폐윤활유의 열분해 반응 특성 연구

김승수, 윤왕래*, 김성현

고려대학교 화학공학과, 한국에너지기술연구소 전환공정연구팀*

A Study on the Pyrolysis of Waste Lubricating Oil

Seung-Soo Kim, Wang Lai Yun*,Sung Hyun Kim

Dept. of Chem. Eng., Korea University. Seoul, Korea

Energy Conversion Team, Korea Institute of Energy Research, Taejon, Korea*

서론

산업의 발달과 생활수준의 향상으로 유류의 사용량이 급속하게 증가하고 있으며 폐유류의 발생량도 이와 비례하여 증가하고 있다. 또한 산업용 기기 및 자동차용 윤활유를 교환할 때 발생하는 폐윤활유에는 인체에 유해한 각종 유기첨가제와 윤활작용중 발생된 부산물, 화학반응 생성물 및 엔진내의 마모성분 등 매우 다양한 오염물질들이 포함되어 있다. 이러한 폐유를 적절한 재처리과정 없이 연료용으로 사용하거나 무단 방류할 경우 심각한 환경오염을 초래하게 된다.

이미 외국에서는 폐유로 인한 환경오염 문제를 인식하여 폐유내에 포함된 오염물질을 제거하고 폐자원을 재활용하기 위한 연구가 많이 수행되었으며 다수의 재정제공정이 실제로 가동되고 있다. 폐유를 처리하기 위해 일반적으로 많이 이용되고 있는 방법은 산·백토 처리공정, 화학 처리 및 열분해 방법 등이 있다. 산·백토 처리공정은 황산과 백토를 사용하므로 산 슬러지에 의한 폐기물 처리 때문에 최근에는 대부분이 중단 또는 변형되어 적용되고 있다. 화학약품 처리법을 통한 폐유의 제정제는 회분 제거율이 낮고 2차 폐기물 발생량이 많은 문제점을 가지고 있으며 처리후 연료유로의 재사용을 목적으로 할 경우 적절한 처리방법이될 수 없다. 열분해방법은 원료물질을 산소와 접촉 없이 (혹은 산소가 희박한 상태에서) 고온 상태에서 분해하여 가연성의 기체 혹은 액체상태의 연료를 얻는 방법이며 2차 폐기물을 발생시키지 않는다는 장점을 가지고 있다. 현재 국내의 폐유 재활용은 대부분이 화학약품처리와 원심분리를 이용하여 단순 분리하는 수준에 머물고 있는 실정을 감안할 때 체계적인 폐유의 열분해 연구는 필수적이다.

본 연구에서는 폐윤활유를 열분해할 때 분해속도, 압력 및 분해반응온도에 따른 분해반응 특성을 고찰하였다

실험방법

폐윤활유의 열분해속도를 측정하기 위한 실험장치는 Fig. 1과 같다.  장치는 고압반응기, 교반기, 가열기, 온도 조절기, 압력 조절기, 응축기, 순환기, 전자저울, 습식가스메타와 컴퓨터로 구성되어 있다.  실험방법은 다음과 같다.  (1) 일정한 양의 폐윤활유를 반응기에 넣는다.  (2) N2를 반응기에 넣어 반응기내에 있는 공기를 제거시키고 반응기의 압력을 일정하게 유지시킨다.  (3) 교반기로 반응물을 교반시키면서 반응기의 온도를 일정한 속도(0.5∼3℃/min)로 올린다.  (4) 응축기를 순환하는 유체의 온도는 0℃로 고정시켰으며, 이때 열분해 반응이 진행되면서 응축기를 통해 나오는 기체는 Wet Gas Meter로 측정하고, 액체는 저울에서 나오는 RS232C신호를 컴퓨터와 연결하여 실시간으로 무게변화를 측정하였다.

실험에 이용된 시료는 자동차용 폐윤활유를 수집하여 사용하였다.

결과 및 고찰

일정량의 폐윤활유를 반응기에 넣고 반응기내의 교반기 속도를 100rpm 으로 고정시켜 열분해반응 실험을 수행하였다. 온도상승속도를 0.5∼3 ℃/min로 변화시키면서 열분해속도를 관찰하였다. 이때 열분해 반응의 온도 의존성을 나타내는 Arrhenius 식으로부터 반응속도 상수와 활성화에너지를 구하였다. 열분해 온도를 고정시킨 상태에서 시간에 따른 전환율을 측정하였으며 각각의 온도에서 반응생성물의 탄소수는 분석은 ASTM D 2887 방법으로 수행하였다. 압력특성을 관찰하기 위해 압력을 1∼5atm으로 변화시켰으며 생성된 오일의 조성을 분석하였다.

Fig. 2는 폐윤활유를 반응기에 넣고 온도를 20에서 500℃로 증가 시켰을 때 오일의 생성량을 측정한 결과이다.  이때 온도상승속도는 0.5∼3 ℃/min로 증가시켰으며 반응압력은 1atm이였다.  각각의 온도상승속도에 대한 실험에서 열분해생성물인 오일은 400℃이상에서 급격하게 증가하기 시작했으며 이런 현상은 온도상승속도에따라 460℃까지 진행되었다. Fig. 3은 400∼460℃로 온도를 고정시키고 시간에 따른 오일의 전환율을 측정한 결과이며 반응압력은 1atm이였다. 2시간후 400, 420, 440 및 460℃에서의 반응전환율은 각각 30.8, 77.8, 91.57 및 91.63%였다.   열분해온도가 440 와 460℃일 때 폐윤활유의 열분해속도는 거의 비슷한 것을 알 수 있다.  Fig. 4는 반응압력이 2atm이고 온도상승속도는 0.5∼3 ℃/min로 증가시켰을 때의 결과이다. 각각의 경우 Fig. 2의 결과와 비교할 때 분해온도가 조금씩 높은 것을 알 수 있다. Fig. 5는 400∼460℃로 온도를 고정시키고 시간에 따른 오일의 전환율을 측정한 결과이며 반응압력은 2atm이였다. 2시간후 400, 420, 440 및 460℃에서의 반응전환율은 각각 19.07, 71.89, 80.77 및 79.79%였다. 각각의 경우 Fig. 3의 결과와 비교할 때 열분해 압력이 높아짐에 따라 오일의 전환율은 감소하는 것을 알 수 있다. 열분해온도가 440 와 460℃일 때 30분 이상에서는 폐윤활유의 열분해반응 전환율이 거의 일정한 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 440℃이상의 온도에서 반응시간이 30분 미만으로도 열분해가 완결됨을 의미한다.

감사

본 연구는 통산산업부 대체에너지과제의 위탁과제로 수행된 연구이며 연구비를 지원해준 한국에너지기술연구소에 감사합니다.

참고문헌

1. F. O. Cotton, M. L. Whisman, J. W. Gootzinger and J. W. Reynolds, "Anaylysis of 30 used motor oils", Hydrocarbon Processing, 131-140, September 1977.

2. A. Sequeira, P. B. Sherman, J. U. Douciere and E. O. McBride, " MP Refining of lubes", 155-160, September 1979.

3. Ahmad Rahman Songip, Takao Masuda, Hiroshi Kuwahara and Kenji Hashimoto, Applied Catalysis B: Environmental, 2, 153-164, 1993.

4. Soo-Duk Seul, Nam-Seok Kim, Seok-Ju Wang, and Sang-Do Na, Journal of the Korea Institute of Rubber Industry, 30, 2, 1995.

Fig. 1. Shematic diagram of pyrolysis reactor

Fig. 2. The effect of heating rate on      Fig. 3.  The effect of temprature on

waste lubricating oil at 1 atm              waste lubricating oil at 1 atm

Fig. 4. The effect of mixing ratio of      Fig. 5. The effect of mixing ratio of

PS and waste lubricating (Oil)            PS and waste lubricating (Gas)