IR-Furnace를 이용한 폐윤활유 열분해 특성에 관한 연구

정 해준, 최원석, 곽 현, 배 성렬

한양대학교 공과대학 화학공학과

A Study on the Pyrolysis of Waste Oil Using IR-Furnace

Hae-Jun Chung, Hyun Kwak, and Seong-Youl Bae

Dept. of Chem. Eng., Hanyang Univ.

1. 서론

산업구조가 개선되고 공업이 발전함에 따라 폐기물의 문제는 양과 종류에 있어서 급격히 늘어나고 있다. 이러한 문제는 시간의 흐름에 따라 더욱 심각한 양상으로 나타나고 있어 중요한 사회문제로 부각되어지고 있다[1]. 특히 이러한 폐기물중 폐윤활유는 폐플라스틱과 더불어 자연상태에서 쉽게 분해되지 않는 특성과 급격한 발생량의 증가 때문에 환경보전 및 에너지 절약측면에서 매우 중요한 연구과제로 부각되어지고 있다[2].

폐윤활유와 관계된 우리 나라 폐기물의 경우 통계가 명확하다고는 할 수 없으나 97년도 한해동안 1,187,520드럼이 발생하였고, 재활용율이 94.4%에 이르지만 대부분의 처리방식이 소규모 이온정제에 의존하고 있다[3].

폐윤활유와 관련된 처리기술은 첫째로 원심분리기나 여과등 비교적 간단한 기계적 방법으로 처리하여 연료유뿐만 아니라 콘크리트 이형제로 전용하는 방법을 들 수 있으며, 둘째로는 이온정제법을 들 수 있으나, 두 방법 모두 2차 환경오염과 2차 환경오염 물질 처리비용의 문제점을 안고 있다. 셋째로 본 연구에서 채택한 열분해 공정에 의한 회수 방법을 들 수 있다. 이러한 열분해 공정은 환경 유해물질을 완전하게 제거함은 물론 2차 공해 유발 물질의 발생 또한 현저하게 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다.

본 연구에서는 폐윤활유를 시료로 TGA 실험을 통해 최적 가열속도를 구하였으며, 구해진 가열속도를 채택하여, IR-furnace를 이용한 Lab. scale의 열분해 실험을 등온온도와 등온온도 유지시간을 변화시켜가며 실시하여 생성된 오일의 수율과 성분 변화를 관찰하였다.

2. 실험

2.1 시료

본 연구를 위한 폐윤활유 시료는 일반 자동차 공업사에서 분리 수거된 폐윤   활유를 사용하였으며, 폐윤활유는 100 micron 필터를 통하여 불순물을 제거함과   동시에 110℃로 가열하여 수분과 휘발분을 제거하여 사용하였다. FT-IR을 통하   여 분석한 결과, 본 시료는 지방족 탄화수소임을 확인할 수 있었으며 방향족은   존재하지 않는 것으로 나타났다. 또한 GC/MS 분석 결과 본 시료는 탄소수 14□   32로 구성되어 있고 주로 22개 이상으로 구성되어 있는 성분으로 나타났다.

2.2 TGA 실험

질소 분위기(50ml/min)하에서 TGA(Shinmadzu TGA-50)를 이용하여 폐윤활유의   분해경향을 살펴보았다. 가열속도를 10□50℃/min으로 변화시켜가며 실험하였고,   상온에서 700℃까지 가열하여 온도증가에 따른 중량변화를 살펴보았다. 그 결과   에 의거하여 반응속도론적 고찰을 시행하여 각 가열속도에 따른 활성화에너지   를 구하였다. 구하여진 활성화에너지중, 가장 낮은 값을 나타낼 때의  가열속도   를 Lab. scale 열분해 실험에서의 최적가열속도로 채택하였다.

2.3 Lab. scale 열분해 실험

열분해 반응기는 내경 33mm, 외경 35mm, 높이 170mm로 부피 115ml의 용량   을 지닌 반회분식 형태로서 고온에서도 견딜 수 있도록 Pyrex를 사용하여 제작   하였다. 반응기 뚜껑 중심부에 thermowell을 설치하고 chromel-alumel 열전대를    이용하여 온도를 측정하고 조절하였다. 반응기 내부에 불활성 분위기를 조성하   고, 폐윤활유 분해가스를 응축기까지 운반하는 carrier gas로 질소를 이용하였으   며, 반응기 내부의 온도에 영향을 미치지 못하도록 질소가 유입되는 관에        heating tape를 설치하였다. 또한 반응기와 응축기 사이를 연결하여 주는 관에도   heating tape를 설치하여 관내부에서 응축이 일어나지 못하도록 하였다. 폐윤활유   분해 가스는 Pyrex로 제작된 2개의 응축기에서 액체 질소를 이용하여 순간 냉각   시켰다. 본 장치의 구성도는 Fig.1과 같다.

가열속도는 TGA 실험에서 가장 낮은 활성화에너지를 나타낸 10℃/min을 채택   하였으며, 최적 반응온도를 구하기 위해 반응온도 도달후 유지 시간을 60분으로   고정시킨후, 400□600℃범위에서 수행하였다. 또한 최적 반응시간을 구하기 위   해 최적 반응온도 도달후 5, 15, 30, 60분으로 변화시켜가며 실험하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of waste oil pyrolysis apparatus.

2.4 분석 방법

생성된 오일 중에 포함되어 있는 성분들의 정성 및 정량 분석을 위해          GC(Shinmadzu GC-14A)와 GC/MS(HP6890 GC / HP5973 MSD)로 분석하였다.     J&W의 DB-1 capillary column(length : 30m, diameter : 0.25mm, coating :0.25□m)    을 사용하였고 분석조건은 50℃에서 1분간 유지한 후 가열속도 10℃/min으로     210℃까지 승온시킨 후 15분간 유지시켰다.

3. 결과

3.1 TGA 실험

Fig. 2는 각각의 가열속도에 대한 TG curve를 나타낸다. 이러한 TG curve로    부터 가열속도가 증가할수록 폐윤활유의 분해반응이 보다 높은 온도에서 일어   나기 시작하고 분해속도 역시 증가하는 것을 알 수 있었다. Fig. 3은 열분해 반   응식 lnln(1/y)=-(E/R)(1/T)+const.[4]를 이용하여 활성화에너지를 구한 것으로 가    열속도가 증가할수록 활성화에너지가 15.9kcal/mol에서 17.89kcal/mol로 증가함을   알 수 있었다. 따라서 최적 가열속도는 10□50℃/min.의 가열속도중 가장 낮은    활성화에너지를 나타낸 10℃/min.이었다.

Fig. 2. TG curves of waste oil           Fig. 3. lnln(1/y) vs. 1000/T(K)

at various heating rates                 plot of waste oil at various                                                    heating rates

3.2 Lab. scale 실험

본 연구에서는 오일 수율 증대를 목표로 실험하였으며 반응온도에 따른 기상,   액상(오일), 코크(char)와 H.B.P(high boiling product)의 수율 변화를 Fig. 4에 나타   내었다. 오일 수율은 반응온도가 증가할수록 증가하였으나 500℃에서 최고 수율   인 90.9%를 보인 후 반응온도의 영향 없이 일정한 양을 나타내었다. 또한 Fig. 5   는 반응온도 유지시간에 따른 생성물의 수율 변화를 나타내고 있다. 반응온도    유지 시간이 증가할수록 오일 수율 역시 증가하는 경향을 보이다가 30분 이후   에는 90%로 수렴하였다.

3.3 열분해유 분석

Fig. 6은 폐윤활유 열분해 오일의 탄소수 분포를 나타내는데, 반응온도에 상관   없이 C4에서 C30까지 분포하는 것으로 나타났으며 C27이상의 성분은 극소량으로   본 연구에서는 생성물에 포함시키지 않았다. 반응온도가 증가할수록 고비점물    질의 2차분해가 유발되어 저비점 생성물의 수율이 증가하는 경향을 보였으며,    이러한 현상을 기존의 연료유와 비교한다면 반응온도가 450℃와 500℃인 경우   는 생성물이 중유(C13□)와 비슷한 조성을 나타냈고 반응온도가 550℃와 600℃   인 경우는 휘발유(C4□C12)와 경유(C10□C20)를 혼합해 놓았을 때의 조성과 비     슷한 결과를 보였다.

Fig. 4. Variations of the yields of         Fig. 5. Variations of the yields of

liquid, gas, and char obtained            liquid, gas, and char obtained

from waste oil pyrolysis with             from waste oil pyrolysis with

temperature.                            time at 500℃

Fig. 6. Carbon number distribution of

oil product in waste oil pyrolysis

at different temperature

4. 참고문헌

[1] 김영성, 선도원, 이영우, 손재익, □고분자 폐기물의 열분해 처리□ 화학공업        과 기술, 11(4), 238-248, 1993

[2] □촉매분해를 이용한 폐유-폐플라스틱의 고급 연료유화 기술 연구□ 산업           자원부 최종 보고서[1996N-WA02-P-04], 1992.2

[3] 한국 윤활유 공업회 자료

[4] A. Broido, "A Simple, Sensitive Graphical Method of Treating Thermogravimetric     Analysis Data", J. Poly. Sci. : Part A-2, Vol. 7 1761-1773, 1969