KR20020054328A - 고무와 같은 탄화수소 재료의 저에너지 열분해 방법 - Google Patents

고무와 같은 탄화수소 재료의 저에너지 열분해 방법 Download PDF

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Abstract

고무 또는 다른 탄화수소 재료의 저에너지 열분해 방법을 제공한다. 탄화수소 재료를 진공을 유지하면서 가열하고, 점토 촉매를 이용한다. 추가의 구체예에서, 반응의 발열적 성질을 이용하기 위해, 반응 챔버의 온도 및 대응 연료 투입량은 시간 또는 반응 챔버내 공간에 따라 변한다. 본 발명의 방법으로, 양질의 고체 반응 생성물은 물론, 감소된 폴리방향족 탄화수소 및 산화된 유기 오염물질을 가지는 액체 반응 생성물을 얻을 수 있다.

Description

고무와 같은 탄화수소 재료의 저에너지 열분해 방법{LOW ENERGY METHOD OF PYROLYSIS OF HYDROCARBON MATERIALS SUCH AS RUBBER}
미국의 각 거주자는 매년 대략 1개 정도의 폐타이어를 버린다. 버려진 폐타이어의 양은 1990년 한해만 미국 전역에서, 재생 타이어를 제외하고, 대략 242,000,000에 이른다. 폐타이어는 고체 폐기물류 중에서 작은 부분을 차지하지만, 주된 처리 문제를 나타낸다. 많은 폐타이어 소각기가 설계되었지만, 소각은 타이어로 부터 에너지 및 화학 물질의 잠재적인 경제적인 회수를 극대화시키지 못할 수 있다.
대부분의 타이어는 매립시키거나 타이어 저장소에 쌓아둔다. 그러나, 모든 폐타이어를 매립하기는 곤란하다; 그것들은 가스, 설치류, 뱀 및 모기가 꼬이게 하며, 화재의 위험성이 생기게 하며, 시간이 지남에 따라 다른 폐기물들은 굳어지고가라앉지만, 그것들은 위쪽으로 표류하는 경향이 있다. 그럼에도 불구하고, 폐타이어의 주요 처리 방법으로 매립, 저장 또는 불법 투기가 계속된다.
열분해는 유기 물질을 분자적으로 더 간단하며 작은 유기 화합물로 전환시키기 위해 그들을 산소없이 가열하는 것을 포함한다. 폐타이어와 같은 유기 폐기물이 공급 원료일때, 공정의 생성물은 탄화물 또는 카본 블랙, 오일 및 기체를 포함한다. 1830년대초, 개발자는 목재로 부터 액체 생성물을 생성하는 것을 포함하는 열분해의 초기 이용을 성공적으로 상업화시켰다. 석탄의 열분해로 부터 코크를 생성하는 것은 가장 보편적으로 이용하는 기술이 되었다; 그것의 사용은 현재에도 계속된다. 크레오소오트유를 제조하기 위해 나무 열분해를 사용하는 것은 1838년에 나무의 방부제로서 크레오소오트를 도입한 후에 확대되었다. 1800년대 중반에 미국 및 각지에서, 오일 생산을 위해 석탄 및 오일 이판암을 열분해하는것이 보편화되었다. 1879년에 전등용 전구가 발명될때 까지, 조명용 가스를 생산하기 위한 열분해 플랜트가 전세계적으로 보편화되었다.
열분해 공정은 회분식 공급 또는 연속식 공급 시스템으로 작동될 수 있다. 회분식 공급 시스템 공정은 한번에 1회분의 공급 원료를 넣는 공정이다. 회분식 열반응기에서 요구되는 체류 시간이 지난후에, 고체 생성물 및 잔류물을 제거한다. 다르게는, 연속식 공급 시스템에서, 공급 원료를 열 반응기를 통과해 운반하고, 고체 생성물 및 잔류물을 계속 내보낸다.
열분해는 화학결합을 끊기 위해 열을 추가하는 것에 의존하며, 그것은 유기 화합물을 분해 및 증발시키는 메커니즘을 제공한다. 폐고무 및 다른 탄화수소의열분해를 위한 대부분의 시스템의 작동 온도 범위는 약 480℉ 내지 1740℉ 이다. 대략 480℉이상의 온도에서는, 조각 조각난 타이어는 증가된 양의 액체 오일 생성물 및 기체를 배출한다. 750℉이상에서는, 적용되는 공정에 따라, 오일 및 고체 타이어 유도 탄화물의 생산량은 기체 생산량에 비해 감소할 수 있다. 타이어는 80%이상의 탄소 및 수소를 함유하며, 이들 성분이 고체, 액체 및 기체 열분해 생성물의 주요 구성성분을 형성한다. 탄소-탄소 결합 외에도, 타이어의 분해는 황-탄소 및 황-황 결합이 깨질 것을 필요로 한다.
타이어 또는 다른 고체 유기 공급 원료를 사용하는 대부분의 열분해 공정에 의해 생산되는 고체 생성물을 "타이어 유도 탄화물", "타이어 유도 탄소 탄화물", 또는 카본 블랙이라고 명명한다. 이 고체 생성물은 더욱 가공 및 세정 하여 더 높은 등급의 카본 블랙을 생산하거나, 직접 시판될 수 있다. 카본 블랙은 입자 크기, 표면적, 평균 집성물 질량, 입자 및 집성물 질량 분포, 구조 및 화학 조성에 있어 차이가 있으며, 이들 성질에 기초하여 산업 규격에 따라 등급이 메겨진다. 산업 규격과의 일치성은 타이어 유도 카본 블랙의 시장성을 결정한다. 예를들면, 중간 품질의 사용된적이 없는(비-재생) 카본 블랙은 보통 고무 제품에 사용되며, 하급은 호스 및 고체(강제벨트없이)고무 타이어와 같은 생산품에 사용된다. 고순도의 카본 블랙은 토너 및 전기 센서에 사용된다.
카본 블랙의 표면적은 품질 및 용도에 상당한 영향을 미친다; 미크론 이하의 입자를 함유하는 카본 블랙은 매우 큰 표면적/부피를 갖는다. 시중의 카본 블랙의 평균 입자 크기는 값싼 열카본에 대해 대략 5000Å 내지 값비싼 고급 색 페인트 카본에 대해 대략 100Å의 범위이다. 또한 중요한 것은 집성물 크기 및 모양, 집성물당 입자수, 및 그것의 평균 질량으로 측정되는 구조이다. 이들 특성들은 집성물 패킹 및 벌크 물질내 공극의 부피에 영향을 미친다. 공극 부피는 카본 블랙의 등급을 판정하는 표준의 하나이다.
전형적으로, 타이어-유도 카본 탄화물은 입자 크기의 범위가 10 내지 100 미크론인 카본 블랙을 생산한다. 이 입자 크기의 범위는, 재료가 미크론이하의 입자를 함유하는 표준의 잘 변하지 않는 카본 블랙으로 치환되는 능력을 제한한다. 그러나, 큰 입자 크기를 함유하는 카본 블랙 등급을 사용하는 용도도 있다. 예를들면, 내후성을 향상시키거나, 정전기 방지 및 전기전도성 부여를 위해 플라스틱에 사용된다. 열분해로 발생된 탄화물 또는 카본 탄화 물질을 연료 공급원으로 사용할 수 있다.
타이어 열분해는 또한 가연성 농도의 부탄, 프로판, 메탄 및 에탄을 함유하는 기체를 생산한다. 기체내에 일산화탄소 및 이산화탄소가 많기 때문에, 그 기체를 천연가스와 혼합하여 판매할 수 없다. 타이어 열분해 시스템은 6번 등급의 연료 오일에 유사한 오일-기재 액체를 발생시킬 수 있다; 액체는 타이어 공급 원료의 유기 함유물로 부터 유도된 생성물의 대략 30% 내지 50%를 구성한다. 대부분의 고무 열분해 방법은 고온 및 반응 혼합물내에 수소의 부재로 인해, 폴리방향족 탄화수소(PAH)가 많은 액체를 생산한다; 이들 화합물은 대기로 배출시 유해하다.
촉매 또는 비-점착제로 점토를 사용하는 다수의 열분해 방법이 본 분야에서 설명되어 왔다. 예를들면, 미국 특허 1,680,908; 4,463,203; 4,300,009;4,948,495; 5,114,541; 5,354,930; 5,233,109; 5,114,541 참조. 이러한 방법들은 200 - 800℃(392 - 1492℉)의 범위의 고온을 사용하며, 부압/진공 조건를 사용하지는 않는다. 다른 특허들은 다른 것들 보다 어떤 생성물을 생산을 유리하게하기 위해 열분해 공정을 미세 조정하려고 시도해 왔다; 예를들면, 분해 생성물을 검출하고, 공정의 변수를 결정하기 위해, 분자 빔 질량 분광 기술을 사용하는 고무 타이어 조각과 같은 엘라스토머의 열분해를 개시하는 미국 특허 5,720,230 참조.
한편, 몇몇의 특허는 진공 조건의 사용을 개시하는 한편, 촉매의 사용을 결합한 진공의 사용을 개시하는 것은 없다. 예를들면, 온도가 약 350℉ 내지 650℉ 이고, 1/2 내지 1 in Hg의 약간의 진공 조건를 사용하는, 버려진 고무 타이어의 열분해 방법을 제공하는 미국 특허 5,720,230 ; 온도가 약 360 - 415 ℃ (680 - 779 ℉)이고, 대기압 이하의 압력 조건에서의, 진공 열분해에 의한 중고 고무 타이어의 처리를 개시하는 미국 특허 4,740,270 참조.
대부분의 선행 기술의 방법에서, 고무 타이어의 열분해로 부터 유도된 카본 블랙은 입자 크기, 순도등에 있어서, 산업 규격에 맞지 않는다. 상기 고무 타이어 및 탄화수소의 열분해 방법중 어느 것도 저온에서 수행되지 않으며, 반응 생성물로서 양질의 카본 블랙 및 폴리방향족 탄화수소가 적은 액체 오일을 생산하지 못한다.
발명의 개요
본 발명은 고무를 포함하는 탄화수소 재료를 진공 조건하에서 가열하고, 점토 및 금속 촉매를 사용하는 열분해 방법을 제공하여 상기 문제를 해결한다. 본발명의 방법으로 양질의 고체 반응생성물을 얻을 수 있다; 카본 블랙은 열 분해 공정 중에 만들어진다라기 보다는 고무 타이어로 부터 배출된다. 본 발명의 방법으로 생성된 액체 오일은 다른 방법과 비교해 볼때, 폴리방향족 탄화수소 및 부분적으로 열분해된 고무 및 탄화수소 재료의 양이 감소되었다. 부압 조건과 함께 촉매의 첨가는 다른 선행 기술 방법들에 비해 반응 진행 속도를 더 빠르게 한다. 또한 반응의 진행중에 오일 및 기체를 고무의 표면으로 끌어내어, 오일 및 기체를 시스템에서 쉽게 제거한다. 점토 촉매의 사용은 점토층내의 반응 부위를 제공하는데, 그 부위들은 고무 분자내의 탄소 및 황 분자와 전자를 공유할 수 있다. 이러한 전자의 공유로 인해 인접 탄소-탄소, 탄소-황, 및 황-황 결합을 긴장시키고, 그것들을 불안정하게 만들며, 에너지를 감소시키므로, 결과적으로, 열 크래킹을 촉진하기 위해 온도가 필요하다. 결합의 파괴는 것은 자유 라디칼 형성, 이온 형성, 또는 분극 또는 이들의 조합을 포함한다. 또한, 촉매는 결합에 입체적 긴장을 일으켜 결합을 더 쪼개지기 쉽게 만든다. 점토와 결합한 금속 분말의 사용은 반응을 더욱 향상시킨다.
또 다른 발명의 양태에서, 탄화수소 재료의 열분해는 진공 조건에서 적어도 제 1, 제 2, 및 제 3 단계로 일어난다. 반응의 발열 성질을 이용하여, 단지 필요한 양의 에너지만 시스템으로, 바람직하게는 제 1 및 제 2 단계에서, 투입된다. 반응이 진행함에 따라, 특히 반응의 중간단계에서 적은 양의 연료가 원하는 반응 온도를 유지하는데 필요하다. 그러므로, 연료 투입량은 시간 맞춰 순차적으로 적어도 세 단계를 제공하여 시간적으로 조절되거나, 또는 반응 챔버내의 공간에 따라조절된다.
연속적 열분해 공정 사용시, 연료 투입량 또는 온도는 반응 챔버내의 공간에 따라 변한다. 고무 또는 탄화수소 재료는 나선형 오거 또는 다른 유사한 장치를 이용하여 반응 챔버을 통과해 움직인다. 반응의 제 1 단계(활성화 단계)에 해당하는 반응 챔버의 입구 부분에서, 반응을 개시하고 및 활성화 에너지를 극복하기 위해, 더 많은 양의 열을 투입할 것을 요구하므로, 반응 챔버의 입구 부분을 가열한다. 고무 또는 탄화수소 재료가 챔버내 제 1 위치에서, 반응의 제 2 단계("분해 단계")에 해당하는 제 2의 중간위치로 이동하는데, 그때의 반응은 발열반응이며, 반응을 진행시키는데에 적은 양의 열(연료)를 투입할 것을 요구한다. 마지막으로, 고무 또는 탄화수소 재료를 반응의 제 3 단계("종결 단계")에 해당하는 제 3 위치로 이동하는데, 그때의 반응은 거의 종결되고, 느리며, 열분해 공정을 완결하기위해 연료 투입량이 증가한다.
그러므로, 고무, 타르 샌드, 석탄 또는 다른 탄화수소 재료의 저에너지 열분해 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
진공 조건 및 촉매를 사용하는 열분해 방법을 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
양질의 반응 생성물을 생산하는 저에너지 열분해 방법을 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
반응의 발열적 성질을 이용하기위해, 연료 투입량이 시간 또는 공간에 따라 변하는 저에너지 열분해 방법을 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
환경적으로 안전한 고무 타이어 및 다른 탄화수소 재료의 재활용 방법을 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
발명의 이러한 및 다른 목적은 다음 상세한 설명 및 첨부된 청구범위로 부터 쉽게 명확해질 것이다.
본 발명은 고무, 석탄, 타르 샌드등과 같은 탄화수소 재료의 저에너지 열분해 방법에 관계한다. 그 방법은 저에너지 투입 필요조건을 얻기 위해, 점토 촉매 및 부압을 사용하고, 개선된 고체 탄소질 재료, 오일 및 가연성 기체 생성물을 생산한다. 시스템의 설계는 발열 반응을 이용하고, 필요한 에너지를 최적화 시키도록 에너지 투입량을 프로파일한다.
발명은 다음의 무-제한의 도면으로 더욱 설명된다;
도 1은, 촉매로서, 점토 단독, 점토와 금속분말 및 기둥형 점토를 사용하는 반응의 온도 프로파일을 보여준다.
도 2는 액체, 고체 및 기체 반응 생성물을 끌어내기 위한 간단한 열분해 챔버 및 장치를 보여준다.
도 3은 액체, 고체 및 기체 반응 생성물을 끌어내기 위한 연속식 공급 열분해 챔버 및 장치를 보여준다.
도 4는 촉매가 있을 때와 없을 때의 반응의 활성화 에너지 및 반응 에너지를 보여준다.
본 발명은 탄화수소 재료를 제공하는 단계; 탄화수소 재료의 반응 챔버에 장입하는 단계; 반응 챔버에 점토 및 금속 분말 촉매를 첨가하는 단계; 반응 챔버를 가열하는 단계를 포함하는 탄화수소 재료의 저에너지 열분해 방법을 제공한다. 이 방법은 진공 조건 하에서 일어나며, 최소의 비-열분해 물질을 가지는 실질적으로 비-탄화 및 비-산화된 고체 잔류물, 실질적으로 비-산화 및 무-폴리방향족 액체 탄화수소 생성물 및 가연성 기체를 포함하는 반응 생성물을 생성한다.
본 발명의 촉매는 점토로만 된 촉매를 사용하는 것에 비해, 반응을 종결시키는데 필요한 열 투입량을 더욱 감소시키는 점토-금속 분말 화합물이다. 반응을 향상시키기 위해 알루미늄(Al) 및/또는 마그네슘(Mg) 금속 분말을 점토에 첨가한다. 본원에서 "분말"은 Mg은 약 325 메시 미만, 및 Al은 약 200 메시 미만의 입자 크기를 말한다. 두 금속은 단독으로 점토와 결합하여 사용할 수 있고, 바람직한 결합으로는 두 금속 모두를 사용하는 것이다. 전형적으로, 금속 분말은 약 [0.1 내지 2]:[0.1 내지 2]:[8]([Al]:[Mg]:[점토])의 비율로 첨가될 것이다. 바람직한 비율은 약 1:1:8 이다. 금속은 탄화수소 재료에 사용하기 전에 점토와 혼합한다. 세 가지 성분의 밀도가 비슷하기 때문에, 혼합물은 적재 및 저장중에 분리되지 않을 것이다. 또한, 점토에 의한 희석으로 위험 금속 분말의 인화 위험이 줄어든다. 비록 발명자들은 이에 한정되기를 원하지 않지만, 금속 분말은 시스템내의 적은 양의 산소를 없애고, 열을 발생시켜 반응을 향상 시키므로, 금속 분말의 추가로 반응을 향상시킨다고 생각된다. 또한, 금속은 물-기체 및 다른 반응을 촉매하여, 유리 수소를 발생시킬수 있는데, 그것은 크래킹반응을 종결시키데 이용될 것이다. 금속 분말 첨가시, 공정에서 반응에 의해 열이 미리 발생되고, 장기간 지속되므로, 적은 열 투입이 요구된다. 반응은 요구되는 열의 양이 적은 최종 단계를 향해 진전된다. 최대 온도 및 압력이 금속이 없는 촉매와 유사하기 때문에, 이 촉매-금속 혼합물에 의해 생성물이 타협되지 않는다.
도 1은 촉매로서 기둥형 점토, 금속 및 점토(벤토나이트), 그리고 점토를 사용하는 회분식 반응 시스템에서의 온도 프로파일을 보여준다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 탄화수소 재료의 반응 온도는 촉매를 사용하지 않거나 점토만을 사용할때와 비교시, 촉매로서 기둥형 점토, 또는 금속 및 점토를 사용할 때 증가한다. 상기 에너지 최적화는 회분식 및 연속식 반응기 구조 모두에 적용될 수 있다.
본원에서 사용되는, 용어 "점토"는 층상 구조에 수화된 알루미늄 실리케이트를 포함하고, 스멕타이트로 알려진 물질의 일반 부류에 속하는 천연 발생 물질을 말한다. 벤토나이트와 같은 스멕타이트 광석 및 몬트모릴로나이트 및 베이델라이트와 같은 특수한 점토 광물이 본 발명의 범주에 포함된다. 또한, 찌끼(cat litter) 또는 오일 유출 흡수제와 같이 이들 점토를 함유하는 시판되는 제품도 포함된다. 수소(H-형), 나트륨(Na-형), 다양한 금속(예.Al-형) 및 유기 양이온을 포함하는 다양한 반대 이온과 결합된 이들 점토도 본 발명의 범주에 속하는 것으로 고려된다.
또한 벤토나이트는 층간에 금속 수산화물을 도입 "기둥" 하여 변형될 수 있다. 점토를 기둥모양화하는 것은 분자들을 점토 층내에 가두고, 층들이 열려 있도록 지지하여, 점토를 더 높은 온도에서 안전하게 하고, 큰 분자들과의 상호작용을 하도록 하는 공정이다. 기둥모양 점토는 더 넓은 온도 범위에서도 안정하므로, 더욱 효과적인 촉매이다. 용어 "점토"는 상기 물질중의 어느 하나를 말하며, 특히 제시되지는 않았지만, 당업자들에게 이미 알려진 것들을 포함한다.
전형적으로, 점토 및 금속 분말 촉매는 고무 또는 탄화수소 재료의 총 중량에 기초하여, 약 0.01 내지 3.0 중량%의 양으로 첨가될 것이다. 바람직하게는, 촉매는 약 0.2 내지 1.0 중량%의 양으로 첨가된다.
본원에서 사용되는, 용어 "부압 상태" 또는 "진공 조건"는 압력이 대기 이하인 진공을 사용하는 것을 말한다. 바람직한 진공 환경은 약 2 내지 16 in Hg; 가장 바람직하게는 약 5 내지 10 in Hg 이다.
본 발명의 방법으로 생성된, 거의 모두 열분해된 고무를 함유하는 비-탄화 탄소성 잔류물은 선행 기술 방법으로 생성된 것과 구별가능하다. 예를들면, 본 방법으로 생성된 카본 블랙은 선행 기술의 생성물의 오염물질의 현저한 수준과 비교해 볼때, 검출가능한 PAH를 갖지 않고, 비-열분해 고무는 약 15-20%미만 이며, 그리고 비-산화된 유기 오염물질이다. 시판되는 규격 블랙, IRB6를 후리에 변환 적외선 분광기(FTIR)로 분석하여 그러한 생성물에서 0.1%이상의 PAH가 있음을 확인하였다. 현재의 공정에서, 촉매없이 작동시 70%이상의 열분해되지 않은 생성물을 생산하며, 양압에서 작동시 현저한 양의 테레프탈산과 같은 산화된 유기 오염물질을 발생시킨다. 본원에 사용된, 용어 "최소 비-열분해 고무"는 약 20 % 미만의 비-열분해 탄화수소 재료를 가지는 고체 잔류물을 말할 것이다.
또한 본 발명의 방법으로 생성된 액체 오일도 선행 기술의 방법으로 생성된 오일에 비해 개선된 성질을 보여준다. 본 방법으로 생성된 오일은 폴리방향족 탄화수소 및 산화된 유기 오염물의 양이 감소되었다. 또한 중량도 다른 선행 기술의 공정으로 발생된 오일에 비해 가볍다.
한가지 구체예에서, 회분식 모드에서 작동시, 제 1 또는 활성화 단계에서 반응 온도는 약 140℉ 내지 850℉이며, 바람직하게는 155℉ 이하에서 개시하며, 약550℉에서 꼭대기 점을 이룬다. 반응 온도는 측정 장치를 고무 또는 탄화수소 재료 자체에 넣어 감독한다; 오일 응축이 시작될때까지, 활성화 전 단계를 통해 일정한 에너지를 추가하고, (오일 응축이 시작되면) 가열을 감소시키거나 중단한다. 반응의 다음(제 2)단계 중에는, 반응의 성질이 발열이므로, 연료 투입량은 아주 적거나 넣지 않는다. 그리고 반응 온도는 연료 투입 없이 550℉ 에서 850℉ 또는 이상으로 증가한다. 분해 단계의 반응이 거의 끝날 무렵, 반응은 느려지고 온도가 감소하기 시작하며, 그 시간동안에는 열분해 공정을 종결짓기 위해 연료 증가가 필요하다. 가장 높은 반응온도 지점 이후 및 감소하기 시작할때 다시 가열하고, 온도가 평준화되어 반응종결을 알 수 있을 때까지 계속 가열 한다. 이 배치에서 촉매를 사용하여 촉매가 없는 것보다 연료를 25%적게 사용하였다. 자동 피드백 시스템 또는 연속식 나선형 반응기의 경우에, 자동적으로 연료 투입양을 조절하기 위해, 반응 온도에 기초하여 발열 지역으로 부터 열을 전달하는 시스템을 개발할 수 있다.
도 2는 본 발명의 방법에 따르는, 액체, 기체 및 고체 반응 생성물이 열분해 과정중에 제거되는 열분해 반응 챔버 및 회분식 장치의 구체예를 보여준다. 고무 타이어(1) 및 촉매(3)을 반응 챔버(5)에 넣고, 열을 가하고, 온도 게이지(7)로 측정되는데, 반응의 열을 감독한다. 진공 펌프(9)는 진공 게이지(11)로 측정되며, 전체 시스템을 통해 부압을 유지한다. 오일 트랩(13)은 기체는 배기(15)시키는 한편, 반응에 의해 생성된 오일을 수집한다. 콘덴서 코일(17)은 오일을 응축시키고, 흐름 조절 밸브(19)는 반응기 환경 및 진공 수준을 조절한다. 고체 생성물이 반응챔버(5)에 남게되는데, 반응 종결 후 수집될 수 있다.
또 다른 구체예에서, 연속식 열분해 공정에서, 온도/연료 투입량은 반응 챔버내의 공간에 따라 변할 수 있다. 제 1로, 상온에서, 탄화수소 재료가 공급물 저장소로 부터 반응기내의 최초 온도 지역으로 이동하는데, 반응의 활성화 에너지를 극복하는데 필요한 열 투입량을 조절한다. 반응의 제 1 단계에 해당되는 반응 챔버의 입구 부분에서는 반응을 개시하기 위해 더 많은 열 투입이 요구되므로, 반응 챔버의 입구 부분이 가열되며, 따라서 열 투입은 반응온도가 약 450-850℉, 바람직하게는 약 500-600℉, 가장 바람직하게는 약 550℉에 도달할 때까지, 오일의 생성 시작으로 지시되는 열분해 반응의 개시에 충분한 시간동안 증가한다. 고무 또는 탄화수소 재료는 나선형 오거 또는 다른 유사 장치에 의해 반응 챔버을 통해 움직이며, 챔버내 제 1 위치에서, 반응의 제 2 단계에 해당되는 제 2의 중간 위치로 움직이는데, 이때, 반응 온도를 약 450-850℉, 더욱 바람직하게는 약 500-600℉, 가장 바람직하게는 약 550℉로 유기하기위해, 적은 양의 연료가 필요하며, 열 발생으로 지시되는, 열분해 반응을 계속시키는데 충분한 기간동안 반응을 계속 진행시킨다. 마지막으로, 고무 또는 탄화수소 재료는 반응의 제 3 단계에 상응하는 제 3 위치로 이동하고, 열 투입량은 반응 온도를 반응 온도를 약 450-850℉, 더욱 바람직하게는 약 500-600℉, 가장 바람직하게는 약 550℉로 유기하기위해, 온도의 평준화로 지시되는, 열분해 반응의 종결에 충분한 시간동안 유지된다. 반응온도는 오거의 중앙에서 측정하고, 연료 투입량을 조절하여 원하는 반응 온도를 유지하고, 반응의 발열적 성질을 이용한다.
공급기 및 회수 시스템은 기체를 조절된 저온 반응기 챔버에서 제거하고, 그것은 진공에서 계속 작동되도록 한다. 상기한 대로, 반응 온도에 기초하여 연료 투입량을 자동으로 조절하기 위해, 전기적 피드백 시스템을 개발할 수 있다.
연속식 공급 시스템의 예가 도 3에 보여진다. 조각 조각난 고무(30) 또는 다른 탄화수소 재료 및 촉매(35)를 입구 저장소 또는 공급 호퍼(40)로 컨베이어 벨트(45) 또는 다른 유사 장치를 이용하여 움직인다. 길게 늘려진 반응 챔버(50)의 양쪽 끝에서 가스 버너(55 및 60)로 가열한다. 탄화수소 재료는 활성화 지역(65)에서 가열되고, 나선형 오거(70)을 이용하여 발열 반응이 일어나는 분해 지역(73)으로 움직인다. 반응이 느려질 때, 탄화수소 재료는 종결 지역(75)로 오거를 이용하여 움직이고, 그 후, 고체 잔류물은 출구 저장소(80)안으로 움직이고, 고체 물질 회수 시스템(85)으로 움직여서, 최초에 존재하였다면, 카본 블랙 및 강을 얻는다. 증기(90)는 계속 빼내고, 열 교환기 또는 오일 콘덴서(100)에 의해 오일(95)로 응축되거나 반응중에 연료로 연소된다. 진공 펌프(105)는 증기를 빼내고 반응의 경과중을 진공으로 유지한다.
이 반응의 활성화를 위한 에너지 요구량 및 이 반응의 에너지 생성물의 운동을 알면(도 4에 보이는 대로), 그것들이 반응기를 통과해 움직일때 반응 물질에 첨가되는 에너지를 조절하는 크기가 다양한 반응기를 설계할 수 있다. 또한 생산된 기체는 제어하기 쉬운 수준의 오염물질을 함유하므로, 필요시, 수집되어 시스템으로 다시 첨가된다. 이 설계도는 반응의 열역학을 이용하며, 경제적이다.
다음 실시예는 발명을 예시하기 위함이며, 어떠한 방식으로든 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.
2 파운드의 고무 타이어를 21 쿼트 용량의 회분식 열분해 챔버에 장착하였고, 질량 비율 1:1:8의 알루미늄, 마그네슘 및 벤토나이트 10 그램 혼합 금속 촉매를 고무에 분산시켰다. 반응기를 16 l/분의 비율로 연소되는 LPG 연료로 오일 응축물이 생성되고, 반응 온도가 제 1 단계에서 챔버내 고무 조각에 있는 열전쌍에 의해 결정될때 550℉에 도달할 때까지 가열하였다. 이때 LPG 흐름은 중단시킨다. 온도는 발열반응에 의해 발생되는 열을 통해 제 2 단계에서 온도가 750℉에 도달할 때까지 계속 오른다. 공정중에, 가연성 기체 생성물을 약 20분 동안 활활 타는 점화용 불씨로 인화가능 수준이 되도록 관찰한다. 생성된 카본 블랙은 고체 생성물 74%이상으로 구성된다. 오일 생성물은 6급 연료 오일에 맞먹었다. 그러한 실험 테스트의 80%가 유사한 결과를 수행하였다. 촉매 없이 나란히 수행된 대조 테스트에서 기체 또는 오일은 거의 없거나 없었으며 고체 생성물은 20% 미만의 카본 블랙으로 구성되어 있었다.
한편, 본 발명의 특별한 구체예를 예시의 목적으로 상기하였으며, 첨부된 청구범위에 한정된대로 발명에서 벗어남 없이 본 발명의 자세한 사항의 수많은 변화가 만들어질 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

Claims (32)

  1. 탄화수소 재료를 제공하는 단계,
    상기 탄화수소 재료를 반응 챔버에 장입하는 단계,
    상기 반응 챔버에 점토 및 금속 분말 촉매를 첨가하는 단계, 및
    실질적으로 완전히 열분해시키기 위해 충분한 시간동안 반응 챔버를 가열하는 단계,
    를 포함하며, 상기 방법은 진공을 유지할때 일어나고, 최소의 비-열분해 물질을 가지는 실질적으로 비-탄화 및 비-산화된 고체 잔류물, 실질적으로 비-산화 및 무-폴리방향족 액체 탄화수소 생성물 및 가연성 기체를 포함하는 반응 생성물을 생성하는 탄화수소 재료의 저에너지 열분해 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 점토는 몬트모릴로나이트, 벤토나이트, 베이딜라이트 및 그들의 조합으로 구성되는 군으로 부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 점토는 기둥형 점토인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 점토는 천연 광석인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 점토는 시판 점토함유 제품인 것을 특징으로 하는방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 시판 점토 함유 제품은 찌끼(cat litter) 및 오일 유출 흡수제 및 그들의 조합으로 구성되는 군으로 부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 점토 및 금속 분말 촉매는 상기 탄화수소 재료의 총 중량에 기초하여, 약 0.01 중량% 내지 3.0 중량%의 양으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 금속 분말은 [Al][Mg][점토]가 약 [0.1 내지 2]:[0.1 내지 2]:[8]의 비율로 점토에 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 분말은 [Al][Mg][점토]가 약 [0.5 내지 1]:[0.5 내지 1]:[8]의 비율로 첨가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 분말은 알루미늄 및 마그네슘 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 분말은 알루미늄 또는 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 분말은 200 메시 크기 미만의 Al 입자 및 325 메시 크기 미만의 Mg 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 반응 챔버의 상기 가열로 상기 탄화수소 재료의 반응 온도가 약 150 내지 850℉로 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 탄화수소 재료의 반응 온도는 열분해를 완결시키기에 충분한 시간동안 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 가열은 적어도 제 1, 제 2, 제 3 단계로 일어나고, 반응의 발열적 성질을 이용하여 연료 투입량을 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1 단계에서 상기 가열은 반응 온도를 약 450 내지 850℉로, 열분해를 개시하기에 충분한 시간동안 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 제 2 단계에서 상기 가열은 반응 온도를 약 450 내지 850℉로, 열분해를 계속시키기에 충분한 시간동안 유지되는 것을 특징으로 하는방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 제 3 단계에서 상기 가열은 반응 온도를 약 450 내지 850℉로, 열분해를 완결시키기에 충분한 시간동안 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 단계는 시간의 흐름에 따라 연속적으로 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 탄화수소 재료가 상기 반응 챔버를 통과해 이동함에 따라, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 단계는 공간에 걸쳐 순차적으로 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 진공은 약 2 in Hg 내지 16 in Hg의 압력에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 15 항에 있어서, 상기 진공은 약 2 in Hg 내지 16 in Hg의 압력에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 진공은 약 5 in Hg 내지 10 in Hg의 압력에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 15 항에 있어서, 상기 진공은 약 5 in Hg 내지 10 in Hg의 압력에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화수소 재료는 중고 고무인 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화수소 재료는 타르 샌드인 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화수소 재료는 석탄인 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 고무 생성물 및 촉매를 저온 반응기의 입구로 전달하기 위한 공급시스템;
    활성화, 분해 및 완결 지역이 있는 하나 이상의 긴 반응기 챔버(상기 하나 이상의 반응기 챔버는 각각 재료를 상기 반응기를 통해 입구로 부터 전달하고, 고체 생성물을 상기 반응기로 부터 출구로 전달하기 위한 나선형 오거를 가짐);
    투입, 반응 개시, 생성물 분해, 반응 완결 및 증기 및 고체 물질의 추출을 위해 반응기 챔버의 각각의 끝에 위치해 있는 입구 및 출구 저장소;및
    고체 물질 회수 시스템
    을 포함하는, 재사용 또는 환경적으로 안전한 처분을 위해 유기 및 무기 물질을 포함하는 버려진 차량용 타이어 및 다른 고무 기재 물질의 구성성분의 재생 및 회수를 위한 장치.
  29. 제 41 항에 있어서, 상기 하나 이상의 반응기 챔버의 분해 지역으로 부터 증기를 회수하기 위한 증기 회수 시스템을 더 포함하며, 상기 증기 회수 시스템은,
    상기 하나 이상의 반응기 챔버로 부터의 증기를 응축시키기 위한 열교환기;
    상기 열 교환기에서 응축된 액체를 분리하기 위한 액체/기체 분리기;및
    상기 하나 이상의 저온 반응기 챔버를 진공으로 유지하면서, 증기를 상기 하나 이상의 저온 반응기 챔버의 분해 챔버로 부터 상기 열교환기 및 상기 액체/기체 분리기를 통과하여 제거하기 위한 진공 펌프;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  30. 제 41 항에 있어서, 공급 시스템은 나선형 오거인 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 제 41 항에 있어서, 출구 컨베이어는 나선형 오거인 것을 특징으로 하는 장치.
  32. 타이어 조각을 원료 공급원으로 부터 컨베이어에 의해 공급 저장소로 전달하는 단계; 및
    타이어 조각을 공급 저장소로 부터 나선형 오거에 의해 저온 반응 챔버의 입구로 전달하는 단계;
    를 포함하는, 재사용 또는 환경적으로 안전한 처분을 위해 잘게 잘린 버려진 차량용 타이어 및 다른 고무 제품의 구성성분의 재생 및 회수를 위한 방법.
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