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폐플라스틱 자원화 기술적인 전개와 보급에 대한 과제
1.소개
폐기물의 자원화 이용은 순환형 사회 형성에 중심적인 과제이다. 매년 1 천만 톤 가까이 배출되는 폐플라스틱은 매립 처분장의 잔여 용량의 급감 및 소각에 의한 이산화탄소 등의 환경 부하 물질 발생을 일으키고 있다. 반면 일본에서는 2000 년 순환형 사회 형성 촉진 기본법 시행 10 년 후, 용기 포장, 가전, 자동차 등 각 폐기물 재활용법을 바탕으로 자원화 율 향상과 비용 절감 노력이 각 방면에서 지속적으로 이루어지고 있다. 환경부는 환경 순환형 사회 생물 다양성 백서, 자원 순환의 활동과 성과를 소개하고 "환경 산업을 견인하는 새로운 경제 사회"라고하는 새로운 장을 마련하고 있다 . 일본 "고형 폐기물 관리"기술이 선진국을 선도하는 것을 소개하고, 경제 성장에 따라 폐기물 처리 및 자원화가 매우 중요한 과제가 되고 있는 아시아의 기술 이전이 추진 중이다. 또한 2009 년에 설립된 아시아 3R 추진 포럼에서 구체적인 기술 이전 프로젝트의 실현을 목표로 "정맥 산업"의 해외 전개를 추진하고 있다. 경제산업성 산업 구조 심의회의 논의에도 일본이 비교 우위가 되는 해외 이전 가능한 사회 인프라의 하나로서, 폐기물 재활용을 올리고 있다. 이처럼 일본은 자원 순환과 저탄소 사회를 추진하는 법령과 제도의 정비와 그에 적합한 자원화 기술 혁신 "자원 순환 산업"을 형성하고, 가전 및 자동차 등 폐기물 분야에 따라 해외 전개를 목표로 단계에 들어갔다.
다양한 폐기 물자 자원화가 진행되는 가운데, 폐플라스틱은 금속이나 유리에 비해 조성이 복잡하기 때문에, 자원화 비용과 얻을 수 있는 재생 제품의 시장 가치도 높다고 할 수 없다. 그러나 최근 2,3 년 고유가로 인한 원자재 가격의 큰 상승은 다량으로 배출되는 폐플라스틱 자원화 이용에 관심이 높아지고 있다. 특히 기업, 희소 금속, 철 스크랩과 함께 플라스틱은 중요한 자원화 사업의 대상이 된다.
"과학 기술 동향"에서는 지금까지 소재 산업이 담당 재활용 현황이나, 폐기물의 재생 자원화 기술 에 전해 왔지만, 본고에서는 최근 원자재 가격 상승으로 특히 관심이 높아지고 있다 폐플라스틱 자원화에 초점을 맞추고, 그 현황과 과제, 개선 방안에 대해 말한다.
2. 폐플라스틱 현황
2-1 폐플라스틱 처리 자원화 현황
폐플라스틱는 연간 약 1 천만 톤 소진되고 절반가량이 일반폐기물 (가정 및 소규모 사업장 유래), 나머지 절반이 산업 폐기물이다. 오염자 부담의 원칙, 전자는 지방 자치 단체가 처리하고, 후자는 배출 기업이 자사 처리 또는 폐기물 업체에 위탁하여 처리하고 있다. 가전제품, 자동차, 용기 포장 등의 공장 폐기물과 유통, 소비에 발생하는 폐기물 중 플라스틱의 종류 및 자원화가 미흡하며 제품에서 그들의 함유율은 원천에 따라 크게 다르다. 재생 수지화된 플라스틱은 싼 일용 잡화 및 산업 자재로 활용되며, 섬유로 침구에 제품화되고 있다. 또한 폐플라스틱을 나무와 종이와 혼합하여 고형화한, RPF라는 석탄 대체 연료로 주로 제지 공장의 열원으로, 석탄 보일러에서 이용되고 있다. 기타, 일반 화학 재활용이라는 열분해에 의한 자원화가 이루어지고 있다. 이것은 폐플라스틱을 열분해로 다른 종류의 화합물로 변환하고, 그 화학적 성질과 가연성을 이용하는 것으로, 제철소의 코크스와 고로에서 석탄 대체 이용, 합성 가스의 제조, 유화하여 석유 대체 연료로 이용되고 있다. 현재 약 3 %에 체재 폐플라스틱 자원 비율을 향상시키기 위해서는 혼합 폐플라스틱의 기술적인 대응이 필수적이다. 또한 이미 제조되고 있는 자원화 제품의 품질을 향상시키는 기술에 의해 시장 가치를 높일 필요가 있다.
2-2 폐플라스틱 처리 자원화 방법의 선택
폐플라스틱에서 파생되는 대표적인 자원화 제품은 재생 수지와 연료이다. 시장 가치가 높은 제품으로 변환할 수 있는 성분이 다량으로 포함되어 있는 경우, 자원화를 실시한다. 각종 플라스틱이 혼합 폐기물의 경우, 혼합 폐플라스틱에서 얻을 수 있는 재생 수지는 강도 등에 문제가 있어 성형품 제조업체에 받아들여지지 않는다. 이 경우 연료화를 선택하게 된다. 최근 사용한 가전 등의 혼합 폐플라스틱의 정전 분리에 의한 수지 종류별 정밀 분리법이 실용화되고, 폐플라스틱이 고품질 재생 수지로 활용할 수 있는 사례가 확대되고 있다. 고체, 액체, 가스의 연료화도 기술적 신뢰성이 입증된 특히 고체 연료는 석탄 대체 보일러 연료로 제지 업계를 중심으로 보급하고 있다.
2-3 자원화의 문제점
2-3-1 폐플라스틱 자원화의 높은 비용
폐플라스틱 총 배출량의 자원 화되는 비율은 약 3 %에 머물고 있다. 그 이유는 지자체 및 산업 폐기물 처리 업체에 소각이나 매립이 허용하는 한편, 자원 화해도 배출 자나 쓰레기 처리 참가자에게 경제적인 이점이 없는 것과 자원화 높은 비용 대표적인 이유이다.
용기 포장 재활용 법은 가정에서 배출되는 PET 병, PET 아닌 플라스틱 (내용 리뿌라) 유리병, 종이로 이루어진 각각의 용기와 포장재의 폐기물을 자원화 하는 것을 결정하고 있다. 전국의 지자체와 일부 사무 조합 1,800 내의, 용기 포장 플라스틱을 분리수거하는 자치 단체는 1,308이의 용기 포장 리사이클 법에 명시된 지정 법인인 (재) 일본 용기 포장 리사이클 협회 (용량 리 협회)에 자원화를 조달하는 지방 자치 단체는 1,017개이고 총 용량은 60 만 톤에 이르고 있다. 그만큼 매년 자원 절약과 에너지 절약이 꾸준히 이루어지고 있는 셈이다.
용리협이 자원화 사업자에게 위탁하는 자원화 경비는 플라스틱, PET 병, 유리병, 종이 총액 연간 410 억엔에 이른다. 그 비용은 제조자 책임과 오염자 부담의 원칙에서 플라스틱을 사용한 제품 관련 사업자, 즉, 용기 포장의 제조, 그것을 사용한 제품의 제조, 판매 다양한 사업자에게 비용을 부담시키고 있으며, 궁극적으로 소비자가 부담하고 있다. 플라스틱 제품 관련 사업자 및 소비자는 저가의 자원화 기술이 강하게 요구되고있다.
산업 폐기물계 폐플라스틱 배출 기업이 폐기물 처리 업체에 지불하는 평균적인 처리 수수료는 40천엔 / 톤이다. 일반 폐기물은 시설 정비 국고 부담도있어 소각 비용은 저렴하다. 반면 일반폐기물로 자치 단체가 가정에서 분리수거하는 재생 수지화된 비용은 74.5 천엔/톤이고 자원화 쉬운 폐플라스틱을 원료로 하는 산업 폐기물 계 플라스틱 재생 수지화 또는 다른 처리 자원화 기술에 비해 현저하게 고액이다.
2-3-2 자원화 기술 선택의 어려움
폐플라스틱 자원화의 목적은 폐플라스틱의 단순 소각이나 매립을 줄이고 플라스틱 성분을 순환 이용하여 사회의 새로운 자원 투입을 줄일 수 있다. 자원화 방법의 선택은 일선 폐기물 사업자뿐만 아니라, 용기 포장 플라스틱의 자원화 등 법령에서 자원화 방법을 규정하는 경우에도 합리적 판단이 요구된다. 자원화 기술의 우열은 사회에서 사용되는 자원이 폐플라스틱 유래의 자원화 제품으로 대체되는 양으로 판단할 수 있다. 또한 그 자원화 제품 생산에 소요되는 자원 량도 감안할 필요가 있다. 이것은 전통, LCA (Life Cycle Assessment)와 LCC (Life Cycle Costing)에 의해 평가되어 왔다.
폐플라스틱에서 특정 유형의 재생 수지를 제조하는 경우, 재생 수지를 제조하는 장치 및 시스템 전력과 연료 소비를 바탕으로 제조 방법의 우열을 비교하는 것은 쉽다. 그러나 폐플라스틱에서 재생 수지 이외에도 고체 액체 연료, 합성 가스, 제철 용 환원제 등이 제조된다. 이와 같이 서로 다른 제품의 자원 절약의 효과를 비교하기 위해 여러 가지 규칙을 설정해야하며, 평가는 단순하지 않다. 따라서 평가 목적에 따라 다양한 판단 기준을 통합 처리 자원화 기술의 평가 방법이 제시되고 있다.
재생 수지 제조의 경우, 제품 수지의 색상과 강도에 크게 영향을 미치는 오염 물질, 복합 물질이 포함되지 않는 열가소성 플라스틱만이 자원화 대상 재료가 된다. 혼합 폐플라스틱은 빠르고 정확한 이물질 분리가 필수이며 자원화의 생산 효율과 비용 상의 장애가 된다. 공장의 특정 공정에서 배출되는 오염이 적은 폐플라스틱의 경우 이물질 분리 공정을 생략할 수있어 자원화 비용이 낮다. 또한 가격이 높은 플라스틱을 대체할 수 있다는 점에서 가치가 높다.
고체 연료는 폐플라스틱 높은 발열량을 이용하여 석탄 동일한 발열량 연료로 가공한 것이고, 제지 공장의 석탄 보일러 등에서 이용되고 있다. 자원화 비용은 25 천원 / 톤 정도이다.
발열량이 낮은 바이오매스로부터 사용자의 필요에 따라 발열량 연료를 제조하는 한편, 바이오매스 연소가 이산화탄소 발생량에 산입하지 않기 때문에, 폐플라스틱을 고형 연료로 사용할 경우 이산화탄소 배출 감축 효과가 높다. 또한 석유와 천연 가스의 대체에 비해 경제적 효과는 크다는 아니지만 사용자에게는 석탄보다 깨끗한 연료를 3 천엔 / 톤 정도 저렴하게 사용할 수 있는 장점이 있다.
열분해는 중유와 경유의 대체의 액체 연료와 천연 가스 및 LPG 대체 가스 연료를 얻을 수 있다. 폐플라스틱이 배출되는 지역에서 널리 이용되고 게다가 가격 변동이 심한 연료 자원을 대체할 수 있다. 재생 수지 제조에 부적합 오염 제품 및 합성 물질 등보다 넓은 범위의 재료를 대상으로 자원화할 수 있지만, 장비 가격과 안전성 확보를 이유로 자원화 비용이 높은 (약 80 천원 / 톤). 유화 장치는 30 년 전부터 1 톤 / 일 정도의 소형 플랜트가 개발, 상용화에 이르렀지만, 대형 (40 톤 / 일)에서는 재료 폐플라스틱 확보하고 소형에서는 사업 채산성 고통 . 채산 라인 추산되는 5 톤 / 일 정도에도 도입 가능한 저렴한 탈염소 프로세스 또는 전열 성능이 높은 낮은 에너지 소비 장치의 개발이 중요한 과제가 되고 있다.
최근 관련 기술이 잇따라 사업화가 실현되었다
3 폐플라스틱 자원화 기술의 진전
3-1 수평 재활용을 가능하게 하는 재생 수지화 기술
사용한 가전제품은 가전 리사이클 법에 따라 회수 자원화 되고 있다. 품목별로 자원화 비율이 정해져있어, 예를 들어 에어콘에서 무게의 70 % 이상으로 이러한 규정에 의하여 전기 메이커 측의 자원화 쉬운 제품 설계 및 소재의 선택이 진행되고 있다. 중고 가전제품은 상품 가치가 높은 금속을 재활용하여 자원화 율을 달성하는 한편, 플라스틱은 손을 해체 육안으로 구별 가능한 플라스틱을 분할 재생 수지로 이용하고 있었다. 또한 혼합 상태에서 배출되는 플라스틱은 재활용 용도가 없기 때문에 소각 등으로 처리되고 있었다.
지금까지 전기 메이커는 가전, 전기 전자 기기를 불문하고 엄격한 비용 절감 노력을 거듭하고 있다. 특히 석유 가격의 변동에 영향 없는 폐플라스틱 이용에 적극적으로 임하고 있다. 일부 가전 업체들은 플랜트 제조업체 및 각종 자원화 사업자와 연계하여 혼합 폐플라스틱을 구성하는 각종 플라스틱의 새로운 분리 선별 기술을 개발하고 자원화 사업자로 정밀하게 분리되는 회수 플라스틱 상업적 이용을 확대하기 시작했다. 회수된 플라스틱은 물성이나 외모에 어려움이 있을 수 있는 낮은 기능 부재로 이용할 뿐만 아니라, 새로운 분리 기술을 채용하여, 강도 등에 대한 요구 성능이 높은 외장재 및 중요 부품에 이용하는 이른바 수평 재활용의 길을 열었다.
혼합 폐플라스틱은 기존 소각 열 이용하는 것 외에도 용도가 거의 없었다. 자원화 시설에 와서 사용이 끝난 가전에 포함된 플라스틱 종류와 양은 제조업체 측에서는 파악되고 있으며, 사용이 끝난 가전 종류 및 해체 공정은 자원화 사업자 측면에서 관리되고 있다. 따라서 손 해체 분별 나오지 못했다 혼합 폐플라스틱의 조성에 맞는 재료 분리 방법이 있으면 일정한 품질의 재생 수지를 상당히 많이 확보할 수 있다.
사용이 끝난 가전 유래의 폐플라스틱을 먼저 풍력 선별과 비중 선별을 실시하고 그 결과 얻어진 ABS 수지 및 폴리스티렌 화합물에서 폴리스티렌은 회수율 88 %, 순도 99 %로 분리되었다. 또한 복잡한 혼합 폐플라스틱에서 ABS의 회수에 대한 기존의 비중 분리에 정전 분리를 결합하여 ABS 순도 99 % 대 결과가, Virgin 제품과 거의 비슷한 용도로 이용이 가능하게되었다. 유사한 기술로 미츠비시 전기는 가전 리사이클 시설에서 발생하는 연간 1 만톤의 폐플라스틱 대해 기존 6 % 정도인 사내 이용 재생 수지를 2011 년 이후 70 %로 늘리겠다고 발표 2010 년 6 월 해당 기술을 도입한 사용이 끝난 가전 플라스틱 재활용을 주요 사업으로 하는 새로운 공장을 건설하였다.
3-2 고형 연료화
연료화, 재생 수지로 사용할 수없는 혼합물과 먼지가 많은 폐플라스틱에도 적용할 수 있는 자원화 기술이다. 연료 요구되는 중요한 성능, 높은 발열량과 청정 배기가스이다. 고체 연료의 제조가 용이하고, 염소와 질소를 포함하지 않는 가연물 경우 원료로 이용할 수 있다. 이산화탄소 배출 삭감을 위한 바이오매스 연료로의 이용이 추진되고 있다. 그러나 목질계 바이오매스는 무게 당 플라스틱의 절반 정도의 열량 밖에 갖지 않는다. 폐플라스틱과 혼합, 고화하여 고체 연료로 하여 석탄 동일한 발열량이 되는 것으로부터, 저렴한 연료를 대량으로 필요로 하는 제지 공장 등의 대량 수요가 이용이 보급되었다. 폐기물 소각 열 회수하는 경우와 달리 폐플라스틱을 연료로 가공함으로써 열을 필요로 하는 사용자에게 운송 및 저장이 용이하게 필요한 때 열을 이용이 가능하게 된다. 그러나 성분 조성은 연소기가 부식하거나 연소배기 가스에 유해 성분이 함유되는 경우도 있다. 따라서 현재는 배기가스 정화 시설이 완비되어 석탄 보일러 사용에 제한됩니다.
3-3 고품위 연료 제조를 위한 열분해 기술
무게 당 발열량 측면에서, 고체 연료보다 폐플라스틱 열분해에서 얻어지는 액체 연료와 가스 연료가 유리하다. 열분해 과정에서 포함 염소 플라스틱 등 연료화 부적 성분을 효과적으로 제거하여 고품질 연료를 제조하기위한 새로운 열분해 기술 개발이 중요한 과제이다. 특히 가정에서 배출되는 폐플라스틱 내용은 포함 염소 플라스틱의 혼합은 이전부터 문제가 되고 있으며 그 기술적인 대책이 유화 비용 상승의 원인의 하나였다. 포함 염소 플라스틱은 가열하면 염화수소를 발생하여 장치를 부식시킬 뿐 아니라 공존하는 올레핀계 탄화수소 화합물과 화합물을 유기 염소 화합물을 생성한다. 그 결과 얻어진 탄화수소 기름을 연료로 연소하면 다이옥신 발생으로 이어질 또한 경질 폴리 염화 비닐은 비중 분리 및 광학 선별 (분광법)에서 비교적 쉽게 분리할 수있는가 분리 장치 도입 비용 문제와 분리 곤란한 포함 염소 랩 (주로 폴리염화비닐리덴)의 혼입을 방지하는 것이 어렵다.
가정에서 배출되는 분별 플라스틱을 대상으로 탈염소와 유화를 동시에 수행할 수 있는 5 톤 / 일 소규모 열분해 유화 시스템이 201 년 10 월 후쿠오카현의 폐기물 사업자에 따라 상업 운전이 시작했다. 폐플라스틱의 원활하게 분해하는 촉매와 폐플라스틱 혼합이 중요하다. 전통적인 상업 유화 탱크 식 열분해 장치를 채용해온 반면, 고체의 교반 효율이 뛰어난 패들 믹서 식을 이용하여 최초의 상업 유화 시설이다. 또, 이 형식의 장치를 이용하여 포함 염소 플라스틱으로 생성하는 염화수소를 소석회와 효과적으로 반응시켜 탄화수소 오일 중의 유기 염소 화합물의 생성을 방지할 수있게 되었다. 용량 10 kg / h의 벤치 플랜트를 이용한 실험에서는 일반폐기물 분리 플라스틱 염소 함유율 (1 ~ 3 %) 크게 웃도는 20 %의 염소 함유량 재료 플라스틱 대해 탈염소 비율은 99 % 이상을 유지할 수 있었다.
폐플라스틱에서 얻어진 열분해 가스는 고체 연료와 액체 연료보다 연소 시 배기가스가 청정으로, 연료로서의 가치가 높다. 석면 박리 공사에서 배출되는 석면 함유 폐기 자재 및 석면 접착 폐플라스틱 모두를 대상으로 석면 무해화 처리 기술 개발에서, 폐플라스틱 소규모 가스화 실증 연구가 이루어졌다. 10 톤 / 일 이하의 소규모 열분해 가스화 시스템의 상업화를 전제로, 그 10 분의 1 양 1 톤 / 일 규모의 시스템 운전이 실시되었다. 이 시스템은 용융 촉진제 병용하면 용융 1500 ℃ 이상 필요한 석면을 750 ℃ 전후로 용융시켜 해독하고 있다.
폐플라스틱을 액체와 가스 연료로 하는 것이 아니라, 수소원이나 탄화수소 자원으로 활용하는 화학 원료 전환 기술은 이전부터 주목되어왔다. 이번 가스화 시스템은 가스화 용융 오븐에 의한 수소와 메탄의 제조, 그리고 두 단 가스화 난로에 의한 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성 가스로의 전환 등 기존의 가스화 기술의 상용화 사례 (함께 반응 온도 1300 ~ 1500 ℃)에 비해 700 ~ 800 ℃보다는 온화한 조건에서 수소 외에 메탄과 에틸렌 등 탄화수소 가스의 취득이 가능하게 되었다.
4 폐플라스틱 자원화의 보급을 위해
4-1 자원화 확대를 위한 기술 전략
경제 산업성의 연구 개발 전략을 정리한 기술 전략지도 (2010 년판)에서는 향후 폐플라스틱 3R 분야에서 필요한 기술로, 폐플라스틱 자원화 기술, 재사용 및 리듀스을 배려한 제품 설계 및 낮은 친환경 소재 개발 등의 기술이 광범위하게 정리하고 있다.
이 기술 전략지도에서 앞으로의 폐플라스틱 자원화 기술의 전망은 다음과 같이 요약된다.
1) 고급 분리 공정 및 장비에 의한 재활용
2) 고분자 재료에 산화 방지제의 첨가 등 복합 기술에 의한 재활용
3) 효율적인 열 분해 과정과 장치에 의한 재활용
4-2 폐플라스틱의 성상에 대응한 자원화 기술 혁신
폐기 소재의 재활용을 검토하는데, 폐플라스틱은 종이, 유리, 금속 등 다른 폐기물과 비교하여 배출 원래 업종과 플라스틱의 용도에 대해 조성 및 성상의 차이가 크고, 자원 순환의 대상 확대 및 제품의 시장 가치의 향상으로 연결 기술 혁신이 필요하다. 또한 폐플라스틱의 처리 자원화에서 환경 부하의 저감과 사회 비용 사업비용 절감의 양립이 요구된다.
폐플라스틱 자원화 율을 향상시키기 위해 혼합 폐플라스틱을 저렴한 비용으로 시장 가치가 높은 제품으로 자원 화하는 것이 중요하다. 앞장에서 언급한 정밀 분리 및 효율적인 열분해는 효과적인 기술이다.
4-2-1 분리 기술의 고도화
폐플라스틱 자원화, 국내 자원의 하나로 자원화할 수 있는 대상 폐기물의 확대와 자원화 제품의 시장 가치의 향상으로 석유와 원자재 가격 상승에 견딜 수 있는 기업 활동에 도움이 된다. 가전??과 자동차는 ABS와 POM 등 고기능 플라스틱도 많이 사용되고, 제조업체 측에서 폐기시 용이 분리 설계와 함께 고려하는 것이 중요하며, 자원화 사업자 측은 더욱 자원화 비율 향상과 회수 플라스틱 리사이클 확립이 필요하며, 이것은 자원화 사업자와 제조 업체의 일반적인 과제이다. 그럼에도 혼합 폐기물에서 외부 플라스틱의 종류별 분리, 도금 제품과 페인트 코트 제품을 대상으로 한 분리 기술을 더욱 고도화가 요구된다.
출처 : 녹색기술정보포털(www.gtnet.go.kr)
관련링크 : http://scienceportal.jp/trend/report/domestic.html
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