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KR102412546B1 - 폐합성수지 유화장치 - Google Patents

폐합성수지 유화장치 Download PDF

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KR102412546B1
KR102412546B1 KR1020200049570A KR20200049570A KR102412546B1 KR 102412546 B1 KR102412546 B1 KR 102412546B1 KR 1020200049570 A KR1020200049570 A KR 1020200049570A KR 20200049570 A KR20200049570 A KR 20200049570A KR 102412546 B1 KR102412546 B1 KR 102412546B1
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oil
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Abstract

폐합성수지 유화장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 폐합성수지 유화장치는 폐합성수지가 수용되며 상기 폐합성수지를 가열함과 동시에 자외선을 조사하여 중질유인 유증기를 생성하는 분해로; 상기 분해로와 연통되게 설치되며 상기 분해로에서 유입된 중질유인 유증기를 냉각하여 액상의 중질유로 전환하는 열교환기; 및 상기 열교환기와 연통되게 설치되며 상기 열교환기에서 전환된 중질유를 공급받아 저장하는 저장탱크;를 포함한다.

Description

폐합성수지 유화장치{WASTE RESIN LIQUEFACTION APPARATUS}
본 발명은 폐합성수지 유화장치에 관한 것이다.
일반적으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등을 원료로 하는 폐플라스틱은 재활용도가 떨어져 대부분 소각, 매립에 의해 처리되고 있다.
폐플라스틱의 소각이나 매립은 심각한 환경오염을 유발하고, 자연상태로 분해되기까지 많은 시간이 소요되므로 환경 친화적이고 경제적인 폐플라스틱 처리 기술 개발이 요구되어 왔다.
폐비닐이나 폐플라스틱 등의 폐합성수지의 원료는 원유이고, 휘발유, 디젤유, 액화가스 역시 원유에서 증류, 추출된다. 폐합성수지의 원료는 분자량이 큰 탄화수소 고분자이며, 정유업체에서 생산되는 휘발유, 디젤유는 분자량이 비교적 작은 탄화수소 고분자이므로 폐합성수지를 액체화한 후 크래킹하여 석유로 전환시키는 것이 가능하다.
크래킹 방법으로는 통상적으로 산소가 없는 조건 하에서 고분자 물질을 가열하는 열분해 유화공정이 일부 사용되고 있으나, 공해물질이 발생할 뿐만 아니라 제조된 오일에 왁스, 타르, 코킹, 회분, 알루미늄 박분 외 중금속 등이 포함됨에 따른 낮은 품질로 인하여 현재 사용이 금지되어 있다.
종래의 고온 열분해 유화공정은 잘게 부서진 폐합성수지를 고온의 용융로로 공급하여 겔상으로 용융되게 한 후 겔상의 용융액을 열분해 반응로에서 450 ℃ 이상의 고온으로 가열하여 기체와 액체로 분리시킨 다음 유류 성분을 갖는 기체상의 가스로부터 왁스 성분의 중유를 분리하고, 중유가 분리된 가스를 다시 응축시켜 고점도를 갖는 혼합중질유를 얻도록 구성된다. 여기에서 얻어지는 혼합중질유는 열분해 공정에서 생산하고자 하는 주 생성물로서, 저비점부터 고비점을 갖는 여러 중질유 성분이 많이 혼합되고 높은 점성을 갖는 짙은 흑갈색의 혼합유로 다량의 중금속, 유해물질 등을 함유하고 있다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 '폐오일을 이용한 직접가열식 폐합성수지의 유화 장치'가 개시되어 있다.
하기 특허문헌 1에 따른 폐오일을 이용한 직접가열식 폐합성수지의 유화 장치는 폐합성수지와 폐오일을 포함하는 원료가 공급되며, 고온 및 고압 하에서 열분해가 일어나 가스가 생성되는 반응로; 상기 반응로로부터 토출되는 원료를 가열하고, 가열된 원료를 다시 상기 반응로로 순환시키도록 상기 반응로와 배관으로 연결되어 있는 제1 가열부를 포함하는 제1 가열부재; 및 상기 반응로에서 생성되는 가스를 냉각 응축시켜서 재생유를 추출하는 냉각부를 포함한다.
상기 반응로는 고온 및 고압 하에서 열분해가 일어난 후 감압되면서 가스가 생성되며, 상기 제1 가열부재에서 상기 배관의 일단부는 상기 반응로 측부를 관통하여 상기 반응로 내부와 연결되고 타단부는 상기 제1 가열부와 연결되어, 상기 반응로 내부의 상기 원료를 상기 제1 가열부로 토출시키는 토출관과, 일단부는 상기 제1 가열부와 연결되고 타단부는 상기 반응로 내부와 연결되어 상기 제1 가열부에서 가열된 상기 원료를 상기 반응로로 순환시키는 순환관을 포함한다.
상기 순환관의 타단부에는 상기 원료를 상기 반응로로 순환시키도록 제1 배출구와 제2 배출구가 각각 형성되며, 상기 제1 배출구는 상기 반응로에서 상기 원료의 열분해가 진행될 때 사용되고, 상기 제2 배출구는 상기 반응로에서 상기 원료의 열분해가 진행된 후 감압 하에서 상기 원료를 순환하여 가스화하는 과정에서 사용되며, 상기 제1 배출구는 단부가 외측 방향으로 벌어지지 않도록 형성되고, 상기 제2 배출구는 단부가 외측 방향으로 벌어져, 순환되는 원료가 옆으로 퍼지면서 상기 반응로 내벽에 부딪히도록 되어 있다.
하기 특허문헌 2에는 '폐합성수지 유화장치'가 개시되어 있다.
하기 특허문헌 2에 따른 폐합성수지 유화장치는 폐합성수지가 투입될 수 있고, 상기 폐합성수지를 교반하며 열 분해할 수 있는 가열로; 상기 가열로와 연결되며 상기 가열로에서 폐합성수지가 열분해될 때 발생하는 유류 가스를 냉각 및 액화시키며 혼합유를 생성하는 열교환기; 및 상기 열교환기와 연결되게 구성되며 상기 혼합유를 비점차를 이용하여 경질유와 중질유로 분리하는 분리유닛을 포함한다.
상기 분리유닛은 상기 열교환기와 연결되며 설정된 각도로서 상향 경사진 경사 유로부와, 상기 경사 유로부의 전방 시작단 측에 설치되며, 상기 혼합유를 가열하는 보조 히팅부와, 상기 경사 유로부에서 상기 보조 히팅부의 후방에 설치되며, 상기 보조 히팅부에 의해 기화된 혼합유 가스를 냉각하는 보조 냉각부와, 상기 보조 냉각부의 후방에서 상기 경사 유로부에 연결되며, 상기 보조 냉각부에 의해 액화된 중질유를 분리하는 제1 분기 유로와, 상기 경사 유로부의 끝단에 연결되며 상기 보조 냉각부에 의해 액화된 경질유를 분리하는 제2 분기 유로를 포함한다.
그러나 상기한 종래의 열분해 유화공정은 반응로에 공급된 폐합성수지을 매회 공정마다 간접 가열을 이용하여 450 ℃ 이상 가열하여야 하므로, 가열 시간이 상대적으로 길어져서 많은 양의 폐합성수지를 신속하게 처리하지 못하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0019346호 대한민국 공개실용신안 제20-2012-0007128호
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 본 발명은 폐합성수지를 비교적 낮은 온도에서 크래킹 분해하는 방식으로 혼합중질유(C24~C60)를 신속하게 생산하는 폐합성수지 유화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 폐합성수지가 수용되며 상기 폐합성수지를 가열함과 동시에 자외선을 조사하여 중질유인 유증기를 생성하는 분해로; 상기 분해로와 연통되게 설치되며 상기 분해로에서 유입된 중질유인 유증기를 냉각하여 액상의 중질유로 전환하는 열교환기; 및 상기 열교환기와 연통되게 설치되며 상기 열교환기에서 전환된 중질유를 공급받아 저장하는 저장탱크;를 포함하는 폐합성수지 유화장치를 제공한다.
상기 분해로는, 폐합성수지가 수용되는 본체; 상기 본체 내부에 마련되어 상기 폐합성수지를 가열하는 가열부; 상기 본체 내부에 마련되며 상기 가열부에 의해 가열되어 상기 폐합성수지에 조사되는 자외선을 방출하는 자외선 발생부; 및 상기 본체 상부에 마련되어 상기 생성된 중질유인 유증기를 상기 열교환기로 배출하는 유증기 배출구;를 포함할 수 있다.
상기 가열부는 상기 본체 내부의 온도가 180 내지 270 ℃가 되도록 가열하고, 상기 자외선 발생부는 상기 가열부에 의해 가열되며, 폐합성수지에 함유된 탄화수소 사슬을 분해하는 120 내지 250 nm 파장의 자외선을 방출하는 것일 수 있다.
상기 자외선 발생부는 복수의 세라믹 복합체가 수용된 어느 하나 이상의 세라믹 복합체 수용부를 포함하고, 상기 세라믹 복합체는 Al2O3, ZrO2 및 MgO 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 세라믹 분말과 LiF, MgF2 및 CaF2 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 불화물 분말과 터븀(Terbium, Tb), 세륨(cerium, Ce), 유로퓸(europium, Eu) 및 디스프로퓸(dysprosium, Dy) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 열형광 희토류계 형광체 물질을 혼합하고 성형한 후 소결하여 제조되고, 상기 세라믹 복합체는 180 내지 270 ℃의 온도에서 120 내지 250 nm 파장의 자외선을 방출하는 것일 수 있다.
상기 폐합성수지 유화장치는, 상기 분해로와 연결되어 상기 분해로 내부의 온도를 측정하는 온도 센서; 상기 분해로와 연결되어 상기 분해로 내부의 기압을 측정하는 압력 센서; 및 상기 온도 센서 및 상기 압력 센서에서 측정한 온도 값 및 기압 값을 공급받아 상기 가열부의 온도를 조절하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 폐합성수지 유화장치는, 상기 열교환기에 연결되어 상기 열교환기에서 상기 저장탱크로 공급되는 중질유의 유량을 측정하고 측정한 유량 값을 상기 제어부에 공급하는 유량계를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 유량 값이 설정 값 미만일 경우 가열부의 작동을 중단할 수 있다.
본 발명에 따르면, 폐합성수지를 열형광 특성을 갖는 세라믹 복합체를 가열하여 방출되는 광파동에너지와 열에너지를 동시에 이용한 직접 크래킹 분해반응을 통하여 중질유인 유증기 미립자(oil mist)로 기화한 후 응축시켜 혼합 중질유(C24~C60)을 얻을 수 있다. 열에너지와 광파동에너지를 동시에 사용하기 때문에 비교적 낮은 온도 조건에서 신속하게 양질의 중질유를 얻을 수 있으며, 소모되는 에너지가 적어 경제적이면서도 저온 공법으로 인해 오염물(다이옥신 등)이 발생하지 않는 친환경적인 방법으로 고품질의 중질유를 제조할 수 있다는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐합성수지 유화장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분해로를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 복합체에서 방출되는 광의 파장 및 강도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 복합체의 폐합성수지 분해 성능 확인을 위한 열 중량 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 복합체의 폐합성수지 분해 성능 확인을 위한 열 중량 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따라 생산된 중질유의 GC-MS(gas chromatograph-mass spectrometer) 분석 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
이하 도면과 실시예를 참고하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이하 기술된 용어와 설명은 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 예시한 것에 불과할 뿐 본 발명의 권리범위가 이에 한정되어 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 설명에 사용된 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 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 포함한다.
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 포함한다. 본 출원에서, "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.
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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐합성수지 유화장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폐합성수지 유화장치는 폐합성수지가 수용되며 상기 폐합성수지를 가열함과 동시에 자외선을 조사하여 중질유인 유증기를 생성하는 분해로(10); 상기 분해로(10)와 연통되게 설치되며 상기 분해로(10)에서 유입된 중질유인 유증기를 냉각하여 액상의 중질유로 전환하는 열교환기(20); 및 상기 열교환기(20)와 연통되게 설치되며 상기 열교환기(20)에서 전환된 중질유를 공급받아 저장하는 저장탱크(40);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폐합성수지 유화장치는 폐합성수지를 분해하여 중질유인 유증기를 생성한 후, 생성된 중질유인 유증기를 액화하여 중질유를 얻어냄으로써, 폐합성수지로부터 중질유를 추출해 내기 위한 것이다.
450 ℃ 이상의 고온 공정이 필수적이었던 종래의 열분해 유화공정과 달리, 본 발명의 폐합성수지 유화장치는 열에너지를 이용함과 동시에 조사하는 자외선의 파동에너지를 통해 비교적 저온에서도 신속한 폐합성수지의 분해가 가능하여 많은 양의 중질유을 빠른 시간 내에 생산할 수 있다.
여기서 폐합성수지라는 폐플라스틱, 폐비닐 등을 포함할 수 있으며, 열에 의해서 저분자 물질로 크래킹할 수 있는 열가소성 수지를 의미한다.
열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, ABS 수지, 아크릴로니트릴스티렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌술파이트, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 아크릴 수지, 나이론, 폴리아미드, 테프론, 합성고무, 폴리염화비닐 등을 예로 들 수 있다.
여기서 중질유는 왁스성분이 포함된 유류로서 정의할 수 있으며 벙커씨유를 예로 들 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 폐합성수지 유화장치는 분해로(10) 및 열교환기(20)를 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 분해로(10)는 폐합성수지를 공급받고 가열하여 중질유인 유증기를 생성하기 위한 것이다.
상기 분해로(10)는, 폐합성수지가 수용되는 본체(11); 상기 본체(11) 내부에 마련되어 상기 폐합성수지를 가열하는 가열부(13); 상기 본체(11) 내부에 마련되며 상기 가열부(13)에 의해 가열되어 상기 폐합성수지에 조사되는 자외선을 방출하는 자외선 발생부(14); 및 상기 본체(11) 상부에 마련되어 상기 생성된 중질유인 유증기를 상기 열교환기(20)로 배출하는 유증기 배출구(16);를 포함할 수 있다.
상기 본체(11)는 내부에 폐합성수지가 투입 가능한 구조로 원통 형상 또는 직육면체 형상으로 구성될 수 있다.
폐합성수지는 대차(17)에 적재되어 상기 분해로(10)의 일면에 설치된 투입구(12)를 통해 상기 본체(11)에 이동될 수 있으며, 상기 본체(11) 내부 바닥면에는 폐합성수지를 적재한 대차(17)의 이동을 위한 레일(18)이 설치될 수 있다.
상기 가열부(13)는 상기 본체(11) 내부의 온도가 180 내지 270 ℃가 되도록 가열하고, 상기 자외선 발생부(14)는 상기 가열부(13)에 의해 가열되며, 폐합성수지에 함유된 탄화수소 사슬을 분해하는 120 내지 250 nm 파장의 자외선을 방출하는 것일 수 있다.
상기 본체(11)의 내부에는 상기 본체(11) 내부 온도를 180 내지 270 ℃로 상승시킬 수 있는 가열부(13)가 설치되며, 상기 가열부(13)는 판형 또는 실린더 형상일 수 있다.
예를 들어, 상기 가열부(13)는 판형으로 상기 본체(11)의 양측 내벽 및 바닥면에 일정 간격을 두어 설치될 수 있으며, 상기 가열부(13)는 실린더형으로 상기 본체(11) 내벽에 인접하여 하면과 수직 또는 수평으로 한 개 또는 일정 간격을 두고 다수 마련될 수 있다. 상기 가열부(13)의 형태는 이에 한정되는 것은 아니고 상기 분해로(10)의 형태, 용량, 목표 온도 등을 고려하여 적절히 설계, 변경할 수 있다.
상기 자외선 발생부(14)는 복수의 세라믹 복합체(15b)가 수용된 적어도 하나 이상의 세라믹 복합체 수용부(15a)를 포함하고,
상기 세라믹 복합체(15b)는 Al2O3, ZrO2 및 MgO 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 세라믹 분말과 LiF, MgF2 및 CaF2 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 불화물 분말과 터븀(Terbium, Tb), 세륨(cerium, Ce), 유로퓸(europium, Eu) 및 디스프로퓸(dysprosium, Dy) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 열형광 희토류계 형광체 물질을 혼합하고 성형한 후 소결하여 제조되고, 상기 세라믹 복합체(15b)는 180 내지 270 ℃의 온도에서 120 내지 250 nm 파장의 자외선을 방출하는 것일 수 있다.
보다 상세하게, 상기 분해로(10) 내부에는 자외선을 방출하여 상기 폐합성수지에 함유된 탄화수소 사슬을 분해하는 자외선 발생부(14)가 설치된다. 상기 자외선 발생부(14)는 상기 타일 또는 블록 형상으로 상기 본체(11) 내부 벽면에 설치될 수 있다.
상기 자외선 발생부(14)는 복수의 세라믹 복합체(15b)가 수용된 세라믹 복합체 수용부(15a)가 적어도 하나 이상 포함한다. 상기 세라믹 복합체 수용부(15a)는 수용된 세라믹 복합체(15b)에서 방출되는 자외선을 차단하지 않으면서도 상기 가열부(13)에서 가해지는 열을 견딜 수 있는 소재로 구성되며, 예를 들어 금속 메쉬를 이용할 수 있다.
상기 세라믹 복합체(15b)는 열형광(Thermo-fluorescence) 특성에 의해 180 내지 270 ℃의 온도에서 UV-C에 해당하는 120 내지 250 nm 파장의 자외선을 방출한다. 방출된 UV-C의 파장은 상기 120 내지 250 nm 범위에서 불연속적으로 존재하며, 강력한 파동에너지를 갖는 펄스파(pulse wave)에 해당한다. 상기 방출되는 자외선(펄스파)의 파동에너지를 파장에 따라 환산하면 989 내지 480 kJ/mol에 해당한다.
상기 폐합성수지에 일반적으로 포함되는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등의 고분자에 함유된 탄소 간 단일결합(C-C) 에너지는 347 kJ/mol이므로, 상기 세라믹 복합체(15b)에서 방출되는 자외선은 탄소 간 단일결합의 직접 분해(direct cracking)를 일으킬 수 있는 충분한 에너지를 가진다.
따라서 450 ℃ 이상의 고온 공정이 필수적이었던 종래의 열분해 유화공정과는 달리, 본 발명의 폐합성수지 유화장치는 상기 세라믹 복합체(15b)에서 방출되는 파동에너지를 열에너지가 더해져 180 내지 270 ℃의 비교적 저온에서도 폐합성수지의 분해가 가능하여 가열 시간을 단축할 수 있고, 450 ℃ 이상의 고온을 유지하는데 소요되는 에너지를 줄이는 효과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 열에너지만을 사용하여 폐합성수지를 분해하는 경우와 달리 자외선 조사에 의한 파동에너지를 동시에 이용하기 때문에, 폐합성수지의 분해가 더욱 빠르게 일어나 많은 양의 중질유를 신속하게 생산할 수 있다는 장점을 가진다.
또한 기존의 고온 열분해 공정에서 코크, 타르, 회분가 생성되고 열분해 반응로 내벽에 침착되어 다음 작업을 하기 위해서는 반응로 내벽의 잔사를 매번 제거해야하며, 이에 따라 반응로를 연속적으로 가동하지 못하는 문제가 있다. 그러나 본 발명의 폐합성수지 유화장치는 비교적 저온으로 공정이 진행되므로 코크, 타르, 회분 등이 생성되지 않기 때문에, 이러한 문제를 해결할 수 있다.
게다가 고온 열분해 공정에서는 다이옥신, 분진 등의 유해 물질의 방출 문제가 필연적으로 수반되나, 본 발명에서는 저온 공정에 의해 유해 물질이 방출되지 않아 환경 친화적이며, 유해 물질 배출을 방지 및 회수하기 위한 비용을 절약할 수 있어 경제적이다.
상기 가열부(13)에서 공급되는 열에너지 및 상기 세라믹 복합체(15b)에 의해 방출되는 자외선의 파동에너지에 의해 폐합성수지에 함유된 탄화수소 사슬은 분해되고 분자량이 줄어든 탄화수소 사슬은 대부분 탄소수 24 내지 60의 중질유인 유증기로 기화된다.
상기 세라믹 복합체(15b)의 제조방법에 대해 보다 상세하게 설명하면, 상기 세라믹 복합체(15b)는 상기 세라믹 분말, 상기 불화물 분말 및 열형광 희토류계 형광체 물질을 혼합하고 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 1300 내지 1450 ℃의 온도에서 소결하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 세라믹 복합체(15b)는 판 형상 또는 직경 8 내지 15 mm의 구 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 설치의 편의성을 위해 세라믹 복합체(15b)의 형태를 적절히 선택할 수 있다.
상기 유증기 배출구(16)는 열에너지 및 파동에너지에 의해 기화된 중질유인 유증기를 배출한다. 상기 유증기 배출구(16)는 기화된 중질유인 유증기가 상승하는 점을 고려할 때, 상기 본체(11) 상부에 설치되는 것이 바람직할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 분해로(10)는 내부의 밀폐를 위해서 유압 실린더를 포함할 수 있다. 상기 유압 실린더에 의해 밀폐된 분해로(10)는 외부 공기가 유입되지 않아 무산소 분위기가 형성되기 때문에, 상기 세라믹 복합체(15b)에서 방출되는 자외선에 의한 폐합성수지 탄소 간 결합의 크래킹 반응 외에 어떠한 부가 반응이 일어나지 않는다. 따라서, 폐합성수지에 대한 전처리 과정이 필요 없고, 오염물질이 발생되지 않으며, 분해 잔재물은 숯과 같은 형상의 탄소 덩어리로 변환된다. 상기 세라믹 복합체(15b)에 의해 분해되지 않는 무기물 또는 금속 등의 불순물은 분해 잔재물과 분리하여 별도 수거할 수 있으며, 분해 잔재물 또한 탄소 함유율이 높은 고열량 고형 연료로 재사용할 수 있다.
상기 본체(11)의 하부에는 이물질 또는 폐합성수지에 포함된 수분을 배출하기 위한 이물질 배출구가 형성될 수 있다.
또한, 상기 폐합성수지 유화장치는, 상기 분해로(10)와 연결되어 상기 분해로(10) 내부의 온도를 측정하는 온도 센서(51); 상기 분해로(10)와 연결되어 상기 분해로(10) 내부의 기압을 측정하는 압력 센서(52); 및 상기 온도 센서(51) 및 상기 압력 센서(52)에서 측정한 온도 값 및 기압 값을 공급받아 상기 가열부(13)의 온도를 조절하는 제어부(50);를 더 포함할 수 있다.
상기 온도 센서(51) 및 압력 센서(52)는 상기 분해로(10) 내부의 온도 및 압력의 측정이 용이하도록 분해로(10) 내부와 연결되도록 설치된다.
상기 제어부(50)는 상기 온도 센서(51) 및 압력 센서(52)로부터 측정된 온도 및 압력 값을 인식하여 온도 및 압력이 과도하게 높을 경우, 가열부(13)의 온도를 높이고, 측정된 온도 및 압력이 과도하게 낮을 경우, 가열부(13)의 온도를 낮추도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 열교환기(20)는 상기 분해로(10)와 연통되고, 상기 분해로(10)에서 유입된 상기 중질유인 유증기를 냉각 및 액화하여 중질유를 생성하기 위한 것이다.
상기 열교환기(20)는 상기 분해로(10)의 유증기 배출구(16)와 연결될 수 있다. 상기 열교환기(20)는 냉각수가 저장된 냉각 수조를 포함할 수 있으며, 상기 열교환기(20)로 유입된 중질유인 유증기는 냉각 수조에 의해 열을 빼앗기고 냉각 및 액화되어 중질유로 전환될 수 있다.
이러한 열교환기(20)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 열교환기(20)로 이루어지므로 열교환기(20) 자체 구성 관한 더욱 자세한 설명은 생략한다.
상기 폐합성수지 유화장치는, 상기 열교환기(20)에 연결되어 상기 열교환기(20)에서 상기 저장탱크(40)로 공급되는 중질유의 유량을 측정하고 측정한 유량 값을 상기 제어부(50)에 공급하는 유량계(53)를 더 포함하고, 상기 제어부(50)는 상기 유량 값이 설정 값 미만일 경우 가열부(13)의 작동을 중단할 수 있다.
상기 유량계(53)에 의해 측정된 중질유의 유량이 일정치 미만일 시, 폐합성수지 내에서 추출할 수 있는 중질유인 유증기가 소진되었음을 의미하며, 이때 상기 제어부(50)는 가열부(13)의 작동을 중단하여 폐합성수지 유화공정을 종료할 수 있다. 상기 설정 값은 상기 분해로(10)에 투입한 폐합성수지의 양에 따라 다르게 설정할 수 있으며, 예를 들어 폐합성수지 6000 kg 투입 시 설정 값은 100 l/hr로 설정할 수 있다.
상기 제어부(50)는 앞서 설명한 상기 온도 센서(51) 및 상기 압력 센서(52)로부터 온도 및 압력 값을 공급받는 제어부(50)와 동일한 것이 바람직하며, 자동 또는 수동으로 작동될 수 있다.
상기 폐합성수지 유화장치는, 상기 열교환기(20)과 연통되게 설치되고, 상기 열교환기(20)에서 공급받은 중질유에 함유된 수분을 제거하고, 수분이 제거된 중질유를 상기 저장탱크(40)에 공급하는 유수분리기(30)를 더욱 포함할 수 있다.
상기 유수분리기(30)는 상기 열교환기(20)에 의해 액화된 중질유에 함유된 수분을 밀도차를 이용한 중력방식이나 원심분리를 이용하여 분리한다.
이러한 유수분리기(30)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 유수분리기(30)로 이루어지므로 열교환기(20) 자체 구성 관한 더욱 자세한 설명은 생략한다.
상기 생성된 중질유는 상기 열 교환기 또는 상기 유수분리기(30)와 연결된 저장탱크(40)로 이송되어 저장될 수 있다.
상기한 구성으로 인해 본 발명의 폐합성수지 유화장치는 180 내지 270 ℃의 저온에서도 세라믹 복합체(15b)에서 방출되는 자외선의 파동에너지를 활용하여 폐플라스틱에 함유된 탄소-탄소 결합을 분해할 수 있으며, 탄소수가 줄어든 탄화수소는 유증기화가 원활하게 이루어질 수 있다. 발생한 유증기는 냉각 및 액화 과정을 통해 C24~C60의 탄소수를 갖는 양질의 중질유를 얻을 수 있다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 폐합성수지 유화장치의 작동 및 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
폐합성수지는 자동으로 이송되는 대차(17)에 적재되어 분해로(10) 내부로 투입된다. 폐합성수지는 2 대의 대차(17)에 각 3개씩 총 6개의 비닐팩에 담겨 분해로(10) 내부로 투입되며, 장입 후 유압 실린더를 사용하여 투입구(12)를 밀폐하고 열교환기(20)의 냉각수의 유량속도가 일정한 상태에 도달하면 가열부(13)의 작동을 시작한다.
상기 가열부(13)는 실린더 형상을 띄고, 상기 본체(11) 내부의 양 측부에 하면과 수직 방향으로 각 6개씩 12개 및 상기 본체(11) 내부의 하면에 하면과 수평 방향으로 24개 설치된다.
상기 본체(11) 내부 온도는 초기 60 ℃로 설정되어 있고, 폐합성수지가 투입된 이후 상기 가열부(13)가 작동하여 상기 본체(11) 내부의 온도를 270 ℃까지 상승시킨다.
상기 본체(11) 내부의 상면 및 양 측면에 설치된 가열부(13)와 인접하게 배치된 자외선 발생부(14)는 열에너지를 흡수하고 상기 자외선 발생부(14)에 포함된 상기 세라믹 복합체 수용부(15a)에 수용된 세라믹 복합체(15b)는 120 내지 250 nm 파장을 갖는 자외선을 방출한다. 상기 방출된 자외선의 파동에너지로 인하여 폐합성수지에 함유된 탄소 간 결합이 분해되며, 탄소수 24 내지 60의 중질유인 유증기로 증발하여 상기 분해로(10) 상부 일측에 설치된 유증기 배출구(16)로 배출된다.
상기 배출된 중질유인 유증기는 열교환기(20)를 경유하며 냉각 및 응축되어 액상의 중질유로 전환된다. 중질유는 이후 유수분리기(30)로 공급되며, 유수분리기(30)에서 중질유에 함유된 소량의 수분을 분리하여 제거한다. 상기 유수분리기(30)를 거친 중질유는 저장 탱크로 공급되고 저장된다.
상기 열교환기(20)에 연결된 유량계(53)는 생성되는 중질유의 유량을 측정하여 제어부(50)에 공급한다. 상기 제어부(50)는 유량이 일정치 미만으로 감소할 경우, 상기 가열부(13)의 작동을 중단하여 공정을 종료시킨다.
실험예 1. 세라믹 복합체 자외선 방출 측정 실험
상기 세라믹 복합체의 자외선 방출 특성을 분석하기 위하여, 상기 세라믹 복합체의 180 내지 270 ℃ 온도에서 방출되는 광의 파장과 강도를 측정하였다.
세라믹 복합체는 다음 방법으로 제조하였다. 순도 99.99% 이상의 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2) 및 마그네시아(MgO)를 메쉬 #2400 이상으로 분쇄한 세라믹 분말 100 중량부를 기준으로 LiF, MgF2 및 CaF2를 혼합한 불화물 분말 7 중량부, 터븀산화물(Tb3O) 분말, 디스포로슘산화물(Dy2O3) 분말, 세륨산화물(CeO2) 분말을 혼합한 열형광 희토류계 물질 3 중량부를 혼합하였다. 혼합물을 직경 10 mm의 구 형상으로 성형한 후, 1400 ℃에서 소결하여 세라믹 복합체를 제조하였다.
도 3은 상기 세라믹 복합체를 180 내지 270 ℃ 온도로 가열 시, 방출되는 광의 파장 및 강도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 상기 도 3에서 나타난 바와 같이, 120 내지 250 nm 범위의 파장을 갖는 자외선이 방출되며, 상기 파장 범위에서 불연속적인 파장 분포(121, 124, 130, 220, 225, 249 nm)를 보임을 확인할 수 있었다.
한편, 하기 표 1에 일반적인 폐합성수지에 포함되는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등의 혼합 플라스틱류에 존재하는 화학 결합 종류에 따른 결합에너지를 나타냈으며, 하기 표 2는 상기 세라믹 복합체에서 방출된 광의 파장에 따른 파동에너지 환산 값을 나타내었다. 환산은 하기 수학식 1을 통해 이루어졌다.
[수학식 1]
Figure 112020042078670-pat00001
여기서, E는 에너지, h는 플랑크 상수(6.626×10-34 J/s), c는 광속(3×108 m/s), λ는 파장이다.
결합 종류 결합에너지(kJ/mol)
C=C(탄소 간 이중결합) 607
C-H(탄소-수소 결합) 431
C-Cl(탄소-염소 결합) 397
C-C(탄소 간 단일결합) 347
C-S(탄소-황 결합) 259
광 파장(nm) 파동에너지 환산 값(kJ/mol)
121 ~989
124 ~965
130 ~920
220 ~704
225 ~532
249 ~480
상기 표 1 및 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 120 내지 250 nm의 파장을 갖는 광의 파동에너지는 폐합성수지에 가장 많이 존재하는 탄소 간 단일결합의 결합에너지(347 kJ/mol)에 비하여 크다.
따라서, 상기 세라믹 복합체에서 방출되는 광은 폐합성수지의 탄소 간 단일결합을 분해할 수 있는 충분한 에너지를 갖고 있음을 확인할 수 있었다.
실험예 2. 열 중량 분석
상기 세라믹 복합체의 폐합성수지 분해 성능을 확인하기 위하여 열 중량 분석(thermogravimetric analysis, TGA)을 실시하였다.
고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 시료 단독으로 열 중량 분석기에 투입한 후 온도를 2 ℃/분의 승온 속도로 승온하여 무게를 측정하였다. 또한 고밀도 폴리에틸렌 시료를 세라믹 복합체와 함께 열 중량 분석기에 투입한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 무게를 측정하였다. 상기 분석 결과는 도 4에 나타내었다. 도 4a는 고밀도 폴리에틸렌 시료 단독 열 중량 분석 결과이고, 도 4b는 고밀도 폴리에틸렌 시료 및 세라믹 복합체의 열 중량 분석 결과이다.
상기 도 4a 및 4b에서 나타난 바와 같이, 고밀도 폴리에틸렌 시료를 단독으로 투입한 경우, 220 ℃의 온도에서부터 질량의 감소가 관찰된 반면, 세라믹 복합체를 함께 투입한 경우, 110 ℃의 온도에서부터 질량 감소가 시작됨을 확인할 수 있었다.
또한 250 ℃의 항온 유지 조건에서 300 분 동안 고밀도 폴리에틸렌 시료 단독에 대한 열 중량 분석을 실시하였으며, 동일한 분석을 고밀도 폴리에틸렌 시료와 세라믹 복합체를 함께 실시하여 비교하였다. 상기 분석 결과는 도 5에 나타내었다.
상기 도 5에 나타난 바와 같이, 고밀도 폴리에틸렌 시료 단독 투입의 경우 85 분 후 질량 감소가 시작되었으며, 분석이 종료된 후 초기 시료 투입 중량 대비 12%의 중량 감소가 일어남을 확인할 수 있었다.
반면, 세라믹 복합체를 함께 투입한 경우 7 분 만에 분해가 시작되었으며, 분석이 종료된 후 초기 투입 시료 중량 대비 68%의 중량 감소가 일어남을 확인할 수 있었다.
따라서, 상기 열 중량 분석 결과로부터, 세라믹 복합체는 보다 낮은 온도에서 빠른 속도로 많은 양의 합성수지의 분해할 수 있음을 확인하였다.
실험예 3. 결과물 물성 및 성분 분석
전술한 폐합성수지 유화장치의 바람직한 실시예에 따라 폐합성수지로부터 중질유를 생산하였으며, 생산한 중질유 및 잔재물의 물성 및 성분을 분석하였다. 하기 표 3에 생산한 중질유의 물성을 분석한 결과를 나타내었으며, 도 6에는 생산한 중질유의 GC-MS(gas chromatograph-mass spectrometer) 분석 스펙트럼을 나타내었다. 또한 잔재물의 물성 및 성분을 분석한 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
시험 항목 시험결과
물질 상태 액체 at 20 ℃
연화점 (밀폐식) 50 ℃
발화점 200 ℃ 이하에서 자연발화하지 않음
pH 4.8 ~ 5.8
비 중 0.9 at 20 ℃
수용해성 비수용성 at 20 ℃
자연발화 시험 자연발화 되지 않음 at 20 ℃
물 반응성 시험 물 반응 위험성 없음 at 20 ℃
- 가연성 가스 발생률: < 0.1 ℓ/㎏h
산화성 시험 연소 시간: > 300 s at 20 ℃
* 위험성 기준: ≤ 135 s
구분 단위 측정값
수분 wt.% 5 이하
저위 발열량 ㎉/㎏ 5,000 이상
회분 wt.% 15.0 이하
염소 wt.% 1.5 이하
황분 wt.% 0.5 이하
수은(Hg) mg/kg 1.0 이하
카드뮴(Cd) mg/kg 3.0 이하
납(Pb) mg/kg 100.0 이하
비소(As) mg/kg 10.0 이하
상기 표 3에서 나타난 바와 같이, 상온에서 고점도 액상의 중질유가 생산되었으며, 생산된 중질유는 자연발화 시험, 물 반응성 시험, 산화성 시험에서 문제가 발견되지 않아 안전한 생산이 가능함을 확인하였다.
또한, 도 6의 GC-MS 측정 결과에서 나타난 바와 같이, 생산된 중질유는 C23 ~ C54의 탄소수 분포를 보였으며, C34 ~ C44 파라핀계 왁스 성분을 가장 많이 포함하고 있음을 확인할 수 있었다.
한편, 상기 표 4에서 나타난 바와 같이, 중질유의 생산 이후 남은 잔재물은 숯과 유사한 검정색 고체였으며, 수분, 회분, 염소, 황분과 수은, 카드뮴, 납, 비소 등의 금속 성분을 소량 포함함을 확인할 수 있었다. 특히, 5000 kcal/kg 이상의 저위 발열량을 가져 잔재물 자체적으로 고체연료로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
따라서, 상기 결과로부터, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 폐합성수지 유화장치로부터 양질의 중질유를 생산할 수 있으며, 잔재물은 고형연료로 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
전술한 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 분해로 11: 본체
12: 투입구 13: 가열부
14: 자외선 발생부 15a: 세라믹 복합체 수용부
15b: 세라믹 복합체
16: 유증기 배출구 17: 대차
18: 레일 20: 열교환기
30: 유수분리기 40: 저장탱크
50: 제어부 51: 온도 센서
52: 압력 센서 53: 유량계

Claims (6)

  1. 폐합성수지가 수용되며 상기 폐합성수지를 가열함과 동시에 자외선을 조사하여 중질유인 유증기를 생성하는 분해로;
    상기 분해로와 연통되게 설치되며 상기 분해로에서 유입된 중질유인 유증기를 냉각하여 액상의 중질유로 전환하는 열교환기; 및
    상기 열교환기와 연통되게 설치되며 상기 열교환기에서 전환된 중질유를 공급받아 저장하는 저장탱크를 포함하며,
    상기 분해로는,
    폐합성수지가 수용되는 본체;
    상기 본체 내부에 마련되어 상기 폐합성수지를 가열하는 가열부;
    상기 본체 내부에 마련되며 상기 가열부에 의해 가열되어 상기 폐합성수지에 함유된 탄화수소 사슬을 분해하는 자외선을 방출하는 자외선 발생부; 및
    상기 본체 상부에 마련되어 상기 생성된 중질유인 유증기를 상기 열교환기로 배출하는 유증기 배출구를 포함하며,
    상기 자외선 발생부는 상기 가열부에 의해 가열되어 상기 폐합성수지에 함유된 탄화수소 사슬을 분해하는 자외선을 방출하는 복수의 세라믹 복합체가 수용된 적어도 하나 이상의 세라믹 복합체 수용부를 포함하고,
    상기 세라믹 복합체는 Al2O3, ZrO2 및 MgO 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 세라믹 분말과 LiF, MgF2 및 CaF2 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 불화물 분말과 터븀(Terbium, Tb), 세륨(cerium, Ce), 유로퓸(europium, Eu) 및 디스프로퓸(dysprosium, Dy) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 열형광 희토류계 형광체 물질을 혼합하고 성형한 후 소결하여 제조되고,
    상기 세라믹 복합체는 180 내지 270 ℃의 온도에서 120 내지 250 nm 파장의 자외선을 방출하는 것인 폐합성수지 유화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 본체 내부의 온도가 180 내지 270 ℃가 되도록 가열하고,
    상기 자외선 발생부는 상기 가열부에 의해 가열되며, 폐합성수지에 함유된 탄화수소 사슬을 분해하는 120 내지 250 nm 파장의 자외선을 방출하는 폐합성수지 유화장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폐합성수지 유화장치는,
    상기 분해로와 연결되어 상기 분해로 내부의 온도를 측정하는 온도 센서;
    상기 분해로와 연결되어 상기 분해로 내부의 기압을 측정하는 압력 센서; 및
    상기 온도 센서 및 상기 압력 센서에서 측정한 온도 값 및 기압 값을 공급받아 상기 가열부의 온도를 조절하는 제어부;를 더 포함하는 폐합성수지 유화장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폐합성수지 유화장치는,
    상기 열교환기에 연결되어 상기 열교환기에서 상기 저장탱크로 공급되는 중질유의 유량을 측정하고 측정한 유량 값을 상기 제어부에 공급하는 유량계를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 유량 값이 설정 값 미만일 경우 가열부의 작동을 중단하는 폐합성수지 유화장치.

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