탈황공정, 탈황 촉매, 석탄에너지와 CO2

중질유의 경질화공정은 그 기능상 두 가지로 분류할 수 있다. 하나는 잔사유와 같은 중질유에 다량 함유되어 있는 황, 금속, 아스팔텐 및 다른 오염물질을 제거하여 다음 단계의 경질화공정에 유용한 원료유를 제공하는 것인데, 열분해공정, 수소화처리공정 및 용매추출공정 등이 여기에 해당되며, 다른 하나는 중질유를 분해하여 품질이 좋은 경질유로 전환시키기 위한 촉매분해공정 및 촉매 수소화분해 공정 등이다. 탈황공정은 수소화처리공정에 포함되는 것으로 원료유와 수소를 혼합하여 고온·고압하에서 촉매(주로 Co-Mo계 또는 Ni-Mo계)와 접촉시켜 원유에 포함되어 있는 황 성분을 제거하는 공정이다. 탈황공정에서는 이와같은 탈황반응 이외에 탈질소, 탈산소, 탈금속 및 수소화 포화반응도 함께 진행되므로 품질이 뛰어난 제품을 생산할 수 있다. 탈황공정은 접촉개질공정에 사용되는 촉매를 보호하기 위하여 나프타의 전처리나 등·경유의 탈황, 윤활유 정제 및 중질유 직·간접 탈황공정 등에 널리 사용되고있다

 

탈황 공정

중질유의 경질화공정은 그 기능상 두 가지로 분류할 수 있다. 하나는 잔사유와 같은 중질유에 다량 함유되어 있는 황, 금속, 아스팔텐 및 다른 오염물질을 제거하여 다음 단계의 경질화공정에 유용한 원료유를 제공하는 것인데, 열분해공정, 수소화처리공정 및 용매추출공정 등이 여기에 해당되며, 다른 하나는 중질유를 분해하여 품질이 좋은 경질유로 전환시키기 위한 촉매분해공정 및 촉매 수소화분해 공정 등이다.

탈황공정은 수소화처리공정에 포함되는 것으로 원료유와 수소를 혼합하여 고온·고압하에서 촉매(주로 Co-Mo계 또는 Ni-Mo계)와 접촉시켜 원유에 포함되어 있는 황 성분을 제거하는 공정이다. 탈황공정에서는 이와같은 탈황반응 이외에 탈질소, 탈산소, 탈금속 및 수소화 포화반응도 함께 진행되므로 품질이 뛰어난 제품을 생산할 수 있다.

탈황공정은 접촉개질공정에 사용되는 촉매를 보호하기 위하여 나프타의 전처리나 등·경유의 탈황, 윤활유 정제 및 중질유 직·간접 탈황공정 등에 널리 사용되고있다

 

 

탈황 촉매 (Catalyst)

탈황반응을 위한 촉매는 알루미나(alumina), 마그네시아(magnesia), 키젤구어(ieselguhr) 및 티타니아(titania) 등에 함침된 전이금속의 황화물(suede)이나 산화물(oxide) 형태로 사용되며, 이러한 촉매들은 합성연료나 석유의 탈황, 탈질소 탈산소반응뿐만 아니라 방향족과 올레핀의 수소화반응에도 상당히 효과적인 것으로 알려져있다.

이들 탈황촉매는 대개 알루미나를 담체로 하여 CoM3, NiMo 또는 NiW 형태로 제조된다. 특히 황화물 형태로 된 경우에는 황과 질소의 피독에 대한 저항력이 뛰어나다.

일반적으로 탈황공정에 있어서 촉매선택의 가장 중요한 기준은 황성분 제거에 대한 높은 활성이다. 이러한 촉매의 활성에 영향을 미치는 변수들로는 담체의 물리적성질, 전체 금속의 담지량, 주촉매와 조촉매의 구성비, 함침순서, 용액의 pH 소성온도, 황처리 조건 등을 들 수 있는데 여기에서 금속의 담지량과 소성온도가 중요한 변수로 고려된다. 상용촉매에 있어서 코발트(cobalt)의 함량은 2∼4wt%, 몰리브덴(molybdenum)의 함량은 7∼14wt% 정도이며 소성온도는 4%∼550℃인데 이들 변수들은 담체, 주촉매, 조촉매들 사이의 상호작용(interaction)에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

 

석탄에너지와 탄산가스(CO2)

석탄은 화석연료중에서 가장 풍부하게 존재하는 자원이다. 석탄의 분포는 석유처럼 중동에 밀집해 부존해 있지 않고 전세계에 널리 퍼져있다. 현재 세계의 많은 나라가 그들의 에너지수요를 석탄으로 충당하고 있다. 앞으로도 이 추세는 계속될 것 같고, 중국이나 동남아시아 여러나라들은 발전용 에너지원으로 석탄을 중·장기 계획 속에 넣고 있다. 실상 석탄은 궁극적인 에너지원이 도래할 21세기 어느 시기까지는 우리가 가지고 있는 에너지 중간해결책 가운데 가장 유효한 것 중의 하나이다.

그러나 문제가 되는 것은 석탄이 환경 특히 지구 환경문제를 가장 어렵게 하고 있는 에너지원이라는 점이다. 그 이유중의 하나가 탄산가스의 대기중 농도는 현재 350ppm정도지만 이 수치는 전세기(19세기)에 비해 20%가 증가한 수치이다. 이 수치는 꽤 빨리 가속적으로 증가하고 있고, 이런 속도로 계속 증가한다면 21세기 중반에 가면 전세기의 2배이상에 도달할 것이 예측되고 있다. 이것은 온실효과(溫室效果)라는 물리적 현상에 의해 대기의 온도상승을 가져올 것이고, 이는 곧 해면(海面)의 상승을 동반할 것이다. 또한 이에 따른 기후의 변화는 세계의 농업(農業)에 막대한 영향을 가져올 것은 물론, 인류의 생활, 심지어 생존에 이르기까지 여러가지의 영향을 초래할 것이 분명하다. 이와 같이 앞으로 탄산가스의 상승에 따른 지구환경문제는 매우 심각할 것으로 예측되고 있다.

탄산가스 농도상승의 최대의 원인은 화석연료 이용이라는 것이 현재까지의 정설(定說)로 되어있다. 하나의 해결 방법은 너무도 자명하게, 화석연료의 사용을 최대한 억제하는 것이다. 어려운 일이긴 하지만, 인류가 자기자신의 지구의 파괴를 지연시키기 위하여 충분히 할 수 있는 일일 것이다. 여기서 생각해볼 수 있는 것은 화석연료중 어떤 종류의 화석연료가 가장 많은 탄산가스를 발생하고 있느냐 하는 것이다. 실은 다같은 화석연료이지만 그 물질의 구성(構成)에 따라 차이가 있다. 단위 칼로리 (Calorie)를 생산할 때에 발생하는 탄산가스의 양은 예컨대 천연가스를 1.0으로 할 때에 석유는 1.4이고 석탄은 2.0정도 된다는 것을 계산할 수 있다.

즉 석탄을 천연가스와 똑같은 효율로 이용한다고 했을 때, 실제 이것은 기술적으로 매우 어려운 일이지만, 석탄은 천연가스의 2배의 탄산가스를 배출하는 것이다. 최근 탄산가스의 발생을 억제하려는 여러가지의 연구개발이 한국에너지기술연구소를 비롯하여 연구소, 대학등에서 진행되고 있다. 다른 한 편에서는 석탄이용에 제약을 주는 여러 조치가 세계적으로 이루어지고 있어서 개발도상국가들이 어려움을 겪고 있는 것도 사실이다. 또 한편으로는

비화석(非化石)에너지의 개발이 활발하게 진행되고 있기도 하다. 그러나 이러한 활동들은 장기간의 리드타임을 필요로 하므로 쉽게, 단시일 내에 소기의 결실을 가져오기가 쉽지 않다.

그러면 탄산가스를 없애는 기술은 아직 없는가 하는 것이다. 잘 알려져 있는 산화황(SOx)과 산화질소(NOx)같은 공해물질들은 이미 탈황(脫黃), 탈질(脫窒)을 위한 장치가 발전소의 보일러나 자동차등에 설치되어 있어 대기 중에 방출되지 못하게 하고 있다. 탄산가스도 유사한 방법으로 제거하면 되지 않겠느냐 하겠지만 여기에는 2가지의 어려움이 있다.

첫째는 그 발생량(發生量)이 너무 많다(한국의 경우, 1년에 수억(數億)톤) 1년에 수억톤이라는 양은 실로 엄청난 양인 것이다. 탄산가스는 기체(氣體)이기 때문에 분리 회수하여 폐유전같은 곳에 매립을 한다하면 고체(固體)로 변환시켜야 한다. 예컨대 탄산염(炭酸鹽)으로 만든다면, 그 양이 2배 이상으로 늘어나게 될 것이다. 바다에다 버린다고 생각해보면 바다표면에는 버릴 수 없고(다시 대기중으로 기화(氣化)해버릴 것이므로) 고체상태로 심해(深海)에 묻는 도리밖에 없다. 탄산가스를 아민(Amine)계의 용제에 흡수시켜 파이프라인을 통하여 심해까지 수송하여 폐기하자는 아이디어도 있다.

현재 주목되고 있는 오염 저감기술로는 습식탈황공정 개발, 배가스 Plasma 방전기술, 배가스로부터 CO2분리기술, 저 NOx 연소기술등을 들 수 있는데, 이 가운데 한국에너지기술연구소에서는 공장굴뚝에서 배출되어 나오는 탄산가스를 농축회수하여 비료의 원료등으로 재활용하는 기술등을 개발하였으나, 경제적측면에서의 고려때문에 기업들이 도입을 꺼리고 있어 아직까지 유효하게 상용화되고 있질 못하지만, 앞으로는 환경에 대한 부담에서 어느 누구도 벗어날 수가 없다는 것이 현실이 되어가고 있다.

탄산가스 제거의 둘째 문제로는 그 배출원(排出源)이 광범위하다는 것이다. 화력발전소나 제철소등의 대량 고정발생원과 자동차, 가정용 석유스토브 등 소형발생원이 있어 그 배출윈이 도처에 산재해 있는 것이다. 실제로 탄산가스를 제거하자면 이 배출원들을 다 망라할 수는 없을 것이고 발전소나 산업용 대형보일러 등 대형장치에 제한하는 수 밖에 없어 보인다. 결국 발생량을 다 커버할 수는 없고 그중 수십퍼센트는 제거가 가능할 것이다. 어찌됐든 탄산가스 제거에 수반되는 비용은 실로 막대할 것이고 에너지를 발생하는데 드는 비용과 맞먹을 수도 있을 것이다.

탄산가스의 문제는 그 자체가 심각한 문제이지만, 한편 에너지소비에 대한 우리의 방만한 자세를 다시 한번 반성하게 해 준다. 에너지와 환경은 동전의 양면이라는 것을 일깨워 주기도 한다. 근래의 엘니뇨, 라니냐현상과 같은 기상이변등을 통해 지구는 에너지의 절약, 에너지의 효율적인 이용, 신에너지, 대체에너지의 개발, 비화석에너지의 개발등의 노력이 진지하고 성실하게 이루어져야 한다는 확실한 메시지를 전달해 주면서 이러한 노력들이 정부, 에너지관련업체, 연구기관, 대학 그리고 에너지소비자가 구호나 수사로 끝나서는 안된다는 뜻도 포함되어 있다고 할 것이다