KR20230087004A - 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 연료 또는 화학원료로의 전환 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐플라스틱을 분해하여 화학원료 생성 시 액상수율을 증가시키고 액상 성분 내 납사 성분의 증가 및 코크 발생량 감소등의 시너지 효과를 갖는 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 연료 또는 화학원료로의 전환 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 연료 또는 화학원료로의 전환 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐플라스틱을 분해하여 화학원료 생성 시 액상수율을 증가시키고 액상 성분 내 납사(Naphtha) 성분의 증가 및 납사 내의 i-paraffin 증가의 시너지 효과를 얻을 수 있는 기술에 관한 것이다.
최근, 플라스틱의 사용에 따라 발생되는 환경 오염 등의 문제가 심각해짐에 따라 플라스틱의 사용량을 감소시키는 방안에 대한 연구 개발이 증가하고 있으며, 그 중에서도 폐플라스틱을 재활용하여 원료를 생산하고 이와 같이 생성된 원료를 다시 화학 공정 등에 이용하는 방법에 대한 연구가 수행되고 있다.
열분해법은 폴리머 사슬을 붕괴시켜 유용한 저분자 화합물로 전환하는 것이다. 플라스틱 열분해공정의 생산물은 연료 또는 화학제품으로 이용할 수 있다. 열분해법으로는 수소화 분해, 열분해 및 촉매분해의 3가지 방법이 있다. 발열량 면에서는 폐플라스틱은 고형연료보다는 열분해로 얻어지는 액체연료와 가스연료가 유리하다. 열분해과정에서 염소함유 플라스틱류의 연료화에 불량한 성분을 제거하고 고품위 연료를 제조하기 위한 새로운 열분해기술 개발이 중요한 과제이다. 특히, 가정에서 배출되는 폐플라스틱 중에서 염소함유 플라스틱은 가열할 때 염화수소가 발생하여 장치를 부식시킬 뿐 아니라 공존하는 올레핀계 탄화수소화합물과 결합하여 유기염소화합물을 생성한다.
종래에는, 폐플라스틱을 열분해하여 연료유 등을 제조하는 기술이 이용되고 있으나, 이와 같은 기술을 이용하는 경우, 열분해 시 n-paraffin으로 인한 왁스 발생에 따른 연료유 품질 저하로 인한 혼합 처리의 제약이 발생하고, 열분해로 발생한 올레핀은 생성물의 안정성이 저하되어 제품으로써 가치가 낮다는 문제점이 있다.
그리고, 상기와 같은 열분해를 수행하는 경우, 상대적으로 높은 폐플라스틱의 점도로 인해 고정층 촉매 반응기 내 플러깅(plugging) 문제가 발생한다.
대한민국 등록특허 제10-1804663호(발명의 명칭: 폐유로부터 수첨분해반응 촉매를 제조하는 방법 및 이를 이용한 중질유 전환방법)에서는, 상기 폐유로부터 고형분을 제거하는 단계와; 고형분이 제거된 상기 폐유를 증류탑에서 증류하여 탑상부흐름과 탑하부흐름을 얻는 단계와; 상기 탑하부흐름을 포함하는 수첨분해반응 촉매를 얻는 단계를 포함하며, 상기 폐유는 몰리브데넘, 철, 아연 및 구리 중 적어도 어느 하나의 금속성분을 포함하며, 상기 탑하부흐름은 상기 탑상부흐름에 비해 비점이 높고 금속 함량이 높으며, 상기 탑하부흐름은 몰리브데넘 50-3,000 ppm을 포함하는 폐유로부터 수첨분해반응 촉매를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
이에, 본 발명은 폐플라스틱을 분해하여 화학원료 생성 시 액상수율을 증가시키고 액상 성분 내 납사 성분의 증가 및 납사 내의 i-paraffin 증가의 시너지 효과를 얻을 수 있는 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 연료 또는 화학원료로의 전환 방법을 제공하는 데 있다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은,
혼합 공간을 구비하여 폐플라스틱 및 탄화수소화합물을 용융하는 용융조; 상기 용융조와 연결되고, 상기 용융조로 폐플라스틱을 공급하는 폐플라스틱공급부; 상기 용융조와 연결되고, 상기 용융조로 탄화수소화합물을 공급하는 탄화수소화합물 공급부; 상기 용융조와 연결되고, 상기 용융조에서 용융된 혼합물에 촉매를 부가하여 수소화분해 반응을 거치는 수소화처리 반응기; 상기 수소화처리 반응기와 연결되고, 상기 수소화 처리 반응기에 수소를 공급하는 수소 공급부; 상기 수소화처리 반응기와 연결되고, 상기 수소화 처리 반응기에서 처리된 혼합물을 분리하여 기상 또는 액상의 생성물을 분리하는 분리기;를 포함하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 및 연료 전환 장치를 제공한다.
상기 탄화수소화합물은 석유화학 및 정유 공정에서 나오는 부산물인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 탄화수소화합물은 Pyrolized Fuel Oil(PFO), Fluid Catalytic Cracking의 Light Cycle Oil, Slurry Oil, 증류탑에서 나오는 상압잔사유, 감압잔사유, 오일샌드 비튜멘, 오리멀전으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 수소화처리 반응기는 촉매가 채워진 고정층(Fixed Bed) 반응기, 이동층(Moving Bed) 반응기, 촉매가 기상에 부유된 유동층 반응기(Fluidized bed) 및 촉매가 원료와 혼합되어 있는 슬러리층(Slurry Bed) 반응기로 이루어지는 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
공급되는 상기 탄화수소화합물 100중량부에 대하여, 폐플라스틱은 20 중량부 내지 110 중량부로 공급되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 촉매는 균일계 촉매 또는 비균일계 촉매로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 균일계 또는 비균일계 촉매는 니켈, 코발트, 몰리브데넘을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 수소화처리 반응기 내 가열 온도는 300 내지 450℃인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 수소화처리 반응기 내 압력은 40 내지 200 기압인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 기상 또는 액상의 생성물은 가솔린, 디젤, Fuel Oil 등의 연료와 납사, 파라핀, 왁스 등의 화학 원료 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 분리기가 상기 용융조와 연결되어, 상기 분리기에서 상기 기상 또는 액상의 생성물을 분리하고, 분리된 잔사유가 열원으로서 상기 용융조에 순환되어 공급되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 분리기에서 분리된 수소 및 잔사유를 상기 수소화 처리 반응기에 순환하여 공급하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은,
탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치를 이용하는 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 방법에 있어서, 폐플라스틱과 탄화수소화합물을 용융조에 공급하고, 혼합 및 용융하는 제1 단계;
상기 용융된 혼합물을 수소화처리 반응기로 공급하고, 상기 혼합물에 촉매 및 수소를 공급하여 수소화 분해 반응을 수행하는 제2 단계; 및 상기 수소화처리된 혼합물을 분리기로 공급하고 기상 또는 액상의 생성물을 분리하는 제3 단계;를 포함하는 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 방법을 제공한다.
상기 제2 단계에서, 상기 수소화처리 반응기 내 가열 온도는 300 내지 450℃인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 제3 단계가, 상기 분리기에서 상기 기상 또는 액상의 생성물을 분리하고, 분리된 잔사유를 상기 용융조에 열원으로서 순환하여 공급하는 것을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 폐플라스틱만의 높은 점도와 낮은 유동성 문제를 완화시켜 주고 원료 내 불순물 처리 및 생성물의 고형화 및 산화 안정성 문제를 해결할 수 있다는데 있다.
또한, 본 발명의 효과는, 액상성분 수율 증가, 액상 생성물 내 납사 성분 증가 및 납사 내 i-paraffin 증가가 가능하다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전체 공정에 대한 개략도이다.
도 2 및 3은 수소화 처리 공정에 따른 생성물의 각 성분 함량을 나타낸 데이터이다.
도 4 및 5는 혼합되는 탄화수소화합물의 종류에 따른 생성물의 각 성분 함량을 나타낸 데이터이다.
도 2 및 3은 수소화 처리 공정에 따른 생성물의 각 성분 함량을 나타낸 데이터이다.
도 4 및 5는 혼합되는 탄화수소화합물의 종류에 따른 생성물의 각 성분 함량을 나타낸 데이터이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
덧붙여, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
수소화분해 공정(Hydrocracking Process)
폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 그리고 폴리비닐클로라이드(PVC)와 같은 플라스틱 물질의 생산은 포장, 건설, 농업, 전자기기, 헬스 케어 분야에서의 소비로 인해 매년 증가하고 있다. 플라스틱은 뛰어난 다용성, 경량성, 견고함, 물에 대한 저항성 그리고 저렴한 비용성과 같은 독특한 특성을 갖고, 이로 인해 플라스틱은 현대 문명에 필수 불가결한 물질이 되었다. 그러나 대부분의 플라스틱 제품의 수명이 매우 짧고 대부분의 아이템들은 1개월 미만의 수명을 갖는다. 플라스틱에 포함된 탄화수소의 1~3 중량%만이 100년이 지나 분해되는 등 현저히 떨어지는 생분해 능력으로 인해 플라스틱 폐기물은 오랜 기간 이 땅에 매립되어 있다. 그러므로, 플라스틱 폐기물은 전체적인 매립지를 감소시키고 거대한 환경 문제를 발생시키며, 매립 장소는 감소하고 있고 매립 비용은 급격히 증가하고 있다. 플라스틱 물질은 자원 낭비이며 오염원인 물질로 인식되고 있다. 이러한 폐플라스틱의 소각은 미립자 방출 문제와 불완전 연소된 탄화수소, 질산화물 및 황산화물, 다이옥신과 퓨란을 포함한 유해 가스의 방출 문제를 야기한다. 소각과 매립은 폐플라스틱 관리 방안으로 선호되지 않으며, 폐플라스틱은 더욱 지속가능하고 친환경적인 방법으로 다루어질 필요가 있다.
재활용은 매립지에 폐기 또는 분해에 대한 대안 중 하나이다. 이는 환경을 보호할 뿐만 아니라, 잠재적 자원을 유용한 제품으로 전환시키는데 도움이 된다. 다양한 재활용 방법 중에서 폐플라스틱 물질을 석유화학제품 및 연료로 전환시키는 3차 재활용이 전세계적으로 주목받고 있다. 3차 재활용은 플라스틱을 재활용하는 경제적, 친환경적 방법이고 다양한 폐플라스틱 관리 방법 중에서 가장 전도유망한 것으로 인식되고 있다. 3차 재활용은 화학적 또는 열적 재활용 기술을 활용해 수행될 수 있다. 폴리에스터와 폴리우레탄과 같은 축합 중합 고분자는 해당과정, 메탄분해, 가수분해와 같은 가용매분해를 거치는 반면, PE, PP, PS, PVC와 같은 부가 중합체는 가스화, 열분해, 촉매 분해, 수소화분해와 같은 열적 방법을 거친다.
가스화는 주로 일산화탄소와 수소의 혼합 기체 같은 합성 기체를 생산하기 위해 산소, 공기, 스팀이 감소된 상태 하에서 수행되는 과정이다.
크래킹은 무거운 폴리머 분자가 더 작은 액상과 기상의 가벼운 분자로 분해 분해되는 것이다. 크래킹은 수소 존재하에서 혹은 수소 없이도 수행될 수 있고 촉매를 사용하거나 또는 사용하지 않고 진행될 수도 있다. 열적 크래킹 또는 열분해는 일반적으로 높은 온도에서 수행되고 질소와 같은 비활성 기체의 존재하에서 수행된다. 촉매 크래킹은 낮은 온도에서 공정을 수행하고 생산품의 품질뿐만 아니라 수율을 향상시키기 위해 필수적으로 촉매, 특히 산성 촉매가 요구된다. 수소 존재하에서 크래킹 공정은 하이드로 크래킹, 즉 수소화분해라 불린다. 수소화분해 공정은 고중량(높은 끓는점의) 플라스틱 분자를 가벼운 (낮은 끓는점의) 플라스틱 분자로 전환하는데 이용되고, 수소 존재하에서 C-C 결합을 깨면서 일어난다. 이와 동시에 또는 연속적으로 불포화된 분자들의 수소화가 일어난다. 수소화분해는 폐플라스틱을 고품질의 액체 연료로 전환하기 위해 사용되는 가장 유망한 방법 중 하나이다. 후속 공정 없이 운송연료로 직접 사용되는 고도로 포화된 액상 생성물을 산출하므로 열분해 및 촉매 크래킹과 비교하여 이점이 많다. 열분해와 촉매 크래킹은 불포화 탄화수소와 많은 양의 코크스 그리고 다양한 분자량을 가진 생성물을 형성하는 것으로 간주된다. 수소화분해 반응을 적용함으로써 더 낮은 공정 온도와 반응 생성물 내에서 감소된 양의 올레핀, 방향족 물질 그리고 코크스를 형성한다. 더욱이 수소의 존재는 폐플라스틱에 존재하는 염소, 브롬, 플루오린과 같은 이종원자를 제거한다.
고분자의 수소화분해는 일반적으로 중간 온도 및 상대적으로 높은 수소압하에, 교반 배치 고압반응기에서 양기능성 촉매 존재하에서 일어난다. 전형적인 수소화분해 조건은 300-450℃ 및 2-15MPa의 수소압력하에서 일어난다. 반응물을 원하는 온도로 만들고 긴 탄화수소 사슬을 분열시키기 위해 열에너지가 요구된다. 수소화는 발열반응인 반면 크래킹은 흡열반응으로서, 에너지 관점에서는 크래킹과 수소화는 상보적인 반응이다. 비록 비촉매 수소화분해가 가능할지라도, 촉매의 존재는 수소 첨가를 촉진하기 위해 필요하다. 폐플라스틱의 수소화분해에 사용되는 촉매는 크래킹 기능과 수소화-탈수소화 기능을 가져야만 한다.
전형적인 수소화분해 촉매는 금속이 함침된 산성 지지체를 갖고 있다. 산성 지지체는 크래킹과 이성질화 반응의 원인이 되는 반면, 수소화-탈수소화 기능은 촉매를 덮고 있는 금속에 의해 수행된다. 산성 지지체는 일반적으로 실리카-알루미나와 같은 무정형의 산화물, HZSM-5와 같은 결정형 제올라이트, 황산화 지르코니아와 같은 강한 고체 산 또는 이들의 조합이다. 금속은 귀금속(팔라듐 또는 백금)일 수 있고 또는 주기율표의 6-A족(몰리브덴 또는 텅스텐) 및 8-A족(코발트 또는 니켈)의 비 귀금속일 수 있다.
수소화분해 공정은 플라스틱 물질의 직접적 액화 또는 플라스틱 물질이 먼저 열분해되는, 예를 들어 열적 분해, 촉매 분해 또는 수소화분해와 같은 2단계 액화 공정에 사용될 수 있고, 이후 생성물은 최종 액상 생성물의 품질을 향상시키기 위해 수소화 처리가 이루어진다. 비록 2단계 공정은 비용적으로 비효율적이지만, 코크스 침착 및 N, S, Cl과 같은 이원자들에 의한 촉매의 비활성화가 감소되고 올레핀 양이 감소되며, 2단계를 거친 연료 생성물은 자동차 엔진에 직접적으로 사용될 수 있다는 이점이 있다. 더욱이, PVC 물질의 탈염소화가 1단계에서 이루어짐으로써, 최종 생성된 액체 연료에서 염소화가 이루어진 합성물의 존재를 피할 수 있다.
본원의 제1 측면은,
혼합 공간을 구비하여 폐플라스틱 및 탄화수소화합물을 용융하는 용융조; 상기 용융조와 연결되고, 상기 용융조로 폐플라스틱을 공급하는 폐플라스틱공급부;
상기 용융조와 연결되고, 상기 용융조로 탄화수소화합물을 공급하는 탄화수소화합물 공급부; 상기 용융조와 연결되고, 상기 용융조에서 용융된 혼합물에 촉매를 부가하여 수소화분해 반응을 거치는 수소화처리 반응기; 상기 수소화처리 반응기와 연결되고, 상기 수소화 처리 반응기에 수소를 공급하는 수소 공급부; 상기 수소화처리 반응기와 연결되고, 상기 수소화 처리 반응기에서 처리된 혼합물을 분리하여 기상 또는 액상의 생성물을 분리하는 분리기;를 포함하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 및 연료 전환 장치를 제공한다.
이하, 본원의 제1 측면에 따른 상기 폐플라스틱의 화학원료 및 연료 전환 장치를 상세히 설명한다.
우선, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄화수소화합물은 석유화학 및 정유 공정에서 나오는 부산물인 것을 특징으로 하는 것일 수 있고, 바람직하게는 Pyrolized Fuel Oil(PFO), Fluid Catalytic Cracking의 Light Cycle Oil, Slurry Oil, 증류탑에서 나오는 상압잔사유, 감압잔사유, 오일샌드 비튜멘, 오리멀전으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수소화처리 반응기는 촉매가 채워진 고정층(Fixed Bed) 반응기, 이동층(Moving Bed) 반응기, 촉매가 기상에 부유된 유동층 반응기(Fluidized bed) 및 촉매가 원료와 혼합되어 있는 슬러리층(Slurry Bed) 반응기로 이루어지는 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 공급되는 상기 탄화수소화합물 100중량부에 대하여, 폐플라스틱은 10 중량부 내지 200 중량부, 바람직하게는 15 중량부 내지 175 중량부, 더 바람직하게는 20 중량부 내지 150 중량부, 보다 더 바람직하게는 20 중량부 내지 110 중량부로 공급될 수 있다. 상술한 범위를 만족함으로써, 생성물 중의 납사 함량이, 폐플라스틱 또는 탄화수소화합물 각각의 연료화 대비 증가하는 것을 확인할 수 있고, 액상 중에 파라핀 계열의 함량이 증가할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 촉매는 균일계 또는 비균일계 촉매로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 여기서 상기 균일계 또는 비균일계 촉매는 니켈, 코발트, 몰리브데넘을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수소화처리 반응기 내 가열 온도는 300 내지 450℃인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 수소화처리 반응기의 반응 공간 내 가열 온도가 300도(℃) 미만인 경우에는, 액상인 슬러리의 유동성 증가 부족으로 촉매층의 플러깅(plugging) 현상이 발생할 수 있다. 반면에, 수소화처리 반응기의 반응 공간 내 가열 온도가 450도(℃) 초과인 경우에는, 액상인 슬러리의 증가된 열용량이 과도하여 부반응이 증가함으로써 수소화 분해 반응의 효율이 저하될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수소화처리 반응기 내 압력은 40 내지 200 기압인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. 상기 수소화처리 반응기 내 압력 범위에 따라, 납사 함량이 달라질 수 있는데, 수소화 처리에서 저압(예컨대, 30 내지 50 bar)에서 납사 함량 56% 이상, 고압(예컨대, 140 내지 180 bar)에서 약 66% 이상임을 확인할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기상 또는 액상의 생성물은 가솔린, 디젤, Fuel Oil 등의 연료와 납사, 파라핀, 왁스 등의 화학 원료 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 분리기가 상기 용융조와 연결되어, 상기 분리기에서 상기 기상 또는 액상의 생성물을 분리하고, 분리된 잔사유가 열원으로서 상기 용융조에 순환되어 공급되는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 분리기에서 분리된 수소 및 잔사유를 상기 수소화 처리 반응기에 순환하여 공급하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본원의 제2 측면은,
탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치를 이용하는 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 방법에 있어서, 폐플라스틱과 탄화수소화합물을 용융조에 공급하고, 혼합 및 용융하는 제1 단계; 상기 용융된 혼합물을 수소화처리 반응기로 공급하고, 상기 혼합물에 촉매 및 수소를 공급하여 수소화 분해 반응을 수행하는 제2 단계; 및 상기 수소화처리된 혼합물을 분리기로 공급하고 기상 또는 액상의 생성물을 분리하는 제3 단계;를 포함하는 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 방법을 제공한다.
본원의 제1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제1 측면에 대해 설명한 내용은 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
이하, 본원의 제2 측면에 따른 상기 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 방법에 대하여 상세히 설명한다.
우선, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 방법은 폐플라스틱과 탄화수소화합물을 용융조에 공급하고, 혼합 및 용융하는 제1 단계;를 포함한다.
다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서. 상기 용융된 혼합물을 수소화처리 반응기로 공급하고, 상기 혼합물에 촉매 및 수소를 공급하여 수소화 분해 반응을 수행하는 제2 단계;를 포함한다.
상기 제2 단계에서, 상기 수소화처리 반응기 내 가열 온도는 300 내지 450℃인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
다음으로 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수소화처리된 혼합물을 분리기로 공급하고 기상 또는 액상의 생성물을 분리하는 제3 단계;를 포함한다.
상기 제3 단계가, 상기 분리기에서 상기 기상 또는 액상의 생성물을 분리하고, 분리된 잔사유를 상기 용융조에 열원으로서 순환하여 공급하는 것을 더 포함하는 것일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1: 수소화 실험 영향 분석
도 1은 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 및 연료 전환 장치를 도식화한 것이다. 수소화 처리 반응에 따른 생성물에 포함된 각 성분의 함량을 도 2 및 도 3에 나타내었다. 비교예로서, 수소화 처리를 하지 않고 종래와 같이 질소를 사용하여 생성물을 분석하였다.
도 2를 참조하면, 수소화 실험을 한 실시예의 경우 종래 질소를 사용한 실험보다 Cracking 더 진행되어 light한 유분이 증가함에도 불구하고 gas 함량이 약 4% 감소하였으며, 생성물 내 납사 함량은 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 3을 참조하면, 액상 생성물 내의 구성 성분 함량을 분석하였는데, 수소화 실험 시 액상 시료에 paraffin 함량이 증가한 것도 확인할 수 있었다.
실시예 2: 탄화수소 원료에 따른 영향 분석
폐플라스틱과 혼합되는 탄화수소 원료의 종류에 따른 영향을 분석하기 위해, 감압 잔사유(Vacuum Residue, VR) 또는 윤활유를 폴리프로필렌(PP)와 각각 도 4 및 도 5에 도시된 혼합비율로 혼합한 후, 수소화 처리를 포함하는 본 발명의 공정을 수행하였다.
여기서 이론값(Mixing rule)을 설정하기 위해, 폐플라스틱으로만 실험한 경우의 생성물들의 함량, 및 VR 또는 윤활유와 같은 탄화수소화합물로만 실험한 경우의 생성물들의 함량을 각각 구하고, 실제 실험의 혼합비(예컨대 2:8 또는 5:5)대로 각각 비율을 곱한 함량을 합한 후, 혼합 생성물의 함량을 나타낸 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 윤활유와 VR을 플라스틱과 혼합했을 시에 수소 분위기에서 각각 비율은 다르지만, 이론값 대비, naphtha 함량이 증가되게 나오는 것을 확인할 수 있었다. 이는 폐플라스틱 및 탄화수소화합물의 혼합이 단순 혼합 이상의 생성물 납사 합량 관점에서 시너지 효과가 나는 것을 확인할 수 있는 것이라 볼 수 있다.
상기 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
Claims (15)
- 혼합 공간을 구비하여 폐플라스틱 및 탄화수소화합물을 용융하는 용융조;
상기 용융조와 연결되고, 상기 용융조로 폐플라스틱을 공급하는 폐플라스틱공급부;
상기 용융조와 연결되고, 상기 용융조로 탄화수소화합물을 공급하는 탄화수소화합물 공급부;
상기 용융조와 연결되고, 상기 용융조에서 용융된 혼합물에 촉매를 부가하여 수소화분해 반응을 거치는 수소화처리 반응기;
상기 수소화처리 반응기와 연결되고, 상기 수소화 처리 반응기에 수소를 공급하는 수소 공급부;
상기 수소화처리 반응기와 연결되고, 상기 수소화 처리 반응기에서 처리된 혼합물을 분리하여 기상 또는 액상의 생성물을 분리하는 분리기;를 포함하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 및 연료 전환 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 탄화수소화합물은 석유화학 및 정유 공정에서 나오는 부산물인 것을 특징으로 하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 탄화수소화합물은 Pyrolized Fuel Oil(PFO), Fluid Catalytic Cracking의 Light Cycle Oil, Slurry Oil, 증류탑에서 나오는 상압잔사유, 감압잔사유, 오일샌드 비튜멘, 오리멀전으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 수소화처리 반응기는 촉매가 채워진 고정층(Fixed Bed) 반응기, 이동층(Moving Bed) 반응기, 촉매가 기상에 부유된 유동층 반응기(Fluidized bed) 및 촉매가 원료와 혼합되어 있는 슬러리층(Slurry Bed) 반응기로 이루어지는 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치.
- 제1항에 있어서,
공급되는 상기 탄화수소화합물 100중량부에 대하여, 폐플라스틱은 20 중량부 내지 110 중량부로 공급되는 것을 특징으로 하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 촉매는 균일계 또는 비균일계 촉매로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치.
- 제6항에 있어서,
상기 균일계 또는 비균일계 촉매는 니켈, 코발트, 몰리브데넘을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 수소화처리 반응기 내 가열 온도는 300 내지 450℃인 것을 특징으로 하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 수소화처리 반응기 내 압력은 40 내지 200 기압인 것을 특징으로 하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 기상 또는 액상의 생성물은 가솔린, 디젤, Fuel Oil 등의 연료와 납사, 파라핀, 왁스 등의 화학 원료 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 분리기가 상기 용융조와 연결되어, 상기 분리기에서 상기 기상 또는 액상의 생성물을 분리하고, 분리된 잔사유가 열원으로서 상기 용융조에 순환되어 공급되는 것을 특징으로 하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 분리기에서 분리된 수소 및 잔사유를 상기 수소화 처리 반응기에 순환하여 공급하는 것을 특징으로 하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치.
- 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 장치를 이용하는 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 방법에 있어서,
폐플라스틱과 탄화수소화합물을 용융조에 공급하고, 혼합 및 용융하는 제1 단계;
상기 용융된 혼합물을 수소화처리 반응기로 공급하고, 상기 혼합물에 촉매 및 수소를 공급하여 수소화 분해 반응을 수행하는 제2 단계; 및
상기 수소화처리된 혼합물을 분리기로 공급하고 기상 또는 액상의 생성물을 분리하는 제3 단계;를 포함하는 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 제2 단계에서, 상기 수소화처리 반응기 내 가열 온도는 300 내지 450인 것을 특징으로 하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 제3 단계가, 상기 분리기에서 상기 기상 또는 액상의 생성물을 분리하고, 분리된 잔사유를 상기 용융조에 열원으로서 순환하여 공급하는 것을 더 포함하는, 탄화수소화합물을 이용한 폐플라스틱의 화학원료 전환 방법.
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