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폐기물 열적변환기술을 통한 재활용 기술 연구

남형석 교수(경북대학교 기계공학부) / namhs219 at knu.ac.kr 2023-07-17

남아도는 폐기물에 대한 적정 처리가 수소경제 활성화에 매우 도움을 줄 수 있다고 하는데요. 쓰레기를 분해해 청정 유류 및 가스를 만든 후 다시 이를 수소로 변환하는 등 매립이나 소각이 아닌 폐기물 처리의 패러다임을 바꾸는 방식입니다. 기존 폐기물 소각 처리 단점을 극복하고 환경적으로 무해하면서 안정적으로 처리하는 열적처리(thermal treatment)중에서 폐기물을 자원의 관점에서 재활용을 극대화 할 수 있는 방법으로 가스화(gasification)와 열분해(pyrolysis) 방식이 있습니다.

이번 서면 인터뷰에서 만나 보실 남형석 교수(경북학교 기계공학과)는 폐기물 열적변환 기술(열분해, 가스화, 연소), 생성물(열분해유, 합성가스)활용을 연구하고 계십니다. 또한 CO2 포집 및 전환 공정 기술 개발 연구, 실내 공기질 향상을 위한 탄소기반 흡착제 개발 중이신데요. 연구에 대한 자세한 이야기해보도록 하겠습니다.

1. 현재 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

2015년 파리 협정 이후 195개국은 기후위기를 선언했고 지구의 평균 온도를 1.5~2℃이상 상승하지 않도록 결의하여 GHG(Green House Gas) 배출량을 줄이기 위해 다양한 노력을 시작했습니다. 이러한 노력 중에 하나로서 넘쳐 나는 폐기물을 처리하고 이산화탄소를 포집 및 전환하는 기술에 대해 연구하고 있습니다.

폐기물은 그동안 매립하거나 소각하는 방법으로 처리했습니다. 이 과정에서 배출 되는 이산화탄소를 줄이기 위한 방법으로 폐기물 열적변환기술 연구를 수행하고 있습니다. 즉, 폐기물 열적변환기술을 통해 에너지원을 얻거나 고부가가치 상품을 생산할 수 있습니다. 또한 실내 또는 대기 중에 존재 하는 이산화탄소를 포집하여 저장하고 포집된 이산화탄소를 전환하여 재활용하는 기술에 대한 연구를 수행하고 있습니다.

2. 탄소중립의 과제로 폐자원 에너지 산업 및 폐자원 에너지화 시장에 대한 관심이 매우 뜨겁습니다. 연구하시는 폐기물 열적변환 기술에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

폐기물 열적변환기술은 크게 3가지로 나눕니다. 첫 번째는 보편적으로 활용하고 있는 소각(연소)이 있습니다. 과거부터 현재까지 가장 많이 사용하고 있는 방법이지만 고온에서 배출되는 NOx와 SOx, 오존 등 대기로 배출하는 오염 물질이 많고 에너지 저장 및 활용이 적절히 되지 않기 때문에 연소 즉시 열과 함께 이산화탄소가 배출이 됩니다. 반면에 가스화 및 열분해 공정은 저온(~800℃)에서 폐기물 열적변환이 이루어지기 때문에 상대적으로 공정 과정에서 배출되는 NOx, SOx나 오존 등 대기 오염물질이 적게 발생합니다. 또한, 가스화의 경우에는 수소와 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생산하고 이를 활용하여 다양한 생성물(케미컬 등)을 합성할 수 있는 장점이 있습니다.

더불어 폐기물 열분해의 경우에는 석유와 같은 액체 연료 형태로 에너지를 보존할 수 있습니다. 이와 같이 폐기물을 처리하면서 석유 유래 에너지원(석탄, 석유)을 대체하여 에너지원을 공급 받을 수 있기 때문에 이산화탄소 배출을 저감할 수 있는 기술로 각광받고 있습니다.

3. 폐기물 열적변환 기술 공정 중 가장 중요한 부분은 어떤 것인지 궁금합니다.

폐기물 열적변환 기술이 연소 기술 대비 우수한 면도 있지만 또 다른 형태의 오염물질도 배출됩니다. 따라서 적절한 후단 정제 설비가 갖춰야만 기술적 안정성을 확보할 수 있습니다. 기술적인 측면으로 보면 크게 3가지 중요한 공정이 있습니다.

첫째、유동층 반응기 기반 열적변환 기술 공정의 경우 고체 연료 주입이 어려운 상황이 많습니다. 이는 유동층 반응기에서는 스크류장치를 사용하여 연료를 주입하는데 폐기물의 형상과 밀도가 제각기 다르기 때문에 폐기물 주입시 스크류에 끼여 주입에 어려움이 많습니다. 이러한 어려움으로 인해 폐기물을 적당한 크기로 분쇄하거나 펠렛 형태로 만드는 것과 같 등의 전처리 공정이 필요합니다.

두 번째로는 폐기물 가스화를 통해 합성가스를 만드는 과정에서 반응기 내부에 회분(무기질) 생성되어 고온에서 녹으면서 agglomeration이 생기는 경우가 있습니다. 이 경우는 반응부에 단단한 돌이 생기면서 유체의 흐름을 방해하여 공정 운전이 어려워지게 됩니다.

세 번째, 폐기물 가스화의 경우 ‘타르’라는 고비점 액체물질이 생성되어 공정 배관을 막는 등의 문제가 있고, 폐기물 열분해의 경우 고점도의 열분해 오일로 인해 동일한 문제가 발생합니다.

마지막으로 폐기물 중에 염소성분을 다량함유하고 있는 물질이 있으면 HCl 등의 기체로 반응기와 배관을 손상시켜 구멍을 내게 됩니다. 이런 공정상 문제점을 극복하고 안정적 운전이 가능한 조건을 찾는 연구가 소소한 부분이지만 또 반드시 해결해야 합니다.

4. 항상 재활용 에너지에 대한 공급의 불안정성에 대한 문제는 있는데요. 교수님의 견해는 어떠신지...

신재생에너지는 신에너지와 재생에너지로 나뉘게 되는데 폐기물 열적변환기술은 재생에너지에 포함됩니다. 이러한 재생에너지 중 태양에너지, 수력, 풍력 등은 자원의 불균형으로 에너지 공급의 불안정성의 문제가 있습니다. 이와 반대로 폐기물의 경우는 사람들이 살아가는 동안에는 폐기물이 지속적으로 배출되기 때문에 안정적 공급을 받을 수 있습니다.

즉, 계절별로 발생하는 바이오매스, 매일 발생하는 하수슬러지, 폐플라스틱 등 다양한 폐기물들이 있기 때문에 공급 불안정에 대한 문제는 시기적절하게 조절하여 해결할 수 있습니다. 다만, 폐기물을 에너지 원료로 획득하기 위해서는 초기 시설 투자를 해야 하며 처리 과정도 소각과 매립보다 높은 비용이 발생할 수 있습니다. 그러므로 이러한 단점을 보완하기 위해서는 확실한 에너지원의 수요처를 확보하고 정부나 지자체에서 관련 제도를 정비하는 것이 중요합니다.

5. 폐기물 열적재활용 에너지에 대한 품질은 어떠한지...

석탄이나 석유를 활용하여 생산하는 에너지(석탄화력, 가솔린, 디젤 등)와 비교하자면 폐기물로 유래된 에너지의 품질은 떨어진다고 볼 수 있습니다. 수억년 동안 땅 속에서 카본으로 형성된 석탄과 석유의 경우 탄소, 수소 이외 미량의 질소, 산소를 포함하고 있습니다. 반면에 폐기물의 경우 특히 산소 함유량이 상당히 높습니다. 즉, 바이오매스의 경우 10~30%의 산소를 포함하며 플라스틱의 경우도 ~2%의 산소를 포함합니다. 이 외 질소와 염소 등의 원소는 폐기물 열적변환 과정 후 얻은 에너지 품질에 악영향을 미칩니다. 따라서 폐기물 열적 재활용시에는 반드시 생성물 후단 정제 및 업그레이드 설비가 함께 적용이 되어야 합니다.

추가 설비로 인해 폐기물 에너지원의 가격은 상승하게 되어 경제성이 떨어집니다. 하지만 이러한 설비를 추가한다면 석탄, 석유에 준하는 품질을 만들 수 있으며 이러한 기술은 이미 실험실 크기에서 확보가 되어 있습니다.

6. CO2 포집 및 전환 공정 기술 개발 연구에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

CO2 포집 및 전환은 CCUS라는 약어로 널리 알려져 있습니다. Carbon Capture, Utilization, and Storage로 탄소를 포집하고, 활용하여, 저장한다라는 의미입니다. 국내에서는 20여년전부터 연구개발을 하고 있었으며 2021년 12월 NDC 발표 이후 더욱 관심을 받는 분야가 되었습니다.

CO2 포집 기술은 크게 ‘연소 전, 연소 중, 연소 후’로 나눌 수 있습니다. 이 중 연소 후 기술과 연소 중 CO2 포집 실증 연구가 국내에서 활발히 진행되고 있습니다. 대표적으로 CO2 포집 실증 설비는 하동 남부발전소에 건식 10MW급 설비, 보령 중부발전 10MW급 설비가 있습니다.

또한 대표적인 연소 중 CO2 포집 기술은 케미컬루핑 공정과 순산소연소가 있고 케미컬루핑 기술 개발에 참여했었습니다. 본인도 국책과제에 참여했던 건식 CO2 포집 기술 개발 과제에서는 건식 K2CO3 흡착/흡수 소재를 활용하여 순환유동층 반응기 장치에서 기술개발을 하였습니다.

최근 국내에는 실험실 크기로 포집한 CO2를 활용하는 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 이렇게 포집한 CO2를 수소와 반응하여 액체 케미컬이나 기체 메탄을 생산하는 연구도 활발히 진행되고 있습니다.

7. 실내 공기질 향상을 위한 탄소기반 흡착제 개발에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.

지구 온난화 등의 이유로 대기 중 CO2 농도는 지속적으로 상승하고 있습니다. 즉, 계절에 따라 대기 중 CO2 농도는 300ppm대에서 400~500ppm으로 상승하였습니다. 실외 CO2 농도가 상승하는 것도 큰 이슈이지만 실내 공기에 대한 관심도가 커지고 있습니다.

특히 실내공기 CO2 농도가 1,000ppm 이상에서 몇 시간만 노출되어도 건강 문제를 야기할 수 있습니다. 2,000ppm 이상에 노출되면 컨디션에 직접적으로 영향을 끼치고, 3,000ppm 이후로는 두통이나 현기증 등 증상이 발현되기도 합니다. 그러므로 최근 실내공기 CO2 저감을 위한 공조시스템과 CO2 포집을 할 수 있는 소재 개발에 박차를 가하고 있습니다.

인간은 하루 약 1kg의 CO2를 배출합니다. 하루 1명이 배출하는 CO2를 포집하기 위해서는 작게는 10키로의 CO2 소재가 필요하며 지속적으로 흡착과 탈착이 이루어져야 합니다. 개발 중인 CO2 포집 소재는 기존에도 널리 활용되는 K계열 소재와 바이오차입니다. 실내공기 중에 있는 수분(1~1.5%)과 CO2가 흡착제 표면에 화학 흡착을 하면서 CO2를 제거하게 됩니다. 이때 바이오차는 부족한 수분을 공급해주는 매우 중요한 역할을 하게됩니다.

8. 선진국들의 열, 화학적 분해 통한 폐기물 에너지화 대안들이 많습니다. 우수사례 중 어떤 내용이 있는지 궁금합니다.

폐기물 열적변환 선도국가에서 (Vadxx Energy – Plastic to EcoFuel, Akron, Ohio) EcoFuelTM이라고 명명한 킬른 기술을 개발하여 폐플라스틱을 디젤이나 납사분의 액체연료를 생산하고 있습니다. PS와 PC를 제외한 모든 폐플라스틱을 공급하고 있고 연간 2.3만톤의 폐플라스틱을 주입하여 연간 11.5만 배럴의 열분해유를 생산하고 있습니다.

9. 폐자원 에너지화 기술에 대한 전망이 궁금합니다.

폐자원 에너지화 기술은 지속가능한 에너지 생산과 폐기물 관리에 대한 중요한 역할을 할 수 있는 기술입니다. 이러한 기술은 폐기물을 활용하여 전력, 열, 연료 등의 에너지를 생산하거나 대체 연료로 사용하는 방법을 포함하며 이와 더불어 폐자원 에너지 산업 및 폐자원 에너지화 시장에 대한 관심도 증가하고 있습니다.

COVID-19 이후 변화한 비지니스 환경에서 2022년에 446억 달러로 추정되는 폐기물 에너지화(WTE) 세계 시장은 2030년에는 1,172억 달러에 달할 것으로 예측됩니다. 따라서 폐자원 에너지화 기술은 인류가 있는 곳은 지속 가능한 에너지 생산과 폐기물 관리의 효율성을 증가시키는데 중요한 역할을 해야하고 할 것이라 생각합니다. 이를 위해 정책적 지원과 함께 기술의 발전이 병행하여야 한다고 생각합니다.

앞으로도 지속적으로 기술개발이 이루어져서 탄소중립에 기여하면서 친환경적으로 폐기물이 처리되어야 할 뿐만아니라 더 나아가 미래의 우주사회 또는 해저사회에서 발생할 폐기물 대상으로도 처리기술이 확보되어야합니다.

10. 2018년 한국에너지기술연구원 연구원으로 재직하고 계셨는데요. 그 당시 어떤 연구를 하셨는지 궁금합니다.

2018년 한국에너지기술연구원 입사하였습니다. 지난 5년여간 다양한 국책 과제를 수행하면서 국가 주도 선진화 기술들을 연구·개발하며 그에 대한 필요성을 절실히 느꼈습니다. 처음 입사 당시 순환유동층 공정을 적용하여 연소 중 CO2 포집 과제(케미컬루핑)를 수행하였습니다. 반응기 내부에 고체 입자가 물과 같이 유동하고 순환을 하면서 반응을 통해 CO2가 포집되는 기술이었으며 이것은 세계를 선도하는 기술로 2020년 국내 100대 기술로 선정되기도 하였습니다.

파일럿 규모의 현장에서 안전모를 쓰고 뛰어다니면서 동료 연구원들과 함께 기술 개발을 했었습니다. 이처럼 새로운 기술을 개발한다는 것은 참으로 어려운 일이었지만 성공적으로 과제를 수행한 후 큰 보람도 함께 있었습니다. 동시에 CO2 건식 포집기술 개발, 실내공기 저농도 CO2 저감 기술 개발 등에 참여하였으며, 폐기물 열적변환기술 (열분해, 가스화) 과제를 연구책임자로 수행하면서 학위 과정 중 경험을 바탕으로 새로운 형태의 반응기를 설계 제작하는 경험을 하였습니다.
더불어 정부출연기관으로 중소기업의 애로사항을 파악하고 솔루션을 제공하는 등의 과제를 통해 공학도로써 보람을 느끼는 순간도 많았습니다. 5년간의 한국에너지기술연구원의 경험과 경력은 제가 지금도 연구를 수행하고 과제를 기획 할 수 있는 큰 밑바탕이 되었습니다.

11. 연구 중 어떤 점이 가장 중요하다고 생각하시는지 궁금합니다.

연구 활동은 많은 사람들과 함께 만들어 나가는 것이며사람들과의 co-work은 매우 중요하다고 생각합니다. 다양한 문제를 여러 분야의 전문가들이 모여 공유하고 토론을 하면 해결할 수 있는 실마리를 얻게 되는데 이 때 자신의 의견이 받아들여지지 않거나 납득하기 어려운 해결책에 대한 불만이 생길 수도 있습니다. 이러한 관계 속에서 연구라는 것은 혼자서 독단적으로 결정하여 추진한다면 좋은 연구 결과를 얻지 못한다는 것을 누구나 깨닫게 됩니다. 이러한 관계 속에서의 어려움을 극복한다면 더욱 큰 시너지를 얻을 수 있기 때문에 이러한 경험을 토대로 학생들과 연구를 이어 나갈 계획입니다.

학위과정 중 어려움을 느낀 또 다른 부분은 연구 활동하기 위해서는 ‘탄탄한 인프라가 갖춰져 있어야하고 연구비가 충분해야 한다’입니다. 원하는 방향의 연구나 관심 분야의 연구를 수행하기 위해서는 국가 정책 방향과 맞는 또는 사회가 필요로 하는 수요를 정확히 파악하여 선행 연구를 이어가야 한다고 생각합니다. 물론 한 분야를 놓지 않고 깊이 있게 연구를 하는 것도 매우 중요한 것은 자명한 사실입니다. 정확한 연구 철학을 가지고 끈질기게 연구를 하다보면 언제든지 그 기술에 대한 열매를 맺을 수 있을 것이라 생각합니다.

12. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

폐기물 열적변환기술, CO2 포집 및 전환 기술은 아직도 넘어야 할 산이 많습니다. 국내 기업과 연구원과 함께 기후변화 대응 환경적 이슈를 해결하기 위한 연구는 지속적으로 진행할 예정입니다.

앞으로 해외 기술이 아닌 국내 독자 기술로 국내외 폐기물을 처리하고 CO2를 포집 및 전환하여 해외에도 기술을 보급할 수 있는 대한민국을 기대합니다. 나아가 우주에 만들어질 도시에서 해결해야 할 관련 공학적 문제에도 지속적인 관심과 연구를 이어나갈 계획입니다.

13. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면.

폐기물 에너지화는 가능성이 무궁무진 합니다. 인간이 지구에서 살아가는 한, 폐기물은 끊임 없이 나오며 그 폐기물들이 온실가스 및 환경 문제를 일으키는 것은 많은 사람들이 이미 알고 있는 사실입니다. 이러한 폐기물을 효과적으로 처리한다면 탄소 중립에 기여하는 것은 많은 연구들로 인해 밝혀졌지만 아직까지도 해결해야 할 문제들은 많습니다.

기계, 화공, 환경, 인문, 사회 등 학문의 경계를 넘어 융합적인 생각으로 확장해야 한다고 생각합니다. 폐기물과 이산화탄소 문제를 해결하여 인류가 필요한 에너지원을 확보하면서 동시에 깨끗한 자연을 지키는 연구! 즉, 앞으로 살아가야 할 지구의 주인으로서 이러한 문제를 해결하고 고민할 수 있다는 사실, 공학도 여러분 너무 매력적이지 않나요?

CO2 Capture
Bioproduct Utilization
CO2 Conversion for Liquid Products
CNT production from Pyrolysis Gas or Pyrolysis Fuel
Thermochemical Conversion

에너지변환 및 열시스템 연구실

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