--방향족 화학 기술 노선 분석 (하)

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--방향족 화합물 기술 노선 분석(하) 작성자/출처: 날짜: 2016-08-26 클릭률: 8 방향족 화합물 시장의 부족분을 메우기 위해 업계는 석유 기반의 노선뿐만 아니라 석탄 기반의 노선에도 관심을 돌렸으며, 생물질 기반의 노선도 포기하지 않았습니다.《중국 제조 2025》가 제시한 핵심 분야 기술 로드맵에서는 특히 고분자 재료 분야에서 생물기반 방향족 화합물 합성 기술을 중점적으로 발전시켜야 한다고 명시하고 있습니다.8월 중순에 열린 2016 중국 방향족 화합물 산업 발전 회의에서, 참석한 전문가들은 생물질을 이용해 방향족 화합물을 생산하는 이러한 발전 방향을 높이 평가했습니다.하지만 미래에 대해 말하자면, 그들의 태도는 한 마디로 요약할 수 있다: 길은 멀고 험하지만, 나아가면 반드시 도착한다. 국내: 새로운 공정이 막 등장하고 있음 “우리나라에서 매년 발생하는 생활폐기물과 짚은 연간 1억 7천만 톤의 휘발유와 경유, 그리고 방향족 화합물을 생산할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.””화동이공대학교의 왕화린 교수는 방향족 화합물의 생물학적 합성 방법의 전망을 제시했습니다.그의 이러한 수치는 근거 없는 것이 아니라, 그들이 연구 중인 새로운 생물질 원료를 활용한 방향족 화합물 제조 공정에 기반을 둔 것입니다. 이는 석유 정제와 화학공학·생화학공학이 결합된 기술 경로입니다. 구체적으로, 이 공정은 폐짚과 화학적으로 처리된 생활폐기물을 결합하여 휘발유와 디젤, 그리고 방향족 화합물을 생산합니다.소위 광화 생활쓰레기란 땅속에 수년간 매장된 후 고착화된 쓰레기를 말한다.왕화린의 설명에 따르면, 6톤의 짚으로 1톤의 휘발유와 경유, 그리고 방향족 화합물을 생산할 수 있다. 우리나라에서는 매년 7억 톤 이상의 짚이 생산되는데, 이는 1억 톤 이상의 휘발유와 경유, 그리고 방향족 화합물에 해당하는 양이다.동시에 우리나라의 연간 도시 쓰레기 발생량은 약 3억 톤이며, 그 중 약 0.7억 톤은 휘발유와 경유, 방향족 화합물로 구성되어 있습니다.매우 우연한 일이지만, 우리나라의 도시 생활폐기물 분포와 석유 정제소의 위치가 매우 잘 일치합니다. 이 덕분에 석유 정제와 화학·생화학 공정을 결합한 기술적 방안을 실현할 수 있게 되었습니다. “사질곡물의 열분해 및 수소화를 통해 휘발유, 디젤, 방향족 화합물을 동시에 생산하는 공정의 개념은 다음과 같습니다. 사질곡물과 생활폐기물은 분자적 가공을 거쳐방향 지정적으로 변환되며, 그 과정에서 리그닌은 수소화 및 탈산소화를 거쳐 방향족 화합물의 원료가 되고, 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스는 수소화 및 탈산소화를 거쳐 휘발유와 디젤의 원료가 됩니다.”왕화린이 말했다. 연구자들은 이러한 아이디어를 바탕으로 두 가지 장치를 만들었습니다. 하나는 짚을 분해하고 수소화시켜 경유와 휘발유, 그리고 방향족 화합물을 생산하는 데 사용되는 원료로 전환하는 장치입니다. 현재는 시간당 3톤의 속도로 작동하는 실증용 장치가 이미 구축되어 있으며, 이 장치는 석유 정제 및 화학 산업에서 사용되는 촉매분해 장치와 유사합니다；또 다른 하나는 허난의 한 기업이 건설한 1리터/시간의 보일러식 수소화 탈산소화 공정과 고정층 수소화 정제 공정을 결합한 중간 규모의 시험 설비입니다.중간 규모 실험 결과에 따르면, 생물질 열분해유(목탄 타르)의 성분으로는 알칸, 방향족 화합물, 올레핀, 페놀 등이 있습니다. 수소화 처리를 거치면 수소화된 유분의 성분은 46.44%가 방향족 화합물, 35.09%가 알칸, 8.56%가 페놀이 됩니다. 이를 더욱 가공하면 방향족 화합물을 얻을 수 있으며, 수소화 분해를 통해서는 휘발유와 경유를 얻을 수 있습니다. 업계 관계자들에 따르면, 전반적으로 국내의 생물질을 이용한 방향족 화합물 생산 기술 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있다고 합니다. 해외: 산업화가 진행 중입니다. 국내와 비교했을 때, 해외에는 연구개발과 산업화에 참여하는 기업들이 더 많으며, 연구개발도 더 일찍 시작되었습니다.기자의 파악에 따르면, 현재 해외 기업들이 연구개발한 일부 생물질 기반 방향족 화합물 제조 기술은 소규모 상업적 생산 단계에 이르렀습니다. 미국 매사추세츠대학교의 셀룰로오스 바이오매스를 이용한 방향족 화합물 생산을 위한 일단계 공정 기술에 대한 연구 성과는 업계의 큰 관심을 끌었습니다.그들은 생물질을 이용한 방향족 화합물 제조 공정을 개발했으며, Anellotech라는 회사를 설립하여 이 기술을 산업화된 생산에 적용했습니다.이 기술은 촉매를 이용한 빠른 열분해 공정을 기반으로 하며, 유동층 반응기 내에서 생물질을 빠르게 가열하여 산화물을 생성한 다음, 특수한 제올라이트 촉매를 사용하여 이러한 화합물들을 화학적으로 순도가 높은 방향족 탄화수소로 전환시킵니다.이 기술은 석유를 원료로 하여 방향족 화합물을 생산하는 기존 공정에 비해 비용이 더 저렴합니다.올해 1월, Anellotech사는 이 기술을 산업화했습니다.그들의 추산에 따르면, 석유 가격이 배럴당 60달러를 상회할 때 이 기술은 비용 측면에서 경쟁 우위를 갖는다.업계에서는 현재 존재하는 생물 아로마틱 방법들 중에서, Anellotech의 생물질 열분해를 통한 아로마틱 제조 공정이 비용과 경제성 면에서 가장 우수한 공정이라고 일반적으로 여겨집니다. 미국의 Virent사가 위스콘신-매디슨 대학교와 협력하여 개발한 BioForming 공정은 기존의 석유화학 설비에도 적용할 수 있기 때문에 투자 측면에서 매우 유리합니다.이 공정은 설탕을 원료로 하여 식물성 섬유의 가수분해와 전통적인 촉매 수소화 기술을 결합함으로써, 식물성 당류로부터 벤젠, 톨루엔, 크실렌이 포함된 혼합 방향족 화합물을 생산할 수 있습니다. 그 후 이를 더욱 가공하여 페닐렌디메틸벤젠을 얻을 수 있습니다.이 공정의 장점은 액상 개질(APR) 기술을 전통적인 촉매 수소화, 축합 등의 기술과 결합함으로써, 기존의 정제 설비를 그대로 활용하여 반응 장치를 개조할 수 있다는 점입니다. 또한, 1갤런당 생산 비용은 단지 1.75~3달러에 불과합니다；부생 올레핀은 부산물로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 설비에 에너지를 공급하는 데에도 활용될 수 있어 공정의 경제성이 우수합니다. 생물질을 직접 전환시켜 방향족 화합물을 생산하는 것과는 달리, 최근에는 일부 제조업체들이 새로운 방법을 모색하고 있습니다. 즉, 먼저 성숙한 공정을 이용해 생물질을 부가가치가 낮은 유기화학물질로 전환한 다음, 그 생물기반 화학물질을 부가가치가 더 높은 방향족 화합물로 전환하는 것입니다.그중에서도 미국의 Gevo사가 개발한, 재생 가능한 원료를 이용해 알코올을 생산하는 GIFT 공정이 가장 대표적입니다. GIFT 공정은 먼저 생물질 원료를 이부탄올로 전환한 다음, 탈수소 반응을 통해 이부텐을 얻는데, 이 과정에서 이부탄올의 전환율은 99%를 초과합니다；얻어진 이부텐은 중합 반응기를 통해 C8 올레핀이 됩니다；C8 올레핀은 탈수 환화를 통해 PX 제품을 얻으며, 그 PX 선택성은 75% 이상이고 순도는 99%에 달합니다.Gevo사는 일본의 도레이 산업과 협력하여 산업화 설비를 건설했습니다.이 공정의 가장 큰 장점은 온화한 환경에서 고순도 PX를 직접 생산할 수 있다는 점으로, 이성질화나 방향족 탄화수소 분리와 같은 복잡한 공정이 필요 없어 생산 과정이 비교적 간단합니다. 병목: 원료, 촉매, 반응기 기자가 인터뷰를 통해 알아본 바에 따르면, 국내외의 생물질을 이용한 방향족 화합물 생산 기술 개발 현황을 살펴보면, 전망은 매우 유망하고 진전도 상당히 이루어졌지만, 대부분은 여전히 개발 단계에 머물러 있습니다.일부에서는 소규모 산업화 생산이 이루어졌지만, 규모의 경제성 측면에서는 기존 석유 방식에 비해 여전히 큰 격차가 있으며, 해결해야 할 많은 잠재적 문제들이 남아 있습니다. 우선, 바이오매스 원료의 안정적인 공급은 생물화학 산업 발전에 있어 항상 어려운 문제였으며, 이는 생물 방향족 화합물의 경우에도 마찬가지입니다.생물질 원료는 양이 많고 분산되어 있으며, 성분도 복잡하다.생물학적 공정을 이용해 방향족 화합물을 대량으로 생산하려면 충분하고 안정적인 원료 공급이 필수적입니다. 현재 우리나라의 농업 생산 수준에서는 이 문제를 해결하기 위해 다양한 분야의 협력이 필요하며, 합리적이고 실현 가능한 방안을 찾아야 합니다. 둘째, 많은 생물질 기반 방향족 화합물 생산 공정에서 열분해와 가수분해 과정에 사용되는 촉매와 반응기도 어려운 점입니다.회의에서 한 대표는 기자들에게, 바이오매스를 이용해 방향족 화합물을 생산하는 것에도 관심이 있지만, 현재의 공정에서는 전환율과 제품의 순도가 낮아 석유 기반의 방식과 경쟁하기 어렵다고 말했습니다.이 두 지표를 향상시키기 위해서는 해당 촉매와 반응기의 개발에 있어 진전이 필요합니다. 하지만 일부 전문가들은 화동이공대학교와 같이 생물화학공학과 전통적인 정제 및 화학공업을 결합하는 것도 괜찮은 시도라고 생각합니다.기존의 분해 장치를 활용하여 바이오매스 자원을 원료로 삼아, 화석 자원을 부분적으로 대체하여 방향족 화합물을 생산하는 것은 주목할 만하다.