전문가 진단⑥-홍영기 ‘한국의 소각설비산업 현장을 말한다-쓰레기 및 온난화 해결은 열·화학적분해 가스화로

[환경경영신문]

전문가 진단⑥-홍영기 ‘한국의 소각설비산업 현장을 말한다

가연성 쓰레기 친환경/경제적 처리 시스템 상용화 제언

쓰레기 및 온난화 해결은 열·화학적분해 가스화로

’기후에너지환경부‘에서 선도, 실증화 전 세계에 보급

국익과 대의 중심 냉철한 검증으로 최적 장치 선정

그동안 1회에서 5회까지는 현재 쓰레기 문제의 당면 과제와 이와 관련하여 “기후에너지환경부”의 역할에 대하여 논제로 하였다. 필자가 기억하기에는 2022년도 7월로 기억한다. 폐플라스틱 문제를 해결하기 위해 당시 환경부가 “생활폐기물 직매립금지 이행을 위한 폐기물정책 및 시설 확충 지자체 설명회”를 개최하여 폐플라스틱 유화 장치를 보급하기 위한 설명회를 갖은 적이 있으며 필자는 발언권을 얻어 유화 장치의 문제점을 거론한 사실이 있다. 유화 장치는 일부 수지 등의 처리가 불가능하여 선별을 아주 잘해야 하고 2차 오염 문제로 비경제적이며 일본과 독일이 중단한 것을 우리가 장려하는 것에 대해 이의를 제기했다. 대안으로 열·화학적분해 가스 원료화하는 것이 가장 바람직하며 그 전에 열분해가스화 소각로의 기준을 제대로 정비하기를 요청했다. 관련 자료를 담당 사무관에게 전달하면서 필요시 연락할 것을 요청하였으나 그 후 어떠한 진행도 하지 않은 상태이다. 현재는 다량의 플라스틱 쓰레기의 대안이 없어 시멘트 킬른 연료로 사용하고 있어 대기오염을 가중시키고 있다.

이러한 문제점을 근본적으로 해소하기 위해 이제 최종적으로 폐플라스틱 등 가연성 쓰레기 처리 및 지구온난화 문제를 완벽하게 해결할 수 있는 열·화학적분해가스화 가스원료 생산 시스템의 상용화 보급에 대하여 구체적으로 살펴보겠다.

열·화학적분해 가스화 가스원료 생산 시스템 개발 현황

목질계 바이오매스일 경우는 세계적으로 현재 수만 기 이상 가동되고 있으나 상기 표와 같이 쓰레기 연료로 정상 가동되는 것은 거의 없는 실정이다. 다만 상기 Wildfire Energy의 경우 MSW의 연료를 사용한다고 하나 현재 Pilot 이후 단계인 Demo 수준에 불과하다. 이와 같이 이 기술은 세계적으로 여러 국가에서 연구개발 및 상용화 보급을 시도 하였지만 현재까지도 경제성 있는 상용화 시설의 가동이 없는 상태이다.

2023년 2월 대한환경공학회지 제45권 제2호에서 발췌

국내 경우도 계속 실패를 거듭하고 있는 실정으로 최근 가장 대표적인 사례는 남원시와 연천군에 설치된 사례를 들 수 있다.

실패 사례 1은 연천군에 산업쓰레기를 대상으로 플라즈마 가스화 용융 시스템으로 1일 100톤 처리용량이었으나 제대로 가동하지도 못하였다. 실패한 사례 2는 남원시 생활쓰레기 1일 30톤 처리용량이었으나 이 역시 제대로 가동을 못 하고 철거한 상태이다. 또한 강원도 철암에 바이오매스 가스화 발전 시설 3MWh를 2021.03.31. 준공하고도 아직도 정상 가동 소식은 전해 들은 바가 없다.

이외에도 여수시 등에서 실증화 Demo Plant 실패 등 20여 년간 연구개발을 계속하였지만 Pilot와 Demo 수준에 그치고 아직 폐플라스틱 등 쓰레기를 이용한 가스화발전 시스템은 없는 실정이다. 앞서 살펴본 논문에 의하면 겨우 Batch식 열분해가스화(건류식으로 상용화 보급에 부적합 전문가 진단③ 참조) 소각 장치가 2개소(하동, 강진)에 불과하다. 이 시스템을 95억 원의 비예타 열분해가스화 개발시스템으로 선정하는 등 20여 년간 수천억 원(관련 기술 개발 총투자비)의 연구개발비 투자에 비하면 성과는 아주 미흡한 정도이다. 또한 최근 뉴스(2025.02.26.)에는 “플라즈마 기술, 폐기물을 수소와 전기로 만든다”라는 제목으로 한국핵융합연구원의 플라즈마연구소에서 3톤/일 규모의 파일럿급을 성공하여 100톤/일 규모의 상용화를 시도한다고 하나 이는 그동안 경우로 보아 성공 가능성이 희박하다. 왜냐하면 쓰레기로 열분해가스화하는 기술은 열과 유체를 다루는 것으로 단순히 뻥튀기해서 Scale Up 되는 것이 아니다. 즉 단순 Scale Up 할 경우 성공을 보장하기 어렵기 때문이다.

그러므로 어떻게 하면 상용화 보급에 문제없는 장치를 실패 없이 실증 상용화할 수 있는 것인가를 그동안 상용화 가술을 바탕으로 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

나. 열·화학적분해 가스화 가스원료 생산 시스템 관련한 상용화 기술 현황

우선 그동안 연구개발 실적, 공급된 열분해가스화 소각로 등 축적된 경험을 바탕으로 실용화 가능한 기술에 대하여 기술도입 및 특허, 신기술 및 이와 관련된 연구개발에 대하여 살펴보겠다.

1. 열분해가스화 소각로 기술도입 및 열분해가스화 가스엔진발전 기술 도입

- 1993. 06. 08. Controlled Air Incinrator(SAU 소각로) 기술도입 협약 체결

(인증 번호 갑0401-용역-07-11012, US$ 100,000, 설계 Software 및 도면 인수)

- 2008∽2018년 100여 년간 석탄 목재 가스화 및 가스발전 기술을 보유한 독일 ○○○사와 독점 대리점 계약 체결 국내 목질계 바이오매스 열분해가스화 가스엔진 발전 공급 추진(3MWh급 2 개소 허가 득함 - 경기도, 강원도 청정지역 대기 배출 4종)시 가스발전기 요구조건 및 가스발생 조건 등 기술 습득.

2. 관련 기술 개발 및 사업 허가, 신기술, 수상 현황 등

번호	년 도	품 명	비 고
1	1997.08.01. ∽‘99.10.31.	혼소용 공기조절식 중․소형 소각로 개발 총괄책임자(생산기술연구원)	열분해가스화소각로 (SAU) 국산화 개발
2	1998.01.01. ∽2000.12.31.	선택적 비촉매 환원법에 의한 노내 탈질 기술의 개발 (SNCR)	한국에너지기술연구원 (주관기관)
3	1999.04.01. ∽2000.03.31.	산소-버너를 이용한 소각재 및 슬러지 용융처리 시스템 개발 총괄책임자	순천대학교 (위탁연구개발기관)
4	1999.05.01. ∽2000.04.30.	CONTROLLED AIR INCINERATOR SYSTEM 최적화 총괄책임자	인천대학교 (산학 콘소시엄)
5	2000.09.01. ∽2003.06.30.	STEAM PLASMA를 이용한 고분자 폐기물 연료화 기술개발	한밭대학교 (주관기관)
6	2001.08.01. ∽‘04.05.31.	PLASMA를 이용한 병원 및 유해폐기물처리 SYSTEM 개발	전주대학교산학협력단 (주관기관)
7	2004.06.01. ∽‘06.05.31.	PLASMA를 이용한 감염성 및 유해폐기물 열분해 용융설비 실증사업화(NET 214호 취득)	전주대학교 산학협력단 (위탁연구개발기관)
8	2006.03.01. ∽‘08.02.29.	연속공정에 의한 폐플라스틱 및 폐전선으로부터 화력발전 연료생성기술	한국에너지 기술연구원 (위탁연구개발기관)
9	2009.09.12.	폐기물 발생 제로화, 저탄소 에너지 녹색화 도시 (강릉 경포대 녹색도시 공모 우수상 수상)	가연성 폐기물 플라즈마 가스화 용융 시스템 제안
10	2010.06.01. ∽‘12.08.26.	6,000톤/년 규모 이상의 종말품 혼합폐플라스틱 열분해 유화공정 개발	(한국기계연구원:위탁) 주관기관 문제로 중지
11	2014.05.30.	독일 업체와 협력 목질계 바이오매스 가스화 가스 엔진발전 3MWh 급 허가완료	경기도 여주군 국내 최초 3MWh 가스엔진 발전 허가
12	2018.08.01. ∽‘19.06.30.	미 활용 바이오매스 연료를 이용한 횡형 열분해 가스화 엔진발전 3MW급 발전플랜트	강원도 홍천군 3MWh 가스엔진 발전허가
13	2020.03.01. ∽‘20.05.06.	해양쓰레기 무공해 청정 합성가스 연료 생산 및 150kWe/3MWe 급 가스 린번엔진발전 시스템 (R&D 제안 참여)	LAB SCALE STEAM GASIFICATION TEST 자료 확보
14	2022.03.01. ∽현재	“폐 PVC 열분해 탈염소처리 및 열분해가스 스팀플라즈마 개질 고순도 청정 친환경 원료화 기술개발(3t/d)” 연구과제 수주 연구책임자	관련 특허권 3개 등록
15	2024.01.29.	의료폐기물 1일 84톤 처리 사업 승인 (원주환경청 사업 기술 적합 통보)	국내 최초 연속 가동 열분해 가스화 소각로(3MWh 발전)

3. 관련 특허 등록 현황

※ 그동안 축적된 경험과 연구개발을 통한 특허등록을 살펴보면 다음과 같다.

4. 관련 기술(열분해 가스화 가스 연소 소각로) 공급 현황(전문가 진단⓸와 동일)

열·화학적분해 가스화 가스원료 생산 시스템 상용화 배경

열과 유체를 다루는 기술은 산술적으로만 계산해서 할 수 있는 것이 아니므로 단순히 Scale Up만으로 성공할 수 없으며 이론을 바탕으로 하여 축적된 경험을 접목해야만 안정화된 시스템의 상용화가 가능하다. 즉 상용화 설비를 응용할 때만이 안정화 운전이 가능한 시스템을 완성할 수 있다. 그동안 계속 실패를 거듭한 이유도 축적된 경험의 기술 접목이 아니고 이론적으로 Lab Scale로 얻어진 Factor만을 이용하였다. 이보다 좀 큰 Plilot나 Demo 규모의 연구개발 플랜트를 완성하고자 접근하였다. 이조차(Plilot나 Demo 규모)도 완벽하지 못한 상태에서 이보다 10배 이상의 Size를 제작(실증상용화 플랜트)하고자 이러한 부분을 보완하여 제작하면 문제가 없을 것으로 예측하여 시행한 것이 문제를 더 크게 야기시켰다. 만약 Y 시의 Pilot Plant의 경우에도 제대로 성공하지 못한 상태에서 실증화를 시도하는 것을 그대로 용인하였다면 이 또한 실패하여 우리나라에서 이 기술을 성공적으로 보급하는 것이 더 큰 걸림돌이 되었을 것이다. 당시 필자는 평가위원은 아니었지만 이러한 문제를 발생하면 안 되기 때문에 그 장치로 실증 상용화해서는 안되는 이유를 적극적으로 피력한 사실이 있었다.

이같이 실증 상용화는 매우 어려운 것이므로 만약 이 분야 전문가 중에 이론적으로 문제점을 제기할 때 그 문제점을 보완하기 전에는 절대로 실증 상용화를 추진하면 경제적으로나 시간적으로 엄청난 손실이 초래된다. 그러므로 이론적으로 조금이라도 흠결이 있을 때는 그 흠결을 보완하기 전까지는 실증을 시도하는 것은 무모하다. 그러나 그동안 연구개발이라는 특성을 이용 서로 정부 보조금을 지원받고자 다소 흠결이 있어 문제가 있는데도 시행한 사실이 많았다. 이것이 바로 연구카르텔이다. 이렇게 이론은 실제와 부합하는 것이 진리이지만 완벽이란 창조주 하나님 이외에는 완벽을 구현할 수 있는 사람은 없기에 그 이론을 입증하기 위해 연구개발을 수행하는 것이다. 그렇다고 이론적으로 문제가 있는 것을 제대로 알지 못하는 평가위원들이 모여 얼버무려 혈세를 낭비하는 일이 염려되는 사안을 추진하는 일은 절대 있어서는 아니 된다. 즉 그 분야 최고 전문가가 아니면 형식적으로 기획위원이나 평가위원으로 참여하여서는 아니 되며 참여하는 기획위원이나 평가위원은 냉철하게 철저히 기술을 파악하고 판단하여 사심을 버리고 국익과 대의 차원에서 결론을 도출하여야 한다. 그러므로 상용화를 위해서는 많은 과정의 실험과 실증화 과정을 거치지 않고는 불가능하며 이는 축적된 경험의 수치를 습득하고 적용하는 것이 아주 중요하다. 특히 보이지 않는 열과 유동 유체를 이용하여야 하는 소각로나 열·화학적분해 가스화는 이러한 경험이 아주 중요하다고 할 수 있다. 이러한 차원에서 앞서 살펴본 실패한 사례나 현재 준공 후 5년 가까이 지났는데도 아직 정상 가동을 못 하는 플랜트는 축적된 경험자가 살펴볼 때는 예견된 실패이므로 이상할 것이 없다고 생각한다. 실패의 원인 중 한 가지만 지적하자면 열분해가스화로를 입형로로 적용한 것이다. 입형로는 일정 크기 용량 이하에 적용, 특히 목질계에는 적당하지만 플라스틱 등이 함유한 쓰레기에는 적용이 그리 쉽지 않기 때문에 고도의 기술이 요구된다. 앞서 살펴본 실패 사례 모두가 입형가스화로를 사용하였으며 특히 여러 해 동안 시행한 Westinghouse Plasma Corp 역시 입형로이다. 현재 가동하고는 있지만 많은 시행착오를 거쳐 운영하고 있는 고양시 열분해가스화 용융 방식 역시 입형로로서 산소나 코크스 등이 다량 투입하지 않고는 가동하기 어려운 것이 사실이다.

여기서 새로 출범하는 ’기후에너지환경부‘를 환영하면서 이제부터는 쓰레기의 에너지화가 보다 효율적으로 이루어질 것으로 여겨 고무적으로 받아드리며 한마디 더 하고자 한다. 그동안 우리나라에서 귀중한 쓰레기 자원이 에너지로 제대로 사용되지 못한 가장 큰 이유 중의 하나는 쓰레기 문제는 환경부(현 ’기후에너지환경부‘)에서 담당하고 쓰레기를 SRF 연료로 생산한 이후에는 환경부 소관이 아니고 산업자원통상부(현 ’산업통상부‘)로 소관 업무가 바뀌었다. 효율적 쓰레기 에너지 재활용이 총체적으로 경제적이고 친환경적인 기술개발이나 보급이 저조하고 사업화 등이 아주 미흡하였다. 필자가 기억하기는 쓰레기를 고형연료화한 것은 1990년 중반 이후 당시 환경부 자원순환국의 J 국장 때부터로 기억한다. 1990년도 초 필자는 북미에서 SAU 소각 기술을 도입하고 1960년대에 세계 최초로 이 기술을 개발한 미국 CONSUMAT 사를 방문 하였다.

Joppa, Maryland(360TPD) ------------SAU System 개발사 방문 --------------------개발사 기술진과 기술협의 후

당시 미국에 설치된 현장을 방문하였을 때 방문 현장마다 쓰레기소각장이라는 용어는 찾아볼 수 없었다. ’RESOURCE RECOVERY FACILITY’ 또는 ‘WASTE TO ENERGY’ 라는 용어를 사용하는 것을 보고 당시 환경부 담당 국장에게 외국에는 폐기물 소각장이라는 단어를 사용하지 않고 ENERGY 생산 및 공급 공장이라는 단어를 사용한다고 전하였다. 그 후 결단력이 있는 국장은 즉시 TASK FORCE TEAM을 구성하여 쓰레기 연료화를 시작하였으며 그때는 폐기물처리업체가 반대(특히 비 고형화 SRF는 적극 반대함)하여 현재 사용하고 있는 비성형 연료(비고형 SRF)인 Fluff는 배제(당시 유럽 등에서도 고형화는 10% 정도이고 대부분 비 고형화 연료를 생산)하고 RDF, RPF, TDF 등 성형화 연료로 출발하였다.

그러나 이러한 연료를 이용하는 시설 개발이 미흡한 것은 그동안 이를 산업통산부 산하 한국에너지기술평가원에서 연구개발 지원을 전담하였으나 개발 후 보급 시 전력비 보전 등 에 대한 대책이 미흡했다. 적극적인 회사의 개발 참여가 미진하고 정부의 지원금에 국한하여 기업이 주도하는 실증 사업화보다는 연구개발을 위한 연구에 치중한 개발로 아직도 상용화 개발 보급이 되지 못하고 있는 상태이다.

필자는 쓰레기 문제는 과거 환경부가 연료화 뿐만 아니라 재생 에너지화 보급(효율적인 전력 생산 등) 문제까지 책임져야 한다고 역설하였다. 왜냐하면 에너지라고 하여 쓰레기의 재생 연료까지 당시 산업자원통상부에서 맏는다는 것은 문제를 해결하는데 한계가 있기 때문이라고 생각하였기 때문이다. 2025.04.월 고교 동문 조찬 포럼에 참석하여 당시 산업자원통상부 차관을 다년간 역임하고 한전 사장을 지낸 선배에게 왜? 쓰레기를 이용한 에너지에 관한 업무를 산업자원통상부에서 맡아 쓰레기를 효율적으로 사용하는 것을 저해하는 것이냐고 질문했다. 차관을 지낸 선배도 부처 간의 이해관계로 해결하기 어려웠다고 하는 대답을 듣고 너무 안타까웠다. 그렇게 전전긍긍하였는데 이제 ‘기후에너지환경부’가 출발하여 이러한 문제가 친환경적이고 경제적으로 해결될 것이라 여겨지므로 기대되고 가슴이 벅차오른다.

이제 본 시스템과 관련하여 왜? 필자가 실증 상용화 개발에 몰두하는 것인가를 설명하고자 한다. 그 이유는 앞서 살펴본 바와 같이 본 시스템과 관련한 소각 기술을 도입하여 30여 년간 보급하고 국내 쓰레기에 맞추어 국산화 개발 및 허가 등은 앞서 살펴본 바와같이 ① 혼소용 공기조절식 중․소형 소각로 개발(1997.08.01.∽1999.10.31.), ⓶ CONTROLLED AIR INCINERATOR SYSTEM 최적화(1999.05.01.∽2000.04.30.), ③ STEAM PLASMA를 이용한 고분자 폐기물 연료화 기술개발(2000.09.01.∽2003.06.30.), ⓸ PLASMA를 이용한 감염성 및 유해폐기물 열분해 용융설비 실증사업화(NET 214호 취득 2004.06.01.∽2006.05.31.), ⑤ 6,000톤/년 규모 이상의 종말품 혼합폐플라스틱 열분해 유화공정 개발( 2010.06.01.∽2012.08.26.), ⓺ 독일 업체와 협력 목질계 바이오매스 가스화 가스 엔진발전 3MWh 급 국내 최초 허가완료 (2014.05.30.), ⑦ 미 활용 바이오매스 연료를 이용한 횡형 열분해 가스화 엔진발전 3MW급 발전플랜트. 3MWh 급 허가완료 및 관련 특허 2개 등록 (2018.08.01.∽‘19.06.30.), ⑧ 해양쓰레기 무공해 청정 합성가스 연료 생산 및 150kWe/3MWe 급 가스 린번엔진발전 시스템 (2020.03.01.∽‘20.05.06. R&D 제안 참여), ⑨ 폐 PVC 열분해 탈염소처리 및 열분해가스 스팀플라즈마 개질 고순도 청정 친환경 원료화 기술개발(3t/d - 관련 특허 3개 등록), ⑩ 의료폐기물 1일 84톤 처리 사업 승인 (원주환경청 사업 기술 적합 통보 – 2024.01.29.) 등이다.

⓸항의 경우 신기술 취득 시 발생된 가스를 채취 분석한 결과를 살펴보면 린번엔진발전기를 가동할 수 있는 가스열량(평균 1,300kcal/N㎥ 이상)이 충분하나 당시는 가스발생 위주가 아닌 용융 위주의 장치였다. 이 시스템을 응용 가스 품질을 높이도록 가스화로를 개선하고 당시 음식물이 포함된 생활폐기물의 적용에 비하여 선별된 SRF 연료를 사용할 경우는 경제성이 있는 가스 원료 생산이 충분했다. 나아가 스팀 플라즈마를 사용할 경우는 수소 농도를 60% Vol. 이상으로서 수소 생산에도 문제가 없다. 또한 균질하게 연속적으로 생산할 수 있는 시스템을 구사(특허 등록) 가스발전이나 수소 생산에 전혀 문제가 없기 때문이다.

경제적인 가치 역시 톤당 ₩125,000원 정도로 당시 타 플랜트 처리비 ₩250,000∽₩450,000정도에 비히여 아주 저렴하여 경제적 가치가 있다.(당시 신기술인증시 제출) 다만 당시 환경부가 정책을 변경(용융에서 비용융으로 재 전환)하여 총 연구비 120여억 원을 투자한 중소기업은 견디지 못하고 도산하였으나 그 기술이 이제 쓰레기를 가스 원료로 전환하는 기술로 역할을 할 수 있게 되어 매우 고무적이다.

이외도 바이오매스 열·화학적분해 가스화 가스엔진 발전설비 건설에 관련하여 2차례에 걸쳐 청정지역인 여주(국내 최초)와 홍천에서 허가(3MWh-대기 배출 4종)를 받았다. 여주에서는 독일 기술과 접목하여 제작 공급하는 것으로 추진하였으나 추진하던 중견 기업인 EPC사의 부서가 해체되어 추진이 중단되었다. 홍천에서는 당시 지식경제부 실증화 연구과제로 추진하였으나 1년간 2개의 콘소시엄이 F.S를 수행 후 평가 1개 업체를 선정하는 과정에서 어처구니없게도 공장 부지를 확보(계약 완료 및 사업 허가)하고 허가를 득한 3MWh 발전을 실증화 제안한 필자의 콘소시엄을 탈락시켰다. 허가를 득하지도 못하고 겨우 185kWh(생산 가스는 동일 규모로 추정)의 Pilot 설비로서 실증화가 될 수 없으므로 탈락해야 될 대상이, 성공하면 2MWh의 발전하겠다고 제안한 회사를 잘못 선정(평가의 실책이나 과정에 문제없으면 이의도 제기 못 하도록 하였음 – 연구카르텔로 여겨짐) 하여서 우리나라 기술로 아직 실증 상용화 보급이 이루어지지 않고 있는 것이 안타깝다.

아래 표는 당시 공동연구기관 연구책임자 교수가 작성한 비교표이다. 물론 정보로 입수 비교한 것이므로 다소 다를 수 있으나 당시 서류를 확인하면 크게 차이가 없을 것이라 확신한다.

필자가 제안하는 기술은 이상 살펴본 과정을 통해 축적된 기술이 어떠한 것이며 이 기술을 적용할 경우는 실패 확률이 ZERO에 가깝다는 이론적 근거와 본 기술을 적용 상용화 보급이 이루어질 경우는 폐플라스틱 등 고질적인 쓰레기 문제와 지구의 온난화 문제를 해결할 수 있는 확신을 갖도록 우선 자체적으로 기술을 검증 공개하고자 한다.

이러한 기술의 검증은 특별히 전문가 진단 ⑦를 추가하여 이 분야 전문가들이 공유하고 검토하는 계기를 만들고자 한다.

*전문가 진단-홍영기 한국의 소각설비산업 현장을 말한다는 7회에 걸쳐 기획시리즈로 연재한다. 평생 소각전문기업인으로 활약하고 있는 필자의 전문성을 그대로 반영했으며 반론이나 관련된 의견이 있을 경우 필자와의 전문적인 논쟁의 장도 마련하고자 한다.

또한 최종적인 실용화 제안 기술 검증을 7회로 추가하여 공개 검증을 통하여 최적화 기술이 보급될 수 있는 계기를 마련하고자 한다.

(환경경영신문 https://ionestop.kr/ 홍영기 소각분야 전문가)