KR100808123B1 - 누벽식 열분해 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 누벽식 열분해 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융기와 수직형 열분해 반응기 사이에 리듀서로 연결하고 폐플라스틱 용융액이 열분해 반응기의 내벽을 타고 흐르도록 하는 누벽식 열분해 반응기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 누벽식 열분해 반응기는 폐플라스틱 원료를 공급하는 호퍼; 상기 호퍼의 하부에 구비되고 상기 호퍼로부터 공급된 폐플라스틱 원료가 투입되어 제 1 가열수단에 의해 용융되며 하판에는 측벽과 근접한 부위에 다수의 용융액 토출구가 원형으로 배치된 용융기; 상기 용융기의 하부에 결합되며 상기 용융액 토출구를 통해 토출된 용융액이 경사진 내벽면을 따라 하방으로 이동되도록 설치되는 리듀서; 상기 리듀서의 하부에 일체로 형성되고 상기 리듀서의 경사진 내벽면을 따라 이동되어 측벽을 따라 흐르는 용융액이 제 2 가열수단에 의해 열분해되며 통형상으로 된 열분해 반응기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명은 장치의 구성이 간단하고, 폐플라스틱 용융액을 열분해 반응기의 내벽면에 흐르도록 함으로써 열분해 성능 및 효율을 향상시킬 수 있고 열분해 반응시 소비되는 연료 또는 전력의 소모를 줄여 폐플라스틱을 보다 경제적이고 효율적으로 열분해할 수 있으며 열분해시 불활성가스 분위기하에서 열분해되도록 함으로써 오염도를 줄일 수 있는 효과가 있다.

열분해, 누벽식

Description

누벽식 열분해 반응기{Wet-wall type Thermal Cracking Reactor System}

도 1은 본 발명에 의한 누벽식 열분해 반응기의 구성을 나타낸 부분단면사시도.

도 2는 본 발명에 의한 용융기의 내부구조를 나타낸 부분단면사시도.

도 3은 본 발명에 의한 삿갓형 분배판을 나타낸 사시도.

도 4는 본 발명에 의한 용융기와 리듀서의 결합구조를 나타낸 사시도.

도 5a는 본 발명에 의한 용융기의 저면도이고, 도 5b는 본 발명에 의한 리듀서의 평면도.

도 6과 도 7은 본 발명에 의한 누벽식 열분해 반응기의 사용상태를 나타낸 단면도.

**도면의 주요부위에 대한 도면부호의 설명**

10: 호퍼 11: 공급밸브

20: 용융기 21: 하판

22: 용융액 토출구 23: 릴리프 밸브

24: 플랜지 25: 가압수단

25a: 압력원 25b: 압력조절밸브

25c: 압력계 30: 제 1 가열수단

40: 리듀서 41: 플랜지

42: 내벽면 43: 삿갓형 분배판

44: 불활성가스공급수단 50: 열분해 반응기

51: 측벽 60: 제 2 가열수단

본 발명은, 누벽식 열분해 반응기에 관한 것으로, 폐플라스틱이나 폐 플라스틱을 함유한 고형폐기물(이하, '폐플라스틱' 이라 함)을 열분해하는 수직형 열분해 반응기에서 열분해 반응기의 내벽면을 따라 폐플라스틱 용융액이 흐르도록 하여 열분해되도록 하는 누벽식 열분해 반응기에 관한 것이다.

플라스틱은 무게에 비하여 부피가 크고 분해가 어려운 특성 때문에 폐기시 적당한 처리를 하지 않으면 심각한 환경문제를 야기하는 반면, 폐플라스틱의 약 80% 이상을 차지하는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌과 같은 폴리올레핀계 플라스틱은 열가소성, 탄소와 수소로만 이루어진 분자구성, 높은 수소/탄소 비율, 액화가 쉬운 분자구조를 갖기 때문에 적당한 화학적 처리를 통해 화학원료나 연료로 재활용할 수 있다. 따라서 폐플라스틱의 화학적 재활용은 학술적, 정책적, 상업 적으로 매우 흥미로운 주제이며, 대표적인 화학적 재활용 기술로는 열분해가 있다. 열분해는 조작 온도에 따라 350~550 ℃ 범위에서 행하여 연료유를 얻는 유화(liquefaction)와 600 ℃ 이상에서 행하여 단량체 등의 화학원료를 얻는 가스화(gasification)로 나눌수 있다.

열분해 반응은 폐플라스틱을 반응기 내에 회분식, 반회분식 또는 연속식으로 넣거나 공급하면서 산소가 없는 불활성 분위기에서 350℃ 이상으로 가열함으로써 이루어진다. 열분해 온도는 폐플라스틱을 이루는 고분자 종류(분자구조, 주쇄길이, 치환기의 종류 및 개수, 분자량, 중합도)와 폐플라스틱 성상(수분 및 먼지, 난분해성 고형물 및 이종 고분자, 고분자 분해능이 있는 촉매 등의 함유 및 함유량), 반응기내 압력 및 동반기체의 종류와 흐름에 따라 달라지므로, 처리하고자 하는 폐플라스틱의 최적의 열분해 온도는 실험적으로 결정되어야 한다.

열분해 반응기는 고온에 견딜 수 있는 금속이나 세라믹 재질이어야 하며, 가열형태에 따라 분류하면 크게 밑에서 위로 가열하는 조형반응기, 옆에서 가열하는 튜브형 반응기, 그리고 이를 조합한 방식으로 나눌 수 있다. 조형 반응기는 밑이 넓은 솥 형태이며, 튜브형 반응기는 수직방향으로 세운 원통 형태가 대표적이다.

한편, 대부분의 열분해 반응은 위에 언급한 여러 가지 형태의 반응기에 고체상태의 폐고분자를 넣거나 공급하면서 1차적으로 반응기를 가열하고 가열된 반응기로부터 열이 2차적으로 폐고분자로 전달되는 간접 가열방식이다. 그러나 플라스틱은 단열재료로 사용될 정도로 열전도도가 매우 낮아서 1차적으로 가열된 반응기 벽면과 폐플라스틱 중심부의 온도차가 매우 큰 현상이 발생하게 되는 단점이 있으며, 특히 튜브형 반응기에서 반응기 직경이 클수록 더욱 심하다. 통상 화학공업에서 온도구배나 농도구배를 해소하기 위해서 교반조작을 하는데, 상기와 같은 폐플라스틱의 경우 폐플라스틱이 주로 판상 조각이고, 형태가 균일하지 못하고 강도가 높아서 교반조작 자체가 어렵다. 따라서 상기와 같은 방식의 폐플라스틱 열분해반응은 열전달 효율이 매우 낮아서 에너지 비용이 높고, 처리시간이 길며, 반응장치의 수명이 짧고, 안전운전이 어려운 매우 불리한 방식이다.

상기한 문제점을 해소할 수 있는 것으로 폐플라스틱 용융액을 열분해 반응기의 내벽을 따라 흐르도록 한 폐플라스틱 용융액 누벽방식을 채용한 열분해 장치가 한국특허등록 제0517881호(발명의 명칭: 폐플라스틱 유화재생 처리장치)에 개시된 바 있다. 상기 장치는 폐플라스틱을 파쇄를 거쳐 용융한 후 상기 용융액을 수직형 반응기로 누벽시키면서 열분해하며, 중력에 의해 하부로 토출된 열분해 생성물인 유분과 난분해성 고형물을 분리한 후 다시 유분을 기상유분과 액상유분으로 분리하고, 유분과 난분해성 고형물 분리조작의 연속성과 난분해성 고형물의 연소조작과의 연계를 위해 직경감소구조물을 구비한 스크류 피더를 사용한다.

상기 열분해기는 가열된 열분해 반응기의 내벽에 폐플라스틱 용융액이 액상필름 형태로 공급되고, 중력에 의해 아래로 누벽되면서 반응기 벽으로부터 열을 공급받아 열분해되는데, 정확하게 열분해 반응온도를 조절할 수 있기 때문에 생성물 성상을 보다 효과적으로 조절할 수 있으며, 종래 튜브형 반응기와 비교할 때 열분해 성능도 우수하고, 에너지 소요량도 적으며, 고분자 열분해 메카니즘 중 반응물이 열분해 반응기 내벽에 누벽됨으로써 얻어지는 기상유분과 액상유분이 극대화된 넓은 계면상에서 열분해됨으로써 생성물, 특히 액상유분중 알파올레핀 생성량이 두드러지게 많은 장점이 있다.

그러나 상기 열분해기는 열분해 반응기에 누벽되도록 구성하기 위하여 반응기를 회전시키게 되므로 모터와 벨트나 체인 등을 이용한 동력전달장치를 필요로 하게 되므로 장치의 구조가 복잡하고 반응기를 회전시키는데 많은 동력이 소모되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 반응기를 회전시키지 않고도 열분해 반응기에 누벽되도록 함으로써 구조가 간단하고 동력소모가 적으며 효율적으로 열분해할 수 있도록 하는 경제적인 누벽식 열분해 반응기를 제공하는 데에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 열분해시 불활성가스 분위기하에서 열분해되도록 함으로써 오염도를 줄일 수 있도록 하는 누벽식 열분해 반응기를 제공하는 데에 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 폐플라스틱 원료를 공급하는 호퍼; 상기 호퍼의 하부에 구비되고 상기 호퍼로부터 공급된 폐플라스틱 원료가 투입되어 제 1 가열수단에 의해 용융되며 하판에는 측벽과 근접한 부위에 다수의 용융액 토출구가 원형으로 배치된 용융기; 상기 용융기의 하부에 결합되며 상기 용융액 토출구를 통해 토출된 용융액이 경사진 내벽면을 따라 하방으로 이동되도록 설치되는 리듀서; 상기 리듀서의 하부에 일체로 형성되고 상기 리듀서의 경사진 내벽면을 따라 이동되어 측벽을 따라 흐르는 용융액이 제 2 가열수단에 의해 열분해되며 통형상으로 된 열분해 반응기; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명은 상기 용융기의 상부와 결합되어 상기 용융기 내부에 압력을 가하여 용융액이 토출되도록 하는 가압수단; 이 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은 상기 열분해 반응기의 지름보다 크고, 상기 용융기 하판에 결합되어 리듀서 내측 중앙에 설치되며 상기 용융액 토출구 내측에서 적하되는 용융액이 리듀서 내벽면을 따라 흐르도록 설치되는 삿갓형 분배판; 이 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 토출구의 지름은 1 ~ 10 mm이며, 상기 가압수단에 의해 가압되는 압력의 범위는 3기압 이하인 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명은 상기 리듀서와 결합되며 상기 리듀서 내벽면의 내측으로 불활성가스를 공급하는 불활성가스공급수단; 이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 용융기의 상부에는 상기 용융기의 압력상승을 방지하는 릴리프 밸브; 가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 누벽식 열분해 반응기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 누벽식 열분해 반응기의 구성을 나타낸 부분단면사시도이고, 도 2는 본 발명에 의한 용융기의 내부구조를 나타낸 부분단면사시도이며, 도 3은 본 발명에 의한 삿갓형 분배판을 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명에 의 한 용융기와 리듀서의 결합구조를 나타낸 사시도이며, 도 5a는 본 발명에 의한 용융기의 저면도이고, 도 5b는 본 발명에 의한 리듀서의 평면도이며, 도 6과 도 7은 본 발명에 의한 누벽식 열분해 반응기의 사용상태를 나타낸 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 누벽식 열분해 반응기는 폐플라스틱 원료를 공급하는 호퍼(10); 상기 호퍼(10)로부터 공급된 폐플라스틱 원료가 투입되어 제 1 가열수단(30)에 의해 용융되는 용융기(20); 용융액이 경사진 내벽면을 따라 하방으로 이동되도록 설치되는 리듀서(40); 상기 리듀서(40)의 경사진 내벽면을 따라 이동되어 측벽을 따라 흐르는 용융액이 제 2 가열수단(60)에 의해 열분해되는 열분해 반응기(50); 를 포함하여 이루어진다.

상기 호퍼(10)는 폐플라스틱 원료를 공급한다. 상기 호퍼(10)는 대용량에 사용되어 일체로 투입되는 배치식(Batch Type) 또는 소용량에 사용되어 연속적으로 투입될 수 있는 연속식(Continuous Type) 등 다양하게 사용될 수 있다. 상기 호퍼(10)는 용융기(20)의 용량에 따라 알맞은 형태로 결정되게 된다. 상기 용융기(20)는 저장된 폐플라스틱 원료를 공급밸브(11)를 통해 공급받으며, 가온수단에 의해 특정한 온도를 부여받는다. 상기 가열수단은 용융기 내부 온도를 측정할 수 있는 열전대 등 온도센서와 열선, 열유, 버너 등 가열기와 온도조절기 등을 포함한 통상적인 온도조절시스템을 의미한다.

상기 용융기(20)는 상기 호퍼(10)의 하부에 구비되고 상기 호퍼(10)로부터 공급된 폐플라스틱 원료가 투입되어 제 1 가열수단(30)에 의해 용융되며 하판(21)에는 측벽과 근접한 부위에 다수의 용융액 토출구(22)가 원형으로 배치되고, 원통 형상으로 된다. 상기 제 1 가열수단(30)은 상기 용융기(20)의 외측에 구비되어 상기 호퍼(10)로부터 공급된 폐플라스틱 원료를 용융시킨다. 상기 용융기(20)의 하판(21)에 형성된 용융액 토출구(22)는 직경은 1~10mm로 되는 것이 바람직하다. 상기 용융액 토출구(22)의 직경이 너무 크게 되면 상기 리듀서(40)와 상기 열분해 반응기(50)로 공급되는 용융액의 공급속도가 너무 크게 되어 열분해 반응기에서의 전부 열분해되지 않게 되므로 열분해 효율이 저하되게 되며, 상기 용융액 토출구(22)의 직경이 너무 작게 되면 용융액의 배출속도가 너무 작아 열분해 반응기로의 공급량이 작게 되어 열분해 생성물이 적게 되므로 결국 열분해 효율이 저하되게 된다. 이때, 상기 가압수단(25)에 의해 상기 용융기(20) 내부에 가압되는 압력은 3 기압 이하인 것이 바람직하다.

상기 용융기(20)의 상부에는 용융액 토출구(22)가 막혀 용융액이 배출되지 않거나 상기 용융기(20) 내부의 과도한 압력상승을 방지하는 릴리프 밸브(23)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 용융기(20)의 하부 외측에는 상기 리듀서(40)가 체결될 수 있도록 플랜지(24)가 형성된다. 상기 플랜지(24)에 상기 리듀서(40)의 상부 외측에 형성된 플랜지(41)와 볼트와 너트에 의해 체결되게 된다.

상기 리듀서(40)는 상기 용융기(20)의 하부에 결합되며 상기 용융액 토출구(22)를 통해 토출된 용융액이 경사진 내벽면을 따라 하방으로 이동되도록 설치되며 하부로 갈수록 직경이 작은 일반적인 리듀서를 사용한다. 상기 리듀서(40)의 상부 직경은 상기 용융기(20)의 하부 직경과 동일하며 하부 직경은 상기 용융액 토출 구(22)가 상기 리듀서(40)의 내부 경사면에 적하될 수 있도록 직경을 갖는다. 상기 리듀서(40)의 상부는 상기 용융기(20)의 하부에 형성된 플랜지(24)와 동일한 플랜지(41)로 되며 볼트와 너트에 의해 체결된다. 상기 리듀서(40)의 하부는 상기 열분해 반응기(50)와 일체로 형성되거나 일체로 용접되게 된다. 상기 리듀서(40)의 내측 중앙에는 상기 열분해 반응기(50)의 지름보다 크고, 상기 용융기(20) 하판(21) 하부에 결합되어 상기 용융액 토출구(22) 내측에서 적하되는 용융액이 리듀서(40) 내벽면(42)을 따라 흐르도록 설치되는 삿갓형 분배판(43)이 더 구비되는 것이 바람직하다. 도 6의 사용상태도에서는 삿갓형 분배판(43)이 사용되지 않은 것을 나타내며, 도 7의 사용상태도에서는 삿갓형 분배판(43)이 사용되는 상태를 나타낸다.

상기 리듀서(40)의 외측에는 상기 리듀서(40)와 결합되며 상기 리듀서 내벽면(42)의 내측으로 불활성가스를 공급하는 불활성가스공급수단(44)이 더 구비되는 것이 바람직하다. 상기 불활성가스공급수단(44)에 의해 공급되는 불활성가스는 리듀서(40)의 내부 및 상기 열분해 반응기 내부의 온도 정도로 예열기(미도시됨) 등에 의해 예열되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 열분해 반응기(50)는 상기 리듀서(40)의 하부에 일체로 형성되고 상기 리듀서(40)의 경사진 내벽면(42)을 따라 이동되어 측벽(51)을 따라 흐르는 용융액이 제 2 가열수단(60)에 의해 열분해되며 원통, 사각통 등 튜브형태로 된다. 이와 같이 본 발명은 상기 리듀서(40)에 의해 상기 용융액이 상기 열분해 반응기(50)의 측벽을 따라 흐르도록 하고 상기 열분해 반응기(50)의 외측에 위치한 제 2 가열수단(60)에 의해 가열되어 열분해되도록 함으로써 별도의 회전수단이 없이도 누벽되 도록 하여 제 2 가열수단(60)의 에너지 소모율을 줄여 효율적으로 열분해할 수 있게 된다.

상기 열분해 반응기(50)의 하부에는 난분해성 고형물과 유분을 분리하는 고형물-유분 분리기(미도시됨) 또는 유분을 기상유분과 액상유분으로 분리하는 기상-액상 유분 분리기(미도시됨)가 구비된다.

아울러, 본 발명은 상기 용융기(20)의 상부와 결합되어 상기 용융기(20) 내부에 압력을 가하여 용융액이 토출되도록 하는 가압수단(25); 이 더 구비되는 것이 바람직하다. 상기 가압수단(25)은 상기 호퍼(10)를 통해 저장된 폐플라스틱 원료를 공급받아 특정한 압력을 부여받는다. 상기 가압수단(25)은 컴프레셔, 고압충진가스 실린더 등의 압력원(25a)과 상기 용융기(20) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력조절밸브(25b), 압력계(25c)를 포함한다. 가압에 사용되는 기체는 헬륨, 아르곤, 질소 등의 불활성가스를 사용한다. 또한, 가압수단(25)에 의해 가압에 사용되는 기체는 용융기(20)의 내부의 온도 정도로 예열기(미도시됨) 등에 의해 예열되도록 하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 장치의 구성이 간단하고, 폐플라스틱 용융액을 열분해 반응기의 내벽면에 흐르도록 함으로써 열분해 성능 및 효율을 향상시킬 수 있고 열분해 반응시 소비되는 연료 또는 전력의 소모를 줄여 폐플라스틱을 보다 경제적이고 효율적으로 열분해할 수 있으며 열분해시 불활성가스 분위기하에서 열분 해되도록 함으로써 오염도를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 폐플라스틱 원료를 공급하는 호퍼;

   상기 호퍼의 하부에 구비되고 상기 호퍼로부터 공급된 폐플라스틱 원료가 투입되어 제 1 가열수단에 의해 용융되며 하판에는 측벽과 근접한 부위에 다수의 용융액 토출구가 원형으로 배치된 용융기;

   상기 용융기의 하부에 결합되며 상기 용융액 토출구를 통해 토출된 용융액이 경사진 내벽면을 따라 하방으로 이동되도록 설치되는 리듀서;

   상기 리듀서의 하부에 일체로 형성되고 상기 리듀서의 경사진 내벽면을 따라 이동되어 측벽을 따라 흐르는 용융액이 제 2 가열수단에 의해 열분해되며 통형상으로 된 열분해 반응기;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 누벽식 열분해 반응기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 용융기의 상부와 결합되어 상기 용융기 내부에 압력을 가하여 용융액이 토출되도록 하는 가압수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 누벽식 열분해 반응기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 열분해 반응기의 지름보다 크고, 상기 용융기 하판에 결합되어 리듀서 내측 중앙에 설치되며 상기 용융액 토출구 내측에서 적하되는 용융액이 리듀서 내벽면을 따라 흐르도록 설치되는 삿갓형 분배판이 더 구비된 것을 특징으로 하는 누벽식 열분해 반응기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 토출구의 지름은 1~10 mm이며,

   상기 가압수단에 의해 가압되는 압력의 범위는 3기압 이하인 것을 특징으로 하는 누벽식 열분해 반응기.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 리듀셔와 결합되며 상기 리듀셔 내벽면의 내측으로 불활성가스를 공급하는 불활성가스공급수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 누벽식 열분해 반응기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 용융기의 상부에는 상기 용융기의 압력상승을 방지하는 릴리프 밸브가 더 구비된 것을 특징으로 하는 누벽식 열분해 반응기.

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