지구적 기후위기와 자원고갈을 극복하기 위한 방안으로 폐플라스틱 재활용 기술이 주목받고 있다.
글로벌 폐플라스틱 재활용 시장은 2023년 100조 원 규모에서 연평균 8.1% 성장, 2030년 173조 원에 이를 전망이다.
플라스틱은 열을 가해 원하는 모양으로 다시 성형할 수 있는 열가소성과 한번 굳어지면 분해하기 어려운 열경화성으로 나뉜다.
열경화성 플라스틱은 고온에 강하고 화학적 안정성이 높아 자동차, 전자제품에 많이 활용된다. 그러나 초고온 환경에서만 분해할 수 있어 재활용이 어렵기 때문에 대부분 매립이나 소각으로 환경오염을 유발한다.
열경화성 폐플라스틱으로 고품질 합성가스 제조
한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 에너지융합시스템연구단 조종표 박사 연구진이 국내 최초 순산소 연소 기반 연속식 공정으로 재활용이 어려운 열경화성 혼합 폐플라스틱에서 수소 생산원료인 고품질 합성가스를 생산하는 순산소 연소기반 가스화 공정을 개발했다.
일산화탄소와 수소로 구성되는 합성가스는 합성연료를 생산하는 원료로 활용되고 일산화탄소는 과열 증기와 촉매 화학반응을 통해 수소로 전환할 수 있다.
연구진은 공기에 포함된 질소를 제거해 열 손실을 최소화하는 순산소 연소제어 기술과 가스화로 내부에 공급된 열이 외부로 빠져나가지 않도록 하는 축열식 용융로 기술을 적용해 1,300℃ 고열을 지속 공급하는 체계를 마련, 이를 통해 원료투입, 전처리, 가스화까지 이어지는 연속공정을 구현하고 효율을 극대화했다.
특히 국내 최초 연속운전이 가능한 공정으로 부산물인 타르의 양을 획기적으로 줄였다.
강한 점성의 타르는 공정라인에 들러붙어 지속 운전을 방해하고, 이를 분해하려면 1000℃ 이상 조건이 필요하다. 하지만 기존 폐플라스틱 분해공정은 800℃ 이내 열을 활용하기 때문에 분해되지 않는 타르가 다량 발생한다.
반면 이번 성과는 연속공정으로 초고온을 지속해 정제장치 없이도 타르의 발생량을 0.66㎎/N㎥으로 줄였다. 이는 화학연료 합성공정에 쓰이는 합성가스의 타르 농도 요구치보다 93.4% 적은 수치다.
실제 연구진에 이번에 개발한 공정을 하루 1톤의 열경화성 혼합 폐플라스틱을 처리할 수 있는 파일럿 플랜트로 실험한 결과 1㎏당 수소 0.13㎏을 생산했다.
에너지연은 관련 기술 특허 3건을 국내에 등록하고 해외특허 1건을 출원해 상용화 기반을 마련했다.
조 박사는 “경제성이 향상된 합성가스 생산기술 확보로 국내 수소 공급 확대에 기여할 수 있을 것”이라며 “향후 공정 규모를 2톤급으로 격상, 후속 연구를 지속해 상용화를 실현하겠다”고 설명했다.
