KR20040023869A

KR20040023869A - 기체 냉매 또는 액체-기체 상변화 냉매를 사용한 피분쇄처리물의 초저온 냉각 분쇄방법

Info

Publication number: KR20040023869A
Application number: KR1020020055308A
Authority: KR
Inventors: 김정석; 강충길
Original assignee: 김정석; 윤상국
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-03-20

Abstract

본 발명은 (가) 영하 196℃ 내지 영상 40℃의 온도범위에서 기체상태를 유지하는 냉매 또는 피분쇄 처리물의 유리전이온도 이하에서는 액상으로 존재하지만 공정 중에서 기화되는 액체-기체 상변화 냉매를 피분쇄물의 유리전이온도보다 낮은 온도로 냉각시키는 단계; (나) 상기 냉매를 피분쇄 처리물에 공급, 접촉시켜 피분쇄 처리물의 온도를 그의 유리전이온도 이하로 냉각시키는 단계; 및 (다) 냉각된 피분쇄 처리물을 분쇄하는 단계로 이루어지는 기체 냉매 또는 액체-기체 상변화 냉매를 사용한 피분쇄 처리물의 초저온 냉각 분쇄방법에 관한 것으로, 액체 냉매를 사용하는 경우와 비교해 건조공정 및 분쇄물로부터의 냉매회수공정을 제거할 수 있고, 누설에 대한 우려를 해소하여 공정이 간편해지고, 운전에너지도 절감되는 효과를 얻을 수 있다.

Description

기체 냉매 또는 액체-기체 상변화 냉매를 사용한 피분쇄 처리물의 초저온 냉각 분쇄방법 {COLD CRUSHING METHOD FOR WASTE MATERIALS USING GAS PHASE OR LIQUID-GAS PHASE-CHANGING REFRIGERANTS}

본 발명은 피분쇄 처리물의 초저온 냉각 분쇄방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐타이어, 폐고무류 또는 폐플라스틱을 효율적으로 분쇄처리하여 재활용이 가능하도록 하는 방법에 관한 것이다.

폐타이어튜브, 폐고무튜브 또는 폐고무신 등과 같은 폐고무류, 폐타이어 또는 폐플라스틱류 등의 폐기물은 현대산업의 발달과 함께 그 방출량이 급증하고 있고, 또한 그의 자연적인 분해능력이 매우 낮아 심각한 환경 공해문제를 유발하고 있다.

더욱이, 최근의 자동차 수요의 급증으로 인하여 폐타이어의 방출량은 전세계적으로 엄청난 수준에 이르고 있다. 특히, 스틸레디얼 타이어는 수명이 길고 안정성이 우수하여 그 수요가 날로 증가하고 있고, 이에 따라 그 폐기량도 급증하고 있다.

이러한 폐타이어, 폐고무류 또는 폐플라스틱 등의 폐기물은 이들을 분리 수거한 후 분쇄처리하여 재가공함으로써, 고무성형품, 아스팔트 첨가물 등의 용도로 재활용할 수 있다.

종래에, 이와 같은 폐기물, 특히 폐타이어 또는 폐고무류는 기계적 방식으로 분쇄처리되어 왔다.

종래의 전형적인 기계적 분쇄처리방법으로는 햄머분쇄기 등을 사용하여 폐타이어 등의 폐기물에 충격을 가해 분쇄하는 방법, 그라인더를 사용하여 분쇄하는 방법, 또는 절단기를 사용하여 절단하는 방법 등이 사용되었다.

그러나, 폐타이어의 기본 구성요소인 고무성분은 매우 강인한 탄성체이기 때문에, 이와 같은 기계적 분쇄방법으로는 잘 분쇄되지 않는다. 더욱이, 타이어는 이와 같은 고무성분 뿐만 아니라, 직물제인 타이어코드와, 보강재인 강철심 등으로 구성되어 있기 때문에, 이를 재활용하기 위해서는 이들 각 구성성분을 별도로 수거하여야 한다.

이러한 요구를 충족시키기 위하여, 특별한 장치 및 방법이 개발되었는데, 그 중 한 방법에서는 폐타이어를 고무의 부서짐 온도(Brittle point) 이하로 냉각시킨 상태에서, 충격을 가한 후 분쇄한다.

이때 타이어코드를 형성하고 있는 직물지와 강철심은, 그 부서짐 온도가 고무와는 상이하기 때문에 깨지지 않는 상태로 남게 되므로, 고무성분과 쉽게 분리할 수 있다. 타이어코드와 강철심을 제거한 후의 고무성분은 필요에 따라, 더욱 미세한 분말형태로 분쇄될 수 있다.

상기한 바와 같은 냉각분쇄방법에 있어서, 폐타이어를 고무의 부서짐 온도 이하로 냉각시키는 수단으로, 종래에는 액체질소(LN2)를 사용하는 방법이 알려져 있다(일본국, 오사까 가스 주식회사가 1977년에 개발). 이 방법에서는 처리하고자 하는 폐타이어를 용기 내에 투입한 후, 영하 196℃ 상태의 액체질소를 주입하여 폐타이어를 냉각시킨 후 이를 분쇄처리하고 있다. 그러나, 이 방법에 의하면 폐타이어에 공급된 액체질소가 기화하면서, 그 기화열에 의해 폐타이어를 냉각시킨 후 분위기 중에 방출되어 버리기 때문에 비용이 많이 들고, 또한 이 방법에서는 액체산소나 액화천연가스와 같은 활성가스는 사용할 수 없다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본원발명자는 전에 특허 제98341호에서, 영하 162℃ 내지 영상 40℃의 온도 범위 내에서 액체상태를 유지하는 냉매를, 피분쇄 처리물의 유리전이온도보다 10℃ 낮은 온도 이하로 냉각하고, 이 냉매를 피분쇄 처리물에 공급, 접촉시켜 피분쇄 처리물의 온도를, 그의 유리전이 온도 이하로 냉각시키고, 냉각된 피분쇄 처리물을 분쇄하는 피분쇄 처리물의 초저온 냉각 분쇄방법을 제시한 바 있다. 즉, 상기 특허 제98341호는 액화천연가스, 액체질소 등의 액화가스의 기화열을 이용하여 피분쇄 처리물을 분쇄하는 초저온 냉각 분쇄방법에 있어서, 액화가스와 열교환하는 냉매로서 액체상태의 냉매를 사용하는 것을 개시하고 있다.

상기 특허 제98341호의 방법은 종래의 폐타이어 등 피분쇄 처리물의 전형적인 기계적 분쇄처리방법인, 햄머분쇄기, 그라인더 분쇄 등의 기계적 처리방법 대신에 액화가스가 보유한 극저온을 이용하여 피분쇄물을 냉각, 동결시켜 부서짐온도 이하에서 충격을 가한 후 분쇄하는 방법으로, 에너지의 과다소비와 수율저하 등의 비효율성을 제거한 장점을 보유하고 있는 반면에, 피분쇄물을 동결하는데 액체냉매를 사용하기 때문에 피분쇄 처리물을 분쇄한 분말에 액체 냉매가 잔류하게 되므로 이를 회수하기 위하여 분말을 건조시키는 공정 및 냉매를 회수하는 공정이 필요하게 되고, 또한 건조공정을 위해서는 가열에너지가 소요되게 된다는 일부 단점이 있다.

본 발명자는 이와 같은 피분쇄 처리물의 초저온 냉각 분쇄방법을 꾸준히 연구, 실험한 결과, 액화가스 기화열을 기체 냉매 또는 액체-기체 상변화 냉매로 회수 이용함으로써 특허 제98341호에서의 건조공정을 제거할 수 있는 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 액화천연가스, 액체산소, 액체질소 등의 액화가스를 기화시킬 때 발생하는 기화열을, 환경문제가 되고 있는 폐타이어, 폐플라스틱 등의 폐기물을 냉각분쇄시키는데 이용하되, 액체 상태의 냉매 대신에 기체상태의 냉매나, 상변화 냉매를 사용함으로써 건조공정을 제거하여 초저온 냉각분쇄방법을 단순화하는 것이다.

도 1은 기체 냉매를 사용한 본 발명의 공정을 개략적으로 나타내는 블럭도,

도 2는 액체-기체 상변화 냉매를 사용한 본 발명의 공정을 개략적으로 나타내는 블럭도.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 (가) 영하 196℃ 내지 영상 40℃의 온도범위에서 기체상태를 유지하는 냉매를 피분쇄물의 유리전이온도보다 낮은 온도로 냉각시키는 단계; (나) 상기 냉매를 피분쇄 처리물에 공급, 접촉시켜 피분쇄 처리물의 온도를 그의 유리전이온도 이하로 냉각시키는 단계; 및 (다) 냉각된 피분쇄 처리물을 분쇄하는 단계로 이루어지는 기체 냉매를 사용한 피분쇄처리물의 초저온 냉각분쇄방법을 제공한다.

또한 본 발명은 (가) 피분쇄 처리물의 유리전이온도 이하에서는 액상으로 존재하지만 공정 중에서 기화되는 액체-기체 상변화 냉매를 피분쇄물의 유리전이온도보다 낮은 온도로 냉각시키는 단계; (나) 상기 냉매를 피분쇄 처리물에 공급, 접촉시켜 피분쇄 처리물의 온도를 그의 유리전이온도 이하로 냉각시키는 단계; 및 (다) 냉각된 피분쇄 처리물을 분쇄하는 단계로 이루어지는 액체-기체 상변화 냉매를 사용한 피분쇄처리물의 초저온 냉각분쇄방법을 제공한다.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에서는, 종래의 방법에 있어 분말의 건조공정을 제거하기 위하여, 액화가스와 열교환하는 냉매로서 기체 냉매나 피분쇄 처리물의 유리전이온도보다 낮은 온도에서는 액상으로 존재하나 공정 중에서는 기화되는 액체-기체 상변화 냉매를 사용한다.

기체상태의 냉매로는 처리할 대상물인 폐타이어, 폐고무류, 폐플라스틱 등의 유리전이온도(부서짐온도에 상당함)보다 수℃ 내지 수십℃ 낮은 온도에서도 기체상태가 유지되고 또한 적어도 40℃ 이상의 온도에서도 동일상을 유지하는 것을 사용한다. 즉, 이들 온도범위에서 기체상태를 유지하는 기체냉매를 사용한다. 이와 같은 온도범위 내에서 기체상태를 유지할 경우 건조공정이 필요없게 된다.

이러한 성질을 갖는 기체 냉매의 구체적인 예로는 공기, 질소, 아르곤 등을 들 수 있으며, 이들 냉매는 단독 또는 2종 이상의 혼합물의 형태로 사용될 수 있다.

액체-기체 상변화 냉매로는 피분쇄 처리물의 유리전이온도 이하에서 액상으로 존재하고 공정 중 기상으로 변화되어 현열과 잠열을 이용할 수 있는 냉매를 사용한다.

이러한 성질을 갖는 냉매로는 클로로플루오로메탄(HCClF₂, R-22), 트리플루오로메탄(CHF₃, R-23), 디클로로플루오로메탄(Cl₂CF₂, R-12) 등을 들 수 있으며, 이들 냉매는 단독 또는 2종 이상의 혼합물의 형태로 사용될 수 있다.

상기한 바와 같은 냉매를 피분쇄 처리물의 유리전이온도보다 10℃ 정도 낮은 초저온 상태로 냉각하기 위한 냉각매체로는 액화가스의 기화열을 사용할 수 있다.

사용가능한 액화가스로는, 초저온상태로 액화되어 있는 모든 액체가스를 사용할 수 있지만, 특히 액화천연가스(LNG; -162℃), 액체질소(LN2; -196℃) 또는 액체산소(LO2; -183℃)를 사용할 수 있다.

본 발명의 방법을 채택한 피분쇄 처리물 처리시설을 상기한 액화가스 기타 처리시설 근처에 배치함으로써 상기한 기화열을 거의 무상으로 활용할 수 있다.

상기한 액화가스의 기화열을 냉매로 이전하기 위하여는 통상의 열교환기를 사용하면 된다.

본 발명에서 사용하는 냉매는, 폐타이어 등의 피분쇄 처리물을 초저온 냉각시켜 이를 후속하는 기계적 분쇄공정에 제공하기 위한 것이다. 따라서, 만일 시스템 전체가 초저온 상태로 유지된다면, 기체 냉매의 경우에는 기체의 현열을 사용하게 되므로 피분쇄 처리물의 유리전이온도보다 최소한 10 내지 20℃ 정도 낮게 냉각시키는 것이 피분쇄 처리물을 용이하게 전이온도 이하로 냉각시키는데 바람직하며, 액체-기체 상변화 냉매의 경우에는 잠열을 이용하게 되므로 피분쇄 처리물의 유리전이온도와 동등한 온도 이하로만 냉각되면 족하다.

그러나, 실제에 있어서는, 상기 냉매의 순환운반통로 상에서의 열손실, 개방용조 내로의 공급시의 열손실 및 피분쇄 처리물에의 열전달시의 열손실, 후속공정으로 이동시의 열손실 등을 고려하여, 냉매의 온도는 가능한 한 낮은 것이 바람직하다.

통상의 고무류 또는 타이어의 원료로 사용되는 천연고무의 유리전이온도는 영하 73℃이고, 폴리 1,4-부타디엔 합성고무의 유리전이온도는 영하 101℃ 이지만, 이들이 실제 고무제품류 또는 타이어에 사용되는 경우에는 이들 고무의 혼합물에 카본블랙, 열안정제 등의 각종 보조화합물이 첨가되기 때문에, 통상의 폐타이어류의 유리전이온도는 영하 80℃ 내지 120℃ 정도가 된다.

본 발명을 실용에 제공하기 위해서는, 피분쇄 처리물을 사전분석하여, 그의 유리전이온도를 측정하여, 이를 기준으로 냉매의 냉각온도를 결정하면 된다.

피처리물의 냉각처리에 사용되어 온도가 상승된 기체 냉매 또는 기화된 액체-기체 상변화 냉매는 순환펌프에 의해 냉각, 재순환되어 계속 사용된다.

한편, 냉매에 의해 냉각처리된 폐타이어 등의 피처리물은 냉각처리 용기에서 꺼내어, 후속의 분쇄공정을 거쳐 원하는 크기의 입자로 분쇄하여 재활용한다. 이와 같은 후속공정은 공지의 분쇄처리공정에 의해 수행될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 보다 용이하게 하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 기체 냉매를 사용한 공정을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.

먼저, 열교환기에서는, 예를 들어 영하 162℃ 상태의 액화천연가스를 기화시켜 0℃ 상태의 천연가스로 전환시킨다. 이때 열교환기 내로는 액화천연가스가 흐르고, 외부로는 이 기화열을 흡수하여 냉각될 냉매인 공기를 순환공급한다. 냉매의 공급은 냉매 순환계 통로상에 설치된 송풍기에 의해 용이하게 이루어진다.

폐타이어 고무편의 유리전이온도인 영하 100℃ 보다 20 내지 30℃ 낮아진 공기는 각 고입자 분쇄기와 저입자 분쇄기에 공급된다. 공급된 공기는 피분쇄 처리물인 고무편을 냉각시킨 후 온도가 상승되어 다시 열교환기로 순환된다.

도 2는 액체-기체 상변화 냉매를 사용한 공정을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.

도 2의 공정은 상기 도 1의 공정과 유사하나, 열교환기에서 기화된 냉매가냉매 저장조에서 액화되어 각 공정에 공급되고, 각 공정에 공급된 냉매가 피분쇄 처리물인 폐고무편을 냉각시킨 후 기화, 회수되어 열교환기로 재순환된다는 점에서 차이가 있다.

상기와 같은 본 발명에 의하면 피분쇄 처리물을 초저온 상태로 냉각동결시켜, 이를 분쇄, 재활용하기 위하여 기체상태 만을 유지하는 냉매나, 액체-기체 상태의 상변화 기화열을 제공하는 냉매를 사용함으로써, 액체 냉매를 사용하는 경우와 비교해 건조공정 및 분쇄물로부터의 냉매회수공정을 제거할 수 있고, 누설에 대한 우려를 해소하여 공정이 간편해지고, 운전에너지도 절감되는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

(가) 영하 196℃ 내지 영상 40℃의 온도범위에서 기체상태를 유지하는 냉매를 피분쇄물의 유리전이온도보다 낮은 온도로 냉각시키는 단계;

(나) 상기 냉매를 피분쇄 처리물에 공급, 접촉시켜 피분쇄 처리물의 온도를 그의 유리전이온도 이하로 냉각시키는 단계; 및

(다) 냉각된 피분쇄 처리물을 분쇄하는 단계로 이루어지는 기체 냉매를 사용한 피분쇄처리물의 초저온 냉각분쇄방법.
(가) 피분쇄 처리물의 유리전이온도 이하에서는 액상으로 존재하지만 공정 중에서 기화되는 액체-기체 상변화 냉매를 피분쇄물의 유리전이온도보다 낮은 온도로 냉각시키는 단계;

(나) 상기 냉매를 피분쇄 처리물에 공급, 접촉시켜 피분쇄 처리물의 온도를 그의 유리전이온도 이하로 냉각시키는 단계; 및

(다) 냉각된 피분쇄 처리물을 분쇄하는 단계로 이루어지는 액체-기체 상변화 냉매를 사용한 피분쇄처리물의 초저온 냉각분쇄방법.