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2019년 12월 17일 (화) 05:23 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 무촉매 탈염 공정을 이용한 폐플라스틱의 효율적 열분해 및 연료화

영문 : Efficient Pyrolysis and Fuelization of Waste Plastic Using Non-Catalytic Dechlorination Process

과제 팀명

일석이조

지도교수

김주식 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 서**

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

최근 중국의 폐기물 수입 중단 사건으로 수도권 지역의 폐플라스틱 재활용 수거 거부 사태가 발생함에 따라 폐플라스틱 처리에 관한 관심이 더욱 높아지게 되었다. 기존의 소각 또는 매립을 이용한 폐플라스틱의 처리 시 환경오염 등의 문제가 발생하는 가운데, 폐플라스틱의 열분해 공정 기술이 대체방안으로 대두되고 있다. 그러나 이 공정은 열원 공급원 필요하고 촉매를 사용할 때는 촉매의 혼합비 변경이 번거로우며 열전달 효율 부족하다는 문제점이 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 폐플라스틱 열분해 공정 및 전 후처리 과정을 개선하고자 하였다. 열분해 공정 과정과 열분해 오일 연소 과정에서 장비의 부식을 방지하고 열분해 오일의 연료품질 기준을 달성하기 위해 HCl을 제거하는 전처리 과정과 비응축가스의 효율적인 처리 및 활용 과정을 추가하였다. 이러한 열분해 공정을 통해 환경오염 문제 해결, 화석연료 대체에너지 생산, 매립 소각 처리비용의 절약 등의 환경친화적이고 경제적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

개발 과제의 배경 및 효과

1. 개발 과제의 배경

1.1 열분해 공정의 필요성

최근 중국의 폐기물 수입 중단 사건으로 수도권 지역의 폐플라스틱 재활용 수거 거부 사태가 발생함에 따라 폐플라스틱 처리에 관한 관심이 더욱 높아지게 되었다. 따라서 지구온난화, 환경오염 등의 문제를 일으키는 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 에너지원으로서 열분해 오일이 많은 주목을 받고 있다. 열분해 오일은 플라스틱과 같은 가연성 폐기물을 활용하여 생산된다. 기존 폐플라스틱의 처리는 소각 또는 매립에 의존하고 있었으나 매립지 부족 및 소각에 의한 유해가스 발생 등의 2차 환경오염에 의해 문제가 되고 있으며, 환경문제 및 폐기물 처리비용의 증가, 매립지의 한계 등으로 인해 안전하고 재자원화할 수 있는 폐플라스틱의 열분해 공정 기술에 관심이 높아지고 있다. 그리고 열분해 생성물 중 가스를 냉각하여 제조되는 재생유는 경유의 대체연료로 사용할 수 있고, 저장 및 이동 등이 가능하므로 그 활용가치 및 효율이 높다. 또한, 폐플라스틱의 열분해 유화기술을 통한 고분자 폐기물을 대체에너지로 활용할 수 있으므로 에너지 수입의 대체효과를 극대화할 수 있고, 폐플라스틱을 효율적으로 이용할 수 있으며 환경오염문제를 해결하는 데 유용하다.

1.2 열분해 공정의 장점

열분해의 대상폐기물은 탄소와 수소를 가진 유기물이기 때문에, 대부분의 가연성 폐기물이 이에 해당한다. 그중 열분해 기술의 적용에 적합한 원료는 폐플라스틱 및 바이오매스, 폐지, 슬러지 등이 있는데 부산물 발생 및 에너지 전환율 등을 고려한다면 폐플라스틱이 경제적·기술적 우위를 차지한다. 또한, 연소공정과 비교하였을 때 최대의 장점은 무산소 혹은 저산소 분위기에서 물질을 분해하므로 공기의 공급 및 배출이 적고, 환원성 분위기이기 때문에 산화물의 형태인 대기오염물질의 발생량이 적다. 열분해 공정 중 발생하는 배기가스의 양이 적고, 황분, 중금속분이 회분 중에 고정되는 비율이 높으며 SOx, NOx, HCl, 중금속 등을 포함하는 유해가스 발생량이 적다. 환원성 분위기를 유지할 수 있어서 Cr⁺³가 Cr⁺⁶로 변화하지 않으며, 보조 연료가 필요하지 않다.

1.3 기존 열분해 공정의 문제점 및 개선 방향

기존 열분해 공정의 문제점은 연소의 경우 자체 산화열이 발생하여 고온으로 유지해주지만, 열분해에서는 외부에서 열원을 공급해야 한다는 것이다. 이러한 열원의 공급원으로서 생성된 가스나 기름을 이용하지만, 보조 연료를 사용하지 않기 위해서는 세심한 설계가 필요하다. 분해 오일화 공정 및 탈염 공정 시 촉매를 이용하는 방법은 폐플라스틱 혼합 비율에 따라 촉매의 혼합 비율까지 일일이 변경해야 한다는 단점을 가진다. 이러한 번거로움을 해결하기 위해 원천 탈염 기술을 접목하여 촉매반응 없이 가열에 의한 탈염 반응을 진행하도록 한다. 또한, 폐플라스틱 열분해 공정에서는 폐플라스틱 특성상 반응조 내의 열전달이 균일하게 이루어지지 않는다는 한계를 가진다. 따라서 반응조 내에 쌍축 스크류를 도입하여 반응조 전체에 열이 골고루 전달되도록 하고, 폐플라스틱의 교반 효율 및 탈염 효율을 높일 수 있도록 한다.

2. 개발 과제의 효과

2.1 환경오염 문제 해결

최근 가속화되고 있는 지구온난화 문제와 환경오염 문제의 심각성이 강조되고 있는 가운데, 폐플라스틱의 열분해는 무산소 조건에서의 환원 처리를 이용하여 대기오염물질 발생농도를 감소시킬 수 있다는 점에서 폐기물을 활용한 지속 가능한 공정이라 할 수 있다. 폐플라스틱의 열분해 시설이 보편화될 경우, 이러한 문제점을 해결하여 대기오염물질의 배출량 감소, 다이옥신과 같은 2차 오염물질의 발생 최소화, 환경오염 유발 최소화 등의 효과가 나타날 것으로 예상된다.

2.2 화석연료 대체에너지 생산

혼합 폐플라스틱 열분해유에는 파라핀, 올레핀, 방향족 화합물, 산 성분 등이 함유되어 있어 보일러 등유 및 자동차 경유의 대체재로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 이러한 생성물들은 석유계 화합물의 대체제로써 활용될 수 있으므로, 원유 가격 상승에 대비한 화석연료 대체, 석유 고갈 문제 대처, 안전하고 친환경적인 재생에너지 생산 등의 효과를 기대할 수 있다.

2.3 플라스틱 폐기물 열분해로 인한 경제적 효과

생활폐기물로 배출되는 플라스틱 폐기물은 수지의 종류가 다양하고 혼합 비율도 제각각 다르다는 특징이 있어 재생 제품 제조 및 선별처리에 한계가 있다. 혼합된 플라스틱 폐기물의 선별공정이 크게 요구되지 않는 열분해 공정을 이용하여 매립 및 소각의 의존도를 낮추고 폐플라스틱의 재활용을 활성화할 수 있을 것으로 판단된다. 이로 인해 국내 매립지 필요부지면적의 감소, 폐기물 소각 처리비용 절약, 국토 활용 다양화 등의 긍정적 효과를 얻을 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적 및 사회적 파급효과

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

내용

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

내용

향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용

소프트웨어 프로그램 소스

내용

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 ====개발 과제의 배경 및 효과====
-내용
+. 개발 과제의 배경
+.1 열분해 공정의 필요성
+최근 중국의 폐기물 수입 중단 사건으로 수도권 지역의 폐플라스틱 재활용 수거 거부 사태가 발생함에 따라 폐플라스틱 처리에 관한 관심이 더욱 높아지게 되었다. 따라서 지구온난화, 환경오염 등의 문제를 일으키는 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 에너지원으로서 열분해 오일이 많은 주목을 받고 있다. 열분해 오일은 플라스틱과 같은 가연성 폐기물을 활용하여 생산된다.
+기존 폐플라스틱의 처리는 소각 또는 매립에 의존하고 있었으나 매립지 부족 및 소각에 의한 유해가스 발생 등의 2차 환경오염에 의해 문제가 되고 있으며, 환경문제 및 폐기물 처리비용의 증가, 매립지의 한계 등으로 인해 안전하고 재자원화할 수 있는 폐플라스틱의 열분해 공정 기술에 관심이 높아지고 있다. 그리고 열분해 생성물 중 가스를 냉각하여 제조되는 재생유는 경유의 대체연료로 사용할 수 있고, 저장 및 이동 등이 가능하므로 그 활용가치 및 효율이 높다. 또한, 폐플라스틱의 열분해 유화기술을 통한 고분자 폐기물을 대체에너지로 활용할 수 있으므로 에너지 수입의 대체효과를 극대화할 수 있고, 폐플라스틱을 효율적으로 이용할 수 있으며 환경오염문제를 해결하는 데 유용하다.
+.2 열분해 공정의 장점
+열분해의 대상폐기물은 탄소와 수소를 가진 유기물이기 때문에, 대부분의 가연성 폐기물이 이에 해당한다. 그중 열분해 기술의 적용에 적합한 원료는 폐플라스틱 및 바이오매스, 폐지, 슬러지 등이 있는데 부산물 발생 및 에너지 전환율 등을 고려한다면 폐플라스틱이 경제적·기술적 우위를 차지한다.
+또한, 연소공정과 비교하였을 때 최대의 장점은 무산소 혹은 저산소 분위기에서 물질을 분해하므로 공기의 공급 및 배출이 적고, 환원성 분위기이기 때문에 산화물의 형태인 대기오염물질의 발생량이 적다. 열분해 공정 중 발생하는 배기가스의 양이 적고, 황분, 중금속분이 회분 중에 고정되는 비율이 높으며 SOx, NOx, HCl, 중금속 등을 포함하는 유해가스 발생량이 적다. 환원성 분위기를 유지할 수 있어서 Cr⁺³가 Cr⁺⁶로 변화하지 않으며, 보조 연료가 필요하지 않다.
+.3 기존 열분해 공정의 문제점 및 개선 방향
+기존 열분해 공정의 문제점은 연소의 경우 자체 산화열이 발생하여 고온으로 유지해주지만, 열분해에서는 외부에서 열원을 공급해야 한다는 것이다. 이러한 열원의 공급원으로서 생성된 가스나 기름을 이용하지만, 보조 연료를 사용하지 않기 위해서는 세심한 설계가 필요하다.
+분해 오일화 공정 및 탈염 공정 시 촉매를 이용하는 방법은 폐플라스틱 혼합 비율에 따라 촉매의 혼합 비율까지 일일이 변경해야 한다는 단점을 가진다. 이러한 번거로움을 해결하기 위해 원천 탈염 기술을 접목하여 촉매반응 없이 가열에 의한 탈염 반응을 진행하도록 한다.
+또한, 폐플라스틱 열분해 공정에서는 폐플라스틱 특성상 반응조 내의 열전달이 균일하게 이루어지지 않는다는 한계를 가진다. 따라서 반응조 내에 쌍축 스크류를 도입하여 반응조 전체에 열이 골고루 전달되도록 하고, 폐플라스틱의 교반 효율 및 탈염 효율을 높일 수 있도록 한다.
+. 개발 과제의 효과
+.1 환경오염 문제 해결
+최근 가속화되고 있는 지구온난화 문제와 환경오염 문제의 심각성이 강조되고 있는 가운데, 폐플라스틱의 열분해는 무산소 조건에서의 환원 처리를 이용하여 대기오염물질 발생농도를 감소시킬 수 있다는 점에서 폐기물을 활용한 지속 가능한 공정이라 할 수 있다. 폐플라스틱의 열분해 시설이 보편화될 경우, 이러한 문제점을 해결하여 대기오염물질의 배출량 감소, 다이옥신과 같은 2차 오염물질의 발생 최소화, 환경오염 유발 최소화 등의 효과가 나타날 것으로 예상된다.
+.2 화석연료 대체에너지 생산
+혼합 폐플라스틱 열분해유에는 파라핀, 올레핀, 방향족 화합물, 산 성분 등이 함유되어 있어 보일러 등유 및 자동차 경유의 대체재로 활용이 가능할 것으로 판단된다. 이러한 생성물들은 석유계 화합물의 대체제로써 활용될 수 있으므로, 원유 가격 상승에 대비한 화석연료 대체, 석유 고갈 문제 대처, 안전하고 친환경적인 재생에너지 생산 등의 효과를 기대할 수 있다.
+.3 플라스틱 폐기물 열분해로 인한 경제적 효과
+생활폐기물로 배출되는 플라스틱 폐기물은 수지의 종류가 다양하고 혼합 비율도 제각각 다르다는 특징이 있어 재생 제품 제조 및 선별처리에 한계가 있다. 혼합된 플라스틱 폐기물의 선별공정이 크게 요구되지 않는 열분해 공정을 이용하여 매립 및 소각의 의존도를 낮추고 폐플라스틱의 재활용을 활성화할 수 있을 것으로 판단된다. 이로 인해 국내 매립지 필요부지면적의 감소, 폐기물 소각 처리비용 절약, 국토 활용 다양화 등의 긍정적 효과를 얻을 수 있을 것이다.
 ====개발 과제의 목표와 내용====
 내용