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문제 정의
- 본 연구에서는 폐타이어 열분해시 발생하는 코킹을 기계적으로 제거하기 위해 열분해 반응기 형식을 디스크 이동식 튜브 형식을 가지는 10t/d 실증설비 개발 내용과 설비의 시운전 내용에 대해서 소개하고 지속적인 개발 내용에 대해서 논의한다.
제안 방법
- 10t/d 처리용량을 가지는 디스크이동식 폐타이어 열분해설비를 설계하여 제작 설치 완료하였고 시운전을 진행하였다. 반응기 온도 범위는 섭씨500~600도 범위에서 운전하였는데 설비에서는 특별한 문제점을 발견할 수 없으며 가동이 잘되는 것으로 확인되었다.
- 디스크이동식 폐타이어 열분해설비는 설치된 후 총 13차에 걸쳐서 시운전이 진행되었으며 주로 1차에서 10차까지의 시운전은 무 부하상태에서 냉간 및 열간 운전을 포함한 단독기기 시험과 계통상의 trouble shooting을 위해 진행되었다. 투입된 폐타이어는 20~30mm크기의 칩형태를 사용하였으며 약간의 철심을 포함하고 있는 것을 투입하였다.
- 반응기의 온도 유지를 위한 가열은 반응기의 외벽을 가열하는 것으로 이루어지는데 초기 기동시에는 경유버너를 작동하여 반응기 온도를 섭씨400도까지 가열하고 이후 폐타이어를 투입하여 열분해할 수 있도록 한다. 반응기를 가열하는 열원은 고온가스 발생 장치에서 비응축 가스를 연소한 섭씨900도 이상의 가스로 반응기를 가열하도록 하였고 반응기내부의 온도를 감지하여 고온가스 온도를 조절하는데 비응축가스 공급량을 줄이거나 과잉공기를 조절하여 가스온도를 제어하도록 하였다. 폐타이어투입량이 작은 저부하저하시 비응축가스의 발생량이 작을 경우 경유를 연소하여 반응기 온도를 유지하도록 하였다.
- 본 반응기는 이동층부를 체인형태에 스크래퍼를 설치하여 반응기 내부에서 발생한 코킹을 긁어서 코킹발생을 억제하고 원통하단부에 모여진 열분해하고 있는 파쇄타이어를 서서히 이동시키는 기능을 하도록 하여 충분히 외부로부터 열을 흡수하고, 철심과 카본블랙 등 잔류물이 정체되지 않도록 하였다.
- 본 실증연구를 위해 장치를 설계하고 제작 설치 전에 배치와 간섭을 검토하기 위해 Inventor 프로그램을 사용한 3차원 CAD를 이용하여 제작과 설치 조립시간을 최소화하도록 하였다. Fig.
- 본 실증연구에서는 PyroCogen 공정 중에서 Cogen공정시스템을 제외한 디스크 이동식 폐타이어의 열분해 반응기 공정시스템만을 대상으로 하였으며 Fig. 2와 같은 10t/d 처리용량을 가지는 공정과 시스템을 구성하여 진행하였다.
- 앞서 살핀 국내외 공정개발 사례를 벤치마킹 하여 PyroCogen이라는 디스크이동식열분해 반응기를 가지는 연속식 열분해 열병합 복합공정을 개발하였고, 이를 위한 종합 공정 블록도를 Fig.
- 반응기는 상하 두 개의 수평원통의 이동층부로 구성되어 지는데 이동층부의 상부 끝은 파쇄타이어 주입용 스크류 콘베이어에 연결되고, 하부는 잔류물 저장조에 연결된다. 원통형 이동층 반응기의 측벽에는 파쇄타이어 열분해시 배출되는 오일증기와 비응축가스를 인출하는 배관이 연결되어 급냉조와 응축기로 진행할 수 있도록 하였다. 반응기의 외벽은 이중으로 하여 고온가스 발생기로부터 생성된 열풍공급에 의해 가열할 수 있도록 한다.
- 기존의 공정들로부터 가장 적합한 기준은 1) 외부로부터 반응기로의 공기 유입을 차단, 2) 24시간 연속운전이 가능, 3) 코킹의 제거 및 최소화, 4) 철심에 의한 이송 및 추출 장애제거 , 5) 운전의 용이성, 6) 용량의 대형화 가능성, 7) 투입원료 크기의 유연성, 8) 에너지회수의 최대화이다. 이러한 기준을 만족하기 위해 당사에서는 기존에 제안된 반응기 형식 중에서 장점만을 취합한 디스크 이동식 폐타이어 열분해 반응기를 적용한 연속식 공정을 개발하였고 pilot scale 연구를 거쳐 본 실증연구에 적용하였다.5)
- 급냉 장치로 유입되는 오일증기는 장치상부에서 분무시키는 냉각오일에 의해 냉각되어 응축이 일어나며, 응축온도는 분사되는 오일 유량에 의해 조절한다. 즉 급냉기 출구에서 비응축가스 온도를 감지하여 급냉기로 송출되는 오일유량을 조절하는데, 본 설비의 시운전단계에서는 이렇게 할 경우 열분해 오일에 포함된 tar성분에 의해 온도제어밸브가 손상될 우려가 있어 온도와 부하에 관계없이 일정량을 분무하도록 하였다.
- 반응기를 가열하는 열원은 고온가스 발생 장치에서 비응축 가스를 연소한 섭씨900도 이상의 가스로 반응기를 가열하도록 하였고 반응기내부의 온도를 감지하여 고온가스 온도를 조절하는데 비응축가스 공급량을 줄이거나 과잉공기를 조절하여 가스온도를 제어하도록 하였다. 폐타이어투입량이 작은 저부하저하시 비응축가스의 발생량이 작을 경우 경유를 연소하여 반응기 온도를 유지하도록 하였다.
- 현재 실증연구용으로 설치된 설비의 온도제어는 제어판에 설치된 온도를 모니터링하면서 수동으로 조절할 수 있도록 하였고, 긴급 상황 시 운전자가 수동으로 버너를 OFF하면서 온도를 낮추 고 냉각을 위해 송풍기만 가동할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 디스크이동식 폐타이어 열분해설비는 설치된 후 총 13차에 걸쳐서 시운전이 진행되었으며 주로 1차에서 10차까지의 시운전은 무 부하상태에서 냉간 및 열간 운전을 포함한 단독기기 시험과 계통상의 trouble shooting을 위해 진행되었다. 투입된 폐타이어는 20~30mm크기의 칩형태를 사용하였으며 약간의 철심을 포함하고 있는 것을 투입하였다.
이론/모형
- 공급 장치는 정량장치와 투입장치로 구성된다. 공급 속도를 조절하기 위한 정량장치는 로드셀을 이용한 Hopper Scale을 이용하며, 투입장치는 직렬로 연결한 두 개의 Knife Gate Valve를 교차적으로 개폐 작동시켜 타이어가 투입될 때 외부공기의 유입이나 내부 가스의 유출을 방지하는 기능을 갖는다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 타이어 공급 장치는 Fig.
성능/효과
- 8개의 폐타이어가 발생하고 있는데 이들 중 63%이상이 시멘트킬른과 건류소각에 사용되고 있고, 유효자원을 회수하기 위한 이용 방안은 높지 않은 실정이다.1) 폐타이어는 석탄이나 바이오 매스보다 발열량이 높고, 높은 휘발물질 함유와 낮은 회분함량으로 인해 연소, 열분해, 가스화 이용에 이상적인 물질임을 알 수 있다. 현재 폐타이어의 열분해는 고형탄소잔류물, 오일, 가스, 철심의 유효성분들을 확보할 수 있게 해준다는 측면에서 직접연소를 통한 에너지원 활용보다는 사업적 포트폴리오를 유리하게 해주고 있다.
- 10t/d 처리용량을 가지는 디스크이동식 폐타이어 열분해설비를 설계하여 제작 설치 완료하였고 시운전을 진행하였다. 반응기 온도 범위는 섭씨500~600도 범위에서 운전하였는데 설비에서는 특별한 문제점을 발견할 수 없으며 가동이 잘되는 것으로 확인되었다. 본 설비에서 비응축가스를 열분해 열원으로 사용하기에 충분하고, 이를 연료로 사용할 경우 공해물질 배출도 규제치를 만족할 수 있는 수준임을 확인했다.
- 반응기 온도 범위는 섭씨500~600도 범위에서 운전하였는데 설비에서는 특별한 문제점을 발견할 수 없으며 가동이 잘되는 것으로 확인되었다. 본 설비에서 비응축가스를 열분해 열원으로 사용하기에 충분하고, 이를 연료로 사용할 경우 공해물질 배출도 규제치를 만족할 수 있는 수준임을 확인했다. 시운전시 확보한 운전정보와 지속적인 시험운전을 통해 설비를 개선하고 수율을 향상시킬 수 있도록 오일 및 카본 블랙에 대한 연구를 본 실증설비를 통해 지속적으로 진행할 예정이다.
후속연구
- 본 설비에서 비응축가스를 열분해 열원으로 사용하기에 충분하고, 이를 연료로 사용할 경우 공해물질 배출도 규제치를 만족할 수 있는 수준임을 확인했다. 시운전시 확보한 운전정보와 지속적인 시험운전을 통해 설비를 개선하고 수율을 향상시킬 수 있도록 오일 및 카본 블랙에 대한 연구를 본 실증설비를 통해 지속적으로 진행할 예정이다.
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