KR102539139B1 - 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기, 및 그 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기, 및 그 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐플라스틱을 열분해하기 위한 공정에서 왁스를 분해하기 위한 촉매반응기로서, 관형태로 구성된 몸체부; 몸체부 일측에 구비되어 열분해반응로를 거쳐 생성된 유증기 상태의 열분해유가스가 유입되는 열분해유 유입부; 상기 몸체부 내에 구비되어 내부에 왁스 흡착용 촉매가 충진되어 상기 열분해유 내의 왁스를 개질시키는 촉매충진부; 상기 몸체부 외면에 일체로 설치되어 상기 촉매충진부로 열에너지를 공급하는 외부가열부; 및 상기 몸체부 타측에 구비되어 상기 왁스가 개질된 열분해유가 배출되는 열분해유 배출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기, 및 그 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템 및 방법에 관한 것이다.
우리나라에서는 매년 약 400만 톤의 폐플라스틱이 발생하고 있으나, 재활용률은 20~30%로 낮아, 많은 양이 매립이나 소각에 의하여 처리되고 있다. 그러나 폐플라스틱의 매립은 유해성분이 용출될 수 있으며, 단위 무게에 비하여 부피가 커 보관, 운반 및 매립의 문제가 발생한다. 또한, 소각에 의한 처리는 소각시 발생하는 열에너지의 일부를 이용할 수 있지만, 많은 경제적인 손실을 초래하고 유독성 가스를 방출하여 환경파괴의 문제를 일으키기에, 폐플라스틱을 재활용하는 방법에 대한 사회적 관심이 높아지고 있다.
폐플라스틱은 주로, 연소열을 회수하는 에너지 회수(Energy Recovery) 방법으로 주로 처리되며, 이를 위해 고형 연료인 폐플라스틱 연료(RPF, Refuse Plastic Fuel)로 성형되어 투입된다. 또 다른 하나의 폐플라스틱 처리 방 법은 재활용인데, 폐플라스틱의 재활용하는 방법은 크게 300℃ 부근에서 폐플라스틱을 용융시켜 펠렛 또는 그래뉼 형태의 재생입자를 만들어 사용하는 기계적 재활용 방법(Mechanical Recycling)과, 폐플라스틱으로부터 다른 화합물을 제조하는데 필요한 재료 성분으로 전환시키는 피드스톡 재활용 (Feedstock Recycling) 방법으로 나뉜다. 이 중 기계적 재활용 방법은, 공정에 의해 제조된 제품의 물성이 기계적 재활용이 반복될 때 마다 떨어져서, 피드스톡 재활용 방법이 최종적 재활용 방법으로 선호되고 있다. 피드스톡 재활용 방법은 크게 열분해 (pyrolysis), 가스화(gasification), 수소화(hydrogenation), 및 용매화(solvolysis)로 나뉘며 그 중 가장 활발히 연구되고 있는 것은 열분해다. 열분해를 통해 폐플라스틱으로부터 제조된 열분해유는 석유 정제 공정에 투입되어 새로운 화학물질 또는 연료의 원료로 사용되게 된다.
열분해는 Feedstock Recycling 방법 중 하나로서 폐플라스틱을 무산소 하에서 열적 분해하여 오일, 가스, 그리고 고형 산물인 촤 (char)를 생산하는 친환경적 폐플라스틱 재활용 방법이다.
즉, 폐플라스틱 발생량은 전 세계에서 지속적으로 증가되고 있으며, 열분해 기술은 폐플라스틱으로부터 디젤연료 및 납사 원료를 생산할 수 있고, CO2 저감효과가 크다는 장점이 있다. 환경부에서는 국내의 폐플라스틱 발생량 중 폐플라스틱 열분해 처리 비중을 기존 0.1%에서 2030년까지 10%로 100배 높일 것이라고 보도하였다.
통상의 폐플라스틱 열분해 유화 공정은 폐플라스틱이 열분해 반응로에 투입되고 열분해된 기체상태의 유증기는 공정 후단의 응축수단(열교환기)에서 응축되어 열분해유로 포집된다.
응축온도가 열교환기의 온도보다 낮아서 응축되지 못한 성분의 비응축성 가스는 열분해 가스로서 반응기 후단으로 배출된다. 한편, 폐플라스틱이 열분해되어 발생하는 유증기는 여러 형태의 탄화수소 성분을 가지며, 이러한 탄화수소는 탄소수의 범위가 넓어서 폐플라스틱 열분해 유증기내 각 성분의 끓는점과 녹는점의 온도범위가 넓다. 폐플라스틱 열분해 성분 중 상온에서 고체의 형태를 가지는 성분들을 보통 왁스(wax)라 칭한다.
폐플라스틱 열분해 공정 중 열교환기에는 통상적으로 상온의 냉각수가 주입되는데, 상온에서 고체형태를 가지는 왁스가 열교환기 외벽에서 응축, 응고되어 열교환기의 열전달 효율을 감소시키고, 최악의 경우 열교환기가 막혀 운전이 중단된다. 이는 상용급 폐플라스틱 열분해 시설에서 자주 발생되는 문제이다.
폐플라스틱을 이용한 열분해 유화 공정에서 생산되는 열분해유는 질량대비 약 20%의 왁스가 함유되어 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 왁스는 탄소수 28 이상의 고분자 탄화수소류로서 겨울철에 열분해유가 굳는 문제가 발생된다.
시중에서 판매되는 경유에도 약 6~7% 수준의 왁스가 함유되어 있으므로 촉매 공정에서 요구되는 최소 효율은 60~70% 수준이다.
이러한 폐플라스틱 열분해유에 함유된 질량 기준 약 20%의 왁스는 동절기에 열분해유의 유동성을 잃게 만드는 원인으로서 생산된 제품(열분해유)의 저장과 이송에 어려움이 발생되고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 폐플라스틱 열분해유에 함유된 질량 기준 20%의 왁스를 8% 이하로 저감시키는 촉매공정을 운영하여 고품질의 열분해유를 생산할 수 있는, 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기, 및 그 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 폐플라스틱을 이용한 열분해 유화 공정에 왁스 분해 촉매 공정을 적용함으로써 타 기업에서 생산되는 열분해유와의 차별성을 부여하고 고품질의 열분해유를 생산할 수 있는, 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기, 및 그 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은 폐플라스틱을 열분해하기 위한 공정에서 왁스를 분해하기 위한 촉매반응기로서, 관형태로 구성된 몸체부; 몸체부 일측에 구비되어 열분해반응로를 거쳐 생성된 유증기 상태의 열분해유가스가 유입되는 열분해유 유입부; 상기 몸체부 내에 구비되어 내부에 왁스 흡착용 촉매가 충진되어 상기 열분해유 내의 왁스를 개질시키는 촉매충진부; 상기 몸체부 외면에 일체로 설치되어 상기 촉매충진부로 열에너지를 공급하는 외부가열부; 및 상기 몸체부 타측에 구비되어 상기 왁스가 개질된 열분해유가 배출되는 열분해유 배출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기로서 달성될 수 있다.
그리고 몸체부의 하단에 하부측으로 직경이 점진적으로 감소되며 상기 열분해유 배출부를 갖는 하부콘; 및 상기 몸체부의 상단에 상부측으로 직경이 점진적으로 감소되며 상기 열분해유 유입부는 갖는 상부콘;포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 촉매충진부는, 상기 몸체부 내에 다단층으로 설치되며, 각 층에 대하여 각각이 내부에 상기 촉매가 충진되어 탈부착이 가능하도록 마련된 서랍을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 외부 가열부는 내부에 방열판이 설치되며 내부로 연소가스가 공급되고, 상기 외부가열부의 온도를 제어하여 상기 촉매반응기의 내부온도를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 촉매는, 제올라이트로 구성되는 지지체; 상기 지지체에 로딩되며 1~40중량% Fe; 및 상기 지지체 로딩되며 1~40 중량 % Zn;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 폐플라스틱을 열분해하기 위한 공정에서 왁스를 분해하기 위한 앞서 언급한 제1목적에 따른 촉매반응기의 운영방법으로서, 외부 가열부를 통해 촉매반응기에 열에너지가 공급되는 단계; 열분해반응로를 거쳐 생성된 유증기 상태의 열분해유가 몸체부 일측의 열분해유 유입부를 통해 내부로 유입되는 단계; 몸체부 내에 구비되어 내부에 왁스 흡착용 촉매가 충진되는 촉매충진부를 상기 열분해유가 통과하면서 상기 촉매반응에 의해 상기 열분해유 내의 왁스가 탄소수 10 ~ 20 이하로 개질되는 단계; 및 상기 몸체부 타측에 구비된 열분해유 배출부를 통해 상기 왁스가 개질된 열분해유가 배출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 운영방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 외부 가열부로 600~700℃의 연소가스가 공급되고, 촉매반응기 내부온도는 370~400℃으로 운영되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 열분해 운영 시작 초기 폐플라스틱에 포함된 수분이 가열되어 생성된 수증기가 촉매반응기 내로 공급되고, 상기 수증기가 상기 촉매충진부를 통과하며 상기 촉매 표면에 침적된 탄소를 제거하는 촉매재생공정이 진행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 촉매재생공정에서 촉매반응기 내부온도는 400~600℃으로 운영되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 폐플라스틱 열분해 시스템으로서, 폐플라스틱을 열분해하여 유증기 상태의 열분해유와, 인화성 가스, 탄화물이 생성되는 열분해 반응로; 상기 열분해 반응로의 열분해유 내의 왁스를 개질하는 앞서 언급한 제 1목적에 따른 촉매반응기; 상기 촉매반응기에서 배출된 열분해유를 응축시키는 응축수단; 상기 응축수단을 거친 열분해유에서 폐수, 열분해가스를 분리하는 분리수단; 및 분리된 열분해유를 저장하는 저장조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 열분해반응로에 열분해 열원을 공급하는 간접가열버너; 및 상기 분리수단에서 분리된 열분해가스를 정제하는 정제수단;을 포함하고, 상기 정제수단에서 정제된 열분해가스는 상기 간접가열버너의 연료로 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 저장조는, 상기 분리수단에 의해 분리된 열분해유를 저장하는 1차 저장탱크; 상기 열분해유에서 납사를 분리하는 납사분리수단; 및 판매용 열분해유가 저장되는 열분해유 저장탱크;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기, 및 그 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템 및 방법에 따르면, 폐플라스틱 열분해유에 함유된 질량 기준 20%의 왁스를 8% 이하로 저감시키는 촉매공정을 운영하여 고품질의 열분해유를 생산할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기, 및 그 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템 및 방법에 따르면, 폐플라스틱을 이용한 열분해 유화 공정에 왁스 분해 촉매 공정을 적용함으로써 타 기업에서 생산되는 열분해유와의 차별성을 부여하고 고품질의 열분해유를 생산할 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 왁스분해용 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 왁스분해용 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템의 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 투시 정면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 평면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 왁스분해용 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해시스템의 공정흐름도를 도시한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 왁스분해용 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 왁스분해용 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템의 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 투시 정면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 평면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 왁스분해용 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해시스템의 공정흐름도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 구성 및 기능, 그리고, 왁스분해용 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템의 구성, 공정운영방법에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 왁스분해용 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템의 구성도를 도시한 것이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 왁스분해용 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템의 사시도를 도시한 것이다.
그리고 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 사시도를 도시한 것이다. 또한 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 투시 정면도를 도시한 것이다. 또한 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 평면도를 도시한 것이다.
그리고 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 왁스분해용 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해시스템의 공정흐름도를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 왁스분해용 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해시스템(100)은 회분식 폐플라스틱 열분해 유화공정을 진행하기 위한 것으로 도 1 및 도 7에 도시된 바와 같이, 원료공급부(1), 열분해반응로(10), 간접가열 버너(11), 왁스분해용 촉매반응기(20), 응축수단(60), 분리수단(70), 정제수단(72), 폐수저장탱크(71), 1차 저장탱크(80), 납사분리수단(81), 열분해유 저장탱크(90) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
먼저, 원료공급부(1)를 통해 폐플라스틱이 열분해반응로(10)로 투입되게 된다. 열분해반응로(10)에서 폐플라스틱을 원료물질로 해서 공기가 들어가지 않는 상태에서 열을 가하여 분해하는 공정이 진행된다.
열분해반응로(10)의 유화 공정에서의 주요 생산품은 인화성 가스, 유증기 상태의 열분해유, 열분해 잔해물 등이다. 인화성 가스는 도 7에 도시된 바와 같이, 유인송풍기(14, ID팬)을 통해 스크러버(13)에 의해 여과되어 대기로 배출되게 됨을 알 수 있다.
그리고 열분해 잔해물은 별로도 분리되며, 열분해유화공정에서 배출되는 유증기 상태의 열분해유는 후단의 왁스분해용 촉매반응기(20)로 유입되게 된다.
도 1 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열분해 반응로(10)에 필요한 열에너지는 간접가열버너(11)에 의해 공급되며, 후에 설명되는 바와 같이, 간접가열버너(11)의 주연료는 LPG 저장탱크(12)에서 공급되나, 후단 공정의 분리수단(70)에 의해 분리되어 정제수단(72)에 의해 정제된 열분해가스가 공급될 수 있도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 열분해 유화공정에서의 왁스분해용 촉매반응기(20)는 열분해 유화 공정에서 열분해반응로(10) 후단부에 설치되어 유증기 상태로 열분해반응로에서 배출되는 열분해유 중 왁스 성분을 개질하는 역할을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기(20)는, 관형태로 구성된 몸체부(21); 몸체부(21) 일측에 구비되어 열분해반응로(10)를 거쳐 생성된 유증기 상태의 열분해유가스가 유입되는 열분해유 유입부(24); 몸체부(21) 내에 구비되어 내부에 왁스 흡착용 촉매가 충진되어 열분해유 내의 왁스를 개질시키는 촉매충진부(40); 몸체부(11) 외면에 일체로 설치되어 촉매충진부로 열에너지를 공급하는 외부가열부(30); 및 몸체부(11) 타측에 구비되어 왁스가 개질된 열분해유가 배출되는 열분해유 배출부(25); 등을 포함하여 구성된다.
또한 도 3 등에 도시된 바와 같이, 몸체부(21)의 하단에는 하부측으로 직경이 점진적으로 감소되는 하부콘(23)이 연결되며, 이러한 하부콘(23) 하부 끝단에 열분해유 배출부(25)가 위치된다. 또한 몸체부(21)의 상단에는 상부측으로 직경이 점진적으로 감소되는 상부콘(22)이 연결되며, 이러한 상부콘(22) 상부 끝단에 열분해유 유입부(24)가 위치된다. 따라서 열분해반응로(10)에서 배출된 유증기 상태의 열분해유는 촉매반응기(20) 하단으로 유입되어 내부를 통과한 후, 상단으로 배출되도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매충진부(40)는, 몸체부(21) 내에 다단층으로 설치되며, 각 층에 대하여 각각이 내부에 촉매가 충진되어 탈부착이 가능하도록 마련된 서랍을 갖도록 구성된다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 촉매충진부(40)는 몸체부(21) 내부에 3층구조로 구성되며, 한 개의 층마다 3개의 서랍으로 구성되어 촉매의 교체 및 관리가 용이함을 알 수 있다. 또한 이러한 촉매충진부(40)를 개폐하기 위한 도어(41)가 설치된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 외부 가열부(30)는 내부에 방열판이 설치되며 내부로 연소가스가 공급되도록 구성된다. 제어부는 외부 가열부(30)로 공급되는 연소가스의 온도를 제어하여 촉매반응기(20)의 내부온도를 조절할 수 있도록 구성된다.
촉매충진부(40)에 충진되는 왁스 개질용 촉매는, 제올라이트로 구성되는 지지체; 지지체에 로딩되며 1~40중량% Fe; 및 상기 지지체 로딩되며 1~40 중량 % Zn;을 포함하여 구성될 수 있다.
보다 구체적으로 산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3)가 함유된 광물로서 제올라이트(zeolite)를 지지체로 하여 철(Fe), 산화철(FeO), 산화제이철(Fe2O3) 산화제삼철(Fe3O4)의 함량이 질량기준 1~40%, 산화아연(ZnO)의 함량이 질량기준 1~40%인 촉매가 적용된다.
제올라이트는 촉매로서 탄화수소류를 분해하는 기능이 있지만 촉매의 분해 성능이 뛰어나기 때문에 액체상태의 탄화수소류가 기체상태로 까지 분해되기 때문에 액체상태로서의 탄화수소류를 얻는 공정에는 부적합할 수 있다.
Fe와 Zn 성분의 표면 도포 방법에 따라 제올라이트의 탄화수소류의 분해 기능을 조절하여 왁스와 같은 탄소수 28이상의 고분자 탄화수소류를 선택적으로 분해하는 기능을 갖게 할 수 있다.
따라서 외부 가열부(30)를 통해 촉매반응기에 열에너지가 공급되고, 열분해반응로(10)를 거쳐 생성된 유증기 상태의 열분해유가 몸체부(21) 하단의 열분해유 유입부(24)를 통해 내부로 유입되게 된다.
그리고 몸체부(21) 내에 구비된 다단의 촉매충진부(40)를 열분해유가 통과하면서 촉매반응에 의해 열분해유 내의 왁스가 탄소수 10 ~ 20 이하로 개질되게 된다.
그리고 몸체부(21) 상측에 구비된 열분해유 배출부(25)를 통해 왁스가 개질된 열분해유가 배출되게 된다.
이러한 정상운영 상태에서는 외부 가열부(30)로 600~700℃의 연소가스가 공급되고, 촉매반응기(100) 내부온도는 370~400℃으로 운영된다.
또한 왁스 분해에 사용된 촉매는 표면에 탄소침적이 일어나 일시적으로 활성과 성능이 저하될 수 있으며 촉매의 활성을 재생시키는 운영이 필요하다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 촉매의 재생을 위한 방법으로는 회분식 공정의 운영 시작 초기에 원료물질인 폐플라스틱에 포함된 수분이 가열되어 수증기로 배출되며 이렇게 배출된 수증기는 촉매반응기의 내부를 통과하게 된다.
장시간 사용된 촉매의 표면에 침적된 탄소는 공정의 가동 초기에 열분해반응로(10)에서 배출되는 수증기에 의해 제거되며 이 때의 촉매반응기(20) 내부온도는 400~600℃의 범위로 제어된다.
그리고 왁스 개질이 완료되어 촉매반응기(20)에서 배출된 열분해유는 응축수단(60)에 의해 유증기 응축공정이 진행되게 된다.
그리고 응축수단(60)을 거친 열분해유는 분리수단(70)에 의해 폐수, 열분해가스, 열분해유를 분리하는 공정이 진행되게 된다. 이때 분리된 폐수는 폐수저장탱크(71)에 저장되고, 분리된 열분해가스는 앞서 언급한 바와 같이, 정제수단(72)에 의해 열분해 가스 정제공정을 거친 후, 간접가열버너(11)의 보조연료로서 사용될 수 있다.
그리고 폐수와 열분해가스가 분리된 열분해유는 1차적으로 1차 저장탱크(80)에 저장된다.
그리고 납사분리수단(81)에 의해 열분해유에서 납사를 분리하는 공정이 진행된 후, 최종적으로 판매용 열분해유가 열분해유 저장탱크(90)에 저장되게 된다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:원료공급부
10:열분해반응로
11:간접가열버너
12:LNG저장탱크
13:스크러버
14:유인송풍기
20:왁스분해용 촉매반응기
21:몸체부
22:상부콘
23:하부콘
24:열분해유 유입부
25:열분해유 배출부
30:외부가열부
31:연소가스 유입부
32:연소가스 배출부
40:촉매충진부
41:도어
60:응축수단
70:분리수단
71:폐수저장탱크
72:정제수단
80:1차 자장탱크
81:납사분리수단
90:열분해유 저장탱크
100:촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템
10:열분해반응로
11:간접가열버너
12:LNG저장탱크
13:스크러버
14:유인송풍기
20:왁스분해용 촉매반응기
21:몸체부
22:상부콘
23:하부콘
24:열분해유 유입부
25:열분해유 배출부
30:외부가열부
31:연소가스 유입부
32:연소가스 배출부
40:촉매충진부
41:도어
60:응축수단
70:분리수단
71:폐수저장탱크
72:정제수단
80:1차 자장탱크
81:납사분리수단
90:열분해유 저장탱크
100:촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템
Claims (12)
- 폐플라스틱을 열분해하기 위한 공정에서 왁스를 분해하기 위한 촉매반응기로서,
관형태로 구성된 몸체부; 몸체부 일측에 구비되어 열분해반응로를 거쳐 생성된 유증기 상태의 열분해유가스가 유입되는 열분해유 유입부; 상기 몸체부 내에 구비되어 내부에 왁스 흡착용 촉매가 충진되어 상기 열분해유 내의 왁스를 개질시키는 촉매충진부; 상기 몸체부 외면에 일체로 설치되어 상기 촉매충진부로 열에너지를 공급하는 외부가열부; 및 상기 몸체부 타측에 구비되어 상기 왁스가 개질된 열분해유가 배출되는 열분해유 배출부; 상기 몸체부의 하단에 하부측으로 직경이 점진적으로 감소되며 상기 열분해유 배출부를 갖는 하부콘; 및 상기 몸체부의 상단에 상부측으로 직경이 점진적으로 감소되며 상기 열분해유 유입부는 갖는 상부콘; 및 상기 외부가열부의 온도를 제어하여 상기 촉매반응기의 내부온도를 조절하는 제어부;포함하고,
상기 외부 가열부는 내부에 방열판이 설치되며 내부로 연소가스가 공급되고,
상기 촉매충진부는, 상기 몸체부 내에 다단층으로 설치되며, 각 층에 대하여 각각이 내부에 상기 촉매가 충진되어 탈부착이 가능하도록 마련된 서랍을 가지며,
상기 제어부는 상기 외부 가열부로 600~700℃의 연소가스가 공급되도록하여, 촉매반응기 내부온도를 370~400℃로 운영되도록 제어하고,
열분해 운영 시작 초기 폐플라스틱에 포함된 수분이 가열되어 생성된 수증기가 촉매반응기 내로 공급되고, 상기 수증기가 상기 촉매충진부를 통과하며 상기 촉매 표면에 침적된 탄소를 제거하는 촉매재생공정이 진행되고,
상기 제어부는 상기 촉매재생공정에서 촉매반응기 내부온도는 400~600℃으로 운영되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기.
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- 제 1항에 있어서,
상기 촉매는, 제올라이트로 구성되는 지지체; 상기 지지체에 로딩되며 1~40중량% Fe; 및 상기 지지체 로딩되며 1~40 중량 % Zn;을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기.
- 폐플라스틱을 열분해하기 위한 공정에서 왁스를 분해하기 위한 제 1항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 따른 촉매반응기의 운영방법으로서,
외부 가열부를 통해 촉매반응기에 열에너지가 공급되는 단계;
열분해반응로를 거쳐 생성된 유증기 상태의 열분해유가 몸체부 일측의 열분해유 유입부를 통해 내부로 유입되는 단계;
몸체부 내에 구비되어 내부에 왁스 흡착용 촉매가 충진되는 촉매충진부를 상기 열분해유가 통과하면서 상기 촉매반응에 의해 상기 열분해유 내의 왁스가 탄소수 10 ~ 20 이하로 개질되는 단계; 및
상기 몸체부 타측에 구비된 열분해유 배출부를 통해 상기 왁스가 개질된 열분해유가 배출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 운영방법.
- 제 6항에 있어서,
상기 외부 가열부로 600~700℃의 연소가스가 공급되고, 촉매반응기 내부온도는 370~400℃으로 운영되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 운영방법.
- 제 7항에 있어서,
열분해 운영 시작 초기 폐플라스틱에 포함된 수분이 가열되어 생성된 수증기가 촉매반응기 내로 공급되고, 상기 수증기가 상기 촉매충진부를 통과하며 상기 촉매 표면에 침적된 탄소를 제거하는 촉매재생공정이 진행되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 운영방법.
- 제 8항에 있어서,
상기 촉매재생공정에서 촉매반응기 내부온도는 400~600℃으로 운영되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기의 운영방법.
- 폐플라스틱 열분해 시스템으로서,
폐플라스틱을 열분해하여 유증기 상태의 열분해유와, 인화성 가스, 탄화물이 생성되는 열분해 반응로;
상기 열분해 반응로의 열분해유 내의 왁스를 개질하는 제 1항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 따른 촉매반응기;
상기 촉매반응기에서 배출된 열분해유를 응축시키는 응축수단;
상기 응축수단을 거친 열분해유에서 폐수, 열분해가스를 분리하는 분리수단; 및
분리된 열분해유를 저장하는 저장조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템.
- 제 10항에 있어서,
상기 열분해반응로에 열분해 열원을 공급하는 간접가열버너; 및
상기 분리수단에서 분리된 열분해가스를 정제하는 정제수단;을 포함하고,
상기 정제수단에서 정제된 열분해가스는 상기 간접가열버너의 연료로 공급되는 것을 특징으로 하는 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템.
- 제 11항에 있어서,
상기 저장조는,
상기 분리수단에 의해 분리된 열분해유를 저장하는 1차 저장탱크;
상기 열분해유에서 납사를 분리하는 납사분리수단; 및
판매용 열분해유가 저장되는 열분해유 저장탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템.
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