- 폐비닐 대란의 해결 방법은 열분해에 의한 청정 오일 생산이 대안

- 친환경적, 경제적으로 우수한 연속식 열분해 오일화 플랜트 개발

- 오일 생산 수율 60%이상 달성, 판매 오일 환경 규제치 이내

□ 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.