[기고] 온실가스 저감 이끄는 냉매 회수 및 재생기술
[기고] 온실가스 저감 이끄는 냉매 회수 및 재생기술
  • 투데이에너지
  • 승인 2018.07.25
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황병봉 오운알투텍 대표
황병봉 오운알투텍 대표
황병봉 오운알투텍 대표.

[투데이에너지] 온실가스인 ‘폐냉매’의 환경적 처리 방법은 정제기술과 파괴기술로 구분하고 있다. 일본은 제품생산자가 책임처리하는 EPR(Extened Producer Responsbility) 정책으로 재생산업 보다는 파괴처리기술이 앞서 있는 상황이나 미국 및 유럽은 냉매를 생산단계에서부터 줄일 수 있는 재생기술 및 산업이 앞서 있다.

국내 폐가스(냉매)처리업은 정제기술로서 단순정제기술과 분리정제기술로 사업화를 하고 있으며 파괴기술로써는 아크 플라즈마, LNG열적파괴 및 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 파괴기술로 냉매의 분자화합물 결합구조의 변화를 통한 수용성 안정화 기술은 확보됐으나 형석(CaF₂)을 만들어 고형화한 안정화 기술은 아직 사업화 되지 않았다.

■재생냉매기술
냉매는 생리학적으로 비독성이면서 또한 비기연성이여야 한다. 일반적으로 냉매의 필수요건은 각종 열역학적 성질과 화학적, 물리적 성질을 만족하고 냉동용량, 온도 등의 필요 설계조건을 만족해야 한다.

현재 널리 사용하고 있는 CFCs, HCFCs, HFCs 냉매를 대기 중으로 노출시키지 않고 제조→운반→사용→회수→재생 등의 과정을 되풀이 할 수 있다면 위에서 발생하는 문제들을 해결할 수가 있다.

그러나 냉매의 가격이 저렴하고 실제 냉매를 취급하는 기술자들의 환경파괴의 위험성 의식이 부족하거나 냉매 회수나 보관 및 재생 등에 추가적인 비용 등의 이유로 대부분의 경우 냉매를 회수나 재생을 하지 않고 대기로 날려 보내고 있는 실정이다.

냉매의 재생산업에서 처리방법은 회수(Recovery), 재사용(Recycle), 재생(Reclaim) 적용방법으로 구분하고 현장의 사정 또는 회수장비의 용량, 목적과 중요도에 따라서 구분해 처리될 수가 있다.

회수(Recovery)는 냉매를 시스템으로 부터 제거해 다른 공정작업 없이 외부의 용기에 담는 작업으로 잔가스인 기체냉매를 대기압 이하 진공까지 회수하는데 작업시간이 많이 소요된다.

재사용(Recycle)은 이미 사용된 냉매의 불순물인 오일, 수분, 불응축가스, 산, 고형물 등을 제거하는 장비기술로 냉매 저장용기, 연결장치로 구성되며 용기나 기기로부터 냉매가 회수장치 입구에 연결되면 처음에 증류과정을 거친다.

여기서 액체냉매는 기체로 증발하고 냉매 속의 오일은 증류기 하부에 모여지고 습기와 산이 증류기 상부의 건조기에 의해 걸러진다.

기화된 기체냉매는 압축기를 통과해 압축되며 오일 세퍼레이터를 거쳐 잔류 오일과 산이 제거된 다음 냉매는 응축기로 들어가 고온의 압축냉매가 된다. 냉매는 Filter Dryer를 거쳐 최종적으로 습기와 불응축가스를 제거해 회수용기로 주입된다.

작업현장에서 회수 후 바로 조치가 가능한 재사용 장비기술로는 냉매의 순도를 보증하기 어렵지만 장점으로 재주입을 현장에서 즉시 조치가능하고 운반비용 절감 및 다른 냉매와 섞이는 것을 방지할 수 있다. 단점으로는 재사용용 장비구입비용이 많이 비싸다.

또한 장비가 크고 무겁고 시간이 많이 걸리고 유지보수작업에서 발생하는 냉동유 등의 오염물질의 적절한 처리가 필요하다. 뿐만 아니라 냉동효율저하 원인 해소를 위한 설비유지보수 작업으로 기구적 결함부품의 교환조치와 사용 냉매의 순도분석 결과등을 필요로 하지만 회수냉매의 순도분석을 현장에서 할 수 없기 때문에 재사용된 냉매는 순도를 보증하기 어렵다.

일본 대용량 공조설비 제품의 경우 사용냉매의 순도를 엄격히 관리하고 있다. 따라서 재생(Reclaim)은 냉매의 순도 등을 보장할 수 있는 가장 확실한 방법이다.

회수된 폐냉매.
회수된 폐냉매통.

■재생냉매의 분석기술
재생(Reclaim)은 냉매를 새롭게 재탄생시키는 기술로 분별증류, 멤브레인 필터, 촉매방식 및 하이드레이드방식 등을 포함한다.

재생냉매의 품질은 KS I 3004로서 규정하고 있으며 CFC-12, HCFC-22, HFC-134a만 규정하고 있다. 물론 그 외 Unused 냉매들은 KS규격이 없지만 미국의 AHREA 및 ISO규정을 인용해 사용되고 있다. 냉매 회수 재생 장치를 사용해 회수 재생한 냉매는 겉모양, 냄새, 순도, 증발잔분, 산분(HCl로서), 수분, 비응축성분 항목 등이 규정에 적합해야 한다.

재생냉매가 규정을 만족하는지를 결정하기 위한 화학적인 분석은 재생기술뿐만 아니라 파괴기술의 기본적인 사항이다.

폐가전리사이클링 산업체에서 회수되는 폐냉매를 분석한 결과는 여러 종류의 냉매가 약 10~20% 혼합(R-134a+R12, R-22+R-410A) 오염돼 배출되고 있으며 최근에는 폐가전 냉장고에서 가연성 냉매인 프로판 R-600(Safty group:A3)이 섞여 배출되고 있어 안정성이 노출되고 있는 실정이다.

여러가지 분석을 위해서는 GC 및 GC-MASS 등의 장비 및 표준가스(고순도CRM 및 불응축가스CRM) 분석전문가는 필수적인 요소이다. 또한 공비혼합냉매의 분석은 많은 분석 경험이 요구된다.

재생(Reclaim)기술은 크게 단순증류정제 및 분리증류정제로 구분하며 두 종류이상의 냉매가 섞인 오염된 냉매는 분별증류정제기술 및 촉매방식, 하이드레이드방식 등으로 분리가 가능하다.

냉매의 물리적 특성(온도 및 압력)을 고려해 설계 제작된 재생플랜트만이 재사용 및 재생의 안전이 확보할 수 있다.

다시 말해서 저압냉매(R-134a는 상온에서 5.6bar) 재생설비에서 고압냉매(R-410A는 상온에서 15.6bar)을 재생운전하면 안전을 위협할 수 있다. 관련 법규로 재생냉매를 판매할 수 있는 가스판매, 충전, 제조 등의 허가는 필수적이다.

일반적으로 회수된 냉매에서 사용된 냉동유의 분리는 GC장비를 이용하는 성분분석을 위해서 반드시 재생품질 규정 증발잔분이 0.01% 이하여야 한다.

오일분리가 되지 않고 분석할 경우 고가의 분석칼럼 손상의 원인이 되기도 한다. 회수냉매로 부터 냉동유를 분리제거하고 순도분석을 하기 위해서는 폐가스처리업체에서 처리돼야 한다.

냉매회수기
고압 냉매 회수, 정제 장비

■불응축가스 제거의 필요성
미국의 경우를 보면 EPA(Environment Protection Agency), 환경보호국에서는 각종 법령을 통해 사용된 냉매의 운반용기, 처리방법, 회수방안들을 기준을 제시하고 있어서 무자격자들이 취급할 수 없도록 하고 있으며 재생기술이 없이 재생된 냉매는 심각한 설비 품질문제를 유발할 수 있다고 경고하고 있다.

또한 냉매재생 인프라가 없을 때의 가장 큰 품질문제로서 불응축가스 및 수분이 회수 시 혼입된다는 사실이다.

경우에 따라서 냉매 충진 전 시스템 계통 내의 진공이 불충분할 때 냉매나 윤활유의 충진 작업 시 공기 유입, 흡입가스 압력이 대기압 이하로 내려가 저압부의 누설되는 곳에서의 공기 유입, 분해 수리를 위해서 개방한 냉매계통을 복구할 때 공기 배출이 불충분할 때 등이다.

냉매 저장용기에 불응축가스와 수분이 누적 될 경우 다음과 같은 문제점이 있다. 첫째, 불응축가스로 인한 내압 증가로 냉매 누설 현상 및 안전사고가 발생할 수 있다. 냉매는 육안으로 확인하기 어려우므로 실제 현장에서 냉매 누설을 감지하는 일은 쉽지가 않다. 또한 내압 증가로 인한 용기 폭발 안전사고 예방을 위해서는 사전에 예방하는 것이 중요하다.

둘째, 냉동기 성능계수가 감소한다. 냉동기는 응축온도가 낮고 증발온도가 높을수록 냉동기 효율을 나타내는 성능계수가 증가한다. 하지만 냉매에 불응축가스가 혼합돼 있을 경우 비체적이 증가하고 응축 및 증발온도에 영향을 미쳐 냉동기 효율이 감소한다.

셋째, 배관 결빙 현상이 발생한다. 냉매 속에 불응축가스(수분)가 포함 될 경우 냉매에 비해 어는점이 상대적으로 높은 불응축가스(수분)는 배관 내에서 결빙된다.

이는 유체의 원활한 유동을 방해할 뿐만 아니라 배관 내 와류를 형성해 시스템 효율을 저하시키고 심각하게는 시스템 고장의 원인이 되기도 한다. 특히 압축기 토출가스 온도를 상승시키며 축동력을 증가시켜 압축기에 큰 부하가 걸린다.

이 같은 이유로 냉매에 포함된 불응축가스는 반드시 제거돼야 한다. 불응축가스 제거 원리를 간략히 설명하면 응축기 상부에 압력센서와 퍼지 밸브를 제어부와 연동해 설정 압력 이상 상승 시 불응축가스를 외부로 방출해 제거한다.

물론 고가의 대형 칠러는 자체적으로 불응측가스 제거 및 오일분리 기능이 있지만 소형은 없다. 이 방식과 기능 또한 간이적인 방법으로 재생업체에서 완전히 불응축가스와 수분을 제거해 분석을 통해 순도를 보증 받아야 한다.

재생냉매의 보증은 품질 및 환경적 신뢰가 바탕이다. CFC와 HCFC 및 HFC등의 냉매가 오존층 파괴물질 및 지구온난화유발물질일 뿐만 아니라 오염된 냉매로 인한 설비의 손상도 아주 심각하므로 재생산업으로서 재생냉매는 공정품질로서 관리돼야 한다. 분석결과는 반드시 누가 어디에서 어떤 분석정비(칼럼종류, 분석조건)를 사용해 표준(CRM)가스는 어디에서 제공받았는지 low-data를 받드시 첨부해 제공해야 한다.

재생냉매 품질 및 환경적 관리 능력을 향상 시킬수 있는 방안으로 폐가스처리업 개시신고 후 매년 3년간 unknown물질의 분석해 정제재생 및 파괴 결과를 평가하고 결과를 공개해 재생품질을 시장에서 평가를 받고 스스로 공정품질을 관리하도록 유도해야 한다.

물론 재생업체는 재생량에 해당하는 냉매 판매기록의 자료와 파괴업체의 환경적 처리를 확인하는 파괴 투입량대비 에너지사용량 자료와 수용액 및 고형물질의 위탁 처리량의 기록이 점검 보고돼야 한다.

정책 밖 국내 냉매 재생산업
지금까지 냉매의 회수와 재사용, 재생등의 방법 및 예상되는 문제점들을 거론해 봤다. 냉매의 회수·재생에 있어서 대기환경보존법에서 냉매회수업 등록이 환경보호측면에서 많은 내용들이 법제화 됐으며 이미 특정물질의 취급에 대해 우리나라도 법령으로 정해져 있다.

많은 냉매를 사용하는 산업체의 냉공조설비 및 건물 공조설비뿐만 아니라 오래된 냉장고 에어컨 자동차등의 폐기, 기타발포제 등에 사용하는 냉매 등의 회수에 많은 관심을 기울고 있으나 아직도 온실가스 폐냉매 적정처리를 환경적 투자측면이 아니라 비용으로 생각하고 있는 실정이다.

재생냉매 활용에 따른 냉공조설비 및 유지보수업체, F-gas 유통업체 등의 사회적 수용성은 매우 긍정적이다. 취급(운반용기 및 밸브)보관 및 재생품질의 안정성을 기본으로 확보해 감축수요에 대한 부족수요의 안정적 대책으로 수입대체효과를 인정받고 있다.

늦었지만 재생산업이 활성화돼 전략적으로 여러 종류의 냉매(SF6 및 할론 등)를 회수 및 저장해 자원화를 준비해야 한다.

그러나 국내 현실은 온실가스 처리의 법률적인 규정만 있을 뿐 환경산업으로, 폐가스처리업 지원정책으로 수익성 모델은 아직도 없다.

전기 및 수소자동차 세제지원정책이나 경유차 폐차 조기유도정책 등은 환경적으로나 산업적으로 지원하면서 온실가스 폐냉매를 환경적 처리 지원정책과 오존층보호 및 온난화를 줄이기 위한 전국민적인 이해와 동의를 구하는 정책을 절실히 바라고 있다.

온실가스 냉매의 대기방출 없이 회수, 재사용, 재생 사이클을 이어 나가고 법률적인 규제 보다 재생산업으로써의 환경적 적정처리 지원정책이 주어질 때 재생냉매를 통한 수입대체효과, 재생산업을 통한 신규 고용창출 및 건강한 자연환경을 유지할 수 있을 것이라 기대한다.


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