초록 ▼

I. 제목
중질 잔사유의 부분 산화법에 의한 수소 제조 공정 개발
Ⅱ. 기술개발 목적 및 중요성
1. 기술개발의 목적
본 연구의 목적은 정유산업의 부산물에 해당되는 중질 감압잔사유로부터 수소 제조공정의 개발이다. 중질 감압 잔사유는 그 구성 성분중에 유황 성분이 많아 촉매에 의한 steam reforming 방법이 적용될 수 없다. 따라서 부분산화법(partial oxidation)에 의해 합성가스를 제조하고 이를 탈황 및 수성가스 전이 방법을 통해 수소를 제조할 수 있다. 본 연구 중질 감압 잔사유로부

I. 제목
중질 잔사유의 부분 산화법에 의한 수소 제조 공정 개발
Ⅱ. 기술개발 목적 및 중요성
1. 기술개발의 목적
본 연구의 목적은 정유산업의 부산물에 해당되는 중질 감압잔사유로부터 수소 제조공정의 개발이다. 중질 감압 잔사유는 그 구성 성분중에 유황 성분이 많아 촉매에 의한 steam reforming 방법이 적용될 수 없다. 따라서 부분산화법(partial oxidation)에 의해 합성가스를 제조하고 이를 탈황 및 수성가스 전이 방법을 통해 수소를 제조할 수 있다. 본 연구 중질 감압 잔사유로부터 수소제조를 위한 부분산화 반응기를 제작하고, 이것에 대한 버너 개발, 연료주입시스템 및 반응기의 특성 등을 분석하여, 향후 추진될 수소제조 공정의 기본 data 획득을 목표로 하였으며, 아울러 수소제조를 위한 탈황 설비 및 수소 전이 반응기의 제작 및 실험을 통해 정유산업의 부산물인 감압 잔사유의 수소 제조 공정 개발 가능성을 확인하는데 목표를 두었다.
2. 기술개발 중요성
국내에서는 환경 규제의 강화와 OECD 가입으로 연료유의 유황 규격이 급속도로 낮아지고 있다. 이로 인하여 ‘97부터 경유의 유황 규격이 0.05 wt%로 낮아졌으며, B-C유도 대부분 0.5%이하를 사용해야 되며, 2001년부터는 0.3%로 낮아질 예정이다. 이러한 규격을 직접 충족시킬 수 있는 원유는 인도네시아나 서아프리카의 소규모 특정 원유밖에는 없어 국내 소요량에 매우 미달하고 가격 또한 매우 높아 국가의 에너지 수급이나 경쟁력에 심대한 영향을 미칠 것이 예상된다.
따라서 강화된 환경 규격을 충족시키는 연료유 공급을 위해서는 수소화 탈황 공정이나 수소화 분해 공정이 필수적으로 요구된다. 이러한 수소화 공정을 통하여 매장량이 풍부한 고유황 원유를 처리하여 안정적인 연료유 공급을 가능하게 할 수 있다.
수소화 공정에 필요한 수소의 생산은 주로 Steam Reforming 이나 Autothermal Reforming 공정을 이용하는데, 이에 사용 가능한 원료는
로 Light한 유분으로 제약되어 있다. 천연가스를 아주 싸게 조달할 수 있는 국가(미국, 북유럽, 동남아, 중동등)에서는 천연 가스를 원료로 사용하여 값싼 수소를 용이하게 조달하고 있다. 그러나 국내에서는 원료를 대부분 LNG, LPG, Light Naphtha 형태로 수입 사용하여야 하므로 원료 가격이 높다.
환경 규제의 강화에 따라 소비되는 수소의 양도 대폭 증가하게 되는데, 수소 가격이 높은 국내의 여건상 에너지 가격 상승을 유발하게 되어 국가 경쟁력이 저하된다.
그런데 정유 공장 잔사유(Refinery Residue)는 수소화 분해 공정과 수소화 탈황공정 등의 전환 공정의 Feed를 제조한 후, 남게 되는 고비점 유분으로 다량의 Metal, Asphaltene, CCR, Nitrogen이 농축되어 처리가 곤란하며 가격도 석탄 수준으로 낮다. 따라서 이러한 중질 잔사유를 사용하여 partial oxidation을 통한 수소 제조는 국내 여건상 매우 적합한 기술이다.
III. 기술개발 내용 및 범위
1. 연차별 연구의 최종 목표
가. 1차년도
수소제조용 중질유 가스화 반응기 제작 및 시운전
설계 : 0.1t/d, 6 atm, 1500℃
제작 및 시스템 설치 완료
반응기 시운전
나. 2차년도
중질유 가스화 운전 및 탈황 설비 설치
시스템 점검 및 운전
탈황설비 설치
수소전환 공정 설계
다. 3차년도
반응조건에 따른 특성실험 및 수소 전환 공정 설치 실험
조건변수에 따른 영향평가 (산소,수증기,온도,공급량)
최종 결과 분석후 현장적용 실험
중질유 성상에 따른 영향
최적 수소전환 촉매공정 설치 및 실험
2. 연차별 연구 내용
가. 1차년도
반응기 설계 (개념설계 및 상세 설계)
주변장치 설계 (원료, 산소공급, 냉각설치 완료
반응기 시운전
나. 2차년도
중질 잔사유 공정 시운전 및 결과 검토
연료공급시설, 분석시스템 및 계기류 점검
분무를 위한 감압잔사유 유동성 향상 연구
반응기 보완 및 탈황 설비 설치
수소 전환 공정 설계 및 촉매 선정
시스템 성능 실험 및 가스화 실험
다. 3차년도
조작변수(산소,수증기,온도,공급량) 변경실험
가스화 운전 최적 조건 파악
중질유 성상 변화에 따른 설비 점검
중질유 성상별 반응 특성 검토
최종결과 분석 현장적용 실험
수소 전환 실험
Ⅳ. 기술개발 결과 및 활용에 대한 건의
1. 기술개발 결과
Bench Scale Unit급 분류층 가스화 장치에서, 정유산업 부산물인 감압 잔사유의 부분산화 가스화 실험을 통하여 향후 중질유 가스화 기술 개발과 상업화 플랜트 건설 과정에서 예측되는 많은 문제점을 사전에 예방하고 가스화 반응기의 요소 기술 개발에 응용할 수 있는 자료의 확보를 위해, 감압잔사유 및 Emulsion 연료를 이용한 부분산화 가스화실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. Vacuum Residue-물 emulsion 연료의 제조시 기본조건으로 수분의 증발을 제한할 수 있는 일정한 시간 내의 분산시간과, 미세액적의 생성에 필요한 강력한 분산기의 사용, 그리고 주된 분산상(잔사유)에 물을 소량씩 첨가하는 방법으로 유화계의 제조를 실시하여야 한다. 강력한 분산기를 사용할 경우, 물의 첨가방법은 크게 문제되지 않는다.
2. 본 연구의 실험 온도 범위에서 가스화의 최적 O₂/VR의 비는 0.7이며, 생성된 가스의 발열량은 1,800∼2,300 kcal/N㎥의 발열량을 갖는데, 생성가스의 발열량을 증가시키기 위해서는 O₂/VR 공급비 등의 최적 가스화 반응 조건의 확립을 위한 연구가 보다 깊게 추진되어야 할 것이다.
3. Emulsion화 된 연료에 대한 가스화 실험결과로 반응온도는 1250℃로 O₂/emulsion VR= 0.7 일 때 최적이며, Emulsion화 된 연료가 주입 및 감압 잔사유의 가스화에 한 방편이 될 수 있다.
4. 탈황 설비는 기존에 확립된 기술로서, 대용량의 수소 제조 공정 건설시에는 Scrubber 형식의 설비와 알카리 용액의 재생 시설 등을 갖는 설비가 갖추어져야 될 것으로 생각된다. 또한 사용 용액도 값 싼 Mg(OH)2 용액의 이용이 바람직한 것으로 생각된다. 이에 관한 연구는 당연구소에서 청정과제 연구로 수행되고 있으며, 현재 시범 plant 건설 운용 중에 있어, 본 연구의 pilot plant 운전시에는 이를 적용하면 되는데, 부분적인 engineering 작업이 요구된다.
5. 고온 shift 반응만을 수행했는데, water shift reactor의 CO 전환율은 80%이상이 됨을 알 수 있었다. 2단으로 저온 shift 반응기까지 설치되면 출구에서의 CO 농도는 0.2%이하로 낮출 수 있을 것이다. 그런데, 이 분야도 현재 비료 공장에서 사용하고 있는 분야로 거의 확립된 분야이다. 따라서 중질 잔사유의 수소 제조 공정의 pilot plant 건설시 기존 water shift reaction 공정을 이용해도 좋을 듯하다.
2. 활용에 대한 건의
중질 잔사유의 부분 산화법에 의한 공정 개발이 부분적이지만, 성공적으로 이루어졌다고 본다. 공정 연구가 대부분 그렇듯이 Bench scale 규모의 연구에서 Pilot plant 및 Demonstration plant까지의 연구가 이루어져야 비로소, 새로운 공정이 개발되는 것으로 생각된다. 현재 당연구소에 설치되어 있는 부분 산화 반응 설비는 이 공정을 상용화설비로 적용하기 위해 기술개선 연구를 계속적으로 진행되어야 한다. 참여기업의 기업 측 사정에 의해 계속적인 지원이 이루어지지 않더라도 당 연구진에 의해 실험변수별 최적조업조건 선정을 위한 연구가 진행될 예정이다.
실질적으로 이 과제의 최종적인 목표는 개발된 공정을 참여기업체 또는 국내외 산업체에 설치하는 것이라 할 수 있다. 그러나 국내의 기술에 의해 개??는 많은 애로사항이 있으며, 그 중에서도 설치실적을 요? 있을 수밖에 없다.
본 연구에서 개발된 Bench Scale Unit는 또한 정유산업 폐기물 뿐만아니라, 발열량이 4,000kcal/kg이상이 되는 액상폐기물의 가스화에 의한 수소제조 공정에 사용 가능하다. 따라서 국내 정유사 중 중질유의 가스화 발전을 계획하고 있는 업체와 후속연구를 추진중에 있다.
3. 특허출원현황
특허출원현황
V. 기대효과
이번에 개발된 기술은 한국에너지기술연구소와 인천정유(주) 공동으로 기초연구에서 설비 및 운전까지 각 단계의 운영 know-how를 축적하여 감압잔사유 반응기 및 공정을 구성하므로서,중질 감압 잔사유의 수소 제조 공정의 개발 가능성 및 감압 잔사유의 화학 원료로의 이용가능성을 제기했다는 면과 외국기술의 도입 없이 설계, 건설 및 운전을 가능하게 했다는데 기술적인 의의를 둘 수 있다.
따라서 본 연구의 후속과제로 공정의 안정성 연구 및 운전실험 연구가 계속 이루어진다면 다음과 같은 기대효과를 얻을 수 있다.
수소의 제조 단가 혁신을 통한 청정에너지 공급 원가 절감
수소 제조용으로 사용되는 LPG, Light Naphtha 의 수입 축소
수소 생산용 가스화 공정의 보급
청정 연료유 생산의 원료 생산
고부가 화학/전자 산업의 기초 원료로 활용
전력/스팀 생산시 SOX, NOX 배출량의 혁신적 저감.

목차 Contents

• 제1장 서론
  제1절 서론
  1. 기술의 개요
  2. 기술개발의 중요성
  3. 기술 개발의 당면 과제 및 애로 기술
  4. 세부기술사항의 검토분석
  5. 특허 및 기술도입과의 중복여부에 대한 검토
  제2절 국내·외 관련 기술의 현황
  1. 국내의 경우
  2. 국외의 경우
  제3절 연구개요
  1. 연차별 연구의 최종 목표
  2. 연차별 연구 내용
  3. 단계별 연구개발의 추진체계
  4. 기대효과 및 활용방안
  제2장 분무를 위한 감압 잔사유의 유동성 향상연구
  제1절 서론
  제2절 실험
  1. Surfactant 선정
  2. 가소제 첨가
  3. System 조성
  4. 혼합유화시스템 제조
  제3절 결과 및 고찰
  1. 에멀젼계의 분산 및 안정성
  2. 감압 잔사유의 유변 물성 측정
  3. 유화계의 기본 물성 측정 및 유변학적 특성 측정
  4. 선정된 유하계의 동적유변물성 측정
  제4절 결론
  제3장 Drop tube reactor에서의 중질 잔사유와 스팀과의 반응 특성에 관한 연구
  제1절 서론
  1. 연구 배경 및 목적
  2. 이론적 고찰
  제2절 실험
  1. 실험 재료
  2. 실험 장치
  3. 실험 방법
  제3절 결과 및 고찰
  1. 실험 재료의 기초 물성
  2. Drop tube reactor에서의 가스화 반응 실험
  제4절 결론
  제4장 중질 잔사유 제조 공정 제작 및 기초 실험
  제1절 버너의 분무 특성 실험
  1. 노즐의 형태
  2. 노즐 설계에 따라 기본 요소 분석
  3. 버너 노즐 설계 기준 및 선정
  4. Nozzle cold Test에 의한 성능 시험
  제2절 반응 장치 설계
  1. Heat Loss 계산식 유도
  2. 반응로용 내화물 재질 및 Heat loss 계산
  3. 반응기의 기본설계
  4. 반응기의 상세 설계
  제3절 Heat Exchanger 설계 및 제작
  제4절 탈황 장치
  1. 건식 탈황 공정
  2. 습식 탈황 기술
  3. 탈황 장치의 설치
  제5절 water shift reactor
  1. 열역학적 반응화학
  2. 반응속도론 및 작용기구
  3. 사용 촉매
  4. 수소 전이 공정 설치
  제6절 전체 공정의 공정도
  제5장 BSU 설비에서의 부분 산화 실험
  제1절 부분 산화 실험
  1. 산화장치
  2. 감압