석탄 타르 현탁층 수소화에 대한 간단한 논의:

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석탄 타르 현탁층 수소화에 대한 간단한 논의: 최근 들어 현탁층 수소화 기술에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 광의의 현탁층에는 끓는층 반응기와 슬러리 층 반응기가 포함되며, 전자는 몰리브덴-니켈 입자 촉매를 사용하고 후자는 철계 분말 촉매를 사용합니다.지금까지 우리는 부유층 반응기를 세 세대로 나누어 왔습니다. 첫 번째 세대는 마이크로미터급의 분말 형태의 철계 촉매를 사용하는 슬러리형 반응기입니다. 대표적인 기업으로는 독일의 비바사(VCC)가 있습니다. 이 방식은 90% 이상의 감압 중유 전환율을 자랑하지만, 15% 이상의 가스 생성률과 10% 이상의 저품질 수소화유 생산률 때문에, 약 78%의 액체 제품을 얻을 수 있는 지연 촉매화 공정에 비해 큰 장점이 없습니다.2세대는 나노급 황산철계 촉매를 사용하는 슬러리 베드 방식으로, 대표적인 것이 캐나다의 CanMet 기술입니다. 국내 선화의 직접 액화 석탄 정제 공정도 이 기술과 관련이 있지만, 여전히 철 촉매의 활성도가 낮은 문제가 있습니다.3세대는 분자 수준의 몰리브덴계 액체 촉매인 분자 균일 현탁층 MCSH로, 촉매 및 반응 공학 면에서 획기적인 변화가 있었습니다. 특히 반응기가 단순한 공탑 형태가 되어 오일 슬러리가 없으며, 침전 방지 기능 덕분에 설비 투자 비용과 후속 운영·유지보수 비용이 저렴합니다. 업계 내의 기술 보급 현황(전 세계적으로)을 살펴보면, 표준적인 홍보 방식을 통한 전환율은 다음과 같습니다: 몰리브덴계 부양층을 이용한 아스팔트 중유(슬래그 제거)의 경우 전환율이 약 70%이며, 철계 부양층을 이용한 아스팔트 중유(슬래그 제거)의 경우 전환율은 약 90%입니다.사실, 어떤 산업용 장비도 그 수준에 도달할 수는 없다(하지만 홍보 자체에는 악의가 없다. 결국 우리 같은 연구원들은 실험실에서 실제로 그 수준에 도달할 수 있으며, 일부 산업용 장비들도 잠시나마 멋지게 성능을 발휘하려고 최선을 다하는 경우도 있다).증기층 반응기는 세계에서 가장 많은 아스팔트 중유를 처리하는 장치이지만, 전환율은 일반적으로 35%～55% 수준으로 유지됩니다.철계 부유층 산업 설비는 신화와 연장이 가동 중이며 가동을 위해 노력하고 있는 것을 제외하고는, 해외의 산업용 및 산업 시범 설비들은 거의 모두 철거되거나 폐기되었습니다. 하지만 필자의 추정으로는, 이 두 설비의 전환율이 50%를 넘는다면 그것만으로도 다행스러운 일일 것입니다(이 정도면 경영진들도 매우 만족할 것입니다).결국 국내의 산업용 원판은 사실상 해외 원판 기술의 축소판에 불과하며, 이는 300킬로그램이었던 압력을 220킬로그램 이하로 낮춘 데서 잘 드러납니다. 이론적으로는 철계 촉매의 수소화 평형 상태에서는 이를 유지할 수 없으며, 초고온의 수소 분위기 하에서 열분해를 강화하지 않는 한 안 됩니다.누군가 저에게, 국내의 ‘왕의 여인’이라 불리는 삼취환경이 독자적인 지식재산권을 가진 부유침상 기술을 개발했다고 하더군요. 그 기술의 전환율은 90% 이상에 달한다고 합니다. 어떻게 생각하시나요?우선, 이 90%에 대해서는 필자는 어떤 의견도 내지 않습니다. 90%의 액상 생성물에 어떤 제품들이 포함되어 있는지도 확인할 수 없습니다. 만약 정말 그렇다면, 반응 온도를 매우 높여야 합니다(일반적으로 470℃). 더 가벼운 원료를 사용하거나, 불필요한 불순물을 제거한 원료를 사용하는 방법밖에 없습니다(이 방법은 가능합니다).저자는 분말 철계 부유층이 항상 ‘문제가 많은 기술’이었다고 생각합니다. 고도의 아스팔트 전환 능력을 가졌다는 명성에도 불구하고, 이 문제는 어쩔 수 없이 그 기술 자체의 탓으로 돌아가야 합니다. (연구개발 엔지니어들은 이 문제 때문에 여러 번 판매 엔지니어들을 혼내기도 했는데, 그 이유는 판매 엔지니어들이 저지른 실수를 그들이 대신 바로잡아주기 위해서라고 주장했습니다.)사실, 여러분께 숨기지 않고 말씀드리자면, 이 방법도 가능합니다. 하지만 초고압의 보호가 없다면 다소 위험할 수 있습니다.물론, 수소 압력을 이용해 부유층 반응 온도를 낮추는 것은 가스 생산량을 줄이는 데에도 도움이 되며, 기술적·경제적 측면에서도 유리합니다. 반응 온도에 대해 말하자면, 다시 한 번 자세히 설명해 드려야겠습니다.이론적으로, 부유층 수소화는 수소화 크래킹의 범주에 포함되는 이유와 반응 기작이 수소 촉매가 아닌 수소 분위기 하에서의 열분해이기 때문에, 반응 온도는 매우 중요한 지표이자 파라미터입니다.증기층 반응기든 부유층 반응기든, 반응 온도는 410℃ 이상이어야 합니다(VCC 공정의 경우 470℃에 달하며, 증기층 반응기의 경우는 410℃~450℃입니다). 그렇지 않으면, 아스팔틴 함량이 높은 중질 오일을 경질화시키는 것은 불가능할 뿐만 아니라, 감압 정제된 오일(건점이 524℃ 미만인 버킷 가스 오일)의 경우에도 과도한 전환율을 얻을 수 없으며, 단지 예비 수소화 처리만 가능할 뿐입니다.중국석화의 금릉에 있는 5만 톤급 끓는 침대형 시범 설비는 고온으로 인한 코크스화와 마모로 인해 영구적으로 가동이 중단되었습니다.국내의 신기원은 민간 기업으로서 새로운 방법을 모색하여, 5만 톤 규모의 가열 장치(순환 오일까지 포함하면 10만 톤에 해당함)의 작동 온도를 400℃ 이하로 낮추어 운영합니다. 또한, 슬래그를 제거한 압력 감소 처리된 혼합 오일을 가공할 수 있으며, 안트라센 오일도 가공할 수 있습니다. 이는 향후 고정층 반응기의 사전 수소화나 전처리 장치로 활용될 수 있습니다. 이를 통해 반응기가 비활성 상태로 남는 것을 방지할 수 있지만, 필자의 추정에 따르면 이 온도에서는 360℃ 이상의 오일의 전환율도 20%를 넘기 어려울 것입니다. 이는 결국 가열층 공정의 본래 목적과 수소화 분해 공정의 범위를 벗어난 것입니다. 만약 단순히 선택적인 사전 수소화 전처리 반응기로만 사용된다면, 필자는 더 작은 크기의 고정층 사전 수소화 반응기를 사용하는 것이 낫다고 생각합니다. 기술적 개선을 통해 더 무거운 오일도 처리할 수 있도록 한다면, 이 가열층 반응기도 그 목적에 맞게 활용될 수 있을 것입니다. 따라서 새로운 가열층 반응기의 설계 온도는 490℃가 가장 적절할 것이며, 이를 통해 몰리브덴 계열 재료가 최적으로 작동할 수 있는 450℃의 온도를 달성할 수 있을 것입니다. 의심할 여지 없이, 철계 촉매를 사용하는 현탁층 반응기에 비해 보일링베드의 장점은 몰리브덴계 촉매의 활성이 높고 반응 온도가 낮으며, 탑 바닥에 오일 슬러리가 생기지 않는다는 점입니다. 또한 가스 생산량도 상대적으로 적습니다. 하지만 고압 환경에서 촉매를 교체해야 하고 현탁 입자가 필요하기 때문에 보일링베드 반응기는 복잡하며, 내부 순환 비율도 높아집니다. 반응은 액체와 고체의 확산에 의해 조절되므로 시스템이 쉽게 침전물을 형성합니다.이것 역시 기존의 보일링베드를 개선하기 위해 분자 균상 기술이 활용되는 기업의 생산적 요구에서 비롯된 동력입니다. 천송(박사)