# 열분해 (Pyrolysis)

열분해는 유기물을 산소가 없거나 매우 제한된 상태에서 고온으로 가열하여 화학적으로 분해하는 공정이다. 이 과정에서 고분자 화합물은 더 작은 분자의 가스, 액체(오일), 그리고 고체 잔류물로 분해되며, 외부에서 열에너지를 공급해야 하는 흡열 반응의 특성을 가진다.

## 1. 개요
열분해의 기본 원리는 열에너지를 통해 물질 내부의 화학 결합을 끊어 저분자 화합물로 전환하는 것이다. 완전 연소와 달리 산소를 차단하기 때문에 물질이 타지 않고 분해되며, 이를 통해 원료 물질의 성분을 회수하거나 새로운 에너지원으로 전환할 수 있다.

## 2. 열분해 과정
열분해는 가열 온도와 가열 속도에 따라 반응 단계와 생성물의 비율이 달라진다.

- **저온 열분해 (Slow Pyrolysis)**: 낮은 온도에서 천천히 가열하며, 주로 고체 생성물인 차(Char)의 수율을 높이는 데 집중한다.
- **급속 열분해 (Fast Pyrolysis)**: 매우 높은 온도에서 빠르게 가열하고 생성물을 급냉시켜, 액체 상태의 바이오 오일 수율을 극대화한다.
- **플래시 열분해 (Flash Pyrolysis)**: 극도로 짧은 체류 시간과 높은 온도를 사용하여 가스 및 액체 생성물을 주로 얻는다.

## 3. 생성물
열분해 공정을 통해 생성되는 물질은 크게 세 가지 상태로 나뉜다.

- **가스 (Syngas)**: 수소($H_2$), 메탄($CH_4$), 일산화탄소($CO$) 등으로 구성되며, 에너지원으로 직접 사용하거나 화학 원료로 활용한다.
- **오일 (Bio-oil / Pyrolysis Oil)**: 복잡한 유기 화합물의 혼합물로, 정제 과정을 거쳐 연료유나 화학 제품의 원료로 사용된다.
- **차 (Char)**: 탄소 함량이 높은 고체 잔류물로, 활성탄, 토양 개량제(바이오차), 또는 고체 연료로 활용된다.

## 4. 응용 분야
최근 환경 오염 문제 해결과 탄소 중립 달성을 위해 열분해 기술이 다양하게 응용되고 있다.

- **폐플라스틱 열분해 유화**: 폐플라스틱을 열분해하여 나프타(Naphtha)나 저급 오일을 추출하는 기술이다. 이는 '플라스틱 $\rightarrow$ 오일 $\rightarrow$ 플라스틱'으로 이어지는 화학적 재활용(Chemical Recycling)의 핵심 기술로 주목받고 있다.
- **바이오매스 에너지화**: 나무, 농업 폐기물 등의 바이오매스를 열분해하여 바이오 오일과 바이오차를 생산함으로써 화석 연료를 대체한다.
- **폐타이어 처리**: 폐타이어를 열분해하여 재생 카본 블랙과 오일을 회수하여 자원 순환을 실현한다.

## 5. 관련 기술
열분해는 열화학적 전환 공정인 연소 및 가스화와 밀접한 관련이 있으나, 산소 공급량에 따라 뚜렷한 차이를 보인다.

### 열분해 vs 연소 vs 가스화 비교

| 구분 | 열분해 (Pyrolysis) | 가스화 (Gasification) | 연소 (Combustion) |
| :--- | :--- | :--- | :--- |
| **산소 공급** | 없음 (무산소) | 제한적 공급 (부분 산화) | 충분한 공급 (완전 산화) |
| **주요 생성물** | 오일, 가스, 차(Char) | 합성가스 (Syngas) | 열에너지, $CO_2$, $H_2O$ |
| **반응 특성** | 흡열 반응 | 일부 발열/흡열 혼합 | 강한 발열 반응 |
| **주 목적** | 화학 원료 및 연료 회수 | 가스 연료 생산 | 열 및 전력 생산 |

### 주요 제어 변수 및 특징
- **주요 변수**
    - **온도**: 생성물의 종류와 수율을 결정하는 가장 핵심적인 요소이다.
    - **체류 시간**: 원료가 반응기에 머무는 시간으로, 너무 길면 2차 분해가 일어나 가스 비중이 높아진다.
    - **촉매 유무**: 촉매를 사용하면 반응 온도를 낮추고 특정 생성물의 선택도를 높일 수 있다.
- **장점**
    - 폐기물의 부피를 획기적으로 줄일 수 있다.
    - 단순 소각 대비 유해 물질 배출량이 적고 자원 회수가 가능하다.
- **단점**
    - 외부 열원 공급을 위한 에너지 비용이 발생한다.
    - 생성된 오일의 산성도가 높거나 불순물이 포함되어 정제 공정이 필요하다.