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폐자원의 에너지화의 현상과 활성화 방안-서울과학기술대학교 환경공학과 배재근 교수님
2021-10-01 16:35:27

                                      폐자원의 에너지화의 현상과 활성화 방안

                                                                                                                                                                                                       서울과학기술대학교 환경공학과 배재근 교수

최근에 일회용품 사용량이 증가하면서 폐기물의 발생량, 특히 플라스틱의 발생량이 증가하고 있다. 코로나 사태로 인하여 배달문화 확산, 택배 시스템의 고도화가 일회용품 사용량, 발생량을 증가시켰으며, 1인가구가 늘어나고 있는 것도 1회용품 증가의 요인이다. 또한 우리나라는 석유화학공업의 메카로서 석유화학 제품의 생산량이 많고, 쉽게 합성수지의 구입이 수월하며, 가공기술이 발전하면서 플라스틱 제품의 증가율이 다른 국가보다 높은 실정이다.

그러나 이런 플라스틱이 재사용되거나 물질 재활용, 에너지 재활용 되어서 선순환 구조로 원활하게 흘러가야 함에도 불구하고 마치 인체에서 동맥경화 현상이 발생하듯 플라스틱 재활용의 선순환 구조를 막는 플라스틱의 적재 현상이 일어나고 있다. 결국에는 폐플라스틱이 어딘가에 적재되고, 처분 시장, 소각과 매립 시장으로 나오고 있는 실정인 것이다. 페트, PE, PP등의 단일소재 용기플라스틱은 유가성이 확보되어 원활히 재활용이 되고 있으나, 상당수의 플라스틱은 재활용되지 못하고 있어 문제 시 되고 있다.

특히 플라스틱은 종량제 봉투 대상 쓰레기에 무게비로 20% 이상 배출되고 있지만 분리배출이 잘 이루어지지 않고, 분리배출 되더라도 Other로 분류되는 열경화성수지나 분리배출 표시가 있는 폐비닐의 대부분이 재활용되지 못하고 있다. 또한 소재가 명확하다 하더라도 음식물 등으로 오염되어 세척이 되지 않는 것은 재활용이 되지 않을 뿐더러, 다른 유기성 물질을 오염시키는 원인으로 작용하고 있다. 즉 분리배출 되더라도 재활용이 어렵다는 이유로 애물단지 취급을 받고 있으며, 소각 후에 소각재의 형태로 매립하고 있는 것이 현실이다.

소각을 최소화하기 위해서는 단순 소각하기보다 열에너지를 회수하여 발전을 하고, 스팀 등을 생산하여 생산공정에 공급해야 한다. 이렇게 할 경우, 화석연료 사용을 줄이고 탄소중립에 기여하는 것이 가능하다.

에너지 재활용 즉, 소각, 연소를 통하여 열 에너지를 회수해야 하나, 국내에서 연소를 통하여 에너지를 얻을 수 있는 시설의 설치와 운영에 한계가 있는 실정이다. 플라스틱의 발생원이 생활 폐기물이면, 생활 폐기물 소각장에서 처리가 되지만, 분리배출 되어 선별장을 거치면 사업장 폐기물로 전환된다. 그리도 분리배출되어 미선별된 재활용품은 사업장폐기물로 전환되어 민간의 중간처리시설, 소각에서 처리되어야 한다. 문제는 사업장폐기물을 처리가능한 처분시설은 소각장과 매립장으로 구분되나, 민간에 의하여 인허가, 운영이 이루어지는 단계에서 주민수용성에 한계가 있어서 더 이상의 인허가가 쉽지 않다. 증가되는 폐기물의 발생량에 대응한 처리시설의 증설이 요구되나, 더 이상의 처리용량이 확보되지 않아 처리에 한계가 있다. 이러한 이유로 폐비닐류와 같은 처리가 곤란한 폐기물에 대해서는 처리비가 폭등하고 있으며, 폐기물 처리비가 폭등에 따라 중간에서 이익을 편취하려는 브로커들이 개입하면서 소각 및 매립이 안 되는 폐기물들이 방치되어 사회적 문제가 되고 있고 대부분의 방치 폐기물들은 재활용을 빙자해서 고물상 혹은 임대 창고 등에 불법적으로 적재하고 있는 실정이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 다양한 접근이 필요하나, 우선적으로 합성수지를 이용하여 플라스틱을 만들면 그 플라스틱을 다시 원료로 돌려서 제품을 생산하는 방식인 물질 재활용이 필요하고 최종적으로 폐플라스틱을 이용한 제품까지 만들어내는 완결형 재활용이 요구된다. 그러나 이러한 완결형 재활용에도 한계가 있는데, 완결형 재활용의 가장 큰 걸림돌은 필름류 플라스틱이며, 대부분이 완결형 재활용을 방해하는 복합소재이거나, 오염된 것이기 때문이다. 폐플라스틱의 오염 현상을 해소하기 위해서는 폐기물의 철저한 종류별 분리배출이 중요하며 그중에서도 폐비닐류 분리배출 용기를 별도로 배치하는 사회적 시스템을 만들어야 한다.

물질 재활용을 최대한 시킨다는 전제에서, 차선책으로서 에너지 재활용을 해야 한다. 에너지 재활용은 일반 소각로에 반입하여 열에너지를 회수하는 방안이 있을 수 있고, 또 다른 방안으로는 에너지화로서 대규모 열원으로 열에너지를 생산하는 분야에 고형연료로서 공급하는 것이 있을 수 있다. 고형연료 시장은 초기에 예측했던 것만큼 원활하지 않아 문제가 되고 있으나, 결국은 화석 연료, 석탄을 대체하는 자원으로서 재인식되어 확대될 수밖에 없다. 고형 연료를 제조하여 열에너지를 회수하는 방법이 가장 필수적이며, 특히 우리나라는 1차 산업 중 철강, 시멘트, 제지 등의 분야에서 저렴한 열에너지 공급이 필수적이다. 최근들어 화석연료 유래의 석탄 등의 가격은 희소성 등으로 가격이 점진적으로 상승할 수밖에 없으며, 그 대체용으로 폐플라스틱 이용이 필연적이라 할 수 있다. 즉, 재활용시장의 변수인 유가 상승을 고려할 때, 폐플라스틱의 재활용을 촉진시킬 수밖에 없는 상황으로 해석된다.

현행의 에너지화는 고형연료를 연소시설에서 연소하거나 고형 연료로 만들지 않고 직접 연소하여 에너지를 회수하는 공정으로 이루어지고 있으며, 이러한 연소・소각은 주민수용성에 있어서 실패한 측면이 있어 새로운 대안이 요구되고 있고 그 대안의 하나로서 제안되고 있는 것이 열분해를 응용한 기술이다.

폐기물의 열분해기술은 1980년대부터 제안되었고, 오랜 기간 동안에 상용화를 입증해 왔으며, 우리나라는 중소기업을 중심으로 소규모의 열분해 유화기술을 개발해왔다. 최근에는 규모의 경제를 이루기 위해 대기업들의 관심 대상 기술이다. 그러나 이러한 열분해 기술이 대규모의 상용화 및 안정적인 시설로 운영되지 못한 몇 가지 요인이 있다. 가장 큰 요인은 단일 소재의 폐플라스틱을 이용하는 경우는 거의 문제가 없이 안정적으로 운전이 가능하나 복합 소재, 특히 pvc와 같은 부식성 물질이 포함되어 있으면 시설의 장시간 사용에 지장을 주고, 생산되는 생성물(유화유와 가스)에도 영향을 줄 수 있다. 우리나라는 PVC사용을 금지하고 있지 않은 상황이기 때문에 필름류 플라스틱에 혼재되어 있을 가능성이 높다. 두 번째는 열분해는 고분자에 열을 가하여 탄소쇄를 잘라주는 것으로서 저분자의 물질들이 생성되고, 이러한 저분자물질은 휘발성이 강해 대기 중으로 확산이 용이하다. 이러한 물질을 휘발성유기화학물질, VOC라고 하며, 밀폐시스템이 아닐 시, 어디에선가 발생되어 문제가 될 수 있다. 이러한 가스는 다시 완전 연소시켜 대기 중으로 방출시켜야만 한다. 완전밀폐가 되지 않아 미량이라도 발생하면 악취 등을 수반하고, 건강 등에 문제가 될 수 있다. 세 번째는 기술이 제안된 이후부터 가장 큰 문제점이었다고 할 수 있는 것으로 공정에서 생산되는 열분해유를 사용할 시설이 없다는 점이다. 지금까지 열분해유 사용을 반대한 쪽은 정유 업계 관계자들이었으며, 원유를 정제한 연료유와 유화유의 품질 면에서의 형평성 때문에 사용의 규제를 강조해 왔다. 일부시설에서는 정유시스템을 설치하고 재열분해하여 정제한 것을 공급하는 방안을 제안하고 있으나, 경제성 측면에서 어려움이 있다. 최근에는 정유공장과 열분해시설을 연계하여 열분해유를 정유시설에서 정제한다는 조건에서 경제성이 있다는 견해를 제안하고 있다.

최근 대기업을 위주로 열분해의 해중합을 통하여 합성수지의 모노너를 회수하거나, 더욱더 개질하여 수소를 생산하는 공정을 제안하고 있다. 즉 합성수지의 기본단위인 에틸렌, 프로필렌 등을 생산하는 것이다. 이러한 처리공정은 열분해시설+ 정제시설+개질시설을 설치하는 것으로써 비용측면에서 경제성의 확보가 관건이다. 폐기물의 처리비를 별도로 받으면서 공정 내에서 새로운 물질을 생산하여 부가가치를 창조하는 아이템은 결국 경제성이 중요하다. 석유화학공업에서는 에틸렌, 프로필렌 등의 모노머가 부생물질로서 저가로 생산되기 때문에 플라스틱을 바탕으로 한 원료물질 생산의 경우 장기간에 걸친 노하우 축적이 요구된다. 당장은 열분해유를 석유화학의 정제공정에서 원유와 혼합하여 정제하여도 상당한 효과가 있을 것이다.

열분해에 의한 열분해유 생산에 관심과 더불어 열분해 가스화공정에 대해서도 관심이 증가하고 있다. 열분해 온도를 750℃ 이상으로 올려서 가스를 생산하는 공정으로서 우리나라의 남원, 여수시 등에서 시범사업을 하였으나 성공을 거두지 못하여 상용화가 지연되고 있다. 그러나 외국에서는 열분해 가스화에 관심이 높고 일부 시설에서 상용화에 성공하고 있어, 언젠가는 국내에서도 시설 설치의 타당성이 확보될 것이다. 궁극적으로는 열분해를 통하여 합성가스를 생산하고, 필요할 시에는 수소생산까지도 연계시킬 수 있기 때문에 이 같은 방법이 타당할 수도 있다.

지금까지 폐플라스틱의 자원화, 에너지화에 전술하였다. 그러나 폐자원의 에너지화는 어느 하나의 기술, 제도, 생산 공정에서 해결할 수 있는 문제는 아니다. 플라스틱의 사용량을 줄이기 위해 많은 논의가 진행되고 있으나, 우리 인간은 편리성을 추구하기 때문에 플라스틱의 발생량은 지속적으로 증가할 것이다. 이러한 플라스틱 문제에 대응하기 위해서는 결국은 재활용하기 쉬운 소재로 플라스틱을 만들고, 소비 후에 발생된 플라스틱은 소재별로 분리 배출시켜서 물질 재활용을 우선하고 물질 재활용이 안 되는 것에 대해서는 에너지로서 회수하는 체계를 마련해야 한다. 플라스틱은 강하고 안정적이나 분해에는 200년에서 500년이 걸린다는 설이 있다(누구도 실험적으로 증명한 적은 없다). 이런 플라스틱을 우리가 자연계로 환원을 시킬 때 분해되지 않고 미세화 되어서 우리 인간에게 결국은 되돌아오게 된다. 플라스틱의 한 조각이라도 자연계로 배출되지 않는 사회 시스템을 만들어주는 것이 시급하고, 이를 위해서는 폐기물을 물질 혹은 에너지로 재활용하는 체계를 완벽하게 구축할 필요성이 제기된다.

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