경질우레탄폼단열재 폐기물의 재사용 및
재활용 방법론의 효율적인 평가(8): 열화학 처리
4) 열화학 처리
화학물질, 연료 및 폴리우레탄(함유) 폐기물로부터 회수를 위한 열화학 공정의 개요는 그림과 같습니다. 더 자세한 내용은 아래에 나와 있습니다.
[폴리우레탄폼 열화학적 재활용 선택]
(1) 열분해
Rogaume의 연구는 자동차 좌석에서 연질 우레탄폼의 열분해를 다루었습니다. 첫째, 열 중량 분석, 열량 측정(TGA/DTA+DSC) 시험이 공기 흐름에서 수행되었습니다. 질량 손실은 ~250℃에서 시작하고, 300 ℃에서 ~80%의 질량 손실에서 수평을 유지하고, 나머지 20%는 온도 500℃에 도달할 때까지 분해됩니다.
DSC(Differential scanning calorimetry, 시차 주사 열량계)는 몇 가지 발열 피크를 보여주며, 가장 중요한 것은 250~300℃ 및 기타 시작(340℃) 및 두 번째 분해 단계의 끝(490℃)에서입니다. 작은 로에서 추가 시험은 첫 번째 단계에서는 황색 연기와 점성 액체를 생산한 다음 액체가 가스 생성물로 천천히 분해되는 2단계 분해를 보여주었습니다.
두 번째 시험 세트는 관형로 내부의 원통형 석영 튜브 반응기를 실험하는 것이었습니다. 샘플(50mg)을 질소 또는 공기의 흐름에서 300K/s로 가열하고, 생성 가스를 CO, CO₂, CH₄, NO, N2O, NO₂, HCN 및 NH₃에 대해 분석하였습니다. 최고 온도는 850℃ 또는 1000℃이고, 유지 시간은 0.5~2초입니다. 결과는(모든 시간에 거의 동일) 상당한 양의 CO2, CH4, HCN, NH3 및 NO의 방출과 C2H4 및 C2H2에 대해 약간의 양의 방출을 보였습니다. 경질우레탄폼 탄소(CO와 CH4)와 질소(HCN, NH3, NO의 경우)의 백분율로서 측정된 양은 850℃에서 각각 26%, 18%, 34%, 8%, 21%였고, 1000℃에서 24%, 17%, 64%, 14%, 9%였습니다. CO와 NO의 형성은 HNCOO와 같은 중간체를 통해 설명되었습니다.
일부 우레탄폼 질소는 직접 NO로 방출되고, HCN은 대량으로 방출되며, 이는 대기에서 NO로 산화될 수 있습니다. 가구 산업에서 광범위하게 사용되는 폴리우레탄 접착제의 열분해는 TGA(열 중량 분석) 450℃ (질소 중, 5~20K/min 가열)까지 사용되었고, “pyroprobe” 열분해 반응기는 2mm 석영 튜브 둘레에 백금 코일로 500~800℃(질소에서 ~300K/s의 가열)로 이차 반응기를 더한 것으로 분석되었습니다. TGA 시험결과로부터 화학적인 파라미터를 결정할 수 있습니다.
두 대의 병렬 반응 모델에 대해 134kJ/mol 및 190kJ/mol의 활성화 에너지가 사용되었습니다. ~95%의질량 손실에 대한 우레탄폼의 분해는 230℃와 380℃ 사이에서 발생했습니다. “pyroprobe” 구성에서의 시험은 900℃에서 주로 벤젠, 에탄+에틸렌 및 메탄 그리고 톨루엔, 벤젠, 메틸 1, 4-펜타디엔, 에탄+에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔의 큰 부분을 500℃에서 함유하는 가스 혼합물을 산출했습니다. 또한 암모니아(NH3),펜탄 및 반 휘발성 5-헥산-1-ol 그리고 1,6-헥산 디올이 생성물에서 현저한 양으로 발견되었고, 또한 일부 시안화 수소(HCN), 아닐린(아미노 벤젠), 벤조 니트릴 및 나프탈렌은 온도 수준에 따라 다릅니다.
반응 사출 성형 우레탄폼 열분해는 일반적으로(〉450℃에서) 무게비로 약 5~25% 탄화재(숯), 10~45% 액체, 40% 가스를 제공합니다. 액체는 시간이 지남에 따라 점도가 증가하는 적색 점성 단일 상의 기름입니다. 특히 액체 생성물의 양, 품질 및 시장성을 증가시키기 위해, 2차 열분해 반응 단계에서 활성탄 및 우레탄폼 숯의 사용을 시험하였습니다. 첫 번째 목표는 최대 숯의 생산과 최소로 액체 제품 점도를 도달하는 것이었습니다.
활성탄을 생성하면 점성이 적은 기름이 생성되고 결국 유기물과 물로 분리됩니다. 숯의 양은 동일하게 유지되었습니다. 우레탄폼 숯을 사용하면 훨씬 높은 수율(40%)을 얻을 수 있었고, 액체가 약간 적었으며, 다시 물과 기름으로 분리되며, 가스는 훨씬 적습니다. 아래의 그림과 같이 2차 열분해 반응기가 발생되었으며, 우레탄폼 숯은 2차 반응 촉진제로 발생되었습니다.
[2차 열분해 반응의 촉진제로 우레탄폼 숯을 사용하는 열분해 반응]
(2) 가스화
연료의 가스화는 열을 발생시키는 과정이며, 재와 제품 가스는 가연성 가스 H2 및 CO의 큰 부분을 함유 합니다. 이 경로에 의한 플라스틱 폐기물 처리의 예의 아래의 그림과 같습니다.
[플라스틱 폐기물의 액화 및 가스화]
1996년부터 Texaco 및 Ghent(벨기에) 대학의 연구에 따르면 냉장고의 우레탄폼 폐기물은 가스화될 수 있으며, 염소(CFCs로부터)가 폴리우레탄폼 질소로부터 형성되는 암모니아에 의해 결합되어 염화암모늄 (NH4Cl)을 형성한다는 이점이 있습니다. 상기에서 주어진 공정은 액화에 의해 얻어지는 펌핑 가능한 액체 공급 원료를 필요로 합니다. 가스화는 1200~1500℃, 20~80bar의 산소에서 발생하며, 몇 초의 체류 시간은 가스와 슬래그로 98~99% 전환율을 제공합니다. 생성된 CO는 새로운 폴리우레탄폼 물질을 위한 이소시아네이트를 생산하는 데 사용될 수 있으며, 수소는 포름알데히드 및 폴리에스테르와 같이 다른 폴리우레탄 공급 원료를 생산하는 데 사용될 수 있습니다.
영국에서는 BASF plc’s Seal Sand 공장의 질소 함유 잔류물을 처리하는 가스화 플랜트가 최근에 도입되었습니다. 아크릴로니트릴 합성물로부터 약 110,000톤/년의 잔류물이 기체화되고, 질소 함량이 최대 24%인 니트릴, 아민 및 암모니아 황산염을 함유한 숯이 없는 혼합 액체입니다. 이것들은 1400℃, 30bar의 스팀+산소에서 다음의 사양을 가진 가스로 가스화 됩니다. 〈10mg/m³ STP 먼지, 〈25mg/m³ STP 황(H2S, COS), 〈20mg/m³ STP 결합 질소(NH3, HCN), 압력〉25bar 가스 발생 장치는 아래 그림과 같이 Noell 유형의 동반 흐름 가스화입니다. 이 반응로는 균질한 고체(석탄, 페코) 및 액체 연료(슬러지 및 타르)에 적합합니다.
[Noell 운반 흐름 가스화 반응기]
http://www.gasification-syngas.org/uploads/eventLibrary/Gtc00330a.pdf
(3) 기타 열화학 공정
수소화는 열분해와 가스화의 절충안으로 볼 수 있습니다. 열 및 고압 수소(H2)의 효과는 기체 및 액체 생성물을 발생합니다. 이들은 연료(일부 공정의 에너지원으로 사용) 및 화학 원료로 사용할 수 있습니다.