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2024년 12월 5일 (목) 08:29 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 폐플라스틱 공급망 최적화 : 경제성과 효율성 중심의 선별·재활용 공정 개선

영문 : Optimization of Plastic Waste Supply Chain: Improving Sorting and Recycling Processes with a Focus on Economic Efficiency and Effectiveness

과제 팀명

유준재 교수님 2팀

지도교수

유준재 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20213400** 김** (팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20213400** 정**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 폐플라스틱 공급망의 최적화 (선별 및 재활용 공정 중심)

본 연구는 폐플라스틱의 선별 및 재활용 공정을 통합하여 공급망을 최적화하고, 공정의 효율성을 개선하며 재활용률을 높이는 방안을 제시하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 수학적 모델링과 시뮬레이션 기법을 활용하여 기존 연구의 한계를 보완하고, 실제 데이터 기반의 현실적인 솔루션을 도출한다.

◇ Pyomo 패키지를 활용한 시뮬레이션 모델 개발

Pyomo 시뮬레이터를 사용하여 선별 및 재활용 공정의 변수를 체계적으로 분석하고, 다양한 feed 조건에 따라 효율성을 비교한다. 이를 통해 각 공정에서 최적의 재활용 방법과 비용 절감 방안을 제시하는 모델을 개발한다.

◇ 현실적 재활용 데이터 기반의 공정 평가

기존 연구에서 간과된 재활용률의 현실적인 한계를 분석하여 feed 조건과 공정 조합에 따른 재활용 성과를 평가한다. 이를 통해 실제 적용 가능한 데이터 기반의 재활용 공정 최적화를 구현하며, 이를 바탕으로 경제성과 환경적 지속 가능성을 균형 있게 고려한 전략적 해법을 제시한다.

◇ 비효율성 개선을 통한 최적화 전략 도출

재활용 공정에서 발생할 수 있는 비효율성을 발견하고, 이를 개선하기 위한 데이터 기반 분석 및 최적화 방안을 도출한다. 이 과정에서 feed 조건 변화와 처리 방식의 상호작용을 중점적으로 평가하며, 공정의 투명성과 신뢰도를 제고한다.

개발 과제의 배경

◇ 플라스틱 재활용 현황

1. 국내 플라스틱 소비 및 폐기물 현황

 한국은 플라스틱 소비가 급증하고 있는 국가 중 하나로, 연간 약 700만 톤의 플라스틱을 소비하고 있다. 그중 약 85%가 소각 또는 매립 방식으로 처리되고 있으며, 이는 자원의 낭비와 함께 심각한 환경 오염을 초래하는 문제로 지적되고 있다. 플라스틱은 고분자 물질로 자연적으로 분해되지 않기 때문에 소각하거나 매립하는 방식은 장기적으로 해양, 토양 오염의 주범이 되고 있다. 특히 소각 과정에서 발생하는 다이옥신과 같은 유해물질은 인체에 악영향을 미치며, 매립된 플라스틱은 토양 오염 및 미세 플라스틱 문제로 이어진다.

 또한, 플라스틱 생산과 소비량은 지속적으로 증가하고 있다. 전 세계적으로 1950년에는 연간 150만 톤의 플라스틱이 생산되었으나, 2019년에는 4억 6000만 톤으로 70년 동안 약 306배 증가하였다. 플라스틱은 특히 포장재, 일회용품 등에서 많이 사용되며, 한국에서도 하루 평균 약 1292.2톤의 폐합성수지류가 배출되고 있다. 더불어, 한국에서 배출되는 일회용 플라스틱 배달용기는 2019년보다 80.6% 급증한 수치를 보인다.

 플라스틱의 과도한 소비는 전 세계적인 환경 문제를 일으키고 있다. 2019년 기준 전 세계 플라스틱 재활용률은 약 9%에 불과하며, 19%는 소각되고 50%는 매립되며 나머지 22%는 통제되지 않는 쓰레기장이나 노천에서 소각되거나 해양으로 유출되고 있다. 이러한 문제는 특히 한국에서 더욱 두드러지는데, 실질적으로 재활용되는 플라스틱의 비율은 약 23%에 그친다. 이는 재활용 효율이 낮고, 처리 공정의 한계로 인해 복잡한 폐기물 수거 체계에 의존하고 있는 것이 주요 원인이다. 수작업에 많이 의존하는 현재의 시스템은 혼합된 플라스틱을 분리하는 데 많은 비용과 시간이 소요된다. 일부 플라스틱은 재질이 혼합되어 있거나 이물질이 묻어있는 등 재활용이 어려운 형태로 존재해 재활용률을 더욱 낮추는 요인으로 작용한다.

 이에 따라 한국은 자원순환 사회로의 전환을 목표로 하고 있으며, 플라스틱의 사용을 줄이고 재활용을 확대하기 위한 정책적 접근과 기술적 혁신을 모색하고 있다. 그러나 여전히 국내 재활용 인프라는 부족하며, 향후 더 많은 연구와 투자가 필요한 상황이다. 플라스틱 소비가 지속적으로 증가하는 만큼, 이를 처리할 수 있는 효율적인 시스템을 구축하는 것이 시급하다.

그림 1. 국내 플라스틱 연간 소비량 (플라스틱 대한민국 2.0 보고서, 그린피스)

그림 2. 주요 국제 협약에서의 플라스틱 논의 (대외경제정책연구원(KIEP) 세계 경제 포커스(2022.5.9.))

2. 환경 이슈 및 관련 정책

 플라스틱 폐기물은 그 자체로 자연 분해가 거의 불가능한 물질로, 환경에 장기적인 영향을 미치는 주요 오염원 중 하나이다. 플라스틱이 해양으로 유입될 경우 해양 생태계에 심각한 피해를 줄 수 있으며, 특히 미세 플라스틱 문제는 전 세계적으로 큰 우려를 낳고 있다. 한국의 경우, 해양에 유입되는 플라스틱 폐기물 양이 증가하면서 연안 지역과 해양 생물에 미치는 악영향이 더욱 두드러지고 있다. 토양으로 유입된 플라스틱은 분해되지 않고 남아 토양의 생산성을 저하시킬 뿐만 아니라, 물과 함께 자연 생태계로 확산되어 장기적으로 생물 다양성을 감소시키는 결과를 초래한다.

 전 세계적으로 플라스틱 폐기물 문제를 해결하기 위해 각국은 다양한 플라스틱 저감 정책을 도입하고 있다. 유럽연합(EU)은 2030년까지 모든 플라스틱 포장재를 재사용 가능하도록 만들겠다는 계획을 발표했으며, 이를 통해 일회용 플라스틱 사용을 획기적으로 줄이고 있다. 또한, 일회용 플라스틱에 대한 세금 부과와 재활용 의무화를 통해 플라스틱 소비 감소와 재활용 증대를 추진하고 있다. 이러한 정책은 플라스틱 폐기물로 인한 환경 피해를 줄이는 데 중요한 역할을 하고 있으며, 재활용 산업을 촉진하는 데 기여하고 있다.

 한국 또한 플라스틱 폐기물 문제를 해결하기 위한 다각적인 정책을 시행하고 있다. 2021년, 한국의 플라스틱 재활용률은 약 73%에 달하지만, 이는 소각을 포함한 에너지 회수를 재활용 범주에 포함한 결과로, 실제 재활용률은 27%에 불과하다. 한국은 ‘자원순환사회 전환 촉진법’을 통해 2025년까지 폐플라스틱 열분해 처리 비율을 3.6%까지 확대하고, 화학적 재활용 기술을 통해 플라스틱 폐기물을 에너지 자원으로 전환하려는 노력을 기울이고 있다. 또한, 플라스틱 사용량을 줄이기 위해 다양한 일회용품 규제 정책도 추진 중이다. 플라스틱 빨대, 일회용 컵, 비닐봉투 사용을 규제하고 다회용기 사용을 촉진하는 제도를 마련했다.  

 플라스틱 폐기물 문제는 기후 위기와도 밀접하게 연결된다. 플라스틱 생산부터 폐기까지의 전 과정에서 온실가스가 배출되며, 2019년 기준 전 세계 온실가스 배출량의 약 3.4%를 차지하고 있다. 또한, 플라스틱 생산량이 증가하면서 2060년에는 플라스틱 관련 온실가스 배출량이 43억 톤에 달할 것으로 예상된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 플라스틱 생산량을 줄이고, 보다 효과적인 재활용 시스템을 구축하는 것이 중요하다.

그림 3. 플라스틱 자원순환 추진 과제 (폐플라스틱 재활용산업 현황과 시사점, 플라스틱 코리아)

개발 과제의 목표 및 내용

세부 목표

◇ 재활용 공정의 효율성 극대화 및 경제적 비용 절감

다양한 feed 조건(폐플라스틱의 물리적 특성, 혼합 정도 등)을 반영하여 각 재활용 공정의 효율성을 분석하고, 이를 바탕으로 재활용률을 극대화할 수 있는 최적화 모델을 개발한다.

Pyomo 소프트웨어를 활용하여 수익과 비용 요소를 통합적으로 평가하며, 환경적 지속 가능성을 고려한 경제적 의사결정을 지원한다.

◇ 수거 및 선별 공정의 자동화 및 최적화

플라스틱 폐기물의 종류별 특성을 분석하고, 각 플라스틱 종류에 적합한 재활용 공정으로의 전환을 용이하게 한다.

◇ Pyomo 소프트웨어를 활용한 공정 최적화 및 시뮬레이션

Pyomo 기반의 수학적 모델링을 통해 다양한 feed 조건과 재활용률 제한 하에서의 공정 효율성을 정량적으로 평가한다.

플라스틱 폐기물의 처리 방식(기계적, 화학적 재활용 등)에 따른 수익과 비용 변화를 비교 분석하여 최적의 처리 조합을 제시한다.

각 공정에서 발생할 수 있는 비효율성을 식별하고, 이를 개선하기 위한 구체적 방안을 제안한다.

◇ 환경적, 경제적, 실용적 평가를 통한 종합적 분석

최적화된 재활용 공정을 환경적 지속 가능성(예: CO2 배출 감소), 경제적 이익(비용 절감 및 수익 창출), 그리고 실용성(현실 적용 가능성) 측면에서 종합적으로 평가한다.

feed 조건에 따른 재활용 공정의 성능 차이를 시각화하여, 최적 공정 조합과 네트워크 설계의 의사결정을 지원한다.

최종 목표

◇ 다양한 feed 조건과 재활용률 제한을 고려한 최적의 폐플라스틱 선별 및 재활용 네트워크 설계

플라스틱 폐기물의 종류와 재활용 공정 변수에 따른 경제성과 재활용 효율성을 종합적으로 분석하여, 수학적 모델링을 기반으로 경제적 비용을 최소화하고 환경적 이점을 극대화할 수 있는 최적화된 선별 및 재활용 공정을 제시한다. 이를 통해 현실적인 제약 조건을 반영한 재활용 네트워크를 구축하고, 실질적인 적용 가능성을 높이는 것을 목표로 한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 플라스틱 재활용 기술

1. 화학적 재활용

화학적 재활용은 폐플라스틱을 열분해, 가스화 등의 공정을 통해 화학적 원료로 전환하는 방식이다. 가장 일반적인 방법은 열분해와 가스화 공정이다. 열분해는 플라스틱을 고온에서 무산소 상태로 열처리하여 저분자 상태로 분해해 원유나 연료로 전환하는 방법이며, 가스화는 고온에서 산소를 제한하여 합성 가스를 생성하는 공정이다.

이 방식의 주요 장점은 기존 소각 방식보다 유해 물질 발생이 적고 CO₂ 배출을 줄일 수 있으며, 플라스틱을 다시 화학적 원료로 재생산할 수 있다는 점이다. 화학적 재활용은 특히 기존의 기계적 재활용으로는 처리하기 어려운 오염된 플라스틱이나 다층 플라스틱을 처리하는 데 매우 효과적이다. 또한, 열분해로부터 얻어진 오일은 석유화학 제품을 생산하는 원료로 다시 사용할 수 있다.

하지만 이는 높은 에너지 소비와 경제적 효율성 문제를 동반한다. 현재는 실험실 단계나 소규모 플랜트에서 상업적으로 운영되고 있으나, 대규모로 상용화하기 위해서는 에너지 소비와 운영 비용을 줄일 수 있는 추가적인 연구와 기술 개발이 필요하다.

2. 물질 재활용

물질 재활용은 폐플라스틱을 물리적으로 재처리하여 새로운 제품으로 만드는 방식이다. 이 과정은 주로 기계적 재활용이라고도 불리며, 플라스틱을 분쇄, 세척한 후 다시 가열해 성형하는 과정을 거친다. 물질 재활용 공정에서 가장 중요한 요소는 플라스틱의 순도와 상태이다. 오염이 심한 플라스틱이나 혼합된 플라스틱은 재활용 효율이 낮고, 재활용 후에도 품질이 떨어질 수 있다.

물질 재활용 방법은 단순하면서도 재활용 공정 비용이 비교적 낮다는 장점이 있다. 그러나, 물질 재활용은 다층 필름이나 복합재와 같은 복잡한 구조의 플라스틱에는 적용하기 어렵고, 물리적 성질이 반복되는 재활용 공정에서 열화될 수 있어 한정적인 용도로 사용된다. 예를 들어, PET병은 물질 재활용을 통해 다시 PET병으로 재생산될 수 있지만, PP나 HDPE와 같은 다른 재질의 경우는 낮은 품질로 재활용되거나 다른 용도로 사용된다.

3. 에너지 재활용

에너지 재활용은 폐플라스틱을 소각하여 열에너지를 회수하는 방식이다. SRF(고형 연료)와 같은 고체 폐기물은 연료로 사용되며, 플라스틱 소각에서 발생하는 열은 전기나 난방 에너지로 전환된다. 이 방식은 재활용이 어려운 플라스틱을 처리할 수 있는 대안으로, 쓰레기 소각장에서 자주 사용된다.

에너지 재활용의 장점은 폐플라스틱을 완전히 제거하면서 동시에 에너지를 회수할 수 있다는 점이다. 하지만 이 방식은 CO₂ 배출 및 다이옥신과 같은 유해물질을 발생시킬 수 있다는 단점이 있다. 유럽에서는 에너지 재활용을 재활용 비율에 포함하지 않는 반면, 한국은 이를 재활용 범주에 포함하고 있다. 

에너지 재활용은 재활용률 자체를 크게 높이지는 않지만 처리할 수 없는 폐기물에 대한 최후의 수단으로 사용된다.

그림 5. 폐플라스틱의 에너지화 방안 (플라스틱의 시대, 라호원 한국에너지기술연구원)

◇ 재활용 공정 및 사용 기업 현황

한국의 폐플라스틱 재활용 산업은 대기업과 중소기업들이 협력하여 중요한 역할을 수행하고 있다. 특히 LG화학, 롯데케미칼, GS칼텍스, SK지오센트릭 등 대기업들은 폐플라스틱을 고부가가치 화학적 원료로 전환하기 위한 열분해 공정을 적극 도입하고 있다. 예를 들어, LG화학은 충남 당진에 연산 2만 톤 규모의 열분해 공장을 2024년까지 가동할 예정이며, 롯데케미칼은 울산에서 연산 11만 톤 규모의 재활용 설비를 구축 중이다. SK지오센트릭은 2026년까지 울산에 폐플라스틱 재활용 종합단지를 완성하여 연간 32만 톤의 폐플라스틱을 처리할 계획이다.

그림 6. 대기업의 폐플라스틱 재활용사업 진출 현황 (폐플라스틱 재활용산업 현황과 시사점, 플라스틱 코리아)

이와 같은 대기업들의 적극적인 기술 도입은 전 세계적인 환경 규제와 정책 변화에 대응하기 위한 전략이다. 유럽연합은 PET 재질 음료병에 재생 PET 사용 비율을 2025년까지 25%, 2030년까지 30% 이상 의무화하였고, 포장재 플라스틱 폐기물에도 세금을 부과하기 시작했다. 이에 대응해 한국의 대기업들도 폐플라스틱 재활용을 가속화하며, 고부가가치 재생 원료를 만드는 데 주력하고 있다. 이러한 화학적 재활용은 기존 물리적 재활용의 한계를 보완하고, 재생된 원료를 다양한 산업 분야에 공급하는 것이 목표이다.

- 사례 : LG화학과 SK지오센트릭을 포함한 대기업들은 화학적 재활용 공정을 통해 폐플라스틱을 다시 원료로 변환하여 고부가가치 제품으로 재탄생시키는 기술을 도입 중이다. 이는 단순히 플라스틱을 물질 재활용하는 것에서 더 나아가, 화학적 분해를 통해 고순도 원료로 전환하는 것이 가능하다. LG화학은 열분해 공정을 통해 기존의 소각 방식에 비해 환경적으로 더 나은 기술을 사용하며, SK지오센트릭은 대규모 재활용 단지를 설립해 폐기물을 대량 처리할 수 있는 시스템을 구축 중이다. 이를 통해 대기업들은 고부가가치 재활용 제품을 만들어내는 데 힘쓰고 있다.

- 보완점 : 이러한 기술 도입에는 여전히 경제적 과제와 기술적 한계가 존재한다. 화학적 재활용 공정은 고비용의 대규모 설비 투자가 필요하며, 경제성이 충분히 확보되지 않은 상황이다. 예를 들어, LG화학의 열분해 공정은 높은 운영 비용과 대규모 설비 투자가 요구되어 중소기업들이 이 기술을 도입하는 데 한계가 있다. 또한 SK지오센트릭의 열분해 공정 역시 수율이 낮아 경제성이 떨어지는 문제가 있으며, 이는 상용화 과정에서 지속적인 기술 개선이 필요하다. 
 
폐플라스틱을 수거하는 체계에 대한 구축 역시 필요하다. 플라스틱의 특성상 부피가 커 폐플라스틱이 발생하면 장거리 이동의 경우 높은 물류비용이 수반되어 경제성이 떨어지므로 지역에서 수거된 폐플라스틱이 지역 내에서 재활용되는 것이 합리적이다. 따라서 원활한 수거 체계 구축을 위한 시스템 연구 및 수거 기술, 수거 관리 연구가 필수적이다. 

더불어 기술적 한계 또한 해결되어야 할 부분이다. 현재 화학적 재활용 기술은 상용화 사례가 거의 없을 정도로 연구가 미진한 분야이고, 화학적 재활용으로도 폐플라스틱을 100% 재활용하는 것이 불가능하며, 일부 공정에서 CO2 배출이 발생하는 등 환경적 부담이 완전히 해소되지 않은 상태이다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 대규모 자본을 가진 대기업들의 역할이 중요하며, 중소기업들과의 협력 및 정부 차원의 지원이 뒷받침되어야 한다. 

분리 및 선별 기술의 연구 또한 필수적이다. 현재 비중 선별, 정전 선별, 레이저 선별 등 다양한 기술이 사용되지만, 완벽하게 플라스틱을 재질별로 선별하는 것은 여전히 어렵다. 혼합 폐플라스틱이 적절히 선별되지 않으면 저부가가치 제품으로 재활용되거나 환경 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 재질별 분리선별 기술에 대한 지속적인 연구가 필요하다. 한국의 폐플라스틱 선별 기술은 최근 몇 년간 급격히 발전하고 있지만, 플라스틱의 생산부터 소비, 재활용에 대한 관리 체계가 미비해 문제 해결에 어려움이 있다. 다양한 기술이 도입되고 있으나, 효과적인 분석 및 재활용 정책 수립을 위해서는 지속적인 연구와 개발이 중요하다.

또한 플라스틱 제품의 생산 단계에서부터 재활용이 원활하도록 단일 소재를 사용하는 기술도 개발되어야 할 것이다. 생산자의 입장에서는 원가절감이 중요한 경쟁력이지만 결국 재활용이 되지 않는 제품은 시장에서 도태되고 소비자로부터 외면받아 제품의 지속가능성이 떨어질 것이다. 따라서 어떤 제품을 제작할 때 가능한 단일 소재, 재질을 사용하여 제품을 만들고, 그것이 불가능하여 복합 재질로 제품을 만들어야만 할 때에도 폐기 후 분리배출이 쉽도록 고려하도록 생산자들이 노력해야 한다.

폐플라스틱 재활용의 경제성과 기술적 한계를 극복하는 것은 상용화를 위한 중요한 과제이다. 특히 공정 최적화를 통해 효율성과 경제성을 개선하는 것이 필수적이며, 이를 통해 보다 지속 가능한 재활용 체계를 구축할 수 있다. 대기업과 중소기업 간의 협력은 이러한 최적화를 통해 비용을 절감하고 기술적 제약을 극복하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있을 것이다.

• 특허조사

◇ 재활용 플라스틱 선별 방법(KR100948490B1) / 출원인 : 서흥인테크(주), 수원대학교 산학협력단

본 특허에서는 여러 선별 기술을 적용하여 혼합된 플라스틱을 세밀하게 선별하는 과정에 대한 특허이다. 특허에서 제공하는 선별방법은 다음과 같다.

1) 생활용 쓰레기를 선별하고 선별된 혼합 플라스틱류(PE, PP, PS, PET, 비닐, PVC 등) 중에서 재활용 가능한 플라스틱류(PE, PP, PS, PET 등)으로 분류

2) 이를 다시 플라스틱 종류별로 선별하기 위해 수선별 및 철 금속 분리

3) 근적외선 센서에 의한 플라스틱류의 PE, PP, PS, PET를 종류별로 선별한다.

4) 경량 플라스틱을 분류하기 위한 풍력선별 및 경량 플라스틱 파쇄

5) 파쇄된 경량 플라스틱류를 수조에서 비중 차를 이용하여 PE, PP 및 일부 PS, PET, PVC로 선별

6) 분리된 혼합 플라스틱 탈수 및 건조, 정전선별기를 이용하여 PE, PP, PS, PET, PVC로 선별

그림 . 위 특허에서 사용된 공정도

비중 선별, 정전기 선별, 근적외선 선별 등 여러 가지 선별 방법을 사용하여 하나의 선별 방법을 적용한 공정보다 미처 선별되지 못한 소량의 플라스틱을 더 효과적으로 선별하여 재활용을 더욱 용이하게 하므로 환경 유지에 큰 도움을 준다는 장점을 가진다. 하지만 여러 선별 기술을 활용하기 때문에 공정이 복잡해지고 설치하는 가격이 크다는 단점이 있다.

◇ 재활용 쓰레기의 플라스틱 재질별 선별 방법 및 장치(KR102038807B1) / 출원인 : ㈜크린자원산업

본 발명은 파봉된 쓰레기로부터 플라스틱을 재질별로 선별하는 방법에 관한 것이다.

1) 쓰레기 봉투를 파봉하고 제1회전분리기로 파봉된 쓰레기에서 플라스틱류를 선별

2) 플라스틱류를 제2회전분리기를 이용하여 소형, 중형, 대형으로 구분하여 선별

3) 소형 플라스틱류에서 제1광학선별기를 이용하여 PS를 선별

4) 중형 플라스틱류에서 제2광학선별기를 이용하여 PET를 선별

5) 제3광학선별기를 이용하여 PE를 선별

6) 제4광학선별기를 이용하여 PP를 선별

7) 대형 플라스틱류에서 PP를 구분하여 선별, PP 선별 과정의 잔재를 모아 제5광학선별기에서 PP 선별

8) 잔재를 모아 제2광학선별기를 이용하여 PET를 선별

그림 . 위 특허에서 제시하는 플라스틱 재질별 선별 방법의 과정도

본 발명의 기대 효과로, 회전분리기를 이용한 크기별 플라스틱 분류 및 각각의 선별라인에서 재질선별방법을 다르게 함으로써 대단위의 플라스틱 재질별 선별이 가능해진다. 또한 미선별되어 잔재된 쓰레기를 선별라인으로 순환시키는 방법이 플라스틱의 크기에 따라 설정되어 선별 정밀도와 선별효율이 극대화되고, 형상선별이나 풍력선별 등의 생략이 가능하여 설비 비용이나 설치 장소의 절감이 가능하여 경제적인 이점이 있다.

◇ 폐플라스틱 재활용 시스템(KR102563035B1) / 출원인 : 윤영식, 주식회사 인피니티환경

본 발명은 폐플라스틱 재활용 시스템에 관한 것으로 시스템의 구성은 다음과 같다.

1) 폐플라스틱을 열분해하여 열분해 가스가 생성되는 열분해 반응부

2) 가스를 공급받아 가스에 포함된 왁스 성분을 제거하여 정제 열분해 가스를 생성하는 촉매부

3) 정제 열분해 가스를 공급받아 응축시켜 응축 열분해 가스를 생성하는 응축부

4) 응축 열분해 가스를 공급받아 냉각시켜 열분해유가 분리되는 냉각부

5) 열분해유를 공급받아 정제하여 열분해유로부터 정제 열분해유가 분리되는 정제부

6) 응축부의 폐수 및 냉각부의 폐수 중 적어도 하나를 처리하는 제1처리부

7) 냉각부와 연결되고, 응축 열분해 가스 중 열분해유가 분리되고 남은 냉각 열분해 가스를 처리하는 제2처리부

그림 31. 위 특허에 폐플라스틱 재활용 시스템의 블록도 및 공정도

위 발명은 회분식 공정의 단점인 낮은 효율 및 생산성, 품질을 보완하고 연속식 공정의 높은 효율과 생산성을 구현하며 폐플라스틱으로부터 우수한 품질의 정제 열분해유를 수득하고자 하는 시스템을 제공하는 것이 목적으로 하였다.

• 특허 전략 분석

현재까지 한국에서 사용되고 있는 플라스틱 선별 공정 현황을 살펴보면 비중 선별, 정전기 선별, 근적외선 선별 등 효과적인 기술들이 적용되어 있다. 하지만 최근까지도 공정에 적용되고 있는 기술이나 여러 튺허들을 살펴봐도 완벽하게 플라스틱을 성분별로 분리하지 못하고, 수작업으로 선별하는 과정이 필수적이라는 한계점이 있다. 수작업으로 선별하는 과정이 공정에 들어간다면 작업자의 역량에 따라 선별 시간에 차이가 발생하고 효율적이지도 못하므로 이를 고려한 선별 모델을 제시하고자 한다. 또한 재활용 공정에서 발생할 수 있는 환경적인 문제나 한국의 쓰레기 집하장 위치나 부지 설치 비용 등 지역 자료를 고려하여 경제적 측면에서도 가장 최적화된 플라스틱 선별 및 재활용 공정을 설치 및 지속적 유지가 가능한 공급망을 제시하는 것이 최종 목표이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

본 연구에서 수행한 feed 조건 다양화와 재활용률 조정을 통한 최적화 모델 개발은 기존 플라스틱 선별 및 재활용 기술의 한계를 극복하며, 재활용 공정의 효율성과 실현 가능성을 높이는 데 기여한다. 다양한 feed 조건(플라스틱 성분, 혼합 비율 등)과 재활용률 제한에 따른 최적화를 통해 공정 민감도를 분석하며, 실제 산업 현장에서 발생하는 문제를 해결할 기술적 근거를 제시한다. 예를 들어, 낮은 재활용률이 요구되는 상황과 높은 재활용률을 목표로 하는 상황에서 각각의 최적 공정을 비교 분석해 범용적인 최적화 모델을 설계할 수 있다.

재활용률 제한을 도입하여 기존 모델이 이론적 최적화에 치우친 한계를 보완하였다. 재활용률이 제한된 상황에서도 효율적인 공정을 구현할 수 있도록 Pyomo 시뮬레이터를 활용해 공정을 세밀히 분석하고 개선 방안을 도출하였다. 이러한 연구는 재활용률 제한과 feed 조건 변화가 공정 효율성, 경제성, 환경적 지속 가능성에 미치는 영향을 종합적으로 파악할 수 있는 자료를 제공하며, 재활용 기술 전반의 발전을 지원한다.

본 연구의 결과물은 플라스틱 선별 및 재활용 공정의 데이터 기반 설계와 공정 관리 시스템 개선에 중요한 기술적 기준으로 활용될 수 있다. 특히, feed 조건과 재활용률 변화에 따른 공정 효율성 데이터를 축적함으로써 AI 기반 공정 자동화와 같은 기술적 혁신에도 기여할 것이다. 기존의 단순 선별 기술에서 벗어나 지능형 시스템으로의 전환을 가속화할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

feed 조건과 재활용률 제한을 기반으로 한 최적화 공정은 기업의 비용 절감과 수익 증대를 동시에 가능하게 한다. 낮은 품질의 feed 조건에서 발생하는 공정 비효율성을 사전에 분석하고 이를 최소화할 최적 조건을 제시함으로써 자원의 효율적 사용을 도모한다. 다양한 재활용률 시뮬레이션 결과를 바탕으로 기업은 시장 환경과 생산 목표에 맞춘 공정을 설계할 수 있으며, 이는 산업 전반의 경쟁력 강화를 돕는다.

경제적 측면에서 최적화된 공정은 처리 비용과 선별 공정 손실을 줄이는 데 효과적이다. feed 조건별 수익성과 비용 구조를 세밀히 분석하여 재활용 원료의 가격 경쟁력을 높이고 이를 활용한 고부가가치 제품 생산을 지원한다. 이러한 데이터 기반 접근은 기업의 재활용 공정 수익 극대화를 위한 전략적 도구로 작용할 것이다.

사회적 측면에서는 플라스틱 재활용 공정 최적화가 고급 기술 인력의 수요를 증가시키고 관련 분야의 일자리 창출에 기여할 수 있다. 특히, 다양한 feed 조건과 재활용률 제한에 따른 공정 분석 및 개선 과정은 기술 중심의 일자리 창출로 이어질 것이다. 이로 인해 재활용 산업은 단순 노동 중심에서 벗어나 고부가가치 기술 산업으로 전환될 것이다.

환경적 지속 가능성 측면에서 본 연구는 플라스틱 매립량과 소각으로 인한 유해 물질 배출 감소에 기여한다. 높은 재활용률을 달성할 수 있는 공정을 설계함으로써 CO2 배출량과 미세 플라스틱 오염 문제를 효과적으로 완화한다. 이는 환경 오염 문제 해결과 자원 순환성 강화를 동시에 실현할 수 있는 길을 제시한다.

글로벌 관점에서 본 연구는 한국의 재활용 기술력을 국제적으로 인정받을 기회를 제공한다. 다양한 feed 조건과 재활용률 제한을 고려한 데이터 기반 최적화 모델은 글로벌 재활용 산업에서도 적용 가능한 기준을 제공하며, 이를 통해 한국이 국제 재활용 산업의 선도적 위치를 확보할 발판을 마련할 것이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

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구성원 및 추진체계

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설계

설계사양

제품의 요구사항

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설계 사양

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개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

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상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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