[논문]PE, PP, PVC, RPF의 열중량분석들 이용한 열분해반응에 관한 연구

김희열; 박상신; 채태영; 박주원; 류태우; 양원

PE, PP, PVC, RPF의 열중량분석들 이용한 열분해반응에 관한 연구
A Study on the Characteristics of the pyrolysis for the PE, PP, PVC, RPF by using TGA 원문보기

김희열 (한국생산기술연구원) , 박상신 (한국생산기술연구원) , 채태영 (한국생산기술연구원) , 박주원 (한국생산기술연구원) , 류태우 (한국생산기술연구원) , 양원 (한국생산기술연구원)

화석연료의 고갈이 가시화됨에 따라 이를 해결하기 위한 대체에너지원의 확보를 위해 다양한 연구가 수행되어 왔다. 본 연구에서는 폐기물 특히 플라스틱 폐기물의 안정적인 처리 및 청정가스의 생산방법을 연구하기 위해서 선행적으로 플라스틱 폐기물의 열분해 특성을 조사하였으며, 그 반응모델을 제시하여 열분해로의 설계인자의 도출하고자 하였다. 대상 폐 플라스틱류로서 PE, PP, PVC, RPF 등을 이용하였고, 열중량분석기와 tube furnace를 통해서 온도에 따른 분해반응 특성을 확인하였다. 열분해 특성조사를 한 결과 PE, PP 등은 잔류 char가 없이 $400^{\circ}C$ 전후에서 완전 분해하였으며, PVC의 경우 $400^{\circ}C$ 이후에도 약 20% 이상의 char가 잔류함을 확인하였고, RPF의 경우에도 약 10%의 char이 잔류함을 확인하였다. 또한 각각의 열분해 특성을 DTG/TGA분석을 통해서 적정체류시간을 구할 수 있었고, 다단열분해 가스화기를 이용하여 합성가스를 제조한 결과 2500 kcal / $Nm^3$의 높은 발열량을 가진 합성가스를 제조할 수 있었다.

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문제 정의

본 연구에서는 높은 발열량을 보유하고 있지만 가스화 반응단계에서 염소계 가스를 생산하는 플라스틱 폐기물의 안정적인 처리 및 효과적인 가스화에 대한 연구를 수행하였다. PVC 등의 염 소계 플라스틱의 경우 소각 처리할 경우 후처리 공정이 필연적으로 요구되어 이를 해결할 방안으로서 PVC의 열분해 특성을 파악한 결과 250 ~ 300 0 영역에서 HC₁ 의 형태로 분리할 수 있었으며, 이 과정에서 염소성분을 제거한 잔류 물질을 열 분해 하거나 가스화 하여 염소가 배제된 합성가 스를 생산하고자 하였다.
본 연구에서는 이러한 플라스틱 폐기물의 열 분해 특성을 파악하고 적절한 열분해 조건을 찾 고 염소가 배제되어진 페기물의 가스화를 통해서 합성가스를 생산하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 높은 발열량을 보유하고 있지만 가스화 반응단계에서 염소계 가스를 생산하는 플라스틱 폐기물의 안정적인 처리 및 효과적인 가스화에 대한 연구를 수행하였다. PVC 등의 염 소계 플라스틱의 경우 소각 처리할 경우 후처리 공정이 필연적으로 요구되어 이를 해결할 방안으로서 PVC의 열분해 특성을 파악한 결과 250 ~ 300 0 영역에서 HC₁ 의 형태로 분리할 수 있었으며, 이 과정에서 염소성분을 제거한 잔류 물질을 열 분해 하거나 가스화 하여 염소가 배제된 합성가 스를 생산하고자 하였다.
PVC, PP, PE, RPF 시료를 lmm 이하로 분쇄하여 열분해 특성을 조사하였다. 온도에 따른 분해 반응 특성을 조사하기 위해서 TGA(열중량분석기) 를 이용하여 온도에 따른 질량감소율 변화 특성을 조사하였으며 , 이때 시료 10 mg을 정 량하여 q TGA 장치 내에 넣고, 질소를 100 ml/ittin으로 홀려주면서 산화의 영향을 배제하였다.
본 연구원내에 보유하고 있는 40 kg/h 급 다 단멸분해 합성가스 제조 장치를 이용하여 가스화 특성을 조사하였다. 시료는 table 1과 같은 성상 을 가진 RPF를 분쇄 이후 열분해로로 0.
분해가스의 특성을 파악하기 위해서 자체 제작한 tube furnace를 이용하였으며, 이때 질소를 약 1mL/min 이하로 purge하고 시료를 1 g 정량하여 투입하였으며 , 400 ℃ 등온에서 30 min간 열분 해 하면서 발생되어지는 가스를 포집하여 GC(기 체 그래퍼) 분석하였다.
본 연구원내에 보유하고 있는 40 kg/h 급 다 단멸분해 합성가스 제조 장치를 이용하여 가스화 특성을 조사하였다. 시료는 table 1과 같은 성상 을 가진 RPF를 분쇄 이후 열분해로로 0.4 kg/min 으로 정속투입하고 열분해로의 온도를 300-450 V: 로 하고 가스화로의 온도를 1000 C로 하였으며, 산소의 투입량을 변화시켜가면서 가스화 반 응을 시켰고, 발생되어지는 가스는 IR 가스분석 기를 이용하여 즉정하였다.
폐플라스틱의 혼합물 인 RPF의 전형적인 분해 특성을 보이고 있다. 열분해 가스의 특성을 파악하기 위해서 400 C의 등온 조건에서 30분 동안 플라스틱 폐기물 의 열분해 특성을 파악하였다. 그 결과 fig.
열중량 분석기를 이용하여 PE, PP, PVC, RPF 에 대한 TGA, DTG curve를 얻었다.
PVC, PP, PE, RPF 시료를 lmm 이하로 분쇄하여 열분해 특성을 조사하였다. 온도에 따른 분해 반응 특성을 조사하기 위해서 TGA(열중량분석기) 를 이용하여 온도에 따른 질량감소율 변화 특성을 조사하였으며 , 이때 시료 10 mg을 정 량하여 q TGA 장치 내에 넣고, 질소를 100 ml/ittin으로 홀려주면서 산화의 영향을 배제하였다.

성능/효과

1. 열가소성 플라스틱의 대표적인 고분자인 PP, PE는 약 750 K 전후에서 열분해하여 완전 가스화 하였으며, 400 ℃ 등온조건에서 열분해 시 C₃ 의 알켄 성분이 주종인 가스를 얻었다.
2. 대표적인 염소계 플라스틱인 PVC와 혼합플라스 틱 폐기물인 RPF의 열분해 특징을 확인한 결과 HCI 의 해리 온도 영역에서 급속한 열분해 특징을 보였 으며, 400 ℃의 등온조건에서 열분해 시 C₃의 알켄 성분이 주종인 가스를 얻을 수 있었다.
3. 다단열분해 가스화기를 이용해서 산소비를 변 화시켜가며 가스화 시킨 결과 산소비 0.17에서 2700 kcal / Nm3 이상의 발열량을 가진 합성가스를 제조할 수 있었다.

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