KR20030069618A - 폐비닐을 이용한 대체연료 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소각 및 매립에 의해 버려지고 있는 폐비닐에, 촉매제인 질산칼륨(KNO3), 질산스트론튬(Sr(NO3)2·4H2O) 및 요소(CO(NH2)2)를 주입하여 칩형태의 대체연료를 생산함으로써, 폐비닐의 폐기에 의해 발생되는 자원 낭비와 환경오염을 방지하고 부존 자원의 가치활용을 극대화함과 동시에, 대체연료의 연소효율 및 발열량을 증가시킬 뿐만 아니라 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx)계 오염물질 및 다이옥신(dioxin)계 오염물질의 배출을 저감시켜 대기오염을 방지할 수 있도록 한 것으로, 상기 폐비닐을 절단 및 파쇄하는 절단 및 파쇄단계(S1)와: 절단 및 파쇄한 폐비닐을 세척하는 세척단계(S2)와: 세척된 폐비닐을 열풍건조기를 이용하여 건조하는 건조단계(S3)와: 건조된 폐비닐을 160∼240℃의 온도범위에서 용융시키는 용융단계(S4)와: 용융된 폐비닐 94∼97 중량%에, 촉매제로서 질산칼륨(KNO3) 1∼2 중량%, 질산스트론튬(Sr(NO3)2·4H2O) 1∼2 중량% 및 요소(CO(NH2)2) 1∼2 중량%를 주입하는 촉매제 주입단계(S5)와: 촉매제가 주입된 혼합물을 냉각시켜 섬유사 형태로 응고시키는 응고단계(S6)와: 응고된 혼합물을 2∼3mm 정도 크기의 칩형태로 절단하는 절단단계(S7)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐비닐을 이용한 대체연료 및 그 제조방법이다.

Description

폐비닐을 이용한 대체연료 및 그 제조방법{The substitute fuel recycled vinyl and manufacturing method of the same}
본 발명은 폐비닐을 이용한 대체연료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소각 및 매립에 의해 버려지고 있는 폐비닐에, 촉매제로서 질산칼륨(KNO3), 질산스트론튬(Sr(NO3)2·4H2O) 및 요소(CO(NH2)2)를 주입하여 칩형태의 대체연료를 생산함으로써, 폐비닐의 폐기에 의해 발생되는 자원 낭비와 환경오염을 방지하고 부존 자원의 가치활용을 극대화함과 동시에, 대체연료의 연소효율 및 발열량을 증가시킬 뿐만 아니라 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx)계 오염물질 및 다이옥신(dioxin)계 오염물질의 배출을 저감시켜 대기오염을 방지할 수 있도록 한 것이다.
오늘날에 있어서, 자원은 한정되어 있으나 인구의 증가와 소비성향의 가속화 등으로 인하여 에너지 자원은 점차적으로 고갈되어 가고 있고, 또한 다양한 생산활동과 소비활동을 통해 발생되는 다량의 쓰레기는 심각한 환경오염을 유발하고 있는 실정이다.
특히, 흔히 사용되고 있는 폴리에틸렌(polyethylene: PE), 폴리프로필렌(polypropylene: PP) 등을 원료로 하는 비닐제품은 그 재활용도가 떨어져 대부분 쓰레기로 폐기되어지고 있고, 폐기된 비닐제품은 자연상태로 분해되기까지 많은 시간이 소요되어 이에 대한 대책이 요구되고 있으며, 아울러 한정된 자원인 석유에너지를 대체할 수 있는 새로운 에너지의 개발이 요구되고 있다.
상기와 같은 환경오염과 에너지 고갈의 문제점을 해결하기 위해 폐비닐을 액화하여 크래킹(cracking)함으로써 대체연료로 재활용하는 방법이 제안되었으며, 그 원리를 살펴보면 하기와 같다.
비닐제품은 석유 중 분자량이 큰 고분자를 원료로하여 제조되며, 자원으로 사용되고 있는 휘발유, 디젤, 액화가스 등은 석유 중 분자량이 비교적 작은 고분자를 원료로하여 제조됨으로써 비닐제품과 휘발유, 디젤, 액화가스 등은 모두 그 조성이 탄소와 수소로 구성되어 있다.
따라서, 폐비닐과 휘발유, 디젤유, 액화가스 등은 그 조성이 서로 같으므로, 분자량의 조성을 전환하면 폐비닐을 휘발유, 디젤유, 액화가스 등의 에너지원으로 전환할 수 있으며, 그 이론적 근거로서 폐비닐을 분자량이 매우 큰 고체 석유로 볼 수 있어, 이를 액화하여 크래킹(cracking)하면 액체와 기체로 된 석유로 전환시킬 수 있는 것이다.
이러한 크래킹 방법으로는 단순히 열만을 이용하는 열분해 방법과 촉매제를주입하는 촉매분해 공정으로 나눌 수 있으나, 최근에는 열 및 촉매분해가 복합된 방법이 검토되고 있다.
상기의 열분해 방법은 공정이 단순하고 조작이 용이하여 과거 많은 연구가 이루어진 방법으로, 상압 열분해, 가압 열분해, 수소 첨가 및 개질조작 공정으로 이루어진다.
이러한 열분해 방법에 의해서는 액체 연료, 기체 연료 또는 합성가스 등의 분해 생성물을 얻을 수 있으나, 이들 생성물은 탄화수소의 분자량 분포가 넓고 품질이 좋지 않으며, 또한 탄소의 침적에 따른 공정중단 등의 문제점이 있었다.
또한 페비닐의 열분해 온도는, 그 원료가 동종의 것이라 할지라도 폐비닐의 형태, 첨가된 가소제, 기타 충전제 등에 따라 다르고, 또한 폐비닐을 열분해하는 공기의 존재 유무, 수증기나 불활성가스의 존재 유무, 촉매제나 기타 화학제의 첨가유무 등에 따라 분해생성물이 다른 문제점을 가지고 있었으며, 또한 일반적으로 여러 종류의 가스, 유상물질, 잔류물 등이 생성되어 대체연료로 이를 실용화하기에는 어려움이 있었다.
촉매분해 방법은 기존의 열분해 방법에 비해 반응 온도가 100∼200℃ 정도 낮고 분해 생성물의 선택도가 높으며 분자량 분포의 범위가 좁아서 재활용이 용이하다는 장점을 가지고 있으나, 촉매의 선택이 어렵고 제조비용이 고가이며 공정이 복잡하여 실용화하기에 어려움이 있었다.
현재 개발되고 있는 대체연료 및 그 제조방법에 있어서, 대체연료의 생성물이 기체상인 경우는 생성물을 포집 및 저장하기 위해 부가적인 처리공정이 필요하고, 탄소 사슬의 길이가 긴 고비점 혼합물의 경우는 개질 조작을 거쳐야 하는 등의 문제가 있어 경제성의 문제점가 제시되고 있으며, 또한 촉매제를 사용하는 경우에는 비용이 고가일 뿐만 아니라 대기오염을 유발하는 등의 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 연소효율 및 경제성이 좋지 못한 종래의 대체연료가 지닌 제반 문제점을 해결하기 위하여, 소각 및 매립에 의해 버려지고 있는 폐비닐에, 촉매제인 질산칼륨(KNO3), 질산스트론튬(Sr(NO3)2·4H2O) 및 요소(CO(NH2)2)를 주입하여 칩형태의 대체연료를 생산함으로써, 폐비닐의 폐기에 의해 발생되는 자원 낭비와 환경오염을 방지하고 부존 자원의 가치활용을 극대화함과 동시에, 대체연료의 연소효율 및 발열량을 증가시킬 뿐만 아니라 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx)계 오염물질 및 다이옥신(dioxin)계 오염물질의 배출을 저감시켜 대기오염을 방지할 수 있도록 한 폐비닐을 이용한 대체연료를 제공함에 있다.
도 1은 본 발명에 의한 폐비닐을 이용한 대체연료의 제조공정도.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 폐비닐을 이용한 대체연료 및 그 제조방법은, 폐비닐을 절단 및 파쇄하는 절단 및 파쇄단계(S1)와: 절단 및 파쇄한 폐비닐을 세척하는 세척단계(S2)와: 세척된 폐비닐을 열풍건조기를 이용하여 건조하는 건조단계(S3)와: 건조된 폐비닐을 160∼240℃의 온도범위에서 용융시키는 용융단계(S4)와: 용융된 폐비닐 94∼97 중량%에, 촉매제로서 질산칼륨(KNO3) 1∼2 중량%, 질산스트론튬(Sr(NO3)2·4H2O) 1∼2 중량% 및 요소(CO(NH2)2) 1∼2 중량%를 주입하는 촉매제 주입단계(S5)와: 촉매제가 주입된 혼합물을 냉각시켜 섬유사 형태로 응고시키는 응고단계(S6)와: 응고된 혼합물을 2∼3mm 정도 크기의 칩형태로 절단하는 절단단계(S7)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제조공정도로서 전체 일곱 단계로 나뉘어 구성된다.
먼저 폐비닐을 절단 및 파쇄하는 절단 및 파쇄단계(S1)는, 재활용이 가능한 폐비닐을 수거하여 타물질이 포함되지 않도록 분리한 후 절단 및 파쇄 하는 단계로서로, 1회용 생활용품이나 농가의 비닐하우스에 주로 사용되는 비닐제품은 폴리에틸렌(polyethylene: PE)이나 폴리프로필렌(polypropylene: PP)을 원료로 하여 제조되는 것으로, 폴리에틸렌을 원료로 한 폐비닐은 일정 길이로 절단하여 배출되며, 폴리프로필렌을 원료로 한 페비닐은 일정 크기로 파쇄하여 배출된다.
분쇄한 폐비닐을 세척하는 세척단계(S2)는 폐비닐을 물로 세척함으로써 비중원리에 의해 흙과 이물질이 침전되도록 하는 단계로서, 원료로서 높은 순도를 갖도록 하며, 또한 성분이 균일하고 발열량이 일정한 대체연료를 생산할 수 있도록 한다.
세척된 폐비닐을 열풍건조기를 이용하여 건조하는 건조단계(S3)는 세척된 폐비닐의 수분을 완전히 제거하여 건조한 상태가 되도록 하는 단계로서, 그 건조방법은 열풍건조기를 이용하여 건조하는 것이 바람직하나 반드시 이를 제한하는 것은아니다.
건조된 폐비닐을 160∼240℃의 온도범위에서 용융시키는 용융단계(S4)는 중합체 고분자화합물((CH2CH2)n, polymer) 상태인 폐비닐을 160∼240℃의 저온에서 용융시킴으로써 단위체 고분자화합물(CH2CH2, monomer)로 소성변형시키는 단계로서, 그 온도범위가 160℃ 미만이면 폐비닐의 소성변형이 일어나지 않으며 240℃를 초과하면 열량의 소모가 많아 비용이 증가되므로, 그 온도범위를 160∼240℃로 하는 것이 바람직하다.
용융된 폐비닐 94∼97 중량%에, 촉매제로서 질산칼륨(KNO3) 1∼2 중량%, 질산스트론튬(Sr(NO3)2·4H2O) 1∼2 중량% 및 요소(CO(NH2)2) 1∼2 중량%를 주입하는 촉매제 주입단계(S5)는 용융되어 액체상태인 폐비닐에, 촉매제로서 일정비율의 질산칼륨(KNO3), 질산스트론튬(Sr(NO3)2·4H2O) 및 요소(CO(NH2)2)를 주입함으로써 대체연료의 연소를 활성화시켜 연소효율 및 발열량을 증가시킬 뿐만 아니라 일산화탄소(CO)의 배출을 약 400% 저감시키며 질소산화물(NOx)계 오염물질 및 다이옥신(dioxin)계 오염물질의 배출을 저감시켜 대기오염을 줄일 수 있도록 한다.
상기 촉매제로 사용된 질산칼륨(KNO3)은 자체 발열량이 매우 높으며, 가열하면 하기 반응식 1과 같이 산소(O2)와 아질산칼륨(KNO2)으로 분해되어 강력한 산화제 역활을 하는 것으로, 대체연료를 점화시키고 동시에 연소를 촉진하게 함으로써 초기 점화가 어렵고 연소면적이 적은 고체연료의 문제점을 해결할 수 있게 한다.
O2+ 2KNO2
다른 촉매제인 질산스트론튬(Sr(NO3)2·4H2O)는 연소상 반응온도를 높이면 화학반응 속도가 급격히 빨라지는 특성을 가지고 있음으로서, 대체연료의 연소속도를 증가시켜 발열량이 증가되도록 하는것으로, 열을 가하면 하기 반응식 2와 같이 분해되어 질산스트론튬(Sr(NO3)2)은 자체 연소하고, 물(H2O)은 수증기로 전환되어 부피가 팽창되고, 이로 인해 미연가스의 입자가 작게 되어 미연가스의 화학반응 기회를 증가시키고, 또한 화염속도를 증가시켜 대체연료의 연소를 촉진시킨다.
Sr(NO3)2+ 4H2O
또 다른 촉매제인 요소(CO(NH2)2)는 무색 무취의 결정체로서 비료로 사용되는 것으로, 상압에서 가열하면 암모니아(NH3)를 발생하여 질소산화물(NOx)계 오염물질및 다이옥신(dioxin)계 오염물질의 배출을 저감시키는 등의 강한 환원제로서의 역할을 한다.
따라서, 상기 촉매제로서 질산칼륨(KNO3), 질산스트론튬(Sr(NO3)2·4H2O) 및 요소(CO(NH2)2)를 함께 사용하면, 연소효율이 낮은 고체연료의 문제점을 해결할 뿐만 아니라, 완전연소에 가깝게 연소시킴으로써 불완전 연소로부터 오는 대기오염을방지할 수 있도록 하는 것이다.
촉매제가 주입된 혼합물을 냉각시켜 섬유사 형태로 응고시키는 응고단계(S6)는, 액체상태인 혼합물을 냉각시켜 2㎜ 크기의 섬유사 형태의 중합체 고분자화합물((CH2CH2)n, polymer)로 응고시키는 단계로서, 수랭식 냉각기를 통하여 신속하게 냉각시키는 것이 바람직하나 반드시 이를 제한하는 것은 아니다.
응고된 혼합물을 2∼3mm 정도 크기의 칩형태로 절단하는 절단단계(S7)는 냉각단계를 통해 얻어진 고체상태의 중합체 고분자화합물((CH2CH2)n, polymer)을 절단기를 통하여 2∼3mm 정도 크기의 소형 칩형태로 절단하는 단계로서, 대체연료로 사용시 점화되는 표면적을 넓게하여 신속하게 연소될 수 있도록 한다.
상기의 공정을 통해 제조된 본 발명의 폐비닐을 이용한 대체연료의 발열량을 시험하기 위하여, 그 비교예로서 촉매를 첨가하지 않은 대체연료와 질산칼륨과 질산스트론튬만을 첨가한 대체연료를 동일한 방법으로 제조하였으며, 이들을 KS E 3707-95의 시험방법으로 시험한 결과, 하기 표 1과 같이 나타났다.
폐비닐을 이용한 대체연료의 발열량 시험 결과 (단위: J/g)
첨가한촉매제 첨가하지않음 KNO31중량% Sr(NO3)2·4H2O1중량% KNO3,Sr(NO3)2·4H2O,CO(NH2)2각각 1중량%
발열량 42,300 45,510 45,620 46,140
상기 표1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 의한 폐비닐를 이용한 대체연료는 촉매제로서 질산칼륨, 질산스트론튬, 요소를 첨가함으로써, 촉매제를 첨가하지 않거나 1종의 촉매제를 사용한 경우 보다 발열량이 증가되는 것을 알 수 있었다.
따라서 본 발명의 폐비닐을 이용한 대체연료는, 현재 에너지원으로 사용되는 타연료보다 대기오염물질의 배출량이 적고 발열량이 높으므로, 산업 및 농업용 연료로서 효과적으로 사용할 수 있는 것이다.
이상의 설명에서 분명히 알 수 있듯이 본 발명의 폐비닐을 이용한 대체연료 및 그 제조방법에 의하면, 소각 및 매립에 의해 버려지고 있는 폐비닐을 재활용함으로써 폐비닐의 폐기에 의해 발생되는 자원의 낭비와 환경오염을 방지함과 동시에 부존 자원의 활용을 극대화하여 자원 부족을 보충할 수 있을 뿐만 아니라, 폐비닐에 촉매제로서 질산칼륨, 질산스트론튬 및 요소를 주입함으로써 대체연료의 연소효율 및 발열량이 증가될 뿐만 아니라 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx)계 오염물질 및 다이옥신(dioxin)계 오염물질의 배출이 저감되어 대기오염을 방지할 수 있게 하는 등의 유용한 효과를 제공한다.

Claims (2)

  1. 폐비닐을 이용한 대체연료의 제조방법에 있어서,
    폐비닐을 절단 및 파쇄하는 절단 및 파쇄단계(S1)와: 절단 및 파쇄한 폐비닐을 세척하는 세척단계(S2)와: 세척된 폐비닐을 열풍건조기를 이용하여 건조하는 건조단계(S3)와: 건조된 폐비닐을 160∼240℃의 온도범위에서 용융시키는 용융단계(S4)와: 용융된 폐비닐 94∼97 중량%에, 촉매제로서 질산칼륨(KNO3) 1∼2 중량%, 질산스트론튬(Sr(NO3)2·4H2O) 1∼2 중량% 및 요소(CO(NH2)2) 1∼2 중량%를 주입하는 촉매제 주입단계(S5)와: 촉매제가 주입된 혼합물을 냉각시켜 섬유사 형태로 응고시키는 응고단계(S6)와: 응고된 혼합물을 2∼3mm 정도 크기의 칩형태로 절단하는 절단단계(S7)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐비닐을 이용한 대체연료의 제조방법.
  2. 제 1항의 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 폐비닐을 이용한 대체연료.
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