열분해의 주요 오염 물질은 초기 원료를 직접적으로 반영하며, 중금속과 같은 무기 화합물과 황, 질소, 할로겐을 포함하는 유기 화합물로 크게 분류될 수 있습니다. 이러한 불순물은 공정 자체에 의해 생성되는 것이 아니라, 분해되는 물질로부터 방출되고 변형되어 최종 제품인 열분해 오일, 숯, 가스에 분포됩니다.
열분해의 핵심 과제는 단순히 열분해가 아닙니다. 원료에서 발생하는 고유한 오염 물질을 관리하는 것입니다. 모든 열분해 작업의 경제적 생존 가능성과 환경 규제 준수는 처음부터 이러한 불순물을 이해하고 통제하는 데 전적으로 달려 있습니다.
출처: 오염은 원료에서 시작됩니다
열분해는 산소가 없는 상태에서 열분해되는 과정입니다. 원소를 파괴하는 것이 아니라 재배열할 뿐입니다. 따라서 반응기에 투입하는 모든 것은 세 가지 제품 흐름을 통해 다른 형태로 나오게 됩니다.
무기 오염 물질: 회분 및 중금속
원료의 비연소성 광물 기반 성분은 총칭하여 회분이라고 합니다.
이러한 물질은 열분해 중 기화되지 않으며 고체 열분해 숯(바이오차 또는 파이로차라고도 함)에 농축됩니다.
이 범주에는 실리카 및 알루미나와 같은 양성 광물뿐만 아니라 전자 폐기물, 처리된 목재 또는 특정 유형의 플라스틱에서 종종 발견되는 납, 카드늄, 수은, 크롬, 비소와 같은 유해한 중금속도 포함됩니다. 아연 또한 타이어 열분해의 주요 오염 물질입니다.
유기 "헤테로원자" 오염 물질
이들은 원료의 유기 분자 내에 화학적으로 결합된 비탄소 원소입니다. 오일 및 가스 상에서 부식성 및 독성 화합물을 생성하기 때문에 매우 문제가 됩니다.
가장 중요한 세 가지 헤테로원자는 다음과 같습니다:
- 염소: 주로 폴리염화비닐(PVC)과 같은 플라스틱에서 나옵니다. 열분해 중에는 고도로 부식성인 염화수소(HCl) 가스와 오일 내 염소화 유기 화합물을 형성합니다.
- 황: 타이어의 가황 고무 및 일부 유형의 바이오매스 또는 석탄에서 유래합니다. 주로 가스 상에서는 황화수소(H₂S)로, 오일에서는 황 함유 유기 분자로 전환됩니다.
- 질소: 폴리우레탄 및 나일론과 같은 플라스틱뿐만 아니라 모든 바이오매스 내의 단백질 및 효소에서 발견됩니다. 가스 상에서는 암모니아(NH₃) 및 시안화수소(HCN)와 같은 화합물을, 오일에서는 질소 함유 헤테로고리 화합물(예: 피리딘)을 형성합니다.
산소 함유 화합물 및 물
중금속과 같은 방식으로 항상 "오염 물질"로 간주되지는 않지만, 산소는 특히 바이오매스에서 유래한 바이오 오일에서 중요한 불순물입니다.
높은 산소 함량은 카르복실산, 페놀 및 케톤의 형성을 유도합니다. 이는 바이오 오일을 산성(낮은 pH), 부식성 및 열적으로 불안정하게 만들어 상당한 업그레이드 없이는 드롭인 연료로 사용될 수 없게 합니다.
물은 또한 원료의 수분 또는 반응 생성물로 존재하여 열분해 오일의 에너지 가치를 낮춥니다.
제품별 오염 물질 분포
오염 물질은 균일하게 분포되지 않습니다. 오염 물질이 어디에 축적되는지 이해하는 것은 정화 시스템 설계에 매우 중요합니다.
열분해 오일에서
바이오 오일 또는 타이어 유래 오일이라고 불리는 액체 제품은 복잡한 혼합물입니다. 주요 오염 물질은 황, 질소 및 산소 함유 유기 화합물입니다. 이들은 오일을 점성이 있고 산성이며 불안정하게 만들어, 전통적인 정유 공정에서 공동 처리하기 전에 이를 제거하기 위한 값비싼 수소화 처리 공정이 필요합니다.
열분해 숯에서
고체 숯은 무기 오염 물질의 주요 저장고입니다. 원료의 모든 중금속과 광물성 회분은 여기에 농축됩니다. 이는 숯의 최종 용도를 결정하는 가장 큰 단일 요소입니다. 높은 금속 함량은 유해 폐기물로 만들고, 깨끗하고 금속이 없는 숯은 농업(바이오차) 또는 야금학을 위한 귀중한 제품이 될 수 있습니다.
열분해 가스에서
비응축성 가스 제품은 가장 휘발성이고 부식성 있는 무기 화합물이 최종적으로 도달하는 곳입니다. 주요 오염 물질은 산성 가스인 HCl(염소에서 유래)과 H₂S(황에서 유래)입니다. 암모니아(NH₃) 또한 흔한 문제입니다. 이 가스들은 엔진이나 터빈에서 안전하게 연소하여 전력을 생산하기 전에 "스크러빙" 또는 정화되어야 합니다.
결과 및 절충점 이해
오염 물질을 무시하면 운영 실패, 환경 벌금 및 좋지 않은 경제적 결과로 이어집니다.
심각한 장비 부식
HCl, H₂S 및 산성 산소 화합물의 존재는 특히 물이 있을 때 반응기 및 하류 배관 내부에 고도로 부식성 있는 환경을 조성합니다. 이는 급격한 장비 열화, 누출 및 값비싼 가동 중단으로 이어질 수 있습니다.
제품 가치 및 유용성 감소
오염된 제품은 시장이 심각하게 제한됩니다. 산성이고 불안정한 오일은 연료로 사용될 수 없습니다. 중금속이 함유된 숯은 토양에 사용될 수 없습니다. 정화되지 않은 가스는 엔진을 파괴할 것입니다. 생산물의 가치는 순도에 직접적으로 연결됩니다.
업그레이드 중 촉매 피독
열분해 오일을 사용 가능한 연료로 업그레이드하는 많은 공정은 촉매에 의존합니다. 황, 질소 및 염소 화합물은 강력한 촉매 독소이며, 촉매를 빠르게 비활성화하여 상당한 운영 비용을 추가합니다.
환경 규제 미준수
정화되지 않은 열분해 가스를 연소하면 산성비의 주요 구성 요소인 황산화물(SOx) 및 질소산화물(NOx) 배출로 이어질 수 있습니다. 부적절하게 저장된 숯에서 중금속이 용출되면 토양과 지하수를 오염시켜 상당한 책임을 초래할 수 있습니다.
목표에 맞는 올바른 선택
오염 물질을 다루는 전략은 열분해 장치의 주요 목표와 일치해야 합니다.
- 고급 액체 연료 생산에 중점을 둔다면: PVC, 황, 질소가 최소화된 매우 깨끗하고 분류된 원료를 우선시하고, 수소화 처리와 같은 오일 업그레이드 기술에 막대한 투자를 해야 합니다.
- 폐기물 관리 및 에너지 회수에 중점을 둔다면: 견고하고 부식 방지 기능이 있는 반응기 재료와 배출 규제를 충족하는 매우 효과적인 가스 스크러빙 시스템에 투자해야 하며, 오일 및 숯 제품의 품질이 낮을 수 있음을 받아들여야 합니다.
- 농업용 바이오차 생산에 중점을 둔다면: 최종 숯이 중금속 및 기타 독소로부터 자유로울 수 있도록 전체 공정이 깨끗하고 오염되지 않은 바이오매스 원료를 사용하는 데 전념해야 합니다.
궁극적으로, 원료 오염 물질을 사전에 관리하는 것이 성공적인 열분해 사업의 결정적인 요소입니다.
요약표:
| 오염 물질 유형 | 일반적인 출처 | 주요 영향 | 주요 영향 제품 |
|---|---|---|---|
| 중금속 (Pb, Cd, Hg) | 전자 폐기물, 처리된 목재 | 숯을 유해하게 만듦; 토양/수질 오염 | 열분해 숯 |
| 염소 (Cl) | PVC 플라스틱 | 부식성 HCl 가스 형성; 촉매 피독 | 열분해 가스 및 오일 |
| 황 (S) | 타이어, 고무 | H₂S 가스 형성; SOx 배출; 촉매 피독 | 열분해 가스 및 오일 |
| 질소 (N) | 나일론, 폴리우레탄, 바이오매스 | NH₃, HCN 형성; NOx 배출; 촉매 피독 | 열분해 가스 및 오일 |
| 산소 (O) | 바이오매스 | 오일을 산성, 불안정, 부식성으로 만듦 | 열분해 오일 |
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