심층 분석 기사‖우리나라의 MTBE와 알킬화 휘발유의 공급·수요 현황 및 전망

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심층 기사‖우리나라의 MTBE와 알킬화 휘발유의 공급·수요 현황 분석 및 전망 2016-01-29 석화연, 태도인생의 석화연 ——석화연은 석유화학 산업의 신기술을 전파하고, 기술 및 장비의 국산화를 촉진하기 위해 노력하는 WeChat 공식 계정입니다! 우리나라의 MTBE와 알킬화 휘발유의 공급 및 수요 현황에 대한 분석 및 예측입니다. MTBE는 이부틸렌과 메탄올이 에터화된 생성물입니다. 이부틸렌은 주로 액화가스에 함유되어 있습니다. 생산 비용을 줄이기 위해, 산업계에서는 정제된 이부틸렌을 포함한 C4를 메탄올과 직접 촉매 반응시킵니다. 반응 후에는 반응하지 않은 C4와 메탄올을 분리하여 연료용 MTBE를 얻습니다.이러한 종류의 MTBE는 황 함량이 높으며, 원료 비교 분석을 통해 정상적인 상황에서 MTBE의 황은 모두 원료 C4에서 유래하는 것으로 나타났습니다. MTBE의 원료인 C4는 다양한 공급 경로가 있으며, 주로 촉매 분해, 코크스화, 그리고 에틸렌 설비에서 나오는 액화 석유 가스의 C4 성분에서 유래합니다.에틸렌 공장에서 얻어지는 LPG로부터 생산된 C4는 생산 과정에서 엄격한 탈황 처리를 거치지만, 촉매 분해나 코크스화 공장에서 나오는 LPG의 경우, 정제 및 탈황 처리 후에도 유황 함량이 보통 20ppm 이상입니다. 또한 가스 분별을 통해 C3를 제거하고 MTBE 공장으로 들어간 후에는 MTBE 제품 내의 유황 함량이 더욱 증가합니다(연구에 따르면, 탈황 처리된 LPG를 사용하여 MTBE를 생산할 때 유황 함량은 3~6배까지 증가한다고 합니다).MTBE 제품의 황화물은 주로 촉매 분해 및 코크스화 공정에서 생산되는 C4 원료에서 유래합니다. 현재, 혼합 C4를 원료로 생산되는 MTBE 제품의 황 함량은 크게 변동하며, 보통 80~200ppm이지만, 경우에 따라서는 2000~3000ppm에 이르기도 합니다.가솔린 국3 기준을 적용할 때, 액화가스의 탈황 과정에서 관리와 모니터링을 강화하기만 하면, 일반적으로 MTBE의 황 함량을 150ppm 정도로 억제할 수 있다.하지만 국가 표준에 따른 휘발유의 황 함량에 대한 규제가 점점 더 엄격해지면서, 국제 배기가스 기준인 국4와 국5를 준수하기 위해서는 휘발유의 황 함량을 각각 50ppm 이하, 10ppm 이하로 낮춰야 합니다. 현재의 고도화된 탈황 기술을 사용하면 휘발유의 황 함량을 요구 수준까지 낮출 수 있지만, 현재의 액화가스 탈황 기술로는 MTBE의 황 함량을 50ppm 이하로 낮추는 것이 매우 어렵으며, 10ppm 이하로 낮추는 것은 더욱 어렵습니다. 우리나라에는 현재 건설 중이거나 계획 중인 MTBE 생산 설비와 그 생산 능력이 상당히 많지만, 앞으로 국내의 C4 자원은 점점 더 부족해질 것이며, MTBE 생산 설비의 실제 가동률도 제한적일 것입니다.동시에 C4 자원의 공급원이 다양해짐에 따라, 저황 C4 자원은 더욱 부족해질 것이며, 그 결과 가솔린 국4 및 국5 기준을 충족할 수 있는 MTBE의 생산량도 많지 않을 것입니다.자동차용 휘발유 기준이 지속적으로 강화되고 황 함량이 줄어듦에 따라, 저황 MTBE 생산 기술에 대한 수요가 점점 더 커지고 있으며, 저황 MTBE는 더욱 인기를 얻게 될 것입니다. 알킬화 기술은 청정 휘발유를 생산하는 데 있어 중요한 기술입니다.이부탄과 저분자 올레핀(일반적으로 C3~C5 올레핀을 포함하며, 현재 가장 많이 사용되는 것은 부텐)이 강산 촉매(보통 황산 또는 수소불화산)의 작용 하에 반응하여 생성되는 알킬화 휘발유(주성분은 이오크탄)는 이성질 알케인 혼합물입니다.이는 다량의 올레핀을 함유한 촉매 가솔린이나 다량의 방향족 화합물을 포함한 재생 가솔린과 비교할 때, 오크탄가가 높고 두 오크탄가의 차이가 작으며 휘발성이 낮고 올레핀이나 방향족 화합물이 없으며 유황 함량도 낮다는 장점이 있습니다. 이를 가솔린에 혼합하면 가솔린 내의 올레핀, 방향족 화합물, 유황 등의 유해 성분의 함량을 줄일 수 있으며, 동시에 가솔린의 오크탄가와 내폭성을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 이는 이상적인 청정 자동차용 가솔린 성분입니다. 촉매분해 가솔린, 개질 가솔린, 이성화 가솔린 및 에터화 가솔린과 비교할 때, 알킬화 가솔린에는 방향족 화합물과 올레핀이 포함되어 있지 않으며, 유황도 거의 함유되어 있지 않습니다. 또한 오크탄가가 높고 증기압이 낮아, 가장 이상적인 청정 가솔린으로 여겨집니다.각국의 석유 정제 산업의 발전 수준이 다르고, 석유 정제 설비의 구조도 제각각이며, 국가별 경제 발전 수준에도 차이가 있기 때문에, 세계 각국의 휘발유 기준도 서로 다릅니다. 또한, 이러한 기준들이 시행되는 시기도 크게 차이납니다. 하지만 전반적으로 휘발유 기준은 저황, 저올레핀, 저아로마틱 화합물 방향으로 발전하고 있습니다. 알킬화는 향후 휘발유의 품질 향상 과정에서 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다. 우리나라의 알킬화 휘발유 비중은 매우 낮습니다.전 세계적으로 볼 때, 미국의 혼합 휘발유 구성 요소 중에서 촉매 분해 휘발유가 38%, 리파이닝 휘발유가 24%, 알킬화 휘발유가 약 15%를 차지합니다；휘발유의 품질 기준이 가장 엄격한 캘리포니아주에서는 알킬화 휘발유의 비율이 20~25%에 달합니다.유럽연합의 휘발유 성분은 리파이닝 휘발유가 주를 이루지만, 알킬화 휘발유의 비율은 우리나라보다 훨씬 높아 약 6% 정도를 차지합니다.우리나라의 혼합 휘발유 구성 성분 중에서는 촉매 분해 휘발유가 약 77%를 차지하며, 리파이닝 휘발유는 약 15%를 차지합니다. 반면, 알킬화 휘발유의 비율은 약 0.2%에 불과합니다.황 함량과 올레핀 함량이 모두 높기 때문에, 촉매분해 가솔린의 밀도가 너무 높아집니다. 이로 인해 국내 가솔린의 품질을 향상시키는 데 비용이 많이 들고 어려움이 따르며, 가솔린 품질 향상 속도도 느려집니다. 새로운 기준이 적용되는 시기도 지연되어, 현재 국내 가솔린의 품질 기준이 자동차 배출 기준에 계속 미치지 못하는 난처한 상황이 발생하고 있습니다.미국, 유럽 등 석유 정제 산업이 발달한 지역에 비해, 우리나라의 알킬화 설비 수는 적고 규모도 작습니다. 또한, 휘발유 내 알킬화된 휘발유의 비율도 낮아서, 휘발유 제품의 품질 향상에 기여하는 정도도 낮습니다. 따라서 앞으로 우리나라의 알킬화 설비는 큰 발전 가능성을 가지고 있습니다. 국내 알킬화 설비의 생산능력이 빠르게 증가하고 있습니다.통계에 따르면, 우리나라의 현재 알킬화 설비의 총 생산능력은 연간 234.5만 톤입니다. 그중 산동성의 알킬화 설비 생산능력은 연간 119만 톤으로, 전국 총 생산능력의 50.7%를 차지합니다. 향후 5년 내에 추가로 건설될 알킬화 설비의 생산능력은 연간 737만 톤에 달할 것으로 예상됩니다.위의 알킬화 설비들이 모두 예정대로 건설되어 가동된다면, 2017년경에는 중국의 알킬화 설비의 총 생산능력이 연간 970만 톤에 달할 것으로 보입니다. 이는 현재의 생산능력보다 3배 이상 증가하는 수치입니다. 알킬화 설비 외에도, 국내에서는 이성화, 아세트산 부틸에스터, 방향족화, 부타디엔, 이부탄 탈수소와 같은 탄소 4 화합물의 심층 가공 프로젝트들이 많이 건설 중이거나 계획 단계에 있습니다. 위와 같은 탄소 4 화합물 심층 가공 프로젝트들에 사용되는 원료는 모두 에터화된 탄소 4 화합물이나 이부탄과 같은 탄소 4 성분들입니다.우리나라의 탄소4 심층가공 관련 건설 프로젝트들을 고려할 때, 향후 5년 동안 에터화 처리된 탄소4의 수요는 2,150만 톤 이상 증가할 것으로 예상됩니다. 반면, 에터화 처리된 탄소4의 생산량은 1,000만 톤 정도에 그칠 것으로 보입니다. 따라서 향후 알킬화 설비를 포함한 탄소4 심층가공 프로젝트들에 필요한 원료 공급에 상당한 부족이 있을 것이며, 실제 가동률도 제한적일 것입니다.우리는 향후 새로 도입될 알킬화 설비의 실제 가동률이 30~50% 수준에 머물 것으로 추정합니다.기존 설비의 가동률을 고려할 때, 2017년까지 국내 알킬화 휘발유의 생산량은 450~500만 톤 정도가 될 것으로 예상됩니다. 향후 알킬화 휘발유 공급이 부족할 수 있습니다.2000년부터 2012년까지 국내 휘발유 생산량의 복합 성장률은 6.7%에 달했습니다. 2012년에는 국내 휘발유 생산량이 8,975.60만 톤에 이르렀으며, 이는 전년 대비 10.25% 증가한 수치입니다.만약 앞으로 국내 휘발유 생산량이 매년 6%씩 증가한다면, 2017년에는 국내 휘발유 생산량이 1억 2천만 톤에 이를 것입니다.국내 정제유의 품질이 향상됨에 따라, 2017년이 되면 국내 휘발유 성분 중 알킬화 휘발유의 비중이 유럽연합의 현재 수준(6%)에 도달할 것입니다. 그렇게 되면 알킬화 휘발유의 총 수요량은 약 720만 톤에 달하게 되며, 이는 2017년의 알킬화 휘발유 생산량을 초과하는 수치가 됩니다.위의 추산에 따르면, 향후 우리나라의 알킬화 휘발유 공급에 200만 톤 이상의 부족이 발생할 수 있습니다. 관련 내용: 1. 방향족 오일, 알킬화 오일, 국가 표준 휘발유 비교표
표1 방향족 오일, 알킬화 오일, 국가 표준 휘발유 비교표

항목 | 국IV 표준 | 93# 알킬화 오일 | 방향족화 오일 |
---|---|---|---|
밀도/g/ml | 0.72–0.75 | 0.695–0.70 | 0.702 |
옥탄가(연구법) | 93 | 94–98 | 92 |
초기 증류점/℃ | 35 | 40 | 40 |
최종 증류점/℃ | 20 | 51 | 195 |
포화 증기압/kPa | 42–85 | 50 | 56 |
황 함량(PPM) | 50 이하 | 53 |
벤젠 함량(부피비%) | 1.0 이하 | 없음 | 0.5–1.5 |
점성(mg/100ml) | 5 이하 | 없음 | 3.4 |
구리 부식(50℃, 3시간)/등급 | 1a 이하 | 1a | 1a |
유도기간/분 | 480 이상 | 600 이상 | 58 |
탄화수소 함량/% | 방향족 화합물 40% 이하, 올레핀 화합물 28% 이하 | 95%의 포화 알칸 및 올레핀 | 올레핀 80.7%, 방향족 화합물 5.7% |

참고: 국IV 표준 93# 휘발유는 GB17930-2011을 참고하였습니다. 방향족화 오일과 알킬화 오일의 수치는 특정 제조사에서 제공한 데이터를 기준으로 하므로, 모든 제조사의 수치를 대표하지는 않습니다. 2. 전 세계 알킬화유의 공급 및 수요 현황 분석
알킬화유는 중요한 휘발유 성분으로, 그 주성분은 이오노겐을 비롯한 C8 이성질 알케인입니다. 순도가 높은 알킬화유는 이오노겐이라고도 할 수 있습니다.석유 정제 산업의 알킬화는 일반적으로 강산성 촉매가 존재하는 상태에서 이부탄이 C3~C5 올레핀과 반응하여 알킬화 오일을 생성하는 과정입니다.1938년에 세계 최초로 알킬화 공정이 산업화된 이래, 알킬화유는 정유소에서 생산되는 제품의 구성 요소 중 중요한 역할을 하고 있습니다. 일반적으로 말하는 휘발유 등급(즉, 옥탄가)은 휘발유의 항폭발성 지표를 의미합니다.““옥탄가”는 이오크탄의 이름을 따서 명명된 것으로, 이오크탄의 옥탄가는 100으로 정해져 있습니다.실제로, 알킬화유는 이오크탄 외에 C8 이성질 알케인이 일부 포함되어 있기 때문에 옥탄가는 93~97 사이입니다.알킬화유의 옥탄가는 촉매 분해 성분보다 현저히 높으며, 리파이닝 가솔린 성분보다도 약간 높습니다. 또한 유황 함량이 낮고, 올레핀이나 방향족 화합물이 없으며 산소도 포함되어 있지 않습니다. 따라서 연료 조제에 사용될 때 올레핀, 방향족 화합물, 산소 함량의 제한을 받지 않습니다.가솔린에 알킬화유를 혼합하면 다음과 같은 효과가 있습니다: 1) 가솔린의 옥탄가를 높여주며, 납을 첨가하지 않음으로 인해 생기는 옥탄가의 부족분을 보완해줍니다；2) FCC 가솔린 성분 중의 올레핀과 S, N와 같은 유해 불순물을 희석하여 그 함량을 기준치에 도달하거나 근접하도록 함；3) 개질 휘발유 성분 중 벤젠을 포함한 방향족 화합물의 함량도 줄이는 작용을 한다.따라서 알킬화유(또는 이오케탄)는 거의 완벽한 휘발유 성분입니다. 전 세계 정제 능력은 1996년의 7,607만 배럴/일에서 2011년에는 8,896만 배럴/일로 증가했으며, CAGR은 1.0%였습니다.전 세계의 알킬화 능력은 1996년의 166만 배럴/일에서 2011년에는 210만 배럴/일로 증가했으며, CAGR은 1.5%였습니다. 2012년에 전 세계 알킬화 생산능력의 65%가 북미에 집중되어 있었습니다.아시아와 유럽은 각각 15%와 14%를 차지합니다.세계에서 가장 뛰어난 알킬화 능력을 가진 곳은 **미국**입니다. 2012년에는 하루에 115만 배럴의 알킬화 제품을 생산했으며, 이는 세계 전체 알킬화 생산량의 55%에 해당합니다.알킬화 능력이 원유 가공 능력에서 차지하는 비율을 보면, 북미가 가장 높은 비중을 차지했으며, 2012년에는 6.2%에 달했습니다；유럽의 알킬화 능력은 그들의 원유 처리 능력 중 1.2%를 차지합니다；아시아는 1.0%；중국은 0.56%에 불과합니다. 각국의 휘발유 성분 구조의 차이는 각국의 휘발유 품질 기준과 정제 능력과 관련이 있습니다.미국의 휘발유 기준은 올레핀과 방향족 화합물의 함량에 대해 가장 엄격하며, 이 기준을 충족시키기 위해 다량의 알킬화유를 첨가해야 합니다.유럽의 휘발유 기준은 올레핀 함량에 대한 규제가 상당히 엄격한 반면, 방향족 화합물 함량에 대한 규제는 비교적 완화되어 있습니다. 그래서 유럽에서는 리파이닝된 휘발유의 비중이 높고, 촉매 처리된 휘발유의 비중은 낮으며, 알킬화된 휘발유의 비중은 보통 수준입니다.중국이 현재 적용하고 있는 국IV 기준은 올레핀과 방향족 화합물의 함량에 대한 요구사항이 유럽 기준에 비해 다소 낮으며, 미국 기준에 비해서는 훨씬 낮습니다. 또한, 석유 정제 구조상으로 인해 촉매분해를 통해 생산된 가솔린의 비중이 너무 높고, 리파닝을 통해 생산된 가솔린의 비중은 낮으며, 알킬화를 통해 생산된 가솔린의 비중은 매우 낮습니다. 휘발유 기준의 상향과 자동차 소비의 고급화로 인해, 휘발유의 성분에 있어서도 높은 옥탄가가 요구되고 있습니다.알킬화유의 옥탄가는 MTBE보다만 낮을 뿐이며, 리파이닝 가솔린과 유사하고 촉매분해 가솔린(중국 가솔린 성분 중 비중이 가장 큼)보다는 현저히 높아, 높은 옥탄가에 대한 요구로 인해 그 수요가 크게 증가할 것입니다. 휘발유 기준의 상향은 ‘황·망가니즈·올레핀 감소’와 같은 요구사항에 주로 반영됩니다.이러한 변화 추세는 옥탄가(휘발유의 폭발 저항성 지표)의 감소를 초래하므로, 이를 보완하기 위해 고옥탄가 성분의 비율을 높여야 합니다.고옥탄가 성분 중 MTBE는 옥탄가가 115에 달하지만 산소 함량의 제한으로 인해, 현재 국내에서의 첨가 비율은 이미 상한에 가까워져 있습니다.알킬화유는 고옥탄가의 알케인 성분으로서, 첨가 비율이 높아질 것입니다.유분 혼합 성분 최적화 원칙에 따라, 가솔린 기준이 점차 강화됨에 따라, 알킬화유의 최적 첨가 비율은 국III 기준에서 2%에서 국IV 기준에서는 3%, 국V 기준에서는 6%로 상승할 것으로 예상됩니다. 이에 따른 증가율은 각각 63%, 78%에 달할 것입니다. 장기적으로는 자동차 소비의 고급화 추세가 고옥탄가 휘발유에 대한 수요를 증가시키고, 이로 인해 고옥탄가 성분에 대한 수요도 함께 증가하게 됩니다.성분 최적화 모델에 따르면, 국IV 기준 하의 90#, 93#, 97#에서 알킬화 오일의 최적 첨가 비율은 각각 0%, 0%, 22%입니다.왜냐하면, 90#에서 93#으로 올라가는 과정에서 오크탄가를 향상시키는 것은 MTBE 비율을 높임으로써 상당 부분 달성할 수 있기 때문입니다；그리고 93#에서 97#으로 표준이 상승하는 과정에서, MTBE의 첨가량이 이미 상한선(산소 함량 제한)에 도달했기 때문에 옥탄가를 높이려면 알킬화유와 리팜핑 가솔린의 비율을 높여야 합니다.따라서 자동차 소비의 고급화로 인한 97# 휘발유 수요 증가는 실제로 알킬화유 수요를 높이게 될 것입니다. 가솔린 기준의 강화가 진행됨에 따라(국IV 기준은 2014년부터 적용됨)；국V 기준은 2018년부터 시행되었으며, 우리나라의 알킬화유 시장 규모는 2013년의 185만 톤에서 2018년에는 750만 톤으로 증가했습니다. CAGR은 32%입니다；휘발유 내 비율이 2%에서 6%로 상승했습니다.2014년과 2018년은 표준이 업그레이드되는 중요한 해로, 알킬화유에 대한 수요가 크게 증가할 것으로 기대됩니다.(추정 가정에는 국내 휘발유 수요의 CAGR 7%, 고옥탄가 휘발유 소비 비중의 연도별 점진적 증가 등이 포함됨).