KR102503270B1 - 폐합성고분자 열분해 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐합성고분자 열분해 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 플라스틱류 또는 합성고무 등 고분자 폐기물을 가열하여 열유화시킨 후, 냉각하여 액화된 기름 성분을 추출할 수 있는 폐합성고분자 열분해 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예로써, 폐합성고분자 열분해 시스템에 있어서, 폐합성고분자를 가열하여 분해하는 분해반응기; 상기 분해반응기에서 생성된 성분을 냉각시키는 냉각장치 및; 상기 분해반응기 및 냉각장치에서 생성된 성분을 저장하는 저장장치를 포함하는, 폐합성고분자 열분해 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예로써, 폐합성고분자 열분해 시스템에 있어서, 폐합성고분자를 가열하여 분해하는 분해반응기; 상기 분해반응기에서 생성된 성분을 냉각시키는 냉각장치 및; 상기 분해반응기 및 냉각장치에서 생성된 성분을 저장하는 저장장치를 포함하는, 폐합성고분자 열분해 시스템이 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 폐합성고분자 열분해 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 플라스틱류 또는 합성고무 등 고분자 폐기물을 가열하여 열유화시킨 후, 냉각하여 액화된 기름 성분을 추출할 수 있는 폐합성고분자 열분해 시스템에 관한 것이다.
플라스틱, 합성고무 등 합성고분자로 된 제품들은 자연분해 되기까지 500년 이상의 기간이 소요되므로, 선진국에서는 법규 등을 통해 폐 플라스틱 등을 재활용하도록 규제하고 있으며, 이와 더불어 폐기물을 재활용하여 자원화하는 기술이 각광받고 있다.
특히, 고유가 시대에 접어들며 자원의 한정성 때문에 대체에너지 등의 연구개발에 많은 시간과 비용이 투자되고 있다.
플라스틱 제품 대부분은 원유로부터 추출되는 성분으로 만들어졌기 때문에 기름으로 열분해가 가능하여, 이러한 시대적 요구를 충족시키기에 적합한 폐기물 재활용 및 기름 생산기술로써 폐합성고분자의 열분해 장치가 개발되고 있다.
폐합성고분자의 열분해 유화 시스템에 관한 선행기술은, 국내등록특허공보 제10-0322663호에 개시된 "폐플라스틱을 이용한 휘발유, 등유 및 경유의 연속식 제조방법 및 그 시스템"이 있으며, 상기 특허문헌에는 "하기를 포함하는 폐플라스틱을 이용한 휘발유, 등유 및 경유의 연속식 제조 시스템: 폐플라스틱 용융 혼합물과 규산염 알루미나계 고체산 촉매 입자가 상방으로부터 하방으로 도입되어 크랙킹 및 이성화 반응이 수행되고, 하단에 상기 촉매 표면의 미증발 가스오일을 증발시키기 위한 스팀 인젝터가 설치되며, 상단에는 압력 조절 수단을 경유하여 분류탑과 연통되어 있는 유동층 접촉 분해기; 상기한 유동층 접촉 분해기의 하단으로 낙하한 촉매 입자중 소정 사이즈의 촉매 입자만을 선별하는 외부 사이클론; 및 공기 분사기 및 배기 가스 압력 조절기가 장착되고, 상기한 외부 사이클론으로부터 이송되는 촉매가 재생되며, 상기한 재생된 촉매를 상기한 유동층 접촉 분해기로 회송시키는 니켈-몰리브덴계 촉매 재생기."가 제공되고 있다.
다만, 상기와 같은 종래 기술에서는, 열유화 과정 이후에 발생하는 다양한 부산물(고체 슬러지, 유해가스, 액체기름, 기체기름, 물 등)이 명확하게 분리되지 않아, 생산된 기름을 사용할 수 있는 분야에 제한이 있었으며(기름 내 이물질에 민감한 장치에 사용하면 장치가 손상됨), 생산효율 또한 낮아 이용하기에 어려움이 많았다(촉매 등의 사용이 필수적으로 요구되었음).
또한, 폐기물의 종류가 다양하고, 형상이나 크기, 무게, 재질 등이 혼재된 상태로 버려지는 경우가 많아 분해반응기를 손상시키는 경우가 많으며, 기름으로 변환되지 않는 물질들에 열에너지가 가해지면서 투입 에너지 대비 생산 에너지(기름)율이 낮은 한계가 있었다.
종래 분해반응기에서는 케이싱 끝단부의 열유화가스 출구부 부분이 연소실(가열장치)에 포함되지 않고 공기중에 노출되어 있어, 열유화된 가스가 케이싱의 끝단부 유체 출구부에서 공랭되어 액화됨으로써 액막힘현상이 발생하는 문제점이 있었다.
종래 로터리킬른 타입 분해반응기는, 지게차를 이용하여 폐기물을 투입시키는 과정에서 지게차 포크 등과 가이드가 충돌하여 로터리킬른 내부의 가이드가 파손되거나 찌그러져 가이드가 제 기능을 할 수 없었다.
그리고, 한 번(한 사이클)의 열유화 과정이 끝난 뒤, 분해반응기를 개방시키고 폐기물을 투입한 뒤 다시 분해반응기를 밀폐시키고 분해반응기를 진공상태로 만들어야 두번째의 열유화 과정을 진행할 수 있어서, 작업에 소요되는 인력 및 시간이 과도한 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전술한 바와 같은 종래 폐합성고분자 열분해 장치의 문제점을 해결하기 위하여, 폐기물 투입구를 안전하고 편리하게 개폐하는 수단을 제공하는 것이다.
케이싱 끝단부의 열유화가스 출구부 부분을 연소실(가열장치)에 포함시켜 열유화된 가스의 액화를 방지하는 것이다.
종래 로터리킬른 타입 분해반응기는, 지게차를 이용하여 폐기물을 투입시키는 과정에서 지게차 포크 등과 가이드가 충돌하여 로터리킬른 내부의 가이드가 파손되거나 찌그러져 가이드가 제 기능을 할 수 없었다.
그리고, 한 번(한 사이클)의 열유화 과정이 끝난 뒤, 분해반응기를 개방시키고 폐기물을 투입한 뒤 다시 분해반응기를 밀폐시키고 분해반응기를 진공상태로 만들어야 두번째의 열유화 과정을 진행할 수 있어서, 작업에 소요되는 인력 및 시간이 과도한 문제가 있었다.
열유화로 생산된 중간생성물 및 최종생성물을 명확하게 분리하고, 생산시간 및 생산량이 현저하게 개선된 폐합성고분자 열분해 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 폐합성고분자 열분해 시스템의 구성 장치(설비장치)들을 개선하여, 기름 생산량과 기름의 품질을 향상시키고, 공정의 자동화를 구성할 수 있는 폐합성고분자 열분해 시스템용 설비장치(이물질분리장치, 열유화장치, 성분 분리장치, 냉각장치, 저장장치 및 슬러지 처리장치)를 제공하는 것이다.
그리고, 폐합성고분자를 열유화하여 기름으로 전환하는 기름 생산 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예로써, 폐합성고분자 열분해 시스템에 있어서, 폐합성고분자를 가열하여 분해하는 분해반응기; 분해반응기에서 생성된 성분을 냉각시키는 냉각장치 및; 분해반응기 및 냉각장치에서 생성된 성분을 저장하는 저장장치를 포함하고; 분해반응기는, 내주면에 나선형 가이드가 형성된 원통형 케이싱; 케이싱을 정회전 또는 역회전시키는 동력전달장치를 포함하고; 케이싱에는, 폐기물 투입구로부터 소정의 길이만큼 신장되고 가이드와 소정의 거리만큼 이격되게 포크 레일이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 포크 레일은 상기 케이싱의 유체 배출구에 액체 통로가 형성된 고정체가 회전 가능하게 고정되고 폐기물 투입구 방향으로 소정의 거리만큼 돌출된 두 개의 평판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 포크 레일은, 지게차 포크의 80% 내지 120%의 크기로서, 케이싱이 정지 상태에 있을 때 자체 무게에 의하여 고정체를 중심으로 회전하여 두 개의 평판이 지표면과 평행하게 되는 것을 특징으로 한다.
상기 동력전달장치는 폐기물 투입구측에 형성되고, 연소실이 유체배출구부까지 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 폐기물 투입구는 걸림구가 형성된 다수의 볼트 너트에 의하여 고정되는 것을 특징으로 한다.
상기 유체배출구부에는 압력 및 온도 센서가 부착된 모터에 의하여 회전축에 의해 회전가능한 압력 조절판이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 냉각장치는, 소정의 수용공간이 형성되는 수조; 수조에 물을 순환시키는 물순환장치 및; 수조 내에 수용되어 물과 열교환이 발생되는 냉각수조열교환배관을 포함하고; 냉각수조열교환배관은, 복수개의 파이프가 교번하며 연결되어 소정의 유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수조열교환배관은, 입력단으로부터 출력단까지 높이가 점차 낮아지도록 구성되어, 냉각으로 인한 밀도변화에 따라 냉각수조열교환배관 내부 물질의 자중에 의해 입력단으로부터 출력단까지 이송이 촉진되는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각장치는, 소정의 수용공간이 형성되는 수조; 상기 수조에 물을 순환시키는 물순환장치 및; 수조 내에 수용되어 물과 열교환이 발생되는 냉각수조열교환배관을 포함하고; 냉각수조열교환배관은, 복수개의 파이프가 교번하며 연결되어 소정의 유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 플라스틱, 합성고무 등 폐합성고분자를 분해하여 기름 성분을 추출 할 수 있다.
또한, 열유화 과정에서 생성된 기름으로부터 이물질을 온전하게 제거하여, 생산된 기름을 다양한 분야에 활용할 수 있다.
그리고, 폐기물에 섞여있는 금속 이물질 등을 제거한 상태로 분해반응로에 투입시킴으로써, 교반장치나 분해반응로의 가이드(블레이드) 등의 손상을 방지할 수 있으며, 열에너지가 온전히 폐합성고분자에만 가해지도록 하여(금속이 흡수하여 낭비되는 열에너지가 없음) 투입 에너지 대비 생산 에너지율을 향상시킬 수 있다.
아울러, 연속적인 폐기물 열유화 반응을 진행시킴으로써, 기존 방식 대비 시간당 기름 생산량이 높고(로스 타임이 적고) 작업 소요 인원이 적다.
그리고, 생성된 유해가스를 연소반응 후 액화시켜 폐수 형태로 저장, 정화 및 배출할 수 있어서, 대기오염에 대한 영향을 최소화할 수 있다.
또한, 냉각장치에서 주로 발생하는 배관 막힘 현상을 개선하여, 배관 막힘으로 인한 작업 중단 시간을 줄임으로써 장비 가동율이 높다.
그리고, 중간생성물이나 최종생성물 중 가치가 떨어지는 가스/기름 성분을 연소시켜 슬러지 또는 폐기물을 파쇄하고, 파쇄 작업이 진행되지 않는 동안에는 내역기관을 이용하여 발전기를 가동시킴으로써 전기에너지를 생산할 수 있다.
또한, 분해반응기 내부에 폐기물을 투입하는 과정에서의 가이드 손상을 방지하여, 슬러지 배출률의 감소를 예방할 수 있다.
그리고, 폐기물 투입구를 안전하고 편리하게 개폐하여 작업의 능률을 높일 수 있다.
케이싱 끝단부의 유체 출구부의 액화를 방지하는 것이다.
또한, 분해반응로 내부의 압력과 온도를 감지하여 적정한 압력을 유지하므로서 안전성을 높이고, 열분해 효과를 높일 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시 예에 의한 폐합성고분자 열분해 시스템의 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 분해반응기(3)의 사시도이다.
도 3 은 본 발명의 실시 예에 의한 케이싱(3a)의 개략도이다.
도 4 는 본 발명의 실시 예에 의한 투입구(3b)의 도면이다.
도 5 는 본 발명의 실시 예에 의한 절단장치(4)의 도면이다.
도 6 은 본 발명의 실시 예에 의한 포크 레일(3d)의 도면이다.
도 7 및 8은 본 발명의 실시 예에 의한 분해반응기 후면의 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 의한 동력전달장치(3h)의 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 의한 분해반응기의 단면을 나타내는도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 의한 증류탑(5)의 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 의한 침전조(8)의 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 의한 냉각장치(6)의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 의한 냉각파이프 핀의 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 의한 파쇄드럼(11)의 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 의한 가스충격 파쇄장치(11`)의 도면이다.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 분해반응기(3)의 사시도이다.
도 3 은 본 발명의 실시 예에 의한 케이싱(3a)의 개략도이다.
도 4 는 본 발명의 실시 예에 의한 투입구(3b)의 도면이다.
도 5 는 본 발명의 실시 예에 의한 절단장치(4)의 도면이다.
도 6 은 본 발명의 실시 예에 의한 포크 레일(3d)의 도면이다.
도 7 및 8은 본 발명의 실시 예에 의한 분해반응기 후면의 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 의한 동력전달장치(3h)의 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 의한 분해반응기의 단면을 나타내는도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 의한 증류탑(5)의 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 의한 침전조(8)의 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 의한 냉각장치(6)의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 의한 냉각파이프 핀의 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 의한 파쇄드럼(11)의 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 의한 가스충격 파쇄장치(11`)의 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물 (equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 폐합성고분자가 투입되며 개폐 가능한 투입구가 구비되고, 열분해 과정동안 내부로의 공기의 유입이 차단되도록 밀폐구조가 형성되는 분해반응기(3); 상기 분해반응기(3) 내부에 열을 공급하는 가열장치; 상기 분해반응기(3)에서 분해된 입자를 성분별로 분리하는 분리장치; 상기 분해된 입자 중 기름 성분을 냉각하여 액화시키는 냉각장치(6) 및; 상기 분리장치에서 분리된 입자를 성분별로 저장하는 저장장치를 포함하는; 폐합성고분자 열분해 시스템이 제공된다.
"시스템"이란, 복수개의 장치의 결합으로 이루어진 장치/플랫폼/공장/공정 등을 의미할 수 있다.
후술하는 기름(오일; oil)은, 상태(액체, 기체, 고체)와 무관하게 휘발유, 경유, 등유, 중유 등 연소성 물질을 통칭하는 용어일 수 있다.
상기 시스템에서 일어나는 열분해(열유화) 반응은, 산소가 없는(또는 산소가 거의 없는) 환원성 분위기(atmosphere)에서 일어나며, 가열장치에 의해 공급되는 열을 흡수함으로써 고분자를 구성하는 탄소사슬이 끊어지게 된다.
또한, 상기 폐합성고분자 열분해 시스템에는, 분해반응기(3에 투입될 폐기물에서 이물질을 제거하는 이물질분리장치와, 투입될 폐기물을 파쇄하여 열유화 속도를 향상시키는 파쇄장치가 더 구비될 수 있다.
그리고, 상기 분리장치는 기체 및 액체를 분리시키는 기액분리장치, 비점이 다른 성분들을 분리하는 증류탑(10), 중유가스/경유가스 분리 장치, 기름과 물 성분을 분리하는 유수분리 장치, 이물질(기름 등 추출/생산의 대상이 되는 물질 이외의 물질, 또는 분해되지 않는 물질)를 분리하는 이물질분리장치 등이 포함될 수 있다.
아울러, 상기 저장장치는 외부(폐기물 수집 시설, 폐기물 처리시설 등)로부터 반입된 폐기물이 저장되는 폐기물저장장치(1), 액화된 기름이 저장되는 기름저장장치(오일탱크), 물이 저장되는 물탱크(17), 가스 상태의 기름이 저장되는 가스탱크, 폐기물로부터 생성된 슬러지가 저장되는 슬러지 저장장치, 각 과정에서 발생된 폐수를 포집하는 폐수저장장치(14) 등이 포함될 수 있다.
또한, 상기 폐합성고분자 열분해 시스템에는, 슬러지 처리장치가 더 포함되어, 슬러지를 파쇄하여 잘게 쪼개고, 쪼개진 슬러지를 교반시키면서 가열하여 슬러지 내부의 잔존 반응물을 완전히 반응시키고, 슬러지로부터 생성된 가스를 분리장치로 이송시켜 슬러지로부터 추가적인 기름을 얻도록 구성될 수 있다.
슬러지 반응 후에 남은 최종슬러지는 최종 슬러지 저장장치(15)로 이송되어 추후 폐기처리될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 폴리에틸렌(HDPE, LDPE), 폴르프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 합성고무, 비닐 등의 폐합성고분자가 기름으로 변환되어 재활용될 수 있다.
이하, 상기 시스템에 사용될 수 있는 각 장치들의 구성을 상세하게 설명한다.
[1] 폐기물 내 이물질분리장치
금속분리장치(2)
본 발명의 실시 예에 의하면, 열유화 과정에서 분해되지 않는 물질들은 슬러지로 배출되므로, 별도의 이물질 분리작업이 없어도 충분한 폐플라스틱의 열유화 과정이 진행될 수 있다.
다만, 폐기물 내에 포함되어있던 금속물질들이 분해반응기(3)내부에서 스크류/블레이드 또는 분해반응기(3) 내주면에 접촉하면서 장치에 손상을 유발할 수 있으므로, 어느 정도의 금속 물질의 제거는 필요할 수 있다.
또한, 금속물질은 대체로 열전도율이 높고 흡수할 수 있는 열에너지 용량이 크므로 투입 열에너지 대비 열유화에 사용되는 에너지 비율을 감소시킬 수 있으며, 금속이 녹아 기름 배관 등에 섞여 들어가는 경우에는 금속 석출로 인해 설비장치의 고장이나 배관 막힘 등을 초래할 수도 있다.
금속 제거장치는, 금속분리컨베이어 및 전자석을 포함하여 구성될 수 있다.
폐기물 공급자로부터 제공되어 저장되어있던 폐기물을 흐트러뜨린 뒤, 금속분리컨베이어에 폐기물을 올려 일정량씩 이송시키고, 금속분리컨베이어의 상측에 전자석을 위치시켜 전자석에 금속 물질을 끌어들여 이물질을 제거할 수 있다.
이물질분리장치의 다른 실시 예는, 금속분리컨베이어에 전자석을 구비하는 것이다. 금속분리컨베이어에 폐기물이 올려진 상태에서 전자석을 작동시키고, 금속분리컨베이어의 끝단(배출단)에서 금속 이외의 물질(전자석에 부착되지 않는 물질)이 떨어져 나가도록 구성할 수 있다.
압축되어있던 상태의 폐기물을 흐트러뜨리기 위하여, 파쇄장치, 교반장치 또는 고압 공기 분사장치 등이 사용될 수 있다.
[2] 열유화장치
본 발명의 실시 예에 의한 열유화장치는, 분해반응기(3)및 가열장치로 구성될 수 있다. 가열장치는 분해반응기(3)와 별도로 구성되거나 분해반응기(3)의 부속으로 구성될 수 있다.
분해반응기(3)
분해반응기(3)는 로터리킬른(rotary kiln; 회전 건조 소각로), CSTR분해반응기(Continuous Stirred Tank Reactor; 연속 교반 탱크 반응기), 관형(Tubular) 반응기, 회분식 반응기(Batch Reactor) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 분해반응기(3)의 종류는 통상의 기술자가 본 발명의 설명을 참조하여 폐기물의 시간당(또는 일당; per hour or per day) 투입량에 따라 선택할 수 있을 것이다.
상기 분해반응기(3)중 어떤 종류를 사용하더라도, 외부 공기와 접촉을 차단하는 밀폐구조는 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 폐기물을 투입하는 과정에서 분해반응기(3)내부로 유입된 공기를 제거하도록, 분해반응기(3)의 일측에 공기배관 및 진공펌프가 연결될 수 있다.
분해반응기(3)는, 내주면에 나사산 형태로 나선형 가이드(블레이드 또는 스크류, 3a-1)가 형성된 원통형 케이싱(3a); 상기 원통형 케이싱(3a)의 외부에서 원통형 케이싱(3a)을 가열하는 가열장치 및; 상기 원통형 케이싱(3a)을 정회전 또는 역회전 시키는 동력전달장치(3h)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2에서, 통상 분해반응기(3)의 케이싱의 길이(원통/원기둥의 높이)는 7m 내지 8m가량으로 구성된다. 케이싱(3a) 입구를 통해 지게차 등의 장비로 폐기물을 투입하고, 지게차 포크로 폐기물을 밀어넣는 방식으로 폐기물을 케이싱(3a) 안쪽까지 집어넣는다. 이 과정에서 지게차 포크와 가이드(3a-1)간 충격으로 분해반응기(3)의 고장이나 가이드(3a-1)의 손상 등 문제가 발생하고 있다.
상기 가이드(3a-1)는 분해반응기(3)를 회전축에 수직인 단면에서 관측했을 때 케이싱(3a)의 일측 내지 다측에 하나 내지 다수개가 결합될 수 있다. 도 3에는 가이드(3a-1)가 13개 결합된 실시 예를 나타낸 것이다. 종래 분해반응기에서는 가이드(3a-1)가 하나 결합되는 것이 일반적이다. 가이드(3a-1)의 개수가 증가할수록 지지할 수 있는 폐기물(W)의 하중이 증가할 수 있다.
상기 원통형 케이싱(3a)의 일측에는 폐기물 투입구(3b)가, 타측에는 유체 배출구(3c)가, 다른 일측에는 슬러지 배출구(미도시)가 구비되도록 구성될 수 있다.
도 4 및 도 5에서, 상기 투입구(3b)는 분해반응기(3)내의 높은 압력으로 인하여 걸림구(3b-2)가 형성된 볼트 너트(3b-1)들에 의하여 더욱 단단하게 고정되고 용이하게 개폐될 수 있다.
상기 가이드(3a-1)는, 열유화 과정에서는 폐기물 투입구로부터 유체 배출구 방향으로 반응물/생성물 등(열유화 과정에서 생성된 기체/액체/고체를 포함한 혼합물)의 이송을 보조할 수 있다. 다만, 분해반응기(3)내부로 투입되는 폐기물의 중량이 통상 1톤가량 되므로 폐기물은 대부분이 제자리에서 회전하게 된다.
열유화 과정이 종료된 후에는, 원통형 케이싱(3a)을 역방향으로 회전시켜, 열유화 과정에서 생성된 슬러지(분해/변환되지 않고 남아있는 찌꺼기)를 슬러지 배출구로 이송시킬 수 있다.
종래 분해반응기(3)는, 지게차를 이용하여 폐기물을 투입시키는 과정에서 지게차 포크 등과 가이드(3a-1)가 충돌하여 케이싱(3a) 내부의 가이드(3a-1)가 파손되거나 찌그러져 가이드(3a-1)가 제 기능을 할 수 없는데도 내부 보수에 시간 및 비용이 많이 든다는 이유로 보수하지 않은 상태로 장치를 사용하는 경우가 많았다. 이 경우 슬러지 배출이 잘 되지 않아 한 사이클 종료 후 수작업으로 분해반응기(3)내부를 청소해야 하기 때문에, 로스 타임이 크다.
따라서, 도 6 내지 도 8에서와 같이 본 발명의 일 실시 예에서는, 원통형 케이싱(3a)의 유체 배출구(3c)에 액체 통로(3d-3)가 형성된 고정체(3d-2)가 회전 가능하게 고정되고 폐기물 투입구 방향으로 소정의 거리만큼 돌출된 두 개의 평판(3d-1)을 포함하는 포크 레일(3d)이 형성되도록 구성될 수 있다. 상기 포크 레일(3d)은, 원통형 케이싱(3a)이 정지 상태에 있을 때 지표면과 평행하게 구성될 수 있다.
상기 포크 레일(3d)은, 지게차 포크 크기의 80% 내지 120%의 범위에서 형성되는 것이 바람직하다. 지게차 포크의 간격에 맞추어 두 개의 평판(3d-1)이 평행하게 가이드(3a-1)와 소정의 거리만큼 이격된 형태로 구성될 수 있다. 이러한 구성을 통해, 폐기물 및 지게차 포크와 가이드(3a-1) 간 충돌을 방지할 수 있다.
종래 분해반응기(3)내부의 폐기물의 이송은 가이드(3a-1)와는 무관하며, 슬러지는 가이드(3a-1)의 높이보다 넘치지 않는 경우가 대부분이므로, 가이드(3a-1)에 포크 레일(3d)이 고정 결합되더라도 폐기물이나 슬러지의 이송에는 큰 영향이 없다.
또한, 종래 분해반응기(3)에서는 케이싱(3a) 끝단부의 열유화가스 출구부 부분이 연소실(가열장치)에 포함되지 않고 공기중에 노출되어 있었으며, 열유화된 가스가 케이싱 끝단부 유체 출구부(3c)에서 공랭되어 액화됨으로써 액막힘현상이 발생하는 문제점이 있었다. 종래 분해반응기(3)는 케이싱(3a)을 회전시키는 동력전달장치(3h)가 케이싱(3a) 출구부측에 구비되어 연소실의 확장이 불가능한 구조였으나, 본 발명의 실시 예에서는 동력전달장치(3h)를 폐기물 투입구측에 구비하고, 연소실(3e)이 열유화가스 출구부까지를 포함하도록 연소실(3e)을 확장하여 유체 출구부(3c)의 액막힘 현상을 근본적으로 방지할 수 있다.
연소실(3e)의 끝단부 열유화가스 출구부에는 배기배관(3f)이 연결될 수 있다. 배기배관(3f)이 열유화가스 출구부측에 연결됨으로써, 연소실(3e) 내의 가스(열에너지)가 케이싱(3a) 출구부와 접촉한 뒤에 배기되므로 분해반응기(3)로부터 열유화가스가 완전히 빠져나갈 때까지 가열을 지속할 수 있다.
또한, 연소실(3e)의 끝단부 유체 출구부(3c)의 통로 일부에는 분해반응기의 적정한 압력을 유지하기 위해 모터(3g)에 회전축(3g-1)으로 연결되어 일정한 각도로 회전 조절되는 압력조절판(3g-2)이 포함될 수 있다.
상기 모터(3g)에는 분해반응기내 압력과 온도를 측정하는 센서가 포함될 수 있다.
도 9에서, 분해반응기(3)의 동력전달장치(3h)는, 케이싱(3a)의 일단에 형성된 2차기어(내측링기어, 3h-2), 상기 2차기어(3h-2)와 연결되어 2차기어(3h-2)를 회전시키는 1차기어(3h-1), 상기 1차기어(3h-1)를 회전시키는 2차풀리(3h-4), 상기 2차풀리(3h-4)와 벨트(3h-5)를 통해 연결되는 1차풀리(3h-3), 상기 1차풀리(3h-3)를 회전시키는 모터(3h)를 포함하여 구성될 수 있다
1차풀리(3h-3)-2차풀리(3h-4) 및 1차기어(3h-1)-2차기어(3h-2) 사이의 변속비/감속비/기어비는 "1 대 다(1차->2차로 갈수록 감속되는 비율)"로 구성될 수 있다. 케이싱(3a)은 빠른 회전속도가 요구되지는 않으므로, 내부에 폐기물을 포함하여 하중이 20톤에 육박하는 케이싱(3a)을 회전시키기 위하여 1차풀리(3h-3)-2차풀리(3h-4) 및 1차기어(2h-1)-2차기어(3h-2)로 다단 감속(변속)시킴으로써, 케이싱(3a)에 가해지는 힘의 크기를 증폭시켜 작은 모터(3h) 출력에서도 케이싱(3a)을 원활하게 회전시킬 수 있다.
도 10에서, 상기와 같은 분해반응기(3)의 동력전달장치(3h)와 더불어, 케이싱(3a)을 연소실(3e) 내주면과 소정의 거리만큼 이격시켜 회전을 보조하는 롤러(3i)가 구비될 수 있다. 롤러(3i)는 케이싱(3a)의 외주면에 복수개가 다단으로 연결될 수 있다. 각 롤러(3i)들은 케이싱(3a)의 하중을 분산해서 지지하며, 동력전달장치(3h)의 구동에 따라 케이싱(3a)이 회전할 때 케이싱(3a)이 회전하도록 보조할 수 있다.
연소실(3e) 내부에는 연료분무노즐(3e-1) 및 점화플러그(3e-2)가 구비될 수 있다. 연소실(3e) 내부를 균일하게 가열시킬 수 있도록 복수개의 연료분무노즐(3e-1) 및 점화플러그(3e-2)가 소정의 간격마다 구비되도록 구성할 수 있다.
[3] 분리장치(생성물 성분별 분리장치)
생산된 기름을 성분별(휘발유, 경유, 등유, 중유 등)로 분리하여 저장 및 유통시키는 것이 바람직하나, 분리장치를 별도로 포함시키지 않고 성분이 섞여있는 상태로 저장 및 유통시키는 것도 가능하다. 상기와 같이 각 성분들이 섞여있는 상태의 기름은 산업용 중유로 유통될 수 있다.
각 분리장치들은 통상의 기술자가 그 연결 순서 및 연결 관계를 용이하게 치환할 수 있을 것이다. 각 분리장치와 다른 구성요소(열유화장치, 냉각장치(6), 저장장치 등)는 배관 및 펌프를 포함하여 연결될 수 있다.
바람직한 일 실시 예로는, 분해반응기(3)의 토출단과 연결되는 증류탑(5), 증류탑(5)의 경유가스 토출단과 연결되는 냉각장치(6), 냉각장치(6)로부터 토출된 유체에서 물과 기름을 분리하는 유수분리장치(7), 유수분리장치(7)로부터 분리된 기름을 일시적으로 저장하는 저장탱크, 저장탱크에 저장된 유체를 침전시키는 침전조(8), 침전조(8) 내부의 침전물을 제거하는 침전분리장치, 침전분리장치에서 분리된 침전물에서 잔여 기름을 추출하는 원심분리장치(9), 원심분리장치(9)로부터 배출되는 슬러지를 받아들이는 슬러지 처리장치가 포함될 수 있다.
이하, 각 분리장치별 상세한 구성을 설명한다.
증류탑(5)(중유가스/경유가스 분리 장치, 기액분리장치)
도 10에서, 증류탑(5)은 지면으로부터 수직한 방향으로 긴 내부공간을 가지도록 형성될 수 있다. 원통형 또는 장방형(기둥형) 등으로 구성될 수 있다.
증류탑(5)의 하부에는 분해반응기(3)의 토출단으로부터 유입되는 가스의 유입구(5-1가) 형성될 수 있다. 고온(350℃ 내지 550℃; 분해반응기(3)의 최대온도) 상태로 유입된 유체 중, 고온상태임에도 액체상태인 고비점 생성물(또는 미분해 반응물)은 증류탑(5) 하단에 구비된 하부토출구(5-2)를 통해 빠져나가고, 하부토출구(5-2는 분해반응기(3)에 재투입되어 저비점 생성물로의 분해를 유도한다. 고체폐기물 및 액체폐기물 동시 분해반응기(3)가 적용되는 실시 예에서는, 액체폐기물 유입구를 통해 분해반응기(3) 내부로 이송될 수 있다.
증류탑(5)의 내부에는 복수개의 단: columns, 트레이(5-3): tray가 형성되며, 각 단에서는 비점에 따라 다른 분자량의 기름 성분이 액화되어 토출될 수 있다.
증류탑(5) 내부의 가스가 각 단별로 원하는 범위의 온도가 되도록 가열장치 또는 냉각장치를 구비할 수 있으며, 별도로 가열장치나 냉각장치가 구비되지 않더라도 통상의 기술자는 증류탑(5)의 설계변경을 통해 각 단에서의 온도를 조절할 수 있다.
예를 들어, 5개의 단으로 된 증류탑(5)에 있어서, 1단에서는 350℃ 이하로 온도를 유지시켜 트레이 캡(5-4)에 접촉된 가스(중유)를 액화시키며, 액화된 중유는 배관 및 설비장치 등을 거쳐 중유탱크(18d)로 이송될 수 있다. 2단에서는 220℃ 내지 250℃ 범위로 온도를 유지시켜 트레이 캡(5-4)에 접촉된 가스(경유)를 액화시키며, 액화된 경유는 배관 및 설비장치 등을 거쳐 경유탱크(18b)로 이송될 수 있다. 3단에서는 150℃ 내지 240℃ 범위로 온도를 유지시켜 트레이 캡에 접촉된 가스(등유)를 액화시키며, 액화된 등유는 배관 및 설비장치 등을 거쳐 경유탱크(18b)로 이송될 수 있다. 4단에서는 75℃ 내지 150℃ 범위로 온도를 유지시켜 트레이 캡(5-4)에 접촉된 가스(나프타)를 액화시키며, 액화된 나프타는 배관 및 설비장치 등을 거쳐 나프타탱크로 이송될 수 있다. 5단에서는 40℃ 내지 75℃ 범위로 온도를 유지시켜 트레이 캡(5-4)에 접촉된 가스(휘발유)를 액화시키며, 액화된 휘발유는 배관 및 설비장치 등을 거쳐 휘발유탱크(18a)로 이송될 수 있다. 이후에는 증류탑(5) 상단에 구비된 상부토출구를 통해 LPG가 배출될 수 있다.
트레이 캡(5-4)은, "버블 캡 트레이"가 채용될 수 있다. 버블 캡 트레이는, 트레이(5-3)의 구멍이 굴뚝 모양으로 형성되고, 굴뚝 형상의 위에 캡이 장착된 형태일 수 있다. 이러한 구성은, 오염계수가 높은 증류탑(5)에 적합하며, 본 발명의 실시 예에서는 폐기물을 열유화함으로써 소정의 오염물질의 발생이 예측되므로 상기와 같은 구성을 적용하는 것이 바람직하다.
- 유수분리장치(7)
분해반응로에서 생성된 가스를 냉각하여 액화시킨 뒤, 생성된 액체에서 물 성분을 분리할 필요가 있다. 통상의 기술자는 본 발명의 설명을 참조하여, 열분해장치를 통해 생산된 기름의 사용처에 따라 물 성분의 분리 여부(유수분리장치의 시스템 포함 여부)를 결정할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 유수분리장치(7)는 소정의 수용공간이 구비된 유수분리수조와, 유체공급배관과, 유수분리수조의 상부에 구비된 유분토출배관과, 유수분리수조의 하부에 구비되어 물이 유입 및 배출되는 물토출입배관을 포함할 수 있다.
상온에서 각 액체의 밀도는 다음과 같다. 물 1000kg/m3, 가솔린 680kg/m3, 등유 780~810kg/m3, 경유 820~845kg/m3, 중유 890~1010kg/m3.(m3 : 세제곱 미터)
중유 성분 중 일부를 제외하면 모든 성분이 물보다 밀도가 작으므로, 유체공급배관을 통해 공급된 기름/물 혼합액은 밀도차이에 의해 분리(상부에 기름, 하부에 물이 위치)된다.
중유 성분의 밀도를 감안할 때, 유수분리장치(7)의 전단에서 최소한 중유 성분이 분리된 상태로 유수분리장치(7)에 유체가 공급되는 것이 바람직하다. 또는, 물에 다른 용질을 용해시키거나 물(중유)보다 밀도가 큰 친수성 용매를 통해 중유를 포함한 상태에서 유수분리 과정을 진행시킬 수도 있다.
유수분리수조에는 수위센서가 구비되어, 유수분리수조 내 물의 높이를 일정하게 유지할 수 있다.
- 생성물 내 이물질분리장치
원유를 분별증류하게 되면 슬러지로 아스팔트가 생성되나, 본 발명의 실시 예에서는 폐기물로부터 기름 성분들을 분별증류하기 때문에, 시스템을 이용한 전체 과정에서 다양한 이물질(2차 폐기물)이 생성될 수 있다.
예를 들어, 폴리 염화 비닐(Polyvinyl chloride, PVC)의 분해 시에는 HCl이 생성된다. 이물질이 온전하게 제거되지 않는 경우, 기름 사용 시 내연기관 등에 치명적인 손상을 발생시킬 수 있으며, 인체 및 환경에도 악영향을 끼칠 수 있으므로, 이러한 유해성 이물질들을 적절히 분리하여 제거하는 것이 중요하다.
- 침전분리장치(침전조(8), 1차 기름저장장치)
도 12에서, 냉각장치(6)에서 액상으로 응축되고, 유수분리장치(7)에서 수분이 제거된 기름 성분은 1차 기름저장장치로 이송될 수 있다. 1차 기름저장장치는, 침전조(8)의 기능을 포함할 수 있다. 상기 침전조(8)는, 몸체가 전체적으로 원통형으로 형성되며, 하부는 호퍼 형상(역으로 된 원뿔/다각뿔 형상)으로 둘레면에 소정의 경사면이 형상되도록 구성된다. 침전조(8)의 하단에는 침전물을 이송시킬 수 있는 이송배관 및 펌프가 연결될 수 있다. 침전조(8)의 일측에는 기름유입구(8-1)가, 침전조(8) 수위보다 소정의 높이만큼 낮은 위치에는 기름배출구(8-2)가 구비될 수 있다.
통상적으로 슬러지는 열유화장치에서 분리되어 배출되나, 일부 입자가 작은 슬러지들은 가스들과 같이 유입될 수도 있으며, 일부 이물질은 고온에서 기상 또는 액상으로 변환되었다가 온도가 낮아질 때 고상으로 돌아오면서 고체 슬러지 형태로 남을 수 있다.
슬러지는 기름 성분에 비해 밀도가 커서 침전조(8)에서 침전되며, 침전물배출구(8-3)를 통해 슬러지 및 일부 기름 성분이 토출될 수 있다.
또한, 가스 성분 중 프탈산이 포함되어 있는 경우에 가스가 130℃ 이하로 냉각되면, 프탈산이 무수프탈산으로 석출되며, 무수프탈산이 배관에 적층되어 배관막힘 현상이 발생할 수 있다. 이러한 막힘 현상을 방지하기 위하여, 상기와 같은 침전조(8)에서 무수프탈산을 침전시켜 기름 성분으로부터 분리할 수 있다.
무수프탈산으로 인한 배관막힘현상을 방지하기 위해, 분해반응기(3)로부터 저장장치까지의 배관(설비장치를 포함)의 전부/일부에는 열선/면상발열체 등 소정의 가열수단이 구비될 수 있다. 가열 온도는 130℃ 이상이 바람직하다. 가열장치(분해반응기(3) 등으로부터 열을 공급받아 자체 온도가 130℃ 이상인 배관이나 설비장치에는 가열수단을 생략할 수도 있을 것이다.
- 원심분리장치(9)
상기 침전분리장치에서 토출된 슬러지/기름 혼합물로부터 기름을 재추출하기 위하여 침전분리장치 후단에는 원심분리장치(9)가 연결될 수 있다.
원심분리 후 슬러지는 슬러지 처리장치로 이송되고, 기름 성분은 침전분리장치(침전조(8))의 상부를 통해 재유입될 수 있다. 침전분리장치-원심분리장치(9)를 순환하면서 기름에 섞여있는 슬러지 또는 무수프탈산 등 이물질 성분의 비율이 1% 이하로 수렴될 수 있다.
- 염소(HCl) 제거 장치
폐비닐 또는 PVC 열분해 시 발생되는 염산(염소)은 물에 대한 용해도가 매우 높으므로, 전술한 유수분리장치(7)에 있는 물에 접촉하면서 대부분이 제거될 수 있다.
다만, 투입되는 폐기물 중 염소가 포함된 폐합성고분자가 많아 HCl의 발생량이 과다한 경우에는, 유수분리장치(7) 등 시스템 내부에서 유독가스(HCl 증기) 발생 및 장치의 부식 위험성이 있다.
따라서, 충분한 양의 염산을 수용할 수 있도록, 상기 유수분리장치(7는 완충용액 또는 염기성 용액이 포함될 수 있다. 또한, 시스템 내부의 pH를 실시간으로 측정하여 장치의 부식을 방지하도록, 수조 내부 또는 배관 등에 pH측정센서가 구비될 수 있다. pH측정센서에서 측정된 pH값이 소정의 수치 이하(예를 들어 pH가 4보다 작은 경우)일 경우에는 전술한 완충용액 또는 염기성 용액을 수조 또는 배관에 투입하도록 구성될 수 있다. pH값이 낮은 용액을 배출시킨 뒤 완충용액 또는 염기성 용액을 투입시키는 구성도 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 염소 제거 장치는 시스템의 일측에 위치하는 하나의 장치 형태가 아니라 시스템 전반에 구성요소들이 분산되어 구성되는 염소 제거 시스템 형태로 구성될 수 있다.
[4] 냉각장치(6)
열유화장치에서는 가스 상태의 기름 성분(휘발유, 중유, 경유, 등유 등)이 추출된다. 이를 냉각하여 액화시키기 위하여 분리장치의 후단에 냉각장치(6)가 연결될 수 있다.
원유 성분의 끓는점은 다음과 같다. LPG 25℃ 이하, 가솔린 40~75℃, 나프타 75℃~150℃, 등유 150~240℃, 경유 220~250℃, 중유 350℃ 이상(분별 증류 시 기준).
LPG를 제외한 다른 기름 성분들은 상온(25℃)의 물만으로도 액화가 가능하므로(LPG도 일부 냉각), 이하 냉각수를 이용한 냉각장치(6를 상세히 설명한다.
수조 냉각장치(6)
도 13에서, 본 발명의 일 실시 예에 의한 수조 냉각장치(6)는, 소정의 수용공간이 형성되는 수조(6-1)와, 상기 수조(6-1)에 물을 투입하는 배관 및 펌프, 상기 수조(6-1)로부터 물을 배출시키는 배관 및 펌프, 물을 다시 냉각하는 냉각수단 및 상기 수조(6-1)를 통과하여 물과 기름 사이의 열교환을 발생시키는 냉각수조열교환배관(6-2), 각 배관 사이를 잇는 곡관(6-4), 미사용 배관의 단부를 폐쇄하는 배관커버(6-3)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 냉각수단은, 히트펌프 등을 이용하여 온도를 낮추는 구성 또는, 강물/바닷물 등 히트싱크(16), 물의 용량이 매우 커서, 수조(6-1)에 비해 온도 변화를 무시할 수 있는 물 저장조)로부터 물을 공급받고 히트싱크(16)로 물을 배출시키는 구성 등이 사용될 수 있다. 수조(6-1)에서 열전도율이 높은 파이프와 물이 접촉하는 구성이기 때문에, 냉각수로 사용된 물을 그대로 강이나 바다로 배출하더라도 환경오염에 직접적인 영향은 적다.
다만, 물 배출단 주변에서 수온 상승으로 인한 환경 변화가 발생할 수 있으므로, 물의 배출 전 소정의 온도만큼 냉각시키고 배출하되 배출단 주변에서 난류를 발생시켜 배출되는 물(냉각수로 사용되어 가열된 물)과 강물/바닷물을 빠르게 믹싱하도록 구성될 수 있다. 이 경우에는, 냉각수로 사용된 물을 냉각수단으로 냉각하여 다시 냉각수로 공급하는 구성에 비해 냉각에 필요한 에너지의 양이 상대적으로 적다.
상기 파이프는, 수조(6-1)의 상부(6a)로부터 하부(6b)까지 복수개의 열로 구성되며, 각 열이 교번되며 연결되도록 구성될 수 있다. 또한, 상부의 파이프(6a)로부터 하부의 파이프(6b)까지 배관경을 점차 작아지게 구성할 수 있다.
종래 냉각장치에서, 배관 내를 흐르던 기름(가스) 성분이 액화되면서 액상 기름이 배관을 막아 파이프가 막히는 현상이 자주 발생하는데, 상기와 같은 파이프의 구성을 통해, 수조(6-1)의 상부(기름 입력단, 6a)에서 기름의 급격한 밀도 변화 등으로 인한 배관 막힘 현상을 방지할 수 있다.
기름과 냉각수가 가장 처음 접촉하는 첫번째 파이프 열(6a)의 배관경을 넓게(65A) 하여, 냉각 초반에는 상대적으로 유속이 느리게 구성하고, 마지막 파이프 열(기름 출력단, 6b)의 배관경은 상대적으로 좁게(32A) 하여, 냉각이 완료되는 시점에서는 유속을 빠르게 구성할 수 있다.
상부 파이프(6a)로부터 하부 파이프(6b)까지 높이가 점차 낮아지도록 파이프를 연결시켜, 냉각에 따라 밀도가 증가한 기름 성분이 자중에 의해 자연스럽게 냉각수조 출구 방향으로 흘러가도록 구성할 수 있다.
배관 막힘 현상이 자주 발생하게 되면 시간당(또는 일당) 기름 생산량에 치명적인 영향을 끼칠 수 있다. 배관 막힘 현상 발생 시, 모든 장치를 가동 정지시킨 뒤, 냉각수조 파이프(6-2) 및 파이프 내부의 유체가 충분히 냉각될 때까지 대기한 뒤에 파이프(6-2)를 개방하여 뚫는 작업(수작업이므로 작업자의 안전을 위함. 장비 가동중에는 파이프 내에 고온/고압의 유체가 흐름)을 해야 하므로, 작업시간에 큰 손실이 발생한다.
상기와 같은 구성으로 배관 막힘 현상을 획기적으로 개선할 수 있으나, 주변환경의 영향이나 폐기물의 종류 등 악조건에서 발생할 수도 있는 배관 막힘 현상에 쉽게 대응할 수 있도록, 상기 파이프(6-2)는 수조(6-1)를 관통하도록 결합되되, 수조(6-1)의 외곽부에는 플랜지(6-3)를 통해 각 열을 개방(배관커버를 플랜지(6-3) 형태로 착탈)할 수 있도록 구성될 수 있다. 배관 막힘 현상이 발생한 경우, 해당되는 파이프(6-2)의 배관커버만 개방하여 막힘 현상을 해소할 수 있다.
또한, 수조(6-1) 내의 냉각수가 자연대류하여 가열된 뜨거운 물이 수조(6-1)의 상부로 이동하고 새로이 공급된 차가운 물은 수조(6-1)의 하부로 이동하므로, 각 파이프 열 간 내부 유체의 부피 변화를 평균화할 수 있다.
그리고, 각 파이프 열을 수조(6-1) 외부에서 U자형 또는 H형, ㄷ형 등의 형태의 곡관(6-4)으로 플랜지 결합시킴으로써, 특정한 배관에서 막힘이 발생한 경우에 해당 플랜지(6-3)만 분리(개방)하여 막힘 현상을 신속하게 해소할 수 있다.
아울러, 상기 수조(6-1) 내의 파이프 외주면에는 냉각핀이 형성되어, 물과의 접촉 표면적을 최대화함으로써 냉각효율을 극대화할 수 있다
도 14에서, 냉각핀 이외에도, 평판 형태의 금속핀(F)을 파이프 위주면에 방사상으로 부착시킴으로써 파이프와 물 사이의 열전달을 촉진시킬 수 있다. 평판 형태의 금속 4개 내지 8개 가량을 파이프 외주면에 부착시킬 수 있다.
수조(6-1)에는 교반장치가 구비되어, 수조(6-1) 내의 냉각수를 강제대류시킴으로써, 수조(6-1) 내 물의 온도를 균일하게 유지시킬 수 있다.
수조(6-1)의 상부에 물 배출 배관 및 펌프가 구비되되, 가열되어 토출되는 냉각수를 상기 분해반응기(3)로 이송시켜 분무시킬 수 있다. 분해반응기(3)에 물을 분무할 때, 온도가 낮은 물을 분무하게 되면 물의 잠열로 인해 가열수단의 부하가 증가하므로, 고온의 가스로부터 열에너지를 받아 가열된 상태의 물을 분무함으로써 가열수단의 부하를 감소시킬 수 있다.
[5] 저장장치
각 저장장치에는, 기화된 가스로 인한 저장장치(탱크) 내부의 압력을 조절하는 압력조절장치 및 압력계가 구비될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 중간생성물 또는 최종생성물들이 서로 다양한 비점/포화증기압력을 가지므로, 저장장치의 저장온도에서 기화가 잘 일어나는 경우에는 압력 증가로 인한 저장장치의 파손 또는 폭발 등이 발생할 수 있으므로, 압력을 하강시키기 위해 저장장치에 응축기(냉각장치) 또는 기체배출장치 등이 구비될 수 있다.
해당 저장장치에 구비된 유체가 무독성이며 환경에 미치는 영향이 적은 경우에는 기체를 배출하여 환기시킴으로써 압력을 조절하고, 이외의 경우에는 응축기를 통해 기체 분자들을 응축시켜 압력을 감소시킨다.
[6] 슬러지 처리장치
슬러지 파쇄장치
- 물리적 파쇄장치
폐기물의 원활한 순환경로를 구성하기 위해서는 슬러지 파쇄를 위한 별도의 파쇄장치를 구비하는 것이 바람직하다.
슬러지 또한 본 발명에서 재활용하고자 하는 대상인 폐기물 내지 폐합성고분자의 일종으로 볼 수 있어서, 슬러지를 상기 폐합성고분자 열유화 시스템에 재투입 하는 것도 가능하다. 다만, 1차 열유화 과정에서 이미 대부분의 기름 성분이 추출되어 1차 열유화 과정에 비해 2차 열유화 과정의 기름성분 추출률은 상대적으로 낮을 수 있다. 2차 열유화 과정은, 반응시간의 부족 등의 요인으로 발생하는 폐합성고분자의 과소 열유화 반응(폐기물이 제대로 분해되지 않고 합성고분자 상태 그대로 남아있는 상태)이 많이 일어날 수록 효과적일 수 있다.
파쇄드럼(11)
도 15에서, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 슬러지 파쇄장치는, 서로 동일한 회전축을 가지고 소정의 간격만큼 이격되어 구비되는 한 쌍의 파쇄드럼(11-1)과, 상기 파쇄드럼(11-1)의 구동축에 연결되는 동력전달장치(3h)와, 상기 동력전달장치(3h)에 동력을 제공하는 동력제공장치(구동모터 또는 내연기관)를 포함할 수 있다.
상기 파쇄드럼(11-1)은 원통형으로 구성되되, 원통의 외주면에는 복수개의 파쇄 날(11-2)이 소정의 간격마다 나선형으로 구비될 수 있다. 복수개의 파쇄드럼(11-1)에 형성된 나선형의 파쇄 날(11-2)은, 헬리컬 기어의 결합부위와 같이 서로 어긋나도록 구비될 수 있다. 어긋난다는 기재는, 파쇄 날(11-2)끼리의 간섭을 최소화하여 파쇄 날(11-2)의 마모를 억제시키는 구성을 의미할 수 있다.
상기 파쇄드럼(11-1)은, 복수개의 시리즈로 구성될 수 있다. 이 경우, 각각의 파쇄드럼(11-1) 열(구동축의 방향)이 소정의 각도만큼 틀어진 상태로 구비될 수 있다.
상기와 같은 구성에서, 1열(최 상단 파쇄드럼, 11a)에서 파쇄된 폐기물은 동서(東西) 방향에 평행한 형태로 압착되어 배출되므로, 이를 더 잘게 분해하려면 2열(최 상단 파쇄드럼의 하부에 위치하는 파쇄드럼, 11b)에서는 그와 수직이 되도록 남북(南北) 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
파쇄드럼(11-1)이 4열 이상 구비되는 경우, 후반부의 열(4열 이후)에서는 파쇄드럼(11-1)을 통한 파쇄율이 급격하게 떨어지므로, 설비비용이나 유지보수 비용, 관리의 용이성 등을 고려하여 2열 또는 3열까지 구비되는 것이 바람직하다.
- 가스충격 파쇄장치
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 각 과정/장치에서 다양한 조성의 가연성 물질이 생성되며, 이 중 부가가치가 높은 기름 성분(휘발유, 경유 등)이 있는 반면, 생활 또는 산업에 부적합한 가연성 물질도 다수 생성될 수 있다.
상기와 같이 부가가치가 떨어지는 기름 성분은, 운송 과정에 소요되는 비용이 기름의 가치보다 더 클 수 있으므로(기름을 운송하는 과정에서, 운송되는 기름의 가치보다 더 높은/많은 가치의 기름이 소모될 수 있음) 본 발명의 실시 예에 의한 시스템에서 자체적으로 사용할 수 있다.
그 일 실시 예로는, 상기와 같은 저부가가치 기름(열유화 시스템의 중간/최종 생성물 중 일부)을 사용하는 내연기관이 제공될 수 있다.
도 16에서, 상기 내연기관은, 소정의 연소실이 형성되는 실린더(11`-1)와, 상기 실린더(11`-1) 내에 수용되는 피스톤(11`-2)과, 상기 피스톤(11`-2)과 연결되는 크랭크축을 포함할 수 있다. 실린더(11`-1) 및 피스톤(11`-2) 사이에는 소정의 밀폐구조가 형성되어, 실린더(11`-1) 내의 기체가 피스톤(11`-2)을 통과하여 실린더(11`-1) 맞은편으로 유입되지 않도록 구성되는 것이 바람직하다. 내연기관의 일반적인 구성 자체는 공지기술이므로 더 상세히 기재하지는 않는다.
상기 내연기관에서 발생된 에너지를 모터 등 전동기와 연결하여 발전장치로 사용할 수 있다.
상기 실린더(11`-1)의 연소실 맞은편에 형성된 공간(비반응성 기체 수용공간)은, 슬러지 저장장치로 연결될 수 있다. 이 경우, 내연기관에서 가스(기름)의 연소를 통해 발생한 에너지가 피스톤(11`-2)을 실린더(11`-1) 끝단(상사점 또는 하사점)으로 빠르게 밀어내고, 비반응성 기체 수용공간에 형성되어있던 공간이 급격하게 압축되면서 슬러지 저장장치로 공급된다. 이 과정에서 발생한 충격파는 슬러지를 파쇄할 수 있다.
충격파의 파쇄력을 증가시키기 위하여, 충격파의 출력단(분사단)은 노즐 형태로 구성될 수 있다. 충격파의 출력단에서 배관의 관경을 급격하게 감소시켜 동압력의 크기가 급격하게 증가시키는 것으로, 슬러지의 파쇄를 촉진할 수 있다.
상기 비반응성 기체 수용공간에는, 주기율표 상 18족 기체 또는 질소(N2)와 같이, 상기 내연기관의 점화(폭발) 반응 시의 최대온도를 감안하여 공기 등 다른 기체와 반응하지 않거나 반응성이 작은 기체가 사용될 수 있다.
발전기가 가동되는 과정에서는, 발전기에서 크랭크축의 회전을 방해하는 방향으로 힘이 발생하여 슬러지의 파쇄를 방해할 수 있으므로, 상기 크랭크축에는 커플러가 연결되어, 충격파를 이용한 슬러지 파쇄 과정이 수행되지 않는 시점에서만 발전기와 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 슬러지 저장장치에는, 충격파로 인한 슬러지 저장장치의 파손 또는 폭발 등을 방지하기 위하여, 일측 이상에 충격완화장치가 구비될 수 있다.
상기 충격완화장치는, 슬러지 저장장치의 외주면 일측에 형성되어 소정의 실린더가 형성되는 충격흡수공간과, 상기 충격흡수공간의 일단에 연결되는 완충수단(11`-7)(스프링, 탄성체 또는 댐퍼 등)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 완충수단(11`-7)의 타단(충격흡수공간 결합부의 타단)에는, 충격완화 피스톤(11`-6)이 결합되어, 슬러지 저장장치의 기압이 급격하게 증가하는 경우에 압력에 의해 밀려나면서 완충수단(11`-7)에 힘을 전달하도록 구성될 수 있다.
상기 충격완화장치에는, 충격완화 온오프(On-Off)장치가 구비되고, 슬러지 저장장치에는 압력계가 더 구비될 수 있다. 슬러지 저장장치 내부의 압력이 슬러지 저장장치가 버틸 수 있는 한계 압력의 50% 이상이 되는 경우 충격완화장치를 즉시 온(On) 하여 충격을 완화시키도록 동작할 수 있다. 내연기관의 폭발에 의한 압력변화 시간이 매우 짧으므로, 하나 이상의 충격완화장치는 상시 온(On)상태인 것이 바람직하다.
슬러지 처리반응장치 / 슬러지 배출장치
상기 구성을 통해 파쇄된 슬러지는, 슬러지 처리반응장치로 투입될 수 있다. 재 열유화 및 파쇄 등의 과정을 거친 슬러지에는 고부가가치의 기름 성분이 거의 남아있지 않으며, 오히려 유독한 가스 성분들이 남아있을 가능성이 높다. 따라서, 슬러지를 교반 및 가열하여 슬러지에 묻어있는 가스/기름 등의 성분을 기화시키고, 기화된 성분은 별도의 폐기가스처리장치(13)로 이송될 수 있다.
폐기가스처리장치(13)에서는, 상기 슬러지 처리반응장치로부터 공급받은 폐기가스를 연소시켜 제거할 수 있다. 연소 후에는 물을 스프레이 형태로 분무하여, 연소반응으로 생성된 미세입자 등을 제거할 수 있다. 연소반응 후 폐기가스처리장치(13) 내부에 고압의 물을 분사함으로써 내부에 묻은 찌꺼기를 마저 세척시키고, 폐기가스는 물, 별도의 냉각장치 등을 통해 냉각되어 액체상태(폐수)로 최종 슬러지 저장장치(15) 또는 폐수저장장치(14)로 이송될 수 있다.
상기 폐수는, 소정의 수질정화장치에 투입되어 부유물질 및 오염물질 등을 제거한 뒤 배출될 수 있다.
폐기가스가 제거되고 남은 슬러지는, 폐기물 처리 시설로 운송되기 위하여 최종 슬러지 저장장치(15)로 이송될 수 있다.
1 : 폐기물저장장치 10 : 슬러지저장장치
2 : 금속분리장치 11 : 슬러지파쇄장치
3 : 분해반응기 12 : 슬러지처리반응장치
4 : 관형반응기 13 : 폐기가스처리장치
5 : 증류탑 14 : 폐수저장장치
6 : 냉각장치 15 : 최종 슬러지 저장장치
7 : 유수분리장치 16 : 히트싱크
8 : 침전조 17 : 물탱크
9 : 원심분리장치 18 : 기름저장탱크 S : 슬러지 W : 폐기물
N : 비반응성기체
2 : 금속분리장치 11 : 슬러지파쇄장치
3 : 분해반응기 12 : 슬러지처리반응장치
4 : 관형반응기 13 : 폐기가스처리장치
5 : 증류탑 14 : 폐수저장장치
6 : 냉각장치 15 : 최종 슬러지 저장장치
7 : 유수분리장치 16 : 히트싱크
8 : 침전조 17 : 물탱크
9 : 원심분리장치 18 : 기름저장탱크 S : 슬러지 W : 폐기물
N : 비반응성기체
Claims (5)
- 폐합성고분자 열분해 시스템에 있어서,
폐합성고분자를 가열하여 분해하는 분해반응기;
상기 분해반응기에서 생성된 성분을 냉각시키는 냉각장치 및;
상기 분해반응기 및 냉각장치에서 생성된 성분을 저장하는 저장장치를 포함하고;
상기 분해반응기는,
내주면에 나선형 가이드가 형성된 원통형 케이싱;
상기 케이싱을 정회전 또는 역회전시키는 동력전달장치를 포함하고;
상기 케이싱에는, 폐기물 투입구로부터 소정의 길이만큼 신장되고 상기 가이드와 소정의 거리만큼 이격되게 포크 레일;
상기 포크 레일은 상기 케이싱의 유체 배출구에 액체 통로가 형성된 고정체가 회전 가능하게 고정되고 폐기물 투입구 방향으로 소정의 거리만큼 돌출되어 상기 케이싱이 정지 상태에 있을 때 자체 무게에 의하여 상기 고정체를 중심으로 회전하여 지표면과 평행하게 되는 두 개의 평판을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐합성고분자 열분해 시스템. - 청구항 1항에 있어서,
상기 케이싱을 연소실의 내주면과 일정한 거리만큼 이격되게 상기 케이싱의 외주면에서 상기 케이싱의 하중을 분산해서 지지하며, 상기 동력전달장치의 구동에 따라 상기 케이싱이 회전하도록 보조하는 2~4개의 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐합성고분자 열분해 시스템. - 청구항 2항에 있어서,
상기 연소실의 내부에는 상기 연소실의 내부를 균일하게 가열시킬 수 있도록 점화플러그 및 3~4개의 연료분무노즐이 일정한 간격으로 구비된 것을 특징으로 하는 폐합성고분자 열분해 시스템. - 청구항 1항에 있어서,
상기 냉각장치는 각 파이프를 수조 외부에서 U자형, H형 또는 ㄷ형의 곡관으로 플랜지 결합되고, 상기 각 파이프의 외주면에는 평판 형태의 금속 4~8개가 부착된 것을 특징으로 하는 폐합성고분자 열분해 시스템. - 청구항 1항에 있어서,
증류탑의 내부에는 5개의 단이 형성되고, 각 단에는 중유, 경유, 등유, 나프타, 휘발유를 액화시키는 트레이 캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐합성고분자 열분해 시스템.
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