우리나라의 휘발유 품질 향상 순서와 논리

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우리나라의 휘발유 품질 향상의 순서와 논리 우리나라의 휘발유 품질 향상의 순서와 논리.프랑스의 Axens사는 촉매를 이용한 휘발유 탈황 기술 분야의 선도 기업입니다. 현재까지 이 회사가 개발한 촉매를 이용한 휘발유 선택적 수소화 탈황 기술(Prime-G+)은 전 세계적으로 230대 이상에 적용되고 있으며, 그중 32대는 중국에 설치되어 있습니다.CDTECH, AXENS, UOP와 같은 회사들은 이 분야의 세계적인 주요 공급업체들입니다. 그중 CDTECH의 기술은 촉매 증류 수소화, 촉매 증류 에터화, 직쇄 올레핀 골격 이성질화와 같은 특허받은 공정들로 구성되어 있으며, 그 기술력이 매우 우수하여 시장 점유율도 가장 높습니다. 현재 100대가 넘는 산업용 설비에서 이 기술이 사용되고 있습니다. 　　우리나라의 휘발유 품질 향상 과정과 그 논리
2000년경부터 시작된 중국의 휘발유 품질 향상 노력은 오늘날까지 10년이 넘는 시간이 지났습니다. 점점 더 엄격해지는 휘발유 품질 기준과 중국 특유의 휘발유 성분 비율은 국내에서의 휘발유 품질 향상 기술의 연구개발 및 산업화를 크게 촉진시켰습니다.2017년에 국V 휘발유 기준이 전면적으로 시행되기 전, 과거의 휘발유 품질 향상을 위한 기술 발전과 시장 상황을 돌아보면, 휘발유의 각종 품질 지표들의 내재적 논리를 분석하여, 각 정유소의 가공 공정에 맞춰 휘발유 품질 향상을 위한 기술적 조치를 순차적으로 취하는 것이, 현재의 정유업체들이 국V 기준이나 향후 더욱 엄격해질 휘발유 기준에 대비하기 위해 미리 해야 할 기술적 작업일 것입니다.
첫째, 우리나라의 휘발유는 주로 촉매 변환된 휘발유로 구성되어 있으며, 촉매 변환된 휘발유의 황 함량을 줄이고 올레핀 함량을 낮추며 옥탄가를 높이는 것이 국IV, 국V 기준에 부합하는 휘발유를 만드는 데 있어 세 가지 주요 과제입니다.
우리나라의 정유소들은 오랫동안 저황 함량의 파라핀계 중질 원유를 가공해왔으며, 2차 가공 과정에서는 촉매 분해가 주로 사용됩니다. 이로 인해 우리나라 정유소에서 생산되는 휘발유의 구성은 미국이나 유럽의 정유소와는 상당히 다릅니다.미국 정유소의 휘발유 저장탱크에서는 촉매 휘발유, 개질로 생산된 오일, 알킬화 및 이성질화 등의 다른 성분들이 각각 3분의 1씩을 차지합니다.유럽의 정제소 휘발유 혼합물에서는 리파이닝을 통해 생산된 석유가 약 50%를 차지하며, 촉매 처리를 거친 휘발유는 약 30% 정도입니다. 그 외에 알킬화나 이성질화 등의 과정을 거쳐 만들어진 석유는 약 20%를 차지합니다.우리나라 정유소의 휘발유 저장탱크에서 촉매 휘발유가 73%를 차지하며, 리파이닝으로 생산된 오일이나 알킬화 오일과 같은 고옥탄가 성분들은 전체의 20%에도 미치지 못합니다.가솔린 저장탱크에 있는 황과 올레핀의 대부분이 촉매 가솔린에서 유래하기 때문에, 촉매 가솔린의 옥탄가는 89~91로 상대적으로 낮습니다. 이로 인해 국내 정유공장들은 촉매 가솔린의 황 함량을 줄이고 올레핀 함량을 낮추는 데 많은 어려움을 겪고 있으며, 고옥탄가 가솔린을 생산하는 것도 어렵습니다.석유 정제 설비의 구조를 대폭 조정함으로써 우리나라의 휘발유 성분을 미국이나 유럽 수준으로 맞추면, 휘발유 내의 올레핀과 옥탄가 문제는 해결될 수 있지만, desulfurization 문제는 여전히 남아 있습니다. 또한, 리파이닝을 통해 생산되는 석유의 비율이 크게 증가하면 휘발유 내의 벤젠 함량이 기준을 초과하게 됩니다；동시에 설비의 신규 건설 및 개조를 위해 막대한 자금이 투입되어야 할 뿐만 아니라, 고가의 경질 원유를 장기적으로 안정적으로 공급받는 것도 현실적이지 않아 기업의 수익성에 악영향을 미칠 것입니다.장기적으로 볼 때, 원유의 중질화가 점점 심각해지는 추세이므로, 고효율의 중유/슬래그오일 심층 촉매 변환 기술인 촉매 분해는 2차 가공 과정에서 계속해서 핵심적인 역할을 할 것입니다. 　　위의 요인들을 종합해 볼 때, 당분간은 우리나라의 휘발유 시장에서 촉매식 휘발유가 주를 이루는 구조에는 근본적인 변화가 있지 않을 것입니다. 촉매식 휘발유의 황 함량을 줄이고, 올레핀 함량을 낮추며, 휘발유의 옥탄가를 높이는 것은 현재와 앞으로도 우리나라의 휘발유 품질 향상을 위해 해결해야 할 주요 과제입니다. 　　둘째, 수십 년에 걸친 전 세계적인 산업 현장에서의 실증 결과에 따르면, 촉매를 이용한 휘발유의 선택적 수소화 탈황 기술이 현재 국내외에서 가장 널리 사용되는 휘발유 탈황 기술입니다. 프랑스의 Axens사는 촉매를 이용한 휘발유 탈황 기술 분야의 선도적인 기업으로, 현재까지 이 회사가 개발한 해당 기술(Prime-G+)은 전 세계적으로 230세트 이상 도입되었으며, 그중 32세트는 중국에 설치되어 있습니다.이 기술의 올레핀 수소화 포화율이 매우 낮아, 옥탄가 손실이 적습니다；방향족 탄화수소의 포화 및 분해 반응이 일어나지 않아, 액체 수율은 거의 100%에 가깝습니다；장주기 운전이 안정적이며, 촉매분해 장치의 점검 주기와 연동됨；탈황율은 98% 이상으로, 휘발유의 황 함량이 10ppm이라는 기준을 충족할 수 있습니다.국내 정유 기업 중 산동 지역의 정유 공장들이 Prime-G+ 기술을 가장 많이 도입하여, 총 17세트에 달합니다.일부 대형 산동 지역의 정제소들은 촉매 가솔린의 황 함량이 수천 ppm에 달하지만, 이 기술을 도입함으로써 99% 이상의 수율로 국V 표준의 가솔린을 생산하여 베이징과 상하이 지역에 공급함으로써 좋은 경제적 효과를 얻고 있습니다. 　　엑손모빌의 촉매식 휘발유 선택적 수소화 탈황 기술(Scanfining)과 CDTECH사의 복합 촉매 증류 공정을 활용한 휘발유 수소화 탈황 기술(CD Hydro/CD HDS)은 전 세계 시장에서 거의 동등한 위치를 차지하고 있습니다. 다만 현재의 산업적 적용 실적은 프랑스 AXENS사의 기술에 비해 상당히 뒤처져 있습니다.국내의 경우, 국III 기준에 부합하는 휘발유의 품질을 향상시키는 과정에서, 무순석유화학연구원이 개발한 촉매를 이용한 휘발유 선택적 수소화 탈황 기술(OCT 시리즈)을 도입하는 정유공장들이 많습니다.중국석화는 국V 표준에 부합하는 고품질 휘발유를 생산하기 위한 주요 기술로서, 미국 필립스사의 S-Zorb 촉매식 휘발유 흡착 탈황 기술을 인수했습니다. 중국석화는 자사 내의 관련 설계 및 연구 기관들을 동원하여 해당 기술과 특수 흡착제를 체계적으로 연구하고 있으며, 현재는 중국석화 시스템 내에서 이 기술을 전면적으로 도입하고 있습니다.또한, 베이징 안나이지 에너지 기술회사가 개발한 국V 기준을 충족하는 촉매식 가솔린 선택적 수소화 탈황 기술은 현재 국내 민간 기업들에 의해 20여 세트가 도입되어 사용되고 있습니다. 그중에는 백만 톤급의 산업 설비도 포함되어 있으며, 이 기술도 간과할 수 없는 중요한 기술력으로 평가됩니다. 　　촉매 가솔린의 품질 향상을 위한 기술 발전의 역사를 살펴보면, 촉매 가솔린의 수소화 탈황 및 옥탄가 회복 기술을 통해 촉매 가솔린의 수소화 과정에서 발생하는 옥탄가 손실 문제를 해결하는 것은 불가능하다.엑손모빌의 Octgain, UOP의 ISAL, 그리고 국내의 유사한 기술들은 전 세계적으로 거의 시장 점유율을 차지하지 못하고 있습니다.프랑스 AXENS사의 기술 전문가들은 2003년 NPRA 연례 회의에서, 촉매를 이용한 휘발유 탈황 기술을 적용할 때 반드시 충족해야 할 두 가지 기본 요건이 있다고 설명했습니다. 그 두 가지 요건은 바로 휘발유의 수율이 감소하지 않아야 한다는 것입니다；증류 범위는 변하지 않습니다.분자체 촉매를 이용한 촉매식 가솔린 수소화 탈황-옥탄가 회복 기술은 그 반응 메커니즘상의 본질적 한계로 인해 위의 두 가지 요구사항을 충족시키기 어렵다.따라서 촉매 가솔린의 옥탄가 저하 문제를 해결하기 위해서는 가솔린 혼합물 내 각 성분의 출처와 설비들 간의 상호관계를 전체적으로 분석해야 합니다. 　　셋째, 경유의 에터화를 촉매하는 방법은 우리나라의 휘발유 구성 특성에 부합하는 기술로서, 성숙하고 실용적인 방법입니다. 하지만 촉매를 이용해 올레핀 함량을 줄이고 옥탄가를 높이는 기술의 발전 가능성은 제한적입니다. 무연 휘발유가 도입된 이후 첫 번째 품질 개선 과제는 촉매 처리된 휘발유의 올레핀 함량을 줄이는 것이었습니다. 올레핀 함량을 줄이는 촉매와 촉매 분해 공정을 활용함으로써, 현재 국내 대부분의 정유공장에서 생산되는 촉매 처리된 휘발유의 올레핀 함량은 30~40% 사이에 있습니다. 이로 인해 휘발유의 수율이 감소하고, 옥탄가가 낮아지며, 디젤의 옥탄가도 악화됩니다. 계속해서 촉매 분해 공정과 촉매에 의존하여 국IV, 국V 표준에 부합하는 휘발유를 생산한다면, 이러한 문제들은 더욱 악화될 것입니다.시장에 존재하는 주요한 촉매식 경유 에터화 기술들을 비교분석한 결과, 촉매식으로 경유를 에터화한 뒤 이를 촉매식 중유와 혼합하여 전분획 촉매식 휘발유를 만들면, 올레핀 함량은 약 10포인트 정도 감소하고 오크탄가는 1단위 상승합니다. 또한, 메탄올의 약 4%가 휘발유 성분으로 전환되고, 에터화된 휘발유의 증기압이 낮아지기 때문에, 휘발유에 고오크탄가를 가진 경질 탄화수소 성분을 더 많이 첨가할 수 있습니다. 이러한 여러 요인들 덕분에 기업의 수익성을 더욱 높일 수 있습니다. 　　CDTECH, AXENS, UOP와 같은 회사들은 이 분야의 세계적인 주요 공급업체들입니다. 그중 CDTECH의 기술은 촉매 증류 수소화, 촉매 증류 에터화, 직쇄 올레핀 골격 이성질화와 같은 특허받은 공정들로 구성되어 있으며, 그 기술력이 매우 우수하여 시장 점유율도 가장 높습니다. 현재 100대가 넘는 산업용 설비에서 이 기술이 사용되고 있습니다.CDTECH사는 중국석유난충정제소, 게르무 정제소, 우루무치 석화에 이 기술을 차례로 이전했습니다. 　　넷째, 알킬화 기술을 집중적으로 발전시키고, 리팩링 기술도 균형 있게 발전시키는 것이 휘발유의 옥탄가를 높이고, 국V 기준 및 향후 더욱 엄격해질 휘발유 품질 기준에 대응하기 위한 핵심적인 조치입니다. 국V 기준 및 향후 더욱 엄격해질 휘발유 품질 기준에 따라, 촉매를 이용한 휘발유의 심층 탈황 및 올레핀 함량 감소로 인해 휘발유의 옥탄가가 낮아지는 문제가 심화되고 있습니다. 또한, 촉매를 이용한 휘발유의 중간 성분들의 옥탄가가 낮아서 자동차의 시동 및 가속 성능에 부정적인 영향을 미치는 문제도 점차 드러나고 있습니다. 향후 자동차 엔진의 성능과 배출 기준이 더욱 엄격해짐에 따라, 휘발유의 옥탄가를 높이면서도 탄소 배출을 줄이는 방향으로 휘발유 품질 기준이 발전할 것입니다. 따라서 촉매 분해 기술을 기반으로 한 2차 처리 공정이 계속해서 중요한 역할을 할 것이며, 알킬화 기술을 집중적으로 발전시키는 것이 위와 같은 문제들을 해결하는 데 있어 핵심적인 방법입니다.알킬화유의 주성분은 고옥탄가를 가진 다분지형 이성질 알칸으로, 올레핀이나 방향족 화합물이 없으며 황 함량도 낮고 증기압도 낮아, 청정 휘발유를 만드는 데 이상적인 혼합 성분입니다.특히 촉매식 가솔린의 중간 옥탄가를 높여 가솔린의 옥탄가가 합리적으로 분포하도록 하는 것, 그리고 미래의 저탄소 연료 기준을 충족시키는 데 있어서, 알킬화유는 다른 고옥탄가 조절 성분들로는 대체할 수 없는 역할을 합니다.촉매 분해 장치를 통해 액화가스를 대량으로 생산함으로써 더 많은 알킬화유를 얻을 수 있으며, 동시에 프로필렌도 다량으로 생산됩니다. 이를 통해 가솔린의 옥탄가가 향상되고 공장에서 얻는 수익도 증가합니다. 촉매 분해는 2차 가공 과정에서 핵심적인 역할을 하게 되며, 이를 통해 우리는 위기를 기회로 바꾸고 장점을 살려 중국의 특성에 맞으면서도 미래 발전 방향에 부합하는 가솔린 품질 향상의 길을 개척할 수 있습니다.촉매 개질 장치는 고옥탄가 휘발유 조성 성분을 생산할 뿐만 아니라, 화학 기업들에 원료인 방향족 화합물도 공급합니다. 또한 정유소에서 수소를 얻는 중요한 원천이기도 합니다. 국제적으로 경질 원유 자원과 국내 나프타 자원이 부족한 상황, 그리고 휘발유 내 벤젠 함량에 대한 제한을 고려할 때, 다양한 요소들을 종합적으로 고려하여 실정에 맞게 개질 기술을 발전시켜 나가야 합니다. 　　위의 분석을 바탕으로, 휘발유의 옥탄가를 높이기 위해서는 3~5년에 걸쳐 지역별, 단계적으로 휘발유 내의 알킬화유와 리파이닝 처리된 석유의 비율을 현재의 20% 미만에서 30%로 높이고, 촉매 처리된 휘발유의 비율은 약 60% 수준으로 줄이는 것을 고려할 수 있다.경유의 에터화 기술을 도입하고 휘발유 저장소의 구성을 조정함으로써, 촉매분해장치가 올레핀 생성을 억제하는 제약을 점차 해소할 수 있습니다. 이를 통해 촉매분해장치가 고품질의 휘발유를 생산하고 저탄소 올레핀을 다량으로 생산하는 데 있어서 핵심적인 역할을 할 수 있습니다. 또한 가치가 낮은 카본포와 메탄올 자원도 효과적으로 활용하여, 고옥탄가의 고품질 휘발유 생산 비율을 더욱 높일 수 있습니다. 철저한 계획과 연구를 통해 “품질이 향상되면서 기업의 수익도 증가하는” 이상적인 상태를 실현할 수 있습니다.