전체적인 공정을 살펴보면 우선 원료 이송장치와 정량공급 장치를 통하여 1차 반응기 (Melting Reactor)로 투입된 폐플라스틱 원료는 열매체 오일에 의하여 310℃ 정도의 온도에서 용융된 후에 다시 CSTR 형식의 2차 반응기 (Cracking Reactor) 로 공급되어 3차 반응기(Tubular Reactor)에 의해서 최고 420℃의 온도로 가열되는 반응물이 펌프로 순환되면서 열분해 반응이 진행되어진다. 300℃ 정도의 온도로 용융된 폐플라스틱 반응물을 열분해 시키는데 필요한 열량을 공급하는 역할을 담당하는 3차 반응기는 Fired heater 형식으로 설계되었으며, 생성유와 비응축성 가스의 일부를 원료로 하여 시간당 600, 000 kcal의 열량을 공급할 수 있도록 제작되었다.

생활계의 혼합폐플라스틱으로부터 고급 대체 연료유를 생산 하는 연속식의 열분해 유화 공정을 개발하고 상용 플랜트의 설계기술을 확보하는 것을 최종 목표로 추진된 본 연구에서는 실험실 규모의 기초적인 열분해 실험과 10kg/hr 규모의 Prototype Bench Scale Unit(BSU)에서 도출된 자료를 바탕으로 50kg/hr의 Hlot Plant를 개발하여 운전하였고, 실용화 단계로서 3, 000톤/년의 처리 용량을 가진 열분해 유화 실증 플랜트를 설계하여 건설하였다.

실증 플랜트의 설계와 운전에 필요한 자료를 확보하기 위하여 Pilot Plant를 대상으로 관형 반응기의 성능 및 Coking 현상 방지, 고온용 펌프의 성능 테스트, 증류 설비의 성능 보완, 슬러지 반응기의 정상 작동, 열분해 제품의 특성 및 품질 분석, 장기 연속 운전 등의 가동실험을 실시하였다."

실증플랜트의 전체적인 공정은 Fig. 6과 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 크게 원료의 정량공급 시스템, 용융 시스템 반응 시스 템, 슬러지 처리 시스템, 증류 시스템, 비응축성 가스의 처리 시스템, 생성유의 정제 및 저장 시스템, 기타 시스템 구성하는 것을 기본으로 하였으며, 반응공정에 사용되는 반응기로는 연속탱크교반형 반응기(CSTR)와 Fired Heater 방식의 튜브형 반응기 (Tubular Reactor) 를 채택하였다.

열분해 유화 실증플랜트는 Table 6에 나타낸 바와 같이 원료 투입량으로 3, 000톤/년을 기준으로 설계되었으며, 크게 용융 반응기, 분해 반응기, 튜브 반응기, 슬러지 반응기로 구성되는 반응 시스템의 온도는 310~430℃ 범위로 결정하였다. 원료 중의 열가소성 폐플라스틱 및 무기질 함량은 각각 88%와 5%를 기준으로 하였고, 생성유의 수율은 68%로 예측하였다.

열분해 유화 실증플랜트는 Table 6에 나타낸 바와 같이 원료 투입량으로 3, 000톤/년을 기준으로 설계되었으며, 크게 용융 반응기, 분해 반응기, 튜브 반응기, 슬러지 반응기로 구성되는 반응 시스템의 온도는 310~430℃ 범위로 결정하였다. 원료 중의 열가소성 폐플라스틱 및 무기질 함량은 각각 88%와 5%를 기준으로 하였고, 생성유의 수율은 68%로 예측하였다. 생 성유 중에는 비점이 140P 이상인 성분이 70% 정도 함유되어 있고, 열분해 부산물인 슬러지의 탄소 함량은 10% 미만을 기준으로 하였다.

폐플라스틱 원료가 보유한 에너지에 대한 공급 에너지의 비율은 Fig. 4에 소개한 바와 같이 현재는 24% 정도로 추산되었으며, 실제의 가동 단계에서는 연구에서는 경유을 연료로 사용하는 관형 반응기 및 슬러지 반응기, 전기를 사용하는 열매체 오일 가열용 보일러 및 Reboiler 가열장치 등에 생성유와 비응성 가스를 연료로 사용하여 자체 에너지 소비율을 15~20% 범위로 유지할 계획이다.

혼합 페플라스틱을 분해하여 생성된 오일은 증류탑 상단의 저분자 생성물(LGO)와 증류탑 증간의 고분자 생성물(HG0)로 분류하였고, 이의 증류 분포를 Fig. 2에 나타냈다. 저분자 생성물인 LGO의 증류 분포는 상용 가솔린의 증류 분포보다 높았으나 Kerosene보다는 낮았다.

대부분의 분석결과가 GR 기준에 적합하나 저비점 생성물인 LGO는 10 % 잔류탄소분과 동점도에서 고비점 생성물인 HGO는 유동점, 동점도 및 90% 유출온도에서 약간의 차이를 보이고 있으며, 두 생성물의 혼합이나 증류탑의 운전 조건을 변화 등으로 LGO와 HG0의 물성을 GR 기준에 합치시킬 수 있다고 판단된다.

하지만 최종적으로 분해가 되지 않은 탄소 성분과 이물질 등의 분율은 전체 중에 15%이하로 아주 낮았다. 따라서 반응기로부터 잔류물의 배출 횟수를 최대한 줄였기 때문에 실제 배출되는 양은 작은 양이었으며, 또한 이를 잔류물 처리 반응기에서 처리함으로써 대부분이 오일로 전환되고 최종 남아있는 고형 폐기물의 양은 더욱 더 작은 양이었다.

원료에서 수소/탄소의 함량비가 높을수록 분해하여 생성된 오일에서도 높은 비가 나타나고, 이의 값이 높을수록 오일의 발열량이 높게 된다. 따라서 본 연구에 사용된 원료는 범용 폴리올레핀계의 수소/탄소 함량비인 0.15 ~ 0.16 범위보다 높은 0.17로 상대적으로 좋은 조건의 원료로 판단된다.

폐플라스틱 원료의 투입량이 50kg/hr 규모로 설계된 연속식의 열분해 유화 Pilot Plant는 GR 기준을 만족하는 연료유와 17, 000-18, 000kcal/m3 범위의 연료가스를 70% 이상의 수율로 생산할 수 있는 성능을 나타냈다. 또한 원료 공급, 용융, 반응기, 슬러지 처리, 증류, 연료 가스의 처리, 생성유의 정제 및 저장 등의 단위 공정으로 구성되는 3, 000톤/년 규모의 실증 플랜트는 공정 구성과 상세설계를 거쳐서 건설이 완료되었으며, 현재 시운전중이다.

또한, GR 기준에서 언급된 4대 중금속(Cr, Pb, Cd, As)은 LGO, HGO 모두 기준치 범위 내에 포함되었으며, 발열량도 경유 및 휘발유와 유사한 10, 500-10, 900 kcal/kg의 분석값을 보였다.

또한, 고품위화 기술 개발을 위한 열분해 생성유에 대한 물리적 정제 실험을 실시한 결과 GR 수준&을 만족하는 열분해 생성유의 생산이 가능함을 확인하였다. Fig.

본 연구에서 개발된 열분해 유화 공정은 자동화되어 최소 인원에 의해 운전되고, 전 공정이 연속 운전에 의한 대량 처리가 가능할 뿐만 아니라 경제성이 우수한 공정인 동시에 환경 문제인 배가스 및 최종 폐기물 등의 억제로 인하여 2차 환경을 최소화한 친환경적인 공정이다.

등의 다양한 성분으로 구성되어 있다. 생성물의 분포를 보면 수소와 탄소수 1개인 메탄 그리고 탄소수 2개 성분이 약 12~13%이고, 탄소수 3개 성분이 약 12%, 탄소수 4개 성분이 약 17%로 측정되었으며, 비응 축성 가스의 발열량은 Fig. 5에서 보는 바와 같이 17, 000-18, 000 kcal/m3 범위로서 LNG(9.530 #/#)와 LPG(22, 150 kcal/m3)의 중간 범위에 포함되어 연료가스로 활용이 가능한 것으로 판단된다.

증류탑 중간에서 얻은 HG0의 증류 분포는 Diesel보다 높은 것으로 고비점 물질이 많이 포함되어 있다. 여기에서 초기 생성물이 얻은 비점과 10%가 증류된 비점 사이의 끊는점 차이가 조금 큰 것으로 HG0 생성물에 저비점 생성물이 일부 포함되고 있음을 알 수 있었다. 그런데 각 생성물의 증류 분포는 증류탑의 실험 변수인 Reflux ratio, 증류탑 하단에 설치된 리보일러의 온도, 압력 그리고 증류탑의 단수 등에 의해 조절이 가능하다.

혼합 폐플라스틱을 대상으로 한 Pilot plant의 열분해 성능 결과를 Table 2에 나타내었다. 열분해 공정은 원료의 투입 속도가 시간당 40kg이었고, 생성오일은 시간당 40리터였으며, 생성된 오일 비중을 0.8로 환산할 경우 생성 오일의 수율은 약 80wt%로 상당히 우수한 결과를 보였다. 한편, 많은 에너지가 필요한 Fired heater의 오일 소모량은 시간당 4.

위와 같이 자동화된 열분해 유화 pilot plant는 PE, PP, PS,PVC 등으로 구성된 생활계의 혼합 폐플라스틱을 원료로 하며, 열분해 오일(70%), 비응축성 가스(20%), 수분 및 무기물(10%)로 구성된 열분해 생성물을 70% 이상의 수율로 생산할 수 있는 성능을 보유하였다.

2에 나타냈다. 저분자 생성물인 LGO의 증류 분포는 상용 가솔린의 증류 분포보다 높았으나 Kerosene보다는 낮았다. 그런데 LGO증류 분포에서 90%와 100%의 끊는점 값 변화가 100%이상으로 커 고비점 물질이 LGO 생성물에 포함되고 있다.

폐플라스틱 원료의 투입량이 50kg/hr 규모로 설계된 연속식의 열분해 유화 Pilot Plant는 GR 기준을 만족하는 연료유와 17, 000-18, 000kcal/m3 범위의 연료가스를 70% 이상의 수율로 생산할 수 있는 성능을 나타냈다. 또한 원료 공급, 용융, 반응기, 슬러지 처리, 증류, 연료 가스의 처리, 생성유의 정제 및 저장 등의 단위 공정으로 구성되는 3, 000톤/년 규모의 실증 플랜트는 공정 구성과 상세설계를 거쳐서 건설이 완료되었으며, 현재 시운전중이다.

대개 원료 전처리, 원료 투입, 용융, 열분해 반응, 생성유 정 제, 저장 시스템 등으로 구성되는 열분해 유화공정은 크게 회 분식 공정, 반연속식 공정 및 연속식 공정으로 구분할 수 있으며, 고분자 폐기물이 보유한 에너지 잠재량을 부가가치가 높은 연료유의 형태로 80% 이상 회수하는 효과적인 기술로서 2차 공해를 최소화할 수 있는 친환경적이고, 경제성이 높은 효과적인 재활용 기술로 평가되고 있다. 또한 국내에서 발생되는 연간 400만톤의 고분자 폐기물 중에서 전량 열분해 유화가 가능한 약 150만톤/년의 열가소성 폐플라스틱을 열분해 유화 공정을 통하여 산업용 대체연료를 생산할 경우 연간 약 100만 TOE의 에너지 회수 효과와 4, 000억원 상당의 석유 수입 대체 효과가 기대된다.