KR20130041520A - 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 폐기물 유화장치에 관한 것으로서, 특히 폐합성수지와 같은 고분자류 폐기물을 열분해시켜 공해물질의 배출량을 줄이고, 아울러 양질의 재생연료유를 얻을 수 있는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화설비를 제공하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명에서는 회전력에 의해 회전하면서 고분자류 폐기물을 가열 용융하여 열분해하며, 내측 둘레면에 용융물의 교반 및 배출관로 쪽으로 이송을 안내하는 나선형 가이드가 형성된 열분해로와, 상기 열분해로와 상기 배출관로에 의해 연결되어 상기 열분해로에서 공급되는 유증기를 분별 증류하는 증류탑 및 상기 증류탑에서 증류된 유분을 공급받아 액화시키는 유분 냉각수단을 포함하며, 상기 배출관로의 내부에 상기 가이드와 반대방향으로 나선을 이루며 슬러지를 걸러서 상기 열분해로 내로 밀어내는 역나선형 날개통로가 형성된 것을 특징으로 하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치가 개시된다.

Description

로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치{Rotary kiln type oil recycling device for high polymer waste materials}

본 발명은 고분자 폐기물 유화장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐합성수지와 같은 고분자류 폐기물의 열분해에 따른 슬러지의 배출량을 감소시키고, 수율을 대폭 향상시켜 생산성을 제고하며, 아울러 양질의 재생연료유를 얻을 수 있는 로터리 킬른 타입의 고분자류 폐기물 유화설비에 대한 것이다.

일반적으로 합성수지, 플라스틱, 고무, 비닐 등을 비롯한 각종 고분자류 폐기물은 분류 및 선별하여 재활용 및 재생원료로 사용하고 있지만 그 비율은 극히 미미하고 대부분이 소각처리 및 매립하고 있는 실정이므로 자원낭비는 물론 대기, 토양 등의 심각한 환경오염을 유발하고 있다.

최근 들어 플라스틱 원자재, 연료유 등의 원료인 석유류의 유가상승으로 인해 자원의 순환적 이용을 위한 방안이 강구되고 있고, 이에 다양한 종류의 폐합성수지를 재활용하는 기술 개발이 활성화되고 있으며, 아울러 열가소성 고분자류 폐기물을 열분해 및 용융하여 유용한 기름을 얻을 수 있는 유화방법이나 그 장치에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있는 추세이다.

고분자 폐기물의 유화 방법은 원리에 따라 크게 무촉매 열분해법, 무촉매 열분해법과 촉매 접촉분해법, 촉매접촉 열분해법, 수소화분해법, 수증기 개질(가스화)법, 산화분해법 등으로 구분된다.

일반적인 고분자 폐기물의 유화는 무산소 분위기(atmosphere)하에서 열분해나 촉매분해를 통해 탄소 결합의 절단 또는 탄소와 수소 결합의 절단으로 생성물의 탄소수 분포를 조절하여 저분자의 액체를 생성하는 조작이므로 소각처리와는 달리 열분해 과정에서 다이옥신과 같은 유해물질 및 폐수나 폐기물 등의 배출을 최소화하여 2차적인 공해 및 환경오염을 줄일 수 있다.

열분해 유화반응은 반응 최종온도와 가열속도에 따라 생성되는 오일의 성상이 달라지는 특징이 있다. 즉, 고분자 폐기물의 열분해 온도는 동일한 종류의 수지 원료라도 사용 첨가제의 종류, 고분자화 정도 등에 따라 상당한 차이를 보인다. 통상의 열분해 생성물은 상온에서 왁스로 되는 중질 성분을 제거하여도 유동점이 높아 활용가치가 떨어지는 오일로 되기 때문에 2차적으로 별도의 반응수단에 도입하여 다시 분해 및 개질(reformer)하고 있다.

촉매를 이용한 접촉분해법은 단순 열분해법에 비해 반응 온도가 100~200℃ 정도 낮고 분해 생성물의 조성을 조절하는 선택도가 높으며 분자량 분포의 범위가 좁아서 재활용이 용이하다는 장점을 지니고 있으나 촉매의 선택 및 소요비용 면에서 개선의 여지를 안고 있다. 접촉분해법의 크래킹 촉매로는 고체산, 금속, 금속산화물, 활성탄, 초임계 물질 등 여러 가지 물질이 연구되었으며, 이 중에서 제올라이트로 대표되는 고체산 촉매가 가장 우수하다는 평가를 받고 있다.

예컨대, 일본 특개평4-50292호에는 반응수단으로 금속촉매를 사용하고 있으며, 미국 특허4,851,601호에는 제올라이트 촉매를 사용하여 가솔린 성분이 약 50%가 되는 고급유를 제조하고 있다. 여기서, 최종 생성유의 품질은 촉매의 종류, 반응조건 등에 따라 결정됨을 알 수 있다. 또한, 가솔린과 같은 균일한 성분의 오일을 얻기 위해서는 추가로 촉매 성분을 분리하기 위한 증류공정이 필요하다.

그런데 이러한 접촉분해법은 폐플라스틱의 경우 열경화성 고분자 물질이나 셀룰로오스, 금속 파편과 같은 이종 물질이 섞여 있고, 또 수분이나 먼지 등으로 오염되어 있는 폐기물의 발생적 특성 및 그로 인한 부반응과 촉매의 열화가 결정적인 단점이며, 이외에 대용량 처리에 있어도 매우 불리하다.

도 1은 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 열분해 유화장치(10)는 폐플라스틱과 같은 고분자 폐기물을 원료투입구(1')를 통해 용융기(1)에 이송·투입하여 열분해(cracking)한다. 이때, 열분해 반응은 연소반응과는 달리 흡열반응이므로 외부에서 열에너지가 공급되어야 하고, 산소가 없는 환원성 분위기하(atmosphere)에서 이루어진다. 즉, 용융기(1)의 히터(1-1)를 이용하여 고분자 폐기물을 산소가 없는 조건에서 가열하면 고분자를 구성하는 탄소사슬이 끊어지는 분해반응이 일어나 분자량이 작은 여러 개의 분자로 나누어지게 된다.

그리고 용융기(1)에서 열분해 시 발생되는 불순물 및 이물질은 배출부(1-2)를 통해 배출된다. 용융기(1)에서 고분자 화합물이 열분해되어 생성된 반응물(분해가스 및 오일 등)은 이송관(2)을 통해 응축기(3-1)를 거치고 반응물 분류기(4)에서 탄소수가 큰 반응물을 포집하며, 저분자 가스 생성물은 저장탱크(5-1)로 이송된다. 즉, 응축기(3-1)로 이동된 반응물은 액화반응에 의해 저비점 생성물과 고비점 생성물로 분류되어 반응물 분류기(4)를 통해 저비점 성분의 생성물은 저장탱크(5-1)에 저장되고, 고비점 성분의 생성물은 다시 용융기(1)로 재유입된다.

여기서, 혼합 폐플라스틱의 주성분은 고밀도폴리에틸렌(HDPE), 저밀도폴리에틸렌(LDPE), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리스티렌(PS)과 같은 폴리올리핀계 열가소성 수지이고, 이에 얻어지는 오일도 이들로부터 생기는 물질이 대부분이다.

폴리에틸렌(PE)이나 폴리프로필렌(PP)의 분해반응은 직쇄상의 긴 분자가 불규칙하게 끊어지기 때문에 열분해 반응물의 탄소수는 매우 넓은 분포를 가지며, 폴리에틸렌(PE) 계통의 원료를 열분해하는 경우는 생성 오일 중에 왁스 물질(waxy substance) 성분이 다량 포함되어 생성된 물질의 탄소수 분포가 넓음으로 오일 상태가 일정한 시간 경과 후 상온하에서도 왁스 형태로 변화된다.

이에 저장탱크(5-1)에 저장된 생성물은 펌프(P)에 의해 다시 반응기(6)로 이송되어 2차 열분해된다. 반응기(6)의 열분해로 인해 반응된 분해 반응물은 응축기(3-2)를 거쳐 증류탑(7)으로 이송되어 정제되고, 반응기(6)에 침전된 카본과 흙 등으로 이루어진 잔재(sludgy)나 불순물은 배출부(6-2)를 통해 외부로 배출된다. 증류탑(7)으로 이송된 최종 분해 생성물은 저비점 생성물과 좀 더 고비점인 생성물로 즉, 재생연료유인 경질유와 중질유로 분류되어 저장탱크(5-2, 5-3)에 각각 저장된다.

그러나 이러한 종래의 유화장치는 반응기(6)가 반구형의 바닥면을 가지는 형상으로 제작되어 수평으로 배치되기 때문에 반응기(6)의 상부에 위치하는 폐플라스틱 또는 폐비닐은 제대로 가열되지 않는 데다 열분해 반응에 의해 생성된 분해가스와 오일을 이송하는 이송관(2)의 내부에는 슬러지(sludgy)나 고비점 왁스 형태의 물질이 누적되기 때문에 정기적으로 슬러지(sludgy) 및 고비점 왁스 물질(waxy substance)을 제거해야 하는 번거롭고 불편한 작업이 수반되며, 이로 인하여 최종 재생연료유 성분별 생산량이 줄어드는 것은 물론 그 품질이 현격히 떨어지는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 반응기(6)에서 열분해 후 잔류물로 배출되는 슬러지(sludgy)가 미세한 분진입자이면서 높은 온도의 열에너지를 가지고 있는 특성상 배출 과정이 상당히 어렵고, 특히 슬러지의 배출을 위해 배출부(6-2)를 개방할 때 외부의 공기가 배출부를 통하여 반응기(6)로 유입되면 자칫 유증기와 산소가 반응하면서 폭발하는 대형 안전사고의 위험성이 높기 때문에 반응기(6)를 충분히 냉각시키는 과정이 필요하다.

로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치의 다른 일례로, 대한민국 등록실용신안공보 제20-0452087호에 폐플라스틱 및 폐비닐 종합 유화장치가 개시되어 있다.

이는 도 2에 도시된 바와 같이, 폐플라스틱 또는 폐비닐 등의 고분자 폐기물을 300~600℃로 열분해하여 기체 상태의 유류 성분을 얻는 가열로(10)와, 이 가열로(10)에 의해 열분해되어 생성된 기체 상태의 유류 성분을 유종별로 분리하는 분리장치(20)와, 분리된 유증기를 냉각하여 액화시키는 냉각장치(30)와, 냉각된 가스와 오일을 저장하는 가스저장부(40)로 대별되며, 액화되지 않은 가스를 가열로(10) 재공급하는 가스공급부(50)를 포함하여 구성되어 있다.

그런데 이러한 종래의 유화장치는 가열로(10)에서 가열 용융에 의해 생성되는 유증기가 용융물 및 미분해 잔재(sludgy)와 함께 분리장치(20)로 이동하게 되고, 이 과정에서 미분해 잔재가 배출구(16)의 내측 둘레면에 달라붙어 일정시간 동안 잔류하면서 적탄 현상이 발생되어 생산성을 저하시킬 뿐만 아니라 부위별 적온 현상으로 인해 배출구(16)의 변형을 초래하는 문제점이 있으며, 심한 경우 미분해 잔재가 배출구(16) 내에 쌓여서 배출구(16)가 막히게 되므로 일정시간 동안 설비의 가동을 중지시킨 상태에서 가열로(10)와 배출구(16)를 분리한 후 작업자 일일이 배출구(16) 내의 잔재를 긁어낸 후 다시 조립해야 하는 번거로움과 불편함이 따랐다.

게다가 배출구(16) 내의 잔재를 긁어내기 위해서는 가열로(10)의 가동을 중지하고 100℃ 이하로 냉각시켜야 하는데, 이때 무려 3~15시간 이상의 냉각시간이 소요되기 때문에 작업의 연속성을 확보할 수 없어 생산성 저하로 이어지며, 또 가열로(10)의 재가열에 많은 에너지가 소모되므로 경제성 및 수율이 극히 떨어질 수밖에 없다.

또한, 가열로(10)에서 반응이 진행되는 동안 유증기는 분리장치(20)를 통해 비중에 의한 분리과정을 거치게 되는데, 이 분리과정이 원활하게 이루어지지 못하여 생산성이 떨어지는 한계도 있다.

한편, 고분자 폐기물은 고분자 탄화수소이기 때문에 분자량이 매우 크다. 열분해 특성에서 보면 탄화수소의 분자량이 크면 클수록 일정한 온도조건에서 탄소와 탄소 사이의 연결고리는 쉽게 끊어져 저분자화 된다. 즉, 고분자 탄화수소는 200℃에서도 탄소와 탄소 사이의 연결고리가 끊기며 그 속도는 온도가 일정하게 높아질수록 빨라진다.

고분자 폐기물의 고분자 탄화수소는 350~370℃까지 승온될 경우 격렬한 열분해 반응이 일어나며, 이때 메탄, 에탄, 에틸렌 등과 같은 가스와 휘발유 유분, 경유 유분이 많이 발생된다. 따라서 고분자 폐기물을 350℃ 이상으로 승온시키면 열분해 반응에 의해 품질이 낮은 오일이 발생할 수밖에 없다.

더욱이 크래킹 산물(cracking products)의 생산속도를 높이기 위해 열분해로의 온도를 400℃ 이상으로 올리게 되면 왁스와 같은 중질 물질의 생성이 증가하여 열분해로 밖으로 배출되었을 때 응축기, 배관 등을 막을 우려가 있으므로 가능하면 열분해로 안에서 더욱 저비점의 성분들로 충분히 분해시킬 필요성이 있다.

이에 본 발명자들은 상술한 제반 사항 및 문제점의 해결에 역점을 두어 슬러지의 발생량을 줄이면서 품질이 양호한 재생연료유를 얻을 수 있고, 아울러 생산 수율이 우수한 유화장치를 개발하고자 다년간 심혈을 기울여 예의 연구하여 왔으며, 그 부단한 노력의 결과로써 본 발명을 창안하여 완성하게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 유증기의 분리가 원활하게 이루어져 순도 높은 양질의 재생연료유를 얻을 수 있도록 하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치를 제공하는 데 있는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 재생연료유의 생산수율을 향상시킬 수 있도록 하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치를 제공하는 데 있는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 관로가 슬러지에 의해 막히는 현상을 방지할 수 있도록 하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치를 제공하는 데 있는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 양태는 회전력에 의해 회전하면서 고분자류 폐기물을 가열 용융하여 열분해하며, 내측 둘레면에 용융물의 교반 및 배출관로 쪽으로 이송을 안내하는 나선형 가이드가 형성된 열분해로와, 상기 열분해로와 상기 배출관로에 의해 연결되어 상기 열분해로에서 공급되는 유증기를 분별 증류하는 증류탑 및 상기 증류탑에서 증류된 유분을 공급받아 액화시키는 유분 냉각수단을 포함하며, 상기 배출관로의 내부에 상기 나선형 가이드와 반대방향으로 나선을 이루며 슬러지를 걸러서 상기 열분해로 내로 밀어내는 역나선형 날개통로가 형성된 것을 특징으로 하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치를 제공한다.

이로써 본 발명은 유증기의 분리가 원활하게 이루어져 순도 높은 양질의 재생연료유를 얻을 수 있으면서 배출관로가 유분의 슬러지에 의해 막히는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시 양태로, 상기 배출관로의 중심축 상에 상기 증류탑 하부의 유분을 상기 열분해로로 투입하기 위해 상기 역나선형 날개통로를 통과하는 유분투입관이 구비된 것을 특징으로 하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시 양태로, 상기 증류탑 하부의 유분을 냉각시키는 제1냉각기와, 상기 증류탑 하부의 유분을 상기 제1냉각기를 거쳐 상기 유분투입관을 통해 상기 열분해로로 순환 공급하는 제1순환펌프를 더 포함하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시 양태로, 상기 증류탑은, 하부 측면에 상기 열분해로의 유증기 포집구와 연결되는 유증기 입구가 형성되고, 상기 유증기 입구의 상측 내부에 상방으로 갈수록 접촉면적이 좁아지는 형상의 슬러지 낙하앵글이 지그재그 형태로 다수 적층 설치되고, 상기 슬러지 낙하앵글의 상부에 유증기 및 분별 증류된 유분에서 상승하는 기체와 하강하는 액체를 향류 접촉시키며 기액 및 액액 접촉부하를 완화시키는 제1트레이가 다수로 적층 설치되고, 상기 제1트레이의 상부에 제1트레이를 통과한 유증기와 유분에서 상승하는 기체와 하강하는 액체를 향류 접촉시키며 기액 접촉으로 열교환 반응을 유발시키는 제2트레이가 다수로 적층 설치되고, 상기 제1 및 제2트레이의 측면에 그 상면상에서 접촉한 중액을 바로 밑의 제1 또는 제2트레이의 상면상으로 오버플로시키는 다운코머가 각각 설치된 것을 특징으로 하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치를 제공할 수 있다.

상술한 바와 같은 해결 수단 및 구성을 갖춘 본 발명은 열분해로와 증류탑을 연결하는 배출관로의 내부에 열분해로 내의 나선형 가이드와 반대방향으로 나선을 이루는 역나선형 날개통로가 형성되어 있어 열분해로의 회전방향과 반대방향으로 회전하는 반작용을 하기 때문에 열분해로에서 가열 용융에 의해 생성되는 유증기는 통과시키고, 미분해된 슬러지는 접촉간섭으로 자연스럽게 걸러서 열분해로 내로 밀어내는 기능 및 역할을 수행하게 된다. 따라서 배출관로 내부에 미분해 슬러지가 달라붙어 잔류하거나 쌓이면서 배출관로가 막히는 것을 방지할 수 있고, 이로 인해 유지관리 및 보수가 훨씬 용이하고 편리할 뿐만 아니라 공해물질의 배출량 및 슬러지의 발생량을 현저히 감소시킬 수 있으며, 아울러 생산 라인의 가동 중지 없이 연속적으로 가동할 수 있어 연속공정에 의한 열효율 및 생산성의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 증류탑 내의 슬러지가 함유된 유분을 유분투입관을 통해 열분해로 내로 재순환시켜 열분해 효율을 극대화하므로 재생연료유의 수율 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 증류탑에서 비중 차이에 의한 가스의 상승 시 수차례에 걸친 가스 분리가 가일층 원활하게 이루어짐으로써 보다 순도 높은 양질의 가스를 얻을 수 있어 재생연료유의 품질을 가일층 향상시킬 뿐만 아니라 수율을 대폭 향상시키고 생산원가를 절감하는 등 생산성을 제고할 수 있다.

도 1은 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치를 개략적으로 나타낸 구성도,
도 2는 종래의 기술에 따른 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치를 개략적으로 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치를 개략적으로 나타낸 구성도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 열분해로와 증류탑을 입체적으로 나타낸 구성도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 열분해로와 증류탑의 요부를 개략적으로 나타낸 측단면도,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 열분해로와 증류탑의 국부를 입체적으로 나타낸 부분 단면도,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 증류탑을 나타낸 측단면 구성도,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 증류탑의 제1트레이를 나타낸 사시도,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 증류탑의 제1트레이 및 그 다운코머를 나타낸 측단면 구성도,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 증류탑의 제2트레이를 나타낸 사시도,
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 증류탑의 제2트레이 및 그 다운코머를 나타낸 측단면 구성도,

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 고분자 폐기물 유화장치를 개략적으로 나타낸 구성도로서, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 고분자 폐기물 유화장치는 크게 열분해로(100), 증류탑(200) 및 유분 냉각수단(300)을 포함하여 구성된다.

열분해로(100)는 파쇄 및 건조 등의 전처리 공정을 거치고 투입구(110)를 통해 공급된 고분자 폐기물을 버너 등의 가열장치로 가열 용융하여 마치 젤리와 같은 상태로 열분해 및 저분자량화하고, 이 과정에서 생성되는 유증기는 배출관로(120)를 통해 증류탑(200)으로 공급하게 된다.

그리고 열분해로(100)의 가열 용융 과정에서 고분자 폐기물의 제조 시 첨가된 여러 가지 화합물이나 수분 및 가스는 용융 과정에서 휘발 또는 탈염화수소화 반응에 의하여 대부분 제거되게 된다.

여기서, 전처리 공정은 고분자 폐기물을 별도의 분쇄기를 통해 용융에 적당한 크기로 파쇄 및 분쇄한 후 건조기를 통과시켜 건조시키고, 이때 발생되는 먼지나 이물질은 집진기에서 집진하여 제거하는 일련의 공정을 의미한다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 열분해로(100)는 내측 둘레면에 용융물의 교반 및 배출관로(120) 쪽으로 이송을 안내하는 나선형 가이드(130)가 형성된 원통회전식 구조로 구비되어 있다.

즉, 열분해로(100)는 감속모터 등의 구동원에서 제공하는 회전력과 벨트, 풀리, 기어 등과 같은 동력전달수단에 의해 일정 속도로 회전하면서 가열장치에 의해 고분자류 폐기물을 가열 용융하여 가이드(130)에 의해 교반과 동시에 배출관로(120)를 향해 안정적으로 이송하게 된다.

이때, 열분해로(100)는 약 0.3~1.0rpm 정도의 회전속도로 회전하면서 그 회전에 따른 원심력으로 용융물을 내벽으로 흩뿌리게 되고, 이에 용융물은 중력에 의해 내벽을 타고 흘러내리는 과정을 반복하여 서서히 열분해되므로 열전달 지연현상이 거의 없어 열효율이 매우 높게 된다.

그리고 배출관로(120)는 열분해로(100)와 증류탑(200)을 연결하여 열분해로(100)에서 생성되는 유증기를 증류탑(200)으로 공급하기 위한 것으로, 그 내부에는 가이드(130)와 반대방향으로 나선을 이루며 슬러지를 걸러서 열분해로 내로 밀어내는 역할 및 작용을 하는 날개통로(121)가 가이드(130)의 나선방향과 반대방향인 역나선형으로 형성되어 있다.

즉, 날개통로(121)는 열분해로(110)의 회전방향과 상대적으로 반대방향으로 회전하는 작용을 하면서 용융물 중 슬러지와 순차적으로 접촉간섭을 일으킴으로써, 슬러지를 자연스럽게 열분해 내로 밀어내게 되므로 열분해로(100) 내의 슬러지는 반응시간이 늘어나 열분해가 충분히 이루어져 재생연료유의 수율이 대폭 증가되며, 슬러지에 포함되는 오일의 함량이 줄어들어 결과적으로 슬러지의 배출량이 최소화된다.

그리고 배출관로(120)의 중심축 상에 증류탑(200)의 하부에 저장된 유분을 열분해로(100)로 다시 투입하기 위해 날개통로(121)를 관통하여 통과하는 유분투입관(122)이 설치되어 있다.

즉, 증류탑(200) 내의 슬러지가 함유된 유분을 제1순환펌프(305)의 펌핑에 의해 증류탑의 중유 출구(203)를 통해 배출하여 제1냉각기(301)를 거친 후 유분투입관(122)을 통해 열분해로(100) 내로 재순환시킴으로써, 고분자 폐기물의 열분해 효율을 극대화하므로 수율 향상을 도모할 수 있다.

그리고 배출관로(120)와 증류탑의 유증기 입구(201)를 연결하는 부분에는 열분해로의 열전도에 의해 연결부분이 변형되는 것을 방지하기 위해 열팽창 및 외력에 유연하고 탄력적으로 대응하는 플렉시블관(125)이 장착되어 있다.

미설명된 참조부호 140은 고분자 폐기물을 열분해로(100)에 투입 또는 열분해 과정에서 발생되는 먼지 등의 이물질을 집진하기 위한 집진구이며, 이를 통해 열분해로(100) 내의 먼지 등의 이물질을 배출시킬 수 있게 된다.

또한, 열분해로(100)의 구동원으로는 회전속도를 조절하여 고분자 폐기물의 열분해 속도를 가변시킬 수 있도록 VS모터, DC모터, 인버터가 장착된 기어모터 등의 모터와 감속 기구가 내장 또는 조합된 형태의 전동기를 사용할 수 있음은 물론이다.

이러한 열분해로(100)는 용융물을 가열하고 촉매를 첨가하여 열분해 반응속도를 가속화하는 크래킹(cracking) 반응으로 고분자 폐기물을 저분자 탄화수소로 분해시키게 된다. 이때, 사용되는 촉매는 크래킹 속도를 증가시켜 저비점 탄화수소의 생산을 증가시킬 뿐만 아니라 방향성 및 분지형(branched-type) 탄화수소의 함량을 증가시키고 왁스 성분을 감소시킴으로써 고옥탄가의 양질의 재생연료유를 다량으로 생산할 수 있도록 하는 작용을 하며, 아울러 악취제거, 배기가스, 대기오염물질의 최소화 및 염소가스를 중화시키는 기능 및 구실을 한다.

여기서, 촉매의 주요 성분으로는 세레사이트(sericite), 탄산나트륨, 수산화알루미나, 활성 백토 및 일라이트(illite) 등을 일정비율로 혼합하여 만들 수 있고, 이를 고분자 폐기물의 100 중량부 대비 2 중량부를 투입함으로써 기존 설비에 비하여 운전비용을 30% 이상 절감할 수 있고, 또 배기가스 처리비용을 절감할 수 있으며, 생산 수율도 35% 이상으로 향상시킬 수 있다.

이와 같은 열분해로(100)는 원통체를 수평보다 약간 기울게 설치하여 완만한 속도로 회전시키면서 아래쪽에서 가열하는 이른바 로터리 킬른 타입(Rotary kiln type)으로 이루어질 수 있다.

증류탑(200)은 열분해로(100)에서 공급되는 유증기를 분별 증류하는 것으로, 유증기와 유분의 기액 향류접촉을 최대화하여 재생연료유의 생산효율을 극대화시키게 된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 증류탑(200)은 하부 측면에 배출관로(120)와 연결되는 유증기 입구(201)가 형성되어 있고, 이 유증기 입구(201)의 상측 증류탑 내부에는 상방으로 갈수록 접촉면적이 좁아지게 하방으로 꺾인 형상의 슬러지 낙하앵글(210)이 지그재그 형태로 다수 적층 설치되어 있다.

그리고 증류탑(200)의 상면에는 가스 출구(202)가 형성되어 있고, 이 가스 출구(202)의 양측에는 열분해로와 증류탑의 내부를 감압하는 안전밸브(240)가 구비되어 있으며, 중유(低質油)가 가라앉은 상태로 저장되는 증류탑의 하면에는 중유 출구(203)가 형성되어 있다.

따라서 열분해로(100)에서 생성되는 유증기는 약 300~320℃ 상태로 유증기 입구(201)를 통해 증류탑(200)에 공급되며, 증류탑(200) 내의 분별 증류작용에 의해 상승하는 기체에 포함된 슬러지는 슬러지 낙하앵글(210)과 접촉되면서 하강하여 내려앉게 된다.

그리고 슬러지 낙하앵글(210)의 상부에는 유증기 및 분별 증류된 유분에서 상승하는 기체와 하강하는 액체를 향류 접촉시키며 기액 및 액액 접촉부하를 완화시키는 제1트레이(220)가 다수로 적층 설치되어 있다.

또한, 제1트레이(220)들 중 최하단에 배치되는 제1트레이를 제외한 각각의 한쪽 측면에는 그 상면상에서 접촉한 중액을 바로 밑의 제1트레이의 상면상으로 오버플로시키는 다운코머(225)가 설치되어 있고, 다른 쪽 측면에는 유체의 흐름을 차단하는 차단판(226)이 설치되어 있다.

그리고 제1트레이(220)의 상부에는 제1트레이를 통과한 유증기와 유분에서 상승하는 기체와 하강하는 액체를 향류 접촉시키며 기액 접촉으로 열교환 반응을 유발시키는 제2트레이(230)가 다수로 적층 설치되어 있다.

또한, 제2트레이(230)의 한쪽 측면에는 그 상면상에서 접촉한 중액을 바로 밑의 제1 또는 제2트레이의 상면상으로 오버플로시키는 다운코머(235)가 설치되어 있고, 다른 쪽 측면에는 유체의 흐름을 차단하는 차단판(236)이 설치되어 있다.

여기서, 제1 및 제2트레이의 다운코머(225/235)는 각각 하부가 증류탑의 내벽을 향해 비스듬히 꺾인 형태로 형성되어 있다.

그리고 증류탑(200)의 제1트레이와 제2트레이 사이의 측면에는 중유 출구(203)와 제1순환펌프(305)에 의해 연결되어 중유 출구(203)를 통해 배출되는 중유를 순환시키기 위한 제1 및 제2순환유입구(204/205)가 일정 높이 차를 두고 형성되어 있다.

또한, 증류탑의 제2트레이(230)들 중 최상부에 위치하는 제2트레이의 상부 측면에는 가스 출구(202)와 제2순환펌프(306) 및 제2냉각기(302)와 연결되어 가스 출구(202)를 통해 배출되는 가스를 순환시키기 위한 제3순환유입구(206)가 형성되어 있다.

그리고 증류탑의 제2순환유입구(205)와 제3순환유입구(206) 사이에는 배출펌프(307)를 통해 경유 저장탱크(310)와 연결되는 제1 내지 제3경유 출구(207,208,209)가 형성되어 있다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제1트레이(220)는 그 트레이 판체의 내측면을 일정 간격을 두고 절개하고 수평면에 대하여 비스듬하게 경사지게 꺾은 다수의 경사면(221)과 이에 의해 제1통과구멍(222)이 다수 형성되어 있다.

따라서 유증기 입구(201)를 통해 유입된 유증기는 증류작용에 의해 상승하면서 제1트레이의 경사면(221)의 저면과 1차적으로 접촉하여 접촉부하가 완화된 상태로 제1통과구멍(222)을 통과하여 제1트레이(220)의 상면에 흐르는 액체(유액)와 충분히 접촉하면서 한층 세밀히 분류 및 정제되게 된다.

도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 제2트레이(230)는 그 트레이 판체의 내측면에 일정 간격을 두고 형성된 제2통과구멍(232)에 승강 가능하게 부발(233)이 장착되어 있어 그 부발(233)의 승강에 따라 유증기를 통과 및 유분의 흐름을 유도하게 된다.

따라서 제1트레이(220)를 통과한 유증기와 유분에서 상승하는 기체는 부발(233)을 상승시키면서 제2트레이(230)의 상면으로 이동하게 되고, 다른 제2트레이에서 하강하는 액체는 부발(233)의 하강에 따른 폐쇄작용으로 하부에서 승강하는 기체와 접촉이 극대화된 상태로 열교환 반응을 일으키게 된다.

이러한 증류탑(200)은 유증기 입구(201)로 공급되는 유증기가 증류되면서 제1 및 제2트레이에 형성된 제1 및 제2통과구멍(222/232)을 순차적으로 거치게 되고, 이 과정에서 기체 및 액체는 증류 작용뿐만 아니라 각 트레이의 상면에 모이면서 유막의 형태로 제1 및 제2통과구멍(222/232)을 폐쇄시키고 이에 기체는 유막을 통과함에 따라 증류와 동시에 정류 작용도 일어나게 되므로 품질이 매우 양호하면서 열분해로(100)에 투입되는 고분자 폐기물의 중량 대비 90% 중량의 재생연료유를 얻을 수 있게 된다.

유분 냉각수단(300)은 증류탑(200)에서 증류된 유분(경질유)을 공급받아 액화시키는 것으로, 제1순환펌프(305)에 의해 중유 출구(203)에서 배출되는 280~300℃ 정도의 중유를 약 220~240℃ 정도로 냉각시킨 상태로 제1 및 제2순환유입구(204/205)로 공급하는 제1냉각기(301)와, 제2순환펌프(306)에 의해 증류탑(200)의 가스 출구(202)에서 배출되는 100~120℃ 정도의 가스를 약 30℃ 정도로 냉각시킨 상태로 그 일부를 제3순환유입구(306)로 공급하는 제2냉각기(302)와, 제1 내지 제3경유 출구(207,208,209)에서 배출되는 경유를 약 30℃ 정도로 냉각시키는 제3냉각기(303)를 포함하여 구성된다.

여기서, 제1 내지 제3냉각기(301,302,303)는 냉각작용이 한층 원활하고 효율적으로 이루어질 수 있도록 별도의 냉각시스템에 의해 냉매가 순환적으로 이루어지도록 구성하는 것이 바람직하다.

한편, 제2순환펌프(306)와 제2냉각기(302) 사이에는 제2냉각기(302)를 거쳐 생성된 납사의 일부를 저장하는 납사 저장탱크(312)가 구비되어 있고, 이 납사 저장탱크(312)에는 가스의 세정 및 역화를 방지하는 역화방지기(320)가 연결 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 고분자 폐기물 유화장치의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 폐합성수지 등의 고분자류 폐기물에서 열분해가 되지 않는 열경화성 합성수지류, 금속류, 목재류 등을 분리하고 선별된 열가소성 폐합성수지류를 적정 크기로 절단 또는 파쇄하여 건조하는 전처리 공정을 거친다.

이러한 전처리 공정을 거친 고분자 폐기물(열가소성 폐합성수지류)은 열분해로(100)의 투입구(110)를 통해 열분해 내로 투입한 후, 구동원을 작동시켜 열분해로(100)를 회전시키면서 가열장치로 가열하면, 고분자 폐기물은 열분해로(100) 내에서 가열 융융되어 크래킹 반응(cracking reaction)에 의하여 대부분이 유류 성분인 탄화수소로 기화되고 일부가 미분해 슬러지로 남게 된다.

또한, 열분해로(100)에 일부 혼입된 열경화성수지, 금속류, 목재류 또는 합성수지 첨가제 등은 미분해 슬러지와 함께 남게 된다.

이때, 열분해로(100)의 열분해 온도는 분해조건, 폐합성수지의 종류, 규격, 형태, 및 함유된 첨가제 등에 따라 조금의 차이는 있으나 통상 300~330℃ 범위로 가열된다.

열분해로(100) 내에서 생성된 유류 성분은 유증기 상태의 각종 탄화수소 혼합물로서 기화작용에 의하여 배출관로(120)를 통해 포집 및 이와 연통된 증류탑(200)으로 자연스럽게 유입되어 비점 차에 의해 유종별로 액화, 분리 및 재분별 증류되어 유분 냉각수단(300)을 거쳐 별도의 유종별 저장탱크로 이송되어 저장된다.

이 과정에서 액화되지 않는 메탄, 프로판과 같은 분해가스는 수세와 같은 정제수단을 거쳐 열분해로(100)를 가열하는 가열장치 등의 연료로 사용하거나 도시하지 않은 별도의 연료 저장설비에 저장할 수 있다.

열분해로(100)에서 용융물의 열분해가 이루어지는 동안 구동원의 구동력에 의해 열분해로(100)는 지속적으로 회전하면서 용융물의 열분해가 원활하게 이루어지도록 함과 동시에 슬러지가 열분해로(100)의 내벽에 눌어붙지 않도록 한다.

특히 열분해로(100)와 증류탑(200)을 연결하는 배출관로(120)의 내부에 열분해로 내의 나선형 가이드(130)와 반대방향으로 나선을 이루는 역나선형 날개통로(121)가 형성되어 있는데, 이는 열분해로(100)의 회전 시 그 반대방향으로 상대 회전하는 작용을 수행하기 때문에 열분해로(100)에서 가열 용융에 의해 생성되는 유증기는 자연스럽게 통과시키고, 이와 함께 미분해되어 이동하는 슬러지는 그 이동력을 상쇄시킴으로 인해 배출관로(120) 내부에 미분해 슬러지가 달라붙어 잔류하거나 쌓이면서 종래와 같이 배출관로(120)가 막히는 것을 확실하게 방지할 수 있게 된다.

더욱이 열분해로(100)에서 생성된 유증기는 증류탑(200)에 공급되며, 증류탑(200) 내의 분별 증류작용에 의해 상승하면서 제1트레이의 경사면(221)과 1차적으로 접촉하여 접촉부하가 완화된 상태로 제1통과구멍(222)을 통과하여 제1트레이의 상면 위에 흐르는 액체(유액)와 충분히 접촉하면서 한층 세밀히 분류 및 정제되며, 제1트레이를 통과한 나머지 유증기와 유분에서 상승하는 기체는 부발(233)을 밀어올리면서 제2통과구멍(232)을 통과하여 제2트레이(230)의 상면 위에 흐르는 액체와 접촉되고, 다른 제2트레이에서 하강하는 액체는 부발의 하강에 따른 폐쇄작용으로 하부에서 승강하는 기체와 접촉이 극대화된 상태로 열교환 반응을 일으키게 된다.

즉, 제1 및 제2트레이(220/230)의 세분화된 증류 과정을 통해 유증기 및 유분 속에 함유된 잔여 슬러지 및 저질유 성분이 완벽하게 제거되므로 양질의 재생연료유를 얻을 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어서 명백할 것이다.

100: 열분해로 110: 투입구
120: 배출관로 121: 날개통로
122: 유분투입관 125: 플렉시블관
130: 가이드 140: 집진구
200: 증류탑 201: 유증기 입구
202: 가스 출구 203: 중유 출구
204: 제1순환유입구 205: 제2순환유입구
206: 제3순환유입구 207: 제1경유 출구
208: 제2경유 출구 209: 제3경유 출구
210: 슬러지 낙하앵글 220: 제1트레이
221: 경사면 222: 제1통과구멍
225: 다운코머 226: 차단판
230: 제2트레이 232: 제2통과구멍
233: 부발 235: 다운코머
236: 차단판 240: 안전밸브
300: 유분 냉각수단 301: 제1냉각기
302: 제2냉각기 303: 제3냉각기
305: 제1순환펌프 306: 제2순환펌프
307: 배출펌프 310: 경유 저장탱크
312: 납사 저장탱크 320: 역화방지기

Claims (5)

1. 회전력에 의해 회전하면서 고분자류 폐기물을 가열 용융하여 열분해하며, 내측 둘레면에 용융물의 교반 및 배출관로 쪽으로 이송을 안내하는 나선형 가이드가 형성된 열분해로와, 상기 열분해로와 상기 배출관로에 의해 연결되어 상기 열분해로에서 공급되는 유증기를 분별 증류하는 증류탑 및 상기 증류탑에서 증류된 유분을 공급받아 액화시키는 유분 냉각수단을 포함하는 고분자 폐기물 유화장치에 있어서,
   상기 배출관로의 내부에 상기 가이드와 반대방향으로 나선을 이루며 슬러지를 걸러서 상기 열분해로 내로 밀어내는 역나선형 날개통로가 형성된 것을 특징으로 하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 배출관로의 중심축 상에 상기 증류탑 하부의 유분을 상기 열분해로로 투입하기 위해 상기 날개통로를 통과하는 유분투입관이 구비된 것을 특징으로 하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 증류탑 하부의 유분을 냉각시키는 제1냉각기와;
   상기 증류탑 하부의 유분을 상기 제1냉각기를 거쳐 상기 유분투입관을 통해 상기 열분해로로 순환 공급하는 제1순환펌프;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 증류탑은,
   하부 측면에 상기 열분해로의 유증기 포집구와 연결되는 유증기 입구가 형성되고,
   상기 유증기 입구의 상측 내부에 상방으로 갈수록 접촉면적이 좁아지는 형상의 슬러지 낙하앵글이 지그재그 형태로 다수 적층 설치되고,
   상기 슬러지 낙하앵글의 상부에 유증기 및 분별 증류된 유분에서 상승하는 기체와 하강하는 액체를 향류 접촉시키며 기액 및 액액 접촉부하를 완화시키는 제1트레이가 다수로 적층 설치되고,
   상기 제1트레이의 상부에 제1트레이를 통과한 유증기와 유분에서 상승하는 기체와 하강하는 액체를 향류 접촉시키며 기액 접촉으로 열교환 반응을 유발시키는 제2트레이가 다수로 적층 설치되고,
   상기 제1 및 제2트레이의 측면에 그 상면상에서 접촉한 중액을 바로 밑의 제1 또는 제2트레이의 상면상으로 오버플로시키는 다운코머가 각각 설치된 것을 특징으로 하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제1트레이는,
   그 트레이 판체의 내측면을 일정 간격을 두고 다수 절개 및 수평면에 대하여 비스듬하게 경사지게 꺾어 경사면과 제1통과구멍이 형성되고,
   상기 제2트레이는,
   그 트레이 판체의 내측면에 일정 간격을 두고 형성된 제2통과구멍에 승강 가능하게 부발이 장착되어 그 승강에 따라 유증기를 통과 및 유분의 흐름을 유도하는 것을 특징으로 하는 로터리 킬른 타입의 고분자 폐기물 유화장치.
   

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