[논문]폴리머 절연폐기물 열분해 특성에 관한연구

박철배; 천성남; 이병성; 민동예

폴리머 절연폐기물 열분해 특성에 관한연구
The Study on the Character of Pyrolysis of Polymeric Waste 원문보기

박철배 (한국전력공사 전력연구원) , 천성남 (한국전력공사 전력연구원) , 이병성 (한국전력공사 전력연구원) , 민동예 (한국전력공사 전력연구원)

전력기술의 발전함에 따라 절연소재 또한 급속한 발전을 가져왔다. 특히, 오랫동안 사용해온 자기재 절연물에서 시공의 용이성, 경량성, 내오염성 등과 같은 장점을 가진 폴리머 절연물로 대체 되어 사용되어져 왔다. 폴리머 애자는 1980년대 말에 최초로 사용되기 시작 하여 2007년 한 해 동안 약 100만 여개의 폴리머 애자가 배전선로에 사용되고 있다. 이러한 폴리머 절연재료는 그 수명이 20년 이상으로 보고되어지는바, 그 수명이 종기가 다가와 폐기되는 폴리머 양이 점차적으로 증가할 것이다. 본 연구는 폴리머 애자의 열분해 특성연구에 이어 현재 배전선로에 쓰이고 있는 전선류를 포함한 폴리머 절연 폐기물의 열분해 특성에 관한 연구를 수행하였으며, 향후 폴리머 절연 폐기물을 경제적으로 처리하여 자원화하기 위한 기초 연구로 활용하고자 한다.

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문제 정의

폴리머 폐기물 종류에 따른 열분해 특성 데이터를 얻기 위해 열중량 분석계(Thermal Gravity Analysis : TGA)와 시차주사 열량계(Differential Scanning Calorimeter : DSC)를 이용하였다. 본 논문에서는 케이블 절연물인 XLPE에 대해서 기술하였다. 애자 절연물은 이전 문헌에서 연구되었으므로 제외하였다.
본 연구 폴리머 애자의 열분해 특성에 관한 연구에 이어 배전 계통에서 사용되고 있는 폴리머 절연물에 대해 열분해 특성을 연구하였으며, 향후 폴리머 절연 폐기물의 재이용 기술의 기초연구자료로 활용하고자 한다.
전력사업에 사용하고 있는 폴리머 절연물을 대상으로 열분해 특성에 관한 연구를 수행하였다. 점차 증가하고 있는 폴리머 절연 폐기물을 처리하기 위한 공정개발에 필요한 데이터이다.

제안 방법

전력사업을 위해 사용되고 있는 전선류를 포함한 폴리머 절연물을 대상으로 처리 및 자원화 공정의 적용가능성을 평가 하기 위해 표 1과 같이 원소 분석을 실시하였다. 원소분석은 Fisons 社의 EA1108를 사용하였으며 1,800 ℃에서 연소시킨 시료의 연소 기체를 고순도로 Cu로 환원시킨 후 GC에 통과시켜 각 성분의 양을 측정하여 표 1에 나타내었다. 제조사에 따라 약간의 차이는 있을 수 있으나 대체적으로 유사하다.
전력사업을 위해 사용되고 있는 전선류를 포함한 폴리머 절연물을 대상으로 처리 및 자원화 공정의 적용가능성을 평가 하기 위해 표 1과 같이 원소 분석을 실시하였다. 원소분석은 Fisons 社의 EA1108를 사용하였으며 1,800 ℃에서 연소시킨 시료의 연소 기체를 고순도로 Cu로 환원시킨 후 GC에 통과시켜 각 성분의 양을 측정하여 표 1에 나타내었다.
표 2는 폴리머 재료별 열분해 온도 및 잔류량을 표로 나타낸 것으로서 FRP rod의 경우에는 총 4단계의 걸쳐 열분해가 이루어졌고 EPDM 의 경우는 2단계에 걸쳐 이루어졌다. 폴리머 절연 물의 최고 열분해 온도는 750 ℃ 최저 온도는 600 ℃로 나타나 적정 처리 온도는 약 700 ℃ ~ 800 ℃로 판단된다.

이론/모형

폴리머 폐기물 종류에 따른 열분해 특성 데이터를 얻기 위해 열중량 분석계(Thermal Gravity Analysis : TGA)와 시차주사 열량계(Differential Scanning Calorimeter : DSC)를 이용하였다. 본 논문에서는 케이블 절연물인 XLPE에 대해서 기술하였다.

성능/효과

1. 폴리머 절연물의 원소분석 결과 탄소와 수소가 주성분을 이루었으며, 미량의 황(sulfur) 와 염소(Chloride) 성분도 존재하는 것으로 나타났다.
2. 소각에 의해 폴리머 절연물을 처리시 저온영역에서 황(sulfur)과 염소(chloride)에 의한 황산화물과 염소계의 유독성 대기오염물질을 배출될 수 가능성이 있을 것으로 판단된다
3. 다부분의 폴리머 절연물의 조성이 유사하여 혼합 처리가 가능할 것이며, 열분해 온도는 800 ℃가 적정할 것으로 판단된다.
점차 증가하고 있는 폴리머 절연 폐기물을 처리하기 위한 공정개발에 필요한 데이터이다. 본 연구를 통해서 폴리머 절연물별 열분해 적정온도를 경정하였으며, 원소분석을 통해 자원 회수의 가능성을 확인하였다. 폴리머 절연폐기물의 처리 및 재이용을 위한 최적 공정 개발을 진행 중에 있다.
접속재 표면은 650 ℃ 근방에서 열분해가 완료되는 산화성 발열 특성을 나타내며 이때의 잔량은7 % 정도로 낮게 나타났다. 직선 접속재 중간 시료는 550 ℃ 근방에서 열분해가 완료되나 약 43 %의 잔류물이 나타나 중간층과 표층사이의 재료적 차이를 나타냄을 알 수 있었다. 그림 4의 종단접속재의 경우에는 700 ℃ 근방의 상대적으로 높은 온도에서 분해가 완료되며 잔류량은 6.
표 1에서와 같이 폴리머 절연물은 대부분 탄소와 수소로 구성되어 있으며, 특히 접속재와 케이블에서 함량이 높고 애자류에서는 상대적으로 낮은 것으로 나타났다. 이러한 특성은 애자의 기계적 특성과 트래킹 성능을 향상시키기 위해 구성성분 중 필러(filer)나 첨가제(ATH, Clay, FRP 등)가 많이 사용되기 때문이다.

후속연구

4. 폴리머 절연물별 열분해 가스의 조성에 대한 연구가 진행되고 있으며, 이를 재이용하기 위한 공정이 개발될 것이다.
전력회사에서 폴리머 절연물 사용량이 급격히 증가하고 있다. 케이블, 애자류에 제한적으로 사용되던 폴리머 재료가 개폐기, 변압기, 각종 외함, 전주 등으로 급속히 확대되고 있어 향후 경제적이고 환경적인 처리문제가 대두될 것으로 판단된다.
폐기물처리의 가장 흔한 방식인 소각으로 이를 처리하다면 저온에서의 산화에 따른 오염물질의 발생이 필연적이며, 구성성분 중황 및 염소는 황산화물과 염소계의 유독성 대기오염물질을 배출하게 될 것 이다. 하지만, 현재 일부에서 개발 중인 고온 플라즈마 열분해 공정으로 이들을 처리 한다면 syn-gas 나 카본블랙 (carbon black) 등과 같은 자원을 회수할 수 있을 것으로 판단된다.

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