[지앤이타임즈 송승온 기자] 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지순환자원연구실 이경환 박사 연구진은 폐비닐을 연속식 열분해 플랜트를 통해 높은 수율의 고품질 오일로 전환하는 자동화 공정기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

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. 

이 같은 상황에서 폐비닐의 친환경 처리 및 에너지화의 높은 수요에도 불구하고 국내 시장에 맞는 기술은 미흡한 상황이라고 연구원은 밝혔다.

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.

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.

이 같은 최적 공정화 조건을 갖춰 동일 설치공간에 기존 회분식 반응기에 비해 원료 처리량이 3배 이상 확대가 가능하다.

연구진이 개발한 기술은 폐비닐 원료 투입과 생성 오일 포집, 그리고 반응 후 잔사물 배출이 안전하게 이뤄져 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. 이 같은 과정을 통해 생산된 오일 제품은 4대 중금속(납, 카드뮴, 수은, 크롬) 등의 환경 규제치 이내라 판매에 어려움이 없다고 연구원은 설명했다.

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 “이번에 개발한 기술은 연속식인 동시에 고급 오일을 생산할 수 있는 열분해 오일화 기술 개발로 기술의 한계를 극복하게 돼 선진국들이 앞다퉈 개발하고 있는 기술 개발 방향의 기술 수준을 도달하기 위한 기술의 서막을 열게 됐다”고 밝혔다.