KR20240037190A - 플라스틱 유화장치 및 방법 - Google Patents

플라스틱 유화장치 및 방법 Download PDF

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KR20240037190A
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Abstract

(과제)
본 발명은, 더 단순한 구성으로, 더 분해효율이 좋고, 더 안전하게 플라스틱을 유화시킬 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
(해결수단)
유화장치(100) 및 그 방법에 의하면, 400℃ 이상(바람직하게는, 400℃ 이상 500℃ 이하)으로 가열한 반응조(10)의 내부에 100℃ 이상 130℃ 이하의 수증기가 주입되기 때문에, 수증기가 아임계수1이 되어, 처리대상물이 유화되고, 그 유분 등의 기화되는 물질은 기화물질이 되어 배출수단(40)에 의하여 반응조(10)의 외부로 배출되고, 기화되지 않는 물질은 개체로서 반응조의 내부에 남는다. 이때에, 배출수단(40)이 반응조(10)의 내부의 압력을 대략 상압으로 유지시킨다. 따라서 반응조(10)의 강도를 높일 필요가 없기 때문에, 그만큼 단순한 유화장치(100)로 할 수 있어, 제조비용을 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 더 안전하고, 더 분해효율이 좋은 유화장치 및 유화방법으로 할 수 있다.

Description

플라스틱 유화장치 및 방법
본 발명은, 과열 수증기로 플라스틱을 포함하는 폐기물(폐타이어를 포함한다. 이하, 동일하다)을 분해하여 유분(油分)을 생성, 즉 유화(油化)시키는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근에 플라스틱을 포함하는 폐기물로부터 유분을 빼내는 유화장치의 개발이 진행되고 있다. 예를 들면 폐기 플라스틱 등을 분해조에 넣고, 외부에서 가열함으로써, 플라스틱의 온도를 그 열분해온도인 약 400℃로 가열하여 열분해시켜, 유분을 추출하는 유화분해장치가 있다. 이러한 장치에서는, 플라스틱의 열전도율이 낮은 경향이 있기 때문에, 장치 내를 800℃ 근처까지 가열하지 않으면 처리효율이 오르지 않는 경우가 있어, 안전면에서 문제가 있다. 그래서 안전성을 높이기 위하여, 이하와 같은 장치가 제안되어 있다.
일본국 공개특허 특개2009-221236호 공보
특허문헌1의 발명에 의하면, 반응조 내에 플라스틱을 장입(裝入)하고, 수증기 유입층에 수증기를 유입시키고, 가열장치에 의하여 수증기 유입층 내의 수증기를 과열시킴과 아울러 반응조를 가열하고, 수증기 분출노즐에 의하여 수증기를 반응조 내로 분출시켜, 플라스틱과 반응시킴으로써 유분을 분해하고, 배출부를 통하여 수증기와 유분을 반응조 외부로 배출시킬 수 있다고 되어 있다. 이에 의하면, 상압하에서 플라스틱 등을 분해할 수 있어, 안전성을 높일 수 있다고 되어 있다. 그러나 더 단순한 구성으로, 더 효율적이고, 더 안전하게 플라스틱을 유화시킬 수 있는 장치로 할 여지는 남아 있다.
그래서 본 발명은, 더 단순한 구성으로, 더 분해효율이 좋고, 더 안전하게 플라스틱을 유화시킬 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은, 플라스틱을 포함하는 처리대상물이 장입되는 반응조와,
상기 반응조 내부의 온도를 가열하는 가열수단과,
상기 반응조에 수증기를 주입하는 수증기 주입수단과,
상기 반응조에서 기화된 기화물질을 배출하는 배출수단을
구비하고,
상기 가열수단은, 상기 반응조의 내부온도를 400℃ 이상으로 가열하고,
상기 수증기 주입수단은, 100℃ 이상 130℃ 이하의 수증기를 상기 반응조 내부에 주입하고,
상기 배출수단은, 상기 기화물질을 상기 반응조 외부로 배출시킴과 아울러, 상기 반응조 내부의 압력을 대략 상압으로 유지시키는
것을 특징으로 하는 유화장치,
플라스틱을 포함하는 처리대상물이 장입되는 반응조와,
상기 반응조 내부의 온도를 가열하는 가열수단과,
상기 반응조에 수증기를 주입하는 수증기 주입수단과,
상기 반응조에서 기화된 기화물질을 배출하는 배출수단을
구비한 유화장치를 사용하여,
상기 가열수단에 의하여 상기 반응조의 내부온도를 400℃ 이상으로 가열하고,
상기 수증기 주입수단에 의하여 100℃ 이상 130℃ 이하의 수증기를 상기 반응조 내부에 주입하고,
상기 배출수단에 의하여, 상기 기화물질을 상기 반응조 외부로 배출시켜, 상기 반응조 내부의 압력을 대략 상압으로 유지시키는
것을 특징으로 하는 유화방법에 의하여 상기 과제를 해결하였다.
본 발명에 의하면, 400℃ 이상으로 가열한 반응조의 내부에, 100℃ 이상 130℃ 이하의 수증기가 주입되기 때문에, 수증기가 급격하게 374.1℃의 임계온도에 도달하고, 이에 따라 수증기의 부피가 약 317배 팽창하기 때문에, 반동압력이 가해지고, 아임계수1이 되어, 처리대상물인 유기화합물에 이온 반응장 내지 라디칼 반응장을 제공함과 아울러 가수분해반응도 일으킨다. 이에 의하여, 유기화합물로부터 유분 등의 기화되는 물질은 기화물질이 되어 배출수단에 의하여 반응조 외부로 배출되고, 기화되지 않는 물질은 개체로서 반응조 내부에 남는다. 이와 같이 본 발명에서는, 반응조를 400℃ 이상으로 가열하고, 그 내부에 100℃ 이상 130℃ 이하의 수증기를 주입하면 좋기 때문에, 더 안전하고, 더 분해효율이 좋은 유화장치 및 유화방법으로 할 수 있다. 또한 배출수단이 기화물질을 반응조 외부로 배출하여, 반응조 내부의 압력을 대략 상압으로 유지하기 때문에, 반응조의 강도를 높일 필요가 없어, 그만큼 단순한 유화장치로 할 수 있고, 제조비용을 억제할 수 있다.
또한 배출수단에 의하여 배출된 기화물질을 산화반응시켜, 수분과 유분을 분리시키는 탈염수단을 더 구비하는 구성으로 하면, 유분을 빼내기 쉽다.
또한 가열수단이, 열원과, 열원에 의하여 가열된 온풍이 반송되는 가열조로 구성되고, 온풍을 배출하는 배열수단을 더 구비하는 구성으로 하면, 반응조 내부의 온도를 소정의 온도로 하기 쉽다.
또한 가열수단이 배출수단을 가열하지 않도록 구성되어 있으면, 아임계수1은 고온 수증기가 되어 배출되어, 아임계수1이 반응조 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 안전성을 한층 더 높일 수 있다.
또한 반응조의 내부온도를 500℃ 이하로 하는 구성으로 하면, 수증기 폭발이 일어날 가능성이 낮아져, 더욱 안전하게 취급하는 것이 가능하고 분해효율이 좋은 유화장치 및 방법으로 할 수 있다.
도1은, 본 발명의 유화장치의 개략적인 도면이다.
도2는, 온도와 압력의 관계로 물의 상태를 설명하는 도면이다.
이하에, 본 발명의 실시형태를 도1∼2를 참조하여 설명한다. 다만, 본 발명은 이 실시형태에 의하여 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시형태인 유화장치(100)는, 도1에 나타내는 바와 같이, 반응조(10)와, 가열수단(20)과, 수증기 주입수단(30)과, 배출수단(40)을 구비하고, 배열수단(排熱手段)(50)과, 탈염수단(60)을 추가적으로 구비할 수 있다.
반응조(10)는, 내부에 플라스틱을 포함하는 처리대상물(폐플라스틱 및 폐타이어를 포함한다. 이하, 동일하다)을 장입(裝入)할 수 있도록 구성되어 있다. 반응조(10)는, 가열수단(20)으로부터 전달되는 열에 견딜 수 있는 소재로 형성하면 좋다. 또한 반응조(10)의 내부에서 열의 대류가 일어나기 쉽도록 그 내부구조를 고안하여도 좋다.
가열수단(20)은, 반응조(10)의 내부를 400℃ 이상(바람직하게는, 400℃ 이상 500℃ 이하)으로 가열하고, 그 온도대를 유지할 수 있으면, 공지된 열원을 이용할 수 있다. 반응조(10)에 열원을 직접 대는 구성으로 하는 것도 가능하지만, 도면에 나타내는 바와 같이, 반응조(10)의 외측을 둘러싸고 열원에 의하여 가열된 온풍이 반송되는 가열조로 하는 것이 좋다. 이에 의하여, 반응조(10)를 균등하게 가열하기 쉬워, 반응조(10)의 내부의 온도를 소정의 온도로 쉽게 만들 수 있다. 또한 열원으로서는, 예를 들면 버너나 전기로를 이용할 수 있다.
수증기 주입수단(30)은, 예를 들면 반응조(10)의 내부와 연통(連通)하는 노즐로서, 100℃ 이상 130℃ 이하의 수증기를 반응조(10)의 내부로 분출하도록 구성되어 있다. 수증기의 분사압력이나 분출량은 조정할 수 있도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 도면에 나타내어 설명하는 것은 생략하지만, 100℃ 이상 130℃ 이하의 수증기는, 보일러로 물을 가열하여 유화에 필요한 양을 생성시켜 두면 좋다.
유화장치(100)에서는, 가열수단(20)에 의하여 반응조(10)의 내부가 400℃ 이상(바람직하게는, 400℃ 이상 500℃ 이하)으로 가열되고, 수증기 주입수단(30)에 의하여 100℃ 이상 130℃ 이하의 수증기가 반응조(10)의 내부에 주입된다. 이에 의하여, 반응조(10)의 내부에서 수증기가 급격하게 374.1℃의 임계온도에 도달하고, 부피가 미소한 수증기가 급격하게 온도상승함으로써, 부피가 약 317배 팽창하기 때문에, 이에 반하는 반동압력이 수증기에 가해지고, 아임계수1이 되어, 처리대상물인 유기화합물에 이온 반응장(ion 反應場) 내지 라디칼 반응장(radical 反應場)을 제공함과 아울러 가수분해반응도 일으킨다. 이렇게 하여, 유기화합물로부터 유분 등의 기화되는 물질은 기화물질이 되고, 기화되지 않는 물질은 개체로서 반응조(10)의 내부에 남는다. 이와 같이 본 발명에서는, 반응조(10)를 400℃ 이상(바람직하게는, 400℃ 이상 500℃ 이하)으로 가열하고, 그 내부에 100℃ 이상 130℃ 이하의 수증기를 주입함으로써 플라스틱을 유화시킬 수 있기 때문에, 더 안전하고, 분해효율을 더 좋게 할 수 있다. 또한 대부분의 폐플라스틱은, 반응조(10)를 400℃ 이상 450℃ 이하로 가열하면 분해시킬 수 있지만, 폐타이어의 경우에는 반응조를 450℃보다 높은 온도(바람직하게는, 450℃ 이상 500℃ 이하)로 가열함으로써 분해시킬 수 있다.
기화물질은, 배출수단(40)에 의하여 반응조(10)의 외부로 배출된다. 배출수단(40)은, 반응조(10)의 내부에서 기화된 기화물질을 반응조(10)의 외부로 배출시킬 수 있으면, 단순하게 관상(管狀)의 배기관으로 하여도 좋지만, 필요에 따라 압력밸브를 설치하거나, 혹은 반응조(10)의 외부를 향한 송풍장치나 흡인장치를 구비할 수도 있다. 배출수단(40)은, 기화물질을 반응조(10)의 외부로 배출시켜, 반응조(10)의 내부의 압력을 대략 상압(상압보다도 약간 높은 압력을 포함한다)으로 유지시킨다. 이는, 관의 형상이나 크기를 고안하거나, 혹은 반응조(10)의 내부에 설치한 압력센서와 배출량을 조정하는 배출량 조정기구를 연동시키는 것 등에 의하여 실현할 수 있다. 이와 같이 배출수단(40)이 반응조(10)의 내부의 압력을 대략 상압으로 유지시킴으로써, 반응조(10)의 벽의 강도(强度)를 필요 이상으로 높일 필요가 없기 때문에, 그만큼 단순한 유화장치(100)로 할 수 있어, 제조비용을 억제할 수 있다.
여기에서 가열수단(20)이 배출수단(40)을 가열하지 않도록 구성함으로써, 반응조(10)의 내부에서 생성된 아임계수1은 배출수단(40)에 의하여 고온 수증기로 배출되어, 아임계수1이 반응조(10)의 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 안전성을 한층 더 높일 수 있다.
배열수단(50)은, 가열수단(20)에 의하여 발생한 열을 배열시킬 수 있으면, 단순하게 관상의 배열관으로 하여도 좋지만, 필요에 따라 송풍장치나 흡인장치를 구비할 수도 있다. 특히 가열수단(20)이 열원에 의하여 가열된 온풍을 반송하는 가열조인 경우에, 이 온풍을 배출하는 구성으로 할 수 있다. 또한 반응조(10)의 내부의 온도가 400℃ 이상(바람직하게는, 400℃ 이상 500℃ 이하)으로 유지되도록 배열량을 조정하는 구성으로 하여도 좋다.
탈염수단(60)은, 배출수단(40)에 의하여 반응조(10)로부터 배출된 기화물질을 산화반응시켜 수분과 유분으로 분리시킬 수 있으면, 공지의 탈염장치를 적용할 수 있다. 탈염수단(60)을 구비함으로써, 유화된 유분을 쉽게 빼낼 수 있다. 또한 탈염수단(60)에 기화물질을 효율적으로 유입시키기 위하여, 송풍장치나 흡인장치를 구비하여도 좋다. 또한 탈염수단(60)에 유입되는 기화물질을 원하는 온도로 하기 위하여, 반응조(10)와 탈염수단(60)의 사이에 열교환장치를 설치하여도 좋다.
상기한 유화장치(100)를 사용하여, 이하와 같이 플라스틱을 포함하는 처리대상물을 유화시킬 수 있다. 먼저 가열수단(20)에 의하여, 처리대상물이 장입된 반응조(10)의 내부온도를 400℃ 이상(바람직하게는, 400℃ 이상 500℃ 이하)으로 가열하고, 수증기 주입수단(30)에 의하여 100℃ 이상 130℃ 이하의 수증기를 반응조(10)의 내부에 주입한다. 이에 의하여, 반응조(10)의 내부에서 수증기가 급격하게 374.1℃의 임계온도에 도달하고, 부피가 미소한 수증기가 급격하게 온도상승함으로써, 부피가 약 317배 팽창하기 때문에, 이에 반하는 반동압력이 수증기에 가해지고, 아임계수1이 되어, 처리대상물인 유기화합물에 이온 반응장 내지 라디칼 반응장을 제공함과 아울러 가수분해반응도 일으킨다. 이렇게 하여, 유기화합물로부터 유분 등의 기화되는 물질은 기화물질이 되고, 기화되지 않는 물질은 개체로서 반응조(10)의 내부에 남는다.
이어서 배출수단(40)에 의하여, 기화물질이 반응조(10)의 외부로 배출되고, 이때에 반응조(10)의 내부의 압력은 대략 상압으로 유지된다. 이에 의하여, 수증기 주입수단(30)으로 반응조(10)의 내부에 주입된 수증기는, 반응조(10)의 내부에서 아임계수1로의 반응을 한 후에, 배출수단(40)으로부터 아임계수1로서가 아니라 기화물질을 포함한 고온 수증기로서 배출된다. 따라서 취급이 위험하고 제조비용이 높은 아임계수1을 안전하고 저비용으로 생성하는 것이 가능해진다.
유화장치(100)가 탈염수단(60)을 구비하는 경우에, 배출수단(40)에 의하여 배출된 기화물질이 탈염수단(60)으로 반송되고, 그 기화물질을 산화반응시켜, 수분과 유분으로 분리한다.
이와 같이 유화장치(100)에 의한 유화방법에 의하면, 반응조(10)의 내부에 수증기를 주입할 때에, 반응조(10)의 내부의 압력이 대략 상압이기 때문에, 수증기의 분사압력을 필요 이상으로 고압으로 하지 않아도 좋아, 안전성을 높일 수 있다. 또한 반응조(10)의 내부에서는, 수증기의 개개의 수적(水滴)이 가열되어 팽창함으로써 압력이 높아지지만, 배출수단(40)에 의하여 감압되기 때문에, 반응조(10)의 내부의 압력은 대략 상압이 된다. 이에 의하여, 반응조(10)의 강도를 높일 필요가 없기 때문에, 그만큼 단순한 유화장치(100)로 할 수 있어, 제조비용을 억제할 수 있다. 또한 반응조(10)의 내벽에는, 처리대상물의 유분이 기화되어 부착됨으로써, 유막(油膜)이 형성되기 때문에, 아임계수1의 산화반응을 방지할 수 있다.
다음에, 도2를 참조하여 초임계수, 아임계수1 및 아임계수2의 특성에 대하여 설명한다. 초임계수는, 374.1℃ 이상 및 22.1MPa(218기압) 이상의 유체이다. 초임계수의 밀도는, 온실의 액체수(液體水)(1g/㎤)의 0.03∼0.4배 정도이고, 100℃, 0.1MPa의 수증기에 비하여 수십∼수백 배 크다. 점도율은 기체 정도로 낮고, 자기확산계수는 액체와 기체의 중간 정도이고, 큰 운동에너지를 가지고, 액체의 1/10 정도의 밀도를 가지는 활동적인 유동체이다. 온도, 압력을 제어함으로써, 밀도나 용해도 등의 매크로적인 물성에서부터, 유체분자의 용매화 구조(溶媒和 構造) 등의 미크로적인 물성·구조까지 연속으로 또 대폭으로 제어할 수 있고, 유전율이나 이온곱이라고 하는 반응장에 큰 영향을 미치는 요소의 제어가 용이하여, 단일용매이고, 또한 수용성에서부터 비수용성의 특성을 나타내고, 이온 반응장 내지 라디칼 반응장까지를 제공할 수 있다. 초임계수는, 강력한 산화력으로 부식되기 어렵다고 하는 귀금속도 부식시킨다. 상온, 상압하에서 안정된 물질인 셀룰로오스나 다이옥신, PCB(폴리염화비페닐)도 초임계수 중에서는 분해가 가능하다. 산화력이 매우 높기 때문에 취급이 어려운 것이기도 하다.
아임계수1은, 374.1℃ 이상의 고온이지만, 임계압력인 22.1MPa에 도달하지 않는 정도의 고압의 수증기이다. 초임계수와 같이 큰 운동에너지를 가지고, 활동적인 수증기(기체 분류)로서, 이온 반응장 내지 라디칼 반응장까지 제공하는 수증기이지만, 초임계유체까지로는 되지 않는다. 온도를 고온으로 하거나 압력을 올림으로써, 초임계유체에 보다 가까운 것이 된다. 예를 들면 700℃, 10MPa의 유전율 1.1이 되면, 벤젠과 같은 유전율이 낮은 유기물을 용해할 수 있게 된다.
아임계수2는, 150∼350℃, 0.5∼25MPa의 큰 가수분해력을 가지는 고온고압의 액체수이다. 초임계수나 아임계수1의 유전율 1∼10 정도에 대하여 아임계수2는 15∼45로 약∼중극성의 용매이고, 이온곱도 초임계수나 아임계수1의 10-15∼10-29mol2/kg2에 대하여 10-12∼10-11 정도까지 저하되기 때문에, 초임계수나 아임계수1보다 취급이 용이하다.
이상과 같이 초임계수나 아임계수1은, 온도나 압력을 변화시킴으로써, 단일용매이면서 수용성에서부터 비수용성의 특성을 나타내고, 이온 반응장 내지 라디칼 반응장까지를 제공할 수 있기 때문에, 온도나 압력을 선택함으로써 다양한 용도로 활용할 수 있다.
본 발명의 유화장치 및 그 방법은, 폐기물처리 중에서 처리가 곤란한 폐기물이나 비용이 드는 폐기물에 유효하게 활용할 수 있기 때문에, 사회적 의의가 크다. 구체적으로는, 감염성 의료폐기물을 시설 내에서 처리함으로써 사회적 리스크를 저감시킬 수 있는 것, 해양폐기물(해안쓰레기 등) 등의 혼합쓰레기에 대하여 염분처리를 하지 않고 대응할 수 있는 것, 폐유의 불순물을 분리함으로써 연료 등으로 이를 재이용할 수 있는 것, 경우에 따라서는 화학물질을 포함한 산업폐기물의 유화도 실시할 수 있는 것을 들 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 더 단순한 구성으로, 더 분해효율이 좋고, 더 안전하게 플라스틱을 유화시킬 수 있는 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
10 : 반응조
20 : 가열수단
30 : 수증기 주입수단
40 : 배출수단
50 : 배열수단
60 : 탈염수단
100 : 유화장치

Claims (10)

  1. 플라스틱을 포함하는 처리대상물이 장입(裝入)되는 반응조와,
    상기 반응조 내부의 온도를 가열하는 가열수단과,
    상기 반응조에 수증기를 주입하는 수증기 주입수단과,
    상기 반응조에서 기화된 기화물질을 배출하는 배출수단을
    구비하고,
    상기 가열수단은, 상기 반응조의 내부온도를 400℃ 이상으로 가열하고,
    상기 수증기 주입수단은, 100℃ 이상 130℃ 이하의 수증기를 상기 반응조 내부에 주입하고,
    상기 배출수단은, 상기 기화물질을 상기 반응조 외부로 배출시킴과 아울러, 상기 반응조 내부의 압력을 상압으로 유지시키는
    것을 특징으로 하는 유화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배출수단에 의하여 배출된 기화물질을 산화반응시켜, 수분과 유분을 분리시키는 탈염수단을 더 구비하는 유화장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열수단이, 열원과, 상기 열원에 의하여 가열된 온풍이 반송되는 가열조로 구성되고,
    상기 온풍을 배출하는 배열수단(排熱手段)을 더 구비하는
    유화장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가열수단이 상기 배출수단을 가열하지 않도록 구성되어 있는 유화장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 가열수단이, 상기 반응조의 내부온도를 500℃ 이하로 가열하는 유화장치.
  6. 플라스틱을 포함하는 처리대상물이 장입되는 반응조와,
    상기 반응조 내부의 온도를 가열하는 가열수단과,
    상기 반응조에 수증기를 주입하는 수증기 주입수단과,
    상기 반응조에서 기화된 기화물질을 배출하는 배출수단을
    구비한 유화장치를 사용하여,
    상기 가열수단에 의하여 상기 반응조의 내부온도를 400℃ 이상으로 가열하고,
    상기 수증기 주입수단에 의하여 100℃ 이상 130℃ 이하의 수증기를 상기 반응조 내부에 주입하고,
    상기 배출수단에 의하여, 상기 기화물질을 상기 반응조 외부로 배출시켜, 상기 반응조 내부의 압력을 상압으로 유지시키는
    것을 특징으로 하는 유화방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유화장치가, 탈염수단을 더 구비하고,
    상기 탈염수단에 의하여, 상기 배출수단에 의하여 배출된 기화물질을 산화반응시켜, 수분과 유분을 분리하는
    유화방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 유화장치가, 배열수단을 더 구비하고,
    상기 가열수단이, 열원과, 상기 열원에 의하여 가열된 온풍이 반송되는 가열조로 구성되고,
    상기 배열수단에 의하여 상기 온풍을 배출하는
    유화방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 가열수단이 상기 배출수단을 가열하지 않도록 구성되어 있는 유화방법.
  10. 제6항 내지 제9항 중의 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 가열수단에 의하여 상기 반응조의 내부온도를 500℃ 이하로 가열하는 유화방법.
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