NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 22, No. 2, 2004…169 National Research Laboratory (국가지정연구실)
NRL 소개
정 수 현
한국에너지기술연구원 [email protected]
연구실 소개
한국에너지기술연구원 폐기물열분해연구센터는 2001년 국가지정연구실로 선정되어 현재는 2단계 1차년도 연구를 수행 중에 있다. 본 연구센터는 NRL로 지정되기 10여년 전인 1990년부터 본 센 터의 소속 연구원들이 폐기물 열분해 관련 공정개 발 연구를 수행하여 현재는 상용화 전단계의 연구 를 진행 중에 있으며 폐기물 열분해 외에도 난분해 성 액상폐기물의 연소처리기술도 개발 중에 있다.
폐기물을 열분해하는 기술은 소각에 의한 유해 성 연소 산화물 및 기타 소각 잔재물에 의한 환경 오염문제를 최소화하기 위한 대안으로 개발된 것 이며 고분자 폐기물의 열분해 기술도 이와 같은 관점에서 출발하였지만 환경친화적인 처리를 위 한 목적 외에도 에너지의 고부가가치화라는 측면 이 추가될 수 있다. 폐기물의 열분해 기술은 우선 적으로 2차 환경오염물질의 발생을 최소화하기 위한 공정개발이 우선이며 차선으로는 열분해 생
성유가 대체 청정 연료유로 사용가능하도록 하는 공정개발이라고 볼 수 있다.
폐기물열분해연구센터는 처리대상 고분자 폐기 물을 주로 폐타이어(폐고무류 포함) 및 폐플라스 틱으로 하고 있으며 이와 관련된 열분해 유화기술 을 집중적으로 연구하여 왔다. 폐타이어 열분해 공 정에 대해서는 pilot plant 검증 단계에 있으며 프 론티어 사업에 의하여 개발 중인 폐플라스틱 열분 해 공정의 경우도 pilot plant 운전실험 중에 있다.
일반적인 열분해 공정의 특징은 고분자 폐기물 을 환원성 분위기 하에서 간접가열하여 탄소수가 짧은 화합물로 전환시킨 후 일정한 증류 또는 응 축장치를 이용한 열분해유 또는 가스를 얻는 기술 로 볼 수 있다. 그러나 최종 대상 생성물에 따라 열분해 반응 기술이 다양하게 적용될 수 있으며 선진국의 경우는 연구분야를 단순 열분해 재생유 를 생산하는 기술에 그치지 않고 본래의 원료물질 로 회수하거나 합성가스 또는 활성탄소를 생산하
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NRL
소개거나 기타 화학원료를 생산하는 기술에까지 확대 적용하고 있다.
그것은 폐기되는 막대한 석유화학자원을 단순 에 너지로 재활용하는 기술보다는 고부가가치화하는 기술개발에 관심을 두고 있기 때문이다. 경제적인 측면보다는 석유화학자원 확보라는 미래 기술의 측 면을 담고 있다고 보아야 할 것이며 우선 경제적으 로 이용한다고 하여 근시안적으로 대안 없이 에너 지로 활용하는 기술은 석유자원 고갈을 고려할 때 재고하여야 할 시점에 와있다고 볼 수 있다.
연구과제의 내용
본 NRL연구사업에서 추진중인 연구는 현재 상 용화 과정에서 확보해야할 핵심 요소기술에 대한 연구와 향후 석유화학자원 회수를 위한 관련기술 연구라는 두 가지 측면을 함께 고려하고 있다.
1) 혼합 폐플라스틱 중에 함유된 PVC로부터 염소 분 제거기술개발
이 기술은 폐플라스틱으로부터 재생 연료유로 생산하던지 직접 연소에 의하여 연료로 사용하던 지 반드시 확보하여야 할 요소기술 중의 하나이다.
본 연구에서는 물리적 또는 화학적인 탈염기술에 관한 연구를 동시에 추진 중이며 물리적인 탈염을
위해서 기계적인 반응기의 구조 및 조업조건에 관 한 연구를 중점적으로 수행하고 있으며 화학적인 탈염분야는 중화공정을 비롯한 촉매에 의한 전환 공정에 이르기까지 기본 연구를 추진 중에 있다.
연료로 사용하는 경우의 탈염은 연소시 발생하는 유독성 할로겐계 산화물의 배출을 억제하는 효과 가 있으며 화학적인 탈염의 경우는 원료를 정제하 거나 촉매처리를 위한 전처리 차원의 목적을 갖고 있다.
2) 저가 촉매에 의한 올레핀계 폐플라스틱의 열분 해 유화기술
국내의 폐플라스틱 발생량의 60% 이상이 올레 핀계인 PE와 PP로 이루어져 있으며 열분해 유화 과정에서 경유 상당의 비점을 갖도록 회수하기 위 해서는 열분해 촉매의 사용이 불가피하다. 그러나 상용화된 열분해 촉매의 가격은 고가이기 때문에 본 연구에서는 석탄회재나 천연제올라이트를 이 용한 kg당 5불 이하의 저가 촉매를 개발하는 연구 를 시도하고 있으며 반복사용에 의한 촉매활성저 하를 감안하여 사용후 폐기가 가능한 수준의 경제 성을 고려하고 있다.
촉매의 활성부여를 위한 알칼리 처리기법 및 조 업조건에 대한 분석이 이루어지고 있으며 전용 대 용량 열분석장치(magnetic suspension balance;
MSB)와 비점분석장치(SIMDIS)를 이용한 촉매 성능분석을 실시하여 접근하고 있다.
3) 코킹제어기술 개발
열분해 공정의 특성상 간접가열에 의한 반응이 불가피하나 고분자 물질의 점성 또는 비전도성에 의한 가열구배가 상존하기 때문에 반응기 내벽에 서의 코킹형성이 발생할 수밖에 없으며 그 원인은 철이나 니켈 성분에 의한 탄화수소의 탈수소 촉매 반응으로 판단된다. 뿐만 아니라 탄화수소가 지나 그림 1. 통합 열분해 요소기술 개발장치.
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소개 National Research Laboratory (국가지정연구실)가는 가열관 내에서도 동일한 반응이 일어날 수 있기 때문에 열분해 공정에서의 코킹제어는 반드 시 극복해야할 요소기술에 속한다. 열분해 공정에 서 누적되는 코킹형성은 일정한 간격의 보수를 요 하며 경우에 따라서는 반응기 파열의 원인이 될 수 있다.
이를 극복하기 위해서는 물리적으로 제거가 용 이한 반응기의 구조를 갖게 하든지 아니면 금속의 표면을 개질함으로서 촉매반응을 억제하는 기술 등이 고려될 수 있으며 본 연구에서는 후자에 관 한 연구를 집중적으로 수행하고 있다.
이와 관련하여 표면개질에 따른 코킹의 형성과 정을 추적하고 억제할 수 있는 반응 메카니즘에 관한 분석을 연구하고 있으며 최종적으로 코킹제 어용 반응기를 개발하는 것을 목표로 하고 있다.
4) 열경화성 수지의 열분해 처리기술
폐플라스틱 중에 열분해나 연소가 용이한 것은 열가소성 수지이며 열경화성 수지는 난연성이면 서 난열분해성이기 때문에 환경친화적으로 처리
하기 위해서는 수소첨가에 의한 가압 열분해 방식 을 채택하게 된다.
특히 FRP(fiber reinforced plastic)처럼 일정비 율의 유리섬유를 함유하고 있는 열경화성수지의 경우는 연소시 유리섬유의 용융에 의한 연소장애 현상이 발생하기 때문에 소각처리에도 한계성이 있을 수 있다.
본 연구에서는 열경화성 수지의 수소첨가 열분 해에 의한 안정처리 기술과 이를 위한 전용 가압 반응기의 개발을 진행 중에 있으며 우선적으로 회 분식으로 조업조건 선정에 관한 연구를 진행 중에 있다.
주요 보유장비 및 기기
Temperature Programmed Desorption(TPD) Equipment
Magnetic Suspension Balance Simulated Distillation(SIMDIS) GC Sorption Analyzer(Quanta-chrome) 염소분 분석장치
그림 2. 전용 열분석장치(MSB) 공정도.
