KR20190037204A - 혼합된 플라스틱 폐기물의 열분해를 위한 플랜트 및 방법 - Google Patents

혼합된 플라스틱 폐기물의 열분해를 위한 플랜트 및 방법 Download PDF

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발라 컴블
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퓨쳐 에너지 인베스트먼츠 피티와이 엘티디
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Abstract

본 발명은 용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 가열하여, 약 350℃ 내지 약 425℃의 제1 온도에서 열분해 가스; 및 약 722℃ 내지 약 1400℃의 제2 온도에서 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 생성하도록 구성된 열분해 반응기를 포함하는 플랜트에 관한 것이다.

Description

혼합된 플라스틱 폐기물의 열분해를 위한 플랜트 및 방법
본 발명은 혼합된 플라스틱 폐기물의 열분해를 위한 플랜트 및 관련 방법에 관한 것이다.
혼합된 플라스틱 폐기물인 공급원료(feedstock)를 열분해 가스, 열분해 응축물(pyrolysis condensate), 비-응축성 열분해 가스, 열분해 슬러리, 및 열분해 차르(char)를 포함하는 열분해 생성물로 전환하기 위해서 열분해 플랜트 및 방법이 사용될 수 있다. 열분해 응축물은 합성 가스(syngas), 원유(crude oil) 및 디젤을 포함하는 연료 생성물들로 분별증류될 수 있다.
현존하는 열분해 플랜트 및 방법은 다양한 단점들이 문제이다. 균일한 고품질의 연료 생성물들의 생성은, 혼합된 플라스틱 폐기물 공급원료의 품질의 변화 및 그로 인한 열분해 응축물의 조성에서의 가변성, 뿐만 아니라 기체 및 액체 열분해 생성물의 가공 온도, 체적 및 유속의 외란(disturbance)에 의해 복잡해질 수 있다. 균일한 고품질의 연료 생성물의 품질 및 수율은 추가로, 잔류 탄화수소의 완전한 회수를 억제하여 쓰레기 매립지와 같은 환경으로 재순환될 수 있는 불활성 탄소 차르를 남기는 열분해 차르의 형성 및 조성에서의 변화에 의해 복잡해질 수도 있다.
이러한 문맥에서, 개선된 열분해 플랜트 및 방법에 대한 요구가 있다.
요약
본 발명에 따르면,
용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 가열하여,
약 350℃ 내지 약 425℃의 제1 온도에서 열분해 가스; 및
약 722℃ 내지 약 1400℃의 제2 온도에서 열분해 슬러리 또는 열분해 차르
를 생성하도록 구성된 열분해 반응기 용기를 포함하는 플랜트를 제공한다.
제1 온도는 약 390℃ 내지 약 410℃일 수 있다.
제2 온도는 약 1000℃ 내지 약 1200℃일 수 있다.
열분해 반응기 용기는 상기 용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 제1 온도에서 진탕(agitate)하도록 추가로 구성될 수 있다.
열분해 반응기 용기는 열분해 반응기 용기 내의 용융 혼합된 플라스틱 폐기물의 중량 손실%를 측정하도록 구성된 로드 셀(load cell) 위에 제공될 수 있다.
열분해 반응기 용기는 제2 온도까지 내열성인 특수 합금(specialty alloy)으로 이루어질 수 있다.
열분해 반응기 용기는, 유도 가열, 가스 버너 가열 또는 이들의 조합에 의해 가열될 수 있다.
플랜트는, 혼합된 플라스틱 폐기물 공급원료를 약 280℃ 내지 약 320℃의 초기 온도로 압출 및 가열하여 열분해 반응기 용기에 공급할 수 있는 용융 플라스틱 폐기물을 형성하도록 구성된 가열된 압출기를 추가로 포함할 수 있다.
용융 플라스틱 폐기물의 초기 온도는 약 300℃일 수도 있다.
플랜트는, 열분해 반응기 용기로부터 열분해 가스를 수용하고 상기 열분해 가스를 약 150℃ 내지 약 250℃의 제3 온도로 냉각 및 응축하여 열분해 응축물을 생성하도록 구성된 응축기를 추가로 포함할 수 있다.
제3 온도는 약 180℃ 내지 약 200℃일 수도 있다.
플랜트는, 상기 응축기로부터 열분해 응축물을 수용하고 상기 열분해 응축물을 혼합하여 이들의 균일 혼합물을 생성하도록 구성된 버퍼 탱크(buffer tank)를 추가로 포함할 수 있다.
버퍼 탱크는 제3 온도에서 열분해 응축물의 균일 혼합물을 유지하도록 추가로 구성될 수도 있다.
플랜트는, 열분해 반응기 용기로부터 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 수용하고 제2 온도에서 상기 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 가열 및 건조하도록 구성된 유체화 베드 가열기(fluidised bed heater)를 추가로 포함할 수도 있다.
플랜트는, 버퍼 탱크의 배출구로부터 직렬로 연결되어 있고 열분해 응축물로부터 비-응축성 열분해 가스를 분리하도록 구성된 녹-아웃 드럼(knock-out drum) 및 스크러버(scrubber)를 추가로 포함할 수 있다.
플랜트는, 스크러버로부터 비-응축성 열분해 가스를 수용하고 비-응축성 열분해 가스를 연소하여 열분해 반응기 용기 및 버퍼 탱크 중 하나 또는 둘 다를 가열하도록 구성된 가열기를 추가로 포함할 수 있다.
플랜트는, 버퍼 탱크 내 열분해 응축물의 균일 혼합물을 분석하여 연료 생성물을 선택적으로 생성하도록 상기 열분해 응축물의 균일 혼합물의 다운스트림 가공을 선택적으로 결정하도록 구성된 응축물 분석기를 추가로 포함할 수 있다.
플랜트는, 분석에 기초하여 버퍼 탱크로부터 열분해 응축물의 균일 혼합물을 선택적으로 수용하여 열분해 응축물의 균일 혼합물을 선택적으로 가공하여 연료 생성물을 제조하도록 구성된 다운스트림 가공 장치를 추가로 포함할 수 있다.
다운스트림 가공 장치는, 응축기, 분별증류기(fractionator), 증류 컬럼 및 이들의 조합 중에서 선택될 수 있다.
연료 생성물은 합성 가스, 원유, 디젤, 벙커유(bunker fuel), 경질 연료 분획(light fuel fraction) 및 이들의 조합 중에서 선택될 수 있다.
본 발명은
용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 열분해 반응기 용기에서 가열하여,
약 350℃ 내지 약 425℃의 제1 온도에서 열분해 가스를 생성하고;
약 722℃ 내지 약 1400℃의 제2 온도에서 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 생성함을 포함하는 방법을 제공한다.
제1 온도는 약 390℃ 내지 약 410℃일 수도 있다.
제2 온도는 약 1000℃ 내지 약 1200℃일 수도 있다.
상기 방법은 용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 제1 온도에서 진탕함을 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은 열분해 반응기 용기 중의 용융 혼합된 플라스틱 폐기물, 열분해 슬러리 및 열분해 차르 중 하나 이상을 칭량함을 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은 유도 가열, 가스 버너 가열 또는 이들의 조합에 의해 열분해 반응기 용기를 가열함을 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 열분해 가스를 약 150℃ 내지 약 250℃의 제3 온도로 냉각 및 응축하여 열분해 응축물을 생성함을 추가로 포함할 수 있다
제3 온도는 약 180℃ 내지 약 200℃일 수도 있다.
상기 방법은 버퍼 탱크에서 열분해 응축물을 혼합하여 이들의 균일 혼합물을 형성함을 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은 제3 온도에서 열분해 응축물의 균일 혼합물을 유지함을 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은, 혼합된 플라스틱 폐기물 공급원료를 약 280℃ 내지 약 320℃의 초기 온도로 압출 및 가열하여, 열분해 반응기 용기에 공급될 용융 플라스틱 폐기물을 형성함을 추가로 포함할 수 있다.
용융 플라스틱 폐기물의 초기 온도는 약 300℃일 수 있다.
상기 방법은, 열분해 반응기 용기 또는 유체화 베드 가열기 내, 제2 온도에서 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 가열 및 건조시킴을 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은, 용융 혼합된 플라스틱 폐기물 중 약 70%를 초과하는 중량 백분율이 열분해되었을 때, 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 열분해 반응기 용기로부터 유체화 베드 가열기로 전달함을 추가로 포함할 수 있다.
중량%는 약 80%일 수 있다.
상기 방법은, 비-응축성 열분해 가스를 열분해 응축물로부터 분리함을 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은 비-응축성 열분해 가스를 연소하여 열분해 반응기 용기 및 버퍼 탱크 중 하나 또는 둘 다를 가열함을 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은, 버퍼 탱크 내 열분해 응축물의 균일 혼합물을 분석하여, 연료 생성물들을 선택적으로 생성하도록 열분해 응축물의 균일 혼합물의 분별증류화를 선택적으로 결정함을 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은, 분석에 기초하여, 연료 생성물들을 선택적으로 생성하도록 열분해 응축물의 균일 혼합물을 선택적으로 다운스트림 가공함을 추가로 포함할 수 있다.
다운스트림 가공은 응축, 분별증류, 증류 및 이들의 조합 중에서 선택될 수 있다.
연료 생성물은 합성 가스, 원유, 디젤, 벙커유, 경질 연료 분획, 및 이들의 조합 중에서 선택될 수 있다.
본 발명은, 추가로 본원에 기술된 상기 플랜트 또는 방법에 의해 제조될 때 전술한 연료 생성물을 제공한다.
본 발명은, 선박(sea vessel) 위에서 전술한 플랜트 또는 방법을 사용하여, 혼합된 플라스틱 폐기물을 바다에서 열분해 또는 폐기함을 포함하는 방법을 추가로 제공한다.
본 발명의 실시양태는 하기 첨부된 도면을 참고하여 예로서 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 혼합된 플라스틱 폐기물의 열분해를 위한 플랜트 및 방법의 구성도이다.
도 2는 도 1의 플랜트 및 방법에 의해 제조된 열분해 생성물의 선택적인 다운스트림 가공의 구성도이다.
도면을 보면, 본 발명의 실시양태에 따른 혼합된 플라스틱 폐기물의 열분해를 위한 열분해 플랜트 및 방법은, 열분해 반응기 용기(또는 챔버)에 라인(3)을 따라 연결된 가열된 스크류 압출기(2) 위에 로드 셀(도시하지 않음)로부터 매달린 호퍼(1)를 포함할 수 있다. 조질의(raw) 혼합된 플라스틱 폐기물 공급원료의 초기 충전량(initial charge)은, 가열된 스크류 압출기(2)로 공급되기 이전에, 호퍼(1)에서 칭량될 수 있다. 조질의 혼합된 플라스틱 폐기물 공급원료는 불특정(non-specific) 형태 및 불특정 조성의 폐기 플라스틱 물질의 임의의 및 모든 혼합물을 포함할 수 있다. 금속 검출기(도시하지 않음), 예를 들어 유도 금속 검출기가, 가열된 스크류 압출기(2)의 업스트림(upstream)에 제공되어서, 조질의 혼합된 플라스틱 폐기물에 혼합될 수도 있는 철 및 비-철 금속을 검출할 수 있다. 가열된 스크류 압출기(2)는 브레이커 판(breaker plate)(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 혼합된 플라스틱 폐기물은 금속, 바이오매스(biomass) 또는 유기 폐기물과 혼합된, 폐기 플라스틱, 예를 들어 HDPE, PET, PP, PS 등의 혼합물을 포함할 수 있다. 혼합된 플라스틱 폐기물은 가열된 스크류 압출기(2)에서 가열되어서 용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 형성하고, 이것은 라인(3)을 통해 열분해 반응기 용기(4)의 상부로 유동한다.
가열된 스크류 압출기(2)는 혼합된 플라스틱 폐기물 공급원료를 약 280℃ 내지 약 320℃의 초기 온도로 압출 및 가열하여 용융 플라스틱 폐기물을 형성하고, 이것을 후속적으로 열분해 반응기 용기(4)에 공급하도록 구성될 수 있다. 용융 플라스틱 폐기물의 초기 온도는 예를 들어 약 300℃일 수 있다.
방습층(vapour barrier 50)은 조질의 혼합된 플라스틱 폐기물의 용융 플라스틱 폐기물로의 전환이 열분해 가스 또는 증기의 비산 배출을 동반할 수 있는 위험 대역으로부터, 조질의 혼합된 플라스틱 폐기물이 저장되고 가공을 위해 준비될 수도 있는 플랜트 및 공정의 안전 영역을 분리하기 위해서 제공될 수 있다. 안전 대역은 위험 등급에 대한 요구 없이 오퍼레이터 및 표준 장치의 배치를 위해 허용될 수 있다.
열분해 반응기 용기(4)가 로드 셀(도시하지 않음) 위에 제공되어서 열분해 반응기 용기(4)에 공급된 용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 칭량할 수 있다. 이것은 공정 및 그의 효율을 질량 기준으로 모니터링 및 제어가능하게 할 수 있다. 열분해 반응기 용기(4) 로드 셀이 목적하는 양의 용융 혼합된 플라스틱 폐기물이 추가되었음을 나타내면, 스크류 압출기(2)가 멈출 수 있다. 라인(3) 내의 용융 혼합된 플라스틱 폐기물은 프로세스 씰(process seal)로서 작용하여, 열분해 생성물의 역류 뿐만 아니라 산소의 입장을 방지할 수 있다.
용융 혼합된 플라스틱 폐기물의 열분해 반응기 용기(4)로의 도입 및 공정의 개시 이전에, 불활성 가스는 주위 온도에서 임의의 산소를 반응기에서 퍼징하기 위해서 사용될 수도 있다. 그다음, 열분해 반응기 용기(4) 내부의 증기 공간의 온도는 약 350℃의 온도까지 승온될 수 있다. 열분해 반응기 용기(4) 내부의 용융 혼합된 플라스틱 폐기물은 390℃ 내지 약 410℃의 유지 온도에서 가열 및 균일하게 진탕될 수 있다. 이는 점토(clay) 또는 보크사이트(bauxite)와 같은 부가 촉매의 존재 하에서 수행될 수 있다.
열분해 반응기 용기(4)는, 용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 가열하여 약 350℃ 내지 약 425℃의 제1 온도에서 열분해 가스 및 약 722℃ 내지 약 1400℃의 제 2 온도의 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 생성하도록 구성될 수 있다. 제1 온도는 약 390℃ 내지 약 410℃일 수 있고, 제2 온도는 약 1000℃ 내지 약 1200℃일 수 있다. 열분해 반응기 용기(4)는 반응기 구조의 변질 없이 제2 온도까지 내열성일 수 있는 고온 특수 합금으로 이루어질 수 있다. 적합한 고온 특수 합금의 비-제한적인 예는 상품명 Manaurite로 마노이르(Manoir)로부터 및 쿠보타(Kubota), 슈미츠 앤드 클라멘(Schmidt and Clemens), 파워얼로이(Poweralloy) 등으로부터 상업적으로 입수가능한 합금 중에서 선택될 수 있다. 열분해 반응기 용기(4)는 예를 들어 고온 특수 합금의 정적 주조(static casting)로써 형성될 수 있다.
열분해 차르를 만드는 방법은, 약 721℃ 미만의 온도로 제한된 고온 스테인레스 강으로 이루어진 종래의 열분해 반응기 용기를 이용하여 이전에 가능했던 온도보다 높은 온도까지 열분해 반응기 용기(4) 및 그의 내용물을 올리는 능력으로 인하여, 용이해지고 개선될 수 있다.
도 1을 참조하면, 열분해 반응기 용기(4)로부터의 배출구(5)는 제 1 응축기(6)에 연결될 수 있다. 열분해 가스 및 증기 생성물은 응축기(6)를 통해 수송되어서 버퍼(또는 브레이크) 탱크(8)에 침착되기 이전에 약 180℃로 냉각될 수 있다. 열분해 반응기 용기(4)는, 열분해 차르 및 열분해 슬러리를 쏟아낼 수 있는 지점에서, 특정된 질량 분획이 유지될 때까지 계속 가열될 수 있다. 제1 응축기(6)로부터의 배출구(7)는 버퍼 탱크(8)에 연결될 수 있다.
혼합된 플라스틱 폐기물 공급원료가 HDPE, PET, PP, PS 등의 조성 측면에서 다르기 때문에, 열분해 가스, 응축물 및 응축된 증기가 개질(reform)되어서 다양한 수율의 탄화수소 액체를 형성할 수 있고, 결과물인 액체의 유속도 변할 수 있다. 버퍼 탱크(8)는 고온 저장 설비로서 작용하여 약 180℃ 내지 약 200℃에서 열분해 응축물의 즉각적인 생성을 수용할 수 있고, 열분해된 생성물이 균일한 상태로 유지될 수 있고 다운스트림의 분리 공정 이전에 이들의 탄화수소 특성에 대해 분석될 수 있도록 체류 시간을 제공할 수도 있다.
열분해 반응기 용기(4)는 파이프(5)에 의해 응축기(6)로 연결될 수 있으며, 상기 응축기(6)는 열분해 반응기 용기(4)로부터 열분해 가스를 수용하고 상기 열분해 가스를 약 150℃ 내지 약 250℃의 제3 온도로 냉각 및 응축하여 열분해 응축물을 생성하도록 구성될 수 있다. 제3 온도는 약 180℃ 내지 약 200℃일 수 있다. 파이프(5)는 고온 오일의 자켓(도시하지 않음)에 의해 제3 온도로 유지되어, 원치않은 반응을 방지할 수 있다. 열분해 공정 동안 발달되는 열분해 가스 및 증기는 인접한 파이프(5)를 통해 밀접하게 위치한 응축기(6)까지 빠져나올 수 있다. 응축기(6)는 열분해 가스 및 증기의 온도를 약 180℃ 내지 약 200℃로 낮춰서 이것이 배출됨에 따라 액체를 형성할 수 있다. 냉각수를 사용하여 응축의 성능을 보조할 수 있다. 열분해 반응기 용기(4)의 내용물은 로드 셀에 의해 모니터링될 수 있고 열분해 반응은 가스 및/또는 액체 유동과 함께 생성물 질량의 비교를 통해 분석될 수 있다. 주위 조건(예를 들어, 온도, 습도 및 압력)은 물질 균형(mass balance)에 영향을 미칠 수 있고 로드 셀 및/또는 질량 계산에 대해 조정이 행해질 수 있다. 열분해 반응기 용기(4)의 배출구를 응축기(6)로 연결하는 배관(5)을 열 추적하고 제어하여 물질 유량(mass flow)을 유지하도록 제어할 수 있다.
응축기(6)는 파이프(7)에 의해 버퍼 탱크(8)로 연결될 수 있으며, 상기 버퍼 탱크(8)는 응축기(6)로부터 열분해 응축물을 수용하고 열분해 응축물을 혼합하여 그의 균일 혼합물을 생성하도록 구성될 수 있다. 버퍼 탱크(8)는 제3 온도에서 열분해 응축물의 균일 혼합물을 유지하도록 추가로 구성될 수 있다. 예를 들어, 버퍼 탱크(8)는 가열 코일을 가질 수 있고 단열될 수 있다. 열분해 반응기 용기(4) 및 버퍼 탱크(8)는 각각 내부 진탕기를 포함하여 내부적으로 열 전달을 보조할 수 있다. 연속적으로 진탕된 버퍼 탱크(8)는 분석을 위해 약 180℃ 내지 약 200℃에서 열분해 생성물을 저장할 수 있다. 이러한 분석은 다운스트림 가공, 예를 들어 증류, 분리, 첨가제 투입, 블렌딩 및 이들의 조합을 결정하도록 사용될 수 있다. 버퍼 탱크(8)는 열분해 생성물 체적 및 조성의 가변성을 유리하게 완충할 수 있다. 이는 화학적 분석이 이루어지는 것을 허용하되, 증류 컬럼의 구성 및 작업은 분석의 결과에 기초한다.
버퍼 탱크(8)의 상부 파트는 제1 녹-아웃 드럼(10)에 배출구(9)를 통해 연결될 수 있다. 제1 녹-아웃 드럼(10)으로부터의 배출구(11)은 스크러버(12)에 연결될 수 있다. 응축기(6) 및 녹-아웃 드럼(10)은 공정 내부에서의 사용을 위한 비-응축성 열분해 가스를 분리하기 위해서 존재할 수 있어서, 열분해 액체를 버퍼 탱크(8)로 되돌린다. 열분해 증기는 대기로 유입되는 것이 방지될 수 있고, 추가로 잔존 증기를 응축하여 트랩핑하는 녹-아웃 드럼(10)으로의 연결부에 의해 트랩핑된다. 녹-아웃 드럼(10)은 부분적으로 제어된 수준의 냉각수 및 배플판(baffle plate)으로 채워져서 임의의 탄화수소 생성물을 분리할 수 있다. 인터페이스는 모니터링되고 단지 보급수(make up water)로 제어될 수 있다. 녹-아웃 드럼(10)의 배출구는 가스 스크러버(12)를 향하게 하여 가스를 추가로 처리할 수 있다. 스크러버(12)는 공정으로 재순환되기 이전에 최적 연소를 위한 가스를 처리할 수 있다.
비-응축성 열분해 가스는 수확될 수 있고 공정을 수행하는 플랜트 장치를 가열하기 위해서 사용될 수 있다. 스크러버(12)는 연소를 위한 준비에서 비-응축성 열분해 생성물을 세척하기 위해서 설치될 수 있다. 그다음, 플랜트 및 공정 전반에 걸쳐서, 예를 들어 가열된 스크류 압출기(2) 주변에서 요구되는 전기 에너지 대신에 가열된 열매체유(thermal oil)가 사용될 수 있어서, 버퍼 탱크(8) 내 온도, 공정 라인, 자켓 및 파이프 등의 열 추적(heat tracing)을 유지할 수 있다.
스크러버(12)로부터의 배출구(13)는 열분해 반응기 용기(4)의 하부 파트에 장착될 수 있는 가스 버너(14)에 연결될 수도 있다. 추가로 또는 대안으로, 열분해 반응기 용기(4)의 하부 파트는 유도 가열 구성요소(도시하지 않음)에 의해 가열될 수 있다. 유도 가열을 사용하면 열분해 가스 및 증기의 일관된 생성 및 온도를 보다 효율적으로 및 정확하게 제어할 수 있다. 이것은 또한 위험 대역 내에서 나화(naked flame)를 배제하여 생성 동안 펄스화의 감소를 유발할 수 있다. 열분해 반응기 용기(4)가 적어도 부분적으로 유도 가열될 수 있기 때문에, 버너 연료용으로 이전에 사용되었던 합성 가스는 대신 열분해 플랜트를 작동시키기 위해 사용되는 전기 발전 시스템으로 전용될 수 있다. 합성 가스의 발열량은 천연 가스보다 잠재적으로 클 수 있고, 설비를 작동하기 위한 에너지 요구의 일부로서 사용될 수 있다. 기술적으로 유리한 것 이외에, 상기 공정에 의해 생성되는 과량의 가스의 이러한 재사용은 플랜트의 장기간 경제성을 최적화할 수 있다.
열분해 반응기 용기(4)의 하부 파트는 펌프(15) 및 유체화 베드 가열기(17)로의 라인(16)에 의해 연결될 수 있다. 열분해 반응기 용기(4) 로드 셀은 열분해 반응기 용기(4) 내 용융 혼합된 플라스틱 폐기물, 열분해 슬러리 및 열분해 차르 중 하나 이상을 칭량할 수 있다. 이것은 상기 공정 및 이의 효율이 질량 기준으로 모니터링 및 제어가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 열분해 슬러리 또는 열분해 차르는, 용융 혼합된 플라스틱 폐기물 중 약 70%를 초과하는 중량 백분율이 열분해되었을 때, 열분해 반응기 용기(4)로부터 유체화 베드 가열기(17)로 전달 또는 펌핑될 수 있다. 중량%는 예를 들어 약 80%일 수 있다. 펌프(15)의 활성화를 촉발시키기 위해 사용되는 중량%는 혼합된 플라스틱 폐기물 공급원료 내 변화에 기초하여 변할 수 있다.
열분해 반응기 용기(4)의 내용물이 비-생산적이게 될 때, 열분해 반응기 용기(4)를 비우기 위한 펌프(15)가 활성화될 수 있고 내용물은 슬러리 상태로 차르 및 가스 생성 목적을 위해 전달될 수 있다. 열분해 슬러리는 열 제어 라인(16)을 통해 유체화 베드 가열기(17)로 전달될 수 있다. 유체화 베드 가열기(17)는 슬러리 생성물을 약 1000℃ 내지 약 1400℃의 온도로 가열시킬 수 있으며 이 온도는 모든 미량의 탄화수소를 제거하고 환경 또는 플랜트 인원에 위험을 가하지 않으면서 모든 에너지를 뺏길 수 있는 불활성 차르를 생성하기에 충분할 수 있다. 이 추가의 고온 가공은 열분해 차르로부터 불순물 및 생물학적 오염물의 감소 또는 제거를 허용할 수 있다. 턴스타일(turnstile)-유형의 차르 배출 시스템(도시하지 않음)은 임의의 고체 물질을 분해하기 위해 장착될 수 있으며 음압(negative pressure)을 통해 열분해 반응기 용기(4)의 비우기를 허용할 수 있다. 불활성 차르는 매립물로서 폐기될 수 있다. 차르를 완전히 건조시키면, 어느 곳에 사용하든지 모든 에너지가 상기 물질로부터 유도될 수 있을 뿐만 아니라 얻어지는 생성물도 불활성일 수 있다.
유체화 베드 가열기(17)는 각각의 열분해 사이클의 완료시 배치형(batch-wise) 양식으로 차르 슬러리를 수용할 수 있어서, 이것을 건조시키고 임의의 나머지 탄화수소들을 떠나보낸다. 이 플랜트 설비에 사용되는 온도는 열분해 반응기 용기(4) 내 온도 미만으로 연장될 수 있어서, 완전한 차르 건조 및 결과물인 불활성 차르 생성물을 유발한다. 유체화 베드에서 유도된 탄화수소들은 이들의 발열량에 따라 수집될 수 있고 이것은 플랜트 내부에서 사용될 수 있다. 회수관 유체화 베드 가열기(17)는 챠르를 생성하면서 액체 생성물을 가스 상태로 회수되는 것을 것을 허용할 수도 있다. 열분해 반응기(4)로의 회수관은 조 생성물 유형 및 조성에 따라 열분해 반응을 개선시키는 능력을 제공할 수 있고 열분해 생성 공정에서의 루프를 닫을 수도 있다. 각각의 차르 건조 공정의 완료시에, 이러한 불활성 상태의 차르가 제거될 수 있다. 저장 용기로 전달하면서 불활성 차르를 안전한 온도로 냉각시키기 위해서 차르 추출 시스템(51)이 제공될 수 있다. 이 차르 추출 시스템(51)은 조작자에 의해서 원격적으로 및 선택적으로 작동될 수 있다.
유체화 베드 가열기(17)로부터의 배출구(18)는 제2 응축기(19)와 연결되고 상기 제2 응축기(19)는 배출구(20)를 통해 제2 녹-아웃 드럼(22)으로 연결될 수도 있다. 제2 녹-아웃 드럼(22)으로부터의 배출구(22)는 배출구(11)로 연결될 수 있고, 이 배출구(11)는 스크러버(12)에 공급한다. 제1 브랜치(23)는 스크러버(12)의 배출구(13)로부터 유체화 베드 가열기(17)까지 연결될 수 있다.
제2 브랜치(24)는 스크러버(12)의 배출구(13)로부터 브라우저(25)를 통해 열 산화기 오일 가열기(26)로 연결될 수 있다. 브라우저(25)는 공정의 중요한 양태일 수 있는 일정한 업스트림 공정 압력 및 유동을 유지하도록 제어될 수 있다. 이 시점에서의 공정은 공정 가스의 이동 및 인벤토리 업스트림을 극대화하도록 제어된 유동 및 압력 값으로 유지될 수 있다. 고온 오일 시스템은 열 산화기 오일 가열기(26)로 통합될 수 있고 모든 플랜트 가열 회로를 위해 및 고체 빌드업 방지를 위해서 도입될 수 있다. 추가로, 고온 오일 시스템은 열분해 생성물의 원치않는 개질을 방지하기 위해서 고온에서 식별번호 [0064] 내지 [0067]에서 전술한 모든 배관을 유지하도록 가열 공급을 제공할 수 있다. 게다가, 모든 전달 펌프는 막힘을 막기 위해서 열 추적형이거나 단열형일 수 있다. 발열 및 과량 가스(합성 가스)는 재사용의 목적을 위해서 공정으로 다시 전달될 수 있다. 오일 가열기(26)에서 공정 가스를 연소시킴으로써, 전체 공정 에너지 효율이 개선될 수 있는데, 이는 이러한 가열된 오일이 용기의 가열 및 자켓의 열 추적에 사용될 수 있어서 보다 값비싸고 덜 효율적인 전기적 열 추적을 제거할 수 있기 때문이다. 광유에 열을 전달한 다음, 이것을 약 250℃의 최대 온도에서 플랜트 및 공정 내부의 가열 부재로, 예를 들어 교환기 및 추적 배관으로 순환시킴으로써, 플랜트가 가열될 수 있다. 플랜트가 휴면 상태이거나 시동 전 단계에 있는 동안, 전기적 열 추적 및 일반적인 전기 가열이 고온 오일에 대한 대안으로서 포함될 수 있다. 열 산화기 오일 가열기(26)는, 플랜트 가열 및 추적을 위한 목적으로 고온 오일을 동시에 가열하면서 흡열 및 발열 가스를 폐기할 수 있다. LPG 공급 용기(27)는, 라인(28)을 통해 제2 브랜치(24)에 연결될 수 있으며, 상기 제2 브랜치(24)는 브라우저(25)를 통해 열 산화기 오일 가열기(26)까지 공급하며, 상기 열 산화기 오일 가열(26)에서 대기로 배기된다. 라인(29)은 버너(14)에 공급하는 LPT 공급 용기(27)를 배출구(13)에 연결한다
응축물 분석기(도시하지 않음)는 내용물의 다운스트림 가공을 결정하기 위해서 버퍼 탱크(8)의 내용물을 분석하도록 구성할 수 있다. 분석기는, 연료 생성물을 생성하기 위해서 열분해 응축물의 균일 혼합물의 적합한 다운스트림 가공을 결정하기 위해서, 버퍼 탱크(8) 내 열분해 응축물의 균일 혼합물을 분석하도록 구성될 수 있는, 소프트웨어로 프로그램된 프로세서에 연결된 센서들을 포함할 수 있다.
버퍼 탱크(8)는 동시적이고 다중 가공을 가능하게 만들 수 있다. 펄스화 또는 변하는 생성 비율의 결과로서 불안정한 업스트림 반응들은, 최적의 수율 파라미터들을 결정하고자 하는 경우에는, 바람직하지 않을 수 있다. 유동, 압력 및 온도에서의 변수는 일반적으로 제어하기에 너무 어렵거나 복잡할 수 있다. 버퍼 탱크(8) 내의 균일하게 혼합된 생성물은 분석될 수 있고 조질의 공급원료 생성물과 비교될 수 있고, 이것은 보다 큰 경제적인 장점과 함께 다운스트림 가공 파라미터 및 생성물 선택 스트림이 효율적으로 결정되도록 할 수 있다. 생성물의 정제 또는 블렌딩은 또다른 위치에서 또는 멀리 위치될 수 있는 증류 공정에서 수행될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 버퍼 탱크(8)의 내용물의 분석에 따라, 버퍼 탱크(8)로부터의 배출구는 펌프(31)를 통해 증류 컬럼(32)까지 밸브에 의해 선택적으로 연결될 수 있다. 버퍼 탱크(8)는 분리 장치, 예를 들어 증류 컬럼(32)으로의 일정한 유동을 만들 수 있어서, 결과적으로 보다 제어가능한 공정을 만들 수 있다. 상기 공정은, C10 내지 C20 탄소쇄의 생성을 목표로 하는 탄화수소의 분리의 효율적인 방법을 만들기 위해서 증류 컬럼(32)에서의 최적 온도의 설정을 허용할 수 있고 연료 생성 외의 보다 넓은 생성물 범위까지의 옵션을 제공할 수 있다. 버퍼 탱크(8)의 내용물을 분석하면, 생성물은 일정하고 예정된 유속으로 증류 컬럼(32)에 펌핑될 수 있다. 증류 컬럼(32)은 우선적 최종 생성물(priority final product)로서 디젤 연료 생성물을 분리할 수 있다.
디젤 연료는 펌프(33)에 의해 증류 컬럼(32)의 하부 파트로부터 디젤 연료 저장부(34)까지 펌핑될 수 있다. 디젤 연료 저장부(34)는 펌프(35)를 통해 벌크 저장부로 연결될 수 있다. 펌프(33)의 배출구로부터의 브랜치는 리-보일러(48)로 연결되며, 상기 리-보일러(48)는 증류 컬럼(32)의 하부 파트로 다시 공급된다. 디젤 연료 생성물은 분석을 위해 중간체 저장 설비로 펌핑될 수 있다. 디젤 중간체 저장 탱크는 생성물의 사양을 유지하기 위해서 품질에 대해 모니터링될 수 있다. 디젤은 결합된 저장 설비로 방출되거나 조 생성물로 블렌딩될 수도 있다.
증류 컬럼(32)의 상부 파트는 경질 연료 열 교환기(36)를 통해 경질 연료 배플 탱크(37)로 연결될 수 있다. 경질 연료 배플 탱크(37)로부터의 폐가스는 라인(49)을 통해 고온 오일 가열기로 공급될 수 있다. 경질 연료 또는 경질 연료 분획이 펌프(38)를 통해 경질 연료 저장 탱크(39)로 공급될 수 있다. 경질 연료는 증류 컬럼(32) 내 재환류로서 사용하기 위해 펌프(38)에 의해 라인(40)을 통해 증류 컬럼(32)까지 재순환될 수 있다.
버퍼 탱크(8)로부터의 배출구는 선택적으로 밸브를 통해 펌프(45)까지 연결되어서 버퍼 탱크(8)로부터의 가스를 열분해 반응기 용기(4)까지 라인(47)을 통해 공급할 수 있다. 버퍼 탱크(8)로부터의 가스는 또한 라인(47)을 떠나서 브랜치(46)를 통해 유체화 베드 가열기(17)에 공급될 수도 있다.
버퍼 탱크(8)로부터의 배출구는 선택적으로 밸브에 의해 펌프(41)로 연결되어서 조질의 연료 생성물을 조 생성물 저장부(42)에 공급할 수 있다. 조 생성물 저장부(42)로부터의 산출물(output)은 펌프(43)를 통해 조 생성물 배출물로 또는 해양 연료 저장부(44)에 공급될 수 있다. 플랜트는 선택적으로 선박(도시하지 않음)에 공급될 수도 있고, 해양 연료 저장부(44)는 선박의 해양 연료 공급부와 연결될 수 있다.
상기 방법은 고정식 또는 이동식 설비에 적합할 수 있다. 예를 들어, 상기 플랜트 및 방법은 휴대용이거나 해양으로부터 훑어온 혼합된 플라스틱 폐기물 생성물에 의해 연료주입될 수 있는 배(ship)의 선상에 배치될 수 있다. 상기 방법 및 플랜트는, 따라서 연료 보급 비용과 항구에서의 시간을 줄이거나 없애기 위해 선박에 연료를 공급하면서 폐기물 처리 활동이 이루어지는, 선박의 선상에 있는 해양 시스템에 사용될 수 있다. 가스 및 경질 연료 생성은 또한 최종 생성물 가공 스트림의 일부를 형성할 수 있다.
조 및/또는 조질의 생성물은 해양 연료 또는 벙커유로서 사용하기 위한 블렌딩 및 처리를 목적으로 제조될 수 있다. 조/조질의 생성물은 중간 저장 탱크에서 처리될 수 있고 해양 연료로서의 용도를 위해 조제될 수 있다. 내용물은 저장 또는 처리를 위해 연안 시설로 배출될 수 있다. 플랜트가 선박 위에 위치하는 경우, 순수한 또는 블렌딩된 생성물이 선상 블렌딩 시스템으로 배출될 수 있다. 선상 블렌딩 탱크는 해양 연료로서의 용도를 위해서 디젤 및 조 생성물을 예정된 비율로 허용할 수 있다. 중간체 저장 탱크로부터의 조 생성물은 부가적인 발전 또는 가열의 목적을 위해서 가스화 공정의 일부로서 사용될 수 있다.
본 발명의 실시양태는 혼합된 플라스틱 폐기물 공급원료를 합성 가스, 불활성 차르 및 연료 생성물, 예를 들어 원유, 디젤, 벙커유, 경질 연료 분획, 및 이들의 조합을 비롯한, 유용한 열분해 생성물로 효율적으로 전환시키기에 유용한 열분해 플랜트 및 공정을 제공한다.
이러한 명세서의 목적을 위해서, "포함하는"이란, "이로서 한정하는 것은 아니지만 포함하는"이라는 어구를 의미하고 "포함하다"는 상응하는 의미를 갖는다.
전술한 실시양태는 단지 예시로서 기술하고 있지만, 하기 특허청구범위의 범주 내에서 변형이 가능하다.

Claims (44)

  1. 용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 가열하여
    약 350℃ 내지 약 425℃의 제1 온도에서 열분해 가스; 및
    약 722℃ 내지 약 1400℃의 제2 온도에서 열분해 슬러리 또는 열분해 차르(char)
    를 생성하도록 구성된 열분해 반응기
    를 포함하는 플랜트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제1 온도가 약 390℃ 내지 약 410℃인 플랜트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제2 온도가 약 1000℃ 내지 약 1200℃인 플랜트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 제1 온도에서 진탕(agitate)하도록 열분해 반응기가 추가로 구성되는 플랜트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    열분해 반응기가, 열분해 반응기 내의 용융 혼합된 플라스틱 폐기물의 중량 손실%을 측정하도록 구성된 로드 셀(load cell) 위에 제공되는 플랜트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    열분해 반응기가 제2 온도까지 내열성인 특수 합금(specialty alloy)으로 구성되는 플랜트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    열분해 반응기가 유도 가열, 가스 버너 가열 또는 이들의 조합에 의해 가열되는 플랜트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    열분해 반응기로부터 열분해 가스를 수용하고 상기 열분해 가스를 약 150℃ 내지 약 250℃의 제3 온도로 냉각 및 응축하여 열분해 응축물을 생성하도록 구성된 응축기를 추가로 포함하는 플랜트.
  9. 제 8 항에 있어서,
    제3 온도가 약 180℃ 내지 약 200℃인 플랜트.
  10. 제 8 항에 있어서,
    응축기로부터 열분해 응축물을 수용하고 상기 열분해 응축물을 혼합하여 이들의 균일 혼합물을 생성하도록 구성된 버퍼 탱크(buffer tank)를 추가로 포함하는 플랜트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    버퍼 탱크가 제3 온도에서 열분해 응축물의 균일 혼합물을 유지하도록 추가로 구성된 플랜트.
  12. 제 1 항에 있어서,
    혼합된 플라스틱 폐기물 공급원료를 약 280℃ 내지 약 320℃의 초기 온도로 압출 및 가열하여 열분해 반응기 용기에 공급할 수 있는 용융 플라스틱 폐기물을 형성하도록 구성된 가열된 압출기를 추가로 포함하는 플랜트.
  13. 제 12 항에 있어서,
    용융 플라스틱 폐기물의 초기 온도가 약 300℃인 플랜트.
  14. 제 1 항에 있어서,
    열분해 반응기로부터 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 수용하고 제2 온도에서 상기 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 가열 및 건조하도록 구성된 유체화 베드 가열기(fluidised bed heater)를 추가로 포함하는 플랜트.
  15. 제 10 항에 있어서,
    버퍼 탱크의 배출구로부터 직렬로 연결되어 있고 열분해 응축물로부터 비-응축성 열분해 가스를 분리하도록 구성된 녹-아웃 드럼(knock-out drum) 및 스크러버(scrubber)를 추가로 포함하는 플랜트.
  16. 제 15 항에 있어서,
    스크러버로부터 비-응축성 열분해 가스를 수용하고 비-응축성 열분해 가스를 연소하여 열분해 반응기 및 버퍼 탱크 중 하나 또는 둘 다를 가열하도록 구성된 가열기를 추가로 포함하는 플랜트.
  17. 제 10 항에 있어서,
    버퍼 탱크 내 열분해 응축물의 균일 혼합물을 분석하여, 연료 생성물을 선택적으로 생성하도록 상기 열분해 응축물의 균일 혼합물의 다운스트림 가공을 선택적으로 결정하도록 구성된 응축물 분석기를 추가로 포함하는 플랜트.
  18. 제 17 항에 있어서,
    버퍼 탱크로부터 열분해 응축물의 균일 혼합물을 선택적으로 수용하고, 분석에 기초하여 연료 생성물을 생성하기 위해 열분해 응축물의 균일 혼합물을 선택적으로 가공하도록 구성된 다운스트림 가공 장치를 추가로 포함하는 플랜트.
  19. 제 18 항에 있어서,
    다운스트림 가공 장치가, 응축기, 분별증류기, 증류 컬럼 및 이들의 조합 중에서 선택되는 플랜트.
  20. 제 18 항에 있어서,
    연료 생성물이 합성 가스, 원유, 디젤, 벙커유, 경질 연료 분획(light fuel fraction) 및 이들의 조합 중에서 선택되는 플랜트.
  21. 용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 열분해 반응기에서 가열하여,
    약 350℃ 내지 약 425℃의 제1 온도에서 열분해 가스를 생성하고;
    약 722℃ 내지 약 1400℃의 제2 온도에서 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 생성함을 포함하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    제1 온도가 약 390℃ 내지 약 410℃인 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    제2 온도가 약 1000℃ 내지 약 1200℃인 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 제1 온도에서 진탕함을 추가로 포함하는 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    열분해 반응기 중의 용융 혼합된 플라스틱 폐기물, 열분해 슬러리 및 열분해 차르 중 하나 이상을 칭량함을 추가로 포함하는 방법.
  26. 제 21 항에 있어서,
    유도 가열, 가스 가열 또는 이들의 조합에 의해 열분해 반응기를 가열함을 추가로 포함하는 방법.
  27. 제 21 항에 있어서,
    상기 열분해 가스를 약 150℃ 내지 약 250℃의 제3 온도로 냉각 및 응축하여 열분해 응축물을 생성함을 추가로 포함하는 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    제3 온도가 약 180℃ 내지 약 200℃인 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    버퍼 탱크에서 열분해 응축물을 혼합하여 이들의 균일 혼합물을 형성함을 추가로 포함하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    열분해 응축물의 균일 혼합물을 제3 온도에서 유지함을 추가로 포함하는 방법.
  31. 제 21 항에 있어서,
    혼합된 플라스틱 폐기물 공급원료를 약 280℃ 내지 약 320℃의 초기 온도로 압출 및 가열하여, 열분해 반응기 용기에 공급될 용융 플라스틱 폐기물을 형성함을 추가로 포함하는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    초기 온도가 약 300℃인 방법.
  33. 제 21 항에 있어서,
    열분해 반응기 또는 유체화 베드 가열기 내, 제2 온도에서 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 가열 및 건조시킴을 추가로 포함하는 방법.
  34. 제 25 항에 있어서,
    용융 혼합된 플라스틱 폐기물 중 약 70%를 초과하는 중량 백분율이 열분해되었을 때, 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 열분해 반응기로부터 유체화 베드 가열기로 전달함을 추가로 포함하는 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    중량%가 약 80%인 방법.
  36. 제 29 항에 있어서,
    비-응축성 열분해 가스를 열분해 응축물로부터 분리함을 추가로 포함하는 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    비-응축성 열분해 가스를 연소하여 열분해 반응기 및 버퍼 탱크 중 하나 또는 둘 다를 가열함을 추가로 포함하는 방법.
  38. 제 29 항에 있어서,
    버퍼 탱크 내 열분해 응축물의 균일 혼합물을 분석하여, 연료 생성물을 생성하도록 열분해 응축물의 균일 혼합물의 다운스트림 분별증류화를 결정함을 추가로 포함하는 방법.
  39. 제 38 항에 있어서,
    분석에 기초하여, 열분해 응축물의 균일 혼합물을 선택적으로 다운스트림 가공하여 연료 생성물을 선택적으로 생성함을 추가로 포함하는 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    다운스트림 가공이 응축, 분별증류, 증류 및 이들의 조합 중에서 선택되는 방법.
  41. 제 39 항에 있어서,
    연료 생성물이 합성 가스, 원유, 디젤, 벙커유, 경질 연료 분획, 및 이들의 조합 중에서 선택되는 방법.
  42. 제 1 항에 따른 플랜트 또는 제 21 항에 따른 방법에 의해 제조된 연료 생성물.
  43. 제 42 항에 있어서,
    연료 생성물이 합성 가스, 원유, 디젤, 벙커유, 경질 연료 분획, 및 이들의 조합 중에서 선택되는 연료 생성물.
  44. 제 1 항에 따른 플랜트 또는 제 21 항에 따른 방법을 사용하여, 혼합된 플라스틱 폐기물을 바다에서 열분해 또는 폐기함을 포함하는 방법.
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