KR20040042331A - 폐플라스틱 유화재생 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐플라스틱의 유화재생 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다. 폐플라스틱을 유화재생 처리하는데 있어, 열분해가 가능한 플라스틱은 열분해하여 열분해유로 회수하고 난분해성 고형물은 연소처리를 통해 폐열을 회수하여 공정의 열원으로 사용한다. 열효율이 높은 누벽식 열분해기를 채용하여 대용량 고속처리가 가능하고, 유격식 사출기를 고형물 분리기로 채용하여 열분해와 동시에 연소처리가 가능하게 하여 잔유물로서 소량의 회분과 코크가 회수제거되며, 열원으로 사용되고 남은 열분해유는 회수된다. 열분해유와 고형물의 연소로부터 발생하는 연도가스는 차량의 배기가스와 함께 처리되도록 하여 대기오염물질의 방출이 억제된다. 장치가 단순한 반면, 폐플라스틱 원료의 도입에서 연도가스 처리까지 연속적으로 처리되고, 소규모로서 대용량 처리가 가능하므로 차량에 적재 고정하여 정지 또는 운행중에도 장치운전이 가능하다는 장점이 있다.

Description

폐플라스틱 유화재생 처리장치 {Recovery System for Waste Plastics Using Liquifaction}

본 발명은 폐플라스틱 또는 폐플라스틱을 함유한 고형폐기물(이하 '폐플라스틱'이라 한다) 처리 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 폐플라스틱을 파쇄, 용융한 후, 용융액을 누벽식 열분해기로 도입하여 열분해하고, 열분해 생성물은 고형물 분리기에서 유분과 난분해성 고형물(이하 '고형물'이라 한다)로 분리한다. 유분은 다시 유분 분리기에서 기상물과 열분해유로 분리되며, 이 때 기상물은 수소와 C₁∼C₄의 기상 탄화수소이며, 열분해유는 C₅∼C₃₀의 액상 탄화수소이다. 고형물은 연소처리기에서 기상물과 함께 연소처리하고 폐열을 회수하며, 이 폐열과 열분해유의 연소열을 공정의 열원으로 이용한다. 본 장치를 차량에 적재고정하였을 경우 연소실로부터 배출된 연도가스는 차량의 배기가스 중으로 도입되어 함께 처리된다.

플라스틱은 무게에 비하여 부피가 크고 분해가 어려운 특성 때문에 폐기시 적당한 처리를 하지 않으면 심각한 환경문제를 야기할 수 있다. 지금까지는 보통 매립이나 소각을 통하여 처리하여 왔으나, 매립처리 비용의 증가와 침출수, 유해가스발생에 의한 2차적인 오염 유발 문제 때문에 십수년 전부터 선진국을 중심으로 보다 환경친화적이고 경제적인 폐플라스틱 처리방법에 대한 연구가 활발히 진행되어 오고 있다.

폐플라스틱의 재활용은 크게 물질적 재활용, 열적 재활용, 화학적 재활용으로 나눈다. 물질적 재활용은 폐플라스틱을 재료로서 다시 이용하는 기술인데, 이종 플라스틱 간에 상용성(compatibility)이 낮기 때문에, 원 플라스틱에 비해 물성이 저급하여, 고도한 선별, 세척, 건조 등의 전처리가 필요한 단점이 있으며, 오염정도가 심한 폐플라스틱의 경우에는 실시하기가 어렵다. 열적 재활용은 연소를 통하여 열에너지를 회수 이용하는 방법인데 다른 처리방법에 비해 쉽게 실시할 수 있다는 장점이 있으나 열 소비처가 인근에 있어야 하고 유해가스를 발생하여 2차적인 환경오염을 유발한다는 단점이 있다. 화학적 재활용은 앞에 언급한 다른 두 재활용법에 비해 고도한 기술에 속하며, 분해방법에 따라 유화, 가스화, 해중합으로 나눌 수 있다. 이 중 열분해로 대표되는 유화공정이 가장 전도있는 화학적 재활용 기술로 평가되고 있다. 특히 폐플라스틱의 약 80 % 이상을 차지하는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌과 같은 폴리올레핀계 플라스틱은 열가소성을 가지며, 분자가 탄소와 수소로만 이루어져 있으며, 수소/탄소 비가 높고, 분자구조상 액화가 쉬운특성을 가지고 있어 유화공정에 매우 유리하기 때문에 다른 재활용법에 비해 상용화 가능성이 높다.

플라스틱은 산소가 없는 상태에서 열을 가하면 일반적으로 300 ℃ 이하에서 변형, 용융과 같은 물리적 변화를 겪게되며, 350 ℃ 이상에서는 주쇄 절단과 같은 화학적 변화를 겪게된다. 플라스틱의 열분해는 플라스틱을 이루고 있는 고분자의 주쇄를 절단하여 탄소수가 약 30, 40개 이하인 저분자량을 갖도록 하는 분해반응이다. 열분해는 흡열반응이며, 분자 주쇄를 이루는 탄소-탄소 또는 탄소-이종원자 간의 결합을 깰 수 있을 정도로 충분한 열이 제공되어야 진행될 수 있다.

플라스틱의 열분해에 영향을 미치는 주요한 반응인자로는 플라스틱을 이루는 고분자의 분자구조(주쇄길이, 치환기의 종류 및 갯수 등) 및 물성(분자량, 중합도 등), 반응온도, 촉매 등이 있으며, 반응압력, 동반기체 등도 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

한편 열분해는 촉매상에서 이루어지는 접촉분해에 비해 분해온도가 높고, 분해 생성물이 넓은 범위의 비점 분포를 갖으며, 선형탄화수소와 올레핀의 비율이 높아서 연료유로 직접 사용하기에 부적당하다. 그러나 접촉분해는 열분해에 비해 분해온도를 저감할 수 있으며, 특정한 촉매상에서 분해 생성물의 조성을 어느 정도 조절할 수 있다는 장점이 있다. 또한 분해 생성물 중에 이소파라핀, 나프텐, 방향족 탄화수소 함량이 높아서 가솔린 등의 고품위의 수송연료를 제조할 수 있다. 고체산, 금속, 금속산화물, 활성탄, 초임계 물질 등 여러가지 물질이 접촉분해의 크래킹 촉매로 연구되었으며, 이 중 제올라이트로 대표되는 고체산 촉매가 가장 우수하다고 평가받고 있다. 그러나 폐기물 발생 특성상 폐플라스틱은 열경화성 고분자나 셀룰로스 같은 이종 물질과 섞여 있고, 수분, 먼지, 금속 파편 등으로 오염되어 있기 때문에, 이로 인한 부반응과 촉매의 열화가 접촉분해에 있어서 치명적인 단점이며, 특히 대용량 처리에 있어 매우 불리하다. 따라서 폐플라스틱을 발생 현장의 수집소에서 일차적으로 유화하여 열분해유를 얻은 후, 이차적으로 크래커에서 개질처리하는 방식이 가장 효율적인 방법으로 평가받고 있다. 플라스틱은 무게에 비하여 부피가 크고, 폐기물의 공극률이 최대 80 %에 이르기 때문에 이런 방식을 이용하면 수송비를 훨씬 절감할 수 있을 것이다.

따라서 오염정도가 심하지 않은 폐플라스틱 원료는 직접 처리할 수 있는 분리능력과 열효율이 높은 열분해기를 채용하여 대용량 고속처리가 가능한 범용 유화재생 처리장치의 개발이 요구된다 하겠다.

그러나, 공지된 기존의 폐플라스틱 처리장치는 아래와 같은 문제점을 갖고 있다.

첫째, 연속처리의 문제이다. 플라스틱은 열분해되는 과정에서 분해가 진행된 정도에 따라, 즉 분자량에 따라 고상, 부분 분해된 고상, 올리고머상, 왁스상, 액상, 기상으로 나눌 수 있다. 특히, 난분해성 플라스틱을 포함한 고형물은 고상이나 부분 분해된 고상 형태로 다른 열분해 생성물과 섞인 채로 각 공정 간에 이송되게 된다. 폐플라스틱 처리공정에 있어 바람직하지 못한 설계의 대표적인 예로서 물질 이송을 위해 연결관을 많이 사용하는 것이다. 상기한 플라스틱의 열분해과정 중의 여러 상중에서 액상과 기상을 제외하고, 나머지는 이송 중 응축을 방지하기 위해연결관의 온도를 올리고머나 왁스상은 약 200 ℃, 고상이나 부분 분해된 고상은 250∼350℃로 유지시켜야 한다.

연속운전을 위해서는 난분해성 잔유물의 처리가 중요하다. 특허 제10-0265273호(2000. 6. 13)등에서는 공정운전 중 잔유물 제거가 가능하다고 하지만, 이 때 잔유물은 충분히 식은 상태에서 꺼내야 하며, 그렇지 않고 공기와 접촉할 경우 발화될 수 있으며, 악취가 발생하게 된다. 다른 처리 장치에서는 600 ℃ 이상에서 운전되는 고온 열분해 공정을 채용하지만 생산단가가 증가하여 채산성이 악화되는 결과가 얻어진다. 또한 특허공개 제2001-0031507호(2001. 4. 16)에서는 폐플라스틱을 열풍로와 코크스로에서 동시 처리한다고 하였으나, 이는 병용처리를 의미하며, 본 발명에서와 같이 열분해 공정의 운전중에, 잔유물인 고형물을 동시에 연소처리한다는 것과 전혀 다르다.

둘째, 열분해공정의 채산성을 결정하는데 있어서 중요한 인자인 열전달 효율의 문제이다. 플라스틱은 단열재료로 사용될 정도로 열전도도가 매우 낮으므로 열분해를 위해 가열할 때 심한 온도구배 발생을 피할 수가 없다. 하부에서 가열되는 통상의 조형 반응기를 나타낸 특허 제0140957호(1998. 3. 17)을 예로 들면 반응기 하부가 먼저 가열되고 열분해되기 시작하며, 기포가 발생되며 끓어오르는데 기포에 의해 반응기 하부 내벽에 공간이 생기고 열전달은 더욱 불리하게 된다. 또한 측면에서 가열하는 튜브형태 반응기를 예로 들어 설명하면, 반응기의 온도는 반응기 내벽이 가장 높고 중심부가 가장 낮은, 아래로 볼록한 형태의 온도 분포를 갖게 된다. 따라서 열분해는 온도가 가장 높은 반응기 벽에 인접한 플라스틱에서 최초로일어나며 반응기 중심축으로 갈수록 온도가 낮기 때문에 열분해가 더디게 진행된다. 이들 온도구배를 해소하기 위하여 교반장치나 특허 제10-0241543호(1999. 11. 3)에 나타낸 바와 같이 축열 열매체를 사용하기도 하고, 특허 제10-0245040호 (1999. 11. 25)에 나타낸 바와 같이 로타리-킬른 방식을 도입하기도 하지만, 장치가 복잡해지고, 점성의 영향으로 초기에 충분한 교반 효과를 얻기가 어려우며, 에너지 소모가 많기 때문에 경제적이지 못하다.

셋째, 특허공개 제1999-013701호(1999. 2. 25)에 나타낸 바와 같이 사출기 내에서 열분해하는 경우이다. 폐플라스틱 분해온도는 대체로 350∼450 ℃ 온도범위에 있으나 실제 공정운전에서는 450∼550 ℃를 채용하기 때문에 사출기를 구성하는 쉘과 블레이드의 손상이 발생할 수 있다. 즉, 블레이드 샤프트가 휘거나, 폐플라스틱 중의 금속파편이나 경도가 높은 고형물 등에 의해 고온상태인 블레이드와 쉘 내면이 손상을 입을 가능성이 있다.

넷째, 용융장치나 열분해장치의 가열시스템에 관한 것이다. 연속운전과 안전운전을 위해서 단위공정에서의 적정한 온도유지는 매우 중요하다. 전기발열체 등을 외부 열원을 사용하게 되면 채산성이 매우 악화된다.

상기한 바와 같이 공지된 기존 기술은 크게 열분해에 있어 열효율, 연속처리, 대용량 고속처리, 공정의 가열을 위한 열원공급에 있어서, 복잡하고 효율적이지 못하며, 불리하다는 문제점을 갖고 있다.

따라서, 상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 폐플라스틱 유화 재생 처리장치는 누벽식 열분해기(4)와 유격식 사출기(3, 5)를 채용하였다. 열효율의 낮음은 폐플라스틱 원료 자체의 열전도성이 낮은데다가, 기존의 가열수단은 폐플라스틱 용융액과 열분해기 가열면의 접촉면적이 좁기 때문이며, 이를 해소하기 위하여 누벽식 열분해기(4)를 채용하면 용융액과 열분해기 가열면의 접촉면적은 반응기 내벽 면적만큼 확장되고, 반응물인 용융액이 막형태를 갖고 있기 때문에 열전달 지연효과가 거의 없어서 열효율이 획기적으로 높아지며, 용융액과 기상 계면도 확장되어, 부반응에 의한 열분해 촉진 효과도 부가적으로 얻을 수 있다.

연속처리에 있어서 문제점은 결국 원료와 생성물 분리의 문제이다. 폐플라스틱 처리공정은 통상의 석유화학이나 정밀화학 제품 제조공정처럼 기상물과 액상물 만을 다루는 공정이 아니므로, 처리과정중 각 상에 따라 점도, 용융흐름지수(MFI)와 같은 유체적 특성이 다르기 때문에 사출기를 도입하여 일차적으로 부피와 무게를 가진 고형물과 증기상인 유분으로 분리하는 것이 가장 바람직하다고 본다. 구체적으로 고형물은 사출기의 블레이드에 의해 이송하고, 증기상 유분은 열분해에 따라 증가된 반응기 내부압력에 의해 고형물 이송방향과 반대방향으로 이송한다. 이 때 증기상 유분이 고형물과 함께 배출되지 않도록 고형물의 이송에 지장을 주지 않으면서 증기상 유분이 새어나가지 않도록 기밀이 유지되어야 한다. 열분해가 진행되면 열분해기 내부에 상당한 압력이 발생하게 되며, 이로 인해 증기상 유분이 이송된다. 이러한 개념하에서 유격식 사출형 분리기(5)를 개발하였으며, 블레이드 유격(G1, G2, G3)과 직경감소구조물(317, 518)에 의한 이송물의 적체에 의해 저온분해가스 및 유분과 고형물이 연속적으로 분리 회수되도록 하며, 연소기(7)와 열분해기(4) 간에 기밀이 유지되도록 하여 연속처리가 가능하도록 한다. 또한 위와 같이 누벽식 열분해기(4)와 유격식 사출형 분리기(3, 5)를 사용함으로써 폐플라스틱 원료의 대용량 고속처리가 가능하게 한다.

공정의 열원에 대한 문제는 외부 열원을 사용하지 않고 생성물인 난분해성 고형물과 열분해유의 연소열을 회수하여 사용하고, 순환열유와 공급열유를 열교환함으로써 보다 정확한 온도조절이 가능하도록 한다.

본 발명에 따른 폐플라스틱 유화 재생처리 장치는 지상의 고정사이트는 물론이고, 차량에 적재고정하여 정차 중, 운송 중에도 처리 가능하게 할 목적으로 설계하였다. 상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 각 단위 공정을 유기적으로 연동하도록 배치하여, 폐플라스틱 원료가 파쇄, 용융, 열분해, 분리, 연소처리, 연도가스처리 과정을 겪는데 있어 물질 이송이 연속적으로 이루어지도록 하고, 열유가 안정적으로 공급되도록 하였다. 보다 상세하게 설명하면, 원료가 유인블레이드(221)에 의해 파쇄기(2)로 용이하게 도입되도록 하고, 용융과정 중에 염소기체가 분리되도록 하고, 잔유물을 최소화하기 위해 난분해성 고형물은 연소처리하고, 난분해성 고형물과 열분해유의 연소열을 회수하여 공정에 공급하고, 연소기(7, 8)로부터 배출된 연도가스는 차량 배기가스와 함께 처리되도록 하여 대기오염물질 방출이 최대한 억제되도록 하였다.

도 1는 본 발명에 의한 폐플라스틱 유화재생 처리장치의 공정 흐름도이다.

도 2는 본 발명에 의한 폐플라스틱 유화재생 처리장치를 도식적으로 나타낸공정 배치도이다.

도 3은 원료공급부의 정면 배치도이다.

도 4는 원료공급부를 구성하고 있는 파쇄기의 정면 단면도이다.

도 5는 원료공급부를 구성하고 있는 파쇄기의 평면 단면도이다.

도 6은 원료공급부를 구성하고 있는 용융기의 정면 단면도이다.

도 7은 원료공급부를 구성하고 있는 용융기의 평면 단면도로서, (A)는 유격부의 횡단면도이며, (B)는 저온분해가스 수집 챔버 부분의 횡단면도이다.

도 8은 원료공급부를 구성하고 있는 용융기의 실시예를 나타낸 정면 단면도이다.

도 9은 열분해기의 정면 단면도이다.

도 10은 열분해기의 실시예를 나타낸 정면 단면도이다.

도 11은 열분해기의 내벽면적확장구조물의 구성예를 나타낸 평면 단면도로서, (A)는 내벽주름, (B)는 침상 또는 판상구조물을 나타낸다.

도 12은 본 발명에 의한 누벽식 열분해기와 통상의 튜브형 열분해기에 대하여 고밀도폴리에틸렌(HDPE)을 원료로 하였을 때 원료량과 처리시간의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 13은 본 발명에 의한 누벽식 열분해기와 통상의 튜브형 열분해기에 대하여 고밀도폴리에틸렌(HDPE)을 100 g을 원료로 하였을 때 열분해온도와 처리시간의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 14은 본 발명에 의한 누벽식 열분해기와 통상의 튜브형 열분해기에 대하여 원료량 100 g, 열분해온도 480 ℃에서 폴리올레핀 종류와 처리시간의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 15은 도 12에 나타낸 실험에 있어서 열분해 생성물인 유분의 탄소수별 분포를 나타낸 그래프이다.

도 16은 생성물 분리부를 구성하는 고형물 분리기의 정면 단면도이다.

도 17은 생성물 분리부를 구성하는 고형물 분리기의 실시예를 나타낸 정면 단면도이다.

도 18은 생성물 분리부를 구성하는 유분 분리기의 정면 단면도이다.

도 19은 생성물 분리부를 구성하는 유분 분리기의 평면 단면도(A)와 냉격자의 사시도(B)이다.

도 20은 연소처리부를 구성하는 고형물 연소기의 정면 단면도이다.

도 21은 연소처리부를 구성하는 열분해유 연소기의 정면 단면도이다.

도 22은 열유 공급시스템의 열유공급을 나타낸 상세한 공정 흐름도이다.

도 23은 열유 공급시스템을 구성하는 열유 열교환기를 나타낸 정면 단면도이다.

도 24은 본 발명에 의한 폐플라스틱 유화재생 처리장치를 차량에 적재한 상태를 도식적으로 나타낸 배치도이다.

도 25은 연도가스처리기와 차량 배기부와의 결합을 나타낸 배치도이다.

도 26은 연도가스 처리기의 정면 단면도(A)와 진공챔버가 위치한 부분의 횡단면도(B)이다.

도 27은 연도가스 처리기의 실시예를 나타낸 정면 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

1. 호퍼 2. 파쇄기

3. 용융기 4. 열분해기

5. 고형물 분리기 6. 유분 분리기

7. 고형물 연소기 8. 열분해유 연소기

9. 열유 공급시스템 10. 탈염기

11. 연도가스처리기 211. 파쇄기 쉘

221. 원료유인 블레이드 311. 용융기 내관

321. 저온분해가스 배출관 411. 열분해기 내관

413. 열분해기 내벽면 확장구조물 423. 분배디스크

511. 고형물 분리기 내관 517. 유분 배출구

519. 고형물 배출구 611. 유분 분리기 내관

618. 냉격자 621. 열분해유 회수조

711. 고형물 연소실 811. 열분해유 연소실

814. 연도가스 배출구 911. 열유 열교환기

913. 열유 온도제어기 913. 폐열유 열교환기

923. 폐열유 온도제어기 G1, G2, G3. 블레이드 유격부

본 발명인 폐플라스틱 유화재생 처리장치는 기능과 역할에 따라 원료공급부,열분해부, 생성물 분리부, 연소 및 폐열 회수부, 열유 공급부, 연도가스 처리부 등의 단위공정으로 나눌 수 있으며, 연속적이고 유기적으로 연동하도록 구성하였다.

도 1에 본 발명에 의한 폐플라스틱 유화재생 처리장치의 공정흐름도를 나타내었으며, 도 2는 이를 도식적으로 나타낸 공정배치도이다.

각각의 단위공정에 대하여 간단히 설명하면 아래와 같다.

원료공급부는 호퍼(1), 파쇄기(2), 용융기(3), 탈염기(10)로 구성되며, 호퍼(1)로부터 도입한 폐플라스틱을 파쇄기(2)에서 파쇄한 후 용융기(3)에서 용융하여 열분해기(4)에 공급하고, 용융과정 중에 유출되는 염소 등을 탈염기(10)로 회수하여 제거하는 기능을 한다. 열분해부는 폐플라스틱 용융액을 열분해기(4)에서 열분해에 의해 저분자량화하는, 즉 분해시키는 기능을 하며 분해 생성물과 난분해성 고형물을 분리부로 공급한다. 분리부에서는 분해 생성물로서 얻어진 유분과 고형물을 분리하는 고형물 분리기(5)와 고형물 분리기에서 분리되어진 유분을 LPG가 주성분이 기상물과 C₅∼C₃₀범위의 탄화수소로 이루어진 열분해유로 분리하는 유분 분리기(2)로 구성되어 있다. 연소처리부는 고형물 연소기(7)와 열분해유 연소기(8)로 구성되어 있으며, 고형물 연소기(7)에서는 난분해성 고형물을 연소한 후 회분으로, 열분해유 연소기(8)는 열분해유를 연소한 후 탄소질 코크로 전환시키게 되며 연소열은 회수된다. 열유공급부는 연소처리부에서 회수된 열을 용융기(3), 열분해반응기(4), 고형물 분리기(5)에 공급하는 기능을 하며, 이를 위해 여러 대의 이송펌프와 열교환기, 온도제어기 등으로 구성하였다. 연도가스 처리부는 도 18과 같이 본 처리공정을 차량에 적재하였을 때, 연소 처리부에서 배출되는 연도가스를 차량배기가스 처리 시스템에 도입하여 처리하는 단위공정이며, 이로 인해 본 공정으로부터의 대기오염 물질의 배출을 억제하는 기능을 한다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 용융기(3)와 고형물 분리기(5)에 유격식 사출기를 채용하고, 열분해기(4)에 누벽식을 채용하였으며, 연도가스 처리기(11)에 벤츄리 원리를 도입하였으며, 이는 본 발명의 요부에 해당한다. 유격식 사출기와 누벽식 열분해기에 대하여는 아래에서 각각의 단위공정에 대하여 서술할 때 상세히 설명하기로 한다.

[원료공급부]

도 2와 도 3에 나타낸 바와 같이 원료공급부는 호퍼(1), 파쇄기(2), 용융기(3), 탈염기(10)로 구성되며, 폐플라스틱을 용융하여 열분해기(4)에 공급하고 용융과정 중에 유출되는 염소와 플라스틱 첨가제, 수분 등을 탈염기(10)로 회수한 후 제거하는 기능을 한다.

호퍼(1)는 폐플라스틱 원료를 공정에 투입하기 전 임시로 저장하고, 파쇄기(2)로 도입시키는 기능을 한다. 도 4에 나타낸 바와 같이 호퍼(1)의 형태는 상부는 실린더 형태이고, 하부는 직경이 좁아지는 끝이 잘린, 거꾸로 된 원뿔 형태이며, 호퍼(1)와 파쇄기(2)사이에 공급구(219)를 만들어서 폐플라스틱 원료를 파쇄기에 공급한다. 스테인레스 재질이 적당하며, 대기 중 공기 유입을 방지하기 위해서는 실린더가 높을 수록, 원료가 잘게 파쇄되어 있을수록 유리하다.

파쇄기(2)는 호퍼(1)로부터 도입된 폐플라스틱 원료를 용융기(3)로 공급하는데 있어 적당한 크기로 파쇄하거나 감용하는 기능을 한다. 도 5에 나타낸 바와 같이 두 개의 사출기를 인접시킨 트윈형태의 사출기를 사용하며, 도 4와 도 5에 나타낸 바와 같이 중단부에서 호퍼(1)쪽으로 갈수록 블레이드(212)의 직경이 줄어드는 형태를 하고 있다. 구동모터(216)가 둘 중 한 개의 샤프트(213)를 회전시키고, 맞물린 기어(215)에 의해 두 개의 블레이드(226)가 안쪽으로 모아지는 방향으로 회전하면서, 원료도입구(219)를 통해 호퍼(1)로부터 원료를 도입한 후 호퍼(1) 반대쪽에 위치한 파쇄원료도입구(315) 쪽으로 이송하며 파쇄되거나 감용되게 된다.

한편, 도 4와 도 5에 나타낸 바와 같이 블레이드(212)의 직경이 줄어듦으로서 호퍼(1)쪽 원료도입구(219) 하부에 만들어진 공간에는 수직방향이며 상부로 갈수록 블레이드 직경이 줄어드는 원료유인 블레이드(221)를 위치시키며, 구동력은 파쇄기 구동샤프트(213)에 장착한 구동풀리(217)로부터 얻는다. 원료유인 블레이드(221)는 부피가 크기 때문에 파쇄기(2)로의 자발적인 도입이 어려운 폐플라스틱 원료를 강제적으로 끌어내리는 기능을 한다.

도 6에 나타낸 바와 같이 용융기(3)는 파쇄기(2)로부터 도입된 파쇄된 폐플라스틱 원료를 완전히 용융하여 열분해기(4)로 공급하는 기능을 하며, 파쇄기(2)에서 기어(216)를 통해 인가된 구동력으로 사출기를 회전시키며, 열분해기(4) 쪽으로 용융시키면서 이송시킨다. 폐플라스틱은 용융되면 부피가 감소하고 원료의 공극률이 최대 80 %에 이르므로, 이를 감안하여 용융기는 파쇄기에 비해 처리 용량이 작아야 하며, 40∼60 % 정도가 적당하며, 원료에 따라 이송속도를 조절한다.

용융기(2)는 내관(331) 외부에 일정한 거리를 두고 외관(320)을 씌우고, 다시 단열재(334)로 덮는 형태로 구성된다. 용융기 내관(311)과 외관(320) 사이의 공간은 열유입구(332)로부터 도입되어 열유출구(333)로 빠져나가는 열유가 흐르는 통로(331)의 기능을 하도록 하며, 이 순환열유의 온도를 온도제어기(923)로 조절함으로써 용융기의 온도를 조절되도록 하고, 단열재(334)에 의해 보온되도록 한다. 용융기(2)는 고형물 연소기(7)로부터 얻은 폐열을 회수한 순환폐열유(731)를 폐열유열교환기(921)에서 공급폐열유(924)와 열교환이 이루어지도록 하고, 폐열유공급펌프(922)로 이 공급폐열유(924)가 용융기(2)를 순환하며 가열하도록 한다. 이 때 열유입구(332)는 열유출구(333)보다 아래에 위치시켜 열유가 상향흐름을 갖도록 하여 용융기 내관(331)이 열유에 충분히 잠기도록 한다.

용융기는 250∼350 ℃의 온도범위에서 운전되도록 한다. 통상의 플라스틱의 용융점은 100∼200 ℃의 온도범위에 있으나, 폐플라스틱 원료는 공극률이 높고 열전도도가 낮은 특성을 가지므로 고속처리를 위해서 이 보다 높은 250∼350 ℃의 온도를 채용한 것이다. 또한 이 온도범위에서는 대표적인 염소함유 고분자인 폴리비닐클로라이드(PVC)의 염소기체가 분해되며, 플라스틱 제조를 위해 첨가된 여러 가지 화합물도 휘발에 의해 거의 대부분 제거되며, 또한 극소량의 메탄과 C₂탄화수소도 생성된다. 이후부터는 용융과정에 유출되는 위와 같은 기상 물질들을 '저온분해가스'로 표기하기로 한다.

저온분해가스의 유출은 용융기의 중간의 일정한 구간에서만 일어나도록 한다. 염소기체 등은 금속 재질을 부식시키고 열분해기(4)를 거쳐 고형물 연소기(7)나 열분해유 연소기(8)로 유입되어 연소반응에 관여할 경우 다이옥신 등이 생성될가능성이 있기 때문이다. 위와 같은 목적을 달성하기 위해, 도 6에 나타낸 바와 같이 용융기(2) 중간 부근의 적당한 지점(P1)에서 용융기 블레이드(312)를 끊어서 블레이드에 유격(G1)을 두고, 내관 직경이 점차적으로 절반 정도로 줄어들게 하는 직경감소구조물(317)을 두어서 도 7에 나타낸 바와 같이 용융 진행중인 원료가 적체되게 하여 기밀을 유지시키는 기능을 하도록 한다. 또한 용융기(2) 말단쪽에도 블레이드를 유격(G2)시켜서 동일한 효과가 얻어지도록 한다. 블레이드 유격(G1)을 파쇄원료의 용융이 상당히 진행된 지점에 위치시키면 샤프트(313)와 블레이드(312)에 걸리는 부하는 그리 증가하지 않는다.

용융 진행중인 원료는 유격부(G1)과 유격부(G2) 사이에서 이송되면서 저온분해가스를 생성하며, 저온분해가스 수집공간(322)을 거쳐 배출관(321)을 통하여 탈염기(10)로 배출되게 된다.

탈염기는 저온분해가스중 염소기체를 중화하는 기능을 하는 공정으로서 가성소다나 암모니아수를 중화제로 사용하는 공정이 잘 알려져 있고 상용화되어 있다. 또한 탈염소 공정은 특허공개 제1999-023301호(1999. 3. 25)이나 특허 제10-0245040호(1999. 11. 25)에 잘 나타나 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

[열분해부]

열분해부는 원료공급부로부터 공급된 폐플라스틱 용융액을 열분해하여 저분자량화시킨 후 분리부로 배출하는 기능을 하며, 물질의 화학적 변화가 일어나는 주요한 단위공정이다.

도 8에 나타낸 바와 같이 열분해기(4)는 열분해기 본체와 분배디스크(423), 분배디스크 구동모터(421)로 이루어진 매우 단순한 구조로 되어 있다. 열분해기 본체는 금속이나 세라믹 재질의 수직 원통형 내벽(411)과 외벽(412), 외벽을 감싸는 단열재(417)로 구성되어 있으며, 내관(411)과 외관(412) 사이의 공간은 열유 통로(416) 기능을 한다. 열분해기(4)의 상판 중심에 분배디스크 구동 샤프트(422)를 위치시키고 끝부분에 분배디스크(423)를 달고, 구동모터(421)에 의해 회전할 수 있게 하였다. 열유는 열분해유 연소기(8)로부터 회수한 열을 열원으로 사용하며, 열유공급펌프(912)로 순환되고, 열분해기 하부의 열유입구(414)로 들어와서 열유출구(415)로 나가며, 다시 고형물 분리기(5)의 열유입구(522)로 들어가서 고형물 분리기(5)를 가열한 후 열유출구(523)으로 나와서 열유열교환기(911)로 돌아간다. 열분해기 내관(411)은 직경/길이 비가 1/2에서 1/10 범위가 적당하다.

열분해기(4)는 본 발명의 요부에 해당하며, 450∼550℃의 온도범위에서 운전한다. 용융기(3)에서 열분해기(4)로 도입된 폐플라스틱 용융액은 초기에는 유체적 물성이 액체와 기체의 중간 정도이다. 도 9에 나타낸 바와 같이 용융액은 분배디스크 샤프트(422) 근처에서 디스크(423) 상으로 적하되게 되며, 이 후 분배디스크(423)의 회전에 따른 원심력에 의해 열분해기 내벽으로 흩뿌려지게 되며, 샤프트(422)의 회전속도는 500 rpm 이상이면 충분하다. 내벽에 흩뿌려진 용융액은 중력에 의해 누벽, 즉 내벽을 적시며 흘러내리게 된다. 이 때 용융액 중에 섞인 난분해성 고형폐기물은 역시 난용성을 가지므로 무게에 의해 하부로 떨어지거나 내벽을 타고 빠르게 흘러내려서 배출구(419)를 거쳐 고형물 분리기로 도입되게 된다. 용융액은 450∼550 ℃ 온도범위의 내벽을 서서히 누벽하면서 열분해된다. 이와 같은 누벽식 열분해 방식을 도입함으로써 반응물인 용융액을 얇은 막형태를 유지할 수 있기 때문에 열전달 지연현상이 거의 없으며, 열전도도가 낮은 용융액을 통하지 않고 금속재질의 내벽을 통해 직접 열전도되므로 열효율이 매우 높고, 내벽의 온도가 바로 열분해 온도가 될 수 있기 때문에 정확한 열분해 온도를 유지할 수 있다는 장점이 있다.

누벽식 열분해의 또다른 장점은 아래 실시예에 나타낸 바와 같이 다른 방식의 열분해에 비해 분해개시 시간을 단축하고 분해개시 온도를 감소시키며, 생성물의 수율이 높다는 것이다. 이와 같은 분해촉진 효과는 아래 고분자 열분해 메카니즘에 설명한 바와 같이 용융액상과 용융액 상부의 기상 사이의 계면상에서 일어나는 부반응의 영향으로 추정된다. 먼저 고분자 열분해 메카니즘에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 고분자의 열분해는 매우 복잡하여 현재까지 정확히 규명되지는 않았으나, 일반적으로 개시, 전파, 종결 단계를 거쳐 진행되는 것으로 알려져 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 고분자를 이루는 탄소결합중 가장 결합력이 낮은 임의의 탄소결합이 절단되어 두 개의 거대 라디칼을 생성하며 열분해가 개시된다. 이 라디칼은 바로 베타절단, 복분해, 뒤물기 반응에 의해 분해되어 저분자량화된 후 활성을 잃는 과정을 겪을 수도 있고, 동일한 분자내 다른 부분, 혹은 다른 분자에 라디칼이 되어 위와 같은 분해 과정을 겪을 수도 있고, 이는 반복적으로 진행된다. 위와 같은 중간 반응은 고분자 구조와 반응조건에 따라 다르지만 복분해와 뒤물기 반응에 비해 베타절단과 라디칼 전이가 매우 우세하게 일어나는 것으로 알려져 있다. 위와 같은 전파단계에서 생성된 라디칼을 충분히 저분자량화된 후 분자 말단, 즉 알파위치의 탄소가 이중결합을 형성하여 알파올레핀이 되거나 다른 라디칼과 결합하여 활성을 잃음으로써 분해 반응이 종결된다. 통상의 열분해기에서 위와 같은 반응은 주로 용융액 중에서 일어나고, 용융액 상부의 기상에서도 일어나는 것으로 알려져 있다. 위와 같은 반응은 각각 주반응과 부반응이라 구분하며, 기상에서의 부반응은 용융액과 비교할 때 온도가 낮고 계면이 넓지 않아서 주반응에 비하여 매우 불리하다. 그러나 본 출원의 발명자 겸 출원인인 본인은 반회분식 튜브형 반응기를 사용한 폴리올레핀의 열분해에 관한 실험으로부터 기상이 아닌 용융액-기상 계면에서 일어나는 부반응의 효과가 상당히 크게 나타난 결과를 얻었으며, 이는 계면에서 고분자 열분해 메카니즘에서 전파단계인 분자간 라디칼 전이가 활발하게 일어나기 때문인 것으로 추정하였다. 따라서 용융액 계면이 넓고, 주반응의 온도조건과 유사하게 하면 분해반응이 매우 촉진될 것으로 판단하였다.

본 발명에 의한 누벽식 열분해는 다른 열분해기에 비해 용융액의 계면을 최대한 확장함으로써 이러한 효과를 극대화 할 수 있으며, 아래 실시예에 의한 실험으로부터 그와 같은 결과를 확인하였다.

(실시예)

누벽식 열분해기와 튜브형 열분해기의 성능을 비교하기 위하여 실험을 행하였다. 발생되는 폐플라스틱의 대부분을 차지하고 있는 고밀도폴리에틸렌(HDPE), 저밀도폴리에틸렌(LDPE), 저분자량폴리에틸렌(LMWPE), 폴리프로필렌(PP),폴리스티렌(PS)을 원료로 사용하였다. 이들 원료는 350 ℃에서 용융된 후 30 초 동안 일정한 속도로 열분해기로 공급하였으며, 가열원으로써 전기로를 사용하였다. 반응기는 직경 60 mm, 길이 500 mm 인 석영재질이며, 반응기 상부에 분해생성물의 유출을 위한 연결관을 두어 응축기로 유도되도록 하였다. 응축기는 수돗물을 냉각수로 사용하고, 기상물과 액상물을 분리하여 각각 가스크로마토그래피로 성분을 분석하였다. 수율계산을 위해 기상물의 중량은 각 실험의 물질수지로부터 환산하였다.

도 12에 HDPE에 대하여 반응온도 480 ℃에서 누벽식과 튜브형 열분해기의 원료량 변화에 따른 처리시간을 나타내었다. 50 g까지는 누벽식이 튜브형에 비해 약 3배 정도 처리시간이 짧았으나 200 g에서는 10배 정도 처리시간이 짧게 나타났으며, 이는 튜브형이 원료량이 많을 수록 열전달 지연현상이 심화되기 때문이다. 이로부터 누벽식이 튜브형에 비해 대용량 원료의 고속처리에 매우 유리한 것을 알 수 있다.

도 13에 HDPE 100 g에 대하여 450∼550 ℃의 반응온도범위에서 처리시간을 나타내었다. 누벽식과 튜브형 열분해기 모두 반응온도가 높을수록 처리시간이 감소하며, 특히 누벽식의 경우 520 ℃ 이상의 반응온도에서 거의 용융액 공급과 동시에 열분해가 완료되었으며, 이는 역시 매우 효율적인 열전달 효과에 기인한 것으로 판단된다.

도 14에 HDPE, LDPE, LMWPE, PP, PS 각각 100 g에 대하여 480 ℃에서 누벽식과 튜브식으로 열분해할 때 처리시간을 나타내었다. 분자구조에 의해 열분해가 비교적 어려운 폴리에틸렌계 고분자에 특히 누벽식의 효과가 두드러짐을 알 수 있다.

도 15에 HDPE 100 g에 대하여 480 ℃에서 누벽식과 튜브형으로 각각 열분해하였을 때 유분생성물의 탄소수별 분포를 나타내었다. 대체적으로 누벽식이 튜브형에 비해 보다 큰 분자량을 가진 탄화수소를 많이 포함하고, 특히 C₁∼C₄범위의 기상물의 함량이 낮게 나타났다. 이는 튜브형은 열효율이 낮아서 열분해 반응속도는 느리지만, 대신 반응물이 반응기내에 보다 오랫동안 체류하므로 열분해 반응이 더욱 진행되었기 때문으로 판단된다. 한편 누벽식의 경우 특히 C₈∼C₁₆범위의 탄화수소의 선택도가 높았으며, 이 범위에서의 알파올레핀과 파라핀의 비율이 0.63 정도로서 세제, 계면활성제, 지방산 등의 제조에 주요한 원료인 폴레알파올레핀 제조에 유용하게 이용할 수 있을 것으로 판단된다. 특히 여러 폴리올레핀중에서 폴리에틸렌계 고분자, 그중에서도 선형성이 높은 HDPE와 LMWPE가 폴리알파올레핀 생성에 유리하였다. 본 공정에서 폴리알파올레핀 제조를 목적으로 폐플라스틱 원료를 처리할 경우 원료가 오염되지 않고 순도가 높을수록 높은 수율을 얻을 수 있을 것이다.

[생성물 분리부]

분리부는 난분해성 고형물과 유분을 분리하는 고형물 분리기(5)와 1차 분리된 유분을 다시 C₁∼C₄인 기상물과 C₅∼C₃₀인 열분해유로 분리하는 유분 분리기(6)로 구성되어 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이 고형물 분리기(5)는 열분해기(4)의 하부에 위치하고 있으며, 열분해기(4)에서 열분해 과정을 거친 난분해성 고형물과 유분을 연결관(516)을 통해 도입한다. 도 16에 나타낸 바와 같이 난분해성 고형물과 유분을 분리하기 위해 용융기(3)와 동일한 개념의 유격식 사출기를 사용하며, 내관(511)과 외관(512) 사이의 열유통로(521)로 열분해기(4)의 열유출구(415)로부터 열유를 도입하여 내관(511)을 가열하게 하고 열유출구(523)을 통해 열유열교환기(911)로 보내고 열분해유 연소기(8)로부터 회수한 순환열유와 열교환되도록 한 후 열유순환펌프(912)를 통해 다시 열분해기(4)의 열유입구(414)로 보내어 순환하게 하므로 열분해기(4)보다 약간 낮은 온도범위에서 운전된다.

연결관(516)을 통해 도입된 난분해성 고형물과 유분 중 난분해성 고형물은 구동모터(515)에 의해 회전하는 블레이드(513)에 의해 고형물 연소기(7)쪽으로 이송되며, 유분은 배출구(517)를 통해 유분 분리기(6)쪽으로 유출되게 된다. 이 때 난분해성 고형물은 표면에 고비점을 갖는 왁스상 탄화수소가 범벅이 된 상태이고, 유분은 증기상으로서 열분해기(4) 내부의 압력과 블레이드(513)의 회전에 의해 쉽게 분리된다. 그리고 고형물 연소기(7)와 고형물 배출구(520)을 통해 연결되어 있어서 공기가 고형물 분리기(5), 심지어 열분해기(4)로 유입되어 인화성 높은 유분과 연소반응할 가능성이 있으므로, 고형물 배출구(520)쪽에 블레이드(513)에 유격(G3)을 두고 직경감소구조물(518)을 설치하여, 도 17에 나타낸 바와 같이 난분해성 고형물의 적체로 인해 내관을 막음으로써 고형물 분리기(5)나 열분해기(4)로 공기가 들어오는 것을 불가능하게 하였다.

유분 분리기(6)은 고형물 분리기(5)로부터 고형물과 유분으로 1차 분리된 유분을 다시 C₁∼C₄인 기상물과 C₅∼C₃₀인 액상물로 분리하는 기능을 한다. 도 2와 도 18에 나타낸 바와 같이 고형물 분리기(5)의 유분배출구(517)로부터 배출된 유분은 유분 분리기(6)의 도입구(613)을 통해 분리기 내로 도입되며 냉각수에 의해 액상물은 응축되게 하여 회수관(615)를 통해 회수조(621)로 회수하고, 기상물은 배출구(614)를 통해 배출되며, 연결관(725)을 통해 고형물 연소기(6)으로 공급된다. 내관(611)과 외관(612) 사이에 냉각수 통로(619)를 두고 단열재(625)로 덮어서 상온을 유지하게 하였으며, 순환펌프(626)가 냉각수를 순환관(627)을 통해 순환시킨다.

도 19에 나타낸 바와 같이 냉각효율을 높이기 위해 내관(611) 내부에 냉격자(618)를 채용하였다. 이 냉격자는 열전도도가 높은 금속 재료 등으로 만들며, 삿갓 형태의 망상으로서, 망에서 응축된 열분해유가 내벽을 타고 용이하게 흘러내리도록 하였다.

[연소처리부]

연소처리부는 고형물 연소기와 열분해유 연소기로 구성되어 있으며, 고형물과 열분해유의 연소처리로부터 연소열을 회수하여 각각 용융기(3)와 열분해기(4), 고형물 분리기(5)에 필요한 열을 제공하는 기능을 한다.

도 20에 나타낸 바와 같이 고형물 연소기는 고형물이 도입구(713)를 통해 연소실(711)로 적하되게 하고 공기공급펌프(723)가 공기공급노즐(721)을 통해 공기를 분사하여 연소가 이루어지도록 하였으며, 화격자(716)를 두어 고형물과 공기의 접촉을 좋게하고 충분한 접촉시간을 갖게 한다. 도입되는 고형물은 고비점의 왁스상 탄화수소와 범벅인 상태이고 450∼550 ℃ 온도범위에 유지하고 있기 때문에 연소실(711)에 공급된 공기중의 산소와 접촉하게 되면 용이하게 연소된다. 연소열은 폐열유순환관(731)내의 순환열유가 회수하게 되며, 연소실(711) 외부에 단열재(717)를 덮어서 단열이 이루어지도록 하였다. 순환열유는 순환펌프(732)에 의해 순환관(731)을 통해 순환하는데, 폐열유열교환기(921)에서 공급폐열유와 열교환을 통해 가열하게 된다. 고형물 연소기(7)가 용융기(3) 운전에 필요한 250∼350 ℃의 열유를 제공하지 못할 경우 열분해유 이송펌프2(733)가 열분해유 회수조(621)로부터 열분해유를 공급하여 보조연료로 사용할 수 있도록 하였다. 이 때 열분해유는 공급관(725)과 노즐(722)을 통해 연소실(711) 내로 분사되도록 하였다. 고형물은 연소처리후 회분이 되어 배출구(715)로 회수되며, 밸브(712)를 채용하여 연소처리중에도 회분이 회수되도록 한다.

도 21에 나타낸 바와 같이 열분해유 연소기(8)도 위에 서술한 고형물 연소기(7)와 유사한 구조로 되어 있다. 열분해유는 열분해유 이송펌프1(832)에 의해 도입구(813)의 분사노즐(822)을 통해 연소실(811)내로 분사되며, 공기공급펌프(723)가 공기공급노즐(821)을 통해 공기를 분사하여 연소가 이루어지도록 하였으며, 화격자(816)를 두어 열분해유와 공기의 접촉을 좋게 하고 충분한 접촉시간을 갖게 한다. 연소열은 열유순환관(831)내의 순환열유가 회수하게 되며, 연소실(811) 외부에 단열재(817)를 덮어서 단열이 이루어지도록 하였다. 순환열유는 순환펌프(832)에 의해 순환관(831)을 통해 순환하는데, 열유열교환기(911)에서공급열유를 열교환을 통해 가열하게 된다. 열분해유는 연소처리후 연소실(811) 내부나 순환관(831) 외부에 소량의 탄소질 코크를 잔유하게 된다.

고형물 연소기(7)과 열분해유 연소기(8)의 연소처리로부터 발생한 연도가스는 각각 배출구(714와 814)를 통해 배출되며, 연도가스처리기(11)로 도입되어 처리되게 된다.

[열유 공급부]

도 22에 나타낸 바와 같이 열매공급부(9)는 열유 열교환기(911)와 폐열유 열교환기(921), 열유공급펌브(912), 폐열유공급펌프(922), 열유 온도제어기(913), 폐열유온도제어기(923) 등으로 구성되어 있으며, 고형물 연소기(7)와 열분해유 연소기(8)로부터 회수한 열을 각 공정에 요구되는 온도범위를 갖는 열유로 만든 후 용융기(3), 열분해기(4), 고형물 분리기(5)로 공급하는 기능을 한다.

열분해유 연소기(8)로부터 순환열유가 회수한 열은 열유 열교환기(911)에서 열분해기(4)와 고형물 분리기(5)에 공급되는 공급열유와 열교환을 한다. 공급열유는 열유공급펌프(912)에 의해 열분해기(4)의 열유입구(414)로 공급되어 열유출구(415)로 배출되며, 다시 고형물 분리기(5)의 열유입구(522)로 공급되고 열유출구(523)으로 배출되어 열유열교환기(911)로 돌아오게 된다. 공급열유의 온도는 열전대 등으로 측정되어 열유온도제어기(913)로 보내지며, 열유온도제어기(913)는 공급열유가 원하는 온도가 되도록 열분해유이송펌프1(832)로부터 열분해유 연소기(8)로 이송되는 열분해유의 공급유속을 제어한다.

고형물 연소기(7)의 열을 이용한 열유공급도 위와 유사한 방식으로서, 고형물 연소기(7)로부터 순환열유가 회수한 열은 폐열유 열교환기(921)에서 용융기(3)에 공급되는 공급열유와 열교환을 한다. 공급열유는 폐열유공급펌프(922)에 의해 용융기(3)의 열유입구(332)로 공급되어 열유출구(333)로 배출되며, 폐열유열교환기(921)로 돌아오게 된다. 공급열유의 온도는 열전대 등으로 측정되어 폐열유 온도제어기(923)로 보내지며, 폐열유 온도제어기(923)는 공급열유가 원하는 온도가 되도록 열분해유이송펌프2(733)로부터 고형물 연소기(8)로 이송되는 열분해유의 공급유속을 제어한다.

[연도가스 처리부]

연도가스 처리부는 고형물 연소기(7)과 열분해유 연소기(8)로부터 배출되는 연도가스중의 탄화수소와 휘발성유기화합물을 완전산화시켜서 공정운전에 따른 대기오염물질의 배출을 억제하는 기능을 한다.

도 25에 나타낸 바와 같이 연도가스 처리기(11)는 차량 엔진과 촉매전환기 사이에 설치한다. 도 26에 나타낸 바와 같이 차량 배기가스가 유입구(121)와 유출구(122) 사이에 관로감소구조물(114)을 설치하고 내관(111)에 연도가스 유출홀(116)을 만들고 내관(111)과 외관(112) 사이에는 진공챔버(113)를 둔다.

차량 엔진에서의 배기가스는 매우 높은 압력에서 배기되므로 연소기의 연도가스 배출관과 직접 연결할 경우 역류하게 되므로, 이를 방지하기 위하여 벤츄리 원리를 이용한다. 도 27에 나타낸 바와 같이 연도가스 처리기(11)에 실선과 같이차량 배기가스가 지나갈 때 A지점에는 진공이 걸리게 되며 점선과 같이 연도가스가 배기가스중에 스며드는 방식으로 도입되게 된다. 연도가스는 배기가스와 섞여진 상태에서 차량의 촉매전환기에서 완전 산화하여 차량 배기구를 통해 대기중으로 방출되게 된다. 이 때 차량 엔진에 무리를 주지 않기 위해서는 관로감소구조물(114)을 길게하여 직경 감소가 완만할수록 유리하며, 진공챔버(V1) 부분에 걸리는 진공도도 높다.

[장치 운전방법 예시]

열분해유 회수조(621)에 등유 등 연료유를 넣은 후 열분해유 이송펌프1(733)과 열분해유 이송펌프2(823)을 작동시켜 고형물 연소기(7)과 열분해유 연소기(8)에 공급되도록 하고, 공기공급펌프(727)을 작동하여 연소를 시작하며, 폐열유순환펌프(732)와 열유순환펌프(832)를 작동하여 순환열유를 순환시키며, 열유공급펌프(912)와 폐열유공급펌프(922)도 작동시켜서 용융기(3)와 열분해기(4)가 상기한 작동온도 범위에 들어갈 때까지 예열시킨다.

각 공정의 온도가 작동온도로 충분히 증가하면 모든 구동모터와 펌프, 온도제어기를 작동시켜서 운전을 개시한다.

본 발명에 따른 폐플라스틱 유화 장치는 물론 지상의 고정싸이트에 설비할 수도 있으나, 차량에 적재하여 정차중, 운송중에도 운전이 가능하게 할 목적으로 설계하였으며, 이를 위해 원료공급, 열분해, 연소, 생성물 분리, 폐열회수 및 공급이 연속적으로 이루어지도록 하였다. 또한 유격식 용융기와 분리기, 그리고 누벽식 열분해기를 채용하여 소형이고 단순한 반면 대용량 원료의 고속처리가 가능하여 상용성이 매우 높고, 특히 고형물 처리를 위해 고온열분해를 채용하지 않고 연소처리되도록 하고, 폐열을 회수하여 공정에서 공급함으로써 공학적, 경제적으로 매우 유리하다. 또한 공정 잔유물이 소량의 회분형태인 것이 장점이다.

특히 본 발명에서 채용한 누벽식 열분해기는 기존의 반응기에 비해 열효율이 매우 높고, 정확한 반응기 온도를 구현할 수 있어서, 고점성과 낮은 열전도도로 인한 기존 공정의 문제점을 해결하였으며, 열분해 처리 속도가 매우 높은 장점이 있으며, 선형 폴리에틸렌 고분자로부터의 폴리알파올레핀 회수에 매우 유리하여 폴리알파올레핀 제조 장치로도 사용될 수 있다.

또한 본 발명에서 채용한 유격식 용융기 및 분리기는 각각 저온분해가스의 회수와 유분과 고형물의 분리, 연소기와 열분해기의 기밀유지가 가능하도록 하여 열분해와 연소를 동시에 이루어지도록 하는 기능을 갖으며, 소각로 등 다른 공정에 응용할 수도 있을 것이다.

또한 본 발명에서 채용한 연도가스처리기는 고형물과 열분해유의 연소공정에서 발생한 연도가스를 차량 배기관으로 용이하게 유도하여 배기가스 촉매전환기를 거쳐 같이 처리되도록 함으로써 대기오염물질의 방출을 최대한 억제하였다.

Claims (16)

1. 폐플라스틱을 유화를 통해 재생처리함에 있어서 파쇄, 용융, 열분해, 연소 및 폐열회수, 열유공급, 연도가스처리 등 단위공정으로 구성하고, 동시, 연속처리하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 유화재생 처리장치.
2. 호퍼(1)에 저장중인 원료의 파쇄기(2)로의 도입을 용이하게 하기 위하여 호퍼(1) 내부에, 상부로 갈수록 직경이 줄어드는 원료유인 블레이드(221)를 제공하는 것을 특징으로 하는 원료도입 시스템.
3. 파쇄기(2)로 트윈형태의 사출기를 사용하는데 있어서, 원료가 도입되는 부분의 블레이드(212)의 직경을 점차 감소시켜서 두 개의 블레이드 사이에 공간을 제공하여 보다 큰 부피를 갖는 원료의 도입이 용이하도록 한 것을 특징으로 하는 원료도입 시스템.
4. 폐플라스틱의 열분해에 있어서 폐플라스틱 용융액이 열분해 가능한 온도로 가열된 열분해기의 수직한 내벽(411)을 흐르게하는 누벽방식으로 열분해되는 것을 특징으로 하는 열분해반응 시스템.
5. 제 4항에 있어서, 폐플라스틱 용융액을 열분해기 내벽(411)으로 전달할 때, 디스크 (423)등의 분배기를 회전시킴으로써 얻어지는 원심력을 이용하여 열분해기 내벽(411)에 흩뿌리는 것을 특징으로 하는 열분해반응 시스템.
6. 제 4항에 있어서, 폐플라스틱 용융액의 계면을 확장하기 위해 열분해기 내벽(411)에 주름이나 침상 또는 판상을 포함하는 내벽면적확장구조물(418)을 제공하는 것을 특징으로 하는 열분해반응 시스템.
7. 제 4항에 있어서, 선형고분자 등을 원료로 하여 누벽식 열분해을 통한 폴리알파올레핀 제조를 목적으로 한 운전방법.
8. 제 4항에 있어서 폐플라스틱 용융액을 누벽시키는 장치는 열분해기의 형태를 제한하지 않으며, 열분해기를 수평하게 또는 경사지게 하거나 열분해기 자체를 회전시킴으로써 누벽효과를 달성하는 시스템을 포함한다.
9. 사출기의 블레이드에 유격(G1, G2)을 두어 이송물의 적체에 따라 양단에 기밀이 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 물질이송 시스템.
10. 제 9항에 있어서 기밀유지 효과를 높이기 위해 직경감소구조물(317, 518)을 제공하는 것을 특징으로 하는 물질이송 시스템.
11. 제 9항과 제 10항의 원리를 이용하여, 폐플라스틱 유화재생 처리장치의 사출형 용융기를 250∼350 ℃로 유지하고, 생성된 염소기체 등의 저온분해가스가 다른 공정으로 도입되지 않도록 하고 특정한 부분에서만 회수되도록 하는 것을 특징으로 하는 물질이송 및 탈염기 시스템.
12. 폐플라스틱의 유화 처리에 있어서 열분해 생성물인 유분과 난분해성 고형물을 250∼350 ℃의 온도범위로 가열된 사출기로 분리하는 것을 특징으로 하는 분리시스템.
13. 제 12항에 있어 제 9항과 제 10항의 원리를 이용하여 분리기(5)의 유격부(G3)에 고형물을 적체시킴으로써 열분해기(4)와 고형물 연소기(7) 간의 기밀 유지가 가능케 함으로써 폐플라스틱의 열분해와 열분해후 고형물의 연소처리가 연속적이고 동시에 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 분리 시스템.
14. 폐플라스틱 유화재생 처리장치에서 용융기(3), 열분해기(4), 고형물 분리기(5)가 각각의 운전온도를 유지하도록 공급열유를 공급함에 있어서, 고형물연소기(7)과 열분해유 연소기(8) 등을 순환하며 폐열을 회수하는 순환열유를 직접 공급하지 않고, 열교환기(911, 921)에서 공급열유가 순환열유로부터 열교환하여 보다 정확한 온도를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 열유공급 시스템.
15. 본 발명에 의한 폐플라스틱 유화재생 처리 장치를 차량에 적재 고정하여 정지 중 또는 이동 중에도 공정운전이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 자주형 폐플라스틱 유화재생 처리장치 및 처리방법.
16. 차량 적재 폐플라스틱 유화재생 처리장치로부터 발생된 연도가스를 연도가스처리기 (11)를 이용하여 차량 배기가스 중으로 도입하고, 기존 장착된 촉매전환기를 통해배출하여 대기오염을 억제하는 것을 특징으로 하는 연도가스처리 시스템.