폐플라스틱 재활용 공법 – 비연소 저온 분해기술

* 홍앤강 Environment의 강 작성

 

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도시유전, 폐플라스틱 안태우고 석유뽑는다 (2024.03.14. - 전자신문)

도시유전이 세계 최초로 플라스틱 폐기물을 태우지 않고 재활용하는 공정을 상용화한다. 도시유전은 오는 8월 말부터 전라북도 정읍에서 비연소 저온 분해 기술과 공정을 통해 재생원료·연료를 생산하는 직영공장을 가동한다고 14일 밝혔다. 공장은 대지 3000평, 연면적 1100평으로 처리 능력은 하루 최대 24톤, 연간 7000톤 규모다. 도시유전이 이번에 도입하는 기술은 세라믹, 파동에너지를 통해 폐플라스틱을 300℃ 아래에서 저온분해해 재생 원료·연료유인 나프타, 경질유를 얻는 것으로 첫 상용화 사례다. 기존 기술은 석유 기반 플라스틱, 비닐을 500℃이하 고온에서 열분해한다. 기술은 도시유전이 자체 개발했다. 기술을 활용하면 연간 7000톤의 폐기물 처리 기준, 70%인 최대 4900톤의 나프타와 경질유를 얻을 수 있다는 게 회사 측 설명이다. 현재 나프타는 1ℓ당 2달러, 경질유의 유통가격은 1ℓ당 0.72달러로 납품 시, 나프타 기준 연간 최대 490만ℓ, 128억원의 에너지를 대체하는 경제적 효과가 유발된다. 정영훈 도시유전 대표는 “도시유전의 폐플라스틱 재활용 기술은 한국은 물론 세계 각국의 기후와 환경 회복력을 갖도록 하는 데 필요한 수단”이라고 강조했다.

최호 기자 snoop@etnews.com

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소각을 통한 에너지 회수(SRF, 폐기물 고형연료)가 대세였으나, 민원 등으로 더 이상 사업하기가 어려워지면서 새로운 해법으로 다양한 신기술이 개발 중/완료 (열분해/합분해)

 

세라믹 파동 및 에너지를 이용한 비연소 방식의 저온 분해기술?

1) 도시유전이 지난 30여년간 연구한 자체기술에 해당

 

2) 밀폐된 상태에서 플라스틱류 폐기물을 180~270℃의 낮은 온도와 무산소 상태에서 자외선-C 파동에너지를 이용하여 탄소와 탄소로 결합된 고분자의 폴리머의 고리를 끊어(분해과정) C20~C60의 1차 유증기인 혼합 중질유가 만들어지고 2차로 다단계의 세라믹 촉매에 의해 자외선-B 파장의 파동에너지를 이용하여 C9~C15의 경질유로 정제

* 외부의 공기나 연료가 유입되지 않는 고정상 밀폐식 반응기에서 전기에너지에 의해 발생된 파동에너지가 빛과 진동에너지로 세라믹 촉매에 가해지게 되면 진동 및 초음파를 발생시키고, ‘빛 + 진동 + 초음파’ 에너지가 폐플라스틱의 분해에 충분한 활성화에너지를 발생시켜 고상의 폐플라스틱에 결합사슬을 잘라서(random scission) 유증기로 분해(C9-C40)함(저온 분해시설), → 전자렌지를 생각하시면 될 것 같습니다.

* 동 유증기는 왁스성분 등이 있어 사용이 불편(연료로 사용시 예열 필요 등)하고 연소시 검댕이 생기는 등 환경적으로 좋지 못한 바, 이를 후속 촉매반응기에 연속적으로 투입하여 추가로 분해(C9-C15)하여 정제유 품질기준에 적합한 액상의 경질유로 정제(분리정제시설).

* 독자적으로 개발한 세라믹 볼을 가열 시 강력한 에너지를 갖는 자외선이 불연속적으로 발생한다. 세라믹 볼에서 방출되는 파동에너지는 C-C 결합에너지보다 최대 2배 이상 강력하여 직접 분해(Direct Cracking)가 가능하다.

 

3) 상세공정

- 폐비닐류를 자동 투입한 후 1차 기기와 2차 기기의 공정을 거치게 된다.

- 분해 처리 공정은 1차 기기로 세라믹 볼을 이용한 저온 분해 기술을 이용한다. 폐비닐과 폐플라스틱의 분자 고리를 크래킹 하며 유증기 및 수증기 성분을 추출한다. 이는 전처리(선별) 공정이 필요 없으며 외부 굴뚝이 없는 친환경 처리 공정의 특징을 가지고 있다.

- 정제공정은 2차 기기로 세라믹 볼을 이용한 저온 분해 기술을 이용한다.

- 1차 재생 연료유 내 불순물 및 수분 성분을 분리하고 2~4차 다단계 정제 크래킹 과정을 거친다. 이는 단계별 최적화 세라믹 볼을 이용하며 고품질 재생 연료유를 생산한다. 염된 혼합 재질류 폐비닐과 폐플라스틱이 투입 가능해 인적 및 물적 비용의 소모를 최소화하고, 전처리(선별) 과정이 필요 없는 공정이다. 또한, 친환경 세라믹 볼을 활용한 저온 분해 공정과 다단계 정제공정을 통한 고품질 정제 연료유 생산으로 공정상 오염물질 발생을 최소화한다는 도시유전만의 차별성을 가지고 있다.

도시유전의 세라믹 볼 기술원리

도시유전의 R.G.O 플랜트 배치도

도시유전의 주요 공정 흐름도

 

 

* 경제 및 환경효과 :

1) 2.7톤 탄소배출 저감/1톤 폐플라스틱

2) 생산품 납품 시(납사 2달러/1L, 경질유 : 0.72달러/1L) 납사 기준으로 최대 490만L/1년 수익 → 약 128억원 에너지 대체

3) 폐기물을 저온(300도) 미만에서 분해, 처리해 다이옥신 등 탄소와 공해물질이 크게 발생되지 않음 (소각이나 연소방식이 아님)

 

2. ㈜도시유전?

1) 관련 특허 ‘가연성 폐기물의 저온 분해 승화장치’를 포함한 총 11개 보유

2) 지난 2021년 12월 산업통산자원부 신기술(NET) 인증 수여

3) 기술 정보만 찾아보았습니다.

 

3. 열분해 기술 개발배경 및 이슈

 열분해에 대한 관심이 높아지는 것은 단순 폐기물처리 때문만이 아니다. 여러 가지 측면에서 활용도가 크다. EU 등 선진국과 ESG 경영에 앞장서는 글로벌 기업을 중심으로 2025년을 전후로 재활용 플라스틱을 의무적으로 사용하도록 규제에 나서고 있기 때문이다. 컨설팅업체인 맥킨지가 폐플라스틱 재활용시장 규모를 2050년 600조원으로 전망한 이유다.

 먼저 유럽연합은 페트병과 포장재에 재활용 소재를 30% 이상 반드시 쓰도록 이미 법제화했다. 2030년 기준 페트병은 30%, 음료용기 10%, 모든 플라스틱 포장재 역시 30%의 재생원료를 사용해야 한다. 미국에서도 캘리포니아 등 일부 주(州)를 중심으로 2030년까지 재생원료 50% 이상 사용을 의무화하는 방안이 논의 중이다.

국내 정유 화학 기업들의 화학적 재활용 공정 구축 현황

 

4. 우리나라 현황

 우리나라 역시 플라스틱 열분해 산업 활성화를 위해 적극 나서고 있다. 환경부는 폐플라스틱 열분해 처리 비중을 2021년 기준 0.1%에서 2030년까지 10%로 높여 순환경제 및 탄소중립 실현을 선도한다는 계획이다. 지난해에는 열분해유를 나프타 및 경유 등 석유·화학 제품의 원료로 재활용할 수 있도록 폐기물관리법을 바꿨다. 이로써 이전 소각에 포함됐던 열분해설비가 재활용시설로 범주를 변경했다.

 

 폐기물 매립시설 설치를 의무하도록 돼 있는 산업단지 내 매립시설 부지의 50% 내에서 열분해시설 입지를 허용하기 위해 폐기물시설촉진법도 개정한다. 더불어 석유·화학 기업이 폐플라스틱 열분해유를 석유제품 원료로 활용할 경우 온실가스 감축효과를 고려해 탄소배출권을 인정받을 수 있도록 관련 지침을 개정키로 했다.

 

 이밖에 열분해 과정에서 생산된 합성가스(일산화탄소와 수소 혼합기체)를 원료로 메탄올, 암모니아 등을 생산하거나 수소를 개질·추출해 수소차 충전, 연료전지 발전에 활용할 수 있도록 이를 구체적으로 명시했다.

 

5. 도전과제 (기사발췌)

 원료 확보가 여전히 문제라는 평가다. 우선 시멘트업종에서 석탄을 대체하는 연료로 많은 폐기물을 빨아들이고 있어 열분해에 필요한 원료확보조차 어렵다는 목소리가 크다. 여기에 폐플라스틱과 폐비닐류에 대한 별도의 회수시스템 마련을 비롯해 제대로 된 선별을 통해 적재적소로 공급하는 방안도 반드시 필요하다는 지적이다.

 민달기 가천대 교수는 최근 열린 국회토론회에서 폐플라스틱 30% 이상을 원료로 재활용해야 하는 시대가 도래하면 결국 국내 폐기물 시장에서는 물량 싸움이 일어날 수밖에 없는 상황이라고 분석했다. 그는 “재생원료 의무화가 본격 시작되는 2025년이 되면 연간 400만톤의 폐플라스틱이 필요하지만 현재 추세로는 100만톤 정도나 확보할 수 있는 상황”이라며 “시멘트 공장의 폐기물 대체연료 사용을 재활용으로 인정해 준 것이 실착”이라고 평가했다.

 

[참고 URL]

https://www.sedaily.com/NewsView/2D6MSTSO9V

https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=88892

https://www.e2news.com/news/articleView.html?idxno=301796

https://renewableenergyfollowers.org/3444

 

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