KR20230037052A - 가솔린 및 디젤 연료 및 기타 생성물을 정화하기 위해 혼합 플라스틱 폐기물을 업사이클링하기 위한 통합 연속 전환 및 분리 방법 - Google Patents

가솔린 및 디젤 연료 및 기타 생성물을 정화하기 위해 혼합 플라스틱 폐기물을 업사이클링하기 위한 통합 연속 전환 및 분리 방법 Download PDF

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Abstract

고체 플라스틱 폐기물로부터 유용한 연료 유체를 생산하는 방법으로서, 고체 플라스틱 폐기물 물질을 반응 챔버에 로딩하여 로드를 정의하는 단계, 로드가 HTP를 거쳐 탄화수소 혼합물을 추출하는 단계, 탄화수소 혼합물을 여과하여 고체 물질을 추출하는 단계 및 탄화수소 혼합물을 경질 분획(C1 내지 C25) 및 중질 분획(C26 내지 C31)으로 분리하는 단계를 포함하는 방법이다. 중질 분획은 제1 컨테이너로 보내지고 경질 분획은 제2 컨테이너로 보내진다. 경질 분획은 디젤(C8-C25), 가솔린(C4-C12) 및 증기(C1-C5)로 분리되고, 디젤은 제3 컨테이너로 보내지고, 가솔린은 제4 컨테이너로 보내지고, 증기는 제5 컨테이너로 보내진다. 탄화수소 혼합물은 C1 내지 C31의 탄소 수 분포를 갖는다. 반응 챔버의 압력은 일반적으로 0.1 내지 10 MPa이고 반응 챔버의 온도는 섭씨 350 내지 500 도이다. 플라스틱 폐기물은 PS, PE, PP 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.

Description

가솔린 및 디젤 연료 및 기타 생성물을 정화하기 위해 혼합 플라스틱 폐기물을 업사이클링하기 위한 통합 연속 전환 및 분리 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 특허 출원은 2020년 7월 9일에 출원된 미국 특허 가출원 일련 번호 63/049,914에 대한 우선권을 주장한다.
발명의 분야
본 신규 발명은 일반적으로 화학 분야에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 플라스틱 폐기물로부터 연료유를 효율적으로 회수하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
플라스틱 폐기물의 양은 지난 60년 동안 기하급수적으로 증가했다. 전체 폐기물의 약 9%만이 재활용되었고 12%는 소각되었다 (도 1).나머지 약 60억 톤은 매립지나 바다에 폐기물로 축적되어 수십 년 또는 수세기에 걸쳐 폐기물이 미세플라스틱으로 천천히 분해되어 환경에 독성 화학물질을 방출한다. 물에서 미세플라스틱과 독성 화학물질을 제거하기 위한 최신 분리 기술의 비용은 갤런당 약 $0.003이다. 바다에는 3.5×1020 갤런의 물이 있기 때문에 바다에서 플라스틱 폐기물, 미세플라스틱 및 분해 산물을 제거하는 데는 약 $1018 또는 세계 GDP의 10,000배가 소요될 것이다. 이 플라스틱 오염은 육지나 물 아래의 생물에게 기후 변화보다 더 시급한 위협이다.
소각, 기계적 재활용 및 열분해를 포함한 기존 방법은 플라스틱 폐기물 양을 줄이는 데 비효율적이다. 소각은 온실 가스와 독성 가스를 배출하고 에너지 회수율이 낮으며 처리 비용을 상쇄하기 위해 팁 수수료(tipping fee)($15-20/톤)가 필요하다. 혼합 플라스틱 폐기물의 기계적 재활용은 일반적으로 사용이 제한된 어두운 색상의 저가 제품을 생성한다. 몇 번의 사이클 후에 고분자 특성이 저하되고 폐기물은 매립되거나 소각되어야 한다. 열분해는 혼합 플라스틱 폐기물을 오일로 전환할 수 있지만 촉매를 사용하지 않으면 상대적으로 수율이 낮다. 빠른 열분해는 또한 상당한 양의 다환 방향족 탄화수소(PAH)와 숯을 생성하여 촉매 오염 및 비활성화와 높은 유지 관리 비용을 유발한다. 오일은 운송 연료 또는 기타 생성물을 생산하기 위한 광범위한 업그레이드 및 분리를 위해 정제소로 운송되어야 하며 높은 유지 관리 비용이 필요하다. 이러한 이유로 현재 미국에서 플라스틱 폐기물의 2%만이 원래 의도된 용도의 제품으로 다시 만들어지고 있으며, 새로운 플라스틱 제품의 98%는 버진(virgin) 공급원료로 만들어진다. 현재까지 생산된 플라스틱 총량의 약 80%가 환경 폐기물로 축적되었다.
전세계적으로 2010년 이후 매년 2억 2천만 톤 이상의 폴리올레핀(PE 및 PP) 폐기물이 발생했다. 폴리올레핀은 사용 수명이 매우 짧고(6개월 미만) 폴리올레핀 폐기물의 8% 미만이 커브사이드 재활용에 의해 수거되어 MRF로 보내진다. 수거된 폴리올레핀 폐기물 중 경질 HDPE 병 및 단지의 약 1/3이 현재 재활용되거나 건축 자재로 만들어지고 있다. 폴리올레핀 폐기물의 약 1/5에 해당하는 거의 모든 폴리올레핀 필름은 현재 매립되거나 소각된다. 연간 생산되는 7,800만 톤의 폴리올레핀 포장재 중 14%만이 수거된다. 전세계적으로 연간 약 2,400만 톤의 폴리스타이렌(PS) 폐기물이 발생한다. 2018년 미국에서 PS 폐기물의 0.9%만이 재활용되었다. 이 세 가지 유형의 폐기물인 PE, PP 및 PS는 에너지 함량이 높으며 아직 사용되지 않은 액체 운송 연료 및 기타 유용한 생성물을 생산하기 위한 유망한 공급 원료이다. 따라서 플라스틱 폐기물로부터 에너지 및 물질을 회수하기 위한 보다 효율적이고 환경 친화적인 방법이 여전히 필요하다. 현재의 새로운 기술은 이러한 요구를 해결한다.
요약
열수 처리에 이어진 분리로 구성된 통합 전환 및 분리 방법(Integrated Conversion and Separation 방법, ITCS)은 가솔린과 디젤 연료 및 기타 유용한 생성물을 생산하기 위해 발명되었다. 이 방법은 연료 생산을 위한 비용이 많이 드는 업그레이드 과정의 필요성을 없애고, 촉매가 필요하지 않으며, 다환방향족 탄화수소 또는 숯을 거의 생산하지 않는다 (<1%). 바람직한 전환 조건하에, 13 wt%의 폴리올레핀은 가스(주로 C3)로 전환되고 87 wt%는 가솔린 및 디젤 범위(C4 내지 C25)의 탄소 수 분포를 갖는 오일로 전환된다. 오일은 온라인 증류 또는 다단계 응축을 통해 가솔린 및 디젤 생성물로 분리된다. 가스 연소 에너지(5.7 MJ/(kg 플라스틱))는 공급원료 전처리(<0.7 MJ/(kg 플라스틱)), 해중합(1.5 MJ/(kg 플라스틱), 증류 분리(1.2 MJ/(kg 오일) 또는 다단계 응축 분리(0.4 MJ/(kg 오일)를 포함한 전체 ITCS 공정에 필요한 것보다 더 크다. ITCS 방법은 44 MJ 에너지를 소비하고 생산된 연료 kg당 0.8 kg CO2 배출을 야기하는 원유로부터 가솔린 또는 디젤 연료를 생산하는 기존 방법보다 훨씬 더 에너지 효율적이고 환경 친화적이다 (도 2). ITCS는 석유 시추 및 및 크래킹 및 업그레이딩을 위한 정유소로의 원유의 장거리 운송을 위해 에너지 투입을 필요로 하지 않기 때문에, 가스 연소로 인한 GHG 배출(0.3 kg CO2/kg 연료)은 원유로부터 연료를 생산하는 것보다 60% 더 낮다. ITCS는 또한 원유에서 연료를 생산하는 것보다 자본, 운영 및 전체 생산 비용이 낮다 (도 2).
널리 채택되면 ITCS 방법은 폴리올레핀으로부터 연간 최대 15억 배럴의 가솔린 및 디젤 연료(또는 전 세계 연간 연료 수요의 4%)를 생산하고 PS로부터 1억 4천만 배럴의 연료 또는 연료 첨가제를 생산할 수 있다. ITCS는 원유로부터 동일한 양의 연료를 생산하는 것과 비교하여 최대 15억 석유 에너지 환산 배럴(barrels of oil energy equivalent, BOE)을 절약하고 GHG 배출을 연간1억 톤 CO2만큼 감소시킬 수 있다. ITCS는 또한 플라스틱 폐기물 수집을 증가시키고 폐기물 축적 및 플라스틱 오염을 감소시키기 위해 소비자와 산업에 재정적 인센티브를 제공할 수 있다. ITCS는 청정 연료 및 기타 생성물을 생산함으로써 원유로부터 플라스틱 제품 및 폐기물로의 현재 선형 경로를 더욱 경제적이고 지속 가능한 순환 경로로 변환할 수 있는 잠재력을 갖는다 (도 1).
결과는 혼합 폴리올레핀 폐기물 at 450 ℃ 및 훨씬 더 낮은 압력인 1.0 MPa에서의 저압 열수 처리(LP-HTP)가 450 ℃ 및 23 MPa에서의 HTP로부터의 오일과 유사한 수율(87 wt%) 및 유사한 조성을 갖는 오일을 생산했음을 보여준다. 비교를 위해 질소의 존재에서 촉매 또는 증기 없이 450℃ 및 1 atm(0.1 MPa)에서 45 분 동안의 열분해를 또한 테스트했다. 오일 조성은 450 ℃, 45 분 및 23 MPa에서 생성된 HTP 오일과 유사했다. 그러나 열분해 오일 수율은 ~85 wt%로 더 낮았고, 소량의 숯(~1 wt%) 및 PAH(0.5 wt%)가 생성되었다. 결과는 HTP에 대한 것(>22 MPa)보다 더 낮은 압력인 0.1 MPa 내지 10 MPa에서의 LP-HTP가 수율이 높고 숯 또는 PAH가 적으며 촉매의 필요 없이 고품질 오일을 생산함을 나타낸다. 결과는 이 LP-HTP 방법이 폴리올레핀 및 PS 폐기물 또는 PE, PP 및 PS의 혼합물을 탄소 수 분포가 C1 내지 C31 범위인 탄화수소 혼합물로 전환하는 데 효과적임을 보여준다. C4 내지 C25 범위의 액체는 가솔린 및 디젤 연료로 분리될 수 있다. 탄화수소는 또한 제트 연료, 왁스, 윤활유, 나프타, 중유 및 기타 화학물질을 생산하기 위한 공급원료와 같은 다른 제품으로 사용될 가능성이 있다.
HTP의 반응 속도론에 대한 이해는 가솔린(C4-C12) 및 디젤(C8-C25)의 탄소 수 범위와 일치하는 C4 내지 C25의 탄소 수 분포를 갖는 오일의 생산을 가능하게 했다. 증류는 이러한 오일을 가솔린 생성물 및 디젤 생성물로 연속적으로 분리하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 오일은 다단계 응축 시스템을 통해 연료로 분리될 수 있다. 이 더 간단한 다단계 응축 셋업은 가솔린 및 디젤 생성물의 분리 효율을 최대화하는 최적의 분리 온도를 결정하기 위해 탄화수소 혼합물의 주요 성분의 끓는점을 이용한다.
ITCS는 회분 공정에서의 시동 및 중단 기간을 피함으로써 더욱 생산적이고 에너지 효율적인 연속 공정이다. 에너지 효율은 전환을 위한 에너지 투입이 분리에도 이용되므로 더욱 개선된다. 또한, 가서 연소로 인한 에너지는 전체 ITCS 공정에 필요한 총 에너지보다 크다. 아래 실시예 1-3에서 보이는 것과 같이, ITCS는 에너지 유입을 필요로 하지 않고 최대 2.2 MJ/kg의 잉여가 있을 수 있는 반면, 원유로부터의 연료 생산에는 40 MJ/kg 에너지가 필요하다.
ITCS의 개요는 도 3에 나타난다. 혼합 생성물로의 전환을 위해 플라스틱 공급물이 반응기에 로딩되었다. 이후 혼합 생성물은 분리 공정을 통해 여러 상이한 생성물로 분리되었다.
여기서, 플라스틱 공급물은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐 클로라이드(PVC), 폴리프로필렌(PP), 폴리스타이렌(PS), 다른 유형의 플라스틱, 예컨대 폴리카보네이트(PC) 및 폴리아미드 및 다양한 비율의 이들의 혼합물을 포함한다. 바람직한 공급물은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스타이렌(PS) 및 다양한 비율의 이들 플라스틱 공급원료의 조합을 포함한다.
전환 공정은 열수 처리(HTP) 또는 열분해를 포함한다. 전환을 위한 반응기는 고정층 반응기 또는 유동화 반응기와 같은 셋업을 포함한다. 전환 공정을 위한 조건은 200 ℃ 내지 600 ℃, 바람직하게는 350 ℃ 내지 500 ℃의 반응 온도, 0.1 내지 23 MPa, 바람직하게는 0.1 내지 10 MPa의 반응 압력, 0 내지 6 시간, 바람직하게는 0.5 내지 4 시간의 반응 시간 및 0:1 내지 2:1, 바람직하게는 0:1 내지 0.5:1의 물 대 플라스틱 공급 중량비(HTP의 경우에만)를 포함한다.
분리 공정은 다단계 응축 또는 증류를 포함한다. 분리 공정을 위한 분리기는 응축기 및 증류탑을 포함한다. 분리 공정을 위한 조건은 디젤로부터 가솔린을 분리하기 위한 75 ℃ 내지 200 ℃, 중유로부터 디젤을 분리하기 위한 200 ℃ 내지 350 ℃ 및 기타 생성물을 분리하기 위한 20 ℃ 내지 500 ℃의 적절한 온도를 포함한다.
분리 생성물은 가솔린, 디젤, 경질 탄화수소 가스 및 제트 연료, 왁스, 나프타, 윤활유, 중유, 화학 공급원료(톨루엔, 자일렌, 스타이렌 및 기타 탄화수소 화학물질) 등을 포함할 수 있는 기타 생성물을 포함한다. 회수된 경질 탄화수소 가스는 ITCS가 자급자족할 수 있도록 에너지를 공급하기 위해 수집 및 연소될 수 있고/있거나 제품으로도 사용될 수 있다.
도 1은 폴리올레핀 및 폴리스타이렌 폐기물로부터 가솔린 및 디젤 연료를 생산하기 위한 통합 열전환 및 분리 방법을 도식적으로 예시한다.
도 2는 ITCS와 기존 방법의 비교를 보여준다: (a) 물질 효율, (b) 에너지 요구량, (c) GHG 배출 및 (d) 생산 비용.
도 3은 ITCS 공정 블록도의 도식적 개요이다.
도 4는 ITCS의 3 단계 모델을 도식적으로 예시한다.
도 5는 HTP하에, (A) 해중합, (B) β-절단, (C) 수소 추출, (D) 고리화, (E) 탈수소화, (F) 다환 방향족 탄화수소의 형성, (G) 이성체화, (H) 짧은 n-파라핀(C6-C7)의 형성 및 (I) 가스로의 추가 크래킹을 포함하는, PE 및 PP의 반응 경로를 보여준다.
도 6A는 전환 네트워크를 도식적으로 예시한다.
도 6B는 PE 폐 플라스틱의 열전환 반응을 도식적으로 예시한다.
도 6C는 PE 폐 플라스틱의 열전환에 대한 속도론 파라미터 회귀를 도식적으로 예시한다.
도 7A는 더욱 상세한 반응 네트워크를 도식적으로 예시한다.
도 7B는 모델링과 실험 데이터 사이의 비교를 도식적으로 예시한다.
도 8A는 다양한 탄소 수를 갖는 다양한 탄화수소 부류의 끓는점을 도식적으로 예시한다.
도 8B는 C1-C31의 탄화수소 혼합물로부터 가솔린 및 디젤 분획을 분리하기 위한 제1 단계 응축 온도의 선택을 도식적으로 예시한다. 탄소 수 분포 지수(Carbon Number Distribution Index, CNDI)는 가솔린(C4-C12) 및 디젤(C8-C25)과 같은 각 생성물의 원하는 탄소 수 범위의 탄화수소의 백분율로 정의된다. 95% 이상의 CNDI의 경우, 온도 범위는 혼합물에서 C12의 거품점과 C8의 이슬점 사이이다. 90% 이상의 CNDI의 경우, 온도 범위는 혼합물에서 C10의 거품점과 C10의 이슬점 사이이다.
도 9는 상업용 가솔린, 디젤, 제트 연료 A 및 제트 연료 B의 화학적 조성을 도식적으로 예시한다.
도 10은 열수 처리(HTP) 및 다단계 응축을 이용하는 ITCS의 실시예 1에 대한 공정 흐름도를 도식적으로 예시한다.
도 11은 PS가 플라스틱 공급물 중에 있을 때 ITCS의 실시예 1에 대한 공정 흐름도이다. 디젤과 가솔린을 분리하기 전에 중유를 분리하기 위해 여분의 응축기가 사용되었다.
도 12는 HTP 및 다단계 응축에 의해 생성된 ITCS-가솔린 및 ITCS-디젤(실시예 1), 그리고 상업용-가솔린 및 상업용-디젤의 화학적 조성을 도식적으로 예시한다.
도 13은 열수 처리(HTP) 및 증류를 이용하는 ITCS의 실시예 2에 대한 공정 흐름도이다.
도 14는 ITCS-가솔린 및 ITCS-디젤(실시예 2, 사례 1: PE), 그리고 상업용-가솔린 및 상업용-디젤의 화학적 조성을 도식적으로 예시한다.
도 15는 ITCS-가솔린 및 ITCS-디젤(실시예 2, 사례 2: PP), 그리고 상업용-가솔린 및 상업용-디젤의 화학적 조성을 도식적으로 예시한다.
도 16은 ITCS-가솔린 및 ITCS-디젤(실시예 2, 사례 3: PE:PP 1:1 w:w), 그리고 상업용-가솔린 및 상업용-디젤의 화학적 조성을 도식적으로 예시한다.
도 17은 ITCS에 대한 가솔린 및 디젤 생성물, 실시예 2, 사례 1-3의 연료 특성을 도식적으로 예시한다.
도 18은 ITCS-가솔린(실시예 2, 사례 4: PS), 그리고 상업용-가솔린 및 상업용-디젤의 화학적 조성을 도식적으로 예시한다. 이 결과에서는 ITCS-디젤이 생산되지 않았다.
도 19는 ITCS-가솔린 및 ITCS-디젤(실시예 2, 사례 5: PE:PP 2:1 w:w, 천연 혼합 플라스틱 폐기물로부터 유형 1, 3, 6 및 7을 제거한 후), 그리고 상업용-가솔린 및 상업용-디젤의 화학적 조성을 도식적으로 예시한다.
도 20은 ITCS-가솔린 및 ITCS-디젤(실시예 2, 사례 6: PE:PP:PS 3:3:1 w:w:w, 천연 혼합 플라스틱 폐기물로부터 유형 1, 2, 3 및 7을 제거한 후), 그리고 상업용-가솔린 및 상업용-디젤의 화학적 조성을 도식적으로 예시한다.
도 21은 ITCS-가솔린 및 ITCS-디젤(실시예 2, 사례 7: PE:PP 필름 4:1 w:w), 그리고 상업용-가솔린 및 상업용-디젤의 화학적 조성을 도식적으로 예시한다.
도 22는 열분해 및 다단계 응축을 이용하는 ITCS의 실시예 3에 대한 공정 흐름도이다.
도 23은 PS가 플라스틱 공급물 중에 있을 때 실시예 3에 대한 공정 흐름도이다. 디젤과 가솔린을 분리하기 전에 중유를 분리하기 위해 여분의 응축기가 사용되었다.
도 24는 열분해 및 다단계 응축에 의해 생성된 ITCS-가솔린 및 ITCS-디젤(실시예 3), 그리고 상업용-가솔린 및 상업용-디젤의 화학적 조성을 도식적으로 예시한다.
도 25는 ITCS-오일, ITCS-나프타 및 ITCS-디젤(실시예 4)의 화학적 조성을 도식적으로 예시한다.
도 26은 ITCS-오일, ITCS-제트-A 및 ITCS-제트-B 그리고 상업용-제트-A 연료(실시예 5)의 화학적 조성을 도식적으로 예시한다.
도 27은 ITCS (실시예 1-3), 기존 열분해, 원유로부터의 연료 생산, 기계적 재활용, 소각 및 폴리올레핀 합성의 추정 에너지 소비 및 GHG 배출을 도식적으로 예시한다.
도 28은 전환을 위해 HTP를 이용하고 분리를 위해 다단계 응축을 이용하는, ITCS의 실시예 1에 대한 배관 계장도(P&ID)를 도식적으로 예시한다.
도 29는 하루에 10 톤의 플라스틱 폐기물을 처리하기 위해 HTP 및 다단계 응축을 이용하는 파일럿 규모의 ITCS 셋업의 공정 흐름도이다.
상세한 설명
본 방법, 구현 및 시스템이 개시되고 설명되기 전에, 본 발명은 특정 방법, 특정 구성요소, 구현 또는 특정 구성에 제한되지 않으며 따라서 물론 달라질 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명에서 사용된 용어는 단지 특정 구현을 설명하려는 목적을 위한 것이며, 제한하려는 의도가 아님을 또한 이해해야 한다. 본 개시 내용을 이해하는 데 도움을 주기 위해 제공된 설명도 제한하려는 의도가 아니다.
도 4에 나타난 바와 같이 ITCS의 개발에서 3-레벨 모델이 사용되었다. 레벨 1의 모델은 해중합의 반응 경로 및 반응속도 모델을 고려하여 HTP 전환 공정에 중점을 둔다. 반응 온도, 압력, 시간 및 물 대 플라스틱 비율과 같은 파라미터는 생성물 수율, 품질, 공정 에너지 효율 및 공정 생산성을 개선하기 위해 최적화된다. 레벨 2의 모델은 분리 공정, 증류 및 다단계 응축에 중점을 둔다. 관심 화합물의 유량 및 분리 온도와 같은 파라미터는 생성물 수율, 품질, 공정 에너지 효율 및 공정 생산성을 개선하는 것으로 간주된다. 레벨 3의 모델은 연속 생산 규모 공정에서 전환 및 분리 공정의 통합에 중점을 둔다. 장비 크기 조정, 공급원료 유량 및 생성물 유량은 자본 및 운영 비용을 최소화하고, ITCS 효율 및 수익성을 개선하는 것으로 간주된다.
HTP에서 PP 및 PE의 열전환 경로는 도 5에 나타난다. 중합체 사슬의 C-C 결합은 C-H 결합(413 kJ/mol)보다 더 낮은 에너지(348 kJ/mol)를 가지므로, PE 및 PP의 해중합은 C-C-결합을 끊고 소중합체 형성을 시작함으로써 주로 개시된다 (반응 A). PE 소중합체는 각각 β-절단(반응 B) 및 수소 추출(반응 C)을 통해 올레핀 및 n-파라핀으로 추가로 전환된다. PP 소중합체의 경우, 반응은 주 사슬의 C-C 결합을 끊고 분지의 C-CH3 결합(335 kJ/mol)을 끊는 두 가지 방식으로 일어날 수 있다. C-C 결합을 끊고, 이어서 β-절단(반응 B) 또는 수소 추출(반응 C)이 각각 올레핀 및 이소파라핀을 생성한다. C-CH3 결합을 끊고 이어서 β-절단(반응 B)이 올레핀만을 생성한다. C-CH3 결합은 C-C 결합보다 더 낮은 결합 에너지를 가지므로, 반응 B가 더 선호된다. 이러한 이유로, PP 해중합은 이소파라핀보다 더 많은 올레핀을 생성한다.
PE 및 PP 모두에 대해, 올레핀은 고리화(반응 D)를 통해 사이클로파라핀으로 전환되고, 이는 단일 고리 방향족 화합물(반응 E), 이후 다환 방향족 화합물(반응 F)로 추가로 탈수소화된다. 명백하게 다환 방향족 화합물의 추가 탈수소화에 의해 야기된 약간의 숯 형성이 관찰될 수 있다. PE 해중합으로부터의 n-파라핀의 작은 분율이 이성화(반응 G)를 통해 이소파라핀으로 전환된다. 유사하게, PP 해중합에서 짧은 n-파라핀(C6-C7)의 작은 분율이 이소파라핀으로부터 생성된다 (반응 H). 가스는 짧은 n-파라핀, 이소파라핀 및 올레핀의 추가 크래킹으로부터 생성된다 (반응 I).
150 가지 이상의 화합물이 2차원 GC×GC-FID를 사용하여 확인되었고 왁스, n-파라핀, 올레핀, 사이클로파라핀, 방향족 화합물, 폴리방향족 화합물 및 가스를 포함하여 약 30 개의 탄소 수와 여덟 가지의 주요 탄화수소 그룹으로 무리지어졌다. 가솔린 및 디젤 생산을 위해 실시예 1-3에 나타난 바와 같이 경로는 목표 생성물을 생산하기 위한 최적 조건의 식별을 보조했다. 또 다른 예는 425 ℃의 온도 및 30-40 분의 반응 시간에서, PE 폐기물(HDPE 및 LDPE의 혼합물)이 97 wt%의 수율로 왁스 생성물로 전환되었다는 것이다. 왁스는 GC×GC-TOF/MS 분석에 기초하여 80 wt% n-파라핀 및 20 wt% α-올레핀으로 구성된다.
HTP의 해중합 공정을 설명하기 위해 단순화된 반응속도 모델이 개발되었다 (도 6A). 일곱 가지 무리의 종(PE, 왁스, 파라핀, 올레핀, 방향족 화합물, 경질 탄화수소 가스 및 수소)이 도 6B에서 여섯 가지 대표적인 반응(r1 - r6)에서 고려되었다. 질량 또는 열 전달 효과가 없는 여섯 가지 반응에 대해 1차 반응을 가정했다. 발명자들은 실험 데이터의 수학적 해석에 기반하여 반응 속도 상수(k1 - k6)의 최상의 추정치를 얻었다. 이 단순 모델은 모든 생성물의 수율을 반응 시간의 함수로서, 반응속도 데이터를 성공적으로 설명했다 (도 6C). PP 전환에 대한 유사한 반응속도 모델이 또한 개발되었다 (나타나지 않음).
폐 플라스틱을 연료로 전환하는 것으로부터의 생성물의 탄소수 분포를 모델링하기 위해 더욱 자세한 반응 네트워크가 또한 개발되었다 (도 7A). 여기서, 22 가지 반응(r1-r22) 및 20 가지 종이 포함된다. 도 7A의 상단 부분(r1-r12)의 종은 파라핀/이소파라핀을 지칭하는 한편, 올레핀/사이클로-파라핀 및 이후 방향족 화합물로의 추가 전환이 하단 부분(r13-r22)에 나타난다.
예비 시뮬레이션 결과는 도 7B의 실험 데이터와 비교된다. 이 모델은 폐 플라스틱의 연료로의 전환으로부터의 생성물의 탄소수 분포의 경향을 예측하기 위해 사용될 수 있다.
ITCS에서 다단계 응축 또는 증류를 통해 가솔린(대부분 C4-C12) 및 디젤(대부분 C8-C25)분획과 같은 생성물의 분리에 필요하고 잠재적으로 최적인 온도를 결정할 때, 다양한 탄화수소 및 이들의 혼합물의 끓는점 온도가 분석되었다. 특히 다단계 응축의 경우, 액체-증기 분리기의 온도는 생성물 혼합물 내에 존재하는 주요 탄화수소 성분의 끓는점과 관련된 온도에서 유지된다. 제1 액체-증기 분리기(LVSEP-1)는 디젤 분획을 회수하도록 설계된다. 온도는 C8-C12의 거품점 및 이슬점에 기반한다 (도 8(a) 및 (b)). 제2 액체-증기 분리기(LVSEP-G)의 온도는 C4-C5의 거품점 및 이슬점에 기반하고 (도 8A 및 8B), 경질 탄화수소 가스(대부분 C1-C3)로부터 가솔린 분획을 분리하기 위해 사용된다.
분리기의 작동 조건을 설계함으로써, 동일한 오일 혼합물(C4-C25)이 제트-A(C8-C16), 제트-B(C5-C15) 및 중유(C17-C25)로 분리될 수 있다. 다단계 응축의 경우, 이들 액체-증기 분리기의 온도는 각각 C8-C9, C7-C8 및 C4-C5의 끓는점에 기반한다. 가솔린, 디젤, 제트-A 및 제트-B의 각각의 생성물의 화학적 조성이 도 9에 나타난다.
실시예
실시예 1: HTP 및 다단계 응축
ITCS의 예가 도 10에 나타난다. 여기서, 플라스틱 폐기물(PE, PP, PS 또는 혼합물)이 공급원료로 사용되었다. 플라스틱 공급물은 크기 축소를 위해 파쇄된 다음 로딩을 위해 물과 혼합되었다. 전환 공정은 HTP이다. 분리 공정은 디젤과 가솔린을 순차적으로 분리하기 위해 두 개의 응축기를 사용하는 다단계 응축이다. 주 생성물은 가솔린 및 디젤이다.
PS가 플라스틱 공급물 중에 있는 경우, 생성물은 중유를 또한 포함할 것이다. 따라서 도 11에 나타난 바와 같이 디젤과 가솔린을 분리하기 전에 중유를 분리하기 위해 또 다른 응축기가 사용된다.
가솔린 및 디젤 생성물의 화학적 조성이 도 12에 나타난다. ITCS-가솔린은 상업용 가솔린과 유사하고, ITCS-디젤은 상업용 디젤과 유사함을 알 수 있다.
표 1-3에 나타난 바와 같이, 10 톤/일의 규모에서 실시예 1에 대해 물질 및 에너지 수지 계산이 수행되었다. 공정용수 로딩은 HTP에서 사용된 1 대 20의 물 대 플라스틱 공급물 비율을 기준으로 계산되었고, 가솔린, 디젤 및 증기 수율은 0.5% 고체 숯 형성과 함께 87%의 추정 오일 수율과 관련된다. 에너지 수지 계산과 관련하여, 이용되는 냉각수의 양은 생성물 스트림을 원하는 분리 온도로 만들고 이후 실온으로 만드는 데 필요한 냉각량을 기준으로 계산된다 (표 1).
이 공정에 대한 에너지 수지에서, 반응에 대한 에너지 필요량은 최선의 추측을 기반으로 하며, 이는 처리된 플라스틱 폐기물의 킬로그램당 대략 1.46 MJ이다. 급냉기에 대한 에너지 필요량은 사용된 냉각수를 원래 온도인 4 ℃로 냉각하는 데 필요한 에너지에 기반한다. 펌프 작동에 필요한 최소 에너지 이외에도, 플라스틱 폐기물 공급원료 및 ITCS 생성물의 에너지가 기록되고 에너지 수지를 나타내기 위해 사용되었다 (표 2). 반응기 노 작동을 위한 에너지 필요량을 고려할 때, 생성된 증기가 90% 효율로 연소되어 이 장치를 작동시킬 수 있다. 또한, 전기가 증기로부터 50% 효율로 생산됨을 알고 급냉기의 성능 계수를 4로 가정하여, 증기 부산물이 반환 시 전기를 회수학 위해 추가로 사용될 수 있다 (표 3). 이 결과는 ITCS가 에너지 자급자족 공정일 수 있음을 나타낸다.
표 1: 10 톤/일 규모의 다단계 응축이 있는 HTP의 물질 수지
스트림 입구 (kg/hr) 출구 (kg/hr)
플라스틱 폐기물 416.7 0
공정용수 20.8 20.8
고체(숯) 0 2.1
증기 0 52.1
가솔린 0 210.8
디젤 0 151.7
전체 437.5 437.5
냉각수 3443 3443
표 2: 10 톤/일 규모의 다단계 응축이 있는 HTP의 에너지 수지
에너지 유닛/공급원 입구 (MJ/hr) 입구
(MJ/kg의 공급물) 		출구 (MJ/hr) 출구
(MJ/kg의 공급물)
반응기 608.4 1.5 0 0
급냉기 -613.0 -1.5 0 0
펌프 0.5 ~0 0 0
플라스틱 폐기물 -18115.5 -43.5 0 0
고체(숯) 0 0 -54.6 -0.1
증기 0 0 -2453.9 -5.9
가솔린 0 0 -9148.7 -22.0
디젤 0 0 -6462.4 -15.5
전체 -18119.6 -43.5 -18119.6 -43.5
표 3: 10 톤/일 규모의 다단계 응축이 있는 HTP의 에너지 유입 및 유출
에너지 단위 입구 (MJ/hr) 입구 (MJ/kg의 공급물)
반응기 (노) 608.4 1.5
급냉기 (전기) 153.3 0.4
펌프 (전기) 0.5 ~0
에너지원 출구 (MJ/hr) 출구 (MJ/kg의 공급물)
증기 연소(가스로: 90% 효율) 608.4
(14.4 kg/hr)		 1.5
증기 연소(전기: 50% 효율) 889.0
(37.7 kg/hr)		 2.1
전체 (유출 - 유입) 735.2 1.8
실시예 2: HTP 및 증류
ITCS의 두 번째 예가 도 13에 나타난다. 여기서, 플라스틱 폐기물이 공급원료로 사용되었다. 플라스틱 공급물은 크기 축소를 위해 파쇄된 다음 로딩을 위해 물과 혼합되었다. 전환 공정은 HTP이고, 분리 공정은 증류이다. 주 생성물은 가솔린 및 디젤이다.
실시예 2의 여러 사례가 아래에 추가로 설명되고, 사례 1: PE, 사례 2: PP, 사례 3: PE:PP=1:1, 사례 4: PS, 사례 5: PE:PP=2:1, 사례 6: PE:PP:PS=3:3:1 및 사례 7: PE:PP=4:1이다. 가솔린 분획 및 디젤 분획의 두 가지 액체 생성물이 각 사례에서 증류로부터 수득된다 (분류된 PS 폐기물을 사용하는 사례 4 제외).
사례 1에서, 분류된 PE 폐기물이 공급원료로 사용된다. 디젤 분획은 C# 분포 및 화학적 조성 측면 모두에서 상업용 디젤과 유사하다 (도 14). 상세한 분석은 디젤 분획이 61의 높은 세탄가(Cetane Number, CN)를 갖는 No. 1 초저황 디젤로서 모든 특성(점도, 밀도, 운점, 인화점, 황 함량, 세탄가)을 충족함을 보여주었다. 가솔린 분획은 상업용 가솔린과 유사한 C# 분포를 갖지만, 더 적은 이소파라핀을 갖는다. 이러한 이유로, 이 분획은 우수한 가솔린 생성물은 아니지만, 가솔린 혼합원료(blendstock)가 될 가능성이 있다.
사례 2에서, 분류된 PP 폐기물은 ITCS를 위한 공급원료로 사용된다. 가솔린 분획은 C# 분포 및 화학적 조성 측면 모두에서 상업용 가솔린과 유사하다 (도 15). 가솔린 분획은 높은 함량의 이소파라핀 및 방향족 화합물로 인해 높은 옥탄가를 갖는다. 디젤 분획은 상업용 디젤과 유사한 C# 분포를 갖지만, n-파라핀이 부족하다. 이러한 이유로, 디젤 분획은 상업용 디젤의 최소 요건인 40의 CN을 갖는다.
사례 3에서, 질량비가 1:1인 PE:PP의 혼합 폐기물이 ITCS를 위한 공급원료로서 사용된다. 가솔린 분획은 C# 분포 및 화학적 조성 측면 모두에서 상업용 가솔린과 유사하다 (도 16). 디젤 분획은 C# 분포 및 화학적 조성 측면 모두에서 상업용 디젤과 유사하다.
사례 1-3에 대한 가솔린 및 디젤 생성물은 도 17(a)에 나타난 바와 같이 연료 특성에 대해 측정되었다. 노킹 방지 지수(anti-knocking index, AKI)는 연구 옥탄가와 모터 옥탄가의 평균이다. 세 가지 사례 모두에 대해, 가솔린 생성물은 AKI의 ASTM 요건을 충족했다. 이들은 상업용 가솔린보다 낮은 방향족 함량 및 높은 수소 함량을 가지므로, 총 발열량이 더 높다. 가솔린 분획의 벤젠 함량은 ASTM 한계 내에 있었다. 밀도 값은 1999년부터 2019년까지 EPA에서 보고한 값과 유사했다. 또한, 가솔린 분획은 점도, T10, T50, T90, Tfinal, 증류 잔류물, 주행성 지수 및 레이드(Reid) 증기압을 포함하는 ASTM D4814에 의해 요구되는 다른 모든 특성을 충족했다.
세 사례의 모든 디젤 생성물은 CN, 인화점, 점도, 운점, T90, 수분 및 침전물 함량 및 황 함량을 포함하는, No. 1 디젤에 대한 ASTM 요건을 충족시킨다 (도 17B). 디젤 분획에 대한 방향족성, 수소 함량 및 총 발열량의 값은 상업용 디젤의 값과 유사했다. 요약하면, 세 가지 사례 모두에 대한 디젤 분획은 No. 1 초저황 디젤에 대해 ASTM D975가 요구하는 연료 특성을 모두 충족하거나 초과했다.
사례 4에서, 분류된 PS 폐기물은 ITCS를 위한 공급원료로 사용된다. 오일은 톨루엔, 에틸벤젠, 스타이렌 및 이소프로필벤젠과 같은 방향족 화합물이 풍부하다 (도 18). 오일은 옥탄가를 증가시키기 위한 우수한 가솔린 첨가제(옥탄가 부스터)로서 사용될 수 있다.
사례 5에서, 플라스틱 유형 1, 3, 6 및 7을 제거한 후 자연적으로 혼합된 플라스틱 폐기물 조성물에 기반한 질량비가 2:1인 PE:PP의 혼합 폐기물이 ITCS를 위한 공급원료로 사용된다. 가솔린 분획은 C# 분포 및 화학적 조성 측면 모두에서 상업용 가솔린과 유사하다 (도 19). 디젤 분획은 C# 분포 및 화학적 조성 측면 모두에서 상업용 디젤과 유사하다. 이 공급원료의 비용은 약 $70/톤으로 추정된다.
사례 6에서, 플라스틱 유형 1, 2, 3 및 7을 제거한 후 자연적으로 혼합된 플라스틱 폐기물 조성물에 기반한 질량비가 3:3:1인 PE:PP:PS의 혼합 폐기물이 ITCS를 위한 공급원료로 사용된다. 가솔린 분획은 C# 분포 및 화학적 조성 측면 모두에서 상업용 가솔린과 유사하다 (도 20). PS 유래 오일의 존재로, 가솔린 분획은 사례 5의 가솔린 분획보다 더 높은 옥탄가를 가질 것으로 예상된다. 디젤 분획은 C# 분포 및 화학적 조성 측면 모두에서 상업용 디젤과 유사하다. 이 폐기물은 유형 3-7 폐기물로부터 유형 3 및 7을 제거할 필요가 있기 때문에, 공급원료 비용이 유형 3-7 폐기물보다 $5/톤 더 높다. 이 추가 분류 비용은 약 $70/톤으로 추정된다.
사례 7에서, 플라스틱 필름 폐기물 조성물에 기반한 질량비가 4:1인 PE:PP의 혼합 폐기물이 ITCS를 위한 공급원료로 사용된다. 가솔린 분획은 C# 분포 및 화학적 조성 측면 모두에서 상업용 가솔린과 유사하다 (도 21). PE 대 PP의 높은 비율로 인해 가솔린 분획의 ON은 사례 5 및 6의 가솔린 분획보다 낮다. 디젤 분획은 C# 분포 및 화학적 조성 측면 모두에서 상업용 디젤과 유사하다.
실시예 2에 대한 물질 및 에너지 수지 계산은 10 톤/일의 규모에서 수행되었다. 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 물 로딩(1 대 20 물 대 플라스틱 비율)이 HTP에서 사용되고, 이어서 65% 증류 속도 및 1의 환류 비율로 증류한다. 이 분리 셋업을 통해, 이전에 논의된 것과 유사한 생성물 수율을 복구하기 위해 이 셋업에서 동일한 양이 사용된다 (표 4).
이 공정에 대한 에너지 수지에서, 반응을 위한 에너지 필요량은 이전의 간행물에서 이루어진 추정을 기반으로 하며, 이제 증류를 위한 에너지 필요량이 에너지 수지에 포함된다. 다시 한 번, 물 냉각 및 펌프 작동을 위한 에너지 필요량 그리고 모든 공급원료 및 생성물의 에너지 특성이 포함된다 (표 5). 다시 한 번, 90% 효율 노 및 50% 효율 발전기에서 증기를 연소시킴으로써, 이 셋업을 작동시키고 보상으로 전기를 회수하기에 충분한 에너지가 생성될 수 있다 (표 6).
표 4: 10 톤/일 규모의 증류를 통한 HTP의 물질 수지
스트림 입구 (kg/hr) 출구 (kg/hr)
플라스틱 폐기물 416.7 0
공정용수 20.8 20.8
고체(숯) 0 2.1
증기 0 52.1
가솔린 0 210.8
디젤 0 151.7
전체 437.5 437.5
냉각수 2127 2127
표 5: 10 톤/일 규모의 증류를 통한 HTP의 에너지 수지
에너지 유닛/공급원 입구 (MJ/hr) 입구
(MJ/kg의 공급물) 		출구 (MJ/hr) 출구
(MJ/kg의 공급물)
반응기 608.4 1.5 0 0
급냉기 -379.3 -0.9 0 0
펌프 0.4 ~0 0 0
증류 (응축기) -517.0 -1.2 0 0
증류(재비기) 283.4 0.7 0 0
플라스틱 폐기물 -18115.5 -43.5 0 0
고체(숯) 0 0 -54.6 -0.1
증기 0 0 -2453.9 -5.9
가솔린 0 0 -9148.7 -22.0
디젤 0 0 -6462.4 -15.5
전체 -18119.6 -43.5 -18119.6 -43.5
표 6: 10 톤/일 규모의 증류를 통한 HTP의 에너지 유입 및 유출
에너지 단위 입구 (MJ/hr) 입구 (MJ/kg의 공급물)
반응기 (노) 608.4 1.5
급냉기 (전기) 94.8 0.2
펌프 (전기) 0.4 0.0
증류 응축기 517.0 1.2
증류 재비기 283.4 0.7
에너지원 출구 (MJ/hr) 출구 (MJ/kg의 공급물)
증기 연소(가스로: 90% 효율) 608.4
(14.4 kg/hr)		 1.5
증기 연소(전기: 50% 효율) 889.0
(37.7 kg/hr)		 2.1
전체 (유출 - 유입) -6.7 -0.0
실시예 3: 열분해 및 다단계 응축
ITCS의 세 번째 예가 도 22에 나타난다. 여기서, 플라스틱 폐기물이 공급원료로 사용되었다. 플라스틱 공급물은 크기 축소를 위해 파쇄된 다음 반응기로 공급되었다. 전환 공정은 열분해이다. 분리 공정은 디젤과 가솔린을 순차적으로 분리하기 위해 두 개의 응축기가 사용되는 다단계 응축이다. 주 생성물은 가솔린 및 디젤이다.
PS가 플라스틱 공급물 중에 있는 경우, 생성물은 중유를 또한 포함할 것이다. 따라서 도 23에 나타난 바와 같이 디젤과 가솔린을 분리하기 전에 중유를 분리하기 위해 또 다른 응축기가 사용된다.
가솔린 및 디젤 생성물의 화학적 조성이 도 24에 나타난다. ITCS-가솔린은 상업용 가솔린과 유사하고, ITCS-디젤은 상업용 디젤과 유사함을 알 수 있다.
질량 및 에너지 수지는 10 톤/일의 규모에서 실시예 3에 대해 수행되었다. 물이 존재하지 않고 열분해가 수행되므로, 공정용수가 이 물질 수지에 포함되지 않는다. 그러나, 생산된 오일을 최적의 분리 온도로 냉각한 다음 이후 생성물을 실온으로 냉각하기 위해 냉수가 여전히 필요하다. 이 분리 셋업을 통해, 유사한 생성물 수율을 복구하기 위해 이 셋업에서 동일한 양이 사용된다 (표 7).
이 공정에 대한 에너지 수지에서, 열분해로부터 생산된 이러한 오일을 업그레이딩하기 위해 필요한 추가 단계로 인해, 반응 및 열분해 필요 처리를 위한 에너지 필요량이 포함된다. 다시 한 번, 실시예 1과 유사하게, 물 냉각 및 펌프 작동을 위한 에너지 필요량 그리고 모든 공급원료 및 생성물의 에너지 특성이 포함된다 (표 8). 다시 한 번, 90% 효율 노 및 50% 효율 발전기에서 증기를 연소시킴으로써, 이 셋업을 작동시키고 보상으로 전기를 회수하기에 충분한 에너지가 생성될 수 있다 (표 9).
표 7: 10 톤/일 규모의 다단계 응축이 있는 열분해의 물질 수지
스트림 입구 (kg/hr) 출구 (kg/hr)
플라스틱 폐기물 416.7 0
공정용수 0 0
고체(숯) 0 4.2
증기 0 58.3
가솔린 0 206.0
디젤 0 148.2
전체 416.7 416.7
냉각수 3056 3056
표 8: 10 톤/일 규모의 다단계 응축을 통한 열분해의 에너지 수지
에너지 유닛/공급원 입구 (MJ/hr) 입구
(MJ/kg의 공급물) 		출구 (MJ/hr) 출구
(MJ/kg의 공급물)
반응기 및
열분해 처리		 712.6 1.7 0 0
급냉기 -707.9 -1.7 0 0
펌프 0.4 ~0 0 0
플라스틱 폐기물 -18115.5 -43.5 0 0
고체(숯) 0 0 -109.2 -0.3
증기 0 0 -2747.7 -6.6
가솔린 0 0 -8939.6 -21.5
디젤 0 0 -6913.9 -15.2
전체 -18110.4 -43.5 -18110.4 -43.5
표 9: 10 톤/일 규모의 다단계 응축을 통한 열분해의 에너지 유입 및 유출
에너지 단위 입구 (MJ/hr) 입구 (MJ/kg의 공급물)
반응기 (노) 및 열분해 처리 712.6 1.7
급냉기 (전기) 177.0 0.4
펌프 (전기) 0.4 ~0
에너지원 출구 (MJ/hr) 출구 (MJ/kg의 공급물)
증기 연소(가스로: 90% 효율) 837.6
(16.8 kg/hr)		 2.0
증기 연소(전기: 50% 효율) 978.0
(41.5 kg/hr)		 2.3
전체 (유출 - 유입) 925.7 2.2
실시예 4: 나프타 및 디젤
이 실시예에서, ITCS는 나프타 및 디젤을 생성한다. 나프타는 C4-C11의 탄소 수 범위의 탄화수소 혼합물이며, 일반적으로 가솔린 생산을 위한 공급원료로 사용된다. 따라서, 실시예 2에 나타난 것과 동일한 전환 및 분리 조건이 여기에서 적용될 수 있다. ITCS-오일, ITCS-나프타 및 ITCS-디젤의 화학적 조성이 도 25에 나타난다. 물질 수지가 표 10에 나타난다.
표 10: 나프타 및 디젤에 대한 10 톤/일 규모의 ITCS의 물질 수지
스트림 입구 (kg/hr) 출구 (kg/hr)
플라스틱 폐기물 416.7 0
공정용수 20.8 20.8
고체(숯) 0 2.1
증기 0 52.1
나프타 0 190.8
디젤 0 171.7
전체 437.5 437.5
냉각수 2127 2127
실시예 5: 제트 연료
이 실시예에서 ITCS는 제트 연료를 생성한다. 제트 연료 A(JF-A)는 C8-C16의 탄소 수 범위의 탄화수소 혼합물이며, 미국에서 일반적으로 사용된다. 제트 연료 B(JF-B)는 C5-C15의 탄소 수 범위의 탄화수소 혼합물이며, 제트 연료 A와 비교하여 더 낮은 어는점으로 인해 더 추운 기후에서 더 일반적으로 이용된다. 따라서, C7 및 C9의 끓는점 주변의 분리를 이용하여 제트 연료 내의 중유의 양을 최소화하기 위해 도 11에 나타난 것과 유사한 셋업이 이용된다. ITCS-오일, ITCS-제트-A 및 ITCS-제트-B의 화학적 조성이 도 26에 나타난다. 실시예 5에 대한 물질 수지가 표 11에 나타난다.
표 11: 제트 연료 A, 제트 연료 B 및 중유의 회수에 대한 10 톤/일 규모의 ITCS의 물질 수지
스트림 입구 (kg/hr) 출구 (kg/hr)
플라스틱 폐기물 416.7 0
공정용수 20.8 20.8
고체(숯) 0 2.1
증기 0 52.1
제트 연료 B 0 202.4
제트 연료 A 0 26.8
중유 0 133.3
전체 437.5 437.5
냉각수 3443 3443
실시예 6 윤활유
이 실시예에서, ITCS는 윤활유를 생산한다. 윤활유는 C14-C50의 탄소 수 범위의 다양한 탄화수소 혼합물이며, 모터 및 연소 엔진에서 발견되는 것과 같은 기계 부품을 윤활시키기 위해 이용된다. 이전에 논의된 셋업(예컨대 실시예 5) 중 일부가 이 탄소 수 분포를 차지하는 중유 분획을 수집하기 위해 추가 응축기 단계를 사용하므로, 도 11에 나타난 것과 유사한 셋업이 C7-C14의 끓는점 주변의 분리를 이용하여, 다른 더 경질인 탄화수소 스트림으로부터 윤활유를 분리하면서 회수할 수 있다. 실시예 6에 대한 물질 수지가 표 12에 나타난다.
표 12: 제트 연료 A, 제트 연료 B 및 윤활유의 회수에 대한 10 톤/일 규모의 ITCS의 물질 수지
스트림 입구 (kg/hr) 출구 (kg/hr)
플라스틱 폐기물 416.7 0
공정용수 20.8 20.8
고체(숯) 0 2.1
증기 0 52.1
제트 연료 B 0 202.4
제트 연료 A 0 26.8
중유 0 133.3
전체 437.5 437.5
냉각수 3443 3443
가솔린 및 디젤을 생산하는 ITCS에 대한 기술 경제 분석(TEA)
예비 TEA가 표 13에 나타난 바와 같이 가솔린 및 디젤을 생산하는 ITCS에 대해 수행되었다. ITCS는 100 톤/일 이상의 규모에서 경제적일 수 있음을 알 수 있다. 더 큰 규모에서, 잠재적 이익이 또한 증가한다. 동일한 규모인 300 톤/일에서의 촉매 열분해와 비교하여, ITCS는 잠재적 이익이 더 높고 회수 시간이 더 짧다.
표 13: 10, 100, 250 및 300 톤/일의 규모의 ITCS 및 비교를 위한 300 톤/일의 규모의 촉매 열분해의 예비 TEA.
ITCS
 ITCS
 ITCS
 ITCS
 촉매 열분해
(벤치마크 비교)
규모 10 톤/일 100 톤/일 250 톤/일 300 톤/일 300 톤/일
자본 비용 (백만 $) 3.3 13.1 22.7 25.3 140 (건설), 260
감가상각 연도 10 10 10 10 10
(1) 자본 비용/공급물 톤 110 43.7 30.3 28.1 156
(2) 운영 비용/공급물 톤2 (9
명 직원
$77,000)
231		 (50 명 직원,
$77,000)
128		 (140 명 직원,
$77,000)
120		 (140 명 직원,
$77,000)
120		 (140 명 직원,
$77,000)
120
(3) 공급원료 비용/공급물 톤3 70 70 70 70 70
(4) 유틸리티 비용/공급물 톤 23.4 23.4 23.4 23.4 23.4
(5)=(1)+(2)+(3)+(4)
총 비용/공급물 톤		 434 265 244 242 370
(6) 수익/공급물 톤 450 450 450 450 425
(7)=(6)-(5) 이익/공급물 톤 16 185 206 208 55
회수 연도 >20 2.4 1.5 1.4 7-14
잠재적 영향
특히 통합 열전환 및 분리를 각각 수행하기 위해 HTP 및 다단계 응축을 이용하는 ITCS 유닛의 작동을 통해, 이 강력한 기술은 연간 2억 4,400만 톤의 폴리올레핀 및 폴리스타이렌 폐기물을 절약할 잠재성을 갖는다. 이 잠재력은 매년 플라스틱 생산 속도가 증가함에 따라 계속 증가할 것이다. 이러한 플라스틱 폐기물의 회수를 통해, ITCS 작동을 통해 연간 최대 2억 1천만 톤의 연료가 회수될 수 있는 것으로 추정되며, 이는 매년 15억 배럴의 원유의 에너지 절약과 같다. ITCS는 또한 15억 배럴의 연료 생산에 대해 연간 1억 톤의 CO2 GHG 배출을 감소시킬 수 있다. 이 기술은 심지어 제트 연료, 중유, 윤활유, 왁스 및 나프타 오일과 같은 다른 생성물도 회수할 수 있는 잠재력을 갖는다. 구체적으로, 이들 나프타 오일은 새로운 플라스틱을 재중합하기 위해 사용될 수 있는 단량체를 위해 회수될 가능성이 있으며, 이는 플라스틱의 단량체의 순환 경제 형성으로 이어질 수 있다. ITCS의 이러한 이점과 영향은 재활용 산업을 활성화하고 확장할 뿐만 아니라, 환경에서 플라스틱 폐기물의 축적을 감소시킬 잠재력을 가지고, 이는 이들 플라스틱의 축적에 의해 야기되는 환경 피해를 감소시키는 데 도움이 될 것이다.
이러한 ITCS 방법의 조업으로 인한 에너지 소비 및 온실 가스 배출을 고려할 때, 이러한 방법과 기존 연료 생산 방법이 비교되어 특히 다단계 응축과 결합된 HTP의 조업을 통한 ITCS의 상대적 장점을 보여줄 수 있다 (실시예 1). 이러한 비교를 통해, 다단계 응축과 결합된 HTP(실시예 1), 증류와 결합된 HTP(실시예 2) 또는 다단계 응축과 결합된 열분해(실시예 3)를 통해 수행되는 ITCS가 에너지 유입을 필요로 하지 않고 원유로부터 연료를 생산하는 동안 방출된 것과 비교하여 공급원료의 킬로그램당 방출되는 CO2의 킬로그램 관점에서 온실 가스 배출을 최대 87%까지 감소시킬 가능성을 어떻게 갖는지 알 수 있다 (도 27). 또한, ITCS를 통해 생성된 경질 탄화수소 증기의 연소 가능성을 고려할 때, ITCS는 실제로 에너지 회수율로 수행될 수 있음을 시사한다. 이러한 비교 계산을 통해, 에너지를 절약할 수 있을 뿐만 아니라 환경 영향을 줄일 수 있는 기술이 될 ITCS의 잠재력이 강화된다.
논의된 이러한 요점에 따라, 운송 연료를 생산하기 위한 플라스틱 폐기물의 처리를 위한 통합 열전환 및 분리(ITCS)의 영향, 장점 및 이점이 요약될 수 있다. 최적화를 통해, 400-500℃, 0.1-10 MPa 및 30-240 분의 바람직한 조업 조건에서의 저압 열수 처리(HTP)가 폴리올레핀 및 폴리스타이렌 폐기물을 높은 오일 수율(최대 87%) 및 좁은 탄소 수 범위(대부분 C1 내지 C25)를 갖는 탄화수소 혼합물로 연속으로 전환하기 위해 이용된다. 이러한 반응 조건의 최적화는 더 용이한 분리를 허용하고, 통합은 이러한 최적화된 반응 조건을 이용하여 분리 조건을 최적화하고 필요한 에너지 사용을 최소화한다. 이후 다단계 응축이 사용되어 증류 사용에 비해 에너지 절약을 크게 개선하며 HTP 또는 열분해로부터 생성된 이들 오일을 가솔린(C4-C12) 및 디젤(C8-C25) 분획으로 분리할 수 있다. 이들 통합 전환 및 분리 공정은 PE, PP 및 PS 폐기물의 시너지 조합을 통해 공급원료로부터 더 고품질인 가솔린 및 디젤 생성물을 생산할 수 있으며 이는 연료 특성을 향상시키는 것으로 나타났다. 예비 기술 경제 분석 연구는 ITCS가 하루에 최소 100 톤의 규모로 경제적일 수 있음을 나타낸다. 또한, 에너지 분석 연구는 연료를 생산하기 위한 ITCS 조업이 원유로부터 동일한 양의 연료를 생산하기 위해 팔요한 모든 에너지를 절약할 수 있으며, 심지어 에너지에 대해 회수된 경질 탄화수소 가스(C1-C3)의 연소를 통해 순 에너지 이득을 야기할 수 있음을 나타낸다. 마지막으로, 연료를 생산하기 위한 ITCS 조업은 원유로부의 연료 생산과 비교하여 최대 87%까지 GHG 배출을 감소시킬 수 있다. 이러한 생산적이고 에너지 효율적이며 환경 친화적이고 경제적인 공정의 사용을 통해, ITCS는 주변 환경에서 플라스틱 폐기물의 축적을 줄이는 데 도움이 될 수 있고 플라스틱 폐기물 오염에 의해 야기된 피해를 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
배관 계장도(P&ID)
HTP 및 다단계 응축을 이용하는 ITCS 어셈블리(100)의 작동을 이해하기 위해, 배관 계장도(P&ID)의 예가 생성되었다 (도 28). 반응기(105)의 작동 압력이 대기압 위인 것이 바람직한 경우, 질소 탱크가 사용되어 스크류 펌프(115) 및 반응기(105)를 가압한다. 압력 완화 밸브, 파열판 및 압력 조절 밸브와 같은 적절한 압력 조절 및 안전 점검이 이 공급물 시스템에서 그리고 전체 셋업에 걸쳐 사용된다. 플라스틱 폐기물(파쇄기(110)에서 파쇄됨) 및 공정용수가 공급물 탱크(113)에서 조합되고 스크류 펌프(115)로 공급되고 가열기(120)를 통해 예열된 후, 플라스틱 폐기물이 반응기(105)로 공급된다. 열전대(125) 및/또는 압력 센서(127)가 이 반응기(105)에서 그리고 시스템(100)에 걸쳐 이용되어 시스템(100)에 걸쳐 가열 요소(120, 135)를 제어하는 전자 제어기(130)에 대한 송신기로서 작용함으로써 원하는 값에서 온도 및 압력의 조절을 돕는다. 이후 뜨거운 증기가 전형적으로 필터(140)를 통해, 원하는 체류 시간에 따라 반응기(105)를 나가는 한편 임의의 잔류 고체가 반응기(105)에 남아 있고 예컨대 시스템(100)의 중단 후에 수집된다. HX-1 145에서 뜨거운 생성물을 원하는 분리 온도로 부분적으로 냉각하기 전에, 분리 유닛의 압력이 원하는 (예컨대 대기) 압력에서 유지되도록 하기 위해 배압 조절기가 일반적으로 사용된다. 일반적으로 사이트 글래스가 내장된 LVSEP-1(150) 내의 액체-증기 평형을 유지하기 위해 수위 제어 및 온도 제어를 사용하여, 디젤 및 가솔린 분획이 분리된 다음 후속하여 하류 열교환기(155, 160)(각각 HX-DIES(155) 및 HX-GASOL(160))에서 냉각된다. 역시 수위 제어 시스템을 이용하는 LVSEP-G(165)에서의 가솔린 분획 및 경질 탄화수소 증기의 분리 후, 증기는 수집기(175)에 수집되고 및/또는 에너지 회수를 위해 노 또는 발전기로 보내지며, 가솔린 분획은 공정용수로부터 분리되고 수집된다. 이 시스템(100)을 작동할 때 안전을 보장하기 위해, 시스템 전체에 걸쳐 탄화수소 노출 및 과도하게 높은 온도 및 압력의 존재를 모니터링하기 위해 경보가 이용되고, 이는 자동 중단 절차의 활성화를 돕기 위해 사용된다. 차단 밸브는 필요에 따라 시스템(100)의 유닛을 중단하기 위한 셋업 전반에 걸쳐 포함되며, 안전 라인은 비상시 다시 보내지는 임의의 스트림을 비상 배출로 보내기 위해 배치된다. 시스템(100) 및 이의 작동 조건이 용이하게 모니터링되고, 제어되고, 필요한 경우 중단될 수 있도록 하기 위해 컴퓨터(130)가 사용된다 (도 28).
10 톤/일의 규모의 ITCS 실시예 1의 상세한 PFD 및 장비 크기 조정.
반응 유닛에 HTP를 이용하고 분리 유닛에 다단계 응축을 이용하는 파일럿 규모의 ITCS 시스템(100)의 작동에 대해, 공정 흐름도인 도 29는 에너지 회수에서 사용하기 위한 경질 탄화수소 증기를 회수하면서 하루에 10 톤의 속도로 플라스틱 폐기물을 가솔린 및 디젤 분획으로 전환시키는 것을 예시하기 위한 것이다. 파쇄기(110)를 통한 플라스틱 폐기물의 크기 축소 후, 폐기물은 추가로 필요한 공정용수(수원(190)으로부터 펌프(195)를 통해 펌핑됨)와 함께 스크류 펌프(115)로 이어지는 공급물 탱크(113)에 공급되고, 스크류 펌프는 공급물을 하루에 10 톤의 플라스틱 폐기물의 공급 속도로 반응기(105)로 이동시킨다. 이 스크류 펌프(115)는 반응기(105) 가열에 필요한 에너지 및 시간을 줄이기 위해 펌프와 열 연통하는 가열기(120)를 통해 가열된다. 반응기(105) 내의 원하는 체류 시간 후에, 뜨거운 증기 생성물이 반응기(105)를 나가는 한편 임의의 잔류 고체 숯이 반응기의 바닥에 남거나 여과된다. 반응기(105)는 제1 응축기 또는 열교환기(145)와 유체 연통한다. 뜨거운 증기 생성물 스트림은 제1 열교환기(HX-1)(145)를 통해 보내지며, 이는 생성물 스트림을 가솔린 및 디젤 분획으로 분리하기 위한 원하는 최적 온도로 냉각시킨다. 이 분리는 HX-1 145와 유체 연통하는 후속 액체-증기 분리기(LVSEP-1)(150)에서 발생하고, 반응 생성물 스트림을 둘의 연료 분획으로 분리하기 위해 75 내지 200 ℃ 범위의 온도에서 조업된다. 대부분 C8 내지 C25 범위인 것과 같은 더 중질인 탄화수소는 액체로서 LVSEP-1을 나가고 LVSEP-1 150와 유체 연통하는 열교환기(HX-DIES)(155)에서 실온으로 냉각된다. 미량의 물을 제거하기 위해 침전 탱크가 사용되며, 이후 이러한 더 중질인 탄화수소가 디젤 분획(대부분 C8-C25)으로 수집된다.
또한, 대부분 C1-C12 범위인 것과 같은 더 경질인 탄화수소는 증기로서 LVSEP-1(150)을 나가고 또한 LVSEP-1(150)에 유체 연결된 열교환기(HX-GASOL)(160)에서 실온으로 냉각된다. 이 시스템(100)의 열교환기(145, 155, 160)를 통과하고, 구체적으로 모두 도시된 열교환기의 셸 측면을 통과하는 모든 뜨거운 스트림의 냉각은, 열교환기(145, 155, 160)의 튜브 측면을 통과하는 냉수원(180) 및 유체 연결된 펌프(185)에서 기원한 단일 냉수 스트림(원래 4 ℃)을 사용하여 달성된다. 사용된 물은 냉수 탱크(180)로 보내져 다시 4 ℃로 냉각되고, 이는 물 사용량 감소에 도움이 될 것이다. 이 냉각 단계 후, HX-GASOL(160)과 유체 연통하여 연결된 제2 액체-증기 분리기(LVSEP-G)(165)가 사용되어 경질 탄화수소 증기(대부분 C1-C3)를 가솔린 분획(대부분 C4-C12)으로부터 제거하고, 이에 유체 연결된 침전 탱크(170)가 사용되어 재사용될 수 있는 공정용수를 제거한다. 이 경질 탄화수소 증기의 일부는 이후 노(135)에서 연소되어 HTP 반응기 및/또는 공급물을 가열하는 가열기(120)에 전력을 공급하고, 나머지는 발전기에서 연소되어 냉각 유닛 및 시스템 내의 임의의 펌프에 전력을 공급할 수 있고, 또한 에너지 회수를 제공한다 (도 29). 중유 제거가 필요한 경우, 추가 액체-증기 분리기 유닛(나타나지 않음)이 반응기와 LVSEP-1 사이에 추가될 수 있다.
표 14: 10 톤/일 규모의 HTP 및 다단계 응축을 사용하는 ITCS 장비의 권장 설계
장비 길이 (m) 직경/너비 (m) 부피(m3) 또는
표면적(m2)		 비고
반응기 4.57
(15 ft.)		 0.91
(3 ft.)		 ~3 m3 공급물의 충전 부피의 5배 기준
(45 분, 312.5 kg),
및 L/D=5
열교환기
(전체 4:
1 HX-1,
2 HX-GASOL,
1 HX-DIES)		 1.02 0.28 각각 ~5.0 m2 스테인리스 강 316,셸-앤드-튜브
LVSEP-1(& LVSEP-G) 0.85 0.17 1.93×10-2 m3 L/D=5에 기반함
이 버전의 ITCS에 대한 파일럿 규모 셋업을 구축할 때 (10 톤/일), 주요 장비 유닛의 다음 크기가 사용되었다. 구체적으로 반응기의 경우, 5 대 1의 길이 대 직경 비율로, 45 분의 기간에 걸쳐 반응기에 들어가는 공급물의 부피의 대략 5 배에 해당하는 부피(312.5 kg의 플라스틱 폐기물)가 권장된다. 열교환기 유닛의 경우, HX-1 및 HX-DIES의 표면적은 대략 5 m2인 반면 HX-GASOL의 표면적은 대략 10 m2이다. 따라서, 이 시스템의 모든 열교환기 유닛에 대한 장비 요건을 충족하기 위해 네 개의 5 m2 열교환기를 사용할 수 있다 (한편 HX-GASOL의 경우 이들 열교환기 중 두 개를 사용해야 함). 마지막으로, 액체-증기 분리기 유닛에 필요한 최소 치수에대한 설계 계산을 기반으로, 다음 설계 파라미터가 또한 5 대 1의 길이 대 직경 비율을 이용하여 결정되었다 (표 14).
본 발명이 도면 및 전술한 설명에서 상세히 예시되고 설명되었지만, 특성상 예시적이고 제한적이 아닌 것으로 간주되어야 하고, 선택된 구체예만이 나타나고 설명되었으며, 지금까지 설명된 발명의 사상 내에 속하고 및/또는 다음의 청구범위에 의해 정의되는 모든 변경, 수정 및 등가물이 본원의 일반 원칙을 따르는 거의 무한한 변형, 사용 또는 적응 및 본 발명이 속하는 분야 내에서 공지되거나 관례적인 관행 내에 있는 그러한 벗어남을 포함하여 보호되기를 원하는 것으로 이해된다. 또한, 여기에 인용된 모든 간행물은 해당 분야의 기술 수준을 나타내며, 각각 개별적으로 참조로 포함되고 완전히 제시된 것과 같이 그 전체가 본원에 포함된다.

Claims (15)

  1. 다음을 포함하는 통합 열전환 및 분리 시스템:
    입구 및 출구를 갖는 반응기 용기;
    고체가 출구를 통과하는 것을 방지하는 필터;
    오일을 응축하기 위한, 반응기 용기와 유체 연통하여 연결된 제1 응축기;
    오일을 적어도 가솔린 분획 및 디젤 분획으로 분리하기 위한, 제1 응축기와 유체 연통하여 연결된 제1 분리 용기;
    디젤 분획을 수용하고 추가로 디젤 오일로 응축하기 위한, 제1 분리 용기와 유체 연통하여 연결된 제2 응축기;
    가솔린 분획을 수용하고 추가로 응축하기 위한, 제1 분리 용기와 유체 연통하여 연결된 제3 응축기;
    응축된 가솔린 분획을 수용하고 가솔린 분획을 증기와 가솔린으로 분리하기 위한, 제3 응축기와 유체 연통하여 연결된 제2 분리 용기;
    제2 분리 용기와 유체 연통하여 연결된 증기 수집 용기;
    가솔린을 수집하기 위한, 제2 분리 용기와 유체 연통하여 연결된 가솔린 분리 탱크;
    각각의 응축기에 작동 가능하게 연결된 냉수원;
    반응기 용기에 작동 가능하게 연결된 수원; 및
    반응기 용기와 열 연통하여 연결된 노.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 분리 유닛은 증류탑인 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 각각의 분리 유닛은 다단계 응축기인 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 다음을 추가로 포함하는 시스템:
    폴리올레핀 및 폴리스타이렌 폐기물을 수용하고 파쇄된 폴리올레핀/폴리스타이렌 폐기물을 생성하기 위한 파쇄기;
    물과 파쇄된 폴리올레핀/폴리스타이렌 폐기물을 수용하고 조합하여 공급물을 생성하기 위한, 파쇄기 및 수원에 작동 가능하게 연결된 공급물 탱크;
    공급물을 수용하고 혼합하고 입구로 펌핑하기 위한, 공급물 탱크에 작동 가능하게 연결된 스크류 펌프; 및
    스크류 펌프와 열 연통하여 연결된 가열기.
  5. 제1항에 있어서, 다음을 추가로 포함하는 시스템:
    고체 잔류물을 추출하기 위해 반응기 용기에 형성된 고체 잔류물 포트.
  6. 제1항에 있어서, 수원에 작동 가능하게 연결된 물 펌프; 냉수원에 작동 가능하게 연결된 냉수 펌프; 스크류 펌프, 물 펌프 및 냉수 펌프에 작동 가능하게 연결된 전자 제어기; 및 전자 제어기와 전기 연통하여 연결된 복수의 압력 및 온도 센서를 추가로 포함하고; 여기서 각각의 온도 센서 및 각각의 압력 센서는 각각의 응축기 및 각각의 분리 용기에 작동 가능하에 연결되는 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 가열기 및 노는 증기 수집 용기로부터 전송되는 증기에 의해 연료가 공급되는 시스템.
  8. 다음 단계를 포함하는, 고체 플라스틱 폐기물로부터 유용한 연료 유체를 생산하는 방법:
    a) 고체 플라스틱 폐기물 물질을 반응 챔버에 로딩하여 로드를 정의하는 단계;
    b) 로드가 HTP를 거쳐 탄화수소 혼합물을 추출하는 단계;
    c) 탄화수소 혼합물을 여과하여 고체 물질을 추출하는 단계;
    d) 탄화수소 혼합물을 경질 분획(C1 내지 C25) 및 중질 분획(C26 내지 C31)으로 분리하는 단계;
    e) 중질 분획을 제1 컨테이너로 보내고 경질 분획을 제2 컨테이너로 보내는 단계;
    f) 경질 분획을 디젤(C8-C25), 가솔린(C4-C12) 및 증기(C1-C5)로 분리하는 단계;
    g) 디젤을 제3 컨테이너로 보내는 단계;
    h) 가솔린을 제4 컨테이너로 보내는 단계;
    i) 증기를 제5 컨테이너로 보내는 단계;
    여기서 탄화수소 혼합물은 C1 내지 C31의 탄소 수 분포를 갖고;
    여기서 반응 챔버의 압력은 0.1 내지 23 MPa이고;
    여기서 플라스틱 폐기물은 PS, PE, PP 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택됨.
    여기서 반응 챔버의 온도는 섭씨 200 내지 600 도임.
  9. 제8항에 있어서, 로드는 2:1 이하의 물 대 플라스틱 중량비를 갖고; 반응 시간은 6 시간 미만인 방법.
  10. 제8항에 있어서, 단계 d) 및 f)는 증류에 의해 달성되는 방법.
  11. 제8항에 있어서, 단계 d) 및 f)는 응축에 의해 달성되는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 가솔린(C8) 및 나프타는 75℃-155℃에서 디젤(C11-12)로부터 분리되고; 제트-연료 B(C9-11)는 75℃-175℃에서 제트-연료 A(C10-12)로부터 분리되고; 제트-연료 A는 100℃-300℃에서 윤활유로부터 분리되는 방법.
  13. 제8항에 있어서, 다음 단계를 추가로 포함하는 방법:
    j) 증기를 사용하여 반응기에 전력을 공급하는 단계.
  14. 제8항에 있어서, 제2 컨테이너는 증류탑인 방법.
  15. 제8항에 있어서, 제2 컨테이너는 유체 연통하여 연결된 일련의 응축기인 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2590525B (en) * 2020-08-14 2022-08-31 Clean Planet Energy Commercial grade ultra-low sulphur diesel production process from mixed waste plastics pyrolysis oil
US11993684B2 (en) 2021-02-23 2024-05-28 The Procter & Gamble Company Recycling of superabsorbent polymer with a hybrid oxidative degradation and high shear mixing
US20230332052A1 (en) * 2022-04-13 2023-10-19 The Procter & Gamble Company Recycling a used absorbent hygiene product or its components using hydrothermal treatment
US20240170105A1 (en) * 2022-11-23 2024-05-23 X Development Llc Estimation of chemical process outputs by single object feedstock hyperspectral imaging

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7626062B2 (en) * 2007-07-31 2009-12-01 Carner William E System and method for recycling plastics
US10131847B2 (en) * 2009-12-22 2018-11-20 Plastic Energy Limited Conversion of waste plastics material to fuel
AU2017376821B2 (en) * 2016-12-14 2022-11-24 Mura Technology Limited Method and apparatus for producing biofuel
US10894870B2 (en) * 2018-04-19 2021-01-19 Purdue Research Foundation Method of converting plastic waste into useful stock

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