KR101230332B1

KR101230332B1 - 폐타이어의 자원화 장치

Info

Publication number: KR101230332B1
Application number: KR1020100111717A
Authority: KR
Inventors: 김성수
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2013-02-06
Also published as: KR20120050292A

Abstract

본 발명은 폐타이어의 자원화 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 폐타이어의 열분해 과정에서의 마이크로파 가열방식을 도입하여 열분해시 가열효율을 증가시키고 열분해 반응시간을 단축시켜 생산경제성을 향상시킨 폐타이어 자원화장치에 관한 것이다.
본 발명의 폐타이어 자원화장치는 폐타이어를 가열하여 열분해하고, 열분해물로부터 열분해오일과 비응축성가스를 수취하여 자원화하는 장치에 있어서, 경사챔버를 따라 통폐타이어를 순차적으로 연속 투입하는 폐타이어 공급부와; 투입된 통폐타이어를 수직챔버에서 수직하방으로 이송시키면서 마이크로파를 조사하여 열분해하는 폐타이어 열분해 반응부;를 포함하여 구성된다.

Description

폐타이어의 자원화 장치{Apparatus for Recycling Waste Tires into High Value Products}

본 발명은 폐타이어의 자원화 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 폐타이어의 열분해 과정에 마이크로파 가열방식을 도입하여 열분해시 가열효율을 증가시키고 열분해 반응시간을 단축시켜 생산경제성을 향상시킨 폐타이어 자원화장치에 관한 것이다.

폐타이어를 열분해하면 통상적으로 열분해 오일 30-50%, 비응축성 가스 4-30%, 촤 30-38%, 철심 10% 정도가 얻어진다. 비응축성 가스의 성분은 주로 H₂, CO, CO₂, CH₄, C₂H₄, C₂H₆, C₃H₈, C₄H₁₀, H₂S 등이다.

폐타이어 열분해 기술은 재래식 가열방식을 적용한 기술이 1970년대부터 미국 및 유럽에서 연구되기 시작하였다. 영국의 AEA Technology, 미국의 Omnicorp, 미국의 Conrad, 일본의 고베철강, 스위스의 Alcyon Engineering SA 등의 기업에서 연간 1,000-7,000톤 처리규모의 플랜트를 설치한 바 있으나, 개발된 공정의 가열효율과 관련된 경제성 결여로 현재 연속식으로 가동되고 있는 상용설비는 없는 것으로 알려져 있다.

상기 폐타이어로의 가열방식으로는 전기 또는 열풍에 의하여 물체의 외부표면을 가열하고 물체의 표면으로부터 열전도에 의하여 서서히 내부가 가열되는 외부가열 방식과, 가열대상인 물체가 마이크로파에 의하여 발열되는 내부가열방식이 있다.

특히 마이크로파 가열식 폐타이어 열분해 기술에서는 마이크로파를 폐타이어에 조사하여 폐타이어에 포함된 카본블랙 입자가 발열하도록 하여 폐타이어에 포함된 천연 및 인조고무가 열분해 되도록 하는 기술이다. 카본블랙 입자의 발열은 공간전하 분극현상에 의하여 일어나는 것으로 알려져 있다.

마이크로파 가열식 폐타이어 열분해 기술의 장점은 마이크로파 가열식 폐타이어 열분해 기술에서는 열전도에 필요한 시간이 불필요하여 열분해 반응에 필요한 시간이 짧다는 것이다. 따라서 공정에서의 에너지 소모량이 적고 마이크로파가 대상 폐기물에 침투되어 가열되는 내부 가열식이므로 대상 폐기물인 타이어의 분쇄설비가 불필요하여 시스템의 초기 설치비 및 운전비용이 절감되며 마이크로파는 고속 응답성을 가지고 있어 순간기동, 순간정지, 출력조정 등에 의하여 반응온도의 제어가 상대적으로 유리한 것 등이다.

상기와 같은 장점으로 인하여 전기 또는 열풍에 의한 재래식 폐타이어 열분해 기술에 비하여 마이크로파 가열식 폐타이어 열분해 기술의 가열효율은 40% 이상, 폐열을 활용하여 하이브리드 방식으로 운전하는 경우 53% 정도 높은 것으로 알려져 있다.

그러나 상기 마이크로파 가열식이 적용된 폐타이어 열분해 장치는 폐타이어를 개별적 열분해하는 장치만 제공되고 있어 가열효율이 크게 향상되지 못하였다.

이에 본 발명의 폐타이어의 자원화 장치는,

폐타이어 열분해에 마이크로파 가열기술을 적용하면서 연속적인 폐타이어의 열분해가 가능하도록 하는 장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 폐타이어의 자원화 장치는,

폐타이어를 가열하여 열분해하고, 열분해물로부터 열분해오일과 비응축성가스를 수취하여 자원화하는 장치에 있어서, 경사챔버를 따라 통폐타이어를 순차적으로 연속 투입하는 폐타이어 공급부와; 투입된 통폐타이어를 수직챔버에서 수직하방으로 이송시키면서 마이크로파를 조사하여 열분해하는 폐타이어 열분해 반응부;를 포함하여 구성된다.

상기 폐타이어 공급부는, 경사를 갖는 경사챔버와, 상기 경사챔버를 수직으로 개폐가능하게 설치된 슬라이딩 게이트에 의해 직렬로 구획하여 외부의 공기유입을 차단하는 다수의 밀폐실로 구성되고, 상기 폐타이어 열분해 반응부는, 폐타이어 공급부와 연통된 수직챔버와, 상기 수직챔버 내에 설치되어 공급받은 통폐타이어를 수직하방으로 이송시키는 이송장치와, 상기 수직챔버 내벽에 설치되어 상기 이송되는 폐타이어에 마이크로파를 조사하여 열분해시키는 마그네트론으로 구성된다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 폐타이어의 자원화 장치는,

폐타이어 열분해 방법으로 마이크로파 가열방식을 도입하되, 연속적으로 공급되는 폐타이어로부터 열분해오일과, 비응축성 가연성가스와, 철심 및 촤를 분리 생산하여 열분해공정에서의 에너지효율과 생산성을 향상시켰으며, 열분해 반응부를 수평이 아닌 수직으로 형성하여 설치면적을 최소화한 장치의 제공이 가능하게 된 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐타이어 자원화장치의 정면 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폐타이어 자원화장치의 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론의 배치상태를 도시한 정면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 측면 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 폐타이어 열분해 반응부를 도시한 개략도.

이하에서는 본 발명을 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐타이어 자원화장치의 정면 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폐타이어 자원화장치의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마그네트론의 배치상태를 도시한 정면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 측면 개략도이고, 도 5는 본 발명에 따른 폐타이어 열분해 반응부를 도시한 개략도이다.

도 1 내지 5에 도시된 바와같이 본 발명에 따른 폐타이어 자원화장치(10)는 경사챔버(21)를 따라 통폐타이어(70)를 순차적으로 연속 투입하는 폐타이어 공급부(20)와; 투입된 통폐타이어를 수직챔버(31)에서 수직하방으로 이송시키면서 마이크로파를 조사하여 열분해하는 폐타이어 열분해 반응부(30);를 포함하여 구성된다.

상기 폐타이어 공급부(20)는, 경사를 갖는 경사챔버(21)와, 상기 경사챔버를 개폐가능하게 수직으로 설치된 슬라이딩 게이트(22a~22d)에 의해 직렬로 구획하여 외부의 공기유입을 차단하는 다수의 밀폐실(23a~23c)로 구성된다. 상기 밀폐실은 통폐타이어 공급과정에서 폐타이어 열분해 반응부(30)로 외부 공기가 유입되는 것을 차단하기 위해 직렬로 다수 형성되고, 수직으로 설치된 슬라이딩 게이트를 순차적으로 개방 및 폐구되도록 하여 유입된 통폐타이어가 각 밀폐실을 순차적으로 통과하도록 한다.

또한, 상기 밀폐실(23a~23c)은 외부공기 특히 산소유입을 차단시키기 위해 내부를 질소가스로 충진되도록 할 수 있다. 상기 질소가스는 폐타이어 열분해 반응부 내부를 환원성 분위기로 유지시키기 위해 예열한 다음 공급될 수 있다.

또한, 상기 다수의 슬라이딩 게이트(22a~22d)에는 초크(choke coil)를 설치하여 마이크로파가 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다.

상기 폐타이어 열분해 반응부(30)는, 폐타이어 공급부와 연통된 수직챔버(31)와, 상기 수직챔버 내에 설치되어 공급받은 통폐타이어를 수직하방으로 이송시키는 이송장치(32)와, 상기 수직챔버 내벽에 설치되어 상기 이송되는 폐타이어에 마이크로파를 조사하여 열분해시키는 마그네트론(331)으로 구성된다.

상기 이송장치(32)는 컨베이어 또는 통폐타이어를 걸어놓을 수 있는 핀(321)이 형성된 체인 중 어느 하나로 구성될 수 있으며, 통폐타이어를 수직하강 시킬 수 있는 다양한 방법이 적용될 수 있다. 상기 이송장치(32)는 폐타이어보다 큰 통공을 갖도록 하여 폐타이어에 조사되지 않고 통과한 마이크로파가 수직챔버 내벽에 반사되어 통공을 통과한 다음 폐타이어 후면에 조사될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

아울러 상기 폐타이어 공급부(20)와 연통된 부분의 수직챔버(31)에는 도 2를 참조한 바와같은 푸싱부(34)를 더 설치하여 경사챔버를 통해 공급된 통폐타이어를 측면에서 밀어서 컨베이어에 올려지거나 체인에 형성된 핀(321)에 걸리도록 할 수 있다. 상기 푸싱부(34)는 통상적으로 유공압에 의해 수평이동되는 로드(342)와, 상기 로드의 단부에 형성되어 폐타이어를 가압하여 밀어넣는 가압대(341)를 포함한다. 상기 푸싱부(34)는 대기상태에서 폐타이어가 공급되면 로드의 인출에 의해 상기 로드 단부의 가압대(341)가 폐타이어(70) 측면에 접하여 폐타이어를 이송장치 방향으로 밀어 이송장치에 폐타이어를 안착시키는 장치이다.

상기 수직챔버 내에서 이송장치(32)에 의해 하강하는 폐타이어(70)는 수직챔버 내벽에 설치된 마그네트론(331)에 의해 마이크로파를 조사받아 열분해가 이루어진다.

상기 마그네트론(331)은 도 3을 참조한 바와같이 다수개를 환형으로 배치한다. 즉, 2~10개를 한 조로 하여 환형으로 배치하고 이를 수직챔버의 수직방향으로 다수 조로 형성하는 것이다.

이와같이 배치되면 수직챔버 상부에서 경사챔버를 통해 공급된 폐타이어가 이송장치에 의해 하강하면서 마그네트론에서 발생되는 마이크로파를 조사받아 열분해가 이루어진다. 이 때 상기 폐타이어의 하강은 끊김없이 한번에 서서히 내려오면서 마이크로파 조사를 받도록 하거나, 다단으로 하강과 정지를 반복하여 내려오면서 집중적인 마이크로파 조사를 받도록 할 수 있다.

예컨대 도 3과 같이 상기 마그네트론(331)이 환형으로 설치된 위치에서 폐타이어(70)가 멈추도록 하여 마이크로파 조사가 이루어어지도록 하고, 일정시간 경과후 다시 하강하여 아래의 다른 마그네트론 설치부위에 정지하여 마이크로파 조사가 이루어지도록 하는 것이다.

여기서 상기 다수의 마그네트론(331)이 환형으로 배치된 마그네트론조(33)는 설치된 마그네트론조의 마그네트론 배치각을 서로 다르게 형성하여 이동되는 폐타이어(70) 측면의 넓은 면적에 마이크로파 조사가 균일하게 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 최상부의 마그네트론조에서 하부로 내려갈수록 마그네트론조는 시계방향 또는 반시계방향으로 마그네트론을 일정간 회전시키면서 설치되어 폐타이어 측면에 균일한 조사가 이루어지도록 한 것이다.

다음으로 상기 폐타이어 자원화장치(10)에는 잔류물배출부(40)가 더 구비될 수 있다. 상기 잔류물배출부는 상기 폐타이어 열분해 반응부의 수직챔버(31) 하부에는 설치되어 열분해되고 남은 폐타이어 잔류물을 포집하여 배출시키도록 한다. 즉, 잔류물배출부에서는 폐타이어가 열분해되면서 남은 철심 또는 열분해잔류물을 포집하도록 하며, 냉각후 자석을 이용하여 철심을 분리하고 스크류이송장치를 통해 잔류물을 배출시켜 회수가 이루어지도록 한다. 여기서 상기 잔류물배출부(40)에는 수직챔버와 접하는 부분에 하부밀폐실(42)을 구비하고 상기 하부밀폐실 상하에는 각각 슬라이딩 게이트(41a,41b)를 설치하여 잔류물이 하부밀폐실을 통해 잔류물배출부로 포집되도록 할 수 있다.

상기 폐타이어 열분해 반응부의 수직챔버에는 열분해된 가스를 배출시키는 배출관(35)이 더 연통 설치되고, 상기 배출관의 타측단부에는 열분해 오일 응축기(50)가 설치된다. 상기 배출관은 수직챔버에서의 열분해에 의해 생성된 기상물질을 유입하여 열분해 오일 응축기로 공급하고, 상기 열분해 오일 응축기에서는 냉각수 또는 공기와의 열교환에 의해 오일성 기상물질로부터 액상으로 오일을 응축시켜 회수한다.

상기 열분해 오일 응축기에서 응축되지 않은 비응축성 가스는 후단연소장치(60)로 공급하여 연소시켜 열원으로 사용할 수 있으며, 상기 비응축성가스를 별도로 포집하여 엔진 또는 터빈을 사용하여 전력을 생산하는 분야로 적용할 수 있다.

아울러 상기 폐타이어 열분해 반응부의 수직챔버(31)에 가열자켓(36)을 더 형성하여 상기 후단연소장치(60)에서 연소된 고열의 연소가스를 통과시켜 이동되는 폐타이어가 가열되도록 함으로써 마이크로파에 의한 직접 가열 이외에 연소가스에 의한 간접가열 동시에 수행하는 하이브리드 가열을 제공할 수 있다.

또한, 상기 폐타이어가 수직챔버의 상부에서 하부로 이송되면서 마이크로파 조사로 인한 열분해가 이루어짐으로 열분해에 의해 발생된 고열기체가 수직챔버 내에서 상향류로 흐르면서 폐타이어를 예열 또는 가열시키게 함으로써 열분해를 촉진시킬 수 있다.

도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 작동상태를 설명한다.

본 발명에서의 마그네트론의 수는 2-10개가 적당하며, 도 3에서와 같이 배치하였다. 마이크로파 조사시 효율성이 가장 높은 경우는 통폐타이어의 측면 고무부분에 복수의 마그네트론이 모두 포함되어 각 마그네트론에서 조사된 마이크로파가 통폐타이어에 모두 도달되는 경우이다.

도 1에 도시된 바와같이 3개의 밀폐실(23a,23b,23c)과 4개의 슬라이딩 게이트(22a,22b,22c,22d)을 가진 폐타이어 공급부(20)가 폐타이어 열분해 반응부(30)와 경사를 이루며 연결된 경우이다. 통 폐타이어(70)이 첫 번째 슬라이딩 게이트(22a) 앞에서 슬라이딩 게이트이 열릴 때까지 대기하며 슬라이딩 게이트(22a)가 위로 열리면 폐타이어 공급장치의 경사로 인하여 자연적으로 첫 번째 밀폐실(23a)로 유입되고 슬라이딩 게이트(22a)가 닫힌다. 일정한 시간후에 두 번째 슬라이딩 게이트(22b)가 위로 열리고 통 폐타이어(70)는 다시 경사챔버의 경사로 인하여 자연적으로 두번째 밀폐실(23b)로 유입되고, 두 번째 슬라이딩 게이트(22b)가 닫힌후 첫 번째 슬라이딩 게이트(22a)가 다시 열리고 대기하고 있던 두 번째 통폐타이어가 첫 번째 밀폐실(23a)로 굴러서 유입되고, 첫 번째 슬라이딩 게이트(22a)가 다시 닫힌다. 두 번째 밀폐실(23b)에 대기하고 있던 통폐타이어(70)는 일정한 시간후 세 번째 슬라이딩 게이트(22c)이 열리면 세 번째 밀폐실(23c)로 굴러 내려가고 세 번째 슬라이딩 게이트(22c)가 닫힌다.

폐타이어 열분해 반응부의 수직챔버 내에서 구동되는 이송장치(32)에 설치된 핀(321)이 적당한 위치에 도달하여 일정한 시간동안 멈추면 센서(미도시)가 이를 감지하여 네 번째 슬라이딩 게이트(22d)를 위로 열면서 동시에 푸싱부(34)를 작동시켜 푸싱부의 가압부 앞에 있는 통폐타이어(70)을 수직챔버 내부로 밀어 넣는다. 상기 푸싱부의 가압부는 로드의 인출에 의해 통 폐타이어를 수직챔버 내의 이송장치 핀(321)에 통폐타이어(70)을 걸어놓고 다시 뒤로 빠진 후 네번째 슬라이딩 게이트(22d)를 닫는다. 일정 시간동안 멈추던 이송장치가 아래로 움직임에 따라 핀(321)에 걸쳐있던 폐타이어(70)은 아래로 이동하여 첫 번째 마그네트론조(33)에서 발생되는 마이크로파를 조사받아 열분해가 시작된다.

통폐타이어의 열분해로 인해 발생된 기상물질은 배출관(35)으로 흡입되어 열분해 오일 응축기(50)로 이송되어 열교환에 의해 응축된 오일을 회수하며, 열분해 오일 응축기를 통과한 비응축성 가스는 후단연소장치에서 연소되어 열에너지로 전환되거나 엔진 또는 터빈에서 전기로 전환된다.

통폐타이어의 열분해로 인해 발생되는 촤는 핀(321)에 매달린 통폐타이어의 바로 아래 부분에 위치하도록 이송장치에 설치된 받침대(322) 위로 떨어지거나, 폐타이어 열분해 반응기의 하단에 설치된 잔류물 배출부의 입구에 설치된 슬라이딩 게이트(41a)의 위로 떨어진다. 핀(321)에 남아 걸려있는 철심과 받침대(322)의 위에 남아있는 촤는 이송장치의 이동에 의해 슬라이딩 게이트(41a)의 위로 자연적으로 떨어진다. 슬라이딩 게이트(41a)은 일정한 시간마다 열려 위에 위치한 철심과 촤를 포함하는 잔류물을 하부밀폐실(42)로 떨어뜨린 후 다시 닫히며 슬라이딩 게이트(41b)가 열려 최종적으로 잔류물 배출부(26)로 떨어져 포집되며, 일정한 시간 동안 냉각후 잔류물배출부(40)가 꺼내지게 된다.

10 : 폐타이어 자원화장치
20 : 폐타이어 공급부
21 : 경사챔버 22a~22d : 슬라이딩 게이트
23a~23c : 밀폐실
30 : 폐타이어 열분해 반응부
31 : 수직챔버 32 : 이송장치
33 : 마그네트론조 34 : 푸싱부
35 : 배출관 36 : 가열자켓
321 : 핀 322 : 받침대
331 : 마그네트론 341 : 가압대
342 : 로드
40 : 잔류물배출부
41a,41b : 슬라이딩 게이트 42 : 하부밀폐실
50 : 열분해 오일 응축기
60 : 후단연소장치
70 : 폐타이어

Claims

폐타이어를 가열하여 열분해하고, 열분해물로부터 열분해오일과 비응축성가스를 수취하여 자원화하는 장치에 있어서,
경사챔버(21)를 따라 통폐타이어(70)를 순차적으로 연속 투입하는 폐타이어 공급부(20)와;
투입된 통폐타이어를 수직챔버(31)에서 수직하방으로 이송시키면서 마이크로파를 조사하여 열분해하는 폐타이어 열분해 반응부(30);를 포함하여 구성되며,
상기 폐타이어 공급부(20)는, 경사를 갖는 경사챔버(21)와, 상기 경사챔버를 수직으로 개폐가능하게 설치된 슬라이딩 게이트(22a~22d)에 의해 직렬로 구획하여 외부의 공기유입을 차단하는 다수의 밀폐실(23a~23c)로 구성되고,
상기 폐타이어 열분해 반응부(30)는, 폐타이어 공급부와 연통된 수직챔버(31)와, 상기 수직챔버 내에 설치되어 공급받은 통폐타이어를 수직하방으로 이송시키는 이송장치(32)와, 상기 수직챔버 내벽에 설치되어 상기 이송되는 폐타이어에 마이크로파를 조사하여 열분해시키는 마그네트론(331)으로 구성되며,
상기 수직챔버(31)에 설치된 마그네트론(331)은 2~10개를 환형으로 배치한 것을 한 조로 구성한 마그네트론조(33)를 수직챔버의 수직방향으로 다수 설치하고,
상기 다수의 마그네트론조(33)는 마그네트론 배치각을 서로 다르게 형성하여 이동되는 폐타이어의 측면에 넓은 면적으로 마이크로파가 조사되도록 한 것을 특징으로 하는 폐타이어 자원화 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 이송장치(32)는 컨베이어 또는 통폐타이어를 걸어놓을 수 있는 핀(321)이 형성된 체인 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 폐타이어의 자원화 장치.
제3항에 있어서,
상기 이송장치(32)는 안치된 폐타이어보다 큰 통공을 갖도록 하여 폐타이어에 조사되지 않고 통과한 마이크로파가 수직챔버 내벽에 반사될 때 통공을 통과하여 폐타이어 후면에 조사되도록 하는 것을 특징으로 하는 폐타이어 자원화 장치.
제3항에 있어서,
상기 경사챔버(21)와 연통된 수직챔버(31)에는 경사챔버를 따라 공급된 통폐타이어(70)를 밀어서 컨베이어에 올려지거나 핀(321)에 걸리게하는 가압대(341)와 로드(342)를 포함하는 푸싱부(34)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 폐타이어의 자원화장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 폐타이어 열분해 반응부의 수직챔버(31) 하부에는 열분해되고 남은 폐타이어 잔류물을 포집하여 배출시키는 잔류물배출부(40)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 폐타이어 자원화 장치.
제1항에 있어서,
상기 폐타이어 열분해 반응부의 수직챔버(31)에는 열분해된 가스를 배출시키는 배출관(35)이 연통되어 있고, 상기 배출관의 타측단부에는 열분해 오일 응축기(50)가 설치되어 열교환에 의해 오일을 응축시켜 회수하는 것을 특징으로 하는 폐타이어 자원화 장치.
제9항에 있어서,
상기 열분해 오일 응축기(50)에서 응축되지 않은 비응축성 가스를 공급받아 연소제거하는 후단연소장치(60)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 폐타이어 자원화 장치.
제10항에 있어서,
상기 폐타이어 열분해 반응부의 수직챔버(31)는 가열자켓(36)을 더 형성하여 상기 후단연소장치(60)에서 연소된 고열의 연소가스를 통과시켜 이동되는 폐타이어를 가열시키는 것을 특징으로 하는 폐타이어 자원화 장치.