KR20230062411A - 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템 및 이를 이용한 폐플라스틱 처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 폐플라스틱 원료가 자중에 의해 자유낙하 방식으로 공급되는 수직형 열분해로; 상기 수직형 열분해로를 800~1300℃의 고온 분위기로 가열하는 평판형 무화염 가열체; 수직형 열분해로 하단에 설치되고 수직형 열분해로에서 생성된 바이오촤-가스 혼합물을 공급받아 BOG를 분리 후 배출하는 고기분리기; 및 상기 고기분리기에서 분리된 바이오촤를 충진시켜 흡착제로 이용하고 고기분리기에서 분리된 BOG를 통과시켜 BOG의 불순물을 제거하는 BOG정제부;를 포함하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템이 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템 및 이를 이용한 폐플라스틱 처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 평판형 무화염 가열체를 이용해 수직형 열분해로 내의 온도가 700℃~1100℃ 고온 분위기가 되도록 가열시켜 폐플라스틱의 열분해 처리과정에서 바이오촤 및 BOG를 생산하고 생산된 BOG를 평판형 무화염 가열체의 연료로 사용하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템 및 이를 이용한 폐플라스틱 처리방법에 관한 것이다.
최근 코로나 등 전염병에 대한 인류의 인식 변화와 이에 따른 일회용 플라스틱 사용이 급격히 증가하고 있으며, 이들에 대한 효과적인 처리방법의 부재로 무단 투기로 인한 해양오염이 급증하고 있다.
일반적으로 산업 폐플라스틱이나, 생활 폐플라스틱은 재활용 가능 여부에 따라 재활용하거나 폐기 처리되고, 재활용이 불가능한 폐플라스틱 중 부식되지 않는 폐플라스틱은 연소 가능여부에 따라, 소각 처리하거나 용융 고화시켜, 건설자재로 활용하고 있으나, 그 후 더 이상의 재활용은 불가하여 소각하여 처리하고 있는 실정이다.
소각 및 연소에 의한 폐플라스틱 처리 방법은 화석연료 연소시에 많은 먼지와 다이옥신(CH3Cl, CCl2F2, CCl4, CH3CCl3, CHBr3, CH3Br 등)을 포함한, 유해한 가스(CO, CO2, HCN, NO2, NH3, NOx, CH3) 등을 배출하게 되어 환경오염의 주된 원인이 되고 있고, 특히 다이옥신은 인간, 동식물의 생명체에 치명적인 영향을 미치는 문제점이 있다.
폐플라스틱은 자연 분해력이 매우 낮은 석유화학제품이 대부분이므로 경제적이면서도 안전한 처리기술을 필요로 하는 실정이다.
한편, 국내에서는 연간 200만톤의 미이용 산림 바이오매스가 있으며, 폐기물 포함 7000만톤의 바이오매스 자원이 발생하는데 이를 활용하여 탄소를 분리하며 수소를 생산하는 기술이 요구되고 있다.
폐기물과 바이오 매스를 이용하여 수소를 생산하는 기술은 주로 가스화 반응을 이용한다. 가스화 반응은 흡열 반응이므로 연소를 통한 열공급이 필수적이다.
바이오매스 가스화는 700℃~1200℃ 사이에서 일어나며 가스화제로는 공기, 산소, 수증기 등이 있지만 높은 수소 농도를 위해서는 보통 수증기를 가스화제로 사용한다. 일반적으로 바이오매스 가스화 공정은 기포 유동층(Bubbling Fluidized Bed)와 순환 유동층(Circulating Fluidized Bed)로 구성된 이중 순환 유동층 가스화기(Dual Fluidized Bed)를 이용하여 수소가스를 생산한다.
이는 모래유동층을 이용하여 열을 전달하고 버블링을 통해 바이오매스의 가스화를 진행하여 반응 효율은 좋은 것으로 알려져 있으나 생산가스에 입자들이 다량 존재하고, 유동 매체와 잔류 탄소의 분리가 어려운 단점이 있다. 또한, 열분해에 필요한 열을 공급하기 위해 자체 연소열을 사용하다 보니, 일정량의 산화제를 투입하고 그에 따라 생산 가스의 발열량이 작아져, 효율 및 경제성이 부족하며, 복잡한 공정은 대형화와 상용화에 걸림돌이 된다.
유동층 외에도 고정상식, 용융식 등이 사용되고 있지만, 열화학반응 중에 발생하는 타르와 슬래그에 의한 설비의 고장이 잦은 문제점이 있고, 이로 인해 설비의 크기를 대형화하기 어려운 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 평판형 무화염 가열체를 이용해 수직형 열분해로 내의 온도가 700℃~1100℃ 고온 분위기가 되도록 가열시켜 폐플라스틱의 열분해 처리과정에서 바이오촤 및 BOG를 생산하고 생산된 BOG를 평판형 무화염 가열체의 연료로 사용하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 700℃~1100℃ 고온 분위기에서 폐플라스틱의 열분해 처리가 이루어지는 수직형 열분해로; 및 수직형 열분해로에서 생산된 BOG를 수직형 열분해로를 가열하는 연료로 사용하는 평판형 무화염 가열체;를 포함하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 폐플라스틱 원료가 자중에 의해 자유낙하 방식으로 공급되는 수직형 열분해로; 상기 수직형 열분해로를 800~1300℃의 고온 분위기로 가열하는 평판형 무화염 가열체; 수직형 열분해로 하단에 설치되고 수직형 열분해로에서 생성된 바이오촤-가스 혼합물을 공급받아 BOG를 분리 후 배출하는 고기분리기; 및 상기 고기분리기에서 분리된 바이오촤를 충진시켜 흡착제로 이용하고 고기분리기에서 분리된 BOG를 통과시켜 BOG의 불순물을 제거하는 BOG정제부;를 포함하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 BOG정제부에서 정제된 BOG를 평판형 무화염 가열체의 연료로 사용하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 BOG정제부에서 BOG 정제에 사용된 오염된 바이오촤를 수직형 열분해로에 재투입시켜 열분해과정을 거치도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 BOG정제부는 전기식 또는 기계식 방법으로 온도를 제어하는 온도제어장치가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폐플라스틱 원료는 폐플라스틱 또는 폐플라스틱과 바이오매스 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폐플라스틱은 PP와 PE를 필터 소재로 하는 폐마스크인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 바이오매스는 우드팰릿, 커피찌꺼기, 두부모래 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면,
폐플라스틱 원료가 수직형 열분해로에 자유낙하 투입되는 단계;
상기 수직형 열분해로의 일측에 설치된 평판형 무화염 가열체가 800~1300℃ 범위로 발열하여 수직형 열분해로 내부 온도를 700~1100℃ 내외로 유지시켜 바이오촤-가스 혼합물을 생성하는 단계;
상기 수직형 열분해로에서 생성된 바이오촤-가스 혼합물이 고기분리기로 보내져서 고체인 바이오촤는 중력에 의해 하부로 배출되고, 기체인 BOG는 상부 배기관으로 분리 배출되는 단계; 및
상기 고기분리기에서 분리된 바이오촤를 BOG정제부에 충진시켜 흡착제로 이용하고 고기분리기에서 분리된 BOG를 충진된 바이오촤에 통과시켜 BOG의 불순물을 제거하는 단계;를 포함하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리방법이 제공될 수 있다.
이때, 상기 폐플라스틱 원료는 바이오매스 또는 바이오촤와 혼합되어 열분해로에 투입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 BOG정제부에서 정제된 BOG를 평판형 무화염 가열체의 연료로 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 BOG정제부에서 BOG 정제에 사용된 오염된 바이오촤를 수직형 열분해로에 재투입시켜 열분해과정을 거치도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 BOG정제부는 전기식 또는 기계식 방법으로 온도를 제어하는 온도제어장치가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 평판형 무화염 가열체를 이용해 수직형 열분해로 내의 온도가 700℃~1100℃ 고온 분위기가 되도록 가열시켜 폐플라스틱의 열분해 처리과정에서 바이오촤 및 BOG를 생산하고 생산된 BOG를 평판형 무화염 가열체의 연료로 사용함으로써, 폐플라스틱을 안전하게 처리하면서도 경제적인 부산물을 단순한 공정을 통해 생산하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 폐플라스틱에 포함된 탄소의 30~50%를 분리하여 저장하기에 폐플라스틱을 이용한 블루수소 생산공정으로 활용이 가능하고, 생산되는 BOG에 포함된 수소농도가 50% 내외, CO가 40% 내외가 되도록 하여 천연가스 대체 연료로 활용이 가능하고, 또한, 다양한 화학공정의 가스원료로 사용이 가능한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 생산된 바이오촤를 사용하여 오염된 토양복원 및 품질향상 (PH조절, 미생물 증대, 보습율 향상 등), 대기 및 수질오염 제거, 콘크리트 강도 향상과 탄소저장, 전자파 차폐, 열전달 향상에 기여하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템을 설명하는 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템을 설명하는 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 폐플라스틱 처리시스템을 이용한 조건별 실험 데이터를 나타낸 도표.
도 4는 본 발명의 실험결과로서, 바이오매스 원료만을 열분해했을 때의 BOG성분 함량 그래프.
도 5는 본 발명의 실험결과로서, 우드팰릿을 원료로 하는 바이오촤 층 높이에 따른 BOG 조성 그래프.
도 6은 본 발명의 실험결과로서, 커피 찌꺼기를 원료로 하는 바이오촤 층 높이에 따른 BOG 조성 그래프.
도 7은 본 발명의 실험결과로서, 폐플라스틱과 바이오매스의 혼합원료를 열분해했을 때의 BOG성분 함량 그래프.
도 8은 본 발명의 실험결과로서, 열분해로 온도변화에 따른 우드팰릿의 BOG성분 그래프.
도 9는 본 발명의 실험결과로서, 커피 찌꺼기와 폐플라스틱의 혼합물을 원료로 하는 바이오촤 층 높이에 따른 BOG 조성 그래프.
도 10은 본 발명의 원료에 따른 바이오촤 전자현미경 사진.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템을 설명하는 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 폐플라스틱 처리시스템을 이용한 조건별 실험 데이터를 나타낸 도표.
도 4는 본 발명의 실험결과로서, 바이오매스 원료만을 열분해했을 때의 BOG성분 함량 그래프.
도 5는 본 발명의 실험결과로서, 우드팰릿을 원료로 하는 바이오촤 층 높이에 따른 BOG 조성 그래프.
도 6은 본 발명의 실험결과로서, 커피 찌꺼기를 원료로 하는 바이오촤 층 높이에 따른 BOG 조성 그래프.
도 7은 본 발명의 실험결과로서, 폐플라스틱과 바이오매스의 혼합원료를 열분해했을 때의 BOG성분 함량 그래프.
도 8은 본 발명의 실험결과로서, 열분해로 온도변화에 따른 우드팰릿의 BOG성분 그래프.
도 9는 본 발명의 실험결과로서, 커피 찌꺼기와 폐플라스틱의 혼합물을 원료로 하는 바이오촤 층 높이에 따른 BOG 조성 그래프.
도 10은 본 발명의 원료에 따른 바이오촤 전자현미경 사진.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템을 설명하는 개략도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템을 설명하는 개략도이며, 도 3은 본 발명에 따른 열분해로의 온도와 바이오촤 층 높이에 따른 BOG 조성 그래프이고, 도 4는 본 발명의 원료에 따른 바이오촤 전자현미경 사진이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 폐플라스틱 처리시스템은 크게 수직형 열분해로(110), 평판형 무화염 가열체(120), 고기분리기(130)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
먼저, 수직형 열분해로(110)에 대해 설명하면, 700℃~1100℃ 고온 분위기에서 폐플라스틱의 열분해 처리가 이루어지는 오븐 구조를 제공하는 것으로서, 원통형 또는 사각형 관체 형상의 가열로를 수직방향으로 형성할 수 있다. 이때, 관체의 상부에는 플라스틱 원료가 투입되는 투입구를 형성하고, 관체의 하부에는 열처리된 바이오촤-가스 혼합물이 토출되는 토출구를 형성한다.
이때, 상기 투입구 및 토출구에는 각각 개폐 작동 가능한 도어를 설치할 수 있고, 폐플라스틱이 고온 분위기에서 열분해 되는 동안에는 양측 도어를 모두 밀폐시켜 내부가 진공 상태가 유지되도록 할 수 있다.
상기 수직형 열분해로(110)의 외측에는 평판형 무화염 가열체(120)가 설치되어 수직형 열분해로(110) 내부의 온도가 700℃~1100℃의 고온 분위기가 형성되도록 가열할 수 있다. 평판형 무화염 가열체(120)는 수직형 열분해로(110)와 소정 간격 이격되어 복사 및 대류에 의해 수직형 열분해로(110)에 열을 전달할 수 있다.
본 발명의 평판형 무화염 가열체(120)는 열분해 열원으로 무화염 연소방식을 사용하는 바이오촤 오븐을 제공한다.
무화염 연소 기술은 바이오매스 열분해 시, 수직형 열분해로(110) 내부 온도를 균일한 고온, 즉 700~1100℃ 범위의 일정한 고온으로 유지시켜 무산소분위기에서 폐플라스틱을 열분해하여 높은 발열량을 갖는 생산 가스 BOG(Biochar Oven Gas)를 생산하면서, 탄소는 바이오촤의 형태로 분리 생산하게 된다.
또한, 수직형 열분해로(110)의 온도를 700~1100℃ 범위에서 균일하게 형성함으로써, 저온에서 발생하는 타르에 의한 막힘 문제와 고온에서 발생하는 슬래그 문제를 해결하여 안정적인 운전이 가능하다.
상기 수직형 열분해로(110) 하단에는 고기분리기(130)(고체-기체 분리기)가 설치되고 수직형 열분해로(110)에서 생성된 바이오촤-가스 혼합물을 공급받아 바이오촤와 BOG를 분리 후 배출한다.
이때, 수직형 열분해로(110)에서 생산된 BOG는 고기분리기(130)에서 분리되어 평판형 무화염 가열체(120)의 연료로 공급되도록 할 수 있다.
이하, 상기한 본 발명의 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리공정에 대해서 설명한다.
도 1을 참조하면, 먼저 폐플라스틱 원료는 바이오매스 또는 바이오촤와 혼합되어 수직형 열분해로(110) 상부에서 하방 투입된다. 이때 투입되는 바이오촤는 이전에 생산된 바이오촤를 폐플라스틱과 함께 재투입될 수 있다.
이때, 폐플라스틱의 혼합 비율은 부피기준으로 1~90%로 할 수 있다.
또한, 투입방식은 기존의 스크류피더나 루프피더, 기어식 피더등 제한이 없지만, 투입되는 소재들의 크기는 열분해로 형상에 따라서 원통형인 경우 직경, 평판형인 경우 최소폭의 20% 이내로 형성하는 것이 바람직하다.
폐플라스틱 원료는 수직형 열분해로(110)의 상부에서 투입되어 중력에 의해 점진적으로 자유 낙하 방식으로 하강하게 되고, 하강하면서 고온 분위기에서 열분해 과정을 거치게 된다.
이때, 상기 폐플라스틱 원료는 폐플라스틱 또는 폐플라스틱과 바이오매스 혼합물 중 어느 하나일 수 있다.
특히, 상기 폐플라스틱은 PP와 PE를 필터 소재로 하는 폐마스크를 사용할 수 있고, 상기 바이오매스는 우드팰릿, 커피찌꺼기, 두부모래 중 하나 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
이때, 평판형 무화염 가열체(120)가 800~1300℃ 범위의 균일 고온 발열됨에 따라, 평판형 무화염 가열체(120)에 이웃하여 설치되는 수직형 열분해로(110) 내부를 700~1100℃ 내외로 가열 유지시키게 된다.
바이오촤 오븐 구역에서는 800℃ 이상의 고온에서 바이오 매스와 플라스틱의 열분해가 무산소상태에서 일어난다. 열분해를 통해 생산된 가스 BOG는 일반적으로 높은 농도의 타르를 포함하고 있지만, 이 가스가 고온의 바이오촤 층을 통과하면서 하이드로카본이 깨지는 크래킹 반응을 거치는 과정에서 탄소는 바이오촤에 흡착되어 나노카본파이버로 전환되도록 하는 동시에 수소를 고농도로 함유한 BOG가 생산된다.
이때의 온도는 폐플라스틱이 완전 열분해되고 또한, 원료의 타르가 완전 열분해되며, 미네랄(산화금속) 성분들이 용융되지 않는 안전한 온도범위로서 열분해로 내에서의 폐플라스틱 원료의 이동은 중력만으로도 원활하게 진행될 수 있다.
수직형 열분해로(110)의 가열영역을 통과하여 하강한 바이오촤와 BOG가 혼재된 바이오촤-가스 혼합물이 수직형 열분해로(110) 하단에 설치된 고기분리기(130)(고체-기체 분리기)에서 고체인 바이오촤와 생산가스인 BOG로 분리되는데, 고체인 바이오촤는 중력에 의해 고기분리기(130)의 하부로 배출되고, 기체인 BOG는 고기분리기(130)의 상부에 설치된 배기관을 통해 분리 배출된다.
이때, 고기분리기(130)에서 분리된 BOG는 되어 평판형 무화염 가열체(120)의 연료로 공급되도록 할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 폐플라스틱에 포함된 탄소의 30~50%를 분리하여 저장할 수 있고, 이로써 폐플라스틱을 이용한 블루수소 생산이 가능하고, 생산되는 BOG에 포함된 수소농도가 50% 내외, CO가 40% 내외가 되도록 하여 천연가스 대체 연료로 활용이 가능하고, 또한, 다양한 화학공정의 가스원료로 사용이 가능하게 된다.
또한, 본 발명은 생산된 바이오촤를 사용하여 오염된 토양복원 및 품질향상 (PH조절, 미생물 증대, 보습율 향상 등), 대기 및 수질오염 제거, 콘크리트 강도 향상과 탄소저장, 전자파 차폐, 열전달 향상에 기여하게 된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템을 설명하는 개략도로서, 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐플라스틱 처리시스템은 크게 수직형 열분해로(110), 평판형 무화염 가열체(120), 고기분리기(130), BOG정제부(140)를 포함할 수 있다.
수직형 열분해로(110)는 폐플라스틱 원료가 자중에 의해 공급되고, 평판형 무화염 가열체(120)는 상기 수직형 열분해로(110)를 800~1300℃의 고온 분위기로 가열하며, 고기분리기(130)는 상기 수직형 열분해로(110) 하단에 설치되고 수직형 열분해로(110)에서 생성된 바이오촤-가스 혼합물을 공급받아 바이오촤와 BOG로 분리 후 배출한다.
상기 고기분리기(130)에서 분리된 생산가스 BOG는 BOG정제부(140)를 통해서 불순물이 제거되도록 하는 정화과정을 거치도록 할 수 있다.
이때 BOG정제부(140)는 전 공정에서 생산된 바이오촤를 충진시켜 흡착제로 이용하고 고기분리기에서 분리된 BOG를 통과시켜 BOG의 불순물이 제거되도록 할 수 있다.
예컨대, 최적의 부산물 생산과 폐플라스틱 처리를 위해서 폐플라스틱의 처리 비율을 증대하는 것이 좋겠지만, 과도하게 높은 비율로 폐플라스틱을 처리하게 되면 폐플라스틱에서 발생하는 타르 등 취급이 어려운 공해물질들이 다량 배출되며, 이들이 후단 공정에서 통로에 부착하여 막는 현상이 발생한다. 또한, PVC에 포함된 염소 등과 같은 폐플라스틱의 기능향상을 위한 불순물이 포함되는데, 이들은 연소 시 공해물질로 전환되어 BOG에 포함된다. 따라서, BOG에 포함되어 있는 불순물을 처리하는 공정이 필요하다.
이를 위하여 도 2에 도시된 본 발명의 다른 실시예를 통해서 자체 생산한 바이오촤의 흡착성능을 이용한 BOG를 정제하는 기술에 대해 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이 고기분리기(130)에서 분리된 청정 바이오촤를 BOG정제부(140)에 투입시켜 필터제(흡착제)로 사용한다.
이때, 상기 BOG정제부(140)에는 온도제어장치(150)가 설치되어 BOG가스 정화시 온도조절이 이루어지도록 할 수 있다.
상기한 온도제어장치(150)는 온도조절을 통해서 다양한 공해물질의 흡착효율을 극대화하는 온도분포를 만들어서 연속적으로 BOG 정화가 이루어지도록 할 수 있다.
이때, BOG정제부(140)에 사용되는 바이오촤는 95% 이상의 탄소로 구성되어 활성탄과 같은 높은 흡착성능을 갖기 때문에 중금속과 각종 고분자 탄화수소들을 흡착 제거하여 BOG를 천연가스 수준의 고품질로 생산할 수 있게 된다.
그리고, BOG정화에 사용되고 난 후의 오염된 바이오촤는 폐기물로 배출되는 것이 아니라 다시 수직형 열분해로(110)에 재투입되어 고온 열분해과정을 거쳐서 정화되도록 할 수 있다. 이로서 폐기물 발생을 최소화하게 된다.
상기 온도제어장치(150)는 전기 또는 기계 제어시스템으로 구축할 수 있다. 예컨대, 전기제어는 열전소자 또는 전기히터를 이용하여 온도를 제어할 수도 있으며, 기계제어는 이중관 형태로 제작 후 공기나 물 등의 유량 및 온도제어가 되는 작동유체를 흘려보내서 온도가 제어되도록 할 수 있다.
도 3 내지 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 폐플라스틱 처리시스템을 이용해 실시한 조건별 실험 결과에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 폐플라스틱 처리시스템의 다양한 조건 하에서 수행한 실험결과를 통해서 무화염연소기반 바이오촤 오븐의 기본적인 운전 특성을 확인하고, 우드팰릿(Wood pellet), 커피 찌꺼기(Coffee grounds), 두부모래(Tofu residue)의 세가지 바이오매스와 폐플라스틱(일회용 마스크폐기물)을 혼합 연료로 하는 배치식과 반연속식 운전을 각각 수행하였다.
또한, 실험결과를 통해서 열분해로 온도와 연료에 따른 BOG의 성상을 확인하였고, 바이오촤 표면에 형성되는 나노탄소섬유를 확인하였다. 이를 통해 고온 바이오촤 표면에서의 크래킹 특성을 확인하고, 반응기 온도와 연료 성상에 따른 성능을 파악하였다.
도 3은 본 발명에 따른 폐플라스틱 처리시스템을 이용한 조건별 실험 데이터를 나타낸 도표이다.
도 3을 참조하면, 실험1(Exp-1)은 세가지 바이오매스를 40g씩 일시 투입하여 BOG 가스의 조성을 분석하는 실험이고, 실험2(Exp-2)는 원료를 반복적으로 투입하여 하부에 있는 바이오촤의 높이를 25mm씩 올려가며 바이오촤의 높이에 따른 BOG 성상을 평가한 실험이며, 실험3(Exp-3)은 플라스틱 폐기물을 바이오매스와 함께 투입하였을 때의 BOG 성상과 바이오촤 표면 변화를 실험한 것이고, 실험4(Exp-4)는 상대적으로 재의 용융점이 높은 우드팰릿을 이용하여 바이오촤 온도를 올려가며 온도의 영향을 실험한 것이다.
커피 찌꺼기와 두부모래는 1000℃에서는 재성분이 녹아서 슬래그에 의한 막힘 현상이 발생하였기에 실험에서 제외하였다. 모든 실험은 기초 바이오촤를 넣은 후 10분후에 원료를 투입하였고, BOG 가스 농도는 BOG내 산소농도가 0이 되는 기간의 평균값으로 분석하였다.
도 4는 본 발명의 실험결과로서, 바이오매스 원료만을 열분해했을 때의 BOG성분 함량 그래프이다.
도 4를 참조하면, 우드팰릿은 수분함량이 가장 낮고 수소 성분은 가장 높은 관계로 수분에 의한 온도저감효과가 적고 활성 수소가 타르 분해를 촉진하여 가장 높은 분해 효율을 나타냈다.
이때, 커피찌꺼기의 수소가 가장 높고 메탄이 가장 낮은 이유로는 원료 중 산소 농도는 가장 낮지만 메탄-수증기 개질반응으로 수소 생산을 촉진하는 수분이 가장 높기 때문이다.
한편, 커피찌꺼기의 타르분해효율이 가장 낮은 이유로는 높은 수분함량이 반응 중 열분해로 내부 온도를 낮추는 효과가 있기 때문이다.
연료의 산소농도가 높은 두부모래(Tofu residue)는 수소의 농도가 가장 낮고, CO와 CO2의 조성 합이 가장 높은 것으로 나타났는데, 이는 연료의 산소 성분이 탄소와 수소의 연소를 촉진한 결과 때문이다.
또한, 메탄의 농도는 커피의 경우 11.7%에서 우드팰릿의 15.6%로 비교적 높게 나타났다. 이는 일시에 투입되는 원료가 열분해하면서 급격한 반응으로 생산 가스 체류시간이 짧아서 충분한 메탄 파괴반응이 발생하지 않은 것에 기인한다.
도 5는 본 발명의 실험결과로서, 우드팰릿을 원료로 하는 바이오촤 층 높이에 따른 BOG 조성 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실험결과로서, 커피 찌꺼기를 원료로 하는 바이오촤 층 높이에 따른 BOG 조성 그래프이다.
도 5, 도 6을 참조하면, 도 5의 우드팰릿과 도 6의 커피 찌꺼기 모두 바이오촤 층이 증가함에 따라 각 BOG의 H2의 함량이 최대 10.7~10.8%까지 일정하게 증가함을 볼 수 있다. 우드팰릿의 CO2와 CO함량은 각각 6.3%, 3.4% 감소하였고, 커피찌꺼기에서 CO2와 CO함량은 각각 최대 8.7%, 5.3%씩 감소하였다.
이때, 커피찌꺼기의 수분함량이 높고 탄소를 흡착하는데 유리한 무기물질 함량이 높기에 우드팰릿에 비해 CO2와 CO 감소효과가 더 큰 것으로 나타났다.
예컨대, 바이오촤 오븐 내 바이오촤 층 높이가 증가함에 따라 열분해가스의 바이오촤 표면에서의 크래킹 반응시간이 증가하여 더 많은 하이드로카본(HC)이 깨지고 탄소는 바이오촤 표면에 흡착되어 수소 비율이 증가하고, CO와 CO2 농도는 감소하게 되었다.
도 7은 본 발명의 실험결과로서, 폐플라스틱과 바이오매스의 혼합원료를 열분해했을 때의 BOG성분 함량 그래프이다.
도 7을 참조하면, 폐플라스틱(마스크)와 조합한 바이오 매스 원료들은 실험1(Exp-1)의 바이오매스만 열분해했을 때 보다 BOG 내 CO2는 14.3% 감소하고, CO와 H2, CH4의 함량이 각각 평균적으로 0.8%, 7.5%, 5.2%씩 증가했다.
이는 폐플라스틱인 마스크의 주성분인 탄화수소들이 열분해 후 고온의 바이오촤를 통과하면서 촉매 반응을 통해 CO와 H2로 크래킹 되었기 때문이다.
또한, 플라스틱 폐기물을 추가하였음에도 불구하고 전환 효율이 1~2% 정도만 하락한 것은 폐플라스틱의 높은 발열량을 감안하여 바이오매스의 투입량을 절반으로 줄여서 투입원료의 발열량을 일정하게 유지하여 열분해가스의 유량을 조절하여 바이오촤의 크래킹 성능이 유지되었기 때문이다.
도 8은 본 발명의 실험결과로서, 열분해로 온도변화에 따른 우드팰릿의 BOG성분 그래프이다.
도 8을 참조하면, 온도가 증가함에 따라 BOG의 성분별 함량은 CO는 9% 증가하여 38.8%, H2는 4% 증가하여 37.3%가 됨을 볼 수 있다. 또한 전환 효율은 각 3% 증가하여 97.2%까지 도달하였다.
이 과정에서 가장 작은 하이드로카본(HC)인 CH4는 2.3% 감소하였다. 반응로 온도 증가에 따른 H2, O의 증가와 CO2의 감소는 건식 개질 반응(CH4+CO2→2CO +2H2)에 의한 것이다.
이를 통해 반응로의 온도가 증가함에 따라 바이오촤 오븐 내 바이오촤의 하이드로 카본(HC) 크래킹과 개질 반응이 원활히 발생함을 볼 수 있다.
도 9는 본 발명의 실험결과로서, 커피 찌꺼기와 폐플라스틱의 혼합물을 원료로 하는 바이오촤 층 높이에 따른 BOG 조성 그래프이다.
도 9를 참조하면, 폐플라스틱(마스크) 25%, 바이오매스(우드펠릿) 75%의 혼합율로 열분해로 온도를 850℃와 950℃ 두 경우에 실험한 BOG 가스의 조성을 보여준다.
이때, 전환율은 측정된 가스성분(CO, CO2, H2, CH4)들의 합을 나타낸다. 950℃에서 수소는 52%, CO는 34.5%, 메탄은 6.8%의 BOG 성분은 기존 바이오 열분해/가스화 플랜트에서는 도달할 수 없던 고품질의 수소포함 가스연료를 생산하는데, 전환율이 100%에 달해 타르나 기타 분자량이 큰 탄화수소가 모두 작은 분자들로 분해됨을 보여준다.
하이드로 카본(HC)의 최종 크래킹 산물인 CO와 H2는 온도와 바이오촤 층이 증가함에 따라 각각 11.4%, 8.3%씩 증가하였다. 가장 작은 하이드로 카본(HC)인 CH4는 조건 A에 비하여 B조건이 6.9% 감소하였으며 B의 경우 전환 효율이 100%인 것을 볼 때 CH4를 제외한 하이드로카본은 모두 크래킹 된 것을 확인할 수 있다.
따라서 온도와 바이오촤 층의 높이를 증가시키면서 바이오 매스 원료에 플라스틱 원료를 조합하는 것은 BOG 내에서 높은 H2함량과 전환 효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 원료에 따른 바이오촤 전자현미경 사진으로, 다양한 바이오매스와 폐플라스틱(마스크) 혼합 여부에 따른 생산된 바이오촤의 전자현미경 사진을 보여준다. 도 10의 (a), (b), (c)는 각각 우드펠릿, 커피 찌꺼기, 두부모래의 바이오매스만을 원료로 생산된 바이오촤를 도시하고 있고, 도 10의 (d), (e), (f)는 각각의 바이오매스에 폐플라스틱(마스크)를 혼합한 원료로 생산된 바이오촤를 도시하고 있다.
도 10을 참조하면, 폐플라스틱을 혼합하여 처리하는 경우에 바이오촤 표면에 많은 탄소섬유가 부착되어 바이오촤 표면적을 증대하는 효과가 있음을 알 수 있고, 비표면적(BET) 측정결과 250~300m2/g에 달해서 고가의 활성탄을 대체하는 산업제품으로 활용이 가능함을 알 수 있다.
도 10의 (d)를 참조하면, 우드팰릿과 폐플라스틱(마스크)를 조합한 바이오촤는 바이오매스만을 원료로 생산된 바이오촤에 비해서, 표면에 육각형 형태의 탄소가 성장한 것을 확인할 수 있다.
도 10의 (e), (f)를 참조하면, 커피찌꺼기와 폐플라스틱(마스크), 두부모래와 폐플라스틱(마스크) 조합의 경우, 바이오매스만을 원료로 생산된 바이오촤에 비하여 탄소섬유가 괄목할만하게 성장한 것을 확인할 수 있다.
특히 두부모래와 폐플라스틱(마스크) 조합의 경우 기공 내부에도 작은 카본 와이어들이 발달한 것을 볼 수 있다.
이때, 바이오촤의 흡착에 큰 역할을 하는 표면적은 다공성일수록, 표면에 카본 와이어 및 육각형 탄소가 많을 수록 증가한다. 따라서 플라스틱 폐기물인 마스크와 바이오매스를 조합하여 생산한 바이오촤일수록 공해물질 흡착 및 수분 저장에 효과적이며, 커피찌꺼기, 두부모래와 마스크를 조합한 바이오촤는 흡착제, 토양 개선제뿐만 아니라 나노 튜브, 그래핀 등의 탄소 소재로 활용이 가능하다.
본 발명은 무화염 연소를 이용한 균일한 온도의 열분해로에서 원료의 간접 열분해를 진행하고 열분해 가스를 고온의 바이오촤 촉매층을 통과시키면서 바이오촤와 BOG를 생산하는 것으로서, 본 발명에 사용되는 무화염 연소방식의 평판형 무화염 가열체는 내부에 연소공간이 마련되는 판 형상의 하우징과, 하우징의 일측에 구비되며, 산화제투입노즐을 통해 연소공간의 내측 외둘레를 따라 산화제를 투입 순환시켜 제1순환영역을 형성해주는 산화제투입부와, 하우징의 타측에 구비되며, 상기 연소공간 내에서 순환되는 가스 일부를 배출시켜주는 가스배출부와, 제1순환영역에서 산화제의 순환에 의해 상기 연소공간의 중심부에 형성되는 제2순환영역에 연료를 분사시킬 수 있도록 제2순환영역 내에 연료분사노즐의 선단이 위치하도록 설치되는 연료공급부;를 포함할 수 있고, 제2순환영역 내에 분사되는 연료가 제1순환영역을 따라 순환되는 산화제와 점차 혼합되면서, 제2순환영역을 중심으로 연소공간 내에 공간연소를 발생시켜주는 연소방열판일 수 있다.
또한, 이와 같은 평판형 무화염 가열체는 전기방식 히터에 의해 제공될 수도 있다.
앞서 살펴본 바와 같은 본 발명의 실험 결과에 대해 종합하면, 실험1(Exp-1)에서는 우드팰릿의 원료 내 수분함량이 낮고, 수소 성분이 높아 BOG 중 가장 높은 전환효율을 보였다. 커피찌꺼기는 원료 중 수분함량이 높아BOG의 H2가 높고 CH4가 가장 낮았다. 두부모래 원료는 높은 산소 성분 영향으로 두부모래 BOG는 상대적으로 높은 CO와 CO2를 보였다.
한편, 실험2(Exp-2)에서는 커피찌꺼기와 우드팰릿 원료를 이용하여 바이오촤 층을 높이며 실험한 결과, 두 원료 모두 BOG 내 CO와 CO2는 감소하고, H2는 증가하는 경향을 보였다.
그리고, 실험3(Exp-3)에서는 바이오 매스와 마스크(플라스틱)을 조합하여 실험한 결과, Exp-1에 비교하여 BOG 내CO2가 감소하고 CO, H2 그리고 CH4는 증가하였다.
폐플라스틱은 일반적으로 폴리머 형태의 탄화수소로 이뤄져 있기에 CO2는 줄어들고, 바이오촤에 카본 와이어가 달라붙어서 반응표면적이 증가하고, 이는 전환반응을 활성화하는 효과가 있는 것으로 파악되었다.
그리고, 실험4(Exp-4)에서는 바이오촤 오븐의 온도를 증가시키며 실험한 결과, CO2와 CH4는 감소하고 CO, H2 그리고 전환효율은 증가하였다. 반응온도는 높을수록 전환효율이 좋아졌다.
그리고, 실험5(Exp-5)에서는 바이오촤 오븐의 온도와 바이오촤 층의 높이를 증가시키며 실험하였을 때, CO2와 CH4는 감소하고 CO, H2는 증가였으며 분해 효율은 100%를 달성하였다.
예컨대, 바이오촤 오븐의 온도와 바이오촤 층 높이를 증가시켰을 때, BOG의 H2와 전환효율이 증가하여 Cracking이 잘 진행되는 것을 확인할 수 있었다.
최종적으로 이를 통해 폐기물인 플라스틱과 바이오매스를 원료로 H2 함량 최대 50%의 BOG를 생산할 수 있음을 보였다. 또한 생산된 바이오촤 SEM 분석을 통해 플라스틱과 바이오매스의 조합으로 카본나노와이어가 성장한 특별한 표면의 바이오촤도 확인하였다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 바이오매스와 폐플라스틱의 소각과 매립 처리과정에서 발생하는 온실가스와 공해물질을 저감할 수 있고, 생산된 고품질의 바이오촤는 흡착제, 촉매 등 고급 산업 소재로 이용할 수 있는 것은 물론, 높은 수소 함량을 가진 BOG를 생산하여 연료로 사용하고 남은 BOG는 개질을 통해 수소 연료를 생산할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
110: 수직형 열분해로
120: 평판형 무화염 가열체
130: 고기분리기
140: BOG정제부
150: 온도제어장치
120: 평판형 무화염 가열체
130: 고기분리기
140: BOG정제부
150: 온도제어장치
Claims (13)
- 700℃~1100℃ 고온 분위기에서 폐플라스틱의 열분해 처리가 이루어지는 수직형 열분해로; 및
수직형 열분해로에서 생산된 BOG를 수직형 열분해로를 가열하는 연료로 사용하는 평판형 무화염 가열체;를 포함하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템. - 폐플라스틱 원료가 자중에 의해 자유낙하 방식으로 공급되는 수직형 열분해로;
상기 수직형 열분해로를 800~1300℃의 고온 분위기로 가열하는 평판형 무화염 가열체;
수직형 열분해로 하단에 설치되고 수직형 열분해로에서 생성된 바이오촤-가스 혼합물을 공급받아 BOG를 분리 후 배출하는 고기분리기; 및
상기 고기분리기에서 분리된 바이오촤를 충진시켜 흡착제로 이용하고 고기분리기에서 분리된 BOG를 통과시켜 BOG의 불순물을 제거하는 BOG정제부;를 포함하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템. - 제2항에 있어서,
상기 BOG정제부에서 정제된 BOG를 평판형 무화염 가열체의 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템. - 제2항에 있어서,
상기 BOG정제부에서 BOG 정제에 사용된 오염된 바이오촤를 수직형 열분해로에 재투입시켜 열분해과정을 거치도록 하는 것을 특징으로 하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템. - 제2항에 있어서,
상기 BOG정제부는 전기식 또는 기계식 방법으로 온도를 제어하는 온도제어장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템. - 제2항에 있어서,
상기 폐플라스틱 원료는 폐플라스틱 또는 폐플라스틱과 바이오매스 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템. - 제6항에 있어서,
상기 폐플라스틱은 PP와 PE를 필터 소재로 하는 폐마스크인 것을 특징으로 하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템. - 제6항에 있어서,
상기 바이오매스는 우드팰릿, 커피찌꺼기, 두부모래 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리시스템. - 폐플라스틱 원료가 수직형 열분해로에 자유낙하 투입되는 단계;
상기 수직형 열분해로의 일측에 설치된 평판형 무화염 가열체가 800~1300℃ 범위로 발열하여 수직형 열분해로 내부 온도를 700~1100℃ 내외로 유지시켜 바이오촤-가스 혼합물을 생성하는 단계;
상기 수직형 열분해로에서 생성된 바이오촤-가스 혼합물이 고기분리기로 보내져서 고체인 바이오촤는 중력에 의해 하부로 배출되고, 기체인 BOG는 상부 배기관으로 분리 배출되는 단계; 및
상기 고기분리기에서 분리된 바이오촤를 BOG정제부에 충진시켜 흡착제로 이용하고 고기분리기에서 분리된 BOG를 충진된 바이오촤에 통과시켜 BOG의 불순물을 제거하는 단계;를 포함하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리방법. - 제9항에 있어서,
상기 폐플라스틱 원료는 바이오매스 또는 바이오촤와 혼합되어 열분해로에 투입되는 것을 특징으로 하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리방법. - 제9항에 있어서,
상기 BOG정제부에서 정제된 BOG를 평판형 무화염 가열체의 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리방법. - 제6항에 있어서,
상기 BOG정제부에서 BOG 정제에 사용된 오염된 바이오촤를 수직형 열분해로에 재투입시켜 열분해과정을 거치도록 하는 것을 특징으로 하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리방법. - 제6항에 있어서,
상기 BOG정제부는 전기식 또는 기계식 방법으로 온도를 제어하는 온도제어장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 바이오촤 오븐을 이용한 폐플라스틱 처리방법.
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| AU2023254967A AU2023254967A1 (en) | 2022-10-27 | 2023-10-26 | Hydrogen production system and hydrogen production method using biochar oven |
| US18/495,385 US20240141235A1 (en) | 2022-10-27 | 2023-10-26 | Hydrogen production system and hydrogen production method using biochar oven |
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| KR20210095332A (ko) | 2020-01-23 | 2021-08-02 | 김윤 | 폐플라스틱 처리장치 및 처리방법 |
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