KR20200126707A - 가연성 폐기물으로부터 열분해 오일 생산 시스템 및 이의 이용 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가연성 폐기물을 재활용하기 위해 바이오매스, 폐합성수지 등의 가연성 폐기물을 열분해하여 오일을 얻는 장치 및 공정에 관한 것이다.
본 발명은, 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치(b)를 통해 1차 열분해 반응 장치 유래 및/또는 2차 열분해 반응 장치 유래 열분해 가스를 왁스 분리 장치로 이송하여, 탄소수가 다양한 열분해 가스로부터 고비점 왁스 성분을 분리하고, 분리된 고비점 왁스 성분이 왁스 분리 장치 하단의 배출구를 통해 이송장치(b)의 하단에 설치된 이송 스크류로 떨어지도록 설계된 것이 특징이다.
본 발명은, 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치(b)를 통해 1차 열분해 반응 장치 유래 및/또는 2차 열분해 반응 장치 유래 열분해 가스를 왁스 분리 장치로 이송하여, 탄소수가 다양한 열분해 가스로부터 고비점 왁스 성분을 분리하고, 분리된 고비점 왁스 성분이 왁스 분리 장치 하단의 배출구를 통해 이송장치(b)의 하단에 설치된 이송 스크류로 떨어지도록 설계된 것이 특징이다.
Description
본 발명은 폐기물을 재활용하기 위해 바이오매스, 폐합성수지 등의 가연성 폐기물을 열분해하여 오일을 얻는 장치 및 공정에 관한 것이다.
산업의 발달에 따라 플라스틱이나 합성고무를 원료로 하는 상품의 생산량은 급증하고 있지만 폐플라스틱이나 폐 고무 등의 폐합성수지에 대한 재활용률은 총 생산량에 비하여 미미한 수준에 불과한 실정이다. 이러한 현상이 발생되는 주요 원인은 폐합성수지의 재활용에 많은 경비가 소요되기 때문이다. 여러 가지 이유로 폐합성수지의 재활용에 많은 경비가 소요되지만 폐합성수지가 여러 가지 물질을 포함하고 있다는 것이 주요 원인이다. 즉, 폐합성수지는 아주 고순도일 경우 재활용이 가능하나, 저순도일 경우는 재활용하는데 많은 비용이 소모되므로 경제적인 측면에서 좋지 못하고, 재활용하여도 다시 사용 후 질 저하로 재활용하는데 한계가 있다.
소요 경비를 줄이면서 폐합성수지를 재활용하는 기술로는 폐합성수지를 열분해하는 방법이 있다. 폐합성수지 열분해 재활용 방법은 폐합성수지에 고열을 가하여 폐합성수지를 용융 및 분해하고, 분해물로부터 얻을 수 있는 다양한 유분을 정제하여 오일을 얻는 방법이다. 그러나, 기존의 열분해 방법은 신속한 열분해가 이루어지지 못하고, 폐합성수지를 분리 및 파쇄하는 공정이 열분해 공정 전에 요구되어 채산성이 낮다.
한편, 한국 특허등록 제0748624호는 로터리킬른형 열분해장치를 이용한 폐플라스틱의 열분해시스템 및 방법에 관한 것으로, 병렬로 연결된 다수 개의 로터리킬른형 열분해장치를 사용하여 폐합성수지를 1차 열분해하고 CSTR 형 열분해장치를 사용해서 1차 분해물을 다시 열분해하며, 증류탑을 사용하여 2차 분해물로부터 생성유(오일)를 확보한 후 이 생성유를 정제하여 고순도의 오일을 확보한다. 그러나, 이 경우 폐합성수지의 재활용에 소요되는 경비를 줄이고, 처리속도를 높이는 효과가 있지만, 여전히 많은 경비가 소요되어 채산성이 낮다.
본 발명은 열분해 방법을 통한 가연성 폐기물의 재활용 경비를 최소화하면서도, 가연성 폐기물로부터 열분해 오일의 생산 공정에서 장치 막힘을 유발하는 고비점 왁스를 제거한 고급 오일을 얻으며, 열분해 반응기에서 배출되는 잔수물에 오일 성분이 포함되지 않게 하여 오일 수율 증가시키는 동시에, 잔사물의 배출 함량을 효과적으로 낮출 수 있는 열분해 오일 생산 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 제1양태는 (a1) 1차 열분해 반응 장치; (a2) 1차 열분해 반응 장치 보다 열분해 온도가 높은 2차 열분해 반응 장치; (b) 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치로서, 상단에는 열분해 가스가 흐르면서 열분해 가스를 왁스 분리 장치에 이송시키고, 하단에는 스크류가 설치되어 고형 잔사물을 1차 열분해 반응 장치 또는 2차 열분해 반응 장치에 이송시키는 상/하 2단 구조의 이송 장치; 및 (c) 탄소수가 다양한 열분해 가스로부터 고비점 왁스 성분을 분리하는 왁스 분리 장치로서, 왁스 분리 장치에서 분리된 고비점 왁스 성분이 하단의 배출구를 통해 이송장치의 하단에 설치된 이송 스크류로 떨어지도록 설계된 왁스 분리 장치를 구비한 것이 특징인 가연성 폐기물로부터의 열분해 오일 생산 시스템을 제공한다.
본 발명의 제2양태는 제1양태의 열분해 오일 생산 시스템에서 폐기물을 열분해하여 열분해 오일을 생산하는 방법을 제공한다.
이때, 열분해 오일은 활용 가치가 낮고, 장치 막힘을 유발하는 고비점 왁스 성분이 제거된 것일 수 있다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 폐기물로부터의 열분해 오일 생산 시스템은
(a1) 1차 열분해 반응 장치;
(a2) 1차 열분해 반응 장치 보다 열분해 온도가 높은 2차 열분해 반응 장치;
(b) 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치로서,
상단에는 열분해 가스가 흐르면서 열분해 가스를 왁스 분리 장치에 이송시키고, 하단에는 스크류가 설치되어 고형 잔사물을 1차 열분해 반응 장치 또는 2차 열분해 반응 장치에 이송시키는 상/하 2단 구조의 이송 장치; 및
(c) 탄소수가 다양한 열분해 가스로부터 고비점 왁스 성분을 분리하는 왁스 분리 장치로서,
왁스 분리 장치에서 분리된 고비점 왁스 성분이 하단의 배출구를 통해 이송장치의 하단에 설치된 이송 스크류로 떨어지도록 설계된 왁스 분리 장치를 구비한다.
이때, 1차 열분해 반응 장치(a1)와 2차 열분해 반응 장치(a2)는 이송 장치(b)를 통해 직렬로 연결되고, 1차 열분해 반응 장치(a1)는 1 이상의 1차 열분해 반응 장치가 병렬로 연결되거나/연결되고, 2차 열분해 반응 장치(a2)는 1 이상의 2차 열분해 반응 장치가 병렬로 연결된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 가연성 폐기물로부터의 열분해 오일 생산 시스템은,
(i) 1차 열분해 반응 장치의 열분해 온도(T1) 보다 2차 열분해 반응 장치의 열분해 온도(T2)가 더 높으면서(T1 < T2),
(ii) 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치(b)를 통해 1차 열분해 반응 장치 유래 및/또는 2차 열분해 반응 장치 유래 열분해 가스를 왁스 분리 장치로 이송하여, 탄소수가 다양한 열분해 가스로부터 고비점 왁스 성분을 분리하고, 분리된 고비점 왁스 성분이 왁스 분리 장치 하단의 배출구를 통해 이송장치(b)의 하단에 설치된 이송 스크류로 떨어지도록 설계된 것이 특징이다.
또한, 본 발명에 따른 가연성 폐기물로부터의 열분해 오일 생산 시스템은
(iii) 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치(b)가 상단에는 열분해 가스가 흐르면서 열분해 가스를 왁스 분리 장치에 이송시키고, 하단에는 운전 상황에 따라 정방향 또는 역방향으로 조작이 가능한 이동형 스크류가 설치되어 1차 열분해 반응 장치 유래의 열분해 가스 및/또는 고형 잔사물을 이송시킬 수도, 2차 열분해 반응 장치 유래의 열분해 가스 및/또는 고형 잔사물을 이송시킬 수도 있을 뿐만 아니라, 이와 독립적으로 고형 잔사물 및/또는 왁스 분리 장치에서 분리된 고비점 왁스 성분을 1차 열분해 반응 장치 또는 2차 열분해 반응 장치에 이송시킬 수 있는 상/하 2단 구조를 가지는 것이 특징이다.
이로 인해, 본 발명은 열분해 가스에 포함된 고비점 왁스를 분리하고 고비점 왁스를 다시 열분해 반응 장치로 재순환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 운전 상황에 따라 다양한 조합으로 각 열분해 장치를 연속식 또는 반연속식 운전(non-continuous operation)이 가능하도록 구축할 수 있다.
[가연성 폐기물(1)]
가연성 폐기물의 예로는 폐플라스틱, 폐고무과 같은 폐합성수지, 바이오매스 등이 있다. 특히, 폐합성수지 및 바이오매스에 포함된 미량의 흙, 알루미늄 코팅물 등 무기물이 포함된 저급 폐기물일 수 있다. 본 발명에서 가연성 폐기물은 바이오매스를 20wt%이상 포함할 수 있다.
[투입 장치(1)]
투입장치(1)는 1차 열분해 반응 장치의 전단(upstream)에 배치될 수 있으며, 예컨대, 폐기물의 투입구를 구비한 2단 스크류형 이송 장치일 수 있다. 이때, 성형 및 비성형 형태의 원료가 투입구에서 2단 스크류형 이송 장치로 이송된다. 투입장치(1)의 1차 스크류형 이송 장치 상단에는 차단 밸브가 있어 1차적으로 공기 차단시키고, 1차 스크류형 이송 장치와 2차 스크류형 이송 장치 사이에 차단 밸브가 추가 설치되면 이송 부분에 산소 / 공기 유입을 차단하기 위해 질소 가스 퍼징할 수 있는 구조가 될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 원료 주입 방법이 산소 차단을 위해 질소 퍼징 라인이 포함된 자동 밸브가 설치되어 산소가 유입되면 자동 밸브가 닫히는 구조이지만, 원료 형태가 저급 원료로 자동 주입이 어려울 경우는 반응기 앞 부분에 대형 개폐장치가 설치되어, 산소 주입이 억제되고 용이하게 투입 및 배출이 가능한 수동식 개폐장치가 포함된 구조가 포함될 수 있다.
한편, 가연성 폐기물을 1차 열분해 반응 장치로 공급하기 전에 감용기를 통해 폐기물의 부피를 줄일 수 있다.
[1차 열분해 반응 장치(2) 및 2차 열분해 반응 장치 (5)]
본 발명에서 열분해 반응 장치는 열분해 반응 장치의 열분해 온도 관계가 T1 < T2 인 1차 열분해 반응 장치(T1)와 2차 열분해 반응 장치(T2)가 이송 장치(b)를 통해 직렬로 연결되어 있다.
본 발명에서 1차 열분해 반응 장치는 열을 가하여 바이오매스, 폐합성수지 등의 가연성 폐기물 및 미반응 잔사물을 용융 및 분해되도록 열분해하는 장치이다. 따라서, 1차 열분해 반응 장치는 가연성 폐기물을 제공하는 투입 장치(1)의 스크류형 이송 장치의 후단(downstream)에 연결될 수 있다.
1차 열분해 반응 장치는 가연성 폐기물을 고온(T1)에서 열분해시키므로, 고온(T1)의 열분해 가스와 고형 잔사물이 형성된다. 한편, 1차 열분해 반응 장치 유래의 미반응 상태의 잔사물을 열분해하기 위해서 2차 열분해 반응 장치는 1차 열분해 반응 장치의 열분해 온도(T1)보다 높은 온도(T2 > T1)에서 열분해 반응을 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 1차 열분해 반응 장치 및/또는 2차 열분해 반응 장치에서 다시 열분해시키는 고형 잔사물에는 왁스 분리 장치에서 열분해 가스로부터 분리된 고비점 왁스를 포함할 수 있다. 이송 장치(b)를 통해 고형 잔사물와 고비점 왁스가 공급될 수 있다.
1차 열분해 반응 장치(1)의 열분해 온도(T1)는 350 ~ 550 ℃이고/이거나, 2차 열분해 반응 장치(5)의 열분해 온도(T2)는 400 ~ 650 ℃일 수 있다. 가연성 폐기물은 주로 폐플라스틱으로, 폐플라스틱은 보통 350℃부터 열분해가 이루어지고 상대적으로 열분해가 더디며, 왁스가 많이 생성되는 PE는 좀 더 높은 온도 최대 500℃에서 열분해가 잘 이루어지고, 2차 반응기는 1차 반응기보다 높은 온도에서 처리하는 것이 바람직하다.
한편, 2차 열분해 반응 장치(5)의 경우, 잔사물이 반응기 후단 부분에서 배출구 방향으로 배출할 수 있는 구조일 수 있다. 2차 열분해 반응 장치(5)의 후단(downstream)에는 잔사물을 냉각 및 포집하기 위해 냉각 이송장치 및 포집장치(6)가 배치될 수 있다.
열분해 반응 장치로 기존에 알려진 여러 열분해 장치를 사용할 수 있으나, 1차 열분해 반응 장치(T1)로는 로터리 킬른형 열분해 반응기를 사용할 수 있다.
로터리 킬른형 열분해 반응기는 화로가 회전하면서 전체에서 열을 가하여 고온에 의해 내부 폐기물을 용융 및 열분해가스와 탄화된 잔류물로 분해되도록 한다. 로터리 킬른형 열분해 반응기는 열분해 효율성을 위해 폐기물을 투입한 후에 열분해가 이루어지고 열분해가 충분히 이루어진 후 배출하는 과정으로 진행하는 것일 수 있다. 또한, 무산소 조건의 고열에서 분해가 이루어짐으로 산소가 주입되는 소각과정에서 생성되는 다이옥신의 발생을 억제할 수 있다.
로터리 킬른형 열분해 반응기는 원료 투입구 부분이 안정하게 산소 차단 및 리크가 억제 된다면 연속적으로 원료를 투입하면서 열분해가 계속적으로 이루어지는 시스템으로 운전을 할 수 있지만, 경우에 따라 열분해되는 동안 로터리 킬른형 열분해 반응기로의 폐기물 유입이 중단되므로, 로터리 킬른형 열분해 반응기를 다수 개 병렬 연결하여 작업의 연속성을 부여할 수 있다. 예컨대, 제1 로터리 킬른형 열분해 반응기에서 고형 잔사물이 2차 열분해 반응 장치로 이송하는 동안 제1 로터리 킬른형 열분해 반응기에서는 폐플라스틱의 유입이 이루어지고, 제2 로터리 킬른형 열분해 반응기에서는 열분해 과정을 수행하도록 번갈아 가면서 각 장치를 운전할 수 있다.
로터리 킬른형 열분해 반응기를 사용한 가연성 폐기물의 열분해 방법은 연속식으로 수행될 수도 반연속식으로 수행될 수도 있다. 연속식으로만 수행되는 열분해는 열분해 도중 장치에 문제가 발생하였을 경우 전체 공정이 중단되는 문제가 있고, 반연속식만으로 수행되는 열분해는 불규칙적인 운전에 의해 잔사물이 지나치게 많이 발생하고 처리량도 줄어들며, 작업 강도가 높은 문제가 있다.
로터리 킬른형 열분해 반응기는, 투입된 원료인 가연성 폐기물이 충분히 열분해되어 열분해 가스와 무기물 형태의 잔사물로 구분되어 배출되도록, 충분한 접촉 시간을 갖게 할 수 있는 내부 구조를 가질 수 있다.
한편, 2차 열분해 반응 장치는 온도 구배를 갖도록 단순 가열만 하여 고온(T2 > T1)에서 원활하게 열분해 반응이 일어나는 장치일 수 있고, 내부 구조는 잔사물 이송을 위한 스크류형 이송기가 있는 반응기 형태가 유리할 수 있다.
미반응 상태의 잔사물은 내부에 이동형 스크류가 설치된 2차 열분해 반응 장치에 투입되어 1차 열분해 반응 장치의 열분해 온도(T1)보다 높은 온도(T2 > T1)에서 열분해 반응이 일어나게 되고, 2차 열분해 반응 장치는 온도 조절이 가능한 구조일 수 있다. 예컨대, 뒷부분으로 갈수록 온도가 떨어지는 온도 구배를 갖도록 하는 가열 구조일 수 있다. 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에는 차단 밸브가 설치되어 운전 방법에 따라 주기적으로 개폐가 가능하도록 설치할 수 있다.
2차 열분해 반응 장치(5)에서 생성되는 열분해 가스는 1차 열분해 반응 장치에서 생성되는 열분해 가스와 같이 이송 장치(b)를 통해 후술할 왁스 분리 장치(c)에 이송되고/되거나 후술할 열분해 오일 분리 및 저장 장치에 연결하여 포집, 저장하게 되어 추가 포집, 저장 장치의 설치가 필요하지 않을 수 있다.
가연성 폐기물의 대량 처리를 위해, 1차 열분해 장치 및/또는 2차 열분해 장치는 각각 병렬로 복수개 연결하여 지속적인 열분해가 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 로터리 킬른형 열분해 반응기와 다른 형태의 열분해 반응기를 효율적으로 조합하여 사용하는 경우 폐기물을 신속하게 열분해하면서 폐기물의 열분해 효과를 극대화할 수 있다.
예컨대, 어느 하나의 로터리 킬른형 열분해 반응기가 폐기물을 열분해하여 2차 열분해 장치(스크류형 이송기가 구비된 단순 가열 반응기)나 다른 공정으로 고형 잔사물을 공급하는 순간에 열분해가 중지되거나 열분해 효율이 낮아질 수 있다. 따라서, 어느 하나의 로터리 킬른형 열분해 반응기에서 열분해 외에 다른 작업을 수행함에 따라 폐기물의 열분해가 중지되거나 열분해 효율이 낮아지는 조건일 때 또다른 로터리 킬른형 열분해 반응기는 정상적으로 작동하여 폐기물을 최상의 조건에서 열분해할 수 있다. 이러한 구조는 복수 개의 로터리 킬른형 열분해 반응기와 각각의 로터리 킬른형 열분해 반응기에 대응된 복수 개의 2차 열분해 장치(스크류형 이송기가 구비된 단순 가열 반응기)를 구비하는 것과 동일한 수준의 효과를 얻으면서도 설치면적 및 설치비용을 최소화할 수 있다.
열분해 반응 장치의 가열 열원은 자체 생산되는 열분해 가스와 열분해유를 사용할 수 있으므로, 폐기물의 오일화를 위한 에너지 비용을 절감할 수 있다. 열분해 가스는 상당히 고발열량이고, 화력을 높이는 역할을 할 수 있다. 예컨대, 로터리킬른형 열분해 반응기의 가열수단이나 타공정 열원용으로 공급하여 가열 온도를 높이는데 사용될 수 있다. 따라서, 발생된 가스는 환경 문제를 야기하는 대기 중으로 방출하는 것이 아니라 가연성 폐기물의 열분해용 열원으로 다시 사용되도록 하는 것이다.
한편, 각 가스용과 오일용 버너는 예컨대, 도 1(2)에 도시된 바와 같이 병렬로 2개가 세쌍 이상 설치되어 반응 온도를 쉽게 조절할 수 있다.
[1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치(3)]
열분해 반응 장치로부터 발생한 다양한 비점의 유분을 분리하기 위한 처리장치가 열분해 반응 장치와 별도로 구비되어야 하고, 저비점 및 고비점 유분의 분리 및 정제를 위해 열분해에 의해 발생한 유분을 처리장치로 이송 후 저비점 유분은 정제하고 고비점 유분도 상이한 정제 시스템으로 정제를 하거나 일부 포함된 왁스 같은 고점성 물질은 분리하여 다시 반응기로 재순환시켜서 재열분해 반응을 시켜서 고급유로 전환시킬 수 있다.
이를 위해, 본 발명에 따라 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치(b)는 상단과 하단으로 구분되는 구조로 되어 있으며, 하단 부분은 스크류가 설치되어 고형 잔사물을 이송시키고, 상단은 열분해 가스를 다음 단계인 왁스 분리 장치에 이송시키는 것이 특징이다.
이때, 이송 장치(b)의 이동형 스크류가 정방향 및 역방향으로 작동 가능하면, 운전 상황에 따라 수시로 정,역 방향으로 조작이 가능하다. 따라서, 이송 장치(b)는 1차 열분해 반응 장치 유래의 열분해 가스 및/또는 고형 잔사물을 이송시킬 수 있을 뿐만 아니라, 2차 열분해 반응 장치 유래의 열분해 가스 및/또는 고형 잔사물을 이송시킬 수 있다.
이때, 도 1(5)에 도시된 바와 같이 이송 장치(b)의 후단이 2차 열분해 반응 장치의 상단과 연결된 경우에는, 2차 열분해 반응 장치의 열분해 가스는 이송 장치(b)에 유입되어 왁스 분리 장치(c)로 이송될 수 있고, 2차 열분해 반응 장치 유래의 고형 잔사물은 배출구를 통해 폐기될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 이송 장치(b)의 상단에 흐르는 열분해 가스는 왁스 분리 장치(c)의 측면 또는 상부의 투입구 방향으로 들어가고, 왁스 분리 장치(c)에서 분리된 고비점 왁스 성분은 하단의 배출구를 통해 이송장치(b)의 하단에 설치된 이송 스크류로 떨어지도록 설계된 것일 수 있다.
이송 장치(b)의 하단에 설치된 스크류를 통해 고형 잔사물 및/또는 왁스 분리 장치에서 분리된 고비점 왁스 성분은, 운전 방법에 따라 역 방향으로 회전할 경우 1차 열분해 반응 장치에 재 투입되어 재 열분해가 이루어지고, 정 방향으로 회전할 경우 2차 열분해 반응 장치에 이송시켜 높은 온도에서 가열하여 무기물 잔사물만 남도록 열분해를 시켜서 최종 잔사물을 냉각 장치를 통해 포집할 수 있다.
이로 인해, 본 발명은 열분해 가스에 포함된 고비점 왁스를 분리하고 고비점 왁스를 다시 열분해 반응 장치로 재순환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 열분해 장치를 연속식 또는 반연속식 운전이 가능하도록 구축할 수 있다.
[왁스 분리 장치(3)]
본 발명에서 왁스(wax)는 열분해 오일 중에 분자량이 큰 중질유분으로 이송 및/또는 저장 조건에서 고점성 상태가 되는 탄소계 화합물을 총칭할 수 있다. 따라서, 가연성 폐기물로부터의 열분해 오일 생산시 열분해 오일의 생산 공정 조건 및 이의 사용처 조건에 따라 분리 제거하고자 하는 고비점 왁스의 비점 기준은 달라질 수 있다.
열분해 반응 장치에서 생성된 열분해 가스는 탄소수가 다양한 물질로 구성되어 있고, 이 중 고비점 물질인 왁스는 장치 막힘 등의 이유로 활용도가 낮아 분리하여 다시 열분해 반응 장치에서 열분해할 수 있게 공정 구조가 필요하다.
이를 위해, 본 발명에 따른 열분해 오일 생산 시스템은 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치에서 이의 상단에 흐르는 1차 열분해 반응 장치 및/또는 2차 열분해 반응 장치 유래의 열분해 가스를 왁스 분리 장치에 이송시키고, 왁스 분리 장치(c)에서 탄소수가 다양한 열분해 가스로부터 고비점 왁스 성분을 분리하고 분리된 고비점 왁스 성분을 하단의 배출구를 통해 이송장치의 하단에 설치된 이송 스크류로 떨어지도록 설계된 것이다.
왁스 분리 장치(c)는 다양한 방식으로 구현할 수 있으며, 이미 공지된 증류방식으로 구현할 수 있다. 또한, 왁스 분리 장치(c)에서 열분해 가스가 중간 부분의 벽면 방향으로 흐름 방향, 온도 구배 등의 복합적인 요인으로 저비점 열분해 가스와 고비점 왁스로 분리되게 할 수도 있다.
이때, 열분해 가스 중 왁스를 충분히 제거하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 1차, 2차 또는 3차 이상의 왁스 분리장치를 병렬로 설치하여, 열분해 가스가 냉각된 열분해 오일의 최종 제품에 고점성 왁스가 포함되지 않도록 하는 것이 중요하다.
예컨대, 왁스 분리 장치(c)에서 열분해 가스는 팽창되어 응축됨에 따라 하단 방향으로 떨어지는 동시에 온도 또한 내려가 분자량이 큰 열분해 가스는 응축된 왁스 형태로 변형이 되어 이송용 스크류로 떨어질 수 있다. 이들 고비점 왁스 성분과 저비점 오일 성분의 구분은 탄소수 20 내외로 1차 왁스 분리 장치에서 상당 부분 분리되고, 나머지 왁스 성분은 2차 분리 장치에서 분리될 수 있다.
왁스 분리 장치 하단으로 열분해 가스를 투입할 수 있지만, 왁스 분리 장치에서 고비점 물질은 다시 분리되어 하단으로 배출할 수 있는 구조인 것이 바람직하므로, 고급 열분해 오일 생산 시스템은 열분해 가스가 왁스 분리 장치의 측면 또는 상단의 투입구 방향으로 들어가고, 왁스 분리 장치에서 분리된 고비점 왁스 성분은 하단의 배출구 부분으로 배출되어 하단에 설치된 이송 스크류로 떨어져서 열분해 반응 장치에 다시 투입되는 구조로 설계된 것일 수 있다.
이를 위해, 왁스 분리 장치(c)의 열분해 가스 투입구 하부 및/또는 왁스 분리 장치(c)의 하단 배출구에는 재킷 형태의 외부 냉각 수단이 구비될 수 있다.
도 1(3)에 도시된 바와 같이, 이러한 구조적 특징이 구현된 왁스 분리 장치를 연속적으로 2차, 3차 등 여러 개를 설치하면, 열분해 가스 / 열분해 오일 중에 고비점 왁스를 충분히 제거할 수 있다.
도 1(3)에 도시된 바와 같이 마지막 왁스 분리 장치 후단에는, 마지막으로 오일 내 나머지 왁스를 최대한 분리하여 재순환할 수 있게 하는 리플럭스 장치를 설치할 수 있다.
한편, 처리량을 극대화하기 위해, 본 발명에 따른 가연성 폐기물로부터의 열분해 오일 생산 시스템은 유기적으로 연동된 1차 열분해 반응 장치(a1); 2차 열분해 반응 장치(a2); 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치(b); 및 왁스 분리 장치 (c)를, 병렬로 1기 또는 2기 이상 추가 설치할 수 있다.
[열분해 오일 분류 및 저장 장치(4)]
본 발명에서, 왁스 분리 장치에서 고비점 왁스 성분이 제거된 열분해 가스는 열분해 오일 분류 및 저장 장치에 제공되고, 온도 구배를 가진 단계적인 냉각에 의해 열분해 가스의 응축을 통해 저비점 생성유인 오일을 확보할 수 있다.
왁스 분리 장치에서 고비점 왁스 성분이 제거된 열분해 가스로부터 유래된 열분해 오일 역시 탄소수 분포가 넓다. 또한, 열분해 오일 분류 및 저장 장치에 직접 이송되는, 2차 열분해 반응 장치(a2)에서 생성되는 열분해 가스 역시 탄소수 분포가 넓다. 따라서, 열분해 오일 분류 및 저장 장치(4)는 단계적으로 저비점 오일이 포집되는 구조로, 1차 분리 장치에는 온도가 좀 더 높아서 좀 더 고비점 물질이 포집되고, 2차 분리 장치에는 온도가 떨어져서 좀 더 낮은 분자수인 가솔린 범위 정도의 오일이 포집되며, 다음 분류, 저장 장치에는 더욱 낮은 분자수인 오일이 포집될 수 있다. 또한, 열분해 오일 분류 장치는 기존 증류 장치에 비해 구조가 간단하여 투자비를 줄일 수 있다.
열분해 오일 분류 및 저장 장치에서 순차적으로 각 분리, 포집되는 오일은 각 오일 저장 탱크로 이송하여 저장할 수 있고, 이들 오일이 이물질을 미량 포함하는 경우 오일 정제용 필터 장치를 사용하여 2단 또는 3단 이상의 단계적 연속처리를 통해 오일 질을 높일 수 있다.
예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 열분해 반응 후단에 위치한 오일 저장 시스템(4)에서 첫번째 오일 저장 탱크는 고비점 오일이 저장되고, 두번째 오일 저장 탱크는 낮은 비점의 오일이 저장되는 구조인데, 이들 생산 오일 제품은 최종 판매를 위한 석유 품질 규격, 예로 인화점 등을 맞추어야 하기 때문에 마지막 위치에 진공 펌프가 설치되어 유체 흐름을 원활하게 할 뿐만 아니라, 판매불가할 정도로 아주 낮은 저비점 오일만을 세번째 오일 저장 탱크를 설치하여 포집하게 함으로써 첫번째와 두번째 오일 저장고에 포집된 판매용 오일 품질 규격을 유지할 수 있다. 저비점 오일은 혼합 열원으로 사용될 수 있다. 이때, 진공 펌프의 압력 범위는 생산 제품이 on-spec을 갖게 상압보다 0.5기압 이내에서 낮은 압력을 조절하는 장치가 포함될 수 있다. 진공펌프는 증류 개념이 포함될 수 있다.
[열분해 오일 분류 및 저장 장치의 상단으로 배출되는 최종 열분해 가스]
열분해 오일 분류 및 저장 장치의 상단으로 배출되는 열분해 가스는 열분해 반응 장치의 열원으로 활용될 수 있다. 열분해 오일 분류 장치에서 배출되는 열분해 가스에 이물질이 미량 포함될 수 있어서, 가스 필터용 연속 정제 장치를 통과하여 이물질을 제거할 수 있다. 깨끗이 처리된 열분해 가스는 불규칙적으로 생산되기 때문에 과량이 나올 경우는 가스 저장 장치에 저장하고, 부족할 경우는 기존 생산된 오일로 열원용으로 공급하게 되고, 저장 탱크에서 일정 압력 이상으로 열분해 가스가 채워지면 오일 공급이 멈춰지고. 열분해 가스가 열원용으로 사용할 수 있다.
[열분해 반응 장치의 열원 공급 장치]
열분해 반응 장치의 열원 공급 장치인 오일 및 가스 버너는 2개 병렬 구조로 되어야 작동 중에 불량이 발생되면 바로 교체가 가능하고, 열분해 반응이 시작되기 전에 가열을 위해 열원은 자체 생산된 오일을 사용하고, 반응이 일어나 열분해 가스가 생성되면 바로 생성되는 가스로 전환하는 구조일 수 있다.
[2차 열분해 반응 장치 하단에 배출되는 잔사물의 처리 장치]
1차 열분해 반응 장치에서 처리된 미반응 가연성 폐기물은 2차 열분해 반응 장치에서 충분히 추가 열분해되었기 때문에 주로 무기물만 남아서 냉각, 이송 장치로 이동하여, 다음 단계인 최종 포집기에 포집될 수 있다.
본 발명에 따라 전술한 열분해 오일 생산 시스템에서 가연성 폐기물을 열분해하여 열분해 오일을 생산하면, 장치 막힘을 유발하는 고비점 왁스 성분이 제거된 열분해 오일을 제공할 수 있다.
본 발명은 열분해 방법을 통한 가연성 폐기물의 재활용 경비를 최소화하면서도, 가연성 폐기물로부터 열분해 오일의 생산 공정 조건 및 이의 사용처 조건에 따라 열분해 장치 막힘을 유발하는 고비점 왁스를 제거한 고급 오일을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 가연성 폐기물로부터 열분해 오일 생산을 위한 열분해 오일 생산 시스템은 대규모 처리를 위한 연속 방식뿐만 아니라 운전 장애시 반연속식으로 운전 가능하다. 나아가, 본 발명에 따른 열분해 오일 생산 시스템은 투입 장치와 로터리 킬른형 열분해 장치, 왁스 분리 장치, 그리고 잔사물 열분해, 냉각 장치를 병렬로 1기 또는 2기 이상의 추가 설치하여 처리량을 극대화 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일구체예에 따른 가연성 폐기물로부터의 열분해 오일 생산 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
하기에서는 도 1에 도시된 열분해 오일 생산 시스템을 참조하여 본 발명의 일구체예에 따라 폐기물로부터의 열분해 오일을 생산하는 방법을 설명하다.
본 발명의 일구체예에 따른 가연성 폐기물로부터의 열분해 오일 생산 시스템의 공정 구성은 투입 장치, 로터리 킬른형 열분해 반응 장치, 왁스 분리 장치, 오일 분리 및 저장 장치, 가스 물리적 처리 장치, 잔사물 냉각/이송/포잡 장치를 포함한다.
구체적으로는, 도 1에 도시된 열분해 오일 생산 시스템은 투입 장치; 400 ℃ 내,외에서 운전되는 1차 열분해 반응 장치(a1); 400℃ 이상에서 운전되는 2차 열분해 반응 장치(a2); 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치(b); 열분해 가스로부터 고비점 왁스 성분을 분리하는 왁스 분리 장치(c); 열분해 오일 분류 및 저장 장치; 가스 물리적 처리 장치; 및 잔사물 냉각/이송/포잡 장치를 포함한다.
투입장치는 폐기물의 투입구를 구비한 2단 스크류형 이송 장치로, 1차 열분해 반응 장치의 전단에 투입장치가 배치되어 있다. 1차 스크류형 이송 장치 상단에는 1차적으로 공기 차단시킬 수 있는 차단 밸브가 설치되어 있고, 1차 스크류형 이송 장치와 2차 스크류형 이송 장치 사이에 공기 차단시킬 수 있는 차단 밸브가 추가 설치되어 있다.
1차 열분해 반응 장치는 가연성 폐기물을 제공하는 투입 장치(1)의 스크류형 이송 장치의 후단(downstream)에 연결되어 있다. 1차 열분해 반응 장치(a1)와 2차 열분해 반응 장치(a2)는 이송 장치(b)를 통해 직렬로 연결되어 있다. 1차 열분해 반응 장치(a1)는 로터리 킬른형 열분해 반응기이고, 2차 열분해 반응 장치(a2)는 내부에 잔사물 이송을 위한 이동형 스크류가 설치되고 열분해 반응을 위해 단순 가열만 하는 것이다.
1차 열분해 반응 장치(a1)와 2차 열분해 반응 장치(a2)에서는 열을 가하여 가연성 폐기물 및 미반응 잔사물을 용융 및 분해되도록 열분해하여, 고온의 열분해 가스와 고형 잔사물이 형성된다. 미반응 상태의 잔사물은 내부에 이동형 스크류가 설치된 2차 열분해 반응 장치에 투입되어 1차 열분해 반응 장치의 열분해 온도(T1)보다 높은 온도(T2 > T1)에서 열분해 반응을 수행한다. 2차 열분해 반응 장치(5)에서 생성되는 열분해 가스는 1차 열분해 반응 장치에서 생성되는 열분해 가스와 같이 이송 장치(b)를 통해 왁스 분리 장치(c)에 이송되거나 열분해 오일 분류 및 저장 장치에 포집, 저장된다.
이송 장치(b)는 상/하 2단 구조로 상단에 1차 열분해 반응 장치 또는 2차 열분해 반응 장치 유래의 열분해 가스가 흐르면서 열분해 가스를 왁스 분리 장치에 이송시키고, 하단에 운전 상황에 따라 정방향과 역방향으로 조작이 가능한 이동형 스크류가 설치되어 1차 열분해 반응 장치 또는 2차 열분해 반응 장치 유래 고형 잔사물을 1차 열분해 반응 장치 또는 2차 열분해 반응 장치에 이송시킨다. 이송 장치(b)의 후단은 2차 열분해 반응 장치의 상단과 연결되어, 2차 열분해 반응 장치의 열분해 가스가 이송 장치(b)에 유입되어 왁스 분리 장치(c)로 이송될 수 있고, 2차 열분해 반응 장치의 고형 잔사물은 배출구를 통해 폐기될 수 있다.
1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치(b)의 상단에 흐르는 1차 열분해 반응 장치 및/또는 2차 열분해 반응 장치 유래의 열분해 가스가 왁스 분리 장치(c)의 측면 또는 상부의 투입구 방향으로 들어가고, 왁스 분리 장치(c)에서 분리된 고비점 왁스 성분은 하단의 배출구를 통해 이송장치(b)의 하단에 설치된 이송 스크류로 떨어진다. 따라서, 이송 장치(b)를 통해 고형 잔사물와 고비점 왁스가 1차 열분해 반응 장치 및/또는 2차 열분해 반응 장치에 공급되고 다시 열분해된다. 이때, 도 1에 도시된 바와 같이 왁스 분리장치를 2개 직렬로 설치하여, 열분해 가스 중 고비점 왁스를 충분히 제거한다.
왁스 분리 장치에서 고비점 왁스 성분이 제거된 열분해 가스는 열분해 오일 분류 및 저장 장치에 제공되고, 열분해 가스의 응축을 통해 저비점 생성유인 오일을 확보한다. 또한, 2차 열분해 반응 장치(a2)에서 생성되는 열분해 가스 역시 열분해 오일 분류 및 저장 장치에 제공되고, 열분해 가스의 응축을 통해 저비점 생성유인 오일을 확보한다. 열분해 오일 분류 및 저장 장치(4)는 단계적으로 저비점 오일을 포집한다.
열분해 오일 분류 및 저장 장치에서 순차적으로 각 분류, 포집되는 오일은 각 오일 저장 탱크로 이송하여 저장하고, 오일 정제용 필터 장치를 사용하여 오일 질을 높일 수 있다.
한편, 열분해 오일 분류 및 저장 장치의 상단으로 배출되는 열분해 가스는 열분해 반응 장치의 열원으로 활용한다. 열분해 반응이 시작되기 전에 가열을 위해 열원은 자체 생산된 오일을 사용하고, 반응이 일어나 열분해 가스가 생성되면 바로 생성되는 가스로 전환한다.
Claims (16)
- (a1) 1차 열분해 반응 장치;
(a2) 1차 열분해 반응 장치 보다 열분해 온도가 높은 2차 열분해 반응 장치;
(b) 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치로서,
상단에는 열분해 가스가 흐르면서 열분해 가스를 왁스 분리 장치에 이송시키고, 하단에는 스크류가 설치되어 고형 잔사물을 1차 열분해 반응 장치 또는 2차 열분해 반응 장치에 이송시키는 상/하 2단 구조의 이송 장치; 및
(c) 탄소수가 다양한 열분해 가스로부터 고비점 왁스 성분을 분리하는 왁스 분리 장치로서,
왁스 분리 장치에서 분리된 고비점 왁스 성분이 하단의 배출구를 통해 이송장치의 하단에 설치된 이송 스크류로 떨어지도록 설계된 왁스 분리 장치를 구비한 것이 특징인 가연성 폐기물로부터의 열분해 오일 생산 시스템. - 제1항에 있어서, 1차 열분해 반응 장치(a1)와 2차 열분해 반응 장치(a2)는 이송 장치(b)를 통해 직렬로 연결되고,
1차 열분해 반응 장치(a1)는 1 이상의 1차 열분해 반응 장치가 병렬로 연결되거나/연결되고, 2차 열분해 반응 장치(a2)는 1 이상의 2차 열분해 반응 장치가 병렬로 연결된 것이 특징인 열분해 오일 생산 시스템. - 제1항에 있어서, 이송 장치(b)의 이동형 스크류는 운전 상황에 따라 정방향과 역방향으로 조작이 가능하고, 이로 인해 이송 장치(b)는 1차 열분해 반응 장치 유래의 열분해 가스 및/또는 고형 잔사물을 이송시킬 수 있을 뿐만 아니라, 2차 열분해 반응 장치 유래의 열분해 가스 및/또는 고형 잔사물을 이송시킬 수 있고, 고형 잔사물 및/또는 왁스 분리 장치에서 분리된 고비점 왁스 성분을 1차 열분해 반응 장치 또는 2차 열분해 반응 장치에 이송시킬 수 있는 것이 특징인 열분해 오일 생산 시스템.
- 제1항에 있어서, 1차 열분해 반응 장치의 전단에 투입장치가 배치되되, 상기 투입장치는 가연성 폐기물의 투입구를 구비한 2단 스크류형 이송 장치로, 1차 스크류형 이송 장치 상단에는 1차적으로 공기 차단시킬 수 있는 차단 밸브가 설치되어 있고, 1차 스크류형 이송 장치와 2차 스크류형 이송 장치 사이에 공기 차단시킬 수 있는 차단 밸브가 추가 설치되어 있는 것이 특징인 열분해 오일 생산 시스템.
- 제1항에 있어서, 1차 열분해 반응 장치 및/또는 2차 열분해 반응 장치에서 다시 열분해시키는 고형 잔사물에는 왁스 분리 장치에서 열분해 가스로부터 분리된 고비점 왁스를 포함하며, 이송 장치(b)를 통해 고형 잔사물와 고비점 왁스가 공급되는 것이 특징인 열분해 오일 생산 시스템.
- 제1항에 있어서, 1차 열분해 반응 장치(a1)는 로터리 킬른형 열분해 반응기인 것이 특징인 열분해 오일 생산 시스템.
- 제1항에 있어서, 2차 열분해 반응 장치(a2)는 온도 구배를 갖도록 단순 가열만 하여 원활하게 열분해 반응이 일어나고 내부에 잔사물 이송을 위한 이동형 스크류가 설치된 장치인 것이 특징인 열분해 오일 생산 시스템.
- 제1항에 있어서, 2차 열분해 반응 장치(a2)에서 생성되는 열분해 가스는, 이송 장치(b)를 통해 왁스 분리 장치(c)에 이송되고/되거나, 열분해 오일 분류 및 저장 장치에 이송되어 포집 및 저장되는 것이고,
선택적으로 열분해 오일 분류 및 저장 장치는 고비점 오일 저장용 탱크, 중비점 오일 저장용 탱크 및 저비점 오일 저장용 탱크를 구비하되, 열분해 오일 분류 및 저장 장치에 유체 흐름을 원활하도록 진공 펌프가 설치되어 있는 것이 특징인 열분해 오일 생산 시스템. - 제1항에 있어서, 이송 장치(b)의 후단은 2차 열분해 반응 장치의 상단과 연결되어, 2차 열분해 반응 장치의 열분해 가스가 이송 장치(b)에 유입되어 왁스 분리 장치(c)로 이송될 수 있고, 2차 열분해 반응 장치의 고형 잔사물은 배출구를 통해 폐기될 수 있는 것이 특징인 열분해 오일 생산 시스템.
- 제1항에 있어서, 이송 장치(b)의 상단에 흐르는 열분해 가스가 왁스 분리 장치(c)의 측면 또는 상부의 투입구 방향으로 들어가고,
왁스 분리 장치(c)에서 분리된 고비점 왁스 성분은 하단의 배출구를 통해 이송장치(b)의 하단에 설치된 이송 스크류로 떨어지도록 설계된 것이 특징인 열분해 오일 생산 시스템. - 제10항에 있어서, 왁스 분리 장치(c)의 열분해 가스 투입구 하부 및/또는 왁스 분리 장치(c)의 하단 배출구에 냉각 수단이 구비된 것이 특징인 열분해 오일 생산 시스템.
- 제1항에 있어서, 유기적으로 연동된 1차 열분해 반응 장치(a1); 2차 열분해 반응 장치(a2); 1차 열분해 반응 장치와 2차 열분해 반응 장치 사이에 설치된 이송 장치(b); 및 왁스 분리 장치 (c)를, 병렬로 1기 또는 2기 이상 추가 설치한 것이 특징인 열분해 오일 생산 시스템.
- 제1항에 있어서, 왁스 분리 장치에서 분리된 고비점 왁스 성분이 하단의 배출구를 통해 이송장치의 하단에 설치된 이송 스크류로 떨어지도록 설계된 왁스 분리 장치 (c)의 후단에, 오일 내 잔여 왁스를 분리하여 재순환할 수 있게 하는 리플럭스 장치를 설치한 것이 특징인 열분해 오일 생산 시스템.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 열분해 오일 생산 시스템에서 가연성 폐기물을 열분해하여 열분해 오일을 생산하는 방법.
- 제14항에 있어서, 열분해 오일은 장치 막힘을 유발하는 고비점 왁스 성분이 제거된 것이 특징인 열분해 오일 생산 방법.
- 제14항에 있어서, 가연성 폐기물은 바이오매스를 20wt%이상 포함하는 것이 특징인 열분해 오일 생산 방법.
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