KR20240038197A - 폐플라스틱 열분해장치 및 열분해방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐플라스틱 열분해장치 및 열분해방법에 관한 것으로, 폐플라스틱을 포함하는 원료물질이 가열되어 열분해되는 열분해로와, 상기 열분해로에서 원료물질이 분해되어 생성된 탄화수소 혼합물이 냉각되는 냉각기와, 합성가스를 포함한 제1 가스생성물을 생성하도록 상기 냉각기에서 냉각된 상기 탄화수소 혼합물이 개질되는 개질기와, 수소가 포함된 제2 가스생성물을 생성하도록 상기 제1 가스생성물을 수증기와 반응시키는 수성가스 전환기와, 상기 제2 가스생성물로부터 수소와 잔여가스를 분리시키는 분리기와, 상기 분리기에서 공급된 잔여가스를 연소시키는 연소기를 포함하여 폐플라스틱이 함유하고 있는 고분자 탄화수소를 수소로 전환한다.

Description

폐플라스틱 열분해장치 및 열분해방법{PYROLYSIS METHOD AND APPARATUS FOR WASTE PLASTIC}
본 발명은 폐플라스틱 열분해장치 및 열분해방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력분야에서 절연재료로 사용되었던 플라스틱 폐기물을 열분해를 거쳐 연료화하여 에너지 자원을 회수할 수 있는 폐플라스틱 열분해장치 및 열분해방법에 관한 것이다.
최근 전력 설비의 확충에 대한 대안으로 상용 전압을 높여 설비를 운영하려는 시도가 행해지고 있으며, 이에 따라 전기 절연 성능을 이전보다 높일 필요를 가져온다.
최근 소재 기술의 발전으로 개발되기 시작한 폴리머 절연재는 가벼워 시공이 간편하고 공사비용을 현저히 줄일 수 있는 등 경제적이며 전기적 특성도 우수하여 그 사용이 급격하게 증가하고 있다.
따라서 절연재 애자, 전선 및 전력용 케이블의 절연 피복재, 이들의 접속을 위해 사용되는 각종 접속재로 폴리머 절연 재료가 사용되고 있다.
문제는 수명을 다한 폴리머 절연 재료의 처리 방법으로, 폴리머 절연 재료들은 세라믹에 비해 수명이 상대적으로 짧아 향후 수명이 종료된 폴리머 폐기물의 배출이 증가할 것으로 예상되고 이에 따른 폐기물 처리 비용도 급격이 증가할 것으로 예상된다.
현재까지 수명 종기에 이른 폐기물들은 일부 재활용이 가능한 부분을 소량 재활용하는 것을 제외하고는 대부분 매립이나 소각에 의해 처리하는 것으로 알려져 있으며 이 과정에서 토양이나 지하수의 오염과 같은 2차 오염문제와 소각시 대기오염물질을 배출하여 발생하는 대기오염 문제를 야기하는 것으로 알려져 있다.
이와 관련하여 석유나 코크스 등의 화석 연료를 이용하여 플라스틱을 소각하는 방법이 있으나, 가열온도에 한계에 있어 절연 재료로 사용되는 필러가 대량 함유된 플라스틱의 경우 소각잔사 중에 존재하는 무기물이나 금속을 따로 처리해야 하는 문제점이 있다.
또한, 기존의 대부분의 폐플라스틱 열분해 특허는 합성가스 생산 극대화를 통한 냉가스 효율이 극대화가 주로 목적이므로, 잔류 촤(Char)와의 반응을 통해 CO를 생산할 수 있으나 나중에 결국 CO2를 발생하므로 온실효과에 기여하는 문제점이 있다.
한국등록특허공보 제10-2052311호
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 폐플라스틱 열분해장치가 가지고 있는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 전력분야에서 절연재료로 사용되었던 폐플라스틱을 친환경적으로 처리하고, 에너지 자원을 회수할 수 있는 폐플라스틱 열분해장치 및 열분해방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 폐플라스틱 열분해장치는, 폐플라스틱을 포함하는 원료물질이 가열되어 열분해되는 열분해로; 상기 열분해로에서 원료물질이 분해되어 생성된 탄화수소 혼합물이 냉각되는 냉각기; 합성가스를 포함한 제1 가스생성물을 생성하도록 상기 냉각기에서 냉각된 상기 탄화수소 혼합물이 개질되는 개질기; 수소가 포함된 제2 가스생성물을 생성하도록 상기 제1 가스생성물을 수증기와 반응시키는 수성가스 전환기; 상기 제2 가스생성물로부터 수소와 잔여가스를 분리시키는 분리기; 및 상기 분리기에서 공급된 잔여가스를 연소시키는 연소기;를 포함한다.
상기 열분해로는, 상기 원료물질을 500℃ 이상 1,000℃ 이하의 온도에서 열분해할 수 있다.
상기 냉각기는, 상기 탄화수소 혼합물로부터 액상 탄화수소가 분리되도록 상기 탄화수소 혼합물을 상온으로 냉각시킬 수 있다.
상기 개질기는, 액상 탄화수소가 분리된 상기 탄화수소 혼합물을 산소 함유 기체 분위기에서 300℃ 이상 900℃ 이하의 온도로 개질시킬 수 있다.
상기 수성가스 전환기는, 상기 제1 가스생성물을 수증기 함유 기체 분위기에서 400℃ 이상 800℃ 이하로 반응시킬 수 있다.
상기 분리기는, 상기 제2 가스생성물이 수소와 수소를 제외한 잔여가스로 분리되도록 상기 제2 가스생성물을 기체분리막으로 통과시킬 수 있다.
상기 연소기는, 산소 함유 기체 분위기에서 상기 잔여가스를 연소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 폐플라스틱 열분해방법은, 폐플라스틱을 포함하는 원료물질을 열분해로에 공급하는 원료물질 공급단계; 상기 열분해로에서 상기 원료물질을 가열하여 열분해하는 열분해단계; 냉각기에서 상기 열분해단계에서 상기 원료물질이 열분해되어 생성된 탄화수소 혼합물을 냉각하는 냉각단계; 개질기에서 상기 냉각단계에서 냉각된 상기 탄화수소 혼합물을 개질하여 합성가스를 포함한 제1 가스생성물을 생성하는 개질단계; 수성가스 전환기에서 상기 제1 가스생성물을 수증기와 반응시켜 수소가 포함된 제2 가스생성물로 전환하는 수성가스 전환단계; 분리기에서 상기 제2 가스생성물로부터 수소와 잔여가스를 분리하는 분리단계; 및 연소기에서 상기 분리기로부터 공급된 잔여가스를 연소하는 연소단계;를 포함한다.
상기 열분해단계는, 원료물질을 가열하여 500℃ 이상 1,000℃ 이하의 온도에서 열분해할 수 있다.
상기 냉각단계는, 상기 탄화수소 혼합물을 상온으로 냉각시켜 액상 탄화수소를 분리할 수 있다.
상기 개질단계는, 상기 탄화수소 혼합물을 산소 함유 기체 분위기에서 300℃ 이상 900℃ 이하의 온도로 개질할 수 있다.
상기 수성가스 전환단계는, 상기 제1 가스생성물을 수증기 함유 기체 분위기에서 400℃ 이상 800℃ 이하의 온도로 반응시킬 수 있다.
상기 분리단계는, 상기 제2 가스생성물을 흡착제가 구비된 흡착탑으로 통과시켜 수소와, 수소를 제외한 잔여가스로 분리할 수 있다.
상기 연소단계는, 산소 함유 기체 분위기에서 상기 잔여가스를 연소할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 폐플라스틱 열분해장치 및 열분해방법에 의하면, 폐플라스틱이 함유한 염소(Cl)가 반응기 내에서 환원 혹은 산화되어 대기 중에 방출되면서 인체에 영향을 미치는 것을 방지하도록 비교적 낮은 온도에서 플라스틱 고형물질 내에 함유하고 있는 Cl을 열분해장치 내에서 촤(char) 형태로 생성한다.
또한, 본 발명에 따른 폐플라스틱 열분해장치 및 열분해방법에 의하면 코로나 19로 인해 발생하고 있는 폐플라스틱을 이산화탄소 증대 없이 제거할 수 있으며, 폐플라스틱이 함유하고 있는 고분자 탄화수소를 수소로 전환함으로 수소사회에 기여한다.
도 1은 본 발명에 따른 폐플라스틱 열분해장치의 흐름을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 폐플라스틱 열분해장치의 개질기에서 탄화수소 혼합물과 화학양론에 따른 산소량을 100질량%로 두고 실제 산소량을 0질량% 내지 30질량%를 공급하였을 때, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 전체 탄화수소의 몰분율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 폐플라스틱 열분해장치의 개질기에서 탄화수소 혼합물을 수증기와 반응시켰을 때, 수증기와 연료(탄화수소 혼합물)의 질량비에 따라 달라지는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 전체 탄화수소의 몰분율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 폐플라스틱 열분해장치의 수성가스 전환기를 외부에서 바라본 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 폐플라스틱 열분해장치의 분리기를 외부에서 바라본 도이다.
도 6은 본 발명에 따른 폐플라스틱 열분해방법를 순서대로 나타낸 도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
폐플라스틱으로 사용되는 플라스틱은 배전 분야에서 절연재로로 사용되는 플라스틱으로, 표 1과 같이 일반 생활폐기물의 3배에 달하는 높은 열량을 가지고 있어 분해하는 경우 연료를 충당할 수 있으며 폐플라스틱의 배출과정에서 발생하는 산업폐기물의 양을 줄일 수 있다.
폴리머 종류 열량(kcal/kg)
폴리에틸렌(PE) 11,110
폴리플로필렌(PP) 11,000
폴리비닐클로라이드(PVC) 4,380
폴리스틸렌(PS) 9,950
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해장치는, 폐플라스틱을 포함하는 원료물질이 가열되어 열분해되는 열분해로(10)와, 상기 열분해로(10)에서 상기 원료물질이 분해되어 생성된 탄화수소 혼합물이 냉각되는 냉각기(20)와, 합성가스를 포함한 제1 가스생성물을 생성하도록 상기 냉각기(20)에서 냉각된 상기 탄화수소 혼합물이 개질되는 개질기(30)와, 수소가 포함된 제2 가스생성물을 생성하도록 상기 제1 가스생성물을 수증기와 반응시키는 수성가스 전환기(40)와, 상기 제2 가스생성물로부터 수소와 잔여가스를 분리시키는 분리기(50)와, 상기 분리기에서 공급된 상기 잔여가스를 연소시키는 연소기(60)를 포함한다.
상기 열분해로(10)은 고온 조건 및 무산소 비활성 기체 조건에서 폐플라스틱을 포함하는 원료 물질 내에 있는 수분을 제거하면서, 폐플라스틱을 구성하는 고분자 사슬이 분해된다.
고분자 사슬이 분해되면서 상기 탄화수소 혼합물은 가스상으로 휘발되고, 탄화된 폐플라스틱 잔여물은 촤(Char)의 형태로 열분해로(10)에 잔류하게 된다.
상기 폐플라스틱 잔여물의 대부분 탄소를 함유하고 있는 잔류 촤는 활성탄으로 재활용하거나 지표면에 매장하려 처리할 수 있다.
상기 열분해로(10)에서는 상기 원료물질을 500℃ 이상 1,000℃ 이하의 온도에서 열분해한다.
상기 원료물질이 500℃ 미만에서 열분해되는 경우, 충분한 열에너지가 공급되지 않아 불완전한 분해가 발생하거나 활성화 에너지 미만으로 아예 분해되지 않을 수 있다.
상기 원료물질이 1,000℃를 초과하는 온도로 분해되는 경우, 폐플라스틱을 구성하는 성분에 따라 용융되거나 에너지 소모가 과도하게 증가할 수 있다.
상기 냉각기(20)는 상기 탄화수소 혼합물로부터 액상 탄화수소가 분리되도록 상기 탄화수소 혼합물을 상온으로 냉각시킨다.
상기 냉각기(20)에서는 상기 열분해로(10)에서 공급되는 상기 탄화수소 혼합물을 단계적으로 냉각하여 상온에 도달하도록 하여, 상온에서 액상으로 유지되는 탄화수소를 분리할 수 있으며 다른 화학반응에서 사용되거나 연료로 사용될 수 있다.
예시적으로 종래 폐플라스틱을 통해 열분해하여 끓는점이 100℃ 미만인 경질 나프타 또는 끓는점이 100℃ 이상 350℃ 이하인 중질 나프타를 획득할 수 있어 연료 재활용이 가능하다.
여기에서 상온은 15℃ 이상 25℃ 이하의 온도를 말한다.
상기 개질기(30)는 액상 탄화수소가 분리된 상기 탄화수소 혼합물을 산소 함유 기체 분위기에서 300℃ 이상 900℃ 이하의 온도로 개질시켜 제1 가스생성물을 생성시킨다.
상기 개질기(30)에서 상기 탄화수소 혼합물을 300℃ 미만에서 개질시키는 경우, 개질반응이 불완전하게 발생하여 상기 탄화수소 혼합물에서 수소 등의 회수율이 떨어질 수 있다.
또한, 상기 개질기(30)에서 상기 탄화수소 혼합물을 900℃를 초과하여 개질시키는 경우, 외부에서 공급된 산소와 연소반응이 발생하여 물(H2O)가 발생하여 순수한 수소 효율이 감소할 수 있다.
상기 냉각기(20)를 거쳐 액상 탄화수소가 분리된 상기 탄화수소 혼합물은 산소 또는 스팀(steam)과 아래와 같이 반응하여 대부분 합성가스로 전환될 수 있으며 이에 적용되는 식은 아래 [반응식 1] 및 [반응식 2]과 같다.
[반응식 1]
[반응식 2]
도 2은 액상 탄화수소가 분리된 탄화수소 혼합물(CnHm)와 산소를 반응식 1에 따라 반응시켰을 때, 화학양론에 따른 산소량을 100질량%로 두고 실제 산소량을 0질량% 내지 30질량%를 공금하였을 때, 개질 후에 생성된 제1 가스생성물에 포함된 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 전체 탄화수소(THC)의 몰분율을 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 20질량%에서 수소 몰분율(적색선)이 가장 높은 것을 확인할 수 있으며, 20질량%을 초과하면 감소하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 개질기(30)에서는 상기 탄화수소 혼합물의 개질에 필요한 화학양론적인 수소량 대비 20질량%를 공급하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 도 3은 액상 탄화수소가 분리된 탄화수소 혼합물(CnH2n+2)와 수증기와 반응식 2에 따라 반응시켰을 때, 개질 후에 생성된 제1 가스생성물에 포함되어 수증기와 연료(탄화수소 혼합물)의 질량비에 따라 달라지는 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 전체 탄화수소(THC)의 몰분율을 나타낸 그래프이다.
도 3를 참조하면, 수증기/연료의 질량비가 0.5일 때, 수소의 몰분율이 0.4이고, 수증기/연료의 질량비가 증가하면서 수증기의 공급량이 늘어나도 수소의 몰분율은 0.42로 소폭 증가하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 개질기(30)에서는 상기 탄화수소 혼합물의 개질에 필요한 수증기량과 상기 탄화수소 혼합물의 비는 0.5가 되도록 하는 것이 가장 바람직하다.
상기 수성가스 전환기(40)는 상기 제1 가스생성물을 수증기 함유 기체 분위기에서 400℃ 이상 800℃ 이하로 반응시켜 제2 가스생성물을 생성시킨다.
도 4과 같이 상기 수성가스 전환기(40)에서는 상기 제1 가스생성물에 포함된 일산화탄소(CO)가 수증기와 반응하여 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)를 생성하며 전체 반응식은 [반응식 3]과 같다.
[반응식 3]
상기 수성가스 전환기(40)에서 상기 제1 가스생성물을 400℃ 미만에서 반응시키는 경우, 수성가스 전환반응이 불완전하게 발생하여 상기 제2 가스생성물에서 수소 등의 회수율이 떨어질 수 있다.
또한, 상기 수성가스 전환기(40)에서 상기 제1 가스생성물을 800℃를 초과하여 반응시키는 경우, 외부에서 공급된 물이 고온에서 분해되면서 흡열이 발생하면서 반응 효율이 감소할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 분리기(50)에서는 상기 제2 가스생성물이 수소와 수소를 제외한 잔여가스로 분리되도록 상기 제2 가스생성물을 수소를 흡착가능한 흡착제가 구비된 흡착탑으로 통과시켜 수소를 흡착분리하고, 수소가 제거된 잔여가스를 배출한다.
상세한 분리기(50)의 원리는 한국등록특허공보 제10-0896455호(압력변동흡착장치 및 이를 이용한 수소 정제 방법)를 참조하며 실시할 수 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 연소기(60)는 산소 함유 기체 분위기에서 상기 잔여가스를 연소시켜 이산화탄소와 수증기의 형태로 배출하게 되며, 배출된 수증기는 보일러급수(Boiler Feed Water;BFP)로 보충되어 상기 수성가스 전환기(40)에 재공급된다.
그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해방법은, 폐플라스틱을 포함하는 원료물질을 열분해로(10)에 공급하는 원료물질 공급단계(S10)와, 상기 열분해로(10)에서 상기 원료물질을 가열하여 열분해하는 열분해단계(S20)와, 냉각기(20)에서 상기 열분해단계(S20)에서 상기 원료물질이 열분해되어 생성된 탄화수소 혼합물을 냉각하는 냉각단계(S30)와, 개질기(30)에서 상기 냉각단계(S30)에서 냉각된 상기 탄화수소 혼합물을 개질하여 합성가스를 포함한 제1 가스생성물을 생성하는 개질단계(S40)와, 수성가스 전환기(40)에서 상기 제1 가스생성물을 수증기와 반응시켜 수소가 포함된 제2 가스생성물로 전환하는 수성가스 전환단계(S50)와, 분리기(50)에서 상기 제2 가스생성물로부터 수소와 잔여가스를 분리하는 분리단계(S60)와, 연소기(60)에서 상기 분리기(50)로부터 공급된 잔여가스를 연소하는 연소단계(S70)를 포함한다.
상기 열분해단계(S20)는 원료물질을 가열하여 500℃ 이상 1,000℃ 이하의 온도에서 열분해한다.
상기 열분해단계(S20)에서 상기 원료물질이 500℃ 미만에서 열분해되는 경우, 충분한 열에너지가 공급되지 않아 불완전한 분해가 발생하거나 활성화 에너지 미만으로 아예 분해되지 않을 수 있다.
상기 열분해단계(S20)에서 상기 원료물질이 1,000℃를 초과하는 온도로 분해되는 경우, 폐플라스틱을 구성하는 성분에 따라 용융되거나 에너지 소모가 과도하게 증가할 수 있다.
상기 냉각단계(S30)는 상기 탄화수소 혼합물을 상온으로 냉각시켜 액상 탄화수소를 분리한다.
상기 냉각단계(S30)에서는 20℃/분 이상 100℃/분 이하의 속도로 상기 열분해로(10)에서 공급되는 상기 탄화수소 혼합물을 단계적으로 냉각하여 상온에 도달하도록 하여, 상온에서 액상으로 유지되는 탄화수소를 분리할 수 있으며 다른 화학반응에서 사용되거나 연료로 사용될 수 있다.
상기 냉각단계(S30)에서 상기 탄화수소 혼합물이 20℃/분 미만의 속도로 냉각되는 경우, 냉각시간이 오래 소요되어 전체 반응시간이 늘어나 경제성이 떨어지며, 상기 탄화수소 혼합물이 100℃/분을 초과하는 속도로 냉각되는 경우 냉각되면서 단계적으로 분리되는 액상 탄화수소 화합물의 특성을 균일하게 유지하기 어렵다.
예시적으로 종래 폐플라스틱을 통해 열분해하여 끓는점이 100℃ 미만인 경질 나프타 또는 끓는점이 100℃ 이상 350℃ 이하인 중질 나프타를 획득할 수 있어 연료 재활용이 가능하다.
상기 개질단계(S40)는 상기 탄화수소 혼합물을 산소 함유 기체 분위기에서 개질기(30) 내에서 300℃ 이상 900℃ 이하의 온도로 개질하여 산소 또는 스팀(steam)과 반응하여 대부분 합성가스로 전환시킨다.
상세한 반응공정은 [반응식 1]과 [반응식 2]를 참조할 수 있다.
상기 개질단계(S40)에서 상기 탄화수소 혼합물을 300℃ 미만에서 개질기(30) 내에서 개질시키는 경우, 개질반응이 불완전하게 발생하여 상기 탄화수소 혼합물에서 수소 등의 회수율이 떨어질 수 있다.
또한, 상기 개질단계(S40)에서 상기 탄화수소 혼합물을 900℃를 초과하여 개질기(30)에서 개질시키는 경우, 외부에서 공급된 산소와 연소반응이 발생하여 물(H2O)가 발생하여 순수한 수소를 회수하는 효율이 감소할 수 있다.
상기 수성가스 전환단계(S50)는 상기 제1 가스생성물을 수증기 함유 기체 분위기에서 400℃ 이상 800℃ 이하의 온도로 반응시켜 상기 제1 가스생성물에 포함된 일산화탄소(CO)가 수증기와 반응하여 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)를 생성하도록 한다.
상세한 반응식은 상기 [반응식 3]을 참조할 수 있다.
상기 수성가스 전환단계(S50)에서 제1 가스생성물을 400℃ 미만에서 수성가스 전환기(40) 내에서 반응하는 경우, 수성가스 전환반응이 불완전하게 발생하여 상기 제2 가스생성물에서 수소 등의 회수율이 떨어질 수 있다.
또한, 상기 수성가스 전환단계(S50)에서 제1 가스생성물을 800℃를 초과하여 수성가스 전환기(40) 내에서 반응하는 경우, 외부에서 공급된 물이 고온에서 분해되면서 흡열이 발생하면서 반응 효율이 감소할 수 있다.
상기 분리단계(S60)에서는 상기 제2 가스생성물이 수소와 수소를 제외한 잔여가스로 분리되도록 상기 제2 가스생성물을 분리기(50) 내부의 수소를 흡착가능한 흡착제가 구비된 흡착탑으로 통과시켜 수소를 흡착분리하고 수소가 제거된 잔여가스를 배출한다.
상세한 분리방법은 한국등록특허공보 제10-0896455호(압력변동흡착장치 및 이를 이용한 수소 정제 방법)를 참조하며 실시할 수 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 연소단계(S70)는 산소 함유 기체 분위기에서 상기 잔여가스를 연소시켜 이산화탄소와 수증기의 형태로 배출한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐플라스틱 열분해방법은 상기 연소단계(S70)에서 연소기(60)로부터 배출되는 수증기를 보일러급수(Boiler Feed Water;BFP)로 보충하고 상기 수성가스 전환기(40)에 재공급하는 재공급단계를 더 포함한다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10 : 열분해로
20 : 냉각기
30 : 개질기
40 : 수성가스 전환기
50 : 분리기
60 : 연소기
S10 : 원료물질 공급단계
S20 : 열분해단계
S30 : 냉각단계
S40 : 개질단계
S50 : 수성가스 전환단계
S60 : 분리단계
S70 : 연소단계

Claims (14)

  1. 폐플라스틱을 포함하는 원료물질이 가열되어 열분해되는 열분해로;
    상기 열분해로에서 상기 원료물질이 분해되어 생성된 탄화수소 혼합물이 냉각되는 냉각기;
    합성가스를 포함한 제1 가스생성물을 생성하도록 상기 냉각기에서 냉각된 상기 탄화수소 혼합물이 개질되는 개질기;
    수소가 포함된 제2 가스생성물을 생성하도록 상기 제1 가스생성물을 수증기와 반응시키는 수성가스 전환기;
    상기 제2 가스생성물로부터 수소와 잔여가스를 분리시키는 분리기; 및
    상기 분리기에서 공급된 상기 잔여가스를 연소시키는 연소기;
    를 포함하는 폐플라스틱 열분해장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열분해로는,
    상기 원료물질을 500℃ 이상 1,000℃ 이하의 온도에서 열분해하는 폐플라스틱 열분해장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각기는,
    상기 탄화수소 혼합물로부터 액상 탄화수소가 분리되도록 상기 탄화수소 혼합물을 상온으로 냉각시키는 폐플라스틱 열분해장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 개질기는,
    액상 탄화수소가 분리된 상기 탄화수소 혼합물을 산소 함유 기체 분위기에서 300℃ 이상 900℃ 이하의 온도로 개질시키는 폐플라스틱 열분해장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수성가스 전환기는,
    상기 제1 가스생성물을 수증기 함유 기체 분위기에서 400℃ 이상 800℃ 이하로 반응시키는 폐플라스틱 열분해장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리기는,
    상기 제2 가스생성물이 수소와 수소를 제외한 잔여가스로 분리되도록 상기 제2 가스생성물을 기체분리막으로 통과시키는 폐플라스틱 열분해장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소기는,
    산소 함유 기체 분위기에서 상기 잔여가스를 연소시키는 폐플라스틱 열분해장치.
  8. 폐플라스틱을 포함하는 원료물질을 열분해로에 공급하는 원료물질 공급단계;
    상기 열분해로에서 상기 원료물질을 가열하여 열분해하는 열분해단계;
    냉각기에서 상기 열분해단계에서 상기 원료물질이 열분해되어 생성된 탄화수소 혼합물을 냉각하는 냉각단계;
    개질기에서 상기 냉각단계에서 냉각된 상기 탄화수소 혼합물을 개질하여 합성가스를 포함한 제1 가스생성물을 생성하는 개질단계;
    수성가스 전환기에서 상기 제1 가스생성물을 수증기와 반응시켜 수소가 포함된 제2 가스생성물로 전환하는 수성가스 전환단계;
    분리기에서 상기 제2 가스생성물로부터 수소와 잔여가스를 분리하는 분리단계; 및
    연소기에서 상기 분리기로부터 공급된 잔여가스를 연소하는 연소단계;
    를 포함하는 폐플라스틱 열분해방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 열분해단계는,
    원료물질을 가열하여 500℃ 이상 1,000℃ 이하의 온도에서 열분해하는 폐플라스틱 열분해방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 냉각단계는,
    상기 탄화수소 혼합물을 상온으로 냉각시켜 액상 탄화수소를 분리하는 폐플라스틱 열분해방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 개질단계는,
    상기 탄화수소 혼합물을 산소 함유 기체 분위기에서 300℃ 이상 900℃ 이하의 온도로 개질하는 폐플라스틱 열분해방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 수성가스 전환단계는,
    상기 제1 가스생성물을 수증기 함유 기체 분위기에서 400℃ 이상 800℃ 이하의 온도로 반응시키는 폐플라스틱 열분해방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 분리단계는,
    상기 제2 가스생성물을 흡착제가 구비된 흡착탑으로 통과시켜 수소와, 수소를 제외한 잔여가스로 분리하는 폐플라스틱 열분해방법.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 연소단계는,
    산소 함유 기체 분위기에서 상기 잔여가스를 연소하는 폐플라스틱 열분해방법.
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