중국화공보: 석탄화학산업의 새로운 성장 동력

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중국화공보: 석탄화학 산업의 새로운 발전 동력 작성자/출처: 날짜: 2016-08-08 클릭률: 6 4년간의 노력 끝에 결실을 맺다.7월 26일부터 27일까지, 연장석유그룹의 탄화수소 효율적 활용 기술 연구센터에서 개발한 유동층 분말석탄 압력 하에서의 열분해 기술, 생물질과 석탄을 함께 열분해하는 기술, 메탄을 직접 변환하여 방향족 화합물과 수소를 동시에 생산하는 기술, 그리고 부유층 수소화 촉매 기술 등 4가지 신기술이 시안에서 산시성 석유 및 화학공업 연합회가 주관하는 과학기술 평가를 통과했습니다. 전문가들은 이 기술들이 각각 국제적으로나 국내적으로 선도적인 수준에 있다고 평가했습니다. 이러한 기술들에는 도대체 어떤 장점들이 있을까요?석탄화학 산업의 초권역 통합 발전은 어떤 의미가 있을까?석탄화학공업과 다른 산업들의 통합적 발전을 위한 기술적 장벽을 극복할 수 있을까?중국화공신문 기자가 인터뷰를 진행했습니다. 석탄의 빠른 열분해: 저비용의 친환경 발전 방식
석유그룹의 석탄화학 분야 전문가이자 탄수화물 연구소 소장인 이대붕은, 유동층 석탄 압력식 빠른 열분해 공정 기술은 석탄을 원료로 하여 유동층 반응기를 사용해 수소와 압력을 가한 상태에서 석탄을 빠르게 열분해시켜 석탄타르를 생산하는 방식이라고 말했습니다.이 기술은 열분해 반응 시간이 매우 짧아, 1차 열분해 생성물의 2차 반응을 충분히 줄임으로써 액체 수율을 극대화합니다. 소개에 따르면, 이 기술의 혁신점 중 하나는 기체와 고체를 열 운반체로 활용하는 유동층 리프트튜브형 열분해 반응기입니다. 수소 분위기에서 압력을 가하여 열분해를 진행함으로써, 타르의 수율을 높이는 동시에 시스템의 작동 부하도 증가시킵니다. 이는 후속 단계에서의 생성물 분리 및 회수에 유리하며, 설비 전체의 에너지 효율도 향상시킵니다.동시에 열분해 가스오일과 코크분을 효율적으로 분리하는 기술 및 장비도 개발되었으며, 석탄 타르 내의 먼지 함량이 줄어들어 하류 가공 조건을 충족시킬 수 있게 되었습니다. 연장석유 탄수소 센터에서 구축된 시험 장비(1.0MPa, 10kg/시간)를 활용하여, 총 4단계에 걸쳐 20회의 냉상 투입 시험, 26회의 냉모델 시험, 그리고 134회의 열상 투입 시험이 진행되었습니다. 이를 통해 비교적 완전한 열분해 관련 데이터와 규칙들이 도출되었으며, 그 결과 석탄 타르의 수율이 현재 산업 표준인 6~8%를 상회하는 것으로 나타났습니다.최적화된 공정 조건 하에서 석탄 타르의 수율은 최대 18.27%에 달하며, 평균적으로는 15.14%로 현재까지의 최고 수준입니다. 이를 바탕으로 연장석유 탄화수소센터는 하루 36톤 규모의 석탄에서 코크스 오일과 합성가스를 동시에 생산하는 CCSI(코크스 오일 및 합성가스 통합 생산 기술)의 산업화 시범 실험 장치를 구축했습니다. 이 장치는 석탄의 열분해와 반코크스의 가스화 과정을 하나의 반응기 내에서 순차적으로 처리함으로써 최적화된 결과를 얻어냅니다. 그 결과로 코크스 오일, 합성가스 및 그 유도체들이 생산되며, 이를 통해 “양쪽에서 모두 석유를 얻을 수” 있습니다.현재까지 3회의 가동 테스트를 완료했으며, 코크스 타르 수율은 15% 이상을 기록했습니다.연간 1억 톤의 석탄을 가공한다고 가정하면, 1,500만 톤의 고품질 코크스 타르를 얻을 수 있으며, 이는 마치 1천만 톤 규모의 대형 유전을 새로 만드는 것과 같습니다.합성가스를 정밀화학 제품으로 가공하면 부가가치가 더욱 높아집니다. “이 기술의 중요성은 여기에 그치지 않습니다. CCSI(공기를 가스화제로 사용하는 방식)를 통해 얻어지는 원시 합성가스는 발전에도 활용될 수 있으며, 친환경 발전 기술과 결합하여 산업적으로 활용될 수 있습니다. 이를 통해 석탄의 청정하고 효율적인 전환, 석탄 타르의 고부가가치 가공, 그리고 친환경 발전이 통합된 새로운 형태의 석탄-전력-석유 복합 생산 모델을 구축할 수 있습니다.”이대붕은 기자에게, 우리나라의 석탄 화력 발전소가 전체 발전소의 70% 이상을 차지한다고 말했습니다. 계산 결과, 기존 발전소의 석탄 보일러에 CCSI 기술을 적용하여 300MW급 아크리티컬 가스 발전 기술로 개조할 경우, 개조 비용은 약 5,000만 위안이 소요됩니다. 그러면 에너지 효율은 42.99%에 달하며, 전력 생산에 필요한 석탄 소비량도 293.16 gec/kWh로 줄어듭니다. 또한, 발생하는 연기의 오염물질도 크게 감소합니다.새로운 CCSI 설비에 350MW급 가스터빈 발전기를 함께 설치할 경우, 투자 비용은 약 6,000~7,000위안/kWh가 소요됩니다. 이때 종합 에너지 효율은 46.85%에 달하며, 등가 석탄 소비량은 264.62gec/kWh로 줄어듭니다. 또한, 발생하는 연소 가스는 가스터빈의 초저배출 기준을 충족합니다. CCSI를 통해 생산되는 합성가스의 비용이 매우 저렴하여, 천연가스 가격인 약 0.74위안/Nm3에 불과한 원료비만으로도 경쟁력과 경제적 효율성이 크게 향상됩니다.석탄 화력발전소의 60%가 CCSI 기술과 결합된다면, 친환경 발전을 실현하는 동시에 1억 8천만 톤의 석탄 타르를 더 생산할 수 있으며, 이는 우리나라의 원유 수입량의 절반에 해당합니다. 중국석화연합회 석탄화학전문위원회의 전문가이자 산시성 화학학회 명예회장인 허융더를 위원장으로 하는 평가위원회는, 이 새로운 형태의 석탄 열분해 기술이 독창적이고 혁신적이며, 국내 최고 수준에 있다고 판단했습니다. 이 기술은 변질 정도가 낮은 석탄을 보다 효율적이고 청정하게 활용하는 데 있어 매우 중요한 의미를 가집니다.석탄 열분해 가스화 통합 산업 시험을 가속화하여, 과학기술 성과의 실용화와 보급을 조기에 이루어야 한다. “석탄을 압력을 가해 빠르게 열분해하는 방법과 반코크스를 가스화하는 방법을 유기적으로 결합하면, 석탄 타르의 수율이 높아질 뿐만 아니라, 그 오일에 포함된 수소 자원도 효율적으로 활용됩니다. 이 방법은 피토합성유와 함께 사용될 수도 있고, 발전에도 활용될 수 있습니다. 투자 비용도 IGCC에 비해 현저히 낮으며, 발전 비용도 크게 줄어듭니다. 정말 일석이조입니다.”석유화학공업기획원의 총공정사인 이군발도 이 기술에 높은 평가를 내렸다. 생물질과 공동 열분해: 시너지 효과 극대화 최근 들어 생물질과 석탄의 공동 열분해에 대한 연구가 큰 관심을 받고 있으나, 두 물질의 열분해 온도 차이가 크기 때문에 시너지 효과가 실제로 존재하는지에 대해서는 아직 논란이 있다. 연장석유 탄수소 센터는 석탄의 압력 가열 열분해 방식을 기반으로, 생물질과 석탄을 단계적으로 처리하는 새로운 열분해 방법을 제안했습니다. 또한, 압력을 가하여 연속적으로 원료를 공급하는 장치나, 생물질과 석탄을 함께 열분해할 수 있는 유동층 반응기와 같은 특허 받은 제품들도 개발했습니다. 이대붕은 이러한 생물질과 석탄을 유동층에서 빠르게 공동 열분해하는 방식은 저비용으로 타르 수율을 높일 수 있는 새로운 공정 방식이라고 말했습니다. 자체적으로 설계된 생물질용 스파이럴 공급 장치를 사용함으로써, 생물질의 유동성이 낮아 발생하는 엉킴이나 다리 형성과 같은 문제들을 해결할 수 있었으며, 이를 통해 물질을 연속적이고 안정적으로 운반할 수 있게 되었습니다. 생물질과 석탄이 하나의 통합 반응기에서 단계적으로 개별적으로 열분해되기 때문에, 둘 다 최적의 반응 온도에서 열분해가 이루어집니다. 또한 생물질의 열분해 과정에서 H2와 K, Ca, Na와 같은 금속 원소들이 생성되는데, 이러한 원소들은 석탄의 열분해 과정에서 수소화 및 촉매 작용을 합니다.동시에 석탄의 열분해 과정에서 충분한 양의 자유라디칼이 생성되며, 생물질 오일의 2차 반응과 반코크의 환원 반응을 통해 H2와 CO가 방출됩니다. 이를 통해 석탄에 충분한 수소 공급원이 제공되고, 자유라디칼과 수소 공급원이 최적의 균형을 이루게 됩니다. 그 결과 생물질 오일과 석탄 타르가 서로를 보완하면서 열분해 오일의 수율이 향상되고, 공동 열분해의 시너지 효과가 극대화됩니다. 소개에 따르면, 연장석유 탄수소 센터에서 구축한 10킬로그램/시간 처리량의 유동층 신속 열분해 실험 장비는 77회에 걸친 반복 실험을 통해 적절한 생물질 짚과 석탄 종류를 선정했습니다. 그 결과, 생물질과 석탄의 최적 혼합 비율은 70%:30%(중량비)로 나타났으며, 총 타르 수율은 16–20%에 달했습니다. 또한 상호작용 효과는 20–40%에 이르렀습니다.또한, 유분의 품질을 분석해보면, 공동열분해유에는 페놀류 화합물과 O, N, S를 포함하는 고리형 화합물의 함량이 적고 방향족 화합물의 함량이 높은 것으로 나타납니다. 이는 생물질의 수소화 작용이 뚜렷하게 일어났음을 의미하며, 화학 원료나 수소화를 통해 경유 및 디젤을 생산하는 데 적합합니다. 통계에 따르면, 2015년 중국의 짚 생산량은 약 8억 톤으로, 이는 약 4억 톤의 표준 석탄에 해당합니다. 그중 60%는 에너지로 사용됩니다.이 저렴한 재생 가능한 녹색 자원을 석탄과 함께 열분해하여 타르를 생산한다면, 엄청난 경제적 이익과 뚜렷한 환경 보호 효과가 나타날 것입니다. 허영덕은 바이오매스와 석탄을 빠르고 효율적으로 함께 열분해할 경우 상호작용 효과가 뚜렷하며, 이를 통해 열분해 효율과 타르 수율이 향상되고 석유 제품의 품질도 개선된다고 생각합니다.이 기술 성과는 국내 최고 수준에 있으며, 저변질 석탄과 생물질의 청정하고 효율적인 활용 수준을 높이는 데 매우 중요한 의미를 가집니다.석탄과 생물질을 공동 열분해하여 정밀 화학제품으로 전환하는 연구를 강화할 것을 제안합니다. 메탄을 이용한 방향족 화합물 생산 및 수소 동시 생산: 두 가지 자원 모두 귀중함. 메탄을 직접 전환하여 방향족 화합물을 생산하고 동시에 수소를 얻는 기술은, 천연가스, 셰일가스, 석탄가스와 같이 메탄 및 에탄과 같은 저급 알칸이 풍부한 자원을 활용하여, 산소가 없는 조건에서 한 번의 공정으로 국내에서 부족한 벤젠, 톨루엔, 나프탈렌과 같은 방향족 화합물을 생산합니다. 동시에 귀중한 수소도 함께 얻을 수 있어, 자원의 활용률과 제품의 가치를 극대화할 수 있습니다. 또한 이 기술은 석유화학 산업 및 석탄화학 산업과도 연계하여 발전할 수 있습니다. “이 기술은 방향족 화합물을 얻을 뿐만 아니라 수소도 함께 생산하며, 석탄화학과 결합하여 발전시킬 수 있다는 점이 가장 큰 장점입니다.”중국석유공사 자문센터의 전문가이자 전 중국석유공사 정제화학국 총엔지니어인 멘쑨귀를 위원장으로 하는 평가위원회는, 메탄을 이용한 방향족 화합물 제조 기술에 대해서는 국내외에서도 연구가 이루어지고 있지만, 연장석유의 탄화수소 처리 센터에서 개발된 유동층 재생 순환 신공법은 독보적인 것이라고 판단했습니다. 또한 실험 장비의 규모도 가장 크며, 이 기술은 전반적으로 국제적으로 선도적인 수준에 있다고 평가되었습니다.메탄 무산소 방향족화 반응에서의 단일 통과 전환율이 낮고, 촉매의 활성도가 빠르게 저하되며, 반응과 재생을 연속적으로 진행하기 어렵다는 문제들을 해결하기 위해, 메탄 무산소 방향족화용 유동식 반응-재생 순환 실험 장치가 구축되었습니다(반응/재생기 내경 50mm, 촉매 최대 충전량 300그램). 이를 통해 연속적이고 안정적인 운전이 가능해졌습니다. 순환 유동화 장치 실험 결과에 따르면, 메탄 전환율은 15% 이상을 유지했으며, 벤젠 선택성은 45% 수준이었고 방향족 화합물의 선택성은 55% 이상이어서, 중규모 실증 실험을 위한 기반이 마련되었습니다. 고효율 촉매: 국산화를 촉진하고 석유 탄화수소 처리 효율을 높임
산화, 침전, 부착이라는 단계를 거쳐 제조된 현탁침대수소화 분해용 고효율 촉매는 마이크로나노 구조의 복합 촉매입니다. 이 촉매는 석탄의 직접 액화, 등유의 공동 정제, 저품질 석유의 경량화, 석탄 타르의 수소화 등에 주로 사용됩니다. 이를 통해 전환율과 액체 생산량이 향상되며, 침전 위험도 줄어듭니다. 따라서 현탁침대수소화 분해 기술의 보급 및 석탄의 청정 활용, 저품질 석유의 효율적 활용에 기여합니다. 이 촉매는 석탄을 원료로 하는 석유 생산 분야에서 현재 널리 사용되고 있는 수입 촉매를 대체하여, 고급 기술의 국산화를 가속화할 것입니다. “이러한 철계 촉매의 혁신점은 나노급 α-FeOOH 활성 성분과 큰 비표면적을 가진 마이크로급 탄소 소재 캐리어를 효과적으로 복합화한 데 있습니다. 제조 과정에서는 단계가 간단하고 제어가 용이하며 비용도 저렴한 장점이 있습니다. 성능 면에서는 전환율과 액체 수율이 높을 뿐만 아니라, 침전 현상을 억제하는 기능도 가지고 있습니다.”멘쑨귀는 기자들에게 이 성과가 전반적으로 국제적인 선도 수준에 도달했다고 말하며, 촉매 산업의 대규모 활용 및 보급을 서두를 것을 제안했습니다. 알려진 바에 따르면, 연장석유 탄화수소 센터는 킬로그램 단위의 촉매 제조를 완료했으며, 150킬로그램/일 처리량을 가진 현탁층 수소화 분해 중간 규모 시험 설비에서 그 성능을 평가하는 실험을 지속적으로 진행하고 있습니다. 연장석유의 등유 공동 정제 산업 시범 설비에서 현재 사용되고 있는 상용 촉매와 비교했을 때, 이 촉매를 사용할 경우 촉매 사용량이 45% 줄어들고, 액체 수율도