폐비닐로 기름 생산한다 -보도자료

[남이섬]

친환경성과 경제성을 겸비한 폐비닐 열분해 기술로 청정오일 만든다.

□ 코로나19 확산에 따라 비대면 소비 활동 증가로 제품 포장 등에 쓰이는 폐비닐의 발생량이 급증하고 있다. 2020년 상반기의 경우 폐비닐 발생량은 전년 동기 대비 약 15% 증가했으며, 매년 그 사용량은 증가하고 있다. 매년 증가하는 폐비닐 발생량과 특히 선물 등의 포장재 사용이 많아지는 명절 이후 적체된 폐비닐의 친환경적이고 효율적인 처리 기술이 필요하다.

■ 이러한 가운데 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지순환자원연구실 이경환 박사 연구진은 사회적 문제로 대두된 폐비닐을 친환경적이고 경제적으로 우수한 연속식 열분해 플랜트를 통해 높은 수율의 고품질 오일로 전환하는 자동화 공정기술을 개발했다.

□ 폐비닐, 폐플라스틱은 가정이나 사업장 등에서 지저분한 혼합 상태로 배출되고 있다. 이 가운데 70-80%가 매립이나 소각되고 있어 매립지 고갈과 소각에 따른 미세먼지 및 유해 가스 배출로 문제가 되고 있다.

□ 환경부의 2019년 자료에 따르면 폐비닐은 연 200만톤 이상 발생하고 있으며 각 지자체의 빈터나 사업장에 쉽게 버려지고 있어 최근 사회적 이슈가 된 ‘쓰레기 산’의 원인이 되고 있다.

○ 2018년 수도권에서 재활용 수거업체들이 비용부담을 이유로 폐비닐, 폐플라스틱 등의 수거를 중단하면서 도시 곳곳에 혼란이 일기도 했다. 2019년 경북 의성에서는 허용량을 웃도는 폐비닐을 포함한 쓰레기가 산을 이룰 정도로 방치해 불이 자주 발생하며 세상에 알려졌다.

□ 이와 같은 상황에서 폐비닐의 친환경 처리 및 에너지화의 높은 수요에도 불구하고 국내 시장에 맞는 기술은 미흡하다. 소규모로 상용 운전 중인 몇 개의 국내 업체들은 낮은 기술 수준의 로터리 킬른형 반응 기술로 운전하고 있지만, 기술적 한계로 어려움이 있어서 기술 수준을 높인 열분해 플랜트 개발을 통해 기술 보급이 절실한 상황이다.

■ 연구진은 이를 극복하기 위해 일정한 반응온도에서 장기간 운전을 통해 낮은 에너지를 사용하면서도 오일 생산수율을 60% 이상 유지하는 기술을 개발했다. 이 기술은 연속생산이 가능하고 에너지 효율 또한 우수해 경제성이 향상된 기술이다.

□ 기존 회분식 반응기는 하나의 반응기에 5~10톤의 원료를 투입해 반응온도를 상승시켜 장시간 가열해 오일을 생산한다. 원료의 신속한 투입이 불가능하고, 반응 후 남는 잔재물의 배출에 불편함이 크다. 또한 생산 이후 장시간 냉각하는 시스템으로 1일 1회만 운전이 가능해 생산성이 낮다. 이처럼 가열과 냉각을 반복함으로써 에너지의 손실이 크며 기기의 설비 수명도 단축된다. 그리고 생성된 오일의 질 또한 낮고 수율도 30~40% 밖에 되지 않으며, 작업환경과 안정성이 열약하다는 문제점을 가지고 있다.

○ 폐비닐의 원료로부터 오일의 최종 산물을 생산하는 단계는 원료투입-열분해-생성물 정제/잔사물 처리-최종제품으로 구성된다. 통합 시스템의 성공적인 운영을 위해서는 각 단계 기술의 높은 수준의 완성도와 운영 안전성이 확보되어야하고 기술 개발, 환경 기준의 다양한 요구를 만족시켜야 한다.

■ 연구진은 지속적으로 투입이 가능한 전처리된 플러프(Fluff, 작은 비닐조각) 형태의 폐비닐을 반응기의 원료로 활용했다. 이때 발생할 수 있는 화재 위험을 막기 위해 산소가 주입되지 않는 밀폐구조인 동시에 자동 차단할 수 있는 밸브를 구성하고, 원료를 반응기까지 전달하는 스크류를 반응기에 가까울수록 밀도가 높게 구성해 산소 주입 가능성을 낮췄다. 이에 더해 질소 퍼징에 의해 일정한 산소농도를 유지할 수 있는 시스템을 구축해 안정성을 기했다.

■ 또한 연구진은 일정한 온도에서 최대의 오일 수율과 질을 확보할 수 있도록 반응기 내부의 온도분포를 달리하고, 반응기에 투입되는 원료가 온전히 활용되도록 투입되는 양을 조절하는 등의 공정을 최적화했다. 이런 최적 공정화 조건을 갖추어 동일 설치공간에 기존 회분식 반응기에 비해 원료 처리량이 3배 이상 확대가 가능하다.

■ 열분해 반응기에서 생산된 증기상 생성물의 고급화를 위해 염소 제거 공정을 거치고, 원하는 생성물인 가솔린, 등유, 경유, 중질유의 최종제품을 얻기 위한 증류 공정도 포함하고 있다. 그리고 왁스 등을 포함한 미반응 잔사물을 없애 흙과 같은 무기물과 고형 탄소 성분만 나올 수 있게 2차 공정을 적용했으며, 화재 위험이 있는 고온의 잔사물을 안전하게 밀폐시켜 배출하는 장치를 포함하고 있다.

■ 연구진이 개발한 기술은 폐비닐 원료 투입과 생성 오일 포집, 그리고 반응 후 잔사물 배출이 안전하게 이루어져 연속운전이 가능해 처리 규모 확대가 용이하다. 이 기술은 기존 회분식 문제점인 장시간 가열과 냉각의 반복이 아닌 일정한 반응온도에서 연속 반응과 낮은 에너지를 사용한다. 또한 안정적 운전에 의해 62%의 오일 수율과 향상된 질 확보, 설비 가동효율 및 에너지 이용효율이 우수하다. 이와 같은 과정을 통해 생산된 오일 제품은 4대 중금속(납, 카드뮴, 수은, 크롬) 등의 환경 규제치 이내라 판매에 어려움이 없다.

□ 이 기술은 올해 2톤/일 규모의 scale-up을 통해 공정 최적화를 위한 연구를 수행할 예정이며, 2022년부터는 사업화에 근접한 실증 규모인 10톤/일 처리 규모로 확대할 계획이다.

■ 연구책임자인 이경환 책임연구원은 “지금까지 운전 중인 열분해 오일화 기술은 회분식이거나 반연속식의 소규모 저급 열분해 공정 기술이 운영되어 기술의 한계에 놓여 있는 상황” 이라며, “이번에 개발한 기술은 연속식인 동시에 고급 오일을 생산할 수 있는 열분해 오일화 기술 개발로 기술의 한계를 극복하게 되어 선진국들이 앞다투어 개발하고 있는 기술 개발 방향의 기술 수준을 도달하기 위한 기술의 서막을 열게 되었다.”고 말했다.

□ 한편, 이번 연구는 한국에너지기술연구원 주요사업의 일환으로 수행 중이며, 이번 기술개발과 관련해 10여건의 국내외 특허 등록 및 출원과 다수 기술 노하우를 보유하고 있다, 향후 관련 업체에 기술 이전을 추진 중에 있으며, 향후에 폐비닐 처리 문제가 되는 동남아 등의 해외에 기술 및 플랜트 수출을 추진할 계획이다.

연구성과요약

○ 주요 기술개발 내용

- 생활계, 사업장, 그리고 농촌 폐비닐 등을 열분해하여 청정 오일을 생산하는 친환경적이고, 경제적으로 유리한 연속식

  열분해  오일화 플랜트 개발

○ 기대효과

  - 버려지는 폐비닐로부터 고부가가치 청정 오일 생산

  - 지자체의 골칫거리인 폐비닐의 친환경적 처리로 민원 해결

  - 소각 기술 등 대비 미세먼지 및 유해가스 발생 억제

  - 새로운 기술과 플랜트 관련한 신사업 창출

   · 신규 플랜트 산업 및 일자리 창출

  - 원유 수입 감소로 외화 절약

  - 중국, 동남아시아 등 해외에 기술 및 플랜트 수출

[그림 1] 연속식 열분해 오일화 플랜트

공정도

2021-2-15

국가과학기술연구회 보도자료

[보도자료]친환경성과경제성을겸비한폐비닐열분해기술로청정오일만든다.hwp

1.71MB

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폐비닐로 기름 생산한다 

원료만 넣으면 자동으로 기름 ‘콸콸’ 

문화체육관광부 홍보지원국 2008.11.17

고유가와 지구온난화로 저탄소 녹색성장이 주목받고 있다. 이미 선진 각 국들은 이 같은 추세에 적극적으로 대응하고 있다. 우리나라에서도 대통령이 지난 8월 새로운 성장동력으로 ‘저탄소 녹색성장’을 내세우면서 새롭게 주목받고 있다. 현재 ‘녹색성장 기술’을 개발하고 보급하는데 앞장서고 있는 공공기관, 기업 등에서 ‘녹색성장’의 현재와 가능성을 살펴본다.<편집자 주> 

“이 ‘동동구리무’ 뚜껑은 왜 이리 잘 깨져요?” 

1940년대말 이 한 마디는 우리나라 플라스틱 산업의 본격적인 출발을 알리는 계기가 됐다. 일제시대 화장크림 장사가 북을 ‘둥둥’치며 ‘구리무(크림의 일본식 발음)’을 외쳤다는데서 화장품의 대명사가 된 ‘동동구리무’는 많은 여성의 보물 1호였지만 잘 깨지는 뚜껑은 불만의 대상이었다. 

당시 ‘동동구리무’를 만들며 급성장하고 있던 낙희화학공업(현 LG화학 전신)은 잘 깨지지 않는 뚜껑을 만들기 위해 고심했다. 그러던 중 암시장에서 거래되던 미제 크림의 뚜껑이 잘 깨지지 않는 이유가 플라스틱으로 만들어졌기 때문이라는 사실을 알고, 낙희화학공업은 플라스틱 제조업에 뛰어들었다. 1952년의 일이다.

우리나라는 ‘플라스틱 공화국’

이후 우리나라 플라스틱 산업은 급속도로 발전했고, 플라스틱은 우리 삶에 없어서는 안되는 존재가 됐다. 2006년 한 해 동안 우리나라 업체는 무려 1589만여 톤의 플라스틱을 생산, 이중 651만톤을 국내에서 소비했다. 한 언론은 우리나라를 ‘플라스틱 공화국’으로 칭했는데, 이는 그만큼 우리가 플라스틱을 많이 사용하고 있다는 이야기다. 

1952년 본격적인 플라스틱 제품 생산에 들어간 우리나라는 '플라스틱 공화국'으로 불릴 정도가 됐다. 사진은 폐플라스틱의 모습.

그러나 플라스틱의 인기는 한편으론 플라스틱 공해를 의미한다. 1970년 2월 18일 한 신문은 이미 “플라스틱 제품의 생산·소비가 격증, 제3의 ‘산업공해’로서 우려가 높아지고 있는데 효과적 처리대책으로는

①   신형 소각로 개발

②   재생사용

③   매립용재로서의 활용

④자연 분해되는 새 고분자 개발 등이 검토되고 있다”고 전했다. 

기술의 발전은 수십 년 전의 ‘처리대책’을 현실로 바꾸고 있다. 특히 1970년대엔 상상하기 힘들었던 처리방법까지 등장했다. 바로 비닐봉지나 필름 포장지, 과자봉지, 라면봉지 등 재활용하기 힘든 플라스틱에서 기름을 뽑아내 재활용하는 처리방식이다. 이 기술에서 가장 대표적인 국가인 일본은 1999년부터 이미 상용시설을 가동해 기름을 뽑아내고 있다.

폐플라스틱 유화 기술, 늦었지만 큰 성과 

우리나라에선 신대현 한국에너지기술연구원 대체연료연구센터 책임연구원이 과학기술부의 프론티어21 사업 지원을 받아 2000년 3월부터 연구를 시작했다. 연구 시작은 늦었지만 신 박사는 1990년 초부터 폐타이어 유화기술을 연구했던 경험을 살려 이내 세계 수준의 기술을 개발했다. 현재 코리아알앤디라는 업체가 신박사와 함께 연 3000톤 규모의 폐플라스틱 유화플랜트를 전북 김제에 설치하고 실증작업을 벌이고 있는 중이다.

원리는 간단하다. 플라스틱은 석유로 만든 원료를 합성해 만들어진 것으로 열분해 과정을 통해 다시 석유로 되돌릴 수 있다. 실제로 잘게 부순 각종 플라스틱을 400℃ 이상의 반응로에 넣어 녹인 뒤 냉각하면 혼합유와 가연성 가스, 찌꺼기가 나온다. 이때 혼합유를 정제하면 휘발유와 경유 등이 쏟아진다.

이론상 쉽게 보이지만 실제로는 어려움이 많다. 열에 녹은 플라스틱이 반응로 벽에 끈적끈적하게 달라붙어 작업을 방해할 수 있다. 그래서 예전엔 원료를 넣고 기름을 생산해낸 뒤 찌꺼기를 빼내고 청소를 해야 했다. 보다 대규모의 상업화를 위해선 원료만 집어넣으면 석유를 생산해내는 연속식 설비가 필요하다.

원료만 넣으면 자동으로 기름 ‘콸콸’ 

이에 신 박사는 원료만 넣으면 자동으로 기름을 생산할 수 있는 설비를 고안했다. 우선 수직원통형 가열로 안에 나선형 튜브를 설치하고 펌프로 플라스틱을 고속으로 순환시키는 방식을 택했다. 덕택에 넓은 가열면적을 확보해 녹은 플라스틱에 반응기가 막히는 현상을 억제하는 한편 균일하고 안정적인 반응을 유지할 수 있게 됐다. 또 반응로에서 나온 결과물에서 반응이 덜 끝난 플라스틱을 다시 이전 단계의 반응로로 집어넣는 순환방식을 도입해 보다 좋은 품질의 결과물을 내놓도록 했다.

신 박사가 고안한 폐플라스틱 유화 시설 구조도

과정은 어려웠다. 시중에 나와 있는 국산 제품만으로는 설비를 국산화하자는 목표를 달성하기 힘들었기 때문이다. 예를 들어 플라스틱을 고속으로 이동시키는데 필요한 펌프는 열분해 반응에 필요한 온도인 400℃를 버텨야 하는데, 국산 제품에선 찾을 수 없었다고 한다. 신 박사는 거의 자작하다시피 해서 부품을 조달했다. 이렇게 노력을 했지만 반응로에 담긴 플라스틱의 양을 측정하는 ‘레벨측정장치’까진 만들 수 없어 수입산을 사용할 수밖에 없었다.

폐플라스틱 1톤으로 기름 780㎏ 생산

신 박사는 이같은 과정을 거쳐 연 70톤급 설비를 만들었다. 실험 결과는 긍정적이었다. 이에 연 360톤급 설비를 거쳐 연 3000톤급 설비를 만들었고, 지난해부터 본격적인 실증실험에 착수했다. 실험 결과 효율은 78% 가량으로 높았다. 즉 폐플라스틱 1톤을 집어넣을 경우 약 780㎏ 가량의 기름을 얻어낼 수 있다는 이야기다. 이중 34%는 휘발유에 가까운 경질유였고 66%는 경유와 비슷한 중질유였다.

지난해 본격 실증가동에 들어간 전북 김제의 연 3000톤급 폐플라스틱 유화 시설의 모습.

이는 우리보다 먼저 기술개발에 착수한 일본보다 앞선 수준이라고 한다. 일본에선 현재 1만2000톤급 폐플라스틱 유화플랜트 1기와 6000톤급 2기 등을 가동하고 있는데, 기름 생산효율이 65% 가량으로 우리보다 낮은 편이다. 그나마 전체 기름제품 중 40% 가량은 왁스와 같은 저품질 기름이다.

신대현 박사는 “일본은 우리보다 투자규모가 커서 사업화 수준이 앞섰지만 일본 내부의 이유로 활성화되지 못해 기술만을 보면 우리가 앞섰다”며 “사업이 본격적으로 진행된다면 연간 약 140만톤 가량의 원유수입 대체효과를 거둘 수 있을 것으로 본다”고 말했다.

‘도심 속 유전사업’, 세계 100대 기술 선정

2006년 한 해 동안 우리나라에서 발생한 플라스틱 쓰레기량은 총 465만톤. 우리는 이중에서 30% 가량인 143만톤만 재활용하고 있을 뿐 나머지는 소각하거나 태우고 있다. 만약 소각하거나 태우는 폐플라스틱 중 150~200만톤만 유화플랜트에 집어넣는다면 약 140만톤 가량의 기름을 재활용할 수 있다는 계산이 나온다. 그야말로 도심 속 유전이라 할 만하다.

신 박사는 이같은 성과를 인정받아 지난 2005년엔 일본 국제박람회에서 관련 기술로는 홀로 세계 100대 친환경 기술로 선정돼 상을 받기도 했다. 당시 일본정부와 심사위원회는 전세계 236곳으로부터 지원서를 받아 환경기여도와 기술독창성, 범용성에 주안점을 두고 100대 기술을 선정했다.

그러나 본격적인 상용화까지는 넘어야 할 산이 남아 있다. 전북 김제 시설을 가동한 총 시간은 50여시간에 달하지만 연속 가동 시간은 최대 11시간 30분 정도. 코리아알앤디측은 보다 길게 가동해 설비의 성능과 안정성을 파악한 뒤에야 본격적인 상용화에 나설 수 있을 것으로 보고 있다.

원료 처리 문제도 넘어야할 산이다. 신 박사의 장비는 원료 투입 전처리를 필요로 한다. 즉 지름 1㎝ 이내로 잘게 분쇄해 반응로에 집어넣어야 하는데, 식용유 통 등 딱딱한 플라스틱은 전처리가 쉽지만 비닐 봉지 등 폐비닐은 잘게 잘라 반응로에 집어넣기가 쉽지 않다. 경제성을 확보하려면 재활용이 가능한 식용유통 등 딱딱한 플라스틱 대신에 재활용이 어려운 비닐 등을 주원료로 삼아야 한다.

어찌 보면 이제 8부 능선을 넘은 셈이다. 그러나 이 같은 기술은 기름 한 방울 나지 않는 우리나라에 큰 의미를 지닌다. 우리나라의 석유소비 구조를 보면 석유화학산업의 원료 등 산업생산용 비중이 점점 증가하고 있어 소비를 줄일 가능성이 낮은 편이다. 

신 박사는 “지금도 시멘트를 만드는데 폐플라스틱을 석탄의 보조연료로 활용하고 있긴 하지만 국가적으로 어떤 에너지가 더 필요한지 선택해야 한다”며 “이 기술은 폐기물을 친환경적으로 처리하면서 에너지 중에서 가장 고급인 석유를 만들어낸다는데 의미가 있다”고 말했다.

2008.11.17

대한민국 정책브리핑