폐프라스틱과 폐윤활유 혼합물의 열분해반응 특성 연구

김승수, 윤왕래*, 김성현

고려대학교 화학공학과, 한국에너지기술연구소 전환공정연구팀*

A Study on the Pyrolysis of Waste Plastics  and  Lubricating Oil

Seung-Soo Kim, Wang Lai Yun*,Sung Hyun Kim

Dept. of Chem. Eng., Korea University. Seoul, Korea

Energy Conversion Team, Korea Institute of Energy Research, Taejon, Korea*

서론

폐프라스틱을 처리하기 위한 기술개발은 지난 20년 동안 일본, 독일등 국토면적이 좁고 인구가 과밀하여 매립지의 여유면적이 부족한 선진국을 중심으로 많은 연구가 진행되어 왔다.  폐프라스틱 처리를 위해 일반적으로 많이 이용되고 있는 방법은 재생이용, 소각, 매립 및 열분해 방법 등이 있다.  폐프라스틱의 재생이용은 가장 바람직한 처리방법이지만 회수율이 낮을뿐아니라 재생용품에 대한 선호도가 떨어져 폐프라스틱의 재생이용율은 매우 낮은 실정이다.  소각으로 처리를 할 경우 폐프라스틱의 연소반응 후 배출가스(HCl, HCN, NOx, 다이옥신)에 의한 대기오염물질 때문에 후처리 설비가 반드시 필요하다.  매립한 폐프라스틱은 쉽게 분해되지 않으며 중량에 비해 부피가 커서 매립지를 안정화시키는데 방해가 되고 매립지 확보가 어려운 국내상황을 고려할 때 바람직한 처리방법이 될 수 없다.  열분해방법은 원료물질을 산소와 접촉이 없이 (혹은 산소가 희박한 상태에서) 고온 상태에서 분해하여 가연성의 기체 혹은 액체상태의 연료를 얻는 방법이다.  열분해 생성물을 연료로 사용할 수 있다는 장점 때문에 그 동안 많은 연구결과가 발표되었다.  그러나 이 기술을 실용화하기 위해 아직도 개선해야할 문제점이 있는데 그 중에서도 폐프라스틱의 열분해속도가 느림으로 인한 경제성 문제이다.  이를 개선하기 위해 열분해온도를 높이는 것과 열전달매체를 사용하는 방법을 생각할 수 있다.  원하는 속도를 얻기 위해 열분해온도를 높이는 것은 낮은 온도에서 열분해공정을 설계하기 위한 목적에 적합하지 않다.  폐프라스틱과 성질이 비슷한 폐윤활유를 열전달매체로 사용할 때 폐프라스틱만 열분해하는 경우 보다 낮은 온도에서 열분해속도를 증가시킬 수 있을 것으로 생각된다.

본 연구는 폐프라스틱과 폐윤활유를 동시에 열분해할 때 프라스틱의 종류, 윤활유와 혼합비 및 분해반응온도에 따른 분해반응 특성을 고찰하였다

실험방법

폐프라스틱과 폐윤활유를 혼합한 성분의 열분해속도를 측정하기 위한 실험장치는 Fig. 1과 같다.  장치는 반응기, Furnace, Temperature Controller, Stirrer, Condenser, Circulator, Chemical Balance, Wet Gas Meter와 Computer로 구성되어 있다.  실험방법은 다음과 같다.  (1) 일정한 비의 폐윤활유와 프라스틱을 반응기에 넣는다.  (2) N2를 반응기에 넣어 반응기내에 있는 공기를 제거한다.  (3) 교반기로 반응물을 교반시키면서 반응기의 온도를 올린다.  (4) 응축기를 순환하는 유체의 온도는 0℃로 고정시켰으며, 이때 응축기를 거쳐서 나오는 기체는 Wet Gas Meter로 측정하고, 액체는 저울에서 나오는 RS232C신호를 컴퓨터와 연결하여 실시간으로 무게변화를 측정하였다.

실험에 이용된 시료는 5대 범용수지(LDPE, HDPE, PP, PS, ABS 및 PET)와 자동차용 폐윤활유를 수집하여 사용하였다.

결과 및 고찰

5대 범용수지(LDPE, HDPE, PP, PS, ABS 및 PET) 각각의 종류에 대하여 폐윤활유를 무게비로 1 : 1, 1 : 1.5 및 1 : 2의 세 가지 경우에 대한 폐프라스틱과 폐윤활유 혼합물의 분해반응 실험을 수행하였고, 폐프라스틱의 실제발생량을 기준으로 폐윤활유를 혼합하여 실험을 수행하였다.  각각의 혼합비에 대해서 열분해온도를 0.5∼1.5 ℃/min로변화시키면서 온도상승속도에 따른 열분해속도를 관찰하였다.

Fig. 2는 LDPE와 폐윤활유를 무게비로 1 : 1, 1 : 1.5 및 1 : 2로 혼합한 후 온도를 20에서 500℃로 변화시키며 온도증가에 따른 오일의 생성량을 측정한 결과이다.  이때 온도는 1 ℃/min의 속도로 증가시켰다.  각각의 혼합비에 대한 실험에서 열분해생성물인 오일은 400℃이상의 온도에서 기울기가 급격하게 증가하기 시작했으며 이런 현상은 470℃까지 진행되었다.  프라스틱과 폐윤활유의 혼합비가 1 : 1인 경우 420∼470℃사이의 온도에서 가장 늦은 분해반응속도를 나타냈으며 혼합비가 1 : 2인 경우 가장 높은 분해반응속도를 나타냈다.  폐프라스틱과 폐윤활유를 혼합하여 열분해반응을할 때 폐윤활유의 양에 따라 분해반응속도가 결정됨을 알 수 있다.  따라서 동일한 온도에서 폐윤활유의 양이 증가할수록 더 많은 액체생성물을 얻을 수 있다.

Fig. 3은 폐윤활유의 열전달효과와 swelling 효과를 확인하기 위해 LDPE와 폐윤활유 각각에 대한 실험결과와 LDPE와 폐윤활유를 무게비로 1 : 1로 혼합하한열분해반응 실험결과를 비교하였다.  열분해온도가 400∼460℃ 사이일 때 LDPE 만을 열분해한 경우 반응속도가 가장 낮았으며 폐윤활유만을 열분해한경우보다 LDPE와 폐윤활유를 1 : 1로 혼합하였을 때 더 높은 분해반응속도를 나타냈다.  이것은 400℃이상의 온도에서 LDPE와 접촉하고있는 폐윤활유가 LDPE를 swelling 시켰 LDPE의 고리를 끊어 놓았기 때문으로 생각된다.

감사

본 연구는 통산산업부 대체에너지과제의 위탁과제로 수행된 연구이며 연구비를 지원해준 한국에너지기술연구소에 감사합니다.

참고문헌

1. C. Pattanakul, S. Selke, C. Lai, and J. Miltz, "Properties of Recycled High Density Polyethylene from Milk Bottles", Journal of Applied Polymer Science, 43, 2147-2150, 1991.

2. Siauw H. Ng, "Conversion of Polyethylene Blended with VGO to Transportation Fuels by Catalytic Cracking", Energy & Fuels, 9, 216-224, 1995.

3. Ahmad Rahman Songip, Takao Masuda, Hiroshi Kuwahara and Kenji Hashimoto, Applied Catalysis B: Environmental, 2, 153-164, 1993.

4. 설수덕, 김남석, 왕석주, 나상도, Journal of the Korea Institute of Rubber Industry, 30, 2, 1995.

Fig. 1. Shematic diagram of pyrolysis reactor

Fig. 2. Yield of oil according to temperature increasement

Fig. 3. The effect of heat transfer and swelling on LDPE

and Waste lubricating oil