독립행정법인 산업총합연구소 환경관리기술연구부문은 (유)고분자분해연구소와 공동으로 소규모 공장 등에서 발생하는 폐플라스틱으로부터 고수율로 연료가스를 제조하는 수평이동상방식의 폐플라스틱 가스화 모듈 소형시험기를 개발했다.

실용화 개발의 배경

플라스틱은 우리들의 사회에 풍요함과 편리함을 제공하는 재료이지만, 폐플라스틱 처리는 사회 문제가 되고 있다. 폐플라스틱은 열분해에 의해 도시가스나 가솔린 등에 상당하는 연료를 발생시킬 수 있는 감추어진 자원이다. 그러나 연간 배출되는 폐플라스틱 1천만 톤 중 약 80%가 소각이나 매립에 의해 처분되고 있다.

유화나 가스화의 처리는 일본 내 몇 곳에 존재하는 일일량 20톤 이상의 대형 플랜트에서 이뤄지고 있다. 대부분의 산업폐기물계 플라스틱은 분산하는 소규모인 공장, 사업소에서 발생하여, 각각의 배출량도 크지 않다. 이 때문에 집하의 수송비용도 들지 않고, 배출현장에서 효율 좋게 처리할 수 있는 일일량 3톤 정도의 소규모 프로세스가 요구되고 있다.

종래의 소형 유화장치는 대부분 액상이므로 반응기인 탱트형 반응기를 이용했다. 폐플라스틱은 고형물로부터 고점성인 용융물을 경유하여, 액체나 휘발성분으로 변화하므로, 종래형에서는 전열이 늦고 처리속도가 불충분하여, 상업적인 성공을 거둘 수 없었다.

효율적인 소형 장치가 실용화되면, 폐플라스틱을 배출하는 사업자, 폐기물처리업자, 지자체에게 유익한 리사이클 수단이 확보될 수 있으며, 나아가서는 원유수입량도 줄어들 수 있다.

실용화 개발의 개요와 기술적 돌파구

본 실용화 개발 프로젝트는 일일량 3톤의 소규모에서도 사업채산성이 확보되고, 중유보다도 범용성이 있고 가격도 3배정도의 연료가스의 제조프로세스 개발을 목표로 하고 있다.

종래의 폐플라스틱으로부터의 가스 제조는 합성가스화(수소와 일산화탄소의 혼합가스)이며, 암모니아나 메탄올의 합성용으로 대규모 스케일로 조작되고 있다. 본 프로젝트는 민간 중소기업에서도 사업화될 수 있고 안전한 소형 프로세스를 필요조건으로 한다.

플라스틱 물성은 가스화에 필요한 반응공학의 검토에서 신형식 수평아동상방식 폐플라스틱 분해법을 채택하여, 관련특허를 가지고 있는 (유)고분자분해연구소와 공동연구를 진행하여, 연료가스화장치의 개발에 성공하였다.

실용적인 가스프로세스를 설계하는 경우, 반응기 내의 온도 구배, 가열방식, 열원에서 플라스틱의 전열방법, 전열면적 등이 중요하다. 더욱이 분해과정인 플라스틱에 관해 고상, 용융상, 액상, 기상으로의 상 변화와 각각의 상에서의 성분의 물질이동과 전열효율을 고려할 필요가 있다.

반응 기구에서 생각하면, 탱트형 반응기나 킬른에서는 반응기 내의 온도분포가 넓고 각 플라스틱 분해 중간물질의 농도분포나 그러한 반응시간도 다르기 때문에 가스, 가솔린에서 왁스, 더욱이 탄화물과 넓은 분자량분포의 화합물이 생성되고, 성분최적화를 위한 반응제어가 현저하게 곤란하다.

수평이동상방식 폐플라스틱가스화 모듈소형시험기의 성적

본 개발에서 연구자들은 새로운 형식의 수평이동상방식 폐플라스틱 열분해장치의 설계를 변경하여, 연료가스 제조를 위한 가스화 모듈 소형시험기(사진 1)을 개발했으며, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌으로부터의 탄화수소가스의 생성반응의 반응공학을 검토했다.

연구자들은 열매체 및 플라스틱 반송매체로서 모래를 사용하여, 모래와 시료의 농도와 반송속도를 변화시킴으로써 플라스틱 및 그 분해물의 가열대에서의 반응시간을 제어했다. 열분해로 80wt% 이상, 접촉분해조건으로 94wt%의 가스 효율이 얻어지고, 남는 부분에서는 주로 가솔린 상당의 기름이 생성됐다.

실용플랜트는 이 기름을 가열의 연료로서 이용하여, 에너지 자립형의 폐플라스틱 처리를 실행한다. 종래형의 탱크식 유화장치에서 커다란 문제가 되었던 탄화물생성은 거의 없고, 열분해조건에서 원료플라스틱의 1% 이하, 접촉분해 조건에서도 3%정도였다.

대기압 아래서 분해가스를 행하여, 탄화수소가스는 빠르게 반응기 밖으로 배출되는 한편, 생성된 왁스 성분은 기화와 응축을 반복하는 중에 반응기 벽면에서 혹은 열매체의 모래에 의한 열공급을 받는 결과로서 가스화한다.

반응기 외벽온도가 600℃에서는, 그림 1과 같이 가스·액 생성물의 수율변화가 관찰됐다. 온도를 올리지 않아도 대류시간의 조절로 가스·액 생성비를 변화시키는 것이 가능했다.

온도를 변화시킨 경우와 산촉매를 이용한 경우의 가스와 분해기름의 수율은 그림 2에 제시됐다. 산촉매의 사용은 수율의 향상으로 효과를 보이고, C4, C5 성분의 선택율이 향상됐다. 이것은 압축저장이나 운반에 적합한 중질가스의 선택적 회수를 예측할 수 있는 결과가 됐다.

상업화의 과제

차세대 폐플라스틱 유화·가스화 상업장치의 설계가 가능 하게 됐으므로, 현재 폐플라스틱 전처리에 상당하는 차세대 탈염산장치의 설계·제작이 진행되고 있다. 이 과정에는 고가인 기기를 사용하지 않고 고정밀도인 범용수지를 분리·탈염산하는 차세대 기술이 필요하며, 유화 혹은 가스화 공정과 함께 조업을 함으로써 비용이나 처리속도가 매우 높게 나타나는 효과가 기대된다.

소규모에서도 처리능력이 높은 리사이클기술의 실용화의 핵심은 부가가치가 높은 중질연료가스의 선택적 회수와 이것을 가능하게 한 범용수지의 고정밀도 분리·고속탈염산 기술로 생각된다.

(KORDIC)