폐유 재활용 기술

1. 서론

1.1 개요

폐유는 제유소와 석유비축기지 급유소 등 석유제품의 제조 유통에 관계하는 산업을 기본으로 하여 전력 철강 기계 화학 등의 제공업과 선박 등의 운수기관 등 석유제품을 소비하는 모든 산업으로부터 배출된다 또한 동,식물성 폐유의 경우에는 식품공업 외식산업 외에 일반가정으로부터 조금씩 배출되고 있다

유해성 지정폐기물인 폐유(waste oil)는 윤활유의사용시간이 경과함에 따라서 열화되거나 분해, 오염물질의 혼입에 의하여 성능이 떨어져 발생하게 된다. 주 배출원은 자동차, 선박 그리고 1차 및 조립금속, 기계장비공업 등이며 이들 수요에 의하여 그 발생량이 좌우되는데 통상적으로 판매량의 약 70%정도로 추산되고 있다. 윤활유 유종별 구성비로는 자동차용이 37%, 선박용이 11%, 공업용이 22% 그리고 나머지가 기타로 구성되어 있다.

이러한 폐유를 처리하지 않고 그대로 배출시에는 토양과 지하수 하천 호수 해양 등에 심한 오염을 유발시켜 환경보전상의 큰 문제를 일으킬 뿐만 아니라 그 인화성 가연성은 더욱더 문제가 되어 사회적 경제적으로 큰 손실을 가지고 올 수 있다 또 납함유 오일의 저장시설에서 발생하는 침전 슬러지와 같이 유해중금속을 함유하기도 한다 폐유의 배출 처리에 대해서는 폐기물관리법 수질환경보전법 해양오염방지법에 엄격하게 규제를 하고 있어 폐유배출자는 자신의 책임하에 적정하게 처리하지 않으면 안 된다 .폐유의 처리 재이용은 우리나라뿐만 아니라 선진국에서도 중요한 과제로 되어 있다

(신광문화사 1997 이정전 외 3명 편저 유해폐기물처리기술 p32)

자동차용의경우‘99년말 기준으로 약 99만 드럼이 발생되고 있으며 실질적인 회수율은 약 90% 이상에 달한다. 이와 같이 높은 회수율은 우선 유통체계가 비교적 잘 정비되어 있어서 수거가 용이함과 동시에 발열량이10,000 kcal/kg 정도로 매우 높기 때문에 이를 재생연료유로 재활용 할 경우, 이에 따른 부가가치가 높기 때문이라 할 수 있다.

1.2 관련 기술

1) 폐유의 재생 연료 유화 기술

현재 국내에서 가동되고 있는 폐유의 재생 연료유화 공정은 크게 3가지로 대별될 수 있다. 이온정제공정은 가장 고전적임과 동시에 단순한 화학첨가제공정으로서 저급의 중유 대체유를 생산 판매하게 되므로 기업 채산성이 타 공정에 비하여 상대적으로 낮다고 볼 수 있다.

감압증류 공정 및 고온 열분해 공정을 채택하고 있는 회사는 대부분 처리규모가 약 2만통/연 이상으로 기존에는 모두 이온정제공정을 채택하고 있었지만 재생연료유의 고부가가치화를 위하여 공정대체를 한 것으로 볼 수 있다. (에너지관리공단)

(1)이온정제방법

폐유 중 수분,침전물을 제거하고 약품처리를 통하여 중금속 등을 제거하여 제품을 생산하는 방법으로서 생산된 제품은 윤활유 자체 이므로 벙커A,B 대체 연료유로만 사용이 가능하다.회분등을 제거하지 못하므로 노즐의 경우에는 잘 막힐 수가 있으며 잔류탄소가 높다

감압증류공정은 단순 물리정제공정으로서 감압 증류시 생산되는 정제 연료유는 중질 윤활기유성분을 그대로 유지하고 있게 된다. 따라서 경유보일러에 적용시 동절기에 노즐 막힘 현상이 유발되므로 실제 사용에 있어서 약간의 문제점이 있다. 또한 수율이 약 70 % 정도이고 나머지는 오일 슬럿지로 배출되므로 이를 제 3의 특정폐기물 처리업체에 위탁처리하기 위한 추가비용이 든다는 점이 경제성을 낮추게 된다.

(2) 감압증류방법

비점이 높은 폐유를 감압하에서 비교적 저온상태(250℃)로 증류, 응축하여 정제연료유를 생산하는 방법이다.

박막증류 또는 탑증류 방법의 감압증류 방식은 폐유중의 수분,침전물 등을 제거하는 전처리 과정을 거친 후 진공하에서 열매체를 가열원으로 하여 증류하는 방법으로서 여기서 생산된 제품은 윤활기유 (BASE OIL)이며 경질유(등유,경유)가 아니다. 따라서 벙커A,B 대체유로만 사용이 가능하다. 그러나 Blending 기술을 접목 시킨다면 윤활기유를 경질유화 하여 보일러등유 대체용, 경유대체용 연료유를 제조할 수 있다.

현재 자동차용 윤활유의 가열 감령을 줄이기 위하여 윤활유 제조업자는 꾸준하게 연구.개발하고 있으며 따라서 열매체 온도를 350'C 이상까지 올린 상태에서 풀진공의 조건이 되어야 수율80%를 얻을 수가 있다

(3) 고온열분해방법

공기와의 접촉을 차단하고 고온(400℃)의 높은 압력하에서 열을 가하여 분자량이 높은 상태의 폐유를 점도가 낮은 상태인 저분자량으로 분해 및 응축하여 정제연료유를 생산하는 방법이다.

현재 군산 (주)대림 등에서 채택하고 있는 방식이다.가열시 가열장치의 금속재질이 촉매작용을 함으로서 윤활유를 금속용기(carbon,stainless 등)에서 가열하게 되면 탄화가 진행되어 튜브등이 막히는 원인이 되는데 따라서 일정 주기별로 decocking 작업을 해야하는 단점이 있다.decocking 이란 600'C 정도로 가열하여 스팀 및 공기를 이용하여 가열로 튜브내에 부착되어 있는 탄화된 카아본을 태운후 스팀으로 떼어내는 작업을 말한다. 따라서 TUBE 방식의 가열형태는 상기 작업이 필수적 이므로 Chamber방식이 훨씬 유리한 방법이다.고온열분해 제품은 색상이 약간 검은색을 띄고 있으며 악취가나는 단점이 있으나 보일러 연료유로서는 전혀 하자가 없는 훌륭한 제품이라고 할 수 있으며 발열량 또한 보일러등유보다 높게 만들 수 있다

고온 열분해 공정은 회분식과 연속식이 있으며 전자는 주로 캐나다에서 도입된 낙후한 공정으로서 재생연료유의 비등점 분포특성은 거의 경유와 유사하지만 악취가 매우 심하게 나고 타르생성에 따른 기기 작동시 불량원인이 되므로 실수요자 측면에서 이의 사용을 기피하고 있다는 문제점이 있다. 또한 공정운전방법에 있어서도 4일 가동하고 3일은 청소작업에 소요되므로 실질적인 연간 가동일수가 200일 정도밖에 되지 않는다는 단점이 있다.연속식 열분해 공정은 열분해 및 상압증류공정의 단위공정으로 구성되어 있는데 열분해 반응온도가약 400℃ 정도로서 폐유의 경우 이 온도조건 하에서는 약간의 분해반응이 진행되므로 상압증류 조건하에서 재생연료유의 최대 수율이 60% 미만이 되는 단점을 안고 있다. 이 공정 역시 악취 유발문제가 근본적으로 해결되어야 함과 동시에 수율을 제고시켜야만 공정의 경제성을 높일 수 있게 된다.이상에서 언급한 바와 같이 3가지 공정 모두 현실적으로 각각의 장단점을 갖고 있다.

(4) 차세대형 폐유정제방법

감압증류 방식은(thin-film evaporator, reboiler type etc.) 열매체를 사용하여 폐유를 가열하는 방법으로 되어 있으나 윤활유의 비점이 이미 450'C-550'C정도가 되므로 풀진공 상태에서 열매체의 온도를 350'C 이상으로 운전해야 효율 70%이상을 얻을 수가 있으므로 차후 열매체 시스템(보일러, 펌프등)은 고온용으로의 교체가 불가피하다.따라서 앞으로 건설되는 공정은 열매체 시스템을 사용하지 않고 가열로(Chamber type)의 형태로서 직접 연료로 가열하는 방식을 취하게 되면 고온으로 decocking을 하지 않아도 되며 구조상 탄화분의 청소가 매우 용이하여 운전이 간편하게 된다

(http://chemtech.com.ne.kr/ http://www.kemco.or.kr/)

2) 폐식용유 비누화 기술

폐식용유는 화학적인 성질상 물 속에서 미생물에 의해 자연 분해되기가 아주 힘들기 때문에 하수구로 버려서는 안 된다. 이러한 폐식용유를 이용하여 비누를 만들어 사용하면 환경오염을 감소시킬 수 있다. 설거지를 할 때 수세미에 묻혀 닦으면, 잘 닦일 뿐아니라 독성이 없어 손이 거칠어지는 것을 해주는 이점도 있다. 세탁기를 이용할 때 재생비누를 물에 넣어 끓인 뒤 그 비눗물을 넣으면 효과를 볼 수 있다.

폐식용유 18ℓ 정도면 4가구가 한 달간 사용 가능한 비누를 만들 수 있다. 제조과정의 첫 단계는 폐식용유를 대나무 소쿠리나 양철망으로 걸러 이물질을 제거하는 일이다. 다음은 수산화나트륨(가성소다) 용액 만들기로 18ℓ의 폐식용유에 적당한 수산화나트륨 용액의 양인 5ℓ이다. 98% 짜리 수산화나트륨 2.7∼3㎏에 5ℓ의 물을 부으면 된다(대략의 수산화나트륨과 폐식용유의 비율은 1:4 정도다). 수산화나트륨을 만질 때는 반드시 마스크와 고무장갑을 착용하고 환기가 잘 되는 곳에서 행한다.

폐식용유에 수산화나트륨 용액을 부을 때는 옆으로 튀지 않게 주의해야 하며 천천히 붓는게 좋다. 수산화나트륨 용액이 섞이면 곧바로 나무막대기로 30∼40분간 젓는다. 이 때는 반드시 한 방향으로 저어야 한다. 폐식용유는 수산화나트륨이 섞이면 대야가 따뜻해질 정도로 열이 난다. 이것은 비누가 응고되는 과정이며 빡빡해지면 질 좋은 비누가 만들어 진다.

40분간 젓는 작업이 끝나면 원하는 모양의 그릇에 빡빡하게 응고된 폐식용유를 붓는다. 스티로폼통, 플라스틱통 등 어느 것이든 가능한데 이 때는 바닥에 헌 면내의를 깔아주면 매끈한 모양을 만들 수 있다. 응달에서 3시간 정도 지나면 폐식용유가 두부처럼 되며 이때 적당한 크기로 칼금을 긋는다. 비누를 녹이는 과정은 강알칼리를 약 알칼리로 중화시키는 과정이므로 반드시 20일정도 지난 후 사용하여야 한다.

2. 최신 기술

☞폐유연소용난로[특허정보2005]

* 본 고안은 폐유가 연소되는 연소통과 상기 연소통에 공기를 공급하는 송풍기와 상기 송풍기로부터 유입된 공기를 상기 연소통에 공급하는 공기분배기부와 상기 연소통에 폐유공급관을 통하여 폐유를 공급하는 폐유공급부를 포함하여 이루어지되, 상기 공기분배기부는, 공기통과, 상기 공기통과 상기 송풍기를 연통시키는 제1공기공급관과, 상기 공기통의 공기를 상기 연소통에 공급하는 제2공기공급관과, 상기 공기통과 상기 폐유공급관을 상호 연결시키는 분무기관으로 이루어진다. 특히 공기분배기부를 장착하여 완전연소를 하고, 폐유공급관에 굴곡부를 형성하여 역화방지를 할 수 있는 폐유연소용난로에 관한 것이다.

☞액체에너지 및 폐유의 연소적응 연소시스템[특허정보2004]

* 본 고안은 각종의 액체에너지 및 폐유를 적응적으로 연소하도록 하는 연소적응 연소시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 각종의 액체에너지 및 폐유에 물과 유화제를 혼합하여 유수유화된 상태로 연소시키며 다양한 연소 조건 변화에 적응대처하여 연소효율을 높임과 동시에 공해방지효과를 얻을 수 있는 액체에너지 및 폐유의 연소적응 연소시스템에 관한 것이다.

☞이동식 폐오일 연소장치[특허정보2004]

* 통형으로 이루어진 연소공간(104)과, 상기 연소공간의 상부를 개폐하는 커버(103)와, 일측에 구성되는 점화부(109)와, 하부에 구비되는 다수개의 지지다리(107)로 이루어진 케이싱(101)과; 상기 연소공간으로 폐유를 공급하는 연료공급부(110)와; 외부의 공기를 공급하는 송풍기(F)와, 상기 송풍기에서 공급된 공기를 임시로 저장하는 공기저장공간(102)과, 끝단에 공기공급공(127,128)을 가지는 다수개의 분기관(126)을 구비하고 공기저장공간에 수용되는 하부의 측벽에 다수개의 공기유입공(122)이 성형된 안내통로(124)와, 상기 안내통로의 하부에서 회전력을 제공하는 모터(M)로 구성되는 공기공급부(120); 그리고, 케이싱의 상부 일측에 외부로 연통되도록 구성되는 배기부(105)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

☞폐유 연소기[특허정보2006]

* 본 발명은 연소통 내에서, 어느 하나의 부분만이 아닌 하부로부터 상부에 이르기까지 연소통 내부에서 전반적으로 골고루 기화가 연속적으로 이루어질 수 있도록 한 한 것으로 연소기의 공급연료로서 등유 뿐만 아니라, 폐엔진오일, 폐기계작동유, 경유 또는 정제된 폐유를 사용하여 연소효율이 우수한 연소기구를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

☞폐식용유중의 유리지방산 제거방법[특허정보2006]

* 본 발명은 폐식용유중의 유리지방산 제거방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 폐식용유에 함유된 유리지방산을 불균질계 고체산 촉매(heterogeneous solid acid catalyst)를 이용하여 폐식용유중의 유리지방산을 제거하는 방법에 관한 것이다.

☞폐유 열분해 연소장치[특허정보2006]

* 본 발명의 목적은 가열수단을 이용한 간단한 구조로 폐유를 가열 연소하되 연소실의 내부에 공기주입관을 설치하여 공기를 공급함과 아울러 분사력을 통해 연소가스를 타측으로 자연 배출하도록 유도하는 폐유 열분해 연소장치를 제공하는 데 있다.

☞식물성 폐식용유와 정제연료유를 이용한 바이오 정제유의 제조방법[특허정보2006]

* 본 발명은 폐식용유를 40OC 이상에서 여과기 (QUARZ WOOL)를 통과하여 감압증류하여 유리 지방산 함량을 산가 10MG KOH/G이하로 정제하고, 자동차 엔진오일, 기계윤활유, 절연유등의 폐유를 수거하여 농축, 탈수하여 수분을 제거하고 불순물을 여과시켜 제거한 다음 박막 증류기를 통과시켜 고비점 찌꺼기인 잔사유를 제거하고 감압증류하여 정제 연료유를 얻고, 상기 폐식용유와 정제 연료유를 혼합하고 촉매로서 가성소다 (NAOH)를 첨가하여 다시 감압증류한 것을 특징으로 하는 바이오 정제유의 제조방법에 관한 것이다.

☞폐유로부터 에멀젼 연료유 제조를 위한 첨가제 및 그제조방법[특허정보2004]

* 본 발명은 각 산업체, 선박 및 자동차에서 발생되는 폐유(폐윤활유, 폐부동액, 폐벙커C유, 폐엔진오일 등)와 물을 이 용하여 저공해 연소물질, 즉 잔류탄소분, 분진, 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)의 발생량이 적은 에멀젼 연료유 제조에 사용되는 첨가제 및 제조방법에 관한 것이다.

☞폐유를 이용한 청정연료유 및 윤활기유 제조방법[특허정보2004]

* 수집된 폐유를 자연 침강시킴에 의해 폐유에 함유된 입자상의 침전물과 수분을 제거시키는 침강공정과; 상기 침강공정 하부에 침전된 침전물을 제외한 폐유를 전처리조에 이송 시킨 후 진공시스템을 이용하여 수분제거시킴과 동시에 폐유의 pH를 중성으로 조절시키는 전처리공정과; 상기 전처리공정을 거친 폐유를 70~80℃의 온도로 가열함과 동시에 촉매를 투입하여 촉매와 폐유를 교반시키는 촉매처리공정과; 상기 촉매처리공정을 마친 폐유를 0.5~5㎛의 마이크로 필터시스템을 활용하여 70~80℃의 온도 하에서 필터링 시키는 여과공정; 그리고, 여과공정을 마친 제품을 색도, 반응검사 등을 실시하는 검사공정;을 포함하여 구성되는 폐유를 이용한 청정연료유 및 윤활기유 제조방법을 기술적 요지로 한다.

저점도 폐유를 무기질 소재를 활용한 세라믹 촉매를 이용하여 저비용으로 고품질의 청정연료유인 보일러 등유 대체연료와 윤활기유 등을 제조할 수 있다.

☞촉매분해를 이용한 폐유-폐플라스틱의 고급 연료유화 기술연구[실용화기술2006]

* 폐유 및 폐플라스틱과 같은 고분자 탄화수소화합물 은 주로 쇄상의 파라핀계 화합물로 구성되어 있어서 상호 친화성이 좋으며 폐유는 고체상태인 폐플라스틱 의 분산매체인 용매 역할과 열전달 매체로 작용할 수 있으므로 동시 처리할 경우, 연속공정 운전의 용이성 및 반응효율의 동반상승효과가 기대된다. 따라서 이들 의 고부가가치 자원화가 가능하다.

☞폐유의 열분해 및 플래쉬 증류에 의한 경유 대체연료유 생산파일롯공정 개발[실용화기술2006]

* 폐유는 오일의 성상측면에서 보면 중질 유분(b.p. : 320 - 590 ℃)임과 동시에 첨가제의 열화 및 엔진의 마모에 따른 중금속, 회재, 수분 및 황성분 등이 기본 적으로 포함되어 있다.

그런데 폐유의 주 성분인 윤활기유(base oil)는 주로 파라핀계 및 나프텐계로서 수소/탄소-비가 거의 2에 이른다. 이는 일반적인 고급연료유의 수소/탄소-비가 1.5 - 1.8 정도임을 감안할 때 단지 고비점 성분의 분 해도 촉진 및 효율적인 자체 수소 재분배에 의하여 경 질 연료유로 전환될 수 있슴을 시사한다.

따라서 분해 및 개질반응에 의한 분자량 감소와 더 불어 불순물들을 효율적으로 제거할 수 있는 핵심 단 위공정이 조합된 독자적인 연속식 파일롯(500톤/년 규 모) 공정[참조 : 그림 1] 개발 연구를 수행하였다.

☞폐식용유를 이용한 비포름알데히드 목재 접착제 제조 기술 개발[실용화기술2005]

* 폐식용유는 열로 인하여 산화된 것으로 화학저리를 통하여 MDI와 반응시켜 목재 접착제로 이용하고자 한다.

3.참고문헌

1. 신광문화사 1997 이정전 외 3명 편저 유해폐기물처리기술 p32

2. 에너지관리공단

3. 한국윤활유공업협회

4. http://chemtech.com.ne.kr/

출처- http://www.kiwtma.co.kr