폐비닐을 이용한 액상 연료 및 합성 가스를 생산하는 방법 및 장치

배경기술

플라스틱 폐기물은 선진국의 주요 환경 문제로, 매립 공간 부족 및 혼합 폐비닐의 재활용 어려움이 지속되고 있다. 폐비닐을 열분해하여 열분해유를 생산할 수 있으나, 원유 유래 오일 대비 염소, 질소, 금속 등 불순물 함량이 높아 휘발유·디젤유 등 고부가가치 연료로 사용하기 어렵고, 단순 열분해만으로는 C15 이상의 왁스 성분이 다량 생성되어 C5~C14 유분의 수율이 낮은 문제가 있었다.

해결 과제

폐비닐을 이용하여 열분해 공정을 최적화함으로써 휘발유 조성과 유사한 C5~C14 탄화수소의 생산량을 최대화하고, 이를 위한 제조 장치를 제공하고자 한다.

기술 구성

1. 2단계 열분해 반응: 열분해 반응기 내부에 질소 가스를 주입하여 질소 환경(산소 차단) 하에서 450650℃로 가열한 후, 폐비닐을 주입하여 열분해 반응(550650℃)과 촉매 열분해 반응(450~550℃)을 순차적으로 진행.
2. 촉매: FCC 촉매(상용) 또는 Si 지지체 기반으로 Ni이 담지된 촉매(510wt%, 650℃ 소성)를 사용하며, 촉매의 공간속도는 8,00010,000 hr⁻¹로 제어하여 C5~C14 탄화수소 생산 효율을 최적화.
3. 유동층 형성: 질소를 유동화 매체로 0.12 m/s 이하의 유속, 45~55 LPM의 유량으로 공급하여 열분해 반응기 내 유동사(모래 등)가 유동층을 형성하도록 함.
4. 촉매 반응기 체류시간 제어: 촉매 열분해 반응기 내 질소(캐리어 가스)의 체류시간을 25~35 cc/min으로 유지하여 열분해 가스가 촉매와 충분히 반응하도록 함.
5. 다단 응축 장치: 1단 응축 장치(100120℃)를 통과하여 열분해유를 1차 포집하고, 이어서 2단 및 3단 응축 장치(각 -25-5℃)를 연속 통과시켜 추가 열분해유를 포집. 이동관에는 열선 테이프를 적용해 150~250℃(실험상 200℃)로 유지하여 가스 응고를 방지.
6. 장치 구성: 열분해 반응기, 촉매 열분해 반응기, 질소 주입기, 가스 제어 시스템(MFC controller), 온도 제어 시스템(PID), 응축 장치, 전기집진기(ESP) 등을 포함.

실험 결과

PP(폴리프로필렌)를 이용한 실험에서 촉매 없이 열분해 시 오일 생성량은 70.19wt%이나 C5C14 비율은 29.53%에 불과한 반면, 촉매(FCC, Si-Ni 담지 촉매)를 사용하고 공간속도 8,000hr⁻¹ 조건에서는 C사 FCC 촉매 기준 C5C14 비율이 82.99%까지 증가함을 확인하였다. Si 지지체 기반 Ni 담지 촉매의 경우도 C5C14 비율이 5154% 수준으로 개선되었다.

효과

• 폐비닐을 활용하여 고부가가치의 열분해유(휘발유 유사 조성)를 생산할 수 있음.
• 별도의 불순물 분리 공정 없이 촉매를 이용하여 액상 연료 및 합성가스의 생산 효율을 높일 수 있음.
• 연속 처리가 가능한 열분해 공정 및 장치 제공으로 상업화 가능성 제고.