올레핀(Olefin) 생산 공정에서 발생하는 이산화탄소 배출 저감을 위한 신기술 적용 효과 Contribution of Advanced or Alternative Process to Carbon-Dioxide Emission Reduction in Olefin Production Plant원문보기
플라스틱에서부터 의약품에 이르기까지 대부분 일상 제품의 핵심적 기초 원료가 되는 경질올레핀은 한 국가의 경제규모와 성장을 예측할 수 있는 중요한 지표이다. 이러한 경질올레핀을 생산하는 NCC (Naphtha Cracking Center) 기술은 석유 관련 기간산업 중에서 가장 많은 에너지를 소비하는 공정으로 다량의 $CO_2$를 발생 시킨다. 본 연구에서는 다량으로 방출되는 $CO_2$를 감축, 저감시킬 수 있는 새로운 NCC 공정의 기술 수준과 개발 현황 및 기술 적용 가능성을 검토하였으며, 새로운 기술이 적용될 경우 $CO_2$ 저감 효과 및 그에 따른 탄소배출권, 그리고 에너지 절감양 등을 정량적으로 산출 하였다. 그 결과 고급 NCC 기술을 적용하면 기존 NCC 공정의 총 에너지 소비량의 약 35%를 줄일 수 있어 연간 약 330만톤의 $CO_2$ 감축과, 약 1,280억원의 탄소배출권 및 중유 약 152만 kL를 줄일 수 있다. 또한 촉매 접촉 분해 기술을 적용하면 연간 최대 약 380만톤의 $CO_2$를 저감할 수 있고 1,470억원 규모의 탄소배출권 및 약 174만 kL의 중유 소비를 줄 일 수 있다.
플라스틱에서부터 의약품에 이르기까지 대부분 일상 제품의 핵심적 기초 원료가 되는 경질올레핀은 한 국가의 경제규모와 성장을 예측할 수 있는 중요한 지표이다. 이러한 경질올레핀을 생산하는 NCC (Naphtha Cracking Center) 기술은 석유 관련 기간산업 중에서 가장 많은 에너지를 소비하는 공정으로 다량의 $CO_2$를 발생 시킨다. 본 연구에서는 다량으로 방출되는 $CO_2$를 감축, 저감시킬 수 있는 새로운 NCC 공정의 기술 수준과 개발 현황 및 기술 적용 가능성을 검토하였으며, 새로운 기술이 적용될 경우 $CO_2$ 저감 효과 및 그에 따른 탄소배출권, 그리고 에너지 절감양 등을 정량적으로 산출 하였다. 그 결과 고급 NCC 기술을 적용하면 기존 NCC 공정의 총 에너지 소비량의 약 35%를 줄일 수 있어 연간 약 330만톤의 $CO_2$ 감축과, 약 1,280억원의 탄소배출권 및 중유 약 152만 kL를 줄일 수 있다. 또한 촉매 접촉 분해 기술을 적용하면 연간 최대 약 380만톤의 $CO_2$를 저감할 수 있고 1,470억원 규모의 탄소배출권 및 약 174만 kL의 중유 소비를 줄 일 수 있다.
Light olefins are very important hydrocarbons widely used as the raw materials of the most petrochemicals including plastics and medicines. In addition, the nation's olefin production capacity is regarded as one of the key indicators to predict the nation's economic scale and growth. Steam cracking ...
Light olefins are very important hydrocarbons widely used as the raw materials of the most petrochemicals including plastics and medicines. In addition, the nation's olefin production capacity is regarded as one of the key indicators to predict the nation's economic scale and growth. Steam cracking of naphtha (or called "NCC (Naphtha Cracking Center) technology"), the traditional process to produce light olefins, is one of the most consuming energy processes among the chemical industries. Therefore, this process causes tremendous $CO_2$ emission. To reduce the energy consumption and $CO_2$ emission from NCC process, the present paper, firstly, investigates and analyses some alternative technologies which can be potentially substituted for traditional process. Secondly, applying the alternative technologies to NCC process, their effects such as energy savings, $CO_2$ emission reduction and CER (Certified Emission Reduction) were estimated. It is found that the advanced NCC process can reduce approximately 35% of SEC (Specific Energy Consumption) of traditional NCC process. This effect can lead to the reduction of 3.3 million tons of $CO_2$ and the acquisition of the 128 billion won of CER per year. Catalytic cracking of naphtha technology, which is other alternative processes, can save up to approximately 40% of SEC of traditional NCC process. This value equates to the 3.8 million tons of $CO_2$ mitigation and 147 billion won of CER per year.
Light olefins are very important hydrocarbons widely used as the raw materials of the most petrochemicals including plastics and medicines. In addition, the nation's olefin production capacity is regarded as one of the key indicators to predict the nation's economic scale and growth. Steam cracking of naphtha (or called "NCC (Naphtha Cracking Center) technology"), the traditional process to produce light olefins, is one of the most consuming energy processes among the chemical industries. Therefore, this process causes tremendous $CO_2$ emission. To reduce the energy consumption and $CO_2$ emission from NCC process, the present paper, firstly, investigates and analyses some alternative technologies which can be potentially substituted for traditional process. Secondly, applying the alternative technologies to NCC process, their effects such as energy savings, $CO_2$ emission reduction and CER (Certified Emission Reduction) were estimated. It is found that the advanced NCC process can reduce approximately 35% of SEC (Specific Energy Consumption) of traditional NCC process. This effect can lead to the reduction of 3.3 million tons of $CO_2$ and the acquisition of the 128 billion won of CER per year. Catalytic cracking of naphtha technology, which is other alternative processes, can save up to approximately 40% of SEC of traditional NCC process. This value equates to the 3.8 million tons of $CO_2$ mitigation and 147 billion won of CER per year.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 CO2 발생을 줄이는 기술을 적용하기 적합한 분야로 올레핀을 생산하는 기존 납사분해공정(NCC; Naphtha Cracking Center, NCC, 이하 NCC라 함)을 선택하여 이 분야에서 에너지 소비를 줄이고 CO2 발생을 저감시키기 위해 현재 고려되고 있는 새로운 올레핀 생산 기술 수준을 소개하고 향후 기술 전망에 대한 검토를 통해 새로운 공정기술을 적용했을 경우 얻을 수 있는 에너지 소비 및 CO2 배출저감 효과, 그리고 이로 인해 확보 가능한 탄소배출권(CER; Certified Emission Reduction) 등을 정량적으로 추정하여 향후 온실가스 배출 저감에 대한 새로운 기술 적용 및 그에 대한 파급 효과에 대해 언급하였다.
본 기술에서의 촉매 사용 및 촉매 개발 기술은 가장 핵심적 내용으로 열분해에 소요되는 상당량의 에너지 절감을 가능케 한다. 촉매 사용으로 인한 에너지의 절감의 가장 큰 이유는 촉매가 Fig.
8) 그러나 CCN 기술은 기존의 NCC 공정을 가장 성공적으로 대체 할 수 있는 기술로 주목 받고 있다. 본 기술은 국내의 LG Chem26,42)과 일본의 AIST43) (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan)에 의해 개발되어 현재 국내는 물론 중국과 일본에서도 매우 활발한 연구가 진행되고 있으며 다음 절에 본 기술에 대해 자세히 언급 하였다.
본 기술은, 기존 공정의 중요 부분을 유지한 상태에서 약간의 공정 개선을 통해 에너지 절감을 실현하는 기술로 Technip-Coflexip, ABB lummus, Linde AG, Stone and webster, Kellogg Brown & Root 등의 유명 회사에 의해 연구가 진행되고 있다.
본 논문은 이러한 연구 내용과 동향에 대해 조사, 검토하였다. 그 결과 이러한 연구는 크게 ①기존 NCC 공정의 부분적 개선 기술, ②기존 NCC 공정의 고급 개선 기술, ③기존 NCC 공정의 대체 및 대안 기술 등의 내용으로 진행됨을 알 수 있었고 이들 기술 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
첫째는 SEC를 절감하는 문제이고 둘째는 사용되는 원료의 종류, 즉 기존의 원유 관련 원료를 사용하느냐, 아니면 기타 석탄이나 바이오매스 등을 사용하느냐에 관한 문제이다. 우리나라를 포함한 많은 비 산유국의 경우 대부분 나프타를 원료로 사용하므로 본 논문에서는 나프타를 원료로 사용하는 경우 SEC를 줄이고 CO2 저감이 가능한 최신 NCC 공정 개발에 대한 내용만을 설명하고 CO2 저감 효과와 에너지 소모량을 추정하였다.
가설 설정
이와 같은 분해로 재질의 향상으로 인해 기존 NCC 공정 SEC의 10%를 (2~3 GJ/t ethylene) 절감할 수 있다고 주장되고 있다.8) 또 하나의 새로운 고급 기술은 가스터빈의 통합 기술이다. NCC 공정에 가스터빈을 통합 시키면 스팀과 전기를 동시에 얻을 수 있고 또한 분해로에서 원료를 가열하는데 쓰이는 고온의 연소 가스를 얻을 수 있다.
또한 촉매는 고가인 프로필렌 수율과 선택도를 높이는 역할도 하는데 기존의 NCC 공정과 같은 반응 조건에서 본 기술의 총 올레핀 수율은 최소 15% 높다.8) 촉매 기술이 낮았던 과거에는 본 기술에 대한 평가가 상당히 부정적이었다. 과거에 개발된 촉매의 성능관점에서, 본 기술은 열역학적 평형문제, 코킹의 증가.
A-NCC는 기존 NCC 기술 SEC의 약 35%를 CCN 기술은 약 40%의 SEC를 절감할 수 있으며 이러한 에너지 절감 효과는 CO2 발생 저감에 정비례 한다고 가정할 수 있다. 따라서 이를 정량적으로 계산하면 두 기술을 적용했을 경우 국내에서 저감 가능한 CO2 감축량은 각각 연 330만톤 내지 연 380만톤으로 추정할 수 있다.
제안 방법
본 논문은 이러한 연구 내용과 동향에 대해 조사, 검토하였다. 그 결과 이러한 연구는 크게 ①기존 NCC 공정의 부분적 개선 기술, ②기존 NCC 공정의 고급 개선 기술, ③기존 NCC 공정의 대체 및 대안 기술 등의 내용으로 진행됨을 알 수 있었고 이들 기술 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이와 같이 CO2 배출량에 있어 큰 비중을 차지하는 기존 올레핀 제조 공정에 대해 최근 에너지 최적화 기술, 원료 절감기술, CO2 방출 최소화 기술 등과 같은 공정 개선 및 대체 기술에 대한 연구와 관심이 증대되고 있으며 이에 대한 집중적인 연구와 개발 노력이 절실히 요청되고 있다. 다음 장에서 이와 관련하여 새로운 기술 개발의 필요성과 공정을 소개하고 그 적용 효과에 대해 언급하였다.
성능/효과
- 촉매 접촉 분해 기술은(CCN) 최대, 기존 NCC 공정 SEC의 40%를 절감 할 수 있다. 이는 CO2 발생 저감에 직접적으로 기여하여 이를 국내에 적용하면 연 380만톤의 CO2 배출 감소, 1,470억원 규모의 탄소배출권 확보 및 약 174만 kL의 중유 소비를 줄일 수 있다.
Table 3에서와 같이 국내 경질올레핀은 2008년 기준, 에틸렌 약 680만톤, 프로필렌 약 460만톤이 생산되었다. 2010년 이후 국내 올레핀 생산량을 추정하기 위해 현재 우리나라 올레핀 생산 비율이 전 세계 생산량의 5.2%를 차지한다는 가정을 적용하면 2011년에 연간 약 810만톤, 2020년도에는 연간 약 910만톤의 에틸렌 생산이 가능할 거라 예상되고 향후에도 올레핀 생산 공정 기술이 현재와 변화가 없다면 이로 인해 발생하는 CO2양은 2011년에 약 1,560만톤, 2020년도에는 1,720만톤으로 계산된다. 이와 같이 CO2 배출량에 있어 큰 비중을 차지하는 기존 올레핀 제조 공정에 대해 최근 에너지 최적화 기술, 원료 절감기술, CO2 방출 최소화 기술 등과 같은 공정 개선 및 대체 기술에 대한 연구와 관심이 증대되고 있으며 이에 대한 집중적인 연구와 개발 노력이 절실히 요청되고 있다.
이들 기술 대부분은 열분해가 일어나는 분해로 코일(Furnace coil)의 최적화, 즉 열교환 효율의 증가, severity의 증가, 코킹의 최소화 및 올레핀 수율의 극대화에 초점을 두고 있다.8) 본 기술들의 SEC는 18~25.2 GJ/t ethylene으로 알려져 있어 기존 NCC 공정 SEC 값의 (26~31 GJ/t ethylene) 20%를 절감 시킬 수 있다. 하지만 발표된 본 기술들의 자료에는 가스터빈 기술 등에 관한 에너지 손실 비용이 배제되어 있다.
8) 이러한 고급 증류탑을 에틸렌/에탄, 프로필렌/프로판 splitter에 적용시킬 경우 기존 NCC 공정의 증류에 소모되는 에너지의 60~90%의 에너지(0.1~0.3 GJ/t ethylene)를 절감할 수 있다.8)
8) 촉매 기술이 낮았던 과거에는 본 기술에 대한 평가가 상당히 부정적이었다. 과거에 개발된 촉매의 성능관점에서, 본 기술은 열역학적 평형문제, 코킹의 증가. 올레핀의 낮은 수율, 가치 없는 부산물의 생성 등을 유발하고 매우 비효율적 공정이라 평가되었지만 최근 개발된 최신 촉매는 이러한 문제점을 상당히 해결 하였는데 이에 관한 내용은 다음과 같다.
VSA 기술은 에탄과 프로판 같은 파라핀으로부터 에틸렌, 프로필렌을 고체흡착제를 이용, 선택적으로 흡착시키는 공정이다. 또한 MVR 기술은 기존의 프로판/프로필렌 splitter에 적용 가능하며 이 기술로 기존 NCC 공정 SEC의 5%를 (1 GJ/t ethylene) 절감할 수 있다.8)
또한 이러한 코팅은 올레핀 선택도에 있어서도 촉매 효과를 발휘하고 또한 높은 severity를 가능케 하여 에틸렌 수율을 증가 시킬 수 있다. 또한 기존의 분해로 재질인 Cr-Ni 합금의 표면 허용 온도가 1,100℃에 불과 한데 반해 탄소실리콘(SiC; Sintered silicon carbide) 세라믹을 코팅하면 1,400℃까지 최대 분해 온도를 증가 시킬 수 있고 높은 전도율을 유지할 수 있다. 이와 같은 분해로 재질의 향상으로 인해 기존 NCC 공정 SEC의 10%를 (2~3 GJ/t ethylene) 절감할 수 있다고 주장되고 있다.
CCN 기술에서 사용되는 반응기는 보통 기존 NCC 공정에서 사용되는 관형반응기와 유사하다. 또한 본 공정에 반응기와 촉매들은 기존의 FCC 기술에 적용되는 고정층 반응기나 유동층 반응기의 사용도 가능하다. 본 기술에 적용 가능한 FCC 반응기는 기존 NCC 공정의 분해로보다 크기가 작고 반응기내 촉매와 원료를 밀착시켜 결과적으로 반응 효율을 증가시키게 된다.
따라서 본 공정은 반응 온도가 낮고 코킹을 쉽게 제거 할 수 있기 때문에 궁극적으로 상당량의 에너지를 절감 할 수 있으며 이는 곧 CO2의 발생량 저감을 의미한다. 또한 촉매는 고가인 프로필렌 수율과 선택도를 높이는 역할도 하는데 기존의 NCC 공정과 같은 반응 조건에서 본 기술의 총 올레핀 수율은 최소 15% 높다.8) 촉매 기술이 낮았던 과거에는 본 기술에 대한 평가가 상당히 부정적이었다.
또한 본 공정에 반응기와 촉매들은 기존의 FCC 기술에 적용되는 고정층 반응기나 유동층 반응기의 사용도 가능하다. 본 기술에 적용 가능한 FCC 반응기는 기존 NCC 공정의 분해로보다 크기가 작고 반응기내 촉매와 원료를 밀착시켜 결과적으로 반응 효율을 증가시키게 된다. 본 기술에 FCC 반응기를 적용할 경우 기존 NCC 공정의 SEC 값인 5~9 GJ/t ethane or naphtha 보다 약 2~3 GJ/t feedstock을 절감시키며8) 또한 반응 온도가 기존 NCC 공정 보다 낮기 때문에 폐열을 공정에 사용할 수 있는 장점도 있다.
후속연구
이러한 효과 이 외, 두 가지 최신 기술은 중장기적 측면에서 원료의 수급, 프로필렌의 수요증가, 공장 운용의 효율성, 그리고 올레핀 산업이 타 화학 산업에 미치는 파급 효과를 고려해 볼 때 이에 관련한 새로운 기술 개발에 더 많은 투자가 이루어 져야 하겠다.
본 기술에 FCC 반응기를 적용할 경우 기존 NCC 공정의 SEC 값인 5~9 GJ/t ethane or naphtha 보다 약 2~3 GJ/t feedstock을 절감시키며8) 또한 반응 온도가 기존 NCC 공정 보다 낮기 때문에 폐열을 공정에 사용할 수 있는 장점도 있다. 이와 같이 CCN 공정은 열분해 부분에 적절한 촉매와 반응기를 사용하고 또한 정류/분리 공정 부분에 현재 연구 되고 있는 최신 기술을 통합한다면 본 기술은 기존의 최고 NCC 기술 SEC의 40% 정도까지의 상당한 에너지 절감이 가능하다.8)
현재 국내 NCC 공정에서 사용되는 주 에너지 연료는 중질 중유로써(B-C유) B-C유의 발열량을 고려하여 이를 B-C유 양으로 환산하면 A-NCC 기술의 경우 152만 kL와 CCN기술인 경우 174만 kL를 절감할 수 있다는 계산이 가능하다. 이와 더불어 신 기술의 개발로 그와 관련한 장치, 촉매, 기계 및 부품 소재의 향상을 기대할 수 있으며 특히 NCC 공정이 석유화학 및 정유부문 전 분야에서 차지하는 막대한 위치를 볼 때, 타 석유화학 산업에서도 CO2 발생 저감 공정 개발을 유도할 수 있는 커다란 파급효과 또한 기대 할 수 있겠다.
이상, 기존 NCC 기술의 각 부분 공정에 개별적인 A-NCC기술 적용에 대해 언급했지만 이러한 대부분의 고급 기술은 아직 개발 초기 단계이고 따라서 에너지 절감율을 정확하게 산출하기는 힘들다. 하지만 언급한 바와 같이 열분해 및 정류/분리공정 모두에서 이러한 고급 기술들을 적절하게 통합, 운용한다면 A-NCC 기술은 기존 최신 NCC 공정 SEC의 35%정도의 에너지 절감이 가능하고 향후 상당한 잠재성이 있는 기술이라 하겠다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
경질올레핀은 주로 어떻게 생성되는가?
컴퓨터에서부터 의약품에 이르기까지 대부분 일상 제품의 원료가 되는 경질올레핀은 최근 다른 화학물질에 비해 그 수요가 급속이 증가하고 있고 특히 프로필렌의 수요는 한 국가의 경제 규모를 예측할 수 있는 중요한 지표가 된다. 경질올레핀은 주로 나프타를 원료로(또는 에탄 및 중질 탄화수소) 수증기 열분해(Steam cracking of naphtha) 반응 공정인 납사분해공정(NCC)에 의해 생성되는데, 국내 올레핀 생산도 거의 NCC 공정에 의존하고 있다. 유럽의 경우도 95%의 에틸렌과 70~75%의 프로필렌이 NCC 공정으로, 그 외 정유 공장의 유동층 촉매 열분해(FCC; Fluidized catalytic cracking) 공정으로 28%, 프로판 탈수소화(Dehydrogenation) 또는 치환법(Metathesis)으로 2% 정도가 만들어 지고8,11,27) 현재 세계적으로 약 250여개의 NCC 공정이 운전되고 있다.
분해로 부분에서의 기술 내용은 예를들어 어떤 방법들에 초점을 맞추는가?
분해로 부분에서의 기술 내용은 열교환 효율을 증가 시키고 severity를 향상시키는데 그 초점을 두고 있다. 예를 들어 ① 열매체로써 고체인 모래나 코크, 기타 고체 캐리어(Carrier)를 순환시키는 방법 ② Bed를 순환시키는 방법 ③ 프로필렌/에틸렌 비의 조절을 용이하게 하기 위해 라디언트 코일(Radiant coils)을 선택하는 방법 ④ 튜브나 코일에 세라믹을 코팅하거나 분해로의 재질을 향상시키는 방법 등에 초점을 맞추고 있다. 새로운 분해로의 재질 향상은 코킹을 줄이며 분해로 내 열교환 효율을 증가시킬 수 있다.
CO2 배출을 줄이는 방법은 어떻게 구분할 수 있는가?
CO2 배출을 줄이는 방법은 크게, CO2 발생 자체를 줄이는 방법과 발생하는 CO2를 포집 저장하는 방법인 CCS (Carbon Capture & Storage) 기술로 나눌 수 있다.5,6) 이러한 두 가지 방법 중, 전자의 방법은 별도의 CCS 공정이 불필요한 장점이 있으나 CCS 기술보다 더 많은 비용이 투자될 수 있고, 안정적으로 운전되고 있는 기존 공정의 많은 부분을 개선해야하는 복잡성, 투자비에 비해서 CO2 저감 효율이 저하 될 수 있는 가능성, 그리고 기술 효과가 나타나는 데 오랜 시간이 소요된다는 점, 또한 기술의 한계 및 기술의 적용 분야가 좁다는 등의 이유로 현재 CCS 기술 개발 연구가 더 많은 주목을 받고 있는 게 사실이다.
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