제3장 폐기 플라스틱으로부터 수소 에너지 재생과 그 실용 전개 (2) 사용 후 플라스틱의 가스화 프로세스(마지막회)

[YDfamily]

2. 사용 후 플라스틱의 가스화 프로세스

2.1 파쇄 성형설비

(1) 원료 사용 후 플라스틱의 설명

Showadenko(昭和電工) 카와자키 사업소에서는 폐플라스틱을 원료로 하여 수소 및 암모니아를 제조하고 있다. 원료로 되는 사용 후 플라스틱은, 용기 포장 리사이클법에 따라 재생처리 사업자로서 매년 입찰에 참가하고, 낙찰한 수량분을 시구정촌의 보관시설로부터 인도받아 사용하고 있다.

(2) 전처리로서의 파쇄 성형설비

지자체로부터의 압축 bale을 파쇄기에 투입하고, 그 후 자력선별기를 통해 성형기로 이송되어 감용 성형품(RPF)를 만든다. 이 설비에서는 압축 bale을 선별하지 않고 파쇄기에 투입하는 것이 특징으로 되고 있다. 파쇄 성형설비에서는 이물 혼입에 의한 발화를 일으킬 가능성이 있다. 원인은 수입 플라스틱에 함유되는 금기품(라이터, 스틸 캔, 리튬이온 전지 등)으로, 파쇄기에서 파쇄될 때에 발화의 가능성이 있다. 해당 설비에서는 방화 대책을 취해 대응하고 있다.

도2 파쇄 성형설비에서의 플라스틱의 흐름

2.2 가스화 프로세스

(1) RPF 가스화 로 투입

파쇄 성형설비에서 성형된 RPF는 트럭으로 가스화 설비까지 운반되고 일시 저류조에 저장된다. 잘라 내는 컨베이어에 RPF는 반송되고, bucket 컨베이어로 가스화 플랜트의 최상단까지 반송하여 플랜트 내에의 hopper에 머무른다. 가스화 로는 고압(약 1MPa)으로 운전되고 있기 때문에, 고체의 RPF를 승압 할 필요가 있다. 2단식의 rocket hopper 방식을 채용하고 있다. 1차 rocket hopper에서 대기압의 상태로 RPF를 투입한다. 차단 밸브로 밀봉한 후에 질소로 승압 하고, 가스화로와 같은 압인 2차 rocket hopper로 옮겨진다. 비워지게 된 1차 rocket hopper는 또 대기압까지 돌아가여 새로운 RPF를 받아들인다. 이 조작을 반복하는 것에 의해 RPF를 승압 하여 가스화 로에 투입하고 있다. 가스화 로에는 정량 공급 컨베이어로 투입된다. 투입량은 미리 검량한 컨베이어의 회전수로 투입량을 파악하고 있다.

(2) 가스화 로(爐)

가스화 로는 저온 가스화 로와 고온 가스화 로로부터 만드는 가압 2단식 가스화 로이다(도3).

저온 로에서는 RPF를 수입, 압력 약 1MPa, 온도 약 600℃의 조건 하에 놓이고, 소량의 산소와 수증기를 가스화제로 하여 가하는 것에 의하여 탄화수소를 가스화 시킨다. 저온 로에서는 가열된 모래가 유동하여 가고, 그 모래가 RPF에 접촉하는 것에 의해 가스화를 촉진시켜 간다. 저온 로에서의 가스화제는, 압축된 공기와 산소 및 증기이다. 공기는 후단의 공정에서 암모니아를 제조하기 위해 질소:수소비가 1:3으로 되도록 조정하여 공급하고 있다. 산소는 저온 로의 온도를 조정하기 위해 공급하고 있다. 증기는 모래의 유동화 용으로 공급하고 있다. 증기를 줄이게 되면 에너지적으로 유리하게 되기 때문에, 모래의 유동화를 최소량으로 조정하고 있다.

고온 로에서는 저온 가스화 로를 나온 가스를 transfer line을 경유하여 받아들인다. 약 1,500℃로 산소와 증기에 의해 열분해 되어, 수소와 일산화탄소를 주체로 하는 합성 기스로 개질된다. 생성된 합성가스는 로 벽을 선회사면서 서서히 열분해 된 후, 로 바닥부의 냉각수에 의해 200℃ 이하까지 순간 냉각된다. 다이옥신 재합성 영역인 온도영역(300~600℃)를 순식간에 통과한다. 고온 로에서는 온도를 올리면 유효성분인 수소, 일산화탄소, 물, 이산화탄소로 되기 쉽다. 온도를 내리면 유효성분인 수소 수율은 상승하는데, 불순물의 미분해나 무기물로 로 벽의 막힘이 보일 수 있다. 가장 좋은 운전 조건에서 최적 운전을 했지만, 원료가 사용 후 플라스틱이라 끊임없이 어떤 폭으로 조성, 불순물이 변동함에 따라 안정되지 않는다.

가스화 로에서는 스타트 시에 승온 하는 때에 도시가스를 사용하는데, RPF 투입 후 도시가스는 끊겨 플라스틱이 갖고 있는 에너지만으로 운전을 지속한다. 정상 운전에서는 화석 연료는 일절 사용하지 않는다.

도3 가스화 프로세스 개요

(3) 가스 정제

플라스틱에 함유된 불순물은 주로 염소와 유황 성분으로 된다. 염소는 염화 수소로 가스화 로부터 나오기 때문에 가성소다로 제거한다. 유황분은 탈 유황으로 제거한다. 합성 가스는 염소분을 제거한 후에 CO 전화 설비로 보내져, 수증기와 반응시키는 것에 의해, 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 동시에, 수소의 증량을 행한다. 그후 탈 유황 설비에서 고무류 등에서 유래하는 유화물을 유황으로서 회수하고, 수수와 이산화탄소만으로 된 합성 가스를 암모니아 플랜트로 보내는 구조이다.

3. 사용 후 플라스틱이 가스화 가스로부터 암모니아 제조

3.1 기존 프로세스와의 접속

가스화 설비로부터의 합성가스는 conventional한 암모니아 플랜트의 CO 전화 설비로 접속된다. 가스화 로에서는 암모니아 합성에 사용되는 것을 전제로 운전하고 있기 때문에, 접속하는 시점에서 질소:수소비가 1:3으로 조정되어 있다. 기존 설비의 개질 로의 가스를 혼합시킨 후 탈탄소 탑에서 이산화탄소를 분리하여 암모니아 합성탑으로 보낸다. 수소로 하여 취출하는 경우는, 암모니아 합성계에 보내기 전의 가스를 일부 blend 하여 PSA 설비를 통해 순수소를 얻고 있다(도4).

도4 가스화 프로세스로부터 기존 프로세스로의 접속

3.2 효율적 운전방법

일련의 사용 후 플라스틱으로부터의 수소 및 암모니아 제조에서는, 효율 좋게 수소를 취하는 운전을 목표로 하고 있다. 전술한 것과 같이, 플라스틱의 조성이 일정하지 않기 때문에, 연속적으로 최적 운전하는 것은 매우 어렵다.

(1) 원료 플라스틱 성상

가장 간단히 효율 운전이 가능한 조건은, 원료 플라스틱 자체의 열량이 높은 것이다. 가스화 로 내에서는 일부 연소 반응이 일어나고, 그 열로 분해, 개질열로 해 가면 동시에 로의 온도를 유지해 간다. RPF가 수분을 포함하고 있는 것도 효율에는 마이너스로 된다. 가능한 열량이 높은, PE, PP, PS 등의 비율이 높은 것이 요망된다. 또한, 난연성 플라스틱이 많으면 저온 로에서 가스화가 되지 않던지, 폐색의 원인으로 된다.

(2) 가스화 로 최적화 효율화 운전

저온 가스화 로에서는 가능한 한 모래를 유동화시켜 증기를 줄이는 것을 전술하였다. 가스화 로에 공급되는 산소, 공기, 증기는 그 현열(顯熱) 영향도 포함하여 가능한 소량으로 할 필요가 있다.

고온 가스화 로에서는 온도를 낮추는 편이 수소 수율이 좋아지는 것은 전술하였다. 온도를 낮추는 것에 의한 영향은 불순물의 미분해 문제와 무기물에 의한 막힘의 문제로 되고 있다. 불순물의 미분해는 순수한 수소, 암모니아를 제조하기 위해서는 중요한 제조 설비에서 제거하고 있는데, 다소의 불순물이 관계없는 제품에 사용하는 데에는 영향이 없다. 무기물에 의한 막힘에 있어서 압력차가 생기면 온도를 올려 녹여 넣을 필요가 있다.

4. 사용 후 플라스틱으로부터 소소 및 암모니아의 에너지 이용

사용 후 플라스틱 유래의 수소가 연료전지차, 연료 전지에 이용되어 그 수소 품질은 확보되어 있는 것은 확인하였다. 사용 후 플라스틱 유래 수소가 에너지 이용으로 충분히 사용 가능한 것을 appeal해 왔다.

오늘날, 암모니아가 수소의 carrier로서 주목되고 있는데, 암모니아를 그대로 직접 연소 가능한 기술도 진행해 가고 있고, 에너지 carrier로서만이 아니고 clean energy로서 주목되어 오고 있다. 순환형 사회에 공헌을 이어가고, 화석 연료를 일절 사용하지 않는 사용 후 플라스틱 유해 수소 및 암모니아는 앞으로도 탈탄소 사회에 있어서 없어서는 안되는 기술로 되고 있다고 확신하고 있다.

맺음말

2022년 4월에 시행된 플라스틱 신법(新法)에서는 지자체가 제품 플라스틱을 수집하는 것으로 되어 있다. 현재, 용기 리사이클법에 미참가의 지자체가 참가하여, 용기 리사이클법에 참가하고 있는 지자체가 제품 플라스틱도 수집을 개시하면 리사이클이 되는 플라스틱은 증가한다.

리사이클 능력 쪽은, 거의 모든 화학 메이커는 어느 정도 케미컬 리사이클을 다루고 있고, 개발, 실험, 실증을 행해 가고 있어 가까운 장래 리사이클 능력도 증가한다. 철강 메이커도 처리량 증가의 움직임이 있다.

수집하는 방법과 리사이클 방법이 서로 맞으면서 늘려 가고 있는 것으로 소각 매립으로 돌아가는 플라스틱을 무한정 제로로 되는 것이 자원 순환으로서의 탈탄소 사회를 위해 공헌이라고 할 수 있다.

이제까지 화학제품의 최신기술, 시장동향 보고서 (주목되는 화학제품의 최신기술과 그 시장 동향 - 플라스틱, 고무)를 끝까지 구독해 주신 여러분께 깊은 감사를 드립니다.

이 보고서는 책자로도 만들 예정이니 소장하면서 구입을 희망하시는 분은 밑에 댓글이나 저에게 연락 주세요.

다음에는 또 어떤 것으로 찾아 뵐지 계속 연구해 보겠습니다.

감사합니다.