[논문]회분식 반응기에서의 마이크로파 폐타이어 열분해 연구

김성수

doi:10.7316/khnes.2017.28.5.577

회분식 반응기에서의 마이크로파 폐타이어 열분해 연구
A Study of Microwave Waste Tire Pyrolysis in a Batch Reactor 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.5, 2017년, pp.577 - 583

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A series of microwave waste tire pyrolysis experiments were conducted using a lab-scale batch reactor to delineate the effects of microwave ouput power on the pyrolysis behavior of waste tire. As results of experiments, it was found that as the microwave output power was increased from 1.22 kW/kg to 2.26 kW/kg, the reaction temperature and oil yield increased significantly and the required time and microwave power consumption decreased remarkably, respectively. With increased power consumption, the content of the fixed carbon of pyrolysis residue increased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 마이크로파 출력이 열분해 오일수율과 열분해 잔류물 특성을 포함하는 폐타이어 열분해 거동에 미치는 영향을 조사하였으며, 주요 연구결과는 아래와 같이 요약될 수 있다.
본 연구에서는 연속식 마이크로파 폐타이어 열분해 장치의 설계자료를 얻기 위하여 실험실 규모 회분식 반응기에서 마이크로파 출력이 열분해 오일수율과 열분해 잔류물 특성을 포함하는 폐타이어 열분해 거동에 미치는 영향을 조사하였다.

가설 설정

1(a)의 실험실 규모 회분식 마이크로파 폐타이어 열분해 반응 시스템을 제작하였다. Fig. 1(a)의 반응 시스템에서 마그네트론에 공급되는 전력은 슬라이닥스로 전압을 변경하며 조절하였고 마이크로파 출력(microwave output power)은 마그네트론에 공급되는 전력의 60%로 가정하였으며 단위시간 동안의 마이크로파 출력값이다. 반면에 마이크로파 출력량(microwave power consumption)은 일정한 시간 동안의 마이크로파 출력값으로 정의된다.

제안 방법

1.1 kW 마그네트론 2개가 장착된 L사의 업소용 대형 전자레인지를 개조하여 슬라이닥스와 연결시키고 마이크로파 캐비티(cavity)로 사용하는 Fig. 1(a)의 실험실 규모 회분식 마이크로파 폐타이어 열분해 반응 시스템을 제작하였다. Fig.
마이크로파 캐비티 내에 설치된 Fig. 1(b)의 2 L 규모 수정 재질 반응용기에 600 g의 2 cm 크기 폐타이어(래디얼 타이어) 조각을 장입하고 열분해 실험을 수행하였다. 반응용기 내부의 폐타이어 층 중간에 K-타입 열전대를 설치하고 측정된 온도를 반응온도로 지정하였다.
1(b)의 2 L 규모 수정 재질 반응용기에 600 g의 2 cm 크기 폐타이어(래디얼 타이어) 조각을 장입하고 열분해 실험을 수행하였다. 반응용기 내부의 폐타이어 층 중간에 K-타입 열전대를 설치하고 측정된 온도를 반응온도로 지정하였다. 100 cc/분의 질소가스를 운반기체로 사용하였으며 발생되는 열분해 가스는 2개의 응축기를 통과시키며 응축성 가스는 열분해 오일로 회수하고 비응축성 가스는 대기 중으로 방출되었다.
Table 2는 마이크로파 출력이 생성된 잔류물과 오일의 특성에 미치는 영향을 보여준다. 비교를 위한 목적으로 동일한 시료와 1 L 규모 실험실 규모 회분식 반응기를 사용하여 450℃에서 재래식 열분해 실험도 수행하였으며 실험 결과는 Table 3과 같다.

대상 데이터

반응용기 내부의 폐타이어 층 중간에 K-타입 열전대를 설치하고 측정된 온도를 반응온도로 지정하였다. 100 cc/분의 질소가스를 운반기체로 사용하였으며 발생되는 열분해 가스는 2개의 응축기를 통과시키며 응축성 가스는 열분해 오일로 회수하고 비응축성 가스는 대기 중으로 방출되었다. 포집되는 열분해 오일은 1분마다 무게가 측정되었고 반응소요시간(required time)은 마이크로파 조사가 시작된 시간부터 열분해 오일이 더 이상 응축되지 않는 시간까지로 정의되었다.

성능/효과

Fig. 2(a)의 반응온도와 같이 반응초기의 오일수율 증가속도가 마이크로파 출력에 비례하지는 않으나, 시간의 경과에 따른 누적오일수율이 마이크로파 출력이 커질수록 증가하는 것을 볼 수 있다.
1) 본 연구의 실험범위 내에서 마이크로파 출력이 1.22 kW/kg으로부터 2.26 kW/kg으로 증가할 때 오일수율은 29.3%로부터 43.7%로 증가하였으며, 반응소요시간은 71.7분으로부터 28분으로 감소하였고, 마이크로파 출력량은 1.44 kWh/kg로부터 1.03 kWh/kg으로 감소하였으므로 실험범위 내에서는 가급적 마이크로파 출력을 최대화하는 것이 필요하다.
2) 마이크로파 출력이 잔류물의 수율과 품질에 미치는 영향을 조사한 결과, 마이크로파 출력이 1.78 kW/kg으로부터 4.15 kW/kg으로 증가할 때 잔류물의 수율은 48.7%로부터 44.5%로 감소하였으나 고정탄소 함량은 80.74%로부터 85.49%로 크게 증가하였다.
3) 마이크로파 열분해를 재래식 열분해와 비교하면, 오일수율은 약간 낮으나 고정탄소의 비율이 훨씬 높았다. 이러한 현상들은 재래식 열분해 반응온도는 450℃에 불과하나 마이크로파 열분해 반응온도는 500-600℃로 훨씬 더 높아 오일의 일부가 더욱 분해되어 가스로 배출되고 잔류물로부터 휘발성 물질이 더 많이 제거되었기 때문으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로파 열분해를 재래식 열분해와 비교할 때, 오일수율은 약간 낮으나 고정탄소의 비율이 훨씬 높은 이유는 무엇인가?	3) 마이크로파 열분해를 재래식 열분해와 비교하면, 오일수율은 약간 낮으나 고정탄소의 비율이 훨씬 높았다. 이러한 현상들은 재래식 열분해 반응온도는 450oC에 불과하나 마이크로파 열분해 반응온도는 500-600oC로 훨씬 더 높아 오일의 일부가 더욱 분해되어 가스로 배출되고 잔류물로부터 휘발성 물질이 더 많이 제거되었기 때문으로 보인다.
	마이크로파 폐타이어 열분해 기술은 무엇인가?	재래식 폐타이어 열분해 기술은 간접가열 방식으로 열분해 반응용기 외부의 가열장치를 사용하여 열분해 반응용기의 벽면을 먼저 가열하고 반응용기 내부의 폐타이어는 반응용기 벽면으로부터의 전도 및 대류에 의하여 가열된다. 반면에 마이크로파 폐타이어 열분해 기술10,11)에서는 직접가열 방식을 사용하므로 재래식 폐타이어 열분해 기술과 비교하여 가열효율이 높고, 가열에 소요되는 시간이 짧으며, 균일한 가열이 가능하다. 마이크로파 폐타이어 열분해 기술은 마이크로파가 폐타이어로 조사되면 폐타이어에 포함된 카본입자가 마이크로파를 흡수하여 발열하는 현상을 이용한다. 카본입자에 의하여 발생된 발열현상은 공간 전하분극현상(space charge polarization)12,13)에 의하여 설명된다.
	재래식 폐타이어 열분해 기술은 무엇인가?	재래식 폐타이어 열분해 기술은 간접가열 방식으로 열분해 반응용기 외부의 가열장치를 사용하여 열분해 반응용기의 벽면을 먼저 가열하고 반응용기 내부의 폐타이어는 반응용기 벽면으로부터의 전도 및 대류에 의하여 가열된다. 반면에 마이크로파 폐타이어 열분해 기술10,11)에서는 직접가열 방식을 사용하므로 재래식 폐타이어 열분해 기술과 비교하여 가열효율이 높고, 가열에 소요되는 시간이 짧으며, 균일한 가열이 가능하다.

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