KR20110113337A

KR20110113337A - 폐고분자 물질로부터 고급 유분의 제조 방법

Info

Publication number: KR20110113337A
Application number: KR20100032676A
Authority: KR
Inventors: 손태면
Original assignee: (주) 지인에스
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2011-10-17

Abstract

폐고분자 물질을 열분해하여 생성되는 고체 잔류물, 액체 유분 및 기체 유분을 효율적으로 분리 및 정제하여 고급 유분을 제조하는 방법이 개시된다. 상기 폐고분자 물질로부터 고급 유분의 제조 방법은, 폐고분자 물질을 파쇄 및 건조시키는 단계; 관형 용융기를 이용하여, 파쇄 및 건조된 폐고분자 물질을 용융시키는 단계; 상기 관형 용융기에서 용융된 폐고분자 물질을 열분해 반응기에서 열분해시켜 기체 유분을 생성하는 단계; 상기 열분해 반응기에서 생성된 기체 유분을 냉각시켜 액체 유분으로 변환시키는 단계; 및 상기 액체 유분을, 다단 분별증류장치를 이용하여 가열하면서, 각각의 끓는점에 따라, 기체 유분, 경질 유분 및 중질 유분으로 분리하고, 경질 유분을 수득하는 단계를 포함한다.

Description

폐고분자 물질로부터 고급 유분의 제조 방법{Method for producing high- quality oil from waste-polymer material}

본 발명은 폐고분자 물질로부터 고급 유분을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 폐고분자 물질을 열분해하여 생성되는 고체 잔류물, 액체 유분 및 기체 유분을 효율적으로 분리 및 정제하여 고급 유분을 제조하는 방법에 관한 것이다.

석유화학 공업의 발전에 따라, 일상 생활에서 플라스틱의 사용량이 급격히 증가하였으며, 따라서, 생활쓰레기 중, 폐고분자의 비중도 급격히 증가하고 있다. 폐고분자 물질의 경우, 매립하여도 잘 썩지 않아 분해에 수 백년의 시간이 소요될 뿐만 아니라, 플라스틱 첨가물에 의해 지하수가 오염될 우려가 있고, 또한 쓰레기 매립량의 증가에 따라 매립지가 부족하게 되는 등의 여러 가지 문제가 있어, 폐고분자의 처리가 쉽지 않다. 또한, 폐고분자를 소각할 경우에도, 완전 연소가 어렵고, 유독가스와 높은 열이 발생하며, 소각 후 중금속 잔재가 남기 때문에, 소각장에 2차적인 환경 오염을 유발시킨다.

따라서, 폐고분자를 단순히 매립 또는 소각하는 대신, 폐고분자를 열분해하여 고급 연료유를 생산하는 방법이 활발히 연구되고 있다. 폐고분자의 열분해 기술은, 가연성 폐기물인 폐고분자를 무산소 또는 저산소 분위기에서 고온으로 가열함으로써, 폐고분자를 구성하는 고분자 화합물을 환원 분해시켜 저분자화하는 방법이다. 폐고분자의 분해에 의해 생성되는 저분자 화합물은 탄소쇄의 길이, 화합물의 형태에 따라, 기체 또는 액체 상태를 가지며, 이들 기체 또는 액체 상태의 유분을 분리, 냉각 등의 과정으로 후처리하여, 고급 연료유를 생산한다. 따라서, 폐고분자를 열분해하여 고급 연료유를 생산하는 방법은, 폐고분자의 열분해에 의하여 생성되는 기체 또는 액체 상태 유분의 처리 효율에 따라, 전체 공정의 효용성이 결정된다.

그러나, 종래의 폐고분자를 이용한 고급 연료유 생산 공정은, 기체 상태의 유분을 외부로 배출해 버리는 등, 가스 포집 효과가 적고, 폐고분자의 재활용율이 낮아, 경제성이 떨어지는 단점이 있었다. 따라서, 폐고분자를 이용한 고급 연료유 생산 공정이 다수 개발되었음에도 불구하고, 산업현장에서는 실용화되지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 폐고분자 물질을 열분해하여 생성되는 고체 잔류물, 액체 유분 및 기체 유분을 효율적으로 분리 및 정제하여 고급 유분을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 경제적으로 고급 연료유를 생산하여, 실제 산업 현장에서 실용화가 가능한, 폐고분자 물질로부터 고급 유분을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 폐고분자 물질을 파쇄 및 건조시키는 단계; 관형 용융기를 이용하여, 파쇄 및 건조된 폐고분자 물질을 용융시키는 단계; 상기 관형 용융기에서 용융된 폐고분자 물질을 열분해 반응기에서 열분해시켜 기체 유분을 생성하는 단계; 상기 열분해 반응기에서 생성된 기체 유분을 냉각시켜 액체 유분으로 변환시키는 단계; 및 상기 액체 유분을, 다단 분별증류장치를 이용하여 가열하면서, 각각의 끓는점에 따라, 기체 유분, 경질 유분 및 중질 유분으로 분리하고, 경질 유분을 수득하는 단계를 포함하는 폐고분자 물질로부터 고급 유분의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 고급 유분의 제조 방법은, 폐고분자 물질을 열분해하여 생성되는 고체 잔류물, 액체 유분 및 기체 유분을 효율적으로 분리 및 정제하여, 경제적으로 고급 유분을 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 폐고분자 물질로부터 고급 유분을 제조하는 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 고급 유분 제조 방법에 사용될 수 있는 관형 용융기의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 고급 유분 제조 방법에 사용될 수 있는 열분해 반응기의 개략도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 있어서, 고급 유분(high-quality oil)의 제조에 사용될 수 있는 폐고분자 물질은 폐스티로폼, 폐타이어 등의 각종 폐합성수지를 포함하며, 상기 폐합성수지는 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리비닐클로라이드(Polyvinylchloride: PVC), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 등의 다양한 열가소성 수지로 이루어질 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 폐고분자 물질로부터 고급 유분을 제조하는 방법을 보여주는 공정 흐름도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라, 고급 연료유, 즉, 고급 유분을 제조하기 위해서는, 먼저, 폐고분자 물질을 적절한 크기로 파쇄 및 건조시킨다(S 12). 상기 폐고분자 물질을 파쇄하는 파쇄기로는, 커터(cutter)를 이용한 통상의 기계식 파쇄기를 사용할 수 있고, 상기 폐고분자 물질의 파쇄 크기는, 특별히 한정하는 것은 아니지만, 통상적으로 0.5 내지 6.0 cm 이다. 이와 같이 파쇄된 폐고분자 물질을 건조하는 건조기로는 통상의 열풍 건조기 또는 히터를 사용할 수 있다.

다음으로, 관형 용융기를 이용하여 파쇄 및 건조된 폐고분자 물질을 용융시킨다(S 14). 이와 같이 폐고분자 물질을 용융시키면, 용융된 폐고분자 물질을 다음 단계의 열분해 반응기로 연속적으로 주입시킬 수 있으므로, 작업 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 폐고분자 물질의 용융은 200 내지 350℃, 바람직하게는 230 내지 320℃로 유지되는 관형 용융기에 의하여 수행될 수 있다. 여기서, 상기 관형 용융기의 온도가 200℃ 미만이면, 폐고분자 물질이 굳어서 열분해 반응기로의 주입이 곤란할 우려가 있고, 350℃를 초과하면 관형 용융기내에서 폐고분자 물질 원료가 반응하여 과잉 기체가 발생할 우려가 있다. 도 2는 본 발명에 따른 고급 유분 제조 방법에 사용될 수 있는 관형 용융기의 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 관형 용융기(10)의 하우징(12, housing) 일단에는 관형 용융기(10) 내부로 파쇄 및 건조된 폐고분자 물질을 공급하기 위한 폐고분자 물질 공급구(14)가 설치되고, 상기 하우징(12) 내부에는 관형 용융기(10)의 길이 방향으로 스크류(16)가 장착되어 회전하고 있다. 또한, 상기 관형 용융기(10)의 일측단에는 상기 스크류(16)를 회전시키기 위한 구동 수단으로서 모터(18)가 장착되어 있으며, 상기 관형 용융기(10)의 타측단에는 용융된 폐고분자 물질을 배출하는 폐고분자 물질 배출구(20)가 설치되어 있다. 이와 같은 관형 용융기(10)에 있어서, 파쇄 및 건조된 폐고분자 물질이 폐고분자 물질 공급구(14)를 통하여 관형 용융기(10)의 하우징(12) 내부로 들어오면, 스크류(16)와 함께 나선형으로 회전하면서 용융되고, 폐고분자 물질 배출구(20)를 통하여 배출된다. 이때, 폐고분자 물질의 용융에 의하여 기체 유분(oil, 유분)이 발생하며, 발생된 기체 유분은 연소실(furnace)에서 연소된다(S 50).

상기 관형 용융기(10)에서 용융된 폐고분자 물질은 열분해 반응기에서 열분해되어 기체 유분을 생성한다(S 16). 도 3은 본 발명에 따라 고급 유분 제조에 사용될 수 있는 열분해 반응기의 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 열분해 반응기(30)의 하부에는 샌드층(sand, 32)이 형성되어 있으며, 상기 샌드층(32)으로 고온 고압의 질소 또는 과열 증기(super heated steam)를 공급하기 위한 유동매체 주입구(34)가 상기 열분해 반응기(30)의 하부에 형성되어 있고, 용융된 폐고분자 물질을 상기 샌드층(32)으로 공급하기 위한 폐고분자 물질 투입구(38)가 상기 유동 매체 주입구(34)에 분기된 형태로 형성되어 있다. 따라서, 상기 폐고분자 물질 투입구(38)로 폐고분자 물질이 공급되면, 폐고분자 물질은 유동매체 주입구(34)를 통과하는 질소 또는 과열 증기와 혼합되어, 샌드층(32)로 공급된다. 여기서, 상기 과열 증기(super heated steam)는 100℃ 이상의 증기를 말한다. 상기 열분해 반응기(30)의 샌드층(32) 상부에는 노즐 분배판(36)이 장착되어 있으며, 샌드층(32)에서 폐고분자 물질의 분해에 의하여 발생하는 기체 유분은 노즐 분배판(36)에 형성된 다공(多孔)을 통하여 분산되어 반응기(30) 상부로 공급된다. 또한, 열분해 반응기(30)의 상부에는 폐고분자 물질의 분해에 의하여 발생하는 기체 유분을 배출하기 위한 기체 유분 배출구(42)가 설치되어 있고, 열분해 반응기(30)의 측면에는 노즐 분배판(36) 상부로 오버플로우(overflow)되는 샌드(sand)를 배출하기 위한 샌드 배출구(40)가 형성되어 있다.

상기 열분해 반응기(30)의 샌드층(sand, 32)은, 관형 용융기(10)에서 공급되는 용융된 폐고분자 물질 원료 내에 존재하는 고체 물질이 열분해 반응기(30)로 유입되는 것을 억제하기 위하여 설치된다. 상기 열분해 반응기(30)의 내부, 샌드층(32) 및 유동매체 주입구(34)에서 공급되는 질소 또는 과열 증기(super heated steam)의 온도는 약 400 내지 600℃, 바람직하게는 450 내지 550℃로 유지되고, 상기 열분해 반응기(30)의 내부 압력은 1 내지 3 atm으로 유지된다. 여기서, 상기 열분해 반응기(30), 샌드층(32) 등의 온도가 400℃ 미만이면, 열분해 반응의 속도가 느려져, 반응 효율이 저하되고, 반응 시간이 과도하게 증가될 우려가 있고, 600℃를 초과하면 폐고분자의 반응이 과다하여 고분자 물질의 탄소쇄가 너무 짧아지는 부반응을 초래할 우려가 있다. 또한, 상기 열분해 반응기(30) 내부로는 연속적으로 고온 고압의 질소 또는 과열 증기(super heated steam)가 공급되어, 폐고분자 물질과 샌드층(42)의 샌드와 함께 격렬하게 혼합되어 반응을 촉진 시키게 된다. 이와 같은 조건에서, 상기 열분해 반응기(30)의 샌드층(32)으로 도입된 폐고분자 물질의 화학적 개질(열분해) 반응이 수행되어, 폐고분자 물질이 저분자량의 기체 유분으로 상(phase) 변화되고, 노즐 분배판(36) 및 기체 유분 배출구(42)를 통하여 배출된다. 상기 폐고분자 물질의 분해 과정에서, 일부 넘쳐나는 샌드와 반응 중 발생하는 고체 잔류물은 샌드 배출구(40)를 통하여 오버 플로우되어 반응기(30) 외부로 배출되고, 폐기된다.

다음으로, 상기 열분해 반응기(30)에서 생성된 기체 유분을 사이클론(cyclone)에 통과시켜, 기체 유분 중의 고체 잔류물을 분리 제거하여 순수한 기체 유분을 얻고(S 20), 얻어진 순수한 기체 유분을 열교환기에서 냉각시켜 액체 유분으로 변환시킨다(S 22). 이때, 필요에 따라, 여과막을 이용하여, 얻어진 액체 유분을 여과시켜, 액체 유분 중의 고체 잔류물 성분을 더욱 제거하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 기체 및 액체 유분에서 분리된 고체 잔류물은 폐기된다. 상기 기체 유분을 냉각시키는 열교환기는 통상 15 내지 30℃의 냉수에 의해 냉각된 상태로 유지된다. 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 열분해 반응기(30)에서 생성된 기체 유분은 직접 그대로 열교환기에서 냉각되어 액체 유분으로 변환되고(S 30), 변환된 액체 유분을 원심분리기로 원심분리하는 등의 방법으로, 액체 유분으로부터 고체 잔류물 성분을 제거할 수 도 있다(S 32). 이때, 필요에 따라, 여과막을 이용하여, 얻어진 액체 유분을 여과시켜, 액체 유분 중의 고체 잔류물 성분을 더욱 제거하는 것이 바람직하다. 여기서, 액체 유분에서 분리된 고체 잔류물은 폐기되며, 상기 기체 유분을 냉각시키는 열교환기도 통상 15 내지 30℃의 냉수에 의해 냉각된 상태로 유지된다.

이와 같이, 기체 유분을 냉각시켜 얻은 액체 유분을, 다단 분별증류장치를 이용하여 가열하면서, 각각의 끓는점에 따라, 기체 유분(유분), 경질 유분(유분), 중질 유분(유분) 등으로 분리한다(S 40). 이때 발생하는 기체 유분 및 중질 유분(유분)은 연소실(furnace)에서 연소 및 소각되며(S 50), 이때 발생된 열에너지로 과열 증기(superheated steam)를 발생시켜, 열분해 반응기(30)로 공급하거나, 다단 분별증류장치의 가열 열에너지 원으로 이용할 수 있다. 상기 다단 분별증류장치에서 발생하는 기체 유분(오일)의 끓는점은 통상 -50 내지 10℃, 바람직하게는 -30 내지 -5℃이며, 경질 유분(오일)의 끓는점은 통상 50 내지 300℃, 바람직하게는 170 내지 300℃이고, 중질 유분(오일)의 끓는점은 통상 350 내지 450℃이다. 상기 다단 분별증류장치에서 얻어지는 경질 유분은 고급 유분(high-quality oil) 제품으로서, 산업체의 보일러 유, 화력 발전소 대체유 등으로 유용하게 사용될 수 있다.

Claims

폐고분자 물질을 파쇄 및 건조시키는 단계;
관형 용융기를 이용하여, 파쇄 및 건조된 폐고분자 물질을 용융시키는 단계;
상기 관형 용융기에서 용융된 폐고분자 물질을 열분해 반응기에서 열분해시켜 기체 유분을 생성하는 단계;
상기 열분해 반응기에서 생성된 기체 유분을 냉각시켜 액체 유분으로 변환시키는 단계; 및
상기 액체 유분을, 다단 분별증류장치를 이용하여 가열하면서, 각각의 끓는점에 따라, 기체 유분, 경질 유분 및 중질 유분으로 분리하고, 경질 유분을 수득하는 단계를 포함하는 폐고분자 물질로부터 고급 유분의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 열분해 반응기의 하부에는 400 내지 600℃의 샌드층(sand)이 형성되어 있으며, 상기 폐고분자 물질과 샌드층의 샌드가 혼합되면서, 폐고분자 물질이 열분해되어 기체 유분으로 상(phase) 변화되는 것인, 폐고분자 물질로부터 고급 유분의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 열분해 반응기에서 생성된 기체 유분을 냉각시켜 액체 유분으로 변환시키기 전에, 기체 유분 중의 고체 잔류물을 분리 제거하는 단계를 더욱 포함하는, 폐고분자 물질로부터 고급 유분의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 열분해 반응기에서 생성된 기체 유분을 냉각시켜 액체 유분으로 변환시킨 후, 액체 유분으로부터 고체 잔류물 성분을 분리 제거하는 단계를 더욱 포함하는, 폐고분자 물질로부터 고급 유분의 제조 방법.