KR20210083492A - 폐플라스틱 열분해 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐플라스틱 열분해 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 폐플라스틱을 열분해하여 경질 탄화수소를 생산하는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 구체예에 따른 폐플라스틱 열분해 반응기는 폐플라스틱의 분해 효율을 개선하여 고부가가치의 경질 탄화수소 성분의 생산율과 선택도를 높일 수 있다.
Description
본 발명은 폐플라스틱 열분해 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 폐플라스틱을 열분해하여 경질 탄화수소를 생산하는 장치에 관한 것이다.
산업이 발달함에 따라 플라스틱을 원료로 하는 상품의 생산이 꾸준히 증가하고 있지만, 폐플라스틱의 재활용은 여전히 제한적이다. 이는 폐플라스틱의 재활용에 상당한 비용이 요구되기 때문이다. 예를 들어, 가정이나 산업 현장으로부터 회수되는 폐플라스틱에 불순물이 혼입되어 있는 경우, 이를 제거하는 데에 상당한 비용이 필요할 뿐만 아니라, 이로부터 재생산되는 플라스틱의 품질에도 한계가 있다.
폐플라스틱을 재활용하는 방안의 하나로서 이를 열분해하여 오일을 생산하는 방법이 제안되었다. 구체적으로, 폐플라스틱에 고열을 가하여 폐플라스틱을 용융, 분해함으로써 오일을 생산하는 방법이 알려져 있다.
예를 들어, 미국 특허출원공개 제2017/0233657호에는 컨택터를 구비한 열분해 반응기가 개시되어 있다. 이 열분해 반응기 내에 폐플라스틱을 투입한 후 이를 가열 및 분해하여 열분해 가스를 생성하고, 이 열분해 가스 중의 중질 탄화수소(즉, 장쇄 탄화수소) 성분을 컨택터 내에서 응축시켜 열분해 반응기로 순환시킨다. 그런데, 열분해 반응기로 순환된 중질유는 폐플라스틱과 혼합되어 열분해 과정을 거치게 되므로 폐플라스틱의 분해 효율이 크게 높아지지는 않는다.
위 장치에서 폐플라스틱의 분해 효율을 높이기 위해 제올라이트와 같은 분자체(molecular sieve) 형태의 촉매 혹은 금속 촉매를 반응기 내에 투입하는 방안을 생각해 볼 수 있지만, 이 경우 용융된 폐플라스틱에 의해 제올라이트나 금속 촉매가 쉽게 피독되기 때문에, 폐플라스틱의 분해 효율을 높이는 데에 한계가 있다.
따라서, 폐플라스틱의 열분해 장치에 있어서, 폐플라스틱의 분해 효율을 개선하여 고부가가치의 경질 탄화수소 성분의 생산율과 선택도를 높일 수 있는 장치의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 폐플라스틱의 분해 효율을 개선하여 고부가가치의 경질 탄화수소 성분의 생산율과 선택도를 높일 수 있는 폐플라스틱 열분해 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구체예에 따라서, 교반기(20)를 구비한 반응기(10); 반응기(10) 위에 설치되며 그 내부에 적어도 하나의 응축기 부재(34)를 갖는 응축기(30); 및 반응기(10) 내의 응축기(30) 하단 부근에 설치되며 촉매를 탑재한 용기(50)를 포함하는 폐플라스틱 열분해 장치가 제공된다. 여기서, 응축기 부재(34)는 복수의 개구를 갖고 있어서 응축기 하단으로부터 유입되는 열분해 가스가 위쪽으로 통과하도록 하고, 열분해 가수 중의 중질 탄화수소 성분을 응축시켜 반응기(10) 내의 촉매 탑재 용기(50)로 순환시키며; 촉매 탑재 용기(50)로 순환된 중질 탄화수소 성분은 촉매에 의해 분해되어 경질 탄화수소 성분을 생성하고, 경질 탄화수소 성분은 다시 응축기(30)로 유입되며, 중질 탄화수소 성분 중의 미분해 잔류물은 반응기(10) 내로 순환되는 폐플라스틱 열분해 장치(1)가 제공된다.
본 발명의 구체예에 따른 폐플라스틱 열분해 장치는 폐플라스틱의 분해 효율을 개선하여 고부가가치의 경질 탄화수소 성분의 생산율과 선택도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따른 폐플라스틱 열분해 장치의 단면 정면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 구체예에 따른 폐플라스틱 열분해 장치(1)는 교반기(20)를 구비한 반응기(10); 반응기(10) 위에 설치되며 그 내부에 적어도 하나의 응축기 부재(34)를 갖는 응축기(30); 및 반응기(10) 내의 응축기(30) 하단 부근에 설치되며 촉매를 탑재한 용기(50)를 포함한다.
도면에 도시되지 않은 별도의 공정에서 플레이크나 그래뉼 형태로 분쇄된 폐플라스틱이 그 상태로, 혹은 도면에 도시되지 않은 압출기에서 용융되어, 유입구(12)를 통해 반응기(10)로 유입된다. 이때, 폐플라스틱이 250~320℃의 용융 상태로 반응기(10)로 유입되는 것이 바람직하다. 또한, 폐플라스틱이 반응기(10)로 유입될 때 산소가 함께 유입되지 않도록 유입구(12)가 밀봉되어 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시예에서, 반응기(10)는 교반기(20)를 구비한 교반형 탱크 반응기(stirred tank-reactor)일 수 있다. 이러한 반응기(10)를 포함하는 본 발명의 구체예에 따른 폐플라스틱 열분해 장치는 회분식(batch type) 또는 연속식(continuous type) 어느 방식으로도 운전이 가능하다.
본 발명의 구체적인 일 실시예에서, 반응기(10)로 유입되는 폐플라스틱은 그 열분해 효율을 높일 수 있는 촉매를 포함할 수 있다. 이때, 촉매는 저가의 모래, 황토 등으로부터 선택될 수 있으나, 이들로 특별히 제한되는 것은 아니다.
모래, 황토와 같은 촉매는 그 화학적 조성에 따른 흡착 표면을 통하여 촉매로서 작용을 할 수 있을 뿐만 아니라 열원 전달의 매개로서 작용하여 열전달 효율을 높일 수 있다. 또한, 고 점성의 유체의 교반을 원활하게 함으로써 열전달뿐만 아니라 반응 진행 중 물질의 확산을 촉진할 수 있다.
폐플라스틱과 함께 반응기(10)로 투입된 이러한 촉매는 폐플라스틱이 열분해되고 남은 잔류물과 함께 배출구(14)를 통해 반응기(10) 밖으로 배출된다.
반응기(10)로 유입된 폐플라스틱은 질소로 퍼지(purge)된 상태에서 교반기(20)에 의해 교반되면서 350~520℃의 온도로 가열되나, 이 온도는 폐플라스틱의 종류에 따라 달라질 수 있다.
이때, 폐플라스틱의 가열 수단은 특별히 제한되지 않는다. 본 발명의 구체적인 일 실시예에서, 반응기(10) 외부에 구비된 자켓(16)에 고온/고압의 증기(18)나 온수(18) 또는 열매체유(heat transfer fluid)(18) 등을 통과시켜 폐플라스틱을 가열할 수 있다.
교반기(20)는 용융 폐플라스틱을 충분히 교반할 수 있는 것이라면, 그 종류가 특별히 제한되지는 않는다. 본 발명의 구체적인 일 실시예에서, 교반기(20)가 헬리칼 리본형(helical ribbon type) 또는 앵커형(anchor type)일 수 있다. 또한, 교반기(20)가 반응기(10)의 내벽과 약 5 ㎜ 내지 1 ㎝의 간격을 유지하는 것이 폐플라스틱의 교반과 반응기(10) 벽을 통한 열전달을 최대화하는 데 유리하다.
반응기(10) 내에서 폐플라스틱이 열분해되어 생성되는 가스는 파이프 연결부(32)를 통해 응축기(30)로 유입된다. 응축기(30)는 그 내부에 적어도 하나의 응축기 부재(34)를 갖고 있다. 각각의 응축기 부재(34)는 열분해 가수 중의 중질 탄화수소 성분이 응축되도록 금속 재질로 이루어져 있다. 응축기 부재(34)를 구성하는 금속 재질은 특별히 제한되지는 않지만, 스테인리스 스틸, 니켈, 티타늄 및 이들의 합금으로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시예에서, 응축기 부재(34)는 길이 방향으로 지그재그로 배치되고 응축기의 중앙을 향해 경사지도록 배치된 트레이 형태일 수도 있다. 또는, 각각의 응축기 부재(34)가 중앙이 뚫려 있고 아래쪽으로 좁아지는 깔때기 모양을 가질 수도 있다. 또한, 응축기 부재(34)는 열분해 가스가 통과할 수 있는 복수의 개구(도면에 도시되지 않음)를 갖고 있다.
응축기(30)로 유입된 열분해 가스는 응축기 부재(34)에 형성되어 있는 복수의 개구를 통하여 위쪽으로 진행하면서, 응축기 부재(34)와 접촉한다. 응축기 부재(34)와 접촉한 열분해 가수 중의 중질 탄화수소 성분은 응축되어 응축기 부재(34)의 경사부를 따라 흘러내리고, 최종적으로 파이프 연결부(32)를 통해 반응기(10) 내로 순환된다. 반응기(10) 내로 유입된 응축 중질 탄화수소 성분은 용기 유입구(52)를 통해 응축기(30) 하단 부근에 설치되어 있는 촉매 탑재 용기(50)로 유입된다. 이때, 응축기(30) 내에서 응축되는 중질 탄화수소 성분의 양은 응축기(30) 외부에 설치되어 있는 자켓(36)의 온도를 제어함으로써 조절할 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시예에서, 응축기의 자켓(36)은 그 내부를 흐르는 냉각수와 같은 냉각 매질(38)에 의해 냉각될 수 있다.
열분해되는 폐플라스틱의 종류에 따라 달라질 수 있지만, 촉매 탑재 용기(50)로 유입되는 중질 탄화수소 성분은 통상적으로 탄소수 12~20개의 탄화수소 성분을 포함할 수 있다. 이러한 중질 탄화수소 성분은 용기(50)에 탑재되어 있는 촉매(54)와 접촉하여 분해되고, 그 결과 탄소수 5~12 범위의 경질 탄화수소 성분을 생성할 수 있다.
따라서, 용기(50)에 탑재되는 촉매(54)는 탄소수 12~20개의 탄화수소 성분을 분해할 수 있는 것이면, 그 종류가 특별히 제한되지는 않는다. 본 발명의 구체적인 일 실시예에서, 촉매가 전이금속, 알루미나, 제올라이트, 실리코-알루미노포스페이트, 메탈로알루미노포스페이트 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 촉매가 제올라이트를 포함할 수 있다.
구체적으로, 제올라이트는 기공의 평균 직경이 약 0.7~2.0 ㎚ 범위의 대-기공 제올라이트(large pore zeolite)일 수 있으며, 그 예로는 제올라이트 Y, FAU, EMT, ITQ-21, ITQ-33 및 ERT를 들 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다.
또한, 제올라이트는 기공의 평균 직경이 약 0.39~0.7 ㎚ 범위인 중-기공 제올라이트(medium pore zeolite)일 수 있으며, 그 예로는 페리어라이트, 스틸바이트, SAPO-11, ZSM-5, SSZ-32, ZSM-48 및 ZSM-23을 들 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다.
또한, 제올라이트는 대-기공 제올라이트와 중-기공 제올라이트의 혼합물일 수도 있다.
본 발명의 구체적인 일 실시예에 있어서, 제올라이트 등의 촉매 성분이 바인더와 함께 펠렛 형태로 용기에 채워지거나 촉매 성분이 허니컴 구조의 지지체에 코팅된 형태로 용기에 탑재될 수 있다.
촉매 탑재 용기(50) 내에서 중질 탄화수소 성분이 촉매(54)와 접촉하여 분해됨으로써 생성되는 경질 탄화수소 성분은 용기 유입구(52)와 파이프 연결부(32)를 통해 다시 응축기(30)로 유입된다. 이 경질 탄화수소 성분은 반응기(10)로부터 유입되는 열분해 가스와 함께 응축기(30) 상부로 이동하고, 열분해 가스 중 응축기(30) 내에서 응축되지 않은 최종 경질 탄화수소 성분은 배출구(40)를 통해 후처리 공정으로 이송된다.
촉매 탑재 용기(50) 내에서 촉매와 접촉 후 분해되지 않은 중질 탄화수소의 잔류물은 용기 유출구(56)를 통해 반응기(10)로 순환되어 열분해 과정을 거치는 폐플라스틱과 혼합된다.
본 발명의 구체예에 따른 폐플라스틱 열분해 장치는 폐플라스틱의 추가로 에너지를 소비하지 않으면서 폐플라스틱의 분해 효율을 개선하여 고부가가치의 경질 탄화수소 성분의 생산율과 선택도를 높일 수 있다.
1: 폐플라스틱 열분해 장치
10: 반응기
12: 유입구
14: 배출구
16: 자켓
18: 열매체유
20: 교반기
30: 응축기
32: 연결부
34: 응축기 부재
36: 자켓
38: 냉각 매질
40: 배출구
50: 용기
52: 유입구
54: 촉매
56: 배출구
10: 반응기
12: 유입구
14: 배출구
16: 자켓
18: 열매체유
20: 교반기
30: 응축기
32: 연결부
34: 응축기 부재
36: 자켓
38: 냉각 매질
40: 배출구
50: 용기
52: 유입구
54: 촉매
56: 배출구
Claims (1)
- 교반기(20)를 구비한 반응기(10); 반응기(10) 위에 설치되며 그 내부에 적어도 하나의 응축기 부재(34)를 갖는 응축기(30); 및 반응기(10) 내의 응축기(30) 하단 부근에 설치되며 촉매를 탑재한 용기(50)를 포함하는 폐플라스틱 열분해 장치로서, 응축기 부재(34)는 복수의 개구를 갖고 있어서 응축기 하단으로부터 유입되는 열분해 가스가 위쪽으로 통과하도록 하고, 열분해 가수 중의 중질 탄화수소 성분을 응축시켜 반응기(10) 내의 촉매 탑재 용기(50)로 순환시키며; 촉매 탑재 용기(50)로 순환된 중질 탄화수소 성분은 촉매에 의해 분해되어 경질 탄화수소 성분을 생성하고, 경질 탄화수소 성분은 다시 응축기(30)로 유입되며, 중질 탄화수소 성분 중의 미분해 잔류물은 반응기(10) 내로 순환되는 폐플라스틱 열분해 장치(1).
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020190175803A KR20210083492A (ko) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | 폐플라스틱 열분해 장치 |
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|---|---|
| KR (1) | KR20210083492A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102539139B1 (ko) * | 2022-10-04 | 2023-06-01 | 창원대학교 산학협력단 | 폐플라스틱 열분해 공정 왁스분해용 촉매반응기, 및 그 촉매반응기를 갖는 폐플라스틱 열분해 시스템 및 방법 |
| KR102679681B1 (ko) | 2023-10-18 | 2024-06-27 | 이동석 | 플라즈마를 이용한 열분해 장치 |
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|---|---|---|---|---|
| US20170233657A1 (en) | 2014-08-28 | 2017-08-17 | Cynar Plastics Recycling Limited | Improvements relating to pyrolysis reactor systems |
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2019
- 2019-12-27 KR KR1020190175803A patent/KR20210083492A/ko active Search and Examination
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Date | Code | Title | Description |
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