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Kafe 바로가기주관연구기관 | 포항산업과학연구원 Research Institute of Industrial Science & Technology |
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연구책임자 | 김경태 |
참여연구자 | 이상민 , 김용승 , 이윤조 , 이재성 , 이용걸 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2014-04 |
과제시작연도 | 2013 |
주관부처 | 산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 | TRKO201600017419 |
과제고유번호 | 1415129124 |
사업명 | 산업소재원천기술개발 |
DB 구축일자 | 2017-09-20 |
제 1 장 서론
제 1 절 과제의 개요
∘ 기술개요
- 철강산업 및 석유화학산업 등에서 발생하는 부생가스를 활용하여 경제적인 방법으로 수소 및 합성가스(CO + H2 혼합가스)를 대량 제조하고, 정제된 가스 및 정제 부산물(타르오일 등)을 이용하여 고부가 그린화학제품을 생산하는 기술.
∘ 철강산업 부생가스 발생현황 및 특성
- 국내 철강산업에서는 막대한 양의 부생가스(COG, LDG 등)가 발생되고 있으며, H2, CH4, CO 등이 주성
제 1 장 서론
제 1 절 과제의 개요
∘ 기술개요
- 철강산업 및 석유화학산업 등에서 발생하는 부생가스를 활용하여 경제적인 방법으로 수소 및 합성가스(CO + H2 혼합가스)를 대량 제조하고, 정제된 가스 및 정제 부산물(타르오일 등)을 이용하여 고부가 그린화학제품을 생산하는 기술.
∘ 철강산업 부생가스 발생현황 및 특성
- 국내 철강산업에서는 막대한 양의 부생가스(COG, LDG 등)가 발생되고 있으며, H2, CH4, CO 등이 주성분임.
- 코크스를 제조하는 공정에서 발생하는 코크 오븐가스(COG)는 56% H2, 8% CO, 27% CH4 등을 함유하고 있으며, 정제 여부에 따라 H2S가 수백에서 수천 ppm 이 포함되어 있음.
- 정제된 Clean COG의 경우 냉각 및 정제 과정을 통해 자체 연료로 사용됨.
- 미정제 Crude COG의 경우 고온 (~ 850 ℃)이며, 많은 양의 Tar 및 light oil 등의 불순물이 포함되어 있음.
- 강철을 생산하는 제강공정에서 발생하는 LD Converter Gas(LDG)는 주성분으로 CO가 64%로 구성되어 있으며, 18%의 이산화탄소와 16%의 질소도 포함되어 있음.
∘ 철강공정 COG에 함유되어 있는 유효 수소의 양은 24만톤/년 규모로 국내 총 수소생산량의 25%에 달함. 한편 이 COG에는 CH4, C2H6, C2H4, C3H6 등의 탄화수소 가스가 30% 함유되어 있기 때문에 이를 개질하면 30만톤/년 이상의 수소를 추가로 생산할 수 있음. 또한, LDG로부터 생산할 수 있는 CO 가스량은 220만톤/년 규모이며, 필요 시 이의 수성가스 전이반응(Water Gas Shift Reaction, WGS)에 의해 생산할 수 있는 수소의 양은 15만톤/년 규모임.
∘ 석유화학산업에서는 CH4 및 CO2가 주성분인 부생가스가 많이 발생하고 있으며, 예를 들어 호남석유의 경우 CH4 기준으로 약 20만톤/년 발생하고 있어 국내 석유화학 산업에서 발생하는 부생가스의 양은 막대할 것으로 추정됨.
∘ 방향족 화합물은 대부분 석유 유분으로부터 생산됨. 주로 석유 유분 가운데 중질 납사의 접촉 개질(Catalytic Reforming) 반응이나, 경질 납사의 열분해(Thermal Cracking)에서 얻어지는 열분해 가솔린에 의해서 제조됨. (출처: Nexant Consulting)
∘ 방향족 화합물은 대표적으로 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene) 등이 있으며, 페놀이나 PTA, NDC 등의 화학제품을 제조하는 중요한 원료로 사용되는 기초 유분으로 사용됨.
∘ 원료인 중질 및 경질 납사는 원유를 증류하는 가운데 얻어지는데, 그 수율은 대략 15% 수준으로 낮음. 반면에 방향족 화합물 시장은 지속적으로 성장하고 있고, 원유 생산량 역시 감소할 것으로 전망되고 있어, 장기적으로 납사 부족이 예상되고 있음. 따라서, 늘어나는 방향족 화합물의 수요를 충족하기 위해서는 새로운 원료를 통한 새로운 방향족 화합물 제조 기술이 요구되고 있음.
∘ 본 연구에서 개발하고자 하는 기술은, 이러한 상황을 반영하여, 원유 유분이 아닌 철강 산업의 석탄 유분인 부생 가스 및 부생가스 정제과정에서 발생하는 타르오일로부터 방향족 제품을 제조하고자 하는 기술로, 타르오일로부터 방향족 기초 유분을 제조하는 기술은 아직 전 세계적으로 개발된 바 없는 새로운 기술임.
1. 부생가스로부터 화학제품 생산용 합성가스 제조 기술
∘ 철강산업에서 COG(코크오븐가스) 및 LDG(전로가스) 등으로 발생하는 고온의 부생가스를 활용하여 수소 및 합성가스(CO+H2)를 제조하기 위한 촉매공정 기술 개발.
가. COG로부터 H2/CO 제조
∘ 개발기술내용
- COG(~수백 ppm H2S 존재)에 존재하는 메탄의 개질 반응을 위한 고효율 및 고내 황성 리포밍 촉매 기술 개발.
- COG 가스로부터 화학제품 (para-xylene, 2,6-NDC 등) 생산에 적합한 합성가스 조성 제어 기술 개발을 위한 복합리포밍 촉매공정 기술 개발.
- 고온의 COG(~수천 ppm H2S, tar, BTX 및 NH3 등의 불순물 존재)의 리포밍 반응에 내구성이 우수한 촉매공정 기술 개발.
- COG의 리포밍 반응 이전의 탈황 및 불순물 제거를 위한 공정 기술 개발.
- COG의 리포밍가스에 포함된 잉여의 CO를 수성가스전환 반응으로 H2-rich한 합성가스 생산용 촉매공정 기술 개발
나. LDG 로부터 CO 분리 정제
∘ 개발기술내용
- LDG 조성 및 특성에 맞는 CO 분리 정제 공정 개발.
∘ LDG 조성 및 특성에 맞는 COSORB 공정 시스템 개발 및 국산화
- LDG monitoring system 구축 : LDG 조성, 특성 및 회수 방안 도출
- COSORB 공정과의 연계를 위한 LDG 전처리 기술 개발
∘ LDG 조성 및 특성에 맞는 PSA pr℃ess 기술 개발
- 고효율 흡착제 개발을 통한 PSA 공정 시스템 개발
2. 정제가스 및 정제부산물로부터 고부가 그린화학제품 제조 기술
∘ 부생가스 정제과정에서 발생하는 부산물(타르오일)을 이용하여 방향족 화합물을 제조하는 공정은 부산물을 정제(탈황 등)하고 방향족화 하는 전처리 공정과, 혼합된 방향족 제품으로부터 파라 자일렌 (p-xylene), 2,6-NDC (Naphthalene Dimethyl Carboxylate) 혹은 2,6-DIPN (Diisopropyl naphthalene), 2,6-HNPA(6-Hydroxy-2-naphthoic acid) 등 고부가 제품을 제조하는 공정을 포함함.
∘ 개발기술내용
가. 타르오일을 정제(탈황, 탈질 등)하고, 방향족화 하는 공정 개발
- 타르 오일에는 다고리 방향족 화합물이 80%이상 존재함. 이 가운데, 적절한 범위의 유분만을 분리하여, 방향족 화합물, 특히 Benzene 및 p-Xylene이 다량 함유된 제품을 생산하는 공정을 개발하고자 함. 이 공정은 타르 오일 내에 다량 함유된 금속 및 무기 불순물을 제거하는 공정과, 아로마틱 제품으로 전환하는 공정으로 나뉘어져 있음.
나. 제조된 방향족 제품으로부터 NDC(naphthalene dimethyl carboxylate)를 제조하는 공정 개발
- 가의 제조 가운데, 나프탈렌(naphthalene) 및 메틸 나프탈렌(methyl naphthalene), 다이메틸 나프탈렌(dimethyl naphthalene)이 얻어지는데, 이 제품을 활용하여 2,6-다이메틸 나프탈렌 (2,6-DMN) 혹은 2,6-이소프로필 나프탈렌(2,6-DIPN) 제조를 거쳐 2,6-NDC를 제조하는 공정을 개발하고자 함. 이러한 제조 공정은 기존의 오쏘 자일렌(ortho-Xylene) 및 1,3-부타디엔(1,3-butadiene)을 사용하는 공정에 비하여 제조비를 70% 수준까지 낮출 수 있을 것으로 기대됨.
다. 제조된 방향족 제품으로부터 LCP(Liquid crystal polymers)의 monomer인 6-hydroxy-2-naphthoic acid (HNPA)를 제조하는 공정 개발
- 나프탈렌으로부터 2-naphthol을 합성하여 여기에 다시 methylation 반응과 산화반응을 통해 HNPA를 합성하고자 함.
라. 제조된 방향족 제품과 부생가스로부터 파라 자일렌 (p-Xylene)을 제조하는 공정개발
- 가에서 제조된 저가의 벤젠과 톨루엔을 부생가스에서 제조된 합성가스를 이용한 In-situ 반응에 의한 메탄올 합성 및 메틸레이션을 통하여 메탄올 부산물 없이 선택적으로 파라 자일렌을 제조하는 공정을 개발하고자 함.
(출처 : 본문 1장 서론)
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