KR20030018812A - 농업용 폐비닐을 이용한 고형연료 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 농업용 폐비닐을 용융조립기 또는 슈퍼믹서를 이용하여 건식 토양제거한 후 이를 이용하여 제철용 고형연료를 제조하는 방법을 제공한다.

이 제조 방법은 종래 폐기처리되던 농업용 폐비닐을 유용한 연료로 재활용할 수 있는 방법을 제공한다.

Description

농업용 폐비닐을 이용한 고형연료 제조방법{Method of producing fuel using agricultural wasted plastics}

[산업상 이용 분야]

본 발명은 농업용 폐비닐을 이용한 고형연료의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래 폐기처분되던 폐비닐을 이용한 제철용 고형연료의 제조방법에 관한 것이다.

[종래 기술]

농업용 폐비닐은 국내에서 연간 10만톤 가량 발생하고 있으나, 경제적인 이유로 인하여 대부분 수거되지 않고 경작지에 방치됨으로서 토양오염 등 농촌환경오염의 주원인이 되고 있다.

이러한 농업용 폐비닐의 일부는 폐비닐처리시설을 이용하여 재생용 원료로 재활용하고 있는 데, 농업용 폐비닐의 발생되는 과정에서 80%이상이 다량의 토양과 수분, 기타 이물질을 함유한 상태로 수거되기 때문에 재생용 원료로 가공하기 위해서는 이들 토양성분을 다단계의 물 세정과정을 통하여 전처리하는 습식공정을 운영하고 있다.

이렇게 습식공정을 적용하게 되면 설비비와 운영비가 높아지고 폐수처리 부하가 가중되는 문제점을 안고 있다.

한편, 최근에는 폐플라스틱을 제철용 연료인 석탄을 대체하여 사용하는 기술이 국외에서 실용화되고 있다. 이때 사용되는 폐플라스틱과 같이 농업용 폐비닐을 사용하는 것을 생각해 볼 수도 있겠으나, 앞서 지적한 바와 같이 농업용 폐비닐은 다량의 토양이 함유되어 있기 때문에 연료로서의 가치가 매우 떨어진다는 점이며, 이를 해결하기 위해 습식세정을 사용하면 앞서와 같이 처리비용이 지나치게 높아지는 경제적인 문제점을 안고 있다.

따라서 농업용 폐비닐의 경우, 습식세정 대신에 건식 전처리를 이용하여 상당한 양의 토양을 제거할 수 있지만, 이 건식공정의 경우에도 토양함량이 30%이상으로 매우 높게 함유되어 있기 때문에 이를 직접 앞서 언급한 제철용 연료로 사용하기에는 적합하지 않다.

보통 제철용 연료로 사용하기 위해서는 토양과 같은 무기물의 함량이 10%미만인 것이 요구되는 데, 농업용 폐비닐의 건식처리 후 부착되어 있는 토양은 폐비닐에 매우 치밀하게 부착되어 있기 때문에 그 제거가 용이하지 않은 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 농업용 폐비닐을 건식처리방식에 의해 토양을 포함하는 무기물의 함량을 10%이하로 감소시키는 방법을 제공하며, 나아가 이를 원료로 하는 제철용 고형연료 제조방법을 제공함에 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 농업용 폐비닐을 이용한 고형연료 제조방법은, 토양을 다량 함유한 농업용 폐비닐을 절단파쇄한 후 이를 폐플라스틱의 용융조립기 또는 슈퍼믹서에 장입하여 일정시간 토양을 탈리한 후 이를 스크린에 통과시켜 폐비닐과 토양을 분리한 다음 토양이 제거된 폐비닐을 용융조립기에 재장입하여 제철 용광로용 펠렛 연료를 제조하거나, 기 공지된 방법(대한민국 특허출원:2000-0049296)에 의해 제철 코렉스로용 브리켓연료를 제조하는 방법을 제공한다.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

먼저, 수거된 농업용 폐비닐을 50 ~ 100cm 정도의 크기로 절단하여 이를 당업계에서 공지된 용융조립기 또는 슈퍼믹서내에 일정량 장입하여 토양분리를 실시한다.

여기서 사용하는 용융조립기(agglomerator)는 원래 폐비닐로부터 펠렛형상의 폐플라스틱을 제조하는 데 사용하는 장치로서, 본 발명에서는 이 장치의 특성을 이용하여 폐비닐에 부착된 토양을 분리하는 데 이용한다.

이러한 용융조립기의 원리를 설명하면, 용융조립기의 내부하면에 회전 칼날(blade)이 부착되어 있는데, 폐비닐을 장입하고 회전 칼날을 고속회전시키면 폐비닐과 내부 벽면 간의 마찰에 의해 다량의 열이 발생하며 고속으로 회전되는 회전칼날에 의해 폐비닐의 절단이 이루어진다. 일정시간이 경과하면 축적된 열에 의해 절단된 폐비닐이 연화되고 일부 용융되어 뭉치기 시작하는 데, 이때 냉각수를 살포하여 급냉시키면 이 반용융 폐비닐은 미세한 크기의 펠렛 형태로 입상화된다. 이 폐비닐 펠렛은 제철용 용광로에 석탄대용으로 활용할 수 있다.

본 발명에서는 농업용 폐비닐의 토양을 제거하기 위해 상기 용융조립기의 마찰과 절단기능을 이용한다. 먼저 토양을 함유한 폐비닐을 50 ~ 100cm 정도로 절단하여 일정량을 상기 용융조립기에 장입한다.

그리고 회전 칼날을 고속 회전시키면 폐비닐이 작은 크기로 절단되면서 벽면 및 칼날과 강력하게 마찰되는 데, 이때 치밀하게 부착된 토양성분이 폐비닐로부터 분리되게 된다. 이 과정에서 중요한 것은 회전시간을 적절하게 조절하여 폐비닐의 용융이 발생되지 않도록 하는 것이다. 이는 장시간의 회전에 의해 발생하는 마찰열에 의해 폐비닐이 용융되면, 분리된 토양이 폐비닐에 재혼합되기 때문이다. 따라서 용융은 발생하지 않으면서 토양만 분리되는 회전시간을 설정하는 것이 중요하다.

시험적 경험에 의하면, 보통의 용융조립조건인 회전속도 1500 ~ 2000rpm에서 3 ~ 10분 정도가 적합한데, 이 시간동안 마찰열에 의한 온도는 50℃ 이하이기 때문에 농업용 폐비닐의 용융은 전혀 발생하지 않으며, 부착토양 대부분이 분리되기에 충분한 시간이기 때문이다.

상기와 같은 방법에 의해 토양성분을 폐비닐로부터 탈리한 후 폐비닐과 탈리토양 혼합물을 배출시켜 진동스크린에 장입하여 폐비닐과 토양성분을 분리한다. 탈리된 토양은 매우 미세하게 존재하며 폐비닐은 5 ~ 50cm 정도의 크기로 절단된 상태이기 때문에 스크린 크기는 대략 2 ~ 5mm 를 사용하면 적합하다. 진동스크린은토양의 비산을 고려해서 밀폐형으로 설계하는 것이 필요하다.

상기와 같은 방법에 의해 토양을 분리한 폐비닐은 사용용도에 따라 펠렛화 또는 브리켓트화를 실시하여 제철용 연료제조의 원료물질로 활용한다. 제철용 고로에 사용하기 위해서는 크기가 10mm 이하의 펠렛화가 필요하며, 제철용 코렉스로에 사용하기 위해서는 10 ~ 60mm 크기의 브리켓트화가 필요하다.

펠렛 제조는 상기 언급한 용융조립기 또는 슈퍼믹서를 이용하는 데, 우선 토양이 제거된 농촌폐비닐을 용융조립기에 장입한 후 회전속도 1500 ~ 2000rpm 으로 고속회전시켜 온도를 상승시키면서 절단한다.

이때, 용융조립기 내부의 온도를 측정하면서 목표온도에 도달시 용융조립기 내부에 삽입된 노즐을 통하여 물을 분사하여 급냉을 시킨다. 농업용 폐비닐의 경우 폐비닐의 온도가 100 ~ 110℃에서 반용융 상태가 되기 때문에 이 온도범위에 도달시 살수하는 것이 적당하다. 살수에 의해 폐비닐은 10mm이하의 펠렛형태로 조립되는 데, 이를 배출시켜 10mm 크기의 진동스크린을 통과시켜 최종 고로용 연료로 사용하게 된다.

브리켓트 제조는 가열 압출 방법 또는 가열 롤러 프레스(roller press) 방법을 사용할 수 있다. 이 두 방법을 자세히 설명하면, 먼저 가열 압출 방법은 토양이 제거된 농업용 폐비닐을 5cm 크기로 절단한 후 이를 가열장치가 부착된 단일 스크류 또는 이중 스크류 압출기에 투입한다. 일정 온도, 즉 폐플라스틱이 연화 또는 용융되는 온도까지 가열하고, 압출기 말단에 장착된 노즐을 통과시켜 적정 크기의 브리케트로 성형하는 방법이다. 이때 적정 가열 온도는 100∼150℃이며, 크기는상기 압출 노즐을 사용하여 10∼60㎜, 보다 효과적으로는 30∼50㎜이 되도록 조절한다.

가열 롤러 프레스 방법은 상기 가열 압출 방법에서와 동일한 스크류를 사용하여 가열한 후, 압출 노즐을 통하지 않고 배출시켜 롤러 프레스(roller press)에 공급하여 성형하는 방법이다. 상기 가열 압출 방법과 다른 것은 롤러 프레스에 직접 공급하여 적정 압력을 가하여 성형시키는 방법인데, 이 방법에 의하면 성형 속도를 보다 빨리 할 수 있다는 장점이 있다. 본 롤러 프레스에서의 크기는 롤 표면에 형성되어 있는 포켓의 크기에 따라 조절할 수 있는데, 본 발명에서는 10 ∼ 60㎜, 보다 효과적으로는 30 ∼ 50㎜ 크기의 브리켓 형상이 적합하다.

한편, 코렉스로용 브리케트 성형시 기출원특허(2000-0049296)와 같이 농업용 폐비닐과 분말코크스의 혼합물을 사용할 수 있는 데, 이 경우 분말코크스를 0 내지 85중량%와 폐비닐을 15 내지 100중량% 혼합한다. 여기서 폐비닐의 사용량은 최소 15중량% 이상이어야 하며, 15중량% 미만인 경우에는 폐비닐에 의해 제공되는 바인더 역할이 불충분하여 분말 코크스의 성형이 어렵기 때문이다.

이하 실시예를 통하여 본 발명의 효과를 보다 상세하게 설명한다.

(실시예1)

토양을 85중량% 함유한 농업용 폐비닐을 가로, 세로 각각 50cm로 절단하여 용융조립기에 5kg 장입하였다. 장입후 칼날 회전속도 1500rpm에서 일정시간 토양 탈리를 행한 후, 이를 배출하여 크기 5mm의 진동스크린으로 2분간 토양을 분리하였다. 토양제거효과를 평가하기 위해 토양을 분리제거한 후 얻어지는 폐비닐의 토양함량을 회분분석기를 이용해 측정하였다.

표1은 경과시간별 폐비닐의 토양함량분석결과를 요약한 것이다.

경과시간(분)	폐비닐의 토양함량(중량%)	토양제거율(%)
0	85	0.0
2	20	95.5
3	10	98.0
5	8	98.5
10	7	98.7
20	7	98.7

상기 결과로부터 본 발명에서 제공하는 용융조립기를 이용한 폐비닐의 토양제거방법이 매우 효과적임을 알 수있다. 3분이상 경과시 폐비닐의 잔류토양함량은 10% 이내로 감소하는 데, 이는 폐비닐에 부착된 토양이 매우 치밀하다는 것을 고려할 때, 본 발명에서 제공하는 방법이 매우 효과적임을 알 수 있다. 한편, 10%이내의 토양을 함유한 폐비닐은 10,000kcal/kg 이상의 발열량을 갖고 있기 때문에 연료로서의 가치가 매우 높다.

(실시예2)

상기 실시예1로부터 제조된 토양이 제거된 농업용 폐비닐을 이용하여 펠렛제조를 실시하였다. 펠렛제조는 용융조립기를 이용하였으며, 용융조립에 의해 제조된 펠렛은 10mm 크기의 진동스크린에 의해 분급을 하였다.

이와 같이 제조된 폐비닐 펠렛의 발열량은 10,000kcal/kg 이상으로서 보통 제철소 고로에서 사용하는 석탄의 발열량보다 훨씬 높은 연료 가치가 있다. 따라서본 발명에 의해 제조되는 폐비닐 펠렛은 제철소 고로에 석탄 대용으로 활용이 가능하다.

한편, 펠렛의 크기를 10mm이하로 한정하는 이유는 고로에 상기 펠렛을 취입할 때의 수송성 및 고로내에서 요구되는 완전연소 및 열분해가 고속으로 발생하도록 하는 것이다.

(실시예3)

상기 실시예1로부터 제조된 토양이 제거된 농업용 폐비닐을 이용하여 브리켓트제조를 실시하였다. 브리켓트제조는 가열 압출기 및 트윈 롤프레스를 이용하였으며, 브리켓트의 크기는 10 ~ 60mm로 조절하였다.

이와 같이 제조된 브리켓트의 발열량은 10,000kcal/kg 이상으로서 보통 제철소 코렉스로에서 사용하는 석탄보다 훨씬 높은 연료 가치가 있다. 따라서 본 발명에 의해 제조되는 폐비닐 브리켓트는 제철소 코렉스로에 석탄 대용으로 활용이 가능하다.

코렉스로에서 기존 사용하는 석탄의 크기가 10 ~ 60mm인 것을 감안하여 본 발명에서는 브리켓트의 크기를 마찬가지로 10 ~ 60mm로 한정한다. 만약 60mm보다 클 경우 로까지 수송하고 저장하는 과정에서 막힘을 유발할 수 있기 때문이다.

한편, 상기 브리켓트 제조시 폐비닐에 중량비로 0 ~ 85% 까지 분코크스를 혼합하여도 코렉스로에 고형연료로 활용할 수있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 고형연료 제조방법에 의하면, 3분이라는 짧은 시간에 폐비닐에서 잔류토양함량을 10% 이내로 줄일 수 있게 되고, 10%이내의 토양성분이 함유된 폐비닐의 발열량이 10,000kcal/kg 이상이 되어 연료로서 충분한 가치를 가질 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 토양성분이 함유된 폐비닐을 절단 파쇄하는 단계,

   상기 절단 파쇄된 폐비닐을 분리수단을 이용하여 분리하는 단계, 및

   상기 분리된 폐비닐을 제철용 로에 사용하기 위한 연소용 고형연료로 성형하는 단계

   를 포함하는 농업용 폐비닐을 이용한 고형연료 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 절단 파쇄된 폐비닐의 크기는 50 내지 100cm 인 것을 특징으로 하는 농업용 폐비닐을 이용한 고형연료 제조방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 분리하는 단계에서, 분리수단에 장입된 폐비닐을 절단하는 회전 칼날의 회전속도는 1500 내지 2000rpm으로 회전하면서 3 내지 10분 동안 분리되는 것을 특징으로 하는 농업용 폐비닐을 이용한 고형연료 제조방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 분리하는 단계에서, 토양성분을 폐비닐로부터 탈리하고 폐비닐과 토양성분을 진동스크린을 통과하면서 분리하는 것을 특징으로 하는 농업용 폐비닐을 이용한 고형연료 제조방법.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 제철용 로 중에서, 고로에 사용되는 연료는 상기 분리수단에 재장입한 후 회전 칼날의 회전속도를 1500 내지 2000rpm으로 회전시키면서 온도를 상승시키면서 절단하고, 목표온도에 도달시 급냉시켜 1 내지 10mm 이하의 펠렛으로 생산하는 것을 특징으로 하는 농업용 폐비닐을 이용한 고형연료 제조방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제철용 로 중에서, 코렉스로에 사용되는 연료는 토양이 제거된 농업용 폐비닐을 절단한 후, 상기 절단된 폐비닐을 단일 스크류 또는 이중 스크류 압출기를 통과하면서 용융되는 온도까지 가열하고, 노즐을 통과시켜 브리케트로 성형하는 것을 특징으로 하는 농업용 폐비닐을 이용한 고형연료 제조방법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 가열된 폐비닐을 롤러 프레스에 통과시켜 브리케트로 성형하는 것을 특징으로 하는 농업용 폐비닐을 이용한 고형연료 제조방법.
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,

   상기 브리켓트의 크기는 10 내지 60mm 인 것을 특징으로 하는 농업용 폐비닐을 이용한 고형연료 제조방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 폐비닐과 분말코크스를 중량비로 15 내지 100% : 0 내지 85%로 혼합하여 브리켓트를 제조하는 것을 특징으로 하는 농업용 폐비닐을 이용한 고형연료 제조방법.