메탄을 직접 이산화염소로 전환하는 석유화학 산업의 새로운 돌파구

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메탄을 직접 이용해 에틸렌 생산, 석화 산업의 새로운 돌파구
화공707 뉴스넷 보도에 따르면, 화학·석화 분야에서 30년 이상에 걸친 노력이 마침내 현실이 되었습니다. 풍부한 매장량과 저렴한 가격을 자랑하는 천연가스를 직접 세계에서 가장 많이 사용되는 화학 원료인 에틸렌으로 전환할 수 있게 된 것입니다. 　　최근 미국의 Siluria 테크놀로지스사(이하 Siluria사)는 텍사스주에 위치한 자사의 시험 공장에서 성대한 가동식을 열었습니다. 이로써 해당 회사는 세계 최초로 천연가스를 산업적으로 대규모로 에틸렌으로 전환하는 데 성공한 기업이 되었습니다.새로운 루트는 석유를 원료로 하는 기존의 에틸렌 산업에 큰 변화를 가져올 수 있습니다. 　　화학계의 ‘성배’ 기초 산업 원료로서 에틸렌은 석유화학 산업에서 매우 중요한 역할을 합니다. 에틸렌의 생산량은 한 국가의 **석유화학 산업 발전 수준을 나타내는 중요한 지표 중 하나입니다. 　　북미와 중동을 제외하고, 우리나라를 포함한 세계의 대부분의 국가와 지역에서는 나프타를 원료로 하여 증기 분해법을 이용해 에틸렌을 생산합니다.이 방법은 에너지 소비가 많고 온실가스 배출량도 크며 비용도 높을 뿐만 아니라, 원료가 석유에서 나오기 때문에 귀중한 석유 자원까지 차지해야 합니다. 　　석유 의존도를 줄이기 위해, 각국은 주성분이 메탄인 천연가스를 이용한 올레핀 생산에 대한 연구를 진행하고 있다.천연가스로 에틸렌을 생산하는 방법에는 직접법과 간접법이 있습니다.간접법의 복잡하고 번거로운 과정과 비교할 때, 직접법은 단 한 단계만으로 메탄을 에틸렌으로 전환할 수 있어 매우 높은 경제적 가치를 지니며 매력적입니다. 　　그러나 메탄의 선택적 활성화와 방향성 전환은 세계적으로도 매우 어려운 문제로, 화학계 전체의 ‘성배’로 불립니다. 그래서 1980년대부터 21세기 초까지 학계는 산업적으로 실용 가능한 메탄 직접 에틸렌 생산 공정을 개발하는 데 실패해 왔습니다. 　　돌파구의 열쇠는 촉매에 있습니다.2010년, Siluria사는 생물학적 템플릿을 창의적으로 활용하여 나노선 형태의 촉매를 정밀하게 합성했습니다. 또한 고처리량 기술을 이용해 다양한 후보 촉매들 중에서 가장 적합한 원소 조합을 선별함으로써, 산업적으로 실용적인 메탄을 직접 에틸렌으로 전환시키는 촉매를 개발해냈습니다. 　　이 촉매는 기존의 증기 분해법의 작동 온도인 200℃~300℃보다 낮은 온도에서, 5~10기압의 조건 하에서 메탄을 에틸렌으로 효율적으로 전환시킬 수 있으며, 그 활성도는 기존 촉매의 100배 이상입니다. 　　실루리아사가 설계한 반응기는 두 부분으로 나뉩니다. 한 부분은 메탄을 에틸렌과 에탄으로 전환하는 데 사용되고, 다른 한 부분은 부산물인 에탄을 에틸렌으로 분해하는 데 사용됩니다. 분해 반응에 필요한 열은 메탄 전환 반응에서 발생하는 열을 이용합니다.이러한 설계 덕분에 반응기의 공급물질은 천연가스이거나 에탄일 수 있으며, 동시에 에너지를 최대한 절약할 수 있습니다. 　　석유 대체 전략의 추진　Siluria사가 개발한 천연가스를 직접 이용해 에틸렌을 생산하는 공정(이하 ‘새로운 공정’)의 기술적 장점은 크게 다섯 가지로 나타납니다. 전통적인 나프타 분해 방식에 비해 비용이 저렴하고, 온실가스 배출량도 적으며, 에너지 효율도 높고, 경제적 가치도 뛰어납니다；에틸렌은 더욱 가공되어 액체 연료로 전환될 수 있으며, 이를 통해 전체 공정의 경제적 가치가 더욱 높아집니다；원료에 대한 요구사항이 엄격하지 않으며, 메탄은 천연가스나 생물질에서 얻을 수 있고, 산소 공급원으로는 순수 산소뿐만 아니라 고농도 산소가 포함된 공기나 압축 공기 등도 사용될 수 있다；기존의 에틸렌 생산 설비와 회수 장비를 활용할 수 있어, 개조 비용이 저렴함；천연가스 자원이 풍부하여 **중요한 전략적 가치를 지닙니다. 　　올레핀 산업에 미치는 영향 외에도, 이 새로운 공정은 휘발유, 디젤, 항공 연료를 포함한 액체 연료 생산에도 영향을 미칠 것입니다.실루리아사는 에틸렌을 이용한 액체 연료 생산 기술도 함께 개발했습니다. 이는 천연가스를 원료로 액체 연료를 만드는 또 다른 방법이 생겼다는 것을 의미합니다. 현재의 피토합성법을 기반으로 하는 방법과 비교할 때, 실루리아사의 이 방법은 에너지 소모가 많은 피토합성 과정을 거칠 필요가 없어, 투자 비용만으로도 25%~30%를 절약할 수 있습니다. 　　에틸렌이든 액체 연료든, 전통적으로는 석유를 원료로 생산되어 왔습니다. 새로운 방식을 통해 귀중한 석유 자원을 절약할 수 있으며, 석유 대체 전략도 추진될 수 있습니다. 　　2014년 6월, 세계 최대의 가스 및 엔지니어링 그룹인 독일의 린데그룹은 실루리아사와 협력 계약을 체결했습니다. 양사는 텍사스주에 위치한 시험 공장에서 이 기술을 최종적으로 발전시키고 검증하는 작업을 함께 진행할 예정입니다.협약에 따라 양측은 각자의 기술과 전문적인 솔루션들을 통합하여 하나의 패키지로 구성할 예정입니다. 린데 그룹은 이 패키지의 사용 권한을 석유화학 산업에 부여할 책임을 맡게 되며, 이 권한은 기존의 에틸렌 공장을 개조하거나 확장하거나, 혹은 세계적 수준의 새로운 에틸렌 공장을 건설하는 데 사용될 것입니다. 이러한 권한 부여 작업은 2015년 하반기부터 시작될 것으로 예상됩니다. 　　2014년 8월, 세계적인 통합 에너지화학 기업인 사우디아라비아의 아람코는 실루리아사에 투자했으며, 사우디아라비아에서 먼저 새로운 생산 공정을 도입할 계획입니다. 　　이전에는 중동 지역의 에탄 생산량이 새로운 에틸렌 공장을 운영하기에 부족했기 때문에, 신규 기업들은 고비용의 나프타 원료를 사용할 수밖에 없었습니다. 　　실루리아사의 새로운 루트는 마치 단비와 같이 등장하여, 중동의 석유화학 기업들의 관심을 빠르게 끌었으며, 그들에게 잠재적인 시장이 되었습니다. 　　해외뿐만 아니라, 새로운 노선도 미국의 **의 관심을 끌었습니다.2014년 3월, Siluria사의 CEO는 고위급 행사인 “2020 에너지 정책 포럼”에 초청받아 연설을 했으며, 초청된 기업들 중에서는 유일한 천연가스 업계 기업이었습니다.이후, 실루리아사의 고위 임원들은 백악관에 초대받아 미국 에너지부 장관 등 관계자들과 미국의 향후 에너지 정책 문제에 대해 논의했습니다. 　　미국은 **새로운 루트가 자국의 에너지 및 제조업에 미칠 전략적 가치를 이미 인식하고 있으며, 고용과 경제 발전을 촉진할 정책 마련을 검토하고 있다. 　　경험적 교훈　우리나라의 에틸렌 원료는 주로 나프타이며, 전체 원료의 약 65%를 차지합니다. 　　이전에는 국제 원유 가격의 급등과 국내 공급·수요 불균형이 심화되면서 올레핀 원료의 공급이 어려워져, 에틸렌 산업의 발전이 저해되었습니다.2015년에는 우리나라의 에틸렌 부족량이 1,370만 톤에 달할 것으로 예상됩니다. 　　뿐만 아니라, 우리나라는 에틸렌 생산 비용이 높고 경쟁력이 약한 문제가 있습니다.2013년 중동 지역의 에틸렌 생산 비용은 톤당 100달러에 불과했으며, 북미의 경우에는 톤당 300달러 정도를 유지했습니다. 반면, 우리나라의 에틸렌 생산 비용은 톤당 900달러 이상이었습니다. 　　따라서 우리나라는 새로운 에틸렌 생산 루트를 개척할 필요가 있다.천연가스를 직접 이용해 에틸렌을 생산하는 분야에서, 우리나라는 이미 탄탄한 연구 기반을 구축해 놓았습니다. 중국과학원과 여러 대학 등의 연구기관들도 강력한 연구 역량을 보유하고 있습니다. 　　따라서 우리나라는 ‘12차 5개년 계획’에서 메탄올을 이용한 올레핀 생산 분야에서 얻은 성공적인 경험을 참고하여, 천연가스를 직접 에틸렌으로 전환하는 기술에 대한 연구를 **‘13차 5개년 계획’의 관련 발전 계획에 포함시키는 것이 바람직하다.연구기관과 석유화학 기업 간의 연구개발 협력을 촉진하여, 기초 연구 성과를 신속하게 산업화된 생산 과정으로 전환시킵니다. 이를 통해 에틸렌 산업이 직면한 원료 공급 문제를 해결하고 생산 비용을 줄임으로써, 우리나라의 에틸렌 산업 및 하위 산업들의 경쟁력을 강화할 수 있습니다.