WO2011132828A1 - 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료 - Google Patents

바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료 Download PDF

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solid fuel
solid
binder material
mixed
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문승현
이시훈
유인수
이승재
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한국에너지기술연구원
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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a solid fuel mixed with a binder material and a carbon source and to a solid fuel produced by the method. More specifically, the present invention relates to various types of carbon sources including high-function low-grade coal or sewage sludge as fuel. The present invention relates to a method for preventing reabsorption of water during transport and storage by performing a necessary drying process after uniformly mixing the binder and the carbon source for use and manufacturing a solid fuel compact through the molding process.
  • the binder material is not only asphalt, palm oil, coal tar, but also PE (polyethylene), PP (polypropylene), PS (polystyrene), ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), PET (Polyethylene terephthalate)
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PS polystyrene
  • ABS Acrylonitrile butadiene styrene
  • PET Polyethylene terephthalate
  • UBC Upgdading Brown Coal
  • BCB Bindless Coal Briquette
  • MTE Mechanical Thermal Expression
  • K-Fuel K-Fuel
  • SynCoal etc.
  • UBC Upgdading Brown Coal
  • MTE Mechanical Thermal Expression
  • K-Fuel K-Fuel
  • SynCoal SynCoal
  • a waste containing polymer material is mixed with kerosene and diesel as solvents, and heated to a temperature of 150 ° C. or less to uniformly disperse the polymer material in the solvent, and then filtered to mix the polymer material and the solvent.
  • Obtaining a solution adding a water-containing carbon source to the mixed solution, followed by heating to remove water, followed by heating under atmospheric pressure or reduced pressure to distill off the solvent component from the mixture of the mixed solution and carbon source.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, wherein the binder component does not penetrate into the pores of the carbon source and is distributed at the pore inlet or particle surface, and the binder component is a high molecular weight material or a low-cost heavy hydrocarbon.
  • the purpose is to drastically improve economics by using it.
  • the present invention is applied to the prior art (Patent Application No. 10-2009-0018057), but using a heat conduction method, not a process of splashing water by heating the carbon source with a solvent (kerosene and diesel) when the water in the carbon source is removed. It is another object of the present invention to simplify the manufacturing process by drying the carbon source and to significantly reduce energy in the overall process.
  • a high molecular material in a binder for example, waste plastic
  • a water-containing carbon source is added to a solution containing the high molecular material dissolved in this manner.
  • the process is simplified by omitting the process of frying the carbon source in oil, which is a step of removing moisture by drying only the remaining components after recovering the solvent.
  • the polymer material coated on the outside of the carbon source in the molding process serves as a binder, and thus the moldability is improved, and the molded carbon source can prevent reabsorption of moisture during the transportation and storage process.
  • the solid fuel of the carbon source by drying a low-quality carbon source containing a lot of moisture and coating the surface with a polymer material It is possible to obtain the effect of improving the moldability of the furnace, preventing reabsorption of moisture and increasing the calorific value of the produced solid fuel.
  • FIG. 1 is a process schematic diagram of a method for producing a solid fuel mixed with a binder material and a carbon source according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram of a thermally conductive drying apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a perspective view of main parts of a thermally conductive drying apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to a method for producing a solid fuel mixed with a binder material and a carbon source, and to a solid fuel produced by the method.
  • a waste containing a polymer material (binder material) is used as a solvent, kerosene, diesel, or a mixture thereof.
  • mixed with them while heating to a temperature of less than 150 °C to uniformly disperse the polymer material in the solvent, and then to obtain a mixed solution of the polymer material and the solvent for filtering the solid foreign matter;
  • a carbon source having a water content of 10 to 80% was added to the mixed solution, stirred for a predetermined time, and then solid-liquid separated (filtration) to separate the carbon source treated with the mixed solution, and the carbon source thus separated was heated by conduction heat transfer to obtain moisture and It provides a method for producing a solid fuel comprising a carbon source coated with a polymer material on the surface; the step of separating and removing the solvent component.
  • the polymeric material is preferably polyethylene (PE), polypropylene (PP: Polypropylene), polystyrene (PS: Polystyrene), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polyethylene terephthalate (PET: polyethylene terephthalate) or a mixture thereof.
  • Waste which is a source of such polymeric materials, is preferably waste plastic, such as waste vinyl.
  • the content of the polymer substance in the mixed solution of the polymer substance and the solvent is 40% by weight or less.
  • Such polymeric materials are used in appropriate amounts to coat the carbon source. If the amount of the polymer material is too large compared to the solvent, the problem of poor dissolution occurs, and it is appropriate to be used in an amount of 40% by weight or less.
  • the carbon source is sewage sludge or coal with a water content of 10 to 80% by weight.
  • the present invention also provides a solid fuel prepared by the method of the present invention comprising a carbon source coated with a polymeric material on its surface.
  • the present invention also provides coal briquettes made from the solid fuel of the present invention.
  • a polymer resin is used by using a solvent.
  • the present invention provides a method of coating a polymer resin having high calorific value while recovering water as a solution and storing it as a liquid or solid fuel, using it as a fuel, or removing moisture from a low carbon source having a high moisture content. It is a technique to increase the calorific value of the product carbon source produced by coating the polymer resin on the carbon source and to prevent the external moisture is reabsorbed to the product carbon source during storage and transportation.
  • the present invention is that by using a polymer resin (particularly waste plastic) instead of heavy oil as in the prior art, it is possible to dramatically improve the economics and to obtain the side effect of treating waste. In addition, since it operates at normal pressure, initial investment cost and operation maintenance cost are low and safety is improved. In addition, since the polymer resin such as waste plastic is coated on the surface of the carbon source in a mixed state with a solvent, the amount of use is reduced compared to using heavy oil that penetrates into the pores of the carbon source.
  • the heat conduction type drying apparatus used in the conductive heat transfer method is provided with a disk-shaped disk of a metallic material in the lower part of the drying chamber, and a heating means such as a heating plate or a burner is provided in the lower part of the disk-shaped disk to heat the disk-shaped disk. It is to generate a, the disk-shaped disk has a configuration in which the stirring blade is rotated, the solid object is accommodated on the disk-shaped disk to generate the conductive heat and mixed through the rotation of the stirring blade to achieve a quick drying.
  • the disk-shaped disk is heated to 60 °C ⁇ 140 °C, the stirring blade is rotated at a speed of 0.1rpm ⁇ 10rpm to allow even drying to the solid object, the drying time is to last for 5 to 30 minutes This is preferable.
  • FIG. 1 is a process schematic diagram of a method for producing a solid fuel mixed with a binder material and a carbon source according to an embodiment of the present invention.
  • the waste vinyl and the solvent (kerosene and diesel) are put into the first mixing tank 10 and sufficiently stirred, and then the mixed solution in which the waste vinyl and the solvent are sufficiently mixed is heated while raising the temperature to 150 ° C.
  • the mixed solution is separated and removed from the foreign matter using the filter 20 and then transferred to the second mixing tank 30.
  • the raw material carbon source of high moisture is also added to the second mixing tank 30 and stirred to sufficiently mix the mixed solution and the raw material carbon source.
  • the solid and liquid components are separated by transferring the mixed solution containing the source carbon source to the solid-liquid separator (filter) 40, and the separated solid components are transferred to the thermally conductive drying apparatus 50, and the liquid The component is conveyed to the cooling tank 60.
  • the solid separated through the solid-liquid separation process is accommodated in the thermally conductive drying device 50 and undergoes a drying process.
  • the thermally conductive drying device 50 heats the solid to the solid by heat conduction on the heated disc-shaped disc. The transfer was to be made to dry, the disk was rotated on the stirring disk was rotated to allow even drying. At this time, the water and kerosene in the liquid state in the drying process to be vaporized at the same time the gas is delivered to the cooling tank (60).
  • the carbon source of the solid component which is a residue of the thermally conductive drying process, is recovered as a solid fuel, and the solid fuel obtained through the process is molded by pressing the mold at a constant pressure and passing the mold to coat the surface with a polymer material.
  • the production of a solid fuel containing a carbon source is completed.
  • the liquid component separated through the solid-liquid separation process and the vaporized gas component through the thermally conductive drying process are transferred to the cooling tank 60 to cool the liquid component and condense the gas component.
  • the condensed and cooled liquid component is passed through the oil-water separator, the oil component is recovered as a solvent, re-introduced into the first mixing tank, and the separated water is transferred to the sewage treatment apparatus.
  • Waste carbon sources such as low grade coal and sewage sludge, which contain too much water, are not only low in utilization, but also have a high cost of treatment. As a result, waste of resources and costs is great, so it is used as a raw material for coal briquettes, thereby contributing to national resource utilization and securing energy resources.
  • waste plastic that is a landfill and incineration treatment to cause environmental pollution to date, it intends to suppress the increase in cost caused by the drying of moisture.
  • Operating conditions include temperature, pressure, and the form of polymer resins.
  • the solvent is most commonly used kerosene or diesel in consideration of price, safety, supply and demand.
  • waste vinyl when mixed with kerosene in a proportion and heated to less than 150 °C, all the vinyl components are dissolved into a homogeneous solution.
  • other polymer resins it is possible to make a uniform solution.
  • a thin film or thin slice
  • the viscosity of the homogenized solution depends on the temperature and the mixing ratio and therefore may vary depending on the application.
  • the present invention is a low-grade carbon source produced at home and abroad and polymers such as PE (Polyethylene), PP (Polypropylene), PS (Polystyrene), ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), PET (Polyethylene terephthalate), etc. It is composed of a process of preparing a solution in which a resin and a solvent are mixed at a constant ratio, a drying process of removing moisture from a low-grade carbon source, and a technique of manufacturing a high calorific coal by leaving a high molecular material together with the carbon source.
  • PE Polyethylene
  • PP Polypropylene
  • PS Polystyrene
  • ABS Acrylonitrile butadiene styrene
  • PET Polyethylene terephthalate
  • the surface of the low-grade carbon source By coating the surface of the low-grade carbon source with a high molecular material, it prevents the repermeation of moisture during storage and transportation, and at the same time, the high molecular material is first vaporized and combusted during combustion to help the ignition. In addition, by adjusting the ratio of mixing the solvent and the polymer, it is possible to adjust the calorific value of the solid fuel finally formed.
  • the present invention by drying a low-grade carbon source containing a lot of moisture and coating the surface with a polymer material, it is possible to obtain the effect of improving the moldability to a solid fuel, preventing resorption of moisture and increasing the calorific value of the generated fuel. have.
  • the coal briquettes are developed by utilizing low-grade coal, such as Indonesia and Australia, which are low in fuel value due to their high moisture content, which contributes to the development of important energy, as well as the fuelization of sewage sludge, which is prohibited from dumping at sea, and the waste vinyl generated from rural waste.
  • the environmental pollution prevention effect which processes is also obtained.
  • the existing technology leaves heavy oils in the pores of coal, the manufacturing cost increases and there is a risk of volatilization and ignition of heavy oils
  • the amount of used by coating the surface of the solid carbon source with a polymer material such as waste plastic or waste vinyl And reduced manufacturing costs, and concerns about volatilization and spontaneous firing of the coated polymers have been significantly reduced.
  • waste plastic is used as a raw material, it is possible to obtain additional economic benefits due to environmental pollution improvement.
  • the polymeric material coated on the surface serves as a binder, and since the bonding strength of the polymeric material is superior to heavy oil at room temperature, moldability can be further improved.
  • the filtered mixed solution is transferred to the second mixing tank. At this time, 1000g of the high moisture raw material carbon source is added to the second mixing tank and mixed.
  • the mixed solution and the raw carbon source mixture were transferred to a solid-liquid separator.
  • the solid component separated in the solid-liquid separator was transferred to a thermally conductive drying apparatus and dried, and the liquid component was transferred to a cooling bath.
  • the thermally conductive drying device accommodates the solid on the disk-shaped disk heated to 80 ° C., and the stirring disk rotates at the speed of 0.5rpm on the disk-shaped disk to allow even drying.
  • the drying time lasts for 10 minutes. It was.
  • the vaporized gas component was transferred to the cooling tank and liquefied together with the drying process of the solid, and the dried residue was recovered as a solid fuel.
  • the solid fuel obtained through the above process was molded by pressing and passing through a forming mold to form a final solid fuel molding having a constant shape.
  • the liquid transferred through the solid-liquid separation and the gas transferred during the heat-conductive drying process are liquefied in a cooling tank, the liquid component is passed through the oil-water separator, and the oil component is recovered as a solvent and is returned to the first mixing tank.
  • the solvent was reused because the separated water was transferred to a sewage treatment device.
  • the thermally conductive drying apparatus is to evaporate the moisture of the solid by the thermal conductivity method, the configuration is as shown in Figs.
  • the thermally conductive drying apparatus 50 is provided with a disc-shaped disk 52 made of a metal material under the drying chamber 51, and a heating means 53 such as a heating plate or a burner is provided below the disc-shaped disk 52. It is provided to generate the conductive heat by heating the disk-shaped disk 52, the disk-shaped disk 52 has a configuration that includes a rotating stirring blade 54. That is, the solid object is accommodated on the disk-shaped disk 52 that generates the conductive heat and mixed through the rotation of the stirring blade 54 to achieve fast drying.
  • the dried solid fuel is pressurized at a constant pressure to pass through the molding die, and the polymer resin component plays a role between the solid fuel particles and the particles and covers the outer surface of the molded fuel to absorb additional moisture. Function to prevent it.
  • the polymer resin component coated on the surface is first vaporized by burning when the solid fuel is burned, thereby increasing the temperature of the solid fuel, thereby improving the combustion efficiency of the solid fuel.
  • the water content was measured by comparing the dried foods and the dried foods using the heat conduction method for the carbon source containing water.

Abstract

본 발명은 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료에 관한 것으로서, 고함수 저급 석탄 또는 하수슬러지를 비롯한 다양한 종류의 탄소원을 연료로 효과적으로 이용하기 위하여 바인더와 탄소원이 균일하게 혼합되도록 한 후에 필요한 건조과정을 수행시키고, 성형과정을 거쳐서 고형 연료 성형체를 제조함으로써 수송 및 저장 과정에서 수분의 재흡수를 방지하는 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료에에 관한 것이다. 본 발명은 바인더 물질을 함유하는 물질을 용매인 등유, 경유 또는 이들의 혼합물과 혼합하고, 150℃ 이하의 온도로 가열하여 바인더 물질을 용매로 균일하게 분산시킨 다음 고형 이물질을 여과하여 바인더 물질과 용매의 혼합 용액을 수득하는 단계; 상기 혼합 용액에 수분이 10 내지 80중량%인 탄소원을 첨가하여 혼합하는 단계; 상기 혼합용액과 탄소원이 혼합된 혼합물을 고-액분리기에서 고-액 분리하는 단계: 및 상기 고-액분리기에서 분리된 고체를 전도 열전달 방식으로 가열 건조하여 상기 혼합 용액과 탄소원의 혼합물에서 수분 및 용매 성분을 증발시켜 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료
본 발명은 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고함수 저급 석탄 또는 하수슬러지를 비롯한 다양한 종류의 탄소원을 연료로 효과적으로 이용하기 위하여 바인더와 탄소원이 균일하게 혼합되도록 한 후에 필요한 건조과정을 수행시키고, 성형과정을 거쳐서 고형 연료 성형체를 제조함으로써 수송 및 저장 과정에서 수분의 재흡수를 방지하는 방법에 관한 것이다.
여기서, 바인더 물질로는 아스팔트, 팜오일, 콜타르 뿐 만 아니라 산업체, 가정, 농사용 등에서 배출되는 PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PS(Polystyrene), ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PET(Polyethylene terephthalate) 등과 같은 고분자 폐플라스틱을 재활용하여 탄소원 연료의 발열량을 조절하고 성형성을 향상시키는 효과를 얻는다.
인도네시아, 호주 미국 등에 대규모로 부존하고 있는 고수분 석탄은 가격이 저렴함에도 불구하고 낮은 발열량과 과다한 수송비, 건조 후 수분 재침투 등과 같은 문제로 인하여 원활하게 활용이 되지 못하고 있다.
성형탄의 제조와 관련된 종래의 국내기술로는 플라스틱과 저급 탄소원을 혼합하여 용융시킨 후 노즐을 통하여 성형연료를 제조하는 "저공해 고발열량 성형탄의 제조방법(대한민국 특허 등록번호 제10-0424849호)"을 들 수 있다. 하지만 이 기술은 탄소원으로부터 수분의 건조를 전혀 고려하지 않고 있으며 용매를 사용하지 않고 플라스틱과 탄소원만 혼합한다. 특히 생산된 제품은 플라스틱과 석탄이 비슷한 비율로 혼합되고 유동층 연소에 적합하다.
석탄으로부터 수분을 제거하는 기술로는 UBC(Upgdading Brown Coal), BCB(Bindless Coal Briquette), MTE(Mechanical Thermal Expression), K-Fuel(K-Fuel), SynCoal 등 다수가 있지만, 본 발명 기술과 가장 근접한 기술은 UBC로서 중질유와 경질유를 혼합한 용액에 고수분의 석탄을 혼합하여 150℃이상, 3.5기압의 운전조건으로 수분을 제거한 후 중질유만 석탄에 남게 하고 경질유는 회수하여 재사용하는 기술이다(일본 특허 제3920304호). 이와 같은 일본 특허에서는 고가의 중질유를 사용하고 있으며 고압, 고온이 필요하다.
따라서, 수분을 함유한 탄소원을 저렴한 비용으로 건조시키면서 탄소원의 수분 재침투를 방지할 뿐만 아니라 탄소원의 성형성을 향상시키는 것이 함께 요구되고 있다.
이에 본 출원인은 특허출원 제10-2009-0018057호를 통해 "수분 함유 탄소원의 건조 및 고분자 물질에 의한 코팅 방법 및 고분자 물질로 코팅된 탄소원 포함 고체 연료"의 내용을 선출원한 바 있다.
상기 선행기술에 의하면, 고분자 물질을 함유하는 폐기물을 용매인 등유 및 경유에 혼합하고, 이를 150℃ 이하의 온도로 가열하여 고분자 물질을 용매에 균일하게 분산시킨 후, 여과하여 고분자 물질과 용매의 혼합 용액을 수득하며, 상기 혼합 용액에 수분함유 탄소원을 첨가한 후 가열하여 수분을 제거하고, 상압 또는 감압하에 가열하여 상기 혼합 용액과 탄소원의 혼합물에서 용매 성분을 증류 제거하는 과정으로 이루어지는 것이다.
이와 같은 상기의 선행기술에서는 고분자 물질을 함유하는 폐기물과 용매(등유 및 경유)가 혼합된 혼합 용액에 수분이 함유된 탄소원을 첨가한 후 가열하여 수분을 제거하는 공정이 적용되고 있는 것으로, 이는 곧 탄소원을 용매로 튀겨서 탄소원으로부터 수분이 제거된 자리인 기공에 등유 및 경유와 같은 용매성분이 대체되도록 하는 것이었다. 그러나, 이는 용매성분을 제거시키는 후 공정에서 에너지가 많이 소요되며 또한 고분자가 성형의 바인더 역할을 위해서는 고분자가 탄소원에서의 수분기공을 채워야 하므로 성형에 따른 고분자의 양이 많이 필요하게 된다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 바인더 성분이 탄소원의 기공내에 침투하지 않고 기공 입구 또는 입자 표면에 분포하는 것으로서 바인더 성분으로는 고분자 물질 또는 저가의 중질 탄화수소를 이용함으로써 경제성을 획기적으로 향상시키고자 하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 종래기술(특허출원 제10-2009-0018057호)을 응용하되 탄소원내의 수분제거시 용매(등유 및 경유)와 함께 탄소원을 가열함으로 수분을 튀겨내는 공정이 아닌 열전도 방식을 이용하여 탄소원을 건조시킴으로 제조공정을 단순화하고, 또한 전체공정에서 에너지를 대폭적으로 절감하고자 하는데 본 발명의 또 다른 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로, 본 발명에서는 바인더, 예를 들어, 폐플라스틱 중의 고분자 물질을 용매로 용해시키고, 이와 같은 방법으로 용해된 고분자 물질을 함유하는 용액에 수분 함유 탄소원을 첨가하며, 필터를 거치면서 용매를 회수한 후 남은 성분만을 건조시킴으로 수분을 제거하는 단계인 탄소원을 기름에 튀기는 과정을 생략하여 공정을 단순화한 것을 특징으로 한다.
또한, 분리된 탄소원을 열전도형 건조장치에서 건조시키면서 수분 건조와 용매 회수가 동시에 진행되도록 하고, 이 과정에서 잔류하는 고분자 물질로 탄소원의 외부를 코팅시킴으로써 본 발명에서 목적하는 고분자 물질이 코팅된 탄소원을 포함하는 고체 연료를 수득하는 것을 특징으로 한다.
이 후 성형 과정에서 탄소원의 외부를 코팅한 고분자 물질은 바인더로서 역할을 하게 되므로 성형성이 향상되고 성형된 탄소원은 수송 및 저장 과정에서 진행되는 수분의 재흡수를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료에 의하면, 수분이 많이 포함된 저품위 탄소원을 건조시키고 표면을 고분자 물질로 코팅함으로써 탄소원의 고체 연료로의 성형성을 향상시키고 수분의 재흡수를 방지하며 생성된 고체 연료의 발열량을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 종래 기술에서 고분자 물질이 함유된 폐기물을 용매(등유 및 경유)를 이용하여 튀겨내는 과정을 생략하고, 대신에 전도 열전달을 이용하여 수분을 제거하는 방법을 적용함으로써, 용매(등유 및 경유)의 회수 에너지가 작고, 고분자 사용량이 적으며, 전체공정의 에너지가 대폭 절감되고, 공정이 단순화되며, 성형성 향상과 자연발화가 방지되는 등의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법에 대한 공정 개략도이며,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전도형 건조장치에 대한 구성도이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열전도형 건조장치에 대한 요부 사시도이다.
본 발명은 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 고체 연료에 관한 것으로서, 먼저 고분자 물질(바인더 물질)을 함유하는 폐기물을 용매인 등유, 경유 또는 이들의 혼합물에 넣은 다음, 150℃ 이하의 온도로 가열하면서 이들을 혼합하여 용매에 고분자 물질을 균일하게 분산시키고, 이후 고형 이물질을 여과하는 고분자 물질과 용매의 혼합 용액을 수득하는 단계;
상기 혼합 용액에 수분이 10 내지 80%인 탄소원을 첨가하고, 일정시간 교반한 다음 이를 고액분리(여과)하여 혼합 용액으로 처리된 탄소원을 분리하고, 이렇게 분리된 탄소원을 전도 열전달로 가열하여 수분 및 용매성분을 분리 제거하는 단계;를 포함하여 표면에 고분자 물질이 코팅된 탄소원을 포함하는 고체 연료를 제조하는 방법을 제공하고 있다.
본 발명의 방법에서, 고분자 물질은 바람직하게는 폴리에틸렌(PE: Polyethylene), 폴리프로필렌(PP: Polypropylene), 폴리스티렌(PS: Polystyrene), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS: Acrylonitrile butadiene styrene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 이러한 고분자 물질의 공급원인 폐기물은 폐플라스틱, 예컨대, 폐비닐이 바람직하다.
본 발명의 방법에서, 고분자 물질과 용매의 혼합 용액중의 고분자 물질의 함량은 40중량% 이하이다. 이러한 고분자 물질은 탄소원을 코팅시키기에 적절한 양으로 사용된다. 고분자 물질의 양이 용매에 비해서 너무 많으면 잘 용해되지 않는 문제가 발생하여, 40중량% 이하의 양으로 사용되는 것이 적절하다.
본 발명의 방법에서, 탄소원은 수분 함량 10 내지 80중량%의 하수 슬러지 또는 석탄이다.
본 발명은 또한 상기 본 발명의 방법에 의해서 제조되어 표면에 고분자 물질이 코팅된 탄소원을 포함하는 고체 연료를 제공하고 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 고체 연료로부터 제조된 성형탄을 제공하고 있다.
본 발명은 폐기물로부터 고분자 수지를 회수할 때 펠렛제조(RPF 포함), 열분해, 유화, 가스화, 소각과 같은 기존의 방법이 복잡한 공정을 거치거나 2차 오염을 발생시키는 것과는 달리 용매를 이용하여 고분자 수지를 용액으로 회수하여 액체 또는 고체 연료로 보관하거나, 연료로 사용하거나, 함수율이 높은 저급의 탄소원에서 수분을 제거시키는 동시에 고발열량을 가지는 고분자 수지를 코팅하는 방법을 제시한다. 탄소원에 고분자 수지를 코팅함으로써 생성되는 제품 탄소원의 발열량은 증가되고 저장 및 수송 중에 외부 수분이 제품 탄소원에 재흡수되는 것을 방지하는 기술이다. 본 발명은 종래 기술에서와 같은 중질유 대신 고분자 수지(특히, 폐플라스틱)을 사용함으로써 경제성을 획기적으로 개선시키고 폐기물을 처리하는 부수적인 효과도 얻을 수 있다는 점이다. 또한 상압에서 운전되므로 초기투자비 및 운전유지비가 저렴하며 안전성이 향상된다. 또한 폐플라스틱과 같은 고분자 수지는 용매와 혼합된 상태에서 탄소원의 표면에 코팅되므로 탄소원의 기공내로 스며드는 중질유를 사용할 때보다 사용량이 줄어드는 잇점이 있다.
그리고, 폐기물의 수분 제거시 용매(등유 및 경유)를 이용하여 고온에서 튀겨내는 과정이 아닌 전도 열전달을 이용하여 수분을 제거하는 방법을 적용함으로써, 용매(등유 및 경유)의 회수 에너지가 작고, 고분자 사용량이 적으며, 전체공정의 에너지가 대폭 절감되고, 공정이 단순화되며, 성형성 향상 및 자연발화가 방지되는 등의 장점이 있다.
이때, 전도 열전달 방법에 사용되는 열전도형 건조장치는, 건조실 하부에 금속 소재의 원판형 디스크가 마련되고, 원판형 디스크 하부에는 히팅플레이트 또는 버너와 같은 가열수단이 구비되어 원판형 디스크를 가열함으로 전도열을 발생시키는 것이며, 원판형 디스크 상부에는 교반 블레이드가 회전하는 구성을 갖는 것으로, 전도열을 발생시키는 원판형 디스크 상부에 고체 대상물이 수용되고 이를 교반 블레이드의 회전을 통해 혼합시킴으로 빠른 건조가 이루어지도록 하였다.
또한, 상기 원판형 디스크는 60℃ ~ 140℃로 가열하고, 교반 블레이드는 0.1rpm ~ 10rpm의 속도로 회전하여 고체 대상물에 고른 건조가 이루어질 수 있도록 하며, 건조시간은 5 ~ 30분 동안 지속하도록 함이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 기술적인 부분을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법에 대한 공정 개략도이다.
본 발명은, 먼저 폐비닐과 용매(등유 및 경유)를 제1혼합조(10)에 넣고 충분히 교반시킨 다음, 상온에서 150℃ 까지 승온시키면서 폐비닐과 용매가 충분히 혼합된 혼합용액을 만든다.
이후, 혼합용액은 필터(20)를 사용하여 이물질을 분리 제거한 후 제2혼합조(30)로 이송한다. 이때 고수분의 원료 탄소원도 제2혼합조(30)에 함께 투입하고 이를 교반함으로 혼합용액과 원료 탄소원을 충분히 혼합시킨다.
다음으로, 고-액 분리기(여과기)(40)로 원료 탄소원이 혼합된 혼합용액을 이송하여 고체와 액체 성분을 분리하는 것으로, 분리된 고체 성분은 열전도형 건조장치(50)로 이송되고, 액체 성분은 냉각조(60)로 이송된다.
상기 고-액 분리과정을 통해 분리된 고체는 열전도형 건조장치(50)에 수용되어 건조과정을 거치되, 열전도형 건조장치(50)는 가열된 원판형 디스크 상부에서 열전도 방식으로 고체에 열을 전달하여 건조가 이루어지도록 한 것으로, 원판형 디스크 상부에서는 교반 블레이드가 회전하여 고른 건조가 이루어질 수 있도록 하였다. 이때, 건조과정에서 액체상태의 수분 및 등유가 동시에 기화되는 것으로 기체는 냉각조(60)로 전달된다.
이후, 열전도형 건조과정을 거친 잔류물인 고체 성분의 탄소원을 고체 연료로서 회수하고, 상기 과정을 통해 수득한 고체 연료는 일정한 압력으로 가압하여 성형 틀을 통과시키는 방법으로 성형하여 표면에 고분자 물질이 코팅된 탄소원을 포함하는 고체 연료의 제조가 완성되는 것이다.
또한, 본 발명에서는 고-액 분리과정을 통해 분리된 액체성분 및 열전도형 건조과정을 통해 기화된 기체성분이 냉각조(60)로 이송되어 액체성분의 냉각 및 기체성분의 응축이 이루어지는 것으로, 이렇게 응축 및 냉각되어진 액체성분은 유-수 분리기를 거치면서 기름 성분은 용매로 회수되어 제1혼합조에 재투입되고, 분리된 물은 하수처리장치로 이송 배출한다.
수분이 과다하게 많이 포함되어 있는 저등급 석탄과 하수슬러지와 같은 폐기 탄소원은 활용도가 낮을 뿐 만 아니라 처리 비용도 큰 부담이 되고 있다. 이로 인하여 자원 및 비용 낭비가 크므로 이를 성형탄의 원료로 활용하므로 국가적인 자원 활용도 증대와 에너지 자원의 확보에 기여하고자 한다. 아울러 현재까지 매립 및 소각처리되어 환경오염의 원인이 되는 폐플라스틱을 활용함으로써 수분의 건조에 따르는 비용 상승을 억제하고자 한다. 상기의 목적을 달성하기 위하여 고분자 수지와 용매의 최적 조합 및 최적 운전 조건을 도출하여야 한다. 운전 조건으로는 온도와 압력 그리고 고분자 수지의 형태를 들 수 있다. 일반적으로 용매는 가격과 안전성, 수급성 등을 종합적으로 고려하여 등유 또는 경유를 가장 일반적으로 사용한다. 여기에 고분자 수지를 어떠한 형태로 어느 온도에서 어느 정도로 혼합하느냐가 가장 중요하다. 폐비닐의 경우에는 등유와 일정 비율로 혼합하여 150℃ 미만으로 가열하면 모든 비닐 성분이 용해되어 균일 용액으로 변한다. 이와 마찬가지로 다른 고분자 수지의 경우에도 균일한 용액을 만들 수 있는데 용해 속도를 증가시키기 위하여 비닐과 같이 얇은 막 형태(또는 얇은 슬라이스)로 투입하는 것이 유리하다. 균일화된 용액의 점도는 온도와 혼합비에 따라 달라지므로 용도에 따라 달리할 수 있다.
본 발명은 국내외에서 생산되는 저품위 탄소원과 국내의 산업, 가정, 농사용 등에서 배출되는 PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PS(Polystyrene), ABS(Acrylonitrile butadiene styrene), PET(Polyethylene terephthalate) 등의 고분자 수지와 용매를 일정한 비율로 혼합한 용액의 제조와 이를 이용하여 저품위 탄소원으로부터 수분을 제거시키는 건조 공정과 고분자 물질을 탄소원과 함께 잔류시킴으로써 고발열량의 성형탄을 제조하는 기술로 구성된다.
고분자 물질로 저품위 탄소원 표면을 코팅함으로써 저장, 수송시 수분의 재침투를 방지하는 동시에 연소시에 고분자 물질이 먼저 기화하고 연소됨으로써 착화를 도우는 효과도 거둘 수 있다. 또한, 용매와 고분자를 혼합하는 비율을 조정함으로써 최종 성형되는 고체 연료의 발열량을 조절할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 수분이 많이 포함된 저품위 탄소원을 건조시키고 표면을 고분자 물질로 코팅함으로써 고체 연료로의 성형성을 향상시키고 수분의 재흡수를 방지하며 생성된 연료의 발열량을 증가시키는 효과를 얻을 수 있다. 개발된 성형탄은 수분의 함유량이 높아 연료로서의 가치가 떨어지는 인도네시아, 호주 등의 저품위 석탄을 활용함으로써 중요한 에너지 개발에 기여함은 물론 해양투기가 금지된 하수슬러지의 연료화와 농촌 폐기물로 발생되는 폐비닐 등을 처리하는 환경오염 방지 효과도 얻을 수 있다.
기존의 기술이 중질유를 석탄의 기공내에 잔류시킴에 따라 제조 비용이 상승하고 중질유의 휘발 및 발화 우려가 있는 반면에 본 발명에서는 폐플라스틱 또는 폐비닐과 같은 고분자 물질을 고체 탄소원의 표면에 코팅함으로써 사용량과 제조 비용을 줄일 수 있고, 코팅된 고분자의 휘발과 자연발화 우려는 현저히 줄어들었다. 또한 폐기물인 폐플라스틱을 원료로 하므로 환경오염 개선에 따르는 경제적 이득을 추가로 얻을 수 있다. 건조된 고체 탄소원을 입상의 형태로 성형을 할 경우에는 표면에 코팅된 고분자 물질이 바인더 역할을 하게 되는데 상온에서 중질유보다 고분자 물질의 결합력이 우수하므로 성형성이 더욱 우수해지는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 참조로 하여 구체적으로 설명하고 있지만 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 >
◎ 5g의 폐비닐과 경유인 용매 1 L를 제1혼합조에 투입한 후 혼합과 함께 10℃/분의 속도로 150℃까지 승온하면서 비닐성분을 용해시켰다.
◎ 상기 과정을 통해 생성된 혼합용액이 균일화되면 필터를 사용하여 이물질을 분리 제거하였다.
◎ 필터링된 혼합용액은 제2혼합조로 이송되며, 이때, 고수분의 원료 탄소원 1000g을 제2혼합조에 함께 투입하여 혼합하였다.
◎ 교반장치를 이용하여 15분간 혼합 과정을 거친 후, 혼합용액과 원료 탄소원 혼합물을 고-액 분리기로 이송하였다.
◎ 고-액 분리기에서 분리된 고체 성분은 열전도형 건조장치로 이송하여 건조시키고, 액체 성분은 냉각조로 이송하였다.
◎ 열전도형 건조장치는 80℃로 가열된 원판형 디스크 상부에 상기 고체가 수용되고, 원판형 디스크 상부에는 교반 블레이드가 0.5rpm 속도로 회전함으로써 고른 건조가 이루어질 수 있도록 하였으며 건조시간은 10분 동안 지속하였다.
◎ 상기 고체의 건조과정과 함께 기화된 기체 성분을 냉각조로 이송하여 액화시키고, 건조된 잔류물인 고체 성분을 고체 연료로서 회수하였다.
◎ 상기 과정을 통해 수득한 고체 연료는 가압하여 성형 틀을 통과시키는 방법으로 성형하여 일정한 형상을 갖는 최종 고체 연료 성형물을 형성하였다.
◎ 또한, 고-액 분리를 통해 이송된 액체 및 열전도형 건조과정에서 이송된 기체는 냉각조에서 액화되고, 액체 성분은 유-수 분리기를 거치면서 기름 성분은 용매로 회수되어 제1혼합조에 재투입하였으며, 분리된 물은 하수처리장치로 이송됨으로 용매의 재사용이 이루어졌다.
상기에서 열전도형 건조장치는 열전도 방식에 의해 고체의 수분을 증발시키는 것으로, 그 구성은 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같다.
상기와 같이 열전도형 건조장치(50)는 건조실(51) 하부에 금속 소재의 원판형 디스크(52)가 마련되고, 원판형 디스크(52) 하부에는 히팅플레이트 또는 버너와 같은 가열수단(53)이 구비되어 원판형 디스크(52)를 가열함으로 전도열을 발생시키는 것이며, 원판형 디스크(52) 상부에는 회전하는 교반 블레이드(54)가 포함된 구성을 갖는 것이다. 즉, 전도열을 발생시키는 원판형 디스크(52) 상부에 고체 대상물이 수용되고 이를 교반 블레이드(54)의 회전을 통해 혼합시킴으로 빠른 건조가 이루어지도록 하였다.
또한, 건조된 고체 연료는 일정한 압력으로 가압하여 성형 틀을 통과시키는 과정에서, 고분자 수지 성분은 고체 연료 입자와 입자 사이에서 바인다 역할을 하였고 성형된 연료의 외부 표면을 피복하여 수분이 추가로 흡수되는 것을 방지하는 기능을 한다. 그리고, 표면에 피복된 고분자 수지 성분은 고체연료가 연소될 때 기화하여 먼저 연소되므로 고체 연료의 온도를 상승시키는 역할을 하게 되며, 그에 따라 고체연료의 연소 효율이 향상되도록 하는 역할을 한다.
< 실험예 >
본 실험은 수분이 함유된 탄소원에 대해 튀김 건조과정을 거친 대상과, 열전도 방식을 이용해 건조과정을 거친 대상을 각각 비교하여 수분 함유량을 측정한 것이다.
비교예
수분의 함량이 30.91%인 석탄 700g을 등유 0.7ℓ와 혼합하여 30분간 130℃로 가열하면서 튀김 건조 과정을 거친 다음, 필터에서 고체 석탄을 분리하고, 이후 0.45 rpm으로 회전하는 디스크 건조기에서 130℃로 건조를 하여 획득한 석탄을 비교 대상으로 사용하였다.
실시예
수분의 함량이 30.91%인 석탄 700g을 등유 0.7ℓ와 상온에서 10분간 혼합한 다음, 필터에서 고체 석탄을 분리하고, 이후 0.45 rpm으로 회전하는 디스크 건조기에서 130℃로 건조하여 얻어진 석탄을 측정 대상으로 사용하였다.
표 1 석탄 건조기를 이용한 석탄의 수분량 측정 실험 결과
시료종류 건조전 수분량(%) 건조후 수분량(%)
실시예 : 혼합-필터-디스크건조 30.91 1.39
비교예 : 혼합-튀김건조-필터-디스크건조 30.91 2.23
(Coal : 700g 등유 0.7 ℓ, 디스크건조장치 : 0.45 rpm)
상기 실험을 통해 석탄의 최종 수분 함량을 비교한 결과 튀김 건조 과정을 거치지 않은 석탄의 수분 함량이 오히려 더 작게 나왔음을 알 수 있었다. 또한, 전체 공정 시간도 튀김 건조를 한 경우에는 35분 이상이 소요된 반면 튀김 건조 공정을 거치지 않은 경우에는 15분에 완료됨을 알 수 있었다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 기술적 사상을 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있는 것이다.

Claims (13)

  1. 바인더 물질을 함유하는 물질을 용매인 등유, 경유 또는 이들의 혼합물과 혼합하고, 150℃ 이하의 온도로 가열하여 바인더 물질을 용매로 균일하게 분산시킨 다음 고형 이물질을 여과하여 바인더 물질과 용매의 혼합 용액을 수득하는 단계;
    상기 혼합 용액에 수분이 10 내지 80중량%인 탄소원을 첨가하여 혼합하는 단계;
    상기 혼합용액과 탄소원이 혼합된 혼합물을 고-액분리기에서 고-액 분리하는 단계: 및
    상기 고-액분리기에서 분리된 고체를 전도 열전달 방식으로 가열 건조하여 상기 혼합 용액과 탄소원의 혼합물에서 수분 및 용매 성분을 증발시켜 제거하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고-액 분리과정을 통해 분리된 액체와 전도 열전달 방식의 건조과정에서 기화된 수분 및 용매 성분의 기체성분은 냉각조로 이송되어 기체성분의 액화 및 액체성분의 냉각이 이루어진 다음 유-수 분리과정을 통해 기름 성분만을 용매로 회수하여 재사용하는 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전도 열전달 방식의 건조과정에는 열전도형 건조장치가 적용되는 것으로, 이는 건조실 하부에 금속 소재의 원판형 디스크가 마련되고, 원판형 디스크 하부에는 가열수단이 구비되어 원판형 디스크를 가열함에 따른 전도열을 발생시키는 것이며, 원판형 디스크 상부에서 회전하는 교반 블레이드가 형성된 것으로, 전도열을 발생시키는 원판형 디스크 상부에 고체 대상물이 수용되고 이를 교반 블레이드의 회전을 통해 혼합시킴으로 빠른 건조가 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전도 열전달 방식의 건조과정은, 60 ~ 140℃로 가열된 원판형 디스크 상부에 상기 고체가 수용되고, 원판형 디스크 상부에는 교반 블레이드가 0.1 ~ 10rpm 속도로 회전함으로써 고체를 섞어 고른 건조가 이루어질 수 있도록 하였으며, 건조시간은 5 ~ 30분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 바인더 물질은 폴리에틸렌(PE: Polyethylene), 폴리프로필렌(PP: Polypropylene), 폴리스티렌(PS: Polystyrene), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS: Acrylonitrile butadiene styrene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate)와 같은 고분자 물질과 팜유, 아스팔트, 콜타르 중 어느 하나가 적용되거나, 또는 최소 둘 이상의 바인더 물질에 의한 혼합물인 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    바인더 물질과 용매의 혼합 용액중의 바인더 물질의 함량이 40중량% 이하인 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄소원이 수분 함량 10 내지 80중량%의 하수 슬러지 또는 석탄인 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
  8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해서 제조된 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료.
  9. 제 8항에 있어서,
    바인더 물질이 폴리에틸렌(PE: Polyethylene), 폴리프로필렌(PP: Polypropylene), 폴리스티렌(PS: Polystyrene), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS: Acrylonitrile butadiene styrene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: Polyethylene terephthalate)와 같은 고분자 물질과 팜유, 아스팔트, 콜타르 중 어느 하나가 적용되거나, 또는 최소 둘 이상의 바인더 물질에 의한 혼합물인 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    탄소원이 수분 함량 10 내지 80중량%의 하수 슬러지 또는 석탄인 것을 특징으로 하는 표면에 바인더 물질이 코팅된 탄소원을 포함하는 고체 연료.
  11. 제 8항 또는 제 9항의 고체 연료로부터 제조된 성형탄.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 전도 열전달 방식으로 가열 건조된 고체 연료는 일정한 압력으로 가압하여 성형 틀을 통과시키는 과정을 통해 최종 고체 연료 성형물이 형성되는 것을 특징으로 하는 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료를 제조하는 방법.
  13. 제 12항의 방법에 의해 제조된 바인더 물질과 탄소원이 혼합된 고체 연료.
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