KR20040070358A

KR20040070358A - 폐산화철촉매를 연소첨가제로 이용하는 방법

Info

Publication number: KR20040070358A
Application number: KR1020030006497A
Authority: KR
Inventors: 장영옥
Original assignee: 장영옥
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-09

Abstract

본 발명은 사용이 완료된 폐산화철촉매를 연소첨가제로서 재활용하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 폐산화철촉매를 석탄, CWM(Coal Water Mixture), COM(Coal Oil Mixture) 등의 화석연료를 연소할 때 혹은 제지슬러지, 도시쓰레기, 사업장 폐기물 등의 가연성 물질을 소각할 때 연소첨가제로서 이용하거나, 폐산화철촉매를 혼합한 수지, RDF(Refuse Drived Fuel), RPF(Refuse Pulp & Paper Fuel) 등의 폐기물 고형 연료, 번개탄, 연탄 등의 석탄 고형 연료 등과 같이 연소첨가제가 함유된 제품의 제조시 원료로서 혼합하는 방법에 의해서 달성된다.

본 발명은 재생 비용이 많이나 매립되고 있는 폐산화철촉매를 가연성 연료 및 폐기물의 연소시 연소첨가제로 사용하거나 수지, 고형 연료 등의 제조시 첨가제로서 사용함으로서, 연소시 발생되는 공해물질(미연 탄소, 다이옥신 등)의 발생을 억제할 수 있는 뛰어난 장점을 가지고 있으며, 폐기물의 처리 및 재활용이란 일석이조의 효과를 얻을 수 있다.

Description

폐산화철촉매를 연소첨가제로 이용하는 방법{Method using waste iron oxide catalysts as additives for combustion}

석유화학에서 스티렌모노머는 폴리스티렌수지, 스티렌-부타디엔 고무 등의 제조 원료외에 불포화 폴리에스테르수지, 도료 등에 널리 사용되고 있다. 스티렌모노머는 화학식 1과 같이 주로 산화철촉매를 사용하여 에틸벤젠을 탈수소하여 합성한다.

C₆H₅CH₂CH₃→ C₆H₅CH = CH₂+ H₂

산화철촉매는 삼산화이철(Fe₂O₃)를 주원료로 하고(70%이상), 촉매의 활성도를 높이기 위해 산화칼륨(K₂O), 산화세륨(CeO₂), CaO, MgO, MoO 등의 산화금속이 소량씩 함유되어 있다.

산화철촉매가 쓰여지는 스티렌모노머 합성반응은 탈수소반응이므로 수소가 발생하여 삼산화이철(Fe₂O₃)이 마그네타이트(Fe₃O₄)로 환원됨에 따라 촉매 수명은 보통 1 ∼ 2년 정도이다.

이와 같이 촉매 수명이 다하여 버려지는 폐산화철촉매는 지정폐기물처리 업체에 의해 처리비용을 지불하고 매립되어지고 있다. 한편, 이렇게 매립되어지고 있는 폐산화철촉매를 재활용하려는 시도가 있다. 한국공개특허 2002-80521호에는 폐산화철촉매를 중금속함유 폐수 처리에 이용하였으며, 한국공개특허 2002-93455호에는 폐산화철촉매로부터 산화세륨의 분리방법이 개시되어 있다.

이들 공지된 특허들은 나름대로 폐산화철촉매의 재활용이란 측면에서 유용하리라 생각되어지지만, 경제성 측면에서는 고려해야할 사항이 존재한다. 한국공개특허 2002-80521호는 중금속함유 폐수로부터 중금속 흡착 후, 자력분리에 의한 고액분리 공정이 요구되며, 또한 폐산화철촉매에 함유되어 있을지도 모르는 가용성 유해 성분에 대해 언급이 없다. 한국공개특허 2002-93455호에는 폐산화철촉매로부터 산화세륨을 분리하는데 부산되는 폐산의 처리비용이 부가적으로 발생되고, 자력분리 공정 및 분리된 산화세륨의 정제 비용이 만만치 않을 것으로 판단된다.

한편, 폐 산화철 촉매의 주성분인 마그네타이트는 연소첨가제로서 이용하려는 시도가 있다. 일본특허공고 특개평8-270924호에는 도시쓰레기나 폐플라스틱을 포함한 산업폐기물 등의 연소시, 칼슘화합물과 산화철 입자 또는 함수 산화 제2철이 혼합된 연소첨가제를 사용하여 연소시키는 방법이 공개되어 있다. 여기서 산화철 입자로는 삼산화이철(Fe₂O₃) 혹은 마그네타이트(Fe₃O₄)를 사용하는 것이 가능한 것으로 기재되어 있다. 일본특허공고 특개평7-257594호에는 함수 산화제2철 혹은 마그네타이트 입자를 함유한 열가소성 수지 필름으로 된 플라스틱제 쓰레기 봉투가 공개되어 있다. 여기에는 마그네타이트 입자를 함유한 쓰레기 봉투는 마그네타이트 입자를 함유하지 않은 쓰레기 봉투와 비교하여 연소속도, 저 산소 농도 하에서의 연소속도, 완전연소율 및 저온연소성이 우수한 것으로 기재되어 있다.

본 발명자는 상기한 바와 같이 재생비용이 많이 들거나, 매립되고 있는 폐산화철촉매의 효율적인 재활용 방법을 다각적으로 검토하던 중 폐산화철촉매의 주성분인 마그네타이트가 연소첨가제로서 사용된다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하게 된 것이다. 따라서 본 발명의 목적은 폐산화철촉매를 연소첨가제로 이용하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 폐산화철촉매가 함유된 경우와 폐산화철촉매가 함유되지 않은 경우의 열중량 분석을 나타낸 도면

본 발명은 기술적 과제 언급한 바와 같이 폐산화철촉매의 주성분인 마그네타이트가 연소첨가제로서 사용된다는 점에 착안한 것이다.

본 발명에 의한 폐산화철촉매를 연소첨가제로서 이용하는 방법은 폐산화철촉매를 석탄, CWM(Coal Water Mixture), COM(Coal Oil Mixture) 등의 화석연료를 연소할 때 혹은 제지슬러지, 도시쓰레기, 사업장 폐기물 등의 가연성 물질을 소각할 때 연소첨가제로서 이용하거나, 폐산화철촉매를 혼합한 수지, RDF(Refuse Drived Fuel), RPF(Refuse Pulp & Paper Fuel) 등의 폐기물 고형 연료, 번개탄, 연탄 등의 석탄 고형 연료 등과 같이 연소첨가제가 함유된 제품의 제조시 원료로서 혼합하는 방법에 의해서 달성된다.

폐 산화철 촉매의 주성분은 마그네타이트이며 산화칼륨(K₂O), 산화세륨(CeO₂), CaO, MgO, MoO 등의 산화금속이 소량씩 함유되어 있다.

표 1은 폐 산화철 촉매의 조성의 일 예를 나타낸다.

성분	Fe₃O₄	K₂O	CeO₂	MoO	MgO	CaO	MnO
조성(wt%)	80.48	8.44	7.37	1.41	1.06	1.22	0.02

폐산화철촉매는 연소첨가제로 사용되는 마그네타이트(일본특허공고 특개평8-270924호)가 70%이상 함유되어 있으므로 연소첨가제로 사용이 가능하며,또한 폐산화철촉매에 함유된 산화세륨은 휘발성 유기화합물 및 일산화탄소의 산화에 사용되는 촉매의 구성성분으로서 연소촉진 및 산화 역할을 담당한다(일본특허공고 2000-334304호).

본 발명에 의한 폐산화철촉매가 연소첨가제로서 작용을 도 1을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 가연성 물질과 폐산화철촉매가 함유된 가연성 폐기물의 열중량 분석장치로 측정한 경우의 온도와 중량 감소율과의 관계를 나타낸 것이다. 도 1에서 종축은 중량 감소율(%), 횡축은 온도(℃)를 나타낸다. 곡선 A는 가연성 물질에 폐산화철촉매가 함유되어 있는 경우이며, 곡선 B는 가연성 폐기물 단독일 경우를 나타낸다. 도 1에서 동일한 조건에서 곡선 A와 B를 비교하면, 곡선 A는 곡선 B보다도 중량감소가 급격하게 일어나 단시간에 연소가 종료됨을 확인할 수 있다. 이는 A의 연소가 B보다 빠르다는 것을 의미한다. 열중량 감소는 A가 B에 비하여 짧은 시간에 많은 양의 연소가 일어나고 잔여물의 양이 작게 되는데, 이는 연소되지 않은 잔여물의 양이 작아지므로 결과적으로 완전연소 가능성이 큼을 의미한다. 다시 말하면, CO의 발생 가능성이 낮게 됨을 의미한다. 일반적으로 CO의 발생량은 다이옥신 발생량과 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있으며, CO의 발생량이 많을수록 다이옥신의 발생이 많다. 따라서 곡선 A가 고선 B보다 다이옥신 발생량 또한 낮게 됨을 예측할 수 있다.

본 발명의 실시형태는 폐산화철촉매를 화석연료를 연소할 때 혹은 가연성물질을 소각할 때 연소첨가제로 사용하는 방법과 폐산화철촉매를 열가소성 수지 혹은열경화성 수지, RDF(Refuse Drived Fuel), RPF(Refuse Pulp & Paper Fuel) 등의 폐기물 고형 연료, 번개탄, 연탄 등의 석탄 고형 연료 등에 첨가하여 성형하는 형태로 나타난다. 화석연료로는 석탄, CWM(Coal Water Mixture), COM(Coal Oil Mixture) 등을 들 수 있으며, 가연성물질로는 제지슬러지, 도시쓰레기, 사업장 폐기물 등을 들 수 있다. 본 발명에 의한 연소첨가제가 함유된 제품의 경우에는 쓰레기 봉투 등과 같이 열가소성 수지에 폐산화철촉매를 혼합한 수지, RDF(Refuse Drived Fuel), RPF(Refuse Pulp & Paper Fuel) 등의 폐기물 고형 연료와 번개탄, 연탄 등의 석탄 고형 연료 등을 들 수 있다. 폐산화철촉매는 사용 목적에 따라 볼밀 등을 이용하여 필요한 입도로 조정하여 사용한다.

이하 본 발명에 의한 폐산화철촉매를 이용한 연소첨가제, 폐산화철촉매가 함유된 수지, 쓰레기 고형 연료, 석탄 고형 연료에 대한 실시 예를 예시하기로 하지만, 본 발명은 이에 한정되지는 않으며, 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

실시예 1) 연소첨가제

석탄을 연소시키는 유동층 보일러에서 폐산화철촉매를 석탄 공급량의 0.5%가 되도록 석탄공급라인에 폐산화철촉매 공급라인을 설치하여 연속적으로 공급하고 연소한다.

실시예 2) 폐산화철촉매가 함유된 수지

본 발명에 의한 연소첨가제가 함유된 수지의 경우, 열가소성 수지와 열경화성 수지 모두 폐산화철촉매를 함유시켜도 무방하다. 본 실시예2에서는 열가소성 수지의 예를 들었다. 저밀도 폴리에틸렌 수지, 폐산화철촉매 분말, 기타 첨가재(열안정제 등)을 혼합하여 압출기에 넣고 175℃로 압출하여 일정크기(직경 3mm)로 펠릿화한 수지를 얻었다. 이렇게 하여 제조된 수지를 가지고 각종 성형품의 원료로 사용하면 된다. 표 2는 상기한 폐산화철촉매가 함유된 수지 조성의 일 예를 나타낸다.

구분	혼합비(중량%)
저밀도 폴리에틸렌수지	93%
열안정제	2%
폐산화철촉매	5%

실시예 3) 폐산화철촉매가 함유된 폐기물 고형 연료

플라스틱이 함유된 사업장 폐기물을 1차 파쇄기로 금속류를 선별하고 파쇄하는 단계, 파쇄된 폐기물로부터 철을 자력선별기로 제거하고, 철을 제거한 폐기물로부터 알루미늄을 알루미늄선별기로 제거하고 2차 파쇄기로 세분된 폐기물을 가열, 건조로에서 가열 건조하고, 가열, 건조한 폐기물을 진동 스크린으로 선별한 다음, 진동스크린을 통과한 작은 폐기물은 믹서에 공급되고, 첨가재로서 폐산화철촉매 분말과 소석회를 믹서에 공급하여 혼합,교반되고, 혼합교반된 혼합물을 성형기로 성형하여 고형 연료를 얻었다. 고형 연료의 구성비를 표 3에 나타내었다.

구분	혼합비(중량%)
가연성폐기물(폐플라스틱, 나무, 종이 등등)	87%
소석회	10%
폐산화철촉매	3%

실시예 4) 폐산화철촉매가 함유된 석탄 고형 연료

믹서에 석탄과 물과 폐산화철촉매를 공급하고 혼합, 교반하여 슬러리를 만들고 성형기로 성형하여 석탄 고형 연료(연탄)을 제조하였다. 고형 연료의 원료 혼합비를 표 4에 예시한다.

구분	혼합비(중량%)
석탄	68%
물	30%
폐산화철촉매	2%

Claims

석탄, CWM(Coal Water Mixture), COM(Coal Oil Mixture) 등의 화석연료를 연소할 때 혹은 제지슬러지, 도시쓰레기, 사업장 폐기물 등의 가연성물질을 소각할 때, 폐산화철촉매를 연소첨가제로 이용하는 방법
청구항 1의 연소첨가제가 함유된 수지
청구항 1의 연소첨가제가 함유된 RDF, RPF 등의 폐기물 고형 연료
청구항 1의 연소첨가제가 함유된 연탄, 번개탄 등의 석탄 고형 연료