《정유공장의 품질 향상 및 효율 증대에 있어서의 수소화 분해의 역할》

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미국의 《하이드로케미칼 프로세싱》에 따르면, 수소화 분해는 정유 공장에서 가장 중요한 촉매 변환 장치로서, 원료유를 처리하는 데 있어 유연성을 제공할 뿐만 아니라 제품의 분배 면에서도 유연성을 갖추고 있습니다.최근 몇 년간 몇 가지 장치들이 이러한 유연성을 매우 높은 수준으로 발휘하게 했습니다. 일부 정유공장은 가수분해 장치를 활용하여 처리가 어려운 원유를 처리하고, 또 다른 공장들은 가수분해 장치의 처리 방식을 변경하여 윤활유 기초유 및 석유화학 원료 시장에서 기회를 모색합니다.이들 정유소는 수소화 크래킹 설비의 차별화된 가동을 실현함으로써 모두 경제적 효과를 높였습니다. 석유 정제업체들은 여전히 불안정한 이익 상황과 불확실한 미래에 직면해 있습니다.현재는 유가가 낮아 정유소들이 합리적인 이익을 얻을 수 있지만, 대량 석유제품 시장의 경쟁은 치열합니다.휘발유, 제트 연료, 디젤과 같은 전통적인 석유 제품에 대한 수요는 계속 감소할 것으로 예상되며, 아시아와 중동에 새로 건설된 고효율 정제소들로 인해 시장 경쟁은 더욱 치열해지고 있습니다.일부 정유공장들은 경쟁력을 높이는 방안을 선택했습니다.현재 일부 정유공장들은 수소화 크래킹 설비의 유연성을 활용하여 경쟁력을 높이고 있는데, 그 방법은 다음과 같습니다. 첫째, 저렴하고 질이 낮은 중질 원유를 가공하는 것입니다. 고산도 원유를 가공하는 정유공장의 경우 설비의 안정성 문제와 계획되지 않은 가동 중단의 위험이 있지만, 이러한 문제들은 현재 모두 해결된 상태입니다.저품질의 중질 원유를 가공하는 정유소의 경우, 다량의 방향족 화합물로 인해 생산되는 분별유의 품질이 심각한 압박을 받으며, 고품질의 윤활유 기초유를 생산하는 데에도 큰 어려움이 따릅니다. 수소화 크래킹과 분별유 수소화 처리 기술의 결합으로 선진적인 공정 프로세스가 등장하게 되었습니다.특별히 설계된 촉매를 사용하면 디젤의 밀도와 방향족 화합물의 함량을 줄일 수 있어 끓는점이 크게 변하고, 저온에서의 유동성도 향상됩니다. 그 결과, 방향족 화합물이 많이 포함된 원유를 가공하는 데에도 아무 문제가 없습니다.저품질의 중질 고금속 원유를 가공하는 정유소의 경우, 철, 니켈, 바나듐, 마그네슘, 나트륨, 칼슘과 같은 다량의 금속들이 심각한 코크 형성을 비롯한 여러 문제를 일으키지만, 최근에는 탈금 기술이 크게 발전했습니다.적절한 촉매를 선택하고 보호 침대 촉매를 사용하면 고활성 촉매가 정상적으로 기능하도록 할 수 있습니다. 저품질의 고중량 고질소 원유를 처리하는 정유공장의 경우, 높은 질소 함량이 수소화 크래킹 설비의 예비 처리 촉매에 큰 부담을 주며, 이로 인해 수소화 크래킹 설비의 처리 능력에 영향을 미칩니다.하지만, 더 우수한 활성을 가진 수소화 전처리 촉매와 활성 및 선택성이 더 뛰어난 수소화 크래킹 촉매가 성공적으로 개발되었습니다.이 두 가지 촉매를 함께 사용하여 사전 처리 촉매로 가공하기 어려운 원유를 처리하면, 제품의 수율과 설비의 운전 주기에 큰 손실이 생기는 것을 방지할 수 있습니다. 2. 수소첨가분해장치에서 비표준 원료유 가공하기
비표준 원료유 가공이란, 기존의 수소첨가분해용 원료인 감압가스오일에 지연코크스화, 용매탈아스팔트, 유동층수소첨가분해 및 (머지않아 도입될) 현탁층수소첨가분해 공정을 통해 생산된 가스오일과 같은 분해성분들을 일부 혼합하는 것을 말한다.이러한 원료들(코크스화 중질 가스오일, 탈아스팔트 오일 포함)은 질소, 콘스탄트 침전물, 금속 함량이 매우 높아 가공하기가 매우 어렵습니다.일부 원유는 이미 분해된 상태이기 때문에 ‘억제’ 효과가 있어, 가공하기가 더 어렵습니다.차세대 촉매의 등장과 그 성능은 이러한 원료들을 경제적이고 효율적으로 가공할 수 있게 하는 핵심 요소이며, 새로운 수소화 분해 설비를 건설하든 기존의 수소화 분해 설비를 개조하든 마찬가지입니다. 삼. 수소첨가분해를 통한 윤활유 기유 또는 크래킹(에틸렌 생산) 원료 생산
중간유분은 보통 가치가 높은 제품이지만, 일부 지역에서는 윤활유 기유나 크래킹 원료가 경제적으로 더 유리한 제품입니다. 따라서 일부 정유공장들은 이러한 시장 기회를 활용하고 있습니다.윤활유 기유 시장의 경우, 일부 원인으로는 용매 정제 기술을 이용해 생산되는 I급 기유 제품이 이성질체 탈왁스/수소첨가 후 정제 기술을 이용해 생산되는 II/III급 기유로 전환되고 있기 때문입니다.I등급 기초유에 대한 수요는 크게 감소할 것으로 예상됩니다. 특히 유럽과 북미 지역에서는 이미 일부 I등급 기초유 생산 설비가 가동을 중단했습니다. 새로 건설되는 설비들도 모두 II/III등급 기초유를 생산하는 설비입니다. 중요한 점은, II/III등급 기초유는 보통 수소화 분해 설비에서 나오는 부산물을 이용해 생산된다는 것입니다.물론, 3등급 기초유는 높은 전환율을 가진 수소화 크래킹 과정에서 얻어지는 폐유를 사용하여 생산해야 합니다. 왜냐하면 높은 전환율의 수소화 크래킹 폐유만을 사용해야만 점도 지수가 120~130에 달하는 기초유를 얻을 수 있기 때문입니다.앞으로 모든 윤활유 기초유는 수소화 분해 장치에서 원료로 공급될 것으로 예상됩니다. 윤활유 기초유를 생산하는 데에는 수소화 분해 장치의 증류탑 바닥에 남아 있는 미전환 오일의 특성을 깊이 이해할 필요가 있으며, 특히 점도 지수와 방향족 화합물, 황 및 질소 함량이 중요합니다.수소화 분해 장치의 공정 흐름과 적절한 촉매 시스템의 선정은 최고의 수율과 고품질의 기초 오일 제품을 얻는 데 있어 핵심적인 요소입니다. 열분해 원료 생산 측면에서, 오랫동안 에틸렌을 열분해 생산하기 위한 최적의 원료는 에탄이었습니다.현재도 여전히 에틸렌을 생산하는 데 가장 좋은 원료이지만, 공급원의 한계로 인해 원료 공급처를 확대해야 하며, 액화가스, 나프타, 수소화 처리된 감압 가스오일을 활용하고 있으며, 최근에는 수소화 크래킹을 거쳐도 전환되지 않은 잔여 오일을 사용하고 있다.원료의 무게가 늘어나면 에틸렌 수율이 낮아지고, 원하지 않는 다른 제품들이 증가합니다.하지만 원자재 가격은 이미 하락했습니다. 석유 정제 산업과 마찬가지로 석유화학 산업에도 고유한 경기 순환 주기가 있으며, 석유 정제/화학 통합 기업의 장기적인 성공 열쇠는 원료유의 유연성에 있다.수소화 크래킹은 여기서 중요한 장점이 있습니다.수소를 미전환된 제품에 선택적으로 첨가하기 때문에, 일정한 수율 손실이 발생할 수도 있습니다.하지만 수소 함량이 높을수록 분해된 에틸렌의 수율도 높아지는데, 이것이 바로 이 원료의 가치입니다.많은 현대적인 분해 장치들은 에탄에서 나프타, 수소화 분해 과정에서 나오는 잔여유에 이르기까지 다양한 원료를 처리할 수 있도록 설계되어 있습니다. 셰브론 페르니스 정유소의 수소화 분해 장치와 인근 모에르디크 석유화학 공장의 분해 장치 간의 통합이 바로 이를 잘 보여줍니다.2013년에 수소화 분해 장치의 운전 주기가 거의 끝날 무렵, 해당 장치의 기술 전문가들은 새로운 수소화 분해 촉매로 교체하는 것이 고부가가치 중질유의 수율을 높이는 데 도움이 될 것이라고 판단했습니다.하지만, 이러한 변화는 쉘사가 인근에 가진 모에르디크 석유화학 공장에게도 부정적인 영향을 미칩니다. 왜냐하면 그 석유화학 공장도 수소화 분해 과정에서 나오는 폐유를 분해 장치의 원료로 사용하기 때문입니다.새로운 촉매로 인해 수소화 크래킹 과정에서 나오는 오일의 수소 함량이 감소한다면, 크래킹 장치의 에틸렌 수율이나 크래킹 로의 운전 주기에 심각한 영향을 미칠 것입니다. 따라서 기술 전문가들은 새로운 촉매가 수소화 크래킹 과정에서 나오는 오일의 품질에 영향을 주지 않으면서도 중간 분별유의 수율을 높여줄 수 있기를 기대하고 있습니다. 이러한 기업의 통합은 촉매 교체의 복잡성을 증가시켰으며, 최종적으로 승인된 방안은 기업 통합의 가치를 높여 정유공장과 석유화학공장 모두의 이익을 증대시키는 것이었습니다.프로젝트 팀이 촉매를 교체한 후에 내린 평가 결과에 따르면, 기업의 총 이익은 매년 500만 달러씩 증가했습니다. IV. 수소화 크래킹을 이용한 크래킹 원료 또는 윤활유 기초유 생산을 위한 조합 방안
현재, 수소화 크래킹 장비의 유연성을 활용하여 크래킹 원료나 윤활유 기초유를 생산함으로써 공장의 이익을 높이는 기술은 다음과 같은 네 가지가 있습니다. 첫째는 고진공 감압 증류와 수소화 크래킹을 결합한 방식입니다.감압 증류를 통해 감압 가스오일 수율을 극대화함으로써, 수소화 분해용 원료유를 더 많이 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 슬래그 오일 처리 설비의 규모도 줄여 투자 비용도 절감할 수 있다.실제로 검증된 바에 따르면, 최신 세대의 감압 증류 기술인 고진공 감압 증류는 더 많은 감압 가스오일을 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 중금속(니켈과 바나듐), 잔탄, 그리고 C7 아스팔틴(가장 중요한 요소)의 함량도 수소화 분해 장치에서 허용 가능한 범위 내로 유지시킬 수 있다.데이터에 따르면, 개조된 고진공 감압 증류 장치를 사용하면 감압 가스오일의 수율이 약 2% 정도 향상되며, 장치의 운전 주기도 3년에서 4년으로 연장될 수 있습니다.개조에 드는 투자금은 적으며, 투자 회수 기간은 1년 미만입니다.또한, 개조 내용은 많지 않으며, 주로 새로운 스프레이 분포기, 새로운 세유층 정규 충전재, 그리고 새로운 스트리핑 트레이를 설치하는 것입니다. 개조에 걸리는 시간도 길지 않아 정유공장의 정기 대보수 기간 중에 완료할 수 있습니다. 둘째는 지연코킹-수첨분해 조합입니다.일반적으로 지연코킹은 가장 효과적인 잔류유 가공 기술로 여겨지지만, 코크화된 중질가스오일은 하류 설비에서의 가공에 영향을 미칩니다.수첨분해장치에서 코크화된 중질유와 감압유를 함께 가공하면 윤활유 기유 생산용 원료에 영향을 줄 수 있다는 견해가 있다.사실, 최신 수소첨가분해 기술을 이용하면 콜라이트 중유와 감압증류유를 함께 가공하여 고품질의 청정 연료나 윤활유 기유 원료를 생산할 수 있습니다.지연 촉화-수소 분해 조합은 연료유를 생산하지 않으면서도 정유소에 원유 처리의 유연성을 제공하는 매우 효과적인 방식입니다.수첨분해장치는 정유공장에서 원유를 교체함으로써 얻게 되는 고질소·고방향족 원료를 가공할 수 있기 때문에, 지연코크스장치는 가공이 매우 어려운 잔류유를 가공할 수 있다. 셋째는 용매 탈아스팔트-수소화 크래킹 조합입니다.용매 탈아스팔트와 탈아스팔트 오일 수소화 크래킹을 결합한 방식은, 특히 슬래그 오일의 직접 수소화 크래킹에 비해 가장 적은 투자가 필요한 슬래그 오일 전환 방안입니다.금속과 잔탄 함량이 높기 때문에, 전통적인 방법으로는 탈아스팔트유를 촉매 분해하는 것입니다.감압 가스오일은 금속 함량이 약 1~2ppm이며, 잔탄 함량은 약 0.5~1.0중%입니다. 반면, 탈아스팔트 오일의 경우 금속 함량은 보통 15~30ppm이고, 잔탄 함량은 약 6~10중%입니다.잘 설계된 촉매 시스템과 함께 전처리 및 분해 촉매를 사용하면 이러한 불순물을 비교적 쉽게 처리할 수 있습니다.탈아스팔트유는 “깨끗한” 수소화 크래킹 원료로, 감압 가스오일에 비해 C7 아스팔틴 함량이 매우 낮습니다.산업 데이터에 따르면, 탈아스팔트 오일 C7의 아스팔틴 함량은 10ppm에 불과한 반면, 감압 가스오일 C7의 아스팔틴 함량은 700ppm에 달합니다.핵심은 아스팔트 제거용 촉매에 대해 잘 이해하고 있는 것입니다.상압 슬래그 오일의 탈금과 비교할 때, 탈아스팔트 오일의 탈금은 빠르고 쉽습니다.설계된 반응 조건은 서서히 탈금이 이루어지도록 해야 하며, 촉매에 침전된 금속의 양을 최대화해야 한다.촉매의 선택도 매우 중요하며, 전처리 촉매와 개질 촉매 모두 마찬가지입니다. 선택성과 활성 사이에 균형을 이루어야 하며, 탈아스팔트유의 특성에 적합해야 합니다. 여기에는 탈아스팔트유에 포함된 큰 분자량의 탄화수소들도 고려되어야 합니다.첨단 용매 탈아스팔트 장치를 사용하면 높은 수율과 함께 불순물이 거의 포함되지 않은 탈아스팔트 오일을 얻을 수 있습니다.불순물이 수소화 크래킹 장치의 운전에 미치는 영향은 상당히 다르며, 가장 큰 영향을 미치는 것은 C7 아스팔틴이고, 그 다음으로는 금속, 잔탄, 질소 순이며, 가장 작은 영향을 미치는 것은 황입니다. 넷째는 수소화 분해-이성질화 탈왁스 조합입니다.윤활유 기초유의 생산 공정이 용매 정제에서 이성질화 탈왁스 방식으로 빠르게 전환되고 있습니다.기초유의 품질 향상은 특정 원유를 사용하는 데 달려 있지 않으며, 기초유의 수율이 높아지면 시장에서 요구되는 고품질의 III류 기초유를 생산하기도 더 용이해진다.수소화 크래킹과 이성질화 탈왁스를 결합하는 것은 정유공장에서 처리하기 어려운 원유를 처리하는 전략과 일치하며, 수소화 크래킹은 핵심적이고 실현 가능한 장치입니다. 전형적인 조합으로는 상압 슬래그 오일을 고진공 감압 증류 장치에 투입하여 심층 플래시를 통해 최대량의 수소화 크래킹 원료인 감압 가스 오일을 얻는다.수소화 분해의 전환율을 세밀하게 조절함으로써 제품의 품질과 수율을 균형 있게 유지할 수 있으며, 이성질화 탈왁스/수소화 후처리 장치를 통해 필요한 II류 또는 III류 베이스 오일 제품을 생산할 수 있다.더 무거운 500N 기초유에 대한 수요가 충분하다면, 탈아스팔트유를 첨가할 수 있습니다(한국 현대석유공사의 생산 방식도 이와 같습니다).탈아스팔트유를 이용한 가공 공정을 통해도 II류 광택유를 생산할 수 있습니다. 현재 시장에는 이러한 제품이 아직 없지만, I류 기초유를 생산하는 설비들이 점점 더 폐쇄되고 있으며, 기존의 광택유 공급도 줄어들고 있기 때문에 수요가 있을 것으로 보입니다.