KR102905803B1

KR102905803B1 - 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.

Info

Publication number: KR102905803B1
Application number: KR1020220156294A
Authority: KR
Inventors: 이은관
Original assignee: 이은관
Priority date: 2022-11-21
Filing date: 2022-11-21
Publication date: 2025-12-30
Anticipated expiration: 2042-11-21
Also published as: KR20240075092A

Abstract

본 발명은 혼합 플라스틱 폐기물을 첨가된 이물질도 제거하지 않은 상태로 폴리염화비닐(PVC), 폴리염화비닐리덴(PVDC)와 같은 염소계 수지로부터 염소(Cl₂)를 분리하는 제1열분해로와; 기체상이 가장 많이 생성되는 800~1,000℃로 열분해하여 플라스틱의 고분자(polymer) 탄소사슬을 단량체(monomer)로 분해하는 제2열분해로와; 제1열분해로에서 분리된 염소(Cl₂)가스를 가성소다(NaOH)와 같은 알칼리염으로 중화시켜 제거하는 중화반응탑과; 제2열분해로에서 단량체(monomer)로 분해된 탄화수소가스를 카본블랙(C₂) 촉매를 사용하여 800~1,000℃의 분위기에서 탄소(C)에 결합된 수소(H₂)를 분리하는 유동층반응기와; 분리된 탄소(C)를 회수하는 싸이클론과; 분리된 수소(H₂)가스로 전기를 생산하는 수소연료전지와; 분리된 차(Char)를 분쇄하고, 차(Char)에 함유된 탄소(C)를 이용하여 전기를 생산하는 직접탄소연료전지와; 전기를 생산하고 버려지는 배기가스의 열을 회수하고, 이를 응축시켜 열분해오일로 하는 응축장치와; 열분해오일을 연소시켜 플라스틱 폐기물을 처리하는 과정에 필요한 열에너지를 공급하는 가열장치와; 플라스틱 폐기물을 처리하는 과정에서 발생되는 이산화탄소(CO₂)는 탄소(C)와 산소(O₂)로 분해하는 마이크로웨이브 플라즈마 분해 장치와; 분해된 탄소(C)와 산소(O₂)가 재결합되는 것을 방지하는 재결합방지수단과; 분리된 탄소(C)와 산소(O₂)를 각각의 저장탱크에 저장하여 재활용하고, 이를 자동으로 제어하는 자동제어장치를 포함한다.
[색인어]
플라스틱 폐기물, 열분해유, 수소연료전지, 염소제거, 카본블랙촉매, 직접탄소연료전지

Description

폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.{Upcycling system with waste plastics as a high value-added resource.}

본 발명은 일상생활에서 발생되는 다양한 종류의 혼합 플라스틱 폐기물을 2차 환경오염 없이 친환경적으로 고부가가치의 자원으로 모두 재활용하는 시스템에 관한 것으로서, 자연분해가 어려워 환경을 오염시키는 플라스틱 폐기물을 부가가치가 높은 연료전지 연료로 재활용하고, 플라스틱 폐기물의 처리 과정에서 발생 되는 이산화탄소(CO₂)는 완전분해하여 높은 순도의 탄소(C)와 산소(O₂)로 분리하여 자원으로 재활용함으로서, 기후변화방지와 환경보호와 자원회수에 기여 하는 플라스틱 폐기물을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 도시 쓰레기에서 분리되는 혼합 플라스틱 폐기물의 조성은 범용 폴리머인 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS) 3종이 약 75~78%로서 대부분을 차지하고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)가 약 8~9%이며, 폴리염화비닐(PVC), 폴리염화비닐리덴(PVDC)과 같은 염소(Cl₂)계 수지가 약 6~7%이고, 그 밖에 물질이 약 6~8%정도이다.

또한, 이러한 플라스틱 폐기물의 구성성분은 표 1에 기재되어 있고, 탄소(C)와 수소(H₂)가 주류를 이루고 있으며, 폴리염화비닐(PVC)은 탄소(C)와 수소(H₂)가 다른 플라스틱 폐기물에 비해 적은 반면, 염소(Cl₂)가 첨가되어 있어 소각 중에 다이옥신과 같은 환경호르몬이 발생될 수 있다.

또한, 일반적으로 플라스틱 폐기물은 원료로 사용할 수 있는 것은 분리하여 재활용되고, 재활용이 어려운 플라스틱 폐기물은 열분해하여 열분해 오일로 만들어 재활용하는 동시에 이를 통해 폐기물의 양을 줄여 처리하고 있으나, 단순히 열분해를 통한 저급의 열분해 오일을 생산하는 것이 아니라, 열분해 1차 생성물을 친환경적으로 고부가가치의 원료로 업그레이드하는 것이 필요하다.

열분해 1차 생성물은 열분해 온도에 따라 액상과 기상으로 구분되고, 생성되는 성분은 메탄과 에틸렌으로서, 열분해 온도에 따른 상변화는 표 2에 기재되어 있으며, 생성물은 표 3과 같다.

또한 폴리스티렌(PS)은 이중합이며, 380℃~420℃에서 열분해 공정이 진행되고, 원료의 97% 정도가 단일 스티렌 단량체로 변환된다.

또한 폴리염화비닐(PVC)은 200~300℃에서 탈염화수소반응(Zipperreaction)이 일어나고, 고온에서는 고리화와 중축합반응이 일어나서 주로 불휘발성 잔사와 미량의 벤젠 등의 방향족화합물을 생성되며, 그 결과로서 폴리염화비닐(PVC)의 열분해생성물은 염화수소(HCl)와 불휘발성 잔사가 주성분이 되고, 액체연료는 거의 얻어지지 않으며, 부식성 유독가스인 염소(Cl₂)가 다량으로 발생하기 때문에 중화 대책이 필요하고, 연질 염화비닐수지는 가소제가 포함되어 있으므로, 이 경우에는 가소제의 열분해물인 프탈산 등도 생성된다.

또한, 폴리부타디엔(부타디엔고무)의 열분해 생성물은 모노머인 1,3-부타디엔 외에 대부분의 파라핀계 및 올레핀계 탄화수소를 포함하여 생성되고, 플라스틱 폐기물의 열분해 잔사는 대부분 탄소화합물(Char)이며, 일부 유리. 금속, 토사를 포함한다.

또한 열분해 1차 생성물의 총석유계 탄화수소(TPH)는 탄소수 C₁₂인 물질이 가장 많고, 다음으로 C₁₄, C₁₆이 높은 비율로 분포하고 있으며, 총석유계 탄화수소(TPH)는 표 4와 같다.

또한 열분해 1차 생성물의 기상의 성분은 대부분은 프로펜(Propene)이고, 에탄(Ethane)과 메탄(Methane)이 그 뒤를 이어 이들이 전체 가스의 74.8%를 차지하고 있다.

따라서 플라스틱 폐기물의 열분해 1차 생성물은 기상을 목표로 760℃로 열분해하여 기체상의 가스를 최대한 발생시켜 51.4%에 해당하는 열분해 가스는 카본블랙의 탄소(C)와 수소(H₂)가스로 분해하여 수소(H₂)가스로는 수소연료전지로 전기를 생산하고, 열분해 잔사는 분쇄하여 직접 탄소연료전지로 전기를 생산한다.

또한 46.9%에 해당하는 열분해 오일은 탄소(C)함유량이 다양하여 품질이 떨어지는 혼합유로서 정제과정을 거쳐야 하지만, 발열량이 10,090kcal/kg로서 매우 우수하므로 정제과정 없이 본 발명의 플라스틱 폐기물의 처리에 필요한 열에너지로 재활용한다.

또한 열분해 오일의 연소과정에서 발생 되는 이산화탄소(CO₂)는 직접 탄소 연료전지의 연료공급부에 공급하여 고체상의 탄소(C)연료를 유동시켜 연료극과 접촉을 개선시켜 발전성능을 향상시키고, 최종적으로 탄소(C)와 산소(O₂)로 분리하여 각각의 순도 높은 자원으로 업싸이클링 한다.

일반적으로 이산화탄소(CO₂)는 크게 이산화탄소(CO₂) 포집 및 저장(Carbon Capture and sequestration, CCS)기술과 이산화탄소(CO₂) 포집 및 활용(Carbon Capture and Utilization, CCU)기술로 구분할 수 있다.

이산화탄소(CO₂)의 포집은 흡착 또는 멤브레인 가스 분리 기술을 사용하여 공기 또는 연도 가스에서 분리할 수 있고, 포집된 이산화탄소(CO₂)의 저장은 지하에 매립하거나 심해에 저장하는 것으로서, 지구온난화의 대안으로 제시되기도 했으나 고투자비용, 유해 포집제의 대기 방출 가능성, 잠재적 저장능력의 한계와 불확실성, 이산화탄소(CO₂) 지층 저장의 안정성에 대한 대중적 저항증가, 등, 해결해야 할 문제가 남아있고, 이외에도 에너지 소비량이 많다는 단점이 있다.

또한, 이산화탄소(CO₂)를 포집하여 활용하는 기술(CCU)은 배출원에서 이산화탄소(CO₂)를 포집하여 상업성 있는 고부가가치의 유용한 자원으로 전환하는 기술로서, 이산화탄소(CO₂)를 이용한 화학 원료 및 연료합성, 조류(microalgae)를 이용한 바이오 연료생산, 미네랄 탄산염 변환(mineral carbonation) 등이 있다.

그러나 이산화탄소(CO₂)는 매우 높은 결합력으로 연결이 되어 있는 안정적인 물질로서, 물리적으로 이 결합력을 끊어주기 위해서는 매우 높은 에너지가 필요하고, 3,000K~4,000K 이상의 온도를 가해주게 될 경우 약 60% 이상이 분해되지만, 공정상 이산화탄소(CO₂)를 분해하기 위해서는 5,500K이상의 온도를 유지해야 탄소(C)와 산소(O₂) 또는 일산화탄소(CO)로 분해된다.

또한, 이같이 높은 에너지로 이산화탄소(CO₂)가 분해되어도 재결합 비율이 높아 분해된 탄소(C)와 산소(O₂)가 재결합되어 이산화탄소(CO₂) 또는 일산화탄소(CO)로 재결합될 수 있기 때문에 재결합방지 수단이 필요하다.

이와 같이 본 발명은 2차 환경오염 없이 플라스틱 폐기물을 친환경적으로 처리하고, 처리 과정의 1차생성물을 연료전지의 발전에 사용하고, 처리 과정에서 발생되는 이산화탄소탄소(CO₂)까지 탄소(C)와 산소(O₂)로 완전히 분해하여 부가가치가 높은 자원으로 이용하는 것으로서, 플라스틱 폐기물의 전체를 고부가가치의 자원으로 업싸이클링하는 친환경적인 시스템이다.

대한민국 특허등록 제 10-1451904호 직접 탄소연료전지용 석탄의 전처리 방법 및 이를 사용하는 직접 탄소연료전지(2014년 10월 10일) 대한민국 특허등록 제 10-1897031호 직접 탄소연료전지가 구비 된 열분해 장치 및 이의 작동방법(2018년 09월 04일) 대한민국 특허등록 제 10-2235889호 바이오매스를 포함하는 가연성 재생 연료를 이용한 열분해 가스화 및 가스발전 시스템(2021년 03월 30일) 대한민국 특허등록 제 10-2229954호 이산화탄소 분해용 구리 페라이트 촉매 및 그 제조방법(2021년 03월 15일) 대한민국 특허등록 제 10-2279080호 염수 전기분해를 이용한 이산화탄소 전환 방법 및 시스템(2021년 07월 13일)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술이 갖는 제반 문제점을 해결하고자 창출된 것으로 그 목적은, 다양한 종류의 혼합된 플라스틱 폐기물을 종류별로 분리하지 않고, 폐기물에 묻은 이물질의 분리나 세척을 통한 전 처리 없이 혼합된 플라스틱 폐기물을 연속적으로 열분해하여 처리하고, 열분해 산물로 얻어진 기상의 열분해 가스와 액상의 열분해 오일과 고상의 열분해 잔사로 남는 차(Char)를 모두 부가가치가 높은 신재생 에너지자원으로 재활용하고, 플라스틱 폐기물의 처리 과정에서 발생되는 이산화탄소(CO₂)까지 탄소(C)와 산소(O₂)로 완전히 분해하여 순도가 높은 각각의 자원으로 이용하여 플라스틱 폐기물의 전체를 2차 환경오염 없이 부가가치가 높은 자원으로 하는 업싸이클링 시스템을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명의 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템은 혼합 플라스틱 폐기물에 혼입된 염소(Cl₂)계 플라스틱으로부터 탈염소하여 열분해 산물의 이용을 용이하게 하고, 기상의 열분해 가스를 많이 생성되도록 고온열분해를 하며, 열분해 산물로 얻어지는 차(Char)는 분쇄하여 직접 탄소연료전지로 전기를 생산하고, 수소(H₂)는 수소연료전지로 전기를 생산하며, 액상의 열분해 오일은 플라스틱 폐기물의 처리 과정에 필요한 열에너지로 공급하고, 플라스틱 폐기물의 처리 과정에서 발생 되는 이산화탄소(CO₂)는 탄소(C₂)와 산소(O₂)로 분해하여 이산화탄소(CO₂)가 배출되지 않도록 하며, 처리 과정에서 생산되는 순도 높은 카본블랙과 탄소(C)와 산소(O₂)는 고부가가치의 자원으로 각각 재활용한다.

본 발명은 심각한 환경문제를 일으키고 있고, 처리에 어려움을 겪고 있는 플라스틱 폐기물을 2차 환경오염 없이 친환정적으로 다양한 자원으로 재활용하고, 이산화탄소(CO₂)까지 자원으로 재활용하여 이산화탄소(CO₂)를 외부로 배출하지 않으며, 환경문제 해결과 탄소 중립과 고부가가치의 자원으로의 업싸이클링(Upcycling)하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 재활용 과정의 공정을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 분쇄된 플라스틱 폐기물의 저장 호퍼의 하부에 스크류 컨베이어가 결합된 사진이고,
도 3a는 본 발명의 제1 열분해로와 제2 열분해로의 사진이고, 도 3b는 본 발명의 제1 열분해로와 제2 열분해로의 측면도(측면개념도)이다.
도 4은 본 발명의 플라스틱 종류에 따른 열분해 온도를 나타낸 그래프이며,
도 5는 본 발명의 염소(Cl₂)를 가성소다(NaOH)로 중화시켜 제거하는 중화반응탑의 개념도이며,
도 6는 본 발명의 유동층반응기의 개념도이다.
도 7a는 본 발명의 싸이클론의 사진이고, 도 7b는 본 발명의 싸이클론의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 수소연료전지의 구성도를 나타낸 개략도이고,
도 9은 본 발명의 수소연료전지 스택의 구성도를 나타낸 개략도이며,
도 10는 본 발명의 직접 탄소연료전지(DCFC)의 구성도를 나타낸 개략도이고,
도 11은 본 발명의 직접 탄소연료전지(DCFC) 스텍의 가열방법과 탄소(C₂)연료공급을 나타낸 개념도이다.
도 12은 본 발명의 직접 탄소연료전지시스템의 연료를 고체 탄소만을 사용했을 때 나타난 안정성에 관한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 분해장치의 개념도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

이하에서 기재의 "상부 (또는 하부)" 또는 기재의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 구비 또는 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 기재의 상면 (또는 하면)에 접하여 구비 또는 배치되는 것을 의미한다.

또한, 상기 기재와 기재 상에 (또는 하에) 구비 또는 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성을 포함하지 않는 것으로 한정하는 것은 아니다.

이하, 도면 1~13을 참조하여 본 발명의 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링(Upcycling)시스템을 설명한다.

본 발명은 플라스틱 폐기물을 고부가가치의 자원으로 업싸이클링하는 것으로서, 다량체(monomer)의 탄화수소화합물을 중합하여 고분자(polymer)의 플라스틱이 만들어졌던 역반응으로 폐플라스틱을 열분해하여 열분해 산물을 얻고, 이를 고부가가치의 자원으로 업싸이클링 하는 것이다.

또한 본 발명은 이와 같은 폐플라스틱의 업싸이클링 과정에서 발생 되는 이산화탄소(CO₂)는 마이크로웨이브 플라즈마로 완전히 분해하여 높은 순도의 탄소(C)와 산소(O₂)로 자원화하고, 2차 환경오염이 없는 업싸이클링 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 이를 구현하기 위하여 폐플라스틱을 10~50mm로 파쇄하는 파쇄장치(100)와; 파쇄된 폐플라스틱을 저장하는 저장호퍼(110)와; 저장된 폐플라스틱을 이송시키는 스크류컨베이어(120)와; 무산소 상태에서 폐플라스틱을 열분해하는 열분해장치(200)와; 열분해 혼합가스에서 탈염소하는 중화반응탑(300)과; 열분해가스를 냉각시켜 열분해 오일(470)을 생산하는 응축장치(400)와; 열분해 오일(470)을 연소시켜 폐플라스틱의 처리 과정에 필요한 열에너지를 공급하는 가열장치(500)와; 800℃~1,000℃에서 카본블랙촉매(610)로 열분해된 탄화수소 가스를 반응시켜 탄소(C)에서 수소(H₂)를 분리하는 유동층 반응기(600)와; 수소(H₂)가 분리된 탄소(C)를 회수하는 싸이클론(700)과; 탄소(C)가 분리되고, 수소(H₂)가 다량 함유되어 있는 혼합가스의 수소(H₂)를 연료로 하여 전기를 생산하는 수소연료전지(800)와; 탄소(C)를 주성분으로 하는 열분해 잔사인 차(Char)를 분쇄하여 분쇄된 탄소(C)를 연료로 하여 전기를 생산하는 직접 탄소연료전지(900)와; 발생된 이산화탄소(CO₂)를 탄소(C)와 산소(O₂)로 분해하는 마이크로웨이브 플라즈마 분해장치(970)와; 분해된 탄소(C)와 산소(O₂)의 재결합을 방지하는 재결합방지수단(980)과; 최종적으로 대기로 배출되는 고온의 배기가스의 열을 회수하는 열교환기(990)와; 상기 나열된 전체 시스템을 자동으로 제어하는 자동제어장치(1,000)로 구비된다.

상기 저장호퍼(110)는 송풍기(111)가 구비되어 100℃~120℃의 열풍을 하부에서 상부로 공급하여 파쇄된 플라스틱 폐기물에 포함된 수분을 제거한다.

또한, 상기 도2의 저장호퍼(110)는 저장호퍼(110) 하부의 경사면 끝에 스크류 컨베이어(120)가 결합 되어 파쇄된 플라스틱 폐기물을 제1 열분해로(210a)의 유입구(211)로 연속적으로 공급한다.

또한 상기 도3의 열분해 장치는 제1 열분해로(210a)와; 제2 열분해로(210b)가 구비되고, 제2 열분해로(210b)는 필요에 따라 다수로 연장될 수 있으며, 모양은 파이프 형태 또는 U자형태의 컨베이어로 구비되고, 열분해로(210) 내부에는 스크류 컨베이어가 구비되어 스크류 중심축을 기준으로 상부와 하부로 구분하여 하부에는 유입되는 플라스틱 폐기물을 교반하면서 이동시키며, 상부에는 열분해가스의 유로가 되며, 스크류의 회전 속도를 조절함으로써, 플라스틱 폐기물의 열분해 용량을 조절할 수 있다.

또한 상기 열분해 장치(200)는 열분해 온도와 열분해 속도와 열분해 용량에 따라 분해로의 크기와 길이를 다르게 구비될 수 있고, 각각의 분해로를 길게 연장되어 적층하여 구비될 수 있다.

또한, 상기 열분해 장치(200)의 제1 열분해로(210a)는 저장호퍼(110)와 연결된 스크류컨베이어(120)와 밀폐로 연결되고, 폴리염화비닐(PVC)과 같은 염소계 수지의 탈염화수소반응에 적합한 200~250℃로 무산소 상태에서 열분해 되며, 제1 열분해로(210a)의 끝단 상부에는 중화반응탑(300)과 연결된 배기구(212)가 구비 되어 염화수소(HCl)가 배기 되며, 끝단 하부에는 제2 열분해로(210b)와 밀폐로 결합되어 융해된 플라스틱 폐기물이 이송된다.

또한, 상기 제1 열분해로(210a)는 200~250℃로 유지되어 800~1,000℃로 열분해 되는 제2 열분해로(210b)의 열분해 부하를 최소화하고, 제2 열분해로(210b)에 1차로 융해된 플라스틱 폐기물을 일정하게 보낼 수 있도록 구비되어 제2 열분해로(210b)에서 안정된 열분해 작업을 도모한다.

또한, 상기 제2 열분해로(210b)는 800~1,000℃로 무산소 상태에서 열분해함으로써, 탄소 사슬이 작은 기상의 탄화수소 가스가 많이 생성되도록 구비된다.

또한, 상기 제2 열분해로(210b)는 제1 열분해로(210a)의 하부에 밀폐로 연결되는 연결구(213)를 통해 융해된 플라스틱 폐기물이 유입되고, 연결구(213) 옆에는 중화반응탑(300)에서 염소(Cl)가 제거된 가스가 유입되는 유입구(220)가 구비되며, 끝단 하부에는 열분해 잔사로 남은 차(Char:230)를 분쇄하는 분쇄장치(250)와 차(230) 모음 통(240)이 차례로 연결되어 배출되는 차(Char:230)가 분쇄장치(250)에서 분쇄되어 차(230) 모음 통(240)에 수집된다.

또한, 상기 제2 열분해로(210b)는 스크류 중심축(211a)을 기준으로 하부에는 제1 열분해로(210a)에서 200~250℃로 융해된 플라스틱 폐기물이 유입되어 이송되면서 800~1,000℃에서 열분해 되어 끝단으로 열분해 잔사인 차(Char:230)가 배출되고, 상부에는 열분해 가스가 지나가면서 탄소 사슬이 더 작게 열분해 되어 응축기(440)로 연결되는 배출구(260)로 배출된다.

상기 도5의 중화반응탑은 알칼리염을 저장하는 저장탱크(350)와; 가압펌프(351)와; 분무 노즐(320)과; Y자 형태의 유입구(310)가 구비되고, Y자 형태의 일측의 유입구(310a)로 제1 열분해로(210a)에서 분리된 염화수소(HCl)가 200~250℃로 유입되며, 타측의 유입구(310b)로 분무 노즐(320)이 구비되어 저장탱크(350)의 알칼리염 용액이 가압펌프(351)에 의해 분무 되어 염화수소(HCl)가 중화되어 제거되고, 염소(Cl₂)가 제거된 혼합가스를 배출되는 배기구(340)로 배출되며, 반응물은 밸브(330)를 통해 배출된다.

상기 중화반응탑(300)의 알칼리염 용액은 반응온도가 90℃이상에서 빠르게 일어나는 가성소다(NaOH)가 바람직하고, 반응부산물로 소금(NaCl)과 물이 생성되고, 이 반응식을 식 (1)에 표기하였다.

또한 상기 가성소다(NaOH) 저장탱크(350)는 시중에서 판매되는 40~45%의 가성소다(NaOH) 원액이 저장됨으로써, 5~10℃ 이하에서 결정이 석출되는 문제점이 있고, 대기 중에 존재하는 이산화탄소(CO₂)와 반응하여 고형의 탄산나트륨(Na₂CO₃)을 생성하여 저장탱크(350)의 하부로부터 단계적으로 쌓이면서 고착화될 뿐만 아니라, 가압펌프(351)의 흡입 배관(352) 및 분무 노즐(320)을 막아 분사가 안 되는 문제점과 가성소다(NaOH)의 농도를 저하시키는 문제점을 가지고 있다.

따라서 상기 저장탱크(350)를 항상 20℃~90℃로 유지되도록 하기 위하여 폐열을 활용한 난방장치(353)가 구비되며, 공기 중의 이산화탄소(CO₂)의 접촉을 원천적으로 차단하기 위하여 저장탱크(350)를 밀폐로 설계하여 저장탱크(350)가 갖는 문제점을 방지하도록 구비된다.

상기 응축장치(400)는 컴프레서(410)와; 쿨러(420)가 구비된 응축기(440)와; 열분해 오일(470)을 저장하는 저장탱크(450)로 구비되며, 염소(Cl₂)가 제거된 혼합가스는 응축기(440)에서 응축되어 열분해 오일(470)이 되고, 배관(460)을 따라 저장탱크(450)에 저장된다.

상기 가열장치(500)는 열분해 오일(470)을 연소시킬 수 있는 연소장치(510)가 구비되어 열분해 장치(200)와 유동층 반응기(600)와 수소연료전지(800)와 직접 탄소연료전지(900)를 가열하는 에너지로 열분해 오일(470)을 사용함으로써, 화석연료를 대체할 수 있다.

상기 가열장치(500)를 가동함으로써, 화석연료의 대체효과를 산출하면, 열분해 오일(470)의 발열량을 10,000kcal/kg로 산정하고, 플라스틱 폐기물 1ton을 기체상의 가스가 많이 발생하는 800~1,000℃에서 열분해하였을 때, 기체상 51.4%, 액체상 46.9%, 고체상 1.7%로서, 열분해 오일(470)이 469kg이 산출된다.

따라서 열분해 오일(470) 1ton을 얻기 위해서는 약 2.13ton의 플라스틱 폐기물을 열분해해야 하고, 열분해 오일(470) 1ton의 화석연료를 대체하는 효과는 식 (2)의 TOE로 환산될 수 있으며, 경유는 8,410 kcal/ℓ이고, 비중이 약 0.85이므로, 식 (3)과 같이 환산될 수 있다.

따라서 식 (4)에서 플라스틱 폐기물을 2.13ton 처리하였을 때 화석연료의 대체효과는 대략적으로 경유 약 1ton 상당의 화석연료를 대체할 수 있다.

또한, 상기와 같이 플라스틱 폐기물의 열분해 오일(470) 1ton의 TOE값이 약 1.01 TOE로서, IPCC에서 권고한 경유의 온실가스 배출계수가 3.102t CO₂/TOE이므로, 식 5의 식으로 계산하면, 열분해 오일(470) 1ton당 3.13 ton의 이산화탄소(CO₂)를 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.

상기 도6의 유동층 반응기(600)는 카본블랙촉매(610)를 저장하는 카본블랙촉매 저장호퍼(620)와; 카본블랙촉매(610)를 공급하는 스크류 컨베이어(630)와; 제2 열분해로(210b)와 연결된 가스유입구(640)와; 카본블랙촉매(610)와 혼합가스의 반응을 촉진하는 분산판(650)과; 유동층 반응기(600)의 바닥에 떨어진 카본블랙촉매(610)를 촉매저장호퍼(620)로 공급해주는 수직 컨베이어(660)와; 부유중인 탄소(C₂)와 분리된 수소(H₂)가 배기되는 배기구(670)로 구비된다.

또한 상기 유동층 반응기(600)는 직경과 높이의 비가 1:10~15로 구비되고, 상부에는 스크류컨베이어(630)가 구비 되어 촉매저장호퍼(620)에 저장된 카본블랙촉매(610)의 일정량을 일정하게 유동층 반응기(600)의 상부로 공급되며, 하부에는 전체 길이의 12~15% 하부에 가스유입구(640)가 구비 되어 열분해 된 800℃~1,000℃의 혼합가스가 공급되고, 바닥은 깔대기 형태로 구비되어 카본블랙촉매(610)가 떨어져 모이게 된다.

또한 상기 유동층 반응기(600)는 내측 벽에 일정 간격으로 분산판(650)이 하향으로 구비되어 상부에서 공급된 카본블랙촉매(610)가 중력에 의해 하부로 떨어지면서 분산판(650)에 부딪혀 분산되며, 하부에서 상부로 올라오는 혼합가스와 고르게 접촉되어 800℃~1,000℃의 유동층 반응기(600)에서 수소(H₂)와 탄소(C₂)로 분리 반응이 일어나고, 분리된 탄소(C₂)는 카본블랙(C₂)의 형태로서, 카본블랙촉매(610)의 표면에 부착되어 성장하고, 중력에 의해 바닥에 떨어지게 되며, 분리된 수소(H₂)와 부유 중인 카본블랙의 탄소(C₂)가 유동층 반응기(600)의 상부 배기구(670)로 배출된다.

또한 상기 유동층 반응기(600)는 낙하된 카본블랙촉매(610)를 상부의 촉매저장호퍼(620)로 공급하기 위해 깔대기 형태의 바닥과 상부의 촉매저장호퍼(620)가 수직컨베이어(660)와 연결되어 유동층 반응기(600)의 바닥에 모인 카본블랙촉매(610)가 순환되도록 구비된다.

또한, 상기 유동층 반응기(600)는 접촉분해 효율을 높이기 위해 직렬 또는 병렬로 연장하여 구비될 수 있다.

상기 유동층 반응기(600)의 촉매(610)는 기존에 사용되는 여러 금속계 촉매(Co, Cr, Ni, Pt, Pd, Mo, 등)대신 반응부산물의 회수가 용이하고, 금속계 촉매처럼 탄소(C₂)의 침적으로 인한 촉매독이 억제되며, 내부의 막힘(Clogging) 현상이 적어 장시간의 반응이 가능하고, 따로 촉매 재생 공정을 수행할 필요가 없는 탄소계 촉매 중에서 카본블랙(carbon black)을 촉매로 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 도 7a와 도 7b의 싸이클론(700)은 블로워(710)와; 유입구(720)와; 싸이클론부(730)와; 집진부(740)와; 배출구(750)로 구비되고, 유동층 반응기(600)에서 분리된 수소(H₂)와 부유 중인 카본블랙의 탄소(C₂)가 블로워(710)에 의해 유입구(720)를 통해 싸이클론부(730)로 들어와 선회류가 형성되도록 안내되어 싸이클론 작용에 의해 싸이클론부(730)에서 부유중인 탄소(C)가 침강되어 집진부(740)에 모이고, 침강되지 못한 탄소(C)는 백필터(Bag filter:760)로 보내져 카본블랙의 잔류 탄소(C)를 완전히 제거한 후, 수소(H₂)만 배출구(750)로 배출된다.

상기 도 8의 수소연료전지(800)는 연로극(810)과; 고체산화물전해질(830)과; 공기극(820)이 구비되고, 연료극(810)과 공기극(820)은 고체산화물전해질(830)의 일측과 타측에 구비되며, 수소(H₂)는 연료공급부(811)를 통해 연료극(810)에 공급되고, 산소(O₂)는 공기공급부(821)를 통해 공기극(820)에 공급된다.

또한, 상기 수소연료전지(800)는 액체전해질 때문에 생기는 제반 문제를 피할 수 있는 고체산화물형 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)가 바람직하고, 고체산화물형 연료전지(SOFC)의 전기화학적 반응에 필요한 700~950℃는 유동층 반응기(600)에서 공급되는 800℃~1,000℃의 수소(H₂)를 직접 사용함으로서, 별도의 에너지를 공급하지 않고 반응할 수 있다.

또한, 상기 수소연료전지(800)의 연료극(810)은 니켈-지르코늄 세라믹 합금으로 구비되고, 공기극(820)은 산화이트륨으로 안정화된 지르코늄(YSZ)이 구비되며, 고체산화물전해질(830)은 안정화된 산화지르코늄(ZrO₂)을 전해질로 구비된다.

또한, 상기 도9의 수소연료전지 스택(850)은 단위 전지(840)가 적층되어 구비되고, 적층 되는 단위 전지(840)의 맞닿는 부분이 서로 다른 단위 전지(840)의 연료공급부(811)와 공기공급부(821)가 맞닿아 연료공급부(811)로 유동층 반응기(600)에서 공급되는 800~1,000℃의 수소(H₂)의 온도가 공기공급부(821)로 전달되어 전기화학적 반응에 필요한 700~950℃를 유지함으로써, 수소연료전지(800)의 반응에너지를 절약할 수 있다.

상기 직접 탄소연료전지(900)는 연료극(920)과; 고체산화물전해질(930)과; 공기극(940)이 구비되는 단위 전지(950)가 구비되고, 단위 전지(950)는 큰 반응면을 만들기 위해 체적당 면적비를 최대로 하는 얇은 평면구조로 구비된다.

일반적으로 상기 직접 탄소연료전지(900)는 연료의 이동성 및 연료극(920)과의 접촉을 향상시키기 위해 탄소(C)와 용융탄산염이 혼합된 연료를 사용하고 있지만, 혼합된 연료를 사용할 경우, 장기 운전시 액상의 탄산염과 고상의 탄소(C) 간에 상분리가 발생하여 셀 성능이 급격히 감소하는 경향이 있다.

따라서 본 발명의 직접 탄소연료전지(900)는 급격한 성능 감소 없이 안정적으로 장시간 운전이 가능한 고체상의 탄소(C)만을 연료(910)로 사용하고, 연료극(920)에서 연료(910)가 소비되는 만큼 카본블랙(carbon black) 저장탱크(922)에서 중력에 의해 자동으로 공급되며, 상기 고체상의 탄소(C)는 유동층 반응기(600)에서 분리된 카본블랙(carbon black)을 재활용한다.

또한, 본 발명의 직접 탄소연료전지(900)는 연소장치(510)에서 열분해 오일(470)을 연소할 때 발생되는 이산화탄소(CO₂)를 연료공급부(921)에 공급하여 고체상의 탄소(C) 연료(910)를 유동시켜 연료극(920)과의 접촉을 향상시키고, 연료공급부(921)의 800~1,000℃로 반응식 (6)에 표기한 부두아 역반응(Reverse boudouard reaction)이 일어나 연료공급부(921)의 탄소(C₂) 연료(910)와 이산화탄소(CO₂)가 전기화학적 반응성이 빠른 일산화탄소(CO)로 개질되어 반응식(7)에 표기한 반응식에 의해 전기발전 효율을 향상시킨다.

또한, 상기 직접 탄소연료전지(900)는 공기극(Cathode: 940)으로 유입된 산소(O₂)분자를 환원시킨 산소이온(O^2-)이 고체산화물전해질(930)을 통하여 연료극(Anode:920)으로 이동한 후, 연료공급부(921)로부터 공급된 탄소(C)와 반응하여 반응식 반응식(8)에 표기한 반응식에 의해 이산화탄소(CO₂)와 4개의 자유전자(4e^-)를 내놓게 되어 4개의 자유전자(4e^-)는 전기생산에 사용되고, 이산화탄소(CO₂)는 분해장치(970)에서 탄소(C₂)와 산소(O₂)로 분해되어 각각 자원으로 재활용된다.

또한, 상기 도9의 직접 탄소연료전지 스택(960)은 단위 전지(950)가 적층되어 구비되고, 적층된 단위 전지(950) 사이에 공기 유로(951)가 구비되어 유동층 반응기(600)에서 수소연료전지(800)로 공급되는 800℃~1,000℃의 열을 직접 탄소연료전지(900)의 전기화학 반응에 필요한 700~950℃의 열로 이용하여 가열에너지를 절감하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 도 11의 직접 탄소연료전지 스택(960)은 유동층 반응기(600)에서 배출되는 800~1,000℃의 수소(H₂) 가스가 공급되는 공기유로(951)는 일측에서 타측으로 횡으로 통과하면서 적층된 각각의 단위 전지(950)를 700~950℃로 가열하고, 카본블랙의 탄소(C)는 상부에서 하부로 수직으로 이동하도록 구비되며, 이산화탄소(CO₂)는 하부에서 상부로 수직으로 이동하도록 구비되어 가열을 위한 공기유로(951)와 연료(910)가 공급되는 연료공급부(921)의 유로가 상충되지 않도록 구비된다.

일반적으로 이산화탄소(CO₂)는 매우 높은 결합력으로 연결이 되어 있는 매우 안정적인 결합물로서, 이 결합력을 끊어 탄소(C)와 산소(O₂)로 분해하기 위해서는 842KJ/mol 이상의 에너지가 가해져야 하고, 이는 약 2,000K 이상의 온도의 열을 가해야 비로소 분해가 시작되며, 이 경우에도 이산화탄소(CO₂)가 탄소(C)와 산소(O₂)로 100% 분해되는 것이 아니라, 일산화탄소(CO)로 존재하는 경우도 있으며, 그 방응식은 반응식 (9)와 같다.

또한, 이산화탄소(CO₂)의 분해에서 약 2,000K 이상의 온도의 열을 가할 경우 분해 비율이 약 1% 미만이고, 3,000K~4,000K 이상의 온도를 가해주게 될 경우 약 60% 이상의 반응이 진행되게 되어 공정상 이산화탄소(CO₂)를 분해하기 위해서는 5,500K 이상의 온도를 유지해야 결합이 분해하게 된다.

따라서 상기 마이크로웨이브 플라즈마 분해장치(970)는 2.45 GHz의 전자파를 발생시키는 마그네트론(971)과; 도파관(Waveguide:972)과; 플라즈마 화염 토치(973)와; 플라즈마 화염을 점화하는 이그니션코일(974)과; 스월 가스를 공급하는 공급관(975)과; 전자파의 회귀로 인한 마그네트론(971)의 손상 방지를 위한 아이솔레이터(Isolator:976)와; 소스 임피던스(Impedance)와 부하 임피던스(Impedance)를 일치시키고, 부하가 걸리는 반응기 단으로의 전자파 에너지 전달을 최대화하기 위한 튜너(Tuners:977)와; 방전관(978)과; 마그네트론에 필요한 전압과 전류를 공급하는 전원공급장치(979)와; 분해된 탄소(C)와 산소(O₂)의 재결합을 방지하기 위한 재결합방지수단(980)이 구비된다.

또한, 상기 마이크로웨이브 플라즈마 분해장치(970)는 이산화탄소(CO₂)의 분해에 필요한 과도한 가열이 없이 플라즈마 속의 전자들은 중성 입자들과 상호 작용하여 중성 입자들을 들뜬 에너지 상태로 만들기 때문에 높은 이온화도의 플라즈마 발생이 가능하고, 따라서 플라즈마의 온도는 1,000K 이하인 것에 반해 전자(electron)의 온도는 10,000K~100,000K가 유지됨으로써, 적은 에너지로도 매우 효율적인 화학반응을 유도할 수 있어 이산화탄소(CO₂)를 탄소(C)와 산소(O₂)로 분해한다.

또한, 상기 마이크로웨이브 플라즈마 분해장치(970)는 이산화탄소(CO₂)를 스월 가스로 공급하여 방전관(978)에 공급된 이산화탄소(CO₂)를 이그니션코일(974)로 점화시켜 플라즈마 상태가 되도록 하여 탄소(C₂)와 산소(O₂)로 분해된다.

일반적으로 분해된 탄소(C₂)와 산소(O₂)는 분해했던 온도가 내려가면서 재결합을 하게 되고, 이와 같은 재결합을 방지하기 위한 것으로서, 산소(O₂)와 결합력이 강한 금속을 사용하여 산소(O₂)를 분리하고, 산화된 금속을 환원시켜 산소(O₂)를 회수하는 방법이 사용되나 이는 비용이 많이 드는 단점이 있다.

또한 분해된 탄소(C)와 산소(O₂)가 재결합할 수 없는 1,200K 이하로 급속냉각을 시켜 여기 에너지를 제거함으로써, 재결합을 방지할 수 있는 별도의 냉각장치를 구비하여 탄소(C)와 산소(O₂)의 재결합을 방지하는 것이 바람직하지만, 이 역시 에너지 손실이 큰 문제를 갖고 있다.

그러나 마이크로웨이브 플라즈마 분해장치(970)에 의해 분해된 탄소(C)와 산소(O₂)는 플라즈마 속의 전자의 에너지가 10,000K~ 100,000K라고 할지라도 중성입자나 이온의 온도는 높지 않기 때문에 냉각에 많은 에너지를 사용하지 않아도 되는 특성이 있다.

따라서 상기 재결합방지수단(980)의 냉각장치(981)는 플라즈마 방전관(978)을 벗어나면 신속하게 냉각된다는 사실을 이용하여 마이크로웨이브 플라즈마 방전관(978)에서 발생 되는 화염의 토치에 찬바람을 불어넣는 냉각장치(981)를 구비하여 분해된 탄소(C)와 산소(O₂)의 재결합이 안 되도록 급속히 냉각시키고, 연도(982)와 연결하여 탄소(C)를 포집하는 포집통(983)이 구비되어 분해된 탄소(C)를 모아 직접 탄소연료전지(900)의 연료로 재활용하고, 산소(O₂)는 연도(982)를 통해 모아 저장하여 재활용된다.

상기 열교환기(990)는 플라스틱 폐기물의 재활용을 위한 모든 처리 과정을 마치고 최종적으로 대기로 배출되는 고온의 배기가스의 열을 회수하여 난방수 및 온수로 사용한다.

상기 자동제어장치(1,000)는 전 공정을 자동으로 제어하고, 각 부품에 고장 및 비정상적인 작동을 감지하는 센서(1,010)가 부착되어 각 부품의 고장 및 비정상적인 작동을 감지하여 무선 및 유선으로 관리자 및 통제소에 통지하여 고장과 고장 부위를 신속하게 알 수 있도록 하는 사물인터넷이 구비된다.

상기의 구성 및 작용에 따라, 본 발명에 따르는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링시스템은 연속식 밀폐시스템으로 가동되고, 플라스틱 폐기물을 같은 종류별로 선별하지 않으며, 이물질을 제거하는 전처리도 하지 않고, 플라스틱 폐기물의 처리 과정에서 발생되는 수소(H₂)와 탄소(C)는 수소연료전지(800)와 직접 탄소연료전지(900)의 발전하는 연료로 사용하며, 열분해 오일(470)은 처리 과정에 필요한 열에너지로 사용되고, 열분해 오일(470)의 연소과정과 직접 탄소연료전지(900)의 연료극의 반응 산물로 생성되는 이산화탄소(CO₂)는 마이크로웨이브 플라즈마로 분해하여 플라스틱 폐기물의 자원화 과정에서 이산화탄소(CO₂)가 발생하지 않는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 업싸이클링 시스템이 제공된다.

이상, 본 발명의 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 업싸이클링 시스템에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시변형이 가능함은 자명하다.

그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 파쇄장치 110 : 저장호퍼
111 : 송풍기 120 : 스크류 컨베이어
200 : 열분해장치 210 : 열분해로
210a : 제1열분해로 210b : 제2열분해로
211 : 유입구 211a : 스크류 중심축
212 : 배기구 213 : 연결구
220 : 유입구 230 : 차(Char)
240 : 차(Char)모음 통 250 : 분쇄장치
260 : 배출구
300 : 중화반응탑 310 : 유입구
320 : 분무노즐 330 : 밸브
340 : 배기구 350 : 저장탱크
351 : 가압펌프 352 : 흡입배관
353 : 난방장치
400 : 응축장치 410 : 컴프레서
420 : 쿨러 430 : 냉매
440 : 응축기 450 : 저장탱크
460 : 배관 470 : 열분해오일
500 : 가열장치 510 : 연소장치
600 : 유동층 반응기 610 : 카본블랙촉매
620 : 촉매저장호퍼 630 : 스크류 컨베이어
640 : 가스유입구 650 : 분산판
660 : 수직 컨베이어 670 : 배기구
700 : 싸이클론 710 : 블로워
720 : 유입구 730 : 싸이클론부
740 : 집진부 750 : 배출구
760 : 백필터(Bab filter)
800 : 수소연료전지 810 : 연료극
811 : 연료공급부 820 : 공기극
821 : 공기공급부 830 : 고체산화물전해질
840 : 단위전지 850 : 수소연료전지 스택
900 : 직접탄소연료전지 910 : 연료
920 : 연료극(anode) 921 : 연료공급부
922 : 연료저장탱크 930 : 고체산화물전해질
940 : 공기극(cnthode) 941 : 공기공급부
950 : 단위전지 951 : 공기유로
960 : 직접 탄소연료전지 스택 970 : 플라즈마 분해장치
971 : 마그네트론 972 : 도파관(Waveguide)
973 : 플라즈마화염토치 974 : 이그니션코일
975 : 공급관 976 : 아이솔레이터(Isolator)
977 : 튜너(Tuners) 978 : 방전관
979 : 전원공급장치 980 : 재결합방지수단
981 : 냉각장치 982 : 연도
983 : 포집통 990 : 열교환기
1000 : 자동제어장치 1010 : 센서

Claims

열분해 온도와 열분해 시간과 열분해 속도와 열분해 용량을 조절할 수 있는 스크류 컨베이어로 구비되는 열분해 장치와;
열분해 가스의 탈염소반응을 하는 중화반응탑과;
열분해 가스를 액상으로 응축시켜 열분해 오일을 생산하는 응축장치와;
열분해 오일을 연소시켜 본 발명에 필요한 열에너지를 공급하는 가열장치와;
기상의 혼합가스를 800℃~1,000℃에서 카본블랙촉매로 반응시켜 수소(H₂)와 탄소(C)로 분리하는 유동층 반응기와;
분리된 수소(H₂)와 탄소(C)를 각각 회수하는 싸이클론과;
회수된 수소(H₂)를 고체산화물 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)의 연료로 사용하여 전기를 생산하는 수소연료전지와;
회수된 고체상의 탄소(C)만을 연료로 하는 직접 탄소연료전지(DCFC)와;
플라스틱 폐기물을 처리하는 과정에서 발생 되는 이산화탄소(CO₂)를 분해하는 마이크로웨이브 플라즈마 분해장치와;
분해된 탄소(C)와 산소(O₂)의 재결합을 방지하는 재결합방지수단과;
분리된 탄소(C)를 모으는 탄소(C) 저장탱크와; 및 산소(O₂)를 모으는 산소(O₂) 저장탱크와;
플라스틱 폐기물의 재활용을 위한 모든 처리 과정을 마치고 최종적으로 대기로 배출되는 고온의 배기가스의 열을 회수하는 열교환기와;
상기 나열된 전체 시스템을 자동으로 제어하는 자동제어장치 및 가동상태를 알려주는 사물인터넷을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 열분해 장치는,
열분해 용량에 따라 스크류 컨베이어로 구비된 열분해로를 크기와 길이를 다양하게 하고, 여러 개의 열분해로를 적층하여 길게 연장되어 구비될 수 있으며, 밀폐상태에서 연속적으로 열분해 되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 열분해 장치는,
각각의 서로 다른 열분해 온도에 따라 여러 개의 서로 다른 열분해로로서, 동시에 열분해하고, 열분해 시간과 열분해 속도에 따라 열분해로의 스크류 회전 속도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 열분해 장치는,
원통 또는 U자형 형태의 스크류 컨베이어로 구비 되고, 스크류의 중심축을 기준하여 상부로는 열분해 가스가 이동하고, 하부로는 융해된 플라스틱 폐기물이 이송되는 열분해로가 구비 되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 열분해장치는,
탈염화수소반응이 급격히 일어나는 200~250℃에서 무산소 환경에서 염소(Cl)를 열분해 이전에 미리 분리하여 제거시키는 제1 열분해로가 구비되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 제1 열분해로는,
스크류 중심축 하부로는 융해된 플라스틱 폐기물이 이송되고, 스크류 중심축 상부로는 분리된 염화수소(HCl)가스가 이송되어 중화반응탑 연결구로 염화수소(HCl)가스가 배출되며, 800~1,000℃로 열분해 되는 제2 열분해로의 열분해 부하를 최소화하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 열분해 장치는,
제1 열분해로에서 이송되는 융해된 플라스틱 폐기물과 중화반응탑에서 염소(Cl)가 제거된 가스를 최대한 많은 기상으로 열분해 되기에 적합한 800~1,000℃로 무산소 상태에서 2차로 열분해하는 제2 열분해로가 구비 되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 제2 열분해로는,
필요한 처리용량에 따라 다수가 밀폐로 연결되고, 제1 열분해로의 하부에 밀폐로 연결되는 연결구와; 연결구 옆에 중화반응탑의 가스가 유입되는 유입구가 구비 되며, 끝단에는 잔사 배출구가 구비되고, 잔사 배출구와 차(char) 모음 통 사이에 분쇄장치가 밀폐로 순차적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 중화반응탑은,
염화수소(HCl)와 이를 중화시켜 제거하기 위한 알칼리염용액이 분무되는 유입구가 Y자 형태로 구비 되어 일측에는 제1 열분해로에서 염화수소(HCl)가 유입되고, 타측에는 분무 노즐이 구비 되어 알칼리염용액이 분무되어 염화수소(HCl)와 빠르게 반응하여 중화되어 염소(Cl₂)가 제거되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
삭제
제 9항에 있어서,
상기 중화반응탑은,
가성소다(NaOH) 원액의 저장탱크를 플라스틱 폐기물의 처리 과정에서의 폐열을 이용하여 20℃~90℃로 유지하고, 밀폐로 구비하여 공기 중의 이산화탄소(CO₂)의 접촉을 원천적으로 차단하도록 구비 되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 유동층 반응기는,
직경과 높이의 비가 1:10~15로 구비되고,
전체높이의 12~15% 하부에 가스유입구가 구비 되며,
내측 벽에는 일정 간격으로 분산판이 하향으로 구비 되어 상부에서 하부로 공급되는 카본블랙촉매가 분산판에 부딪혀 분산되고,
하부에서 상부로 상승하는 혼합가스는 분산판에서 분산되는 카본블랙촉매와 잘 혼합되어 접촉면적이 크게 되어 수소(H₂)와 탄소(C)의 분리가 효율적으로 되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 12항에 있어서,
상기 유동층 반응기는,
촉매반응에 필요한 800℃~1,000℃를 제2 열분해로와 연결되어 800℃~1,000℃로 열분해 된 혼합가스를 사용함으로써, 유동층 반응기의 가열에 필요한 에너지를 절약하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 12항에 있어서,
상기 유동층 반응기는,
접촉분해 효율을 높이기 위해 유동층 반응기를 직렬 또는 병렬로 연장하여 구비 될 수 있는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 12항에 있어서,
상기 유동층 반응기는,
유동층 반응기에서 분리된 카본블랙형태의 탄소(C)가 카본블랙촉매에 붙어 하부바닥으로 떨어진 것을 상부에 구비된 촉매저장호퍼로 이송시켜 유동층 반응기의 카본블랙촉매로 계속해서 재사용하고, 이를 순환구조로 구비되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 12항에 있어서,
상기 유동층 반응기는,
반응부산물의 회수가 용이하고, 금속계 촉매처럼 탄소(C)의 침적으로 인한 촉매독이 억제되며, 내부의 막힘(Clogging) 현상이 적어 장시간의 운전이 가능하고, 별도의 촉매재생공정을 수행할 필요가 없는 탄소계 촉매 중에서 카본블랙(carbon black)을 촉매로 사용하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 싸이클론은,
유동층 반응기에서 분리된 수소(H₂)와 탄소(C)의 유입구와; 블로워와; 싸이클론부와; 집진부와; 배출구로 구비 되고, 싸이클론 선회류에 의해 부유중인 탄소(C)가 침강되어 집진부에 모이고, 침강되지 못한 탄소(C)는 백필터(Bag filter)로 걸러 잔류 탄소(C)를 완전히 제거한 후, 수소(H₂)만 배출구로 배출하여 탄소(C)와 수소(H₂)를 분리하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 가열장치는,
플라스틱 폐기물의 열분해 과정에서 생성된 열분해 오일을 연료로 사용하여 열분해로와 유동층 반응기와 연료전지와 개질장치에 필요한 열에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 수소연료전지는,
액체전해질 때문에 생기는 제반 문제를 피할 수 있는 고체산화물형 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)로 하고, 반응에 필요한 700~950℃는 싸이클론에서 공급되는 800℃~1,000℃의 수소(H₂)를 직접 연료로 사용함으로써, 운전 열에너지를 절약하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 20항에 있어서,
상기 수소연료전지는,
니켈-지르코늄 세라믹 합금으로 구비 되는 연료극과; 안정화된 산화지르코늄(ZrO₂)을 전해질로 구비 되는 고체산화물전해질과; 산화이트륨으로 안정화된 지르코늄(YSZ)으로 구비되는 공기극이 구비되는 단위 전지와; 단위 전지가 적층된 수소연료전지 스택이 구비되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 20항에 있어서,
상기 수소연료전지 스택은,
단위 전지를 적층함으로써, 연료공급부와 공기공급부가 맞닿기 때문에 연료공급부에 공급되는 800~1,000℃의 수소(H₂)가스 열이 맞닿은 공기공급부에 전달되어 700~950℃의 반응에너지가 절약되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 1항에 있어서,
직접 탄소연료전지는,
단위 전지에 큰 반응면을 만들기 위해 체적당 면적비를 최대로 하는 얇은 평면구조로 구비 되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 23항에 있어서,
직접 탄소연료전지는,
급격한 성능 감소 없이 안정적으로 장시간 운전이 가능하도록 고체상의 탄소(C)만을 연료로 사용하고, 연료공급부로 소비되는 만큼 자동으로 연료가 공급되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 23항에 있어서,
직접 탄소연료전지는,
고체상의 탄소(C)보다 반응성이 빠른 일산화탄소(CO)를 연료극에 주입하여 고체상의 탄소(C)를 유동시켜 연료극의 접촉을 증대시키고, 일산화탄소(CO)가 연료극과 직접 반응하여 전기생산성의 성능을 향상시키는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 23항에 있어서,
직접 탄소연료전지는,
수소연료전지의 연료만 탄소(C)로 바꾸어 사용하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 23항에 있어서,
직접 탄소연료전지는,
단위 전지와 단위 전지를 적층하여 스택으로 구비 되고,
직접 탄소연료전지 스택은,
적층되는 단위 전지와 단위 전지 사이에 공기 유로가 구비 되며, 전기 화학반응에 필요한 700~950℃는 일측에서 타측으로 횡적으로 통과하는 유동층 반응기에서 수소연료전지로 공급되는 800~1,000℃의 수소(H₂)가스의 열로부터 공급되고, 탄소(C)연료는 상부에서 하부의 연료공급부로 수직으로 공급되며, 개질된 일산화탄소(CO)가 하부에서 상부로 공급되어 상기 수소(H₂)가스의 열을 공급하는 라인과 상기 탄소(C)연료를 공급하는 라인이 서로 간섭하지 않게 교차하여 구비되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 1항에 있어서,
마이크로웨이브 플라즈마 분해장치는,
가열장치에서 열분해 오일이 연소하면서 발생된 이산화탄소(CO₂)와 연료극에서 반응 산물로 생성되는 이산화탄소(CO₂)의 분해에 필요한 5,500K 이상의 온도를 유지해야 하는 에너지를 직접 가열하지 않고, 마이크로웨이브 플라즈마의 높은 주파수의 전자파를 이산화탄소(CO₂)의 전자에 공급하여 적은 에너지로 탄소(C)와 산소(O₂)로 분해하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 28항에 있어서,
마이크로웨이브 플라즈마 분해장치는,
이산화탄소탄소(CO₂)의 분해에 필요한 과도한 가열이 없이 마그네트론에서 발진 되는 2.45GHz의 높은 주파수의 전자파를 받아 높은 이온화도의 플라즈마로 전자(electron)의 온도가 10,000K~100,000K가 유지됨으로써, 적은 에너지로도 매우 효율적인 화학반응을 유도할 수 있어 이산화탄소탄소(CO₂)를 탄소(C)와 산소(O₂)로 분해하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 28항에 있어서,
상기 마이크로웨이브 플라즈마 분해장치는,
이산화탄소(CO₂)를 스월 가스로 공급하여 방전관에서 이산화탄소(CO₂)를 이그니션코일로 점화시켜 플라즈마 상태가 되도록 하여 이산화탄소(CO₂)를 탄소(C)와 산소(O₂)로 분해되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 재결합방지수단은,
분해된 탄소(C)와 산소(O₂)가 재결합할 수 없는 1,200K이하로 신속 냉각시켜 여기 에너지를 제거함으로써, 재결합을 방지할 수 있는 냉각장치를 마이크로웨이브 플라즈마 방전관에서 발생 되는 화염의 토치 바로 앞에 냉풍을 공급하는 냉각장치가 구비 되는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 31항에 있어서,
재결합방지수단은,
플라즈마 속의 전자의 에너지가 10,000K~100,000K라고 할지라도 중성입자나 이온 온도는 높지 않기 때문에 냉각에너지를 적게 사용하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
제 31항에 있어서,
재결합방지수단은,
연도에 연결되어 분해된 탄소(C)를 포집하는 포집 통이 구비 되어 탄소(C)를 저장하여 직접 탄소연료전지의 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 폐플라스틱을 고부가가치 자원으로 하는 업싸이클링 시스템.
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