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201810.04

골칫거리 폐기물, 플라즈마로 태워 없앤다?

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/plasma/850

기존 소각로에 플라즈마 기술 적용…플라즈마 연소·융합 소각 연구 착수
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 안전하고 무한한 에너지와 깨끗한 환경. 플라즈마 기술 개발의 핵심적인 목표입니다. 이를 위해 핵융합 에너지를 상용화하기 위한 노력이 한창 진행 중인데요. 동시에 국가핵융합연구소는 플라즈마를 이용한 폐기물 처리 기술 연구에도 본격적인 시동을 걸었습니다. 신개념의 플라즈마 폐기물 소각로 개발로 깨끗한 환경 조성에 기여한다는 방침인데요. 하지만 넘어야 할 산이 많습니다. 해결해야 할 기술적 난제는 무엇일까요? 또 기존의 플라즈마 폐기물 처리 방식과는 무엇이 다를까요? 궁금증을 풀기 위해 군산에 위치한 플라즈마기술연구센터를 찾았습니다.

 

폐기물이 증가하고 환경에 대한 관심이 높아지면서 매립과 소각에 의한 폐기물 처리 방식은 새로운 대안을 요구받고 있다.


폐기물은 증가하는데 처리 방법은 없고


 산업 발전과 폐기물은 불가분의 관계입니다. 산업이 발달하면서 다양한 유해 폐기물이 발생하고 있고요. 생활수준의 향상으로 생활 폐기물도 증가세를 보입니다. 상당수는 재활용하지만, 폐기물 처리 문제로 여전히 골머리를 앓고 있습니다. 특히 환경에 대한 관심이 높아지면서 폐기물 처리 문제가 민감한 사회적 이슈로 부상했습니다.
 
 폐기물 처리 방식은 크게 매립과 소각으로 나뉩니다. 매립은 침출수로 인해 주변 토양 오염 등 2차 환경오염의 우려가 높고요. 더구나 우리나라처럼 국토가 좁은 국가에서는 매립에 의한 폐기물 처리는 한계가 있습니다. 소각에 의한 처리 방식도 한계에 도달하기는 마찬가지인데요. 불완전 연소에 따른 다이옥신 등의 유해가스 배출 우려가 높고요. 중금속을 함유한 소각재와 비산재가 미세먼지의 주범으로 꼽히기도 합니다. 처리 물량은 급속히 증가하는데 폐기물 매립지나 소각장을 추가로 증설하기도 쉽지 않습니다.
 
 이에 따라 폐기물 처리 방식을 획기적으로 개선하기 위한 여러 방법이 모색되고 있습니다. 특히 매립지 확보의 한계, 2차 환경오염 우려 등으로 소각 방식에서 그 방법을 찾으려는 다양한 연구가 진행 중인데요. 이론적으로 폐기물 소각 처리 시 유해물질이 발생하지 않도록 하는 방법은 간단합니다. 폐기물에서 유해물질이 나오지 않도록 완전연소를 하면 됩니다. 하지만 현재의 소각로는 850 ~ 1000℃ 정도입니다. 젖은 폐기물이나 고열에도 완전히 타지 않는 폐기물이 적지 않고요.

 

세계적인 플라즈마 가스화 처리 업체인 Alter NRG가 영국에 구축한 플라즈마 폐기물 처리 시설. <이미지 출처=Alter NRG>

 

 2000℃ 이상 플라즈마로 폐기물 처리


 이런 문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 기술이 바로 플라즈마를 이용한 고온 소각입니다. 국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터는 올해 플라즈마 폐기물 처리 기술 자문위원회와 TF(태스크포스)를 구성하고, 2019년부터 본격적인 연구개발에 착수합니다. 우선 2,000℃의 고온으로 시간당 10kg의 폐기물을 처리할 수 있는 ‘플라즈마 연소·융합 소각반응 실험기’를 구축하고, 반응 연구 등을 거쳐 2021년 플라즈마 연소 융합 소각반응로를 개발할 계획입니다.
 
 플라즈마를 이용한 폐기물 소각이 완전히 새로운 기술은 아닙니다. 이미 1980년대 초 미국 등에서 플라즈마 폐기물 소각 전문 기업이 설립되었고요. 국내에서도 관련 기술을 보유한 업체가 일부 지자체와 플라즈마 폐기물 소각 시설을 시범 운영하기도 했습니다. 하지만 플라즈마 폐기물 소각은 널리 퍼지지 못하고 답보 상태에 있습니다. 최용섭 융복합기술연구부장은 그 이유를 이렇게 설명했습니다.
 
 “플라즈마를 이용한 폐기물 처리는 원리적으로 보면 고온의 플라즈마로 폐기물을 분해하여 분자 수준으로 처리하는 것인데요. 이를 위해서는 많은 에너지가 소요되는 문제가 있습니다. 폐기물 소각은 단순히 태워 없애는 것에 그치는 게 아니라 소각 후 남은 무기물은 재활용하고 유기물은 가스화하는 것이 중요합니다. 그런데 일반 소각보다 플라즈마 소각으로 얻는 이득이 적고요. 비용이 많이 든다는 문제가 있습니다. 결국 얼마나 경제성을 높이느냐가 플라즈마 폐기물 처리 기술 상용화의 관건인 셈이죠. 물론 환경을 생각한다면 비용이 좀 더 들더라도 더 친환경적인 방법을 개발하여 적용할 필요성이 있습니다.”

 

플라즈마 토치 기술을 적용한 플라즈마 연소·융합 소각반응 원천연구에 착수하는 플라즈마기술센터 연구진이 시험 시설을 살펴보고 있다.


기존 소각로에 플라즈마 토치 기술 적용


 그래서 플라즈마기술연구센터가 착수하는 연구는 ‘플라즈마 소각’이 아니라 ‘플라즈마 연소·융합 소각’ 기술입니다. 글자 그대로 기존의 폐기물 연소 소각로에 플라즈마 토치를 융합해 비용을 낮추면서도 효율성을 높이겠다는 것인데요. 이렇게 기존의 연소 소각로에 적용할 수 있는 고온 소각용 플라즈마 발생원을 만들고, 최적의 소각로 내열 소재와 구조 등을 찾는 것이 이번 연구의 핵심입니다. 기존의 연소 소각로에 플라즈마 토치로 고온의 열을 가했을 때 어떤 반응이 일어나고, 어떤 현상이 나타나는지 규명하는 원천연구를 수행하게 되는 것입니다.
 
 국가핵융합연구소는 이미 플라즈마 석탄가스화 개발 사업을 통해 플라즈마 토치 기술에 관한 선행 연구를 수행했습니다. 플라즈마를 장시간 안정적으로 만들어 내는 마이크로웨이브 스팀 플라즈마 장치(토치)를 이용해 저급석탄을 가스화하는 것인데요. 이때 생성한 합성가스(H2, CO)로 터빈을 돌려 전력을 생산하는 신기술입니다. 관련 업체를 통해 지난 2013년 강원도에 플라즈마 석탄가스화 복합발전(PE-IGCC) 실증 설비까지 구축하는 성과를 올리기도 했습니다. 이때 구축했던 설비와 장비는 플라즈마 연소 융합 소각 반응 연구에도 활용할 예정입니다.
 
 이처럼 이미 개발한 기술 수준을 높이고 융합해 플라즈마 연소 융합 소각로를 개발한다는 것이지만, 연구진은 부담이 적지 않습니다. 상용화하기 힘들었던 기존의 플라즈마 소각 기술을 실제 소각로에 적용하기까지는 여러 난관을 넘어야 하기 때문입니다. 플라즈마 토치를 기존의 연소 소각로에 적용했을 때 어떤 반응과 현상이 발생할지 알 수 없고요. 플라즈마 연소 융합 소각로를 개발했다고 하더라도 이것이 기존의 소각로를 대체할 수 있는 저비용 고효율의 성능을 발휘할지 장담할 수 없습니다.

 

플라즈마 연소·융합 소각반응 연구 TF팀장을 맡은 최용섭 부장


산·학·연 전문가로 기술기획 자문위까지 구성


 연구진이 이번 연구개발 과제에 착수하면서 기술기획을 전담하는 자문단과 TF팀을 구성한 것도 이러한 이유 때문인데요. 국가핵융합연구소는 플라즈마기술연구센터 융복합기술연구부를 중심으로 한국기계연구원, 한국에너지기술연구원을 비롯해 대학, 기업 등 산·학·연 전문가로 구성된 플라즈마 소각 기술기획 자문위원회를 구성했고요. 이와 별개로 플라즈마기술연구센터 연구진을 주축으로 한 TF팀(팀장 : 최용섭 융복합기술연구부장)을 구성하고 본격적인 가동에 들어갔습니다.
 
 이러한 플라즈마 연소 융합 소각반응 연구의 1차 목표는 2020년까지 시간당 10kg의 복합 난연재를 2,000℃의 플라즈마로 처리할 수 있는 소각반응 실험기를 구축하는 것입니다. 이어 2021년부터 시간당 60kg 정도를 처리할 수 있는 파일럿 연소·융합 소각반응로를 구축하고, 플라즈마 연소 융합 소각반응 실증에 착수하게 됩니다.
 
 최용섭 부장은 “환경 문제에 대한 관심이 높아지면서 실제 현장에 적용할 수 있는 플라즈마 폐기물 소각 관련 기술도 기대감이 상당히 높다”라면서 “하지만 기존의 연소 소각로에 플라즈마 토치를 적용했을 때 어떤 반응과 현상이 나타날지 모르기 때문에 이러한 부분부터 하나씩 규명해나갈 계획”이라고 밝혔습니다. 또 플라즈마 연소 융합 소각에 관한 원천연구라는 점을 강조하면서도 궁극적인 목표가 상용화인 만큼 이것을 가능하게 하는 파생기술 연구에 주력하겠다는 각오도 덧붙였습니다.

 

마이크로 웨이브 플라즈마토치 반응로 설비를 살펴보고 있는 최용섭 부장과 김지훈 팀장(오른쪽)


안전한 에너지와 깨끗한 환경 만든다


 ‘안전한 에너지와 깨끗한 환경’은 국가핵융합연구소의 슬로건이기도 합니다. 유석재 소장도 기관 차원에서 틈날 때마다 이 점을 강조하고 있습니다. 플라즈마기술연구센터의 플라즈마 연소 융합 소각반응 연구는 ‘깨끗한 환경’을 실현하기 위한 연구소의 의지 표현입니다. 플라즈마 기술을 통해 안전하고 무한한 에너지를 얻고, 또 한편으로는 깨끗한 환경을 만들겠다는 것인데요.
 
 그만큼 플라즈마 활용 기술의 범위가 넓어지고 있습니다. 플라즈마는 우리 눈에 보이지 않지만, 우리의 생활 깊숙이 자리 잡고 있습니다. 스마트폰에 사용하는 반도체 제작 공정의 80% 정도가 플라즈마를 사용합니다. 머지않아 버려진 스마트폰은 재활용 부품을 제거하고 나머지는 플라즈마를 이용해 소각하게 될 텐데요. 제품 생산에서 유통, 폐기물 처리까지 전 과정을 플라즈마가 책임지게 될 것입니다. 안전하고 무한한 에너지 개발과 함께 깨끗한 환경을 만들기 위한 플라즈마의 맹활약이 기대됩니다.

 

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