생기원, ‘연속식 열분해 시스템’ 개발

한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 하루 1톤 규모의 폐플라스틱을 처리할 수 있는 ‘연속식 열분해 시스템’을 개발했다.

생기원 저탄소배출제어연구부문 신명철 수석연구원 연구팀은 폐플라스틱을 연속으로 투입하고, 생성물 또한 연속 회수하는 공정을 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

생성된 열분해유는 시험 결과 산업용 기어 윤활유의 원료로 사용 할 수 있는 품질 기준을 충족해 상용화 가능한 수준으로 나타났다.

열분해는 탄소를 함유한 유기물을 무산소 상태에서 고온으로 분해해 유용한 원료 성분을 생산하는 기술이다. 폐플라스틱을 열분해하면 증기가 발생하는데, 이를 냉각·응축하는 과정에서 열분해유와 왁스, 비응축가스 등으로 전환된다.

이때 생성된 열분해유는 플라스틱을 비롯한 다양한 석유화학 제품의 원료로 전환될 수 있어 폐플라스틱을 재자원화할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

그런데 기존 열분해 설비로 생산되는 열분해유는 품질이 일정치 않다. 기존 열분해 설비는 원료 처리 후 내부에 축적되는 고체 잔여물(Pyrolysis Char)을 제거해야 다음 공정을 진행할 수 있어 가동을 중단했다가 재가열하는 방식이다. 식었던 설비가 다시 가열되는 과정에서 끈적한 왁스 성분(고비점 오일)이 증가해 설비 내부에 부착되거나 막힘 현상을 유발할 수 있다. 더욱이 기름에 섞이는 왁스 성분의 양도 매번 달라져 열분해유의 점도나 품질 변동성이 발생하는 것도 단점이다.

연구팀은 원료 투입부터 반응, 생성물의 회수·정제까지, 전 공정을 멈추지 않고 이어가는 ‘연속식 열분해 시스템’ 구축으로 문제를 해결했다.

먼저, 설비 하단에 나사형 이송 장치와 특수 차단 밸브를 결합한 ‘연속 배출 시스템’을 개발, 외부 공기 유입을 막으면서도 열분해촤를 자동 배출할 수 있게 했다.

또한 공정 중 발생하는 비응축가스를 버리지 않고 열원으로 활용해 설비 내부 온도를 일정하게 유지하는 방식으로 왁스의 고착 현상을 방지했다.

여기에 열분해 과정에서 발생하는 증기를 단계적으로 냉각하는 방식을 적용해 끈적한 왁스 성분을 먼저 분리‧회수하고, 고순도 열분해유를 선택적으로 채취할 수 있게 했다.

특히 열분해 공정 중 발생하는 부산물을 재활용하도록 설계했다. 기존에 매립 처리되던 열분해촤는 연속 회수한 뒤 추가 개질을 거쳐 활성탄이나 전도성 탄소 물질로 재활용할 수 있는 길을 열었다. 비응축가스를 에너지원으로 재투입해 에너지 저감형 공정을 구현하기도 했다.

연구팀은 특히 고부가가치 윤활유로 활용하기 위해 열분해유와 합성유(Poly alpha olefin)를 5:5로 혼합한 블렌딩유를 제작, 상용 기어유 베이스오일 규격인 ‘KS M 2127’ 기준과 비교하는 시험을 진행했다.

그 결과, 점도지수 132, 유동점–16℃, 인화점 204℃를 기록해 기어유용 베이스오일에 필요한 물성 기준을 충족하는 것으로 나타났다.

신명철 수석연구원은 “연속 공정으로 폐플라스틱을 멈추지 않고 처리하면서, 생산된 열분해유를 기어유용 베이스오일로 적용할 수 있음을 확인했다”고 말하며, “실증 및 후속 연구를 통해 상용화 할 계획”이라고 밝혔다.