폐플라스틱 열분해 추진여건 및 정책과제

조지혜,신동원,김영희,오세천 한국환경연구원 2022 수시연구보고서 Vol.2022 No.-

Ⅰ. 서 론 1. 연구의 필요성 □ 코로나19로 인한 비대면 생활양식으로의 전환 및 배달·포장식 소비 증가 등으로 플라스틱 폐기물 발생 급증, 석유계 플라스틱의 생산·소비·폐기 과정에서의 온실가스 다량 배출 문제에 대응하기 위한 측면에서 폐플라스틱 열분해를 포함한 화학적 재활용이 주목받고 있음 ㅇ 열분해는 그간 기계적 재활용이 어려웠던 혼합 폐비닐 등의 폐플라스틱 처리와 석유 화학 원료 대체물질 확보, 소각 대비 온실가스 배출 저감을 동시에 할 수 있는 방안으로 많은 관심을 받고 있음 □ 특히, 2050 탄소중립 이행 측면에서 폐플라스틱 열분해가 핵심 수단으로 다루어지고 있으며, 이를 이행하기 위한 전략이 필요함 ㅇ (2021.6) 폐플라스틱 열분해로 순환경제, 탄소중립 선도 ㅇ (2021.10) 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC) 상향안 및 2050 탄소중립 시나리오안 발표 : 재활용 수단 내 열분해 포함 ㅇ (2021.12) 탄소중립을 위한 한국형(K)-순환경제 이행계획 수립: 도시유전 및 폐플라스틱 열분해 포함 □ 정부 국정과제에 ‘열분해로의 전환’ 내용이 포함되어 있으며, 탄소중립 실현을 위한 순환경제 측면에서 해당 과제의 정책화 방향을 시의성 있게 제시하기 위한 연구 필요 ㅇ (국정과제 #89 재활용을 통한 순환경제 완성) 매립과 소각 중심에서 열분해 방식으로 전환(열분해율 2020년 0.9% → 2026년 10%) □ 앞으로 열분해 기술의 실질적인 산업화 및 열분해유의 원료화를 위하여 다음의 주요 이슈를 분석하고, 이를 개선해 나가기 위한 정책과제 도출 필요 ㅇ 폐플라스틱 원료 수급 및 분리·선별 측면 ㅇ 폐플라스틱 열분해시설 관련 기준 및 입지 측면 ㅇ 열분해유의 시장성 측면 ㅇ 온실가스 감축량 산정 측면 2. 연구의 목적 □ 본 연구에서는 폐플라스틱 열분해(pyrolysis)를 대상으로 하며, 생산된 열분해유로 석유 기반 나프타(naphtha)를 대체하여 활용하는 등의 원료화에 중점을 둠 □ 국내 폐플라스틱 열분해 추진여건을 살펴보고 주요 이슈를 분석하여 열분해 산업 활성화를 위한 정책과제를 제시하고자 함. 또한 기후환경위기 대응을 위한 정부 국정과제(열분해 방식으로 전환)의 정책화 방향을 시의성 있게 도출하여 순환경제를 통한 온실 가스 감축 전략 마련에 기여하고자 함 Ⅱ. 폐플라스틱 열분해 추진여건 및 기존 정책 분석 1. 화학적 재활용 및 열분해 개념 □ 화학적 재활용(CR: Chemical Recycling)이란 고분자 형태인 플라스틱을 화학적 반응을 통해 기존에 원료였던 단량체 또는 올리고머 상태로 전환시키는 과정 ㅇ 열분해는 화학적 재활용 기술 중 하나로, 400℃에서 600℃ 사이의 중고온 무산소 조건에서 플라스틱을 환원 분해시켜 저분자화합물로 전환시키는 화학반응으로, 액상의 오일을 생산하는 기술 → 플라스틱을 석유 유사물질로 변환 □ 폐플라스틱 열분해는 복합 재질의 혼합 폐플라스틱 처리가 가능하며, 재생플라스틱 품질은 원유 기반 플라스틱과 유사함 ㅇ 석유계 플라스틱을 생산, 사용, 폐기하는 과정에서 온실가스 다량 배출 → (열분해) 석유 대신 재생유에서 나프타 추출 가능 ㅇ 대외적으로도 EU를 중심으로 플라스틱 폐기물 규제 강화 및 재생나프타 요구 증대. 2030년까지 산업 부문의 탈탄소화를 통한 온실가스 주요 감축 수단으로 화학적 재활용을 제시하고 있음 2. 국내 폐플라스틱 열분해 추진현황 및 계획 □ (R&D 동향) 국내 초기 열분해 기술개발(2000년 이전)의 경우 대기업이 참여하였으나 시장의 규모 문제로 대기업은 열분해 기술에서 철수하였으며, 이후 중소기업 중심으로 열분해 기술개발이 진행됨. 현재 환경부, 산업통상자원부를 중심으로 기술개발 사업이 이루어지고 있음 ㅇ ‘폐플라스틱 재활용 고도화 기술개발사업’ 추진13)(환경부, 2022~2025년), ‘석유화학탄소중립 대응 기술개발사업(플라스틱 업사이클링 포함)’14) 예비타당성 조사 기획(산업통상자원부, 2023~2030년), 폐플라스틱 열분해유로부터 나프타를 생산하기 위한 수첨처리·분해·수소화 촉매 개발 및 1톤/일 규모의 촉매 화학적 업그레이딩 파일럿 공정 개발(한국산업기술평가관리원, 2021~2024년) 등 추진 □ (지자체) 4개 지자체(인천 서구, 구미시, 강원도, 횡성군)가 공공 열분해시설 구축을 위한 준비 단계에 있음 ㅇ 공공 열분해시설 확충: 폐비닐, 잔재물 등으로 열분해유를 생산하는 공공 열분해시설을 2026년 10개소(4만 톤/연)까지 설치 확대 □ (산업계) 전 세계적으로 화학적 재활용 시장이 확대되고 그 역할이 커질 것으로 전망되는 가운데, 글로벌 정유/화학업체는 기술 보유업체와 파트너십을 체결(장기구매계약 체결, 직접 투자, 합동 R&D 수행 등)하여 협업하고 있음 ㅇ 플라스틱의 재생원료 사용이 의무화되는 국제 동향에 따라 국내 석유화학사 및 정유 업체를 중심으로 관련 투자 진행 중 ㅇ (실증 특례) 열분해 기술을 이용한 화학적 재활용의 경우 석유 관련 법률에 법적 근거가 없음에 따라 실증 특례가 진행 중임[GS칼텍스·현대오일뱅크·SK지오센트릭(2021.9), 현대케미칼(2022.2)] □ (폐플라스틱 열분해시설 현황) 국내 상용화 공정을 운영하는 업체는 16개(한국순환자원 유통지원센터 등록업체, 2022.6 기준)에 해당 ㅇ 현재 폐플라스틱 열분해 기술 사업은 EPR 지원금 없이는 운영이 어려움에 따라 열분해시설을 운영 중인 기업은 한국순환자원유통지원센터에 등록되어 있음 ㅇ 열분해 기술을 이용한 폐플라스틱 처리량 - 2019년: 13,780톤/연, 2020년: 14,728톤/연, 2021년: 27,080톤/연 ㅇ 열분해 기술을 이용한 열분해유 생산량 - 2019년: 4,163톤/연, 2020년: 4,112톤/연, 2021년: 8,617톤/연 3. 국내 폐플라스틱 열분해 관련 정책 현황 □ (2030 국가 온실가스 감축목표, NDC) 산업 부문: (2018년) 260.5백만 tCO_2eq. →(2030년) 222.6백만 tCO2eq.(△14.5%) ⇒ 폐플라스틱을 연·원료로 활용 ㅇ 폐플라스틱 발생량 500만 톤 중 18.6%를 원료로 재활용 □ (2050 탄소중립 시나리오안) 산업 부문: (2018년) 260.5백만 tCO_2eq. → (2050년) 51.1백만 tCO_2eq.(△80.4%) ⇒ 원료 전환으로 배출량 감축(폐플라스틱 발생량 500만 톤 중 50%를 유화하여 플라스틱 원료로 재활용), 폐기물 부문: (2018년) 17.1백만tCO_2eq. → (2050년) 4.4백만 tCO_2eq.(△74.3%) ⇒ 재활용률에 폐플라스틱 유화 등 新재활용 수단 포함 □ (환경부) 폐플라스틱 열분해 비율을 현행 0.1%(2020년)에서 10%(2030년)로 높여 탄소중립을 선도할 계획 발표 ※ 정부 국정과제: 열분해율 2020년 0.9% → 2026년 10% ㅇ 석유·화학 기업이 폐플라스틱 열분해유를 석유제품 원료로 활용할 경우에는 온실가스 감축효과를 고려하여 탄소배출권을 인정받을 수 있도록 관련 지침을 개정 ㅇ 폐기물 매립시설 설치의무 대상 산업단지 내 매립시설 부지의 50% 범위 내에서 열분해시설 등의 입지를 허용하기 위해 「폐기물처리시설 설치촉진 및 주변지역지원 등에 관한 법률(이하, 폐기물시설촉진법) 시행령」 개정27) 등 내용 포함 □ (산업통상자원부) 석유화학·정유 부문 탄소중립 시나리오(탄소중립 5대 핵심과제 추진) ㅇ 2050 탄소중립 산업 대전환 비전과 전략 수립, 업종별 민관 협의체 구성·운영, 탄소중립 산업구조 전환 특별법 제정, 대규모 R&D 사업 추진, 세제·금융·규제특례 등 기업 지원 방안 마련 □ 2050 탄소중립 이행을 위한 순환경제 측면에서 폐플라스틱 열분해가 핵심 수단으로 다루어지고 있음 ㅇ (2021.12) 탄소중립을 위한 한국형(K)-순환경제 이행계획 수립: 도시유전 및 폐플라스틱 열분해 Ⅲ. 폐플라스틱 열분해 관련 주요 이슈 분석 1. 폐플라스틱 원료 수급 및 분리·선별 측면 □ 기존 폐플라스틱의 처리방식에 화학적 재활용이 추가됨에 따라 원료 수급에 영향을 미칠 수 있으며, 열분해 사업 신규 참여 기업 증가로 향후 고품질 원료 확보 경쟁 가속화 예상 ㅇ (환경부의 열분해유·가스 생산 목표) 폐플라스틱 투입량: 1.1만 톤(2020년) → 31만 톤 (2025년) → 90만 톤(2030년)으로 점진적 확대 ㅇ 대기업의 대규모 플랜트 건설 및 실증시험: SK지오센트릭(2024년, 화학적 재활용 클러스터 구축,31) 6만 톤 규모 재생 PP 공장), LG화학(2024년, 2만 톤 규모 초임계열분해유 공장), GS칼텍스(2024년, 5만 톤 규모 열분해유 공장), SK이노베이션(울산 CLX 열분해유 원료로 투입) 등 ㅇ 에너지 공기업, 중소기업의 신사업 구축으로 9기 신설 예정(5톤/일~100톤/일 규모 상이): 생활폐기물 4기, 사업장폐기물 2기, 혼합(생활+사업장폐기물) 3기 신설 예정 ㅇ 한편, 시멘트 제조업에서도 발열량이 높은 혼합비닐류 폐기물을 고형연료(SRF) 등으로 가공하여 유연탄 대체연료로 사용(TR: Thermal Recycling)하며, 사용량은 해마다 증가하고 있음 □ 열분해 원료로 활용 가능한 폐플라스틱은 (경제성 측면) EPR 대상 폐비닐류, (기술적 측면) SRF 원료로 사용되는 PP, PE 분리선별품에 해당 ㅇ 이물질 제거, 건조, 파쇄 공정을 거친 선별품의 수율은 40~60%, 미선별품은 30% 이하로 조사됨 ㅇ 열분해 재활용시설은 열분해유의 수율(초기 투입 폐기물 중량 대비 회수된 열분해유의 중량)이 50% 이상 되어야 함(「폐기물관리법 시행규칙」 [별표 11] 입법예고 후 개정 진행 중, 2022.7 기준) → 열분해 수율은 원료의 품질과 직결되므로 폐플라스틱의 분리·선별이 중요함 2. 열분해시설 기준 및 입지, 열분해유 시장성 측면 □ (시설 기준) 「폐기물관리법 시행령」 및 「폐기물관리법 시행규칙」에 열분해시설 분류 개편 및 재활용 기준 정비가 추진되고 있으나, 잔류물 발화 문제 등을 고려하여 안전성이 강화된 시설 기준에 대한 논의 필요 ㅇ 열분해유·가스를 연료나 원료로 재활용하는 시설 → 재활용시설 내에 “열분해시설”로 규정하여 폐기물처리시설의 종류 개편 예정 - 열분해시설 검사항목 신설: 「폐기물관리법 시행규칙」 [별표 10](입법예고 후 개정 진행 중, 2022.7 기준) ㅇ (재활용 유형) 현행 「폐기물관리법 시행규칙」의 재활용 유형에는 플라스틱을 열분해하여 액상의 오일로 회수하는 활동은 연료로 사용되는 경우(R-9)만 해당됨 → 열분해유를 원료로 재활용할 수 있도록 재활용 유형 세부분류(R-3-3 및 R-3-4)에 대해 「폐기물관리법 시행규칙」 [별표4의2] 입법예고 후 개정 진행 중(2022.7 기준) ㅇ 폐기물 열분해 재생유 생산공정에서 화재 및 폭발사고가 발생함에 따라, 안전성이 강화된 시설기준에 관한 논의 필요 → 환경·안전에 관한 명확한 기준 마련 및 기업 대상 안전, 법규 등 교육 필요 - (사고 발생 원인) 열분해로에서 발생한 인화성 가스를 제거하지 않아 외부로 누출, 공정 내 잔류가스를 감지하여 경보를 울릴 수 있는 장치 미설치, 신규 설비에 대한 공정 위험성 검토 미흡 등 - (참고) 일본 환경성의 「폐기물처리법 시행규칙」에는 ‘열분해 설비의 구조’ 항목에 잔류물을 냉각하도록 명시되어 있으며, ‘열분해 방법’ 항목에 배출가스를 유해하지 않게 처리하여 배출하도록 명시함 □ (시설 입지) 「폐기물시설촉진법 시행령」 개정(2022.2.8)으로 전국 산업단지 내 매립 시설 부지에 열분해시설 설치가 허용되고 있으나, 폐기물처리시설(매립) 설치의무 대상 산업단지 중 매립지가 설치되지 않은 산업단지의 비율은 62%에 해당 ㅇ 현재 민원 등의 문제로 주로 산간지역에 입지하나, 기존 산업단지 또는 농공단지에 설치하여 지역 수요기업 등에 적정가격으로 공급 및 수송거리 최소화 필요. 주민 수용성을 제고하기 위한 방안 마련 필요 □ 현재 열분해유는 왁스, 염소 등 함유로 연료로 제한적으로 사용 ㅇ 열분해유 정제 및 고품질화 기술 지원 필요, 석유, 정제설비 투입 등 원료화 및 다양한 판로 개척, 안정적인 수요처 확보 필요 3. 온실가스 감축량 산정 측면 □ 석유 기반 플라스틱을 생산, 사용, 폐기하는 과정에서 온실가스 다량 배출 ㅇ 원유로부터 합성수지를 만드는 과정에서 전 주기 배출량의 61%, 플라스틱으로 가공하는 단계에서 30%, 소비 이후 폐기 과정에서 9%의 탄소가 배출됨 □ 온실가스 배출권거래제 상쇄제도 외부사업 방법론 등을 적용하여 조직경계 외의 온실가스 감축효과를 객관적으로 입증하기 위한 산정방법론이 개발됨 ㅇ “폐플라스틱을 활용하여 생산한 열분해정제유를 석유정제품의 원료로 사용하는 사업의 방법론” 등록(2022.4.7) ㅇ “폐플라스틱 열분해 기술을 적용하여 생산된 열분해유 기반 나프타를 통해 석유화학 제품을 생산하는 사업의 방법론” 등록(2022.6.30) ㅇ 환경부고시 제2021-277호 「온실가스 배출권의 할당 및 취소에 관한 지침」개정(2021.12.30) → 할당 대상업체 외부에서 발생한 감축 실적(폐플라스틱 재활용 등)으로 국가 온실가스 감축에 기여한 경우 외부 감축을 인정 □ 기업에서 생산한 제품이 얼마만큼의 온실가스 배출을 줄이는 데 기여하는지, 글로벌 스탠더드에 해당하는지 정량적으로 입증하는 데 필요한 데이터는 개별 기업이 구축하기 어려움 Ⅳ. 폐플라스틱 열분해 활성화를 위한 정책과제 1. 열분해 등 화학적 재활용의 법적 지위 및 법률 적용 범위 측면 □ 순환경제 내 화학적 재활용(열분해 포함)의 역할 및 폐플라스틱 열분해에 적용되는 법률·준수사항의 명확한 규정 필요 ㅇ 현재 열분해유 및 열분해시설에 적용되는 법률로는 「자원의 절약과 재활용 촉진에 관한 법률」(이하, 자원재활용법), 「폐기물관리법」이 있음. 추가적으로 열분해유 활용과 관련하여 「석유 및 석유대체연료사업법」(이하, 석유사업법), 「화학물질의 등록 및 평가 등에 관한 법률」(이하, 화학물질등록평가법), 「위험물안전관리법」, 「산업안전보건법」의 적용 범위에 대한 검토가 필요함 ㅇ 열분해유 관련 기준은 현재 연료 기준으로 명시되어 있는데, 앞으로 원료로 활용되는 열분해유 품질 기준에 대해 추가적인 논의가 필요함 - 열분해로 “석유 또는 석유화학제품의 원료물질” 및 “석유 또는 석유화학제품 이외의 원료물질”을 제조하는 유형(R-3-3, R-3-4)이 신설될 예정으로, 열분해유를 연료가 아닌 원료로 사용하기 위한 세부 규격 및 품질기준을 마련할 필요가 있음 - 현재 입법예고 후 개정 진행 중(2022.7 기준)인 R-3(원료물질로 제조하는 유형)의 재활용에 해당하는 기준안은 R-9 유형(에너지 회수)에 적용된 품질기준에서 인화점 기준만 삭제되고 나머지 내용은 동일한 상황임 ㅇ 「화학물질등록평가법」, 「위험물안전관리법」, 「산업안전보건법」에 ‘열분해유’가 정의되어 있지 않아 법률적 검토 필요 - 「화학물질등록평가법」에 제시된 “화학물질”의 정의에 따르면, 열분해유도 화학물질에 해당되나, 「폐기물관리법」의 저촉을 받는 열분해유도 등록 대상인지 명확히 할 필요가 있음 - 열분해유는 재활용 제품에 포함되며 「폐기물관리법」 관리 대상이므로 「화학물질등록 평가법」 비대상이라는 의견도 있으나, 제11조(화학물질의 등록 등의 면제) 항목에 명시되어 있지 않음 - 이에, 열분해유를 화학물질등록 면제 대상에 포함시킬 것인지에 관한 논의가 필요함 → 면제 시 「자원재활용법」이나 「폐기물관리법」에 열분해유 사용자에 관한 규정도 통합 명시 필요. 또한 면제 대상에 열분해유를 포함시킬 경우 해외 수입 열분해유에 관한 규정도 명확히 할 필요가 있음 ㅇ 「화학물질등록평가법」 제29조(화학물질의 정보제공)에 따라 열분해유가 화학물질로 등록 시 「산업안전보건법」에도 저촉이 됨 - 「산업안전보건법」 110조에 해당하는 물질안전보건자료를 제출해야 하며, 안전 및 보건상 취급 사항에 대해 고지해야 함 ㅇ 열분해시설은 「위험물안전관리법」 대상으로도 검토가 필요함. 열분해유는 제4류 인화성액체 중 제2석유류(인화점 21~70℃)에 해당하는 것으로 판단됨 - 열분해유가 위험물에 해당될 경우, 위험물의 저장, 취급 시설 기준을 준수해야 함. 또한 위험물 시설의 유지관리에도 전문 인력이 필요 2. 고품질 폐플라스틱 수급 및 분리·선별 측면 □ 전 세계적으로 재생플라스틱 사용 비중 확대로 향후 고품질 열분해유에 대한 지속적인 수요 창출이 예상되므로 플라스틱의 생산-폐기-수거-선별 등 전체 밸류체인의 협력 및 개선 필요 ㅇ 열분해유의 수율 및 품질은 폐플라스틱의 품질과 종류에 의존하므로 분리·선별의 고도화를 통한 고품질 원료(폐플라스틱) 확보 방안 필요 ㅇ 폐플라스틱이 열분해유 및 나프타 생산으로 연계되면서 폐기물 처리, 순환자원의 확보 및 탄소중립의 효과까지 통합적으로 확보할 수 있으므로, 현재 소각 등으로 처리되는 폐플라스틱을 최대한 수거·처리할 수 있는 정책 필요 → 종량제 폐기물을 파봉, 추가 선별 등을 통해 화학적 재활용이 가능한 플라스틱의 양을 증가시킬 필요 ㅇ 국내 기술 업체와의 공동연구 등 협업을 통한 열분해유 품질 개선 기술 개발 및 현장 적용 추진, 품질이 개선된 열분해유의 구매 및 석유화학 공정에 투입 추진 필요 □ 생활계 폐필름류 선별품 확대 및 품질 개선 방안 필요 ㅇ 기계적 재활용(MR), 화학적 재활용(CR)에 공급하는 필름류 선별품 지원 확대 방안 마련 - (EPR 회수지원금) 선별업체가 수거·선별하여 재활용업체로 인계한 선별품량을 기준으로 지급: 기본지원금(물량 확보 측면)과 차등지원금(품질 관리 측면)으로 구분 - (기본지원금) 실적 대비 동일 단가를 적용하되, MR 및 CR(열분해) 업체로 보낼 경우 80원/kg, TR(성형SRF) 업체로 보낼 경우 50원/kg 지급 - (MR·CR 물량 확대) 회수 기본지원금 중 재활용(MR+CR) 할당 비율 증대 및 지원금 단가 상향 조정(경제적 유도) 검토 필요 - 향후 업계 증설물량을 고려한 원료 수급 및 대기업 사업 진입에 있어 대·중소기업간 역할분담 및 동반 성장모델에 대한 방안 필요 ㅇ (선별효율 제고) EPR 필름류 선별품에 대한 품질등급조사의 실효성 증대 필요 - (EPR 차등지원금) 기본지원금과 별도로 한국환경공단에서 실시하는 선별품 품질 등급조사 결과를 토대로 5개 순위(점수구간)에 따라 차등단가를 적용하여 지급: 기본지원금 지급 후 잔여예산 및 등급별 실적을 토대로 차등 단가 산정 - 등급조사 대상: (현행) 차등지원금을 위한 등급조사 시 선별업체에 미리 공지 후 방문하는 방식 → (개선) 수요처인 재활용업체에서 선별품 품질을 조사하는 방안 고려 필요(※ 업계에서는 과거 재활용업체를 대상으로 선별품 품질등급을 조사할 때와 비교하여 현재 품질 저하를 지적) - 평가지표 개선: 선별장 내 별도 비가림·보관시설 구비 여부 베일(bale) 내 수분함량 감소 및 선별 공정 관련 정량지표 추가 ㅇ 플라스틱 자동선별 도입 확대, 폐비닐류 전문 선별시설 도입을 통한 고품질화 유도 필요, 종량제 봉투 파봉·선별시설 확충을 통한 가연성 물량의 매립· 소각 최소화 ㅇ (지속가능한 제품 설계 유도) 플라스틱 제품 생산 단계부터 재활용 용이성을 고려한 제품 설계 촉진 필요 - 생산 단계에서부터 재활용이 쉬운 재질 구조(동일 재질 플라스틱 사용 등)로 생산을 권고 → 자원효율 등급제52) 도입 필요 - (PVC, 폴리염화 비닐) 별도 회수·재활용 체계가 미흡함. 타 포장재와의 구분이 어려우며, 랩 포장재 등이 일반 비닐류에 혼입될 경우 재활용 과정에서 염소화합물 유발 등 저해요소로 작용함 → 「포장재의 재질·구조 기준」(환경부 고시 제2019-244호)과 「제품의 포장재질·포장방법에 관한 기준 등에 관한 규칙」 간 PVC 사용 금지 예외 항목 통일 필요. PVC 랩 사용을 줄여나가기 위한 재질 관련 기술개발 필요 3. 열분해시설 기준 측면 □ 열분해시설 기준 중 열분해유 수율 50%와 관련하여 투입 폐플라스틱의 세부기준 마련 필요 - 폐플라스틱을 유통하는 과정에서 장마철 우천 등 다양한 사유로 인해 폐플라스틱중 수분 함량이 증가할 경우 수율이 감소하는 현상은 불가피함 - 투입 원료 내 수분, 이물질 혼재 시 수율이 저하되므로 구체적인 수율 산정기준 마련 필요 □ 열분해시설에서 발생 가능한 사고 예방을 위한 안전성 기준 마련 필요 ㅇ 플라스틱 처리 규모, 열분해유 수율 및 품질, 유해가스 발생량 등 열분해시설에 관한 명확한 기준 마련 → 이를 통해 미연의 사고를 방지하고 열분해 사업에 대한 인식이 개선될 필요 ㅇ 잔류물 발화 특성 등을 고려한 시설 안전기준 필요: 열분해 후 발생하는 최종 잔류물(탄화물)이 일정 수준 이상의 발열량을 가지고 있으므로 발화되지 않도록 배출된 잔류물을 즉시 냉각할 수 있는 작업이 수반되어야 함 □ 열분해시설에 대한 별도의 대기배출허용기준 및 대상 배출시설의 분류표 항목 마련 필요 ㅇ 열분해시설은 2019년까지 「대기환경보전법 시행규칙」 [별표 3]에 따라 대기오염물질 배출시설에서 제외되었으나, 2020년부터 제외 대상 목록에서 삭제됨 ㅇ 기존 열분해 재활용업체의 대기오염방지시설 설치·운영실태 조사 필요. 설치검사 항목에 배출가스의 연속측정·기록장치 작동상태가 포함되어 있으나(입법예고 후 개정 진행 중), 정기검사에도 해당 내용을 추가할 필요가 있음 4. 열분해시설 입지 측면 □ 열분해유 및 부산물 활용, 유틸리티 최적화 등을 고려하여 폐플라스틱 열분해 산업을 활성화하기 위해서는 기존 산업단지와의 연계가 필요하며, 이를 위해 유관부처 및 지자체의 협업, 주민 수용성 제고 등이 중요함 ㅇ 산업단지 인근의 테스트 베드(test bed) 부지 조성을 통해 실질적인 폐플라스틱 순환 구도가 완성될 수 있도록 지원 필요 ㅇ 기존 자원다소비형 노후 산업단지 내 “순환경제 촉진구역(특구)”을 지정하고, 이를 「국토의 계획 및 이용에 관한 법률」에서 규정하고 있는 입지규제최소구역 지정에 포함하는 것을 검토할 필요→ 순환공급망 연계, 신규 사업 발굴 및 전문기업 육성을 위한 녹색산업 실증화 구역을 설정해 나갈 필요가 있음 □ 국토교통부(산업단지 지정), 환경부(산업단지 폐기물 및 폐수 등 관리), 산업통상자원부(산업단지 관리, 에너지 및 자원 관리) 등 중앙부처 및 산업단지가 위치한 지자체 간 산업 활성화를 위한 협업체계 마련 필요 ㅇ 열분해시설은 「산업집적활성화 및 공장설립에 관한 법률(이하, 산업집적법) 시행령」에 따라 공장으로 분류, [별표1](제한업종)에 해당하지 않으므로 산업단지 내 입주가 가능함 ㅇ 하지만, 산업단지 조성 시 「산업집적법 시행령」 제6조에 따라 관할 시·도지사의 의견 수렴 및 관계 중앙행정기관장과의 협의가 필요하며, 「갈등유발 예상시설 사전고지조례」를 도입하는 지자체가 증가 ㅇ 열분해시설 설치 시 지역주민 일자리 창출, 지역사업 지원 등 주민, 지자체, 열분해 업계가 상생할 수 있는 방안을 모색할 필요가 있음 5. 열분해유 시장성 측면 □ 열분해유의 시장성을 확보하기 위해서는 이를 재생원료로 인정하기 위한 평가 방법론 및 인증체계를 구축할 필요가 있음 ㅇ 열분해유를 활용한 재생원료의 인정 범위에 대한 방법론 설정 필요 ㅇ PET 생산자 재생원료 의무비율(2030년까지 30%)55)과 관련하여 화학적 재활용 PET도 인정할 것인지에 관한 검토 필요 ㅇ 열분해유 수급 및 모니터링, 품질 관리를 위한 추적시스템 마련 필요 - 폐플라스틱 수급에서부터 열분해유 생산-유통-활용에 이르기까지 전 과정에 걸친 통계시스템, 안정적 공급망 확보 및 수급 조정을 위한 비축 인프라 구축 검토 필요 ㅇ 일부 업체를 대상으로 실증특례가 부여되고 있으나, 앞으로 열분해유 생산설비 투자시 경제성 확보를 위해서는 열분해유를 원유 정제설비를 통하여 원유에 희석해 분리·정제할 수 있도록 「석유사업법」 개선 필요 6. 온실가스 감축량 산정 측면 □ 개별 기업에서 구축하기 어려운 주요 폐플라스틱에 대한 표준 전과정목록(LCI) 데이터 베이스 지원 필요 ㅇ 열분해시설과 소각시설과의 온실가스 발생량 산정을 통한 비교 이외에도 폐플라스틱의 순환경제 효과, 열분해유의 석유화학 공정 투입 시 원유 수입 감축 효과 등 신재생 에너지 사업으로의 검토 필요 ㅇ 온실가스 감축량 산정 원칙에 따라 감축량을 계산할 수 있도록 사례별 전력, 스팀 및 기타 에너지 사용에 따른 배출량 산정 기준 마련 필요 □ 폐플라스틱 선별에서부터 열분해유 생산 및 활용 등에 이르기까지 탄소발자국 산정에 필요한 전주기 평가체계 마련 필요 7. 이해관계자 거버넌스 협의체 구성 및 운영 측면 □ 열분해유 기반 재생원료의 품질, 경제성(시장성) 그리고 지속 가능한 공급량을 점검하여 폐플라스틱 열분해 순환공급망을 통해 서로 협업하는 체계 구축 필요 ㅇ 정책 수립 시 관련 업계 간 활발한 의사소통이 필요하며, 이해관계자 간 입장 차이를 해결하기 위한 공동 참여 과정도 중요함 ㅇ 부처간 통합 정책 마련이 필요하며, 밸류체인 내 이해관계자 간 연계를 강화하고 정기적인 협의체를 운영해 나갈 필요 Ⅰ. Introduction 1. Background of research □ Chemical recycling such as pyrolysis is attracting attention as a means to deal with 1) the rapid increase in plastic waste due to the shift to the non-face-to-face lifestyle during the COVID-19 and an increase in delivery, and 2) large amounts of greenhouse gases emitted during the processes of production, consumption and disposal of petroleum-based plastics. - Pyrolysis of waste plastics is a technology to obtain oil by chemically decomposing plastics in an oxygen-free atmosphere (about 600℃ or lower). It can treat waste plastics such as mixed vinyl that are difficult to mechanically recycle, secure petroleum substitutes, and reduce greenhouse gas emissions compared to incineration, simultaneously. □ Pyrolysis of waste plastics is regarded as a major means to reduce the source of waste plastics and achieve carbon neutrality by 2050. - (2021.6) “Leading circular economy and carbon neutrality through pyrolysis of waste plastics” - (2021.10) “2050 Carbon Neutrality Scenarios” and the “2030 NDC target” - (2021.12) “K-Circular Economy Implementation Plan for Carbon Neutrality” □ The new government’s policy tasks include the ‘transition to pyrolysis’, and research is needed to timely suggest policy directions in terms of the circular economy to realize carbon neutrality. - (Government Policy Task #89: Completing circular economy through recycling): conversion from landfill and incineration to pyrolysis □ For the industrialization of pyrolysis technology, it is necessary to analyze the following major issues and suggest policy tasks to deal with them. - Stable supply of waste plastics - Separation and sorting of waste plastics for applying pyrolysis technology - Standard and location of pyrolysis facilities - Marketability of pyrolysis oil - Calculation of greenhouse gas reductions 2. Purpose of research □ In this study, we suggested policy tasks for revitalizing the pyrolysis industry by examining current status and analyzing major issues. - This study targets the pyrolysis of waste plastics and focuses on using the produced pyrolysis oil as a raw material, such as replacing petroleum-based naphtha. Ⅱ. Analysis of Recent Status and Policy Related to Pyrolysis of Waste Plastics 1. Recent status and plans for pyrolysis of waste plastics □ Currently, technology development projects are being carried out mainly by the Ministry of Environment and the Ministry of Trade, Industry and Energy. - Promotion of technology development for advanced recycling of waste plastics (Ministry of the Environment, 2022-2025), Technology development for the implementation of carbon neutrality in petrochemical industry (including plastic upcycling) (Ministry of Trade, Industry and Energy, 2023-2030) □ Four local governments (Seo-gu in Incheon, Gumi-si, Gangwon-do, and Hoengseong-gun) are preparing to construct public pyrolysis facilities. The industry is also collaborating with technology holders through partnerships (signing long-term purchase contracts, making direct investment, and conducting joint R&D projects). - (Local government) Expansion of public pyrolysis facilities: Installation of up to ten public facilities by 2026 that produce pyrolysis oil from waste vinyl and residues - (Industry) Domestic petrochemical companies and oil refineries are making investments in line with the international trend of expanding the use of recycled plastic materials. □ Based on the internal data of the Korea Resource Circulation Service Agency (Jun. 2022), 16 companies are operating the domestic commercialization process. - Due to the business feasibility of waste plastic pyrolysis technology, EPR grants are essential for operation. Currently, produced pyrolysis oil is used as fuel. 2. Policies related to pyrolysis of waste plastics □ (2030 NDC target): 260.5 million tons CO₂eq. in 2018 → 222.6 million tons of CO₂eq. by 2030 (△14.5%) ⇒ Use of waste plastics through resource circulation - Recycling 18.6% of the five million tons of waste plastic as raw materials □ (2050 Carbon Neutrality Scenarios) Industrial sector: 260.5 million tons CO₂eq. in 2018 → 51.1 million tons of CO₂eq. by 2050 (△80.4%) ⇒ Emission reduction through raw material conversion (50% of the five million tons of waste plastic generated is pyrolyzed and recycled), Waste sector: 17.1 million tons CO₂eq. in 2018 → 4.4 million tons of CO₂eq. by 2050 (△74.3%) ⇒ Including new recycling methods such as pyrolysis of waste plastics □ (Ministry of Environment) Announced a plan to lead the implementation of carbon neutrality by increasing the proportion of pyrolysis treatment of waste plastics from the current 0.1% to 10% by 2030 ※ New government policy task: pyrolysis rate 0.9% in 2020 → 10% by 2026 - The related guidelines have been revised so that carbon credits can be recognized in consideration of the greenhouse gas reduction effect when a petrochemical company uses the pyrolysis oil as a raw material for petroleum products. - With the revision of the Enforcement Decree of the 「Promotion of Installation of Waste Disposal Facilities and Assistance to Adjacent Areas Act」, the site for pyrolysis is allowed within 50% of the landfill area in the industrial complexes. □ (Ministry of Trade, Industry and Energy) Carbon neutrality scenario in petrochemical and oil refining sector (promoting five core tasks) - Establishment of the vision and strategy for the transformation to carbon-neutral industry by 2050, operation of public-private consultative bodies for each industry, enactment of the special law on the transformation to carbon-neutral industry, promotion of large-scale R&D projects, and preparation of corporate support measures such as special taxation, finance, and regulatory exceptions Ⅲ. Proposal of Policy Tasks to Promote Pyrolysis of Waste Plastics 1. Legal status of chemical recycling such as pyrolysis, and the scope of applicable laws □ It is necessary to give the role and legal status of chemical recycling (including pyrolysis of waste plastics) in the circular economy - Clear regulations applicable to the pyrolysis of waste plastics are needed. - The criteria for pyrolysis oil are currently specified as fuel standards. New recycling types (R-3-3, R-3-4) using pyrolysis will be established. Therefore, further discussion is needed on the criteria for the quality of pyrolysis oil as raw materials. - Legal review is required because the definition of “pyrolysis oil” is not established in the 「Act on the Registration and Evaluation, etc. of Chemical Substances」, the 「Act on the Safety Control of Hazardous Substances」, or the 「Occupational Safety and Health Act」. - In particular, according to the 「Act on the Registration and Evaluation, etc. of Chemical Substances」, pyrolysis oil can be classified as a chemical substance; however, it is necessary to clarify whether pyrolysis oil is also subject to registration since it is also subject to the 「Wastes control Act」. - Discussion on whether pyrolysis oil needs to be exempt from registration is required. In the case of exemption, the regulation for pyrolysis oil users should also be specified in the 「Act on the Promotion of Saving and Recycling of Resources」 or the 「Wastes Control Act」. In addition, if pyrolysis oil will be exempt from registration, it will be necessary to clarify regulations on pyrolysis oil imported from abroad. - When pyrolysis oil is registered as a chemical substance pursuant to Article 29 (Provision of Information on Chemical Substances) of the 「Act on the Registration and Evaluation, Etc. of Chemical Substances」, it is also linked to the 「Occupational Safety and Health Act」. - It is also necessary to review whether pyrolysis facilities are subject to the 「Act on the Safety control of Hazardous Substances」. 2. Separation and sorting of waste plastics to supply high-quality raw materials □ As global demand for high-quality pyrolysis oil is expected to increase, it is necessary to establish a plastic value chain. - Since the yield and quality of pyrolysis oil depend on the quality and type of waste plastic, it is necessary to secure a high-quality raw materials. □ Need to increase the separation of waste plastic films and improve their quality - Efforts such as film separation and sorting, and expansion of specialized film screening systems are required. - Develop a plan to expand support for film sorting for mechanical recycling (MR) and chemical recycling (CR) supply - Induce sustainable product design that increases recyclability in the manufacturing stage 3. Standards for pyrolysis facilities □ The yield of pyrolysis oil depends on the quality of the waste plastic used. Thus, detailed standards for input raw materials need to be prepared. - If moisture content and foreign substances are mixed in the input material, the yield will decrease. □ Establish safety standards to prevent possible safety accidents in pyrolysis facilities - Flammable gases, residues, and carbides generated in pyrolysis facilities may cause a fire and explosion. Therefore, safety standards for pyrolysis facilities considering the size of plastic treatment, yield, quality of pyrolysis oil, amounts of harmful gases generated, and fire characteristics of residues are required. □ Separate emission standards for pyrolysis facilities and classification table items for target emission facilities need to be prepared. - Pyrolysis facilities were excluded from air pollutant-emitting facilities in accordance with the 「Enforcement Rules of the Clean Air Conservation Act」 [Annex 3] until 2019. However, they are not on the list of excluded facilities from 2020. - It is necessary to investigate the installation and operation of air pollution prevention facilities of pyrolysis recycling companies. Although the operation status of the continuous measurement and recording device of exhaust gas is included in the installation inspection item (revision is in progress after a notice of legislation), it is necessary to include the relevant information in the periodic inspection as well. 4. Location of pyrolysis facilities □ In order to activate the pyrolysis of waste plastics, it is necessary to link with industrial complexes. For this, cooperation with relevant ministries and local governments is required. - It is necessary to consider a plan to designate a “circular economy promotion district” within an existing resource-intensive industrial complex and include it in the minimum area of site regulations stipulated in the 「National Land Planning and Utilization Act」. - Through this, it is necessary to establish a green industry demonstration zone to link the circulation supply chain, discover new business opportunities, and foster specialized companies. □ A cooperative system should be established between government ministries including the Ministry of Land, Infrastructure and Transport, the Ministry of Environment, the Ministry of Trade, Industry and Energy and local governments. - Pyrolysis facilities are classified as factories in accordance with the 「Enforcement Decree of the Industrial Cluster Development and Factory Establishment Act」. - However, in accordance with Article 6 of the 「Enforcement Decree of the same Act」, it is necessary to collect opinions from competent authorities of the corresponding city and provincial governors and consult with related central administrative agencies. 5. Marketability of pyrolysis oil □ It is necessary to establish an evaluation methodology and certification system to recognize the pyrolysis oil as recycled materials. - It is important to prepare a tracking system for pyrolysis oil supply, monitoring, and quality control. - It is necessary to establish a statistical system for the entire process from the supply of waste plastics to the production-distribution-utilization of pyrolysis oil, and build a stockpiling infrastructure to secure a stable supply chain. - Regarding the mandatory ratio of recycled materials for PET producers (30% by 2030), it is required to consider whether chemically recycled PET is also allowed. 6. Calculation of greenhouse gas emissions □ A standard life cycle inventory (LCI) database for waste plastics needs to be supported. - In addition to comparison through the calculation of GHG emissions between pyrolysis facilities and incineration facilities, it is necessary to consider the effect of reducing crude oil imports from the use of pyrolysis oil along with the circular economy effect of waste plastics. - It is necessary to prepare an evaluation system necessary to calculate the carbon footprint related to the pyrolysis of waste plastics. 7. Organization and operation of the consultative body for stakeholder governance □ Active communication among related industries is required when establishing policies. A joint participation process is essential in resolving different standpoints among stakeholders. - Integration of various policies by department is important. For policy integration, it is necessary to host official meetings to hear the opinions of the industry accurately and officially announce the result. - It is necessary to strengthen the value chain and operate the consultative body regularly.

Ni/sand를 이용한 폴리프로필렌 촉매 열분해 연구

김수현(Soo Hyun Kim),이루세(Roosse Lee),손정민(Jung Min Sohn) 한국청정기술학회 2021 청정기술 Vol.27 No.3

본 연구는 ‘열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템’이라는 새로운 시스템 개발을 위해 열분해 실험을 수행하기 전에 공정 모사를 위한 기본 데이터를 얻기 위하여 수행되었다. 기초 열분해 실험에서는 폐플라스틱 대신 폴리프로필렌(PP)을 모델 물질로 선택하였고, ‘열매체 및 가스 순환형 열분해 시스템’에서 열전달 매체로 활용되는 유동사(이하 sand로 표기)를 사용하였다. Ni은 촉매 열분해를 촉진하기 위해 모래에 활성 촉매로 담지하였다. 열중량분석기(thermogravimetric analyzer, TGA)를 이용하여 PP의 기본 물성을 분석하고, N₂ 분위기 600 ℃에서 열분해하여 액상 오일을 생산하였다. 촉매 열분해 반응을 통해 생성된 액상 오일은 GC/MS를 이용하여 탄소 수 분포를 분석하였다. 이번 연구에서는 열분해 공간 속도와 촉매량의 변화가 열분해 후 생성되는 액상 오일 수율과 액체 연료의 탄소수 분포에 미치는 영향을 조사하였다. Ni/sand를 이용하면 열분해 오일 수율은 공간속도 30,000 h<SUP>-1</SUP>에서 10 wt% Ni/sand 하나의 조건을 제외하고 오일 수율이 증가하였고, C6 ~ C12사이의 탄화수소의 비율은 증가하였다. 공간속도가 증가하면 더 높은 열분해 오일 수율을 얻었으나, C6 ~ C12사이의 탄화수소의 비율은 감소하였다. 1 wt% Ni/sand를 이용한 경우, 10 wt% Ni/sand를 사용할 때 보다 액상 오일 수율은 더 높았다. 결론적으로 공간속도 10,000 h<SUP>-1</SUP>에서 1 wt% Ni/sand를 이용하였을 경우 오일 수율은 60.99 wt%이고, 42.06 area%의 가장 높은 C6 ~ C12 탄화수소의 비율이 나타났다. In order to develop a novel system named “thermal medium and gas circulation type pyrolysis system,” this study was conducted to obtain basic data for process simulation before performing the pyrolysis experiment. Polypropylene (PP) was chosen as model material in the basic pyrolysis experiment instead of waste plastic and fluidized sand (hereinafter referred to as “sand”), and it was used as a heat transfer material in the “thermal medium and gas circulation type pyrolysis system.” Ni was impregnated as an active catalyst on the sand to promote catalytic pyrolysis. The basic physical properties of PP were analyzed using a thermogravimetric analyzer, and pyrolysis was performed at 600 ℃ in an N₂ atmosphere to produce liquid oil. The distribution of the carbon number of the liquid oil generated through the catalytic pyrolysis reaction was analyzed using GC/MS. We investigated the effects of varying the pyrolysis space velocity and catalyst amount on the yield of liquid oil and the carbon number distribution of the liquid oil. Using Ni/sand, the yield of liquid oil was increased except with the pyrolysis condition of 10 wt% Ni/sand at a space velocity of 30,000 h<SUP>-1</SUP>, and the composition of C6 ~ C12 hydrocarbons increased. With increases in the space velocity, higher yields of liquid oil were obtained, but the composition of C6 ~ C12 hydrocarbons was reduced. With 1 wt% Ni/sand, the oil yield obtained was greater than that obtained with 10 wt% Ni/sand. In summary, when 1 wt% Ni/sand was used at a space velocity of 10,000 h<SUP>-1</SUP>, the oil yield was 60.99 wt% and the composition of C6 ~ C12 hydrocarbons was highest at 42.06 area%.

폐타이어의 저온 열분해시 발생되는 오염물의 거동 특성

김상식(Sang-sik Kim) 대한환경공학회 2019 대한환경공학회지 Vol.41 No.8

목적: 폐타이어를 환경적으로 안전하게 처리할 수 있는 저온 열분해공정을 개발하는 데 있다. 방법: 폐타이어의 무게를 계량하여 열분해로에 장입한 후, 진공상태에서 저온으로 열분해하였다. 열분해로에서 발생되는 공해물질을 제거하기 위한 후 처리공정은 가스세정기, 응축기, 폐열보일러, 여과필터로 구성되었다. 본 연구를 위해 조사된 오염물질은 황화합물, 질소화합물, 암모니아 등 28개 대기오염물질과 복합악취, 12개의 지정악취물질, 다이옥신 그리고 응축수에 함유된 BOD 등 13개 수질오염물질이다. 결과 및 토의: 열분해로에 장입된 폐타이어는 100 Kg이며, 3회에 걸쳐 7시간 동안 진행되었다. 열분해로에서 폐타이어의 안정적 분해는 320℃ 전후에서 일어나며, 이는 열분해로의 배기가스를 통해서 확인할 수 있었다. 열분해로에서 폐타이어를 처리 시 발생되는 대기오염물질은 CO, HCl, NOx 등 10개 물질이 검출되었으며, 불소화합물, 페놀, 비소 등 18개 물질은 검출되지 않았다. 열분해로에서 발생되는 대기오염물질은 후처리공정에서 법 규제치 이하로 안정적으로 처리되었다. 폐타이어를 열분해로에서 처리할 때 발생되는 복합악취는 42,800 희석배수였다. 최종 배출구에서는 복합악취의 강도는 300 희석배수이며, 초기 발생농도 대비 99%가 저감되었다. 암모니아, 황화수소, n-발레르산 등 11개 지정악취 물질이 검출되었다. 이중 암모니아와 아세트알데히드는 가스세정기에서 각각 99.3%, 94.5%가 제거되었으며, 남은 물질은 여과필터에서 안정적으로 제거되었다. 최종배출구의 다이옥신농도는 0.002 ng-TEQ/S㎥로 배출허용기준인 5 ng-TEQ/S㎥ 보다 훨씬 낮은 농도로 나타났다. 결론: 28개의 대기오염물질중 10개가, 22개 지정악취물질 중 11개가 검출되었다. 열분해로에서 발생되는 NH₃ 농도는 후처리공정인 가스 세정기에서 97.2%가 저감되었으며, HCl농도는 여과필터를 통과한 후에 99.7%까지 저감되었다. 최종 배출구에서는 복합악취의 강도는 300 희석배수로 초기 발생농도 대비 99%가 저감되었다. 지정악취 물질인 암모니아와 아세트알데히드는 가스세정기에서 각각 99.3%, 94.5%가 제거되었다. 최종배출구의 다이옥신 농도는 0.002 ng-TEQ/S㎥로 조사되었으며, 법규제치 이하였다. Objectives: The purpose of this study is to develop environmentally stable treatment process by low temperature pyrolysis of waste tires. Methods : The weight of the waste tire was measured and charged to the pyrolysis furnace and pyrolyzed at a low temperature in a vacuum state. In order to remove the pollutants generated in the pyrolysis furnace, the post treatment process consisted of a gas scrubber, a condenser, a waste heat boiler, and a filter. The pollutants investigated for this study are 28 air pollutants such as sulfur compounds, nitrogen compounds, and ammonia, complex odor, 12 designated odorous substances, dioxin, and 13 water pollutants including BOD, CODMn contained in condensed water. Results and Discussion: The waste tire charged to the pyrolysis furnace was 100 kg, which was run three times for 7 hours. Stable decomposition of the waste tire in pyrolysis furnace occurred around 320℃, that could be confirmed by the exhaust gas of pyrolysis furnace. Out of 28 air pollutants, 10 substances such as CO, HCl and NOx were detected, and 18 substances such as fluorine compounds, phenol and arsenic were not detected. The air pollutants generated from the pyrolysis furnace were stably treated in the post-treatment process to below the legal limits. The complex odor generated when the waste tires were treated in the pyrolysis furnace was 42,800 dilution. At the final outlet, the intensity of the complex odor was 300 dilution, which was reduced by 99% compared to the initial concentration. 11 designated odor substances such as ammonia, hydrogen sulfide, and n-valeric acid were detected. Ammonia and acetaldehyde were 99.3 and 94.5% removed from the scrubber, respectively, and the remaining material was stably removed from the filter. The dioxin concentration at the final outlet was 0.002 ng-TEQ/S㎥, much lower than the emission limit of 5 ng-TEQ/S㎥. Conclusions : Ten out of 28 air pollutants and eleven out of 22 designated odorous substances were detected. The NH₃ concentration in the pyrolysis furnace was reduced by 97.2% in the scrubber, and the HCl concentration was reduced to 99.7% after passing through the filter. Ammonia and acetaldehyde, designated odor substances, were removed by 99.3% and 94.5% respectively in the gas scrubber. At the final outlet, the intensity of the complex odor was 300 dilutions, which is a 99% decrease compared to the initial concentration. The dioxin concentration at the final outlet was 0.002 ng-TEQ/S㎥, which was very allowable level to the legal.

폐플라스틱 유화공정의 공정개선 및 효율향상

엄태규 ( Tae-kyu Eom ) 한국환경기술학회 2012 한국환경기술학회지 Vol.13 No.4

열분해 기술은 폐플라스틱을 처리하고 2차 오염 물질의 발생을 최소화하는 에너지 회수 기술의 일종이다. 열분해는 폐플라스틱을 무산소 또는 저산소 조건하에서 500℃로 가열하는 조작이며, 연소는 발열반응에 의하여 이루어지나 열분해는 흡열반응에 의하여 진행된다. 유화처리의 대상폐기물은 탄소고리를 가진 유기화학 물질을 포함하고 있는 것이면 가능하며, 폐플라스틱 대부분이 포함된다. 열분해 공정은 폐플라스틱을 무산소 상태에서 열을 가하고, 이때 환원성분위기에서 분해되어 기체, 액체로 분해되어 증발하고, 분해되지 않은 물질은 고체(잔사)로 남게 된다. 생성물의 수율은 원료의 화학구조 형상 열분해온도와 속도에 의존하게 된다. 열분해 생성물은 산소를 공급하여 연소하며 물과 이산화탄소 및 열로 되어, 재연소에 의하여 에너지를 회수할 수 있다. 기존공정은 회분식 투입으로 기계설비가 크고, 폐플라스틱의 열분해 요구량이 매우 큰 관계로 비경제적이다. 많은 회분식 공정들이 출현되어 현장에의 적용이 되지 못한 체 사장된 가장 큰 이유는 기계설비의 효율성을 극대화하는데 실패하였기 때문이다. 따라서 본 연구는 기존 공정의 기능향상을 위해서 페플라스틱의 연속투입 및 슬러지의 연속배출로 기계설비용량을 극소화하고 열분해 요구량도 축소시킴으로서 현장에의 적용성을 실현하고자함을 목표로 하였다. 기존 공정의 비효율성을 개선하기 위해, 연속투입 공정의 변경과 운전가능성을 다음과 같이 고려되었다. 분쇄기 및 선별기 등의 전처리 과정은 폐플라스틱의 연속투입을 위해 필요하다. 그리고 슬러지의 연속생성 시험이 성공적 연속투입 및 운영에 의한 열분해 과정에서 필수적이었다. 생산 재생유의 낮은 점화점과 같은 문제점이 있었지만, 대체 에너지로의 이용가능성이 확인되었다. 생성 된 슬러지의 분석결과 중금속 성분을 조정 한 후 고체 연료로의 이용 가능한 것으로 나타났다. Pyrolysis technology is a kind of energy recovery technology that waste-plastics are treated and generation of second pollutants is minimized. It is heated to a temperature of 500 degrees Celsius in the anaerobic condition or hypoxic condition and, it is proceeded by endothermic reaction. It treats waste-plastics which includes organic chemistry materials have carbon chains and most of plastic is relevant to target. Pyrolysis process applies heat to plastic in the anaerobic condition, and plastics are decomposed to the gas and liquid, then decomposed materials are vaporized in the reducing condition. At this time, non-decomposed material is left to solid state for residue. The yield of products depends on the chemical structure, forms of materials, pyrolysis temperature and pace. Pyrolysis products is burned with applied oxygen and it become water, carbon dioxide and heat, and ten energy is collected by re-burning. Established process, batch insert equipment, is uneconomical because machinery is huge and pyrolysis demand is very high. Most of batch processes are failed to be apply to actual places since it is difficult to maximized the efficiency of machinery. Therefore, the object of this study is that minimize the equipments by continuous insert of plastics and continuous generation of sludge for improvement of established processes. Moreover, it is tried to be realized the application on the actual places. To improve the inefficiency of established process, it is changed to continuous process and considered operabilities are as in the following. Pre-treatment process such as a crusher and a sorter are necessary for continuous insert of waste-plastics. And, continuous generation of sludge was essential at the pyrolysis process by continuous insert and operating test was successful. Low ignition point of produced regeneration-oil was a kind of problem, but it was confirmed that it was possible to be an alternative energy. An analysis of generated sludge shows that it was recognized has possibility to be a solid fuel after ingredients adjustment of heavy metals.

저온열분해 시스템개발을 위한 농산부산물의 열분해속도 구명

정태상,박용대,민영봉 경상대학교 농업생명과학연구원 2015 농업생명과학연구 Vol.49 No.6

본 연구에서는 농산부산물의 추출물의 유효 성분 함유량을 최대화 하면서 경제적으로 생산할 수 있는 저온 열분해 탄화 시스템을 개발하기 위하여 왕겨 및 은행잎을 재료로 Thermo Gravimetric Analyzer(TGA;열중량분석기) 추출 실험을 실시하여 열분해속도를 구명하였다. 두 시료는 가열속도 5∼ 50℃/min에서, 가열온도 40∼70℃에서 탈휘발이 시작되어 200∼300℃까지 탈휘발이 활발히 진행되면 서 열분해 속도가 가장 높으며 약 300℃에서 열분해속도가 급감하여 400℃이내에서 열분해가 완료되는 것으로 나타났다. 가열 속도가 높아질수록 열분해가 시작되는 온도가 높아짐을 알 수 있었고, 최적 가 열속도는 30℃/min로 추정되며 이때 두 시료의 열분해속도는 9%/min로 동일하게 나타났다. 따라서 농 산부산물의 열분해가 완료되는 온도는 가열속도에 관계없이 400℃ 이내로 추정된다. The development of the environmentally friendly technology to use of agricultural by-products about 20% of the total production of the agricultural products as the useful clean resources is very important and urgent for the recycling of the resources, environmental protection and energy recovery. the low-temperature pyrolysis carbonization system of the agricultural by-products was used to maximize the useful ingredient content of the agricultural by-products and produce them economically. For the development of the system, TGA test of ginkgo and chaff to investigate the pyrolysis process speed of the agricultural by-products were performed. Under the heating rate of 5~50℃/min, the volatilization of two materials was started at the heating temperature of 40~70℃, proceeded actively to 200~300℃ and finished between 300~40 0℃. The pyrolysis starting temperature became higher with the heating rate becoming higher and the estimated optimum heating rate was 30℃/min and the pyrolysis process speed of ginkgo and chaff was represented to have 9%/min as same value of both. Thus the pyrolysis process of the agricultural by-products was estimated to finish below the temperature of 400℃.

폐플라스틱 연속 열분해 공정 개발 연구

김영두(Young-Doo Kim),이경환(Kyong-Hwan Lee),전원진(Won-Jin Jeon),최선아(Sun-A Choi) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7

플라스틱 사용 급증에 따라 폐기되는 플라스틱의 양도 전 세계적으로 함께 증가하고 있으며 많은 환경 문제를 만들어 내고 있다. 국내는 주요 폐플라스틱 수입국이 자국 환경 보호를 이유로 폐플라스틱 수입 금지 조치를 내림에 따라 대량의 폐플라스틱을 자구적으로 처리해야할 상황에 처하게 되었다. 그동안 가소성 폐플라스틱을 열분해해서 얻는 가스, 오일, 잔사물 중 열분해 오일은 연소용 연료로 재활용하는 것이 대부분이었으나 최근에는 수소 생산 또는 화학물질 합성을 위한 기본 단위 물질로 전환시키기 위한 연구가 시도되고 있다. 이때는 양질의 열분해 오일을 대량으로 생산하는 것이 관건이 된다. 본 연구는 양질의 열분해 오일이 생산 가능한 상업 규모 연속 폐플라스틱 열분해 공정을 개발하기 위해 실험실 규모의 연속 열분해 공정을 구축하고 연구를 수행한 것이다. 연료는 선별 처리장에서 수거된 농촌 폐비닐을 대상(주성분: Polyethylene)으로 파쇄 후 이용하고 반응기는 로터리 킬른 형태를 적용하였다. 반응기 온도를 400℃ 내외로 유지하며 연료의 연속 투입 조건에서 가스, 오일, 왁스를 연속적으로 분리 회수하였다. 약 50시간 동안 2kg/h의 연료를 연속적으로 열분해 하였으며 회수된 열분해 오일에 대해서 GC(Gas-chromatography) 분석을 실시하였다. 공정 단계에 따라 회수된 각 열분해 오일은 경질유, 중질유, 왁스로 구분은 가능하지만 탄소 수 분포가 매우 넓은 형태로 중첩되는 것을 확인하였다. 이에 따라 보다 양질의 오일을 생산하기 위한 조건으로 열분해 오일의 추가 분리 공정이 필요한 것으로 판단하였다.

Auger 반응기에서 제조한 다시마 유래 열분해오일의 특성

최재욱(Jae-Wook Choi),손덕원(Deokwon Son),서동진(Dong Jin Suh),김화용(Hwayong Kim),이윤우(Youn-Woo Lee) 한국청정기술학회 2018 청정기술 Vol.24 No.1

오거 반응기를 이용하여 해조류 바이오매스인 다시마로부터 열분해 오일 제조 실험을 수행하였으며, 열분해 오일의 물리화학적 특성을 살펴보았다. 주요 공정 변수인 열분해 온도 및 오거 컨베이어 속도의 최적 조건은 각각 412 ℃, 20 rpm이었으며, 이 때 열분해 오일의 최대 수율은 32 wt%이었다. 낮은 탄소 함량 및 높은 산소 함량으로 인해, 다시마 유래 열분해 오일의 발열량(23.6 MJ kg<SUP>-1</SUP>)은 기존 화석연료의 약 60% 이었다. 열분해 오일의 GC/MS 분석 결과, 1,4-Anhydro-d-galactitol, dianhydromannitol, 1-hydroxy 2-propanone, isosorbide 등이 주요 화합물로 확인되었다. 촤는 탄소 함량이 낮고 산소함량이 높아 발열량(13.0 MJ kg<SUP>-1</SUP>)이 낮으며 다량의 무기 성분 및 황을 포함하고 있는 것으로 확인되었다. Pyrolysis of Saccharina japonica in an Auger reactor was conducted by varying the temperature and the auger speed and then physicochemical properties of the S. japonica-derived pyrolysis oil were analyzed. The maximum yield of S. japonica-derived pyrolysis oil (32 wt%) was obtained at a pyrolysis temperature of 412 ℃ and an auger speed of 20 rpm. Due to low carbon content and high oxygen content in the pyrolysis oil, the higher heating value of S. japonica-derived pyrolysis oil was 23.6 MJ kg<SUP>-1</SUP>, which was about 60% that of conventional hydrocarbon fuels. By GC/MS analysis, 1,4-Anhydro-d-galactitol, dianhydromannitol, 1-hydroxy 2-propanone and isosorbide were identified as the main chemical compounds of S. japonicaderived pyrolysis oil. The bio-char has low higher heating value (13.0 MJ kg<SUP>-1</SUP>) due to low carbon content and high oxygen content and contains a large amount of inorganic components and sulfur.

혼합폐플라스틱의 열분해를 통한 회수오일의 이용가능성 평가

배재근,김영신,조창호,편의식 한국에너지학회 2005 에너지공학 Vol.14 No.2

국내에서 폐플라스틱 발생량은 증가하고 있지만 이에 대한 처리방법 및 재활용은 부족한 실정이다. 하지만 최근에 플라스틱과 같은 고분자물질의 처리 방법으로 열분해기술에 대한 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서는 혼합폐플라스틱의 처리 및 생성되는 재생유의 이용가능성을 평가하기위해 폐플라스틱의 각 재질별 TGA와 DCS 분석을 통한 열분해특성 파악과 재생유의 품질검사 및 성상분석을 통한 이용가능성을 평가하였다. 온도변화에 대한 재질별 플라스틱의 열분해는 PP, LDPE, HDPE, PET, PS, 기타 순으로 이루어짐을 확인할 수 있었다. 이러한 각 재질별 플라스틱의 열분해 특성을 기초로 하여 혼합폐플라틱의 열분해처리 조건을 설정하였고, Batch식 열분해 플랜트를 가동하여 혼합폐플라스틱을 처리하였다. 열분해 처리시 발생되는 가연성가스를 포집, 냉각 및 정제과정을 거쳐 오일을 생산하고, 시중에서 판매되고 있는 연료유와 재생유를 한국산업규격의 석유품질검사법에 준하여 분석하였다. 재생유의 품질은 낮은 인화점을 제외하고는 모두 품질기준에 적합한 것으로 분석되었고, 연료유와의 성상을 비교한 결과 등유와 경유 중간의 성상을 나타내었다. 따라서 혼합폐플라스틱을 열분해 처리해 생성된 오일은 연료유로 이용이 가능하므로 신재생에너지로 활용이 충분할 것으로 확인되었다.

폐목질계 바이오매스의 급속열분해 기포유동층 반응기에 대한 수치해석적 연구

이지은(Ji Eun Lee),최항석(Hang Seok Choi) 大韓環境工學會 2013 대한환경공학회지 Vol.35 No.10

대기 오염, 기후 변화 등 환경 문제와 자원 고갈로 인해 화석 연료를 대체할 에너지에 많은 관심이 집중되고 있다. 폐바이오매스의 에너지화 분야에서도 다양한 연구가 이루어지고 있다. 폐목질계 바이오매스의 급속열분해는 바이오매스 에너지화 기술 중 하나로 액상 연료를 생산할 수 있다. 바이오매스의 급속열분해에는 주로 기포유동층 반응기가 쓰이고 있으며, 기포유동층 급속열분해 반응기에서는 반응물에 열을 효과적으로 전달하기 위하여 고체입자의 유동매체를 이용한다. 이러한 기포유동층 반응기에서 유동층 내 고체 입자의 움직임과 혼합은 기포의 거동에 영향을 받는다. 이로 인해 열전달 현상이 달라지고 결과적으로는 폐목질계 바이오매스의 급속열분해 반응 속도가 변한다. 따라서 본 연구에서는 기포유동층 반응기 내부의 수력학적 특성과 폐목질계 바이오매스 급속열분해 반응에 관한 연구를 수행하였다. 반응기내의 기체-고체 유동에 대해 Eulerian-Granular 방법을 사용하여 반응기를 시뮬레이션 하였으며, two-stage semi-global reaction model로 폐바이오매스의 급속열분해반응을 모사하였다. 결과를 살펴보면, 유동층 내에서 기포들이 생성되고 상승하면서 크기가 증가한다. 이러한 기포의 거동에 의해 기포 주위의 고체 입자는 여러 방향으로 움직이게 된다. 고체 입자상의 활발한 움직임으로 바이오매스 입자가 유동층에 골고루 퍼져 일차 반응이 유동층 전반에서 일어난다. 그리고 일차 반응 중 타르가 생성되는 반응 속도가 가장 높게 나타난다. 그 결과 기체상 생성물 중 타르가 약 66 wt.%로 가장 많이 발생한다. 반면 이차 반응은 유동층에서보다 freeboard에서더 많이 일어난다. 따라서 기포의 거동이나 입자의 움직임에 의한 영향은 일차 반응보다 상대적으로 적을 것으로 판단된다. New and renewable energy sources have drawn attention because of climate change. Many studies have been carried out in waste-to-energy field. Fast pyrolysis of waste lignocelluosic biomass is one of the waste-to-energy technologies. Bubbling fluidized bed (BFB) reactor is widely used for fast pyrolysis of the biomass. In BFB pyrolyzer, bubble behavior influences on the chemical reaction. Accordingly, in the present study, hydrodynamic characteristics and fast pyrolysis reaction of waste lignocellulosic biomass occurring in a BFB pyrolyzer are scrutinized. The computational fluid dynamics (CFD) simulation of the fast pyrolysis reactor is carried out by using Eulerian-Granular approach. And two-stage semi-global kinetics is applied for modeling the fast pyrolysis reaction of waste lignocellulosic biomass. To summarize, generation and ascendant motion of bubbles in the bed affect particle behavior. Thus biomass particles are well mixed with hot sand and consequent rapid heat transfer occurs from sand to biomass particles. As a result, primary reaction is observed throughout the bed. And reaction rate of tar formation is the highest. Consequently, tar accounts for 66wt.% of the product gas. However, secondary reaction occurs mostly in the freeboard. Therefore, it is considered that bubble behavior and particle motions hardly influences on the secondary reaction.

Lab-scale 기포유동층 반응기에서 커피찌꺼기와 폐스티로폼 혼합열분해에 관한 CFD 해석

최상규(Sangkyu Choi),최연석(Yeonseok Choi),정연우(Yeonwoo Jeong),한소영(Soyoung Han),응웬 반 꾸잉(Quynh Van Nguyen) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7

최근 세계적으로 커피 소비량이 증가하고 있어 폐기물로 발생하는 커피찌꺼기를 효율적으로 처리하는 방법이 중요해지고 있다. 커피찌꺼기는 기존에 펠렛 또는 퇴비화하여 사용하는 방법이 제안되었으나 그 성분의 특성상 펠릿 성형이 어렵고 퇴비로서의 활용성도 제한적이므로 대부분 매립 또는 소각되고 있다. 또한 플라스틱 폐기물 중에서 폐스티로폼은 이물질이 없는 경우에만 재활용되고 있어 많은 부분이 버려지고 있다. 급속열분해는 바이오매스 등의 폐기물을 약 500℃의 무산소 분위기에서 열분해하고, 생성된 열분해가스를 응축하여 액체상의 오일로 전환하는 기술로서, 고체상의 바이오매스 및 폐기물을 액상으로 변환할 경우 연료로서의 활용이 용이해지고, 고부가 화학물질 원료로도 활용 가능하므로 효과적인 폐기물 자원화 방안이 될 수 있다. 커피찌꺼기를 단독으로 열분해하여 생성되는 바이오원유는 일반적인 목질계 바이오매스로부터 형성된 바이오원유에 비하여 발열량이 50% 정도 높은 장점이 있으나, 점도가 매우 높아 저장 및 이송이 어려워지는 단점이 있다. Lab-scale 기포유동층 반응기에서 커피찌꺼기에 폐스티로폼을 혼합하여 열분해오일을 제조한 선행 연구에서, 커피찌꺼기를 단독으로 사용한 바이오원유에 비하여 오일 수율 및 발열량이 높아지고 점도가 낮아지는 효과가 확인되었다. 본 연구에서는 기포유동층 반응기에서 커피찌꺼기와 폐스티로폼의 혼합열분해에 관한 CFD 해석을 수행하였다. CFD 해석은 다상 유동 해석이 가능한 오픈소스 소프트웨어인 MFiX(Multiphase Flow with Interphase eXchanges)를 이용하였으며, Eulerian-Eulerian model을 적용하였다. 커피찌꺼기의 구성 성분은 원소분석 결과를 기반으로 하여 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌, 지방산 등이 포함된 8종의 성분으로 표현하였고, 열분해반응은 22종의 고체 성분, 28종의 가스 성분을 포함하는 25단계의 1차 반응으로 구성되었다. 커피찌꺼기와 폐스티로폼의 다양한 혼합 비율에서 열분해오일의 수율을 도출하였고, 열분해오일의 주요 구성 성분을 실험 결과와 비교하였다.