석탄 루트의 핵심은 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산 기술의 고도화에 있습니다 —— 방향족 화합물 생산 기술에 대한 분석 (중)

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석탄 루트의 핵심은 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산 기술의 고도화에 있습니다 —— 방향족 화합물 생산 기술에 대한 분석 (중) 작성자/출처: 중국화공보 발행일: 2016-08-25 클릭률: 9 출처: 석탄을 메탄올을 통해 방향족 화합물로 전환하는 방식은, 업계에서 방향족 화합물에 대한 외부 의존도를 줄이고 원료 공급 경로를 다양화할 수 있는 필수적인 방법으로 여겨집니다.중국화공신문 기자는 2016년 중국 방향족 화합물 산업 체인 발전 회의를 통해, 석탄을 원료로 하는 방향족 화합물 생산 과정에서는 석탄을 이용한 메탄올 생산 공정이 이미 상당히 성숙해졌으며, 연구의 초점은 주로 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산 공정에 맞춰져 있다는 사실을 알게 되었습니다.우리나라는 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산에 대해 비교적 일찍 연구를 시작한 국가 중 하나로, 관련 기술은 세계 최고 수준에 있습니다. 현재 국내에서 독자적인 지식재산권을 가진 관련 기술로는 고정층 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산 기술, 유동층 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산 기술, 그리고 톨루엔과 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산 기술 등이 있습니다. 고정층 공정: 에너지 효율이 국내에서 가장 높음. 메탄올을 방향족 화합물로 전환하는 과정으로, 촉매의 작용 하에 일련의 반응을 거쳐 최종적으로 방향족 화합물이 생성되며, 주요 제품은 벤젠, 톨루엔, 크실렌입니다. 중국과학원 산시석탄화학연구소 등이 개발한 고정층 메탄올 기반 방향족화합물 제조 기술은 대규모 메탄올 하류 변환 기술에 속합니다. 이 기술은 MoHZSM-5(이온교환) 분자체를 촉매로 사용하며, 메탄올을 원료로 하여 방향족화합물을 목표 제품으로 합니다. 이 기술을 통해 전국 최초로 고정층 조건에서 메탄올을 단일 단계로 처리하여 고품질의 방향족화합물을 생산하는 데 성공했습니다.이 기술은 2012년 2월, 사딩사가 설계한 내몽골 칭화그룹의 연간 10만 톤 규모의 메탄올에서 방향족 화합물을 생산하는 공장에서 처음으로 성공적으로 시험 생산되었습니다.이것은 산시 석탄화학연구소와의 협력을 통해 개발된 공정을 활용하여 설계된, 우리나라 최초의 단일 단계 방식의 메탄올에서 방향족 화합물을 생산하는 설비입니다.산시 석탄화학연구소의 석탄 전환 **중점 연구실의 류핑 박사에 따르면, 이후 이 기술은 윈난 선봉, 허베이 탕산, 신장 신예 등지에서도 차례로 도입되어 총 생산능력은 연간 80만 톤에 달한다.올해 2월, 산시 보질화공그룹이 새로 건설한 연간 10만 톤 규모의 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산 공장이 성공적으로 가동되기 시작했습니다. 하루에 300톤의 방향족 화합물이 생산되며, 이는 설계된 생산량에 거의 근접한 수치입니다.톤당 메탄올 소비량은 2.46~2.48톤이며, 에너지 효율은 국내 동종 설비 중 최고 수준에 달합니다. 유동층 공정: 석유 경로보다 우수한 제품 순환 유동층 메탄올 기반 방향족화합물 제조 기술(FMTA)은 칭화대학교가 개발한 매우 주목받는 기술입니다.2016년 중국 방향족 화학물질 산업 체인 발전 회의에서 칭화대학교의 천웨이중 교수가 해당 기술의 개발 과정과 최신 진척 상황을 소개했습니다.그들이 차례로 해결한 일련의 공학적 과제에는 촉매의 활성도가 빠르게 저하된다는 문제가 있었으며, 이를 해결하기 위해 유동층 연속 반응 재생 기술을 도입해야 했습니다；메탄올의 단방향 전환 시, 방향족 화합물로 전환하기 위해 별도의 반응기가 필요합니다；압력이 가해지는 조건에서 반응과 재생 과정이 복잡하다는 문제점이 있었으나, 결국 국제적으로 최초로 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산을 위한 촉매와, 대규모 산업 생산에 적합한 유동층식 메탄올 기반 방향족 화합물 연속 반응 재생 기술이 개발되었습니다.2013년 1월, 이 기술이 적용된 세계 최초의 만 톤급 메탄올 기반 방향족 화합물 생산 시험 설비가 화전석탄공업의 산시 율린 석탄화학 공단에서 성공적으로 가동되었습니다.이 기술의 메탄올 전환율은 99.99% 이상이며, 3.07톤의 메탄올로 1톤의 방향족 화합물을 생산할 수 있습니다. 또한 전체 공정이 간단하며, 그 결과물은 석유를 원료로 하는 방식보다 우수합니다. 화전석탄그룹은 얼마 전, 이 기술을 활용해 건설 중인 백만 톤 규모의 석탄 기반 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산 공장의 예비 작업이 순조롭게 진행되고 있다고 밝혔습니다. 가장 핵심적인 부분인 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산 공정에 대한 기술 개발은 화전석탄그룹, 칭화대학교, 그리고 중국석유화학공사 화동설계원이 공동으로 수행했습니다.이 프로젝트의 환경영향평가 보고서는 곧 환경보호부에 제출되어 승인을 기다리고 있으며, 수자원 관련 평가 보고서도 이미 제출되어 승인 대기 중입니다.만 톤급 메탄올 기반 방향족 화합물 생산 설비의 경우, 1톤의 방향족 화합물을 생산하는 데 필요한 메탄올의 양은 3톤 미만입니다. 백만 톤급 설비의 경우에는 1톤의 방향족 화합물을 생산하는 데 필요한 메탄올의 양이 2.5~2.8톤으로 줄어들 것으로 예상됩니다. 동시에 액화가스나 수소와 같은 고부가가치 제품도 함께 생산됩니다.이 중 부생되는 수소가 메탄올 공장으로 다시 공급되면 메탄올 생산량이 12% 증가하여, 방향족 화합물의 전체 비용이 크게 절감됩니다. 그때가 되면, 석탄을 이용한 방향족 화합물 생산은 석유를 이용하는 방식에 비해 현저한 비용 이점을 가질 뿐만 아니라, DMTO와 비교했을 때도 방향족 화합물의 가격이 일반적으로 올레핀보다 높기 때문에, 원료인 메탄올의 소비량은 DMTO와 유사함에도 불구하고 더 큰 이점을 갖게 됩니다. 메틸화 공정: 석탄화학공업과 석유화학공업을 연계하여 톨루엔과 메탄올을 메틸화시켜 파라크실렌(PX)을 생산하는 것은, 석탄화학공업과 석유화학공업을 유기적으로 결합하여 PX를 생산하는 새로운 공정 방식입니다.현재 시장에서 메탄올의 가격은 톤당 2,000위안 미만이며, 톨루엔의 경우는 톤당 약 5,000위안입니다. 따라서 이 공정 기술의 가장 큰 장점은 저비용의 메탄올과 톨루엔을 원료로 사용하여 고농도의 PX를 생산할 수 있다는 것입니다.회의에서 일부 대표들은 이 기술의 보급이 국내 메탄올 생산 능력 과잉 문제를 효과적으로 완화할 뿐만 아니라, 향후 방향족 화합물 생산 설비의 생산량 증대와 설비 확장, 그리고 방향족 화합물 생산 과정에서의 원료 및 제품 구조 조정을 통해 방향족 화합물 원료의 다양화를 실현하는 데 강력한 기술적 지원이 될 것이라고 주장했습니다. 　 2012년 10월 23일, 중국과학원 다롄화학물질연구소가 개발한 톨루엔 메탄올을 이용한 PX 및 저탄소 올레핀 동시 생산 기술이 평가를 통과했습니다.이 기술은 순환 유동층 공정을 활용하여, 하나의 반응 시스템과 하나의 촉매를 사용함으로써 PX와 에틸렌, 프로필렌과 같은 저탄소 올레핀들을 동시에 고선택도로 생산합니다.이 기술은 기존 방향족 화합물 생산 설비의 기술 개선에 활용될 수 있어, PX 생산량을 늘리고 설비의 에너지 소비를 줄일 수 있다；새로운 방향족 화합물 생산 시설에도 적용할 수 있으며, 기존의 PX 생산 기술과 비교했을 때 이성화나 이화작용과 같은 공정에 드는 투자비와 운영 비용을 줄일 수 있다；톨루엔 메탄올을 이용해 PX와 저탄소 올레핀을 동시에 생산하는 설비를 별도로 새로 건설할 경우, 비싼 흡착 분리 장치 대신 간단한 결정 분리 장치를 사용함으로써 **PX의 생산 비용을 줄일 수 있다. 기자의 파악에 따르면, 중국석화도 톨루엔 메탄올 메틸화를 통한 PX 생산 공정을 적극적으로 도입하고 있는 기업이다.2015년 3월, 중국 석화의 공정 기술을 적용한 세계 유일의 연간 20만 톤 규모의 톨루엔-메탄올 메틸화를 통한 크세인 생산 시범 설비가 양자석화에서 성공적으로 가동되었습니다. 이 설비를 통해 고농도의 PX가 생산되었으며, 부산물인 벤젠과 C9는 극소량만 생성되었습니다.새로운 공정에서는 메탄올을 도입함으로써 톨루엔의 활용률이 향상되었습니다. 이론적으로 1톤의 PX를 생산할 때 1톤의 톨루엔만 필요하지만, 기존의 톨루엔 분해 공정에서는 1톤의 PX를 생산하기 위해 약 2.5톤의 톨루엔이 필요하며, 부산물인 벤젠도 상당량 발생합니다.따라서 새로운 공정은 수율이 높고 비용이 저렴하며, 석유화학과 석탄화학을 연결해 줍니다. 기타 공정: 세부 사항을 보완하여 산업화 준비하기. 위에서 언급한 기술들 외에도, 하남석화그룹 연구원소는 베이징화공대와 협력하여 석탄 기반의 메탄올을 이용한 방향족 화합물 제조 기술을 개발하고 있으며, 이미 상당히 완성된 기술 체계를 갖추고 있습니다；중국석화 상하이 석유화학연구원은 산화물을 함유한 분자체(ZSM-5) 촉매를 사용하고 있습니다. 현재까지 이 촉매에 대한 실험실 단계의 연구가 완료되었으며, 단일 공정에서의 방향족 화합물 수율은 50% 이상이며, 선택도는 80% 이상에 달합니다. 현재 그들은 관련 기관들과 함께 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산 기술에 대한 중간 규모의 연구를 진행하고 있습니다. 석탄을 이용한 방향족 화합물 제조 기술의 연구개발은 계속해서 진전을 보이고 있지만, 현재의 산업화 수준은 그다지 만족스럽지 않습니다.회의에서 한 대표는 기자들에게, 이는 현재의 낮은 유가로 인해 석유 기반의 방향족 화합물 생산이 더욱 경쟁력을 갖게 된 반면, 석탄 기반의 생산 방식은 위축되고 있다는 점에 기인한다고 말했습니다. 하지만 일부 전문가들은 우리나라의 자원 여건과 PX에 대한 57%에 달하는 대외 의존도가 석탄 기반 방향족 화합물이 가지는 전략적 중요성을 결정한다고 보고 있습니다.동시에 석유 루트를 통한 방향족 화합물 생산에 비해, 메탄올을 이용한 방향족 화합물 생산 방식은 비용을 약 20% 정도 절감할 수 있습니다. 또한 얻어지는 방향족 화합물에는 혼합 톨루엔의 비율이 높으며, 유황이나 질소와 같은 불순물도 포함되어 있지 않아 PX 생산에 더욱 적합합니다.따라서 연구진의 최우선 과제는 관련 공정의 세부 사항을 신속하게 보완하여 산업화를 위한 모든 준비를 철저히 하는 것입니다.