석탄타르의 심층 가공 현황, 신기술 및 발전 방향

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코크스타르 산업은 비교적 전통적인 산업입니다. 지난 30년 동안 석유화학 산업의 치열한 경쟁에 직면했음에도 불구하고, 코크스타르 산업은 여전히 큰 발전 잠재력을 가지고 있습니다. 특히 최근 몇 년간 신소재 및 철강 산업의 발전과 함께, 코크스타르 자원의 효율적인 활용이 다시 주목받고 있습니다. 우리나라는 세계 코크스 생산량의 약 36%를 차지하는 코크스 생산 대국입니다.코크스 생산 과정에서는 많은 양의 부산물인 석탄 타르가 발생합니다. 우리나라의 석탄 타르 연간 생산량은 약 500만~600만 톤이며, 가공 능력은 약 450만 톤입니다. 현재 건설 중이거나 확장 중이거나 계획 중인 프로젝트들을 통한 생산 능력은 약 200만 톤입니다.현재 약 50여 개의 기업이 석탄타르를 가공하고 있으며, 그중 가장 선진적인 것은 보강그룹이 지난 세기에 일본으로부터 도입한 석탄타르 가공 설비입니다. 이 설비의 가공 규모는 연간 26만 톤이며, 생산되는 제품의 종류는 26가지입니다. 그 다음으로는 안강, 우강, 본강 등이 있습니다.이 외의 대부분의 석탄 타르 생산은 상대적으로 분산되어 있으며, 주로 토양에서의 코크스 제조 공법을 사용합니다. 이로 인해 재생 불가능한 자원이 많이 낭비될 뿐만 아니라 환경도 오염됩니다. 　　우리나라의 경제가 지속적으로 발전하고 환경 보호에 대한 요구가 점점 높아짐에 따라, 코크스 타르의 심층 가공은 시급히 해결해야 할 과제가 되었습니다.현재 석탄타르 산업의 발전 상황을 보면, 국내의 석탄화학 산업은 중요한 통합 및 변화의 시기를 맞이하고 있습니다. 앞으로 석탄타르 산업은 집중화, 정밀한 분리, 심층 가공, 신소재 합성과 같은 방향으로 발전해 나갈 것입니다. 　　우리나라의 석탄톨 생산량에 대해 말하자면, 석탄톨은 방향족 화합물을 주성분으로 하는 유기 혼합물로, 1만 가지가 넘는 화합물이 포함되어 있습니다. 그중에서 추출할 수 있는 것은 약 200종 정도이며, 현재 실용적이고 경제적으로 추출이 가능한 것은 약 50종입니다. 석탄톨을 고도로 가공하여 얻어지는 경유, 페놀, 나프탈렌, 안트라센, 카라즈, 인돌, 아스팔트 등과 같은 제품들은 합성 플라스틱, 합성 섬유, 농약, 염료, 의약품, 도료, 첨가제 및 정밀화학 제품의 기본 원료가 됩니다. 또한 금속 가공, 합성 산업, 건설, 섬유, 제지, 교통 등 다양한 산업에서도 기본 원료로 사용됩니다. 이러한 제품들 중 많은 것들은 석유화학 공정에서는 얻을 수 없는 것들입니다.따라서 석탄코크스 심오일 가공은 이러한 산업의 발전을 촉진할 수 있다. 　　현대의 코크스 생산 과정에서 가스로부터 회수되는 1차 화학 제품으로는 주로 석탄 타르, 암모니아(주로 황암모늄), 그리고 원유벤젠의 3가지가 있습니다.코크스타르의 생산량은 코크스 제조를 위한 석탄 혼합물의 종류에 따라 달라집니다. 석탄 혼합물의 휘발분이 높을수록 타르 회수율도 높아지고, 그에 따라 타르의 생산량도 증가합니다. 　　2 국내외 석탄 타르 가공 현황 　　2.1 생산 규모 　　일본, 독일, 프랑스, 러시아 등 **의 단일 타르 증류 설비의 처리 능력은 모두 10만~50만 톤/년이다.이론적으로는 능력이 클수록 규모의 경제 효과가 좋아집니다. 　　자원이 제한된 상황에서는 10만 톤/년의 처리 설비를 선택함으로써 제품의 가공 가치를 최대한 발휘할 수 있다.타르 수집량이 충분히 많을 때에만 연간 50만 톤 규모의 타르 가공 설비를 건설할 수 있다.국내 단일 타르 증류 설비는 0.6, 1.2, 3, 5, 7.5, 10, 15만 톤/년과 같은 다양한 규모가 있다.연간 3만 톤 이상의 규모는 모두 연속 증류 공정을 사용하며, 3만 톤 미만의 규모는 모두 간헐 증류 공정을 사용합니다.서로 다른 가공 규모가 나타나는 이유는 다음과 같다: ① 타르 가공 공장마다 자체적인 타르 생산량이 다르기 때문에, 그에 맞는 규모로 설비를 구축한다; ② 타르 가공을 별도의 산업으로 고려하지 않고, 단순히 제철소의 부수적인 처리 공정으로만 여긴다; ③ 대규모 타르 가공을 위한 기술 수준이 부족하다; ④ 환경 보호와 에너지 활용에 대한 중요성이 선진국만큼 강조되지 않는다. 　　2.2 제품 방안 　　2.2.1 해외의 석탄 타르 가공에는 3가지 형태가 있습니다: 첫째는 다양한 종류의 제품을 정제하고 조합하여 여러 규격과 등급의 제품을 생산하는 것입니다. 둘째는 석탄 타르로 만든 제품을 기반으로 하여 고부가가치 화학제품, 염료, 의약품 등으로 발전시키는 심층 가공 제품입니다. 셋째는 아스팔트 관련 제품을 중점적으로 가공하는 것입니다. 　　첫 번째 모델의 대표는 독일의 뤼트게 회사입니다.타르에서 분리·제조된 제품은 220종 이상이며, 나프탈렌은 4개 등급, 수지는 5개 등급, 안트라센은 7개 등급, 아스팔트 접착제 및 침지재는 20개 등급으로 나뉩니다.시장의 요구에 따라 동일한 장비에서 작동 파라미터를 변경함으로써 다양한 등급의 제품을 생산할 수 있어, 장비의 다기능성을 실현할 수 있다. 　　두 번째 모델의 대표적인 기업은 일본의 주금화학입니다. 이 회사는 석탄 타르에 포함된 순수한 화합물들만을 정제하거나 가공하는 방식을 사용합니다. 현재까지 시제품으로 만들어진 제품의 수는 180종에 달하며, 그중에는 페놀 유도체가 21종, 퀴닌 및 그 유도체가 32종, 나프탈렌 유도체가 60종 있습니다. 　　세 번째 모델의 대표 기업으로는 일본의 미쓰비시 주식회사, 미국의 RiUy 회사, 호주의 Koppem 회사가 있으며, 이들은 모두 석탄 타르 아스팔트 가공 분야에서 독특한 제품을 보유하고 있습니다.이들 회사는 코크스 타르 증류의 다른 분획들은 가공하지 않고 혼합유 형태로 판매하며, 증류 과정에서 생성된 아스팔트만을 가공합니다.석탄 타르 가공 과정에서 아스팔트 수율이 50% 이상이기 때문에, 아스팔트 가공을 잘 수행하여 그 부가가치를 높인다면 타르 가공 프로젝트의 전반적인 효율성을 보장할 수 있습니다. 　　2.2.2 국내 석탄톨 가공　주요 생산물은 페놀류, 나프탈렌, 세척유, 원시 안트라센, 아스팔트 등입니다.각 공장의 제품 품질과 양은 기본적으로 비슷하여, 타르 가공의 효율성이 평범할 뿐 외국에 비해 상당한 격차가 있습니다.그 주된 이유는 다음과 같습니다: 각 톨루엔 가공 설비의 규모가 전반적으로 작다는 점, 고품질이면서 부가가치가 높은 제품이 적다는 점, 생산 기업들의 시장 적응 능력이 부족하다는 점, 그리고 톨루엔을 활용한 고부가가치 제품의 시장이 아직 개척되지 않았다는 점입니다. 특히 새로운 제품을 시장에 내놓는 것은 매우 어렵습니다. 　　2.3 공정 흐름 　국내외의 타르 증류 공정은 대체로 비슷하며, 모두 탈수와 분별 과정을 거칩니다. 하지만 해외의 공정은 국내보다 더 다양합니다.국내의 타르 증류 공정은 해외 공정과 비교해 차이가 그리 크지 않으며, 단지 적용되는 분야가 다를 뿐입니다.국내 공정의 설비, 계측 제어, 에너지 활용 측면에서 약간의 개선 작업만 거치면, 선진적이고 실용적인 공정으로 변모시킬 수 있다. 　　2.4 환경 보호 수준　환경 보호란 주로 타르 가공 과정에서 발생하는 폐수, 폐가스, 폐기물을 처리하는 것을 의미합니다.타르 가공 과정에서 발생하는 폐수에 대해서는 국내외 모두 거의 동일한 대응 방식을 취하고 있습니다. 즉, 폐수를 한곳에 모아 정제소의 오수 처리 장치를 통해 처리한 뒤 배출합니다. 다만 차이점이 있다면, 국내에서 처리된 후의 수질 기준이 조금 더 낮다는 것입니다.폐가스 처리란 주로 타르 가공 과정에서 발생하는 배기가스와 아스팔트 연기의 처리를 의미합니다.해외 타르 가공 공장은 이 부분의 폐가스를 수집하여 세정탑으로 모은 뒤, 정화하고 온도를 낮춘 후 튜브형 로에서 소각합니다.일부 타르 가공 공장의 오일 탱크 윗부분에는 질소 밀봉이 이루어져 있어, 방출되는 가스의 가능성은 더욱 낮습니다.국내에서는 소수의 타르 처리 설비만이 배출 가스를 집중적으로 수집하여 처리하지만, 대부분의 설비는 그대로 방출됩니다.그러므로 폐가스 처리를 개선해야 합니다.타르 가공으로 발생하는 폐재는 타르 찌꺼기뿐이며, 각국의 처리 방식은 모두 동일하여 중앙에서 수집한 뒤 석탄에 혼합합니다.국내에서 석탄에 첨가되는 설비가 열악하여, 일부 공장에서는 마구 버리는 현상이 심각하다.하지만 엄격하게 관리하고 성실히 처리한다면, 해외의 처리 수준에 도달하는 것은 충분히 가능합니다. 　　2.5 에너지 절약 수준　에너지 절약과 소비 감소는 설비의 중요한 지표입니다.타르 가공은 에너지 소비가 많은 공정입니다. 해외에서는 물, 증기, 석탄의 사용을 잘 통제하고 있으며, 공냉식, 온열 유체 열교환, 다단계 순환수 시스템, 저온 감압 증류, 열 회수 증기와 같은 기술들을 활용하고 있습니다. 하지만 전력 소비는 오히려 국내보다 더 높습니다.국내 에너지 구조가 조정됨에 따라, 전기를 더 많이 사용하고 물, 증기, 가스의 소비를 줄이는 것은 불가피한 추세입니다. 　　2.6 장비 수준　장치의 장비 수준은 기계 제조 및 자동 제어 수준과 밀접한 관련이 있습니다.국내의 타르 가공 장비 수준은 해외에 비해 상당히 낮은데, 그 주된 이유는 프로젝트 투자 비용을 과도하게 고려하기 때문입니다. 또한, 고온에서 작동하는 장비나 내식성이 뛰어난 소재, 고온·고점도 매체를 측정하는 계측기 등에 적합한 국내 생산업체를 찾기가 어렵습니다. 설령 해외에서 도입된 장비라 할지라도, 그 유지보수 수준에는 큰 차이가 있습니다. 　　3 국내 석탄타르 가공 기술의 발전 　　3.1 타르 증류 기술 　　국내에서는 주로 상압식, 단일 탑식, 두 가지 또는 세 가지 혼합 분획을 얻는 증류 공정이 사용된다.도입된 석탄 타르 증류 장치는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다. 연속적인 탈수 및 경유 제거 과정이 이루어지며, 증류탑은 감압 조건에서 작동합니다. 탑 꼭대기에서는 페놀 오일이 추출되며, 압력은 13.3 kPa입니다. 탑 바닥에서는 연화점이 65℃인 연성 아스팔트가 얻어집니다. 사각형 형태의 용광로가 사용되며, 출구에서의 타르 온도는 330℃입니다. 여분의 열도 효과적으로 활용되는데, 연성 아스팔트와 타르가 서로 열을 교환하며, 각 증류물은 증기 발생기를 통해 0.3 MPa의 저압 증기를 생성합니다. 증류탑 꼭대기의 기름과 증기는 공기 냉각기를 통해 냉각되며, 감압 조건에서 작동하기 때문에 에너지를 약 15%에서 50%까지 절약할 수 있습니다. 감압 처리된 배기가스와 분리된 페놀 수는 모두 용광로에서 소각됩니다. 증류탑의 재질로는 내식성이 뛰어난 저탄소 합금강이 사용됩니다. 　　3.2 산업용 나프탈렌 증류 기술 현재, 국내의 대부분의 코크스 공장들은 산처리를 하지 않은 95% 산업용 나프탈렌을 생산하고 있습니다. 퀴닌 계열 물질을 재활용하는 공장들만이 희석된 산으로 처리한 95% 산업용 나프탈렌을 생산합니다.또한, 95% 산업용 나프탈렌을 생산하는 데 사용되는 원료도 다양합니다. 예를 들어, 좁은 분별 구간의 유분(즉, 나프탈렌 오일 분별물), 4가지 성분이 혼합된 분별물(경질유, 페놀, 나프탈렌, 세정제), 3가지 성분이 혼합된 분별물(페놀, 나프탈렌, 세정제), 2가지 성분이 혼합된 분별물(나프탈렌, 세정제) 등이 있습니다.산업용 나프탈렌 증류 공정은 상압 간헐식 반응기형 증류, 감압 간헐식 반응기형 증류, 상압 이중 반응기 이중 탑 연속 증류, 상압 이중 가마 이중 탑 연속 증류, 상압 단일 가마 이중 탑 연속 증류, 상압 단일 가마 단일 탑 연속 증류, 상압 고압 단일 가마 이중 탑 연속 증류 등으로 나눌 수 있다.증류탑의 실제 탑판 수를 보면, 처음에는 50층이었으나 이후 63층, 64층, 70층으로 증가했습니다.그 증류탑의 탑형에는 패킹탑(세라믹 링, 볼 링, 물결판 등), 원형 버블 존 탑, 막대형 버블 존 탑, 사선형 홀 플레이트 탑, 플로트 밸브 탑 등이 있습니다.현재 대부분의 대형 코크스 공장에서는 70단계 부유밸브 탑을 사용하여, 2종 또는 3종 혼합 분별물을 원료로 하는 상압 이중 보일러 이중 탑 연속 정류 공정을 채택하고 있습니다.상압 단로, 이중 타워 연속 공정이 보편적이지만, 보강의 상압·가압 단로 이중 타워 연속 공정이 에너지 소비가 가장 적습니다.컴퓨터의 활용에 따라, 단일 라인 및 단일 탑을 이용한 연속 정제 공정은 발전 가능성이 있습니다. 　　3.3 타르 증류로 얻어진 분획의 세척 기술 여기서는 알칼리를 이용해 페놀을 제거하거나 산을 이용해 퀴닌을 제거하는 장치를 말하며, 이를 통해 각각 페놀염과 황산퀴닌을 얻을 수 있다.일반적으로는 먼저 페놀을 제거한 다음 퀴닌을 제거하지만, 페놀만 제거하고 퀴닌은 제거하지 않는 경우도 있습니다.원료는 타르 증류 시 얻어지는 분획의 차이에 따라 달라지며, 좁은 분획과 넓은 분획으로 나뉜다.세척 공정은 간헐적으로 또는 연속적으로 운영될 수 있습니다.세척 장비에는 공기 교반, 기계적 교반, 펌프 혼합, 정적 혼합기, 분사 혼합기 등의 형태가 있습니다.후자의 두 종류의 세정기는 더욱 첨단적이며, 세정 효과가 우수하고 연속적인 작동 및 자동 제어가 용이합니다.알칼리 탈리포닐의 주요 제어 요인으로는 알칼리 농도, 세척 온도, 분리 시간, 세척 단계 수 등이 있습니다.각 분획의 세척 요구 사항은 분획 내 페놀 함량이 0.5% 미만이어야 합니다.보강이 도입한 것은 전체 연속식 알칼리 세척 방식의 페놀 제거 공정입니다. 알칼리 용액의 농도는 8%에서 10%로 비교적 낮습니다. 경유와 페놀 오일의 경우 모두 단일 단계에서 페놀을 제거하는 방식을 사용하며, 각각의 페놀 제거 효율은 약 38%와 88%입니다.이 경유 탈페놀은 페놀 나트륨염을 정화하는 역할을 합니다.나프탈렌 오일의 경우 3단계 탈페놀 공정을 사용하며, 탈페놀 효율은 79%입니다. 탈페놀에 사용되는 장비는 정적 혼합기입니다.또한, 탈페놀 페놀 오일과 메틸나프탈렌 오일에 대해서만 연속적인 산세척을 통해 퀴린을 제거하는 실험을 진행했으며, 사용된 산의 농도는 30%에서 39% 사이였습니다. 그 결과, 각각의 경우의 제거 효율은 38.5%와 52.2%였습니다.장비도 정적 혼합기를 사용합니다. 　　3.4 크루드안트라센 제조 기술　국내의 여러 공장들은 모두 간헐식 공정을 사용하며, 사용되는 장비는 회전식 결정기입니다.조앤스의 수율을 높이기 위해 2단계 결정법이 개발되었습니다.보강이 도입한 공정은 전체 연속 프로그램 제어 방식을 채택하고 있으며, 안트라센 오일 투입, 냉각 결정, 배출, 원심분리 등의 공정이 포함되어 있습니다. 총 소요 시간은 44시간입니다.이후 자연 냉각과 강제 냉각을 결합한 방식으로 개선되어 처리 시간이 35시간으로 단축되었으며, 결정 입자의 크기도 커졌습니다. 장비는 수직형 냉각 결정기를 사용하여 연속적인 가동이 용이해졌습니다. 그 결과 얻어진 원료 안트라센의 안트라센 함량은 38%에 달했으며, 오일 함량은 매우 낮았습니다. 　　3.5 페놀 나트륨염 분해 기술 국내에서는 대체로 황산을 이용한 분해 방법이 사용되고 있습니다. 단점은 진한 페놀 용액이 생성되어 처리가 어렵다는 것입니다.20세기 70년대에 연도 배가스 분해법이 개발되었지만, 여전히 2차 오염 문제가 있습니다.보강이 도입한 공정은 고로 가스 분해법을 사용하며, 2단계로 나누어 분해를 진행하여 분해율은 98%에 달합니다. 또한 침출 장치도 갖추어져 있어, 농도가 8%에서 10%인 가성알칼리 용액을 얻을 수 있으며, 침출율은 77%입니다. 2차 오염 문제는 없습니다. 　　3.6 정나프탈렌 제조 기술　국내에서는 기존에 진한 황산을 이용한 정제 방법이 사용되어 왔습니다. 하지만 이 방법의 단점은 엄청난 양의 폐산이 발생하여 처리가 어렵고, 에너지 소비도 많으며 수율도 낮다는 것입니다.1980년대에 간헐적으로 운전되는 단계별 결정법이 개발되어 널리 활용되었습니다.최근에는 “Praobd” 공정 기술이 도입되어, 박스형 분별 결정 방식으로 생산됩니다. 정제된 나프탈렌의 수율은 90%이며, 모든 과정이 자동으로 제어되어 연속적으로 운영됩니다. 　　3.7 조밀페놀 정제 기술　국내에서는 주로 상압에서의 탈수와 감압 하에서의 불순물 제거, 그리고 증류 공정이 사용되지만, 이 방법으로 얻어지는 페놀 제품의 품질은 그다지 좋지 않습니다.도입된 공정은 5기의 탑을 이용한 연속식 탈수·탈슬래그 증류 방식이며, 6번째 탑은 간헐식으로 작동합니다.각 탑은 모두 감압 조작 방식을 사용하며, 프로필렌올의 회수율은 42%에 달해 국내 수준보다 약 10% 높습니다. 제품의 품질도 매우 우수하여, 특급 프로필렌올(결정점 40℃ 이상), 오르토-메틸페놀(결정점 29℃ 이상), 메타-메틸페놀, 디메틸페놀 등이 있습니다. 　　3.8 조잡한 피리딘과 조잡한 퀴닌의 정제 기술　국내에서는 황산퀴닌을 가성소다 용액으로 중화시켜 분해하는 방법이 사용되는 반면, 해외에서는 액체 암모니아를 이용해 중화시켜 분해하는 방법이 주로 사용된다. 조잡한 피리딘과 조잡한 퀴닌의 정제에는 간헐식 처리, 공비 증발을 통한 수분 제거, 저압 증류와 같은 공정들이 사용된다.국내와 달리 도입된 설비는 6기의 간헐식 탈수장치와 진공 증류 방식을 사용하며, 공냉기를 도입하여 냉각수를 절약할 수 있습니다. 　　3.9 정안트라센, 정카라졸 및 안토퀴논 생산 기술 국내에서는 원료로 거친 안트라센을 사용하며, 용매를 이용한 증류 방법을 통해 정안트라센을 얻은 다음, 촉매 산화 과정을 거쳐 안토퀴논을 생산합니다.보강은 Praobcl 기술을 도입했는데, 이는 아ント라센 오일을 원료로 하여 우선 용매를 첨가하여 분배 결정을 유도하는 방식(즉, 용매 결정법)을 사용합니다. 그 후 감압 증류를 통해 순도 95% 이상의 정제된 아ント라센과 순도 90% 이상의 정제된 카르졸을 얻어냅니다.안퀴논 생산 공정은 스위스의 Ciba Geigy사의 기술로, 여러 단계의 고정층 촉매 산화와 냉각 과정을 거쳐 순도 99% 이상의 안퀴논을 얻어냅니다.국내와 비교해도 공정 및 장비 측면의 수준도 비슷합니다.특징은 전체 생산 과정에서 발생하는 폐액이 매우 적어 활성슬러지 처리장으로 보낼 수 있다는 점입니다. 반면, 발생하는 폐가스의 양은 상당하지만, 이를 회수하고 여과한 뒤 폐가스 연소 장치를 통해 처리함으로써 환경에 해를 끼치지 않습니다. 　　4 결론　석탄타르의 추가적인 심층 가공 수준은 투자와 시장에 달려 있습니다. 일반적으로 가공의 깊이가 증가할수록 제품의 부가가치도 높아지며, 동시에 투자도 증가합니다.심가공 과정에서는 설비의 유연성을 고려하여, 시장의 요구에 따라 제품의 품질과 종류를 적시에 조정해야 합니다.석탄타르의 집중적인 가공은 현대 산업 발전의 필연적인 추세이며, 이는 **의 기술 정책이기도 합니다. 향후의 발전 방향은 자원 활용률을 높이고, 제품의 다양성을 확대하며, 심층적인 가공을 통해 제품 구조를 개선하는 것입니다. 또한 신제품 개발에 힘쓰고, 오염을 줄이며, 국내외 정보 교류를 강화하고, 대외 개방을 확대하며, 외국 자본 유치를 늘려 기업의 발전에 활력을 불어넣어야 합니다. 아울러 석탄타르 화학제품에 관한 정보와 기술을 공유하는 네트워크를 구축해야 합니다.석탄 코크스화 기업, 과학연구 및 교육 기관, 정보 연구 기관 간의 협력을 강화하여 자원을 합리적으로 활용하도록 한다.