하는 열분해 방법을 제공한다.

바람직하게는, 본 발명의 상기 열분해방법에서, 교반형 열분해반응기(7)로부터 투입된 원료의 30-60중량%에 해당하는 양을 슬러지의 형태로 인출하여 슬러지반응기(9)에서 열분해시킴으로서 열분해반응기의 열분해부하를 70-40중량%가 되도록 하고, 슬러지반응기에서 열분해부하를 30-60중량%가 되도록 하는 운전방식이 수행될 수 있다.

또한, 본 발명은 수집된 폐플라스틱(1)을 분쇄기(2)와 트로멜(3)을 통해 전처리 한 후 균질화된 원료를 저장하였다가 하부에 장착된 이송 스크루를 통해서 용융장치(5)로 보내는 저장사이로(4), 단면이 원형 또는 타원형인 관에 1축 또는 2축식 압축이송 스크루와 외벽을 전기 또는 버너로 가열하는 장치가 부착되어 이송되는 플라스틱 원료를 200 내지 370℃ 까지 가열하여 용융시키는 용융장치(5), 용융된 폐플라스틱을 일시적으로 저장하고, 용융장치에서 용융될 때 발생되는 휘발성분의 냄새 또는 염산가스를 플라스틱 용융물로부터 분리하여 배출시키는 폐가스분리조(6), 세정수를 분사시켜 폐가스분리조(6)로부터의 유해성 가스 중에 함유된 악취 및 염산가스를 중화시켜 무해화하는 세정조(21), 폐가스분리조(6)로부터의 용융된 플라스틱을 390 내지 410℃로 가열하여 열분해시키고, 발생되는 가스상의 오일은 1차 증류탑(15)으로 보내며, 하부에 모이는 슬러지는 배출구를 통해 슬러지 이송장치(8)로 보내는 교반형 열분해반응기(7), 250-350℃의 비점을 갖는 오일은 다시 열분해반응기로 재순환시키고 그 이하의 비점을 갖는 오일은 증기상태로 2차 증류탑으로 보내는 1차 증류탑(15), 1차 증류탑으로부터의 제품오일의 인화점을 낮추는 오일 성분은 가스 상태로 응축기로 보내고 제품오일은 하부의 저장탱크로 보내는 2차 증류탑(16), 2차 증류탑(16)에서의 제품 오일과 제품 중 비점이 낮은 액상의 재생 연료유를 저장하는 제품저장탱크(19), 및 2차 증류탑으로부터의 가스 중 응축이 가능한 오일성분을 완전히 응축시켜 비응축성가스와 분리하는 응축기(17)를 포함하는, 폐플라스틱을 열분해하여 재생연료유(오일)를 생산하는 열분해반응장치에 있어서, 열분해반응기(7)의 하부로 배출되는 농축 슬러지를 슬러지반응기(9)의 상부로 투입하기 위해 하부에서 상부로 끌어 올리는 슬러지이송장치(8), 슬러지이송장치(8)에 의해 열분해반응기에서 배출되는 슬러지를 공급받아 410 내지 460℃로 가열하여 분말 상태의 잔류물만 남도록 완전 열분해하는 슬러지반응기(9), 슬러지반응기(9)에서 배출되는 완전 열분해되고 남은 잔류물을 냉각장치(12)로 이송하는 스크루형 잔류물이송장치(10), 및 냉각장치(12)에서 냉각된 잔류물이송장치(10)로부터의 잔류물을 저장하는 잔류물저장장치(13)를 포함함을 특징으로 하는 열분해반응장치를 제공한다.

바람직하게는, 본 발명의 열분해반응장치에서, 열분해반응기(7)는 잔류물의 효율적인 농축과 코킹현상의 방지가 가능하게 한 상향 원뿔형상의 내부 바닥면과 바닥면 및 측벽 하부를 연속적으로 긁어주도록 고안된 날개를 부착한 교반장치가 설치되며, 하부 측벽 둘레에 모이는 슬러지가 잘 배출되도록 측벽 하단부와 바닥면이 접하는 부위에 배출구를 구비할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 본 발명의 열분해반응장치에서, 슬러지이송장치(8)는 반응기의 하부와 슬러지반응기(9)의 상부로 연결되어 열분해반응기(7)의 하부에서 배출되는 슬러지를 슬러지반응기(9)의 상부 투입구로 공급하고, 열분해반응기(7)의 반응물 수위와 슬러지 이송장치(8)의 배출구 높이를 동일하게 하여 열분해반응기(7)의 반응물 수위를 일정하게 하고, 그 이상의 반응물이 들어오면 반응물이 자동으로 슬러지반응기(9)로 흘러들어 가도록 하며, 슬러지이송장치(8) 내부에 체인 에 의해 순환 회전하는 스크래퍼를 부착시켜서 금속, 토사 또는 탄소입자의 잔류물이 상부로 이동되어 슬러지반응기(9)로 유입되게 할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 본 발명의 열분해반응장치에서, 열분해반응기(7)로부터 오는 슬러지는 장시간 체류하면서 완전 열분해 되어 분말 형태의 무기물과 탄소분만 최종적으로 배출되도록 하며, 두 개의 원이 겹쳐 이루어지는 형태의 단면을 갖는 장방형의 공간에 2개의 축이 겹쳐 회전하는 코킹방지 교반장치를 설치한 슬러지반응기를 연속적으로 1내지 5개를 두어 전열면의 확대와 반응물의 체류시간의 증대를 통해 효과적으로 완전 열분해되어 연속적으로 잔재물을 배출하도록 할 수 있다.

또한 바람직하게는, 본 발명의 열분해반응장치에서, 잔류물이송스크루(10)의 후단 배출구는 항상 잔류물이 차있는 구조로 하고 가스차단장치(11)를 두어 후단으로 가스의 유통을 방지하도록 구성될 수 있다.

도 2를 참조하면, 원료저장고(1)속의 폐플라스틱은 분쇄기(2)와 트로멜(trommel)(3)을 거쳐서 전처리된 원료는 저장사이로(4)에 저장되며, 이는 원료용융장치(5)를 거쳐 용융되어지고, 이때 용융과정에서 발생되는 염화수소를 포함한 폐가스와 용융물이 폐가스 분리조(6)로 투입되어 분리된다. 상기 폐가스 분리조(6)에서 분리된 폐가스는 세정조(21)로 보내져 세정 처리된다. 한편 용융된 원료는 수직원통형의 교반형 열분해반응기(7)로 보내져 390 내지 410℃ 범위로 가열되어 열분해 된다. 이때 열분해 온도가 390℃ 이하에서는 열분해 반응 속도가 느리며, 410℃ 이상에서는 가열 표면에서 코킹이 일어나 전열 속도를 낮추거나 가동을 할 수 없는 상태에 이를 수도 있다.

열분해에 의해 발생된 오일가스에 포함되어 있는 왁스성분을 분리하기 위하여 1차 증류탑(15)에서 증류되어 하부로 나오는 고비점 오일은 다시 열분해반응기(7)로 재순환되며, 나머지는 증기상태로 2차 증류탑(16)으로 보내진다. 상기 2차 증류탑(16)은 1차 증류탑보다 상대적으로 낮은 온도에서 조작함으로써 저비점 오일을 액상 제품으로 분류시키는데 주 제품인 액상의 재생연료유는 증류탑 하부로부터 연결된 여과장치(18)를 거쳐 고형분을 제거한 다음 제품 저장탱크(19)로 보내지고, 나머지 가스상의 저비점 오일은 응축기(17)를 거쳐 오일과 비응축성 가스로 분리되어지며, 응축된 저비점 오일은 여과장치(18)를 거쳐 제품 저장탱크(19)에 저장되고, 비응축성 가스는 가스연료 저장탱크(20)에 저장되었다가 열분해반응기(7)와 슬러지반응기(9)에서의 연료로 사용된다.

열분해반응기(7)에 축적되는 잔류물은 특수한 형상의 교반장치에 의해 반응기 하부에 농축되어 배출구로 유도되어 슬러지 이송장치(8)로 보내진다. 슬러지이송장치(8)는 반응기의 하부와 슬러지반응기(9)의 상부로 연결되어짐으로서, 열분해반응기(7)의 하부에서 배출되는 슬러지를 슬러지반응기(9)의 상부 투입구로 공급하는 기능을 한다. 이때 반응물의 원활한 이송을 위해 열분해반응기(7)의 반응물 수위와 슬러지이송장치(8)의 배출구 높이를 동일하게 하여 열분해반응기(7)에 들어오는 반응물이 자동으로 슬러지반응기(9)로 흘러들어 가도록 하고, 또한 열분해반응기(7) 내의 반응물의 레벨을 일정하게 유지하도록 한다. 슬러지 이송장치(8)의 내부에는 체인에 의해 순환 회전하는 스크래퍼가 부착되어있어 금속, 토사, 탄소입자 등의 슬러지를 상부로 이송시켜서 다단으로 구성된 슬러지반응기(9)로 보낸 다.

이렇게 슬러지반응기(9)에 들어온 슬러지는 410 내지 460℃범위의 온도에서 조작이 이루어지는데, 이때 최종 배출되는 잔류물의 상태에 따라 온도를 조절하며,이렇게 슬러지반응기에 들어온 슬러지는 다단의 반응기를 통과하는 동안 완전히 열분해하여 최 후단에서는 분말상태의 잔류물만 남아 하부의 잔류물이송스크루(10)로 보내진다. 잔류물이송스크루(10)의 후단 배출구는 항상 잔류물이 차있는 구조로 하고 로터리밸브형 가스차단장치(11)를 두어 후단으로 가스의 유통을 방지하도록 한다. 배출된 잔류물은 잔류물냉각장치(12)로 보내져 냉각되어 잔류물저장장치(13)에 저장되었다가 처리된다.

본 발명에 따른 열분해반응장치에서, 저장사이로(4)는 수직 원통형 또는 수직 4각 형의 탱크이며, 하부는 하향 원뿔 모양 또는 4각뿔 모양으로 되어 있고 그 하부에는 저장물의 배출을 위한 이송용 스크루를 부착한 장치로서 열분해에 부적합한 물질이 제거되어 균질화된 원료를 저장하였다가 용융장치(5)로 보내는 기능을 하는 장치이다.

용융장치(5)는 단면이 원형 또는 타원형인 관에 1축 또는 2축식 압축이송 스크루와 외벽을 전기 또는 버너로 가열하는 장치가 부착된 장치로서 내부에서 압축되며 이송되는 플라스틱 원료를 200-370℃ 까지 가열하여 용융시키는 장치이다.

폐가스분리조(6)는 하부가 하향 원뿔 모양인 수직 원통형으로서, 용융된 폐플라스틱을 일시적으로 저장하고, 용융조에서 용융될 때 발생되는 휘발성분의 냄 새, 염산가스 등을 플라스틱 용융물로부터 분리하여 배출시키는 기능을 한다.

세정조(21)는 하부의 저수조와 상부는 원통을 조합장 장치로서 원통 내측상부에는 세정수를 분사하는 장치를 둔 형태로서, 원통형의 폐가스분리조(6)에서 상부로 나오는 유해성 가스를 받아 가스 중에 함유된 악취 및 염산가스를 중화시켜 무해화하는 기능은 갖는 장치이다.

열분해반응기(7)는 폐가스분리조(6)로부터 용융된 플라스틱을 공급받아 390 - 410℃ 정도로 가열하여 열분해를 일으키도록 하고 열분해에 의해 발생되는 가스상의 오일은 1차 증류탑(15)으로 보내며, 하부에 모이는 슬러지는 배출구를 통해 슬러지 이송장치(8)로 보내는 기능을 갖는다.

1차 증류탑(15)은 수직 원통형 탱크 내부에 하부에는 가열장치와 상부에는 냉각장치를 둔 간이 증류탑으로서, 250-350℃의 비점을 갖는 오일은 하부에 모여 다시 반응기로 보내지고 그 이하의 비점을 갖는 오일은 증기상태로 2차 증류탑으로 보내는 기능을 갖는다.

2차 증류탑(16)은 1차 증류탑과 같은 형태로서, 제품 오일의 인화점을 낮추는 오일 성분은 가스상태로 응축기로 보내고 제품오일은 하부의 저장탱크로 보내는 기능을 갖는다.

응축기(17)는 2차 증류탑(16)에서 나오는 가스상의 오일을 상온 이하로 냉각하는 장치로서, 증류탑에서 오는 가스 중 응축이 가능한 오일성분을 완전히 응축시켜 비응축성가스와 분리하는 기능을 갖는다.

제품저장탱크(19)는 수직 원통의 탱크들로서 제품 오일과 제물 중 비점이 낮 은 오일을 저장하는 기능을 갖는다.

슬러지이송장치(8)는 열분해반응기(7)의 하부로 배출되는 농축 슬러지를 받아 슬러지 반응기의 상부로 투입하기 위해 하부에서 상부로 끌어 올리는 기능을 갖는 장치이다.

슬러지반응기(9)는 슬러지 이송장치(8)에 의해 열분해반응기에서 배출되는 슬러지를 공급받아 410-460℃로 가열하여 분말 상태의 잔류물만 남도록 완전열분해하는 기능을 갖는다.

잔류물 이송장치(10)는 스크루 형 이송장치로서, 슬러지반응기(9)에서 배출되는 완전 열분해되고 남은 잔류물을 냉각장치로 이송하는 기능을 갖는다.

가스차단장치(11)는 슬러지반응기(9) 내부에 차있는 열분해 가스가 슬러지냉각장치(12) 후단으로 이동되거나 후단에 있는 가스가 슬러지반응기로 유입되는 것을 차단하는 장치이다.

잔류물냉각장치(12)는 외벽에 냉각재켓을 부착한 스크루 이송장치로서, 슬러지반응기에서 고온상태로 나온 잔류물을 상온으로 냉각시켜 저장에 적합하도록 하는 하는 기능을 갖는다.

잔류물저장장치(13)는 잔류물냉각장치(12)에서 나오는 잔류물을 받아 저장하는 기능을 갖는다.

도 3을 참조하면, 열분해반응기(7)는 수직원통형으로서 중앙에 수직으로 교반기(31)를 설치하고 측벽에는 교반 효과를 높이기 위해 수개의 방해판(32)을 설치 한다. 반응기의 바닥은 일반적으로 「하향 원뿔」모양으로 하고 있으나 교반에 의한 선회운동에 의해 입자들에 작용하는 원심력 때문에 중앙으로 잘 모이지 않는다. 따라서, 본 발명에서는 반응기의 바닥을 상향 콘형 바닥(36)으로 하여 비중이 큰 입자들이 측벽 쪽 바닥으로 쉽게 모이며, 바닥과 측벽이 접하는 모서리 부근에 배출구를 두어 잔류물의 농도가 높은 슬러지가 제1슬러지배출구(35)로 원활히 배출되도록 고안하였다. 또한 가열버너(33)에 의해 발생되는 열이 반응기의 바닥과 측벽을 가열하는데, 화염에 의한 높은 온도의 열이 작용하는 바닥과 측벽 하부는 내부 벽면에 반응물이 부착되어 온도가 과열되면 코킹현상이 잘 일어난다. 과열에 의한 코킹을 방지하기 위해 반응기 하부 구조(34)는 교반기의 날개(임펠러) 모양을 가열 벽면의 형상과 같게 하여 반응기의 내벽면을 따라 긁어줌으로써 가열 표면에 들러붙는 물질을 연속적으로 제거하고 열전달이 잘 일어나도록 고안하였다.

도 4를 참조하면, 슬러지이송장치(8)는 열분해반응기(7) 하부의 제1슬러지배출구(35)로부터 나오는 잔류물의 농도가 높은 슬러지를 받아서 높이가 더 높은 위치의 제2슬러지배출구(45)로 보내는 기능을 하는 장치이다. 슬러지이송장치는 내부에 슬러지 스크래퍼(44) 또는 버킷이 달린 슬러지이송체인(42)이 상하로 체인순환방향(43)으로 회전하도록 되어 있는데, 순환방향은 스크래퍼 또는 버킷이 이송장치 하부에 쌓이는 잔류물을 효과적으로 끌어 올릴 수 있도록 시계방향 또는 반시계방향으로 회전시킨다. 이송장치의 설치는 필요에 따라서 각도를 30도 내지 90도(수직)로 변화시킬 수 있도록 고안하였다.

도 5를 참조하면, 슬러지반응기(9)는 두개의 원이 부분적으로 겹쳐 이룬 땅콩 껍데기 모양의 슬러지반응기 외통 단면(51)을 갖는 긴 원통에 교반 날개가 달린 두개의 회전축(52, 53)이 부분적으로 겹쳐 교반기 회전 동력전달 장치(57)의 동력으로 회전하도록 되어 있고, 한 쪽에는 슬러지투입구(54)가, 다른 한 쪽 반대편에는 잔류물 배출구(56)가 형성된다. 회전축에 달린 수개의 교반기 날개(55)들은 인접한 각각의 날개가 서로 90도의 각을 이루도록 하였으며, 각각의 날개는 외통 내벽면에 근접한 상태로 회전하면서 벽면을 긁어줌으로써 외통 내측 벽면에 일어나는 코킹현상을 방지하고, 열전달을 촉진하는 기능을 갖는다. 또한 이웃한 다른 하나의 회전축은 회전 날개가 반대쪽 축에 붙은 회전날개와 날개 하나의 폭 만큼씩 편차를 두고 교차하여 배열함으로써 양 축이 동시에 회전하더라도 회전날개들이 서로 충돌하지 않도록 배치하였다. 또한 교반기 날개(55)는 모두 회전축과 나란한 방향으로 부착하여 슬러지의 이동을 유발하지 않게 함으로써 슬러지가 장시간 반응기내에 머물도록 하였으며, 단지 슬러지투입구 측 교반기 날개(55)와 잔류물 배출구 측 교반기 날개(55)는 회전축을 기준으로 배출구방향으로 0도 내지 60도 정도 경사를 줌으로써 슬러지가 느린 속도로 배출구방향으로 이동할 수 있게 하는 기능을 주었다. 이와 같은 슬러지 반응기는 장치 설치 공간의 여건, 플랜트의 규모 등 여러 가지 조건에 따라 1내지 6개를 직렬 또는 병렬로 구성할 수 있도록 하였다.

상기 기재된 바와 같은 본 발명에 따르면, 원유가격의 지속적인 상승으로 인 해 석유를 원료로 생산되는 폐플라스틱을 이용하여 재생유를 생산하는 열분해기술에 대한 관심이 지대하지만, 개발되어 있는 열분해 공정들이 대부분 회분식으로 운전되고, 연속식 공정은 원료인 폐플라스틱에 대해 고도의 전처리를 필요로 함으로써 상용화되지 못하고 있는 문제를 해소시킬 수 있다.

본 발명은 또한 원료를 간단히 전처리하여 사용할 수 있고, 연속식 및 자동화 공정으로서 열효율, 생산성, 환경성이 매우 좋고, 경제성이 우수하여 국내는 물론 해외 수출이 가능하므로 폐플라스틱의 열분해유화 기술의 보급 활성화가 기대된다. 또한 개발 기술의 국내 보급으로 원유수입 감소, 신재생에너지 보급률 확대 및 국내 온실가스 저감에 기여할 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 연속 제조 방법에 대한 공정 개략 흐름도.

도 2는 본 발명의 시스템 전체를 나타내는 시스템도.

도 3은 본 발명에 따른 장치 중의 열분해반응기의 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 슬러지 이송장치의 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 슬러지 반응기의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 원료 저장고 2 : 분쇄기

3 : 트로멜 4 : 저장 사이로

5 : 원료 용융 장치 6 : 폐가스 분리조

7 : 열분해반응기 8 : 슬러지 이송장치

9 : 슬러지 반응기 10 : 잔류물 이송스크루

11 : 가스 차단 장치 12 : 잔류물 냉각장치

13 : 잔류물 저장장치 14 : 모터

15 : 1차 증류탑 16 : 2차 증류탑

17 : 응축기 18 : 여과 장치

19 : 제품 저장탱크 20 : 가스연료 저장탱크

21 : 세정조 22 : 가열버너

31 : 교반기 32 : 방해판(baffle)

33 : 가열 버너 34 : 반응기 하부 구조

35 : 제1슬러지배출구 36 : 상향 콘형 바닥

42: 슬러지 이송 체인 43 : 체인 순환 방향

44 : 슬러지 스크래퍼 45 : 제2슬러지배출구

51 : 슬러지 반응기 외통 52 : 2축 교반 장치

53 : 교반기 축 54 : 슬러지투입구

55 : 교반기 날개 56 : 잔류물 배출구

57 : 교반기 회전 동력전달 장치

Claims (7)

1. 폐플라스틱을 열분해하여 재생연료유(오일)를 생산하기 위해서, 폐플라스틱을 수집하여 분쇄기(2)와 트로멜(3)을 통해 전처리한 후 저장하는 단계, 저장 단계에서 저장된 폐플라스틱을 용융시키는 단계, 용융 단계에서 용융된 물질에서 가스를 분리하는 단계, 가스 분리 단계에서 분리된 염화수소를 포함하는 폐가스를 세정하는 단계, 용융 단계에서 용융된 물질을 390 내지 410℃의 온도에서 열분해시키는 열분해 단계, 열분해 단계에서 발생된 오일가스를 증류시키고, 증류탑(15)의 하부로 나오는 고비점 오일은 다시 열분해 단계로 재순환시키는 1차 증류 단계, 1차 증류 단계에서의 오일가스를 액화시키는 2차 증류 단계, 2차 증류 단계에서의 액상의 재생 연료유를 저장하는 단계 및 2차 증류 단계로부터의 가스상의 저비점 오일을 응축시키는 응축 단계를 포함하는 열분해 방법에 있어서, 열분해 단계에서 적체되는 잔류물 슬러지를 슬러지반응기(9)로 이송시키는 슬러지이송장치(8)에 의한 슬러지 이송단계, 이송된 슬러지를 슬러지반응기(9)에서 410 내지 460℃의 온도로 완전히 열분해시켜 슬러지반응기(9)의 최 후단에서는 분말상태의 잔류물만 남겨 이를 하부의 잔류물이송장치(10)로 보내는 잔류물 이송단계, 슬러지 반응기(9)로부터 배출된 잔류물을 잔류물이송장치(10)를 통해서 냉각장치(12)로 보내고 냉각장치(12)에서 냉각된 잔류물이송장치(10)로부터의 잔류물을 저장장치(13)에 저장하는 잔류물 저장단계를 포함하여, 열분해 작업이 연속적으로 운전됨을 특징으로 하는 열분해 방법.
2. 제 1항에 있어서, 교반형 열분해반응기(7)로부터 투입된 원료의 30-60중량%에 해당하는 양을 슬러지의 형태로 인출하여 슬러지반응기(9)에서 열분해시킴으로서 열분해반응기의 열분해부하를 70-40중량%가 되도록 하고, 슬러지반응기에서 열분해부하를 30-60%가 되도록 하는 운전방식을 특징으로 하는 열분해 방법.
3. 수집된 폐플라스틱(1)을 분쇄기(2)와 트로멜(3)을 통해 전처리 한 후 균질화된 원료를 저장하였다가 하부에 장착된 이송 스크루를 통해서 용융장치(5)로 보내는 저장사이로(4);

   단면이 원형 또는 타원형인 관에 1축 또는 2축식 압축이송 스크루와 외벽을 전기 또는 버너로 가열하는 장치가 부착되어 이송되는 플라스틱 원료를 200 내지 370℃ 까지 가열하여 용융시키는 용융장치(5);

   용융된 폐플라스틱을 일시적으로 저장하고, 용융장치에서 용융될 때 발생되는 휘발성분의 냄새 또는 염산가스를 플라스틱 용융물로부터 분리하여 배출시키는 폐가스분리조(6);

   세정수를 분사시켜 폐가스분리조(6)로부터의 유해성 가스 중에 함유된 악취 및 염산가스를 중화시켜 무해화하는 세정조(21);

   폐가스분리조(6)로부터의 용융된 플라스틱을 390 내지 410℃로 가열하여 열분해시키고, 발생되는 가스상의 오일은 1차 증류탑(15)으로 보내며, 하부에 모이는 슬러지는 배출구를 통해 슬러지 이송장치(8)로 보내는 교반형 열분해반응기(7);

   250-350℃의 비점을 갖는 오일은 다시 열분해반응기로 재순환시키고 그 이하의 비점을 갖는 오일은 증기상태로 2차 증류탑으로 보내는 1차 증류탑(15);

   1차 증류탑으로부터의 제품오일의 인화점을 낮추는 오일 성분은 가스 상태로 응축기로 보내고 제품오일은 하부의 저장탱크로 보내는 2차 증류탑(16);

   2차 증류탑(16)에서의 제품 오일과 제품 중 비점이 낮은 액상의 재생 연료유를 저장하는 제품저장탱크(19); 및

   2차 증류탑으로부터의 가스 중 응축이 가능한 오일성분을 완전히 응축시켜 비응축성가스와 분리하는 응축기(17)를 포함하는, 폐플라스틱을 열분해하여 재생연료유(오일)를 생산하는 열분해반응장치에 있어서,

   열분해반응기(7)의 하부로 배출되는 농축 슬러지를 슬러지반응기(9)의 상부로 투입하기 위해 하부에서 상부로 끌어 올리는 슬러지이송장치(8);

   슬러지이송장치(8)에 의해 열분해반응기에서 배출되는 슬러지를 공급받아 410 내지 460℃로 가열하여 분말 상태의 잔류물만 남도록 완전 열분해하는 슬러지반응기(9);

   슬러지반응기(9)에서 배출되는 완전 열분해되고 남은 잔류물을 냉각장치(12)로 이송하는 스크루형 잔류물이송장치(10); 및

   냉각장치(12)에서 냉각된 잔류물이송장치(10)로부터의 잔류물을 저장하는 잔류물저장장치(13);를 포함함을 특징으로 하는 열분해반응장치.
4. 제 3항에 있어서, 열분해반응기(7)이 잔류물의 효율적인 농축과 코킹현상의 방지가 가능하게 한 상향 원뿔형상의 내부 바닥면과 바닥면 및 측벽 하부를 연속적으로 긁어주도록 고안된 날개를 부착한 교반장치가 설치되며, 하부 측벽 둘레에 모이는 슬러지가 잘 배출되도록 측벽 하단부와 바닥면이 접하는 부위에 배출구를 구비하고 있음을 특징으로 하는 열분해반응장치.
5. 제 3항에 있어서, 슬러지이송장치(8)가 반응기의 하부와 슬러지반응기(9)의 상부로 연결되어 열분해반응기(7)의 하부에서 배출되는 슬러지를 슬러지반응기(9)의 상부 투입구로 공급하고, 열분해반응기(7)의 반응물 수위와 슬러지 이송장치(8)의 배출구 높이를 동일하게 하여 열분해반응기(7)의 반응물 수위를 일정하게 하고, 그 이상의 반응물이 들어오면 반응물이 자동으로 슬러지반응기(9)로 흘러들어 가도록 하며, 슬러지이송장치(8) 내부에 체인에 의해 순환 회전하는 스크래퍼를 부착시켜서 금속, 토사 또는 탄소입자의 잔류물이 상부로 이동되어 슬러지반응기(9)로 유입되게 함을 특징으로 하는 열분해반응장치.
6. 제 3항에 있어서, 열분해반응기(7)로부터 오는 슬러지가 장시간 체류하면서 완전 열분해 되어 분말 형태의 무기물과 탄소분만 최종적으로 배출되도록 하며, 두 개의 원이 겹쳐 이루어지는 형태의 단면을 갖는 장방형의 공간에 2개의 축이 겹쳐 회전하는 코킹방지 교반장치를 설치한 슬러지반응기를 연속적으로 1내지 5개를 두어 전열면의 확대와 반응물의 체류시간의 증대를 통해 효과적으로 완전 열분해되어 연속적으로 잔재물을 배출하도록 하는 것을 특징으로 하는 열분해반응장치.
7. 제 3항에 있어서, 잔류물이송스크루(10)의 후단 배출구는 항상 잔류물이 차있는 구조로 하고 가스차단장치(11)를 두어 후단으로 가스의 유통을 방지하도록 구성됨을 특징으로 하는 열분해반응장치.

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