KR101134809B1 - 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법 - Google Patents

Abstract

저비용으로 폐플라스틱을 미분쇄하여 분쇄물을 얻는 것이 가능하고, 분쇄물의 생산성도 향상되는, 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법을 제공하는 것이다. 폐플라스틱을 연화용융온도 이상, 또한 가연성 분해가스가 생성되지 않는 온도에서 용융과 동시에 100(1/초) 이상의 전단속도로 혼련한 후, 냉각?고화하여 고화체로 하고, 그 고화체를 분쇄하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법을 이용한다. 연화용융온도가 160℃, 가연성 분해가스가 생성되지 않는 온도가 270℃ 이하인 것이 바람직하다. 또는 폐플라스틱을 160℃～270℃에서 용융과 동시에 100(1/초) 이상의 전단속도로 혼련한 후, 냉각?고화하여 고화체로 하고, 그 고화체를 분쇄하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법을 이용한다. 용융?혼련을, 압출기를 이용하여 행하는 것, 특히 2축압출기를 이용하는 것이 바람직하다.

Description

폐플라스틱 분쇄물의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING PULVERIZED WASTE PLASTIC}

본 발명은 폐플라스틱을 재생 처리하여 광석 환원재나 고형 연료 등을 제조하기 위한, 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 폐플라스틱의 유효 이용을 위한 하나의 해결 수단으로서, 폐플라스틱으로 광석 환원재, 고체 연료 등을 제조하는 방법이 검토되고 있다. 이는 플라스틱을 미분화(微粉化)하면 연소성이 비약적으로 향상하여, 유용한 연료자원이 될 수 있기 때문이다.

플라스틱을 고체 연료로 전화(轉化)하는 지금까지의 기술은 예를 들면, 플라스틱을 직접, 분쇄기로 미분쇄(微粉碎)하는 것이다(예를 들면, 비특허문헌1 참조). 그러나, 이 방법의 경우, 단단한 플라스틱을 1～2㎜의 입도(粒度)에까지밖에 분쇄할 수 없고, 또한 이 분쇄에 막대한 시간과 비용을 필요로 하고, 또한, 섬유상(纖維狀)이나 필름상(狀)의 플라스틱은 분쇄가 곤란하기 때문에, 별도로, 용융 고화(固化) 후에 분쇄하지 않으면 안 되어, 공정이 복잡하게 되는 등의 문제가 있었다.

또한, 폐플라스틱을 미분쇄하면, 발전용 보일러 등의 연소로(燃燒爐)로서 사용 가능한 연료로 할 수 있는 것이 알려져 있지만(예를 들면, 특허문헌1 참조), 특허문헌1에는, 특히 분쇄 방법의 기재는 없고, 폐플라스틱 그 자체의 분쇄성의 향상에 관한 기술적 개시는 없다.

입경 2000㎛이하의 플라스틱은 고형 연료로서 우수하고, 건식분쇄법이나 습식분쇄법으로 제조하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌2 참조). 특히, 미분말(微粉末)을 얻는 방법으로서는, 제트 밀(jet mill)이나 진동 볼 밀(ball mill)이 적합하다고도 말할 수 있지만, 이 역시, 폐플라스틱 그 자체의 분쇄성의 향상에 관한 기술은 알려져 있지 않다.

한편, 예를 들면 가정 등으로부터 배출되는 폐플라스틱을 고로(高爐)용 환원재 등의 환원재나 연료로서 이용하는 경우, 폐플라스틱에는, 폴리염화비닐(이하, PVC라고 기재함) 등의 염소함유 플라스틱이 혼입하여 있기 때문에, 그대로 이용하면 염화수소 등이 발생하여, 로(爐)가 부식되는 등의 문제가 있다. 이때문에, PVC 등의 염소함유 플라스틱을 분리 제거하여 조립처리(造粒處理)를 실시하여 입상(粒狀) 플라스틱 성형물을 얻는 기술(예를 들면, 특허문헌3 참조)이 알려져 있다.

또한, 염소를 함유하는 폐플라스틱에 탈(脫)염소처리를 실시하고 나서, 폐플라스틱을 미분화하는 기술로서, 폐플라스틱을 가열, 탈염소처리, 냉각 고화한 후, 미분쇄하여 로에 투입하는(예를 들면, 특허문헌4, 특허문헌5 참조) 등의 기술이 알려져 있다.

[특허문헌1] 일본특허공개 평7-119922호 공보 [특허문헌2] 일본특허공개 평4-332792호 공보 [특허문헌3] 일본특허공개 2002--67029호 공보 [특허문헌4] 일본특허공개 평11-192469호 공보 [특허문헌5] 일본특허공개 2006-241442호 공보

[비특허문헌1] 「플라스틱」Vo1.47, No.7, p60, 1996년

일반적으로 플라스틱은 내충격성이 우수하기 때문에, 그대로 분쇄하는 것은 매우 곤란하고, 특히 0.5mm이하의 입경까지 분쇄하는 경우, 분쇄시간을 길게 하거나, 몇 번인가 반복하여 분쇄기에 투입하는 등의 방법이 낭비된다. 이 경우, 분쇄기의 타입에 따라서는 분쇄중에 플라스틱이 전단발열에 의해 가열 상태로 되어, 용융하거나, 분쇄물이 섬유상으로 되거나 하는 경우가 확인된다. 이 현상을 막기 위하여 분쇄기 혹은 분쇄물을 냉각하는 것이 고려되지만, 설비비나 운전비용이 증가한다.

플라스틱을 미분쇄하는 방법으로서, 소위 동결분쇄도 유력한 수단이다. 즉, 일반적인 플라스틱이 취성파괴(脆性破壞)를 일으키는 온도영역, 예를 들면 영하 수십도까지 플라스틱을 냉각한 후, 분쇄하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 사전에 플라스틱을 냉각할 필요가 있기 때문에, 설비비나 운전비용이 증가한다.

전술한 특허문헌4, 특허문헌5에 기재한 방법을 비롯한, 소위 폐플라스틱의 용융 탈염소법에 따르면, 탈염소 후의 PVC는 탄소질화하여, 취화(脆化)되기 때문에, 전체로서 분쇄성을 향상시키는 것이 가능하다. 그러나, 탈염소처리에 의해 발생하는 염소를 포함하는 배기가스의 처리를 행할 필요가 있어, 비용이 높아진다. 배기가스로부터 염소를 회수하여 염산으로서 유효 이용하는 것도 가능하지만, 이 역시 설비비용의 증대를 초래한다. 염가로 폐플라스틱 미분쇄물을 제조하기 위해서는 설비비용을 인하하고, 또한 생산성을 향상시키는 것이 중요하다.

따라서 본 발명의 목적은, 이러한 종래기술의 과제를 해결하여, 저비용으로 폐플라스틱을 미분쇄하여 분쇄물을 얻는 것이 가능하고, 분쇄물의 생산성도 향상되는, 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법을 제공하는 데에 있다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징은 아래와 같다.

(1) 용기 포장 폐플라스틱을 160℃～270℃로 용융하고, 또한 100(1/초) 이상의 전단속도로 혼련한 후, 냉각?고화하여 고화체로 하고, 그 고화체를 입경 2mm 이하로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법.

(2) 용융?혼련을, 압출기를 이용하여 행하는 것을 특징으로 하는, (1)에 기재한 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법.

(3) 압출기가 2축압출기인 것을 특징으로 하는, (2)에 기재한 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법.

(4) 용기 포장 폐플라스틱의 용융?혼련 전 및/또는 용융?혼련 시에, 폐플라스틱 이외의 고체입상물을 혼합하여, 폐플라스틱과 함께 혼련하는 것을 특징으로 하는, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재한 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법.

(5) 체를 통과시켜 분쇄한 고화체의 입도를 조정하는 것을 특징으로 하는, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재한 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법.

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본 발명에 따르면, 폐플라스틱으로부터의 배기가스를 처리하는 설비를 마련하는 일 없이, 저비용으로 폐플라스틱을 원료로 하여 연소성이 뛰어난 고체 연료 또는 광석 환원재 등을 제조할 수 있다. 폐플라스틱 분쇄물의 생산성도 향상된다.

또한, 본 발명의 폐플라스틱의 처리방법을 이용함으로써, 폐플라스틱의 대량처리를 경제적으로 실시할 수 있다.

도 1은 폐플라스틱을 용융하는 온도와 플라스틱의 분해율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 플라스틱의 전단속도와 점도와의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 도시 쓰레기, 산업 폐기물, 일반 폐기물 등에 포함되는 폐플라스틱이나 용기 포장재료,및 전기 제품, 자동차 등의 해체 과정에서 발생하는 폐플라스틱 등을 가열 용융?혼련 후에 냉각하여 고화체로 하고, 그 고화체를 분쇄하여, 고형 연료나 광석 환원재 등을 제조하는 기술에 관한 것이다. 상기한 바와 같이 폐플라스틱은 복수 종류의 플라스틱의 혼합물이며, 폐플라스틱의 분쇄성을 향상시켜, 용이하게 미분화하기 위한 방법으로서, 다종류의 플라스틱을 용융 혼련하는 것이 유효하다. 대부분의 폐플라스틱은 PVC 등의 혼입에 의해 염소를 함유하는 것이므로, 종래는 폐플라스틱을 염소가스가 발생하는 고온으로 용융?혼련하는 것에 의해 염소함유 가스를 발생시켜, 폐플라스틱 분쇄물로부터 염소성분을 제거하는 탈염소처리를 행하고 있었다.

그러나, 충분히 탈염소를 행하기 위하여, 예를 들면 300℃ 이상의 온도로 처리하면, 탈염화수소반응과 동시에 폐플라스틱에 포함되는 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)나 종이?목재(셀룰로스(cellulose), 헤미셀룰로스(hemicellulose), 리그닌(lignin)) 등이 열분해, 가수분해되어, 가연성 분해가스(가연성 유기물)이 발생한다. 이들의 가연성 분해가스의 대부분은 상온에서는, 고체이고, 또한 일반적으로 승화성을 갖기 때문에, 포집장치의 구조가 복잡하게 되고, 또한, 이들을 별도 처리할 필요가 생긴다. 또한, 포집물은 염소를 수 %정도 포함하는 것이 많고, 연료로는 되기 어렵다.

그래서 본 발명에 있어서는, 폐플라스틱을 가열하여 용융?혼련할 때에 발생하는 가연성 분해가스의 발생을 방지하기 위하여, 용융?혼련을 비교적 저온으로 행하는 방법에 대하여 검토하였다. 비교적 저온으로 용융하면, 폐플라스틱으로부터의 염소제거가 충분히 행할 수 없는 것이 문제이었지만, 염소 함유량이 낮은 폐플라스틱을 이용하면, 탈염소처리를 행하는 일 없이 염소농도가 낮은 폐플라스틱 고화체나 분쇄물을 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 염소 함유량이 낮은 폐플라스틱(예를 들면, 염소농도가 2mass% 이하)을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 검토 결과, 어느 정도의 염소의 함유는 허용되는 경우가 있어, 반드시 모든 경우에 있어서 탈염소처리가 필수적이지 않음이 밝혀졌다. 예를 들면 폐플라스틱 분쇄물을 용광로의 광석 환원재에 사용하는 경우는 로 내에 존재하는 슬래그 성분과 염소가 반응하여, 고정화되기 때문에, 폐플라스틱의 함유 염소량에 따라서는 탈염소처리가 생략 가능함을 알았다. 또한, 원료 폐플라스틱의 함유 염소농도가 높고 분쇄물의 염소함유 농도가 높은 경우이라도, 광석 환원재나 고체 연료로서 사용할 수 없다고 하는 것은 아니며, 그 단위시간당의 사용량을 함유 염소농도에 따라 적당히 조정함으로써, 로의 부식 등의 문제의 발생을 회피할 수 있다. 따라서, 탈염소처리를 행하는 일 없이 제조된 폐플라스틱 분쇄물이라도, 충분히 미분쇄되어 있으면 실용상의 문제는 발생하지 않는다.

한편으로 비교적 저온으로 용융 처리함으로써, 탈염소 후의 PVC 등이 탄소질화하여, 취화하는 효과가 얻을 수 없게 되기 때문에, 제조되는 폐플라스틱 고화체의 분쇄성이 저하되어, 생산성이 저하되는 것이 문제가 된다. 이에 대하여는 폐플라스틱의 용융?혼련 공정에서의 혼련의 정도를 충분히 향상시킴으로써, 분쇄성의 저하를 문제가 없는 정도로 억제하는 것이 가능함을 알았다. 동시에, 저온으로 용융 처리하여, 가연성 분해가스의 발생을 방지함으로써, 가연성 분해가스로서 제거될 것이었던 성분도 폐플라스틱 분쇄물로서 받아 들일 수 있으므로, 수율도 향상되어, 전체로서 분쇄물의 생산성도 향상된다.

상기한 바와 같이, 폐플라스틱의 열처리를, 연화용융온도 이상, 가연성 분해가스가 생성되지 않는 온도로 행함으로써, 처리 후의 고체 수율이 증가한다. 이때, 처리 후의 고화체 중의 잔존 염소농도는 어느 정도 높아지게 되지만, 예를 들면 고로의 환원재로서 사용하는 경우, 고로 내에 존재하는 칼슘과 반응하기 때문에, 염소가 어느 정도 높아져도 설비상 특별히 큰 지장을 초래하지 않는다. 또한, 탈염소반응이 일어나면, 염소의 만큼만 고화체의 발열량이 증가한다고 생각되지만, 오히려 부반응으로서 유기물이 분해?이탈하기 때문에, 처리 후 고화체의 발열량은 오히려 작아지게 된다. 따라서, 폐플라스틱의 열처리를, 연화용융온도 이상, 가연성 분해가스가 생성되지 않는 온도로 행함으로써, 고화체의 발열량이 저하되는 일은 없다.

폐플라스틱을 가열 용융, 냉각, 고화할 때의 가열 온도는, 예를 들면 특허문헌4에 따르면, 원래 함유되었던, 및/또는 열분해에 의해 생성한 저비점(低沸點) 화합물을 제거하기 위한 온도로 승온하는 것이 대전제로 되어 있고, 구체적으로는, 150～450℃ 이고, 보다 바람직하게는 200～400℃, 더 바람직하게는 250～380℃의 온도범위로 되어 있다. 이러한 온도범위 중, 고온으로 가열함으로써, 염화수소와 함께, 가연성 분해가스가 발생한다.

또한, 일반적으로 염소를 함유하는 플라스틱의 탈염소처리를 행하기 위해서는 300℃ 이상으로 가열하는 것이 바람직하고, 이 경우에는, 발생한 염소가스를 처리?회수하기 위한 설비가 필요하게 된다.

따라서, 폐플라스틱의 탈염소처리를 전제로 하여, 폐플라스틱을 가열하여 용융 후에 냉각하여 고화체로 하는 설비에서는, 폐플라스틱의 가열 용융 공정에서 발생하는 폐플라스틱 분해가스의 연소로와 염산회수장치 등의 염소처리설비가 필요하게 된다. 이러한 설비는 비용이 높으므로, 폐플라스틱의 처리비용을 인하하기 위하여 용융?혼련한 후, 냉각?고화하여 고화체로 할 때에, 본 발명자들은 가연성 분해가스가 생성되는 온도에 대하여 검토하여, 폐플라스틱을 가열 용융하는 온도와 플라스틱의 분해율에 대하여, 도 1에 나타내는 관계를 찾아냈다. 한편, 분해율은 처리에 이용한 폐플라스틱양(처리량, 드라이 베이스(dry base))과, 처리 후의 회수량과의 비교를 이용하여 (1일 회수량/처리량)×100(mass% )로 정의된다.

도 1에 따르면, 270℃ 까지는 폐플라스틱 분해가스의 발생은 극히 적다. 따라서, 이러한 분해가스의 발생하는 온도 이하로 폐플라스틱을 가열 용융?혼련하고, 냉각 고화함으로써, 연소로 등의 분해가스 처리설비가 불필요하게 되어, 폐플라스틱을 저비용으로 처리하여, 폐플라스틱 고화체를 제조할 수 있다.

폐플라스틱에 잔류하는 염소는 저농도이면, 광석 환원재, 고체 연료 등에 사용할 때에 문제로 되지 않는 경우가 많고, 본 발명에서 처리하는 폐플라스틱에는, 염소농도가 낮은 것을 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 염소농도가 2mass% 이하의 폐플라스틱을 본 발명 방법으로 처리한 것은, 광석 환원재로서 고로 취입에 충분히 이용 가능하다.

가연성 분해가스가 생성되지 않는 온도는 폐플라스틱의 종류에 의해 약간 변동하지만, 통상의 경우, 도 1의 결과보다 270℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 200℃ 이하로 하면, 보다 확실하게 가연성 가스의 발생을 방지할 수 있다. 이 경우의 온도는 수지(樹脂) 중의 최고온도로 한다. 수지 중의 최고온도는 수지 중에 열전쌍을 삽입하는 등의 일반적인 방법에 의해 측정할 수 있다. 한편, 가연성 분해가스가 생성되지 않는 온도는 가열에 의해 폐플라스틱으로부터 가연성의 유기물이 실질적으로 발생하지 않는 온도이며, 폐플라스틱 중의 불순물(예를 들면 일회용 라이터 안의 액화가스)에 기인하여 발생하는 것 같은 가스는 이 경우의 가연성 분해가스의 대상외이다.

용융 온도의 하한은, 후술하는 바와 같이 폐플라스틱의 혼련을 양호하게 행하기 위하여, 폐플라스틱이 연화 용융하는 온도로 한다. 연화용융온도는 폐플라스틱의 종류에 따라 변동하지만, 통상의 폐플라스틱의 주성분이 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP)이므로, 연화용융온도의 하한을 160℃ 로 하는 것이 바람직하다. PE만이 주체인 폐플라스틱이면 120℃ 로 하는 것도 가능하다.

다만, 용융?혼련처리를 160℃ 미만으로 실시하는 것은, 피처리물의 폐플라스틱이 각종 플라스틱의 혼합물이므로 실제적이지 않다. 즉, 160℃ 미만으로 용융하는 플라스틱은 주로 PE뿐이고, 무리하게 처리를 행하면, 혼련에 필요로 하는 소요동력이 극단적으로 커지는 동시에, 처리장치 내에서 폐쇄가 발생하여, 처리의 계속이 곤란하게 되는 경우가 있다.

폐플라스틱을 「용융하고, 또한 혼련한다」라는 것은, 폐플라스틱의 용융과 동시에 혼련하거나, 용융 후에 폐플라스틱을 용융 상태로 혼련하는 것을 말한다. 여기에서, 혼련은 적어도 100(1/초) 이상의 전단속도로 행하는 것으로 한다. 혼련을 충분히 행함으로써, 이종(異種)의 플라스틱이 혼합되어, 고도로 분산되어져, 플라스틱의 이종계면이 증가하여, 파괴의 기점을 발현시킨다. 플라스틱은 그 종류에 따라 특성이 다르고, 이러한 이종 플라스틱을 용융 혼련 후, 냉각 고화하면, 고분자끼리는 서로 충분히 혼합된 상태인 채로 고화되지만, 그 접착 계면은 화학적으로가 아니라, 단지 물리적으로 접촉하고 있는 것에 지나치지 않는 한편, 이종 플라스틱의 성형 수축율은 각각의 플라스틱에서 다르고, 냉각 과정에서 이종 플라스틱은 각각의 성형 수축율에 따라 수축하고, 접착 계면이 분리되기 위해서는 내부가 진공으로 되지 않을 수 없고(진공 보이드(void)), 보이드 형성에 이르지 않을 경우는 접착 계면에 「분리되려고 하지만 분리될 수 없는」 응력이 잔류한다(잔류 응력). 충분한 혼련에 의해 고도로 분산된 이종 플라스틱은 접착 계면이 많아지고, 고화체는 필연적으로 강한 잔류 응력을 갖는다. 그리고, 고화체에 충격을 주었을 경우, 이들의 이종 플라스틱 접착 계면에 응력집중을 일으켜, 비교적 용이하게 파괴의 기점이 생성된다. 또한, 균열의 전파를 막는 요소가 없기 때문에, 결과적으로 전체가 부서지기 쉬운 구조로 되어, 분쇄성이 향상된다. 성형 수축율 이외에, 용해 파라미터 등의 차이도 분쇄성 향상에 영향을 준다.

폐플라스틱 이외의 고체입상물도, 대부분의 경우 플라스틱과 상용(相溶)되지 않기 때문에, 폐플라스틱의 용융?혼련 전, 또는 용융?혼련 시에, 또는 용융?혼련 전과 용융?혼련 시의 양쪽으로, 폐플라스틱 이외의 고체입상물을 폐플라스틱에 혼합하여, 폐플라스틱과 함께 혼련함으로써, 냉각 고화한 후는 고체입상물이 파괴의 기점이 되어, 고화체의 분쇄성을 더욱 더 향상시킬 수 있다.

용융?혼련 전에 혼합하는 방법으로서는, 예를 들면 텀블러(tumbler) 등을 사용하여 미리 폐기 플라스틱과 고체입상물을 혼합하면 좋다. 용융?혼련 시에 혼합하는 방법으로서는, 용융?혼련장치에 폐플라스틱과 고체입상물을 따로따로 공급하여, 장치 내에서 혼합해도 좋고, 어느 쪽을 먼저 공급하고 나서, 다른 쪽을 공급해도 좋다. 고체입상물의 융점이 폐플라스틱의 용융 시작 온도보다 높은 경우, 먼저 폐플라스틱을 공급하고, 어느 정도의 용융 상태를 달성한 후에 고체입상물을 첨가하는 것이 바람직하다.

고체입상물로서는, 석탄, 코크스, 아스팔트 등의 화석 연료, 버진(virgin) 플라스틱 등의 합성고분자, 전분이나 셀룰로스 등의 천연고분자, 철이나 알루미늄 등의 금속 및 철광석이나 보크사이트 등의 그것들의 광석, 운모(mica)?활석(talc) 등의 무기물을 들 수 있다. 또한, 고체입상물로서, 왕겨, 차 찌꺼기, 커피 껍데기 등의, 농작물 유래 폐기물, 목재, 목탄이나 대나무 등에 함유된 리그닌 식물 등, 소위 바이오매스(biomass) 고체를 이용하는 것이 바람직하다. 특히, 농작물 유래 폐기물이나, 간벌재?건축 폐재 등의 폐목재를 이용하는 것은 지구환경 보호의 점에서도 유용하다. 상기한 바와 같이, 폐플라스틱 이외의 고체입상물은 대부분의 경우 플라스틱과 상용되지 않기 때문에, 용융한 폐플라스틱과 혼련하고, 냉각 고화한 후는 파괴의 기점이 되어, 분쇄성을 향상시킬 수 있지만, 특히 바이오매스 고체 중에는, 회분(灰分)이 포함되어 있어, 파괴의 기점이 되기 쉽기 때문에 바람직하다. 또한, 왕겨는 가늘고 긴 형상으로 되기 쉽고, 또 용융한 폐플라스틱을 혼련할 때에 더 분쇄되므로, 파괴의 기점으로서 효과적으로 이용할 수 있다. 또한, 이 경우의 고체입상물의 배합량은 폐플라스틱 100질량부에 대하여, 고체입상물 100질량부 미만으로 하는 것이 바람직하다. 고체입상물이 100질량부 이상에서는, 혼련처리 후에 폐플라스틱이 분말화되어 취급하기 곤란하게 되기 때문이다. 또한, 폐플라스틱 100질량부에 대하여, 고체입상물 5질량부 이상으로 하는 것이 바람직하다. 고체입상물첨가의 효과가 더 좋게 발휘할 수 있기 때문이다. 이들 고체입상물은 처리장치에 도입할 수 있는 크기이면 사용가능하다.

폐플라스틱의 가열 및 용융은 압출기를 이용하여 혼련하면서 행하는 것이 바람직하다. 압출기를 이용함으로써, 폐플라스틱을 가열함과 동시에 전단속도 100(1/초) 이상의 혼련을, 효율적으로 행할 수 있다. 압출기는 2축압출기를 이용함으로써, 더욱 혼련성을 높일 수 있다.

제조한 폐플라스틱의 고화체를 분쇄함으로써, 폐플라스틱 분쇄물을 제조하여, 광석 환원재나 고체 연료를 제조할 수 있다. 가열 용융 후에 냉각, 고화한 고화체는 분쇄성이 향상되고, 통상의 분쇄기를 이용하여, 입경 2mm 이하의 미분을, 용이하게 제조할 수 있다. 분쇄한 고화체는 체를 통과시켜 입도를 조정하는 것이 바람직하다. 체의 체눈을 적당히 변경함으로써, 분쇄 후 입도를 설정할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 제조방법을 이용하여, 체눈 크기 0.5mm의 체를 통과시킴으로써, 입경 0.5mm 이하의 폐플라스틱 분쇄물인 미분을 얻을 수 있다.

이하에, 본 발명의 일 실시형태를, Ⅰ. 플라스틱, Ⅱ. 용융?혼련 공정, Ⅲ. 냉각 고화 공정, Ⅳ. 분쇄 공정의 순서대로, 더 상세히 설명한다.

〔Ⅰ. 플라스틱〕본 발명의 대상으로 하는 폐플라스틱, 즉 본 발명에서의 원료 플라스틱으로서는, 도시 쓰레기, 산업 폐기물, 일반 폐기물 등에 포함되는 폐플라스틱이나 용기포장재료,및 전기 제품, 자동차 등의 해체 과정에서 발생하는 폐플라스틱 등이 예시된다.

구체적으로는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 염소화 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트 및 나일론이나 그 밖의 열가소성 수지나 열경화성 수지 등 모든 것이 적용가능하고, 상기 플라스틱 중 어느 2종 이상이 혼합된 상태의 것을 이용하게 된다. 폐기물인 폐플라스틱의 성질상, 통상이면 어느 정도의 염소함유 플라스틱을 포함하는 것이지만, 염소함유 플라스틱을 함유하고 있지 않은 폐플라스틱이라도, 본 발명을 이용하는 것은 가능하다.

가열 처리해야 할 플라스틱의 형상 치수는 거칠게 분쇄한 것으로 좋고, 10cm 각(角) 정도의 크기로 충분하며, 일반적인 폐플라스틱에서는, 다시 분쇄할 필요가 없고, 회수된 채의 상태로 처리 가능하고, 필름상, 시트상(狀), 섬유상의 플라스틱도 그대로의 형태로 처리할 수 있다. 물론, 미세하게 분쇄해도 상관없지만 그만큼 처리비용이 높아진다.

〔Ⅱ. 용융?혼련 공정〕용융?혼련 공정으로서는, 하기의 공정이 예시된다. 즉, 폐플라스틱을 반응기 안이나 압출기 안 등에서 160℃ 이상, 가연성 분해가스가 생성되지 않는 온도에서 용융한다. 가연성 분해가스가 생성되지 않는 온도는 폐플라스틱의 조성에 의해 다르지만, 통상의 경우, 상한을 270℃로 한다. 가연성 분해가스가 생성되지 않는 온도범위에서는, 보다 고온으로 용융하는 것이 바람직하고, 바람직하게는 200℃ 이상, 보다 바람직하게는 230℃ 이상의 온도범위 내에서 용융?혼련한다.

혼련은 적어도, 100(1/초) 이상의 전단속도로 행하는 것으로 한다. 도 2에 캐필러리 레오미터에 의해 측정한 각종 저밀도 폴리에틸렌(MI: Me1t Index = 7, 50, 200)의 150℃에서의 전단속도에 대한 용융 점도의 변화를 측정한 결과를 나타낸다. 용융 플라스틱은 비(非)뉴턴 유체이며, 도 2에 나타내는 바와 같이 전단속도가 작은 영역에서는, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)의 용융 점도는 거의 일정하다. 그러나, 어느 MI를 갖는 LDPE이라도 전단속도가 100(1/초) 이상의 영역에서는, 전단속도의 증가와 함께 점도는 저하된다. 즉, 혼련성의 관점에서는, 전단속도가 100(1/초) 이상의 영역에서 혼련하는 것이 혼련 동력의 저하나 혼련 효율의 향상을 위해 극히 유효하다.

용융하고, 또한 혼련을 행함으로써, 플라스틱 처리물의 분쇄성을 향상시킬 수 있다. 이에 의해 폐플라스틱 중의 이종 플라스틱이 서로 혼합되지만, 이들은 서로 녹는 것은 대부분 없고, 서로의 상호작용이 없기 때문에, 고화 후에는, 약간의 충격으로 뿔뿔이 흩어져지기 쉽고, 또한 파괴의 기점이 발현되기 때문에, 전체로서 내충격성이 상실된다. 용융?혼련 처리는 뱃치(batch)식이라도 좋고, 연속식이라도 좋다. 또한, 뱃치 전환 등의 중간형이라도 상관없다. 연속식 처리장치로서는, 압출기가 바람직하고, 혼련성의 관점에서, 2축압출기가 보다 바람직하다.

처리시간은 0.5분～30시간이 적당하다. 처리시간이 0.5분 미만인 경우, 반응기 내의 온도제어가 곤란하게 됨과 아울러 용융한 폐플라스틱 처리물을 충분히 혼련하는 것이 곤란하다. 또한, 처리시간이 30시간을 초과하는 경우, 처리효율이 저하되어 경제적이지 않다.

용융?혼련 처리에 있어서, 열매체를 공존시킬 수도 있다.

〔Ⅲ. 냉각 고화 공정〕용융 처리 후의 폐플라스틱을, 용융 플라스틱 반송 장치에서, 용융 플라스틱을 벨트 쿨러에 정량 공급함으로써, 냉각 고화를 행한다. 열제거량은 가열 처리 후의 온도와 충분히 고화할 때까지의 온도 사이의 엔탈피량과, 처리속도로부터 계산되고, 예를 들면 용기포장 폐플라스틱을 포함하는 경우, 냉각 후의 중심부 온도가 110℃ 정도가 되도록 제어하면 충분하다.

또한, 연속식의 가열 용융 처리장치를 이용하는 경우, 장치 출구에서 커트(cut)하고, 혹은 커트하지 않은 채, 공냉 혹은 수중 투입 등의 냉각을 실시할 수 있다.

〔Ⅳ. 분쇄 공정〕냉각 고화 공정을 거친 고화체는 소정의 입경이 되도록 분쇄하는 것이 바람직하다. 상기한 본 발명의 방법으로 얻어진 냉각 고화체인 플라스틱 처리물의 분쇄는 미(未)처리의 플라스틱의 분쇄에 비교하여 극히 용이하게 행할 수 있다. 즉, 본 발명의 방법으로 얻어진 플라스틱 처리물은 모든 타입의 분쇄기로 분쇄 가능하고, 분쇄기로서, 예를 들면 조 크러셔(jaw crusher), 롤 크러셔(roll crusher)?볼 밀, 원심 밀 등을 이용할 수 있다.

분쇄 후의 입경은 플라스틱 처리물의 사용 목적에 따라 정하면 좋고, 소정의 입경이 되도록 입도 조정을 행하면, 예를 들면, 철광석 등의 광석 환원재, 즉 고로 등 주철을 제조하는 수형로(竪型爐)의 환원재 등의 원(原)연료나, 전로(轉爐)의 환원재, 보일러, 킬른 등의 연소용 연료, 큐폴라의 연료, 코크스로의 원료로서 사용할 수 있다. 또한, 상기한 용도 이외에도 고체 연료로서 사용할 수 있다.

[실시예1]

이하, 본 발명을 실시예에 근거하여 더 구체적으로 설명한다.

〔본 발명예1〕일반 폐기물계 용기포장 폐플라스틱을 1cm 정도로 분쇄한 후, 2축압출기에서 180℃에서 용융하여 혼련하였다. 혼련 시의 전단속도는 243(1/초)이었다(스크류 지름 31mm, 스크류와 배럴의 틈 0.2mm, 스크류 회전수 30rpm, 전단속도 π×31×30/60/0.2 = 243). 압출기의 벤트(bent)로부터는 수분(수증기)의 발생이 확인되었지만, 가연성 분해가스는 확인되지 않았다. 이를 그대로 공냉하여, 약 30mm 정도의 덩어리(고화체)를 얻었다.

이때의 원료의 사용량과 고화체의 회수량으로부터 고화체 수율을 계산하였다. 또한, 이 고화체 내의 염소농도(고화체 잔존 염소농도)과, 고화체의 발열량을 측정하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

이 고화체를 (주)호라이제 소형분쇄기(커터 밀)로 조분쇄(粗粉碎)하여, 9mm의 스크린을 통과시켰다.

이 조분쇄물을 호소카와미쿠론(주)제 ACM 팔벨라이저(해머 밀)로 미분쇄한 후, 시험체로 분급시험을 실시하여, 입도 분포를 측정하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.

입도 분포로부터 평균 입경을 산출하였다. 먼저, 하기 (1)식(Rosin-Rammler-Bennet의 식)을 변형하여 얻어지는 하기 (2)식에, 분급시험으로 얻어진 4개의 분률(fraction) 각각의 질량 분률과 체눈의 직경을 대입하고, 최소제곱법으로 하기식 (2)의 비례정수 n, b를 구하였다.

R (Dp) = 100?exp{-(Dp/De)n} … (1)

log{log[100/R(Dp)]} = n?logDp + log(b) … (2)

상기 식 (1), (2) 중 R(Dp)은 체눈 Dp의 체질 적산(積算) 질량% 、De는 입도 특성수〔R(Dp)은 질량%에 대응하는 수〕, n은 균등수(분립체의 입도 분포의 균일성을 평가하는 지수), b은 정수이며, 분립체의 미세성을 평가하는 지수를 나타낸다.

구한 n, b로부터, D50(50% 통과 체 지름)을 계산하여, 평균 입경을 산출하였다. 평균 입경을 표 1에 함께 나타낸다. 180℃에서 용융 처리를 행한 본 발명예1의 폐플라스틱 분쇄물의 평균 입경은 500㎛ 미만이며, 충분히 미세한 것이었다.

〔본 발명예2〕1cm 정도로 분쇄하였다. 일반 폐기물계 용기포장 폐플라스틱70질량부와, 왕겨 30질량부를 혼합하고, 2축압출기에 공급한 것 이외는 본 발명예1과 같은 조작을 행하여, 고화체 및 그 분쇄물을 제조하였다. 고화체 수율, 고화체 내잔존 염소농도, 고화체 발열량의 측정 결과, 평균 입경의 계산 결과와, 미분쇄 후의 입도 분포의 측정 결과를 표 1, 표 2에 함께 나타낸다.

본 발명예1과 비교하여 고화체 수율이 증가하고, 고화체 내 잔존 염소농도는 저하되고, 고화체 발열량은 어느 정도 저하되었다. 이는, 회분을 약 20mass% 포함하는 왕겨가 처리 후에도 대부분이 고화체 내에 머무르고 있음을 나타내고 있다. 또한, 분쇄 후의 평균 입경은 작아져, 왕겨 첨가에 의한 분쇄성 향상 효과가 확인되었다.

〔본 발명예3〕1cm 정도로 분쇄한 일반 폐기물계 용기포장 폐플라스틱 70질량부와, 석탄(산지명: 興隆庄) 30질량부를 혼합하고, 2축압출기에 공급한 것 이외는 본 발명예1과 같은 조작을 행하여, 고화체 및 그 분쇄물을 제조하였다. 고화체 수율, 고화체 내 잔존 염소농도, 고화체 발열량의 측정 결과, 평균 입경의 계산 결과와, 미분쇄 후의 입도 분포의 측정 결과를 표 1, 표 2에 함께 나타낸다.

본 발명예1과 비교하여 고화체 수율이 증가하고, 고화체 내 잔존 염소농도는 감소하고, 고화체 발열량은 어느 정도 저하되었다. 이는, 회분을 약 10mass% 포함하는 석탄이 처리 후에도 대부분이 고화체 내에 머무르고 있음을 나타내고 있다. 또한, 분쇄 후의 평균 입경은 작아져, 석탄첨가에 의한 분쇄성 향상 효과가 확인되었다. 본 발명예2와 비교하여도, 분쇄 후의 평균 입경은 보다 작아져 있지만, 이는 첨가한 석탄 자체가 왕겨보다 양호한 분쇄성을 갖는 것이 원인이다.

〔비교예1〕 2축압출기에 의한 혼련온도를 335℃로 한 것 이외는 상기 본 발명예1과 같은 조작을 행하여, 고화체 및 그 분쇄물을 제조하였다. 2축압출기의 벤트로부터는 수분 이외 염화수소가스나 유기물로 이루어지는 배기가스가 확인되었다. 배기가스의 성분에는, 테레프탈산이 검출되었다. 고화체 수율, 고화체 내 잔존 염소농도, 고화체 발열량의 측정 결과, 평균 입경의 계산 결과와, 미분쇄 후의 입도 분포의 측정 결과를 표 1, 표 2에 함께 나타낸다.

비교예1에서는, 고화체 내 잔존 염소농도가 충분히 저하되었다. 또한, 평균 입경은 작고, 미분화되어 있지만, 이 주된 원인은 75㎛ 이하의 초미분(超微粉)의 비율이 높은 것이었다. 또한, 이 75㎛ 이하의 초미분은 분진 발생을 갖는 등의 안전상의 문제점이 있어, 질소 봉입 등의 대책 설비비용이 필요하게 된다.

〔비교예2〕 2축압출기에 의한 혼련 시의 전단속도를 81(1/초) (스크류 회전수 10rpm)로 한 것 이외는 상기 본 발명예1과 같은 조작을 행하여, 분급시험을 실시하였다. 고화체 수율, 고화체 내 잔존 염소농도, 고화체 발열량의 측정 결과, 평균 입경의 계산 결과와, 미분쇄 후의 입도 분포의 측정 결과를 표 1, 표 2에 함께 나타낸다.

본 발명예1과 비교하여, 혼련 시의 전단속도가 본 발명의 범위 외인 비교예2에서는, 평균 입경이 크게 미분화되지 않음이 분명하다.

〔비교예3〕 2축압출기에 의한 혼련온도를 335℃로 한 것 이외는 상기 본 발명예2과 같은 조작을 행하여, 분급시험을 실시하였다. 2축압출기의 벤트로부터는 수분 이외 염화수소가스나 유기물로 이루어지는 배기가스가 확인되었다. 배기가스의 성분에는, 테레프탈산이 검출되었다, 고화체 수율, 고화체 내 잔존 염소농도, 고화체 발열량의 측정 결과, 평균 입경의 계산 결과와, 미분쇄 후의 입도 분포의 측정 결과를 표 1, 표 2에 함께 나타낸다.

비교예3에서는, 평균 입경은 작고, 미분화되어 있지만, 이 주된 원인은 75㎛ 이하의 초미분의 비율이 높은 것이었다. 또한, 이 75㎛ 이하의 초미분은 분진 발생을 갖는 등의 안전상의 문제점이 있어, 질소 봉입 등의 대책 설비비용이 필요하게 된다.

〔비교예4〕 2축압축기에 의한 혼련 시의 처리 온도를 140℃로 설정한 것 이외는 본 발명예1과 같은 처리를 시도하였다. 그러나, 처리 개시 후 약 5분에서 스크류 모터가 과부하로 정지하여, 처리를 계속할 수 없었다. 2축압출기를 냉각한 후, 스크류를 뽑아내었던 바, 내부에 미(未)용융의 폐플라스틱 고체가 폐색(閉塞)되어 있었다.

이상의 결과로부터, 본 발명예1～3에서는, 저온으로 용융?혼련을 행하였는데도 불구하고, 어느 쪽의 분쇄물도 평균 입계 500㎛ 이하로 미분쇄할 수 있었음을 알 수 있다. 왕겨, 석탄의 첨가에 의해, 분쇄성은 더욱 향상된다. 본 발명예1과 비교예1을 비교하면, 본 발명예1에서는, 고화체 내 잔존 염소농도는 저하되지 않지만, 고화체 수율이 증가함과 아울러, 고화체 발열량도 증가하였다. 이에 의해 분쇄물의 생산성이 향상됨이 분명하다. 이는, 비교예1에서는 탈염소의 과정에서 연소 성분인 테레프탈산도 이탈하지만, 본 발명예에서는, 연소 성분이 잔류하는 것이 원인이라고 생각된다.

한편, 비교예3을 비교예1과 비교하면, 왕겨의 첨가임에도 불구하고 평균 입경이 크고, 일견하면 분쇄성이 저하된 것 같이도 생각된다. 그러나, 비교예3에서는, 평균 입경은 약간 커졌지만, 표 2에 따르면 비교예3은 비교예1보다 150～500㎛, 75～150㎛의 입경의 비율이 높고, 입도 분포의 폭은 좁아지고 있어, 분쇄성은 향상되고 있다. 따라서, 왕겨를 첨가하는 것에 의한, 「파괴의 기점을 형성하는 것으로 보다 양호한 분쇄성이 발현되는」 효과가 확인되었다.

Claims (13)

1. 용기 포장 폐플라스틱을 160℃～270℃로 용융하고, 또한 100(1/초) 이상의 전단(剪斷)속도로 혼련한 후, 냉각?고화하여 고화체(固化體)로 하고, 그 고화체를 입경 2mm 이하로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   용융?혼련을, 압출기를 이용하여 행하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법.
3. 제2항에 있어서,
   압출기가 2축압출기인 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   용기 포장 폐플라스틱의 용융?혼련 전 및/또는 용융?혼련 시에, 폐플라스틱 이외의 고체입상물(固體粒狀物)을 혼합하여, 폐플라스틱과 함께 혼련하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   체를 통과시켜 분쇄한 고화체의 입도를 조정하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱 분쇄물의 제조방법.
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