"일석이조"의 두 판 사이의 차이

2019년 12월 17일 (화) 05:47 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

1. 개발 과제의 목표

개발 과제의 목표는 ‘무촉매 탈염 공정을 이용한 폐플라스틱의 효율적 열분해 및 연료화’이다. 폐플라스틱의 매립과 소각이 가진 한계를 해결할 수 있는 폐플라스틱 열분해 공정을 통해서 혼합 폐플라스틱의 열분해 유화특성을 분석하고 원천 탈염 기술 및 쌍축 스크류 반응조를 이용해 폐플라스틱을 환경적으로 안전하게 처리하고 재자원화할 수 있도록 하는 것이다.

2. 개발과제의 내용

2.1. 이론적 배경 2.1.1 열분해 공정이란?

열분해 공정은 가연성 폐기물을 처리하여 에너지를 회수하는 기술 중 하나이다. 열분해는 유기물을 무산소 또는 저산소 분위기 중에서 고온(500~1000℃)으로 가열하여, 수소, 메탄 등의 탄화수소, 일산화탄소 등으로 되는 가연성 가스와 상온에서는 액상인 초산, 아세톤, 메탄올과 같은 유기화합물을 함유하는 타르 또는 유분 및 탄소와 유리, 금속, 토사를 함유하는 Char의 3성분으로 분해하는 공정이다. 해당 공정에 의해 탄소 사슬이 긴 고분자화합물의 경우 산소가 없는 상태에서 분해되어 저분자화 된다. 저분자 생성물은 탄소 사슬의 길이, 즉 분자량에 따라 액상 또는 가스상으로 존재하게 된다. 이러한 생성물은 석유계 화합물과 거의 같은 성상을 유지하기 때문에, 연료나 원료로 사용할 수 있는 특징을 갖는다. 열분해 생성물의 수율의 경우 원료의 화학구조 및 온도에 따른 열분해 속도에 의해 달라질 수 있는데, 열분해 과정 후 생성물에 산소를 공급하여 연소시키면 최종적으로 H2O와 CO2로 전환되면서 발열하므로 열에너지를 회수할 수 있다. 열분해 공정은 소각에서 문제가 되는 폐가스 및 폐수처리 등의 2차 공해처리 및 매립 처분량의 감소대책의 하나로 개발되고 있다.

2.1.2 폐플라스틱의 열분해 공정

현재 폐플라스틱의 처리는 매립과 소각에 의존하고 있다. 하지만 매립의 경우 매립지가 부족하다는 문제점이 있고 소각의 경우에는 유해가스가 발생하여 대기오염을 발생시킨다는 문제점이 있다. 따라서 최근에는 플라스틱과 같은 가연성 폐기물을 열분해를 통해 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 에너지원으로서 만들려는 움직임이 있다. 열분해 공정 시에 에너지 전환율이나 부산물의 발생 등을 고려한다면 가연성 폐기물 중에서도 폐플라스틱이 경제적으로나, 기술적으로나 경쟁력이 있다. 2.2. 공정 과정

폐플라스틱 열분해 과정에서 시료 교반 효율을 높이고 균일한 열전달을 위해 쌍축스크류 방식의 반응조를 고안하였다. 또한, 폐플라스틱 열분해 전처리 과정으로는 염소 함량의 경우 열분해 오일 연소시 HCl을 제거하는 과정이 있어야 하고, 후처리 과정으로는 비응축가스의 악취를 저감하는 과정이 있어야 한다.

2.2.1. HCl 가스 발생량 제어

폐플라스틱 내 PVC 및 음식물류 폐기물의 혼입으로 열분해 오일에 염소 함량이 나타난다. PVC가 혼합되면 다량의 Cl 화합물이 비응축성 가스와 열분해 오일에 섞여 배출되기 때문이다. Cl 화합물이 HCl과 같은 무기 Cl로 존재하는 경우 알칼리 용액 등을 사용하여 제거하는 것이 용이하나 생성물의 탄소 사슬에 결합된 소위 유기 Cl인 경우 통상적인 알칼리 용액을 사용한 방법은 효과적이지 못하며 열분해 반응 용기 전단에 탈염 장치를 설치하여야 한다. 품질기준 달성과 더불어 열분해 오일 연소 시 HCl 가스 발생으로 인한 장비 부식을 방지하기 위해 염소의 전처리 과정이 필요하므로, 원천 탈염 기술을 열분해 전처리 공정으로 실행할 것이다. 원천 탈염 방식은 가열로 염소를 분리하는 방식으로, PVC 혼입량이 최종 생성물 중 염산의 농도에 큰 영향을 주지 않는다. 이 방식은 별도의 추가 공정이 필요하여 설치비용이 추가되는 단점이 있으나, 염산을 대부분 회수할 수 있고 염화칼슘과 같은 중화물이 남지 않으며 재배출의 위험이 적다. 따라서 가열에 의한 원천 탈염 기술이 현장 적용성에서 더 우수하다. 따라서 본 과제의 염소성분 제거기술로 원천 탈염 기술을 채택하였다.

2.2.2 쌍축 스크류형 반응조

열분해 반응조의 종류에는 로터리킬른 방식(열전달이 비효율적이며 반응기 내 온도분포가 균일하지 않음), CSTR 방식(열전달이 비효율적이며 반응기 내 온도분포가 균일하지 않음), 유동층형(집진장치의 설치가 필요), 스크류형 등이 있다. 스크류형은 폐플라스틱 체류 시간 조절이 용이하고, 코크의 제거가 용이하며, 열전달 효율이 높고 온도분포가 균일하며, 생성물 품질이 우수하다는 장점이 있다.

쌍축 스크류형 반응조는 반응조 내에 스크류를 2축으로 배치해서 열전달 효율 및 교반 효율을 더욱 높일 수 있다.

2.2.3 비응축가스의 재활용

재생유의 탄소수는 등유와 경유의 중간 조성과 유사하며, 따라서 혼합 폐플라스틱의 열분해처리를 통해 생성된 재생유는 대체연료로 활용하는 것이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 폐플라스틱 가열 시 발생하는 비응축가스는 악취가 나고 여러 오염물질이 포함되어 있어 후처리가 필요하다. 열분해로 발생하는 비응축가스 중 악취를 유발하는 주요 성분은 황화수소와 메틸 메르캅탄으로, 배출허용기준을 초과하는 수치를 보였다. 따라서 비응축가스의 악취 문제의 해결을 위해 악취 저감 설비의 설치가 추가로 필요하다고 판단하였다. 그러나 반응조의 가열 시 LPG 가스를 사용하는데, 이때 어느 정도 처리가 진행된 경우 LPG 가스를 비응축가스로 대체하여 가열에 사용할 수 있다. 비응축가스를 연료로 재활용할 시 연료비가 절감되며 추가적인 악취 제거 등 후처리 공정이 필요하지 않다는 장점이 있다.

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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 -이 발명은 폐플라스틱 재생연료유를 상온에서 원심분리하여 고형물질을 1차적으로 제거 후, 이차적으로 상등액을 촉매가 충전된 반응기에서 고분자는 열분해하고 휘발성이 높은 물질은 가스화하는 기술이다. 촉매는 입상의 알루미나-실리카, 입상 활성탄, 입상 제올라이트 중에서 하나 이상 선택하여 수행한다.
 . 폐플라스틱 열분해 방법 및 열분해 장치
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 -이 발명은 플라스틱 열분해 방법 및 장치를 공업화하며 운영하면서 장치의 대형화 시에 장치의 효율성, 품질 향상을 위한 특허이다. 개폐장치를 경판구조로 하여 내압성을 강화하고 열분해조에 TIC (Temperature Indicating Controller) SENSOR를 버너와 연결하여 각 플라스틱 온도를 조절하여 연소시킨다. 열분해조를 냉각시키기 위해 열분해조 상부에서 SPRAY NOZZLE을 설치하였다.
 . 폐플라스틱 열분해 유화장치 및 유화방법
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 -이 발명에 따른 폐플라스틱 열분해 유화장치는 반응조에서 폐플라스틱 원료를 가열하여 융해분해하여 발생하는 유류성분을 포함하는 가스를 촉매탑에서 촉매를 이용하여 왁스 성분을 개질함으로써, 가스에 많이 함유된 수분과 검화물질을 1차적으로 제거하여, 가스에서 오일을 분리할 때 응축된 오일에 수분이 많이 함유되는 것을 방지할 수 있으며, 나프타가 분리되는 오일의 인화점을 제어할 수 있다.
 . 혼합된 플라스틱 폐기물의 열분해를 위한 플랜트 및 방법
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 -이 발명은 용융 혼합된 플라스틱 폐기물을 열분해 반응기 용기에서 가열하여, 약 350℃ ~ 425℃의 제1온도에서 열분해 가스를 생성하고, 약 722℃ ~ 1400℃의 제2온도에서 열분해 슬러리 또는 열분해 차르를 생성하는 방법에 관한 특허이다. 버퍼 탱크를 이용하여 고온 저장 설비로서 작용하여 약 180℃ ~ 200℃에서 열분해 응축물의 즉각적인 생성을 수용하고, 일정기간 체류하는 동안 열분해된 생성물을 균일한 상태로 유지하고 다운스트림의 분리 공정 이전에 탄화수소 특성을 분석한다.
 . 폴리염화비닐을 포함하는 플라스틱 혼합물의 재활용을 위한 장치 및 이를 이용한 폴리염화비닐을 포함하는 플라스틱 혼합물의 재활용 방법