熱硬化性樹脂의 熱分解 가스化 特性 硏究

국문 초록 (Abstract)

열경화성 수지의 열분해/가스화 실험결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1.EA분석 결과 FRP는 가연성분이 72%로 나타났으며,멜라닌 수지의 경우 100%가 가연성인 것으로 분석 되었다
2.열적감량을 분석한 결과 FRP의 경우 300℃-400℃ 사이에서 분해가 가장 빠르게 진행 되었으며 75%정도의 질량이 감소한 것으로 나타났다.Melamineresin의 경우는 650℃를 기점으로 Melamineresin대부분이 연소된 것으로 분석 되었다.
3.XRF분석 결과 FRP의 경우 SiO₂,Al₂O₃,CaO가 주성분으로 나타났으며,Melamineresin의 주성분은 SO₃,TiO₂,ZnO로 나타났다.
4.FRP의 열분해 가스화 거동 실험결과 열분해온도가 증가함에 따라 가스상의 비율이 증가하나 400℃이상의 온도에서는 큰 차이가 나타나지 않았다.1400℃의 경우 남은 양이 공기비에 따라 약 34~29%정도 나타났으며 이는 FRP의 무기물 성분을 감안하면 매우 적은 양이였으며 공기비 m=1.0의 1000~1400℃의 Ash성분의 원소분석 결과 유기성분이 거의 없음을 확인할 수 있었다.이와 같은 현상은 공기비를 증가하여도 비슷한 현상을 보였다.
5.FRP 열분해 가스화 후 생성 가스상에 대한 성분분석 결과 열분해온도가 증가함에 CO₂는 감소하는 반면 H₂와 CO농도는 증가하는 현상을 보였다.공기비 m=0.0일 때 1400℃에서 합성가스 비율 및 발열량이 최고로 나타났다.하지만 1300℃ 이 후 변화가 미비한 것으로 나타났다.공기비 m=0.6일 때 1200℃에서 합성가스 비율 및 발열량이 최고로 나타났다.하지만 900℃ 이 후 변화가 미비한 것으로 나타났다.공기비 m=1.0일 때 온도가 증가함에 CO₂, THC가 감소하는 반면 H₂와 CO농도는 증가하는 현상을 보였다.
6.멜라민수지의 열분해 가스화 거동 실험결과 온도가 증가함에 따라서 고/액상 농도는 감소하나 1000℃를 기준으로 분석한 경우 약 26.40%가 고/액상으로 존재하는 것으로 나타났다.반면 공기비 m=0.6,1.0에서는 가스상의 비율이 증가하나 1100℃이상의 온도에서는 큰 차이가 나타나지 않았다.이와 같은 현상은 공기비를 증가하여도 비슷한 현상을 보였다.
7.멜라민수지 열분해 가스화 거동 실험결과 공기비 m=0.0일 경우 반응온도가 증가함에 따라 CO/H₂농도는 증가하는 반면 CO₂는 감소하였으며 THC의 경우 900℃이후부터 감소하는 경향을 보였다.공기비 m=0.6일 때 온도가 증가함에 CO₂는 400℃에서 점차 감소하는 반면 CO농도는 800℃에서 1000℃까지 생성비율이 증가한 후 감소하는 현상을 보였다.공기비 m=1.0일 때 CO₂는 온도에 상관없이 비교적 높은 생성비율을 보였으며 THC는 700℃부터 생성비율이 증가하였고,CO,H₂는 감소하는 현상을 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Treatment of the used plastic has been incinerated and buried, and a part of them are recycled. Composite materials of the thermosetting resin making production materials, building materials or packing materials are superior to solidity, thermo stability and long-term credibility. On the other hand, the characteristics interfere with recycling.
When you incinerate the polymer wastes such as thermosetting resins it caused many harmful gases, particles and exhaust gases but there are lack of the combustion technologies. High temperature incineration method, well known to treat polymer wastes, is almost possible to perfect combustion so the harmful materials are low and the combustion efficiency is high.
In this study, to resonable treatment of the thermosetting resin used pyrolysis gasification system and set-up the ideal condition.
The results obtained are summarized as follows:
1. Results of the element material analysis, the combustion materials are 72% in FRP and 100% in Melanin resin.
2. Results of the thermo reduction analysis using TGA, decomposition of the FRP is the fastest at 300~400℃ and the weight was reduced by 75%. Melanin resin has almost burned until 650℃.
3. When experimenting XRF analysis, key components were showed SiO2, Al2O3 and CaO in FRP, SO3, TiO2 and ZnO in Melanin resin.
4. In case of FRP, results of gas behavior analysis in pyrolysis-gasification showed that the gas ratio increased by heated, but there was no more difference at higher than 400℃. the ash was remained about 29~34% at 1400℃ by air ratio. The inorganic quantity of FRP was a little. the elemental result of ash was that the organic of ash was not remained at 1000~1400℃ by air (m=1.0). When raised air ratio, the status had not been changed.
5. Results of gas analysis during pyrolysis-gasification of FRP, as temperature raised concentration of CO₂ was decreased while concentration of H2 and CO are increased. the syn-gas and heat capacity was perked at 1400℃ by air (m=0.0) however, the result of sys-gas was similar after 1300℃. the sys-gas and heat capacity was peaked at 1200℃ by air (m=0.6). the result of sys-gas was similar after 900℃. When temperature was increased CO₂ and THC were decreased however H2 and CO were increased by air (m=1.0).
6. In case of Melanin resin, results of gas behavior analysis in pyrolysis-gasification, solid/liquid ratio was 26.4% at 1,000℃. Gas content increased until 1,100℃ and the ratio continued over 1,100℃. It also was same status when air ratio rose.
7. In case of Melanin resin, results of gas behavior analysis in pyrolysis-gasification, as it has been heated concentration of CO/H2 has increased but the CO₂ has been decreased when the air ratio was 0(m=0.0). also when the temperature was increased that CO₂ was decreased after 400℃. CO was increased from 800℃ to 1000℃ but CO was decreased after 1000℃ by air (m=0.6). CO₂ was increased regardless of temperature. THC was increased after 700℃ and CO, H2 was decreased by air (m=1.0).

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 12
• 1.1 연구 배경 12
• 1.2 연구 목적 13
• 2. 열경화성 수지의 물리적 성질 14
• 2.1 열경화성 수지의 물리적 성질 14
• 2.1.1 온도에 의한 성질의 변화 14
• 2.1.2 유동성 15
• 2.2 열경화성 수지의 성질과 특징 17
• 2.2.1 열경화성 수지의 성질 17
• 2.2.2 열특성 18
• 2.3 열경화성 수지별 물리화학적 특성분석 24
• 2.3.1 불포화 폴리에스텔(Fiber Reinforced Plastics ; FRP) 24
• 2.3.2 페놀수지[poly(phenol-formaldehyde) resin ; PF] 29
• 2.3.3 멜라민수지[poly(melamine-formaldehyde) resin ; MF] 32
• 2.3.4 우레아수지[poly(urea-formaldehyde) resin ; UF) 34
• 3. 폐플라스틱의 발생현황 및 처리현황 38
• 3.1 폐플라스틱의 발생현황 38
• 3.2 폐플라스틱 처리현황 39
• 3.2.1 국내의 폐플라스틱 현황 39
• 4. 폐플라스틱의 처리기술 및 기술동향 40
• 4.1 폐플라스틱 처리기술 40
• 4.1.1 재생이용법 40
• 4.1.2 용융재생법 41
• 4.1.3 용해재생법 41
• 4.1.4 파쇄 및 기타 이용법 41
• 4.1.5 소각에 의한 여열 이용 41
• 4.2 물질 재활용 기술(Material Recycle) 43
• 4.3 국내·외 기술동향 46
• 4.3.1 국내 기술동향 46
• 4.3.2 해외 기술동향 48
• 5. 열분해 가스화 기술 50
• 5.1 열분해 기술 50
• 5.1.1 열분해의 원리 50
• 5.1.2 고체연료의 열분해 51
• 5.1.3 폐기물 열분해 기술 54
• 5.2 가스화 기술 56
• 5.2.1 가스화 원리 56
• 5.2.2 가스화 반응의 종류 56
• 5.2.3 폐기물 가스화 기술 58
• 5.3 열분해 가스화 기술현황 59
• 5.3.1 에바라 유동상식 가스화 용융시스템 59
• 5.3.2 로타리 킬른형 열분해 가스화시스템 59
• 5.3.3 써모셀렉트 열분해 가스화 용융시스템 61
• 5.3.4 직접 가스화 용융시스템 62
• 5.3.5 플라즈마식 샤프트형 열분해 가스화 용융시스템 63
• 6. 열분해 가스화 반응의 열역학적 고찰 64
• 6.1 CO, CO₂, H₂O(g)와 CO, CO₂, H₂, H₂O(g) 혼합가스의 해리 O₂압 64
• 6.1.1 CO의 해리 O₂압 64
• 6.2 CO₂의 해리 O₂압 66
• 6.3 H₂O(g)의 해리압 71
• 6.4 CO, CO₂, H₂ , H₂O(g) 수성 가스의 해리 O₂압 74
• 6.5 CO, CO₂, CH₄, H₂,H₂O(g) 혼합가스의 해리 C압 또는 C 활량 77
• 6.5.1 CO의 해리 C압, 또는 C활량 77
• 6.5.2 CO₂의 해리 C 압, 또는 C 활량 86
• 6.5.3 CH₄의 해리 C 압 또는 C 활량 86
• 6.5.4 CO, CO₂, H₂,H₂O(g) 혼합가스(수성가스)의 해리 C압, 또는 C활량 95
• 7. 열경화성 수지의 Simulation 분석 99
• 7.1 공기비 변화에 따른 열분해 온도 및 생성물 성분분석 99
• 7.1.1 FRP 열역학적 분석 100
• 7.1.2 멜라민수지의 열역학적 분석 102
• 7.1.3 비율(α) 변화에 따른 가스 생성물 분포 105
• 7.2 산소비 변화에 따른 열분해 온도 및 생성물 성분분석 107
• 7.2.1 FRP 열역학적 분석 108
• 7.2.2 멜라민수지의 열역학적 분석 110
• 7.2.3 비율(α) 변화에 따른 가스 생성물 분포 113
• 7.3 Steam변화에 따른 열분해 온도 및 생성물 성분분석 115
• 7.3.1 FRP의 열역학적 분석 116
• 7.3.2 멜라민수지의 열역학적 분석 118
• 7.3.3 비율(α) 변화에 따른 가스 생성물 분포 121
• 8. 기초실험 장치 및 방법 123
• 8.1 실험재료 123
• 8.2 실험장치 및 방법 123
• 8.2.1 EA를 이용한 원소분석 장치 및 방법 123
• 8.2.2 XRF를 이용한 원소분석 장치 및 방법 126
• 8.2.3 TGA를 이용한 열중량 분석 장치 및 방법 128
• 8.2.4 Tube Furnace를 이용한 실험장치 및 방법 130
• 9. 실험 결과 및 고찰 134
• 9.1 EA를 이용한 원소분석 결과 134
• 9.2 TGA를 이용한 열중량 분석 결과 134
• 9.3 XRF를 이용한 원소 분석 결과 135
• 9.4 Tube Furnace를 이용한 열분해 및 가스화 시험 결과 137
• 9.4.1 FRP의 합성가스 분석 결과(CO, H₂,CO₂, THC) 138
• 9.4.2 멜라민수지의 합성가스 분석 결과(CO, H₂,CO₂, THC) 145
• 10. 결론 152
• 11. Reference 154